VFD-kabels specificeren en gebruiken om de betrouwbaarheid en veiligheid te verbeteren en de koolstofemissies te verminderen

Aandrijvingen met variabele frequentie en motors met variabele frequentie kunnen de koolstofuitstoot verminderen en de efficiëntie, betrouwbaarheid en veiligheid van verschillende systemen verhogen, waaronder transportbanden, pompen, mixers, liften, HVAC-systemen (verwarming, ventilatie en airconditioning) en soortgelijke toepassingen. De bekabeling die de VFD verbindt met de motor is een kritieke schakel in het systeem. Zonder de juiste bekabeling kan de veiligheid van de operator in het gedrang komen en kunnen de betrouwbaarheid en levensduur van de motor afnemen.

Typische VFD-systemen werken onder zware omstandigheden, waaronder hoge spanningspieken die twee tot drie keer de voedingsspanning bereiken en hoge niveaus van uitgestraalde en geleide elektromagnetische ruis. Bovendien kunnen de kabels worden blootgesteld aan hoge temperaturen. Ze moeten bestand zijn tegen olie, water en ultraviolette (UV) straling terwijl ze een hoge mate van flexibiliteit behouden en voldoen aan talloze technische vereisten van UL, CSA, NFPA en NEC.

Uitdagende bedrijfsomgevingen en technische eisen voor VFD-installaties bemoeilijken de kabelspecificatie. In dit artikel wordt kort ingegaan op de werking van VFD's en motors, de eisen die worden gesteld aan kabelisolatie en de noodzaak van elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Het artikel vergelijkt specificaties zoals UL 1277 TC ER, WTTC- en TC-kabels en onderzoekt NEC- en NFPA-vereisten. Ook worden overwegingen met betrekking tot de kabelstructuur gepresenteerd voordat wordt afgesloten met een overzicht van voorbeeldkabels van Belden, Helukabel, Igus, LAPP en SAB North America.

Milieu-uitdagingen

VFD-motors, aandrijvingen en de kabels die ze verbinden, werken in zware elektrische omgevingen. VFD-kabels moeten efficiënt een hoog aandrijfvermogen leveren bij hoge spanningen en hoge spanningspieken en hoge ruisniveaus aankunnen. De isolatie in VFD-kabels wordt blootgesteld aan uitdagende omstandigheden zoals gereflecteerde golven en corona-uitgangsspanningen (Afbeelding 1):

• Gereflecteerde golven: Weerspiegelde golven kunnen worden veroorzaakt door verkeerd afgestemde impedanties tussen de motor van een VFD en de kabel. Daardoor kunnen spanningsgolven terugkaatsen naar de aandrijving. Zonder hoogwaardige isolatie kunnen gereflecteerde golven de isolatie afbreken en de kabel oververhitten.
• Corona-uitgangsspanning/corona-ontlading: De pulsbreedtemodulatie (PWM) spanningen in VFD-systemen oscilleren snel van nul tot piekspanning. Zonder de juiste isolatie zorgt een hoge spanningspiek boven de corona-uitgangsspanning van de kabel ervoor dat de lucht rond de geleider geïoniseerd raakt, wat leidt tot corona-ontlading die de isolatie kan doen smelten en de motor, de motorlagers en de regelaar kan beschadigen.

Afbeelding 1: De isolatie van de VFD-kabel moet bestand zijn tegen gereflecteerde golven en corona-uitgangsspanning. (Bron afbeelding: SAB Noord-Amerika)

Afscherming en aarding

Naast het weerstaan van spanningspieken moeten VFD-kabels hoge EMC-niveaus ondersteunen. Belangrijke EMC-overwegingen zijn onder andere de volgende:

• Common mode-stromen zijn het gevolg van driefasige spanningen in VFD's die niet gelijk zijn aan nul, waardoor een spanningsonevenwicht ontstaat. Wanneer het niet-nulspanningsniveau verandert, gaat er een proportionele kabellaadstroom terug door de aardgeleider. Een te hoge common mode-stroom creëert een aardlus die de goede werking van het systeem verstoort.
• Overgebrachte elektrische ruis is het gevolg van de variabele aandrijffrequenties die elektromagnetische (EMI) en radiofrequente interferentie (RFI) kunnen veroorzaken en naburige componenten en systemen kunnen beïnvloeden.

Een effectief geaard aandrijf-, kabel- en motorsysteem creëert een kooi van Faraday die zorgt voor robuuste EMC-prestaties (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: VFD-kabels kunnen common mode-stromen en elektrische ruis beperken met de juiste aardverbindingen. (Bron afbeelding: SAB Noord-Amerika)

Wartels vs. doorvoer

VFD-kabels zijn verkrijgbaar met kleine diameters voor leidingen en als continu gelaste gepantserde kabelstructuren. Deze oplossingen vereisen een complexe, dure installatie en hebben te lijden onder mogelijke betrouwbaarheidsproblemen. Er zijn tray kabels (TC's) verkrijgbaar waarvoor geen kabelgoot nodig is. Als er een leiding beschikbaar is, kan deze worden gebruikt om de kooi van Faraday te creëren tussen de regelaar en de motor. Wanneer verschillende klassen TC's worden gebruikt, kunnen EMC-kabelwartels worden toegevoegd om de kooi van Faraday compleet te maken. EMC-kabelwartels hebben een IP-classificatie (Ingress Protection) van 68, zijn waterbestendig in zoet water tot een maximale diepte van 1,5 meter gedurende maximaal 30 minuten en zijn beschermd tegen stof, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in veeleisende industriële en buitenomgevingen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Wartels kunnen worden gebruikt op de aansluitingen naar de aandrijfelektronica en de motor om een kooi van Faraday te creëren en EMI te beheersen. (Afbeelding: SAB Noord-Amerika)

Kabelklassen

TC's kunnen de installatie vereenvoudigen en de kosten verlagen. Ze worden geclassificeerd aan de hand van verschillende toepassingscriteria, zoals spanningswaarde, flexibiliteit en plet- en stoottests. Er zijn twee belangrijke UL-standaarden. Beide standaarden zijn van toepassing op kabels van 18 AWG en groter. De twee standaarden zijn:

UL 1277, elektrische stroom- en besturingskabels, heeft betrekking op verschillende soorten TC's die geschikt zijn voor 600 V.

• Basis TC-kabels zijn het meest voorkomende type en worden gebruikt als VFD-kabels waar vlamvertragende eigenschappen vereist zijn.
• TC-ER (exposed run) ladekabels moeten aan strengere crash- en impactvereisten voldoen dan de standaard TC-kabel. Ze kunnen vrij lopen tussen kabelgoten over een gemiddelde afstand van 1,8 m (6 voet).
• THHN/PVC is een voordelige vorm van TC-constructie met een thermoplastische mantel. Het is geschikt voor directe begraving en voor gebruik in buizen.

UL 2277, flexibele stroomtoevoerkabel voor motors en kabel voor windturbines, heeft betrekking op twee TC-types met een nominale spanning van 1000 V.

• Flexibele stroomtoevoerkabel voor motors (FMSC) is in de eerste plaats ontworpen als stroomkabel voor een VFD-motor.
• Kabel voor windturbines (WTTC) is bestand tegen extreme, zware omstandigheden in windtoepassingen, zoals olie, slijtage, extreme temperaturen, water, constante beweging enzovoort.

NEC en NFPA

Naleving van NEC 79/NFPA 79 2018-editie is vaak, maar niet altijd, vereist in de VS, afhankelijk van de lokale bouwvoorschriften. De norm vereist dat VFD-kabels gemarkeerd worden met RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW of XHHW-W, als volgt gedefinieerd:

• RHW, RHH en RHW-2 gebruiken een rubberen isolatie met hoge temperaturen.
  • RHW geeft een waterbestendige kabel aan met een temperatuurclassificatie van +75 °C
  • RHH geeft een kabel aan met een temperatuurclassificatie van +75 °C die niet waterbestendig is
  • RHW-2 geeft een waterbestendige kabel aan met een temperatuurclassificatie van +90 °C
• XHH, XHHW en XHHW-W gebruiken XLPE (vernet polyethyleen) isolatie.
  • XHH is geschikt voor gebruik in vochtige ruimten en voor +75 °C
  • XHHW is geschikt voor gebruik op natte locaties en berekend op +75 °C
  • XHHW2 is geschikt voor gebruik op natte locaties en voor +90 °C

XLPE-isolatie is lichter en flexibeler dan rubberisolatie, waardoor XLPE-kabels gemakkelijker te installeren zijn, vooral bij lage temperaturen. Bovendien biedt XLPE minder lekkage in vergelijking met rubberen isolatie.

Kabelconstructie

Er zijn talloze manieren om VFD TC's te implementeren. Onderdeelnummer CF31-25-04 van Igus is een goed voorbeeld van veel van de gemeenschappelijke elementen; de nummers in de lijst komen overeen met Afbeelding 4:

1. Buitenmantel gemaakt van onder druk geëxtrudeerd, oliebestendig PVC-mengsel Buitenmantel Weinig klevend, oliebestendig PVC
2. Buitenste afscherming gemaakt van zeer buigbestendig vlechtwerk bestaande uit vertinde koperdraden
3. Binnenmantel van onder druk geëxtrudeerd, kruisvullend PVC
4. CFRIP is een Igus-specifieke scheurstrip gegoten in de binnenmantel voor sneller strippen van de kabel
5. Kernisolatie van vernet polyethyleen kunststof (XLPE) heeft een driedimensionale verbinding binnen het kunststof; XLPE heeft een hoge mechanische sterkte en lage capaciteit
6. Geleider die varieert voor aders < 10 mm² en aders ≥ 10 mm² op basis van de vereisten van DIN EN 60228
7. Centrale trekontlasting, een trekvast materiaal

Afbeelding 4: Voorbeeld van een VFD-kabel met de afscherming en trekontlasting naast de stroomvoerende geleiders. (Bron afbeelding: Igus)

Meer keuzes

LAPP's ÖLFLEX VFD 1XL is een familie van robuuste oliebestendige en UV-bestendige afgeschermde VFD-aandrijfkabels voor ontwerpen die een kleinere kabeldiameter nodig hebben. De ongewoon kleine diameter van de XLPE-isolatie maakt deze kabels geschikt voor gebruik in drukke installaties waar standaardkabels te groot kunnen zijn. Bovendien zorgt de dunnere diameter voor meer flexibiliteit om de installatie te versnellen. Deze TC-ER-kabels kunnen zonder beschermslang worden geïnstalleerd, maar hun kleinere diameter en flexibiliteit vereenvoudigen het gebruik van beschermslang wanneer dat nodig is. Ze voldoen aan de prestatievereisten van XHHW2. LAPP biedt bijvoorbeeld verschillende modellen met vier geleiders (inclusief de aarding) plus afvoer, zoals model 701703 met 10 AWG (5,3 mm²) geleiders en model 701717 met 2 AWG (33,7 mm²) geleiders.

Helukabel biedt verschillende kabels met TC-ER- en WTTC-classificaties en ze bieden geleiders van 2 tot 18 AWG, zoals het TC-model 63141 met vier geleiders van 12 AWG. Ze hebben een dubbele afscherming die aluminiumfolie (100% dekking) en vertind kopervlechtwerk (ongeveer 85% dekking) combineert. Ze gebruiken XLPE-isolatie en hebben PVC-mantels die bestand zijn tegen olie, koelvloeistoffen, oplosmiddelen en reinigings-/desinfectiemiddelen. Deze kabels zijn geschikt voor open, onbeschermde installatie in kabelgoten en van de kabelgoot naar de machine. Bovendien zijn ze geschikt voor installatie in buizen of directe begraving.

Hoogflexibele kabels

Belden biedt meerdere series TC's met verschillende geleider- en aardingsconfiguraties die gebruikmaken van verschillende isolatie- en afschermingsmaterialen (Afbeelding 5). Voor installaties die zeer flexibele TC's vereisen, biedt het bedrijf zijn HighFlex VFD-kabels met verschillende flexibiliteitsbereiken en tot 10 miljoen buigcycli. Deze TC's hebben fijndradige geleiders van vertind koper, sommige modellen hebben meer dan 2000 individuele draden en een flexibele TPE-mantel die ze buigzaam maakt voor eenvoudige bediening tijdens de installatie. Onderdeelnummer 29501F 0101000, met TC-ER- en WTTC-classificaties, is bijvoorbeeld ontworpen voor continue beweging en toepassingen op machines en voldoet aan de vereisten van XHHW2 voor gebruik op natte locaties tot +90 °C. Doeltoepassingen voor HighFlex VFD-kabels zijn onder andere:

• Procesapparatuur laten draaien
• Pompen aandrijven
• Rijdende fans
• Lopende materiaaltransportbanden
• Bewegende robotarmen

Afbeelding 5: Enkele van de vele geleider- en aardingsconfiguraties en isolatie- en afschermingsmaterialen die worden gebruikt in VFD-kabels. (Bron afbeelding: Belden)

SAB's VFD-kabels zijn ontworpen voor optimale EMC-prestaties. Er is ook een ontwerp verkrijgbaar dat geschikt is voor continu buigen. Deze kabels voldoen aan de TC-ER en WTTC eisen en ze maken gebruik van XLPE-isolatie voor verbeterde capaciteit met twee opties: een met een kleinere diameter en een die langere runs ondersteunt. Verschillende fabrikanten van VFD-motors hebben verschillende vereisten voor de grootte van paren voor gecombineerde VFD TC's en kunnen een kabel met of zonder aftapdraad vereisen. De VFD-kabels van SAB omvatten kabels die voldoen aan de meeste toepassingsvereisten, zoals voeding met een combopaar voor rem- of temperatuurdetectie, meerdere opties voor paargrootte, waaronder 18, 16, 14 en 12 AWG, en sommige ontwerpen met twee paren. Ze hebben een dubbele afscherming die folie combineert met vertind koperen vlechtwerk, en grondsymmetrische ontwerpen zijn een optie. Deze kabels hebben een buigradius van 12 keer de kabeldiameter en zijn XHHW2-gecertificeerd voor gebruik op natte locaties tot 90 °C. Een goed voorbeeld van deze kabels is het model 35661204, een vieraderige kabel van 12 AWG.

Conclusie

VFD-kabels worden gebruikt in zware elektrische omgevingen en moeten bestand zijn tegen hoge temperaturen, blootstelling aan water, olie en/of verschillende chemicaliën. Het specificeren van deze kabels is een complex proces, waarbij rekening moet worden gehouden met verschillende isolatie-eigenschappen, waaronder het vermogen om gereflecteerde golven en corona-belastingsspanningen te weerstaan, afscherming, kabelwartels voor EMC-bescherming en UL-, NEC- en NFPA-vereisten. Correct gespecificeerde en geïnstalleerde VFD-kabels dragen bij aan eenvoudigere en goedkopere installaties, een betere werking van de motor, minder koolstofemissies en een betere veiligheid van de operator.