功率因數(shù)、形狀因數(shù)和均方根值

文章23

電機會引起功率因數(shù)問題

最基本的，如何衡量電機和變頻器的電流。

在過去，當(dāng)電網(wǎng)給白熾燈、加熱器和電機供電時，發(fā)電站提供良好的正弦波電壓，而負荷則承受良好的正弦波電流。系統(tǒng)中的一切都是為了處理這種波形而設(shè)計的，這種波形非常適合上轉(zhuǎn)換（有效地分配）和下轉(zhuǎn)換（用于最終用途）。有一個小困難，那就是電機，在某種程度上，傳動系統(tǒng)本身，消耗了勵磁電流和負載電流?，F(xiàn)在，勵磁電流或無功電流滯后于外加電壓90度，盡管這種電流在電纜中來回流動，但它不做任何有用的工作，而且通常不為用戶計量。但是，所有的電纜、變壓器和發(fā)電機都需要為這種額外的電流設(shè)定額定值，因此功率因數(shù)的概念就誕生了。這是有功電流與總電流之比，功率因數(shù)也稱為Cosφ，因為這是將電流繪制為矢量三角形（Cosine=鄰邊/斜邊）時的比率，如圖1所示。

如果我們將電流乘以電壓（兩個電流相同），它就是實際功率與視在（總）功率之比。

圖1 無功電流和功率因數(shù)

功率因數(shù)通常滯后（電流滯后于電壓），但如果負載是電容性的，則會出現(xiàn)超前功率因數(shù)。通過在電路中添加電容，可以校正滯后功率因數(shù)，減少“未使用”電流的流動和能量浪費。用電大戶，他們是以實際功率和視在功率計量的，他們使用功率因數(shù)校正設(shè)備，將電容器切入和切出電路——有時是瞬變和干擾的來源。發(fā)電站可以驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電容性負載，并校正電網(wǎng)的功率因數(shù)。

如果您購買IEC電機，功率因數(shù)（pf）或Cosφ在額定值標(biāo)簽上注明。記住，這是電機直接工頻運行而不是變頻驅(qū)動時的功率因數(shù)。它也是滿載功率因數(shù)，在部分負載下運行時會變得更差（即更滯后）。（勵磁電流相同，但負載電流較小）。

如果你買一個NEMA電機，電機會標(biāo)注效率，或功率因數(shù)。

小型電機的功率因數(shù)很低（可能為0.7）；大型電機會好一些。功率因數(shù)越低，進出所有電路的無功電流就越多，因此損耗就越大，這意味著需要更大的電纜、變壓器等。所以很多人希望功率因數(shù)接近1。

當(dāng)連接線性負載，如電源供電的電機，消耗正弦波電流，但正如我們前面看到的，變頻器不是這樣的。電視機、筆記本電腦、LED燈等也沒有。它們的輸入端都有整流器，在正弦波峰值處吸收大量電流。所以功率因數(shù)很好，因為電流與電壓同相（即不滯后或超前）。但在評估波形的熱效應(yīng)（電纜、保險絲等）時，這并沒有幫助。我們需要更好的措施。

均方根是一個很好的參數(shù)。RMS值考慮了波形形狀和波形的熱效應(yīng)。圖2顯示了一個簡單的示例。

圖2 交流波形均方根計算

對于每個波形，提供的電流顯然是相同的，但是如果我們將電流的值平方，然后平均該值，并取平方根，你可以看到更不規(guī)則的波形的均方根更高，并且峰值電流的熱效應(yīng)比簡單的方波大得多。記住，熱效應(yīng)與電流的平方成正比（i2R），所以RMS值反映了這一點。不幸的是，整流電路的電流波形接近于“峰值”電流，隨著越來越多的整流器被添加到供電系統(tǒng)中，失真逐漸出現(xiàn)。當(dāng)然，電網(wǎng)做了各種各樣的措施來維持正弦波電流，從而維持正弦波電壓。我們將在另一篇文章中討論諧波，還回到RMS。

RMS值幾乎總是用來表示交流波形值，因為交流波形的簡單平均值為零。

波形的均方根值與波形的絕對平均值（即“校正”平均值）之間的比率稱為形狀因數(shù)，是描述波形的“失真”及其熱效應(yīng)的簡單方法。

所以，讓我們總結(jié)一下，以免混淆。

功率因數(shù)告訴我們有關(guān)正弦波形中的相移和感性負載（即電感）組件時的無功電流。
RMS是對波形的一種度量，通常是AC，它給出了一個有用的值，也表明了熱效應(yīng)。
形狀因數(shù)是顯示波形失真程度的簡單方法。

這對電機和變頻器意味著什么？電機仍然消耗勵磁電流，因此功率因數(shù)小于1.0。變頻器必須提供總電流；勵磁電流和負載電流的矢量和，因此盡管我們以千瓦（或馬力）為單位對變頻器進行評級，以方便匹配電機，但我們?nèi)匀恍枰峁╊~外的電流。變頻器設(shè)計者在對變頻器進行評級時會考慮到這一點；如果有疑問，請檢查變頻器和電機的額定值。

但是電機功率因數(shù)并沒有反映在變頻器的輸入端。變頻器的整流器輸入有一個相當(dāng)好的功率因數(shù)，所以它不會導(dǎo)致工廠或機器功率因數(shù)差的問題。但是對于非正弦波形，功率因數(shù)是毫無意義的。然而，電流的形狀因子（因此RMS值）并不太好。圖3顯示了變頻器前端單相和三相整流器的典型輸入波形。