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國際電工委員會（IEC）調速分委員會委員 韓永清
【摘要】PFC（Power Factor Correction）即功率因數校正，功率因數越高，說明電能利用率越高。PFC變頻器是指變頻器內部內置了PFC技術。它解決了變頻器輸入側電流畸變率和功率因數帶來的電能污染。多年以來由于變頻器的調速功能和節能優勢，用戶對于電動機基本都采用了變頻器控制，但是變頻器的輸入側的電流畸變率在110%~140%之間，功率因數在0.51~0.54之間，因為變頻器輸入側的無功的產生不是電流與電壓的相位差造成的，所以電容器對變頻器的無功補償才起不到補償作用。要想對變頻器的無功進行補償，就必須采用諧波治理。PFC技術校正變頻器的功率因數是最簡單最經濟的技術。電流畸變率能降到40%以下，功率因數能上升到0.98以上。
【關鍵詞】PFC變頻器 諧波含量 電流畸變率 功率因數 位移無功 諧波無功
1 概述
在配電工程設計中，通常人民需要采用系數法來對電動機負荷進行計算，同時計算出無功補償容量，但在設計中電動機都采用了變頻器控制。在實際運行中由于電容補償裝置無法檢測到電流與電壓的相位差，電容補償裝置無法投入運行，所以造成電容柜閑置浪費，結果配電系統的功率因數得不到改善，功率因數基本在0.8以下運行。這對電網造成負荷增加，同時影響了電網的穩定性，降低了電網的電能質量。當系統綜合負荷既有位移無功和諧波無功存在時，采用無源濾波器裝置進行無功補償才有作用，作用多大還要看位移無功量的大小。從理論上這種做法是很困難的，因為必須位移無功大于等于諧波無功的補償需求，才能保證無源濾波裝置的有效性。
2 PFC原理
由于電網相對于負荷來說容量是無限大的，負荷不能改變電網的電壓波形，我們把基波電流與電網電壓產生的位移造成的無功定義為位移無功，位移無功是能夠用COSΦ來表示的（見圖1），而高次諧波電流和電網的電壓位移是變化的，高次諧波電流不能與電壓產生同功效，我們把高次諧波電流造成的無功定義為諧波無功，它不能用cosΦ表示（見圖2），高次諧波無功需要通過傅里葉變換來計算，人工無法計算，只能采用計算機計算。所以當線路上有高次諧波電流存在時，普通的功率因數表是無法計量的，在此不加詳述。
u(i)
圖 1
圖 2
國際上功率因數是用PF來表示，諧波造成的PF用以下公式表示：
 PF=1/√1+THDI²
PF： 功率因數
THDI:電流總畸變率
變頻器基波電流的位移產生的無功是零，功率因數是1，但是高次諧波產生的無功很高，因為電流畸變率在110~140%之間（實測值），所以綜合功率因數是0.51~0.54。變頻器PFC原理是在線路串聯電抗器，電抗器對于高頻起高阻抗作用，也就抑制了高次諧波，降低了高次諧波電流的含量，從而提高了功率因數。
對于PFC分無源和有源，通常PFC是指的無源控制，有源控制就是APFC，無源PFC原理有如下接法及電流波形圖、諧波含量：見圖3（a、b、c）。關于APFC變頻器即是綠色變頻器，因為市面上還沒有產品銷售，在此不加詳述。
圖 3（a）
圖3（b）
圖3（c）
圖3(d)
圖3a是在交流輸入端串聯電抗器，其優點是經濟，不占用空間，交流電抗器體積小造價低，缺點是在主回路直接形成壓降，不能做得太大，所以治理效果不好，一般采用交流電抗器分壓達到2%~4%，諧波電流降低30%左右，從110%降到80%，功率因數提高到0.7以上，再增加電感值效果不明顯，并且距離IEC61000標準的要求較大，同時電抗器分壓會造成電動機轉矩降低（因為電動機的轉矩和電壓的平方成正比）。所以在交流輸入端串交流電抗器進行諧波治理效果不好，并且串入后電動機轉矩嚴重下降。圖3b是在直流側串直流電抗器，缺點是比交流電抗器體積大，并且成本高，一般高50%；優點是在直流側串聯沒有分壓效果，不會降低電動機的轉矩，并且諧波治理效果明顯，能將電流畸變率從110%降低到40%以下，功率因數提高到0.98以上，理論上是能降到1/3。按此數字即滿足了IEC61000標準要求。
若不串聯電抗器諧波含量達85%以上，最高可達140%，見圖4(a、b、c、d、e）
圖4a 變頻器無PFC功能波形 ,THDI=121.4%, COSФ=0.51
圖4b 變頻器串聯交流電抗器波形，THDI=51.2%，COSФ=0.87（電抗器壓降3.5%）
圖4c 變頻器串聯直流電抗器波形,THDI=35.7% cosФ=0.99
圖4d 變頻器串聯交直流電抗器波形,THDI=31.4,cosФ=0.94（電抗器壓降3.5%）
圖4e 不需要增加電抗器PFC創新算法變頻器輸入電流波形圖
THDI=34.5，cosФ=0.98
從實驗數據看出，串聯直流電抗器效果最好，如果在串聯了直流電抗器后再增加交流電抗器，電流畸變率下降4%,但功率因數下降5%，并且造成電動機轉矩下降，而且成本上升，所以沒有意義。變頻器選擇PFC創新算法方案最佳，性能與串聯直流電抗相等，產品成本低。
3 創新算法PFC變頻器
創新算法變頻器是天津諾爾電氣股份有限公司的新發明專利，他是在整流橋電路采用了創新算法，直接降低了整流橋電流畸變率的產生，原理圖和普通變頻器完全一樣（如圖3d)，只是在控制中采用創新算法，其結果輸入電流波形如圖4e。由于這種算法大大降低了濾波電容器的使用量，電容器采用了薄膜電容器，使得電容器的壽命大幅提高，也消除了電解電容器的安全隱患，一般的變頻器壽命到期都是由于電解電容造成的，因為電解電容器壽命是4000~5000小時，而薄膜電容器的壽命是10萬小時，所以變頻器的壽命大幅提高。在相同的負荷下，PFC變頻器運行電流要小于普通變頻器，大家根據功率因數換算一下就知道了，同時變頻器的體積和成本大幅降低。
4 方案比較
對于變頻器的諧波治理是個比較復雜的技術，傳統的電容器補償根本不起作用，一是由于常規無功功率控制器檢測不到基波相位移無法投入運行，二是即便是采用并聯電容器也無法補償無功，因為沒有相位差，但適得其反的是，三相并聯電容器會放大三次諧波，使功率因數降低。
使用無源濾波裝置提高變頻器使用場所的功率因數必須采用多類負荷綜合治理，在前面已經講到在此不再贅述。最有效的辦法是采用APF（有源電力濾波器），但是造價昂貴，一般使用APF治理變頻器諧波達到直流電抗器PFC效果時，要投入2倍的變頻器的成本，明顯經濟不合理。
5 結論
對于變頻器的使用它的優點是能夠調速并且節能效果明顯，但是帶來的缺點是對電網的污染和功率因數過低。因為變頻器輸入側功率因數低就是由于諧波無功的產生，消除諧波即消除了無功，改善變頻器輸入側功率因數就是諧波治理，用傳統并聯電容器的方式改善變頻器的功率因數從原理上講是不起作用的。治理諧波最經濟、有效的辦法是在變頻器直流側串聯電抗器，直流側串聯了電抗器交流側不要再串聯電抗器，一是40%以下的電流畸變率串聯交流電抗器基本不會再有效果，二是串聯交流電抗器會降低變頻器的輸出電壓從而降低電動機輸出轉矩。變頻器內置PFC功能變頻器在額定電流50Hz下運行電流畸變率在40%以下，功率因數在0.98以上。這種變頻器不需要再串聯電抗器。
國際電工委員會（IEC）制定標準，IEC61800系列標準對于變頻器的電源接入點的電能質量都已經進行了限制，我國的標準也在逐步制定這方面的限制，再加上普通變頻器的成本高于PFC變頻器，所以普通變頻器將逐步退出市場，希望各變頻器制造廠家注意。
本文沒有參考文獻，本文給出的參數均為實驗數據，有不妥之處請各位同仁、專家指正。郵箱：nole@chn-nole.com、16245468572@qq.com.
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