变频调速系统用电缆

变频调速系统用电缆

一、前言

变频调速已经成为目前主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，并且变频电机在变频控制方面较普通电机具有更多的优越性，使用变频调速很快得到普及化。

变频调速也可说是低碳技术之一，它有三大优点：

1. 变频节能

举水泵为例，如果水泵的效率一定，当要求调节水流量下降时，转速N可成比例地下降，轴的输出功率P则成立方函数下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。近似计算，一台水泵电机当转速下降到额定转速的1/2时，可省电87.5%。

2. 功率因数补偿节能

无功功率不但增加线路损耗和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，有大量无功电能消耗在线路当中。举例来说，一台大型普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，使电流相位超前，矢量合成后的cosФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

3、软启动节能

由于普通电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于4～7倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击；对设备、管路(指水管等)的使用寿命也极为不利。使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能，可使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。

当然也不可否认存在一些问题，这就是输入电机的线路中，存在3次谐波及3的倍数的谐波，这一类谐波产生的电流相位相同，没有相位差，因此它们的矢量叠加，在电缆中心线内传输。另外还有高次谐波的对外发射，造成电磁波对外干扰。这些现象在变频电缆中比较突出。

大型变频调速系统对电缆的要求较高，所用品种不只限于电力电缆，控制电缆、仪表电缆和数字传输电缆等等，将来也需要用光-电综合缆等。

既然认识了变频调速优点、问题及其重要性，认识了配套电缆的特殊性，那末电缆行业应当为其配套提供优越的产品和完善的服务。

二、变频调速的基本原理

国际上使用的交流供电电源，无论是用于家庭或工厂，一般电压等级为均220V或110V，频率为50Hz或60Hz。近代发展了更高的电压(0.6kV～35kV)。为了实现变频，必须将电压和频率稳定的交流电，变换为电压或频率可变的交流电，这一装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，变频器首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)，把直流电(DC)变换为交流电(AC)的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。后来产品本身就被命名为“inverter”，中文为“变频器”。变频器也可用于家电产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。变频电缆就是变频器与变频电机之间的连接电缆，正确的理解应该说变频电力电缆，也可认为是一种专用电缆。变频调速系统还需要用很多其他电缆品种，

三、变频电缆发展中的问题

十多年前，我国引进大型变频电机及其配套的变频器(即变频电源)，最初变频电缆也需要引进配套。时隔不久，国产仿制的变频电缆就推入国内市场，根据国内专家评估，达到国外同类产品水平，当时也得到外方技术人员的确认。从此国产变频电缆越做越旺，无论是1 kV及以下的大小截面变频电缆，或是6～35 kV变频电缆，可以说完全实现了国产化，并且有些品种具有自主知识产权。

时过十年，为何又冒出了新问题，具体反映的三个问题为：①某工作场合改造，变频电机从变频器接线，采用了电机专用电缆(铜屏蔽四芯电缆)，后来设备搬迁，原用电缆长度不够，是否可以采用普通的4芯电缆接长？答案是：这要看周边情况，虽说对电机使用影响不会大，但是某些对电磁波敏感的元器件组成的设备，会有影响。原因是电缆工作时，普通电缆第4芯的电流成分中含有高频分量，会产生无线发射效应，普通电缆没有总屏蔽，不能有效抑制无线电波的发射效应(也就是无线电波没有显著衰减)，可能对某些设备干扰，造成对电磁波敏感的设备误动作甚至失效。另一种观点认为远离控制和仪表设备等弱电设备及其连接线缆的情况，用可以普通4芯电缆，倘若经济许可，最好采用变频专用电缆，这样不会造成其他影响。②个别引进工程，由于订货有误，采用了没有铜材屏蔽结构的普通4

芯电缆(但有钢带铠装)，设备输出国的技术人员不予确认，在验收问题上纠纷很大。③个别国内工程，由于订货有误，也采用了没有铜材屏蔽结构的普通4芯电缆(但有钢带铠装)，工程验收时争论很大，据说最后不得不协商解决。对于②和③二种情况，也许是错将钢带视为屏蔽层。

尽管冒出的新问题时属于个案，应当加以重视和加以防范。当然也不能断然地说，普通电缆一律禁用，有人认为敷设长度50米以内的电缆，只要确定没有屏蔽结构的电缆不会对其他组件和设备等产生干扰，可认为没问题，50米以上就不可以了，对外电磁干扰可能会出问题。所以专用变频电缆的选用，仍然要分析具体场合。总之，说来说去离不了干扰问题。

四、变频电缆的设计原则

国内有很多制造变频电缆的工厂，经验丰富，品种规格具全，足以满足国内需求。过去也有很多公开发表的文献，所以本文不必再重复叙述。只是提出三条原则：①低压变频电缆的结构设计对称化，对于小功率电机，可用3芯成缆后加总屏；对于大功率电机，可用3

大3小绝缘导体，对称排列成缆，最后加总屏。②中压变频电缆的结构设计同轴化。③任何屏蔽层的截面，应满足用户提出的最小规定，如果铜带截面尺寸不够，可稀疏缠绕铜线，达到要求的导体面积。

图1～图3为三种变频电缆的示意图。由于六芯电缆中3个小绝缘芯的导体截面之和，与4芯电缆中第4绝缘芯的导体截面相等，而六芯对称型成缆直径比四芯成缆直径略小，因此电缆成本基本相等。

图1 小截面三芯变频电缆图2 六芯对称型变频电缆图3 三芯同轴型变频电缆

五、控制系统的PLC和DCS应用

当代自动化技术的发展，各行各业大量应用了PLC和DCS等技术。PLC是英语词的缩写，即“Programmable Logic Controller”，常称可编程序控制器。20世纪末期，PLC可编程控制器的发展，已适应于现代工业的需要，发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。是当前普遍为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、物流、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。

DCS也是英语词的缩写，即Distributed Control System，常称分散控制系统，随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能。是完成过程控制、过程管理的现代化设备。针对不同行业、不同项目，在充分调查了计算机技术、网络技术、应用软件技术、信号处理技术的基础上，