Kevin Marston， |的总经理SAB北美
使用VFD的任何机器都会受到驱动的切碎直流方波输出信号的影响。在这里，我们解释了这些信号如何影响和互动与电机和周围设备相互作用，以及电缆如何帮助保护许多组件免受信号的影响更有害性能。
变频驱动器(VFDs)运行在无数的机器上，包括造纸、水泥厂、采矿控制、汽车厂和钢铁厂的工业应用;污水处理设施及工作船的环保应用;石油和天然气应用形式的控制系统的泵，气体和柴油发动机，锅炉，压缩机，涡轮机和输送机;以及暖通空调应用。
但是VFD的输出使用直流脉冲来诱导电机运动，这些脉冲会通过电机和电机电缆对电信号造成干扰——损坏部件并降低整机性能。
VFD专业基础知识
回想一下，VFD将正弦交流电转换为直流信号。然后它向电机发送一个截断的直流信号。通过改变脉冲的宽度和时间(通过脉冲宽度调制或PWM)，驱动产生一个看起来像正弦波的电机电流，它的频率控制电机的速度。
问题是，即使在低速（低频），方波的幅度始终处于650 VDC母线电压，用于480 V电机。来自绝缘栅极双极晶体管（IGBT）的产生的电压上升时间DV / DT导致反射波问题和电磁干扰（EMI）问题，这不是昨天的VFD逆变器的问题。早期逆变器使用硅控制整流器-SCR或双极结晶体管-BJTS-作为输出功率的开关组件。这些比20 kHz约20 kHz的IGBTS比现代VFD慢得多。虽然较高的IGBTS实现更好的控制和更准确的响应，但负面的权衡是它导致损害整个系统的现象......包括电缆。
反射波和电晕起始电压
其中一个最明显的问题是反射波浪。请记住，电机的定子绕组是电感器，电感器不会瞬间通过电流。相反，他们必须首先建立一个磁场。由于电缆和电动机之间的阻抗不匹配，直流脉冲（DV / DT）的极快上升时间导致电缆在电缆上以电缆的反射波的形式过冲。这里，波形的前缘的一部分在击中电机结时通过电缆反射回来。
电压波反射的入射取决于两个因素:
•电压上升时间DV / DT
•电机电缆的长度，它起到了传输线的作用。
反射波可能会形成，可能会超过日冕初始电压(CIV)水平。
电晕是物体上的局部电场产生的放电，引起邻近空气的电离和电击穿。它的特点是有颜色的辉光(在黑暗中可见)和嘶嘶声，强度随着输出电压的增加而增加。电晕放电也会产生破坏橡胶的臭氧。如果有足够的水分存在，这个过程甚至可以产生硝酸——一种在局部地区缓慢加热和融化普通PVC电绝缘体的物质，这会导致电缆过早烧毁。
这里的解决方案是选择电缆与PVC绝缘，比列出的国家电气代码(NEC)标准THHN线，甚至驱动器制造商的建议更厚。还要注意的是，根据NEC第310.10条，THHN聚氯乙烯绝缘电缆应用于干燥和潮湿的地方;对于潮湿的位置，设计人员应该使用交联聚乙烯(XLPE) XHHW或RHW-2，因为生成硝酸产生的热量会在XLPE表面形成隔热烧焦层，可以防止进一步降解。
例如，一些Allen Bradley选线流程图建议设计师在干燥条件下使用至少20mil绝缘的聚氯乙烯绝缘电缆，在潮湿条件下使用XLPE (XHHW-2)。较厚的电缆绝缘减少了反射波的有害影响，因为它增加了电晕启动电压(CIV)，电晕启动的电压水平。
对于长于50英尺的运行，PVC绝缘应至少为20密耳或使用XLPE绝缘导体。
”国际奥委会“变频的缺点
在较小的vfd中，更高频率的直流脉冲也会触发假瞬时过电流(IOC)故障，特别是在5 hp或更小的驱动器中，因为过电流设置点更小。高频脉冲实际上可以给导体之间的电容充电，从驱动器中吸取更多的电流。记住，电缆可以充当电容器，两个导体由一个绝缘体(电缆绝缘)隔开。因此，最好有一个较低的介电常数电缆，以减少这种电缆充电和最小化瞬时过电流跳闸。为此，选择绝缘较厚的聚氯乙烯和交联聚乙烯电缆，这样它们的介电值就会较低。
共模电流
一个典型的三相正弦电源在正常情况下是平衡对称的。这意味着三个相的向量和总是等于零。但对于使用直流脉冲产生三相电压的vfd来说，情况就不一样了。(输出电压的基频有些对称，但不可能使电压之和为零。)由此产生的中性点电压——星绕电机的中心绕组结——不为零。这里的不平衡电压是共模电压源。因此，当这个结的三相电压水平的总和发生变化时，一定会有与该变化成比例的电流流向地。这种电流通过所有系统部件流到地面，有时会形成有害的接地回路。
接地回路是通过电气互连系统的非预期路径，其中在路径的两端对地测量的电位(电压)不同。
从60hz到30mhz的任何高水平噪声都可以电容耦合电机绕组到电机框架，然后接地。这种噪声也可以通过接地带或支架从导管内的非屏蔽电机电缆电容耦合。这些无意的电流对易受vfd产生的高频噪声影响的数字系统来说是很麻烦的。事实上，电位的一个小小的偏移就可以使多余的电流流过地，从而改变电压参考电平。为了避免这种潜在的破坏性电流，所有的接地都应该连接到驱动器上的相同电位。此外，避免在金属导管或托盘中使用未屏蔽的电缆，否则导管可能将电磁干扰和共模噪声传递到最近的地面，并产生接地回路。
高频轴承和轴电流
高频共模电流也可以从电机机架(定子)通过轴承流到被驱动机械上的轴，通过轴承和外圈之间的电容流到地面。这些轴承电流可以导致放电加工(EDM)发生。这种电火花加工会在轴承外圈造成微小的凹坑，使其表面粗糙，从而导致轴承失效。（用于用轴承电流引起的轴承纸跳蚤图像的相关文章，点击此处。）
除了定子电流，还有轴电流(也称为转子电流)在电机中流动。为了减轻这些电流，必须有适当的接地，有一个良好的噪声屏蔽和一个低阻抗的接地路径返回驱动器。
如果转子轴和驱动设备之间没有导电耦合，则工程师可以包含轴接地环，以通过电机框架引导转子电流。
更具体地说，对于电磁干扰和共模电流(通过低阻抗路径流到地轴轴承或金属管道连接，例如)设计人员应采用适当的接地技术和良好的屏蔽措施，使这些有害信号通过极低阻抗的地线和电缆屏蔽流回驱动器。标准电缆提供了足够的接地来保护人们，但这不足以保护设备免受高频噪声和共模电流的影响。这就是为什么对于大型电机，许多电机制造商(包括ABB)推荐采用三相导线和三根接地导线对称排列的电缆。
电磁干扰
电磁干扰(EMI)是由于电磁感应或外部源发出的电磁辐射而影响电路的干扰。这种干扰的影响范围从简单的数据退化到数据的完全丢失。源可以是任何物体，人工或自然，携带快速变化的电流，如电路，太阳或北极光。
为了防止变频器系统中的电磁干扰，ABB建议将外壳入口与电机360°接触的屏蔽层接地，并将屏蔽层尾接在驱动器上的PE端子上。一些电缆制造商同意这是最好的解决方案(并提供一个接地连接器与360°接触的电缆进入外壳)。
请注意，外壳和电机的适当接地，随后对VFD电缆的适当屏蔽，创造了基本上是法拉第笼。法拉第笼是一种通过导电材料形成的外壳。这种外壳通过通过外壳到地通过电力阻塞外部静态和非静电场。这反过来又为机箱的所有侧面进行恒定电压。因为电压差是电位的量度，所以没有电流流过空间。
为防止电噪声，始终终止两端 - 在电机和驱动器处的屏蔽。屏蔽作为电噪声和杂散CMC的接地路径，因此适当的终端是必不可少的。
由于高频率时的集肤效应，不要使用单一端接的排水线。它没有提供足够的表面积来将高频噪声传导到地面。相反，最好将屏蔽直接连接到驱动器的PE终端上。因为VFD信号的频率非常高，它们在这些高频率的电线上表现出蒙皮效应。
作为一种综述，集肤效应是交流电流主要在导体外表面流动的一种趋势。随着频率的增加，这种效应变得越来越明显。
这也是为什么最好使用接地带而不是实心圆线接地的原因。
在VFD系统上安装电缆时要记住7件事
1.一些VFD电缆的绝缘比规范要求的厚。它们提高了电晕初始电压电平以延长电缆寿命。这些电缆也具有较低的电容值，这又为小驱动器进行了较少的瞬时过电流故障。
2.PVC绝缘适用于干燥和潮湿的地方，XLPE适用于潮湿的地方(根据国家电气规范或NEC)。这是因为有水分的电晕放电产生的硝酸可以融化聚氯乙烯，但实际上会烧焦并增强XLPE。
3.驱动器制造商艾伦布拉德利提供了一个有用的导线选择流程图;它可用于识别合适的VFD电缆。通常，具有0.020英寸的PVC绝缘电缆。（20密耳）或更厚的大多数应用程序都可以在大多数应用中，除了潮湿的位置，或者有更长的电缆运行的地方。
4.因为vfd有不平衡的三相矢量和，在中性时电流永远不等于零。这就需要适当的屏蔽和接地路径，以低阻抗返回驱动器(并保护免受共模电流和高频轴承电流的影响)。
5.不要在导管或托盘中使用非屏蔽电缆，以防止意外路径到地面，造成接地回路。此外，电缆必须具有适当的屏蔽和接地，在那里它们连接到驱动器外壳以及它们连接到电机的位置。为此，请使用EMC腺体和屏蔽电缆。
6.最好将屏蔽直接绑在驱动器的PE端子上(以避免排水线的表皮效应)。
7.没有什么可以代替好的VFD电缆。请注意，轴接地环只在某些情况下处理轴电流，而不处理定子电流。在类似的限制下，VFD输出滤波器不能解决共模电流和高频轴承电流，因此它们不能替代电缆良好的机械。
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