Spezifizierung und Verwendung von VFD-Kabeln zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Sicherheit und zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen

Antriebe und Motoren mit variabler Frequenz (VFDs) können die Kohlenstoffemissionen reduzieren und die Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit verschiedener Systeme wie Förderanlagen, Pumpen, Mischer, Aufzüge, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) und ähnlicher Anwendungen erhöhen. Die Verkabelung, die den VFD mit dem Motor verbindet, ist ein kritisches Glied im System. Ohne eine korrekte Verkabelung kann die Sicherheit des Bedienungspersonals beeinträchtigt und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Motors reduziert werden.

Typische VFD-Systeme arbeiten unter rauen Bedingungen, die hohe Spannungsspitzen, die das Zwei- bis Dreifache der Versorgungsspannung erreichen, und ein hohes Maß an abgestrahlten und geleiteten elektromagnetischen Störungen umfassen. Darüber hinaus können die Kabel hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Sie müssen Öl, Wasser und ultravioletter Strahlung (UV) widerstehen und gleichzeitig ein hohes Maß an Flexibilität aufweisen und zahlreiche technische Anforderungen von UL, CSA, NFPA und NEC erfüllen.

Anspruchsvolle Betriebsumgebungen und technische Anforderungen an VFD-Installationen erschweren die Kabelspezifikation. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über den Betrieb von VFDs und Motoren, die Anforderungen an die Kabelisolierung und die Notwendigkeit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Der Artikel vergleicht Spezifikationen wie UL 1277 TC ER, WTTC und TC und untersucht die Anforderungen von NEC und NFPA. Außerdem werden Überlegungen zum Kabelaufbau angestellt, bevor abschließend ein Überblick über beispielhafte Kabel von Belden, Helukabel, Igus, LAPP und SAB North America gegeben wird.

Herausforderungen durch Umweltbedingungen

VFD-Motoren, Antriebe und die Kabel, die sie verbinden, arbeiten in rauen elektrischen Umgebungen. VFD-Kabel müssen effizient eine hohe Antriebsleistung bei hohen Spannungen übertragen und hohe Spannungsspitzen und hohe Störpegel verkraften. Die Isolierung von VFD-Kabeln ist schwierigen Bedingungen ausgesetzt, wie z. B. reflektierten Wellen und Korona-Injektionsspannungen (Abbildung 1):

• Reflektierte Wellen: Reflektierte Wellen können durch nicht angepasste Impedanzen zwischen dem VFD-Motor und seinem Kabel verursacht werden. Das kann dazu führen, dass Spannungswellen zum Antrieb zurückgeführt werden. Ohne eine leistungsfähige Isolierung können die reflektierten Wellen die Isolierung zersetzen und das Kabel überhitzen.
• Korona-Injektionsspannung/Korona-Entladung: Die Pulsweitenmodulationsspannungen (PWM) in VFD-Systemen oszillieren schnell von Null bis zur Spitzenspannung. Ohne ordnungsgemäße Isolierung führt eine Hochspannungsspitze, die über der Korona-Injektionsspannung des Kabels liegt, dazu, dass die Luft um den Leiter ionisiert wird, was zu einer Koronaentladung führt, die die Isolierung schmelzen und den Motor, die Motorlager und den Antrieb beschädigen kann.

Abbildung 1: Die Isolierung von VFD-Kabeln muss reflektierten Wellen und Korona-Injektionsspannungen standhalten. (Bildquelle: SAB North America)

Abschirmung und Erdung

VFD-Kabel müssen nicht nur Spannungsspitzen standhalten, sondern auch hohe EMV-Anforderungen erfüllen. Zu den wichtigen EMV-Überlegungen gehören die folgenden:

• Gleichtaktströme resultieren aus den dreiphasigen Spannungen in VFDs, die sich nicht zu Null summieren, wodurch ein Spannungsungleichgewicht entsteht. Ändert sich der von Null abweichende Spannungspegel, fließt ein proportionaler Kabelladestrom über den Erdungsleiter zurück. Ein übermäßiger Gleichtaktstrom erzeugt eine Erdungsschleife, die die ordnungsgemäße Systemleistung beeinträchtigt.
• Das übertragene elektrische Rauschen resultiert aus den variablen Antriebsfrequenzen, die elektromagnetische (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) verursachen und nahe gelegene Komponenten und Systeme beeinträchtigen können.

Ein effektiv geerdetes Antriebs-, Kabel- und Motorsystem bildet einen Faradayschen Käfig, der eine robuste EMV-Performance gewährleistet (Abbildung 2).

Abbildung 2: VFD-Kabel können Gleichtaktströme und elektrisches Rauschen durch ordnungsgemäße Erdungsanschlüsse abschwächen. (Bildquelle: SAB North America)

Verschraubung vs. Kabelkanal

VFD-Kabel sind mit kleinen Durchmessern für die Verlegung in Rohren und als durchgehend geschweißte armierte Kabelstrukturen erhältlich. Diese Lösungen erfordern eine komplexe, kostspielige Installation und leiden unter möglichen Zuverlässigkeitsproblemen. Es gibt Trassenkabel (TCs), die keinen Kabelkanal benötigen. Wenn ein Kabelkanal zur Verfügung steht, kann dieser verwendet werden, um den Faradayschen Käfig zwischen dem Antrieb und dem Motor zu schaffen. Bei der Verwendung von TCs verschiedener Klassen können EMV-Kabelverschraubungen zur Vervollständigung des Faradayschen Käfigs hinzugefügt werden. EMV-Kabelverschraubungen bieten eine Schutzart (IP) von 68, die in Süßwasser bis zu einer maximalen Tiefe von 1,5 Metern bis zu 30 Minuten wasserdicht und staubgeschützt ist, so dass sie für den Einsatz in anspruchsvollen Industrie- und Außenumgebungen geeignet sind (Abbildung 3).

Abbildung 3: An den Verbindungen zur Antriebselektronik und zum Motor können Kabelverschraubungen verwendet werden, um einen Faradayschen Käfig zu schaffen und die EMI zu kontrollieren. (Bild: SAB North America)

Kabelklassen

TCs können die Installation vereinfachen und die Kosten senken. Verschiedene Anwendungskriterien wie Spannungsfestigkeit, Flexibilität und Quetsch- und Stoßtests werden zur Klassifizierung verwendet. Es gibt zwei wichtige UL-Normen. Beide Normen gelten für Kabel mit einem Querschnitt von 18 AWG und mehr. Die beiden Normen sind:

UL 1277, Electrical Power & Control Tray Cables - Diese Norm umfasst mehrere Typen von TCs, die für 600 V ausgelegt sind.

• TC-Standardkabel sind der gängigste Typ und werden als VFD-Kabel verwendet, wenn flammhemmende Eigenschaften erforderlich sind.
• TC-ER-Kabel (ER = Exposed Run) müssen strengere Quetsch- und Stoßanforderungen erfüllen als das TC-Standardkabel. Sie können über eine durchschnittliche Distanz von 1,8 m (6 Fuß) frei zwischen den Kabeltrassen (auch Kabelpritschen genannt) verlaufen.
• THHN/PVC ist eine kostengünstige Form der TC-Konstruktion mit einem thermoplastischen Mantel. Es eignet sich für die direkte Erdverlegung und für die Verlegung in Kabelkanälen.

UL 2277, Flexible Motor Supply Cable & Wind Turbine Tray Cable - Diese Norm deckt zwei TC-Typen ab, die für 1000 V ausgelegt sind.

• Die flexible Motoranschlussleitung (FMSC, Flexible Motor Supply Cable) ist in erster Linie als VFD-Motorversorgungsleitung konzipiert.
• Trassenkabel für Windturbinen (WTTC, Wind Turbine Tray Cable) können extremen, rauen Bedingungen in Windkraftanlagen standhalten, wie zum Beispiel Öl, Abrieb, extremen Temperaturen, Wasser, ständiger Bewegung usw.

NEC und NFPA

Die Einhaltung der Norm NEC 79/NFPA 79 in der Edition von 2018 ist in den USA je nach den örtlichen Bauvorschriften häufig, aber nicht immer, erforderlich. Die Norm schreibt vor, dass VFD-Kabel wie folgt gekennzeichnet sein müssen: RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW oder XHHW-W:

• RHW, RHH und RHW-2 verwenden eine Hochwärmeisolierung aus Gummi.
  • RHW bezeichnet ein wasserbeständiges Kabel mit einer Temperaturbeständigkeit von +75°C
  • RHH bezeichnet ein Kabel mit einer Temperaturklasse von +75°C, das nicht wasserbeständig ist
  • RHW-2 bezeichnet ein wasserbeständiges Kabel mit einer Temperaturbeständigkeit von +90°C
• XHH, XHHW und XHHW-W verwenden eine XLPE-Isolierung (vernetztes Polyethylen).
  • XHH ist für den Einsatz in feuchten Umgebungen und für +75°C ausgelegt
  • XHHW ist für den Einsatz in nassen Umgebungen und für +75°C ausgelegt
  • XHHW2 ist für den Einsatz in nassen Umgebungen und für +90°C ausgelegt

Die XLPE-Isolierung ist leichter und flexibler als eine Gummi-Isolierung, so dass XLPE-Kabel einfacher zu verlegen sind, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Außerdem bietet XLPE im Vergleich zur Gummiisolierung geringere Leckagen.

Kabelkonstruktion

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, VFD-TCs zu implementieren. Die Teilenummer CF31-25-04 von Igus ist ein gutes Beispiel für viele der gemeinsamen Elemente; die Nummern in der Liste entsprechen Abbildung 4:

1. Außenmantel aus druckextrudierter, ölbeständiger PVC-Mischung
2. Äußere Abschirmung aus hochbiegefestem Geflecht, bestehend aus verzinnten Kupferdrähten
3. Innenmantel aus druckextrudiertem, zwischenraumfüllendem PVC
4. CFRIP ist ein in den Innenmantel eingegossener Igus-spezifischer Aufreißstreifen zum schnelleren Abmanteln des Kabels
5. Kernisolierung aus vernetztem Polyethylen-Kunststoff (XLPE) mit einer dreidimensionalen Bindung innerhalb des Kunststoffs; XLPE hat eine hohe mechanische Festigkeit und eine geringe Kapazität
6. Leiter, der für Adern < 10 mm² und Adern ≥ 10 mm² in Anlehnung an DIN EN 60228 variiert
7. Zentrale Zugentlastung aus einm zugfesten Material

Abbildung 4: Beispiel eines VFD-Kabels, das neben den stromführenden Leitern auch Abschirmungs- und Zugentlastungselemente aufweist. (Bildquelle: Igus)

Weitere Auswahlmöglichkeiten

ÖLFLEX VFD 1XL von LAPP ist eine Familie robuster öl- und UV-beständiger geschirmter VFD-Antriebskabel für Konstruktionen, die einen kleineren Kabeldurchmesser benötigen. Der ungewöhnlich kleine Durchmesser der XLPE-Isolierung macht diese Kabel für den Einsatz in überfüllten Installationen geeignet, wo Standardkabel zu groß sein können. Darüber hinaus ermöglicht der dünnere Durchmesser eine höhere Flexibilität, um die Installation zu beschleunigen. Diese TC-ER-zertifizierten Kabel können ohne Kabelkanal verlegt werden, aber ihr kleinerer Durchmesser und ihre Flexibilität vereinfachen die Verwendung von Kabelkanälen, wenn dies erforderlich ist. Sie erfüllen die XHHW2-Performanceanforderungen. LAPP bietet zum Beispiel mehrere Modelle mit vier Leitern (einschließlich Erdung) plus Ableitlitze an, wie das Modell 701703 mit 10 AWG (5,3 mm²) Leitern und das Modell 701717 mit 2 AWG (33,7 mm²) Leitern.

Helukabel bietet verschiedene Kabel mit TC-ER- und WTTC-Einstufung an, und zwar mit Leitern von 2 bis 18 AWG, wie z. B. das vieradrige 12 AWG TC-Modell 63141. Sie verfügen über eine doppelte Abschirmung, die Aluminiumfolie (100 % Abdeckung) und verzinntes Kupfergeflecht (ca. 85 % Abdeckung) kombiniert. Sie verwenden eine XLPE-Isolierung und haben PVC-Mäntel, die gegen Öl, Kühlmittel, Lösungsmittel und Reinigungs-/Desinfektionsmittel beständig sind. Diese Kabel sind für die offene, ungeschützte Verlegung auf Kabeltrassen und von der Kabeltrasse zur Maschine ausgelegt. Außerdem eignen sie sich für die Verlegung in Kabelkanälen oder die direkte Erdverlegung.

Hochflexible Kabel

Belden bietet mehrere TC-Familien mit unterschiedlichen Leiter- und Erdungskonfigurationen und verschiedenen Isolations- und Abschirmungsmaterialien an (Abbildung 5). Für Installationen, die hochflexible TCs erfordern, bietet das Unternehmen seine HighFlex-VFD-Kabel mit mehreren Flexibilitätsbereichen und bis zu 10 Millionen Biegezyklen an. Diese TCs zeichnen sich durch feindrähtige, verzinnte Kupferleiter aus, wobei einige Modelle über 2000 Einzellitzen und einen flexiblen TPE-Mantel verfügen, der sie für eine einfache Handhabung bei der Installation biegsam macht. Die Artikelnummer 29501F 0101000 mit TC-ER- und WTTC-Einstufung ist beispielsweise für kontinuierliche Bewegungen und Anwendungen an Maschinen ausgelegt und erfüllt die Anforderungen von XHHW2 für den Einsatz in nassen Umgebungen bei bis zu +90°C. Zu den Zielanwendungen für HighFlex-VFD-Kabel gehören:

• Ausrüstung für laufende Prozesse
• Versorgung von Pumpen
• Betrieb von Lüftern
• Laufende Materialförderbänder
• Bewegliche Roboterarme

Abbildung 5: Einige der vielen Leiter- und Erdungskonfigurationen sowie Isolations- und Abschirmungsmaterialien, die in VFD-Kabeln verwendet werden. (Bildquelle: Belden)

Die VFD-Kabel von SAB sind für eine optimierte EMV-Leistung ausgelegt. Es ist auch eine Ausführung erhältlich, die sich für eine kontinuierliche Biegung eignet. Diese Kabel erfüllen die TC-ER- und WTTC-Anforderungen und verwenden eine XLPE-Isolierung für eine verbesserte Kapazität. Es gibt zwei Optionen: eine mit einem reduzierten Durchmesser und eine, die längere Strecken unterstützt. Die verschiedenen Hersteller von VFD-Motoren haben unterschiedliche Anforderungen an die Paargröße für Kombi-VFD-TCs und können ein Kabel mit oder ohne Ableitdraht erfordern. Die VFD-Kabel von SAB umfassen Kabel, die den meisten Anwendungsanforderungen gerecht werden, wie z. B. Stromversorgung mit einem Kombipaar für Bremsen oder Temperaturmessung, mehrere Paargrößenoptionen, einschließlich 18, 16, 14 und 12 AWG, und einige Designs mit zwei Paaren. Sie verfügen über eine doppelte Abschirmung, die eine Folie mit einem verzinnten Kupfergeflecht kombiniert, und sind optional auch erdsymmetrisch ausgeführt. Diese Kabel haben einen Biegeradius, der dem 12-fachen des Kabeldurchmessers entspricht, und sind XHHW2-zertifiziert für den Einsatz in nassen Umgebungen bei bis zu 90 °C. Ein gutes Beispiel für diese Kabel ist das Modell 35661204, ein vieradriges 12 AWG-Kabel.

Fazit

VFD-Kabel werden in rauen elektrischen Umgebungen eingesetzt und müssen hohen Temperaturen, Wasser, Öl und/oder verschiedenen Chemikalien standhalten. Die Spezifikation dieser Kabel ist ein komplexer Prozess, der die Berücksichtigung verschiedener Isolationseigenschaften erfordert, einschließlich der Fähigkeit, reflektierten Wellen und Korona-Injektionsspannungen zu widerstehen, Abschirmung, Kabelverschraubungen für EMV-Schutz und UL-, NEC- und NFPA-Anforderungen. Korrekt spezifizierte und installierte VFD-Kabel tragen zu einer vereinfachten und kostengünstigeren Installation, einem verbesserten Motorbetrieb, weniger Kohlenstoffemissionen und einer höheren Sicherheit für den Bediener bei.