Кабели двигателя для приводов с регулируемой скоростью

Кабель двигателя для ШИМ-преобразователя частоты может иметь неожиданные последствия. В этом блоге я рассмотрю некоторые особенности, которые необходимо учитывать при выборе и установке кабеля двигателя для преобразователя частоты.

Текущий рейтинг

Ток двигателя с нагрузкой в ​​установившемся режиме существенно не изменяется при использовании преобразователя частоты с двигателем. Функция защиты двигателя по току в приводе одобрена (например, UL) для тепловой защиты двигателя и кабеля в случае перегрузки. Поэтому базовый номинальный ток кабеля двигателя такой же, как и для двигателя, подключенного непосредственно к сети.

Размеры кабелей и падение напряжения — коды размеров кабелей

Коды размеров кабелей, используемые электромонтажниками, включая пакеты программного обеспечения для проектирования кабелей, часто содержат специальные положения для двигателей. Они будут основаны на стандартном промышленном асинхронном двигателе, запускаемом прямым подключением к линии электропередачи (запуск DOL «прямой от сети»). Длинные кабели, возможно, должны быть больше, чем это диктуется постоянным номинальным током полной нагрузки, чтобы ограничить падение напряжения на индуктивности и сопротивлении кабеля во время пуска. Типичный промышленный асинхронный двигатель потребляет пусковой ток DOL, примерно в 5 раз превышающий его максимальное номинальное значение, из-за высокого скольжения, прежде чем он достигнет своей рабочей скорости; и во время пуска доступный крутящий момент не особенно высок, как показано на рисунке 1. Чрезмерное падение напряжения в кабеле может привести к тому, что двигатель не запустится, если крутящий момент нагрузки поддерживается на низкой скорости.

Рис. 1. Ток и крутящий момент при пуске асинхронного двигателя непосредственно от сети

При использовании привода с регулируемой скоростью скольжение двигателя всегда мало, а ток во время пуска никогда не превышает кратковременного номинального значения (например, 110 % или 150 % в зависимости от применения). Кроме того, привод можно настроить вместе с двигателем и его кабелем, чтобы компенсировать падение напряжения на кабеле — при скорости ниже базовой скорости имеется запас по напряжению между мощностью привода и напряжением, необходимым для достижения рабочей плотности потока в двигатель. Таким образом, при использовании преобразователя частоты нет необходимости увеличивать размер кабеля, чтобы уменьшить падение напряжения при запуске. В установках с длинными кабелями двигателя этот факт может позволить значительно сэкономить на затратах на кабели. При использовании программного обеспечения для определения сечения кабеля для планирования установки двигатель с ЧП следует задавать как простую резистивную нагрузку, а не как двигатель, чтобы избежать ненужного учета пускового тока двигателя.

Типы кабеля – экранирование (экранирование)

Выход ЧП использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для создания питания с регулируемым напряжением и частотой для управления двигателем. Импульсы имеют быстрые фронты с временем нарастания/спада порядка 100 нс. Это означает, что частотная составляющая напряжения в двигателе и кабеле двигателя простирается до высоких радиочастот – как правило, очень высокий уровень для частот примерно до 10 МГц и значительный уровень примерно до 50 МГц. Во избежание электромагнитных помех (EMI) кабель должен быть экранирован, чтобы подавлялось излучение электромагнитной энергии. Наличие заземленного экрана предотвращает эмиссию электрического поля, а правильное подключение экрана как со стороны двигателя, так и со стороны инвертора с использованием соединения с минимальной собственной индуктивностью предотвращает эмиссию магнитного поля. Оба необходимы.

Возможное излучение от неправильно проложенного кабеля двигателя может повлиять как на радиочастотную связь, так и на близлежащее электронное оборудование, такое как датчики и схемы передачи данных, которые чувствительны к помехам в этих частотных диапазонах. Стандарт электромагнитной совместимости (ЭМС) для приводов IEC 61800-3 (EN 61800-3) требует, чтобы кабель двигателя был экранирован, иначе выход привода пришлось бы подключать через очень дорогой и громоздкий фильтр радиочастот.

Практические испытания показали, что экраны кабелей из стали или меди могут быть одинаково эффективны при условии, что они имеют хорошее сплошное покрытие и непрерывность по всей длине кабеля. Это способствует протеканию радиочастотного тока по экрану, чтобы нейтрализовать магнитное поле, вызванное синфазным током в силовых сердечниках, как показано на рис. 2.

Рисунок 2:Компенсация внешнего магнитного поля экранированным кабелем с экраном, подключенным к обоим концам

Заземление (заземление)

Заземление двигателя предназначено в первую очередь для обеспечения безопасности в случае замыкания двигателя на землю. Соединение с землей должно проводить ток короткого замыкания до тех пор, пока защитное устройство (предохранитель или автоматический выключатель) не отключит ток, при этом гарантируя, что напряжение прикосновения[1] к корпусу двигателя остается в безопасных пределах.

Обычно преобразователь частоты ограничивает ток замыкания на землю до гораздо более низких уровней и более короткой продолжительности, чем предохранитель или автоматический выключатель. Однако для этого используются сложные полупроводниковые устройства и схемы, которые могут выйти из строя. Поэтому из соображений безопасности импеданс контура заземления для соединения с землей должен быть таким же, как если бы не было преобразователя частоты – максимальную защиту обеспечивает защитное устройство выше по потоку, питающее привод. Выбор размера заземляющего проводника точно такой же, как и для двигателя с прямым питанием. Это показано на рисунке 3.

Рис. 3. Путь замыкания двигателя на землю и напряжение прикосновения

Как объяснялось выше, кабель двигателя для преобразователя частоты должен быть экранирован. Может ли этот экран также обеспечивать соединение защитного заземления, зависит от его импеданса и правил, используемых для заземления. Обычно используется отдельный медный заземляющий провод, чтобы избежать необходимости в специальных расчетах.

Иногда возникает вопрос, следует ли использовать заземляющую жилу внутри экранированного кабеля двигателя (т.е. 4-жильный кабель) или внешнюю. С точки зрения безопасности оба решения одинаково хороши. По соображениям электромагнитной совместимости оба метода могут работать, но с 4-жильным кабелем необходимо соблюдать осторожность. Заземляющая жила несет довольно большой шумовой ток, снимаемый с силовых жил внутри кабеля. Если его перенести в точку монтажной панели инвертора вдали от оконечной заделки экрана кабеля, то это приведет к попаданию тока помехи в заземляющую проводку панели с риском нарушения сигнальных цепей. Он должен быть подключен к панели инвертора физически очень близко к разъему экрана, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Правильное обращение с жилой заземления (PE) в 4-жильном экранированном кабеле двигателя

Емкость и индуктивность

Кабель двигателя имеет естественную собственную емкость и индуктивность. На промышленных частотах емкость оказывает незначительное влияние, в то время как индуктивность вызывает небольшое падение напряжения, которым в основном можно пренебречь, за исключением очень длинных кабелей и высоких пусковых токов DOL.

Гораздо важнее влияние на быстро нарастающие импульсы ШИМ от инвертора. На каждом фронте импульса емкость кабеля должна быть разряжена. Это приводит к довольно большим, но коротким импульсам тока на каждом фронте. Они могут вызывать высокочастотную автоэмиссию, а также создают нагрузку на силовые полупроводники инвертора при переключении.

К счастью, индуктивность кабеля распределяется вдоль кабеля вместе с емкостью и ограничивает зарядный ток. Чистый эффект описывается «уравнениями телеграфа» и приводит к параметрам кабеля Z₀ , волновое сопротивление и v , скорость распространения.

На каждом фронте импульса ШИМ для зарядки кабеля протекает ток, определяемый как:

<сильный>

Где  = напряжение звена постоянного тока инвертора

Для коаксиального кабеля волновое сопротивление определяется по формуле:

Где:

=относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (изолятора)

= Внутренний диаметр внешнего проводника

=Внешний диаметр внутреннего проводника

В трехфазном экранированном кабеле геометрия не является простой коаксиальной формой, но его поведение аналогично, импеданс является функцией диэлектрической проницаемости и относительных диаметров внутреннего и внешнего проводников. Геометрия и диэлектрический материал, используемый в кабелях, не сильно различаются, а логарифмический член означает, что импеданс не очень чувствителен к изменениям геометрии. Измеренные значения   для стандартных экранированных силовых кабелей в диапазоне около 45 Ом для 2,5 мм ² кабель на 15 Ом для 120 мм ² кабель. Это означает, что для более крупных приводов с номинальным током более 20 А зарядный ток незначителен, но для номинальных значений менее 10 А он имеет значение, и привод должен быть рассчитан на подачу зарядного тока без чрезмерных потерь мощности или нежелательных перегрузок. текущее отключение.

Длительность импульса тока определяется длиной кабеля, она равна времени прохождения импульса до конца двигателя, а затем обратного отражения. Чем длиннее кабель, тем больше влияние на инвертор.

Некоторые специальные кабели могут иметь ненормальные значения 

Соотношение диаметров может быть значительно уменьшено, если между силовыми жилами и экраном отсутствует изолирующая оболочка, что может иметь место для очень гибких экранированных силовых кабелей. Кабель с медной оболочкой и минеральной изоляцией (MICC) также имеет низкое отношение диаметров, а диэлектрическая проницаемость минерального изолятора высока, поэтому сопротивление очень низкое.

Другая ситуация, при которой эффективное значение будет низким, – это если несколько кабелей соединены параллельно для достижения требуемого номинального тока, а не используется один кабель большого диаметра. В этих случаях, если общая длина кабеля не очень мала, часто необходимо добавить последовательные дроссели между приводом и кабелем, чтобы ограничить зарядный ток кабеля. В Control Techniques мы иногда сталкивались со случаем, когда установщик использовал три кабеля параллельно и использовал один кабель с тремя жилами для каждой фазы. Такое расположение в любом случае является плохой практикой, потому что ток сетевой частоты в фазных жилах индуцирует противотоки в экранах, что может привести к нагреву экранов. При использовании с преобразователем частоты это приводит к исключительно высокому блуждающему току из-за чрезмерной емкости между силовыми жилами и землей, что может вызвать высокочастотные помехи в близлежащих цепях, а также может привести к перегрузке фильтров радиопомех из-за чрезмерного синфазного сигнала (земли). Текущий. Правильный и неправильный методы показаны на рис. 5.

Рис. 5. Правильный и неправильный способы параллельного соединения силовых кабелей

В вышесказанном я особо не выделил моды в кабеле, к которым относится импеданс. Как правило, нет необходимости рассматривать эти детали, но основные режимы, влияющие на привод, следующие:

• Простой асимметричный режим, одно ядро ​​относительно всех остальных ядер и экрана. Это относится к нагрузке привода, но не к току заземления или нагрузке фильтра.
• Общий режим, все жилы питания должны быть экранированы, а жилы заземлены, если они установлены. Это относится к току заземления и загрузке фильтра.

Всплеск напряжения двигателя и скорость изменения (dv/dt)

Емкость и индуктивность кабеля вызывают выбросы напряжения на клеммах двигателя на фронтах импульсов. С точки зрения уравнений телеграфа их можно понимать как отражения на клеммах двигателя, вызванные несоответствием импеданса. Даже очень короткие кабели приводят к некоторому перерегулированию. Это может удивить, если вы не знакомы с инверторами и быстро меняющимися импульсами — в микросекундном масштабе напряжение на двигателе сильно отличается от напряжения на инверторе, даже если они соединены вместе.

Двигатели имеют способность выдерживать напряжение, которая зависит от времени нарастания напряжения. Для времени нарастания ниже примерно 0,8 мкс выдерживаемое напряжение может быть снижено, поскольку напряжение имеет тенденцию концентрироваться в первых витках обмотки и нагружает межвитковую изоляцию. Большинство двигателей предназначены для использования с инверторными приводами, работающими от сети 400 В или 480 В без специальных мер. Для двигателей на 690 В настоятельно рекомендуется использовать специально разработанный двигатель с инверторным номиналом, чтобы избежать риска преждевременного выхода из строя изоляции. Такие двигатели должны быть указаны в соответствии с рекомендациями, приведенными в документе IEC TS 60034-25 («Руководство по проектированию и характеристикам двигателей переменного тока, специально предназначенных для питания преобразователя»).

Несколько моторов

Иногда желательно управлять несколькими двигателями от одного привода. Например, небольшие вентиляционные вентиляторы могут быть установлены вокруг здания и приводиться в действие одним приводом, каждый со своим кабелем. В этой ситуации емкость кабеля определяется его общей длиной, но индуктивности секций появляются параллельно приводу, а не последовательно. Для n кабели, импеданс, видимый приводом на фронтах его импульсов, 

В этом случае следует использовать последовательный дроссель, чтобы ограничить импульсы заряда емкости, в противном случае привод, вероятно, будет страдать от преждевременного отключения или ограничения по перегрузке по току, вызванного высоким зарядным током.