審慎校正功率因子
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要點(diǎn)
全球日益增加的管理實(shí)體正在要求進(jìn)行功率因子管理。
功率電平——在這樣的功率電平下，功率因子管理成為一種受規章限制的問(wèn)題——已經(jīng)就電子設備和照明設備分別下降到75W和26W。
采用功率因子校正電路的目的是，無(wú)論電源電流的非正弦性質(zhì)如何，都將迫使來(lái)自電源線(xiàn)的輸入電流在波形及相位上酷似電源電壓。
通用電源設計（即那些適應低于100V至高于240V交流輸入的設計）的一個(gè)期望結果是，功率管理電路與電源無(wú)關(guān)，且設計者只需考慮那些與預期負載有關(guān)的問(wèn)題。這種功率管理方法通過(guò)減少為全球客戶(hù)群體服務(wù)所需的電源種類(lèi)而能產(chǎn)生相當大的規模經(jīng)濟。類(lèi)似的優(yōu)勢還能擴展到供應鏈、制造業(yè)與庫存管理運作。
但這種方法也會(huì )帶來(lái)以下不希望的結果：所獲得的電源必須滿(mǎn)足各類(lèi)市場(chǎng)的最嚴格標準要求。電源標準在過(guò)去幾十年間得到了長(cháng)足的發(fā)展，而且更重要的是，認識到這項標準價(jià)值的管理實(shí)體的數量最近也在不斷增加。理由很簡(jiǎn)單：盡管有待驗證，但電源的低效使用是導致分配或強制進(jìn)行基礎設施投資的主要原因。低功率因子對電網(wǎng)效率會(huì )帶來(lái)致命的影響，并已引起全世界的高度關(guān)注。歐盟率先推出了功率因子標準，但中國的強制性認證 (CCC)、美國國家環(huán)保署 (EPA) 的能源星 (Energy Star) 計劃以及日本的JIC-C-61000-3-2標準都表明，功率因子 (PF) 指標正在成為一項全球性強制規定。而且，較高的最小功率因子不再只限于大功率設備，更新的標準及規范被運用到僅消耗75W 或26W功率照明設備等電子產(chǎn)品中。
興風(fēng)作浪
為了解電子行業(yè)的最新發(fā)展趨勢是如何提高了人們對PF的關(guān)注程度，我們首先應該了解實(shí)際功率與視在功率的定義。電路實(shí)際功率定義為一個(gè)電源周期內瞬時(shí)電壓與電流乘積的平均值：
(公式1)
而視在功率則簡(jiǎn)單地定義為均方根 (rms) 電壓與電流的乘積：
(公式2)
PF則為PR與PA之比，通常用百分比來(lái)表示：
(公式3)
如果電壓與電流波形均為正弦波且同相，則實(shí)際功率與視在功率相等，從而得到百分之百的PF。當負載為全電阻性，尤其是非電感性發(fā)熱元件及鎢絲燈泡等時(shí)即存在這種關(guān)系。
電抗負載會(huì )在其電流與所加電壓間引起相移，但由于它們呈現為線(xiàn)性阻抗，因此電流波形仍為正弦波。其PF為：
(公式4)
其中相移θ直接來(lái)自阻抗：
(公式5)
這里，XL與RL分別為凈負載阻抗的電抗性分量與電阻性分量。
國際整流器公司 (International Rectifier) 首席執行官Alex Lidow指出，“我們所使用的電力有一半用于驅動(dòng)，而其中又有大約85% 進(jìn)入到機電設備或三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)驅動(dòng)的交流感應電機中（參考文獻1）。這種常見(jiàn)的安排迫使電網(wǎng)提供超出驅動(dòng)負載所需的電流，從而給電表測量帶來(lái)麻煩，因為正如公式1所表示的，凈電流包括同相分量與正交分量（圖1）。故提供給系統的視在功率分解成以下兩個(gè)分量，即驅動(dòng)設備工作并抽取IP電流的實(shí)際分量與抽取電機電抗性或磁化電流IR的正交分量。因此凈電流為：
(公式6）
由此我們可以重新定義PF：
(公式7）
在工業(yè)設備中，公用事業(yè)電力公司可能會(huì )分別測量以上兩項功率，即用一個(gè)標準千瓦時(shí)電表來(lái)測量實(shí)際分量，而用另一個(gè)千瓦時(shí)電表來(lái)測量正交分量。而在這種情況下的計費，會(huì )采用計費周期內這兩項讀數的均方根 (rms) 值。但大多數公用事業(yè)電力用戶(hù)卻只有一個(gè)電表，這對于電力公司的計費來(lái)說(shuō)相當不公平：供電方顯然應該以能量（或功率）單位來(lái)計費，但行業(yè)卻以電流單位來(lái)計算配電系統基礎設施的容量。假設公式3中的交流電壓具有恒定的幅度與參考相位，則常數相消，PF變成（在計費期內一個(gè)周期接一個(gè)周期地積分得到的）實(shí)際電流與視在電流之比——正如電力公司所看到的。以這種觀(guān)點(diǎn)，PF可測量電力公司能計費的電流容量部分，不利的是，PF的倒數變成了超額建造電網(wǎng)基礎設施的要求。這種負載性能與運營(yíng)成本和投資成本之間的關(guān)系將PF抬高到了規章所限定的最高水平。
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