Spécification et utilisation de câbles VFD pour améliorer la fiabilité et la sécurité et réduire les émissions de carbone

Les variateurs de fréquence (VFD) et les moteurs peuvent réduire les émissions de carbone et augmenter le rendement, la fiabilité et la sécurité de divers systèmes, notamment les bandes transporteuses, les pompes, les mélangeurs, les ascenseurs, les systèmes de chauffage et ventilation/climatisation (CVC), et des applications similaires. Le câblage qui relie le VFD au moteur est un maillon critique du système. Sans un câblage correct, la sécurité de l'opérateur peut être marginalisée, et la fiabilité et la durée de vie du moteur peuvent être réduites.

Les systèmes VFD typiques fonctionnent dans des conditions difficiles, y compris des pointes haute tension atteignant deux à trois fois la tension d'alimentation et des niveaux élevés de bruit électromagnétique rayonné et conduit. De plus, les câbles peuvent être exposés à des températures élevées. Ils doivent résister aux huiles, à l'eau et aux rayons ultraviolets (UV) tout en conservant un haut degré de flexibilité et en répondant à de nombreuses exigences techniques des normes UL, CSA, NFPA et NEC.

Les environnements d'exploitation difficiles et les exigences techniques pour les installations VFD compliquent la spécification des câbles. Cet article passe brièvement en revue le fonctionnement des VFD et des moteurs, les exigences en matière d'isolant de câbles et le besoin de compatibilité électromagnétique (CEM). L'article compare les spécifications telles que les câbles UL 1277 TC ER, WTTC et TC, et examine les exigences NEC et NFPA. Il présente également des considérations sur la structure des câbles avant de conclure avec des exemples de câbles de Belden, Helukabel, Igus, LAPP et SAB North America.

Défis environnementaux

Les moteurs VFD, les variateurs et les câbles qui les connectent fonctionnent dans des environnements électriques difficiles. Les câbles VFD doivent fournir efficacement une haute puissance de commande à hautes tensions et gérer les pics haute tension et les niveaux de bruit élevés. L'isolant des câbles VFD est soumis à des conditions difficiles telles que les ondes réfléchies et les tensions de seuil de l'effet couronne (Figure 1) :

• Ondes réfléchies : Les ondes réfléchies peuvent être provoquées par des impédances non adaptées entre le moteur d'un VFD et son câble. Cela peut provoquer le rebond des ondes de tension vers le variateur. Sans isolant performant, les ondes réfléchies peuvent détruire l'isolant et surchauffer le câble.
• Tension de seuil de l'effet couronne/décharge en couronne : Les tensions de modulation de largeur d'impulsion (PWM) dans les systèmes VFD oscillent rapidement de zéro à la tension de crête. Sans isolant adéquat, un pic haute tension se produisant au-dessus de la tension de seuil de l'effet couronne du câble provoque l'ionisation de l'air autour du conducteur, entraînant une décharge en couronne qui peut faire fondre l'isolant et endommager le moteur, les roulements du moteur et le variateur.

Figure 1 : L'isolant du câble VFD doit gérer les ondes réfléchies et les tensions de seuil de l'effet couronne. (Source de l'image : SAB North America)

Blindage et mise à la terre

En plus de résister aux pics de tension, les câbles VFD doivent prendre en charge des niveaux CEM élevés. Les considérations CEM importantes incluent les suivantes :

• Les courants de mode commun résultent des tensions triphasées dans les VFD dont la somme n'est pas égale à zéro, créant un déséquilibre de tension. Lorsque le niveau de tension non nul change, un courant de charge du câble proportionnel revient à travers le conducteur de terre. Un courant de mode commun excessif crée une boucle de masse qui interfère avec les bonnes performances du système.
• Le bruit électrique transmis résulte des fréquences de commande variables qui peuvent induire des interférences électromagnétiques (EMI) et des perturbations radioélectriques (RFI) et affecter les composants et systèmes à proximité.

Un système de variateur, de câble et de moteur efficacement mis à la terre crée une cage de Faraday qui garantit des performances CEM robustes (Figure 2).

Figure 2 : Les câbles VFD peuvent atténuer les courants de mode commun et le bruit électrique avec des connexions de mise à la terre appropriées. (Source de l'image : SAB North America)

Presse-étoupes vs conduits

Les câbles VFD sont disponibles avec de petits diamètres pour passer dans des conduits et sous forme de structures de câbles armés soudés en continu. Ces solutions nécessitent une installation complexe et coûteuse et souffrent de problèmes potentiels de fiabilité. Des câbles TC (Tray Cables) sont disponibles et ne nécessitent pas de conduit. Lorsqu'un conduit est disponible, il peut être utilisé pour créer la cage de Faraday entre le variateur et le moteur. Lorsque différentes catégories de câbles TC sont utilisées, des presse-étoupes CEM peuvent être ajoutés pour compléter la cage de Faraday. Les presse-étoupes CEM offrent un indice de protection (IP) de 68, résistent à l'eau jusqu'à une profondeur maximale de 1,5 mètre pendant 30 minutes et sont protégés contre la poussière, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans les environnements industriels et extérieurs difficiles (Figure 3).

Figure 3 : Des presse-étoupes peuvent être utilisés sur les connexions à l'électronique de commande et au moteur pour créer une cage de Faraday et contrôler les EMI. (Image : SAB North America)

Catégories de câbles

Les câbles TC peuvent simplifier l'installation et réduire les coûts. Divers critères d'application, tels que la tension nominale, la flexibilité et les tests d'écrasement/impact, permettent de les classifier. Il existe deux normes UL principales. Les deux normes s'appliquent aux câbles de 18 AWG et plus. Les deux normes sont les suivantes :

La norme UL 1277, « Electrical Power & Control Tray Cables », couvre plusieurs types de câbles TC répertoriés pour 600 V.

• Les câbles TC de base sont les plus courants et sont utilisés comme câbles VFD lorsque des propriétés ignifuges sont requises.
• Les câbles TC TC-ER (à longueur exposée) doivent satisfaire à des exigences de choc et d'impact plus rigoureuses que le câble TC standard. Ils peuvent s'étendre librement entre les chemins de câbles sur une distance moyenne de 1,8 m (6 pieds).
• Le THHN/PVC est une forme économique de construction TC avec une gaine thermoplastique. Il convient à l'enfouissement direct et au passage dans des conduits.

La norme UL 2277, « Flexible Motor Supply Cable & Wind Turbine Tray Cable », couvre deux types TC répertoriés pour 1000 V.

• Le câble FMSC (Flexible Motor Supply Cable) est principalement conçu comme un câble d'alimentation moteur VFD.
• Le câble WTTC (Wind Turbine Tray Cable) peut résister à des conditions difficiles extrêmes dans les applications éoliennes telles que l'huile, l'abrasion, les températures extrêmes, l'eau, les mouvements constants, etc.

NEC et NFPA

La conformité à la norme NEC 79/NFPA 79 édition 2018 est souvent, mais pas toujours, requise aux États-Unis, en fonction des codes de construction locaux. La norme exige que les câbles VFD soient marqués RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW ou XHHW-W, définis comme suit :

• RHW, RHH et RHW-2 utilisent un isolant en caoutchouc haute température.
  • RHW indique un câble résistant à l'eau avec une température nominale de +75°C
  • RHH indique un câble avec une température nominale de +75°C qui n'est pas résistant à l'eau
  • RHW-2 indique un câble résistant à l'eau avec une température nominale de +90°C
• XHH, XHHW et XHHW-W utilisent un isolant XLPE (polyéthylène réticulé).
  • XHH est destiné à une utilisation dans les endroits humides et est répertorié à +75°C
  • XHHW est destiné à une utilisation dans les endroits mouillés et est répertorié à +75°C
  • XHHW2 est destiné à une utilisation dans les endroits mouillés et est répertorié à +90°C

L'isolant XLPE est plus léger et plus souple que l'isolant en caoutchouc, ce qui rend les câbles XLPE plus faciles à installer, en particulier à basse température. De plus, le XLPE offre moins de fuites que l'isolant en caoutchouc.

Construction des câbles

Il existe de nombreuses façons d'implémenter les câbles TC VFD. Le numéro de référence CF31-25-04 d'Igus est un bon exemple de nombreux éléments communs ; les numéros de la liste correspondent à ceux de la Figure 4 :

1. Gaine extérieure fabriquée à partir d'un mélange de PVC extrudé sous pression résistant à l'huile et à faible adhérence
2. Blindage extérieur réalisé à l'aide d'une tresse très résistante à la flexion composée de fils de cuivre étamé
3. Gaine intérieure en PVC extrudé sous pression
4. CFRIP est un cordon de déchirage spécifique à Igus, moulé dans la gaine intérieure pour le dénudage plus rapide des câbles
5. L'isolant de fil en polyéthylène réticulé (XLPE) présente une liaison tridimensionnelle dans le plastique ; le XLPE a une résistance mécanique élevée et une faible capacité
6. Conducteur qui varie pour les fils < 10 mm² et les fils ≥ 10 mm² selon les exigences de la norme DIN EN 60228
7. Réduction de tension centrale : matériau résistant aux contraintes de traction

Figure 4 : Exemple de câble VFD illustrant les éléments de blindage et de réduction de tension en plus des conducteurs porteurs de courant. (Source de l'image : Igus)

Plus de choix

ÖLFLEX VFD 1XL de LAPP est une famille de câbles de commande VFD robustes, blindés, résistants aux huiles et aux UV, destinés aux conceptions nécessitant un diamètre de câble plus petit. Le diamètre exceptionnellement petit de l'isolant XLPE permet d'utiliser ces câbles dans des installations denses où les câbles standard peuvent être trop gros. En outre, le diamètre plus fin offre une souplesse accrue pour accélérer l'installation. Ces câbles répertoriés TC-ER peuvent être installés sans conduit, mais leur diamètre inférieur et leur souplesse simplifient l'utilisation de conduits en cas de besoin. Ils répondent aux exigences de performances XHHW2. Par exemple, LAPP propose plusieurs modèles à quatre conducteurs (y compris la terre) plus drain, comme le modèle 701703 avec conducteurs de 10 AWG (5,3 mm²) et le modèle 701717 avec des conducteurs de 2 AWG (33,7 mm²).

Helukabel propose plusieurs câbles avec les classifications TC-ER et WTTC, et des conducteurs de 2 à 18 AWG, comme le modèle TC de 12 AWG à quatre conducteurs 63141. Ils présentent un double blindage combinant une feuille d'aluminium (couverture à 100 %) et une tresse de cuivre étamé (couverture à environ 85 %). Ils utilisent un isolant XLPE et sont dotés de gaines en PVC résistantes aux huiles, aux liquides de refroidissement, aux solvants et aux agents de nettoyage/désinfection. Ces câbles sont répertoriés pour une installation ouverte et non protégée dans les chemins de câbles, et du chemin de câbles à la machine. De plus, ils conviennent à une installation en conduit ou à un enfouissement direct.

Câbles haute flexibilité

Belden propose plusieurs familles de câbles TC avec diverses configurations de conducteurs et de terre, utilisant plusieurs matériaux d'isolant et de blindage (Figure 5). Pour les installations qui exigent des câbles TC très flexibles, la société propose les câbles HighFlex VFD avec plusieurs plages de flexibilité et jusqu'à 10 millions de cycles de flexion. Ces câbles TC sont dotés de conducteurs en cuivre étamé finement toronnés, certains modèles comptant plus de 2000 brins individuels, et d'une gaine TPE flexible offrant une grande souplesse pour faciliter la manipulation lors de l'installation. Par exemple, le numéro de référence 29501F 0101000, avec les classifications TC-ER et WTTC, est conçu pour les applications sur machine et en mouvement continu, et répond aux exigences de XHHW2 pour une utilisation dans des lieux mouillés jusqu'à +90°C. Les applications cibles des câbles HighFlex VFD incluent les suivantes :

• Exécution d'équipements de traitement
• Alimentation de pompes
• Commande de ventilateurs
• Commande de bandes transporteuses de matériaux
• Déplacement de bras robotiques

Figure 5 : Quelques-unes des nombreuses configurations de conducteurs et de terre, et matériaux d'isolant et de blindage utilisés dans les câbles VFD. (Source de l'image : Belden)

Les câbles VFD de SAB sont conçus pour fournir des performances CEM optimisées. Une conception adaptée à la flexion continue est également disponible. Ces câbles répondent aux exigences TC-ER et WTTC et utilisent un isolant XLPE pour une capacité améliorée avec deux options : une option avec un diamètre réduit et une option prenant en charge de plus grandes longueurs. Les différents constructeurs de moteurs VFD ont des exigences différentes en matière de taille des paires pour les câbles TC VFD combinés et peuvent nécessiter un câble avec ou sans fil de drain. Les câbles VFD de SAB incluent des câbles qui répondent à la plupart des exigences d'application telles que l'alimentation avec une paire combinée pour la détection de température ou le freinage, des options de tailles de paires multiples, notamment 18, 16, 14 et 12 AWG, et certaines conceptions avec deux paires. Ils sont dotés d'un double blindage combinant une feuille et une tresse en cuivre étamé, et des modèles symétriques à la terre sont disponibles en option. Ces câbles présentent un rayon de courbure de 12 fois le diamètre du câble et ils sont répertoriés XHHW2 pour une utilisation dans des lieux mouillés jusqu'à 90°C. Le câble de 12 AWG à quatre conducteurs 35661204 constitue un bon exemple.

Conclusion

Les câbles VFD sont utilisés dans les environnements électriques difficiles et ils doivent résister à des températures élevées et à l'exposition à l'eau, aux huiles et/ou à divers produits chimiques. La spécification de ces câbles est un processus complexe nécessitant la prise en compte de diverses propriétés d'isolant, y compris la capacité à résister aux ondes réfléchies et aux tensions de seuil de l'effet couronne, le blindage, les presse-étoupes pour la protection CEM et les exigences UL, NEC et NFPA. Des câbles VFD correctement spécifiés et installés contribuent à simplifier et à réduire le coût des installations, à améliorer le fonctionnement des moteurs, à réduire les émissions de carbone et à améliorer la sécurité des opérateurs.