Millä lisätuotteilla voidaan maksimoida VFD- ja VSD-taajuusmuuttajien käytön vaikutus - Osa 2

Tämän artikkelisarjan ensimmäisessä osassa tarkasteltiin, mitä on otettava huomioon valittaessa moottorin liitäntäkaapeleita, lähtöreaktoreita, jarrutusvastuksia, linjakuristimia ja linjasuodattimia. Osassa 2 jatketaan tarkastelemalla VSD-/VFD-taajuusmuuttajien ja servokäyttöjen välisiä eroja sekä pyörivien ja lineaaristen AC- ja DC-servomoottoreiden käyttökohteita sekä pohtimalla, miten pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköt sopivat teollisuustoimintoihin. Lisäksi tässä osassa tarkastellaan, miten DC-muuntimia käytetään syöttämään virtaa oheislaitteille, kuten antureille, ihmisen ja koneen välisille käyttöliittymille (HMI) ja turvalaitteille.

VSD- ja VFD-taajuusmuuttajat ovat välttämättömiä teollisuustoimintojen tehokkuuden ja kestävyyden maksimoinnissa, mutta ne eivät ole ainoita käytettävissä olevia työkaluja. Parhaan mahdollisen suorituskyvyn saavuttamiseksi VSD- ja VFD-taajuusmuuttajia täytyy usein täydentää muilla laitteilla, kuten servokäytöillä ja -moottoreilla, pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköillä, DC-muuntimilla ja keskeytymättömillä DC-virtalähteillä (UPS), jotta saadaan aikaan optimaalinen teollisuusautomaatioarkkitehtuuri.

AC- ja DC-servomoottorit ja -käytöt soveltuvat erilaisiin sovelluksiin aina yksinkertaisista 1- tai 2-akselin tehtävistä sellaisiin kompleksisiin tehtäviin, joissa on 256 liikeakselia tai enemmän. Servomoottoriohjatut aktuaattorit mahdollistavat teollisuuskoneiden tarkat ja toistettavat liikkeet, ja niitä on saatavana pyörivinä ja lineaarisina liikekonfiguraatioina.

Tasaisella nopeudella toimivissa sovelluksissa, kuten kuljettimet, pumput ja siltanosturit, kannattaa usein käyttää pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköitä VSD- ja VFD-taajuusmuuttajien sijasta.

Suunnittelijat voivat sovelluksen vaatimuksista riippuen valita redundantit DC-virtalähteet, yhdysvaltalaisessa National Electric Codessa (kansalliset sähkövoimajärjestelmän säännöt, NEC) määritellyn luokan 2 virtalähteen tai DC UPS-varavirtalähteen mahdollisten verkkovirran ongelmien varalta ja järjestelmän luotettavuuden parantamiseksi.

Tässä artikkelissa käsitellään ensin VSD-/VFD-taajuusmuuttajien ja servokäyttöjen välisiä eroja, tarkastellaan pyörivien ja lineaaristen AC- ja DC-servomoottoreiden käyttökohteita ja pohditaan, miten pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköt sopivat teollisuustoimintoihin. Sen jälkeen artikkelissa tarkastellaan, miten DC-muuntimia käytetään syöttämään virtaa oheislaitteille, kuten antureille, ihmisen ja koneen välisille käyttöliittymille (HMI) ja turvalaitteille. Siinä pohditaan, milloin näiden laitteiden virransyöttöön kannattaa käyttää redundanttia DC-arkkitehtuuria tai DC UPS-varavirtalähdettä sekä milloin energian varastointiin tulee valita akku tai superkondensaattori. Kussakin tapauksessa esitellään Schneider Electricin, Omronin, Lin Engineeringin ja Siemensin esimerkkilaitteita.

Servomoottorijärjestelmät voivat täydentää VSD/VFD-taajuusmuuttajia teollisuusautomaatioarkkitehtuurissa. Servomoottorijärjestelmät on suunniteltu kompleksisia ja dynaamisia liikejärjestelmiä varten, ja ne voivat mahdollistaa tarkan paikannuksen. Servokäyttöjen kanssa käytetään kestomagneettimoottoreita ja enkoodereita sekä suljetun silmukan ohjausta. Ne on suunniteltu tukemaan nopeaa kiihdytystä ja hidastusta, ja ne sopivat lineaarisia tai epälineaarisia liikeprofiileja varten.

Monissa VSD-/VFD-taajuusmuuttajissa käytetään avoimen silmukan ohjausta moottorin nopeuden hallintaan. Ne eivät tue servomoottorijärjestelmien tarkkuutta eikä reagointikykyä. Avoimen silmukan moottorinohjaus tarkoittaa lisäksi sitä, että VSD-/VFD-taajuusmuuttajat eivät välttämättä kompensoi kuorman vaihtumista tai moottorin pysähtymistä. Servomoottorijärjestelmiä käytetään erittäin dynaamisissa sovelluksissa, kun taas VSD-/VFD-taajuusmuuttajia käytetään kohteissa, joissa nopeus pysyy tasaisena tai muuttuu suhteellisen vähän pitkän aikavälillä.

Servomoottorijärjestelmät ovat yleensä VSD-/VFD-taajuusmuuttajia pienempiä, ja niiden tyypillinen tehotaso on 40–5000 W. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat korkea nopeus, jopa 5000 kierrosta minuutissa (rpm), alhainen kohina, vähäinen tärinä ja korkea vääntömomentti. Servomoottoreita on saatavana eri runkokokoina, niiden koko voi olla jopa 180 mm tai enemmän. Esimerkiksi Lin Engineeringin SBL40D1-04 on 40 mm:n ja 60 W:n harjaton DC-servomoottori (BLDC), jonka jänniteluokitus on 36 V_DC.

Servomoottori yhdistetään usein käyttöön. Schneider Electric tarjoaa LXM28AU07M3X-käytön ja 5000 rpm:n BCH2LF0733CA5C-servomoottorin, joiden kummankin teholuokitus on 750 W (kuva 1). Käytön ominaisuuksiin kuuluu integroidut CANopen- ja CANmotion-kommunikaatiorajapinnat, ja se voi toimia yksi- tai kolmivaihevirralla. Sitä täydentävä 80 mm:n moottori on IP65-luokiteltu, ja se voi toimia lämpötila-alueella −20 °C ... +40 °C.

Kuva 1: 750 W:n servokäyttö ja siihen sopiva IP65-luokiteltu moottori. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Lineaarinen ja karteesinen liike

Lineaarista liikettä käytetään erilaisissa teollisuusprosesseissa materiaalien pinnoituksesta ja 3D-tulostuksesta tarkastusjärjestelmiin, ja sitä on saatavilla eri muodoissa. Jotkin mallit perustuvat pyöriviin askelmoottoreihin ja jotkin käyttävät lineaarimoottoreita. Pyörivät askelmoottorit tuottavat lineaarisen liikkeen kierreakselin avulla. Näitä on kahta perusmallia, ulkoinen mutteri ja sisäinen mutteri, joita joskus kutsutaan ei-kaptiivisiksi.

Ulkoisen mutterin lineaariaktuaattorissa mutteri on asennettu kierreakselille. Akseli on kiinnitetty molemmista päistään. Kun askelmoottori pyörii, mutteri liikkuu edestakaisin akselia pitkin ja kuljettaa siirrettävää objektia (hyötykuormaa). Ei-kaptiivisessa ratkaisussa hyötykuorma on kiinnitetty moottoriin. Akseli on kiinnitetty molemmista päistään, ja hyötykuormaa kuljettava moottori liikkuu akselia pitkin.

Lineaariset liikepöydät erittäin tehokkailla rautasydänlineaarimoottoreilla, magneettikiskoilla ja absoluuttienkooderitekniikalla voivat tarjota toistettavissa olevan submikronin tarkkuuden ja 5G-kiihdytyksen jopa 5 m/s:n liikenopeudella huippunopeissa teollisuussovelluksissa. Lineaarimoottorit voivat tarjota kierreakseliratkaisuita korkeamman paikannustarkkuuden ja nopeamman liikkeen.

Lineaaristen liikepöytien mekaaniset osat voidaan sijoittaa hyvin suljettuihin koteloihin, jotka tarjoavat suojauksen ympäristötekijöiltä. Omron tarjoaa rautasydänmoottoreihin perustuvia lineaarisia liikepöytiä aktiivisesta magneettileveydestä 30 mm ja kolmesta käämistä aina 110 mm:n aktiiviseen magneettileveyteen ja 15 käämiin saakka. Ne tarjoavat voimaluokitusalueen 48 newtonista (N) 760 newtoniin.

Lineaaritoimimoottori R88L-EA-AF-0303-0686 on saatavana 230 V:n ja 400 V:n malleina. Sen voimaluokitus on 48 N ja huippuvoima 105 N. Sitä voidaan ohjata R88D-KN02H-ECT-servo-ohjaimella, joka tarjoaa EtherCAT-kommunikaation teollisuusverkkoihin integrointia varten. Kaksi lineaarista liikepöytää voidaan pinota päällekkäin liikkeen tarjoamiseksi karteesisessa koordinaatistossa (kuva 2).

Kuva 2: Kaksi lineaarimoottoripöytää voidaan pinota karteesisen liikkeen mahdollistamiseksi. (Kuvan lähde: Omron)

Pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköt

VFD-/VSD-taajuusmuuttajat ja servokäytöt ohjaavat moottorin nopeutta ja vääntömomenttia sen pyöriessä, kun taas pehmokäynnistys-/pysäytysyksiköt rajoittavat virtapiikkiä moottorin käynnistyksen aikana moottorin suojaamiseksi ja ne tekevät nopeuden ja vääntömomentin muutoksista sulavia. Ne mahdollistavat nopeuden pehmeän hidastuksen, kun moottori pysäytetään. Ne suojaavat myös järjestelmän mekaanisia komponentteja vahingollisilta vääntömomenttipiikeiltä käynnistyksen tai pysäytyksen aikana.

Moottorin pehmokäynnistys- ja pysäytysyksikkö voi olla hyödyllinen sellaisissa sovelluksissa kuten kuljettimissa, pumpuissa, puhaltimissa, siltanostureissa ja automaattisissa ovissa, jotka eivät vaadi korkeaa käynnistysmomenttia ja jotka toimivat tasaisella nopeudella. Hallitut ja ennustettavat nopeuden muutokset parantavat myös käyttäjien turvallisuutta.

Moottorin käynnistys- ja pysäytysnopeutta ohjataan käyttämällä puolijohdelaitteita, kuten SCR (Silicon Controlled Rectifier) -tyristoreita, jotka ohjaavat moottorin jännitettä ja virtaa. Kun moottori on täydessä vauhdissa, tyristorit ohitetaan kontaktorin avulla toimintatehokkuuden parantamiseksi.

Schneider Electricin Alistart 22 -tuoteperheen kaltaiset pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköt voivat ohjata monenlaisia asynkronisia kolmivaihemoottoreita tehoalueella 4 – 400 kW. Ne tarjoavat moottorille luokan 10 ylikuormitus- ja lämpösuojauksen sekä nopean 8–10 sekunnin aktivointiajan. Pehmokäynnistys- ja pysäytysyksikköjen virtaluokitukset riippuvat usein moottorin käyttöjännitteestä. Esimerkiksi Schneider Electricin ATS22D17S6U-yksikkö voi ohjata 3 hv:n moottoreita 208 V:n jännitteellä, 5 hv:n moottoreita 230 V:n jännitteellä, 10 hv:n moottoreita 460 V:n jännitteellä sekä 15 hv:n moottoreita 575 V:n jännitteellä (kuva 3). Sen jännitevaatimus on 110 V_AC (50/60 Hz) ohjauspiiriä varten.

Kuva 3: Tämä pehmokäynnistys- ja pysäytysyksikkö voi ohjata jopa 15 hv:n moottoreita. (Kuvan lähde: DigiKey)

Redundantti virransyöttö

Teollisuusjärjestelmät käyttävät 24 V_DC:n virtaa erilaisiin toimintoihin, kuten antureihin, HMI-käyttöliittymiin ja turvalaitteisiin. Redundantti perusvirta voi parantaa teollisuuslaitteistojen luotettavuutta. Redundantissa virransyötössä käytetään kahta rinnakkain kytkettyä virtalähdettä, joista kumpikin riittää syöttämän virtaa koko kuormaan, jos toinen niistä vikaantuu. Kahden virtalähteen käyttöä kutsutaan 1+1-redundanssiksi. Kummankin virtalähteen täytyy vikaantua ennen kuin järjestelmän virta katkeaa.

Useamman virtalähteen käyttäminen N+1-konfiguraatiossa voi lisätä koko virransyöttöjärjestelmän luotettavuutta. 3+1-redundanttiarkkitehtuurissa käytetään neljää virtalähdettä, joista mikä tahansa kolme voi syöttää virran koko kuormalle.

Redundanssimoduuli käyttää yleensä diodierotusta virtalähteiden yhdistämiseen. Tällä varmistetaan, ettei yhden virtalähteen vikaantuminen vaikuta muiden virtalähteiden toimintaan. Vieläkin korkeampaa luotettavuutta vaativissa sovelluksissa voidaan käyttää useita redundanssimoduuleja, jolloin yhden vikaantumispisteen mahdollisuus voidaan eliminoida (kuva 4). Esimerkiksi Omronin S8VK-C12024 AC/DC-virtalähde tukee 24 V:n kuormia 120 W:n maksimiteholla. Kaksi tällaista virtalähdettä voidaan yhdistää toisiinsa S8VK-R10-redundanssimoduulin avulla 120 W:n redundantin 1+1-virransyöttöjärjestelmän luomiseksi.

Kuva 4: Käyttämällä useita redundanssimoduuleja (oikealla) voidaan poistaa yksittäinen vikaantumispiste ja parantaa luotettavuutta. (Kuvan lähde: Siemens)

Luokka 2 ja redundanssi

Luokan 2 virransyöttö voi olla tärkeä turvallisuustekijä teollisuuslaitteistoissa. Yhdysvaltalaisen NEC-määritelmän mukaan luokan 2 virtalähteiden tehoksi on rajoitettu alle 100 VA. Luokan 2 virtalähteitä vaaditaan tai suositellaan myös joihinkin teollisuuslaitteisiin Yhdysvaltojen ulkopuolella.

Tehon rajoittaminen vähentää sähköiskun ja tulipalon vaaraa. Tämän vuoksi luokan 2 asennukset eivät vaadi virtakaapeleiden reitittämistä putkia tai kanavia pitkin, mikä yksinkertaistaa asennusta ja vähentää kustannuksia. Lisäksi luokan 2 asennukset edellyttävät yksinkertaisempia tarkastuksia, mikä vähentää kustannuksia edelleen.

Luokan 2 virtaluokitus voidaan saavuttaa kahdella tavalla. Saatavilla on virtalähteitä, jotka rajoittavat lähtötehon sisäisesti alle 100 VA-arvon. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää suurempitehoista virtalähdettä, kuten Siemensin 480 W:n (24 V_DC ja 20 A) 6EP15663AA00 yhdessä Siemensin 6EP19622BA00-mallin kaltaisten redundanssimoduulien kanssa, jotka rajoittavat lähtötehoa ja tarjoavat redundanssia virransyöttöä useille kuormille (kuva 5).

Kuva 5: 1+1-redundantit virtalähteet (vasemmalla) kytkettyinä neljään kuormaan luokan 2 redundanssimoduulien avulla. (Kuvan lähde: Siemens)

Keskeytymätön virransyöttö

Redundantti virransyöttö voi olla hyödyllistä, mutta se ei riitä kriittisissä sovelluksissa. Kun jäljitettävyys ja tiedonkeruu ovat pakollisia, turvallisuus on huolenaihe tai vaaditaan keskeytymätöntä toimintaa, tarvitaan Siemensin 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS -mallin kaltainen UPS. Tämä UPS tarjoaa lähtöjännitteen 24 V_DC ja voi syöttää virtaa jopa 20 A.

Yksi tärkeimmistä kysymyksistä UPS-varavirtalähdettä valittaessa on energian varastointitekniikka. Ultrakondensaattorit, joita kutsutaan myös kaksikerroskondensaattoreiksi, soveltuvat lyhytaikaisiin varavirtatarpeisiin, kuten prosessitietojen tallentamiseen ja teollisuustietokoneiden ja muiden laitteiden järjestelmälliseen sammuttamiseen. Niiden käyttöikä on pitkä, ja ne voivat tarjota jopa 20 kilowattisekunnin (kWs) varavirran. Esimerkiksi Siemensin 6EP19332EC41-kondensaattori ja energian varastointiyksikkö voi tarjota jopa 2,5 kWs:n varavirran.

Lyijyhappo- ja erilaiset litiumionikemiat voivat olla hyödyllisiä pidempiaikaisissa varavirtatarpeissa, jotka kestävät kriittisissä kommunikaatio- tai prosessitoiminnoissa jopa useita tunteja (kuva 6). Saatavilla on DC UPS -perusakkumoduuleja, joiden tarjoama varastointikapasiteetti on jopa 38 Ah. Useita akkumoduuleja voidaan käyttää useiden tuntien varavirta-aikojen saavuttamiseksi. Siemensin EP19356MD31 DC UPS -akkumoduuli käyttää huoltovapaita suljettuja lyijyakkuja, joiden tarjoama virta on jopa 15 A ja varastointikapasiteetti 2,5 Ah.

Kuva 6: Ultrakondensaattorit (UPS5005 ja UPS501S) voivat tarjota lyhytaikaista varavirtaa (vasemmalla), kun taas akut (UPS16090 ja BAT1600) mahdollistavat paljon pidempikestoisen varavirtakäytön (oikealla). (Kuvan lähde: Siemens)

Yhteenveto

VSD-/VFD-taajuusmuuttajia pidetään usein teollisuusautomaation työhevosina. Kattava teollisuusautomaatioarkkitehtuuri vaatii kuitenkin muutakin, kuten servokäyttöjä, moottoreita ja pehmokäynnistys- ja pysäytysyksiköitä. Teollisuusautomaatiojärjestelmien suunnittelijoiden valittavana on myös lukuisia DC-arkkitehtuureja, kun optimoidaan käyttöaikaa ja luotettavuutta.