PFC电路详解

PFC技术整理文档原文来自《郝铭-高端电视维修培训专家》一、PFC是什么？现在进行液晶电视机和等离子电视机电路分析时、故障维修时，都经常的提到“PFC电路”一词，这在早期的电视机中是没有的，早期维修电视机的师傅从来没有接触过的，但是PFC电路是目前液晶电视机和等离子电视机中不可缺少的电路。那么PFC到底是什么？是一项新技术？还是新电路？先简单说说PFC的定义：PFC是英文的缩语；全称为“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因数校正”；功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。例如一台电源变压器的耗电量（输入功率）是100W，输出功率有90W,那么这台变压器的功率因数就是90W÷100W=0.9。一个电熨斗的耗电量是300W,使用时产生的热量也为300W，那么这只电熨斗的功率因数就是300W÷300W=1基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。功率因数最大为1，不可能超过1。这个衡量电力有效利用程度的指标，对于我们电视机的生产厂乃至电视机用户；有用吗？有必要吗？既然没有必要，电视机用户一般也没有计较过一台电视机是否充分的利用了所消耗的电量，那么电视机内部设置此电路增加了生产成本；其目的是为什么？要回答以上的问题，我们先来了解一下什么是功率因数，什么原因造成功率因数低？为什么有的电器功率因数低，有的电器功率因素就不低？有什么方法来提高（校正）功率因数，怎么知道功率因素是否达到最高（1）。电视机的功率因数校正电路（PFC电路）是怎么回事？电视机的功率因数电路是要解决什么问题？要把这一系列的问题搞清楚才能有一个明确的认识。要弄清楚什么是功率因素校正就必须弄清楚几个概念，这就是：有功功率、无功功率、视在功率（总功率）、功率因数；1有功功率：任何电器设备工作时都要消耗电能并输出能量，例如我们的电饭锅、电熨斗、取暖的电热汀等，它们把消耗的电能转化成为热能，这些转化为热能的电功率都等于是做功了，就称为有功功率。同样一台电动机也消耗电能；使之旋转输出机械功率，这个输出的机械功率就是有功功率。一台电源变压器把220V的交流市电进行了升压或降压的变换输出提升或下降的电压的电功率，这个输出的电功率就是有功功率。那么有功功率就是电器实际输出的电能、热能、机械能等实际“做功”的功率。2总功率（视在功率）：就是电器设备供电电路中电流和电压的乘积，单位为伏安（VA），也就是电器设备消耗的总功率，有的文献称为：视在功率。3无功功率：总功率（视在功率）减去有功功率就是无功功率。根据能量守恒定律，输入多少功率就应该输出多少功率，也就是说功率因数都应该是1才对。例如电熨斗耗电为；300W那么；此电熨斗就会产生300W功率的热量。那么哪些电器会有无功功率产生？无功功率是怎么来的？有许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率就称为无功功率，即是在电磁感应的过程中消耗的电功率，因为此电功率并没有实际做功，而是转变为其他形式的能量时付出的代价。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗功率这个消耗的功率就是无功功率。无功功率的单位是；“乏”（Var）。比如40瓦的日光灯，除需40瓦有功功率来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。，所谓的无功并不是无用的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已（是和电网进行了能量交换）。凡是具有感性负载的电器设备及用电器具（电能的输入都有电磁感应的过程）都存在无功功率损耗的问题。纯阻性负载的电器设备及用电器具（电熨斗、电热油汀、电饭锅等）都没有无功功率损耗的问题。4功率因素：加到电器设备上的总功率和有功功率的比值就是功率因数。例如一只电熨斗在使用时；供电电压为220V,供电电路中电流为5A，这就是总功率。那么这只电熨斗的总功率为1100W（220V×5A=1100W）,电熨斗工作时把这个1100W电功率都转换成了热量，这个热量都熨烫衣服了，也就是这1100W电功率都变成了有功功率输出了，此时，有功功率和总功率都是1100W，有功功率1100W÷总功率1100W=1,那么此电熨斗的功率因数就等于1。例如一台电风扇在工作时；供电电压为220V，供电电路中电流为0.5A，那么总功率就为110W，电风扇扇叶的旋转是由电流流过电动机绕组产生的旋转磁场驱动电动机转子旋转带动的。电动机旋转的机械功的输出只有100W的功率。那么这个电风扇的功率因数就是：100W÷110W=0.91（另外的10W功率在产生旋转磁场的电磁感应过程中与外界电源进行能量的交换）。由上面两例案例可以看出电熨斗是属于阻性负载，电能通过阻性负载直接转化为热能，没有经过其它的过度转换形式，而电风扇的电动机则要把电能先变成磁场能，磁场能在变化为机械能，电能转换为机械能的过程中；有一个电能转变为磁场能；磁场能再转换为机械能的过度阶段，这个过度阶段称为：电磁感应。电磁感应的过程是要消耗能量的，这个能量的消耗就是无功功率。显然无功功率消耗越小，电器的效率越高，功率因数就越大（功率因数最大也不会超过1）。具有电感性负载的用电设备，都有电磁感应的过程，所以电感性负载的用电设备功率因数都小于1。二、工业系统的功率因数校正（PFC）我们的市电及工业供电均是交流供电，其交流电的波形是正弦波。由于工业系统大量应用大功率的电感性负载设备，例如大功率的电动机、大型配电变压器等，这些感性设备在正弦交流供电工作其功率因数都小于1，有的甚至低于0.9以下，这些设备在工作时需要消耗大量的无功功率，由于无功功率在电网中的流动，增加了供电线路的负荷，线路压降增大增加电能的损耗。为什么会有这些不好的现象产生？要弄清楚其原因还要依靠电磁感应的基本原理来进行解释。我在本博客关于电磁感应文章（学好电磁感应的原理——提高我们分析电路判断故障的能力）里面已经介绍；外加电势加到感性负载上，由于其自感电势的对抗，负载内部的电流不会立即上升，而是先有电压后电流才能逐步上升，也就是电压超前电流。那么正弦交流电加到电感性设备上；电压和电流的关系会怎么样呢？因为正弦交流电的幅度是周期性变化的；一个周期是360度；（由00→900→1800→2700→3600）。图2.1所示是连续正弦交流电的波形。图2.1这样一个正弦波形的交流电加到感性负载上，在感性负载的内部也会产生一个自感电势来对抗外加正弦波形电势引起电流的变化，图2.2所示；由于自感电势的方向总是和外加电势方向相对抗的（楞次定律），所以在图2.2中虚线所示是自感电势V感和外加电势V是反相的关系，自感电势也是正弦波形。图2.2由于自感电势的对抗，感性负载内部电流的产生滞后于外加电势。现在外加电势是正弦波形，那么在负载内部就有具有一定滞后量的电流，其波形即也是正弦波形。图2.3所示；在图中蓝色粗虚线所示就是感性负载中电流的波形，（在正弦交流电路中；纯感性的负载中的电流滞后于电压90°）。图2.3从图2.3可以看出：当外加电压V的瞬时幅度达到最大值时（90°）；此时电流I的瞬时幅度为0。当外加电压V的瞬时幅度下降为0时（180°）；此时电流I的瞬时幅度为最大值。当外加电压V的瞬时幅度达到最大负值时（270°）；此时电流I的瞬时幅度为下降0。当外加电压V的瞬时幅度回升为0时（360°）；此时电流I的瞬时幅度为最大负值。依此循环；这就形成了在正弦交流电路中；电感性负载两端所加的电压和内部流过的电流在相位上不同步：当供电电路电压瞬时值（绝对值）达到最大时；其电流瞬时值为0，当供电电路电压瞬时值降为0时；其电流瞬时值（绝对值）即达到最大值。通过对图2.3的分析可以得出如下结论：在正弦交流电路中，纯电感两端的电压超前电流90°，或者说，电流滞后电压90°，图2.4所示。图2.4当电流达到最大值时供电电路的电压为零。这就造成了一个恶果；即在电流达到最大值时，因为电路电压为零，感性负载内部的电流会回流到供电电路中。由于工业系统中的感性设备功率庞大，这些回流的电流也是巨大的，这些回流的电流和原来电路中电流叠加，这就增加了供电线路的负荷，线路压降增大、增加电能的损耗，这是供电、用电部门都不愿意看到的，必须要解决的。功率因素的校正就是禁止电感性负载的电流（感性电流）回流入电网，始终要保持电网中的电流和电压相位相同。解决的方法：就是在靠近电感性负载的两端并联一个容量适合的电容器，使回流的电流流进电容器；对电容器充电。使电容和电感之间不断的充电、放电进行能量的交换，来维持感性负载的电磁感应过程，而供电线路不受影响，既保证了供电电路电压和电流的同相关系，又保证了用电方能量的利用。现在工业中用电系统的大“电容器柜”、“电力电容器”就是干这个用的。在正弦交流电路中电容器的特性是；电流超前电压90°（电工原理），而正弦交流电路中电感的特性是；电压超前电流90°，一个电压超前电流90°，一个电压滞后电流90°，把这两个（电感和电容）放在一起，只要参数搭配适当，就达到了电压和电流的相位相同，只要搭配精确功率因数就校正到接近于1了，多么巧妙。图2.5所示；图2.5可以看出采用在感性设备上并联电容器来校正功率因数的原理是：感性负载和电容器之间就地进行能量交换，感性负载所需用的无功功率一部分或大部分可以由并联的电容器供给。能量的吸收与释放，原来只在负载与电源之间进行，现在一部分或大部分改在感性负载与电容器之间进行，从而减小因能量交换而在外部线路上流通的那部分电流，节省了能耗、降低了线路损耗，这是供电、用电部门希望看到的结果。在正弦交流电路中，阻性负载（电熨斗、电炉）是电压、电流同相位，感性负载是电压相位超前电流相位，容性负载是电流相位超前电压相位，如果在感性负载的电动机，变压器上并联一个适合的电容器；超前的和滞后的相互抵消，那么从电网看过去，这个感性负载的电动机或变压器的供电电压和电流相位就相同了，也就是其负载特性也变成阻性的了，某些部门也就是依靠判断电路中电压、电流的相位差，来判断其设备的功率因数是否校正合格。对于PFC的概念上面已经叙述很多了，下面把电力系统功率因数及功率因数校正（PFC）概念总结一下以利于对后面讲述电视机开关电源PFC电路的概念进行区分及理解。（注意：电视机开关电源电路中的PFC概念完全不同于前述工业电力系统PFC的概念）总结：在工业电力供电系统中；如果用电设备的负载特性含有感性（主要是感性）成分，则会在外界正弦波电压上升期内形成能量存储（电感器件磁场中存储的能量为El=0.5LI2）。在正弦波电压下降期内，电感性器件中存储的能量将会返回电网，形成无功功率。由此可见，用电设备形成无功功率有两个必要条件：1、用电设备中必须包含能存储电能的感性电抗（L）成分的负载，以在正弦波电压上升期存储能量。2、在正弦波电压变化的过程中，存储在感性电抗（L）器件中的能量必须要能返回电网。无功功率就是指用电设备感性电抗器件中存储的返回电网的能量（这个能量只参与感性负载的电磁感应过程），这部分能量没有对负载做功。而且形成电流返回电网的无功功率增加了电网的负担，减少电网对其它设备供电的容量，返回电网的无功功率，被供电电路的阻性成份转化为热能损耗掉了，这即有损于供电部门的利益也有增加了电能用户的经济负担。在具有感性电抗（L）成份的负载端，并接一只适当容量的电容器，把负载电抗成份返回电网的能量进行吸收存储，在下一个周期，电抗成份进行能量存储时由电容器存储的能量对电抗分量进行释放，以完成电抗成份负载的电磁感应过程，这样即减少的能量回流引起电网的负担，下一个周期的电磁感应过程又不产生新的能量损耗，是一个利国利民的好措施，这就叫：功率因数校正（PFC）。注：cosφ是什么？在一些其它的书籍中把电路的功率因数用cosφ来表示，也就是；在交流电路中，有功功率为：P=UIcosφ。式中的P表示功