Erikoiskaapelista ratkaisu VFD- ja moottorin kohinaongelmiin

Taajuusmuuttajat (VFD) toimittavat tarkalleen oikean tehon erilaisiin automaattisten koneiden sähkömoottoreihin. Taajuusmuuttajat ovat tärkeitä sähkö- ja elektroniikkateollisuuden virtalähteitä, jotka säätävät moottorin käämeihin menevän jännitteen ja hallitsevat tarkasti moottorin nopeutta sekä (vektorisäätöratkaisuissa) momenttia. Muotoiltuun syöttövirtaan saattaa kuitenkin liittyä hallitsemattomia virtoja ja muita sähköisiä ilmiöitä. Ellei näitä haitallisia ilmiöitä vähennetä, ne saattavat häiritä useimpia taajuusmuuttajan lähistöllä olevia automaatiokomponentteja ja ‑järjestelmiä.

Kuva 1: 3G3MX2-A2015-V1 ‑taajuusmuuttajan kaltaisia laitteita tarvitaan välttämättä monenlaisissa prosessitekniikan ja kappaletavara-automaation ratkaisuissa. Ne säätävät virransyöttöä sähkömoottorikäyttöisille akseleille tarkasti, turvallisesti ja erittäin tehokkaasti. Yksi taajuusmuuttajien haittapuolista on se, että niiden toiminta synnyttää luontaisesti sähkömagneettisia häiriöitä. Ellei näihin puututa, ne heikentävät lähistöllä sijaitsevien ohjausjärjestelmien viestintää ja palautetta. Lisäksi ne saavat aikaan tarpeettomia vikakatkaisuja ja saattavat haitata muutoinkin järjestelmän toimintaa. (Kuvan lähde: Omron Automation and Safety)

Taajuusmuuttajien toimintaperiaatteen hahmottaminen auttaa ymmärtämään, miksi ne saattavat optimoimattomissa sovelluksissa aiheuttaa ongelmia sekä moottoreihin, joita niillä käytetään, että muihin lähistöllä oleviin laitteisiin. Lyhyesti sanottuna taajuusmuuttajat

• ottavat sisään sinimuotoista vaihtovirtaa ja
• suuntaavat (muuntavat) verkkovirran tasavirraksi ja
• vaihtosuuntaavat tasavirran IGBT-transistoreilla (muuttavat sen takaisin vaihtovirraksi) eli täsmällisemmin sanottuna tarkasti moduloiduiksi pulssijonoiksi.

Taajuusmuuttajan kytkimet siis periaatteessa kytkevät jännitettä toistuvasti pois päältä ja taas päälle muodostaen katkotun sähkövirran, jolloin moottori pyörii aivan kuin siihen syötettäisiin tasaiseksi moduloitua sinimuotoista virtaa. Tässä ohjausmuodossa (pulssinleveysmodulaatio eli PWM) lähtönopeus riippuu loppujen lopuksi virtapulssien taajuudesta.

Varhaisissa taajuusmuuttajissa käytettiin tätä varten tyristoreita tai bipolaaritransistoreita, joilla kytkeminen oli hitaampaa kuin nykyisillä IGBT-transistoreilla. Juuri IGBT-kytkennän korkeampi taajuus mahdollistaa moottorin nopean ja tarkan säätämisen, mutta samalla se saattaa aiheuttaa sekä johtuneista että säteilevistä sähkömagneettisista häiriöistä (EMI) ja radiotaajuisista häiriöistä (RFI) johtuvia ongelmia.

Taajuusmuuttajan kohinavaikutukset vaikuttavat moottoriin, ohjausjärjestelmiin ja itse käyttöön

EMI-ongelmien taustalla on se, että vaikka taajuusmuuttaja syöttäisi sähköä moottorille saaden sen pyörimään vain hitaasti, jokaisen sähköpulssin neliöaaltomuodosta ja väyläjännitteen amplitudista seuraa, että moottorille syötettävän virran jännitenousuaika dV/dt on melko dramaattinen, mikrosekuntien tai jopa niiden osien luokkaa.

Jännitteen heijastuneet aallot ovat yksi esimerkki näistä ongelmista. Sähkömoottorin staattorikäämitys toimii käynnistyshetkellä induktiokelana, joka muodostaa magneettikentän asteittain ja päästää sen jälkeen virran kulkemaan. Kaapeli, joka syöttää sähköenergiaa taajuusmuuttajalta moottorille, kohtaa moottoriliitoksessa impedanssiepäsovituksen. Edellä mainitut ylitykset aiheuttavat aaltojen heijastumista jänniteaaltomuodon joistakin etureunoista takaisin kaapeliin (taajuusmuuttajan elektroniikkaan päin) kohdasta, jossa kaapeli yhdistetään moottoriin suurella impedanssilla.

Pulssinleveysmodulaation dramaattinen dV/dt aiheuttaa jänniteaaltojen heijastumista jänniteylityksistä.

Tarpeettoman pitkän kaapelin käyttö taajuusmuuttajan ja moottorin välillä saattaa vaikeuttaa tätä ilmiötä, mutta toisinaan pitkä kaapeli voi olla välttämätön. Pitkien kaapelien induktanssi on suuri ja niissä on lyhyitä kaapeleita enemmän mahdollisuuksia jännitepiikkien muodostumiseen sekä heijastuneiden aaltojen summautumiseen. Aaltojen yhdistyminen on erityisen haitallista, koska tällöin vaiheeseen yhdistyneet aallot muodostavat käytännössä uusia aaltoja, joissa alkuperäisten aaltojen jännite ja virta yhdistyvät.

Kuva 2: Taajuusmuuttajien sähköpulssien neliöaaltomuoto väyläjännitteen amplitudilla aiheuttaa dramaattisia jännitenousuaikoja dV/dt, jotka saattavat ilman niihin puuttumista johtaa monenlaisiin sähkömagneettisiin ongelmiin. (Kuvan lähde: Design World)

Huomaa, että heijastuneet aallot ja jännitepiikit saattavat vahingoittaa myös moottoreita (aivan kuten taajuusmuuttajiakin). Monissa nykypäivän automaatioasennuksissa käytetäänkin sen vuoksi inverter-duty-moottoreita. Näiden moottorien staattorikäämityksessä on tehokas eristys ja muita elementtejä, jotka parantavat kokonaislämpökapasiteettia ja useimmiten myös jännitepiikkien sietokykyä. Mitoitusarvot perustuvat syöksyjännitteen suuruuteen ja kestoon. Suuremmat mitoitusarvot on tarkoitettu sovelluksiin, joissa nousuaika on pidempi (vähemmän äkillinen). Ellei moottoria ole rakennettu inverter-duty-teknologialla, sitä voidaan tietenkin käyttää taajuusmuuttajalla. Tällaisten vähemmän kestävien moottorien käyttö tulisi kuitenkin rajoittaa automaattisiin laitteisiin, joiden parametrit eivät ole kovin haastavia. Myös kaapelin täytyy ehkä olla lyhyempi, jos tällaisia moottoreita käytetään taajuusmuuttajalla, ja asennukseen saatetaan tarvita linjakuristimia ja muita suojakomponentteja.

Ratkaisu löytyy taajuusmuuttajia varten suunnitelluista kaapeleista

Samassa vaiheessa olevat yhdistetyt aallot ovat haitaksi taajuusmuuttajalle, mutta jos niiden jännite on tarpeeksi suuri, ne saattavat vahingoittaa myös tavallista kaapelia, jota asennuksessa ei olisi edes pitänyt käyttää. Taajuusmuuttajan toimintaan liittyvät suurjännitepiikit saattavat nimittäin kuormittaa kaapelin eristystä, kuumentaa sitä ja jopa puhkaista sen. Ongelman ratkaisemiseksi kannattaa käyttää erityisesti taajuusmuuttajia varten suunniteltuja kaapeleita. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat:

• Paksut johtimet (pieni AWG), joiden mitoitus riittää kaikille odotettavissa oleville piikkijännitteille.
• Riittävän paksut rajapinnat ja eristeet, jotka on valmistettu tarkoitukseen sopivasta silloitetusta polyeteenistä (tai joissakin tapauksissa vähemmän suositeltavasta) polyvinyylikloridista.
• Vaipat ja muut elementit hajottavat ja maadoittavat taajuusmuuttajan generoimia piikkejä ja kohinaa.

Kuva 3: Alpha Wiren taajuusmuuttajakaapeleissa on silloitetusta polyeteenistä valmistettu eristys, joka kestää sähkömagneettiset koronapurkaukset. Kaapelin kapasitanssi on pieni (myös pidemmillä matkoilla) ja se toimii hyvin alhaisissa lämpötiloissa. (Kuvan lähde: Alpha Wire)

Kaapelin kykyä kestää heijastuneita aaltoja voidaan mitata esimerkiksi sen koronakynnysjännitteellä, jonka yksikkö on usein kV. Perusfysiikasta muistetaan, että koronapurkauksessa (joka on saanut nimensä heikosti hohtavasta kruunustaan) erittäin paikallisen jännitteen ympärillä oleva ilma ionisoituu äkillisesti. Ellei ionisoitumista estetä eristämällä johtimet riittävän hyvin, purkaus saattaa muodostaa otsonia ja erilaisia typpiyhdisteitä, jotka saattavat nopeasti vaurioittaa väärin valittua kaapelia. Sen takia taajuusmuuttajien kanssa pitäisi käyttää paksusti eristettyjä, taajuusmuuttajakäyttöön tarkoitettuja kaapeleita, jotka täyttävät tai ylittävät taajuusmuuttajan toimittajien ilmoittamat rakenteelliset vaatimukset ja ylittävät selvästi tavallisen käyttöön tarkoitettuja THHN-johtimia koskevat NEC-vaatimukset. Jos taajuusmuuttajaa käytetään ulkona tai muuten kosteassa ympäristössä, tekninen polyeteenieristys voi olla paras ratkaisu. Digi-Keyn artikkelissa The Right Cable for an Industrial Application on lisätietoja muista taajuusmuuttajasovelluksiin ja niiden kaapeleihin vaikuttavista ilmiöistä, kuten virtapiikeistä ja yhteismuotoisista virroista.

Taajuusmuuttajan kaapeloinnin parhaat käytännöt

Taajuusmuuttajien kaapelit on pidettävä mahdollisimman lyhyinä, mahdollisuuksien mukaan enintään 15 m pituisina. Lisäksi moottorikäyttöisen laitteen kaikki osat on maadoitettava asianmukaisesti, ohjaus- ja konepaneelit mukaan luettuna. Maadoitukseen on käytettävä yhteistä maadoituslohkoa tai pääpotentiaalijärjestelyä, joka estää koneen eri osien ja maan välisistä jännitepotentiaaleista johtuvien maadoitussilmukoiden haitalliset vaikutukset. Tämä on erityisen tärkeää, jos koneelta tuleva palaute perustuu referenssijännitearvoihin. Ne saattavat ilmoittaa virheellisiä arvoja, ellei niitä suojata tahattomilta maan kautta kulkevilta virroilta. Tätä aihetta käsitellään tarkemmin Digi-Keyn artikkelissa Measure Small Signals Riding on High Voltages and Avoid Sensor Ground Loops.

Monissa sovelluksissa tarvitaankin suodattimien, kaapelipuolen ferriittirenkaiden, moottoriakselin maadoitusrenkaiden ja suojien kaltaisia lisäkomponentteja kunnolliseen suojautumiseen sähkömagneettisilta häiriöiltä. Taajuusmuuttaja-asennuksissa tarvitaankin usein yksinkertaista lisäosaa, maadoitusnauhaa. Tämä litteä osa koostuu tinatusta kuparipunoksesta, jonka molemmissa päissä on rengasliitin. Maadoitusnauhan käyttö moottorikäyttöisessä sovelluksessa kytkee taajuusmuuttajan suojamaadoitusnavan (jollainen on kaikissa taajuusmuuttajissa) maahan ja johtaa sillä tavoin suurtaajuisen sähköisen kohinan maahan paljon tehokkaammin kuin pyöreä maadoitusjohdin. Sen suhteellisen suuri pinta-ala auttaa vaihtovirtaa (etenkin suurilla taajuuksilla) kulkemaan johtimen pinnoilla, mistä myös pintatunkeutumisen nimitys on peräisin.

Kuva 4: Tämä tinatusta kuparista valmistettu maadoitusnauha on korroosionkestävä, taipuisa ja RoHS-vaatimusten mukainen. Nauhojen avulla voidaan maadoittaa taajuusmuuttaja-asennuskohteiden eri osia, koska ne hyödyntävät suurtaajuisen kohinan tyypillistä tapaa kulkea johdinpinnoilla. (Kuvan lähde: Falconer Electronics)

Vielä täytyy muistaa yksi vaaranpaikka: sovellukset pitäisi suojata johtuneiden sähkömagneettisten häiriöiden lisäksi myös kapasitiivisesti kytketyltä suurtaajuiselta kohinalta. Tämä sisältää esimerkiksi kohinan, joka saattaa tunkeutua taajuusmuuttajan moottoripiiriin esimerkiksi maadoitusnauhojen tai metalliputkessa kulkevien suojaamattomien moottorikaapelien kautta, koska ne molemmat johtavat sähkömagneettisia häiriöitä hyvin ja muodostavat maadoitussilmukoita. Kapasitiivisesti kytketty kohina täytyy estää myös taajuusmuuttajakäyttöisen moottorin käämitysten ja rungon sekä maan välillä .

Kuva 5: digikey.com-osoitteesta löytyvän koulutus-pdf:n kaavio, jossa vertaillaan kolmen taajuusmuuttajakäyttöön sopivan teollisuuskaapelin rakennetta. (Kuvan lähde: Belden Inc.)

Yhteenveto

Taajuusmuuttajia käytetään yleisesti prosessityyppisissä sovelluksissa LVI-alalla, öljy- ja kaasulaitteistoissa sekä yleiskäyttöisissä pumppu-, kompressori- ja kattilaratkaisuissa. Taajuusmuuttajat ovat myös olennainen osa monenlaisia prosessitekniikka- ja automaatiojärjestelmiä, joissa sähkömoottoreilla käytetään kuljettimien, myllyjen, elevaattoreiden ja muiden suuremmasta tehosta hyötyvien laitteiden akseleita.

Tällaisten ratkaisujen onnistuminen edellyttää kytkettyihin ja lähellä oleviin komponentteihin ja järjestelmiin kohdistuvien mahdollisten haitallisten sähköisten ja elektronisten vaikutusten ottamista huomioon. Taajuusmuuttajien kanssa täytyykin yleensä käyttää sähköisiä erikoissuodattimia, liitäntöjä, maadoitusjärjestelmiä sekä taajuusmuuttajakäyttöön suunniteltua kaapelia.