Любая машина, использующая VFD, подвержена воздействию прерывистых выходных сигналов постоянного тока прямоугольной формы. Здесь мы объясняем, как эти сигналы влияют на двигатели и окружающее оборудование и взаимодействуют с ними, а также как кабели могут помочь защитить многие компоненты от более вредных свойств сигналов.

Частотно—регулируемые приводы (ЧРП) управляют множеством машин, включая промышленное применение на бумажных фабриках, цементных заводах, системах управления горнодобывающей промышленностью, автомобильных заводах и сталелитейных заводах; экологическое применение на очистных сооружениях сточных вод и рабочих судах; нефтегазовое применение в виде систем управления насосами, газовыми и дизельными двигателями, котлами, компрессорами, турбины и конвейеры; а также системы кондиционирования воздуха.

Но на выходе VFD используются импульсы постоянного тока для приведения двигателя в движение, и эти импульсы могут вызывать помехи в электрических сигналах, проходящих через двигатель и кабели двигателя, что приводит к повреждению компонентов и снижению общей производительности машины.

Напомним, что VFD преобразует синусоидальный переменный ток в сигнал постоянного тока. Затем он посылает прерывистый сигнал постоянного тока на двигатель. Изменяя ширину и синхронизацию импульсов (с помощью широтно—импульсной модуляции или ШИМ), привод создает ток двигателя, который выглядит как синусоидальная волна, частота которой управляет частотой вращения двигателя.

Проблема в том, что даже при низкой скорости (низкой частоте) амплитуда прямоугольной волны всегда находится на уровне напряжения шины 650 В постоянного тока для двигателей напряжением 480 В. Результирующее время нарастания напряжения dv / dt на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) вызывает проблемы с отражающими волнами и электромагнитными помехами (EMI), чего не было со вчерашними VFD-инверторами. Инверторы раннего поколения использовали управляемые кремнием выпрямители — SCR— или транзисторы с биполярным переходом — BJT — в качестве переключающих компонентов для выходной мощности. Они были намного медленнее, чем современные VFD, использующие IGBT на частоте около 20 кГц. Хотя более высокочастотные IGBT обеспечивают лучшее управление и более точный отклик, отрицательным компромиссом является то, что это приводит к явлениям, ставящим под угрозу всю систему, включая кабели.

Одной из наиболее выраженных проблем являются отраженные волны. Помните, что обмотки статора двигателя являются катушками индуктивности, а катушки индуктивности не пропускают ток мгновенно. Вместо этого они должны сначала создать магнитное поле. Из-за несоответствия импеданса между кабелем и двигателем чрезвычайно быстрое время нарастания импульсов постоянного тока (dv/dt) вызывает скачки напряжения в виде отражающих волн на соединении кабеля с двигателем. Здесь часть переднего края сигнала отражается обратно через кабель, когда он попадает на соединение с двигателем.

Частота отражений волн напряжения зависит от двух факторов:
• время нарастания напряжения dv/dt
• длина кабелей двигателя, которые действуют как линия передачи.

Отражающие волны могут накапливаться, возможно, превышая уровень напряжения начала коронирования (CIV).

Корона — это разряд от локализованного электрического поля на объекте, который вызывает ионизацию и электрический пробой прилегающего воздуха. Он характеризуется цветным свечением (видимым в темноте) и шипящим звуком, интенсивность которого увеличивается с увеличением выходного напряжения. Коронный разряд также может генерировать озон, который разрушает резину. При наличии достаточного количества влаги этот процесс может даже привести к образованию азотной кислоты — вещества, которое медленно нагревает и расплавляет обычные электрические изоляторы из ПВХ в локализованных областях, что приводит к преждевременному выгоранию кабеля.

Решение здесь заключается в выборе кабелей с изоляцией из ПВХ, толщина которой превышает указанные стандарты Национального электротехнического кодекса (NEC) для проводов THHN и даже рекомендации производителя привода. Также обратите внимание, что в соответствии со статьей 310.10 NEC кабели с изоляцией из ПВХ THHN следует использовать для сухих и влажных помещений; для влажных помещений проектировщикам следует использовать сшитый полиэтилен (XLPE) XHHW или RHW-2, поскольку тепло, выделяемое при образовании азотной кислоты, образует термоизолирующий обугленный слой на поверхности XLPE это может предотвратить дальнейшую деградацию.

Например, некоторые технологические схемы выбора проводов Allen Bradley рекомендуют проектировщикам использовать кабели с изоляцией из ПВХ толщиной не менее 20 мил для сухих условий и из сшитого полиэтилена (XHHW-2) для влажных условий. Более толстая изоляция кабелей уменьшает вредное воздействие отражающих волн, поскольку увеличивает напряжение начала коронирования (CIV), уровень напряжения, при котором начинается коронирование.

Для кабелей длиной более 50 футов изоляция из ПВХ должна составлять не менее 20 мил — или используйте провода с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Высокочастотные импульсы постоянного тока также вызывают ложные мгновенные сбои при перегрузке по току (IOC) в небольших VFD, особенно в приводах мощностью 5 л.с. и менее, поскольку уставки перегрузки по току меньше. Высокочастотные импульсы могут фактически заряжать емкость между проводниками, потребляя больше тока от привода. Помните, что кабели могут действовать как конденсаторы, причем два проводника разделены диэлектриком (изоляцией кабеля). Поэтому лучше всего использовать кабели с более низкой диэлектрической проницаемостью, чтобы уменьшить заряд этого кабеля и свести к минимуму мгновенные отключения от перегрузки по току. С этой целью выбирайте кабели из ПВХ и сшитого полиэтилена с более толстой изоляцией, чтобы они имели более низкие диэлектрические показатели.

Типичный трехфазный синусоидальный источник питания сбалансирован и симметричен в нормальных условиях. Это означает, что векторная сумма трех фаз всегда равна нулю. Но это не относится к VFD, которые используют импульсы постоянного тока для создания трехфазного напряжения. (Основная частота выходных напряжений несколько симметрична, но невозможно свести сумму напряжений к нулю.) Результирующее напряжение в нейтральной точке — соединении центральной обмотки в двигателе со звездообразной обмоткой — не равно нулю. Несбалансированное напряжение здесь является источником синфазного напряжения. Таким образом, всякий раз, когда сумма уровней трехфазного напряжения на этом соединении изменяется, ток, пропорциональный этому изменению, должен поступать на землю. Этот ток течет на землю через все компоненты системы, иногда образуя вредные контуры заземления.

Контуры заземления — это непреднамеренные пути через систему электрических соединений, в которых потенциалы (напряжения), измеренные относительно земли на обоих концах пути, различаются.

Высокий уровень шума в диапазоне от 60 Гц до 30 МГц может привести к емкостному соединению обмоток двигателя с корпусом двигателя и последующему заземлению. Этот шум также может передаваться емкостным образом от неэкранированных кабелей двигателя в кабелепроводе через заземляющие планки или опоры. Эти непреднамеренные токи создают проблемы для цифровых систем, чувствительных к высокочастотному шуму, генерируемому VFDS. Фактически, даже небольшое смещение потенциалов может привести к протеканию посторонних токов через заземление и изменению опорных уровней напряжения. Чтобы избежать этого потенциально опасного тока, все заземления должны быть подключены к одному и тому же потенциалу на приводе. Кроме того, избегайте использования неэкранированных кабелей в металлических кабелепроводах или лотках — в противном случае кабелепровод может передавать электромагнитные помехи и синфазные помехи на ближайшее заземление и создавать контуры заземления.

Высокочастотные синфазные токи также могут протекать от корпуса двигателя (статора) через подшипники к валу приводимого в действие механизма и заземляться через емкость между подшипниками и наружным кольцом. Эти токи в подшипниках могут привести к электроэрозионной обработке (EDM). Эта электроэрозионная обработка приводит к появлению крошечных ямок на наружном кольце подшипника, придавая ему шероховатую поверхность, которая может привести к выходу подшипников из строя. (Для получения статей с изображениями рифления кольца подшипника, вызванного токами в подшипнике, нажмите здесь.)

В дополнение к токам статора в двигателе протекают также токи вала (также называемые токами ротора). Чтобы уменьшить эти токи, необходимо обеспечить надлежащее заземление с хорошей защитой от помех и низкоомный путь заземления обратно к приводу.

Если между валом ротора и приводимым в действие оборудованием нет токопроводящей муфты, инженеры могут установить кольца заземления вала, чтобы направлять токи ротора обратно через корпус двигателя.

Более конкретно, для электромагнитных помех и синфазных токов (которые протекают, например, по каналам с низким сопротивлением к подшипникам заземляющего вала или соединениям металлических кабелепроводов) проектировщики должны применять надлежащие методы заземления и надлежащие методы экранирования, чтобы эти вредные сигналы возвращались к приводу через провода заземления и кабельные экраны с очень низкие импедансы. Стандартные кабели обеспечивают достаточное заземление для защиты людей, но этого недостаточно для защиты оборудования от высокочастотных помех и синфазных токов. Вот почему для крупных двигателей многие производители двигателей (включая АББ) рекомендуется использовать кабели с симметричным расположением трехфазных выводов и трех проводников заземления.

Электромагнитные помехи (EMI) — это помехи, которые воздействуют на электрическую цепь либо из-за электромагнитной индукции, либо из-за электромагнитного излучения, испускаемого внешним источником. Последствия этих помех могут варьироваться от простого ухудшения качества данных до полной потери данных. Источником может быть любой объект, искусственный или естественный, который пропускает быстро меняющиеся электрические токи, такие как электрическая цепь, Солнце или Северное сияние.

Для предотвращения электромагнитных помех в системах VFD компания ABB рекомендует заземлить экран с контактом на 360° на входе в корпус и двигатель, а также подсоединить экран к клемме PE на приводе. Некоторые производители кабелей сходятся во мнении, что это лучшее решение, и предлагают заземляющий разъем с контактом на 360° для ввода кабелей в корпус.

Обратите внимание, что правильное заземление корпуса и двигателя с последующим надлежащим экранированием кабелей VFD создает то, что по сути является клеткой Фарадея. Клетка Фарадея — это оболочка, образованная из проводящего материала. Такой корпус блокирует внешние статические и нестатические электрические поля, направляя электричество через корпус на землю. Это, в свою очередь, обеспечивает постоянное напряжение на всех сторонах корпуса. Поскольку разница в напряжении является мерой электрического потенциала, ток не протекает через пространство.

Во избежание электрических помех всегда устанавливайте защитные экраны на обоих концах — на двигателе и приводе. Экран действует как канал заземления для электрических помех и рассеянного CMC, поэтому важно правильное подключение.

Из-за скин-эффекта на высоких частотах не используйте сливной провод с одним концом. Он не обеспечивает достаточной площади поверхности для передачи высокочастотного шума на землю. Скорее всего, лучше всего подключить экран непосредственно к клемме PE на приводе. Поскольку сигналы VFD имеют очень высокую частоту, они проявляют скин-эффект на проводах на этих высоких частотах.

Напомним, что скин-эффект — это тенденция переменного тока протекать в основном вблизи внешней поверхности электрического проводника. Эффект становится все более и более очевидным по мере увеличения частоты.

Именно поэтому для заземления лучше всего использовать планку заземления вместо сплошного круглого провода.

1. Некоторые кабели VFD имеют изоляцию толще, чем требуется по коду. Они повышают уровень начального напряжения коронного разряда, продлевая срок службы кабеля. Такие кабели также имеют более низкие значения емкости, что, в свою очередь, приводит к меньшему количеству мгновенных сбоев при перегрузке по току на небольших приводах.

2. Изоляция из ПВХ предназначена для сухих и влажных помещений, а из сшитого полиэтилена — для влажных помещений (согласно Национальному электрическому кодексу или NEC). Это потому, что коронный разряд при наличии влаги образует азотную кислоту, которая может расплавить ПВХ, но на самом деле обугливает и укрепляет сшитый полиэтилен.

3. Производитель приводов Allen Bradley предлагает полезную технологическую схему выбора проводов; его можно использовать для определения подходящих кабелей VFD. Как правило, кабели с изоляцией из ПВХ толщиной 0,020 дюйма (20 мил) или толще подходят для большинства применений, за исключением тех, которые используются во влажных помещениях или там, где длина кабеля больше.

4. Поскольку VFD имеют несбалансированные суммы трехфазных векторов, ток никогда не бывает равен нулю в нейтрали. Это требует надлежащего экранирования и заземления с низким сопротивлением обратно к приводу (а также для защиты от воздействия синфазных токов и высокочастотных несущих токов).

5. Никогда не используйте неэкранированные кабели в кабелепроводе или лотке, чтобы предотвратить непреднамеренные пути к заземлению, создавая контуры заземления. Кроме того, кабели должны иметь надлежащую защиту и заземление в местах их подключения к корпусу привода и к двигателю. Для этого используйте электромагнитные вводы и экранированные кабели.

6. Всегда лучше всего подсоединять экран непосредственно к клемме PE на приводе (чтобы избежать скин-эффекта от сливных проводов).

7. Нет никакой замены хорошим кабелям VFD. Обратите внимание, что кольца заземления вала воздействуют только на токи вала в определенных случаях и не воздействуют на токи статора. При аналогичном ограничении выходные фильтры VFD не учитывают синфазный ток и высокочастотные несущие токи, поэтому они не являются заменой хорошо подключенного оборудования.

Статья Кевина Марстона • Управляющего директора | SAB СЕВЕРНАЯ АМЕРИКА