Przed przystąpieniem do łączenia silnika z falownikiem trzeba wziąć pod uwagę m.in. to, jakie kable do falowników dobrać. Nieprawidłowy wybór może mieć negatywny wpływ na obciążenie wypadkowe falownika, budowę oraz kompatybilność elektromagnetyczną. Trzeba pamiętać o doborze przewodów biorąc pod uwagę moc silnika oraz jego odległość od falownika. Zagadnienia te przybliża artykuł opracowany przez specjalistów firmy Helukabel.

Jednym z najbardziej popularnych zaleceń dla połączeń silnik-falownik jest stosowanie przewodów ekranowanych. Zwolennicy tego rodzaju kabli wykorzystują je tam, gdzie znajduje się duża liczba kabli prowadzonych we wspólnych korytach kablowych. Najlepszym rozwiązaniem będą przewody ekranowane oplotem miedzianym. Zapewniają one niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych (tłumienie sygnałów o różnych częstotliwościach). Zaleca się aby kable posiadały uziemienie na dwóch końcówkach całego obwodu (można tego dokonać stosując dławiki poprawiające parametry przepięcia i niwelujące rezonanse). Przeciwnicy kabli ekranowanych wskazują jednak na dodatkowy opór pojemnościowy, czego skutkiem jest rosnący prąd na wyjściu falownika.

Rys. 1. Proces produkcji kabla ekranowanego: kabel przechodzi przez maszynę, która nakłada oplot na przewody kabla, a następnie wysyła go do ekstrudera, który nałoży warstwę zewnętrzną izolacji.

Zjawisko pojemności w kablach

Każdy kabel będący układem jednej lub wielu żył przewodzących, ewentualnie umieszczonych w przewodzącym ekranie, charakteryzuje własna indukcyjność oraz pojemność. Pojemność ta wynika z istnienia elementów przewodzących oddzielonych izolatorem, na których można zgromadzić ładunek, a pomiędzy którymi występuje różnica potencjałów, czyli napięcie. Na wielkość pojemności wpływa zarówno rodzaj wprowadzonego pomiędzy elementy przewodzące izolatora, jak i geometria całego układu.
W przypadku kondensatora płaskiego, czyli najprostszego do analizy układu, pojemność jest określona wzorem:

Gdzie:
Cp – pojemność kondensatora płaskiego,
ε_w – przenikalność dielektryczna względna,
ε₀ – przenikalność dielektryczna próżni (8,86 x 10-12 F/m),
S – pole powierzchni elektrod,
d – odległość pomiędzy elektrodami

Przy układzie walcowym, który bardziej trafnie odzwierciedla budowę kabla, sposób obliczania pojemności jest podobny i wyraża się wzorem:

Gdzie:
Cw – pojemność w układzie walców współosiowych,
ε_w – przenikalność dielektryczna względna,
ε₀ – przenikalność dielektryczna bezwzględna (8,86 x 10-12 F/m),
L – długość układu [m],
r – promień walca wewnętrznego (żyły),
R – promień walca zewnętrznego (ekranu)

W przypadku układu płaskiego oraz układu walcowego widać, że pojemność zależy jedynie od geometrii układu i własności dielektrycznych materiału izolacyjnego. Jedynie zmiana tych dwóch parametrów wpływa na zmianę pojemności kabla i daje możliwość jej obniżenia.

Kable o obniżonej pojemności

Przy produkcji kabli o obniżonej pojemności do zastosowań specjalnych stosuje się jako materiał izolacyjny polietylen (PE). Większość własności pozaelektrycznych (np. temperatury pracy kabla) nie ulega zmianie w stosunku do kabli izolowanych PVC, natomiast zaletą PE jest jego niska w stosunku do PVC przenikalność dielektryczna, która wynosi 2,3 i pozostaje taka sama bez względu na to, czy jest to polietylen otrzymywany metodą wysokociśnieniową, czy niskociśnieniową. Oznacza to, że pojemność kabla izolowanego polietylenem jest co najmniej 1,74 razy niższa od kabla izolowanego PVC o takiej samej geometrii
Ponieważ kable do przekształtników są kablami ekranowanymi, zawsze w takim kablu wystąpią dwa rodzaje pojemności: pomiędzy żyłami roboczymi i pomiędzy żyłami a ekranem.
Producenci kabli specjalistycznych przeznaczonych do współpracy z silnikiem indukcyjnym i przekształtnikiem podają wśród parametrów wartość pojemności właściwej zdefiniowaną np. w [nF/km]. Wartość tej pojemności zmienia się w zależności od przekroju żyły i zawiera się w granicach:
od 70 (4 x 1,5 mm²) do 250 (4 x 95 mm²) nF/km – wartość między żyłami,
od 110 (4 x 1,5 mm²) do 410 (4 x 95 mm²) nF/km – wartość między żyłą a ekranem.
W konstrukcji kabla specjalnego, w celu obniżenia pojemności stosuje się następujące zabiegi:
zastosowanie specjalnej konstrukcji kabla, w szczególności zmiana geometrii w stosunku do kabla tradycyjnego, polegającej na zwiększeniu odstępów izolacyjnych,
zastosowanie innego materiału izolacyjnego niż w konstrukcjach tradycyjnych, dzięki czemu obniża się pojemność całego układu nawet przy takich samych wymiarach geometrycznych,
zastosowanie w konstrukcji kabla izolacyjnej warstwy dystansowej pomiędzy żyłami, a ekranem, która oddalając ekran od żył obniża pojemność.

Po co stosowane są ekrany w kablach

Ekran w kablach elektrycznych jest wykonywany w celu spełnienia wymogów kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), czyli zapewnienia ochrony dla przesyłanego kablem sygnału przed zewnętrznymi zaburzeniami elektromagnetycznymi. Zaburzenia te mogą być wywoływane np. przez silniki, transformatory, odbiorniki oświetleniowe, urządzenia grzejne.
W przypadku kabli falownikowych (łączących silnik z przekształtnikiem częstotliwości) ważne jest, aby ekran chronił sygnał przesyłany kablem przed zakłóceniami zewnętrznymi ale również nie dopuszczał do zakłócania urządzeń będących w pobliżu kabla.

Rys. 2. Struktura oplotu w kablach ekranowanych

Ekran (oplot) wykonywany jest z drutów miedzianych ocynowanych lub nieocynowanych. W przypadku uszkodzenia zewnętrznej opony kabla, ze względu na wyższą odporność na korozję lepszym rozwiązaniem jest oplot wykonany w wersji ocynowanej. Ekran z oplotu daje pokrycie rzędu 80-85%. Luki w pokryciu to miejsca, gdzie mogą wydostać się szumy (wykres na rys. 2 ilustruje kąt determinujący elastyczność kabli ekranowanych). Luki te można wyeliminować dzięki zastosowaniu dodatkowego ekranu ze specjalnej folii aluminiowej lub folii Mylar. W ofercie firmy Helukabel znajdują się przewody falownikowe podwójnie izolowane z rodziny Topflex (ekran ze specjalnej folii aluminiowej, oplot z pobielanych drutów Cu).
Kolejną funkcją, które pełnią ekrany w kablach i przewodach, jest zwiększenie bezpieczeństwa obsługi. Ekran uziemiony nie pozwala na pojawienie się napięcia na zewnątrz kabla, nawet w przypadku gdy uszkodzeniu ulegnie powłoka zewnętrzna.

Rys. 3. Kabel ekranowany Topflex EMV-UV-2YSLCY-J firmy Helukabel – posiada podwójny ekran: pierwszy na izolowanych żyłach (specjalna folia aluminiowa), drugi w postaci oplotu z miedzianych drutów cynowanych

Osprzęt wspomagający

Dopełnieniem osprzętowym oferty Helukabel dla grupy przewodów ekranowanych Toplex są dławiki, np. typu Helutop MS-EP4. Zapewniają one:
szerszy zakres dławienia w każdej wielkości dławika od 3,0-53,0 mm średnicy przewodu,
zachowanie typoszeregu od M12 x 1,5 do M63 x 1,5,
pełną redukcję naprężeń dzięki zastosowaniu zacisku i elementu stykowego (kabel jest prowadzony wewnątrz elementu stykowego).
Łączenie ekranu następuje po skręceniu dławika poprzez zmodyfikowaną konstrukcję docisku, a dzięki pełnemu, nieprzerwanemu ekranowaniu osiąga się bardzo dobre wytłumienie zakłóceń.
Ponadto w ofercie firmy Helukabel dostępny jest pełen asortyment dławików, osłon ochronnych oraz węży stalowych o konstrukcji jednorodnej, jak i pokrytej tworzywami o różnych właściwościach, tak temperaturowych jak i chemicznych. Maksymalne temperatury pracy osłon to +1000^OC (izolacja HTP).
Wśród wielu produktów znajdują się także systemowe rozwiązania ochrony układów instalacji elektrycznych, jak również pneumatycznych czy hydraulicznych, pozwalające na pracę systemu w warunkach podwyższonego zagrożenia pyłem czy oparami, obecności związków chemii organicznej jak i nieorganicznej.

Rys. 4. Dopełnieniem osprzętowym oferty Helukabel dla grupy przewodów ekranowanych Toplex są dławiki, np. typu Helutop MS-EP4

Podsumowanie

Zasilanie silników indukcyjnych za pomocą nowoczesnych układów przekształtnikowych, oprócz oczywistych korzyści, wywołuje też występowanie szeregu zjawisk mogących mieć niekorzystny wpływ na pracę całej instalacji. Zjawiska te wynikają ze specyficznego kształtu napięcia zasilającego oraz jego wysokiej częstotliwości. Elementem o największych wymiarach, a co za tym idzie o największej pojemności w układzie przekształtnik – kabel – silnik jest kabel zasilający.
W układach zasilania silników z falowników pojawiają się następujące niekorzystne zjawiska:
występowanie prądu upływu pomiędzy żyłami (fazami),
występowanie prądu upływu pomiędzy żyłami a ekranem, przepływ prądu ekranowego,
występowanie prądu łożyskowego,
występowanie oscylacyjnych, gasnących drgań napięcia w przebiegu napięcia zasilającego – przepięcia.
Wpływ tych zjawisk na pracę całego układu można ograniczyć stosując odpowiedni kabel łączący silnik z przekształtnikiem. Podstawową cechą takiego kabla jest obniżona pojemność. W przypadku kabli specjalistycznych pojemność jednostkowa jest podawana jako jeden z parametrów. Redukcja pojemności odbywa się na etapie projektowania i produkcji kabla. Osiąga się ją przez:
zwiększenie odległości pomiędzy elementami przewodzącymi,
zastosowanie odpowiedniego materiału izolacyjnego (o niskiej przenikalności dielektrycznej i odpowiedniej wytrzymałości napięciowej i stromościowej),
zastosowanie dodatkowych warstw „oddalających” ekran od żył (redukcja prądu ekranowego).
Stosowanie odpowiedniego kabla jest jednym z warunków poprawnej pracy układu przekształtnik – kabel zasilający – silnik.

Opracowano na podstawie
materiałów firmy Helukabel

www.helukabel.pl