500W功率因數校正電路設計

500W功率因數校正電路：

功率因數校正的工作原理
1功率因數的定義
功率因數（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值。其可以用公式（1）表示。
（1)
式中，I1表示交流輸入市電的基波電流有效值；Irms表示交流輸入市電電流的有效值；γ=I1/Irms，表示交流輸入市電電流的波形失真系數；cosφ表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相移因數。

所以功率因數可以定義為交流輸入市電電流的波形失真系數（g）與相移因數（cosφ）的乘積，即功率因數PF主要由兩個因素決定：一是交流輸入市電的基波電流與基波電壓的相位差φ；另一個是交流輸入市電電流的波形失真因數γ。而傳統的功率因數概念是在電阻為線性負載，并假定輸入電流無諧波電流（即I1=Irms或交流輸入市電電流的波形失真系數g=1）的條件下得到的，這樣功率因數的定義就變成了PF=cosφ。

交流輸入市電的cosφ低，表示用電電器設備的無功功率大，供電設備的利用率低，供電設備的導線、變壓器繞組損耗大，降低了供電線路的使用效率。電流波形失真系數g值低，則表示輸入電流的諧波分量大而基波電流的幅度小，將造成輸入電流的波形畸變，對電網造成污染，嚴重時還會造成用電電器設備的損壞。

由于常規整流裝置使用非線性器件（例如，整流二極管或可控硅），整流器件的導通角小于180o，從而產生大量的諧波電流成分。而諧波電流成分不做功，只有基波電流成分做功，所以相移因數cosφ和電流波形失真系數(γ)相比，γ對供電線路的功率因數影響更大。

2 諧波電流對電網的危害
由于常規整流裝置（如二極管或可控硅等整流器件）的使用，使交流輸入電流波形中含有大量的諧波電流成分，大量的諧波電流倒流入電網（稱為諧波幅射：Harmonic Emission）會對電網造成“污染”，產生以下不利影響。

①諧波電流的“二次效應”，即諧波電流流過線路阻抗而造成的諧波電壓降反過來會使電網電壓波形（原來是正弦波）發生畸變。

②過大的諧波電流會引起供電線路故障，從而損壞用電設備。例如，過大的諧波電流會使線路和配電設備過熱，還會引起電網LC諧振，或高次諧波電流流過電網的高壓電容，使之過電流、過熱而導致電容器損壞。

③在三相四線制電路中，三次諧波在中線中的電流同相位，導致合成中線電流很大，有可能超過相線電流，中線又無保護裝置，使其因過熱而引起火災，從而損壞電氣設備。

④諧波電流對自身及同一系統中的其他電子設備會產生惡劣的影響，例如，會引起電子設備的誤動作和故障等。

3 功率因數與總諧波失真系數（THD）的關系
電路總諧波失真系數（THD）可以利用公式（2）來計算。
（2）
方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）如圖1所示。

圖1 方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）

方波電壓可以用函數表達式（3）來表示。
(3)
由功率因數（PF）的定義：
及公式（2），有公式（4）成立。
（4)
即， （5)
從上面的討論可以看出，功率因數是和交流輸入市電電流的諧波成分有關的，利用總諧波失真系數和電流波形失真因數之間的關系式可以得到公式（6）。
（6)
當交流輸入市電的電壓、電流同頻和同相位時，有cosφ=1，相應有公式（7）成立：
(7)