功率因数、形状因数和均方根值

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电机会引起功率因数问题 电机会引起功率因数问题

最基本的,如何衡量电机和变频器的电流。

在过去,当电网给白炽灯、加热器和电机供电时,发电站提供良好的正弦波电压,而负荷则承受良好的正弦波电流。系统中的一切都是为了处理这种波形而设计的,这种波形非常适合上转换(有效地分配)和下转换(用于最终用途)。有一个小困难,那就是电机,在某种程度上,传动系统本身,消耗了励磁电流和负载电流。现在,励磁电流或无功电流滞后于外加电压90度,尽管这种电流在电缆中来回流动,但它不做任何有用的工作,而且通常不为用户计量。但是,所有的电缆、变压器和发电机都需要为这种额外的电流设定额定值,因此功率因数的概念就诞生了。这是有功电流与总电流之比,功率因数也称为Cosφ,因为这是将电流绘制为矢量三角形(Cosine=邻边/斜边)时的比率,如图1所示。

如果我们将电流乘以电压(两个电流相同),它就是实际功率与视在(总)功率之比。

图1 无功电流和功率因数

功率因数通常滞后(电流滞后于电压),但如果负载是电容性的,则会出现超前功率因数。通过在电路中添加电容,可以校正滞后功率因数,减少“未使用”电流的流动和能量浪费。用电大户,他们是以实际功率和视在功率计量的,他们使用功率因数校正设备,将电容器切入和切出电路——有时是瞬变和干扰的来源。发电站可以驱动发电机产生电容性负载,并校正电网的功率因数。

如果您购买IEC电机,功率因数(pf)或Cosφ在额定值标签上注明。记住,这是电机直接工频运行而不是变频驱动时的功率因数。它也是满载功率因数,在部分负载下运行时会变得更差(即更滞后)。(励磁电流相同,但负载电流较?。?。

如果你买一个NEMA电机,电机会标注效率,或功率因数。

小型电机的功率因数很低(可能为0.7);大型电机会好一些。功率因数越低,进出所有电路的无功电流就越多,因此损耗就越大,这意味着需要更大的电缆、变压器等。所以很多人希望功率因数接近1。

当连接线性负载,如电源供电的电机,消耗正弦波电流,但正如我们前面看到的,变频器不是这样的。电视机、笔记本电脑、LED灯等也没有。它们的输入端都有整流器,在正弦波峰值处吸收大量电流。所以功率因数很好,因为电流与电压同相(即不滞后或超前)。但在评估波形的热效应(电缆、保险丝等)时,这并没有帮助。我们需要更好的措施。

均方根是一个很好的参数。RMS值考虑了波形形状和波形的热效应。图2显示了一个简单的示例。

图2 交流波形均方根计算

对于每个波形,提供的电流显然是相同的,但是如果我们将电流的值平方,然后平均该值,并取平方根,你可以看到更不规则的波形的均方根更高,并且峰值电流的热效应比简单的方波大得多。记住,热效应与电流的平方成正比(i2R),所以RMS值反映了这一点。不幸的是,整流电路的电流波形接近于“峰值”电流,随着越来越多的整流器被添加到供电系统中,失真逐渐出现。当然,电网做了各种各样的措施来维持正弦波电流,从而维持正弦波电压。我们将在另一篇文章中讨论谐波,还回到RMS。

RMS值几乎总是用来表示交流波形值,因为交流波形的简单平均值为零。

波形的均方根值与波形的绝对平均值(即“校正”平均值)之间的比率称为形状因数,是描述波形的“失真”及其热效应的简单方法。

所以,让我们总结一下,以免混淆。

  • 功率因数告诉我们有关正弦波形中的相移和感性负载(即电感)组件时的无功电流。

  • RMS是对波形的一种度量,通常是AC,它给出了一个有用的值,也表明了热效应。

  • 形状因数是显示波形失真程度的简单方法。

这对电机和变频器意味着什么?电机仍然消耗励磁电流,因此功率因数小于1.0。变频器必须提供总电流;励磁电流和负载电流的矢量和,因此尽管我们以千瓦(或马力)为单位对变频器进行评级,以方便匹配电机,但我们仍然需要提供额外的电流。变频器设计者在对变频器进行评级时会考虑到这一点;如果有疑问,请检查变频器和电机的额定值。

但是电机功率因数并没有反映在变频器的输入端。变频器的整流器输入有一个相当好的功率因数,所以它不会导致工厂或机器功率因数差的问题。但是对于非正弦波形,功率因数是毫无意义的。然而,电流的形状因子(因此RMS值)并不太好。图3显示了变频器前端单相和三相整流器的典型输入波形。

图3 典型的变频器输入电流

由于变频器的所有电流都在这些短峰值中传输,因此变频器的RMS输入电流与输出电流相比相当高,并且需要相对较大的布线和断路器。

因此,和电机直接工频供电相比,变频器能提高功率因数,但它会以一个不太好的形状因数导致非正弦电流。更大的变频器和一些特殊变频器前端有功率因数校正(PFC),它可以吸收非正弦波电流,但是会增加成本也是比较高的。