Motorkabel für Antriebe mit variabler Drehzahl

Das Motorkabel für einen PWM-Antrieb mit variabler Drehzahl kann einige unerwartete Auswirkungen haben. In diesem Blog gehe ich auf einige besondere Überlegungen ein, die bei der Auswahl und Installation eines Motorkabels für einen Frequenzumrichter erforderlich sind.

Aktuelle Bewertung

Der stationäre belastete Motorstrom wird durch die Verwendung eines VSD mit dem Motor nicht merklich geändert. Die Motorstromschutzfunktion im Antrieb ist zum thermischen Schutz von Motor und Kabel im Überlastfall zugelassen (z. B. nach UL). Daher ist die Nennstromstärke des Motorkabels die gleiche wie bei einem direkt am Netz angeschlossenen Motor.

Kabeldimensionierung und Spannungsabfall – Kabeldimensionierungscodes

Kabeldimensionierungscodes, die von Elektroinstallateuren verwendet werden, einschließlich Kabelplanungssoftwarepaketen, haben oft spezielle Bestimmungen für Motoren. Diese würden auf einem standardmäßigen industriellen Induktionsmotor basieren, der durch direkten Anschluss an die Stromleitung („Direct On Line“ DOL-Start) gestartet wird. Lange Kabel müssen möglicherweise größer sein, als dies durch den Nennstrom bei Volllast erforderlich wäre, um den Spannungsabfall in der Induktivität und im Widerstand des Kabels während des Starts zu begrenzen. Ein typischer industrieller Induktionsmotor zieht aufgrund des hohen Schlupfes einen DOL-Startstrom von etwa dem Fünffachen seines maximalen Nennwerts, bevor er seine Laufgeschwindigkeit erreicht; und während des Starts ist das verfügbare Drehmoment nicht besonders hoch, wie in Abbildung 1 dargestellt. Es ist möglich, dass ein übermäßiger Spannungsabfall im Kabel dazu führt, dass der Motor nicht startet, wenn das Lastdrehmoment bei niedriger Drehzahl aufrechterhalten wird.

Abbildung 1:Strom und Drehmoment beim Starten eines Asynchronmotors direkt am Netz

Bei Verwendung eines drehzahlgeregelten Antriebs ist der Motorschlupf immer gering und der Strom während des Anlaufens überschreitet nie den Kurzzeitnennwert (z. B. 110 % oder 150 % je nach Anwendung). Außerdem kann der Antrieb mit dem Motor und seinem Kabel so abgestimmt werden, dass der Kabelspannungsabfall kompensiert wird – bei einer Drehzahl unterhalb der Nenndrehzahl ist ein Spannungsspielraum zwischen der Leistungsfähigkeit des Antriebs und der erforderlichen Spannung zum Erreichen der Arbeitsflussdichte verfügbar der Motor. Daher ist es bei einem VSD nicht erforderlich, das Kabel zu überdimensionieren, um den Spannungsabfall beim Start zu reduzieren. In Installationen mit langen Motorkabelwegen kann diese Tatsache erhebliche Einsparungen bei den Kabelkosten ermöglichen. Bei der Verwendung von Kabeldimensionierungssoftware zur Planung einer Installation sollte der Motor mit VSD als einfache Widerstandslast und nicht als Motor eingestellt werden, um eine unnötige Berücksichtigung des Motoranlaufstroms zu vermeiden.

Kabelarten – Abschirmung (Schirmung)

Der VSD-Ausgang verwendet Pulsweitenmodulation (PWM), um eine Versorgung mit einstellbarer Spannung und Frequenz zur Steuerung des Motors zu erzeugen. Die Impulse haben schnelle Flanken mit Anstiegs-/Abfallzeiten in der Größenordnung von 100 ns. Das bedeutet, dass der Frequenzgehalt der Spannung im Motor und Motorkabel bis zu hohen Funkfrequenzen reicht – in der Regel ist bei Frequenzen bis etwa 10 MHz ein sehr hoher Pegel und bis etwa 50 MHz ein beachtlicher Pegel vorhanden. Um elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu vermeiden, muss das Kabel abgeschirmt werden, damit die Emission elektromagnetischer Energie unterdrückt wird. Das Vorhandensein einer geerdeten Abschirmung verhindert die Emission elektrischer Felder, und der korrekte Anschluss der Abschirmung sowohl am Motor- als auch am Umrichterende unter Verwendung einer Verbindung mit minimaler Eigeninduktivität verhindert die Emission magnetischer Felder. Beides ist notwendig.

Die mögliche Emission von einem falsch verwalteten Motorkabel kann sowohl die Hochfrequenzkommunikation als auch nahe gelegene elektronische Geräte wie Sensoren und Datenschaltkreise beeinträchtigen, die empfindlich auf Störungen in diesen Frequenzbereichen reagieren. Die Norm zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) für Antriebe IEC 61800-3 (EN 61800-3) erfordert, dass das Motorkabel abgeschirmt ist, da sonst der Antriebausgang über ein sehr teures und unhandliches Hochfrequenzfiltergerät angeschlossen werden müsste>

Praktische Tests haben gezeigt, dass Kabelschirme aus Stahl oder Kupfer gleichermaßen effektiv sein können, vorausgesetzt, sie haben eine gute kontinuierliche Abdeckung und Kontinuität entlang der Länge des Kabels. Dies erleichtert den Hochfrequenzstrom, der entlang des Bildschirms fließt, um das Magnetfeld aufzuheben, das durch den Gleichtaktstrom in den Leistungskernen verursacht wird, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2:Aufhebung des äußeren Magnetfeldes durch ein geschirmtes Kabel mit beidseitig verbundenem Schirm

Erdung (Erdung)

Die Motorerdung dient in erster Linie der Sicherheit bei einem Erdschluss im Motor. Die Erdungsverbindung muss den Fehlerstrom führen, bis die Sicherheitsvorrichtung (Sicherung oder Leistungsschalter) den Strom unterbricht, während sichergestellt wird, dass die Berührungsspannung[1] des Motorkörpers innerhalb sicherer Grenzen bleibt.

Normalerweise begrenzt der Frequenzumrichter den Erdschlussstrom auf viel niedrigere Pegel und kürzere Dauer als eine Sicherung oder ein Leistungsschalter. Um dies zu erreichen, sind jedoch komplexe Halbleiterbauelemente und -schaltkreise erforderlich, die versagen könnten. Aus Sicherheitsgründen muss daher die Erdschleifenimpedanz für die Erdverbindung die gleiche sein, als wenn es keinen Frequenzumrichter gäbe – den ultimativen Schutz bietet das vorgeschaltete Schutzgerät, das den Antrieb speist. Die Wahl der Schutzleiterdimension ist genau die gleiche wie bei einem direkt gespeisten Motor. Dies ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3:Erdschlusspfad des Motors und Berührungsspannung

Wie oben erläutert, muss das Motorkabel für einen Frequenzumrichter abgeschirmt sein. Ob diese Abschirmung auch die Sicherheitserdverbindung bereitstellen kann, hängt von ihrer Impedanz und den für die Erdung verwendeten Verfahrensregeln ab. Es ist üblich, einen separaten Erdungsleiter aus Kupfer zu verwenden, um eine spezielle Berechnung zu vermeiden.

Manchmal stellt sich die Frage, ob eine Erdungsader innerhalb des geschirmten Motorkabels (d. h. ein 4-adriges Kabel) oder eine externe verwendet werden soll. Aus sicherheitstechnischer Sicht sind beide Lösungen gleich gut. Auch aus EMV-Gründen können beide Methoden funktionieren, jedoch ist bei einem 4-adrigen Kabel Vorsicht geboten. Die Masseader führt einen ziemlich hohen Rauschstrom, der von den Leistungsadern im Kabel aufgenommen wird. Wenn es zu einem Punkt in der Verdrahtungsplatte des Wechselrichters entfernt vom Abschluss des Kabelschirms geführt wird, wird es den Rauschstrom in die Erdungsverdrahtung der Platte injizieren, wodurch die Gefahr besteht, dass Signalkreise gestört werden. Es sollte physisch sehr nahe am Schirmabschluss mit dem Wechselrichterpanel verbunden werden, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Abbildung 4:Korrekte Handhabung der Erdungsader (PE) in einem 4-adrigen abgeschirmten Motorkabel

Kapazität und Induktivität

Das Motorkabel hat eine natürliche Eigenkapazität und Induktivität. Bei Netzfrequenzen hat die Kapazität einen vernachlässigbaren Einfluss, während die Induktivität einen kleinen Spannungsabfall verursacht, der hauptsächlich vernachlässigbar ist, außer bei sehr langen Kabelwegen und hohen DOL-Anlaufströmen.

Viel wichtiger ist die Auswirkung auf die schnell ansteigenden PWM-Pulse eines Wechselrichters. Bei jeder Impulsflanke muss die Kabelkapazität entladen werden. Dies führt zu ziemlich großen, aber kurzen Stromimpulsen an jeder Flanke. Diese können hochfrequente Felder aussenden, außerdem belasten sie die Leistungshalbleiter des Wechselrichters beim Schalten.

Glücklicherweise verteilt sich die Kabelinduktivität mit der Kapazität auf das Kabel und bewirkt eine Begrenzung des Ladestroms. Der Nettoeffekt wird durch die „Telegrafengleichungen“ beschrieben und ergibt die Kabelparameter Z₀ , die charakteristische Impedanz und v , die Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Bei jeder PWM-Impulsflanke fließt ein Strom, um das Kabel aufzuladen, gegeben durch:

Wobei  = Zwischenkreisspannung des Wechselrichters

Für ein Koaxialkabel ist die charakteristische Impedanz gegeben durch:

Wo:

=Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums (Isolator)

= Innendurchmesser des Außenleiters

=Außendurchmesser des Innenleiters

Bei einem dreiphasigen abgeschirmten Kabel ist die Geometrie keine einfache koaxiale Form, aber sein Verhalten ist ähnlich, da die Impedanz eine Funktion der dielektrischen Dielektrizitätskonstante und der relativen Durchmesser des Innen- und Außenleiters ist. Die in Kabeln verwendete Geometrie und das dielektrische Material variieren nicht stark und der logarithmische Term bedeutet, dass die Impedanz nicht sehr empfindlich auf Geometrieänderungen reagiert. Gemessene Werte von   für geschirmte Standard-Stromkabel liegen zwischen etwa 45 Ohm für 2,5 mm ² Kabel auf 15 Ohm für 120 mm ² Kabel. Das bedeutet, dass bei größeren Antrieben mit Nennströmen über etwa 20 A der Ladestrom unbedeutend ist, aber bei Nennwerten unter etwa 10 A Auswirkungen hat und der Antrieb so ausgelegt sein muss, dass er den Ladestrom ohne übermäßigen Leistungsverlust oder ungewollte Überspannung liefert. Stromauslösung.

Die Dauer des Stromimpulses wird durch die Länge des Kabels bestimmt, sie ist gleich der Zeit, die der Impuls benötigt, um zum Motorende zu gelangen und dann als invertierte Reflexion zurückzukehren. Je länger das Kabel, desto größer die Auswirkung auf den Wechselrichter.

Einige spezielle Kabel können anormale Werte von 

aufweisen

Das Durchmesserverhältnis kann stark reduziert werden, wenn kein Isoliermantel zwischen den Leistungsadern und dem Schirm vorhanden ist, was bei hochflexiblen geschirmten Leistungskabeln vorkommen kann. Mineralisoliertes kupferummanteltes Kabel (MICC) hat ebenfalls ein niedriges Durchmesserverhältnis und die Dielektrizitätskonstante des mineralischen Isolators ist hoch, sodass die Impedanz sehr niedrig ist.

Eine andere Situation, in der der Effektivwert niedrig ist, ist, wenn mehrere Kabel parallel geschaltet werden, um die erforderliche Stromstärke zu erreichen, anstatt ein einzelnes Kabel mit großem Durchmesser zu verwenden. In diesen Fällen ist es, sofern die Gesamtkabellänge nicht sehr kurz ist, häufig erforderlich, Reihendrosseln zwischen dem Frequenzumrichter und dem Kabel hinzuzufügen, um den Ladestrom des Kabels zu begrenzen. Bei Control Techniques sind wir gelegentlich auf einen Fall gestoßen, in dem der Installateur drei Kabel parallel verwendet und für jede Phase ein Kabel mit drei Adern verwendet hat. Diese Anordnung ist in jedem Fall eine schlechte Praxis, da der netzfrequente Strom in den Phasenkernen Gegenströme in den Schirmen induziert, was zu einer Erwärmung der Schirme führen kann. Bei Verwendung mit einem Frequenzumrichter führt dies zu einem außergewöhnlich hohen Streustrom aufgrund der übermäßigen Kapazität zwischen den Leistungskernen und der Erde, was zu hochfrequenten Interferenzen mit nahe gelegenen Schaltkreisen führen kann und auch das Risiko einer Überlastung von RFI-Filtern durch übermäßigen Gleichtakt (Erde) birgt. aktuell. Die richtigen und falschen Methoden sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5:Richtige und falsche Methoden zum Parallelschalten von Stromkabeln

Oben habe ich die Modi im Kabel, für die die Impedanz gilt, nicht besonders unterschieden. Es ist im Allgemeinen nicht notwendig, so viele Details zu berücksichtigen, aber die Hauptmodi, die das Laufwerk beeinflussen, sind:

• Einfacher asymmetrischer Modus, ein Kern relativ zu allen anderen Kernen und dem Bildschirm. Dies ist relevant für die Antriebsbelastung, aber nicht für Erdstrom oder Filterbelastung.
• Gleichtakt, alle Stromadern zum Schirm und zum Massekern, sofern vorhanden. Dies ist relevant für Erdstrom und Filterbelastung.

Überschwingen der Motorspannung und Änderungsrate (dv/dt)

Die Kabelkapazität und -induktivität verursacht Spannungsüberschwinger an den Motorklemmen an den Impulsflanken. In Bezug auf die Gleichungen des Telegrafen können diese als Reflexionen an den Motorklemmen verstanden werden, die durch die Fehlanpassung der Impedanz verursacht werden. Selbst recht kurze Kabel führen zu einem gewissen Überschwingen. Dies kann überraschend sein, wenn Sie mit Wechselrichtern und sich schnell ändernden Impulsen nicht vertraut sind – auf einer Mikrosekunden-Zeitskala unterscheidet sich die Spannung am Motor erheblich von der am Wechselrichter, obwohl sie miteinander verbunden sind.

Motoren haben eine Spannungsfestigkeit, die von der Spannungsanstiegszeit abhängt. Für Anstiegszeiten unter etwa 0,8 Mikrosekunden kann die Spannungsfestigkeit verringert werden, da die Spannung dazu neigt, sich in den ersten Windungen der Wicklung zu konzentrieren und die Isolierung zwischen den Windungen zu belasten. Die meisten Motoren sind für den Einsatz mit Frequenzumrichtern ausgelegt, die ohne besondere Maßnahmen mit einer 400-V- oder 480-V-Versorgung betrieben werden. Für 690-V-Motoren wird dringend empfohlen, einen speziell konstruierten Motor mit Umrichterleistung zu verwenden, um jegliches Risiko eines vorzeitigen Isolationsversagens zu vermeiden. Solche Motoren sollten in Übereinstimmung mit den Leitlinien im IEC-Dokument TS 60034-25 („Leitlinien für die Konstruktion und Leistung von Wechselstrommotoren, die speziell für die Umrichterversorgung ausgelegt sind“) spezifiziert werden.

Mehrere Motoren

Gelegentlich ist es wünschenswert, mehrere Motoren von einem einzigen Antrieb aus zu betreiben. Beispielsweise können kleine Lüftungsventilatoren um ein Gebäude herum angebracht und von einem einzigen Antrieb mit jeweils eigenem Kabel angetrieben werden. In dieser Situation wird die Kapazität des Kabels durch seine Gesamtlänge bestimmt, aber die Induktivitäten der Abschnitte erscheinen parallel zum Antrieb, nicht in Reihe. Für n Kabel ist die vom Laufwerk an seinen Impulsflanken gesehene Impedanz 

In diesem Fall sollte eine Reihendrossel verwendet werden, um die Kapazitätsladeimpulse zu begrenzen, da es sonst zu einer vorzeitigen Überstromauslösung oder -begrenzung des Antriebs durch den hohen Ladestrom kommen kann.