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二 变频器的配套设备及安装技术
4 变频器的配套设备
4.1 附加配套设备的作用
附加配套设备的布置见图7。
图7 变频器附加配套设备的连接图
其中，T—配电变压器；
QF—断路器，用于安全跳闸断开电网；
KM—接触器，用于日常操作通断和电网掉电再来电时变频器不发生自启动；
FIL1—进线侧无线电干扰抑制电抗器，用于减少变频器对外界的无线电干扰；
1ACL—电源侧交流电抗器，用于改善输入电流波形、提高整流器和电解滤波电容寿命、减少不良输入电流波形对外界电网的干扰、协调同一电源网上有晶闸管等变换器造成的波形影响、减少功率切换和三相不平衡的影响，因此也叫电源协调电抗器，在要求高的场合该电抗器便进一步改为较复杂的电力质量滤波单元；
DCL—直流电抗器，用于改善电容滤波(当前电压型变频调速器主要滤波方式是电容滤波)造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热，当电源变压器和输电线(图中的符号DLC应改为DCL)综合内阻小时(变压器容量大于电机容量10倍以上时)、电网瞬变频繁时都需要使用直流电抗器。
BD—制动单元，当变频器降低频率使电机急剧减速、或重力负载使电机处于发电运行时，电机制动的反馈能量使变频器直流母线电压升高到一定程度就会开启该制动单元，使能量消耗在制动电阻上；
DBR—制动电阻，消耗制动时电机能量的电阻；
2ACL—输出侧交流电抗器，变频器输出是脉冲宽度调制的电压波(PWM波)它是前后沿很陡的一联串脉冲方波，存在丰富的谐波，这些谐波有害于电机和负载的寿命(典型的是电机绕阻匝间瞬变电压dv/dt过高，造成匝间击穿)，以及对周围电器干扰；当负载端电容分量大时，造成变频器的开关器件流过大的冲击电流，会损坏开关器件。使用输出侧交流电抗器可进行平滑滤波，减少瞬变电压dv/dt的影响，并求得以下的改善：
降低了电机的噪音；降低了输出高次谐波造成的漏电流；减少了干扰；保护了变频器内部的功率开关器件。延长了电机的绝缘寿命。
FIL2—输出侧无线电干扰抑制电抗器，对输出布线距离>20m时尤其需安装；
JR—热过载继电器，用于防止长时间过电流造成电机损坏。
4.2 附加配套设备的选用
(1) 断路器(QF)的后面可以接一台或多台变频器及其它负载，当变频器或其它负载因过电流故障时，可自动切断电源供电，防止事故扩大。当电网掉电时防止再来电自动接通的不安全，以及在维修时安全切断电源，断路器可以使用普通空气开关或高灵敏切断的断路器，视需要而定，选用时总通过电流应大于负载总电流1.5倍以上。
(2) 接触器(KM)用于所控变频器日常操作通断，和电网掉电再来电时防止变频器自动启动，选用时额定电流也要大于变频器输出电流1.5倍以上。
(3) 无线电干扰抑制电抗器(FIL1、FIL2)因为变频器输出的是PWM(脉宽调制)波，包含了大量的高次谐波，谐波高频分量处于射频范围，变频器通过电源线和输出线向外发射无线电干扰。又由于变频器接在电网上，电网上各种干扰和瞬变浪涌也可干扰到变频器的控制回路敏感部分发生误动作，因此设置了无线电干扰抑制电抗器。它是使用三根进线(对单相是两根进线)，同方向在铁心或铁氧磁芯上绕制的电感，因三相三根线的正弦交流电瞬时值之和为零(单相正弦交流电两进线电流瞬时值也为零)，因此对正常供电，该电抗器不起作用，而对于共模电压(即在进线上出现的、瞬时值不能被抵消的干扰电压)该电抗器起到阻挡作用，抑制了共模干扰，起到良好的抑制无线电干扰使用。抑制的频段一般在10MHz以下，因此电感量不必大，通常控制在2~33mH左右，是在一个闭合磁路上穿过或绕上几匝导线而制成。无线电干扰抑制电抗器的连接如图8，对小容量变频器因电流较小，它是在同一磁芯上，三相线同方向绕几匝。对大容量变频器，因电流大、导线不好弯，则用多个磁芯，让三根导线同时穿过磁芯中孔而构成电抗器。
图8 无线电干扰抑制电抗器的安置
(4) 电源侧交流电抗器(1ACL)
电压型通用变频器电网电压交流转变为直流经整流后都经电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大(见图9)，造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器容易损坏。当变压器容量大于变频器容量10倍以上，电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时，当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，三相电源不平衡度大于3%时，都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰，都需使用电源侧交流电抗器。
图9 电容滤波输入侧电压和电流波形
图9中：In1:电网阻抗小时;
In2:电网阻抗大时。
一般而言，电压源逆变器、电源侧交流电抗器的电感量，采用3%阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总谐波电流畸变下降到原先的44%左右。实际使用中为了节省费用，常采用2%阻抗的电感量，但这对环保而言是不好的。比较好的场合应使用4%阻抗或更大的电抗器。一般常选用2~4%的压降阻抗，这个百分数是对相电压而言，即:
其中:ΔU—电压降落;
UP—相电压;
UN—线电压。
三相时，输入侧交流电抗器电感值：
其中:ILmax—电感流过的最大电流。
例如:对380V、90kW、50Hz、170A的变频器，需要配置输入侧交流电抗器的电感量为：
取：0.082～0.164mH，可以选择能长期能通170A电流，电感值在0.123mH左右的电抗器即可。
对于使用者，需考虑电感值和电流值两方面，电流值一定要大于等于额定值，电感值略有大小问题不大，偏大有利于减少谐波，但电压降落会超过3%，使用者还要考虑电源内部阻抗，电源变压器功率大于10倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用4～5%阻抗的电感量。
(5) 直流电抗器(DCL)
直流电抗器接在滤波电容前，它阻止进入电容的整流后冲击电流的幅值，并改善功率因数、降低母线交流脉动。直流电抗器在变频器功率大于22kW时建议都要采用，当变频器功率越大，越应该使用，因为没有直流电抗器时，变频器的电容滤波会造成电流波形严重畸变和进而使电网电压波形严重畸变，而且非常有害于变频器的整流桥和滤波电容寿命。
直流电抗器的电感值的选择一般为同样变频器输入侧交流电抗器3%阻抗电感量的2~3倍，最少要1.7倍，
即 
例：对三相380V 90kW变频器所配直流电抗器计算(参见上例)：
取0.25mH,能长期通电170A即可(查使用手册为0.2mH)。
(6) 输出侧交流电抗器(2ACL)
变频器的输出是经PWM调制的电压波，由于电动机绕组的电感性质能使电流连续，因此电流基本上是正弦形的，脉冲宽度调制(PWM)有着陡峭的电压上升和下降的前后沿，即dv/dt很大，使得输出引线向外界发射含量极大的电磁干扰，并且在引出线对地、电机绕组匝间、绕组对地间都产生很大的脉冲电流，图10表示SPWM电压，电流的波形。
图10 调制波形
为了减轻变频器输出dv/dt对外界的干扰，降低输出波形畸变，达到环保标准，减少对电机绕组的电压冲击造成绝缘损坏，降低电机的温升和噪音，避免在变频器输出功率管上因dv/dt和流过过大的脉冲冲击电流使功率管损坏，以及降低负载短路造成对变频器的损伤，有必要在变频器输端增设交流电抗器。
值得指出的是脉冲电压通过长的输电线时，由于长线上波的反射叠加使得在长线(即变频器输出导线)超过临界长度后，电压有可能达到直流母线(变频器内直流母线)电压的2倍。因此变频器输出线长度受到了限制，为解除这种限制，必须接入输出侧交流电抗器。接入后，送到电机等负载上的波形就接近正弦电压波形了。
但实际使用中，只要负载是电感性的，电抗器可采用1%阻抗或更低一些都是可行的，这是因为，PWM调制频率远高于基波频率，已经相当于>(40-100)次谐波的范围，因此，输出侧交流电抗器电感量：
例如：380V、90kW、50Hz、170A变频器的输出侧交流电抗器的选用：
取:电感值在0.041mH左右,能长期能通170A电流的电抗器即可。
输出侧交流电抗器的电感接法有一定讲究，绕制在磁芯上的导线头尾的位置关系到电感向外发射干扰能量的大小程度。图11所示，绕组头1在里层，尾2在外层，因此1接变频的输出2接负载电机较好，这样，变频器输出端的强干扰被外层屏蔽，减少干扰向外发射。
图11 输出侧交流电抗器断面结构
输出侧交流电抗器其抑制频率在较高频率范围，因此，使用铁氧体磁芯，以减少损耗，但体积较大。在有变压器插入于变频器与负载之间的使用条件下，变压器输入绕组的漏抗和变压器损耗大大削弱了调制波，起到了输出侧电抗器的作用，因此有利于输出到负载电机的波形滤波平滑，此时往往有了输出侧变压器就可以省略输出侧交流电抗器。
(7) 制动单元和制动电阻(BD和DBR)
小功率制动单元一般在变频器内部，外部只接制动电阻。大功率的制动单元由外接的制动单元接到变频器母线上，当电机制动时，电机的电能反馈回母线，使母线电压升高，升高到一定值时，开通制动单元的开关管，用制动电阻消耗母线上一部分电能，维持母线电压不继续往上升高，使电机能量消耗在制动电阻上，从而获得制动力矩。制动单元的导线长度一般不大于5m，接到变频器的直流母线(P+、N端)要使用双绞线或密着平行线，其目的是减少电感，导线的截面应不小于电机输电线的1/2～1/4。
制动电阻的阻值不是随便选用的，它有一定范围。太大了，制动不迅速，太小了制动用开关元件很容易烧毁。
一般当负载惯量不太大时，认为电机制动时最大有70%能量消耗于制动电阻，30%的能量消耗于电机本身及负载的各种损耗上，此时
其中:P—电机功率(kW);
UC—制动时母线上的电压(V);
R—制动电阻（Ω）。
一般对三相380V时，UC≈700V; 单相220V时，UC≈390V;这样三相380V时制动电阻阻值:
单相220v时制动电阻阻值:
低频度制动的制动电阻的耗散功率一般为电机功率的(1/4～1/5)，在频繁制动时，耗散功率要加大。
有的小变频器内部装有制动电阻，但在高频度或重力负载制动时，内装制动电阻的散热量不足，容易烧毁，此时要改用大功率的外接制动电阻。各种制动电阻都应选用低电感结构的电阻器；连接线要短;并使用双绞线或密着平行线;采用如此低电感措施的原因是为了防止和减少电感能量加到制动管上，造成制动管损坏;制动电阻值不能过分小;如果回路的电感大、电阻又小，将对制动管不利，会造成损坏。
为了确保制动单元内功率管不被损坏，制动电阻不得小于(8)式的计算值，但太大了制动效果不好，所以要适当。
例如：(a)三相380V 30kW变频器的时制动电阻阻值为：
取20或24Ω功率7.5kW
(b) 单相220V2.2kW变频器的时制动电阻阻值为：
取100Ω功率0.6kW
(8) 热过载继电器(R)
热过载继电器用来防止电机过热，但这种保护并不可靠。对重要场合应实际检测电机温度，埋设温度检测元件到电机槽内或绕组附近。当变频器使用普通电机时，因PWM波导致电机铁耗、铜耗和绝缘介质损耗的增加，温升会比通常应用时加大，因此热过载继电器的温度整定值应按电机绝缘等级选择。
（9）电动机
如果低速时负载转矩比额定转矩大，则要加大电机功率和变频器功率才能应付低速运行。
如当电机长期在低速运行时，因普通电机的风扇在电机轴上，风扇已不能有效散热，电机会严重发热。因此，要加大电机功率或让电机使用外部风扇冷却。
一般电机在使用变频器时，因变频器PWM波有很高的脉冲前后沿，dv/dt很大，绕阻匝间和对地绝缘很易损坏，这已成为变频器使用中一个问题。因此，应选用绝缘质量优良的电机产品。
当高速运行时要注意电机在高速离心力下是否能承受，普通电机的转子离心机械强度是按额定转速设计的。对直径较大的电机，不要使用到额定转速的1.5倍以上，否则就有危险。这时就应选用专门的变频电机。
(10) 电源变压器
电源变压器总容量要比总负载大，当使用多个变频器或少量地使用交流电抗器和直流电抗器时，因变频器整流及电容性负载的影响，会造成电网波型的严重畸变和变压器过热。因此，变压器容量更要增大。
4.3 附加配套设备推荐表
附表 对三相380V(400V)通用变频器的附加配置设备通用变频器外围电器估算表（电源3相380V.50Hz适用）
5 变频器的安装技术和禁忌
5.1 安装环境
(1) 变频器属电子设备，由它的防护型式决定，必须安装在室内，无水浸入，并且空气中湿度较低;
(2) 无易燃易爆气体和腐蚀性气体和液体飞溅，粉尘和纤维物少;
(3) 变频器发热量远大于其他常见开关电器，必须要有良好的通风，让热空气顺利排出;
(4) 变频器易受谐波干扰和干扰其他相邻电子设备，因此要考虑配置附加交流电抗器等外围设备和安装抗干扰电感滤波器;
(5) 安装位置要便于检查和维修操作;
(6) 长期运行的条件，对不同型号略有区别，一般:
环境温度:-10℃～(+40～50)℃;
相对温度:20～90%;
海拔:1000m以下，在1000m以上时越高越应降低
负载容量;
振动:0.6g。
(7) 如必须在水泥、面粉、饲料、纺织等粉尘和纤维多的环境使用变频器，一定要进行定期清洁:
清洁方法用刷子、吸尘器仔细打扫内部绩尘、疏通散热器通风路径的堵塞部位。
5.2 变频器的通风散热
变频器的效率一般97～98%，这就是说大约有2～3%的电能转变为热能，远远大于一般开关，交流接触器等电器产生的热量。一般的配电箱是针对常用开关、交流接触器等电器而设计的。当这一类箱体内装进了变频器，就需仔细配置内部的安排，以确保通风散热合理性。
图12是一些电控箱内安排变频器的必需注意的风路示意。其中:(a)壁挂式电控柜顶部装抽风机抽出热风;(b)控制台式电控柜上部装抽风机抽出热风;(c)大型立柜式电控柜顶部装大抽风机，地沟和柜体下部要有良好进风口;(d)大型立柜式电控柜装有控制单元和制动电阻的情况，顶部装大抽风机，地沟和柜体下部要有良好进风口。
图12 电控柜安装变频器的通风设计，(粗线为必要的挡风板，防止热风回流)
电控箱内布置变频器风路的原则有：
(1) 电控柜要有强迫通风回路，通风回路的空气流向应通畅，符合流体平滑转向原则，安装在电控柜上的风机应比变频器本身风机总通风量大30~50%以上。
(2) 电控柜的风路一般都要有低风阻的进风口，在环境脏的场合进风口要有过滤网，过滤网的风阻要小，并防止堵塞，要求经常打扫。
(3) 电控柜箱内空气不应直通短路，也不应该发生热风回流，其路径要进行设计。要在电控柜箱内安装必要的导风板和挡风板，这是变频器二次开发商和使用者所必须重视的问题。
(4) 没有专门设计强迫通风风道的箱柜内，单台变频器安装要与周围电器、箱壁保持一定距离，特别是要留出上下空间使风道顺畅，使风可自由流动。根据功率大小不同，至少留有120～300mm空间，左右前方空间至少50mm。
(5) 当变频器的环境温度超过40℃时，对有通风盖的变频器要去掉通风盖，让风顺利进入变频器内。
(6) 图12中粗线所示为挡风板，挡住直通风和避免热风回流以改善箱内空气流向，提高冷却效果。12(c)图的上下变频器要设置导风板，防止下部变频器的热风进入上部变频器。
5.3 变频器的外部布线
(1) 主回路导线载面按照电动机布线要求，电流密度一般在3～4A/mm2以下。
(2) R、S、T和U、V、W的主回路导线在铁管内保护布线时，不得一根或两根导线敷设在一根铁管内，必须三相的三根线布在同一个铁管内，这是由于正弦波三相电流瞬时值之和为零，不会在铁管上造成磁通和引起损耗而发热。
(3) 变频器输出U、V、W三根线如敷没在铁管和蛇皮金属管内，因对铁管和蛇皮管电容的作用，会造成变频器内部功率开关器件的瞬时脉冲过电流，使功率开关损坏，一般在布线长度超过30m(有管)～50m(无管)时变频器的U、V、W端子处需插入交流电抗器。如果导线绝缘层较薄，布线长度还应更短。当一个变频器驱动多个电动机时，应按配线的总长度计算;当接入输出侧交流电抗器后，馈向电动机的总长度也不要超过400 m。
(4) 变频器的控制线必须远离输入输出强电导线，相距100mm以上，绝对不能为了布线美观把控制线和输入输出强电导线捆绑在一起。
(5) 变频器的输入信号线要使用双绞线或屏蔽线，以有效地减弱外界电磁场造成的干扰，双绞线的绞合程度应在每cm为1绞以上。(图13)(图14)
图13 用双绞线作为变频器的信号输入线
图14 输入信号线与输出强电线的间距100mm以上
(6) 在远距离控制作开关操作时，用继电器担任中间操作可有效地减少外界对控制线引起的干扰。(图15）
图15 用继电器解决远距离信号受干扰
（7） 多数变频器的操作键和显示部分做在一起，成为一个操作盒。操作盒可取下做远距离控制操作。此时连接导线往往是电缆或排线，要求它们远离电力线和输入输出强电导线，必要时应穿入屏蔽管套内。外部电器控制线很长时也需要屏蔽，方法相同。
(8) 粗的主回路电线与变频器接线端子连接时必须可靠连接。线头用标准的与接线端子相配的冷压端子，使用冷压钳压接。只有这样，才能保证连接可靠，不因局部接触不良而发热造成事故。
(9) 调节频率等的电位器、开关之类元器件要求使用可靠产品，而且安装时注意屏蔽，免受外界干扰，否则会误认为变频器有问题。
(10) 所有连接线接好后要进行检查，防止漏接、错接、碰地、短路。
(11) 投入电源后，发现还要改接线时，首先要切除电源，并注意直流回路电容上的电完全放完(直流电压表测量小于25V)，才可操作。
(12) 不能将负载功率因数校正用电容接到变频器的输出端，因电容的接入会导致逆变功率器件流过大的瞬变脉冲电流而损坏。
(13) 直流电抗器的参数要与变频器相配。安装前应去掉变频器上原P1、P+上的短路铜件，在此处接入直流电抗器。
(14) 制动单元的母导线接到变频器的直流母线(P+、N端)，制动单元和制动电阻的接线都要尽量短，长度不大于5m，使用双绞线或密着平行线，导线的截面应不小于电机输电线的1/2～1/4。当制动电阻不接时，绝对不能将P+端和DB端短路！
(15) 变频器外壳应可靠接地。
5.4 变频器具备工频切换的重要性
变频器是电力电子设备，其可靠性不太高，一旦故障或要维修，不能因此而停产，应尽可能安装工频切换。不少连续化生产工艺上，用于风机水泵的变频器如有工频切换，当变频器不能工作时立即切换到工频供电，用以前的风门阀门调节风量流量，照样不耽误生产，仅仅减少节能而已。图16是变频器具备工频切换的电路简图。
图16 变频器外围设备与工频使用的切换简图
5.5 变频器的电源线一端要接交流接触器
接交流接触器用来确保安全和长期不工作时断电。该接触器不可作为变频器日常运行的启停，而应使用变频器的键盘或外控线作启停，如果一定要用交流接触器作启停，则操作间隔在1h以上。
5.6 电机转向要与变频器指示转向一致
变频器输出U、V、W接电机，当控制按键正转(FWD)时电机应正转，如果反转了就应交换U、V、W中任意两根线，不应错误地把反转(REV)键当作正转键来使用，以免日后发生事故。
5.7 变频器的基本连接图
各种变频器的基本连接图都有各自的特点。因此，要认真按产品所对应的使用说明书的接线图进行接线，千万不能使用不同型号的使用说明书作对照。典型的连接图参考电路如图17所示。
图17 通用变频器典型的连接参考电路