VVVF變頻器

VVVF正弦電流

(1) 解析

實(shí)際上，DF=cosφ就是同頻率正弦電流的功率因數(shù)。在電力電子技術(shù)未進(jìn)入實(shí)用階段之前，電氣設(shè)備中的電流極大多數(shù)都是正弦波。所以，人們通常把電流與電壓相位差角的余弦cosφ就定義為功率因數(shù)。

(2) 物理意義

當(dāng)電流與電壓不同向(假設(shè)電流滯后于電壓，這里的方向指電壓電流矢量的方向）時(shí)，在電流的方向與電壓相反的區(qū)間，瞬時(shí)功率為負(fù)功率。其物理意義是:在該時(shí)間段內(nèi)，是器件(電感或電容)中儲(chǔ)存的能量(磁場(chǎng)能或電場(chǎng)能)向電源反饋的過(guò)程。

因此，電流中的一部分被用于電源和器件間進(jìn)行能量交換，而并未真正作功，故平均功率被“打了折扣”。

VVVF高次諧波電流

(1) 解析

在電工基礎(chǔ)里，非正弦電流可以通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分解成許多高次諧波電流。或者說(shuō)，非正弦電流可以看成是許多高次諧波電流的合成。

對(duì)于分析非正弦電流的功率因數(shù)來(lái)說(shuō)，了解高次諧波電流的平均功率是至關(guān)重要的。今以5次諧波電流為例，分析如下:

式(6)表明，5次諧波電流的平均功率為0?？梢赃M(jìn)一步證明:所有高次諧波電流的平均功率都等于0?；蛘哒f(shuō)，高次諧波電流的功率都是無(wú)功功率。

(2) 物理意義

如5次諧波電流的瞬時(shí)功率中，一部分是正功率，另一部分是負(fù)功率。并且，正功率和負(fù)功率的總面積正好相等，故平均功率為0。

VVVF非正弦電流

(1) 基波電流與電壓同相位

在基波電流與電壓同相位的情況下，上述的位移因數(shù)可不必考慮。

非正弦電流的有效值由下式計(jì)算:

式中，I1、I5、I7分別是基波電流、5次諧波電流和7次諧波電流的有效值(三相對(duì)稱(chēng)電路中不存在以3為倍數(shù)的高次諧波電流。

因?yàn)榉钦译娏鞯臒o(wú)功功率是由于電流波形發(fā)生畸變而形成的，故其功率因數(shù)用畸變因數(shù)來(lái)表述:

式中，Kd─畸變因數(shù)。

(2) 基波電流與電壓不同相

當(dāng)基波電流的相位與電壓之間存在相位差時(shí)，有:

·各高次諧波電流的平均功率仍為0;

·基波電流與電壓之間因有相位差而產(chǎn)生的位移因數(shù)必須考慮。

所以，非正弦電流的功率因數(shù)的表達(dá)式為:

字串2

根據(jù)以上的分析，改善變頻器 功率因數(shù)的基本途徑是削弱輸入電路內(nèi)的高次諧波電流。因此，不能用補(bǔ)償電容的方法。恰恰相反，目前較多地使用電抗器法。

VVVF電抗器法

(1) 交流電抗器法

在變頻器的輸入側(cè)串入三相交流電抗器AL。

串入AL后, 輸入電流的波形高次諧波電流的含有率可降低為38%;功率因數(shù)PF可提高至0.8~0.85。

除此以外，AL還有以下作用:

a) 削弱沖擊電流

電源側(cè)短暫的尖峰電壓可能引起較大的沖擊電流。交流電抗器將能起到緩沖作用。例如，在電源側(cè)投入補(bǔ)償電容(用于改善功率因數(shù))的過(guò)渡過(guò)程中，可能出現(xiàn)較高的尖峰電壓;

b) 削弱三相電源電壓不平衡的影響。

(2) 直流電抗器法

直流電抗器DL接在整流橋和濾波電容器之間;

接入直流電抗器后，變頻器輸入電流的波形高次諧波電流的含有率可降低為33%;功率因數(shù)PF可提高至0.90以上。由于其體積較小，故不少變頻器已將直流電抗器直接配置在變頻器內(nèi)。

直流電抗器除了提高功率因數(shù)外，還可削弱在電源剛接通瞬間的沖擊電流。

如果同時(shí)配用交流電抗器和直流電抗器，則可將變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)提高至0.95以上。

（3) 注意事項(xiàng)

電路中串入電抗器后，變頻器的最高輸出電壓將降低2～3%。這將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流的增加和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的裕量較小，或要求高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，應(yīng)考慮加大電動(dòng)機(jī)和變頻器的容量。

VVVF十二相整流法

近年來(lái)，有的變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)開(kāi)始在低壓變頻器的輸入側(cè)采用十二相整流(如日本安川公司生產(chǎn)的CIMR－G7A系列變頻器)方式，在改善輸入電流波形及提高功率因數(shù)方面，取得了顯著的效果。

(1) 電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

十二相整流的特點(diǎn)是:變頻器的輸入側(cè)接入一個(gè)變壓器，變壓器的副方具有兩組繞組，一組接成Y形，另一組接成Δ形，兩組繞組分別進(jìn)行三相全波整流后再并聯(lián).字串2

(2) 十二相整流的效果

變頻器輸入電流的波形可以看出，其波形已經(jīng)十分接近于正弦波了，高次諧波電流的含有率只有12%; 功率因數(shù)PF可提高到0.95以上。2100433B

VVVF影響

(1) 對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，功率因數(shù)低，將會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的效率。如功率因數(shù)低，意味著電流與電壓之間的相位差較大，故在有功電流I1a相等的情況下，有:

可見(jiàn)，功率因數(shù)低的最終結(jié)果，是電動(dòng)機(jī)的銅損增加，故效率降低。

電動(dòng)機(jī)效率的降低，雖然是用戶(hù)應(yīng)該考慮的問(wèn)題，但卻并不是供電系統(tǒng)考慮的主要問(wèn)題。

(2)對(duì)供電系統(tǒng)的影響

供電系統(tǒng)在為用戶(hù)提供電源時(shí)，要受到電流大小的制約。因?yàn)殡娏魈罅?，?huì)使導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重，損壞絕緣。

如果供電線(xiàn)路里無(wú)功電流太多了，則有功電流必減小，影響了供電能力。對(duì)于供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是更為重要的問(wèn)題。所以，供電系統(tǒng)總是通過(guò)進(jìn)線(xiàn)處的無(wú)功電度表來(lái)考察用戶(hù)的功率因數(shù)的。

VVVF變頻器因數(shù)

(1)電動(dòng)機(jī)側(cè)的功率因數(shù)

對(duì)于交－直－交變頻器而言，電動(dòng)機(jī)側(cè)的無(wú)功電流將被直流電路的儲(chǔ)能器件(電容器)吸收，反映不到變頻器的輸入電路中。因此，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)并不是供電系統(tǒng)考察的對(duì)象。

(2)變頻器輸入電流的功率因數(shù)

變頻器的輸入側(cè)是三相全波整流和濾波電路

5(a)所示。顯然，只有當(dāng)電源線(xiàn)電壓的瞬時(shí)值uL大于電容器兩端的直流電壓UD時(shí)，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波狀態(tài)。顯然，變頻器的進(jìn)線(xiàn)電流是非正弦的，具有很大的高次諧波成份。有關(guān)資料表明，輸入電流中，高次諧波的含有率高達(dá)88%左右，而5次諧波和7次諧波電流的峰值可達(dá)基波分量的80%和70%。

如上述，所有高次諧波電流的功率都是無(wú)功功率。因此，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)是很低的。有關(guān)資料表明，甚至可低至0.7以下。

因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)需要考察的是輸入電流的功率因數(shù)。

VVVF測(cè)量誤區(qū)

(1) 輸入電流的位移因素

因?yàn)樽冾l器輸入電流的基波分量總是與電源電壓同相位的，所以，其位移因數(shù)等于1。

(2)功率因數(shù)表的測(cè)量結(jié)果

功率因數(shù)表是根據(jù)電動(dòng)式偶衡表的原理制作的，其偏轉(zhuǎn)角與同頻率電壓和電流間的相位差有關(guān)。但對(duì)于高次諧波電流，則由于它在一個(gè)周期內(nèi)所產(chǎn)生的電磁力將互

相抵消，對(duì)指針的偏轉(zhuǎn)角不起作用。功率因數(shù)表的讀數(shù)將反映不了畸變因數(shù)的問(wèn)題。如果用功率因數(shù)表來(lái)測(cè)量變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)，所得到的結(jié)果是錯(cuò)誤的。

比如，在VVVF系統(tǒng)中，在重物下放的過(guò)程中，重物的勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在VVVF的直流電容中，這部分電能可以通過(guò)回饋裝置變換為和電網(wǎng)同步的交流電能回送到交流電網(wǎng)，從而可以再次利用。

1、能量回饋裝置分類(lèi)

能量回饋裝置從結(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)式回饋和并聯(lián)式回饋兩種。串聯(lián)式是指回饋裝置和VVVF串聯(lián)使用，并聯(lián)式指回饋裝置和VVVF并聯(lián)使用。

2、串聯(lián)式能量回饋

串聯(lián)式能量回饋的代表是我們通常說(shuō)的“有源前端整流和逆變”AFE（Active Front End），已經(jīng)至少有40年的應(yīng)用歷史。一般地，串聯(lián)式能量回饋有整流和回饋（逆變）兩個(gè)功能，或者至少有整流的功能。

3、并聯(lián)式能量回饋

并聯(lián)式能量回饋是一個(gè)新的設(shè)計(jì)思想，他的功能只是把再生電力回饋到電網(wǎng)，沒(méi)有整流功能。VVVF的整流功能任然由原來(lái)系統(tǒng)的整流器提供?？梢栽谝延械腣VVF系統(tǒng)中并聯(lián)使用，不需要對(duì)VVVF系統(tǒng)做任何的改變。

并聯(lián)能量回饋也稱(chēng)之為“Plug & Playregeneration inverter”P(pán)PRI。

還有另外一種“多脈沖”的回饋方式，因?yàn)榛仞伒碾娏鞑皇钦也?，有非常大的諧波，不是主要的發(fā)展方向，這里就不列入比較。