ЧУП и кабель для частотных преобразователей

Преобразователи частоты (VFD) являются одними из самых полезных устройств в промышленном мире.  Они позволяют изменять скорость 3-фазного электродвигателя переменного тока всякий раз, когда поведение нагрузки двигателя, т. Е. Устройство, которым управляет двигатель, например, насос, вентилятор, конвейер или токарный станок, изменяет свои требования к двигателю. Изменяя свою выходную частоту и напряжение, VFD позволяет двигателю изменять свои обороты в соответствии с этими требованиями.

Почему эта способность изменения скорости двигателя так важна?  Двигатели переменного тока (асинхронные) чрезвычайно распространены на отдельных заводах по производству и обработке по всему миру.  Представьте, что все эти двигатели могут вращаться только на одной скорости, даже когда их нагрузки изменяют свои требования и даже когда переменные процесса - такие как температура, давление, сила и т. Д. - меняются.  С двигателями, доставляющими продукты с постоянной скоростью, независимо от новых, меняющихся условий, отходы будут накапливаться, а энергия будет тратиться впустую.

Однако при использовании частотный преобразователь скорость двигателя можно изменить практически мгновенно, чтобы учесть изменения нагрузки и процесса.  И, в качестве бонуса, ЧРП могут повысить точность управления процессом, учитывая их способность контролировать скорости двигателя с точностью до 0,1%.

Доступно несколько типов ЧРП, но конструкция с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) стала наиболее распространенной, поскольку она хорошо работает с двигателями, размер которых варьируется от примерно половины лошадиных сил до 500 л.с.  Это также надежно и доступно, и предлагает значительную экономию электроэнергии.  Когда двигатель работает на половине своей максимальной скорости, он потребляет лишь около четверти энергии, необходимой ему на полной скорости. В этом смысле можно сказать, что VFD представляют собой «зеленое» инженерное решение.

Список преимуществ продолжается.  ЧРП может обеспечить возможность «плавного пуска» двигателя, уменьшая механические напряжения, связанные с запуском при полном напряжении.  Другими словами, двигатель может быть увеличен до желаемой скорости, а не резко брошенный на линии на полных оборотах.  В результате снижаются затраты на техническое обслуживание и увеличивается срок службы двигателя.  Использование VFD также может помочь избежать перегрева, который может постепенно разрушить двигатель.

То, как компоненты системы VFD - привод, кабель и двигатель - выбираются, согласовываются и эксплуатируются, влияют на надежность всех компонентов системы, а также соседних систем.  Кабель, соединяющий ЧРП с двигателем, расположенный в центральной части системы привода, играет особенно жизненно важную роль в оптимизации долговечности и производительности компонентов системы VFD. 

Кабель должен выдерживать условия эксплуатации, вызванные самой системой привода, и в то же время положительно влиять на срок службы других компонентов системы привода. 

Почему выбирают специально разработанный кабель VFD?

Что такое VFD - частотно управляемый привод, т.е. частоные преобразователи или сокращенно ЧУП, на ригинале Variable Frequency Drive или VFD

 Как и многие инженерные решения, ЧРП имеют не только преимущества, но и недостатки.  Например, такая же высокая скорость переключения транзисторов внутри ЧРП с широтно-импульсной модуляцией, которая может обеспечить резкое изменение скорости двигателя (и обеспечить точное управление процессами), также способна генерировать нежелательный шум в кабеле системы привода.  Электрическая энергия, текущая в кабеле, содержит частоты до 30 мегагерц.  Если эта радиочастотная энергия не содержится в кабеле, она может излучать, мешая нормальной работе близлежащего электронного оборудования, менее надежных или коммерческих систем Ethernet, а также простых измерительных проводов - даже цепей, в которых абсолютно ничего нет,  делать с самой системой VFD.

Это излучение шума иногда бывает очень трудно отследить и устранить, и, вероятно, это единственная наиболее значительная проблема, связанная с системами ЧРП сегодня.  Если для управления им не предусмотрена надлежащая конструкция экранирования кабеля, излучение шума от кабеля системы привода может нарушить работу завода и завода.  Кроме того, поскольку более длинный кабель излучает больше шума, длина кабельных трасс должна быть ограничена.  Это, в свою очередь, накладывает ограничение на планировку завода.

Нагрузка, крутящий момент, скорость и мощность.

Несколько терминов используются для описания работы промышленного двигателя переменного тока, управляемого ЧРП: нагрузка, скорость двигателя, крутящий момент двигателя и номинальная мощность двигателя.

 • Нагрузка: устройство, которое двигатель должен приводить в движение или перемещать, которое обеспечивает сопротивление повороту двигателя.

 • Крутящий момент: сила скручивания, которую вал двигателя прикладывает к нагрузке, сила, которая имеет тенденцию вызывать вращение.  Задача электродвигателя состоит в том, чтобы развить достаточное крутящее усилие для удовлетворения требований его нагрузки.

 • Скорость: скорость вращения вала двигателя, выраженная в оборотах в минуту.

 • Номинальная мощность в лошадиных силах: максимальная скорость, с которой двигатель может выполнять назначенную ему механическую работу, с учетом особенностей конструкции двигателя.  Нагрузки на двигатели можно классифицировать по одному из следующих общих типов:

 • Постоянные вращающие нагрузки: они включают большинство нагрузок, присутствующих в общепромышленных машинах (исключая насосы и вентиляторы).  Примеры включают в себя общее оборудование, конвейеры, подъемники, печатные машины, поршневые насосы, некоторые экструдеры и смесители, поршневые компрессоры и роторные компрессоры.

 • Переменные нагрузки: в основном используются в системах с переменным расходом, например, в вентиляторах и насосах.  Область применения включает вентиляторы, центробежные воздуходувки, пропеллерные насосы, центробежные насосы, турбинные насосы, осевые компрессоры и мешалки.

 • Постоянные нагрузки в лошадиных силах: чаще всего встречаются в станкостроении и в некоторых намоточных станках.  Примеры включают в себя катушки с сердечником, намоточные станки, колесные шлифовальные машины, токарные станки, большие сверлильные станки, строгальные станки, экструдеры с сердечником и расточные станки.  Каждая нагрузка в промышленных условиях предъявляет свои индивидуальные, меняющиеся требования к крутящему моменту двигателя. 

Вот основные виды крутящего момента:

 • Момент отрыва: крутящий момент, необходимый для запуска нагрузки, движущейся из неподвижного состояния (обычно это больше, чем крутящий момент, необходимый для поддержания движения при его движении).

 • Момент ускорения: момент, необходимый для доведения нагрузки до рабочей скорости в течение заданного периода времени.

 • Рабочий крутящий момент: крутящий момент, необходимый для поддержания движения груза, когда он работает на любой скорости.

 • Пиковый крутящий момент: максимальный крутящий момент, иногда требуемый нагрузкой.  Например, крутящий момент, требуемый, когда особенно тяжелый ящик внезапно падает на движущийся конвейер, когда двигатель ранее имел дело только с небольшими коробками.

 • Удерживающий крутящий момент: крутящий момент, необходимый двигателю, когда он служит тормозом, например, когда нагрузки движутся вниз и должны быть замедлены.  Эти важные понятия связаны следующей формулой:

 Мощность = скорость х крутящий момент

 При постоянной номинальной мощности, когда крутящий момент двигателя увеличивается, скорость двигателя снижается, и наоборот.  Первое, что нужно сделать, чтобы правильно сопоставить кабель VFD и VFD с двигателем, которому поручено управление заданной нагрузкой — это понять природу и требования нагрузки.  ЧРП и кабель должны иметь достаточную емкость по току, чтобы двигатель, на который они подают питание, мог в любой момент создать требуемый крутящий момент, который его нагрузка будет требовать.  Крутящий момент двигателя в конечном итоге зависит от тока, проходящего через двигатель (в то время как скорость двигателя зависит от приложенного к нему напряжения).  ЧРП и кабель должны быть рассчитаны на двигатель исходя из максимального тока, требуемого двигателем при пиковой нагрузке, а не исходя из соображений мощности.  Невыполнение этого требования может привести к проблемам во многих приложениях.

Существует еще одна потенциально серьезная проблема с использованием VFD: при неправильно выбранном кабеле волны напряжения, отраженные от двигателя к VFD вдоль кабеля, могут создавать чрезмерно высокие напряжения в проводниках кабеля, поскольку они добавляют к уже существующему напряжению.  Пиковые напряжения, в 2,5 раза превышающие номинальное системное напряжение, иногда присутствуют в кабеле.  В результате, как известно, отражения напряжения вызывают ряд неисправностей двигателя в процессе эксплуатации.  Существует также некоторая обеспокоенность по поводу возможного долговременного повреждения кабеля при высоком напряжении - особенно с ЧРП, работающими при напряжении 575 В и выше.  Кроме того, высокие уровни напряжения в кабеле могут иногда вызывать коронный разряд между проводниками, что может повредить не только сам кабель, но также двигатель, подшипники двигателя и привод.  Это может привести к выходу из строя всей системы с последующим простоем производства.

 Проблемы, связанные с излучением шума, отражением напряжения, перенапряжениями и коронным разрядом, можно существенно уменьшить или даже избежать, выбрав соответствующий кабель VFD.  Особое внимание следует уделить типу изоляции кабеля, сопротивлению и системе экранирования / заземления.  Результатом будет долговечность и надежность системы привода / двигателя.  К сожалению, некоторые пользователи пытаются использовать неэкранированные кабели лотка или соединительный провод для кабелей своей приводной системы.  Установки VFD с этими продуктами могут страдать от низкой надежности, сложной, дорогой установки или от того и другого.  Ни одна из этих конструкций эффективно не уменьшает проблему шумовых излучений, создаваемых ЧРП, и не учитывает должным образом коронный разряд.  Атрибуты хорошо спроектированного кабеля VFD

 Важно выбрать кабель привода двигателя, который был должным образом спроектирован и спроектирован для решения всех ключевых технических проблем, с которыми сталкивается такой компонент.

Хорошо продуманные конфигурации заземления: электрическая система заземления обеспечивает опорное напряжение, в идеале к нулю, для всех остальных систем частотно-регулируемого привода напряжений.  Иногда это не удается довести напряжение заземления к истинному уровню 0 V, но в идеале ссылка может быть аппроксимирована в результате чего все заземленные точки будут на одной и иметь тот же очень низкий потенциал.

 Пока кабель VFD хорошо заземлен, он может избежать проблемы избыточного тока, протекающего в другие устройства или другие системы.  Другими словами, наличие подходящего заземления означает, что можно контролировать, куда поступает вся энергия от привода ЧРП.  Любое постороннее наведенное напряжение в системе нежелательно, поскольку определенное количество полезной силы теряется.  Правильное заземление также помогает преодолеть проблему несоответствия импеданса и перенапряжения.

 Одним из подходов к заземлению кабеля является использование изолированного заземляющего проводника, подключенного как к двигателю, так и к приводу.  Экран, окружающий проводники цепи, должен быть физически и электрически привязан к изолированному заземлению в той точке, где кабель входит в корпус двигателя или корпус привода.  Целью является «охват 360 градусов» в этой связи.  Это предотвращает отверстия в экране, где электромагнитная энергия может излучаться.

 Менее эффективный подход состоит в том, чтобы подключить одножильный сливной провод от экрана к корпусу двигателя или разъему.  К сожалению, это создает отверстие в экране - место, где экран больше не является непрерывным, - где энергия может вытекать.

 Один из способов обеспечить покрытие на 360 градусов — это использовать соединитель - механический фитинг с охватывающими и экранирующими компонентами.  Он ввинчивается в корпус двигателя или корпуса привода, а конец кабеля проходит через его середину.  Часть оболочки кабеля, которая находится внутри фитинга, удаляется, так что оплетка или медная лента экрана открыта для механического контакта.  Проводящая пружина или прокладка в соединителе касается экрана в этой открытой зоне, а также контактирует с корпусом для замыкания цепи заземления.

 Несколько советов для лучшего управления помехами от кабелей

 Неэкранированные силовые кабели VFD могут излучать шум более 80 В на другие неэкранированные коммуникационные провода и кабели, а шум более 10 В - на экранированные контрольно-измерительные кабели.  Если кабели VFD установлены в непосредственной близости от низкоуровневых кабелей связи и других восприимчивых устройств, необходимо обеспечить наличие экранирования в кабеле VFD.  Кроме того, использование неэкранированных кабелей в кабелепроводах вокруг установки ЧРП должно быть ограничено или полностью исключено, поскольку кабелепровод является неконтролируемым путем к заземлению для шума, который он захватывает.  Если излучаемый шум является проблемой в существующей установке ЧРП, подумайте о том, как измерительные и контрольные кабели физически проложены и расположены в окружающей зоне.  Поддерживайте как можно большее расстояние между чувствительными к помехам кабелями и кабелями VFD - минимум один фут для экранированных инструментальных кабелей и три фута для неэкранированных инструментальных кабелей.  Если два типа кабеля должны лежать близко друг к другу, постарайтесь свести к минимуму количество параллельных трасс между ними;

 разумно ограничить эти отрезки до 3-х метров или менее, чтобы уменьшить вероятность улавливания излучаемого шума.  Наконец, если два типа кабеля неизбежно должны пересекаться, предпочтительно пересекать их перпендикулярно в одной точке.

Зачем согласовывать импедансы?

 Инженеры стараются (или должны попробовать) максимально согласовать сопротивление кабеля VFD с сопротивлением двигателя.  Это сделано по двум основным причинам.  Во-первых, когда импедансы совпадают, максимальная мощность передается от VFD к двигателю для выполнения полезной работы, при этом теряется только небольшое количество энергии.  Однако, если есть существенное несоответствие между импедансами кабеля и двигателя, большая мощность теряется впустую.  Итак, это «зеленое» соображение.

 Во-вторых, при несовпадении импедансов на клеммах двигателя появляется значительное усиление напряжения, а часть мощности отражается обратно к приводу от клемм двигателя.  Эта проблема еще более вероятна, когда длина кабеля больше.  Состояние перенапряжения на клеммах двигателя может привести к преждевременному повреждению изоляции в обмотках двигателя.

Имея полноразмерную землю в кабеле, т. е. с большой площадью поперечного сечения медного провода заземления, означает низкое сопротивление заземления с одного конца кабеля на другой, чтобы минимизировать контуров заземления и синфазный ток.

Напротив, с более высоким сопротивлением меньшего размера заземляющего проводника, падение напряжения на кабеле скорее всего. Такое смещение потенциала стимулирует контура заземления. Это можно сделать с одного заземляющего проводника небольшого размера колеи, но это в конечном итоге может оказать негативное влияние на контрольно-измерительные приборы и цепей связи в регионе, если есть утечки энергии и проводятся в тех смежных системах.

Кроме того, то, что известно как симметричная конструкция кабеля, три проводника, используемые для заземления — каждый имеет относительно небольшой размер сечения, хотя, взятые вместе, они складываются в эквиваленте значимый размер цепи проводников. Они связаны с экраном, поэтому, когда они прекращаются вместе на земле ушка на корпусе двигателя, экран автоматически прекращается.

Помехоустойчивость: количество шумов с VFD кабеля пропорционально количеству различного электрического тока в нем, а также длина кабеля; более современная и большая длина означает более излучаемого шума. Однако, должным образом защищая VFD кабеля, уровень шума можно регулировать. Исследования Белдена привели к выводу, что защитные системы, в том числе медная лента и комбинированной фольги/оплетки типы наиболее подходящих для VFD приложений, из-за низкого импеданса путь они обеспечивают для синфазной помехи, чтобы вернуться на диск. Фольга защищает недостаточно прочно, чтобы ограничить объем шума, создаваемого перераспределением.

Низкая диэлектрическая константа: важным свойством кабеля является его диэлектрическая постоянная, или относительная диэлектрическая проницаемость. Это означает, что свойство изоляции, который определяет величину электростатической энергии, которые могут быть сохранены при применении данного напряжения. В кабеле, диэлектрическая постоянная должна иметь низкое значение, если кабель имеет низкую емкость, а следовательно, устранить напряжение отражений от мотора обратно на диск. Конечно, экранирование помогает подавить шум, но сшитого полиэтилена (xlpe) изоляция, с низкой диэлектрической проницаемостью, способствует также снижению шума.

Изоляция с низкой диэлектрической проницаемостью, например, из сшитого полиэтилена, позволяет инженерам точно достичь соответствие импеданса привода к двигателю. С минимальными искажениями, можно практически исключить возникновение перенапряжений и высокочастотных скачков, которые могут создавать шум.

С лучшего согласования сопротивлений между ПЧ, двигателем и кабеля, это также можно сделать дифференциально-высокую степень энергоэффективности. Другими словами, более энергия идет от привода преобразуется в полезную энергию вращения в двигателе, а не отражается обратно (который может нагреваться кабели и вызвать эффект коронного разряда и высокого напряжения). Это еще одно "зеленое" преимущество. В качестве бонуса, низкой диэлектрической постоянной изоляции из сшитого полиэтилена, как разрешения на длинных кабелях.

Подавление перенапряжений: без правильного конструкция кабеля, отраженные волны, вызванные cableto-мотор сопротивление, несоответствие может быть проблематичным в любом ВФД приложения. Масштабы этой проблемы зависит от ряда факторов: длина кабеля, длительность импульса-импульсной модуляцией несущих колебаний, поступающих от VFD инвертор напряжения, и степень рассогласования импеданса между двигателем и кабелем.

Изоляцией из сшитого полиэтилена, материала с высоким импульсом оценкой напряжение пробоя значительно снижает риск отказа от отраженных волн и скачков напряжения. Это гораздо более надежно, чем ПВХ, распространенный теплоизоляционный материал, который не рекомендован для применения ЧРП.

Толстая изоляционная стенка: толстая изоляционная стенка является преимуществом благодаря доказанным электрическим преимуществам (например, меньшей емкости кабеля) и улучшенной стабильности при высоких температурах, которые имеет более тяжелая стенка.  Более толстая изоляция кабеля также помогает защитить от коронного разряда.

 Более толстая изоляция из сшитого полиэтилена промышленного класса обеспечивает:

 • Более стабильные электрические характеристики, чем у ПВХ

 • Более низкая емкость кабеля, обеспечивающая:

 - Более длинные кабельные трассы

 - Уменьшенное пиковое напряжение на клеммах двигателя для продления срока службы двигателя

 - Значительно снижена вероятность коронного разряда

 - уменьшена величина стоячих волн

 - Повышенная эффективность передачи мощности от привода к двигателю

 Низкий риск коронного разряда: использование изоляции из сшитого полиэтилена снижает вероятность того, что кабель или напряжение двигателя достигнет своего начального напряжения короны (CIV) - точки, в которой воздушный зазор между двумя проводниками в кабеле или между двумя обмотками на  двигатель, ломается из-за электрической дуги.

 Коронный разряд производит чрезвычайно высокие температуры.  Если система изоляции кабеля выполнена из термопластичного материала - например, ПВХ, - этот эффект может привести к преждевременному выгоранию кабеля или короткому замыканию из-за постепенного локального плавления изоляции.  Напротив, тепло, генерируемое коронным разрядом, образует теплоизолирующий обугленный слой на поверхности изоляции из сшитого полиэтилена в кабелях, предотвращая дальнейшую деградацию.

 Надлежащее соединение: Соединение относится к тому, как компоненты систем заземления физически связаны или соединены, чтобы связать их электрически.  В случае кабеля VFD это влияет на то, насколько хорошо вы подключаете экран и проводники заземления к корпусу двигателя или корпуса привода и, в конечном итоге, к потенциалу заземления.  Как правило, соединение влечет за собой механическое соединение, включающее соединение гайки и болта, хотя существуют и другие возможные способы.  Существует обширная литература для получения дополнительной информации по этой теме.

 Методический способ выбрать кабель VFD

 При выборе кабеля VFD вы должны задать себе несколько ключевых вопросов о вашем приложении:

 1. Это приложение VFD?  Нужно ли контролировать скорость двигателя?  Если это так, вы должны выбрать между несколькими типами кабелей, которые предоставляют различные функции и преимущества.  В таблице выбора матрицы продуктов, следующей за этим разделом, а также в бюллетене продукции Belden по кабелям VFD2, приведены некоторые сведения о функциях, которые следует учитывать при выборе кабеля VFD, и о том, где они применяются.

 2. Какое сопротивление кабеля наиболее подходит для полного сопротивления двигателя?

 Полное сопротивление, создаваемое кабелем на двигателе, обычно низкое, поэтому желательно выбрать минимально возможное сопротивление кабеля.  Однако невозможно согласовать полное сопротивление кабеля с полным сопротивлением двигателя в диапазоне скоростей двигателя, поскольку полное сопротивление двигателя зависит от оборотов.

 Следовательно, подходящей стратегией является минимизация несоответствия импеданса.  Выбирая изоляцию с низкой диэлектрической проницаемостью и толстой стенкой, такой как XLPE, несоответствие импеданса может быть успешно минимизировано.

 3. Имеет ли двигатель в вашей системе довольно высокую мощность - 100 л.с. или больше?

 Чем больше мощность двигателя, тем больше ток протекает через кабель.  Пользователи с двигателем большой мощности должны рассмотреть кабель как Симметричный дизайн, описанный в матрице продукта после этого раздела.  Эта конструкция имеет больший размер проводника, чтобы выдерживать большую силу тока.

 4. Какое номинальное напряжение самого ЧРП?  Кабель должен быть в состоянии поддерживать его.

 5. Существуют ли требования к герметизации кабеля? Круглый кабель должен быть выбран для обеспечения хорошего уплотнения, так как кабель проходит через круглые отверстия и соединительные сальники.

 6. Имеются ли измерительные и коммуникационные приложения рядом с местом, где будет установлен привод двигателя и кабель?  Если они находятся далеко, то есть меньше беспокойства по поводу любых возможных излучений от кабеля VFD, но, если они находятся близко, следует рассмотреть кабель с классической конструкцией, показанной в таблице матрицы. Экран из фольги и оплетки обеспечивает дополнительное покрытие от воздействия радиации на соседние цепи.

 7. Нужна ли вам линия, проходящая между приводом и двигателем, для передачи тормозных сигналов, например, для замедления или остановки двигателя при необходимости?  Если это так, рассмотрим кабель с сигнальной парой, встроенной в ту же внешнюю оболочку, что и кабель привода.

 8. Как долго проложен кабель?  Обычно производитель привода может предоставить конкретную информацию, необходимую для принятия решения о размере датчика и длине кабеля.  Имейте в виду, что, если длина кабеля слишком велика, кабель действует как большой конденсатор, который должен заряжаться при включении системы.  После этой начальной фазы электрическая энергия, постоянно поступающая в кабель от привода, может попасть в двигатель, что может привести к перегоранию подшипника двигателя или повреждению обмоток.

 Заключение

 Пользователь должен с подозрением относиться к недорогому кабельному решению, которое в конечном итоге может стоить дороже, чем цена нового двигателя или привода.  Выбирая хорошо спроектированные, надежные кабели VFD, мы инвестируем в время безотказной работы и надежность системы VFD, а также в любые чувствительные системы КИП и управления, которые требуют защиты.

 (Примечание. Чтобы лучше понять переменные, связанные с кабелями, которые являются ключевой частью любой системы VFD, и сформулировать полезное руководство по выбору кабелей, наиболее часто рекомендуемые кабели для приложений VFD были изучены Belden.

 Рекомендации

1.  Стандарт IEEE № 1100: «Рекомендуемая практика по питанию и заземлению электронного оборудования» 6 января 2010 г.
2.  «Кабельные решения с частотно-регулируемым приводом», Belden Product Bulletin 316.
3.  Брэндон Л. Филлипс и Эрик Дж. Берлингтон, «Спецификация кабелей для VFD-приложений», 2007.
4.  Брайан Шуман, «Создание надежной системы ЧРП», 2009.

По материалам newark.com

Напомним, что интернет-портал ELMAR компании АСТ-Светотехника, которая является официальным партнером таких всемирно известных электротехнических компаний, как: LAPP KABEL, Philips, Osram-Ledvance, Legrand, ABB, Schneider Electric и др. Покупая продукцию под этими брендами, АСТ-Светотехника гарантирует, что покупатель защищен от покупки фальсификата и воспользовавшись нашими услугами, будет обладателем исключительно аутентичного электротехнического продукта. Заказать и купить кабель, провод, светодиодные лампы, в том числе и светодиодные филаментные лампы, а также лед-светильники, низковольтное оборудование и другую продукцию можно по телефонам: (044)593-9818 или +38 (097) 439-6335