中心議題：

• 變頻器保護外圍設備的選擇方法和計算依據

在交流電動(dòng)機調速方式中，變頻器調速既能實(shí)現無(wú)級調速，又能節能，在工業(yè)生產(chǎn)中應用十分廣泛。然而變頻器常處在一個(gè)較“復雜”的環(huán)境中，本身輸入側是一個(gè)非線(xiàn)性的整流電路，外接電源電網(wǎng)含有諧波，還有其他設備的高次諧波等等。因此，盡管選擇性能優(yōu)良的變頻器，但組建的系統中變頻器運行效果不令人滿(mǎn)意。大量工程實(shí)踐證明，為了防止電網(wǎng)和其他干擾源對變頻器的干擾，同時(shí)減少變頻器將對其他設備和電網(wǎng)的影響，常在變頻器的輸入、輸出端配置相應的濾波器、電抗器、斷路器等外圍設備。所以變頻器保護外圍設備的合理選擇，是保證變頻器正常運行的先決條件。但由于電源容量、輸入電壓、變頻器與電動(dòng)機的電纜長(cháng)短、變頻器輸出頻率的大小等不同，選擇保護設備不能一概而論，勢必給工程設計人員帶來(lái)一定的困難。為此，下面給出相關(guān)的選擇方法和計算依據。

變頻器外圍保護設備的組成為了提高變頻器的工作性能，實(shí)現變頻器和電動(dòng)機的保護，減少變頻器和周?chē)渌姎庠O備的相互影響，在變頻器的輸入、輸出端配備的外圍保護設備如圖1 所示。

由于電源容量、輸入電壓、變頻器與電動(dòng)機的電纜長(cháng)短、變頻器輸出頻率的大小等不同，選擇保護設備并不一定按圖1的方式，有些外圍設備可以不要。要與不要根據實(shí)際情況而定，下面將給出選擇的依據。

1.隔離開(kāi)關(guān)

隔離開(kāi)關(guān)的作用是在電源切除后，將線(xiàn)路與電源明顯地隔開(kāi)，以確保檢修人員的安全。其選擇應根據其額定電壓、額定電流和裝置環(huán)境來(lái)考慮。

2.斷路器

斷路器的的作用有二：一是用于回路的正常通斷；二是當出現過(guò)流或短路故障時(shí)能自動(dòng)切斷電源，避免因后級設備故障造成故障范圍擴大。其選擇原則同一般斷路器。

3.輸入電抗器

輸入電抗器又稱(chēng)電源協(xié)調電抗器，它能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過(guò)電壓引起的電流沖擊，有效地保護變頻器和改善其功率因數，有效地抑制諧波電流。輸入電抗器串連在電源進(jìn)線(xiàn)與變頻器輸入側，用于抑制輸入電流的高次諧波，減少電源浪涌對變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數（可提高到0.85）。輸入電抗器既能阻止來(lái)自電網(wǎng)的干擾，又能減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的污染。當電源容量很大時(shí)，更要防止各種過(guò)電壓引起的電流沖擊，因為它們對變頻器內整流二極管和濾波電容器都是有威脅的。

（1）要安裝輸入電抗器的場(chǎng)合

并非任何場(chǎng)合都需要安裝輸入電抗器，下面三種情況則需安裝輸入電抗器。

1 ） 變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10∶1 以上；電源容量為600 kVA 及以上，且變頻器安裝位置離大容量電源在10 m 以?xún)?。圖2 為需要安裝輸入電抗器的電源容量。

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2）三相電源電壓不平衡率大于3%。電源電壓不平衡系數K 按下式計算：

式中，Umax 為最大一相電壓；Umin 為最小一相電壓；Up 為三相平均電壓。

3）當有其他晶閘管整流裝置與變頻器共同用同一進(jìn)線(xiàn)電源，或進(jìn)線(xiàn)電源端接有通過(guò)開(kāi)關(guān)切換以調整功率因數的電容器裝置。為減少浪涌對變頻器的沖擊，須安裝輸入電抗器。

（2）輸入電抗器參數選擇

1）輸入電抗器壓降的選擇 輸入電抗器的容量一般按預期在電抗器每相繞組上的壓降來(lái)決定，而選擇壓降或用網(wǎng)側相電壓的2%～4%，或按表1 的數據選取。

輸入電抗器壓降不宜取得過(guò)大，壓降過(guò)大會(huì )影響電動(dòng)機轉矩。一般情況下選取進(jìn)線(xiàn)電壓的4%（8.8 V）已足夠，在較大容量的變頻器中如75 kW 以上可選用10 V 壓降。

2）輸入電抗器的額定電流IL的選取 單相變頻器配置的輸入電抗器的額定電流IL ＝變頻器的額定電流IN，三相變頻器配置的輸入電抗器的額定電流I L ＝變頻器的額定電流IN × 0.82。

3）輸入電抗器的電感量L的計算 知道了壓降和額定電流，則輸入電抗器的電感量L 的計算公式下：

4.輸出電抗器

輸出電抗器有助于改善變頻器的過(guò)電流和過(guò)電壓。變頻器和電動(dòng)機之間采用長(cháng)電纜或向多電動(dòng)機（10～50 臺）供電時(shí)，由于變頻器工作頻率高，連接電纜的等效電路成為一個(gè)大電容，而引起下列問(wèn)題：①電纜對地電容給變頻器額外增加了峰值電流。②由于高頻瞬變電壓，給電動(dòng)機絕緣額外增加了瞬態(tài)電壓峰值。為了補償長(cháng)線(xiàn)分布電容的影響，并能抑制變頻器輸出的諧波，減小變頻器噪聲，避免電動(dòng)機絕緣過(guò)早老化和電動(dòng)機損壞，可以選用輸出電抗器來(lái)減小在電動(dòng)機端子的du/dt 值。當變頻器和電動(dòng)機之間用長(cháng)電纜時(shí)，輸出電抗器可以減小負荷電流的峰值。但是輸出電抗器不能減小電動(dòng)機端子上瞬變電壓的峰值。

（1）是否要配置輸出電抗器

在變頻器的輸出側是否要配置電抗器，可根據工程實(shí)際情況而定。表2 是輸出濾波電抗器與允許導線(xiàn)長(cháng)度。

由于變頻器輸出電壓中高次諧波較多，變頻器與電動(dòng)機之間的傳輸線(xiàn)不宜太長(cháng)。導線(xiàn)過(guò)長(cháng)，其分布電容也大，則在高次諧波電壓作用下，高次諧波電流過(guò)大。當輸出電纜過(guò)長(cháng)時(shí)就應設置輸出電抗器。在允許的范圍內，可不要輸出電抗器。

（2）如何選擇輸出電抗器

其計算和設計的原則同輸入電抗器，其電抗器的電感量是以基波電流流經(jīng)電抗器時(shí)的電壓降不大于額定電壓為宜。
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5.接觸器

接觸器的作用是用于變頻器的投入與切除，在變頻器發(fā)生故障或失壓時(shí)，切斷電源，防止電網(wǎng)失壓后復電而變頻器不經(jīng)正常程序自動(dòng)起動(dòng)對設備及人身造成危害。但用于供電控制時(shí)，不要用接觸器來(lái)控制變頻器上、下電，其選擇原則同一般接觸器。

6.輸入側電源濾波器EMI

（1）輸入側電源濾波器是否選用輸入側電源濾波器的作用是降低輸入側高頻諧波電流，減少諧波對變頻器的影響。在變頻器工作環(huán)境中，如果高次諧波干擾源較多，或諧波強度較大，電磁噪聲太強烈，最好選用輸入側電源濾波器。

（2）輸入側電源濾波器參數圖3 為常用輸入側電源濾波器的電路圖，輸入側接電源，輸出側接變頻器。

一般選取其參數為：C1 ＝ 0.47 μ F，C2 ＝ 0.47 μ F，C3＝ 1 000 pF，L1 ＝ 3 mH，L2 ＝ 100 μ H。

7.變頻器輸出側濾波器EMI

（1）是否選用變頻器輸出側濾波器變頻器輸出側濾波器的作用是降低變頻器輸出諧波造成的電動(dòng)機運行噪聲，減少噪聲對其他電器的影響。在變頻器工作環(huán)境中，如果存在傳感器、測量?jì)x表等其他精密儀器、儀表，電動(dòng)機運行噪聲會(huì )使它們運行異常，最好選用變頻器輸出側濾波器。

（2）變頻器輸出側濾波器參數圖4 為常用變頻器輸出側濾波器的電路圖。變頻器輸出側濾波器的輸入側接變頻器，輸出側接電動(dòng)機。

一般選取其參數為：C ＝ 1 000 pF，L ＝ 2 mH，R ＝0.5 M Ω。

8.直流電抗器

直流電抗器的主要作用是減少輸入電流的高次諧波成分，提高輸入電源的功率因數，并能限制短路電流。

（1）要安裝直流電抗器的場(chǎng)合

1）當給變頻器供電的同一電源節點(diǎn)上有開(kāi)關(guān)式無(wú)功補償電容屏或帶有晶閘管相控負載時(shí)，因電容器屏開(kāi)關(guān)切換引起的無(wú)功瞬變致使網(wǎng)壓突變、相控負載造成的諧波和電網(wǎng)波形缺口，有可能對變頻器的輸入整流電路造成損害。

2）當變頻器供電三相電源的不平衡度超過(guò)3% 時(shí)。

3）當要求提高變頻器輸入端功率因數到0.93 以上。

4）當變頻器接入大容量變壓器時(shí)，變頻器的輸入電源回路流過(guò)的電流有可能對整流電路造成損害。

（2）如何選擇直流電抗器其計算和設計的原則同一般電抗器，其電抗器的電感量是以基波電流流經(jīng)電抗器時(shí)的電壓降不大于額定電壓的為宜。
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9.制動(dòng)電阻

制動(dòng)電阻是將再生電能消耗在功率電阻上來(lái)實(shí)現制動(dòng)。

（1）制動(dòng)電阻參數的選擇

1） 估算出制動(dòng)轉矩

式中，M_Z為制動(dòng)轉矩；GD為電動(dòng)機轉動(dòng)慣量；GD′為電動(dòng)機負載折算到電動(dòng)機側的轉動(dòng)慣量；v_Q 為制動(dòng)前速度；v_H 為制動(dòng)后速度；M_FZ 為負載阻轉矩；t_j 為減速時(shí)間。一般情況在進(jìn)行電動(dòng)機制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機內部存在一定的損耗，約為額定轉矩的18%～22% 左右，如計算出的結果小于此范圍則就無(wú)需接制動(dòng)裝置。

2）計算制動(dòng)電阻的阻值

式中，R_Z 為制動(dòng)電阻值；U_Z 為制動(dòng)單元動(dòng)作電壓值；M_e 為電動(dòng)機額定轉矩。

制動(dòng)電阻與使用電動(dòng)機的飛輪矩有密切關(guān)系，而電動(dòng)機的飛輪矩在運行時(shí)是變化的，因此準確計算制動(dòng)電阻比較困難，而且沒(méi)有必要，通常情況是采用經(jīng)驗公式取一個(gè)近似值：

式中，I_e 為變頻器額定電流；U_D 為變頻器直流母線(xiàn)電壓。

3）制動(dòng)單元的選擇

在進(jìn)行制動(dòng)單元的選擇時(shí)，制動(dòng)單元工作的最大電流是選擇的唯一依據，其計算公式如下：

式中，I_PM 為制動(dòng)電流瞬時(shí)值；U_D 為變頻器直流母線(xiàn)電壓。

4）制動(dòng)電阻功率

式中，α為常數，電動(dòng)機容量小時(shí)取小，反之取大。