Cabluri de alimentare VFD (Variable Frequency Drive). Producători

De ce eșuează cablurile de alimentare standard în aplicațiile VFD

Cabluri variabile de frecvență (VFD). funcționează într-un mediu ostil din punct de vedere electric pentru care cablurile de alimentare convenționale nu sunt proiectate să supraviețuiască. Atunci când un VFD convertește puterea de curent alternativ cu frecvență fixă ​​în ieșire cu frecvență variabilă, face acest lucru prin comutarea rapidă a IGBT-urilor (tranzistoare bipolare cu poartă izolată) la frecvențe purtătoare de obicei cuprinse între 2 kHz și 16 kHz. Fiecare eveniment de comutare generează impulsuri de tensiune cu front abrupt, cu timpi de creștere de până la 0,1 până la 1 microsecundă și tensiuni de vârf care pot atinge de 2 până la 3 ori tensiunea nominală a magistralei DC din cauza nepotrivirilor de impedanță a cablului și a fenomenelor unde reflectate. Un cablu de alimentare standard izolat XLPE sau PVC supus acestui stres repetitiv de mare dV/dt va experimenta o activitate de descărcare parțială accelerată în izolație, ceea ce duce la o defecțiune prematură a dielectricului - adesea în câteva luni, mai degrabă decât în ​​deceniile de viață așteptate. Cablu de alimentare cu frecvență variabilă cu tensiune nominală de 6 kV și mai jos sunt special concepute cu sisteme de izolație ranforsată, aranjamente simetrice ale conductorilor de împământare și construcție cu capacitate redusă pentru a rezista la aceste solicitări electrice pe toată durata de viață nominală a acestora.

Tensiunea undei reflectate și modul în care lungimea cablului amplifică problema

Unul dintre cele mai subestimate riscuri în instalațiile VFD este efectul undei reflectate, care devine din ce în ce mai sever pe măsură ce trecerea cablului dintre convertizor și motor crește. Când un impuls de tensiune în creștere rapidă călătorește pe cablu și întâlnește bornele motorului - care prezintă o impedanță ridicată în raport cu impedanța la supratensiune a cablului - o parte a impulsului se reflectă înapoi către unitate. Suprapunerea undelor incidente și reflectate poate produce tensiuni de vârf la bornele motorului mult peste tensiunea de ieșire a variatorului. Pentru un sistem de acționare de 460 V, tensiunile la terminale care depășesc 1.200 V nu sunt neobișnuite pe cabluri lungi. Lungimea critică a cablului la care acest efect devine dăunător depinde de timpul de creștere a comutării unității și de viteza de propagare a cablului. Ca o orientare generală, cablurile care depășesc 50–100 de metri cu unități cu comutare rapidă (timpi de creștere sub 0,5 µs) ar trebui tratate ca fiind cu risc ridicat, fără atenuare. Soluțiile includ instalarea reactoarelor de ieșire sau a filtrelor dV/dt la unitate, utilizarea cablurilor cu impedanță la supratensiune mai mare sau selectarea cablurilor de alimentare cu frecvență variabilă cu conductori de împământare aranjați simetric pentru a reduce nepotrivirea impedanței caracteristice a cablului cu motorul.

Aranjament simetric al conductorilor de împământare: miezul structural al proiectării cablurilor VFD

Caracteristica structurală definitorie a unui cablu de unitate de frecvență variabilă (VFD) construit special - spre deosebire de un cablu de tavă reutilizat sau de un alimentator standard de motor - este aranjarea simetrică a conductorilor săi de împământare. Mai degrabă decât un singur fir de împământare decalat pe o parte, un cablu VFD adevărat încorporează trei conductori de împământare plasați simetric (sau un ecran cu bandă de cupru cu acoperire completă plus trei conductori de împământare) care înconjoară conductoarele trei faze. Această geometrie îndeplinește două funcții critice. În primul rând, oferă o cale de întoarcere cu impedanță scăzută și de înaltă frecvență pentru curenții de mod comun generați de acțiunea de comutare a VFD-ului, limitându-i în cablu, mai degrabă decât permițându-le să curgă prin cadrul motorului, rulmenți și structurile mecanice conectate. În al doilea rând, simetria asigură că cuplarea capacitivă de la fiecare conductor de fază la ecranul general este egală, ceea ce reduce curentul net de mod comun injectat în sistemul de masă. La Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd., construcțiile noastre de cabluri VFD sunt dezvoltate cu această arhitectură simetrică ca o cerință de proiectare nenegociabilă, validată prin laboratorul nostru intern cu echipamente de măsurare a impedanței de înaltă frecvență.

Tensiuni nominale de izolație și performanță de descărcare parțială la 6 kV și mai jos

Pentru cablurile de alimentare cu frecvență variabilă cu tensiune nominală de 6 kV și mai mică, sistemul de izolație trebuie evaluat nu doar la frecvența de alimentare (50/60 Hz), ci și în condițiile de impuls pe care le generează efectiv VFD. Standardele IEC 60034-17 și IEC 60034-25 abordează izolația înfășurării motorului alimentat cu invertor, iar cerințele acestora se încadrează direct în specificația de izolație a cablului. Tensiunea de inițiere a descărcării parțiale (PD) (PDIV) este metrica cheie: tensiunea la care ionizarea auto-susținută începe în golurile sau contaminanții din izolație. Pentru cablurile VFD de medie tensiune la clasa 6kV, izolația este de obicei din polietilenă reticulat (XLPE) cu o grosime a peretelui concepută pentru a menține tensiunea electrică de funcționare mult sub pragul de inițiere PD chiar și în condiții de impuls. Testarea de tip conform IEC 60502-2 pentru cabluri de 6 kV include rezistența la tensiune AC la 3,5 × U0 timp de 5 minute și măsurarea descărcării parțiale la 1,73 × U0, dar producătorii responsabili efectuează, în plus, teste de tensiune de impuls care simulează impulsurile în creștere rapidă de la comutarea VFD - un test care nu este întotdeauna necesar pentru a confirma fiabilitatea reală a aplicațiilor standard.

Compatibilitatea întrerupătorului de mod comun și implicațiile sale pentru capacitatea cablului

Multe instalații VFD încorporează bobine de modul comun (numite și reactoare de mod comun) la ieșirea convertizorului pentru a atenua zgomotul de înaltă frecvență în modul comun înainte de a intra în cablul motorului. Eficiența unui șoc de mod comun este direct cuplată cu capacitatea fază-pământ a cablului: un cablu cu o capacitate mare distribuită va ocoli parțial șocul la frecvențe înalte, reducând performanța sa de atenuare. Acest lucru creează o tensiune de proiectare - ecranul cablului este necesar pentru conformitatea EMC și pentru atenuarea curentului purtător, dar un scut greu de bandă de cupru mărește capacitatea fază la ecran, ceea ce degradează performanța șocului. Cablurile de frecvență variabilă concepute pentru compatibilitate cu filtrarea în mod comun utilizează de obicei un ecran împletit sau trei conductori de împământare simetrici discreti, mai degrabă decât o bandă cu acoperire completă, obținând o eficiență de ecranare adecvată, păstrând în același timp capacitatea distribuită la masă în intervalul 100-300 pF/m. Atunci când specificați un cablu VFD pentru o instalație care include hardware de filtrare în mod comun, datele de capacitate publicate de producătorul cablului pe unitate de lungime ar trebui să facă referințe încrucișate cu limitele de capacitate a cablului recomandate de producătorul șocului pentru a asigura că sistemul funcționează așa cum este proiectat.

Mecanisme de purtare a curentului și rolul practicii de împământare a scutului de cablu

Defecțiunea prematură a lagărelor motorului în sistemele acționate de VFD este o problemă bine documentată, iar aranjamentul de ecranare și împământare al cablului de acţionare cu frecvenţă variabilă (VFD) este o variabilă principală pentru a determina dacă curenţii rulmentului cauzează daune. Există trei mecanisme distincte de purtare a curentului, fiecare cu cerințe diferite de atenuare:

• Curenți capacitivi de descărcare (curenți EDM): Cauzat de acumularea tensiunii în modul comun pe arborele rotorului prin intermediul capacității parazite și descărcarea prin filmul de ulei al rulmenților. Atenuat de perii de împământare a arborelui cu impedanță scăzută și scuturi de cablu lipite la ambele capete.
• Curenți circulanți de înaltă frecvență: Indus la motoarele mai mari (de obicei peste 100 kW dimensiunea cadrului) de fluxul de mod comun în cadrul motorului. Pe lângă ecranarea corespunzătoare a cablului, necesită rulmenți izolați de la capătul de antrenare.
• Curenți de masă în mod comun: Curgeți prin cadrul motorului către masă prin calea cea mai scăzută de impedanță disponibilă. O terminație de ecranare cu impedanță scăzută de 360° la ambele capete ale acționării și ale motorului - realizată cu presetupe de cablu EMC adecvate, mai degrabă decât conexiuni tip coadă - este esențială pentru a menține acești curenți limitați la ecranul cablului, mai degrabă decât la structurile motorului.

Metoda de terminare a ecranului a cablului contează la fel de mult ca și acoperirea și conductivitatea ecranului. O conexiune de masă cu coadă de porc - unde scutul este pliat înapoi și răsucit într-un fir - introduce o inductanță semnificativă la frecvențe înalte, anulând efectiv eficiența scutului peste câteva sute de kiloherți. Presetupele EMC care fac contact circumferenţial cu împletitura sau banda de ecranare sunt metoda corectă de terminare pentru instalaţiile de cabluri VFD în care reducerea curentului de rulment este o prioritate.

Compararea tipurilor de construcție a cablurilor VFD în funcție de adecvarea aplicației

Nu toate cablurile variabilelor de frecvență sunt construite identic, iar construcția corectă depinde de parametrii specifici de aplicație, inclusiv clasa de tensiune, lungimea cablului, mediul de instalare și cerințele EMC. Următorul tabel prezintă tipurile de construcție primare și cazurile de utilizare adecvate ale acestora:

Reducerea termică a cablurilor alimentate cu VFD: de ce tabelele standard de intensitate nu se aplică direct

Tabelele standard de intensitate a cablurilor, așa cum sunt publicate în IEC 60364-5-52 sau NEC 310, sunt calculate pentru curentul sinusoidal la 50 sau 60 Hz. Curentul de ieșire al variatorului de frecvență conține un conținut armonic semnificativ - în special armonici de ordin impar (5, 7, 11, 13) plus ondulația de comutare de înaltă frecvență - care crește curentul RMS al cablului pentru același curent de sarcină de frecvență fundamentală și generează pierderi suplimentare datorită efectului de piele și efectului de proximitate. La frecvențe purtătoare VFD de 4–8 kHz, adâncimea pielii într-un conductor de cupru este de numai 0,7–1,0 mm, ceea ce înseamnă că la conductoarele cu secțiune transversală mai mare (50 mm² și mai sus), numai regiunea inelară exterioară a conductorului transportă curent de înaltă frecvență în mod eficient. Această creștere a rezistenței AC la frecvențe înalte poate adăuga 5–20% la pierderile efective ale conductorului în comparație cu funcționarea în curent continuu sau în frecvență de putere, necesitând o reducere corespunzătoare a capacității de curent continuu a cablului. Pentru cablurile de alimentare cu frecvență variabilă cu tensiune nominală de 6 kV și mai mică, care funcționează la capătul superior al curentului lor nominal, consultarea curbelor de derating armonice ale producătorului de cabluri – mai degrabă decât aplicarea tabelelor de instalare standard – este abordarea corectă din punct de vedere tehnic pentru a vă asigura că cablul funcționează în limitele de proiectare termică.

Cerințe de conformitate EMC pentru instalațiile VFD și rolul cablului în îndeplinirea acestora

În instalațiile industriale și comerciale, sistemele VFD sunt supuse reglementărilor privind compatibilitatea electromagnetică (EMC) care limitează emisiile conduse și radiate pe care sistemul de acționare le poate injecta în rețeaua de alimentare și în mediul înconjurător. În Europa, standardul IEC 61800-3 definește limitele aplicabile de emisie și imunitate pentru sistemele de acționare cu viteză variabilă, cu diferite categorii în funcție de faptul că instalația se află într-un prim mediu (rețea publică de joasă tensiune) sau al doilea mediu (industrial). Cablul variatorului de frecvență (VFD) dintre ieșirea variatorului și motor este un element critic în obținerea conformității, deoarece este conductorul principal al curenților de înaltă frecvență în mod comun care altfel ar radia sau ar conduce înapoi la sursă. Un cablu VFD ecranat corespunzător, cu terminații de ecranare la 360° la ambele capete, combinat cu o carcasă de unitate cu rating EMC și un filtru de intrare, poate reduce emisiile conduse cu 20–40 dB în comparație cu o instalare de cablu neecranată. Rapoartele de testare EMC ale terților pentru sistemul complet de acționare-cablu-motor reprezintă cea mai fiabilă bază pentru prezicerea conformității, deoarece rezultatele simulate sau calculate subestimează adesea contribuția traseului cablului și a calității terminației. Susținut de certificarea ISO 9001 și de laboratorul nostru cuprinzător de testare, Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd. oferă date de testare a eficienței ecranării pentru gama noastră de cabluri VFD pentru a sprijini documentația EMC la nivel de sistem a clienților.

Practici de instalare care determină dacă un cablu VFD funcționează conform specificațiilor

Chiar și un cablu de alimentare cu frecvență variabilă specificat corect va avea performanțe slabe dacă practicile de instalare îi compromit intenția de proiectare. Mai mulți factori de instalare pe teren au un impact extraordinar asupra performanței sistemului de cabluri VFD:

• Separarea de cablurile de semnal și de control: Cablurile de ieșire VFD trebuie direcționate în conducte sau canale de cablu dedicate, separate fizic de cablurile de semnal de joasă tensiune cu cel puțin 200–300 mm. Acolo unde încrucișările sunt inevitabile, acestea ar trebui făcute la unghiuri de 90° pentru a minimiza cuplarea capacitivă.
• Minimizarea lungimii cablului: Fiecare metru de cablu inutil dintre convertizor și motor crește amplitudinea undei reflectate la bornele motorului și magnitudinea totală a curentului în modul comun. Amplasarea unității ar trebui optimizată în timpul fazei de proiectare pentru a minimiza traseele cablurilor, în special pentru sistemele VFD de medie tensiune de 6 kV, unde costul cablului și consecințele supratensiunii unde reflectate sunt ambele substanțial mai mari.
• Continuitatea ecranului prin cutiile de joncțiune: Dacă o cutie de joncțiune este inevitabil la mijloc, ecranul cablului trebuie continuat prin ea cu o conexiune legată la 360°, neîntreruptă și reconectată printr-un bloc de borne. Orice întrerupere a continuității ecranului creează un punct de impedanță ridicată pentru curenții de înaltă frecvență care vor radia din punctul de întrerupere.
• Conformitatea razei de curbare: Cablurile VFD cu ecranare și blindaje grele au razele minime de îndoire specificate care, dacă sunt încălcate în timpul instalării, pot deteriora continuitatea ecranului sau pot crea puncte de stres de izolație localizate. Pentru cablurile VFD ecranate și blindate de 6 kV, sunt tipice razele de îndoire minime de 12–15 ori diametrul total al cablului; acestea ar trebui să fie confirmate din fișa de date a producătorului înainte de instalarea în spații închise sau în jgheaburile de cabluri cu coturi strânse.
• Împământare la ambele capete vs. împământare într-un singur punct: Cablurile VFD ar trebui să fie împământate atât la carcasa unității, cât și la cadrul motorului - spre deosebire de cablurile de semnal, care sunt adesea împământate la un capăt doar pentru a evita buclele de împământare. Curenții în modul comun de înaltă frecvență pe care trebuie să îi poarte scutul necesită o cale de întoarcere la ambele capete; împământarea cu un singur capăt lasă scutul eficient doar pentru ecranarea electrostatică de joasă frecvență, nu pentru gestionarea zgomotului HF pe care o solicită aplicațiile VFD.

În calitate de întreprindere națională de înaltă tehnologie cu certificări OHSAS 18001 și ISO 14001, Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd. sprijină clienții nu numai cu produse de cabluri cu variator de frecvență compatibile, ci și cu îndrumări de inginerie a aplicațiilor pentru a se asigura că practica de instalare păstrează performanța pe care cablurile noastre sunt proiectate să le ofere.