Jaké podpůrné produkty jsou potřeba k dosažení maximálního účinku používání VFD a VSD? Část 1

Část 1 této série článků se zabývá tím, co je třeba vzít v úvahu při výběru kabelů pro připojení motoru, výstupních tlumivek, brzdových rezistorů, síťových tlumivek a síťových filtrů. Část 2 pokračuje pohledem na rozdíly mezi VSD/VFD a servopohony, přehledem použití AC a DC rotačních a lineárních servomotorů, úvahami o tom, kde se v průmyslových provozech hodí jednotky s měkkým rozběhem a zastavením, a pohledem na to, jak se DC měniče používají k napájení periferních zařízení, jako jsou senzory, rozhraní člověk-stroj („human-machine interface“, HMI) a bezpečnostní zařízení.

Použití pohonů s proměnnými otáčkami a pohonů s proměnnou frekvencí („variable speed drives“, VSD, a „variable frequency drives“, VFD) je nutné k maximalizaci efektivity a udržitelnosti průmyslových provozů, ale není dostačující. K maximálnímu využití přínosů VSD/VFD jsou zapotřebí další součástky, jako jsou vysoce výkonné kabely, brzdové rezistory, síťové filtry, síťové tlumivky, výstupní tlumivky a další.

Kabeláž je všudypřítomná a má zásadní význam. Špatně specifikovaný kabel spojující VSD/VFD s motorem může výrazně snížit výkon systému. Další prvky, jako jsou brzdové rezistory, filtry a tlumivky, se mezi jednotlivými instalacemi liší a pro úspěšné nasazení mohou být velmi důležité.

Některé systémy například fungují v oblastech, kde je nutné kontrolovat elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI) a mohou těžit z použití síťových filtrů, které splňují požadavky normy EN 61800-3 kategorie C2. Aplikace, kde je vyžadováno rychlé zpomalení, budou potřebovat brzdové rezistory. Síťové tlumivky mohou zlepšit účiník a zvýšit účinnost a výstupní tlumivky mohou umožnit použití delších kabelů.

Tento článek začíná pohledem na některé aspekty při výběru kabelů pro připojení motoru a představuje typické možnosti kabeláže od společností LAPP a Belden. Poté jsou v článku revidovány faktory, které ovlivňují výběr výstupních tlumivek, brzdových rezistorů, síťových tlumivek a síťových filtrů, včetně reprezentativních zařízení od společností ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic a Siemens.

Ke splnění specifických požadavků aplikací jsou k dispozici motorové kabely v různých konfiguracích. Obvykle mají tři hlavní silové vodiče, často izolované síťovaným polyethylenem („cross-linked polyethylene“, XLPE). Některé mají neizolované zemnicí vodiče. Mohou mít různé signální vodiče a četné možnosti stínění opletením a fólií. Celá sestava je uzavřena do vnějšího pláště odolného vůči vnějšímu prostředí (obrázek 1).

Obrázek 1: Motorové kabely VFD se dodávají v široké škále konfigurací. (Zdroj obrázku: společnost Belden)

Dokonce i základní kabely, jako je číslo dílu 29521C 0105000 Basics společnosti Belden jsou složité sestavy vodičů, stínění a izolace. Tyto kabely mají tři měděné vodiče o průřezu 14 American Wire Gauge (AWG) (7 × 22 pramenů) pokryté izolací XLPE a tři neizolované měděné zemnicí vodiče o průřezu 18 AWG (7 × 26 pramenů). Těchto šest vodičů je obklopeno dvojitým spirálovitým páskovým stíněním, které poskytuje 100% pokrytí, a celá kabelová sestava je kvůli ochraně před vnějším prostředím obalena polyvinylchloridovým („polyvinyl chloride“, PVC) pláštěm.

Kabely Basic společnosti Belden jsou vhodné pro použití v nebezpečných prostorech třídy 1 divize 2, jak je definováno v americkém elektrickém zákoně („National Electric Code“, NEC). Třída 1 se týká zařízení pro manipulaci s hořlavými plyny, parami a kapalinami. Divize 2 určuje, že tyto hořlavé materiály nejsou běžně přítomny v dostatečně vysokých koncentracích, aby byly zapalitelné.

Některé řady kabelů, jako například řada ÖLFLEX VFD 1XL společnosti LAPP, jsou k dispozici se signálními vodiči i bez nich. Aplikace, pro které je výhodné mít signální vodiče, mohou využít kabel 701710 společnosti LAPP. Obsahuje tři silové vodiče, zemnicí vodič a pár signálních vodičů. Silové vodiče mají průřez 16 AWG (26 × 30 pramenů) s izolací XLPE (plus). Signální pár je samostatně stíněný fólií.

Celá sestava je stíněna bariérovou páskou, třívrstvou fóliovou páskou (100% pokrytí) a pocínovaným měděným opletením (85% pokrytí). Vnější plášť je speciálně vytvořený termoplastický elastomer („thermoplastic elastomer“, TPE) odolný vůči dezinfekčním roztokům a obvykle se používá v potravinářském, nápojovém, chemickém a souvisejícím průmyslu.

Kromě spolehlivého a účinného přenosu napájení a signálů musí kabely VFD zvládat vysokonapěťové špičky a úrovně elektromagnetického rušení, které jsou důsledkem vysokofrekvenčního provozu pohonu. I když jsou kabely VFD navrženy tak, aby zadržovaly a zvládaly vysokonapěťové špičky a EMI, mají své limity (obrázek 2). Tehdy zátěžové tlumivky snižují vysokonapěťové špičky a EMI.

Obrázek 2: Nekontrolované vysokonapěťové špičky mohou prorazit izolaci a způsobit poruchu kabelu. (Zdroj obrázku: společnost LAPP)

Podrobnější rozebrání výběru kabelu VFD viz článek „Specifikace a použití kabelů VFD ke zlepšení spolehlivosti a bezpečnosti a ke snížení emisí uhlíku“.

Zátěžové tlumivky

Zátěžové tlumivky, nazývané také výstupní tlumivky, se připojují blízko výstupu pohonu, aby se snížil dopad vysokonapěťových špiček a EMI, a chrání izolaci vodičů v kabelu i motoru. VSD/VFD produkují vysokofrekvenční výstup (obvykle mezi 16 a 20 kHz). Vysokofrekvenční spínání má za následek dobu náběhu napětí v řádu několika mikrosekund, což způsobuje vysokonapěťové špičky, které mohou překročit špičkové jmenovité napětí motoru, což má za následek porušení izolace.

V závislosti na typu použitého motoru se často doporučují zátěžové tlumivky, pokud délka kabelu VFD přesahuje 30 m (100 stop). Existují výjimky – pokud například motor splňuje normu NEMA MG-1 část 31, může být možné mít kabel 90 m (300 stop) bez použití zátěžové tlumivky.

Bez ohledu na typ motoru se obecně doporučuje zátěžová tlumivka, pokud délka kabelu přesahuje 90 m. Pokud vzdálenost přesahuje 150 m, obvykle se doporučuje speciálně navržený filtr. V prostředích citlivých na EMI je použití zátěžové tlumivky pro všechny aplikace obvykle osvědčeným postupem.

Zátěžové tlumivky jsou často navrženy pro použití s konkrétními modely pohonů. Například model zátěžové tlumivky 3G3AX-RAO04600110-DE společnosti Omron je dimenzován na 11 A a 4,6 mH a je určen pro použití s třífázovými motory 400 V 5,5 kW, které jsou poháněny VFD 3G3MX2-A4040-V1.

Brzdové rezistory a tepelná přetížení

Kromě zátěžové tlumivky mohou být nezbytným doplňkem výstupní strany VSD/VFD brzdový rezistor a zařízení pro odpojení při tepelném přetížení. Brzdové rezistory umožňují maximální přechodový brzdný moment tím, že absorbují brzdnou energii. Většina brzdových rezistorů tuto energii rozptyluje, zatímco některé se používají jako součást rekuperačního brzdového systému, který energii zachycuje a recykluje.

Disipativní brzdové rezistory jsou dimenzovány pro konkrétní aplikace. Brzdový rezistor VW3A7755 8 Ω společnosti Schneider Electric dokáže rozptýlit až 25 kW, zatímco brzdový rezistor BR300W100 100 Ω společnosti Delta Electronics je dimenzován na 300 W.

Aplikace brzdových rezistorů jsou definovány pomocí procenta rozptylu energie („energy dissipation“, ED %). Definované ED % zajišťuje, že rezistor může účinně rozptylovat teplo generované během brzdění. ED % je na obrázku 3 definováno vzhledem ke špičkovému rozptylu, intervalu brzdění (T1) a celkové době cyklu (T0).

Obrázek 3: Definice procenta rozptylu energie (ED%). (Zdroj obrázku: společnost Delta Electronics)

V závislosti na intenzitě brzdění je ED % specifikováno tak, aby byla zajištěna dostatečná doba, za kterou brzdná jednotka a brzdový rezistor rozptýlí teplo generované brzděním. Pokud se brzdový rezistor zahřívá v důsledku nedostatečného rozptylu tepla, jeho odpor se zvyšuje, čímž se snižuje průtok proudu a absorbovaný brzdný moment.

Brzdové rezistory lze definovat různými cykly rozptylu, jako jsou:

• Lehké brzdění, kde je brzdný výkon omezen na 1,5násobek jmenovitého točivého momentu (Tn) po dobu 0,8 s každých 40 s. Používá se u strojů s omezenou setrvačností, jako jsou vstřikovací stroje.
• Střední brzdění, kde je brzdný výkon omezen na 1,35 Tn po dobu 4 s každých 40 s. Používá se u strojů s velkou setrvačností, jako jsou setrvačníkové lisy a průmyslové odstředivky.
• Silné brzdění, kde je brzdný výkon omezen na 1,65 Tn po dobu 6 s a 1 Tn po dobu 54 s každých 120 s. Používá se u strojů s velmi vysokou setrvačností, často doprovázenou vertikálním pohybem, jako jsou kladkostroje a jeřáby.

Kromě brzdového rezistoru obsahuje většina systémů jednotku tepelného přetížení připojenou k brzdovému rezistoru jako bezpečnostní opatření, jako je relé tepelného přetížení TF65-33 společnosti ABB Control. Jednotka tepelného přetížení chrání rezistor a systém pohonu před příliš častým nebo příliš silným brzděním. Při zjištění tepelného přetížení se pohon vypne. Vypnutí pouze funkce brzdění by mohlo způsobit vážné poškození pohonu.

Ochrana na vstupu pohonu

Síťové tlumivky a filtry na vstupu pohonu omezují nízkofrekvenční harmonické, resp. vysokofrekvenční EMI (obrázek 4). Síťové tlumivky pomáhají snižovat harmonické zkreslení vstupního střídavého proudu způsobené obvody pohonu. Mohou být užitečné zvláště v aplikacích, které musí splňovat požadavky normy IEEE-519 „Řízení harmonických v napájecích systémech“. Síťové tlumivky také vyhlazují rušivé vlivy na síťovém napájení, jako jsou přepětí, špičky a přechodové jevy, zvyšují provozní spolehlivost a zabraňují vypínáním kvůli přepětí.

Obrázek 4: Síťové filtry omezují vysokofrekvenční EMC, zatímco síťové tlumivky omezují nízkofrekvenční harmonické. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Příkladem síťových tlumivek je tlumivka DV0P228 2 mH se jmenovitým proudem 8 A, která je součástí řady třífázových pohonů a příslušenství Minas od společnosti Panasonic, a tlumivka 6SL32030CE132AA0 2,5 mH společnosti Siemens určená pro pohony do 1,1 kW, které odebírají vstupní proud až 4 A a pracují s třífázovým napájením 380 V_AC −10 % až 480 V_AC +10 %.

Síťové filtry

Síťové filtry jsou vyžadovány pro podporu elektromagnetické kompatibility („electromagnetic compatibility“, EMC) a zajištění ochrany proti EMI ve většině aplikací. V závislosti na konkrétním prostředí se v průmyslovém a komerčním (stavebním) prostředí používají dvě klasifikace filtrů EMI, třída A a třída B. Třída B vyžaduje vyšší úroveň filtrování než třída A, protože komerční prostředí (kanceláře, administrativa atd.) obecně zahrnují elektronické systémy, které jsou na EMI citlivější.

Mezi relevantní normy EMC patří norma EN 55011, která podrobně popisuje emisní limity pro průmyslová, vědecká a lékařská zařízení, a norma IEC/EN 61800-3, která se týká konkrétně pohonů s nastavitelnými otáčkami.

VFD/VSD jsou k dispozici s integrovanými síťovými filtry i bez nich. Pokud mají filtr, může být třídy A nebo třídy B. V závislosti na prostředí a faktorech instalace, jako je délka kabeláže, může i pohon s integrovaným filtrem vyžadovat dodatečné filtrování. Pohon určený pro provoz v prostředí třídy A lze po přidání volitelného filtru použít také v prostředí třídy B.

Norma IEC/EN 61800-3 definuje požadavky EMC na základě prostředí a kategorií. Obytné budovy jsou definovány jako první prostředí a průmyslové instalace připojené k distribuční síti středního napětí prostřednictvím svých transformátorů jsou druhým prostředím.

Mezi čtyři kategorie definované v normě EN 61800-3 patří:

• C1 pro systémy pohonů pro jmenovitá napětí < 1 000 V pro neomezené použití v prvním prostředí
• C2 pro stacionární systémy pohonů pro jmenovitá napětí < 1 000 V pro použití ve druhém prostředí a možné použití v prvním prostředí
• C3 pro systémy pohonů pro jmenovitá napětí < 1 000 V pro výhradní použití v druhém prostředí
• C4 speciální požadavky na systémy pohonů pro jmenovitá napětí ≥ 1 000 V a jmenovité proudy ≥ 400 A v druhém prostředí

K dispozici jsou obecné síťové filtry, ale stejně jako síťové tlumivky jsou síťové filtry často určeny pro použití se specifickými řadami pohonů. Například síťový filtr VW3A4708 od společnosti Schneider Electric je dimenzován na 200 A (obrázek 5). Je určen pro VSD Altivar a servopohony Lexium této společnosti. Je dimenzován pro síťová napětí od 200 V_AC do 480 V_AC a má krytí IP20. Jeho hodnocení dle normy EN 61800-3 závisí na délce kabelu motoru:

• Kategorie C1 s použitím až 50 m stíněného kabelu
• Kategorie C2 s použitím až 150 m stíněného kabelu
• Kategorie C3 s použitím až 300 m stíněného kabelu

Obrázek 5: Síťový filtr 200 A určený pro síťová napětí od 200 _AC do 480 V_AC. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Závěr

VSD a VFD jsou důležité systémy pro maximalizaci účinnosti průmyslových provozů a minimalizaci emisí skleníkových plynů. Tyto pohony vyžadují několik podpůrných součástek k zajištění efektivních a spolehlivých instalací, které splňují příslušné mezinárodní normy, včetně kabelů VFD, výstupních tlumivek, brzdových rezistorů, síťových tlumivek a síťových filtrů.