指定和使用 VFD 电缆以提高可靠性和安全性并减少碳排放

作者:Jeff Shepard

投稿人:DigiKey 北美编辑

变频驱动器 (VFD) 和电机可以减少碳排放,提高各种系统的效率、可靠性和安全性,包括输送机、泵、搅拌机、电梯、暖通/空调 (HVAC) 系统和类似应用。连接 VFD 和电机的电缆是系统中一个关键环节。如果未正确布线,操作人员的安全就会受到影响,电机的可靠性和使用寿命也会缩短。

通常,VFD 系统工作环境恶劣,环境中的高压尖峰高达电源电压两到三倍,还有高水平的辐射和传导电磁噪声。此外,电缆还可能暴露在高温下。电缆必须防油、防水、耐紫外线 (UV) 辐射,同时保持高度柔韧性,并满足 UL、CSA、NFPA 和 NEC 的众多技术要求。

具有挑战性的工作环境和 VFD 安装的技术要求使电缆规格变得复杂。本文简要介绍了 VFD 和电机的运行、电缆的绝缘要求以及电磁兼容性 (EMC) 要求。文中比较了 UL 1277 TC ER、WTTC 和 TC 等电缆的规格,并研究了 NEC 和 NFPA 的要求。本文还介绍了电缆结构方面的注意事项,最后概述了 BeldenHelukabelIgusLAPPSAB North America 的典型电缆。

环境挑战

VFD 电机、驱动器以及连接它们的电缆在恶劣的电气环境中工作。VFD 电缆需要在高电压下有效提供高驱动功率,并能处理高压尖峰和高噪声水平。VFD 电缆的绝缘层要经受反射波和电晕起始电压等恶劣条件的考验(图 1):

  • 反射波:VFD 电机及其电缆之间的阻抗不匹配会产生反射波。这会导致电压波反弹到驱动器上。若非使用高性能绝缘层,绝缘层就会被反射波破坏,从而使电缆过热。
  • 电晕起始电压/电晕放电:VFD 系统中的脉冲宽度调制 (PWM) 电压从零快速振荡至峰值电压。如果绝缘层不够好,高于电缆电晕接收电压的高压尖峰会导致导体周围的空气电离,从而产生电晕放电,熔化绝缘层并损坏电机、电机轴承和驱动器。

VFD 电缆绝缘层必须能够耐受反射波和电晕起始电压的示意图图 1:VFD 电缆绝缘层必须能够耐受反射波和电晕起始电压。(图片来源:SAB North America)

屏蔽和接地

除了能够耐受电压尖峰,VFD 电缆还必须承受高水平的 EMC。重要的 EMC 注意事项如下:

  • VFD 中的三相电压总和不为零会造成电压不平衡,从而导致产生共模电流。当非零电压电平发生变化时,电缆充电电流会按比例通过接地导线返回。过大的共模电流会形成接地回路,影响系统的正常性能。
  • 驱动器变频产生的传输电气噪声会诱发电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI),并影响附近的元器件和系统。

有效接地的驱动器、电缆和电机系统可形成一个法拉第笼,确保稳健的 EMC 性能(图 2)。

VFD 电缆可减小共模电流和电气噪声的示意图图 2:通过正确的接地连接,VFD 电缆可减小共模电流和电气噪声。(图片来源:SAB North America)

电缆密封套与导管

VFD 电缆直径较小,可在导管中布设,也可采用连续焊接的铠装电缆结构。这些解决方案需要复杂、昂贵的安装,并存在潜在的可靠性问题。托架电缆 (TC) 无需导管即可使用。如果提供导管,则可用于在驱动器和电机之间建立法拉第笼。当使用不同类的 TC 时,可添加 EMC 电缆密封套来形成法拉第笼。EMC 电缆密封套的侵入防护 (IP) 等级为 IP68,可在最大深度 1.5 m 的淡水中浸泡 30 分钟,并具有防尘功能,因此适合在具有挑战性的工业和户外环境中使用(图 3)。

可在连接处使用电缆密封套的图片图 3:电缆密封套可用于连接驱动电子设备和电机,以形成法拉第笼并控制 EMI。(图片来源:SAB North America)

电缆类别

TC 可以简化安装,降低成本。电缆的分类依据各种应用标准,如额定电压、柔韧性和挤压/冲击测试。主要有两种 UL 标准。这两种标准都适用于 18 AWG 及以上的电缆。这两种标准分别是:

UL 1277《电力和控制托架电缆》,涵盖几种额定电压为 600 V 的 TC。

  • 基本 TC 电缆是最常见的类型,可用作需要阻燃特性的 VFD 电缆。
  • 与标准 TC 电缆相比,TC-ER(暴露运行)托架电缆必须满足更严格的挤压/冲击要求。这种电缆可以在电缆桥架之间自由布设,平均距离为 1.8 m。
  • THHN/PVC 是一种带有热塑性塑料护套的低成本 TC 结构,适合直接埋入地下或在导管中布设。

UL 2277《柔性电机电源电缆和风力涡轮托架电缆》,涵盖两种额定电压为 1,000 V 的 TC 类型。

  • 柔性电机电源电缆 (FMSC) 主要用作 VFD 电机电源电缆。
  • 风力涡轮托架电缆 (WTTC) 可以耐受风力应用中极端、恶劣的条件,如油、磨损、极端温度、水、持续运动等。

NEC 和 NFPA

在美国,根据当地的建筑法规,通常(但并不总是)要求符合 NEC 79/NFPA 79 2018 版。该标准规定,VFD 电缆必须标有 RHH、RHW、RHW-2、XHH、XHHW 或 XHHW-W 标记,定义如下:

  • RHW、RHH 和 RHW-2 使用耐高温橡胶绝缘材料。
    • RHW 表示额定温度为 +75°C 的防水电缆
    • RHH 表示额定温度为 +75°C 的不防水电缆
    • RHW-2 表示额定温度为 +90°C 的防水电缆
  • XHH、XHHW 和 XHHW-W 使用 XLPE(交联聚乙烯)绝缘材料。
    • XHH 适用于潮湿场所,额定温度为 +75°C
    • XHHW 适用于湿润场所,额定温度为 +75°C
    • XHHW2 适用于湿润场所,额定温度为 +90°C

XLPE 绝缘层比橡胶绝缘层更轻、更柔韧,因此 XLPE 电缆更易于安装,尤其是在低温环境下。此外,与橡胶绝缘材料相比,XLPE 的泄漏率更低。

电缆结构

实施 VFD TC 的方式有多种。Igus 的零件编号 CF31-25-04 是许多常见元素的一个很好的例子;下面列表中的数字与图 4 相对应:

  1. 外护套采用压力挤压的防油 PVC 混合物制成,外护套为低粘性、防油 PVC
  2. 外屏蔽层由镀锡铜线编织而成,抗弯强度高
  3. 内护套为压力挤压衬料填充 PVC
  4. CFRIP 是 Igus 专有的撕拉条,模压在内护套中,可加快电缆剥线速度
  5. 交联聚乙烯塑料 (XLPE) 的芯线绝缘层在塑料内部具有三维粘结力;XLPE 具有高机械强度和低电容特性
  6. 根据 DIN EN 60228 的要求,芯线 < 10 mm² 和芯线 ≥ 10 mm² 的导体有所不同
  7. 中央应力消除,一种抗拉伸应力的材料

VFD 电缆的图片,显示屏蔽层和应力消除元件图 4:VFD 电缆示例,除了载流导线外,还有屏蔽层和应力消除元件。(图片来源:Igus)

更多选择

LAPP 的 ÖLFLEX VFD 1XL 是一个坚固耐用的防油和耐紫外线屏蔽 VFD 电缆系列,适用于需要电缆直径较小的设计。XLPE 绝缘层的直径非常小,因此这些电缆适用于标准电缆可能太大的狭小安装环境。此外,更小的直径还能提高柔韧性,加快安装速度。这些 TC-ER 级电缆无需导管即可安装,但即使需要导管,因其直径较小且具有柔韧性,也能简化导管的使用。此类电缆符合 XHHW2 性能要求。例如,LAPP 提供几种带有四根导线(包括接地线)和漏极的型号,如带有 10 AWG (5.3 mm²) 导线的型号 701703 和带有 2 AWG (33.7 mm²) 导线的型号 701717

Helukabel 提供多种具有 TC-ER 和 WTTC 等级的电缆,导线规格从 2 AWG 到 18 AWG 不等,如型号 63141 四芯 12 AWG TC 电缆。这些电缆采用双层屏蔽,包括铝箔(100% 包覆)和镀锡铜编织层(约 85% 包覆),采用 XLPE 绝缘材料和 PVC 护套,可耐受油、冷却剂、溶剂和清洁/消毒剂。这些电缆适用于裸露、无保护安装在电缆桥架中,以及从电缆桥架布设到机器。此外,还适合安装在导管中或直接埋入地下。

高柔性电缆

Belden 提供多个系列的 TC,具有各种导线和接地配置,使用多种绝缘和屏蔽材料(图 5)。对于需要高柔性 TC 的安装,公司提供了高柔性 VFD 电缆,具有多种柔性范围,挠曲次数高达 1 千万次。这些 TC 具有细绞合镀锡铜导线,某些型号的导线超过 2,000 股,加上柔性 TPE 护套,使得这些电缆极其柔韧性,便于安装时操作。例如,零件编号 29501F 0101000 具有 TC-ER 和 WTTC 等级,专为连续运动和机上应用而设计,符合 XHHW2 的要求,可在高达 +90°C 的潮湿场所使用。HighFlex VFD 电缆的目标应用包括:

  • 运行加工设备
  • 为泵供电
  • 驱动风机
  • 运行物料输送机
  • 移动机械臂

VFD 电缆所用导线和接地配置以及绝缘和屏蔽材料的图片(点击放大)图 5:VFD 电缆中使用的多种导线和接地配置以及绝缘和屏蔽材料。(图片来源:Belden)

SAB 的 VFD 电缆旨在提供优化的 EMC 性能。还可提供适合连续弯曲的设计。这些电缆符合 TC-ER 和 WTTC 要求,采用 XLPE 绝缘材料,可增加电容,有两种选择:一种直径较小,另一种可支持较长距离的布设。不同的 VFD 电机制造商对组合式 VFD TC 的线对尺寸有不同的要求,可能需要带或不带漏极线的电缆。SAB 提供可满足大多数应用要求的 VFD 电缆,如带制动或温度感测组合线对的电源电缆,有多种线对尺寸选择(包括 18、16、14 和 12 AWG)以及一些双线对设计。这些电缆具有双层屏蔽,结合箔片和镀锡铜编织层,还可选择接地对称设计。这些电缆的弯曲半径是电缆直径的 12 倍,并通过了 XHHW2 级认证,可用于温度高达 90°C 的潮湿场所。型号 35661204 四芯 12 AWG 电缆就是一个很好的例子。

总结

VFD 电缆用于恶劣的电气环境,必须能够耐受高温、水、油和/或各种化学品的侵蚀。指定这些电缆是一个复杂的过程,需要考虑各种绝缘特性,包括耐受反射波和电晕起始电压的能力、屏蔽、用于 EMC 保护的电缆密封套以及 UL、NEC 和 NFPA 要求。正确指定和安装的 VFD 电缆有助于简化和降低安装成本,改善电机运行,减少碳排放,并提高操作人员的安全性。

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关于此作者

Jeff Shepard

Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间,他开始了电力电子写作。后来,他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志,再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时,Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net,专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者,该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。

Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人,这是一家高功率开关电源制造商,后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家,其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利,同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。

关于此出版商

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