变频调速系统的功率因子.docx
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变频调速系统的功率因子
关于变频调速系统的功率因数问题
作者:
宜昌市自动化研究所 张燕宾
1关于功率因数的概念
1.1几个基本定义
(1)功率因数的定义
在交流电路中,把平均功率与视在功率之比,称为功率因数:
式中,u─电压的有效值(v);i─电流的有效值(a)。
1.2同频率正弦电流的功率因数
(1)解析
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
(1)解析
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。
(2)物理意义
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
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高等教育出版社,1964.
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[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)。
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