变频调速系统的功率因子Word文档下载推荐.docx

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实际上，df＝cosφ就是同频率正弦电流的功率因数。

在电力电子技术未进入实用阶段之前，电气设备中的电流极大多数都是正弦波。

所以，人们通常把电流与电压相位差角的余弦cosφ就定义为功率因数。

（2）物理意义

如图1，当电流与电压不同相（假设电流滞后于电压）时，在电流的方向与电压相反的区间，瞬时功率为负功率。

其物理意义是:

在该时间段内，是器件（电感或电容）中储存的能量（磁场能或电场能）向电源反馈的过程。

图1滞后电流的瞬时功率

因此，电流中的一部分被用于电源和器件间进行能量交换，而并未真正作功，故平均功率被“打了折扣”。

1.3高次谐波电流的功率因数

在电工基础里，非正弦电流可以通过傅里叶级数分解成许多高次谐波电流。

或者说，非正弦电流可以看成是许多高次谐波电流的合成。

对于分析非正弦电流的功率因数来说，了解高次谐波电流的平均功率是至关重要的。

今以5次谐波电流为例，分析如下:

式（6）表明，5次谐波电流的平均功率为0。

可以进一步证明:

所有高次谐波电流的平均功率都等于0。

或者说，高次谐波电流的功率都是无功功率。

如图2所示，5次谐波电流的瞬时功率中，一部分是正功率，另一部分是负功率。

并且，正功率和负功率的总面积正好相等，故平均功率为0。

1.4非正弦电流的功率因数

（1）基波电流与电压同相位

图2谐波电流的功率

在基波电流与电压同相位的情况下，上述的位移因数可不必考虑。

非正弦电流的有效值由下式计算:

式中，i1、i5、i7分别是基波电流、5次谐波电流和7次谐波电流的有效值（三相对称电路中不存在以3为倍数的高次谐波电流。

因为非正弦电流的无功功率是由于电流波形发生畸变而形成的，故其功率因数用畸变因数来表述:

式中，kd─畸变因数。

（2）基波电流与电压不同相

当基波电流的相位与电压之间存在相位差时，有:

·

各高次谐波电流的平均功率仍为0;

基波电流与电压之间因有相位差而产生的位移因数必须考虑。

所以，非正弦电流的功率因数的表达式为:

2变频器的功率因数

2.1考察的对象

（1）功率因数偏低的影响

a）对电动机的影响

对于电动机来说，功率因数低，将会降低电动机的效率。

如图3所示，功率因数低，意味着电流与电压之间的相位差较大，故在有功电流i1a相等的情况下，有:

图3功率因数与电流

可见，功率因数低的最终结果，是电动机的铜损增加，故效率降低。

电动机效率的降低，虽然是用户应该考虑的问题，但却并不是供电系统考虑的主要问题。

b）对供电系统的影响

供电系统在为用户提供电源时，要受到电流大小的制约。

因为电流太大了，会使导线发热严重，损坏绝缘。

如果供电线路里无功电流太多了，则有功电流必减小，影响了供电能力。

对于供电系统来说，这是更为重要的问题。

所以，供电系统总是通过进线处的无功电度表来考察用户的功率因数的。

（2）变频器的功率因数问题

a）电动机侧的功率因数

对于交－直－交变频器而言，电动机侧的无功电流将被直流电路的储能器件（电容器）吸收，反映不到变频器的输入电路中。

因此，电动机的功率因数并不是供电系统考察的对象。

图4交－直－交变频器的框图

b）变频器输入电流的功率因数

变频器的输入侧是三相全波整流和滤波电路，如图5（a）所示。

显然，只有当电源线电压的瞬时值ｕl大于电容器两端的直流电压ud时，整流桥中才有充电电流。

因此，充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波状态，如图5（b）和（c）所示。

显然，变频器的进线电流是非正弦的，具有很大的高次谐波成份。

有关资料表明，输入电流中，高次谐波的含有率高达88%左右，而5次谐波和7次谐波电流的峰值可达基波分量的80%和70%，如图5（d）所示。

如上述，所有高次谐波电流的功率都是无功功率。

因此，变频器输入侧的功率因数是很低的。

有关资料表明，甚至可低至0.7以下。

图5输入电流波形分析图

因此，变频调速系统需要考察的是输入电流的功率因数。

（3）功率因数测量的误区

a）输入电流的位移因素

因为变频器输入电流的基波分量总是与电源电压同相位的，所以，其位移因数等于1。

b）功率因数表的测量结果

功率因数表是根据电动式偶衡表的原理制作的，其偏转角与同频率电压和电流间的相位差有关。

但对于高次谐波电流，则由于它在一个周期内所产生的电磁力将互相抵消，对指针的偏转角不起作用。

功率因数表的读数将反映不了畸变因数的问题。

如果用功率因数表来测量变频器输入侧的功率因数，所得到的结果是错误的。

3变频器功率因数的改善

根据以上的分析，改善变频器功率因数的基本途径是削弱输入电路内的高次谐波电流。

因此，不能用补偿电容的方法。

恰恰相反，目前较多地使用电抗器法。

3.1电抗器法

（1）交流电抗器法

如图6（a）所示，在变频器的输入侧串入三相交流电抗器al。

串入al后,输入电流的波形如图6（b）所示，高次谐波电流的含有率可降低为38%;

功率因数pf可提高至0.8~0.85。

图6交流电抗器连接示意图

除此以外，al还有以下作用:

a）削弱冲击电流

电源侧短暂的尖峰电压可能引起较大的冲击电流。

交流电抗器将能起到缓冲作用。

例如，在电源侧投入补偿电容（用于改善功率因数）的过渡过程中，可能出现较高的尖峰电压;

b）削弱三相电源电压不平衡的影响。

（2）直流电抗器法

直流电抗器dl接在整流桥和滤波电容器之间，如图7（a）所示。

图7直流电抗器连接示意图

接入直流电抗器后，变频器输入电流的波形如图7（b）所示，高次谐波电流的含有率可降低为33%;

功率因数pf可提高至0.90以上。

由于其体积较小，故不少变频器已将直流电抗器直接配置在变频器内。

直流电抗器除了提高功率因数外，还可削弱在电源刚接通瞬间的冲击电流。

如果同时配用交流电抗器和直流电抗器，则可将变频调速系统的功率因数提高至0.95以上。

（3）注意事项

电路中串入电抗器后，变频器的最高输出电压将降低2～3%。

这将导致电动机运行电流的增加和起动转矩的减小。

因此，当电动机的裕量较小，或要求高起动转矩的情况下，应考虑加大电动机和变频器的容量。

3.2十二相整流法

近年来，有的变频器生产厂开始在低压变频器的输入侧采用十二相整流（如日本安川公司生产的cimr－g7a系列变频器）方式，在改善输入电流波形及提高功率因数方面，取得了显著的效果。

（1）电路的结构特点

十二相整流的特点是:

变频器的输入侧接入一个变压器，变压器的副方具有两组绕组，一组接成ｙ形，另一组接成δ形，两组绕组分别进行三相全波整流后再并联，如图8（a）所示。

（2）十二相整流的效果

图8十二相整流的效果

变频器输入电流的波形如图8（b）所示，可以看出，其波形已经十分接近于正弦波了，高次谐波电流的含有率只有12％;

功率因数pf可提高到0.95以上。

3.3几个实际例子

（1）某变频器营销公司在销售变频器时，曾带功率因数表向用户显示，用了变频器后，功率因数可提高为1.0，用户很高兴地购买了变频器。

但一个月后，电力公司说，该厂的功率因数太低了，要罚款，乃至发生争执。

后经解释清楚，配置了交、直流电抗器后，问题得到了解决。

（2）某厂在安装了变频器后，发现功率因数下降了，便一再地增加补偿电容。

非但毫无作用，且补偿电容器容易发生异常。

配置电抗器后，问题就解决了。

参考文献

[1]俞大光.电工基础（修订本）上册[m].北京:

高等教育出版社，1964.

[2]（日）安川电机.インバ─タドライブ技術（第2版）[m].日刊工業新闻社,1997.

[3]（日）久保岛毅监修.インバ─タ導入実踐ガイド[m].電氣書院,1995.

[4]（日）hitachiinvertertechnicalguidebook[z].hitachiltd,1995.

[5]andrzejm.trzynadlowski著,李鹤轩,李杨译.异步电动机的控制[m].北京:

机械工业出版社,2003.

作者简介

张燕宾（1937-）男高级工程师退休前在宜昌市自动化研究所工作,曾任自动化研究所副所长、宜昌市科委驻深圳联络处主任;

宜昌市自动化学会理事长、湖北省自动化学会常务理事。

著作:

spwm变频调速应用技术（编著，机械工业出版社1997年12月初版;

2002年４月第二版）;

变频调速应用实践（主编，机械工业出版社2001年1月出版）;

变频器应用基础（副主编，机械工业出版社2003年1月出版）。