通過(guò)對變頻控制器(VVVF)調頻調壓機理、輸出波形特性的細致分析，提出設計變頻電纜應注意的若干問(wèn)題，為設計變頻電纜提供了一定的依據。

  近二十年來(lái)變頻調速系統應用愈加廣泛，中國變頻器市場(chǎng)研究報告顯示，中國的變頻器市場(chǎng)在過(guò)去幾年內保持15%-20%的高速增長(cháng)，由于工業(yè)行業(yè)及建筑業(yè)的迅猛發(fā)展以及各行業(yè)的大量投資，當年同比增長(cháng)達到了近40%，市場(chǎng)規模超過(guò)了 85 億元人民幣. 隨著(zhù)變頻裝置的大量應用，與之配套使用的變頻電纜的需求也與日俱增，市場(chǎng)年需求量也以年 30%的速度遞增。變頻電纜作為變頻器與負載之間動(dòng)力及信號傳輸的專(zhuān)用電纜，其設計和使用必須滿(mǎn)足變頻工況下的特殊要求。

  變頻器工作原理

  變頻器的工作原理是把市電(380V、50Hz)通過(guò)整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件(GTO、GTR或 IGBT)組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調制方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅動(dòng)異步電機，實(shí)現無(wú)級調速。上述的兩次變換可簡(jiǎn)化為 AC-DC-AC(交-直-交)變頻方式。

  目前的變頻電源是通過(guò)電力半導體器件調壓，較大程度上改變了波形特性，從而對電機和電纜帶來(lái)了新問(wèn)題。變頻器中通常通過(guò)大功率的自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件(BJT、IGBT 等)進(jìn)行整流、然后對直流電壓進(jìn)行 PWM 逆變，結果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電壓的高次諧波，干擾供電系統、負載及其他鄰近電氣設備，尤其是控制系統的 I/O 信號。同時(shí)由于高次諧波的存在，使得變頻電纜應具有更高的絕緣安全裕度。在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到變頻器高次諧波的干擾問(wèn)題，下面簡(jiǎn)單介紹諧波產(chǎn)生的機理、傳播途徑等問(wèn)題。變頻器的主回路一般為交-直-交組成，外部輸入 380V/50Hz 的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶閘管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在整流回路中，由于不規則的矩形波的存在，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。在逆變回路中，輸出電流波形是 PWM 載波信號調制的脈沖波形，對于 GTR 大功率逆變元件，其 PWM 的載波頻率為 2～3kHz，而 IGBT 大功率逆變元件的 PWM 最高載頻可達15kHz。同樣輸出回路電流也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，高次諧波電流通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。因此，針對變頻器的工作特點(diǎn)，變頻電纜應著(zhù)重解決以下問(wèn)題：電纜本體對外發(fā)射電磁波，抑制高次諧波通過(guò)電纜對外界的干擾;脈沖電壓對絕緣的影響，防止脈沖電壓對電纜的影響。變頻電纜從電纜結構設計上解決防干擾能力及絕緣的安全可靠性上顯得尤為重要。

  變頻電纜的工作特點(diǎn)

  了解變頻器的工作特點(diǎn)，變頻電纜的設計應著(zhù)重控制以下方面：

  電纜本體對外發(fā)射電磁波。一般變頻家用電器為單相供電，長(cháng)度很短，功率也較小，設計時(shí)已將變頻電源、連接電纜和變頻電機一并設置在金屬殼內，抑制了電磁波對外發(fā)射。但是在工業(yè)領(lǐng)域內，電機功率較大，連接變頻電機和變頻電源之間的電纜長(cháng)度長(cháng)，在工作時(shí)電纜就是高頻電磁波向外發(fā)射的有效載體，對于周?chē)徑貐^的通信工具或調幅接受器將產(chǎn)生干擾，有時(shí)情況也比較嚴重，稱(chēng)之為電磁波的環(huán)境污染，國外已對這種電纜提出要求，我們也已提出了相關(guān) EMC 測試及控制方法。雖然目前沒(méi)有國家規范規定電纜發(fā)射電磁波造成環(huán)境污染的考核指標，但抑制對外高頻干擾是必須做到的。要想達到高頻干擾的有效抑制，變頻電纜屏蔽結構是尤為重要的。屏蔽結構是抑制對外高頻干擾最佳方法，而屏蔽結構分為銅絲編織屏蔽及銅帶屏蔽。電纜采用銅絲編織屏蔽時(shí)，隨著(zhù)銅絲編織密度的增大，屏蔽抑制系數也不斷增長(cháng)，編織密度越大，屏蔽效果越好。電纜采用銅帶編織屏蔽時(shí)，只有編織密度達到 90%以上，其屏蔽效果才與銅帶屏蔽相當。所以，變頻電纜應盡量采用銅帶屏蔽，以確保屏蔽效果。制造者習慣采用銅線(xiàn)編織屏蔽，實(shí)際上這并不是最好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是最理想。采用銅帶搭蓋繞包并軋紋是較為先進(jìn)的結構和工藝，形成了全封閉金屬層，可達到有效的屏蔽功能。

  脈沖電壓對絕緣的影響。變頻電源的頻率調節范圍較寬，不論頻率高低，具有一個(gè)主頻率的波形輪廓，它包含了許多高次諧波，作為一種行波經(jīng)多次反射，幅值疊加可達到工作電壓數倍，電纜越長(cháng)，幅值越高，若電纜絕緣安全系數不高，可能被擊穿。因此為確保電纜安全，我們從以下三個(gè)方面著(zhù)手：

  增大絕緣厚度，提高絕緣耐電壓能力，同時(shí)選用絕緣性能較好材料。電纜絕緣厚度可采用對應電壓等級的規定，若適當加厚，當然更為可靠，這對變頻電纜更為有利。一般陸用情況下，采用聚氯乙烯絕緣并不理想，因為其介質(zhì)系數偏大，在交變電場(chǎng)作用下，其介質(zhì)損耗也很大。而采用交聯(lián)聚乙烯絕緣則較為合適，交聯(lián)聚乙烯材料介質(zhì)系數低，介質(zhì)損耗小，同時(shí)其耐溫等級和機械性能也比聚氯乙烯好，其兼有機、電、熱等優(yōu)良性能。采用交聯(lián)聚乙烯作為絕緣材料是比較適合的選擇。

  導體外增加半導電層以均化電場(chǎng)，減少尖端放電。 導體在加工過(guò)程中，可能會(huì )在表面產(chǎn)生缺陷(如毛刺)，導體外沒(méi)有半導電層，則在缺陷處產(chǎn)生電場(chǎng)畸變，容易產(chǎn)生擊穿破壞絕緣。如施加半導電層后，由于半導電層的存在，導體表面電場(chǎng)得到均化，可有效避免絕緣擊穿。

  電纜采用對稱(chēng)結構，以達到均化電場(chǎng)和各相均衡。對于四芯低壓電纜，首先是改善絕緣線(xiàn)芯的排列，假如電纜的四個(gè)芯直接成纜，是不對稱(chēng)結構，如果將第四芯分解為三個(gè)截面較小的絕緣芯，把三大三小線(xiàn)芯對稱(chēng)結構成纜。

  屏蔽層接地措施。屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發(fā)射的必要條件，銅線(xiàn)編織屏蔽的接地方式較容易解決，而縱包銅帶軋紋屏蔽需用專(zhuān)用夾具接地，夾具與軋紋銅管的接觸面應當吻合，接地線(xiàn)由夾具尾端引出。

  外護套。這種電纜大多數敷設在室內，一般不需鎧裝，雖然不完全排除用聚氯乙烯護套，但選用高密度聚乙烯更為合適。

  電纜的附加試驗。一般低壓電纜不需要進(jìn)行脈沖電壓試驗，如IEC 60502 標準僅對 3.6/6kV 及以上的電纜才規定進(jìn)行脈沖電壓試驗。變頻電機的連接電纜情況略有不同，需要承受高頻脈沖電壓。高頻波振幅可達1200～1900 V，振鈴頻率約 100～2000 kHz ，對電纜進(jìn)行脈沖電壓試驗(型式試驗)是為驗證電纜的絕緣水平。試驗可參考 IEC 60502 標準，即施加正 負 各 十 次 脈 沖 電 壓 試 驗 ， 試 驗 電 壓 可 考 慮 40kV ，但需要進(jìn)一步驗證，是否必要工廠(chǎng)也可自行決定。

  3.6/6 ～ 6/10 kV 中壓變頻電纜的發(fā)展由于機械裝備大型化，需要電機容量也配套擴大，相應變頻電源的輸出電流也要求增大，但受到大電流變頻元件的限制，進(jìn)一步提高電流容量技術(shù)發(fā)展受到限制。但另一方面提高變頻電源輸出電壓相對比較容易，提高電壓后，中壓變頻電機功率可大幅度增加，此時(shí)電纜的電壓等級也必須跟上。目前3.6/6～ 6/10kV 中壓變頻電纜已有投入使用，從絕緣結構和電氣、機械、物理性能上說(shuō)，可以與電力電纜等同，交聯(lián)聚乙烯顯然是首選絕緣材料，如果在敷設時(shí)要求柔軟，采用乙丙橡膠絕緣也有一定的優(yōu)點(diǎn)。由于工作電壓的提高，高頻電磁波的發(fā)射能力明顯增強，所以屏蔽結構要求更完善。在變頻電纜工作條件下，同軸電纜是一種合適的結構，所以變頻電纜的三個(gè)主線(xiàn)芯采用同軸結構，總屏蔽的結構與低壓變頻電纜相同。

  作為一種變頻專(zhuān)用電纜，變頻電機用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜是一種新的系列產(chǎn)品，盡管市場(chǎng)的總需求量并不很大，但這種電纜的發(fā)展很有前途，中型及以上的變頻電機應當采用這類(lèi)專(zhuān)用電 纜，至于小型變頻電機用變頻電纜，歸入此范疇也未嘗不可。