Auswahl von Kabeln für eine zuverlässige VFD-Motorsteuerung und Sensorrückmeldung

Die industrielle Automatisierung und die Bemühungen zur Verbesserung der Energieeffizienz führen zu einem verstärkten Einsatz von frequenzvariablen Antrieben (VFDs) in Motorsystemen wie Förderanlagen, Pumpen und Industrierobotern. Die Auswahl von Kabeln für diese Motoren ist komplexer als nur die Wahl eines Kabelquerschnitts auf der Grundlage des Laststroms und einer Isolationsleistung für die Betriebsspannung.

Moderne VFD-Motorsysteme verwenden geschaltete Leistungselektronik, die pulsweitenmodulierte (PWM) Antriebssignale mit sehr schnellen Flanken erzeugt. Diese schnellen Übergangszeiten können die durch Impedanzfehlanpassungen zwischen dem Kabel und den Motorklemmen verursachten Reflexionen verstärken und zu stehenden Wellen führen, die die Spannungsbelastung entlang des Kabels erhöhen. Außerdem kann die Leitungskapazität zwischen den Leitungen und die Leitungskapazität zwischen Erde die Antriebsleistung beeinflussen und die Ladeströme erhöhen. Da VFD-PWM-Signale reich an hochfrequenten Oberschwingungen sind, müssen Motorkabel wirksam abgeschirmt werden, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren.

Dieser Artikel bietet einen kurzen Überblick über VFDs und untersucht die Herausforderungen, mit denen Entwickler bei der Auswahl von VFD-Motorkabeln konfrontiert werden, um die richtige Funktionalität, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Anschließend werden VFD-Kabel von LAPP vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie stabile Strom- und Steuersignale liefern und gleichzeitig die EMI-Emissionen und die Anfälligkeit in rauen Umgebungen reduzieren können.

Grundlagen zu VFDs

Die industrielle Automatisierung erfordert zuverlässige, effiziente Motoren, die über den gesamten Drehzahlbereich in beide Richtungen arbeiten können. VFDs, manchmal auch als drehzahlgeregelte Antriebe bezeichnet, sind Motorsteuerungen, die die Drehzahl und das Drehmoment eines AC-Induktionsmotors (ACIM) regeln, indem sie die Eingangsfrequenz, die Spannung und das Tastverhältnis des Motors verändern. Sie arbeiten, indem sie den Wechselstromeingang gleichrichten und den Gleichstromausgang nutzen, um PWM-Signale für den Antrieb des Motors zu erzeugen. Durch die Einstellung von Frequenz, Breite und Amplitude dieser Impulse können die Motordrehzahl und das Ausgangsdrehmoment in einem breiten Spektrum von motorgetriebenen Systemen gesteuert werden.

Um seine Funktion zu erfüllen, besteht ein VFD aus drei Hauptkomponenten (Abbildung 1): einem Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, einem Wechselrichter, der Gleichstrom in einen PWM-Strom umwandelt, und einem VFD-Controller.

Abbildung 1: Ein VFD wandelt den Eingangswechselstrom in Gleichstrom um und verwendet diesen, um die PWM-Signale zur Steuerung der Motordrehzahl und des Ausgangsdrehmoments zu erzeugen. (Bildquelle: Art Pini)

Der Controller überwacht den Motorbetrieb mit Hilfe von Sensoren, einschließlich Resolver-/Encoder-Rückkopplungskomponenten, Tachometern sowie Temperatur- und Schwingungssensoren, um wichtige Motorparameter zu verwalten.

Der Gleichrichter verwendet herkömmliche Dioden, gefolgt von einem Filter. Der Wechselrichter nutzt Leistungs-Feldeffekttransistoren (FETs) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Diese werden mit isolierten Hochspannungs-Gate-Treibern betrieben, die vom VFD-Controller gesteuert werden.

Der VFD-Betrieb unterscheidet sich vom herkömmlichen Drehstrombetrieb dadurch, dass die den Motor antreibenden Signale keine Sinuswellen, sondern PWM-Impulse sind (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die PWM-Impulse eines VFDs erzeugen einen sinusförmigen Stromverlauf in den Motorwicklungen. (Bildquelle: LAPP)

Die Frequenz des PWM-Signals liegt im Allgemeinen zwischen 2 kHz und 20 kHz. Der Wechselrichter verbindet den Motor abwechselnd mit dem positiven und negativen Zwischenkreis sowie mit der gemeinsamen Gleichspannung. Die DC-Busspannung liegt nahe an der Spitzenwechselspannung des Netzes. Die angewandte PWM-Wellenform des VFD erzeugt eine sinusförmige Stromantwort, die die Drehzahl und das Drehmoment des Motors steuert.

Der Bedarf an speziellen Kabeln für den Anschluss des VFD an den Motor ergibt sich aus den Eigenschaften der PWM-Wellenform. Diese Wellenform hat als Rechteckimpuls ein breites Frequenzspektrum, das reich an Oberwellen ist. VFD-Kabel sind so konzipiert, dass sie die Abstrahlung dieser Hochfrequenzsignale reduzieren. Um die Schaltverluste in den Wechselrichterschaltern zu minimieren und den Wirkungsgrad zu maximieren, werden die Impulsübergänge so schnell wie möglich durchgeführt. Dies führt zu Impulsflanken mit hohen Spannungsänderungsgeschwindigkeiten (dV/dt). Diese Merkmale, kombiniert mit schnellen Flanken und hohem Spektralgehalt, können hohe EMI-Pegel verursachen. Schnelle Flanken können auch Übertragungsleitungsreflexionen bei Impedanzänderungen entlang des Kabels erzeugen. Durch Reflexionen entstehen stehende Wellen im Kabel, die die Spannung über die gesamte Länge erhöhen und eine höhere Spannungseinstufung für das VFD-Kabel erfordern.

Die Kabelkapazität zwischen metallischen Leitern ist ein weiteres Problem. Wenn die Schalter des Wechselrichters das Kabel mit dem DC-Bus verbinden, entsteht ein Stromstoß, der die Kapazitäten des Kabels auflädt. Dies kann zu einer Erhöhung des Momentanstroms führen und möglicherweise Kabelschäden verursachen. Dieser Gleichtaktstrom kann zwischen den Phasen oder von einer Phase zur Erde fließen. Er kann auch einen Massestrompfad über den Motorrahmen finden, der durch die Lager des Motors verläuft. Die durch die Lager fließenden Ströme können Lochfraß auf den Lageroberflächen verursachen, was die Lebensdauer des Motors verkürzt. Diese Probleme treten in der Regel bei VFDs auf, die mit höheren Spannungen, einer höheren Motorleistung (PS) und längeren Betriebszeiten betrieben werden.

Wie bei allen Drähten und Kabeln kann durch den Strom, der durch den Gleichstromwiderstand des Kabels fließt, Energie verloren gehen. Aufgrund der größeren spektralen Bandbreite von PWM-Signalen kann sich außerdem der Widerstand des Kabels durch den Skin-Effekt erhöhen. Diese Widerstandseffekte ändern sich mit der Kabellänge.

VFD-Kabel lösen die Herausforderungen beim Anschluss direkt

Die Familie ӦLFLEX VFD 2XL mit Signalkabeln von LAPP (Abbildung 3) ist für den Einsatz von VFDs in industriellen Umgebungen, festen Installationen und für Anwendungen, die gelegentliches Biegen erfordern, konzipiert. Sie lösen viele der Probleme, die beim Betrieb von VFDs auftreten.

Abbildung 3: Zwei Ansichten eines typischen ӦLFLEX VFD 2XL mit Signalkabeln, die die wichtigsten Konstruktionsmerkmale in Bezug auf VFD-Anwendungen verdeutlichen. (Bildquelle: Art Pini, basierend auf Material von LAPP)

Das wichtigste Merkmal ist die Struktur der Stromleiter. Die Litzenkabel beeinflussen die Flexibilität und die Strombelastbarkeit des Kabels. Diese VFD-Kabelfamilie von LAPP erfüllt die nordamerikanischen und europäischen Normen für Litzenkabel der Klasse 5. Leiter der Klasse 5 bestehen aus mehreren sehr dünnen, verzinnten Kupferdrähten, die so angeordnet sind, dass sie hochflexible Kabel bilden. Die kreisförmige Millimeterfläche (CMA) kann diejenige der entsprechenden AWG-Größen (American Wire Gauge) übersteigen. Dies führt zu einem geringeren Gleichstromwiderstand, einem geringeren Spannungsabfall über das Kabel und einer geringeren Verlustleistung. Das Signalkabelpaar hat einen kleineren Durchmesser und entspricht Litzenkabeln der Klasse K.

Jedes Kabel enthält drei schwarze isolierte Stromkabel, die mit einem aufgedruckten Phasenetikett gekennzeichnet sind, ein grün-gelb gestreiftes Erdungskabel und ein abgeschirmtes, paarweise verdrilltes Signalkabel mit zwei Leitern.

Die Drähte im Inneren des Kabels sind einzeln mit vernetztem Polyethylen (XLPE) isoliert, einem duroplastischen Kunststoff, der Hitze, Feuchtigkeit und Chemikalien widersteht. XLPE verfügt über hervorragende thermomechanische Eigenschaften, die es ermöglichen, der Hitze von Überstrombedingungen standzuhalten. Außerdem hat es eine niedrigere Dielektrizitätskonstante, was die Kabelkapazität reduziert und dazu beiträgt, Lade- und Gleichtaktströme zu minimieren. Außerdem ermöglicht die niedrigere Dielektrizitätskonstante einen geringeren Abstand zwischen den isolierten Leitern, wodurch der Kabeldurchmesser verringert und gleichzeitig die maximale Betriebsspannung erhöht wird.

Der Außenmantel des Kabels besteht aus einem speziell formulierten thermoplastischen Elastomer (TPE). TPE ist ein flexibles und haltbares Material, das die Eigenschaften von Kunststoff und Gummi vereint. Es bietet eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Hitze, Öl, Chemikalien, ultraviolettes Licht und Ozon und eignet sich daher für industrielle Anwendungen.

Die Familie ӦLFLEX VFD 2XL verfügt über eine metallische Abschirmung zur Minimierung der abgestrahlten EMI. Die primäre Abschirmung besteht aus einem dreilagigen Folienband, das eine Abdeckung von 100% bietet. Die sekundäre Abschirmung besteht aus einem verzinnten Kupfergeflecht mit einer Abdeckung von 85%. Ein Trennband schützt die isolierten Adern unterhalb der Abschirmschichten. Bei ordnungsgemäßer Erdung bieten diese Abschirmungen EMI-Schutz, indem sie das Eindringen externer Störungen in das Kabel verhindern und die Strahlung des Kabels selbst reduzieren. Ein Erdungsdraht mit Abschirmung verläuft über die gesamte Länge des Kabels und bietet flexible Erdungsoptionen.

Das verdrillte Signalpaar mit kleinerem Leitungsquerschnitt wird für Steuer- oder Sensoranschlüsse verwendet, z. B. für die Bremssteuerung oder Temperatursensoren. Das Signalpaar ist ebenfalls mit Folienband abgeschirmt und hat einen eigenen Ableitdraht.

Auswahl der ӦLFLEX-VFD-Kabel von LAPP

Die Gesamtperformance eines VFD-Motorsystems hängt weitgehend von der Wahl des richtigen VFD-Kabels ab. Die Familie „ӦLFLEX 2XL VFD mit Signalkabeln“ bietet eine Vielzahl von Drahtstärken für unterschiedliche Motorgrößen. Sie umfasst Kabel von 16 AWG (1,5 mm²) bis 2 AWG (33,7 mm²), mit Zwischenabmessungen von 14 AWG, 12 AWG, 10 AWG, 8 AWG, 6 AWG und 4 AWG. Diese Kabel bestehen aus vier Stromleitern (drei Phasenleitungen und eine Erdungsleitung) und einem zweiadrigen, verdrillten Signalkabel. Alle Kabel sind gemäß der Norm der Underwriters Laboratories (UL) Tray Cable für einen Effektivwert von bis zu 2000 V_AC (effektiv) ausgelegt. Der geeignete Kabeldurchmesser hängt von der Motorleistung ab, die sich auf den Volllaststrom (FLC) bezieht, sowie von der Kabellänge und dem zulässigen Spannungsabfall entlang des Kabels (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dargestellt ist der für eine bestimmte Motorleistung erforderliche VFD-Kabelquerschnitt. (Bildquelle: LAPP)

Drahtstärken werden als AWG oder als Querschnittsfläche in Tausenstel Quadratmillimeter (KCMIL) angegeben. Quadratmillimeter werden für Drahtstärken über 0 AWG verwendet.

Nehmen wir zum Beispiel das 700710 von LAPP, ein VFD-Kabel mit vier 16-AWG-Stromleitern und zwei 18-AWG-Signalleitungen. Es ist das kleinste VFD-Kabel der Familie ӦLFLEX VFD 2XL mit einem Durchmesser von 0,652" (16,6 mm). Der Kabeldurchmesser bestimmt den Mindestbiegeradius, der das 7,5-fache des Kabeldurchmessers oder 4,9" (124 mm) beträgt. Die Kabel haben ein ungefähres Gewicht von 200 Pfund (lb) pro tausend Fuß. Das Gewicht der Kabel ist wichtig für die Konstruktion von Stützkonstruktionen, wie z. B. Kabeltrassen. Nach der Tabelle kann dieses Kabel für Motoren im Bereich von ½ PS bis 2 PS für alle drei Netzspannungen verwendet werden. Es kann auch mit Motoren von 3 bis 5 PS an 460V- und 575V-Leitungen verwendet werden.

Das 700713 von LAPP ist ein sechsadriges (viermal 10 AWG, zweimal 18 AWG) VFD-Kabel mit einem Durchmesser von 0,798" (20,3 mm). Es eignet sich für Motoren mit 15 bis 20 PS bei 460 V, für Motoren mit 20 PS bei 575 V und für Motoren mit 7½ bis 10 PS bei 230 V.

Das größte Kabel der Serie ist das 700717 von LAPP, ein sechsadriges (viermal 2 AWG, zweimal 14 AWG) VFD-Kabel. Es hat einen Durchmesser von 1,4" (35,6 mm) und wiegt 1580 lb pro tausend Fuß. Es ist kompatibel mit einem 50-PS-Motor bei 230 V, einem 100-PS-Motor bei 460 V oder einem 125-PS-Motor bei 575 V.

Fazit

Da die Einführung von VFDs immer schneller voranschreitet, müssen Entwickler das geeignete Anschlusskabel sorgfältig auswählen, um den Projekterfolg sicherzustellen. Die Kabelfamilie „ӦLFLEX VFD 2XL mit Signalkabeln“ von LAPP unterstützt eine breite Palette von VFD-Antriebs- und -Motoranwendungen. Das mehrfach abgeschirmte Design garantiert eine zuverlässige Performance in Industrieumgebungen mit starkem Rauschen, während der robuste Außenmantel Wasser, Öl und aggressiven Chemikalien widersteht.