A fordulatszámváltók és frekvenciaváltók használatának minél jobb hatásfokú kiaknázásához szükséges kiegészítő alkatrészek – 1. rész

A cikksorozat 1. része azt vizsgálja, hogy mit kell figyelembe venni a villanymotor-csatlakozókábelek, a terhelőtekercsek, a fékező ellenállások, a fojtótekercsek és a hálózati szűrők kiválasztásakor. A 2. rész a fordulatszámváltók/frekvenciaváltók és a szervohajtások közötti különbségek ismertetésével folytatódik, és áttekinti a váltakozó áramú és egyenáramú forgó és lineáris szervomotorok felhasználási módjait, megvizsgálva, hogy hogyan illeszkednek az ipari műveletekbe a lágyindító-leállító egységek, valamint hogy hogyan használják az egyenáram-átalakítókat perifériák, például érzékelők, kezelőfelületek (HMI, human-machine interface) és biztonsági eszközök áramellátására.

Az ipari műveletek hatásfokának maximálisra növeléséhez és ahhoz, hogy azok minél jobban elősegítsék a fenntarthatóságot, elengedhetetlen a fordulatszámváltók (VSD, variable speed drive) és a frekvenciaváltók (VFD, variable frequency drive) használata, de pusztán ezek az eszközök nem elegendőek a cél eléréséhez. Ahhoz, hogy a lehető legnagyobb mértékben kihasználhassuk a fordulatszámváltók/frekvenciaváltók előnyeit, további alkatrészekre, például erősáramú kábelekre, fékező ellenállásokra, hálózati szűrőkre, fojtótekercsekre, terhelőtekercsekre és egyéb alkatrészekre is szükség van.

A kábelezés mindenütt jelen van, és kritikus fontosságú. Ha hibásan van méretezve a fordulatszámváltót/frekvenciaváltót a villanymotorral összekötő kábel, az jelentősen ronthatja a rendszer teljesítményét. Az egyéb elemek, például a fékező ellenállások, a szűrők és a tekercsek berendezésenként eltérőek, de nagyon fontosak lehetnek a berendezés sikeressége szempontjából.

Egyes rendszerek például olyan területeken működnek, ahol kordában kell tartani az elektromágneses zavarást (EMI, electromagnetic interference), és előnyös lehet az EN 61800-3 C2 kategóriának megfelelő hálózati szűrők használata. Azokon a felhasználási területeken, ahol lényeges a gyors lassítás, fékező ellenállásokra van szükség. A fojtótekercsek javíthatják a teljesítménytényezőt és a hatásfokot, a terhelőtekercsek pedig hosszabb kábelek használatát teszik lehetővé.

Ez a cikk a villanymotorok csatlakozókábeleinek kiválasztásakor figyelembe veendő szempontok áttekintésével kezdődik, és bemutatja a LAPP és a Belden cég néhány jellegzetes kábelét. Ezután megvizsgálja a terhelőtekercsek, a fékező ellenállások, a fojtótekercsek és a hálózati szűrők kiválasztását befolyásoló tényezőket, és ismerteti az ABB, a Schneider Electric, az Omron, a Delta Electronics, a Panasonic és a Siemens néhány jellemző eszközét.

Villanymotorkábelek különböző változatokban kaphatóak, hogy megfeleljenek az egyedi felhasználási követelményeknek. Ezeknek a kábeleknek jellemzően három fő erősáramú erük van, amelyek gyakran térhálós polietilén (XLPE) köpennyel vannak szigetelve. Egyes kábelek szigeteletlen földelővezetékkel is el vannak látva. Ezenkívül lehetnek még a kábelben különböző jelvezetékek, és többféle fonott, illetve fóliás árnyékolás közül lehet választani. A teljes kábelt egy környezetálló külső köpeny védi (1. ábra).

1. ábra: Frekvenciaváltókhoz való villanymotorkábelek sokféle változatban kaphatóak (kép: Belden)

Még az olyan alapszintű kábelek is, mint a Belden 29521C 0105000 cikkszámú kábele, több eret, valamint szigeteléseket és árnyékolásokat tartalmazó összetett kábelek. Ezek a kábelek három 14 AWG (Ø 1,57 mm) méretű (7 × 22 szál), XLPE szigeteléssel ellátott rézvezetéket, valamint három 18 AWG (Ø 1,02 mm) méretű (7 × 26 szál) szigeteletlen réz földelővezetéket tartalmaznak. Ezt a hat vezetéket egy két szalagból kialakított spirális árnyékolás veszi körül, amely 100%-ban beburkolja a vezetékeket. A környezetállóság érdekében a teljes kábelt PVC- (polivinil-klorid) köpeny védi.

A Belden cég alapszintű (Basic) kábelei alkalmasak a Nemzeti Villamossági Szabályzat (NEC, National Electrical Code) 1. osztálya 2. alosztályának megfelelő veszélyes helyeken történő használatra. Az 1. osztály a gyúlékony gázok, gőzök és folyadékok kezelésére szolgáló létesítményeket foglalja magában. A 2. alosztály azt határozza meg, hogy ezek a gyúlékony anyagok rendszerint nincsenek jelen olyan nagy töménységben, hogy meggyulladjanak.

Egyes kábelsorozatok, mint például a LAPP cég ÖLFLEX VFD 1XL jelű kábelei, jelvezetékkel és anélkül is kaphatóak. Azokon a felhasználási területeken, ahol előnyös a jelvezeték megléte, a LAPP cég 701710 jelű kábele használható. Ez három erősáramú vezetéket, egy földelővezetéket és egy pár jelvezetéket tartalmaz. Az erősáramú vezetékek 16 AWG (Ø 1,30 mm) méretűek (26 × 30-as szál), XLPE (plusz) szigeteléssel. A jelvezetékpár fóliával, vezetékenként külön van árnyékolva.

A teljes kábel védőszalaggal, háromrétegű fóliaszalaggal (100%-os beburkolás) és ónozott rézfonattal (85%-os beburkolás) van árnyékolva. A külső köpeny egy különleges hőre lágyuló elasztomer (TPE, thermoplastic elastomer), amely ellenáll a fertőtlenítőoldatoknak, és jellemzően az élelmiszer-, ital- és vegyiparban és az ezekhez kapcsolódó iparágakban használják.

A frekvenciaváltó-kábeleknek a nagy áramok és a jelek megbízható és jó hatásfokú továbbítása mellett a frekvenciaváltó nagyfrekvenciás működéséből eredő nagy feszültségcsúcsokat és elektromágneses (EMI) zajszinteket is kezelniük kell. Bár a frekvenciaváltó-kábeleket úgy tervezték, hogy elfojtsák és kezeljék a nagy feszültségtüskéket és az elektromágneses zavarjeleket, megvannak a maguk korlátai (2. ábra). Ekkor a terhelőtekercsekre hárul a nagy feszültségtüskék és az elektromágneses zavarjelek elfojtása.

2. ábra: A kordában nem tartott nagy feszültségtüskék átüthetnek a szigetelésen, és a kábel meghibásodását okozhatják (ábra: LAPP)

A frekvenciaváltó-kábelek kiválasztásának részletesebb tárgyalását lásd: Specifying and Using VFD Cables to Improve Reliability and Safety and Reduce Carbon Emissions (Frekvenciaváltó-kábelek választása és használata a megbízhatóság és a biztonság növelése, valamint a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése érdekében).

Terhelőtekercsek

A terhelőtekercsek vagy más néven kimeneti tekercsek a fordulatszámváltó vagy a frekvenciaváltó kimenetéhez közel vannak csatlakoztatva, hogy csökkentsék a nagy feszültségtüskék és az elektromágneses zavarjelek hatását, és a kábelben és a villanymotorban egyaránt védik a vezetékszigetelést. A fordulatszámváltók/frekvenciaváltók nagyfrekvenciás (általában 16 kHz és 20 kHz közötti) kimenőjelet állítanak elő. A nagyfrekvenciás kapcsolás néhány mikroszekundumos feszültségemelkedési időt eredményez, ami olyan nagy feszültségcsúcsokat okoz, amelyek meghaladhatják a villanymotor névleges csúcsfeszültségét, és a szigetelés meghibásodásához vezethetnek.

Ha a frekvenciaváltó-kábel hossza meghaladja a 30 m-t, a használt motortípustól függően gyakran terhelőtekercsek használata ajánlott. Vannak persze kivételek, például ha a motor megfelel a NEMA MG-1 szabvány 31. részében leírtaknak, akkor akár 90 m-es kábel is használható terhelőtekercs használata nélkül.

Ha a kábel hossza meghaladja a 90 m-t, általában motortípustól függetlenül ajánlott terhelőtekercs beépítése. Ha a távolság meghaladja a 150 m-t, akkor általában egy kifejezetten erre a célra tervezett szűrő használata ajánlott. Elektromágneses zavarásra érzékeny környezetben általában jó gyakorlat terhelőtekercset használni minden készülékhez.

A terhelőtekercseket gyakran kifejezetten az adott fordulatszámváltó- vagy frekvenciaváltó-típusokhoz tervezik. Például az Omron 3G3AX-RAO04600110-DE jelű tekercse egy 11 A-es, 4,6 mH-s terhelőtekercs, amelyet a vállalat 3G3MX2-A4040-V1 frekvenciaváltójával vezérelt 400 V-os, háromfázisú, 5,5 kW-os villanymotorokhoz terveztek.

Fékező ellenállások és hőtúlterhelés-védők

A terhelőtekercs mellett a fékező ellenállás és a hőtúlterhelés-védő leállítóeszköz lényeges kiegészítők lehetnek a fordulatszámváltó/frekvenciaváltó kimeneti oldalán. A fékező ellenállások a fékenergia elnyelésével lehetővé teszik a lehető legnagyobb átmeneti fékezőnyomatékot. A legtöbb fékező ellenállás elvezeti az energiát, de néhányat az energiát befogó és újrahasznosító visszatápláló fékrendszer részeként használnak.

Az energiaelnyelő fékező ellenállásokat az adott felhasználási területhez méretezik. A Schneider Electric VW3A7755 8 Ω-os fékező ellenállása legfeljebb 25 kW-ot képes elvezetni, míg a Delta Electronics BR300W100 jelű 100 Ω-os fékező ellenállása akár 300 W elvezetésére is képes.

A fékező ellenállásokat az energiaelvezetés százalékos arányával (ED%, % of energy dissipation) jellemzik. A megadott ED% érték garantálja, hogy az ellenállás hatékonyan tudja elvezetni a fékezés során keletkező adott mennyiségű hőt. A 3. ábrán az ED% a legnagyobb energiaelvezetéshez, a fékezési időtartamhoz (T1) és a teljes ciklusidőhöz (T0) képest van meghatározva.

3. ábra: Az energiaelvezetés százalékos arányának (ED%) meghatározása (ábra: Delta Electronics)

Az ED% értéket a fékezés erősségétől függően úgy határozzák meg, hogy a fékegységnek és a fékező ellenállásnak megfelelő idő álljon rendelkezésére a fékezés során keletkező hő elvezetésére. Ha a fékező ellenállás az elégtelen hőelvezetés miatt felmelegszik, az ellenállása megnő, ami csökkenti az átfolyó áramerősséget és az elnyelt fékezőnyomatékot.

A fékező ellenállásokat különböző energiaelvezetési ciklusokkal lehet jellemezni, például a következőképpen:

• Gyenge fékezés, ahol a fékteljesítmény a névleges nyomaték (Tn) 1,5-szeresére van korlátozva 40 másodpercenként 0,8 másodpercig. Korlátozott tehetetlenségű gépeknél, például fröccsöntő gépeknél használatos.
• Közepes fékezés, ahol a fékteljesítmény 40 másodpercenként 4 másodpercig 1,35 Tn-re van korlátozva. Nagy tehetetlenségű gépeknél, például lendkerekes préseknél és ipari centrifugáknál használatos.
• Erős fékezés, ahol a fékteljesítmény 120 másodpercenként 6 másodpercig 1,65 Tn-re, majd 54 másodpercig 1 Tn-re van korlátozva. Nagyon nagy tehetetlenségű, gyakran függőleges mozgást végző gépeknél, például emelőgépeknél és daruknál használatos.

A fékező ellenálláson kívül a legtöbb rendszer biztonsági óvintézkedésként a fékező ellenálláshoz csatlakoztatott hőtúlterhelés-védő egységet is tartalmaz, amilyen például az ABB cég Control sorozatába tartozó TF65-33 jelű hőtúlterhelés-védő relé. A hőtúlterhelés-védő egység az ellenállást és a fordulatszámváltó/frekvenciaváltó rendszert védi a túl gyakori vagy túl erős fékezéstől. Hőtúlterhelés észlelésekor a fordulatszámváltó/frekvenciaváltó kikapcsol. Ha csak a fékezési funkciót kapcsolnánk ki, az a fordulatszámváltó/frekvenciaváltó súlyos károsodásához vezethetne.

Védelem a frekvenciaváltó bemenetén

A frekvenciaváltó bemenetén lévő fojtótekercsek és szűrők a kis frekvenciájú felharmonikusokat, illetve a nagyfrekvenciás elektromágneses zajokat korlátozzák (4. ábra). A fojtótekercsek a frekvenciaváltó áramkör által a bemenő váltakozó áramban okozott harmonikus torzítást segítenek csökkenteni. Különösen hasznosak lehetnek olyan készülékekben, amelyeknek meg kell felelniük az IEEE-519 (Harmonic Control in Power Systems – A felharmonikusok szabályozása a nagy teljesítményű rendszerekben) szabvány követelményeinek. A fojtótekercsek elfojtják a hálózati áramban lévő zavarokat, például a túlfeszültségeket, feszültségtüskéket és feszültségugrásokat, növelik az üzembiztonságot, és megakadályozzák a túlfeszültség miatti leállításokat.

4. ábra: A hálózati szűrők a nagyfrekvenciás elektromágneses zajokat, míg a fojtótekercsek a kis frekvenciájú felharmonikusokat korlátozzák (ábra: Siemens)

A fojtótekercsek közé tartozik például a Panasonic háromfázisú frekvenciaváltókat és tartozékokat magába foglaló Minas termékcsaládjának részét képező, DV0P228 jelű, 2 mH induktivitású, 8 A névleges áramerősségű tekercs, valamint a Siemens 6SL32030CE132AA0 jelű, 2,5 mH induktivitású tekercse, amely legfeljebb 1,1 kW névleges teljesítményű és 4 A bemenő áramfelvételű, 3 fázisú, 380 V –10% és 480 V +10% közötti váltakozó feszültségről (V_AC) működő frekvenciaváltókhoz használható.

Hálózati szűrők

Az elektromágneses összeférhetőség (EMC, electromagnetic compatibility) elősegítéséhez és az elektromágneses zavarvédelem biztosításához a legtöbb készülékben hálózati szűrőkre van szükség. Ipari és kereskedelmi (épület) környezetben környezettől függően az elektromágneses zavarszűrők két osztályát, az A és a B osztályt használják. A B osztály magasabb szintű szűrést igényel, mint az A osztály, mivel a kereskedelmi környezetek (irodák, adminisztráció stb.) általában olyan elektronikus rendszereket tartalmaznak, amelyek érzékenyebbek az elektromágneses zavarásra.

Az elektromágneses összeférhetőségre vonatkozó kapcsolódó szabványok közé tartozik az EN 55011, amely az ipari, tudományos és gyógyászati berendezésekre vonatkozó zajkibocsátási korlátozásokat taglalja, valamint az IEC/EN 61800-3, amely kifejezetten a fordulatszámváltókra és frekvenciaváltókra (azaz a változtatható fordulatszámú hajtásokra) vonatkozik.

A frekvenciaváltók/fordulatszámváltók beépített hálózati szűrőkkel és azok nélkül is kaphatóak. Ha van szűrőjük, az lehet A vagy B osztályú. A környezettől és a kiépítési jellemezőktől, például a kábelek hosszától függően még a beépített szűrővel ellátott frekvenciaváltók/fordulatszámváltók is igényelhetnek további szűrést. Egy A osztályú környezetre méretezett frekvenciaváltó/fordulatszámváltó külön rendelhető szűrővel B osztályú környezetben is használható.

Az IEC/EN 61800-3 szabvány környezetek és kategóriák alapján határozza meg az elektromágneses összeférhetőségi követelményeket. A lakóépületek az első környezetet, a második környezetet pedig a transzformátoraikon keresztül a közepes feszültségű elosztóhálózathoz csatlakozó ipari létesítmények alkotják.

Az EN 61800-3 szabványban meghatározott négy kategória a következő:

• C1 – < 1000 V névleges feszültségű hajtásrendszerekhez, az első környezetben történő korlátlan használatra
• C2 – < 1000 V névleges feszültségű helyhez kötött hajtásrendszerekhez a második környezetben való használatra és az első környezetben való lehetséges használatra
• C3 – < 1000 V névleges feszültségű hajtásrendszerekhez, kizárólag a második környezetben történő használatra
• C4 – különleges követelmények ≥ 1000 V névleges feszültségű és ≥ 400 A névleges áramerősségű meghajtórendszerekre a második környezetben való használatra

Kaphatók ugyan általános hálózati szűrők, de a fojtótekercsekhez hasonlóan a hálózati szűrőket is gyakran adott frekvenciaváltó-/fordulatszámváltó termékcsaládokhoz tervezik. A Schneider Electric VW3A4708 jelű hálózati szűrője például 200 A-re van méretezve (5. ábra). Ezt a szűrőt a vállalat Altivar fordulatszámváltóihoz és Lexium szervohajtásaihoz tervezték. A szűrő IP20-as védettségű, és a névleges hálózati feszültsége 200 V és 480 V közötti váltakozó feszültség. Az EN 61800-3 minősítés a villanymotorkábel hosszától függ:

• C1 kategória: legfeljebb 50 m árnyékolt kábel
• C2 kategória: legfeljebb 150 m árnyékolt kábel
• C3 kategória: legfeljebb 300 m árnyékolt kábel

5. ábra: 200 V és 480 V váltakozó feszültség közötti névleges hálózati feszültségű, 200 A-es hálózati szűrő (kép: Schneider Electric)

Összegzés

A fordulatszámváltók és a frekvenciaváltók az ipari műveletek hatásfokának maximálisra növelésében és az üvegházhatású gázok kibocsátásának minimálisra csökkentésében fontos szerepet játszó rendszerek. Ezekhez a változó fordulatszámú hajtásokhoz számos kiegészítő alkatrészre van szükség a jó hatásfokú és megbízható, a vonatkozó nemzetközi szabványoknak megfelelő rendszerek kiépítéshez, beleértve a frekvenciaváltó-kábeleket, a terhelőtekercseket, a fékező ellenállásokat, a fojtótekercseket és a hálózati szűrőket.