A fordulatszámváltók és frekvenciaváltók használatának minél jobb hatásfokú kiaknázásához szükséges kiegészítő alkatrészek – 2. rész

A cikksorozat 1. része azt vizsgálta, hogy mit kell figyelembe venni a villanymotor-csatlakozókábelek, a terhelőtekercsek, a fékező ellenállások, a fojtótekercsek és a hálózati szűrők kiválasztásakor. A 2. rész a fordulatszámváltók/frekvenciaváltók és a szervohajtások közötti különbségek ismertetésével folytatódik, és áttekinti a váltakozó áramú és egyenáramú forgó és lineáris szervomotorok felhasználási módjait, megvizsgálva, hogy hogyan illeszkednek az ipari műveletekbe a lágyindító-leállító egységek, valamint hogy hogyan használják az egyenáram-átalakítókat perifériák, például érzékelők, kezelőfelületek (HMI, human-machine interface) és biztonsági eszközök áramellátására.

Az ipari műveletek hatásfokának maximálisra növeléséhez és ahhoz, hogy azok minél jobban elősegítsék a fenntarthatóságot, elengedhetetlen a fordulatszámváltók (VSD, variable speed drive) és a frekvenciaváltók (VFD, variable frequency drive) használata, de nem ezek az egyetlen rendelkezésre álló eszközök a feladat teljesítésére. A legjobb teljesítmény eléréséhez a fordulatszámváltókat/frekvenciaváltókat gyakran ki kell egészíteni más eszközökkel, például szervohajtásokkal és villanymotorokkal, lágyindító-leállító egységekkel, egyenáram-átalakítókkal és egyenáramú bemenetű szünetmentes tápegységekkel (UPS, uninterruptible power supply), hogy optimális ipari automatizálási architektúrát kapjunk.

Az egyen- és váltakozó áramú szervomotorok és meghajtók különböző felhasználási területekre alkalmasak, az egyszerű 1 vagy 2 tengelyű feladatoktól a 256 vagy még több tengelyű mozgást igénylő összetett feladatokig. A szervomotorral vezérelt működtetőelemek pontos és megismételhető mozgásokat tesznek lehetővé az ipari gépek számára, és forgó és egyenes vonalú (lineáris) mozgású változatban kaphatóak.

Az olyan állandó sebességű berendezéseknél, mint a szállítószalagok, a szivattyúk és a daruk, gyakran előnyös lehet a fordulatszámváltók/frekvenciaváltók helyett lágyindító-leállító egységeket használni.

A kiszámíthatatlan hálózati áramellátás kezelése és a rendszer megbízhatóságának növelése érdekében a tervezők a felhasználási terület követelményeitől függően választhatnak a redundáns egyenáramú tápegységek, az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Villamossági Szabályzata (NEC, National Electrical Code) szerinti 2. osztályú tápegységek és az egyenáramú szünetmentes tápegységek között.

Ez a cikk a fordulatszámváltók/frekvenciaváltók és a szervohajtások közötti különbségek ismertetésével kezdődik, áttekinti az egyen- és váltakozó áramú forgó és lineáris szervomotorok felhasználási területeit, és megvizsgálja, hogy hogyan lehet beilleszteni a lágyindító-leállító egységeket az ipari műveletekbe. A továbbiakban azt mutatja be, hogy hogyan használják az egyenáram-átalakítókat perifériák, például érzékelők, kezelőfelületek és biztonsági eszközök áramellátására. Körüljárja, hogy mikor érdemes redundáns egyenáramú rendszert vagy egyenáramú szünetmentes tápegységet használni ezen eszközök áramellátására, és ismerteti az akkumulátoros és a szuperkondenzátoros energiatárolás közötti választás szempontjait. A cikk az egyes felhasználási területekhez a Schneider Electric, az Omron, a Lin Engineering és a Siemens egy-egy jellegzetes készülékét használja szemléltetésként.

A szervomotoros rendszerek kiegészíthetik a fordulatszámváltókat/frekvenciaváltókat az ipari automatizálási architektúrákban. A szervomotoros rendszereket összetett és dinamikus mozgatórendszerekhez tervezték, és pontos helyzetbeállítást tesznek lehetővé. A szervohajtásokat állandó mágneses villanymotorokkal és kódolókkal, zárt hurkú szabályozásként használják. Úgy vannak tervezve, hogy támogassák a gyors gyorsítást és lassítást, és lineáris vagy nem lineáris mozgásprofilokat lehet velük megvalósítani.

Sok fordulatszámváltó/frekvenciaváltó nyílt hurkú vezérlést használ a villanymotor fordulatszámának beállítására. Ezek nem tesznek lehetővé a szervomotoros rendszerekkel elérhető pontosságot és érzékenységet. Ezenkívül a nyílt hurkú motorvezérlés azt jelenti, hogy a fordulatszámváltók/frekvenciaváltók nem feltétlenül végeznek helyesbítést, ha megváltozik a terhelés vagy megáll a motor. Míg a szervomotoros rendszereket nagy dinamikájú készülékekben használják, a fordulatszámváltókat/frekvenciaváltókat inkább olyan felhasználási területeken, ahol hosszú időn keresztül állandó fordulatszámot kell fenntartani, vagy viszonylag kevésszer van szükség a fordulatszám megváltoztatására.

A szervomotoros rendszerek általában kisebbek, mint a fordulatszámváltós/frekvenciaváltós rendszerek, jellemzően 40 W és 5000 W közötti teljesítményűek. Nagy, akár 5000 f/perc a fordulatszámuk, kicsi a zajuk és a vibrációjuk, és nagy a nyomatékuk. A szervomotorok különböző méretű házzal kaphatóak, akár 180 mm-es vagy annál nagyobb méretűvel is. A Lin Engineering SBL40D1-04 jelű szervomotorja például egy 40 mm-es, 60 W-os, szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC, brushless direct current) szervomotor, amelynek névleges feszültsége 36 V egyenfeszültség (V_DC).

A szervomotorokat gyakran párosítják vezérlőegységekkel. A Schneider Electric kínálatában szerepel például az LXM28AU07M3X vezérlőegység és a BCH2LF0733CA5C 5000 f/perc fordulatszámú szervomotor alkotta páros, mindkét eszköz 750 W névleges teljesítményű (1. ábra). A vezérlőegység beépített CANopen és CANmotion kommunikációs felületekkel van ellátva, és egy- és háromfázisú tápfeszültségről is képes működni. A hozzá tartozó 80 mm-es villanymotor IP65 védettségű, és –20 °C és +40 °C között használható.

1. ábra: Egymáshoz illesztett 750 W-os szervohajtás és IP65-ös védettségű villanymotor (kép: Schneider Electric)

Egyenes vonalú és merőleges tengelyű mozgások

Az egyenes vonalú (lineáris) mozgatást különböző ipari technológiai folyamatokban használják, a különféle anyagokkal való bevonástól kezdve a 3D nyomtatáson át az ellenőrző rendszerekig, és többféle kivitelben is elérhető. Egyesek forgó léptetőmotorokon alapulnak, más konstrukciók pedig lineáris motorokat használnak. A forgó léptetőmotorok menetes tengely segítségével hozzák létre az egyenes vonalú mozgást. Két alapvető kialakítás létezik, a külső anyás és a belső anyás, utóbbit néha nem rögzítettnek is nevezik.

Az első esetben az anya egy külső anyával ellátott lineáris működtetőelem menetes tengelyére van szerelve. A tengely mindkét végén rögzítve van. Ahogy a léptetőmotor forog, az anya előre-hátra mozog a tengelyen, és viszi magával a mozgatandó tárgyat (hasznos teher). A nem rögzített kialakításban a hasznos teher a villanymotorhoz van rögzítve. A tengely mindkét végén rögzítve van, de ez esetben a hasznos terhet szállító villanymotor mozog a tengely mentén.

A jó hatásfokú vasmagos lineáris motorokkal, mágneses pályákkal és abszolút kódoló technikával ellátott lineáris mozgatósínek mikronosnál jobb ismétlési pontosságot és 5G gyorsulást tesznek lehetővé, akár 5 m/s sebességgel mozogva a nagy sebességű ipari berendezésekben. A menetes tengelyű kialakításokkal ellentétben a lineáris motorok nagyobb helyzetbeállítási pontosságot és gyorsabb mozgást tesznek lehetővé.

A lineáris mozgatósínek mechanikus alkatrészei a környezeti hatásokkal szembeni védelem érdekében szorosan zárt szerkezetekben is elhelyezhetők. Az Omron vasmagos motorokon alapuló lineáris mozgatósíneket kínál 30 mm-es aktív mágnesszélességtől és három tekercstől 110 mm-es aktív mágnesszélességig és 15 tekercsig. Ezek 48 N és 760 N közötti erő kifejtésére alkalmasak.

Az R88L-EA-AF-0303-0686 lineáris működtetőmotor 230 V-os és 400 V-os kivitelben kapható. Névleges ereje 48 N, csúcsereje pedig 105 N. A motor az R88D-KN02H-ECT szervómeghajtóval vezérelhető, amely az ipari hálózatokba való beépítés érdekében EtherCAT-kommunikációval is el van látva. Két lineáris mozgatósín egymásra helyezhető, hogy derékszögű koordinátarendszerben történő mozgatást lehessen velük megvalósítani (2. ábra).

2. ábra: Két lineáris mozgatósín egymásra helyezhető, hogy derékszögű koordinátarendszerben történő mozgatást lehessen velük megvalósítani (kép: Omron)

Lágyindító-leállító egységek

Míg a frekvenciaváltók/fordulatszámváltók és a szervohajtások működés közben szabályozzák a motorok fordulatszámát és nyomatékát, addig a lágyindító-leállító egységek a villanymotor indításakor korlátozzák az áramfelvételt (indulóáramot), hogy megvédjék a motort, és egyenletes fordulatszám- és nyomatéknövekedést biztosítsanak. A motor leállításakor a fordulatszám egyenletes csökkenését valósítják meg. Indításkor és leállításkor az esetlegesen károsodást okozó nyomatékcsúcsoktól is megvédik a rendszerben lévő mechanikus alkatrészeket.

A villanymotorhoz való lágyindító-leállító egység használata olyan felhasználási területeken lehet előnyös, mint a szállítószalagok, a szivattyúk, a ventilátorok, a mozgódaruk és az automata ajtók, ahol nincs szükség nagy indítónyomatékra, és a motorjuk állandó fordulatszámon működik. Az ellenőrzött és kiszámítható fordulatszám-változások a kezelő biztonságát is növelik.

A motorok indítási és leállítási sebességét félvezetős eszközökkel, például szilíciumvezérelt egyenirányítókkal (SCR, silicon-controlled rectifier) szabályozzák, amelyek a motor feszültségét és áramerősségét állítják be. Ha a motor már teljesen fordulatszámon jár, a szilíciumvezérelt egyenirányítókat a működési hatásfok javítása érdekében egy kontaktor segítségével megkerülik.

A Schneider Electric Alistart 22 termékcsaládjához hasonló lágyindító-leállító egységek a háromfázisú aszinkronmotorok széles skáláját tudják vezérelni 4 kW-tól 400 kW-ig. 10-es osztályú motortúlterhelés- és hővédelemmel is el vannak látva, amely 8–10 másodperces gyorskioldási időt kínál. A lágyindító-leállító egységek teljesítménye gyakran a motor üzemi feszültségétől függ. A Schneider Electric ATS22D17S6U jelű lágyindító-leállító egysége például 208 V-os tápfeszültséggel 3 LE (2,24 kW), 230 V-os tápfeszültséggel 5 LE (3,73 kW), 460 V-os tápfeszültséggel 10 LE (7,46 kW), 575 V-os tápfeszültséggel pedig 15 LE (11,2 kW) teljesítményű villanymotorokat képes vezérelni (3. ábra). A vezérlőáramkörökhöz 110 V, 50/60 Hz-es (váltakozó áramú) áramellátás szükséges.

3. ábra: Ez a lágyindító-leállító egység akár 15 LE (11,2 kW) teljesítményű villanymotorokat is képes vezérelni (kép: DigiKey)

Redundáns áramellátás

Az ipari rendszerek bizonyos funkciókhoz, például érzékelőkhöz, kezelőfelületekhez és biztonsági eszközökhöz 24 V egyenfeszültségű áramellátást használnak. Az alapszintű redundáns áramellátás javíthatja az ipari létesítmények megbízhatóságát. A redundáns áramellátás esetében két párhuzamosan kapcsolt tápegységet használnak a terhelés táplálására, és mindkét tápegység elegendő a teljes terhelés árammal való ellátására, ha a másik tápegység meghibásodna. Ha két tápegységet használnak, azt 1+1 redundanciának nevezik. Ebben az esetben ahhoz, hogy a rendszer áramellátása megszűnjön, mindkét tápegységnek meg kell hibásodnia.

Több tápegység N+1 összeállításban történő használata a teljes áramellátó rendszer megbízhatóságát növeli. A 3+1 redundáns tápegység-architektúra négy tápegységet használ, amelyek közül bármelyik három képes árammal ellátni a teljes terhelést.

A redundanciamodul jellemzően diódás leválasztást használ a tápegységek összekapcsolására, hogy egyik tápegység meghibásodása se befolyásolja a többi tápegység működését. A még nagyobb megbízhatóságot igénylő felhasználási területek esetében több redundanciamodul is használható, kiküszöbölve így az egyetlen hibapont lehetőségét (4. ábra). Például az Omron S8VK-C12024 hálózati tápegység 24 V-os terheléseket képes árammal ellátni akár 120 W-ig. Az S8VK-R10 redundáns modul segítségével két ilyen tápegység kapcsolható össze, így egy 120 W-os 1+1-es redundáns áramellátó rendszer hozható létre.

4. ábra: Több redundanciamodul használatával (jobbra) kiküszöbölhető az egyetlen hibapont lehetősége, és javítható a megbízhatóság (ábra: Siemens)

2. osztályú és redundáns

Az ipari létesítményekben fontos biztonsági tényező lehet a 2. osztályú teljesítmény. Az amerikai NEC () meghatározása szerint a 2. osztályú tápegységek kimeneti teljesítménye 100 VA-nál kisebb. Néhány ipari eszköz esetében az Amerikai Egyesült Államokon kívül is szükséges vagy ajánlott a 2. osztályú áramellátás.

A teljesítmény korlátozása csökkenti az áramütés veszélyét és a tűzveszélyt. Ennek eredményeképpen a 2. osztályú berendezéseknél nem szükséges a tápkábeleket védőcsőben vagy kábelcsatornában vezetni, ami egyszerűsíti a kiépítést, és csökkenti a költségeket. Ezenkívül a 2. osztályú berendezések esetében egyszerűbb ellenőrzésekre van szükség, ami tovább csökkenti a költségeket.

A 2. osztályú teljesítményt kétféleképpen lehet elérni. Kaphatók olyan tápegységek, amelyek belsőleg 100 VA alá korlátozzák a kimenőteljesítményt. A másik lehetőség, hogy egy nagyobb teljesítményű tápegység – például a 480 W-os Siemens 6EP15663AA00 (24 V egyenfeszültség és 20 A) – használható olyan redundanciamodulokkal, mint a Siemens 6EP19622BA00, amelyek korlátozzák a kimenőteljesítményt, és egyúttal több terheléshez biztosítanak redundanciát (5. ábra).

5. ábra: 1+1 összeállítású redundáns tápegységek (balra) 2. osztályú redundanciamodulokon keresztül négy terheléshez csatlakoztatva (ábra: Siemens)

Szünetmentes áramellátás

A redundáns áramellátás hasznos lehet, de a kritikus felhasználási területeken nem elegendő. Ha kötelező a nyomon követhetőség és az adatgyűjtés, ha fontos szempont a biztonság, vagy ha elengedhetetlen a megszakítás nélküli működés, akkor olyan szünetmentes tápegységre van szükség, mint a Siemens 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS. Ez a szünetmentes tápegység 24 V kimenő egyenfeszültséget szolgáltat, és akár 20 A-t is képes leadni.

A szünetmentes tápegység kiválasztásakor az egyik legfontosabb kérdés az energiatárolási technika. A szuperkondenzátorok, más néven kétrétegű kondenzátorok rövid távú tartalékenergia-igények kielégítésére alkalmasak, ami elegendő például a folyamatadatok mentéséhez és az ipari számítógépek és más eszközök szabályos leállításához. Hosszú élettartamúak, és akár 20 kWs (kilowattmásodperc) tartalék energiát is képesek szolgáltatni. A Siemens 6EP19332EC41 jelű kondenzátoros energiatároló egysége akár 2,5 kW-os tartalék energia leadására is képes.

A hosszabb távú tartalékenergia-igények kielégítésére az ólom–sav és a különböző lítiumionos akkumulátorok lehetnek hasznosak, amelyek akár több óráig is képesek árammal ellátni a kritikus kommunikációs vagy technológiai műveleteket (6. ábra). Alapszintű akkumulátoros egyenáramú szünetmentes tápegységmodulok akár 38 Ah tárolási kapacitással is kaphatóak. Több akkumulátormodul használatával többórás tartalékidő érhető el. A Siemens 6EP19356MD31 egyenáramú szünetmentes tápegység akkumulátormodulja karbantartást nem igénylő, zárt ólom–sav akkumulátorokat használ. A tápegység 2,5 Ah tárolókapacitású, és akár 15 A leadására is képes.

6. ábra: A szuperkondenzátorok (UPS5005 és UPS501S) rövid távú tartalékenergia-ellátás szolgáltatására képesek (balra), míg az akkumulátorok (UPS16090 és BAT1600) sokkal hosszabb ideig tartó tartalékenergia-ellátásra alkalmasak (jobbra) (ábra: Siemens)

Összegzés

A fordulatszámváltókat/frekvenciaváltókat gyakran az ipari automatizálás igáslovainak tekintik. Egy átfogó ipari automatizálási architektúrához azonban többre van szükség, többek között szervohajtásokra, villanymotorokra és lágyindító-leállító egységekre. Az ipari automatizálási rendszerek tervezői az üzemidő és a megbízhatóság optimalizálása során többféle egyenáramú áramellátó rendszer közül választhatnak.