Cavi di alimentazione VFD (azionamento a frequenza variabile). Produttori

Perché i cavi di alimentazione standard non funzionano nelle applicazioni VFD

Cavi di azionamento a frequenza variabile (VFD). operare in un ambiente elettricamente ostile al quale i cavi di alimentazione convenzionali non sono progettati per sopravvivere. Quando un VFD converte l'alimentazione CA a frequenza fissa in un'uscita a frequenza variabile, lo fa attraverso la rapida commutazione degli IGBT (transistor bipolari a gate isolato) a frequenze portanti generalmente comprese tra 2 kHz e 16 kHz. Ogni evento di commutazione genera impulsi di tensione a fronte ripido con tempi di salita brevi da 0,1 a 1 microsecondo e tensioni di picco che possono raggiungere da 2 a 3 volte la tensione nominale del bus CC a causa di disadattamenti di impedenza del cavo e fenomeni di onde riflesse. Un cavo di alimentazione standard isolato in XLPE o PVC sottoposto a questo stress ripetitivo ad alto dV/dt subirà un'attività di scarica parziale accelerata all'interno dell'isolamento, portando a una rottura dielettrica prematura, spesso in pochi mesi anziché nei decenni di durata prevista. Cavo di alimentazione con azionamento a frequenza variabile con tensione nominale 6 kV e inferiore sono progettati specificatamente con sistemi di isolamento rinforzato, disposizioni simmetriche dei conduttori di messa a terra e struttura a bassa capacità per resistere a queste sollecitazioni elettriche per l'intera durata di servizio nominale.

La tensione dell'onda riflessa e il modo in cui la lunghezza del cavo amplifica il problema

Uno dei rischi più sottovalutati nelle installazioni VFD è l'effetto delle onde riflesse, che diventa sempre più grave man mano che il cavo tra l'azionamento e il motore si allunga. Quando un impulso di tensione in rapido aumento viaggia lungo il cavo e incontra i terminali del motore, che presentano un'impedenza elevata rispetto all'impedenza di sovratensione del cavo, una parte dell'impulso si riflette verso l'azionamento. La sovrapposizione delle onde incidenti e riflesse può produrre tensioni di picco sui terminali del motore significativamente superiori alla tensione di uscita del convertitore. Per un sistema di azionamento a 460 V, tensioni ai terminali superiori a 1.200 V non sono rare su cavi lunghi. La lunghezza critica del cavo alla quale questo effetto diventa dannoso dipende dal tempo di salita della commutazione del convertitore e dalla velocità di propagazione del cavo. Come linea guida generale, i cavi che superano i 50-100 metri con azionamenti a commutazione rapida (tempi di salita inferiori a 0,5 µs) dovrebbero essere considerati ad alto rischio senza attenuazione. Le soluzioni includono l'installazione di reattori di uscita o filtri du/dt sul convertitore, l'utilizzo di cavi con impedenza di picco maggiore o la selezione di cavi di alimentazione del convertitore di frequenza con conduttori di terra disposti simmetricamente per ridurre il disadattamento caratteristico dell'impedenza del cavo con il motore.

Disposizione simmetrica dei conduttori di messa a terra: il nucleo strutturale della progettazione dei cavi VFD

La caratteristica strutturale che definisce un cavo VFD (Variable Frequency Drive) appositamente costruito, a differenza di un cavo a vaschetta riutilizzato o di un alimentatore motore standard, è la disposizione simmetrica dei suoi conduttori di terra. Piuttosto che un singolo filo di terra sfalsato su un lato, un vero cavo VFD incorpora tre conduttori di terra posizionati simmetricamente (o uno schermo in nastro di rame a copertura totale più tre conduttori di terra) che circondano i tre conduttori di fase. Questa geometria svolge due funzioni critiche. Innanzitutto, fornisce un percorso di ritorno ad alta frequenza e a bassa impedenza per le correnti di modo comune generate dall'azione di commutazione del VFD, confinandole all'interno del cavo anziché consentire loro di fluire attraverso il telaio del motore, i cuscinetti e le strutture meccaniche collegate. In secondo luogo, la simmetria garantisce che l’accoppiamento capacitivo da ciascun conduttore di fase alla schermatura complessiva sia uguale, il che riduce la corrente netta di modo comune iniettata nel sistema di terra. Presso Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd., le nostre costruzioni di cavi VFD sono sviluppate con questa architettura simmetrica come requisito di progettazione non negoziabile, convalidato attraverso il nostro laboratorio interno con apparecchiature di misurazione dell'impedenza ad alta frequenza.

Valori nominali della tensione di isolamento e prestazioni di scarica parziale a 6 kV e inferiori

Per i cavi di alimentazione con azionamento a frequenza variabile con tensione nominale pari o inferiore a 6 kV, il sistema di isolamento deve essere valutato non solo alla frequenza di alimentazione (50/60 Hz) ma alle condizioni di impulso effettivamente generate dal VFD. Gli standard IEC 60034-17 e IEC 60034-25 riguardano l'isolamento degli avvolgimenti dei motori alimentati da inverter e i relativi requisiti si riversano direttamente nelle specifiche di isolamento dei cavi. La tensione di inizio della scarica parziale (PD) (PDIV) è il parametro chiave: la tensione alla quale inizia la ionizzazione autosufficiente all'interno dei vuoti o dei contaminanti nell'isolamento. Per i cavi VFD di media tensione di classe 6 kV, l'isolamento è generalmente in polietilene reticolato (XLPE) con uno spessore di parete progettato per mantenere lo stress elettrico operativo ben al di sotto della soglia di inizio PD anche in condizioni di impulso. I test di tipo conformi alla norma IEC 60502-2 per cavi da 6 kV includono la resistenza alla tensione CA a 3,5 × U0 per 5 minuti e la misurazione della scarica parziale a 1,73 × U0, ma i produttori responsabili eseguono inoltre test di tensione impulsiva che simulano gli impulsi in rapida crescita dalla commutazione VFD: un test non sempre richiesto dallo standard di base ma essenziale per confermare l'affidabilità nel mondo reale nelle applicazioni di azionamento.

Compatibilità dell'induttanza di modo comune e sue implicazioni per la capacità del cavo

Molte installazioni VFD incorporano induttanze di modo comune (chiamate anche reattori di modo comune) all'uscita del convertitore per attenuare il rumore di modo comune ad alta frequenza prima che entri nel cavo del motore. L'efficacia di un'induttanza di modo comune è direttamente accoppiata alla capacità fase-terra del cavo: un cavo con un'elevata capacità distribuita bypasserà parzialmente l'induttanza alle alte frequenze, riducendone le prestazioni di attenuazione. Ciò crea una tensione progettuale: la schermatura del cavo è necessaria per la conformità EMC e la mitigazione della corrente dei cuscinetti, ma una schermatura in nastro di rame pesante aumenta la capacità fase-schermo, riducendo le prestazioni dell'induttanza. I cavi di azionamento a frequenza variabile progettati per la compatibilità con il filtraggio di modo comune utilizzano in genere una schermatura intrecciata o tre conduttori di terra simmetrici discreti anziché un nastro a copertura totale, ottenendo un'efficacia di schermatura adeguata mantenendo la capacità distribuita a terra nell'intervallo di 100–300 pF/m. Quando si specifica un cavo VFD per un'installazione che include hardware di filtraggio di modo comune, i dati di capacità pubblicati dal produttore del cavo per unità di lunghezza devono essere incrociati con i limiti di capacità del cavo consigliati dal produttore dell'induttanza per garantire che il sistema funzioni come previsto.

Meccanismi di corrente dei cuscinetti e ruolo della pratica di messa a terra della schermatura dei cavi

Il guasto prematuro dei cuscinetti del motore nei sistemi azionati da VFD è un problema ben documentato e la disposizione di schermatura e messa a terra del cavo di azionamento a frequenza variabile (VFD) è una variabile primaria nel determinare se le correnti dei cuscinetti causano danni. Esistono tre distinti meccanismi di corrente portante, ciascuno con diversi requisiti di mitigazione:

• Correnti di scarica capacitiva (correnti EDM): Causato dalla tensione di modo comune che si accumula sull'albero del rotore attraverso le capacità parassite e si scarica attraverso la pellicola d'olio del cuscinetto. Mitigato dalle spazzole di messa a terra dell'albero a bassa impedenza e dalle schermature dei cavi collegate su entrambe le estremità.
• Correnti circolanti ad alta frequenza: Indotto nei motori più grandi (tipicamente con dimensioni del telaio superiori a 100 kW) dal flusso di modo comune nel telaio del motore. Richiedono cuscinetti isolati sul lato opposto alla trasmissione oltre a un'adeguata schermatura del cavo.
• Correnti di terra di modo comune: Flusso attraverso il telaio del motore fino a terra tramite il percorso con l'impedenza più bassa disponibile. Una terminazione di schermatura a 360° a bassa impedenza su entrambe le estremità dell'azionamento e del motore, ottenuta con pressacavi EMC adeguati anziché connessioni pigtail, è essenziale per mantenere queste correnti confinate alla schermatura del cavo anziché alle strutture del motore.

Il metodo di terminazione della schermatura del cavo è importante tanto quanto la copertura e la conduttività della schermatura. Una connessione a terra a spirale, in cui lo schermo è ripiegato e attorcigliato in un filo, introduce un'induttanza significativa alle alte frequenze, annullando di fatto l'efficacia dello schermo sopra poche centinaia di kilohertz. I pressacavi EMC che stabiliscono un contatto circonferenziale con la treccia o il nastro schermato rappresentano il metodo di terminazione corretto per le installazioni di cavi VFD in cui l'attenuazione della corrente di cuscinetto è una priorità.

Confronto tra i tipi di costruzione dei cavi VFD in base all'idoneità all'applicazione

Non tutti i cavi dell'azionamento a frequenza variabile sono costruiti in modo identico e la corretta costruzione dipende dai parametri dell'applicazione specifica, tra cui classe di tensione, lunghezza del cavo, ambiente di installazione e requisiti EMC. La tabella seguente illustra i tipi di costruzione principali e i relativi casi d'uso appropriati:

Declassamento termico nei cavi alimentati da VFD: perché le tabelle di portata standard non si applicano direttamente

Le tabelle di portata standard dei cavi, pubblicate in IEC 60364-5-52 o NEC 310, sono calcolate per la corrente sinusoidale a 50 o 60 Hz. La corrente di uscita dell'azionamento a frequenza variabile contiene un contenuto armonico significativo, in particolare armoniche di ordine dispari (5a, 7a, 11a, 13a) più l'ondulazione di commutazione ad alta frequenza, che aumenta la corrente RMS del cavo per la stessa corrente di carico a frequenza fondamentale e genera ulteriori perdite dovute all'effetto pelle e all'effetto di prossimità. Alle frequenze portanti VFD di 4–8 kHz, la profondità della pelle in un conduttore di rame è solo 0,7–1,0 mm, il che significa che nei conduttori con sezione trasversale più grande (50 mm² e superiore), solo la regione anulare esterna del conduttore trasporta efficacemente la corrente ad alta frequenza. Questo aumento della resistenza CA alle alte frequenze può aggiungere il 5–20% alle perdite effettive del conduttore rispetto al funzionamento CC o a frequenza industriale, richiedendo un corrispondente declassamento della capacità di corrente continua del cavo. Per i cavi di alimentazione con azionamento a frequenza variabile con tensione nominale pari o inferiore a 6 kV che funzionano al limite superiore della corrente nominale, consultare le curve di declassamento armonico del produttore del cavo, anziché applicare le tabelle di installazione standard, è l'approccio tecnicamente corretto per garantire che il cavo funzioni entro i limiti di progettazione termica.

Requisiti di conformità EMC per installazioni VFD e ruolo del cavo nel soddisfarli

Nelle installazioni industriali e commerciali, i sistemi VFD sono soggetti alle normative sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) che limitano le emissioni condotte e irradiate che il sistema di azionamento può iniettare nella rete di alimentazione e nell'ambiente circostante. In Europa, la norma IEC 61800-3 definisce i limiti di emissione e immunità applicabili per i sistemi di azionamento a velocità variabile, con diverse categorie a seconda che l'installazione sia in un primo ambiente (rete pubblica a bassa tensione) o in un secondo ambiente (industriale). Il cavo dell'azionamento a frequenza variabile (VFD) tra l'uscita dell'azionamento e il motore è un elemento fondamentale per ottenere la conformità, poiché è il conduttore primario delle correnti di modo comune ad alta frequenza che altrimenti si irradierebbero o ricondurrebbero all'alimentazione. Un cavo VFD adeguatamente schermato con terminazioni schermate a 360° su entrambe le estremità, combinato con un involucro dell'unità con classificazione EMC e un filtro di ingresso, può ridurre le emissioni condotte di 20–40 dB rispetto a un'installazione di cavi non schermati. I rapporti sui test EMC di terze parti sull'intero sistema convertitore-cavo-motore rappresentano la base più affidabile per prevedere la conformità, poiché i risultati simulati o calcolati spesso sottostimano il contributo del percorso dei cavi e della qualità delle terminazioni. Supportata dalla certificazione ISO 9001 e dal nostro completo laboratorio di test interno, Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd. fornisce dati di test sull'efficacia della schermatura per la nostra gamma di cavi VFD per supportare la documentazione EMC a livello di sistema dei clienti.

Pratiche di installazione che determinano se un cavo VFD funziona come specificato

Anche un cavo di alimentazione con azionamento a frequenza variabile correttamente specificato avrà prestazioni inferiori se le pratiche di installazione ne compromettono l'intento progettuale. Diversi fattori di installazione sul campo hanno un impatto enorme sulle prestazioni del sistema di cavi VFD:

• Separazione dai cavi di segnale e di controllo: I cavi di uscita del VFD devono essere instradati in condotti o passerelle dedicati, fisicamente separati dai cavi di segnale a bassa tensione di almeno 200–300 mm. Laddove gli incroci siano inevitabili, dovrebbero essere realizzati ad angoli di 90° per ridurre al minimo l'accoppiamento capacitivo.
• Ridurre al minimo la lunghezza del cavo: Ogni metro non necessario di cavo tra azionamento e motore aumenta l'ampiezza dell'onda riflessa sui terminali del motore e l'entità della corrente di modo comune totale. Il posizionamento dell'unità dovrebbe essere ottimizzato durante la fase di progettazione per ridurre al minimo la posa dei cavi, in particolare per i sistemi VFD a media tensione da 6 kV in cui il costo dei cavi e le conseguenze della sovratensione delle onde riflesse sono entrambi sostanzialmente più elevati.
• Continuità dello schermo attraverso scatole di derivazione: Se è inevitabile una scatola di giunzione a metà percorso, la schermatura del cavo deve essere continuata attraverso di essa con una connessione incollata a 360°, non interrotta e ricollegata tramite una morsettiera. Qualsiasi interruzione nella continuità dello schermo crea un punto ad alta impedenza per correnti ad alta frequenza che si irradieranno dal punto di interruzione.
• Conformità al raggio di curvatura: I cavi VFD con schermatura e armatura pesanti hanno raggi di curvatura minimi specificati che, se violati durante l'installazione, possono danneggiare la continuità della schermatura o creare punti di sollecitazione di isolamento localizzati. Per i cavi VFD da 6 kV schermati e armati, sono tipici raggi di curvatura minimi di 12-15 volte il diametro complessivo del cavo; questi devono essere confermati dalla scheda tecnica del produttore prima dell'installazione in spazi ristretti o passerelle portacavi con curve strette.
• Messa a terra su entrambe le estremità rispetto alla messa a terra a punto singolo: I cavi VFD devono essere messi a terra sia sulla custodia dell'azionamento che sul telaio del motore, a differenza dei cavi di segnale, che spesso sono messi a terra solo a un'estremità per evitare anelli di terra. Le correnti di modo comune ad alta frequenza che lo schermo deve trasportare richiedono un percorso di ritorno ad entrambe le estremità; la messa a terra single-end lascia la schermatura efficace solo per la schermatura elettrostatica a bassa frequenza, non per la gestione del rumore HF richiesta dalle applicazioni VFD.

In qualità di impresa nazionale high-tech con certificazioni OHSAS 18001 e ISO 14001, Zhejiang Huapu Cable Co., Ltd. supporta i clienti non solo con prodotti di cavi a frequenza variabile conformi, ma con linee guida ingegneristiche applicative per garantire che la pratica di installazione preservi le prestazioni per cui i nostri cavi sono progettati.