开关电源与功率因数校正 -了解开关电源

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13年来，我在High End学到了很多关于自动照明的知识。

当我在1998年离开时，自从1981年Vari-Lite在Genesis Abacab巡回上推出第一款商用摇头灯以来，这项科技已经成熟了很多。



2003年，我写了一本书《自动照明：摇头灯的艺术和科学Automated Lighting: The Art and Science of Moving Light》，

主要基于我在大学学习电气工程时所学到的知识以及我在High End观看Intella beam Cyberlight、Studio Color和其他自动化照明产品发展时学到的知识。



六年后，我重新看了原著，决定是时候进行修订了，该书于2010年出版。在这七年间，这项科技没有太大的变化。

这次修订主要涉及更新产品图片，这样翻阅这本书的人不会马上觉得它过时了。



去年12月，我又开始修改这本书。大约八年前，我记得我认为自动照明科技已经停滞不前了。我甚至写道，自从动画片轮子问世以来，还没有真正的创新，我想知道如何克服这一点。

大多数人都知道本杰明·富兰克林在《可怜的理查德德年鉴》中写道“a watched pot never boils""守望相助，永不沸腾。”



但大多数人都不知道的是，他还写道，“如果你跟得太近，自动照明永远不会进步(automated lighting never progresses when you follow it too closely.)”


好吧!他从来没有说过啦!

但如果他今天还活着，他可能会说一些类似的话，只是用一种更聪明的方式。

事实证明，过去五年来照明科技的变化比我想象的要大得多。





发生了什么变化？主要有两件事：

LED和开关电源（SMP）都在激增。

LED如雨后春笋般涌现，这对任何年龄足以驾驶的人(成年人)来说都不会感到惊讶，但开关电源现在成为主导科技的事实可能会让人感到惊讶。



事实上，两者密切相关，因为几乎所有LED灯具使用的电源科技与大多数自动化照明中的开关电源非常相似。



SMPS开关电源已经存在了几十年，但当自动照明行业在20世纪80年代真正开始时，大多数摇头灯都有用于电子组件的线性电源和用于弧光灯的磁性镇流器电源。

那时，你可以升级到SMPS，但它们要贵得多。在过去几年的某个时候，这种模式已经彻底改变了，现在的默认情况是，除了非常低端的自动照明设备外，其他所有设备都有开关电源。



开关电源在许多方面优于线性电源。

它们效率更高、体积更小、重量更轻、无闪烁、电压不受限

（它们可以设计为在90伏到250伏之间工作，覆盖地球上的每个地理位置）。



从负面来看，它们仍然有点贵，而且它们有更多的部件，这意味着它们更容易发生故障。

然而，它们的需求量很大，因为价格和可靠性都比过去好得多。



实际上，任何带有计算机芯片的东西都使用开关电源，现在几乎所有东西都有计算机芯片，囙此规模经济降低了价格。

随着越来越多的SMPS被设计和制造，这使得SMPS更容易理解和更可靠。

随着LED和SMPs的扩散，使用它们的副作用也越来越大。

开关电源本质上是一种非线性负载，这意味着它以不同于电压输入的波形吸收电流。

电压是正弦波，但流向开关电源的电流可能不是正弦波。

LED或摇头灯具中开关电源的工作是将线路电压转换为直流电。第一级通常是桥式整流器和平滑电容器。

桥式整流器将交流转换为脉冲直流，电容器通过储存能量并将电荷保持在一定电压水准来平滑脉冲。

当电压脉冲低于电容器上的电荷时，则不产生电流，但当电压峰值高于电容器上的电荷时，电流流动。

结果是，电流在电容器上的电荷和电压脉冲峰值之间的窄脉冲中被吸收。

发生这种情况时，电流波形会发生畸变（非正弦）并产生谐波。

谐波是以原始（基本）频率整数倍的频率流动的电流。

失真越大，谐波含量越高。



图1–当线路电压低于电容器上的电荷时，没有电流流动；当电压高于电容器上的电荷时，电流流动。

结果是电流以脉冲的形式被消耗。



上图所示为通过电能质量计量测的

总谐波失真（THD）约为负载的45%。

这意味着45%的负载功率是以基频以外的频率传输的

（北美为60 Hz，欧洲和澳大利亚为50 Hz）。

非线性负载对电力系统的影响可能很大。

首先，电流畸变产生谐波，导致功率因数下降。

功率因数是相对于电压和电流的乘积（称为“视在功率”）消耗的功率的度量。



图 2 – 该负载的 THD 为 45.1%，

这意味着谐波电流中的功率占负载总功率的 45.1%。



功率因数

是消耗的功率的度量相对于电压和电流的乘积（称为“视在功率”)。

Power factor is a measure of how much power is consumed compared to the product of the voltage and current (which is called “apparent power”).





它可以从0到1（或0%到100%）不等，理想的PF为1。

当PF功率因数   降至1以下时，即使消耗的功率保持不变，电流也会升高。



谐波还会导致平衡三相系统中的中性导线超载。



The triplens三次谐波组（奇数倍数的三次谐波电流，如北美的180 Hz、540 Hz、900 Hz等，或欧洲和澳大利亚的150 Hz、450 Hz、750 Hz等）

会导致电流在平衡（或不平衡）三相系统的中性导体当中流动，因为它们不会像基波、5、7、，11、13等(被抵销)。



高达173%的线路电流可以流过中性馈线导线，

这意味着在负载大约达到该容量58%的系统中，中性导线就可以满载。

在相导线负载超过58%的系统中，中性导线可能超载，并且由于中性导线是唯一没有保险丝或断路器的正常载流导线，囙此超载可能是灾难性的。



此外，由于集肤效应，更高频率的谐波电流更接近导体的表面。

因为电流通过的横截面积较小，这会导致电阻，而这反过来又会再度堆高了过热和绝缘层劣化。



谐波还会流回馈电变压器(feeder transformer)，并在一次绕组中感应电流。许多馈电变压器都有三角绕组一次绕组，在这种情况下，谐波电流会在周围循环，从而导致过热和过早故障。

谐波也可以传播到馈线变压器的上游，并进入电网，这就是为什么设备允许产生的谐波量会受到法规限制的原因。





如何限制谐波？

事实证明，开关电源可以通过功率因数校正（PFC）来补偿和校正其非线性。

PFC电路可设计为在整流后/在平滑电容器之前运行。


其工作是改变开关电源的电流消耗管道，以保持正弦电流。

PFC可以是无源的，也可以是有源的，

但是大多数摇头灯和LED灯具,通常使用带有PFC有源电路，尽管它更昂贵。


有源PFC几乎完全消除谐波，使功率因子非常接近1，通常约为0.97至0.99。



这与摇头灯具使用磁性镇流器电源当中的PFC非常不同。

这些电源会有一个大的扼流圈，它是一个电感器，通过使电压和电流彼此不同步来影响功率因子。

解决办法是新增一个电容器，使电压和电流彼此回到同相，这是因为电容器与电感器的作用相反。



您如何知道特定灯具是否具有PFC？

你可以出去花几千美元买一个电能质量计，

或者你可以关心一下规格。

规范中不经常提到PF,不用担心!

如果可以找到功率、电压和电流，您仍然可以计算PF功率因数。

公式为：PF=P：（V*I）。



例如，ETC ColorSource PAR的规格说明

230 V时的功率为88.7 W，电流为0.4 A；

所以，PF=88.7:（230 x 0.4）=0.96。


为什么功率因子PF很重要？

我能想到几个原因，

这两个原因都涉及到

让世界围绕.运转的功率能量-金钱。

低功率因子会导致相同的设备消耗更多的电流，这会导致更多的铜、更大的连接器、越来越多的配电设备、更高的劳动力和运输成本等，然后会产生电费。



我最近与一照明设计师交谈，他做了很多公司活动，他告诉我:”会议中心每小时每安培收费1美元并不罕见”。



我在网上查了一些价格，发现差别很大，但他的报价对许多设施来说都是正确的。



从这一点很容易看出PF如何影响设备的运行成本。

如果PF为0.5，则这些设备的电源成本将加倍。

难道你不愿意把钱投入一个更大的设备，以同样的成本安装更多的灯吗？或者给你的客户省点钱怎么样？



大多数（但不是所有）带有开关电源的摇头灯通常都具有功率因数校正（PFC），囙此它们符合欧洲法规，并且可以在欧洲销售。



说到LED灯具，有些有PFC，有些没有。

在过去的几年里，我量测了几个LED灯具的功率因数，

我发现:大约有一半的灯具经过功率因数校正，而另一半则没有。


图 3 – 会议中心的电力成本可能很高，

放大了使用 PFC 的成本效率。



在未校正功率因数子的一半中，功率因子趋于0.5左右。

这似乎正在改变。

我发现现在有PFC的照明设备越来越多，没有PFC的LED灯具越来越难找到。了解distortion power factor失真功率因数（由失真的电流消耗引起的低 PF）和一般的 PF 很有帮助。



专门设计和制造开关电源的制造商仍在开关电源科技上取得长足进步，包括PFC。晶体管、磁性（变压器和电感器）的进步，

系统架构、设计和优化知识的增加都在推动SMPS提供更高的效率和功率密度，以便用更小的封装提供相同的功率，娱乐行业将继续受益于计算机行业的研发。









什么是distortion power factor失真功率因数？

功率因数是以瓦特为单位的有功功率与以伏安 (VA) 为单位的视在功率之比。

真正的功率能量是正在做工作的，在现场活动制作的世界中，这意味着将电转化为光、声、热或运动。



视在功率是电路或组件中电压和电流的乘积（视在功率 = VA = V × A）。有时，自动化照明制造商会在产品规格中列出视在功率。



例如，Clay Paky 将 Mythos 的视在功率为

700 VA，230 V 和 50 Hz。

有了这些信息，您可以通过 由视在功率 除以电压来计算电流；

在这种情况下，700 ÷ 230 = 3 安培。


功率因数有两个分量：位移功率因数和失真功率因数。

位移功率因数是电压和电流之间的相角的余弦

（PF = cos􀣎，其中􀣎 是电压和电流之间的相角）。

可以使用如下所示的向量进行说明，其中

沿 X 轴绘制有功功率，

沿 Y 轴绘制无功功率（以伏安无功或 VAR 为单位）。



视在功率是可以从有功功率的头部绘制到无功功率的头部的矢量。





失真功率因子是基频电流与总电流的比值。如果没有失真电流，则没有谐波，所有电流都将处于基频。

在这种情况下，失真功率因数为1。但如果有电流失真，则存在谐波电流，失真功率因数将小于1。

如果沿Z轴绘制位移功率因数，则总功率因数为位移功率因数与失真功率因数的矢量和，如下图：




图 4 – 视在功率是有功功率和无功功率的矢量和。



图 5 – 总功率因数是位移功率因数和失真功率因数的矢量和。

作者简介:

Richard Cadena

是《Lighting&Sound America》，Lighting&Sound International和Protocol的科技编辑。


他还是 ETCP 认证娱乐电工和 ETCP 认可培训师



Richard是《娱乐电工和技术员用电Electricity for the Entertainment Electrician & Technician 》、《自动照明：移动灯光的艺术和科学Automated Lighting: The Art and Science of Moving Light》以及《现代礼拜堂照明设计Lighting Design for Modern Houses of Worship.》一书的作者。

cnyinpin

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