Specificera och använd kablage för frekvensomriktare för förbättrad tillförlitlighet och säkerhet och minska koldioxidutsläppen

Frekvensomriktare (VFD) och motorer kan minska koldioxidutsläppen och öka effektiviteten, tillförlitligheten och säkerheten i olika system, inklusive transportband, pumpar, blandare, hissar, värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC) och liknande tillämpningar. Det kablage som ansluter frekvensomriktaren till motorn är en kritisk länk i systemet. Utan korrekt kabelförläggning kan operatörens säkerhet äventyras och motorns tillförlitlighet och livslängd försämras.

Typiska system med frekvensomriktare arbetar under tuffa förhållanden som inkluderar högspänningstoppar så höga som två till tre gånger matningsspänningen och höga nivåer elektromagnetiska störningar, både utstrålade och överförda. Kablaget kan dessutom utsättas för höga temperaturer. Kablaget måste vara beständigt mot olja, vatten och ultraviolett strålning (UV) samtidigt som det måste vara mycket böjtåligt och uppfylla många tekniska krav från UL, CSA, NFPA och NEC.

Utmanande driftsmiljöer och tekniska krav för installationer med frekvensomriktare komplicerar specifikationen för kablaget. Artikeln beskriver kortfattat hur frekvensomriktare och motorer fungerar, vilka krav som ställs på kablagets isolering och behovet av elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Artikeln jämför standarder som t.ex. UL 1277 TC ER, WTTC och installationskablage och granskar standarderna NEC och NFPA. Den presenterar även överväganden om kablagets struktur innan artikeln avslutas med en översikt över exempel på kablage från Belden, Helukabel, Igus, LAPP och SAB North America.

Miljöutmaningar

Motorer med frekvensomriktare, drivenheter och kablaget som ansluter dem arbetar i krävande elektriska miljöer. Kablaget för frekvensomriktare måste på ett effektivt sätt kunna leverera hög effekt vid höga spänningar och hantera höga spänningstoppar och störningsnivåer. Isoleringen i kablage för frekvensomriktare utsätts för krävande förhållanden, t.ex. reflekterade vågor och koronatändspänning (figur 1):

• Reflekterade vågor: Reflekterade vågor kan orsakas av felaktiga impedanser mellan en motor med frekvensomriktare och kablaget. Det kan leda till att spänningsvågor studsar tillbaka till drivenheten. Utan en mycket effektiv isolering kan reflekterade vågor bryta ner isoleringen och överhetta kabeln.
• Koronatändspänning/koronaurladdning: Spänningen för pulsbreddsmoduleringen i system med frekvensomriktare svänger snabbt från noll till toppspänning. Utan en ordentlig isolering kan en högspänningstopp som ligger över kablagets koronatändspänning leda till att luften runt ledaren joniseras, vilket i sin tur kan resultera i en koronaurladdning som kan smälta isoleringen och skada motorn, motorns lager och drivenheten.

Figur 1: Isoleringen för kablaget för frekvensomriktaren måste hantera reflekterade vågor och koronatändspänning. (Bildkälla: SAB North America)

Skärmning och jord

Förutom att klara spänningstoppar måste kablage för frekvensomriktare hantera höga nivåer av elektromagnetisk kompatibilitet. Särskild hänsyn till elektromagnetisk kompatibilitet omfattar:

• Common mode-strömmar som uppstår när summan av trefasspänningen i frekvensomriktaren inte blir noll, vilket skapar en obalans i spänningen. När spänningsnivån som inte är noll ändras, återgår en proportionerlig laddningsström genom jordledaren. Hög common mode-ström skapar en jordslinga som stör systemets funktion.
• Överförda elektriska störningar från frekvensomriktarens frekvenser kan orsaka elektromagnetiska störningar (EMI) och radiofrekvensstörningar (RFI) samt påverka närliggande komponenter och system.

En effektiv jordning av drivenheten, kablaget och motorn skapar en Faradays bur som garanterar robusta EMC-egenskaper (figur 2).

Figur 2: Kablage för frekvensomriktare kan med korrekt utförda jordanslutningar dämpa common mode-strömmar och elektriska störningar. (Bildkälla: SAB North America)

Kabelgenomföringar jämfört med rör

Kablage för frekvensomriktare finns med små diametrar för förläggning i rör och med kontinuerligt svetsade förstärkta kabelstrukturer . Dessa lösningar medför komplicerade och kostsamma installationer och har potentiella tillförlitlighetsproblem. Det finns även installationskabel (TC) som inte kräver rör. Om ett rör finns tillgängligt kan det användas för att skapa en Faradays bur mellan drivenheten och motorn. När olika klasser av installationskabel används kan kabelgenomföringar för elektromagnetisk kompatibilitet läggas till för att slutföra Faradays bur. Kabelgenomföringar med elektromagnetisk kompatibilitet har en IP 68-klassificering och är vattenbeständiga i sötvatten till ett maximalt djup av 1,5 meter i upp till 30 minuter samt skyddar mot damm, vilket gör dem lämpliga för användning i krävande industri- och utomhusmiljöer (figur 3).

Figur 3: Kabelgenomföringar kan användas som anslutningar till drivenhetens elektronik och motor för att skapa en Faradays bur och kontrollera de elektromagnetiska störningarna. (Bildkälla: SAB North America)

Kabelklasser

Installationskabel kan förenkla installationen och minska kostnaderna. De klassificeras enligt olika tillämpningskriterier, som t.ex. märkspänning, flexibilitet och kross-/slagtester. Det finns två huvudstandarder för UL. Båda standarderna gäller för kablage större än 0,75 mm². De två standarderna är:

UL 1277, Installationskablage för elektrisk kraft och styrning, omfattar flera olika typer av installationskablage som är klassificerade för 600 V.

• Enkel installationskabel är den vanligaste typen och används som kablage för frekvensomriktare där flamskyddande egenskaper är ett krav.
• Exponerat installationskablage (TC-ER) måste klara strängare kross- och slagtester än en enkel installationskabel. Den förläggas fritt mellan kabelstegar på en sträcka av i genomsnitt 1,8 m (6 fot).
• THHN/PVC är en billig konstruktion för installationskablage med hölje av termoplast. Den är lämplig för nedgrävning och för förläggning i rör.

UL 2277, Böjtåligt installationskablage för motorförsörjning och vindkraftverk, omfattar två typer av installationskablage som är klassificerade för 1 000 V.

• Böjtåligt installationskablage för motorförsörjning (FMSC) är framtagen för att i första hand användas som strömförsörjningskablage för motorer med frekvensomriktare.
• Installationskablage för vindkraftverk (WTTC) tål extrema, tuffa förhållanden för tillämpningar i vindkraftverk, som t.ex. olja, nötning, extrema temperaturer, vatten, ständiga rörelser och så vidare.

NEC och NFPA

Överensstämmelse enligt NEC 79/NFPA 79 2018 års utgåva krävs ofta, men inte alltid, i USA beroende på lokala byggregler. Standarden kräver att kablage för frekvensomriktare ska märkas RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW eller XHHW-W och definieras enligt följande:

• RHW, RHH och RHW-2 har en gummiisolering för hög temperatur.
  • RHW anger att det är ett vattenbeständigt kablage med en temperaturklassificering på +75 °C
  • RHH anger att det är ett kablage med en temperaturklassificering på +75 °C som inte är vattenbeständig
  • RHW-2 anger att det är ett vattenbeständigt kablage med en temperaturklassificering på +90 °C
• XHH, XHHW och XHHW-W använder en isolering av tvärbunden polyeten (XLPE).
  • XHH är avsedd för användning i fuktiga utrymmen och har en klassificering på +75 °C
  • XHHW är avsedd för användning i våtutrymmen och har en klassificering på +75 °C
  • XHHW2 är avsedd för användning i våtutrymmen och har en klassificering på +90 °C

Isolering av XLPE är lättare och mer böjtålig än gummiisolering, vilket gör kablage med isolering av XLPE enklare att installera, särskilt vid låga temperaturer. Dessutom har XLPE mindre läckage jämfört med gummiisolering.

Konstruktion av kablage

Det finns många sätt att implementera installationskablage för frekvensomriktare. Artikelnummer CF31-25-04 från Igus är ett bra exempel på många av de gemensamma delarna; numren i listan motsvarar figur 4:

1. Yttermanteln är tillverkad av tryckextruderad, oljebeständig PVC-blandning med låg vidhäftning.
2. Den yttre skärmningen är tillverkad av mycket böjtålig kontinuerlig flätning av förtennade koppartrådar.
3. Innermantel av tryckextruderad kilformad PVC.
4. CFRIP är en rivtråd från Igus som gjutits in i innermanteln för snabbare skalning av kabel.
5. Kärnisolering av tvärbunden polyetenplast som har en tredimensionell bindning inom plasten; XLPE har hög mekanisk hållfasthet och låg kapacitans.
6. Ledare som varierar för kärnor < 10 mm² och kärnor ≥ 10 mm² baserat på standarden DIN EN 60228.
7. Central dragavlastning, ett material som är motståndskraftigt mot dragpåfrestning.

Figur 4: Exempel på kablage för frekvensomriktare som illustrerar skärmnings- och dragavlastningsdelar utöver de strömförande ledarna. (Bildkälla: Igus)

Fler valmöjligheter

För konstruktioner som kräver en mindre kabeldiameter har LAPP tagit fram serien ÖLFLEX VFD 1XL, en serie kablage för frekvensomriktare som är robusta, oljebeständiga, UV-beständiga och skärmade. Den ovanligt lilla diametern för isoleringen av XLPE gör detta kablage lämpligt för användning i små installationer där vanligt kablage kan vara för stort. Den mindre diametern skapar dessutom en ökad flexibilitet för snabbare installation. Detta installationskablage, som har klassificeringen TC-ER, kan installeras utan rör, men den mindre diametern och flexibiliteten gör det enklare att använda rör vid behov. De uppfyller effektivitetskraven för XHHW2. LAPP har till exempel flera modeller med fyra ledare (inklusive jord) plus skärmledare, som t.ex. modell 701703 med elektriska ledare på 5,3 mm² och modell 701717 med elektriska ledare på 33,6 mm².

Helukabel har flera olika installationskablage, som har klassificeringen TC ER och WTTC, med elektriska ledare på mellan 33,6 och 0,8 mm², som till exempel installationskabel 63141 med fyra elektriska ledare på 3,3 mm². Den har två skärmar som kombinerar aluminiumfolie (100 % täckning) och en fläta av förtennad koppar (ca 85 % täckning). Den har en isolering av tvärbunden polyetylen och mantel av PVC som är beständig mot olja, kylvätskor, lösningsmedel och rengörings-/desinfektionsmedel. Kablaget är klassificerat för öppen, oskyddad installation i kabelrännor och från kabelränna till maskin. Dessutom är de lämpliga för installation i rör eller för nedgrävning utan skydd.

Kablage med hög böjningstålighet

Belden har flera olika serier av installationskabel med olika elektriska ledare- och jordkonfigurationer som använder flera olika isolerings- och skärmningsmaterial (figur 5). För installationer som kräver mycket böjtåligt installationskablage har de HighFlex VFD med flera olika nivåer av böjtålighet och upp till 10 miljoner böjningscykler. Kablaget har tunna förtennade kopparkardeler, där vissa modeller har över 2 000 enskilda kardeler, och en flexibel mantel av termoplastelastomer (TPE) som gör den enkel att installera. Ett exempel är artikelnummer 29501F 0101000, som uppfyller klassificeringen TC-ER och WTTC, är konstruerad för kontinuerlig rörelse och för tillämpningar på maskiner och uppfyller kraven i XHHW2 för användning i våtutrymmen vid upp till +90 °C. Måltillämpningar för HighFlex VFD-kablar omfattar:

• Drift av processutrustning
• Drivning av pumpar
• Drivning av fläktar
• Drivning av transportband för material
• Rörliga robotarmar

Figur 5: Några av de många elektriska ledare- och jordkonfigurationer samt isolerings- och skärmningsmaterial som används i kablage för frekvensomriktare. (Bildkälla: Belden)

Kablage för frekvensomriktare från SAB är konstruerade för att tillhandahålla optimerad elektromagnetisk kompatibilitet. En konstruktion som är anpassad för kontinuerlig rörelse finns också tillgänglig. Kablaget uppfyller kraven för exponerad installationskabel och installationskabel för vindkraftverk och har en isolering av tvärbunden polyetylen för förbättrad kapacitans med två alternativ; ett med minskad diameter och ett som stödjer längre sträckor. Olika tillverkare av motorer med frekvensomriktare har olika krav på storleken på paren för kombinerat installationskablage och kan kräva ett kablage med eller utan skärmledare. Kablage för frekvensomriktare från SAB omfattar kablage som uppfyller de flesta tillämpningskrav, som t.e.x strömförsörjning med ett kombinerat par för broms- eller temperaturavkänning, flera alternativ för antalet par med 0,8, 1,3, 2,1 och 3,31 mm², och vissa konstruktioner med två par. De har dubbla skärmar som kombinerar folie med en fläta av förtennad koppar, och konstruktioner för jordsymmetri finns som tillval. Kablaget har en böjningsradie som är tolv gånger kabelns diameter och är klassificerad enligt XHHW2 för användning i våtutrymmen vid upp till +90 °C. Ett bra exempel på en sådan kabel är modellen 35661204,, en kabel med fyra elektriska ledare på 3,3 mm².

Sammanfattning

Kablage för frekvensomriktare används i tuffa elektriska miljöer och måste tåla höga temperaturer, exponering för vatten, olja och/eller olika kemikalier. Att specificera detta kablage är en komplicerad process som kräver att man tar hänsyn till olika isoleringsegenskaper, inklusive förmågan att motstå reflekterade vågor och koronatändspänningar, skärmning, kabelgenomföringar för elektromagnetiskt kompatibilitetsskydd samt standarderna UL, NEC och NFPA. Korrekt specificerat och installerat kablage för frekvensomriktare bidrar till enklare och billigare installationer, förbättrad motordrift, mindre koldioxidutsläpp och bättre operatörssäkerhet.