【摘 要】在单相桥式整流滤波电路的功率因数测量中，使用电压、电流的相位差来计算功率因数，实际上电压、电流的波形通过桥式整流滤波电路后并不是完整的正弦波，计算出来的功率因数存在误差。本文介绍一种基于电压与电流中心测量功率因数的测量方法，即使电压、电流波形畸形，零点到电压、电流中心的位置是始终不变的。

【关键词】功率因数 电压电流中心 测量方法 整流滤波

一、引言

随着理论的发展和技术的进步，人们对电气设备使用交流电源的效果更加关注，为了表征交流电源的利用率，在电工学中引入了功率因数PF（Power Factor）这个术语。目前，众多产品的电源模块使用桥式整流滤波电路，虽然交流输入电压基本上未出现波形失真，但是随着接入负载，电流的波形却不能保持正弦波形，而是呈现不连续的峰值较高的脉冲。电压、电流的波形再经过零比较器转成一定幅值的方波，但实际上电流方波在一个周期内出现了多次的波形畸形，导致在测量电压、电流的波形之间的相位差存在较大的误差。所以本文着重介绍基于电压、电流中心测量功率因数的方法。

二、传统测量方法的缺点

桥式整流滤波电路，在实际应用中电路图如图1所示。

图1桥式整流滤波电路

在分析桥式整流滤波电路，由于二极管在正向导通压降，电压的正半周的时候，电流在电压大于0.7V才形成波形。

桥式整流滤波电路在带上负载的电压、电流波形如图2所示。

图2电压、电流波形

从上图的波形图可以看出，波形较为正弦波的为电压通过桥式整流滤波电路后的波形，波形出现上下尖峰脉冲的为电流通过桥式整流滤波电路后的波形，其中电压的波形幅值略小于电流波形幅值，通过调节后级波形整形电路可实现电压、电流波形的幅值相等。

但是进入单片机IO口的波形需要再经过由运放组成的整形电路，通过运放构成的电路不仅只实现波形的整形，而且还需电平匹配转换。本文中使用到的单片机是STC12C5A60S2，工作电压为+5V，则波形转化输出后波形的峰峰值为5V。电压、电流波形整形后如图3所示。

图3 电压、电流波形整形

从图3可以看出：

占空比为50%的方波——电压波形。

高电平期间多出一个小方波——电流波形。

使用测量电压、电流的相位角，进而通过相位角计算功率因数。测量电压、电流的相位角，可以通过测量电压、电流的上升沿或者下降沿之间的时间差值，从而计算出相位角度￥。因为电流的波形在高电平期间多出一个小方波，导致测量电压、电流下降沿之间的时间存在很大的测量误差，测量的误差为小方波的周期时间。

所以这并不是我们都期望得到的测量值，实际上期望所得到的理想波形如图4所示。

图4 电压、电流理想波形

对比图3、图4可知，图4的理想波形通过微处理器计算电压、电流的两个下降沿的时间t，整个波形的周期为T=50ms，一个周期内为2π，通过公式计算出相位差￥，在计算相位差的余弦函数，即可得到功率因数。但实际上并不是这样，从图3分析可以得出电压的一个正半周的时间电流波形出现了两次下降沿的跳变，所以实际测量的功率因数存在较大的误差。

三、电压、电流中心测量方法

通过如上的分析可以得知，电流的波形不是完整的正弦波，所以导致测量的误差。在通过波形的整形电路，将电压、电流中心波形如图5所示。

图5 电压、电流中心波形

从图中可以得出，功率因数的变化直接最直观的表现就是电流的低电平的宽度的变宽。将单个下降沿的波形进行放大，详情地分析电压、电流测量方法。电压、电流中心测量方法图6所示。

图6 电压、电流中心测量方法

电压、电流中心测量方法也是基于测量电压、电流的相位角，电压、电流相位时间差值，比上一种测量方式更加精准。电压、电流的中心是固定不变的，其从零点到电压、电流中心的时间是电压或者电流周期的四分之一，时间为5ms，从而只需要测量电流低电平的宽度，即可计算出电压、电流的相位时间差值。如测量出电流的低电平宽度为t，相位时间差值为ΔT=T/4-t/2。

功率因数是交流电路中电压与电流之间的相位差的余弦。由于已知交流电频率f和周期T，因此功率因数可以根据电压与电流之间相位差对应的时间差t计算求得。其计算公式为：

周期 （1）

相位差 （2）

功率因数 = （3）

四、结语

本文阐述了一种基于电压与电流中心测量功率因数的检测方法，从实际理论分析，根据实际的电路得出的波形图，进行详细的分析、研究，最终得到完整理想的电压、电流中心波形图，证实基于电压与电流中心测量功率因数的检测方法是可行的，为嵌入系统计算提供了强有力的基础。

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