用特种电缆解决 VFD 和电机噪声问题

作者：Lisa Eitel

变频驱动器 (VFD) 为自动化机械中各种类型的电机提供了精确的动力。从本质上讲，这些 VFD 属电力电子供电组件，它们将电压输入电机绕组，以提升对电机速度和扭矩输出（在矢量控制适应性中）的严格控制。这样做的问题是，可能会出现不受控制的电流和其他与此相关的电气现象。如果不加以缓解，这些现象可能对 VFD 附近的大多数自动化组件和系统造成不利影响。

图 1：像 3G3MX2-A2015-V1 这样的 VFD，是各种过程和分立式自动化应用不可或缺的——它为电机驱动轴带来严格的控制能力、安全保障和最高的效率。有一点需要注意的是，VFD 运行时自然会产生 EMI，如果不加以解决就会降低附近控制和反馈回路的通信效果；损坏邻近的机械部件；以及刺激各种干扰性跳闸和其他次优系统行为。（图片来源：Omron Automation and Safety）

研究一下 VFD 的工作方式，我们就可以了解为什么它们会在次优设计中导致其所驱动的电机以及附近其他设备出现问题。简而言之，VFD：

· 接受交流市电的正弦波电流作为输入，然后
· 将线路电源整流（转换）为直流电。
· 使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 来反转（变回交流）直流电流——更具体地说，变成精确调制的脉冲串。

基本上，这些驱动开关将电压关闭和打开，实现斩波电流，促使电机转动，就像接受平滑调制的正弦波电流一样。在这种驱动形式下（称作脉冲宽度调制或 PWM），输出速度最终取决于电流脉冲的频率。

过去通过硅控整流器 (SCR) 或双极结晶体管 (BJT) 执行这一过程的 VFD 比今天基于 IGBT 的 VFD 的开关速度要慢。正是由于 IGBT 开关的频率较高，才能实现快速和精确的电机控制，但它也可能导致传导和辐射电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 的问题。

VFD 噪声对电机、控制器和驱动器本身的影响

出现 EMI 问题的原因是，即使驱动器为电机提供低速运行的动力，每个电脉冲都是具有母线电压振幅的方波，这意味着发送到电机的功率包括相当大的 dV/dt 电压上升时间（微秒或零点几微秒级）。

只需考虑一个这样的问题——电压反射波。启动时，电机的定子绕组表现为一个电感，逐渐建立起磁场，然后通过电流。从 VFD 向电机输送电力的电缆在其电机连接处出现了阻抗不匹配。在这里，上述过冲导致反射波在电缆与电机的高阻抗连接处将一些电压波形的前缘反弹到电缆中（朝向驱动电子设备）。

电压反射波是由 PWM 的很大 dV/dt 引起的电压过冲产生的

致使这种现象恶化的一个可能因素是，从驱动器到电机的电缆过长，在某些情况下这是不可避免的。长电缆具有高电感，与短电缆相比，它带来了更多的电压尖峰以及反射波的混合机会。混合波尤其有害，因为这些波（已经进入相位）有效地形成新的波，这种新波的电压和电流是几种原波的和。

图 2：具有母线电压幅度的 VFD 电脉冲方波会引起很大的 dV/dt 电压上升时间，如果不解决就会产生各种电磁问题。（图片来源：Design World）

注意电机（就像 VFD）也可以承受反射波和电压尖峰的损害。这就是为什么今天的许多自动化装置都在使用变频器专用电机的原因。这些电机的定子绕组采用高性能绝缘材料和其它元件，提高了整体热容量，并在大多数情况下具有电压尖峰恢复能力。额定参数按照浪涌电压的大小和持续时间来区分——额定值较高适用于涉及上升时间较长（较不突然）的设计。当然，没有按照变频器专用规格制造的电机也可以采用 VFD 进行驱动。然而，这些不太可靠的电机的应用一般应限于具有中等难度参数的自动化设备。由 VFD 驱动的任何此类电机可能还需要一个短的电缆线路，以及包含线路电抗器和其他保护组件。

救援电缆：专门为 VFD 设计的电缆

除了威胁到 VFD，具有足够高电压的同相复合波会损坏不当使用的通用电缆。更具体地说，与 VFD 运行相关的高压尖峰会对电缆的绝缘层产生压力、热量，甚至刺穿。为了防止这个问题，专门为 VFD 设计的电缆需要具有以下特性：

· 重载（小 AGG）导体的额定能力可承受所有预期峰值电压
· 足够厚的接口和专门设计的交联聚乙烯或（在某些情况下不太受欢迎）聚氯乙烯的绝缘层
· 护套和其他元素，以对 VFD 产生的尖峰和噪声进行分散和接地

图 3：Alpha Wire 用于 VFD 的电缆包括了交联聚乙烯绝缘层，具有抗电磁电晕能力、低电容（甚至在电缆较长时）和良好的低温性能。（图片来源：Alpha Wire）

衡量电缆对反射波的抵抗能力的一个可量化标准是其起晕电压——通常以千伏为单位。回顾一下基础物理教学，电晕（因其微弱的冠状微光而得名）是围绕高度局部电压的空气突然电离。如果在导体周围没有采用充分的绝缘，这种电离可以产生臭氧和各种亚硝酸盐化合物，可以迅速损坏应用不当的电缆。这就是为什么应该使用厚绝缘 VFD 级电缆的原因，因此电缆要符合或超过 VFD 供应商所指明的结构要求，并远远超过国家电气法规 (NEC) 针对对通用热塑性高热尼龙涂层 (THHN) 导线的标准要求。当 VFD 在户外或其他潮湿环境使用时，工程聚乙烯绝缘材料可能是最合适的。如需详细了解关于影响 VFD 驱动型设计及其电缆的其他现象，包括浪涌电流和共模电流，请参考 Digi-Key 文章《适合工业应用的电缆》。

VFD 布线最佳实践

除了尽量减少 VFD 电缆的使用长度（如果可能的话，短于 50 英尺），还有必要对电机驱动设备的所有部件进行适当接地——包括控制装置和机器面板。这意味着使用一个共同的接地块或主电位安排，以防止不同机器点与地之间的电压电位引起的接地回路造成有害影响。这在机械反馈依赖电压基准值的情况下尤其如此，这些电压基准值（如果不保护其不受通过地面的意外电流影响）可能会报告错误的数值。在 Digi-Key 文章《测量高电压上的小信号，并避免传感器接地回路》中对这一主题有更全面的阐述。

事实上，许多设计还需要增加一些子组件，如滤波器、电缆侧铁氧体环、电机轴接地环和屏蔽层，以全面解决 EMI 问题。恰当例证：一个在 VFD 装置中往往是不可缺少的简单补充部件，叫做接地带。这个扁平零件由一个镀锡铜的编织条组成，两端各有一个环形端子。当集成到电机驱动的设计中时，接地带将驱动器的保护接地端子（包括在所有的 VFD 上）连接到地面，然后将高频电气噪声导入地面，这要比圆形接地线好得多。其相对较高的表面积适应了交流电（尤其是在高频）在导体表面或表皮上的流动方式——因此有一个术语叫集肤效应，指的就是这种行为。

图 4：这种镀锡铜接地带耐腐蚀、有弹性，且符合 RoHS 规范。这种带子在 VFD 装置的接地部分很有用，因为它们适应高频噪声在导体表面的传播方式。（图片来源：Falconer Electronics）

不过，这里还有一点要注意：除了防止传导性 EMI 之外，设计还应该防止在高频率下传输的电容耦合噪声。这包括通过像接地带以及金属管道中的非屏蔽电机电缆这样的元件进入 VFD 电机电路的噪声，因为这两种元件都很容易传导 EMI 并产生接地回路。另一个必须减轻电容耦合噪声的区域是在 VFD 驱动型电机绕组和接地框架之间。

图 5：这里显示的是一个可在 digikey.com 下载的教学 PDF 中的图表，它比较了三种适合 VFD 的工业电缆设计的结构。（图片来源：Belden Inc.）

结语

VFD 在暖通空调、石油和天然气以及一般泵、压缩机和锅炉操作的过程型应用中比比皆是。VFD 在众多分立式工业自动化系统中也是必不可少的，这些系统采用电机来驱动输送机、磨坊、电梯和其他可能受益于效率提高的设备上的移动轴。

这些驱动器的成功应用取决于其对所连接的和相邻的组件和系统产生的潜在有害电气和电子影响，因此实际应用时，使用 VFD 通常需要使用专门的电气滤波器、端接、接地系统和 VFD 专用电缆。