Memilih Kabel Motor Optimal untuk Drive Kecepatan Variabel (VSD)

Kabel motor untuk drive kecepatan variabel (VSD) tipe PWM dapat memiliki efek yang tidak terduga. Dalam artikel ini, kami membahas pertimbangan khusus yang diperlukan saat memilih dan memasang kabel motor untuk VSD.

Arus rated

Arus motor yang termuat dalam kondisi steady-state tidak berubah secara signifikan saat menggunakan VSD bersama motor. Fungsi proteksi arus motor dalam drive disetujui (misalnya oleh UL) untuk proteksi termal motor dan kabel dalam hal beban berlebih. Oleh karena itu, arus rated dasar kabel motor sama dengan motor yang terhubung langsung ke jaringan listrik.

Pengukuran kabel dan penurunan tegangan – kode pengukuran kabel

Kode pengukuran kabel yang digunakan oleh penginstal listrik, termasuk perangkat lunak perencanaan kabel, sering memiliki ketentuan khusus untuk motor. Ketentuan ini didasarkan pada motor induksi industri standar yang dimulai dengan sambungan langsung ke jaringan listrik (pemulaian Direct On Line atau DOL). Kabel panjang mungkin perlu lebih besar dari yang ditentukan oleh arus beban penuh berkelanjutan, untuk membatasi penurunan tegangan pada induktansi dan resistansi kabel selama pemulaian. Motor induksi industri biasanya menarik arus pemulaian DOL sekitar 5 kali nilai rated maksimumnya, karena geser tinggi sebelum mencapai kecepatan operasi; dan selama pemulaian, torsi yang tersedia tidak terlalu tinggi, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Penurunan tegangan berlebihan pada kabel dapat menyebabkan motor gagal memulai jika torsi beban terus berlanjut pada kecepatan rendah.

Gambar 1: Arus dan torsi selama pemulaian motor induksi secara langsung ke jaringan

Saat menggunakan variabel speed drive, geser motor selalu rendah dan arus selama pemulaian tidak pernah melebihi rated jangka pendek (misalnya 110% atau 150% tergantung pada aplikasi). Selain itu, drive dapat di-tune bersama motor dan kabelnya sehingga penurunan tegangan kabel dapat dikompensasi – pada kecepatan di bawah kecepatan dasar, terdapat ruang tegangan tersedia antara kemampuan drive dan tegangan yang diperlukan untuk mencapai fluks kerja dalam motor. Oleh karena itu, dengan VSD tidak perlu membesar-kan kabel untuk mengurangi penurunan tegangan pada pemulaian. Dalam instalasi dengan jarak kabel motor yang panjang, fakta ini dapat menghasilkan penghematan biaya kabel yang signifikan. Saat menggunakan perangkat lunak pengukuran kabel untuk perencanaan instalasi, motor dengan VSD harus diatur sebagai beban resistif sederhana, bukan motor, untuk menghindari alokasi yang tidak perlu untuk arus pemulaian motor.

Jenis kabel – screening (shielding)

Keluaran VSD menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) untuk menciptakan pasokan dengan tegangan dan frekensi yang dapat disesuaikan untuk mengontrol motor. Pulsa memiliki tepi yang cepat, dengan waktu naik/turun sekitar 100 ns. Ini berarti konten frekensi tegangan pada motor dan kabel motor mencapai frekensi radio tinggi – umumnya terdapat tingkat yang sangat tinggi untuk frekensi hingga sekitar 10 MHz, dan tingkat yang signifikan hingga sekitar 50 MHz. Untuk menghindari interferensi elektromagnetik (EMI), kabel perlu di-screen sehingga emisi energi elektromagnetik dapat ditekan. Kehadiran ground yang di-ground mencegah emisi medan listrik, dan koneksi yang benar dari screen di kedua ujung motor dan inverter, menggunakan bond dengan self-induktansi minimum, mencegah emisi medan magnet. Keduanya diperlukan.

Emisi yang mungkin dari kabel motor yang tidak dikelola dengan benar dapat mempengaruhi komunikasi frekensi radio dan peralatan elektronik di dekatnya seperti sensor dan sirkuit data, yang sensitif terhadap gangguan dalam rentang frekensi ini. Standar Kompatibilitas Elektromagnetik (EMC) untuk drive IEC 61800-3 (EN 61800-3) mewajibkan kabel motor di-screen, jika tidak keluaran drive harus dihubungkan melalui perangkat filter frekensi radio yang sangat mahal dan repot.

Uji praktis telah menunjukkan bahwa screen kabel menggunakan baja atau tembaga dapat sama efektifnya asalkan memiliki cakupan yang baik dan kontinu sepanjang kabel. Ini memfasilitasi arus frekensi radio yang mengalir sepanjang screen untuk membatalkan medan magnet yang disebabkan oleh arus common-mode pada inti daya, seperti diilustrasikan pada Gambar 2.

Gambar 2: Pembatalan medan magnet eksternal oleh kabel screened dengan screen yang dihubungkan di kedua ujung

Grounding (earthing)

Koneksi ground motor terutama untuk memastikan keselamatan dalam hal ground fault pada motor. Koneksi ground harus dapat mengarahkan arus fault sampai perangkat keselamatan (sekring atau circuit breaker) memutus arus, sambil memastikan tegangan sentuh[1] pada badan motor tetap dalam batas aman.

Biasanya VSD membatasi arus ground fault ke tingkat yang jauh lebih rendah dan durasi yang lebih singkat dibandingkan sekring atau circuit breaker. Namun, drive mengandalkan perangkat dan sirkuit semikonduktor yang kompleks untuk mencapai ini, yang mungkin gagal. Untuk alasan keselamatan, oleh karena itu impedansi ground loop untuk koneksi ground harus sama seolah-olah tidak ada VSD – proteksi ultimatif disediakan oleh perangkat proteksi hulu yang mengakui drive. Pemilihan dimensi konduktor ground sama persis dengan motor yang di-feed langsung. Ini diilustrasikan pada Gambar 3.

Gambar 3: Jalur ground fault motor dan tegangan sentuh

Seperti dijelaskan di atas, kabel motor untuk VSD perlu di-screen. Apakah screen ini juga dapat menyediakan koneksi ground keselamatan tergantung pada impedansinya dan pada kode praktik yang digunakan untuk grounding. Biasanya menggunakan konduktor ground tembaga terpisah untuk menghindari kebutuhan akan perhitungan khusus.

Pertanyaan terkadang timbul, apakah menggunakan ground core dalam kabel motor screened (yaitu kabel 4-core) atau external. Dari sudut pandang keselamatan, kedua solusi sama baiknya. Untuk alasan EMC juga, kedua metode dapat bekerja, tetapi hati-hati diperlukan dengan kabel 4-core. Ground core membawa arus noise yang cukup tinggi, yang ditangkap dari inti daya di dalam kabel. Jika diarahkan ke titik dalam panel kabel inverter jauh dari terminasi screen kabel, akan menyuntikkan arus noise ke ground wiring panel, dengan risiko mengganggu sirkuit sinyal. Ground core harus dihubungkan ke panel inverter secara fisik sangat dekat dengan terminasi screen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4: Manajemen yang benar dari ground (PE) core dalam kabel motor screened 4-core

Kapasitansi dan induktansi

Kabel motor memiliki kapasitansi dan induktansi alami. Pada frekensi daya, kapasitansi memiliki efek yang tidak signifikan, sementara induktansi menyebabkan penurunan tegangan kecil yang terutama tidak signifikan kecuali untuk jalur kabel yang sangat panjang dan arus pemulaian DOL tinggi.

Efek pada pulsa PWM yang cepat naik dari inverter jauh lebih penting. Pada setiap tepi pulsa, kapasitansi kabel harus di-charge ulang. Ini menghasilkan pulsa arus yang cukup besar, tetapi pendek, pada setiap tepi. Ini dapat menyebabkan emisi medan frekensi tinggi, dan juga membentuk beban pada power semiconductor inverter selama switching.

Untungnya induktansi kabel terdistribusi seiring kabel dengan kapasitansi, dan memiliki efek untuk membatasi arus charging. Efek neto dijelaskan oleh “Telegrapher’s equations” dan menghasilkan parameter kabel Z₀, impedansi karakteristik, dan v, kecepatan propagasi.

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

Di mana = tegangan link DC inverter

Untuk kabel coaxial, impedansi karakteristik diberikan oleh:

Di mana:

= perivitas relatif dielectric (insulator)

= diameter dalam konduktor luar

= diameter luar konduktor dalam

Dalam kabel screened 3-fasa, geometri bukan bentuk coaxial sederhana, tetapi perilakunya serupa, impedansi adalah fungsi dari permitivitas dielectric dan diameter relatif dari inti dalam dan luar konduktor. Geometri dan bahan dielectric yang digunakan dalam kabel tidak bervariatif sangat banyak, dan istilah logaritmik berarti impedansi tidak sensitif terhadap perubahan geometri. Nilai terukur impedansi karakteristik untuk kabel daya screened standar berkisar dari sekitar 45 ohm untuk kabel 2.5 mm² hingga 15 ohm untuk kabel 120 mm². Ini berarti untuk drive yang lebih besar dengan arus rated di atas sekitar 20A, arus charging tidak signifikan, tetapi untuk rated di bawah sekitar 10A, ini memiliki dampak dan drive harus dirancang untuk menyediakan arus charging tanpa kehilangan daya berlebihan, atau over-current tripping yang tidak diinginkan.

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

Beberapa kabel khusus dapat memiliki nilai abnormal dari rasio diameter, misalnya jika tidak ada lapisan isolasi antara inti daya dan screen, seperti pada kabel daya screened yang sangat fleksibel. Kabel mineral insulated copper clad (MICC) juga memiliki rasio diameter yang rendah, dan perivitas insulator mineral tinggi, sehingga impedansi sangat rendah.

Situasi lain di mana efektivitas akan rendah adalah jika beberapa kabel dihubungkan secara parallel untuk mencapai arus rated yang diperlukan, daripada menggunakan satu kabel dengan diameter besar. Dalam kasus ini, kecuali panjang kabel total sangat pendek, sering kali perlu menambahkan series chokes antara drive dan kabel untuk membatasi arus charging kabel. Di Control Techniques kami sesekali menemukan kasus di mana penginstal menggunakan tiga kabel secara parallel dan menggunakan satu kabel dengan tiga inti untuk setiap fasa. Pengaturan ini adalah praktik buruk dalam setiap kasus karena arus frekensi jaringan di inti fasa menginduksi counter-current di screen, yang dapat menyebabkan pemanasan screen. Saat digunakan dengan VSD ini menghasilkan stray current yang sangat tinggi dari kapasitansi berlebihan antara inti daya dan ground, yang dapat menyebabkan interferensi frekensi tinggi dengan sirkuit di dekatnya dan juga berisiko overload RFI filter melalui arus common-mode (ground) berlebihan. Metode yang benar dan salah ditunjukkan pada Gambar 5.

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

Di atas tidak secara khusus membedakan mode dalam kabel yang ke mana impedansi berlaku. Umumnya tidak perlu mempertimbangkan detail ini banyak, tetapi mode utama yang mempengaruhi drive adalah:

• Mode asymmetrik sederhana, satu inti relatif terhadap semua inti lain dan screen. Ini relevan untuk beban drive tetapi tidak untuk ground current atau beban filter.
• Common mode, semua inti daya ke screen dan ke ground core jika dipasang. Ini relevan untuk ground current dan beban filter.

Overshoot tegangan motor dan laju perubahan (dv/dt)

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

Motor memiliki daya tahan tegangan yang bergantung pada waktu naik tegangan. Untuk waktu naik di bawah sekitar 0.8 mikrodetik, daya tahan tegangan dapat berkurang karena tegangan cenderung terkonsentrasi pada lilitan pertama gulungan, dan menegaskan insulasi antar-lilitan. Sebagian besar motor dirancang untuk digunakan dengan drive inverter yang beroperasi dari pasokan 400 V atau 480 V tanpa tindakan khusus. Untuk motor 690 V, sangat disarankan untuk menggunakan motor inverter-rated yang dirancang khusus untuk menghindari risiko kegagalan insulasi premature. Motor tersebut harus ditetapkan sesuai dengan panduan yang diberikan dalam dokumen IEC TS 60034-25 (“Guidance for the design and performance of a.c. motors specifically designed for converter supply”).

Beberapa motor

Sesekali diinginkan untuk mengoperasikan sejumlah motor dari satu drive. Misalnya, kipas ventilasi kecil dapat dipasang di sekitar bangunan dan dioperasikan dari satu drive, masing-masing dengan kabelnya sendiri. Dalam situasi ini, kapasitansi kabel ditentukan oleh panjang totalnya, tetapi induktansi bagian-bagian muncul secara parallel kepada drive, bukan secara serial. Untuk n kabel, impedansi yang dilihat oleh drive pada tepi pulsa adalah

Series choke harus digunakan dalam kasus ini untuk membatasi pulsa charging kapasitansi, jika tidak drive cenderung menderita over-current tripping atau limiting premature yang disebabkan oleh arus charging tinggi.