需要哪些辅助产品才能最大限度地发挥 VFD 和 VSD 的作用？- 第 1 部分

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-08-08

本系列文章的第 1 部分介绍了在选择电机连接电缆、输出电抗器、制动电阻器、线路电抗器和线路电抗器时应考虑的各种因素。[第 2 部分]继续探讨 VSD/VFD 与伺服驱动器之间的区别，介绍 AC 和 DC 旋转和线性伺服电机的用途，考虑软起停装置在工业运行中的应用，以及 DC 转换器如何用于为传感器、人机界面 (HMI) 和安全设备等外围设备供电。

要最大限度地提高工业运行效率和可持续性，就必须使用变速驱动器和变频驱动器 (VSD/VFD)，但这还不够。为了最大限度地发挥 VSD/VFD 的优势，还需要高性能电缆、制动电阻器、线路滤波器、线路电抗器、输出电抗器等其他组件。

无处不在的布线具有至关重要的作用。如果用于连接 VSD/VFD 和电机的电缆规格过关，会大大降低系统性能。制动电阻器、滤波器和电抗器等其他器件因安装不同而各异，对于成功部署也非常重要。

例如，有些系统在需要管控电磁干扰 (EMI) 的区域运行，且使用符合 EN 61800-3 C2 类标准的线路滤波器有利于这些系统。需要快速减速的应用需要使用制动电阻器。线路电抗器可用来改善功率因数并提高效率，而输出电抗器则有助于使用更长的电缆。

本文首先介绍为电机选择连接电缆时的一些注意事项，以及 [LAPP] 和 [Belden]的典型布线选项。然后介绍影响输出电抗器、制动电阻器、线路电抗器和线路滤波器选择的各种因素。这些器件包括了来自 ABB、[Schneider Electric]、[Omron]、[Delta Electronics]、[Panasonic]和 [Siemens]的代表性产品。

电机电缆有多种配置，可满足特定的应用要求。通常情况下，电机配备三根主电源导线，常用绝缘材料为交联聚乙烯 (XLPE) 绝缘材料。有些接地线没有绝缘措施。信号线种类繁多，且可选择各式各样的编织型屏蔽层和箔屏蔽层。整个电缆组件采用耐环境腐蚀的全包裹式保护套。

即使是像 零件编号为 [29521C 0105000]的 Belden Basics 基础电缆，也是由导体、屏蔽层和绝缘层构成的复杂组件。这些电缆包括三根 14 号美制线规 (AWG) （7x22 股）铜导体，外覆 XLPE 绝缘层，以及三根 18 号美制线规（7x26 股）无绝缘层铜接地线。这六根导体均缠绕了双螺旋屏蔽层带并实现了 100% 覆盖，而且为满足环保要求，整个电缆组件采用聚氯乙烯 (PVC) 护套。

Belden Basic 电缆适用于美国国家电气规范 (NEC) 规定的 1 类 2 分区危险场所。第 1 类是指处理易燃气体、蒸汽和液体的设施。第 2 分区规定，这些易燃材料通常没有达到能使其被点燃的浓度。

有些系列的电缆，如 LAPP 的 [ÖLFLEX VFD 1XL，]既有带信号线的，也有不带信号线的。如果应用需要信号线，可使用 LAPP 的 [701710]电缆。这种电缆包含三根电源导体，一根接地导体和一对信号线。其中，电源导体规格为 16 AWG（26x30 绞合线），XLPE（增强型）绝缘。信号线对单独采用箔屏蔽。

整个电缆组件采用绝缘带、三层箔带（100% 覆盖）和镀锡铜编织带（85% 覆盖）作为屏蔽层。电缆外护套是一种采用特殊配方制成的热塑性性体 (TPE) 材料，可耐受消毒液，通常用于食品、饮料、化工及相关领域。

除了用于可靠、高效地处理电源和信号外，VFD 电缆还应能够处理驱动器高频运行时产生的高电压尖峰和电磁干扰 (EMI) 噪声水平。虽然 VFD 电缆采用了能够控制和管理高压尖峰和 EMI 的设计，但也存在局限性（图 2）。这时，负载电抗器就可用来减少高压尖峰和 EMI。

图 2：未加以控制的高压尖峰会击穿绝缘层，造成电缆故障。（图片来源：LAPP）

有关 VFD 电缆选型的详细讨论，请参阅“[指定和使用 VFD 电缆以提高可靠性、安全性并减少碳排放]”。

负载电抗器

负载电抗器也称为输出电抗器，连接在驱动器的输出端附近，以减少高压尖峰和 EMI 的影响，并保护电缆和电机的电线绝缘。VSD/VFD 产生（通常在 16 kHz 至 20 kHz 之间）高频输出。高频开关会造成电压上升时间仅为几微秒，由此产生的高压尖峰可能超过电机的额定峰值电压，从而导致绝缘击穿。

根据所用电机的类型，如果 VFD 电缆长度超过 30 m (100 ft)，通常建议使用负载电抗器。但也有例外，例如，如果电机符合 NEMA MG-1 第 31 部分的规定，则可以使用 90 m (300 ft) 长的电缆，而无需使用负载电抗器。

无论电机类型如何，如果电缆长度超过 90 m，通常建议使用负载电抗器。如果距离超过 150 m，通常建议使用专门设计的滤波器。在对 EMI 敏感的环境中，在所有应用中使用负载电抗器通常是一种很好的做法。

负载电抗器通常是针对与其配合使用的特定型号驱动器而设计的。例如，Omron 的 [3G3AX-RAO04600110-DE]型负载电抗器的额定值为 11 A 和 4.6 mH，设计用于由该公司 [3G3MX2-A4040-V1 VFD] 驱动的 400 V 三相 5.5 kW 电机。

制动电阻器和热过载

除负载电抗器外，制动电阻器和热过载关断装置也是 VSD/VFD 输出端的重要辅助器件。制动电阻器可吸收制动能量，从而实现最大的瞬时制动扭矩。大多数制动电阻器会耗散能量，而有些制动电阻器则用作再生制动系统的一部分，用于捕获和回收能量。

耗散制动电阻器适用于特定的应用。Schneider Electric 的 [VW3A7755] 8 Ω 制动电阻器的耗散功率可达 25 kW，而 Delta Electronics[ 的 BR300W100] 100 Ω 制动电阻器的额定功率为 300 W。

制动电阻器的应用是通过能量耗散百分比 (ED%) 来定义的。所规定的 ED% 可确保电阻器能有效消散制动期间产生的热量。ED% 是相对于图 3 中的峰值耗散、制动时间间隔 (T1) 和总周期 (T0) 来定义的。

图 3：能量耗散百分比 (ED%) 的定义。（图片来源：Delta Electronics）

根据制动的轻重程度规定 ED%，以确保制动单元和制动电阻器有足够的时间来耗散制动期间产生的热量。如果制动电阻器因散热不足而发热，其电阻值就会增大，从而减少电流和所吸收的制动扭矩。

制动电阻器可以通过不同的耗散周期来定义，例如：

• 轻度制动，将制动功率限制在额定扭矩 (Tn) 的 1.5 倍，且每 40 s 持续 0.8 s。用于惯性受限的机器，如注塑机
• 中度制动，制动功率限制在 1.35 Tn，且每 40 s 制动 4 s。用于惯性大的机器，如飞轮压力机和工业离心机
• 重度制动，每 120 s 制动功率限制为 1.65 Tn (6 s) 和 Tn (54 s)。用于惯性很大的机器，通常伴有垂直运动，如升降机和起重机

除制动电阻器外，大多数系统还包括一个与制动电阻器相连的热过载装置，用作安全防范措施，如 ABB Control [TF65-33]热过载继电器。热过载装置可保护电阻器和驱动系统，防止制动过于频繁或过猛。检测到热过载时，驱动器停止运行。仅停止制动功能可能会严重损坏驱动器。

驱动输入保护

驱动器输入端的线路电抗器和滤波器可分别限制低频谐波和高频 EMI（图 4）。线路电抗器有助于减少驱动电路造成的 AC 输入功率谐波失真。这些设备在必须满足 IEEE-519“电力系统谐波控制”要求的应用中尤其有用。线路电抗器还能消除浪涌、尖峰和瞬变等主电源干扰，从而提高运行可靠性，防止过电压停机。

图 4：线路滤波器限制高频 EMC，而线路电抗器限制低频谐波。（图片来源：Siemens）

以下器件就是线路电抗器，如 Panasonic 的 Minas 系列三相驱动器中的 [DV0P228] 2 mH 电感器（额定电流为 8 A）及配件、Siemens 的 [6SL32030CE132AA0]2.5 mH 电感器（用于额定功率低于 1.1 kW，输入电流高达 4 A，工作电压为 3 相 380 VAC -10% 至 480 VAC +10% 功率的驱动器）。

线路滤波器

线路滤波器应支持电磁兼容性 (EMC)，并在大多数应用中提供 EMI 保护。根据具体环境的不同，工业和商业（楼宇）环境中分别使用 A 类和 B 类两种 EMI 滤波器。由于商业环境（办公室、行政部门等）通常包括对 EMI 更为敏感的电子系统，因此 B 类滤波要求高于 A 类。

相关的 EMC 标准包括 EN 55011 标准（详细规定了工业、科学和医疗设备的辐射限制）和 IEC/EN 61800-3 标准（专门针对调速驱动器）。

VFD/VSD 分为带集成线路滤波器和不带集成线路滤波器两种类型。如果这些器件配备了滤波器，则可能为 A 类或者 B 类。根据环境和布线长度等安装因素的不同，即使是集成了滤波器的驱动器也可能需要额外进行滤波。只需选配一个滤波器，指定在 A 类环境中运行的驱动器就可在 B 类环境中运行。

IEC/EN 61800-3 标准按照环境和分类规定了 EMC 要求。住宅建筑被定义为第一环境，而通过变压器与中压配电网连接的工业设施则被定义为第二环境。

EN 61800-3 中定义的四个分类包括：

• C1 类指额定电压 < 1000 V 的驱动系统，可在第一环境中无限使用
• C2 类指额定电压 < 1000 V 的固定式驱动系统，用于第二环境，也可用于第一环境
• C3 类指额定电压 < 1000 V 的驱动系统，仅用于第二环境
• C4 对用于第二环境、额定电压 ≥ 1000 V 和额定电流 ≥ 400 A 的驱动系统规定了特殊要求

提供通用型线路滤波器，但与线路电抗器一样，线路滤波器通常也是为特定驱动系列而设计的。例如， Schneider Electric 的 [VW3A4708] 线路滤波器的额定电流为 200 A（图 5）。这款滤波器为该公司的 Altivar VSD 和 Lexium 伺服驱动器而设计。该器件的额定主电压为 200 VAC 至 480 V AC ，防护等级为 IP20。该器件的 EN 61800-3 标准等级取决于电机电缆长度：

• C1 类，使用长达 50 m 的屏蔽电缆
• C2 类，使用长达 150 m 的屏蔽电缆
• C3 类，使用长达 300 m 的屏蔽电缆

图 5：200 A 线路滤波器，额定主电压为 200 VAC 至 480 V AC 。（图片来源：Schneider Electric）

结束语

VSD 和 VFD 是尽可能地提高工业运行效率和减小温室气体排放的重要系统。这些驱动器需要一些辅助部件，以确保安装有效、可靠并符合相关国际标准，具体包括 VFD 电缆、输出电抗器、制动电阻器、线路电抗器和线路滤波器。

审核编辑 黄宇