Welke ondersteunende producten hebben we nodig om de impact van het gebruik van VFD’s en VSD’s te maximaliseren? - deel 1

In deel 1 van deze artikelreeks bespreken we waar men op moet letten bij het selecteren van motoraansluitkabels, uitgangsreactoren, remweerstanden, lijnreactoren en netfilters. In deel 2 gaan we verder in op de verschillen tussen VSD’s/VFD’s en servoaandrijvingen, de toepassingen voor roterende en lineaire AC- en DC-servomotoren, waar softstart-stopunits in industriële activiteiten kunnen worden gebruikt en hoe DC-converters worden gebruikt om randapparatuur zoals sensoren, mens-machine-interfaces (HMI’s) en veiligheidsapparatuur van stroom te voorzien.

Het gebruik van frequentieregelaars en variabele frequentieaandrijvingen (VSD’s/VFD’s) is noodzakelijk om de efficiëntie en duurzaamheid van industriële activiteiten te maximaliseren, maar het is niet voldoende. Om maximaal voordeel te halen uit het gebruik van VSD’s/VFD’s zijn extra componenten nodig, zoals hoogwaardige kabels, remweerstanden, netfilters, lijnreactoren, uitgangsreactoren en nog veel meer.

Bekabeling is alomtegenwoordig en cruciaal. Een slecht gespecificeerde kabel die de VSD/VFD met de motor verbindt, kan de systeemprestaties aanzienlijk verslechteren. Andere elementen zoals remweerstanden, filters en reactoren variëren per installatie en kunnen heel belangrijk zijn voor een succesvolle implementatie.

Sommige systemen werken bijvoorbeeld in gebieden waar elektromagnetische interferentie (EMI) moet worden beperkt en kunnen baat hebben bij het gebruik van netfilters die voldoen aan EN 61800-3 categorie C2. Toepassingen waarbij een snelle vertraging vereist is, hebben remweerstanden nodig. Lijnreactoren kunnen de vermogensfactor verbeteren en de efficiëntie verhogen. En uitgangsreactoren kunnen het gebruik van langere kabels mogelijk maken.

Dit artikel begint met een blik op enkele overwegingen bij het selecteren van motoraansluitkabels en introduceert typische bekabelingsopties van LAPP en Belden. Vervolgens worden factoren besproken die van invloed zijn op de selectie van uitgangsreactoren, remweerstanden, lijnreactoren en netfilters, waaronder representatieve producten van ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic en Siemens.

Motorkabels zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties om aan specifieke toepassingseisen te voldoen. Ze hebben meestal drie hoofdstroomgeleiders, vaak geïsoleerd met vernet polyethyleen (XLPE). Sommige hebben niet-geïsoleerde aardedraden. Er kunnen verschillende signaaldraden en talloze gevlochten en folieschermen zijn. Het geheel wordt omhuld door een robuuste buitenmantel (afbeelding 1).

Afbeelding 1: VFD-motorkabels zijn verkrijgbaar in een groot aantal configuraties. (Bron afbeelding: Belden)

Zelfs basiskabels zoals artikelnr. 29521C 0105000 van Belden Basics zijn complexe combinaties van geleiders, afscherming en isolatie. Deze kabels hebben drie koperen geleiders van 14 AWG (American Wire Gauge) (7x22 aders) bedekt met XLPE-isolatie en drie niet-geïsoleerde koperen aardedraden van 18 AWG (7x26 aders). Deze zes draden zijn omgeven door dubbele spiraalvormige tapeafscherming die 100% dekking biedt en de hele kabelsamenstelling is omhuld met een polyvinylchloride (PVC) mantel voor milieubescherming.

Belden Basic-kabels zijn geschikt voor gebruik in gevaarlijke locaties van klasse 1, divisie 2, zoals gedefinieerd in de National Electrical Code (NEC). Klasse 1 verwijst naar faciliteiten voor de behandeling van ontvlambare gassen, dampen en vloeistoffen. Divisie 2 specificeert dat deze ontvlambare materialen gewoonlijk niet aanwezig zijn in concentraties die hoog genoeg zijn om in brand te vliegen.

Sommige kabelseries zoals ÖLFLEX VFD 1XL van LAPP zijn verkrijgbaar met en zonder signaaldraden. Toepassingen die baat hebben bij signaaldraden kunnen gebruik maken van de 701710-kabel van LAPP. Deze kabel bestaat uit drie voedingsdraden, een aardedraad en een paar signaaldraden. De stroomgeleiders zijn 16 AWG (26x30 aders) met XLPE (plus) isolatie. De signaalparen zijn afzonderlijk afgeschermd met folie.

Het geheel is afgeschermd met barrièretape, drie lagen folietape (100% dekking) en een vertind kopervlechtwerk (85% dekking). De buitenmantel is gemaakt van een speciaal geformuleerd thermoplastisch elastomeer (TPE) dat bestand is tegen desinfectiemiddelen en meestal wordt gebruikt in de voedingsmiddelen-, dranken-, chemische en aanverwante industrieën.

Naast het betrouwbaar en efficiënt verwerken van voedingsstroom en signalen, moeten VFD-kabels hoge spanningspieken en EMI-ruisniveaus (elektromagnetische interferentie) aankunnen die het gevolg zijn van de hoogfrequente werking van de frequentieregelaar. Hoewel VFD-kabels ontworpen zijn om hoogspanningspieken en EMI op te vangen en te beheersen, hebben ze hun beperkingen (afbeelding 2). Dat gebeurt wanneer belastingsreactoren hoogspanningspieken en EMI verlagen.

Afbeelding 2: Ongecontroleerde hoogspanningspieken kunnen de isolatie doorboren en tot kabelbreuk leiden. (Bron afbeelding: LAPP)

Voor een meer gedetailleerde bespreking van de selectie van VFD-kabels, zie ‘Specificeren en gebruiken van VFD-kabels om de betrouwbaarheid en veiligheid te verbeteren en koolstofemissies te verminderen’.

Belastingsreactoren

Belastingsreactoren, ook uitgangsreactoren genoemd, worden dicht bij de uitgang van de aandrijving aangesloten om de impact van hoogspanningspieken en EMI te verminderen en ze beschermen de draadisolatie in zowel de kabel als de motor. VSD’s/VFD’s produceren een hoogfrequente output (meestal tussen 16 en 20 kHz). Het hoogfrequent schakelen resulteert in een spanningsstijging van enkele microseconden, waardoor hoogspanningspieken ontstaan die de piekspanning van de motor kunnen overschrijden, wat kan leiden tot isolatiedefecten.

Afhankelijk van het type motor dat wordt gebruikt, worden belastingsreactoren vaak aanbevolen als de VFD-kabellengte langer is dan 30 m (100 ft.). Maar er zijn uitzonderingen: als de motor bijvoorbeeld voldoet aan de norm NEMA MG-1 deel 31 kan het mogelijk zijn om een kabel van 90 m (300 ft) zonder een belastingsreactor te gebruiken.

Ongeacht het motortype wordt over het algemeen een belastingsreactor aanbevolen als de kabel langer is dan 90 m. Als de afstand groter is dan 150 m wordt er meestal een speciaal ontworpen filter aanbevolen. In EMI-gevoelige omgevingen is het gebruik van een belastingsreactor voor alle toepassingen doorgaans een goede gewoonte.

Belastingsreactoren zijn vaak ontworpen voor gebruik met specifieke aandrijfmodellen. De belastingsreactor 3G3AX-RAO04600110-DE van Omron is bijvoorbeeld berekend op 11 A en 4,6 mH en ontworpen voor gebruik met 400V-driefasenmotoren van 5,5 kW die worden aangedreven door de VFD 3G3MX2-A4040-V1 van het bedrijf.

Remweerstanden en thermische overbelastingen

Naast een belastingsreactor kunnen een remweerstand en een thermische overbelastingsbeveiliging essentiële toevoegingen zijn aan de uitgangszijde van een VSD/VFD. Remweerstanden zorgen voor een maximaal transient remmoment door de remenergie te absorberen. De meeste remweerstanden voeren de energie af, terwijl sommige worden gebruikt als onderdeel van een regeneratief remsysteem dat de energie opvangt en opnieuw gebruikt.

Dissipatieve remweerstanden zijn geclassificeerd voor specifieke toepassingen. De remweerstand VW3A7755 van Schneider Electric heeft een waarde van 8 Ω en kan tot 25 kW dissiperen, terwijl de remweerstand BR300W100 van Delta Electronics een waarde heeft van 100 Ω en geschikt is voor 300 W.

Toepassingen van remweerstanden worden gedefinieerd aan de hand van een percentage energiedissipatie (ED%). Het gedefinieerde ED% zorgt ervoor dat de weerstand de warmte die vrijkomt tijdens het remmen effectief kan afvoeren. ED% wordt gedefinieerd ten opzichte van de piekdissipatie, het reminterval (T1) en de totale cyclustijd (T0) in afbeelding 3.

Afbeelding 3: Definitie van het percentage energiedissipatie (ED%). (Bron afbeelding: Delta Electronics)

Afhankelijk van hoe hard er wordt geremd, wordt ED% gespecificeerd om ervoor te zorgen dat de remunit en de remweerstand voldoende tijd hebben om de warmte af te voeren die door het remmen wordt gegenereerd. Als de remweerstand opwarmt door onvoldoende thermische dissipatie, neemt de weerstand toe, waardoor de stroom en het geabsorbeerde remmoment afnemen.

Remweerstanden kunnen worden gedefinieerd door verschillende dissipatiecycli zoals:

• Licht remmen, waarbij het remvermogen elke 40 s gedurende 0,8 s wordt beperkt tot 1,5 maal het nominale koppel (Tn). Wordt gebruikt bij machines met beperkte massatraagheid, zoals spuitgietmachines.
• Gemiddeld remmen, waarbij het remvermogen elke 40 s gedurende 4 s wordt beperkt tot 1,35 × Tn. Wordt gebruikt bij machines met een hoge massatraagheid, zoals vliegwielpersen en industriële centrifuges.
• Krachtig remmen waarbij het remvermogen elke 120 s gedurende 6 s wordt beperkt tot 1,65 × Tn. Wordt gebruikt bij machines met een zeer hoge massatraagheid die vaak te maken hebben met verticale bewegingen, zoals takels en kranen.

Naast een remweerstand bevatten de meeste systemen als veiligheidsmaatregel een thermische overbelastingsunit die is aangesloten op de remweerstand, zoals het thermische overbelastingsrelais TF65-33 van ABB Control. De thermische overbelastingsunit beschermt de weerstand en het aandrijfsysteem tegen te vaak of te hard remmen. Wanneer een thermische overbelasting wordt gedetecteerd, wordt de aandrijving uitgeschakeld. Alleen de remfunctie uitschakelen kan leiden tot ernstige schade aan de aandrijving.

Bescherming op de ingang van de aandrijving

Lijnreactoren en netfilters op de ingang van de regelaar beperken respectievelijk laagfrequente harmonischen en hoogfrequente EMI (afbeelding 4). Lijnreactoren helpen harmonische vervorming van het AC-ingangsvermogen, die wordt veroorzaakt door het aandrijfcircuit, te verminderen. Ze kunnen vooral nuttig zijn in toepassingen die moeten voldoen aan de vereisten van IEEE-519, ‘Harmonic Control in Power Systems’ (Onderdrukking van harmonischen in voedingssystemen). Lijnreactoren egaliseren ook storingen op het elektriciteitsnet, zoals schommelingen, pieken en transiënten, waardoor de bedrijfszekerheid toeneemt en uitschakeling door overspanning wordt voorkomen.

Afbeelding 4: Netfilters beperken hoogfrequente EMC, terwijl lijnreactoren laagfrequente harmonischen beperken. (Bron afbeelding: Siemens)

Voorbeelden van lijnreactoren zijn de DV0P228-inductor van 2 mH met een nominale stroom van 8 A die deel uitmaakt van de Minas-serie driefasige aandrijvingen en accessoires van Panasonic en de 6SL32030CE132AA0-inductor van 2,5 mH van Siemens die geschikt is voor aandrijvingen van 1,1 kW met een maximale ingangsstroom van 4 A en die werken op een driefasevoeding van 380 V_AC -10% tot 480 V_AC +10%.

Netfilters

Netfilters zijn vereist voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en bieden EMI-bescherming in de meeste toepassingen. Afhankelijk van de specifieke omgeving worden twee classificaties van EMI-filters, klasse A en klasse B, gebruikt in respectievelijk industriële en commerciële omgevingen (gebouwen). Klasse B vereist een hoger niveau van filtering dan klasse A omdat commerciële omgevingen (kantoren, administratiegebouwen, etc.) over het algemeen elektronische systemen bevatten die gevoeliger zijn voor EMI.

De relevante EMC-normen zijn onder andere EN 55011, met gedetailleerde emissiebeperkingen voor industriële, wetenschappelijke en medische apparatuur, en IEC/EN 61800-3, die specifiek betrekking heeft op regelbare snelheidsaandrijvingen.

VFD’s/VSD’s zijn verkrijgbaar met en zonder geïntegreerde netfilters. Als ze een filter hebben, kan het klasse A of klasse B zijn. Afhankelijk van de omgeving en installatiefactoren zoals kabellengte kan zelfs een aandrijving met een geïntegreerd filter extra filtering nodig hebben. Een aandrijving die geschikt is voor gebruik in omgevingen van klasse A kan ook worden gebruikt in omgevingen van klasse B door een optioneel filter toe te voegen.

IEC/EN 61800-3 definieert EMC-vereisten op basis van omgevingen en categorieën. Residentiële gebouwen worden gedefinieerd als de ‘eerste omgeving’ en industriële installaties die via hun transformatoren verbonden zijn met het middenspanningsdistributienetwerk zijn de ‘tweede omgeving’.

Deze vier categorieën zijn gedefinieerd in EN 61800-3:

• C1 voor aandrijfsystemen voor nominale spanningen < 1000 V voor onbeperkt gebruik in de eerste omgeving.
• C2 voor stationaire aandrijfsystemen voor nominale spanningen < 1000 V voor gebruik in de tweede omgeving en eventueel gebruik in de eerste omgeving.
• C3 voor aandrijfsystemen voor nominale spanningen < 1000 V voor exclusief gebruik in de tweede omgeving.
• C4 speciale eisen voor aandrijfsystemen voor nominale spanningen ≥ 1000 V en nominale stromen ≥ 400 A in de tweede omgeving.

Er zijn generieke netfilters beschikbaar, maar net als lijnreactoren zijn netfilters vaak ontworpen voor gebruik met specifieke aandrijvingen. Zo is het netfilter VW3A4708 van Schneider Electric bijvoorbeeld geschikt voor 200 A (afbeelding 5). Het is ontworpen voor de Altivar-VSD’s en Lexium-servoaandrijvingen van het bedrijf. Het filter is geschikt voor netspanningen van 200 V_AC tot 480 V_AC en heeft een beschermingsindex van IP20. De EN 61800-3-rating is afhankelijk van de lengte van de motorkabel:

• Categorie C1 met maximaal 50 m afgeschermde kabel.
• Categorie C2 met maximaal 150 m afgeschermde kabel.
• Categorie C3 met maximaal 300 m afgeschermde kabel.

Afbeelding 5: Een 200A-netfilter geschikt voor netspanningen van 200 V_AC tot 480 V_AC. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Conclusie

VSD’s en VFD’s zijn belangrijke systemen voor het maximaliseren van de efficiëntie van industriële activiteiten en het minimaliseren van de uitstoot van broeikasgassen. Deze aandrijvingen hebben verschillende ondersteunende componenten nodig voor effectieve en betrouwbare installaties die voldoen aan de relevante internationale normen, waaronder VFD-kabels, uitgangsreactoren, remweerstanden, lijnreactoren en netfilters.