二 變頻器的配套設備及安裝技術
4 變頻器的配套設備
4.1 附加配套設備的作用
附加配套設備的布置見圖7。
圖7 變頻器附加配套設備的連接圖
其中，T—配電變壓器；
QF—斷路器，用于安全跳閘斷開電網；
KM—接觸器，用于日常操作通斷和電網掉電再來電時變頻器不發生自啟動；
FIL1—進線側無線電干擾抑制電抗器，用于減少變頻器對外界的無線電干擾；
1ACL—電源側交流電抗器，用于改善輸入電流波形、提高整流器和電解濾波電容壽命、減少不良輸入電流波形對外界電網的干擾、協調同一電源網上有晶閘管等變換器造成的波形影響、減少功率切換和三相不平衡的影響，因此也叫電源協調電抗器，在要求高的場合該電抗器便進一步改為較復雜的電力質量濾波單元；
DCL—直流電抗器，用于改善電容濾波(當前電壓型變頻調速器主要濾波方式是電容濾波)造成的輸入電流波形畸變和改善功率因數、減少和防止因沖擊電流造成整流橋損壞和電容過熱，當電源變壓器和輸電線(圖中的符號DLC應改為DCL)綜合內阻小時(變壓器容量大于電機容量10倍以上時)、電網瞬變頻繁時都需要使用直流電抗器。
BD—制動單元，當變頻器降低頻率使電機急劇減速、或重力負載使電機處于發電運行時，電機制動的反饋能量使變頻器直流母線電壓升高到一定程度就會開啟該制動單元，使能量消耗在制動電阻上；
DBR—制動電阻，消耗制動時電機能量的電阻；
2ACL—輸出側交流電抗器，變頻器輸出是脈沖寬度調制的電壓波(PWM波)它是前后沿很陡的一聯串脈沖方波，存在豐富的諧波，這些諧波有害于電機和負載的壽命(典型的是電機繞阻匝間瞬變電壓dv/dt過高，造成匝間擊穿)，以及對周圍電器干擾；當負載端電容分量大時，造成變頻器的開關器件流過大的沖擊電流，會損壞開關器件。使用輸出側交流電抗器可進行平滑濾波，減少瞬變電壓dv/dt的影響，并求得以下的改善：
降低了電機的噪音；降低了輸出高次諧波造成的漏電流；減少了干擾；保護了變頻器內部的功率開關器件。延長了電機的絕緣壽命。
FIL2—輸出側無線電干擾抑制電抗器，對輸出布線距離>20m時尤其需安裝；
JR—熱過載繼電器，用于防止長時間過電流造成電機損壞。
4.2 附加配套設備的選用
(1) 斷路器(QF)的后面可以接一臺或多臺變頻器及其它負載，當變頻器或其它負載因過電流故障時，可自動切斷電源供電，防止事故擴大。當電網掉電時防止再來電自動接通的不安全，以及在維修時安全切斷電源，斷路器可以使用普通空氣開關或高靈敏切斷的斷路器，視需要而定，選用時總通過電流應大于負載總電流1.5倍以上。
(2) 接觸器(KM)用于所控變頻器日常操作通斷，和電網掉電再來電時防止變頻器自動啟動，選用時額定電流也要大于變頻器輸出電流1.5倍以上。
(3) 無線電干擾抑制電抗器(FIL1、FIL2)因為變頻器輸出的是PWM(脈寬調制)波，包含了大量的高次諧波，諧波高頻分量處于射頻范圍，變頻器通過電源線和輸出線向外發射無線電干擾。又由于變頻器接在電網上，電網上各種干擾和瞬變浪涌也可干擾到變頻器的控制回路敏感部分發生誤動作，因此設置了無線電干擾抑制電抗器。它是使用三根進線(對單相是兩根進線)，同方向在鐵心或鐵氧磁芯上繞制的電感，因三相三根線的正弦交流電瞬時值之和為零(單相正弦交流電兩進線電流瞬時值也為零)，因此對正常供電，該電抗器不起作用，而對于共模電壓(即在進線上出現的、瞬時值不能被抵消的干擾電壓)該電抗器起到阻擋作用，抑制了共模干擾，起到良好的抑制無線電干擾使用。抑制的頻段一般在10MHz以下，因此電感量不必大，通常控制在2~33mH左右，是在一個閉合磁路上穿過或繞上幾匝導線而制成。無線電干擾抑制電抗器的連接如圖8，對小容量變頻器因電流較小，它是在同一磁芯上，三相線同方向繞幾匝。對大容量變頻器，因電流大、導線不好彎，則用多個磁芯，讓三根導線同時穿過磁芯中孔而構成電抗器。
圖8 無線電干擾抑制電抗器的安置
(4) 電源側交流電抗器(1ACL)
電壓型通用變頻器電網電壓交流轉變為直流經整流后都經電容濾波，電容器的使用使輸入電流呈尖峰脈沖狀，當電網阻抗小時，這種尖峰脈沖電流極大(見圖9)，造成很大的諧波干擾，并使變頻器整流橋和電容器容易損壞。當變壓器容量大于變頻器容量10倍以上，電網配電變壓器和輸電線的內阻不能阻止尖峰脈沖電流時，當同一電源上有晶閘管設備或開關方式控制功率因數補償裝置時，三相電源不平衡度大于3%時，都要對輸入側功率因數作提高和抑制干擾，都需使用電源側交流電抗器。
圖9 電容濾波輸入側電壓和電流波形
圖9中：In1:電網阻抗小時;
In2:電網阻抗大時。
一般而言，電壓源逆變器、電源側交流電抗器的電感量，采用3%阻抗即可防止突變電壓造成接觸器跳閘，使總諧波電流畸變下降到原先的44%左右。實際使用中為了節省費用，常采用2%阻抗的電感量，但這對環保而言是不好的。比較好的場合應使用4%阻抗或更大的電抗器。一般常選用2~4%的壓降阻抗，這個百分數是對相電壓而言，即:
其中:ΔU—電壓降落;
UP—相電壓;
UN—線電壓。
三相時，輸入側交流電抗器電感值：
其中:ILmax—電感流過的最大電流。
例如:對380V、90kW、50Hz、170A的變頻器，需要配置輸入側交流電抗器的電感量為：
取：0.082～0.164mH，可以選擇能長期能通170A電流，電感值在0.123mH左右的電抗器即可。
對于使用者，需考慮電感值和電流值兩方面，電流值一定要大于等于額定值，電感值略有大小問題不大，偏大有利于減少諧波，但電壓降落會超過3%，使用者還要考慮電源內部阻抗，電源變壓器功率大于10倍變頻器功率，而且線路很短的場合，電源內阻小，不僅需要使用輸入側交流電抗器，而且要選擇較大的電感值，例如選用4～5%阻抗的電感量。
(5) 直流電抗器(DCL)
直流電抗器接在濾波電容前，它阻止進入電容的整流后沖擊電流的幅值，并改善功率因數、降低母線交流脈動。直流電抗器在變頻器功率大于22kW時建議都要采用，當變頻器功率越大，越應該使用，因為沒有直流電抗器時，變頻器的電容濾波會造成電流波形嚴重畸變和進而使電網電壓波形嚴重畸變，而且非常有害于變頻器的整流橋和濾波電容壽命。
直流電抗器的電感值的選擇一般為同樣變頻器輸入側交流電抗器3%阻抗電感量的2~3倍，最少要1.7倍，
即 
例：對三相380V 90kW變頻器所配直流電抗器計算(參見上例)：
取0.25mH,能長期通電170A即可(查使用手冊為0.2mH)。
(6) 輸出側交流電抗器(2ACL)
變頻器的輸出是經PWM調制的電壓波，由于電動機繞組的電感性質能使電流連續，因此電流基本上是正弦形的，脈沖寬度調制(PWM)有著陡峭的電壓上升和下降的前后沿，即dv/dt很大，使得輸出引線向外界發射含量極大的電磁干擾，并且在引出線對地、電機繞組匝間、繞組對地間都產生很大的脈沖電流，圖10表示SPWM電壓，電流的波形。
圖10 調制波形
為了減輕變頻器輸出dv/dt對外界的干擾，降低輸出波形畸變，達到環保標準，減少對電機繞組的電壓沖擊造成絕緣損壞，降低電機的溫升和噪音，避免在變頻器輸出功率管上因dv/dt和流過過大的脈沖沖擊電流使功率管損壞，以及降低負載短路造成對變頻器的損傷，有必要在變頻器輸端增設交流電抗器。
值得指出的是脈沖電壓通過長的輸電線時，由于長線上波的反射疊加使得在長線(即變頻器輸出導線)超過臨界長度后，電壓有可能達到直流母線(變頻器內直流母線)電壓的2倍。因此變頻器輸出線長度受到了限制，為解除這種限制，必須接入輸出側交流電抗器。接入后，送到電機等負載上的波形就接近正弦電壓波形了。
但實際使用中，只要負載是電感性的，電抗器可采用1%阻抗或更低一些都是可行的，這是因為，PWM調制頻率遠高于基波頻率，已經相當于>(40-100)次諧波的范圍，因此，輸出側交流電抗器電感量：
例如：380V、90kW、50Hz、170A變頻器的輸出側交流電抗器的選用：
取:電感值在0.041mH左右,能長期能通170A電流的電抗器即可。
輸出側交流電抗器的電感接法有一定講究，繞制在磁芯上的導線頭尾的位置關系到電感向外發射干擾能量的大小程度。圖11所示，繞組頭1在里層，尾2在外層，因此1接變頻的輸出2接負載電機較好，這樣，變頻器輸出端的強干擾被外層屏蔽，減少干擾向外發射。
圖11 輸出側交流電抗器斷面結構
輸出側交流電抗器其抑制頻率在較高頻率范圍，因此，使用鐵氧體磁芯，以減少損耗，但體積較大。在有變壓器插入于變頻器與負載之間的使用條件下，變壓器輸入繞組的漏抗和變壓器損耗大大削弱了調制波，起到了輸出側電抗器的作用，因此有利于輸出到負載電機的波形濾波平滑，此時往往有了輸出側變壓器就可以省略輸出側交流電抗器。
(7) 制動單元和制動電阻(BD和DBR)
小功率制動單元一般在變頻器內部，外部只接制動電阻。大功率的制動單元由外接的制動單元接到變頻器母線上，當電機制動時，電機的電能反饋回母線，使母線電壓升高，升高到一定值時，開通制動單元的開關管，用制動電阻消耗母線上一部分電能，維持母線電壓不繼續往上升高，使電機能量消耗在制動電阻上，從而獲得制動力矩。制動單元的導線長度一般不大于5m，接到變頻器的直流母線(P+、N端)要使用雙絞線或密著平行線，其目的是減少電感，導線的截面應不小于電機輸電線的1/2～1/4。
制動電阻的阻值不是隨便選用的，它有一定范圍。太大了，制動不迅速，太小了制動用開關元件很容易燒毀。
[NextPage]
一般當負載慣量不太大時，認為電機制動時最大有70%能量消耗于制動電阻，30%的能量消耗于電機本身及負載的各種損耗上，此時
其中:P—電機功率(kW);
UC—制動時母線上的電壓(V);
R—制動電阻（Ω）。
一般對三相380V時，UC≈700V; 單相220V時，UC≈390V;這樣三相380V時制動電阻阻值:
單相220v時制動電阻阻值:
低頻度制動的制動電阻的耗散功率一般為電機功率的(1/4～1/5)，在頻繁制動時，耗散功率要加大。
有的小變頻器內部裝有制動電阻，但在高頻度或重力負載制動時，內裝制動電阻的散熱量不足，容易燒毀，此時要改用大功率的外接制動電阻。各種制動電阻都應選用低電感結構的電阻器；連接線要短;并使用雙絞線或密著平行線;采用如此低電感措施的原因是為了防止和減少電感能量加到制動管上，造成制動管損壞;制動電阻值不能過分小;如果回路的電感大、電阻又小，將對制動管不利，會造成損壞。
為了確保制動單元內功率管不被損壞，制動電阻不得小于(8)式的計算值，但太大了制動效果不好，所以要適當。
例如：(a)三相380V 30kW變頻器的時制動電阻阻值為：
取20或24Ω功率7.5kW
[NextPage]
(b) 單相220V2.2kW變頻器的時制動電阻阻值為：
取100Ω功率0.6kW
(8) 熱過載繼電器(R)
熱過載繼電器用來防止電機過熱，但這種保護并不可靠。對重要場合應實際檢測電機溫度，埋設溫度檢測元件到電機槽內或繞組附近。當變頻器使用普通電機時，因PWM波導致電機鐵耗、銅耗和絕緣介質損耗的增加，溫升會比通常應用時加大，因此熱過載繼電器的溫度整定值應按電機絕緣等級選擇。
（9）電動機
如果低速時負載轉矩比額定轉矩大，則要加大電機功率和變頻器功率才能應付低速運行。
如當電機長期在低速運行時，因普通電機的風扇在電機軸上，風扇已不能有效散熱，電機會嚴重發熱。因此，要加大電機功率或讓電機使用外部風扇冷卻。
一般電機在使用變頻器時，因變頻器PWM波有很高的脈沖前后沿，dv/dt很大，繞阻匝間和對地絕緣很易損壞，這已成為變頻器使用中一個問題。因此，應選用絕緣質量優良的電機產品。
當高速運行時要注意電機在高速離心力下是否能承受，普通電機的轉子離心機械強度是按額定轉速設計的。對直徑較大的電機，不要使用到額定轉速的1.5倍以上，否則就有危險。這時就應選用專門的變頻電機。
(10) 電源變壓器
電源變壓器總容量要比總負載大，當使用多個變頻器或少量地使用交流電抗器和直流電抗器時，因變頻器整流及電容性負載的影響，會造成電網波型的嚴重畸變和變壓器過熱。因此，變壓器容量更要增大。
4.3 附加配套設備推薦表
附表 對三相380V(400V)通用變頻器的附加配置設備通用變頻器外圍電器估算表（電源3相380V.50Hz適用）
[NextPage]
5 變頻器的安裝技術和禁忌
5.1 安裝環境
(1) 變頻器屬電子設備，由它的防護型式決定，必須安裝在室內，無水浸入，并且空氣中濕度較低;
(2) 無易燃易爆氣體和腐蝕性氣體和液體飛濺，粉塵和纖維物少;
(3) 變頻器發熱量遠大于其他常見開關電器，必須要有良好的通風，讓熱空氣順利排出;
(4) 變頻器易受諧波干擾和干擾其他相鄰電子設備，因此要考慮配置附加交流電抗器等外圍設備和安裝抗干擾電感濾波器;
(5) 安裝位置要便于檢查和維修操作;
(6) 長期運行的條件，對不同型號略有區別，一般:
環境溫度:-10℃～(+40～50)℃;
相對溫度:20～90%;
海拔:1000m以下，在1000m以上時越高越應降低
負載容量;
振動:0.6g。
(7) 如必須在水泥、面粉、飼料、紡織等粉塵和纖維多的環境使用變頻器，一定要進行定期清潔:
清潔方法用刷子、吸塵器仔細打掃內部績塵、疏通散熱器通風路徑的堵塞部位。
5.2 變頻器的通風散熱
變頻器的效率一般97～98%，這就是說大約有2～3%的電能轉變為熱能，遠遠大于一般開關，交流接觸器等電器產生的熱量。一般的配電箱是針對常用開關、交流接觸器等電器而設計的。當這一類箱體內裝進了變頻器，就需仔細配置內部的安排，以確保通風散熱合理性。
圖12是一些電控箱內安排變頻器的必需注意的風路示意。其中:(a)壁掛式電控柜頂部裝抽風機抽出熱風;(b)控制臺式電控柜上部裝抽風機抽出熱風;(c)大型立柜式電控柜頂部裝大抽風機，地溝和柜體下部要有良好進風口;(d)大型立柜式電控柜裝有控制單元和制動電阻的情況，頂部裝大抽風機，地溝和柜體下部要有良好進風口。
圖12 電控柜安裝變頻器的通風設計，(粗線為必要的擋風板，防止熱風回流)
電控箱內布置變頻器風路的原則有：
(1) 電控柜要有強迫通風回路，通風回路的空氣流向應通暢，符合流體平滑轉向原則，安裝在電控柜上的風機應比變頻器本身風機總通風量大30~50%以上。
(2) 電控柜的風路一般都要有低風阻的進風口，在環境臟的場合進風口要有過濾網，過濾網的風阻要小，并防止堵塞，要求經常打掃。
(3) 電控柜箱內空氣不應直通短路，也不應該發生熱風回流，其路徑要進行設計。要在電控柜箱內安裝必要的導風板和擋風板，這是變頻器二次開發商和使用者所必須重視的問題。
(4) 沒有專門設計強迫通風風道的箱柜內，單臺變頻器安裝要與周圍電器、箱壁保持一定距離，特別是要留出上下空間使風道順暢，使風可自由流動。根據功率大小不同，至少留有120～300mm空間，左右前方空間至少50mm。
(5) 當變頻器的環境溫度超過40℃時，對有通風蓋的變頻器要去掉通風蓋，讓風順利進入變頻器內。
(6) 圖12中粗線所示為擋風板，擋住直通風和避免熱風回流以改善箱內空氣流向，提高冷卻效果。12(c)圖的上下變頻器要設置導風板，防止下部變頻器的熱風進入上部變頻器。
5.3 變頻器的外部布線
(1) 主回路導線載面按照電動機布線要求，電流密度一般在3～4A/mm2以下。
(2) R、S、T和U、V、W的主回路導線在鐵管內保護布線時，不得一根或兩根導線敷設在一根鐵管內，必須三相的三根線布在同一個鐵管內，這是由于正弦波三相電流瞬時值之和為零，不會在鐵管上造成磁通和引起損耗而發熱。
(3) 變頻器輸出U、V、W三根線如敷沒在鐵管和蛇皮金屬管內，因對鐵管和蛇皮管電容的作用，會造成變頻器內部功率開關器件的瞬時脈沖過電流，使功率開關損壞，一般在布線長度超過30m(有管)～50m(無管)時變頻器的U、V、W端子處需插入交流電抗器。如果導線絕緣層較薄，布線長度還應更短。當一個變頻器驅動多個電動機時，應按配線的總長度計算;當接入輸出側交流電抗器后，饋向電動機的總長度也不要超過400 m。
(4) 變頻器的控制線必須遠離輸入輸出強電導線，相距100mm以上，絕對不能為了布線美觀把控制線和輸入輸出強電導線捆綁在一起。
(5) 變頻器的輸入信號線要使用雙絞線或屏蔽線，以有效地減弱外界電磁場造成的干擾，雙絞線的絞合程度應在每cm為1絞以上。(圖13)(圖14)
圖13 用雙絞線作為變頻器的信號輸入線
圖14 輸入信號線與輸出強電線的間距100mm以上
(6) 在遠距離控制作開關操作時，用繼電器擔任中間操作可有效地減少外界對控制線引起的干擾。(圖15）
圖15 用繼電器解決遠距離信號受干擾
（7） 多數變頻器的操作鍵和顯示部分做在一起，成為一個操作盒。操作盒可取下做遠距離控制操作。此時連接導線往往是電纜或排線，要求它們遠離電力線和輸入輸出強電導線，必要時應穿入屏蔽管套內。外部電器控制線很長時也需要屏蔽，方法相同。
(8) 粗的主回路電線與變頻器接線端子連接時必須可靠連接。線頭用標準的與接線端子相配的冷壓端子，使用冷壓鉗壓接。只有這樣，才能保證連接可靠，不因局部接觸不良而發熱造成事故。
(9) 調節頻率等的電位器、開關之類元器件要求使用可靠產品，而且安裝時注意屏蔽，免受外界干擾，否則會誤認為變頻器有問題。
(10) 所有連接線接好后要進行檢查，防止漏接、錯接、碰地、短路。
(11) 投入電源后，發現還要改接線時，首先要切除電源，并注意直流回路電容上的電完全放完(直流電壓表測量小于25V)，才可操作。
(12) 不能將負載功率因數校正用電容接到變頻器的輸出端，因電容的接入會導致逆變功率器件流過大的瞬變脈沖電流而損壞。
(13) 直流電抗器的參數要與變頻器相配。安裝前應去掉變頻器上原P1、P+上的短路銅件，在此處接入直流電抗器。
(14) 制動單元的母導線接到變頻器的直流母線(P+、N端)，制動單元和制動電阻的接線都要盡量短，長度不大于5m，使用雙絞線或密著平行線，導線的截面應不小于電機輸電線的1/2～1/4。當制動電阻不接時，絕對不能將P+端和DB端短路！
(15) 變頻器外殼應可靠接地。
5.4 變頻器具備工頻切換的重要性
變頻器是電力電子設備，其可靠性不太高，一旦故障或要維修，不能因此而停產，應盡可能安裝工頻切換。不少連續化生產工藝上，用于風機水泵的變頻器如有工頻切換，當變頻器不能工作時立即切換到工頻供電，用以前的風門閥門調節風量流量，照樣不耽誤生產，僅僅減少節能而已。圖16是變頻器具備工頻切換的電路簡圖。
圖16 變頻器外圍設備與工頻使用的切換簡圖
5.5 變頻器的電源線一端要接交流接觸器
接交流接觸器用來確保安全和長期不工作時斷電。該接觸器不可作為變頻器日常運行的啟停，而應使用變頻器的鍵盤或外控線作啟停，如果一定要用交流接觸器作啟停，則操作間隔在1h以上。
5.6 電機轉向要與變頻器指示轉向一致
變頻器輸出U、V、W接電機，當控制按鍵正轉(FWD)時電機應正轉，如果反轉了就應交換U、V、W中任意兩根線，不應錯誤地把反轉(REV)鍵當作正轉鍵來使用，以免日后發生事故。
5.7 變頻器的基本連接圖
各種變頻器的基本連接圖都有各自的特點。因此，要認真按產品所對應的使用說明書的接線圖進行接線，千萬不能使用不同型號的使用說明書作對照。典型的連接圖參考電路如圖17所示。
圖17 通用變頻器典型的連接參考電路
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
