การเลือกและการใช้สายเคเบิล VFD เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือและความปลอดภัย และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน
Contributed By DigiKey's North American Editors
2023-10-25
ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) และมอเตอร์สามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนและเพิ่มประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยในระบบต่างๆ รวมถึงสายพานลำเลียง ปั๊ม เครื่องผสม ลิฟต์ ระบบทำความร้อนระบายอากาศ/ปรับอากาศ (HVAC) และการใช้งานที่คล้ายกัน สายเคเบิลที่เชื่อมต่อ VFD เข้ากับมอเตอร์เป็นจุดเชื่อมต่อที่สำคัญในระบบ หากไม่มีการเดินสายที่ถูกต้อง ความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานจะลดลง และความน่าเชื่อถือของมอเตอร์และอายุการใช้งานจะลดลง
ระบบ VFD ทั่วไปทำงานในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยซึ่งรวมถึงไฟฟ้ากระชากที่เพิ่มขึ้นถึงสองถึงสามเท่าของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเข้ามา และระดับการแผ่รังสีและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าในระดับสูง นอกจากนี้สายเคเบิลยังอาจสัมผัสกับอุณหภูมิสูงได้ด้วย สายเหล่านั้นยังต้องต้านทานน้ำมัน น้ำ และรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ในขณะที่ยังคงความยืดหยุ่นในระดับสูง และตรงตามข้อกำหนดทางเทคนิคมากมายจาก UL, CSA, NFPA และ NEC
สภาพแวดล้อมการทำงานที่ท้าทายและความต้องการทางเทคนิคสำหรับการติดตั้ง VFD ทำให้ข้อมูลจำเพาะของสายเคเบิลมีความซับซ้อน บทความนี้จะกล่าวถึงการทำงานของ VFD และมอเตอร์โดยย่อ ความต้องการฉนวนสายเคเบิล และความจำเป็นสำหรับความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) โดยบทความนี้จะเปรียบเทียบข้อกำหนด เช่น สายเคเบิล UL 1277 TC ER, WTTC และ TC และศึกษาข้อกำหนดของ NEC และ NFPA นอกจากนี้ยังนำเสนอข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับโครงสร้างสายเคเบิลก่อนปิดท้ายด้วยภาพรวมของสายเคเบิลที่เป็นแบบอย่างจาก Belden, Helukabel, Igus, LAPP และ SAB North America.
ความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อม
มอเตอร์ VFD, ไดรฟ์ และสายเคเบิลที่เชื่อมต่อทำงานในสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่ไม่เอื้ออำนวย ซึ่งสายเคเบิล VFD จำเป็นต้องส่งกำลังขับสูงที่แรงดันไฟฟ้าสูงอย่างมีประสิทธิภาพ และรับมือกับแรงดันไฟฟ้ากระชากและระดับสัญญาณรบกวนสูง ฉนวนในสายเคเบิล VFD อยู่ภายใต้สภาวะที่ท้าทาย เช่น คลื่นสะท้อนและแรงดันป้อนที่โคโรน่าเริ่มเกิด (รูปที่ 1):
- คลื่นสะท้อน: คลื่นสะท้อนอาจเกิดจากอิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันระหว่างมอเตอร์ของ VFD และสายเคเบิล ซึ่งอาจทำให้คลื่นแรงดันไฟฟ้าสะท้อนกลับไปยังไดรฟ์ได้ หากไม่มีฉนวนประสิทธิภาพสูง คลื่นสะท้อนสามารถทำลายฉนวนและทำให้สายเคเบิลร้อนเกินไปได้
- แรงดันป้อนที่โคโรน่าเริ่มเกิด/ปล่อยโคโรนา: แรงดันไฟฟ้าพัลส์ไวด์มอดูเลชั่น (PWM) ในระบบ VFD จะแกว่งอย่างรวดเร็วจากแรงดันไฟฟ้าศูนย์ถึงจุดสูงสุด หากไม่มีฉนวนที่เหมาะสม แรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงที่เกิดขึ้นเหนือแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นโคโรนาของสายเคเบิลจะทำให้อากาศรอบๆ ตัวนำแตกตัวเป็นไอออน ส่งผลให้เกิดการปล่อยโคโรนาซึ่งสามารถละลายฉนวนและทำให้มอเตอร์ แบริ่งมอเตอร์ และไดร์ฟเสียหายได้
รูปที่ 1: ฉนวนสายเคเบิล VFD ต้องรองรับคลื่นสะท้อนและแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นโคโรนา (แหล่งที่มาภาพ: SAB North America)
การชิลด์และการต่อสายดิน
นอกเหนือจากการทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วแล้ว สายเคเบิล VFD จะต้องรองรับ EMC ในระดับสูงอีกด้วย ข้อควรพิจารณาที่สำคัญของ EMC มีดังต่อไปนี้:
- กระแสโหมดทั่วไปเป็นผลมาจากแรงดันไฟฟ้าสามเฟสใน VFD ที่ไม่รวมเป็นศูนย์ ทำให้เกิดความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า เมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เป็นศูนย์เปลี่ยนแปลง กระแสไฟชาร์จของสายเคเบิลตามสัดส่วนจะส่งกลับผ่านตัวนำกราวด์ กระแสไฟในโหมดทั่วไปที่มากเกินไปจะสร้างกราวด์กราวด์ที่รบกวนประสิทธิภาพของระบบที่เหมาะสม
- สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่ส่งเป็นผลมาจากความถี่ของไดรฟ์แบบแปรผันที่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และความถี่วิทยุ (RFI) และส่งผลต่อส่วนประกอบและระบบใกล้เคียง
ระบบขับเคลื่อน สายเคเบิล และมอเตอร์ที่มีการต่อสายดินอย่างมีประสิทธิภาพสร้างกรงฟาราเดย์ที่ดีที่มี EMC ที่แข็งแกร่ง (รูปที่ 2)
รูปที่ 2: สายเคเบิล VFD สามารถลดกระแสในโหมดทั่วไปและสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าได้ด้วยการต่อสายดินที่เหมาะสม (แหล่งที่มาภาพ: SAB North America)
เคเบิ้ลแกลนด์กับท่อร้อยสายไฟ
สายเคเบิล VFD มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กสำหรับใช้ในท่อร้อยสายและเป็นโครงสร้างสายเคเบิลที่มีฉนวนแข็งหุ้มที่เชื่อมอย่างต่อเนื่อง โซลูชันเหล่านี้ต้องการการติดตั้งที่ซับซ้อนและมีต้นทุนสูง และประสบปัญหาด้านความน่าเชื่อถือที่อาจเกิดขึ้น แต่มีสายเคเบิลแบบถาด (TC) ให้เลือกใช้งานโดยไม่ต้องใช้ท่อร้อยสาย เมื่อมีท่อร้อยสาย ก็สามารถใช้สร้างกรงฟาราเดย์ระหว่างตัวขับและมอเตอร์ได้ เมื่อใช้ TC ประเภทต่างๆ จะสามารถเพิ่มเคเบิลแกลนด์ EMC เพื่อทำให้กรงฟาราเดย์สมบูรณ์ได้ เคเบิลแกลนด์ EMC ให้การป้องกันน้ำและฝุ่น (IP) ระดับ 68 ซึ่งสามารถกันน้ำได้ในน้ำจืดที่ความลึกสูงสุด 1.5 เมตร นานสูงสุด 30 นาที และได้รับการปกป้องจากฝุ่น ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมและกลางแจ้งที่ท้าทาย (รูป 3)
รูปที่ 3: สามารถใช้เคเบิลแกลนด์ในการเชื่อมต่อกับชุดอิเล็กทรอนิกส์ขับเคลื่อนและมอเตอร์เพื่อสร้างกรงฟาราเดย์และควบคุม EMI (แหล่งที่มาภาพ: SAB North America)
คลาสของสายเคเบิล
TC ช่วยให้การติดตั้งง่ายขึ้นและลดต้นทุน โดยมีการจัดประเภทตามเกณฑ์การใช้งานต่างๆ เช่น อัตราแรงดันไฟฟ้า ความยืดหยุ่น และการทดสอบการกระแทก/แรงกระแทก มีมาตรฐาน UL หลักสองมาตรฐาน มาตรฐานทั้งสองใช้กับสายเคเบิลที่มีขนาด 18 AWG และใหญ่กว่า มาตรฐานดังกล่าวคือ:
UL 1277, สายเคเบิลถาดจ่ายไฟและควบคุมไฟฟ้า ครอบคลุม TC หลายประเภทที่พิกัด 600 V
- สายเคเบิล TC พื้นฐานเป็นสายประเภททั่วไปและใช้เป็นสายเคเบิล VFD ที่ต้องการคุณสมบัติหน่วงการติดไฟ
- สายเคเบิลถาด TC-ER (แบบเปิดโล่ง) จะต้องผ่านข้อกำหนดการชนและการกระแทกที่เข้มงวดมากกว่าสายเคเบิล TC มาตรฐาน สามารถเดินสายได้อย่างอิสระระหว่างถาดสายเคเบิลในระยะทางเฉลี่ย 6 ฟุต (1.8 ม.)
- THHN/PVC เป็นโครงสร้าง TC ต้นทุนต่ำพร้อมปลอกหุ้มเทอร์โมพลาสติก เหมาะสำหรับการฝังและการเดินในท่อ
UL 2277, สายเคเบิลจ่ายไฟในมอเตอร์แบบยืดหยุ่นและสายเคเบิลถาดกังหันลม ครอบคลุม TC สองประเภทที่พิกัด 1,000 V
- สายเคเบิลจ่ายมอเตอร์แบบยืดหยุ่น (FMSC) ได้รับการออกแบบมาเป็นสายไฟมอเตอร์ VFD เป็นหลัก
- สายเคเบิลถาดกังหันลม (WTTC) สามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงและรุนแรงในการใช้งานลม เช่น น้ำมัน การเสียดสี อุณหภูมิสุดขั้ว น้ำ การเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง และอื่นๆ
NEC และ NFPA
การปฏิบัติตามข้อกำหนดของ NEC 79/NFPA 79 2018 มักเป็นสิ่งจำเป็นในสหรัฐอเมริกา แต่ก็ไม่เสมอไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับมาตรฐานอาคารในท้องถิ่น มาตรฐานกำหนดให้สาย VFD ต้องมีเครื่องหมาย RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW หรือ XHHW-W ที่กำหนดไว้ดังต่อไปนี้:
- RHW, RHH และ RHW-2 ใช้ฉนวนยางความร้อนสูง
- RHW หมายถึงสายเคเบิลกันน้ำที่มีระดับอุณหภูมิ +75°C
- RHH หมายถึงสายเคเบิลที่มีพิกัดอุณหภูมิ +75°C ที่ไม่กันน้ำ
- RHW-2 หมายถึงสายเคเบิลกันน้ำที่มีระดับอุณหภูมิ +90°C
- XHH, XHHW และ XHHW-W ใช้ฉนวน XLPE (cross-linked polyethylene)
- XHH ใช้สำหรับในสถานที่ชื้นและพิกัดอุณหภูมิ +75°C
- XHHW ใช้ในสถานที่เปียกและพิกัดอุณหภูมิ +75°C
- XHHW2 ใช้ในสถานที่เปียกและพิกัดที่อุณหภูมิ +90°C
ฉนวน XLPE มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นกว่าฉนวนยาง ทำให้ติดตั้งสาย XLPE ได้ง่ายกว่า โดยเฉพาะในอุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ XLPE ยังมีการรั่วซึมที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับฉนวนยาง
โครงสร้างสายเคเบิล
มีหลายวิธีในการนำ VFD TC ไปใช้ หมายเลขชิ้นส่วน CF31-25-04 จาก Igus เป็นตัวอย่างที่ดีขององค์ประกอบทั่วไปหลายประการ ตัวเลขในรายการตรงกับรูปที่ 4:
- ฉนวนด้านนอกผลิตจากส่วนผสม PVC ทนน้ำมันอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันเป็น PVC ยึดเกาะต่ำ ทนน้ำมัน
- ชิลด์ด้านนอกทำจากลวดทองแดงเคลือบดีบุกถักเปียที่ทนต่อการโค้งงอสูง
- ฉนวนด้านในทำจากพีวีซีอัดรีดด้วยแรงดัน
- CFRIP เป็นแถบสำหรับฉีกเฉพาะของ Igus ที่หล่อขึ้นรูปในแจ็คเก็ตด้านในเพื่อการปอกสายเคเบิลที่รวดเร็วยิ่งขึ้น
- ฉนวนแกนกลางของพลาสติกโพลีเอทิลีนแบบเชื่อมขวาง (XLPE) มีพันธะสามมิติภายในพลาสติก XLPE มีความแข็งแรงเชิงกลสูงและความจุต่ำ
- ตัวนำที่แตกต่างกันไปตามแกน < 10 มม.² และแกน ≥ 10 มม.² ตามข้อกำหนด DIN EN 60228
- Central Strain Relief ซึ่งเป็นวัสดุต้านทานแรงดึง
รูปที่ 4: ตัวอย่างสายเคเบิล VFD ที่แสดงองค์ประกอบการป้องกันและวัสดุต้านทานแรงดึง นอกเหนือจากตัวนำกระแสไฟฟ้า (แหล่งที่มาภาพ: Igus)
ทางเลือกอื่น
ÖLFLEX VFD 1XL ของ LAPP เป็นตระกูลสายเคเบิลไดรฟ์ VFD ที่มีฉนวนหุ้มป้องกันน้ำมันและทนต่อรังสียูวีที่ทนทานสำหรับการออกแบบที่ต้องการเส้นผ่านศูนย์กลางของสายเคเบิลที่เล็กกว่า โดยฉนวน XLPE มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กจนทำให้สายเคเบิลเหล่านี้เหมาะสำหรับใช้ในการติดตั้งที่มีสายหนาแน่น ซึ่งสายเคเบิลมาตรฐานอาจมีขนาดใหญ่เกินไป นอกจากนี้ เส้นผ่านศูนย์กลางที่บางลงยังช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการติดตั้งให้เร็วขึ้นอีกด้วย สายเคเบิลมาตรฐาน TC-ER เหล่านี้สามารถติดตั้งได้โดยไม่ต้องใช้ท่อร้อยสาย แต่เส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าและความยืดหยุ่นทำให้การใช้ท่อร้อยสายง่ายขึ้นเมื่อจำเป็นต้องใช้ ซึ่งสายนี้ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ XHHW2 ตัวอย่างเช่น LAPP นำเสนอหลายรุ่นที่มีตัวนำสี่ตัว (รวมสายดิน) พร้อมเดรนเช่นเดียวกับรุ่น 701703 พร้อมตัวนำและรุ่น 10 AWG (5.3 มม.²) 701717 พร้อมตัวนำไฟฟ้า 2 AWG (33.7 มม.²)
Helukabel มีสายเคเบิลหลายแบบที่มีพิกัด TC-ER และ WTTC และมีตัวนำตั้งแต่ 2 ถึง 18 AWG เช่น 12 AWG TC รุ่น 63141 มีตัวนำสี่เส้น ซึ่งมีการป้องกันสองชั้นที่ใช้อลูมิเนียมฟอยล์ (ครอบคลุม 100%) และทองแดงเคลือบดีบุก (ครอบคลุมประมาณ 85%) โดยใช้ฉนวน XLPE และมีแจ็คเก็ต PVC ที่ทนทานต่อน้ำมัน สารหล่อเย็น ตัวทำละลาย และสารทำความสะอาด/ฆ่าเชื้อ สายเคเบิลเหล่านี้มาสามารถใช้งานในการติดตั้งแบบเปิดและไม่มีการป้องกันในถาดสายเคเบิลและจากถาดสายเคเบิลไปยังเครื่อง นอกจากนี้ยังเหมาะสำหรับติดตั้งในท่อร้อยสายหรือฝังโดยตรง
สายเคเบิลที่มีความยืดหยุ่นสูง
Belden นำเสนอ TC หลายตระกูลซึ่งมีตัวนำและการกำหนดค่ากราวด์ที่หลากหลาย โดยใช้ฉนวนและวัสดุป้องกันหลายชนิด (รูปที่ 5) สำหรับการติดตั้งที่ต้องการ TC ที่มีความยืดหยุ่นสูง บริษัทนำเสนอ HighFlex VFD สายเคเบิลที่มีความยืดหยุ่นหลายระดับและรอบการงอสูงสุด 10 ล้านรอบ TC เหล่านี้มีตัวนำทองแดงเคลือบดีบุกตีเกลียวอย่างประณีต โดยบางรุ่นมีสายมากกว่า 2,000 เส้น และแจ็คเก็ต TPE ที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งทำให้มีความยืดหยุ่นเพื่อความสะดวกในการจัดการระหว่างการติดตั้ง เช่น หมายเลขชิ้นส่วน 29501F 0101000 ด้วยพิกัด TC-ER และ WTTC ได้รับการออกแบบมาเพื่อการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องและการใช้งานกับเครื่องจักร และตรงตามข้อกำหนดของ XHHW2 สำหรับการใช้งานในที่ชื้นที่มีอุณหภูมิสูงถึง +90°C การใช้งานเป้าหมายสำหรับสายเคเบิล HighFlex VFD ได้แก่:
- อุปกรณ์กระบวนการทำงาน
- ปั๊มจ่ายไฟ
- ขับมอเตอร์พัดลม
- สายพานลำเลียงวัสดุ
- การขยับแขนหุ่นยนต์
รูปที่ 5: รูปแบบตัวนำและกราวด์บางส่วน รวมถึงวัสดุฉนวนและป้องกันที่ใช้ในสายเคเบิล VFD (แหล่งที่มาภาพ: Belden)
สาย VFD ของ SAB ได้รับการออกแบบมาเพื่อมอบประสิทธิภาพ EMC ที่ดีที่สุด นอกจากนี้ยังมีการออกแบบที่เหมาะกับการงออย่างต่อเนื่องอีกด้วย สายเคเบิลเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนด TC-ER และ WTTC และใช้ฉนวน XLPE เพื่อเพิ่มความจุด้วยสองตัวเลือก: ตัวเลือกหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางลดลงและอีกตัวเลือกหนึ่งรองรับการทำงานที่ยาวนานกว่า ผู้ผลิตมอเตอร์ VFD แต่ละรายมีข้อกำหนดขนาดคู่ที่แตกต่างกันสำหรับ VFD TC แบบคอมโบ และอาจต้องใช้สายเคเบิลที่มีหรือไม่มีสายเดรน สายเคเบิล VFD ของ SAB ประกอบด้วยสายเคเบิลที่ตอบสนองความต้องการการใช้งานส่วนใหญ่ เช่น กำลังไฟพร้อมคู่คอมโบสำหรับเบรกหรือการตรวจจับอุณหภูมิ ตัวเลือกขนาดคู่หลายขนาด รวมถึง 18, 16, 14 และ 12 AWG และบางดีไซน์ที่มีสองคู่ มีการป้องกันสองชั้นที่รวมฟอยล์เข้ากับการถักเปียทองแดงกระป๋อง และการออกแบบสมมาตรกราวด์ก็เป็นตัวเลือก สายเคเบิลเหล่านี้มีรัศมีการโค้งงอ 12 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของสายเคเบิล และพิกัด XHHW2 สำหรับใช้ในสถานที่เปียกชื้นที่อุณหภูมิสูงถึง 90 °C ตัวอย่างที่ดีของสายเคเบิลเหล่านี้คือรุ่น 35661204, สายเคเบิล 12 AWG สี่ตัวนำ
สรุป
สายเคเบิล VFD ใช้ในสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่รุนแรง และต้องทนต่ออุณหภูมิสูง การสัมผัสกับน้ำ น้ำมัน และ/หรือสารเคมีต่างๆ การเลือกสายเคเบิลเหล่านี้เป็นกระบวนการที่ซับซ้อน ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติของฉนวนต่างๆ รวมถึงความสามารถในการทนต่อคลื่นสะท้อนและแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นของโคโรนา การชีลด์ เคเบิลแกลนด์สำหรับการป้องกัน EMC และข้อกำหนด UL, NEC และ NFPA สายเคเบิล VFD ที่ระบุและติดตั้งอย่างถูกต้องช่วยให้การติดตั้งง่ายขึ้นและลดต้นทุน การทำงานของมอเตอร์ดีขึ้น การปล่อยก๊าซคาร์บอนน้อยลง และความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานดีขึ้น

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.