变频器与外围设备的选择

刘平凡

(珠海长陆工业自动控制系统有限公司长沙技术中心，湖南长沙 410009)

0 引言

变频器已广泛应用于交流电机的控制中，其具有高效率的性能、良好的控制特性，且变频器的应用可节约大量能源，故其在生产中的应用越来越广泛。如何选择合适的变频器及其外围设备，是保证变频器能否正常工作的首要任务。本文就变频器选型及外围设备的选择方法予以介绍。

1 变频器的选择

1.1 变频器类型的选择

变频器的类型应根据负载的要求来选择。一般来说，生产机械根据其特性可分为恒功率负载、恒转矩负载和平方率负载。

电机的功率与负载转矩和转速的积成比例:

式中:P——功率;

τ—— 转矩;

ω—— 角速度;

T—— 转矩;

n—— 转速。

转矩T与转速n的关系如图1所示，表示常见的不同负载机械特性。图1中恒功率负载(例如车床)由于没有恒功率特性的变频器，可以依靠U/f控制方式来实现恒功率。

图1 不同负载的机械特性

图1 中恒转矩负载(例如传送带)，采用普通功能性变频器，常采用加大电机和变频器容量的办法，以提高低速转矩;如采用具有转矩控制功能的高功能变频器来实现，则更理想。

图1中平方率负载(例如风机、水泵)，由于负载转矩与转速的平方成正比，低速时负载转矩较小，通常可选用专用或普通功能型通用变频器。

对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械，应采用矢量控制或直接转矩控制的高性能型通用变频器。

采用变频器调速负载运行时，如果不充分认识以上所说的负载特性而去选择变频器和电机，会发生电机过热等不良情况。

1.2 变频器容量的选择

根据GB 12668-90《交流电动机半导体变频调速装置总技术条件》附录A，380 V、160 kW以下单台电机与装置间容量的匹配见表1。

变频器容量的选择由很多因素决定，如电机的容量、额定电流、电机的加/减速时间等，其中最主要的是电机的额定电流。

表1 380 V、160 kW以下单台电机与装置间容量的匹配(参考件)

对于连续运转的变频器必须满足表2所示的要求。

表2 变频器容量选择(单台电动机)

表中:PM——负载要求的电机轴输出;

η——电机效率(通常约 0.85);

cos φ——电机功率因数(通常约 0.75);

UE——电机额定电压;

IE——电机额定电流;

K——电流波形补偿系数(PWM方式取1.05 ～1.10)。

但变频器同时驱动多台电机时，一定要保证变频器额定输出电流大于所有电机额定电流之和(见表3)。

变频器容量的选择实际是根据负载实际电流选择。对于一般负载，可以根据电机的额定电流选择变频器，即变频器额定电流(即常规环境下的最大持续工作电流)大于电机额定电流即可。

表3 变频器容量选择(多台电动机)

表中:PM——负载要求的电机轴输出;

Pel——连续容量;

NT——并列电机台数;

KS——电机起动电流/电机额定电流;

η——电机效率(通常约0.85);

IE——电机额定电流;

cos φ——电机功率因数;

K——电流波形补偿系数(PWM方式取1.05 ～1.10);

NS——电机同时起动的台数。

由于必须要考虑极限状况的出现，因此变频器还需要可以提供短时间的过载电流。变频器有一条过载电流曲线，是反时限曲线，描述了过载电流和时间的关系。这就是变频器厂商经常说的过载能力可以达到150%额定电流2 s、180%额定电流2 s的说法，实际上是一条曲线。因此，只要电机的电流曲线在变频器的过载电流曲线之内，就是正确的选型。这就是为什么有时候变频器功率要大于电机功率1档或2档(比如起重应用)，有时候小功率变频器仍然可以驱动大功率电机(如输送带)的原因。在非正常环境下，比如高海拔、高环境温度(例如大于50℃小于60℃的环境)、并排安装方式(有些变频器并排安装不降容，有些要降容，根据变频器设计决定)等情况下，要考虑变频器的降容。变频器的额定功率可能大于电机功率，也可小于电机功率，事实上变频器的选型也是由机械负载决定的。

2 变频器外围设备的选择

变频器的外围设备又叫配套设备、选用设备。它在变频器的工作中起着举足轻重的作用，影响变频系统能否正确、合理的运行，所以必须要合理选择变频器的外围设备。

变频器的外围设备分为常规设备和专用设备，如图2所示。外围设备可以根据实际需要选择，但断路器、电机是必备的。

图2 变频器的外围设备

2.1 断路器QF

选择方法:(1)在没有工频电源切换电路时，由于在变频调速系统中，电机的起动电流可控制在较小范围内，因此，断路器的额定电流可按变频器的额定电流来选用，即IQe(低压断路器的额定电流)≥IN。(2)如果有工频电源切换电路，变频器停止工作时，断路器直接接电机，所以断路器的额定电流应按电机的起动电流来进行选择。公式如下:

式中:IQe——断路器额定电流;

Ie——电机额定电流。

2.2 输入侧接触器KM1

其功能有两点，一是电源一旦断电后，自动将变频器与电源脱开，以免重新供电时变频器自行工作;二是变频器因故障而跳闸时，可通过接触器使变频器与电源脱开。由于接触器本身没有保护功能(只有失压保护)，不存在误动作问题，因此可以按稍大于变频器的额定电流来选择，即

式中:IKe——接触器额定电流;

IN——变频器额定电流。

使用时注意:不能使用输入侧的接触器来控制变频器的起停。

2.3 电机侧KM2与工频切换用接触器KM3

变频器与工频电源之间的切换运行是互锁的，可以防止变频器的输出端接到工频电源，因为一旦出现变频器输出端误接到工频电源，将会损坏变频器。KM2选用原则同KM1，KM3按电机额定电流来选择。

2.4 热继电器FR

变频器内部都具有电子热敏保护功能，不需要热继电器保护电机，但遇到下列情形时，应考虑使用:

(1)1台变频器控制多台电机;

(2)10 Hz以下或60 Hz以上连续运行;

(3)变频器有工频切换。

选用原则是

使用时应注意:如果导线过长，由于高次谐波的作用，热继电器会误动作。此情况下应该在变频器与电机之间串接交流电抗器或用电流传感器代替热继电器。50 Hz时设定值为电机额定值的1.0 倍，60 Hz时为1.1 倍。

2.5 输入输出电抗器ACL1与ACL2

ACL1用于抑制变频器输人侧谐波电流，改善电源侧功率因数，ACL2用于改善变频器输出电流的波形，减少电机的噪声，一般也应使用。由于电抗器是长期接入电路的，故导线截面应足够大，允许长时间流过变频器的额定电流。电抗器电感量以基波电流流经电抗器时的电压降不大于额定电压的3%为宜。在下列场合考虑配套使用:

(1)供电变压器容量大于500 kVA或10倍变频器的容量，并且安装距离小于10 m的场合;

(2)三相电源不平衡率大于3%的场合;

(3)需要改变变频器功率因数的场合(用电抗器可提高到0.75 ～0.85)。

电抗器的容量一般可按下式计算:

式中:U——额定电压;

I——额定电流;

f——最大频率。

2.6 噪声干扰滤波器FL-Z、FL-T

FL的作用一是限制变频器高次谐波对外界的干扰，二是减少周围供用电设备对变频器的不利影响。其选择视具体工作环境而定。

2.7 直流电抗器

当电网三相电压不平衡率大于3%时，为保护变频器不受过大电流峰值的作用而损坏，还必须在变频器直流侧串一只电流电抗器，可以有效改善变频器的功率因数，可提高到约0.95，直流电抗器的大小可按照各个厂家变频器说明书提供的数据来选择。

2.8 制动电阻

对于提升负载、频繁起动及快速制动的场合，需要配置制动电阻。这样可以将电机在负载下降及制动过程中产生的电能通过制动电阻或制动单元消耗掉。

对于7.5 kW及以下的小容量变频器，一般在其制动单元随机出厂装有制动电阻;对于大于7.5 kW以上的变频器，则必须通过计算，选择合适的制动电阻。

2.8.1 制动电阻阻值的选择

当通过制动电阻的电流等于电机额定电流的50%时，所得到的制动转矩约等于电机额定转矩，用公式表达如下:

式中:IB——通过制动电阻的电流;

UDH——直流电压上限值;

RB——制动电阻的阻值;

Ied——电机额定电流;

TB——制动转矩;

Ted——电机额定转矩。

通常 TB=(0.8 ～2.0)Ted，所以制动电阻的取值范围为

可见，制动电阻的取值并不是很严格。

2.8.2 制动电阻容量的选择

当制动电阻接入电路时，它消耗的功率为

式中:PBO——制动电阻消耗的功率。

由于制动电阻是断续工作的，可按下式修正:

式中:α——修正系数。

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

选用时，还应根据生产机械的具体情况进行调整。

3 结语

根据变频器的原理选择好变频器与外围设备，才能保证变频调速系统的正确、合理运行。学会选择对使用者来说显得尤为重要。

[1]GB12668-90交流电动机半导体变频调速装置总技术条件[S].

[2]曾毅，张明，孙晓军.变频调速控制系统的设计与维护[M].济南:山东科学技术出版社，1999.

[3]梁昊.最新变频器国家强制性标准实施与技术选型使用技术手册[M].天津:天津电子出版社，2005.