Z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej przemienniki częstotliwości zawierają dwa podstawowe obwody, które należy odrębnie rozpatrywać. Jeden
z nich to obwód prostownika, drugi falownika z zasilanym silnikiem. Zwarcie, występujące na wyjściu prostownika, jest wyłączane przez zabezpieczenia
na wejściu jego zasilania sieciowego. Zwarcie powinno być wyłączone tak szybko , aby nie dopuścić do uszkodzenia diod prostowniczych i przewodów zasilających.
Napięcie dotykowe na częściach przewodzących dostępnych, zwłaszcza na obudowie przemiennika, nie powinno przekroczyć wartości napięcia bezpiecznego
w warunkach eksploatacji przemiennika.
W celu uniknięcia uszkodzeń przewodów zasilających w zaciskach prostownika, w przypadku zwłoki w wyłączeniu zwarcia, w jego obwodzie należy stosować
przewody o przekrojach większych od wynikających z obciążenia prądowego. Do eliminacji niebezpiecznych napięć dotykowych wskazane jest stosowanie połączeń
wyrównawczych. W przemienniku częstotliwości falownik jest zasilany z prostownika napięciem prądu stałego przez indukcyjność dławika wygładzającego o znacznej wartości oraz z baterii kondensatorów o dużej pojemności. Obwody falownika mają niewielką indukcyjność, co powoduje, że prądy rozładowania kondensatorów w przypadku ich zwarcia osiągają duże wartości. Stwarza to niebezpieczeństwo uszkodzenia tyrystorów GTO i IGBT tworzących falownik. W celu zabezpieczenia tyrystorów konieczne jest zatem stosowanie super szybko działających układów elektronicznych.
W czasie przekształcania energii elektrycznej mogą występować przetężenia zarówno w czasie normalnych stanów pracy przemiennika, jak i w przypadku jego
uszkodzeń. Dlatego stosuje się zabezpieczenia przed skutkami zwarć każdego stopnia przekształcania energii i na jego wyjściu również przed skutkami zwarć z uziemioną
obudową (zwarć doziemnych).
Filtr LC umieszczony między prostownikiem i falownikiem powoduje, że prądy zwarciowe wewnętrzne, zewnętrzne i doziemne w prostowniku i w falowniku
mają różny charakter. Trzeba więc przy doborze zabezpieczeń rozpatrywać osobno przebiegi prądowe, które mogą wystąpić przy zwarciach między przewodami roboczymi
i między nimi i uziemionym przewodem ochronnym PE w obwodach:
- wejściowym i wyjściowym prostownika,
- na wyjściu filtra LC,
- w falowniku i na jego wyjściu,
- w obwodach sterowania i regulacji.
Ze względu na możliwość występowania przetężeń w czasie normalnej pracy przemienniki wyposażane są w układy ograniczające prąd ładowania kondensatorów,
działające po ich załączeniu, po zaniku i powrocie napięcia zasilającego oraz w układy ograniczające prąd w razie skokowej zmiany obciążenia albo prędkości
obrotowej silnika, czy maszyny napędzanej.
Super szybkie bezpieczniki gR instalowane na wejściu przemiennika służą również do ochrony przeciwporażeniowej. Przemienniki częstotliwości mogą być wyposażane w zabezpieczenia zwarciowe, przeciążeniowe i ziemnozwarciowe przez producenta lub w czasie instalacji. Zabezpieczenia nadmiarowoprądowe i zwarciowe w obwodzie zasilającym chronią zarówno przemiennik, jak i obwód zasilający przed pożarem w przypadku zwarć wewnątrz lub na zewnątrz przemiennika.
Zabezpieczenia nadprądowe instalowane w przemiennikach częstotliwości, np. bezpieczniki topikowe, wyłączniki instalacyjne, zabezpieczenia elektroniczne,
zapobiegają skutkom zwarć wewnętrznych w przypadku uszkodzenia jego części składowych – tyrystorów, tranzystorów, diod.
Jako ochrona przy uszkodzeniu stosowane są w zależności od rodzaju sieci: uziemienie ochronne, w przypadku zwarcia doziemnego obudowy z uziemionym
przewodem ochronnym PE samoczynne wyłączenie zasilania oraz ochronne połączenia wyrównawcze. Ochrona przeciwporażeniowa przemiennika częstotliwości w przypadku uszkodzenia polega na samoczynnym wyłączeniu zasilania w razie zwarcia części czynnej z obudową uziemioną lub połączoną z przewodem ochronnym PE. Jest ona środkiem ochrony stanowiącym kombinację:
- ochrony podstawowej realizowanej przez izolację podstawową części czynnych
- ochrony przy uszkodzeniu realizowanej przez połączenia wyrównawcze i samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku uszkodzenia.
Do wyłączenia napięcia zasilającego przeznaczone są: wyłączniki różnicowoprądowe, jako ochrona uzupełniająca, wyłączniki instalacyjne nadprądowe oraz
bezpieczniki topikowe włączone w pętlę zwarcia o małej impedancji. Pętlę zwarcia tworzą zewnętrzne zabezpieczenie zwarciowe, elementy elektroniczne przemiennika
(dioda prostownicza i tranzystor), przewód fazowy obwodu zasilającego, obudowa silnika, przewód ochronny PE, uzwojenie transformatora, przewód fazowy
obwodu zasilającego przemiennik częstotliwości. Jeżeli w przypadku zwarcia zadziałanie zabezpieczeń zwarciowych będzie opóźnione, to wszystkie elementy elektroniczne ulegają zniszczeniu pod wpływem prądu zwarciowego o wartości około 2×In.
Użycie wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych o prądzie różnicowym IΔ = 30 mA jest ograniczone nie tylko ze względu na niewielki ich prąd znamionowy
do ochrony niewielkich jednostek, ale również ze względu na ich wrażliwość na pojemnościowe prądy upływowe przewodów silnikowych i silników, które mają
zazwyczaj wartości około 100 mA, a w silnikach większych mocy mogą przekraczać nawet 500 mA.
Zabezpieczenia nadprądowe nie zawsze wyłączają zasilanie w wymaganym czasie. Czas wyłączenia zasilania w przypadku zwarcia doziemnego zależy przede
wszystkim od rezystancji przewodu ochronnego, która ma zasadniczy wpływ na impedancję powstałej pętli zwarcia i charakterystyki prądowo-czasowej zabezpieczenia.
Z charakterystyk pasmowych prądowo-czasowych wyłączników instalacyjnych wynika, że czas wyłączenia wyłącznika z charakterystyką prądowo-czasową „B”
mieści się w granicach 5 ms do 30 ms. Porównując charakterystyki pasmowe prądowoczasowe wyłączników instalacyjnych i super szybkich wkładek topikowych
typu gR lub aR zauważamy, że niezależnie od wartości prądu zwarcia zadziałanie tej wkładki topikowej nastąpi w czasie nie przekraczającym 1 ms, zaś wyłącznik
nadprądowy zadziała dopiero po czasie około 30 ms. Przedłużenie czasu przepływu prądu zwarciowego przez elementy elektroniczne przemiennika częstotliwości oraz
przez obudowy przewodzące przemiennika i silnika elektrycznego stanowi z jednej strony niebezpieczeństwo zniszczenia elementów elektronicznych, zaś z drugiej
strony niebezpieczeństwo przepływu przez ciało człowieka prądu rażeniowego powstałego pod wpływem napięcia dotykowego.
Wyłączniki nadprądowe są zatem za wolne do ochrony przemiennika częstotliwości przed skutkami wewnętrznych zwarć doziemnych i międzyfazowych.
Wkładki topikowe typu gR lub aR przepalą się, zgodnie z wymaganiami ochrony przeciwporażeniowej, w czasie do 0,4 s przy wartości prądu zwarciowego o natężeniu
1,6 do 1,7 jej prądu znamionowego, zaś w czasie 1ms przy wartości prądu zwarciowego w granicach 10In.
W układzie sieci TN przy braku uziemienia przewodzącej obudowy silnika napięcie dotykowe zależy od impedancji przewodu ochronnego PE. W przewodzie
tym zawsze płyną prądy doziemne, niekiedy o znacznych wartościach, wynikające z doziemnych pojemności pasożytniczych przewodów zasilających silnik elektryczny
z przemiennika częstotliwości i samego silnika. Przewód ochronny PE powinien mieć małą impedancję, umożliwiającą przepływ prądu zwarciowego o wartości powodującej
wyłączenie napięcia zasilającego w wymaganym czasie. Ponadto przewód ochronny musi mieć odpowiednio małą impedancję w stosunku do prądów
wysokiej częstotliwości, w granicach 3 do 16 kHz po to, aby w czasie normalnego stanu pracy przemiennika częstotliwości przepływ doziemnych prądów pojemnościowych
nie spowodował wzrostu napięcia dotykowego ponad dopuszczalną wartość. Z analizy napięcia fazowego wyjściowego przemiennika częstotliwości zasilającego
silnik napędowy wynika jego niesinusoidalny przebieg z dużą liczbą kształtujących je pojedynczych impulsów napięciowych. Wynika to ze stosowanej metody
kształtowania napięć wyjściowych falownika wykorzystującej modulację szerokości impulsów ( PWM ).
Impulsowe kształtowanie napięć fazowych powoduje przepływ prądów doziemnych o znacznych natężeniach i dużych częstotliwościach przez doziemne pojemności
pasożytnicze przewodu łączącego przemiennik z silnikiem elektrycznym i silnika. Im pojemności te są mniejsze, tym mniejsze prądy płyną w przewodzie
ochronnym przemiennika. Przyczyną powstawania tych prądów jest falownik. Prądy upływu wpływają różnymi drogami z powrotem do falownika. Obwody tych prądów zamykają się w falowniku przez filtry EMC – wejściowy i obwodu pośredniczącego. Gdy filtr EMC nie jest uziemiony, to droga prądu przebiega przez transformator i obwód
zasilający przemiennik. Część prądów doziemnych (upływowych) wpływa do falownika przez pojemności pasożytnicze – uziemionych radiatorów elementów
energoelektronicznych prostownika i falownika oraz uziemionych obudów baterii kondensatorów obwodu pośredniczącego. Pojemności te mają niewielkie wartości
rzędu nanofaradów i w przypadku większych przekrojów przewodów zasilających silniki elektryczne o większych mocach nie tworzą odpowiednich układów filtracji
prądów doziemnych z przewodu ochronnego PE do przemiennika częstotliwości.
Nowoczesne przewody przeznaczone do zasilania silników elektrycznych z przemienników częstotliwości charakteryzują niewielkie pojemności rzędu kilku do
kilkunastu [nF/km] w układzie żyła/żyła i od kilkudziesięciu do kilkuset [nF/km] w układzie żyła/ekran, co znacząco wpływa na polepszenie warunków EMC.