變頻器功率因數(shù)分析及其改善

摘要：功率因數(shù)是對負(fù)載將電能轉(zhuǎn)換為有用功的度量，由于變頻器的諧波電流豐富，因此功率因數(shù)很低。隨著電力資源的緊張，提高功率因數(shù)已經(jīng)成為電力公司和用戶都關(guān)心的問題。本文就變頻器功率因數(shù)低的原因進(jìn)行了分析，并提出了改善的措施，對電動機(jī)節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；諧波；電抗器

1 變頻器的輸入電流

變頻器的輸入電流是三相交流電源經(jīng)全波整流后向濾波電容器C充電的電路，如圖1所示。

顯然，只有當(dāng)電源的線電壓UL的瞬時值大于電容器兩端的直流電壓UD時，才進(jìn)行充電。所以，輸入電流總是出現(xiàn)在電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波形式，如圖2所示。它具有很大的高次諧波成分，有關(guān)資料表明，輸入電流的頻譜分析如圖3所示。由圖可知，空載時其5次諧波和7次諧波分量是很大的，幾乎比基波分量小不了多少。

2變頻器輸入電路的功率因數(shù)

2．1諧波電流的平均功率

電流的瞬時功率總是由p=ui來計算。今以5次諧波電流為例進(jìn)行觀察。變頻器的輸入電壓為正弦波，如圖6-12曲線①所示，5次諧波電流如曲線②所示，兩者的乘積p如曲線③所示。P曲線與時間軸之間的面積（圖中的陰影部分）表示在該時間段內(nèi)所做的功。

由圖可知，在電源電壓的每半個周期內(nèi)，有一部分是\"+\"功，是電源電壓在做功，另一部分是\"-\"功，表示電源在吸收能量。可以證明，在電源電壓的每半個周期內(nèi)，所有正功的和與所有負(fù)功的和是相等的，做功的總和為0，故平均功率為0。

可見，高次諧波電流使電源與負(fù)載之間不斷地進(jìn)行能量交換，并不真正做功。這和儲能元件（電感元件和電容元件）在交流電路中和電源之間進(jìn)行能量交換在效果上是完全相同的。

2．2 功率因數(shù)

根據(jù)功率因數(shù)的定義，有：功率因數(shù)=有功功率/視在功率。

在變頻器的輸入電路中的有功功率：電流的基波分量與電壓相同，故有功功率 就是基波電流的功率，等于基波電流與電壓的乘積。

在變頻器的輸入電路中的視在功率：視在功率是總電流與電壓的乘積。由電工基礎(chǔ)的知識可知，非正弦電流的有效值為

式中——各次諧波電流（包括基波電流）有效值的二次方的和。

在有功電流與總電流之間，并不存在狹義的功率因數(shù)角，故變頻器輸入電路的功率因數(shù)是一個廣義的概念。它只能用有功功率和視在功率之比來表達(dá)（詳見12.2節(jié)）：

λ=P/S

式中λ——廣義的功率因數(shù)

P——有功功率

S——視在功率

3改善功率因數(shù)的方法

綜上所述，變頻器輸入電路的無功功率是由諧波電流產(chǎn)生的。諧波電流的成分還較大，因此，功率因數(shù)是較低的，應(yīng)設(shè)法改善。

3．1改善功率因數(shù)的方法

針對以上分析的情況，在變頻器輸入電路中，改善功率因數(shù)的根本途徑是削弱諧波電流。為此，在電路中串入電抗器是比較有效的辦法。具體是：

直流電抗器LD串接于整流橋和濾波電容之間。直流電抗器的結(jié)構(gòu)較簡單、體積小且濾波效果好，可使功率因數(shù)提高到0.95。

交流電抗器LA串接于三相的輸入電路中。交流電抗器的濾波效果略差，只能將功率因數(shù)提高到0.75~0.85。但他除了濾波功能外，還具有以下功能：

1）抑制輸入電流中的浪涌電流。

2）削弱電源電壓不平衡的影響。

接入電抗器后，隨著電感量的增大，各次諧波電流都將顯著減小。

3．2電抗器的選用

電感越大，改善功率回數(shù)的效果越好。但電感太大，也會增大基波電流的電壓降，減小變頻器的輸入電壓。所以，選用電抗器時，電抗器上的電壓降以不大于額定電壓的3%為宜。

由于電源電壓器的內(nèi)部阻抗也能起到電抗器的上述作用。因此，選用電抗器的必要性將視變壓器的容量（容量大者內(nèi)部阻抗小）而定。一般說來，當(dāng)變壓器容量大于500kVA或變壓器容量超過變頻器容量的10倍以上時，應(yīng)選配電抗器。

參考文獻(xiàn)

[1]張燕賓，SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)（第3版）[M] ，機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[2]張燕賓，常用變頻器功能手冊 [M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2005