變頻器與外圍設備的選擇

劉平凡

(珠海長陸工業自動控制系統有限公司長沙技術中心，湖南長沙 410009)

0 引言

變頻器已廣泛應用于交流電機的控制中，其具有高效率的性能、良好的控制特性，且變頻器的應用可節約大量能源，故其在生產中的應用越來越廣泛。如何選擇合適的變頻器及其外圍設備，是保證變頻器能否正常工作的首要任務。本文就變頻器選型及外圍設備的選擇方法予以介紹。

1 變頻器的選擇

1.1 變頻器類型的選擇

變頻器的類型應根據負載的要求來選擇。一般來說，生產機械根據其特性可分為恒功率負載、恒轉矩負載和平方率負載。

電機的功率與負載轉矩和轉速的積成比例:

式中:P——功率;

τ—— 轉矩;

ω—— 角速度;

T—— 轉矩;

n—— 轉速。

轉矩T與轉速n的關系如圖1所示，表示常見的不同負載機械特性。圖1中恒功率負載(例如車床)由于沒有恒功率特性的變頻器，可以依靠U/f控制方式來實現恒功率。

圖1 不同負載的機械特性

圖1 中恒轉矩負載(例如傳送帶)，采用普通功能性變頻器，常采用加大電機和變頻器容量的辦法，以提高低速轉矩;如采用具有轉矩控制功能的高功能變頻器來實現，則更理想。

圖1中平方率負載(例如風機、水泵)，由于負載轉矩與轉速的平方成正比，低速時負載轉矩較小，通常可選用專用或普通功能型通用變頻器。

對于要求精度高、動態性能好、速度響應快的生產機械，應采用矢量控制或直接轉矩控制的高性能型通用變頻器。

采用變頻器調速負載運行時，如果不充分認識以上所說的負載特性而去選擇變頻器和電機，會發生電機過熱等不良情況。

1.2 變頻器容量的選擇

根據GB 12668-90《交流電動機半導體變頻調速裝置總技術條件》附錄A，380 V、160 kW以下單臺電機與裝置間容量的匹配見表1。

變頻器容量的選擇由很多因素決定，如電機的容量、額定電流、電機的加/減速時間等，其中最主要的是電機的額定電流。

表1 380 V、160 kW以下單臺電機與裝置間容量的匹配(參考件)

對于連續運轉的變頻器必須滿足表2所示的要求。

表2 變頻器容量選擇(單臺電動機)

表中:PM——負載要求的電機軸輸出;

η——電機效率(通常約 0.85);

cos φ——電機功率因數(通常約 0.75);

UE——電機額定電壓;

IE——電機額定電流;

K——電流波形補償系數(PWM方式取1.05 ～1.10)。

但變頻器同時驅動多臺電機時，一定要保證變頻器額定輸出電流大于所有電機額定電流之和(見表3)。

變頻器容量的選擇實際是根據負載實際電流選擇。對于一般負載，可以根據電機的額定電流選擇變頻器，即變頻器額定電流(即常規環境下的最大持續工作電流)大于電機額定電流即可。

表3 變頻器容量選擇(多臺電動機)

表中:PM——負載要求的電機軸輸出;

Pel——連續容量;

NT——并列電機臺數;

KS——電機起動電流/電機額定電流;

η——電機效率(通常約0.85);

IE——電機額定電流;

cos φ——電機功率因數;

K——電流波形補償系數(PWM方式取1.05 ～1.10);

NS——電機同時起動的臺數。

由于必須要考慮極限狀況的出現，因此變頻器還需要可以提供短時間的過載電流。變頻器有一條過載電流曲線，是反時限曲線，描述了過載電流和時間的關系。這就是變頻器廠商經常說的過載能力可以達到150%額定電流2 s、180%額定電流2 s的說法，實際上是一條曲線。因此，只要電機的電流曲線在變頻器的過載電流曲線之內，就是正確的選型。這就是為什么有時候變頻器功率要大于電機功率1檔或2檔(比如起重應用)，有時候小功率變頻器仍然可以驅動大功率電機(如輸送帶)的原因。在非正常環境下，比如高海拔、高環境溫度(例如大于50℃小于60℃的環境)、并排安裝方式(有些變頻器并排安裝不降容，有些要降容，根據變頻器設計決定)等情況下，要考慮變頻器的降容。變頻器的額定功率可能大于電機功率，也可小于電機功率，事實上變頻器的選型也是由機械負載決定的。

2 變頻器外圍設備的選擇

變頻器的外圍設備又叫配套設備、選用設備。它在變頻器的工作中起著舉足輕重的作用，影響變頻系統能否正確、合理的運行，所以必須要合理選擇變頻器的外圍設備。

變頻器的外圍設備分為常規設備和專用設備，如圖2所示。外圍設備可以根據實際需要選擇，但斷路器、電機是必備的。

圖2 變頻器的外圍設備

2.1 斷路器QF

選擇方法:(1)在沒有工頻電源切換電路時，由于在變頻調速系統中，電機的起動電流可控制在較小范圍內，因此，斷路器的額定電流可按變頻器的額定電流來選用，即IQe(低壓斷路器的額定電流)≥IN。(2)如果有工頻電源切換電路，變頻器停止工作時，斷路器直接接電機，所以斷路器的額定電流應按電機的起動電流來進行選擇。公式如下:

式中:IQe——斷路器額定電流;

Ie——電機額定電流。

2.2 輸入側接觸器KM1

其功能有兩點，一是電源一旦斷電后，自動將變頻器與電源脫開，以免重新供電時變頻器自行工作;二是變頻器因故障而跳閘時，可通過接觸器使變頻器與電源脫開。由于接觸器本身沒有保護功能(只有失壓保護)，不存在誤動作問題，因此可以按稍大于變頻器的額定電流來選擇，即

式中:IKe——接觸器額定電流;

IN——變頻器額定電流。

使用時注意:不能使用輸入側的接觸器來控制變頻器的起停。

2.3 電機側KM2與工頻切換用接觸器KM3

變頻器與工頻電源之間的切換運行是互鎖的，可以防止變頻器的輸出端接到工頻電源，因為一旦出現變頻器輸出端誤接到工頻電源，將會損壞變頻器。KM2選用原則同KM1，KM3按電機額定電流來選擇。

2.4 熱繼電器FR

變頻器內部都具有電子熱敏保護功能，不需要熱繼電器保護電機，但遇到下列情形時，應考慮使用:

(1)1臺變頻器控制多臺電機;

(2)10 Hz以下或60 Hz以上連續運行;

(3)變頻器有工頻切換。

選用原則是

使用時應注意:如果導線過長，由于高次諧波的作用，熱繼電器會誤動作。此情況下應該在變頻器與電機之間串接交流電抗器或用電流傳感器代替熱繼電器。50 Hz時設定值為電機額定值的1.0 倍，60 Hz時為1.1 倍。

2.5 輸入輸出電抗器ACL1與ACL2

ACL1用于抑制變頻器輸人側諧波電流，改善電源側功率因數，ACL2用于改善變頻器輸出電流的波形，減少電機的噪聲，一般也應使用。由于電抗器是長期接入電路的，故導線截面應足夠大，允許長時間流過變頻器的額定電流。電抗器電感量以基波電流流經電抗器時的電壓降不大于額定電壓的3%為宜。在下列場合考慮配套使用:

(1)供電變壓器容量大于500 kVA或10倍變頻器的容量，并且安裝距離小于10 m的場合;

(2)三相電源不平衡率大于3%的場合;

(3)需要改變變頻器功率因數的場合(用電抗器可提高到0.75 ～0.85)。

電抗器的容量一般可按下式計算:

式中:U——額定電壓;

I——額定電流;

f——最大頻率。

2.6 噪聲干擾濾波器FL-Z、FL-T

FL的作用一是限制變頻器高次諧波對外界的干擾，二是減少周圍供用電設備對變頻器的不利影響。其選擇視具體工作環境而定。

2.7 直流電抗器

當電網三相電壓不平衡率大于3%時，為保護變頻器不受過大電流峰值的作用而損壞，還必須在變頻器直流側串一只電流電抗器，可以有效改善變頻器的功率因數，可提高到約0.95，直流電抗器的大小可按照各個廠家變頻器說明書提供的數據來選擇。

2.8 制動電阻

對于提升負載、頻繁起動及快速制動的場合，需要配置制動電阻。這樣可以將電機在負載下降及制動過程中產生的電能通過制動電阻或制動單元消耗掉。

對于7.5 kW及以下的小容量變頻器，一般在其制動單元隨機出廠裝有制動電阻;對于大于7.5 kW以上的變頻器，則必須通過計算，選擇合適的制動電阻。

2.8.1 制動電阻阻值的選擇

當通過制動電阻的電流等于電機額定電流的50%時，所得到的制動轉矩約等于電機額定轉矩，用公式表達如下:

式中:IB——通過制動電阻的電流;

UDH——直流電壓上限值;

RB——制動電阻的阻值;

Ied——電機額定電流;

TB——制動轉矩;

Ted——電機額定轉矩。

通常 TB=(0.8 ～2.0)Ted，所以制動電阻的取值范圍為

可見，制動電阻的取值并不是很嚴格。

2.8.2 制動電阻容量的選擇

當制動電阻接入電路時，它消耗的功率為

式中:PBO——制動電阻消耗的功率。

由于制動電阻是斷續工作的，可按下式修正:

式中:α——修正系數。

當 Ped≤18.5 kW 時，α =0.11 ～0.3;當 Ped≥22 kW 時，α =0.25 ～0.4。

選用時，還應根據生產機械的具體情況進行調整。

3 結語

根據變頻器的原理選擇好變頻器與外圍設備，才能保證變頻調速系統的正確、合理運行。學會選擇對使用者來說顯得尤為重要。

[1]GB12668-90交流電動機半導體變頻調速裝置總技術條件[S].

[2]曾毅，張明，孫曉軍.變頻調速控制系統的設計與維護[M].濟南:山東科學技術出版社，1999.

[3]梁昊.最新變頻器國家強制性標準實施與技術選型使用技術手冊[M].天津:天津電子出版社，2005.