功率因素和谐波纹波基本概念

1、功率因素基本概念1、 功率因素PF的基本定义（Power Factor）是指交流输入有功功率与视在功率的比值，定义如下：（1）式中，为交流输入有功功率，为电路的视在功率，为电网电压有效值，为电网电流有效值。2、 总谐波失真THD的基本定义THD（Total Harmonic Distortion）是指除基波电流以外的所有其他谐波电流有效值与基波电流有效值的比值。定义如下：（2）式中，为基波电流以外的多有其他谐波电流有效值，为基波电流有效值，从式中可知，输入电流中的高次谐波含量越小，则越小，因此总谐波失真PFC也越小。3、 相移功率因素在线性电路中，阻抗，其中，R为电阻，X为电抗，由正弦电路理论

2、可知，无论X为感抗或是容抗，均会是正弦电压和电流波形产生相位差。当X为感抗时，正弦电压超前电流波形一个相位角；当X为容抗时，正弦电压滞后电流一个相位角。相移功率因素DPF（Displacement Power Factor）定义为：，其中为正弦电压和电流波形之间的相位差。由定义可知使用来描述等效负载阻抗特性的。当=0时，=0，当，。4、失真功率因素非线性负载与线性负载不同，当电源电压为正弦波时，输入电流波形为非正弦，即电流波形发生正弦畸变，此时电路的功率因素很低。因此非线性负载电路的功率因素不仅与相移功率因素有关，而且与电流波形的失真程度有关。失真功率因素（Distortion Power F

3、actor）的定义：（3）式中为失真波形电流的总有效值，为失真波电流基波有效值。由总谐波失真公式可得：（4）从上式可以看出，总谐波失真THD越小，则失真功率因素约接近1，因此整个电路输入端的功率因素越高。5、 总功率因素设AC/DC变换电路的输入电压为正弦波（有效值为V），输入电流为非正弦，其总电流有效值为，又设基波电流与输入电压之间相差，则根据表达式（1）可得功率因素为：（5）对于线性负载，=1，则=，即线性电路的功率因素取决于电压和电流的相位差；对于非线性负载，一般，则=，即非线性电路的功率因素取决于电流波箱的谐波含量。 纹波和谐波6、 纹波(ripple)的定义 由于直流稳定电源一般是由

4、交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。对于不同的场合，对纹波的要求各不一样。对于电容器老练来说，无论是那一种纹波，只要不是太大，一般对电容器老练质量不会构成影响。而对程控机电源或音响设备中所使用的电源，由于宽度很窄的脉冲没有足够的能量来推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音。因此对于这种窄脉冲的要求可以放宽。 而对于音频范围内的类似正弦波的纹波信号，虽然其幅度不是太高，但其能量却使喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音。因此对

5、这种形态的纹波应有一定的要求，而对于用于一些控制的场合，由于窄脉冲达到一定的高度会干扰数字或逻辑控制部件，使设备运行的可靠性降低，因此对这种窄脉冲的幅度应有一定的限制，而对类似正弦波的纹波，一般由于其幅度较低，对控制部件的干扰不大。 纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示，可以用绝对量，也可以用相对对量来表示。例如一个电源工作在稳压状态，其输出为100V5A，测得纹波的有效值为10mV，这10mV就是纹波的绝对量，而相对量即 纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/100V=0.01%，即等于万分之一。 7、 纹波(ripple)的定义补充 纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是

6、一个固定的值， 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即便如此，就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有波纹的。 要体验，可以用示波器来看，就会看到电压上下轻微波动，就像水纹一样，所以叫做纹波。 一般使用交流毫伏表来测量纹波电压，因为交流毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度比较高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。如果没有交流毫伏表，也可使用示波器来测量。将示波器的输入设置为交流耦合，调整Y轴增益，使波形大小合适， 读出电压值，可估算出纹波电压的大小。 纹波电压会影响系统的工作，

7、带来噪声。所以电源要有足够的滤波措施， 以将纹波限制在一定的幅度以内。8、 纹波(ripple)与谐波的比较谐波与纹波的比较 谐波简单地说，就是一定频率的电压或电流作用于非线性负载时,会产生不同于原频率的其它频率的正弦电压或电流的现象。 纹波是指在直流电压或电流中，叠加在直流稳定量上的交流分量。 它们虽然在概念上不是一回事，但它们之间有联系。如电源上附加的纹波在用电器上很容易产生各频率的谐波；电源中各频率谐波的存在无疑导致电源中纹波成分的增加。 除了在电路中我们所需要产生谐波的情况以外，它主要有以下主要危害： 1、使电网中发生谐振而造成过电流或过电压而引发事故； 2、增加附加损耗，降低发电、输

8、电及用电设备的效率和设备利用率； 3、使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器等）运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命； 4、使继电保护、自动装置、计算机系统及许多用电设备运转不正常或不能正常动作或操作； 5、使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量； 6、干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。 纹波的害处： 1、容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生较多的危害； 2、降低了电源的效率； 3、较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器； 4、会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作； 5、会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。 总

9、之，它们在我们不需要的地方出现都是有害的，需要我们避免的。对于如何抑制和去除谐波和纹波的方式方法有很多，但想完全消除，似乎是很难办到的，我们只有将其控制在一个允许的范围之内，不对环境和设备产生影响就算达到了我们的目的。电网谐波来自于3个方面： 一是发电源质量不高产生谐波： 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 二是输配电系统产生谐波： 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶

10、波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。 三是用电设备产生的谐波： 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的

11、30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最大可达45%。 气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电