Schützen Sie leichte Industriemotoren mit speziellen VFD-Kabeln

Frequenzvariable Motorsteuerungen (VFDs) sind aufgrund ihrer hervorragenden Effizienz und präzisen Steuerung eine beliebte Wahl für leichte industrielle Anwendungen. Viele kompakte VFDs erzeugen jedoch störende Ausgangssignale, was erhebliche Auswirkungen auf die Auswahl der Motorstromkabel hat. Die Wahl des falschen Kabels kann zu Komplikationen führen, darunter schwer zu diagnostizierende Ausfallzeiten, vorzeitige Motorausfälle und Gefahren bezüglich der Sicherheit.

Viele dieser Probleme hängen mit der schnell schaltenden Technologie zusammen, die den VFDs zugrunde liegt. Hohe Schaltfrequenzen führen zu erheblichen Spannungsspitzen, elektromagnetischen Störungen (EMI) und Streuströmen, die den Motor, benachbarte Systeme und das Kabel selbst beschädigen können.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen erörtert, mit denen Konstrukteure beim Einsatz von VFDs konfrontiert werden. Anschließend werden VFD-Kabel von Belden vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie zur Bewältigung dieser Herausforderungen eingesetzt werden können.

Herausforderungen von VFDs für leichte Industriemotoren

VFDs erfordern schwierige Kompromisse bei der Auslegung in Anwendungen der Leichtindustrie, wie beispielsweise Ventilatoren, Pumpen, Förderbänder, Extruder, Mischer, Pressen und Mühlen. Bei diesen Anwendungen kommen oft Dutzende oder sogar Hunderte von Motoren zum Einsatz, und der Umfang dieser Anlagen erhöht den Druck, die kostengünstigsten Lösungen zu wählen.

Daher werden für diese Anwendungen häufig kompakte VFDs der Einstiegsklasse benötigt, die auf Silizium-Bipolartransistoren (IGBTs) mit isolierter Steuerelektrode (Si) basieren. Typische Merkmale dieser Antriebe sind:

• Integrierte Leistungen (in PS) im Bereich von 1 bis 30 PS (0,74 kW bis 22 kW)
• Dreiphasiger Niederspannungsausgang im Bereich von 200 V bis 575 V
• Schaltfrequenzen im Bereich von 2 kHz bis 16 kHz

Angesichts der mäßigen Leistung und des Kostendrucks kann es verlockend sein, diese Antriebe mit den Kabeln zu koppeln, die an anderer Stelle in der Einrichtung verwendet werden. Je nach Anwendung kann es sich dabei um armierte TECK90-Kabel, durchgehend gewellte, geschweißte Kabel (CCW) oder sogar um Standard-Baudrähte wie thermoplastische, hochhitzebeständige nylonbeschichtete Kabel (THHN) handeln. Keine dieser Optionen wird jedoch den einzigartigen Eigenschaften von VFDs gerecht.

Warum VFDs spezielle Kabel benötigen

VFDs der Einstiegsklasse verwenden eine zweistufige Pulsweitenmodulation (PWM), bei der der Ausgang schnell zwischen zwei Zuständen umschaltet (Abbildung 1). Die Rechteckausgänge dieser Antriebe haben steile Spannungsanstiegszeiten (dV/dt), die mehrere Probleme verursachen können.

Abbildung 1: VFDs der Einstiegsklasse verwenden zweistufige PWM-Ausgänge zur Annäherung an eine Sinuswelle. (Bildquelle: Wikipedia)

Erstens führen die von einem VFD ausgehenden Rechteckwellen hochfrequente Oberwellen in das Motorversorgungskabel ein. Diese Wellen können reflektiert werden, wenn sie auf eine Impedanzfehlanpassung treffen, z. B. am Kabelabschluss. Die konstruktive Interferenz dieser Wellen kann Spannungsspitzen erzeugen, die das Zwei- oder Dreifache der Nennspannung betragen. Beispielsweise können bei einem VFD, der einen 460V-Motor versorgt, leicht Spannungsspitzen von weit über 1 kV auftreten.

Diese hohen Spannungen können die Spannung für die Koronabildung (CIV) überschreiten und zu Koronaentladungen führen, die herkömmliche Kabelisolationsmaterialien wie Polyvinylchlorid (PVC) beschädigen können. Dies kann zu Geräteausfällen und Stromschlägen führen.

Zweitens können schnelle Spannungsänderungen übermäßige EMI verursachen, was zu schwer auffindbaren Betriebsfehlern führt. Dieses Rauschen kann beispielsweise den Betrieb von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und anderen Steuerungssystemen in der Nähe beeinträchtigen. Dies ist besonders dann problematisch, wenn Motorversorgungskabel in der Nähe anderer Kabel verlegt werden müssen, da Interferenzen die Netz- und Sensorsignale beeinträchtigen können.

Drittens verursachen schnelle Schaltvorgänge Ungleichgewichte in den dreiphasigen Spannungen, wodurch Streuspannungen entstehen, die einen Rückweg außerhalb der Phasendrähte erfordern. Ohne eine ordnungsgemäße Eindämmung entlädt sich der resultierende Gleichtaktstrom (CMC) häufig in den Motorlagern und verursacht mikroskopisch kleine Schmelzvorgänge und Lochfraß, die die Lebensdauer des Motors erheblich verkürzen können.

In einigen Fällen kann der CMC über das VFD-Gehäuse oder andere Strukturen zurückgeführt werden. Dies kann dazu führen, dass elektrisches Rauschen in umliegende Bereiche abstrahlt und eine Stromschlaggefahr darstellt. Dies sind Risiken, die beispielsweise mit der Verwendung von TECK90- oder CCW-Kabeln verbunden sind.

Schließlich können Versorgungskabel einen hohen kapazitiven Blindwiderstand für hochfrequentes Rauschen aufweisen. Infolgedessen sind VFDs anfällig für kapazitive Ladeströme, die zu erheblichen Energieverlusten führen können. Dies ist besonders problematisch bei langen Kabelstrecken und kleinen Motoren, wo die kapazitive Impedanz des Kabels einen beträchtlichen Prozentsatz der gesamten Systemlast ausmachen kann.

Es ist anzumerken, dass hochfrequente Spannungen gemildert werden können, indem man einen VFD mit einem Ausgangsfilter kombiniert oder mehrstufige VFDs wählt, deren Ausgangssignal von Natur aus glatter ist. Keiner der beiden Ansätze beseitigt jedoch die Gefahren vollständig, und beide Optionen können für kostenbewusste Anwendungen unerschwinglich sein.

Vorteile von speziellen VFD-Kabeln

Die Basisklasse der 2kV-VFD-Kabel („Belden Basics 2 kV“) von Belden (Abbildung 2) wurde entwickelt, um die mit PWM-gesteuerten VFDs verbundenen Gefahren zu vermeiden. Das Kernstück dieser Kabel ist eine Isolierung aus vernetztem Polyethylen (XLPE) mit einer Nennspannung von 2 kV. Selbst wenn XLPE Spannungen ausgesetzt wird, die den CIV-Wert überschreiten, bleibt es aufgrund seiner dichteren Molekularstruktur sehr widerstandsfähig gegen Koronaentladungen. Dies bietet eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsspitzen und eignet sich für die meisten kompakten VFDs.

Abbildung 2: Die Basisklasse der 2kV-VFD-Kabel von Belden („Belden Basics 2 kV“) verfügt über Kupferbandabschirmungen, eine symmetrische Erdung sowie eine robuste Isolierung und Ummantelung. (Bildquelle: Belden)

XLPE weist außerdem eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als PVC auf, was die Kabelkapazität und die damit verbundenen Ladeströme reduziert.

Standard-Elektrokabel verwenden in der Regel einen einzigen, mäßig dimensionierten Erdungsleiter. Im Gegensatz dazu weisen die 2kV-VFD-Kabel der Basisklasse drei große Erdungsleiter auf, die symmetrisch zwischen den Phasenleitern angeordnet sind. Diese Geometrie sorgt dafür, dass der CMC einen niederohmigen, symmetrischen Rückweg hat.

Darüber hinaus sind die Belden-Kabel mit einer doppellagigen, spiralförmigen Kupferbandabschirmung ausgestattet. Dadurch wird eine kontinuierliche, niederohmige Barriere gegen abgestrahlte und leitungsgebundene EMI geschaffen. Die Erdungsleiter sind blank und stehen in direktem Kontakt mit der Abschirmung, wodurch ein gemeinsamer niederohmiger Rückweg für alle unerwünschten Ströme entsteht.

Die 2kV-VFD-Kabel verfügen außerdem über mechanische Eigenschaften, die für die anspruchsvollen Umgebungsbedingungen in Leichtindustrieanlagen ausgelegt sind. Der ölbeständige PVC-Außenmantel widersteht der Einwirkung von Schmiermitteln und Industrieflüssigkeiten. Die Kabel sind für die direkte Verlegung im Erdreich zugelassen und verfügen über eine TC-ER-Zulassung, sodass sie bei freiliegenden Verlegungen ohne Schutzrohr verlegt werden können. Die Brandschutzklasse FT4/IEEE 1202 bietet eine zusätzliche Sicherheitsreserve in Einrichtungen mit strengen Brandschutzvorschriften.

Auswahl von VFD-Kabeln je nach Motorleistung

Die Kabel sollten unter anderem nach ihrer Strombelastbarkeit ausgewählt werden. Diese Kapazität wird in erster Linie durch den Kabeldurchmesser bestimmt, aber je nach Anwendung müssen leistungsmindernde Faktoren berücksichtigt werden. Belden hat eine illustrative Auswahlhilfe (Abbildung 3) erstellt, die auf typischen Volllaststromwerten (FLC) von Drehstrommotoren basiert, wie sie in der NEC-Tabelle 430.250 veröffentlicht sind, multipliziert mit 125% gemäß NEC Artikel 430-22(A).

Abbildung 3: Die Kabelauswahltabelle für die VFD-Kabel „Belden Basics 2kV“ gibt an, welches Kabel je nach Motorspannung und -leistung zu verwenden ist. Sternchen weisen darauf hin, dass bei längeren Kabelstrecken möglicherweise stärkere Kabel erforderlich sind. (Bildquelle: Belden, geändert von Kenton Williston)

Für einen 10-PS-Motor, der mit 230 V betrieben wird, ist zum Beispiel das 29723C 0102500 eine gute Wahl. Dieses Kabel bietet Versorgungsleitungen mit 10 AWG und Erdungsleitungen mit 14 AWG.

Für einen 10-PS-Motor, der mit 460 V betrieben wird, empfiehlt Belden stattdessen das leichtere Modell 29721C 0102500 mit Versorgungsleitungen der Stärke 14 AWG und Erdungsleitungen mit 18 AWG. Es handelt sich dabei um einen zwei Stufen niedrigeren Wert, der die geringere Stromaufnahme bei höherer Spannung widerspiegelt.

Beachten Sie, dass die Strombelastbarkeit nicht das einzige Kriterium für die Auslegung ist. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Kabellänge. Für Strecken, die länger als 15 Meter sind, kann der Spannungsabfall ein Kabel mit größerem Durchmesser erfordern. Um auf das Beispiel eines 10PS/460V-Motors zurückzukommen, empfiehlt Belden für lange Strecken das Kabel 29722C 0102500 (Versorgungsleitungen der Stärke 12 AWG, Erdungsleitungen mit 16 AWG).

Vorteile von VFD-Kabeln in Sonderlängen

Es ist wichtig, dass das Kabel genau auf die benötigte Länge zugeschnitten wird, um Leistung und Kosten zu optimieren. Eine Möglichkeit ist es, Kabel auf Spulen zu bestellen und sie vor Ort auf die gewünschte Länge zu schneiden. Dieser Ansatz führt jedoch oft zu Verschwendung, und Schnitte vor Ort werden unter Umständen unsachgemäß ausgeführt. Auch die Bestellung von Kabeln in Standardlängen und deren Zuschnitt kann sich als unwirtschaftlich erweisen.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ermöglicht das Digi-Spool-Programm für kundenspezifische Kabellängen die Bestellung pro Fuß oder Meter ohne Mindestlänge, ohne zusätzliche Schnittgebühren und mit präzisen Schnitten ohne Spleißen. Das Programm ist UL-zertifiziert, und alle in diesem Artikel erwähnten Belden-Kabel sind in kundenspezifischen Längen erhältlich.

Wie man VFD-Kabel anschließt

Die Auswahl des richtigen Kabels ist von entscheidender Bedeutung, aber auch der richtige Anschluss. Standardmethoden verbinden die Abschirmung (und in einigen Fällen die Erdungsleiter) mit dem VFD-Gehäuse. Bei diesem Ansatz können jedoch Störströme in der Nähe der Motorsteuerung, der SPS und anderer empfindlicher Geräte auftreten.

Die von Belden empfohlene Lösung ist die Verwendung einer Isolierverschraubung (Durchgangsverschraubung), mit der das Kabel in das Gehäuse eingeführt werden kann, ohne dass die Abschirmung oder Erdung an diesem Punkt angeschlossen wird (Abbildung 4). Dadurch können die Abschirmung und die Erdung mit der Schutzerde (PE) am VFD und am Motor verbunden werden, was eine robuste Isolierung gewährleistet.

Abbildung 4: Abschirmung und Erdung des VFD-Kabels sollten an der Motorsteuerung und am Motor mit dem Schutzleiter (PE) verbunden werden. (Bildquelle: Belden)

Belden bietet eine Reihe von BTC-Kabelverschraubungen an, die für diesen Zweck entwickelt wurden, darunter die BTC075A0791RA (Abbildung 5). Durch die Durchführungskonstruktion bleiben die Abschirmung und die Erdungsleiter am Gehäuseeingang isoliert, und sie ist mit allen in diesem Artikel behandelten Kabeln kompatibel. Die Durchführung ist mit einem 3/4-Zoll-Gewinde (NPT) ausgestattet, geeignet für Standard-Industriegehäuse.

Abbildung 5: Die Kabelverschraubung BTC075A0791RA ist speziell für die Durchführung von VFD-Kabeln konzipiert. (Bildquelle: Belden)

Fazit

Frequenzvariable Motorsteuerungen (VFDs) bieten überzeugende Effizienz und Kontrolle, aber ihre schnell schaltenden Ausgänge stellen eine Herausforderung dar, die eine sorgfältige Kabelauswahl erfordert. Die VFD-Kabel „Belden Basics 2kV“ erfüllen diese Anforderungen mit Eigenschaften, die für kompakte VFDs optimiert sind. In Verbindung mit dem Digi-Spool-Programm für kundenspezifische Kabellängen von DigiKey bieten diese Kabel eine praktische Lösung für eine breite Palette von leichten industriellen Anwendungen.