Sådan installeres, tilsluttes og integreres VSD'er med én akse hurtigt i industri 4.0-automatiseringssystemer

Frekvensomformere (variable speed drives/VSD) med én akse er vigtige i industrielle anvendelser, som pumper, ventilatorer, kompressorer, transportbånd og forarbejdningsoperationer, som møller og blandere. Disse applikationer har enkle bevægelsessekvenser og kræver effektive VSD'er for at understøtte hurtig og økonomisk implementering af grundlæggende drevfunktioner med korte idriftsættelsestider.

De kan kræve en række forskellige kontrolfunktioner, herunder skalær volt pr. hertz (V/f), programmerbar V/f-multi-punkt, V²/f, der automatisk tilpasser fluxen for at spare energi og flux-strømstyring (flux current control/FCC), der automatisk tilpasser drevets output til belastningen. Omkostningseffektiv implementering og integration er nøglen til industrielle systemer og drager fordel af funktioner som f.eks.:

• Forudkonfigureret valg af anvendelse
• Kompakt størrelse
• Forudindstillede kommunikationsparametre
• Effektiv overførsel af parameterindstillinger til flere enheder
• Trådløs idriftsættelse, drift og diagnosticering
• Forbindelses- og applikationsmakroer til forenkling af I/O-kabling og konfigurering

Denne artikel præsenterer en familie af robuste og energieffektive VFD'er med én akse fra Siemens, der er designet til at forenkle installationen. Den gennemgår også flere integrerede funktioner, ser på grundlæggende systemtilbehør og en række mere specialiserede og avancerede tillægsmoduler samt forslag til integration ved hjælp af Siemens-controllere. Afslutningsvis gennemgås nogle overvejelser i forbindelse med integration af disse VFD'er i EMI-kompatible styreskabe og industrielle bevægelsessystemer.

Digitalisering af motorstyring giver flere fordele til industrielle bevægelsessystemer med én akse. Udskiftning af simple, mekaniske styringer med en VSD gør det muligt for systemet at reagere på situationer med delbelastningsdrift med det samme og kan reducere strømforbruget med 50 % eller mere. Drift med variabel hastighed kan også minimere slitage på motorer og mekaniske komponenter, reducere vedligeholdelsesbehovet og forbedre tilgængeligheden.

SINAMICS V20-platformen fra Siemens fås i ni rammestørrelser og dækker et effektområde fra 0,12 kW til 30 kW (0,16 hk til 40 hk) (figur 1). Eksempler på SINAMICS V20 VFD'er omfatter 0,12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 op til 3 kW, 6SL3210-5BB23-0UV1 enfasede 230 V_AC-indgangsmodeller og 0,37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 op til 30 kW trefasede 480 V_AC-modeller.

Figur 1: de ni rammestørrelser af SINAMICS V20-konvertere fra FSAA til FSE (0,16 til 40 HK). (Billedkilde: Siemens)

Effektivitet er en stor fordel ved brugen af SINAMICS V20-drev. De er kompakte og udnytter pladsen effektivt, de understøtter hurtig installation og idriftsættelse, hvilket giver effektiv udnyttelse af tid og penge, og de er energieffektive, hvilket bidrager til en grønnere planet. Nogle af de mange funktioner omfatter:

• Økonomisk drift understøttet af flere kontroltilstande, herunder V/f, V²/f, FCC og V/f-multi-punkt
  • Energibesparelser kan forbedres ved hjælp af ECO-tilstand for V/f, V²/f og en dvaletilstand.
  • Energibesparelser kan overvåges uden eksternt strømmålingsudstyr og vises i kWh, CO2 eller valuta.
• En- eller trefaset netstrøm
  • Enfaset 200 til 240 V_AC (-10 % / +10%) kan også tilsluttes to faser i et 3-faset 120 / 240 V_AC -netforsyning.
  • Trefaset 380 til 480 V_AC (-15 % / +10 %)
• Forudkonfigurerede applikationsmakroer reducerer idriftsættelsestiden
• Forudindstillede kommunikationsparametre fremskynder idriftsættelse ved hjælp af standardbiblioteker og forbindelsesmakroer
• Automatisk tilpasning til ustabile netspændinger sikrer stabil drift, forhindrer afbrydelser og bidrager til højere produktivitet.
• Overbelastningsevne op til 150 % i 60 s inden for en cyklustid på 300 s
• Maksimal udgangsspænding er 100 % af indgangsspændingen
• Parameterindlæsning uden strømforsyning muliggør hurtig konfiguration af flere enheder
• Idriftsættelse med mobil enhed eller bærbar computer med ”Smart Access”-webserver
• Integrerede program- og forbindelsesmakroer

Integrerede funktioner

SINAMICS V20-drev har flere integrerede funktioner, der fremskynder implementeringen og forenkler integrationen, såsom en proportional-integral-derivativ (PID) -controller til processtyringsopgaver, integreret bremsechopper på de største 2 rammestørrelser og en DC-koblingsfunktion, der gør det muligt for to lige store drev at arbejde sammen for øgede energibesparelser. PID-regulatoren kan bruges til enkle procesopgaver som styring af tryk, niveauer eller flowhastigheder i forhold til et sætpunkt.

PID-funktionen omfatter autotuning for optimal drift og kan understøtte motorens trinvisdrift. Trinvis motordrift gør det muligt at styre op til 2 ekstra trinvisstyret (kaskadede) motorer. I dette tilfælde består systemet af den primære motor, der styres af omformeren, og to ekstra motorer, der styres ved hjælp af kontaktorer eller startere, der styres af omformerens digitale udgange.

Stelstørrelserne FSD og FSE har en integreret bremsechopper; til andre stelstørrelser fås et eksternt bremsemodul (se nedenfor). Motoren kan bremses elektrisk eller mekanisk.

• Elektriske bremsemuligheder
  • DC-bremsning anvendes på statorviklingen, hvilket resulterer i et betydeligt bremsemoment. Strømmen er ikke egnet til at holde hængende laster, men den kan holde akslen stille, når rotationen er standset.
  • Sammensat bremsning overlejrer DC-bremsning på regenerativ bremsning, hvor inverteren regenererer energi til DC-forbindelsen under bremsning.
  • Dynamisk bremsning omdanner regenerativ energi til varme. Implementering af dynamisk bremsning kræver en ekstern bremsemodstand til at bortlede energien.
• En mekanisk motor, der holder bremsen, kan styres af intern logik for at forhindre motoren i at dreje, når omformeren er slukket.

SINAMICS V20-drev har også en DC-koblingsfunktion, der gør det muligt at koble to lige store invertere elektrisk sammen ved hjælp af deres DC-linkforbindelser. Når det er relevant, kan DC-kobling reducere energiomkostningerne ved at give den ene inverter mulighed for at bruge regenerativ energi fra den anden inverter. Inverterne kan dele et enkelt dynamisk bremsesystem, hvilket reducerer installationsomkostningerne. I nogle tilfælde kan DC-kobling eliminere behovet for et dynamisk bremsemodul og en dynamisk bremsemodstand.

Grundlæggende systemtilbehør

Ud over integrerede funktioner kan SIMAMICS V20-invertere forbedres ved at tilføje et par systemtilbehør, såsom et basisbetjeningspanel (basic operator-panel/BOP) og BOP-interface, et smart adgangsmodul og en parameterindlæser (figur 2):

• SIMAMICS V20 har et integreret kontrolpanel, men nogle applikationer kan drage fordel af at tilføje en BOP til fjernbetjening af enheden. BOP er designet til distribueret montering og har en UL-type 1 kapslingsklasse.
• BOP'en forbindes til SINAMICS V20 ved hjælp af et specialiseret BOP-grænseflademodul, der sættes i omformerens udvidelsesport og har en RS232-grænseflade til tilslutning til BOP'en.
• ”Smart Access”-modulet har en indbygget webserver, der forenkler idriftsættelse og drift af SINAMICS V20 ved hjælp af en smartphone, laptop eller tablet. Funktioner, der understøttes af dette modul, omfatter:
  • idriftsættelsesguide til hurtigere idriftsættelse
  • parameterindstilling og lagring eller gendannelse af fabriksindstillingerne
  • test af motor
  • overvågning af driftsdata
  • udførelse af systemdiagnostiske kontroller
• Parameter Loader kan uploade op til 100 parametersæt til SINAMICS V20 eller downloade parametersæt fra enheden. Den batteridrevne parameterindlæser kan bruges uden at tænde for drevet.

Figur 2: 0,16 HP FSAA SINAMICS V20 vist med fire almindelige udvidelsesmoduler. (Billedkilde: Siemens)

Mere tilbehør

Linjefiltre kan tilføjes efter behov. For at opfylde EN 61800-3 kategori-C2 udstrålet og ledningsbåret emission kræves der eksterne EMC-filtre til SINAMICS-V20-inverterne (400 V filtrerede og ufiltrerede modeller samt 230 V ufiltrerede modeller). For eksempel er model 6SL32030BE177BA0 designet til brug med 400 V-invertere i FSA-rammestørrelse.

Linjereaktorer er tilgængelige for at udjævne spændingstoppe eller brokommutere dyk. Disse reaktorer reducerer også virkningerne af harmoniske overtoner på netforsyningen og omformeren.

Bremsning kan implementeres ved hjælp af bremsemodulet 6SL32012AD208VA0 (figur 3) med rammestørrelserne FSAA til FSC. FSD- og FSE-rammestørrelserne har en integreret bremsechopper og kræver ikke et eksternt modul. I alle tilfælde kan man opnå bedre bremseevne og bedre deceleration ved at tilføje en ekstern bremsemodstand som model 6SE64004BC050AA0 til at bortlede den regenerative energi, der produceres af motoren.

Figur 3: Bremsemodul til SINAMICS V20-motordrev. (Billedkilde: DigiKey)

Anvendelser, der har brug for indgange eller udgange, kan tilføje SINAMICS V20 I/O-udvidelsesmodulet (figur 4). Modulet monteres direkte på invertere i 400 V-serien og har to digitale indgange og to digitale relæudgange. For eksempel kan I/O-udvidelsesmodulet bruges i multi-pumpestyringsapplikationer, hvilket gør det muligt at styre op til fire pumper med et enkelt SIMAMICS V20-drev. Modulet er også nyttigt, når flere ventilatorer eller kompressorer skal styres. Den har tilslutninger på forsiden og bagsiden og kan kombineres med andet tilbehør som BOP-interface og ”Smart Access”-moduler. Det kan dog ikke bruges samtidig med parameterindlæsningsmodulet.

Figur 4: Udvidelsesmodul monteret på fronten af et SINAMICS V20-drev. (Billedkilde: Siemens)

Udgangsreaktorer, som model 6SL3202-0AE16-1CA0 til FSA-rammestørrelse, kan reducere spændingsbelastningen på motorviklingerne (figur 5). Disse udgangsreaktorer reducerer også de kapacitive opladnings- og afladningsstrømme, der kan belaste omformeren, når der bruges lange motorkabler.

Figur 5: Udgangsreaktor til 0,5 HK 3-faset 380_VAC til 480_VAC, 6,1 A FSA-ramme SINAMICS V20-drev. (Billedkilde: Siemens)

Integration i større systemer

SINAMICS V20-drev er designet til at blive styret af en SINAMICS S7-1200- eller S7-1500-controller, som model 6ES75173FP000AB0, via RS485-grænsefladen og ved hjælp af USS (Universal Serial Interface) -protokollen. Der findes eksempler på projekter, der viser, hvordan man konfigurerer og programmerer disse controllere med en SINAMICS V20. Standardindstillingen er USS, men en SINAMICS V20 kan også bruge MODBUS RTU-protokollen.

En mastercontroller kan tilsluttes op til 31 VFD'er.

At sætte det hele sammen

Det kan være en udfordring at samle de komponenter, der er beskrevet ovenfor, til et komplet system, især hvis EMC-overholdelse er en vigtig faktor. Isolering af potentielle kilder til interferens er normalt den hurtigste og mest omkostningseffektive metode. Det kan opnås ved at organisere styreskabet og resten af systemet i en serie af fire isolerede zoner, som vist i figur 6. Overvejelser i forbindelse med implementering af isolationszoner omfatter:

• Elektromagnetisk afkobling af zonerne kan opnås ved hjælp af jordede separationsplader eller separate metalhuse.
  • SINAMICS V20 er i zone B, og en SIMATIC S7-1200 eller S7-1500 controller er i zone C.
• For at forbedre EMC-ydelsen kan der tilføjes filtre og koblingsmoduler ved zonernes grænseflader.
• Forbindelseskabler mellem zonerne skal være adskilt for at forhindre EMC-kobling og må ikke være i samme kabelkanal eller ledningsnet.
• Kommunikationsnetværk og signalkabler, som RS485, der går ind i eller ud af kabinettet, skal være afskærmede.

Figur 6: Elektromagnetisk afkoblede zoner kan forbedre EMC-ydelsen i SINAMICS V20-installationer. (Billedkilde: Siemens)

Konklusion

SINAMICS V20-omformere er meget alsidige, kompakte og understøtter forskellige industrielle anvendelser med variabel hastighed med én akse. De har et omfattende udvalg af indbyggede funktioner og muligheder. Tilføjelse af tilbehør, som et grundlæggende betjeningspanel, fjernadgangsmodul og parameterindlæser kan øge anvendeligheden. Derudover fås disse frekvensomformere med en bred vifte af tillægsmoduler, der understøtter avanceret systemfunktionalitet, og de er optimeret til brug med Siemens-controllere. Endelig blev det vist, hvordan man integrerer disse VFD'er i EMI-kompatible styreskabe og industrielle bevægelsessystemer.