关于电源设计中的功率因素校正你不可不知的几个问题

2019年10月11日 作者:Teardown

1 问题的提出

目前220v市电输入的开关电源,都是采用桥式整流后电容滤波的形式。如果是110V则一般用倍压整流。其基本连接如图1所示。由于Uc的存在,只有当市电的峰值超过它时二极管D才会导通,给负载提供能量。其他时间段D都是截止的,见图2。50Hz正弦波的半个周期是10mS,而这里D的导通时间只有(2~3)mS。故其峰值系数(峰值与其有效值之比)一般≥3,而正弦波形的峰值系数为1.414。

输入电流形成50Hz的脉冲,其总谐波失真THD可达120%,即所有高次谐波(频率为50Hz的n倍,n=2~∞),电流之和的均方根幅度超过了基波I1的幅度。功率因数由式(1)计算,式中Φ是电流和电压之间的相位角差。而THD的计算式见式(2)。

总谐波失真THD当然可以用频谱仪测量各次谐波的幅度再用公式计算,但是这很麻烦。一般都是用失真度计测量,测量范围一般可以从100%~0.01%。失真度计工作时是滤除基波,测量剩下的电压幅度值再和基波相除就得到总谐波失真THD。

功率因数PF的测量一般采用电能质量测试仪,比如杭州远方生产的PF9800 。这种仪器应该是同时测量出COSΦ和THD,经过运算得出PF值。由于谐波电流非正弦波,需要用真有效值表来测量。如果仪器内的真有效值表不到位,测出的PF值就会产生较大的误差。由于电流的峰点出现在电压的峰值处,Φ≈0,所以COSφ≈1。

当输入电流没有失真时THD=0,PF就是1,而THD>0时PF<1。通常市电经桥式整流、电容滤波后的PF约为0.6~0.7。滤波电容和母线等效负载电阻的乘积越大,整流管的导通时间就越短,故其峰值系数就越高,THD越大,所以PF值越小。

2 危害

由于谐波电流的幅度超过了基波的幅度,而它不做功只会使导线发热,消耗能量。

三相基波电流各相的相位差为120°,而谐波电流的相位很复杂,和基波电流合成后的电流彼此之间的相位会改变,三相的相位差不再是120°,造成三相不平衡。而不平衡的直接后果就是中线电流增加,严重时会烧毁变压器。下面举三个例子给予说明。

⑴ 输入调压器的异常。本人2000年以前开发的开关电源都不带PFC,开关电源输出的直流加1. 5kW负载(那时没有真有效值表,无法确定其输入VA)时,5kVA的调压器就发出相当大的哒哒声(注意:不是嗡嗡声),当负载增加到2.5kW时,调压器的震动让人无法忍受。而开关电源加入PFC后,加3kW的直流负载时,调压器发出比较大的嗡嗡声,完全不影响工作。

⑵ 500kVA的三相变压器不能够带80kW的开关电源负载。浙江某厂在90年代开发出一种1kW开关电源,用户要求80台同时老化。虽然是按三相均分的,但总烧中线保险丝,如果把保险丝电流加大,变压器发出异常声音,并有烧毁的迹象。不得已放弃同时老化。

⑶  浙江富阳某电镀厂,购进一台12V/10kA的可控硅整流电源。开机时全厂所有电子系统全部失灵,专家指出只能加有源功率因数补偿设备。但是,相应的设备比这台电源还要贵,难以承受。

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