作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

變頻驅動器 (VFD) 和電機可以減少碳排放，提高各種系統的效率、可靠性和安全性，包括輸送機、泵、攪拌機、電梯、暖通/空調 (HVAC) 系統和類似應用。連接 VFD 和電機的電纜是系統中一個關鍵環節。如果未正確布線，操作人員的安全就會受到影響，電機的可靠性和使用壽命也會縮短。

通常，VFD 系統工作環境惡劣，環境中的高壓尖峰高達電源電壓兩到三倍，還有高水平的輻射和傳導電磁噪聲。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，同時保持高度柔韌性，并滿足 UL、CSA、NFPA 和 NEC 的眾多技術要求。

具有挑戰性的工作環境和 VFD 安裝的技術要求使電纜規格變得復雜。本文簡要介紹了 VFD 和電機的運行、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 等電纜的規格，并研究了 NEC 和 NFPA 的要求。本文還介紹了電纜結構方面的注意事項，最后概述了 [Belden]、[Helukabel]、[Igus]、[LAPP]和[SAB North America]的典型電纜。

環境挑戰

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

• 反射波： VFD 電機及其電纜之間的阻抗不匹配會產生反射波。這會導致電壓波反彈到驅動器上。若非使用高性能絕緣層，絕緣層就會被反射波破壞，從而使電纜過熱。
• 電暈起始電壓/電暈放電 ：VFD 系統中的脈沖寬度調制 (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導致導體周圍的空氣電離，從而產生電暈放電，熔化絕緣層并損壞電機、電機軸承和驅動器。

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 注意事項如下：

• VFD 中的三相電壓總和不為零會造成電壓不平衡，從而導致產生共模電流。當非零電壓電平發生變化時，電纜充電電流會按比例通過接地導線返回。過大的共模電流會形成接地回路，影響系統的正常性能。
• 驅動器變頻產生的傳輸電氣噪聲會誘發電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI)，并影響附近的元器件和系統。

有效接地的驅動器、電纜和電機系統可形成一個法拉第籠，確保穩健的 EMC 性能（圖 2）。

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

電纜密封套與導管

VFD 電纜直徑較小，可在導管中布設，也可采用連續焊接的鎧裝電纜結構。這些解決方案需要復雜、昂貴的安裝，并存在潛在的可靠性問題。托架電纜 (TC) 無需導管即可使用。如果提供導管，則可用于在驅動器和電機之間建立法拉第籠。當使用不同類的 TC 時，可添加 EMC 電纜密封套來形成法拉第籠。EMC 電纜密封套的侵入防護 (IP) 等級為 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性的工業和戶外環境中使用（圖 3）。

圖 3：電纜密封套可用于連接驅動電子設備和電機，以形成法拉第籠并控制 EMI。（圖片來源：SAB North America）

電纜類別

TC 可以簡化安裝，降低成本。電纜的分類依據各種應用標準，如額定電壓、柔韌性和擠壓/沖擊測試。主要有兩種 UL 標準。這兩種標準都適用于 18 AWG 及以上的電纜。這兩種標準分別是：

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

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

• 柔性電機電源電纜 (FMSC) 主要用作 VFD 電機電源電纜。
• 風力渦輪托架電纜 (WTTC) 可以耐受風力應用中極端、惡劣的條件，如油、磨損、極端溫度、水、持續運動等。

NEC 和 NFPA

在美國，根據當地的建筑法規，通常（但并不總是）要求符合 NEC 79/NFPA 79 2018 版。該標準規定，VFD 電纜必須標有 RHH、RHW、RHW-2、XHH、XHHW 或 XHHW-W 標記，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（交聯聚乙烯）絕緣材料。
  • XHH 適用于潮濕場所，額定溫度為 +75°C
  • XHHW 適用于濕潤場所，額定溫度為 +75°C
  • XHHW2 適用于濕潤場所，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，尤其是在低溫環境下。此外，與橡膠絕緣材料相比，XLPE 的泄漏率更低。

電纜結構

實施 VFD TC 的方式有多種。Igus 的零件編號 [CF31-25-04] 是許多常見元素的一個很好的例子；下面列表中的數字與圖 4 相對應：

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

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

更多選擇

LAPP 的 [?LFLEX VFD 1XL] 是一個堅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計。XLPE 絕緣層的直徑非常小，因此這些電纜適用于標準電纜可能太大的狹小安裝環境。此外，更小的直徑還能提高柔韌性，加快安裝速度。這些 TC-ER 級電纜無需導管即可安裝，但即使需要導管，因其直徑較小且具有柔韌性，也能簡化導管的使用。此類電纜符合 XHHW2 性能要求。例如，LAPP 提供幾種帶有四根導線（包括接地線）和漏極的型號，如帶有 10 AWG (5.3 mm2) 導線的型號 [701703] 和帶有 2 AWG (33.7 mm2) 導線的型號 [701717]。

Helukabel 提供多種具有 TC-ER 和 WTTC 等級的電纜，導線規格從 2 AWG 到 18 AWG 不等，如型號 [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、無保護安裝在電纜橋架中，以及從電纜橋架布設到機器。此外，還適合安裝在導管中或直接埋入地下。

高柔性電纜

Belden 提供多個系列的 TC，具有各種導線和接地配置，使用多種絕緣和屏蔽材料（圖 5）。對于需要高柔性 TC 的安裝，公司提供了高柔性 [VFD] 電纜，具有多種柔性范圍，撓曲次數高達 1 千萬次。這些 TC 具有細絞合鍍錫銅導線，某些型號的導線超過 2,000 股，加上柔性 TPE 護套，使得這些電纜極其柔韌性，便于安裝時操作。例如，零件編號 [29501F 0101000]具有 TC-ER 和 WTTC 等級，專為連續運動和機上應用而設計，符合 XHHW2 的要求，可在高達 +90°C 的潮濕場所使用。HighFlex VFD 電纜的目標應用包括：

• 運行加工設備
• 為泵供電
• 驅動風機
• 運行物料輸送機
• 移動機械臂

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

SAB 的 [VFD 電纜]旨在提供優化的 EMC 性能。還可提供適合連續彎曲的設計。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，另一種可支持較長距離的布設。不同的 VFD 電機制造商對組合式 VFD TC 的線對尺寸有不同的要求，可能需要帶或不帶漏極線的電纜。SAB 提供可滿足大多數應用要求的 VFD 電纜，如帶制動或溫度感測組合線對的電源電纜，有多種線對尺寸選擇（包括 18、16、14 和 12 AWG）以及一些雙線對設計。這些電纜具有雙層屏蔽，結合箔片和鍍錫銅編織層，還可選擇接地對稱設計。這些電纜的彎曲半徑是電纜直徑的 12 倍，并通過了 XHHW2 級認證，可用于溫度高達 90°C 的潮濕場所。型號 [35661204]四芯 12 AWG 電纜就是一個很好的例子。

總結

VFD 電纜用于惡劣的電氣環境，必須能夠耐受高溫、水、油和/或各種化學品的侵蝕。指定這些電纜是一個復雜的過程，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 電纜有助于簡化和降低安裝成本，改善電機運行，減少碳排放，并提高操作人員的安全性。