1、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，dfcos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cos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
2、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
3、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
4、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
5、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l大于电容器两端的直流电压ud时，整流桥中才
6、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
7、，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,
8、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0.80.85。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。
9、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23%。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cimrg7a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
10、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，一组接成形，另一组接成形，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
11、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.技術(第2版)m. 日刊工業新闻社,1997.3 (日)久保岛毅监修.導入実踐m.電氣書院,1995. 4 (日)hitachi inverter technical guide bookz. hitachiltd,1995.5 andrzej m. 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)。
