Motorkabels voor aandrijvingen met variabele snelheid

De motorkabel voor een PWM-aandrijving met variabele snelheid kan enkele onverwachte effecten hebben. In deze blog bekijk ik enkele speciale overwegingen die nodig zijn bij het kiezen en installeren van een motorkabel voor een FO.

Huidige beoordeling

De stationair geladen motorstroom wordt niet merkbaar veranderd door een FO met de motor te gebruiken. De motorstroombeveiligingsfunctie in de omvormer is goedgekeurd (bijv. door UL) voor thermische beveiliging van de motor en kabel in geval van overbelasting. Daarom is de basisstroomwaarde van de motorkabel hetzelfde als voor een direct online aangesloten motor.

Kabelafmetingen en spanningsval - codes voor kabelafmetingen

Door elektrische installateurs gebruikte codes voor kabelafmetingen, waaronder softwarepakketten voor kabelplanning, bevatten vaak speciale bepalingen voor motoren. Deze zouden zijn gebaseerd op een standaard industriële inductiemotor die wordt gestart door directe aansluiting op het elektriciteitsnet (“Direct On Line” DOL-start). Lange kabels moeten mogelijk groter zijn dan zou worden voorgeschreven door de continue vollaststroom, om de spanningsval in de inductantie en weerstand van de kabel tijdens het starten te beperken. Een typische industriële inductiemotor trekt een DOL-startstroom van ongeveer 5 keer de maximale nominale waarde, vanwege de hoge slip voordat deze zijn bedrijfssnelheid bereikt; en tijdens het starten is het beschikbare koppel niet bijzonder hoog, zoals geïllustreerd in afbeelding 1. Het is mogelijk dat een buitensporige spanningsval in de kabel ertoe leidt dat de motor niet start als het belastingskoppel bij lage snelheid wordt aangehouden.

Figuur 1:Stroom en koppel tijdens het direct online starten van een inductiemotor

Bij gebruik van een frequentieregelaar is de motorslip altijd laag en overschrijdt de stroom tijdens het starten nooit de kortstondige nominale waarde (bijv. 110% of 150%, afhankelijk van de toepassing). De omvormer kan ook worden afgesteld met de motor en de kabel, zodat de spanningsval in de kabel wordt gecompenseerd - bij een snelheid onder de basissnelheid is er spanningsruimte beschikbaar tussen het vermogen van de omvormer en de spanning die nodig is om de werkstroomdichtheid te bereiken in de motor. Daarom is het met een FO niet nodig om de kabel te groot te maken om de spanningsval bij het starten te verminderen. In installaties met lange motorkabels kan dit een aanzienlijke besparing op kabelkosten opleveren. Bij gebruik van kabelafmetingssoftware voor het plannen van een installatie, moet de motor met VSD worden ingesteld als een eenvoudige ohmse belasting, niet als een motor, om onnodige compensatie voor de startstroom van de motor te voorkomen.

Soorten kabel – afscherming (afscherming)

De VSD-uitgang maakt gebruik van pulsbreedtemodulatie (PWM) om een ​​voeding te creëren met instelbare spanning en frequentie om de motor te regelen. De pulsen hebben snelle flanken, met stijg-/daaltijden in de orde van 100 ns. Dit betekent dat de frequentie-inhoud van de spanning in de motor en motorkabel zich uitstrekt tot hoge radiofrequenties - over het algemeen is er een zeer hoog niveau voor frequenties tot ongeveer 10 MHz en een aanzienlijk niveau tot ongeveer 50 MHz. Om elektromagnetische interferentie (EMI) te voorkomen, moet de kabel worden afgeschermd zodat de emissie van elektromagnetische energie wordt onderdrukt. De aanwezigheid van een geaard scherm voorkomt emissie van elektrische velden, en de juiste aansluiting van het scherm aan zowel de motor- als de inverter-uiteinden, met behulp van een verbinding met minimale zelfinductie, voorkomt emissie van magnetische velden. Beide zijn nodig.

De mogelijke emissie van een verkeerd beheerde motorkabel kan van invloed zijn op zowel radiofrequentiecommunicatie als elektronische apparatuur in de buurt, zoals sensoren en datacircuits, die gevoelig zijn voor storingen in deze frequentiebereiken. De norm voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) voor omvormers IEC 61800-3 (EN 61800-3) vereist dat de motorkabel wordt afgeschermd, anders zou de omvormeruitgang moeten worden aangesloten via een zeer duur en onpraktisch radiofrequentiefilterapparaat.

Praktijkproeven hebben aangetoond dat kabelschermen met staal of koper even effectief kunnen zijn, mits ze een goede continue dekking en continuïteit hebben over de lengte van de kabel. Dit vergemakkelijkt het stromen van radiofrequentiestroom langs het scherm om het magnetische veld te annuleren dat wordt veroorzaakt door de common-mode-stroom in de voedingskernen, geïllustreerd in figuur 2.

Figuur 2:Opheffing van extern magnetisch veld door een afgeschermde kabel met aan beide uiteinden aangesloten afscherming

Aarding (aarding)

De aardverbinding van de motor is in de eerste plaats bedoeld om de veiligheid te waarborgen in het geval van een aardlek in de motor. De aardverbinding moet de foutstroom voeren totdat het veiligheidsapparaat (zekering of stroomonderbreker) de stroom onderbreekt, terwijl ervoor moet worden gezorgd dat de aanraakspanning [1] van het motorlichaam binnen veilige grenzen blijft.

Normaal gesproken beperkt de FO de aardlekstroom tot veel lagere niveaus en kortere duur dan een zekering of stroomonderbreker. Het vertrouwt echter op complexe halfgeleiderapparaten en circuits om dit te bereiken, wat zou kunnen mislukken. Om veiligheidsredenen moet daarom de aardlusimpedantie voor de aardverbinding hetzelfde zijn alsof er geen VSD zou zijn - ultieme bescherming wordt geboden door het stroomopwaartse beveiligingsapparaat dat de omvormer voedt. De keuze van de afmeting van de aardgeleider is precies hetzelfde als voor een direct gevoede motor. Dit wordt geïllustreerd in figuur 3.

Afbeelding 3:Aardfoutpad van de motor en aanraakspanning

Zoals hierboven uitgelegd, moet de motorkabel voor een FO worden afgeschermd. Of dit scherm ook de veiligheidsaardverbinding kan leveren, hangt af van de impedantie en van de praktijkcode die voor aarding wordt gebruikt. Het is gebruikelijk om een ​​aparte koperen aardgeleider te gebruiken om de noodzaak van een speciale berekening te vermijden.

Soms rijst de vraag of er een aardingsader moet worden gebruikt in de afgeschermde motorkabel (d.w.z. een 4-aderige kabel) of een externe. Vanuit het oogpunt van veiligheid zijn beide oplossingen even goed. Ook om EMC-redenen kunnen beide methoden werken, maar met een 4-aderige kabel is voorzichtigheid geboden. De aardingskern voert een vrij hoge ruisstroom, opgepikt door de stroomkernen in de kabel. Als het naar een punt in het bedradingspaneel van de omvormer wordt gebracht, weg van de kabelafscherming, zal het de ruisstroom in de aardebedrading van het paneel injecteren, met het risico dat de signaalcircuits worden verstoord. Het moet fysiek zeer dicht bij de schermafsluiting op het omvormerpaneel worden aangesloten, zoals weergegeven in afbeelding 4.

Afbeelding 4:Correct beheer van aardings (PE) kern in 4-aderige afgeschermde motorkabel

Capaciteit en inductie

De motorkabel heeft natuurlijke zelfcapaciteit en inductantie. Bij vermogensfrequenties heeft de capaciteit een verwaarloosbaar effect, terwijl de inductantie een kleine spanningsval veroorzaakt die grotendeels verwaarloosbaar is, behalve bij zeer lange kabeltrajecten en hoge DOL-startstromen.

Het effect op de snel stijgende PWM-pulsen van een omvormer is veel belangrijker. Bij elke pulsflank moet de kabelcapaciteit worden ontladen. Dit resulteert in vrij grote, maar korte stroompulsen aan elke rand. Deze kunnen hoogfrequente veldemissie veroorzaken en vormen ook een belasting op de halfgeleiders van de inverter tijdens het schakelen.

Gelukkig wordt de kabelinductantie met de capaciteit over de kabel verdeeld, waardoor de laadstroom wordt beperkt. Het netto-effect wordt beschreven door de "Telegraafvergelijkingen" en resulteert in kabelparameters Z₀ , de karakteristieke impedantie en v , de voortplantingssnelheid.

Bij elke PWM-pulsflank vloeit er een stroom om de kabel op te laden, gegeven door:

Waar  = DC-tussenkringspanning van omvormer

Voor een coaxkabel wordt de karakteristieke impedantie gegeven door:

Waar:

=relatieve permittiviteit van diëlektricum (isolator)

= Binnendiameter van buitenste geleider

=Buitendiameter van binnengeleider

In een 3-fase afgeschermde kabel is de geometrie niet een eenvoudige coaxiale vorm, maar het gedrag is vergelijkbaar, waarbij de impedantie een functie is van de diëlektrische permittiviteit en de relatieve diameters van de binnen- en buitengeleiders. De geometrie en het diëlektrische materiaal dat in kabels wordt gebruikt, varieert niet veel, en de logaritmische term betekent dat de impedantie niet erg gevoelig is voor geometrieveranderingen. Gemeten waarden van   voor standaard afgeschermde stroomkabels bereik tussen ongeveer 45 ohm voor 2,5 mm ² kabel naar 15 ohm voor 120 mm ² kabel. Dit betekent dat voor grotere aandrijvingen met een stroomsterkte van meer dan ongeveer 20 A de laadstroom onbeduidend is, maar voor nominale waarden onder ongeveer 10 A heeft dit een impact en de aandrijving moet worden ontworpen om de laadstroom te leveren zonder overmatig vermogensverlies of ongewenste overbelasting. huidige uitschakeling.

De duur van de stroompuls wordt bepaald door de lengte van de kabel, deze is gelijk aan de tijd die de puls nodig heeft om naar het motoruiteinde te gaan en dan terug te keren als een omgekeerde reflectie. Hoe langer de kabel, hoe groter het effect op de omvormer.

Sommige speciale kabels kunnen abnormale waarden hebben van 

De verhouding van diameters kan aanzienlijk worden verminderd als er geen isolerende mantel is tussen de stroomaders en het scherm, wat kan voorkomen bij zeer flexibele afgeschermde stroomkabels. Mineraal geïsoleerde, met koper beklede kabel (MICC) heeft ook een lage verhouding van diameters en de permittiviteit van de minerale isolator is hoog, dus de impedantie is erg laag.

Een andere situatie waarin het effect laag is, is als er meerdere kabels parallel zijn aangesloten om de vereiste stroomsterkte te bereiken, in plaats van een enkele kabel met een grote diameter te gebruiken. In deze gevallen is het, tenzij de totale kabellengte erg kort is, vaak nodig om seriespoelen tussen de omvormer en de kabel toe te voegen om de laadstroom van de kabel te beperken. In Besturingstechnieken zijn we af en toe een geval tegengekomen waarbij de installateur drie kabels parallel heeft gebruikt en één kabel met drie aders voor elke fase heeft gebruikt. Deze opstelling is sowieso een slechte gewoonte omdat de netfrequentiestroom in de fasekernen tegenstromen in de schermen induceert, wat kan leiden tot opwarming van de schermen. Bij gebruik met een FO resulteert dit in een uitzonderlijk hoge zwerfstroom door de buitensporige capaciteit tussen de voedingskernen en aarde, wat hoogfrequente interferentie met nabijgelegen circuits kan veroorzaken en ook het risico loopt om RFI-filters te overbelasten door overmatige common-mode (aarde) huidig. De juiste en foute methoden worden getoond in figuur 5.

Afbeelding 5:Goede en foute methoden voor het parallel aansluiten van stroomkabels

In het bovenstaande heb ik niet specifiek de modi in de kabel onderscheiden waarop de impedantie van toepassing is. Het is over het algemeen niet nodig om zoveel details in overweging te nemen, maar de belangrijkste modi die de drive beïnvloeden zijn:

• Eenvoudige asymmetrische modus, één kern ten opzichte van alle andere kernen en scherm. Dit is relevant voor de belasting van de aandrijving, maar niet voor de aardstroom of filterbelasting.
• Gemeenschappelijke modus, alle voedingskernen om de kern af te schermen en te aarden, indien aanwezig. Dit is relevant voor aardstroom en filterbelasting.

Overshoot motorspanning en veranderingssnelheid (dv/dt)

De kabelcapaciteit en inductantie veroorzaken spanningsoverschrijdingen op de motorklemmen aan de pulsflanken. In termen van de vergelijkingen van de Telegrapher kunnen deze worden opgevat als reflecties op de motorklemmen die worden veroorzaakt door de mismatch van de impedantie. Zelfs vrij korte kabels resulteren in enige overshoot. Dit kan verrassend zijn als u niet bekend bent met omvormers en snel veranderende pulsen - op een microseconde tijdschaal is de spanning aan de motor heel anders dan die aan de omvormer, ook al zijn ze met elkaar verbonden.

Motoren hebben een spanningsbestendig vermogen dat afhangt van de stijgtijd van de spanning. Voor stijgtijden van minder dan ongeveer 0,8 microseconden kan de spanningsweerstand worden verminderd omdat de spanning de neiging heeft zich te concentreren in de eerste windingen van de wikkeling en de isolatie tussen de windingen onder druk zet. De meeste motoren zijn ontworpen voor gebruik met frequentieregelaars die werken op een voeding van 400 V of 480 V zonder speciale maatregelen. Voor 690 V-motoren wordt het sterk aanbevolen om een ​​speciaal ontworpen motor met omvormerclassificatie te gebruiken om elk risico op voortijdige isolatiefouten te voorkomen. Dergelijke motoren moeten worden gespecificeerd in overeenstemming met de richtlijnen gegeven in IEC-document TS 60034-25 ("Guidance for the design and performance of a.c. motors specificly designed for converter supply").

Meerdere motoren

Soms is het wenselijk om meerdere motoren vanuit één aandrijving te bedienen. Zo kunnen bijvoorbeeld kleine ventilatoren rondom een ​​gebouw worden aangebracht en worden aangedreven vanuit een enkele aandrijving, elk met een eigen kabel. In deze situatie wordt de capaciteit van de kabel bepaald door de totale lengte, maar de inductanties van de secties verschijnen parallel aan de omvormer, niet in serie. Voor n kabels is de impedantie die de omvormer aan zijn pulsflanken ziet, 

In dit geval moet een serie-smoorspoel worden gebruikt om de laadpulsen van de capaciteit te beperken, anders heeft de omvormer waarschijnlijk last van voortijdige uitschakeling door overstroom of begrenzing veroorzaakt door de hoge laadstroom.