Kabel Motor Untuk Penggerak Kecepatan Variabel

Kabel motor untuk penggerak kecepatan variabel PWM dapat memiliki beberapa efek yang tidak terduga. Di Blog ini saya melihat beberapa pertimbangan khusus yang diperlukan saat memilih dan memasang kabel motor untuk VSD.

Peringkat saat ini

Arus motor yang dibebani kondisi tunak tidak banyak berubah dengan menggunakan VSD dengan motor. Fungsi perlindungan arus motor dalam drive disetujui (misalnya oleh UL) untuk perlindungan termal motor dan kabel jika terjadi kelebihan beban. Oleh karena itu, nilai arus dasar kabel motor sama dengan motor yang terhubung langsung ke saluran.

Ukuran kabel dan penurunan tegangan – kode ukuran kabel

Kode ukuran kabel yang digunakan oleh pemasang listrik, termasuk paket perangkat lunak perencanaan kabel, sering kali memiliki ketentuan khusus untuk motor. Ini akan didasarkan pada motor induksi industri standar yang dimulai dengan koneksi langsung ke saluran listrik (starting DOL "Direct On Line"). Kabel panjang mungkin perlu lebih besar daripada yang ditentukan oleh peringkat arus beban penuh kontinu, untuk membatasi penurunan tegangan pada induktansi dan resistansi kabel selama pengasutan. Motor induksi industri yang khas menarik arus awal DOL sekitar 5 kali nilai pengenal maksimumnya, karena slip tinggi sebelum mencapai kecepatan larinya; dan selama memulai, torsi yang tersedia tidak terlalu tinggi, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Penurunan tegangan yang berlebihan pada kabel dapat menyebabkan motor gagal untuk memulai jika torsi beban dipertahankan pada kecepatan rendah.

Gambar 1:Arus dan torsi selama menstarter motor induksi langsung on line

Saat menggunakan penggerak kecepatan variabel, slip motor selalu rendah dan arus selama start tidak pernah melebihi peringkat jangka pendek (misalnya 110% atau 150% tergantung pada aplikasinya). Selain itu, penggerak dapat disetel dengan motor dan kabelnya sehingga penurunan tegangan kabel dapat dikompensasikan – pada kecepatan di bawah kecepatan dasar terdapat ruang kepala tegangan yang tersedia antara kemampuan penggerak dan tegangan yang diperlukan untuk mencapai kerapatan fluks kerja di motornya. Oleh karena itu dengan VSD tidak perlu ukuran kabel yang terlalu besar untuk mengurangi jatuh tegangan saat start. Dalam instalasi dengan kabel motor yang panjang, fakta ini memungkinkan penghematan yang cukup besar dalam biaya kabel. Saat menggunakan perangkat lunak pengatur ukuran kabel untuk merencanakan pemasangan, motor dengan VSD harus disetel sebagai beban resistif sederhana, bukan motor, untuk menghindari penyisihan arus start motor yang tidak perlu.

Jenis kabel – penyaringan (pelindung)

Output VSD menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) untuk membuat suplai dengan tegangan dan frekuensi yang dapat diatur untuk mengontrol motor. Pulsa memiliki tepi yang cepat, dengan waktu naik/turun di urutan 100 ns. Artinya, kandungan frekuensi tegangan pada motor dan kabel motor meluas hingga frekuensi radio tinggi – umumnya ada level yang sangat tinggi untuk frekuensi hingga sekitar 10 MHz, dan level yang cukup besar hingga sekitar 50 MHz. Untuk menghindari interferensi elektromagnetik (EMI) kabel perlu disaring sehingga pancaran energi elektromagnetik ditekan. Kehadiran layar yang diarde mencegah emisi medan listrik, dan koneksi layar yang benar pada ujung motor dan inverter, menggunakan ikatan dengan induktansi diri minimum, mencegah emisi medan magnet. Keduanya diperlukan.

Kemungkinan emisi dari kabel motor yang tidak diatur dengan benar dapat mempengaruhi komunikasi frekuensi radio dan peralatan elektronik terdekat seperti sensor dan sirkuit data, yang sensitif terhadap gangguan dalam rentang frekuensi ini. Standar Kompatibilitas Elektromagnetik (EMC) untuk drive IEC 61800-3 (EN 61800-3) mengharuskan kabel motor disaring, jika tidak, output drive harus dihubungkan melalui perangkat filter frekuensi radio yang sangat mahal dan berat.

Pengujian praktis telah menunjukkan bahwa sekat kabel yang menggunakan baja atau tembaga dapat sama efektifnya asalkan memiliki cakupan dan kontinuitas kontinu yang baik di sepanjang kabel. Ini memfasilitasi arus frekuensi radio yang mengalir di sepanjang layar untuk membatalkan medan magnet yang disebabkan oleh arus mode umum di inti daya, diilustrasikan pada Gambar 2.

Gambar 2:Pembatalan medan magnet eksternal oleh kabel yang disaring dengan layar yang terhubung di kedua ujungnya

Pembumian (pembumian)

Sambungan arde motor terutama untuk memastikan keamanan jika terjadi gangguan arde pada motor. Sambungan arde harus membawa arus gangguan sampai perangkat pengaman (sekring atau pemutus sirkuit) memutus arus, sambil memastikan bahwa tegangan sentuh[1] badan motor tetap dalam batas aman.

Biasanya VSD membatasi arus gangguan tanah ke tingkat yang jauh lebih rendah dan durasi yang lebih pendek daripada sekering atau pemutus sirkuit. Namun itu bergantung pada perangkat dan sirkuit semikonduktor yang kompleks untuk mencapai ini, yang mungkin gagal. Untuk alasan keamanan, oleh karena itu, impedansi loop arde untuk koneksi arde harus sama seperti jika tidak ada VSD – proteksi akhir disediakan oleh perangkat proteksi upstream yang memberi makan drive. Pilihan dimensi konduktor arde persis sama dengan motor yang diumpankan langsung. Ini diilustrasikan pada Gambar 3.

Gambar 3:Jalur gangguan arde motor dan tegangan sentuh

Seperti dijelaskan di atas, kabel motor untuk VSD perlu disaring. Apakah layar ini juga dapat menyediakan sambungan arde yang aman bergantung pada impedansinya dan pada kode praktik yang digunakan untuk arde. Biasanya menggunakan konduktor arde tembaga terpisah untuk menghindari perlunya perhitungan khusus.

Pertanyaan terkadang muncul, apakah akan menggunakan inti arde di dalam kabel motor yang disaring (yaitu kabel 4-inti) atau yang eksternal. Dari sudut pandang keamanan, kedua solusi sama-sama bagus. Untuk alasan EMC juga, kedua metode dapat bekerja, tetapi diperlukan perawatan dengan kabel 4-inti. Inti tanah membawa arus kebisingan yang cukup tinggi, diambil dari inti daya di dalam kabel. Jika dibawa ke titik di panel kabel inverter jauh dari pemutusan kabel layar, itu akan menyuntikkan arus kebisingan ke kabel ground panel, dengan risiko mengganggu sirkuit sinyal. Itu harus terhubung ke panel inverter secara fisik sangat dekat dengan pemutusan layar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4:Manajemen inti arde (PE) yang benar pada kabel motor berskrin 4-inti

Kapasitas dan induktansi

Kabel motor memiliki kapasitansi dan induktansi diri alami. Pada frekuensi daya, kapasitansi memiliki efek yang dapat diabaikan, sedangkan induktansi menyebabkan penurunan tegangan kecil yang terutama dapat diabaikan kecuali untuk kabel yang sangat panjang dan arus awal DOL yang tinggi.

Efek pada pulsa PWM yang naik cepat dari inverter jauh lebih penting. Pada setiap tepi pulsa kapasitansi kabel harus dikosongkan. Ini menghasilkan pulsa arus yang cukup besar, tetapi pendek, di setiap tepi. Ini dapat menyebabkan emisi medan frekuensi tinggi, dan juga membentuk beban pada semikonduktor daya inverter selama switching.

Untungnya induktansi kabel didistribusikan di sepanjang kabel dengan kapasitansi, dan memiliki efek membatasi arus pengisian. Efek bersihnya dijelaskan oleh “Persamaan telegrafer” dan menghasilkan parameter kabel Z₀ , impedansi karakteristik, dan v , kecepatan propagasi.

Pada setiap tepi pulsa PWM, arus mengalir untuk mengisi kabel, diberikan oleh:

Di mana  = Tegangan tautan DC inverter

Untuk kabel koaksial impedansi karakteristik diberikan oleh:

Dimana:

=permitivitas relatif dielektrik (isolator)

= Diameter dalam konduktor luar

=Diameter luar konduktor dalam

Dalam kabel disaring 3-fase geometri bukanlah bentuk koaksial sederhana, tetapi perilakunya serupa, impedansi menjadi fungsi dari permitivitas dielektrik dan diameter relatif dari konduktor dalam dan luar. Geometri dan bahan dielektrik yang digunakan dalam kabel tidak terlalu bervariasi, dan istilah logaritmik berarti bahwa impedansi tidak terlalu sensitif terhadap perubahan geometri. Nilai terukur dari   untuk kabel daya yang disaring standar berkisar antara sekitar 45 ohm untuk 2,5 mm ² kabel ke 15 ohm untuk 120 mm ² kabel. Ini berarti bahwa untuk drive yang lebih besar dengan peringkat arus lebih dari sekitar 20A, arus pengisian tidak signifikan, tetapi untuk peringkat di bawah sekitar 10A itu berdampak dan drive harus dirancang untuk memasok arus pengisian tanpa kehilangan daya yang berlebihan, atau kelebihan daya yang tidak diinginkan. tersandung saat ini.

Durasi pulsa arus ditentukan oleh panjang kabel, sama dengan waktu pulsa untuk melakukan perjalanan ke ujung motor dan kemudian kembali sebagai refleksi terbalik. Semakin panjang kabel, semakin besar efeknya pada inverter.

Beberapa kabel khusus dapat memiliki nilai 

. yang tidak normal

Rasio diameter dapat jauh berkurang jika tidak ada selubung isolasi antara inti daya dan sekat, yang mungkin terjadi pada kabel daya berskrin yang sangat fleksibel. Kabel berlapis tembaga berinsulasi mineral (MICC) juga memiliki rasio diameter yang rendah, dan permitivitas isolator mineral tinggi, sehingga impedansinya sangat rendah.

Situasi lain di mana efektifitasnya akan rendah adalah jika beberapa kabel dihubungkan secara paralel untuk mencapai nilai arus yang diperlukan, daripada menggunakan satu kabel berdiameter besar. Dalam kasus ini, kecuali jika total panjang kabel sangat pendek, sering kali perlu menambahkan choke seri antara drive dan kabel untuk membatasi arus pengisian kabel. Dalam Teknik Kontrol terkadang kami menemukan kasus di mana penginstal menggunakan tiga kabel secara paralel dan menggunakan satu kabel dengan tiga inti untuk setiap fase. Pengaturan ini adalah praktik yang buruk dalam hal apa pun karena arus frekuensi utama di inti fase menginduksi arus berlawanan di layar, yang dapat mengakibatkan pemanasan layar. Ketika digunakan dengan VSD, ini menghasilkan arus nyasar yang sangat tinggi dari kapasitansi yang berlebihan antara inti daya dan ground, yang dapat menyebabkan gangguan frekuensi tinggi dengan sirkuit terdekat dan juga berisiko membebani filter RFI melalui mode umum (ground) yang berlebihan. saat ini. Metode yang benar dan salah ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5:Metode yang benar dan salah untuk menghubungkan kabel daya secara paralel

Dalam contoh di atas, saya tidak secara khusus membedakan mode dalam kabel yang menerapkan impedansi. Umumnya tidak perlu mempertimbangkan banyak detail ini, tetapi mode utama yang memengaruhi drive adalah:

• Mode asimetris sederhana, satu inti relatif terhadap semua inti dan layar lainnya. Ini relevan dengan pemuatan drive tetapi tidak dengan arus ground atau pemuatan filter.
• Mode umum, semua inti daya ke layar dan inti tanah jika dipasang. Ini relevan dengan arus arde dan pemuatan filter.

Kelebihan tegangan motor dan laju perubahan (dv/dt)

Kapasitansi dan induktansi kabel menyebabkan tegangan berlebih pada terminal motor di tepi pulsa. Dalam hal persamaan Telegrapher, ini dapat dipahami sebagai refleksi pada terminal motor yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi. Bahkan kabel yang cukup pendek menghasilkan beberapa overshoot. Hal ini dapat mengejutkan jika Anda tidak terbiasa dengan inverter dan pulsa yang berubah dengan cepat – pada skala waktu mikrodetik tegangan pada motor sangat berbeda dari pada inverter meskipun mereka terhubung bersama.

Motor memiliki kemampuan menahan tegangan yang bergantung pada waktu naik tegangan. Untuk waktu naik di bawah sekitar 0,8 mikrodetik, ketahanan tegangan dapat dikurangi karena tegangan cenderung terkonsentrasi pada belitan pertama belitan, dan memberikan tegangan pada isolasi antar belitan. Sebagian besar motor dirancang untuk digunakan dengan penggerak inverter yang beroperasi dari suplai 400 V atau 480 V tanpa tindakan khusus. Untuk motor 690 V, sangat disarankan untuk menggunakan motor dengan rating inverter yang dirancang khusus untuk menghindari risiko kegagalan insulasi dini. Motor tersebut harus ditentukan sesuai dengan panduan yang diberikan dalam dokumen IEC TS 60034-25 (“Panduan untuk desain dan kinerja motor a.c. yang dirancang khusus untuk suplai konverter”).

Beberapa motor

Kadang-kadang diinginkan untuk mengoperasikan sejumlah motor dari satu penggerak. Misalnya, kipas ventilasi kecil dapat dipasang di sekitar gedung dan digerakkan dari satu drive, masing-masing dengan kabelnya sendiri. Dalam situasi ini kapasitansi kabel ditentukan oleh panjang totalnya, tetapi induktansi dari bagian-bagian tersebut muncul secara paralel dengan drive, bukan secara seri. Untuk n kabel, impedansi yang terlihat oleh drive pada tepi pulsanya adalah 

Choke seri harus digunakan dalam kasus ini untuk membatasi pulsa pengisian kapasitansi, jika tidak, drive kemungkinan akan mengalami trip atau pembatasan arus berlebih dini yang disebabkan oleh arus pengisian yang tinggi.