Quali prodotti di supporto sono necessari per massimizzare l'impatto dell'utilizzo di VFD e VSD? - Parte 2

Laprima parte di questa serie di articoli illustra i fattori da considerare nella scelta dei cavi di collegamento del motore, delle reattanze di uscita, delle resistenze di frenatura, delle reattanze di linea e dei filtri di linea. La seconda parte prosegue esaminando le differenze tra VSD/VFD e servoazionamenti, passando in rassegna gli utilizzi dei servomotori rotativi e lineari in c.a. e c.c., considerando l'inserimento delle unità soft start-stop nelle attività industriali e analizzando come i convertitori c.c. vengono utilizzati per alimentare periferiche come sensori, interfacce uomo-macchina (HMI) e dispositivi di sicurezza.

I variatori di velocità e gli azionamenti a frequenza variabile (VSD/VFD) sono essenziali per massimizzare l'efficienza e la sostenibilità delle operazioni industriali, ma non sono gli unici strumenti disponibili. Per ottenere le massime prestazioni, i VSD/VFD devono spesso essere integrati da altri dispositivi come servoazionamenti e motori, unità soft start-stop, convertitori in corrente continua (DC) e gruppi di continuità (UPS) con ingresso in corrente continua per ottenere un'architettura di automazione industriale ottimale.

I servomotori e gli azionamenti in c.a. e c.c. sono adatti a diverse applicazioni, da quelle semplici a 1 o 2 assi a quelle complesse con 256 o più assi di movimento. Gli attuatori controllati da servomotori forniscono movimenti precisi e ripetibili per le macchine industriali e sono disponibili con configurazioni di movimento rotatorio e lineare.

Applicazioni a velocità costante come nastri trasportatori, pompe e gru a ponte possono spesso trarre vantaggio dall'uso di unità soft start-stop al posto dei VSD/VFD.

A seconda dei requisiti dell'applicazione, i progettisti possono scegliere tra alimentatori CC ridondanti, un alimentatore di Classe 2 secondo la definizione del National Electric Code (NEC) degli Stati Uniti o un UPS CC per gestire l'imprevedibile alimentazione di rete e migliorare l'affidabilità del sistema.

Questo articolo inizia con una panoramica delle differenze tra VSD/VFD e servoazionamenti, passa in rassegna gli usi dei servomotori rotativi e lineari in c.a. e c.c. e considera l'inserimento delle unità soft start-stop nelle attività industriali. La trattazione prosegue esaminando come i convertitori CC vengono utilizzati per alimentare periferiche come sensori, interfacce uomo-macchina (HMI) e dispositivi di sicurezza. Esamina quando utilizzare un'architettura ridondante in corrente continua o un UPS in corrente continua per alimentare questi dispositivi e la scelta tra batteria e accumulatore di energia a supercondensatore. In ogni caso vengono presentati dispositivi rappresentativi di Schneider Electric, Omron, Lin Engineering e Siemens.

I sistemi di servomotori possono integrare i VSD/VFD nelle architetture di automazione industriale. I sistemi di servomotori sono progettati per sistemi di movimento complessi e dinamici e possono supportare un posizionamento preciso. I servoazionamenti sono utilizzati con motori a magneti permanenti ed encoder per il controllo ad anello chiuso. Sono progettati per supportare accelerazioni e decelerazioni rapide e possono supportare profili di movimento lineari o non lineari.

Molti VSD/VFD utilizzano un controllo ad anello aperto per gestire la velocità del motore. Non supportano la precisione e la reattività disponibili con i sistemi di servomotori. Inoltre, il controllo del motore ad anello aperto significa che i VSD/VFD non compensano necessariamente se il carico cambia o il motore si blocca. Mentre i sistemi di servomotori sono utilizzati in applicazioni altamente dinamiche, i VSD/VFD sono utilizzati in applicazioni che mantengono una velocità costante, o relativamente poche variazioni di velocità, per un lungo periodo.

I sistemi di servomotori tendono a essere più piccoli rispetto agli azionamenti VSD/VFD, con livelli di potenza tipici da 40 a 5.000 W. Sono caratterizzati da velocità elevate, fino a 5.000 giri al minuto (rpm), bassa rumorosità, basse vibrazioni e coppia elevata. I servomotori sono disponibili in diverse dimensioni di telaio, fino a 180 mm o più. Ad esempio, il modello SBL40D1-04 di Lin Engineering è un servomotore brushless DC (BLDC) da 40 mm e 60 W con una tensione nominale di 36 _VDC.

I servomotori sono spesso abbinati ad azionamenti. Schneider Electric offre l'azionamento LXM28AU07M3X e il servomotore BCH2LF0733CA5C da 5.000 giri/min, entrambi con potenza nominale di 750 W (Figura 1). Il drive è dotato di interfacce di comunicazione CANopen e CANmotion integrate e può funzionare con alimentazione monofase o trifase. Il motore da 80 mm che lo accompagna è classificato IP65 e può funzionare da -20°C a +40°C.

Figura 1: Servoazionamento da 750 W e motore IP65 abbinati. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Moto lineare e cartesiano

Il movimento lineare è utilizzato in diversi processi industriali, dal rivestimento dei materiali alla stampa 3D, fino ai sistemi di ispezione, ed è disponibile in diverse versioni. Alcuni si basano su motori stepper rotativi, mentre altri utilizzano motori lineari. I motori passo-passo rotativi producono un movimento lineare utilizzando un albero filettato. Esistono due modelli di base, con dado esterno e con dado interno, talvolta chiamato non-captive.

La ghiera è montata sull'albero filettato di un attuatore lineare a ghiera esterna. L'albero è fissato su entrambe le estremità. Quando il motore passo-passo ruota, la chiocciola si muove avanti e indietro lungo l'albero, trasportando l'oggetto (carico utile) da spostare. In un progetto non adattivo, il carico utile è attaccato al motore. L'albero è fissato a entrambe le estremità e il motore che trasporta il carico utile si muove lungo l'albero.

Gli stadi di movimento lineare con motori lineari a nucleo di ferro ad alta efficienza, piste magnetiche e tecnologia con encoder assoluto possono fornire una precisione ripetibile al di sotto del micron e un'accelerazione 5G, con spostamenti fino a 5 m/s per applicazioni industriali ad alta velocità. A differenza dei modelli ad albero filettato, i motori lineari possono garantire una maggiore precisione di posizionamento e una maggiore velocità di movimento.

Le parti meccaniche degli stadi a movimento lineare possono essere imballate in strutture altamente chiuse per la protezione dell'ambiente. Omron offre stadi di movimento lineare basati su motori a nucleo di ferro che vanno da 30 mm di larghezza del magnete attivo e tre bobine a 110 mm di larghezza del magnete attivo e 15 bobine. Sono in grado di erogare una forza compresa tra 48 Newton (N) e 760 N.

Il motore dell'attuatore lineare R88L-EA-AF-0303-0686 è disponibile nei modelli a 230 V e a 400 V. Ha una forza nominale di 48 N e una forza di picco di 105 N. Può essere pilotato con il servoazionamento R88D-KN02H-ECT che include la comunicazione EtherCAT per l'integrazione nelle reti industriali. Due stadi di movimento lineare possono essere impilati per fornire il movimento in un sistema di coordinate cartesiane (Figura 2).

Figura 2: Due stadi motore lineari possono essere impilati per supportare il movimento cartesiano. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Unità soft start-stop

Mentre i VFD/VSD e i servoazionamenti controllano la velocità e la coppia dei motori durante il funzionamento, le unità soft start-stop limitano lo spunto di corrente all'avvio del motore per proteggerlo e fornire una rampa di aumento regolare della velocità e della coppia. Forniscono una rampa di riduzione regolare della velocità all'arresto del motore. Inoltre, proteggono i componenti meccanici del sistema da dannosi picchi di coppia all'avvio o all'arresto.

Un'unità di avviamento e arresto graduale del motore può essere utile per applicazioni come trasportatori, pompe, ventilatori, carriponte e porte automatiche che non necessitano di elevati livelli di coppia di avviamento e funzionano a velocità costante. I cambi di velocità controllati e prevedibili migliorano anche la sicurezza dell'operatore.

Le velocità di avvio e di arresto del motore sono guidate da dispositivi a stato solido come i raddrizzatori controllati al silicio (SCR) che controllano la tensione e la corrente del motore. Una volta che il motore è completamente avviato, gli SCR vengono bypassati mediante un contattore per migliorare l'efficienza operativa.

Le unità soft start-stop come la famiglia Alistart 22 di Schneider Electric possono gestire un'ampia gamma di motori asincroni trifase da 4 kW a 400 kW. Includono una protezione termica e da sovraccarico del motore di Classe 10, con un tempo di intervento rapido di 8-10 secondi. Le potenze nominali delle unità soft start-stop dipendono spesso dalla tensione di esercizio del motore. Ad esempio, l'unità ATS22D17S6U di Schneider Electric è in grado di gestire motori con potenza di 3 CV a 208 V, 5 CV a 230 V, 10 CV a 460 V e 15 CV a 575 V (Figura 3). Richiede un'alimentazione_a 110VCA 50/60 Hz per il circuito di controllo.

Figura 3: Questa unità soft start-stop può gestire motori fino a 15 CV. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Alimentazione ridondante

I sistemi industriali utilizzano l'alimentazione a 24 _VDC per varie funzioni come sensori, interfacce HMI e dispositivi di sicurezza. L'alimentazione ridondante di base può migliorare l'affidabilità degli impianti industriali. L'alimentazione ridondante utilizza due alimentatori collegati in parallelo per alimentare un carico, dove ogni alimentatore è sufficiente ad alimentare l'intero carico in caso di guasto dell'altro alimentatore. Quando vengono utilizzati due alimentatori, si parla di ridondanza 1+1. Entrambi gli alimentatori devono guastarsi perché l'alimentazione del sistema venga meno.

L'utilizzo di più alimentatori in una configurazione N+1 può aumentare l'affidabilità dell'intero sistema di alimentazione. Un'architettura di alimentazione ridondante 3+1 utilizza quattro alimentatori, tre dei quali possono alimentare l'intero carico.

Un modulo di ridondanza utilizza in genere un isolamento a diodi per collegare gli alimentatori, in modo da garantire che il guasto di un alimentatore non influisca sul funzionamento degli altri alimentatori. Per le applicazioni che richiedono un'affidabilità ancora maggiore, è possibile utilizzare più moduli di ridondanza per eliminare la possibilità di un singolo punto di guasto (Figura 4). Ad esempio, l'alimentatore CA/CC S8VK-C12024 di Omron è in grado di supportare carichi a 24 V fino a 120 W. Due di questi alimentatori possono essere collegati con il modulo di ridondanza S8VK-R10 per creare un sistema di alimentazione ridondante da 120 W 1+1.

Figura 4: L'uso di più moduli di ridondanza (a destra) può eliminare il singolo punto di guasto e migliorare l'affidabilità. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Classe 2 e ridondante

L'alimentazione di Classe 2 può essere un importante fattore di sicurezza nelle installazioni industriali. Secondo la definizione del NEC statunitense, gli alimentatori di Classe 2 hanno un'uscita limitata a meno di 100 VA. L'alimentazione di Classe 2 è richiesta o consigliata anche per alcuni dispositivi industriali al di fuori degli Stati Uniti.

La limitazione della potenza riduce il rischio di scosse elettriche e incendi. Di conseguenza, le installazioni di Classe 2 non richiedono il passaggio dei cavi di alimentazione attraverso guaine o condotti, semplificando l'installazione e riducendo i costi. Inoltre, per gli impianti di Classe 2 sono richieste ispezioni più semplici, che riducono ulteriormente i costi.

Ci sono due modi per ottenere una potenza nominale di Classe 2. Sono disponibili alimentatori che limitano internamente la potenza di uscita a meno di 100 VA. In alternativa, è possibile utilizzare un alimentatore di potenza superiore, come il modello 6EP15663AA00 di Siemens da 480 W (24 _VCC e 20 A), con moduli di ridondanza come il 6EP19622BA00 di Siemens, che limita la potenza di uscita e fornisce ridondanza per più carichi (Figura 5).

Figura 5: Alimentatori ridondanti 1+1 (a sinistra) collegati a quattro carichi tramite moduli di ridondanza di Classe 2. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Alimentazione ininterrotta

L'alimentazione ridondante può essere utile, ma non è sufficiente per le applicazioni critiche. Quando la tracciabilità e la raccolta dei dati sono obbligatorie, la sicurezza è un problema o è necessario un funzionamento ininterrotto, è necessario un UPS come il SITOP 6EP41363AB002AY0 di Siemens. Questo UPS fornisce un'uscita a 24 _VDC e può erogare fino a 20 A.

Una delle domande chiave nella scelta di un UPS è la tecnologia di accumulo dell'energia. Gli ultracapacitori, chiamati anche condensatori a doppio strato, sono adatti per esigenze di alimentazione di backup a breve termine, come il salvataggio dei dati di processo e lo spegnimento ordinato di PC industriali e altri dispositivi. Hanno una lunga durata e possono fornire fino a 20 kilowatt secondi (kW) di potenza di riserva. Ad esempio, l'accumulatore di energia a condensatore modello 6EP19332EC41 di Siemens può fornire fino a 2,5 kW di potenza di riserva.

I prodotti chimici al piombo e agli ioni di litio possono essere utili per le esigenze di alimentazione di riserva più lunghe, che possono durare fino a diverse ore per le comunicazioni critiche o le operazioni di processo (Figura 6). Sono disponibili moduli batteria UPS DC di base con capacità di accumulo fino a 38 Ah. È possibile utilizzare più moduli batteria per ottenere tempi di backup di diverse ore. Il modulo batteria UPS DC 6EP19356MD31 di Siemens utilizza batterie al piombo sigillate senza manutenzione per fornire fino a 15 A con una capacità di accumulo di 2,5 Ah.

Figura 6: Gli ultracapacitori (UPS5005 e UPS501S) possono fornire energia di backup a breve termine (a sinistra), mentre le batterie (UPS16090 e BAT1600) possono supportare un funzionamento di backup molto più lungo (a destra). (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Conclusione

I VSD/VFD sono spesso considerati i cavalli di battaglia dell'automazione industriale. Tuttavia, un'architettura di automazione industriale completa richiede molto di più, tra cui servoazionamenti, motori e unità soft start-stop. I progettisti di sistemi di automazione industriale hanno a disposizione numerose architetture di alimentazione in c.c. tra cui scegliere per ottimizzare i tempi di attività e l'affidabilità.