Migration d'interférences électromagnétiques, courants vagabonds dans le sol et réflexions de tensions dans les systèmes de variation électronique de vitesse
Plus d'une douzaine d'études ont été menées par le secteur d'activité au sujet du rôle des câbles d'alimentation motorisée pour l'utilisation sûre et fiable dans les systèmes VFD (entraînement à fréquence variable). Dans l’une des études les plus importantes, des tests approfondis de longueurs de 150 pieds de huit constructions de câbles différentes ont été effectués sur un système de VFD de 50 chevaux. Dans une autre grande étude, l'importance et l'effet d'ondes réfléchies dans le câble ont été abordés en détails. Somme toute, les études se sont principalement concentrées sur trois inquiétudes concernant le câble d'alimentation motorisée : l'EMI (interférence électromagnétique), le courant à la terre dispersé et les réflexions de tension.
Perturbation électromagnétique
Les appareils semi-conducteurs utilisés dans les VFD augmentent le potentiel d'EMI (interférence électromagnétique). La commutation rapide des IGBT (transistors bipolaires à porte isolée) de l'entraînement génère de l'énergie de fréquence radio. Celle-ci peut émettre du câble d'alimentation de l'inverseur vers le moteur de l'entraînement, puis être captée par les circuits à proximité. Cette interférence peut causer des défaillances dans les appareils électroniques sensibles. Par conséquent, fabricants de VFD recommandent généralement l’utilisation d’un câble d’alimentation blindé entre l’électronique d’entraînement et le moteur d’entraînement pour contenir cette énergie RF.
Un blindage adéquat peut être obtenu par une technologie de câbles qui emploie un blindage sous forme d'armure étanche en métal ondulé. Une telle armure est souvent appelée CCW (continuellement ondulé et soudé). D'autres types de blindages, comme le ruban en cuivre, la cuivre mince tressé ou les feuilles en aluminium-polyester, peuvent également être utilisés, avec une efficacité légèrement réduite. L'efficacité des blindages de câbles est généralement déterminée par la mesure de l'impédance de transfert selon la procédure établie dans le NEMA WC 61. Un blindage de câble dont l'impédance de transfert est de moins de 100 mΩ/m (milliohms par mètre) est généralement considéré comme étant un « bon » blindage. À moins de 10 mΩ/m, il est considéré comme étant un « excellent » blindage. Le blindage étanche en aluminium ondulé présente généralement une impédance de transfert de 1 mΩ/m à 10 mΩ/m de C.C. à 30 MHz, la plage de fréquences qui s'applique aux utilisations VFD. La plupart des autres types de blindages offrent une impédance de transfert entre 10 mΩ/m et 100 mΩ/m.
Courants à la terre vagabonds
Une deuxième inquiétude serait que les courants à la terre vagabonds dans le réseau de mise à la terre des VFD pourraient traverser les roulements principaux du moteur d'entraînement. Le passage de courant électrique dans le roulement du moteur dans une proportion de milliampères peut causer des dommages aux chemins du roulement (ou cannelures), ce qui peut mener à un bruit excessif et à une défaillance prématurée du roulement à billes. Le courant dans le roulement à billes du moteur peut être réduit à son minimum à l'aide d'un câble d'alimentation inverseur vers moteur avec trois conducteurs de mise à la terre symétriquement disposés, combinés à un blindage à faible impédance. Une telle conception minimise le courant total appliqué sur un réseau de mise à la terre en traversant les conducteurs de la phase pour finalement minimiser la quantité de courant vagabond qui passe par le roulement du moteur.
Réflexions à tensions élevées
Une troisième inquiétude serait la combinaison de hautes fréquences générées par le VFD et le long câble qui passe entre le VFD et le moteur d'entraînement, car cela pourrait résulter en ondes réfléchies dans le câble. Les ondes réfléchies peuvent générer des tensions anormalement élevées dans le câble. Des tensions maximales jusqu'à 2,5 fois la tension nominale du réseau ont été mesurées dans les câbles d'alimentation VFD. En raison de ces pulsations de tensions élevées, l'utilisation de câbles évalués à 2 volts est recommandée pour un système d'entraînement à 600 volts. Étant donné qu'ils présentent une capacité moins élevée, les câbles VFD adéquatement conçus permettent de diminuer l'importance des réflexions de tension.
Dans la plupart des cas de VFD qui fonctionnent à 480 volts ou moins, l'évaluation de câble recommandée est de 600 volts. Cependant, les VFD avec une tension de 575 volts requièrent parfois un câble à tension plus élevée, en fonction de la longueur du câble et la durée de commutation de l'entraînement. Si vous voulez déterminer l'évaluation de tension de câble recommandée pour un système d'entraînement à 575 volts, veuillez consulter la Figure 1 pour déterminer si les réflexions sont plausibles. Si un réacteur ou un filtre passe-bas est utilisé avec l'entraînement, les durées de commutation plus élevées qui en découlent réduisent l'éventualité des réflexions. Si des réflexions sont plausibles, un câble évalué à 2 000 volts est recommandé. Sinon, un câble évalué à 600 volts est généralement adéquat. Si la durée de commutation de l'onduleur ou la longueur du câble sont inconnus au moment de déterminer le câble, une approche conservatrice serait de déterminer un câble évalué à 2 000 volts dans les deux cas.
Figure 1 : Possibilité de réflexion de la tension
Câbles recommandés
Une meilleure atténuation des EMI, courants à la terre vagabonds et réflexions de tension peut être accomplie à l'aide du câble VFD approprié. Un câble approprié comprend trois conducteurs, trois conducteurs à la terre symétriques[1] et un blindage à faible impédance de transfert.
Sources :
Evaluation of Motor Power Cables for PWM AC Drives par J. M. Bentley et P. J. Link, ABB Industrial Systems Inc., « IEEE Pulp and Paper Industry Conference », publication IEEE no 0-7803-3148-6-5/96, pages 55-69.
Riding the Reflected Wave - IGBT Drive Technology Demands New Motor and Cable Considerations par L. A. Saunders et G. L. Skibinski, Allen-Bradley Company; S. T. Evon, Reliance Electric; et D. L. Kempkes, Chevron USA Offshore, « IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference », publication IEEE no 96-CH35988-6/96/0000-0075, pages 75-84.
[1] Dans le cas de petites tailles, comme les calibres américains 10, 12 et 14, un seul fil de mise à la terre pourrait être requis, car les effets de courant à la terre vagabond sont moindres.
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