Кабели для современных серводвигателей и частотно-регулируемых приводов

На сегодняшний день широкое распространение получили системы электроприводов с постоянным управлением крутящим моментом и скоростью вращения. Они дают возможность оптимально подстраивать работу электропривода под конкретные нужды. Стандартная система электропривода состоит из 3-фазного асинхронного электродвигателя и систем управления, построенных на частотных преобразователях.

Частотный преобразователь строится на двух устройствах, контролируемых с помощью БТИЗ (Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором): 1) выпрямителе, подключенном к 3-фазному переменному току заданной частоты f₁ (например, 50 Гц), генерирующем постоянный импульсный ток; 2) инвертере, который преобразует сигнал постоянного тока в переменный с различными значениями напряжения и частотой f₂ (от 0 до 400 Гц). Скорость серводвигателя может контролироваться через кабель управления с высокой точностью путем изменения частоты f₂.

Недостатки системы

Большими преимуществами использования частотных преобразователей являются высокая точность и возможность постоянно управлять крутящим моментом и скоростью двигателя. Однако у такой системы управления есть и недостатки, которые также следует учитывать:

• сильное электромагнитное излучение кабеля питания электродвигателя
• большие перенапряжения в кабеле питания
• большие токи утечки и помех

Высокий уровень электромагнитных помех обусловлен очень короткими интервалами включения и выключения БТИЗ и высокой частотой импульсов частотного преобразователя (до 20 кГц). Это приводит к искажению синусоидальности напряжения на выходе преобразователя. Сильное электромагнитное излучение, обусловленное в значительной мере кабелем питания электродвигателя, вызывает серьезные наводки на элементы распределительной сети, устройства и информационные сети.

Европейский стандарт EN 61 800-3 (июль 2005) определяет максимальный уровень электромагнитных помех системы сервопривода, обеспечивающий уверенный прием  передаваемых в условиях помех сигналов. Стандарт разграничивает категории применения на С1 «жилой сектор» и С3 «промышленный сектор» и устанавливает максимально допустимые уровни помех от напряжения радиопомех в частотном диапазоне от 0,15 – 30 МГц, а также излучаемых электромагнитных помех в частотном диапазоне от 30 до 1000 МГц.

Описанное излучение может быть нейтрализовано путем применения хорошо экранированных кабелей и, в особых случаях, установкой дополнительных линейных фильтров.

Проблема с перенапряжениями

Другой проблемой являются нагрузки, вызванные перенапряжением. Напряжение, генерируемое преобразователем частоты, имеет основную волну приблизительно синусоидальной формы с частотой от 0 до 400 Гц в зависимости от скорости вращения электромотора. Однако в процессе работы также образуются более высокие гармоники на частотах примерно до 100 МГц. Сигнал основной частоты и более высоких гармоник передается по кабелю питания к электромотору.

Когда характеристический импеданс кабеля питания электромотора меняется, на концах кабеля образуются импульсные волны, которые в свою очередь создают перенапряжение вследствие отражения гармоник (т.н. эффект отраженной волны). Этот эффект возникает только при условии, что длина кабеля питания электромотора превышает длину волны гармоники. Если длина кабеля меньше длины волны гармоники, то переходные процессы проявляются на выходе частотного преобразователя. В результате генерируется напряжение, превышающее номинальное напряжение электромотора в 2 – 3 раза. Эти скачки напряжения создают чередующие нагрузки на изоляцию кабеля питания электромотора.  Этот фактор должен учитываться при конструировании изоляции кабеля, чтобы избежать повреждений (например, повреждения кабеля вследствие образования дуги между жилой и экраном).

Высокие частоты на выходе преобразователя означают появление больших емкостных токов утечки, протекающих по экрану и корпусу электромотора на землю, которые учитываются при определении сечения проволоки экрана и соединений экрана. Экран должен конструироваться таким образом, чтобы чрезмерно не нагреваться токами, протекающими по нему. Особенно при большой длине кабеля высокая емкость на землю может привести к образованию реактивных токов, воздействующих на частотный преобразователь. Из-за того, что инвертер имеет ограничение на перегрузки по току, может оказаться невозможной дальнейшая передача требуемой мощности на электромотор. Также особое внимание следует уделить надежному заземлению этих токов. Применение кабельных вводов HELUTOP® и соединение жилы заземления кабеля с шиной заземления помогает избежать описанной проблемы.

Реактивный ток не влияет на вращение электромотора и стекает на землю как ток утечки по экрану кабеля и металлическим частям электромотора. Он может также протекать по шарикоподшипнику вала электромотора в результате повреждений, например, выдавливания колец шарикоподшипника.

Для компенсации описанных выше негативных эффектов технологии использования частотных преобразователей компания HELUKABEL® предлагает кабели питания электромоторов с оптимизированными характеристиками. В таких кабелях и используемые материалы, и конструкция специально адаптированы для этого применения.

HELUKABEL® TOPFLEX®-EMV-2YSLCY-J

Согласно требованиям по ЭМС (электромагнитной совместимости) по EN 61800-3 в кабеле используется двойное экранирование при помощи алюминиевой фольги и оптимизированной оплетки из луженой медной проволоки с высокой степенью покрытия (около 80%). Особая приспособленность данного кабеля для сигналов в частотном диапазоне от 30 до 1000 МГц может быть подтверждена простыми сравнительными измерениями излучаемого электромагнитного шума от неэкранированного кабеля питания и экранированного ЭМС кабеля питания HELUKABEL®. Для низкого частотного диапазона от 1 до 30 МГц высокая помехозащищенность подтверждается экстремально низким сопротивлением связи экранированного кабеля.

Проведение тестов на ЭМС кабеля питания электромотора

Измерения проводились в независимой электромагнитной лаборатории.

Результаты проведенных измерений уровня помех, приведенные на графиках ниже, показывают, что у кабеля питания электромотора HELUKABEL® с оптимизированным экранированием уровень электромагнитного излучения значительно ниже допустимых пределов согласно норме EN 61 800-3. В то же время видно, что уровень излучения от неэкранированного кабеля ощутимо превышает предельно допустимые значения, особенно в области низких частот.

Результаты измерений сопротивления связи Rk (Ом/км)

Марка кабеля:                                  TOPFLEX®-EMV 2YSLCY J 0.6/1kV
Производитель:                                HELUKABEL® GmbH

В нижнем диапазоне частот от 1 до 30 МГц низкое сопротивление связи определялось путем измерения напряженности поля индустриальной помехи в окружающем пространстве.  

Изоляция жил у кабелей TOPFLEX®-EMV и TOPFLEX® MOTOR-EMV состоит из электрически высококачественных материалов на основе полиэтилена (ПЭ). Специальная изоляция была разработана для условий постоянных перенапряжений относительно номинального напряжения преобразователя.

Номинальное напряжение: U_o = 600 В
Максимально допустимое рабочее напряжение: U_b = 1200 В

Выход частотного преобразователя также может быть оснащен электрическим фильтром для подавления высокочастотных гармоник и сглаживания скачков напряжения.

Минимизация потерь в кабеле

Благодаря низкой диэлектрической проницаемости специальной изоляции жил кабели TOPFLEX®-EMV и TOPFLEX® MOTOR-EMV обладают значительно меньшей емкостью, чем традиционные кабели питания электромотора с ПВХ изоляцией. В результате этого емкостные токи утечки значительно уменьшаются, позволяя передавать мощность от преобразователя к электромотору с меньшими потерями. Кроме того, высокое качество изоляции обеспечивает долгий срок службы кабеля. Дальнейшее улучшение характеристик кабеля обеспечивается его симметричной структурой с тремя сбалансированными силовыми жилами и желто-зеленой жилой, разбитой на три части (3 + 3-жильная конструкция) в кабелях марок TOPFLEX®-EMV 3 PLUS и TOPFLEX® MOTOR-EMV 3/3 cables. Это еще больше оптимизирует передачу энергии от частотного преобразователя к электромотору. Все описанные кабели имеют российские сертификаты соответствия.

Намотка кабеля на барабаны после повива на заводе HELUKABEL®

Поставку продукции обеспечит компания ЗАО «СПЕЦКАБЕЛЬ» - официальный дистрибьютор HELUKABEL.

Осьминов М.Ю.
Технический директор HELUKABEL RUSSIA
www.helukabel.ru

ЗАО «Спецкабель»
т/ф +7 812 458-59-29
Санкт-Петребург,
пр. Энергетиков, 19
почта: info@s-kabel.ru
http://www.s-kabel.ru/