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 [Belden]、[Helukabel]、[Igus]、[LAPP]和[SAB 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。

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）。

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）。

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

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

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。