Disse støtteproduktene må til for å maksimere virkningen av å bruke VFD-er og VSD-er – Del 1

Del 1 av denne artikkelserien ser på hvilke faktorer som bør vurderes når motortilkoblingskabler, utgangsdrossler, bremsemotstander, linjedrossler og linjefiltre skal velges. Del 2 fortsetter med å se på forskjellene mellom VSD-er/VFD-er og servodrivere, gjennomgå bruksområder for roterende og lineære AC- og DC-servomotorer, vurdere hvor enheter med mykstart/mykstopp er egnet i industrielle virksomheter, og se på hvordan DC-omformere brukes til å drive eksterne enheter som sensorer, menneske-maskin-interaksjon (MMI) og sikkerhetsenheter.

Det er nødvendig å bruke drivenheter med variabel hastighet (VSD – variable speed drive) og drivenheter med variabel frekvens (VFD – variable frequency drive) for å maksimere virkningsgraden og bærekraften i industrielle virksomheter, men dette i seg selv er ikke tilstrekkelig. For å få maksimalt utbytte av VSD-er/VFD-er, trengs flere komponenter som kabler med høy ytelse, bremsemotstander, linjefiltre, linjedrossler, utgangsdrossler, med mer.

Kabling er å finne overalt, og er svært viktig. En dårlig spesifisert kabel som kobler VSD-en/VFD-en til motoren kan forringe systemytelsen betydelig. Andre elementer som bremsemotstander, filtre og drossler varierer fra installasjon til installasjon, og kan være svært viktige for en vellykket distribusjon.

Noen systemer virker for eksempel i områder der det er nødvendig å styre elektromagnetisk interferens (EMI), og de kan dra nytte av å bruke linjefiltre som oppfyller EN 61800-3 kategori C2. Det vil være behov for bremsemotstander i utrustninger der rask retardasjon er nødvendig. Linjedrossler kan forbedre effektfaktoren (PF) og øke virkningsgraden, og utgangsdrossler kan gjøre det mulig å bruke lengre kabler.

Denne artikkelen begynner med å se på noen faktorer som må tas hensyn til når motortilkoblingskabler skal velges, og den presenterer typiske kablingsalternativer fra LAPP og Belden. Deretter gjennomgår den faktorer som påvirker valget av utgangsdrossler, bremsemotstander, linjedrossler og linjefiltre, samt representative enheter fra ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic og Siemens.

Motorkabler er tilgjengelige i forskjellige konfigurasjoner for å møte spesifikke utrustningskrav. De har vanligvis tre hovedstrømledere, ofte isolert med tverrbundet polyetylen (XLPE – cross-linked polyethylene). Noen har uisolerte jordingsledninger. Det kan være forskjellige signalledninger og flertallige flettede og foliebeskyttende valg. Hele enheten er innkapslet i en miljømessig robust ytterkappe (figur 1).

Figur 1: VFD-motorkabler kommer i et bredt utvalg av konfigurasjoner. (Bildekilde: Belden)

Selv grunnleggende kabler som Belden Basics delenummer 29521C 0105000 er komplekse moduler av ledere, skjerming og isolasjon. Disse kablene har tre kobberledere på 2,087 mm² (14 AWG) (7x22 tråder) dekket med XLPE-isolasjon, og tre uisolerte jordledninger (7x26 tråder) av kobber på 0,8012 mm² (18 AWG). Disse seks ledningene er omgitt av doble spiralformede båndskjermer (dual helical tape shields) som gir 100 % dekning, og hele kabelmodulen er innkapslet i en kappe av polyvinylklorid (PVC) for å beskytte miljøet.

Belden Basic-kabler er egnet for bruk på farlige steder klassifisert som klasse 1 avsnitt 2, som definert i National Electrical Code (NEC). Klasse 1 refererer til anlegg for håndtering av brannfarlige gasser, damper og væsker. Avsnitt 2 spesifiserer at disse brennbare materialene vanligvis ikke er til stede i konsentrasjoner som er høye nok til å være antennelige.

Noen kabelserier, for eksempel ÖLFLEX VFD 1XL fra LAPP, er tilgjengelige med og uten signalledninger. Konstruksjoner som drar nytte av å ha signalledninger kan bruke 701710-kabelen fra LAPP. Den inkluderer tre strømledere, en jordleder og et par signalledninger. Strømlederne er 1,307 mm² (16 AWG) (26x30 tråder) med XLPE (plus)-isolasjon. Signalparet er individuelt beskyttet med folie.

Hele enheten er skjermet med barrierebånd, trelags foliebånd (100 % dekning) og tinnbelagt kobberlisse (85 % dekning). Den ytre kappen er en spesialformulert termoplastisk elastomer (TPE) som er motstandsdyktig mot desinfiseringsløsninger, og brukes vanligvis i næringsmiddel-, drikkevare- og kjemikalieindustrien, samt i andre beslektede industrier.

I tillegg til pålitelig og effektiv håndtering av strøm og signaler, må VFD-kabler være i stand til å håndtere høyspenningstopper og støynivåer fra elektromagnetisk interferens (EMI) som følge av drivenhetens høyfrekvente drift. Selv om VFD-kabler er konstruert for å holde på og håndtere høyspenningstopper og EMI, har de sine begrensninger (figur 2). Det er her lastdrossler reduserer høyspenningstopper og EMI.

Figur 2: Ukontrollerte høyspenningstopper kan trenge gjennom isolasjonen og resultere i kabelfeil. (Bildekilde: LAPP)

For å få en mer detaljert gjennomgang av VFD-kabelvalg, se «Spesifisere og bruke VFD-kabler for å forbedre pålitelighet og sikkerhet og redusere karbonutslipp».

Lastdrossler

Lastdrossler, også kalt utgangsdrossler eller bare drossler, er tilkoblet nær frekvensomformerens utgang for å redusere virkningen av høyspenningstopper og EMI, og de beskytter ledningsisolasjon i både kabelen og motoren. VSD-er/VFD-er produserer en høyfrekvent (vanligvis mellom 16 og 20 kHz) utgang. Høyfrekvent switching resulterer i spenningsstigetider på noen få mikrosekunder, noe som forårsaker høyspenningstopper som kan overskride motorens klassifiserte toppspenning, som igjen resulterer i isolasjonsbrudd.

Avhengig av motortypen som brukes, anbefales ofte lastdrossler hvis VFD-kabellengden overskrider 30 m (100 fot). Det er noen unntak – for eksempel, hvis motoren oppfyller standarden NEMA MG-1 Del 31, kan det være mulig å ha en 90 m kabel (300 fot) uten å bruke noen lastdrossel.

Uavhengig av motortype, anbefales vanligvis en lastdrossel hvis kabellengden overstiger 90 m. Hvis avstanden overstiger 150 m, anbefales vanligvis et spesialkonstruert filter. I EMI-sensitive miljøer er det vanligvis god praksis å bruke en lastdrossel for alle utrustninger.

Lastdrossler er ofte konstruert for bruk med spesifikke drivenhetsmodeller. For eksempel er Omron-modellen 3G3AX-RAO04600110-DE en lastdrossel som er klassifisert for 11 A og 4,6 mH og konstruert for bruk med 400 V trefasede 5,5 kW-motorer drevet av selskapets 3G3MX2-A4040-V1 VFD.

Bremsemotstander og termiske overbelastninger

I tillegg til en lastdrossel, kan en bremsemotstand og en termisk avstengningsenhet for overbelastning være viktige tillegg på utgangssiden til en VSD/VFD. Bremsemotstander muliggjør maksimalt forbigående bremsemoment ved å absorbere bremseenergien. De fleste bremsemotstander avleder energien, mens noen brukes som en del av et regenerativt bremsesystem som fanger opp og resirkulerer energien.

Avledende bremsemotstander er klassifisert for spesifikke bruksområder. Schneider Electric sin VW3A7755-bremsemotstand på 8 Ω kan avlede opptil 25 kW, mens Delta Electronics sin BR300W100-bremsemotstand på 100 Ω er klassifisert for 300 W.

Utrustninger med bremsemotstander er definert ved å bruke en prosentandel av energiavledningen (ED %). Den definerte ED %-verdien sikrer at motstanden effektivt kan avlede varmen som genereres under bremsing. ED % er definert relativt til spissavledningen, bremseintervallet (T1) og den totale syklustiden (T0) i figur 3.

Figur 3: Definisjon av prosentandel av energiavledningen (ED %). (Bildekilde: Delta Electronics)

Avhengig av alvorlighetsgraden av bremsingen, er ED %-verdien spesifisert for å sikre tilstrekkelig tid for bremseenheten og bremsemotstanden å avlede varmen som genereres under bremsing. Hvis bremsemotstanden varmes opp på grunn av utilstrekkelig varmeavledning, øker motstanden, noe som reduserer strømflyten og det absorberte bremsemomentet.

Bremsemotstander kan defineres av forskjellige avledningssykluser, slik som:

• Lett bremsing, der bremsekraften er begrenset til 1,5 ganger det nominelle dreiemomentet (Tn) i 0,8 s hvert 40. s. Brukes med maskiner med begrenset treghet, for eksempel injeksjonsstøpemaskiner
• Middels bremsing, der bremsekraften er begrenset til 1,35 Tn i 4 s hvert 40. s. Brukes med maskiner med høy treghet, for eksempel svinghjulspresser og industrisentrifuger
• Hard bremsing, der bremsekraften er begrenset til 1,65 Tn i 6 s og Tn i 54 s hvert 120. s. Brukes med maskiner med svært høy treghet, ofte ledsaget av vertikal bevegelse, for eksempel taljer og kraner

I tillegg til en bremsemotstand, inkluderer de fleste systemer en termisk overbelastningsenhet koblet til bremsemotstanden som en sikkerhetsforanstaltning, for eksempel ABB Control TF65-33, et termisk overbelastningsrelé. Den termiske overbelastningsenheten beskytter motstanden og drivsystemet mot for hyppig eller for sterk bremsing. Når en termisk overbelastning detekteres, slås drivenheten av. Hvis kun bremsefunksjonen slås av, kan dette føre til alvorlig skade på drivenheten.

Beskyttelse på drivenhetens inngang

Linjedrossler og -filtre på drivenhetens inngang, henholdsvis lavfrekvente oversvingninger og høyfrekvent EMI (figur 4). Linjedrossler bidrar til å redusere oversvingningsforvrengning av AC-inngangseffekten forårsaket av drivkretsen. De kan være spesielt nyttige i konstruksjoner som må oppfylle kravene i IEEE-519, «Oversvingningsstyring i strømsystemer». Linjedrossler jevner også ut forstyrrelser på strømnettet, for eksempel overspenninger, spisser og transienter, noe som øker driftssikkerheten og forhindrer overspenningsutkobling.

Figur 4: Linjefiltre begrenser høyfrekvent elektromagnetisk kompatibilitet, mens linjedrossler begrenser lavfrekvente oversvingninger. (Bildekilde: Siemens)

Eksempler på linjedrossler omfatter DV0P228, en 2 mH induktor klassifisert for 8 A, som er en del av Minas-familien med trefasede drivenheter og tilbehør fra Panasonic, og Siemens sin 6SL32030CE132AA0, en 2,5 mH induktor klassifisert for drivenheter på opptil 1,1 kW som trekker opptil 4 A inngangsstrøm og virker fra 3-faset strøm på 380 V_AC –10 % til 480 V_AC +10 %.

Linjefiltre

Linjefiltre kreves for å støtte elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og gi EMI-beskyttelse i de fleste utrustninger. Avhengig av det spesifikke miljøet, brukes to klassifikasjoner av EMI-filtre, klasse A og klasse B, i henholdsvis industrielle og kommersielle (bygning) miljøer. Klasse B krever et høyere filtreringsnivå enn klasse A, fordi kommersielle miljøer (kontorer, administrasjon osv.) vanligvis omfatter elektroniske systemer som er mer følsomme for EMI.

De relevante standardene for elektromagnetisk kompatibilitet omfatter EN 55011, som beskriver utslippsbegrensninger for industrielt, vitenskapelig og medisinsk utstyr, og IEC/EN 61800-3, som er spesielt relatert til drivenheter med justerbar hastighet.

VFD-er/VSD-er er tilgjengelige med og uten integrerte linjefiltre. Hvis de har et filter, kan det være klasse A eller klasse B. Avhengig av miljøet og installasjonsfaktorer som kabellengder, kan til og med en drivenhet med et integrert filter kreve ekstra filtrering. En drivenhet som er klassifisert for drift i klasse A-miljøer, kan også brukes i klasse B-miljøer med et valgfritt filter tillagt.

IEC/EN 61800-3 definerer krav til elektromagnetisk kompatibilitet basert på miljøer og kategorier. Boligbygg er definert som det første miljøet, og industriinstallasjoner koblet til det mellomspente distribusjonsnettet gjennom transformatorene sine, er det andre miljøet.

De fire kategoriene definert i EN 61800-3, omfatter:

• C1 for drivsystemer for klassifiserte spenninger < 1000 V for ubegrenset bruk i det første miljøet
• C2 for stasjonære drivsystemer for klassifiserte spenninger < 1000 V for bruk i det andre miljøet og mulig bruk i det første miljøet
• C3 for drivsystemer for klassifiserte spenninger < 1000 V for eksklusiv bruk i det andre miljøet
• C4 for spesielle krav til drivsystemer for klassifiserte spenninger ≥ 1000 V og klassifiserte strømverdier ≥ 400 A i det andre miljøet

Generiske linjefiltre er tilgjengelige, men i likhet med linjedrossler, er linjefiltre ofte konstruert for bruk med spesifikke familier av drivenheter. For eksempel er VW3A4708-linjefilteret fra Schneider Electric klassifisert for 200 A (figur 5). Det er konstruert for selskapets Altivar VSD-er og Lexium-servodrivere. Det er klassifisert for nettspenninger fra 200 V_AC til 480 V_AC, og har en beskyttelsesindeks på IP20. EN 61800-3-klassifiseringen avhenger av lengden på motorkabelen:

• Kategori C1 ved bruk av opptil 50 m skjermet kabel
• Kategori C2 ved bruk av opptil 150 m skjermet kabel
• Kategori C3 ved bruk av opptil 300 m skjermet kabel

Figur 5: Linjefilter på 200 A klassifisert for nettspenninger fra 200 V_AC til 480 V_AC. (Bildekilde: Schneider Electric)

Konklusjon

VSD-er og VFD-er er viktige systemer for å maksimere virkningsgraden til industrielle virksomheter og minimere klimagassutslipp. Disse drivenhetene krever flere støttekomponenter for å tilrettelegge for effektive og pålitelige installasjoner som oppfyller relevante internasjonale standarder, inkludert VFD-kabler, utgangsdrossler, bremsemotstander, linjedrossler og linjefiltre.