功率因數(shù)校正在開關(guān)電源中的應(yīng)用

1、功率因數(shù)校正在開關(guān)電源中的應(yīng)用李銀碧(浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江紹興 312016摘要:本文介紹了開關(guān)電源功率因數(shù)校正的基本原理,分析了功率因數(shù)校正的電路實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)要求。最后概括了有源功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:功率因數(shù);有源功率因數(shù)校正;單級(jí);兩級(jí)The Application Of Power Factor Correction In Switch PowerLI Yin-bi(Zhejiang Technical College of Post and Telecom,Shaoxing Zhejiang 312000,China Abstract:The theme intr

2、oduces the basic principles of power factor correction in switch power and the analysises active power factor correction (APFC.At last summarizes the tendency of active power factor correction.Key words: power factor;active power factor correction;single-stage;two-stage1、引言近年來,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)等一些通信設(shè)備日益

3、普及,被廣泛應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域,其中電網(wǎng)的諧波污染以及輸入端功率因數(shù)低等問題顯得日益突出。這些設(shè)備的內(nèi)部需要一個(gè)將市電轉(zhuǎn)化為直流的電源部分。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中,由于一些非線性元件的存在,導(dǎo)致輸入的交流電壓雖然是正弦的,但輸入的交流電流卻嚴(yán)重畸變,包含大量諧波。而諧波的存在,不但降低了輸入電路的功率因數(shù),而且對(duì)公共電力系統(tǒng)產(chǎn)生污染,造成電路故障。顯然,使用有效的校正技術(shù)把諧波污染控制在較小的范圍己是當(dāng)務(wù)之急。為了限制電流波形畸變和諧波,使電磁環(huán)境更加干凈,國內(nèi)外都制訂了限制電流諧波的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如IEC555-2, IEEC519等。采用現(xiàn)代高頻功率變換技術(shù)的功率因數(shù)校正(PFC技術(shù)是解決諧波污染

4、最有效的手段。為了減少諧波對(duì)交流電網(wǎng)的污染,這就必須對(duì)電源產(chǎn)品如UPS,高頻開關(guān)整流電源等的輸入電路進(jìn)行功率因數(shù)校正,以最大限度減少諧波電流。功率因數(shù)校正的目的,就是采用一定的控制方法,使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓,功率因數(shù)接近為1。2、功率因數(shù)校正的基本原理2.1功率因數(shù)的定義由于在電源設(shè)備中,除了線性元件外,還大量使用各種非線性元件,如整流電路、逆變電路、日光燈、霓虹燈等。非線性元件的大量使用使得電路中產(chǎn)生各種高次諧波,高次諧波在基波上疊加,使得交流電壓波形產(chǎn)生畸變。功率因數(shù)PF(Power Factor是指交流輸入有功功率P與視在功率S的比值。對(duì)于高頻開關(guān)整流器這種交流用電負(fù)載,由于它含

5、有很多非線性元件,使得輸入的正弦交流電流發(fā)生一定程度的畸變,也就是輸入的交流電流中除了含有基波(一次諧波外,還含有了二次、三次等高次諧波。我們認(rèn)為只有基波才作有用功,再考慮感性(或容性負(fù)載作的無用功影響,功率因數(shù)PF 應(yīng)定義為:PF =S P =R L L I U I U cos 1=RI I 1cos = cos (1 式中:基波因數(shù),即基波電流有效值I 1與電網(wǎng)電流有效值I R 之比。I R :電網(wǎng)電流有效值I 1:基波電流有效值U L :電網(wǎng)電壓有效值cos :基波電流與基波電壓的位移因數(shù)在線性電路中,無諧波電流,電網(wǎng)電流有效值I R 與基波電流有效值I 1相等,基波因數(shù)=1,所以PF

6、=·cos =1·cos =cos 。當(dāng)線性電路且為純電阻性負(fù)載時(shí),PF =·cos =1·1=1。如果供電系統(tǒng)正弦畸變過大,則會(huì)對(duì)供電設(shè)備、用電設(shè)備產(chǎn)生干擾,嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)斐捎秒娫O(shè)備如開關(guān)電源、UPS 退出正常工作,也可能造成供電系統(tǒng)跳閘。畸變?cè)叫?功率因數(shù)則越高。綜上所述,只要設(shè)法抑制輸入電流中的諧波分量,通過電路方法,將輸入電流波形校正為或無限接近正弦波,即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。2.2 無功率因數(shù)校正的開關(guān)電源存在的問題在傳統(tǒng)沒有功率因數(shù)校正的開關(guān)整流器中,交流輸入電壓,經(jīng)整流后,緊跟著大電容濾波,由于電容的充放電使輸入電流呈脈沖波形。這種電流諧

7、波分量很大,造成功率因數(shù)下降。低功率因數(shù)開關(guān)電源的使用,嚴(yán)重污染了電網(wǎng),干擾了其它設(shè)備,增大了前級(jí)設(shè)備(如變壓器、電纜傳輸、柴油發(fā)電機(jī)等的功率容量,使供電系統(tǒng)容量至少要增大30%以上,使用戶增加了投資。對(duì)于三相四線輸入,當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí),零線電流會(huì)很大。從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來看,低功率因數(shù)的開關(guān)電源所帶來的危害是很嚴(yán)重的,這是因?yàn)檩斎腚娏饔泻芨叩姆逯?含有大量的高次諧波,不但產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾,還使供電變壓器產(chǎn)生大的電磁應(yīng)力,噪音增大,鐵損嚴(yán)重,溫升劇增。因此,在整流器設(shè)計(jì)中,認(rèn)真設(shè)計(jì)好功率因數(shù)校正電路是至關(guān)重要的。3、實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的方法從不同的角度看,功率因數(shù)校正(PFC 技術(shù)有不同分類方法。

8、從電網(wǎng)供電方式可分為單相PFC 電路相三相PFC 電路;從采用的校正機(jī)理看,可分為無源功率因數(shù)校正(PPFC 和有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction ,簡稱APFC 兩種。無源功率因數(shù)校正技術(shù)(PPFC 出現(xiàn)最早,通常由大容量的電感、電容組成。它只是針對(duì)電源的整體負(fù)載特性表現(xiàn),在開關(guān)整流器的交流輸入端加入電感量很大的低頻電感,以減小濾波電容充電電流尖峰。由于加入的電感體積大,增加了開關(guān)整流器的體積,此方法雖然簡單,但效果不很理想,適于應(yīng)用到重量體積不受限制的小型設(shè)備。因此目前用的較多的是有源功率因數(shù)校正。有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開關(guān)狀態(tài),體積小、

9、重量輕,比無源功率因數(shù)校正電路效率高。下面主要討論有源功率因數(shù)校正方法。有源功率因數(shù)校正目的在于減小輸入電流諧波。為此在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè)DC/DC 開關(guān)變換器,應(yīng)用電壓、電流反饋技術(shù),使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形,可以使輸入電流接近正弦,從而大大提高功率因數(shù)PF ,一般校正后PF 可提高到0.99或更高。由于這個(gè)方案中應(yīng)用了有源器件,故稱為有源功率因數(shù)校正(APFC ?；驹砣鐖D所示。 APFC的基本原理框圖從原理框圖來看,APFC基本電路就是一種開關(guān)電源,但它與傳統(tǒng)的開關(guān)電源的區(qū)別在于:DC/DC變換之前沒有濾波電容,電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓,這個(gè)正弦半波

10、脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與監(jiān)控,其控制的結(jié)果是達(dá)到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為1 。而有源功率因數(shù)校正中,按輸入電流的工作模式又可分為CCM模式和DCM模式;按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩級(jí)模式和單級(jí)模式。3.1按輸入電流檢測(cè)和控制方式分類根據(jù)電感電流是否連續(xù),APFC有兩種工作模式:不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode和連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(Continuous Conduction Mode。一般認(rèn)為,采用電流連續(xù)導(dǎo)通方式可利于實(shí)現(xiàn)輸入EMI濾波電路小型化,并可使電流應(yīng)力減小,實(shí)現(xiàn)高效率。3.1.1 DCM控制模式DCM控

11、制又稱電壓跟蹤方法(Voltage Follower,它是PFC中簡單而實(shí)用的一種控制方式。這類變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式,開關(guān)管由輸出電壓誤差信號(hào)控制,開關(guān)周期為常數(shù)。由于峰值電感電流基本上正比于輸入電壓,因此,輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化?？刂圃砣鐖D所示: DCM控制原理圖該控制方法的優(yōu)點(diǎn)是: 1 電路簡單,不需要乘法器;2功率管實(shí)現(xiàn)零電流開通(ZCS且不承受二極管的反向恢復(fù)電流;3 輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。但是DCM方式存在著以下兩個(gè)主要問題:1由于電感電流不連續(xù),造成電流紋波較大,對(duì)濾波電路要求高;2開關(guān)管電流應(yīng)力高,在同等容量情況下,DCM中開關(guān)器件通過的峰

12、值電流是CCM的兩倍,由此導(dǎo)致通態(tài)損耗增加,因此只適用于小功率的場合。3.1.2 CCM控制模式在CCM模式控制中,根據(jù)是否選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量和被控制量,又可分為間接電流控制(Indirect Current Control和直接電流控制(Direct Current Control兩大類.直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是電流瞬態(tài)特性好,自身具有過流保護(hù)能力,但需要檢測(cè)瞬態(tài)電流,控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)機(jī)理清晰。(1 直接電流控制直接電流控制是目前應(yīng)用最多的控制方式,它來源于DC/DC變換器的電流控制模式。將輸入電壓信號(hào)與輸出電壓誤差信號(hào)相乘后作為電流控制器的電流給定信號(hào),

13、電流控制器控制輸入電流按給定信號(hào)變化。根據(jù)控制器控制方式的不同,較典型的控制方式有峰值電流控制(PCMC、平均電流控制(ACMC和滯環(huán)電流控制(HCC等。與其他控制方式相比,平均電流控制具有電流總諧波畸變(THD和電磁干擾(EMI小、對(duì)噪聲不敏感、適用于大功率應(yīng)用場合等優(yōu)點(diǎn),是目前PFC中應(yīng)用最多的一種控制方式。下面就介紹利用平均電流控制技術(shù)的Boost PFC電路?；驹砣鐖D所示:平均電流控制方式PFC框圖它具有雙環(huán)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。電流環(huán)使輸入電流波形更接近正弦波,電壓環(huán)使升壓型DC/DC輸出電壓U O恒定。由s獲得電感L中的電流取樣,并由R1、R2分壓以取得整流后的電壓取樣信號(hào)。K1正向

14、輸入端信號(hào)來自乘法器Z,作為K1的基準(zhǔn)信號(hào)。K1反向輸入端信號(hào)來自電感電流取樣信號(hào)。若電感電流偏小時(shí),K1輸出增大,與鋸齒波比較后的PWM信號(hào)占空比增加,使Q管導(dǎo)通時(shí)間變長而截止時(shí)間減少。在Boost PFC電路中,Q管導(dǎo)通,L貯能,通過電感的電流I L增加,而Q管截止時(shí),二極管D導(dǎo)通,電容C充電,流過電感電流I L減小。這樣使電感電路中電流I L可跟蹤基準(zhǔn)信號(hào)波形。即I L的平均值I與整流后的電壓波形接近同相。如圖所示。平均電流控制方式PFC電路的各種電流波形圖在Boost PFC電路中,設(shè)PWM信號(hào)周期為T,Q管截止時(shí)間為T OH,則U O=T/T OH·U I(證明略。當(dāng)Boo

15、st PFC電路中U O上升時(shí),取樣與標(biāo)準(zhǔn)電壓U ref比較后使K2輸出下降,從而使U Z下降;使K1輸出下降,即T OH增加,U O下降,以保持輸出電壓穩(wěn)定。(2 間接電流控制電流的控制也可以通過控制整流橋輸入端電壓的方式間接實(shí)現(xiàn),稱為間接電流控制或電壓控制。間接電流控制是一種基于工頻穩(wěn)態(tài)的控制方法,它通過控制整流器輸入端電壓,使其與電源電壓保持一定的相位、幅值關(guān)系,從而控制交流輸入電流呈正弦波形,且與電源電壓保持同相位,使裝置運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。 間接電流控制原理通過對(duì)CCM和DCM兩種工作模式的分析和比較可以看出:CCM的優(yōu)點(diǎn)是輸入和輸出電流波動(dòng)小,故濾波容易;開關(guān)的有效電流小,器件

16、導(dǎo)通損耗小;適用于大功率場合。對(duì)于小于幾百瓦的功率級(jí),選擇DCM比較合適,DCM的最大好處是二極管不存在反向恢復(fù),因此不需要緩沖電路。3.2按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類有源功率因數(shù)校正技術(shù)從結(jié)構(gòu)上分為兩級(jí)PFC和單級(jí)PFC。其中兩級(jí)PFC是目前普遍使用的比較成熟的PFC技術(shù)。3.2.1 兩級(jí)功率因數(shù)校正目前研究的兩級(jí)PFC電路是由兩級(jí)變換器組成:第一級(jí)是PFC變換器,目的在于提高輸入的功率因數(shù)并抑制輸入電流的高次諧波;第二級(jí)為DC/DC變換器,目的在于調(diào)節(jié)輸出以便與負(fù)載匹配。具體實(shí)現(xiàn)方式很多,在通信用大功率開關(guān)整流器中主要采用的方法是在主電路輸入整流和功率轉(zhuǎn)換電路之間串入一個(gè)校正的環(huán)節(jié)(Boost PFC電

17、路。典型的兩級(jí)變換器的結(jié)構(gòu)如圖所示。水質(zhì)工程學(xué)(綜合練習(xí)題一、選擇題1、生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 57492006中規(guī)定,管網(wǎng)末端出水濁度值應(yīng)為(NTU左右。A、3B、2C、1D、0.52、下列因素中,不屬于混凝機(jī)理的是(。A、混凝劑水解B、電性中和C、吸附架橋D、卷掃網(wǎng)捕3、下列物質(zhì)中,(為水處理常用混凝劑。A、硫酸鋁B、磺化煤C、活性炭D、沸石4、絮凝工藝中,在機(jī)械攪拌、水力攪拌等外力作用下產(chǎn)生的絮凝稱為(。A、異向絮凝B、同向絮凝C、結(jié)團(tuán)絮凝D、接觸絮凝5、下列因素中,對(duì)于絮凝速率影響最小的是(。A、顆粒粒徑B、顆粒濃度C、水的pH值D、攪拌強(qiáng)度6、下列絮凝池中,設(shè)計(jì)停留時(shí)間最短的是(。

18、A、隔板絮凝池B、折板絮凝池C、機(jī)械攪拌絮凝池D、小網(wǎng)格絮凝池7、下列公式中,不能用于計(jì)算顆粒在靜水中沉降速度的是(。A、斯托克斯公式B、牛頓公式C、肯奇公式D、阿蘭公式8、平流沉淀池設(shè)計(jì)計(jì)算中,雷諾數(shù)(Re校核是為了控制(。A、水平流速B、截留沉速C、水流流態(tài)D、重力影響9、斜板、斜管沉淀池傾角一般取(,傾斜方向與進(jìn)水方向(。A、30°,相同B、30°,相反C、60°,相同D、60°,相反10、下列情況下,對(duì)澄清池接觸絮凝區(qū)工作穩(wěn)定性影響最小的是(。A、池內(nèi)氣泡的積聚B、原水濃度的增大C、處理負(fù)荷的突然增大D、加藥量的突然增大11、與隨機(jī)絮凝相比,結(jié)團(tuán)

19、絮凝工藝的優(yōu)勢(shì)在于(。A、提高了絮凝速率B、提高了絮體有效密度C、降低了加藥量D、降低了出水濁度12、下列機(jī)理中,不屬于顆粒遷移機(jī)理的是(。A、截留B、沉淀C、網(wǎng)捕D、擴(kuò)散13、濾池過濾周期與(無關(guān)。A、濾速B、原水水質(zhì)C、單池面積D、濾層水頭損失14、濾池反沖洗中,當(dāng)濾料開始流態(tài)化之后,反沖洗流速的繼續(xù)增大不會(huì)增大(。A、水頭損失B、濾層膨脹度C、空隙率D、最小流態(tài)化沖洗流速15、下列濾池配水系統(tǒng)中,應(yīng)用于大阻力配水系統(tǒng)的是(。A、穿孔濾板B、穿孔管C、長柄濾頭D、濾磚16、給水處理工藝中,單層石英砂濾料濾速一般取(m/H。A、6-8B、8-10C、10-12D、12-1417、下列消毒劑中

20、,需要與氯消毒配合使用的是(。A、氯胺B、二氧化氯C、漂白粉D、臭氧18、下列膜濾技術(shù)中,所需跨膜壓差最高的是(。A、超濾B、反滲透C、微濾D、納濾19、下列雜質(zhì)中,可以通過超濾進(jìn)行有效去除的是(。A、細(xì)菌B、三氯甲烷C、溴乙酸D、Fe2+20、在常溫,低濃度條件下,(最先被鈉離子交換樹脂去除。A、NH4+B、Mg2+C、Ca2+D、K+二、思考題1、生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)包括哪幾大類指標(biāo)?針對(duì)每一大類,試分別列舉12項(xiàng)指標(biāo)加以說明。2、為何低溫低濁水難于處理?應(yīng)對(duì)措施有哪些?3、為什么斜管沉淀池,澄清池均能獲得大于平流沉淀池的表面負(fù)荷?試從機(jī)理角度加以分析。4、圖示說明為何無煙煤,石英砂雙層濾料

21、濾層含污能力優(yōu)于石英砂單層濾料。5、已知卡曼康采尼公式如下所示,試分析等速過濾條件下過濾周期中過濾水頭損失的變化規(guī)律,說明通過何種方式保證過濾周期中濾速相等。6、為何臭氧、紫外線等消毒工藝后還需要加氯進(jìn)行消毒?7、若原水鐵錳較高,采用超濾工藝能否達(dá)到處理效果?為什么?若可行,試寫出工藝流程,若不可行,試分析可行處理工藝流程。一、單項(xiàng)選擇題1、水中雜質(zhì)按尺寸大小通?？梢苑殖?類。A、1B、2C、3D、42、(通常采用光散射原理測(cè)定。A、溶解性總固體B、濁度C、有機(jī)物D、懸浮物3、生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006中反映水中有機(jī)物含量的綜合指標(biāo)是(。A、CODB、BOD5C、CODMnD、

22、TOC4、生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006中的水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)中微生物指標(biāo)有(項(xiàng)?A、3B、4C、5D、65、地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002中的(類水體適用于集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)。A、B、C、D、6、假設(shè)消毒時(shí)的細(xì)菌滅活速率與細(xì)菌個(gè)數(shù)為一級(jí)反應(yīng)關(guān)系,消毒過程中,細(xì)菌數(shù)量從n0減少到n0/2需要10s,則從n0/2減少到n0/4需要的時(shí)間是(s。A、5B、10C、20D、407、對(duì)于一級(jí)反應(yīng),采用不同的理想反應(yīng)器形式,達(dá)到相同反映效果所需反應(yīng)時(shí)間最短的是(。A、CSTRB、CMBC、PFD、CMB和PF二、多項(xiàng)選擇題1、飲用水常規(guī)處理工藝難于有效去除的是(。A、

23、溶解性有機(jī)物B、細(xì)菌C、Ca2+D、膠體2、微污染水源水可采用的飲用水處理工藝有(。A、常規(guī)處理加軟化處理B、預(yù)處理加常規(guī)處理C、強(qiáng)化常規(guī)處理D、常規(guī)處理加深度處理3、在飲用水的預(yù)處理加常規(guī)處理工藝中,預(yù)處理可以采用(。A、粉末活性炭B、顆?；钚蕴緾、生物處理D、膜分離一、單項(xiàng)選擇題天然膠體中,膠體顆粒能長期處于聚集穩(wěn)定狀態(tài),其主要原因是顆粒間下述(的作用?A、范德華引力B、靜電斥力C、重力D、浮力2、如果能夠降低膠體的(,就可以使膠體間的靜電斥力降低,從而降低膠體間的最大排斥能峰。A、總電位B、電位C、吸附層D、擴(kuò)散層3、混凝過程中,影響水中憎水膠體顆粒相互凝聚的主要因素是(。A.膠體表面水化膜的阻礙作用;B.膠體表面電荷的排斥作用;C.膠體表面細(xì)