0引言

高頻開關(guān)電源的功率因數(shù)是非常重要的一個(gè)參數(shù)，直接決定著產(chǎn)品是否符合通用的諧波標(biāo)準(zhǔn)，衡量著產(chǎn)品的優(yōu)劣。為了減小諧波、提高功率因數(shù)，高頻開關(guān)電源普遍采用了功率因數(shù)校正電路來改善電流波形。為了在設(shè)計(jì)階段就了解高頻開關(guān)電源的功率因數(shù)值，方便進(jìn)行功率因數(shù)校正電路參數(shù)的優(yōu)化，就要進(jìn)行功率因數(shù)的測(cè)量。本文基于Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)并給出了兩種功率因數(shù)測(cè)量的電路，用這兩種電路對(duì)RC正弦電路進(jìn)行了功率因數(shù)仿真測(cè)量和計(jì)算驗(yàn)證；并把這兩種仿真測(cè)量電路應(yīng)用于三相大功率恒流充電電源的功率因數(shù)仿真測(cè)量中，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

1功率因數(shù)的含義功率因數(shù)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(shù)越高，輸入有功功率所占的比重越大；當(dāng)功率因數(shù)為l時(shí)，輸入的功率全部被作為有功功率吸收。

在正弦系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)的含義式可以表示如式(1)：

其中，Uk、Ik分別為第k次諧波電壓電流的有效值。

當(dāng)輸入側(cè)無損耗時(shí)(即輸入電壓波形不失真)，則式(1)可以簡(jiǎn)化成式(2)：

2功率因數(shù)仿真測(cè)量的兩種方法

根據(jù)式(1)，可以設(shè)計(jì)出第一種功率因數(shù)測(cè)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(cè)量模型，構(gòu)成三相系統(tǒng)功率因數(shù)仿真模型，并使得p=pA+pB+pC，S=UA·IA+UB·IB+UC·IC代入計(jì)算，最終得到功率因數(shù)值。

根據(jù)式(2)，可以設(shè)計(jì)出第二種功率因數(shù)測(cè)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(jì)算出基波系數(shù)μ，然后再提取輸入電壓電流的角度來計(jì)算位移系數(shù)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(cè)量模型，構(gòu)成三相系統(tǒng)功率因數(shù)仿真模型，分別求得輸出值再進(jìn)行平均，最終可以得到功率因數(shù)值。

3計(jì)算驗(yàn)證

為了驗(yàn)證這兩種測(cè)量電路的正確性，將這兩種測(cè)量電路用于測(cè)量RC正弦電路的功率因數(shù)。如圖5所示。

圖5中電源頻率為220V／50Hz，R=5．1kΩ，C=lμF。這時(shí)可以算得等效阻抗為：

在線性電路中，基波系數(shù)μ為l，所以功率因數(shù)pF為0．848。

將測(cè)量電路用于圖5電路功率因數(shù)的測(cè)量，可以分別得到如圖6和圖7所示功率因數(shù)。其中圖6為第一種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù)；圖7為第二種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t軸)。

從圖6和圖7可以看到：采用兩種測(cè)量電路測(cè)得的功率因數(shù)都分別為0．848。測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以未進(jìn)行功率因數(shù)校正的42kJ／S數(shù)字式高頻高壓恒流充電電源為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用這兩種仿真測(cè)量方法得到的功率因數(shù)如圖8、9所示。其中圖8為第一種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù)；圖9為第二種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t軸)：

采用IDEAL6l一806電能分析儀實(shí)測(cè)的功率因數(shù)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(tǒng)中，仿真測(cè)得的功率因數(shù)與采用電能分析儀實(shí)際測(cè)量的功率因數(shù)值與仿真測(cè)量穩(wěn)定后(方框內(nèi)顯示)的數(shù)值誤差很小，其誤差重要由實(shí)際電路中存在的線路電感及其分布參數(shù)出現(xiàn)。

5結(jié)束語

從計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果可以看到：除去系統(tǒng)剛開始仿真時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)外，這兩種功率仿真測(cè)量電路的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果相符合。由此可以確定這兩種測(cè)量電路的可靠性。這兩種測(cè)量電路可以用來測(cè)量基于Matlab仿真中單相或三相系統(tǒng)的功率因數(shù)，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確率高。