2.4 输入电流变异多
任何电器在使用过程中，人们都会特别关注其工作电流，变频器也不例外。在变频调速系统中，电源并不直接向电动机供电，中间被变频器隔开了。因此出现了一些不同寻常的现象，需要认真分析。
2.4.1 输入输出不相同
当我们了解变频调速系统的电流时，既要关注变频器输出给电动机的工作电流，又要关注变频器从电源输入的电流。
1.输出电流负载定
拖动系统的任务是拖动负载运转，所以归根结底，电动机电流的大小，必取决于负载的轻重。就是说，要求电动机产生的电磁转矩TM必须足以克服负载的阻转矩TL：
TM=KTI′2Φ1cosφ2≈TL （2-8）
式中 cosφ2——电动机的功率因数。
这是决定电动机的电流（也就是变频器的输出电流）大小的基本公式。
在电动机的磁通Φ1保持不变的前提下，电磁转矩TM的大小取决于转子电流I′2的大小。
所以变频器输出电流（即电动机电流I1）的大小是由负载轻重（即负载转矩TL的大小）决定的，与输出频率的高低无关：
如图2-28所示，不论变频器的输出频率是50Hz，还是25Hz，如果负载的阻转矩TL未变，变频器的输出电流是相等的。
图2-28 变频器的输出电流
a）50Hz的输出电流 b）25Hz的输出电流
2.环节虽多功率同
变频调速系统由多个环节组成：输入环节、直流环节、输出环节和拖动环节等。
根据能量守恒的原理，如果各环节的功率损耗都忽略不计，则各环节的功率近似相等：
PS≈PD≈PM1≈PM2≈PL
式中 PS——变频器输入的电源功率（kW）；
PD——直流回路的功率（kW）；
PM1——电动机的输入功率（变频器的输出功率）（kW）；
PM2——电动机的输出功率（kW）；
PL——负载功率（kW）。
3.减速运行功率降
在负载的阻转矩保持不变的前提下，当工作频率下降时，各环节的变化如图2-29所示。
图2-29 频率下降时各环节电流的变化规律
1）负载功率PL 负载所需的机械功率等于
式中 PL——负载所需功率（kW）；
TL——负载的阻转矩（N·m）；
nL——负载的转速（r/min）。
很明显，转速下降时，负载功率随之减小。
2）电动机的输出功率PM2电动机输出功率的计算公式
因转速nM要随频率下降，在电磁转矩TM不变的前提下，输出功率PM2将随负载功率一起减小。
3）电动机的输入功率PM1 电动机输入功率的计算公式
式中，因电磁转矩不变，故电流IM也不变，但变频器的输出电压要随频率下降，所以电动机的输入功率（也就是变频器的输出功率）也下降。
4）直流回路的电流ID 直流回路电功率PD的计算公式
PD=UDID （2-12）
式中，直流电压UD是不变的，故直流电流ID随功率PD而减小。
5）变频器的输入电流IS 变频器输入电源功率PS的计算公式
式中，因电源电压US是不变的，故输入电流IS随功率PS而减小。（式中的λ是全功率因数，见后述。）
2.4.2 三相电流不平衡
变频调速系统在低频运行时，整流桥的三相输入电流常常是不平衡的。其原因主要在于滤波电容器的充放电过程发生了变化。分析如下：
1.滤波电容接电阻负载
变频器输入的三相电压经全波整流后的电压有6个脉波，如图2-30所示。
图2-30 三相整流桥向电阻负载供电
每个脉波的上升沿是三相电源轮流地向滤波电容器充电，充电过程是有序的。
在每个脉波的下降沿是滤波电容器向负载电阻放电的过程，因为电阻值是常数，所以每个脉波的放电电流都是相等的。或者放电的过程是均等的。
所以，当三相整流桥的负载是电阻负载时，滤波电容器上的充、放电过程具有“有序充电，均等放电”的特点。在这种情况下，整流桥的三相输入电流是平衡的。
2.滤波电容接感性负载
逆变桥的负载是电动机，属于感性负载。如2.3.2节所述，电动机和滤波电容器之间，也存在着充、放电过程。即变频器里的滤波电容器，同时接受着电源和负载两方面的充、放电。由于两方面的频率不相等，充、放电的步调也就不一致。例如，当输出频率为25Hz时，电流比电压滞后的时间设为7.5ms，如图2-31所示。就是说，在7.5ms的时间段内，负载一直在向电容器充电。而三相全波整流后，每个脉波的时间只有3.3ms。于是，当电源侧的第2个和第3个脉波来临时，负载侧还在向电容器充电，电源的第2个和第3个脉波实际上并没有充电，于是6个脉波向滤波电容器充电的有序性被破坏了。
图2-31 变频器内的充、放电情形
再看放电，滤波电容器向电动机的放电电流是正弦电流，是由小逐渐增大的。因此，6个脉波的放电电流也是各不相同的，放电的均等性也被破坏了。
总之，6个脉波的充电既不有序，放电也不均等，所以三相输入电流是不平衡的。并且哪相电流大，哪相电流小，是随变频器输出频率的大小以及负载的轻重而变的，并无规律。
2.4.3 功率因数变了味
1.奇怪的测量结果
变频调速系统在运行时，工厂原有的功率因数表（cos表）的读数接近于“1”；但电力公司的功率因数表的读数却只有0.65左右，如图2-32所示，怎么回事呢？
图2-32 功率因数的测量
a）滞后功率因数 b）全功率因数
2.输入电流谐波多
因为三相整流桥的输出侧是较高的直流电压。以输入线电压380V为例，输出侧直流电压的振幅值为537V，平均值为513V，如图2-33a所示。输入侧的电压瞬时值只有在超过直流电压的情况下，才有可能出现电流，如图2-33b和2-33c所示。显然，输入电流是非正弦波。
图2-33 输入电流的波形及其谐波分析
a）输入电路 b）电压波 c）电流波 d）谐波分析
对输入电流进行频谱分析的结果如图2-33d所示。可以看出，其5次谐波和7次谐波的成分比基波分量小不了多少，就连11次谐波、13次谐波和17次谐波也都有相当的份额。
3.功率因数的定义
1）基本定义 功率因数是平均功率（有功功率）与视在功率之比：
式中 λ——全功率因数；
P——有功功率（kW）；
S——视在功率（kVA）。
2）位移因数 因电流比电压滞后导致的使平均功率减小的因子，称为位移因数，即cosφ。这也是我们所熟知的功率因数，如图2-34a所示。在分析电动机的定、转子电路时，因为电流基本上是正弦电流，所以仍用cosφ。
图2-34 滞后电流与谐波电流的功率
a）滞后电流的功率 b）谐波电流的功率
3）畸变因数 任何高次谐波电流都是无功电流，以5次谐波电流为例，其瞬时功率如图2-34b所示。由图可以看出，每半个周期内，“+”的瞬时功率之和，与“-”的瞬时功率之和正好相等，平均功率为0。因此，当电流中含有高次谐波成分时，平均功率是比较低的。由此而导致的平均功率减小的因子，称为畸变因数，等于电流基波分量的有效值与总有效值之比：
式中 v——电流的畸变因数；
I1——电流的基波分量（A）；
I5、I7、…——5次谐波电流、7次谐波电流、…（A）。
4）全功率因数 全功率因数的定义为
λ=vcosφ （2-16）
需要注意：指针式的功率因数表是按照cosφ的原理制作的，它反映不了电流的畸变因数。而电流的基波分量与电压近乎同相位，故用指针式功率因数表测量变频器输入侧的功率因数时，读数接近于“1.0”。但这是错误的，因为它只反映了位移因数，而没有将畸变因数反映进去。
4.功率因数的改善
要改善变频器进线侧的功率因数，必须对症下药，设法削弱电流中的高次谐波成分。
1）接入交流电抗器 三相交流电抗器由3个相同的电感线圈组成，其外形则如图2-35b所示。在电路中的接法如图2-35a所示。
图2-35 交流电抗器
a）交流电抗器接入电路 b）外形
如果电抗器的电感量足够大，电源进线电流里的高次谐波成分是能够大幅度削弱的。但因为变频器的输入电路里接入交流电抗器后，要产生电压降，降低了变频器的实际输入电压。因此，交流电抗器的电感量是受限制的。所以，单就提高功率因数的效果而言，接入交流电抗器后，只能将功率因数提高至（0.75～0.85）。
2）接入直流电抗器 直流电抗器只有一个线圈，接在整流桥和滤波电容器之间，如图2-36a所示，其外形如图2-36b所示。
图2-36 直流电抗器
a）直流电抗器在电路中的位置 b）外形 c）接入直流电抗器后输入电流的波形
就提高功率因数的效果而言，直流电抗器可将功率因数提高至0.9以上。接入直流电抗器后，变频器进线电流的波形如图2-36c所示。
直流电抗器容易自制。只需找一个废旧的变压器铁心，在铁心上绕上若干圈线圈即可。导线的线径根据电流的平均值选定；线圈的匝数以电动机满载时，电抗器上的电压降不超过平均直流电压的3%为宜。