विश्वसनीय वीएफडी मोटर नियंत्रण और सेंसर प्रतिक्रिया के लिए सही केबल का चयन कैसे करें

औद्योगिक स्वचालन और ऊर्जा दक्षता प्रयास कन्वेयर, पंप और औद्योगिक रोबोट जैसे मोटर सिस्टम में परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव (वीएफडी) के उपयोग को बढ़ा रहे हैं। इस प्रकार की मोटर के लिए केबल का चयन लोड करंट के आधार पर वायर गेज और ऑपरेटिंग वोल्टेज के आधार पर इन्सुलेशन स्तर निर्धारित करने से कहीं अधिक जटिल है।

आधुनिक वीएफडी मोटर सिस्टम बेहद तेज किनारों के साथ पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन (पीडब्लूएम) ड्राइव सिग्नल उत्पन्न करने के लिए स्विचिंग मोड पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करते हैं। ये तेज़ क्षणिक केबल और मोटर टर्मिनलों के बीच प्रतिबाधा बेमेल के कारण सिग्नल प्रतिबिंब को बढ़ाते हैं, जिससे खड़ी तरंगें बनती हैं जो केबल में वोल्टेज तनाव को बढ़ाती हैं। इसके अलावा, केबल की लाइन-टू-लाइन और लाइन-टू-ग्राउंड कैपेसिटेंस ड्राइवर के प्रदर्शन को प्रभावित करती है और चार्जिंग करंट को बढ़ाती है। चूंकि वीएफडी पीडब्लूएम सिग्नल में बड़ी संख्या में उच्च आवृत्ति हार्मोनिक्स होते हैं, इसलिए विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) को कम करने के लिए मोटर केबलों को प्रभावी ढंग से संरक्षित किया जाना चाहिए।

यह पेपर संक्षेप में वीएफडी का वर्णन करता है और उचित संचालन के लिए आवश्यक कार्यक्षमता, विश्वसनीयता और सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए वीएफडी मोटर केबलों का चयन करने में डिजाइनरों के सामने आने वाली चुनौतियों पर चर्चा करता है। फिर एलएपीपी के वीएफडी केबल प्रस्तुत किए जाते हैं और प्रदर्शित किया जाता है कि ईएमआई विकिरण और कठोर वातावरण के प्रति संवेदनशीलता को कम करते हुए स्थिर शक्ति और नियंत्रण सिग्नल प्रदान करने के लिए उनका उपयोग कैसे किया जा सकता है।

वीएफडी परिचय
औद्योगिक स्वचालन के लिए आवश्यक है कि मोटर विश्वसनीय और कुशलतापूर्वक संचालित हो, और पूर्ण गति सीमा के भीतर किसी भी दिशा में काम कर सके। वीएफडी, जिसे कभी-कभी गवर्नर ड्राइवर के रूप में जाना जाता है, एक मोटर नियंत्रक है जो मोटर की पावर इनपुट आवृत्ति, वोल्टेज और कर्तव्य चक्र को अलग-अलग करके एसी इंडक्शन मोटर (एसीआईएम) की गति और टॉर्क को नियंत्रित करता है। वीएफडी का कार्य सिद्धांत मोटर चलाने के लिए पीडब्लूएम सिग्नल उत्पन्न करने के लिए एसी रेक्टिफिकेशन इनपुट और डीसी आउटपुट का उपयोग करना है। इन पल्स सिग्नलों की आवृत्ति, चौड़ाई और आयाम को समायोजित करके, विभिन्न मोटर ड्राइव सिस्टम में मोटर गति और आउटपुट टॉर्क को नियंत्रित किया जा सकता है।

अपने कार्य को साकार करने के लिए, वीएफडी में तीन मुख्य घटक होते हैं (चित्र 1): एक रेक्टिफायर जो एसी को डीसी में परिवर्तित करता है, एक इन्वर्टर जो डीसी को पीडब्लूएम प्रवाह में परिवर्तित करता है, और एक वीएफडी नियंत्रक।

वीएफडी एसी इनपुट को ठीक करता है और डीसी का उपयोग करके पीडब्लूएम सिग्नल उत्पन्न करता है (प्रवर्धन पर क्लिक करें)
चित्र 1: वीएफडी एसी इनपुट को ठीक करता है और मोटर गति और आउटपुट टॉर्क को नियंत्रित करने के लिए पीडब्लूएम सिग्नल उत्पन्न करने के लिए डीसी का उपयोग करता है। चित्र स्रोत: आर्ट पिनी)

नियंत्रक महत्वपूर्ण मोटर मापदंडों को नियंत्रित करने के लिए विभिन्न सेंसर के माध्यम से मोटर संचालन की निगरानी करता है। इन सेंसरों में रोटरी ट्रांसफार्मर/एनकोडर फीडबैक, टैकोमीटर, और तापमान और कंपन सेंसर शामिल हैं।

यह रेक्टिफायर फिल्टर के बाद पारंपरिक डायोड का उपयोग करता है। इन्वर्टर पावर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FET) या इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (IGBT) को अपनाता है। ये ट्रांजिस्टर एक पृथक उच्च वोल्टेज गेट ड्राइवर द्वारा संचालित होते हैं, जो एक वीएफडी नियंत्रक द्वारा केंद्रीय रूप से नियंत्रित होता है।

वीएफडी पारंपरिक तीन-चरण एसी ऑपरेशन से अलग है जिसमें ड्राइव मोटर का सिग्नल साइन वेव नहीं है, बल्कि एक पीडब्लूएम पल्स (चित्र 2) है।

वीएफडी की पीडब्लूएम पल्स साइनसॉइडल वर्तमान प्रतिक्रिया उत्पन्न करती है
चित्र 2: वीएफडी की पीडब्लूएम पल्स मोटर वाइंडिंग में साइनसॉइडल वर्तमान प्रतिक्रिया उत्पन्न करती है। चित्र स्रोत: LAPP)

PWM सिग्नल आवृत्ति आम तौर पर 2 kHz से 20 kHz होती है। इन्वर्टर बारी-बारी से मोटर को एसी बस के सकारात्मक और नकारात्मक ध्रुवों और डीसी सामान्य वोल्टेज से जोड़ता है। डीसी बस वोल्टेज चरम एसी बस वोल्टेज के करीब है। उपयोग किया गया वीएफडी पीडब्लूएम तरंग मोटर गति और टॉर्क को नियंत्रित करने के लिए एक साइनसॉइडल वर्तमान प्रतिक्रिया उत्पन्न करता है।

पीडब्लूएम तरंग की विशेषताओं के कारण, वीएफडी को मोटर से जोड़ने के लिए विशेष केबल की आवश्यकता होती है। यह तरंग रूप व्यापक स्पेक्ट्रम वाला और हार्मोनिक से भरपूर एक आयताकार पल्स है। वीएफडी केबल को विशेष रूप से इन उच्च आवृत्ति संकेतों के विकिरण को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसके अलावा, इन्वर्टर स्विचिंग उपकरणों के स्विचिंग नुकसान को कम करने और सिस्टम दक्षता को अधिकतम करने के लिए, पल्स हॉपिंग गति को जितनी जल्दी हो सके सेट करने की आवश्यकता है। इसके परिणामस्वरूप पल्स किनारे पर बहुत उच्च वोल्टेज परिवर्तन दर (डीवी/डीटी) होती है। तेज़ किनारों और उच्च आवृत्ति वर्णक्रमीय घटकों के साथ संयुक्त इन विशेषताओं के परिणामस्वरूप उच्च स्तर का विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप होता है। तेज़ किनारे ट्रांसमिशन लाइन प्रतिबिंब भी उत्पन्न करते हैं जहां केबल प्रतिबाधा बदलती है। यह प्रतिबिंब केबल में एक खड़ी तरंग बनाता है, जिससे केबल पर वोल्टेज बढ़ जाता है और वीएफडी केबल को उच्च वोल्टेज रेटिंग की आवश्यकता होती है।

धातु कंडक्टरों के बीच केबल कैपेसिटेंस एक और चिंता का विषय है। जब इन्वर्टर स्विच केबल को डीसी बस से जोड़ता है, तो एक करंट सर्ज उत्पन्न होता है जो केबल की कैपेसिटेंस को चार्ज करता है। इससे तात्कालिक धारा स्तर बढ़ जाता है और केबल को नुकसान हो सकता है। यह सामान्य मोड धारा चरणों के बीच या एक चरण से पृथ्वी तक प्रवाहित हो सकती है। यह करंट मोटर फ्रेम के माध्यम से ग्राउंड लूप में भी प्रवेश कर सकता है और मोटर बीयरिंग से गुजर सकता है। बेयरिंग के माध्यम से बहने वाली धारा के कारण बेयरिंग की सतह पर गड्ढे हो जाते हैं, जिससे मोटर का जीवन छोटा हो जाता है। ये समस्याएँ आम तौर पर उच्च वोल्टेज, उच्च मोटर रेटिंग (एचपी), और लंबे केबल रन वाले वीएफडी सिस्टम में होती हैं।

सभी तारों और केबलों की तरह, केबल के डीसी प्रतिरोध के माध्यम से करंट प्रवाहित होता है जिससे बिजली की हानि होती है। इसके अलावा, पीडब्लूएम संकेतों की विस्तृत वर्णक्रमीय बैंडविड्थ के कारण, त्वचा के प्रभाव के कारण केबल प्रतिरोध बढ़ सकता है। ये प्रतिरोध प्रभाव केबल की लंबाई के साथ भिन्न होते हैं।