Disse støtteproduktene må til for å maksimere virkningen av å bruke VFD-er og VSD-er – Del 2

Del 1 av denne artikkelserien så på hvilke faktorer som bør vurderes når motortilkoblingskabler, utgangsreaktorer, bremsemotstander, linjereaktorer og linjefiltre skal velges. Del 2 fortsetter ved å se på forskjellene mellom VSD-er/VFD-er og servodrivere, gjennomgå bruksområder for roterende og lineære AC- og DC-servomotorer, vurdere hvor enheter med mykstart/mykstopp er egnet i industrielle virksomheter, og se på hvordan DC-omformere brukes til å drive eksterne enheter som sensorer, menneske-maskin-interaksjon (MMI) og sikkerhetsenheter.

Drivenheter med variabel hastighet (VSD – variable speed drive) og drivenheter med variabel frekvens (VFD – variable frequency drive) er avgjørende for å maksimere virkningsgraden og bærekraften i industrielle virksomheter, men de er ikke de eneste tilgjengelige verktøyene. For å oppnå den høyeste graden av ytelse, må VSD-er/VFD-er ofte suppleres med andre enheter som servodrivere og motorer, enheter med mykstart/mykstopp, DC-omformere og avbruddsfrie strømforsyninger (UPS) med likestrømsinngang (DC-inngang) for å oppnå en optimal arkitektur for industriautomasjon.

AC- og DC-servomotorer og -drivenheter er egnet for ulike bruksområder, fra enkle 1- eller 2-aksede oppgaver til komplekse oppgaver med 256 eller flere bevegelsesakser. Servomotorstyrte aktuatorer gir presise og repeterbare bevegelser for industrimaskiner, og de er tilgjengelige med roterende og lineære bevegelseskonfigurasjoner.

Utrustninger med konstant hastighet, for eksempel transportbånd, pumper og traverskraner, kan ofte dra nytte av å bruke enheter med mykstart/mykstopp i stedet for VSD-er/VFD-er.

Avhengig av kravene til den aktuelle utrustningen, kan konstruktører velge mellom redundante DC-strømforsyninger, en klasse 2-strømforsyning som definert i US National Electric Code (NEC) eller en DC-UPS for å håndtere uforutsigbar nettstrøm og forbedre systemets pålitelighet.

Denne artikkelen begynner med en titt på forskjellene mellom VSD-er/VFD-er og servodrivere, gjennomgår bruksområder for roterende og lineære AC- og DC-servomotorer og ser på hvor enheter med mykstart/mykstopp er egnet i industrielle virksomheter. Den fortsetter med å gjennomgå hvordan DC-omformere brukes til å drive eksterne enheter som sensorer, menneske-maskin-interaksjon (MMI) og sikkerhetsenheter. Den ser nærmere på når en redundant DC-arkitektur eller en DC-UPS skal brukes til å drive disse enhetene og valget mellom energilagring i form av batteri eller superkondensator. Representative enheter fra Schneider Electric, Omron, Lin Engineering og Siemens presenteres i hvert enkelt tilfelle.

Servomotorsystemer kan supplere VSD-er/VFD-er i arkitekturer for industriautomatisering. Servomotorsystemer er konstruert for komplekse og dynamiske bevegelsessystemer og kan støtte presis posisjonering. Servodrivere brukes med permanentmagnetmotorer og pulsgivere for styring med lukket sløyfe. De er konstruert for å støtte rask akselerasjon og retardasjon og kan støtte lineære eller ikke-lineære bevegelsesprofiler.

Mange VSD-er/VFD-er bruker styring med åpen sløyfe til å styre motorhastigheten. De støtter ikke presisjonen eller responsiviteten som er tilgjengelig med servomotorsystemer. I tillegg betyr motorstyring med åpen sløyfe at VSD-er/VFD-er ikke nødvendigvis kompenserer hvis lasten endres eller motoren stanser. Servomotorsystemer brukes i svært dynamiske utrustninger, mens VSD-er/VFD-er brukes i utrustninger som opprettholder konstant hastighet, eller har relativt få hastighetsendringer, over en lang periode.

Servomotorsystemer har en tendens til å være mindre enn VSD/VFD-drivere, med typiske effektnivåer fra 40 til 5000 W. De har høye hastigheter, opptil 5000 omdreininger per minutt (rpm), lav støy, lave vibrasjonsnivåer og høyt dreiemoment. Servomotorer er tilgjengelige i forskjellige rammestørrelser, opptil 180 mm eller større. For eksempel er SBL40D1-04 fra Lin Engineering en 40 mm børsteløs likestrømsservomotor (BLDC – brushless DC) på 60 W, med en nominell spenning på 36 V_DC.

Servomotorer kombineres ofte med drivenheter. Schneider Electric tilbyr LXM28AU07M3X-drivenheten og BCH2LF0733CA5C-servomotoren på 5000 rpm, der begge er klassifisert for 750 W (figur 1). Stasjonen har integrerte CANopen- og CANmotion-kommunikasjonsgrensesnitt og kan virke med enfaset eller trefaset strøm. Den medfølgende 80 mm-motoren er IP65-klassifisert og kan virke fra –20 °C til +40 °C.

Figur 1: Tilpasset 750 W servodriver og IP65-klassifisert motor. (Bildekilde: Schneider Electric)

Lineær og kartesisk bevegelse

Lineær bevegelse brukes i forskjellige industriprosesser, fra beleggmaterialer og 3D-printing til inspeksjonssystemer, og er tilgjengelig i flere utforminger. Noen er basert på roterbare trinnmotorer, mens andre konstruksjoner bruker lineære motorer. Roterbare trinnmotorer produserer lineær bevegelse ved å bruke en gjenget aksel. Det er to grunnleggende konstruksjoner, ekstern mutter og intern mutter, noen ganger kalt ikke-sikret (non-captive).

Mutteren er montert på den gjengede akselen i en lineær aktuator med ekstern mutter. Akselen er festet i begge ender. Når trinnmotoren roterer, beveger mutteren seg frem og tilbake langs akselen, og bærer dermed gjenstanden (nyttelasten) som skal flyttes. I en ikke-sikret konstruksjon er nyttelasten festet til motoren. Akselen er festet i begge ender, og motoren som bærer nyttelasten beveger seg langs akselen.

Stadier med lineære bevegelser som bruker høyeffektive lineære jernkjernemotorer, magnetiske spor og absolutt pulsgiverteknologi, kan gi repeterbar presisjon ned til sub-mikrometernivået og 5G-akselerasjon, som beveger seg i en hastighet på opptil 5 m/s for industrielle utrustninger som krever raske hastigheter. I motsetning til konstruksjoner med gjenget aksel, kan lineære motorer gi høyere posisjoneringsnøyaktighet og raskere bevegelse.

De mekaniske delene for stadiene med lineære bevegelser kan pakkes i svært innkapslede strukturer for å gi beskyttelse mot miljøet. Omron tilbyr lineære bevegelsesstadier basert på jernkjernemotorer med en aktiv magnetbredde fra 30 mm og 3 spoler, til en aktiv magnetbredde på 110 mm og 15 spoler. De er klassifisert for å levere en kraft fra 48 til 760 Newton (N).

Den lineære R88L-EA-AF-0303-0686-aktuatormotoren er tilgjengelig i modeller med 230 V og 400 V. Den har en nominell kraft på 48 N og en toppkraft på 105 N. Den kan drives med R88D-KN02H-ECT-servodriveren som omfatter EtherCAT-kommunikasjon for integrering i industrinettverk. To lineære bevegelsesstadier kan stables for å gi bevegelse i et kartesisk koordinatsystem (figur 2).

Figur 2: To lineære motortrinn kan stables for å støtte kartesisk bevegelse. (Bildekilde: Omron)

Enheter med mykstart/mykstopp

Mens VFD-er/VSD-er og servodrivere styrer motorenes hastighet og dreiemoment under kjøring, begrenser enheter med mykstart/mykstopp innkoblingsstrømstøt når en motor startes for å beskytte motoren og gi jevn opptrapping i hastighet og dreiemoment. De gir jevn nedtrappingshastighet når motoren stanses. De beskytter også de mekaniske komponentene i systemet mot skade fra momentspisser (torque spikes) når de starter eller stopper.

En motor med mykstart/mykstopp kan være nyttig for utrustninger som transportbånd, pumper, vifter, traverskraner og automatdører som ikke trenger høye nivåer av oppstartsmoment og virker med konstante hastigheter. Kontrollerte og forutsigbare hastighetsendringer forbedrer også operatørens sikkerhet.

Motorens start- og stopphastigheter styres ved å bruke halvlederenheter som silisiumstyrte likerettere (SCR – silicon-controlled rectifier) som styrer spenningen og strømmen til motoren. Når motoren er fullstendig startet, forbikobles SCR-ene ved å bruke en kontaktor for å forbedre den driftsmessige virkningsgraden.

Enheter med mykstart/mykstopp, slik som Alistart 22-familien fra Schneider Electric, kan håndtere et bredt spekter av trefasede asynkronmotorer fra 4 kW til 400 kW. De inkluderer klasse 10-beskyttelse mot motoroverbelastning og varme, noe som gir rask utløsningstid (tripping time) på 8 til 10 sekunder. Effektklassifiseringen til enheter med mykstart/mykstopp avhenger ofte av motorens driftsspenning. ATS22D17S6U-enheten fra Schneider Electrics kan for eksempel håndtere motorer på 3 hk med 208 V, 5 hk med 230 V, 10 hk med 460 V og 15 hk med 575 V (figur 3). Den krever drift på 110 V_AC 50/60 Hz for styringskretsene.

Figur 3: Denne enheten med mykstart/mykstopp kan håndtere motorer på opptil 15 hk. (Bildekilde: DigiKey)

Redundant strøm

Industrisystemer bruker 24 V_DC for ulike funksjoner som sensorer, MMI-er og sikkerhetsenheter. Grunnleggende redundant strøm kan forbedre påliteligheten til industrielle installasjoner. Redundant strøm bruker to strømforsyninger som er koblet i parallell for å drive en last, der hver strømforsyning er tilstrekkelig til å drive hele lasten hvis den andre forsyningen skulle svikte. Når det brukes to strømforsyninger, kalles dette 1+1-redundans. Begge strømforsyningene må svikte for at systemstrømmen skal svikte.

Hvis du bruker flere strømforsyninger i en N+1-konfigurasjon, kan du øke påliteligheten til det samlede strømforsyningssystemet. En 3+1-redundant strømarkitektur bruker fire strømforsyninger, hvorav tre kan drive hele lasten.

En redundansmodul bruker vanligvis diodeisolasjon til å koble til strømforsyningene, slik at svikt i en av strømforsyningene ikke påvirker driften av de andre strømforsyningene. For utrustninger som krever enda høyere pålitelighet, kan flere redundansmoduler brukes for å eliminere muligheten for ett enkelt sviktpunkt (figur 4). For eksempel kan Omrons S8VK-C12024 AC–DC-strømforsyning støtte 24 V-laster på opptil 120 W. To av disse strømforsyningene kan kobles til ved å bruke S8VK-R10-redundansmodulen for å opprette et redundant 120 W 1+1-strømsystem.

Figur 4: Ved å bruke flere redundansmoduler (til høyre) kan det enkelte sviktpunktet elimineres og påliteligheten forbedres. (Bildekilde: Siemens)

Klasse 2 og redundant

Strøm i klasse 2 kan være en viktig sikkerhetsfaktor i industrielle installasjoner. I henhold til definisjonen i US NEC, har klasse 2-strømforsyninger en utgang som er begrenset til mindre enn 100 VA (volt-ampere). Strøm i klasse 2 er også nødvendig eller anbefalt for enkelte industrielle enheter utenfor USA

Begrensning av strømmen reduserer risikoen for elektriske støt og brann. Som et resultat krever ikke klasse 2-installasjoner at strømkablene rutes gjennom kabelrør eller kanaler, noe som forenkler installasjonen og reduserer kostnadene. I tillegg kreves enklere inspeksjoner for klasse 2-installasjoner, noe som reduserer kostnadene ytterligere.

Det er to måter å oppnå klasse 2-effektklassifisering på. Strømforsyninger som internt begrenser utgangen til under 100 VA, er tilgjengelige. Alternativt kan en strømforsyning med høyere wattstyrke, for eksempel 6EP15663AA00 på 480 W (24 V_DC og 20 A) fra Siemens, brukes med redundansmoduler som 6EP19622BA00 fra Siemens som begrenser utgangseffekten, og samtidig gir redundans for flere laster (figur 5).

Figur 5: 1+1-redundante strømforsyninger (venstre) koblet til fire laster gjennom redundansmoduler i klasse 2. (Bildekilde: Siemens)

Avbruddsfri strømforsyning

Redundant strøm kan være nyttig, men det er ikke nok for kritiske utrustninger. Når sporbarhet og datainnsamling er obligatorisk, er sikkerhet av stor betydning, og når uavbrutt drift er påkrevet, vil en UPS som 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS fra Siemens være nødvendig. Denne UPS-en har en 24 V_DC-utgang og kan forsyne opptil 20 A.

En av de viktigste faktorene når en UPS skal velges, er energilagringsteknologien. Ultrakondensatorer, også kalt tolagskondensatorer, er egnet for kortsiktige reservestrømbehov, for eksempel lagring av prosessdata og systematisk nedstengning av industrielle PC-er og andre enheter. De har lang levetid og kan levere opptil 20 kilowattsekunder (kWs) med reservestrøm. For eksempel kan 6EP19332EC41-modellen, en kondensator-energilagringsenheten fra Siemens, gi opptil 2,5 kWs med reservestrøm.

Blysyre og ulike litium-ion-kjemikalier kan være nyttige for lengre reservestrømbehov, som er opptil flere timer for kritisk kommunikasjon eller prosessbetjening (figur 6). Grunnleggende DC-UPS-batterimoduler med opptil 38 Ah lagringskapasitet, er tilgjengelige. Flere batterimoduler kan brukes til å gi reservestrøm som varer flere timer. 6EP19356MD31 DC-UPS-batterimodulen fra Siemens bruker vedlikeholdsfrie forseglede blysyrebatterier til å gi opptil 15 A med en lagringskapasitet på 2,5 Ah.

Figur 6: Ultrakondensatorer (UPS5005 og UPS501S) kan gi kortvarig reservestrøm (venstre), mens batterier (UPS16090 og BAT1600) kan støtte reservestrømdrift over mye lengre tidsperioder (høyre). (Bildekilde: Siemens)

Konklusjon

VSD-er/VFD-er anses ofte for å være arbeidshestene innen industriautomatisering. En omfattende industriell automatiseringsarkitektur krever imidlertid mer, deriblant servodrivere, motorer og enheter med mykstart/mykstopp. Konstruktører av industrielle automatiseringssystemer har også mange DC-arkitekturer å velge mellom når de skal optimalisere oppetid og pålitelighet.