選定和使用變頻器纜線可提高可靠性、安全性以及降低碳排放

變頻器 (VFD) 與馬達有助於降低碳排放量，以及提高各種系統的效率、可靠性和安全性，包括輸送帶、幫浦、混料機、升降機、暖通空調 (HVAC) 系統以及類似應用。變頻器至馬達的連接佈線，是系統中的關鍵鏈路。若佈線不當，操作人員的安全便會受到影響，且馬達的可靠性和工作壽命也會降低。

典型變頻器系統的操作環境非常惡劣，例如高壓尖波達到電源電壓的二到三倍，以及高等級的輻射與傳導電磁雜訊。此外，纜線也可能會暴露在高溫環境下。這些纜線必須具備抗油、抗水、抗紫外線 (UV) 輻射的能力，同時維持高度彈性並符合 UL、CSA、NFPA 和 NEC 的眾多技術要求。

變頻器安裝的操作環境與技術需求極具挑戰，因此使得纜線規格複雜化。本文將簡要介紹變頻器與馬達的操作、纜線絕緣需求，以及電磁相容性 (EMC) 需求。本文將比較 UL 1277 TC ER、WTTC 和 TC 纜線等的規格，並檢驗 NEC 與 NFPA 要求。此外還將說明纜線結構考量事項，最後再概述 Belden、Helukabel、Igus、LAPP 和 SAB North America 推出的優異纜線產品。

環境挑戰

變頻器馬達、驅動器及連接纜線皆需在惡劣的電氣環境下運作。變頻器纜線必須在高壓下有效率地提供高驅動功率，並因應高壓尖波與高雜訊位準。變頻器纜線中的絕緣會面臨各種艱鉅的狀況，例如反射波與電暈起始電壓 (圖 1)：

• 反射波：若變頻器馬達及其纜線之間的阻抗值不匹配，則可能會產生反射波，進而可能導致電壓波反彈回驅動器。若無高效能絕緣，反射波可能會破壞絕緣並使纜線過熱。
• 電量起始電壓／電量放電：變頻器系統的脈寬調變 (PWM) 電壓從零快速振盪至峰值電壓。若無適當絕緣且產生的高壓尖波超過纜線的電量起始電壓，則會導致導線周圍的空氣離子化，致使電量放電融化絕緣而損壞馬達、馬達軸承、驅動器。

圖 1：變頻器纜線絕緣必須處理反射波與電量起始電壓。(圖片來源：SAB North America)

屏蔽與接地

除了耐受電壓尖波外，變頻器纜線還必須支援高等級的 EMC。重要的 EMC 考量事項如下：

• 變頻器三相電壓產生的共模電流總和不為零，且會造成電壓不平衡。若非零電壓位準發生變化，則會透過接地導線按比例傳回纜線充電電流。過度的共模電流會產生接地迴路而干擾到適當系統效能。
• 可變驅動頻率產生的發射電氣雜訊會誘發電磁干擾 (EMI) 與無線電頻率干擾 (RFI)，並影響到鄰近的元件與系統。

有效接地的驅動器、纜線和馬達系統可形成法拉第籠，確保穩健的 EMC 效能 (圖 2)。

圖 2：變頻器纜線可透過適當的接地連線，降低共模電流與電氣雜訊。(圖片來源：SAB North America)

接頭與管線

變頻器纜線採用小直徑設計，適合在管線中繞行並可做為持續焊接的裝甲電纜結構。這些解決方案要求複雜、昂貴的安裝，並且在可靠性方面存有潛在問題。可採用無需管線的托盤纜線 (TC)。若提供管線，則可用來在驅動器與馬達之間建立法拉第籠。若使用各類別的托盤纜線，則可新增 EMC 纜線接頭以完善法拉第籠。EMC 纜線接頭提供 IP68 的侵入防護，可在 1.5 m 深的清水下耐受長達 30 分鐘且具備防塵效果，適合用於艱鉅的工業與室外環境 (圖 3)。

圖 3：可使用纜線接頭連線驅動電子元件與馬達，形成法拉第籠並控制電磁干擾。(圖片：SAB North America)

纜線類別

托盤纜線可簡化安裝並降低成本。業界採用諸如電壓額定值、彈性以及擠壓／衝擊測試等各種應用條件來分類托盤纜線。目前業界採用兩大 UL 標準，皆適用於 18 AWG 或更高數值的纜線。這兩大標準如下：

UL 1277、電力與控制托盤纜線，兩者皆涵蓋額定值為 600 V 的數種托盤纜線類型。

• 基本托盤纜線是最常見的類型，且可在需要阻燃特性的環境中做為變頻器纜線使用。
• 相較於標準托盤纜線，TC-ER 托盤纜線必須通過更嚴格的擠壓與衝擊要求。這些纜線可在纜線托盤之間自由繞行，平均繞行距離為 1.8 m (6 ft)。
• THHN/PVC 是採用熱塑性護套的低成本托盤纜線結構，適合直接埋設和在管線中繞行。

UL 2277、彈性馬達電源線與風力渦輪機托盤纜線，涵蓋額定值為 1,000 V 的兩種托盤纜線類型。

• 彈性馬達電源線 (FMSC) 旨在做為變頻器馬達電源線使用。
• 風力渦輪機托盤纜線 (WTTC) 可耐受極端嚴苛的風力應用環境，例如油、磨蝕、極端溫度、水、持續移動等。

NEC 與 NFPA

在美國有時 (非必然) 會要求遵循 NEC 79/NFPA 79 2018 年版本法規，視當地建築物法規而定。此標準規定必須依照以下定義，將變頻器纜線標示為 RHH、RHW、RHW-2、XHH、XHHW、XHHW-W 之一：

• RHW、RHH、RHW-2 使用高熱橡膠絕緣。
  • RHW 表示額定溫度為 +75°C 的防水纜線
  • RHH 表示額定溫度為 +75°C 且無防水功能的纜線
  • RHW-2 表示額定溫度為 +90°C 的防水纜線
• XHH、XHHW、XHHW-W 採用 XLPE (交連聚乙烯) 絕緣。
  • XHH 適用於額定溫度為 +75°C 的潮濕場所
  • XHHW 適用於額定溫度為 +75°C 的極濕場所
  • XHHW2 適用於額定溫度為 +90°C 的極濕場所

XLPE 絕緣外型較橡膠絕緣更為輕巧且更具彈性，特別是在低溫環境下可更加輕鬆地安裝 XLPE 纜線。此外，XLPE 提供的漏電比橡膠絕緣更低。

纜線結構

有眾多方式可實作變頻器托盤纜線。Igus 的零件編號 CF31-25-04 產品即是眾多常見元件中的極佳範例之一；清單中的編號與圖 4 相對應：

1. 採用壓力擠型、抗油 PVC 混合低黏合、抗油 PVC 製造的外護套
2. 外部屏蔽採用由鍍錫銅導線構成的高度抗彎折材料編織製成
3. 壓力擠型襯料填充 PVC 內護套
4. CFRIP 是 Igus 專用的內護套模製開封帶，有助於快速剝線
5. 交連聚乙烯塑膠 (XLPE) 核心絕緣塑膠內部採用 3D 接合設計；XLPE 具備高機械強度與低電容量
6. 導線的核心從 < 10 mm² 至 ≥ 10 mm² 不等，具體取決於 DIN EN 60228 要求
7. 中心防拉、抗張應力材料

圖 4：變頻器纜線載流導線及其屏蔽與防拉元件範例。(圖片來源：Igus)

更多選擇

LAPP 的 ÖLFLEX VFD 1XL 變頻器驅動纜線系列產品具備強大抗油與抗 UV 屏蔽功能，適合需要較小纜線直徑的設計。這些纜線的 XLPE 絕緣直徑極小，適合用於標準纜線可能會過大的擁擠安裝環境。此外，更有助於提高彈性以加速安裝。這些 TC-ER 等級纜線無需管線即可安裝，而較小的直徑與優異彈性可在必須使用管線時簡化作業。其符合 XHHW2 效能要求。例如，LAPP 提供採用四條導線 (包括接地) 外加汲極的數種型號，例如 10 AWG (5.3 mm²) 的 701703 導線，以及 2 AWG (33.7 mm²) 的 701717 導線。

Helukabel 提供具備 TC-ER 與 WTTC 等級的數種纜線，且這些纜線皆提供 2 至 18 AWG 的導線，例如型號 63141 的四導線 12 AWG TC。該產品採用結合鋁箔 (100% 包覆) 與鍍錫銅編織 (約 85% 包覆) 的雙屏蔽設計，並採用 XLPE 絕緣以及可抗油、冷卻劑、溶劑以及清潔劑／消毒劑的 PVC 護套。可在開放且未受保護的環境中，將這些纜線安裝於纜線托盤，或是在纜線托盤與機器之間安裝纜線。不僅如此，也適合安裝於管線或直接埋設。

高撓性纜線

Belden 提供採用數種絕緣與屏蔽材質，且配備各種導線與接地組態的多種托盤纜線產品系列 (圖 5)。針對需要高撓性托盤纜線的鋪設，該公司提供 HighFlex VFD 纜線產品，支援數種撓性範圍且彎折週期高達 1,000 萬次。這些托盤纜線配備精細絞合的鍍錫銅導線，部分型號具備超過 2,000 的單股線束且具有彈性 TPE 護套，因此這些纜線極柔軟且方便安裝。例如，零件編號 29501F 0101000 具備 TC-ER 與 WTTC 等級，專為持續移動與機上應用所設計，且符合在最高 +90°C 極濕位置使用的 XHHW2 要求。HighFlex VFD 纜線的目標應用包括：

• 執行製程設備
• 為幫浦供電
• 驅動風扇
• 執行材料輸送帶
• 移動機械手臂

圖 5：變頻器纜線使用的眾多導線與接地配置及絕緣與屏蔽材質。(圖片來源：Belden)

SAB 的變頻器纜線專為提供最佳化 EMC 效能所設計。此外，亦提供適合持續撓曲的設計。這些纜線符合 TC-ER 與 WTTC 要求，且採用具備兩種選項的增強電容量 XLPE 絕緣：一種直徑較小，另一種則支援較長的繞行距離。不同變頻器馬達對於複合式變頻器托盤纜線的配對尺寸要求也有所差異，且可能需要附有排擾地線的纜線。SAB 推出的變頻器纜線可處理大部分的應用要求，例如用於煞車或溫度感測的複合配對供電、多種配對尺寸選項 (包括 18、16、14 和 12 AWG)，以及某些具備雙配對的設計。這些纜線採用結合鋁箔與鍍錫銅編織的雙屏蔽設計，且可選擇接地對稱設計。這些纜線的折彎半徑是纜線直徑的 12 倍，且具備 XHHW2 等級，適合在溫度可達 90 °C 的極濕場所使用。型號 35661204 的四導線 12 AWG 纜線即是優異範例之一。

結論

變頻器纜線要在極其惡劣的電氣環境下使用，必須耐受高溫且暴露於水、油及／或各種化學品。選定纜線是一項複雜的過程，原因在於必須考量各式各樣的絕緣特性，包括可否耐受反射波與電量起始電壓、屏蔽、EMC 保護纜線接頭，以及 UL、NEC 和 NFPA 要求。正確選擇和安裝變頻器纜線有助於簡化安裝，達到低成本，以及改善馬達操作、降低碳排放、提高操作人員的安全。