אפיון ושימוש בכבלי VFD לשיפור אמינות ובטיחות והקטנת פליטות פחמן

דוחפי תדר משתנה (VFDs) ומנועים יכולים להפחית פליטות פחמן ולהגדיל נצילות, אמינות ובטיחות במערכות שונות, כולל מסועים, משאבות, מערבלים, מעליות, מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) ויישומים דומים. החיווט המחבר את ה-VFD למנוע הוא חיבור קריטי במערכת. ללא חיווט נכון, בטיחות המפעיל יכולה להידחק לשוליים, והאמינות ואורך חיי העבודה של מנוע יכולים לקטון.

מערכות VFD אופייניות עובדות בתנאים קשים הכוללים קפיצות מתח גבוהות המגיעות לפי שניים עד שלושה מתח האספקה ורמות גבוהות של רעש אלקטרומגנטי מוקרן ומולך. נוסף לכך, הכבלים יכולים להיות חשופים לטמפרטורות גבוהות. הם חייבים להיות חסינים לשמנים, מים וקרינה אולטרה-סגולה (UV) תוך כדי שמירה על דרגה גבוהה של‏ גמישות ולעמוד במספר דרישות טכניות מ-UL‏, CSA,‏ NFPA ו-NEC.

סביבות עבודה ודרישות טכניות מאתגרות של התקנות VFD מסבכות את מפרט הכבל. מאמר זה סוקר בקצרה את פעולת‏ דוחפי VFD‏ ומנועים, דרישות בידוד חשמלי של הכבל, והצורך בתאימות אלקטרומגנטית (EMC‏). המאמר משווה מפרטי כבלים כמו UL 1277 TC ER,‏ WTTC ו-TC ובוחן דרישות NEC ו-NFPA. הוא גם מציג שיקולי מבנה כבל לפני שסוגר עם סקירה כללית של כבלים לדוגמה‏ מבית Belden,‏ Helukabel,‏ Igus,‏ LAPP ו-SAB North America.

אתגרים סביבתיים

מנועי ודוחפי VFD והכבלים המחברים ביניהם עובדים בסביבות חשמליות קשות. כבלי VFD חייבים למסור ביעילות כוח דחיפה גבוה במתחים גבוהים ולטפל בקפיצות מתח גבוה ורמות רעש גבוהות. הבידוד החשמלי בכבלי VFD נתון לתנאים מאתגרים כגון גלים חוזרים ומתחי עירור קורונה (corona inception voltages) (איור 1‏):

• גלים חוזרים: גלים חוזרים יכולים להיגרם על ידי עכבות לא מתואמות בין מנוע של VFD והכבל שלו. זה יכול לגרום להחזרת גלי מתח אל הדוחף. ללא בידוד חשמלי ביצועים-עיליים, גלים חוזרים יכולים לגרום לפריצת הבידוד החשמלי ולחימום-יתר של הכבל.
• מתח עירור קורונה/פריקת קורונה: מתחי האפנון רוחב פולס (PWM) במערכות VFD מתנדנדים במהירות מאפס למתח שיא. ללא בידוד חשמלי מתאים, קפיצת‏ מתח גבוהה מעל למתח עירור קורונה (corona inception voltage) גורם לאוויר סביב המוליך להפוך להיות מיונן, וכתוצאה מכך מתרחשת פריקת קורונה (corona discharge) היכולה להתיך את הבידוד ולגרום נזק למנוע, למיסבי המנוע ולדוחף.

איור 1: בידוד כבל VFD חייב לטפל בגלים חוזרים ובמתחי עירור קורונה (corona inception voltages). (מקור תמונה: SAB North America)

סיכוך והארקה

בנוסף לעמידה בקפיצות מתח, כבלי VFD חייבים לתמוך ברמות גבוהות של‏ EMC‏. שיקולי EMC חשובים כוללים:

• זרמי אות-משותף נגרמים מהמתחים התלת-פאזיים בדוחפי VFD הלא מסתכמים באפס, וגורמים לחוסר איזון של מתח. כשרמת המתח השונה מאפס משתנה, זרם טעינת כבל יחסי חוזר דרך מוליך ההארקה. זרם אות-משותף חריג יוצר חוג הארקה המפריע לביצועי מערכת תקינים.
• רעש חשמלי משודר נגרם מתדרי הדוחף המשתנים היכול ליצור השראות של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והפרעות תדר רדיו (RF) ולהשפיע על רכיבים ומערכות סמוכים.

מערכת מוארקת ביעילות של דוחף, כבל ומנוע יוצרת כלוב Faraday המבטיח ביצועי EMC איתנים (איור 2‏).

איור 2: כבלי VFD יכולים למתן זרמי אות-משותף ורעש חשמלי עם חיבורי הארקה תקינים. (מקור תמונה: SAB North America)

בלוטות כבלים (cable glands) לעומת שרוולים (conduit)

כבלי VFD זמינים בקוטרים קטנים עבור ריצה בשרוולים וכמבנים של כבל משוריין (armored cable) מרותך ברציפות. פתרונות אלה דורשים התקנה מורכבת ויקרה, וסובלים מבעיות אמינות פוטנציאליות. קיימים כבלי מגש (Tray cables‏ (TCs)) שאינם דורשים שרוול. כשקיים שרוול, הוא יכול לשמש ליצירת כלוב Faraday בין הדוחף והמנוע. כשמשתמשים בקטגוריות שונות של ‏כבלי TC, ניתן להוסיף בלוטות כבלים (cable glands)‏ EMC‏ כדי להשלים את כלוב ה-Faraday. בלוטות כבלים EMC מספקות דירוג אטימות (IP) של 68, שהוא חסינות מים במים שפירים עד עומק מקסימלי של 1.5 מטר למשך 30 דקות והגנה מפני אבק, מה שעושה אותן מתאימות לשימוש בסביבות תעשייתיות וחוץ מאתגרות (איור 3).

איור 3‏: בלוטות כבלים (cable glands) ניתנות לשימוש על החיבורים לאלקטרוניקת הדוחף והמנוע כדי ליצור כלוב Faraday לבקרת EMI‏. (תמונה: SAB North America)

קטגוריות כבלים

כבלי TC יכולים לפשט התקנה ולהקטין עלויות. קריטריונים שונים של יישום, כמו דירוג מתח, גמישות ובדיקות מעיכה/פגיעה, מסווגים אותם. ישנם שני תקני UL עיקריים. שני התקנים מתייחסים לכבלי AWG‏ 18‏ ועבים יותר. שני התקנים הם:

UL 1277‏, כבלי מגש של אספקת כוח ובקרה, מכסה מספר סוגי כבלים‏ TC המדורגים עבור V‏ 600‏.

• כבלי TC בסיסיים הם הסוג הנפוץ ביותר ומשמשים ככבלי VFD היכן שנדרשות תכונות עיכוב בעירה.
• כבלי מגש TC-ER (ריצה חשופה) חייבים לעבור דרישות מעיכה ופגיעה מחמירות יותר מכבל ה-TC הסטנדרטי. הם יכולים לרוץ באופן חופשי בין מגשי כבלים למרחק ממוצע של 1.8 מ'.
• THHN/PVC‏ הוא צורה זולה של מבנה TC עם כיסוי תרמופלסטי. ‏הוא מתאים עבור הטמנה ישירה ועבור ריצה בשרוול.

UL 2277‏, כבל גמיש להנעת מנוע וכבל מגש לטורבינת רוח, מכסה שני סוגי כבל TC המדורגים עבור V‏ 1,000‏.

• כבל גמיש להנעת מנוע (FMS‏) מתוכנן‏ בעיקר ככבל כוח מנוע VFD.
• כבל מגש לטורבינת רוח (WTTC) יכול לעמוד בתנאים קשים, קיצוניים, ביישומי רוח כמו שמנים, שחיקה, טמפרטורות קיצוניות, מים, תנועה קבועה, וכו'.

NEC ו-NFPA

בארה"ב לרוב דרושה תאימות NEC 79/NFPA 79‏ מהדורה 2018, אך לא תמיד, תלוי בקודים המקומיים של בניינים. התקן דורש שכבלי VFD יהיו מסומנים RHH,‏ RHW,‏ RHW-2,‏ XHH,‏ XHHW או XHHW-W, המוגדרים כדלהלן:

• RHW,‏ RHH ו-RHW-2 משתמשים בבידוד חשמלי‏ מגומי חום-גבוה.
  • RHW מציין כבל חסין-מים עם דירוג טמפרטורה של ‎75°C+
  • RHH מציין כבל עם דירוג טמפרטורה של ‎75°C+ שאינו חסין-מים
  • RHW-2 מציין כבל חסין-מים עם דירוג טמפרטורה של ‎90°C+
• XHH,‏ XHHW ו-XHHW-W משתמשים בבידוד XLPE‏ (פוליאתילן חיבור-צולב).
  • XHH‏ הוא עבור שימוש במקומות לחים ומדורג עבור 75‎°C+
  • XHHW‏ הוא עבור שימוש במקומות רטובים ומדורג עבור 75‎°C+
  • XHHW2‏ הוא עבור שימוש במקומות רטובים ומדורג 90‎°C+

בידוד חשמלי XLPE‏ הוא קל יותר וגמיש יותר מבידוד גומי, מה שעושה את כבלי XLPE לקלים יותר להתקנה, במיוחד בטמפרטורות נמוכות. נוסף לכך, XLPE מציע זליגה נמוכה יותר בהשוואה לבידוד גומי.

מבנה כבל

ישנן מספר דרכים לממש כבלי VFD TC. מק"ט CF31-25-04 מבית Igus‏ הוא‏ דוגמה טובה ‏של רבים מה‏אלמנטים הנפוצים; המספרים ברשימה מתאימים למספרים באיור 4‏:

1. מעטה חיצוני עשוי מתערובת PVC חסינה לשמן תוך שימוש בשיחול בלחץ‏
2. סיכוך חיצוני עשוי על ידי שימוש בקליעה עמידה מאוד בפני כיפוף המורכבת מחוטי נחושת מצופים בדיל
3. עטיפה פנימית של מילוי PVC העשויה על ידי שיחול בלחץ
4. CFRIP‏ הוא פס קריעה מיוחד של‏ Igus‏, יצוק בעטיפה הפנימית עבור חשיפת כבל מהירה יותר
5. בידוד ליבה מפלסטיק פוליאתילן חיבור-צולב (XLPE), הוא בעל קשר תלת-מימדי בתוך הפלסטיק; XLPE הוא בעל חוזק מכני גבוה וקיבוליות נמוכה
6. מוליך המשתנה עבור ליבות < ‏10 ממ"ר וליבות ≥ ‏10 ממ"ר בהתאם לדרישות DIN EN 60228
7. מעצור מתיחה (strain relief‏) מרכזי, חומר עמיד מאמץ מתיחה

איור 4: דוגמה של כבל VFD המתארת את אלמנטי הסיכוך ומעצור המתיחה (strain relief‏) בנוסף למוליכים הנושאים זרם. (מקור תמונה: Igus‏)

אפשרויות נוספות

ה-ÖLFLEX VFD 1XL‏ של LAPP‏ היא משפחה של כבלי דוחף VFD חסונים, מסוככים, חסיני-UV וחסיני-שמנים‏ עבור תכנים הדורשים קוטר כבל‏ קטן יותר. הקוטר הקטן יותר בדרך-כלל של בידוד ה-XLPE הופך כבלים אלו למתאימים לשימוש בהתקנות צפופות היכן שכבלים סטנדרטיים יכולים להיות עבים מדי. נוסף לכך, הקוטר הדק יותר תומך בגמישות מוגדלת כדי להאיץ התקנה. כבלים מדורגים TC-ER אלו יכולים להיות מותקנים ללא שרוול, אך הקוטר הקטן יותר והגמישות שלהם מפשטים את השימוש בשרוולים, כשיש בכך צורך. הם עומדים בדרישות הביצועים XHHW2. לדוגמה, LAPP מציעה מספר דגמים עם ארבעה מוליכים (כולל הארקה) ועוד חוט ניקוז (drain wire), כמו דגם 701703 עם מוליכים AWG‏ 10‏ (5.3 ממ"ר) ודגם 701717 עם מוליכים AWG‏ 2‏ (33.7 ממ"ר).

Helukabel מציעה מספר כבלים עם דירוגי TC-ER ו-WTTC, והם מציעים מוליכים מ-2 עד ‎18 AWG כמו דגם ה-TC ‏63141 עם ארבעה מוליכים 12‎ AWG. הם מתאפיינים בסיכוך כפול המשלב רדיד אלומיניום (כיסוי 100%) ומקלעת נחושת מצופה בדיל (כ-85% כיסוי). הם משתמשים בבידוד חשמלי XLPE והם בעלי מעטי PVC חסינים לשמנים, חומרי קירור, ממיסים, וחומרי ניקוי/חיטוי. כבלים אלו מדורגים עבור התקנה פתוחה, לא-מוגנת, במגשי כבל וממגש הכבל למכונה. יתר על כן, הם מתאימים להתקנה בשרוול או הטמנה ישירה.

כבלי גמישות גבוהה

Belden מציעה משפחות מרובות של כבלי‏ TC עם תצורות מוליכים והארקה שונות תוך שימוש במספר חומרי בידוד וסיכוך (איור 5‏). עבור התקנות הדורשות כבלי TC גמישים במידה רבה, החברה מציעה את כבלי ה-HighFlex VFD שלה עם מספר דרגות גמישות ועד ‏10 מיליון מחזורי כיפוף. כבלי TCS אלו כוללים מוליכי נחושת מצופים בדיל שזורים שזירה עדינה, עם דגמים מסוימים בעלי יותר מ-2,000 גידים ומעטה TPE גמיש העושים אותם כפיפים עבור טיפול קל במהלך התקנה. לדוגמה, מק"ט ‎29501F 0101000, עם דירוגי TC-ER ו-WTTC,‏ מתוכנן עבור תנועה מתמדת ויישומי מכונה במצב-מופעל ועומד בדרישות של‏ XHHW2 עבור שימוש במקומות רטובים בטמפרטורות עד 90‎°C+. יישומי יעד של כבלי HighFlex VFD כוללים:

• הפעלת ציוד עיבוד
• הפעלת משאבות
• הפעלת מאווררים
• הפעלת מסועי חומרים
• הנעת זרועות רובוטיות

איור 5: כמה מתצורות המוליכים והארקה הרבות וחומרי הבידוד והסיכוך המשמשים בכבלי VFD. (מקור תמונה: Belden)

כבלי VFD של SAB מתוכננים לספק ביצועי EMC‏ ממוטבים. תכן המתאים לכיפוף מתמשך זמין גם כן. כבלים אלה עומדים בדרישות TC-ER ו-WTTC, והם משתמשים בבידוד חשמלי XLPE עבור קיבוליות משופרת, עם שתי אפשרויות: אחת עם‏ קוטר מוקטן ואחת התומכת בריצות ארוכות יותר. ליצרנים שונים של מנועי VFD יש דרישות גודל זוג שונות עבור שילובי VFD TC ויכולים לדרוש כבל עם או בלי חוט ניקוז (drain wire). כבלי VFD של SAB כוללים כבלים העונים על מרבית דרישות היישום כמו כוח עם זוג משולב עבור‏ בלימה או חישת טמפרטורה, אפשרויות גודל זוג מרובות כולל 18‏, 16‏, 14‏ ו-AWG‏ 12‏, ותכנים מסוימים עם שני זוגות. הם בעלי סיכוך כפול המשלב רדיד ומקלעת נחושת מצופה בדיל, ותכני הארקה סימטריים הם אופציה. כבלים אלה מתאפיינים ברדיוס כיפוף השווה לקוטר הכבל כפול 12 ומדורגים XHHW2 לשימוש במקומות רטובים עד ‎90°C‎. דוגמה טובה של‏ כבלים אלה היא הדגם 35661204, כבל‏ ארבעה מוליכים AWG‏ 12‏ .

סיכום

כבלי VFD משמשים בסביבות חשמליות קשות וחייבים לעמוד בטמפרטורות גבוהות, חשיפה למים, שמנים ו/או כימיקלים שונים. אפיון כבלים אלה‏ הוא תהליך מורכב, המחייב לקחת בחשבון תכונות בידוד חשמלי שונות,‏ כולל היכולת לעמוד בגלים חוזרים ומתחי עירור קורונה (corona inception voltages), סיכוך, בלוטות כבלים (cable glands) עבור הגנת EMC‏, ודרישות UL‏, NEC ו-NFPA. כבלי VFD מאופיינים ומותקנים נכון תורמים להתקנות מפושטות ובעלות עלות נמוכה יותר, עבודת מנוע משופרת, פחות פליטת פחמן ובטיחות מפעיל טובה יותר.