峰值因数

什么是峰值因素

峰值因数通常用CF表示,是CREST FACTOR的缩写,CF是指周期波形的峰值与有效值之比。正弦波的峰值因数是。振幅对称方波或直流信号的波峰因数为1。其它更复杂的波形则具有较高的波峰因数,如表1所示。


表1 几种波形的波峰因数
常见波形的峰值因数有哪些
1、正弦波峰值因数

峰值为1的正弦波的有效值为,因此,正弦波的峰值因数为,PA6000对正弦波峰值因数测量结果如图1所示,不是标准正弦波,所以峰值因数约等于


图1 正弦波峰值因数测量
2、三角波和锯齿波峰值因数

有效值就是方均根值,由三角波和锯齿波的波形可直观的看出,相同峰值的三角波的有效值与锯齿波相同。根据有效值定义,不难算出,峰值为1的锯齿波的有效值为,因此,三角波和锯齿波的峰值因数为,PA6000对三角波峰值因数测量结果如图2所示,不是标准三角波,所以峰值因数约等于


图2 PA6000三角波峰值因数测量
3、方波峰值因数

对于正负峰值相等的方波,任何时候的绝对值为固定值,且数值上等于峰值,因此,其峰值因数等于1。由于峰值大于等于有效值,因此,方波的峰值因数最大,换言之,所有波形的峰值因数都大于等于1,PA6000对方波峰值因数测量结果如图3所示,不是标准方波,所以峰值因数约等于1。


图3 PA6000方波峰值因数测量
变频电源的峰值因数如何计算

按照变频电源的定义,其峰值因数通常不等于正弦波的峰值因数,以变频器输出的PWM波为例,其峰值取决于直流侧的直流电压,有效值由调制比决定,调制比越低,有效值越低,峰值因数越大。对于相同有效值的变频电量,峰值因数越高,测量所选用的量程越大,测量的精度越低。如图4所示,PA6000功率分析仪测试截图,变频器输出电压峰值因数3.5,电流峰值因数2.2.。


图4 PA6000变频器测量
峰值因数对电源有哪些影响

非线性负载接受正弦波电压时,其电流波形会产生畸变,畸变的电流波形的峰值因数可能大于,若负载的峰值因数大于,前端供电设备必须提供负载所需要的峰值电流,否则供电设备的输出电压波形会产生失真。

负载峰值因数因前端供电设备的不同而有差异,甚至当负载从一个输入插口移到另一个插口时,峰值因数也会有所变化。峰值因数是负载与电源相互作用的结果。负载的峰值因数数值取决于电网的电压波形,在电源设备输出电压波形为纯正弦波的前提下,没有输入功率因数矫正设计的负载的峰值因数一般为2到3,在电源设备输出电压波形为阶梯波的前提下,此种负载设备的峰值因数一般为1.4至1.9。计算机类负载的输入电流的CF可能达到2.4~2.6。因此,UPS设计时常需能提供CF值为3或者更大懂得的额定电流,以满足计算机类负载的应用。

峰值因数从另外一个角度反应了电源的特性和用电设备的特性,一个用电设备的电流峰值因数越大,说明其供电需要的冲击电流越大,改设备对电网的危害越打。同样一个电源能够输出的电流峰值因数越大,说明其耐冲击的能力越强,该电源的性能越好。

峰值因数很大会带来大量的谐波电流和谐波电压成分,对整个供电系统造成危害。

峰值因数对测量仪器有哪些要求

目前市场上的很多高精度功率分析仪标称最大可测量峰值因数为6,另一些高精度功率分析仪则标称最大可测量峰值因数为10,日韩在线的PA6000高精度功率分析仪最高可以测量的峰值因数为300。


图5 PA6000测量低占空比方波

对于市电、逆变器等测试,其峰值因数一般不会很大,只有变频器的PWM等测量峰值因数很大,所以变频器测试对峰值因数要求较高。理论上,PWM波的峰值因数可达无穷大。因为PWM波在输出不同电压值时,其峰值始终保持不变,因此,输出电压有效值越低,峰值因数越高。以额定电压690V的变频器为例,输出电压690V时,峰值因数接近正弦波峰值因数1.414,而输出电压为69V时,峰值因数接近14.14,输出电压为6.9V时,峰值因数接近141.4,对于峰值因数很大的信号,必须选择大量程,仪器设置和测量精度有所不同。

PWM波的峰值因数较高时,调制比较小,脉冲宽度较窄,因此,有一种观点认为,高峰值因数的PWM波,要求更高的带宽和采用频率。

实际上,这仅仅是局限于直观、简单的时域理解,对于PWM波而言,载波频率确定了,其谐波分布和谐波频率就基本确定,如果我们关注的谐波频率是固定的,那么,测量带宽和采样频率与调制比无关。

峰值因数的影响体现为:

1、高峰值因数时,基波含量变大,高次谐波相对含量较小,受带宽限制带来的影响较小;低峰值因数时,基波含量变小,高次谐波相对含量变大,受带宽限制带来的影响较大。如果上述高次谐波不是关注对象,由此带来的影响可以忽略。

2、信号基波频率是FFT算法的重要输入参数,基波频率测量错误或不准确,将导致FFT运算结果的错误或不准确。峰值因数越高,波形畸变越大,准确测量基波频率的难度越大。

实际上,这仅仅是局限于直观、简单的时域理解,对于PWM波而言,载波频率确定了,其谐波分布和谐波频率就基本确定,如果我们关注的谐波频率是固定的,那么,测量带宽和采样频率与调制比无关。

3、相同的有效值的PWM电压,峰值因数越高,峰值越大,需要采用更大的量程测量,测量精度下降。

目前大部分功率分析仪器具有自动转换量程功能,但是其自动转换量程的依据是信号有效值,这样,当被测信号的峰值因数高于仪器默认的峰值因数时,会导致量程转换错误。PA6000量程切换时依据峰值和有效值判断,当电压、电流的测量值超过额定量程的110%或者峰值超过额定量程的330%则量程升档,当电压电流的测量值低于额定量程的30%并且峰值低于下档量程的300%时,量程降档。