VFD噪聲對電機、控制器和驅動器的影響

　　變頻驅動器（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（在矢量控制適應性中）的嚴格控制。這樣做的問題是，可能會出現不受控制的電流和其他與此相關的電氣現象。如果不加以緩解，這些現象可能對 VFD 附近的大多數自動化組件和系統造成不利影響。

　　像 3G3MX2-A2015-V1 這樣的 VFD，是各種過程和分立式自動化應用不可或缺的——它為電機驅動軸帶來嚴格的控制能力、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系統行為。

　　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設計中導致其所驅動的電機以及附近其他設備出現問題。簡而言之，VFD：

　　接受交流市電的正弦波電流作為輸入，然后
　　將線路電源整流（轉換）為直流電。

　　使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來反轉（變回交流）直流電流——更具體地說，變成精確調制的脈沖串。

　　基本上，這些驅動開關將電壓關閉和打開，實現斬波電流，促使電機轉動，就像接受平滑調制的正弦波電流一樣。在這種驅動形式下（稱作脈沖寬度調制或 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）或雙極結晶體管（BJT）執行這一過程的 VFD 比今天基于 IGBT 的 VFD 的開關速度要慢。正是由于 IGBT 開關的頻率較高，才能實現快速和精確的電機控制，但它也可能導致傳導和輻射電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）的問題。

　　VFD 噪聲對電機、控制器和驅動器本身的影響

　　出現 EMI 問題的原因是，即使驅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，這意味著發送到電機的功率包括相當大的 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了阻抗不匹配。在這里，上述過沖導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（朝向驅動電子設備）。

　　電壓反射波是由 PWM 的很大 dV/dt 引起的電壓過沖產生的

　　致使這種現象惡化的一個可能因素是，從驅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（已經進入相位）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，并在大多數情況下具有電壓尖峰恢復能力。額定參數按照浪涌電壓的大小和持續時間來區分——額定值較高適用于涉及上升時間較長（較不突然）的設計。當然，沒有按照變頻器專用規格制造的電機也可以采用 VFD 進行驅動。然而，這些不太可靠的電機的應用一般應限于具有中等難度參數的自動化設備。由 VFD 驅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組件。

　　救援電纜：專門為 VFD 設計的電纜

　　除了威脅到 VFD，具有足夠高電壓的同相復合波會損壞不當使用的通用電纜。更具體地說，與 VFD 運行相關的高壓尖峰會對電纜的絕緣層產生壓力、熱量，甚至刺穿。為了防止這個問題，專門為 VFD 設計的電纜需要具有以下特性：

　　重載（小 AGG）導體的額定能力可承受所有預期峰值電壓

　　足夠厚的接口和專門設計的交聯聚乙烯或（在某些情況下不太受歡迎）聚氯乙烯的絕緣層

　　護套和其他元素，以對 VFD 產生的尖峰和噪聲進行分散和接地

　　Alpha Wire 用于 VFD 的電纜包括了交聯聚乙烯絕緣層，具有抗電磁電暈能力、低電容（甚至在電纜較長時）和良好的低溫性能。

　　衡量電纜對反射波的抵抗能力的一個可量化標準是其起暈電壓——通常以千伏為單位。回顧一下基礎物理教學，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。如果在導體周圍沒有采用充分的絕緣，這種電離可以產生臭氧和各種亞硝酸鹽化合物，可以迅速損壞應用不當的電纜。這就是為什么應該使用厚絕緣 VFD 級電纜的原因，因此電纜要符合或超過 VFD 供應商所指明的結構要求，并遠遠超過國家電氣法規（NEC）針對對通用熱塑性高熱尼龍涂層（THHN）導線的標準要求。當 VFD 在戶外或其他潮濕環境使用時，工程聚乙烯絕緣材料可能是最合適的。如需詳細了解關于影響 VFD 驅動型設計及其電纜的其他現象，包括浪涌電流和共模電流，請參考 Digi-Key 文章《適合工業應用的電纜》。

　　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），還有必要對電機驅動設備的所有部件進行適當接地——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值的情況下尤其如此，這些電壓基準值（如果不保護其不受通過地面的意外電流影響）可能會報告錯誤的數值。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，許多設計還需要增加一些子組件，如濾波器、電纜側鐵氧體環、電機軸接地環和屏蔽層，以全面解決 EMI 問題。恰當例證：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，兩端各有一個環形端子。當集成到電機驅動的設計中時，接地帶將驅動器的保護接地端子（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了交流電（尤其是在高頻）在導體表面或表皮上的流動方式——因此有一個術語叫集膚效應，指的就是這種行為。

　　這種鍍錫銅接地帶耐腐蝕、有彈性，且符合 RoHS 規范。這種帶子在 VFD 裝置的接地部分很有用，因為它們適應高頻噪聲在導體表面的傳播方式。

　　不過，這里還有一點要注意：除了防止傳導性 EMI 之外，設計還應該防止在高頻率下傳輸的電容耦合噪聲。這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入 VFD 電機電路的噪聲，因為這兩種元件都很容易傳導 EMI 并產生接地回路。另一個必須減輕電容耦合噪聲的區域是在 VFD 驅動型電機繞組和接地框架之間。