אילו מוצרי תמיכה נדרשים כדי למקסם את ההשפעה של השימוש במניעי VFD ו-VSD‏? - חלק 1

חלק 1 של מאמר זה מביט על מה לקחת בחשבון כשבוחרים כבלי חיבור מנוע, ראקטורי יציאה (output reactors), נגדי בלימה (braking resistors), ראקטורי קו (line reactors) ומסנני קו (line filters). חלק 2‏ ממשיך על ידי התבוננות בהבדלים בין מניעי VSD‏/VFD‏ ומניעי סרוו, סוקר שימושים של מנועי סרוו סיבוביים וקוויים AC ו-DC,‏ בהתחשב במקומות שבהם יחידות אתחול-רך ועצירה-רכה משתלבות בפעילות תעשייתית, והתבוננות על כיצד ממירי DC‏ משמשים כדי להזין התקנים היקפיים כמו חיישנים, ממשקי אדם-מכונה (HMIs) והתקני בטיחות.

השימוש במניעי מהירות משתנה ומניעי תדר משתנה (VSDs‏/VFDs‏) חיוני כדי למקסם את היעילות והקיימות של הפעילות התעשייתית, אך זה לא מספיק. כדי להפיק את מירב התועלת מ-‏VSDs‏/VFDs, דרושים רכיבים נוספים כמו כבלי ביצועים-עיליים, נגדי בלימה, מסנני קו, ראקטורי קו, ראקטורי יציאה, ועוד.

כבלים הם נפוצים וקריטיים. כבל מוגדר לא טוב המחבר את ה-VSD‏/VFD למנוע עלול לפגוע באופן משמעותי בביצועי המערכת. אלמנטים אחרים כמו נגדי בלימה, מסננים וראקטורים משתנים מהתקנה להתקנה ויכולים להיות חשובים מאוד לפריסה‏ מוצלחת.

לדוגמה, מערכות מסוימות עובדות בתחומים בהם דרוש לבקר הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) והן יכולות להפיק תועלת משימוש במסנני קו העומדים ב-EN 61800-3 Category C2‏. יישומים שבהם נדרשת האטה מהירה יזדקקו לנגדי בלימה. ראקטורי קו (line reactors) יכולים לשפר את גורם ההספק ולהגדיל יעילות, וראקטורי יציאה (output reactors) יכולים לאפשר את השימוש בכבלים‏ ארוכים יותר.

מאמר זה מתחיל עם‏ מבט על שיקולים מסוימים כשבוחרים כבלי חיבור מנוע ומציג אפשרויות חיווט אופייניות מבית LAPP ו-Belden. אחר כך הוא סוקר גורמים המשפיעים על הבחירה של ראקטורי יציאה, נגדי בלימה, ראקטורי קו ומסנני קו, כולל התקנים מיצגים מבית ABB,‏ Schneider Electric‏, Omron,‏ Delta Electronics,‏ Panasonic ו-Siemens‏.

כבלי מנוע זמינים בתצורות שונות כדי לעמוד בדרישות יישום ספציפיות. אופיינית, יש להם שלושה מוליכי מתח עיקריים, לרוב מבודדים בפוליאתילן צולב (XLPE). לחלקם יש חוטי הארקה לא מבודדים. יכולים להיות חוטי אותות שונים ומבחר אפשרויות סיכוך קלוע ורדיד. המכלול כולו עטוף במעטפת חיצונית קשיחה מבחינה סביבתית (איור 1‏).

איור 1: כבלי מנוע VFD מגיעים במגוון רחב של תצורות. (מקור התמונה: Belden)

אפילו כבלים בסיסיים כמו Belden Basics מק"ט ‎29521C 0105000 הם מכללים מורכבים של‏ מוליכים, סיכוך ובידוד. כבלים אלה הם בעלי שלושה מוליכי נחושת ‎14 American Wire Gauge‏ (AWG)‏ (7x22 גידים) מכוסים בבידוד XLPE ושלושה חוטי נחושת להארקה לא מבודדים של 18‎ AWG‏ (7x26 גידים). ששת החוטים הללו מוקפים בסיכוך סרט סלילי כפול המספק כיסוי של 100%, ומכלל הכבל השלם עטוף במעטפת‏ פוליוויניל כלוריד (PVC)) עבור הגנה סביבתית.

כבלי Belden Basic מתאימים לשימוש במקומות מסוכנים class 1 division 2 כפי שמוגדר ב-National Electrical Code‏ (NEC). Class 1‏ מתייחס למתקנים לטיפול בגזים, אדים ונוזלים דליקים. Division 2 מציין שחומרים דליקים אלו אינם נמצאים בדרך כלל בריכוזים גבוהים מספיק כדי להיות ניתנים להצתה.

סדרות כבלים מסוימות, כמו ה-ÖLFLEX VFD 1XL של LAPP, זמינות עם וללא חוטי אותות. יישומים המפיקים תועלת מחוטי אותות יכולים לפנות אל כבל ה-701710 של LAPP. הוא כולל שלושה מוליכי כוח (מתח, זרם), מוליך הארקה וזוג חוטי אותות. מוליכי כוח הם ‎16 AWG‏ (‎26x30‏ גידים) עם XLPE (ועוד) בידוד. זוג חוטי האותות מסוככים בנפרד ברדיד.

המכלול כולו מסוכך בסרט מחסום, סרט רדיד תלת-שכבתי (כיסוי 100%), ומקלעת נחושת מצופה בדיל (כיסוי 85%). המעטפת החיצונית היא אלסטומר תרמופלסטי (TPE) שפותח במיוחד ועמיד בפני תמיסות חיטוי‏ ומשמש בדרך כלל בתעשיות המזון, המשקאות, הכימיות ותעשיות נלוות.

בנוסף לטיפול אמין ויעיל באספקת-כוח ואותות, כבלי VFD חייבים להיות מסוגלים לטפל בקפיצות מתח (spikes) ורמות של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) גבוהות הנוצרות כתוצאה מהעבודה של המניע בתדר-גבוה. בעוד שכבלי VFD מתוכננים להכיל ולנהל קפיצות מתח ו-EMI גבוהות, יש להם את המגבלות שלהם (איור 2‏). זה כשראקטורי עומס מקטינים קפיצות מתח גבוה (spikes) ו-EMI‏.

איור 2‏: קפיצות מתח גבוה (spikes) בלתי מבוקרות יכולות לחדור את הבידוד ולגרום לתקלת כבל. (מקור התמונה: Lapp‏)

לדיון יותר מפורט על בחירת כבל VFD, ראה "הגדרת כבלי VFD ושימוש בהם כדי לשפר אמינות ובטיחות ולהפחית פליטות פחמן".

ראקטורי עומס (load reactors)

ראקטורי עומס, הנקראים גם ראקטורי יציאה (output reactors), מחוברים קרוב ליציאת המניע כדי להקטין את השפעת קפיצות המתח הגבוה (spikes) ו-EMI‏, והם מגינים על בידוד חוטים בכבל ובמנוע. מניעי VSD‏/VFD‏ מייצרים יציאה של תדר-גבוה (בדרך כלל בין 16‏ ו-20‎ kHz‏). כתוצאה ממיתוג התדר הגבוה מקבלים זמני עליית מתח של מספר מיקרו-שניות, שגורמים לקפיצות מתח גבוה (spikes) היכולות לחרוג מדירוג מתח השיא של המנוע ולגרום לפריצת בידוד.

תלוי בסוג המנוע בשימוש, ראקטורי עומס מומלצים לרוב אם אורך כבל ה-VFD עולה על 30 מ' (100 רגל). ישנם מקרים יוצאים מן הכלל; לדוגמה, אם המנוע עומד בתקן NEMA MG-1 Part 31, ייתכן שניתן יהיה להשתמש בכבל באורך 90 מטר (300 רגל) מבלי להשתמש בראקטור עומס.

ללא קשר לסוג המנוע,‏ ראקטור עומס מומלץ‏ באופן כללי אם אורך הכבל עולה על ‏90‏ מ'. אם המרחק עולה על ‏150‏ מ', בדרך כלל מומלץ מסנן‏ מתוכנן במיוחד. בסביבות רגישות ל-EMI‏, שימוש בראקטור עומס עבור כל היישומים הוא‏ בדרך כלל פרקטיקה טובה.

ראקטורי עומס מתוכננים לעתים קרובות לשימוש עם דגמי מניעים מסוימים. לדוגמה, ראקטור העומס מדגם 3G3AX-RAO04600110-DE של Omron מדורג ל-‎11 A ו-‎4.6 mH ומתוכנן לשימוש עם מנועים תלת-פאזיים ‎‏‎400 V,‏ ‎5.5 kW, מונעים על ידי ‏3G3MX2-A4040-V1 VFD של החברה.

נגדי בלימה ועומסי-יתר תרמיים

בנוסף לראקטור עומס, נגד‏ בלימה והתקן כיבוי עומס-יתר תרמי יכולים להיות תוספות חיוניות לצד היציאה של‏ VSD‏/VFD. נגדי בלימה מאפשרים מומנט בלימה טרנזיינטי מקסימלי על ידי ספיגת אנרגיית הבלימה. מרבית נגדי הבלימה מפזרים את האנרגיה, בעוד חלקם משמשים כחלק ממערכת בלימה רגנרטיבית הלוכדת וממחזרת את האנרגיה.

נגדי בלימה מפזרים מדורגים עבור יישומים ספציפיים. נגד הבלימה Schneider Electric VW3A7755 8 Ω יכול לפזר עד 25‎ kW‏, בעוד נגד הבלימה Delta Electronics BR300W100 100 Ω מדורג ל-‎300 W‏.

יישומי נגד בלימה מוגדרים על ידי שימוש באחוז מפיזור‏ האנרגיה (%ED). ה-%ED המוגדר מבטיח שהנגד יכול לפזר ביעילות את החום הנוצר במהלך בלימה. %ED ‏מוגדר ביחס לפיזור השיא, מרווח הבלימה (T1) וזמן המחזור הכולל (T0) באיור 3‏.

איור 3: הגדרת אחוז פיזור האנרגיה (%ED). (מקור תמונה: Delta Electronics)

בהתאם לעוצמת הבלימה, %ED מוגדר כך שיבטיח זמן מספיק עבור יחידת הבלם ונגד הבלם לפזר את החום שהופק על ידי בלימה. אם נגד הבלם מתחמם עקב פיזור חום לא מספיק, ההתנגדות שלו גדלה, תוך הפחתת זרימת הזרם ומומנט הבלימה הנספג

נגדי בלימה ניתנים להגדרה על ידי מחזורי פיזור חום שונים כמו:

• בלימה חלשה, שבה כוח הבלימה מוגבל ל-1.5 פעמים המומנט הנומינלי (Tn) למשך ‎0.8 s‏ כל 40‎ s‏. נמצאת בשימוש במכונות עם אינרציה מוגבלת, כמו מכונות יציקה בהזרקה
• בלימה בינונית, שבה כוח הבלימה מוגבל ל-1.35‎ Tn למשך ‎4 s‏ כל 40‎ s.‏ נמצאת בשימוש במכונות עם אינרציה גבוהה, כמו מכבשי גלגל תנופה וצנטריפוגות תעשייתיות
• בלימה חזקה, בה כוח הבלימה מוגבל ל-‎1.65 Tn למשך ‎6 s ו-Tn למשך ‎54 s כל 120‎ s. נמצאת בשימוש במכונות עם אינרציה גבוהה מאוד, לעיתים קרובות מלווה על ידי תנועה אנכית, בדומה למכשירי הרמה ומנופים

בנוסף לנגד‏ בלימה, מרבית המערכות כוללות‏ יחידת עומס-יתר תרמי המחוברת לנגד הבלימה כאמצעי זהירות, כמו ממסר העומס-יתר התרמי ABB Control TF65-33. יחידת העומס-יתר התרמי מגנה על הנגד ומערכת ההינע מבלימה תכופה מדי או חזקה מדי. כשמזוהה עומס-יתר תרמי, המניע מכובה. כיבוי פונקציית הבלימה בלבד עלול לגרום נזק חמור למניע.

הגנה על כניסת המניע

ראקטורי ומסנני קו בכניסת המניע מגבילים הרמוניות תדר-נמוך ו-EMI‏ תדר-גבוה, בהתאמה (איור 4‏). ראקטורי קו עוזרים להפחית עיוותים הרמוניים של כניסת מתח ה-AC הנגרמים על ידי מעגלי המניע. הם יכולים להיות שימושיים במיוחד ביישומים החייבים לעמוד בדרישות של‏ IEEE-519, “בקרת הרמוניות במערכות הספק”. ראקטורי קו גם מחליקים הפרעות באספקת החשמל כמו נחשולי מתח, קפיצות מתח (spikes) וטרנזיינטים, מגדילים אמינות הפעלה ומונעים כיבויי מתח-יתר.

איור 4: מסנני קו מגבילים EMC תדר-גבוה, בעוד ראקטורי קו מגבילים הרמוניות תדר-נמוך. ‏ (מקור תמונה: Siemens‏)

דוגמאות של ראקטורי קו כוללות את המשרן DV0P228 2 mH המדורג ‎ 8 A שהוא חלק ממשפחת ה-Minas של מניעים תלת-פאזיים ואבזרים מ-Panasonic, ומשרן 6SL32030CE132AA0 2.5 mH של Siemens המדורג עבור מניעים עד ‎1.1 kW המושכים זרם כניסה של עד ‎4 A ועובדים ממתח תלת-פאזי של ‎380 V_AC -10% עד ‎480 V_AC +10%.

מסנני קו

מסנני קו נדרשים כדי לתמוך בתאימות אלקטרומגנטית (EMC‏) ולספק הגנת EMI במרבית היישומים. בהתאם לסביבה הספציפית, שני סוגים של מסנני EMI,‏ Class A ו-Class B, משמשים בסביבות תעשייתיות ומסחריות (בניין), בהתאמה. סביבת Class B‏ דורשת‏ רמה גבוהה יותר של‏ סינון מ-Class A מכיוון שסביבות מסחריות (משרדים, אדמיניסטרציה, וכו') כוללות באופן כללי מערכות אלקטרוניקה שרגישות יותר ל-EMI.

תקני ה-EMC‏ הרלוונטיים כוללים EN 55011, שמפרט מגבלות של פליטות עבור ציוד תעשייתי, מדעי ורפואי, ו-IEC/EN 61800-3‏, שמתייחס במיוחד למניעי מהירות מתכווננת.

מניעי VFD/VSD זמינים עם וללא מסנני קו משולבים. אם יש להם מסנן, הוא עשוי להיות Class A או Class B‏. בהתאם לסביבה ולגורמי התקנה כמו אורכי כבלים, אפילו מניע עם מסנן משולב עשוי לדרוש סינון נוסף. מניע המדורג לעבוד בסביבות‏ Class A ניתן גם להשתמש בו בסביבות Class B‏ עם התוספת של מסנן‏ אופציונלי.

IEC/EN 61800-3‏ מגדיר דרישות EMC‏ בהתבסס על סביבות וקטגוריות. בנייני מגורים מוגדרים כסביבה הראשונה, והתקנות תעשייתיות מחוברות לרשת חלוקת המתח-הבינוני דרך השנאיים שלהן הן הסביבה השנייה.

ארבע הקטגוריות המוגדרות ב-EN 61800-3 כוללות:

• C1 למערכות הינע עבור מתחים נקובים < ‎1000 V‏ לשימוש בלתי-מוגבל בסביבה הראשונה
• C2 למערכות הינע נייחות עבור מתחים נקובים < ‎1000 V‏ לשימוש בסביבה השנייה ושימוש אפשרי בסביבה הראשונה
• C3 למערכות הינע עבור מתחים נקובים < ‎1000 V‏ לשימוש בלעדי בסביבה השנייה
• C4 דרישות מיוחדות למערכות הינע עבור מתחים נקובים ≥ ‎1000 V‏ וזרמים נקובים ≥ ‎400 A בסביבה השנייה

מסנני קו גנריים זמינים, אך כמו ראקטורי קו, מסנני קו מתוכננים לרוב לשימוש עם משפחות מניעים ספציפיות. לדוגמה, מסנן הקו VW3A4708 מבית Schneider Electric‏ מדורג ל-‎200 A‏ (איור 5‏). הוא מתוכנן עבור מניעי Altivar VSD של החברה ומניעי סרוו‏ Lexium. הוא מדורג למתחי רשת מ-‎200 V_AC עד 480‎ V_AC והוא בעל אינדקס הגנה של IP20. דירוג ה-EN 61800-3‏ שלו תלוי באורך כבל המנוע:

• קטגוריית 1‏C‏ בשימוש בכבל מסוכך של עד 50 מ'‏
• קטגוריית 2‏C‏ בשימוש בכבל מסוכך של עד 150 מ'
• קטגוריית 3‏C‏ בשימוש בכבל מסוכך של עד 300 מ'

איור 5‏: מסנן קו A‏ 200‏ מדורג למתחי רשת מ-‎200 V_AC עד ‎480 V_AC. (מקור תמונה: Schneider Electric‏)

סיכום

מניעי VSD ו-VFD הם מערכות חשובות למקסום היעילות של תפעול תעשייתי ומזעור פליטות גזי חממה. מניעים אלה דורשים מספר רכיבים תומכים כדי להבטיח התקנות יעילות ואמינות העומדות בתקנים הבינלאומיים הרלוונטיים, כוללים כבלי VFD, ראקטורי יציאה, נגדי בלימה, ראקטורי קו ומסנני קו.