Hvilke supportprodukter skal der til for at maksimere effekten af at bruge VFD'er og VSD'er? - Del 1

Del 1 af denne artikelserie ser på, hvad man skal overveje, når man vælger motortilslutningskabler, udgangsreaktorer, bremsemodstande, ledningsreaktorer og ledningsfiltre. Del 2 fortsætter med at se på forskellene mellem VSD'er/VFD'er og servodrev, gennemgår anvendelser af roterende og lineære servomotorer med AC og DC, overvejer, hvor bløde start-stop-enheder passer ind i industriel drift, og ser på, hvordan DC-omformere bruges til at drive periferiudstyr som sensorer, menneske-maskine-grænseflader (HMI'er) og sikkerhedsanordninger.

Det er nødvendigt at bruge frekvensomformere og drev med variabel hastighed (VSD’er/VFD’er) for at maksimere industriens effektivitet og bæredygtighed, men det er ikke nok. For at få maksimalt udbytte af VSD'er/VFD'er er der brug for ekstra komponenter som højtydende kabler, bremsemodstande, linjefiltre, linjereaktorer, udgangsreaktorer og meget mere.

Kabling er allestedsnærværende og kritisk. Et dårligt specificeret kabel, der forbinder VSD/VFD'en med motoren, kan forringe systemets ydeevne betydeligt. Andre elementer som bremsemodstande, filtre og reaktorer varierer fra installation til installation og kan være meget vigtige for en vellykket implementering.

Nogle systemer arbejder f.eks. i områder, hvor det er nødvendigt at kontrollere elektromagnetisk interferens (EMI) og kan drage fordel af at bruge linjefiltre, der opfylder EN 61800-3 kategori C2. Anvendelser, hvor der er behov for hurtig deceleration, kræver bremsemodstande. Linjereaktorer kan forbedre effektfaktoren og øge effektiviteten, og udgangsreaktorer kan gøre det muligt at bruge længere kabler.

Denne artikel begynder med et kig på nogle overvejelser i forbindelse med valg af motortilslutningskabler og præsenterer typiske kabelmuligheder fra LAPP og Belden. Derefter gennemgås faktorer, der påvirker valget af udgangsreaktorer, bremsemodstande, linjereaktorer og linjefiltre, herunder repræsentative enheder fra ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic og Siemens.

Motorkabler fås i forskellige konfigurationer for at opfylde specifikke anvendelseskrav. De har typisk tre hovedledere, som ofte er isoleret med tværbundet polyethylen (XLPE). Nogle har uisolerede jordledninger. Der kan være forskellige signalkabler og mange valgmuligheder for flettet og folie-afskærmning. Hele enheden er indkapslet i en miljømæssigt robust ydre kappe (figur 1).

Figur 1: VFD-motorkabler findes i en lang række konfigurationer. (Billedkilde: Belden)

Selv basiskabler som Belden Basics varenummer 29521C 0105000 er komplekse samlinger af ledere, afskærmning og isolering. Disse kabler har tre 14 AWG (American Wire Gauge) (7x22 tråde) kobberledere dækket med XLPE-isolering og tre 18 AWG (7x26 tråde) uisolerede kobberjordledninger. Disse seks ledninger er omgivet af dobbelte spiralformede båndskærme, der giver 100 % dækning, og hele kabelsamlingen er indkapslet i en kappe af polyvinylklorid (PVC) for at beskytte miljøet.

Belden Basic-kabler er velegnede til brug på farlige steder i klasse 1 division 2 som defineret i National Electrical Code (NEC). Klasse 1 henviser til anlæg til håndtering af brandfarlige gasser, dampe og væsker. Division 2 specificerer, at disse brandfarlige materialer normalt ikke er til stede i koncentrationer, der er høje nok til at være antændelige.

Nogle kabelserier, som LAPP's ÖLFLEX VFD 1XL, fås både med og uden signalledere. Applikationer, der har gavn af signalkabler, kan bruge LAPP's 701710-kabel. Den indeholder tre strømledere, en jordleder og et par signalledninger. Strømlederne er 16 AWG (26x30) med XLPE (plus)-isolering. Signalparret er individuelt folieafskærmet.

Hele samlingen er afskærmet med barrieretape, trelags folietape (100 % dækning) og fortinnet kobberfletning (85 % dækning). Den ydre kappe er en specielt formuleret termoplastisk elastomer (TPE), der er modstandsdygtig over for desinfektionsopløsninger og typisk bruges i fødevare-, drikkevare- og kemikalieindustrien samt beslægtede industrier.

Ud over pålidelig og effektiv håndtering af strøm og signaler skal VFD-kabler kunne håndtere høje spændingsspidser og støjniveauer for elektromagnetisk interferens (EMI) som følge af frekvensomformerens højfrekvente drift. Selvom VFD-kabler er designet til at indeholde og håndtere højspændingsspidser og EMI, har de deres begrænsninger (figur 2). Det er her, belastningsreaktorer reducerer højspændingsspidser og EMI.

Figur 2: Ukontrollerede højspændingsspidser kan gennembore isoleringen og resultere i kabelfejl. (Billedkilde: LAPP)

For en mere detaljeret diskussion af valg af VFD-kabler, se ”Specificering og brug af VFD-kabler for at forbedre pålidelighed og sikkerhed og reducere CO2-emissioner".

Belastningsreaktorer

Belastningsreaktorer, også kaldet udgangsreaktorer, tilsluttes tæt på drevets udgang for at reducere virkningen af højspændingsspidser og EMI, og de beskytter ledningsisolering i både kabel og motor. VSD'er/VFD'er producerer et højfrekvent output (normalt mellem 16 og 20 kHz). Den højfrekvente omskiftning resulterer i spændingsstigningstider på nogle få mikrosekunder, hvilket forårsager høje spændingsspidser, der kan overstige motorens maksimale spænding, hvilket resulterer i isolationsnedbrud.

Afhængigt af den anvendte motortype anbefales belastningsreaktorer ofte, hvis VFD-kabellængden overstiger 30 m (100 ft). Der er undtagelser; hvis motoren f.eks. opfylder NEMA MG-1 Part 31-standarden, kan det være muligt at have et 90 m langt kabel (300 ft) uden at bruge en belastningsreaktor.

Uanset motortype anbefales en belastningsreaktor generelt, hvis kabellængden overstiger 90 m. Hvis afstanden overstiger 150 m, anbefales normalt et specialdesignet filter. I EMI-følsomme miljøer er det normalt god praksis at bruge en belastningsreaktor til alle applikationer.

Belastningsreaktorer er ofte designet til brug med specifikke drevmodeller. For eksempel er Omrons model 3G3AX-RAO04600110-DE belastningsreaktor normeret til 11 A og 4,6 mH og designet til brug med 400 V trefasede 5,5 kW motorer, der drives af virksomhedens 3G3MX2-A4040-V1 VFD.

Bremsemodstande og termisk overbelastning

Ud over en belastningsreaktor kan en bremsemodstand og en termisk overbelastningsafbryder være vigtige tilføjelser til udgangssiden af en VSD/VFD. Bremsemodstande muliggør maksimalt forbigående bremsemoment ved at absorbere bremseenergien. De fleste bremsemodstande bortleder energien, mens nogle bruges som en del af et regenerativt bremsesystem, der opsamler og genbruger energien.

Afledende bremsemodstande er klassificeret til specifikke anvendelser. Schneider Electric VW3A7755 8 Ω bremsemodstand kan aflede op til 25 kW, mens Delta Electronics BR300W100 100 Ω bremsemodstand er beregnet til 300 W.

Anvendelser af bremsemodstand defineres ved hjælp af en procentdel af energitabet (ED%). Den definerede ED% sikrer, at modstanden effektivt kan aflede den varme, der genereres under opbremsning. ED% er defineret i forhold til peak afledning, bremseintervallet (T1) og den samlede cyklustid (T0) i figur 3.

Figur 3: Definition af procentvis energiafledning (ED%). (Billedkilde: Delta Electronics)

Afhængigt af hvor kraftig bremsningen er, specificeres ED% for at sikre tilstrækkelig tid til, at bremseenheden og bremsemodstanden kan aflede den varme, der genereres ved bremsningen. Hvis bremsemodstanden opvarmes på grund af utilstrækkelig varmeafledning, øges dens modstand, hvilket reducerer strømgennemgangen og det absorberede bremsemoment.

Bremsemodstande kan defineres ved forskellige spredningscyklusser som f.eks:

• Let bremsning, hvor bremseeffekten er begrænset til 1,5 gange det nominelle drejningsmoment (Tn) i 0,8 sek. hvert 40. sek. Bruges med maskiner med begrænset inerti, som f.eks. sprøjtestøbemaskiner
• Medium bremsning, hvor bremsekraften er begrænset til 1,35 Tn i 4 s hvert 40. s. Bruges med maskiner med høj inerti, som f.eks. svinghjulspresser og industrielle centrifuger
• Kraftig opbremsning, hvor bremsekraften er begrænset til 1,65 Tn i 6 s og Tn i 54 s hvert 120. s. Bruges med maskiner med meget høj inerti, ofte ledsaget af lodret bevægelse, som taljer og kraner.

Ud over en bremsemodstand indeholder de fleste systemer en termisk overbelastningsenhed, der er forbundet med bremsemodstanden som en sikkerhedsforanstaltning, som f.eks. det termiske overbelastningsrelæ ABB Control TF65-33. Den termiske overbelastningsenhed beskytter modstanden og drivsystemet mod for hyppige eller for kraftige opbremsninger. Når der registreres en termisk overbelastning, slukkes drevet. Hvis du kun slår bremsefunktionen fra, kan det resultere i alvorlige skader på drevet.

Beskyttelse af drevets indgang

Linjereaktorer og filtre på frekvensomformerens indgang begrænser henholdsvis lavfrekvente overtoner og højfrekvent EMI (figur 4). Linjereaktorer hjælper med at reducere harmonisk forvrængning af AC-indgangseffekten forårsaget af drevets kredsløb. De kan være særligt nyttige i applikationer, der skal opfylde kravene i IEEE-519, "Harmonic Control in Power Systems". Linjereaktorer udjævner også forstyrrelser på elnettet som overspændinger, spidser og transienter, hvilket øger driftssikkerheden og forhindrer nedlukninger på grund af overspænding.

Figur 4: Linjefiltre begrænser højfrekvent EMC, mens linjereaktorer begrænser lavfrekvente overtoner. (Billedkilde: Siemens)

Eksempler på linjereaktorer er DV0P228 2 mH-induktoren med en nominel effekt på 8 A, som er en del af Minas-familien af trefasede drev og tilbehør fra Panasonic, og Siemens' 6SL32030CE132AA0 2,5 mH-induktor med en nominel effekt på drev op til 1,1 kW, som trækker op til 4 A indgangsstrøm og arbejder med 3-faset 380 V_AC -10 % til 480 V_AC +10 % effekt.

Linjefiltre

Linjefiltre er nødvendige for at understøtte elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og give EMI-beskyttelse i de fleste applikationer. Afhængigt af det specifikke miljø anvendes to klassifikationer af EMI-filtre, klasse A og klasse B, i henholdsvis industrielle og kommercielle miljøer (bygninger). Klasse B kræver et højere filtreringsniveau end klasse A, fordi kommercielle miljøer (kontorer, administration osv.) generelt indeholder elektroniske systemer, der er mere følsomme over for EMI.

De relevante EMC-standarder omfatter EN 55011, som beskriver emissionsbegrænsninger for industrielt, videnskabeligt og medicinsk udstyr, og IEC/EN 61800-3, som specifikt vedrører drev med justerbar hastighed.

VFD'er/VSD'er fås både med og uden integrerede linjefiltre. Hvis de har et filter, kan det være klasse A eller klasse B. Afhængigt af miljøet og installationsfaktorer som kabellængder kan selv et drev med et integreret filter kræve yderligere filtrering. Et drev, der er klassificeret til drift i klasse A-miljøer, kan også bruges i klasse B-miljøer med tilføjelse af et valgfrit filter.

IEC/EN 61800-3 definerer EMC-krav baseret på miljøer og kategorier. Boliger defineres som det første miljø, og industrianlæg, der er tilsluttet mellemspændingsnettet via deres transformere, er det andet miljø.

De fire kategorier, der er defineret i EN 61800-3, omfatter:

• C1 til drevsystemer til mærkespændinger < 1000 V til ubegrænset brug i det første miljø
• C2 til stationære drivsystemer til mærkespændinger < 1000 V til brug i det andet miljø og mulig brug i det første miljø
• C3 til drevsystemer til mærkespændinger < 1000 V til eksklusiv brug i det andet miljø
• C4 særlige krav til drevsystemer til mærkespændinger ≥ 1000 V og mærkestrømme ≥ 400 A i det andet miljø

Generiske linjefiltre er tilgængelige, men ligesom linjereaktorer er linjefiltre ofte designet til brug med specifikke drevfamilier. For eksempel er linjefilteret VW3A4708 fra Schneider Electric beregnet til 200 A (figur 5). Den er designet til virksomhedens Altivar VSD'er og Lexium-servodrev. Den er beregnet til netspændinger fra 200 V_AC til 480 V_AC og har et beskyttelsesindeks på IP20. Dens EN 61800-3-klassificering afhænger af motorkablets længde:

• Kategori C1 med op til 50 m skærmet kabel
• Kategori C2 med op til 150 m skærmet kabel
• Kategori C3 med op til 300 m skærmet kabel

Figur 5: 200 A linjefilter beregnet til netspændinger fra 200 V_AC til 480 V_AC. (Billedkilde: Schneider Electric)

Konklusion

VSD'er og VFD'er er vigtige systemer til at maksimere effektiviteten af industrielle operationer og minimere udledningen af drivhusgasser. Disse drev kræver flere støttekomponenter for at sikre effektive og pålidelige installationer, der opfylder de relevante internationale standarder, herunder VFD-kabler, udgangsreaktorer, bremsemodstande, netreaktorer og netfiltre.