Come installare, collegare e integrare rapidamente i VSD a singolo asse in sistemi di automazione per l'Impresa 4.0

I comandi a velocità variabile (VSD) a singolo asse sono essenziali in applicazioni industriali come pompe, ventole, compressori, trasportatori e operazioni di lavorazione come mulini e miscelatori. Queste applicazioni hanno sequenze di movimento semplici e richiedono VSD efficienti per supportare l'implementazione veloce ed economica delle funzioni di base del convertitore di frequenza con tempi rapidi di messa in servizio.

Possono richiedere una varietà di funzioni di controllo, tra cui volt scalari per Hertz (V/f), V/f programmabile a più punti, V²/f che adatta automaticamente il flusso per risparmiare energia e controllo della corrente di flusso (FCC) che adatta automaticamente l'uscita del convertitore in base al carico. L'implementazione e l'integrazione a costi contenuti sono fondamentali per i sistemi industriali e traggono vantaggio da funzionalità quali:

• Selezione di un'applicazione preconfigurata
• Dimensioni compatte
• Parametri di comunicazione preimpostati
• Trasferimento efficiente delle impostazioni di parametro a più unità
• Messa in servizio, utilizzo e diagnostica senza fili
• Le macro di connessione e di applicazione semplificano il cablaggio e la configurazione dell'I/O

Questo articolo presenta una famiglia di VFD a singolo asse robusti e ad alta efficienza energetica di Siemens, progettati per semplificare l'installazione. Esamina inoltre diverse funzioni integrate, gli accessori di base del sistema e una serie di moduli aggiuntivi più specializzati e avanzati, nonché offre suggerimenti per l'integrazione con i controller di Siemens. Infine, presenta alcune considerazioni per l'integrazione di questi VFD in armadi di controllo e sistemi di movimento industriali conformi alle norme in materia di EMI.

La digitalizzazione del controllo motori offre molti vantaggi ai sistemi di movimento industriali a singolo asse. La sostituzione dei semplici controlli meccanici con un VSD consente al sistema di rispondere immediatamente alle situazioni di funzionamento a carico parziale e può ridurre il consumo energetico del 50% o più. Il funzionamento a velocità variabile può anche ridurre al minimo l'usura dei motori e dei componenti meccanici, mitigando le esigenze di manutenzione e migliorando la disponibilità.

La piattaforma SINAMICS V20 di Siemens è disponibile in nove telai di misura diversa e copre un intervallo di potenza da 0,12 kW a 30 kW (da 0,16 HP a 40 HP) (Figura 1). Alcuni esempi di VFD SINAMICS V20 includono i modelli da 0,12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 fino a 3 kW, i modelli 6SL3210-5BB23-0UV1 con ingresso monofase a 230 V_c.a. e i modelli da 0,37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 trifase a 480 V_c.a. fino a 30 kW.

Figura 1: Le nove misure dei telai dei convertitori SINAMICS V20, da FSAA a FSE (da 0,16 a 40 HP). (Immagine per gentile concessione di Siemens)

L'efficienza è uno dei principali vantaggi dell'utilizzo dei convertitori SINAMICS V20. Sono compatti e fanno un uso efficiente dello spazio; favoriscono una rapida installazione e la messa in servizio, con un uso efficiente di tempo e denaro e sono efficienti dal punto di vista energetico, a favore di un pianeta più sostenibile. Alcune delle numerose caratteristiche includono:

• Funzionamento economico supportato da diverse modalità di controllo, tra cui V/f, V²/f, FCC e V/f multipunto
  • Il risparmio energetico può essere incrementato utilizzando la modalità ECO per V/f, V²/f e una modalità di ibernazione
  • Il risparmio energetico può essere monitorato senza apparecchiature esterne di misurazione e visualizzato in kWh, CO2 o denaro
• Alimentazione di rete monofase o trifase
  • La fase singola da 200 a 240 V_c.a. (-10% / +10%) può essere collegata anche a due fasi di una rete trifase da 120 / 240 V_c.a.
  • Trifase da 380 a 480 V_c.a. (-15% / +10%)
• Le macro applicative preconfigurate riducono i tempi di messa in servizio
• I parametri di comunicazione preimpostati accelerano la messa in servizio grazie alle librerie standard e alle macro di connessione
• L'adattamento automatico alle tensioni di rete instabili garantisce un funzionamento stabile, previene le interruzioni e contribuisce ad aumentare la produttività
• Capacità di sovraccarico fino al 150% per 60 secondi entro un tempo di ciclo di 300 secondi
• La tensione massima di uscita è pari al 100% della tensione di ingresso
• Il caricamento dei parametri senza alimentazione consente una rapida configurazione di più unità
• Messa in servizio con dispositivo mobile o laptop con server web Smart Access
• Macro di applicazioni e connessioni integrate

Funzionalità integrate

I convertitori di frequenza SINAMICS V20 sono dotati di diverse funzioni integrate che velocizzano l'implementazione e semplificano l'integrazione, come il controller proporzionale-integrale-derivativo (PID) per le attività di controllo del processo, il chopper di frenatura integrato sulle 2 misure di telaio più grandi e la funzione di accoppiamento c.c. che consente a due convertitori di pari dimensioni di lavorare in tandem per un maggiore risparmio energetico. Il controller PID può essere utilizzato in attività di processo semplici come il controllo di pressioni, livelli o portate rispetto a un setpoint.

La funzione PID include la regolazione automatica per un funzionamento ottimale e può supportare il funzionamento a stadi del motore, che consente di controllare fino a 2 motori aggiuntivi a stadi (in cascata). In questo caso, il sistema è costituito dal motore primario controllato dall'inverter e da due motori aggiuntivi comandati mediante contattori o avviatori controllati dalle uscite digitali dell'inverter.

I telai FSD e FSE sono dotati di un chopper di frenatura integrato; per gli altri telai è disponibile un modulo di frenatura esterno (v. sotto). Il motore può essere frenato elettricamente o meccanicamente.

• Opzioni di freno elettrico
  • La frenatura in c.c. viene applicata all'avvolgimento statorico, generando una coppia frenante significativa. Pur non essendo adatta a sostenere carichi sospesi, la corrente può mantenere l'albero fermo una volta arrestata la rotazione.
  • La frenatura composta sovrappone la frenatura in c.c. alla frenatura rigenerativa, in cui l'inverter rigenera l'energia nel DC-Link durante la frenatura.
  • La frenatura dinamica converte l'energia rigenerativa in calore. L'implementazione della frenatura dinamica richiede un resistore di frenatura esterno per dissipare l'energia.
• Un motore meccanico che trattiene il freno può essere controllato dalla logica interna per evitare che il motore giri quando l'inverter è spento.

I convertitori di frequenza SINAMICS V20 includono anche una funzione di accoppiamento c.c. che consente di accoppiare elettricamente due inverter di pari dimensioni utilizzando le loro connessioni del DC-Link. Se applicabile, l'accoppiamento c.c. può ridurre i costi energetici consentendo a un inverter di utilizzare l'energia di rigenerazione prelevata dall'altro inverter. Gli inverter possono condividere un unico sistema di frenatura dinamica, riducendo i costi di installazione. In alcuni casi, l'accoppiamento c.c. può eliminare la necessità di un modulo di frenatura dinamica e di un resistore di frenatura dinamica.

Accessori di base del sistema

Oltre alle funzioni integrate, l'utilità degli inverter SIMAMICS V20 può essere migliorata aggiungendo alcuni accessori di sistema come un pannello operatore di base (BOP) e un'interfaccia BOP, un modulo di accesso intelligente e un caricatore di parametri (Figura 2):

• SIMAMICS V20 è dotato di un pannello di controllo integrato, ma alcune applicazioni possono trarre vantaggio dall'aggiunta di un BOP per il controllo remoto dell'unità. Il BOP è progettato per il montaggio distribuito ed è dotato del grado di protezione UL Tipo 1.
• Il BOP è collegato a SINAMICS V20 mediante un modulo di interfaccia BOP specializzato che si inserisce nella porta di espansione dell'inverter e dispone di un'interfaccia RS232 per il collegamento.
• Il modulo Smart Access è dotato di un web server integrato che semplifica la messa in servizio e il funzionamento di SINAMICS V20 utilizzando uno smartphone, un laptop o un tablet. Le funzioni supportate da questo modulo includono:
  • Procedura guidata per velocizzare la messa in servizio
  • Impostazione e salvataggio dei parametri o ripristino delle impostazioni di fabbrica
  • Test di motori
  • Monitoraggio dei dati operativi
  • Esecuzione di controlli diagnostici del sistema
• Il Parameter Loader può caricare fino a 100 set di parametri in SINAMICS V20 o scaricare set di parametri dall'unità. Il caricatore di parametri alimentato a batteria può essere utilizzato senza alimentare l'azionamento.

Figura 2: FSSA SINAMICS V20 da 0,16 HP con quattro moduli di espansione comuni. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Altri accessori

Quando necessario, si possono aggiungere filtri di linea. Per soddisfare la norma EN 61800-3 Categoria C2 Emissioni condotte e irradiate, sono necessari filtri EMC esterni per gli inverter SINAMICS V20 (modelli filtrati e non filtrati a 400 V e modelli non filtrati a 230 V). Ad esempio, il modello 6SL32030BE177BA0 è progettato per l'uso con inverter da 400 V in telaio FSA.

Sono disponibili reattori di linea per livellare i picchi di tensione o per colmare i cali di commutazione. Questi reattori riducono anche gli effetti delle armoniche sulla linea di alimentazione e sul convertitore.

La frenatura può essere implementata utilizzando il modulo di frenatura 6SL32012AD208VA0 (Figura 3) con telaio da FSAA a FSC. I telai FSD e FSE hanno un chopper di frenatura integrato e non richiedono un modulo esterno. In tutti i casi, è possibile migliorare le prestazioni di frenatura e la decelerazione aggiungendo un resistore di frenatura esterno, come il modello 6SE64004BC050AA0, per dissipare l'energia di rigenerazione prodotta dal motore.

Figura 3: Modulo di frenatura per comandi motore SINAMICS V20. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le applicazioni che necessitano di ingressi o uscite possono aggiungere il modulo SINAMICS V20 I/O Extension (Figura 4). Questo modulo si monta direttamente sugli inverter da 400 V e fornisce due ingressi digitali e due uscite digitali a relè. Ad esempio, il modulo di espansione I/O può essere utilizzato in applicazioni per il controllo di più pompe, consentendo di controllare fino a quattro pompe con un solo azionamento SIMAMICS V20. Il modulo è utile anche quando è necessario controllare più ventole o compressori. È dotato di connessioni sul fronte e sul retro e può essere combinato con altri accessori come un'interfaccia BOP e moduli di accesso intelligente. Tuttavia, non può essere utilizzato contemporaneamente al modulo di caricamento dei parametri.

Figura 4: Modulo di espansione montato sulla parte anteriore di un'unità SINAMICS V20. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

I reattori di uscita, come il modello 6SL3202-0AE16-1CA0 per il telaio FSA, possono ridurre lo stress di tensione sugli avvolgimenti del motore (Figura 5). Questi reattori di uscita riducono inoltre le correnti capacitive di carica e scarica che possono sollecitare l'inverter quando si utilizzano cavi lunghi per il motore.

Figura 5: Reattore di uscita per azionamenti SINAMICS V20 da 6,1 A, 0,5 HP trifase da 380 V_c.a. a 480 V_c.a. in telaio FSA. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Integrazione in sistemi più ampi

I convertitori di frequenza SINAMICS V20 sono progettati per il controllo da parte di un controller SINAMICS S7-1200 o S7-1500, come il modello 6ES75173FP000AB0, attraverso l'interfaccia RS485 e il protocollo di interfaccia seriale universale (USS). Sono disponibili progetti di esempio che dimostrano come configurare e programmare questi controller con un azionamento SINAMICS V20. L'impostazione predefinita è USS, ma SINAMICS V20 può anche utilizzare il protocollo Modbus RTU.

Un controller master può collegarsi a un massimo di 31 VFD.

Assemblaggio di tutti i componenti

L'assemblaggio dei componenti sopra descritti in un sistema completo può essere impegnativo, soprattutto se la conformità EMC è un aspetto importante. L'isolamento delle potenziali fonti di interferenza è di solito l'approccio più rapido ed economico. Si può ottenere organizzando l'armadio di controllo e il resto del sistema in una serie di quattro zone isolate, come mostra la Figura 6. Le considerazioni importanti per l'implementazione delle zone di isolamento includono:

• Il disaccoppiamento elettromagnetico delle zone è possibile utilizzando piastre di separazione a massa o alloggiamenti metallici separati.
  • L'azionamento SINAMICS V20 si trova nella Zona B e un controller SIMATIC S7-1200 o S7-1500 si trova nella Zona C.
• Per migliorare le prestazioni EMC, è possibile aggiungere filtri e moduli di accoppiamento alle interfacce delle zone.
• I cavi di collegamento tra le zone devono essere separati per evitare l'accoppiamento EMC e non devono trovarsi nella stessa canalina o nello stesso cablaggio.
• I cavi della rete di comunicazione e i cavi di segnale come RS485 che entrano o escono dall'armadio devono essere schermati.

Figura 6: Le zone elettromagneticamente disaccoppiate possono migliorare le prestazioni EMC delle installazioni SINAMICS V20. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Conclusione

I convertitori SINAMICS V20 sono altamente versatili, compatti e supportano diverse applicazioni industriali a velocità variabile a singolo asse. Offrono un'ampia gamma di funzioni e funzionalità integrate. L'aggiunta di accessori come un pannello operatore di base, un modulo di accesso remoto e un caricatore di parametri può aumentarne l'utilità. Inoltre, questi convertitori sono disponibili con un'ampia gamma di moduli aggiuntivi per supportare funzionalità di sistema avanzate e sono ottimizzati per l'uso con i controller offerti da Siemens. Infine, è stato mostrato come integrare questi VFD in armadi di controllo e sistemi di movimento industriali conformi alle norme in materia di EMI.