变频器外围设备选择指南

变频器的运行离不开某些外围设备。这些外围设备通常都是选购件。选用外围设备常是为了下述目的：①提高变频器的某种性能；②变频器和电动机的保护；③减小变频器对其他设备的影响等。

1.变频器外围设备的种类与用途 变频器的外围设备如图3-30所示，下面分别说明用途与注意事项等。

图3-30 变频器的外围设备

T—电源变压器 QF—电源侧断路器 1KM—电源侧电磁接触器 FIL—无线电噪声滤波器 1ACL—电源侧交流电抗器 R—制动电阻 2KM—电动机侧电磁接触器 3KM—工频电网切换用接触器 2ACL—电动机侧交流电抗器

（1）电源变压器T：电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，例如200V量级或400V量级等。由2.5节知，变频器的输入电流含有一定量的高次谐波，使电源侧的功率因数降低，若再考虑变频器的运行效率，则变压器的容量常按下式考虑：

其中，变频器功率因数在有输入交流电抗器1ACL时取0.8～0.85，无输入电抗器1ACL时则取0.6～0.8。变频器效率可取0.95，变频器输出功率应为所接电动机的总功率。

变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值，常按经验取变频器容量的130%左右。

通用变频器均不采用电压源变压器。而利用PWM技术，将输出电压调节至电网电压，这样降低成本。

（2）电源侧断路器QF：用于电源回路的开闭，并且在出现过流或短路事故时自动切断电源，以防事故扩大。如果需要进行接地保护，也可以采用漏电保护式断路器。使用变频器无例外地都应采用QF。

（3）电磁接触器1KM：用于电源的开闭，在变频器保护功能起作用时，切断电源。对于电网停电后的复电，可以防止自动再投入以保护设备的安全及人身安全。

（4）无线电噪声滤波器FIL：用于限制变频器因高次谐波对外界的干扰，可酌情选用。

（5）交流电抗器1ACL和2ACL：1ACL用于抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数。选用与否视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网电压允许的畸变程度而定。一般情况以采用为好。2ACL用于改善变频器输出电流的波形，减低电动机的噪声。

（6）制动电阻单元R：用于吸收电动机再生制动的再生电能，可以缩短大惯量负载的自由停车时间；还可以在位能负载下放时，实现电动机的再生运行。电动机再生，系统能耗。

（7）电磁接触器2KM和3KM：用于变频器和工频电网之间的切换运行。在这种方式下2KM是必不可少的，它和3KM之间的联锁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。如果不需要变频器—工频电网的切换功能，可以不要2KM。注意，有些机种要求2KM只能在电动机和变频器停机状态下进行通断。

2.制动电阻的计算 在异步电动机因设定频率突降而减速时，如果轴转速高于由频率所决定的同步转速，则异步电动机处于再生发电运行状态。运动系统中所存储的动能经逆变器回馈到直流侧，中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。如果回馈能量较大，则有可能使变频器的过电压保护功能动作。利用制动电阻可以耗散这部分能量，使电动机的制动能力提高。其原理如图2-39所示，为系统能耗制动。制动电阻的选择，包括制动电阻的阻值及容量的计算，可按如下步骤进行。

（1）制动转矩的计算：制动转矩T_B（N·m）可由下式算出：

式中 GD²_M——电动机的GD²（N·m²）；

GD²_L——负载折算到电动机轴上的GD²（N·m²）；

T_L——负载转矩（N·m）；

n₁——减速开始速度（r/min）；

n₂——减速完了速度（r/min）；

t_s——减速时间（s）。

（2）制动电阻阻值的计算：在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分，折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。考虑到这一点，可用下式计算制动电阻的值（Ω）：

式中 U_C——直流回路电压（V）；

T_B——制动转矩（N·m）；

T_M——电动机额定转矩（N·m）；

n₁——开始减速时的速度（r/min）。如果系统所需制动转矩T_B<0.2T_M，即制动转矩在额定转矩的20%以下时，则不需要另外的制动电阻，仅电动机内部的有功损耗的作用，就可使中间直流回路电压限制在过压保护的动作水平以下。

由制动晶体管和制动电阻构成的放电回路中，其最大电流受制动晶体管的最大允许电流I_C的限制。制动电阻的最小允许值R_min（Ω）为

式中 U_C——直流回路电压（V）。

因此，选用的制动电阻R_B应按

R_min<R_B<R_BO（3-26）的关系来决定。

变频器的制动电阻的最小允许值视其容量不同而不同。一个具体例子见表3-27。(www.xing528.com)

表3-27 允许的最小制动电阻（例）

（续）

①单台制动单元所允许的最小制动电阻。如果需要可以采用多台制动单元并联。

（3）制动时平均消耗功率的计算：如前所述，制动中电动机自身损耗的功率相当于20%额定值的制动转矩，因此制动电阻器上消耗的平均功率P_ro（kW）可以按下式求出：

（4）电阻器额定功率的计算：视电动机是否重复减速，制动电阻器额定功率的选择是不同的。图3-31所示为电动机减速模式。当非重复减速时，如图3-31b所示，制动电阻的间歇时间（T-t_s）>600s。通常采用连续工作制电阻器，当间歇制动时，电阻器的允许功率将增加。允许功率增加系数m与减速时间的关系如图3-32b所示。重复减速情况下，允许功率增加系数m和制动电阻使用率D=t_s/T之间的关系曲线如图3-32a所示。D=t_s/T，意义如图3-32a所示。

图3-31 减速模式

a）重复减速 b）非重复减速

根据电动机运行的模式，可以确定制动时的平均消耗功率和电阻器的允许功率增加系数，据此可以按下式求出制动电阻器的额定功率P_r（kW）：

图3-32 制动电阻允许功率增加系数

a）重复减速情况 b）非重复减速情况

根据如上计算得到的R_BO和P_r，可在市场上选择合乎要求的标准电阻器。

【例3-1】作为一个例子，制动电阻的选择步骤如下：

设所选电动机为45kW，额定转矩T_M=238.75N·m，电压=440V，极数=4，飞轮力矩GD²_M=12.74N·m²；负载：速度范围1800～0r/min，GD²_L=98N·m²，负载静阻转矩T_L=4.9N·m；重复减速：T=100s，t_s=3s，制动电阻使用率D=t_s/T=3/100=0.03。

制动电阻的计算：

（1）制动转矩

（2）制动电阻

其中，直流电压U_C，对于200V级变频器，取U_C=380V；400V级取U_C=760V。

上述电动机和变频器符合于表3-27中最末一行。根据表中数据，按R_min＜R_B＜R_BO关系表示为

12.8Ω<R_B＜24.6Ω选择条件1

（3）制动中的平均消耗功率

（4）制动电阻额定功率

根据D=0.03，由图3-32a，查得m=2.6。所以

选择条件2

由以上计算选择的制动电阻器如下：

即选8只8Ω、600W电阻。4个串成一组，两组再并联起来。

对于外围设备的选择，涉及的问题较多。如果需要，应具体地针对某种特定的变频器，根据其说明书尽量选用厂家推荐的外围设备。