Welke ondersteunende producten hebben we nodig om de impact van het gebruik van VFD’s en VSD’s te maximaliseren? - deel 2

In deel 1 van deze artikelreeks zagen we waar men op moet letten bij het selecteren van motoraansluitkabels, uitgangsreactoren, remweerstanden, lijnreactoren en netfilters. In deel 2 bekijken we de verschillen tussen VSD’s/VFD’s en servoaandrijvingen, de toepassingen voor roterende en lineaire AC- en DC-servomotoren, waar softstart-stopunits in industriële activiteiten kunnen worden gebruikt en hoe DC-converters worden gebruikt om randapparatuur zoals sensoren, mens-machine-interfaces (HMI’s) en veiligheidsapparatuur van stroom te voorzien.

Frequentieregelaars en variabele frequentieaandrijvingen (VSD’s/VFD’s) zijn essentieel voor het maximaliseren van de efficiëntie en duurzaamheid van industriële activiteiten, maar ze zijn niet de enige tools die beschikbaar zijn. Om ultieme prestaties te bereiken, moeten VSD’s/VFD’s vaak worden aangevuld met andere apparaten zoals servoaandrijvingen en -motoren, softstart-stopunits, gelijkstroomomvormers en niet-onderbreekbare voedingen (UPS) met gelijkstroomingang om tot een optimale industriële automatiseringsarchitectuur te komen.

AC- en DC-servomotoren en -aandrijvingen zijn geschikt voor diverse toepassingen, van eenvoudige taken met één of twee assen tot complexe taken met 256 of meer bewegingsassen. Servomotorgestuurde actuators bieden nauwkeurige en herhaalbare bewegingen voor industriële machines en zijn verkrijgbaar met roterende en lineaire bewegingsconfiguraties.

Toepassingen met constant toerental, zoals transportbanden, pompen en bovenloopkranen, kunnen vaak baat hebben bij het gebruik van softstart-stopsystemen in plaats van VSD’s/VFD’s.

Afhankelijk van de toepassingsvereisten kunnen ontwerpers kiezen tussen redundante gelijkstroomvoedingen, een klasse 2 voeding zoals gedefinieerd in de Amerikaanse National Electric Code (NEC) of een gelijkstroom-UPS om een onvoorspelbare netvoeding op te vangen en de betrouwbaarheid van het systeem te verbeteren.

Dit artikel begint met een blik op de verschillen tussen VSD’s/VFD’s en servoaandrijvingen, waarna de toepassingen voor roterende en lineaire AC- en DC-servomotoren worden besproken en waar softstart-stopunits kunnen worden gebruikt in industriële toepassingen. Vervolgens wordt besproken hoe DC-converters worden gebruikt om randapparatuur zoals sensoren, mens-machine-interfaces (HMI’s) en veiligheidsapparatuur van stroom te voorzien. Er wordt onderzocht wanneer een redundante gelijkstroomarchitectuur of een gelijkstroom-UPS moet worden gebruikt om deze apparaten van stroom te voorzien en wat de keuze is tussen energieopslag op batterijen en supercondensatoren. Voor elk geval worden representatieve apparaten van Schneider Electric, Omron, Lin Engineering en Siemens gepresenteerd.

Servomotorsystemen kunnen VSD’s/VFD’s aanvullen in industriële automatiseringsarchitecturen. Servomotorsystemen zijn ontworpen voor complexe en dynamische bewegingssystemen en kunnen nauwkeurige positionering ondersteunen. Servoaandrijvingen worden gebruikt met permanente magneetmotoren en encoders voor regeling met closed-loop-regeling. Ze zijn ontworpen om snelle versnellingen en vertragingen te ondersteunen en kunnen lineaire of niet-lineaire bewegingsprofielen ondersteunen.

Veel VSD’s/VFD’s gebruiken een open regelkring om het motortoerental te regelen. Ze ondersteunen niet de precisie of het reactievermogen dat beschikbaar is met servomotorsystemen. Bovendien betekent open-loop-motorregeling dat VSD’s/VFD’s niet noodzakelijk compenseren als de belasting verandert of als de motor afslaat. Terwijl servomotorsystemen worden gebruikt in zeer dynamische toepassingen, worden VSD’s/VFD’s gebruikt in toepassingen die een constante snelheid, of relatief weinig snelheidsveranderingen, over een lange periode handhaven.

Servomotorsystemen zijn meestal kleiner dan VSD/VFD-aandrijvingen, met typische vermogensniveaus van 40 tot 5000 W. Ze hebben een hoog toerental, tot 5000 omwentelingen per minuut (rpm), maken weinig geluid, hebben weinig trillingen en een hoog koppel. Servomotoren zijn verkrijgbaar in verschillende framematen, tot 180 mm of groter. De SBL40D1-04 van Lin Engineering is bijvoorbeeld een borstelloze gelijkstroom (BLDC) servomotor van 40 mm, 60 W met een nominale spanning van 36 V_DC.

Servomotoren worden vaak gekoppeld aan aandrijvingen. Schneider Electric biedt de aandrijving LXM28AU07M3X en de 5000rpm-servomotor BCH2LF0733CA5C, beide geschikt voor 750 W (afbeelding 1). De aandrijving heeft geïntegreerde communicatie-interfaces CANopen en CANmotion en kan werken met eenfasige of driefasige voeding. De bijbehorende 80mm-motor heeft een IP65-classificatie en kan werken bij een temperatuur tussen -20 °C en +40 °C.

Afbeelding 1: Bijpassende 750W-servoaandrijving en IP65-motor. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Lineaire en cartesische beweging

Lineaire beweging wordt gebruikt in verschillende industriële processen, van coatingmaterialen en 3D-printen tot inspectiesystemen, en is beschikbaar in verschillende uitvoeringen. Sommige zijn gebaseerd op roterende stappenmotoren en andere ontwerpen gebruiken lineaire motoren. Roterende stappenmotoren produceren een lineaire beweging met behulp van een as met schroefdraad. Er zijn twee basisontwerpen, met externe moer en met interne moer, die soms ook wel niet-captief worden genoemd.

De moer is gemonteerd op de as met schroefdraad in een lineaire actuator met externe moer. De as zit aan beide uiteinden vast. Terwijl de stappenmotor draait, beweegt de moer heen en weer langs de as en draagt het te verplaatsen object (de ‘payload’). In een niet-captief ontwerp is de payload aan de motor bevestigd. De as zit aan beide uiteinden vast en de motor met de payload beweegt langs de as.

Lineaire bewegingstrappen met hoogefficiënte lineaire motoren met ijzeren kern, magneetbanen en absolute encodertechnologie kunnen herhaalbare submicronprecisie en 5G-acceleratie bieden, met bewegingen tot 5 m/s voor high-speed industriële toepassingen. In tegenstelling tot ontwerpen met een draadas kunnen lineaire motoren een hogere positioneringsnauwkeurigheid en snellere beweging bieden.

De mechanische onderdelen van lineaire bewegingstrappen kunnen worden verpakt in zeer gesloten structuren voor milieubescherming. Omron biedt lineaire bewegingstrappen op basis van ijzerkernmotoren variërend van een actieve magneetbreedte van 30 mm en drie spoelen tot een actieve magneetbreedte van 110 mm en 15 spoelen. Ze kunnen een kracht leveren van 48 Newton (N) tot 760 N.

De lineaire actuatormotor R88L-EA-AF-0303-0686 is verkrijgbaar in modellen voor 230 V en 400 V. De motor heeft een nominale kracht van 48 N en een piekkracht van 105 N. Hij kan worden aangestuurd met de R88D-KN02H-ECT- servoaandrijving met EtherCAT-communicatie voor integratie in industriële netwerken. Twee lineaire bewegingstrappen kunnen worden gestapeld voor beweging in een cartesisch coördinatenstelsel (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Twee lineaire motortrappen kunnen gestapeld worden om een cartesiaanse beweging te ondersteunen. (Bron afbeelding: Omron)

Softstart-stopsystemen

Terwijl VFD’s/VSD’s en servoaandrijvingen de snelheid en het koppel van motoren regelen terwijl ze draaien, beperken softstart-stopunits de stroominschakeling wanneer een motor wordt gestart om de motor te beschermen en een soepele oploop in snelheid en koppel te bieden. Ze zorgen voor een soepele snelheidsafname wanneer de motor wordt gestopt. Ook beschermen ze de mechanische onderdelen in het systeem tegen schadelijke koppelpieken bij het starten of stoppen.

Toepassingen zoals transportbanden, pompen, ventilatoren, rolbruggen en automatische deuren die geen hoog startkoppel nodig hebben en met een constante snelheid draaien, kunnen baat hebben bij een motor met softstart-stop. Geregelde en voorspelbare snelheidsveranderingen verbeteren ook de veiligheid van de machinist.

Start- en stopsnelheden van motoren worden gestuurd met behulp van halfgeleidercomponenten zoals siliciumgestuurde gelijkrichters (SCR’s) die de spanning en de stroom naar de motor regelen. Zodra de motor volledig is opgestart, worden de SCR’s overbrugd met een contactor om de operationele efficiëntie te verbeteren.

Softstart-stopunits zoals de Alistart 22-serie van Schneider Electric werken met een breed scala aan asynchrone driefasemotoren van 4 kW tot 400 kW. Ze zijn voorzien van klasse 10 overbelastings- en thermische beveiliging voor een snelle uitschakeltijd van 8 tot 10 seconden. Het vermogen van softstart-stopsystemen hangt vaak af van de bedrijfsspanning van de motor. De ATS22D17S6U-unit van Schneider Electric kan bijvoorbeeld met motoren werken van 3 pk met een voeding van 208 V, 5 pk met een voeding van 230 V, 10 pk met een voeding van 460 V en 15 pk met een voeding van 575 V (afbeelding 3). Het besturingscircuit heeft 110 V_AC 50/60 Hz nodig.

Afbeelding 3: Deze softstart-stopunit werkt met motoren tot 15 pk. (Bron afbeelding: DigiKey)

Redundante voeding

Industriële systemen gebruiken een voeding van 24 V_DC voor verschillende functies, zoals sensoren, HMI’s en veiligheidsapparatuur. Een redundante basisvoeding kan de betrouwbaarheid van industriële installaties verbeteren. Redundante voeding maakt gebruik van twee voedingen die parallel zijn aangesloten om een belasting van stroom te voorzien, waarbij elke voeding voldoende is om de volledige belasting van stroom te voorzien als de andere voeding uitvalt. Wanneer twee voedingen worden gebruikt, wordt dit 1+1 redundantie genoemd. Het systeem valt pas uit als beide voedingen uitvallen.

Het gebruik van meer voedingen in een N+1 configuratie kan de betrouwbaarheid van het algehele stroomvoorzieningssysteem verhogen. Een 3+1 redundante voedingsarchitectuur gebruikt vier voedingen, waarvan er drie de volledige belasting kunnen voeden.

Een redundantiemodule maakt meestal gebruik van diode-isolatie om de voedingen met elkaar te verbinden, zodat het uitvallen van één voeding geen invloed heeft op de werking van de andere voedingen. Voor toepassingen die een nog hogere betrouwbaarheid vereisen, kunnen meerdere redundantiemodules worden gebruikt om de mogelijkheid van een ‘single point of failure’ te elimineren (afbeelding 4). De AC/DC-voeding S8VK-C12024 van Omron ondersteunt bijvoorbeeld 24V-belastingen tot 120 W. Twee van deze voedingen kunnen worden aangesloten met de S8VK-R10-redundantiemodule om een 120 W 1+1 redundant voedingssysteem te creëren.

Afbeelding 4: Het gebruik van meerdere redundantiemodules (rechts) kan het single point of failure elimineren en de betrouwbaarheid verbeteren. (Bron afbeelding: Siemens)

Klasse 2 en redundant

Klasse 2-voeding kan een belangrijke veiligheidsfactor zijn in industriële installaties. Klasse 2-voedingen hebben een vermogen van minder dan 100 VA, zoals gedefinieerd in de U.S. NEC. Klasse 2-voeding is ook vereist of aanbevolen voor sommige industriële apparaten buiten de VS.

Het beperken van het vermogen vermindert het risico op elektrische schokken en brand. Bij installaties van klasse 2 is het dus niet nodig om de voedingskabels door pijpen of kanalen te leiden, wat de installatie vereenvoudigt en de kosten verlaagt. Bovendien vereisen klasse 2-installaties eenvoudigere inspecties, waardoor de kosten nog verder dalen.

Er zijn twee manieren om klasse 2 te bereiken. Er zijn voedingen verkrijgbaar die het uitgangsvermogen intern beperken tot minder dan 100 VA. Of men kan een voeding met een hoger wattage, zoals de 6EP15663AA00 voor 480 W (24 V_DC en 20 A) van Siemens, gebruiken met redundantiemodules zoals de 6EP19622BA00 van Siemens die het uitgangsvermogen beperken en redundantie bieden voor meerdere belastingen (afbeelding 5).

Afbeelding 5: 1+1 redundante voedingen (links) aangesloten op vier belastingen via klasse 2-redundantiemodules. (Bron afbeelding: Siemens)

Ononderbreekbare voeding (UPS)

Redundante voeding kan nuttig zijn, maar dit is niet genoeg voor kritieke toepassingen. Wanneer traceerbaarheid en gegevensverzameling verplicht zijn, veiligheid een punt van zorg is of ononderbroken werking vereist is, heb je een UPS zoals de SITOP UPS 6EP41363AB002AY0 van Siemens nodig. Deze UPS heeft een uitgang van 24 V_DC en kan tot 20 A leveren.

Een van de belangrijkste vragen bij het kiezen van een UPS is de technologie voor energieopslag. Ultracondensatoren, ook wel dubbellaagse condensatoren genoemd, zijn geschikt voor back-upvoedingsbehoeften op korte termijn, zoals het opslaan van procesgegevens en het ordelijk uitschakelen van industriële pc’s en andere apparaten. Ze hebben een lange levensduur en kunnen tot 20 kilowattseconden (kWs) back-upvermogen leveren. De condensator-energieopslagunit 6EP19332EC41 van Siemens kan bijvoorbeeld tot 2,5 kW back-upvermogen leveren.

Loodzuur en verschillende lithium-ion-batterijen kunnen nuttig zijn voor langere back-upvoedingsbehoeften die tot enkele uren kunnen duren voor kritieke communicatie- of procesactiviteiten (afbeelding 6). Er zijn gelijkstroom-UPS-batterijmodules beschikbaar met een opslagcapaciteit tot 38 Ah. Er kunnen meerdere batterijmodules worden gebruikt voor back-uptijden van meerdere uren. De gelijkstroom-UPS-batterijmodule 6EP19356MD31 van Siemens maakt gebruik van onderhoudsvrije verzegelde loodzuuraccu’s om maximaal 15 A te leveren met een opslagcapaciteit van 2,5 Ah.

Afbeelding 6: Ultracondensatoren (UPS5005 en UPS501S) kunnen kortstondige back-upvoeding leveren (links), terwijl batterijen (UPS16090 en BAT1600) veel langere back-upvoeding kunnen leveren (rechts). (Bron afbeelding: Siemens)

Conclusie

VSD’s/VFD’s worden vaak beschouwd als de werkpaarden van industriële automatisering. Voor een uitgebreide industriële automatiseringsarchitectuur is echter meer nodig, zoals servoaandrijvingen, motoren en softstart-stop units. Ontwerpers van industriële automatiseringssystemen kunnen ook kiezen uit een groot aantal DC-voedingsarchitecturen om de uptime en betrouwbaarheid te optimaliseren.