Håndtering av VFD og motorstøy med spesialkabel

Drivenheter med variable frekvenser (Variable frequency drives – VFD) driver nettopp ulike typer elektriske motorer i automatiserte maskiner. I hovedsak elektrisk-elektroniske strømtilførende komponenter, former disse VFD-ene spenningen til motorviklinger for å anspore til stram kontroll over motorhastighet og (i vektorkontroll-tilpasninger) dreiemomentutgang. Problemet er at det kan være ukontrollerte strømmer og andre elektriske fenomener forbundet med denne formede strømforsyningen ... og overlates til dem uten reduksjon, kan disse fenomenene vise seg å være skadelige for de fleste automatiseringskomponentene og systemene i VFDs nærhet.

Figur 1: VFD-er, i likhet med 3G3MX2-A2015-V1, er uunnværlige for et bredt utvalg av prosessintegrerte og diskrete automatiseringsutrustninger – som gir stram kontroll, sikkerhet og toppeffektivitet for elektriske motordrevne akser. Ett forbehold er at VFD-drift naturlig genererer EMI som kan (hvis den ikke blir håndtert riktig) forringe kommunikasjonen til nærliggende kontroller og tilbakemeldinger; skade tilstøtende mekaniske komponenter; og anspore til forskjellige plageturer sammen med annen suboptimal systematferd. (Bildekilde: Omron Automation and Safety)

Vurder hvordan VFD-er fungerer for å få innsikt i hvorfor de kan ha suboptimale utforminger og forårsake problemer i selve motorene de kjører, så vel som annet utstyr i nærheten. Kort sagt, VFD:

• Godta som inngang sinusstrømmen til vekselstrømmen og deretter
• Rett opp (konverter) linjestrøm til likestrøm
• Bruk bipolare transistorer (IGBT-er) til å invertere (bytte tilbake til ac) DC-strømmen – nærmere bestemt: til nøyaktig modulerte pulstog

I utgangspunktet slår driveren spenningen av og på for hakket strøm som ber motoren slå seg på som om den mottar jevnt modulert sinusbølge av strøm. Under denne formen for kjøring – kalt pulsbreddemodulering eller PWM - avhenger utgangshastigheten til syvende og sist av frekvensen til de aktuelle pulsene.

VFD som utførte denne prosessen via silisiumkontrollerte likerettere (SCR – silicon-controlled rectifiers) eller bipolare krysstransistorer (BJT) var langsommere brytere enn dagens IGBT-baserte VFD. Det er den høyere frekvensen av IGBT-brytere som tillater rask og presis motorstyring ... men det er også det som kan forårsake problemer i form av både ledet og utstrålt elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI).

VFD-støyeffekter på motoren, styringene og selve drivverket

EMI-problemer oppstår fordi selv når stasjonen driver en motor til å kjøre ved lav hastighet, betyr måten hvorpå hver elektrisk puls er en kvadratisk bølge med buss-spenningsamplitude at effekten som sendes til motoren inkluderer ganske dramatiske dV/dt-spenningsstigningstider — uttrykt i μsek eller brøkdeler av μsek.

Bare vurder et slikt spørsmål – reflekterte spenningsbølger. Ved oppstart oppfører elektromotorens statorlindninger seg som en induktor som gradvis bygger et magnetfelt og deretter passerer strømmen. Kabelmatingen av elektrisk kraft fra VFD-en til motoren ser en impedansuoverensstemmelse ved motorknutepunktet. Her fører de nevnte overskridelsene til at reflekterende bølger spretter noen av spenningsbølgeformens ledende kanter tilbake inn i kabelen (mot drivelektronikken) ved kabelens høyimpedansforbindelse med motoren.

Reflekterte spenningsbølger oppstår fra spenningsoverskridelser forårsaket av den dramatiske dV/dt av PWM.

En faktor som kan forverre dette fenomenet er overdrevent (eller i noen tilfeller uunngåelig) lange kabelløp fra drivenhet til motor. Lange kabler har høy induktans og gir flere muligheter for spenningstopper (transienter) sammen med sammensetning av reflekterte bølger enn kortere kabler. Sammensatte bølger er spesielt skadelige, ettersom disse bølgene (som har gått i fase) effektivt danner nye bølger som har summen av originalenes spenning og strøm.

Figur 2: Den kvadratiske bølgeformen til VFD-elektriske pulser ved buss-spenningsamplitude forårsaker dramatiske dV/dt-spenningsstigningstider som (hvis den ikke blir håndtert riktig) igjen kan skape ulike elektromagnetiske problemer. (Bildekilde: Design World)

Merk deg at motorer (akkurat som VFD-er) også kan lide skade fra reflekterte bølger og spenningstopper. Derfor inkluderer mange av dagens automatiserte installasjoner vekselretter-motorer. Disse motorene har statorlindninger med høyytelsesisolasjon og andre elementer for å øke den totale termiske kapasiteten og (i de fleste tilfeller) elastisiteten når de utsettes for spenningstopper (transienter). Vurderingene er organisert etter overspenningsstørrelse og varighet — med høyere vurderinger for design som involverer lengre (mindre plutselige) stigningstider. Selvfølgelig kan motorer som ikke er bygget etter spesifikasjoner for inverterdrift akseptere kjøring med en VFD. Bruken av disse mindre robuste motorene bør imidlertid generelt begrenses til automatisert utstyr med moderat utfordrende parametere. Alle slike motorer som drives av et VFD, kan også kreve et kort kabelløp samt inkludering av linjereaktorer og andre beskyttende komponenter.

Redningskabler: spesielt konstruert for VFD

I tillegg til å true VFD, kan innfasingsbølger med tilstrekkelig høy spenning skade feil utnyttet generell kabel. Mer spesifikt kan høyspentspiggene forbundet med VFD-drift belaste, varme og til og med gjennombore (stikke gjennom) kabelisolasjonen. For å unngå dette problemet inkluderer kabel spesielt konstruert for bruk med VFD:

• Tykke ledninger som er klassifisert for å føre alle forventede spenningstopper (transienter).
• Tilstrekkelig tykke grensesnitt og isolasjon av spesielt konstruert tverrbundet polyetylen eller (i noen tilfeller mindre foretrukket) polyvinylklorid
• Skjerming (kapper) og andre elementer for å spre og jorde VFD-genererte spisser og støy

Figur 3: Alpha Wires kabler for VFD-er inkluderer tverrbundet polyetylenisolasjon for elektromagnetisk koronamotstand, lav kapasitet (selv over lengre kabelløp) og god lavtemperaturytelse. (Bildekilde: Alpha Wire)

Et kvantifiserbart mål på en kabels motstand mot reflekterende bølger er dens koronaaksepsjonsspenning – ofte målt i kV. Husk fra grunnleggende fysikkinstruksjon at korona (såkalt for sin svake glødekrone) er en plutselig ionisering av luft som omgir en veldig lokal spenning. Denne ioniseringen kan (hvis den ikke forhindres med tilstrekkelig isolasjon rundt lederen) generere ozon og forskjellige salpeterforbindelser som raskt kan ødelegge feilmontert kabel. Derfor bør tykt isolert VFD-klassifisert kabel brukes – kabel som oppfyller eller overgår konstruksjonskravene angitt av VFD-leverandører og langt overgår National Electric Code (NEC) -standardene for generell termoplastisk høyvarmenylonbelagt (THHN)-ledning. Der VFD-er brukes utendørs eller på andre våte steder, kan konstruerte polyetylenisolasjoner være det mest hensiktsmessige. Se DigiKey-artikkelen Høyre kabel for en industriell utrustning for mer informasjon om andre fenomener som påvirker VFD-drevne konstruksjoner og deres kabler – inkludert innløpsstrømmer så vel som felles modusstrømmer.

Anbefalt fremgangsmåte for VFD-kabelføring

I tillegg til å holde VFD-kabelføring så kort som mulig – kortere enn 50 fot om mulig – er det også nødvendig å jorde alle deler av et motordrevet utstyr på riktig måte... inkludert kontroll- og maskinpaneler. Dette betyr å bruke en felles jordblokk eller hoved-potentiell ordning som hindrer skadelige virkninger av jordsløyfer som oppstår som følge av spenningspotensialer mellom ulike maskinpunkter til jord. Det gjelder spesielt der maskintilbakemelding er avhengig av spenningsreferanseverdier som (hvis de ikke beskyttes mot utilsiktede strømmer via jord) kan rapportere falske verdier. Dette emnet er mer detaljert i DigiKey-artikkelen Mål små signaler som rir på høye spenninger og unngå sensorjordsløyfer.

Mange konstruksjoner vil faktisk også kreve tillegg av underkomponenter som filtre, ferrittringer på kabelsiden, jordingsringer på motorakselen og skjermer for fullt ut å håndtere EMI. Typeeksempel: En enkel komplementær del som ofte er uunnværlig på VFD-installasjoner kalles en jordingsstropp. Denne flate delen består av en flettet lisse av herdet kobber med en ringterminal i hver ende. Når den er integrert i en motordrevet konstruksjon, kobler jordingsstroppene stasjonens beskyttende jordterminal (inkludert på alle VFD-er) til jord ... og drenerer høyfrekvent elektrisk støy til jord langt bedre enn rund jordledning. Dens relativt høye mengde overflateareal rommer måten vekselstrøm (spesielt ved høye frekvenser) har en tendens til å strømme på en leders overflater eller skinn – derav begrepet skinneffekt for å referere til denne atferden.

Figur 4: Denne jordstroppen med tinnbelagt kobber er korrosjonsbestandig, fleksibel og RoHS-kompatibel. Slike stropper er nyttige i jordingsdeler av VFD-installasjoner, da de imøtekommer måten høyfrekvent støy har en tendens til å bevege seg på lederoverflater. (Bildekilde: Falconer Electronics)

Et annet forbehold her: I tillegg til å beskytte mot gjennomført EMI, bør design også beskytte mot kapasitivt koblet støy overført ved høye frekvenser. Dette inkluderer støy som kan gå inn i VFD-motorkretsen gjennom elementer som jordingsstropper samt uskjermede motorkabler i metallrør ... som begge lett leder EMI og genererer jordsløyfer. Et annet område der kapasitetskoblet støy må reduseres, er mellom VFD-drevne motorviklinger og ramme til jord.

Figur 5: Her er et diagram fra en pedagogisk PDF som kan lastes ned på digikey.com som sammenligner konstruksjonen av tre VFD-tilpassede industrielle kabeldesign. (Bildekilde: Belden Inc.)

Konklusjon

VFDer finnes i overflod i prosesstypeapplikasjoner innen ventilasjon (HVAC), olje og gass og generelle pumpe-, kompressor- og kjeledrifter. VFD er også viktig i en rekke diskrete industrielle automasjonssystemer (automatisering) som bruker elektriske motorer til å kjøre bevegelige akser på transportbånd, møller, heiser og annet utstyr som kan dra nytte av effektivitetsøkninger.

En vellykket anvendelse av disse stasjonene avhenger av hensynet til deres potensielt skadelige elektriske og elektroniske virkninger på tilkoblede og tilstøtende komponenter og systemer … og bruken av VFD-er krever vanligvis inkludering av spesialiserte elektriske filtre, termineringer, jordingssystemer og VFD-spesifikke kabler.