Rozwiązywanie problemów związanych z napędami o zmiennej częstotliwości i szumami w silnikach przy użyciu kabli specjalistycznych

W maszynach zautomatyzowanych precyzyjne zasilanie różnych typów silników elektrycznych zapewniają napędy o zmiennej częstotliwości (VFD). Będące zasadniczo zasilającymi elementami elektryczno-elektronicznymi, napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) kształtują napięcie w uzwojeniach silnika, aby uzyskać ścisłą kontrolę nad prędkością silnika i (w adaptacjach sterowania wektorowego) wyjściowym momentem obrotowym. Problem polega na tym, że mogą występować niekontrolowane prądy i inne zjawiska elektryczne związane z tak ukształtowanym zasilaniem elektrycznym. Niezaradzenie tym zjawiskom może okazać się szkodliwe dla większości komponentów i systemów automatyki w pobliżu napędów o zmiennej częstotliwości (VFD).

Ilustracja 1: napędy o zmiennej częstotliwości (VFD), takie jak 3G3MX2-A2015-V1, są niezbędne w szerokiej gamie zastosowań w automatyce technologicznej i dyskretnej - zapewniając precyzyjną regulację, bezpieczeństwo i najwyższą wydajność osi napędzanych silnikami elektrycznymi. Jedynym zastrzeżeniem jest to, że działanie napędów o zmiennej częstotliwości w naturalny sposób generuje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które mogą (jeśli nie zostaną zniwelowane) pogorszyć komunikację pobliskich elementów sterujących i sprzężenia zwrotnego, uszkadzać sąsiednie komponenty mechaniczne, a także przyczyniać się do niepożądanych załączeń elementów i innych nieoptymalnych zachowań układu. (Źródło ilustracji: Omron Automation and Safety)

Przyjrzyjmy się, jak działają napędy o zmiennej częstotliwości (VFD), aby dowiedzieć się, dlaczego mogą w nieoptymalnych projektach powodować problemy w samych silnikach, które napędzają, a także w innych pobliskich urządzeniach. Krótko mówiąc, napędy o zmiennej częstotliwości (VFD):

• otrzymują na wejściu sinusoidalny prąd zmienny, a następnie
• prostują (konwertują) prąd linii na prąd stały
• Do inwersji (zamiany z powrotem) prądu stałego na prąd zmienny, a dokładniej, na precyzyjnie modulowane ciągi impulsów, używa się tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT)

Zasadniczo napęd wyłącza i włącza napięcie dla prądu przerywanego, co powoduje, że silnik obraca się tak, jakby odbierał płynnie modulowaną sinusoidę prądu. W tym trybie zasilania - zwanym modulacją szerokości impulsu lub PWM - prędkość wyjściowa jest ostatecznie zależna od częstotliwości impulsów prądu.

Dawne napędy o zmiennej częstotliwości, które wykonywały ten proces za pomocą krzemowych prostowników sterowanych (SCR) lub tranzystorów bipolarnych (BJT) były wolniejsze od dzisiejszych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) opartych na tranzystorach IGBT. To właśnie wyższa częstotliwość przełączania tranzystorów IGBT umożliwia szybkie i precyzyjne sterowanie silnikiem. Może jednak powodować również problemy w postaci przewodzonych, i promieniowanych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI).

Wpływ szumów napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) na silnik, elementy sterownicze i sam napęd

Problemy dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) pojawiają się, ponieważ nawet w przypadku sterowania przez napęd silnikiem do pracy z niską prędkością, każdy impuls elektryczny przyjmuje prostokątny kształt fali o amplitudzie napięcia szyny, co oznacza, że energia wysyłana do silnika charakteryzuje się dość ekstremalnymi czasami wzrostu napięcia dV/dt - wyrażonymi w μs lub ułamkach μs.

Przeanalizujmy tylko jeden taki problem - odbite fale napięcia. Po uruchomieniu, uzwojenia stojana silnika elektrycznego zachowują się jak cewka indukcyjna, która stopniowo wytwarza pole magnetyczne, a następnie przepuszcza prąd. W kablu doprowadzającym energię elektryczną z napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) do silnika występuje niedopasowanie impedancji na złączu silnika. W tym przypadku wspomniane powyżej przeregulowania powodują, że fale odbiciowe kierują niektóre zbocza narastające przebiegu napięcia z powrotem do kabla (w kierunku elektroniki napędu) na połączeniu kabla o wysokiej impedancji z silnikiem.

Odbite fale napięcia powstają w wyniku przeregulowania napięcia spowodowanego wysoką wartością dV/dt PWM.

Czynnikiem, który może pogorszyć to zjawisko są nadmiernie długie (czego w niektórych przypadkach nie da się uniknąć) kable biegnące od napędu do silnika. Długie kable mają wyższą indukcyjność i bardziej sprzyjają skokom napięcia oraz mieszaniu fal odbitych niż przewody krótsze. Fale wmieszane (które są zgodne w fazie) są szczególnie szkodliwe, ponieważ w efekcie tworzą nowe fale o sumie napięcia i prądu fal pierwotnych.

Ilustracja 2: przebieg prostokątny impulsów elektrycznych napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) przy amplitudzie napięcia magistrali powoduje ekstremalne czasy narastania napięcia dV/dt, które (jeśli się ich nie zniweluje) mogą z kolei skutkować różnymi problemami elektromagnetycznymi. (Źródło ilustracji: Design World)

Należy pamiętać, że silniki (podobnie jak napędy o zmiennej częstotliwości) mogą również zostać uszkodzone przez fale odbite i skoki napięcia. Dlatego w wielu dzisiejszych zautomatyzowanych instalacjach stosuje się silniki z funkcją przemiennika. Silniki te mają uzwojenia stojana z izolacją o wysokich parametrach i inne elementy zwiększające całkowitą pojemność cieplną oraz (w większości przypadków) odporność na skoki napięcia. Parametry znamionowe są uporządkowane według wielkości i czasu trwania przepięcia udarowego - wyższe wartości dla projektów z dłuższymi (mniej nagłymi) czasami narastania. Oczywiście silniki, które nie zostały zbudowane z myślą o pełnieniu funkcji przemiennika, mogą być zasilane napędami o zmiennej częstotliwości (VFD). Jednak zastosowanie tych mniej wytrzymałych silników powinno być generalnie ograniczone do zautomatyzowanego sprzętu o umiarkowanie wymagających parametrach. Każdy taki silnik zasilany napędem o zmiennej częstotliwości (VFD) może również wymagać krótkich odcinków okablowania, a także włączenia do instalacji dławików liniowych i innych komponentów ochronnych.

Kable na ratunek: specjalnie zaprojektowane do napędów o zmiennej częstotliwości

Wmieszane fale zgodne fazowo o dostatecznie wysokim napięciu zagrażają napędowi o zmiennej częstotliwości (VFD) i mogą również uszkadzać niewłaściwie używany kabel ogólnego przeznaczenia. Mówiąc dokładniej, skoki wysokiego napięcia związane z działaniem napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) mogą powodować obciążenia, nagrzewanie, a nawet przebicia izolacji kabla. Aby zapobiec temu problemowi, kable przeznaczone specjalnie do użytku z napędami o zmiennej częstotliwości zawierają:

• żyły o dużym przekroju (małe AWG) przystosowane do przenoszenia wszystkich przewidywanych napięć szczytowych
• wystarczająco grube powierzchnie współpracujące i izolacje ze specjalnie zaprojektowanego polietylenu usieciowanego lub (w niektórych przypadkach mniej preferowanego) polichlorku winylu
• płaszcze i inne elementy rozpraszające i uziemiające impulsy i szumy generowane przez napędy o zmiennej częstotliwości (VFD)

Ilustracja 3: kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) firmy Alpha Wire zawierają izolację z polietylenu usieciowanego zapewniającą odporność na elektromagnetyczne wyładowania koronowe, niską pojemność (nawet przy dłuższych odcinkach kabli) i dobre parametry pracy w niskich temperaturach. (Źródło ilustracji: Alpha Wire)

Jednym z mierzalnych parametrów odporności przewodu na fale odbiciowe jest napięcie wyładowania niezupełnego koronowego - często mierzone w kV. Przypomnijmy sobie z podstawowych zasad fizyki, że wyładowanie koronowe (tak zwana korona o słabym blasku) to nagła jonizacja powietrza otaczającego silnie skoncentrowane napięcie. Taka jonizacja może (jeśli nie zapobiegnie się jej dostateczną izolacją wokół przewodnika) generować ozon i różne związki azotu, które mogą szybko zniszczyć niewłaściwie zastosowany kabel. Dlatego należy stosować grubo izolowane kable przeznaczone do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) - kable co najmniej spełniające wymagania konstrukcyjne wskazane przez dostawców napędów o zmiennej częstotliwości i znacznie przewyższające normy National Electric Code (NEC) dla termoplastycznych, powlekanych nylonem (THHN) przewodów ogólnego zastosowania, odpornych na wysoką temperaturę. Tam, gdzie napędy o zmiennej częstotliwości działają na zewnątrz lub w innych wilgotnych miejscach, najbardziej odpowiednie mogą być specjalnie zaprojektowane izolacje polietylenowe. Więcej informacji na temat innych zjawisk, które mają wpływ na konstrukcje z napędem o zmiennej częstotliwości (VFD) i ich kable, w tym prądów rozruchowych i prądów współbieżnych, można znaleźć w artykule DigiKey pt. „Właściwy kabel do zastosowań przemysłowych”.

Najlepsze praktyki dotyczące okablowania napędów o zmiennej częstotliwości (VFD)

Poza ograniczeniem długości kabli napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) - jeśli to możliwe do mniej niż 15m - konieczne jest również prawidłowe uziemienie wszystkich części urządzenia napędzanego silnikiem, w tym paneli sterowania i maszyny. Oznacza to użycie wspólnego bloku uziemienia lub układu potencjału głównego, który zapobiega szkodliwym skutkom pętli uziemienia wynikającym z różnic potencjałów między różnymi punktami maszyny a ziemią. Jest to szczególnie istotne, gdy sprzężenie zwrotne maszyny opiera się na wartościach odniesienia napięcia, które (jeśli nie są zabezpieczone przed przypadkowymi prądami uziemienia) mogą dawać fałszywe wartości. Ten temat bardziej szczegółowo omówiono w artykule DigiKey pt. „Pomiar małych sygnałów nakładających się na wysokie napięcia i zapobieganie pętlom uziemienia czujników”.

W rzeczywistości, aby w pełni wyeliminować zakłócenia elektromagnetyczne wiele projektów będzie również wymagać dodania komponentów podrzędnych, takich jak filtry, pierścienie ferrytowe po stronie kabla, pierścienie uziemiające wału silnika i ekrany. Przykład: plecionka uziemiająca to prosta część uzupełniająca, która jest często niezbędna w instalacjach z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD). Ta płaska część stanowi plecionkę z cynowanej miedzi z końcówkami oczkowymi po obu stronach. Zastosowanie plecionki uziemiającej w konstrukcji napędzanej silnikiem polega na połączeniu zacisku uziemienia napędu (występującego we wszystkich napędach o zmiennej częstotliwości) z uziemieniem. Zapewnia to znacznie lepsze odprowadzanie szumów elektrycznych wysokiej częstotliwości do uziemienia w porównaniu z okrągłym przewodem uziemiającym. Stosunkowo duże pole powierzchni jest przystosowane do przewodzenia prądu zmiennego (zwłaszcza wysokiej częstotliwości) po powierzchni żył lub skóry - stąd, odnosząc się do tego zjawiska, często mówimy o zjawisku naskórkowości.

Ilustracja 4: cynowana miedziana plecionka uziemiająca jest odporna na korozję, elastyczna i zgodna z dyrektywą RoHS. Plecionki takie są przydatne w częściach uziemiających instalacji z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD), ponieważ odpowiadają sposobowi przewodzenia szumów wysokiej częstotliwości po powierzchniach przewodów. (Źródło ilustracji: Falconer Electronics)

Kolejne zastrzeżenie: oprócz ochrony przed przewodzonymi zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI), konstrukcje powinny również zapewniać ochronę przed szumami sprzężonymi pojemnościowo, przenoszonymi przy wysokich częstotliwościach. Do tej kategorii zaliczają się też szumy, które mogą dostawać się do obwodu silnika z napędem o zmiennej częstotliwości poprzez elementy takie jak plecionki uziemiające, a także nieekranowane kable silników w metalowych kanałach kablowych. Obydwa te elementy łatwo przewodzą zakłócenia elektromagnetyczne i tworzą pętle uziemienia. Innym obszarem, w którym konieczna jest eliminacja szumów sprzężonych pojemnościowo, jest odcinek między uzwojeniami silnika zasilanego napędem o zmiennej częstotliwości a ramą do uziemienia.

Ilustracja 5: diagram z edukacyjnego pliku PDF do pobrania ze strony digikey.com, który porównuje konstrukcje trzech kabli przemysłowych do instalacji z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD). (Źródło ilustracji: Belden Inc.)

Podsumowanie

Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach klimatyzacyjnych i wentylacyjnych, przemyśle naftowo-gazowym oraz do obsługi pomp, sprężarek i kotłów ogólnego przeznaczenia. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) są również niezbędne w szeregu dyskretnych systemów automatyki przemysłowej wykorzystujących silniki elektryczne do napędzania ruchomych osi przenośników, młynów, wind i innych urządzeń, które mogą skorzystać na wzroście wydajności.

Pomyślne zastosowanie tych napędów wymaga wzięcia pod uwagę ich potencjalnie szkodliwego wpływu natury elektrycznej i elektronicznej na podłączone i sąsiadujące komponenty i systemy. W rzeczywistości użycie napędu o zmiennej częstotliwości zwykle wymaga zastosowania specjalistycznych filtrów elektrycznych, zakończeń, systemów uziemienia i specjalistycznych kabli do układów VFD.