变频器的谐波干扰与功率因数优化方案比较

目前绝大部分AC-DC-AC变换器的前端的AC-DC电路均采用二极管整流桥，配合功率滤波电容实现自然整流的电路结构。这种AC-DC变换电路的输入电压u_s虽为正弦波，但输入电流i_s却发生了畸变，如图9-1所示。图中，电流波形在过零点与峰值处都出现明显的平台现象，表明输入电流严重非正弦化，这将导致输入电流的总谐波失真度（Total Harmonic Disorder，THD）增高，装置的功率因数（Power Factor，PF）降低。

图9-1 自然整流电路的输出电压与电流波形

随着变频调速技术在民用电网的大量使用，变频器对公共电网产生的谐波干扰愈加强烈，电网用户侧功率因数的境况也愈加恶化。为了改善这些不利状况，有必要在变频器的前端整流环节加入功率因数校正电路（Power Factor Correction，PFC）或有源功率因数校正电路（Active Power Factor Correction，APFC）及谐波治理电路。但考虑到低成本变频器的实际情况，采用有关文献研究的比较复杂的电路，势必增加软、硬件资源的投入。这里比较了目前单相系统常用的三种功率因数校正和谐波治理方案PFC、APFC和直流侧APFC电路，以期找到合理的技术方案。

如图9-2a～c所示，几种方案比较如下：

1）APFC电路只处理负载谐波电流和整流电路的无功电流分量，PFC电路则处理负载所有电流和整流电路的无功电流分量。因此PFC电路的容量比APFC大。

2）APFC电路一般为桥式，使用的开关数目最多。直流侧APFC电路由于主电路在直流侧，比桥式APFC电路少用两个功率开关。相比之下PFC电路使用的功率开关最少。

3）三种电路的主电路都是Boost型的AC-DC升压变换器，一般都工作在连续导电的稳态模式，目的是使电源输出电流与电压波形相似，相位相同。(www.zuozong.com)

图9-2 单相系统常用功率因数校正和谐波治理电路

a）PFC电路 b）APFC电路 c）直流侧APFC电路

4）选用APFC或PFC方案应综合考虑电路的具体构成和电路的开关利用率。因此，有必要比较在同样负载情况下，三种电路的开关利用率。如图9-3所示，当负载的无功电流和谐波电流相对基波有功电流较小时，APFC电路的开关利用率比PFC电路高；反之，PFC的开关利用率高。考虑低成本变频器主要应用在单相小功率电动机的具体情况，即谐波电流分量相对较大、基波电流相对较小，这时采用PFC电路的功率开关数目最少，开关利用率最高，并且可以利用四开关三相逆变桥节省下来的功率开关，不增加额外资源的投入。因此，本文采用PFC电路方案。

图9-3 三种电路开关利用率的比较