VFD- en motorgeluid aanpakken met speciale kabel

Frequentieregelaars (VFD's) drijven precies verschillende types elektromotoren in geautomatiseerde machines aan. Deze VFD's, in wezen elektrisch-elektronische vermogenscomponenten, sturen de spanning naar de motorwikkelingen om het motortoerental en (in vectorregelingaanpassingen) het motorkoppel nauwkeurig te regelen. Het probleem is dat er ongecontroleerde stromen en andere elektrische verschijnselen kunnen optreden in verband met deze gevormde elektrische voeding en als deze verschijnselen niet optreden, kunnen ze schadelijk blijken voor de meeste automatiseringscomponenten en -systemen in de nabijheid van de VFD.

Afbeelding 1: VFD's, zoals de 3G3MX2-A2015-V1, zijn onmisbaar voor een grote verscheidenheid van proces- en discrete-automatiseringstoepassingen. Ze bieden een strakke regeling, veiligheid en topefficiëntie voor door elektromotors aangedreven assen. Een kanttekening is dat de werking van een VFD van nature EMI genereert die (als er niets aan wordt gedaan) de communicatie van nabijgelegen regelaars en terugkoppeling kan verstoren, mechanische componenten in de omgeving kan beschadigen en diverse storingsuitschakelingen kan veroorzaken samen met ander suboptimaal systeemgedrag. (Bron afbeelding: Omron Automation and Safety))

Bekijk hoe VFD's werken om inzicht te krijgen in waarom ze in suboptimale ontwerpen problemen kunnen veroorzaken in de motoren die ze aandrijven en in andere apparatuur in de buurt. In het kort, VFD's:

• Accepteer als invoer de sinusvormige stroom van het lichtnet en dan
• Gelijkrichten (omzetten) van lijnstroom in gelijkstroom
• Gebruik van bipolaire transistoren met geïsoleerde poort (IGBT's) om de gelijkstroom om te keren (terug te schakelen naar wisselstroom), meer bepaald in nauwkeurig gemoduleerde pulstreinen

In principe schakelen de schakelaars van de aandrijving de spanning uit en aan voor een gehakte stroom die de motor aanzet tot draaien alsof hij een soepel gemoduleerde sinusgolf van stroom ontvangt. Bij deze vorm van aandrijving, pulsbreedtemodulatie of PWM genoemd, is de uitgangssnelheid uiteindelijk afhankelijk van de frequentie van de stroompulsen.

VFD's van vroeger die dit proces via siliciumgestuurde gelijkrichters (SCR's) of bipolaire junctietransistoren (BJT's) uitvoerden, waren tragere schakelaars dan de op IGBT's gebaseerde VFD's van vandaag. De hogere schakelfrequentie van IGBT's maakt een snelle en nauwkeurige motorbesturing mogelijk, maar kan ook problemen veroorzaken in de vorm van zowel geleide als uitgestraalde elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequente interferentie (RFI).

Effecten van VFD-geluid op de motor, de besturing en de aandrijving zelf

EMI-problemen ontstaan omdat zelfs wanneer de aandrijving een motor met lage snelheid aandrijft, de manier waarop elke elektrische puls een blokgolf is met busspanningsamplitude betekent dat de naar de motor gezonden stroom tamelijk dramatische dV/dt-spanningsstijgingstijden omvat, uitgedrukt in μsec of fracties van μsec.

Neem nu één zo'n kwestie, die van gereflecteerde spanningsgolven. Bij het opstarten gedragen de statorwikkelingen van de elektrische motor zich als een spoel die geleidelijk een magnetisch veld opbouwt en vervolgens stroom doorgeeft. De kabel die de elektrische stroom van de VFD naar de motor voert, heeft een impedantieverschil bij de motoraansluiting. Hier zorgen de eerder genoemde overshoots ervoor dat reflecterende golven een deel van de voorranden van de spanningsgolfvorm terugstuiteren in de kabel (richting aandrijfelektronica) bij de hoogohmige verbinding van de kabel met de motor.

Gereflecteerde spanningsgolven ontstaan door spanningsovershoots veroorzaakt door de dramatische dV/dt van PWM.

Een factor die dit verschijnsel kan verergeren is een te lange (of in sommige gevallen onvermijdelijke) kabelloop van aandrijving naar motor. Lange kabels hebben een hoge inductie en bieden meer mogelijkheden voor spanningspieken samen met de samenstelling van gereflecteerde golven dan kortere kabels. Samengestelde golven zijn bijzonder schadelijk, omdat deze golven (die in fase zijn gegaan) in feite nieuwe golven vormen met de som van de spanning en stroom van de oorspronkelijke golven.

Afbeelding 2: De vierkante golfvorm van de elektrische pulsen van VFD's bij busspanningsamplitude veroorzaakt dramatische dV/dt-spanningsstijgtijden die (indien niet aangepakt) op hun beurt diverse elektromagnetische problemen kunnen veroorzaken. (Bron afbeelding: Design World)

Merk op dat motoren (net als VFD's) ook schade kunnen oplopen door weerkaatste golven en spanningspieken. Daarom zijn veel van de huidige geautomatiseerde installaties uitgerust met inverter-duty-motors. Deze motors hebben statorwikkelingen met hoogwaardige isolatie en andere elementen om de totale thermische capaciteit en (in de meeste gevallen) het weerstandsvermogen bij spanningspieken te verhogen. De nominale waarden zijn gerangschikt naar grootte en duur van de piekspanning, met hogere waarden voor ontwerpen met langere (minder plotselinge) stijgperiodes. Natuurlijk kunnen motors die niet volgens de specificaties voor inverter-duty zijn gebouwd, worden aangedreven door een VFD. De toepassing van deze minder robuuste motors moet echter in het algemeen worden beperkt tot geautomatiseerde apparatuur met matig veeleisende parameters. Dergelijke motoren die door een VFD worden aangedreven, kunnen ook een korte kabelloop vereisen, alsmede de opname van lijnreactors en andere beveiligingscomponenten.

Kabels te hulp: speciaal ontworpen voor VFD's

Naast een bedreiging voor de VFD kunnen samengestelde golven in fase met voldoende hoge spanning schade toebrengen aan een verkeerd gebruikte kabel voor algemeen gebruik. Meer in het bijzonder kunnen de hoogspanningspieken die gepaard gaan met de werking van een VFD de kabelisolatie onder druk zetten, verhitten en zelfs doorboren. Om dit probleem te voorkomen, bevat de kabel die speciaal is ontworpen voor gebruik met VFD's:

• Zware geleiders (smalle-AWG) die alle verwachte piekspanningen kunnen dragen
• Voldoende dikke interfaces en isolatie van speciaal ontworpen vernet polyethyleen of (in sommige gevallen minder gewenst) polyvinylchloride
• Mantels en andere elementen om VFD-gegenereerde pieken en ruis te verspreiden en te aarden

Afbeelding 3: Alpha Wire's kabels voor VFD's bevatten cross-linked polyethyleen isolatie voor elektromagnetische coronaweerstand, lage capaciteit (zelfs over langere kabellopen), en goede prestaties bij lage temperaturen. (Bron afbeelding: Alpha Wire)

Een kwantificeerbare maatstaf voor de weerstand van een kabel tegen weerkaatsende golven is zijn corona-inceptiespanning, vaak gemeten in kV. Herinner u uit de basislessen natuurkunde dat corona (zo genoemd naar zijn kroon van flauwe gloed) een plotselinge ionisatie is van lucht rondom een sterk gelokaliseerde spanning. Deze ionisatie kan (indien niet voorkomen met voldoende isolatie rond de geleider) ozon en diverse stikstofverbindingen genereren die een onjuist aangebrachte kabel snel kunnen vernietigen. Daarom moet dik geïsoleerde VFD-kabel worden gebruikt, kabel die voldoet aan de door VFD-leveranciers aangegeven constructie-eisen of deze overtreft, en die veel verder gaat dan de normen van de National Electric Code (NEC) voor thermoplastische, met nylon beklede (THHN) draad voor algemeen gebruik. Wanneer VFD's buiten of in andere vochtige ruimten worden gebruikt, kan polyethyleenisolatie het meest geschikt zijn. Raadpleeg het DigiKey artikel De juiste kabel voor een industriële toepassing voor meer informatie over andere verschijnselen die van invloed zijn op VFD-gestuurde ontwerpen en hun kabels, inclusief inschakelstromen en common-mode stromen.

Beste praktijken voor VFD-bekabeling

Naast het beperken van de kabelloop van een VFD tot een minimum, indien mogelijk tot minder dan 50 ft, is het ook noodzakelijk om alle onderdelen van een door een motor aangedreven apparaat goed te aarden, inclusief besturings- en machinepanelen. Dit betekent dat gebruik moet worden gemaakt van een gemeenschappelijk aardblok of een hoofdpotentiaalregeling die de nadelige effecten van aardlussen voorkomt die ontstaan door spanningspotentialen tussen verschillende machinepunten naar de aarde. Dat is vooral het geval wanneer machineterugkoppeling berust op spanningsreferentiewaarden die (indien niet beschermd tegen onbedoelde stromen door de aarde) valse waarden zouden kunnen aangeven. Dit onderwerp wordt meer in detail besproken in het DigiKey artikel Meet kleine signalen die op hoge spanningen werken en vermijd sensoraardlussen.

Veel ontwerpen vereisen ook de toevoeging van subcomponenten zoals filters, ferrietringen aan de kabelzijde, aardingsringen voor de motoras en afschermingen om EMI volledig aan te pakken. Een goed voorbeeld: Een eenvoudig aanvullend onderdeel dat vaak onmisbaar is bij VFD-installaties heet een aardingsband. Dit platte gedeelte bestaat uit een gevlochten strook vertind koper met aan elk uiteinde een ringkabeltje. Wanneer ze in een motoraangedreven ontwerp worden geïntegreerd, verbinden aardingsbanden de aardklem van de aandrijving (inbegrepen bij alle VFD's) met de aarde en voeren ze hoogfrequente elektrische ruis veel beter af naar de aarde dan ronde aardingsdraad. Het relatief grote oppervlak is geschikt voor de manier waarop ac-stroom (vooral bij hoge frequenties) de neiging heeft te vloeien op de oppervlakken of de huid van een geleidern vandaar de term huideffect om dit gedrag aan te duiden.

Afbeelding 4: Deze vertinde koperen aardingsband is corrosiebestendig, flexibel en voldoet aan de RoHS-voorschriften. Dergelijke riemen zijn nuttig bij het aarden van delen van VFD-installaties, omdat zij rekening houden met de manier waarop hoogfrequente ruis de neiging heeft zich te verplaatsen naar geleideroppervlakken. (Bron afbeelding: Falconer Electronics)

Er is echter nog een ander voorbehoud: naast bescherming tegen geleide EMI moeten ontwerpen ook bescherming bieden tegen capacitief gekoppelde ruis die bij hoge frequenties wordt uitgezonden. Dit omvat ruis die het VFD-motorcircuit kan binnendringen via elementen zoals aardingsbanden en niet-afgeschermde motorkabels in metalen leidingen, die beide gemakkelijk EMI geleiden en aardlussen genereren. Een ander gebied waar capacitief gekoppeld geluid moet worden beperkt, is tussen de door de VFD aangedreven motorwikkelingen en het frame naar de aarde.

Afbeelding 5: Hier wordt een grafiek getoond uit een educatieve PDF die kan worden gedownload van digikey.com en waarin de constructie van drie industriële kabelontwerpen die geschikt zijn voor VFD's wordt vergeleken. (Bron afbeelding: Belden Inc.)

Conclusie

VFD's zijn er in overvloed in procestoepassingen in HVAC, olie en gas, en algemene pomp-, compressor- en keteloperaties. VFD's zijn ook essentieel in een reeks discrete industriële automatiseringssystemen die gebruik maken van elektromotoren om bewegende assen op transportbanden, molens, liften en andere apparatuur aan te drijven die baat kunnen hebben bij een grotere efficiëntie.

De succesvolle toepassing van deze aandrijvingen hangt af van de overweging van hun potentieel schadelijke elektrische en elektronische effecten op aangesloten en aangrenzende componenten en systemen, en in feite vereist het gebruik van VFD's gewoonlijk de opname van gespecialiseerde elektrische filters, afsluitingen, aardingssystemen, en VFD-specifieke kabel.