非线性负载(整流器)和功率因数

电器工程 功率因数校正
2022-01-29 11:29:53

我读到功率因数显示有多少视在功率,它在电源线和负载之间循环,除了加热传输线和其中的变压器之外什么也不做。他们说这是由于电流与电压不同相。特别是当电压为正而电流为负时,功率会流出负载。

此外,我看到二极管整流器仅在峰值电压的短时间内导通,此时输入电压超过负载电压(整流器具有输出电容器 = 负载电压)。因此,在这些短脉冲期间消耗了所有功率。我读过一篇文章说人们什么都不懂,整个问题不是功率因数,而是这些使电力线路中的变压器过载的突发(不允许在变压器中产生大电流,因为有磁化损失的危险)。但是,当您在非常小的正弦波中消耗所有功率时,就会发生巨大的电流。显然,在功率因数为 1 的参考(电阻)负载中,电流与电压不成正比。但是,我在这里看不到任何负功率!整流器排除了正输入电压和负电流。在峰值正电压下所有电流都是正的。那么,非线性负载是如何产生视在功率的呢?

换句话说,维基百科说 http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply#Power_factor

简单的离线开关模式电源包含一个连接到大型储能电容器的简单全波整流器。当电源瞬时电压超过该电容器两端的电压时,此类 SMPS 会以短脉冲从交流线路中汲取电流。在交流循环的剩余部分,电容器为电源提供能量。

结果,这种基本开关模式电源的输入电流具有高谐波含量和相对低的功率因数。

他们如何得出谐波含量会产生低功率因数的结论?视在功率从何而来?

我知道电流具有谐波(频率分量),这意味着它在电压保持单极性时来回振荡。电流的这些高频振荡可能会产生视在功率。但是,净流仍然是正的,电流仍然只沿一个方向流动,对应于电压极性,振荡不会使其反向流动而引起视在功率。

1个回答

您似乎缺少的一点是,它不需要在电源周期的一部分期间将功率从设备传输回电源线以具有小于单位功率因数。

有多种方法可以查看真正的功率因数,尽管它们在数学上都是相同的。一种方法是传递给产品的实际功率与 RMS 电压和电流的比率。如果电流是正弦波(在这种情况下,让我们认为电压始终是正弦波,因为电源线的阻抗如此之低),那么当它与电压同相时,你有统一的功率因数,当偏离 90 度时,你有 0阶段。在正弦波的情况下,功率确实必须在部分周期内流回线路以具有小于单位功率因数。

然而,许多其他波形也是可能的。当电压为正时,电流始终为 0 或正,或者当电压为负时,电流始终为 0 或负,但这不是正弦。您提到的由全波桥引起的尖峰就是一个很好的例子。功率从不流回电源线,但功率因数小于 1。做一些例子并计算全波桥吸收的 RMS 电流。您将看到从电源线汲取的总有功功率小于 RMS 电流乘以电源线电压(再次,我们假设电源线电压始终为正弦波)。

另一种思考方式是传输系统中的损耗与电流的平方成正比。全波桥以高幅度的短尖峰吸收电流。由于损耗的平方性质,这比吸收更多分散的相同平均电流更差。我计算出那个数学,你意识到最小化电流平均平方的方法是使电流与电压成正弦相位。这是实现统一功率因数的唯一途径。

你提到的另一种看待这个问题的方法是考虑电流的傅立叶展开。我们假设一些电流波形在每个电源线周期重复,因此它具有傅里叶级数。任何这样的重复波形都可以表示为电力线频率下的一系列正弦波及其正整数倍的总和。例如,对于 60 Hz 功率,波形是 60 Hz、120 Hz、180 Hz、240 Hz 等的正弦波之和。唯一的问题是每个谐波的幅度和相移是多少。很明显,只有基波(本例中为 60 Hz 分量)能够从电力线汲取任何净功率,并且仅在与电压同相的范围内。由于所有分量都是正弦,除了基波的同相分量之外,每个都将在周期的一部分期间汲取功率并在周期的另一部分返回相同的功率。因此,如果您将电流波形分解为正弦波分量,那么您将功率因数视为必须在部分周期内恢复功率的方式是有效的。然而,可能有一组正弦波分量在不同时间获取和返回电力线,使得来自所有组件的网络在任何时候都为零或正。全波桥电流是这种波形的一个例子。可以有一组正弦波分量,它们在不同的时间接收和返回电力线,使得来自所有组件的网络在任何时候都为零或正。全波桥电流是这种波形的一个例子。可以有一组正弦波分量,它们在不同的时间接收和返回电力线,使得来自所有组件的网络在任何时候都为零或正。全波桥电流是这种波形的一个例子。