PF（功率因数）和THD（总谐波失真）

　　这是电能和能源质量领域的两个重要参数。功率因数 (PF) 是衡量电气系统使用供电效率的指标。它是有功功率与视在功率之间的比率，根据比率：

　　高 PF 表示能量的有效利用，而低 PF 表示无功功率较大，无功功率无助于有用功并可能导致能量损失。在具有纯阻性负载的线性系统中，功率因数等于 1。但在存在感性和容性组件的系统中，该参数不同于 1。因此，线路上传递的信号为：或多或少受到显着失真的影响，其量由 THD（总谐波失真）值决定。
　　THD 测量电流或电压波形与理想波形（纯正弦波）相比的失真量。它以百分比表示，表示谐波分量（基频的倍数）与基波分量的总和。当纯电信号通过设备或电路发送时，会发生谐波失真，从而丢失或修改其初始特性。这种类型的失真会导致信号中出现谐波，谐波是基频倍数的正弦分量。

　　精密的测量仪器用于测量谐波失真。如果可以获得各种谐波的幅度，也可以进行手动计算。总谐波失真通常通过将基频的前五个或六个谐波的平方相加来计算。然而，在许多实际情况下，即使仅包括二次和三次谐波，误差也可以忽略不计。谐波畸变率计算公式如下：

　　其中V1是基频的幅度，V2是二次谐波的幅度，V3是三次谐波的幅度，依此类推。考虑电流分析的另一个公式如下：

　　在图 1 中，您可以看到两个信号的图表，个是纯正弦信号（顶部），第二个正弦信号由于相关电路中存在电容和感抗而受到一些失真的影响。该图还显示了相关 FFT 分析，突出显示受谐波失真影响的信号中存在高次谐波。在个信号中，谐波失真为 0%，而在第二个信号中，谐波失真达到 9%，这个值在实际应用中不容忽视。
　　　　图 1：纯正弦信号和失真信号以及相关 FFT 分析
　　无源功率因数校正器
　　这是控制谐波存在的简单方法，涉及使用由电感器和电容器组成的无源滤波器。如果电流仅以 50 Hz 或 60 Hz 的频率通过，则 LC 滤波器会减少谐波，使非线性设备表现为线性负载，同时也会大幅提高 PF 值。缺点是需要高阻值、大电流的电感器和高压电容器，体积大且价格昂贵。还有其他使用无源元件的方法可以提高电气系统的能源效率。这些设备用于改善功率因数、提高效率并减少系统损耗。他们总是使用无源元件（例如电容器和电感器）来补偿电气系统中的无功功率。
　　无功功率由电机和变压器等感性负载产生，导致电流和电压之间发生相移，从而降低功率因数。 PPFC 的主要作用是减少或消除这种相移，使系统更加高效。例如，在拥有许多电机的工业工厂中，使用 PPFC 有助于减少电网所需的无功功率，减少电缆沿线的损耗并减少设备的总体负载。与使用复杂电子元件进行校正的有源功率因数校正器不同，PPFC 更简单、更便宜且更可靠，但灵活性和准确性较差。 PPFC 通过向电气系统添加电容来工作。电容器用于提供容性无功功率，以补偿负载产生的感性无功功率。这种平衡减少了电流和电压之间的相移，从而提高了功率因数。 PPFC 设计为在特定频率和负载水平下运行。
　　负载的变化可能需要额外的设计或组件修改。此外，过度使用电容可能会导致电容性功率因数，从而导致系统进一步复杂化。此外，在某些情况下，添加电容器组件可能会导致与系统中存在的电感发生谐振现象，从而导致噪声或组件损坏。无源功率因数校正器主要用于工业和商业环境，其中功率因数校正对于降低能源成本和提高运行效率至关重要。适当的尺寸和维护可确保从使用这些设备中获得利益，从而有助于更可持续和更有效地利用电能。
　　由于其高可靠性和高功率处理能力，无源功率因数校正器通常用于高功率线路应用。串联调谐 LC 谐波滤波器通常用于重型设备负载，例如电弧炉、电力机车等。图 2 显示了谐波滤波器的连接图，其中各个滤波器支路必须根据所涉及的谐波频率进行设置和调整。由于谐波系统阻抗的不确定性，PF校正器的设计尤为困难。这种方法涉及太多昂贵的组件并且占用大量空间。对于功率低于 10 kW 的应用，该系统可能不是选择。
　　　　图 2：串联调谐 LC 谐波滤波器的 PF 校正器
　　由于网络和滤波器的工作频率较低（50Hz或60Hz），因此必须使用大值的电感器和电容器。因此，大多数无源 PF 校正器都具有以下缺点：
　　输出未调节
　　它们对电路参数敏感
　　PF可达0.9
　　它们又重又笨重
　　动态响应较差
　　设计优化困难
　　有源功率因数校正器
　　有源 PFC 解决方案使用有源元件和微控制器。该电路自动（或手动）对输入电流进行建模，以匹配输入电压波形，从而产生高 PF 值，通常高于 0.9。由市场上的电子制造商开发的主动式PFC功率因数校正模块可以实现甚至高于0.95的功率因数值。这些电路配备了控制器，可以执行中间输出电压的转换器功能。它们的设计比无源模型复杂得多且昂贵得多，但占地面积小且可靠性非常高。

　　实施这些措施的主要动力之一是遵守某些标准。为了实现这一点，高频开关技术被用来地模拟输入电流波形。实际上，有源 PF 校正器使用六种基本转换器拓扑来实现 PFC。图 3 显示了两种有源 PFC 校正器模型，分别是降压 PFC 和升压 PFC。当输出电压高于线路电压时，降压校正器不会吸收线路本身的电流，从而导致电流失真。此外，电源开关的电流应力也很高。相反，升压校正器会产生较少的EMI。另一方面，输出电压必须高于线路电压的峰值。

　　图3：主动式PFC的部分原理图
　　如何计算电压和电流之间的相移
　　计算两个正弦信号之间的相移对于理解它们之间的时间关系至关重要，并且相当简单。相移以度数表示，表示一个信号相对于另一个信号提前或延迟了多少。用于计算相移的比例为：
　　360° : T = phi° : t
　　其中：
　　T是信号的周期，即完成一个周期所需的时间
　　t是相移时间，即两个信号峰值之间的时间差
　　根据这个关系，我们得到：
　　phi° = 360° * t / T
　　例如，我们有两个频率为 50 Hz 的正弦波，如图 4 所示。它们彼此相差 56°。个信号的峰值和第二个信号的峰值之间的时间是 3.112 mS。将这些值代入比例我们得到：
　　phi° = 360° * 3.112 / 20
　　phi° = 56°
　　该计算证实两个正弦曲线异相 56°。
　　图 4：两个异相 56° 的正弦信号