Oikeiden VFD-kaapeleiden valinta ja käyttö luotettavuuden, turvallisuuden ja hiilipäästöjen parantamiseksi

Taajuusmuuttajilla (Variable Frequency Drive, VFD) ja moottoreilla voidaan vähentää hiilipäästöjä sekä parantaa eri järjestelmien tehokkuutta, luotettavuutta ja turvallisuutta. Tällaisia järjestelmiä ovat esimerkiksi kuljettimet, pumput, sekoittimet, hissit, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmät sekä samankaltaiset sovellukset. VFD-muuttajan ja moottorin välinen kaapelointi on järjestelmän kriittinen linkki. Vääränlainen kaapelointi voi vaarantaa käyttäjän turvallisuuden sekä moottorin luotettavuuden ja käyttöiän.

Tyypilliset VFD-järjestelmät toimivat haastavissa käyttöolosuhteissa, joissa voi esiintyä syöttöjännitteeseen nähden kaksin- tai kolminkertaisia jännitepiikkejä sekä voimakasta säteilevää tai johtuvaa sähkömagneettista kohinaa. Lisäksi kaapelit voivat altistua korkeille lämpötiloille. Niiden täytyy sietää öljyä, vettä ja ultraviolettisäteilyä (UV), olla hyvin joustavia sekä täyttää erilaisia teknisiä UL-, CSA-, NFPA- ja NEC-vaatimuksia.

VFD-asennusten haastavat käyttöympäristöt ja tekniset vaatimukset monimutkaistavat oikeiden kaapeleiden valintaa. Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti VFD-muuttajien ja moottoreiden toimintaa, kaapeliasennusten vaatimuksia sekä sähkömagneettisen yhteensopivuuden (Electromagnetic Compatibility, EMC) tarvetta. Artikkelissa vertaillaan erilaisia teknisiä spesifikaatioita, kuten UL 1277 TC ER-, WTTC- ja TC-kaapeleita, sekä NEC- ja NFPA-vaatimuksia. Sitten tutustutaan kaapeleiden rakennetekijöihin ja lopuksi valmistajien Belden, Helukabel, Igus, LAPP ja SAB North America esimerkkikaapeleihin.

Ympäristöhaasteet

VFD-moottorit, käytöt sekä niiden väliset kaapelit toimivat usein sähköteknisesti haastavissa käyttöympäristöissä. VFD-kaapeleiden täytyy siirtää tehokkaasti korkeita jännitteitä ja korkeita sähkövirtoja sekä kestää korkeita jännitepiikkejä ja kohinatasoja. VFD-kaapeleiden eristyksen täytyy kestää haasteellisia olosuhteita, kuten heijastuneet aallot ja koronapurkausjännitteet (kuva 1).

• Heijastuneet aallot: VFD-moottorin ja sen kaapelin väliset impedanssierot voivat synnyttää heijastuneita aaltoja. Tällöin taajuusmuuttajaan voi palautua jänniteaaltoja. Jos eristyksen suorituskyky ei ole riittävän korkea, heijastuneet aallot voivat rikkoa sen ja ylikuumentaa kaapelia.
• Koronapurkausjännitteet: VFD-järjestelmien pulssileveysmodulaation (Pulse Width Modulation, PWM) jännitteet vaihtelevat nopeasti nollan ja huippujännitteen välillä. Jos eristys ei ole riittävä, kaapelin koronapurkausjännitettä korkeampi jännitepiikki voi ionisoida johdinta ympäröivän ilman ja synnyttää koronapurkauksen, joka voi sulattaa eristyksen sekä vaurioittaa moottoria, laakereita ja taajuusmuuttajaa.

Kuva 1: VFD-kaapelin eristyksen täytyy kestää heijastuneita aaltoja ja koronapurkausjännitteitä. (Kuvan lähde: SAB North America)

Suojaus ja maadoitus

Jännitepiikkien keston lisäksi VFD-kaapeleiden pitää tarjota korkeatehoinen EMC-suojaus. Eräitä tärkeitä EMC-näkökohtia:

• Taajuusmuuttajien kolmivaihejännitteet, joiden yhteenlaskettu summa ei ole nolla, voivat aiheuttaa yhteismuotoisia virtoja ja näin ollen jännitteen epätasapainon. Kun tämä nollaa suurempi jännitetaso muuttuu, siihen verrannollinen varausvirta palaa maadoitusjohtimen kautta. Liian korkea yhteismuotoinen virta aiheuttaa maadoitussilmukan, joka häiritsee järjestelmän toimintaa.
• VFD-taajuudet voivat synnyttää sähköistä kohinaa ja aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (Electromagnetic Interference, EMI) sekä radiotaajuushäiriöitä (Radio Frequency Interference, RFI). Nämä voivat vaikuttaa lähellä sijaitseviin komponentteihin ja järjestelmiin.

Kun taajuusmuuttaja, kaapeli ja moottorijärjestelmä on maadoitettu tehokkaasti, syntyy Faradayn häkki, joka varmistaa luotettavan EMC-suorituskyvyn (kuva 2).

Kuva 2: VFD-kaapelit voivat vähentää yhteismuotoisia virtoja ja sähköistä kohinaa sopivilla maadoitusliitännöillä. (Kuvan lähde: SAB North America)

Tiivisteet ja asennusputket

VFD-kaapeleita on saatavana pienellä halkaisijalla käytettäväksi asennusputkissa sekä saumattomasti hitsatuissa järeästi suojatuissa kaapelirakenteissa. Nämä ratkaisut vaativat monimutkaisen ja kalliin asennuksen, ja niiden luotettavuus voi olla heikkoa. Saatavilla on myös kaapelihyllyihin tarkoitettuja kaapeleita (Tray Cable, TC), jotka eivät vaadi asennusputkea. Kun asennusputki on käytettävissä, sillä voidaan luoda Faradayn häkki taajuusmuuttajan ja moottorin välille. Käytettäessä eri luokkien TC-kaapeleita, Faradayn häkin voi muodostaa käyttämällä EMC-kaapelitiivisteitä. EMC-kaapelitiivisteet tarjoavat IP68-suojausluokituksen, eli ne kestävät makeaa vettä jopa 1,5 metrin syvyyteen asti 30 minuutin ajan ja ne on suojattu pölyltä, joten ne sopivat käyttöön haastavissa teollisuusympäristöissä sekä ulkokäyttöön (kuva 3).

Kuva 3: Taajuusmuuttajan ja moottorin sähköliittimissä voidaan käyttää kaapelitiivisteitä Faradayn häkin luomiseksi ja EMI-häiriöiden vaimentamiseksi. (Kuva: SAB North America)

Kaapeliluokat

TC-kaapeleilla voidaan yksinkertaistaa asennusta ja vähentää kustannuksia. Niitä voidaan luokitella useiden eri sovelluskriteereiden mukaan, kuten nimellisjännite, taipuisuus sekä murskaus/iskuvoimatestit. On kaksi tärkeää UL-standardia. Kumpikin standardi koskee kokoluokituksen 18 AWG ja sitä suurempia kaapeleita. Nämä kaksi standardia ovat seuraavat:

UL 1277, ”Electrical Power & Control Tray Cables”, joka kattaa useita TC-kaapelityyppejä 600 V:n jänniteluokituksella.

• Perustason TC-kaapelit ovat yleisimpiä, ja niitä käytetään VFD-kaapeleina kohteissa, joissa tarvitaan liekkejä hidastava suojaus.
• Paljaana käyttöön sopivien TC-ER-kaapeleiden pitää läpäistä tiukemmat murskaus- ja iskunkestävyysvaatimukset kuin TC-vakiokaapeleiden. Ne voivat kulkea vapaana kaapelitelineiden välillä keskimäärin 1,8 m.
• THHN/PVC on edullinen TC-rakenne kestomuovisella vaipalla. Se soveltuu suoraan upotukseen ja käyttöön asennusputkessa.

UL 2277, ”Flexible Motor Supply Cable & Wind Turbine Tray Cable”, kattaa kaksi TC-kaapelityyppiä 1000 V:n jänniteluokituksella.

• Joustavat FMSC-kaapelit (Flexible Motor Supply Cable) on suunniteltu ensi sijassa taajuusmuuttajien kanssa käytettävien moottoreiden virtakaapeleiksi.
• WTTC-kaapelit (Wind Turbine Tray Cable) kestävät tuuliturbiinisovellusten äärimmäisen haastavia olosuhteita, kuten öljyä, hankausta, äärilämpötiloja, vettä, jatkuvaa liikettä ja niin edelleen.

NEC ja NFPA

Paikallisista rakennusnormeista riippuen Yhdysvalloissa edellytetään usein, mutta ei aina, NEC 79- / NFPA 79 2018 Edition ‑vaatimustenmukaisuutta. Standardissa vaaditaan, että VFD-kaapeleissa on merkintä RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW tai XHHW-W seuraavalla tavalla:

• RHW, RHH ja RHW-2 käyttävät korkeaa lämpöä kestävää kumieristystä.
  • RHW merkitsee vedenkestävää kaapelia, jonka lämpötilaluokitus on +75 °C.
  • RHH merkitsee ei-vedenkestävää kaapelia, jonka lämpötilaluokitus on +75 °C.
  • RHW-2 merkitsee vedenkestävää kaapelia, jonka lämpötilaluokitus on +90 °C.
• XHH, XHHW ja XHHW-W käyttävät eristyksenä XLPE-materiaalia (silloitettu polyeteeni).
  • XHH on tarkoitettu käytettäväksi kosteissa sijaintikohteissa lämpötilaluokituksella +75 °C.
  • XHHW on tarkoitettu käytettäväksi märissä sijaintikohteissa lämpötilaluokituksella +75 °C.
  • XHHW2 on tarkoitettu käytettäväksi märissä sijaintikohteissa lämpötilaluokituksella +90 °C.

XLPE-eristys on kevyempää ja joustavampaa kuin kuminen, joten XLPE-kaapelit ovat helpompia asentaa erityisesti matalissa lämpötiloissa. Lisäksi XLPE tarjoaa kumieristykseen verrattuna pienemmän vuodon.

Kaapelin rakenne

Taajuusmuuttajien TC-kaapeleiden toteutukseen on useita tapoja. Igusin osanumero CF31-25-04 on hyvä esimerkki, joka sisältää useita tavallisia elementtejä. listan numerot vastaavat kuvaa 4:

1. Ulkovaippa koostuu öljyä kestävästä pienikitkaisesta paine-ekstrudoidusta PVC-sekoituksesta.
2. Ulompi suojus koostuu hyvin taipumista kestävästä tinatusta kuparipunoksesta.
3. Sisävaippa koostuu paine-ekstrudoidusta PVC-muovista, joka täyttää tyhjät välit.
4. CFRIP on Igusin valmistajakohtainen sisävaippaan lisätty repäisynauha, joka helpottaa kuorintaa.
5. Ytimen eristys on silloitettua polyeteeniä (XLPE), jolla on kolmiulotteinen sidos muovin kanssa. Materiaalissa yhdistyvät korkea mekaaninen lujuus ja matala kapasitanssi.
6. Johtimen rakenne vaihtelee DIN EN 60228 -standardin vaatimusten mukaisesti riippuen siitä, onko ytimen poikkipinta-ala vähintään 10 mm² vai vähemmän.
7. Keskellä kaapelia kulkee vetojännitystä vähentävä vedonpoistomateriaali

Kuva 4: VFD-kaapelin esimerkki, jossa esitellään virtaa siirtävien johdinten ohella suojaus- ja vedonpoistoelementit. (Kuvan lähde: Igus)

Muita vaihtoehtoja

LAPP ÖLFLEX VFD 1XL on kestävien, öljyä ja UV-valoa kestävien suojattujen VFD-kaapeleiden tuoteperhe ratkaisuihin, joissa tarvitaan kaapeleita pienemmällä halkaisijalla. XLPE-eristeen erityisen pienen halkaisijan ansiosta nämä kaapelit sopivat ahtaisiin asennuskohteisiin, joihin tavalliset kaapelit eivät mahdu. Lisäksi pienempi halkaisija parantaa joustavuutta ja nopeuttaa asennusta. Nämä TC-ER-luokitellut kaapelit voi asentaa ilman asennusputkea, mutta niiden pienempi halkaisija ja joustavuus yksinkertaistavat asennusputkien käyttöä, jos niitä tarvitaan. Ne täyttävät XHHW2-suorituskykyvaatimukset. LAPP tarjoaa esimerkiksi useita malleja, joissa on neljä johdinta (mukaan lukien maadoitus) ja nielu, esimerkiksi 10 AWG:n johtimia (5,3 mm²) käyttävä 701703 sekä 2 AWG:n johtimia (33,7 mm²) käyttävä 701717.

Helukabel tarjoaa useita TC-ER- ja WTTC-luokiteltuja kaapeleita välillä 2–18 AWG, kuten neljän johtimen 12 AWG:n TC-malli 63141. Niissä on kaksinkertainen suojaus, jossa yhdistyvät alumiinifolio (kattavuus 100 %) ja tinattu kuparipunos (kattavuus noin 85 %). Niissä on XLPE-eristys ja PVC-vaipat, jotka sietävät öljyä, jäähdytysaineita, liuottimia sekä puhdistus-/desinfiointiaineita. Nämä kaapelit on luokiteltu avoimeen ja suojaamattomaan asennukseen kaapelihyllyissä sekä kaapelihyllyn ja koneen väliin. Lisäksi ne sopivat sekä asennusputkiin että suoraan upottamiseen.

Erittäin taipuisat kaapelit

Belden tarjoaa useita TC-kaapelituoteperheitä erilaisilla johdin- ja maadoituskonfiguraatioilla sekä erilaisilla eristys- ja suojamateriaaleilla (kuva 5). Yritys tarjoaa erityisen joustavia TC-kaapeleita vaativiin asennuskohteisiin HighFlex VFD ‑kaapeleita, jotka tarjoavat erilaisia taipuvuusasteita ja joiden kesto on jopa 10 miljoonaa taivutussykliä. Näissä TC-kaapeleissa on hienosäikeiset tinatut kuparijohtimet. Joissain malleissa on jopa 2000 yksittäistä säiettä ja joustava TPE-vaippa, jonka hyvin taipuisa rakenne helpottaa kaapeleiden käsittelyä asennuksen aikana. Esimerkiksi osalla numero 29501F 0101000 on TC-ER- ja WTTC-luokitukset, ja se on suunniteltu kestämään jatkuvaa liikettä koneeseen asennettuna. Se täyttää XHHW2-vaatimukset, eli sitä voi käyttää märissä asennuskohteissa jopa +90 °C:n lämpötilassa. HighFlex VFD ‑kaapeleiden kohdesovelluksia:

• prosessilaitteistot
• pumppujen virransyöttö
• tuuletinten ohjaus
• materiaalikuljettimet
• liikkuvat robottivarret.

Kuva 5: Esimerkkejä VFD-kaapeleissa käytetyistä johdin- ja maadoituskonfiguraatioista sekä eristys- ja suojamateriaaleista. (Kuvan lähde: Belden)

SAB:n VFD-kaapelit on suunniteltu tarjoamaan optimoitu EMC-suorituskyky. Saatavilla on myös jatkuvaan taivutukseen sopiva vaihtoehto. Nämä kaapelit täyttävät TC-ER- ja WTTC-vaatimukset. Niissä on käytössä kapasitanssia parantava XLPE-eristys kahdella eri vaihtoehdolla: toisessa on pienempi halkaisija ja toinen soveltuu pidempiin kaapelietäisyyksiin. VFD-moottoreiden valmistajilla on erilaisia VFD-TC-yhdistelmäkaapeleiden parien kokoa koskevia vaatimuksia. Eräät saattavat vaatia nielulla varustetun kaapelin ja toiset eivät. SAB:n VFD-kaapeleihin lukeutuu versioita, jotka täyttävät useimmat sovellusvaatimukset, kuten virtakaapeli yhdistelmäparilla jarrutusta tai lämpötilan tunnistamista varten, erilaisia paria koskevia kokovaihtoehtoja, kuten 18, 16, 14 ja 12 AWG, sekä kahdella parilla varustettuja malleja. Niiden kaksinkertaisessa suojauksessa yhdistyvät folio ja tinattu kuparipunos, ja haluttaessa niitä saa symmetrisellä maadoitusratkaisulla. Näiden kaapeleiden taivutussäde on 12-kertainen kaapelin halkaisijaan nähden, ja niiden XHHW2-luokitus mahdollistaa käytön märissä sijaintikohteissa jopa +90 °C:n lämpötilassa. Hyvä esimerkki näistä kaapeleista on neljän johtimen 12 AWG:n kaapeli 35661204.

Yhteenveto

VFD-kaapeleita käytetään sähköteknisesti haastavissa käyttöolosuhteissa, ja niiden on kestettävä sekä korkeita lämpötiloja että altistumista vedelle, öljylle ja/tai eri kemikaaleille. Näiden kaapeleiden teknisten vaatimusten määrittäminen on monimutkainen prosessi, joka vaatii useiden eristysominaisuuksien harkintaa, mukaan lukien heijastuneiden aaltojen ja koronapurkausjännitteiden kestokyky, suojaus, EMC-suojatut kaapelitiivisteet sekä UL-, NEC- ja NFPA-vaatimukset. Oikein valitut ja asennetut VFD-kaapelit tekevät asennuksista yksinkertaisempia ja edullisempia, vähentävät hiilipäästöjä sekä parantavat moottorin toimintaa ja käyttäjän turvallisuutta.