PF、PFC、PPFC、APFC 的含義功率因數(shù)

（PF）的定義

功率因數(shù)（PF）的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，負(fù)荷的性質(zhì)可以粗略的分為三種：電阻性負(fù)載，電容性負(fù)載以及電感性負(fù)載。生活中純粹的電感性負(fù)載和電容性負(fù)載很少，更多的是電感和電阻混合型負(fù)載（阻感型負(fù)載）或電容和電阻混合型負(fù)載（阻容型負(fù)載）。白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為 1，一般阻感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于 1。生產(chǎn)中最常見的交流異步電動機就是一個阻感性負(fù)載，在額定負(fù)載時的功率因數(shù)一般為 0.7--0.9，如果在輕載時其功率因數(shù)就更低。其它設(shè)備如工頻爐、電焊變壓器以及日光燈等，負(fù)載的功率因數(shù)也都是較低的。

各種負(fù)載類型的負(fù)荷等效電路如圖 1所示：

圖1 輸入負(fù)載等效

圖 2 示出了上圖中 4 種類型負(fù)載的消耗能量的情況：

圖2 負(fù)載消耗或者釋放能量

在某一時刻既有電壓又有電流，根據(jù) P=UI，該時刻負(fù)荷產(chǎn)生功率的交換，究竟是吸收功率還是發(fā)出功率，要看電壓和電流的方向，電壓和電流同方向則吸收功率，電壓和電流方向相反則發(fā)出功率。在圖 2 中，將負(fù)荷吸收的功率的積分， 也就是從電網(wǎng)吸收的電量畫在 t 軸的上半部分；將負(fù)荷發(fā)出的功率的積分，也就是負(fù)荷發(fā)送到電網(wǎng)的電量，畫在 t 軸的下半部分。圖 2中粉紅色的面積代表負(fù)荷吸收或發(fā)送的電量。

由 2 圖可以看到，電阻總是向電網(wǎng)吸收電能（表現(xiàn)為粉紅色的面積總是在

t 軸的上面），而電容和電感卻不是，一會從電網(wǎng)吸取能量，一會向電網(wǎng)提供能量

（表現(xiàn)為粉紅色的面積時而在 t 軸的上面，時而在 t 軸的下面），產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，電感和電容屬于儲能設(shè)備，本身不消耗能量。但是從發(fā)電廠傳送到用戶之間的供電線是有電阻的，在上面流過電流就會消耗電能。在這個儲能放能的過程中，能量都被消耗在了供電線上了。

下面再來分析下二極管以及電容構(gòu)成的整流電路的功率交換情況。這是一種很常見的結(jié)構(gòu)，在開關(guān)電源中用的非常多。二極管只有在輸入交流電壓比電容電壓高時，才能導(dǎo)通，此時才有電流。在輸入交流電壓比電容電壓低時，二極管承受反壓而截止。在二極管導(dǎo)通的一小段時間內(nèi)為了提供整個周期的功率，在這段時間內(nèi)會有很大的電流，也就是說，AC 源必須在短短的時間內(nèi)提供夠用很長一端時間的能量給設(shè)備，這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。由于供電廠只能產(chǎn)生正弦形式的功率輸出，為了達到這個目的，供電廠必須建設(shè)遠超出正常消耗的供電設(shè)備，以維持用電設(shè)備的用電。 為了描述這種電容電感導(dǎo)致的，電流和電壓不同步的情況，引入功率因數(shù)的定義。

功率因數(shù)（PF）是用電設(shè)備的一個重要技術(shù)指標(biāo)。在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦叫做功率因數(shù)，用符號 cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率 P（P=UIcosΦ）和視在功率 S（P=UI）的比值，即 cosΦ=P/S.如圖 1.3 所示。

視在功率 S，有功功率 P，無功功率 Q 之間的關(guān)系滿足式

P^2 + Q^2 =S^2

功率因數(shù)

在純電阻電路中，電壓與電流同相，其功率因數(shù)為 1，如圖 1.4 所示。對于其他負(fù)載來說，其功率因數(shù)介于 0 與 1 之間，且多數(shù)為感性負(fù)載。電壓和電流越不同步，計算功率時兩者乘積越小。

電阻性負(fù)載電壓電流波形

在實際中，提高功率因數(shù)意味著：

1） 提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運行條件，可保證設(shè)備在正常條件下工作，這

就有利于安全生產(chǎn)。

2） 能提高企業(yè)用電設(shè)備的利用率，充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力。

3） 可減少線路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率。

4） 因發(fā)電機的發(fā)電容量的限定，故提高 cosΦ也就使發(fā)電機能多出有功功率。

在實際用電過程中，提高負(fù)載的功率因數(shù)是最有效地提高電力資源利用率的方式。

PFC 電路分類

功率因數(shù)低的原因有兩個，一種是由電容或電感引起的電流相位偏移，此時電流的波形仍然是正弦波，另一種是有源器件引起的波形失真，如上述的整流橋與電容組成的整流電路，其輸入波形并非是正弦波，而是含有多種高次諧波，高次諧波的成分越豐富，幅值越大，電流波形失真越嚴(yán)重，如圖 5 所示。在輸入電壓頻率為 50Hz 時，基波頻率為 50Hz，2 次諧波為 100Hz，3 次諧波為 150Hz，

n 次諧波為 n*50Hz。

圖5 電流波形傅里葉分解

通常失真度可以用 THD 來表示，其計算公式

更多與 THD 的相關(guān)的知識請讀者自行翻閱資料，在此只給出基本概念。考慮

THD 的影響后，功率因數(shù)可以下圖 1.6 中公式計算：

圖6 PF及THD關(guān)系

由上述分析可以看到，對用電設(shè)備的友好性可以用 PF 來衡量，很多時候 PF 和 THD 是存在關(guān)系的，THD 越大，PF 越低。但 THD 小不意味著 PF 高，還要考慮電流相位的影響。

提高 PF 的電路稱為 PFC 電路，PFC 的思路也是分為 2 個：

（1）增加補償電路，比如負(fù)載為電容，就在供電線路上加入電感，這種方法稱為無源 PFC，常用于只有相位偏移的場合（電流接近正弦波，或 THD 非常?。?/p>

（2）對于 THD 較大的電路，如開關(guān)電源，主要的問題是波形失真，因此不能采用無源 PFC，只能采用其他方法，這些方法統(tǒng)稱為有源 PFC。有源 PFC 也分

2 種，一種是 PPFC（被動式 PFC），另一種是 APFC（主動式 PFC）。有時候，將無源

PFC 也歸為被動式，這樣 PFC 分 P 和 A 兩類，P 又包括無源和有源兩種。

1.3 PPFC 電路

常用的 PPFC 電路如圖下圖7 所示，該電路稱為逐流電路，該電路結(jié)構(gòu)能在一定程度上提高開關(guān)電源的 PF 值。下面分析 PPFC 電路原理：當(dāng) VDC 比 2 個電容電壓加起來還高時，電流流過 C1，D2，C2，逐流電路充電。當(dāng) VDC 比 2 個電容電壓并聯(lián)的電壓低時，逐流電路放電，放電電流有兩條支路，一條是 C1-負(fù)載-D1，另一條是 C2-D3-負(fù)載。當(dāng) VDC 介于兩者之間時，逐流電路既不放電也不充電。流過

C1 的電流可表示為圖 8。

圖7 PPFC 圖8 電容電流波形

假如沒有逐流電路，當(dāng) VAC《VDC 時，二極管就會截止，只有 VAC》VDC 時，二極管才導(dǎo)通。加上逐流電路后，當(dāng) VAC 小于兩個電容電壓之和時，二極管依然導(dǎo)通，直到 VAC 小于電容電壓，這無形中延長了二極管導(dǎo)通的時間。

假設(shè) VAC 為 220V，VDC 穩(wěn)定在 200V，那么無逐流電路時，只有 VAC》200V，二極管才導(dǎo)通，有逐流電路時，VAC》100V，二極管就導(dǎo)通。無逐流電路和有逐流電路的電流波形對比圖如圖 9 所示。

圖9 有無逐流電路電流波形對比圖

至此我們將PF，PFC，THD，PPFC普及，下面有空講APFC，有源功率因數(shù)校正。
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