De optimale motorkabel selecteren voor variabele-snelheidsaandrijvingen (VSD's)

De motorkabel voor een PWM-variabele-snelheidsaandrijving kan onverwachte effecten hebben. In dit artikel bekijken we speciale aandachtspunten die nodig zijn bij het kiezen en installeren van een motorkabel voor een VSD.

Stroombelasting

De stationaire belaste motortoom verandert niet noemenswaardig door het gebruik van een VSD met de motor. De motortoombeschermingsfunctie in de aandrijving is goedgekeurd (bijv. door UL) voor thermische bescherming van de motor en kabel bij overbelasting. Daarom is de basale stroombelasting van de motorkabel dezelfde als voor een motor die direct op het net is aangesloten.

Kabeldimensionering en spanningsval – kabeldimensioneringscodes

Kabeldimensioneringscodes die door elektrisch installateurs worden gebruikt, inclusief softwarepakketten voor kabelplanning, hebben vaak speciale bepalingen voor motors. Deze zijn gebaseerd op een standaard industriële asynchrone motor die direct op het net wordt gestart ("Direct On Line" DOL-starten). Lange kabels moeten mogelijk groter zijn dan volgens de continue volbelastingstroom nodig zou zijn, om de spanningsval in de inductie en weerstand van de kabel tijdens het starten te beperken. Een typische industriële asynchrone motor trekt een DOL-startstroom van ongeveer 5 keer zijn maximale nominale waarde, door de hoge glijding voordat hij de draaisnelheid bereikt; en tijdens het starten is het beschikbare koppel niet bijzonder hoog, zoals geïllustreerd in Figuur 1. Een excesieve spanningsval in de kabel kan ertoe leiden dat de motor niet opstart als de belastingkoppel op lage snelheid wordt gehandhaafd.

Figuur 1: Stroom en koppel tijdens het direct op het net starten van een asynchrone motor

Bij het gebruik van een variabele-snelheidsaandrijving is de motorglijding altijd laag en overschrijdt de stroom tijdens het starten nooit de kortetermijnbelasting (bijv. 110% of 150%, afhankelijk van de toepassing). Ook kan de aandrijving worden afgesteld met de motor en zijn kabel, zodat de kabelspanningsval gecompenseerd wordt – bij een snelheid onder de basisnelheid is er spanningsmarge beschikbaar tussen het vermogen van de aandrijving en de spanning die nodig is om de werkende fluxdichtheid in de motor te bereiken. Daarom is bij een VSD geen overdimensionering van de kabel nodig om de spanningsval bij het starten te verminderen. Bij installaties met lange motorkabeltrajecten kan dit feit aanzienlijke besparingen op kabelkosten opleveren. Bij het gebruik van kabeldimensioneringssoftware voor het plannen van een installatie, moet de motor met VSD worden ingesteld als een eenvoudige resistieve belasting, niet als een motor, om de onnodige toelage voor motorstartstroom te vermijden.

Kabeltypes – scherming (afscherming)

De VSD-uitgang gebruikt Pulsbreedtemodulatie (PWM) om een voeding met instelbare spanning en frequentie te creëren voor het besturen van de motor. 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 storingsstraling (EMI) te voorkomen, moet de kabel worden afgeschermd, zodat de emissie van elektromagnetische energie wordt onderdrukt. De aanwezigheid van een geaarde scherm voorkomt elektrisch veldemissie, en de correcte aansluiting van het scherm aan zowel de motor- als de inverterzijde, met een verbinding met minimale eigeninductie, voorkomt magnetisch veldemissie. Beide zijn noodzakelijk.

Mogelijke emissie van een verkeerd beheerde motorkabel kan zowel radiofrequente communicatie als nabijgelegen elektronische apparatuur zoals sensoren en datacircuits beïnvloeden, die gevoelig zijn voor verstoringen in deze frequentiebereiken. De elektromagnetische compatibiliteit (EMC)-standaard voor aandrijvingen IEC 61800-3 (EN 61800-3) vereist dat de motorkabel wordt afgeschermd, anders zou de aandrijvingsuitgang moeten worden aangesloten via een zeer dure en onhandige radiofrequentiefilterinrichting.

Praktijktesten hebben aangetoond dat kabelschermen van staal of koper even effectief kunnen zijn, mits ze een goede continue dekking en continuïteit over de lengte van de kabel hebben. Dit vergemakkelijkt radiofrequente stroom die langs het scherm vloeit om het magnetische veld te annuleren dat wordt veroorzaakt door de common-mode-stroom in de voederaadern, geïllustreerd in Figuur 2.

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

Aarding

De motor-aarding dient primair om veiligheid te garanderen in het geval van een aardfout in de motor. De aardverbinding moet de foutstroom kunnen dragen totdat de beveiligingseinrichting (zekering of stroomonderbreker) de stroom onderbreekt, terwijl de aanraakspanning van de motorbehuizing binnen veilige grenzen blijft.

Normaal begrenzt de VSD de aardfoutstroom tot veel lagere niveaus en kortere duur dan een zekering of stroomonderbreker. Het vertrouwt hiervoor echter op complexe halfgeleidercomponenten en schakelingen, die kunnen faillen. Om veiligheidsredenen moet de aardlusimpedantie voor de aardverbinding daarom hetzelfde zijn alsof er geen VSD was – uiteindelijke bescherming wordt geboden door de upstream-beveiligingseinrichting die de aandrijving voedt. De keuze van de aardleiderdimensie is exact dezelfde als voor een direct gevoede motor. Dit is geïllustreerd in Figuur 3.

Figuur 3: Motor-aardfoutpad en aanraakspanning

Zoals hierboven uitgelegd, moet de motorkabel voor een VSD worden afgeschermd. Of dit scherm ook de veiligheidsaardverbinding kan leveren, hangt af van zijn impedantie en de toegepaste aardingspraktijkcode. Het is gebruikelijk om een afzonderlijke koperen aardleider te gebruiken om de noodzaak voor een speciale berekening te vermijden.

De vraag rijst soms of men een aardader binnen de afgeschermde motorkabel moet gebruiken (d.w.z. een 4-adernkabel) of een externe. Vanuit veiligheidsoogpunt zijn beide oplossingen even goed. Voor EMC-redenen kunnen beide methoden werken, maar bij een 4-adernkabel is voorzichtigheid geboden. De aardader draagt een nogal hoge ruisstroom, opgepikt van de voederaadern binnen de kabel. Als deze naar een punt in het inverter-bedradingspaneel wordt geleid dat ver van de schermbeëindiging ligt, zal het de ruisstroom in de paneelaardbedrading injecteren, met het risico om signaalcircuits te verstoren. Het moet fysiek heel dicht bij de schermbeëindiging aan het inverterpaneel worden aangesloten, zoals getoond in Figuur 4.

Figuur 4: Correcte beheer van aard (PE) ader in 4-adern afgeschermde motorkabel

Capaciteit en inductie

De motorkabel heeft een natuurlijke eigen capaciteit en inductie. Op netfrequenties heeft de capaciteit een verwaarloosbaar effect, terwijl de inductie een kleine spanningsval veroorzaakt die hoofdzakelijk verwaarloosbaar is, behalve bij zeer lange kabellengtes en hoge DOL-startstromen.

Het effect op de snel-opstijgende PWM-pulsen van een inverter is veel belangrijker. Bij elke pulsflank moet de kabelcapaciteit worden ontladen. Dit resulteert in nogal grote, maar korte, stroompulsen bij elke flank. Deze kunnen hoogfrequente veldemissie veroorzaken, en ze vormen ook een belasting op de inverter-poorkrachthalfgeleiders tijdens het schakelen.

Gelukkig is de kabelinductie verdeeld over de kabel samen met de capaciteit, en heeft het de werking van de oplaadstroom te beperken. Het netto-effect wordt beschreven door de "Telegrafvergelijkingen" en resulteert in kabelparameters Z₀, de karakteristieke impedantie, en v, de voortplantingssnelheid.

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

I = V_DC / Z₀

Waarbij V_DC = DC-linkspanning van de inverter

Voor een coaxiale kabel wordt de karakteristieke impedantie gegeven door:

Z₀ = (60/√ε_r) × ln(D/d)

Waarbij:

ε_r = relatieve permitiviteit van het diëlectrum (isolator)

D = Binnendiameter van de outer conductor

d = Buitendiameter van de inner conductor

In een 3-fasen afgeschermde kabel is de geometrie niet een eenvoudige coaxiale vorm, maar het gedrag is vergelijkbaar, de impedantie zijnde een functie van de diëlektrische permitiviteit en de relatieve diameters van de inner en outer conductoren. De geometrie en het diëlectrische materiaal dat in kabels wordt gebruikt, varieert niet sterk, en de logaritmische term betekent dat de impedantie niet gevoelig is voor geometriewijzigingen. Gemeten waarden van Z₀ voor standaard afgeschermde voederkabels variëren tussen ongeveer 45 ohm voor 2,5 mm² kabel tot 15 ohm voor 120 mm² kabel. Dit betekent dat voor grotere aandrijvingen met stroombelasting boven ongeveer 20A de oplaadstroom onbetekenend is, maar voor belasting onder ongeveer 10A heeft het impact en moet de aandrijving ontworpen zijn om de oplaadstroom te leveren zonder excesieve vermogensverlies, of ongewensde overstroomafschakeling.

De duur van de stroompuls wordt bepaald door de lengte van de kabel, het is gelijk aan de tijd voor de puls om naar het motoruiteinde te reizen en dan als een geïnverteerde reflectie terug te keren. Hoe langer de kabel, hoe groter het effect op de inverter.

Sommige speciale kabels kunnen afwijkende waarden van Z₀ hebben.

De verhouding van diameters kan sterk verminderd zijn als er geen isolerende mantel tussen de voederaadern en het scherm zit, wat kan voorkomen bij hoog flexibele afgeschermde voederkabels. Mineralen geïsoleerde koperbeklede kabel (MICC) heeft ook een lage verhouding van diameters, en de permitiviteit van het mineraal isolator is hoog, zodat de impedantie zeer laag is.

Een andere situatie waar de effectieve Z₀ laag zal zijn, is als verschillende kabels parallel worden aangesloten om de vereiste stroombelasting te bereiken, in plaats van een enkele grote-diameterkabel te gebruiken. In deze gevallen, tenzij de totale kabellengte zeer kort is, is het vaak noodzakelijk om serie-drossels tussen de aandrijving en de kabel te plaatsen om de kabeloplaadstroom te beperken. Bij Control Techniques hebben we incidenteel een geval tegengekomen waar de installateur drie kabels parallel had gebruikt en voor elke fase een drievoudige kabel had gebruikt. Deze aanleg is in ieder geval slechte praktijk, omdat de netfrequentestroom in de faseadern tegenstroom induceert in de schermen, wat kan leiden tot verbranding van de schermen. Bij gebruik met een VSD resulteert het in een uitzonderlijk hoge afwijkende stroom door de excessive capaciteit tussen de voederaadern en aarde, wat hoogfrequente interferentie met nabijgelegen circuits kan veroorzaken en ook het risico loopt RFI-filters te overbelasten door excessive common-mode (aard) stroom. De juiste en foute methoden worden getoond in Figuur 5.

Figuur 5: Juiste en foute methoden voor het parallel aansluiten van voederkabels

In het bovenstaande heb ik de modi in de kabel waartoe de impedantie van toepassing is, niet bijzonder onderscheiden. Het is doorgaans niet nodig om dit detail te overwegen, maar de belangrijkste modi die de aandrijving beïnvloeden zijn:

• Eenvoudige asymmetrische modus, één ader ten opzichte van alle andere aderen en scherm. Dit is relevant voor aandrijvingsbelasting maar niet voor aardstroom of filterbelasting.
• Common mode, alle voederaadern naar scherm en naar aardader waar aangebracht. Dit is relevant voor aardstroom en filterbelasting.

Motorspanningsoverschot en veranderingssnelheid (dv/dt)

De kabelcapaciteit en inductie veroorzaken spanningsoverschoten aan de motorklemmen bij de pulsflanken. In termen van de Telegrafvergelijkingen, kunnen deze worden begrepen als reflecties aan de motorklemmen veroorzaakt door de impedantiemismatch. Zelfs nogal korte kabels resulteren in enig overschot. Dit kan verrassend zijn als u onbekend bent met inverters en snel veranderende pulsen – op een microseconde-tijdschaal is de spanning aan de motor heel anders dan die aan de inverter, zelfs als ze met elkaar verbonden zijn.

Motoren hebben een spanningsweerstandscapaciteit die afhangt van de spanningsstijgtijd. Voor stijgtijden onder ongeveer 0,8 microseconden kan de spanningsweerstand verminderd zijn omdat de spanning geneigd is om zich te concentreren in de eerste windingen van de wikkeling, en de tussendraadisolatie te belasten. De meeste motoren zijn ontworpen voor gebruik met inverter-aandrijvingen die draaien op een 400 V of 480 V voeding zonder speciale maatregelen. Voor 690 V motoren wordt ten zeerste aangeraden een doelmatig ontworpen inverter-gekwalificeerde motor te gebruiken om elk risico op voorbijgaande isolatiefout te vermijden. Zulke motoren moeten worden gespecificeerd in overeenstemming met de richtlijnen in IEC-document TS 60034-25 ("Richtlijnen voor het ontwerp en de prestaties van wisselstroommotoren specifiek ontworpen voor omvormervoeding").

Meerdere motoren

Soms is het wenselijk om een aantal motoren vanuit een enkele aandrijving te bedienen. Bijvoorbeeld, kleine ventilatiefans kunnen rond een gebouw worden gemonteerd en vanuit een enkele aandrijving worden aangedreven, elk met zijn eigen kabel. In deze situatie wordt de capaciteit van de kabel gedicteerd door zijn totale lengte, maar de inducties van de secties verschijnen parallel aan de aandrijving, niet in serie. Voor n kabels is de impedantie die de aandrijving ziet aan zijn pulsflanken Z₀/n.

Een serie-drossel moet in dit geval worden gebruikt om de capaciteit-oplaadpulsen te beperken, anders zal de aandrijving waarschijnlijk lijden onder voorbijgaande overstroomafschakeling of -beperking veroorzaakt door de hoge oplaadstroom.