变频器输入侧功率因数的解析及优化方案

1.功率因数的定义

（1）基本定义 功率因数的基本定义是平均功率（有功功率）与视在功率之比：

式中 λ——全功率因数；

P——平均功率（有功功率），kW；

S——视在功率，kVA；

（2）位移因子 因电流比电压滞后导致的使平均功率减小的因子，称为位移因子，即cosφ。这也是我们过去所熟知的功率因数，如图7-22a所示。在分析电动机的定、转子电路时，因为电流基本上是正弦电流，所以仍用cosφ。

（3）畸变因子 任何谐波电流都是无功电流，以5次谐波电流为例，其瞬时功率如图7-22b所示。由图可以看出，每半个周期内，‘+’的瞬时功率之和，与‘-’的瞬时功率之和正好相等，平均功率为0。因此，当电流中含有谐波成分时，平均功率是比较低的。由此而导致的平均功率减小的因子，称为畸变因子，等于电流基波分量的有效值与总有效值之比：

式中 υ——电流的畸变因子；

I₁——电流基波分量的有效值，A；

图7-22 基波电流与谐波电流的功率

a）基波电流的功率 b）谐波电流的功率

I₅、I₇、…——5次谐波电流、7次谐波电流、…的有效值，A。

（4）全功率因数

全功率因数的定义如下：(www.xing528.com)

λ=υcosφ （7-12）

那家经销商在控制柜上所安装的指针式功率因数表是按照cosφ的原理制作的，它反映不了电流的畸变因子。而变频器输入电流的基波分量与电压近乎同相位，故用指针式功率因数表测量变频器输入侧的功率因数时，读数为“1.0”。但这是错误的，因为它只能测量位移因子，而没有把畸变因子反映进去。”

2.提高功率因数的方法

小李说：“那个车间的一位工程师为了提高那台设备的功率因数，在旁边接入了电容器，但毫无效果，是什么原因？”

张老师说：“那位工程师没有对症下药么。

接入电容器，是为了抵消电感负载的滞后电流的，它只能改善位移因数，即cosφ。而变频器输入侧需要的是改善畸变因数。就是说，要设法削弱电流中的谐波成分。具体方法是：

（1）接入交流电抗器 三相交流电抗器在电路中的接法如图7-23中之手①所示。

图7-23 接入交流电抗器

接入交流电抗器后，可将功率因数提高至（0.75～0.85）。

（2）接入直流电抗器 直流电抗器接在整流桥和滤波电容器之间，如图7-23中之手②所示。直流电抗器可将功率因数提高至0.9以上。”

“为什么交流电抗器的效果比直流电抗器差？”小李问。

“因为变频器的输入电路里接入交流电抗器后，要产生电压降，降低了变频器的实际输入电压。因此，交流电抗器的电感量是受限制的。要求在变频器进线处的电压不低于额定电压的（95%～98%）”。

小李的归纳

交-直-交变频器的主电路