Frekvenciaváltó-kábelek választása és használata a megbízhatóság és a biztonság növelése, valamint a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése érdekében

A frekvenciaváltók (VFD, variable frequency drive) és azok villanymotorjai csökkenthetik a különböző rendszerek, többek közt a szállítószalagok, a szivattyúk, a keverők, a liftek, a fűtő-, szellőző- és légkondicionáló (HVAC, heating, ventilation and air conditioning) és más hasonló berendezések szén-dioxid-kibocsátását és javíthatják azok hatásfokát, valamint növelhetik a megbízhatóságát és a biztonságát. A frekvenciaváltót a villanymotorral összekötő kábelek a rendszer kritikus láncszemét jelentik. Megfelelő kábelek hiányában csökkenhet a kezelő biztonsága, valamint a villanymotor megbízhatósága és élettartama.

A jellegzetes frekvenciaváltó rendszerek olyan zord körülmények között működnek, amelyekben a tápfeszültség két-háromszorosát elérő nagyfeszültségű feszültségtüskék, valamint erős sugárzott és vezetett elektromágneses zajok fordulnak elő. Ezenkívül a kábelek magas hőmérsékletnek is ki lehetnek téve. Ellen kell állniuk az olajnak, a víznek és az ibolyántúli (UV) sugárzásnak, miközben hajlékonynak kell maradniuk, és meg kell felelniük az UL, CSA, NFPA és NEC szabványok számos műszaki követelményének.

A kihívást jelentő működési környezetek és a frekvenciaváltó berendezésekre vonatkozó műszaki követelmények megnehezítik a kábelekre vonatkozó előírások teljesítését. Ez a cikk röviden áttekinti a frekvenciaváltók és villanymotorjaik működését, a kábelszigeteléssel szemben támasztott követelményeket és az elektromágneses összeférhetőség (EMC) szükségességét. A cikk összehasonlítja az UL 1277 TC ER, a WTTC és a TC kábelekre vonatkozó előírásokat, és megvizsgálja az NEC és az NFPA követelményeit. Ezenkívül bemutatja a kábelek szerkezeti felépítésével kapcsolatos szempontokat is, és a Belden, a Helukabel, az Igus, a LAPP és a SAB North America példaként használt kábeleinek áttekintésével zárul.

Környezeti kihívások

A frekvenciaváltók villanymotorjai, maguk a hajtások és az őket összekötő kábelek villamos szempontból zord környezetben működnek. A frekvenciaváltók kábeleinek jó hatásfokkal kell nagy hajtási teljesítményt szolgáltatniuk nagy feszültségen, és kezelniük kell a nagy feszültségcsúcsokat és a magas zajszinteket. A frekvenciaváltók kábeleinek szigetelése olyan nagy kihívást jelentő körülményeknek van kitéve, mint a visszavert hullámok és a koronaképződési küszöbfeszültségek (1. ábra):

• Visszavert hullámok: A visszavert hullámokat a frekvenciaváltó motorja és annak kábelei közötti nem megfelelő impedanciák okozhatják. Ez azt eredményezheti, hogy a feszültséghullámok visszapattannak a hajtás felé. Kellően erős szigetelés nélkül a visszavert hullámok átüthetnek a szigetelésen, és túlmelegíthetik a kábelt.
• Koronaképződési küszöbfeszültség/koronakisülés: A frekvenciaváltós rendszerekben az impulzusszélesség-modulációs (PWM, pulse width modulation) feszültségek gyorsan oszcillálnak a nullától a csúcsfeszültségig. Megfelelő szigetelés nélkül a kábel koronaképződési küszöbfeszültsége feletti nagyfeszültségű tüske ionizálja a vezetőt körülvevő levegőt, ami koronakisülést eredményez, amely megolvaszthatja a szigetelést, és károsíthatja a villanymotort, a motorcsapágyakat és a hajtást.

1. ábra: A frekvenciaváltó-kábelek szigetelésének képesnek kell lennie a visszavert hullámok és a koronaképződési küszöbfeszültségek kezelésére (ábra: SAB North America)

Árnyékolás és földelés

A frekvenciaváltók kábeleinek, amellett, hogy elviselik a feszültségcsúcsokat, kiváló elektromágneses összeférhetőséget (EMC, electromagnetic compatibility) is kell nyújtaniuk. Az elektromágneses összeférhetőséggel kapcsolatos fontos szempontok:

• A közös módusú áramok a frekvenciaváltókban lévő azon háromfázisú feszültségekből adódnak, amelyek összege nem nulla, ami feszültségegyenlőtlenséget eredményez. Amikor a nem nulla feszültségszint megváltozik, a földelővezetéken keresztül arányos kábeli töltőáram tér vissza. A túl nagy közös módusú áram olyan földhurkot hoz létre, amely károsan hat a rendszer teljesítményére.
• Az átvitt villamos zaj a frekvenciaváltó változó frekvenciáiból ered, amelyek elektromágneses (EMI, electromagnetic interference ) és rádiófrekvenciás zavarokat (RFI, radio frequency interference) okozhatnak, és hatással lehetnek a közeli alkatrészekre és rendszerekre.

Ha a hajtás, a kábelek és a villanymotor alkotta rendszer hatékonyan van földelve, egy Faraday-kalitkát hoz létre, amely kiváló elektromágneses összeférhetőséget nyújt (2. ábra).

2. ábra: Ha a frekvenciaváltók kábelei megfelelően vannak földelve, az csökkentheti a közös módusú áramokat és a villamos zajt (ábra: SAB North America)

Kábelátvezető csatlakozók és kábelvezető védőcsövek

A frekvenciaváltó-kábelek kaphatók kis átmérővel is, hogy kábelcsatornában lehessen vezetni őket, valamint folyamatos hegesztésű fémburkolatú kábelrendszerek formájában. Ezek a megoldások bonyolult, költséges kiépítést igényelnek, és több lehetséges megbízhatósági problémával küzdenek. Kaphatóak olyan tálcás kábelek (TC, tray cable) is, amelyek nem igényelnek kábelvezető védőcsövet. Ha rendelkezésre áll valamilyen kábelvezető védőcső, akkor az használható a hajtás és a villanymotor közötti Faraday-kalitka létrehozására. Különböző osztályú tálcás kábelek használata esetén az elektromágneses összeférhetőséget biztosító kábelátvezető csatlakozókat lehet használni a Faraday-kalitka kiegészítéseként. Az elektromágneses összeférhetőséget biztosító kábelátvezető csatlakozók IP 68-as behatolás elleni védettséget kínálnak, ami azt jelenti, hogy édesvízben legfeljebb 1,5 méteres mélységig 30 percig vízállóak, valamint porvédettek, így alkalmasak a nagy kihívást jelentő ipari és kültéri környezetekben való használatra (3. ábra).

3. ábra: A hajtásnak az elektronikához és a villanymotorhoz való csatlakoztatásához kábelátvezető csatlakozókat lehet használni, hogy Faraday-kalitkát képezzenek, és csökkentsék az elektromágneses zavarást (kép: SAB North America)

Kábelosztályok

A tálcás kábelek egyszerűsíthetik a kiépítést, és csökkenthetik a költségeket. Különböző jellemzők szerint osztályozzák őket, amilyen például a névleges feszültség, a hajlékonyság, valamint az összenyomás- és ütésállóság. Két fő UL-szabvány létezik. Mindkét szabvány a 18 AWG (0,8 mm² keresztmetszet, Ø 1 mm) és annál nagyobb méretű kábelekre vonatkozik. A két szabvány a következő:

Az UL 1277 (Electrical Power & Control Tray Cables – Tálcás villamos táp- és vezérlőkábelek) többféle 600 V névleges feszültségű tálcáskábel-típusra vonatkozik.

• A tálcás (TC) alapkábelek a leggyakoribb típusok, és olyan helyeken használják őket frekvenciaváltók kábeleiként, ahol égésgátló tulajdonságokra van szükség.
• A TC-ER (exposed run, szabadon futó) tálcás kábeleknek a szabványos TC tálcás kábeleknél szigorúbb összenyomás- és ütésállósági követelményeknek kell megfelelniük. Ezek a kábelek a kábeltálcák között átlagosan 1,8 m (6 láb) távolságig szabadon futhatnak.
• A THHN/PVC a tálcás kábelek olcsó, hőre lágyuló műanyag köpennyel ellátott formája. Alkalmas közvetlenül a földbe temetésre és kábelvezető védőcsőben történő vezetésre is.

Az UL 2277 (Flexible Motor Supply Cable & Wind Turbine Tray Cable – Hajlékony villanymotor-áramellátó kábel és szélturbinákhoz való tálcás kábel) két tálcáskábel-típusra vonatkozik, amelyeknek 1000 V a névleges feszültségük.

• A hajlékony villanymotor-áramellátó kábeleket (FMSC, flexible motor supply cable) elsősorban frekvenciaváltók villanymotorjának tápkábeleként való használatra tervezték.
• A szélturbinákhoz való tálcás kábelek (WTTC, wind turbine tray cable) ellenállnak a szélerőművekben uralkodó szélsőséges, zord körülményeknek, például az olajnak, a kopásnak, a szélsőséges hőmérsékleteknek, a víznek, az állandó mozgásnak stb.

NEC és NFPA

Az Amerikai Egyesült Államokban gyakran meg kell felelni az NEC 79/NFPA 79 2018-as kiadásának, de nem mindig – ez a helyi építési szabályozásoktól függ. A szabvány előírja, hogy a frekvenciaváltó-kábeleket RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW vagy XHHW-2 jelöléssel kell ellátni az alábbiak szerint:

• Az RHW, RHH és RHW-2 jelű kábelek hőálló gumiszigeteléssel vannak ellátva.
  • Az RHW vízálló kábelt jelöl, +75 °C-os névleges hőmérséklettel.
  • Az RHH olyan kábelt jelöl, amelynek +75 °C a névleges hőmérséklete, de nem vízálló.
  • Az RHW-2 vízálló kábelt jelöl, +90 °C-os névleges hőmérséklettel.
• Az XHH, XHHW és XHHW-2 jelű kábelek XLPE (cross-linked polyethylene, térhálósított polietilén) szigeteléssel vannak ellátva.
  • Az XHH jelű kábelt nyirkos helyeken való használatra szánták, és +75 °C a névleges hőmérséklete.
  • Az XHHW jelű kábelt nedves helyeken való használatra szánták, és +75 °C a névleges hőmérséklete.
  • Az XHHW-2 jelű kábelt nedves helyeken való használatra szánták, és +90 °C a névleges hőmérséklete.

A térhálósított polietilén szigetelés könnyebb és hajlékonyabb, mint a gumiszigetelés, így az XLPE kábeleket könnyebb telepíteni, különösen alacsony hőmérsékleten. Ezenkívül a térhálósított polietilén kisebb szivárgást kínál a gumiszigeteléshez képest.

A kábelek kialakítása

A frekvenciaváltókhoz való tálcás kábelek kialakításának számos módja van. Az Igus cég CF31-25-04 számú kábelével jól szemléltethető a közös elemek többsége. A listán szereplő számok megfelelnek a 4. ábrának:

1. Nyomással extrudált, olajálló PVC-keverékből készült külső köpeny (Külső köpeny, kis tapadású, olajálló PVC-ből készült külső köpeny).
2. Ónozott rézhuzalokból készült, nagymértékben hajlításálló fonott külső árnyékolás.
3. Belső köpeny nyomással extrudált hézagkitöltő PVC-ből.
4. A CFRIP egy Igus-specifikus letépőcsík, amely a belső köpenybe van öntve, a célja, hogy könnyebb legyen lecsupaszítani a kábelt.
5. A térhálósított polietilén (XLPE) műanyag belső szigetelésnek háromdimenziós kötése van a műanyagon belül. A térhálósított polietilénnek nagy a mechanikai szilárdsága és kicsi a kapacitása.
6. Vezető, amely a DIN EN 60228 követelményei alapján a < 10 mm², illetve a ≥ 10 mm² keresztmetszetű magok esetén eltérő.
7. Központi nyúláscsökkentő, húzófeszültség-álló anyag.

4. ábra: Példa frekvenciaváltó-kábelre, amely szemlélteti az áramvezető ereken kívül az árnyékoló és feszültségmentesítő elemeket is (ábra: Igus)

További választási lehetőségek

A LAPP cég ÖLFLEX VFD 1XL jelű terméke egy frekvenciaváltó hajtásokhoz készült erős, olaj- és UV-álló árnyékolt kábel termékcsalád kisebb kábelátmérőt igénylő szerkezetekhez. Az XLPE szigetelés szokatlanul kis átmérője alkalmassá teszi ezeket a kábeleket a zsúfolt készülékekben való használatra, ahol a szokványos kábelek túl vastagok lehetnek. Ezenkívül a kisebb átmérő nagyobb hajlékonyságot tesz lehetővé, ami segíti a gyorsabb kiépítést. Ezek a TC-ER minősítésű kábelek kábelvezető védőcső nélkül is felszerelhetők, de kisebb átmérőjük és hajlékonyságuk szükség esetén egyszerűsíti a kábelvezető védőcsövek használatát is. Megfelelnek az XHHW-2 teljesítménykövetelményeknek. A LAPP több olyan kábeltípust kínál, amelyek négy vezetőeret (beleértve a földet is) plusz árnyékolásföldelő vezetőt tartalmaznak, mint például a 701703 jelű típus 10 AWG (5,3 mm² keresztmetszet, Ø 2,6 mm) méretű vezetőerekkel és a 701717 jelű típus 2 AWG (33,7 mm² keresztmetszet, Ø 6,5 mm) méretű vezetőerekkel.

A Helukabel többféle TC-ER és WTTC minősítésű kábelt kínál 2 AWG (33,7 mm² keresztmetszet, Ø 6,5 mm) és 18 AWG (0,8 mm² keresztmetszet, Ø 1 mm) közötti méretű vezetőerekkel, ilyen például a négyeres, 12 AWG (3,3 mm² keresztmetszet, Ø 2,1 mm) méretű, 63141 jelű tálcáskábel-típus. Ezek a kábelek kettős árnyékolásúak, amely az alumíniumfóliát (100%-os lefedettség) és az ónozott rézhuzalfonatot (kb. 85%-os lefedettség) kombinálja. XLPE szigetelésűek, és PVC köpenyük ellenáll az olajnak, a hűtőfolyadékoknak, az oldószereknek, valamint a tisztító- és fertőtlenítőszereknek. Ezek a kábelek a kábeltálcákba és a kábeltálcától a gépig történő nyílt, nem védett kiépítésre vannak méretezve. Ezenkívül alkalmasak kábelvezető védőcsőben történő vezetésre és közvetlenül a földbe fektetésre is.

Rendkívül hajlékony kábelek

A Belden több tálcás kábel termékcsaládot kínál különböző vezetőér- és földeléskialakításokkal, többféle szigetelő- és árnyékolóanyaggal (5. ábra). A rendkívül hajlékony tálcás kábeleket igénylő berendezésekhez a vállalat a HighFlex VFD frekvenciaváltó-kábeleket kínálja többféle hajlékonysági tartományban, akár 10 millió hajlítási ciklussal. Ezek a tálcás kábelek finoman sodrott ónozott rézvezetőket tartalmaznak, egyes típusok esetében a vezetőér több mint 2000 egyedi szálból áll, és rugalmas TPE (hőre lágyuló elasztomer) köpenyük hajlékony, ami megkönnyíti a kiépítés során történő kezelésüket. A 29501F 0101000 cikkszámú, TC-ER és WTTC minősítésű kábel például folyamatos mozgatásra, gépen belüli eszközökhöz készült, és megfelel az XHHW-2 minősítés követelményeinek, amelyek nedves helyeken, +90 °C-ig történő használatra vonatkoznak. A HighFlex VFD frekvenciaváltó-kábelek felhasználási célterületei:

• ipari berendezések működtetése
• szivattyúk áramellátása
• ventilátorok áramellátása
• anyagszállítók futószalagok működtetése
• robotkarok mozgatása

5. ábra: Néhány a frekvenciaváltó-kábelekben használt számos vezetőér- és földelővezeték-elrendezés, valamint szigetelő- és árnyékolóanyag közül (ábra: Belden)

A SAB frekvenciaváltó-kábeleit úgy tervezték, hogy optimális elektromágneses összeférhetőséget tegyenek lehetővé. Folyamatos hajlítgatásra alkalmas változata is kapható. Ezek a kábelek megfelelnek a TC-ER és a WTTC minősítés követelményeinek, és a jobb kapacitás érdekében XLPE szigetelést használnak, két változatban: az egyik kisebb átmérőjű, a másik pedig hosszabb kábelfutást tesz lehetővé. A különböző frekvenciaváltómotor-gyártók eltérő követelményeket támasztanak a kombinált tálcás frekvenciaváltó-kábelek vezetékpárméretére vonatkozóan, és kérhetnek árnyékolásföldelő vezetővel ellátott vagy anélküli vezetékeket. A SAB frekvenciaváltó-kábelei között olyan kábelek is megtalálhatók, amelyek a legtöbb felhasználási terület követelményeit kielégítik, például van bennük fékezésre vagy hőmérséklet-érzékelésre szolgáló vezetékpár, és többféle érpármérettel kaphatóak, köztük 18 AWG (0,8 mm² keresztmetszet, Ø 1 mm), 16 AWG (1,3 mm² keresztmetszet, Ø 1,3 mm), 14 AWG (2,1 mm² keresztmetszet, Ø 1,6 mm) és 12 AWG (3,3 mm² keresztmetszet, Ø 2,1 mm) méretű vezetőerekkel, valamint van néhány két érpáros kivitel is. Az alumíniumfóliát és az ónozott rézhuzalfonatot kombináló kettős árnyékolással vannak ellátva, és földszimmetrikus kialakítással is kaphatóak. Ezeknek a kábeleknek a hajlítási sugara a kábelátmérő 12-szerese, és XHHW-2 minősítésűek, így használhatók nedves helyeken, 90 °C-ig. Jó példa ezekre a kábelekre a 35661204 jelű négyeres, 12 AWG méretű kábel.

Összegzés

A frekvenciaváltókhoz készült kábeleket (frekvenciaváltó-kábeleket) zord villamos környezetben használják, és ellen kell állniuk a magas hőmérsékletnek, a víznek, az olajnak és különböző vegyszereknek. Annak meghatározása, hogy milyen kábelre van szükség az adott felhasználási területre, összetett folyamat, amely szükségessé teszi olyan különböző tulajdonságok figyelembevételét, mint a szigetelés különböző jellemzői – beleértve a visszavert hullámokkal és a koronaképződési küszöbfeszültségekkel szembeni ellenálló képességet –, az árnyékolás, az elektromágneses összeférhetőséget biztosító kábelátvezető csatlakozók, valamint az UL, NEC és NFPA szabványok követelményei. A megfelelően választott és vezetett frekvenciaváltó-kábelek hozzájárulnak az egyszerűbb és kisebb költségű rendszerkiépítéshez, a villanymotorok jobb működéséhez, a kisebb szén-dioxid-kibocsátáshoz és a kezelők nagyobb biztonsághoz.