作者：Jeff Shepard

　　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、供暖通風/空調 (HVAC) 系統和類似應用。連接 VFD 和電機的電纜是系統中的關鍵環節。如果沒有正確的布線，操作員的安全就會受到影響，并且電機的可靠性和使用壽命也會降低。

　　典型的 VFD 系統在惡劣條件下運行，包括達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電磁噪聲。此外，電纜可能會暴露在高溫下。它們必須耐油、防水和紫外線 (UV) 輻射，同時保持高度靈活性并滿足 UL、CSA、NFPA 和 NEC 的眾多技術要求。

　　VFD 安裝具有挑戰性的操作環境和技術要求使電纜規格變得更加復雜。本文簡要回顧了變頻器和電機的運行、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 電纜等規格，并研究了 NEC 和 NFPA 要求。在結束之前，它還介紹了電纜結構注意事項，并概述了來自Belden、Helukabel、Igus、LAPP和SAB North America的示例性電纜。

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

　　反射波：反射波可能是由 VFD 電機與其電纜之間的阻抗不匹配引起的。這可能會導致電壓波反彈回驅動器。如果沒有高性能絕緣層，反射波會破壞絕緣層并使電纜過熱。

　　電暈起始電壓/電暈放電：VFD 系統中的脈寬調制 (PWM) 電壓從零電壓快速振蕩到峰值電壓。如果沒有適當的絕緣，出現在電纜電暈起始電壓之上的高壓尖峰會導致導體周圍的空氣電離，從而導致電暈放電，從而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承受反射波和電暈起始電壓。 (圖片來源：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 注意事項包括以下內容：

　　共模電流是由 VFD 中的三相電壓產生的，其總和不為零，從而產生電壓不平衡。當非零電壓電平發生變化時，成比例的電纜充電電流通過接地導體返回。過多的共模電流會產生接地環路，從而干擾正常的系統性能。

　　傳輸的電噪聲是由可變驅動頻率產生的，可能會產生電磁 (EMI) 和射頻干擾 (RFI)，并影響附近的組件和系統。

　　有效接地的驅動器、電纜和電機系統創建了一個法拉第籠，可確保強大的 EMC 性能(圖 2)。

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

　　腺體與導管

　　VFD 電纜具有小直徑，可在導管中運行，并可作為連續焊接鎧裝電纜結構。這些解決方案需要復雜、昂貴的安裝，并且存在潛在的可靠性問題。可以使用不需要導管的托盤電纜 (TC)。當導管可用時，它可用于在驅動器和電機之間創建法拉第籠。當使用各種類別的 TC 時，可以添加 EMC 電纜密封套來完成法拉第籠。 EMC 電纜密封套提供 68 級的入口保護 (IP) 等級，在淡水中的防水深度可達 1.5 米，持續時間長達 30 分鐘，并且防塵，使其適合在具有挑戰性的工業和室外環境中使用(圖3)。

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

　　電纜類別

　　TC 可以簡化安裝并降低成本。各種應用標準，如額定電壓、靈活性和擠壓/沖擊測試，對它們進行分類。有兩個主要的 UL 標準。這兩個標準均適用于 18 AWG 及以上的電纜。這兩個標準是：

　　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 電纜是最常見的類型，用作需要阻燃性能的 VFD 電纜。

　　TC-ER(裸露敷設)橋架電纜必須通過比標準 TC 電纜更嚴格的碰撞和沖擊要求。它們可以在電纜橋架之間自由運行，平均距離為 6 英尺 (1.8 m)。

　　THHN/PVC 是一種帶有熱塑性護套的低成本 TC 結構。適用于直埋和管道敷設。

　　UL 2277，柔性電機供電電纜和風力渦輪機托盤電纜，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) 主要設計為 VFD 電機電源電纜。

　　風力渦輪機橋架電纜 (WTTC) 可以承受風力應用中的極端惡劣條件，例如油、磨損、極端溫度、水、持續運動等。

　　NEC 和 NFPA

　　在美國，根據當地建筑規范，通常(但并非總是)需要符合 NEC 79/NFPA 79 2018 版要求。該標準要求 VFD 電纜必須標記為 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，溫度等級為+90°C

　　XHH、XHHW 和 XHHW-W 使用 XLPE(交聯聚乙烯)絕緣。

　　XHH 適用于潮濕場所，額定溫度為 +75°C

　　XHHW 適用于潮濕場所，額定溫度為 +75°C

　　XHHW2 適用于潮濕場所，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

　　實施 VFD TC 的方法有多種。 Igus 的零件號CF31-25-04是許多常見元件的一個很好的例子;列表中的數字與圖 4 相對應：

　　外護套采用壓力擠壓、耐油 PVC 混合物制成 外護套 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

　　內護套采用壓力擠壓角撐板填充 PVC

　　CFRIP 是 igus 專用撕條，模制到內護套中，可加快電纜剝皮速度

　　交聯聚乙烯塑料(XLPE)的芯線絕緣在塑料內部具有三維粘合; XLPE具有高機械強度和低電容

　　根據 DIN EN 60228 要求，導體的芯線 < 10 mm2 和芯線 ≥ 10 mm2 有所不同

　　中央應力消除，一種抗拉應力材料

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

　　更多選擇

　　LAPP 的?LFLEX VFD 1XL是一系列堅固耐用的耐油和抗紫外線屏蔽 VFD 驅動電纜，適用于需要較小電纜直徑的設計。 XLPE 絕緣材料的直徑異常小，使這些電纜適合在標準電纜可能太大的擁擠安裝中使用。此外，更細的直徑支持更高的靈活性，以加快安裝速度。這些 TC-ER 級電纜無需導管即可安裝，但其較小的直徑和靈活性簡化了在需要時使用導管的過程。它們滿足 XHHW2 性能要求。例如，纜普提供了多種具有四根導線(包括接地)和漏極的型號，例如具有 10 AWG (5.3 mm2) 導線的型號701703和型號701717帶 2 AWG (33.7 mm2) 導線。

　　Helukabel 提供多種具有 TC-ER 和 WTTC 等級的電纜，并且提供 2 至 18 AWG 的導線，例如四導線 12 AWG TC 型號63141。它們具有雙重屏蔽，結合了鋁箔(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 護套。這些電纜適合在電纜橋架中以及從電纜橋架到機器之間進行開放式、無保護的安裝。此外，它們適合安裝在管道中或直埋。

　　高柔性電纜

　　Belden 提供多個系列的 TC，這些 TC 具有使用多種絕緣和屏蔽材料的各種導體和接地配置(圖 5)。對于需要高度靈活 TC 的安裝，該公司提供具有多種靈活性和高達 1000 萬次彎曲周期的HighFlex VFD電纜。這些 TC 采用細絞鍍錫銅導體，某些型號具有超過 2,000 根單獨的絞線和靈活的 TPE 護套，使其柔韌，易于安裝過程中的操作。例如，部件號29501F 0101000具有 TC-ER 和 WTTC 等級，專為連續運動和機上應用而設計，并滿足 XHHW2 在高達 +90°C 的潮濕環境中使用的要求。 HighFlex VFD 電纜的目標應用包括：

　　運行工藝設備

　　為泵提供動力

　　駕駛風扇

　　運行物料輸送機

　　移動機械臂

　　圖 5：VFD 電纜中使用的多種導體和接地配置以及絕緣和屏蔽材料中的一些。 (圖片來源：百通)

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

　　結論

　　VFD 電纜用于惡劣的電氣環境，必須承受高溫、接觸水、油和/或各種化學品。指定這些電纜是一個復雜的過程，需要考慮各種絕緣特性，包括承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 電纜有助于簡化安裝并降低成本、改善電機運行、減少碳排放并提高操作員安全性。