PFC的基础知识汇总

　　功率因数（Power Factor）的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。

　　在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S.

PF、PFC、PPFC、APFC 的含义功率因数

（PF）的定义

功率因数（PF）的大小与电路的负荷性质有关，负荷的性质可以粗略的分为三种：电阻性负载，电容性负载以及电感性负载。生活中纯粹的电感性负载和电容性负载很少，更多的是电感和电阻混合型负载（阻感型负载）或电容和电阻混合型负载（阻容型负载）。白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为 1，一般阻感性负载的电路功率因数都小于 1。生产中最常见的交流异步电动机就是一个阻感性负载，在额定负载时的功率因数一般为 0.7--0.9，如果在轻载时其功率因数就更低。其它设备如工频炉、电焊变压器以及日光灯等，负载的功率因数也都是较低的。

各种负载类型的负荷等效电路如图 1所示：

图1 输入负载等效

图 2 示出了上图中 4 种类型负载的消耗能量的情况：

图2 负载消耗或者释放能量

在某一时刻既有电压又有电流，根据 P=UI，该时刻负荷产生功率的交换，究竟是吸收功率还是发出功率，要看电压和电流的方向，电压和电流同方向则吸收功率，电压和电流方向相反则发出功率。在图 2 中，将负荷吸收的功率的积分， 也就是从电网吸收的电量画在 t 轴的上半部分；将负荷发出的功率的积分，也就是负荷发送到电网的电量，画在 t 轴的下半部分。图 2中粉红色的面积代表负荷吸收或发送的电量。

由 2 图可以看到，电阻总是向电网吸收电能（表现为粉红色的面积总是在

t 轴的上面），而电容和电感却不是，一会从电网吸取能量，一会向电网提供能量

（表现为粉红色的面积时而在 t 轴的上面，时而在 t 轴的下面），产生这种现象的原因是，电感和电容属于储能设备，本身不消耗能量。但是从发电厂传送到用户之间的供电线是有电阻的，在上面流过电流就会消耗电能。在这个储能放能的过程中，能量都被消耗在了供电线上了。

下面再来分析下二极管以及电容构成的整流电路的功率交换情况。这是一种很常见的结构，在开关电源中用的非常多。二极管只有在输入交流电压比电容电压高时，才能导通，此时才有电流。在输入交流电压比电容电压低时，二极管承受反压而截止。在二极管导通的一小段时间内为了提供整个周期的功率，在这段时间内会有很大的电流，也就是说，AC 源必须在短短的时间内提供够用很长一端时间的能量给设备，这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。由于供电厂只能产生正弦形式的功率输出，为了达到这个目的，供电厂必须建设远超出正常消耗的供电设备，以维持用电设备的用电。 为了描述这种电容电感导致的，电流和电压不同步的情况，引入功率因数的定义。

功率因数（PF）是用电设备的一个重要技术指标。在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号 cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率 P（P=UIcosΦ）和视在功率 S（P=UI）的比值，即 cosΦ=P/S.如图 1.3 所示。

视在功率 S，有功功率 P，无功功率 Q 之间的关系满足式

P^2 + Q^2 =S^2

功率因数

在纯电阻电路中，电压与电流同相，其功率因数为 1，如图 1.4 所示。对于其他负载来说，其功率因数介于 0 与 1 之间，且多数为感性负载。电压和电流越不同步，计算功率时两者乘积越小。

电阻性负载电压电流波形

在实际中，提高功率因数意味着：

1） 提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，这

就有利于安全生产。

2） 能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。

3） 可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。

4） 因发电机的发电容量的限定，故提高 cosΦ也就使发电机能多出有功功率。

在实际用电过程中，提高负载的功率因数是最有效地提高电力资源利用率的方式。

PFC 电路分类

功率因数低的原因有两个，一种是由电容或电感引起的电流相位偏移，此时电流的波形仍然是正弦波，另一种是有源器件引起的波形失真，如上述的整流桥与电容组成的整流电路，其输入波形并非是正弦波，而是含有多种高次谐波，高次谐波的成分越丰富，幅值越大，电流波形失真越严重，如图 5 所示。在输入电压频率为 50Hz 时，基波频率为 50Hz，2 次谐波为 100Hz，3 次谐波为 150Hz，

n 次谐波为 n*50Hz。

图5 电流波形傅里叶分解

通常失真度可以用 THD 来表示，其计算公式

更多与 THD 的相关的知识请读者自行翻阅资料，在此只给出基本概念。考虑

THD 的影响后，功率因数可以下图 1.6 中公式计算：

图6 PF及THD关系

由上述分析可以看到，对用电设备的友好性可以用 PF 来衡量，很多时候 PF 和 THD 是存在关系的，THD 越大，PF 越低。但 THD 小不意味着 PF 高，还要考虑电流相位的影响。

提高 PF 的电路称为 PFC 电路，PFC 的思路也是分为 2 个：

（1）增加补偿电路，比如负载为电容，就在供电线路上加入电感，这种方法称为无源 PFC，常用于只有相位偏移的场合（电流接近正弦波，或 THD 非常小）。

（2）对于 THD 较大的电路，如开关电源，主要的问题是波形失真，因此不能采用无源 PFC，只能采用其他方法，这些方法统称为有源 PFC。有源 PFC 也分

2 种，一种是 PPFC（被动式 PFC），另一种是 APFC（主动式 PFC）。有时候，将无源

PFC 也归为被动式，这样 PFC 分 P 和 A 两类，P 又包括无源和有源两种。

1.3 PPFC 电路

常用的 PPFC 电路如图下图7 所示，该电路称为逐流电路，该电路结构能在一定程度上提高开关电源的 PF 值。下面分析 PPFC 电路原理：当 VDC 比 2 个电容电压加起来还高时，电流流过 C1，D2，C2，逐流电路充电。当 VDC 比 2 个电容电压并联的电压低时，逐流电路放电，放电电流有两条支路，一条是 C1-负载-D1，另一条是 C2-D3-负载。当 VDC 介于两者之间时，逐流电路既不放电也不充电。流过

C1 的电流可表示为图 8。

图7 PPFC 图8 电容电流波形

假如没有逐流电路，当 VAC《VDC 时，二极管就会截止，只有 VAC》VDC 时，二极管才导通。加上逐流电路后，当 VAC 小于两个电容电压之和时，二极管依然导通，直到 VAC 小于电容电压，这无形中延长了二极管导通的时间。

假设 VAC 为 220V，VDC 稳定在 200V，那么无逐流电路时，只有 VAC》200V，二极管才导通，有逐流电路时，VAC》100V，二极管就导通。无逐流电路和有逐流电路的电流波形对比图如图 9 所示。

图9 有无逐流电路电流波形对比图

至此我们将PF，PFC，THD，PPFC普及，下面有空讲APFC，有源功率因数校正。

功率因数超前和滞后概述

功率因素表显示的超前与滞后，反映了线路中电压电流的相位关系。

功率因素表显示滞后，是常见的情况，表示电流的相位滞后于电压的相位，说明线路是感性的，以电动机类的负载为主，需要投入电容补偿线路的无功功率。功率因素表超前表示电流相位超前电压相位，说明线路呈现容性，负载中电容过大，一般出现在电容补偿补过头了（过补）。

功率因素超前，通常会使电网出现不稳定现象，容易产生震荡，造成电网故障，故要尽量不免出现超前。如果线路中没有容性负载，功率因素显示超前，通常是表计的接线有问题，否则就是表计坏了。

功率因数超前和滞后怎么判断

理论上，功率因数只是一个比值，它本身没有超前于滞后的问题。只是我们为了区别线路中无功功率的特性，也就是造成功率因数降低的元件特性，所以我们人为规定：感性负载的功率因数为滞后（正号），容性负载的功率因数为超前（负号）。由此：

1、可以从线路中需要无功功率的负载来判断，如果感性负载为主（比如电动机为主），哪一定是滞后的。反之，如是电容性负载为主，就是超前了。

2、从功率因数等等仪表的显示来判断，有的功率因数显示上，标有超前或滞后，没有标的也用正负号显示。