作者：Jeff Shepard

　　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、供暖通風(fēng)/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)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果沒(méi)有正確的布線，操作員的安全就會(huì)受到影響，并且電機(jī)的可靠性和使用壽命也會(huì)降低。

　　典型的 VFD 系統(tǒng)在惡劣條件下運(yùn)行，包括達(dá)到電源電壓兩到三倍的高壓尖峰以及高水平的輻射和傳導(dǎo)電磁噪聲。此外，電纜可能會(huì)暴露在高溫下。它們必須耐油、防水和紫外線 (UV) 輻射，同時(shí)保持高度靈活性并滿足 UL、CSA、NFPA 和 NEC 的眾多技術(shù)要求。

　　VFD 安裝具有挑戰(zhàn)性的操作環(huán)境和技術(shù)要求使電纜規(guī)格變得更加復(fù)雜。本文簡(jiǎn)要回顧了變頻器和電機(jī)的運(yùn)行、電纜絕緣的要求以及電磁兼容性 (EMC) 的需求。本文比較了 UL 1277 TC ER、WTTC 和 TC 電纜等規(guī)格，并研究了 NEC 和 NFPA 要求。在結(jié)束之前，它還介紹了電纜結(jié)構(gòu)注意事項(xiàng)，并概述了來(lái)自Belden、Helukabel、Igus、LAPP和SAB North America的示例性電纜。

　　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)境中運(yùn)行。 VFD 電纜需要在高電壓下高效提供高驅(qū)動(dòng)功率，并處理高電壓尖峰和高噪聲水平。 VFD 電纜的絕緣層會(huì)受到反射波和電暈起始電壓等挑戰(zhàn)性條件的影響(圖 1)：

　　反射波：反射波可能是由 VFD 電機(jī)與其電纜之間的阻抗不匹配引起的。這可能會(huì)導(dǎo)致電壓波反彈回驅(qū)動(dòng)器。如果沒(méi)有高性能絕緣層，反射波會(huì)破壞絕緣層并使電纜過(guò)熱。

　　電暈起始電壓/電暈放電：VFD 系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制 (PWM) 電壓從零電壓快速振蕩到峰值電壓。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)慕^緣，出現(xiàn)在電纜電暈起始電壓之上的高壓尖峰會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體周圍的空氣電離，從而導(dǎo)致電暈放電，從而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承受反射波和電暈起始電壓。 (圖片來(lái)源：SAB北美)

　　屏蔽和接地

　　除了承受電壓尖峰之外，VFD 電纜還必須支持高水平的 EMC。重要的 EMC 注意事項(xiàng)包括以下內(nèi)容：

　　共模電流是由 VFD 中的三相電壓產(chǎn)生的，其總和不為零，從而產(chǎn)生電壓不平衡。當(dāng)非零電壓電平發(fā)生變化時(shí)，成比例的電纜充電電流通過(guò)接地導(dǎo)體返回。過(guò)多的共模電流會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路，從而干擾正常的系統(tǒng)性能。

　　傳輸?shù)碾娫肼暿怯煽勺凃?qū)動(dòng)頻率產(chǎn)生的，可能會(huì)產(chǎn)生電磁 (EMI) 和射頻干擾 (RFI)，并影響附近的組件和系統(tǒng)。

　　有效接地的驅(qū)動(dòng)器、電纜和電機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)法拉第籠，可確保強(qiáng)大的 EMC 性能(圖 2)。

　　圖 2：VFD 電纜可以通過(guò)正確的接地連接來(lái)減輕共模電流和電噪聲。 (圖片來(lái)源：SAB北美)

　　腺體與導(dǎo)管

　　VFD 電纜具有小直徑，可在導(dǎo)管中運(yùn)行，并可作為連續(xù)焊接鎧裝電纜結(jié)構(gòu)。這些解決方案需要復(fù)雜、昂貴的安裝，并且存在潛在的可靠性問(wèn)題?？梢允褂貌恍枰獙?dǎo)管的托盤電纜 (TC)。當(dāng)導(dǎo)管可用時(shí)，它可用于在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間創(chuàng)建法拉第籠。當(dāng)使用各種類別的 TC 時(shí)，可以添加 EMC 電纜密封套來(lái)完成法拉第籠。 EMC 電纜密封套提供 68 級(jí)的入口保護(hù) (IP) 等級(jí)，在淡水中的防水深度可達(dá) 1.5 米，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 30 分鐘，并且防塵，使其適合在具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)和室外環(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)，以創(chuàng)建法拉第籠并控制 EMI。 (圖片來(lái)源：SAB 北美)

　　電纜類別

　　TC 可以簡(jiǎn)化安裝并降低成本。各種應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，如額定電壓、靈活性和擠壓/沖擊測(cè)試，對(duì)它們進(jìn)行分類。有兩個(gè)主要的 UL 標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均適用于 18 AWG 及以上的電纜。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：

　　UL 1277，電力和控制橋架電纜，涵蓋多種額定電壓為 600 V 的 TC。

　　基本 TC 電纜是最常見(jiàn)的類型，用作需要阻燃性能的 VFD 電纜。

　　TC-ER(裸露敷設(shè))橋架電纜必須通過(guò)比標(biāo)準(zhǔn) TC 電纜更嚴(yán)格的碰撞和沖擊要求。它們可以在電纜橋架之間自由運(yùn)行，平均距離為 6 英尺 (1.8 m)。

　　THHN/PVC 是一種帶有熱塑性護(hù)套的低成本 TC 結(jié)構(gòu)。適用于直埋和管道敷設(shè)。

　　UL 2277，柔性電機(jī)供電電纜和風(fēng)力渦輪機(jī)托盤電纜，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) 主要設(shè)計(jì)為 VFD 電機(jī)電源電纜。

　　風(fēng)力渦輪機(jī)橋架電纜 (WTTC) 可以承受風(fēng)力應(yīng)用中的極端惡劣條件，例如油、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)亟ㄖ?guī)范，通常(但并非總是)需要符合 NEC 79/NFPA 79 2018 版要求。該標(biāo)準(zhǔn)要求 VFD 電纜必須標(biāo)記為 RHH、RHW、RHW-2、XHH、XHHW 或 XHHW-W，定義如下：

　　RHW、RHH 和 RHW-2 使用耐高溫橡膠絕緣。

　　RHW表示耐水電纜，溫度等級(jí)為+75°C

　　RHH 表示溫度額定值為 +75°C 且不防水的電纜

　　RHW-2表示耐水電纜，溫度等級(jí)為+90°C

　　XHH、XHHW 和 XHHW-W 使用 XLPE(交聯(lián)聚乙烯)絕緣。

　　XHH 適用于潮濕場(chǎng)所，額定溫度為 +75°C

　　XHHW 適用于潮濕場(chǎng)所，額定溫度為 +75°C

　　XHHW2 適用于潮濕場(chǎng)所，額定溫度為 +90°C

　　XLPE 絕緣材料比橡膠絕緣材料更輕、更柔韌，使得 XLPE 電纜更易于安裝，尤其是在低溫下。此外，與橡膠絕緣材料相比，XLPE 的泄漏更低。

　　電纜施工

　　實(shí)施 VFD TC 的方法有多種。 Igus 的零件號(hào)CF31-25-04是許多常見(jiàn)元件的一個(gè)很好的例子;列表中的數(shù)字與圖 4 相對(duì)應(yīng)：

　　外護(hù)套采用壓力擠壓、耐油 PVC 混合物制成 外護(hù)套 低粘附力、耐油 PVC

　　外屏蔽采用由鍍錫銅線組成的高抗彎曲編織層制成

　　內(nèi)護(hù)套采用壓力擠壓角撐板填充 PVC

　　CFRIP 是 igus 專用撕條，模制到內(nèi)護(hù)套中，可加快電纜剝皮速度

　　交聯(lián)聚乙烯塑料(XLPE)的芯線絕緣在塑料內(nèi)部具有三維粘合; XLPE具有高機(jī)械強(qiáng)度和低電容

　　根據(jù) DIN EN 60228 要求，導(dǎo)體的芯線 < 10 mm2 和芯線 ≥ 10 mm2 有所不同

　　中央應(yīng)力消除，一種抗拉應(yīng)力材料

　　圖 4：VFD 電纜示例，除了載流導(dǎo)體外，還顯示了屏蔽和應(yīng)力消除元件。 (圖片來(lái)源：易格斯)

　　更多選擇

　　LAPP 的?LFLEX VFD 1XL是一系列堅(jiān)固耐用的耐油和抗紫外線屏蔽 VFD 驅(qū)動(dòng)電纜，適用于需要較小電纜直徑的設(shè)計(jì)。 XLPE 絕緣材料的直徑異常小，使這些電纜適合在標(biāo)準(zhǔn)電纜可能太大的擁擠安裝中使用。此外，更細(xì)的直徑支持更高的靈活性，以加快安裝速度。這些 TC-ER 級(jí)電纜無(wú)需導(dǎo)管即可安裝，但其較小的直徑和靈活性簡(jiǎn)化了在需要時(shí)使用導(dǎo)管的過(guò)程。它們滿足 XHHW2 性能要求。例如，纜普提供了多種具有四根導(dǎo)線(包括接地)和漏極的型號(hào)，例如具有 10 AWG (5.3 mm2) 導(dǎo)線的型號(hào)701703和型號(hào)701717帶 2 AWG (33.7 mm2) 導(dǎo)線。

　　Helukabel 提供多種具有 TC-ER 和 WTTC 等級(jí)的電纜，并且提供 2 至 18 AWG 的導(dǎo)線，例如四導(dǎo)線 12 AWG TC 型號(hào)63141。它們具有雙重屏蔽，結(jié)合了鋁箔(100% 覆蓋率)和鍍錫銅編織層(約 85% 覆蓋率)。它們采用 XLPE 絕緣材料，并具有耐油、耐冷卻劑、耐溶劑和耐清潔/消毒劑的 PVC 護(hù)套。這些電纜適合在電纜橋架中以及從電纜橋架到機(jī)器之間進(jìn)行開放式、無(wú)保護(hù)的安裝。此外，它們適合安裝在管道中或直埋。

　　高柔性電纜

　　Belden 提供多個(gè)系列的 TC，這些 TC 具有使用多種絕緣和屏蔽材料的各種導(dǎo)體和接地配置(圖 5)。對(duì)于需要高度靈活 TC 的安裝，該公司提供具有多種靈活性和高達(dá) 1000 萬(wàn)次彎曲周期的HighFlex VFD電纜。這些 TC 采用細(xì)絞鍍錫銅導(dǎo)體，某些型號(hào)具有超過(guò) 2,000 根單獨(dú)的絞線和靈活的 TPE 護(hù)套，使其柔韌，易于安裝過(guò)程中的操作。例如，部件號(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)，并滿足 XHHW2 在高達(dá) +90°C 的潮濕環(huán)境中使用的要求。 HighFlex VFD 電纜的目標(biāo)應(yīng)用包括：

　　運(yùn)行工藝設(shè)備

　　為泵提供動(dòng)力

　　駕駛風(fēng)扇

　　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)體和接地配置以及絕緣和屏蔽材料中的一些。 (圖片來(lái)源：百通)

　　SAB 的VFD 電纜旨在提供優(yōu)化的 EMC 性能。還提供適合連續(xù)彎曲的設(shè)計(jì)。這些電纜滿足 TC-ER 和 WTTC 要求，并且使用 XLPE 絕緣來(lái)提高電容，有兩種選擇：一種具有減小的直徑，另一種支持更長(zhǎng)的運(yùn)行。不同的 VFD 電機(jī)制造商對(duì)組合 VFD TC 有不同的線對(duì)尺寸要求，并且可能需要帶或不帶加蔽線的電纜。 SAB 的 VFD 電纜可滿足大多數(shù)應(yīng)用要求，例如用于制動(dòng)或溫度傳感的組合對(duì)電源、多對(duì)尺寸選項(xiàng)(包括 18、16、14 和 12 AWG)以及一些具有兩對(duì)的設(shè)計(jì)。它們具有將箔與鍍錫銅編織物相結(jié)合的雙重屏蔽，并且可以選擇接地對(duì)稱設(shè)計(jì)。這些電纜的彎曲半徑是電纜直徑的 12 倍，符合 XHHW2 等級(jí)，可在溫度高達(dá) 90 °C 的潮濕環(huán)境中使用。這些電纜的一個(gè)很好的例子是型號(hào)35661204，四芯 12 AWG 電纜。

　　結(jié)論

　　VFD 電纜用于惡劣的電氣環(huán)境，必須承受高溫、接觸水、油和/或各種化學(xué)品。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，包括承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)化安裝并降低成本、改善電機(jī)運(yùn)行、減少碳排放并提高操作員安全性。