Ce produse suport sunt necesare pentru maximizarea impactului utilizării VFD-urilor și VSD-urilor? - Partea a 2-a

Partea 1 a acestei serii de articole a analizat aspectele care trebuie luate în considerare la selectarea cablurilor de conectare a motorului, a reactoarelor de ieșire, a rezistoarelor de frânare, a reactoarelor de linie și a filtrelor de linie. Partea a 2-a continuă prin analizarea diferențelor dintre VSD/VFD și servocomenzi, revizuirea utilizărilor servomotoarelor liniare și rotative c.a. și c.c., analizarea rolului unităților de pornire-oprire treptată în operațiunile industriale și analizarea modului în care convertoarele c.c. sunt utilizate pentru alimentarea perifericelor precum senzorii, interfețele om-mașină (HMI) și dispozitivele de siguranță.

Variatoarele de viteză și variatoarele de frecvență (VSD/VFD) sunt esențiale pentru maximizarea eficienței și durabilității operațiunilor industriale, dar nu sunt singurele instrumente disponibile. Pentru a obține cele mai bune performanțe, VSD/VFD trebuie adesea completate cu alte dispozitive, cum ar fi servocomenzi și motoare, unități de pornire-oprire treptată, convertoare de curent continuu (c.c.) și surse de alimentare neîntreruptibile (UPS) cu intrare în curent continuu (c.c.) pentru a ajunge la o arhitectură optimă de automatizare industrială.

Servomotoarele și acționările c.a. și c.c. sunt potrivite pentru diverse aplicații, de la sarcini simple cu 1 sau 2 axe la sarcini complexe cu 256 sau mai multe axe de mișcare. Actuatoarele controlate de servomotoare asigură mișcări precise și repetabile pentru mașinile industriale și sunt disponibile cu configurații de mișcare rotativă și liniară.

Aplicațiile cu viteză constantă, cum ar fi transportoarele, pompele și podurile rulante, pot beneficia adesea de utilizarea unităților de pornire-oprire treptată în locul VSD/VFD.

În funcție de cerințele aplicației, proiectanții pot selecta între surse de alimentare c.c. redundante, o sursă de alimentare de clasa a 2-a, așa cum este definită în Codul electric național (NEC) al SUA, sau un UPS c.c. pentru a gestiona alimentarea imprevizibilă de la rețea și a îmbunătăți fiabilitatea sistemului.

Acest articol începe cu o analiză a diferențelor dintre VSD/VFD și servocomenzi, trece în revistă utilizările servomotoarelor rotative și liniare c.a. și c.c. și analizează modul în care unitățile de pornire-oprire treptată se integrează în operațiunile industriale. Apoi, analizează modul în care convertoarele c.c. sunt utilizate pentru a alimenta periferice precum senzori, interfețe om-mașină (HMI) și dispozitive de siguranță. Analizează când să se utilizeze o arhitectură redundantă de curent continuu sau un UPS de curent continuu pentru alimentarea acestor dispozitive și alegerea între stocarea energiei cu baterii și cu super-condensatoare. În fiecare caz sunt prezentate dispozitive reprezentative de la Schneider Electric, Omron, Lin Engineering și Siemens.

Sistemele cu servomotoare pot completa VSD-urile/VFD-urile în arhitecturile de automatizare industrială. Sistemele cu servomotoare sunt concepute pentru sisteme de mișcare complexe și dinamice și pot susține poziționarea precisă. Servocomenzile sunt utilizate cu motoare cu magnet permanent și codificatoare pentru controlul în buclă închisă. Acestea sunt concepute pentru a suporta accelerarea și decelerarea rapidă și pot suporta profiluri de mișcare liniare sau neliniare.

Multe VSD-uri/VFD-uri utilizează controlul în buclă deschisă pentru a gestiona viteza motorului. Acestea nu acceptă precizia sau capacitatea de reacție disponibile cu sistemele cu servomotoare. În plus, controlul motorului în buclă deschisă înseamnă că VSD/VFD nu compensează neapărat dacă sarcina se modifică sau motorul se blochează. În timp ce sistemele cu servomotoare sunt utilizate în aplicații extrem de dinamice, VSD-urile/VFD-urile sunt utilizate în aplicații care mențin o viteză constantă, sau care au relativ puține schimbări de viteză, pe o perioadă lungă de timp.

Sistemele cu servomotoare tind să fie mai mici decât unitățile VSD/VFD, cu niveluri de putere tipice de la 40 la 5.000 W. Acestea au viteze mari, de până la 5.000 de rotații pe minut (rpm), zgomot redus, vibrații reduse și cuplu ridicat. Servomotoarele sunt disponibile cu diferite dimensiuni ale cadrului, până la 180 mm sau mai mari. De exemplu, SBL40D1-04 de la Lin Engineering este un servomotor BLDC (c.c. fără perii) de 40 mm, 60 W, cu o tensiune nominală de 36 V_c.c.

Servomotoarele sunt adesea asociate cu acționări. Schneider Electric oferă acționarea LXM28AU07M3X și servomotorul BCH2LF0733CA5C de 5.000 rpm, ambele cu o putere nominală de 750 W (Figura 1). Acționarea dispune de interfețe de comunicare integrate CANopen și CANmotion și poate funcționa cu alimentare monofazată sau trifazată. Motorul însoțitor de 80 mm este clasificat IP65 și poate funcționa la temperaturi cuprinse între -20 °C și +40 °C.

Figura 1: Servocomandă de 750 W și motor IP65. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Mișcarea liniară și carteziană

Mișcarea liniară este utilizată în diverse procese industriale, de la acoperirea materialelor și imprimarea 3D la sistemele de inspecție, și este disponibilă în mai multe variante. Unele se bazează pe motoare pas cu pas rotative, iar alte modele utilizează motoare liniare. Motoarele pas cu pas rotative produc mișcare liniară utilizând un arbore filetat. Există două modele de bază, cu piuliță externă și cu piuliță internă, denumite uneori necaptive.

Piulița este montată pe arborele filetat într-un actuator liniar cu piuliță externă. Arborele este fixat la ambele capete. Pe măsură ce motorul pas cu pas se rotește, piulița se deplasează înainte și înapoi de-a lungul arborelui, transportând obiectul (sarcina utilă) care urmează să fie deplasat. Într-un proiect necaptiv, sarcina utilă este atașată la motor. Arborele este fixat la ambele capete, iar motorul care transportă sarcina utilă se deplasează de-a lungul arborelui.

Modulele de mișcare liniară cu motoare liniare cu miez de fier de înaltă eficiență, șine magnetice și tehnologie cu codificator absolut pot oferi precizie submicronică repetabilă și accelerație 5G, deplasându-se cu până la 5 m/s pentru aplicații industriale de mare viteză. Spre deosebire de modelele cu arbore filetat, motoarele liniare pot oferi o precizie de poziționare mai mare și o mișcare mai rapidă.

Piesele mecanice ale modulelor de mișcare liniară pot fi capsulate în structuri foarte închise pentru protecție împotriva condițiilor externe. Omron oferă module de mișcare liniară bazate pe motoare cu miez de fier cu o lățime a magnetului activ de la 30 mm și trei bobine cu o lățime a magnetului activ de 110 mm și 15 bobine. Acestea sunt clasificate pentru a furniza o forță de la 48 Newtoni (N) la 760 N.

Motorul de acționare liniară R88L-EA-AF-0303-0686 este disponibil în modele de 230 V și 400 V. Are o forță nominală de 48 N și o forță maximă de 105 N. Poate fi acționat cu servocomanda R88D-KN02H-ECT care include comunicarea EtherCAT pentru integrarea în rețele industriale. Două module de mișcare liniară pot fi suprapuse pentru a asigura mișcarea într-un sistem de coordonate carteziene (Figura 2).

Figura 2: Două module de motor liniar pot fi suprapuse pentru a susține mișcarea carteziană. (Sursa imaginii: Omron)

Unități cu pornire-oprire treptată

În timp ce VFD-urile/VSD-urile și servocomenzile controlează viteza și cuplul motoarelor în timpul funcționării, unitățile cu pornire-oprire treptată limitează curentul de anclanșare pentru a proteja motorul și a asigura o creștere lină a vitezei și cuplului. Acestea asigură o scădere lină a vitezei la oprirea motorului. De asemenea, protejează componentele mecanice din sistem de vârfurile de cuplu dăunătoare din timpul pornirii sau opririi.

O unitate de pornire-oprire treptată a motorului poate fi utilă pentru aplicații precum transportoare, pompe, ventilatoare, poduri rulante și uși automate care nu necesită niveluri ridicate de cuplu la pornire și funcționează la viteze constante. Schimbările de viteză controlate și previzibile îmbunătățesc, de asemenea, siguranța operatorului.

Vitezele de pornire și oprire a motorului sunt ghidate cu ajutorul dispozitivelor semiconductoare, cum ar fi redresoarele controlate cu siliciu (SCR), care controlează tensiunea și curentul la motor. Odată ce motorul este pornit complet, SCR-urile sunt ocolite cu ajutorul unui contactor, pentru a îmbunătăți eficiența operațională.

Unitățile cu pornire-oprire treptată, precum cele din familia Alistart 22 de la Schneider Electric, pot gestiona o gamă largă de motoare asincrone trifazate de la 4 kW la 400 kW. Acestea includ protecția termică și la suprasarcină a motorului de clasa a 10-a, oferind un timp de declanșare rapidă de la 8 până la 10 secunde. Puterea nominală a unităților de pornire-oprire treptată depinde adesea de tensiunea de funcționare a motorului. De exemplu, unitatea ATS22D17S6U de la Schneider Electric poate gestiona motoare de 3 CP cu alimentare de 208 V, 5 CP cu alimentare de 230 V, 10 CP cu alimentare de 460 V și 15 CP cu alimentare de 575 V (Figura 3). Necesită 110 V_c.a. și 50/60 Hz pentru circuitele de control.

Figura 3: Această unitate cu pornire-oprire treptată poate gestiona motoare de până la 15 CP. (Sursa imaginii: DigiKey)

Putere redundantă

Sistemele industriale utilizează alimentarea de 24 V_c.c. pentru diverse funcții, cum ar fi senzori, HMI-uri și dispozitive de siguranță. Alimentarea redundantă de bază poate îmbunătăți fiabilitatea instalațiilor industriale. Alimentarea redundantă utilizează două surse de alimentare conectate în paralel pentru a alimenta o sarcină în care fiecare sursă de alimentare este suficientă pentru a alimenta întreaga sarcină în cazul în care cealaltă sursă cedează. Atunci când sunt utilizate două surse de alimentare, aceasta se numește redundanță 1+1. Ambele surse de alimentare trebuie să cedeze pentru ca alimentarea sistemului să cedeze.

Utilizarea mai multor surse de alimentare într-o configurație N+1 poate crește fiabilitatea întregului sistem de alimentare. O arhitectură de alimentare redundantă 3+1 utilizează patru surse de alimentare, iar dintre acestea, oricare trei pot alimenta întreaga sarcină.

De obicei, un modul de redundanță utilizează o diodă de izolare pentru conectarea surselor de alimentare, pentru a se asigura că defectarea unei surse nu afectează funcționarea celorlalte surse de alimentare. Pentru aplicațiile care necesită o fiabilitate și mai mare, pot fi utilizate mai multe module de redundanță pentru a elimina posibilitatea unui singur punct de defecțiune (Figura 4). De exemplu, sursa de alimentare c.a./c.c. S8VK-C12024 de la Omron poate suporta sarcini de 24 V până la 120 W. Două dintre aceste surse de alimentare pot fi conectate utilizând modulul de redundanță S8VK-R10 pentru a crea un sistem de alimentare redundant 1+1 de 120 W.

Figura 4: Utilizarea mai multor module de redundanță (dreapta) poate elimina punctul unic de defecțiune și poate crește fiabilitatea. (Sursa imaginii: Siemens)

Clasa a 2-a și redundantă

Puterea de clasa a 2-a poate fi un factor de siguranță important în instalațiile industriale. Conform definiției NEC din SUA, sursele de alimentare din clasa a 2-a au o ieșire limitată la mai puțin de 100 VA. Puterea de clasa a 2-a este, de asemenea, necesară sau recomandată pentru unele dispozitive industriale din afara Statelor Unite.

Limitarea puterii reduce riscurile de șoc electric și de incendiu. Drept urmare, instalațiile de clasa a 2-a nu necesită dirijarea cablurilor de alimentare prin tuburi sau canale, simplificând instalarea și reducând costurile. În plus, sunt necesare inspecții mai simple pentru instalațiile din clasa a 2-a, reducând și mai mult costurile.

Există două modalități de a obține o putere nominală de clasa a 2-a. Sunt disponibile surse de alimentare care limitează intern puterea de ieșire la valori mai mici de 100 VA. Sau, o sursă de alimentare cu putere mai mare, cum ar fi 6EP15663AA00 de 480 W (24 V_c.c. și 20 A) de la Siemens, poate fi utilizată cu module de redundanță, cum ar fi 6EP19622BA00 de la Siemens, care limitează puterea de ieșire și oferă redundanță pentru sarcini multiple (Figura 5).

Figura 5: Surse de alimentare redundante 1+1 (stânga) conectate la patru sarcini prin module de redundanță din clasa a 2-a. (Sursa imaginii: Siemens)

Alimentare neîntreruptibilă

Alimentarea redundantă poate fi utilă, dar nu este suficientă pentru aplicațiile critice. Atunci când trasabilitatea și colectarea datelor sunt obligatorii, siguranța este o preocupare sau este necesară funcționarea neîntreruptă, trebuie utilizat un UPS SITOP precum 6EP41363AB002AY0 de la Siemens. Acest UPS oferă o ieșire de 24 V_c.c. și poate furniza până la 20 A.

Un aspect cheie pentru selectarea unui UPS este legat de tehnologia de stocare a energiei. Ultra-condensatoarele, denumite și condensatoare cu strat dublu, sunt potrivite pentru cerințele de alimentare de rezervă pe termen scurt, cum ar fi pentru salvarea datelor de proces și oprirea ordonată a PC-urilor industriale și a altor dispozitive. Acestea au o durată lungă de viață și pot furniza o energie de rezervă de până la 20 kilowați-secundă (kWs). De exemplu, unitatea de stocare a energiei cu condensator modelul 6EP19332EC41 de la Siemens poate furniza o energie de rezervă de până la 2,5 kWs.

Configurația cu plumb-acid și diferite chimii litiu-ion pot fi utile pentru cerințe de alimentare de rezervă de durată mai lungă, de până la câteva ore, pentru comunicații critice sau operațiuni de proces (Figura 6). Sunt disponibile module de baterii UPS c.c. de bază cu o capacitate de stocare de până la 38 Ah. Mai multe module de baterii pot fi utilizate pentru a asigura timpi de rezervă de câteva ore. Modulul de baterii 6EP19356MD31 UPS c.c. de la Siemens utilizează baterii plumb-acid sigilate fără întreținere pentru a furniza până la 15 A cu o capacitate de stocare de 2,5 Ah.

Figura 6: Ultra-condensatoarele (UPS5005 și UPS501S) pot furniza energie de rezervă pe termen scurt (stânga), în timp ce bateriile (UPS16090 și BAT1600) pot susține o funcționare de rezervă mult mai lungă (dreapta). (Sursa imaginii: Siemens)

Concluzie

VSD-urile/VFD-urile sunt adesea considerate a fi mașinile de lucru ale automatizării industriale. Cu toate acestea, o arhitectură cuprinzătoare de automatizare industrială necesită mai mult, inclusiv servocomenzi, motoare și unități cu pornire-oprire treptată. De asemenea, proiectanții de sisteme de automatizare industrială pot alege dintre numeroase arhitecturi de alimentare c.c. atunci când optimizează timpul de funcționare și fiabilitatea.