Specificarea și utilizarea cablurilor VFD pentru îmbunătățirea fiabilității și siguranței și pentru reducerea emisiilor de carbon

Unitățile cu frecvență variabilă (VFD) și motoarele pot reduce emisiile de carbon și pot crește eficiența, fiabilitatea și siguranța în diverse sisteme, inclusiv transportoare, pompe, mixere, lifturi, sisteme de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC) și aplicații similare. Cablajul care leagă VFD de motor este o piesă esențială a sistemului. Fără o cablare corectă, siguranța operatorului poate fi marginalizată, iar fiabilitatea și durata de viață a motorului pot fi reduse.

Sistemele VFD tipice funcționează în condiții dificile, care includ vârfuri de tensiune de două până la trei ori mai mari decât tensiunea de alimentare și niveluri ridicate de zgomot electromagnetic radiat și condus. În plus, cablurile pot fi expuse la temperaturi ridicate. Acestea trebuie să reziste la ulei, apă și radiații ultraviolete (UV), menținând în același timp un grad ridicat de flexibilitate și respectând numeroase cerințe tehnice de la UL, CSA, NFPA și NEC.

Mediile de operare dificile și cerințele tehnice pentru instalațiile VFD complică specificațiile cablurilor. Acest articol trece în revistă funcționarea VFD-urilor și a motoarelor, cerințele privind izolarea cablurilor și nevoia de compatibilitate electromagnetică (CEM). Articolul compară specificații precum UL 1277 TC ER, WTTC și cablurile cu pozare directă și examinează cerințele NEC și NFPA. De asemenea, prezintă considerentele privind structura cablurilor înainte de a încheia cu o prezentare generală a unor exemple de cabluri de la Belden, Helukabel, Igus, LAPP și SAB North America.

Provocări legate de condițiile de mediu

Motoarele VFD, unitățile și cablurile care le conectează funcționează în medii electrice dure. Cablurile VFD trebuie să livreze în mod eficient o putere de acționare ridicată la tensiuni înalte și să facă față vârfurilor de tensiune și nivelurilor ridicate de zgomot. Izolația din cablurile VFD este supusă unor condiții dificile, cum ar fi undele reflectate și tensiunile de inițiere a efectului corona vizibil (Figura 1):

• Unde reflectate: Undele reflectate pot fi cauzate de impedanțe nepotrivite între motorul unui VFD și cablul acestuia. Acest lucru poate provoca unde de tensiune care ricoșează înapoi la unitatea de alimentare. Fără o izolație de înaltă performanță, undele reflectate pot distruge izolația și supraîncălzi cablul.
• Tensiune de inițiere a efectului corona vizibil/descărcare corona: Tensiunile de modulare în lățime a impulsurilor (PWM) din sistemele VFD oscilează rapid de la zero la tensiunea de vârf. Fără o izolație adecvată, un vârf de tensiune ridicată care se produce peste tensiunea de inițiere a efectului corona vizibil din cablu determină ionizarea aerului din jurul conductorului, ceea ce duce la o descărcare corona care poate topi izolația și poate deteriora motorul, rulmenții motorului și unitatea.

Figura 1: Izolația cablului VFD trebuie să facă față undelor reflectate și tensiunilor de inițiere a efectului corona vizibil. (Sursa imaginii: SAB North America)

Ecranare și împământare

Pe lângă faptul că trebuie să reziste la vârfuri de tensiune, cablurile VFD trebuie să suporte niveluri ridicate de compatibilitate electromagnetică. Considerentele importante privind compatibilitatea electromagnetică includ următoarele:

• Curenții de mod comun rezultă din tensiunile trifazate din VFD-uri care nu însumează zero, creând un dezechilibru de tensiune. Atunci când nivelul de tensiune diferit de zero se modifică, un curent de încărcare proporțional al cablului revine prin conductorul de împământare. Un curent de mod comun excesiv creează o buclă de masă care interferează cu performanța corectă a sistemului.
• Zgomotul electric transmis rezultă din frecvențele variabile ale unității, care pot induce interferențe electromagnetice (EMI) și de radiofrecvență (RFI) și pot afecta componentele și sistemele din apropiere.

Un sistem de acționare, un cablu și un motor cu împământare eficientă creează o cușcă Faraday care asigură o performanță CEM robustă (Figura 2).

Figura 2: Cablurile VFD pot atenua curenții de mod comun și zgomotul electric cu conexiuni de împământare corespunzătoare. (Sursa imaginii: SAB North America)

Presetupe vs. tuburi de protecție

Cablurile VFD sunt disponibile în diametre mici pentru a fi utilizate în tuburi de protecție și ca structuri de cabluri armate sudate continuu. Aceste soluții necesită o instalare complexă și costisitoare și prezintă potențiale probleme de fiabilitate. Sunt disponibile cabluri cu pozare directă (TC) care nu necesită tuburi de protecție. Atunci când este disponibil un tub de protecție, acesta poate fi utilizat pentru a crea o cușcă Faraday între unitatea de acționare și motor. Când se utilizează diferite clase de cabluri cu pozare directă, se pot adăuga presetupe de cablu CEM pentru a completa cușca Faraday. Presetupele pentru cabluri CEM oferă grade de protecție la pătrundere (IP) de 68, care prevede rezistență la apă dulce la o adâncime maximă de 1,5 metri timp de până la 30 de minute și protecție împotriva prafului, ceea ce le face potrivite pentru utilizarea în medii industriale și exterioare solicitante (Figura 3).

Figura 3: Se pot utiliza presetupe pentru cabluri la conexiunile componentelor electronice de acționare și ale motorului pentru a crea o cușcă Faraday și a controla EMI. (Imagine: SAB North America)

Clase de cabluri

Cablurile cu pozare directă pot simplifica instalarea și pot reduce costurile. Acestea sunt clasificate în funcție de diverse criterii ale aplicațiilor, cum ar fi tensiunea nominală, flexibilitatea și testele de strivire/impact. Există două standarde UL principale. Ambele standarde se aplică pentru cablurile de 18 AWG și mai mari. Cele două standarde sunt:

UL 1277, Cabluri cu pozare directă pentru alimentare electrică și control, ce se referă la mai multe tipuri de cabluri cu pozare directă clasificate pentru 600 V.

• Cablurile cu pozare directă de bază sunt cele mai comune și sunt utilizate ca și cabluri VFD în cazul în care este nevoie de proprietăți ignifuge.
• Cablurile cu pozare directă TC-ER (cu traseu expus) trebuie să respecte cerințe mai riguroase în caz de strivire și impact decât cablurile cu pozare directă standard. Acestea pot fi pozate liber între canalele de cabluri pe o distanță medie de 1,8 m (6 picioare).
• THHN/PVC este o formă ieftină de construcție pentru cablurile cu pozare directă, cu o manta termoplastică. Este potrivit pentru îngroparea directă și pentru pozare în tuburi.

UL 2277, cablu flexibil pentru alimentarea motorului și cablu cu pozare directă pentru turbinele eoliene, ce se referă la două tipuri de cabluri cu pozare directă cu o tensiune nominală de 1.000 V.

• Cablul flexibil de alimentare a motorului (FMSC) este conceput în primul rând ca un cablu de alimentare a motorului VFD.
• Cablurile cu pozare directă pentru turbine eoliene (WTTC) pot rezista la condiții extreme și dure în aplicațiile eoliene, cum ar fi cele care implică ulei, abraziune, temperaturi extreme, apă, mișcare constantă și așa mai departe.

NEC și NFPA

Conformitatea cu NEC 79/NFPA 79 ediția 2018 este adesea, dar nu întotdeauna, necesară în SUA, în funcție de codurile locale de construcție. Standardul prevede necesitatea marcării cablurilor VFD cu RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW sau XHHW-W, definite după cum urmează:

• RHW, RHH și RHW-2 utilizează o izolație din cauciuc cu rezistență ridicată la căldură.
  • RHW indică un cablu rezistent la apă pentru temperaturi nominale de +75 °C.
  • RHH indică un cablu pentru temperaturi nominale de +75° C care nu este rezistent la apă.
  • RHW-2 indică un cablu rezistent la apă pentru temperaturi nominale de +90 °C.
• XHH, XHHW și XHHW-W utilizează izolație XLPE (polietilenă reticulată).
  • XHH este destinat utilizării în spații umede și la temperaturi nominale de +75 °C.
  • XHHW este destinat utilizării în locații ude și la temperaturi nominale de +75 °C.
  • XHHW2 este destinat utilizării în locații ude și la temperaturi nominale de +90 °C.

Izolația XLPE este mai ușoară și mai flexibilă decât izolația din cauciuc, astfel, cablurile XLPE sunt mai ușor de instalat, în special la temperaturi scăzute. În plus, XLPE oferă o scurgere mai mică în comparație cu izolația din cauciuc.

Construcția cablurilor

Există numeroase moduri de a implementa cabluri cu pozare directă VFD. Numărul de catalog CF31-25-04 de la Igus este un bun exemplu pentru multe dintre elementele comune; numerele din listă corespund cu cele din Figura 4:

1. Mantaua exterioară realizată cu un amestec de PVC extrudat sub presiune, rezistent la ulei Manta exterioară PVC cu aderență redusă, rezistentă la ulei
2. Mantaua exterioară este realizată folosind o împletitură foarte rezistentă la îndoire, constând din fire de cupru cositorit
3. Mantaua interioară din PVC extrudat sub presiune cu umplutură cu burduf
4. CFRIP este o bandă de rupere specifică Igus turnată în mantaua interioară pentru o dezizolare mai rapidă a cablului
5. Izolația miezului din plastic din polietilenă reticulată (XLPE) are o legătură tridimensională în interiorul plasticului; XLPE are o rezistență mecanică ridicată și o capacitate electrică redusă
6. Conductor care variază pentru miezuri < 10 mm² și miezuri ≥ 10 mm² pe baza cerințelor DIN EN 60228
7. Element central de reducere a solicitării, un material rezistent la efortul de tensiune

Figura 4: Exemplu de cablu VFD care ilustrează elementele de ecranare și de reducere a solicitării, pe lângă conductorii care transportă curentul. (Sursa imaginii: Igus)

Mai multe opțiuni

ÖLFLEX VFD 1XL de la LAPP este o familie de cabluri de unitate VFD ecranate, robuste, rezistente la ulei și UV, pentru proiectele care necesită un diametru mai mic al cablului. Diametrul neobișnuit de mic al izolației XLPE face ca aceste cabluri să fie potrivite pentru utilizarea în instalații aglomerate, unde cablurile standard pot fi prea mari. În plus, diametrul mai subțire oferă o flexibilitate sporită care accelerează instalarea. Aceste cabluri clasificate TC-ER pot fi instalate fără tub de protecție, dar diametrul lor mai mic și flexibilitatea simplifică utilizarea tuburilor atunci când este necesară. Acestea îndeplinesc cerințele de performanță XHHW2. De exemplu, LAPP oferă mai multe modele cu patru conductori (inclusiv împământare) plus drenă, cum ar fi modelul 701703 cu conductori de 10 AWG (5,3 mm²) și modelul 701717 cu conductori de 2 AWG (33,7 mm²).

Helukabel oferă mai multe cabluri cu clasificări TC-ER și WTTC și oferă conductori de la 2 la 18 AWG, cum ar fi modelul de cablu cu pozare directă 12 AWG 63141 cu patru conductori. Acestea dispun de o ecranare dublă care combină folia de aluminiu (acoperire 100%) și împletitura de cupru cositorit (aproximativ 85% acoperire). Utilizează izolație XLPE și au învelișuri din PVC care sunt rezistente la ulei, agenți de răcire, solvenți și agenți de curățare/dezinfectare. Aceste cabluri sunt proiectate pentru instalare deschisă, neprotejată, în canale de cabluri și de la canalul de cabluri la utilaj. În plus, acestea sunt potrivite pentru instalarea în tuburi de protecție sau pentru îngropare directă.

Cabluri de flexibilitate ridicată

Belden oferă mai multe familii de cabluri cu pozare directă cu diferite configurații de conductori și împământare, folosind mai multe materiale de izolație și ecranare (Figura 5). Pentru instalațiile care necesită cabluri armate extrem de flexibile, compania oferă cablurile HighFlex VFD cu mai multe game de flexibilitate și până la 10 milioane de cicluri de flexare. Aceste cabluri cu pozare directă au conductori din cupru cositorit cu fire fine, unele modele având peste 2.000 de fire individuale și o manta flexibilă TPE care le face pliabile, pentru a fi ușor de manevrat în timpul instalării. De exemplu, numărul de catalog 29501F 0101000, cu clasificări TC-ER și WTTC, este proiectat pentru aplicații în mișcare continuă și pe utilaje și îndeplinește cerințele XHHW2 pentru utilizarea în locații ude la temperaturi de până la +90 °C. Aplicațiile vizate pentru cablurile VFD HighFlex includ:

• Operarea echipamentelor de proces
• Alimentarea pompelor
• Acționarea ventilatoarelor
• Operarea transportoarelor de material
• Deplasarea brațelor robotice

Figura 5: Câteva dintre numeroasele configurații de conductori și de împământare, precum și materialele de izolație și ecranare utilizate în cablurile VFD. (Sursa imaginii: Belden)

Cablurile VFD de la SAB sunt proiectate pentru a oferi performanțe CEM optimizate. De asemenea, este disponibil și un model adaptat pentru flexare continuă. Aceste cabluri îndeplinesc cerințele TC-ER și WTTC și utilizează izolație XLPE pentru o capacitate îmbunătățită, cu două opțiuni: una cu un diametru redus și una care suportă trasee mai lungi. Diferiți producători de motoare VFD au cerințe diferite privind dimensiunea perechilor pentru cablurile cu pozare directă VFD combinate și pot solicita un cablu cu sau fără un conductor de legare la pământ. Cablurile VFD de la SAB includ cabluri care îndeplinesc majoritatea cerințelor aplicațiilor, cum ar fi alimentarea cu o pereche combinată pentru frânare sau detectarea temperaturii, opțiuni de dimensiuni multiple ale perechilor, inclusiv 18, 16, 14 și 12 AWG, și unele modele cu două perechi. Acestea au o ecranare dublă care combină folia cu împletitura de cupru cositorit, iar modelele simetrice la sol sunt o opțiune. Aceste cabluri au o rază de curbură de 12 ori mai mare decât diametrul cablului și sunt clasificate XHHW2 pentru utilizare în locuri ude la temperaturi de până la 90 °C. Un bun exemplu de astfel de cabluri este modelul 35661204, un cablu cu patru conductori de 12 AWG.

Concluzie

Cablurile VFD sunt utilizate în medii electrice dificile și trebuie să reziste la temperaturi ridicate, la expunerea la apă, ulei și/sau diverse substanțe chimice. Specificarea acestor cabluri este un proces complex, în decursul căruia trebuie să se ia în considerare diferite proprietăți de izolare, inclusiv capacitatea de a rezista la undele reflectate și la tensiunile de inițiere a efectului corona vizibil, ecranarea, presetupele de cablu pentru protecția CEM și cerințele UL, NEC și NFPA. Cablurile VFD specificate și instalate corect contribuie la instalații simplificate și mai puțin costisitoare, la îmbunătățirea funcționării motorului, la reducerea emisiilor de carbon și la o mai bună siguranță a operatorului.