ความพยายามด้านระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพกำลังเพิ่มการใช้ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) ในระบบมอเตอร์ เช่น สายพานลำเลียง ปั๊ม และหุ่นยนต์อุตสาหกรรม การเลือกสายเคเบิลสำหรับมอเตอร์ประเภทนี้มีความซับซ้อนมากกว่าการกำหนดเกจสายไฟตามกระแสโหลดและระดับฉนวนตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน
ระบบมอเตอร์ VFD สมัยใหม่ใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบสวิตชิ่งโหมดเพื่อสร้างสัญญาณขับเคลื่อนแบบพัลส์ไวด์มอดูเลชัน (PWM) ที่มีขอบที่รวดเร็วมาก ภาวะชั่วครู่ที่รวดเร็วเหล่านี้จะเพิ่มการสะท้อนของสัญญาณที่เกิดจากความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ระหว่างสายเคเบิลและขั้วต่อมอเตอร์ ทำให้เกิดคลื่นนิ่งที่เพิ่มความเค้นแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งสายเคเบิล นอกจากนี้ ความจุแบบ line-to-line และ line-to-ground ของสายเคเบิลส่งผลต่อประสิทธิภาพของไดรเวอร์และเพิ่มกระแสการชาร์จ เนื่องจากสัญญาณ VFD PWM มีฮาร์โมนิคความถี่สูงจำนวนมาก สายเคเบิลมอเตอร์จึงต้องได้รับการป้องกันอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
เอกสารนี้อธิบายโดยย่อเกี่ยวกับ VFD และอภิปรายถึงความท้าทายที่นักออกแบบต้องเผชิญในการเลือกสายเคเบิลมอเตอร์ VFD เพื่อให้มั่นใจถึงฟังก์ชันการทำงาน ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่เหมาะสม จากนั้นจะมีการนำเสนอสายเคเบิล VFD ของ LAPP และสาธิตวิธีการใช้สายเคเบิลดังกล่าวเพื่อให้พลังงานและสัญญาณควบคุมที่เสถียร ในขณะเดียวกันก็ลดการแผ่รังสี EMI และความไวต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
บทนำของ VFD
ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมต้องการให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพ และสามารถทำงานในทิศทางใดก็ได้ภายในช่วงความเร็วเต็ม VFD ซึ่งบางครั้งเรียกว่าตัวควบคุมกัฟเวอร์เนอร์ คือตัวควบคุมมอเตอร์ที่ควบคุมความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับ (ACIM) โดยการเปลี่ยนแปลงความถี่กำลังไฟฟ้าเข้า แรงดันไฟฟ้า และรอบการทำงานของมอเตอร์ หลักการทำงานของ VFD คือการใช้อินพุตกระแสสลับและเอาต์พุตกระแสตรงเพื่อสร้างสัญญาณ PWM เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ ด้วยการปรับความถี่ ความกว้าง และแอมพลิจูดของสัญญาณพัลส์เหล่านี้ คุณจะสามารถควบคุมความเร็วมอเตอร์และแรงบิดเอาต์พุตได้ในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ต่างๆ
เพื่อให้ทราบถึงการทำงานของมัน VFD ประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ส่วน (รูปที่ 1): วงจรเรียงกระแสที่แปลง AC เป็น DC อินเวอร์เตอร์ที่แปลงกระแส DC เป็น PWM และตัวควบคุม VFD
VFD แก้ไขอินพุต AC และสร้างสัญญาณ PWM โดยใช้ DC (คลิกที่การขยาย)
รูปที่ 1: VFD แก้ไขอินพุต AC และใช้ DC เพื่อสร้างสัญญาณ PWM เพื่อควบคุมความเร็วมอเตอร์และแรงบิดเอาท์พุต แหล่งที่มาของภาพ: Art Pini)
ตัวควบคุมจะตรวจสอบการทำงานของมอเตอร์ผ่านเซ็นเซอร์ต่างๆ เพื่อควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญของมอเตอร์ เซ็นเซอร์เหล่านี้ประกอบด้วยการตอบสนองของหม้อแปลง/ตัวเข้ารหัสแบบหมุน มาตรวัดรอบ และเซ็นเซอร์อุณหภูมิและการสั่นสะเทือน
วงจรเรียงกระแสนี้ใช้ไดโอดธรรมดาตามด้วยตัวกรอง อินเวอร์เตอร์ใช้ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามกำลัง (FET) หรือทรานซิสเตอร์สองขั้วเกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ขับเคลื่อนโดยตัวขับเกตไฟฟ้าแรงสูงแบบแยกส่วน ซึ่งได้รับการควบคุมจากส่วนกลางโดยตัวควบคุม VFD
VFD แตกต่างจากการทำงานของไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสทั่วไปตรงที่สัญญาณของมอเตอร์ขับเคลื่อนไม่ใช่คลื่นไซน์ แต่เป็นพัลส์ PWM (รูปที่ 2)
พัลส์ PWM ของ VFD สร้างการตอบสนองกระแสไซน์ซอยด์
รูปที่ 2: พัลส์ PWM ของ VFD สร้างการตอบสนองกระแสไซน์ในขดลวดมอเตอร์ แหล่งที่มาของภาพ: LAPP)
ความถี่ของสัญญาณ PWM โดยทั่วไปคือ 2 kHz ถึง 20 kHz อินเวอร์เตอร์จะสลับการเชื่อมต่อมอเตอร์เข้ากับขั้วบวกและขั้วลบของบัส AC และกับแรงดันไฟฟ้าทั่วไป DC แรงดันไฟ DC บัสอยู่ใกล้กับแรงดันไฟ AC บัสสูงสุด รูปคลื่น VFD PWM ที่ใช้สร้างการตอบสนองกระแสไซน์ซอยด์เพื่อควบคุมความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์
เนื่องจากคุณลักษณะของคลื่น PWM จึงจำเป็นต้องใช้สายเคเบิลพิเศษในการเชื่อมต่อ VFD เข้ากับมอเตอร์ รูปคลื่นนี้เป็นพัลส์สี่เหลี่ยมที่มีสเปกตรัมกว้างและมีฮาร์มอนิกสูง สาย VFD ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อลดการแผ่รังสีของสัญญาณความถี่สูงเหล่านี้ นอกจากนี้ เพื่อลดการสูญเสียการสลับของอุปกรณ์สวิตช์อินเวอร์เตอร์และเพิ่มประสิทธิภาพของระบบให้สูงสุด จำเป็นต้องตั้งค่าความเร็วการกระโดดของพัลส์ให้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งส่งผลให้อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าสูงมาก (dV/dt) ที่ขอบพัลส์ คุณสมบัติเหล่านี้เมื่อรวมกับขอบที่รวดเร็วและส่วนประกอบสเปกตรัมความถี่สูง ส่งผลให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในระดับสูง ขอบที่รวดเร็วยังสร้างการสะท้อนของสายส่งซึ่งความต้านทานของสายเคเบิลเปลี่ยนแปลง การสะท้อนนี้สร้างคลื่นนิ่งในสายเคเบิล ซึ่งจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าบนสายเคเบิล และต้องการให้สายเคเบิล VFD มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า
ความจุของสายเคเบิลระหว่างตัวนำโลหะเป็นข้อกังวลอีกประการหนึ่ง เมื่อสวิตช์อินเวอร์เตอร์เชื่อมต่อสายเคเบิลเข้ากับบัส DC กระแสไฟกระชากจะถูกสร้างขึ้นซึ่งจะเรียกเก็บค่าความจุของสายเคเบิล สิ่งนี้จะเพิ่มระดับกระแสทันทีและอาจทำให้สายเคเบิลเสียหายได้ กระแสโหมดทั่วไปนี้อาจไหลระหว่างเฟสหรือจากเฟสสู่ดิน กระแสไฟฟ้านี้อาจเข้าสู่วงจรกราวด์ผ่านโครงมอเตอร์และผ่านแบริ่งมอเตอร์ กระแสที่ไหลผ่านแบริ่งทำให้เกิดรูพรุนบนพื้นผิวแบริ่ง ซึ่งทำให้อายุการใช้งานของมอเตอร์สั้นลง ปัญหาเหล่านี้มักเกิดขึ้นในระบบ VFD ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง อัตรามอเตอร์ (HP) สูง และการเดินสายเคเบิลยาว
เช่นเดียวกับสายไฟและสายเคเบิลทั้งหมด กระแสจะไหลผ่านความต้านทานกระแสตรงของสายเคเบิล ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน นอกจากนี้ เนื่องจากแบนด์วิธสเปกตรัมกว้างของสัญญาณ PWM ความต้านทานของสายเคเบิลอาจเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลกระทบของผิวหนัง ผลกระทบจากความต้านทานเหล่านี้จะแตกต่างกันไปตามความยาวของสายเคเบิล