为变频驱动器 (VSD) 选择最佳电机电缆

PWM 变频驱动器的电机电缆可能产生意想不到的影响。本文探讨选择和安装 VSD 电机电缆时所需的特殊考量。

额定电流

使用 VSD 时，电机稳态负载电流无显著变化。驱动器内的电机电流保护功能经认证 (如 UL) 可在过载时为电机和电缆提供热保护。因此，电机电缆的基本额定电流与电机直接上线时相同。

电缆选型与压降——电缆选型规范

电气安装人员使用的电缆选型规范（含选型软件）通常对电机有特殊规定。这些规定基于标准工业感应电机直接接入电网启动（“直接起动” DOL）。长电缆可能需要比连续满载电流额定值所决定的更大规格，以限制启动时电缆电感和电阻上的压降。典型工业感应电机 DOL 起动电流约为其最大额定值的 5 倍，因高转差在达到运行转速前电流极大；且起动时可用转矩不高，如图 1 所示。电缆过大压降可能导致电机在持续低速负载转矩下无法启动。

图 1：感应电机直接上线起动时的电流与转矩

使用变频驱动器时，电机转差始终很小，起动电流从不超过短时额定值 (如视应用而定为 110% 或 150%)。驱动器可与电机及其电缆调谐，补偿电缆压降——在基频以下，驱动器能力与产生工作磁通密度所需电压之间存在电压余量。因此，使用 VSD 无需为减少起动压降而加大电缆规格。在电机电缆长距离敷设的安装中，这一事实可大幅节省电缆成本。使用电缆选型软件规划安装时，带 VSD 的电机应设为简单电阻性负载而非电机，以避免为电机起动电流做不必要的余量预留。

电缆类型——屏蔽 (屏蔽层)

VSD 输出采用脉宽调制 (PWM) 创建可调电压和频率的电源以控制电机。脉冲上升/下降时间约 100 ns，边沿极快。这意味着电机及电机电缆电压的频率成分延伸至高射频——通常高达 10 MHz 甚至 50 MHz。为避免电磁干扰 (EMI)，电缆必须屏蔽以抑制电磁能辐射。接地屏蔽层防止电场辐射，在电机端和逆变器端正确连接屏蔽层（采用最小自感的连接）可防止磁场辐射。两者缺一不可。

管理不当的电机电缆辐射可能影响射频通信和附近敏感电子设备（如传感器和数据电路）。变频驱动器电磁兼容 (EMC) 标准 IEC 61800-3 (EN 61800-3) 要求电机电缆必须屏蔽，否则驱动器输出需接极其昂贵笨重的射频滤波器。

实测证明，钢或铜制电缆屏蔽层若具有良好的连续覆盖和沿长度方向的连续性，效果同等优异。这促使射频电流沿屏蔽层流动，抵消功率芯线共模电流产生的磁场，如图 2 所示。

图 2：双端接地屏蔽电缆抵消外部磁场

接地 (保护接地)

电机接地连接主要确保电机接地故障时的安全。接地连接需承载故障电流，直到保护装置 (熔断器或断路器) 切断电流，同时确保电机机身接触电压[1]保持在安全范围内。

通常 VSD 将接地故障电流限制在比熔断器/断路器低得多的水平和持续时间。但它依赖复杂的半导体器件和电路，可能失效。因此出于安全考虑，接地回路阻抗应与无 VSD 时相同——最终保护由驱动器上游保护装置提供。接地导体尺寸选择与直接供电电机完全一致。如图 3 所示。

图 3：电机接地故障路径与接触电压

如前所述，VSD 电机电缆需屏蔽。该屏蔽层能否兼作安全接地连接，取决于其阻抗和接地规范。为避免特殊计算，常使用单独的铜接地导体。

有时会问：应使用屏蔽电机电缆内的接地芯 (即 4 芯电缆) 还是外部接地导体？从安全角度两者同等优秀。从 EMC 角度也均可行，但 4 芯电缆需谨慎。接地芯从电缆内部功率芯拾取较高噪声电流。若引至逆变器接线柜远离屏蔽层端接点的位置，会将噪声电流注入柜内接地线，干扰信号电路。应极靠近屏蔽层端接点连接至逆变器柜体，如图 4 所示。

图 4：4 芯屏蔽电机电缆中接地 (PE) 芯的正确处理

电容与电感

电机电缆固有分布电容和电感。工频下电容影响可忽略，电感引起的小压降主要可忽略，除非极长电缆和高 DOL 起动电流。

对逆变器快速上升的 PWM 脉冲影响更大。每个脉冲边沿电缆电容必须放电，产生相当大但短暂的电流脉冲。这会导致高频辐射，也在开关瞬间形成逆变器功率半导体的负载。

所幸电缆电感沿电缆与电容分布，限制了充电电流。净效应由“电报方程”描述，产生电缆参数 Z₀ (特征阻抗) 和 v (传播速度)。

每个 PWM 脉冲边沿，充电电缆的电流为：

其中 = 逆变器直流母线电压

同轴电缆特征阻抗公式：

其中：

= 介质 (绝缘体) 相对介电常数

= 外导体内径

= 内导体外径

三相屏蔽电缆几何形状非简单同轴，但行为类似，阻抗为介质介电常数与内外导体相对直径的函数。电缆几何结构和介质材料变化不大，对数项意味着阻抗对几何变化不敏感。标准屏蔽动力电缆实测 值在 2.5 mm² 电缆约 45 欧姆至 120 mm² 电缆约 15 欧姆之间。这意味着额定电流超约 20A 的大功率驱动器充电电流可忽略，但低于约 10A 的小功率驱动器有影响，驱动器须设计为供应充电电流而不产生过大功耗或误过流跳闸。

电流脉冲持续时间由电缆长度决定，等于脉冲传至电机端并以反射波返回的时间。电缆越长对逆变器影响越大。

某些特种电缆可能有异常 值。

若功率芯与屏蔽层间无绝缘护套 (高柔性屏蔽动力电缆可能出现)，直径比大幅降低。矿物绝缘铜护套电缆 (MICC) 直径比也低，矿物绝缘体介电常数高，阻抗极低。

另一种有效 值低的情况是并联多根电缆以达到额定电流，而非使用单根大直径电缆。除非总长度极短，通常需在驱动器与电缆间加串联电抗器限制充电电流。Control Techniques 偶见安装者并联三根电缆，每相用一根三芯电缆。这种做法在任何情况下都不当，因相芯工频电流在屏蔽层感应反向电流，导致屏蔽层发热。配合 VSD 使用时，功率芯与地间过大电容产生极高杂散电流，引起高频干扰附近电路，也可能因过大共模 (接地) 电流使 RFI 滤波器过载。正确与错误接法如图 5 所示。

图 5：动力电缆并联的正确与错误方法

上文未特别区分阻抗适用的电缆模式。通常无需考虑如此细节，但影响驱动器的主要模式有：

• 简单非对称模式：一根芯线相对所有其他芯线和屏蔽层。与驱动器负载相关，与接地电流或滤波器负载无关。
• 共模：所有功率芯对屏蔽层及接地芯 (若有)。与接地电流和滤波器负载相关。

电机端电压过冲与变化率 (dv/dt)

电缆电容和电感导致 PWM 脉冲边沿在电机端子产生电压过冲。用电报方程理解，这是电机端子阻抗失配引起的反射。即使很短的电缆也会产生过冲。如果您不熟悉逆变器和快速变化脉冲，这可能令人惊讶——在微秒级时间尺度上，电机端电压与逆变器端电压截然不同，尽管它们相连。

电机耐压能力取决于电压上升时间。上升时间低于约 0.8 微秒时，耐压可能降低，因电压集中在绕组首匝，应力匝间绝缘。大多数电机设计用于配合 400V 或 480V 供电的逆变器驱动，无需特殊措施。对 690V 电机，强烈建议使用专为逆变器供电设计的电机，避免过早绝缘失效。此类电机应符合 IEC TS 60034-25（“专为变流器供电设计的交流电机设计与性能指南”）指导规定。

多电机驱动

有时希望用单个驱动器驱动多台电机。例如，小型通风风机分布在建筑物周围，由单个驱动器驱动，各自有电缆。此时电缆电容取决于总长度，但各段电感对驱动器呈并联而非串联。n 根电缆时，驱动器在脉冲边沿看到的阻抗为 。

此情况下应使用串联电抗器限制电容充电脉冲，否则驱动器极可能因高充电电流导致过早过流跳闸或限流。