如何为实现可靠的 VFD 电机控制和传感器反馈选择正确的电缆

工业自动化和提升能效的努力，正在不断地增加变频驱动器 (VFD) 在如输送机、泵和工业机器人等电机系统中的使用。此类电机的电缆选型，远比根据负载电流确定线规、根据工作电压确定绝缘等级复杂得多。

现代 VFD 电机系统使用开关模式电力电子设备，可产生具有极快边沿的脉宽调制 (PWM) 驱动信号。这些快速跳变沿会加剧电缆和电机接线端子之间阻抗失配引起的信号反射，进而形成驻波，使电缆全线的电压应力升高。此外，电缆的线间电容与对地电容，会影响驱动器性能并增大充电电流。由于 VFD PWM 信号含有大量高频谐波，因此对电机电缆必须进行有效屏蔽，减少电磁干扰 (EMI)。

本文简要介绍 VFD 并探讨设计人员在选择 VFD 电机电缆时面临的各项挑战，以确保正常运行所需的功能性、可靠性和安全性。然后介绍 LAPP 的 VFD 电缆，并演示如何使用这些电缆提供稳定的电源和控制信号，同时减少 EMI 辐射以及减弱在恶劣环境中的敏感性。

VFD 简介

工业自动化要求电机运行可靠、高效，能够在全速范围内以任一方向运行。VFD 有时也称为调速驱动器，是一种电机控制器，可通过改变电机的电源输入频率、电压和占空比来调节 AC 感应电机 (ACIM) 的转速和转矩。VFD 的工作原理是采用 AC 整流输入，利用 DC 输出产生 PWM 信号来驱动电机。通过调整这些脉冲信号的频率、宽度和振幅，可在各种电机驱动系统中控制电机的转速和输出转矩。

为实现其功能，VFD 由三个主要部件组成（图 1）：将 AC 变为 DC 的整流器、将 DC 变为 PWM 流的逆变器以及 VFD 控制器。

图 1：VFD 对 AC 输入进行整流，并利用 DC 产生 PWM 信号来控制电机的转速和输出转矩。(图片来源：Art Pini）

控制器通过多种传感器监测电机运行，以控制关键的电机参数。这些传感器包括旋转变压器/编码器反馈装置、转速计以及温度和振动传感器。

这种整流器采用常规二极管，后接滤波器。逆变器采用功率场效应晶体管 (FET) 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。这些晶体管由隔离式高压栅极驱动器驱动，而后者则由 VFD 控制器统一控制。

VFD 与传统的三相 AC 运行不同，驱动电机的信号不是正弦波，而是 PWM 脉冲（图 2）。

图 2：VFD 的 PWM 脉冲在电机绕组中产生正弦电流响应。(图片来源：LAPP）

PWM 信号频率一般为 2 kHz 至 20 kHz。逆变器交替将电机连接至 AC 母线的正负极以及 DC 公共电压。DC 母线电压接近 AC 主线电压峰值。所使用的 VFD PWM 波形可产生正弦电流响应，用来控制电机的转速和转矩。

由于 PWM 波的特性，需要使用特殊电缆将 VFD 与电机连接。这种波形是一种矩形脉冲，频谱很宽，富含谐波。VFD 电缆经过专门设计，可减少这些高频信号的辐射。此外，为了最小化逆变器开关器件的开关损耗、最大化系统效率，脉冲的跳变速度需要设置得尽可能快。这导致脉冲边沿的电压变化率很高 (dV/dt)。这些特征与快速边沿、高频谱成分相叠加，会导致高水平电磁干扰。快速边沿也会在电缆阻抗变化处产生传输线反射。这种反射会在电缆中产生驻波，从而增大电缆上的电压，并要求 VFD 电缆具有更高的额定电压。

金属导体之间的电缆电容是另一个需要关注的问题。当逆变器开关将电缆连接 DC 母线时，会产生电流浪涌，进而对电缆的电容充电。这会提高瞬时电流水平，有可能损坏电缆。这种共模电流可能在相间流动，也可能从某一相流向地。这种电流还可能通过电机框架进入接地回路，穿过电机轴承。通过轴承的电流会导致轴承表面出现点蚀，从而缩短电机寿命。这些问题通常出现在电压较高、电机额定功率 (HP) 较高、电缆敷设长度较长的 VFD 系统中。

与所有电线电缆一样，电流流经电缆的 DC 电阻时也会造成功率损耗。此外，由于 PWM 信号的频谱带宽较宽，电缆的电阻可能会因趋肤效应而增大。这些电阻效应随电缆敷设长度而变化。

VFD 电缆能直接解决连接难题

LAPP 的 ӦLFLEXVFD 2XL with Signal 电缆系列（图 3），专为工业环境下的 VFD 配套应用、固定敷设以及需要偶尔弯折的应用而设计。这类电缆解决了在 VFD 配套应用中发现的许多问题。

图 3：所示为带信号电缆的典型 ӦLFLEX VFD 2XL 电缆，说明了与 VFD 应用相关的主要设计特点。(图片来源：Art Pini，根据 LAPP 材料制作）

电力线芯结构是该系列电缆的核心特征。电缆导体的绞合结构会直接影响电缆的柔韧性与载流量。LAPP VFD 电缆系列符合北美和欧洲 5 类电缆绞合标准。5 类导体由多根非常细的镀锡铜线组成，可制成高度柔韧的电缆。圆密耳面积 (CMA) 可超过等效的美国线规 (AWG) 尺寸。这就降低了直流电阻，降低了电缆上的电压降，减少了功率损耗。信号线对的直径较小，符合 K 类绞合标准。

每根电缆包括三根黑色绝缘动力线（具有相序标记）、一根绿黄条纹接地线以及 1 组双导体屏蔽式双绞线信号电缆。

该系列电缆内的导线采用交联聚乙烯 (XLPE) 单独绝缘，交联聚乙烯是一种热固性塑料，耐热、防潮和耐化学腐蚀。XLPE 具有出色的热机械特性，可耐受过流条件下的发热。这种绝缘材料还具有较小的介电常数，可降低电缆电容，有助于最大限度地减少充电电流和共模电流。此外，由于其具有较小的介电常数，因此可以减小绝缘导体之间的间距，从而减小电缆直径，同时提高最大工作电压。

电缆的外护套由采用特殊配方的热塑性弹性体 (TPE) 材料制成。TPE 是一种柔韧耐用的材料，兼具塑料和橡胶的特性。这种材料具有出色的耐热性、耐油性、耐化学性、耐紫外线和耐臭氧性，因此适用于工业环境。

ӦLFLEX VFD 2XL 系列电缆采用金属屏蔽层，可将辐射电磁干扰降至最低。主屏蔽层由三层箔带构成，屏蔽覆盖率为 100%。次屏蔽由镀锡铜编织而成，屏蔽覆盖率为 85%。绝缘层内侧的绝缘芯线由隔离带提供屏蔽保护。在正确接地的情况下，上述屏蔽层既能防止外部干扰进入电缆，又能减少电缆本身的辐射，从而实现可靠的 EMI 防护。屏蔽接地引流线沿电缆全长贯通布设，提供了灵活的接地方式选择。

线规较小的双绞线信号对用于控制或传感器连接，如制动控制或温度传感器等。信号双绞线对同样采用铝箔带屏蔽，并配置独立的屏蔽接地引流线。

选择 LAPP ӦLFLEX VFD 电缆

VFD 电机系统的整体性能很大程度上取决于是否能够正确地选择 VFD 电缆。带信号线的 ӦLFLEX 2XL VFD 系列电缆提供多种线规选择，以适应不同规格的电机。该系列包括从 16 AWG（1.5 mm²）到 2 AWG（33.7 mm²）的电缆，中间规格有 14 AWG、12 AWG、10 AWG、8 AWG、6 AWG 和 4 AWG。这些电缆均采用四根电力线芯（三根相线和一根接地线）和一根双芯绞线信号缆。根据 Underwriters Laboratories (UL) 托盘电缆标准，所有电缆的额定电压均可达 2,000 V _AC rms。所选线规是否合适取决于电机功率（与满载电流 (FLC) 有关）、电缆长度以及电缆可承受的压降（图 4）。

图 4：所示为不同电机功率所需的 VFD 电缆线规。(图片来源：LAPP）

导线规格以 AWG 或面积（千圆密耳，KCMIL）表示。圆密耳用于 0 AWG 以上的线规。

例如，LAPP 700710 是一种 VFD 电缆，内含四根 16 AWG 动力导体和两根 18 AWG 信号线。该电缆是 ӦLFLEX VFD 2XL 系列中规格最小的 VFD 电缆，直径为 0.652" (16.6 mm)。该电缆直径决定最小弯曲半径，即电缆直径的 7.5 倍，或 4.9" (124 mm)。该电缆同时标注参考重量为每千英尺 200 磅 (lb)。在设计电缆桥架等支撑结构时，电缆重量非常重要。根据图表所列数据，该电缆可用于 ½ HP 至 2 HP 范围内的电机，适用于所有三种线电压。该电缆还可用于采用 460 V 和 575 V 线路供电的 3 HP 至 5 HP 电机。

LAPP 700713 是一种直径为 0.798" (20.3 mm) 的六导体结构 VFD 电缆，内含四根 10 AWG 导体、两根 18 AWG 导体。该电缆适用于工作电压为 460 V 的 15 HP 至 20 HP 电机、工作电压为 575 V 的 20 HP 电机，以及工作电压为 230 V 的 7½ HP 至 10 HP 电机。

该系列中规格最大的电缆是 LAPP 700717，这是一种六导体 VFD 电缆，内含四根 2 AWG 导体、两根 14 AWG 导体。该电缆的直径为 1.4" (35.6 mm)，每千英尺重 1580 磅。该电缆适用于 230 V 50 HP 电机、460 V 100 HP 电机或 575 V 125 HP 电机。

结语

随着 VFD 部署的加快，设计人员必须谨慎选择合适的连接电缆，以确保项目成功。LAPP ӦLFLEX VFD 2XL 带信号系列电缆支持各种 VFD 驱动器和电机应用。其多重屏蔽设计可确保在嘈杂的工业环境中具有可靠的性能，而其坚固耐用的工业级外护套可防水、防油和防刺激性化学品。