Кабели за честотни инвертори

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 4/2017 • 23.06.2017

Кабели за честотни инвертори
Кабели за честотни инвертори

Честотните инвертори (VFD) са сред най-полезните устройства в индустрията. Te дават възможност да се изменя скоростта на въртене на трифазни електродвигатели при изменение на тяхното натоварване. Чрез промяна на изходната си честота и напрежение честотният преобразувател променя оборотите в минута на двигателя в съответствие със зададените изисквания.

Когато се използва честотен инвертор, скоростта на двигателя може да се изменя почти веднага според измененията на товара и според нужното за отделните технологични операции.

Допълнително тяхно предимство е възможността да се увеличи прецизността на управление на технологичния процес, тъй като те могат да регулират скоростта на въртене на двигателя с допуск в рамките на 0,1%.

Честотният инвертор може да осигури и възможността за “soft start” на двигателя (т. е. той да пуска плавно и да достигне желаната скорост, а не при включването да тръгва на пълни обороти), което намалява резките механични натоварвания при пуск с максимално напрежение.

Това води до по-малки разходи за поддръжка и по-дълъг живот на двигателя. При циклично изменящи се натоварвания честотният инвертор помага и да се избегне прегряването на двигателя.

Кабели, специално разработени за честотни инвертори
Както много инженерни решения, така и честотните инвертори имат не само предимства, но и недостатъци. Например бързото превключване на транзисторите при ШИМ, поради което са възможни и резките изменения на скоростта на въртене на двигателя (а оттам и прецизното регулиране на технологични процеси), може също и да генерира нежелан шум по кабелите на инвертора и в самия него.

Електрическата енергия, подавана по кабелите от честотни инвертори, съдържа честоти, достигащи до 30 MHz. Ако енергията на тези честоти не се задържи вътре в кабела, тя ще се излъчи в околното пространство и ще доведе до смущения в нормалната работа на близко разположеното оборудване.

Подобни смущения се наблюдават например при електронните уреди, особено ако не са от клас, подходящ за промишлени условия, или при конвенционалните Ethernet мрежи и обикновените незащитени проводници на различни други устройства. Биват засегнати дори и електрически вериги, които нямат нищо общо със системата на честотния инвертор.

Понякога е трудно да се установи източникът на този шум и да се елиминира влиянието му, което вероятно е и най-същественият проблем, свързан с използването на системи с честотни инвертори днес. Докато за тях не се използват подходящо екранирани кабели, излъчваният шум може да пречи на други производствени операции.

Нещо повече, тъй като колкото по-дълъг е един кабел, толкова повече шум ще излъчва той, дължината на кабелите трябва да се ограничава. Това, на свой ред, налага ограничения при разположението на машините в цеха.

Критериите, по които са избрани компонентите в една система с честотен инвертор (самият инвертор, кабелът и двигателят), свързването им, режимът им на работа – всичко това влияе върху надеждността на цялата система. В нея, по средата, е кабелът, който свързва преобразувателя и двигателя. Той играе особено съществена роля за оптималната работоспособност и дългия срок на служба на цялата система.

Качества на добрия кабел
При избора на кабела, по който ще се управлява двигателят, е важно да се проверява доколко той е проектиран правилно и може да се справи с всички съществени проблеми, присъщи на нормалната му експлоатация.

Добро заземяване: Системата на заземяването осигурява изходното ниво на напрежение – в идеалния случай е нула – спрямо което се отчитат всички останали напрежения в системата с честотен инвертор. Невинаги е възможно заземяването да бъде точно на ниво 0 V, но може да се осигури едно приблизително идеално изходно ниво, като се направи така, че всички заземени точки да бъдат с еднакъв, много нисък потенциал.

Изграждането на нискоимпедансен заземителен контур между двигателя и управляващия го инвертор е важно с оглед намаляването на разликата в потенциалите, а оттам и на вредните токове на несиметрия.

Когато този нискоимпедансен заземителен контур се осигурява от свързващия кабел в системата с честотен инвертор, това потиска протичането на токове на несиметрия в други устройства/системи. Подходящото заземяване означава, че вредните честоти при работата на честотния инвертор, които потенциално могат да причинят смущения, има откъде да се отвеждат.

Един начин за заземяване на кабела е да се използва един отделен изолиран заземителен проводник, двата края на който са свързани към двигателя и преобразувателя. Екраниращата обвивка около захранващите проводници в кабела трябва да бъде свързана физически и електрически към този изолиран заземителен проводник в точката, в която кабелът влиза в корпуса на двигателя и в този на преобразувателя.

Има и друг начин, използван в т.нар. кабели със симетрична конструкция, при които заземителните проводници са три и са с относително малко сечение. Сумарното сечение на трите обаче е еквивалентно на сечението на всеки от захранващите проводници.

Свързват се към екраниращата обвивка и при това положение, когато и трите се монтират към заземителния накрайник на корпуса на двигателя, екраниращата обвивка автоматично се заземява.

Шумоустойчивост: Шумът излъчен от един кабел за честотни инвертори е пропорционален на енергията на променливотоковите съставки, които протичат по него, а така също и на неговата дължина. По-големи токове и/или по-голяма дължина водят до по-високи нива на излъчения шум. Чрез подходящо екраниране на кабела за честотни инвертори шумът може да се потиска.

Ниска диелектрична константа: Важна характеристика на кабелната изолация е нейната диелектрична константа или относителната й диелектрична проницаемост. Диелектричната константа трябва да е с ниска стойност, ако се изисква кабелът да има нисък капацитет и вследствие на това да се минимизира отразената вълна на напрежението от двигателя обратно към честотния преобразувател.

Екранирането, разбира се, допринася за потискането на шума, но и изолацията от омрежен полиетилен (XLPE) със своята ниска диелектрична константа също спомага за това.

Изолация с ниска диелектрична константа като тази от XLPE фактически намалява съхранената енергия в кабела и по този начин увеличава критичните разстояния за разпространение на пълни (2x) отразени вълни на напрежението. В резултат на това при изолация с ниска диелектрична константа, например от омрежен полиетилен, е възможна по-дълга дължина на кабела.

Поглъщане на отразената вълна на напрежението: Ако видът на кабела не е точно подбран, отразените вълни, породени от несъгласуване между импедансите на кабела и на двигателя, може да доведе до проблеми при използването на честотен инвертор.

Доколко значителни ще са тези проблеми зависи от: дължината на кабела; времето на нарастване при ШИМ на носещата, подавана от инвертора; напрежението на инвертора и степента на несъгласуваност между импедансите на двигателя и на кабела.

Изолацията от омрежен полиетилен – материал с висока стойност на импулсното пробивно напрежение – намалява риска от откази поради влиянието на отразените вълни и на резки пикове в напрежението. Той е много по-устойчив от PVC (кабели с изолация от поливинилхлорид не се препоръчват за използване в системите с честотен инвертор).

Малък риск от коронен разряд: Изолацията от XLPE намалява и вероятността от възникване на коронен разряд в кабела или в двигателя. Напрежението на възникване на коронен разряд е това напрежение, при което въздушната междина между два проводника в кабела или между две намотки в двигателя се пробива от електрическа дъга.

При коронния разряд се развиват изключително високи температури. Ако изолацията на кабела е от термопластичен материал (напр. PVC), това явление може да доведе до пълно изгаряне на кабела или до късо съединение поради постепенното разтапяне на изолацията в отделни участъци.

И обратно, генерираната топлина от коронния разряд води до образуването на термоизолиращ овъглен слой по повърхността на изолацията от XLPE, което предотвратява по-нататъшната й деградация.

Правилно бондиране: Бондирането е понятие, което описва как точно компонентите в една заземителна система се свързват физически или присъединяват един към друг, за да формират заедно единна електрическа верига. По отношение на един кабел за честотен инвертор това конкретно означава доколко надеждно екраниращата обвивка и заземителните проводници са свързани към корпуса на двигателя или на преобразувателя и, в крайна сметка, към потенциала на заземяване.

Кабелите за честотни инвертори изпълняват функцията си най-добре, когато заземителни проводници и екрани са свързани само към двигателя и преобразувателя без междинно заземяване. Такива точки на междинно бондиране могат да се превърнат в “точки за отскок” на токовия шум, който иначе може да се улови от добре конструираното заземяване и екраниране вътре в кабела за честотни инвертори.

Избор на кабел за честотни инвертори
Не съществува организация, която да определя дали един кабел е подходящ за работа с честотен инвертор или не, както не съществуват и стандарти за конкретните кабели, които могат да се използват за честотни инвертори.

Някои производители наричат “кабели за честотни инвертори” висококапацитивни кабели с изолация от PVC/найлон с пробивно напрежение 600 V и предвидени да се полагат върху открити носещи конструкции, на които те просто са добавили екранираща обвивка.

Като цяло обаче на този пазар се предлагат кабели с качествена изолация от XLPE и с многообразие от екраниращи обвивки, които надеждно потискат излъчването на шум и успешно издържат електростатични натоварвания, породени от отразените вълни на напрежението.

Отделно, продуктите на пазара на кабели за честотни инвертори са обособени в два отделни сегмента – кабели по стандартите в строителството и кабели с повишени работни характеристики. Разликата между тези два сегмента се дължи на редица фактори и свойства:

Материал на проводника: В кабелите за честотни инвертори с повишени работни характеристики се влагат проводници, изработени от голям брой калайдисани проводници, докато при тези, изработени по стандартите в строителството, проводниците се състоят от 7 или 19 проводника от чиста мед.

В резултат на това, кабелите с повишени работни характеристики са по-гъвкави, с по-висока термична устойчивост в точките на свързване, а поради това, че сумарната им проводяща повърхност е от 4 до 8 пъти по-голяма, те са много по-предпочитани с оглед подаването на високочестотните съставки от изхода на преобразувателя.

Изолация: Кабелите за честотни инвертори по стандартите в строителството обикновено са с изолация от XLPE, което, от гледна точка на надеждността на изолацията, винаги е достатъчно. Но те са направени така, че да съответстват на изискванията за минимална дебелина на стените съгласно стандарта UL1277 (кабели полагани върху открити носещи конструкции).

От друга страна, кабелите за честотни инвертори с повишени работни характеристики често са такива, че при тяхното използване значително се превишават ограниченията за минимална дебелина на стените, но тъкмо благодарение на това капацитетът им драстично спада и се увеличава допустимата им дължина.

Заземяване и екраниране: Това е област, в която има значителни различия между кабелите. Обикновено в кабелите по стандартите в строителството се използва една спирално навита медна лента, която контактува с три отделни заземителни проводника и всички те формират една точка на заземяване в съответствие с минималните изисквания на нормативните документи за електрообзавеждане.

Тенденцията в кабелите за честотни инвертори с повишени работни характеристики е да се влага значително повече мед в заземителните компоненти, като целта е възможно най-добре да се обират и потискат токовете на несиметрия.

Четирипроводните кабели с повишени работни характеристики, с фолирана оплетка и с тежки дренажни проводници, могат да бъдат със заземителни и екраниращи компоненти, в които е вложена доста повече мед, отколкото в захранващите проводници по фазите. Многото мед в заземителния контур осигурява възможно най-ниския заземителен импеданс и най-ниско ниво на излъчени смущения поради токовете на несиметрия.

Колкото повече размерите на кабелите се увеличават, толкова повече намалява нуждата от влагането на много мед в заземителния контур. Отношението между това количество мед и медта за захранващите фазни проводници може постепенно да се намалява с увеличаване размерите на кабела, като при това неговите работни характеристики се запазват.

Тъй като нуждата от съдържание на мед намалява с увеличаването на размера на кабела, може да се премине към друга конструкция, по която той да се изработва, а именно – с двойна медна лента (за максимална повърхнина и подобрени високочестотни характеристики) и симетрично разположени голи медни заземителни проводници.

Сред производителите на кабели за честотни инвертори има различни мнения, но дадени изследвания показват, че предимствата на симетричната конструкция за потискане на генерираните токове в заземителния контур започват да се проявяват за двигатели с мощност над 50 к.с. при много голяма дължина на кабелите към тях. Обикновено тези предимства придобиват съществено значение при двигатели с мощност над 100 к.с.

Избиране на кабели с възможно най-нисък импеданс
Инженерите трябва да избират кабели за честотни инвертори, които са с възможно най-нисък импеданс. Това се прави по две основни причини. Първо, когато импедансът на проводника е по-нисък, от честотния инвертор към двигателя може да се прехвърли много повече енергия, която да извърши полезна работа при съвсем малки количества енергия в отразените вълни.

От друга страна обаче, ако има значително несъгласуване между импедансите на кабела и на двигателя, то ще се генерират вредни отразени вълни на напрежението и ще се губи енергия.

Когато заземителният контур е с възможно най-нисък импеданс (т. е. такъв, в който заземителните медни проводници и екраниращата медна обвивка са с голямо напречно сечение), тогава земното съпротивление от единия до другия край на кабела ще бъде ниско, което ще намали токовете на несиметрия. И обратно, при заземителни/екраниращи компоненти с по-малки размери това съпротивление ще е по-високо и вероятността да се появи потенциална разлика между двигателя и преобразувателя става по-голяма.

Такава потенциална разлика води до протичане на токове през заземителния контур. Възможно е да се мине и само с един заземителен проводник с малко сечение, но ако има утечки, това може да окаже негативно влияние върху други устройства или комуникационни мрежи наблизо.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top