第五章 软起动柜设计概要.docx
《第五章 软起动柜设计概要.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章 软起动柜设计概要.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第五章软起动柜设计概要
第五章交流笼型电动机软起动柜设计
交流电动软起动柜（装置）主要用以实现单台或多台交流电动机软起动的电力电子控制器、开关（软、硬）电器及共同控制、测量传感器（软、硬）和调节装置（含PLC）的组合，以及上述电器装置与其互相连接部分、辅件、防护外壳、支持件的成套装置总称。
软起动柜（装置）的型式有四种：
壁挂式、动力箱式、固定安装柜式、抽屉柜式。
由于软起动柜内装有电力电子、微电子、低压电器、电气辅件等几大类产品，生产软起动柜的厂家通过先进的元器件选型、完美的防护外壳，以及合理并符合电磁兼容原则的布线与联线，达到了国际和国家标准的要求。
这些标准是：
IEC947-4.2交流半导体电动机控制器和起动器。
（本标准已转化为国家推荐标准GB/T14048.6—1998），及由全国电力电子学标委会、传动用变流器标委会起草报批的JB/T××××—2000交流电动机电力电子软起动装置。
一个完善、符合国际、国家、行业标准的软起动柜将是通过结构设计、工艺设计、柜体设计，以及相应的型式试验程序完成的。
本章将分节介绍天津天传电子有限公司及其合作的伙伴们共同为用户提供可靠、性能好耐用的软起动柜。
5.1软起动柜设计依据的标准要求
5.1.1柜（装置）安装环境要求
a、周围空气温度
户内安装的周围空气温度不得超过℃，而且在24小时内其平均温度不超过+35℃，周围空气温度下限为温带地区为-25℃
严寒地区为-50℃
上述周围空气温度下限指成套装置防护外壳周围的空气温度，而交流电动机软起动电力电子控制器的周围温度的工作温度下限为+5℃。
b、相对湿度
相对湿度在+40℃时不超过50℃，在较低温度时允许有较大的相对湿度。
例如+20℃以下时相对湿度为90℃，相对湿度变化率不超过5%/n。
但应考虑由于温度的变化有可能会偶然的产生适度的凝露。
c、海拔
安装地点海拔不超过1000。
（编者注：
①本产品在超过海拔1000m应用时，每100m起动器电流降1%使用；
②本产品的使用环境超过+40℃时,在45℃～50℃降容使用,起动器每升温
1℃,电流减少2%。
）
d、污染等级
规定为污染等级3：
存在导电性污染，或者由于凝露使干燥的非导电性污染变成导
电性污染。
e、振动
安装地点所允许的振动条件：
振动频率为10～150Hz，振动加速度不大于5m/S2。
5.1.2柜（装置）基本性能要求
a、印制板
应符合GB4588.1和GB4588.21984“金属化孔，单、双面印制板技术条件”。
b、指示灯和按钮颜色
应符合GB2682-1981“电工成套装置中的指示灯和按钮颜色”要求。
c、主电路和辅助电路的鉴别
用形状、位置、标志或颜色应很容易区别主电路的保护导体（PE）。
如用颜色，保护导体（PE）必须是绿色和黄色（双色），颜色标记最好贯穿导线的整个长度，中性导体（N）是淡蓝色。
主电路的鉴别由制造厂负责，而应与接线图和图样的标志一致。
适合地方可用GB7947的鉴别方法。
d、接线辅件
应符合JB/T9659.1“低压成套开关设备和控制设备用接线端子排”。
e、母线与绝缘母线的尺寸
装置内导体截面积的选择由制造厂负责，除必须承载的电流外，还应考虑所承受的机械应力，导体的敷设方法，绝缘类型，所连接的元件类（如电力电子控制器）。
f、布线
两个连接器件之间的电线不应有中间头或焊点，应在固定的端子上接线。
通常一个端子上只能接一根导线，将两根或多根导线连接到一个端子上，只有在端子为此用途设计或经特殊工业处理，并经试验验证时才允许。
i、温升
部件与器件
材料与被覆层
温升（）
半导体电力器件及其他电气元器件
应符合元器件各自标准规定
连接于低压电器的母线的连接处
铜无被覆层
60
铜搪锡
65
铜镀银
70
铝搪锡
55
连接于半导体器件的母线的连接处
铜无被覆层
45
铜搪锡
55
铜镀银
70
铝搪锡
35
与半导体器件相连接塑料绝缘导线
45
j、电气间隙与爬电距离
额定绝缘电压Ui（V）
爬电距离（mm）
Ui＜63
2
63＜U≤400
5.6
400＜Ui≤660
9
660＜Ui≤800
11
800＜Ui≤1250
8
额定绝缘电压Ui（V）
空气中的最小电气间隙（mm）
Ui≤660
8
660＜Ui≤1200
14
k、安装与接地
装置中的导线截面积S
相应的保护导体的最小截面积Sp（mm）
S＞16
S
16＜S≤35
16
S＞35
S/2
h、噪声
在正常使用条件下，装置运行产生的噪声不大于80dB（A声级）。
m、冷却
装置可采用自然冷却，强迫通风冷却。
采用自然通风时，散热器周围应有足够的空间间距，间距的大小由制造厂决定。
5.2结构设计
由于在标准中已规定结构可分户内工作制和户外工作制，同时在柜体型式上又有壁挂、柜式、抽屉式，因此柜体设计原则上即有共性部分，也有个性部分。
先介绍共性部分，然后介绍个性部分。
5.2.1结构设计共性要求
a、通风、换气
如图5-1所示，对自然换气的结构，一定要设置足够的给气（进风口）和排气（出风口），两个口的距离尽可能的相离远些，散热效果好。
部件在柜内的布置不要密度过高。
要将那些发热功率较大的器件置上部，如空气断路器、接触器。
在软起动器的下部，不要放置较大发热量的部件。
根据IEC890及生产、检验经验，柜体内的温升测量参考点在柜高0.75处（如图5-2），故建议将软起动器装于这一高度范围。
对于那些要在线运行的软起动柜，可采用强制冷却，即强迫通风及外部自然冷却。
两者比较，强制冷却适用于占地小、价格低，但防止灰尘效果差，适合于户内装置；外部冷却可将产生热量的70%置于柜外，防止灰尘效果好，适合于户外。
对环境条件要求高的软起动柜，可做成全封闭型，它适合安装环境恶劣场合，有简单的防尘结构，内部产生的热量首先通过柜内的对流形成稳定的温升（可参考图5-2）。
柜内的热量是通过柜体表面散出，这一过程是柜内高温使壳体内表面加热，然后通过柜壳的传导散热，引到壳体外表面，通过外表面与柜体周围空气的再次对流热交换，将柜内高温散发到柜外空间。
b、柜的正面设计
柜的正面设计，即是操作部分的设置高度要符合人机工程要求，这些要求见图5-6和图5-7
图5-7
c、多台装置的配置
2台或2台以上软起动器置于一台柜内，若是非在线运行，按“a”条设计即可；若为
在线运行，有如下两种配置：
横配置和纵配置。
在线运行，有如下两种配置：
横配置和纵配置。
d、软起动器的壁挂安装
壁挂软起动器的安装一定在其周围留存适当的空间（单位：
），如下左图：
本类安装属于一般安装，其基本要求：
1）保证良好的周围冷却空间，确保冷却效果；
2）垂直安装，偏离垂线方向最大为±5。
；
3）安装周围无导电尘埃（如碳化纤维）；
4）当采用封闭柜（IP54），强迫通风风机装于柜下部，一般出口风温小于45℃；具体数值因采用元件允许工作温度、柜内布置紧凑等因数，最终由制造厂决定。
5）由于塑料散热差，故起动器不宜安装在塑料箱柜内。
5.2.2户外柜型设计
户外柜型有两种：
一种为自然换热型（图5-12）和户外强迫通风型（图5-13）。
户外型设计要点：
进风口要有防止固体异物进入的防护级别（IP3x），防止日照直射，顶部要有阻挡集水槽和溢流孔（见图5-14）
如有并柜设计，在两柜之间结合部防降雨侵入的密封件（见图5-15）。
图5-16对防阳光直射结构设计了二层顶二重天结构和加装隔断热传导材料的结构，并给出顶层高度占柜体总高度h的比例与温升的关系，供用户参考。
最后需说明的是，由于软起动柜的多数属于轻型柜（总重500kg以下），可采用无骨架（动力箱型）、有骨架两种。
有骨架可采用当今世界结构通用型材—C型材组合式。
5.3软起动柜的空气调节和热设计
起动柜的空气调节是自然通风型、强迫通风型、柜外热交换型设计的基础。
所谓起动柜的空气调节，指的
是柜内各类低压电器元器件产生的热量，将其周围空气加热，如何使这部分被加热的空气没有障碍的迅速的散开，以保证柜内温升被限制在标准允许范围。
5.3.1柜壳表面散热工程设计
无论是自然通风型、强迫通风型、封闭型（给予特别注意），都或多或少的通过柜壳散热。
根据IEC890“用外推法检查低压成套开关设备和控制设备通过部分型式试验成套设备（PTTA）”的温升给出了一系列的计算柜体最大散热能力，并校核典型方案的温升的理论。
1）条件
满足下列条件，本方法才能使用：
a、外壳内功耗分布均匀；
b、外壳内装设备的布局要使得空气流通无阻碍；
c、承载大电流的导体和结构件布局要合理，对其没有涡流损耗，可忽略不计；
d、对于带通风口的外壳，出气孔的截面至少是进气口的1.1倍；
e、外壳水平隔板数量不多于3个；
f、带有通风口的外壳内如有隔室，则每个水平隔板上的通风口应至少是隔室水平面积的50%。
2）计算方法
计算的必要资料：
外壳尺寸，外壳安装形式，有无通风口或内部隔板数量，外壳内装设备的有效功率。
3）计算程序
a、在一定容量下，按假定的柜内温度选择元器件、母线，并计算总功率（功耗）PΣ，如若工作电流与标准功率指定的工作电流有差异时，按如下的降低系数选取。
降低系数
（5-1）
b、评价柜体的散热能力QΣ
c、比较PΣ≤QΣ是否成立
d、如“c”条不成立，要么从新设计较大柜体，要么施加强迫通风。
强迫风量按下式计算：
V=f（n）[m3/n]（5-2）
其中V所需换气量[m3/n]
Q柜内产生的热量（Kcal/min）
△柜内外温度差（K）
f（n）与海拔有关的系数
f（n）表格：
f（0～100）=3.1m3k/wh
f（100～250）=3.2m3k/wh
f（250～500）=3.3m3k/wh
f（500～750）=3.4m3k/wh
f（750～1000）=3.5m3k/wh
例如海拔300m，则m3k/wh
一般情况可取V=3.1[m3/n]（5-3）
4）计算公式
a、柜内装设备总功耗PΣ
PΣ=PD+PY+PF
其中PΣ总功耗
PD导线功耗
PY元件功耗
PF附件功耗
导线功耗如能根据电缆和母线长度、截面、材质、电阻率计算出。
如不能计算，可按各类元件总功耗即（PYPF）×0.3估算出。
根据导线电阻计算功耗办法：
PD=312R（5-4）
其中导线电阻值R根据GB764“电线、电缆导电芯电阻测量法”在任意一变化的环境温度中，导线电阻为
R=ρ20[1+∝（T-20）]×L/S（5-5）
其中ρ20-环境为20℃时导线电阻率（Ωmm2/m）
∝-环境为20℃时电阻温度系数
T外壳内平均温度（℃）
L导线长度（m）
S导线截面（mm2）
α和ρ20在GB5585.2中规定ρ20=0.01777Ωmm2/m
∝=0.381%
各类元件的功耗,可向该元件生产厂咨询,或查询其样本。
）外壳散热能力
将外壳高度四分之三（75%）处的空气温度规定为外壳内的平均温度。
根据IEC890，一般柜内温升为一有限幅的直线（见图5-2），即有：
△T0.75=T-TO
△T0.75=（△T0.5+△T1.0）/2
△T0.5=K·∝·PΣ
△T1.0=C·△T0.5
其中T外壳四分之三高度处的空气温度
TO环境温度以平均温度35℃计算
△T0.5外壳高度二分之一处的空气温度（K）
△T1.0外壳高度100%处的空气温度（K）
△T0.75外壳高度四分之三处的空气温度（K）
K-外壳常数（见图5-17和图5-20）
∝外壳水平隔板数（见图5-18和图5-20）
C外壳温度分布系数（见图5-19和图5-20）
将上述各式合并得：
PΣ=X√（5-6）
在热平衡时，可近似认为PΣ=Σ
Σ=X√（5-7）
6）外壳散热面积Ae计算
外壳散热面积Ae计算可通过如下经验公式给出
外壳安装形式
Ae计算公式
不靠墙安装
A=1.8·H·（W+D）+1.4·W·D
靠墙单独外壳
A=1.4·W·（H+D）+1.8·D·H
不靠墙终端外壳
A=1.4·D·（W+H）+1.4·W·H
靠墙终端外壳
A=1.4·H·（W+D）+1.4·W·D
不靠墙中间外壳
A=1.8W·H+1.4W·D+D·H
靠墙中间外壳
A=1.4·W·H（H+D）+D·H
封顶靠墙中间
A=1.4·W·H+0.7·W·D+D·H
H高度（m）W宽度（m）D深度（m）
其他参数高低、系数f
f=1.35·H/W·D（5-8）
5.4软起动柜的电磁兼容（EMC）设计
什么是EMC？
EMC即是电磁兼容性，它的定义是：
在电磁环境中装置良好工作能力，但它本身不
能产生在此环境中工作的其他装置所不能接受的电磁干扰。
原则上，这意味着装置间不能互相干扰。
电气设备或系统总是受电磁干扰所困扰。
另一方面，机电设备本身就是大小不等的
电磁干扰源，干扰以不同的途径产生，但主要是由于电压、电流的突变引起的。
如高能量的切换动力电源、短路、大电机起动引起的电压降、高频的分断短路电流、控制设备切换、雷电引起的过电压等。
对电力电子设备主要干扰源是传导干扰电压，电压变化率在几个毫微秒内可达几百伏109V/S。
软起动柜的电磁兼容（EMC）设计的依据标准，由于国家传动用变流器标委会的
IEC61800-3尚未转换成国标，而IEC947.4.2（即GB/T14048.4.2）对EMC的要求尚在考虑中。
现以IEC439.1（1999年版）“低压开关设备和控制设备”标准6.2.10电磁兼容性（EMC）为依据，介绍标准要求和从设计角度采取那些措施，即可达到标准要求。
5.4.1关于EMC的要求
a、环境
EMC要求的环境有两类。
即环境1、环境2。
环境1：
主要与低压公共电网有关。
例如在居民区、商业区和轻工业区，此环境不包括强干扰源，如弧焊机。
（指的是公共电网）
环境2：
主要与低压非公共电网或工业电网有关，包括强干扰。
（指的是工业电网）
下面介绍这两种环境在EMC方面差异性。
环境
环境特点
抗干扰
标准
发射噪声
标准
电网特点
干扰抑制谐波器的设计
公共电网
家庭应用
（环境）
对发射噪声要求严格
装置可设计成较低抗干扰度。
低
用无线电干扰电压度量
高
用无线电干扰电压度量
（发射噪声）
按无线电干扰电压度量属专门设计
工业电网
（环境）
抗干扰度要求高
发射噪声要低较低
高
用无线电干扰电压度量
低
用无线电干扰电压度量
是不接地系统，即发生接地，无故障电流，可保持设备工作
属专门设计
有专门产品
需要说明的，在没有专门对EMC的协议情况下，上述要求被认为是普遍要求，有专门协议的按专门协议执行。
b、标准要求
执行的国标准是：
IEC16000-4-21995“电磁兼容性（EMC）第四部分：
试验和测量技术第二节：
静电放电抗干扰试验”。
IEC16000-4-31995“电磁兼容性（EMC）第四部分：
试验和测量技术第三节：
放射性射频、电磁场干扰试验”。
IEC16000-4-41995“电磁兼容性（EMC）第四部分：
试验和测量技术第四节：
电气瞬间破坏干扰试验”。
IEC16000-4-51995“电磁兼容性（EMC）第四部分：
试验和测量技术第五节：
浪涌抗干扰试验”。
关于无线电抗干扰电压度量指标：
对于“第二环境”的限制性要求为：
在主连接点上的无线电干扰电压最大可达79dB（MV），频率在150KHz～500KHz之间，和最大73dB（MV），频率在500KHz～30MHz之间。
当用电压来表达这些值时，分别为9mv和45mv。
那么什么地方要叫主接点？
或者说要搞清楚什么地方需要EMC？
看一个例子。
这个例子就是装有SM1软起动器和其他低压电器组成的软起动柜。
1）在电源进线侧
这是最重要的一环。
实践证明大多数影响软起动柜正常工作的干扰是来自电源的浪涌冲击。
2）在控制部件与软起动器之间，控制部件与测量、传感器件之间。
这一要求多数是强电～弱电之间的干扰。
3）外部操作与控制部件之间
这一要求是注意各种空气电磁干扰。
4）生产机械与传感器之间
下面再看另一个问题：
是不是例如进线侧EMC达到要求就可以说整个柜子达到了EMC要求？
答案也不是这么简单，从上面叙述的2）、3）、4）中看出已经不能下此结论了。
这就引来了一个对抗干扰评价的“区域原则”，即是说我们注意几个特定的区域，就可大大简化我们的设计与测量工作。
c、区域原则
减少干扰要花钱的措施就是在空间上隔离噪声源和噪声接受器，而这些在机械系统设计阶段已经考虑了。
第一个回答：
装置是作为噪声源呢？
还是噪声接受器？
在本例中，软起动器、接触器、制动单元都可能是噪声源。
所谓区域原则是将柜子划成若干区域，每个区域都有自己的发射和抗扰度要求，区域之间用金属壳或接地隔板隔离去耦。
下面说明几个区域划分：
区域A电源：
包括滤波器，发射噪声是限定的；
区域主要装备区：
软起动器、接触器、制动单元等噪声源及进线电抗器；
区域C装有控制变压器、控制系统、传感系统，后者为噪声接受器；
区域D信号和控制电缆与四周的接口部分主要是抗干扰问题；
区域E由被拖动电机及电缆组成。
d、试验要求
在多数情况下，成套装置一经组装，如果满足下列要求，就不要求最终在成套装置上进行电磁兼容或抗辐射试验。
1）装于柜中的元器件、组合器件都满足EMC的要求；
2）在柜中所有联线都要求也同时满足上述组合电器制造厂的要求；
除此之外，要按照下列标准要求试验。
具体要求试验级别
浪涌1，2/50MS～8/20MS
升级会员 