Hur man snabbt installerar, ansluter och integrerar frekvensomriktare för en axel i automationssystem för Industry 4.0

Frekvensomriktare (VSD) för en axel är viktiga i industriella tillämpningar som t.ex. pumpar, fläktar, kompressorer och transportband samt i bearbetningsprocesser som t.ex. kvarnar och blandare. Tillämpningarna har enkla rörelsesekvenser och kräver effektiva frekvensomriktare för snabb och ekonomisk implementering av grundläggande funktioner med korta driftsättningstider.

De kan kräva en mängd olika styrfunktioner, inklusive skalär volt per Hertz (V/f), programmerbar V/f med flera punkter, V²/f som automatiskt anpassar flödet för att spara energi, och en styrning av strömflödet (FCC) som automatiskt anpassar styrenhetens uteffekt till belastningen. Kostnadseffektiv driftsättning och integration är avgörande för industriella system och drar nytta av funktioner som t.ex:

• Förkonfigurerat urval av tillämpningar
• Litet format
• Förinställda kommunikationsparametrar
• Effektiv överföring av parameterinställningar till flera enheter
• Trådlös driftsättning, drift och diagnostik
• Anslutnings- och tillämpningsmakron för att förenkla inkoppling av I/O och konfiguration

Artikeln presenterar en serie robusta och energieffektiva frekvensomriktare för en axel från Siemens som är konstruerade för att förenkla installationen. Dessutom granskas flera integrerade funktioner, grundläggande systemtillbehör och en mängd mer specialiserade och avancerade tilläggsmoduler, samt förslag på integration med Siemens styrenheter. Avslutningsvis går artikeln igenom några överväganden för att integrera frekvensomriktarna i styrskåp som uppfyller kraven för elektromagnetiska störningar (EMI) och industriella rörelsesystem.

Digitalisering av motorstyrning har flera fördelar i industriella rörelsesystem med en axel. Genom att ersätta enkla mekaniska styrningar med en frekvensomriktare kan systemet omedelbart reagera på situationer med partiell belastning och minska energiförbrukningen med 50 % eller mer. Drift med variabel hastighet kan också minimera slitaget på motorer och mekaniska komponenter, vilket minskar underhållsbehovet och förbättrar tillgängligheten.

Serien SINAMICS V20 från Siemens finns i nio storlekar och täcker ett effektområde från 0,12 till 30 kW (0,16 till 40 hk) (figur 1). Exempel på frekvensomriktarna SINAMICS V20 inkluderar modeller för 230 V_AC och en fas som t.ex. 6SL3210-5BB11-2UV1 för 0,12 kW, 6SL3210-5BB23-0UV1 för upp till 3 kW, och modeller för 480 V_AC och tre faser, som t.ex. 6SL3210-5BE32-2UV0 för 0,37 kW och andra modeller upp till 30 kW.

Figur 1: De nio olika storlekarna för frekvensomriktarna SINAMICS V20, från FSAA till FSE (0,12 till 30 kW). (Bildkälla: Siemens)

En av de stora fördelarna med frekvensomriktarna SINAMICS V20 är effektivitet. De är små och utnyttjar utrymmet effektivt. De möjliggör snabb installation och driftsättning, vilket gör att tid och pengar används effektivt, samt att de är energieffektiva, vilket bidrar till en grönare planet. Några av de många funktionerna inkluderar:

• Ekonomisk drift som stöds av flera olika styrlägen, inklusive V/f, V²/f, styrning av strömflöde och V/f med flera punkter
  • Energibesparingarna kan förbättras med hjälp av ECO-läge för V/f, V²/f och ett viloläge
  • Energibesparingar kan övervakas utan extern effektmätningsutrustning och visas i kWh, CO2 eller valuta
• Nätström för en eller tre faser
  • 200 till 240 V_AC för en fas (±10 %) kan även anslutas till två faser i ett nät med 120/240 V_AC och tre faser
  • 380 till 480 V_AC med tre faser (-15/+10 %)
• Förkonfigurerade tillämpningsmakron minskar driftsättningstiden
• Förinställda kommunikationsparametrar snabbar på driftsättningen tack vare standardbibliotek och anslutningsmakron
• Automatisk anpassning till instabila nätspänningar garanterar stabil drift, förhindrar avbrott och bidrar till en högre produktivitet
• Överbelastningskapacitet på upp till 150 % i 60 s inom en cykeltid på 300 s
• Maximal utspänning är 100 % av inspänningen
• Inläsning av parametrar utan strömförsörjning möjliggör snabb konfiguration av flera enheter
• Driftsättning med webbservern Smart Access via mobiltelefon eller bärbar dator
• Integrerade tillämpnings- och anslutningsmakron

Integrerade funktioner

SINAMICS V20 har flera integrerade funktioner som påskyndar driftsättningen och förenklar integrationen, som till exempel en PID-styrenhet (proportional-integral-derivativ) för bearbetningsstyrning, integrerad bromsfunktion för de två största storlekarna och en funktion för likströmskoppling som gör att två lika stora drivenheter kan arbeta i par för ökad energibesparing. PID-styrenheten kan användas för bearbetningsuppgifter som t.e.x att reglera tryck, nivåer eller flöden i förhållande till ett börvärde.

PID-funktionen inkluderar automatisk justering för optimal drift och kan stödja sekventiell hantering av flera motorer. Det innebär att man kan hantera upp till ytterligare två kaskadkopplade motorer. I det här fallet består systemet av den primära motorn som styrs av omriktaren och två ytterligare motorer som styrs av kontaktorer eller motorstartare som styrs av digitala utgångar på omriktaren.

Storlekarna FSD och FSE har en integrerad bromsfunktion. För övriga storlekar finns en extern bromsmodul tillgänglig (se nedan). Motorn kan bromsas elektriskt eller mekaniskt.

• Elektriska bromsalternativ
  • Likströmsinbromsning tillämpas på statorlindningen, vilket medför ett betydande bromsmoment. Den är inte lämplig för att hålla upphängda belastningar, men kan hålla axeln stilla när rotationen väl har stannat.
  • Kombinationsinbromsning överlagrar likströmsinbromsning med regenerativ inbromsning, där växelriktaren återvinner energi till likströmskopplingen under inbromsning.
  • Vid dynamisk inbromsning omvandlas regenerativ energi till värme. Implementering av dynamisk inbromsning kräver en extern bromsresistans för att avleda energin.
• En mekanisk motor som håller bromsen kan styras med hjälp av intern logik för att förhindra att motorn snurrar när växelriktaren är frånslagen.

SINAMICS V20 har också en funktion för likströmskoppling som gör det möjligt att elektriskt sammankoppla två lika stora växelriktare via sina likströmskopplingar. Likströmskoppling kan i förekommande fall minska energikostnaderna genom att en växelriktare kan använda återvunnen energi från den andra växelriktaren. Växelriktarna kan dela på ett enda dynamiskt bromssystem, vilket minskar installationskostnaderna. I vissa fall kan likströmskoppling eliminera behovet av en dynamisk bromsmodul och en dynamisk bromsresistor.

Grundläggande systemtillbehör

Förutom integrerade funktioner kan omriktaren i SINAMICS V20 effektiviseras genom att den kompletteras med några systemtillbehör, som t.ex. en enkel manöverpanel (BOP) och dess gränssnitt, en modul för Smart Access och en modul för inläsning av parametrar (figur 2):

• SINAMICS V20 har en integrerad kontrollpanel, men vissa tillämpningar kan ha nytta av en enkel manöverpanel för att fjärrstyrning av enheten. Den enkla manöverpanelen är konstruerad för distribuerat montage och uppfyller kapslingsklassificering UL typ 1.
• Manöverpanelen ansluts till SINAMICS V20 via en särskild gränssnittsmodul som ansluts till omriktarens utökningsport och har ett RS232-gränssnitt för anslutning av den enkla manöverpanelen.
• Modulen Smart Access har en inbyggd webbserver som förenklar driftsättning och drift av SINAMICS V20 via en smartphone, bärbar dator eller surfplatta. Funktioner som stöds av denna modul inkluderar:
  • Driftsättningsguide för snabbare driftsättning
  • Inställning av parametrar och lagring, eller återställning till fabriksinställningar
  • Provning av motorer
  • Övervakning av driftdata
  • Systemdiagnostik
• Modulen för inläsning av parametrar kan läsa in upp till 100 uppsättningar parametrar till SINAMICS V20 eller ladda ner parametrar från enheten. Den batteridrivna modulen för inläsning av parametrar kan användas utan att omriktaren behöver spänningsättas.

Figur 2: SINAMICS V20 i storlek FSAA med 0,12 kW med fyra vanliga expansionsmoduler. (Bildkälla: Siemens)

Fler tillbehör

Linjefilter kan läggas till vid behov. För att uppfylla standarden EN 61800-3 Kategori C2 för utstrålad och ledningsbunden emission krävs externa EMC-filter för SINAMICS V20 (filtrerade och icke-filtrerade modeller på 400 V samt icke-filtrerade modeller på 230 V). Modellen 6SL32030BE177BA0 är till exempel avsedd för användning med omriktare för 400 V med storlek FSA.

Linjereaktorer finns för att jämna ut spänningstoppar eller överbrygga kommuteringsförluster. Reaktorerna minskar även effekterna av övertoner på nätspänningen och i omvandlaren.

Inbromsning kan implementeras med bromsmodulen 6SL32012AD208VA0 (figur 3) för storlekarna FSAA till FSC. Storlekarna FSD och FSE har en integrerad bromsfunktion och kräver ingen extern modul. I samtliga fall kan bättre inbromsning och förbättrad retardation uppnås genom att lägga till en extern bromsresistor, som t.ex. modellen 6SE64004BC050AA0, för att avleda den regenerativa energi som produceras av motorn.

Figur 3: Bromsmodul för drivenheten SINAMICS V20. (Bildkälla: DigiKey)

Tillämpningar som behöver in- eller utgångar kan kompletteras med utökningsmodulen för in- och utgångar för SINAMICS V20 (figur 4). Modulen monteras direkt på omriktarserien för 400 V, och har två digitala ingångar och två digitala reläutgångar. Till exempel kan utökningsmodulen för in- och utgångar användas för tillämpningar med flera pumpstyrningar så att upp till fyra pumpar kan styras med en enda SINAMICS V20. Modulen är också användbar när flera fläktar eller kompressorer måste styras. Den har anslutningar på fram- och baksidan och kan kombineras med andra tillbehör som t.ex. gränssnitt för enkel manöverpanel och moduler för Smart Access. Den kan dock inte användas samtidigt som modulen för inläsning av parametrar.

Figur 4: Utökningsmodul monterad på framsidan av frekvensomriktaren SINAMICS V20. (Bildkälla: Siemens)

Utgångsreaktorer, som t.ex. modellen 6SL3202-0AE16-1CA0 för storleken FSA, kan minska spänningsbelastningen på motorlindningarna (figur 5). Utgångsreaktorerna minskar också de kapacitiva laddnings- och urladdningsströmmar som kan belasta växelriktaren när långa kablar används till motorerna.

Figur 5: Utgångsreaktor för drivenheten SINAMICS V20 storlek FSA för tre faser med 0,37 kW för 380 V_ACtill 480 V_AC, 6,1A från Siemens. (Bildkälla: Siemens)

Integrering i större system

SINAMICS V20 är konstruerad för att styras av drivenheten SINAMICS S7-1200 eller S7-1500, som t.ex. modellen 6ES75173FP000AB0, via gränssnittet RS485 med hjälp av protokollet USS (Universal Serial Interface). Testprojekt som visar hur man konfigurerar och programmerar enheterna med en SINAMICS V20 finns tillgängliga. USS är standardinställningen, men en SINAMICS V20 kan även använda protokollet MODBUS RTU.

En huvudstyrenhet kan anslutas till maximalt 31 frekvensomriktare.

Att få ihop det hela

Att sätta ihop komponenterna som beskrivs ovan till ett komplett system kan vara en utmaning, särskilt om den viktigaste faktorn är att uppfylla standarden för elektromagnetisk kompatibilitet. Att isolera potentiella störningskällor är oftast den snabbaste och mest kostnadseffektiva metoden. Det går att uppnå genom att organisera styrskåpet och resten av systemet i fyra isolerade zoner, som visas i figur 6. Följande bör beaktas vid införandet av isoleringszoner:

• Elektromagnetisk avkoppling av zonerna går att uppnå med hjälp av jordade separationsplattor eller separata metallhöljen.
  • SINAMICS V20 placeras i zon B och styrenheten SIMATIC S7-1200 eller S7-1500 placeras i zon C.
• För förbättrad elektromagnetisk kompatibilitet kan filter och kopplingsmoduler läggas till vid zonernas gränssnitt.
• Anslutningskablage mellan zonerna måste separeras för att förhindra EMC-koppling och får inte förläggas i samma kabelkanal eller kabelstam.
• Kommunikationsnät och signalkablar, som t.ex. RS485, som passerar in eller ut ur skåpet måste vara skärmade.

Figur 6: Elektromagnetiskt avkopplade zoner kan förbättra den elektromagnetiska kompatibiliteten i installationer med SINAMICS V20. (Bildkälla: Siemens)

Sammanfattning

Frekvensomriktaren SINAMICS V20 är mycket mångsidig, kompakt och stödjer olika industriella tillämpningar som har en axel och variabel hastighet. De har ett omfattande utbud av inbyggda funktioner och möjligheter. Genom att komplettera med tillbehör, som t.ex. en enkel manöverpanel, en modul för fjärråtkomst och en modul för inläsning av parametrar kan användbarheten förbättras. Drivenheterna finns dessutom med en mängd olika tilläggsmoduler för att stödja avancerad systemfunktionalitet, och de är optimerade för användning med styrenheter från Siemens. Slutligen visades hur frekvensomriktarna kan integreras i styrskåp som uppfyller standarden för elektromagnetiska störningar och industriella rörelsesystem.