Especificação e uso de cabos de VFD para melhorar a confiabilidade e a segurança e reduzir as emissões de carbono

Os motores e acionamentos por inversor de frequência variável (VFDs) podem reduzir as emissões de carbono e aumentar a eficiência, a confiabilidade e a segurança em vários sistemas, incluindo esteiras, bombas, misturadores, elevadores, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) e aplicações semelhantes. O cabeamento que conecta o VFD ao motor é um elo crítico do sistema. Sem o cabeamento correto, a segurança do operador pode ser marginalizada, e a confiabilidade e a vida útil do motor podem ser reduzidas.

Os sistemas VFD típicos operam em condições severas que incluem picos de alta tensão que chegam a duas ou três vezes a tensão de alimentação e altos níveis de ruído eletromagnético radiado e conduzido. Além disso, os cabos podem ser expostos a altas temperaturas. Eles devem resistir a óleo, água e radiação ultravioleta (UV), mantendo um alto grau de flexibilidade e atendendo a vários requisitos técnicos da UL, CSA, NFPA e NEC.

Ambientes operacionais desafiadores e demandas técnicas para instalações de VFD complicam a especificação dos cabos. Este artigo analisa brevemente a operação de VFDs e motores, as exigências de isolação dos cabos e a necessidade de compatibilidade eletromagnética (EMC). O artigo compara especificações como os cabos UL 1277 TC ER, WTTC e TC e examina os requisitos NEC e NFPA. Ele também apresenta considerações sobre a estrutura do cabo antes de encerrar com uma visão geral de cabos exemplares da Belden, Helukabel, Igus, LAPP e SAB North America.

Desafios ambientais

Os motores de VFD, os acionamentos e os cabos que os conectam operam em ambientes elétricos severos. Os cabos de VFD precisam fornecer com eficiência a alta potência de acionamento em altas tensões e suportar picos de alta tensão e altos níveis de ruído. A isolação dos cabos de VFD está sujeita a condições desafiadoras, como ondas refletidas e tensões de início de corona (Figura 1):

• Ondas refletidas: As ondas refletidas podem ser causadas por impedâncias descasadas entre o motor de um VFD e seu cabo. Isso pode fazer com que as ondas de tensão retornem ao inversor. Sem uma isolação de alto desempenho, as ondas refletidas podem romper a isolação e superaquecer o cabo.
• Tensão de início de corona/descarga de corona: As tensões de modulação por largura de pulso (PWM) nos sistemas VFD oscilam rapidamente desde zero até a tensão de pico. Sem a isolação adequada, um pico de alta tensão que ocorra acima da tensão de início de corona do cabo faz com que o ar ao redor do condutor seja ionizado, resultando em uma descarga de corona que pode derreter a isolação e danificar o motor, os rolamentos do motor e o acionamento.

Figura 1: A isolação do cabo do VFD deve suportar ondas refletidas e tensões de início de corona. (Fonte da imagem: SAB North America)

Blindagem e aterramento

Além de resistir a picos de tensão, os cabos de VFD devem suportar altos níveis de EMC. As considerações importantes sobre EMC incluem o seguinte:

• As correntes de modo comum resultam das tensões trifásicas nos VFDs que não somam zero, criando um desequilíbrio de tensão. Quando o nível de tensão diferente de zero muda, uma corrente proporcional de carregamento do cabo retorna pelo condutor de aterramento. O excesso da corrente de modo comum cria uma malha de terra que interfere no desempenho adequado do sistema.
• O ruído elétrico transmitido resulta das frequências variáveis do inversor que podem induzir interferência eletromagnética (EMI) e de radiofrequência (RFI) e afetar componentes e sistemas próximos.

Um sistema de acionamento, cabo e motor bem aterrado cria uma gaiola de Faraday que garante um desempenho EMC robusto (Figura 2).

Figura 2: Os cabos do VFD podem reduzir as correntes de modo comum e o ruído elétrico com conexões de aterramento adequadas. (Fonte da imagem: SAB North America)

Prensa-cabos vs. conduítes

Os cabos do VFD estão disponíveis com diâmetros pequenos para serem instalados em conduítes e como estruturas de cabos armados com solda contínua. Essas soluções exigem uma instalação complexa e cara e sofrem com possíveis problemas de confiabilidade. Estão disponíveis cabos de eletrocalhas (TCs) que não precisam de conduítes. Quando um conduíte está disponível, ele pode ser usado para criar a gaiola de Faraday entre o acionamento e o motor. Quando várias classes de TCs são usadas, os prensa-cabos EMC podem ser adicionados para completar a gaiola de Faraday. Os prensa-cabos EMC oferecem classificações de proteção contra ingresso (IP) de 68, que são resistentes à água doce até uma profundidade máxima de 1,5 metro por até 30 minutos e são protegidos contra poeira, o que os torna adequados para uso em ambientes industriais e externos desafiadores (Figura 3).

Figura 3: Prensa-cabos podem ser usados nas conexões com os componentes eletrônicos do acionamento e o motor para criar uma gaiola de Faraday e controlar a EMI. (Imagem: SAB North America)

Classes de cabos

Os TCs podem simplificar a instalação e reduzir os custos. Vários critérios de aplicação, como de tensão nominal, flexibilidade e testes de esmagamento/impacto, os classificam. Há dois padrões principais da UL. Ambos os padrões se aplicam a cabos com 18 AWG ou mais. Os dois padrões são:

A norma UL 1277, Electrical Power & Control Tray Cables, abrange vários tipos de TCs dimensionados para 600 V.

• Os cabos TC básicos são o tipo mais comum e são usados como cabos de VFD, quando são necessárias propriedades retardantes de chamas.
• Os cabos de eletrocalha TC-ER (percurso exposto) devem passar por requisitos mais rigorosos de esmagamento e impacto do que o cabo TC padrão. Eles podem correr livremente entre as eletrocalhas por uma distância média de 1,8 m (6 pés).
• O THHN/PVC é uma forma de baixo custo de construção do TC com uma jaqueta termoplástica. Ele é adequado para enterramento direto e para instalação em conduítes.

A norma UL 2277, Flexible Motor Supply Cable & Wind Turbine Tray Cable, abrange dois tipos de TC dimensionados para 1.000 V.

• O cabo flexível de alimentação do motor (FMSC) foi projetado principalmente como um cabo de alimentação do motor do VFD.
• O cabo de eletrocalha para turbina eólica (WTTC) pode suportar condições extremas e severas em aplicações eólicas, como óleo, abrasão, temperaturas extremas, água, movimento constante e assim por diante.

NEC e NFPA

A conformidade com a edição 2018 da NEC 79/NFPA 79 é frequentemente, mas nem sempre, exigida nos EUA, dependendo dos códigos de construção locais. A norma exige que os cabos VFD sejam marcados como RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW ou XHHW-W, definidos da seguinte forma:

• O RHW, RHH e RHW-2 usam uma isolação de borracha de alta resistência ao calor.
  • RHW indica um cabo resistente à água com um dimensionamento de temperatura de +75 °C
  • RHH indica um cabo com um dimensionamento de temperatura de +75°C que não é resistente à água
  • RHW-2 indica um cabo resistente à água com um dimensionamento de temperatura de +90 °C
• O XHH, XHHW e XHHW-W usam isolação de XLPE (polietileno reticulado).
  • XHH é para uso em locais úmidos e dimensionado para +75°C
  • XHHW é para uso em locais molhados e dimensionado para +75°C
  • XHHW2 é para uso em locais molhados e dimensionado a +90°C

A isolação de XLPE é mais leve e mais flexível do que a isolação de borracha, o que facilita a instalação dos cabos XLPE, especialmente em baixas temperaturas. Além disso, o XLPE oferece menos perdas em comparação com a isolação de borracha.

Construção do cabo

Há várias maneiras de implementar TCs de VFD. O número de peça CF31-25-04 da Igus é um bom exemplo de muitos dos elementos comuns; os números na lista correspondem à Figura 4:

1. Jaqueta externa feita com mistura de PVC extrudado sob pressão e resistente a óleo. Jaqueta externa de PVC de baixa aderência e resistente a óleo
2. Bainha externa feita com trama altamente resistente a dobras, composta por fios de cobre estanhado
3. Jaqueta interna de PVC com enchimento de reforço extrudado sob pressão
4. O CFRIP é uma aba de rasgo específica da Igus, moldada na jaqueta interna para um desencape mais rápido do cabo
5. A isolação do núcleo em plástico de polietileno reticulado (XLPE) tem uma ligação tridimensional dentro do plástico; o XLPE tem alta resistência mecânica e baixa capacitância
6. Condutor que varia para núcleos < 10 mm² e núcleos ≥ 10 mm² com base nos requisitos da norma DIN EN 60228
7. Alívio de tensão central, um material resistente à tensão de tração

Figura 4: Exemplo de um cabo de VFD que ilustra os elementos de blindagem e alívio de tensão, além dos condutores de corrente. (Fonte da imagem: Igus)

Mais opções

O ÖLFLEX VFD 1XL da LAPP é uma família de cabos robustos e blindados de acionamento VFD, resistentes a óleo e UV, para projetos que precisam de um diâmetro menor do cabo. O diâmetro excepcionalmente pequeno da isolação XLPE torna esses cabos adequados para uso em instalações lotadas, onde os cabos padrão podem ser muito grandes. Além disso, o diâmetro mais fino permite maior flexibilidade para agilizar a instalação. Esses cabos com dimensionamentos TC-ER podem ser instalados sem conduíte, mas seu diâmetro menor e sua flexibilidade simplificam o uso de conduítes quando necessário. Eles atendem aos requisitos de desempenho XHHW2. Por exemplo, a LAPP oferece vários modelos com quatro condutores (incluindo o terra) mais o dreno, como o modelo 701703 com condutores 10 AWG (5,3 mm²) e o modelo 701717 com condutores 2 AWG (33,7 mm²).

A Helukabel oferece vários cabos com dimensionamentos TC-ER e WTTC, além de condutores desde 2 a 18 AWG, como o TC de quatro condutores 12 AWG modelo 63141. Eles apresentam blindagem dupla que combina folha de alumínio (100% de cobertura) e malha de cobre estanhado (cerca de 85% de cobertura). Eles usam isolação XLPE e têm jaquetas de PVC que são resistentes a óleo, agentes refrigerantes, solventes e de limpeza/desinfecção. Esses cabos são dimensionados para instalação aberta e desprotegida em eletrocalhas e da eletrocalha até a máquina. Além disso, eles são adequados para instalação em conduítes ou enterramento direto.

Cabos de alta flexibilidade

A Belden oferece várias famílias de TCs com diversas configurações de condutor e terra, usando vários materiais de isolação e blindagem (Figura 5). Para instalações que exigem TCs altamente flexíveis, a empresa oferece seus cabos HighFlex VFD com várias faixas de flexibilidade e até 10 milhões de ciclos de flexão. Esses TCs apresentam condutores de cobre estanhado com fios elaborados, sendo que alguns modelos têm mais de 2.000 fios individuais e uma jaqueta de TPE flexível que os torna maleáveis para facilitar o manuseio durante a instalação. Por exemplo, o número de peça 29501F 0101000, com dimensionamentos TC-ER e WTTC, foi projetado para aplicações de movimento contínuo e na máquina, além de atender aos requisitos da norma XHHW2 para uso em locais molhados a até +90°C. As aplicações de destino dos cabos HighFlex VFD incluem:

• Funcionamento de equipamentos de processo
• Alimentação de bombas
• Acionamento de ventoinhas
• Funcionamento de esteiras transportadoras de materiais
• Braços robóticos móveis

Figura 5: Algumas das muitas configurações de condutor e terra e materiais de isolação e blindagem usados nos cabos de VFD. (Fonte da imagem: Belden)

Os cabos de VFD da SAB são projetados para proporcionar um desempenho EMC otimizado. Também está disponível um projeto adequado para flexão contínua. Esses cabos atendem aos requisitos do TC-ER e do WTTC e usam isolação de XLPE para melhorar a capacitância com duas opções: uma com diâmetro reduzido e outra que suporta instalações mais longas. Diferentes fabricantes de motores do VFD têm diferentes requisitos de tamanho do par para TCs do VFD combinados e podem exigir um cabo com ou sem um fio de dreno. Os cabos de VFD da SAB incluem cabos que atendem à maioria dos requisitos de aplicação, como alimentação com um par combinado para detecção de freio ou temperatura, várias opções de tamanho do par, incluindo 18, 16, 14 e 12 AWG, e alguns designs com dois pares. Eles têm blindagem dupla que combina folha metálica com blindagem de cobre estanhado, e os designs simétricos do terra são uma opção. Esses cabos apresentam um raio de curvatura 12 vezes maior que o diâmetro do cabo e são dimensionados como XHHW2 para uso em locais molhados a até 90°C. Um bom exemplo desses cabos é o modelo 35661204, um cabo 12 AWG de quatro condutores.

Conclusão

Os cabos de VFD são usados em ambientes elétricos severos e devem suportar altas temperaturas, exposição à água, óleo e/ou vários produtos químicos. A especificação desses cabos é um processo complexo, que exige a consideração de várias propriedades de isolação, incluindo a capacidade de suportar ondas refletidas e tensões de início de corona, blindagem, prensa-cabos para proteção EMC e requisitos UL, NEC e NFPA. Os cabos de VFD corretamente especificados e instalados contribuem para instalações simplificadas e de baixo custo, melhor operação do motor, menos emissões de carbono e maior segurança do operador.