可変速ドライブ用モーターケーブル

PWM可変速ドライブのモーターケーブルは、予期しない影響を与える可能性があります。このブログでは、VSD用のモーターケーブルを選択して取り付けるときに必要ないくつかの特別な考慮事項について説明します。

定格電流

定常状態の負荷モーター電流は、モーターでVSDを使用してもそれほど変化しません。ドライブのモーター電流保護機能は、過負荷が発生した場合のモーターとケーブルの熱保護について（ULなどによって）承認されています。したがって、モーターケーブルの基本的な定格電流は、オンラインで直接接続されているモーターの場合と同じです。

ケーブルのサイジングと電圧降下–ケーブルのサイジングコード

ケーブル計画ソフトウェアパッケージを含む、電気工事業者が使用するケーブルサイジングコードには、多くの場合、モーター用の特別な規定があります。これらは、電力線への直接接続によって始動される標準的な産業用誘導モーターに基づいています（「直接オンライン」DOL始動）。長いケーブルは、始動時のケーブルのインダクタンスと抵抗の電圧降下を制限するために、連続全負荷電流定格によって示されるよりも大きくする必要がある場合があります。一般的な産業用誘導電動機は、走行速度に達する前のスリップが大きいため、最大定格値の約5倍のDOL始動電流を消費します。また、図1に示すように、始動中の使用可能なトルクはそれほど高くありません。負荷トルクが低速で維持されている場合、ケーブルの過度の電圧降下によってモーターが始動できなくなる可能性があります。

図1：誘導電動機をオンラインで直接始動する際の電流とトルク

可変速ドライブを使用する場合、モーターのスリップは常に低く、始動時の電流は短期定格を超えることはありません（たとえば、アプリケーションに応じて110％または150％）。また、ドライブはモーターとそのケーブルで調整できるため、ケーブルの電圧降下が補償されます。基本速度よりも低い速度では、ドライブの機能と動作磁束密度を達成するために必要な電圧の間に電圧ヘッドルームがあります。モーター。したがって、VSDを使用すると、始動時の電圧降下を減らすためにケーブルのサイズを大きくする必要はありません。長いモーターケーブルを使用する設置では、この事実によりケーブルコストを大幅に節約できます。設置を計画するためにケーブルサイジングソフトウェアを使用する場合、VSDを備えたモーターは、モーターの始動電流に対する不要な許容値を回避するために、モーターではなく単純な抵抗負荷として設定する必要があります。

ケーブルの種類–スクリーニング（シールド）

VSD出力は、パルス幅変調（PWM）を使用して、モーターを制御するための調整可能な電圧と周波数を備えた電源を作成します。パルスのエッジは速く、立ち上がり/立ち下がり時間は100nsのオーダーです。これは、モーターとモーターケーブルの電圧の周波数成分が高い無線周波数まで拡張されることを意味します。一般に、約10 MHzまでの周波数には非常に高いレベルがあり、約50MHzまではかなりのレベルがあります。電磁干渉（EMI）を回避するには、電磁エネルギーの放出が抑制されるようにケーブルを遮蔽する必要があります。接地されたスクリーンの存在は電界放出を防ぎ、モーターとインバーターの両方の端でスクリーンを正しく接続することで、最小の自己インダクタンスを持つ結合を使用して、電界放出を防ぎます。両方が必要です。

誤って管理されたモーターケーブルからの放出の可能性は、無線周波数通信と、これらの周波数範囲の外乱に敏感なセンサーやデータ回路などの近くの電子機器の両方に影響を与える可能性があります。ドライブIEC61800-3（EN 61800-3）の電磁両立性（EMC）規格では、モーターケーブルを遮蔽する必要があります。そうしないと、ドライブ出力を非常に高価で扱いにくい無線周波数フィルターデバイスを介して接続する必要があります。

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実用的なテストでは、鋼または銅を使用したケーブルスクリーンは、ケーブルの長さに沿って良好な連続カバレッジと連続性があれば、同等に効果的であることが示されています。これにより、画面に沿って流れる無線周波数電流が促進され、図2に示すように、パワーコアのコモンモード電流によって引き起こされる磁場がキャンセルされます。

図2：両端にスクリーンが接続されたシールドケーブルによる外部磁場のキャンセル

接地（アース）

モーターの接地接続は、主にモーターの地絡が発生した場合の安全を確保するためのものです。接地接続は、安全装置（ヒューズまたは回路ブレーカー）が電流を遮断するまで故障電流を流さなければなりませんが、モーター本体の接触電圧[1]は安全限界内にとどまります。

通常、VSDは、地絡電流をヒューズや回路ブレーカーよりもはるかに低いレベルと短い持続時間に制限します。ただし、これを実現するために複雑な半導体デバイスと回路に依存しているため、失敗する可能性があります。したがって、安全上の理由から、アース接続のグランドループインピーダンスは、VSDがない場合と同じである必要があります。究極の保護は、ドライブに給電する上流の保護デバイスによって提供されます。接地導体の寸法の選択は、直接給電モーターの場合とまったく同じです。これを図3に示します。

図3：モーターの地絡経路とタッチ電圧

上で説明したように、VSDのモーターケーブルはスクリーニングする必要があります。この画面が安全接地接続も提供できるかどうかは、そのインピーダンスと接地に使用される実施基準に依存します。特別な計算の必要性を回避するために、別の銅製接地導体を使用するのが一般的です。

遮蔽されたモーターケーブル（つまり、4芯ケーブル）内でアース線を使用するのか、外部ケーブルを使用するのかという疑問が生じることがあります。安全性の観点から、両方のソリューションは同等に優れています。 EMCの理由からも、両方の方法が機能しますが、4芯ケーブルには注意が必要です。グランドコアは、ケーブル内の電源コアから拾い上げられた非常に高いノイズ電流を運びます。インバータの配線パネル内でケーブルスクリーンの終端から離れた場所に移動すると、パネルのアース配線にノイズ電流が流れ込み、信号回路に支障をきたす恐れがあります。図4に示すように、画面の終端に物理的に非常に近いインバータパネルに接続する必要があります。

図4：4芯スクリーンモーターケーブルのアース（PE）芯の正しい管理

静電容量とインダクタンス

モーターケーブルには、自然な自己容量とインダクタンスがあります。電力周波数では、静電容量の影響はごくわずかですが、インダクタンスは小さな電圧降下を引き起こしますが、これは非常に長いケーブル配線と高いDOL開始電流を除いて主に無視できます。

インバータからの急上昇PWMパルスへの影響ははるかに重要です。すべてのパルスエッジで、ケーブル容量を放電する必要があります。これにより、すべてのエッジで非常に大きいが短い電流パルスが発生します。これらは高周波電界放出を引き起こす可能性があり、またスイッチング中にインバータパワー半導体に負荷を形成します。

幸い、ケーブルのインダクタンスは静電容量とともにケーブルに沿って分布し、充電電流を制限する効果があります。正味の効果は「電信方程式」で記述され、ケーブルパラメータ Z ₀になります。 、特性インピーダンス、および v 、伝播速度。

各PWMパルスエッジで、電流が流れてケーブルを充電します。これは次の式で与えられます。

ここで、=インバータのDCリンク電圧

同軸ケーブルの場合、特性インピーダンスは次の式で与えられます。

場所：

=誘電体（絶縁体）の比誘電率

=外部導体の内径

=内部導体の外径

3相シールドケーブルでは、形状は単純な同軸形状ではありませんが、その動作は類似しており、インピーダンスは誘電率と内導体と外導体の比誘電率の関数です。ケーブルに使用される形状と誘電体は大きく変化しません。対数項は、インピーダンスが形状の変化にあまり敏感ではないことを意味します。 の測定値 標準の遮蔽電源ケーブルの場合、2.5 mm ² で約45オームの範囲です。 120 mm ² の場合は15オームにケーブル接続 ケーブル。これは、定格電流が約20Aを超える大型ドライブの場合、充電電流は重要ではないことを意味しますが、定格が約10A未満の場合、影響があり、ドライブは、過度の電力損失や不要な過充電なしに充電電流を供給するように設計する必要があります。現在のトリップ。

電流パルスの持続時間はケーブルの長さによって決まります。これは、パルスがモーターの端に移動してから逆反射として戻る時間に等しくなります。ケーブルが長いほど、インバータへの影響が大きくなります。

一部の特殊ケーブルでは、値が異常になる可能性があります

電力コアとスクリーンの間に絶縁ジャケットがない場合、直径の比率を大幅に減らすことができます。これは、柔軟性の高いスクリーン付き電源ケーブルで発生する可能性があります。ミネラル絶縁銅被覆ケーブル（MICC）も直径の比率が低く、ミネラル絶縁体の誘電率が高いため、インピーダンスが非常に低くなります。

実効電流が低くなるもう1つの状況は、1本の大口径ケーブルを使用するのではなく、複数のケーブルを並列に接続して必要な定格電流を達成する場合です。このような場合、ケーブルの全長が非常に短い場合を除いて、ケーブルの充電電流を制限するために、ドライブとケーブルの間に直列チョークを追加する必要があることがよくあります。制御技術では、インストーラーが3本のケーブルを並列に使用し、各フェーズに3本のコアを持つ1本のケーブルを使用する場合があります。フェーズコアの主電源周波数電流がスクリーンに向流を誘導し、スクリーンが加熱される可能性があるため、この配置はどのような場合でも悪い習慣です。 VSDと併用すると、電源コアとグランド間の過剰な静電容量から非常に高い漂遊電流が発生し、近くの回路との高周波干渉を引き起こし、過剰なコモンモード（グランド）を介してRFIフィルタに過負荷をかけるリスクがあります。現在。正しい方法と間違った方法を図5に示します。

図5：電源ケーブルを並列に接続するための正しい方法と間違った方法

上記では、インピーダンスが適用されるケーブルのモードを特に区別していません。通常、これほど詳細を考慮する必要はありませんが、ドライブに影響を与える主なモードは次のとおりです。

• 単純な非対称モード。他のすべてのコアと画面に対して1つのコアがあります。これはドライブの負荷に関連しますが、接地電流やフィルターの負荷には関連しません。
• コモンモード、すべての電源コアをスクリーンに接続し、取り付けられている場合はアースコアに接続します。これは、接地電流とフィルター負荷に関連しています。

モーター電圧のオーバーシュートと変化率（dv / dt）

ケーブルの静電容量とインダクタンスにより、パルスエッジのモーター端子で電圧オーバーシュートが発生します。電信方程式の観点から、これらはインピーダンスの不一致によって引き起こされるモーター端子での反射として理解できます。非常に短いケーブルでも、オーバーシュートが発生します。インバーターと急速に変化するパルスに慣れていない場合、これは驚くべきことです。マイクロ秒のタイムスケールでは、モーターの電圧は、相互に接続されていても、インバーターの電圧とはかなり異なります。

モーターには、電圧の立ち上がり時間に依存する耐電圧機能があります。立ち上がり時間が約0.8マイクロ秒未満の場合、電圧が巻線の最初のターンに集中する傾向があり、ターン間の絶縁にストレスがかかるため、耐電圧が低下する可能性があります。ほとんどのモーターは、特別な対策を講じることなく、400Vまたは480V電源で動作するインバータードライブで使用するように設計されています。 690 Vモーターの場合、早期の絶縁不良のリスクを回避するために、専用に設計されたインバーター定格のモーターを使用することを強くお勧めします。このようなモーターは、IECドキュメントTS 60034-25（「コンバーター供給用に特別に設計されたACモーターの設計と性能に関するガイダンス」）に記載されているガイダンスに従って指定する必要があります。

複数のモーター

場合によっては、1つのドライブから多数のモーターを操作することが望ましい場合があります。たとえば、小さな換気ファンを建物の周囲に取り付けて、それぞれが独自のケーブルを備えた単一のドライブから駆動することができます。この状況では、ケーブルの静電容量はその全長によって決まりますが、セクションのインダクタンスは、直列ではなく、ドライブに並列に表示されます。 nの場合 ドライブのパルスエッジで見られるインピーダンスがケーブルである

この場合、容量充電パルスを制限するために直列チョークを使用する必要があります。そうしないと、ドライブは、高い充電電流によって引き起こされる時期尚早の過電流トリップまたは制限を受ける可能性があります。