Door inspanningen op het gebied van industriële automatisering en energie-efficiëntie neemt het gebruik van frequentieregelaars (VFD's) in motorsystemen zoals transportbanden, pompen en industriële robots toe. Kabelselectie voor dit type motor is veel ingewikkelder dan het bepalen van de draaddikte op basis van de belastingsstroom en het isolatieniveau op basis van de bedrijfsspanning.
Moderne VFD-motorsystemen maken gebruik van schakelende vermogenselektronica om een pulsbreedtemodulatie (PWM) aandrijfsignaal met extreem snelle flanken te produceren. Deze snelle transiënten vergroten de signaalreflecties die worden veroorzaakt door impedantie-mismatches tussen de kabel en de motoraansluitingen, waardoor staande golven ontstaan die de spanningsspanning over de kabel vergroten. Bovendien beïnvloeden de lijn-naar-lijn- en lijn-naar-aarde-capaciteiten van de kabel de prestaties van de bestuurder en verhogen ze de laadstroom. Omdat het VFD PWM-signaal een groot aantal hoogfrequente harmonischen bevat, moeten de motorkabels effectief worden afgeschermd om elektromagnetische interferentie (EMI) te verminderen.
Dit artikel beschrijft kort de VFD en bespreekt de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het selecteren van VFD-motorkabels om de functionaliteit, betrouwbaarheid en veiligheid te garanderen die nodig zijn voor een goede werking. Vervolgens worden de VFD-kabels van LAPP gepresenteerd en wordt gedemonstreerd hoe ze kunnen worden gebruikt om stabiele stroom- en besturingssignalen te leveren en tegelijkertijd de EMI-straling en de gevoeligheid voor zware omstandigheden te verminderen.
VFD-introductie
Industriële automatisering vereist dat de motor betrouwbaar en efficiënt werkt en in elke richting binnen het volledige snelheidsbereik kan werken. De VFD, ook wel een gouverneur-driver genoemd, is een motorcontroller die de snelheid en het koppel van een AC-inductiemotor (ACIM) regelt door de ingangsfrequentie, spanning en werkcyclus van de motor te variëren. Het werkingsprincipe van VFD is het gebruik van AC-rectificatie-ingang en DC-uitgang om een PWM-signaal te genereren om de motor aan te drijven. Door de frequentie, breedte en amplitude van deze pulssignalen aan te passen, kunnen het motortoerental en het uitgangskoppel in verschillende motoraandrijfsystemen worden geregeld.
Om zijn functie te realiseren bestaat de VFD uit drie hoofdcomponenten (Fig. 1): een gelijkrichter die AC naar DC omzet, een omvormer die DC naar PWM-stroom omzet, en een VFD-controller.
VFD corrigeert AC-ingang en genereert PWM-signaal met behulp van DC (klik op versterking)
Afbeelding 1: VFD corrigeert de AC-ingang en gebruikt DC om een PWM-signaal te genereren om de motorsnelheid en het uitgangskoppel te regelen. Bron afbeelding: Art Pini)
De controller bewaakt de werking van de motor via een verscheidenheid aan sensoren om kritische motorparameters te controleren. Deze sensoren omvatten feedback van een roterende transformator/encoder, een toerenteller en temperatuur- en trillingssensoren.
Deze gelijkrichter maakt gebruik van conventionele diodes gevolgd door filters. De omvormer maakt gebruik van vermogensveldeffecttransistors (FET) of bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT). Deze transistors worden aangedreven door een geïsoleerde hoogspanningspoortdriver, die centraal wordt bestuurd door een VFD-controller.
De VFD verschilt van conventionele driefasige AC-werking doordat het signaal van de aandrijfmotor geen sinusgolf is, maar een PWM-puls (Fig. 2).
PWM-puls van VFD genereert sinusoïdale stroomrespons
Figuur 2: PWM-puls van VFD genereert sinusoïdale stroomrespons in de motorwikkeling. Bron afbeelding: LAPP)
De PWM-signaalfrequentie bedraagt doorgaans 2 kHz tot 20 kHz. De omvormer sluit de motor afwisselend aan op de positieve en negatieve polen van de AC-bus en op de gemeenschappelijke DC-spanning. De DC-busspanning ligt dicht bij de piekspanning van de AC-bus. De gebruikte VFD PWM-golfvorm produceert een sinusoïdale stroomrespons om het motortoerental en koppel te regelen.
Vanwege de kenmerken van de PWM-golf zijn speciale kabels vereist om de VFD op de motor aan te sluiten. Deze golfvorm is een rechthoekige puls met een breed spectrum en rijk aan harmonische. De VFD-kabel is speciaal ontworpen om de straling van deze hoogfrequente signalen te verminderen. Om bovendien het schakelverlies van inverter-schakelapparaten te minimaliseren en de systeemefficiëntie te maximaliseren, moet de pulse-hopping-snelheid zo snel mogelijk worden ingesteld. Dit resulteert in een zeer hoge spanningsveranderingssnelheid (dV/dt) aan de pulsflank. Deze kenmerken, gecombineerd met snelle randen en hoogfrequente spectrale componenten, resulteren in hoge niveaus van elektromagnetische interferentie. Snelle randen veroorzaken ook transmissielijnreflecties waar de kabelimpedantie verandert. Deze reflectie creëert een staande golf in de kabel, waardoor de spanning op de kabel toeneemt en vereist dat de VFD-kabel een hogere spanning heeft.
Een andere zorg is de kabelcapaciteit tussen metalen geleiders. Wanneer de inverterschakelaar de kabel op de DC-bus aansluit, wordt er een stroomstoot gegenereerd die de capaciteit van de kabel oplaadt. Dit verhoogt het momentane stroomniveau en kan de kabel beschadigen. Deze common-mode-stroom kan tussen fasen of van een fase naar aarde vloeien. Deze stroom kan ook via het motorframe in de aardlus terechtkomen en door de motorlagers gaan. De stroom die door het lager vloeit, veroorzaakt putjes op het lageroppervlak, wat de levensduur van de motor verkort. Deze problemen komen doorgaans voor bij VFD-systemen met hoge spanning, hoog motorvermogen (HP) en lange kabellengtes.
Zoals bij alle draden en kabels vloeit er stroom door de gelijkstroomweerstand van de kabel, waardoor vermogensverlies ontstaat. Bovendien kan, vanwege de grote spectrale bandbreedte van PWM-signalen, de kabelweerstand toenemen als gevolg van skin-effect. Deze weerstandseffecten variëren met de kabellengte.