מענה לרעשי VFD ומנוע באמצעות כבלים מיוחדים

דוחפי תדר משתנה (VFD) מזינים הספק מדויק עבור מגוון של סוגי מנועים חשמליים במכונות אוטומטיות. בעיקרון רכיבי הספקת-כוח חשמלי-אלקטרוני, דוחפי VFD אלו מעצבים מתח לתוך ליפופי המנוע כדי לעודד בקרה מוקפדת על מהירות המנוע, ובהתאמות של בקרת-וקטור, את יציאת המומנט. הבעיה היא שיכולים להיות זרמים לא-מבוקרים ותופעות חשמליות אחרות הקשורות להספקת חשמל מעוצבת זו ... ואם הן נותרות לא-מטופלות, תופעות אלה יכולות להזיק למרבית רכיבי האוטומציה והמערכות בסביבת דוחפי ה- VFD.

איור 1: דוחפי VFD‏, כמו ה- 3G3MX2-A2015-V1, הם הכרחיים עבור מגוון רחב של יישומי תהליכים ואוטומציה-בדידה - הם מספקים בקרה מוקפדת, בטיחות ויעילות עליונה לצירים המונעים על ידי מנוע חשמלי. אזהרה אחת היא שפעולת VFD מייצרת באופן טבעי EMI שיכול (אם לא מטפלים בו) לפגוע בתקשורת של פקדים ומשוב שבקרבת מקום; לפגוע ברכיבים מכניים סמוכים; וגורם למגוון של נפילות מטרידות שונות ביחד עם התנהגויות מערכת לא-אופטימליות אחרות. (מקור התמונה: Omron Automation and Safety)

נבחן כיצד דוחפי VFD‏פועלים לטובת הבנה מדוע הם יכולים בתכנים לא-אופטימליים לגרום לבעיות במנועים שאותם הם דוחפים כמו גם בציוד סמוך אחר. בקצרה, דוחפי VFD‏:

• מקבלים ככניסה את הזרם הסינוסי של הספקת-הכוח AC מרשת החשמל ואז
• מיישרים (ממירים) את מתח AC של רשת החשמל לזרם-ישר
• משתמשים בטרנזיסטורים ביפולריים שער מבודד (IGBT) כדי להפוך (להמיר חזרה ל- AC) - ובאופן ספציפי יותר, לרכבות פולסים מאופננים בדיוק רב

למעשה, מתגי הדוחף מפעילים ומכבים זרם קצוץ הגורם למנוע להסתובב כאילו הוא מקבל גל סינוסי המאופנן בצורה חלקה. בצורת דחיפה זו - הנקראת אפנון רוחב פולס או PWM - מהירות היציאה תלויה בסופו של דבר בתדר פולסי הזרם.

דוחפי VFD של פעם שביצעו את התהליך הזה באמצעות מיישרים מבוקר-סיליקון (SCR) או טרנזיסטורי צומת ביפולריים (BJT) היו מתגים איטיים יותר מדוחפי VFD מבוססי-IGBT של ימינו. זה התדר הגבוה יותר של מיתוג IGBT שמאפשר בקרה מהירה ומדויקת של המנוע ... אבל זה גם מה שעלול לגרום לבעיות בצורה הן של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) מולכות ומוקרנות והן של הפרעות בתדר רדיו (RFI).

השפעות רעש VFD על המנוע, הפקדים והדוחף עצמו

בעיות EMI מתעוררות מכיוון שגם כאשר הדוחף מניע את המנוע לפעול במהירות נמוכה, האופן שבו כל פולס חשמלי הוא גל ריבועי עם אמפליטודת מתח-אפיק פירושו שהספקת-הכוח שנשלחת למנוע כוללת זמני עליית מתח dV/dt דרמטיים למדי - המתבטאים ב- μsec או בשברים של μsec.

רק בחנו נושא אחד כזה - זה של גלים חוזרים של מתח. עם ההפעלה, ליפופי הסטטור של המנוע החשמלי מתנהגים כמשרן שבונה בהדרגה שדה מגנטי ואז מעביר את הזרם. הכבל שמזין את ההספק החשמלי מה- VFD למנוע רואה אי-תיאום אימפדנסים בצומת המנוע שלו. כאן התגובות-יתר (Overshoots‏) שהוזכרו קודם גורמות לחלק מהגלים החוזרים מהקצוות המובילים של צורת-גל המתח להשתקף חזרה לתוך הכבל (לכיוון האלקטרוניקה של הדוחף) בחיבור של הכבל עם המנוע שהוא בעל אימפדנס גבוה.

גלי מתח חוזרים נובעים מתגובות-יתר (Overshoots‏) של המתח הנגרמות עקב ה- dV/dt הדרמטי של ה- PWM.

גורם שיכול להחמיר את התופעה הוא כבל ארוך יתר על המידה (או במקרים מסוימים בלתי-נמנע) מהדוחף למנוע. כבלים ארוכים הם בעלי השראות גבוהה וגורמים ליותר הזדמנויות לשיאי מתח ביחד עם הגלים החוזרים המרוכבים לעומת כבלים קצרים יותר. גלים מרוכבים מזיקים במיוחד, מכיוון שגלים אלה (שנכנסו לתוך הפאזה) יוצרים למעשה גלים חדשים בעלי סכום המתח והזרם של המקור.

איור 2: צורת הגל הריבועי של פולסים חשמליים של VFD באמפליטודת מתח-האפיק גורמת לזמני עליית מתח dV/dt דרמטיים, אשר (אם לא מטפלים בהם) עלולים, בתורם, ליצור בעיות אלקטרומגנטיות שונות. (מקור התמונה: Design World)

יש לשים לב שמנועים (בדיוק כמו VFD) עלולים גם לגרום נזק מגלים חוזרים ומשיאי מתח. זו הסיבה שרבים מהמתקנים האוטומטיים של היום כוללים מנועים מבוקרי-מהפך. למנועים אלה יש ליפופי סטטור עם בידוד וביצועים עיליים ואלמנטים אחרים להגברת הקיבולת התרמית הכוללת, ו(ברוב המקרים) כושר ההתאוששות כאשר הם נתונים תחת שיאי מתח. הדירוגים מסווגים לפי גודל ומשך מתחי-הנחשול - עם דירוגים גבוהים יותר עבור תכנים הכוללים זמני עלייה ארוכים יותר (פתאומיים פחות). כמובן, מנועים שאינם בנויים למפרט מבוקר-מהפך יכולים לקבל דחיפה על ידי דוחף VFD. עם זאת, בדרך כלל יישום של מנועים פחות חזקים אלה צריך להיות מוגבל לציוד אוטומטי עם פרמטרים פחות מאתגרים. כל מנועים כאלו הנדחפים על ידי VFD עשויים גם לדרוש כבלים קצרים כמו גם הכללת ראקטורי קו ורכיבים מגנים אחרים.

הכבלים מגיעים להצלה: תוכננו במיוחד עבור דוחפי VFD

מלבד האיום על ה- VFD, גלים מרוכבים בפאזה עם מתח גבוה דיו עלולים להזיק לכבל למטרות-כלליות שאינו מתאים לשימוש. באופן ספציפי יותר, שיאי מתח גבוה הקשורים לפעולת VFD יכולים לגרום למאמץ, חימום ואף לניקוב של בידוד הכבלים. כדי למנוע בעיה זו, כבל שתוכנן במיוחד לשימוש עם VFD כולל:

• מוליכים עם עובי-גדול (AWG‏-קטן) בדירוג היכול לשאת את כל מתח השיא הצפויים
• ממשקים ובידודים עבים דיים של פוליאתילן מצולב מהונדס במיוחד או (בכמה מקרים פחות עדיף) כלוריד פוליוויניל
• מעטים ואלמנטים אחרים לפיזור והארקת שיאים ורעש שנוצרו על ידי VFD

איור 3: הכבלים עבור VFD מבית Alpha Wire כוללים בידוד פוליאתילן מצולב עבור חסינות עטרה אלקטרומגנטית, קיבוליות נמוכה (אפילו לאורך כבלים ארוכים יותר) וביצועי טמפרטורה נמוכה טובים. (מקור התמונה: Alpha Wire)

אחד המדדים הניתנים-לכימות של חסינות הכבל מפני גלים חוזרים הוא מתח תחילת-העטרה שלו - הנמדד לעיתים ב- kV‏. נזכיר מלימוד פיזיקה בסיסית כי העטרה (נקראת כך עקב הכתר שלה של זוהר עמום) היא יינון פתאומי של אוויר המקיף מתח מקומי ביותר. יינון זה עלול (אם לא מונעים זאת עם בידוד מספיק סביב המוליך) לייצר אוזון ותרכובות חנקניות שונות העלולות להרוס במהירות כבל שיושם בצורה לא נכונה. מסיבה זו יש להשתמש בכבלים בדירוג-VFD עם בידוד - כבלים שעומדים או עולים על דרישות המבנה שצוינו על ידי ספקי VFD וחורגים בהרבה מתקני National Electric Code‏ (NEC) עבור חוט תרמופלסטי מצופה-ניילון לחום-גבוה (THHN‏) למטרות-כלליות. במקומות בהם דוחפי VFD‏ פועלים בחוץ או במקומות רטובים אחרים, בידוד פוליאתילן מהונדס עשוי להיות המתאים ביותר. קראו את מאמר DigiKey הכבל הנכון עבור יישום תעשייתי לפרטים נוספים על תופעות אחרות המשפיעות על תכנים נדחפי-VFD והכבלים שלהם - כולל זרמי ההתנעה כמו גם זרמי אופן-משותף (CM).

הפרקטיקות הטובות ביותר עבור כבלי VFD

מלבד שמירה על אורך כבל VFD מינימלי - קצר יותר מ- 50 רגל במידת האפשר - יש צורך גם בהארקה נכונה של כל חלקי הציוד נדחף-המנוע ... כולל פאנלי בקרה ומכונות. המשמעות היא שימוש בבלוק הארקה משותף או סידור פוטנציאל-מאסטר המונע השפעות מזיקות של חוגי הארקה הנובעות מפוטנציאלי מתח בין נקודות שונות במכונה לבין ההארקה. זה נכון במיוחד כאשר משוב מכונה מסתמך על ערכי ייחוס מתח ש(אם הם לא מוגנים מזרמים שלא-במתכוון דרך ההארקה) יכולים לגרום לדיווח על ערכים שגויים. נושא זה נידון בפירוט במאמר DigiKey‏ מדידת אותות קטנים הרוכבים על מתח גבוה ומניעת חוגי הארקה בחיישנים.

למעשה, תכנים רבים ידרשו גם תוספת של תתי-רכיבים כגון מסננים, טבעות פרייט (Ferrite) בצד-הכבל, טבעות הארקת ציר המנוע וסיכוכים כדי לטפל באופן מלא ב- EMI‏. מקרה לדוגמה: חלק משלים פשוט שלרוב הכרחי בהתקנות VFD נקרא רצועת הארקה. חלק שטוח זה מורכב מרצועה קלועה של נחושת מצופה בדיל עם הדק טבעת בכל קצה. כאשר הן משולבות בתכן נדחף-מנוע, רצועות הארקה מחברות את הדק מגן-הארקה (כלול בכל דוחפי VFD) להארקה ... ומנקזות רעש חשמלי בתדר גבוה להארקה טוב הרבה יותר מאשר חוט הארקה עגול. כמות השטח הגבוהה יחסית שלו מתאימה לאופן בו זרם הספק AC‏ (במיוחד בתדרים גבוהים) נוטה לזרום על פני השטח של המוליך או העור - ומכאן המונח אפקט עור המתייחס להתנהגות זו.

איור 4‏: רצועת הארקה מנחושת מצופה בדיל זו היא חסינת-קורוזיה, גמישה ותואמת RoHS‏. רצועות כאלה הן שימושיות בחלקי הארקה של התקנות VFD, מכיוון שהן מתאימות לאופן שבו רעש בתדר גבוה נוטה לנוע על פני השטח של המוליכים. (מקור התמונה: Falconer Electronics)

אם כי אזהרה נוספת כאן: מלבד הגנה מפני EMI מולך, על התכנים להגן גם מפני רעש בצימוד קיבולי המועבר בתדרים גבוהים. זה כולל רעש שיכול להיכנס למעגל מנוע-VFD דרך אלמנטים כמו רצועות הארקה, כמו גם כבלי מנוע לא-מסוככים במעטה מתכת ... שניהם מוליכים בקלות EMI ויוצרים חוגי הארקה. אזור נוסף בו יש למתן רעש בצימוד קיבולי הוא בין סלילי המנוע נדחף-VFD לבין המסגרת להארקה.

איור 5: כאן מוצג תרשים מקובץ PDF ללימוד הניתן להורדה ב- digikey.comהמשווה את המבנה של שלושה תכני כבלים תעשייתיים המתאימים ל- VFD‏. (מקור התמונה: .Belden Inc‏)

סיכום

קיימים דוחפי VFD רבים ביישומים מסוג-תהליך ב- HVAC, נפט וגז, ובפעולות כלליות של משאבות, מדחסים ודוודים. דוחפי VFD‏ הם חיוניים גם במערכות אוטומציה תעשייתית בדידות המשתמשות במנועים חשמליים להפעלת צירים נעים על מסועים, מעליות וציוד אחר שעשוי להפיק תועלת מנצילות משופרת.

היישום המוצלח של דוחפים אלה תלוי בהתחשבות בהשפעות החשמליות והאלקטרוניות שלהם שעלולות להזיק לרכיבים ומערכות מחוברים וסמוכים ... ולמעשה, השימוש ב- VFD בדרך כלל מחייב לרוב הכללת מסנני חשמל מיוחדים, הדקים, מערכות הארקה וכבלים ספציפיים עבור דוחפי VFD‏.