نحوه انتخاب کابل صحیح برای کنترل قابل اعتماد موتور VFD و بازخورد سنسور

تلاش‌های اتوماسیون صنعتی و بهره‌وری انرژی استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) را در سیستم‌های موتوری مانند نوار نقاله‌ها، پمپ‌ها و روبات‌های صنعتی افزایش می‌دهد. انتخاب کابل برای این نوع موتور بسیار پیچیده تر از تعیین گیج سیم بر اساس جریان بار و سطح عایق بر اساس ولتاژ کار است.

سیستم‌های موتور VFD مدرن از الکترونیک قدرت حالت سوئیچینگ برای تولید سیگنال درایو مدولاسیون عرض پالس (PWM) با لبه‌های بسیار سریع استفاده می‌کنند. این گذراهای سریع بازتاب سیگنال ناشی از عدم تطابق امپدانس بین کابل و پایانه‌های موتور را افزایش می‌دهند و امواج ایستاده را ایجاد می‌کنند که تنش ولتاژ را در کابل افزایش می‌دهد. علاوه بر این، ظرفیت های خط به خط و خط به زمین کابل بر عملکرد راننده تأثیر می گذارد و جریان شارژ را افزایش می دهد. از آنجایی که سیگنال VFD PWM حاوی تعداد زیادی هارمونیک فرکانس بالا است، کابل‌های موتور باید به طور موثر محافظت شوند تا تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کاهش یابد.

این مقاله به طور خلاصه VFD را توصیف می‌کند و چالش‌های پیش روی طراحان را در انتخاب کابل‌های موتور VFD برای اطمینان از عملکرد، قابلیت اطمینان و ایمنی مورد نیاز برای عملکرد مناسب مورد بحث قرار می‌دهد. سپس کابل‌های VFD LAPP ارائه می‌شوند و نشان می‌دهند که چگونه می‌توان از آنها برای ارائه سیگنال‌های کنترل و توان پایدار و در عین حال کاهش تشعشعات EMI و حساسیت به محیط‌های خشن استفاده کرد.

معرفی VFD
اتوماسیون صنعتی مستلزم آن است که موتور به طور قابل اعتماد و کارآمد عمل کند و بتواند در هر جهتی در محدوده سرعت کامل کار کند. VFD که گاهی به عنوان درایور گاورنر شناخته می شود، یک کنترل کننده موتور است که سرعت و گشتاور یک موتور القایی AC (ACIM) را با تغییر فرکانس ورودی برق، ولتاژ و چرخه وظیفه موتور تنظیم می کند. اصل کار VFD استفاده از ورودی اصلاح AC و خروجی DC برای تولید سیگنال PWM برای به حرکت در آوردن موتور است. با تنظیم فرکانس، عرض و دامنه این سیگنال های پالس می توان سرعت موتور و گشتاور خروجی را در سیستم های محرک موتور مختلف کنترل کرد.

برای درک عملکرد خود، VFD از سه جزء اصلی تشکیل شده است (شکل 1): یکسو کننده که AC را به DC تبدیل می کند، یک اینورتر که جریان DC را به PWM تبدیل می کند و یک کنترل کننده VFD.

VFD ورودی AC را اصلاح می کند و سیگنال PWM را با استفاده از DC تولید می کند (روی تقویت کلیک کنید)
شکل 1: VFD ورودی AC را اصلاح می کند و از DC برای تولید سیگنال PWM برای کنترل سرعت موتور و گشتاور خروجی استفاده می کند. منبع تصویر: آرت پینی)

کنترل کننده عملکرد موتور را از طریق انواع سنسورها برای کنترل پارامترهای حیاتی موتور نظارت می کند. این سنسورها شامل بازخورد ترانسفورماتور/رمزگذار چرخشی، سرعت سنج و سنسورهای دما و ارتعاش هستند.

این یکسو کننده از دیودهای معمولی و به دنبال آن فیلترها استفاده می کند. اینورتر از ترانزیستورهای اثر میدان قدرت (FET) یا ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) استفاده می کند. این ترانزیستورها توسط یک درایور گیت ولتاژ بالا ایزوله هدایت می شوند که به طور مرکزی توسط یک کنترلر VFD کنترل می شود.

VFD با عملکرد AC سه فاز معمولی متفاوت است زیرا سیگنال موتور محرک یک موج سینوسی نیست، بلکه یک پالس PWM است (شکل 2).

پالس PWM VFD پاسخ جریان سینوسی را ایجاد می کند
شکل 2: پالس PWM VFD پاسخ جریان سینوسی را در سیم پیچ موتور ایجاد می کند. منبع تصویر: LAPP)

فرکانس سیگنال PWM معمولا 2 کیلوهرتز تا 20 کیلوهرتز است. اینورتر به طور متناوب موتور را به قطب های مثبت و منفی باس AC و به ولتاژ مشترک DC متصل می کند. ولتاژ باس DC نزدیک به حداکثر ولتاژ باس AC است. شکل موج VFD PWM مورد استفاده یک پاسخ جریان سینوسی برای کنترل سرعت و گشتاور موتور ایجاد می کند.

با توجه به ویژگی های موج PWM، کابل های خاصی برای اتصال VFD به موتور مورد نیاز است. این شکل موج یک پالس مستطیل شکل با طیف وسیع و غنی از هارمونیک است. کابل VFD به طور ویژه برای کاهش تابش این سیگنال های فرکانس بالا طراحی شده است. علاوه بر این، برای به حداقل رساندن تلفات سوئیچینگ دستگاه های سوئیچینگ اینورتر و به حداکثر رساندن راندمان سیستم، سرعت پرش پالس باید تا حد امکان سریع تنظیم شود. این منجر به نرخ تغییر ولتاژ بسیار بالا (dV/dt) در لبه پالس می شود. این ویژگی ها، همراه با لبه های سریع و اجزای طیفی فرکانس بالا، منجر به سطوح بالای تداخل الکترومغناطیسی می شود. لبه های سریع همچنین بازتاب خطوط انتقال را در جایی که امپدانس کابل تغییر می کند ایجاد می کند. این انعکاس یک موج ایستاده در کابل ایجاد می کند که ولتاژ کابل را افزایش می دهد و نیاز به کابل VFD ولتاژ بالاتری دارد.

ظرفیت کابل بین هادی های فلزی نگرانی دیگری است. هنگامی که سوئیچ اینورتر کابل را به باس DC متصل می کند، یک موج جریان تولید می شود که ظرفیت کابل را شارژ می کند. این باعث افزایش سطح جریان لحظه ای می شود و ممکن است به کابل آسیب برساند. این جریان حالت مشترک ممکن است بین فازها یا از یک فاز به زمین جریان یابد. این جریان همچنین ممکن است از طریق قاب موتور وارد حلقه زمین شده و از بلبرینگ موتور عبور کند. جریان عبوری از بلبرینگ باعث ایجاد حفره در سطح یاتاقان می شود که باعث کوتاه شدن عمر موتور می شود. این مشکلات معمولاً در سیستم های VFD با ولتاژ بالا، رتبه موتور بالا (HP) و کابل طولانی مدت رخ می دهد.

مانند تمام سیم‌ها و کابل‌ها، جریان از مقاومت DC کابل عبور می‌کند و باعث افت برق می‌شود. علاوه بر این، به دلیل پهنای باند طیفی گسترده سیگنال های PWM، مقاومت کابل ممکن است به دلیل اثر پوستی افزایش یابد. این اثرات مقاومت با طول کابل متفاوت است.