指定和使用 VFD 電纜以提高可靠性和安全性并減少碳排放

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 和電機(jī)可以減少碳排放，提高各種系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性，包括輸送機(jī)、泵、攪拌機(jī)、電梯、暖通/空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)和類似應(yīng)用。連接 VFD 和電機(jī)的電纜是系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果未正確布線，操作人員的安全就會(huì)受到影響，電機(jī)的可靠性和使用壽命也會(huì)縮短。

通常，VFD 系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，環(huán)境中的高壓尖峰高達(dá)電源電壓兩到三倍，還有高水平的輻射和傳導(dǎo)電磁噪聲。此外，電纜還可能暴露在高溫下。電纜必須防油、防水、耐紫外線 (UV) 輻射，同時(shí)保持高度柔韌性，并滿足 UL、CSA、NFPA 和 NEC 的眾多技術(shù)要求。

具有挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境和 VFD 安裝的技術(shù)要求使電纜規(guī)格變得復(fù)雜。本文簡(jiǎn)要介紹了 VFD 和電機(jī)的運(yùn)行、電纜的絕緣要求以及電磁兼容性 (EMC) 要求。文中比較了 UL 1277 TC ER、WTTC 和 TC 等電纜的規(guī)格，并研究了 NEC 和 NFPA 的要求。本文還介紹了電纜結(jié)構(gòu)方面的注意事項(xiàng)，最后概述了 [Belden]、[Helukabel]、[Igus]、[LAPP]和[SAB North America]的典型電纜。

環(huán)境挑戰(zhàn)

VFD 電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器以及連接它們的電纜在惡劣的電氣環(huán)境中工作。VFD 電纜需要在高電壓下有效提供高驅(qū)動(dòng)功率，并能處理高壓尖峰和高噪聲水平。VFD 電纜的絕緣層要經(jīng)受反射波和電暈起始電壓等惡劣條件的考驗(yàn)（圖 1）：

• 反射波： VFD 電機(jī)及其電纜之間的阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生反射波。這會(huì)導(dǎo)致電壓波反彈到驅(qū)動(dòng)器上。若非使用高性能絕緣層，絕緣層就會(huì)被反射波破壞，從而使電纜過(guò)熱。
• 電暈起始電壓/電暈放電 ：VFD 系統(tǒng)中的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 電壓從零快速振蕩至峰值電壓。如果絕緣層不夠好，高于電纜電暈接收電壓的高壓尖峰會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體周圍的空氣電離，從而產(chǎn)生電暈放電，熔化絕緣層并損壞電機(jī)、電機(jī)軸承和驅(qū)動(dòng)器。

圖 1：VFD 電纜絕緣層必須能夠耐受反射波和電暈起始電壓。（圖片來(lái)源：SAB North America）

屏蔽和接地

除了能夠耐受電壓尖峰，VFD 電纜還必須承受高水平的 EMC。重要的 EMC 注意事項(xiàng)如下：

• VFD 中的三相電壓總和不為零會(huì)造成電壓不平衡，從而導(dǎo)致產(chǎn)生共模電流。當(dāng)非零電壓電平發(fā)生變化時(shí)，電纜充電電流會(huì)按比例通過(guò)接地導(dǎo)線返回。過(guò)大的共模電流會(huì)形成接地回路，影響系統(tǒng)的正常性能。
• 驅(qū)動(dòng)器變頻產(chǎn)生的傳輸電氣噪聲會(huì)誘發(fā)電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI)，并影響附近的元器件和系統(tǒng)。

有效接地的驅(qū)動(dòng)器、電纜和電機(jī)系統(tǒng)可形成一個(gè)法拉第籠，確保穩(wěn)健的 EMC 性能（圖 2）。

圖 2：通過(guò)正確的接地連接，VFD 電纜可減小共模電流和電氣噪聲。（圖片來(lái)源：SAB North America）

電纜密封套與導(dǎo)管

VFD 電纜直徑較小，可在導(dǎo)管中布設(shè)，也可采用連續(xù)焊接的鎧裝電纜結(jié)構(gòu)。這些解決方案需要復(fù)雜、昂貴的安裝，并存在潛在的可靠性問(wèn)題。托架電纜 (TC) 無(wú)需導(dǎo)管即可使用。如果提供導(dǎo)管，則可用于在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間建立法拉第籠。當(dāng)使用不同類的 TC 時(shí)，可添加 EMC 電纜密封套來(lái)形成法拉第籠。EMC 電纜密封套的侵入防護(hù) (IP) 等級(jí)為 IP68，可在最大深度 1.5 m 的淡水中浸泡 30 分鐘，并具有防塵功能，因此適合在具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)和戶外環(huán)境中使用（圖 3）。

圖 3：電纜密封套可用于連接驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和電機(jī)，以形成法拉第籠并控制 EMI。（圖片來(lái)源：SAB North America）

電纜類別

TC 可以簡(jiǎn)化安裝，降低成本。電纜的分類依據(jù)各種應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，如額定電壓、柔韌性和擠壓/沖擊測(cè)試。主要有兩種 UL 標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都適用于 18 AWG 及以上的電纜。這兩種標(biāo)準(zhǔn)分別是：

UL 1277《電力和控制托架電纜》，涵蓋幾種額定電壓為 600 V 的 TC。

• 基本 TC 電纜是最常見(jiàn)的類型，可用作需要阻燃特性的 VFD 電纜。
• 與標(biāo)準(zhǔn) TC 電纜相比，TC-ER（暴露運(yùn)行）托架電纜必須滿足更嚴(yán)格的擠壓/沖擊要求。這種電纜可以在電纜橋架之間自由布設(shè)，平均距離為 1.8 m。
• THHN/PVC 是一種帶有熱塑性塑料護(hù)套的低成本 TC 結(jié)構(gòu)，適合直接埋入地下或在導(dǎo)管中布設(shè)。

UL 2277《柔性電機(jī)電源電纜和風(fēng)力渦輪托架電纜》，涵蓋兩種額定電壓為 1,000 V 的 TC 類型。

• 柔性電機(jī)電源電纜 (FMSC) 主要用作 VFD 電機(jī)電源電纜。
• 風(fēng)力渦輪托架電纜 (WTTC) 可以耐受風(fēng)力應(yīng)用中極端、惡劣的條件，如油、磨損、極端溫度、水、持續(xù)運(yùn)動(dòng)等。

NEC 和 NFPA

在美國(guó)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕ㄖㄒ?guī)，通常（但并不總是）要求符合 NEC 79/NFPA 79 2018 版。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，VFD 電纜必須標(biāo)有 RHH、RHW、RHW-2、XHH、XHHW 或 XHHW-W 標(biāo)記，定義如下：

• RHW、RHH 和 RHW-2 使用耐高溫橡膠絕緣材料。
  • RHW 表示額定溫度為 +75°C 的防水電纜
  • RHH 表示額定溫度為 +75°C 的不防水電纜
  • RHW-2 表示額定溫度為 +90°C 的防水電纜
• XHH、XHHW 和 XHHW-W 使用 XLPE（交聯(lián)聚乙烯）絕緣材料。
  • XHH 適用于潮濕場(chǎng)所，額定溫度為 +75°C
  • XHHW 適用于濕潤(rùn)場(chǎng)所，額定溫度為 +75°C
  • XHHW2 適用于濕潤(rùn)場(chǎng)所，額定溫度為 +90°C

XLPE 絕緣層比橡膠絕緣層更輕、更柔韌，因此 XLPE 電纜更易于安裝，尤其是在低溫環(huán)境下。此外，與橡膠絕緣材料相比，XLPE 的泄漏率更低。

電纜結(jié)構(gòu)

實(shí)施 VFD TC 的方式有多種。Igus 的零件編號(hào) [CF31-25-04] 是許多常見(jiàn)元素的一個(gè)很好的例子；下面列表中的數(shù)字與圖 4 相對(duì)應(yīng)：

1. 外護(hù)套采用壓力擠壓的防油 PVC 混合物制成，外護(hù)套為低粘性、防油 PVC
2. 外屏蔽層由鍍錫銅線編織而成，抗彎強(qiáng)度高
3. 內(nèi)護(hù)套為壓力擠壓襯料填充 PVC
4. CFRIP 是 Igus 專有的撕拉條，模壓在內(nèi)護(hù)套中，可加快電纜剝線速度
5. 交聯(lián)聚乙烯塑料 (XLPE) 的芯線絕緣層在塑料內(nèi)部具有三維粘結(jié)力；XLPE 具有高機(jī)械強(qiáng)度和低電容特性
6. 根據(jù) DIN EN 60228 的要求，芯線 < 10 mm2 和芯線 ≥ 10 mm2 的導(dǎo)體有所不同
7. 中央應(yīng)力消除，一種抗拉伸應(yīng)力的材料

圖 4：VFD 電纜示例，除了載流導(dǎo)線外，還有屏蔽層和應(yīng)力消除元件。（圖片來(lái)源：Igus）

更多選擇

LAPP 的 [?LFLEX VFD 1XL] 是一個(gè)堅(jiān)固耐用的防油和耐紫外線屏蔽 VFD 電纜系列，適用于需要電纜直徑較小的設(shè)計(jì)。XLPE 絕緣層的直徑非常小，因此這些電纜適用于標(biāo)準(zhǔn)電纜可能太大的狹小安裝環(huán)境。此外，更小的直徑還能提高柔韌性，加快安裝速度。這些 TC-ER 級(jí)電纜無(wú)需導(dǎo)管即可安裝，但即使需要導(dǎo)管，因其直徑較小且具有柔韌性，也能簡(jiǎn)化導(dǎo)管的使用。此類電纜符合 XHHW2 性能要求。例如，LAPP 提供幾種帶有四根導(dǎo)線（包括接地線）和漏極的型號(hào)，如帶有 10 AWG (5.3 mm2) 導(dǎo)線的型號(hào) [701703] 和帶有 2 AWG (33.7 mm2) 導(dǎo)線的型號(hào) [701717]。

Helukabel 提供多種具有 TC-ER 和 WTTC 等級(jí)的電纜，導(dǎo)線規(guī)格從 2 AWG 到 18 AWG 不等，如型號(hào) [63141]四芯 12 AWG TC 電纜。這些電纜采用雙層屏蔽，包括鋁箔（100% 包覆）和鍍錫銅編織層（約 85% 包覆），采用 XLPE 絕緣材料和 PVC 護(hù)套，可耐受油、冷卻劑、溶劑和清潔/消毒劑。這些電纜適用于裸露、無(wú)保護(hù)安裝在電纜橋架中，以及從電纜橋架布設(shè)到機(jī)器。此外，還適合安裝在導(dǎo)管中或直接埋入地下。

高柔性電纜

Belden 提供多個(gè)系列的 TC，具有各種導(dǎo)線和接地配置，使用多種絕緣和屏蔽材料（圖 5）。對(duì)于需要高柔性 TC 的安裝，公司提供了高柔性 [VFD] 電纜，具有多種柔性范圍，撓曲次數(shù)高達(dá) 1 千萬(wàn)次。這些 TC 具有細(xì)絞合鍍錫銅導(dǎo)線，某些型號(hào)的導(dǎo)線超過(guò) 2,000 股，加上柔性 TPE 護(hù)套，使得這些電纜極其柔韌性，便于安裝時(shí)操作。例如，零件編號(hào) [29501F 0101000]具有 TC-ER 和 WTTC 等級(jí)，專為連續(xù)運(yùn)動(dòng)和機(jī)上應(yīng)用而設(shè)計(jì)，符合 XHHW2 的要求，可在高達(dá) +90°C 的潮濕場(chǎng)所使用。HighFlex VFD 電纜的目標(biāo)應(yīng)用包括：

• 運(yùn)行加工設(shè)備
• 為泵供電
• 驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)
• 運(yùn)行物料輸送機(jī)
• 移動(dòng)機(jī)械臂

圖 5：VFD 電纜中使用的多種導(dǎo)線和接地配置以及絕緣和屏蔽材料。（圖片來(lái)源：Belden）

SAB 的 [VFD 電纜]旨在提供優(yōu)化的 EMC 性能。還可提供適合連續(xù)彎曲的設(shè)計(jì)。這些電纜符合 TC-ER 和 WTTC 要求，采用 XLPE 絕緣材料，可增加電容，有兩種選擇：一種直徑較小，另一種可支持較長(zhǎng)距離的布設(shè)。不同的 VFD 電機(jī)制造商對(duì)組合式 VFD TC 的線對(duì)尺寸有不同的要求，可能需要帶或不帶漏極線的電纜。SAB 提供可滿足大多數(shù)應(yīng)用要求的 VFD 電纜，如帶制動(dòng)或溫度感測(cè)組合線對(duì)的電源電纜，有多種線對(duì)尺寸選擇（包括 18、16、14 和 12 AWG）以及一些雙線對(duì)設(shè)計(jì)。這些電纜具有雙層屏蔽，結(jié)合箔片和鍍錫銅編織層，還可選擇接地對(duì)稱設(shè)計(jì)。這些電纜的彎曲半徑是電纜直徑的 12 倍，并通過(guò)了 XHHW2 級(jí)認(rèn)證，可用于溫度高達(dá) 90°C 的潮濕場(chǎng)所。型號(hào) [35661204]四芯 12 AWG 電纜就是一個(gè)很好的例子。

總結(jié)

VFD 電纜用于惡劣的電氣環(huán)境，必須能夠耐受高溫、水、油和/或各種化學(xué)品的侵蝕。指定這些電纜是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要考慮各種絕緣特性，包括耐受反射波和電暈起始電壓的能力、屏蔽、用于 EMC 保護(hù)的電纜密封套以及 UL、NEC 和 NFPA 要求。正確指定和安裝的 VFD 電纜有助于簡(jiǎn)化和降低安裝成本，改善電機(jī)運(yùn)行，減少碳排放，并提高操作人員的安全性。