變頻器既可能是電能質量差的來源，也可能是電能質量的受害者。

變頻器作為受害者負載

盡管變頻器通常被描述為 PQ 場景中的罪魁禍首，但它們也有可能成為受害者負載。

電容器切換瞬態

作為公用事業電容器切換特征的高能（相對低頻）瞬態可以通過服務變壓器、饋線和變頻器的轉換器前端直接傳遞到直流母線，在那里它通常會導致直流鏈路過壓跳閘。輸入二極管也可能被這些瞬變燒毀。

電壓失真

如果高壓失真表現為過度平坦的頂部，它將阻止直流鏈路電容器完全充電并降低變頻器的穿越能力。因此，通常不會影響變頻器的電壓驟降會導致變頻器在欠壓時跳閘。

接地不當會影響變頻器內部控制電路，造成不可預知的后果。

變頻器是罪魁禍首

變頻器絕對可以成為“罪魁禍首”，并對系統 PQ 產生重大影響。但在我們談論問題之前，讓我們為變頻器對 PQ 的積極影響說一句好話。首先，它們提供內置的軟啟動功能。這意味著不會有浪涌電流，也不會對系統的其余部分產生電壓驟降影響。其次，如果變頻器是 PWM 類型，帶有二極管轉換器前端，則位移功率因數很高（在額定負載下通常 》 95 %）并且在整個范圍內或多或少保持恒定。這意味著變頻器可以同時減少能源使用并校正位移功率因數。這也是一件好事，因為變頻器和功率因數校正電容不要混用。電容器容易受到變頻器產生的高頻諧波電流的影響，因為它們的阻抗隨著頻率的增加而降低。

變頻器的類型對 PQ 癥狀有重大影響，因為轉換器設計不同（轉換器或整流器將交流轉換為直流，是變頻器的第一級）。有兩種主要的轉換器設計類型。

帶有電壓源逆變器/可變電壓逆變器 （VSI/VVI） 的 SCR 轉換器

通常稱為六步變頻器，它們在其轉換器前端使用 SCR（硅控整流器）（以下討論適用于 CSI，電流源逆變器變頻器，也使用 SCR）。VSI 和 CSI 變頻器設計傾向于應用于較大的變頻器（》 100 HP）。SCR 轉換器通過打開（或“選通”）一部分所施加的正弦波的電流并在零交叉點處關閉來控制直流鏈路電壓。與二極管不同，SCR 需要用于柵極觸發的控制電路。

對于 SCR 變流器，影響線側 PQ 的主要有三個問題：

換向槽口。SCR 切換或換向會導致兩相都處于“ON”狀態的短暫時刻。這實際上會導致瞬時短路，從而導致線路電壓崩潰。這在電壓波形上顯示為“陷波”。這些缺口會導致高 VTHD 和瞬變。解決辦法是在變頻器前端串聯一個電抗器線圈或隔離變壓器來解決這兩個問題。

位移功率因數隨著變頻器速度的降低而下降。這并不像聽起來那么嚴重，因為驅動電機負載的功率需求降低得更多。

諧波電流，通常為 5 次和 7 次，由 VSI 變頻器產生。

帶脈寬調制 （PWM） 變頻器

的二極管轉換器另一種更常見的轉換器設計使用二極管，用于 PWM 變頻器。二極管不需要開關控制電路。行業的主要趨勢之一是 PWM 變頻器的激增，這主要是由于在變頻器的逆變器部分（逆變器將直流變為直流）中使用的快速開關、高效的 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的持續發展。交流）。出于所有實際目的，PWM 變頻器是行業標準。

對于二極管轉換器，主要的 PQ 問題是諧波。產生的實際諧波次數取決于前端二極管的數量。對于三相轉換，最少需要六個二極管。這種“六脈沖”轉換器將產生 5 次和 7 次諧波。如果使用 12 脈波轉換器，將產生 11 次和 13 次諧波而不是 5 次和 6 次 - 非常重要的是，對于相同的負載，11 次和 13 次的幅度將大大小于 5 次和 6 次。 因此，THD 會更小。然而，絕大多數變頻器都是六脈沖 PWM 風格，這也是我們在系統中看到如此多 5 次諧波的原因之一。

諧波解決方案

有多種緩解變頻器的解決方案產生的諧波：

諧波陷波濾波器

這些通常是并聯連接在諧波源（換句話說，在變頻器輸入端）的 LC 網絡。它們被調諧到略低于 5 次諧波（通常為 280 Hz），并且傾向于同時吸收 5 次和大部分 7 次諧波。顯然，它們的大小必須適合產生諧波的負載。

移相變壓器

這可以像三角形星形變壓器為一個變頻器供電，而三角形-三角形為另一個變頻器供電一樣簡單。這兩種配置之間存在 30 度相移效應，這有效地消除了最近的上游 PCC（公共耦合點）處的諧波。當兩個負載或多或少相等時，抵消效果最佳。

12 脈沖轉換器

如果 delta-wye/delta-delta 封裝在一起（delta 初級、delta 和 wye 次級）并且每個次級饋送兩個并聯的六脈沖轉換器中的一個，則創建一個 12 脈沖前端，其中包含所有上面提到的好處。也可提供 18 脈沖設計。由于額外的成本，這種類型的解決方案往往只用于高 HP 負載。

有源濾波器

這項相對較新的技術基于一個優雅的概念——使用電力電子來解決電力電子產生的問題。感應瞬時交流正弦波；然后，它通過產生相等和相反極性的諧波來主動消除它檢測到的諧波，從而重新創建正弦波。商業封裝也可能提供電壓調節。

有源功率因數校正

另一種最近的解決方案是制造商使用快速開關技術提供轉換器前端，這種技術產生的諧波量最少，并且具有接近統一的功率因數（總功率因數和位移功率因數）。關于在特定情況下哪種諧波緩解方法可能被證明是最有效和經濟的，還有討論的余地。然而，最終用戶經常忽略的，從本節的信息中應該清楚的是，變頻器系統的總成本應該包括變頻器本身的成本和諧波抑制（無論是變頻器的一部分或單獨安裝）。

電力系統共振

是否可以安裝“功率因數校正電容器”而使功率因數變差？確實如此，理解這個難題的起點在于位移功率因數 （DPF） 和總功率因數 （PF） 之間的區別。不理解差異的懲罰可能是電容器燒毀和投資浪費。

總功率因數和位移功率因數在一種基本意義上是相同的：它們是有功功率與視在功率的比值，或瓦特與 VA 的比值。位移功率因數是功率因數的經典概念。它可以被認為是基頻下的功率因數。總功率因數，縮寫為功率因數 （PF），現在包括基波和諧波電流的影響（也稱為真實功率因數或失真功率因數，下圖）。因此，在存在諧波的情況下，功率因數始終低于位移功率因數，并且比單獨的位移功率因數更準確地描述了總系統效率。

嚴格來說，術語“功率因數”指的是總功率因數，但實際上也可以用來指位移功率因數。不用說，這給功率因數的討論帶來了一些混亂。你必須清楚你在談論哪一個。

位移功率因數

較低的排量功率因數是由電機負載引起的，這些負載引入了對無功功率（伏安無功或 VAR）的需求。系統必須具有以伏安 （VA） 為單位測量的容量，以提供 VAR 和瓦特。需要的 VAR 越多，VA 要求越大，位移功率因數越小。VAR 的成本計入功率因數罰金。公用事業通常對低于一定水平的位移功率因數征收額外費用；實際數字差異很大，但典型數字為 0.90 到 0.95。

為了減少由電機負載引起的 VAR，安裝了功率因數校正電容器。工廠和公用事業級別的上游系統容量已釋放并可用于其他用途。

從歷史上看，這一直是功率因數故事的要點：一個相對眾所周知的問題，具有相對簡單的解決方案。

諧波和電容器

諧波對我們的功率因數校正方法產生了巨大影響。上述電機和電容器負載都是線性的，并且對于所有實際目的都不會產生諧波。另一方面，諸如變頻器之類的非線性負載確實會產生諧波電流。

以一家工廠為例，該工廠正在逐步將變頻器安裝到其電機負載上。變頻器會產生大量諧波電流（六脈沖轉換器變頻器上的第 5 次和第 7 次）。突然，現有功率因數校正帽上的保險絲開始熔斷。由于這些是三相電容，三個保險絲中只有一個可能會熔斷。現在你有不平衡的電流，可能是不平衡的電壓。電工更換保險絲。他們又吹了。他放入了更大的保險絲。現在保險絲還能用，但電容器燒斷了。他更換了電容器。同樣的事情發生。這是怎么回事？諧波是更高頻率的電流。頻率越高，電容的阻抗越低 （X C = 1/2πfC）。電容充當諧波電流的吸收器。

電力系統共振

在最壞的情況下，變壓器的感抗 （X L ） 和功率因數校正電容的容抗 （X C ） 形成并聯諧振電路： X L = X C諧振頻率與諧波頻率相同或接近。負載產生的諧波電流使電路產生振蕩。然后在該電路中循環的電流比勵磁電流大很多倍。這種所謂的“槽路”會嚴重損壞設備，也會造成功率因數下降。相反，這種諧振條件通常僅在系統負載較輕時才會出現，因為電阻負載的阻尼效應被消除了。換句話說，我們有音頻愛好者所說的“高 Q”電路。

想象一下在星期一上班，看到電纜上的絕緣層融化了。在系統幾乎沒有任何負載的周末怎么會發生這種情況？歐姆定律被推翻了嗎？不完全的。你的電力系統剛剛度過了整個周末的諧波。這是一場盛大的派對，但現在是大掃除。

從諧波緩解開始

正確的解決方案始于測量和減輕變頻器產生的諧波。通常需要諧波陷波濾波器。這些陷波濾波器就地安裝在變頻器的線路側。它們的作用與傳統的功率因數校正帽非常相似，在兩個方面：它們降低了位移功率因數和功率因數，并且它們還定位了問題諧波的循環（通常是第 5 次）。諧波抑制和傳統的位移功率因數校正應該作為一個系統問題來解決。換句話說，管理總功率因數，而不僅僅是位移功率因數。
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