了解功率因数和谐波

在精益制造已成为行业的口头禅的时候，最大限度地减少了能源成本的重要性。然而，这不仅仅是控制消费的问题，但如何通过该效用计费。这是功率因数扮演关键角色的地方。功率因数是电气系统中的实际功率对表观功率的比率。功率因数越低，电流凹陷越高。更高的电流需要较厚的电线和更强大的基础设施，以最大限度地减少功率耗散。由于这种情况提高了利用成本，因此电源低功率因素的设施较高。幸运的是，存在纠正功率因数和谐波的技术。在本教程中，我们将仔细研究这些概念，因为它们适用于伺服电机和驱动器。

功率因数是衡量电气系统效率的一个指标。真功率因数由位移功率因数和总谐波失真两项组成。它经常被简化为位移功率因数，但这只适用于特定类别的线性负载。伺服驱动器和变频驱动器都是非线性负载，因此不再适用这种简化方法。

让我们首先考虑位移功率因数，从一些定义开始:

• 真正的权力(P）以瓦特（W）为单位，是负载耗散的功率。这是用于在电机中产生扭矩的功率。
• 无功功率(问无功(VAR)是以伏安为单位的，无功是由系统的感应元件和电容元件存储和放电的功率。这是产生使电机转动的磁通量的能量。
• 视在功率(年代)，单位为伏安(VA)，为实功率与无功功率的矢量和。

利用这些术语，我们可以定义位移功率因数PF_D经过：

其中δ.₁电压的相角θ是多少₁是电流的相位角;我们将φ称为功率因数角。¹功率因数是一个范围从-1到1的无量纲数字。功率因数低，说明无功负载消耗总电流的比例较大;负功率因数表示负载正在产生电流。

我们可以在通常称为电源三角形中的矢量空间中真实，明显和无功功率之间的关系（参见图1）：

对于纯电阻性负载，电压和电流是相的。功率因数角为零，功率因数为一。对于纯电感或电容负载，实际功率降至零，功率因数也降至零。在像电动机这样的真实电感负载的情况下，电压引导电流，增加功率因数角，产生小于1的位移功率因数。

低位移功率因数表明系统没有有效地使用功率。由式1可表示实功率为:

减少PF_D增加P。当然，P＝IV.，对于固定电压，电流必须上升，以补偿低位移功率因数。增加的电流会带来更大的电阻损耗，迫使电力公司安装超大的电线和变压器来推动相同数量的电力。这导致了我们上面讨论过的速率增加。

对于线性，纯正弦负荷，如固定转速的电机运行泵和风扇，位移功率因数校正是相当直接的。容抗可以抵消感应抗。对于感性负载，电压相引导电流相，但对于电容负载，电流引导电压。因此，我们可以简单地通过增加电容器来提高功率因数。不幸的是，伺服电机不是线性负载，这意味着我们必须找到一个不同的解决方案。

真正的功率因数
伺服驱动器和可变频率驱动器（VFDS）使用二极管桥式整流器。当输入电压高于DC总线电压时，二极管仅对循环的一部分进行，这引入了扭曲功率信号的谐波。在控制器上，一切都看起来很好，位移功率因数约为0.95。然而，这些数字并不讲究整个故事。如果测量系统中的总时间电压并计算真正的功率因数（PF_T），它将很低。

正如我们上面提到的，真正的功率因数不仅仅包括位移功率因数。它实际上表示为位移功率因数和失真功率因数的乘积:

PF_T＝PF_DxDPF.

谐波引入了失真功率因数项。仔细观察这个信号就会发现，当前的波形不再是60赫兹的正弦波。谐波引入高频内容，将其转换为双驼峰模式(见图2)。²

失真功率因数为:

其中THD为总电流谐波失真(完整推导参见参考文献1)。

伺服系统通常以高级别产生第五和第七次谐波，以及从更高频率的贡献。（我们在这种情况下忽略了三阶项，因为对于三相系统，在通过整流器时，180 Hz的三阶谐波取消了第三阶谐波。）

任何时候伺服轴在移动，它就会产生谐波并导致问题。不幸的是，由于负载是非线性的，它不能由功率因数校正电容形式的线性负载来校正。我们必须寻找其他解决办法。在共享直流总线上链接驱动器可以在一定程度上缓解这个问题。如果加速轴从减速轴获取电流，它们就不是从主线绘制的。

处理谐波的另一种方法是添加电感，如线路反应堆或直流扼流圈。让我们看看图2的驱动器，现在由电源系统喂养，具有更低的阻抗。将直流母线电容器暴露在当前尖峰可能导致高加热程度，从多年到几天改变预期的寿命（见图3）。

如果我们添加3％的线路反应堆，性能会发生变化（见图4）。引电器阻抗赋予输入电力系统的阻抗，因此尖峰均较低，如图2所示的系统驱动。线电抗器还保护输入二极管免受线路上的电压尖峰。

线路反应器并不是唯一的方法。一个等效的直流扼流圈可以用来代替产生稍微更好的波形。与交流线路电抗器不同，直流扼流圈在反转点不会为零，这有平滑驼峰曲线的效果(见图5)。然而，它并没有为输入二极管提供那么多的保护。

当涉及到运行一个基于伺服的系统，位移功率因数单独不是一个有用的性能评估。分析和解决谐波对系统的影响是至关重要的，否则您可能会经常遇到意料之外的故障或性能欠佳。理想情况下，每个驱动器要么有一个输入线电抗器，要么有一个直流扼流圈，但这不是典型的标准设备。它将需要由面板制造商设计。

当然，就像工程学中的所有事情一样，没有一个正确的解决方案。为了获得最佳结果，请分析您的系统性能，并与您的供应商展开对话，以确保您达到了预期的性能和可靠性。

致谢
感谢詹姆斯·克鲁克，他是施耐德电气有用的对话。

参考文献

1. W. Grady和R. Gilleskie，“谐波及其与功率因数的关系，“EPRI电力质量问题与机会会议(PQA 93)的主席，圣地亚哥，加州(1993)。
2. ”可用短路电流对交流电驱动的影响施耐德电气技术通报(2008)。