500W功率因数校正电路设计

500W功率因数校正电路：

功率因数校正的工作原理
1功率因数的定义
功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。其可以用公式（1）表示。
（1)
式中，I1表示交流输入市电的基波电流有效值；Irms表示交流输入市电电流的有效值；γ=I1/Irms，表示交流输入市电电流的波形失真系数；cosφ表示交流输入市电的基波电压和基波电流的相移因数。

所以功率因数可以定义为交流输入市电电流的波形失真系数（g）与相移因数（cosφ）的乘积，即功率因数PF主要由两个因素决定：一是交流输入市电的基波电流与基波电压的相位差φ；另一个是交流输入市电电流的波形失真因数γ。而传统的功率因数概念是在电阻为线性负载，并假定输入电流无谐波电流（即I1=Irms或交流输入市电电流的波形失真系数g=1）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了PF=cosφ。

交流输入市电的cosφ低，表示用电电器设备的无功功率大，供电设备的利用率低，供电设备的导线、变压器绕组损耗大，降低了供电线路的使用效率。电流波形失真系数g值低，则表示输入电流的谐波分量大而基波电流的幅度小，将造成输入电流的波形畸变，对电网造成污染，严重时还会造成用电电器设备的损坏。

由于常规整流装置使用非线性器件（例如，整流二极管或可控硅），整流器件的导通角小于180o，从而产生大量的谐波电流成分。而谐波电流成分不做功，只有基波电流成分做功，所以相移因数cosφ和电流波形失真系数(γ)相比，γ对供电线路的功率因数影响更大。

2 谐波电流对电网的危害
由于常规整流装置（如二极管或可控硅等整流器件）的使用，使交流输入电流波形中含有大量的谐波电流成分，大量的谐波电流倒流入电网（称为谐波幅射：Harmonic Emission）会对电网造成“污染”，产生以下不利影响。

①谐波电流的“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗而造成的谐波电压降反过来会使电网电压波形（原来是正弦波）发生畸变。

②过大的谐波电流会引起供电线路故障，从而损坏用电设备。例如，过大的谐波电流会使线路和配电设备过热，还会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过电流、过热而导致电容器损坏。

③在三相四线制电路中，三次谐波在中线中的电流同相位，导致合成中线电流很大，有可能超过相线电流，中线又无保护装置，使其因过热而引起火灾，从而损坏电气设备。

④谐波电流对自身及同一系统中的其他电子设备会产生恶劣的影响，例如，会引起电子设备的误动作和故障等。

3 功率因数与总谐波失真系数（THD）的关系
电路总谐波失真系数（THD）可以利用公式（2）来计算。
（2）
方波电压的各次谐波电压的叠加分解图（高至9次谐波）如图1所示。

图1 方波电压的各次谐波电压的叠加分解图（高至9次谐波）

方波电压可以用函数表达式（3）来表示。
(3)
由功率因数（PF）的定义：
及公式（2），有公式（4）成立。
（4)
即， （5)
从上面的讨论可以看出，功率因数是和交流输入市电电流的谐波成分有关的，利用总谐波失真系数和电流波形失真因数之间的关系式可以得到公式（6）。
（6)
当交流输入市电的电压、电流同频和同相位时，有cosφ=1，相应有公式（7）成立：
(7)