Specificering og brug af VFD-kabler for at forbedre pålidelighed og sikkerhed og reducere CO2-udledning

Frekvensomformere (variable frequency drives/VFD) og motorer kan reducere CO2-udledningen og øge effektiviteten, pålideligheden og sikkerheden på tværs af forskellige systemer, herunder transportbånd, pumper, blandemaskiner, elevatorer, varme-, ventilation- og aircondition- (heating ventilation/air conditioning/HVAC) systemer og lignende applikationer. Kablerne, der forbinder VFD'en med motoren, er et kritisk led i systemet. Uden korrekt kabling kan operatørens sikkerhed blive marginaliseret, og motorens pålidelighed og levetid kan blive reduceret.

Typiske VFD-systemer arbejder under barske forhold, der omfatter høje spændingsimpuls, der når op på to til tre gange forsyningsspændingen, og høje niveauer af udstrålet og ledet elektromagnetisk støj. Desuden kan kablerne blive udsat for høje temperaturer. De skal kunne modstå olie, vand og ultraviolet (UV) stråling, samtidig med at de bevarer en høj grad af fleksibilitet og opfylder en lang række tekniske krav fra UL, CSA, NFPA og NEC.

Udfordrende driftsmiljøer og tekniske krav til VFD-installationer komplicerer kabelspecifikationen. Denne artikel gennemgår kort driften af VFD'er og motorer, kravene til kabelisolering og behovet for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Artiklen sammenligner specifikationer som UL 1277 TC ER, WTTC og TC-kabler og undersøger NEC- og NFPA-krav. Den præsenterer også overvejelser om kabelstruktur, inden den slutter med en oversigt over eksemplariske kabler fra Belden, Helukabel, Igus, LAPP og SAB North America.

Miljømæssige udfordringer

VFD-motorer, frekvensomformere og de kabler, der forbinder dem, fungerer i barske elektriske miljøer. VFD-kabler skal effektivt levere høj drivkraft ved høje spændinger og håndtere høje spændingsimpulser og høje støjniveauer. Isolationen i VFD-kabler udsættes for udfordrende forhold såsom reflekterede bølger og corona-tændingsspændinger (figur 1):

• Reflekterede bølger: Reflekterede bølger kan forårsages af uoverensstemmende impedanser mellem en VFD's motor og dens kabel. Det kan få spændingsbølger til at springe tilbage til drevet. Uden højtydende isolering kan reflekterede bølger nedbryde isoleringen og overophede kablet.
• Korona-tændingsspænding/korona-udladning: Pulsbreddemodulerings- spændingerne (pulse width modulation/PWM voltages) i VFD-systemer svinger hurtigt fra nul til spidsspænding. Uden ordentlig isolering vil en højspændingsspids, der ligger over kablets korona-tændingsspænding, få luften omkring lederen til at blive ioniseret, hvilket resulterer i en koronaudladning, der kan smelte isoleringen og beskadige motoren, motorlejerne og drevet.

Figur 1: Isolering af VFD-kabel skal håndtere reflekterede bølger og korona-tændingsspændinger. (Billedkilde: SAB North America)

Afskærmning og jordforbindelse

Ud over at kunne modstå spændingsimpulser skal VFD-kabler også understøtte høje EMC-niveauer. Vigtige EMC-overvejelser inkuderer følgende:

• Common-mode-strømme er resultatet af trefasespændinger i VFD'er, der ikke summerer til nul, hvilket skaber en spændingsubalance. Når spændingsniveauet, der ikke er nul, ændres, vender en proportional kabel-ladestrøm tilbage gennem jordlederen. Overdreven common-mode-strøm skaber en jordsløjfe, der forstyrrer systemets korrekte ydeevne.
• Transmitteret elektrisk støj er resultatet af de variable drevfrekvenser, der kan fremkalde elektromagnetisk- (electromagnetic interference/EMI) og radiofrekvensinterferens (radio frequency interference/RFI) og påvirke nærliggende komponenter og systemer.

Et effektivt jordet drev-, kabel- og motorsystem skaber et Faraday-bur, der sikrer en robust EMC-ydeevne (figur 2).

Figur 2: VFD-kabler kan reducere common-mode-strøm og elektrisk støj med korrekte jordforbindelser. (Billedkilde: SAB North America)

Kabelforskruninger versus kabelrør

VFD-kabler fås med små diametre, så de kan trækkes i kabelrør, og som kontinuerligt svejsede armerede kabelstrukturer. Disse løsninger kræver komplekse og dyre installationer og har potentielle pålidelighedsproblemer. Der findes ’bakkekabler’ (tray cables/TC), som ikke kræver kabelrør. Når der er et kabelrør til rådighed, kan den bruges til at skabe et Faraday-bur mellem drevet og motoren. Når der anvendes forskellige klasser af TC'er, kan der tilføjes EMC-kabelforskruninger for at fuldende Faraday-buret. EMC-kabelforskruninger har en indtrængningsbeskyttelse (ingress protection/IP) på 68, der er vandafvisende i ferskvand til en maksimal dybde på 1,5 meter i op til 30 minutter og er beskyttet mod støv, hvilket gør dem velegnede til brug i udfordrende industrielle og udendørs miljøer (figur 3).

Figur 3: Kabelforskruninger kan bruges på forbindelserne til drevelektronikken og motoren for at skabe et Faraday-bur og hold styr på EMI. (Billede: SAB North America)

Kabelklasser

TC'er kan forenkle installationen og reducere omkostningerne. De klassificeres efter anvendelseskriterier, som f.eks. nominel spænding, fleksibilitet og test for stød/slag. Der findes to primære UL-standarder. Begge standarder gælder for kabler, der er 18 AWG og større. De to standarder er:

UL 1277, Electrical Power & Control Tray Cables (bakkekabler til el-forsying og -styring), dækker flere typer af TC'er, der er klassificeret til 600 V.

• Basale TC-kabler er den mest almindelige type og bruges som VFD-kabler, hvor der kræves flammehæmmende egenskaber.
• TC-ER (exposed run - eksponeret kabelføring) bakkekabler skal opfylde strengere krav til slag og stød end standard TC-kabler. De kan føres frit mellem kabelbakkerne i en gennemsnitlig afstand på 1,8 m (6 fod).
• THHN/PVC er en omkostningseffektiv form for TC-konstruktion med en termoplastisk kappe. Den er velegnet til direkte nedgravning og til at blive ført i kabelrør.

UL 2277, Flexible Motor Supply Cable & Wind Turbine Tray Cable (fleksibelt bakkekabel til motorforsyning og vindturbine), dækker to TC-typer, der er klassificeret til 1.000 V.

• Fleksibelt motorforsyningskabel (Flexible Motor Supply Cable/FMSC) er primært designet som et strømkabel til VFD-motorer.
• Bakkekabel til vindmøller (Wind Turbine Tray Cable/WTTC) kan modstå ekstreme, barske forhold i vindturbineanvendelser som olie, slid, ekstreme temperaturer, vand, konstant bevægelse og så videre.

NEC og NFPA

NEC 79/NFPA 79 2018-udgaven er ofte, men ikke altid, påkrævet i USA, afhængigt af de lokale bygningsreglementer. Standarden kræver, at VFD-kabler skal mærkes med RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW eller XHHW-W, der er defineret som følger:

• RHW, RHH og RHW-2 bruger en gummiisolering, der er egnet til høje temperaturer.
  • RHW angiver et vandafvisende kabel med en temperaturklassificering på +75 °C
  • RHH angiver et kabel med en temperaturklassificering på +75 °C, som ikke er vandafvisende
  • RHW-2 angiver et vandafvisende kabel med en temperaturklassificering på +90 °C.
• XHH, XHHW og XHHW-W bruger XLPE-isolering (tværbundet polyætylen).
  • XHH er til brug i fugtige omgivelser og klassificeret til +75 °C
  • XHHW er til brug i fugtige omgivelser og klassificeret til +75 °C
  • XHHW2 er til brug i fugtige omgivelser og klassificeret til +90 °C

XLPE-isolering er lettere og mere fleksibel end gummiisolering, hvilket gør XLPE-kabler lettere at installere, især ved lave temperaturer. Derudover giver XLPE lavere lækage sammenlignet med gummiisolering.

Kabelkonstruktion

Der er mange måder at implementere VFD-TC'er på. Varenummer CF31-25-04 fra Igus er et godt eksempel på mange af de fælles elementer; numrene i listen svarer til figur 4:

1. Yderkappe fremstillet af trykekstruderet, oliebestandig PVC-blanding yderkappe lav-vedhæftning, oliebestandig-PVC
2. Yderskærm fremstillet af meget bøjningsresistent fletning bestående af fortinnede kobbertråde
3. Inderkappe af trykekstruderet PVC med kilefyldning
4. CFRIP er en Igus-specifik afrivningsstrimmel, der er støbt ind i inderkappen for hurtigere kabelafisolering
5. Kerneisolering af tværbundet polyætylenplast (XLPE) har en tredimensionel binding i plasten; XLPE har høj mekanisk styrke og lav kapacitans
6. Leder, der varierer for kerner < 10 mm² og kerner ≥ 10 mm² baseret på DIN EN 60228-krav
7. Central trækaflastning, et materiale, der er modstandsdygtigt over for trækspænding

Figur 4: Eksempel på et VFD-kabel, der illustrerer afskærmningen og trækaflastende elementerne ud over de strømførende ledere. (Billedkilde: Igus)

Flere valgmuligheder

ÖLFLEX VFD 1XL fra LAPP er en familie af robuste olie- og UV-bestandige skærmede VFD-drevkabler til design, der kræver en mindre kabeldiameter. Den usædvanligt lille diameter på XLPE-isoleringen gør disse kabler velegnede til brug i trange installationer, hvor standardkabler kan være for store. Desuden giver den tyndere diameter øget fleksibilitet, så installationen går hurtigere. Disse TC-ER-klassificerede kabler kan installeres uden kabelrør, men deres mindre diameter og fleksibilitet gør det lettere at bruge kabelrør, når det er nødvendigt. De opfylder XHHW2-kravene til ydeevne. For eksempel tilbyder LAPP flere modeller med fire ledere (inklusive jord) plus dræn, som model-701703 med 10 AWG (5,3 mm²) ledere og model-701717 med 2 AWG (33,7 mm²) ledere.

Helukabel tilbyder flere kabler med TC-ER- og WTTC-klassificering, og de tilbyder ledere fra 2 til 18 AWG, f.eks. den fire-leder 12 AWG TC-model-63141. De har dobbelt afskærmning, der kombinerer aluminiumsfolie (100 % dækning) og fortinnet kobberfletning (ca. 85 % dækning). De bruger XLPE-isolering og har PVC-kapper, der er modstandsdygtige over for olie, kølevæsker, opløsningsmidler og rengørings-/desinfektionsmidler. Disse kabler er klassificeret til åben, ubeskyttet installation i kabelbakker og fra kabelbakken til maskinen. Desuden er de velegnede til installation i rør eller direkte nedgravning.

Højfleksible kabler

Belden tilbyder flere familier af TC'er med forskellige leder- og jordkonfigurationer, der bruger forskellige isolerings- og afskærmningsmaterialer (figur 5). Til installationer, der kræver meget fleksible TC'er, tilbyder virksomheden sine HighFlex VFD-kabler med flere fleksibilitetsvarianter og op til 10 millioner flexcyklusser. Disse TC'er har fintrådede fortinnede kobberledere, hvor nogle modeller har over 2.000 individuelle tråde og en fleksibel TPE-kappe, der gør dem bøjelige, så de er lette at håndtere under installationen. F.eks. er varenummer 29501F 0101000, med TC-ER- og WTTC-klassificering, designet til kontinuerlig bevægelse og maskinapplikationer og opfylder kravene i XHHW2 til brug i våde omgivelser ved op til +90 °C. VFD-kabler med høj fleksibilitet (HighFlex) bruges bl.a. til følgende formål:

• Kørsel af procesudstyr
• Strømforsyning til pumper
• Kørende ventilatorer
• Kørsel af materialetransportører
• Bevægelige robotarme

Figur 5: Et par af de mange leder- og jordkonfigurationer og isolerings- og afskærmningsmaterialer, der bruges i VFD-kabler. (Billedkilde: Belden)

VFD-kabler fra SAB er designet til at give optimeret EMC-ydeevne. Et design, der er velegnet til kontinuerlig bøjning, kan også fås. Disse kabler opfylder TC-ER- og WTTC-kravene, og de bruger XLPE-isolering til forbedret kapacitans med to muligheder: en med en reduceret diameter og en, der understøtter længere træk. Forskellige VFD-motorproducenter har forskellige krav til parstørrelse for kombinerede VFD-TC'er og kan kræve et kabel med eller uden en drænledning. VFD-kabler fra SAB inkluderer kabler, der opfylder de fleste anvendelseskrav som effekt med et kombinationspar til bremse- eller temperaturmåling, flere parstørrelsesalternativer, herunder 18, 16, 14 og 12 AWG og nogle designs med to par. De har dobbelt afskærmning, der kombinerer folie med fortinnet kobberfletning, og jordsymmetriske designs er et alternativ. Disse kabler har en bøjningsradius på 12 gange kabeldiameteren og er XHHW2-klassificeret til brug i våde omgivelser ved op til 90 °C. Et godt eksempel på disse kabler er modellen-35661204,, et 12 AWG-kabel med fire ledere.

Konklusion

VFD-kabler bruges i barske elektriske miljøer og skal kunne modstå høje temperaturer og eksponering til vand, olie og/eller forskellige kemikalier. At specificere disse kabler er en kompleks proces, der kræver overvejelse af forskellige isoleringsegenskaber, herunder evnen til at modstå reflekterede bølger og korona-tændingsspændinger, afskærmning, kabelforskruninger til EMC-beskyttelse og UL-, NEC- og NFPA-krav. Korrekt specificerede og installerede VFD-kabler bidrager til forenklede og billigere installationer, forbedret motordrift, færre kulstofemissioner og bedre operatørsikkerhed.