Come scegliere i cavi per il controllo motori VFD affidabile e per la retroazione dei sensori

L'automazione industriale e le iniziative per migliorare l'efficienza energetica stanno portando a un maggior impiego dei comandi a frequenza variabile (VFD) nei sistemi a motore, quali trasportatori, pompe e robot industriali. Scegliere i cavi per questi motori è più complesso che scegliere semplicemente la sezione del conduttore in base alla corrente di carico e al grado di isolamento per la tensione di funzionamento.

I moderni sistemi di motori VFD utilizzano un'elettronica di potenza a commutazione che genera segnali di azionamento a modulazione della larghezza di impulso (PWM) con fronti molto veloci. Questi tempi di transizione rapidi possono esacerbare le riflessioni causate da disadattamenti di impedenza tra il cavo e i terminali del motore, provocando onde stazionarie che aumentano lo stress di tensione lungo il cavo. Inoltre, la capacità del cavo da linea a linea e da linea a terra può influenzare le prestazioni di comando e aumentare le correnti di carica. Poiché i segnali PWM dei VFD sono ricchi di armoniche ad alta frequenza, i cavi del motore devono essere schermati in modo efficace per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Questo articolo offre una breve panoramica sui VFD ed esplora le sfide che i progettisti devono affrontare nella scelta dei cavi per motori VFD per garantire funzionalità, affidabilità e sicurezza. Presenta quindi i cavi VFD di LAPP e mostra come possono essere utilizzati per fornire segnali di alimentazione e controllo stabili, riducendo al contempo la suscettività e le emissioni EMI in ambienti difficili.

Introduzione ai VFD

L'automazione industriale richiede motori affidabili ed efficienti, in grado di funzionare in entrambe le direzioni in una gamma completa di velocità. I VFD, chiamati anche azionamenti a velocità regolabile, sono controller per motori che regolano la velocità e la coppia di un motore a induzione c.a. variando la frequenza di ingresso, la tensione e il ciclo di lavoro del motore. Funzionano raddrizzando l'ingresso c.a. e utilizzando l'uscita c.c. per generare segnali PWM per l'azionamento del motore. Regolando la frequenza, la larghezza e l'ampiezza di questi impulsi, è possibile controllare la velocità e la coppia in uscita del motore in un'ampia gamma di sistemi motorizzati.

Per svolgere la sua funzione, un VFD è costituito da tre componenti principali (Figura 1): un raddrizzatore per trasformare la corrente alternata in corrente continua, un inverter per trasformare la corrente continua in una corrente PWM e un controller VFD.

Figura 1: Il VFD raddrizza il suo ingresso c.a. e utilizza la c.c. per generare i segnali PWM per controllare la velocità e la coppia di uscita del motore. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il controller monitora il funzionamento del motore attraverso i sensori, compresi i dispositivi di retroazione resolver/encoder, i tachimetri e i sensori di temperatura e vibrazione, per gestire i parametri chiave del motore.

Il raddrizzatore utilizza diodi convenzionali seguiti da un filtro. L'inverter impiega transistor di potenza a effetto campo (FET) o transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Questi sono pilotati da gate driver isolati ad alta tensione gestiti dal controller VFD.

Il funzionamento dei VFD si differenzia dal funzionamento c.a. trifase tradizionale in quanto i segnali che pilotano il motore non sono onde sinusoidali, bensì impulsi PWM (Figura 2).

Figura 2: Gli impulsi PWM di un VFD generano una risposta di corrente sinusoidale negli avvolgimenti del motore. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

La frequenza del segnale PWM è generalmente compresa tra 2 kHz e 20 kHz. L'inverter collega alternativamente il motore al bus c.c. positivo e negativo, nonché alla tensione comune c.c.. La tensione del bus c.c. è vicina alla tensione di rete c.a. di picco. La forma d'onda PWM applicata al VFD crea una risposta di corrente sinusoidale che controlla la velocità e la coppia del motore.

La necessità di cavi speciali per collegare il VFD al motore deriva dalle caratteristiche della forma d'onda PWM. Questa forma d'onda, in quanto impulso rettangolare, ha un ampio spettro di frequenza ricco di armoniche. I cavi VFD sono progettati per ridurre l'irradiazione di questi segnali ad alta frequenza. Inoltre, per ridurre al minimo le perdite di commutazione negli interruttori dell'inverter e massimizzare l'efficienza, le transizioni degli impulsi vengono effettuate il più velocemente possibile. Questo porta a fronti degli impulsi con alte velocità di variazione di tensione (dV/dt). Queste caratteristiche, unite ai fronti veloci e all'elevato contenuto spettrale, possono causare alti livelli di EMI. I fronti veloci possono anche produrre riflessioni della linea di trasmissione in corrispondenza delle variazioni di impedenza lungo il cavo. Le riflessioni creano onde stazionarie nel cavo, aumentando la tensione lungo la sua lunghezza e richiedendo una tensione nominale più elevata per il cavo VFD.

La capacità del cavo tra i conduttori metallici rappresenta un altro problema. Quando gli interruttori dell'inverter collegano il cavo al bus c.c., si verifica un picco di corrente che carica le capacità del cavo. Questo può aumentare i livelli della corrente istantanea, con il rischio di danneggiare il cavo. Questa corrente di modo comune può scorrere tra le fasi o da una fase a terra. Può anche trovare un ritorno di massa attraverso il telaio del motore, passando attraverso i cuscinetti del motore. Le correnti che attraversano i cuscinetti possono causare la comparsa di vaiolature sulle loro superfici, che può ridurre la durata del motore. Questi problemi si riscontrano generalmente con i VFD che operano a tensioni più elevate, con potenze del motore (HP) più elevate e corse più lunghe.

Come per tutti i fili e i cavi, può verificarsi la perdita di alimentazione a causa della corrente che scorre attraverso la resistenza c.c. del cavo. Inoltre, a causa della più ampia larghezza di banda spettrale dei segnali PWM, la resistenza del cavo può aumentare a causa dell'effetto pelle. Questi effetti di resistenza cambiano con la lunghezza del cavo.

I cavi VFD affrontano direttamente le sfide di connessione

La famiglia di cavi ӦLFLEX VFD 2XL con segnale di LAPP (Figura 3) è progettata per l'impiego dei VFD in ambienti industriali, installazioni fisse e per applicazioni che richiedono una flessione occasionale. Risolvono molti dei problemi riscontrati nell'impiego dei VFD.

Figura 3: Due viste di un tipico cavo ӦLFLEX VFD 2XL con segnale che illustrano le principali caratteristiche di progettazione correlate alle applicazioni VFD. (Immagine per gentile concessione di Art Pini, basata sul materiale di LAPP)

La caratteristica fondamentale è la struttura dei conduttori di potenza. La trefolatura influisce sulla flessibilità e sulla capacità di capacità di condurre corrente del cavo. Questa famiglia di cavi VFD di LAPP soddisfa gli standard di Classe 5 relativi alla trefolatura per il Nord America e l'Europa. I conduttori di Classe 5 sono costituiti da più fili di rame stagnato, molto sottili, disposti in modo da creare cavi altamente flessibili. L'area mil circolare (CMA) può superare quella delle dimensioni American Wire Gauge (AWG) equivalenti. Ciò comporta una minore resistenza c.c., una minore caduta di tensione attraverso il cavo e una perdita di potenza ridotta. La coppia di fili di segnale ha un diametro più piccolo ed è conforme alla trefolatura di Classe K.

Ogni cavo comprende tre fili di alimentazione isolati di colore nero contrassegnati da un'etichetta di fase stampata, un filo di terra a strisce di colore verde/giallo e un cavo di segnale a doppino intrecciato schermato con due conduttori.

I fili all'interno del cavo sono isolati singolarmente con polietilene reticolato (XLPE), una plastica termoindurente che resiste al calore, all'umidità e agli agenti chimici. L'XLPE ha eccellenti proprietà termomeccaniche che gli consentono di resistere al calore generato dalle condizioni di sovracorrente. Inoltre, ha una costante dielettrica più bassa, che riduce la capacità del cavo e aiuta a minimizzare le correnti di carica e di modo comune. Inoltre, la minore costante dielettrica consente di ridurre la spaziatura tra i conduttori isolati, diminuendo il diametro del cavo e aumentando la tensione di funzionamento massima.

La guaina esterna del cavo è realizzata con un elastomero termoplastico (TPE) appositamente formulato. Il TPE è un materiale flessibile e durevole che combina le qualità della plastica e della gomma. Offre un'eccellente resistenza al calore, all'olio, alle sostanze chimiche, alla luce ultravioletta e all'ozono, pertanto è adatto agli ambienti industriali.

La famiglia ӦLFLEX VFD 2XL è dotata di schermatura metallica per ridurre al minimo le EMI irradiate. La schermatura primaria è costituita da un nastro in foglio tri-laminato che offre una copertura del 100%. La schermatura secondaria è costituita da una treccia di rame stagnato con una copertura dell'85%. Un nastro di barriera protegge i conduttori isolati sotto gli strati di schermatura. Se opportunamente collegate a massa, queste schermature offrono protezione EMI impedendo l'ingresso delle interferenze esterne nel cavo e riducendo le radiazioni provenienti dal cavo stesso. Un filo di continuità provvisto di messa a terra corre lungo l'intera lunghezza del cavo, offrendo opzioni di messa a terra flessibili.

Il doppino intrecciato di segnale con una sezione del conduttore inferiore viene utilizzato per i collegamenti di controllo (es. del freno) o dei sensori (es. di temperatura). Anche la coppia di segnale è schermata con nastro in foglio e dispone di un proprio filo di continuità.

Scegliere i cavi ӦLFLEX VFD di LAPP

Le prestazioni complessive di un sistema con motore VFD dipendono in larga misura dalla scelta del cavo VFD corretto. La famiglia ӦLFLEX 2XL VFD con segnale offre una varietà di sezioni del conduttore per adattarsi alle diverse dimensioni del motore. Comprende cavi da 16 AWG (1,5 mm²) a 2 AWG (33,7 mm²), con spessori intermedi di 14 AWG, 12 AWG, 10 AWG, 8 AWG, 6 AWG e 4 AWG. Questi cavi sono dotati di quattro conduttori di alimentazione (tre linee di fase e una linea di terra) e di un cavo di segnale a doppino intrecciato. Tutti i cavi sono classificati per gestire fino a 2.000 V_c.a. rms, in conformità con lo standard Underwriters Laboratories (UL) TC (Tray Cable). La sezione del conduttore appropriata dipende dalla potenza del motore, che è collegata alla corrente a pieno carico, nonché dalla lunghezza della corsa e dalla caduta di tensione accettabile lungo il cavo (Figura 4).

Figura 4: Tabella di guida alla scelta della sezione del conduttore del cavo VFD richiesta per uno specifico valore di potenza del motore. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

Le sezioni dei fili sono indicate come AWG o come area in migliaia di mil circolari (kcmil). I mil circolari sono utilizzati per sezioni del conduttore superiori a 0 AWG.

Prendiamo ad esempio 700710 di LAPP, un cavo VFD con quattro conduttori di alimentazione da 16 AWG e due conduttori di segnale da 18 AWG. È il cavo VFD più piccolo della famiglia ӦLFLEX VFD 2XL, con un diametro di 16,6 mm. Il diametro del cavo determina il raggio di curvatura minimo, che è pari a 7,5 volte il diametro del cavo, ovvero 124 mm. Questi cavi specificano anche un peso approssimativo di 298 kg/km. Il peso del cavo è importante per la progettazione di strutture di supporto, come le canaline portacavi. Secondo la tabella, questo cavo può essere utilizzato per motori da ½ HP a 2 HP per tutte e tre le tensioni di linea. Può essere utilizzato anche con motori da 3 HP a 5 HP su linee da 460 V e 575 V.

700713 di LAPP è un cavo VFD a sei conduttori (quattro da 10 AWG, due da 18 AWG) con un diametro di 20,3 mm. È adatto a motori da 15 HP a 20 HP funzionanti a 460 V, a motori da 20 HP a 575 V e a motori da 7½ HP a 10 HP a 230 V.

Il cavo più grande della serie di LAPP è 700717, un cavo VFD a sei conduttori (quattro da 2 AWG, due da 14 AWG). Ha un diametro di 35,6 mm e un peso di 2351 kg/km. È compatibile con motori da 50 HP operanti a 230 V, da 100 HP a 460 V o da 125 HP a 575 V.

Conclusione

Con l'accelerazione della diffusione dei VFD, i progettisti devono scegliere con cura il cavo di collegamento più adatto per garantire il successo del progetto. La famiglia di cavi ӦLFLEX VFD 2XL con segnale di LAPP supporta un'ampia gamma di applicazioni per motori e azionamenti VFD. Il suo design a schermatura multipla garantisce prestazioni affidabili in ambienti industriali caratterizzati da rumore elevato, mentre la robusta guaina esterna di grado industriale resiste all'acqua, all'olio e alle sostanze chimiche aggressive.