功率因数校正标准优化解决方案

　　人们都倾向于按照基本的60Hz或50Hz频率考虑电力线上的能量——这也是电站的涡轮和发电机产生电压的方式。当然，如果有无功负载，电流就会滞后于电压。这就是“功率因数”，对吗?但难道它仍然是关于50Hz或60Hz时的“实际”和无功元件吗?也对也错。遗憾的是，这种概念化过程有些太过简单了。

　　在电力配送系统中，对功率因数校正(PFC)的理解通常是在电力配送系统中的某些点增加(一般来说)电容性电抗以抵消电感性负载效应。我们可以说是“无功”负载，但电源工程师在解决功率因数问题时通常最关心的是电机负载。校正时可以采取电容阵列或“同步调相器”(一种无负载同步电机)的形式。

　　更广泛地说，在使用AC-DC电源转换的任何电力线供电设备中都需要PFC。这些设备种类繁多，小到便携式设备的电池充电器，大到大屏幕电视机。总之，它们的输入整流器是主电流谐波失真的最大来源。

　　那么这些谐波失真来自哪里呢?一个常见的误解是开关稳压器导致了谐波功率因数分量。事实上，谐波分量是在典型的全桥整流器和滤波电容器中产生的，电力线本身的阻抗则起着推波助澜的作用。

　　在稳定状态下，当输入电压超过滤波电容器上的电压时，电源将从电力线吸取电流。这时产生的电流波形将包含电力线频率(图1)的所有奇次谐波。

　　一旦电压越过这个点，电流就只受电力线源阻抗、前向偏置的二极管电阻以及平滑直流电压的电容电抗的限制。由于电力线呈现非零源阻抗，因此大电流峰值将导致电压正弦波峰上产生某些削波失真。

　　谐波被认为是功率因数的组成部分，因为它们与电力线频率关系密切。作为傅里叶分量，谐波累积起来代表基频的异相电流。事实上，功率因数的一种广义定义是：

　　其中THD是总谐波失真。

　　功率因数的问题

　　不管是什么原因，实际功率因数小于1的问题出在哪里呢?部分原因是经济上的，另外一部分原因则与安全有关。不管相位关系如何，所有这些叠加的谐波电流会产生可测量的I2R损耗，因为这些电流是从发电厂经过数英里传输和配送线最后到达家庭或工作场所的过程中吸取的。

　　过去，电力公司承受了这笔损耗费用。至少对家庭消费者来说，电力公司提供的是伏安数，消费者支付的是瓦特数，而无功伏安(VAR)是一种净损耗。事实上，老的机械式电表甚至不会记录这些电流。在任何情况下，针对家庭消费者的价格表上不允许存在“实际”功率以外的任何收费。

　　这种情况可能继续长期存在，因为“修正”价格表对国家立法者来说几乎是不可能的。这是经济方面的问题。在安全性方面，谐波(特别是三次谐波)可以导致三相失衡，伴随电流在“Y”型地线上流动。而Y型地线通常无法承载巨大的电流。

　　PFC谐波除了在机器和变压器线圈上产生过流外，还会在电容和电缆上产生损耗和电介应力。欲了解更详细的分析，请参考Basu,et al发表的“PFC Strategies in light of EN 61000-3-2”。

　　调整功率因数

　　有趣的是，主电源从一开始就很容易受到干扰。第一个用于控制电网干扰的规章制度是1899年制订的英国照明条款法案(BLCA)，其目的是防止不受控的弧光灯造成白炽灯闪烁。

　　在1978年和1982年，业界发布了国际标准IEC 555-2“交流主电源中的谐波注入”和IEC 555-3“由家用设备和类似电气设备引起的电源系统干扰——第三部分：电压波动”(后来这些标准被更新为IEC1000标准)。

　　和这些标准一样，电流标准出自欧洲，但几乎全球通用。在日本、澳大利亚和中国都发布过有关电力线谐波的政府规章。

　　在欧盟，标准IEC/EN61000-3-2“电磁兼容(EMC)第3-2部分-限制-谐波电流输出限制(设备输入电流≤每相16A)”为最大电源指标为75W至600W的设备规定了最高39次谐波的电流极限。它的“D类”要求(最严格的)适用于个人计算机、计算机监视器和电视接收机。(A类、B类和C类要求涵盖设备、电源工具和照明)。

　　上述标准真正要表达的是什么内容呢?在IEC 61000-3-2标准下，D类谐波电流的限制用消耗的每瓦毫安数表示(表1)。

　　全球性调整

　　不方便的是，IEC61000-3-2是面向欧洲的标准，它基于的是墙上插座处的230V单相和230/400V三相电源。因此，对于北美的120/240V主电压来说必须调整电流限制。

　　虽然IEC61000-3-2为在欧盟销售的电源规定了强制性标准，但北美地区也有自发性的标准。美国能源部的能源之星计算机规范就包含了针对台式电脑的“80 Plus”电源要求。(后来修改的80 Plus是一个美国/加拿大电力公司资助的折扣计划，用于补贴在低中范围和峰值输出时达到铭牌上额定功率的80%或更高效率的计算机电源额外付出的成本，这时可以达到至少0.9的功率因数。在参与计划的公用电力公司服务的领域中，电力公司为出售的每台台式电脑或服务器分别支付5美元或10美元)。

　　在2008年，80 Plus计划经过扩展开始认可更高效率的电源，最初使用奥林匹克奖章的颜色：铜、银和金来表示，后来还增加了铂(表2)。新的子类有助于扩大计划品牌效应，并有可能向领先的参与制造商提供更大的消费折扣。

　　在表2中，“冗余”指服务器系统制造商工作在230V交流电源下并使用多个电源向负载供电时的实际做法。一些系统可能拥有多达6个电源，因此如果某个电源发生故障，其它电源可以吸收故障电源分担的负载。

　　低于20%负载