功率因數(shù)校正標(biāo)準(zhǔn)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(jī)產(chǎn)生電壓的方式。當(dāng)然，如果有無功負(fù)載，電流就會(huì)滯后于電壓。這就是“功率因數(shù)”，對(duì)嗎?但難道它仍然是關(guān)于50Hz或60Hz時(shí)的“實(shí)際”和無功元件嗎?也對(duì)也錯(cuò)。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(duì)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(diǎn)增加(一般來說)電容性電抗以抵消電感性負(fù)載效應(yīng)。我們可以說是“無功”負(fù)載，但電源工程師在解決功率因數(shù)問題時(shí)通常最關(guān)心的是電機(jī)負(fù)載。校正時(shí)可以采取電容陣列或“同步調(diào)相器”(一種無負(fù)載同步電機(jī))的形式。

　　更廣泛地說，在使用AC-DC電源轉(zhuǎn)換的任何電力線供電設(shè)備中都需要PFC。這些設(shè)備種類繁多，小到便攜式設(shè)備的電池充電器，大到大屏幕電視機(jī)?？傊?，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(gè)常見的誤解是開關(guān)穩(wěn)壓器導(dǎo)致了諧波功率因數(shù)分量。事實(shí)上，諧波分量是在典型的全橋整流器和濾波電容器中產(chǎn)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(dāng)輸入電壓超過濾波電容器上的電壓時(shí)，電源將從電力線吸取電流。這時(shí)產(chǎn)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(gè)點(diǎn)，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(dǎo)致電壓正弦波峰上產(chǎn)生某些削波失真。

　　諧波被認(rèn)為是功率因數(shù)的組成部分，因?yàn)樗鼈兣c電力線頻率關(guān)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(shí)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(shí)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(jì)上的，另外一部分原因則與安全有關(guān)。不管相位關(guān)系如何，所有這些疊加的諧波電流會(huì)產(chǎn)生可測量的I2R損耗，因?yàn)檫@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(dá)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(fèi)用。至少對(duì)家庭消費(fèi)者來說，電力公司提供的是伏安數(shù)，消費(fèi)者支付的是瓦特?cái)?shù)，而無功伏安(VAR)是一種凈損耗。事實(shí)上，老的機(jī)械式電表甚至不會(huì)記錄這些電流。在任何情況下，針對(duì)家庭消費(fèi)者的價(jià)格表上不允許存在“實(shí)際”功率以外的任何收費(fèi)。

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

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

　　調(diào)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)IEC 555-2“交流主電源中的諧波注入”和IEC 555-3“由家用設(shè)備和類似電氣設(shè)備引起的電源系統(tǒng)干擾——第三部分：電壓波動(dòng)”(后來這些標(biāo)準(zhǔn)被更新為IEC1000標(biāo)準(zhǔn))。

　　和這些標(biāo)準(zhǔn)一樣，電流標(biāo)準(zhǔn)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(guān)電力線諧波的政府規(guī)章。

　　在歐盟，標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備輸入電流≤每相16A)”為最大電源指標(biāo)為75W至600W的設(shè)備規(guī)定了最高39次諧波的電流極限。它的“D類”要求(最嚴(yán)格的)適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和電視接收機(jī)。(A類、B類和C類要求涵蓋設(shè)備、電源工具和照明)。

　　上述標(biāo)準(zhǔn)真正要表達(dá)的是什么內(nèi)容呢?在IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)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(diào)整

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

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

　　在2008年，80 Plus計(jì)劃經(jīng)過擴(kuò)展開始認(rèn)可更高效率的電源，最初使用奧林匹克獎(jiǎng)?wù)碌念伾恒~、銀和金來表示，后來還增加了鉑(表2)。新的子類有助于擴(kuò)大計(jì)劃品牌效應(yīng)，并有可能向領(lǐng)先的參與制造商提供更大的消費(fèi)折扣。

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

　　低于20%負(fù)載