功率因数、形状因数和均方根值

文章23

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，但负载电流较小）。

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。