Các nỗ lực tự động hóa công nghiệp và tiết kiệm năng lượng đang làm tăng việc sử dụng bộ truyền động biến tần (VFD) trong các hệ thống động cơ như băng tải, máy bơm và robot công nghiệp. Việc lựa chọn cáp cho loại động cơ này phức tạp hơn nhiều so với việc xác định cỡ dây dựa trên dòng điện tải và mức cách điện dựa trên điện áp vận hành.
Hệ thống động cơ VFD hiện đại sử dụng thiết bị điện tử công suất ở chế độ chuyển mạch để tạo ra tín hiệu truyền động điều chế độ rộng xung (PWM) với các cạnh cực nhanh. Những chuyển tiếp nhanh này làm tăng sự phản xạ tín hiệu do sự không khớp trở kháng giữa cáp và các đầu cực động cơ, tạo ra sóng đứng làm tăng ứng suất điện áp trên cáp. Ngoài ra, điện dung giữa các dây và giữa dây và đất của cáp ảnh hưởng đến hiệu suất của trình điều khiển và tăng dòng sạc. Do tín hiệu VFD VFD chứa một lượng lớn sóng hài tần số cao nên cáp động cơ phải được che chắn hiệu quả để giảm nhiễu điện từ (EMI).
Bài viết này mô tả ngắn gọn về VFD và thảo luận về những thách thức mà các nhà thiết kế phải đối mặt trong việc lựa chọn cáp động cơ VFD để đảm bảo chức năng, độ tin cậy và an toàn cần thiết để vận hành đúng cách. Sau đó, cáp VFD của LAPP được trình bày và trình bày cách chúng có thể được sử dụng để cung cấp nguồn điện ổn định và tín hiệu điều khiển đồng thời giảm bức xạ EMI và tính nhạy cảm với môi trường khắc nghiệt.
Giới thiệu VFD
Tự động hóa công nghiệp yêu cầu động cơ hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả, đồng thời có thể hoạt động theo bất kỳ hướng nào trong phạm vi tốc độ tối đa. VFD, đôi khi được gọi là bộ điều khiển bộ điều tốc, là bộ điều khiển động cơ điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ cảm ứng xoay chiều (ACIM) bằng cách thay đổi tần số đầu vào, điện áp và chu kỳ làm việc của động cơ. Nguyên lý làm việc của VFD là sử dụng đầu vào chỉnh lưu AC và đầu ra DC để tạo tín hiệu điều khiển động cơ. Bằng cách điều chỉnh tần số, độ rộng và biên độ của các tín hiệu xung này, tốc độ động cơ và mô-men xoắn đầu ra có thể được điều khiển trong các hệ thống truyền động động cơ khác nhau.
Để hiện thực hóa chức năng của mình, VFD bao gồm ba thành phần chính (Hình 1): bộ chỉnh lưu chuyển đổi AC thành DC, bộ biến tần chuyển đổi dòng DC thành dòngPWM và bộ điều khiển VFD.
VFD chỉnh lưu đầu vào AC và tạo tín hiệuPWM sử dụng DC (nhấp vào khuếch đại)
Hình 1: VFD chỉnh lưu đầu vào AC và sử dụng DC để tạo tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ và mô-men xoắn đầu ra. Nguồn ảnh: Art Pini)
Bộ điều khiển giám sát hoạt động của động cơ thông qua nhiều cảm biến khác nhau để kiểm soát các thông số quan trọng của động cơ. Những cảm biến này bao gồm phản hồi của máy biến áp quay/bộ mã hóa, máy đo tốc độ, cảm biến nhiệt độ và độ rung.
Bộ chỉnh lưu này sử dụng điốt thông thường theo sau là các bộ lọc. Biến tần sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường điện (FET) hoặc bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT). Các bóng bán dẫn này được điều khiển bởi một bộ điều khiển cổng điện áp cao cách ly, được điều khiển tập trung bởi bộ điều khiển VFD.
VFD khác với hoạt động xoay chiều ba pha thông thường ở chỗ tín hiệu của động cơ truyền động không phải là sóng hình sin mà là xungPWM (Hình 2).
Xung điều khiển VFD tạo ra đáp ứng dòng điện hình sin
Hình 2: Xung điều khiển VFD tạo ra phản ứng dòng điện hình sin trong cuộn dây động cơ. Nguồn ảnh: LAPP)
Tần số tín hiệu PLC thường là 2 kHz đến 20 kHz. Biến tần lần lượt kết nối động cơ với các cực dương và cực âm của bus AC và với điện áp chung DC. Điện áp bus DC gần bằng điện áp bus AC đỉnh. Dạng sóng VFD VFD được sử dụng tạo ra phản ứng dòng điện hình sin để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.
Do đặc tính của sóng điều khiển, cần có cáp đặc biệt để kết nối VFD với động cơ. Dạng sóng này là một xung hình chữ nhật có phổ rộng và giàu sóng hài. Cáp VFD được thiết kế đặc biệt để giảm bức xạ của các tín hiệu tần số cao này. Ngoài ra, để giảm thiểu tổn thất chuyển mạch của các thiết bị chuyển mạch biến tần và tối đa hóa hiệu suất hệ thống, tốc độ nhảy xung cần được đặt càng nhanh càng tốt. Điều này dẫn đến tốc độ thay đổi điện áp rất cao (dV/dt) ở biên xung. Những đặc điểm này, kết hợp với các cạnh nhanh và các thành phần phổ tần số cao, dẫn đến mức nhiễu điện từ cao. Các cạnh nhanh cũng tạo ra phản xạ đường truyền khi trở kháng cáp thay đổi. Sự phản xạ này tạo ra sóng dừng trong cáp, làm tăng điện áp trên cáp và yêu cầu cáp VFD phải có định mức điện áp cao hơn.
Điện dung cáp giữa các dây dẫn kim loại là một mối quan tâm khác. Khi công tắc biến tần kết nối cáp với bus DC, dòng điện sẽ được tạo ra để sạc điện dung của cáp. Điều này làm tăng mức dòng điện tức thời và có thể làm hỏng cáp. Dòng điện ở chế độ chung này có thể chạy giữa các pha hoặc từ một pha đến đất. Dòng điện này cũng có thể đi vào vòng nối đất qua khung động cơ và đi qua vòng bi động cơ. Dòng điện chạy qua ổ trục gây ra vết rỗ trên bề mặt ổ trục, làm giảm tuổi thọ của động cơ. Những sự cố này thường xảy ra trong các hệ thống VFD có điện áp cao, định mức động cơ (HP) cao và đường cáp dài.
Giống như tất cả các dây và cáp, dòng điện chạy qua điện trở DC của cáp gây ra tổn thất điện năng. Ngoài ra, do băng thông phổ rộng của tín hiệuPWM, điện trở của cáp có thể tăng do hiệu ứng bề mặt. Những hiệu ứng điện trở này thay đổi theo chiều dài cáp.