變頻驅(qū)動器 (VFD) 為自動化機械中各種類型的電機提供了精確的動力。從本質(zhì)上講，這些 VFD 屬電力電子供電組件，它們將電壓輸入電機繞組，以提升對電機速度和扭矩輸出（在矢量控制適應(yīng)性中）的嚴(yán)格控制。這樣做的問題是，可能會出現(xiàn)不受控制的電流和其他與此相關(guān)的電氣現(xiàn)象。如果不加以緩解，這些現(xiàn)象可能對 VFD 附近的大多數(shù)自動化組件和系統(tǒng)造成不利影響。
圖 1：像 3G3MX2-A2015-V1 這樣的 VFD，是各種過程和分立式自動化應(yīng)用不可或缺的——它為電機驅(qū)動軸帶來嚴(yán)格的控制能力、安全保障和最高的效率。有一點需要注意的是，VFD 運行時自然會產(chǎn)生 EMI，如果不加以解決就會降低附近控制和反饋回路的通信效果；損壞鄰近的機械部件；以及刺激各種干擾性跳閘和其他次優(yōu)系統(tǒng)行為。（圖片來源：Omron Automation and Safety）
研究一下 VFD 的工作方式，我們就可以了解為什么它們會在次優(yōu)設(shè)計中導(dǎo)致其所驅(qū)動的電機以及附近其他設(shè)備出現(xiàn)問題。簡而言之，VFD：
基本上，這些驅(qū)動開關(guān)將電壓關(guān)閉和打開，實現(xiàn)斬波電流，促使電機轉(zhuǎn)動，就像接受平滑調(diào)制的正弦波電流一樣。在這種驅(qū)動形式下（稱作脈沖寬度調(diào)制或 PWM），輸出速度最終取決于電流脈沖的頻率。
過去通過硅控整流器 (SCR) 或雙極結(jié)晶體管 (BJT) 執(zhí)行這一過程的 VFD 比今天基于 IGBT 的 VFD 的開關(guān)速度要慢。正是由于 IGBT 開關(guān)的頻率較高，才能實現(xiàn)快速和精確的電機控制，但它也可能導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 的問題。
VFD 噪聲對電機、控制器和驅(qū)動器本身的影響
出現(xiàn) EMI 問題的原因是，即使驅(qū)動器為電機提供低速運行的動力，每個電脈沖都是具有母線電壓振幅的方波，這意味著發(fā)送到電機的功率包括相當(dāng)大的 dV/dt 電壓上升時間（微秒或零點幾微秒級）。
只需考慮一個這樣的問題——電壓反射波。啟動時，電機的定子繞組表現(xiàn)為一個電感，逐漸建立起磁場，然后通過電流。從 VFD 向電機輸送電力的電纜在其電機連接處出現(xiàn)了阻抗不匹配。在這里，上述過沖導(dǎo)致反射波在電纜與電機的高阻抗連接處將一些電壓波形的前緣反彈到電纜中（朝向驅(qū)動電子設(shè)備）。
電壓反射波是由 PWM 的很大 dV/dt 引起的電壓過沖產(chǎn)生的
致使這種現(xiàn)象惡化的一個可能因素是，從驅(qū)動器到電機的電纜過長，在某些情況下這是不可避免的。長電纜具有高電感，與短電纜相比，它帶來了更多的電壓尖峰以及反射波的混合機會。混合波尤其有害，因為這些波（已經(jīng)進(jìn)入相位）有效地形成新的波，這種新波的電壓和電流是幾種原波的和。
圖 2：具有母線電壓幅度的 VFD 電脈沖方波會引起很大的 dV/dt 電壓上升時間，如果不解決就會產(chǎn)生各種電磁問題。（圖片來源：Design World）
注意電機（就像 VFD）也可以承受反射波和電壓尖峰的損害。這就是為什么今天的許多自動化裝置都在使用變頻器專用電機的原因。這些電機的定子繞組采用高性能絕緣材料和其它元件，提高了整體熱容量，并在大多數(shù)情況下具有電壓尖峰恢復(fù)能力。額定參數(shù)按照浪涌電壓的大小和持續(xù)時間來區(qū)分——額定值較高適用于涉及上升時間較長（較不突然）的設(shè)計。當(dāng)然，沒有按照變頻器專用規(guī)格制造的電機也可以采用 VFD 進(jìn)行驅(qū)動。然而，這些不太可靠的電機的應(yīng)用一般應(yīng)限于具有中等難度參數(shù)的自動化設(shè)備。由 VFD 驅(qū)動的任何此類電機可能還需要一個短的電纜線路，以及包含線路電抗器和其他保護(hù)組件。
救援電纜：專門為 VFD 設(shè)計的電纜
除了威脅到 VFD，具有足夠高電壓的同相復(fù)合波會損壞不當(dāng)使用的通用電纜。更具體地說，與 VFD 運行相關(guān)的高壓尖峰會對電纜的絕緣層產(chǎn)生壓力、熱量，甚至刺穿。為了防止這個問題，專門為 VFD 設(shè)計的電纜需要具有以下特性：
重載（小 AGG）導(dǎo)體的額定能力可承受所有預(yù)期峰值電壓
足夠厚的接口和專門設(shè)計的交聯(lián)聚乙烯或（在某些情況下不太受歡迎）聚氯乙烯的絕緣層
護(hù)套和其他元素，以對 VFD 產(chǎn)生的尖峰和噪聲進(jìn)行分散和接地
圖 3：Alpha Wire 用于 VFD 的電纜包括了交聯(lián)聚乙烯絕緣層，具有抗電磁電暈?zāi)芰Α⒌碗娙荩ㄉ踔猎陔娎|較長時）和良好的低溫性能。（圖片來源：Alpha Wire）
衡量電纜對反射波的抵抗能力的一個可量化標(biāo)準(zhǔn)是其起暈電壓——通常以千伏為單位。回顧一下基礎(chǔ)物理教學(xué)，電暈（因其微弱的冠狀微光而得名）是圍繞高度局部電壓的空氣突然電離。如果在導(dǎo)體周圍沒有采用充分的絕緣，這種電離可以產(chǎn)生臭氧和各種亞硝酸鹽化合物，可以迅速損壞應(yīng)用不當(dāng)?shù)碾娎|。這就是為什么應(yīng)該使用厚絕緣 VFD 級電纜的原因，因此電纜要符合或超過 VFD 供應(yīng)商所指明的結(jié)構(gòu)要求，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家電氣法規(guī) (NEC) 針對對通用熱塑性高熱尼龍涂層 (THHN) 導(dǎo)線的標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng) VFD 在戶外或其他潮濕環(huán)境使用時，工程聚乙烯絕緣材料可能是最合適的。如需詳細(xì)了解關(guān)于影響 VFD 驅(qū)動型設(shè)計及其電纜的其他現(xiàn)象，包括浪涌電流和共模電流，請參考 Digi-Key 文章《適合工業(yè)應(yīng)用的電纜》。
VFD 布線最佳實踐
除了盡量減少 VFD 電纜的使用長度（如果可能的話，短于 50 英尺），還有必要對電機驅(qū)動設(shè)備的所有部件進(jìn)行適當(dāng)接地——包括控制裝置和機器面板。這意味著使用一個共同的接地塊或主電位安排，以防止不同機器點與地之間的電壓電位引起的接地回路造成有害影響。這在機械反饋依賴電壓基準(zhǔn)值的情況下尤其如此，這些電壓基準(zhǔn)值（如果不保護(hù)其不受通過地面的意外電流影響）可能會報告錯誤的數(shù)值。在 Digi-Key 文章《測量高電壓上的小信號，并避免傳感器接地回路》中對這一主題有更全面的闡述。
事實上，許多設(shè)計還需要增加一些子組件，如濾波器、電纜側(cè)鐵氧體環(huán)、電機軸接地環(huán)和屏蔽層，以全面解決 EMI 問題。恰當(dāng)例證：一個在 VFD 裝置中往往是不可缺少的簡單補充部件，叫做接地帶。這個扁平零件由一個鍍錫銅的編織條組成，兩端各有一個環(huán)形端子。當(dāng)集成到電機驅(qū)動的設(shè)計中時，接地帶將驅(qū)動器的保護(hù)接地端子（包括在所有的 VFD 上）連接到地面，然后將高頻電氣噪聲導(dǎo)入地面，這要比圓形接地線好得多。其相對較高的表面積適應(yīng)了交流電（尤其是在高頻）在導(dǎo)體表面或表皮上的流動方式——因此有一個術(shù)語叫集膚效應(yīng)，指的就是這種行為。
圖 4：這種鍍錫銅接地帶耐腐蝕、有彈性，且符合 RoHS 規(guī)范。這種帶子在 VFD 裝置的接地部分很有用，因為它們適應(yīng)高頻噪聲在導(dǎo)體表面的傳播方式。（圖片來源：Falconer Electronics）
不過，這里還有一點要注意：除了防止傳導(dǎo)性 EMI 之外，設(shè)計還應(yīng)該防止在高頻率下傳輸?shù)碾娙蓠詈显肼暋＿@包括通過像接地帶以及金屬管道中的非屏蔽電機電纜這樣的元件進(jìn)入 VFD 電機電路的噪聲，因為這兩種元件都很容易傳導(dǎo) EMI 并產(chǎn)生接地回路。另一個必須減輕電容耦合噪聲的區(qū)域是在 VFD 驅(qū)動型電機繞組和接地框架之間。
圖 5：這里顯示的是一個可在 digikey.com 下載的教學(xué) PDF 中的圖表，它比較了三種適合 VFD 的工業(yè)電纜設(shè)計的結(jié)構(gòu)。（圖片來源：Belden Inc.）
結(jié)語
VFD 在暖通空調(diào)、石油和天然氣以及一般泵、壓縮機和鍋爐操作的過程型應(yīng)用中比比皆是。VFD 在眾多分立式工業(yè)自動化系統(tǒng)中也是必不可少的，這些系統(tǒng)采用電機來驅(qū)動輸送機、磨坊、電梯和其他可能受益于效率提高的設(shè)備上的移動軸。
這些驅(qū)動器的成功應(yīng)用取決于其對所連接的和相鄰的組件和系統(tǒng)產(chǎn)生的潛在有害電氣和電子影響，因此實際應(yīng)用時，使用 VFD 通常需要使用專門的電氣濾波器、端接、接地系統(tǒng)和 VFD 專用電纜。
