作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-08

本系列文章的第 1 部分介紹了在選擇電機連接電纜、輸出電抗器、制動電阻器、線路電抗器和線路電抗器時應考慮的各種因素。[第 2 部分]繼續探討 VSD/VFD 與伺服驅動器之間的區別，介紹 AC 和 DC 旋轉和線性伺服電機的用途，考慮軟起停裝置在工業運行中的應用，以及 DC 轉換器如何用于為傳感器、人機界面 (HMI) 和安全設備等外圍設備供電。

要最大限度地提高工業運行效率和可持續性，就必須使用變速驅動器和變頻驅動器 (VSD/VFD)，但這還不夠。為了最大限度地發揮 VSD/VFD 的優勢，還需要高性能電纜、制動電阻器、線路濾波器、線路電抗器、輸出電抗器等其他組件。

無處不在的布線具有至關重要的作用。如果用于連接 VSD/VFD 和電機的電纜規格過關，會大大降低系統性能。制動電阻器、濾波器和電抗器等其他器件因安裝不同而各異，對于成功部署也非常重要。

例如，有些系統在需要管控電磁干擾 (EMI) 的區域運行，且使用符合 EN 61800-3 C2 類標準的線路濾波器有利于這些系統。需要快速減速的應用需要使用制動電阻器。線路電抗器可用來改善功率因數并提高效率，而輸出電抗器則有助于使用更長的電纜。

本文首先介紹為電機選擇連接電纜時的一些注意事項，以及 [LAPP] 和 [Belden]的典型布線選項。然后介紹影響輸出電抗器、制動電阻器、線路電抗器和線路濾波器選擇的各種因素。這些器件包括了來自 ABB、[Schneider Electric]、[Omron]、[Delta Electronics]、[Panasonic]和 [Siemens]的代表性產品。

電機電纜有多種配置，可滿足特定的應用要求。通常情況下，電機配備三根主電源導線，常用絕緣材料為交聯聚乙烯 (XLPE) 絕緣材料。有些接地線沒有絕緣措施。信號線種類繁多，且可選擇各式各樣的編織型屏蔽層和箔屏蔽層。整個電纜組件采用耐環境腐蝕的全包裹式保護套。

即使是像 零件編號為 [29521C 0105000]的 Belden Basics 基礎電纜，也是由導體、屏蔽層和絕緣層構成的復雜組件。這些電纜包括三根 14 號美制線規 (AWG) （7x22 股）銅導體，外覆 XLPE 絕緣層，以及三根 18 號美制線規（7x26 股）無絕緣層銅接地線。這六根導體均纏繞了雙螺旋屏蔽層帶并實現了 100% 覆蓋，而且為滿足環保要求，整個電纜組件采用聚氯乙烯 (PVC) 護套。

Belden Basic 電纜適用于美國國家電氣規范 (NEC) 規定的 1 類 2 分區危險場所。第 1 類是指處理易燃氣體、蒸汽和液體的設施。第 2 分區規定，這些易燃材料通常沒有達到能使其被點燃的濃度。

有些系列的電纜，如 LAPP 的 [?LFLEX VFD 1XL，]既有帶信號線的，也有不帶信號線的。如果應用需要信號線，可使用 LAPP 的 [701710]電纜。這種電纜包含三根電源導體，一根接地導體和一對信號線。其中，電源導體規格為 16 AWG（26x30 絞合線），XLPE（增強型）絕緣。信號線對單獨采用箔屏蔽。

整個電纜組件采用絕緣帶、三層箔帶（100% 覆蓋）和鍍錫銅編織帶（85% 覆蓋）作為屏蔽層。電纜外護套是一種采用特殊配方制成的熱塑性性體 (TPE) 材料，可耐受消毒液，通常用于食品、飲料、化工及相關領域。

除了用于可靠、高效地處理電源和信號外，VFD 電纜還應能夠處理驅動器高頻運行時產生的高電壓尖峰和電磁干擾 (EMI) 噪聲水平。雖然 VFD 電纜采用了能夠控制和管理高壓尖峰和 EMI 的設計，但也存在局限性（圖 2）。這時，負載電抗器就可用來減少高壓尖峰和 EMI。

圖 2：未加以控制的高壓尖峰會擊穿絕緣層，造成電纜故障。（圖片來源：LAPP）

有關 VFD 電纜選型的詳細討論，請參閱“[指定和使用 VFD 電纜以提高可靠性、安全性并減少碳排放]”。

負載電抗器

負載電抗器也稱為輸出電抗器，連接在驅動器的輸出端附近，以減少高壓尖峰和 EMI 的影響，并保護電纜和電機的電線絕緣。VSD/VFD 產生（通常在 16 kHz 至 20 kHz 之間）高頻輸出。高頻開關會造成電壓上升時間僅為幾微秒，由此產生的高壓尖峰可能超過電機的額定峰值電壓，從而導致絕緣擊穿。

根據所用電機的類型，如果 VFD 電纜長度超過 30 m (100 ft)，通常建議使用負載電抗器。但也有例外，例如，如果電機符合 NEMA MG-1 第 31 部分的規定，則可以使用 90 m (300 ft) 長的電纜，而無需使用負載電抗器。

無論電機類型如何，如果電纜長度超過 90 m，通常建議使用負載電抗器。如果距離超過 150 m，通常建議使用專門設計的濾波器。在對 EMI 敏感的環境中，在所有應用中使用負載電抗器通常是一種很好的做法。

負載電抗器通常是針對與其配合使用的特定型號驅動器而設計的。例如，Omron 的 [3G3AX-RAO04600110-DE]型負載電抗器的額定值為 11 A 和 4.6 mH，設計用于由該公司 [3G3MX2-A4040-V1 VFD] 驅動的 400 V 三相 5.5 kW 電機。

制動電阻器和熱過載

除負載電抗器外，制動電阻器和熱過載關斷裝置也是 VSD/VFD 輸出端的重要輔助器件。制動電阻器可吸收制動能量，從而實現最大的瞬時制動扭矩。大多數制動電阻器會耗散能量，而有些制動電阻器則用作再生制動系統的一部分，用于捕獲和回收能量。

耗散制動電阻器適用于特定的應用。Schneider Electric 的 [VW3A7755] 8 Ω 制動電阻器的耗散功率可達 25 kW，而 Delta Electronics[ 的 BR300W100] 100 Ω 制動電阻器的額定功率為 300 W。

制動電阻器的應用是通過能量耗散百分比 (ED%) 來定義的。所規定的 ED% 可確保電阻器能有效消散制動期間產生的熱量。ED% 是相對于圖 3 中的峰值耗散、制動時間間隔 (T1) 和總周期 (T0) 來定義的。

圖 3：能量耗散百分比 (ED%) 的定義。（圖片來源：Delta Electronics）

根據制動的輕重程度規定 ED%，以確保制動單元和制動電阻器有足夠的時間來耗散制動期間產生的熱量。如果制動電阻器因散熱不足而發熱，其電阻值就會增大，從而減少電流和所吸收的制動扭矩。

制動電阻器可以通過不同的耗散周期來定義，例如：

• 輕度制動，將制動功率限制在額定扭矩 (Tn) 的 1.5 倍，且每 40 s 持續 0.8 s。用于慣性受限的機器，如注塑機
• 中度制動，制動功率限制在 1.35 Tn，且每 40 s 制動 4 s。用于慣性大的機器，如飛輪壓力機和工業離心機
• 重度制動，每 120 s 制動功率限制為 1.65 Tn (6 s) 和 Tn (54 s)。用于慣性很大的機器，通常伴有垂直運動，如升降機和起重機

除制動電阻器外，大多數系統還包括一個與制動電阻器相連的熱過載裝置，用作安全防范措施，如 ABB Control [TF65-33]熱過載繼電器。熱過載裝置可保護電阻器和驅動系統，防止制動過于頻繁或過猛。檢測到熱過載時，驅動器停止運行。僅停止制動功能可能會嚴重損壞驅動器。

驅動輸入保護

驅動器輸入端的線路電抗器和濾波器可分別限制低頻諧波和高頻 EMI（圖 4）。線路電抗器有助于減少驅動電路造成的 AC 輸入功率諧波失真。這些設備在必須滿足 IEEE-519“電力系統諧波控制”要求的應用中尤其有用。線路電抗器還能消除浪涌、尖峰和瞬變等主電源干擾，從而提高運行可靠性，防止過電壓停機。

圖 4：線路濾波器限制高頻 EMC，而線路電抗器限制低頻諧波。（圖片來源：Siemens）

以下器件就是線路電抗器，如 Panasonic 的 Minas 系列三相驅動器中的 [DV0P228] 2 mH 電感器（額定電流為 8 A）及配件、Siemens 的 [6SL32030CE132AA0]2.5 mH 電感器（用于額定功率低于 1.1 kW，輸入電流高達 4 A，工作電壓為 3 相 380 VAC -10% 至 480 VAC +10% 功率的驅動器）。

線路濾波器

線路濾波器應支持電磁兼容性 (EMC)，并在大多數應用中提供 EMI 保護。根據具體環境的不同，工業和商業（樓宇）環境中分別使用 A 類和 B 類兩種 EMI 濾波器。由于商業環境（辦公室、行政部門等）通常包括對 EMI 更為敏感的電子系統，因此 B 類濾波要求高于 A 類。

相關的 EMC 標準包括 EN 55011 標準（詳細規定了工業、科學和醫療設備的輻射限制）和 IEC/EN 61800-3 標準（專門針對調速驅動器）。

VFD/VSD 分為帶集成線路濾波器和不帶集成線路濾波器兩種類型。如果這些器件配備了濾波器，則可能為 A 類或者 B 類。根據環境和布線長度等安裝因素的不同，即使是集成了濾波器的驅動器也可能需要額外進行濾波。只需選配一個濾波器，指定在 A 類環境中運行的驅動器就可在 B 類環境中運行。

IEC/EN 61800-3 標準按照環境和分類規定了 EMC 要求。住宅建筑被定義為第一環境，而通過變壓器與中壓配電網連接的工業設施則被定義為第二環境。

EN 61800-3 中定義的四個分類包括：

• C1 類指額定電壓 < 1000 V 的驅動系統，可在第一環境中無限使用
• C2 類指額定電壓 < 1000 V 的固定式驅動系統，用于第二環境，也可用于第一環境
• C3 類指額定電壓 < 1000 V 的驅動系統，僅用于第二環境
• C4 對用于第二環境、額定電壓 ≥ 1000 V 和額定電流 ≥ 400 A 的驅動系統規定了特殊要求

提供通用型線路濾波器，但與線路電抗器一樣，線路濾波器通常也是為特定驅動系列而設計的。例如， Schneider Electric 的 [VW3A4708] 線路濾波器的額定電流為 200 A（圖 5）。這款濾波器為該公司的 Altivar VSD 和 Lexium 伺服驅動器而設計。該器件的額定主電壓為 200 VAC 至 480 V AC ，防護等級為 IP20。該器件的 EN 61800-3 標準等級取決于電機電纜長度：

• C1 類，使用長達 50 m 的屏蔽電纜
• C2 類，使用長達 150 m 的屏蔽電纜
• C3 類，使用長達 300 m 的屏蔽電纜

圖 5：200 A 線路濾波器，額定主電壓為 200 VAC 至 480 V AC 。（圖片來源：Schneider Electric）

結束語

VSD 和 VFD 是盡可能地提高工業運行效率和減小溫室氣體排放的重要系統。這些驅動器需要一些輔助部件，以確保安裝有效、可靠并符合相關國際標準，具體包括 VFD 電纜、輸出電抗器、制動電阻器、線路電抗器和線路濾波器。

審核編輯 黃宇