变频器电路的外围设备优化方案

1.变频器外围设备的作用

在选定了变频器之后，下一步的工作就是根据需要选择与变频器配合工作的各种设备。正确选择变频器周边设备主要是为了达到以下目的：

（1）保证变频器驱动系统能够正常工作；

（2）提供对变频器和电动机的保护；

（3）抑制干扰，减少对其他设备的影响。

外围设备通常是选购配件，分为常规配件和专用配件，如图5.2 所示。图5.2 中1、2、3、4、9 和10 是常规配件； 5、6、7、8 和L 是专用配件。

2.变频器外围设备的选用

1）电源变压器

其作用是将供电电网的高压电源转换为变频器所需要的电压等级（200 V 或400 V）。电源变压器的容量确定方法一般来说可以为变频器容量的1.5 倍左右，在进行变频器容量的选择时，具体计算可以参考下式：

式中，变频器的输出功率即为被驱动电动机的总容量，单位为kW； 变频器的输入功率因数在有交流电抗器时取0.5～0.8，没有输入交流电抗器时取0.6～0.8； 变频器的效率一般取0.9～0.95。

图5.2　变频器的外围设备

1—电源变压器； 2—避雷器； 3—电源侧断路器； 4—电磁接触器；5—电源侧交流电抗器； 6—无线电噪声滤波器； 7—电源滤波器；8—制动电阻； 9—电动机侧电磁接触器； 10—工频电网切换用接触器； L—用于改善功率因数的直流电抗器

2）避雷器

其作用是吸收由电源侵入的感应雷击浪涌电压，保护与电源相连接的全部机器，高电压大容量变频器建议使用避雷器。

3）电源侧断路器

其主要用于变频器、电动机与电源回路的通断，其作用是在出现过流或短路事故时能自动切断变频器与电源的联系，以防事故扩大。由于在变频调速系统中，电动机的启动电流可控制在较小范围内，因此电源侧断路器的额定电流可按变频器的额定电流来选用。如果有工频电源切换电路，当变频器停止工作时，电源直接接电动机，所以电源侧断路器应按电动机的启动电流进行选择。

4）电源侧交流接触器

电源一旦断电，电源侧交流接触器自动将变频器与电源脱开，以免在外部端子控制状态下重新供电时变频器自行工作，以保护设备及人身安全； 在变频器内部保护功能起作用时，通过接触器使变频器与电源脱开。当然，变频器即使无电源侧的交流接触器（MC）也可使用，使用时需注意以下事项：

（1）不要用交流接触器进行频繁的启动或停止（变频器输入的开闭寿命大约为10 万次）。

（2）不能用电源侧的交流接触器停止变频器。

（3）接触器选用方法与低压断路器基本相同，但接触器一般不会有同时控制多台变频器的情形。

5）电动机侧电磁接触器和工频电网切换用接触器

变频器和工频电网之间的切换运行是互锁的，这可以防止变频器的输出端接到工频电网上。一旦出现变频器输出端误接到工频电网的情况，将损坏变频器。具体的选择方法如下：

（1）对于具有内置工频电源切换功能的通用变频器，要选择变频器生产厂家提供或推荐的接触器型号；

（2）对于变频器用户自己设计的工频电源切换电路，按照接触器常规选择原则进行选择。

在变频器运转中请勿将输出侧电磁接触器开启（OFF→ON）。在变频器运转中开启电磁接触器，将有很大的冲击电流流过，有时会因过电流而停机。

6）热继电器

通用变频器都具有内部电子热敏保护功能，不需要热继电器保护电动机，但遇到下列情况时，应考虑使用热继电器。

（1）在10 Hz 以下或60 Hz 以上连续运行时；(www.xing528.com)

（2）一台变频器驱动多台电动机时。

如果导线过长（10 m 或更长），继电器会过早跳开，此情况下应在输出侧串入滤波器或者利用电流传感器。50 Hz 时过热继电器的设定值为电动机额定电流； 60 Hz 时过热继电器的设定值为电动机额定电流的1.1 倍。

7）专用电抗器

表5.1 所示为电抗器的名称、安装位置和作用，在选择交流电抗器的容量时，一般按下式进行：

表5.1　电抗器的名称、安装位置和作用

式中　U——额定电压，V；

I——额定电流，A；

f——最大频率，Hz。

常用交流电抗器和直流电抗器的规格分别如表5.2 和表5.3 所示。

表5.2　常用交流电抗器的规格

表5.3　常用直流电抗器的规格

注意： 小功率变频器（小于95 kW）安装交流电抗器，对于提高功率因数的效果比较明显。大功率变频器安装交流电抗器，尽管对提高功率因数的效果不明显，但对改善变频器运行质量和滤波都有好处。

8）专用滤波器

（1）一般采用无源滤波器，使用滤波器的目的是允许特定频率的信号通过，阻止干扰信号沿电源线传输并进行阻抗变换，使干扰信号不能通过地线传播而被反射回干扰源。在变频器输入、输出端都应安装滤波器，在输入端几个电容与一个轭流圈结合起来便构成一个简单且效果不错的滤波器。为使滤波器能够有效地发挥作用，在安装输入端滤波器时，尽量靠近变频器安装，并与变频器共基板。若两者距离超过变频器使用说明书的规定标准，应用扁平导线进行连接。

在变频器输出端安装滤波器，能解决电动机过热和噪声问题。采用了输出滤波器，就没有必要在变频器和电动机之间使用屏蔽电缆线来防止电磁辐射，这样做不仅降低了系统成本，减少了安装费用，而且能很好地抑制变频器对外产生的干扰，这是使用滤波器的主要优点。是否选用滤波器，应视变频器使用情况而定，也就是说，电源滤波器和无线电噪声滤波器可以在交流调速控制系统投入使用后再选购。

（2）选购和使用滤波器时的注意事项： 滤波器在工作期间要耗电发热，所以除了要满足额定容量要求外，还要求在一定环境温度下工作，其额定电压必须满足接入线路的要求。变频器输出侧滤波器的输入端接变频器，输出端接电动机，不能接错，否则会烧毁变频器。

虽然无源滤波器成本低，但无源滤波器也存在以下缺点： 性能受电网阻抗的影响很大，电网和无源滤波器之间有可能产生共振，不能对谐波实现动态补偿。因而，有的国家采用有源滤波器或混合式滤波器（无源滤波器和有源滤波器结合组成的滤波器）来抑制电网谐波。有源滤波器和混合式滤波器作为一类新型的滤波器，已开始受到各国电力电子界的广泛重视。

9）主电路线径的选择

（1）电动机与变频器的连接如图5.3 所示。

图5.3　电动机与变频器的连接

一般来说，与同容量普通电动机的电线选择方法相同，考虑到其输入侧谐波电流较多，功率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来选择线径。

（2）因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的情况下，线路电压降ΔU 在输出电压中占的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降，有可能导致电动机带不动负载并发热。所以，在选择变频器与电动机之间导线的线径时，最关键的因素便是线路电压降ΔU 的影响。一般要求U≤（2％～3％）UN。

U（V）的计算公式是

式中　IMN——电动机的额定电流，A；

R0——单位长度导线的电阻，mΩ/m；

L——导线的长度，m。

常用电动机引出线的单位长度电阻值如表5.4 所示。

表5.4　常用电动机引出线的单位长度电阻值