Vilka stödkomponenter krävs för att maximera effekten vid användning av frekvensomriktare och varvtalsreglerare? - Del 2

Del 1 i denna artikelserie handlade om vad man bör tänka på vid val av anslutningskablar för motorer, utgångsreaktorer, bromsresistorer, ledningsreaktorer och ledningsfilter. Del 2 fortsätter med att titta på skillnaderna mellan varvtalsreglerare/frekvensomriktare och servodrivsystem, granskar användningsområden för roterande och linjära servomotorer för växel- och likström, överväger var enheter för mjuk start och stopp passar in i industriell verksamhet och hur omvandlare för likström används för att driva kringutrustning som t.ex. givare, gränssnitt mellan människa och maskin (HMI) samt säkerhetsanordningar.

Varvtalsreglerare och frekvensomriktare (VSD/VFD) är viktiga för att maximera verkningsgraden och hållbarheten i industriella verksamheter, men de är inte de enda verktygen som finns. För att få bästa möjliga verkningsgrad måste varvtalsreglerare/frekvensomriktare ofta kompletteras med andra enheter som t.ex. servodrivsystem och motorer, enheter för mjuk start och stopp, likströmsomvandlare och avbrottsfri kraftförsörjning (UPS) med likströmsingång för att uppnå en optimal arkitektur för industriell automation.

Servomotorer och frekvensomriktare för växel- och likström lämpar sig för olika tillämpningar, från enkla uppgifter med en eller två axlar till komplexa uppgifter med 256 eller fler rörelseaxlar. Ställdon för servomotorstyrningar ger exakta och repeterbara rörelser för industrimaskiner och finns med roterande och linjära rörelsekonfigurationer.

Tillämpningar med konstant hastighet som t.ex. transportband, pumpar och traverskranar kan ofta dra nytta av att använda enheter med mjuk start och stopp istället för varvtalsreglerare/frekvensomriktare.

Beroende på tillämpningskraven kan konstruktörer välja mellan redundanta nätaggregat för likström, ett nätaggregat för klass 2, som definieras enligt amerikanska NEC (National Electric Code), eller en avbrottsfri kraftförsörjning för likström för att hantera oförutsägbar nätström och förbättra systemets tillförlitlighet.

Artikeln inleder med en genomgång av skillnaderna mellan varvtalsreglerare/frekvensomriktare och servodrivsystem, går igenom användningsområden för roterande och linjära servomotorer för växel- och likström och funderar på var enheter för mjuk start och stopp passar in i industriella verksamheter. Därefter följer en genomgång av hur likströmsomvandlare används för att strömförsörja kringutrustning som t.ex. givare, gränssnitt mellan människa och maskin och säkerhetsanordningar. Den undersöker när man ska använda en redundant likströmsarkitektur eller en avbrottsfri kraftförsörjning för likström för att strömförsörja enheter samt valet mellan energilagring med batteri och superkondensator. I respektive fall visas typiska enheter från Schneider Electric, Omron, Lin Engineering och Siemens.

I industriella automationsarkitekturer kan system med servomotorer komplettera varvtalsreglerare/frekvensomriktare. System med servomotorer är konstruerade för komplexa och dynamiska rörelsesystem och kan stödja exakt positionering. Servodrivsystem används tillsammans med motorer med permanentmagnet och pulsgivare för reglering i slutna kretsar. De är utformade för att klara snabb acceleration och inbromsning och kan stödja linjära eller icke-linjära rörelseprofiler.

Många varvtalsreglerare/frekvensomriktare använder reglering med öppen slinga för att styra motorhastigheten. De har inte samma precision eller gensvar som system med servomotorer. Dessutom innebär motorstyrning med öppen slinga att varvtalsreglerare/frekvensomriktare inte nödvändigtvis kompenserar om belastningen ändras eller om motorn stannar. Medan system med servomotorer används i tillämpningar med hög dynamik, används varvtalsreglerare/frekvensomriktare i tillämpningar som håller en konstant hastighet, eller har relativt få hastighetsändringar, under en längre period.

System med servomotorer tenderar att vara mindre än varvtalsreglerare/frekvensomriktare, med typiska effektnivåer från 40 till 5 000 W. De har höga hastigheter, på upp till 5 000 varv/minut, låg ljudnivå, färre vibrationer och högt vridmoment. Servomotorer finns i olika ramstorlekar, upp till 180 mm eller större. Till exempel är SBL40D1-04 från Lin Engineering en borstlös servomotor för likström med storleken 40 mm och effekten 60 W, med en märkspänning på 36 V_DC.

Servomotorer monteras ofta ihop med frekvensomriktare. Schneider Electric har drivsystemet LXM28AU07M3X och servomotorn BCH2LF0733CA5C med 5 000 varv/min, båda med en effekt på 750 W (figur 1). Drivsystemet har integrerade kommunikationsgränssnitt för CANopen och CANmotion och kan drivas med en eller tre faser. Den medföljande motorn på 80 mm är IP65-klassificerad och har driftstemperaturer från -20 till +40 °C.

Figur 1: Servodrivsystem på 750 W och passande motor med IP65-klassificering. (Bildkälla: Schneider Electric)

Linjär och kartesisk rörelse

Linjär rörelse används i olika industriella processer, från ytbeläggning av material och 3D-utskrift till inspektionssystem, och finns i flera utföranden. Vissa är baserade på roterande stegmotorer och andra konstruktioner använder linjära motorer. Roterande stegmotorer producerar linjär rörelse med hjälp av en gängad axel. Det finns två grundläggande konstruktioner, ut- och invändig mutter.

För ett linjärt ställdon med utvändig mutter är muttern monterad på den gängade axeln. Axeln är fast i båda ändar. När stegmotorn roterar rör sig muttern fram och tillbaka längs axeln och bär med sig det föremål (nyttolasten) som ska flyttas. I en konstruktion med en invändig mutter är nyttolasten fäst vid motorn. Axeln är fast i båda ändar och motorn som bär nyttolasten rör sig längs axeln.

Linjära rörelsesteg för linjära motorer med kärna av järn och hög effektivitet, magnetskenor och teknik för absolut kodning kan ge repeterbar precision ner till en tusendels millimeter och accelerationer som når 5G, med rörelser på upp till 5 m/s för industriella tillämpningar med hög hastighet. Till skillnad från gängade axlar kan linjära motorer tillhandahålla en bättre lägesnoggrannhet och snabbare rörelser.

De mekaniska delarna i linjära rörelsesteg kan förpackas i mycket slutna strukturer för att skyddas mot den omgivande miljön. Omron har linjära rörelsesteg baserade på motorer med kärnor av järn med en aktiv magnetbredd från 30 mm och tre spolar till 110 mm aktiv magnetbredd och 15 spolar. De är klassificerade för att leverera en kraft från 48 till 760 N.

Den linjära ställdonsmotorn R88L-EA-AF-0303-0686 finns i utförande för 230 respektive 400 V. Den har en nominell kraft på 48 N och en maximal kraft på 105 N. Den kan drivas med servodrivsystemet R88D-KN02H-ECT som inkluderar kommunikation via EtherCAT för integrering i industriella nätverk. Två linjära rörelsesteg kan staplas för att stödja rörelser i ett kartesiskt koordinatsystem (figur 2).

Figur 2: Två linjära motorsteg kan staplas för att stödja kartesisk rörelse. (Bildkälla: Omron)

Enheter för mjuk start och stopp

Medan frekvensomriktare/varvtalsreglerare och servodrivsystem styr motorns hastighet och vridmoment under drift, begränsar enheter med mjuk start och stopp inkopplingsströmmen när en motor startas för att skydda motorn och ge en jämn ökning av hastighet och vridmoment. Enheterna skapar en jämn nedtrappning av hastigheten när motorn stoppas. De skyddar även systemets mekaniska komponenter från skadliga vridmomentstoppar vid start och stopp.

En motor med en enhet för mjuk start och stopp kan vara till nytta i tillämpningar som t.ex. transportband, pumpar, fläktar, traverskranar och automatiska dörrar som inte behöver höga startmoment och som körs med konstant hastighet. Styrda och förutsägbara hastighetsförändringar förbättrar även säkerheten för driftpersonal.

Motorns start- och stopphastigheter styrs med hjälp av fasta (solid state) enheter som t.ex. kiselstyrda likriktare (SCR) som styr motorns spänning och ström. När motorn är helt startad förbikopplas de kiselstyrda likriktarna med hjälp av en kontaktor för att förbättra driftens verkningsgrad.

Enheter för mjuk start och stopp, som t.ex. produktfamiljen Alistart 22 från Schneider Electric, kan hantera ett brett utbud av asynkrona motorer med tre faser från 4 till 400 kW. De har överbelastningsskydd och termiskt skydd för motorn som uppfyller klass 10, vilket ger en snabb utlösningstid på 8 till 10 sekunder. Den nominella effekten för enheterna med mjuk start och stopp beror ofta på motorns driftspänning. Enheten ATS22D17S6U från Schneider Electric kan till exempel hantera motorer på 3 hk med 208 V spänning, 5 hk med 230 V spänning, 10 hk med 460 V spänning och 15 hk med 575 V spänning (figur 3). Styrkretsen kräver 110 V_AC med 50/60 Hz.

Figur 3: Enheten för mjuk start och stopp kan hantera motorer på upp till 15 hk. (Bildkälla: DigiKey)

Redundant strömförsörjning

Industriella system använder 24 V_DC för olika funktioner som t.ex. givare, gränssnitt mellan människa och maskin samt säkerhetsanordningar. Grundläggande redundant strömförsörjning kan förbättra tillförlitligheten i industriella installationer. Redundant strömförsörjning använder två parallellkopplade nätaggregat för att strömförsörja en last där varje nätaggregat är tillräckligt för att strömförsörja hela lasten om det andra nätaggregatet skulle sluta fungera. När två nätaggregat används kallas det för 1+1 redundans. Båda nätaggregaten måste gå sönder för att systemets strömförsörjning ska fallera.

Om du använder fler nätaggregat i en N+1 konfiguration kan tillförlitligheten i systemets totala strömförsörjning öka. En redundant 3+1 arkitektur för strömförsörjning har fyra nätaggregat, varav tre kan försörja hela lasten.

En redundansmodul använder vanligtvis diodisolering för att ansluta nätaggregaten så att fel på ett nätaggregat inte påverkar driften av de andra nätaggregaten. För tillämpningar som kräver ännu högre tillförlitlighet kan flera redundansmoduler användas för att eliminera risken för fel vid en enda punkt (figur 4). Nätaggregatet S8VK-C12024 för växel-/likström från Omron kan till exempel stödja 24 V-belastningar på upp till 120 W. Två av dessa nätaggregat kan anslutas med hjälp av redundansmodulen S8VK-R10 för att skapa ett 1+1 redundant kraftsystem på 120 W.

Figur 4: Genom att använda flera redundansmoduler (till höger) kan man minimera fel vid en punkt och öka tillförlitligheten. (Bildkälla: Siemens)

Klass 2 och redundant

Kraft enligt klass 2 kan vara en viktig säkerhetsfaktor i industriella installationer. Enligt definitionen i NEC från USA har nätaggregat i klass 2 en uteffekt som är begränsad till mindre än 100 VA. Kraft enligt klass 2 krävs eller rekommenderas även för vissa industriella enheter utanför USA.

Genom att begränsa effekten minskar risken för elektriska stötar och brand. Det innebär att klass 2-installationer inte kräver att kraftkablarna dras genom rör eller kanaler, vilket förenklar installationen och minskar kostnaderna. Dessutom är inspektionerna för klass 2-installationer mindre omfattande vilket minskar kostnaderna ytterligare.

Det finns två sätt att uppnå kraftklassificering 2. Det finns nätaggregat som begränsar uteffekten internt till under 100 VA. Eller så kan ett nätaggregat med högre effekt, som t.ex. 6EP15663AA00 med effekten 480 W (24 V_DC och 20 A) från Siemens, användas med redundansmoduler som t.ex. 6EP19622BA00 från Siemens som begränsar uteffekten och ger redundans för flera laster (figur 5).

Figur 5: Redundanta 1+1 nätaggregat (vänster) anslutna till fyra laster via redundansmoduler av klass 2. (Bildkälla: Siemens)

Avbrottsfri kraft

Redundant strömförsörjning kan vara användbart, men det räcker inte för kritiska tillämpningar. När spårbarhet och datainsamling är obligatoriskt, säkerhet är ett problem eller oavbruten drift krävs, behövs en avbrottsfri kraftförsörjning som t.ex. 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS från Siemens. Den avbrottsfria kraftförsörjningen har en utgång på 24 V_DC och kan leverera upp till 20 A.

En av de viktigaste frågorna vid valet av avbrottsfri kraft är energilagringstekniken. Ultrakondensatorer, även kallade dubbelskiktskondensatorer, är lämpliga för kortsiktiga reservkraftsbehov som att spara processdata och kontrollerad avstängning av industridatorer och andra enheter. De har lång livslängd och kan ge upp till 20 kWs i reservkraft. Exempelvis kan energilagringsenheten med kondensatorer av modell 6EP19332EC41 från Siemens tillhandahålla upp till 2,5 kW reservkraft.

Blysyra och olika kemiska sammansättningar av litiumjon kan vara användbara vid ett behov av längre reservkraftstid, som kan upprätthålla driften i upp till flera timmar för kritisk kommunikation eller processoperationer (figur 6). Det finns grundläggande batterimoduler för likriktad avbrottsfri kraft med en lagringskapacitet på upp till 38 Ah. Flera batterimoduler kan användas för att erhålla reservkraftstider på flera timmar. Batterimodulen6EP19356MD31 för likriktad avbrottsfri kraft från Siemens använder förseglade underhållsfria blybatterier för att leverera upp till 15 A med en lagringskapacitet på 2,5 Ah.

Figur 6: Ultrakondensatorer (UPS5005 och UPS501S) kan tillhandahålla kortvarig reservkraftstid (vänster), medan batterier (UPS16090 och BAT1600) erbjuder en mycket längre reservkraftstid (höger). (Bildkälla: Siemens)

Sammanfattning

Varvtalsreglerare/frekvensomriktare betraktas ofta som arbetshästar inom industriell automation. En omfattande arkitektur för industriell automation kräver dock mer, bland annat servodrivsystem, motorer och enheter för mjuk start och stopp. Konstruktörer av industriella automationssystem har även ett stort antal likströmsarkitekturer att välja mellan för att optimera drifttid och tillförlitlighet.