Ce produse auxiliare sunt necesare pentru a maximiza impactul utilizării VFD-urilor și VSD-urilor? - Partea 1

Partea 1 a acestei serii de articole analizează aspectele care trebuie luate în considerare la selectarea cablurilor de conectare a motorului, a reactoarelor de ieșire, a rezistoarelor de frânare, a reactoarelor de linie și a filtrelor de linie. Partea a 2-a continuă prin analizarea diferențelor dintre VSD-uri/VFD-uri și servocomenzi, revizuirea utilizărilor servomotoarelor liniare și rotative de curent alternativ și de curent continuu, analizarea rolului unităților de pornire-oprire treptată în operațiunile industriale și analizarea modului în care convertoarele c.c. sunt utilizate pentru alimentarea perifericelor precum senzorii, interfețele om-mașină (HMI) și dispozitivele de siguranță.

Utilizarea variatoarelor de viteză și a variatoarelor de frecvență (VSD/VFD) este necesară pentru a maximiza eficiența și durabilitatea operațiunilor industriale, dar nu este suficientă. Pentru a obține beneficii maxime de la VSD/VFD, sunt necesare componente suplimentare precum cabluri de înaltă performanță, rezistoare de frânare, filtre de linie, reactoare de linie, reactoare de ieșire și altele.

Cablarea este omniprezentă și esențială. Un cablu cu specificații incorecte care conectează VSD/VFD la motor poate afecta în mod considerabil performanța sistemului. Alte elemente, cum ar fi rezistoarele de frânare, filtrele și reactoarele, variază de la o instalație la alta și pot fi foarte importante pentru o implementare reușită.

De exemplu, unele sisteme funcționează în zone în care este necesar să se controleze interferențele electromagnetice (EMI) și pot beneficia de utilizarea filtrelor de linie care respectă EN 61800-3 Categoria C2. Aplicațiile care necesită o decelerare rapidă vor necesita rezistoare de frânare. Reactoarele de linie pot îmbunătăți factorul de putere și pot spori eficiența, iar reactoarele de ieșire pot permite utilizarea unor cabluri mai lungi.

Acest articol începe cu o prezentare a câtorva considerente legate de selectarea cablurilor de conectare a motorului și prezintă opțiuni tipice de cablare de la LAPP și Belden. Apoi, analizează factorii care influențează selecția reactoarelor de ieșire, a rezistoarelor de frânare, a reactoarelor de linie și a filtrelor de linie, inclusiv a dispozitivelor reprezentative de la ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic și Siemens.

Cablurile motorului sunt disponibile în diferite configurații, pentru a îndeplini cerințele specifice ale aplicațiilor. De obicei, acestea au trei conductoare principale de alimentare, adesea izolate cu polietilenă reticulată (XLPE). Unele au fire de împământare neizolate. Pot exista diverse fire de semnal și numeroase opțiuni de ecranare împletite și cu folie. Întregul ansamblu este învelit într-o carcasă exterioară rezistentă la condițiile mediului exterior (Figura 1).

Figura 1: Cablurile pentru motoare VFD sunt disponibile într-o gamă largă de configurații. (Sursa imaginii: Belden)

Chiar și cablurile de bază, cum ar fi Belden Basics cu numărul de catalog 29521C 0105000, sunt ansambluri complexe de conductori, ecranare și izolare. Aceste cabluri au trei conductori de cupru de 14 AWG (American Wire Gauge) (7x22 toroane) acoperiți cu izolație XLPE și trei fire de împământare din cupru neizolate de 18 AWG (7x26 toroane). Aceste șase fire sunt înconjurate de scuturi duble cu bandă elicoidală care asigură o acoperire de 100%, iar întregul ansamblu de cabluri este învelit într-o manta din policlorură de vinil (PVC) pentru protecție împotriva condițiilor exterioare.

Cablurile Belden Basic sunt potrivite pentru utilizare în locații periculoase din clasa 1 divizia 2, conform definițiilor din Codul Electric Național (NEC). Clasa 1 se referă la instalațiile pentru manipularea gazelor, vaporilor și lichidelor inflamabile. Divizia 2 specifică faptul că aceste materiale inflamabile nu sunt prezente în mod normal în concentrații suficient de mari pentru a fi inflamabile.

Unele serii de cabluri, cum ar fi ÖLFLEX VFD 1XL de la LAPP, sunt disponibile cu și fără fire de semnal. Aplicațiile care beneficiază de fire de semnal pot utiliza cablul 701710 de la LAPP. Acesta include trei conductori de alimentare, un conductor de împământare și o pereche de fire de semnal. Conductorii de alimentare sunt de 16 AWG (26x30 toroane) cu izolație XLPE (plus). Perechile de semnal sunt ecranate individual cu folie.

Întregul ansamblu este ecranat cu bandă de barieră, bandă de folie cu trei straturi (acoperire 100%) și panglică de cupru cositorit (acoperire 85%). Învelișul exterior este un elastomer termoplastic (TPE) special formulat, rezistent la soluțiile dezinfectante și este utilizat, de obicei, în industria alimentară, a băuturilor, chimică și în industriile conexe.

Pe lângă manipularea fiabilă și eficientă a energiei și semnalelor, cablurile VFD trebuie să fie capabile să suporte vârfuri de tensiune ridicate și niveluri de zgomot de interferență electromagnetică (EMI) rezultate din funcționarea la înaltă frecvență a acționării. Deși cablurile VFD sunt concepute pentru a controla și gestiona vârfurile de înaltă tensiune și EMI, acestea au limitele lor (Figura 2). Acesta este momentul în care reactoarele de sarcină reduc vârfurile înalte de tensiune și EMI.

Figura 2: Vârfurile înalte necontrolate de tensiune pot străpunge izolația și pot duce la defectarea cablului. (Sursa imaginii: LAPP)

Pentru o discuție mai detaliată privind selectarea cablurilor VFD, consultați „Specificarea și utilizarea cablurilor VFD pentru îmbunătățirea fiabilității și siguranței și reducerea emisiilor de carbon”.

Reactoare de sarcină

Reactoarele de sarcină, numite și reactoare de ieșire, sunt conectate aproape de ieșirea acționării pentru a reduce impactul vârfurilor înalte de tensiune și al EMI și protejează izolația cablului și a motorului. VSD-urile/VFD-urile produc o ieșire de înaltă frecvență (de obicei între 16 și 20 kHz). Comutarea de înaltă frecvență duce la timpi de creștere a tensiunii de câteva microsecunde, cauzând vârfuri înalte de tensiune care pot depăși tensiunea nominală maximă a motorului, ducând la ruperea izolației.

În funcție de tipul de motor utilizat, reactoarele de sarcină sunt adesea recomandate dacă lungimea cablului VFD depășește 30 m (100 ft.). Există excepții; de exemplu, dacă motorul îndeplinește standardul NEMA MG-1 Partea 31, este posibil să utilizați un cablu de 90 m (300 ft.) fără a utiliza un reactor de sarcină.

Indiferent de tipul motorului, în general, se recomandă un reactor de sarcină dacă lungimea cablului depășește 90 m. Dacă distanța depășește 150 m, de obicei, se recomandă un filtru special conceput. În mediile sensibile la EMI, utilizarea unui reactor de sarcină pentru toate aplicațiile este, de obicei, o bună practică.

Reactoarele de sarcină sunt adesea proiectate pentru a fi utilizate cu anumite modele de acționări. De exemplu, reactorul de sarcină modelul 3G3AX-RAO04600110-DE de la Omron este evaluat la 11 A și 4,6 mH și este proiectat pentru a fi utilizat cu motoare trifazate de 400 V și 5,5 kW acționate de VFD-ul 3G3MX2-A4040-V1 al companiei.

Rezistoare de frânare și suprasarcini termice

Pe lângă un reactor de sarcină, un rezistor de frânare și un dispozitiv de oprire la suprasarcină termică pot fi completări esențiale pentru partea de ieșire a unui VSD/VFD. Rezistoarele de frânare permit un cuplu de frânare tranzitoriu maxim prin absorbția energiei de frânare. Majoritatea rezistoarelor de frânare disipează energia, în timp ce unele sunt utilizate ca parte a unui sistem de frânare regenerativă care captează și reciclează energia.

Rezistoarele de frânare disipative sunt clasificate pentru aplicații specifice. Rezistorul de frânare VW3A7755 de 8 Ω de la Schneider Electric poate disipa până la 25 kW, în timp ce rezistorul de frânare BR300W100 de 100 Ω de la Delta Electronics este evaluat pentru 300 W.

Aplicațiile rezistorului de frânare sunt definite printr-un procent de disipare a energiei (ED%). ED% definit garantează că rezistorul poate disipa eficient căldura generată în timpul frânării. ED% este definit în funcție de disiparea maximă, intervalul de frânare (T1) și durata totală a ciclului (T0) în Figura 3.

Figura 3: Definiția procentului de disipare a energiei (ED%). (Sursa imaginii: Delta Electronics)

În funcție de severitatea frânării, ED% este specificat pentru a asigura un timp adecvat pentru ca unitatea de frânare și rezistorul de frânare să disipeze căldura generată la frânare. Dacă rezistorul de frânare se încălzește din cauza unei disipări termice inadecvate, rezistența sa crește, reducând fluxul de curent și cuplul de frânare absorbit.

Rezistoarele de frânare pot fi definite prin diferite cicluri de disipare, cum ar fi:

• Frânare ușoară, în care puterea de frânare este limitată la o valoare de 1,5 ori cuplul nominal (Tn) timp de 0,8 s la fiecare 40 s. Utilizate cu mașini cu inerție limitată, cum ar fi mașinile de turnare prin injecție
• Frânare medie, în care puterea de frânare este limitată la 1,35 Tn timp de 4 s la fiecare 40 s. Utilizate la mașini cu inerție mare, cum ar fi presele cu volant și centrifugele industriale
• Frânare severă în care puterea de frânare este limitată la 1,65 Tn timp de 6 s și Tn timp de 54 s la fiecare 120 s. Utilizate la mașini cu inerție foarte mare, adesea însoțite de mișcare verticală, cum ar fi elevatoarele și macaralele

Pe lângă rezistorul de frânare, majoritatea sistemelor includ o unitate de suprasarcină termică conectată la rezistorul de frânare ca măsură de siguranță, cum ar fi releul de suprasarcină termică ABB Control TF65-33. Unitatea de suprasarcină termică protejează rezistorul și sistemul de acționare de frânarea prea frecventă sau prea puternică. Atunci când este detectată o suprasarcină termică, unitatea este oprită. Dezactivarea exclusivă a funcției de frânare ar putea duce la deteriorarea gravă a unității.

Protecție la intrarea acționării

Reactoarele de linie și filtrele de la intrarea acționării limitează armonicele de joasă frecvență și, respectiv, EMI de înaltă frecvență (Figura 4). Reactoarele de linie ajută la reducerea distorsiunilor armonice ale puterii de intrare c.a. cauzate de circuitele de acționare. Acestea pot fi deosebit de utile în aplicații care trebuie să îndeplinească cerințele IEEE-519, „Controlul armonicelor în sistemele de alimentare”. De asemenea, reactoarele de linie atenuează perturbațiile de pe rețeaua de alimentare, cum ar fi supratensiunile, vârfurile și curenții tranzitorii, crescând fiabilitatea funcționării și prevenind opririle la supratensiune.

Figura 4: Filtrele de linie limitează CEM de înaltă frecvență, în timp ce reactoarele de linie limitează armonicele de joasă frecvență. (Sursa imaginii: Siemens)

Printre exemplele de reactoare de linie se numără inductorul DV0P228 de 2 mH cu o putere nominală de 8 A, care face parte din familia Minas de acționări trifazate și accesorii de la Panasonic, precum și inductorul 6SL32030CE132AA0 de 2,5 mH de la Siemens, cu o putere nominală de până la 1,1 kW, care consumă un curent de intrare de până la 4 A și funcționează la o putere trifazată de la 380 V_c.a. -10% la 480 V_c.a. +10%.

Filtre de linie

Filtrele de linie sunt necesare pentru a susține compatibilitatea electromagnetică (CEM) și pentru a oferi protecție EMI în majoritatea aplicațiilor. În funcție de mediul specific, două clasificări ale filtrelor EMI, clasa A și clasa B, sunt utilizate în medii industriale și, respectiv, comerciale (clădiri). Clasa B necesită un nivel mai ridicat de filtrare decât clasa A, deoarece mediile comerciale (birouri, administrație etc.) includ, în general, sisteme electronice care sunt mai sensibile la EMI.

Standardele CEM relevante includ EN 55011, care detaliază limitările emisiilor pentru echipamentele industriale, științifice și medicale, și IEC/EN 61800-3, care se referă în special la variatoarele de viteză reglabile.

VFD-urile/VSD-urile sunt disponibile cu și fără filtre de linie integrate. Dacă au un filtru, acesta poate fi de clasă A sau B. În funcție de mediu și de factorii de instalare, cum ar fi lungimea cablurilor, chiar și o acționare cu filtru integrat poate necesita filtrare suplimentară. O acționare clasificată pentru funcționare în medii de clasă A poate fi utilizată și în medii de clasă B, cu adăugarea unui filtru opțional.

IEC/EN 61800-3 definește cerințele CEM pe baza mediilor și categoriilor. Clădirile rezidențiale sunt definite ca fiind primul mediu, iar instalațiile industriale conectate la rețeaua de distribuție de medie tensiune prin transformatoarele lor sunt al doilea mediu.

Cele patru categorii definite în EN 61800-3 includ:

• C1 pentru sisteme de acționare pentru tensiuni nominale < 1000 V pentru utilizare nelimitată în primul mediu
• C2 pentru sisteme de acționare staționare pentru tensiuni nominale < 1000 V pentru utilizare în al doilea mediu și utilizare posibilă în primul mediu
• C3 pentru sisteme de acționare pentru tensiuni nominale < 1000 V pentru utilizare exclusivă în al doilea mediu
• C4 cu cerințe speciale pentru sistemele de acționare pentru tensiuni nominale ≥ 1000 V și curenți nominali ≥ 400 A în al doilea mediu

Sunt disponibile filtre de linie generice, dar, la fel ca reactoarele de linie, filtrele de linie sunt adesea concepute pentru a fi utilizate cu anumite familii de acționări. De exemplu, filtrul de linie VW3A4708 de la Schneider Electric este evaluat pentru 200 A (Figura 5). Acesta este proiectat pentru VSD-urile Altivar și servocomenzile Lexium ale companiei. Este clasificat pentru tensiuni de rețea de la 200 V_c.a. la 480 V_c.a. și are un indice de protecție IP20. Clasificarea sa EN 61800-3 depinde de lungimea cablului motorului:

• Categoria C1, care folosește cablu ecranat de până la 50 m
• Categoria C2, care folosește cablu ecranat de până la 150 m
• Categoria C3, care folosește cablu ecranat de până la 300 m

Figura 5: Filtru de linie de 200 A clasificat pentru tensiuni de rețea de la 200 V_c.a. la 480 V_c.a. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Concluzie

VSD-urile și VFD-urile sunt sisteme importante pentru maximizarea eficienței operațiunilor industriale și minimizarea emisiilor de gaze cu efect de seră. Aceste unități necesită mai multe componente auxiliare pentru a asigura instalații eficiente și fiabile care respectă standardele internaționale relevante, inclusiv cabluri VFD, reactoare de ieșire, rezistoare de frânare, reactoare de linie și filtre de linie.