Кабель для двигунів з частотними перетворювачами — симетрична конструкція проти підшипникових струмів

Посібник про заземлення екрана кабелю (одностороннє/двостороннє) розглядає, як заземлюється екран кабелю двигуна для обмеження ЕМС-випромінювання. Ця стаття розглядає пов'язане, але окреме питання, яке має бути вирішене ще до питання про заземлення: яку фізичну конструкцію повинен мати сам кабель, щоб запобігти пошкодженню самого двигуна через його підшипники.

Чому звичайний 4-жильний кабель тут не підходить

Частотний перетворювач комутує свої вихідні транзистори з крутими, високочастотними фронтами. Ці фронти перемикання спричиняють синфазну напругу (common-mode) між обмоткою двигуна та корпусом/валом двигуна, яка може передатися на ротор через паразитну ємність обмотки. При звичайному живильному кабелі з трьома фазними провідниками та одним провідником PE (розташованим асиметрично щодо фаз) магнітне поле навколо кабелю не є повністю симетричним, і кабель не забезпечує низькоімпедансний, симетричний зворотний шлях для цього синфазного струму. Результат: синфазний струм шукає альтернативний шлях назад до джерела — часто прямо через підшипники двигуна, що з часом може призвести до утворення пітингу на доріжках кочення підшипників (пошкодження EDM) та передчасного зношення підшипників.

Симетрична конструкція кабелю двигуна VFD

Кабель, спеціально розроблений для застосування з двигунами, що живляться від частотного перетворювача ("VFD-кабель" або "VSD-кабель"), вирішує цю проблему двома способами:

• заземлювальний(і) провідник(и) прокладаються не як одна жила поряд із трьома фазами, а розподіляються симетрично навколо фазних провідників (наприклад, у вигляді кількох менших заземлювальних жил, рівномірно розташованих по колу) — це робить магнітне поле навколо кабелю практично симетричним і забезпечує низькоімпедансний зворотний шлях для синфазного струму, розташований близько до фазних провідників;
• повністю охоплюючий екран (фольга та/або обплетення) навколо всієї конструкції, заземлений низькоімпедансно з обох сторін (привід і двигун) через 360-градусне кабельне ущільнення — див. посібник про заземлення екрана кабелю щодо того, чому це має бути саме двостороннім для кабелів двигунів частотних перетворювачів, на відміну від низькочастотного вимірювального кабелю.

Разом симетричні заземлювальні провідники та двосторонньо заземлений екран дають синфазному струму низькоімпедансний шлях назад до перетворювача, замість через підшипники двигуна та заземлювальну установку будівлі.

IEC TS 60034-25 та ізольовані підшипники

IEC TS 60034-25 (керівництво щодо застосування асинхронних двигунів із живленням від перетворювачів) описує, окрім вимог до кабелю, додатковий захід для більших двигунів: встановлення ізольованого підшипника з боку, протилежного приводу (NDE), зазвичай рекомендоване починаючи приблизно з типорозміру рами 280 і вище, для розриву циркулюючого шляху підшипникового струму через вал двигуна, який може виникати на більших машинах навіть при коректно виконаному симетричному кабелі двигуна. Це додатковий захід, а не заміна симетричної конструкції кабелю та двостороннього заземлення екрана.

Практична значущість

При заміні звичайного живильного кабелю на виконання з живленням від частотного перетворювача (наприклад, при встановленні VFD на наявний двигун) необхідно перевірити, що кабель двигуна спеціально розроблений для застосування з VFD (симетричні заземлювальні провідники, повний екран) — стандартний установчий кабель з однією жилою PE, навіть якщо він правильно розрахований за струмовим навантаженням в іншому, не має симетричної конструкції, необхідної для обмеження підшипникових струмів.

Часті помилки

1. Застосування стандартного 4-жильного установчого кабелю (3 фази + 1 PE) у колі двигуна з частотним перетворювачем без перевірки необхідності спеціального кабелю VFD із симетричними заземлювальними провідниками.
2. Заземлення екрана кабелю двигуна з одного боку (як для низькочастотного сигнального кабелю) замість двостороннього заземлення через 360-градусне ущільнення — див. посібник про заземлення екрана кабелю.
3. Покладання лише на кабель для більших машин без урахування додаткового заходу у вигляді ізольованого підшипника NDE, який IEC TS 60034-25 рекомендує для більших типорозмірів рами.
4. Списування пошкоджень підшипників на мастило чи навантаження без дослідження можливості синфазних підшипникових струмів у двигуні, що живиться від частотного перетворювача.

Пов'язане

• Заземлення екрана кабелю — одностороннє чи двостороннє
• Заземлення та ЕМС при частотних перетворювачах
• Залишкова напруга шини постійного струму в частотних перетворювачах
• Методи прив'язки — визначення способу монтажу