今天的商業(yè)、工業(yè)、零售甚至是家庭環(huán)境使用的電子設(shè)備越來(lái)越多,如個(gè)人電腦、顯示器、服務(wù)器和復(fù)印機(jī)等,這些通常都由開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 供電。如果設(shè)計(jì)不當(dāng),就會(huì)產(chǎn)生非線性負(fù)載,可能將出現(xiàn)的諧波電流或電壓強(qiáng)加給主電網(wǎng)。諧波不僅可損壞該網(wǎng)絡(luò)中的線纜及設(shè)備,而且還可損壞連接至其上的其它設(shè)備??赡艹霈F(xiàn)的問(wèn)題包括過(guò)熱及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、高電壓與循環(huán)電流、設(shè)備故障和組件故障以及其他可能出現(xiàn)的后果。如果一個(gè)非線性負(fù)載的功率因數(shù)很差,就很容易產(chǎn)生這些諧波。其它負(fù)載可能會(huì)在不產(chǎn)生諧波的情況下,呈現(xiàn)很差的功率因數(shù)。本文著重討論上述問(wèn)題、致使產(chǎn)生破壞性諧波的情況,以及減少該諧波的實(shí)際方法。
造成較差功率因數(shù)的兩大原因
按最簡(jiǎn)單的方式講,我們可以說(shuō)一個(gè)電氣設(shè)備或電子器件的功率因數(shù)是它從市電獲得的功率和它實(shí)際消耗的功率之比?!袄硐搿逼骷墓β室驍?shù)是 1.0,其將消耗它所獲得的所有電能。它將呈現(xiàn)一個(gè)全電阻的線性負(fù)載:也就是說(shuō),一個(gè)不受輸入電壓影響而保持恒定的負(fù)載,沒(méi)有明顯的電感或電容。圖 1 是這種器件將出現(xiàn)的輸入波形。首先,電流波形與電壓處于相同的相位,其次,這兩種波形均為正弦波形。
圖 1:PF = 1.0 的器件的輸入電壓及電流波形
在實(shí)踐中,有些器件確實(shí)有一致的功率因數(shù),但有些器件卻沒(méi)有。器件功率因數(shù)差的原因有兩個(gè):要么它引出的電流與電源電壓異相,要么它引出電流采用的波形是非正弦的。異相情況即所謂的“位移”功率因數(shù),通常與工業(yè)設(shè)備內(nèi)部的電機(jī)有關(guān),而非正弦情況即所謂的“失真”功率因數(shù),通常與由開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 驅(qū)動(dòng)的個(gè)人電腦、復(fù)印機(jī)及電池充電器等電子設(shè)備有關(guān)。我們先簡(jiǎn)要地了解一下位移功率因數(shù),然后再討論失真情況,這是電子電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更迫切了解的問(wèn)題。然而,了解這兩種情況非常重要。例如,一些工程課程只從電機(jī)的角度討論功率因數(shù)問(wèn)題,當(dāng)學(xué)生后來(lái)遇到 SMPS 所表現(xiàn)出的較差功率因數(shù)時(shí),就會(huì)感到困惑。
電機(jī)和位移功率因數(shù)問(wèn)題
電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng),其可產(chǎn)生與所用電壓相反的電壓或逆電動(dòng)勢(shì)。這可導(dǎo)致電源電流滯后于所用的電壓。所帶來(lái)的異相電流組件無(wú)法提供可用的電源,但它增加了設(shè)施所需的供電能力和電力成本。在電機(jī)之間安裝電容器,可減少相位滯后,提高其功率因數(shù)。
SMPS 與失真功率因數(shù)問(wèn)題
位移功率因數(shù)負(fù)載不會(huì)引起諧波及其相關(guān)問(wèn)題,但 SMPS 等失真功率因數(shù)負(fù)載則會(huì)引起這些問(wèn)題,除非改善了其功率因數(shù)。
SMPS 的 AC 前端通常包括一個(gè)橋式整流器,其后是一個(gè)大型濾波電容器。當(dāng)線路電壓超過(guò)電容的電壓時(shí),該電路才會(huì)使用交流主電路的電流。這將導(dǎo)致交流電流流動(dòng)間斷,產(chǎn)生如圖 2 所示的非正弦電流波形。
圖 2:功率因數(shù)差的 SMPS 所帶來(lái)的非正弦電流波形
可使用傅里葉變換(一種數(shù)學(xué)過(guò)程)分析該波形,并將其分解成一組正弦分量,其中包括基本頻率(歐洲為 50Hz,美國(guó)為 60Hz)和一組基本頻率的奇數(shù)倍數(shù),即所謂的諧波。三次諧波為 150Hz(或 180Hz),五次諧波為 250Hz(300Hz),等等。圖 3 是電子 SMPS 負(fù)載的典型諧波頻譜?;痉至勘?SMPS 有效消耗,而諧波是無(wú)功的,其會(huì)帶來(lái)上述問(wèn)題?;ǚ蹬c所有諧波幅值之和之比,給出了器件的功率因數(shù)。
圖 3:電子 SMPS 負(fù)載的典型諧波頻譜
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)有一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)品主諧波的產(chǎn)生描述和設(shè)定可接受的限度。在歐盟內(nèi)部,其參考標(biāo)準(zhǔn)為 IEC61000-3-2,涵蓋從 75W 到 600W 的設(shè)備功率級(jí)。該標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備分為 A、B、C 和 D 四類。D 類包括個(gè)人電腦、個(gè)人電腦顯示器和電視接收器。
成熟 PFC 解決方案和創(chuàng)新 PFC 解決方案
雖然有無(wú)源功率因數(shù)解決方案,但一般行業(yè)觀點(diǎn)是,有源設(shè)計(jì)可提供最佳的功率因數(shù)改進(jìn)。這些一般都建立在升壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)基礎(chǔ)之上,如圖 4 所示。
圖 4:采用升壓技術(shù)的有源功率因數(shù)校正電路
圖 5:有源升壓電路的電壓及電流波形
為此,控制電路使用輸入電壓波形作為模板??刂齐娐窚y(cè)量輸入電流,將其與輸入電壓波形進(jìn)行比較,并調(diào)整升壓電壓,以產(chǎn)生相同形狀的輸入電流波形 (5–I)。同時(shí),控制電路還可監(jiān)控母線電壓并調(diào)整升壓,以維持粗略穩(wěn)壓的 DC 輸出 (5–B)。控制電路的主要功能是提供正弦輸入電流,所以允許 DC 母線電壓略有不同。
使用有源功率因數(shù)校正電路使得輸入電流很少出現(xiàn)不連續(xù)性,因此從線路中引出的輸入電流的失真和諧波含量較低。然而,Vicor 最近基于其最新動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)推出了一款模塊化 AC 前端,稱為自適應(yīng)單元。
該 AC 前端為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了許多改進(jìn)功能。具體來(lái)說(shuō),它可提供 85V 至 264VAC 通用輸入、高效率和高功率密度,還特別考慮到了它是一個(gè)完整的解決方案,包括隔離穩(wěn)壓 DC 輸出以及整流及功率因數(shù)校正等。該器件可減少 AC 線路諧波的傳播,改善系統(tǒng)和設(shè)施層面的整體電源質(zhì)量。總諧波失真好于 EN61000-2-3 要求,而高開(kāi)關(guān)頻率和諧振轉(zhuǎn)換則可簡(jiǎn)化外部濾波和 滿足EMI 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
審核編輯 黃昊宇
-
功率因數(shù)
+關(guān)注
關(guān)注
10文章
541瀏覽量
39232 -
PFC
+關(guān)注
關(guān)注
47文章
947瀏覽量
105679 -
smps
+關(guān)注
關(guān)注
6文章
130瀏覽量
54487 -
校正電路
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
30瀏覽量
27364 -
傅里葉變換
+關(guān)注
關(guān)注
6文章
428瀏覽量
42522
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論