Specyfikacja i stosowanie kabli o zmiennej częstotliwości (VFD) w celu zwiększenia niezawodności i bezpieczeństwa oraz redukcji emisji dwutlenku węgla

Silniki i napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) pozwalają zmniejszyć emisję dwutlenku węgla oraz zwiększyć sprawność, niezawodność i bezpieczeństwo w różnych systemach, na przykład w przenośnikach, pompach, mieszalnikach, windach, systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) i podobnych zastosowaniach. Okablowanie, które łączy napęd o zmiennej częstotliwości (VFD) z silnikiem, jest krytycznym ogniwem w systemie. Brak prawidłowego okablowania może zagrażać bezpieczeństwu operatora, a także zmniejszać niezawodność i skracać okres użytkowania silnika.

Typowe układy z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD) pracują w trudnych warunkach, w których występują na przykład skoki napięcia od dwóch do trzech razy większe od napięcia zasilania oraz przy wysokich poziomach promieniowanych i przewodzonych szumów elektromagnetycznych. Ponadto kable mogą być narażone na działanie wysokich temperatur. Muszą być odporne na oleje, wodę i promieniowanie ultrafioletowe (UV), zachowując jednocześnie wysoki stopień elastyczności i spełniając liczne wymagania techniczne norm UL, CSA, NFPA oraz NEC.

Specyfikacje kabli komplikują trudne środowiska pracy i wymagania techniczne dotyczące napędów o zmiennej częstotliwości (VFD). W niniejszym artykule omówiono pokrótce działanie silników i napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), wymagania dotyczące izolacji kabli oraz potrzebę zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). W artykule porównano opisane w normie UL 1277 kable korytkowe z odsłoniętym przebiegiem, kable korytkowe do turbin wiatrowych i zwykłe kable korytkowe, a także przeanalizowano wymagania NEC i NFPA. Na zakończenie przedstawiono również zagadnienia dotyczące konstrukcji kabli oraz przegląd przykładowych kabli firm Belden, Helukabel, Igus, LAPP oraz SAB North America.

Wyzwania środowiskowe

Silniki w napędach o zmiennej częstotliwości (VFD), same napędy oraz łączące je kable pracują w trudnych warunkach elektrycznych. Kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) muszą wydajnie dostarczać wysoką moc napędową przy wysokich napięciach oraz radzić sobie z wysokimi skokami napięcia i wysokimi poziomami zakłóceń. Izolacja kabli do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) jest narażona na trudne warunki, takie jak fale odbite i napięcia powodujące wyładowania koronowe (ilustracja 1):

• Fale odbite: fale odbite mogą być spowodowane niedopasowaniem impedancji pomiędzy silnikiem napędu o zmiennej częstotliwości a kablem. Może to spowodować odbijanie fal napięciowych z powrotem do napędu. W przypadku zbyt niskich parametrów izolacji, fale odbite mogą uszkodzić izolację i przegrzać kabel.
• Napięcie zapłonu wyładowań koronowych: napięcia modulacji szerokości impulsu (PWM) w systemach z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD) szybko zmieniają się od zera do napięcia szczytowego. Bez odpowiedniej izolacji, wysokie skoki napięcia, powyżej napięcia początkowego wyładowań koronowych kabla, powodują jonizację powietrza wokół żyły, co powoduje wyładowanie koronowe, które może stopić izolację i uszkodzić silnik, łożyska silnika oraz napęd.

Ilustracja 1: izolacja kabla napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) musi wytrzymywać fale odbite i napięcia zapłonu wyładowań koronowych. (Źródło ilustracji: SAB North America)

Ekranowanie i uziemienie

Oprócz wytrzymałości na skoki napięcia, kable napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) muszą zapewniać wysoki poziom kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Ważne kwestie dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej:

• prądy sygnałów wspólnych wynikają z występujących w napędach o zmiennej częstotliwości (VFD) napięć trójfazowych, które nie sumują się do zera, co powoduje niezrównoważenie napięcia. Gdy zmienia się niezerowy poziom napięcia, przez żyłę uziemiającą powraca proporcjonalny prąd ładowania kabla. Nadmierny prąd w trybie wspólnym tworzy pętlę uziemienia, która zakłóca prawidłowe działanie układu.
• Przenoszone zakłócenia elektryczne wynikają ze zmiennych częstotliwości sterowania, które mogą indukować zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) oraz wpływać na pobliskie komponenty i układy.

Skutecznie uziemiony układ napędu, kabla i silnika tworzy klatkę Faradaya, która zapewnia wysokie parametry kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) (ilustracja 2).

Ilustracja 2: kable napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) mogą ograniczać prądy sygnałów wspólnych i zakłócenia elektryczne dzięki odpowiednim połączeniom uziemiającym. (Źródło ilustracji: SAB North America)

Dławiki a rurki kablowe

Kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) są dostępne w wersjach o małych średnicach, umożliwiających prowadzenie w rurkach kablowych oraz jako spawane w sposób ciągły, zbrojone konstrukcje kablowe. Rozwiązania te wymagają skomplikowanej, kosztownej instalacji i stwarzają potencjalne problemy z niezawodnością. Dostępne są kable korytkowe (TC), które nie wymagają rurek kablowych. Jeśli rurka kablowa jest dostępna, można ją wykorzystać do utworzenia klatki Faradaya pomiędzy napędem i silnikiem. W przypadku stosowania kabli korytkowych (TC) różnych klas, klatkę Faradaya można uzupełnić o dławiki kablowe zapewniające kompatybilność elektromagnetyczną (EMC). Dławiki kablowe zapewniające kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) zapewniają również stopień ochrony IP 68, są odporne na działanie wody słodkiej do maksymalnej głębokości 1,5m przez maksymalnie 30 minut oraz są chronione przed pyłem, dzięki czemu nadają się do użycia w trudnych warunkach przemysłowych i na zewnątrz budynków (ilustracja 3).

Ilustracja 3: na połączeniach z układami elektronicznymi napędu i silnikiem można zastosować dławiki kablowe, tworząc klatkę Faradaya i ograniczając zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). (Ilustracja SAB North America)

Klasy kabli

Kable korytkowe (TC) pozwalają uprościć instalację i obniżyć koszty. Są one klasyfikowane według różnych kryteriów zastosowań, takich jak napięcie znamionowe, elastyczność oraz próby na zgniatanie i udary. Istnieją dwie główne normy UL. Obydwie normy dotyczą kabli o przekrojach 18AWG i większych. Wspomniane dwie normy to:

UL 1277 - kable korytkowe do zasilania elektrycznego i sterowania, obejmuje kilka typów kabli korytkowych (TC) o napięciu znamionowym 600V.

• Podstawowe kable korytkowe (TC) są najczęściej spotykanym typem i są używane jako kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), gdzie wymagana jest ogniotrwałość.
• Kable korytkowe z odsłoniętą bieżnią (TC-ER) muszą spełniać bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące zgniatania i uderzeń niż standardowe kable korytkowe (TC). Mogą one przebiegać pomiędzy korytkami kablowymi na przeciętnej długości 1,8m (6ft).
• Odporne na wysoką temperaturę kable termoplastyczne powlekane nylonem (THHN) oraz kable z polichlorku winylu (PVC) stanowią niedrogą postać kabla korytkowego (TC) z płaszczem termoplastycznym. Nadają się one dobezpośredniego zakopania w ziemi oraz do układania w rurkach kablowych.

UL 2277 - elastyczne kable korytkowe zasilające do silników i do turbin wiatrowych, obejmuje dwa typy kabli korytkowych (TC) o napięciu znamionowym 1000V.

• Elastyczny kabel zasilający do silników (FMSC) jest zaprojektowany głównie jako kabel zasilający do silników napędów o zmiennej częstotliwości (VFD).
• Kable korytkowe do turbin wiatrowych (WTTC) wytrzymują ekstremalne, surowe warunki w zastosowaniach związanych z energetyką wiatrową, takie jak olej, ścieranie, ekstremalne temperatury, woda, ciągły ruch itp.

NEC i NFPA

Zgodność z normami NEC 79/NFPA 79 w wydaniu z roku 2018 jest często, choć nie zawsze, wymagana w Stanach Zjednoczonych, w zależności od lokalnych przepisów budowlanych. Norma ta wymaga, aby kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) posiadały następujące oznaczenia: RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW lub XHHW-W. Opisuje się je w następujący sposób:

• Kable RHW, RHH i RHW-2 wykorzystują izolację z gumy odpornej na wysokie temperatury.
  • RHW oznacza wodoodporne kable o temperaturze znamionowej +75°C
  • RHH oznacza kable o temperaturze znamionowej +75°C, które nie są wodoodporne
  • RHW-2 oznacza wodoodporne kable o temperaturze znamionowej +90°C
• Kable XHH, XHHW i XHHW-W wykorzystują izolację z polietylenu sieciowanego (XLPE).
  • Kable XHH są przeznaczone do użytku w wilgotnych miejscach i charakteryzują się temperaturą znamionową +75°C
  • Kable XHHW są przeznaczone do użytku w wilgotnych miejscach i mają temperaturę znamionową +75°C
  • Kable XHHW2 są przeznaczone do użytku w wilgotnych miejscach i mają temperaturę znamionową +90°C

Izolacja XLPE jest lżejsza i bardziej elastyczna niż izolacja gumowa, dzięki czemu kable XLPE są łatwiejsze w instalacji, szczególnie w niskich temperaturach. Ponadto izolacja z XLPE zapewnia mniejsze upływy w porównaniu z izolacją gumową.

Budowa kabli

Istnieje wiele sposobów realizacji kabli korytkowych (TC) do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD). Produkt o numerze katalogowym CF31-25-04 firmy Igus jest dobrym przykładem wielu powszechnie występujących elementów. Numery na liście odpowiadają wartościom przedstawionym na ilustracji 4:

1. Płaszcz zewnętrzny wykonany z ekstrudowanej ciśnieniowo, olejoodpornej mieszanki polichlorku winylu (PVC)
2. Ekran zewnętrzny wykonany z plecionki z cynowanych drutów miedzianych o wysokiej odporności na zginanie
3. Płaszcz wewnętrzny z ekstrudowanego ciśnieniowo polichlorku winylu (PVC) do wypełniania wzmocnień kątowych
4. CFRIP to specjalny pasek rozrywający firmy Igus uformowany w płaszczu wewnętrznym, który przyspiesza zdejmowanie izolacji
5. Izolacja żyły z usieciowanego tworzywa polietylenowego (XLPE) posiada trójwymiarowe wiązanie w tworzywie sztucznym. Izolacja z XLPE charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną i niską pojemnością
6. Według normy DIN EN 60228 wymagania stawiane żyłom są różne dla rdzeni < 10mm² i ≥ 10mm²
7. Centralne elementy odciążające z materiału odpornego na rozciąganie

Ilustracja 4: elementy ekranujące i odciążające oraz żyły przewodzące prąd przykładowego kabla do napędu o zmiennej częstotliwości (VFD). (Źródło ilustracji: Igus)

Inne możliwości wyboru

Grupa ÖLFLEX VFD 1XL grupa wytrzymałych, odpornych na oleje i promieniowanie UV ekranowanych kabli firmy LAPP do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), przeznaczona do projektów, które wymagają kabli o mniejszej średnicy. Niezwykle mała średnica izolacji wykonanej z usieciowanego tworzywa polietylenowego (XLPE) sprawia, że kable te nadają się do stosowania w ciasnych instalacjach, gdzie standardowe kable mogą być zbyt duże. Ponadto mniejsza średnica zwiększa elastyczność i przyspiesza instalację. Omawiane kable korytkowe z odsłoniętą bieżnią (TC-ER) mogą być instalowane bez rurek kablowych, ale ich mniejsza średnica i elastyczność upraszczają stosowanie rurek kablowych w razie potrzeby. Spełniają one wymagania eksploatacyjne klasy XHHW2. Na przykład, firma LAPP oferuje kilka modeli z czterema żyłami (wliczając w to uziemienie) plus odpływ, np. model 701703 z żyłami 10AWG (5,3mm²) i model 701717 z żyłami 2AWG (33,7mm²).

Firma Helukabel oferuje szereg kabli w klasie kabli korytkowych z odsłoniętym przebiegiem (TC-ER) i kabli korytkowych do turbin wiatrowych (WTTC), które posiadają żyły o przekroju od 2 do 18AWG, na przykład czterożyłowy model kabla korytkowego (TC) 12AWG 63141. Są one wyposażone w podwójne ekranowanie, które składa się z folii aluminiowej (pokrycie 100%) i plecionki z cynowanej miedzi (pokrycie około 85%). Wykorzystują one izolację z tworzywa XLPE i posiadają płaszcze z polichlorku winylu (PVC) odporne na oleje, chłodziwa, rozpuszczalniki oraz środki czyszczące i dezynfekujące. Kable te są przeznaczone do instalacji w otwartych, niezabezpieczonych korytkach kablowych oraz pomiędzy korytkami kablowymi i maszynami. Ponadto mogą być instalowane w rurkach kablowych lub zakopane bezpośrednio w ziemi.

Kable HighFlex

Firma Belden oferuje wiele grup kabli korytkowych (TC) z różnymi konfiguracjami żył i uziemienia, wykorzystującymi kilka materiałów izolacyjnych i ekranujących (ilustracja 5). Do instalacji wymagających bardzo elastycznych kabli korytkowych (TC), firma oferuje kable HighFlex VFD o kilku zakresach elastyczności i trwałości do 10 milionów cykli zginania. Omawiane kable korytkowe (TC) posiadają żyły z drobno plecionej cynowanej miedzi. Niektóre modele posiadają ponad 2000 pojedynczych splotów oraz elastyczny płaszcz termoplastyczny z termoplastycznego elastomeru poliestrowego (TPE), który zapewnia łatwość manipulowania podczas instalacji. Na przykład, kabel o numerze katalogowym 29501F 0101000 klasy TC-ER WTTC, jest przeznaczony do zastosowań, w których występuje ruch ciągły oraz na maszynach. Spełnia on wymagania klasy XHHW2 do użytku w wilgotnych miejscach o temperaturze do +90°C. Docelowe zastosowania kabli HighFlex VFD:

• Napędzanie urządzeń technologicznych
• Zasilanie pomp
• Napędy wentylatorów
• Napędzanie przenośników materiałów
• Poruszanie ramionami robotycznymi

Ilustracja 5: kilka z wielu konfiguracji żył i uziemienia oraz materiałów izolacyjnych i ekranujących stosowanych w kablach do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD). (Źródło ilustracji: Belden)

Kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) firmy SAB zostały zaprojektowane z myślą o zapewnieniu optymalnej kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Dostępna jest również konstrukcja dostosowana do ciągłego zginania. Kable te spełniają wymagania klas kabli korytkowych z odsłoniętą bieżnią (TC-ER) i kabli korytkowych do turbin wiatrowych (WTTC), a także wykorzystują izolację z tworzywa XLPE w celu zapewnienia lepszej pojemności. Występują w dwóch wersjach: jednej o zmniejszonej średnicy i drugiej, do użycia na dłuższych odcinkach. Różni producenci silników do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) mają różne wymagania dotyczące rozmiaru par żył w kablach korytkowych (TC) do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) i mogą wymagać kabla z przewodem odpływowym lub bez niego. Kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) firmy SAB obejmują kable, które spełniają wymagania większości zastosowań, np. wymagania zasilania - te posiadają parę żył do wykrywania hamowania lub pomiaru temperatury, różne opcje rozmiarowe par żył, m.in. 18, 16, 14 i 12AWG, a także warianty z dwiema parami. Posiadają one podwójne ekranowanie w postaci warstwy folii i warstwy oplotu z cynowanej miedzi. Dostępne są również konstrukcje z symetrycznym uziemieniem. Kable te mają promień zgięcia równy 12-krotności średnicy kabla i spełniają wymogi klasy XHHW2 do użytku w wilgotnych miejscach i temperaturze do 90°C. Dobrym przykładem takich kabli jest model 35661204, czyli czterożyłowy kabel 12AWG.

Podsumowanie

Kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) są używane w trudnych warunkach elektrycznych i muszą być odporne na wysokie temperatury, działanie wody, oleju oraz różnych chemikaliów. Określenie specyfikacji tych kabli jest złożonym procesem, wymagającym uwzględnienia różnych właściwości izolacyjnych, w tym odporności na fale odbite i napięcia zapłonu wyładowań koronowych, ekranowania, dławików kablowych zapewniających ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi oraz wymagań norm UL, NEC i NFPA. Prawidłowo zainstalowane kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), dla których prawidłowo określono specyfikacje, upraszczają instalację i obniżają jej koszty, poprawiają pracę silników, zmniejszają emisję dwutlenku węgla i poprawiają bezpieczeństwo operatorów.