西门子变频器成柜

变频器成柜

随着电力电子、 微电子技术及计算机技术的迅速发展， 原来以强电为主， 功能简单的电气控制设备已发展成强弱电紧密结合， 以电力电子和微电子器件为核心， 功能齐全的新型电子控制设备，其中变频器尤其具有代表性， 变频器由于其所用的元器件和电子线路， 具有工作信号电平低、 速度快、 元器件安装密度高的等特点， 对电磁干扰较敏感， 因而对使用现场的电磁环境要求也较苛刻。

另一方面， 变频器本身在工作时也向外界发出电磁干扰， 往往影响其他电子设备的正常工作。

国内外实践证明， 如果变频器在电气成柜设计、 安装和使用时缺乏正确的抗干扰技术指导， 则往往使变频器被干扰或变频器干扰其他设备， 使生产不能可靠运行， 影响企业的经济效益。

1 变频器使用环境要求

变频器的安装环境要求：

变频器应安装于安装于室内， 使用环境要求：

1） 环境温度：

变频器上电工作期间要求环境温度不低于-10°C， 不超过＋40°C， 超过＋40°C 变频器降额使用。

在不工作期间（包括运输和储存） 最高环境温度不高于＋60°C， 不低于－40°C。

变频器

电机

功率因数补偿设备

焊机

高频电加热器.

大功率变频装置

雷电及电网过压故障

变频器前端需加输入电抗器

2） 空气中不得有过量的尘埃、 酸、 碱、 腐蚀性及爆炸性气体。

3） 空气相对湿度在温度＋40°C 时不超过 50％。 在较低温度时， 允许有较高的相对湿度， 在20°C 以下时为不超过 90％。

4） 海拔高度应不超过 1000m， 如海拔高度超过 1000m， 变频器需降格使用。

5） 冲击和振动：

不允许变频器掉到地下或遭受突然的撞击。 不允许把变频器安装在有可能经常受到振动的地方。

DIN IEC 68－2－6 规定的机械强度如下：

偏移： 0. 075mm (10～58 Hz)

加速度9. 8 m/s 2 (58～500 Hz)

6） 交流电源电压为正弦波， 幅值波动±10％（MicroMaster440变频器软件版本2. 09输入电压范围270V～620V） ， 电网频率波动±2％， 各相对称。

7） 变频器存放时间超过一年， 需对其中的电容器重新进行处理。

MicroMaster4 系列变频器：

MicroMaster4 系列变频器 90KW 以上：

处理的方法是在变频器空载的情况下施加85% 的额定输入电源电压， 加压时间至少30 分钟。

8） IT电网（中性点不接地） 下变频器的运行注意事项：

Ø Masterdrive系列和Micromaster系列变频器均可在IT电网下运行， 唯一区别是Micromaster变频器需要从变频器中拆掉‘Y’ 形接线的电容器， 并安装一台输出电抗器。 具体拆除步骤见Micromaster操作指导附录D。

Ø 变频器前端不可接EMC滤波器， 有可能会造成对EMC滤波器的损坏。

9） 如变频器主回路前端有剩余电流保护器（RCD） ， 有如下要求：

Ø 采用B 型RCD 。

Ø RCD 的跳闸限定值是300mA。

Ø 供电电源的中性点接地。

Ø 每台RCD 只为一台变频器供电。

Ø 输出电缆的长度不超过50m (屏蔽的) 或100m (不带屏蔽的)

2 变频器柜内器件布置

输出电抗

电机保护开关

变频器

输入电抗

主接触器

熔断器

主开关

接线端

滤波器

两相

电机电缆应就近接出开关柜

其它三相负载

进线

所有的电源都要在滤波器后接线

把进线与其它元件分隔开来

滤波器尽可能靠近进线， 但与变频器的距离要小于 2m

接入滤波器之前， 其它电缆与主电缆之间的距离必须大于 20 cm

其它供电线路应从滤波器后接出， 另接滤波器效果更好

电机电缆应就近接出控制柜

220V两相电源不要从电网的零线取， 建议用380V/220V隔离变压器取得

柜子中照明避免采用整流器件， 如日光灯

变频柜主回路设计

变流变压器：

1） 变流变压器短路机会较多， 因此变压器绕组和结构应有较大的机械强度。 在同等容量下变流变压器体积将比一般电力变压器大些。

2） 变频器有发生过电压的可能， 因此变压器应有较高的绝缘强度。

3） 变流变压器的漏抗可限制短路电流， 改善电网侧的电流波形， 因此变压器漏抗可略大一些。 但另一方面， 漏抗增加了换相电压压降 DxU，恶化了功率因数，故又不能太大。 一般短路电压在 5％～10％内。

4） 为了避免电压畸变和负载不平衡时中点浮动， 变流变压器的一次和二次绕组中的一个应接成三角形或者附加短路绕组。

熔断器：

由于变频器过流故障保护的电流互感器的检测位于变频器的逆变部分， 变频器整流侧内部无过流保护装置， 所以变频器前端必须加熔断器。

熔断器的选择：

in fuseI I 5 . 1 =

式中

fuse I — 熔断器额定电流

in I — 变频器额定输入电流

主接触器：

在变频器的主回路部分， 接触器并不是必须的， 它仅在下列情况需要：

1） 在连续生产线上设备之间有信号连锁要求时， 例如生产危险化学溶剂的化工厂， 当某个工艺段故障， 需停所有生产线上相关设备时， 可将故障连锁信号的常闭接点接入主接触器的励磁线圈回路。

2） 当变频器工作于发电状态， 外接制动电阻时， 有可能需要将附着于制动电阻上的热敏开关接入主接触器的励磁线圈回路， 当制动电阻过热时断开变频器的主回路， 实现对制动电阻的热保护。

输入电抗器：

也称线路换流电抗器， 其主要作用体现在两方面。

其一是限制变频器整流单元功率器件导通和关断过程中产生的 di/dt， 避免电网电压波动造成变频器欠压故障， 以及限制整流单元短路故障时的电流上升率；

DC

良性连接

变频器

电机

屏蔽层

滤波器

其二是可以改善电网波形， 改善变频器运行对电网的干扰。

在实际应用中， 由于电网的短路容量往往无法得知， 西门子建议采用 2％电抗器当变频器功率大于 1/5 变流变压器容量时， 建议变频器采用 4%电抗器

另外对于整流回馈单元， 建议采用 4％电抗器交流电抗器的电感量计算公式如下：

2％电抗器

L=inLI fU´ p 202 . 04％电抗器

L=inLI fU´ p 204 . 0

式中

LU — 电网相电压有效值

in I — 变频器额定输入电流

f — 电网频率

电抗器选择经验数据

交流输入线电压3 LU (V) 2％电抗器额定电压降

in K I fL U ´ = D p 2 (V)

4％电抗器额定电压降 in K I fL U ´ = D p 2 （V）

电抗器额定电流（A）380 4. 4 8. 8 in I 690 8 16 inI

EMC 滤波器

EMC 滤波器可减少变频器带来的对电网的干扰， 并可改善电网的谐波。

EMC 滤波器根据不同的使用环境， 可分为 A 级（工业环境） B 级（民用环境）

特 性

第一环境 (民用) 第二环境 (工业)

无限定 限定 无限定 限定

辐 射 型

干 扰

Class B (10m) Class A (30m) 无限定规范 –

需 EMC 警告

无限定规范－

需给出信息

传 导 型

干 扰

Class B Class A Class A 基于现今未加

滤波器的驱动

装置谐 波

IEC 1000-3-2(4)

“合理的经济方案”

滤波器的安装

Ø 保证滤波器与干扰源或易受干扰设备之间的距离电气短 ( 例如 与变流器的距离不能超过 2

37 kW及以下书本型

45 kW及以上装机装柜型

S k supply /S conv . =

电网短路容量/传动装置

容量

S k supply /S conv . =

电网短路容量/传动装置

容量

<= 45 <= 33

进线电抗器不需要

2 % u k 进线电抗器

4 % u k 进线电抗器

> 45…500 > 33…1 00

> 500 > 1 00

m)。

Ø 保证滤波器与柜体有较大的接触面， 来构成低阻抗连接。

Ø 把进线线与出线分开（至少 20 cm). 电机电缆尤其不能与电源电缆并行安装。

输出电抗器：

输出电抗器用于补偿电机长电缆时的电容充电电流， 可以改善变频器输出电流的波形， 减小变频器带来的干扰。

到底多长的电缆称为长电缆， 随着变频器功率的增加， 长电缆的导线长度增大。

书本型

当变频器到电机间电缆超过下表长度时， 变频器输出侧需加输出电抗器 和装机装柜型装置

Masterdrive系列（变频器脉冲频率小于6KHz） ： 变频柜

功率 额定电压 非屏蔽导线 屏蔽导线

～4kW 200V～600V 50m 35m

5. 5kW 200V～600V 70m 50m

7. 5kW 200V～600V 100m 67m

11kW 200V～600V 110m 75m

15kW 200V～600V 125m 85m

18. 5kW 200V～600V 135m 90m

22kW 200V～600V 150m 100m

30kW～200kW 380V～690V 150m 100m

250kW～630kW 380V～480V 200m 135m

710kW和1300kW 380V～480V 无限制

900kW～1100kW 380V～480V 200m 135m

250kW～2300kW 500V～690V 150m 100m

Micromaster系列（变频器脉冲频率小于6KHz） ： ：

非屏蔽电缆50m， 屏蔽电缆25m。

注意在某些需要大电流的场合， 往往电机电缆由多根电缆并联， 这时电机电缆长度的计算要乘以电

机电缆的并联根数。 例如单根电机电缆长度35m， 但电机电缆由三根这样长度的电缆并联接于变频

器与电机之间， 这样电机电缆按35 ´ 3=105m计， 这样电机电缆长度在变频器小功率时就有可能超过

长电缆限值， 必须加输出电抗器。

长电缆限值也与变频器IGBT的脉冲频率相关， 当变频器脉冲频率大于6KHz时， 长电缆限制随脉

冲频率增加而减小。

L <pulselfKHzL6´

式中 L－ 长电缆限值l

L － 上表所列的长电缆限值

pulse f － 变频器的脉冲频率

一般输出电抗器材料为铁芯电抗器， 但当变频器输出频率要求大于 200Hz 时， 必须选用铁氧体电抗器。

限制电压滤波器（dv/dt 滤波器） ：

目的是限制长电缆、 变频器输出 PWM 电压过大的 dv/dt 所产生的反射波现象， 反射波现象有可能时电机电压峰值升高到两倍的变频器直流母线电压， 会使一般的绝缘强度电机绝缘失效。

当电机长度超过上表限值时， 建议变频器输出侧加 dv/dt 滤波器， 防止电机绝缘击穿。

限制电压滤波器接于近电机侧。

dv/dt 滤波器在 Micromaster 样本中称为 LC 滤波器。

正弦波滤波器：

正弦波滤波器是变频器输出侧三种滤波方案中最为昂贵的一种， 但效果也比以上两种好， 变频器输出电压电流波形都可以通过正弦波滤波器获得近似的正弦波， 畸变系数约为 5％。

注意当使用正弦波滤波器后， 变频器在正弦波滤波器后的电压比滤波器前电压略有下降， 加正弦波滤波器后的电压约为原来电压的 86％。

器件布置原则：

一般空电柜如下所示：

图中

1 无漆镀锌背板

2 柜门

3 连接柜门柜体的铜辫

4、 5、 6 接地铜排

7 变频器安装背板， 如柜体已涂漆， 可采用 7 方式利用无漆背板与接地母排可靠连接。

8、 9 柜门上显示仪表的安装

1） 建议变频器置于柜子的上部， 调节控制单元置于柜子的中央， 主开关、 接触器、 继电器等布置在柜子的下部。 或变频器布置在左侧、 控制单元布置在右侧、 接触器、 继电器等布置在柜子的下部。

2） 分区原则

区域间用良好接地钢板隔开。

区域A 是电源包括滤波器接线部分， 在此发射噪声应保持在具体限定值

区域B 包括进线电抗器和噪声源变频器制动单元接触器

区域C 装有控制变压器和噪声接受器控制系统和传感器系统

区域D 形成信号和控制电缆与四周的接口部分在此要求一个确定的抗扰度水平

区域E 由三相电机及其电源电缆组成

区域在空间应是隔离的以便于实现电磁去耦

区域间最小间距20cm

用接地隔板去耦是比较好的不允许不同区域的电缆放入同一条电缆管路中

如果需要滤波器应安装在区域间接口位置

非屏蔽电缆可以用在一个区域中

从柜中引出的所有总线电缆(如RS 485 RS 232) 和信号电缆必须屏蔽

3） 布置元器件时应留有布线， 接线， 维修和调整操作的空间间距。

4) 制动电阻发热元件布置：

制动电阻与地面平行安装， 导线采用耐热导线或套以瓷珠。

制动电阻建议置于柜外， 制动电阻外罩金属壳， 装于离地面1. 5M处。 同时要注意制动电阻与其他器件的物理距离大于10cm。

2 接地

电柜 EMC 规则

1. 所 有 的 柜 体 金 属 部 件 必 须 通 过 其 最 大 的 导 体 表 面相 互 电 气 连 接.

2. 信 号 线 必 须 与 动 力 线 在 空 间 上 分 开.

3. 接 触 器、 线 圈 及 其 他 电 磁 设 备 必 须 有 灭 弧 装 置，如 吸 收 装 置 、 二 极 管、 压 敏 电 阻.

4. 同 一 电 路 中 的 非 屏 蔽 线 应 采 用 双 铰 线

5. 应 尽 量 缩 短 电 缆 及 导 体 的 长 度.

6. 将 备 用 及 备 件 导 体 设 备 双 端 接 地.

7. 电 缆 越 接 近 接 地 的 盘 面 设 备， 感 应 噪 音 就 越 小.

8. 测 速 机, 码 盘 及 变 频 器 的 电 缆 必 须 屏 蔽.

9. 数 字 信 号 线 的 屏 蔽 层 必 须 双 端 接 地.

10. 模 拟 信 号 电 缆 的 屏 蔽 层 只 能 一 端 接 地， 除 非 有 很 好 的电 势 屏 蔽

11. 信 号 线 不 能 迂 回 走 线， 并 且 应 从 一 侧 进 柜

12. 如 需 要 为 MASTERDRIVES 配 24V 辅 助 电 源， 此 电 源 必 须为 MASTERDRIVES 专 用， 并 靠 近 安 装

13. MASTERDRIVES 不 能 与 自 动 化 设 备 直 接 接 到 同 一 个 电源 上.

14. 为 到 达 EN55011 B1” 级 或 B1” 的 标 准， 应 配 置 抗 无 线 干扰 滤 波 器.

15. 应 尽 量 将 滤 波 器 靠 近 噪 声 源 安 装. 不 要 将 输 入 输 出 电缆 放 在 一 起.

16. 所 有 调 速 电 机 应 使 用 双 端 接 地 的 屏 蔽 电 缆

17. 在 滤 波 器 与 变 频 器 之 间 应 配 置 输 入 电 抗 器

18. 电 源 进 线 电 缆 必 须 与 电 机 电 缆 分 开

19. 屏 蔽 线 的 屏 蔽 层 必 须 完 好， 不 能 有 断 开 点

20. 为 达 到 标 准 EN55011 B1” 所 有 外 连 电 缆 必 须 屏 蔽,

主 电 源 线 除 外

变频器的接地：电柜 1 电柜2 电柜 3

各柜单点接地

柜体接地电阻小于4欧姆

整个变频器电柜系统单点接地， 利用与柜体良好连接的铜排与工厂接地电缆（尽可能短而粗） 螺栓紧固， 单点接地。 如有多个柜体， 各柜体间用接地铜排一字连接。

变频器接地利用变频器金属背板通过柜体无漆镀锌钢板大面积接地

EMC 滤波器的接地： 滤波器一定要可靠接地， 建议利用滤波器的外表面与柜体大面积接地，滤波器与变频器之间一定要用屏蔽电缆， 电缆尽可能短， 屏蔽层两端接地。

柜内主接触器， 电抗器等均需可靠接地。

电缆屏蔽接地方法：

以尽可能大的接触面将两端接到柜壳上

柜 内 屏 蔽 说 明

端子

模拟信号 线 数据线

(如PROFIBUS-DP)

数据线(如脉冲编码器 )

现场侧也需屏蔽

电 缆 进 柜 时 的 屏 蔽

电 缆 固 定 排

以 尽 可 能 大

的 接 触 面 将 两

端 接 到 柜 壳 上

现 场 侧 也 需 屏 蔽

线 槽

接 屏 蔽 的 导 轨

不 能 被 用 做 泄 流

当信号电缆通过端子排隔断时电缆屏蔽接法

电缆线路的接地方式与流经电缆的电流频率有关, 在 1MHz 以下, 采用单点接地方式, 高于 1MHz时采用多点接地, 对宽频信号, 采用复合接地, 即一端小电容接地, 另一端直接接地

1) 1MHz 以下, 如模拟量， 采用单点接地方式, 如果电缆屏蔽层如有一个以上的接地点, 屏蔽层上将流过电流, 该电流在电缆芯线上产生耦合电压, 形成干扰源, 如信号源与接受源设备只有一个接地, 则屏蔽层接地与接地的信号源或接受源设备上, 如果信号源与接受源设备都接地了, 这时相当与屏蔽层两端都接了地, 要产生附加噪声, 建议采用光耦合器或隔离变压器切断干扰源的环路

2) 1MHz 以上， 如数字量采用多点接地方式， 对于屏蔽双绞线电缆, 高频集肤效应使干扰电流在屏蔽层外表面流动, 而信号电流在屏蔽层内表面流动, 从而减少屏蔽层上信号电流和干扰电流的耦合,对于同轴电缆, 多点接地能提高高频状态下的磁屏蔽能力, 为了防止地电位差在电路中引起噪声电压,长电缆应在每隔 1/10 波长处接地一次

3) 对宽频信号, 采用复合接地方式, 即一端小电容接地, 另一端直接接地, 在低频时, 小电容的阻抗很高, 该电路相当于一点接地, 在高频时小电容的阻抗值很低, 电路变成多点接地

其他应注意事项

屏蔽层必须接地, 如不接地, 由于寄生耦合, 其干扰程度比不带屏蔽层反而严重, 使导线增加干扰

将分段的电缆屏蔽层两端连在铜排上， 铜排本身与柜体大面积可靠接地

不建议信号电缆屏蔽层通过端子排进行连接

3 走线

电缆在桥架中布线时应视动力线、 控制线、 及数据线的不同进行分层布线或同层中用接地金属隔板隔开。 动力线、 控制线、 及数据线间距要小于 10d、 d 为电缆的最粗线径。

注： 数据线在穿越不同楼层或过地沟时应穿金属软管。

4 通风

变频器正常工作温度-10－40 度， 50 度降额使用。

变频柜温升计算公式：

1） 变频柜密封（柜门关、 无风扇） 温升计算：

Trise = Ploss/(5.5 x A)

式中

A： 柜体表面积、 单位 m2

Ploss： 变频器热损耗功率、 通常估计为变频器功率的 3%、 单位 w。

2） 有风扇冷却变频器温升计算：

Trise = (0.053 x Ploss)/F

式中

F： 风扇流量、 单位 m3/分钟

举例：

计算右图柜（无风扇） 内温升：

TRISE = PLOSS/(5.5 X A)

PLOSS = 450W 每 15kW 变频器

A: 柜顶 = 0.4 x 0.4

柜侧 = 0.4 x 2

柜面 = 0.4 x 2

A=1 .76m2 估 2m2

则：

TRISE = 900/5.5 X 2 = 80° C!

变频柜所需风量计算：

V=（Ploss/Trise） X3.1

式中：

V： 变频器保持允许温升所需风量、 单位 m3/小时

Ploss： 变频器热损耗功率、 通常估计为变频器功率的 3%、 单位 w。

Trise： 变频器柜允许温升。

3.1 ： 海平面工作热度

举例：

变频器柜内变频器总容量 55KW

环境温度 35 度， 变频器最高运行允许温度 50 度。

Trise=1 5 度

Ploss=55000 X0.03=1 650W

变频柜需配风机风量

V=1 650 X3.1 /1 5=333m3/h

5 EMC 现场案例

工频电网电压波形

现象： PLC 与变频器通讯出错

原因： 通讯电缆与电源线走同一个线槽

现象： 当主接触器动作时， 接触器边 

电压尖峰 4000v

上的 ET200S 通讯出错

原因： 接触器与 ET200S 太近， 接触器无阻容吸收单元

好的例子

不好的例子

RS485 通讯干扰：

Ø 柜体无漆镀锌板

Ø 1 1 0/230V、 400V、 24V、 模拟量、 数

据线分线槽布线

左图：

PLC 接地点太长， 接地应就近接地， 接地线

尽可能短而粗

改进如下图：

S7200 的 PE、 M 端就近接地

干扰的 RS485 电平 

标准的 RS485 信号

PLC 端 profibus 电缆屏蔽接法