變頻調速系統

1 關於功率因數的概念

1.1 幾個基本定義

(1) 功率因數的定義

在交流電路中，把平均功率與視在功率之比，稱為功率因數:

式中，U─電壓的有效值(V); I─電流的有效值(A)。

1.2 同頻率正弦電流的功率因數

(1) 解析

實際上，DF=cosφ就是同頻率正弦電流的功率因數。在電力電子技術未進入實用階段之前，電氣設備中的電流極大多數都是正弦波。所以，人們通常把電流與電壓相位差角的餘弦cosφ就定義為功率因數。

(2) 物理意義

如圖1，當電流與電壓不同相(假設電流滯後於電壓）時，在電流的方向與電壓相反的區間，瞬時功率為負功率。其物理意義是：在該時間段內，是器件(電感或電容)中儲存的能量(磁場能或電場能)向電源反饋的過程。

因此，電流中的一部分被用於電源和器件間進行能量交換，而並未真正作功，故平均功率被“打了折扣”。

1.3 高次諧波電流的功率因數

(1) 解析

在電工基礎里，非正弦電流可以通過傅里葉級數分解成許多高次諧波電流。或者說，非正弦電流可以看成是許多高次諧波電流的合成。

對於分析非正弦電流的功率因數來說，了解高次諧波電流的平均功率是至關重要的。今以5次諧波電流為例，分析如下:

式(6)表明，5次諧波電流的平均功率為0。可以進一步證明：所有高次諧波電流的平均功率都等於0。或者說，高次諧波電流的功率都是無功功率。

(2) 物理意義

如圖2所示，5次諧波電流的瞬時功率中，一部分是正功率，另一部分是負功率。並且，正功率和負功率的總面積正好相等，故平均功率為0。

1.4 非正弦電流的功率因數

(1) 基波電流與電壓同相位

在基波電流與電壓同相位的情況下，上述的位移因數可不必考慮。

非正弦電流的有效值由下式計算:

式中，I1、I5、I7分別是基波電流、5次諧波電流和7次諧波電流的有效值(三相對稱電路中不存在以3為倍數的高次諧波電流。

因為非正弦電流的無功功率是由於電流波形發生畸變而形成的，故其功率因數用畸變因數來表述:

式中，Kd─畸變因數。

(2) 基波電流與電壓不同相

當基波電流的相位與電壓之間存在相位差時，有:

·各高次諧波電流的平均功率仍為0;

·基波電流與電壓之間因有相位差而產生的位移因數必須考慮。

所以，非正弦電流的功率因數的表達式為:

字串2

2 變頻器的功率因數

2.1 考察的對象

(1) 功率因數偏低的影響

a) 對電動機的影響

對於電動機來說，功率因數低，將會降低電動機的效率。如圖3所示，功率因數低，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:

可見，功率因數低的最終結果，是電動機的銅損增加，故效率降低。

電動機效率的降低，雖然是用戶應該考慮的問題，但卻並不是供電系統考慮的主要問題。

b) 對供電系統的影響

供電系統在為用戶提供電源時，要受到電流大小的制約。因為電流太大了，會使導線發熱嚴重，損壞絕緣。

如果供電線路里無功電流太多了，則有功電流必減小，影響了供電能力。對於供電系統來說，這是更為重要的問題。所以，供電系統總是通過進線處的無功電度表來考察用戶的功率因數的。

(2) 變頻器的功率因數問題

a) 電動機側的功率因數

對於交－直－交變頻器而言，電動機側的無功電流將被直流電路的儲能器件(電容器)吸收，反映不到變頻器的輸入電路中。因此，電動機的功率因數並不是供電系統考察的對象。

b) 變頻器輸入電流的功率因數

變頻器的輸入側是三相全波整流和濾波電路，如圖 5(a)所示。顯然，只有當電源線電壓的瞬時值uL大於電容器兩端的直流電壓UD時，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現在電源電壓的振幅值附近，呈不連續的衝擊波狀態，如圖5(b)和(c)所示。顯然，變頻器的進線電流是非正弦的，具有很大的高次諧波成份。有關資料表明，輸入電流中，高次諧波的含有率高達88%左右，而5次諧波和7次諧波電流的峰值可達基波分量的80%和70%，如圖5(d)所示。

如上述，所有高次諧波電流的功率都是無功功率。因此，變頻器輸入側的功率因數是很低的。有關資料表明，甚至可低至0.7以下。

因此，變頻調速系統需要考察的是輸入電流的功率因數。

（3) 功率因數測量的誤區

a) 輸入電流的位移因素

因為變頻器輸入電流的基波分量總是與電源電壓同相位的，所以，其位移因數等於1。

b) 功率因數表的測量結果

功率因數表是根據電動式偶衡表的原理製作的，其偏轉角與同頻率電壓和電流間的相位差有關。但對於高次諧波電流，則由於它在一個周期內所產生的電磁力將互相抵消，對指針的偏轉角不起作用。功率因數表的讀數將反映不了畸變因數的問題。如果用功率因數表來測量變頻器輸入側的功率因數，所得到的結果是錯誤的。

3 變頻器功率因數的改善

根據以上的分析，改善變頻器功率因數的基本途徑是削弱輸入電路內的高次諧波電流。因此，不能用補償電容的方法。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6(a)所示，在變頻器的輸入側串入三相交流電抗器AL。

串入AL后, 輸入電流的波形如圖6(b)所示，高次諧波電流的含有率可降低為38%;功率因數PF可提高至0.8~0.85。

除此以外，AL還有以下作用:

a) 削弱衝擊電流

電源側短暫的尖峰電壓可能引起較大的衝擊電流。交流電抗器將能起到緩衝作用。例如，在電源側投入補償電容(用於改善功率因數)的過渡過程中，可能出現較高的尖峰電壓;

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;

接入直流電抗器后，變頻器輸入電流的波形如圖7(b)所示，高次諧波電流的含有率可降低為33%;功率因數PF可提高至0.90以上。由於其體積較小，故不少變頻器已將直流電抗器直接配置在變頻器內。

直流電抗器除了提高功率因數外，還可削弱在電源剛接通瞬間的衝擊電流。

如果同時配用交流電抗器和直流電抗器，則可將變頻調速系統的功率因數提高至0.95以上。

（3) 注意事項

電路中串入電抗器后，變頻器的最高輸出電壓將降低2～3%。這將導致電動機運行電流的增加和起動轉矩的減小。因此，當電動機的裕量較小，或要求高起動轉矩的情況下，應考慮加大電動機和變頻器的容量。

3.2 十二相整流法

近年來，有的變頻器生產廠開始在低壓變頻器的輸入側採用十二相整流(如日本安川公司生產的CIMR－G7A系列變頻器)方式，在改善輸入電流波形及提高功率因數方面，取得了顯著的效果。

(1) 電路的結構特點

十二相整流的特點是：變頻器的輸入側接入一個變壓器，變壓器的副方具有兩組繞組，一組接成Y形，另一組接成Δ形，兩組繞組分別進行三相全波整流后再並聯。字串2

(2) 十二相整流的效果

變頻器輸入電流的波形如圖8(b)所示，可以看出，其波形已經十分接近於正弦波了，高次諧波電流的含有率只有12%; 功率因數PF可提高到0.95以上。

3.3 幾個實際例子

(1) 某變頻器營銷公司在銷售變頻器時，曾帶功率因數表向用戶顯示，用了變頻器后，功率因數可提高為1.0，用戶很高興地購買了變頻器。但一個月後，電力公司說，該廠的功率因數太低了，要罰款，乃至發生爭執。后經解釋清楚，配置了交、直流電抗器后，問題得到了解決。

(2) 某廠在安裝了變頻器后，發現功率因數下降了，便一再地增加補償電容。非但毫無作用，且補償電容器容易發生異常。配置電抗器后，問題就解決了。

參考文獻

[1] 俞大光. 電工基礎(修訂本)上冊[M]. 北京：高等教育出版社，1964.

[2] (日)安川電機.インバ─タドライブ技術(第2版)[M]. 日刊工業新聞社,1997.

[3] (日)久保島毅監修.インバ─タ導入実踐ガイド[M].電氣書院,1995.

[4] (日)Hitachi inverter TECHNICAL GUIDE BOOK[Z]. HitachiLtd,1995.

[5] Andrzej M. Trzynadlowski著，李鶴軒，李楊譯。非同步電動機的控制[M]. 北京：機械工業出版社,2003.

作者簡介

張燕賓(1937-) 男 高級工程師 退休前在宜昌市自動化研究所工作，曾任自動化研究所副所長、宜昌市科委駐深圳聯絡處主任; 宜昌市自動化學會理事長、湖北省自動化學會常務理事。著作:SPWM變頻調速應用技術(編著，機械工業出版社1997年12月初版; 2002年4月第二版); 變頻調速應用實踐(主編，機械工業出版社2001年1月出版); 變頻器應用基礎(副主編，機械工業出版社2003年1月出版)。