功率因數(shù)校正標準優(yōu)化解決方案

　　人們都傾向于按照基本的60Hz或50Hz頻率考慮電力線上的能量——這也是電站的渦輪和發(fā)電機產生電壓的方式。當然，如果有無功負載，電流就會滯后于電壓。這就是“功率因數(shù)”，對嗎?但難道它仍然是關于50Hz或60Hz時的“實際”和無功元件嗎?也對也錯。遺憾的是，這種概念化過程有些太過簡單了。

　　在電力配送系統(tǒng)中，對功率因數(shù)校正(PFC)的理解通常是在電力配送系統(tǒng)中的某些點增加(一般來說)電容性電抗以抵消電感性負載效應。我們可以說是“無功”負載，但電源工程師在解決功率因數(shù)問題時通常最關心的是電機負載。校正時可以采取電容陣列或“同步調相器”(一種無負載同步電機)的形式。

　　更廣泛地說，在使用AC-DC電源轉換的任何電力線供電設備中都需要PFC。這些設備種類繁多，小到便攜式設備的電池充電器，大到大屏幕電視機。總之，它們的輸入整流器是主電流諧波失真的最大來源。

　　那么這些諧波失真來自哪里呢?一個常見的誤解是開關穩(wěn)壓器導致了諧波功率因數(shù)分量。事實上，諧波分量是在典型的全橋整流器和濾波電容器中產生的，電力線本身的阻抗則起著推波助瀾的作用。

　　在穩(wěn)定狀態(tài)下，當輸入電壓超過濾波電容器上的電壓時，電源將從電力線吸取電流。這時產生的電流波形將包含電力線頻率(圖1)的所有奇次諧波。

　　一旦電壓越過這個點，電流就只受電力線源阻抗、前向偏置的二極管電阻以及平滑直流電壓的電容電抗的限制。由于電力線呈現(xiàn)非零源阻抗，因此大電流峰值將導致電壓正弦波峰上產生某些削波失真。

　　諧波被認為是功率因數(shù)的組成部分，因為它們與電力線頻率關系密切。作為傅里葉分量，諧波累積起來代表基頻的異相電流。事實上，功率因數(shù)的一種廣義定義是：

　　其中THD是總諧波失真。

　　功率因數(shù)的問題

　　不管是什么原因，實際功率因數(shù)小于1的問題出在哪里呢?部分原因是經(jīng)濟上的，另外一部分原因則與安全有關。不管相位關系如何，所有這些疊加的諧波電流會產生可測量的I2R損耗，因為這些電流是從發(fā)電廠經(jīng)過數(shù)英里傳輸和配送線最后到達家庭或工作場所的過程中吸取的。

　　過去，電力公司承受了這筆損耗費用。至少對家庭消費者來說，電力公司提供的是伏安數(shù)，消費者支付的是瓦特數(shù)，而無功伏安(VAR)是一種凈損耗。事實上，老的機械式電表甚至不會記錄這些電流。在任何情況下，針對家庭消費者的價格表上不允許存在“實際”功率以外的任何收費。

　　這種情況可能繼續(xù)長期存在，因為“修正”價格表對國家立法者來說幾乎是不可能的。這是經(jīng)濟方面的問題。在安全性方面，諧波(特別是三次諧波)可以導致三相失衡，伴隨電流在“Y”型地線上流動。而Y型地線通常無法承載巨大的電流。

　　PFC諧波除了在機器和變壓器線圈上產生過流外，還會在電容和電纜上產生損耗和電介應力。欲了解更詳細的分析，請參考Basu,et al發(fā)表的“PFC Strategies in light of EN 61000-3-2”。

　　調整功率因數(shù)

　　有趣的是，主電源從一開始就很容易受到干擾。第一個用于控制電網(wǎng)干擾的規(guī)章制度是1899年制訂的英國照明條款法案(BLCA)，其目的是防止不受控的弧光燈造成白熾燈閃爍。

　　在1978年和1982年，業(yè)界發(fā)布了國際標準IEC 555-2“交流主電源中的諧波注入”和IEC 555-3“由家用設備和類似電氣設備引起的電源系統(tǒng)干擾——第三部分：電壓波動”(后來這些標準被更新為IEC1000標準)。

　　和這些標準一樣，電流標準出自歐洲，但幾乎全球通用。在日本、澳大利亞和中國都發(fā)布過有關電力線諧波的政府規(guī)章。

　　在歐盟，標準IEC/EN61000-3-2“電磁兼容(EMC)第3-2部分-限制-諧波電流輸出限制(設備輸入電流≤每相16A)”為最大電源指標為75W至600W的設備規(guī)定了最高39次諧波的電流極限。它的“D類”要求(最嚴格的)適用于個人計算機、計算機監(jiān)視器和電視接收機。(A類、B類和C類要求涵蓋設備、電源工具和照明)。

　　上述標準真正要表達的是什么內容呢?在IEC 61000-3-2標準下，D類諧波電流的限制用消耗的每瓦毫安數(shù)表示(表1)。

　　全球性調整

　　不方便的是，IEC61000-3-2是面向歐洲的標準，它基于的是墻上插座處的230V單相和230/400V三相電源。因此，對于北美的120/240V主電壓來說必須調整電流限制。

　　雖然IEC61000-3-2為在歐盟銷售的電源規(guī)定了強制性標準，但北美地區(qū)也有自發(fā)性的標準。美國能源部的能源之星計算機規(guī)范就包含了針對臺式電腦的“80 Plus”電源要求。(后來修改的80 Plus是一個美國/加拿大電力公司資助的折扣計劃，用于補貼在低中范圍和峰值輸出時達到銘牌上額定功率的80%或更高效率的計算機電源額外付出的成本，這時可以達到至少0.9的功率因數(shù)。在參與計劃的公用電力公司服務的領域中，電力公司為出售的每臺臺式電腦或服務器分別支付5美元或10美元)。

　　在2008年，80 Plus計劃經(jīng)過擴展開始認可更高效率的電源，最初使用奧林匹克獎章的顏色：銅、銀和金來表示，后來還增加了鉑(表2)。新的子類有助于擴大計劃品牌效應，并有可能向領先的參與制造商提供更大的消費折扣。

　　在表2中，“冗余”指服務器系統(tǒng)制造商工作在230V交流電源下并使用多個電源向負載供電時的實際做法。一些系統(tǒng)可能擁有多達6個電源，因此如果某個電源發(fā)生故障，其它電源可以吸收故障電源分擔的負載。

　　低于20%負載