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國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）調(diào)速分委員會(huì)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(shuō)明電能利用率越高。PFC變頻器是指變頻器內(nèi)部?jī)?nèi)置了PFC技術(shù)。它解決了變頻器輸入側(cè)電流畸變率和功率因數(shù)帶來(lái)的電能污染。多年以來(lái)由于變頻器的調(diào)速功能和節(jié)能優(yōu)勢(shì)，用戶(hù)對(duì)于電動(dòng)機(jī)基本都采用了變頻器控制，但是變頻器的輸入側(cè)的電流畸變率在110%~140%之間，功率因數(shù)在0.51~0.54之間，因?yàn)樽冾l器輸入側(cè)的無(wú)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(duì)變頻器的無(wú)功補(bǔ)償才起不到補(bǔ)償作用。要想對(duì)變頻器的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，就必須采用諧波治理。PFC技術(shù)校正變頻器的功率因數(shù)是最簡(jiǎn)單最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。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(guān)鍵詞】PFC變頻器 諧波含量 電流畸變率 功率因數(shù) 位移無(wú)功 諧波無(wú)功
1 概述
在配電工程設(shè)計(jì)中，通常人民需要采用系數(shù)法來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出無(wú)功補(bǔ)償容量，但在設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)都采用了變頻器控制。在實(shí)際運(yùn)行中由于電容補(bǔ)償裝置無(wú)法檢測(cè)到電流與電壓的相位差，電容補(bǔ)償裝置無(wú)法投入運(yùn)行，所以造成電容柜閑置浪費(fèi)，結(jié)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(yùn)行。這對(duì)電網(wǎng)造成負(fù)荷增加，同時(shí)影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，降低了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。當(dāng)系統(tǒng)綜合負(fù)荷既有位移無(wú)功和諧波無(wú)功存在時(shí)，采用無(wú)源濾波器裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償才有作用，作用多大還要看位移無(wú)功量的大小。從理論上這種做法是很困難的，因?yàn)楸仨毼灰茻o(wú)功大于等于諧波無(wú)功的補(bǔ)償需求，才能保證無(wú)源濾波裝置的有效性。
2 PFC原理
由于電網(wǎng)相對(duì)于負(fù)荷來(lái)說(shuō)容量是無(wú)限大的，負(fù)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(wú)功定義為位移無(wú)功，位移無(wú)功是能夠用COSΦ來(lái)表示的（見(jiàn)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(wú)功定義為諧波無(wú)功，它不能用cosΦ表示（見(jiàn)圖2），高次諧波無(wú)功需要通過(guò)傅里葉變換來(lái)計(jì)算，人工無(wú)法計(jì)算，只能采用計(jì)算機(jī)計(jì)算。所以當(dāng)線路上有高次諧波電流存在時(shí)，普通的功率因數(shù)表是無(wú)法計(jì)量的，在此不加詳述。
u(i)
圖 1
圖 2
國(guó)際上功率因數(shù)是用PF來(lái)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(wú)功是零，功率因數(shù)是1，但是高次諧波產(chǎn)生的無(wú)功很高，因?yàn)殡娏骰兟试?10~140%之間（實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)于PFC分無(wú)源和有源，通常PFC是指的無(wú)源控制，有源控制就是APFC，無(wú)源PFC原理有如下接法及電流波形圖、諧波含量：見(jiàn)圖3（a、b、c）。關(guān)于APFC變頻器即是綠色變頻器，因?yàn)槭忻嫔线�沒(méi)有產(chǎn)品銷(xiāo)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(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，不占用空間，交流電抗器體積小造價(jià)低，缺點(diǎn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)的要求較大，同時(shí)電抗器分壓會(huì)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低（因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(jìn)行諧波治理效果不好，并且串入后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重下降。圖3b是在直流側(cè)串直流電抗器，缺點(diǎn)是比交流電抗器體積大，并且成本高，一般高50%；優(yōu)點(diǎn)是在直流側(cè)串聯(lián)沒(méi)有分壓效果，不會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(mǎn)足了IEC61000標(biāo)準(zhǔn)要求。
若不串聯(lián)電抗器諧波含量達(dá)85%以上，最高可達(dá)140%，見(jiàn)圖4(a、b、c、d、e）
圖4a 變頻器無(wú)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(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，而且成本上升，所以沒(méi)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(zhuān)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(jié)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?yàn)殡娊怆娙萜鲏勖?000~5000小時(shí)，而薄膜電容器的壽命是10萬(wàn)小時(shí)，所以變頻器的壽命大幅提高。在相同的負(fù)荷下，PFC變頻器運(yùn)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(shí)變頻器的體積和成本大幅降低。
4 方案比較
對(duì)于變頻器的諧波治理是個(gè)比較復(fù)雜的技術(shù)，傳統(tǒng)的電容器補(bǔ)償根本不起作用，一是由于常規(guī)無(wú)功功率控制器檢測(cè)不到基波相位移無(wú)法投入運(yùn)行，二是即便是采用并聯(lián)電容器也無(wú)法補(bǔ)償無(wú)功，因?yàn)闆](méi)有相位差，但適得其反的是，三相并聯(lián)電容器會(huì)放大三次諧波，使功率因數(shù)降低。
使用無(wú)源濾波裝置提高變頻器使用場(chǎng)所的功率因數(shù)必須采用多類(lèi)負(fù)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(jià)昂貴，一般使用APF治理變頻器諧波達(dá)到直流電抗器PFC效果時(shí)，要投入2倍的變頻器的成本，明顯經(jīng)濟(jì)不合理。
5 結(jié)論
對(duì)于變頻器的使用它的優(yōu)點(diǎn)是能夠調(diào)速并且節(jié)能效果明顯，但是帶來(lái)的缺點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)的污染和功率因數(shù)過(guò)低。因?yàn)樽冾l器輸入側(cè)功率因數(shù)低就是由于諧波無(wú)功的產(chǎn)生，消除諧波即消除了無(wú)功，改善變頻器輸入側(cè)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(jì)、有效的辦法是在變頻器直流側(cè)串聯(lián)電抗器，直流側(cè)串聯(lián)了電抗器交流側(cè)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(huì)再有效果，二是串聯(lián)交流電抗器會(huì)降低變頻器的輸出電壓從而降低電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。變頻器內(nèi)置PFC功能變頻器在額定電流50Hz下運(yùn)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定標(biāo)準(zhǔn)，IEC61800系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于變頻器的電源接入點(diǎn)的電能質(zhì)量都已經(jīng)進(jìn)行了限制，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)，希望各變頻器制造廠家注意。
本文沒(méi)有參考文獻(xiàn)，本文給出的參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有不妥之處請(qǐng)各位同仁、專(zhuān)家指正。郵箱：nole@chn-nole.com、16245468572@qq.com.
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