选择正确的系统组件，才能开启变频器的节能潜力

发布时间：2013-09-08 作者：www.cechina.cn

        在变频器技术上的投入已经无数次地被证明能够获得回报——通常是巨大的回报——不仅仅是降低能源用度和成本，还能够降低碳排放量，延长那些成本高昂的设备的服役时间。然而，为了能够实现最佳性能，正确选型和安装整个变频器系统很重要，这也包括电缆。
        选择合适的电缆
        一定要避免电缆成为变频器系统的短板，所选的电缆必须能够适应最严酷的作业条件，这样才能保证其他系统组件的健康运行。而且，对于当今的变频器系统来说，噪声发射似乎是唯一需要关心的问题，只有应用合理的电缆屏蔽设计，才能有效地控制噪声发射，否则驱动系统电缆会对其他设备和工厂运营带来不良影响。
        首先需要明确的是某些生产厂商声称的“变频器电缆”实际上并没有统一的标准，市场上多种产品混杂，设计和性能也良莠不齐。构建一个鲁棒和可靠的布线解决方案需要注意在如下四个方面：
        ■ 共模电流（CMC）
        ■ 电容耦合
        ■ 反射波电压
        ■ 整体安装的可靠性
        共模电流（CMC）是指除了电机三相引线之外的在驱动和电机之间所有通路上的电流。它是驱动输出波形的电感耦合和电容耦合的函数。虽然变频器电缆并非能够改变CMC的大小，但是如果电缆能够抑制CMC并将其反馈回驱动器，那么这对于整个系统是非常重要的，因为它能够阻止这种类型的电流噪声对其他敏感信号、仪表或者网络造成影响。
        电容耦合和电缆充电电流是由其他电缆和电缆系统的交互作用导致的电流损失。对于小型设备的长距离走线，电缆充电电流对性能会产生重大影响，在某些管道和布线系统中，多根电机引线被置于高容性产品内部，例如被高耐热尼龙材料（THHN）包覆的热塑套管，这种情况下电缆充电电流会降低电机扭矩，导致驱动失败，产生潜在的危险，包括使其他电缆系统中产生感生电压。更低的感生电容和有效的屏蔽能够降低充电电流，电流可以更有效地被分配给电机用于完成作业。
        反射波电压能够导致电机故障，通过两种方式可以使用正确的变频器电缆来减轻反射波电压。第一种，合理设计的变频器电缆能够在很多应用中降低电机绝缘方面的压力，因为它的电容更低，因此产生峰值反射波电压所需的距离就更远。第二种，变频器电缆的设计本身应该具备绝缘系统，以承受峰值反射波电压的影响。不良的电缆会使电压波形从电机向变频器反射，在电缆接线端子上产生高出驱动总线电压至少两倍的峰值电压。高电压可能会对电缆产生长期影响，对于工作于575V下的变频器，这一问题尤为严重。峰值反射波电压会非常接近于THHN的电晕起电电压。老化、灰尘甚至碾压都会影响THHN，使其无法承受峰值反射波电压，最终导致电缆故障。
        电缆上的高电压有时会导致接线端子之间发生电晕放电。电晕放电会损坏电缆、电机、电机绕组和驱动，导致系统故障、生产中断和成本高昂的部件维修或者更换。

此对比图显示了屏蔽类型对于高频噪声和电流的作用。

噪声阻抗会随着电机尺寸的减小而下降。图片来源：Belden

        何为优秀的变频器电缆设计
        对于各种系统的优化电缆设计并不一样，大体来说，更小的驱动比更大的驱动具有更多的问题，它们的输出滤波更少，共模电流控制也更少。它们更有可能缺少总线感应器，它们使用速度更快的开关器件。
        而且，在传导CMC的过程中，变频器电缆的接地和屏蔽的有源程度会非常高，它们必须经过特殊设计才能实现最优性能。更小的设备需要使用更高比例的铜材才能够实现合适的地电平。
        变频器电缆所产生的辐射噪声水平与电缆内部电流的变化率和电缆长度成正比，更大的电流和更长的电缆意味着更大的辐射噪声。Belden的研究表明由铜带和铜箔/铜编织带构成的屏蔽系统最适合变频器应用，因为这种方案提供了低阻通路，共模噪声可以由此通路反馈回驱动器。
        铝箔/编织结构具有最佳的高频噪声传导率，能够实现最佳性能和使用灵活性。反向对旋双铜片的高频噪声传统率次之，单铜片是最后的选择，它比双铜片的使用灵活性更低，由于其表面积更小，因此高频噪声导通率也更低。铝箔屏蔽层的鲁棒性不足以用于限制变频器产生的噪声量。
        结实的热固绝缘材料能够实现稳定的电气性能：工业等级的XLP（XLPO或者XLPE）绝缘远比PVC更加适合作为变频器电缆的绝缘介质。它提供了更加稳定的电气性能和更低的电容。它的介电常数很低，因此由电机到驱动的反射电压很低。
        更低的电缆感生电容可以支持更长的电缆走线距离，降低峰值电机终端电压，延长电机寿命，极大地降低电晕放电的可能性。它还能够降低电压幅值，提升驱动到电机的能源传输效率。
        XLP绝缘的高脉冲电压击穿额定值能够极大地降低由电缆-电机阻抗不匹配导致的反射波电压放电风险。工程师可以更精细地为驱动和电机匹配阻抗，提升效率，因为它能够降低反射电压，将更多的能量转化为电机的旋转能。
        例如XLP之类的热塑绝缘材料降低了电缆或者电机电压达到电晕起始电压（CIV）的可能性，电晕放电会产生极高的温度，会熔化PVC之类的绝缘材料，烧毁电缆或者导致短路，而热塑绝缘材料则不会熔化。
        人们从PVC/尼龙材料的历史故障案例中总结出了所谓的“2kV神话”。很多选型人员认为，为了能够可靠地抵御反射波电压的影响，必须选择2000V电缆。Belden公司对此作了大量研究工作，加上其在绝缘材料方面的丰富经验，证明结构合格的XLP 600V 变频器电缆并不会发生绝缘击穿故障。相比于能够达到的峰值电晕起始电压，哪怕是最低等级的绝缘材料也具有至少3倍的安全系数。从另一方面讲，600V THHN电缆也确实可能会失效，因为峰值反射波电压经常会超过电晕起始电压。
        正确的接地和终端配置：良好接地的变频器电缆能够避免非受控电流污染接地盘，还能够避免在系统引入噪声。推荐的电缆接地方法是使用合适的接地导体作为电机和驱动器的终端。电路导体的屏蔽层包覆应该在物理和电气上同时与绝缘地电平连接，而电缆也会将这一点与电机外壳或者驱动相连。引入中间介质屏蔽或者接地连接，例如焊接或者导电的电缆引入装置，会释放出CMC噪声，通常存在于敏感设备附近。在驱动接地之前将外壳接地也会导致释放出电流噪声。如果驱动器和其他设备仪器安装于外壳之内，那么最好的方法就是不要剥掉电缆的护套，直到电缆进入驱动器内部。中间介质的终端连接会使电缆系统的CMC抑制效率降低，与管线和电线的作用类似。
        对于50马力的驱动器或者更小的结构，Belden公司的研究显示在地电平上多布置一些铜材能够对降低反馈回驱动器中的CMC幅度和接地板上的噪声非常有作用。电缆走线时采用全尺寸接地、大型走线管路和编织铜带可以使接地铜材的数量相当于电路板导体的三倍。需要指出的是，很多所谓的“变频器”电缆仅仅使用了美国国家电气规范（NEC）所规定使用的最少的接地量：有时会比一个全尺寸接地还要小。
        随着马力的增加，电缆也会越粗，携带的电流也越大。随着常态工作电流的下降，相对应的接地导体的尺寸也可以成比例地减小。
        对于50马力以上的电机，内部感应接地电流就无法忽视了，所以接地也就变成了设计中十分重要的一环。对于非对称电缆，导体对地的间距并不相同，因此在接地线上会剩余净电流。这一电流会导致电机和驱动之间的电平不一致，也会导致接地板上有电流流动。这一感应电流有可能会通过电机齿轮回流至接地点，导致最终故障的发生。
        适当的绞合：变频器电缆可以采用两种基本的绞合结构。建筑用变频器电缆通常采用B类绞合，与商业建筑电线一样。高性能变频器电缆使用更多绞合股数的导体，而且通常导体表面镀锡处理。镀锡铜导线比裸露的铜导线更有优势，因为它可以增强耐腐蚀性能和热稳定性。在过热点处采用镀锌连接可以使氧化和故障的可能性降低。
        高性能的变频器电缆的表面积是建筑等级绞合结构表面积的4到8倍。高绞合股数的导体能够提高运动或者柔性应用场合中电缆的柔性和弯折寿命；在变频器电缆中，芯线数量越多，就越容易吸引由驱动器产生的高频电流。这样一来就为高频噪声电流创造了一条更有吸引力的通路，可以显著地降低接地板上由于电流流动所带来的噪声。由于高频电阻也因此降低，所以电缆的发热也能够降低很多。
        工业环境：变频器电缆必须足够可靠和耐用，才能抵御所处的严酷的工业环境。选择工业级电缆很重要，这样才能够抵抗潮湿、砂砾、日照、油污和其他能够对电缆材料产生影响的环境条件。
        测试和认证：由于并没有变频器驱动器的统一标准，所以Belden公司建议选择那些通过测试和认证的电缆，符合变频器设备、应用或安装要求的所有工业认证和相关标准。
        总结
        变频器系统的一个主要的优点就是节能和降低损耗，电缆选择得不合适就会导致：
        ■ 稳定性和安全相关问题，进而导致故障排查和维修的成本上升。
        ■ 由漏电流导致的设备效率下降，漏电流还会使服务人员经受触电和其他危险，引发安全危险事件。
        ■ 电缆故障会导致设备停机和生产停滞，代价高昂，更有甚者还会损坏电机或者驱动器。
        正确的电缆必须正确地安装，对变频器电缆和安装技术进行仔细研究，会有助于提升设备开机时间和变频器系统的可靠性，还能够保护敏感仪表和与其相连的控制系统。
        变频器能够节省能源
        变频器通过控制电机供电的频率来达到对电机转速进行控制的目的。虽然这种技术已经存在了大约20年，但是在工业界致力于成本控制的背景下，变频器技术仍旧被广泛使用。
        今天，当电机负载改变时，变频器技术就被用来更改电机的速度。

典型的变频器系统示意图

        变频器技术的好处
        变频器技术具有显著的节能效果。例如，以极限速度的一半速度运行时，使用脉宽调制变频器技术，电机的能耗基本相当于全速运行时能耗的四分之一。而且，变频器技术能够减少磨损，这样还能够降低维护成本，延长电机寿命。由于变频器技术能够以0.1%的冗余量对电机速度进行控制，所以这种技术还能够减少生产过程中的振动，也能够减少原材料用料和边角余料。
        选择合适的变频器电缆的六个步骤
        在了解了什么样的变频器电缆才是有效的变频器电缆之后，工程师可以使用下面的六步来选择合适的变频器电缆。
        1.选择最合适的电缆设计。根据电压需求和电压峰值选择具有交叉绝缘层的电缆。当驱动器、电缆或者电机距离敏感设备或者网络较近时，考虑使用具有金属箔或者双铜带屏蔽层的高性能变频器电缆。如果环境并不敏感，只需考虑反射波和耦合电容的影响，则可以选择更经济的建筑等级电缆。
        2.根据电机的全负载电流（FLA）选择匹配的电缆电流容量。马力更高的电机意味着电缆上的电流就更大，还有一些其他的不利因素存在，例如环境温度、海拔、电缆铺设长度。所以必须严格依据NEC规则对于电缆等级和不利因素的要求，需要明确的是，电缆的电流容量至少为电机FLA的125%。
        3.确保电缆能够符合变频器自身的电压等级要求。
        4.如果有密封要求，那么就需要明确电缆能够提供良好的密封。圆形电缆最容易实现密封，穿过圆形开口并采用圆形格兰连接即可。永远根据应用环境选择最合适的电缆格兰，避免选择导电格兰，因为会释放CMC噪声。
        5.识别对周围电路可能产生的辐射影响。在噪声敏感环境中，使用金属箔和编织屏蔽或者双铜带屏蔽的电缆能够提供对EMI的额外防护。采用良好的电缆安装方法，避免与邻近的网络和电路并联走线。当电缆的布线外壳内存在敏感设备或者网络时，确保电缆屏蔽层和外护套完好无缺。
        6.明确是否需要使用额外的电缆在驱动器和电机之间传送信号。如果需要传送信号（例如制动信号要求电机减速或者在必要的时候停机），那么选择那种在同一个电缆外护套内封装有一个信号线的电缆是比较有效率的，这根信号线可以作为驱动电缆。