作者：Jeff Shepard

　　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、供暖通风/空调 (HVAC) 系统和类似应用。连接 VFD 和电机的电缆是系统中的关键环节。如果没有正确的布线，操作员的安全就会受到影响，并且电机的可靠性和使用寿命也会降低。

　　典型的 VFD 系统在恶劣条件下运行，包括达到电源电压两到三倍的高压尖峰以及高水平的辐射和传导电磁噪声。此外，电缆可能会暴露在高温下。它们必须耐油、防水和紫外线 (UV) 辐射，同时保持高度灵活性并满足 UL、CSA、NFPA 和 NEC 的众多技术要求。

　　VFD 安装具有挑战性的操作环境和技术要求使电缆规格变得更加复杂。本文简要回顾了变频器和电机的运行、电缆绝缘的要求以及电磁兼容性 (EMC) 的需求。本文比较了 UL 1277 TC ER、WTTC 和 TC 电缆等规格，并研究了 NEC 和 NFPA 要求。在结束之前，它还介绍了电缆结构注意事项，并概述了来自Belden、Helukabel、Igus、LAPP和SAB North America的示例性电缆。

　　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运行。 VFD 电缆需要在高电压下高效提供高驱动功率，并处理高电压尖峰和高噪声水平。 VFD 电缆的绝缘层会受到反射波和电晕起始电压等挑战性条件的影响(图 1)：

　　反射波：反射波可能是由 VFD 电机与其电缆之间的阻抗不匹配引起的。这可能会导致电压波反弹回驱动器。如果没有高性能绝缘层，反射波会破坏绝缘层并使电缆过热。

　　电晕起始电压/电晕放电：VFD 系统中的脉宽调制 (PWM) 电压从零电压快速振荡到峰值电压。如果没有适当的绝缘，出现在电缆电晕起始电压之上的高压尖峰会导致导体周围的空气电离，从而导致电晕放电，从而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承受反射波和电晕起始电压。 (图片来源：SAB北美)

　　屏蔽和接地

　　除了承受电压尖峰之外，VFD 电缆还必须支持高水平的 EMC。重要的 EMC 注意事项包括以下内容：

　　共模电流是由 VFD 中的三相电压产生的，其总和不为零，从而产生电压不平衡。当非零电压电平发生变化时，成比例的电缆充电电流通过接地导体返回。过多的共模电流会产生接地环路，从而干扰正常的系统性能。

　　传输的电噪声是由可变驱动频率产生的，可能会产生电磁 (EMI) 和射频干扰 (RFI)，并影响附近的组件和系统。

　　有效接地的驱动器、电缆和电机系统创建了一个法拉第笼，可确保强大的 EMC 性能(图 2)。

　　图 2：VFD 电缆可以通过正确的接地连接来减轻共模电流和电噪声。 (图片来源：SAB北美)

　　腺体与导管

　　VFD 电缆具有小直径，可在导管中运行，并可作为连续焊接铠装电缆结构。这些解决方案需要复杂、昂贵的安装，并且存在潜在的可靠性问题。可以使用不需要导管的托盘电缆 (TC)。当导管可用时，它可用于在驱动器和电机之间创建法拉第笼。当使用各种类别的 TC 时，可以添加 EMC 电缆密封套来完成法拉第笼。 EMC 电缆密封套提供 68 级的入口保护 (IP) 等级，在淡水中的防水深度可达 1.5 米，持续时间长达 30 分钟，并且防尘，使其适合在具有挑战性的工业和室外环境中使用(图3)。

　　图 3：电缆密封套可用于连接驱动电子设备和电机，以创建法拉第笼并控制 EMI。 (图片来源：SAB 北美)

　　电缆类别

　　TC 可以简化安装并降低成本。各种应用标准，如额定电压、灵活性和挤压/冲击测试，对它们进行分类。有两个主要的 UL 标准。这两个标准均适用于 18 AWG 及以上的电缆。这两个标准是：

　　UL 1277，电力和控制桥架电缆，涵盖多种额定电压为 600 V 的 TC。

　　基本 TC 电缆是最常见的类型，用作需要阻燃性能的 VFD 电缆。

　　TC-ER(裸露敷设)桥架电缆必须通过比标准 TC 电缆更严格的碰撞和冲击要求。它们可以在电缆桥架之间自由运行，平均距离为 6 英尺 (1.8 m)。

　　THHN/PVC 是一种带有热塑性护套的低成本 TC 结构。适用于直埋和管道敷设。

　　UL 2277，柔性电机供电电缆和风力涡轮机托盘电缆，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) 主要设计为 VFD 电机电源电缆。

　　风力涡轮机桥架电缆 (WTTC) 可以承受风力应用中的极端恶劣条件，例如油、磨损、极端温度、水、持续运动等。

　　NEC 和 NFPA

　　在美国，根据当地建筑规范，通常(但并非总是)需要符合 NEC 79/NFPA 79 2018 版要求。该标准要求 VFD 电缆必须标记为 RHH、RHW、RHW-2、XHH、XHHW 或 XHHW-W，定义如下：

　　RHW、RHH 和 RHW-2 使用耐高温橡胶绝缘。

　　RHW表示耐水电缆，温度等级为+75°C

　　RHH 表示温度额定值为 +75°C 且不防水的电缆

　　RHW-2表示耐水电缆，温度等级为+90°C

　　XHH、XHHW 和 XHHW-W 使用 XLPE(交联聚乙烯)绝缘。

　　XHH 适用于潮湿场所，额定温度为 +75°C

　　XHHW 适用于潮湿场所，额定温度为 +75°C

　　XHHW2 适用于潮湿场所，额定温度为 +90°C

　　XLPE 绝缘材料比橡胶绝缘材料更轻、更柔韧，使得 XLPE 电缆更易于安装，尤其是在低温下。此外，与橡胶绝缘材料相比，XLPE 的泄漏更低。

　　电缆施工

　　实施 VFD TC 的方法有多种。 Igus 的零件号CF31-25-04是许多常见元件的一个很好的例子;列表中的数字与图 4 相对应：

　　外护套采用压力挤压、耐油 PVC 混合物制成 外护套 低粘附力、耐油 PVC

　　外屏蔽采用由镀锡铜线组成的高抗弯曲编织层制成

　　内护套采用压力挤压角撑板填充 PVC

　　CFRIP 是 igus 专用撕条，模制到内护套中，可加快电缆剥皮速度

　　交联聚乙烯塑料(XLPE)的芯线绝缘在塑料内部具有三维粘合; XLPE具有高机械强度和低电容

　　根据 DIN EN 60228 要求，导体的芯线 < 10 mm² 和芯线 ≥ 10 mm² 有所不同

　　中央应力消除，一种抗拉应力材料

　　图 4：VFD 电缆示例，除了载流导体外，还显示了屏蔽和应力消除元件。 (图片来源：易格斯)

　　更多选择

　　LAPP 的ÖLFLEX VFD 1XL是一系列坚固耐用的耐油和抗紫外线屏蔽 VFD 驱动电缆，适用于需要较小电缆直径的设计。 XLPE 绝缘材料的直径异常小，使这些电缆适合在标准电缆可能太大的拥挤安装中使用。此外，更细的直径支持更高的灵活性，以加快安装速度。这些 TC-ER 级电缆无需导管即可安装，但其较小的直径和灵活性简化了在需要时使用导管的过程。它们满足 XHHW2 性能要求。例如，缆普提供了多种具有四根导线(包括接地)和漏极的型号，例如具有 10 AWG (5.3 mm²) 导线的型号701703和型号701717带 2 AWG (33.7 mm²) 导线。

　　Helukabel 提供多种具有 TC-ER 和 WTTC 等级的电缆，并且提供 2 至 18 AWG 的导线，例如四导线 12 AWG TC 型号63141。它们具有双重屏蔽，结合了铝箔(100% 覆盖率)和镀锡铜编织层(约 85% 覆盖率)。它们采用 XLPE 绝缘材料，并具有耐油、耐冷却剂、耐溶剂和耐清洁/消毒剂的 PVC 护套。这些电缆适合在电缆桥架中以及从电缆桥架到机器之间进行开放式、无保护的安装。此外，它们适合安装在管道中或直埋。

　　高柔性电缆

　　Belden 提供多个系列的 TC，这些 TC 具有使用多种绝缘和屏蔽材料的各种导体和接地配置(图 5)。对于需要高度灵活 TC 的安装，该公司提供具有多种灵活性和高达 1000 万次弯曲周期的HighFlex VFD电缆。这些 TC 采用细绞镀锡铜导体，某些型号具有超过 2,000 根单独的绞线和灵活的 TPE 护套，使其柔韧，易于安装过程中的操作。例如，部件号29501F 0101000具有 TC-ER 和 WTTC 等级，专为连续运动和机上应用而设计，并满足 XHHW2 在高达 +90°C 的潮湿环境中使用的要求。 HighFlex VFD 电缆的目标应用包括：

　　运行工艺设备

　　为泵提供动力

　　驾驶风扇

　　运行物料输送机

　　移动机械臂

　　图 5：VFD 电缆中使用的多种导体和接地配置以及绝缘和屏蔽材料中的一些。 (图片来源：百通)

　　SAB 的VFD 电缆旨在提供优化的 EMC 性能。还提供适合连续弯曲的设计。这些电缆满足 TC-ER 和 WTTC 要求，并且使用 XLPE 绝缘来提高电容，有两种选择：一种具有减小的直径，另一种支持更长的运行。不同的 VFD 电机制造商对组合 VFD TC 有不同的线对尺寸要求，并且可能需要带或不带加蔽线的电缆。 SAB 的 VFD 电缆可满足大多数应用要求，例如用于制动或温度传感的组合对电源、多对尺寸选项(包括 18、16、14 和 12 AWG)以及一些具有两对的设计。它们具有将箔与镀锡铜编织物相结合的双重屏蔽，并且可以选择接地对称设计。这些电缆的弯曲半径是电缆直径的 12 倍，符合 XHHW2 等级，可在温度高达 90 °C 的潮湿环境中使用。这些电缆的一个很好的例子是型号35661204，四芯 12 AWG 电缆。

　　结论

　　VFD 电缆用于恶劣的电气环境，必须承受高温、接触水、油和/或各种化学品。指定这些电缆是一个复杂的过程，需要考虑各种绝缘特性，包括承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 电缆有助于简化安装并降低成本、改善电机运行、减少碳排放并提高操作员安全性。