变频调速问答_三_变频器功率因数问题

式中 ＰＦ——功率因数；
Ｐ ——平均功率，单位为 ｋＷ； Ｓ ——视在功率，单位为 ｋＶＡ。 功率因数小于１的根本原因，是出现了无功功率的缘故。 ２）电流与电压频率相同时的平均功率 当电流和电压的 频率相同时，功率因数的大小取决于电流与电压之间的相位 关系。 图２ａ中，假设电流比电压滞后φ角
Ｐ５＝ｕ·ｉ５ （４） 式中 Ｐ５─５次谐波电流的功率瞬时值，单位为ｋＷ；
ｉ５─５次谐波电流，单位为Ａ。 由式（４）算得的功率曲线图如图２ｂ所示，由该图可知，瞬 时功率的一部分为“＋”，另一部分为“－”。可以证明，在一 个周期内，正功率的总和与负功率的总和正好相等，平均功 率等于０。
隔开了。所以，输出侧功率因数的好坏，对输入侧是毫无影 响的。
问题５ 增加补偿电容为什么不能改善功率因数？ 所谓补偿电容，是指在变电所内与变压器直接相接的电 容器。如上述，因为变频调速系统的功率因数低，主要是高 次谐波电流造成的。因此，增加补偿电容是不起作用的。 除此以外，在网络容量不够大的情况下，变频器输入侧 的高次谐波电流将使网络电压增加了高频脉动的成分。电容 器在高频脉动电压的作用下，寿命有可能缩短。 问题６ 交流电抗器和直流电抗器哪个效果好？ 单就改善功率因数的效果而言，直流电抗器的效果优于 交流电抗器。 但交流电抗器除了改善功率因数外，还有其他独特的功 能，如： （１）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等。 （２）削弱三相电源电压不平衡的影响 问题７ 还有哪些情况需要接入交流电抗器？ 除了改善功率因数外，需要接入交流电抗器的场合如图 ７ 所示，说明如下：
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变频调速问答（三）
变频器功率因数问题
□宜昌市自动化研究所 张Hale Waihona Puke Baidu宾
变频器的功率因数
问题１ 采用了变频器后，功率因数究竟是高还是低？ 变频器输入侧的功率因数是较低的，但并不是由于ｃｏｓφ 的原因，说明如下。 （１）变频器输入电流波形 如前述“，交－直－交、电压型”变频器的输入侧是整流 和滤波电路。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，呈不连续的脉冲 形状，如图１ａ～图１ｃ所示。它具有很强的高次谐波成份，有 关资料表明，输入电流中的５次谐波和７次谐波分量是很大的， 其谐波分析如图１ｄ所示。
图３ 接入交流电抗器 ａ）在电路中的接法 ｂ）外形 ｃ）电流波形
ＬＤ Ｐ
Ｒ
Ｓ
Ｔ
ｂ）
Ｎ
ａ）
ｃ）
功率因数的改善
图４ 接入直流电抗器 ａ）在电路中的接法 ｂ）外形 ｃ）电流波形
问题２ 为什么不用电容器而用电抗器来改善功率因数？ 过去，在正弦电流的网络里，人们习惯于通过并联电容 器来改善功率因数。这是因为，在正弦电流网络里，功率因 数低的原因只有位移因数这一个方面，不存在畸变因数的问 题（Ｋｄ＝１）。所以，通过并联电容器，可以减小合成电流的滞 后角（φ角），从而提高了ｃｏｓφ（ＤＦ）。
ｄ）
图１ 输入电流的波形及其谐波分析 ａ）电路 ｂ）电压波 ｃ）电流波 ｄ）谐波分析
（２）功率因数的定义与分析 １）功率因数的定义 电路所消耗的平均功率和视在功率 之比为功率因数
Ｐ
ＰＦ ＝
（１） Ｓ
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。
问题３ 在变频调速系统中，电动机的功率因数是否无 关紧要？
电气时代 ２００５ 年第 ３ 期 ｜ 137
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这个问题要从两个方面来说明：
Ｔ
Ｉ１——电流基波分量的有效值，Ａ；
ｂ）
Ｉ５、Ｉ７、…——分别是５次、７次…谐波电流的有效值，单
位为 Ａ。
ａ）
ｃ）
４）完整的功率因数定义
ＰＰ ＰＦ＝ Ｓ ＝ Ｕ Ｉ ＝ＤＦ·Ｋｄ （６） 式中 ＰＦ——功率因数； ＤＦ——位移因数。 （３）变频器输入侧的功率因数 变频器中，输入电流的基波分量基本上与电压同相，故 ＤＦ≈１；但电流的畸变因数较低。所以，变频调速系统的功率 因数较低，约为０．７～０．７５。
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图７ａ所示。 （２）变压器的容量很大 如果变压器的容量和变频器比较接近的话，变压器本身
的绕组电感能部分地起到交流电抗器的作用。 但当变压器容量超过变频器容量１０倍以上时，变压器本
身的绕组电感相对很小。所以，变频器输入侧应接入交流电 抗器，如图 ７ｂ所示。
功率。
接装在变频器内了。
非正弦电流中，高次谐波电流所占的比例，称为畸变因
数，等于电流基波分量的有效值与总有效值之比
Ｋｄ＝ Ｉ １ ２ ＋ Ｉ ５ ２ ＋Ｉ １ Ｉ ７ ２ ＋ … （５）
ＬＡ
Ｒ Ｓ
式中 Ｋｄ——畸变因数；
ａ）
ｐ
＋
＋
＋＋
＋
＋
０ － － － － ｔ
ｂ）
接入交流电抗器后的电流波形如图３ｃ所 示，功率因数可提高到０．８５以上。
φ＝２πｆ ｔ１＝ωｔ１ （２） 式中 φ——功率因数角，即电流比电压滞后的电角度；
ｆ——电流的频率，单位为Ｈｚ； ｔ１——时间，单位为ｓ； ω——角频率，也叫电角速度。 功率的瞬时值Ｐ０等于电压ｕ和电流ｉ瞬时值的乘积
·
·
等的前提下，ｃｏｓφ越低（φ角越
· Ｉ１ａ
Ｉ１
Ｉ１＇
大），则定子电流越大，定子的铜
损也必增大，效率也越低。具体 分析如下：
φ１ φ１＇
当功率因数角为φ１（功率因
图５ 电流与功率因数
数为ｃｏｓφ１）时，所需电流是Ｉ１；
而当功率因数角为φ１＇（功率因数为ｃｏｓφ１＇）时，所需电流是Ｉ１＇。
由图 ５ 得出
和放电。使逆变管在向电动机提供电流的同时，又增加了电
＋
Ｖ１
Ｖ３
Ｖ５
ＶＤ７ ＶＤ
９
ＶＤ １１
ＵＤ
Ｖ
Ｖ
４
６
Ｕ Ｖ Ｗ Ｖ
２
ＶＤ １０ ＶＤ
１２
ＶＤ８
－
图６ 输出侧不允许接电容器
容器的充电电流和放电电流，导致损坏逆变管。 所以，在变频器的输出侧是不允许接入电容器的。 （２）输出侧的功率因数与输入侧无关 因为变频器内部，有一个直流环节，把输入侧和输出侧
易发生“大马拉小车”的现象。结果是电动机的功率因数下
降，效率降低。
问题４ 能不能通过在变频器的输出端加电容器来改善
功率因数？
不能，原因如下：
（１）变频器输出侧不允许接电容器
由于变频器在运行过程中，各桥臂的两个逆变管处于不
断地交替导通的状态。因此，如果在输出端接入了电容器，如
图６所示。则逆变管在交替导通过程中，电容器将不断地充电
φ
具体方法有：
ｐ
ｐ
ｐ
（１）接入交流电抗器 交流电抗器接在电源和整流桥之
间，如图 ３ａ 所示。其外形如图 ３ｂ 所示。
＋
＋
０ － ｔ１ ２ ｔ － ｔ ｔ ｔ ３ ４
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ｕ
ｉ
ｕ
ｕｉ
ｕ
但在变频器的输入侧，功率因数低
ｉ
ｉ５
并不是因为电流滞后形成的，而是高次
０
ｔ
（２）接入直流电抗器 直流电抗器接在整流桥和滤波电容
图２ 电路消耗的瞬时功率 ａ）电流滞后的特点 ｂ）谐波电流的特点
器之间，如图４ａ所示。其外形如图４ｂ所示。接入直流电抗器 后的电流波形如图４ｃ所示，功率因数可提高到０．９以上。由
所以，所有高次谐波电流的平均功率都等于０，都是无功 于其体积较小，故不少变频器在出厂时已经将直流电抗器直
（３）同一网络中有容量较大的晶闸管设备 因为晶闸管设备也容易使电网的电压波形发生畸变，和 变频器互相影响。所以，在输入侧和晶闸管设备的输入侧都 应接入交流电抗器，如图７ｃ所示。 （４）变频器对其他设备干扰较严重 如果变频器的容量较大，或同一网络中电子设备较多， 要求变频器减小高次谐波电流时，应在变频器输入侧接入交 流电抗器和电容器进行滤波，如图７ｄ所示。 电容器可按０．２２μＦ，６００或１ ０００ Ｖ选择。 （５）网络电压不平衡 变频器三相整流桥在运行过程中，由于每相电压接近振 幅值时，滤波电容器上的电压并不恒定，因此，三相充电电 流的大小常常是不平衡的。 网络电压的不平衡，将导致变频器三相输入电流的更加 不平衡。所以，当三相电压的不平衡度＞３％时，应考虑接入 交流电抗器。 问题８ 怎样自制小容量交流电抗器？ 容量较小变频器的交流电抗器，是可以自行制作的。 （１）基本原则 制作时，必须遵循的原则如下： １）只削弱高次谐波电流，三相的基波电流尽量不受影响。 ２）交流电抗器每相绕组的电压降不超过额定电压的 ２ ％ ～５ ％ 。 ３）三相绕组的结构应该完全相同。 ４）各相绕组之间必须可靠绝缘。 （２）绕制方法 今以 １．５ ｋＷ 变频器为例，说明如下： １）绕组结构 找一个废旧铁心，将三个绕组按同方向绕 在同一个铁心柱上，如图８所示。这样，三相基波电流的磁通 将互相抵消，所以对基波电流并无阻碍作用。 ２）导线的粗细 以康沃ＣＶＦ－Ｇ２变频器为例，１．５ ｋＷ 变频器的额定电流是３．７ Ａ ，则安全载流量可按５～１０ Ａ 计， 选０．７５～１ ｍｍ２的绝缘线即可。 ３）线圈的匝数 难以准确估算，可以适当多绕一些，必 要时可多加几个中心抽头，以每相电压降不超过额定电压的
ＶＤ １
ＶＤ ３
ＶＤ ５
ｉｓ
ｕｓ
ＶＤ６
ＶＤ４
ＶＤ ２
ｉｓ
１００
ｉ１
Ｕ Ｄ ａ） ８０ ７０
ｉ５ ｉ７
ｕｓ
ｕｓ
ＵＤ
ｂ）
０
ｔ
３４
２４
ｉ １１ ｉ１３
ｉｓ
ｃ） ４
ｉ１７
０
ｔ
０ ５０ ２５０ ３５０ ５５０ ６５０ ８５０ ｆ （ Ｈｚ）
Ｐ０＝ｕ·ｉ （３） 由图 ２ 可知： 在 ０～ｔ１ 段：ｕ为“＋”，ｉ 为“－”；所以，Ｐ０ 为“－”值。 在 ｔ１～ ｔ２ 段：ｕ 和 ｉ 都为“＋”。所以，Ｐ０为“＋”值。 下半周也一样。 可见，平均功率被滞后时段内的负功率抵消掉一部分。 正、负抵消的功率称为无功功率。滞后角越大，无功功率也 越大，平均功率越小。 滞后角的余弦ｃｏｓφ称为位移因数，用ＤＦ表示。 ３）高次谐波电流的平均功率 以５次谐波电流为例，它 所消耗的功率瞬时值的大小等于５次谐波电流瞬时值和电压 瞬时值的乘积
谐波电流形成的。所以，要改善功率因
０ ｔ
数，必须对症下药，削弱高次谐波电流。
ＬＡ
ＬＡ
ＵＦ １
Ｍ １
ＭＤ
ＴＭ
ＴＭ
ＬＡ
ＵＦ ２
Ｍ ２
ＬＡ
ＵＦ
ＭＡ
ＬＡ
ｃ）
ＵＦ
Ｍ
ｎ
ｎ
ＬＡ
ａ）
ＴＭ
ＵＦ
ＭＡ
ＴＭ
ＳＴ
≥
１ Ｌ
０
Ａ
ＳＵ
Ｆ
ＵＦ
ＭＡ
ｂ）
ｄ）
图７ 需要接入交流电抗器的场合 ａ）同一网络中有多台变频器 ｂ）变压器容量很大 ｃ）同一网络中有晶闸管设备 ｄ）对抗干扰要求较高
（１）同一网络中有多台变频器 当同一网络中有多台变频器运行时，网络的电压波形将 发生畸变，有可能导致其他设备运行不正常，以及变频器的 不规则跳闸。故每台变频器的输入侧都应接入交流电抗器，如
（１）调速系统的功率因数不受电动机影响
因为变频器内部有一个直流环节，把输入侧和输出侧隔
开了。所以，电动机功率因数的好坏，对输入侧是毫无影响的。
（２）电动机的功率因数影响自身效率
因为通入电动机的电流基
本上是正弦电流，其功率因数主
· Ｕ１
要表现为位移因数ＤＦ（即ｃｏｓφ）。
图５中，在电流的有功分量Ｉ１ａ相
φ１＇＞φ１→ｃｏｓφ１＇＜ｃｏｓφ１→Ｉ１＇＞Ｉ１ →Ｉ１＇ ２ｒ１＞Ｉ１２ ｒ１→η＇＜η 式中 Ｉ１２ ｒ１——定子铜损， 单位为ｋＷ；
η——电动机的效率。
尤其是在变频调速的情况下，电压与频率之比是可以任
意设定的。如设定不当，或在运行过程中负荷的波动较大，容