如何挑選電纜以達到可靠的 VFD 馬達控制和感測器回饋

在工業自動化及提升能源效率的努力下，輸送帶、泵浦及工業機器人等馬達系統逐漸採用變頻器 (VFD)。挑選馬達用的電纜比起依據負載電流挑選線徑，以及依據工作電壓挑選絕緣等級更為複雜。

現代 VFD 馬達系統採用切換式電力電子技術，會產生具有超快速邊緣的脈寬調變 (PWM) 驅動訊號。這些快速的轉換時間可能會讓電纜與馬達端子之間阻抗不匹配所引發的反射情況加劇，導致出現駐波而增加電纜上的電壓應力。此外，線對線和線對地的電纜電容值，可能會影響驅動效能並增加充電電流。由於 VFD PWM 訊號富含高頻諧波，因此馬達電纜必須有效屏蔽，以降低電磁干擾 (EMI)。

本文將概述 VFD 並探討設計人員在挑選 VFD 馬達電纜時所面臨的挑戰，以確保功能正常、可靠性與安全性。接著會介紹來自 LAPP 的 VFD 電纜，並說明如何在惡劣環境中使用，以提供穩定的電力和控制訊號，同時降低 EMI 輻射和易感性。

VFD 介紹

工業自動化需要可在全速範圍內雙向運轉的可靠、高效馬達。VFD 有時也稱為可調速驅動器，屬於一種馬達控制器，可改變馬達的電源輸入頻率、電壓及工作週期，藉此調節交流感應馬達 (ACIM) 的速度與扭力。其運作方式是對 AC 輸入進行整流，並使用 DC 輸出來產生 PWM 訊號，藉此驅動馬達。只要調整這些脈衝的頻率、寬度和振幅，就可針對多種馬達驅動系統，控制馬達的速度和輸出扭力。

為了達成功能，VFD 由三個主要元件組成 (圖 1)：將 AC 轉換成 DC 的整流器、將 DC 轉換成 PWM 訊號的逆變器，以及 VFD 控制器。

圖 1：VFD 對其 AC 輸入進行整流，並使用 DC 產生 PWM 訊號，以控制馬達的速度和輸出扭力。(圖片來源：Art Pini)

控制器可透過感測器監測馬達的運作，包括解析器／編碼器回饋裝置、轉速計，以及溫度和振動感測器，藉此管理主要的馬達參數。

整流器使用傳統二極體，後接一個濾波器。逆變器採用功率場效電晶體 (FET) 或絕緣閘雙極電晶體 (IGBT)。這些都可透過 VFD 控制器所管理的隔離高壓閘驅動器來驅動。

VFD 的操作與傳統三相 AC 操作不同，因為驅動馬達的訊號並非正弦波，而是 PWM 脈衝 (圖 2)。

圖 2：VFD 的 PWM 脈衝會在馬達繞組中產生正弦電流響應。(圖片來源：LAPP)

PWM 訊號頻率通常介於 2 kHz 至 20 kHz。逆變器會輪流將馬達連接到正負 DC 匯流排，以及 DC 共模電壓。DC 匯流排電壓接近 AC 主電源的峰值電壓。施加的 VFD PWM 波形會產生正弦波電流響應，可控制馬達的速度與扭力。

用特殊電纜將 VFD 連接到馬達的需求，是基於 PWM 波形的特性而產生。此波形屬於矩形脈衝，具有富含諧波的寬頻譜。VFD 電纜的設計可減少這些高頻訊號的輻射。此外，為了將逆變器開關的切換損耗降至最低並發揮最大化效率，脈衝轉換應盡可能快速進行。這會導致脈衝邊緣出現高電壓變化率 (dV/dt)。這些特點，加上快速邊緣和高頻譜含量，可能會導致高位準的 EMI。快速邊緣也可能在電纜沿線的阻抗變化處產生傳輸線反射。反射會在電纜中產生駐波，隨長度而增加電壓，導致 VFD 電纜需要更高的電壓等級。

金屬導線之間的電纜電容值則是另一個問題。當逆變器開關將電纜連接到 DC 匯流排，會產生電流突波而對電纜的電容進行充電。這會提高瞬間電流位準，有可能會導致電纜受損。此共模電流可能會在相間流動，或從電相流向接地。也可以透過馬達框架找到接地迴路，並穿透馬達的軸承。穿透軸承的電流可能會導致表面產生點蝕，進而縮短馬達壽命。這些問題通常出現在使用較高電壓、較高馬力 (HP) 額定值以及運作時間較長的 VFD 上。

與所有電線和電纜一樣，電力可能會因電流通過電纜的 DC 電阻而損失。此外，由於 PWM 訊號的頻譜頻寬更大，電纜的電阻可能會因集膚效應而增加。這些電阻效應會隨著電纜長度而改變。

VFD 電纜可直接克服連接難題

LAPP 的 ӦLFLEX VFD 2XL with Signal 電纜系列 (圖 3) 專為工業環境中的 VFD 服務、固定式設備以及偶爾需要彎折的應用而設計。可解決 VFD 服務中出現的許多問題。

圖 3：典型 ӦLFLEX VFD 2XL with Signal 電纜的兩個視圖，可顯示出與 VFD 應用相關的主要設計特點。(圖片來源：Art Pini，基於 LAPP 的資料)

最基本的特徵就是電力導線的結構。電纜股線結構會影響電纜的柔韌性和載流能力。LAPP 的這個 VFD 電纜系列符合北美和歐洲的 Class 5 電纜絞線標準。Class 5 導線由多股非常細的錫鍍銅線組成，排列成極具柔韌性的電纜。圓密耳面積 (CMA) 可超過美國線規 (AWG) 的同等尺寸導線。因此可降低 DC 電阻、電纜上的壓降及功率損耗。訊號線對的直徑較小，並符合 Class K 絞線規範。

每條電纜含有三條印有相位標籤的黑色絕緣電源線、一條綠／黃色條紋的接地線，以及一條帶有兩條導線的屏蔽雙絞訊號線。

電纜內的電線各自以交聯聚乙烯 (XLPE) 絕緣，這是一種耐熱、耐濕且耐化學物質的熱固性塑膠。XLPE 具有優異的熱機械特性，因此可耐受過電流情況產生的熱量。還具有較低的介電常數，可降低電纜電容值，有助於將充電和共模電流降至最低。此外，較低的介電常數可讓絕緣導線之間的間距縮小，進而縮小電纜直徑，同時提高最大工作電壓。

電纜的外層護套由特殊配方的熱塑性彈性體 (TPE) 製成。TPE 是一種結合塑膠與橡膠特性，柔韌且耐用的材料。對熱、油、化學品、紫外線和臭氧具有優異的抵抗力，適合用於工業環境。

ӦLFLEX VFD 2XL 系列具備金屬屏蔽，可將輻射 EMI 降至最低。主要屏蔽層是三層鋁箔膠帶，可提供 100% 覆蓋率。次級屏蔽則由 85% 覆蓋率的錫鍍銅編織網組成。阻隔膠帶可保護屏蔽層下方的絕緣芯線。若適當接地，這些屏蔽層可提供 EMI 防護，避免外部干擾進入電纜，並減少電纜本身的輻射。整條電纜沿線設有屏蔽接地洩流線，可提供靈活的接地選項。

較小線規的絞合訊號對可用於控制或感測器的連接，例如剎車控制或溫度感測器。此訊號對還使用鋁箔膠帶進行屏蔽，並具有其專屬洩流線。

挑選 LAPP ӦLFLEX VFD 電纜

VFD 馬達系統的整體效能主要取決於是否挑選正確的 VFD 電纜。ӦLFLEX 2XL VFD with Signal 系列提供多種線規，可因應不同馬達尺寸。包含從 16 AWG (1.5 mm²) 到 2 AWG (33.7 mm²) 的電纜，其中還有 14 AWG、12 AWG、10 AWG、8 AWG、6 AWG 和 4 AWG 的線規。這些電纜具有四條電源導線 (三條相位線和一條接地線)，以及一條雙線絞合訊號電纜。所有電纜的額定規格都可承受高達 2,000 V_AC rms，符合美國安全檢測實驗室公司 (UL) 線槽電纜標準。需依據馬達馬力挑選適合的線規，且馬力與滿載電流 (FLC) 相關，也要依據佈線長度和可接受的電纜上壓降 (圖 4) 決定。

圖 4：特定馬達馬力所需的 VFD 電纜線規。(圖片來源：LAPP)

線規會以 AWG 標示，或以千圓密耳 (KCMIL) 的面積標示。圓密耳單位可用於 0 AWG 以上的線規。

以 LAPP 700710 為例，這是一條帶有四根 16 AWG 電源導線和兩根 18 AWG 訊號線的 VFD 電纜。這是 ӦLFLEX VFD 2XL 系列中最小的 VFD 電纜，直徑為 0.652" (16.6mm)。電纜直徑會決定最小彎曲半徑，也就是電纜直徑的 7.5 倍，即 4.9" (124 mm)。這些電纜的指定規格為每千英尺重量約為 200 磅 (lb)。在設計支撐結構 (如電纜線槽) 時，電纜重量的資訊非常重要。根據圖表，此電纜可在所有三種線路電壓下，用於 ½ HP 至 2 HP 範圍內的馬達。也可在 460 V 和 575 V 線路上，搭配 3 HP 至 5 HP 馬達使用。

LAPP 的 700713 是一條六導線 (四條 10 AWG、兩條 18 AWG) 的 VFD 電纜，線徑為 0.798" (20.3 mm)。適用於以 460 V 運作的 15 HP 至 20 HP 馬達、575 V 的 20 HP 馬達，以及 230 V 的 7½ HP 至 10 HP 馬達。

此系列中最大的電纜是 LAPP 700717，這是一條六導線 (四條 2 AWG、兩條 14 AWG) VFD 電纜。其直徑為 1.4" (35.6 mm)，每千英尺重量為 1580 lb。可相容於以 230 V 運作的 50 HP 馬達、460 V 的 100 HP 馬達，或 575 V 的 125 HP 馬達。

結論

隨著 VFD 部署加速，設計人員必須謹慎挑選適當的連接電纜，以確保專案成功。LAPP 的 ӦLFLEX VFD 2XL with Signal 系列電纜可支援眾多 VFD 驅動器和馬達應用。其多重屏蔽設計可保證在雜訊工業環境中達到可靠的效能，同時具有耐用的工業級外護套，可抵抗水、油和嚴苛化學品。