Кабель двигателя для ШИМ-привода с регулируемой скоростью может иметь некоторые неожиданные последствия. В этом блоге я рассматриваю некоторые особые соображения, которые необходимы при выборе и установке моторного кабеля для VSD.

Постоянный ток двигателя с нагрузкой существенно не изменяется при использовании VSD с двигателем. Функция защиты двигателя от тока в приводе одобрена (например, UL) для тепловой защиты двигателя и кабеля в случае перегрузки. Следовательно, номинальный ток кабеля двигателя такой же, как и для двигателя, подключенного непосредственно к сети.

Коды размеров кабелей, используемые электромонтажниками, включая пакеты программного обеспечения для планирования кабелей, часто содержат специальные положения для двигателей. Они были бы основаны на стандартном промышленном асинхронном двигателе, запускаемом прямым подключением к линии электропередачи (“Direct On Line” DOL starting). Длина кабелей может потребоваться больше, чем это диктуется номинальным током непрерывной полной нагрузки, чтобы ограничить падение напряжения в индуктивности и сопротивлении кабеля во время запуска. Типичный промышленный асинхронный двигатель потребляет пусковой ток DOL, примерно в 5 раз превышающий его максимальное номинальное значение, из-за большого проскальзывания, прежде чем он достигнет своей рабочей скорости; и во время запуска доступный крутящий момент не особенно высок. Чрезмерное падение напряжения в кабеле может привести к тому, что двигатель не запустится, если крутящий момент нагрузки поддерживается на низких оборотах.

При использовании привода с регулируемой частотой вращения проскальзывание двигателя всегда низкое, а ток при запуске никогда не превышает кратковременного значения (например, 110% или 150% в зависимости от применения). Кроме того, привод можно настроить с помощью двигателя и его кабеля таким образом, чтобы компенсировать падение напряжения на кабеле – при скорости ниже базовой имеется запас напряжения между мощностью привода и напряжением, необходимым для достижения рабочей плотности потока в двигателе. Поэтому при использовании VSD нет необходимости увеличивать размер кабеля, чтобы уменьшить падение напряжения при запуске. В установках с длинными кабелями двигателя этот факт может обеспечить значительную экономию затрат на кабели. При использовании программного обеспечения для определения размера кабеля для планирования установки двигатель с VSD следует устанавливать как простую резистивную нагрузку, а не как двигатель, чтобы избежать ненужного учета пускового тока двигателя.

Выход VSD использует широтно-импульсную модуляцию (PWM) для создания источника питания с регулируемым напряжением и частотой для управления двигателем. Импульсы имеют быстрые фронты, со временем нарастания/спада порядка 100 нс. Это означает, что частотный состав напряжения в двигателе и кабеле двигателя распространяется до высоких радиочастот – как правило, существует очень высокий уровень для частот примерно до 10 МГц и значительный уровень примерно до 50 МГц. Чтобы избежать электромагнитных помех (EMI), кабель необходимо экранировать таким образом, чтобы подавлять излучение электромагнитной энергии. Наличие заземленного экрана предотвращает излучение электрического поля, а правильное подключение экрана как к двигателю, так и к инвертору с использованием соединения с минимальной самоиндукцией предотвращает излучение магнитного поля. И то, и другое необходимо.

Возможное излучение от неправильно управляемого кабеля двигателя может повлиять как на радиочастотную связь, так и на находящееся поблизости электронное оборудование, такое как датчики и схемы передачи данных, которые чувствительны к помехам в этих частотных диапазонах. Стандарт электромагнитной совместимости (EMC) для приводов IEC 61800-3 (EN 61800-3) требует экранирования кабеля двигателя, в противном случае выход привода пришлось бы подключать через очень дорогое и громоздкое устройство радиочастотного фильтра.

Практические испытания показали, что кабельные экраны, изготовленные из стали или меди, могут быть одинаково эффективными при условии, что они имеют хорошее непрерывное покрытие по всей длине кабеля. Это облегчает протекание радиочастотного тока вдоль экрана для подавления магнитного поля, вызванного синфазным током в силовых сердечниках.

Подключение двигателя к земле предназначено в первую очередь для обеспечения безопасности в случае замыкания на землю в двигателе. Соединение с землей должно пропускать ток повреждения до тех пор, пока предохранительное устройство (плавкий предохранитель или автоматический выключатель) не отключит ток, обеспечивая при этом, чтобы напряжение касания корпуса двигателя оставалось в безопасных пределах.

Обычно VSD ограничивает ток замыкания на землю гораздо более низкими уровнями и более короткой продолжительностью, чем предохранитель или автоматический выключатель. Однако для достижения этой цели он полагается на сложные полупроводниковые устройства и схемы, которые могут выйти из строя. Поэтому по соображениям безопасности сопротивление контура заземления для подключения заземления должно быть таким же, как если бы не было VSD – максимальная защита обеспечивается устройством защиты выше по потоку, питающим привод. Выбор размера заземляющего провода точно такой же, как и для двигателя с прямым питанием.

Как объяснялось выше, кабель двигателя для VSD должен быть экранирован. Может ли этот экран также обеспечивать безопасное заземление, зависит от его импеданса и от правил, используемых для заземления. Обычно используется отдельный медный проводник заземления, чтобы избежать необходимости в специальном расчете.

Иногда возникает вопрос, использовать ли заземляющую жилу внутри экранированного кабеля двигателя (т.е. 4-жильный кабель) или внешнюю. С точки зрения безопасности оба решения одинаково хороши. Также по соображениям электромагнитной совместимости оба метода могут работать, но при использовании 4-жильного кабеля необходима осторожность. Заземляющий сердечник пропускает довольно высокий шумовой ток, улавливаемый силовыми сердечниками внутри кабеля. Если его поместить в точку на монтажной панели инвертора, удаленную от конца экрана кабеля, это приведет к подаче тока шума в проводку заземления панели, что может привести к нарушению сигнальных цепей. Он должен быть подключен к панели инвертора физически очень близко к оконечности экрана.

Кабель двигателя имеет естественную собственную емкость и индуктивность. На частотах мощности емкость оказывает незначительное влияние, в то время как индуктивность вызывает небольшое падение напряжения, которое в основном незначительно, за исключением очень длинных кабельных трасс и высоких пусковых токов DOL.

Гораздо важнее влияние на быстро нарастающие ШИМ-импульсы от инвертора. На каждом фронте импульса емкость кабеля должна быть разряжена. Это приводит к довольно большим, но коротким импульсам тока на каждом фронте. Они могут вызывать высокочастотное излучение поля, а также они создают нагрузку на силовые полупроводники инвертора во время переключения.

К счастью, индуктивность кабеля распределяется вдоль кабеля вместе с емкостью и имеет эффект ограничения зарядного тока. Итоговый эффект описывается “уравнениями телеграфиста” и приводит к параметрам кабеля Z0, характеристическому сопротивлению, и v, скорости распространения.

На каждом фронте ШИМ-импульса для зарядки кабеля протекает ток, заданный:

Где = Напряжение связи постоянного тока инвертора

Для коаксиального кабеля характеристический импеданс определяется как:

Где:

= относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (изолятора)

= Внутренний диаметр наружного проводника

= Наружный диаметр внутреннего проводника

В 3-фазном экранированном кабеле геометрия не является простой коаксиальной формой, но его поведение аналогично, импеданс является функцией диэлектрической проницаемости и относительных диаметров внутреннего и внешнего проводников. Геометрия и диэлектрический материал, используемые в кабелях, не сильно различаются, а логарифмический член означает, что импеданс не очень чувствителен к изменениям геометрии. Измеренные значения для стандартных экранированных силовых кабелей диапазон составляет примерно от 45 Ом для кабеля 2,5 мм2 до 15 Ом для кабеля 120 мм2. Это означает, что для более крупных накопителей с номинальным током более 20 А зарядный ток незначителен, но при номинальном токе менее 10 А он оказывает влияние, и привод должен быть сконструирован таким образом, чтобы обеспечивать зарядный ток без чрезмерной потери мощности или нежелательного отключения от перегрузки по току.

Длительность импульса тока определяется длиной кабеля, она равна времени прохождения импульса до конца двигателя, а затем возвращается в виде перевернутого отражения. Чем длиннее кабель, тем сильнее воздействие на инвертор.

Некоторые специальные кабели могут иметь ненормальные значения

Соотношение диаметров может быть значительно уменьшено, если между силовыми жилами и экраном нет изолирующей оболочки, что может иметь место для высокогибких экранированных силовых кабелей. Кабель с медной оболочкой с минеральной изоляцией (MICC) также имеет низкое соотношение диаметров, а диэлектрическая проницаемость минерального изолятора высока, поэтому импеданс очень низкий.

Другая ситуация, когда эффективный будет низким, если несколько кабелей подключены параллельно для достижения требуемого номинального тока, а не использовать один кабель большого диаметра. В этих случаях, если общая длина кабеля не очень мала, часто необходимо добавить последовательные дроссели между приводом и кабелем, чтобы ограничить зарядный ток кабеля. В методах управления мы иногда сталкивались со случаем, когда установщик использовал три кабеля параллельно и использовал один кабель с тремя жилами для каждой фазы. Такое расположение в любом случае является плохой практикой, поскольку ток сетевой частоты в фазных сердечниках индуцирует встречные токи в экранах, что может привести к нагреву экранов. При использовании с VSD это приводит к исключительно высокому блуждающему току из-за чрезмерной емкости между силовыми сердечниками и землей, что может вызвать высокочастотные помехи в близлежащих цепях, а также риск перегрузки радиочастотных фильтров из-за чрезмерного синфазного тока (заземления).

В приведенном выше примере я не особо выделял режимы в кабеле, к которым применяется импеданс. Как правило, нет необходимости рассматривать это так подробно, но основными режимами, влияющими на привод, являются:

Емкость и индуктивность кабеля вызывают скачки напряжения на клеммах двигателя на фронтах импульса. В терминах уравнений телеграфиста это можно понимать как отражения на клеммах двигателя, вызванные несоответствием импеданса. Даже довольно короткие кабели приводят к некоторому превышению скорости. Это может удивить, если вы не знакомы с инверторами и быстро меняющимися импульсами — в микросекундном масштабе времени напряжение на двигателе сильно отличается от напряжения на инверторе, даже если они соединены вместе.

Двигатели обладают способностью выдерживать напряжение, которое зависит от времени нарастания напряжения. При времени нарастания менее примерно 0,8 микросекунд выдерживаемое напряжение может быть уменьшено, поскольку напряжение имеет тенденцию концентрироваться в первых витках обмотки и создает нагрузку на межвитковую изоляцию. Большинство двигателей предназначены для использования с инверторными приводами, работающими от сети 400 В или 480 В без специальных мер. Для двигателей напряжением 690 В настоятельно рекомендуется использовать специально разработанный инверторный двигатель, чтобы избежать любого риска преждевременного повреждения изоляции. Такие двигатели должны быть указаны в соответствии с указаниями, приведенными в документе IEC TS 60034-25 (“Руководство по проектированию и эксплуатационным характеристикам двигателей переменного тока, специально предназначенных для питания преобразователей”).

Иногда желательно управлять несколькими двигателями от одного привода. Например, небольшие вентиляторы могут быть установлены по всему зданию и приводиться в действие от одного привода, каждый со своим собственным кабелем. В этой ситуации емкость кабеля определяется его общей длиной, но индуктивности секций отображаются параллельно приводу, а не последовательно. Для n кабелей импеданс, наблюдаемый приводом на его фронтах импульса, равен колпачок15

В этом случае следует использовать последовательный дроссель для ограничения импульсов зарядки емкости, в противном случае привод, вероятно, пострадает от преждевременного отключения по току или ограничения, вызванного высоким зарядным током.