Moeiteloos éénassige VSD’s installeren, aansluiten en integreren in Industry 4.0-automatiseringssystemen

Eénassige frequentieregelaars (variable speed drives of VSD’s) zijn essentieel in industriële toepassingen zoals pompen, ventilatoren, compressoren, transportbanden en verwerkingsprocessen zoals molens en mixers. Deze toepassingen hebben eenvoudige bewegingssequenties en vereisen efficiënte VSD’s voor een snelle en economische implementatie van basisfuncties van de aandrijving met korte inbedrijfstellingstijden.

Ze kunnen verschillende besturingsfuncties vereisen, waaronder scalaire volt per Hertz (V/f), programmeerbare V/f meerpuntsregeling, V²/f die de flux automatisch aanpast om energie te besparen, en fluxstroomregeling (FCC) die de uitgang van de aandrijving automatisch aanpast aan de belasting. Kosteneffectieve implementatie en integratie zijn essentieel voor industriële systemen en profiteren van functies zoals:

• voorgeconfigureerde toepassingsselectie
• compact formaat
• vooraf ingestelde communicatieparameters
• efficiënte overdracht van parameterinstellingen naar meerdere units
• draadloze inbedrijfstelling, bediening en diagnose
• aansluit- en applicatiemacro’s om I/O-bedrading en configuratie te vereenvoudigen

Dit artikel presenteert een serie robuuste en energiezuinige éénassige VFD’s van Siemens die ontworpen zijn om de installatie te vereenvoudigen. Ook worden er verschillende geïntegreerde functies besproken en kijken we naar basissysteemaccessoires en een verscheidenheid aan meer gespecialiseerde en geavanceerde uitbreidingsmodules. Daarnaast worden er integratiesuggesties gegeven voor het gebruik van Siemens-controllers. Tot slot worden enkele overwegingen besproken voor het integreren van deze VFD’s in EMI-conforme schakelkasten en industriële bewegingssystemen.

Het digitaliseren van motorbesturing biedt meerdere voordelen voor éénassige industriële bewegingssystemen. Door eenvoudige mechanische regelingen te vervangen door een VSD kan het systeem onmiddellijk reageren op situaties met gedeeltelijke belasting en kan het stroomverbruik met 50% of meer worden verlaagd. De werking met variabel toerental kan ook de slijtage van motoren en mechanische onderdelen minimaliseren, waardoor er minder onderhoud nodig is en de beschikbaarheid wordt verbeterd.

Het SINAMICS V20-platform van Siemens is verkrijgbaar in negen framegrootten en bestrijkt een vermogensbereik van 0,12 kW tot 30 kW (0,16 pk tot 40 pk) (afbeelding 1). Voorbeelden van SINAMICS V20-VFD’s zijn de 0,12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 tot 3 kW, de 6SL3210-5BB23-0UV1 enkelfasige 230 V_AC ingangsmodellen en de 0,37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 tot 30 kW driefasige 480 V_AC modellen.

Afbeelding 1: De negen framegrootten van SINAMICS V20-converters van FSAA tot FSE (0,16 tot 40 HP). (Bron afbeelding: Siemens)

Efficiëntie is een belangrijk voordeel van het gebruik van SINAMICS V20-aandrijvingen. Ze zijn compact en maken efficiënt gebruik van de ruimte; ze ondersteunen een snelle installatie en ingebruikname, waardoor tijd en geld efficiënt worden benut. Bovendien zijn ze energiezuinig, wat bijdraagt aan een groenere planeet. Enkele van de vele functies zijn:

• Zuinige werking ondersteund door meerdere besturingsmodi waaronder V/f, V²/f, FCC en V/f-multipunt
  • Energiebesparing kan worden verbeterd met de ECO-modus voor V/f, V²/f en een slaapstand.
  • Energiebesparing kan worden gecontroleerd zonder externe apparatuur voor energiemeting en wordt weergegeven in kWh, CO2 of valuta
• Enkelfasig of driefasig lichtnet
  • Enkelfasig 200 tot 240 V_AC (-10% / +10%) kan ook worden aangesloten op twee fasen van een driefasig 120/240 V_AC-net.
  • Driefasige 380 tot 480 V_AC (-15% / +10%)
• Voorgeconfigureerde applicatiemacro’s verminderen de inbedrijfstellingstijd
• Vooraf ingestelde communicatieparameters versnellen de inbedrijfstelling met behulp van standaardbibliotheken en verbindingsmacro’s
• Automatische aanpassing aan onstabiele netspanningen zorgt voor een stabiele werking, voorkomt onderbrekingen en helpt bij het leveren van een hogere productiviteit
• Overbelastbaarheid tot 150% gedurende 60 s binnen een cyclustijd van 300 s
• Maximale uitgangsspanning is 100% van de ingangsspanning
• Parameterladen zonder voeding maakt snelle configuratie van meerdere units mogelijk
• Inbedrijfstelling met mobiel apparaat of laptop met Smart Access-webserver
• Geïntegreerde applicatie- en verbindingsmacro’s

Geïntegreerde functies

SINAMICS V20-aandrijvingen hebben verschillende geïntegreerde functies die de inzet versnellen en de integratie vereenvoudigen, zoals een proportioneel-integraal-afgeleide (PID) regelaar voor procesbesturingstaken, een geïntegreerde remchopper op de grootste 2 framegrootten en een DC-koppelfunctie waarmee twee aandrijvingen van gelijke grootte samen kunnen werken voor een hogere energiebesparing. De PID-regelaar kan worden gebruikt voor eenvoudige procestaken zoals het regelen van drukken, niveaus of debieten ten opzichte van een instelpunt.

De PID-functie omvat autotuning voor een optimale werking en kan motor-staging ondersteunen. Met motor-staging kunnen tot 2 extra motoren in stages (cascades) worden aangestuurd. In dit geval bestaat het systeem uit de primaire motor die wordt aangestuurd door de frequentieregelaar en twee extra motoren die worden aangestuurd met behulp van contactoren of starters die worden aangestuurd door digitale uitgangen op de frequentieregelaar.

Framegrootten FSD en FSE hebben een geïntegreerde remchopper; voor andere framegrootten is een externe remmodule verkrijgbaar (zie hieronder). De motor kan elektrisch of mechanisch geremd worden.

• Elektrische remopties
  • Gelijkstroomremmen wordt toegepast op de statorwikkeling, wat resulteert in een aanzienlijk remkoppel. Hoewel de stroom niet geschikt is om zwevende lasten vast te houden, kan hij de as wel stationair houden zodra de rotatie is gestopt.
  • Samengesteld remmen voegt gelijkstroomremmen toe aan regeneratief remmen, waarbij de omvormer tijdens het remmen energie regenereert naar de DC-link voeding.
  • Dynamisch remmen zet regeneratieve energie om in warmte. De implementatie van dynamisch remmen vereist een externe remweerstand om de energie te dissiperen.
• Een mechanische motor die de rem vasthoudt, kan worden geregeld door interne logica om te voorkomen dat de motor draait wanneer de omvormer wordt uitgeschakeld.

SINAMICS V20-regelaars hebben ook een DC-koppelfunctie waarmee twee regelaars van gelijke grootte elektrisch kunnen worden gekoppeld via hun DC-linkaansluitingen. Indien van toepassing kan DC-koppeling de energiekosten verlagen doordat de ene omvormer gebruik kan maken van de regeneratieve energie van de andere omvormer. De omvormers kunnen één dynamisch remsysteem delen, wat de installatiekosten verlaagt. In sommige gevallen kan gelijkstroomkoppeling de noodzaak voor een dynamische remmodule en een dynamische remweerstand wegnemen.

Basissysteemaccessoires

Naast de geïntegreerde functies kunnen de SIMAMICS V20-omvormers nog nuttiger worden gemaakt door enkele systeemaccessoires toe te voegen, zoals een basic operator panel (BOP) en BOP-interface, een Smart Access-module en een parameterlader (afbeelding 2):

• De SIMAMICS V20 heeft een geïntegreerd bedieningspaneel, maar sommige toepassingen kunnen baat hebben bij het toevoegen van een BOP voor afstandsbediening van de unit. De BOP is ontworpen voor gedistribueerde montage en heeft een UL Type 1-behuizingsclassificatie.
• De BOP wordt op de SINAMICS V20 aangesloten met een speciale BOP-interfacemodule die in de uitbreidingspoort van de omvormer wordt gestoken en een RS232-interface heeft voor de verbinding met de BOP.
• De Smart Access-module heeft een ingebouwde webserver die de inbedrijfstelling en bediening van de SINAMICS V20 met een smartphone, laptop of tablet vereenvoudigt. Functies die door deze module worden ondersteund zijn onder andere:
  • inbedrijfstellingswizard om de inbedrijfstelling te versnellen
  • instellen en opslaan van parameters of herstellen van fabrieksinstellingen
  • testen van de motor
  • bewaken van operationele gegevens
  • uitvoeren van systeemdiagnose
• De parameterlader kan tot 100 parametersets naar de SINAMICS V20 uploaden of parametersets vanaf de unit downloaden. De parameterlader werkt op batterijen en kan worden gebruikt zonder de aandrijving aan te zetten.

Afbeelding 2: De 0,16 HP FSAA SINAMICS V20 getoond met vier gemeenschappelijke uitbreidingsmodules. (Bron afbeelding: Siemens)

Meer accessoires

Indien nodig kunnen lijnfilters worden toegevoegd. Om aan EN 61800-3 Categorie C2 Stralings- en geleidingsemissie te voldoen, zijn voor de SINAMICS V20-omvormers externe EMC-filters vereist (400 V gefilterde en ongefilterde modellen, evenals 230 V ongefilterde modellen). Model 6SL32030BE177BA0 is bijvoorbeeld ontworpen voor gebruik met 400 V-omvormers met framegrootte FSA.

Er zijn lijnreactoren beschikbaar om spanningspieken af te vlakken of om commuterende dips te overbruggen. Deze reactoren verminderen ook de effecten van harmonischen op de lijnvoeding en de converter.

Remmen kan geïmplementeerd worden met de 6SL32012AD208VA0 remmodule (afbeelding 3) met framegrootten FSAA tot FSC. Framegrootten FSD en FSE hebben een geïntegreerde remchopper en hebben geen externe module nodig. In alle gevallen kunnen betere remprestaties en een verbeterde vertraging worden gerealiseerd door een externe remweerstand zoals model 6SE64004BC050AA0 toe te voegen om de regeneratieve energie die door de motor wordt geproduceerd af te voeren.

Afbeelding 3: Remmodule voor SINAMICS V20-motoraandrijvingen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Toepassingen die ingangen of uitgangen nodig hebben, kunnen de SINAMICS V20 I/O-uitbreidingsmodule toevoegen (afbeelding 4). De module wordt rechtstreeks gemonteerd op 400 V frequentieregelaars en biedt twee digitale ingangen en twee digitale relaisuitgangen. De I/O-uitbreidingsmodule kan bijvoorbeeld worden gebruikt in toepassingen waarbij meerdere pompen worden aangestuurd, zodat maximaal vier pompen kunnen worden aangestuurd met één SIMAMICS V20-aandrijving. De module is ook handig wanneer meerdere ventilatoren of compressoren moeten worden aangestuurd. Hij heeft aansluitingen aan de voor- en achterkant en kan worden gecombineerd met andere accessoires zoals de BOP-interface en slimme toegangsmodules. De module kan echter niet tegelijkertijd worden gebruikt met de parameterlader-module.

Afbeelding 4: Uitbreidingsmodule gemonteerd op de voorkant van een SINAMICS V20-regelaar. (Bron afbeelding: Siemens)

Uitgangsreactoren, zoals model 6SL3202-0AE16-1CA0 voor framegrootte FSA, kunnen de spanningsbelasting op de motorwikkelingen verminderen (afbeelding 5). Deze uitgangsreactoren verminderen ook de capacitieve laad- en ontlaadstromen die de omvormer kunnen belasten wanneer lange motorkabels worden gebruikt.

Afbeelding 5: Uitgangsreactor voor 0,5 HP 3-fase 380 V_AC tot 480 V_AC, 6,1 A FSA-frame SINAMICS V20-regelaars. (Bron afbeelding: Siemens)

Integratie in grotere systemen

SINAMICS V20-aandrijvingen zijn ontworpen om te worden aangestuurd door een SINAMICS S7-1200- of S7-1500-controller, zoals model 6ES75173FP000AB0, via de RS485-interface en met behulp van het Universal Serial Interface (USS) protocol. Er zijn voorbeeldprojecten beschikbaar die laten zien hoe u deze controllers met een SINAMICS V20 kunt configureren en programmeren. USS is de standaardinstelling, maar een SINAMICS V20 kan ook het MODBUS RTU-protocol gebruiken.

Eén mastercontroller kan verbinding maken met maximaal 31 VFD’s.

Alles bij elkaar

De hierboven beschreven componenten samenvoegen tot een compleet systeem kan een uitdaging zijn, vooral als EMC-conformiteit een belangrijke overweging is. Het isoleren van mogelijke storingsbronnen is meestal de snelste en meest kosteneffectieve aanpak. Dit kan worden bereikt door de besturingskast en de rest van het systeem te organiseren in een reeks van vier geïsoleerde zones, zoals getoond in afbeelding 6. Overwegingen bij het implementeren van de isolatiezones zijn onder andere:

• Elektromagnetische ontkoppeling van de zones kan worden bereikt met behulp van geaarde scheidingsplaten of afzonderlijke metalen behuizingen.
  • De SINAMICS V20 bevindt zich in zone B en een SIMATIC S7-1200- of S7-1500-controller bevindt zich in zone C.
• Voor betere EMC-prestaties kunnen filters en koppelmodules aan de interfaces van de zones worden toegevoegd.
• Verbindingskabels tussen de zones moeten gescheiden worden om EMC-koppeling te voorkomen en mogen niet in hetzelfde kabelkanaal of dezelfde kabelboom zitten.
• Communicatienetwerk- en signaalkabels zoals RS485 die de kast binnenkomen of verlaten, moeten worden afgeschermd.

Afbeelding 6: Elektromagnetisch ontkoppelde zones kunnen de EMC-prestaties van SINAMICS V20-installaties verbeteren. (Bron afbeelding: Siemens)

Conclusie

SINAMICS V20-converters zijn zeer veelzijdig en compact, en ondersteunen diverse éénassige industriële toepassingen met variabele snelheid. Ze hebben een uitgebreide reeks ingebouwde functies en mogelijkheden. Het toevoegen van accessoires zoals een basisbedieningspaneel, toegangsmodule op afstand en parameterlader kan de bruikbaarheid vergroten. Bovendien zijn deze aandrijvingen verkrijgbaar met een breed scala aan uitbreidingsmodules om geavanceerde systeemfunctionaliteit te ondersteunen. Ook zijn ze geoptimaliseerd voor gebruik met Siemens-controllers. Tot slot hebben we gezien hoe deze VFD’s geïntegreerd kunnen worden in EMI-conforme besturingskasten en industriële bewegingssystemen.