输入电流的功率因数是什么？

5.1.2.1 电动机的功率因数

1.变频调速系统的能量交换

电动机是电阻、电感性（R、L）负载，其功率因数cosφ<1。存在着一部分磁场和电源交换能量的无功功率。

在变频器里，电动机并不直接和电源相接，而有直流电路阻隔其间，因此，其能量交换只在磁场和滤波电容器之间进行。

图5-6 电动机功率因数对系统的影响

如图5-6右上角所示，在0～t₁区间，电流和电压是反方向的，说明是反电动势克服电压而向电容器充电，如图中的虚线①所示；在t₁～t₂区间，电流和电压是同方向的，说明是电容器上的电压克服反电动势而向电动机放电，如图中的虚线②所示。

2.电动机功率因数的作用

（1）与变频调速系统的功率因数无关

变频调速系统的功率因数是在变频器的输入侧进行测定的，如图5-6所示。电动机里的磁场能和变频器的输入电源之间并不进行能量交换，所以，电动机的功率因数和变频调速系统的功率因数之间并无关联。

（2）电动机功率因数影响发热

功率因数低，定子里的无功电流增加，将增加定子绕组产生的热量，使电动机的温升增加。

（3）减少变频器带动的电动机数量

当一台变频器供电给多台电动机时，如电动机的功率因数低了，将使变频器能够供电的电动机台数减少。

3.影响电动机功率因数的因素

图5-7 异步电动机的定子电流

a）各电流关系 b）电流相量图 c）电压偏高相量图

（1）异步电动机的定子电流

如图5-7a所示，异步电动机的定子电流I₁由两部分构成：

首先是转子的等效电流I₂′，其大小取决于负载的轻重；

其次是励磁电流I₀，用于产生磁通，其大小和电压有关，电压大，则励磁电流也大。三者之间的关系如图5-7b所示：

式中———定子电流，A；

———转子的等效电流，A；

———励磁电流，A。

（2）励磁电流的大小

变频器里有一个功能，叫作“转矩提升”，是在低频运行时，调整电压频率比（U/f比）的。其实际意义是，当电动机在某一频率下运行时，其输入电压是可以根据负载的情况进行调节的。(www.xing528.com)

电动机是通过产生电磁转矩来拖动负载的，电磁转矩的计算公式是：

T_M=K_TФ_mI₂′cosφ₂ （5-10）

式中 T_M———电磁转矩，N·m

K_T———比例常数；

Ф_m———每个磁极下磁通量的振幅值，Wb。

式（5-10）表明，电磁转矩是和转子电流与磁通的乘积成正比的。就是说，如增大电压，则磁通增加，也同样可以增大电磁转矩的。问题是，电动机的磁路是要饱和的，而在饱和状态下，励磁电流即使增加很多，磁通也增加不了多少。

于是，当变频器的转矩提升功能预置得太大时，就出现励磁电流大幅增加的情况，从而使电动机的功率因数减小，如图5-7c所示。

所以，在变频调速的情况下，如果电压与频率之比设定不当，容易发生电动机磁路饱和，励磁电流增大的现象。结果是电动机的功率因数下降，效率降低。

5.1.2.2 变频器的功率因数

1.变频器的输入电流

变频器的输入侧是一个三相全波整流电路，整流后的直流电压为U_D，如图5-8a所示。很明显，当电源电压的瞬时值小于U_D（u_S<U_D）时，是不可能有输入电流的。只有当u_S≥U_D时，才开始有输入电流，如图5-8b中之曲线①所示。其输入电流是非正弦电流，如曲线②所示。它将包含着十分丰富的高次谐波成分。

图5-8 变频器的输入电流

a）变频器的输入电路 b）输入电流的波形

输入电流的基波分量与电压同相位，所以，当用普通的功率因数表测量时，得到的结果是cosφ=1。

然而，所有高次谐波电流都是无功电流，它所起的作用和R、L电路里cosφ较低时的作用完全相同，就是说，它要在电源和输电线路里流过许多不做功的电流，从而减小了电源和输电线路的供电能力。

2.提高变频器功率因数的途径

既然变频器功率因数低的原因是由高次谐波电流导致的，提高功率因数的根本途径，就只能从削弱高次谐波电流着手。因为电感线圈的感抗是和频率成正比的，所以用电感来削弱高次谐波电流就是顺理成章的方法。具体方法是：

（1）接入交流电抗器

在三相电源的进线处串联交流电抗器，如图5-9中的AL所示。

但交流电抗器会产生电压降，使变频器的实际输入电压下降。所以，交流电抗器的电感量是要受到其电压降的制约的。具体地说，串联交流电抗器后，变频器的输入电压必须不小于额定电压的（95～98）%。这就影响了采用交流电抗器提高功率因数的能力，一般来说，交流电抗器只能将功率因数提高到0.85左右。

（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5-9中之DL所示。接入直流电抗器后，可将功率因数提高至0.9。

如交、直流电抗器一起接入，则功率因数可提高至0.95。

图5-9 提高变频器功率因数的途径