Jakie produkty pomocnicze są potrzebne, aby zmaksymalizować wpływ stosowania napędów o zmiennej prędkości (VSD) i napędów o zmiennej częstotliwości (VFD)? - Część 1

W części 1 tej serii artykułów omówiono zagadnienia, które należy wziąć pod uwagę przy doborze kabli połączeniowych do silników, dławików wyjściowych, rezystorów hamowania, dławików liniowych i filtrów liniowych. W części 2 omówimy natomiast różnice między napędami o zmiennej prędkości/częstotliwości (VSD/VFD) a serwonapędami. Omówimy zastosowania obrotowych i liniowych serwosilników prądu zmiennego i stałego, rozważymy, do jakich zastosowań przemysłowych pasują układy płynnego uruchamiania i zatrzymywania oraz przyjrzymy się, w jaki sposób przetwornice prądu stałego są wykorzystywane do zasilania peryferiów, takich jak czujniki, interfejsy człowiek-maszyna (HMI) i urządzenia bezpieczeństwa.

Korzystanie z napędów o zmiennej prędkości i napędów o zmiennej częstotliwości (VSD/VFD) jest konieczne dla maksymalizacji wydajności i zrównoważonego rozwoju operacji przemysłowych, ale nie jest wystarczające. Aby uzyskać maksymalne korzyści z napędów o zmiennej prędkości i napędów o zmiennej częstotliwości (VSD/VFD), potrzebne są dodatkowe komponenty, takie jak kable o wysokich parametrach, rezystory hamowania, filtry liniowe, dławiki liniowe, dławiki wyjściowe i inne.

Okablowanie jest wszechobecne i ma znaczenie krytyczne. Źle dobrany kabel łączący napęd o zmiennej prędkości lub napęd o zmiennej częstotliwości (VSD/VFD) z silnikiem może znacznie pogorszyć parametry działania układu. Inne elementy, takie jak rezystory hamowania, filtry i dławiki różnią się w zależności od instalacji i mogą być bardzo ważne dla pomyślnego wdrożenia.

Na przykład niektóre systemy działają w obszarach, w których konieczne jest ograniczanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). W takich okolicznościach korzystne może być zastosowanie filtrów liniowych spełniających kategorię C2 wg normy EN 61800-3. Zastosowania, w których konieczne jest szybkie hamowanie, wymagają rezystorów hamowania. Dławiki liniowe pozwalają poprawić współczynnik mocy i sprawność, a zastosowanie dłuższych kabli będzie możliwe dzięki dławikom wyjściowym.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od analizy niektórych zagadnień dotyczących doboru silnikowych kabli połączeniowych i przedstawia typowe opcje okablowania firm LAPP oraz Belden. W dalszej części analizie poddano czynniki wpływające na dobór dławików wyjściowych, rezystorów hamowania, dławików liniowych i filtrów liniowych, w tym reprezentatywnych urządzeń firm ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic oraz Siemens.

Kable silnikowe są dostępne w różnych konfiguracjach spełniających wymagania konkretnych zastosowań. Zwykle mają trzy główne przewody zasilające, często izolowane usieciowanym tworzywem polietylenowym (XLPE). Niektóre posiadają nieizolowane przewody uziemiające. Dostępne są różne przewody sygnałowe oraz liczne opcje ekranowania w postaci oplotu lub folii. Cały zespół jest zamknięty w odpornym na warunki środowiskowe płaszczu zewnętrznym (ilustracja 1).

Ilustracja 1: kable łączące silniki z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD) są dostępne w szerokiej gamie konfiguracji. (Źródło ilustracji: Belden)

Nawet podstawowe kable, na przykład kabel o numerze katalogowym 29521C 0105000 firmy Belden Basics, są złożonymi zespołami żył, elementów ekranujących i izolacji. Omawiane kable mają trzy żyły miedziane 14AWG (7x22 splotów), pokryte są izolacją z usieciowanego tworzywa polietylenowego (XLPE) oraz zawierają trzy nieizolowane miedziane przewody uziemiające 18AWG (7x26 splotów). Wspomnianych sześć przewodów jest otoczonych ekranem w postaci podwójnej spiralnej taśmy, która zapewnia 100% pokrycie, a cały zespół kablowy jest zamknięty w płaszczu z polichlorku winylu (PVC), chroniącym przed wpływem środowiska.

Kable firmy Belden Basic są przeznaczone do użytku w strefach niebezpiecznych klasy 1, podklasy 2, zgodnie z definicją zawartą w amerykańskim kodeksie elektrycznym (National Electrical Code, NEC). Klasa 1 odnosi się do urządzeń przeznaczonych do pracy z łatwopalnymi gazami, parami i cieczami. Podklasa 2 określa, że te łatwopalne materiały zwykle nie występują w wysokich stężeniach wystarczających do zapłonu.

Niektóre serie kabli, np. ÖLFLEX VFD 1XL, firmy LAPP, są dostępne z przewodami sygnałowymi i bez nich. W zastosowaniach, w których korzystne jest stosowanie przewodów sygnałowych, można sięgnąć po kabel 701710 firmy LAPP. Zawiera on trzy przewody zasilające, przewód uziemiający i parę przewodów sygnałowych. Przewody zasilające mają przekrój 16AWG (splot 26x30) i izolację z tworzywa XLPE (plus). Para sygnałowa jest indywidualnie ekranowana folią.

Cały zespół jest ekranowany za pomocą taśmy barierowej, trzywarstwowej taśmy foliowej (pokrycie 100%) i plecionki z cynowanej miedzi (pokrycie 85%). Płaszcz zewnętrzny jest wykonany ze specjalnie opracowanego elastomeru termoplastycznego (TPE) odpornego na roztwory dezynfekujące i jest zwykle stosowany w przemyśle spożywczym, chemicznym i pokrewnych.

Oprócz niezawodności oraz skutecznej obsługi zasilania i sygnałów, kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) muszą być w stanie wytrzymać wysokie skoki napięcia oraz poziomy szumów zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), wynikających z pracy napędu przy wysokich częstotliwościach. Choć kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) są zaprojektowane tak, aby ograniczać skoki wysokiego napięcia i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) oraz radzić sobie z nimi, to jednak mają one swoje ograniczenia (ilustracja 2). To właśnie w takich przypadkach dławiki obciążenia redukują skoki napięcia i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Ilustracja 2: niekontrolowane skoki napięcia mogą przebić izolację i spowodować uszkodzenie kabla. (Źródło ilustracji: LAPP)

Bardziej szczegółowe omówienie doboru kabla do napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) zawiera artykuł „Specyfikacja i stosowanie kabli do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) w celu zwiększenia niezawodności i bezpieczeństwa oraz redukcji emisji dwutlenku węgla.”

Dławiki obciążenia

Dławiki obciążenia, zwane również dławikami wyjściowymi, podłącza się w pobliżu wyjścia napędu w celu zmniejszenia wpływu skoków napięcia i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Chronią one izolację przewodów zarówno w kablu, jak i w silniku. Napędy o zmiennej prędkości/częstotliwości (VSD/VFD) generują na wyjściu sygnał o wysokiej częstotliwości (zwykle od 16 do 20kHz). Przełączanie wysokiej częstotliwości skutkuje czasami narastania napięcia wynoszącymi kilka mikrosekund, powodując wysokie skoki napięcia, które mogą przekraczać napięcie szczytowe silnika, skutkując przebiciem izolacji.

Jeżeli długość kabla do napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) przekracza 30m (100 ft.), w zależności od typu używanego silnika, często zaleca się stosowanie dławików. Istnieją wyjątki; na przykład, jeśli silnik spełnia część 31 normy NEMA MG-1, może być możliwe zastosowanie kabla o długości 90m (300ft) bez dławika obciążenia.

Bez względu na typ silnika, jeśli długość kabla przekracza 90m, generalnie zaleca się stosowanie dławika obciążenia. Jeśli odległość przekracza 150m, zwykle zalecany jest specjalnie zaprojektowany filtr. W środowiskach wrażliwych na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) zwykle dobrą praktyką jest użycie dławika obciążenia we wszystkich zastosowaniach.

Dławiki obciążenia są często projektowane do użytku z określonymi modelami napędów. Na przykład model dławika obciążenia 3G3AX-RAO04600110-DE firmy Omron o prądzie znamionowym 11A i indukcyjności 4,6mH jest przeznaczony do silników trójfazowych 400V o mocy 5,5kW, współpracujących z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD) 3G3MX2-A4040-V1 tej firmy.

Rezystory hamowania i przeciążenia termiczne

Oprócz dławika obciążenia, niezbędnymi elementami dodatkowymi po stronie wyjściowej napędu o zmiennej prędkości/częstotliwości (VSD/VFD) może być rezystor hamowania i termiczne urządzenie wyłączające. Rezystory hamowania zapewniają uzyskanie maksymalnego przejściowego momentu hamowania poprzez absorpcję energii hamowania. Większość rezystorów hamowania rozprasza energię, a niektóre są wykorzystywane jako część układu hamowania odzyskowego, który przechwytuje i odzyskuje energię.

Rezystory rozproszeniowe hamowania są przeznaczone do konkretnych zastosowań. Rezystor hamowania 8Ω VW3A7755 firmy Schneider Electric może rozpraszać moce do 25kW, podczas gdy rezystor hamowania 100Ω BR300W100 firmy Delta Electronics jest przeznaczony do mocy 300W.

Zastosowania rezystorów hamowania są definiowane na podstawie procentowego rozproszenia energii (ED%). Zdefiniowana wartość ED% zapewnia, że rezystor może skutecznie rozpraszać ciepło wytwarzane podczas hamowania. Wartość ED% jest definiowana w odniesieniu do szczytowego rozpraszania energii, interwału czasu hamowania (T1) i całkowitego czasu cyklu (T0) na ilustracji 3.

Ilustracja 3: definicja procentowego rozpraszania energii (ED%). (Źródło ilustracji: Delta Electronics)

Wartość ED% jest określana w zależności od intensywności hamowania w celu zapewnienia wystarczającej ilości czasu dla układu hamującego i rezystora hamowania na rozproszenie ciepła wytwarzanego przez hamowanie. Jeśli rezystor hamowania nagrzewa się z powodu niewystarczającego rozpraszania ciepła, jego rezystancja wzrasta, zmniejszając przepływ prądu i pochłaniany moment hamowania.

Rezystory hamowania mogą być dobierane w zależności od różnych cykli rozpraszania, takich jak:

• Hamowanie lekkie, w którym siła hamowania jest ograniczona do 1,5-krotności momentu znamionowego (Tn) przez 0,8s co 40s. Cykl występujący w maszynach o ograniczonej bezwładności, takich jak wtryskarki
• Hamowanie średnie, w którym siła hamowania jest ograniczona do 1,35 krotności Tn przez 4s co 40s. Cykl występujący w maszynach o dużej bezwładności, takich jak prasy z kołem zamachowym i wirówki przemysłowe
• Hamowanie silne, w którym siła hamowania jest ograniczona do 1,65 krotności Tn przez 6s i Tn przez 54s co 120s. Cykl występujący w maszynach o bardzo dużej bezwładności, którym często towarzyszą ruchy pionowe, takich jak żurawie i dźwigniki

Oprócz rezystora hamowania, większość systemów jest wyposażona w termiczny zespół przeciążeniowy połączony z rezystorem hamowania w charakterze zabezpieczenia. Przykładem może być termiczny przekaźnik przeciążeniowy TF65-33 firmy ABB Control. Termiczny zespół przeciążeniowy chroni rezystor i układ napędowy przed zbyt częstym lub zbyt silnym hamowaniem. Wykrycie przeciążenia termicznego powoduje wyłączenie napędu. Wyłączenie samej funkcji hamowania może spowodować poważne uszkodzenie napędu.

Zabezpieczenie wejścia napędu

Dławiki i filtry liniowe na wejściu napędu ograniczają odpowiednio harmoniczne niskiej częstotliwości i zakłócenia elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości (ilustracja 4). Dławiki liniowe pomagają zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne mocy wejściowej prądu zmiennego powodowane przez obwody sterujące. Mogą być szczególnie przydatne w zastosowaniach, które muszą spełniać wymagania normy IEEE-519 „Harmonic Control in Power Systems” (Ograniczanie harmonicznych w układach zasilania). Dławiki liniowe wygładzają również zakłócenia w zasilaniu sieciowym, takie jak udary, skoki oraz stany nieustalone, zwiększając niezawodność działania i zapobiegając wyłączeniom z powodu nadmiernego napięcia.

Ilustracja 4: filtry liniowe ograniczają zakłócenia elektromagnetyczne wysokich częstotliwości, natomiast dławiki liniowe ograniczają harmoniczne niskich częstotliwości. (Źródło ilustracji: Siemens)

Przykładem dławika liniowego może być cewka indukcyjna 2mH DV0P228 o prądzie znamionowym 8A, która należy do grupy napędów trójfazowych i akcesoriów Minas firmy Panasonic oraz cewka indukcyjna 2,5mH 6SL32030CE132AA0 firmy Siemens przeznaczona do napędów o mocy do 1,1kW, które pobierają do 4A prądu wejściowego i pracują przy zasilaniu 3-fazowym o napięciu od 380V_~ -10% do 480V_~ +10%.

Filtry liniowe

Filtry liniowe muszą zapewniać kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) i zapewniać ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) w większości zastosowań. Konkretnym środowiskom przemysłowym i komercyjnym (budynkowym) przypisuje się odpowiednią klasę A lub B filtracji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Klasa B wymaga wyższego poziomu filtrowania niż klasa A, ponieważ w środowiskach komercyjnych (biurach, pomieszczeniach administracyjnych itp.) zwykle znajdują się systemy elektroniczne, które są bardziej wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne.

Obowiązujące normy dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej to m.in. EN 55011, która określa ograniczenia emisji dla urządzeń przemysłowych, naukowych i medycznych oraz IEC/EN 61800-3, która odnosi się w szczególności do napędów o zmiennej prędkości.

Napędy o zmiennej częstotliwości/prędkości (VFD/VSD) są dostępne ze zintegrowanymi filtrami liniowymi i bez nich. Jeśli są one wyposażone w filtr, może on być klasy A lub klasy B. W zależności od środowiska i czynników instalacyjnych, takich jak długość okablowania, nawet napęd ze zintegrowanym filtrem może wymagać dodatkowego filtrowania. Napęd przystosowany do pracy w środowiskach klasy A może być również używany w środowiskach klasy B po dodaniu opcjonalnego filtra.

Norma IEC/EN 61800-3 definiuje wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) w oparciu o środowiska i kategorie. Budynki mieszkalne są definiowane jako środowisko pierwsze, a instalacje przemysłowe podłączone do sieci rozdzielczej średniego napięcia za pośrednictwem transformatorów są środowiskiem drugim.

Norma EN 61800-3 definiuje cztery kategorie:

• C1 dla układów napędowych o napięciach znamionowych <1000V do nieograniczonego stosowania w środowisku pierwszym
• C2 dla stacjonarnych układów napędowych o napięciach znamionowych <1000V do użytku w środowisku drugim i możliwego użycia w środowisku pierwszym
• C3 dla układów napędowych o napięciach znamionowych <1000V do użytku wyłącznie w środowisku drugim
• Kategorię specjalnych wymagań, C4, dla układów napędowych o napięciach znamionowych ≥1000V i prądach znamionowych ≥400A w środowisku drugim

Dostępne są filtry liniowe ogólnego przeznaczenia, ale podobnie jak dławiki liniowe, filtry liniowe są często projektowane do użytku z określonymi grupami napędów. Na przykład filtr liniowy VW3A4708 firmy Schneider Electric ma prąd znamionowy 200A (ilustracja 5). Jest on przeznaczony do napędów o zmiennej prędkości (VSD) Altivar i serwonapędów Lexium tej firmy. Jest przystosowany do napięć sieciowych od 200V_~ do 480V_~ i posiada stopień ochrony IP20. Klasyfikacja według normy EN 61800-3 zależy od długości kabla silnika:

• Kategoria C1 w przypadku użycia kabla ekranowanego o maksymalnej długości 50m
• Kategoria C2 w przypadku użycia kabla ekranowanego o maksymalnej długości 150m
• Kategoria C3 w przypadku użycia kabla ekranowanego o maksymalnej długości 300m

Ilustracja 5: filtr liniowy 200A przystosowany do napięć sieciowych od 200V_~ do 480V_~. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Podsumowanie

Napędy o zmiennej prędkości (VSD) i napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) są systemami ważnymi dla maksymalizacji wydajności operacji przemysłowych i minimalizacji emisji gazów cieplarnianych. Aby zapewnić skuteczne i niezawodne działanie instalacji zgodnie z odpowiednimi normami międzynarodowymi, wspomniane napędy wymagają kilku komponentów pomocniczych, takich jak kable do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), dławiki wyjściowe, rezystory hamowania, dławiki liniowe oraz filtry liniowe.