Kable zasilające VFD (przemiennik częstotliwości). Producenci

Dlaczego standardowe kable zasilające zawodzą w zastosowaniach VFD

Kable napędu o zmiennej częstotliwości (VFD). działają w środowisku wrogim pod względem elektrycznym, do przetrwania którego konwencjonalne kable zasilające nie są zaprojektowane. Kiedy przetwornica częstotliwości przekształca moc prądu przemiennego o stałej częstotliwości na moc wyjściową o zmiennej częstotliwości, robi to poprzez szybkie przełączanie tranzystorów IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką) przy częstotliwościach nośnych, zwykle w zakresie od 2 kHz do 16 kHz. Każde zdarzenie przełączające generuje impulsy napięcia o stromym czole z czasem narastania tak krótkim jak 0,1 do 1 mikrosekundy i napięciami szczytowymi, które mogą osiągnąć 2–3 razy więcej niż nominalne napięcie szyny DC z powodu niedopasowania impedancji kabla i zjawiska fali odbitej. Standardowy kabel zasilający w izolacji XLPE lub PVC poddawany powtarzalnym naprężeniom o wysokim napięciu dV/dt będzie podlegał przyspieszonym wyładowaniom niezupełnym w izolacji, prowadzącym do przedwczesnego przebicia dielektryka – często w ciągu kilku miesięcy, a nie oczekiwanych dekad żywotności. Kabel zasilający przemiennik częstotliwości o napięciu znamionowym 6 kV i niższym zostały specjalnie zaprojektowane ze wzmocnionymi systemami izolacji, symetrycznymi układami przewodów uziemiających i konstrukcją o niskiej pojemności, aby wytrzymać te naprężenia elektryczne przez cały znamionowy okres użytkowania.

Napięcie fali odbitej i wpływ długości kabla na problem

Jednym z najbardziej niedocenianych zagrożeń w instalacjach VFD jest efekt fali odbitej, który staje się coraz bardziej dotkliwy w miarę wydłużania się kabla pomiędzy przemiennikiem częstotliwości a silnikiem. Kiedy szybko rosnący impuls napięcia przemieszcza się wzdłuż kabla i napotyka zaciski silnika — które charakteryzują się wysoką impedancją w porównaniu z impedancją udarową kabla — część impulsu odbija się z powrotem w kierunku przemiennika. Nałożenie fal padających i odbitych może spowodować powstanie napięć szczytowych na zaciskach silnika znacznie powyżej napięcia wyjściowego przemiennika. W przypadku systemu napędowego 460 V napięcia na zaciskach przekraczające 1200 V nie są rzadkością w przypadku długich tras kablowych. Krytyczna długość kabla, przy której efekt ten staje się szkodliwy, zależy od czasu narastania przełączania przemiennika częstotliwości i prędkości propagacji kabla. Ogólnie rzecz biorąc, trasy kablowe przekraczające 50–100 metrów w przypadku napędów szybko przełączających (czasy narastania poniżej 0,5 µs) należy traktować jako obarczone wysokim ryzykiem bez środków łagodzących. Rozwiązania obejmują instalację dławików wyjściowych lub filtrów dV/dt w przemienniku, użycie kabli o wyższej impedancji udarowej lub wybór kabli zasilających przemiennika częstotliwości z przewodami uziemiającymi ułożonymi symetrycznie, aby zmniejszyć charakterystyczne niedopasowanie impedancji kabla do silnika.

Symetryczny układ przewodu uziemiającego: rdzeń konstrukcyjny konstrukcji kabla VFD

Cechą konstrukcyjną specjalnie zaprojektowanego kabla napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) – w przeciwieństwie do kabla korytkowego o zmienionym przeznaczeniu lub standardowego zasilacza silnikowego – jest symetryczne rozmieszczenie jego przewodów uziemiających. Zamiast pojedynczego przewodu uziemiającego przesuniętego w jedną stronę, prawdziwy kabel VFD zawiera trzy symetrycznie rozmieszczone przewody uziemiające (lub osłonę z taśmy miedzianej o pełnym pokryciu i trzy przewody uziemiające) otaczające przewody trójfazowe. Geometria ta spełnia dwie krytyczne funkcje. Po pierwsze, zapewnia ścieżkę powrotną o niskiej impedancji i wysokiej częstotliwości dla prądów w trybie wspólnym generowanych przez działanie przełączające przemiennika częstotliwości, zamykając je w kablu, zamiast pozwalać im przepływać przez ramę silnika, łożyska i połączone konstrukcje mechaniczne. Po drugie, symetria zapewnia, że ​​sprzężenie pojemnościowe każdego przewodu fazowego z całym ekranem jest równe, co zmniejsza prąd wspólny wprowadzany do systemu uziemienia. W Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd. nasze konstrukcje kabli VFD są opracowywane w oparciu o tę symetryczną architekturę, co stanowi niepodlegający negocjacjom wymóg projektowy, zatwierdzony przez nasze wewnętrzne laboratorium wyposażone w sprzęt do pomiaru impedancji wysokiej częstotliwości.

Wartości znamionowe napięcia izolacji i wydajność wyładowań częściowych przy napięciu 6 kV i niższym

W przypadku kabli zasilających napęd o zmiennej częstotliwości o napięciu znamionowym 6 kV i niższym, system izolacji należy oceniać nie tylko przy częstotliwości sieciowej (50/60 Hz), ale w warunkach impulsu faktycznie generowanego przez przetwornicę częstotliwości. Normy IEC 60034-17 i IEC 60034-25 dotyczą izolacji uzwojeń silnika zasilanego z falownika, a ich wymagania są bezpośrednio uwzględniane w specyfikacji izolacji kabla. Kluczowym miernikiem jest napięcie początkowe wyładowania niezupełnego (PD), czyli napięcie, przy którym rozpoczyna się samopodtrzymująca jonizacja w pustych przestrzeniach lub zanieczyszczeniach w izolacji. W przypadku kabli VFD średniego napięcia klasy 6 kV izolacją jest zazwyczaj usieciowany polietylen (XLPE) o grubości ścianki zaprojektowanej tak, aby utrzymać robocze naprężenie elektryczne znacznie poniżej progu inicjacji wyładowań niezupełnych, nawet w warunkach impulsu. Testowanie typu zgodnie z IEC 60502-2 dla kabli 6 kV obejmuje wytrzymywanie napięcia prądu przemiennego przy 3,5 × U0 przez 5 minut i pomiar wyładowań niezupełnych przy 1,73 × U0, ale odpowiedzialni producenci dodatkowo wykonują testy napięcia impulsowego, które symulują szybko narastające impulsy z przełączania VFD – test nie zawsze wymagany przez normę podstawową, ale niezbędny do potwierdzenia niezawodności w rzeczywistych zastosowaniach napędowych.

Zgodność dławików w trybie wspólnym i jej konsekwencje dla pojemności kabla

Wiele instalacji VFD zawiera dławiki sygnału wspólnego (zwane także dławikami sygnału wspólnego) na wyjściu przemiennika w celu tłumienia zakłóceń o wysokiej częstotliwości w trybie wspólnym, zanim dostaną się one do kabla silnika. Skuteczność dławika sygnału wspólnego jest bezpośrednio powiązana z pojemnością międzyfazową kabla: kabel o dużej pojemności rozproszonej częściowo ominie dławik przy wysokich częstotliwościach, zmniejszając jego skuteczność tłumienia. Stwarza to napięcie konstrukcyjne — ekran kabla jest niezbędny do zapewnienia zgodności z kompatybilnością elektromagnetyczną i ograniczenia prądu łożyskowego, ale ekran z grubej taśmy miedzianej zwiększa pojemność międzyfazową, co pogarsza wydajność dławika. Kable do napędu o zmiennej częstotliwości zaprojektowane pod kątem zgodności z filtrowaniem w trybie wspólnym zwykle wykorzystują pleciony ekran lub trzy dyskretne symetryczne przewody uziemiające zamiast taśmy o pełnym pokryciu, co pozwala uzyskać odpowiednią skuteczność ekranowania przy jednoczesnym utrzymaniu rozproszonej pojemności do uziemienia w zakresie 100–300 pF/m. Przy określaniu kabla VFD do instalacji zawierającej sprzęt filtrujący w trybie wspólnym, opublikowane przez producenta kabla dane dotyczące pojemności na jednostkę długości należy porównać z zalecanymi przez producenta dławika limitami pojemności kabla, aby zapewnić działanie systemu zgodnie z projektem.

Mechanizmy prądowe łożysk i rola praktyki uziemiania ekranu kabla

Przedwczesna awaria łożysk silnika w układach napędzanych przetwornicą częstotliwości jest dobrze udokumentowanym problemem, a układ ekranowania i uziemienia kabla napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) jest główną zmienną wpływającą na to, czy prądy łożysk powodują uszkodzenie. Istnieją trzy różne mechanizmy prądu łożyskowego, każdy z różnymi wymaganiami łagodzącymi:

• Pojemnościowe prądy wyładowcze (prądy EDM): Spowodowane narastaniem napięcia wspólnego na wale wirnika w wyniku pojemności rozproszonej i wyładowaniem przez film olejowy w łożysku. Ograniczane przez szczotki uziemiające wał o niskiej impedancji i ekrany kabli połączone na obu końcach.
• Prądy krążeniowe wysokiej częstotliwości: Indukowana w większych silnikach (zwykle o rozmiarze ramy powyżej 100 kW) przez strumień wspólny w ramie silnika. Wymagaj izolowanych łożysk po stronie innej niż napędowa oprócz odpowiedniego ekranowania kabla.
• Prądy doziemne trybu wspólnego: Przepływ przez ramę silnika do uziemienia poprzez ścieżkę o najniższej dostępnej impedancji. Zakończenie ekranu o niskiej impedancji 360° po obu stronach napędu i silnika — osiągnięte dzięki odpowiednim dławikom kablowym EMC, a nie połączeniom pigtailowym — jest niezbędne, aby utrzymać te prądy ograniczone do ekranu kabla, a nie do konstrukcji silnika.

Sposób zakończenia ekranu kabla ma znaczenie tak samo, jak pokrycie i przewodność ekranu. Połączenie uziemiające typu pigtail, w którym ekran jest odchylony i skręcony w drut, wprowadza znaczną indukcyjność przy wysokich częstotliwościach, skutecznie negując skuteczność ekranu powyżej kilkuset kiloherców. Dławiki kablowe EMC, które stykają się obwodowo z oplotem lub taśmą ekranującą, są właściwą metodą zakończenia w instalacjach kablowych VFD, gdzie priorytetem jest ograniczenie prądu łożyskowego.

Porównanie typów konstrukcji kabli VFD według przydatności zastosowania

Nie wszystkie kable przemiennika częstotliwości są zbudowane identycznie, a właściwa konstrukcja zależy od konkretnych parametrów aplikacji, w tym klasy napięcia, długości kabla, środowiska instalacji i wymagań EMC. Poniższa tabela przedstawia podstawowe typy konstrukcji i ich odpowiednie przypadki użycia:

Obniżenie parametrów termicznych w kablach zasilanych przez VFD: dlaczego standardowe tabele natężenia prądu nie mają bezpośredniego zastosowania

Standardowe tabele obciążalności kabli, opublikowane w IEC 60364-5-52 lub NEC 310, są obliczane dla prądu sinusoidalnego przy 50 lub 60 Hz. Prąd wyjściowy przemiennika częstotliwości zawiera znaczną zawartość harmonicznych — w szczególności harmonicznych nieparzystego rzędu (5., 7., 11., 13.) oraz tętnienie przełączania o wysokiej częstotliwości — co zwiększa prąd RMS kabla dla prądu obciążenia o tej samej częstotliwości podstawowej i generuje dodatkowe straty w wyniku efektu naskórkowości i efektu bliskości. Przy częstotliwościach nośnych VFD wynoszących 4–8 kHz głębokość naskórka w przewodzie miedzianym wynosi zaledwie 0,7–1,0 mm, co oznacza, że ​​w przewodach o większym przekroju poprzecznym (50 mm² i więcej) tylko zewnętrzny obszar pierścieniowy przewodu skutecznie przewodzi prąd o wysokiej częstotliwości. Ten wzrost rezystancji prądu przemiennego przy wysokich częstotliwościach może zwiększyć efektywne straty przewodnika o 5–20% w porównaniu z pracą przy zasilaniu prądem stałym lub częstotliwością sieciową, co wymaga odpowiedniego obniżenia wartości znamionowych ciągłej obciążalności prądowej kabla. W przypadku kabli zasilających przetwornicę częstotliwości o napięciu znamionowym 6 kV i niższym, pracujących w górnej granicy prądu znamionowego, sprawdzenie krzywych obniżania wartości harmonicznych producenta kabla — zamiast stosowania standardowych tabel instalacyjnych — jest technicznie poprawnym podejściem do zapewnienia działania kabla w granicach jego konstrukcji termicznej.

Wymagania zgodności EMC dla instalacji VFD i rola kabla w ich spełnieniu

W instalacjach przemysłowych i komercyjnych systemy VFD podlegają przepisom dotyczącym kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), które ograniczają emisję przewodzoną i wypromieniowaną, którą system napędowy może wprowadzać do sieci energetycznej i otaczającego środowiska. W Europie norma IEC 61800-3 definiuje obowiązujące limity emisji i odporności dla układów napędowych o zmiennej prędkości, z różnymi kategoriami w zależności od tego, czy instalacja znajduje się w środowisku pierwszym (publiczna sieć niskiego napięcia), czy drugim środowisku (przemysłowym). Kabel napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) pomiędzy wyjściem przemiennika a silnikiem jest krytycznym elementem zapewniającym zgodność, ponieważ jest głównym przewodnikiem prądów wspólnych o wysokiej częstotliwości, które w przeciwnym razie promieniowałyby lub przewodziły z powrotem do zasilania. Odpowiednio ekranowany kabel VFD z końcówkami ekranującymi 360° na obu końcach, w połączeniu z obudową przetwornicy spełniającą wymogi EMC i filtrem wejściowym, może zmniejszyć emisję przewodzoną o 20–40 dB w porównaniu z instalacją kabla nieekranowanego. Raporty z testów EMC innych firm dotyczące kompletnego układu napęd-kabel-silnik stanowią najbardziej wiarygodną podstawę przewidywania zgodności, ponieważ symulowane lub obliczone wyniki często nie doceniają wpływu poprowadzenia kabli i jakości zakończeń. Dzięki certyfikatowi ISO 9001 i naszemu wszechstronnemu wewnętrznemu laboratorium testowemu firma Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd. dostarcza dane z testów skuteczności ekranowania dla naszej gamy kabli VFD w celu wsparcia dokumentacji EMC na poziomie systemu.

Praktyki instalacyjne określające, czy kabel VFD działa zgodnie ze specyfikacją

Nawet prawidłowo dobrany kabel zasilający przemiennika częstotliwości będzie działał gorzej, jeśli praktyki instalacyjne naruszą jego założenia projektowe. Kilka czynników związanych z instalacją terenową ma ogromny wpływ na wydajność systemu kablowego VFD:

• Oddzielenie od przewodów sygnałowych i sterujących: Kable wyjściowe VFD należy poprowadzić w dedykowanych kanałach kablowych lub korytkach kablowych, fizycznie odseparowanych od kabli sygnałowych niskiego napięcia o co najmniej 200–300 mm. Jeżeli skrzyżowania są nieuniknione, należy je wykonać pod kątem 90°, aby zminimalizować sprzężenie pojemnościowe.
• Minimalizowanie długości kabla: Każdy zbędny metr kabla między przemiennikiem a silnikiem zwiększa amplitudę fali odbitej na zaciskach silnika i całkowitą wielkość prądu w trybie wspólnym. Rozmieszczenie napędów powinno zostać zoptymalizowane na etapie projektowania, aby zminimalizować przebiegi kabli, szczególnie w przypadku systemów VFD średniego napięcia 6 kV, gdzie zarówno koszt kabli, jak i konsekwencje przepięć związanych z falą odbitą są znacznie wyższe.
• Ciągłość ekranu przez skrzynki przyłączeniowe: Jeśli w połowie trasy nie da się uniknąć skrzynki przyłączeniowej, ekran kabla musi być przez nią kontynuowany za pomocą klejonego połączenia 360°, a nie przerywany i ponownie podłączany za pomocą listwy zaciskowej. Jakakolwiek przerwa w ciągłości ekranu tworzy punkt o wysokiej impedancji dla prądów o wysokiej częstotliwości, które będą promieniować z punktu przerwania.
• Zgodność promienia gięcia: Kable VFD z grubym ekranowaniem i pancerzem mają określone minimalne promienie zginania, które, jeśli zostaną naruszone podczas instalacji, mogą uszkodzić ciągłość ekranu lub utworzyć lokalne punkty naprężeń izolacji. W przypadku ekranowanych i opancerzonych kabli VFD 6 kV typowy jest minimalny promień zgięcia wynoszący 12–15-krotność całkowitej średnicy kabla; należy to potwierdzić w karcie katalogowej producenta przed instalacją w ograniczonych przestrzeniach lub w korytkach kablowych z ciasnymi zakrętami.
• Uziemienie na obu końcach a uziemienie jednopunktowe: Kable VFD powinny być uziemione zarówno na obudowie przemiennika częstotliwości, jak i na ramie silnika — w przeciwieństwie do kabli sygnałowych, które często są uziemiane tylko na jednym końcu, aby uniknąć pętli uziemienia. Prądy wspólne o wysokiej częstotliwości, które musi przenosić ekran, wymagają ścieżki powrotnej na obu końcach; uziemienie jednostronne pozostawia ekran skuteczny tylko w przypadku ekranowania elektrostatycznego o niskiej częstotliwości, a nie w przypadku zarządzania szumami HF, którego wymagają aplikacje VFD.

Jako krajowe przedsiębiorstwo high-tech posiadające certyfikaty OHSAS 18001 i ISO 14001, firma Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd. wspiera klientów nie tylko w zakresie zgodnych z przepisami produktów kablowych z napędem o zmiennej częstotliwości, ale także udziela wskazówek dotyczących inżynierii zastosowań, aby zapewnić, że praktyki instalacyjne zachowują wydajność, do zapewniania których zaprojektowano nasze kable.