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)就電子設備和照明設備分別下降到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。
通用電源設計（即那些適應低于100V至高于240V交流輸入的設計）的一個期望結果是，功率管理電路與電源無關，且設計者只需考慮那些與預期負載有關的問題。這種功率管理方法通過減少為全球客戶群體服務所需的電源種類而能產(chǎn)生相當大的規(guī)模經(jīng)濟。類似的優(yōu)勢還能擴展到供應鏈、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果：所獲得的電源必須滿足各類市場的最嚴格標準要求。電源標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致分配或強制進行基礎設施投資的主要原因。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注。歐盟率先推出了功率因子標準，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標準都表明，功率因子 (PF) 指標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備，更新的標準及規(guī)范被運用到僅消耗75W 或26W功率照明設備等電子產(chǎn)品中。
興風作浪
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的關注程度，我們首先應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動，而其中又有大約85% 進入到機電設備或三端雙向可控硅開關驅動的交流感應電機中（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，即驅動設備工作并抽取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不公平：供電方顯然應該以能量（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)基礎設施的容量。假設公式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)基礎設施的要求。這種負載性能與運營成本和投資成本之間的關系將PF抬高到了規(guī)章所限定的最高水平。
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