Οι προσπάθειες βιομηχανικού αυτοματισμού και ενεργειακής απόδοσης αυξάνουν τη χρήση μεταβλητής συχνότητας (VFD) σε συστήματα κινητήρα όπως μεταφορείς, αντλίες και βιομηχανικά ρομπότ. Η επιλογή καλωδίου για αυτόν τον τύπο κινητήρα είναι πολύ πιο περίπλοκη από τον προσδιορισμό του μετρητή καλωδίων με βάση το ρεύμα φορτίου και το επίπεδο μόνωσης με βάση την τάση λειτουργίας.
Τα σύγχρονα συστήματα κινητήρων VFD χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος μεταγωγής για να παράγουν ένα σήμα κίνησης διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM) με εξαιρετικά γρήγορες ακμές. Αυτά τα γρήγορα μεταβατικά αυξάνουν τις αντανακλάσεις του σήματος που προκαλούνται από αναντιστοιχίες σύνθετης αντίστασης μεταξύ του καλωδίου και των ακροδεκτών του κινητήρα, δημιουργώντας στάσιμα κύματα που αυξάνουν την τάση τάσης στο καλώδιο. Επιπλέον, οι χωρητικότητες γραμμής προς γραμμή και γραμμής προς γείωση του καλωδίου επηρεάζουν την απόδοση του οδηγού και αυξάνουν το ρεύμα φόρτισης. Δεδομένου ότι το σήμα VFD PWM περιέχει μεγάλο αριθμό αρμονικών υψηλής συχνότητας, τα καλώδια του κινητήρα πρέπει να θωρακίζονται αποτελεσματικά για τη μείωση των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI).
Αυτό το έγγραφο περιγράφει εν συντομία το VFD και συζητά τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές κατά την επιλογή των καλωδίων κινητήρα VFD για να διασφαλιστεί η λειτουργικότητα, η αξιοπιστία και η ασφάλεια που απαιτούνται για τη σωστή λειτουργία. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα καλώδια VFD του LAPP και δείχνουν πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παρέχουν σταθερά σήματα ισχύος και ελέγχου, ενώ μειώνουν την ακτινοβολία EMI και την ευαισθησία σε σκληρά περιβάλλοντα.
Εισαγωγή VFD
Ο βιομηχανικός αυτοματισμός απαιτεί ο κινητήρας να λειτουργεί αξιόπιστα και αποτελεσματικά και να μπορεί να λειτουργεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση εντός του πλήρους εύρους στροφών. Το VFD, που μερικές φορές αναφέρεται ως οδηγός ρυθμιστή, είναι ένας ελεγκτής κινητήρα που ρυθμίζει την ταχύτητα και τη ροπή ενός κινητήρα επαγωγής AC (ACIM) μεταβάλλοντας τη συχνότητα εισόδου ισχύος, την τάση και τον κύκλο λειτουργίας του κινητήρα. Η αρχή λειτουργίας του VFD είναι να χρησιμοποιεί την είσοδο διόρθωσης AC και την έξοδο DC για τη δημιουργία σήματος PWM για την κίνηση του κινητήρα. Ρυθμίζοντας τη συχνότητα, το πλάτος και το πλάτος αυτών των σημάτων παλμού, η ταχύτητα του κινητήρα και η ροπή εξόδου μπορούν να ελεγχθούν σε διάφορα συστήματα κίνησης κινητήρα.
Για να πραγματοποιήσει τη λειτουργία του, το VFD αποτελείται από τρία κύρια στοιχεία (Εικ. 1): έναν ανορθωτή που μετατρέπει το AC σε DC, έναν μετατροπέα που μετατρέπει τη ροή DC σε PWM και έναν ελεγκτή VFD.
Το VFD διορθώνει την είσοδο AC και παράγει σήμα PWM χρησιμοποιώντας DC (κάντε κλικ στην ενίσχυση)
Σχήμα 1: Το VFD διορθώνει την είσοδο AC και χρησιμοποιεί DC για τη δημιουργία σήματος PWM για τον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα και της ροπής εξόδου. Πηγή εικόνας: Art Pini)
Ο ελεγκτής παρακολουθεί τη λειτουργία του κινητήρα μέσω μιας ποικιλίας αισθητήρων για τον έλεγχο των κρίσιμων παραμέτρων του κινητήρα. Αυτοί οι αισθητήρες περιλαμβάνουν ανάδραση περιστροφικού μετασχηματιστή/κωδικοποιητή, στροφόμετρο και αισθητήρες θερμοκρασίας και δόνησης.
Αυτός ο ανορθωτής χρησιμοποιεί συμβατικές διόδους ακολουθούμενες από φίλτρα. Ο μετατροπέας υιοθετεί τρανζίστορ εφέ πεδίου ισχύος (FET) ή διπολικά τρανζίστορ με μόνωση πύλης (IGBT). Αυτά τα τρανζίστορ οδηγούνται από έναν απομονωμένο οδηγό πύλης υψηλής τάσης, ο οποίος ελέγχεται κεντρικά από έναν ελεγκτή VFD.
Το VFD διαφέρει από τη συμβατική τριφασική λειτουργία AC στο ότι το σήμα του κινητήρα μετάδοσης κίνησης δεν είναι ένα ημιτονοειδές κύμα, αλλά ένας παλμός PWM (Εικ. 2).
Ο παλμός PWM του VFD δημιουργεί ημιτονοειδή απόκριση ρεύματος
Εικόνα 2: Ο παλμός PWM του VFD δημιουργεί ημιτονοειδή απόκριση ρεύματος στην περιέλιξη του κινητήρα. Πηγή εικόνας: LAPP)
Η συχνότητα σήματος PWM είναι γενικά 2 kHz έως 20 kHz. Ο μετατροπέας συνδέει εναλλάξ τον κινητήρα στους θετικούς και αρνητικούς πόλους του διαύλου AC και στην κοινή τάση DC. Η τάση διαύλου συνεχούς ρεύματος είναι κοντά στη μέγιστη τάση διαύλου AC. Η κυματομορφή VFD PWM που χρησιμοποιείται παράγει μια ημιτονοειδή απόκριση ρεύματος για τον έλεγχο της ταχύτητας και της ροπής του κινητήρα.
Λόγω των χαρακτηριστικών του κύματος PWM, απαιτούνται ειδικά καλώδια για τη σύνδεση του VFD στον κινητήρα. Αυτή η κυματομορφή είναι ένας ορθογώνιος παλμός με ευρύ φάσμα και πλούσιο σε αρμονικές. Το καλώδιο VFD είναι ειδικά σχεδιασμένο για να μειώνει την ακτινοβολία αυτών των σημάτων υψηλής συχνότητας. Επιπλέον, για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια μεταγωγής των συσκευών μεταγωγής μετατροπέα και να μεγιστοποιηθεί η απόδοση του συστήματος, η ταχύτητα μεταπήδησης παλμού πρέπει να ρυθμιστεί όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν πολύ υψηλό ρυθμό μεταβολής τάσης (dV/dt) στην άκρη του παλμού. Αυτά τα χαρακτηριστικά, σε συνδυασμό με γρήγορες ακμές και φασματικά στοιχεία υψηλής συχνότητας, έχουν ως αποτέλεσμα υψηλά επίπεδα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Οι γρήγορες ακμές παράγουν επίσης αντανακλάσεις της γραμμής μετάδοσης όπου αλλάζει η σύνθετη αντίσταση του καλωδίου. Αυτή η ανάκλαση δημιουργεί ένα στάσιμο κύμα στο καλώδιο, το οποίο αυξάνει την τάση στο καλώδιο και απαιτεί από το καλώδιο VFD να έχει υψηλότερη ονομαστική τάση.
Η χωρητικότητα του καλωδίου μεταξύ των μεταλλικών αγωγών είναι μια άλλη ανησυχία. Όταν ο διακόπτης μετατροπέα συνδέει το καλώδιο με το δίαυλο DC, δημιουργείται ένα κύμα ρεύματος που φορτίζει την χωρητικότητα του καλωδίου. Αυτό αυξάνει το στιγμιαίο επίπεδο ρεύματος και μπορεί να προκαλέσει βλάβη στο καλώδιο. Αυτό το ρεύμα κοινής λειτουργίας μπορεί να ρέει μεταξύ των φάσεων ή από μια φάση στη γη. Αυτό το ρεύμα μπορεί επίσης να εισέλθει στον βρόχο γείωσης μέσω του πλαισίου του κινητήρα και να περάσει μέσα από τα ρουλεμάν του κινητήρα. Το ρεύμα που διαρρέει το ρουλεμάν προκαλεί διάτρηση στην επιφάνεια του ρουλεμάν, γεγονός που μειώνει τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Αυτά τα προβλήματα παρουσιάζονται συνήθως σε συστήματα VFD με υψηλή τάση, υψηλή βαθμολογία κινητήρα (HP) και μεγάλες διαδρομές καλωδίων.
Όπως συμβαίνει με όλα τα καλώδια και τα καλώδια, το ρεύμα ρέει μέσω της αντίστασης συνεχούς ρεύματος του καλωδίου προκαλώντας απώλεια ισχύος. Επιπλέον, λόγω του ευρέος φασματικού εύρους ζώνης των σημάτων PWM, η αντίσταση του καλωδίου μπορεί να αυξηθεί λόγω του φαινομένου του δέρματος. Αυτά τα αποτελέσματα αντίστασης ποικίλλουν ανάλογα με το μήκος του καλωδίου.