כיצד לבחור כבלים עבור בקרת מנוע VFD ומשוב חיישן אמינים

אוטומציה תעשייתית ומאמצים לשיפור נצילות אנרגטית מגבירים את השימוש בדוחפי תדר-משתנה (VFD‏) במערכות מנוע, כגון מסועים, משאבות ורובוטים תעשייתיים. בחירת כבלים למנועים אלה היא יותר מורכבת מאשר רק בחירת עובי חוט המבוסס על זרם העומס ודירוג הבידוד עבור מתח הפעולה.

מערכות מנוע VFD מודרניות משתמשות באלקטרוניקת ספקי-כוח ממותגים המייצרת אותות דחיפה מאופנני רוחב פולס (PWM) עם קצוות מהירים ביותר. זמני מעבר מהירים אלה עלולים להחריף החזרות הנגרמות כתוצאה מאי-תאום אימפדנסים בין הכבל לבין הדקי המנוע, הגורם לגלים עומדים המעלים את מאמצי המתח לאורך הכבל. בנוסף, קיבוליות הכבל בין קו-לקו ובין קו- להארקה יכולה להשפיע על ביצועי הדוחף ולהגדיל את זרמי הטעינה. מכיוון שאותות PWM של VFD עשירים בהרמוניות בתדר גבוה, כבלי המנוע חייבים להיות מסוככים היטב כדי להפחית הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

מאמר זה מציע סקירה קצרה של VFDs‏ ובוחן את האתגרים העומדים בפני המתכננים בבחירת כבלי מנוע VFD כדי להבטיח פונקציונליות, אמינות ובטיחות נאותים. לאחר מכן הוא מציג כבלי VFD של LAPP ומדגים כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לספק אותות הספקת-כוח ובקרה יציבים תוך הפחתת פליטות EMI והרגישות בסביבות קשות.

מבוא ל-VFDs

אוטומציה תעשייתית דורשת מנועים אמינים ויעילים המסוגלים לפעול בשני הכיוונים על פני תחום מהירויות מלא. VFDs‏, הנקראים לעיתים דוחפים עם מהירות-מתכווננת, הם בקרי מנוע המווסתים את המהירות והמומנט של מנוע אינדוקציה AC‏ (ACIM‏) על ידי שינוי תדר כניסת הספקת-הכוח, המתח ויחס המחזור של המנוע. הם פועלים על ידי יישור כניסת ה-AC‏ ושימוש ביציאת ה-DC‏ כדי לייצר אותות PWM לדחיפת המנוע. על ידי התאמת התדר, הרוחב והאמפליטודה של פולסים אלה, ניתן לבקר את מהירות המנוע ומומנט היציאה שלו במגוון רחב של מערכות מונעות-מנוע.

כדי למלא את תפקידו, VFD‏ מורכב משלושה רכיבים עיקריים (איור 1): מיישר להמרת AC‏ ל-DC‏, אינוורטר להפיכת ה-DC‏ לרצף של PWM‏, ובקר VFD‏.

איור 1: VFD‏ מיישר את כניסת ה-AC שלו ומשתמש ב-DC כדי לייצר אותות PWM עבור בקרת מהירות המנוע ומומנט היציאה. (מקור התמונה: Art Pini)

הבקר מנטר את פעולת המנוע באמצעות חיישנים, כולל התקני משוב של רזולבר/מקודד, טכומטרים וחיישני טמפרטורה ורעידות, כדי לנהל את הפרמטרים העיקריים של המנוע.

המיישר משתמש בדיודות קונבנציונליות ואחריהן מסנן. האינוורטר משתמש בטרנזיסטורי אפקט-שדה (FETs) או בטרנזיסטורים ביפולריים עם שער-מבודד (IGBTs). אלה נדחפים באמצעות דוחפי שער מתח גבוה מבודדים המנוהלים על ידי בקר ה-VFD.

פעולת VFD שונה מפעולת AC תלת-פאזית מסורתית בכך שהאותות הדוחפים את המנוע אינם גלי סינוס אלא פולסי PWM (איור 2).

איור 2: פולסי PWM של ה-VFD‏ יוצרים תגובת זרם סינוסואידלית בסלילי המנוע. (מקור התמונה: LAPP)

תדר אות ה-PWM נע בדרך כלל בין 2 קילוהרץ עד 20 קילוהרץ. האינוורטר מחבר לסירוגין את המנוע לאפיק DC חיובי ושלילי, כמו גם למתח DC משותף. מתח אפיק ה-DC‏ קרוב למתח השיא של רשת החשמל AC. צורת-גל ה-PWM של ה-VFD יוצרת תגובת זרם סינוסואידלית המבקרת את מהירות ומומנט המנוע.

הצורך בכבלים מיוחדים עבור חיבור ה-VFD למנוע נובע ממאפייני צורת-גל ה-PWM. צורת-גל זו, כפולס מלבני, היא בעלת ספקטרום תדרים רחב ועשיר בהרמוניות. כבלי VFD נועדו להפחית את הקרינה של אותות בתדר גבוה אלה. בנוסף, כדי למזער הפסדי מיתוג במתגי האינוורטר ולמקסם את הנצילות, מעברי הפולסים מתבצעים מהר ככל האפשר. התוצאה היא קצות פולסים עם קצב גבוה של שינוי מתח (dV/dt). מאפיינים אלו, בשילוב עם קצוות מהירים ותוכן ספקטרלי גבוה, עלולים לגרום לרמות גבוהות של EMI. קצוות מהירים יכולים גם לייצר החזרות קו תמסורת בשינויי אימפדנס לאורך הכבל. החזרות יוצרות גלים עומדים בכבל, מה שמגביר את המתח לאורכו ומחייב דירוג מתח גבוה יותר עבור כבל ה-VFD.

קיבוליות הכבל בין מוליכים מתכתיים היא שיקול נוסף. כאשר מתגי האינוורטר מחברים את הכבל לאפיק הזרם הישיר, מתרחשת עלייה בזרם, הטוענת את הקיבוליות של הכבל. זה יכול להעלות את רמות הזרם הרגעיות, ולגרום נזק לכבל. זרם אופן-משותף (CM‏) זה עשוי לזרום בין הפאזות או מפאזה להארקה. הוא יכול גם למצוא החזרת הארקה דרך מסגרת המנוע, ועובר דרך מסבי המנוע. זרמים דרך המסבים עלולים לגרום לחורים על פני השטח שלהם, ולקצר את חיי המנוע. בעיות אלו נראות בדרך כלל עם VFDs‏ הפועלים במתחים גבוהים יותר, עם דירוגי כוח-סוס (כ"ס) גבוהים יותר של המנוע, ואורכים ארוכים יותר.

כמו בכל חוט וכבל, הספק עלול ללכת לאיבוד עקב הזרם הזורם דרך התנגדות ה-DC‏ של הכבל. בנוסף, בגלל רוחב הפס הספקטרלי הרחב יותר של אותות PWM, התנגדות הכבל עשויה לעלות בגלל אפקט המעטפת (Skin Effect). השפעות התנגדויות אלו משתנות עם אורך הכבל.

כבלי VFD מטפלים ישירות עם אתגרי החיבור

משפחת הכבלים ӦLFLEX VFD 2XL‏ עם Signal של LAPP‏ (איור 3) מתוכננת עבור שירות VFD בסביבות תעשייתיות, התקנות קבועות ויישומים הדורשים כיפופים מזדמנים. הם מטפלים ברבות מהבעיות שנמצאו בשירות VFD.

איור 3: מוצגים שני מבטים של כבל ӦLFLEX VFD 2XL‏ עם Signal, הממחישים את מאפייני התכן העיקריים הקשורים ליישומי VFD. (מקור התמונה: Art Pini, מבוסס על חומר מ-LAPP)

המאפיין הבסיסי ביותר הוא מבנה מוליכי הספקת-הכוח. שזירת כבלים משפיעה על גמישות הכבל ועל יכולת נשיאת הזרם שלו. משפחה זו של כבלי VFD של LAPP‏ עומדת בתקני גדילי כבלים Class 5 בצפון אמריקה ובאירופה. מוליכי Class 5‏ מורכבים מממספר רב של חוטי נחושת מצופה בדיל דקים ביותר המסודרים ליצירת כבלים גמישים ביותר. גודל ה-Circular Mil Area‏ (CMA) יכול לעלות על זה של גודלי American Wire Gauge‏ (AWG) מקבילים. התוצאה היא התנגדות DC נמוכה יותר, מפל מתח קטן יותר על פני הכבל, והפחתת הפסדי ההספק. לזוג חוטי האותות יש קוטר קטן יותר והם תואמים לגדילים Class K‏.

כל כבל כולל שלושה חוטי הספקת-כוח מבודדים בצבע שחור המסומנים בתווית פאזה מודפסת, חוט הארקה מפוספס ירוק/צהוב, וכבל אותות זוג חוטים מפותל מסוכך עם שני מוליכים.

החוטים בתוך הכבל מבודדים בנפרד באמצעות פוליאתילן מצולב (XLPE), פלסטיק תרמוסטי עמיד בפני חום, רטיבות וכימיקלים. ל-XLPE יש תכונות תרמו-מכניות מצוינות המאפשרות לו לעמוד בחום כתוצאה מתנאי זרם-יתר. יש לו גם קבוע דיאלקטרי נמוך יותר, מה שמפחית את קיבוליות הכבל ומסייע למזער זרמי טעינה וזרמי אופן-משותף (CM‏). בנוסף, הקבוע הדיאלקטרי הנמוך מאפשר מרווח קטן יותר בין מוליכים מבודדים, מה שמקטין את קוטר הכבל תוך הגדלת מתח הפעולה המקסימלי.

המעטפת החיצונית של הכבל עשויה מאלסטומר תרמופלסטי (TPE) שפותח במיוחד. TPE הוא חומר גמיש ועמיד המשלב את התכונות של פלסטיק וגומי כאחד. הוא מציע עמידות מצוינת לחום, שמנים, כימיקלים, אור אולטרה-סגול ואוזון, מה שהופך אותו למתאים עבור סביבות תעשייתיות.

משפחת ӦLFLEX VFD 2XL כוללת סיכוך מתכתי כדי למזער EMI מוקרן. הסיכוך הראשי הוא סרט נייר כסף תלת-למינציה המספק כיסוי של 100%. הסיכוך המשני מורכב ממקלעת נחושת מצופה בדיל עם כיסוי של 85%. סרט מחסום מסכך את חוטי הליבה המבודדים מתחת לשכבות הסיכוך. כאשר הם מוארקים כראוי, סיכוכים אלה מציעים הגנה מפני EMI על ידי מניעת חדירת הפרעות חיצוניות לכבל והפחתת קרינה מהכבל עצמו. חוט הארקה (Drain‏) עובר לאורך כל הכבל, ומציע אפשרויות הארקה גמישות.

זוג חוטים מפותל עם עובי חוטים קטן יותר משמש עבור חיבורי בקרה או חיישנים, כגון בקרת בלמים או חיישני טמפרטורה. זוג האותות מסוכך גם עם סרט רדיד ויש לו חוט הארקה (Drain‏) משלו.

בחירת כבלי ӦLFLEX VFD‏ של LAPP‏

הביצועים הכוללים של מערכת מנוע VFD תלויים במידה רבה בבחירת כבל VFD הנכון. משפחת מנועי ה-ӦLFLEX 2XL עם Signal מציעה מגוון עובי חוטים המתאימים לגדלים שונים של מנועים. היא כוללת כבלים מ-AWG‏ 16‏ (1.5 ממ"ר) עד AWG‏ 2‏ (33.7 ממ"ר), עם שטחי-חתך ביניים של AWG‏ 14‏, AWG‏ 12‏, AWG‏ 10‏, AWG‏ 8‏, AWG‏ 6‏ ו-AWG‏ 4‏. כבלים אלה כוללים ארבעה מוליכי הספקת-כוח (שלושה קווי פאזות וקו הארקה אחד) וכבל אותות זוג חוטים מפותל. כל הכבלים מדורגים להתמודד עם rms‏ _AC‏V‏ 2,000‏, בהתאם לתקן כבלי מגש של Underwriters Laboratories‏ (UL‏). עובי החוט המתאים תלוי בהספק (כ"ס) המנוע, המתייחס לזרם העומס המלא (FLC), כמו גם לאורך ולמפל מתח מקובל לאורך הכבל (איור 4).

איור 4: מוצג עובי חוט כבל VFD הנדרש עבור הספק מנוע מסוים מנוע. (מקור התמונה: LAPP)

גודלי חוטים רשומים כ-AWG או כ-Circular Mils‏ (KCMIL). Circular Mils‏ משמשים לעוביי חוט מעל AWG‏ 0‏.

קחו לדוגמה את ה-700710‏ של LAPP‏, כבל VFD עם ארבעה מוליכי הספקת-כוח AWG‏ 16‏ ושני חוטי אותות AWG‏ 18‏. זהו כבל ה-VFD הקטן ביותר במשפחת ӦLFLEX VFD 2XL, עם קוטר של 0.652 אינץ' (16.6 מ"מ). קוטר הכבל קובע את רדיוס הכיפוף המינימלי, שהוא פי 7.5 מקוטר הכבל, או 124 מ"מ (4.9 אינץ'). כבלים אלה מציינים גם משקל משוער של 200 פאונד (lb) לכל אלף רגל. משקל הכבל חשוב בעת תכנון מבני תמיכה, כגון מגשי כבלים. על פי הטבלה, כבל זה יכול לשמש עבור מנועים בתחום של ½ כ"ס עד 2 כ"ס עבור כל שלושת מתחי הקו. ניתן להשתמש בו גם עם מנועים של 3 עד 5 כ"ס בקווים של 460 וולט ו-575 וולט.

ה-700713‏ של LAPP‏ הוא כבל VFD עם שישה מוליכים (ארבעה AWG‏ 10‏, שני AWG‏ 18‏) בקוטר של 0.798 אינץ' (20.3 מ"מ). זה מתאים עבור מנועים של 15 כ"ס עד 20 כ"ס הפועלים ב-460 וולט, למנועים של 20 כ"ס ב-575 וולט, ולמנועים של ½‏7‏ כ"ס עד 10 כ"ס ב-230 וולט.

הכבל הגדול ביותר בסדרה הוא ה-700717‏ של LAPP‏, כבל VFD עם שישה מוליכים (ארבעה AWG‏ 2‏, שני AWG‏ 14‏). קוטרו 35.6 מ"מ (1.4 אינץ') ומשקלו 1,580‏ פאונד לאלף רגל. הוא תואם למנוע 50 כ"ס הפועל ב-230 וולט, למנוע 100 כ"ס ב-460 וולט, או למנוע 125 כ"ס ב-575 וולט.

סיכום

ככל שפרישות VFD מואצות, המתכננים חייבים לבחור בקפידה את כבל החיבור המתאים כדי להבטיח את הצלחת הפרויקט. משפחת הכבלים ӦLFLEX VFD 2XL עם Signal של LAPP‏ תומכת במגוון רחב של יישומי דחיפה ומנועים VFD. התכן רב-הסיכוכים שלה מבטיח ביצועים אמינים בסביבות תעשייתיות רועשות, בעוד שהמעטה החיצוני העמיד בדירוג-תעשייתי שלו הוא עמיד למים, שמנים וכימיקלים קשים.