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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(shù)校正，功率因數(shù)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(shù)帶來的電能污染。多年以來由于變頻器的調速功能和節(jié)能優(yōu)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(shù)在0.51~0.54之間，因為變頻器輸入側的無功的產(chǎn)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(shù)是最簡單最經(jīng)濟的技術。電流畸變率能降到40%以下，功率因數(shù)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(shù) 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(shù)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(tǒng)的功率因數(shù)得不到改善，功率因數(shù)基本在0.8以下運行。這對電網(wǎng)造成負荷增加，同時影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，降低了電網(wǎng)的電能質量。當系統(tǒng)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(wǎng)相對于負荷來說容量是無限大的，負荷不能改變電網(wǎng)的電壓波形，我們把基波電流與電網(wǎng)電壓產(chǎn)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(wǎng)的電壓位移是變化的，高次諧波電流不能與電壓產(chǎn)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(shù)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(shù)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(shù)
THDI:電流總畸變率
變頻器基波電流的位移產(chǎn)生的無功是零，功率因數(shù)是1，但是高次諧波產(chǎn)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(shù)是0.51~0.54。變頻器PFC原理是在線路串聯(lián)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(shù)。
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(chǎn)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(lián)電抗器，其優(yōu)點是經(jīng)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(shù)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(yōu)點是在直流側串聯(lián)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(shù)提高到0.98以上，理論上是能降到1/3。按此數(shù)字即滿足了IEC61000標準要求。
若不串聯(lián)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(lián)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(lián)直流電抗器波形,THDI=35.7% cosФ=0.99
圖4d 變頻器串聯(lián)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(chuàng)新算法變頻器輸入電流波形圖
THDI=34.5，cosФ=0.98
從實驗數(shù)據(jù)看出，串聯(lián)直流電抗器效果最好，如果在串聯(lián)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(shù)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(chuàng)新算法方案最佳，性能與串聯(lián)直流電抗相等，產(chǎn)品成本低。
3 創(chuàng)新算法PFC變頻器
創(chuàng)新算法變頻器是天津諾爾電氣股份有限公司的新發(fā)明專利，他是在整流橋電路采用了創(chuàng)新算法，直接降低了整流橋電流畸變率的產(chǎn)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(chuàng)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(jù)功率因數(shù)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(tǒng)的電容器補償根本不起作用，一是由于常規(guī)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(lián)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(lián)電容器會放大三次諧波，使功率因數(shù)降低。
使用無源濾波裝置提高變頻器使用場所的功率因數(shù)必須采用多類負荷綜合治理，在前面已經(jīng)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(jīng)濟不合理。
5 結論
對于變頻器的使用它的優(yōu)點是能夠調速并且節(jié)能效果明顯，但是帶來的缺點是對電網(wǎng)的污染和功率因數(shù)過低。因為變頻器輸入側功率因數(shù)低就是由于諧波無功的產(chǎn)生，消除諧波即消除了無功，改善變頻器輸入側功率因數(shù)就是諧波治理，用傳統(tǒng)并聯(lián)電容器的方式改善變頻器的功率因數(shù)從原理上講是不起作用的。治理諧波最經(jīng)濟、有效的辦法是在變頻器直流側串聯(lián)電抗器，直流側串聯(lián)了電抗器交流側不要再串聯(lián)電抗器，一是40%以下的電流畸變率串聯(lián)交流電抗器基本不會再有效果，二是串聯(lián)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(shù)在0.98以上。這種變頻器不需要再串聯(lián)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(jīng)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(shù)均為實驗數(shù)據(jù)，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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