Vilka stödkomponenter krävs för att maximera effekten vid användning av frekvensomriktare och varvtalsreglerare? - Del 1

Del 1 i denna artikelserie handlar om vad man bör tänka på vid val av anslutningskablar för motorer, utgångsreaktorer, bromsresistorer, ledningsreaktorer och linjefilter. Del 2 fortsätter med att titta på skillnaderna mellan varvtalsreglerare/frekvensomriktare och servodrivsystem, granskar användningsområden för roterande och linjära servomotorer för växel- och likström, tittar på var enheter för mjuk start och stopp passar in i industriell verksamhet och tittar på hur likströmsomvandlare används för att driva kringutrustning som t.ex. givare, gränssnitt mellan människa och maskin samt säkerhetsanordningar.

Att använda varvtalsreglerare och frekvensomriktare (VSD/VFD) är viktigt för att maximera verkningsgraden och hållbarheten i industriella verksamheter, men det räcker inte. För att nyttja varvtalsreglerarens/frekvensomriktarens fulla potential krävs ytterligare komponenter som t.ex. kablar med hög prestanda, bromsresistorer, linjefilter, linjereaktorer, utgångsreaktorer med mera.

Kablar är ständigt förekommande och är viktiga. En felaktigt specificerad kabel som ansluter varvtalsreglerare/frekvensomriktare till motorer kan försämra systemets prestanda avsevärt. Andra delar, som t.ex. bromsresistorer, filter och reaktorer, varierar från installation till installation och kan vara mycket viktiga för en lyckad installation.

Vissa system arbetar till exempel i områden där det är nödvändigt att kontrollera elektromagnetiska störningar och kan dra nytta av att använda linjefilter som uppfyller EN 61800-3 kategori C2. Tillämpningar som kräver snabb inbromsning kräver bromsresistorer. Linjereaktorer kan förbättra effektfaktorn och öka verkningsgraden, och utgångsreaktorer kan göra det möjligt att använda längre kablar.

Artikeln inleder med en genomgång av vad man bör tänka på när man väljer anslutningskablar för motorer och presenterar typiska alternativ från LAPP och Belden. Därefter granskas faktorer som påverkar valet av utgångsreaktorer, bromsresistorer, linjereaktorer och linjefilter, inklusive typiska enheter från ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic och Siemens.

Motorkablar finns i olika konfigurationer för att uppfylla specifika tillämpningskrav. De har normalt tre huvudsakliga ledare för ström, ofta isolerade med tvärbunden polyeten (XLPE). Några har oisolerade jordledare. Det kan finnas olika signalledare och många olika typer av skärmning som t.ex. flätor och folie. Hela konstruktionen är omsluten av ett miljötåligt ytterhölje (figur 1).

Figur 1: Motorkablar för frekvensomriktare finns i en mängd olika konfigurationer. (Bildkälla: Belden)

Även enkla kablar, som t.ex. artikelnummer 29521C 0105000 i sortimentet Belden Basic, är komplexa sammansättningar av ledare, skärm och isolering. Kablarna har tre kopparledare á 2,5 mm² (7x22 trådar) som är isolerade med tvärbunden polyeten och tre oisolerade kopparledare á 0,75mm² (7x26 trådar) för jordning. De sex ledarna är omgivna av en dubbelt spirallindad skärmande tejp som ger fullständig täckning, och hela kabeln är omsluten av en mantel av polyvinylklorid (PVC) för att skydda mot den omgivande miljön.

Kablar ur sortimentet Belden Basic är lämpliga för användning i farliga miljöer av klass 1 indelning 2 enligt standarden NEC (National Electrical Code). Klass 1 avser anläggningar som hanterar brandfarliga gaser, ångor och vätskor. IndelningDivision 2 anger att dessa brandfarliga material normalt inte förekommer i koncentrationer som är tillräckligt höga för att vara antändliga.

Vissa kabelserier, som t.ex. ÖLFLEX VFD 1XL från LAPP, finns både med och utan signalledare. Tillämpningar som använder signalledare kan använda sig av kabeln 701710l från LAPP. Den innehåller tre ledare för kraft, en ledare för jord samt ett par signalledare. Kraftledarna är 1,5 mm² (26x30) med isolering av tvärbunden polyeten (plus). Signalparet är individuellt skärmat med folie.

Hela konstruktionen är skärmad med barriärtejp, folietejp i tre lager (100 % täckning) och förtennad kopparflätning (85 % täckning). Ytterhöljet är en specialutvecklad termoplastisk elastomer (TPE) som är motståndskraftig mot desinfektionslösningar och används vanligtvis inom livsmedels-, dryckes-, kemikalie- och relaterande industrier.

Kablar för frekvensomriktare måste inte bara hantera ström och signaler på ett tillförlitligt och effektivt sätt, de måste även klara av höga spänningstoppar och elektromagnetiska störningar som uppstår vid frekvensomriktarens höga frekvenser. Kablar för frekvensomriktare är konstruerade för att begränsa och hantera höga spänningstoppar och elektromagnetiska störningar men de har sina begränsningar (figur 2). Det är då belastningsreaktorer minskar höga spänningstoppar och elektromagnetiska störningar.

Figur 2: Ej hanterade höga spänningstoppar kan tränga igenom isoleringen och leda till att kabeln går sönder. (Bildkälla: LAPP)

För en mer detaljerad diskussion gällande val av kablar för frekvensomriktare, se "Specificering och användning av kabel för frekvensomriktare för att förbättra tillförlitligheten, säkerheten samt minska koldioxidutsläppen".

Lastreaktorer

Lastreaktorer, även kallade utgångsreaktorer, ansluts nära frekvensomriktarens utgång för att minska påverkan orsakat av höga spänningstoppar och elektromagnetiska störningar samt att de skyddar ledarisoleringen i både kabel och motor. Varvtalsreglerare/frekvensomriktare skapar en högfrekvent (vanligtvis mellan 16 och 20 kHz) utsignal. Den högfrekventa switchningen medför höjningstider på några mikrosekunder för spänningen, vilket orsakar höga spänningstoppar som kan överskrida motorns toppspänning, vilket i sig kan leda till isolationsgenombrott.

Beroende på vilken typ av motor som används rekommenderas ofta lastreaktorer om längden för kabeln till frekvensomriktaren överstiger 30 m. Det finns undantag, t.ex. om motorn uppfyller standarden NEMA MG-1 del 31 kan det vara möjligt att använda en 90 m lång kabel utan att använda en lastreaktor.

Om kabellängden överstiger 90 m rekommenderas vanligtvis en lastreaktor, oavsett motortyp. Om avståndet överstiger 150 m rekommenderas vanligtvis ett särskilt konstruerat filter. I miljöer som är känsliga för elektromagnetiska störningar är det oftast bra att använda en lastreaktor för alla tillämpningar.

Lastreaktorer är ofta konstruerade för att användas med specifika modeller av drivsystem. Lastreaktorn 3G3AX-RAO04600110-DE från Omron är t.ex. klassificerad för 11 A och 4,6 mH och avsedd för användning med motorer på 400 V, med tre faser och med en effekt på 5,5 kW som drivs av företagets frekvensomriktare 3G3MX2-A4040-V1.

Bromsresistorer och termiska överbelastningar

Förutom en lastreaktor kan en bromsresistor och enhet för avstängning vid termisk överbelastning vara viktiga tillägg till utgångarna på en varvtalsreglerare/frekvensomriktare. Bromsresistorer möjliggör ett maximalt transient bromsmoment genom att absorbera bromsenergin. De flesta bromsresistorer avleder energin medan vissa används som en del av ett regenerativt bromssystem som fångar upp och återvinner energin.

Avledande bromsresistorer är klassificerade för särskilda tillämpningar. Bromsresistorn VW3A7755 på 8 Ω från Schneider Electric kan avleda upp till 25 kW, medan bromsresistorn BR300W100 på 100 Ω från Delta Electronics är dimensionerad för 300 W .

Tillämpningar med bromsresistorer definieras med hjälp av en procentuell energiförlust (ED%). Den definierade procentuella energiförlusten säkerställer att resistorn kan avleda den värme som genereras vid inbromsning på ett effektivt sätt. Den procentuella energiförlusten definieras i förhållande till den maximala avledningen, bromsintervallet (T1) samt den totala cykeltiden (T0) enligt figur 3.

Figur 3: Definition av procentuell energiförlust (ED%). (Bildkälla: Delta Electronics)

Beroende på hur kraftig inbromsningen är anges den procentuella energiförlusten för att säkerställa att bromsenheten och bromsresistorn hinner avleda den värme som genereras vid inbromsningen. Om bromsresistorn värms upp på grund av otillräcklig värmeavledning ökar resistansen vilket minskar strömflödet och det absorberade bromsmomentet.

Bromsresistorer kan definieras genom olika avledningscykler, som t.ex:

• Lätt inbromsning, där bromseffekten är begränsad till 1,5 gånger det nominella vridmomentet (Tn) under 0,8 s var 40:e s. Används för maskiner med begränsad tröghet, som t.ex. formsprutningsmaskiner
• Medelhård inbromsning, där bromseffekten är begränsad till 1,35 gånger det nominella vridmomentet (Tn) under 4 s var 40:e s. Används för maskiner med hög tröghet, som t.ex. svänghjulspressar och industriella centrifuger
• Kraftig inbromsning där bromskraften är begränsad till 1,65 gånger det nominella vridmomentet i 6 s och i 54 s var 120:e s. Används för maskiner med mycket hög tröghet, ofta med vertikal rörelse, som t.ex. lyftanordningar och kranar

Förutom en bromsresistor innehåller de flesta system en enhet för termisk överbelastning som är ansluten till bromsresistorn som en säkerhetsåtgärd, som t.ex. det termiska reläet för överbelastning TF65-33 från ABB Control. Enheten för termisk överbelastning skyddar resistorn och drivsystemet mot inbromsningar som sker för ofta eller är för kraftiga. När en termisk överbelastning detekteras stängs drivsystemet av. Om du bara stänger av bromsfunktionen kan det leda till allvarliga skador på drivsystemet.

Skydd för frekvensomriktarens ingång

Linjereaktorer och filter på frekvensomriktarens ingång begränsar lågfrekventa övertoner respektive högfrekventa elektroniska störningar (figur 4). Linjereaktorer bidrar till att minska den harmoniska distorsionen i den ingående växelströmmen som orsakas av frekvensomriktarens kretsar. De kan vara särskilt användbara i tillämpningar som måste uppfylla kraven enligt IEEE-519, "Harmonic Control in Power Systems". Linjereaktorer jämnar även ut störningar på elnätet som t.ex. överspänningar, spänningstoppar och transienter, vilket ökar driftsäkerheten och förhindrar avbrott orsakade av överspänning.

Figur 4: Linjefilter begränsar högfrekvent elektromagnetisk kompatibilitet medan linjereaktorer begränsar lågfrekventa övertoner. (Bildkälla: Siemens)

Exempel på linjereaktorer inkluderar induktorn DV0P228 på 2 mH klassificerad för 8 A som ingår i Minas-familjen av drivsystem för tre faser och tillbehör från Panasonic, och induktorn 6SL32030CE132AA0 på 2,5 mH från Siemens som är klassificerad för drivsystem på upp till 1,1 kW som förbrukar upp till 4 A ström och drivs med 380 V_AC -10 % till 480 V_AC +10 % för tre faser.

Linjefilter

Linjefilter krävs för att stödja elektromagnetisk kompatibilitet och skydda mot elektromagnetiska störningar i de flesta tillämpningar. Beroende på den specifika miljön används två klassificeringar av filter för elektromagnetiska störningar, klass A och klass B, i industriella respektive kommersiella miljöer (byggnader). Klass B kräver en högre filtreringsnivå än klass A eftersom kommersiella miljöer (kontor, administration etc.) i allmänhet innehåller elektroniska system som är mer känsliga för elektromagnetiska störningar.

Bland de relevanta standarderna för elektromagnetiska störningar finns EN 55011 som beskriver begränsningar i utstrålning för industriell, vetenskaplig och medicinsk utrustning, och IEC/EN 61800-3 som särskilt avser varvtalsreglerare.

Frekvensomriktare/varvtalsreglerare finns både med och utan integrerade linjefilter. Om de har ett filter kan det vara klass A eller klass B. Beroende på miljön och installationsfaktorer som t.ex. kabellängder kan en frekvensomriktare med ett integrerat filter behöva ytterligare filtrering. En frekvensomriktare som är klassificerad för drift i klass A-miljöer kan även användas i klass B-miljöer med hjälp av ytterligare ett filter.

IEC/EN 61800-3 definierar kraven för elektromagnetisk kompatibilitet baserat på miljöer och kategorier. Bostadshus definieras som den första miljön och industrianläggningar som är anslutna till distributionsnätet för mellanspänning via sina transformatorer utgör den andra miljön.

De fyra kategorierna som definieras i EN 61800-3 omfattar:

• C1, för drivsystem med märkspänningar < 1 000 V för obegränsad användning i den första miljön
• C2, för stationära drivsystem med märkspänningar < 1 000 V för användning i den andra miljön och möjlig användning i den första miljön
• C3, för drivsystem med märkspänningar < 1 000 V för användning i enbart den andra miljön
• C4, särskilda krav för drivsystem med märkspänningar ≥ 1 000 V och märkströmmar ≥ 400 A för den andra miljön

Det finns tillgängliga generiska linjefilter, men i likhet med linjereaktorer är linjefilter ofta konstruerade för användning med specifika produktfamiljer av frekvensomriktare. Linjefiltret VW3A4708 från Schneider Electric är exempelvis klassificerat för 200 A (figur 5). Den är avsedd för företagets varvtalsreglerarserie Altivar och servodrivsystemen Lexium. Den är klassificerad för nätspänningar från 200 V_AC till 480 V_AC och har en klassificering enligt IP20. Klassificeringen enligt EN 61800-3 beror på motorkabelns längd:

• Kategori C1 med upp till 50 m skärmad kabel
• Kategori C2 med upp till 150 m skärmad kabel
• Kategori C3 med upp till 300 m skärmad kabel

Figur 5: Linjefilter på 200 A för nätspänningar från 200 V_AC till 480 V_AC. (Bildkälla: Schneider Electric)

Sammanfattning

Varvtalsreglerare och frekvensomriktare är viktiga system för att maximera effektiviteten i industriella verksamheter och minimera utsläppen av växthusgaser. Frekvensomriktarna kräver flera stödkomponenter för att säkerställa effektiva och tillförlitliga installationer som uppfyller relevanta internationella standarder, inklusive kablar för frekvensomriktare, utgångsreaktorer, bromsresistorer, linjereaktorer och linjefilter.