Cum se instalează, se conectează și se integrează rapid VSD-urile pe o singură axă în sistemele de automatizare din Industria 4.0

Acționările cu viteză variabilă (VSD) pe o singură axă sunt esențiale în aplicațiile industriale, cum ar fi pentru pompe, ventilatoare, compresoare, transportoare și operațiuni de procesare precum morile și mixerele. Aceste aplicații au secvențe de mișcare simple și necesită VSD-uri eficiente pentru a sprijini implementarea rapidă și economică a funcțiilor de acționare de bază cu timpi scurți de punere în funcțiune.

Pot necesita o varietate de funcții de control, inclusiv volți scalari per Hertz (V/f), V/f multipunct programabil, V²/f care adaptează automat fluxul pentru a economisi energie și controlul curentului de flux (FCC) care adaptează automat ieșirea acționării la sarcină. Implementarea și integrarea rentabile sunt esențiale pentru sistemele industriale și beneficiază de caracteristici precum:

• Selecția preconfigurată a aplicațiilor
• Dimensiunea compactă
• Parametrii de comunicare presetați
• Transferul eficient al setărilor parametrilor către mai multe unități
• Punerea în funcțiune, operarea și diagnosticarea fără fir
• Comenzi macro de conectare și aplicații pentru simplificarea cablării și a configurării I/O

Acest articol prezintă o familie de VFD-uri cu o singură axă de la Siemens, robuste și cu consum energetic mic, concepute pentru a simplifica instalarea. De asemenea, trece în revistă mai multe funcții integrate, analizează accesoriile de bază ale sistemului și o varietate de module adiționale mai specializate și mai avansate, precum și sugestii de integrare folosind controlere Siemens. Se încheie prin trecerea în revistă a unor considerente pentru integrarea acestor VFD-uri în dulapuri de control conforme cu EMI și în sisteme de mișcare industrială.

Digitalizarea controlului motoarelor aduce multiple beneficii sistemelor industriale de mișcare pe o singură axă. Înlocuirea comenzilor mecanice simple cu un VSD permite sistemului să răspundă imediat la situațiile de funcționare cu sarcină parțială și poate reduce consumul de energie cu 50% sau mai mult. De asemenea, funcționarea cu viteză variabilă poate minimiza uzura motoarelor și a componentelor mecanice, reducând nevoile de întreținere și îmbunătățind disponibilitatea.

Platforma SINAMICS V20 de la Siemens este disponibilă în nouă dimensiuni de cadru și acoperă o gamă de puteri de la 0,12 kW la 30 kW (0,16 CP la 40 CP) (Figura 1). Exemplele de VFD-uri SINAMICS V20 includ modelele 6SL3210-5BB11-2UV1 de la 0,12 kW până la 3 kW, 6SL3210-5BB23-0UV1 cu intrare monofazată de 230 V_c.a. și modelele 6SL3210-5BE32-2UV0 de la 0,37 kW până la 30 kW cu intrare trifazată de 480 V_c.a.

Figura 1: Cele nouă mărimi de cadru ale convertoarelor SINAMICS V20 de la FSAA la FSE (de la 0,16 până la 40 CP). (Sursa imaginii: Siemens)

Eficiența este un avantaj major al utilizării unităților SINAMICS V20. Acestea sunt compacte și utilizează eficient spațiul; ele permit instalarea și punerea rapidă în funcțiune, ceea ce înseamnă o utilizare eficientă a timpului și a banilor, și sunt eficiente din punct de vedere energetic, contribuind la protejarea mediului înconjurător. Unele dintre numeroasele caracteristici includ:

• Funcționare economică susținută de mai multe moduri de control, inclusiv V/f, V²/f, FCC și V/f multipunct
  • Economiile de energie pot fi îmbunătățite cu ajutorul modului ECO pentru V/f, V²/f și a unui mod de hibernare
  • Economiile de energie pot fi monitorizate fără echipamente externe de măsurare a energiei și afișate în kWh, CO2 sau în valută
• Rețea de alimentare monofazată sau trifazată
  • Monofazată de la 200 la 240 V_c.a. (-10%/+10%) poate fi, de asemenea, conectată la două faze ale unei rețele trifazate de 120/240 V_c.a.
  • Trifazată de la 380 la 480 V_c.a. (-15%/+10%)
• Comenzile macro de aplicații preconfigurate reduc timpul de punere în funcțiune
• Parametrii de comunicare prestabiliți accelerează punerea în funcțiune folosind biblioteci standard și comenzi macro de conectare
• Adaptarea automată la tensiuni de rețea instabile asigură o funcționare stabilă, previne întreruperile și contribuie la creșterea productivității
• Capacitate de suprasarcină de până la 150% timp de 60 s într-un timp de ciclu de 300 s
• Tensiunea maximă de ieșire este de 100% din tensiunea de intrare
• Încărcarea parametrilor fără sursă de alimentare permite configurarea rapidă a mai multor unități
• Punerea în funcțiune cu un dispozitiv mobil sau un laptop cu server web Smart Access
• Comenzi macro integrate pentru aplicații și conexiuni

Funcții integrate

Acționările SINAMICS V20 au mai multe funcții integrate care accelerează implementarea și simplifică integrarea, cum ar fi un controler proporțional-integral-derivat (PID) pentru sarcini de control al procesului, un întrerupător periodic de frânare integrat pe cele mai mari 2 dimensiuni de cadru și o funcție de cuplare c.c. care permite ca două acționări de dimensiuni egale să lucreze în tandem pentru economii de energie mai mari. Controlerul PID poate fi utilizat în sarcini de proces simple, cum ar fi controlul presiunilor, nivelurilor sau debitelor în funcție de o valoare de referință.

Funcția PID include reglarea automată pentru o funcționare optimă și poate susține funcționarea etajată a motorului. Funcționarea etajată a motorului permite controlul a până la 2 motoare suplimentare etajate (în cascadă). În acest caz, sistemul este format din motorul principal controlat de invertor și două motoare suplimentare controlate cu ajutorul unor contactoare sau demaroare controlate de ieșirile digitale ale invertorului.

Dimensiunile de cadru FSD și FSE au un întrerupător periodic de frânare integrat; pentru alte dimensiuni de cadru este disponibil un modul de frânare extern (a se vedea mai jos). Motorul poate fi frânat electric sau mecanic.

• Opțiuni de frânare electrică
  • Frânarea c.c. este aplicată la înfășurarea statorică, ceea ce determină un cuplu de frânare semnificativ. Deși nu este potrivit pentru a menține sarcini suspendate, curentul poate menține arborele staționar odată ce rotația s-a oprit.
  • Frânarea compusă suprapune frânarea în curent continuu peste frânarea regenerativă, în care invertorul regenerează energia în alimentarea legăturii c.c. în timpul frânării.
  • Frânarea dinamică transformă energia regenerativă în căldură. Implementarea frânării dinamice necesită un rezistor de frânare extern pentru a disipa energia.
• Un motor mecanic care menține frâna poate fi controlat prin logică internă pentru a preveni rotirea motorului atunci când invertorul este oprit.

De asemenea, acționările SINAMICS V20 includ o funcție de cuplare c.c. care permite cuplarea electrică a două invertoare de dimensiuni egale folosind conexiunile lor de legătură c.c. Atunci când este cazul, cuplarea în curent continuu poate reduce costurile de energie, permițând unui invertor să utilizeze energia de regenerare preluată de la celălalt invertor. Invertoarele pot împărți un singur sistem de frânare dinamică, reducând astfel costurile de instalare. În unele cazuri, cuplarea în curent continuu poate elimina necesitatea unui modul de frânare dinamică și a unui rezistor de frânare dinamică.

Accesorii de bază ale sistemului

Pe lângă funcțiile integrate, utilitatea invertoarelor SINAMICS V20 poate fi îmbunătățită prin adăugarea câtorva accesorii de sistem, cum ar fi un panou de operare de bază (BOP) și o interfață BOP, un modul de acces inteligent și un încărcător de parametri (Figura 2):

• SINAMICS V20 are un panou de control integrat, dar unele aplicații pot beneficia de adăugarea unui BOP pentru controlul de la distanță al unității. BOP este proiectat pentru montare distribuită și are o clasificare UL de tip 1.
• BOP este conectat la SINAMICS V20 cu ajutorul unui modul specializat de interfață BOP care se conectează la portul de expansiune al invertorului și are o interfață RS232 pentru conectarea la BOP.
• Modulul Smart Access dispune de un server web integrat care simplifică punerea în funcțiune și operarea SINAMICS V20 cu ajutorul unui smartphone, unui laptop sau al unei tablete. Funcțiile suportate de acest modul includ:
  • Expertul de punere în funcțiune pentru accelerarea punerii în funcțiune
  • Setarea și salvarea parametrilor sau restaurarea setărilor din fabrică
  • Testarea motoarelor
  • Monitorizarea datelor operaționale
  • Efectuarea verificărilor de diagnosticare a sistemului
• Încărcătorul de parametri poate încărca până la 100 de seturi de parametri în SINAMICS V20 sau poate descărca seturi de parametri din unitate. Încărcătorul de parametri alimentat cu baterii poate fi utilizat fără a porni unitatea.

Figura 2: Modelul FSAA SINAMICS V20 de 0,16 CP prezentat cu patru module de expansiune comune. (Sursa imaginii: Siemens)

Mai multe accesorii

Filtrele de linie pot fi adăugate atunci când este necesar. Pentru a respecta standardul EN 61800-3 Categoria C2 privind emisiile radiate și conduse, sunt necesare filtre CEM externe pentru invertoarele SINAMICS V20 (modelele cu și fără filtru de 400 V, precum și modelele fără filtru de 230 V). De exemplu, modelul 6SL32030BE177BA0 este proiectat pentru utilizarea cu invertoare de 400 V cu cadru FSA.

Reactoarele de linie sunt disponibile pentru a netezi vârfurile de tensiune sau pentru a acoperi golurile de comutație. De asemenea, aceste reactoare reduc efectele armonicelor asupra liniei de alimentare și a convertorului.

Frânarea poate fi implementată utilizând modulul de frânare 6SL32012AD208VA0 (Figura 3) cu dimensiuni de cadru de la FSAA la FSC. Dimensiunile de cadru FSD și FSE au un întrerupător periodic de frânare integrat și nu necesită un modul extern. În toate cazurile, o performanță mai bună a frânării și o decelerare îmbunătățită pot fi realizate prin adăugarea unui rezistor de frânare extern, cum ar fi modelul 6SE64004BC050AA0, pentru a disipa energia de regenerare produsă de motor.

Figura 3: Modulul de frânare pentru acționările motorului SINAMICS V20. (Sursa imaginii: DigiKey)

Aplicațiile care au nevoie de intrări sau ieșiri pot adăuga modulul de expansiune I/O SINAMICS V20 (Figura 4). Modulul se montează direct pe gama de invertoare de 400 V și oferă două intrări digitale și două ieșiri digitale de releu. De exemplu, modulul de expansiune I/O poate fi utilizat în aplicații de control cu pompe multiple, permițând controlul a până la patru pompe cu o singură unitate SINAMICS V20. De asemenea, modulul este util și atunci când trebuie controlate mai multe ventilatoare sau compresoare. Acesta are conexiuni în partea din față și din spate și poate fi combinat cu alte accesorii, cum ar fi interfața BOP și modulele de acces inteligent. Cu toate acestea, nu poate fi utilizat simultan cu modulul de încărcare a parametrilor.

Figura 4: Modul de expansiune montat pe partea frontală a unei acționări SINAMICS V20. (Sursa imaginii: Siemens)

Reactoarele de ieșire, cum ar fi modelul 6SL3202-0AE16-1CA0 pentru dimensiunea cadrului FSA, pot reduce efortul de tensiune asupra înfășurărilor motorului (Figura 5). Aceste reactoare de ieșire reduc și curenții capacitivi de încărcare și descărcare care pot solicita invertorul atunci când se utilizează cabluri lungi pentru motoare.

Figura 5: Reactor de ieșire pentru acționările SINAMICS V20 de 0,5 CP trifazate de la 380 V_c.a. la 480 V_c.a., cadru FSA de 6,1 A. (Sursa imaginii: Siemens)

Integrarea în sisteme mai mari

Acționările SINAMICS V20 sunt proiectate pentru a fi controlate de un controler SINAMICS S7-1200 sau S7-1500, cum ar fi modelul 6ES75173FP000AB0, prin intermediul interfeței RS485 și utilizând protocolul Universal Serial Interface (USS). Sunt disponibile exemple de proiecte care demonstrează modul de configurare și programare a acestor controlere cu un SINAMICS V20. USS este setarea implicită, dar un SINAMICS V20 poate utiliza și protocolul MODBUS RTU.

Un controler principal se poate conecta la maxim 31 de VFD-uri.

Asamblarea

Asamblarea componentelor detaliate mai sus într-un sistem complet poate fi o provocare, mai ales în situațiile în care conformitatea CEM este un aspect important. Izolarea surselor potențiale de interferență este, de obicei, cea mai rapidă și mai rentabilă abordare. Aceasta se poate realiza prin organizarea dulapului de control și a restului sistemului într-o serie de patru zone izolate, așa cum se arată în Figura 6. La punerea în aplicare a zonelor de izolare trebuie să se țină seama de următoarele aspecte:

• Decuplarea electromagnetică a zonelor poate fi realizată cu ajutorul unor plăci de separare împământate sau a unor carcase metalice separate.
  • SINAMICS V20 se află în zona B, iar un controler SIMATIC S7-1200 sau S7-1500 se află în zona C.
• Pentru îmbunătățirea performanțelor CEM, se pot adăuga filtre și module de cuplare la interfețele zonelor.
• Cablurile de conectare dintre zone trebuie să fie separate pentru a preveni cuplarea CEM și nu trebuie să se afle în același canal de cabluri sau cablaj.
• Cablurile pentru rețeaua de comunicații și cele de semnal, cum ar fi RS485, care intră sau ies din dulap trebuie să fie ecranate.

Figura 6: Zonele decuplate electromagnetic pot îmbunătăți performanța CEM a instalațiilor SINAMICS V20. (Sursa imaginii: Siemens)

Concluzie

Convertoarele SINAMICS V20 sunt extrem de versatile, compacte și acceptă diverse aplicații industriale cu viteză variabilă pe o singură axă. Acestea au o gamă largă de caracteristici și capacități integrate. Adăugarea de accesorii, cum ar fi un panou de operare de bază, un modul de acces de la distanță și un încărcător de parametri, poate spori utilitatea. În plus, aceste acționări sunt disponibile cu o gamă largă de module suplimentare pentru a susține funcționalitatea avansată a sistemului și sunt optimizate pentru utilizarea cu controlerele Siemens. În cele din urmă, s-a arătat cum aceste VFD-uri pot fi integrate în dulapuri de control conforme cu EMI și în sisteme de mișcare industrială.