Kabel silnikowy do przemienników częstotliwości — konstrukcja symetryczna przeciw prądom łożyskowym

Przewodnik o uziemieniu ekranu kabla (jednostronnym/dwustronnym) omawia sposób uziemienia ekranu kabla silnikowego w celu ograniczenia promieniowania EMC. Ten artykuł dotyczy powiązanego, lecz odrębnego wyboru, który musi zostać dokonany jeszcze przed tym zagadnieniem uziemienia: jaką fizyczną konstrukcję musi mieć sam kabel, aby zapobiec uszkodzeniu samego silnika poprzez jego łożyska.

Dlaczego zwykły kabel 4-żyłowy tu zawodzi

Przemiennik częstotliwości przełącza swoje tranzystory wyjściowe ze stromymi, wysokoczęstotliwościowymi zboczami. Te zbocza przełączania powodują napięcie wspólne (common-mode) między uzwojeniem silnika a obudową/wałem silnika, które może przenieść się na wirnik poprzez pojemność pasożytniczą uzwojenia. Przy zwykłym kablu zasilającym z trzema przewodami fazowymi i jednym przewodem PE (umieszczonym asymetrycznie względem faz), pole magnetyczne wokół kabla nie jest w pełni symetryczne, a kabel nie zapewnia niskoimpedancyjnej, symetrycznej drogi powrotnej dla tego prądu wspólnego. Skutek: prąd wspólny szuka alternatywnej drogi powrotu do źródła — często wprost przez łożyska silnika, co z czasem może powodować wżery w bieżniach łożysk (uszkodzenia EDM) i przedwczesne zużycie łożysk.

Symetryczna konstrukcja kabla silnikowego VFD

Kabel zaprojektowany specjalnie do zastosowań silnikowych z przemiennikiem częstotliwości ("kabel VFD" lub "kabel VSD") rozwiązuje to na dwa sposoby:

• przewód(y) uziemiający(e) nie są układane jako pojedyncza żyła obok trzech faz, lecz rozłożone symetrycznie wokół przewodów fazowych (na przykład jako kilka mniejszych żył uziemiających, rozmieszczonych równomiernie na obwodzie) — to sprawia, że pole magnetyczne wokół kabla jest niemal symetryczne i zapewnia niskoimpedancyjną drogę powrotną dla prądu wspólnego, leżącą blisko przewodów fazowych;
• w pełni otaczający ekran (folia i/lub oplot) wokół całości, uziemiony niskoimpedancyjnie po obu stronach (falownik i silnik) za pomocą 360-stopniowego dławika kablowego — zob. przewodnik o uziemieniu ekranu kabla dlaczego musi to być specyficznie dwustronne dla kabli silnikowych przemienników częstotliwości, w odróżnieniu od niskoczęstotliwościowego kabla instrumentacyjnego.

Razem symetryczne przewody uziemiające i dwustronnie uziemiony ekran dają prądowi wspólnemu niskoimpedancyjną drogę powrotną do falownika, zamiast przez łożyska silnika i instalację uziemiającą budynku.

IEC TS 60034-25 i łożyska izolowane

IEC TS 60034-25 (wytyczne dotyczące stosowania silników indukcyjnych zasilanych z przemienników) opisuje, poza wymaganiami dotyczącymi kabla, dodatkowy środek dla większych silników: zastosowanie łożyska izolowanego po stronie nienapędowej (NDE), zalecane zwykle od wielkości ramy około 280 i większych, aby przerwać krążącą ścieżkę prądu łożyskowego przez wał silnika, która może nadal występować przy większych maszynach nawet przy poprawnie wykonanym symetrycznym kablu silnikowym. Jest to środek dodatkowy, a nie zastąpienie symetrycznej konstrukcji kabla i dwustronnego uziemienia ekranu.

Praktyczne znaczenie

Przy zastępowaniu zwykłego kabla zasilającego wersją zasilaną z przemiennika częstotliwości (na przykład przy montażu falownika na istniejącym silniku), należy sprawdzić, czy kabel silnikowy jest zaprojektowany specjalnie do zastosowań VFD (symetryczne przewody uziemiające, pełny ekran) — standardowy kabel instalacyjny z pojedynczą żyłą PE, nawet jeśli poprawnie dobrany pod względem obciążalności prądowej, nie ma symetrycznej konstrukcji potrzebnej do ograniczenia prądów łożyskowych.

Częste błędy

1. **Zastosowanie standardowego 4-żyłowego kabla instalacyjnego (3 fazy
   • 1 PE) w obwodzie silnikowym przemiennika częstotliwości** bez sprawdzenia, czy wymagany jest kabel specyficzny dla VFD z symetrycznymi przewodami uziemiającymi.
2. Uziemienie ekranu kabla silnikowego jednostronnie (jak w przypadku niskoczęstotliwościowego kabla sygnałowego) zamiast dwustronnie za pomocą 360-stopniowego dławika — zob. przewodnik o uziemieniu ekranu kabla.
3. Poleganie wyłącznie na kablu przy większych maszynach bez rozważenia dodatkowego środka w postaci izolowanego łożyska NDE, które IEC TS 60034-25 zaleca dla większych wielkości ram.
4. Przypisywanie uszkodzeń łożysk smarowaniu lub obciążeniu bez zbadania możliwości prądów łożyskowych wspólnych w silniku zasilanym z przemiennika częstotliwości.

Powiązane

• Uziemienie ekranu kabla — jednostronne czy dwustronne
• Uziemienie i EMC w przemiennikach częstotliwości
• Napięcie resztkowe magistrali DC w przemiennikach częstotliwości
• Metody odniesienia — określanie sposobu instalacji