Miten yksiakseliset VSD-taajuusmuuttajat asennetaan, liitetään ja integroidaan nopeasti Teollisuus 4.0 -automaatiojärjestelmiin

Yksiakseliset taajuusmuuttajat (VSD) ovat välttämättömiä teollisuussovelluksissa, kuten pumpuissa, puhaltimissa, kompressoreissa, kuljettimissa ja käsittelytoiminnoissa, kuten myllyissä ja sekoittimissa. Näissä sovelluksissa on yksinkertaiset liikesarjat ja ne vaativat tehokkaita taajuusmuuttajia, jotta taajuusmuuttajan perustoimintojen nopea ja taloudellinen toteutus olisi mahdollista lyhyillä käyttöönottoajoilla.

Ne voivat vaatia erilaisia ohjaustoimintoja, kuten voltteja per hertsi (V/f) -skalaariohjausta, ohjelmoitavaa V/f-monipisteohjausta, V²/f-ohjausta, joka sovittaa vuon automaattisesti energian säästämiseksi, ja vuovirran ohjausta (FCC), joka mukauttaa taajuusmuuttajan tehon automaattisesti kuorman mukaan. Kustannustehokas käyttöönotto ja integrointi ovat teollisuusjärjestelmissä ratkaisevia, ja seuraavat ominaisuudet tukevat niitä:

• esikonfiguroitu sovellusvalinta
• kompakti koko
• esiasetetut kommunikointiparametrit
• parametriasetusten tehokas siirto useisiin yksikköihin
• langaton käyttöönotto, käyttö ja diagnostiikka
• yhteys- ja sovellusmakrot I/O-johdotuksen ja konfiguroinnin yksinkertaistamiseksi.

Tässä artikkelissa esitellään Siemensin kestävä ja energiatehokas yksiakselisten taajuusmuuttajien perhe, jonka tehtävänä on yksinkertaistaa asennusta. Siinä käsitellään myös useita integroituja toimintoja, tarkastellaan järjestelmän yleisiä lisävarusteita ja erilaisia erikoistuneempia ja kehittyneempiä lisämoduuleja sekä integrointiehdotuksia Siemens-ohjaimia käyttäen. Lopuksi kerrotaan, mitä täytyy ottaa huomioon integroitaessa näitä taajuusmuuttajia EMI-vaatimusten mukaisiin ohjauskaappeihin ja teollisuuden liikejärjestelmiin.

Moottorinohjauksen digitalisointi tuo monia etuja teollisuuden yksiakselisiin liikejärjestelmiin. Kun yksinkertaiset mekaaniset ohjaukset korvataan taajuusmuuttajalla, järjestelmä voi reagoida välittömästi osakuormituskäytön tilanteisiin ja vähentää virrankulutusta 50 % tai enemmän. Vaihtuvanopeuksinen toiminta voi myös minimoida moottoreiden ja mekaanisten komponenttien kulumista, mikä vähentää huoltotarvetta ja parantaa käytettävyyttä.

Siemensin SINAMICS V20 -alustaa on saatavana yhdeksässä runkokoossa, ja se kattaa tehoalueen 0,12–30 kW (0,16–40 hv) (kuva 1). Esimerkkejä SINAMICS V20 -taajuusmuuttajista ovat 0,12 kW:n 6SL3210-5BB11-2UV1 aina 3 kW:iin asti, mallit 6SL3210-5BB23-0UV1 yksivaiheisella 230 V_AC -tulolla ja 0,37 kW:n 6SL3210-5BE32-2UV0 aina 30 kW:iin asti kolmivaiheisella 480 V_AC -tulolla.

Kuva 1: SINAMICS V20 -taajuusmuuttajien yhdeksän runkokokoa FSAA–FSE (0,16–40 hv). (Kuvan lähde: Siemens)

SINAMICS V20 -taajuusmuuttajien tarjoama keskeisin etu on tehokkuus. Ne ovat kompakteja ja käyttävät tilaa tehokkaasti, ne tukevat nopeaa asennusta ja käyttöönottoa säästäen aikaa ja rahaa, ja ne ovat energiatehokkaita ja tukevat näin vihreämpää maapalloa. Moniin ominaisuuksiin kuuluvat:

• taloudellinen toiminta, jonka monet ohjaustavat, kuten V/f, V²/f, FCC ja V/f-monipiste mahdollistavat
  • energiansäästöä voidaan parantaa käyttämällä V/f-, V²/f-ECO-tilaa ja horrostilaa
  • energiansäästöä voidaan monitoroida ilman ulkoisia tehonmittauslaitteita, ja se voidaan näyttää kWh-, CO2-arvoina tai rahayksiköissä.
• yksi- tai kolmivaiheinen verkkovirta
  • yksivaiheinen 200–240 V_AC (–10 % / +10 %) voidaan kytkeä myös kolmivaiheisen 120 / 240 V_AC -verkon kahteen vaiheeseen
  • kolmivaiheinen 380–480 V_AC (–15 % / +10 %)
• esikonfiguroidut sovellusmakrot lyhentävät käyttöönottoaikaa
• esiasetetut kommunikaatioparametrit nopeuttavat käyttöönottoa standardikirjastojen ja yhteysmakrojen avulla
• automaattinen adaptointi epävakaaseen verkkojännitteeseen takaa vakaan toiminnan, estää katkokset ja auttaa parantamaan tuottavuutta
• ylikuormituskapasiteetti jopa 150 % 60 sekunnin ajan 300 sekunnin sykleissä
• suurin lähtöjännite on 100 % tulojännitteestä
• parametrien lataaminen ilman virtalähdettä mahdollistaa useiden yksiköiden nopean konfiguroinnin
• käyttöönotto mobiililaitteella tai kannettavalla tietokoneella Smart Access -verkkopalvelimen avulla
• integroidut sovellus- ja yhteysmakrot.

Integroidut toiminnot

SINAMICS V20 -taajuusmuuttajiin kuuluu useita integroituja toimintoja, jotka nopeuttavat käyttöönottoa ja yksinkertaistavat integrointia, kuten PID (Proportional-Integral-Derivative) -säädin prosessinohjaustehtäviä varten, integroitu jarruhakkuri kahdessa suurimmassa runkokokoluokassa ja DC-kytkentätoiminto, joka mahdollistaa kahden samankokoisen taajuusmuuttajan toiminnan yhdessä energiansäästön tehostamiseksi. PID-säädintä voidaan käyttää yksinkertaisissa prosessitehtävissä, kuten paineiden, tasojen tai virtausnopeuksien säädössä suhteessa asetusarvoon.

PID-toiminto sisältää automaattisen hienosäädön optimaalista toimintaa varten ja sillä voidaan tukea moottorien vaiheistusta. Moottorien vaiheistus mahdollistaa jopa 2 ylimääräisen vaiheistetun (peräkkäisen) moottorin ohjauksen. Tässä tapauksessa järjestelmä koostuu taajuusmuuttajan ohjaamasta ensisijaisesta moottorista ja kahdesta kontaktoreilla tai käynnistimillä ohjattavasta lisämoottorista, joita ohjataan taajuusmuuttajan digitaalisilla lähdöillä.

FSD- ja FSE-runkokokoihin on integroitu jarruhakkuri; muita runkokokoja varten on saatavana ulkoinen jarrumoduuli (ks. alla). Moottoria voidaan jarruttaa sähköisesti tai mekaanisesti.

• Sähköiset jarruvaihtoehdot
  • Staattorikäämitykseen kytketään DC-jarru, jolloin saadaan merkittävä jarrutusmomentti. Virta ei sovellu liikkumattomien kuormien pitoon, mutta se voi pitää akselin paikallaan, kun pyörintä on pysähtynyt.
  • Yhdistelmäjarrutuksessa DC-jarrutukseen lisätään regeneratiivinen jarrutus, jossa taajuusmuuttaja palauttaa energiaa DC-linkin syöttöön jarrutuksen aikana.
  • Dynaaminen jarrutus muuntaa regeneratiivisen energian lämmöksi. Dynaamisen jarrutuksen toteuttaminen vaatii ulkoisen jarrutusvastuksen energian johtamiseksi pois.
• Jarruttamiseen käytettävää mekaanista moottoria voidaan ohjata sisäisellä logiikalla, jolloin moottori ei voi pyöriä, kun taajuusmuuttaja on kytketty pois päältä.

SINAMICS V20 -taajuusmuuttajissa on myös DC-kytkentätoiminto, joka mahdollistaa kahden samankokoisen taajuusmuuttajan sähköisen kytkennän niiden DC-linkkiliitäntöjä käyttämällä. DC-kytkentä voi käytössä vähentää energiakustannuksia, koska yksi taajuusmuuttaja voi käyttää toisesta taajuusmuuttajasta saatavaa regeneratiivista energiaa. Taajuusmuuttajat voivat käyttää samaa dynaamista jarrutusjärjestelmää, mikä vähentää asennuskustannuksia. Joissakin tapauksissa DC-kytkentä voi eliminoida dynaamisen jarrumoduulin ja dynaamisen jarrutusvastuksen tarpeen.

Järjestelmän perusvarusteet

Integroitujen toimintojen lisäksi SIMAMICS V20 -taajuusmuuttajien käyttöarvoa voidaan parantaa liittämällä niihin sellaisia järjestelmävarusteita kuten peruskäyttöpaneeli (BOP) ja BOP-rajapinta, Smart Access -moduuli ja parametrilataaja (kuva 2):

• SIMAMICS V20 -taajuusmuuttajassa on integroituna ohjauspaneeli, mutta joissakin sovelluksissa BOP-paneeli voi olla hyödyllinen laitteen kauko-ohjausta varten. BOP-paneeli on suunniteltu hajautettua asennusta varten, ja sillä on UL-tyypin 1 kotelointiluokitus.
• BOP liitetään SINAMICS V20 -taajuusmuuttajaan käyttämällä erityistä BOP-rajapintamoduulia, joka kytketään taajuusmuuttajan laajennusporttiin ja joka sisältää RS232-liitännän BOP-paneeliin yhdistämistä varten.
• Smart Access -moduulissa on sisäänrakennettu verkkopalvelin, joka yksinkertaistaa SINAMICS V20 -taajuusmuuttajan käyttöönottoa ja käyttöä älypuhelimen, kannettavan tietokoneen tai tabletin avulla. Tämän moduulin tukemiin toimintoihin kuuluvat:
  • ohjattu käyttöönotto käyttöönoton nopeuttamiseksi
  • parametrien asetus ja tallennus tai tehdasasetusten palauttaminen
  • moottorin testaus
  • toimintatietojen monitorointi
  • järjestelmän diagnoositarkastusten suorittaminen.
• Parametrilataaja voi ladata jopa 100 parametrisarjaa SINAMICS V20 -taajuusmuuttajaan tai ladata parametrisarjoja taajuusmuuttajasta. Paristokäyttöistä parametrilataajaa voidaan käyttää kytkemättä taajuusmuuttajaan virtaa.

Kuva 2: 0,16 hv:n FSAA-runkoinen SINAMICS V20 -taajuusmuuttaja neljän yleisen laajennusmoduulin kanssa. (Kuvan lähde: Siemens)

Enemmän lisävarusteita

Tarvittaessa voidaan asentaa linjasuodattimia. SINAMICS V20 -taajuusmuuttajiin (400 V:n suodatetut ja suodattamattomat mallit sekä 230 V:n suodattamattomat mallit) tarvitaan ulkoiset EMC-suodattimet, jotta ne täyttäisivät EN 61800-3 -standardin C2-luokan säteillyt ja johdetut emissioarvot. Esimerkiksi malli 6SL32030BE177BA0 on suunniteltu käytettäväksi 400 V:n FSA-runkokoon taajuusmuuttajien kanssa.

Saatavana on linjareaktoreita jännitepiikkien tasaamiseen ja kommutointiaukkojen silloitukseen Nämä reaktorit vähentävät myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia verkkovirtaan ja taajuusmuuttajaan.

Jarrutus voidaan toteuttaa käyttämällä 6SL32012AD208VA0-jarrumoduulia (kuva 3) runkokokojen FSAA–FSC kanssa. FSD- ja FSE-kokojen rungoissa on integroituna jarruhakkuri, eivätkä ne vaadi ulkoista moduulia. Kaikissa tapauksissa voidaan saavuttaa parempi jarrutusteho ja parannettu hidastuvuus lisäämällä ulkoinen jarrutusvastus, kuten malli 6SE64004BC050AA0, joka johtaa moottorin tuottaman regeneratiivisen energian pois.

Kuva 3: SINAMICS V20 -taajuusmuuttajien jarrumoduuli. (Kuvan lähde: DigiKey)

Sovelluksiin, jotka vaativat tuloja tai lähtöjä, voidaan lisätä SINAMICS V20 I/O-laajennusmoduuli (kuva 4). Moduuli asennetaan suoraan 400 V -sarjan taajuusmuuttajiin, ja se tarjoaa kaksi digitaalista tuloa ja kaksi digitaalista relelähtöä. I/O-laajennusmoduulia voidaan käyttää esimerkiksi usean pumpun ohjaussovelluksissa, jolloin yhdellä SIMAMICS V20 -taajuusmuuttajalla voidaan ohjata jopa neljää pumppua. Moduuli on hyödyllinen myös silloin, kun täytyy ohjata useita puhaltimia tai kompressoreita. Moduulissa on liitännät etu- ja takapuolella, ja se voidaan yhdistää muihin lisävarusteisiin, kuten BOP-rajapintaan ja Smart Access -moduuleihin. Sitä ei kuitenkaan voi käyttää yhtä aikaa parametrilataajamoduulin kanssa.

Kuva 4: Laajennusmoduuli asennettuna SINAMICS V20 -taajuusmuuttajan etupuolelle. (Kuvan lähde: Siemens)

Lähtöreaktorit, kuten malli 6SL3202-0AE16-1CA0 FSA-runkokokoa varten, voivat vähentää moottorin käämeihin kohdistuvaa jänniterasitusta (kuva 5). Nämä lähtöreaktorit vähentävät myös kapasitiivisia lataus- ja purkuvirtoja, jotka voivat rasittaa taajuusmuuttajaa käytettäessä pitkiä moottorikaapeleita.

Kuva 5: Lähtöreaktori FSA-runkoisille SINAMICS V20 -taajuusmuuttajille, joiden ominaisuuksiin kuuluvat 0,5 hv, 3 vaihetta, 380 V_AC–480 V_AC, 6,1 A. (Kuvan lähde: Siemens)

Integrointi laajempiin järjestelmiin

SINAMICS V20 -taajuusmuuttajat on suunniteltu ohjattaviksi SINAMICS S7-1200- tai S7-1500-ohjaimella, kuten mallilla 6ES75173FP000AB0, RS485-liitännän ja USS (Universal Serial Interface) -protokollan kautta. Saatavilla on esimerkkiprojekteja, jotka esittelevät, miten nämä ohjaimet konfiguroidaan ja ohjelmoidaan SINAMICS V20 -taajuusmuuttajalle. USS on oletusasetus, mutta SINAMICS V20 voi käyttää myös MODBUS RTU -protokollaa.

Yhteen pääohjaimeen voidaan liittää jopa 31 VFD-taajuusmuuttajaa.

Kokonaiskuva

Edellä mainittujen komponenttien kokoaminen valmiiksi järjestelmäksi voi olla haastavaa, varsinkin jos EMC-häiriöiden vaimennus on tärkeä ominaisuus. Mahdollisten häiriölähteiden erottaminen on yleensä nopein ja kustannustehokkain lähestymistapa. Tämä voidaan toteuttaa järjestämällä ohjauskaappi ja muu järjestelmä neljäksi erotetuksi vyöhykkeeksi, kuten kuvassa 6 esitetään. Erotusvyöhykkeitä toteutettaessa on otettava huomioon seuraavat seikat:

• Vyöhykkeiden sähkömagneettinen erottaminen voidaan toteuttaa maadoitetuilla erotuslevyillä tai erillisillä metallikoteloilla.
  • SINAMICS V20 -taajuusmuuttaja tulee vyöhykkeelle B ja SIMATIC S7-1200- tai S7-1500-ohjain vyöhykkeelle C.
• EMC-suorituskyvyn parantamiseksi vyöhykkeiden rajapinnoille voidaan lisätä suodattimia ja kytkentämoduuleja.
• Vyöhykkeiden väliset liitäntäkaapelit täytyy erottaa toisistaan EMC-kytkeytymisen estämiseksi, eikä niitä saa sijoittaa samaan kaapelikanavaan tai johtosarjaan.
• Kaappiin tulevat ja kaapista lähtevät tietoliikenneverkko- ja signaalikaapelit, kuten RS485, on suojattava.

Kuva 6: Sähkömagneettisesti erotetut vyöhykkeet voivat parantaa SINAMICS V20 -järjestelmien EMC-suorituskykyä. (Kuvan lähde: Siemens)

Yhteenveto

SINAMICS V20 -taajuusmuuttajat ovat erittäin monipuolisia ja kompakteja ja ne tukevat erilaisia yksiakselisia vaihtuvanopeuksisia teollisuussovelluksia. Ne tarjoavat laajan valikoiman sisäänrakennettuja ominaisuuksia ja valmiuksia. Lisävarusteiden, kuten peruskäyttöpaneelin, etäkäyttömoduulin ja parametrinlataajan, lisääminen voi parantaa niiden käyttöarvoa. Lisäksi näihin taajuusmuuttajiin on saatavana laaja valikoima lisämoduuleja, jotka tukevat kehittyneitä järjestelmätoimintoja. Nämä lisämoduulit on optimoitu käytettäväksi Siemens-ohjaimien kanssa. Artikkelin lopussa kerrotaan, miten nämä taajuusmuuttajat integroidaan EMI-vaatimusten mukaisiin ohjauskaappeihin ja teollisuuden liikejärjestelmiin.