Cabos de motor para inversores de velocidade variável

O cabo do motor para um inversor de velocidade variável PWM pode ter alguns efeitos inesperados. Neste Blog, analiso algumas considerações especiais que são necessárias ao escolher e instalar um cabo de motor para um VSD.

Classificação atual

A corrente do motor carregado em regime permanente não é alterada de forma apreciável usando um VSD com o motor. A função de proteção de corrente do motor no inversor é aprovada (por exemplo, pela UL) para proteção térmica do motor e do cabo em caso de sobrecarga. Portanto, a corrente nominal básica do cabo do motor é a mesma de um motor conectado diretamente na linha.

Dimensão do cabo e queda de tensão – códigos de dimensionamento do cabo

Os códigos de dimensionamento de cabos usados ​​por instaladores elétricos, incluindo pacotes de software de planejamento de cabos, geralmente têm disposições especiais para motores. Estes seriam baseados em um motor de indução industrial padrão iniciado por conexão direta à linha de energia (partida DOL “Direct On Line”). Cabos longos podem precisar ser maiores do que seriam ditados pela corrente nominal contínua de carga total, de modo a restringir a queda de tensão na indutância e resistência do cabo durante a partida. Um motor de indução industrial típico consome uma corrente de partida DOL de cerca de 5 vezes seu valor nominal máximo, devido ao alto escorregamento antes de atingir sua velocidade de operação; e durante a partida, o torque disponível não é particularmente alto, conforme ilustrado na Figura 1. É possível que uma queda de tensão excessiva no cabo resulte na falha de partida do motor se o torque de carga for mantido em baixa velocidade.

Figura 1:Corrente e torque durante a partida de um motor de indução diretamente na linha

Ao usar um variador de velocidade, o escorregamento do motor é sempre baixo e a corrente durante a partida nunca excede a classificação de curto prazo (por exemplo, 110% ou 150% dependendo da aplicação). Além disso, o inversor pode ser ajustado com o motor e seu cabo para que a queda de tensão do cabo seja compensada – em uma velocidade abaixo da velocidade base, há uma margem de tensão disponível entre a capacidade do inversor e a tensão necessária para atingir a densidade de fluxo de trabalho em o motor. Portanto, com um VSD, não há necessidade de superdimensionar o cabo para reduzir a queda de tensão na partida. Em instalações com cabos de motor longos, este fato pode permitir economias consideráveis ​​nos custos de cabos. Ao usar o software de dimensionamento de cabos para planejar uma instalação, o motor com VSD deve ser configurado como uma carga resistiva simples, não um motor, para evitar a tolerância desnecessária para a corrente de partida do motor.

Tipos de cabo – blindagem (blindagem)

A saída VSD usa Modulação por Largura de Pulso (PWM) para criar uma alimentação com tensão e frequência ajustáveis ​​para controlar o motor. Os pulsos têm bordas rápidas, com tempos de subida/descida da ordem de 100 ns. Isso significa que o conteúdo de frequência da tensão no motor e no cabo do motor se estende até altas frequências de rádio – geralmente há um nível muito alto para frequências até cerca de 10 MHz e um nível considerável até cerca de 50 MHz. Para evitar interferência eletromagnética (EMI), o cabo precisa ser blindado para que a emissão de energia eletromagnética seja suprimida. A presença de uma blindagem aterrada evita a emissão de campo elétrico, e a correta conexão da blindagem nas extremidades do motor e do inversor, utilizando uma ligação com autoindutância mínima, evita a emissão de campo magnético. Ambos são necessários.

A possível emissão de um cabo de motor mal gerenciado pode afetar tanto as comunicações de radiofrequência quanto os equipamentos eletrônicos próximos, como sensores e circuitos de dados, que são sensíveis a distúrbios nessas faixas de frequência. O padrão de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) para acionamentos IEC 61800-3 (EN 61800-3) exige que o cabo do motor seja blindado, caso contrário a saída do acionamento teria que ser conectada através de um dispositivo de filtro de radiofrequência muito caro e pesado.

Testes práticos mostraram que blindagens de cabos de aço ou cobre podem ser igualmente eficazes desde que tenham boa cobertura contínua e continuidade ao longo do comprimento do cabo. Isso facilita a corrente de radiofrequência fluindo ao longo da tela para cancelar o campo magnético causado pela corrente de modo comum nos núcleos de potência, ilustrado na Figura 2.

Figura 2:Cancelamento do campo magnético externo por um cabo blindado com blindagem conectada em ambas as extremidades

Aterramento (aterramento)

A conexão de aterramento do motor é principalmente para garantir a segurança em caso de falha de aterramento no motor. A conexão de aterramento deve conduzir a corrente de falha até que o dispositivo de segurança (fusível ou disjuntor) interrompa a corrente, garantindo que a tensão de toque [1] do corpo do motor permaneça dentro dos limites seguros.

Normalmente, o VSD limita a corrente de falta à terra a níveis muito mais baixos e durações mais curtas do que um fusível ou disjuntor. No entanto, ele depende de dispositivos e circuitos semicondutores complexos para conseguir isso, o que pode falhar. Por razões de segurança, portanto, a impedância do loop de terra para a conexão de aterramento precisa ser a mesma como se não houvesse VSD – a proteção final é fornecida pelo dispositivo de proteção a montante que alimenta o inversor. A escolha da dimensão do condutor de aterramento é exatamente a mesma que para um motor alimentado diretamente. Isso é ilustrado na Figura 3.

Figura 3:Caminho da falha de aterramento do motor e tensão de toque

Conforme explicado acima, o cabo do motor para um VSD precisa ser blindado. Se esta tela também pode fornecer a conexão de aterramento de segurança depende de sua impedância e do código de prática usado para aterramento. É comum usar um condutor de aterramento de cobre separado para evitar a necessidade de um cálculo especial.

Às vezes surge a questão de usar um núcleo de aterramento dentro do cabo do motor blindado (ou seja, um cabo de 4 núcleos) ou um externo. Do ponto de vista da segurança, ambas as soluções são igualmente boas. Por motivos de EMC também, ambos os métodos podem funcionar, mas é necessário cuidado com um cabo de 4 núcleos. O núcleo de aterramento carrega uma corrente de ruído bastante alta, captada dos núcleos de energia dentro do cabo. Se for levado para um ponto no painel de fiação do inversor distante da terminação da blindagem do cabo, ele injetará a corrente de ruído na fiação de aterramento do painel, com risco de perturbar os circuitos de sinal. Ele deve ser conectado ao painel do inversor fisicamente bem próximo à terminação da tela, conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4:Gerenciamento correto do núcleo de aterramento (PE) no cabo do motor blindado de 4 núcleos

Capacitância e indutância

O cabo do motor tem auto capacitância e indutância naturais. Em frequências de potência, a capacitância tem efeito desprezível, enquanto a indutância causa uma pequena queda de tensão que é principalmente desprezível, exceto para cabos muito longos e correntes de partida DOL altas.

O efeito nos pulsos PWM de rápido aumento de um inversor é muito mais importante. Em cada borda de pulso a capacitância do cabo deve ser descarregada. Isso resulta em pulsos de corrente bastante grandes, mas curtos, em cada borda. Estes podem causar emissão de campo de alta frequência e também formam uma carga nos semicondutores de potência do inversor durante a comutação.

Felizmente, a indutância do cabo é distribuída ao longo do cabo com a capacitância e tem o efeito de limitar a corrente de carga. O efeito líquido é descrito pelas "equações do telegrafista" e resulta em parâmetros de cabo Z₀ , a impedância característica e v , a velocidade de propagação.

Em cada borda de pulso PWM, uma corrente flui para carregar o cabo, dada por:



Onde  = tensão do link CC do inversor

Para um cabo coaxial, a impedância característica é dada por:



Onde:

=permissividade relativa do dielétrico (isolante)

= Diâmetro interno do condutor externo

=Diâmetro externo do condutor interno

Em um cabo blindado trifásico a geometria não é uma simples forma coaxial, mas seu comportamento é semelhante, sendo a impedância uma função da permissividade dielétrica e dos diâmetros relativos dos condutores interno e externo. A geometria e o material dielétrico usados ​​nos cabos não variam muito, e o termo logarítmico  significa que a impedância não é muito sensível a mudanças na geometria. Valores medidos de   para cabos de alimentação blindados padrão variam entre cerca de 45 ohm para 2,5 mm ² cabo de 15 ohm para 120 mm ² cabo. Isso significa que para inversores maiores com classificações de corrente acima de cerca de 20A a corrente de carga é insignificante, mas para classificações abaixo de cerca de 10A ela tem um impacto e o inversor deve ser projetado para fornecer a corrente de carregamento sem perda excessiva de energia ou sobrecarga indesejada. disparo atual.

A duração do pulso de corrente é determinada pelo comprimento do cabo, é igual ao tempo que o pulso percorre até a extremidade do motor e depois retorna como uma reflexão invertida. Quanto mais longo o cabo, maior o efeito no inversor.

Alguns cabos especiais podem ter valores anormais de

A relação de diâmetros pode ser muito reduzida se não houver revestimento isolante entre os núcleos de potência e a blindagem, o que pode ocorrer para cabos de potência blindados altamente flexíveis. O cabo revestido de cobre com isolamento mineral (MICC) também possui uma baixa proporção de diâmetros e a permissividade do isolador mineral é alta, portanto a impedância é muito baixa.

Outra situação em que a eficácia será baixa é se vários cabos forem conectados em paralelo para atingir a classificação de corrente necessária, em vez de usar um único cabo de grande diâmetro. Nesses casos, a menos que o comprimento total do cabo seja muito curto, muitas vezes é necessário adicionar bobinas em série entre o inversor e o cabo para restringir a corrente de carregamento do cabo. Em Control Techniques, ocasionalmente encontramos um caso em que o instalador usou três cabos em paralelo e usou um cabo com três núcleos para cada fase. Este arranjo é uma má prática em qualquer caso, porque a corrente de frequência da rede nos núcleos de fase induz contra-correntes nas telas, o que pode resultar no aquecimento das telas. Quando usado com um VSD, resulta em uma corrente parasita excepcionalmente alta da capacitância excessiva entre os núcleos de energia e o terra, o que pode causar interferência de alta frequência com circuitos próximos e também corre o risco de sobrecarregar os filtros RFI devido ao modo comum excessivo (terra) atual. Os métodos certo e errado são mostrados na Figura 5.

Figura 5:Métodos certos e errados para conectar cabos de alimentação em paralelo

No acima, não distingui particularmente os modos no cabo aos quais a impedância se aplica. Geralmente não é necessário considerar tantos detalhes, mas os principais modos que afetam a unidade são:

• Modo assimétrico simples, um núcleo em relação a todos os outros núcleos e tela. Isso é relevante para o carregamento do inversor, mas não para a corrente de aterramento ou carregamento do filtro.
• Modo comum, todos os núcleos de energia para blindar e para o núcleo de aterramento, quando instalados. Isso é relevante para a corrente de aterramento e a carga do filtro.

Sobretensão da tensão do motor e taxa de mudança (dv/dt)

A capacitância e a indutância do cabo causam excessos de tensão nos terminais do motor nas bordas de pulso. Em termos das equações do Telegrapher, estas podem ser entendidas como reflexões nos terminais do motor causadas pelo descasamento de impedância. Mesmo cabos bastante curtos resultam em algum overshoot. Isso pode ser surpreendente se você não estiver familiarizado com inversores e pulsos de mudança rápida – em uma escala de tempo de microssegundos, a tensão no motor é bem diferente da do inversor, mesmo que estejam conectados.

Os motores têm uma capacidade suportável de tensão que depende do tempo de subida da tensão. Para tempos de subida abaixo de cerca de 0,8 microssegundos, a resistência à tensão pode ser reduzida porque a tensão tende a se concentrar nas primeiras espiras do enrolamento e sobrecarrega o isolamento entre espiras. A maioria dos motores é projetada para uso com inversores operando com alimentação de 400 V ou 480 V sem medidas especiais. Para motores de 690 V, é altamente recomendável usar um motor com classificação de inversor projetado especificamente para evitar qualquer risco de falha prematura do isolamento. Tais motores devem ser especificados em conformidade com as orientações fornecidas no documento IEC TS 60034-25 (“Orientação para o projeto e desempenho de motores de corrente alternada projetados especificamente para alimentação de conversores”).

Vários motores

Ocasionalmente, é desejável operar vários motores a partir de um único inversor. Por exemplo, pequenos ventiladores podem ser instalados ao redor de um prédio e acionados a partir de um único acionamento, cada um com seu próprio cabo. Nesta situação, a capacitância do cabo é ditada pelo seu comprimento total, mas as indutâncias das seções aparecem em paralelo ao inversor, não em série. Para n cabos a impedância vista pelo inversor em suas bordas de pulso é

Um indutor em série deve ser usado neste caso para restringir os pulsos de carga de capacitância, caso contrário, o inversor provavelmente sofrerá desarme prematuro de sobrecorrente ou limitação causada pela alta corrente de carga.