用特製纜線因應 VFD 與馬達雜訊

變頻器 (VFD) 可精密供電給自動化機械中的多種類型電動馬達。VFD 是必要的供電元件，可將進入馬達繞組的電壓整形，以促進對馬達速度 (向量控制) 與扭力輸出的嚴密控制。但問題在於，會有不受控制的電流和其他與整形供電相關的電氣現象，若不減緩，這些現象會對 VFD 附近的絕大多數自動化元件與系統有害。

圖 1：VFD，例如 3G3MX2-A2015-V1，對於多種製程與離散式自動化應用來說是不可或缺的一部份，能為電動馬達驅動的機軸帶來嚴密控制、安全及頂尖效率。但要注意的是，VFD 的操作通常會產生 EMI，若未加以因應，則會導致附近的控制與回授通訊衰減、鄰近機械式元件受損，更會引發多種擾人的跳電以及其他非最佳化的系統行為。(圖片來源：Omron Automation and Safety)

試想 VFD 的運作方式，以深入瞭解其為何在非最佳化設計下，會對其驅動的馬達與其他鄰近設備造成問題。簡而言之，VFD 會：

• 接受 AC 市電輸入的正弦電流，然後
• 將線路電力整流 (轉換) 成 DC 電流
• 使用絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 將 DC 電流反轉 (變回 AC)，明確來說，是變成精密調節的脈衝列

基本上，驅動開關會將電壓關閉與開啟達到截斷電流，促使馬達轉動，彷彿接收到平滑調節的正弦波電流一樣。在此驅動型態下，稱為脈寬調變 (PWM)，輸出速度會極度仰賴電流脈衝的頻率。

以前的 VFD，會透過矽控整流器 (SCR) 或雙極接面電晶體 (BJT) 來執行此作業，與今日 IGBT 架構的 VFD 相比屬於較慢的切換器。需要更高頻率的 IGBT 切換才可達到快速精密的馬達控制，但這也是造成導通與輻射電磁干擾 (EMI) 以及無線射頻干擾 (RFI) 的原因。

VFD 雜訊會影響馬達、控制與驅動本身

EMI 問題的發生是因為，即便驅動供電給馬達，並以低速運轉時，各個電氣脈衝其實是具有匯流排電壓振幅的方波，也就是說，送到馬達的電力，含有相當明顯的 dV/dt 電壓上升時間 (以 μs 或 μs 分數表示)。

是想以下這個問題：電壓的反射波。在啟動時，電動馬達的定子繞組就像電感一樣，會逐漸形成磁場然後傳遞電流。從 VFD 饋送電力到馬達的纜線，會在馬達接面處出現阻抗不匹配的情況。上述的過衝情況就會導致反射波將一些電壓波形的前緣彈回到纜線 (朝向驅動電子元件)，到纜線與馬達的高阻抗連接點。

明顯的 WPM dV/dt 會導致電壓過衝，進而引起電壓反射波。

還有個因素會讓此現象惡化，那就是驅動與馬達之間的纜線過長 (有些情況是不可避免)。比起短纜線，纜線較長時會有高電感值，也會有更高的機率引發電壓尖波並讓反射波情況惡化。複合波尤其有害，因為這些波 (已近入相位) 會有效形成新的波，且集結原本的電壓與電流。

圖 2：VFD 電氣脈衝在匯流排電壓振幅下的方波波形會導致明顯的 dV/dt 電壓上升時間，若未加以因應，會引發多種電磁問題。(圖片來源： Design World)

請注意，馬達 (如同 VFD) 也可承受反射波與電壓尖波的破壞。這就是目前的自動化設備中都含有變頻器專用馬達的原因。這些馬達的定子繞組具有高效能絕緣和其他元件，可增強整體的熱能力，以及 (在絕大多數情況下) 面對電壓尖波時的耐受力。等級是依據突波電壓強度與持續時間排序，等級越高，代表設計涉及的上升時間越長 (比較不突然)。當然，非變頻器規格專用的馬達也可由 VFD 驅動。只是，這些較不完備的馬達應用通常僅限用於操作參數較不嚴峻的自動化設備。此類馬達若由 VFD 驅動，可能還需要短纜線，並採用線路電感器與其他防護元件才可。

纜線救星：專為 VFD 設計

除了威脅 VFD 外，同相複合波若有夠高的電壓也會破壞使用不當的一般用途纜線。明確來說，與 VFD 操作相關的高壓尖波會對纜線絕緣施壓、加熱甚至穿刺。為了避免此問題，專為搭配 VFD 使用的纜線會含有：

• 粗徑 (小 AWG) 導線，其額定值可承受所有預期的尖峰電壓
• 採用特殊工藝交叉鏈接聚乙烯或 (某些情況下較不偏好) 聚氯乙烯製成的夠厚介面與絕緣
• 將 VFD 引發之尖波與雜訊驅散與接地的外皮和其他元件

圖 3：Alpha Wire 的 VFD 專用纜線含有交叉鏈接聚乙烯絕緣，可耐受電磁電暈，達到低電容值 (甚至更長的纜線長度)，並具有良好的低溫效能。(圖片來源： Alpha Wire)

纜線對反射波的耐受能力有個可量化的測量指標，就是電暈起始電壓，通常以 kV 為單位測量。根據基礎物理學，電暈 (因發出環狀微光而得名) 是極度局部化電壓周遭空氣突然離子化的過程。此離子化過程若未透過導線周圍足夠的絕緣進行防範，會產生臭氧和多種氮化合物，則會迅速破壞使用不當的纜線。因此必須使用絕緣夠厚的 VFD 等級纜線，也就是符合甚至超越 VFD 供應商所指明的結構要求，若是一般用途的熱塑性高耐熱尼龍塗層 (THHN) 電線則要遠超過 美國國家電工標準 (NEC) 標準。無論 VFD 是在戶外或其他潮濕地點使用，最好是使用特殊工藝的聚乙烯絕緣。請參閱 DigiKey 的文章《適合工業應用的纜線》，進一步瞭解會影響 VFD 驅動設計及其纜線的其他現象，包括湧入電流及共模電流。

VFD 接線最佳實務

除了盡可能縮短 VFD 纜線外 (若可行，不超過 50 英尺)，也要將馬達驅動設備的所有零件都正確接地，包括控制與機械面板。也就是說，使用共同接地塊或主電位排列，避免多個機器點到接地之間的電壓電位引起接地迴路的有害效果。當機械回饋仰賴電壓參考值時尤其如此 (若未透過接地避免意外電流)，可能會回報錯誤值。如需此主題的詳盡說明，請參閱 DigiKey 的文章《測量高電壓時的微弱訊號及避免感測器接地迴路》。

事實上，許多設計也需要額外添加子元件，例如濾波器、纜線側鐵氧體環、馬達軸接地環，以及屏蔽，才能完全防範 EMI。相關範例：在 VFD 設備中，往往有個不可或缺的簡易輔助零件，就是接地帶。此扁平零件含有鍍錫銅編織帶，兩端各有一個圓形端子。整合到馬達驅動設計後，接地帶會將驅動的防護接地端子 (所有 VFD 皆有) 接到接地，然後將高頻電氣雜訊排到接地，效果遠比圓形接地線好。具有大表面積可因應 AC 電力傾向在導體表面或皮膚上流動的情況 (尤其是在高頻時)，因此此行為稱為集膚效應。

圖 4：此鍍錫銅接地帶防腐蝕、有撓性且符合 RoHS 指令。此接地帶相當適合用於 VFD 設備的接地部位，因為可因應高頻雜訊傾向在導體表面流動的情況。(圖片來源： Falconer Electronics)

還有另一個注意事項：除了要避免導通 EMI 外，設計也要避免高頻傳輸的電容耦合雜訊。包括可透過接地帶、金屬導管中非屏蔽馬達纜線等元件 (兩者隨時皆可導通 EMI 並形成接地迴路)，而進入 VFD 馬達電路的雜訊，VFD 驅動馬達繞組以及接地框之間的電容耦合雜訊也要加以減緩。

圖 5：此表格取自一份可在 digikey.com 下載的教學 PDF，其中比較三種適合 VFD 的工業纜線設計。(圖片來源： Belden Inc.)

結論

VFD 常見於流程類的應用，包括 HVAC、油氣、一般泵浦、壓縮機與鍋爐操作。VFD 在多種採用電動馬達的離散式工業自動化系統中也是必備要素之一，可在輸送帶、銑床、升降機中驅動活動軸，以及其他可能受惠於效率增加的設備。

若要順利應用這些驅動，就要考量其對連接與鄰近之元件和系統潛在的有害電氣與電子效應。實際上，要使用 VFD 通常都要採用特殊的電氣濾波器、端接、接地系統以及 VFD 專用纜線。