关于变频感应加热装置的功率因数及其补偿1

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1.感应加热装置的功率因数有三个,一是感应器—炉料系统的自然功率因数,二是变频振荡回路(由感应器和变频补偿电容器组成的并联谐振电路)补偿后的功率因数,三是工频进线侧的功率因数。
2.感应加热装置的感应器——炉料系统的自然功率因数主要取决于感应器—工件系统的几何尺寸、炉衬厚薄、炉内材质、加热温度、工作频率等参数,通常在感应体设计时采用适当提高感应器与工件之间的耦合系数,选择合理的炉衬厚度和工作频率等措施进行优化设计(采用计算机专用软件进行),获得较高的感应器—工件系统的自然功率因数,适当降低槽路损耗。

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3.感应器—补偿电容器并联振荡回路进线侧的(即补偿后)的功率因数，它主要取决于加热装置感应体的自然功率因数和补偿变频电容器的容量,由于并联谐振的变频电源其逆变晶闸管靠负载换向(换流),所以在配置补偿电容器容量时,应留有一定余量,使补偿后的谐振回路工作在容性状态,或者说使补偿后的功率因数为负值(超过1),但不宜过大,其目的是既能使变频电源的逆变环节既能可靠换流,又不至于因过分过补偿而增大槽路损耗。

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4.工频进线侧的功率因数,该功率因数反映到上级电网,过低时用电者将缴纳附加电费。使用单位所要求的功率因数一般是指工频进线侧的功率因数。该功率因数主要取决于整流制式和变频电源整流环节的导通控制角,下面列出单相可控整流、六脉波三相可控整流和十二脉波三相双全桥可控整流条件下工频进线侧的功率因数表达式:
①单相全控整流时:  
②三相六脉波全控整流时:  
③三相双桥十二脉波全控整流时:  
式中：α为整流触发控制角。

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5.提高工频进线侧功率因数的主要措施:
如前所述,若工频进线侧的功率因数较低，供电部门将向用电单位收取附加费用，从上述公式可以看出，在不采取另外措施的条件下，提高工频进线侧的功率因数的途径只有两条，一是选择合理的整流制式，二是减小整流环节触发控制角，或者说尽量使变频电源工作在接近额定功率的高功率状态，尽量减少变频电源中低功率运行时间在整个运行时间中的比例。但实际运行时，可以在运行工艺和操作上尽量努力去做，但使炉子一直运行在接近额定功率的高功率状态是不现实的，因而通常在工频进线侧（高压侧或低压侧）进行功率因数自动补偿。
6.工频进线侧的功率因数自动补偿
根据上述分析，变频电源在中低功率运行时，工频进线侧功率因数较低，应该或者说必须在工频进线侧进行功率因数补偿，常用的有高压侧集中补偿和低压侧设备进线就近补偿两种模式。前者适合于多设备大用户，后者适用于单台设备。在考虑工频进线侧功率因数自动补偿时，应充分考虑以下因素。
○1尽管采用了十二脉波整流，同等条件下高压侧功率因数有所提高，这对于上级电网是有利的，但若在低压侧进行补偿，双整流桥仍均工作在六脉波整流状态，因此应配备功率因数自动补偿柜，对两组三相工频进线同时分别进行补偿。
○2理论分析和实际经验均证明，简单地采用市场上出售的低压侧功率因数自动补偿柜对变频电源工频进线侧进行功率因数补偿是不合适的，这既涉及到电压等级、被补偿设备的功率因数变化范围等常见因素，但最根本的是二组三相进线电压均工作在六脉波整流状态，在中低功率运行时含有6k±1次（即5、7、11、13、17、19…）高次谐波，这将使工频进线侧功率因数补偿电容器工作在极其恶劣的条件下，很容易造成补偿电容器及开关器件的损坏。我们公司开发出了谐波分析和功率因数补偿的专用计算机软件，并设计制造出用于变频电源工频进线侧的功率因数自动补偿柜，其基本原理是对工频进线侧的功率因数进行实时检测并采用L-C-R串联支路代替原来的功率因数补偿柜的纯电容支路对工频进线侧功率因数进行实时自动补偿，它不仅可以有效的进行功率因数补偿，而且有一定的高次谐波抑制和滤波作用。
○3需说明的是，采用上述新型的变频电源进线侧功率因数补偿装置，由于电容器耐压等级提高、容量增加，增加了支路电感等，所以费用有一定提高。