Håndtering af VFD og motorstøj med specialkabel

Drivenheder med variabel frekvens (VFD'er) driver forskellige elektriske motortyper i automatiserede maskiner præcist. I det væsentlige elektriske-elektroniske strømforsyningskomponenter former disse VFD'er spænding til motorviklinger for at anspore præcis kontrol over motorhastighed og (i tilpasning af vektorstyring) output fra drejningsmoment. Problemet er, at der kan være ukontrollerede strømme og andre elektriske fænomener forbundet med denne formede strømforsyning og efterlades disse uafklaret, kan disse fænomener være skadelige for de fleste automatiseringskomponenter og systemer i VFD'ens nærhed.

Figur 1: VFD'er, ligesom 3G3MX2-A2015-V1, er uundværlige for en bred vifte af proces- og diskrete automatiseringsapplikationer der giver streng kontrol, sikkerhed og topeffektivitet til elektriske motordrevne akser. En advarsel er, at VFD-operation naturligt genererer EMI, der kan (hvis de ikke håndteres) nedbryde kommunikationen af nærliggende kontroller og feedback, beskadige tilstødende mekaniske komponenter og anspore forskellige generende støj på suboptimal systemadfærd. (Billedkilde: Omron Automation and Safety)

Overvej hvordan VFD'er fungerer for at få indsigt i, hvorfor de kan i suboptimale designs og forårsage problemer i selve motorerne de driver, samt andet udstyr i nærheden. Kort sagt, VFD'er:

• Tager som den sinusformede strøm fra AC-forsyningen og derefter
• ensretter (konvertere) ledningsstrøm til DC
• Brug isolerede gate-bipolære transistorer (IGBT'er) til at invertere (skifte tilbage til AC) DC-strømmen, dvs. mere specifikt; til præcist modulerede pulstog

Dybest set drejer driv-switchene spændingen til og fra for chopped strøm, der beder motoren om at dreje, som om den modtager et glat moduleret sinusbølge af strøm. Under denne form for kørsel, kaldet pulsbreddemodulation eller PWM, afhænger udgangshastigheden i sidste ende af frekvensen af de aktuelle impulser.

Tidligere VFD'er, der udførte denne proces via siliciumstyrede ensrettere (SCR'er) eller bipolære junction-transistorer (BJT'er), var langsommere switchere end nutidens IGBT-baserede VFD'er. Det er den højere frekvens af IGBT-skift, der muliggør hurtig og præcis motorstyring, men det er også det, der kan forårsage problemer i form af både ledet og udstrålet elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI).

VFD-støj effekter på motoren, kontrolelementerne og selve enheden

EMI-problemer opstår, fordi når den driver en motor til at køre med lav hastighed, hvor hver elektrisk puls er en firkantbølge med busspændingsamplitude, at den spænding, der sendes til motoren, inkluderer ret dramatiske dV/dt-spændingstider - udtrykt i μsek eller fraktioner af μsek.

Overvej et sådant spørgsmål: Reflekterede bølger af spænding. Ved opstart opfører elektromotorens statorviklinger sig som en induktor, der gradvist bygger et magnetfelt og derefter leder strøm. Kablet, der tilfører elektrisk strøm fra VFD'en til motoreno viser en overensstemmelse i impedans ved dets motor-junction. Her forårsager de ovennævnte overskridelser, at nogle af bølgespændingsformens forreste kanter reflekteres tilbage i kablet, (mod drevelektronik) ved kabelets højimpedansforbindelse med motoren.

Reflekterede spændingsbølger stammer fra spændingsoverskridelser forårsaget af dV/dt af PWM.

En faktor, der kan forværre dette fænomen, er overdrevent (eller i nogle tilfælde uundgåeligt) lange kabelkørsler fra drivenheden til motoren. Lange kabler har høj induktans og giver flere muligheder for spændingsspidser sammen med sammensætning af reflekterede bølger end kortere kabler. Sammensatte bølger er særligt skadelige, da disse bølger (som er gået i fase) effektivt danner nye bølger med summen af originalernes spænding og strøm.

Figur 2: Den firkantede bølgeform af VFD'ers elektriske impulser ved busspændingsamplitude forårsager dV/dt-spændings stigetider, som (hvis de ikke håndteres) igen kan skabe forskellige elektromagnetiske problemer. (Billedkilde: Design World)

Bemærk motorer (ligesom VFD'er) kan også få skader fra reflekterede bølger og spændingsspidser. Derfor inkluderer mange af nutidens automatiserede installationer inverter-duty motorer. Disse motorer har statorviklinger med højtydende isolering og andre elementer for at øge den samlede termiske kapacitet og (i de fleste tilfælde) modstandsdygtighed, når de udsættes for spændingsspidser. Bedømmelser er organiseret efter overspændingsspændings størrelse og varighed, med højere klassifikationer for design, der involverer længere (mindre pludselige) stigtider. Naturligvis kan motorer, der ikke er bygget til inverter-duty specifikationer, acceptere kørsel med en VFD. Imidlertid bør anvendelsen af disse mindre robuste motorer generelt begrænses til automatiseret udstyr med moderat udfordrende parametre. Sådanne motorer, der drives af en VFD, kan også kræve en kort kabelføring samt inkludering af ledningsreaktorer og andre beskyttende komponenter.

Kabler til undsætning: Specielt designet til VFD'er

Udover at true VFD kan faseforbundne bølger med tilstrækkelig høj spænding uhensigtsmæssigt beskadige anvendt almindelige kabler. Mere specifikt, kan højspændingsspidserne forbundet med VFD-drift stresse, varme og endda gennembore kabelisolationen. For at forhindre dette problem er der inkluderet et kabel, der er specielt designet til brug med VFD'er:

• Heavy-gage (lille-AWG) ledere, der er klassificeret til at bære alle forventede spidser
• Tilstrækkeligt tykke grænseflader og isolering af specielt konstrueret tværbundet polyethylen eller (i nogle tilfælde mindre foretrukket) polyvinylchlorid
• Afskærmninger og andre elementer til at sprede og jorde VFD-genererede pigge og støj

Figur 3: Alpha Wire'skabler til VFD'er inkluderer tværbundet polyethylenisolering til elektromagnetisk koronamodstand, lav kapacitans (selv over længere kabelforløb) og god ydeevne ved lave temperaturer. (Billedkilde: Alpha Wire)

Et kvantificerbart mål på et kabels modstandsdygtighed over for reflekterende bølger er dets korona-acceptspænding, der ofte er målt i kV. Husk fra grundlæggende fysikinstruktion, at korona (såkaldt sin krone af svag glød) er en pludselig ionisering af luft, der omgiver en meget lokal spænding. Denne ionisering kan (hvis ikke forhindres med tilstrækkelig isolering omkring lederen) generere ozon og forskellige gasforbindelser, der hurtigt kan ødelægge ukorrekt anvendt kabel. Derfor skal der anvendes tykt isoleret VFD-klassificeret kabel. Kabler, der opfylder eller overstiger de konstruktionskrav, der er angivet af VFD-leverandører, og langt overstiger NEC-standarderne (National Electric Code) for termoplastisk termoplastisk højvarme nylonbelagte (THHN) ledning. Hvor VFD'er fungerer udendørs eller på andre våde steder, kan konstrueret polyethylenisolering være det mest passende. Se DigiKey artikel Det The Right Cable for an Industrial Application for at få flere oplysninger om andre fænomener, der påvirker VFD-drevet designs og deres kabler, herunder indgangsstrømme såvel som almindelige strømme.

Bedste praksis for VFD-kabler

Udover at holde VFD-kablet længde til et minimum kortere end 15 m (50 ft), hvis det er muligt, er det også nødvendigt at forbinde alle dele af et motordrevet udstyr til jord, nklusive kontrol- og maskinpaneler. Dette betyder at der skal bruges en fælles jord-forbindelse eller et masterpotential arrangement, der forhindrer de skadelige virkninger af ground-loops der stammer fra spændingspotentialer mellem forskellige maskinpunkter til jord. Det gælder især, når maskinfeedback er afhængig af spændings-referenceværdier, der (hvis de ikke er beskyttet mod utilsigtede strømme gennem jord) kan rapportere falske værdier. Dette emne er nærmere beskrevet i DigiKey artikel Measure Small Signals Riding on High Voltages and Avoid Sensor Ground Loops.

Faktisk vil mange designs også kræve tilføjelse af underkomponenter, såsom filtre, ferritringe på kabelsiden, motorakseljordringe og afskærmninger for fuldt ud at håndterer EMI. Eksempel: En simpel komplementær del, der ofte er uundværlig for VFD-installationer, kaldes jordforbindelses-bånd. Denne flade del består af en flettet strimmel af fortinnet kobber med en ringterminal i hver ende. Når de er integreret i et motordrevet design, forbinder jordforbindelse drevets beskyttende jordterminal (inkluderet på alle VFD'er) til jord og dræner højfrekvent elektrisk støj til jorden langt bedre end en rund jordledning. Dennes relativt høje mængde overfladeareal er tilpasset den måde, hvorpå vekselstrøm (især ved høje frekvenser) har tendens til at strømme på lederoverfladen elle hud; deraf udtrykket hudeffekt for at henvise til denne adfærd.

Figur 4: Det fortinnede kobber-bånd er korrosionsbestandig, fleksibel og RoHS-kompatibel. Sådanne bånd er nyttige i jordforbindelse af VFD-installationer, da de rummer den måde, hvorpå højfrekvent støj har tendens til at bevæge sig på lederoverflader. (Billedkilde: Falconer Electronics)

En anden advarsel her: Udover at beskytte mod EMI, skal designet også beskytte mod kapacitivt koblet støj, transmitteret ved høje frekvenser. Det inkluderer støj, der kan trænge ind i VFD-motorkredsløbet gennem elementer som f.eks. Jordforbindelses-bånd samt uskærmede motorkabler i en metalkanal hvor begge leder EMI og genererer jordsløjfer. Et andet område, hvor kapacitivt koblet støj skal dæmpes, er mellem de VFD-drevne motorviklinger og ramme til jord.

Figur 5: Her vises et diagram fra en PDF til uddannelse, der kan downloades på digikey.com. PDF'en sammenligner konstruktionen af tre VFD-passende industrikabel design. (Billedkilde: Belden Inc.)

Konklusion

VFD'er findes i overflod i procestypeapplikationer som HVAC, olie og gas og generelle pumpe-, kompressor- og kedeloperationer. VFD'er er også vigtige i en række diskrete industrielle automatiseringssystemer, der anvender elektriske motorer til at køre bevægelige akser på transportbånd, møller, elevatorer og andet udstyr, der kan drage fordel af effektivitetsforøgelser.

Den vellykkede anvendelse af disse drev afhænger af overvejelsen af deres potentielt skadelige elektriske og elektroniske effekter på tilsluttede og tilstødende komponenter og systemer. Faktisk kræver brugen af VFD'er normalt inkludering af specialiserede elektriske filtre, afslutninger, jordforbindelsessystemer og VFD-specifikt kabel.