国际电工委员会（IEC）调速分委员会委员 韩永清

【摘要】PFC（Power Factor Correction）即功率因数校正，功率因数越高，说明电能利用率越高。PFC变频器是指变频器内部内置了PFC技术。它解决了变频器输入侧电流畸变率和功率因数带来的电能污染。多年以来由于变频器的调速功能和节能优势，用户对于电动机基本都采用了变频器控制，但是变频器的输入侧的电流畸变率在110%~140%之间，功率因数在0.51~0.54之间，因为变频器输入侧的无功的产生不是电流与电压的相位差造成的，所以电容器对变频器的无功补偿才起不到补偿作用。要想对变频器的无功进行补偿，就必须采用谐波治理。PFC技术校正变频器的功率因数是最简单最经济的技术。电流畸变率能降到40%以下，功率因数能上升到0.98以上。

【关键词】PFC变频器   谐波含量   电流畸变率   功率因数    位移无功   谐波无功

1  概述

  在配电工程设计中，通常人民需要采用系数法来对电动机负荷进行计算，同时计算出无功补偿容量，但在设计中电动机都采用了变频器控制。在实际运行中由于电容补偿装置无法检测到电流与电压的相位差，电容补偿装置无法投入运行，所以造成电容柜闲置浪费，结果配电系统的功率因数得不到改善，功率因数基本在0.8以下运行。这对电网造成负荷增加，同时影响了电网的稳定性，降低了电网的电能质量。当系统综合负荷既有位移无功和谐波无功存在时，采用无源滤波器装置进行无功补偿才有作用，作用多大还要看位移无功量的大小。从理论上这种做法是很困难的，因为必须位移无功大于等于谐波无功的补偿需求，才能保证无源滤波装置的有效性。

2  PFC原理

 由于电网相对于负荷来说容量是无限大的，负荷不能改变电网的电压波形，我们把基波电流与电网电压产生的位移造成的无功定义为位移无功，位移无功是能够用COSΦ来表示的（见图1），而高次谐波电流和电网的电压位移是变化的，高次谐波电流不能与电压产生同功效，我们把高次谐波电流造成的无功定义为谐波无功，它不能用cosΦ表示（见图2），高次谐波无功需要通过傅里叶变换来计算，人工无法计算，只能采用计算机计算。所以当线路上有高次谐波电流存在时，普通的功率因数表是无法计量的，在此不加详述。

u(i)

图 1 

图 2 

国际上功率因数是用PF来表示，谐波造成的PF用以下公式表示：

           PF=1/√1+THDI²

PF： 功率因数

THDI:电流总畸变率

 变频器基波电流的位移产生的无功是零，功率因数是1，但是高次谐波产生的无功很高，因为电流畸变率在110~140%之间（实测值），所以综合功率因数是0.51~0.54。变频器PFC原理是在线路串联电抗器，电抗器对于高频起高阻抗作用，也就抑制了高次谐波，降低了高次谐波电流的含量，从而提高了功率因数。

 对于PFC分无源和有源，通常PFC是指的无源控制，有源控制就是APFC，无源PFC原理有如下接法及电流波形图、谐波含量：见图3（a、b、c）。关于APFC变频器即是绿色变频器，因为市面上还没有产品销售，在此不加详述。                                                

                           图 3（a）

                           图3（b）

                           图3（c）

                           图3(d)

 图3a是在交流输入端串联电抗器，其优点是经济，不占用空间，交流电抗器体积小造价低，缺点是在主回路直接形成压降，不能做得太大，所以治理效果不好，一般采用交流电抗器分压达到2%~4%，谐波电流降低30%左右，从110%降到80%，功率因数提高到0.7以上，再增加电感值效果不明显，并且距离IEC61000标准的要求较大，同时电抗器分压会造成电动机转矩降低（因为电动机的转矩和电压的平方成正比）。所以在交流输入端串交流电抗器进行谐波治理效果不好，并且串入后电动机转矩严重下降。图3b是在直流侧串直流电抗器，缺点是比交流电抗器体积大，并且成本高，一般高50%；优点是在直流侧串联没有分压效果，不会降低电动机的转矩，并且谐波治理效果明显，能将电流畸变率从110%降低到40%以下，功率因数提高到0.98以上，理论上是能降到1/3。按此数字即满足了IEC61000标准要求。

 若不串联电抗器谐波含量达85%以上，最高可达140%，见图4(a、b、c、d、e）

  图4a 变频器无PFC功能波形 ,THDI=121.4%, COSФ=0.51

图4b 变频器串联交流电抗器波形，THDI=51.2%，COSФ=0.87（电抗器压降3.5%）

    图4c 变频器串联直流电抗器波形,THDI=35.7%  cosФ=0.99       

    图4d 变频器串联交直流电抗器波形,THDI=31.4,cosФ=0.94（电抗器压降3.5%）

图4e 不需要增加电抗器PFC创新算法变频器输入电流波形图

            THDI=34.5，cosФ=0.98

 从实验数据看出，串联直流电抗器效果最好，如果在串联了直流电抗器后再增加交流电抗器，电流畸变率下降4%,但功率因数下降5%，并且造成电动机转矩下降，而且成本上升，所以没有意义。变频器选择PFC创新算法方案最佳，性能与串联直流电抗相等，产品成本低。

3  创新算法PFC变频器

 创新算法变频器是天津诺尔电气股份有限公司的新发明专利，他是在整流桥电路采用了创新算法，直接降低了整流桥电流畸变率的产生，原理图和普通变频器完全一样（如图3d)，只是在控制中采用创新算法，其结果输入电流波形如图4e。由于这种算法大大降低了滤波电容器的使用量，电容器采用了薄膜电容器，使得电容器的寿命大幅提高，也消除了电解电容器的安全隐患，一般的变频器寿命到期都是由于电解电容造成的，因为电解电容器寿命是4000~5000小时，而薄膜电容器的寿命是10万小时，所以变频器的寿命大幅提高。在相同的负荷下，PFC变频器运行电流要小于普通变频器，大家根据功率因数换算一下就知道了，同时变频器的体积和成本大幅降低。

4  方案比较

 对于变频器的谐波治理是个比较复杂的技术，传统的电容器补偿根本不起作用，一是由于常规无功功率控制器检测不到基波相位移无法投入运行，二是即便是采用并联电容器也无法补偿无功，因为没有相位差，但适得其反的是，三相并联电容器会放大三次谐波，使功率因数降低。

 使用无源滤波装置提高变频器使用场所的功率因数必须采用多类负荷综合治理，在前面已经讲到在此不再赘述。最有效的办法是采用APF（有源电力滤波器），但是造价昂贵，一般使用APF治理变频器谐波达到直流电抗器PFC效果时，要投入2倍的变频器的成本，明显经济不合理。

5  结论

 对于变频器的使用它的优点是能够调速并且节能效果明显，但是带来的缺点是对电网的污染和功率因数过低。因为变频器输入侧功率因数低就是由于谐波无功的产生，消除谐波即消除了无功，改善变频器输入侧功率因数就是谐波治理，用传统并联电容器的方式改善变频器的功率因数从原理上讲是不起作用的。治理谐波最经济、有效的办法是在变频器直流侧串联电抗器，直流侧串联了电抗器交流侧不要再串联电抗器，一是40%以下的电流畸变率串联交流电抗器基本不会再有效果，二是串联交流电抗器会降低变频器的输出电压从而降低电动机输出转矩。变频器内置PFC功能变频器在额定电流50Hz下运行电流畸变率在40%以下，功率因数在0.98以上。这种变频器不需要再串联电抗器。

  国际电工委员会（IEC）制定标准，IEC61800系列标准对于变频器的电源接入点的电能质量都已经进行了限制，我国的标准也在逐步制定这方面的限制，再加上普通变频器的成本高于PFC变频器，所以普通变频器将逐步退出市场，希望各变频器制造厂家注意。

 本文没有参考文献，本文给出的参数均为实验数据，有不妥之处请各位同仁、专家指正。邮箱：nole@chn-nole.com、16245468572@qq.com.