淺談變頻控制柜設計安裝規范

1 引言

　　進入21世紀來，國內變頻調速技術得到了飛速發展，已廣泛應用于國民經濟的各個行業，促進了節能降耗，極大的提高了我國工業電氣傳動水平。但隨著變頻器的推廣與應用，需要注意和解決的問題就慢慢浮出水面。例如變頻控制柜如何設計、安裝、測試等，面對的一系列問題與要求，是許多變頻器制造商、代理商、電氣工程師、直接用戶想急需了解或做得不夠完善的問題。本文我們將重點淺談、分析、處理這些問題。

2 變頻控制柜設計前的要求

　　變頻控制柜設計安裝前，設計者不僅要考慮變頻控制柜的正常工作條件，還要考慮可能發生的故障條件以及隨之引起的故障、可預見的誤操作以及諸如溫度、海拔、污染、濕度、電網電源的過電壓和通信線路的過電壓等外界影響。一定要了解控制柜的配制、工作方式、工作環境、控制方式、以及客戶要求等。具體要求如表1所示。

　　（1） 電機具體參數：如電機參數表1所示：出廠日期、 廠商（國產， 進口）、電機的額定電壓、額定電流、額定轉數、相數、接法等。

　　（2） 電機的負載特性類型：如 恒轉矩負載；平方轉矩負載；恒功率負載等。

　　（3） 電機啟動方式：如三角形啟動；星形啟動；降壓啟動；軟啟動。

　　（4） 工作環境：如現場的溫度、防護等級、電磁輻射等級、防爆等級、配電具體參數。

　　（5） 控制柜安裝位置：如壁掛式和落地式，要合理的考慮變頻控制柜到電機的距離。

　　（6） 控制柜拖動電機的數量：如一拖二，一拖三，一拖四等。

　　（7） 工頻與變頻切換方式：一般為δ-y啟動與變頻工作互為備用切換保護。

　　（8） 控制柜的外圍器件的選用：如傳感變送器的選用參數及采樣地點，具體選用要求請詳見“器件的配置”。

　　（9） 控制柜的控制方式：如手動/自動、本地/遠程、控制信號的量程、是否通訊組網。

　　（10） 控制柜的隔離：如強電回路與弱電回路的隔離；采集信號與控制信號的隔離。

　　（11） 工作場合的供電質量：如防雷，浪涌，電磁輻射。

3 變頻控制柜布局和器件配置

　　圖1如所示的便是變頻控制柜的基本布局。

　　變頻控制柜分為壁掛式和落地式兩種，變頻控制柜主要器件的配置與選用介紹如下：

　　（1） tr-變壓器：這個為可選項，根據電壓等級標準配置和選用。

　　（2） fu-熔斷絲：一般都需要添加，不要為了節省成本而省去。選擇為2.5～4倍額定變頻器電流。注意熔斷絲的選擇要選快熔類。

　　（3）qa-斷路器：斷路器主要用于電源回路的開閉，且在出現過流或短路事故時自動斷開電源。斷路器的容量為變頻器額定電流的1.5～2倍，斷路器的時間特性要充分考慮變頻器過載保護的時間特性。

　　（4）km-接觸器：接觸器主要用于在工頻電網和變頻器之間的切換，保證變頻器的輸出端不會接到工頻電網上去，以免損壞變頻器。接觸器頻繁的閉合和斷開將引起變頻器故障，所以最高頻率不要超過10次/min。

　　（5） f-風扇：主要用于抽取變頻控制柜里的熱量，給變頻控制柜散熱；按供電方式分直流風扇和交流風扇，根據現場工作環境選用。

　　（6） ly-防雷浪涌器：最好配置一個，特別雷暴多發區，以及交流電源尖峰浪涌多發場合，保護變頻系統免遭意外破壞。一般配40kva浪涌器。

　　（7）dk-電抗器：選擇合適的電抗器與變頻柜配套使用，既可以抑制諧波電流，降低變頻器系統所產生的諧波總量，提高變頻器的功率因數，又可以抑制來自電網的浪涌電流對變頻器的沖擊，保護變頻器、降低電動機噪聲。保證變頻器和電機的可靠運行。

　　（8）emi-濾波器：濾波器的作用是為了抑制從導線及金屬管線上傳導無線信號到設備中去，將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統的阻抗分離，或者抑制干擾信號從干擾源設備通過電源線傳導到外邊去。

　　（9）rb-制動電阻：當電容電壓超過設定置后，就經制動電阻消耗回饋的能量。一般小容量變頻器帶有制動電阻，大容量變頻器的制動電阻通常由用戶自己根據負載的性質和大小、負載周期等因素進行選配。

　　（10） 另外還包括變頻器，plc/dcs，觸模屏，傳感器，電度表等器件的選用。

4 變頻控制柜布局的注意事項

　　（1）確保控制柜中的所有設備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點或接地母排上。連接到變頻器的任何控制設備（比如一臺plc）要與其共地，同樣也要使用短和粗的導線接地。最好采用扁平導體（例如金屬網），因其在高頻時阻抗較低。如圖2所示。

　　（2）控制柜低壓單元，繼電器，接觸器使用熔斷器加以保護；當變頻器到電機的連線超過100m時，當變頻器供電源容量大于600kw/a或供電電源容量大于變頻器容量的10倍時，建議加進輸入輸出電抗器。

　　（3）確保控制柜中的接觸器有滅弧功能，交流接觸器采用r-c抑制器，直流接觸器采用“飛輪”二極管，裝入繞組中。采用壓敏電阻抑制器也是很有效的。

　　（4） 如果設備運行在一個對噪聲敏感的環境中，可以采用emc濾波器減小輻射干擾。同時為了達到最優的效果，確保濾波器與安裝板之間應有良好的接觸。

　　（5）電機電纜應與其它控制電纜分開走線，其最小距離為500mm。同時應避免電機電纜與控制電纜長距離平行走線。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90°角交叉。同時必須用合適的夾子將電機電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上。

　　（6） 為了有效的抑制電磁波的輻射和傳導，變頻器的電機電纜必須采用屏蔽電纜，屏蔽層的電導必須至少為每相導線芯的電導的1/10。

　　（7） 控制柜應分別設置零線排組及保護地線排組（pe）。接地排組和pe 導電排必須接到橫梁上 （銅排到銅排聯接）。它們必須在電纜壓蓋處正對的附近位置。接地排組額外還要通過另外的電纜與保護電路（接地電排）連接。屏蔽總線用于確保各個電纜的屏蔽連接可靠，它通過一個橫梁實現大面積的金屬到金屬聯接。如圖3所示。

　　（8）不能將裝有顯示器的操作面板安裝在靠近電纜和帶有線圈的設備旁邊，例如電源電纜，接觸器，繼電器，螺線管閥，變壓器等等，因為它們可以產生很強的磁場，影響儀器儀表的測量精度。

　　（9） 功率部件（變壓器，驅動部件，負載功率電源等等）與控制部件 （繼電器控制部分，可編程控制器）必須要分開安裝。但是并不適用于功率部件與控制部件設計為一體的產品，變頻器和濾波器的金屬外殼，都應該用低電阻與電柜連接，以減少高頻瞬間電流的沖擊。理想的情況是將模塊安裝到一個導電良好，黑色的金屬板上，并將金屬板安裝到一個大的金屬臺面上。

　　（10）設計控制柜體時要注意emc的區域原則，把不同的設備規劃在不同的區域中。每個區域對噪聲的發射和抗干擾度有不同的要求。區域在空間上最好用金屬殼或在柜體內用接地隔離板隔離。并且考慮發熱量，控制柜的風道要設計合理，排風通暢，避免在柜內形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。風扇一般安裝在靠近出風口處，進風風扇安裝在下部，出風風扇安裝在柜體的上部。

　　（11）根據控制柜內設備的防護等級，需要考慮控制柜防塵以及防潮功能，一般使用的設備主要為：空調，風扇，熱交換器，抗冷凝加熱器。同時根據柜體的大小合適的選擇不同功率的設備。關于風扇的選擇，主要考慮柜內正常工作溫度，柜外最高環境溫度，求得一個溫差，風扇的換氣速率，估算出柜內空氣容量。已知三個數據：溫差，換氣速率，空氣容量后，求得柜內空氣更換一次的時間，然后通過溫差計算求得實際需要的換氣速率。從而選擇實際需要的風扇。因為一般夜間，溫度下降，故會產生冷凝水，依附在柜內電路板上，所以需要選擇相應的抗冷凝加熱器以保持柜內溫度。

　　（12） 變頻器安裝的基本要求

　　變頻器最好安裝在控制柜內的中部，變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免可能阻擋排風、進風的大器件；變頻器上、下部邊緣距離，控制柜頂部、底部距離，或者隔板和必須安裝的大器件的最小間距，都應該大于150mm；如果特殊用戶在使用中需要取掉鍵盤，則變頻器面板的鍵盤孔，一定要用膠帶嚴格密封或者采用假面板替換，防止粉塵大量進入變頻器內部。

5 變頻控制柜器件的安裝

　　（1） 控制柜內所有器件應按照國家行業標準和用戶要求進行安裝。組裝前首先看清楚圖紙及技術要求，必須按照圖紙安裝。

　　（2）認真整理安裝圖紙中發現的疑難問題，如平面圖與系統圖不符、管徑與導線截面不符、管線途徑不明等在參加圖紙會審時及時向設計部門提出，力求將圖中問題解決在安裝以前。

　　（3） 檢查變頻器型號、元器件型號、規格、數量等與圖紙是否相符；檢查變頻器、plc、觸模屏等器件有無損壞。

　　（4） 元器件組裝順序應從板前視，由左至右，由上至下。

　　（5） 組裝所用緊固件及金屬零部件均應有防護層，對螺釘過孔、邊緣及表面的毛刺、尖鋒應打磨平整后再涂敷導電膏。

　　（6） 主回路上面的元器件，如濾波器、電抗器，變壓器、plc、變頻器等需要接地，注意斷路器不需要接地。

　　（7）對于發熱元件（例如管形電阻、散熱片等）的安裝應考慮其散熱情況和安裝距離應符合規定。額定功率為75w及以上的管形電阻器應橫裝，不得垂直地面豎向安裝，正確地的安裝方法如圖4所示。

　　（8） 所有電器元件及附件，均應固定安裝在支架或底板上，不得懸吊在電器及連線上。

　　（9） 安裝因振動易損壞的元件時，應在元件和安裝板之間加裝橡膠墊減震。

　　（10） 接線面每個元件的附近有標牌，標注應與圖紙相符。除元件本身附有供填寫的標識牌外，標識牌不得固定在元件本體上。

　　注意：一是接線端子和進出的電纜、電線每回路應有標志，標號應完整、清晰、牢固，標號粘貼位置應明確、醒目。如圖5所示。

　　二是安裝于面板、門板上的元件、其標號應粘貼于面板及門板背面元件下方，如下方無位置時可貼于左方，但粘貼位置盡可能一致。

　　（11） 器件保護接地連續性

　　保護接地連續性利用有效接線來保證，如圖6所示。柜內任意兩個金屬部件通過螺釘連接時如有絕緣層均應采用相應規格的接地墊圈，而且要注意將墊圈齒面接觸零部件表面，或者破壞絕緣層。門上的接地處要加“抓墊”或“菊花墊“，防止因為油漆的問題而接觸不好，而且連接線要盡量短。

6 變頻控制柜一次回路布線

　　（1） 變頻控制柜一次回路配線大多采用絕緣導線，如圖7所示；對于一些大功率大電流變頻控制柜應盡量選用矩形銅母線。

　　（2）匯流母線應按設計要求選取，主進線柜和聯絡柜母線按匯流選取，分支母線的選擇應以自動空氣開關的脫扣器額定工作電流為準，如自動空氣開關不帶脫扣器，則以其開關的額定電流值為準。對自動空氣開關以下有數個分支回路的，如分支回路也裝有自動空氣開關，仍按上述原則選擇分支母線截面。如沒有自動空氣開關，比如只有刀開關、熔斷器、低壓電流互感器等則以低壓電流互感器的一側額定電流值選取分支母線截面。如果這些都沒有，還可按接觸器額定電流選取，如接觸器也沒有，最后才是按熔斷器熔芯額定電流值選取。

　　（3） 導線載流量選擇需查詢有關文檔，聚氯乙烯絕緣導線在線槽中，或導線成束狀走行時，或防護等級較高時應適當考慮裕量。

　　（4）導線應避開飛弧區域。當交流主電路穿越形成閉合磁路的金屬框架時，三相導線應在同一框孔中穿過；接線不規范，必須把進入線槽的大電纜外層都剝開，把所有導線壓進線槽。

　　（5） 導線線槽彎處的半徑不小于線槽內電纜最小允許彎曲半徑，導線最小允許彎曲半徑如表2所示。

　　（6）導線連接在面板和門板上時，需要加塑料管和安裝線槽；柜體出線部分為防止鋒利的邊緣割傷絕緣層，必須加塑料護套。電纜與柜體金屬有摩擦時，需加橡膠墊圈以保護電纜，如圖8所示。

　　（7） 柜體內任意兩個金屬零部件通過螺釘連接時如有絕緣層均應采用相應規格的接地墊圈，

　　并注意將墊圈齒面接觸零件表面，以保證保護電路的連續性。

　　（8） 導線搭接螺絲應外露2～3扣，螺孔比螺絲大1mm連接面涂電力復合脂，應采用鍍鋅螺栓并有防松裝置，所有的螺栓受力程度應一致。

　　（9）提高柜體屏蔽功能，如需要外部接線或出線時，需加電磁屏蔽襯墊，柜體孔縫要求為求縫長或孔徑小于λ/（10～100）。如果需要在電柜內開通風窗口，交錯排列的孔或高頻率分布的網格比狹縫好，因為狹縫會在電柜中傳導高頻信號。

7 變頻控制柜二次回路布線

　　（1）二次線的連接（包括螺栓連接、插接、焊接等）均應牢固可靠，線束應橫平豎直、配置堅牢、層次分明、整齊美觀。同一控制柜的相同器件走線方式應一致。如圖9所示。

　　（2） 二次線截面積要求：

　　單股導線 不小于1.5mm2；

　　多股導線 不小于1.0mm2；

　　弱電回路 不小于0.5mm2；

　　電流回路 不小于2.5mm2；

　　保護接地線 不小于2.5mm2。

　　（3）所有連接導線中間不應有接頭；每個電器元件的接點最多允許接2根線；每個端子的接線點一般不宜接二根導線，特殊情況時如果必須接2根導線，則連接必須可靠。如圖10所示。

　　（4） 二次線應遠離飛弧元件，并不得防礙電器的操作；二次線不得從母線相間穿過。

　　（5） 電流表與分流器的連線之間不得經過端子，其線長不得超過3m；電流表與電流互感器之間的連線必須經過試驗端子。

　　（6） 控制用屏蔽電纜線的連接

　　擰緊屏蔽線至約15mm長為上；

　　用線鼻子把導線與屏蔽壓在一起；

　　壓過的線回折在絕緣導線外層上；

　　用熱縮管固定導線連接的部分。

　　（7） 控制用電纜線連接的注意事項

　　控制用的電纜線最好使用屏蔽電纜；

　　模擬信號和數字信號的傳輸電纜應該分別屏蔽和走線；

　　模擬信號的傳輸線和低壓數字信號線應使用雙屏蔽的雙絞線，也可以使用單屏蔽的雙絞線。

　　信號線最好只從一側進入電柜，信號電纜的屏蔽層雙端接地，在不影響操作和安裝條件下，信號電纜線應避免過長；

　　不要將24vdc 和115/230vac 信號共用同一條電纜槽。

8 變頻控制柜維護和檢修

　　（1）檢查變頻控制柜周圍環境，利用溫度計，濕度計，記錄儀檢查周圍溫度-10℃~+50℃，周圍濕度90%以下，而且無灰塵、無金屬粉塵及通風良好等。

　　（2） 檢查各部件各系統裝置是否有異常振動和異常聲音。

　　（3） 觀察元件是否有發熱的跡象，是否有損傷，連接部件是否有松脫。

　　（4） 檢查端子排是否損傷，導體是否歪斜，導線外層是否破損。

　　（5）檢查電源電壓主回路電壓是否正常。對于絕緣測試，可于使用前，拆下變頻器接線，將端子r、s、t、u、v、w一起短路，用dc500v級兆歐表測量它們與接地端子間的絕緣電阻，其絕緣電阻不得小4mω。（注：不可隨意實施耐壓測試實驗，它將導致變頻器壽命降低。）

　　（6） 檢查濾波電容器是否泄漏液體，是否膨漲，用容量測定器測量靜電容應在定額容量的85%

　　以上；檢查繼電器和接觸器動作時是否有“吱、吱”聲音，觸點是否粗糙、斷裂；檢查電阻器絕緣物是否有裂痕，確認是否有斷線。

　　（7） 檢查變頻器運行時，各相間輸出電壓是否平衡；進行順序保護動作試驗、顯示、保護回路是否異常。

　　（8）如果超過一年仍未使用，則應進行充電試驗，以使機內主回路濾波電容器特性得以恢復。充電時，可使用調壓器慢慢升高變頻器的輸入電壓，直到額定輸入電壓，，通電時間要在1~2h以上。上述實驗至少每年一次。

9 結束語

　　隨著變頻調速技術的不斷推廣，規范變頻控制柜產品的結構設計和安裝工藝，使其符合行業標準和設計、安裝、控制要求。不僅可以提高生產質量、舒適性、生產效率，創造可觀的經濟效益；對節能、環保等社會效益同樣有著重要的意義。希望上述工作對于從事控制與傳動的同行們在以后的設計應用工作中能有所啟發和借鑒。