变频器输入输出设备维护

中心议题：

• 变频器保护外围设备的选择方法和计算依据

在交流电动机调速方式中，变频器调速既能实现无级调速，又能节能，在工业生产中应用十分广泛。然而变频器常处在一个较“复杂”的环境中，本身输入侧是一个非线性的整流电路，外接电源电网含有谐波，还有其他设备的高次谐波等等。因此，尽管选择性能优良的变频器，但组建的系统中变频器运行效果不令人满意。大量工程实践证明，为了防止电网和其他干扰源对变频器的干扰，同时减少变频器将对其他设备和电网的影响，常在变频器的输入、输出端配置相应的滤波器、电抗器、断路器等外围设备。所以变频器保护外围设备的合理选择，是保证变频器正常运行的先决条件。但由于电源容量、输入电压、变频器与电动机的电缆长短、变频器输出频率的大小等不同，选择保护设备不能一概而论，势必给工程设计人员带来一定的困难。为此，下面给出相关的选择方法和计算依据。

变频器外围保护设备的组成为了提高变频器的工作性能，实现变频器和电动机的保护，减少变频器和周围其他电气设备的相互影响，在变频器的输入、输出端配备的外围保护设备如图1 所示。

由于电源容量、输入电压、变频器与电动机的电缆长短、变频器输出频率的大小等不同，选择保护设备并不一定按图1的方式，有些外围设备可以不要。要与不要根据实际情况而定，下面将给出选择的依据。

1.隔离开关

隔离开关的作用是在电源切除后，将线路与电源明显地隔开，以确保检修人员的安全。其选择应根据其额定电压、额定电流和装置环境来考虑。

2.断路器

断路器的的作用有二：一是用于回路的正常通断；二是当出现过流或短路故障时能自动切断电源，避免因后级设备故障造成故障范围扩大。其选择原则同一般断路器。

3.输入电抗器

输入电抗器又称电源协调电抗器，它能够限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，有效地保护变频器和改善其功率因数，有效地抑制谐波电流。输入电抗器串连在电源进线与变频器输入侧，用于抑制输入电流的高次谐波，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数（可提高到0.85）。输入电抗器既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染。当电源容量很大时，更要防止各种过电压引起的电流冲击，因为它们对变频器内整流二极管和滤波电容器都是有威胁的。

（1）要安装输入电抗器的场合

并非任何场合都需要安装输入电抗器，下面三种情况则需安装输入电抗器。

1 ） 变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10∶1 以上；电源容量为600 kVA 及以上，且变频器安装位置离大容量电源在10 m 以内。图2 为需要安装输入电抗器的电源容量。

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2）三相电源电压不平衡率大于3%。电源电压不平衡系数K 按下式计算：

式中，Umax 为最大一相电压；Umin 为最小一相电压；Up 为三相平均电压。

3）当有其他晶闸管整流装置与变频器共同用同一进线电源，或进线电源端接有通过开关切换以调整功率因数的电容器装置。为减少浪涌对变频器的冲击，须安装输入电抗器。

（2）输入电抗器参数选择

1）输入电抗器压降的选择 输入电抗器的容量一般按预期在电抗器每相绕组上的压降来决定，而选择压降或用网侧相电压的2%～4%，或按表1 的数据选取。

输入电抗器压降不宜取得过大，压降过大会影响电动机转矩。一般情况下选取进线电压的4%（8.8 V）已足够，在较大容量的变频器中如75 kW 以上可选用10 V 压降。

2）输入电抗器的额定电流IL的选取 单相变频器配置的输入电抗器的额定电流IL ＝变频器的额定电流IN，三相变频器配置的输入电抗器的额定电流I L ＝变频器的额定电流IN × 0.82。

3）输入电抗器的电感量L的计算 知道了压降和额定电流，则输入电抗器的电感量L 的计算公式下：

4.输出电抗器

输出电抗器有助于改善变频器的过电流和过电压。变频器和电动机之间采用长电缆或向多电动机（10～50 台）供电时，由于变频器工作频率高，连接电缆的等效电路成为一个大电容，而引起下列问题：①电缆对地电容给变频器额外增加了峰值电流。②由于高频瞬变电压，给电动机绝缘额外增加了瞬态电压峰值。为了补偿长线分布电容的影响，并能抑制变频器输出的谐波，减小变频器噪声，避免电动机绝缘过早老化和电动机损坏，可以选用输出电抗器来减小在电动机端子的du/dt 值。当变频器和电动机之间用长电缆时，输出电抗器可以减小负荷电流的峰值。但是输出电抗器不能减小电动机端子上瞬变电压的峰值。

（1）是否要配置输出电抗器

在变频器的输出侧是否要配置电抗器，可根据工程实际情况而定。表2 是输出滤波电抗器与允许导线长度。

由于变频器输出电压中高次谐波较多，变频器与电动机之间的传输线不宜太长。导线过长，其分布电容也大，则在高次谐波电压作用下，高次谐波电流过大。当输出电缆过长时就应设置输出电抗器。在允许的范围内，可不要输出电抗器。

（2）如何选择输出电抗器

其计算和设计的原则同输入电抗器，其电抗器的电感量是以基波电流流经电抗器时的电压降不大于额定电压为宜。
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5.接触器

接触器的作用是用于变频器的投入与切除，在变频器发生故障或失压时，切断电源，防止电网失压后复电而变频器不经正常程序自动起动对设备及人身造成危害。但用于供电控制时，不要用接触器来控制变频器上、下电，其选择原则同一般接触器。

6.输入侧电源滤波器EMI

（1）输入侧电源滤波器是否选用输入侧电源滤波器的作用是降低输入侧高频谐波电流，减少谐波对变频器的影响。在变频器工作环境中，如果高次谐波干扰源较多，或谐波强度较大，电磁噪声太强烈，最好选用输入侧电源滤波器。

（2）输入侧电源滤波器参数图3 为常用输入侧电源滤波器的电路图，输入侧接电源，输出侧接变频器。

一般选取其参数为：C1 ＝ 0.47 μ F，C2 ＝ 0.47 μ F，C3＝ 1 000 pF，L1 ＝ 3 mH，L2 ＝ 100 μ H。

7.变频器输出侧滤波器EMI

（1）是否选用变频器输出侧滤波器变频器输出侧滤波器的作用是降低变频器输出谐波造成的电动机运行噪声，减少噪声对其他电器的影响。在变频器工作环境中，如果存在传感器、测量仪表等其他精密仪器、仪表，电动机运行噪声会使它们运行异常，最好选用变频器输出侧滤波器。

（2）变频器输出侧滤波器参数图4 为常用变频器输出侧滤波器的电路图。变频器输出侧滤波器的输入侧接变频器，输出侧接电动机。

一般选取其参数为：C ＝ 1 000 pF，L ＝ 2 mH，R ＝0.5 M Ω。

8.直流电抗器

直流电抗器的主要作用是减少输入电流的高次谐波成分，提高输入电源的功率因数，并能限制短路电流。

（1）要安装直流电抗器的场合

1）当给变频器供电的同一电源节点上有开关式无功补偿电容屏或带有晶闸管相控负载时，因电容器屏开关切换引起的无功瞬变致使网压突变、相控负载造成的谐波和电网波形缺口，有可能对变频器的输入整流电路造成损害。

2）当变频器供电三相电源的不平衡度超过3% 时。

3）当要求提高变频器输入端功率因数到0.93 以上。

4）当变频器接入大容量变压器时，变频器的输入电源回路流过的电流有可能对整流电路造成损害。

（2）如何选择直流电抗器其计算和设计的原则同一般电抗器，其电抗器的电感量是以基波电流流经电抗器时的电压降不大于额定电压的为宜。
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9.制动电阻

制动电阻是将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。

（1）制动电阻参数的选择

1） 估算出制动转矩

式中，MZ为制动转矩；GD为电动机转动惯量；GD′为电动机负载折算到电动机侧的转动惯量；vQ 为制动前速度；vH 为制动后速度；MFZ 为负载阻转矩；tj 为减速时间。一般情况在进行电动机制动时，电动机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%～22% 左右，如计算出的结果小于此范围则就无需接制动装置。

2）计算制动电阻的阻值

式中，RZ 为制动电阻值；UZ 为制动单元动作电压值；Me 为电动机额定转矩。

制动电阻与使用电动机的飞轮矩有密切关系，而电动机的飞轮矩在运行时是变化的，因此准确计算制动电阻比较困难，而且没有必要，通常情况是采用经验公式取一个近似值：

式中，Ie 为变频器额定电流；UD 为变频器直流母线电压。

3）制动单元的选择

在进行制动单元的选择时，制动单元工作的最大电流是选择的唯一依据，其计算公式如下：

式中，IPM 为制动电流瞬时值；UD 为变频器直流母线电压。

4）制动电阻功率

式中，α为常数，电动机容量小时取小，反之取大。