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1、简单整流滤波电路功率因数的认识误区简单整流滤波电路功率因数的认识误区问题的提出礼经电器问题的提出礼经电器用正弦波交流电对带有整流滤波电路的电子设备供电功率因数接近 100%。但是，很多测试仪器却测出 0.5?0.6 的数据，人们也都普遍认可这个错误的结果。 尤其严重的是许多标准化及检测部门的技术人员也这样认为，这就给行业造成了概念上的混乱。因此，有必要澄清这个问题。并且，对于简单整流滤波电路的电流谐波的危害也需要有明确的认识和相应的对策。用电设备产生无功功率的条件用电设备产生无功功率的条件用正弦波交流电给电器设备供电，如果用电设备的阻抗特性含有电抗成分， 则会在外界正弦波电压变化的过程中形成能
2、量的存储和释放，电容器件电场中存储的能量为 Ec=0.5CV2，电感器件磁场中存储的能量为 El=0.5LI2，电抗性器件在输入的正弦波电压变化的过程中存储的能量并且在输入的正弦波电压变化的过程中又把存储的能量释放回电网，这就形成了无功功率。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电抗成分的负载，以在正弦波电压变化时存储能量。2、 在正弦波电压变化的过程中，存储在电抗器器件中的能量要能返回电网。有功功率、无功功率、视在功率及功率因数的定义为了描述用电设备的特性，提出了有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的概念。有功功率是用电设备真正实现了能量转换对外
3、做功的功率，而无功功率就是指用电设备电抗器件中存储的返回电网的能量， 这部分能量没有对自身负载做功。用正弦波电源给对用电设备供电时，如果测量用电设备的输入电流和输入电压再相乘换算的输入功率， 则既包括了有功功率又包括了无功功率， 这个功率在电工学中叫做视在功率。即：视在功率=有功功率+无功功率功率因数是用电设备输入端有功功率与视在功率的比值。即：功率因数=有功功率/视在功率供给用电设备的无功功率没有在负载上做功，而是先把输入的电能存储在电抗器件内然后又送回电网。 无功功率形成的电流在线路上流动会在线路的电阻上发热，形成线路功耗，并且，供电设备为了提供这部分无功能量还需要加大容量， 这就会使电力
4、系统的运行成本提高。用电设备的无功功率高对电网的运行不利。功率因数就是量化表示用电设备有功功率和无功功率比值的相关技术参数。可以用一个电容和电阻并联的电路来说明这种情况。IN AC在电容和电阻并联的电路中，正弦波电压加在这个并联阻容网络的两端，电阻上的电压和流过电阻的电流的乘积使电阻发热。电能转换成热能做功，这就是电阻上的有功功率。但是，电能同时会在电容上存储和释放电荷从而形成容性电流， 这个充放电过程并没有任何形式的能量转换，也就是没有做功，这部分容性电流和输入电压的乘积就形成了这个网络上的无功功率。如果测量网络总的输入电流，即大于电祖上的电流又大于电容上的电流， 具体的数值服从矢量运算规则
5、。这个输入电流乘以输入电压就是视在功率。显然视在功率是电祖上的有功功率和电容上的无功功率的矢量和。 由于视在功率大于有功功率，所以电路的功率因数小于 1 。实际上，任何电抗性器件和电阻性器件组成的无源网络都存在无功功率，也就是说：功率因数都小于 1。为了减小无功功率对电网造成的负担，希望用电设备有尽可能高的功率因数。电子设备电源输入部分的结构及其功率因数电子设备电源输入部分的结构及其功率因数一般电子产品中的电子线路都是用直流电工作的。但是，给电子设备供电的市电是正弦波交流电， 交流电必须经过整流以后才能变成直流电。所以，电子设备中电源部分最简单的也是最常用的处理方式就是用二极管组成整流电路。
6、正弦波电量经过整流电路以后成为按正弦规律变化的单向脉动的直流电。为了使直流电的脉动减小，还需要滤波电路。 最简单也是最常用的滤波电路就是在整流电路的输出端并联一个滤波电容,电路结构如下：对于这种整流滤波电路，许多人都认为等同于电容和负载并联，是容性负载，功率因数很低。实际上这种观点是错误的。在带有整流滤波的电子线路中，虽然正弦波电量上升期间通过整流二极管给后面的滤波电容充了电，也就是形成了能量存储，并且这个充电过程电流和电压相位也是不相同的，但是，电容上的电压充到峰值以后，外部正弦波电压下降时，由于二极管的隔离作用，存储在电容上的电能却不能反向通过二极管返回电网形成无功功率， 而只能在正弦波下
7、降周期内继续向后级负载传送形成有功功率。因此，在带有二极管整流滤波的电路中形成无功功率的第 2 个条件不成立，所以二极管整流滤波电路没有无功功率存在， 如果不考虑整流二极管的反向漏电，其功率因数就是 100%。如果用这个观点来分析电源变换器就可以看出，正弦波电量经过整流以后对滤波电容充电， 外界正弦波直接提供的能量和存储在滤波电容上的能量经过电源变换器做变换以后向负载供电， 变换器自身在做电源变换的过程中产生一定的能量损耗， 自身的能量损耗和向负载提供的能量值单位时间内的总和就是总的有功输入功率。 如果测量这个电路的输入电流和输入电压再相乘可以得出电源变换器的视在功率，但是，分析测试结果并作数
8、值对比可以看出，输入端的视在功率的值等于变换器自身的热损耗功率和输出功率之和，也就是说，这个视在功率和有功功率相等， 输入功率中没有无功功率成分。 所以，二极管整流后再用电容滤波的电路功率因数是 1，试验结果和理论分析的结果一致。原因就是在带有整流二极管的电路中，正弦波上升期存储在电容上的能量不能在正弦波电压下降时反向通过二极管返回电网形成无功功率，而只能向后级负载传送做功形成有功功率。导致错误概念的原因导致错误概念的原因但是，现在业内却普遍存在一种说法，说简单整流滤波电路的功率因数是 0.5?0.6。并且这种说法得到了广泛的认可，为什么会出现这种情况?为了得到功率因数的数值，一般是用功率因数
9、测试仪器测量用电设备的功率因数。对于这种带有整流滤波电路，许多测试仪器往往得到功率因数 0.5?0.6 的测量数据，按照以上分析，这显然是个错误的结果，问题出在哪里?原因是测量仪表所使用的测量方法不适合测试这种带有二极管整流电路的电子设备。我们分析，一般的功率因数测试仪器可能是用测量电流和电压之间的相位差的方式换算功率因数的， 这实际上是一种间接测量功率因数的方法。 这种间接测试功率因数的方法在一般电抗器件和电阻器件串/并联的负载电路中能得到正确结果。但是，在带有二极管整流滤波的电路上不适用。原因是用测量输入电压、电流相位差的办法换算功率因数要基于一个条件：礼经电器电压和电流连续相关电压和电流
10、连续相关在一般电阻器件和电抗器件互联的电路中电压的变化将导致电流的变化，因此这个条件是存在的，用这种方法间接测量功率因数可以得到正确的结果。但是，在带有整流二极管的电容电路中电流出现了断续，电压/电流连续相关的条件不存在了，因此，在只有电压没有电流这段时间内，已经不可能对应出一个功率因数值。仪表的显示值已经毫无意义。详细分析如下：对于带有二极管整流和电容滤波的电路，开机瞬间滤波电容是空的，而市电电网的阻抗很小，外界输入的正弦波电压一个周波就会把滤波电容充到峰值电压，当外界正弦波电压下降时，滤波电容上的电压下降的慢得多，这样，在整个正弦波电压下降周期内外部电压都低于滤波电容上的电压， 因此电流不
11、能继续向滤波电容和后级负载流动，由于二极管的单向隔离作用，电解电容上存储的电能也不能反向通过二极管返回电网，只能继续向负载传送做功形成有功功率。此时外界正弦波电压存在但输入端却没有电流，电流出现了断续。在外界正弦波电压回到零点后又开始上升时， 如果外部正弦波电压值没有超过滤波电容上的电压值，整流二极管也不导通，还是只有输入电压没有输入电流， 只有当外部正弦波电压上升到超过了滤波电容上的电压以后，二极管正向导通，外部电能除了提供负载消耗的能量之外还向滤波电容上充电，形成了超前于电压的大脉冲电流。正弦波电压上升到越过峰值以后又开始下降，开始一个新的循环周期。这个过程，使电流形成了断续的脉冲状， 在
12、输入正弦波电压的大部分时间内没有电流。测量电流/电压相位差折算功率因数的方法在这种情况下产生了一个根本没有参考价值的显示数据。所以，这一类功率因数测试仪器都不能正确的反映整流滤波电路实际的功率因数。(有关单位在实际测试中用原上海电表三厂生产的一种电磁式指针型功率因数表(具体型号不祥)测试这种二极管整流滤波电路能得到功率因数 98%的正确结果。)整流滤波电路实际存在的真正问题及相应对策整流滤波电路实际存在的真正问题及相应对策虽然上述分析证明了简单整流滤波电路的功率因数是 1，但简单的用二极管整流再用电容滤波给电子设备提供直流电实际性能并不好，其真正的问题不是功率因数低，而是如前所述的输入电流不按
13、照输入电压的正弦规律变化而形成很大的断续脉冲电流， 这样就给电网带来两个严重问题：1、对电网造成谐波干扰导致电网供电性能恶化。电网上的许多设备都是按照正弦波供电设计的，谐波会干扰电网上这些电子电器设备的正常工作， 并且造成额外的热损耗和辐射损耗。2、在零线上形成大脉冲电流，增加了零线损耗，严重时可能烧毁零线甚至引发火灾。市电电网是三相四线制，正常工作时如果三根相线负载平衡，零线上产生的电流相位差为 120 度，正弦波电流在零线上互相抵消使总电流为零。当三根相线负载功率不同时零线起一定的平衡作用。此时零线上会有一个远小于相线电流的零线电流流过。因此，供电系统设计时零线的截面积选用的都比相线小得多
14、，但是，如果相线的电流变成了脉冲电流，则零线上的电流就不能抵消，其强度是三根相线电流之和，造成极大的零线损耗甚至烧毁零线，严重时可能引发火灾。因此，解决电流谐波问题才是简单整流滤波电路的关键所在。解决整流电路的谐波问题最有效的方法是在二极管整流之后不用大容量电容滤波， 而是直接对整流之后的单向脉冲正弦波作变换，主要电路结构是升压电路和反激电路。升压电路方案是把整流之后的单向脉冲正弦波用高频变换的方式升到高于市电正弦波峰值电压的高直流电压值， 再根据需要作二次变换得到所需电压。这种方案电路结构复杂，总变换效率低，成本高，但输出直流电压的波纹比较小。反激变换方案是直接用反激电路对单向脉冲正弦波作变
15、换产生所需的电压，反激变换电路结构简单，变换效率高，成本低，但输出波纹较大。明确区分功率因数和电流谐波的概念，采取相应的应对措施提高电气系统的电气性能指标谐波和功率因数完全是两个不同的概念，这一点目前在业界有许多混乱，很多人认为谐波大就是功率因数低，功率因数低就是因为谐波大，实际上这是两个完全不同的电参数，分别用来描述不同的电路特性。 谐波大不等同于功率因数低， 功率因数低谐波也不一定大，比如在电容和电阻并联的电路中功率因数一定小于1， 但谐波却不大。功率因数讲的是送到用电设备的电能是做功了还是又返回电网了的问题。而谐波的问题傅里叶定理也早有明确的阐述：一个周期性的非正弦波可以分解为若干个周期性正弦波， 这些周期性正弦波中除了包含基波的频率外， 其余是频率高于基波并是基波频率整倍数的谐波。也就是说，谐波就是周期性非正弦波中包含的高频波。但高频波的电能照样可以做功，和无功功率没有直接的关系。而基波频率的电能也可能不做功，不一定就是有功功率。因此，必须明确这两个不同的概念， 以在实际操作中采取适当的技术措施提高用电设备相应的技术指标。礼经电器
