Comment sélectionner des câbles pour une commande moteur VFD et un retour d'informations de capteurs fiables

L'automatisation industrielle et les efforts visant à améliorer le rendement énergétique conduisent à une utilisation accrue des variateurs de fréquence (VFD) dans les systèmes à moteurs, tels que les convoyeurs, les pompes et les robots industriels. La sélection des câbles pour ces moteurs est complexe et ne se limite pas au simple choix d'un calibre de fil en fonction du courant de charge et d'un indice d'isolation pour la tension de fonctionnement.

Les systèmes de moteurs VFD modernes utilisent une électronique de puissance à découpage qui génère des signaux de commande à modulation de largeur d'impulsion (PWM) avec des fronts très rapides. Ces temps de transition rapides peuvent exacerber les réflexions causées par les désadaptations d'impédance entre le câble et les bornes du moteur, entraînant la formation d'ondes stationnaires qui augmentent les contraintes de tension le long du câble. De plus, la capacité des câbles ligne-à-ligne et ligne-à-terre peut affecter les performances de commande et augmenter les courants de charge. Étant donné que les signaux PWM VFD sont riches en harmoniques haute fréquence, les câbles des moteurs doivent être blindés efficacement pour réduire les interférences électromagnétiques (EMI).

Cet article offre un bref aperçu des variateurs de fréquence et explore les défis auxquels les concepteurs sont confrontés lorsqu'ils sélectionnent les câbles des moteurs VFD afin de garantir un fonctionnement, une fiabilité et une sécurité corrects. Il présente ensuite des câbles VFD de LAPP et démontre comment ils peuvent être utilisés pour fournir une alimentation et des signaux de commande stables tout en réduisant les émissions et la sensibilité EMI dans les environnements difficiles.

Introduction aux variateurs de fréquence

L'automatisation industrielle requiert des moteurs fiables et efficaces, capables de fonctionner dans les deux sens sur toute la plage de vitesses. Les variateurs de fréquence, parfois appelés variateurs de vitesse, sont des contrôleurs moteurs qui régulent la vitesse et le couple d'un moteur à induction CA (ACIM) en faisant varier la fréquence d'entrée, la tension et le rapport cyclique de l'alimentation du moteur. Ils fonctionnent en redressant l'entrée CA et en utilisant la sortie CC pour générer des signaux PWM afin d'entraîner le moteur. En ajustant la fréquence, la largeur et l'amplitude de ces impulsions, la vitesse et le couple de sortie du moteur peuvent être contrôlés dans une large gamme de systèmes motorisés.

Pour remplir sa fonction, un VFD se compose de trois composants principaux (Figure 1) : un redresseur changer le courant alternatif en courant continu, un onduleur pour transformer le courant continu en un flux PWM et un contrôleur VFD.

Figure 1 : Un variateur de fréquence redresse son entrée CA et utilise le courant continu pour générer des signaux PWM afin de contrôler la vitesse et le couple de sortie du moteur. (Source de l'image : Art Pini)

Le contrôleur surveille le fonctionnement du moteur grâce à des capteurs, y compris des dispositifs de rétroaction de résolveur/codeur, des tachymètres et des capteurs de température et de vibrations, afin de gérer les paramètres clés du moteur.

Le redresseur utilise des diodes classiques suivies d'un filtre. L'onduleur utilise des transistors à effet de champ (FET) de puissance ou des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Ces modules sont commandés par des circuits d'attaque de grille haute tension isolés, gérés par le contrôleur VFD.

Le fonctionnement du VFD diffère du fonctionnement CA triphasé traditionnel car les signaux commandant le moteur ne sont pas des ondes sinusoïdales mais plutôt des impulsions PWM (Figure 2).

Figure 2 : Les impulsions PWM d'un VFD génèrent une réponse en courant sinusoïdal dans les enroulements du moteur. (Source de l'image : LAPP)

La fréquence du signal PWM se situe généralement entre 2 kHz et 20 kHz. L'onduleur connecte alternativement le moteur au bus CC positif et négatif, et à la tension CC commune. La tension de bus CC est proche de la tension secteur CA de crête. La forme d'onde PWM VFD appliquée crée une réponse en courant sinusoïdal qui contrôle la vitesse et le couple du moteur.

Le besoin de câbles spéciaux pour connecter le VFD au moteur résulte des caractéristiques de la forme d'onde PWM. Cette forme d'onde, en tant qu'impulsion rectangulaire, présente un large spectre de fréquences riche en harmoniques. Les câbles VFD sont conçus pour réduire le rayonnement de ces signaux haute fréquence. De plus, afin de minimiser les pertes de commutation dans les commutateurs de l'onduleur et de maximiser le rendement, les transitions d'impulsions sont effectuées aussi rapidement que possible. Cela entraîne des fronts d'impulsion avec des taux de variation de tension élevés (dV/dt). Ces caractéristiques, combinées à des fronts rapides et à un contenu spectral élevé, peuvent entraîner des niveaux d'EMI élevés. Les fronts rapides peuvent également générer des réflexions sur la ligne de transmission en cas de variations d'impédance le long du câble. Les réflexions créent des ondes stationnaires dans le câble, augmentant la tension sur toute sa longueur et exigeant une tension nominale plus élevée pour le câble du variateur de fréquence.

La capacité du câble entre les conducteurs métalliques constitue un autre problème. Lorsque les commutateurs de l'onduleur connectent le câble au bus CC, une pointe de courant se produit, chargeant les capacités du câble. Cela peut augmenter les niveaux de courant instantanés et potentiellement endommager le câble. Ce courant de mode commun peut circuler entre les phases ou d'une phase à la terre. Il peut également trouver un chemin de retour à la terre via le châssis du moteur, en passant dans les roulements du moteur. Les courants circulant à travers les roulements peuvent provoquer des piqûres sur leurs surfaces, ce qui réduit la durée de vie du moteur. Ces problèmes sont généralement observés avec les variateurs de fréquence fonctionnant à plus hautes tensions, avec une puissance nominale du moteur (HP) plus élevée et des longueurs plus étendues.

Comme pour tous les fils et câbles, des pertes de puissance peuvent survenir en raison du courant circulant à travers la résistance CC du câble. De plus, en raison de la bande passante spectrale plus large des signaux PWM, la résistance du câble peut augmenter à cause de l'effet pelliculaire. Ces effets de résistance varient en fonction de la longueur du câble.

Les câbles VFD répondent directement aux défis de connexion

La gamme de câbles ӦLFLEX VFD 2XL with Signal (Figure 3) est conçue pour la maintenance VFD dans les environnements industriels et les installations fixes, et pour les applications nécessitant une flexion occasionnelle. Elle permet de résoudre bon nombre des problèmes rencontrés lors de l'utilisation de VFD.

Figure 3 : Deux vues d'un câble ӦLFLEX VFD 2XL with Signal typique illustrant les fonctionnalités de conception clés liées aux applications VFD. (Source de l'image : Art Pini, d'après des documents fournis par LAPP)

La caractéristique la plus importante est la structure des conducteurs d'alimentation. Le toronnage du câble influence sa flexibilité et son courant admissible. Cette gamme de câbles VFD de LAPP répond aux normes de toronnage de classe 5 en Amérique du Nord et en Europe. Les conducteurs de classe 5 sont constitués de plusieurs fils en cuivre étamé très fins, agencés de manière à créer des câbles extrêmement flexibles. La surface de mil circulaire (CMA) peut dépasser celle des tailles AWG (American Wire Gauge) équivalentes. Cela se traduit par une résistance en courant continu plus faible, une chute de tension inférieure dans le câble et une perte de puissance réduite. La paire de fils de signaux présente un diamètre plus petit et est conforme au toronnage de classe K.

Chaque câble comprend trois fils d'alimentation noirs isolés identifiés par une étiquette de phase imprimée, un fil de terre rayé vert/jaune et un câble de signal blindé à paire torsadée à deux conducteurs.

Les fils à l'intérieur du câble sont isolés individuellement avec du polyéthylène réticulé (XLPE), un plastique thermodurci qui résiste à la chaleur, à l'humidité et aux produits chimiques. Le XLPE affiche d'excellentes propriétés thermomécaniques qui lui permettent de résister à la chaleur due aux conditions de surintensité. Il présente également une constante diélectrique plus faible, ce qui réduit la capacité du câble et contribue à minimiser les courants de charge et de mode commun. De plus, cette constante diélectrique plus faible permet un espacement moindre entre les conducteurs isolés, réduisant le diamètre du câble tout en augmentant la tension de fonctionnement maximum.

La gaine extérieure du câble est fabriquée à partir d'un élastomère thermoplastique (TPE) spécialement formulé. Le TPE est un matériau flexible et durable qui associe les qualités du plastique et du caoutchouc. Il offre une excellente résistance à la chaleur, aux huiles, aux produits chimiques, aux rayons ultraviolets et à l'ozone, ce qui le rend idéal pour les environnements industriels.

La gamme ӦLFLEX VFD 2XL est dotée d'un blindage métallique pour minimiser les interférences électromagnétiques rayonnées. Le blindage primaire est constitué d'un ruban métallique à trois couches offrant une couverture de 100 %. La protection secondaire est constituée d'une tresse en cuivre étamé avec une couverture de 85 %. Un ruban protège les fils conducteurs isolés sous les couches de blindage. Correctement mis à la terre, ces blindages offrent une protection EMI en empêchant les interférences externes de pénétrer dans le câble et en réduisant le rayonnement émis par le câble lui-même. Un fil de masse avec blindage s'étend sur toute la longueur du câble et offre des options de mise à la terre flexibles.

La paire de signaux torsadée à plus petit calibre de fil est utilisée pour les connexions de commande ou de capteurs, comme la commande de frein ou les capteurs de température. La paire de signaux est également blindée avec un ruban métallique et dispose de son propre fil de masse.

Sélectionner des câbles ӦLFLEX VFD de LAPP

Les performances globales d'un système de moteur VFD dépendent en grande partie du choix du câble VFD approprié. La gamme ӦLFLEX 2XL VFD with Signal offre une variété de calibres de fils pour s'adapter aux différentes tailles de moteurs. Elle inclut des câbles de 16 AWG (1,5 mm²) à 2 AWG (33,7 mm²), avec des calibres intermédiaires de 14 AWG, 12 AWG, 10 AWG, 8 AWG, 6 AWG et 4 AWG. Ces câbles présentent quatre conducteurs d'alimentation (trois lignes de phase et une ligne de terre) et un câble de signal à paire torsadée à deux fils. Tous les câbles sont répertoriés pour supporter jusqu'à 2000 V_CA rms, conformément à la norme UL (Underwriters Laboratories) TC (Tray Cable). Le calibre de fil approprié dépend de la puissance du moteur, qui est liée au courant à pleine charge (FLC), ainsi qu'à la longueur du câble et à la chute de tension acceptable le long du câble (Figure 4).

Figure 4 : Calibres de câbles VFD requis pour une puissance moteur donnée. (Source de l'image : LAPP)

Les calibres de fils sont indiqués en AWG ou en surface en milliers de mils circulaires (KCMIL). Les mils circulaires sont utilisés pour les calibres de fils supérieurs à 0 AWG.

Prenons l'exemple du 700710 de LAPP, un câble VFD avec quatre conducteurs d'alimentation de 16 AWG et deux fils de signaux de 18 AWG. Il s'agit du plus petit câble VFD de la gamme ӦLFLEX VFD 2XL, avec un diamètre de 16,6 mm. Le diamètre du câble détermine le rayon de courbure minimum, qui est égal à 7,5 fois le diamètre du câble, soit 124 mm. Ces câbles spécifient également un poids approximatif de 200 lbs/mft. Le poids du câble est un facteur important lors de la conception de structures de support, telles que les chemins de câbles. D'après le tableau, ce câble peut être utilisé pour les moteurs d'une puissance de ½ HP à 2 HP pour les trois tensions de ligne. Il peut également être utilisé avec des moteurs de 3 HP à 5 HP sur des lignes de 460 V et 575 V.

Le 700713 de LAPP est un câble VFD à six conducteurs (quatre de 10 AWG, deux de 18 AWG) d'un diamètre de 20,3 mm. Il convient aux moteurs de 15 HP à 20 HP fonctionnant à 460 V, aux moteurs de 20 HP à 575 V, et aux moteurs de 7½ HP à 10 HP à 230 V.

Le plus gros câble de la série est le 700717 de LAPP, un câble VFD à six conducteurs (quatre de 2 AWG, deux de 14 AWG). Il présente un diamètre de 35,6 mm et pèse 1580 lbs/mft. Il est compatible avec un moteur de 50 HP fonctionnant à 230 V, un moteur de 100 HP à 460 V ou un moteur de 125 HP à 575 V.

Conclusion

Alors que le déploiement des variateurs de fréquence s'accélère, les concepteurs doivent choisir avec soin le câble de connexion approprié pour garantir la réussite du projet. La gamme de câbles ӦLFLEX VFD 2XL with Signal de LAPP prend en charge un large éventail d'applications de variateurs de fréquence et de moteurs. La conception multi-blindage garantit des performances fiables dans les environnements industriels exposés au bruit, tandis que la gaine extérieure durable de qualité industrielle résiste à l'eau, aux huiles et aux produits chimiques agressifs.