Hvilke supportprodukter skal der til for at maksimere effekten af at bruge VFD'er og VSD'er? - Del 2

Del 1 af denne artikelserie så på, hvad man skal overveje, når man vælger motortilslutningskabler, udgangsreaktorer, bremsemodstande, ledningsreaktorer og ledningsfiltre. Del 2 fortsætter med at se på forskellene mellem VSD'er/VFD'er og servodrev, gennemgår anvendelser af roterende og lineære servomotorer med AC og DC, overvejer, hvor bløde start-stop-enheder passer ind i industriel drift, og ser på, hvordan DC-omformere bruges til at drive periferiudstyr som sensorer, menneske-maskine-grænseflader (HMI'er) og sikkerhedsanordninger.

Drev med variabel hastighed og variabel frekvens (VSD’er/VFD’er) er afgørende for at maksimere industriens effektivitet og bæredygtighed, men det er ikke de eneste værktøjer, der er til rådighed. For at opnå den ultimative ydeevne skal VSD'er/VFD'er ofte suppleres med andre enheder som servodrev og motorer, bløde start-stop-enheder, jævnstrømsomformere og UPS'er med jævnstrømsindgang for at nå frem til en optimal arkitektur for industriel automatisering.

AC- og DC-servomotorer og -drev er velegnede til forskellige anvendelser, fra enkle 1- eller 2-aksede opgaver til komplekse opgaver med 256 eller flere bevægelsesakser. Servomotorstyrede aktuatorer giver præcise og gentagelige bevægelser til industrimaskiner og fås med roterende og lineære bevægelseskonfigurationer.

Applikationer med konstant hastighed som transportbånd, pumper og traverskraner kan ofte drage fordel af at bruge bløde start-stop-enheder i stedet for VSD'er/VFD'er.

Afhængigt af applikationskravene kan designerne vælge mellem redundante jævnstrømsforsyninger, en klasse 2-strømforsyning som defineret i U.S. National Electric Code (NEC) eller en jævnstrøms-UPS til at håndtere uforudsigelig netstrøm og forbedre systemets pålidelighed.

Denne artikel begynder med et kig på forskellene mellem VSD'er/VFD'er og servodrev, gennemgår anvendelser af roterende og lineære AC- og DC-servomotorer og overvejer, hvor bløde start-stop-enheder passer ind i den industrielle drift. Den fortsætter med at gennemgå, hvordan DC-omformere bruges til at forsyne perifere enheder som sensorer, menneske-maskine-grænseflader (HMI'er) og sikkerhedsudstyr. Den undersøger, hvornår man skal bruge en redundant DC-arkitektur eller en DC-UPS til at forsyne disse enheder med strøm, og valget mellem batteri- og superkondensatorenergilagring. Repræsentative enheder fra Schneider Electric, Omron, Lin Engineering og Siemens præsenteres i hvert tilfælde.

Servomotorsystemer kan supplere VSD'er/VFD'er i industrielle automatiseringsarkitekturer. Servomotorsystemer er designet til komplekse og dynamiske bevægelsessystemer og kan understøtte præcis positionering. Servodrev bruges med permanente magnetmotorer og enkodere til styring i lukket kredsløb. De er designet til at understøtte hurtig acceleration og deceleration og kan understøtte lineære eller ikke-lineære bevægelsesprofiler.

Mange VSD'er/VFD'er bruger open-loop-styring til at styre motorhastigheden. De understøtter ikke den præcision eller reaktionsevne, der er tilgængelig med servomotorsystemer. Derudover betyder motorstyring med åbent kredsløb, at VSD'er/VFD'er ikke nødvendigvis kompenserer, hvis belastningen ændres, eller motoren går i stå. Mens servomotorsystemer bruges i meget dynamiske applikationer, bruges VSD'er/VFD'er i applikationer, der opretholder en konstant hastighed eller relativt få hastighedsændringer over en lang periode.

Servomotorsystemer har tendens til at være mindre end VSD-/VFD-drev, med typiske effektniveauer fra 40 til 5.000 W. De har høje hastigheder, op til 5.000 omdrejninger pr. minut (o/min), lav støj, lav vibration og højt drejningsmoment. Servomotorer fås i forskellige rammestørrelser, op til 180 mm eller større. For eksempel er SBL40D1-04 fra Lin Engineering en 40 mm, 60 W børsteløs DC (BLDC) servomotor med en nominel spænding på 36 V_DC.

Servomotorer er ofte parret med frekvensomformere. Schneider Electric tilbyder LXM28AU07M3X-drevet og BCH2LF0733CA5C-servomotoren med 5.000 o/min, begge med en nominel effekt på 750 W (figur 1). Drevet har integrerede CANopen- og CANmotion-kommunikationsgrænseflader og kan fungere med enfaset eller trefaset strøm. Den medfølgende 80 mm motor er IP65-klassificeret og kan fungere fra -20 °C til +40 °C.

Figur 1: Matchet 750 W servodrev og IP65-klassificeret motor. (Billedkilde: Schneider Electric)

Lineær og kartesisk bevægelse

Lineær bevægelse bruges i forskellige industrielle processer, fra overfladebehandling af materialer og 3D-printning til inspektionssystemer, og findes i flere udførelsesformer. Nogle er baseret på roterende stepmotorer, og andre designs bruger lineære motorer. Roterende stepmotorer producerer lineær bevægelse ved hjælp af en gevindskåret aksel. Der er to grundlæggende designs, ekstern møtrik og intern møtrik, også kaldet ikke-kaptiv.

Møtrikken er monteret på gevindakslen i en lineær aktuator med ekstern møtrik. Akslen er fastgjort i begge ender. Når stepmotoren roterer, bevæger møtrikken sig frem og tilbage langs akslen og bærer det objekt (nyttelasten), der skal flyttes. I et ikke-kaptivt design er nyttelasten fastgjort til motoren. Akslen er fastgjort i begge ender, og motoren, der bærer nyttelasten, bevæger sig langs akslen.

Lineære bevægelsestrin med højeffektive lineære motorer med jernkerne, magnetspor og absolut enkoderteknologi kan give gentagelig submikronpræcision og 5G-acceleration, der bevæger sig op til 5 m/s til industrielle højhastighedsapplikationer. I modsætning til konstruktioner med gevindaksler kan lineære motorer give højere positioneringsnøjagtighed og hurtigere bevægelse.

De mekaniske dele af de lineære bevægelsesstadier kan pakkes ind i meget lukkede strukturer for at beskytte miljøet. Omron tilbyder lineære bevægelsesscenarier baseret på jernkernemotorer fra 30 mm aktiv magnetbredde og tre spoler til 110 mm aktiv magnetbredde og 15 spoler. De er klassificeret til at levere fra 48 Newton (N) til 760 N kraft.

Den lineære aktuatormotor R88L-EA-AF-0303-0686 fås i 230 V- og 400 V-modeller. Den har en nominel kraft på 48 N og en spidskraft på 105 N. Den kan drives med servodriveren R88D-KN02H-ECT, der inkluderer EtherCAT-kommunikation til integration i industrielle netværk. To lineære bevægelsestrin kan stables for at give bevægelse i et kartesisk koordinatsystem (figur 2).

Figur 2: To lineære motortrin kan stables for at understøtte kartesisk bevægelse. (Billedkilde: Omron)

Bløde start-stop-enheder

Mens VFD'er/VSD'er og servodrev styrer motorernes hastighed og drejningsmoment, mens de kører, begrænser bløde start-stop-enheder strømindtaget, når en motor startes, for at beskytte motoren og give en jævn stigning i hastighed og drejningsmoment. De giver en jævn nedtrapning af hastigheden, når motoren stoppes. De beskytter også de mekaniske komponenter i systemet mod skadelige momentspidser, når man starter eller stopper.

En motor med blød start-stop-enhed kan gavne applikationer som transportbånd, pumper, ventilatorer, traverskraner og automatiske døre, der ikke har brug for et højt opstartsmoment og kører ved konstante hastigheder. Kontrollerede og forudsigelige hastighedsændringer forbedrer også førerens sikkerhed.

Motorens start- og stophastigheder styres ved hjælp af solid state-enheder som siliciumstyrede ensrettere (SCR'er), der styrer spændingen og strømmen til motoren. Når motoren er startet helt op, forbikobles SCR'erne ved hjælp af en kontaktor for at forbedre driftseffektiviteten.

Bløde start-stop-enheder som Alistart 22-familien fra Schneider Electric kan håndtere et bredt udvalg af trefasede asynkronmotorer fra 4 kW til 400 kW. De omfatter klasse 10 motoroverbelastning og termisk beskyttelse, hvilket giver en hurtig udløsningstid på 8 til 10 sekunder. Den nominelle effekt for bløde start-stop-enheder afhænger ofte af motorens driftsspænding. For eksempel kan Schneider Electrics ATS22D17S6U-enhed håndtere motorer på 3 hk med 208 V spænding, 5 hk med 230 V spænding, 10 hk med 460 V spænding og 15 hk med 575 V spænding (figur 3). Den kræver 110 V_AC 50/60 Hz spænding til kontrolkredsløbet.

Figur 3: Denne bløde start-stop-enhed kan håndtere motorer på op til 15 hk. (Billedkilde: DigiKey)

Redundant effekt

Industrisystemer bruger 24 V_DC-spænding til forskellige funktioner som sensorer, HMI'er og sikkerhedsanordninger. Grundlæggende redundant effekt kan forbedre pålideligheden af industrielle installationer. Redundant effekt bruger to parallelt forbundne strømforsyninger til at drive en belastning, hvor hver strømforsyning er tilstrækkelig til at drive hele belastningen, hvis den anden strømforsyning svigter. Når der bruges to strømforsyninger, kaldes det 1+1 redundans. Begge strømforsyninger skal svigte, for at systemeffekten svigter.

Brug af flere strømforsyninger i en N+1-konfiguration kan øge pålideligheden af det samlede strømforsyningssystem. En 3+1 redundant effektarkitektur bruger fire strømforsyninger, hvoraf tre kan drive hele belastningen.

Et redundansmodul bruger typisk diodeisolering til at forbinde strømforsyningerne for at sikre, at fejl i en strømforsyning ikke påvirker driften af de andre strømforsyninger. Til anvendelser, der kræver endnu højere pålidelighed, kan der anvendes flere redundansmoduler for at eliminere muligheden for et enkelt fejlpunkt (figur 4). Omrons S8VK-C12024 AC/DC-strømforsyning kan f.eks. understøtte 24 V-belastninger på op til 120 W. To af disse strømforsyninger kan tilsluttes ved hjælp af redundansmodulet S8VK-R10 for at skabe et 120 W 1+1 redundant effektsystem.

Figur 4: Brug af flere redundansmoduler (til højre) kan eliminere det enkelte fejlpunkt og øge pålideligheden. (Billedkilde: Siemens)

Klasse 2 og redundans

Klasse 2-effekt kan være en vigtig sikkerhedsfaktor i industrielle installationer. Som defineret i den amerikanske NEC har klasse 2-strømforsyninger et output, der er begrænset til mindre end 100 VA. Klasse 2-effekt er også påkrævet eller anbefales med nogle industrielle enheder uden for USA.

Begrænsning af strømmen reducerer risikoen for elektrisk stød og brand. Derfor kræver klasse 2-installationer ikke, at strømkablerne føres gennem rør eller kanaler, hvilket forenkler installationen og reducerer omkostningerne. Desuden kræves der enklere inspektioner for klasse 2-installationer, hvilket reducerer omkostningerne yderligere.

Der er to måder at opnå en klasse 2-effekt på. Der findes strømforsyninger, som internt begrænser udgangseffekten til under 100 VA. Eller en strømforsyning med højere effekt som 480 W (24 V_DC og 20 A) 6EP15663AA00 fra Siemens kan bruges med redundansmoduler som Siemens' 6EP19622BA00, der begrænser udgangseffekten og samtidig giver redundans til flere belastninger (figur 5).

Figur 5: 1+1 redundante strømforsyninger (til venstre) forbundet til fire belastninger via klasse 2-redundansmoduler. (Billedkilde: Siemens)

Uafbrydelig effekt

Redundant effekt kan være nyttigt, men det er ikke nok til kritiske applikationer. Når sporbarhed og dataindsamling er obligatorisk, sikkerhed er en bekymring, eller uafbrudt drift er påkrævet, er der brug for en UPS som 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS fra Siemens . Denne UPS har en 24 V_DC-udgang og kan levere op til 20 A.

Et af de vigtigste spørgsmål, når man skal vælge en UPS, er energilagringsteknologien. Ultrakondensatorer, også kaldet dobbeltlagskondensatorer, er velegnede til kortvarige behov for backup-strøm som f.eks. lagring af procesdata og ordnet nedlukning af industri-pc'er og andre enheder. De har en lang levetid og kan levere op til 20 kilowattsekunder (kW) backup-strøm. For eksempel kan Siemens' model 6EP19332EC41 kondensatorenergilagringsenhed levere op til 2,5 kWs backup-strøm.

Bly-syre og forskellige litium-ion-kemier kan være nyttige til længerevarende backup-strømbehov, som tager op til flere timer for kritisk kommunikation eller procesdrift (figur 6). Der findes grundlæggende DC UPS-batterimoduler med op til 38 Ah lagerplads. Flere batterimoduler kan bruges til at give backup-tider på flere timer. DC UPS-batterimodulet 6EP19356MD31 fra Siemens bruger vedligeholdelsesfrie, forseglede blysyrebatterier til at levere op til 15 A med en lagerkapacitet på 2,5 Ah.

Figur 6: Ultrakondensatorer (UPS5005 og UPS501S) kan levere kortvarig backup-strøm (til venstre), mens batterier (UPS16090 og BAT1600) kan understøtte meget længere backup-strøm (til højre). (Billedkilde: Siemens)

Konklusion

VSD'er/VFD'er anses ofte for at være arbejdshestene i industriel automatisering. Men en omfattende industriel automatiseringsarkitektur kræver mere, herunder servodrev, motorer og bløde start-stop-enheder. Designere af industrielle automationssystemer har også mange jævnstrømsarkitekturer at vælge imellem, når de skal optimere oppetid og pålidelighed.