ผลิตภัณฑ์สนับสนุนใดบ้างที่จำเป็นเพื่อเพิ่มประสิทธิผลสูงสุดจากการใช้ VFD และ VSD - ส่วนที่ 1

บทความชุดที่ 1 นี้กล่าวถึงสิ่งที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกสายเชื่อมต่อมอเตอร์ รีแอคเตอร์เอาต์พุต ตัวต้านทานการเบรก รีแอคเตอร์สาย และตัวกรองสาย ตอนที่ 2 ดำเนินการต่อโดยดูความแตกต่างระหว่าง VSD/VFD กับไดรฟ์เซอร์โว ทบทวนการใช้งานของมอเตอร์เซอร์โวแบบหมุนและเชิงเส้นแบบ AC และ DC พิจารณาว่าหน่วยเริ่มต้นทำงาน-หยุดการทำงานแบบนุ่มนวลเหมาะกับการดำเนินการทางอุตสาหกรรมอย่างไร และดูว่าตัวแปลง DC ใช้ในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่อพ่วง เช่น เซ็นเซอร์ อินเทอร์เฟซระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร (HMI) และอุปกรณ์ด้านความปลอดภัยอย่างไร

การใช้ไดรฟ์ความเร็วแปรผันและไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VSD/VFD) เป็นสิ่งจำเป็นในการเพิ่มประสิทธิภาพและความยั่งยืนของการดำเนินงานทางอุตสาหกรรมสูงสุด แต่นั่นก็ยังไม่เพียงพอ เพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจาก VSD/VFD จำเป็นต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติม เช่น สายไฟประสิทธิภาพสูง ตัวต้านทานการเบรก ตัวกรองสาย รีแอคเตอร์สาย รีแอคเตอร์เอาต์พุต และอื่น ๆ อีกมากมาย

การเดินสายไฟเป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไปและมีความสำคัญ สายไฟที่ระบุไม่ดีในการเชื่อมต่อ VSD/VFD เข้ากับมอเตอร์อาจทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลงอย่างมาก องค์ประกอบอื่น ๆ เช่น ตัวต้านทานการเบรก ตัวกรอง และรีแอคเตอร์โหลดจะแตกต่างกันไปตามการติดตั้ง และอาจมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานที่ประสบความสำเร็จ

ตัวอย่างเช่น ระบบบางระบบทำงานในพื้นที่ที่จำเป็นต้องควบคุมสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และสามารถได้รับประโยชน์จากการใช้ตัวกรองสายที่เป็นไปตามมาตรฐาน EN 61800-3 หมวด C2 การใช้งานที่จำเป็นต้องลดความเร็วอย่างรวดเร็วจำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานเบรก เครื่องปฏิกรณ์แบบเส้นสามารถปรับปรุงค่ากำลังไฟฟ้าและเพิ่มประสิทธิภาพได้ และเครื่องปฏิกรณ์แบบเอาต์พุตสามารถทำให้ใช้สายไฟที่ยาวขึ้นได้

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการพิจารณาบางประการเมื่อเลือกสายเชื่อมต่อมอเตอร์และนำเสนอตัวเลือกการเดินสายทั่วไปจาก LAPP และ Belden จากนั้นจะตรวจสอบปัจจัยที่มีผลต่อการเลือกเครื่องปฏิกรณ์เอาต์พุต ตัวต้านทานการเบรก รีแอคเตอร์ไลน์ และตัวกรองไลน์ รวมถึงอุปกรณ์ตัวแทนจาก ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic, และ Siemens

สายมอเตอร์มีให้เลือกหลายรูปแบบเพื่อตอบสนองความต้องการใช้งานเฉพาะ โดยทั่วไปจะมีตัวนำไฟฟ้าหลักสามเส้น มักหุ้มฉนวนด้วยโพลีเอทิลีนเชื่อมขวาง (XLPE) บางแห่งมีสายดินที่ไม่ได้หุ้มฉนวน มีสายสัญญาณหลายประเภทและมีฉนวนป้องกันแบบถักและแบบฟอยล์ให้เลือกมากมาย ชุดประกอบทั้งหมดถูกหุ้มด้วยปลอกหุ้มภายนอกที่ทนทานต่อสิ่งแวดล้อม (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: สายไฟมอเตอร์ VFD มีรูปแบบให้เลือกหลากหลาย (ที่มาของภาพ: Belden)

แม้แต่สายไฟพื้นฐานเช่น Belden Basics รหัสสินค้า 29521C 0105000 เป็นการประกอบที่ซับซ้อนของตัวนำ ฉนวน และการป้องกัน สายไฟเหล่านี้มีตัวนำทองแดงขนาด 14 American Wire Gauge (AWG) จำนวน 3 เส้น (7x22 เส้น) ที่หุ้มฉนวน XLPE และสายดินทองแดงแบบไม่หุ้มฉนวนขนาด 18 AWG จำนวน 3 เส้น (7x26 เส้น) สายไฟทั้ง 6 เส้นนี้ถูกล้อมรอบด้วยเทปพันเกลียวคู่ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ 100% และชุดสายไฟทั้งหมดถูกหุ้มด้วยปลอกโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) เพื่อปกป้องสิ่งแวดล้อม

สายไฟ Belden Basic เหมาะสำหรับใช้ในสถานที่อันตรายระดับ 1 ดิวิชั่น 2 ตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐานไฟฟ้าแห่งชาติ (NEC) ชั้นที่ 1 หมายถึง สิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการจัดการก๊าซ ไอระเหย และของเหลวที่ติดไฟได้ หมวดที่ 2 ระบุว่าวัสดุไวไฟเหล่านี้โดยปกติจะไม่มีอยู่ในความเข้มข้นที่สูงพอที่จะติดไฟได้

ซีรีส์สายไฟบางรายการ เช่น LAPPÖLFLEX VFD 1XL, มีให้เลือกทั้งแบบมีสายสัญญาณและไม่มีสายสัญญาณ แอพพลิเคชั่นที่ได้รับประโยชน์จากการมีสายสัญญาณสามารถหันมาใช้สายไฟ701710 จาก LAPP ได้ ประกอบด้วยสายไฟ 3 เส้น สายดิน และสายสัญญาณ 1 คู่ ตัวนำไฟฟ้าเป็นแบบ 16 AWG (26x30 แบบตีนตุ๊กแก) พร้อมฉนวน XLPE (บวก) คู่สัญญาณได้รับการป้องกันด้วยฟอยล์แยกกัน

ชุดประกอบทั้งหมดได้รับการป้องกันด้วยเทปกั้น เทปฟอยล์ 3 ชั้น (ครอบคลุม 100%) และเทปถักทองแดงชุบดีบุก (ครอบคลุม 85%) แจ็คเก็ตภายนอกเป็นเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ (TPE) ที่ได้รับการคิดค้นเป็นพิเศษซึ่งทนต่อสารละลายฆ่าเชื้อ และโดยทั่วไปแล้วจะใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องดื่ม เคมีภัณฑ์ และอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง

นอกเหนือจากการจัดการพลังงานและสัญญาณอย่างเชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพแล้ว สายไฟ VFD ยังต้องสามารถจัดการกับระดับแรงดันไฟฟ้าสูงและสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่เกิดจากการทำงานความถี่สูงของไดรฟ์ได้อีกด้วย แม้ว่าสายไฟ VFD จะได้รับการออกแบบมาเพื่อควบคุมและจัดการไฟกระชากสูงและ EMI แต่ก็ยังมีข้อจำกัด (รูปที่ 2) นั่นเป็นตอนที่รีแอคเตอร์โหลดลดแรงดันไฟฟ้าสูงและ EMI

รูปที่ 2: แรงดันไฟฟ้าสูงที่ไม่ได้รับการควบคุมอาจทะลุฉนวนและทำให้สายไฟล้มเหลวได้ (ที่มาของภาพ : LAPP)

สำหรับการอภิปรายโดยละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเลือกสาย VFD โปรดดู “การระบุและการใช้สายไฟ VFD เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือและความปลอดภัย และลดการปล่อยคาร์บอน -

รีแอคเตอร์โหลด

ปฏิกิริยาโหลด หรือที่เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยาเอาต์พุต เชื่อมต่อใกล้กับเอาต์พุตของไดรฟ์เพื่อลดผลกระทบของไฟกระชากสูงและ EMI และยังช่วยปกป้องฉนวนสายไฟทั้งในสายไฟและมอเตอร์อีกด้วย VSD/VFD ผลิตเอาต์พุตความถี่สูง (โดยทั่วไประหว่าง 16 ถึง 20 kHz) การสลับความถี่สูงทำให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นในเวลาไม่กี่ไมโครวินาที ส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงที่อาจเกินระดับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของมอเตอร์ ส่งผลให้ฉนวนเสียหาย

ขึ้นอยู่กับประเภทของมอเตอร์ที่ใช้ โดยมักจะแนะนำให้ใช้รีแอคเตอร์โหลดหากความยาวสายไฟ VFD เกิน 30 ม. (100 ฟุต) มีข้อยกเว้น เช่น ถ้ามอเตอร์เป็นไปตามมาตรฐาน NEMA MG-1 ส่วนที่ 31 คุณอาจใช้สายไฟยาว 90 ม. (300 ฟุต) ได้ โดยไม่ต้องใช้รีแอคเตอร์โหลด

ไม่ว่ามอเตอร์จะเป็นประเภทใด โดยทั่วไปขอแนะนำให้ใช้รีแอคเตอร์โหลดหากความยาวสายไฟเกิน 90 ม. หากระยะห่างเกิน 150 ม. โดยทั่วไปแนะนำให้ใช้ตัวกรองที่ออกแบบเป็นพิเศษ ในสภาพแวดล้อมที่มีความอ่อนไหวต่อ EMI การใช้รีแอคเตอร์โหลดสำหรับทุกแอปพลิเคชันถือเป็นแนวทางปฏิบัติที่ดีโดยปกติ

โดยทั่วไปแล้วรีแอคเตอร์โหลดได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับรุ่นไดรฟ์เฉพาะ เช่นรุ่น 3G3AX-RAO04600110-DE จาก Omron เป็นรีแอคเตอร์โหลดได้รับการจัดอันดับสำหรับ 11 A และ 4.6 mH และได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับมอเตอร์สามเฟส 400 V 5.5 kW ที่ขับเคลื่อนโดย 3G3MX2-A4040-V1 VFD ของทางบริษัท

ตัวต้านทานเบรกและโหลดความร้อนเกิน

นอกเหนือจากรีแอคเตอร์โหลดแล้ว ตัวต้านทานการเบรกและอุปกรณ์ปิดการทำงานเกินความร้อนยังอาจเป็นสิ่งจำเป็นในการเพิ่มเติมด้านเอาต์พุตของ VSD/VFD อีกด้วย ตัวต้านทานการเบรกช่วยให้ได้รับแรงบิดในการเบรกสูงสุดชั่วขณะโดยการดูดซับพลังงานในการเบรก ตัวต้านทานการเบรกส่วนใหญ่จะกระจายพลังงาน ในขณะที่บางตัวใช้เป็นส่วนหนึ่งของระบบเบรกแบบสร้างพลังงานใหม่ซึ่งทำหน้าที่จับและรีไซเคิลพลังงาน

ตัวต้านทานการเบรกแบบกระจายความร้อนได้รับการจัดอันดับสำหรับการใช้งานเฉพาะ Schneider Electric VW3A7755 ตัวต้านทานเบรก 8 Ω สามารถกระจายความร้อนได้สูงถึง 25 กิโลวัตต์ ในขณะที่ Delta Electronics BR300W100 ตัวต้านทานเบรก 100 Ω ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 300 W

การใช้งานตัวต้านทานการเบรกถูกกำหนดโดยใช้เปอร์เซ็นต์ของการสูญเสียพลังงาน (ED%) ค่า ED% ที่กำหนดช่วยให้ตัวต้านทานสามารถกระจายความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการเบรกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ED% ถูกกำหนดโดยสัมพันธ์กับการสูญเสียพลังงานสูงสุด ระยะเวลาการเบรก (T1) และเวลาของรอบโดยรวม (T0) ในรูปที่ 3

รูปที่ 3: นิยามของเปอร์เซ็นต์การสูญเสียพลังงาน (ED%) (แหล่งที่มาภาพ: Delta Electronics)

ค่า ED% จะถูกกำหนดขึ้นตามความรุนแรงของการเบรก เพื่อให้แน่ใจว่ามีเวลาเพียงพอสำหรับชุดเบรกและตัวต้านทานเบรกในการระบายความร้อนที่เกิดจากการเบรก หากตัวต้านทานเบรกร้อนขึ้นเนื่องจากการกระจายความร้อนไม่เพียงพอ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ทำให้การไหลของกระแสไฟฟ้าและแรงบิดเบรกที่ดูดซับลดลง

ตัวต้านทานการเบรกสามารถกำหนดได้จากรอบการกระจายต่างๆ เช่น:

• การเบรกแบบเบา โดยกำลังเบรกจะถูกจำกัดไว้ที่ 1.5 เท่าของแรงบิดที่กำหนด (Tn) เป็นเวลา 0.8 วินาที ทุกๆ 40 วินาที ใช้กับเครื่องจักรที่มีแรงเฉื่อยจำกัด เช่น เครื่องฉีดพลาสติก
• การเบรกระดับกลาง โดยกำลังเบรกถูกจำกัดไว้ที่ 1.35 Tn เป็นเวลา 4 วินาที ทุก ๆ 40 วินาที ใช้กับเครื่องจักรที่มีแรงเฉื่อยสูง เช่น แท่นกดล้อหมุนและเครื่องเหวี่ยงอุตสาหกรรม
• การเบรกอย่างรุนแรงโดยจำกัดกำลังเบรกไว้ที่ 1.65 Tn เป็นเวลา 6 วินาทีและ Tn เป็นเวลา 54 วินาทีทุก ๆ 120 วินาที ใช้กับเครื่องจักรที่มีแรงเฉื่อยสูงมาก มักมีการเคลื่อนที่แนวตั้งร่วมด้วย เช่น รอกและเครน

นอกจากตัวต้านทานการเบรกแล้ว ระบบส่วนใหญ่ยังรวมถึงหน่วยโอเวอร์โหลดความร้อนที่เชื่อมต่อกับตัวต้านทานเบรกเป็นมาตรการป้องกันความปลอดภัย เช่น ระบบควบคุม ABB TF65-33 รีเลย์โอเวอร์โหลดความร้อน หน่วยโอเวอร์โหลดความร้อนช่วยปกป้องตัวต้านทานและระบบขับเคลื่อนจากการเบรกบ่อยเกินไปหรือแรงเกินไป เมื่อตรวจพบการโอเวอร์โหลดทางความร้อน ไดรฟ์จะปิด การปิดฟังก์ชันการเบรกเพียงอย่างเดียวอาจส่งผลให้ระบบขับเคลื่อนเสียหายร้ายแรงได้

การป้องกันบนอินพุตไดรฟ์

เครื่องปฏิกรณ์เส้นและตัวกรองบนอินพุตไดรฟ์จะจำกัดฮาร์โมนิกความถี่ต่ำและ EMI ความถี่สูง ตามลำดับ (รูปที่ 4) เครื่องปฏิกรณ์ไลน์ช่วยลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกของพลังงานอินพุต AC ที่เกิดจากวงจรไดรฟ์ สิ่งเหล่านี้อาจมีประโยชน์อย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของ IEEE-519 “การควบคุมฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้า” นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์แบบเส้นยังช่วยปรับระดับการรบกวนของไฟหลัก เช่น ไฟกระชาก ไฟกระชาก และไฟชั่วขณะ ทำให้ความน่าเชื่อถือในการทำงานเพิ่มขึ้น และป้องกันการปิดระบบเนื่องจากไฟเกิน

รูปที่ 4: ตัวกรองสายจำกัด EMC ความถี่สูง ในขณะที่ตัวปฏิกรณ์สายจำกัดฮาร์โมนิกความถี่ต่ำ (ที่มาภาพ : ซีเมนส์)

ตัวอย่างของเครื่องปฏิกรณ์แบบเส้น ได้แก่ DV0P228 ตัวเหนี่ยวนำ 2 mH ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 8 A ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มผลิตภัณฑ์ไดรฟ์สามเฟสและอุปกรณ์เสริมของ Minas จาก Panasonic และ Siemens 6SL32030CE132AA0 ตัวเหนี่ยวนำ 2.5 mH ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับไดรฟ์สูงสุด 1.1 kW ที่ดึงกระแสไฟฟ้าเข้าสูงสุด 4 A และทำงานจาก 3 เฟส 380 V_AC -10% ถึง 480 V_AC เพิ่มพลัง +10%

ไลน์ฟิลเตอร์

ต้องใช้ตัวกรองสายเพื่อรองรับความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และให้การป้องกัน EMI ในการใช้งานส่วนใหญ่ ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจง ตัวกรอง EMI จะถูกแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ คลาส A และคลาส B ซึ่งใช้ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมและสภาพแวดล้อมเชิงพาณิชย์ (อาคาร) ตามลำดับ คลาส B ต้องใช้ระดับการกรองที่สูงกว่าคลาส A เนื่องจากสภาพแวดล้อมเชิงพาณิชย์ (สำนักงาน อาคารบริหาร ฯลฯ) โดยทั่วไปจะประกอบด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อ EMI มากกว่า

มาตรฐาน EMC ที่เกี่ยวข้องได้แก่ EN 55011 ซึ่งมีรายละเอียดข้อจำกัดการปล่อยมลพิษสำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ และ IEC/EN 61800-3 ซึ่งเกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับไดรฟ์ความเร็วปรับได้

VFD/VSD มีจำหน่ายทั้งชนิดมีและไม่มีตัวกรองสายแบบบูรณาการ หากมีตัวกรอง อาจเป็นคลาส A หรือคลาส B ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมและปัจจัยในการติดตั้ง เช่น ความยาวของสายไฟ แม้แต่ไดรฟ์ที่มีตัวกรองในตัวก็อาจต้องใช้ตัวกรองเพิ่มเติม ไดรฟ์ที่ได้รับการจัดอันดับการทำงานในสภาพแวดล้อมคลาส A ยังสามารถใช้งานในสภาพแวดล้อมคลาส B ได้โดยการเพิ่มตัวกรองเสริม

IEC/EN 61800-3 กำหนดข้อกำหนด EMC ตามสภาพแวดล้อมและหมวดหมู่ อาคารที่พักอาศัยถูกกำหนดให้เป็นสภาพแวดล้อมแรก และการติดตั้งอุตสาหกรรมที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายจำหน่ายแรงดันปานกลางผ่านหม้อแปลงไฟฟ้าจะถูกกำหนดให้เป็นสภาพแวดล้อมที่สอง

สี่หมวดหมู่ที่กำหนดไว้ใน EN 61800-3 ได้แก่:

• C1 สำหรับระบบขับเคลื่อนสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด < 1,000 V สำหรับการใช้งานแบบไม่จำกัดในสภาพแวดล้อมแรก
• C2 สำหรับระบบขับเคลื่อนคงที่สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด < 1,000 V เพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่สองและอาจใช้ได้ในสภาพแวดล้อมแรก
• C3 สำหรับระบบขับเคลื่อนสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด < 1,000 V สำหรับการใช้งานเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่สอง
• ข้อกำหนดพิเศษ C4 สำหรับระบบขับเคลื่อนสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด ≥ 1,000 V และกระแสไฟฟ้าที่กำหนด ≥ 400 A ในสภาพแวดล้อมที่สอง

มีตัวกรองสายทั่วไปให้เลือกใช้ แต่เช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์สาย ตัวกรองสายมักได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับกลุ่มไดรฟ์เฉพาะ ตัวอย่างเช่น VW3A4708 ตัวกรองสายจาก Schneider Electric ได้รับการจัดอันดับที่ 200 A (รูปที่ 5) ได้รับการออกแบบมาสำหรับไดรฟ์เซอร์โว Altivar VSD และ Lexium ของบริษัท ได้รับการจัดอันดับสำหรับแรงดันไฟหลักตั้งแต่ 200 V_AC ถึง 480 V_AC และมีดัชนีการป้องกัน IP20 ค่า EN 61800-3 ขึ้นอยู่กับความยาวสายไฟมอเตอร์:

• หมวด C1 ใช้สายไฟหุ้มฉนวนยาวสูงสุด 50 ม.
• หมวด C2 ใช้สายไฟหุ้มฉนวนสูงสุด 150 ม.
• หมวด C3 ใช้สายไฟหุ้มฉนวนยาวสูงสุด 300 ม.

รูปที่ 5: ตัวกรองไฟ 200 A ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับแรงดันไฟหลักตั้งแต่ 200 V_แอร์ ถึง 480 โวลต์_แอร์ - (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

สรุป

VSD และ VFD เป็นระบบสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินการทางอุตสาหกรรมและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกให้เหลือน้อยที่สุด ไดรฟ์เหล่านี้ต้องใช้ส่วนประกอบรองรับหลายชิ้นเพื่อให้แน่ใจว่าการติดตั้งมีประสิทธิผลและเชื่อถือได้ซึ่งตรงตามมาตรฐานสากลที่เกี่ยวข้อง รวมถึงสาย VFD รีแอคเตอร์เอาต์พุต ตัวต้านทานการเบรก รีแอคเตอร์สาย และตัวกรองสาย