變頻器能改善功率因數(shù)嗎

1/2變頻器能改善功率因數(shù)嗎?又是怎么改善的？一、先確定幾個(gè)概念：1、無(wú)功功率，是負(fù)載與電源之間交換能量的快慢；2、功率因數(shù)，是指有功功率與視在功率的比值；2、電容的電流超前電壓90度；二、變頻器產(chǎn)生高次諧波,又使功率因數(shù)下降。到底變頻器是提高還是降低功率因數(shù)？為什么？1、變頻器的輸入側(cè)是整流、電容濾波電路；2、由于整流二極管只是在正弦交流電壓的最大值處導(dǎo)通，主要是電容的充電脈沖電流；3、所以變頻器產(chǎn)生了高次諧波電流；4、由于整流管導(dǎo)通時(shí)，電流、電能只有輸入沒(méi)有輸出，是單方向的，所以電源功率是有功功率=視在功率，沒(méi)有交換能量的無(wú)功功率，功率因數(shù)是1；5、所以變頻器產(chǎn)生高次諧波，但功率因數(shù)沒(méi)有下降，因?yàn)樽冾l器只吸收了能量；6、所以變頻器產(chǎn)生高次諧波，功率因數(shù)也沒(méi)有提升，因?yàn)樽冾l器只吸收了能量，沒(méi)有給電網(wǎng)提供無(wú)功功率三、有些資料說(shuō)變頻器有電容器能提高電網(wǎng)的功率因數(shù)：1、如果測(cè)量電壓與電流的相位角，確實(shí)是容性角；2、如果功率因數(shù)表是根據(jù)此容性角計(jì)算功率因數(shù)，則功率因數(shù)低于1；3、依此功率因數(shù)計(jì)算得出的容性無(wú)功功率，認(rèn)為是給電網(wǎng)提供的無(wú)功補(bǔ)償功率，并得出“變頻器有電容器能提高電網(wǎng)的功率因數(shù)”。4、這是測(cè)量原理上造成的錯(cuò)誤！5、如果實(shí)測(cè)有功功率和視在功率；6、變頻器與電源之間就不存在無(wú)功功率；7、也沒(méi)有電容為電源提供的容性無(wú)功功率；8、也不會(huì)出現(xiàn)變頻器提高電網(wǎng)功率因數(shù)的錯(cuò)誤說(shuō)法；四、從變頻器輸入端看，能量實(shí)際傳遞的過(guò)程和方式：1）當(dāng)交流電壓大于濾波電容的電壓時(shí)，整流二極管導(dǎo)通，濾波電容充電；2）當(dāng)交流電壓經(jīng)過(guò)最大值開(kāi)始減小，小于于濾波電容的電壓時(shí)，整流二極管反向截至，濾波電容充電結(jié)束并向負(fù)載測(cè)逆變電路供電；3）這樣沒(méi)有電能不斷的由電源輸入到電容器，電容器不斷的將電能輸入到負(fù)載；4）電流、電能是單方向流動(dòng)或傳輸，沒(méi)有逆向電源的無(wú)功功率；晶閘管整流裝置之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種整流裝置簡(jiǎn)單、便宜、可靠，而且無(wú)需換相電路。由于它顯示出的極大優(yōu)越性，使它成為弱電控制與強(qiáng)電輸出之間的得力橋梁。但是這種裝置不是完美無(wú)缺的。其缺點(diǎn)是當(dāng)它輸出的電壓低于它的最大值．亦即在開(kāi)通角較大時(shí)，功率因數(shù)低。而低功率因數(shù)運(yùn)行，浪費(fèi)電能，這在大功率應(yīng)用中是首先要考慮的問(wèn)題。變頻器運(yùn)行改善其輸入側(cè)的功率因數(shù)較低的問(wèn)題一、變頻器的無(wú)功功率與功率因數(shù)

由于變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)偏低的原因，與工頻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)低有著重要的區(qū)別。由于電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，運(yùn)行電流的相位滯后于電壓，功率因數(shù)的高低取決于電流與電壓之間的相位關(guān)系。而變頻器功率因數(shù)低是由其電路結(jié)構(gòu)造成的。變頻器通常是“交一直一交”式結(jié)構(gòu)，即三相交流電源經(jīng)三相整流橋和濾波電容器變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)控制電路和逆變管轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電。在整流過(guò)程中，只有當(dāng)交流電源的瞬時(shí)值大于直流電壓UD時(shí)，整流二極管才會(huì)導(dǎo)通，整流橋中才有充電電流，顯然，充電電流總是出現(xiàn)在電源峰值附近的有限時(shí)間內(nèi)，呈不連續(xù)的脈沖波形。這種非正弦波具有很強(qiáng)的高次諧波成分。高次諧波的瞬時(shí)功率一部分為“+”，另一部分為“一”，屬于無(wú)功功率。這種無(wú)功功率使得變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，約為O．7～0．75。

二、提高功率因數(shù)的措施

由于變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)較低的原因。不是電流波形滯后于電壓，而是高次諧波電流造成的，所以不能通過(guò)并聯(lián)補(bǔ)償電容器來(lái)提高功率因數(shù)．而應(yīng)設(shè)法減小高次諧波電流接入電抗器。交流電抗器，接在三相電源與整流橋之間；直流電抗器，接在整流橋與濾波電容器之間。使用其中一種就有明顯效果，兩種共同使用可將功率因數(shù)提高到0．95以上。直流電抗器除了提高功率因數(shù)外。還能限制接通電源瞬間的充電涌流。另外，不允許在變頻器輸出端，即與電動(dòng)機(jī)的連接端并接電容器。因?yàn)樽冾l器輸出的所謂正弦波，實(shí)際上是脈沖寬度和占空比的大小按正弦規(guī)律分布的脈寬調(diào)制波，這個(gè)脈沖序列是變頻器中逆變管不斷交替導(dǎo)通形成的，如果在輸出端接入電容器，則逆變管在交替導(dǎo)通過(guò)程中，不但要向電動(dòng)機(jī)提供電流，還會(huì)增加電容器的充電電流和放電電流，會(huì)導(dǎo)致逆變管損壞。

三、電抗器的選用

電抗器對(duì)大部分變頻器來(lái)說(shuō)不是標(biāo)準(zhǔn)配置，是選配件?？筛鶕?jù)需要選用。

四、交流電抗器的相關(guān)應(yīng)用

有時(shí)為了降低設(shè)備投資的成本而不接交流電抗器，容忍變頻調(diào)速系統(tǒng)在低功率因數(shù)下運(yùn)行。但在下列運(yùn)行環(huán)境中連接交流電抗器則是必需的：

1．如與變頻器在同一供電系統(tǒng)中的電子設(shè)備較多，變頻器的高次諧波將影響電子設(shè)備正常工作，這時(shí)應(yīng)在變頻器輸入側(cè)連接交流電抗器，同時(shí)用1000V、100nF-220nF的電容器進(jìn)行濾波，盡量減小高次諧波的干擾。

2．同一供電系統(tǒng)中有容量較大的可控硅設(shè)備，由于可控硅設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致電壓波形的畸變，與變頻器相互產(chǎn)生影響，因此，兩種設(shè)備的輸入端都應(yīng)接入交流電抗器。

3．多臺(tái)變頻器運(yùn)行于同一供電系統(tǒng)中，除了變頻器之間互相影響外，還會(huì)導(dǎo)致相鄰設(shè)備工作失常，這時(shí)每臺(tái)變頻器輸入端都應(yīng)接入交流電抗器。利用晶閘管提高功率因數(shù)的例子；通常的晶閘管整流裝置，隨控制角“的增大(整流輸出電壓減小)則牛角增大，使得位移因數(shù)減小。而交流側(cè)的電流波形為方波或梯形渡，所以電流畸變因數(shù)也不等于l。可見(jiàn)整流裝置對(duì)電網(wǎng)的不良影響是由電流畸變因數(shù)和位移因數(shù)造成的。所以改善功率因數(shù)也應(yīng)從改善這兩方面的特性入手。即一方面要盡量減小電流與電壓?jiǎn)柕南嘟遣睿涣硪环矫鎽?yīng)使電網(wǎng)側(cè)電流波形盡量接近正弦渡。從電路構(gòu)成的形式上看，可把整流裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟M合，使它們成為一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)這些裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相互配合。使其對(duì)電網(wǎng)側(cè)所呈現(xiàn)的功率因數(shù)得以提高；另一方面對(duì)整流裝置的主回路進(jìn)行改革，使之在同樣的電壓調(diào)整范圍內(nèi)，獲得功率較高的因數(shù)。如圖所示：d．2采用三相四線(xiàn)制電路

改進(jìn)的三相四線(xiàn)制整流電路如圖3所示。它與一般三相橋相比，是在零線(xiàn)上接入了輔助晶閘管、P|。P、^并非隨時(shí)都可以被觸發(fā)導(dǎo)通。若把它們能夠被觸發(fā)導(dǎo)通的開(kāi)始時(shí)刻設(shè)為d—O，則輔助觸發(fā)角d定義為線(xiàn)電壓與相電壓的交點(diǎn)向右的角度，如圖所標(biāo)。

件，KP，、KP。不導(dǎo)通，裝置工作情況與一般三相橋式電路相同當(dāng)在(／6，56)間，在a時(shí)刻觸發(fā)KP-、KP。，則KP。、KPs導(dǎo)通，輸出電壓為U，導(dǎo)電途徑為一一負(fù)載一P?一6—0。在輔助觸發(fā)角d時(shí)，觸發(fā)KPs，則KP。通，受反壓關(guān)斷，輸出電壓為。導(dǎo)電途徑為一P一負(fù)載一一0。接著相應(yīng)時(shí)刻，KP：被觸發(fā)導(dǎo)通，KPs被關(guān)斷，輸出電壓。在相應(yīng)的d時(shí)刻，觸炭導(dǎo)通KP，輸出電壓，KP-被關(guān)斷。其它管子的通斷情況依此類(lèi)推。其整流輸出電壓，靠輔助晶閘管KPt、KPs交替導(dǎo)通，使主可控硅KP-?提前關(guān)斷，以減小每相導(dǎo)電時(shí)間，導(dǎo)致電流波形前移，使位移因數(shù)提高，從而使功率因數(shù)得到改善。幾乎所有的無(wú)效功都是電感性，電容性的非常少見(jiàn)，例如：變頻器就是容性的，在變頻器電源端加入電抗器可提高功率因數(shù)。...首先說(shuō)變頻器提高功率因數(shù)的問(wèn)題，因?yàn)橛兄绷髂妇€(xiàn)的存在，所以變頻器輸出的功率因數(shù)對(duì)變頻器輸入側(cè)影響就大大降低了，而輸入側(cè)采用的是不可控的二極管整流，所以功率因數(shù)不會(huì)很低。這樣說(shuō)，變頻器可以提高功率因數(shù)的說(shuō)法是可以的。

其次，說(shuō)電抗器的作用，如果加電抗器（輸入側(cè)），他可以抑制諧波，而諧波的存在，會(huì)影響功率因數(shù)的下降。因此說(shuō)，加了輸入電抗器，可以提高功率因數(shù)，也是可以理解的。

變頻器的結(jié)構(gòu)和電抗器的使用，是說(shuō)兩個(gè)不同的問(wèn)題，他們都與功率因數(shù)連在一起，這也許是一種技術(shù)與商業(yè)掛鉤的一種炒作。反正電力電子電路的原理在那擺著，怎么有利怎么聯(lián)系唄。

諧波的產(chǎn)生以與諧波對(duì)功率因數(shù)的影響，是多方面的，與具體體統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線(xiàn)、安裝等等都有關(guān)聯(lián)，真要是分析諧波和產(chǎn)生以與消除的問(wèn)題，一定要聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際來(lái)談，才能有的放矢。當(dāng)然，大型系統(tǒng)不允許不加輸入電抗器的。這點(diǎn)是肯定的。

1、補(bǔ)償電容器只能提供超前電流，以彌補(bǔ)感性負(fù)載的滯后電流，但不能削弱變頻器輸入側(cè)的諧波電流，所以不起作用。補(bǔ)償電容量大了，容易和某一諧波電流發(fā)生諧振，因而容易損壞。2、目前使用的變頻器，絕大多數(shù)是交－直交變頻器，在變頻器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之間，隔著一個(gè)直流回路。因此，提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，并不能提高變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)。實(shí)際上，是不起任何作用的。

3、滯后電流的功率因數(shù)，則cos≈1。然而，這并不是功率因數(shù)的全部。事實(shí)上，變頻器由于輸入電流中含有十分豐富的諧波電流，其畸變因數(shù)較低，故總功率因數(shù)是不高的。通用變頻器一般是AC-DC-AC型，逆變器多為VSI，整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)主要取決于變頻器輸入電流。電壓與電流間的相位差是一種功率因數(shù)的典型定義，即功率因數(shù)等于電壓與電流相角差的余弦函數(shù)。功率因數(shù)可以反映有功、無(wú)功和視在功率的比例關(guān)系。只有阻性負(fù)載功率因數(shù)才是1，任何電抗，不論是電感或是電容，都會(huì)造成輸入電流相對(duì)于輸入電壓的相位改變。感性負(fù)載會(huì)造成功率因數(shù)降低，如異步電機(jī)直接接在電網(wǎng)上運(yùn)行。不控整流器的運(yùn)行特點(diǎn)是只在輸入交流電壓的峰值附近才有輸入電流，導(dǎo)致產(chǎn)生了很大的電流諧波含量，造成輸入電流的諧波失真，因此這樣一個(gè)非線(xiàn)性的負(fù)載將會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)比較低。(1)功率因數(shù)偏低的影響

a)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，功率因數(shù)低，將會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的效率。如圖3所示，功率因數(shù)低，意味著電流與電壓之間的相位差較大，故在有功電流i1a相等的情況下，有:

圖1功率因數(shù)與電流

可見(jiàn)，功率因數(shù)低的最終結(jié)果，是電動(dòng)機(jī)的銅損增加，故效率降低。

電動(dòng)機(jī)效率的降低，雖然是用戶(hù)應(yīng)該考慮的問(wèn)題，但卻并不是供電系統(tǒng)考慮的主要問(wèn)題。

b)對(duì)供電系統(tǒng)的影響

供電系統(tǒng)在為用戶(hù)提供電源時(shí)，要受到電流大小的制約。因?yàn)殡娏魈罅?，?huì)使導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重，損壞絕緣。

如果供電線(xiàn)路里無(wú)功電流太多了，則有功電流必減小，影響了供電能力。對(duì)于供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是更為重要的問(wèn)題。所以，供電系統(tǒng)總是通過(guò)進(jìn)線(xiàn)處的無(wú)功電度表來(lái)考察用戶(hù)的功率因數(shù)的。

(2)變頻器的功率因數(shù)問(wèn)題

a)電動(dòng)機(jī)側(cè)的功率因數(shù)

對(duì)于交－直－交變頻器而言，電動(dòng)機(jī)側(cè)的無(wú)功電流將被直流電路的儲(chǔ)能器件(電容器)吸收，反映不到變頻器的輸入電路中。因此，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)并不是供電系統(tǒng)考察的對(duì)象。圖2交－直－交變頻器的框圖b)變頻器輸入電流的功率因數(shù)

變頻器的輸入側(cè)是三相全波整流和濾波電路，如圖3(a)所示。顯然，只有當(dāng)電源線(xiàn)電壓的瞬時(shí)值ｕl大于電容器兩端的直流電壓ud時(shí)，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波狀態(tài)，如圖5(b)和(c)所示。顯然，變頻器的進(jìn)線(xiàn)電流是非正弦的，具有很大的高次諧波成份。有關(guān)資料表明，輸入電流中，高次諧波的含有率高達(dá)88%左右，而5次諧波和7次諧波電流的峰值可達(dá)基波分量的80%和70%，如圖3(d)所示。

如上述，所有高次諧波電流的功率都是無(wú)功功率。因此，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)是很低的。有關(guān)資料表明，甚至可低至0.7以下。

圖3輸入電流波形分析圖因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)需要考察的是輸入電流的功率因數(shù)。

（3)功率因數(shù)測(cè)量的誤區(qū)

a)輸入電流的位移因素

因?yàn)樽冾l器輸入電流的基波分量總是與電源電壓同相位的，所以，其位移因數(shù)等于1。

b)功率因數(shù)表的測(cè)量結(jié)果

功率因數(shù)表是根據(jù)電動(dòng)式偶衡表的原理制作的，其偏轉(zhuǎn)角與同頻率電壓和電流間的相位差有關(guān)。但對(duì)于高次諧波電流，則由于它在一個(gè)周期內(nèi)所產(chǎn)生的電磁力將互相抵消，對(duì)指針的偏轉(zhuǎn)角不起作用。功率因數(shù)表的讀數(shù)將反映不了畸變因數(shù)的問(wèn)題。如果用功率因數(shù)表來(lái)測(cè)量變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)，所得到的結(jié)果是錯(cuò)誤的。

3變頻器功率因數(shù)的改善

根據(jù)以上的分析，改善變頻器功率因數(shù)的基本途徑是削弱輸入電路內(nèi)的高次諧波電流。因此，不能用補(bǔ)償電容的方法。恰恰相反，目前較多地使用電抗器法。

3.1電抗器法

(1)交流電抗器法

如圖4(a)所示，在變頻器的輸入側(cè)串入三相交流電抗器al。

串入al后,輸入電流的波形如圖4(b)所示，高次諧波電流的含有率可降低為38%;功率因數(shù)pf可提高至0.8~0.85。

圖4交流電抗器連接示意圖除此以外，al還有以下作用:

a)削弱沖擊電流

電源側(cè)短暫的尖峰電壓可能引起較大的沖擊電流。交流電抗器將能起到緩沖作用。例如，在電源側(cè)投入補(bǔ)償電容(用于改善功率因數(shù))的過(guò)渡過(guò)程中，可能出現(xiàn)較高的尖峰電壓;

b)削弱三相電源電壓不平衡的影響。

(2)直流電抗器法

直流電抗器dl接在整流橋和濾波電容器之間，如圖5(a)所示。

圖5直流電抗器連接示意圖接入直流電抗器后，變頻器輸入電流的波形如圖5(b)所示，高次諧波電流的含有率可降低為33%;功率因數(shù)pf可提高至0.90以上。由于其體積較小，故不少變頻器已將直流電抗器直接配置在變頻器內(nèi)。

直流電抗器除了提高功率因數(shù)外，還可削弱在電源剛接通瞬間的沖擊電流。

如果同時(shí)配用交流電抗器和直流電抗器，則可將變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)提高至0.95以上。

（3)注意事項(xiàng)

電路中串入電抗器后，變頻器的最高輸出電壓將降低2～3%。這將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流的增加和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的裕量較小，或要求高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，應(yīng)考慮加大電動(dòng)機(jī)和變頻器的容量。異步電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)差率S接近1時(shí)，轉(zhuǎn)差大時(shí)，無(wú)功率大，功率因數(shù)低異步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率S接近0時(shí)，轉(zhuǎn)差小時(shí)，無(wú)功率小，功率因數(shù)高而變頻器在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，輸出頻率低，就可以保證異步電機(jī)轉(zhuǎn)差在額定轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)，所以保證電機(jī)始終工作在高功率因數(shù)狀態(tài)所以可以這樣說(shuō)，變頻器改變輸出頻率，控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)差在額定轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)，從而保證電機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)高如果變頻器輸出頻率f與輸出電壓U的比值一定時(shí)，電機(jī)磁通Φ是個(gè)定值，即勵(lì)磁電流（NIo）不變只有電機(jī)磁通Φ減小時(shí)，勵(lì)磁電流（NIo）減小所以變頻器提高功率因數(shù)的主要方式是控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率來(lái)實(shí)現(xiàn)的當(dāng)異步電機(jī)處于大馬拉小車(chē)時(shí)，變頻器可調(diào)整頻壓比，減小電機(jī)磁通Φ，有降低無(wú)功電流，提高功率因數(shù)的作用所以，簡(jiǎn)單說(shuō)，“低頻時(shí)，輸出電壓低，無(wú)功電流小”的結(jié)論是錯(cuò)誤的,降低頻率，降低電壓，但頻壓比恒定，是保證電機(jī)鐵心磁通Φ不變，等于電機(jī)設(shè)計(jì)磁通Φ，即工頻時(shí)的磁通Φ當(dāng)大馬拉小車(chē)時(shí)，可以降低電機(jī)磁通Φ，也就是改變頻壓比的值，也就是在相同頻率下，適當(dāng)降低電壓，降低勵(lì)磁電流降低頻率，降低電壓，不降低磁通Φ，勵(lì)磁電流不變，無(wú)功功率不變改變頻壓比，降低電機(jī)磁通Φ，降低勵(lì)磁電流，降低了無(wú)功功率，提高了功率因數(shù)提高自然功率因數(shù)，包括合理選擇電器設(shè)備．避免變壓器輕載運(yùn)行，合理安排工藝流程，在條件允許的情況下盡量使用同步電動(dòng)機(jī)；通過(guò)人工補(bǔ)償提高功率因數(shù)、最常用的是并聯(lián)電容器補(bǔ)償。并不是經(jīng)補(bǔ)償后的功率因數(shù)越高越好，因?yàn)檠a(bǔ)償裝置消耗有功發(fā)出無(wú)功，隨著補(bǔ)償容量的增加，其有功損耗也增加，初投資增大。就經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度而言，補(bǔ)償后的功率因數(shù)過(guò)高或過(guò)低均會(huì)使總功率損耗增加；若補(bǔ)償功率因數(shù)恰當(dāng)，能使總有功損耗最小，此時(shí)的補(bǔ)償容量與功率因數(shù)稱(chēng)為按經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則確定的補(bǔ)償容量與功率因數(shù)。采用并聯(lián)電容器補(bǔ)償。下面是我找的2篇文章淺談交流變頻傳動(dòng)對(duì)功率因數(shù)的提高作用1引言

在工業(yè)生產(chǎn)和工具中通常都需要用到交流異步電動(dòng)機(jī)，然而與其他類(lèi)型的負(fù)載相比較，它的功率因數(shù)相對(duì)較低，從而導(dǎo)致更高的線(xiàn)電流，這將最終導(dǎo)致線(xiàn)路電纜和變壓器額外的發(fā)熱。在特大型電機(jī)輕載運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)合，其功率因數(shù)尤其低。

如果你使用交流傳動(dòng)的變頻器(vsd)來(lái)控制電機(jī)的速度則能夠提高功率因數(shù)，因此也能降低變壓器和線(xiàn)路上的電力損耗。這樣，交流傳動(dòng)就能夠幫助管理者省去投資功率因數(shù)補(bǔ)償器設(shè)備的投資。

本文將主要介紹使用變頻器后進(jìn)線(xiàn)電流能小于出線(xiàn)電流現(xiàn)象的原因，同時(shí)比較了交流傳動(dòng)與定速傳動(dòng)或直流傳動(dòng)等其他調(diào)速方式的異同點(diǎn)。

2功率因數(shù)與變頻傳動(dòng)

2.1功率因數(shù)與cosφ的區(qū)別

功率因數(shù)(pf)是電氣系統(tǒng)中一個(gè)重要的測(cè)量指標(biāo)，它定義為實(shí)際消耗功率(以kw為單位)與總裝置的視在功率(以kva為單位)的比值。

功率因數(shù)是大部分人比較關(guān)心的話(huà)題，但是有時(shí)卻經(jīng)常與cosφ(phi)發(fā)生混淆。這里要注意一點(diǎn)，功率因數(shù)pf只有在系統(tǒng)電壓u和系統(tǒng)電流i是正弦波的時(shí)候才等于cosφ(phi)，也就是說(shuō)電壓和電流在同一個(gè)頻率時(shí)二者才是等同的。但是實(shí)際上，電氣系統(tǒng)中的電壓和電流都包含諧波，因此在多數(shù)情況下，功率因數(shù)pf都不等同于cosφ(phi)。

為理解功率因數(shù)pf的概念，下面以矢量形式來(lái)表示。圖1為電氣線(xiàn)路圖，電壓u(一個(gè)固定的頻率)在該線(xiàn)路將產(chǎn)生一線(xiàn)路電流i。根據(jù)歐姆定理，每個(gè)器件上的電壓降都由電流與電阻相乘，其矢量圖見(jiàn)圖2。

在圖1中，電壓u由三部分產(chǎn)生，即電阻r產(chǎn)生的壓降ur=ir、電感xl產(chǎn)生的壓降ul=ixl和電容產(chǎn)生的壓降uc=ixc組成。其電壓和電流可以由圖2的矢量方式分解出來(lái)。本回路中，電流i都是相同的，電壓則在矢量表現(xiàn)方式上不同，有超前和滯后。根據(jù)圖2，我們可以得出cosφ的定義。

為了更進(jìn)一步地解釋?zhuān)β室驍?shù)pf可以更加形象地用“一匹馬在沿軌道拉有軌電車(chē)”來(lái)比方，因?yàn)檐壍澜宇^是不平的，必須要在邊上才能拉。這樣一來(lái)，馬拉的方向與實(shí)際有軌電車(chē)的方向有一個(gè)角度。馬實(shí)際所做的功只有一部分是用來(lái)拖動(dòng)車(chē)子的，其余的就浪費(fèi)掉了，這之間的關(guān)系可用圖3來(lái)表示。

總而言之，有下面幾個(gè)結(jié)論:

(1)功率因數(shù)pf是實(shí)際功率除以視在功率;

(2)當(dāng)線(xiàn)路電壓和電流都是正弦波的時(shí)候，功率因數(shù)pf=cosφ;

(3)功率因數(shù)的表示可以從0到1或是從0到100%;

(4)實(shí)際中功率因數(shù)pf受諧波和其他非線(xiàn)性波形影響;

(5)實(shí)際中功率因數(shù)pf比正弦波時(shí)的功率因數(shù)低。

2.2提高功率因數(shù)的原因

電站的功率因數(shù)通常是被設(shè)計(jì)成pf=0.8到0.9，如果實(shí)際的用戶(hù)端功率因數(shù)是比0.8還要低的話(huà)，要么發(fā)電機(jī)電流比額定值要增加，要么用戶(hù)端實(shí)際的功率必須降低。基于這樣的原因，一般電力公司都把用戶(hù)消耗的無(wú)功功率設(shè)定一個(gè)限值。該限值通常是只為大工業(yè)用戶(hù)或公用用戶(hù)設(shè)定的。

如果用戶(hù)端的功率因數(shù)低于一個(gè)設(shè)定值時(shí)不得不交罰款，通常該限值從0.8到0.97左右。由于電動(dòng)機(jī)的作用，往往會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)的下降。通常電機(jī)的額定功率因數(shù)是依賴(lài)于額定功率，典型的pf=0.85，但當(dāng)電機(jī)處于輕載運(yùn)行時(shí)，問(wèn)題就出來(lái)了，以下就討論這個(gè)問(wèn)題。

2.3電機(jī)功率因數(shù)低的分析

在工業(yè)和裝置中大量使用的電動(dòng)機(jī)通常需要消耗大約工業(yè)生產(chǎn)的50%左右的能量，但跟其他負(fù)載相比，其產(chǎn)生的功率因數(shù)低得多。為防止由此產(chǎn)生的對(duì)電力變壓器和電力電纜的損耗，必須要提高功率因數(shù)。

為了產(chǎn)生額定的轉(zhuǎn)矩和速度，電動(dòng)機(jī)通常會(huì)產(chǎn)生有功電流和無(wú)功電流。電機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生是由有功電流部分和磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，而磁場(chǎng)則是由無(wú)功電流分量產(chǎn)生的。電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)只需要更小的有功電流，而勵(lì)磁部分的無(wú)功電流則保持不變。這就意味著一旦負(fù)載下降，功率因數(shù)也隨之下降。圖4為55kw電機(jī)在不同的負(fù)載電流時(shí)其不同功率因數(shù)的比較數(shù)據(jù)。在全負(fù)荷工作時(shí)，電流基本都是有功的，而輕載時(shí)電流主要是無(wú)功的。

2.4功率因數(shù)提高的方式

提高功率因數(shù)的方式有很多種。在電站，可以通過(guò)提高同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來(lái)補(bǔ)償過(guò)多的無(wú)功，也可以啟用獨(dú)立的同步旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。在電力傳輸或變電站，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償電容組來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，該電容組可以考慮單一負(fù)載或整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)功來(lái)安裝以提高功率因數(shù)。

在工廠(chǎng)一級(jí)，可以選用無(wú)功補(bǔ)償電容組，也可以使用變頻調(diào)速裝置。二者不能共同使用，一方面沒(méi)必要，另一方面?zhèn)鲃?dòng)電機(jī)的諧波會(huì)損傷電容組。

2.5應(yīng)用交流變頻調(diào)速時(shí)的功率因數(shù)

對(duì)一個(gè)帶整流橋的pwm變頻器而言，到交流線(xiàn)路上的功率因數(shù)基本是一致的，而輸出則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電感的功率因數(shù)，這主要是由于電機(jī)的感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的。但是，電動(dòng)機(jī)的無(wú)功電流是在電機(jī)和變頻器的直流電容組之間循環(huán)的，而不會(huì)到電網(wǎng)上去。圖5為pwm變頻器的工作原理，它包括整流橋(交變直)、支路電容和igbt(直變交)三部分。

由于電力器件的快速開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致電磁輻射的產(chǎn)生，它可以在線(xiàn)路中傳導(dǎo)，也會(huì)在空間傳播，國(guó)際組織為此都制定emc標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)制造商也通過(guò)使用濾波器、屏蔽電纜以與合適的機(jī)械裝配，以最終滿(mǎn)足emc標(biāo)準(zhǔn)。2.6變頻調(diào)速提高功率因數(shù)的解析

先來(lái)看一下55kw/400v電機(jī)和變頻器的電流:

(1)電動(dòng)機(jī)端

額定功率55kw，89.5a，u=400v，效率=94.4%，功率因數(shù)pf=0.89

電動(dòng)機(jī)輸入功率=55kw/0.944=58.3kw

電動(dòng)機(jī)輸入視在功率=55kw/0.89=65.5kva

(2)變頻器端

額定輸出p=58.3kw，94.5a，u=400v，效率=98%，功率因數(shù)pf=0.96

變頻器輸入功率=58.3kw/0.98=59.5kw

電動(dòng)機(jī)輸入視在功率=kw/pf=62.0kva

從這里看出，變頻器的輸入電流比從變頻器輸出到電動(dòng)機(jī)的輸出電流還要小5a(94.5-89.5a)，而有功功率從輸入端的59.5kw降至電機(jī)輸出端的58.3w。

變頻器輸入和輸出功率因數(shù)差就表明了變頻調(diào)速系統(tǒng)是怎樣能夠提高功率因數(shù)的，也可以解釋為什么變頻器輸出電流可以比輸入電流高的原因，而這就會(huì)幫助工廠(chǎng)降低損耗和節(jié)省費(fèi)用。

(3)估算

在電力線(xiàn)路、變壓器和電纜上的能量損耗大約等同于電流的平方。因此我們可以這樣估算:

a)假定55kw電機(jī)上的平均負(fù)載是35kw;

b)由圖4可以看出，電機(jī)電流在35kw時(shí)是65a，在此條件下交流變頻器的輸入電流是60a;

c)使用了交流變頻器之后電流從65a降至60a;

d)如采用交流變頻供電時(shí),電機(jī)的能量將可以節(jié)省15%

如果在輸入端的能量損耗為5%的話(huà)，那么交流變頻的能量損耗為4%。在總電能損耗降低1%的情況下，同樣也可以在費(fèi)用上節(jié)省相同的量。

當(dāng)然，這里必須要指出的是安裝和使用變頻器并不單單為了提高功率因數(shù)，而是為了在工藝過(guò)程控制、節(jié)能以與降低機(jī)械損耗，功率因數(shù)的提高則是安裝變頻器之后的一個(gè)附帶作用。

3結(jié)束語(yǔ)

上面講的是交流傳動(dòng)變頻對(duì)功率因數(shù)的影響，那同是調(diào)速的直流傳動(dòng)又會(huì)是怎么樣呢？

標(biāo)準(zhǔn)的直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)的區(qū)分在于，交流變頻器采用的是二極管整流回路，而直流調(diào)速器則是晶閘管scr整流回路。scr整流的控制是相位控制，因此會(huì)產(chǎn)生電壓和電流間的相位差。速度越低，移相角越大，則直流傳動(dòng)的功率因數(shù)pf就越低。圖6所示為不同速度區(qū)間中交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)的pf特性，很顯然，直流在低速其pf很低，而交流傳動(dòng)則基本保持在很高的水平?？偠灾β室驍?shù)這個(gè)話(huà)題是比較有趣的，同時(shí)對(duì)于眾多的電站和用電大戶(hù)來(lái)說(shuō)也非常重要。工業(yè)、商業(yè)和家庭消費(fèi)者都希望使用最有效率的用電設(shè)備和電力設(shè)施，來(lái)為他們的機(jī)器服務(wù)。功率因數(shù)的低下不僅意味著額外的浪費(fèi)，也意味有可能遭受罰金。在另外一方面，電力公司都想把更多的電能賣(mài)給他們的用戶(hù)群，如功率因數(shù)一低，則必須降低發(fā)電和傳輸容量。

功率因數(shù)補(bǔ)償器的制造商都非常愿意把電容器組和自動(dòng)化設(shè)備賣(mài)給用戶(hù)以提高他們的功率因數(shù)，社會(huì)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)也有興趣來(lái)幫助電力公司、用電戶(hù)和其他成員提出更好的計(jì)劃和方案來(lái)提高功率因數(shù)、獲取更高質(zhì)量的電能。而本文通過(guò)分析得出結(jié)論，在工廠(chǎng)的電機(jī)拖動(dòng)中采用交流變頻技術(shù)將解決困擾功率因數(shù)的難題，最終提高過(guò)程控制的有效性，降低機(jī)器損耗、節(jié)約電力資源。變頻器運(yùn)行時(shí)其輸入側(cè)的功率因數(shù)一般較低，通常都要采取一些措施于以改善。一、變頻器的無(wú)功功率與功率因數(shù)變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)偏低的原因，與工頻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)低有著重要的區(qū)別。由于電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，運(yùn)行電流的相位滯后于電壓，功率因數(shù)的高低取決于電流