變頻器外圍設(shè)備的選擇 - 全文

　　在交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式中，變頻器調(diào)速既能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(gè)較“復(fù)雜”的環(huán)境中，本身輸入側(cè)是一個(gè)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(yùn)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(duì)變頻器的干擾，同時(shí)減少變頻器將對(duì)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(hù)外圍設(shè)備的合理選擇，是保證變頻器正常運(yùn)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(jī)的電纜長(zhǎng)短、變頻器輸出頻率的大小等不同，選擇保護(hù)設(shè)備不能一概而論，勢(shì)必給工程設(shè)計(jì)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(jì)算依據(jù)。

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

?

　　由于電源容量、輸入電壓、變頻器與電動(dòng)機(jī)的電纜長(zhǎng)短、變頻器輸出頻率的大小等不同，選擇保護(hù)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(shí)際情況而定，下面將給出選擇的依據(jù)。

　　1.隔離開(kāi)關(guān)

　　隔離開(kāi)關(guān)的作用是在電源切除后，將線路與電源明顯地隔開(kāi)，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(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(dāng)出現(xiàn)過(guò)流或短路故障時(shí)能自動(dòng)切斷電源，避免因后級(jí)設(shè)備故障造成故障范圍擴(kuò)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(diào)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(hù)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(jìn)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(duì)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(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(duì)電網(wǎng)的污染。當(dāng)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?yàn)樗鼈儗?duì)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(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)?nèi)。圖2 為需要安裝輸入電抗器的電源容量。

?

　　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(jì)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(jìn)線電源，或進(jìn)線電源端接有通過(guò)開(kāi)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(duì)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(lái)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(guò)大，壓降過(guò)大會(huì)影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。一般情況下選取進(jìn)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(jì)算 知道了壓降和額定電流，則輸入電抗器的電感量L 的計(jì)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(jī)之間采用長(zhǎng)電纜或向多電動(dòng)機(jī)(10～50 臺(tái))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(duì)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(jī)絕緣額外增加了瞬態(tài)電壓峰值。為了補(bǔ)償長(zhǎng)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(dòng)機(jī)絕緣過(guò)早老化和電動(dòng)機(jī)損壞，可以選用輸出電抗器來(lái)減小在電動(dòng)機(jī)端子的du/dt 值。當(dāng)變頻器和電動(dòng)機(jī)之間用長(zhǎng)電纜時(shí)，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(dòng)機(jī)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(shí)際情況而定。表2 是輸出濾波電抗器與允許導(dǎo)線長(zhǎng)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(jī)之間的傳輸線不宜太長(zhǎng)。導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)，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(dāng)輸出電纜過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(jì)算和設(shè)計(jì)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。

　　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(fù)電而變頻器不經(jīng)正常程序自動(dòng)起動(dòng)對(duì)設(shè)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(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(duì)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(qiáng)度較大，電磁噪聲太強(qiáng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲，減少噪聲對(duì)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(cè)量?jī)x表等其他精密儀器、儀表，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲會(huì)使它們運(yùn)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(dòng)機(jī)。

?

　　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(chǎng)合

　　1)當(dāng)給變頻器供電的同一電源節(jié)點(diǎn)上有開(kāi)關(guān)式無(wú)功補(bǔ)償電容屏或帶有晶閘管相控負(fù)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(fù)載造成的諧波和電網(wǎng)波形缺口，有可能對(duì)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(guò)3% 時(shí)。

　　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(shí)，變頻器的輸入電源回路流過(guò)的電流有可能對(duì)整流電路造成損害。

　　(2)如何選擇直流電抗器其計(jì)算和設(shè)計(jì)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。

　　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(xiàn)制動(dòng)。

　　(1)制動(dòng)電阻參數(shù)的選擇

　　1) 估算出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩

?

　　式中，MZ為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;GD為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;GD′為電動(dòng)機(jī)負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;vQ 為制動(dòng)前速度;vH 為制動(dòng)后速度;MFZ 為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩;tj 為減速時(shí)間。一般情況在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在一定的損耗，約為額定轉(zhuǎn)矩的18%～22% 左右，如計(jì)算出的結(jié)果小于此范圍則就無(wú)需接制動(dòng)裝置。

　　2)計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值

?

　　式中，RZ 為制動(dòng)電阻值;UZ 為制動(dòng)單元?jiǎng)幼麟妷褐?Me 為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

　　制動(dòng)電阻與使用電動(dòng)機(jī)的飛輪矩有密切關(guān)系，而電動(dòng)機(jī)的飛輪矩在運(yùn)行時(shí)是變化的，因此準(zhǔn)確計(jì)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(yàn)公式取一個(gè)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(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(jù)，其計(jì)算公式如下：

?

　　式中，IPM 為制動(dòng)電流瞬時(shí)值;UD 為變頻器直流母線電壓。

　　4)制動(dòng)電阻功率

?

　　式中，α為常數(shù)，電動(dòng)機(jī)容量小時(shí)取小，反之取大。