Bemühungen zur industriellen Automatisierung und Energieeffizienz führen zu einem zunehmenden Einsatz von Frequenzumrichtern (VFDs) in Motorsystemen wie Förderbändern, Pumpen und Industrierobotern. Die Kabelauswahl für diesen Motortyp ist weitaus komplizierter als die Bestimmung des Kabelquerschnitts anhand des Laststroms und des Isolationsgrads anhand der Betriebsspannung.
Moderne VFD-Motorsysteme verwenden Leistungselektronik im Schaltmodus, um ein Pulsweitenmodulations-Antriebssignal (PWM) mit extrem schnellen Flanken zu erzeugen. Diese schnellen Transienten erhöhen die Signalreflexionen, die durch Impedanzfehlanpassungen zwischen dem Kabel und den Motoranschlüssen verursacht werden, und erzeugen stehende Wellen, die die Spannungsbelastung im Kabel erhöhen. Darüber hinaus beeinflussen die Leitungs-zu-Leitungs- und Leitungs-zu-Erde-Kapazitäten des Kabels die Treiberleistung und erhöhen den Ladestrom. Da das VFD-PWM-Signal eine große Anzahl hochfrequenter Oberwellen enthält, müssen die Motorkabel wirksam abgeschirmt werden, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren.
In diesem Dokument wird der VFD kurz beschrieben und die Herausforderungen erörtert, mit denen Konstrukteure bei der Auswahl von VFD-Motorkabeln konfrontiert sind, um die für einen ordnungsgemäßen Betrieb erforderliche Funktionalität, Zuverlässigkeit und Sicherheit sicherzustellen. Anschließend werden die VFD-Kabel von LAPP vorgestellt und demonstriert, wie sie zur Bereitstellung stabiler Strom- und Steuersignale bei gleichzeitiger Reduzierung der EMI-Strahlung und der Anfälligkeit gegenüber rauen Umgebungen eingesetzt werden können.
VFD-Einführung
Die industrielle Automatisierung erfordert, dass der Motor zuverlässig und effizient arbeitet und innerhalb des gesamten Drehzahlbereichs in jede Richtung arbeiten kann. Der VFD, manchmal auch als Reglertreiber bezeichnet, ist eine Motorsteuerung, die die Drehzahl und das Drehmoment eines Wechselstrom-Induktionsmotors (ACIM) regelt, indem er die Eingangsfrequenz, die Spannung und den Arbeitszyklus des Motors variiert. Das Funktionsprinzip von VFD besteht darin, einen AC-Gleichrichtungseingang und einen DC-Ausgang zu nutzen, um ein PWM-Signal zum Antrieb des Motors zu erzeugen. Durch Anpassen der Frequenz, Breite und Amplitude dieser Impulssignale können die Motorgeschwindigkeit und das Ausgangsdrehmoment in verschiedenen Motorantriebssystemen gesteuert werden.
Um seine Funktion zu erfüllen, besteht der VFD aus drei Hauptkomponenten (Abb. 1): einem Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, einem Wechselrichter, der Gleichstrom in PWM-Fluss umwandelt, und einem VFD-Controller.
VFD richtet den Wechselstromeingang gleich und erzeugt ein PWM-Signal mit Gleichstrom (klicken Sie auf „Verstärkung“).
Abbildung 1: VFD richtet den Wechselstromeingang gleich und erzeugt mithilfe von Gleichstrom ein PWM-Signal zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit und des Ausgangsdrehmoments. Bildquelle: Art Pini)
Der Controller überwacht den Motorbetrieb über eine Vielzahl von Sensoren, um kritische Motorparameter zu steuern. Zu diesen Sensoren gehören Drehtransformator-/Encoder-Feedback, Drehzahlmesser sowie Temperatur- und Vibrationssensoren.
Dieser Gleichrichter verwendet herkömmliche Dioden gefolgt von Filtern. Der Wechselrichter verwendet Leistungs-Feldeffekttransistoren (FET) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT). Diese Transistoren werden von einem isolierten Hochspannungs-Gate-Treiber angesteuert, der zentral von einem VFD-Controller gesteuert wird.
Der VFD unterscheidet sich vom herkömmlichen Drehstrombetrieb dadurch, dass das Signal des Antriebsmotors keine Sinuswelle, sondern ein PWM-Impuls ist (Abb. 2).
Der PWM-Impuls des VFD erzeugt eine sinusförmige Stromreaktion
Abbildung 2: Der PWM-Impuls des VFD erzeugt eine sinusförmige Stromreaktion in der Motorwicklung. Bildquelle: LAPP)
Die PWM-Signalfrequenz beträgt im Allgemeinen 2 kHz bis 20 kHz. Der Wechselrichter verbindet den Motor abwechselnd mit den positiven und negativen Polen des AC-Busses und mit der gemeinsamen Gleichspannung. Die DC-Busspannung liegt nahe an der Spitzenspannung des AC-Busses. Die verwendete VFD-PWM-Wellenform erzeugt eine sinusförmige Stromreaktion zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit und des Drehmoments.
Aufgrund der Eigenschaften der PWM-Welle sind spezielle Kabel erforderlich, um den VFD mit dem Motor zu verbinden. Diese Wellenform ist ein Rechteckimpuls mit breitem Spektrum und reich an Harmonischen. Das VFD-Kabel wurde speziell entwickelt, um die Strahlung dieser Hochfrequenzsignale zu reduzieren. Darüber hinaus muss die Impulssprunggeschwindigkeit so schnell wie möglich eingestellt werden, um den Schaltverlust von Wechselrichterschaltgeräten zu minimieren und die Systemeffizienz zu maximieren. Dies führt zu einer sehr hohen Spannungsänderungsrate (dV/dt) an der Impulsflanke. Diese Eigenschaften führen in Kombination mit schnellen Flanken und hochfrequenten Spektralkomponenten zu hohen elektromagnetischen Störungen. Schnelle Kanten erzeugen auch Reflexionen in der Übertragungsleitung, wenn sich die Kabelimpedanz ändert. Diese Reflexion erzeugt eine stehende Welle im Kabel, die die Spannung am Kabel erhöht und eine höhere Nennspannung des VFD-Kabels erfordert.
Ein weiteres Problem ist die Kabelkapazität zwischen metallischen Leitern. Wenn der Wechselrichterschalter das Kabel mit dem DC-Bus verbindet, wird ein Stromstoß erzeugt, der die Kapazität des Kabels auflädt. Dies erhöht den momentanen Strompegel und kann zu einer Beschädigung des Kabels führen. Dieser Gleichtaktstrom kann zwischen Phasen oder von einer Phase zur Erde fließen. Dieser Strom kann auch durch das Motorgehäuse in die Erdungsschleife gelangen und durch die Motorlager fließen. Der durch das Lager fließende Strom verursacht Lochfraß auf der Lageroberfläche, was die Lebensdauer des Motors verkürzt. Diese Probleme treten typischerweise in VFD-Systemen mit hoher Spannung, hoher Motorleistung (HP) und langen Kabelwegen auf.
Wie bei allen Drähten und Kabeln fließt Strom durch den Gleichstromwiderstand des Kabels, was zu Leistungsverlusten führt. Darüber hinaus kann es aufgrund der großen spektralen Bandbreite von PWM-Signalen zu einem Anstieg des Kabelwiderstands aufgrund des Skin-Effekts kommen. Diese Widerstandseffekte variieren mit der Kabellänge.