中心議題：
- 變頻器保護外圍設(shè)備的選擇方法和計算依據(jù)
在交流電動機調(diào)速方式中，變頻器調(diào)速既能實現(xiàn)無級調(diào)速，又能節(jié)能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。然而變頻器常處在一個較“復(fù)雜”的環(huán)境中，本身輸入側(cè)是一個非線性的整流電路，外接電源電網(wǎng)含有諧波，還有其他設(shè)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(tǒng)中變頻器運行效果不令人滿意。大量工程實踐證明，為了防止電網(wǎng)和其他干擾源對變頻器的干擾，同時減少變頻器將對其他設(shè)備和電網(wǎng)的影響，常在變頻器的輸入、輸出端配置相應(yīng)的濾波器、電抗器、斷路器等外圍設(shè)備。所以變頻器保護外圍設(shè)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、變頻器與電動機的電纜長短、變頻器輸出頻率的大小等不同，選擇保護設(shè)備不能一概而論，勢必給工程設(shè)計人員帶來一定的困難。為此，下面給出相關(guān)的選擇方法和計算依據(jù)。
變頻器外圍保護設(shè)備的組成為了提高變頻器的工作性能，實現(xiàn)變頻器和電動機的保護，減少變頻器和周圍其他電氣設(shè)備的相互影響，在變頻器的輸入、輸出端配備的外圍保護設(shè)備如圖1 所示。
由于電源容量、輸入電壓、變頻器與電動機的電纜長短、變頻器輸出頻率的大小等不同，選擇保護設(shè)備并不一定按圖1的方式，有些外圍設(shè)備可以不要。要與不要根據(jù)實際情況而定，下面將給出選擇的依據(jù)。
1.隔離開關(guān)
隔離開關(guān)的作用是在電源切除后，將線路與電源明顯地隔開，以確保檢修人員的安全。其選擇應(yīng)根據(jù)其額定電壓、額定電流和裝置環(huán)境來考慮。
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(dāng)出現(xiàn)過流或短路故障時能自動切斷電源，避免因后級設(shè)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
輸入電抗器又稱電源協(xié)調(diào)電抗器，它能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過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(shù)，有效地抑制諧波電流。輸入電抗器串連在電源進線與變頻器輸入側(cè)，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(shù)（可提高到0.85）。輸入電抗器既能阻止來自電網(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(dāng)電源容量很大時，更要防止各種過電壓引起的電流沖擊，因為它們對變頻器內(nèi)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合
并非任何場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 以內(nèi)。圖2 為需要安裝輸入電抗器的電源容量。
[page]
2）三相電源電壓不平衡率大于3%。電源電壓不平衡系數(shù)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(dāng)有其他晶閘管整流裝置與變頻器共同用同一進線電源，或進線電源端接有通過開關(guān)切換以調(diào)整功率因數(shù)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(shù)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(yù)期在電抗器每相繞組上的壓降來決定，而選擇壓降或用網(wǎng)側(cè)相電壓的2%～4%，或按表1 的數(shù)據(jù)選取。
輸入電抗器壓降不宜取得過大，壓降過大會影響電動機轉(zhuǎn)矩。一般情況下選取進線電壓的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電流和過電壓。變頻器和電動機之間采用長電纜或向多電動機（10～50 臺）供電時，由于變頻器工作頻率高，連接電纜的等效電路成為一個大電容，而引起下列問題：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，給電動機絕緣額外增加了瞬態(tài)電壓峰值。為了補償長線分布電容的影響，并能抑制變頻器輸出的諧波，減小變頻器噪聲，避免電動機絕緣過早老化和電動機損壞，可以選用輸出電抗器來減小在電動機端子的du/dt 值。當(dāng)變頻器和電動機之間用長電纜時，輸出電抗器可以減小負(fù)荷電流的峰值。但是輸出電抗器不能減小電動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(cè)是否要配置電抗器，可根據(jù)工程實際情況而定。表2 是輸出濾波電抗器與允許導(dǎo)線長度。
由于變頻器輸出電壓中高次諧波較多，變頻器與電動機之間的傳輸線不宜太長。導(dǎo)線過長，其分布電容也大，則在高次諧波電壓作用下，高次諧波電流過大。當(dāng)輸出電纜過長時就應(yīng)設(shè)置輸出電抗器。在允許的范圍內(nèi)，可不要輸出電抗器。
（2）如何選擇輸出電抗器
其計算和設(shè)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)電抗器時的電壓降不大于額定電壓為宜。
[page]
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，切斷電源，防止電網(wǎng)失壓后復(fù)電而變頻器不經(jīng)正常程序自動起動對設(shè)備及人身造成危害。但用于供電控制時，不要用接觸器來控制變頻器上、下電，其選擇原則同一般接觸器。
6.輸入側(cè)電源濾波器EMI
（1）輸入側(cè)電源濾波器是否選用輸入側(cè)電源濾波器的作用是降低輸入側(cè)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(cè)電源濾波器。
（2）輸入側(cè)電源濾波器參數(shù)圖3 為常用輸入側(cè)電源濾波器的電路圖，輸入側(cè)接電源，輸出側(cè)接變頻器。
一般選取其參數(shù)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(cè)濾波器EMI
（1）是否選用變頻器輸出側(cè)濾波器變頻器輸出側(cè)濾波器的作用是降低變頻器輸出諧波造成的電動機運行噪聲，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、測量儀表等其他精密儀器、儀表，電動機運行噪聲會使它們運行異常，最好選用變頻器輸出側(cè)濾波器。
（2）變頻器輸出側(cè)濾波器參數(shù)圖4 為常用變頻器輸出側(cè)濾波器的電路圖。變頻器輸出側(cè)濾波器的輸入側(cè)接變頻器，輸出側(cè)接電動機。
一般選取其參數(shù)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(shù)，并能限制短路電流。
（1）要安裝直流電抗器的場合
1）當(dāng)給變頻器供電的同一電源節(jié)點上有開關(guān)式無功補償電容屏或帶有晶閘管相控負(fù)載時，因電容器屏開關(guān)切換引起的無功瞬變致使網(wǎng)壓突變、相控負(fù)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(dāng)變頻器供電三相電源的不平衡度超過3% 時。
3）當(dāng)要求提高變頻器輸入端功率因數(shù)到0.93 以上。
4）當(dāng)變頻器接入大容量變壓器時，變頻器的輸入電源回路流過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(shè)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)電抗器時的電壓降不大于額定電壓的為宜。
[page]
9.制動電阻
制動電阻是將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動。
（1）制動電阻參數(shù)的選擇
1） 估算出制動轉(zhuǎn)矩
式中，MZ為制動轉(zhuǎn)矩；GD為電動機轉(zhuǎn)動慣量；GD′為電動機負(fù)載折算到電動機側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量；vQ 為制動前速度；vH 為制動后速度；MFZ 為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；tj 為減速時間。一般情況在進行電動機制動時，電動機內(nèi)部存在一定的損耗，約為額定轉(zhuǎn)矩的18%～22% 左右，如計算出的結(jié)果小于此范圍則就無需接制動裝置。
2）計算制動電阻的阻值
式中，RZ 為制動電阻值；UZ 為制動單元動作電壓值；Me 為電動機額定轉(zhuǎn)矩。
制動電阻與使用電動機的飛輪矩有密切關(guān)系，而電動機的飛輪矩在運行時是變化的，因此準(zhǔn)確計算制動電阻比較困難，而且沒有必要，通常情況是采用經(jīng)驗公式取一個近似值：
式中，Ie 為變頻器額定電流；UD 為變頻器直流母線電壓。
3）制動單元的選擇
在進行制動單元的選擇時，制動單元工作的最大電流是選擇的唯一依據(jù)，其計算公式如下：
式中，IPM 為制動電流瞬時值；UD 為變頻器直流母線電壓。
4）制動電阻功率
式中，α為常數(shù)，電動機容量小時取小，反之取大。
