需要哪些輔助產(chǎn)品才能最大限度地發(fā)揮 VFD 和 VSD 的作用？- 第 1 部分

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(yīng)考慮的各種因素。[第 2 部分]繼續(xù)探討 VSD/VFD 與伺服驅(qū)動器之間的區(qū)別，介紹 AC 和 DC 旋轉(zhuǎn)和線性伺服電機的用途，考慮軟起停裝置在工業(yè)運行中的應(yīng)用，以及 DC 轉(zhuǎn)換器如何用于為傳感器、人機界面 (HMI) 和安全設(shè)備等外圍設(shè)備供電。

要最大限度地提高工業(yè)運行效率和可持續(xù)性，就必須使用變速驅(qū)動器和變頻驅(qū)動器 (VSD/VFD)，但這還不夠。為了最大限度地發(fā)揮 VSD/VFD 的優(yōu)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(guān)重要的作用。如果用于連接 VSD/VFD 和電機的電纜規(guī)格過關(guān)，會大大降低系統(tǒng)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(tǒng)在需要管控電磁干擾 (EMI) 的區(qū)域運行，且使用符合 EN 61800-3 C2 類標(biāo)準(zhǔn)的線路濾波器有利于這些系統(tǒng)。需要快速減速的應(yīng)用需要使用制動電阻器。線路電抗器可用來改善功率因數(shù)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(chǎn)品。

電機電纜有多種配置，可滿足特定的應(yīng)用要求。通常情況下，電機配備三根主電源導(dǎo)線，常用絕緣材料為交聯(lián)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(huán)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(chǔ)電纜，也是由導(dǎo)體、屏蔽層和絕緣層構(gòu)成的復(fù)雜組件。這些電纜包括三根 14 號美制線規(guī) (AWG) （7x22 股）銅導(dǎo)體，外覆 XLPE 絕緣層，以及三根 18 號美制線規(guī)（7x26 股）無絕緣層銅接地線。這六根導(dǎo)體均纏繞了雙螺旋屏蔽層帶并實現(xiàn)了 100% 覆蓋，而且為滿足環(huán)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(guī)范 (NEC) 規(guī)定的 1 類 2 分區(qū)危險場所。第 1 類是指處理易燃?xì)怏w、蒸汽和液體的設(shè)施。第 2 分區(qū)規(guī)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(yīng)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(dǎo)體，一根接地導(dǎo)體和一對信號線。其中，電源導(dǎo)體規(guī)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(guān)領(lǐng)域。

除了用于可靠、高效地處理電源和信號外，VFD 電纜還應(yīng)能夠處理驅(qū)動器高頻運行時產(chǎn)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(shè)計，但也存在局限性（圖 2）。這時，負(fù)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(guān) VFD 電纜選型的詳細(xì)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(fù)載電抗器

負(fù)載電抗器也稱為輸出電抗器，連接在驅(qū)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(chǎn)生（通常在 16 kHz 至 20 kHz 之間）高頻輸出。高頻開關(guān)會造成電壓上升時間僅為幾微秒，由此產(chǎn)生的高壓尖峰可能超過電機的額定峰值電壓，從而導(dǎo)致絕緣擊穿。

根據(jù)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(fù)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(guī)定，則可以使用 90 m (300 ft) 長的電纜，而無需使用負(fù)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(fù)載電抗器。如果距離超過 150 m，通常建議使用專門設(shè)計的濾波器。在對 EMI 敏感的環(huán)境中，在所有應(yīng)用中使用負(fù)載電抗器通常是一種很好的做法。

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

制動電阻器和熱過載

除負(fù)載電抗器外，制動電阻器和熱過載關(guān)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(xiàn)最大的瞬時制動扭矩。大多數(shù)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(tǒng)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(yīng)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(yīng)用是通過能量耗散百分比 (ED%) 來定義的。所規(guī)定的 ED% 可確保電阻器能有效消散制動期間產(chǎn)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(jù)制動的輕重程度規(guī)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(chǎn)生的熱量。如果制動電阻器因散熱不足而發(fā)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(xù) 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(yè)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(shù)系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)，防止制動過于頻繁或過猛。檢測到熱過載時，驅(qū)動器停止運行。僅停止制動功能可能會嚴(yán)重?fù)p壞驅(qū)動器。

驅(qū)動輸入保護

驅(qū)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(qū)動電路造成的 AC 輸入功率諧波失真。這些設(shè)備在必須滿足 IEEE-519“電力系統(tǒng)諧波控制”要求的應(yīng)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(qū)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(qū)動器）。

線路濾波器

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

相關(guān)的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)包括 EN 55011 標(biāo)準(zhǔn)（詳細(xì)規(guī)定了工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備的輻射限制）和 IEC/EN 61800-3 標(biāo)準(zhǔn)（專門針對調(diào)速驅(qū)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(jù)環(huán)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(qū)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(huán)境中運行的驅(qū)動器就可在 B 類環(huán)境中運行。

IEC/EN 61800-3 標(biāo)準(zhǔn)按照環(huán)境和分類規(guī)定了 EMC 要求。住宅建筑被定義為第一環(huán)境，而通過變壓器與中壓配電網(wǎng)連接的工業(yè)設(shè)施則被定義為第二環(huán)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(qū)動系統(tǒng)，可在第一環(huán)境中無限使用
• C2 類指額定電壓 < 1000 V 的固定式驅(qū)動系統(tǒng)，用于第二環(huán)境，也可用于第一環(huán)境
• C3 類指額定電壓 < 1000 V 的驅(qū)動系統(tǒng)，僅用于第二環(huán)境
• C4 對用于第二環(huán)境、額定電壓 ≥ 1000 V 和額定電流 ≥ 400 A 的驅(qū)動系統(tǒng)規(guī)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(qū)動系列而設(shè)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(qū)動器而設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)束語

VSD 和 VFD 是盡可能地提高工業(yè)運行效率和減小溫室氣體排放的重要系統(tǒng)。這些驅(qū)動器需要一些輔助部件，以確保安裝有效、可靠并符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，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