用于变速驱动器的电机电缆

用于 PWM 变速驱动器的电机电缆可能会产生一些意想不到的影响。在本博客中，我将介绍在为 VSD 选择和安装电机电缆时需要考虑的一些特殊注意事项。

当前评级

使用带有电机的 VSD 不会明显改变稳态负载电机电流。驱动器中的电机电流保护功能经过认证（例如通过 UL），可在过载情况下对电机和电缆进行热保护。因此，电机电缆的基本额定电流与直接在线连接的电机相同。

电缆尺寸和电压降 - 电缆尺寸代码

电气安装人员使用的电缆尺寸规范（包括电缆规划软件包）通常对电机有特殊规定。这些将基于通过直接连接到电源线来启动的标准工业感应电机（“直接在线”DOL 启动）。长电缆可能需要比连续满载额定电流规定的更大，以限制启动期间电缆电感和电阻的电压降。由于在达到其运行速度之前存在高转差，典型的工业感应电机消耗的 DOL 启动电流约为其最大额定值的 5 倍；并且在启动过程中，可用扭矩不是特别高，如图 1 所示。如果负载扭矩保持在低速状态，电缆中的电压降过大可能导致电机无法启动。

图1：直接在线启动感应电机时的电流和转矩

使用变速驱动器时，电机转差率始终很低，启动期间的电流永远不会超过短期额定值（例如，110% 或 150%，具体取决于应用）。此外，驱动器可以通过电机及其电缆进行调整，以便补偿电缆压降——在低于基本速度的速度下，在驱动器的能力和实现工作磁通密度所需的电压之间存在电压余量。电机。因此，使用 VSD 时，无需加大电缆尺寸来降低启动时的电压降。在电机电缆较长的安装中，这一事实可以显着节省电缆成本。在使用电缆选型软件进行安装规划时，应将带 VSD 的电机设置为简单的电阻负载，而不是电机，以避免对电机启动电流造成不必要的裕量。

电缆类型 - 屏蔽（屏蔽）

VSD 输出使用脉冲宽度调制 (PWM) 创建电压和频率可调的电源来控制电机。脉冲具有快速边沿，上升/下降时间约为 100 ns。这意味着电机和电机电缆中电压的频率成分可以延伸到高频无线电频率——通常高达 10 MHz 左右的频率具有非常高的水平，而高达 50 MHz 左右的频率水平相当高。为了避免电磁干扰 (EMI)，需要对电缆进行屏蔽，以抑制电磁能量的发射。接地屏蔽的存在防止了电场发射，并且在电机和逆变器端正确连接屏蔽，使用具有最小自感的键，防止磁场发射。两者都是必要的。

错误管理的电机电缆可能产生的辐射会影响射频通信和附近的电子设备，例如传感器和数据电路，这些设备对这些频率范围内的干扰很敏感。驱动器的电磁兼容性 (EMC) 标准 IEC 61800-3 (EN 61800-3) 要求对电机电缆进行屏蔽，否则驱动器输出必须通过非常昂贵且笨重的射频滤波器设备连接。

实际测试表明，使用钢或铜的电缆屏蔽可以同样有效，只要它们沿电缆长度具有良好的连续覆盖和连续性。这有利于射频电流沿屏幕流动，以抵消由电源芯中的共模电流引起的磁场，如图2所示。

图2：两端连接屏蔽的屏蔽电缆消除外部磁场

接地（接地）

电机接地连接主要是为了在电机发生接地故障时确保安全。接地连接必须承载故障电流，直到安全装置（保险丝或断路器）中断电流，同时确保电机本体的接触电压[1]保持在安全范围内。

通常，VSD 将接地故障电流限制在比保险丝或断路器低得多的水平和更短的持续时间。然而，它依赖于复杂的半导体器件和电路来实现这一点，这可能会失败。因此，出于安全原因，接地连接的接地回路阻抗需要与没有 VSD 时相同 - 最终保护由为驱动器供电的上游保护设备提供。接地导体尺寸的选择与直接馈电电机完全相同。如图 3 所示。

图 3：电机接地故障路径和接触电压

如上所述，VSD 的电机电缆需要屏蔽。此屏蔽是否还可以提供安全接地连接取决于其阻抗和用于接地的操作规范。为了避免特殊计算的需要，通常使用单独的铜接地导体。

有时会出现问题，是在屏蔽电机电缆（即 4 芯电缆）内使用接地芯还是使用外部接地芯。从安全的角度来看，两种解决方案都同样出色。出于 EMC 的原因，这两种方法都可以使用，但使用 4 芯电缆时需要小心。接地芯携带相当高的噪声电流，从电缆内的电源芯中拾取。如果将其放置在逆变器接线面板中远离电缆屏蔽终端的位置，则会将噪声电流注入面板接地线，从而存在干扰信号电路的风险。它应该在物理上非常靠近屏幕终端连接到逆变器面板，如图 4 所示。

图 4：4 芯屏蔽电机电缆中接地 (PE) 芯的正确管理

电容和电感

电机电缆具有自然的自电容和自感。在工频下，电容的影响可以忽略不计，而电感会导致很小的电压降，除了很长的电缆运行和高 DOL 启动电流外，这几乎可以忽略不计。

对逆变器快速上升的 PWM 脉冲的影响更为重要。在每个脉冲边沿，电缆电容都必须放电。这会在每个边沿产生相当大但很短的电流脉冲。这些会引起高频场发射，并且在开关过程中会在逆变器功率半导体上形成负载。

幸运的是，电缆电感与电容一起沿着电缆分布，并具有限制充电电流的作用。净效应由“电报员方程”描述，并导致电缆参数Z0 、特性阻抗和 v , 传播速度。

在每个 PWM 脉冲边沿，有电流流过为电缆充电，由下式给出：

其中  = 逆变器的直流母线电压

对于同轴电缆，特性阻抗由下式给出：

地点：

=电介质（绝缘体）的相对介电常数

= 外导体内径

=内导体外径

在三相屏蔽电缆中，几何形状不是简单的同轴形状，但其行为相似，阻抗是介电常数和内外导体相对直径的函数。电缆中使用的几何形状和介电材料变化不大，对数项意味着阻抗对几何形状的变化不是很敏感。   的测量值 对于标准屏蔽电源线，范围在 2.5 mm ² 约 45 ohm 之间 120 mm ² 15 ohm 的电缆 电缆。这意味着对于额定电流超过约 20A 的大型驱动器，充电电流是微不足道的，但对于低于约 10A 的额定值，它会产生影响，并且驱动器必须设计为提供充电电流而不会出现过多的功率损耗或不必要的过度充电。当前跳闸。

电流脉冲的持续时间由电缆的长度决定，它等于脉冲传播到电机端，然后作为反向反射返回的时间。电缆越长对逆变器的影响越大。

一些特殊的电缆可能会有异常的值

如果电源线芯和屏蔽层之间没有绝缘护套，则直径比可以大大减小，这对于高柔性屏蔽电力电缆可能会发生。矿物绝缘铜包线电缆（MICC）的径比小，矿物绝缘体的介电常数高，阻抗很低。

另一种效率较低的情况是，如果将多条电缆并联以达到所需的额定电流，而不是使用单根大直径电缆。在这些情况下，除非总电缆长度非常短，否则通常需要在驱动器和电缆之间添加串联扼流圈以限制电缆充电电流。在 Control Techniques 中，我们偶尔会遇到这样的情况，即安装人员使用了三根电缆并联，并且每相使用一根三芯电缆。这种安排在任何情况下都是不好的做法，因为相芯中的电源频率电流会在屏幕中感应出逆流，这会导致屏幕发热。当与 VSD 一起使用时，它会因电源芯和地之间的过大电容而导致异常高的杂散电流，这可能会对附近的电路造成高频干扰，并且还会通过过多的共模（地）导致 RFI 滤波器过载的风险当前的。正确和错误的方法如图5所示。

图5：电源线并联的正确与错误方法

在上面我没有特别区分电缆中阻抗应用的模式。一般不需要考虑这么多细节，但影响驱动的主要模式有：

• 简单的非对称模式，一个核心相对于所有其他核心和屏幕。这与驱动负载有关，但与接地电流或滤波器负载无关。
• 普通模式，所有电源芯都用于屏蔽和接地芯（如果安装）。这与接地电流和滤波器负载有关。

电机电压过冲和变化率 (dv/dt)

电缆电容和电感会导致脉冲边缘处电机端子处的电压过冲。根据 Telegrapher 的方程，这些可以理解为由阻抗不匹配引起的电机端子反射。即使是很短的电缆也会导致一些过冲。如果您不熟悉逆变器和快速变化的脉冲，这可能会令人惊讶——即使它们连接在一起，在微秒时间尺度上，电机上的电压与逆变器上的电压也有很大不同。

电机的耐压能力取决于电压上升时间。对于低于约 0.8 微秒的上升时间，耐压可能会降低，因为电压倾向于集中在绕组的第一匝，并对匝间绝缘造成压力。大多数电机设计用于使用 400 V 或 480 V 电源运行的逆变器驱动，无需特殊措施。对于 690 V 电机，强烈建议使用专门设计的逆变器额定电机，以避免任何过早绝缘失效的风险。此类电机的规定应符合 IEC 文件 TS 60034-25（“专为变流器供电而设计的交流电机的设计和性能指南”）中给出的指南。

多个电机

有时希望从单个驱动器操作多个电机。例如，小型通风风扇可以安装在建筑物周围，并由单个驱动器驱动，每个驱动器都有自己的电缆。在这种情况下，电缆的电容取决于其总长度，但各部分的电感与驱动器并联，而不是串联。对于n 电缆驱动器在其脉冲边缘看到的阻抗是

在这种情况下应使用串联扼流圈来限制电容充电脉冲，否则驱动器可能会因充电电流过大而过早跳闸或限流。