Кабель для двигателей с частотными преобразователями — симметричная конструкция против подшипниковых токов

Руководство о заземлении экрана кабеля (одностороннем/двустороннем) рассматривает, как заземляется экран кабеля двигателя для ограничения ЭМС-излучения. Данная статья рассматривает связанный, но отдельный вопрос, который должен быть решён ещё до вопроса о заземлении: какую физическую конструкцию должен иметь сам кабель, чтобы предотвратить повреждение самого двигателя через его подшипники.

Почему обычный 4-жильный кабель здесь не подходит

Частотный преобразователь коммутирует свои выходные транзисторы с крутыми, высокочастотными фронтами. Эти фронты переключения вызывают синфазное напряжение (common-mode) между обмоткой двигателя и корпусом/валом двигателя, которое может передаться на ротор через паразитную ёмкость обмотки. При обычном питающем кабеле с тремя фазными проводниками и одним проводником PE (расположенным асимметрично относительно фаз) магнитное поле вокруг кабеля не полностью симметрично, и кабель не обеспечивает низкоимпедансный, симметричный обратный путь для этого синфазного тока. Результат: синфазный ток ищет альтернативный путь обратно к источнику — часто прямо через подшипники двигателя, что со временем может привести к образованию питтинга на дорожках качения подшипников (повреждения EDM) и преждевременному износу подшипников.

Симметричная конструкция кабеля двигателя VFD

Кабель, специально разработанный для применения с двигателями, питаемыми от частотного преобразователя ("VFD-кабель" или "VSD-кабель"), решает эту проблему двумя способами:

• заземляющий(е) проводник(и) прокладываются не как одна жила рядом с тремя фазами, а распределяются симметрично вокруг фазных проводников (например, в виде нескольких меньших заземляющих жил, равномерно расположенных по окружности) — это делает магнитное поле вокруг кабеля практически симметричным и обеспечивает низкоимпедансный обратный путь для синфазного тока, расположенный близко к фазным проводникам;
• полностью охватывающий экран (фольга и/или оплётка) вокруг всей конструкции, заземлённый низкоимпедансно с обеих сторон (привод и двигатель) через 360-градусное кабельное уплотнение — см. руководство о заземлении экрана кабеля о том, почему это должно быть именно двусторонним для кабелей двигателей частотных преобразователей, в отличие от низкочастотного измерительного кабеля.

Вместе симметричные заземляющие проводники и двусторонне заземлённый экран дают синфазному току низкоимпедансный путь обратно к преобразователю, вместо через подшипники двигателя и заземляющую установку здания.

IEC TS 60034-25 и изолированные подшипники

IEC TS 60034-25 (руководство по применению асинхронных двигателей с питанием от преобразователей) описывает, помимо требований к кабелю, дополнительную меру для более крупных двигателей: установку изолированного подшипника со стороны, противоположной приводу (NDE), обычно рекомендуемую начиная примерно с типоразмера рамы 280 и выше, для разрыва циркулирующего пути подшипникового тока через вал двигателя, который может возникать на более крупных машинах даже при корректно выполненном симметричном кабеле двигателя. Это дополнительная мера, а не замена симметричной конструкции кабеля и двустороннего заземления экрана.

Практическая значимость

При замене обычного питающего кабеля на исполнение с питанием от частотного преобразователя (например, при установке VFD на существующий двигатель) необходимо проверить, что кабель двигателя специально разработан для применения с VFD (симметричные заземляющие проводники, полный экран) — стандартный установочный кабель с одной жилой PE, даже если он правильно рассчитан по токовой нагрузке иначе, не имеет симметричной конструкции, необходимой для ограничения подшипниковых токов.

Частые ошибки

1. Применение стандартного 4-жильного установочного кабеля (3 фазы + 1 PE) в цепи двигателя с частотным преобразователем без проверки необходимости специального кабеля VFD с симметричными заземляющими проводниками.
2. Заземление экрана кабеля двигателя с одной стороны (как для низкочастотного сигнального кабеля) вместо двустороннего заземления через 360-градусное уплотнение — см. руководство о заземлении экрана кабеля.
3. Полагание только на кабель для более крупных машин без учёта дополнительной меры в виде изолированного подшипника NDE, которую IEC TS 60034-25 рекомендует для больших типоразмеров рамы.
4. Списывание повреждений подшипников на смазку или нагрузку без исследования возможности синфазных подшипниковых токов у двигателя, питаемого от частотного преобразователя.

Связанные материалы

• Заземление экрана кабеля — одностороннее или двустороннее
• Заземление и ЭМС при частотных преобразователях
• Остаточное напряжение шины постоянного тока в частотных преобразователях
• Методы привязки — определение способа монтажа