第三章 变频器的安装
3.1 安装环境
通用变频器包含许多对温度、湿度、腐蚀性气体、振动等敏感的部件，如电解电容、冷却风扇等对环境温度有较大的依赖；PCB板和铜母线对湿度、腐蚀性气体由较大的依赖；所有部件之间的连接对振动特性也有一定的限制；变频器在高海拔地区使用时，由于空气稀薄造成冷却效果变差，于是必须按照一定的比例降额使用等，这些在使用过程中往往会被用户忽视的小问题，很可能会影响变频器的使用寿命。
以下是华为TD2000系列通用变频器在正常使用时的环境参数限制：
1、环境温度： 变频器的环境温度是根据变频器内部元器件的工作温度要求、系统热设计及通风系统综合决定的，一般要求在 -10~40 ℃范围， 如果环境温度超过40 ℃，必须将安装柜门打开，或将变频器的前面板取下后使用；
2、环境湿度：湿度是根据变频器PCB板上元器件、铜排间的电气距离决定的。湿度过高或有凝露，容易造成强电部件间放电或短路。TD系列变频器虽然所有PCB板都进行三防处理，具有防潮能力，但对有水汽或凝露的环境，还是要避免，以免影响寿命。
要求湿度范围为： 20~90 %RH，无凝露。
3、振动： 结构件、PBC板、模块间都是靠螺钉连接，长期的大幅度的振动会造成连接的松动和部件的变形损坏，有的会造成绝缘部件的磨损，致使发生机器故障。因此，变频器应该避免安装在高振动幅度的场所 ，或者采取一定的防振措施（如缓冲垫）等。一般要求<5.9m/s2(0.6G)。
4、气体杂质： 无腐蚀性、爆炸性气体，无金属粉尘
腐蚀性气体一般包括由H2S、SO2、SO3、NH3等，在潮湿环境下变成对PCB、金属结构件产生腐蚀作用的物资，造成机器的锈蚀和损坏。尽管PCB作了防腐蚀处理，但应尽量避免安装在这样的场合。判断的基本原则是安装场所的其它用电设备如控制柜是否有锈蚀的现象，如果有，变频器应考虑更换安装地点。
金属粉末主要危害是会造成元器件的短路、或风道阻力等，TD系列的变频器已经作了防尘处理，但对于粉尘较多的场合，要求用户进行定期的清理。
5、海拔高度：TD系列变频器的额定值的设计是按照海拔 <1000m进行的。当在高海拔地区使用时，考虑空气稀薄对散热效果的影响，要求变频器作适当的降额使用。图3-1是海拔高度与变频器允许输出最大电流的降额使用图。
图3-1 变频器额定输出电流与海拔高度降额使用图
6、 变频器只能安装在室内，如果安装在控制柜里，必须保证通风良好。另外，不要受阳光直射。如果有必要在野外安装，必须考虑用防雨的控制柜，还要考虑散热、通风、防潮等综合因素，并采取相应的措施。
7、防雷设计 ：变频器在民用电网或在野外运行时，应考虑防雷问题，TD系列变频器对感应雷的防护标准是C级，具有一定的自我防护能力。但是，对于多雷区的，还应加电网级的避雷装置，以免变频器的损伤。
8、安装的空间要求在安装空间方面，要保证与周围墙壁有5-10cm的距离，有通畅的气流通道，如图3-2所示。有些用户将变频器安装在很小且封闭的控制柜内，这会造成变频器温升提高，必须采取措施使气流通畅。为更好地散热，变频器要垂直安装。还要保证上部不会有杂物进入，以免造成内部短路。
图3-2 变频器安装空间示意图
3.2 安装方式
通常，变频器有直接壁挂式安装和控制柜安装两种方式。
直接壁挂式安装应注意安装支架的强度和阻燃特性，外壳可靠接地，避免安装在有可能产生水珠飞溅的场合（如水管下方），以免影响设备寿命。
控制柜安装的方式比较普遍，也是比较规范的安装方式
很多场合要将变频器和其它设备一起集中安装在一个控制柜内，特别是周围的尘埃较多时更需要安装柜，柜式安装应注意：
1、控制柜不能过小，柜内变频器周围必须留有足够的空间，可参考图3-2。
2、充分考虑散热需要，有必要时应打开柜门运行，或外加风扇。
3、当一个控制柜内安装两台或两台以上变频器时，应尽量横向并排安装，如图3-3(a) 所示，如必须纵向安装，应在两台变频器之间加一块隔板，以免下面变频器排出的热风进入上面变频器，影响上变频器的散热，如图3-3(b)所示。
图3-3 多台变频器的柜式安装
3.3 变频器与电动机的安装距离
变频器与电动机的安装距离可分为三种情况：近距离、中距离和远距离，以20m和100m为限区分，20m以内为近距离，20~100m为中距离，100m以上为远距离。
由于通用电压型变频器输出电压波形是脉宽调制波（PWM），与标准的正弦波相比，波形中含有少量的谐波成份。因此，电机在变频器运行方式下，比工频运行时，在电机噪音、电机温升等方面，略有增加。这是很正常的，对于普通的电机，是完全可以承受的。
但是，如果变频器与电机的距离太长，一般超过100m，或者一台变频器带多台远近不一致的小电机，长电缆相对于大地是一个电容，和电机电感在高次谐波的激励下，产生震荡，容易造成电机绝缘层的破坏。尤其是已经长久使用或配套进口的绝缘等级比较低的国外电机，使用时应尽量减少变频器到电机间的距离。
如果客观条件要求，必须长距离运行，必须加入抑制高次谐波的交流电抗器。它既可以防止电机的损坏，还可以吸收电机的噪音。
另外，长距离还会造成漏电流损失，影响变频器的带载能力，所以，对于这样的用户（如潜水泵），应考虑变频器的容量增加的问题。华为TD系列变频器在裕量方面已作了充分考虑，基本能满足150m以内的接线距离的要求。
3.4 变频器与控制室的距离
由于实际操作的需要，变频器往往和控制室有一定的距离要求。变频器不同的控制信号、不同的信号电缆对距离要求是不一样的；
1、采用电压信号（如0-10V）进行频率控制 。传输距离有限，即使使用屏蔽电缆，也只能在20-30米范围，如果用双绞线，距离更短。主要原因是电压信号的抗干扰性不强，加上线路损耗，影响控制的精度。
2、采用0-20mA的电流信号。与电压信号相比，电流信号的抗扰性要强得多，而且，没有线路损耗问题，因此，此时如果采用屏蔽电缆，距离可以达到80-100m。
3、采用标准的RS232通讯口。由于232口也是电压信号，而且是数字方式，其距离限制在15-20米以内。超过该距离或者工业现场的干扰源较强，会出现数据传送错误，影响正常工作。
4、采用标准的RS485口。由于485口采用的是电流信号进行数字信号的传递，抗扰性比较好，加上TD系列变频器控制主板上通讯口进行了全隔离设计，信号和电源全隔离，增强抗扰性，因此，最长输出1200m都没有问题（波特率为9600BPS）。
总之，操作的距离与控制信号的类型有关，而且还要注意接地问题、屏蔽问题、和干扰源问题。
3.5 外部配件
3.5.1 主电路配件
为使变频器长期稳定地运行，主电路须增加各种选配件，如图3-4所示。
图3-4 变频器主回路接线图
一 、漏电保护断路器、空气开关、交流接触器、输入交流电抗器
在电源和变频器输入侧应安装一个接地漏电保护断路器，它对高频电流很敏感。还要加装一个空气开关和交流电磁接触器，空气开关本身具有过流保护功能，并能自动复位，在故障条件下可用手动操作。电磁接触器由触点输入控制，可以把变频器的故障输出和电机过热保护继电器输出用于控制交流接触器，使整个系统从输入侧切断电源，避免故障扩大。如交流接触器和漏电保护开关同时出现故障，空气开关也能提供可靠保护。
在交流输入和变频器之间接入降低噪声用电抗器，可抑制输入电网中的浪涌,并可减少变频器的高次谐波对外界的干扰。
二、 变频器交流侧功率因素校正器（PFC）
PFC装置串接于电网与变频器之间，可提高变频器的功率因数达0.95 以上，同时PFC装置还可抑制变频器对电网的高频电磁干扰或谐波污染，又可对来自电网的谐波或畸变等干扰进行有效的防护和抑制。
三、变频器直流侧电抗器
串于整流桥与滤波电容之间，体积小，结构简单，滤波效果好，可提高功率因数，75KW以上为变频器的标准配件。
四、电机侧交流电抗器、过热保护继电器
在变频器和电机之间加装过热保护继电器。虽然变频器内部带有热保护功能，但对外部电机的保护是不完全的。由于用户选择变频器容量时经常会大于电机容量，当用户不能正确设定保护值时，在电机烧毁前变频器可能还未来得及动作，或保护功能失灵，这时电机就需要外部热保护继电器来发挥作用。在多台电机运行或市电/变频器切换的系统中，过热保护继电器更为必要。
在变频器和电机间接入降低噪声用电抗器，可降低电机的机械噪音，特别是在变频器与电机之间连线过长时，为抑制输出电路中的浪涌，必须安装交流电抗器。
五、制动组件
1、制动单元的工作原理及制动过程
在变频调速系统中，降速的基本方法就是通过逐步降低给定频率来实现。当拖动系统的惯性较大，电机的转速的下降将跟不上电机同步转速的下降，即电机的实际速度比其同步速度高，此时电机转子绕组切割旋转磁场磁力线的方向和电机恒速运行时正好相反，转子绕组的感应电动势和电流的方向也都相反，所产生的电磁转矩也就和电机旋转方向相反，电动机将出现负转矩，此时的电动机实际为发电机，系统处于再生制动状态，将拖动系统的动能回馈到变频器直流母线上，使直流母线电压不断上升，甚至达到危险的地步（变频器损坏等）。 在某些应用场合，需要快速降速，根据异步电动机原理可知，若滑差越大转矩也越大，同理制动转矩将随着降速速率的加大而增大，使系统降速时间大大缩短，能量回馈大大加快，直流母线电压快速上升，因此必须将该回馈能量迅速消耗掉，保持直流母线电压在某一安全范围以下。制动单元系统的主要功能就是能快速将该能量消耗掉（能量由制动电阻转换成热能散发）。它有效的弥补了普通变频器的制动速度慢、制动转矩小（≤20％额定转矩）的缺点，对于一些需快速制动但频度较低的场合非常适用。以下是制动单元的动作过程：
⑴当电动机在外力的作用下减速时，电机以发电状态运行，产生再生能量。其产生的三相交流电动势被变频器逆变部分的六个续流二极管组成的三相全控桥整流，使变频器内直流母线电压持续升高。
⑵当直流电压达到某一电压（制动单元的开启电压）时，制动单元功率开关管开通，电流流过制动电阻。
⑶制动电阻释放热量，吸收再生能量，电机转速下降，变频器直流母线电压降低。
⑷当直流母线电压降到某一电压（制动单元停止电压）时，制动单元的功率管关断。此时没有制动电流流过电阻，制动电阻在自然散热，降低自身温度。
⑸当直流母线的电压重新升高使制动单元动作时，制动单元将重复以上过程，平衡母线电压，使系统正常运行。
由于制动单元的工况属于短时工作，即每次的通电时间很短，在通电时间内，其温升远远达不到稳定温升；而每次通电后的间歇时间则较长，在间歇时间内，其温度足以降到与环境温度相同，因此制动电阻的额定功率将大大降低，价格也随之下降；另外由于功率管只有一个，制动时间为ms级，对功率管开通与关断的暂态性能指标要求低，甚至要求关断时间尽量短，以减少关断脉冲电压，保护功率管；控制机理也相对简单，实现较为容易。 由于有以上优点，因此它广泛应用于起重机等势能负载及需快速制动但为短时工作制的场合。
2、制动单元的功能及额定值
表3-1 TDB系列制动单元功能
制动单元系统功能 功能说明
参数设定 动作电压设定 设定制动单元的动作电压值(660V/710V)
制动使用率 设定制动单元的工作使用率
参数重置 以上参数均由拨码开关设定，仅在系统上电或复位时自动装载一次。
故障报警 模块异常报警 当直流回路发生短路、过载或IGBT模块损坏故障时制动单元报警，故障继电器动作，红色灯亮
散热器过热 制动单元散热器过热报警，故障继电器动作，红灯亮
输入输出 故障继电器(输出) 制动单元故障时故障继电器吸合报警
外部禁止(输入) 当外部设备禁止制动单元工作时用
显示 制动单元待机 制动单元一切正常，且母线电压在动作电压值以下时处于待机状态，黄色指示灯闪烁
制动单元动作指示 绿色指示灯亮时表示制动单元动作
制动单元故障指示 红色指示灯亮时表示制动单元故障，需手动复位
制动单元工作超时 黄色指示灯亮时表示制动单元工作超时，系统延时恢复
外部设备禁止 制动单元正常时与待机时状态相同，黄色指示灯闪烁；故障时与故障指示相同
制动单元功能参数设定由拨码开关（编号为S1）来拨码实现，共四位。其中第四位（NO.4）为厂家保留位。拨码上标有1、2、3、4及ON的字样，因此OFF的位置自然与ON相反。
表3-2 动作电压设定
NO. 3 功能说明 备注
ON 动作电压设定值为710V 拨码默认位ON，没有特殊情况请不要改动
OFF 动作电压设定值为660V
表3-3 制动使用率设定
NO.1 NO.2 制动使用率（ED％） 备注
ON ON 10％ 拨码默认位ON，没有特殊情况请不要改动。若需改动，请先与我司联系。
OFF ON 25％（厂家保留）
ON OFF 50％（厂家保留）
OFF OFF 75％（厂家保留）
3、制动组件选配计算
对大惯性负载需快速停止的场合，或部分用于加工机床(短周期往复运动)的场合，单靠变频器本身的制动能力不足以满足要求，必须加装制动单元。以下为制动单元、制动电阻的选配计算方法，仅供参考。
⑴制动转矩TB的计算
制动所需电磁转矩为：
式中：
TB：制动电磁转矩（NM）
GD2M：电机的转动惯量（NM2）
GD2L：电机负载侧折算到电机侧的转动惯量（NM2）
TL：负载阻转矩（NM）
N1：制动前电机速度（RPM〕
N2：制动后电机速度（RPM〕
tS：减速时间（s）
一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在损耗，折合成制动转矩大约为电动机额定转矩的20％，因此若所计算出的制动电磁转矩小于20％的电机额定转矩，则表明无需接外接制动装置。
⑵制动电阻的阻值计算
在制动单元工作过程中，直流母线电压的升降取决于常数RC，R为制动电阻的阻值，C为变频器的电解电容的容量。由充放电曲线我们知道，RC越小，母线电压的放电速度越快，在C保持一定（变频器型号确定）的情况下，R越小，母线电压的放电速度越快。由公式3-2可求出制动电阻的阻值。
式中：
UC：制动单元动作电压值，一般为710V。
TM：电机额定转矩（NM）
这里设定制动后转速N2为0，这样该阻值就能满足电机各种减速状况的要求。
⑶制动单元的选择
在进行制动单元的选择时，制动单元工作时流过开关管的最大瞬时电流要小于该器件的额定电流是选择的唯一依据，通过计算出最大电流值，就可以选择合适的制动单元。计算公式为3-3：
式中：
UC：制动单元直流母线电压值，一般为800V
RB：制动电阻阻值（W）
IC：制动电流瞬时值（A）
一般变频器的硬件过压保护值为760V，考虑其动作的滞后，将其适当加大。但一般不会超过800V，因此在计算IC时适当加大了UC。表5-4列举各个制动单元允许通过的最大电流值。
表3-3 制动单元的输出能力
制动单元型号 允许通过的瞬时最大电流（A）
TDB－4C01－0150 50
TDB－4C01－0300 75
TDB－4C01－0550 100
⑷制动电阻的标称功率
由于制动电阻为短时工作制，即每次通电时间很短，在通电期间，电阻温升远远达不到稳定温升，但瞬时功率很高；每次通电后的间歇时间较长，在该段时间内其温度在不断下降，如此循环往复，最终使电阻达到一稳定温升，一般有80～100℃。因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率（额定功率）将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得：
PR＝a×PS×ED％（W） （3-4）
式中：
PR：制动电阻（标称〕额定功率（W）
PS：制动期间平均消耗功率（W）
ED％：制动使用率，这里选择：10％
a：制动电阻降额系数，一般选1.5~2，该值可由电阻的降额曲线查得
PS可由公式3-5求得：
3.5.2 弱电控制端子配件
图3-5 变频器控制端子接线图
在外接各种器件和仪表时必须仔细阅读产品说明书，了解变频器内部电路结构，保证正确应用。如华为TD2000系列变频器的频率测量输出（FM）端子可提供0-10V电压，但其内部接有限流电阻，如外接0-10V电压型仪表来显示频率，必须注意仪表的内阻，如内阻较小，FM端子输出可能达不到满量程10V，从而不能实现频率的正确显示，此问题解决方法是选用内阻大的仪表，或选用电流型仪表。
3.6 变频器的配线
3.6.1 主电路配线
在对主电路进行配线之前应首先检查电缆的线径是否符合要求，TD系列变频器的配线规格要求请参考第二章第2.6节的技术参数。另外，在布线时要使动力电源电缆与弱电控制线路的电缆分开，最好有10mm以上的间隔，如一定要交叉，必须垂直交叉。
3.6.2 弱电控制电路布线
弱电信号分为连续的模拟量、频率脉冲信号和开关信号三类。
控制电路布线时应注意以下几点：
1、控制电路布线和主电路电线及其他动力线分开或垂直交叉。
2、信号线必须用双绞线或屏蔽线，以防止弱电信号受到干扰。
3、使用智能输出端子（用户可自己定义的端子）控制外接继电器时，要在继电器线圈两端加装浪涌吸收二极管，以免继电器动作时浪涌电压损坏智能输出端子。
4、在连线时特别注意模拟信号线的极性，错误的连接会导致变频器或外接设备的损坏。
5、信号线过长时，必须考虑线内阻对信号（特别是电压信号）的影响。
6、在检查控制电路连线时尽量不使用蜂鸣功能。
3.6.3 变频器接地布线
变频器系统的接地是提高人和设备本身安全性及降低干扰的重要方面，必须采用牢固实用的接地桩，保证本系统的接地桩与其它大型电气设备的分开。如果使用多台变频器，决不能将变频器的接地线连成一个回路，每台变频器必须单独接地，如图3-6所示
图3-6 多台变频器接地
3.7 关于系统的抗干扰能力
从实际应用现场看，变频器由于其逆变原理决定其本身就是一个强大的干扰发生源，所以任何弱电装置与变频器组成系统或相近安装时，必须特别考虑抑制干扰。
变频器系统的干扰传播途径分两种：线路串扰和空间辐射。
解决办法为隔离和堵截，具体方法有：
1、找出干扰源，特别是强干扰源；
2、加装动力滤波电抗器或干扰抑制器；
3、将变频器、电机的接地端子牢固接地；
4、控制线要有可靠的屏蔽层，与动力线保持距离，垂直交叉；
5、电机外壳接地；
6、计算机供电与和变频器等动力装置供电分开，不共用一个变压器；
7、变频器进线端加装改善功率因数的电抗器。
