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高頻開關電源的功率因數是非常重要的一個參數，直接決定著產品是否符合通用的諧波標準，衡量著產品的優劣。為了減小諧波、提高功率因數，高頻開關電源普遍采用了功率因數校正電路來改善電流波形。為了在設計階段就了解高頻開關電源的功率因數值，方便進行功率因數校正電路參數的優化，就需要進行功率因數的測量。本文基于Matlab仿真軟件設計并給出了兩種功率因數測量的電路，用這兩種電路對RC正弦電路進行了功率因數仿真測量和計算驗證；并把這兩種仿真測量電路應用于三相大功率恒流充電電源的功率因數仿真測量中，最后通過實驗驗證了其可靠性。 1 功率因數的定義 功率因數用于衡量輸入有功功率與輸入視在功率中的比例，用公式表示為： 功率因數越高，輸入有功功率所占的比重越大；當功率因數為l時，輸入的功率全部被作為有功功率吸收。 在正弦系統中，P全部是基波分量所做的有功，S也全部是基波分量的視在功率。但是在非正弦系統中，P和S都不是基波分量，而是所有電壓、電流的直流分量和各次諧波分量所做的功，功率因數的定義式可以表示如式(1)： 其中，Uk、Ik分別為第k次諧波電壓電流的有效值。 當輸入側無損耗時(即輸入電壓波形不失真)，則式(1)可以簡化成式(2)： 2 功率因數仿真測量的兩種方法 根據式(1)，可以設計出第一種功率因數測量電路。如圖l所示。其中，u和i相電壓和相電流。 在圖2中，用了三套圖1所示測量模型，構成三相系統功率因數仿真模型，并使得P=PA+PB+PC，S=UA·IA+UB·IB+UC·IC代入計算，最終得到功率因數值。 根據式(2)，可以設計出第二種功率因數測量電路，如圖3所示。其中，u和i相電壓和相電流。 其中，f(μ)=1／sqrt(μ*μ+1)，K=pi／180。這種方法是先求取THD值，再通過f(μ)計算出基波系數μ，然后再提取輸入電壓電流的角度來計算位移系數λ，最后再把μ與λ目乘，得到PF。 在圖4中，用了三套圖3所示測量模型，構成三相系統功率因數仿真模型，分別求得輸出值再進行平均，最終可以得到功率因數值。 3 計算驗證 為了驗證這兩種測量電路的正確性，將這兩種測量電路用于測量RC正弦電路的功率因數。如圖5所示。 圖5中電源頻率為220V／50Hz，R=5．1kΩ，C=lμF。這時可以算得等效阻抗為： 在線性電路中，基波系數μ為l，所以功率因數PF為0．848。 將測量電路用于圖5電路功率因數的測量，可以分別得到如圖6和圖7所示功率因數。其中圖6為第一種測量方法測得的功率因數；圖7為第二種測量方法測得的功率因數(橫坐標為時間t軸)。 從圖6和圖7可以看到：采用兩種測量電路測得的功率因數都分別為0．848。測量結果與計算結果一致。 4 實驗驗證 以未進行功率因數校正的42kJ／S數字式高頻高壓恒流充電電源為實驗對象，采用這兩種仿真測量方法得到的功率因數如圖8、9所示。其中圖8為第一種測量方法測得的功率因數；圖9為第二種測量方法測得的功率因數(橫坐標為時間t軸)： 采用IDEAL 6l一806電能分析儀實測的功率因數值如表1所示。波形如圖10所示： 由此可見，在三相大功率電源系統中，仿真測得的功率因數與采用電能分析儀實際測量的功率因數值與仿真測量穩定后(方框內顯示)的數值誤差很小，其誤差主要由實際電路中存在的線路電感及其分布參數產生。 5 結束語 從計算結果和實際測量結果可以看到：除去系統剛開始仿真時的不穩定狀態外，這兩種功率仿真測量電路的測量結果與實際計算結果和實際測量結果相符合。由此可以確定這兩種測量電路的可靠性。這兩種測量電路可以用來測量基于Matlab仿真中單相或三相系統的功率因數，其測量結果準確率高。 |
