使用 VFD 和 VSD 時需要哪些支援產品才可發揮其最大功效？- 第 1 篇

本系列文章的第 1 篇將探討挑選馬達連接纜線、輸出電抗器、制動電阻、線路電抗器和線路濾波器時應考量的事項。第 2 篇會接著瞭解 VSD/VFD 和伺服驅動器之間的差異、回顧 AC 和 DC 旋轉和線性伺服馬達的用途、考量緩啟動停止單元在工業操作中的應用，並瞭解 DC 轉換器如何用來對週邊裝置供電，如感測器、人機介面 (HMI) 和安全裝置等。

若要將工業操作的效率與永續性發揮到最大，使用變速驅動器和變頻器 (VSD/VFD) 是必要的，但這還不夠。為了發揮 VSD/VFD 的最大益處，就需要額外的元件，如高效能纜線、制動電阻、線路濾波器、線路電抗器、輸出電抗器等。

佈線無處不在且至關重要。若未適當挑選將 VSD/VFD 連接至馬達的纜線，會大幅降低系統效能。制動電阻、濾波器和電抗器等其他元件則會隨設備而有所不同，也是部署成功與否的關鍵要素。

舉例而言，有些系統要在電磁干擾 (EMI) 受控的環境中運作，因此使用符合 EN 61800-3 C2 類的線路濾波器就有所益處。需要迅速減速的應用就需要制動電阻。線路電抗器可以提高功率因數並提升效率，輸出電抗器可以使用更長的纜線。

本文首先會說明挑選馬達連接纜線時的一些注意事項，並介紹 LAPP 與 Belden 的典型佈線選項。接著會回顧影響輸出電抗器、制動電阻、線路電抗器和線路濾波器選擇的因素，並且介紹來自 ABB、Schneider Electric、Omron、Delta Electronics、Panasonic 與 Siemens 的代表性裝置。

馬達纜線有多種配置可供選擇，可滿足特定的應用要求。通常有三條主要的電源導線，通常會以交聯聚乙烯 (XLPE) 進行絕緣。有些則採用非絕緣接地線。有多種訊號線，以及眾多編織和箔片屏蔽款式可供選擇。整個組件會封裝在堅固耐用的外護套中 (圖 1)。

圖 1：VFD 馬達纜線提供多種配置。(圖片來源：Belden)

即便是基本的纜線，如 Belden Basics 零件編號 29521C 0105000，也都是由導線、屏蔽和絕緣層組成的複雜組件。這些纜線有三條 14 美國線規 (AWG) (7x22 股) 的銅導線並以 XLPE 絕緣層覆蓋，以及三條 18 AWG (7x26 股) 非絕緣銅質接地線。這六條電線由雙螺旋帶狀屏蔽層包覆，可提供 100% 的覆蓋率，而且整個纜線組件都封裝在聚氯乙烯 (PVC) 護套中，可提供環境防護。

Belden 的基本纜線適用於美國國家電工標準 (NEC) 所定義的第 1 大類第 2 小類的危險場所。第 1 大類是指處理易燃氣體、蒸氣和液體的設施。第 2 小類規定，這些易燃材料的濃度通常不會高到足以點燃。

有些纜線系列，如 LAPP 的 ÖLFLEX VFD 1XL，就可選擇是否含有訊號線。若應用採用訊號線有所益處，就可選用 LAPP 的 701710 纜線。其含有三條電源導線、一條接地線和一對訊號線。電源導線為 16 AWG (26x30 股)，含 XLPE(plus) 絕緣層。訊號對個別採用箔片屏蔽。

整個組件用阻隔膠帶、三層箔片膠帶 (100% 覆蓋率) 和鍍錫銅編織層 (85% 覆蓋率) 進行屏蔽。外護套採用特殊配方的熱塑性彈性體 (TPE)，可耐受消毒溶液，通常用於食品、飲料、化學和相關產業。

除了能可靠有效地處理電源和訊號外，VFD 纜線還要處理因為驅動器高頻運作所產生的高壓尖波和電磁干擾 (EMI) 雜訊位準。雖然 VFD 纜線的設計可抑制並管理高壓尖波和 EMI，但也有其侷限 (圖 2)。此時就需要負載電抗器來減少高壓尖波和 EMI。

圖 2：不受控的高壓尖波會刺穿絕緣層並導致纜線故障。(圖片來源： LAPP)

若要進一步探討 VFD 纜線的選擇，請參閱《指定和使用 VFD 纜線以提高可靠性和安全性並減少碳排放》。

負載電抗器

負載電抗器 (也稱為輸出電抗器) 會連接在緊靠驅動器輸出的地方，以減少高壓尖波和 EMI 的影響，並保護纜線和馬達中的電線絕緣層。VSD/VFD 會產生高頻 (通常介於 16 至 20 kHz) 輸出。高頻切換會引起幾微秒的電壓上升時間，進而導致高壓尖波，這可能會超過馬達的峰值電壓額定值，導致絕緣擊穿。

如果 VFD 纜線長度超過 30 公尺(100 英尺)，通常會建議使用負載電抗器，視使用的馬達類型而定。但也有例外，例如，如果馬達符合 NEMA MG-1 第 31 篇標準，則可在不使用負載電抗器的情況下使用 90 m (300 ft) 的纜線。

無論馬達類型為何，如果纜線長度超過 90 m，通常會建議使用負載電抗器。如果距離超過 150 m，通常會建議使用專門設計的濾波器。在 EMI 敏感環境中，在所有應用中使用負載電抗器，通常是良好的做法。

負載電抗器的設計通常用於特定的驅動款式。例如，Omron 的 3G3AX-RAO04600110-DE 型號負載電抗器，額定值為 11 A 和 4.6 mH，其設計可搭配由該公司 3G3MX2-A4040-V1 VFD 所驅動的 400 V 三相 5.5 kW 馬達使用。

制動電阻和熱過載

除了負載電抗器外，制動電阻和熱過載關斷裝置也是 VSD/VFD 輸出側的重要附加項目。制動電阻可吸收制動能量來達到最大的暫態制動扭力。大多數制動電阻會耗散能量，而有些則會當作再生制動系統的一部分，可用來擷取和回收能量。

耗散式制動電阻可用於特定應用。Schneider Electric 的 VW3A7755 8 Ω 制動電阻可耗散高達 25 kW 功率，而 Delta Electronics 的 BR300W100 100 Ω 制動電阻的額定值為 300 W。

制動電阻應用會以能量耗散百分比 (ED%) 進行定義。制訂 ED% 可確保電阻能有效地消散制動過程中產生的熱量。ED% 是相對於圖 3 中峰值耗散、制動間隔 (T1) 和總週期時間 (T0) 所定義。

圖 3：能量耗散百分比 (ED%) 的定義。(圖片來源：Delta Electronics)

根據制動的嚴重程度，ED% 的制訂，是為了確保制動單元和制動電阻有足夠的時間可耗散制動產生的熱量。如果制動電阻因為散熱不足而升溫，電阻值會增加，進而減少電流流動和吸收的制動扭力。

制動電阻可以依據各種耗散周期來定義，例如：

• 輕度制動 - 制動力限制為標稱扭力 (Tn) 的 1.5 倍，每 40 秒作用 0.8 秒。可用於慣性有限的機器，如射出成型機
• 中度制動 - 制動力限制為 1.35 Tn，每 40 秒作用 4 秒。可用於高慣性機器，如飛輪壓機和工業離心機
• 重度制動 - 制動力限制為 1.65 Tn 並作用 6 秒；Tn 且每 120 秒作用 54 秒。可用於慣性非常高的機器，通常伴隨垂直運動，如吊車和起重機

除了制動電阻外，絕大多數系統都含有連接到制動電阻的熱過載單元，例如 ABB Control TF65-33 熱過載繼電器，以作為安全預防措施。熱過載單元可保護電阻和驅動系統，以免受到過於頻繁或過強的制動影響。偵測到熱過載時，驅動器會關閉。單純關閉制動功能，可能會導致驅動器嚴重受損。

驅動器輸入端的保護

驅動器輸入端的線路電抗器和濾波器分別會限制低頻諧波和高頻 EMI (圖 4)。線路電抗器有助於減少由驅動電路引起的 AC 輸入功率諧波失真。在必須符合 IEEE-519「電力系統中的諧波控制」標準要求的應用中特別有用。線路電抗器還可以消除對主電源的干擾，如突波、尖波和暫態，因此可提高操作可靠性，並避免過壓關斷。

圖 4：線路濾波器會限制高頻 EMC，線路電抗器則可限制低頻諧波。(圖片來源： Siemens)

線路電抗器的範例包括 DV0P228 2 mH 電感，其額定電流為 8 A，隸屬於 Panasonic 的 Minas 系列三相驅動器和配件之一，還有 Siemens 的 6SL32030CE132AA0 2.5 mH 電感，可用於高達 1.1 kW 的驅動器，會消耗高達 4 A 的輸入電流，能以 3 相 380 V_AC -10% 至 480 V_AC +10% 的功率工作。

線路濾波器

在絕大多數應用中，若要支援電磁相容性 (EMC) 並提供 EMI 保護，就需要線路濾波器。根據具體環境的不同，EMI 濾波器分為 A 類和 B 類兩種，分別可用於工業和商業 (建築) 環境。B 類要求的濾波等級比 A 類更高，因為商業環境 (辦公室、行政等) 通常含有對 EMI 更敏感的電子系統。

相關的 EMC 標準包括 EN 55011 (詳細規範工業、科學和醫療設備的輻射限制) 和 IEC/EN 61800-3 (專門規範可調速驅動器)。

VFD/VSD 可選擇是否具有整合式線路濾波器。如果有濾波器，可能是 A 類或 B 類。即使驅動器具有整合式濾波器，仍可能需要額外的濾波，視環境和設備因素 (如佈線長度等) 而定。驅動器若額定在 A 類環境中運作，亦可用於 B 類環境，只需添加一個選配的濾波器即可。

IEC/EN 61800-3 會根據環境和類別制訂 EMC 要求。住宅建築定義為第一類環境；透過變壓器連接到中電壓配電網路的工業設施則定義為第二類環境。

EN 61800-3 定義的四個類別包括：

• C1 指額定電壓 < 1000 V，可在第一類環境中無限制使用的驅動系統
• C2 指額定電壓 < 1000 V，可用於第二類環境，也可用於第一類環境的固定式驅動系統
• C3 指額定電壓 < 1000 V，專用於第二類環境的驅動系統
• C4 有特別要求，指額定電壓 ≥ 1000 V、額定電流 ≥ 400 A，用於第二類環境中的驅動系統

有提供通用的線路濾波器，但如同線路電抗器，線路濾波器的設計通常用於特定的驅動器系列。例如，Schneider Electric 的 VW3A4708 線路濾波器額定電流為 200 A (圖 5)。其專為該公司的 Altivar VSD 和 Lexium 伺服驅動器而設計。其額定主電源電壓介於 200 V_AC 至 480 V_AC，防護等級為 IP20。其 EN 61800-3 等級取決於馬達纜線長度：

• C1 類，使用長達 50 m 的屏蔽纜線
• C2 類，使用長達 150 m 的屏蔽纜線
• C3 類，使用長達 300 m 的屏蔽纜線

圖 5：200 A 線路濾波器，額定主電源電壓為 200 V_AC 至 480 V_AC。(圖片來源：Schneider Electric)

結論

VSD 和 VFD 是發揮工業營運最高效率和減少溫室氣體排放的重要系統。這些驅動器需要多種支援元件，以確保有效且可靠的安裝，並符合相關的國際標準，包括 VFD 纜線、輸出電抗器、制動電阻、線路電抗器和線路濾波器。