Specifikace a použití kabelů VFD ke zlepšení spolehlivosti a bezpečnosti a ke snížení emisí uhlíku

Frekvenční měniče („variable frequency drive“, VFD) a motory mohou snížit emise uhlíku a zvýšit účinnost, spolehlivost a bezpečnost v různých systémech, včetně dopravníků, čerpadel, směšovačů, výtahů, systémů vytápění, větrání/klimatizace („heating, ventilation/air conditioning“, HVAC) a podobných aplikací. Kritickým článkem v systému je kabeláž, která spojuje frekvenční měnič s motorem. Bez správné kabeláže může být bezpečnost obsluhy omezena a může být snížena spolehlivost motoru a jeho provozní životnost.

Typické systémy VFD pracují v drsných podmínkách, které zahrnují vysokonapěťové špičky dosahující dvou- až trojnásobku napájecího napětí a vysoké úrovně vyzařovaného a vedeného elektromagnetického šumu. Kromě toho mohou být kabely vystaveny vysokým teplotám. Musí odolávat olejům, vodě a ultrafialovému („ultraviolet“, UV) záření při zachování vysokého stupně flexibility a musí také splňovat četné technické požadavky norem UL, CSA, NFPA a NEC.

Specifikace kabelů komplikují náročná provozní prostředí a technické požadavky na instalace VFD. V tomto článku je stručně shrnut provoz VFD a motorů, požadavky na izolaci kabelů a potřebu elektromagnetické kompatibility („electromagnetic compatibility“, EMC). Dále jsou v článku porovnány specifikace kabelů UL 1277 TC ER, WTTC a TC a zkoumány požadavky standardů NEC a NFPA. Jsou zde uvedeny také aspekty struktury kabelů a na závěr přehled ukázkových kabelů od společností Belden, Helukabel, Igus, LAPP a SAB North America.

Problémy týkající se okolního prostředí

Motory VFD, pohony a kabely, které je spojují, pracují v drsných elektrických prostředích. Kabely VFD potřebují efektivně dodávat vysoký výkon měniče při vysokém napětí a zvládat vysokonapěťové špičky a vysoké hladiny šumu. Izolace v kabelech VFD je vystavena náročným podmínkám, jako jsou odražené vlny a počáteční napětí koróny (obrázek 1):

• Odražené vlny: Odražené vlny mohou být způsobeny nesouladem impedancí mezi motorem VFD a jeho kabelem. To může způsobit, že se napěťové vlny odrážejí zpět do měniče. Bez vysoce výkonné izolace by odražené vlny mohly narušit izolaci a přehřát kabel.
• Počáteční napětí koróny / korónový výboj: Napětí pulzně šířkové modulace („pulse width modulation“, PWM) v systémech VFD rychle osciluje od nuly ke špičkovému napětí. Vysokonapěťová špička, ke které dojde nad počátečním napětím koróny kabelu, způsobuje bez řádné izolace ionizaci vzduchu kolem vodiče, což má za následek korónový výboj, který může roztavit izolaci a poškodit motor, ložiska motoru a měnič.

Obrázek 1: Izolace kabelu VFD musí zvládat odražené vlny a počáteční napětí koróny. (Zdroj obrázku: společnost SAB North America)

Stínění a uzemnění

Kromě odolnosti vůči napěťovým špičkám musí kabely VFD podporovat vysokou úroveň elektromagnetické kompatibility. Mezi důležité aspekty elektromagnetické kompatibility patří:

• Proudy tekoucí vlivem společného napětí jsou výsledkem třífázových napětí ve VFD, které se nesčítají do nuly, což vytváří napěťovou nerovnováhu. Při změně nenulové úrovně napětí se zemnicím vodičem vrací proporcionální nabíjecí proud kabelu. Nadměrný proud tekoucí vlivem společného napětí vytváří zemní smyčku, která narušuje správný výkon systému.
• Přenášený elektrický šum je důsledkem proměnných frekvencí měniče, které mohou vyvolat elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI) a vysokofrekvenční rušení („radio frequency interference“, RFI) a ovlivnit blízké součástky a systémy.

Účinně uzemněný systém měniče, kabelu a motoru vytváří Faradayovu klec, která zajišťuje robustní výkon EMC (obrázek 2).

Obrázek 2: Kabely VFD mohou správným uzemněním zmírnit proudy tekoucí vlivem společného napětí a elektrický šum. (Zdroj obrázku: společnost SAB North America)

Vývodky vs. trubky

Kabely VFD jsou k dispozici s malými průměry pro vedení v trubkách a jako kontinuálně svařované pancéřové kabelové konstrukce. Tato řešení vyžadují složitou, nákladnou instalaci a trpí potenciálními problémy se spolehlivostí. K dispozici jsou kabely do žlabů („tray cable“, TC), které nevyžadují elektroinstalační trubky. Pokud je trubka k dispozici, lze ji použít k vytvoření Faradayovy klece mezi měničem a motorem. Při použití různých tříd TC lze Faradayovu klec doplnit o kabelové vývodky EMC. Kabelové vývodky EMC poskytují ochranu proti vniknutí („ingress protection“, IP) 68, jsou voděodolné ve sladké vodě do maximální hloubky 1,5 metru po dobu max. 30 minut a jsou chráněny před prachem, takže jsou vhodné pro použití v náročných průmyslových a venkovních prostředích (obrázek 3).

Obrázek 3: Na spojích k elektronice měniče a motoru lze použít kabelové vývodky, a vytvořit tak Faradayovu klec a omezit EMI. (Zdroj obrázku: společnost SAB North America)

Třídy kabelů

Kabely TC mohou zjednodušit instalaci a snížit náklady. Ke klasifikaci se používají různá kritéria aplikací, jako je jmenovité napětí, flexibilita a testy na rozdrcení/náraz. K dispozici jsou dvě hlavní normy UL. Obě normy platí pro kabely, které mají 18 AWG a větší. Těmito dvěma normami jsou:

Norma UL 1277 pro elektrické napájecí a ovládací kabely do žlabů pokrývá několik typů kabelů TC s jmenovitým napětím 600 V.

• Základní kabely TC jsou nejběžnějším typem a používají se jako kabely VFD tam, kde jsou vyžadovány samozhášivé vlastnosti.
• Kabely do žlabů TC-ER (s otevřenou pokládkou, „exposed run“) musí splňovat přísnější požadavky na rozdrcení a nárazy než standardní kabely TC. Mohou být vedeny volně mezi kabelovými žlaby na průměrnou vzdálenost 1,8 m (6 stop).
• THHN/PVC představuje nízkonákladovou formu konstrukce TC s termoplastickým pláštěm. Je vhodný pro přímé uložení do země i pro vedení v trubce.

Norma UL 2277 pro flexibilní kabely pro napájení motorů a kabely do žlabů pro větrné elektrárny pokrývá dva typy kabelů TC s jmenovitým napětím 1 000 V.

• Flexibilní napájecí kabel motoru („Flexible Motor Supply Cable“, FMSC) je primárně navržen jako napájecí kabel motoru VFD.
• Kabel do žlabů pro větrné elektrárny („Wind Turbine Tray Cable“, WTTC) odolá extrémním, drsným podmínkám ve větrných aplikacích, jako je olej, abraze, extrémní teploty, voda, neustálý pohyb a tak dále.

Standardy NEC a NFPA

V USA je v závislosti na místních stavebních předpisech často, ale ne vždy, vyžadován soulad se standardem NEC 79/NFPA 79 2018 Edition. Norma vyžaduje, aby byly kabely VFD označeny RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW nebo XHHW-W podle následující definice:

• Kabely RHW, RHH a RHW-2 používají vysokoteplotní pryžovou izolaci.
  • RHW označuje voděodolný kabel s jmenovitou hodnotou teploty +75 °C.
  • RHH označuje kabel s jmenovitou hodnotou teploty +75 °C, který není odolný proti vodě.
  • RHW-2 označuje voděodolný kabel s jmenovitou hodnotou teploty +90 °C.
• Kabely XHH, XHHW a XHHW-W používají izolaci XLPE (sesíťovaný polyetylen, „cross-linked polyethylene“).
  • Kabel XHH je určen k použití ve vlhkém prostředí a je dimenzován na teplotu +75 °C.
  • Kabel XHHW je určen k použití v mokrém prostředí a je dimenzován na teplotu +75 °C.
  • Kabel XHHW2 je určen k použití v mokrém prostředí a je dimenzován na teplotu +90 °C.

Izolace XLPE je lehčí a flexibilnější než pryžová izolace, což usnadňuje instalaci kabelů XLPE, zejména při nízkých teplotách. Izolace XLPE navíc nabízí nižší únik ve srovnání s pryžovou izolací.

Konstrukce kabelu

Existuje mnoho způsobů, jak implementovat kabely TC VFD. Pod objednacím číslem CF31-25-04 od společnosti Igus se skrývá dobrý příklad mnoha společných prvků. Čísla v seznamu níže odpovídají obrázku 4:

1. Vnější plášť je vyrobený z tlakově extrudované směsi PVC odolné proti olejům, vnější plášť z PVC má nízkou přilnavost a je odolný proti olejům.
2. Vnější stínění je vyrobeno z opletení vysoce odolného proti ohybu, které se skládá z pocínovaných měděných drátů.
3. Vnitřní plášť je z tlakově extrudovaného PVC s klínovou výplní
4. CFRIP je trhací páska speciálně od společnosti Igus zalisovaná do vnitřního pláště pro rychlejší odizolování kabelů.
5. Izolace jádra ze sesíťovaného polyetylenového plastu (XLPE) má v plastu trojrozměrnou vazbu; XLPE má vysokou mechanickou pevnost a nízkou kapacitu.
6. Vodič, který se liší pro jádra < 10 mm² a jádra ≥ 10 mm² na základě požadavků normy DIN EN 60228.
7. Centrální odlehčení napětí, materiál odolný proti namáhání tahem.

Obrázek 4: Příklad kabelu VFD, který kromě vodičů vedoucích proud znázorňuje i prvky stínění a odlehčení napětí. (Zdroj obrázku: společnost Igus)

Další možnosti

ÖLFLEX VFD 1XL je řada robustních stíněných kabelů měničů VFD společnosti LAPP odolných proti UV záření a olejům pro návrhy, které vyžadují menší průměr kabelu. Díky neobvykle malému průměru izolace XLPE jsou tyto kabely vhodné pro použití v přeplněných instalacích, kde mohou být standardní kabely příliš velké. Tenčí průměr navíc podporuje zvýšenou flexibilitu, a urychluje tak instalaci. Tyto kabely s kvalifikací TC-ER lze instalovat bez trubek, ale jejich menší průměr a flexibilita v případě potřeby použití trubek zjednodušují. Kabely splňují požadavky na výkon XHHW2. Společnost LAPP nabízí například několik modelů se čtyřmi vodiči (včetně země) plus s příložným vodičem, jako je model 701703 s vodiči 10 AWG (5,3 mm²) a model 701717 s vodiči 2 AWG (33,7 mm²).

Společnost Helukabel nabízí několik kabelů s kvalifikací TC-ER a WTTC a nabízí vodiče od 2 do 18 AWG, jako je čtyřvodičový model 12 AWG TC 63141. Tyto kabely se vyznačují dvojitým stíněním, které kombinuje hliníkovou fólii (100% pokrytí) a pocínované měděné opletení (asi 85% pokrytí). Používají izolaci XLPE a mají pláště z PVC, které jsou odolné vůči olejům, chladicím kapalinám, rozpouštědlům a čisticím/dezinfekčním prostředkům. Tyto kabely jsou určeny pro otevřenou nechráněnou instalaci v kabelových žlabech a z kabelového žlabu do stroje. Kromě toho jsou vhodné pro instalaci do trubky nebo pro přímé uložení do země.

Vysoce flexibilní kabely

Společnost Belden nabízí několik řad kabelů TC s různými konfiguracemi vodičů a uzemnění s použitím několika izolačních a stínicích materiálů (obrázek 5). Pro instalace, které vyžadují vysoce flexibilní kabely TC, nabízí společnost své kabely HighFlex VFD s několika rozsahy flexibility a až 10 miliony cykly ohybu. Tyto kabely TC se vyznačují jemně spletenými pocínovanými měděnými vodiči, přičemž některé modely mají více než 2 000 jednotlivých vláken a flexibilní plášť TPE, díky kterému jsou pro snadnou manipulaci během instalace ohebné. Například objednací číslo 29501F 0101000 s kvalifikací TC-ER a WTTC je navrženo pro aplikace s nepřetržitým pohybem a na stroji a splňuje požadavky XHHW2 pro použití v mokrých prostředích do +90 °C. Mezi cílové aplikace pro kabely HighFlex VFD patří:

• Provoz procesních zařízení
• Napájení čerpadel
• Pohon ventilátorů
• Provoz dopravníků materiálu
• Pohyb robotických ramen

Obrázek 5: Několik z mnoha konfigurací vodičů a uzemnění a izolačních a stínicích materiálů používaných v kabelech VFD. (Zdroj obrázku: společnost Belden)

Kabely VFD společnosti SAB jsou navrženy tak, aby poskytovaly optimalizovaný výkon EMC. K dispozici je také provedení vhodné pro nepřetržité ohýbání. Tyto kabely splňují požadavky TC-ER a WTTC a používají izolaci XLPE pro lepší kapacitu ve dvou variantách: jedné s menším průměrem a druhé, která podporuje delší cesty. Různí výrobci motorů VFD mají různé požadavky na velikost páru pro kombinované kabely VFD TC a mohou vyžadovat kabel s příložným vodičem nebo bez něj. Kabely VFD od společnosti SAB zahrnují kabely, které řeší většinu požadavků aplikací, jako je napájení s kombinovaným párem pro brzdu nebo snímání teploty, více možností velikosti párů včetně 18, 16, 14 a 12 AWG a některá provedení se dvěma páry. Mají dvojité stínění, které kombinuje fólii s pocínovaným měděným opletením, a volitelnou možností jsou symetrická provedení se zemí. Tyto kabely se vyznačují poloměrem ohybu, který je 12násobek průměru kabelu, a mají kvalifikaci XHHW2 pro použití v mokrých prostředích do 90 °C. Dobrým příkladem těchto kabelů je model 35661204, čtyřvodičový kabel 12 AWG.

Závěr

Kabely VFD se používají v drsných elektrických prostředích a musí odolávat vysokým teplotám, působení vody, olejů anebo různých chemikálií. Specifikace těchto kabelů je složitý proces, který vyžaduje zvážení různých izolačních vlastností, včetně schopnosti odolávat odraženým vlnám a počátečnímu napětí koróny, stínění, kabelových vývodek pro ochranu EMC a požadavků norem UL, NEC a NFPA. Správně specifikované a nainstalované kabely VFD přispívají k jednodušší a levnější instalaci, lepšímu provozu motoru, nižším emisím uhlíku a lepší bezpečnosti obsluhy.