Millä lisätuotteilla voidaan maksimoida VFD- ja VSD-taajuusmuuttajien käytön vaikutus - Osa 1

Tämän artikkelisarjan ensimmäisessä osassa tarkastellaan, mitä on otettava huomioon valittaessa moottorin liitäntäkaapeleita, lähtöreaktoreita, jarrutusvastuksia, linjakuristimia ja linjasuodattimia. Osassa 2 jatketaan tarkastelemalla VSD-/VFD-taajuusmuuttajien ja servokäyttöjen välisiä eroja sekä pyörivien ja lineaaristen AC- ja DC-servomoottoreiden käyttökohteita sekä pohtimalla, miten pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköt sopivat teollisuustoimintoihin. Lisäksi tässä osassa tarkastellaan, miten DC-muuntimia käytetään syöttämään virtaa oheislaitteille, kuten antureille, ihmisen ja koneen välisille käyttöliittymille (HMI) ja turvalaitteille.

VSD (Variable Speed Drive)- ja VFD (Variable Frequency Drive) -taajuusmuuttajien käyttö on välttämätöntä teollisuustoimintojen tehokkuuden ja kestävyyden maksimoinnissa, mutta se ei riitä. Jotta VSD-/VFD-taajuusmuuttajista saataisiin suurin mahdollinen hyöty, tarvitaan sellaisia lisäkomponentteja kuten huipputehokkaita kaapeleita, jarrutusvastuksia, linjasuodattimia, linjakuristimia, lähtöreaktoreita jne.

Kaapelit on yleisiä ja ratkaisevan tärkeitä. Huonosti spesifioitu kaapeli, joka yhdistää VSD-/VFD-taajuusmuuttajan moottoriin, voi heikentää järjestelmän suorituskykyä merkittävästi. Muut elementit, kuten jarrutusvastukset, suodattimet, reaktorit ja kuristimet, vaihtelevat järjestelmäkohtaisesti, ja ne voivat olla erittäin tärkeitä onnistuneen käyttöönoton kannalta.

Jotkin järjestelmät esimerkiksi toimivat alueilla, joilla on välttämätöntä vähentää sähkömagneettisia häiriöitä (EMI). Niissä voidaan käyttää standardin EN 61800-3 luokan C2 mukaisia verkkosuodattimia. Sovelluksissa, joissa tarvitaan nopeaa hidastusta, tarvitaan jarrutusvastuksia. Linjakuristimet voivat parantaa tehokerrointa ja hyötysuhdetta, ja lähtöreaktorit voivat mahdollistaa pidempien kaapeleiden käytön.

Tämä artikkeli tarkastelee aluksi joitakin moottorin liitäntäkaapeleiden valintaan liittyviä näkökohtia ja esittelee valmistajien LAPP ja Belden tyypillisiä kaapelivaihtoehtoja. Sen jälkeen artikkelissa tarkastellaan lähtöreaktoreiden, jarrutusvastusten, linjakuristimien ja linjasuodattimien valintaan vaikuttavia tekijöitä esittelemällä ABB:n, Schneider Electricin, Omronin, Delta Electronicsin, Panasonicin ja Siemensin laitteita.

Moottorikaapeleita on saatavana lukuisina eri konfiguraatioina erilaisten sovelluskohtaisten vaatimusten täyttämiseksi. Niissä on tyypillisesti kolme päävirtajohdinta, jotka on usein eristetty silloitetulla polyeteenillä (XLPE). Joissakin käytetään eristämättömiä maadoitusjohtimia. Niissä voi olla erilaisia signaalijohtimia ja lukuisia punos- ja kalvosuojausvaihtoehtoja. Koko kokoonpano on suljettu haastavia olosuhteita kestävään ulkovaippaan (kuva 1).

Kuva 1: VFD-taajuusmuuttajien moottorikaapeleita on saatavilla erilaisina konfiguraatioina. (Kuvan lähde: Belden)

Jopa peruskaapelit, kuten Belden Basicsin osanumero 29521C 0105000, ovat johtimien, suojien ja eristeiden kompleksisia yhdistelmiä. Näissä kaapeleissa on kolme XLPE-eristeellä päällystettyä kuparijohdinta, joiden paksuus on 14 AWG (American Wire Gauge) (7x22 säiettä), ja kolme eristämätöntä kuparista maadoitusjohdinta, joiden paksuus on 18 AWG (7x26 säiettä). Nämä kuusi johdinta on ympäröity kaksinkertaisella spiraalimaisella teippisuojuksella, joka peittää ne 100-prosenttisesti, ja koko kaapelikokoonpano on päällystetty PVC (polyvinyylikloridi) -vaipalla, joka suojaa sitä ympäristötekijöiltä.

Belden Basic -kaapelit soveltuvat käytettäväksi luokan 1 kohdan 2 mukaisissa vaarallisissa tiloissa, jotka on määritelty National Electrical Codessa (NEC). Luokka 1 tarkoittaa tiloja, joissa käsitellään syttyviä kaasuja, höyryjä ja nesteitä. Kohta 2 määrittelee, että näitä syttyviä materiaaleja ei tavallisesti esiinny niin suurina pitoisuuksina, että ne olisivat syttyviä.

Joitakin kaapelisarjoja, kuten LAPP ÖLFLEX VFD 1XL -kaapeli, on saatavana sekä signaalijohtimien kanssa että ilman. Sovelluksissa, joissa signaalijohtimia tarvitaan, voidaan käyttää LAPPin kaapelia 701710. Se sisältää kolme virtajohdinta, maadoitusjohtimen ja signaalijohdinparin. Virtajohtimien paksuus on 16 AWG (26x30 säiettä) ja niissä käytetään XLPE (plus) -eristystä. Signaaliparissa on erillinen foliosuojaus.

Koko kokoonpano on suojattu sulkuteipillä, kolmikerroksisella folioteipillä (100 % peitto) ja tinatulla kuparipunoksella (85 % peitto). Ulkovaippa on erikoisvalmisteista termoplastista elastomeeria (TPE), joka kestää desinfiointiliuoksia ja jota käytetään tyypillisesti elintarvike-, juoma- ja kemianteollisuudessa sekä niihin liittyvillä aloilla.

VFD-taajuusmuuttajakaapelien on käsiteltävä luotettavasti ja tehokkaasti virtaa ja signaaleja ja lisäksi niiden on kestettävä taajuusmuuttajan korkeiden taajuuksien käytöstä johtuvat korkeat jännitepiikit ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) kohinatasot. Vaikka VFD-taajuusmuuttajakaapelit on suunniteltu vaimentamaan ja kestämään korkeita jännitepiikkejä ja sähkömagneettista häiriötä, niillä on rajansa (kuva 2). Silloin korkeajännitepiikkejä ja EMI-häiriöitä vähennetään kuormakuristimilla.

Kuva 2: Hallitsemattomat korkeajännitepiikit voivat lävistää eristyksen ja johtaa kaapelin vioittumiseen. (Kuvan lähde: LAPP)

Katso yksityiskohtaisempi artikkeli VFD-taajuusmuuttajakaapelien valinnasta linkistä ”Oikeiden VFD-kaapeleiden valinta ja käyttö luotettavuuden, turvallisuuden ja hiilipäästöjen parantamiseksi”.

Kuormakuristimet

Kuormakuristimet, joita kutsutaan myös lähtöreaktoreiksi, kytketään lähelle taajuusmuuttajan lähtöä vähentämään korkeiden jännitepiikkien ja EMI-häiriöiden vaikutusta. Ne myös suojaavat sekä kaapelin että moottorijohdinten eristystä. VSD-/VFD-taajuusmuuttajat tuottavat korkeataajuisen (yleensä 16–20 kHz) lähtösignaalin. Korkeataajuinen kytkentä johtaa muutaman mikrosekunnin jännitenousuaikoihin, mikä aiheuttaa korkeita jännitepiikkejä, jotka voivat ylittää moottorin huippujänniteluokituksen ja johtaa eristyksen rikkoutumiseen.

Käytettävästä moottorityypistä riippuen kuormakuristimia usein suositellaan, jos VFD-kaapelin pituus ylittää 30 m (100 jalkaa). Sääntöön on kuitenkin poikkeuksia: jos moottori esimerkiksi täyttää NEMA MG-1 Part 31 -standardin, sen kanssa saatetaan käyttää jopa 90-metristä (300 ft) kaapelia ilman kuormakuristinta.

Kuormakuristinta yleensä suositellaan moottorityypistä riippumatta, jos kaapelin pituus on yli 90 m. Jos etäisyys ylittää 150 m, suositellaan yleensä erikoissuunniteltua suodatinta. EMI-herkissä ympäristöissä kuormakuristimen käyttö on yleensä hyvä käytäntö kaikissa sovelluksissa.

Kuormakuristimet on usein suunniteltu käytettäväksi tiettyjen taajuusmuuttajamallien kanssa. Esimerkiksi Omronin 3G3AX-RAO04600110-DE-kuormakuristinmalli on luokiteltu 11 ampeerille ja 4,6 mH:lle ja suunniteltu käytettäväksi 400 voltin kolmivaiheisten 5,5 kW:n moottoreiden kanssa, joita ohjataan yrityksen VFD-taajuusmuuttajalla 3G3MX2-A4040-V1.

Jarrutusvastukset ja terminen ylikuormitus

Kuormakuristimen lisäksi jarrutusvastus ja termisen ylikuormituksen purkulaite voivat olla tärkeitä lisäyksiä VSD-/VFD-taajuusmuuttajan lähtöpuolella. Jarrutusvastukset mahdollistavat suurimman mahdollisen transientin jarrutusmomentin vaimentamalla jarrutusenergiaa. Useimmat jarrutusvastukset johtavat energiaa pois, kun taas joitakin niistä käytetään osana regeneratiivista jarrujärjestelmää, jossa energia otetaan talteen ja käytetään uudelleen.

Dissipatiiviset jarrutusvastukset on luokiteltu sovelluksen mukaan. Schneider Electricin 8 Ω:n jarrutusvastus VW3A7755 voi dissipoida jopa 25 kW:n tehon, kun taas Delta Electronicsin 100 Ω:n jarrutusvastuksen BR300W100 teholuokitus on 300 W.

Jarrutusvastussovellukset määritellään energiahäviöprosentin (ED%) avulla. Määritelty ED% varmistaa, että vastus pystyy dissipoimaan jarrutuksen aikana syntyvän lämmön tehokkaasti. ED% on määritelty suhteessa huippuhäviöön, jarrutusväliin (T1) ja yleiseen sykliaikaan (T0) kuvassa 3.

Kuva 3: Energiahäviöprosentin (ED%) määritelmä. (Kuvan lähde: Delta Electronics)

ED% määritellään jarrutuksen voimakkuudesta riippuen siten, että jarruyksikölle ja jarrutusvastukselle jää riittävästi aikaa dissipoida jarrutuksessa syntynyt lämpö. Jos jarrutusvastus kuumenee riittämättömän lämmönpoiston vuoksi, sen resistanssi kasvaa, mikä vähentää virran kulkua ja vaimennettua jarrutusmomenttia.

Jarrutusvastukset voidaan määritellä erilaisten häviösyklien avulla, kuten:

• Kevyt jarrutus, jossa jarrutusteho on rajoitettu 1,5-kertaiseen nimellismomenttiin (Tn) 0,8 sekunnin ajaksi 40 sekunnin välein. Käytetään koneissa, joissa on rajoitetusti inertiaa, kuten ruiskuvalukoneissa
• Keskitason jarrutus, jossa jarrutusteho on rajoitettu 1,35-kertaiseen nimellismomenttiin (Tn) 4 sekunnin ajaksi 40 sekunnin välein. Käytetään koneissa, joissa on korkea inertia, kuten vauhtipyöräpuristimissa ja teollisuussentrifugeissa.
• Voimakas jarrutus, jossa jarrutusteho on rajoitettu 1,35-kertaiseen nimellismomenttiin (Tn) 6 sekunnin ajaksi ja momenttiin Tn 54 sekunnin ajaksi 120 sekunnin välein. Käytetään koneissa, joissa on erittäin suuri inertia ja joihin liittyy usein vertikaali liike, kuten nostimet ja nosturit.

Jarrutusvastuksen lisäksi useimmissa järjestelmissä jarrutusvastukseen kytketään myös terminen ylikuormitusyksikkö, kuten ABB Controlin terminen ylikuormitusrele TF65-33. Terminen ylikuormitusyksikkö suojaa vastusta ja taajuusmuuttajajärjestelmää liian usein toistuvalta tai liian voimakkaalta jarrutukselta. Kun terminen ylikuormitus havaitaan , se kytkee taajuusmuuttajan pois päältä. Pelkän jarrutustoiminnon kytkeminen pois päältä voisi johtaa taajuusmuuttajan vakavaan vaurioitumiseen.

Taajuusmuuttajan tulon suojaus

Taajuusmuuttajan tulossa olevat linjakuristimet ja -suodattimet rajoittavat matalataajuista harmonista säröä ja korkeataajuisia EMI-häiriöitä (kuva 4). Linjakuristimien avulla voidaan vähentää taajuusmuuttajapiirien aiheuttamaa AC-syöttötehon harmonisia häiriöitä. Ne voivat olla erityisen hyödyllisiä sovelluksissa, joiden on täytettävä IEEE-519 ”Harmonic Control in Power Systems” -standardin vaatimukset. Linjakuristimet tasoittavat myös verkkovirran häiriöitä, kuten ylijännitteitä, piikkejä ja transientteja, mikä lisää käyttövarmuutta ja ehkäisee ylijännitteen aiheuttamia käyttökatkoja.

Kuva 4: Linjasuodattimet vähentävät korkeataajuisia EMC-häiriöitä, kun taas linjakuristimet vähentävät matalataajuisia harmonisia häiriöitä. (Kuvan lähde: Siemens)

Esimerkkejä linjakuristimista ovat Panasonicin kolmivaiheisten taajuusmuuttajien ja lisävarusteiden Minas-tuoteperheeseen kuuluva 2 mH:n induktori DV0P228, jonka virtaluokitus on 8 A, sekä Siemensin 2,5 mH:n induktori 6SL32030CE132AA0. Jälkimmäinen on luokiteltu enintään 1,1 kW:n taajuusmuuttajille, joiden syöttövirta on enintään 4 A ja jotka toimivat kolmivaihevirtajännitteellä 380 V_AC -10 % – 480 V_AC +10 %.

Linjasuodattimet

Useimmissa sovelluksissa tarvitaan linjasuodattimia tukemaan sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) ja tarjoamaan EMI-suojaus. Teollisuudessa ja kaupallisessa toiminnassa (rakennuksissa) käytetään ympäristöstä riippuen kahta EMI-suodattimien luokkaa: luokka A ja luokka B. Luokka B edellyttää korkeampaa suodatustasoa kuin luokka A, koska kaupallisissa ympäristöissä (toimistot, hallintorakennukset jne.) on yleensä sähkömagneettiselle häiriölle herkempiä elektroniikkajärjestelmiä.

Näitä käsitteleviä EMC-standardeja ovat EN 55011, joka määrittelee yksityiskohtaisesti teollisuus-, tieteellisten ja lääketieteellisten laitteiden päästörajoitukset, sekä IEC/EN 61800-3, joka koskee erityisesti säädettävänopeuksisia taajuusmuuttajia.

VFD-/VSD-taajuusmuuttajia on saatavana sekä integroidun linjasuodattimen kanssa että ilman. Jos niissä on suodatin, se voi kuulua luokkaan A tai B. Jopa taajuusmuuttaja, joka sisältää suodattimen, voi vaatia lisäsuodatusta ympäristöstä ja asennustekijöistä, kuten kaapelipituudesta, riippuen. Taajuusmuuttajaa, joka on luokiteltu luokan A ympäristöihin, voidaan käyttää myös luokan B ympäristöissä, jos siihen lisätään ylimääräinen suodatin.

IEC/EN 61800-3 määrittelee ympäristöihin ja luokkiin perustuvat EMC-vaatimukset. Asuinrakennukset määritellään ensimmäiseksi ympäristöksi, ja teollisuuslaitokset, jotka on kytketty muuntajien kautta keskijännitejakeluverkkoon, ovat toinen ympäristö.

EN 61800-3 määrittelee seuraavat neljä luokkaa:

• C1 taajuusmuuttajajärjestelmille, joiden jänniteluokitus on < 1000 V, rajoittamattomaan käyttöön ensimmäisessä ympäristössä
• C2 kiinteille taajuusmuuttajajärjestelmille, joiden jänniteluokitus on < 1000 V, käyttöön toisessa ympäristössä ja mahdollisesti ensimmäisessä ympäristössä
• C3 taajuusmuuttajajärjestelmille, joiden jänniteluokitus on < 1000 V ja jotka on tarkoitettu käytettäväksi yksinomaan toisessa ympäristössä
• C4 erityisvaatimukset taajuusmuuttajajärjestelmille, joiden jänniteluokitus on ≥ 1000 V ja nimellisvirta ≥ 400 A toisessa ympäristössä.

Geneerisiä linjasuodattimia on saatavana, mutta linjasuodattimet on usein suunniteltu linjakuristinten tavoin käytettäväksi tiettyjen taajuusmuuttajaperheiden kanssa. Esimerkiksi Schneider Electric VW3A4708-linjasuodattimen virtaluokitus on 200 ampeeria (kuva 5). Se on suunniteltu yrityksen Altivar VSD-taajuusmuuttajille ja Lexium-servokäytöille. Sen verkkojänniteluokitus on 200 V_AC – 480 V_AC ja sen kotelointiluokka on IP20. Sen EN 61800-3-luokitus riippuu moottorikaapelin pituudesta:

• C1-luokka käytettäessä enintään 50 m pitkää suojattua kaapelia
• C2-luokka käytettäessä enintään 150 m pitkää suojattua kaapelia
• C3-luokka käytettäessä enintään 300 m pitkää suojattua kaapelia.

Kuva 5: 200 A:n linjasuodatin verkkojänniteluokituksella 200 V_AC – 480 V_AC. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Yhteenveto

VSD-/VFD-taajuusmuuttajat ovat tärkeitä järjestelmiä, joiden avulla maksimoidaan teollisuustoimintojen tehokkuus ja minimoidaan kasvihuonekaasupäästöt. Nämä taajuusmuuttajat vaativat useita lisäkomponentteja, joilla taataan asennusten tehokkuus ja luotettavuus sekä niitä koskevien kansainvälisten standardien noudattaminen. Näihin komponentteihin kuuluvat VFD-kaapelit, lähtöreaktorit, jarrutusvastukset, linjakuristimet ja linjasuodattimet.