電纜的合理布設可以有效地減少外部環境對信號的干擾以及各種電纜之間的相互干擾,提高變頻調速系統運行的穩定性。變頻調速系統的信號分類如下:
Ⅰ類信號:熱電阻信號、熱電偶信號、毫伏信號、應變信號等低電平信號。
Ⅱ類信號:0~5V、1~5V、4~20mA、0~10mA模擬量輸入信號;4~20mA、0~10mA模擬量輸出信號;電平型開關量輸入信號;觸點型開關量輸入信號;脈沖量輸入信號;24VDC小于50mA的阻性負載開關量輸出信號。
Ⅲ類信號:24V~48VDC感性負載或者電流大于50mA的阻性負載的開關量輸出信號。
Ⅳ類信號:110VAC或220VAC開關量輸出信號。
其中,Ⅰ類信號很容易被干擾,Ⅱ類信號容易被干擾,而Ⅲ和Ⅳ類信號在開關動作瞬間會成為強烈的干擾源,通過空間環境干擾附近的信號線。Ⅳ類信號的饋線可視作電源線處理布線。
2.變頻調速系統信號傳輸線
(1)屏蔽線
屏蔽線使用的三種情況如圖2-1示出,圖2-1(a)為單端接地方式,假設信號電流i1從芯線流入屏蔽線,流過負載電阻RL之后,再通過屏蔽層返回信號源。因為i1與i2大小相等方向相反,所以它們產生的磁場干擾相互抵消。這是一個很好的抑制磁場干擾的措施,同時也是一個很好的抵制磁場耦合干擾的措施。圖2-1(b)為兩端接地方式,由于中屏蔽層上流過的電流是i2與地環電流iG的迭加,所以它不能完全抵消信號電流所產生的磁場干擾。因此,它抑制磁場耦合干擾的能力也比圖2-1(a)方式差。圖2-1(c)為屏蔽層懸浮,它只有屏蔽電場耦合干擾能力,而無抑制磁場耦合干擾能力。

如果把圖2-1(c)的抑制磁場干擾衰減能力定為0dB,當圖2-1(a)、2-1(b)、2-1(c)的信號源內阻RS都為100Ω,負載電阻RL都為1MΩ,信號源頻率在50kHz(高于該電纜屏蔽體截頻的5倍)時,根據實驗測定,圖2-1 (a)具有80dB的衰減,即抑制磁場干擾能力很強。而圖2-1(b)具有27dB的磁場干擾抑制能力。圖2-1 (a)的單端接地方式抗干擾能力最好。其接地點的選擇可以是圖2-1 (a)中的情況,也可以選擇負載電阻RL側接地,而讓信號源浮置。
(2)屏蔽電纜
屏蔽電纜是在絕緣導線外面再包一層金屬薄膜,即屏蔽層。屏蔽層通常是銅絲或鋁絲編織網,或無縫鉛鉑,其厚度遠大于集膚深度。屏蔽層的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的,而是由屏蔽層接地所產生的。也就是說,屏蔽電纜的屏蔽層只有在接地以后才能起到屏蔽作用。例如,干擾源電路的導線對敏感電路的單芯屏蔽線產生的干擾是通過源導線與屏蔽線的屏蔽層間的耦合電容,和屏蔽線的屏蔽層與芯線之間的耦合電容實現的。如果把屏蔽層接地,則干擾被短路至地,不能再耦合到芯線上,屏蔽層起到了電場屏蔽的作用。但屏蔽電纜的磁場屏蔽則要求屏蔽層兩端接地。例如,當干擾電流流過屏蔽線的芯線時,雖然屏蔽層與芯線間存在互感,但如果屏蔽層不接地或只有一端接地,屏蔽層上將無電流通過,電流經接地平面返回源端,所以屏蔽層不起作用,不會減少芯線的磁場輻射。如果屏蔽層兩端接地,當頻率較高時,芯線電流的回流幾乎全部經由屏蔽層流回源端,屏蔽層外由芯線電流和屏蔽層回流產生的磁場大小相等、方向相反,因而互相抵消,達到了屏蔽的目的。但如果頻率較低,則回流的大部分將流經接地平面返回,屏蔽層仍不能起到防磁作用。而且,當頻率雖高,但屏蔽層接地點之間存在地電壓時,將在芯線和屏蔽層中產生共模電流,而在負載端引起差模干擾。在這種情況下,需要采用雙重屏蔽電纜或三軸式同軸電纜。
綜上所述,對于低頻電路,應單端接地,例如,信號源通過屏蔽電纜與一公共端接地的放大器相連,則屏蔽電纜的屏蔽層應直接接在放大器的公共端;而當信號源的公共端接地,放大器不接地,則屏蔽電纜屏蔽層應直接接在信號源的公共端。對于高頻電路,屏蔽電纜的屏蔽層應雙端接地,如果電纜長于1/20波長,則應每隔1/10波長距離接一次地。實現屏蔽層接地時,應使屏蔽電纜的屏蔽層和屏蔽電纜連接器的金屬外殼呈360度良好焊接或緊密壓在一起,電纜的芯線和連接器的插針焊接在一起,同時將連接器的金屬外殼與屏蔽機殼緊密相連,使屏蔽電纜成為屏蔽機箱的延伸,才能取得良好的屏蔽效果。
(3)雙絞線

雙絞線的絞扭若均勻一致,所形成的小回路面積相等而法方向相反,因此,其磁場干擾可以相互抵消。當給雙絞線加上屏蔽層后,其抑制干擾的能力將發生質的變化。雙絞線的使用方法如圖2-2所示,如果每2.54cm扭6個均勻絞扭,當采用圖2-1中約定的參數時,根據實驗測定,圖2-2(a)采用單端接地方式,因此對磁場干擾具有高達55dB的衰減能力。可見,雙絞線確實有很好的效果。而圖2-2(b)由于兩端接地,地線阻抗與信號線阻抗不對稱,地環電流造成了雙絞線電流不平衡,因此降低了雙絞線抗磁場干擾的能力,所以圖2-2(b)只有13dB的磁場干擾衰減能力。圖2-2 (c)使用屏蔽雙絞線,由于其屏蔽層一端接地,另一端懸空,因此屏蔽層上沒有返回信號電流,所以它的屏蔽層只有抗電場干擾能力,而無抑制磁場耦合干擾能力。所以圖2-2(c)與圖2-2 (a)一樣衰減55dB。圖2-2(d)屏蔽層單端接地,而另一端又與負載冷端相連,因此具有同圖2-2(a)的效果,但它的屏蔽層上的電流由于被雙絞線中的一根分流,具有77dB的衰減。圖2-2(e)的屏蔽層雙端接地,具有一定的抑制磁場耦合干擾能力,加上雙絞線本身的作用,因此具有63dB的衰減。圖2-2(f)的屏蔽層和雙絞線都兩端接地,具有28dB衰減。
雙絞線最好的應用是作平衡式傳輸線路,因為兩條線的阻抗一樣,自身產生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時,平衡式傳輸又獨具很強的抗共模干擾能力,因此成為大多數變頻調速系統的網絡通信傳輸線。例如,物理層采用RS-422A或RS-485通信接口,就是很好的平衡傳輸模式。
3.信號電纜選擇與布線原則
①對于Ⅰ類信號電纜,必須采用屏蔽電纜,Ⅰ類信號中的毫伏信號、應變信號應采用屏蔽雙絞電纜,還應保證屏蔽層只有一點接地,且要接地良好。這樣,可以大大減小電磁干擾和靜電干擾。
②對于Ⅱ類信號,也應采用屏蔽電纜,Ⅱ類信號中用于控制、聯鎖的模入模出信號、開入信號,必須采用屏蔽電纜,最好采用屏蔽雙絞電纜。禁止采用一根多芯電纜中的部份芯線用于傳輸Ⅰ類或Ⅱ類的信號,另外部分芯線用于傳輸Ⅲ類或Ⅳ類信號。
③對于Ⅳ類信號嚴禁與Ⅰ、Ⅱ類信號捆在一起走線,應作為220V電源線處理,Ⅳ類信號電纜與電源電纜一起走線,應采用屏蔽雙絞電纜。絕對禁止大功率的開關量輸出信號線、電源線、動力線等電纜與變頻調速系統的Ⅰ、Ⅱ類信號電纜并行捆綁。
④對于Ⅲ類信號,允許與220V電源線一起走線(即與Ⅳ類信號相同),也可以與Ⅰ、Ⅱ類信號一起走線。但Ⅲ類信號也必須采用屏蔽電纜,最好為屏蔽雙絞電纜,且與Ⅰ、Ⅱ類信號電纜相距15cm以上。嚴禁同一信號的幾芯線分布在不同的幾條電纜中(如三線制的熱電阻)。
在現場電纜敷設中,必須有效地分離Ⅲ、Ⅳ類信號電纜、電源線等易產生干擾的電纜,使其與現場布設的Ⅰ、Ⅱ類信號的電纜保持在一定的安全距離(如15cm以上)。
信號電纜和電源電纜應采用不同走線槽走線,在進入變頻器柜時,也應盡可能相互遠離。當這二種電纜無法滿足分開走線要求時,它們必須都采用屏蔽電纜(或屏蔽雙絞電纜),且應滿足以下要求:
①如果信號電纜和電源電纜之間的間距小于15cm時,必須在信號電纜和電源電纜之間設置屏蔽用的金屬隔板,并將隔板接地。
②當信號電纜和電源電纜垂直方向或水平方向分離安裝時,信號電纜和電源電纜之間的間距應大于15cm.。對于某些干擾特別大的應用場合,如電源電纜上接有電壓為220VAC,電流在10A以上感性負載,而且電源電纜不帶屏蔽層時,那么要求它與信號電纜的垂直方向間隔距離必須在60cm以上。
③在兩組電纜垂直相交時,若電源電纜不帶屏蔽層,應用厚度在1.6mm以上的鐵板覆蓋交叉部分。
為了減少模擬量受來自變頻器和其它設備的干擾,應將控制變頻器的信號線與強電回路(主回路及順控回路)分開走線。距離應在30cm以上。即使在控制柜內,同樣要保持這樣的接線規范。該信號電纜最長不得超過50m,保護信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處,以保證信號線與動力線的徹底分開。模擬量控制信號線應使用雙絞合屏蔽線,電線規格為0.5~2mm2。在接線時其電纜剝線要盡可能的短(5~7mm左右),同時對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來,以防止屏蔽線與其它設備接觸而引入干擾。
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