Proteggere i motori industriali leggeri con i cavi VFD specializzati

I comandi a frequenza variabile (VFD) sono una scelta molto diffusa per le applicazioni industriali leggere grazie all'eccellente efficienza e al controllo preciso che offrono. Tuttavia, molti VFD compatti producono uscite rumorose con importanti implicazioni per la scelta del cavo di alimentazione del motore. La scelta del cavo sbagliato può comportare complicazioni, quali tempi di fermo difficili da diagnosticare, guasti prematuri del motore e rischi per la sicurezza.

Molti di questi problemi sono legati alla tecnologia di commutazione rapida alla base dei VFD. La commutazione ad alta frequenza introduce notevoli picchi di tensione, interferenze elettromagnetiche (EMI) e correnti parassite che possono danneggiare il motore, i sistemi vicini e il cavo stesso.

Questo articolo illustra le sfide di cablaggio che i progettisti devono affrontare quando utilizzano i VFD. Presenta quindi i cavi VFD di Belden, mostrando in che modo possono essere utilizzati per affrontare queste sfide.

Sfide dei VFD per i motori industriali leggeri

I VFD pongono difficili compromessi di progettazione nelle applicazioni industriali leggere, come ventole, pompe, trasportatori, estrusori, miscelatori, presse e frese. Queste applicazioni spesso coinvolgono decine o addirittura centinaia di motori distribuiti, spingendo a utilizzare le soluzioni più economiche.

Di conseguenza, queste applicazioni richiedono spesso VFD compatti per uso generale entry-level basati su transistor bipolari a gate isolato (IGBT) al silicio (Si). Le caratteristiche tipiche di questi azionamenti sono:

• Potenza (HP) integrata nell'intervallo da 1 a 30 HP (da 0,74 kW a 22 kW)
• Uscita trifase a bassa tensione da 200 V a 575 V
• Frequenze di commutazione nell'intervallo da 2 kHz a 16 kHz

Visti i livelli di potenza moderati e la pressione per contenere i costi, si può essere tentati di accoppiare queste unità con qualsiasi cavo utilizzato altrove nella struttura. A seconda dell'applicazione, può trattarsi di un cavo corazzato TECK90, di un cavo ondulato saldato in continuo (CCW) o anche di un modello standard per l'edilizia, come il cavo termoplastico rivestito in nylon per alte temperature (THHN). Tuttavia, nessuna di queste opzioni affronta adeguatamente le caratteristiche uniche dei VFD.

Perché i VFD richiedono cavi speciali

I VFD entry-level utilizzano la modulazione della larghezza di impulso (PWM) a due livelli, in cui l'uscita passa rapidamente da uno stato all'altro (Figura 1). Le uscite a onda quadra di questi azionamenti hanno tempi di aumento della tensione molto veloci (dV/dt), che possono causare diversi problemi.

Figura 1: I VFD entry-level utilizzano uscite PWM a due livelli per approssimare un'onda sinusoidale. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

In primo luogo, le onde quadre emesse da un VFD introducono rumore armonico ad alta frequenza nel cavo di alimentazione del motore. Queste onde possono riflettersi quando incontrano un disadattamento di impedenza, ad esempio in corrispondenza della terminazione del cavo. L'interferenza costruttiva di queste onde può generare picchi di tensione due o tre volte superiori alla tensione nominale. Ad esempio, un VFD che alimenta un motore a 460 V può facilmente vedere picchi ben superiori a 1 kV.

Queste tensioni elevate possono superare la tensione di innesco della corona (CIV), producendo scariche a corona che possono danneggiare i materiali isolanti dei cavi standard, come il polivinilcloruro (PVC). Ciò può causare guasti alle apparecchiature e rischi di scossa elettrica.

In secondo luogo, le rapide variazioni di tensione possono introdurre EMI eccessive, con conseguenti errori di funzionamento difficili da tracciare. Ad esempio, questo rumore può influire sul funzionamento dei controller a logica programmabile (PLC) e di altri sistemi di controllo in prossimità. Questo è particolarmente problematico quando i cavi di alimentazione del motore devono essere posati vicino ad altri cavi, poiché le interferenze possono influenzare i segnali della rete e dei sensori.

In terzo luogo, la commutazione rapida provoca squilibri nelle tensioni trifase, creando tensioni parassite che richiedono un percorso di ritorno esterno ai fili di fase. Senza un adeguato contenimento, la corrente di modo comune (CMC) risultante spesso si scarica attraverso i cuscinetti del motore, causando microscopiche fusioni e vaiolature che possono ridurre significativamente la durata del motore.

In alcuni casi, la CMC può essere restituita attraverso l'involucro del VFD o altre strutture. Ciò può causare l'irradiazione del rumore elettrico nelle aree circostanti, con conseguente rischio di scossa elettrica. Si tratta di rischi associati, ad esempio, all'uso del cavo TECK90 o CCW.

Infine, i cavi di alimentazione possono presentare un'elevata reattanza capacitiva al rumore ad alta frequenza. Di conseguenza, i VFD sono vulnerabili alle correnti di carica capacitiva che possono portare a una significativa perdita di energia. Questo è particolarmente problematico per le lunghe tratte di cavo e per i piccoli motori, dove l'impedenza capacitiva del cavo può rappresentare una percentuale considerevole del carico complessivo del sistema.

Vale la pena notare che le tensioni ad alta frequenza possono essere attenuate accoppiando un VFD con un filtro di uscita o scegliendo VFD multilivello con uscite intrinsecamente più uniformi. Tuttavia, nessuno dei due approcci elimina completamente i rischi ed entrambe le opzioni possono essere fuori portata per applicazioni sensibili ai costi.

Vantaggi dei cavi VFD specializzati

I cavi VFD Basics da 2 kV (Figura 2) di Belden sono progettati per affrontare i rischi associati ai VFD in modalità PWM. La caratteristica principale è l'isolamento in polietilene reticolato (XLPE) a 2 kV. Anche se esposto a tensioni superiori alla CIV, l'XLPE rimane altamente resistente alle scariche a corona grazie alla sua struttura molecolare più serrata. Questa soluzione offre una sufficiente resilienza ai picchi di tensione e consente di utilizzare la maggior parte dei VFD compatti.

Figura 2: I cavi VFD Basics da 2 kV di Belden sono dotati di schermature in nastro di rame, messa a terra simmetrica, isolamento e rivestimento robusti. (Immagine per gentile concessione di Belden)

L'XLPE presenta inoltre una costante dielettrica inferiore a quella del PVC, riducendo la capacità del cavo e le correnti di carica associate.

I cavi elettrici standard utilizzano in genere un singolo conduttore di terra di dimensioni moderate. Per contro, i cavi VFD Basics da 2 kV presentano tre grandi conduttori di terra, simmetricamente distanziati tra i conduttori di fase. Questa geometria garantisce al CMC un percorso di ritorno bilanciato e a bassa impedenza.

I cavi di Belden sono inoltre dotati di una schermatura a nastro di rame elicoidale a doppio strato. In questo modo si ottiene una barriera continua a bassa impedenza contro le EMI irradiate e condotte. I conduttori di terra sono nudi e sono in contatto diretto con la schermatura, fornendo un percorso di ritorno a bassa impedenza condiviso per tutte le correnti indesiderate.

I cavi VFD Basics da 2 kV includono anche caratteristiche meccaniche progettate per resistere agli ambienti difficili tipici delle installazioni industriali leggere. La guaina esterna in PVC resistente agli oli resiste all'esposizione a lubrificanti e fluidi industriali. I cavi sono classificati per l'interramento diretto e hanno un elenco TC-ER, che consente l'installazione senza canalina per le tratte esposte. Il ritardo di fiamma FT4/IEEE 1202 offre un ulteriore margine di sicurezza negli impianti con codici antincendio severi.

Come selezionare i cavi VFD in base alla potenza del motore

Tra le altre considerazioni, i cavi devono essere scelti in base alla loro capacità di condurre corrente. Questa capacità è determinata principalmente dal calibro del cavo, ma a seconda dell'applicazione è necessario considerare i fattori di riduzione della potenza. Belden ha creato una guida alla selezione (Figura 3) basata sui valori nominali tipici della corrente a pieno carico (FLC) dei motori c.a. trifase pubblicati nella tabella NEC 430.250, moltiplicati per 125% secondo l'articolo NEC 430-22(A).

Figura 3: La tabella di selezione dei cavi VFD Basics da 2 kV di Belden indica quale cavo utilizzare in base alla tensione e alla potenza del motore. Gli asterischi indicano che per le tratte più lunghe potrebbe essere necessario un sovradimensionamento. (Immagine per gentile concessione di Belden, modificata da Kenton Williston)

Ad esempio, per un motore da 10 HP funzionante a 230 V, il modello 29723C 0102500 è una buona scelta. Questo cavo è dotato di conduttori da 10 AWG e di conduttori di terra da 14 AWG.

Per un motore da 10 HP funzionante a 460 V, Belden consiglia invece il modello più leggero 29721C 0102500 con conduttori da 14 AWG e conduttori di terra da 18 AWG. Si tratta di un passo indietro di due calibri, che riflette il minore assorbimento di corrente a una tensione più elevata.

Si noti che la portata non è l'unica considerazione progettuale. Un altro aspetto fondamentale è la lunghezza dei cavi. Per tratte superiori a 15,27 metri, la caduta di tensione può richiedere un calibro maggiore. Tornando all'esempio di un motore da 10 HP/460 V, Belden consiglia di scegliere il modello di calibro superiore 29722C 0102500 (conduttori da 12 AWG, conduttori di terra da 16 AWG) per le tratte lunghe.

Vantaggi dei cavi VFD di lunghezza personalizzata

È importante ottenere un cavo tagliato alla lunghezza esatta necessaria per ottimizzare le prestazioni e i costi. Un'opzione è quella di ordinare cavi in bobine e tagliarli a misura sul campo. Tuttavia, questo approccio spesso genera sprechi e i tagli sul campo possono essere eseguiti in modo inadeguato. Allo stesso modo, ordinare cavi di lunghezza standard e tagliarli può essere poco conveniente.

Per far fronte a questi vincoli, il programma per la fornitura di cavi di lunghezze personalizzate Digi-Spool consente di ordinare al metro senza lunghezza minima, senza costi di taglio aggiuntivi e con tagli precisi senza giunzioni. Il programma è certificato UL e tutti i cavi di Belden evidenziati in questo articolo sono disponibili in lunghezze personalizzate.

Come terminare i cavi VFD

La scelta del cavo giusto è fondamentale, ma lo è anche la corretta terminazione. I metodi standard prevedono il collegamento della schermatura (e, in alcuni casi, dei conduttori di terra) all'involucro del VFD. Tuttavia, questo approccio può comportare l'immissione di correnti di rumore in prossimità dell'azionamento, del PLC e di altre apparecchiature sensibili.

La soluzione consigliata da Belden è l'utilizzo di un passacavo di isolamento (design passante), che consente al cavo di entrare nell'involucro senza terminare la schermatura o i conduttori di terra in quel punto (Figura 4). In questo modo, la schermatura e i conduttori di terra possono essere terminati a terra (PE) in corrispondenza del VFD e del motore, garantendo un robusto isolamento.

Figura 4: La schermatura e i conduttori di terra del cavo VFD devono essere collegati a PE in corrispondenza dell'azionamento e del motore. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Belden offre una linea di pressacavi BTC progettati per questo scopo, come il modello BTC075A0791RA (Figura 5). Il suo design passante mantiene isolati i conduttori la schermatura e i conduttori di terra all'ingresso dell'involucro ed è compatibile con tutti i cavi trattati in questo articolo. Il pressacavo è dotato di un raccordo NPT da 3/4" adatto agli involucri industriali standard.

Figura 5: Il pressacavo BTC075A0791RA è progettato specificamente per consentire il passaggio dei cavi VFD. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Conclusione

I VFD offrono efficienza e controllo notevoli, ma le loro uscite a commutazione rapida pongono problemi che richiedono un'attenta selezione dei cavi. I cavi VFD Basics da 2 kV di Belden affrontano queste sfide con caratteristiche ottimizzate per i VFD compatti. Se abbinati al programma per la fornitura di cavi di lunghezze personalizzate Digi-Spool di DigiKey, questi cavi rappresentano una soluzione pratica per un'ampia gamma di applicazioni industriali leggere.