審慎校正功率因子
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要點
全球日益增加的管理實體正在要求進行功率因子管理。
功率電平——在這樣的功率電平下，功率因子管理成為一種受規(guī)章限制的問題——已經(jīng)就電子設(shè)備和照明設(shè)備分別下降到75W和26W。
采用功率因子校正電路的目的是，無論電源電流的非正弦性質(zhì)如何，都將迫使來自電源線的輸入電流在波形及相位上酷似電源電壓。
通用電源設(shè)計（即那些適應(yīng)低于100V至高于240V交流輸入的設(shè)計）的一個期望結(jié)果是，功率管理電路與電源無關(guān)，且設(shè)計者只需考慮那些與預(yù)期負載有關(guān)的問題。這種功率管理方法通過減少為全球客戶群體服務(wù)所需的電源種類而能產(chǎn)生相當(dāng)大的規(guī)模經(jīng)濟。類似的優(yōu)勢還能擴展到供應(yīng)鏈、制造業(yè)與庫存管理運作。
但這種方法也會帶來以下不希望的結(jié)果：所獲得的電源必須滿足各類市場的最嚴格標(biāo)準要求。電源標(biāo)準在過去幾十年間得到了長足的發(fā)展，而且更重要的是，認識到這項標(biāo)準價值的管理實體的數(shù)量最近也在不斷增加。理由很簡單：盡管有待驗證，但電源的低效使用是導(dǎo)致分配或強制進行基礎(chǔ)設(shè)施投資的主要原因。低功率因子對電網(wǎng)效率會帶來致命的影響，并已引起全世界的高度關(guān)注。歐盟率先推出了功率因子標(biāo)準，但中國的強制性認證 (CCC)、美國國家環(huán)保署 (EPA) 的能源星 (Energy Star) 計劃以及日本的JIC-C-61000-3-2標(biāo)準都表明，功率因子 (PF) 指標(biāo)正在成為一項全球性強制規(guī)定。而且，較高的最小功率因子不再只限于大功率設(shè)備，更新的標(biāo)準及規(guī)范被運用到僅消耗75W 或26W功率照明設(shè)備等電子產(chǎn)品中。
興風(fēng)作浪
為了解電子行業(yè)的最新發(fā)展趨勢是如何提高了人們對PF的關(guān)注程度，我們首先應(yīng)該了解實際功率與視在功率的定義。電路實際功率定義為一個電源周期內(nèi)瞬時電壓與電流乘積的平均值：
(公式1)
而視在功率則簡單地定義為均方根 (rms) 電壓與電流的乘積：
(公式2)
PF則為PR與PA之比，通常用百分比來表示：
(公式3)
如果電壓與電流波形均為正弦波且同相，則實際功率與視在功率相等，從而得到百分之百的PF。當(dāng)負載為全電阻性，尤其是非電感性發(fā)熱元件及鎢絲燈泡等時即存在這種關(guān)系。
電抗負載會在其電流與所加電壓間引起相移，但由于它們呈現(xiàn)為線性阻抗，因此電流波形仍為正弦波。其PF為：
(公式4)
其中相移θ直接來自阻抗：
(公式5)
這里，XL與RL分別為凈負載阻抗的電抗性分量與電阻性分量。
國際整流器公司 (International Rectifier) 首席執(zhí)行官Alex Lidow指出，“我們所使用的電力有一半用于驅(qū)動，而其中又有大約85% 進入到機電設(shè)備或三端雙向可控硅開關(guān)驅(qū)動的交流感應(yīng)電機中（參考文獻1）。這種常見的安排迫使電網(wǎng)提供超出驅(qū)動負載所需的電流，從而給電表測量帶來麻煩，因為正如公式1所表示的，凈電流包括同相分量與正交分量（圖1）。故提供給系統(tǒng)的視在功率分解成以下兩個分量，即驅(qū)動設(shè)備工作并抽取IP電流的實際分量與抽取電機電抗性或磁化電流IR的正交分量。因此凈電流為：
(公式6）
由此我們可以重新定義PF：
(公式7）
在工業(yè)設(shè)備中，公用事業(yè)電力公司可能會分別測量以上兩項功率，即用一個標(biāo)準千瓦時電表來測量實際分量，而用另一個千瓦時電表來測量正交分量。而在這種情況下的計費，會采用計費周期內(nèi)這兩項讀數(shù)的均方根 (rms) 值。但大多數(shù)公用事業(yè)電力用戶卻只有一個電表，這對于電力公司的計費來說相當(dāng)不公平：供電方顯然應(yīng)該以能量（或功率）單位來計費，但行業(yè)卻以電流單位來計算配電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的容量。假設(shè)公式3中的交流電壓具有恒定的幅度與參考相位，則常數(shù)相消，PF變成（在計費期內(nèi)一個周期接一個周期地積分得到的）實際電流與視在電流之比——正如電力公司所看到的。以這種觀點，PF可測量電力公司能計費的電流容量部分，不利的是，PF的倒數(shù)變成了超額建造電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的要求。這種負載性能與運營成本和投資成本之間的關(guān)系將PF抬高到了規(guī)章所限定的最高水平。
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