变频器的输入输出保护.pdf

1 3 0 | 电气时代2 0 0 6 年第1 1 期 EA产品与技术 理论 知识 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。 各部分的作用及选择设计的依据 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 . 8 5 。 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 变频器的输入输出保护 文 / 陕西理工学院电气工程系 董锋斌 给出变频器外围保护设备的组成， 分析了各种输入输出保护设备的 作用， 给出了是否选用和如何计算设计输入输出保护设备的依据， 以便 设计人员更方便有效地进行设计。 输出电抗器 M E M I R S T U V W P E E M I 图1 变频器的外围设备结构图 R S T N 隔离开关 断路器 输入电抗器 接触器 输入E M I 滤波器 直流电抗器 制动单元 输出E M I 滤波器 电气时代2 0 0 6 年第1 1 期 | 1 3 1 EA产品与技术理论 知识 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 1 0 ∶1以上；电源容量为 6 0 0 k V A及以上，且变频器安装 位置离大容量电源在 1 0 m 以内。图 2为需要安装输入电抗 器的电源容量。 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，U m a x为最大一相电压；Um i n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7 5 k W 以上可选用1 0 V 压降。 2 输入电抗器的额定电流I L的选取 单相变频器配置 的输入电抗器的额定电流 I L＝变频器的额定电流 IN，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I N0 . 8 2 。 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 L ＝ΔU L / 2 πf I n 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 1 0 ～5 0 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d u / d t 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。 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 表2 输出滤波电抗器与允许导线长度 变频器功率额定电压非屏蔽导线允许的最大长度 / m / k W/ V无输出电抗器有输出电抗器 42 0 0 ～6 0 05 01 5 0 5 . 52 0 0 ～6 0 07 02 0 0 7 . 52 0 0 ～6 0 01 0 02 2 5 1 12 0 0 ～6 0 01 1 02 4 0 1 52 0 0 ～6 0 01 2 52 6 0 1 8 . 52 0 0 ～6 0 01 3 52 8 0 2 22 0 0 ～6 0 01 5 03 0 0 3 0 ～2 0 02 8 0 ～6 9 01 5 03 0 0 图2 需要安装电抗器的电源 可不安装电抗器 必须安装电抗器 4 0 0 0 6 0 0 6 0 4 0 0 变频器功率/ k W 电源容量/ k V A U m a x－ Um i n U p K ＝ 1 0 0 表1 网侧输入电抗器压降 交流输入线电压 3 U V / V 2 3 03 8 04 6 0 电抗器额定电压降 ΔU L＝2 πf L In / V 58 . 81 0 注 U V交流输入相电压有效值， V ； ΔU L电抗器额定电压降， V ； I n电抗器额定电流， A ； f 电网频率， H z 。 1 3 2 | 电气时代2 0 0 6 年第1 1 期 EA产品与技术 理论 知识 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 E M I 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C 1＝0 . 4 7 μF ，C2＝0 . 4 7 μF ，C3 ＝1 0 0 0 p F ，L 1＝3 m H ，L2 ＝1 0 0 μH 。 7 . 变频器输出侧滤波器 E M I 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 0 0 0 p F ，L ＝ 2 m H ，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 . 9 3 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。 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，M Z为制动转矩；G D为电动机转动惯量；G D ′为电动 机负载折算到电动机侧的转动惯量；v Q为制动前速度；vH为制 动后速度；M F Z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 1 8 ～2 2 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，R Z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 R Z≥ 2 UD / I e 式中，I e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 I P M＝UD/ RZ 式中，I P M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 P ≥ αU D 2 / I e 式中，α为常数，电动机容量小时取小，反之取大。EA 收稿日期2 0 0 6 . 0 7 . 3 1 M Z ＝ －M F Z G D ＋G D ′ v Q－vH 3 7 5 t j R Z＝ U Z 2 0 . 1 4 7 M z－2 0 Me vQ 图3 输入侧电源滤波器电路图 L 1 L 2 L 1 L 1 L 2 L 2 C 1 C 1 C 1 C 2 C 2 C 2 C 3 C 3 C 3 输入 输出 L L L R R R C C C 输出输入 图4 变频器输出侧滤波器电路图