Выбор оптимального моторного кабеля для переменных частотных приводов (ВЧП)

Токовой рейтинг

Постоянный ток нагруженного двигателя практически не меняется при использовании ВЧП. Функция защиты двигателя от перегрузки в приводе сертифицирована (например, по UL) для термической защиты двигателя и кабеля в случае перегрузки. Следовательно, базовый токовый рейтинг моторного кабеля остается таким же, как для двигателя с прямым подключением к сети.

Сечение кабеля и падение напряжения — нормативы подбора кабеля

Нормативы подбора кабеля, используемые электромонтерами, включая программное обеспечение для проектирования кабельных систем, часто имеют специальные положения для двигателей. Они основаны на стандартном промышленном асинхронном двигателе с прямым пуском от сети («Direct On Line» — DOL). Длинные кабели могут требовать большего сечения, чем диктует номинальный ток, чтобы ограничить падение напряжения на индуктивном и активном сопротивлении кабеля при пуске. Типичный промышленный асинхронный двигатель потребляет пусковой ток DOL примерно в 5 раз выше номинального из-за высокого скольжения до выхода на рабочую скорость; при этом развиваемый момент не особенно высок, как показано на рис. 1. Из-за чрезмерного падения напряжения в кабеле двигатель может не запуститься, если нагрузочный момент удерживается на низкой скорости.

Рисунок 1: Ток и момент при прямом пуске асинхронного двигателя от сети

При использовании ВЧП скольжение двигателя всегда мало, а ток при пуске никогда не превышает кратковременного рейтинга (например, 110% или 150% в зависимости от приложения). Кроме того, привод можно настроить вместе с двигателем и его кабелем так, чтобы падение напряжения в кабеле компенсировалось — на скоростях ниже базовой имеется запас напряжения между возможностями привода и напряжением, необходимым для создания рабочей магнитной индукции в двигателе. Поэтому при использовании ВЧП нет необходимости увеличивать сечение кабеля для уменьшения падения напряжения при пуске. В установках с длинными кабельными линиями это позволяет существенно сэкономить на стоимости кабеля. При использовании программного обеспечения для подбора кабеля двигатель с ВЧП следует задавать как простое активное нагружение, а не как двигатель, чтобы избежать лишнего запаса на пусковой ток.

Типы кабелей — экранирование (экранирование)

Выход ВЧП 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 частотный состав напряжения в двигателе и моторном кабеле распространяется до высоких радиочастот — обычно очень высокий уровень для частот до ~10 МГц и заметный уровень до ~50 МГц. Для предотвращения электромагнитных помех (ЭМИ) кабель должен быть экранирован, чтобы подавить излучение электромагнитной энергии. Наличие заземленного экрана предотвращает излучение электрического поля, а правильное подключение экрана с обеих сторон — на двигателе и на инверторе — с использованием соединения с минимальной собственной индуктивностью, предотвращает излучение магнитного поля. Оба условия необходимы.

Возможное излучение от неправильно смонтированного моторного кабеля может влиять как на радиочастотную связь, так и на близко расположенную электронную аппаратуру — датчики и цепи данных, чувствительные к помехам в этих диапазонах частот. Стандарт электромагнитной совместимости (ЭМС) для приводов IEC 61800-3 (EN 61800-3) требует экранирования моторного кабеля, иначе выход привода пришлось бы подключать через очень дорогой и громоздкий радиочастотный фильтр.

Практические испытания показали, что экраны из стали или меди могут быть одинаково эффективны, если они обеспечивают хорошее непрерывное покрытие и электрическую непрерывность на всей длине кабеля. Это обеспечивает течение высокочастотного тока по экрану, компенсирующего магнитное поле, создаваемое в токоведущих жилах, как показано на рис. 2.

Рисунок 2: Компенсация внешнего магнитного поля экранированным кабелем с экраном, подключенным с двух концов

Заземление

Заземление двигателя в первую очередь обеспечивает безопасность при замыкании на корпус. Заземляющий провод должен выдерживать ток короткого замыкания до срабатывания защитного устройства (предохранителя или автоматического выключателя), обеспечивая безопасное касание напряжения на корпусе двигателя.

Обычно ВЧП ограничивает ток утечки на землю гораздо более низкими уровнями и более короткими интервалами, чем предохранитель или автомат. Однако это достигается за счет сложных полупроводниковых устройств и схем, которые могут выйти из строя. В целях безопасности сопротивление заземляющей цепи должно быть таким же, как если бы ВЧП не было — окончательная защита обеспечивает вышестоящее защитное устройство, питающее привод. Выбор сечения заземляющего проводника полностью соответствует выбору для двигателя с прямым питанием. Это иллюстрируется на рис. 3.

Рисунок 3: Путь тока замыкания на корпус двигателя и напряжение касания

Как объяснено выше, моторный кабель для ВЧП должен быть экранирован. Может ли этот экран также выполнять функцию защитного заземления, зависит от его импеданса и применяемого кодекса практики заземления. Часто используют отдельный медный заземляющий проводник, чтобы избежать необходимости специальных расчетов.

Иногда возникает вопрос: использовать заземляющую жилу внутри экранированного моторного кабеля (4-жильный кабель) или внешнюю. С точки зрения безопасности оба решения равноценны. Для ЭМС оба метода могут работать, но с 4-жильным кабелем требуется осторожность. Заземляющая жила несет значительный шумовой ток, наведенный от силовых жил внутри кабеля. Если она подключена к точке в щите инвертора, удаленной от точки подключения экрана, она вводит шумовой ток в заземляющую шину щита, создавая риск помех для сигнальных цепей. Её следует подключать к корпусу инвертора физически максимально близко к точке подключения экрана, как показано на рис. 4.

Рисунок 4: Правильное управление заземляющей жилой (PE) в 4-жильном экранированном моторном кабеле

Емкость и индуктивность

Моторный кабель обладает естественной самоемкостью и индуктивностью. На промышленных частотах емкость практически не влияет, а индуктивность вызывает небольшое падение напряжения, которое в основном пренебрежимо, за исключением очень длинных кабельных линий и высоких пусковых токов DOL.

Влияние на быстрые фронты ШИМ-импульсов от инвертора намного важнее. На каждом фронте импульса емкость кабеля должна разряжаться. Это приводит к довольно большим, но коротким импульсам тока на каждом фронте. Они могут вызывать высокочастотное излучение и создают нагрузку на силовой полупроводник инвертора при коммутации.

К счастью, индуктивность кабеля распределена вдоль его длины вместе с емкостью и ограничивает ток заряда. Чистый эффект описывается «уравнениями телеграфиста» и приводит к параметрам кабеля: Z₀ — волновое сопротивление, и v — скорость распространения.

На каждом фронте ШИМ-импульса течет ток заряда кабеля, задаваемый формулой:

I = V_DC / Z₀

где V_DC — напряжение постоянного тока в промежуточной цепи инвертора.

Для коаксиального кабеля волновое сопротивление:

Z₀ = (60 / √ε_r) × ln(D/d)

где:

• ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость изолятора
• D — внутренний диаметр внешнего проводника
• d — внешний диаметр внутреннего проводника

В 3-фазном экранированном кабеле геометрия не является простой коаксиальной, но поведение похоже: импеданс зависит от диэлектрической проницаемости и относительных диаметров внутреннего и внешнего проводников. Геометрия и диэлектрик в кабелях не сильно варьируются, и логарифмическая зависимость делает импеданс нечувствительным к изменениям геометрии. Измеренные значения Z₀ для стандартных экранированных силовой кабелей варьируются от ~45 Ом для кабеля 2,5 мм² до ~15 Ом для кабеля 120 мм². Это означает, что для более крупных приводов с номинальным током свыше ~20 А ток заряда незначителен, но для рейтингов ниже ~10 А он имеет значение, и привод должен быть рассчитан на обеспечение тока заряда без чрезмерных потерь или ложных срабатываний по перетоку.

Длительность импульса тока определяется длиной кабеля — это время, за которое импульс проходит до конца кабеля и возвращается как инвертированное отражение. Чем длиннее кабель, тем сильнее влияние на инвертор.

Некоторые специальные кабели могут иметь аномально низкие значения Z₀:

• Отношение диаметров может быть сильно уменьшено, если нет изоляционной оболочки между силовыми жилами и экраном, что бывает в высокогибких экранированных силовой кабелях.
• Минерально-изолированные медные кабели (MICC) также имеют низкое отношение диаметров, и диэлектрическая проницаемость минерального изолятора высока, поэтому импеданс очень низок.

Другая ситуация с низким эффективным Z₀ — соединение нескольких кабелей параллельно для достижения требуемого тока вместо одного кабеля большого сечения. В этих случаях, если общая длина кабеля не очень мала, часто необходимо добавлять последовательные дроссели между приводом и кабелем для ограничения тока заряда. В Control Techniques встречались случаи, когда монтажник использовал три кабеля параллельно и для каждой фазы использовал трехжильный кабель. Такая схема — плохая практика в любом случае, так как промышленный ток в фазных жилах наводит встречные токи в экранах, что может привести к их нагреву. При работе с ВЧП это приводит к исключительно высокому паразитному току от чрезмерной емкости между силовыми жилами и землей, что вызывает высокочастотные помехи в близких цепях и риск перегрузки РЧИ-фильтров из-за избыточного общего (земельного) тока. Правильные и неправильные методы показаны на рис. 5.

Рисунок 5: Правильные и неправильные методы параллельного соединения силовой кабелей

Выше не различали режимы волнового сопротивления. Обычно в таком التفاصيل нет необходимости, но основные режимы, влияющие на привод:

• Простой асимметричный режим — одна жила относительно всех остальных жил и экрана. Важен для нагрузки на привод, но не для земельного тока или нагрузки на фильтры.
• Общий режим — все силовые жилы относительно экрана и заземляющей жилы (если есть). Важен для земельного тока и нагрузки на фильтры.

Перехлест напряжения на двигателе и скорость изменения (dv/dt)

Емкость и индуктивность кабеля вызывают перехлесты напряжения на клеммах двигателя на фронтах импульсов. В терминах уравнений телеграфиста это понимается как отражения на клеммах двигателя из-за несоответствия импедансов. Даже довольно короткие кабели дают некоторый перехлест. Это может удивить, если вы не знакомы с инверторами и быстрыми импульсами — в микросекундном масштабе напряжение на двигателе сильно отличается от напряжения на инверторе, хотя они соединены.

Двигатели имеют пробойное напряжение, зависящее от времени нарастания. Для времен нарастания ниже ~0,8 мкс пробойное напряжение может снижаться, так как напряжение концентрируется в первых витках обмотки и нагружает межвитковую изоляцию. Большинство двигателей рассчитаны на работу с инверторными приводами от сети 400 В или 480 В без специальных мер. Для двигателей 690 В настоятельно рекомендуется использовать специально разработанные инверторные двигатели, чтобы избежать риска преждевременного пробоя изоляции. Такие двигатели должны соответствовать рекомендациям IEC TS 60034-25 («Руководство по проектированию и эксплуатации двигателей переменного тока, специально предназначенных для питания от преобразователей»).

Несколько двигателей

Иногда желательно управлять несколькими двигателями от одного привода. Например, небольшие вентиляторы могут быть установлены вокруг здания и приводиться в действие от одного привода, каждый со своим кабелем. В этой ситуации емкость кабеля определяется его общей длиной, но индуктивности участков кабелей видны приводу параллельно, а не последовательно. Для n кабелей импеданс, видимый приводом на фронтах импульсов, равен Z₀/n.

В этом случае следует использовать последовательный дроссель для ограничения импульсов тока заряда емкости, иначе привод, скорее всего, будет страдать от преждевременных срабатываний или ограничений по перетоку из-за высокого тока заряда.