設(shè)備環(huán)境考試功率因數(shù)校正電路

3.2.3 功率因數(shù)校正電路

1.無功率因數(shù)校正電路的開關(guān)電源存在的主要問題

開關(guān)整流器內(nèi)部一般采用兩級(jí)變換形式：首先通過整流、濾波電路將交流輸入變?yōu)橹绷鳎?再通過DC/DC環(huán)節(jié)變?yōu)橄鄳?yīng)的直流電。由于前級(jí)的整流、濾波電路是一種線性元件和儲(chǔ)能 元件的組合，因此，從電網(wǎng)側(cè)看來，開關(guān)整流器相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載，它使得電網(wǎng)供電發(fā)生 嚴(yán)重畸變，不再是單一基波頻率的正弦波，從而，造成諧波污染，導(dǎo)致噪聲、誤動(dòng)作、振動(dòng)、 過熱甚至燒毀等事故的發(fā)生，同時(shí)增加了配電系統(tǒng)和變壓器的損耗、增大了中線電流（諧波）， 還能夠嚴(yán)重干擾各種無線電通信的正常工作。

在無功率因數(shù)校正的開關(guān)電源中，交流輸入電壓經(jīng)整流后，直接加到濾波電容器兩端。 只有交流輸入電壓高于濾波電容兩端電壓時(shí)，濾波電容才開始充電，因此輸入電流波形為寬 度很窄的脈沖，如圖3-1所示，這種電流的諧波分量很大。因?yàn)橹挥谢娏髋c輸入電壓同 相位，基波電流有效值/與電網(wǎng)電流有效值&之比較小，所以功率因數(shù)才會(huì)較低。

（1）諧波電流污染電網(wǎng)，干擾其他用電設(shè)備，造成測(cè)量?jī)x表產(chǎn)生較大的誤差，還會(huì)使電 動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的噪聲。

（2）在輸出功率一定的條件下，輸入電流有效值較大，因此必須增大輸入熔斷器、斷路 器和電源線的規(guī)格。

（3）特別應(yīng)當(dāng)指出，通信用開關(guān)型電源通常都采用三相五線制供電，三相基波電流分別 由下列各式表示：

由此可知，三相電流的三次諧波分量是同相位的，同理，三相電流的六次、九次等諧波 分量也是同相位的。由于三相電流都流過中線，當(dāng)功率因數(shù)為1時(shí)，流過中線的電流為零； 當(dāng)功率因數(shù)很低時(shí)，中線內(nèi)的電流很大。由于中線無過流保護(hù)裝置，所以，中線有可能因過 熱而著火。

因此沒有功率因數(shù)和諧波校正電路的開關(guān)型電源將逐漸被限制應(yīng)用，設(shè)計(jì)制造功率因數(shù) 接近1的開關(guān)電源己成為開關(guān)型電源發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2.有源功率因數(shù)校正電路基本原理

在開關(guān)型電源中，功率因數(shù)校正的基本方法有兩種：無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù) 校正（Active Power Factor Corrector, APFC）。采用無源功率因數(shù)校正法時(shí)，應(yīng)在開關(guān)電源輸 入端加入電感量很大的低頻電感，以便減小濾波電容充電電流的尖峰。這種校正方法比較簡(jiǎn) 單，但是校正效果不很理想。此外，采用無源功率因素校正法時(shí)，功率因數(shù)校正電感的體積 很大，增加了開關(guān)電源的體積。

有源功率因數(shù)校正器是近一二十年來發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，它在整流電路和負(fù)載之間接入 了一個(gè)DC/DC閉環(huán)開關(guān)變換器，其主要優(yōu)點(diǎn)是可得到較高的功率因數(shù)。有源功率因數(shù)校正 電路主要由橋式整流器、高頻電感i、功率開關(guān)管VT、二極管VD、濾波電容C和控制器等 部分組成，它的原理框圖如圖3-12所示。控制器主要由基準(zhǔn)電源、低通濾波器、誤差電壓放 大器、乘法器、電流檢測(cè)與變換電路、電流放大器、鋸齒波發(fā)生器、比較器和功率開關(guān)管驅(qū) 動(dòng)電路等部分組成。功率因數(shù)校正電路的輸出電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，加入誤差放大器， 與直流基準(zhǔn)電壓比較，二者之差經(jīng)放大后，送入乘法器。為了使功率因數(shù)校正電路的輸入電 流為正弦波并且與電網(wǎng)電壓同相位，市電電壓經(jīng)全波整流后，也加到乘法器。乘法器將輸入 電壓信號(hào)與輸出電壓誤差信號(hào)相乘后形成基準(zhǔn)電流信號(hào)，送入電流放大器。

電流取樣電阻盡兩端電壓正比于功率因數(shù)校正電路的輸入電流。札兩端電壓（輸入電 流）反饋信號(hào)加到電流放大器，與乘法器輸出的基準(zhǔn)電流信號(hào)相減，形成的誤差信號(hào)經(jīng)電 流放大器放大后，與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波電壓都加入比較器C,經(jīng)比較后，形成PWM 信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，控制功率開關(guān)管VT導(dǎo)通或關(guān)斷，使輸入電流跟蹤基準(zhǔn)電

圖3-12有源功率因數(shù)校正電路的原理推圖

流信號(hào)變化。VT導(dǎo)通后，高頻電感L中的電流化（也即功率因數(shù)校正電路輸入電流）線性上 升。當(dāng)?shù)牟ㄐ闻c整流后的市電電壓波形相交時(shí)，通過控制器使VT關(guān)斷。此時(shí)，電感兩端 的自感電勢(shì)使二極管VD導(dǎo)通，電感L通過VD對(duì)電容放電，電感中的電流化線性下降。當(dāng)圪 下降到零后，控制電路使VT再次導(dǎo)通，上述過程重復(fù)。在該電路中，由于基準(zhǔn)電流信號(hào)同 時(shí)受輸入交流電壓和輸出直流電壓控制，因此當(dāng)實(shí)際電流與基準(zhǔn)電流一致時(shí)，該電路既可實(shí) 現(xiàn)輸出電壓恒定，又能保證輸入電流為正弦波并且與輸入電網(wǎng)電壓同相位，從而使功率因數(shù) 接近于1。

有源功率因數(shù)校正電路輸入電壓和電流波形如圖3-13所示?？梢钥闯?，輸入電流平均值 /ave的波形始終跟隨輸入電壓的波形，因此功率因 數(shù)接近于1。

對(duì)于三相有源功率因數(shù)校正電路有單相綜合 式和三相一體化等形式。單相綜合式有源功率因 數(shù)校正就是整流器輸入為三個(gè)單相輸入組成的三相，其有源校正可用三個(gè)單相有源校正電路組合。單相綜合校正的缺點(diǎn)是兀件較多，可靠性較差，現(xiàn)在己逐漸不予采用。三相一體化有源功率因數(shù)校正就是整流器輸入為三相帶零線或不帶零 線，其有源校正可用三相一體化的校正電路。

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