Egytengelyű frekvenciaváltók gyors beszerelése, csatlakoztatása és rendszerbe illesztése Ipar 4.0-s automatizálási rendszerek esetében

Az egytengelyű frekvenciaváltók (VSD, variable speed drive) nélkülözhetetlenek az ipari felhasználási területeken, például a szivattyúkban, ventilátorokban, kompresszorokban, szállítószalagok hajtásában és a feldolgozási területeken, például a malmokban és a keverőkben. Ezeken a felhasználási területek egyszerű mozgássorozatokra van szükség, és az alapvető vezérlőfunkciók gyors és gazdaságos, rövid üzembe helyezési idővel való megvalósítása jó hatásfokú frekvenciaváltókat igényel.

Ezek a területek különböző vezérlési funkciókat követelhetnek meg, beleértve a skaláris feszültség/frekvencia (V/f), a többpontos programozható feszültség/frekvencia (V/f), a fluxust az energiatakarékosság érdekében automatikusan felhasználó feszültségnégyzet/frekvencia (V²/f) értéket és a fluxusáram-szabályozást (FCC, flux current control), amely automatikusan a terheléshez igazítja a frekvenciaváltó kimenőjelét. Az ipari rendszereknél kulcsfontosságú a költségtakarékos beszerelés és rendszerbe illesztés lehetősége, és olyan funkciók előnyeit élvezi, mint az alábbiak:

• előre beállított alkalmazás kiválasztása
• kis méret
• előre beállított kommunikációs paraméterek
• a paraméterbeállítások hatékony átvitele több egységre
• vezeték nélküli üzembe helyezés, üzemeltetés és diagnosztika
• csatlakozási és alkalmazási makrók a be- és kimeneti (I/O) kábelezés és beállítások egyszerűsítésére

Ez a cikk a Siemens jó hatásfokú és energiatakarékos egytengelyű frekvenciaváltó-családját mutatja be, amelyet a beszerelés egyszerűsítésére terveztek. Emellett áttekint számos beépített funkciót, megvizsgálja a rendszer alapvető tartozékait és számos egyedibb és fejlettebb kiegészítő modult, valamint javaslatokat tesz Siemens vezérlőegységekkel megvalósított rendszerbe illesztésre is. Végezetül áttekint néhány, az ilyen frekvenciaváltóknak az elektromágneses összeférhetőség megvalósítására alkalmas vezérlőszekrényekbe és ipari mozgásvezérlő rendszerekbe történő beépítésére vonatkozó szempontot.

A villanymotorok vezérlésének digitalizálása az ipari egytengelyű mozgásvezérlő rendszerek esetében számos előnnyel jár. Az egyszerű mechanikus vezérlés frekvenciaváltóval történő felváltása lehetővé teszi, hogy a rendszer azonnal reagáljon a részterheléses üzemmódokra, és 50%-kal vagy többel is csökkentheti a fogyasztást. A változtatható fordulatszámú működés minimálisra csökkentheti a motorok és a mechanikus alkatrészek kopását is, csökkentve ezzel a karbantartási igényeket, és javítva a rendelkezésre állást.

A Siemens SINAMICS V20 platformja kilencféle méretű házzal kapható, és 0,12kW és 30 kW (0,16 LE és 40 LE) közötti teljesítménytartományt fed le (1. ábra). A SINAMICS V20 frekvenciaváltók közé tartozik például a 0,12 kW-os, 6SL3210-5BB11-2UV1 jelű egység 3 kW-ig, a 6SL3210-5BB23-0UV1 jelű, egyfázisú, 230 V váltakozó feszültségű bemenetű típusok és a 6SL3210-5BE32-2UV0 jelű, 0,37 kW-os, 480 V váltakozó feszültségű, maximum 30 kW teljesítményű háromfázisú típusok.

1. ábra: A SINAMICS V20 frekvenciaváltók kilenc különböző házmérete az FSAA-tól az FSE-ig (0,16 LE-től 40 LE-ig) (kép: Siemens)

A SINAMICS V20 frekvenciaváltók használatának egyik fő előnye a jó hatásfok. Kis méretűek, és hatékony helykihasználást tesznek lehetővé, elősegítik a gyors beszerelést és üzembe helyezést, ami hatékony idő- és pénzfelhasználást tesz lehetővé, és energiatakarékosak, így támogatják a zöldebb bolygót. Néhány a számos funkció közül:

• Gazdaságos működés, amelyet többféle vezérlési mód támogat, beleértve a V/f, a V²/f, az FCC és a többpontos V/f vezérlést is
  • A V/f és a V²/f ECO (energiatakarékos) üzemmódjának használatával és hibernációs üzemmódokkal növelhető az energiatakarékosság
  • Az energiamegtakarítás külső teljesítménymérő berendezés nélkül is nyomon követhető, és kWh-ban, CO2-ben vagy pénzben is megjeleníthető
• Egyfázisú vagy háromfázisú hálózati áram
  • Egyfázisú 200–240 V váltakozó feszültség (±10%), amely egy háromfázisú 120/240 V-os váltakozó feszültségű hálózat két fázisához is csatlakoztatható
  • Háromfázisú 380–480 V váltakozó feszültség (–15%/+10%)
• Előre beállított alkalmazásmakrók csökkentik az üzembe helyezési időt
• Szabványos könyvtárakat és kapcsolati makrókat használó, előre beállított kommunikációs paraméterek gyorsítják az üzembe helyezést
• Az instabil hálózati feszültségekhez való automatikus alkalmazkodás stabil működést tesz lehetővé, megelőzi az indokolatlan megszakításokat, és segíti a nagyobb termelékenységet
• Túlterhelhetőség 150%-ig, 60 másodpercen át, 300 másodperces ciklusidőn belül
• A legnagyobb kimenőfeszültség a bemenőfeszültség 100%-a
• A tápegység nélküli paraméterfeltöltés lehetővé teszi több egység gyors beállítását
• Üzembe helyezés mobil eszközről vagy hordozható számítógépről a Smart Access webkiszolgálót használva
• Beépített alkalmazás- és kapcsolati makrók

Beépített funkciók

A SINAMICS V20 frekvenciaváltók számos beépített funkcióval el vannak látva, amelyek felgyorsítják a beszerelést, és egyszerűsítik a rendszerbe illesztést. Ilyen például a folyamatszabályozási feladatokhoz szükséges PID- (proportional-integral-derivative, arányos-integrál-derivált) vezérlő, a 2 legnagyobb méretű házban megtalálható beépített fékezőfeszültség-szabályozó (brake chopper), valamint az egyenáramú csatolási funkció, amely lehetővé teszi két azonos méretű frekvenciaváltó együttműködését a nagyobb energiamegtakarítás érdekében. A PID-szabályozó olyan egyszerű folyamatfeladatokban használható, mint a nyomás, a szintek vagy az áramlási sebességek szabályozása egy beállított értékhez képest.

A PID funkció az optimális működés érdekében automatikus hangolást végez, és képes támogatni több villanymotor egy frekvenciaváltóval való működtetését. A több villanymotor egy frekvenciaváltóval való működtetése lehetővé teszi akár 2 további (kaszkádolt) villanymotor vezérlését is. Ebben az esetben a rendszer a frekvenciaváltó által vezérelt elsődleges villanymotorból és két további villanymotorból áll, amelyeket a frekvenciaváltó digitális kimenetei által vezérelt kontaktorok vagy indítóegységek vezérelnek.

Az FSD és FSE méretű házak el vannak látva beépített fékezőfeszültség-szabályozóval, de más házméretekhez is rendelhető külső fékezőfeszültség-szabályozó modul (lásd alább). A villanymotor lehet villamosan vagy mechanikusan fékezett.

• Villamos fékezési lehetőségek
  • Az egyenáramú fékezés az állórész-tekercselés útján van megoldva, és jelentős fékezőnyomatékot eredményez. Bár függesztett terhek tartására nem alkalmas, az áram a forgás leállítása után képes mozdulatlanul , álló helyzetben tartani a tengelyt.
  • Az összetett fékezés a visszatápláló fékezést egyenáramú fékezéssel egészíti ki, ekkor a frekvenciaváltó fékezés közben energiát táplál vissza az egyenáramú hálózatba.
  • A dinamikus fékezés a visszatáplált energiát hővé alakítja. A dinamikus fékezés megvalósításához külső fékező ellenállásra van szükség az energia elvezetéséhez.
• A féket tartó mechanikus villanymotor belső logikával vezérelhető, hogy a frekvenciaváltó kikapcsolásakor a villanymotor ne forduljon el.

A SINAMICS V20 frekvenciaváltóknak egyenáramú csatolási funkciójuk is van, amely lehetővé teszi két egyforma méretű frekvenciaváltó villamos összekapcsolását az egyenáramú csatlakozások segítségével. Adott esetben az egyenáramú csatolás csökkentheti az energiaköltségeket, mivel az egyik frekvenciaváltó képes felhasználni a másik frekvenciaváltóból nyert visszatáplált energiát. A frekvenciaváltók egyetlen dinamikus fékezőrendszeren osztozhatnak, ami csökkenti a kiépítési költségeket. Bizonyos esetekben az egyenáramú csatolás szükségtelenné teheti a dinamikus fékezőmodul és a dinamikus fékező ellenállás használatát.

Alapvető rendszertartozékok

A beépített funkciók mellett a SIMAMICS V20 frekvenciaváltók hasznossága növelhető néhány rendszerkiegészítő, például egy alapszintű kezelőpult (BOP, basic operator panel) és egy kezelőpult-illesztő, egy intelligens hozzáférési modul és egy paraméterbetöltő hozzáadásával (2. ábra):

• A SIMAMICS V20 frekvenciaváltóknak van beépített vezérlőpaneljük, de egyes felhasználási területeken előnyös lehet, ha kiegészítjük a készüléket egy alapszintű kezelőpulttal a távvezérlés érdekében. Az alapszintű kezelőpultot elosztott felszerelésűre tervezték, és UL 1 szintű szigetelési besorolású.
• Az alapszintű kezelőpult egy speciális kezelőpult-illesztő modul segítségével csatlakozik a SINAMICS V20 frekvenciaváltóhoz. A kezelőpult-illesztő modul a frekvenciaváltó bővítőportjához van csatlakoztatva, és RS232 csatlakozóval van ellátva a kezelőpulthoz csatlakoztatás végett.
• A Smart Access modul beépített webkiszolgálót tartalmaz, amely leegyszerűsíti a SINAMICS V20 üzembe helyezését és okostelefon, hordozható számítógép vagy táblagép használatával történő üzemeltetését. A modul az alábbi funkciókra alkalmas:
  • üzembe helyezést segítő varázsló az üzembe helyezés felgyorsításához
  • paraméterbeállítás és -mentés, illetve a gyári beállítások visszaállítása
  • villanymotor-vizsgálat
  • a működési adatok nyomon követése
  • rendszerdiagnosztikai ellenőrzések végrehajtása
• A Parameter Loader paraméterbetöltő akár 100 paraméterkészletet is fel tud tölteni a SINAMICS V20 frekvenciaváltóba, illetve a készülékről is le tud tölteni paraméterkészleteket. Az akkumulátoros paraméterfeltöltő a frekvenciaváltó bekapcsolása nélkül is használható.

2. ábra: A 0,16 HP FSAA SINAMICS V20 frekvenciaváltó négy gyakori bővítőmodullal (kép: Siemens)

További kiegészítők

Szükség esetén vonalszűrőket is lehet a készülékhez adni. Az EN 61800-3 C2 kategóriájú sugárzott és vezetett kibocsátásnak való megfeleléshez a SINAMICS V20 frekvenciaváltókhoz (400 V-os szűrt és szűretlen típusok, valamint 230 V-os szűretlen típusok) külső elektromágneses zavarszűrőkre van szükség. A 6SL32030BE177BA0 jelű típust például 400 V-os, FSA házméretű frekvenciaváltókhoz tervezték.

A feszültségcsúcsok kiegyenlítésére és a kommutációs feszültségesések áthidalására hálózati fojtótekercsek állnak rendelkezésre. Ezek a fojtótekercsek csökkentik a felharmonikusok hatását a hálózati áramellátásra és a frekvenciaváltóra.

A fékezés FSAA és FSC közötti házméretek esetén a 6SL32012AD208VA0 fékezőmodul (3. ábra) segítségével valósítható meg. Az FSD és FSE méretű házak beépített fékezőfeszültség-szabályozóval vannak ellátva, és nem igényelnek külső modult. A motor által termelt visszatáplált energiát elvezető külső fékező ellenállás, például a 6SE64004BC050AA0 jelű típus hozzáadásával minden esetben jobb fékezési teljesítmény és nagyobb lassulás érhető el.

3. ábra: A SINAMICS V20 frekvenciaváltókhoz való fékezőmodul (kép: DigiKey)

A bemenő- vagy kimenőjeleket igénylő eszközök a SINAMICS V20 I/O Extension be- és kimeneti bővítőmodullal bővíthetőek (4. ábra). A modul közvetlenül a 400 V-os frekvenciaváltókra szerelhető, és két digitális bemenetet és két digitális relés kimenetet tartalmaz. A be- és kimeneti bővítőmodul használható például több szivattyú vezérlésére szolgáló készülékekhez, így akár négy szivattyú is vezérelhető egyetlen SIMAMICS V20 frekvenciaváltóval. Ez a modul akkor is hasznos, ha több ventilátort vagy kompresszort kell vezérelni. Elöl és hátul is el van látva csatlakozókkal, és kombinálható más tartozékokkal, például kezelőpult-illesztővel és intelligens hozzáférési modulokkal is. Nem használható viszont a paraméterbetöltő modullal egyidejűleg.

4. ábra: A SINAMICS V20 frekvenciaváltó előlapjára szerelt Siemens bővítőmodul (kép: Siemens)

A kimeneti fojtótekercsek, például az FSA házmérethez való, 6SL3202-0AE16-1CA0 jelű típus, csökkenthetik a motor tekercselésének feszültségterhelését (5. ábra). Ezek a kimeneti fojtótekercsek csökkentik emellett a kapacitív töltő- és kisütőáramokat is, amelyek hosszú motorkábelek használata esetén megterhelhetik a frekvenciaváltót.

5. ábra: Kimeneti fojtótekercs (reactor) 0,5 lóerős, 3 fázisú, 380–480 V váltakozó feszültségű, 6,1 A áramerősségű, FSA házméretű SINAMICS V20 frekvenciaváltókhoz (kép: Siemens)

Beépítés nagyobb rendszerekbe

A SINAMICS V20 frekvenciaváltókat úgy tervezték, hogy vezérelni lehessen őket egy SINAMICS S7-1200 vagy S7-1500 vezérlőegységgel, például a 6ES75173FP000AB0 jelű típussal, RS485 csatlakozón keresztül és az USS (Universal Serial Interface, egyetemes soros illesztőfelület) protokollt használva. Elérhetőek a SINAMICS V20-as frekvenciaváltók beállítását és programozását bemutató mintaprojektek is. Az USS az alapértelmezett protokoll, de a SINAMICS V20 a MODBUS RTU protokollt is képes használni.

Egy fő vezérlőegység legfeljebb 31 frekvenciaváltóhoz csatlakoztatható.

A rendszer összeállítása

A fent részletezett alkotóelemek teljes rendszerré történő összeállítása komoly feladatot jelenthet, különösen akkor, ha fontos szempont az elektromágneses összeférhetőség. Általában a potenciális zavarforrások elkülönítése a leggyorsabb és legköltségtakarékosabb megoldás. Ez úgy érhető el, hogy a vezérlőszekrényt és a rendszer többi részét négy egymást követő elkülönített zónába szervezzük, amint azt a 6. ábra mutatja. Az elkülönítési zónák kialakításakor a következőkre kell figyelni:

• A zónák elektromágneses leválasztása földelt elválasztólemezek vagy különálló fémházak segítségével valósítható meg.
  • A SINAMICS V20 (az ábrán Inverter felirattal) a B zónában, a SIMATIC S7-1200 vagy S7-1500 vezérlőegység (az ábrán: Control) pedig a C zónában legyen.
• A jobb elektromágneses összeférhetőség érdekében a zónák csatlakozóinál szűrőket és csatolómodulokat lehet elhelyezni.
• A zónák közötti összekötő kábeleket az elektromágneses csatolás elkerülése érdekében el kell különíteni, és nem lehetnek ugyanabban a kábelcsatornában vagy kábelkötegben.
• A szekrénybe belépő és onnan kilépő kommunikációs hálózati és jelkábeleket, például az RS485-kábeleket árnyékolni kell.

6. ábra: A zónák elektromágneses leválasztása javíthatja a SINAMICS V20 frekvenciaváltók elektromágneses összeférhetőségét (ábra: Siemens)

Összegzés

A SINAMICS V20 frekvenciaváltók rendkívül sokoldalúak, kis méretűek, és támogatják a különböző egytengelyű, változó fordulatszámot igénylő ipari berendezéseket. Ezek az eszközök beépített funkciók és képességek széles skálájával rendelkeznek. Az olyan tartozékok, mint az alapszintű kezelőpult, a távoli hozzáférési modul és a paraméterfeltöltő, növelhetik az eszközök hasznosságát. Ezenkívül ezekhez a frekvenciaváltókhoz a fejlett rendszerfunkciókat támogató kiegészítő modulok széles választéka kapható, és a Siemens vezérlőegységekkel való használatra vannak optimalizálva. Végül láthattuk, hogyan lehet ezeket a frekvenciaváltókat beépíteni az elektromágneses zavarás ellen védő vezérlőszekrényekbe és ipari mozgásvezérlő rendszerekbe.