单相电路参数测量和功率因数的提高
单相电路参数测量及功率因数的提高
一实验目的
1．掌握单相功率表的使用。
2．了解日光灯电路的组成、工作原理和线路的连接。
3．研究日光灯电路中电压、电流相量之间的关系。
4．理解改善电路功率因数的意义并掌握其应用方法。
二实验原理
1．日光灯电路的组成
日光灯电路是一个RL串联电路，由灯管、镇流器、起辉器组成，如图3－1所示。由于有感抗元件，功率因数较低，提高电路功率因数实验可以用日光灯电路来验证。
I
图3－1日光灯的组成电路
灯管：内壁涂上一层荧光粉，灯管两端各有一个灯丝（由钨丝组成），用以发射电子，管内抽真空后充有一定的氩气与少量水银，当管内产生辉光放电时，发出可见光。
镇流器：是绕在硅钢片铁心上的电感线圈。它有两个作用，一是在起动过程中，起辉器突然断开时，其两端感应出一个足以击穿管中气体的高电压，使灯管中气体电离而放电。二是正常工作时，它相当于电感器，与日光灯管相串联产生一定的电压降，用以限制、稳定灯管的电流，故称为镇流器。实验时，可以认为镇流器是由一个等效电阻R L和一个电感L串联组成。
起辉器：是一个充有氖气的玻璃泡，内有一对触片，一个是固定的静触片，一个是用双金属片制成的U形动触片。动触片由两种热膨胀系数不同的金属制成，受热后，双金属片伸张与静触片接触，冷却时又分开。所以起辉器的作用是使电路接通和自动断开，起一个自动开关作用。
2．日光灯点亮过程
电源刚接通时，灯管内尚未产生辉光放电，起辉器的触片处在断开位置，此
时电源电压通过镇流器和灯管两端的灯丝全部加在起辉器的二个触片上，起辉器的两触片之间的气隙被击穿，发生辉光放电，使动触片受热伸张而与静触片构成通路，于是电流流过镇流器和灯管两端的灯丝，使灯丝通电预热而发射热电子。与此同时，由于起辉器中动、静触片接触后放电熄灭，双金属片因冷却复原而与静触片分离。在断开瞬间镇流器感应出很高的自感电动势，它和电源电压串联加到灯管的两端，使灯管内水银蒸气电离产生弧光放电，并发射紫外线到灯管内壁，激发荧光粉发光，日光灯就点亮了。
灯管点亮后，电路中的电流在镇流器上产生较大的电压降（有一半以上电压），灯管两端（也就是起辉器两端）的电压锐减，这个电压不足以引起起辉器氖管的辉光放电，因此它的两个触片保持断开状态。即日光灯点亮正常工作后，起辉器不起作用。
3．日光灯的功率因数
日光灯点亮后的等效电路如图2 所示。灯管相当于电阻负载R A ，镇流器用内阻R L 和电感L 等效代之。由于镇流器本身电感较大，故整个电路功率因数很低，整个电路所消耗的功率P 包括日光灯管消耗功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。只要测出电路的功率P 、电流I 、总电压U 以及灯管电压U R ，就能算出灯管消耗的功率P A =I ×U R ，
镇流器消耗的功率P L =P ?P A ，UI
P
=?cos
R A
图3－2日光灯工作时的等效电路
2．功率因数的提高
日光灯电路的功率因数较低，一般在0.5 以下，为了提高电路的功率因数，可以采用与电感性负载并联电容器的方法。此时总电流I 是日光灯电流 I L 和电容器电流 I C 的相量和：?
?
?
+=C L I I I ，日光灯电路并联电容器后的相量图如图3 所示。由于电容支路的电流I C 超前于电压U 90°角。抵消了一部分日光灯支路电流中的无功分量，使电路的总电流I 减小，从而提高了电路的功率因数。电压与电流的相位差角由原来的 1?减小为?，故cos ?＞cos 1?。
当电容量增加到一定值时，电容电流C I 等于日光灯电流中的无功分量，?= 0。cos ?=1，此时总电流下降到最小值，整个电路呈电阻性。若继续增加电容量，
总电流I 反而增大，整个电路变为容性负载，功率因数反而下降。
L
I 1
C I 2C I 3C I
图3－3 日光灯并联电容器后的相量图
三 实验预习要求
1． 预习日光灯工作原理，并联电容器对提高感性负载功率因数的原理、意
义及其计算公式。
2． 如图3－1所示电路中，日光灯管（R A ）与镇流器（R L 、L ）串联后，接
于220V 、50Hz 的交流电源上，点亮后，测得其电流I =0.35A ，功率P =40W ，灯管两端电压U A =100V 。要求写出下列各待求量的计算式。 ①求cos φ1=？、φ1=？、R A =？、R L =？、L =？、灯管消耗的功率A P 和镇流器消耗的功率L P 。
②并联C =3μF 后，求I C =？、I =？、cos φ=？。
③按比例画出并联电容器后的相量图。（如图3－3，计算出电压与总电流的相位差角φ）
3．熟悉交流电压表、电流表和单相自耦调压器的主要技术特性，并掌握其正确的使用方法。
四 实验设备与器件
1． 交流电压表 2． 交流电流表 3． 功率表 4． 自耦调压器 5． 镇流器 6． 电容器
7． 起辉器 8． 日光灯管 9． 电流表插座
五 实验内容与步骤
日光灯实验线路如图3－4所示。
图3－4日光灯交流电路
1．日光灯电路研究和参数测量
按图3－4接线，注意功率表的接法，断开所有的电容器，经指导教师检查后接通市电交流220V 电源，调节自耦调压器的输出电压至110V 左右，测量功率P ，电流I ，电压U 、L U 与A U ，将数据记录在表1起辉值栏目中，再调节自耦调压器的输出电压至220V 正常值，测量功率P ，电流I ，电压U 、L U 与A U ，将数据记入表3－1正常工作值栏中，并计算出R A 、R L 、L 填入下表
表3－1 日光灯电路等效参数测量
2．提高感性负载功率因数实验
如图3－4所示的实验线路中，按2.2μF 、4.7μF 、6.μF 、依次并上电容器C 1、C 2、C 3。当电容变化时，分别记录功率表及电压表读数，测得三条支路电流
I、I L、I C的值。测量数据记入表2。
表3－2日光灯功率因数提高实验参数测量
注：表中'I为I的计算值，
?
?
?
+
=
C
L
I
I
I，其中I L和I C为上表中测量值。
六实验思考题
1．给出实验内容（1）中计算R A、R L、L的计算过程及公式，将结果填入表1中。
2．计算出本实验中灯管消耗的功率P A和镇流器消耗的功率P L。
3．画出实验内容（2）当电容为0、2.2μF、4.7μF、6.9μF时类似图3的电
压电流相量图，要求计算出各总电流?
I与总电压
?
U的相位差角，给出公式及计算
过程。
4．若要使本实验中日光灯电路完全补偿（也就是功率因数提高到1），需要并联多大容值的电容？请给出计算式并计算出最后结果。
5．是否并联电容越大，功率因数越高？为什么？
6．当电容量改变时，功率表有功功率的读数、日光灯的电流、功率因数是否改变？为什么？
七实验注意事项
1．本实验用交流市电220V，用单相自耦调压器来实现电压调节，当供电电源电压为220V时，调压器的输出可在0~250V之间连续调节，务必注意人身和设备的安全。注意电源的火线和地线，在实际安装日光灯时，开关应接在火线上。
2．在使用自耦调压器过程中，接通电源前，都必须将电压调至零电压处（即逆时针旋转到头，然后再合上电源，逐渐增大电压至需要值。
3．不能将220 V 的交流电源不经过镇流器而直接接在灯管两端，否则将损
坏灯管。
4．功率表、电压表、电流表要正确接入电路，电流表应串入电路中测量电流。
5．电路接线正确，日光灯不能起辉时，应检查起辉器及其接触是否良好。
6．每次改接线路，一定要在断开电源的情况下进行，以免发生意外。
八实验报告要求
1．结合实验思考题，完成表3－1和表3－2的数据计算。
2．根据实验数据说明日光灯电路并联电容器后总电流变化与电容量的关系，电容量过大对电路性质有什么影响。
3．以电容C的值为自变量绘制
cos曲线。
4．小结本实验得到的结论和心得体会。
*5. 根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。
2 kW有源功率因数校正电路设计
2 kW 有源功率因数校正电路设计 概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器 设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校 正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。 1 引言 目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波 污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基 波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数 下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造 成潜在危害。 有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数， 减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
功率因数校正之基本原理
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
单相功率因数校正的仿真研究.
学号14051400645 毕业设计（论文） 题目：单相功率因数校正电路的仿真研究 作者王任届别2009届 系别机械与电气工程系专业自动化 指导教师荣军职称讲师 完成时间2009年5月21日
摘要 现代开关电源技术所面临的最重要课题之一就是功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)。在各种单相PFC电路拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用。本文叙述了有源功率因数校正(APFC)的原理和方法，对硬开关和软开关主电路的主要元器件参数进行设计，并在软件环境下搭建了功率因数校正电路Boost变换器与Boost-ZVT变换器的仿真模型，分别对输入电压与输入电流、开关管驱动波形、输出电压与输出电流进行仿真，并对仿真结果进行分析和比较，指出了它们各自的优点与缺点。 关键词：开关电源；功率因数校正；OrCAD/PSpice仿真
ABSTRACT One of the most important issue in modern switching power technology is the Power Factor Correction(PFC). Among a variety of single-phase PFC circuit, Boost boost power factor correction has been widely used as a result of the simplicity of the main circuit structure, high conversion efficiency and easy control strategy achievement. This paper considers the principle and method of the Active Power Factor Correction(APFC) and designs the parameters of main circuit components of hard switching and soft switching. Meanwhile, it establishs the PFC Boost converter circuit and the Boost-ZVT converter simulation model by utilizing software. Moreover, it simulates the waveform of input voltage and current together with the drive waveform of the switch tube and the waveform of output voltage and output current respectively. At last, it analyzes the simulation results, then makes a comparison, pointing out their advantages and disadvantages respectively. Key words: Switching Power; PFC; OrCAD/PSpice simulation
实验十五 交流电路功率的测量
实验十五 交流电路功率的测量 实验目的 1．学习交流电路中功率及功率因数的测定方法； 2．加深对功率因数概念的理解，进一步了解交流电路中电阻、电容、电感等元件消耗功率的特点； 3．学习一种提高交流电路功率因数的方法． 仪器和用具 负载（铁芯电感为 40W 日光灯镇流器，阻值为 300Ω左右的变阻器）、电动型瓦特表（低功率因数瓦特表W -D34型额定电流为 0.5A 、1A ，额定电压为 150V 、300V 、600V ，功率因数20.φcos =）、铁磁电动型交流电压表、电磁型电流表、电容（0.5μF 、l μF 、2μF 、4μF 、10F 各一个）、调压变压器、示波器、音频信号发生器.-MF 20型晶体管万用表、双刀双掷开关两个等． 实验原理 一、交流功率及功率因数 在直流电路中、功率就是电压和电流的乘积，它不随时间改变．在交流电路中，由于电压和电流都随时间变化，因而它们的乘积也随时间变化，这种功率称为瞬时功率p ． 设交流电路中通过负载的瞬时电流i 为 t ωI i sin m = （C.13.1） 负载两端的瞬时电压u 为 ()φt ωU u +=sin m （C.13.2） 则瞬时功率 ()()φt ωt ωI U i u p +=?=sin sin m m （C.13.3） 平均功率 R 图C.13.1
()()()[]???+-?=+==T T T dt φt ωφI U T dt φt ωt ωI U T pdt T P 0m m 0 m m 02cos cos 2 1 1sin sin 11 其中第二项积分为零，所以 φUI φI U dt φI U T P T cos cos 2 1 cos 211m m 0m m ===? （C.13.4） 平均功率不仅和电流、电压的有效值有关，并和功率因数φcos 有关． 由图C.13.1所示可知 I U φUI P R ==cos （C.13.5） 故平均功率也就是电路中电阻上消耗的功率，也称有用功率．由于电压与电流有效值的乘积称为总功率，也称视在功率S ，即 UI S = （C.13.6） 故 φUI φ UI S P cos cos == （C.13.7） 功率因数φcos 就是电源送给负载的有用功率P 和总功率S 的比值，它是反映电源利用率大小的物理量． 测量功率的方法很多，最常用的是瓦特表，此外示波器也可测量功率（示波器适用于测量高频情况下较小的功率）． 二、瓦特表测量功率及功率因数 1．瓦特表测功率 本实验采用电动型瓦特表，电动型瓦特表的测量机构示意图如图C.13.2所示． 电动型瓦特表内部测量机构有两个线圈，线圈A 为固定线圈，它与负载串联而接人电路，通过固定线圈的电流就是负载电 流，因此称固定线圈A 为瓦特表的电流线圈；线圈B 为动圈，线圈本身电阻很小，往往与扩程用的高电阻相串联，测量时与负载相并联，动圈支路两端的电压就是负载电压1U ，因此图C.13.2 电动型仪表测量机构示意图 1．固定线圈；2．可动线圈；3、4．支架； 5．指针；6．游丝
PFC开关电源功率因数校正原理
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。
无源功率因数校正电路的原理和应用
无源功率因数校正电路的原理和应用 摘要:本文介绍SIEMENS公司提出的开关电源集成控制器TDA16846无源功率因数校正(PFC)电路原理及其在电视机开关电源中的应用。功率因数的改善是基于一个特殊的由电感,电容及二极管组成的充电泵电路,该电路在功率管的高压端兼起吸收缓冲作用,因此它具有输入谐波电流分量小,PF值高以及EMI小、电路简单、成本低和可靠性高等优点。这为电视机厂家提供了一个高效价廉的解决电源谐波问题的新方案。 关键词:开关电源功率因数校正 一、引言 众所周知,目前电视机和大部分通用电器都广泛地从交流电网中提取电能经整流后变成直流电供全机使用,AC电源经桥式整流后常接一个滤波平整电容。由于该电容的存在,使整流臂的导通时间小于半个周期,因而做成输入电源电压是正弦形,而输入电流却是正负交替的脉冲形。后者导致大量电流谐波特别是三次谐波的产生,这既构成对电网效能的干扰和损害,又降低了本机功率因数,为此，我国跟欧美各国一样，已于去年12月1日起正式实施限制功耗大于75W的通用电器产品输入谐波电流的新规定。面对这种新情况,当前各电器厂家都必须考虑更新产品中的电源设备,尤其是对25英寸以上的彩色电视机,过去国内产品绝大部分都没有安装PFC电路,其PF值一般在0.55～0.65之间,输入电流谐波分量往往超出国家限定的标准,因此改进电源电路,增加PFC功能以便降低电视机的输入电流谐波分量是各厂家的当务之急。 本文介绍由SIEMENS公司推出的与开关电源集成控制器TDA16846配合使用的一个无源功率因数校正(PFC)电路,该电路能将电源PF值提高到0.9以上,与有源PFC电路相比,它明显地具有结构简单,成本低,可靠性高,和EMI小等优点,因此对电视机厂家来说,不失为一个有效的解决电源谐波问题的可行方案。 二、无源PFC电路工作原理介绍 图1示出一个不含PFC的标准型电源电路的输入电压Vm和输入电流Im波形,Im只在Vm为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外,Im为零。这是因为此时的正弦电压输入值小于泸波电容上的电压,导致整流二极管不导通的缘故。
功率因数校正电路(pfc)电路工作原理及应用
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 第25卷第3期上海电力学院学报V o l .25,N o .3 2009年6月 J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r J u n e 2009 文章编号:1006-4729(2009)03-0201-07 有源功率因数校正技术及控制方式分析 收稿日期:2009-03-30 作者简介:张浩(1962-),男,博士,教授,博士生导师,江苏无锡人.主要研究方向为电力系统自动化,工业以太网, 现场总线,电力监测与管理,电力企业信息化等.E -m a i l :h z h a n g k @y a h o o .c o m .c n . 张 浩,许龙虎 (上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090) 摘 要:电力电子设备谐波污染问题越来越严重,功率因数校正技术是解决该问题的最有效方法,而有源功率因数校正(A P F C )技术因其独特的优势成了该领域的研究重点.介绍了功率因数的定义和校正原理,并根据有源功率因数校正电路说明了A P F C 的工作原理,重点阐述了A P F C 技术的各种控制方法及其未来的发展趋势. 关键词:有源功率因数;校正技术;控制方式中图分类号:T P 217+.3 文献标识码:A A c t i v e P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n T e c h n o l o g y a n dC o n t r o l Me t h o d s A n a l y s i s Z H A N GH a o ,X UL o n g -h u (C o l l e g e o f E l e c t r i c P o w e r a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ,S h a n g h a i 200090,C h i n a ) A b s t r a c t : T h eh a r m o n i c p o l l u t i o np r o b l e m o f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m e s m o r ea n dm o r e s e r i o u s ,a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y i s t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e ma n d t h e a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n(A P F C )t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e a r c hf o c u s o w i n gt oi t s u n i q u e a d v a n t a g e s .T h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l e s o f p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o na r ei n t r o d u c e d ,t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f A P F Ct e c h n o l o g y i s s h o w e d a c c o r d i n g t o t h e A P F Cc i r c u i t .T h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n d v a r i o u s c o n t r o l m e t h o d s o f A P F Ct e c h n o l o g y a r e m a i n l y a n a l y z e d .K e y w o r d s : a c t i v e p o w e r f a c t o r ;c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y ;c o n t r o l m e t h o d s 随着我国经济的发展,各种换流设备的使用越来越多、容量越来越大,加上一些非线性用电设备接入电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变,造成电能质量下降,威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行.为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布了G B /T 14549 -93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会(I E C )1998年制定了I E C 61000-3-2标准 [1] .解 决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种:一是对电网采用滤波补偿;二是对电力电子设备本 身进行改进,即进行功率因数校正.相对来说,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一 个重要研究方向[2] . 实验五：单相有源功率校正电路 （一）实验目的 1.掌握单相有源功率校正电路的工作原理，要求输出电压达到给定值，且网侧电流正弦化，功率因数为1； 2.掌握电压外环和电流内环的设计方法。 （二）实验原理 有源功率因数校正(Active Power Factor Correction APFC)电路，是指在传统的不控整流中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。 基本的单相APFC电路在单相桥式不可控整流器和负载电阻之间增加一个DC-DC功率变换电路，通常采用Boost电路。通过适当的控制Boost电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。其电路原理图如图1所示。 假定开关频率足够高，保证电感L的电流连续;输出电容C足够大，输出电压u o可认为是恒定直流电压。电网电压u i为理想正弦，即u i=U m sinωt，则不可控整流桥的输出电压u d为正弦半波，u d=u i=U m sinωt。 图1.APFC电路原理图 当开关管Q导通时，u d对电感充电，电感电流i L增加，电容C向负载放电;当Q关断、二极管D导通时，电感两端电压u L反向，u d和u L对电容充电，电感电 流i L减小。电感电流满足下式。 通过控制Q的通断，即调节占空比D，可以控制电感电流i L。若能控制i L近似为正弦半波电流，且与u d同相位，则整流桥交流侧电流i i也近似为正弦电流，且与电网电压u i同相位，即可达到功率因数校正的目的。为此需要引入闭环控制。 控制器必须实现以下两个要求:一是实现输出直流电压u o的调节，使其达到给定值;二是保证网侧电流正弦化，且功率因数为1。即在稳定输出电压u o的情况下，使电感电流i L与u d波形相同。采用电压外环、电流内环的单相APFC双闭环控制原理如图2所示。 电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值i L?。给定输出电压u o?减去测量到的实际输出电压u o的差值，经PI调节器后输出电感电流的幅值指令I L?测量到的整流桥出口电压u d除以其幅值U m后，可以得到表示u d波形的量u d′,u d′为幅值为1的正弦半波，相位与u d相同。I L?与u d′相乘，便可以得到电感电流的指令值i L?。i L?为与u d′同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压u o的大小。 图2.APFC控制框图 电流内环的任务是通过控制开关管Q的通断，使实际的电感电流气跟踪其 单相电路参数测量及功率因数的提高 一实验目的 1．掌握单相功率表的使用。 2．了解日光灯电路的组成、工作原理和线路的连接。 3．研究日光灯电路中电压、电流相量之间的关系。 4．理解改善电路功率因数的意义并掌握其应用方法。 二实验原理 1．日光灯电路的组成 日光灯电路是一个RL串联电路，由灯管、镇流器、起辉器组成，如图3－1所示。由于有感抗元件，功率因数较低，提高电路功率因数实验可以用日光灯电路来验证。 I 图3－1日光灯的组成电路 灯管：内壁涂上一层荧光粉，灯管两端各有一个灯丝（由钨丝组成），用以发射电子，管内抽真空后充有一定的氩气与少量水银，当管内产生辉光放电时，发出可见光。 镇流器：是绕在硅钢片铁心上的电感线圈。它有两个作用，一是在起动过程中，起辉器突然断开时，其两端感应出一个足以击穿管中气体的高电压，使灯管中气体电离而放电。二是正常工作时，它相当于电感器，与日光灯管相串联产生一定的电压降，用以限制、稳定灯管的电流，故称为镇流器。实验时，可以认为镇流器是由一个等效电阻R L和一个电感L串联组成。 起辉器：是一个充有氖气的玻璃泡，内有一对触片，一个是固定的静触片，一个是用双金属片制成的U形动触片。动触片由两种热膨胀系数不同的金属制成，受热后，双金属片伸张与静触片接触，冷却时又分开。所以起辉器的作用是使电路接通和自动断开，起一个自动开关作用。 2．日光灯点亮过程 电源刚接通时，灯管内尚未产生辉光放电，起辉器的触片处在断开位置，此 时电源电压通过镇流器和灯管两端的灯丝全部加在起辉器的二个触片上，起辉器的两触片之间的气隙被击穿，发生辉光放电，使动触片受热伸张而与静触片构成通路，于是电流流过镇流器和灯管两端的灯丝，使灯丝通电预热而发射热电子。与此同时，由于起辉器中动、静触片接触后放电熄灭，双金属片因冷却复原而与静触片分离。在断开瞬间镇流器感应出很高的自感电动势，它和电源电压串联加到灯管的两端，使灯管内水银蒸气电离产生弧光放电，并发射紫外线到灯管内壁，激发荧光粉发光，日光灯就点亮了。 灯管点亮后，电路中的电流在镇流器上产生较大的电压降（有一半以上电压），灯管两端（也就是起辉器两端）的电压锐减，这个电压不足以引起起辉器氖管的辉光放电，因此它的两个触片保持断开状态。即日光灯点亮正常工作后，起辉器不起作用。 3．日光灯的功率因数 日光灯点亮后的等效电路如图2 所示。灯管相当于电阻负载R A ，镇流器用内阻R L 和电感L 等效代之。由于镇流器本身电感较大，故整个电路功率因数很低，整个电路所消耗的功率P 包括日光灯管消耗功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。只要测出电路的功率P 、电流I 、总电压U 以及灯管电压U R ，就能算出灯管消耗的功率P A =I ×U R ， 镇流器消耗的功率P L =P ?P A ，UI P =?cos R A 图3－2日光灯工作时的等效电路 2．功率因数的提高 日光灯电路的功率因数较低，一般在0.5 以下，为了提高电路的功率因数，可以采用与电感性负载并联电容器的方法。此时总电流I 是日光灯电流 I L 和电容器电流 I C 的相量和：? ? ? +=C L I I I ，日光灯电路并联电容器后的相量图如图3 所示。由于电容支路的电流I C 超前于电压U 90°角。抵消了一部分日光灯支路电流中的无功分量，使电路的总电流I 减小，从而提高了电路的功率因数。电压与电流的相位差角由原来的 1?减小为?，故cos ?＞cos 1?。 当电容量增加到一定值时，电容电流C I 等于日光灯电流中的无功分量，?= 0。cos ?=1，此时总电流下降到最小值，整个电路呈电阻性。若继续增加电容量， 实验八 单相交流电路及功率因数的提高 一、实验目的 1. 研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。 2. 了解日光灯电路的特点，理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。 二、原理说明 1. 交流电路中电压、电流相量之间的关系在单相正弦交流电路中，各支路电流和回路中各元件两端的电压满足相量形式的基尔霍夫定律，即 Σ?＝0和ΣU ＝0 图8-1所示的RC 串联电路，在正弦稳态信号U 的激励下，电阻上的端电压U 与电路中的电流I 同相位，当R 的阻值改变时，R U 和C U 的大小会随之改变，但相位差总是保持90°，R U 的相量轨迹是一个半圆，电压U 、C U 与R U 三者之间形成一个直角三角形。 即U =R U +C U 相位角φ＝acr tg (Uc / U R ) 改变电阻R 时，可改变φ角的大小，故RC 串联电路具有移相的作用。 2. 交流电路的功率因数 交流电路的功率因数定义为有功功率与视在功率之比，即 c os φ＝P / S 其中φ为电路的总电压与总电流之间的相位差。 交流电路的负载多为感性（如日光灯、电动机、变压器等），电感与外界交换能量本身需要一定的无功功率，因此功率因数比较低(cos φ＜0.5)。从供电方面来看，在同一电压下输送给负载一定的有功功率时，所需电流就较大；若将功率因数提高 (如cos φ＝1 )，所需电流就可小些。这样即可提高供电设备的利用率，又可减少线路的能量损失。所以，功率因数的大小关系到电源设备及输电线路能否得到充分利用。 为了提高交流电路的功率因数，可在感性负载两端并联适当的电容Ｃ，如图8-2所示。并联电容Ｃ以后，对于原电路所加的电压和负载参数均未改变，但由于C I 的出现，电路的总电流I 减小了，总电压与总电流之间的相位差φ减小，即功率因数cos φ得到提高。 功率因数校正原理及相关IC 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。2高次谐波及功率因数校正一般开关电源的输入整流电路为图1所示：市电经整流后 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。 2高次谐波及功率因数校正 一般开关电源的输入整流电路为图1所示： 市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这 种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I 式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值 的比称之为总谐波畸变THD(TotalHarmonicDistortion) THD=(2) 用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如： ——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等； ——引起电话网噪音； ——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭； ——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。 功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。 设电容输入型电路的输入电压e为： 单相功率因数校正电路的设计与研究 目录 摘要............................................... 错误!未定义书签。ABSTRACT............................................ 错误!未定义书签。目录 (1) 1 绪论 (2) 1.1开关电源概述................................. 错误!未定义书签。 1.2功率因数校正概述 (2) 1.3软开关单相升压功率因数校正 (3) 2 有源功率因数校正APFC的基本工作原理与应用 (3) 2.1功率因数校正（PFC）的定义及意义 (3) 2.1.1 功率因数校正的定义 (3) 2.1.2 功率因数校正的意义 (4) 2.2有源功率因数校正技术的研究现状 (6) 2.3功率因数校正实现方法 (6) 2.4有源功率因数校正技术的分类 (7) 3 BOOST变换器功率因数硬开关校正电路的仿真 (7) 3.1主电路的设计及工作波形图 (7) 3.2B OOST变换器基本原理 (8) 3.3主电路主要元器件的参数设计 (9) 3.3.1 高功率因数校正硬开关AC/DC变换电路技术指标 (9) 3.3.2 升压电感的设计 (9) 的设计 (10) 3.3.3 输出电容C O 3.4主电路的仿真与分析 (11) 4 BOOST型ZVT-PWM功率因数软开关校正电路的仿真 (14) 4.1主电路的设计及工作波形图 (14) 4.2B OOST型ZVT-PWM变换器工作原理 (15) 4.3B OOST型ZVT-PWM变换器运行模式分析 (15) 4.4硬开关技术的缺点 (17) 4.5B OOST型ZVT-PWM变换器的优缺点 (19) 4.6软开关技术的特性 (19) 4.7主电路主要元器件的参数设计 (21) 4.7.1 高功率因数校正软开关AC/DC变换电路技术指标 (21) 4.7.2 谐振电感Lr的设计 (21) 4.7.3 谐振电容Cr的设计 (22) 4.8主电路的仿真与分析 (22) 5 全文总结 (25) 仪器科学与电气工程学院 本科毕业论文（设计）开题报告 题目：单相功率因数检测电路设计 学生姓名：学号： 专业：电气工程及其自动化 指导教师： 2013年12月20日 1. 选题依据 1.1 选题背景 功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中功率因数越大则电路中的视在功率供给有功功率就越大，无功功率的消耗就越少。用户功率因数的高低对电力系统发、供、用电设备的充分利用有着显著的影响。无功补偿可以降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、改善供电电压质量。 对运行中的发电设备来讲，负载的功率因数越低，则由电源输出并被负载所吸收的有功功率也越小，这说明发电设备的容量仅有一小部分被有效利用，其余部分只是在电源与负载之间进行无用的功率交换。这样实质上等于发电设备的潜力未能得到充分的发挥。为了提高发电设备的利用率，所以必须提高负载的功率因数。 近年来，随着我国国民经济GDP（国民生产总值）的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展，同时电力网中的无功问题也逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子的装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设备不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故，这对我们日常生活造成了很大影响。 然而,我国和世界上的发达国家(美国、日本)相比,无论从电网功率因 单相有源功率因数校正电路仿真 摘要：传统的AC-DC 变换器的广泛应用对电网产生了大量的谐波污染。有源功率因数校正技术(APFC)是抑制谐波电流、提高功率因数的行之有效的办法。本文论述了单相功率因数校正APFC 的原理和方法，通过对Boost 型滞环控制的DC-DC 变换器采用Matlab 进行仿真，获得了最后校正的功率因数结果，说明这种PFC 方案的能获得良好的效果，适用于多种场合。 关键词：有源功率因数校正，Boost 电路，滞环控制 1 绪论 功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系。功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电能利用率越高。交换式电源供电器上的功率因数校正器的运作原理是通过控制调整交流电电流输入波形，使其与直流电电压波形尽可能一致，让功率因数趋近于1.折对于电力需求量达到某一个水平的电子设备而言是很重要的，否则，电力设备系统消耗的电能可能超出其规格，极可能干扰同系统的其他电子设备。 2 功率因数的定义和校正原理 根据电工学的基本理论功率因数（PF ）的定义：交流输入有功功率（P ）与视在功率（S ）的比值，用公式表示为： 1111cos cos cos rms rms U I I P PF S U I I φφγφ==== (1) 式中：1U 表示输入基波电流有效值；cos φ表示基波电压与基波电流之间的位移因数；γ表示输入电流畸变因数；rms I 表示输入电流有效值。可见PF 由电流畸变因数γ和位移因数cos φ决定，cos φ小表示用电设备的功率大，在有功功率不变的情况下实在功率增加，线路总电流增大，线路传输压降也将增大，倒是电气设备容量增加，利用率低，导线、变压器绕组损耗大，严重影响电网的供电质量，变化快时甚至可以导致电网崩溃。输入电流即便因数γ值低，表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，使用电设备产生机械振动、噪声、过电压，损坏电子设备。在实际的电能运用和传输中，最主要的危害是电流的畸变引起的谐波而污染电网，因此，可以说谐波的抑制电路即为功率因数校 1.3.1 “填谷式”功率因数校正电路方法 这种所谓的填谷式功率因数校正方法需要用到额外的二极管和电容器，通过改变存储电容各充电和放电阶段的电路效率来提高功率因数。这种情况并不是真正的无源（没有LC滤波器），而是有源的，只是因为在一个周期的不同时期二极管的开关工作。 这种方法是由Spangler于1988年提出的。最近，KitSum采用Spangler电路的倍电压类型的计算机模拟结果表明功率因数有可能达到98％。 在低功率应用如荧光灯中该低成本解决方案是很有潜力的，原始的Spangler方案已在这方面应用了很多年。它是一个不容忽视的好的、廉价、实用有效的解决方案。 图4.1.7给出了原始的Spangler电路，图4.1.8给出了计算机模拟的该电路输入所期望的电流波形。图4.1.9给出了新型的倍电压类型的Spangler电路，图4.1.10给出了计算机模拟的在倍电压类型电路的输入所期望的电流波形。 4.1.7低功率应用时的“填谷式”功率因数校正电 路 (Spangler) 图4.1.8 Spangler电路的典型输入电流波形 4.1.9 改进后的“填谷式”功率因数校正电路 (Spangler和 KitSum) 4.1.10 改进后的Spangler电路的输入电流的波 形 1.3.2功能 在简单条件下，图4.1.7所示填谷式功率因数校正电路的功能如下： 考虑输入正弦波为刚过零点的情况。设加在负载R1上的输出电压约为供电输入电压峰值的１/3 ，C1通过D3给负载供电，同时C2通过D2给负载供电。因此C1和C2是以并联的方式给负载供电。二极管D1反偏不导通。 因为电源桥式整流器BR1的输出电压超过供电电压，所以桥路二极管被反向配置而输入电流将为零，如图4.1.8中波形的起始部分所示。 当输入电压大于输出电压时，BR1将导通以增大输出电压。此时二极管D2和D3将关断，电容器C1和C2将停止向负载供电。因此负载电路现在直接从电源通过桥式整流器提供，因供电电压小于C1和C2上的电压之和，这时D1将不导通。 直到供电电压达到C1和C2上的电压之和时，加到整流桥输出的负载才是线性的负载，输入电流将和输入电压一样为正弦波形。 当供电电压达到峰值时，它将超过C1和C2上的电压之和，D1通过C2、D1、R2和C1导通并再对串联电容器充电。供电电压峰值附近的短暂电流被电阻器R2限流。 当供电电压开始下降时，所有的二极管都将关断，负载电流又重新直接通过整流桥BR1供电。 当供电电压刚下降到原来峰值的50％时，二极管D3和D2将重新导通，通过并联的C1和C2有源功率因数校正技术及控制方式分析_张浩
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