Motorkabellengte bij frequentieomvormers — spanningsreflectie en de keuze tussen dv/dt- en sinusfilter

De gids over de symmetrische opbouw van een VFD-motorkabel behandelt waarom de aardgeleider(s) van een frequentieomvormer-motorkabel symmetrisch rond de fasen moeten liggen, om common-mode-lagerstromen te beperken. Dit artikel behandelt een ander fysisch verschijnsel dat met dezelfde kabel te maken heeft: de spanningsreflectie die optreedt naarmate de kabel tussen omvormer en motor langer wordt, en die onafhankelijk van de symmetrische opbouw van de kabel kan optreden.

Het verschijnsel: de kabel als transmissielijn

Een frequentieomvormer schakelt zijn uitgangstransistoren (doorgaans IGBT's) met zeer steile schakelflanken — een stijgtijd van de spanning in de orde van enkele honderden nanoseconden tot enkele microseconden. Wanneer de kabel tussen omvormer en motor lang genoeg is ten opzichte van deze stijgtijd, gedraagt de kabel zich elektrisch als een transmissielijn: de golfimpedantie van de kabel wijkt af van die van de motorwikkeling, waardoor de spanningspuls aan het motoruiteinde gedeeltelijk wordt gereflecteerd. Deze reflectie kan zich optellen bij de inkomende puls, met als resultaat een spanningspiek op de motorklemmen die kan oplopen tot ongeveer het dubbele van de DC-bus-spanning van de omvormer — een belasting waarop de wikkelingsisolatie van een gewone motor niet is ontworpen.

NEMA MG1 Part 30 versus Part 31

NEMA MG1 Part 30 (voor motoren van algemeen gebruik, niet specifiek voor omvormervoeding ontworpen) gaat uit van een isolatiesysteem dat herhaalde spanningspieken tot 1000 V met een stijgtijd van minimaal 2 microseconden moet kunnen verdragen. NEMA MG1 Part 31 ("inverter-duty"-motoren, specifiek ontworpen voor omvormervoeding met een steviger isolatiesysteem) staat aanmerkelijk zwaardere belasting toe: piekspanningen tot 1600 V, bij een stijgtijd vanaf slechts 0,1 microseconde. Een gewone Part 30-motor die op lange kabelafstand met een moderne IGBT-omvormer wordt gevoed, kan de in de praktijk optredende spanningspieken dus ruim overschrijden.

Let op: de exacte kabellengte waarboven reflectieproblemen ontstaan is geen vast getal — deze hangt af van de stijgtijd van de gebruikte omvormer, de kabeleigenschappen en de nominale spanning van de installatie. Raadpleeg bij een concreet ontwerp de kabellengte-tabellen van de omvormerfabrikant in plaats van een universele vuistregel te hanteren.

Twee soorten filters, twee toepassingsgebieden

Om spanningsreflectie te beperken bij kabellengtes die de door de omvormerfabrikant opgegeven grens overschrijden, bestaan twee hoofdcategorieën uitgangsfilters:

• Dv/dt-filter (ook wel outputreactor of load-reactor genoemd voor de eenvoudigste variant): vertraagt de stijgtijd van de schakelflank voldoende om de piekspanning binnen aanvaardbare grenzen te houden bij matige kabellengtes. Dit is doorgaans de meest kosteneffectieve oplossing zolang de kabellengte niet te ver boven de door de fabrikant opgegeven grens uitkomt.
• Sinusfilter: zet het blokvormige PWM-uitgangssignaal van de omvormer om in een nagenoeg zuivere sinusspanning, waardoor de reflectieproblematiek in de kern wordt weggenomen in plaats van alleen beperkt. Een sinusfilter kent daardoor geen vaste maximale kabellengte, maar is aanmerkelijk duurder dan een dv/dt-filter — in de praktijk vooral toegepast bij zeer lange kabeltrajecten (bijvoorbeeld honderden meters, zoals bij een op afstand geplaatste pompmotor).

Praktische relevantie

Bij het ontwerpen van een frequentieomvormer-motorcircuit met een kabellengte die de fabrikantgrens benadert of overschrijdt, moet eerst worden vastgesteld of de motor een Part 30- of Part 31-uitvoering is (of het Europese equivalent daarvan), en vervolgens of een dv/dt-filter volstaat of een sinusfilter nodig is — los van de vraag of de kabel zelf al symmetrisch is opgebouwd tegen lagerstromen (zie de gids over symmetrische motorkabelopbouw). Beide maatregelen kunnen tegelijk nodig zijn, want ze lossen twee verschillende problemen op.

Veelgemaakte fouten

1. Spanningsreflectie door kabellengte verwarren met common-mode-lagerstromen — dit zijn twee aparte fysische verschijnselen met elk hun eigen oplossing (filter versus symmetrische kabelopbouw en schermaarding).
2. Een gewone Part 30-motor op een lange kabel aansluiten zonder een filter te overwegen, in de veronderstelling dat de motor "toch wel tegen een frequentieomvormer bestand is".
3. Een dv/dt-filter toepassen bij een kabellengte die ver boven de grens van de fabrikant ligt — bij zeer lange trajecten is een sinusfilter nodig, een dv/dt-filter alleen volstaat dan niet.
4. Uitgaan van een vaste universele kabellengtegrens (bijvoorbeeld "altijd 50 meter") in plaats van de specifieke tabel van de omvormerfabrikant te raadplegen, die afhangt van spanning, schakelfrequentie en kabeltype.

Gerelateerd

• Motorkabel voor frequentieomvormers — symmetrische opbouw tegen lagerstromen
• DC-bus restspanning — condensator-ontlaadtijd bij frequentieomvormers
• Aarding en EMC bij frequentieomvormers
• Kabelscherm aarden — enkelzijdig of tweezijdig