VFD噪聲對電機(jī)、控制器和驅(qū)動(dòng)器的影響

　　變頻驅(qū)動(dòng)器 （VFD） 為自動(dòng)化機(jī)械中各種類型的電機(jī)提供了精確的動(dòng)力。從本質(zhì)上講，這些 VFD 屬電力電子供電組件，它們將電壓輸入電機(jī)繞組，以提升對電機(jī)速度和扭矩輸出（在矢量控制適應(yīng)性中）的嚴(yán)格控制。這樣做的問題是，可能會(huì)出現(xiàn)不受控制的電流和其他與此相關(guān)的電氣現(xiàn)象。如果不加以緩解，這些現(xiàn)象可能對 VFD 附近的大多數(shù)自動(dòng)化組件和系統(tǒng)造成不利影響。

　　像 3G3MX2-A2015-V1 這樣的 VFD，是各種過程和分立式自動(dòng)化應(yīng)用不可或缺的——它為電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸帶來嚴(yán)格的控制能力、安全保障和最高的效率。有一點(diǎn)需要注意的是，VFD 運(yùn)行時(shí)自然會(huì)產(chǎn)生 EMI，如果不加以解決就會(huì)降低附近控制和反饋回路的通信效果；損壞鄰近的機(jī)械部件；以及刺激各種干擾性跳閘和其他次優(yōu)系統(tǒng)行為。

　　研究一下 VFD 的工作方式，我們就可以了解為什么它們會(huì)在次優(yōu)設(shè)計(jì)中導(dǎo)致其所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)以及附近其他設(shè)備出現(xiàn)問題。簡而言之，VFD：

• 　　接受交流市電的正弦波電流作為輸入，然后
• 　　將線路電源整流（轉(zhuǎn)換）為直流電。

　　使用絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 來反轉(zhuǎn)（變回交流）直流電流——更具體地說，變成精確調(diào)制的脈沖串。

　　基本上，這些驅(qū)動(dòng)開關(guān)將電壓關(guān)閉和打開，實(shí)現(xiàn)斬波電流，促使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就像接受平滑調(diào)制的正弦波電流一樣。在這種驅(qū)動(dòng)形式下（稱作脈沖寬度調(diào)制或 PWM），輸出速度最終取決于電流脈沖的頻率。

　　過去通過硅控整流器 （SCR） 或雙極結(jié)晶體管 （BJT） 執(zhí)行這一過程的 VFD 比今天基于 IGBT 的 VFD 的開關(guān)速度要慢。正是由于 IGBT 開關(guān)的頻率較高，才能實(shí)現(xiàn)快速和精確的電機(jī)控制，但它也可能導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射電磁干擾 （EMI） 和射頻干擾 （RFI） 的問題。

　　VFD 噪聲對電機(jī)、控制器和驅(qū)動(dòng)器本身的影響

　　出現(xiàn) EMI 問題的原因是，即使驅(qū)動(dòng)器為電機(jī)提供低速運(yùn)行的動(dòng)力，每個(gè)電脈沖都是具有母線電壓振幅的方波，這意味著發(fā)送到電機(jī)的功率包括相當(dāng)大的 dV/dt 電壓上升時(shí)間（微秒或零點(diǎn)幾微秒級(jí)）。

　　只需考慮一個(gè)這樣的問題——電壓反射波。啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)的定子繞組表現(xiàn)為一個(gè)電感，逐漸建立起磁場，然后通過電流。從 VFD 向電機(jī)輸送電力的電纜在其電機(jī)連接處出現(xiàn)了阻抗不匹配。在這里，上述過沖導(dǎo)致反射波在電纜與電機(jī)的高阻抗連接處將一些電壓波形的前緣反彈到電纜中（朝向驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備）。

　　電壓反射波是由 PWM 的很大 dV/dt 引起的電壓過沖產(chǎn)生的

　　致使這種現(xiàn)象惡化的一個(gè)可能因素是，從驅(qū)動(dòng)器到電機(jī)的電纜過長，在某些情況下這是不可避免的。長電纜具有高電感，與短電纜相比，它帶來了更多的電壓尖峰以及反射波的混合機(jī)會(huì)?；旌喜ㄓ绕溆泻?，因?yàn)檫@些波（已經(jīng)進(jìn)入相位）有效地形成新的波，這種新波的電壓和電流是幾種原波的和。

圖 2：具有母線電壓幅度的 VFD 電脈沖方波會(huì)引起很大的 dV/dt 電壓上升時(shí)間，如果不解決就會(huì)產(chǎn)生各種電磁問題。（圖片來源：Design World）

　　注意電機(jī)（就像 VFD）也可以承受反射波和電壓尖峰的損害。這就是為什么今天的許多自動(dòng)化裝置都在使用變頻器專用電機(jī)的原因。這些電機(jī)的定子繞組采用高性能絕緣材料和其它元件，提高了整體熱容量，并在大多數(shù)情況下具有電壓尖峰恢復(fù)能力。額定參數(shù)按照浪涌電壓的大小和持續(xù)時(shí)間來區(qū)分——額定值較高適用于涉及上升時(shí)間較長（較不突然）的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，沒有按照變頻器專用規(guī)格制造的電機(jī)也可以采用 VFD 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。然而，這些不太可靠的電機(jī)的應(yīng)用一般應(yīng)限于具有中等難度參數(shù)的自動(dòng)化設(shè)備。由 VFD 驅(qū)動(dòng)的任何此類電機(jī)可能還需要一個(gè)短的電纜線路，以及包含線路電抗器和其他保護(hù)組件。

　　救援電纜：專門為 VFD 設(shè)計(jì)的電纜

　　除了威脅到 VFD，具有足夠高電壓的同相復(fù)合波會(huì)損壞不當(dāng)使用的通用電纜。更具體地說，與 VFD 運(yùn)行相關(guān)的高壓尖峰會(huì)對電纜的絕緣層產(chǎn)生壓力、熱量，甚至刺穿。為了防止這個(gè)問題，專門為 VFD 設(shè)計(jì)的電纜需要具有以下特性：

　　重載（小 AGG）導(dǎo)體的額定能力可承受所有預(yù)期峰值電壓

　　足夠厚的接口和專門設(shè)計(jì)的交聯(lián)聚乙烯或（在某些情況下不太受歡迎）聚氯乙烯的絕緣層

　　護(hù)套和其他元素，以對 VFD 產(chǎn)生的尖峰和噪聲進(jìn)行分散和接地

　　Alpha Wire 用于 VFD 的電纜包括了交聯(lián)聚乙烯絕緣層，具有抗電磁電暈?zāi)芰?、?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容（甚至在電纜較長時(shí)）和良好的低溫性能。

　　衡量電纜對反射波的抵抗能力的一個(gè)可量化標(biāo)準(zhǔn)是其起暈電壓——通常以千伏為單位?；仡櫼幌禄A(chǔ)物理教學(xué)，電暈（因其微弱的冠狀微光而得名）是圍繞高度局部電壓的空氣突然電離。如果在導(dǎo)體周圍沒有采用充分的絕緣，這種電離可以產(chǎn)生臭氧和各種亞硝酸鹽化合物，可以迅速損壞應(yīng)用不當(dāng)?shù)碾娎|。這就是為什么應(yīng)該使用厚絕緣 VFD 級(jí)電纜的原因，因此電纜要符合或超過 VFD 供應(yīng)商所指明的結(jié)構(gòu)要求，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家電氣法規(guī) （NEC） 針對對通用熱塑性高熱尼龍涂層 （THHN） 導(dǎo)線的標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng) VFD 在戶外或其他潮濕環(huán)境使用時(shí)，工程聚乙烯絕緣材料可能是最合適的。如需詳細(xì)了解關(guān)于影響 VFD 驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)及其電纜的其他現(xiàn)象，包括浪涌電流和共模電流，請參考 Digi-Key 文章《適合工業(yè)應(yīng)用的電纜》。

　　VFD 布線最佳實(shí)踐

　　除了盡量減少 VFD 電纜的使用長度（如果可能的話，短于 50 英尺），還有必要對電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的所有部件進(jìn)行適當(dāng)接地——包括控制裝置和機(jī)器面板。這意味著使用一個(gè)共同的接地塊或主電位安排，以防止不同機(jī)器點(diǎn)與地之間的電壓電位引起的接地回路造成有害影響。這在機(jī)械反饋依賴電壓基準(zhǔn)值的情況下尤其如此，這些電壓基準(zhǔn)值（如果不保護(hù)其不受通過地面的意外電流影響）可能會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤的數(shù)值。在 Digi-Key 文章《測量高電壓上的小信號(hào)，并避免傳感器接地回路》中對這一主題有更全面的闡述。

　　事實(shí)上，許多設(shè)計(jì)還需要增加一些子組件，如濾波器、電纜側(cè)鐵氧體環(huán)、電機(jī)軸接地環(huán)和屏蔽層，以全面解決 EMI 問題。恰當(dāng)例證：一個(gè)在 VFD 裝置中往往是不可缺少的簡單補(bǔ)充部件，叫做接地帶。這個(gè)扁平零件由一個(gè)鍍錫銅的編織條組成，兩端各有一個(gè)環(huán)形端子。當(dāng)集成到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中時(shí)，接地帶將驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)接地端子（包括在所有的 VFD 上）連接到地面，然后將高頻電氣噪聲導(dǎo)入地面，這要比圓形接地線好得多。其相對較高的表面積適應(yīng)了交流電（尤其是在高頻）在導(dǎo)體表面或表皮上的流動(dòng)方式——因此有一個(gè)術(shù)語叫集膚效應(yīng)，指的就是這種行為。

　　這種鍍錫銅接地帶耐腐蝕、有彈性，且符合 RoHS 規(guī)范。這種帶子在 VFD 裝置的接地部分很有用，因?yàn)樗鼈冞m應(yīng)高頻噪聲在導(dǎo)體表面的傳播方式。

　　不過，這里還有一點(diǎn)要注意：除了防止傳導(dǎo)性 EMI 之外，設(shè)計(jì)還應(yīng)該防止在高頻率下傳輸?shù)碾娙?a href="http://www.ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合噪聲。這包括通過像接地帶以及金屬管道中的非屏蔽電機(jī)電纜這樣的元件進(jìn)入 VFD 電機(jī)電路的噪聲，因?yàn)檫@兩種元件都很容易傳導(dǎo) EMI 并產(chǎn)生接地回路。另一個(gè)必須減輕電容耦合噪聲的區(qū)域是在 VFD 驅(qū)動(dòng)型電機(jī)繞組和接地框架之間。

圖 ：這里顯示的是一個(gè)可在 digikey.com 下載的教學(xué) PDF 中的圖表，它比較了三種適合 VFD 的工業(yè)電纜設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。（圖片來源：Belden Inc.）

　　結(jié)語

　　VFD 在暖通空調(diào)、石油和天然氣以及一般泵、壓縮機(jī)和鍋爐操作的過程型應(yīng)用中比比皆是。VFD 在眾多分立式工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中也是必不可少的，這些系統(tǒng)采用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)、磨坊、電梯和其他可能受益于效率提高的設(shè)備上的移動(dòng)軸。

　　這些驅(qū)動(dòng)器的成功應(yīng)用取決于其對所連接的和相鄰的組件和系統(tǒng)產(chǎn)生的潛在有害電氣和電子影響，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)，使用 VFD 通常需要使用專門的電氣濾波器、端接、接地系統(tǒng)和 VFD 專用電纜。