1

概述

西門子SINAMICS G120變頻器選型樣本上，可以看到兩個通用技術數據：“功率因數λ”和“偏移系數cosφ”，它們都和變頻器進線側的功率因數有關。

功率模塊PM240-2和PM250的功率因數、偏移系數截圖如下：

圖1-1 G120變頻器的功率因數和偏移系數

其中功率因數λ為總的功率因數，由兩部分組成：

• 偏移系數cosφ
• 基波因數g1

對于進線側采用二極管整流的變頻器來說，偏移系數接近1，但諧波較大，基波因數相對較小，導致兩部分相乘得到的總功率因數偏低。

2

整流電路

二極管組成的三相橋式整流電路拓撲如下：

圖2-1 二極管三相橋式整流電路

在不同的供電電源相對短路容量(RSC: Relative Short-Circuit Power)情況下，上述整流電路的進線側電流波形示意圖如下：

圖2-2 帶2%進線電抗器的二極管三相橋式整流電路典型進線電流波形

該電流波形包含了較多的諧波，主要諧波次數包括5、7、11、13等。

主要諧波次數 h = 6k ± 1; (k=1,2,3...)

在三種不同電網阻抗下的諧波頻譜圖如下所示：

■RSC>>50

■RSC = 50

■RSC < 15

圖2-3二極管三相橋式整流電路典型進線電流頻譜圖

RSC越大表明電網阻抗越小，越接近理想電源，此時電網電壓不容易受到非線性負載的影響，電網電壓諧波較小，而電網電流的諧波較大。

3

功率因數

功率因數定義為偏移系數和基波因數的乘積：

其中g1為基波因數、cosφ為偏移系數。

另外一種等價的定義方式為：功率因數為有功功率和總的視在功率的比值。

其中P為有功功率，S為總的視在功率，包含基波有功功率、基波無功功率和諧波無功功率。在強電網的條件下，等價于如下等式：

3.1

偏移系數

偏移系數定義為有功功率和基波視在功率的比值：

其中P為有功功率，S1為基波視在功率，包含基波有功功率和基波無功功率。

偏移系數體現了電路的基波電流與基波電壓的相位差。當電流與電壓的相位差越小時，其余弦值越接近于1.

對于二極管組成的三相橋式整流電路來說，當直流濾波電容及其負載在較大范圍內變化時，基波電流與基波電壓的相位差僅在接近于0的較小范圍內變化，所以其偏移系數接近于1，基波功率因數較高。

3.2

基波系數

基波因數即基波電流與包含諧波的總電流有效值之比：

由圖2-3可知道，二極管組成的三相橋式整流電路包含較多的5、7、11、13次等諧波電流，導致基波因數較低。

電流的總諧波畸變(THDi)經常作為一個衡量電網側電能質量的重要指標，它與基波因數的關系如下：

4

總結

PM240-2功率模塊的整流電路拓撲為二極管組成的三相橋式整流電路，雖然其基波功率因數較高，但由于進線側電流含有較多的諧波分量，基波因數較低，導致進線側總的功率因數較低。

從圖1-1可見FSAFSC的PM240-2功率因數低于FSDFSG，這是由于FSDFSG集成了直流電抗器，而FSAFSC沒有。直流電抗器能夠減小交流進線側的諧波電流，提高基波因數，從而提高總的功率因數。

PM250沒有直流電抗器，但樣本數據顯示其功率因數高于PM240-2 FSA~FSC，這是由于PM250的直流母線電容值低于同等功率的PM240-2，而較小的直流母線電容值有利于減小進線側電流諧波。

PM250的偏移系數為“0.95電容性”，表示其基波電流的相位略超前于基波電壓，這是因為PM250進線側有較多的濾波電容。