Unterstützende Produkte für den optimalen Einsatz von VFDs und VSDs - Teil 2

In Teil 1 dieser Artikelserie wurde untersucht, was bei der Auswahl von Motor-Anschlusskabeln, Ausgangsdrosseln, Bremswiderständen, Netzdrosseln und Leitungsfiltern zu beachten ist. Teil 2 befasst sich mit den Unterschieden zwischen VSDs/VFDs und Servoantrieben, mit den Einsatzmöglichkeiten von rotierenden und linearen AC- und DC-Servomotoren, mit der Frage, wie sich Einheiten für sanftes Anlaufen/Bremsen in den industriellen Betrieb einfügen, und mit der Frage, wie DC-Wandler zur Versorgung von Peripheriekomponenten wie Sensoren, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) und Sicherheitseinrichtungen eingesetzt werden.

Geschwindigkeitsvariable Antriebe und frequenzvariable Antriebe (VSDs/VFDs) sind für die Maximierung der Effizienz und der Nachhaltigkeit von Industriebetrieben unerlässlich, aber sie sind nicht die einzigen verfügbaren Werkzeuge. Um die ultimative Performance zu erzielen, müssen VSDs/VFDs oft durch andere Geräte wie Servoantriebe und -motoren, Sanftanlauf-/-bremseinheiten, Gleichstromwandler und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) mit Gleichstromeingang ergänzt werden, um eine optimale industrielle Automatisierungsarchitektur zu erreichen.

AC- und DC-Servomotoren und -Steuereinheiten eignen sich für verschiedene Anwendungen, von einfachen 1- oder 2-Achsen-Aufgaben bis hin zu komplexen Aufgaben mit 256 oder mehr Bewegungsachsen. Servomotorgesteuerte Aktuatoren bieten präzise und wiederholbare Bewegungen für Industriemaschinen und sind in Konfigurationen mit Dreh- und Linearbewegungen erhältlich.

Anwendungen mit konstanter Drehzahl wie Förderanlagen, Pumpen und Brückenkräne können oft vom Einsatz von Sanftanlauf-/-bremseinheiten anstelle von VSDs/VFDs profitieren.

Je nach den Anforderungen der Anwendung können zwischen redundanten Gleichstromversorgungen, einer Stromversorgung der Klasse 2 gemäß dem U.S. National Electric Code (NEC) oder einer Gleichstrom-USV gewählt werden, um mit unvorhersehbarer Netzspannung umzugehen und die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern.

Dieser Artikel beginnt mit einem Blick auf die Unterschiede zwischen VSDs/VFDs und Servoantrieben, gibt einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten von rotierenden und linearen AC- und DC-Servomotoren und zeigt auf, wo Sanftanlauf-/-bremseinheiten im industriellen Betrieb eingesetzt werden. Anschließend wird erläutert, wie Gleichstromwandler zur Stromversorgung von Peripheriekomponenten wie Sensoren, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) und Sicherheitskomponenten eingesetzt werden. Es wird untersucht, wann eine redundante Gleichstromarchitektur oder eine Gleichstrom-USV für die Stromversorgung dieser Komponenten eingesetzt werden sollte und wie die Wahl zwischen Batterie- und Superkondensator-Energiespeicherung aussieht. Es werden jeweils repräsentative Komponenten von Schneider Electric, Omron, Lin Engineering und Siemens vorgestellt.

Servomotorsysteme können VSDs/VFDs in industriellen Automatisierungsarchitekturen ergänzen. Servomotorensysteme sind für komplexe und dynamische Bewegungssysteme ausgelegt und können eine präzise Positionierung unterstützen. Servosteuersysteme werden mit Permanentmagnetmotoren und Encodern zur Regelung eingesetzt. Sie sind für eine schnelle Beschleunigung und Abbremsung ausgelegt und können lineare oder nicht lineare Bewegungsprofile unterstützen.

Viele VSDs/VFDs verwenden zur Steuerung der Motordrehzahl einen offenen Regelkreis. Sie bieten nicht die Präzision und Reaktionsfähigkeit von Servomotorsystemen. Darüber hinaus bedeutet die Motorsteuerung mit offenem Regelkreis, dass VSDs/VFDs nicht unbedingt kompensieren, wenn sich die Last ändert oder der Motor blockiert. Während Servomotorsysteme in hochdynamischen Anwendungen eingesetzt werden, kommen VSDs/VFDs in Anwendungen zum Einsatz, die eine konstante Geschwindigkeit oder relativ wenige Geschwindigkeitsänderungen über einen langen Zeitraum beibehalten.

Servomotorsysteme sind in der Regel kleiner als VSD/VFD-Antriebe und haben eine typische Leistung von 40 bis 5000 W. Sie zeichnen sich durch hohe Drehzahlen von bis zu 5000 Umdrehungen pro Minute (U/min), geringe Geräuschentwicklung, geringe Vibrationen und hohes Drehmoment aus. Servomotoren sind in verschiedenen Baugrößen erhältlich, bis zu 180 mm oder größer. Der SBL40D1-04 von Lin Engineering beispielsweise ist ein 40 mm großer, 60 W starker bürstenloser Gleichstrom-Servomotor (BLDC) für eine Nennspannung von 36 V_DC.

Servomotoren werden häufig mit Steuereinheiten gekoppelt. Schneider Electric bietet die Steuereinheit LXM28AU07M3X und den Servomotor BCH2LF0733CA5C mit 5000 U/min an, die beide für 750 W ausgelegt sind (Abbildung 1). Die Steuereinheit verfügt über integrierte CANopen- und CANmotion-Kommunikationsschnittstellen und kann mit einphasigem oder dreiphasigem Strom betrieben werden. Der dazugehörige 80mm-Motor bietet die Schutzart IP65 und kann bei Temperaturen von -20°C bis +40°C betrieben werden.

Abbildung 1: 750 W Servo-Steuereinheit und passender Motor mit Schutzart IP65. (Bildquelle: Schneider Electric)

Lineare und kartesische Bewegung

Lineare Bewegungen werden in verschiedenen industriellen Prozessen eingesetzt, von der Beschichtung von Materialien über den 3D-Druck bis hin zu Inspektionssystemen. Einige basieren auf rotierenden Schrittmotoren, andere wiederum verwenden Linearmotoren. Rotierende Schrittmotoren erzeugen lineare Bewegungen mit Hilfe einer Gewindewelle. Es gibt zwei grundsätzliche Konstruktionen: eine mit Außenmutter und eine mit Innenmutter.

Die Mutter wird auf die Gewindewelle eines Linearantriebs mit Außenmutter montiert. Die Welle ist an beiden Enden befestigt. Wenn sich der Schrittmotor dreht, bewegt sich die Mutter auf der Welle hin und her und trägt das zu bewegende Objekt (Nutzlast). Bei einer nicht kaptiven Konstruktion ist die Nutzlast am Motor befestigt. Die Welle ist an beiden Enden befestigt, und der Motor, der die Nutzlast trägt, bewegt sich entlang der Welle.

Linear bewegte Systeme (Lineartische) mit hocheffizienten eisenbehafteten Linearmotoren, Magnetschienen und absoluter Encodertechnologie können wiederholbare Submikrometerpräzision und 5G-Beschleunigung bieten und sich mit bis zu 5 m/s für industrielle Highspeed-Anwendungen bewegen. Im Gegensatz zu Gewindewellenkonstruktionen können Linearmotoren eine höhere Positioniergenauigkeit und schnellere Bewegungen bieten.

Die mechanischen Teile von Lineartischen können zum Schutz der Umwelt in hochgradig geschlossenen Strukturen untergebracht werden. Omron bietet Lineartische auf der Basis von Eisenkernmotoren an, die von 30 mm aktiver Magnetbreite und drei Spulen bis zu 110 mm aktiver Magnetbreite und 15 Spulen reichen. Sie sind für eine Kraft von 48 Newton (N) bis 760 N ausgelegt.

Der Linearantriebsmotor R88L-EA-AF-0303-0686 ist in Modellen für 230 V und 400 V erhältlich. Er bietet eine Nennkraft von 48 N und eine Spitzenkraft von 105 N. Er kann mit dem Servotreiber R88D-KN02H-ECT angesteuert werden, der über eine EtherCAT-Kommunikation zur Integration in industrielle Netzwerke verfügt. Zwei Lineartische können gestapelt werden, um eine Bewegung in einem kartesischen Koordinatensystem zu ermöglichen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Zwei Lineartische können gestapelt werden, um kartesische Bewegungen zu unterstützen. (Bildquelle: Omron)

Sanftanlauf-/-bremseinheiten

Während VFDs/VSDs und Servoantriebe die Drehzahl und das Drehmoment von Motoren während des Betriebs steuern, begrenzen Sanftanlauf-/-bremseinheiten den Einschaltstrom beim Starten eines Motors, um den Motor zu schützen und einen sanften Anstieg von Drehzahl und Drehmoment zu ermöglichen. Sie sorgen auch für ein sanftes Herunterfahren der Geschwindigkeit, wenn der Motor angehalten wird. Außerdem schützen sie die mechanischen Komponenten des Systems vor schädlichen Drehmomentspitzen beim Anfahren oder Anhalten.

Ein Sanftanlauf-/-bremseinheit eignet sich für Anwendungen wie Förderanlagen, Pumpen, Ventilatoren, Laufkräne und automatische Türen, die kein hohes Anlaufmoment benötigen und mit konstanter Drehzahl laufen. Kontrollierte und vorhersehbare Geschwindigkeitsänderungen verbessern auch die Sicherheit des Bedieners.

Die Start- und Stoppgeschwindigkeiten von Motoren werden mit Hilfe von Halbleiterbauelementen wie siliziumgesteuerten Gleichrichtern (SCR) gesteuert, die die Spannung und den Strom zum Motor kontrollieren. Sobald der Motor vollständig gestartet ist, werden die SCRs mit Hilfe eines Schützes überbrückt, um die Betriebseffizienz zu verbessern.

Sanftanlauf-/-bremseinheiten wie die Familie Alistart 22 von Schneider Electric können eine breite Palette von Drehstrom-Asynchronmotoren von 4 kW bis 400 kW bedienen. Sie verfügen über einen Motorüberlast- und Wärmeschutz der Klasse 10 und bieten eine schnelle Auslösezeit von 8 bis 10 Sekunden. Die Nennleistung von Sanftanlauf-/-bremseinheiten hängt häufig von der Betriebsspannung des Motors ab. Die Einheit ATS22D17S6U von Schneider Electric kann zum Beispiel Motoren mit einer Leistung von 3 PS bei 208 V, 5 PS bei 230 V, 10 PS bei 460 V und 15 PS bei 575 V betreiben (Abbildung 3). Sie benötigt 110 V_AC bei 50/60 Hz für die Steuerschaltung.

Abbildung 3: Diese Sanftanlauf-/-bremseinheit ist für Motoren bis zu 15 PS geeignet. (Bildquelle: DigiKey)

Redundante Stromversorgung

Industrielle Systeme verwenden 24 V_DC für verschiedene Komponenten wie Sensoren, HMIs und Sicherheitskomponenten. Eine redundante Versorgung kann die Zuverlässigkeit von Industrieanlagen verbessern. Bei der redundanten Stromversorgung werden zwei parallel geschaltete Netzteile verwendet, um eine Last zu versorgen, wobei jedes Netzteil ausreicht, um die gesamte Last zu versorgen, falls das andere Netzteil ausfällt. Wenn zwei Netzteile verwendet werden, spricht man von 1+1-Redundanz. Beide Netzteile müssen ausfallen, damit die Stromversorgung des Systems ausfällt.

Die Verwendung mehrerer Netzteile in einer N+1-Konfiguration kann die Zuverlässigkeit des gesamten Stromversorgungssystems erhöhen. Eine redundante 3+1-Stromversorgungsarchitektur verwendet vier Netzteile, von denen drei beliebige die gesamte Last versorgen können.

Ein Redundanzmodul verwendet in der Regel eine Diodenisolierung zur Verbindung der Netzteile, um sicherzustellen, dass der Ausfall eines Netzteils den Betrieb der anderen Netzteile nicht beeinträchtigt. Für Anwendungen, die eine noch höhere Zuverlässigkeit erfordern, können mehrere Redundanzmodule eingesetzt werden, um die Möglichkeit eines einzelnen Fehlerpunkts auszuschließen (Abbildung 4). Das AC/DC-Netzteil S8VK-C12024 von Omron kann beispielsweise 24V-Lasten bis zu 120 W unterstützen. Zwei dieser Netzteile können mit dem Redundanzmodul S8VK-R10 verbunden werden, um ein redundantes 1+1-Netzteilsystem für 120 W zu schaffen.

Abbildung 4: Durch den Einsatz mehrerer Redundanzmodule (rechts) kann ein einzelner Ausfallpunkt eliminiert und die Zuverlässigkeit erhöht werden. (Bildquelle: Siemens)

Klasse 2 und redundant

Eine Energieversorgung der Klasse 2 kann ein wichtiger Sicherheitsfaktor in Industrieanlagen sein. Gemäß der Definition im U.S. NEC haben Stromversorgungen der Klasse 2 eine begrenzte Ausgangsleistung von weniger als 100 VA. Für einige industrielle Geräte außerhalb der USA ist ebenfalls eine Stromversorgung der Klasse 2 erforderlich oder empfohlen.

Die Begrenzung der Leistung verringert die Gefahr von Stromschlägen und Bränden. Daher müssen bei Installationen der Klasse 2 die Stromkabel nicht durch Leerrohre oder Schächte geführt werden, was die Installation vereinfacht und die Kosten senkt. Darüber hinaus sind für Anlagen der Klasse 2 einfachere Inspektionen erforderlich, was die Kosten weiter senkt.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Leistungsklasse 2 zu erreichen. Es sind Netzteile erhältlich, die die Ausgangsleistung intern auf unter 100 VA begrenzen. Oder ein Netzteil mit höherer Leistung wie das 480 W (24 V_DC und 20 A) starke 6EP15663AA00 von Siemens kann mit Redundanzmodulen wie dem 6EP19622BA00 von Siemens verwendet werden, die sowohl die Ausgangsleistung begrenzen als auch Redundanz für mehrere Lasten bieten (Abbildung 5).

Abbildung 5: Redundante 1+1-Netzteile (links), die über Redundanzmodule der Klasse 2 an vier Lasten angeschlossen sind. (Bildquelle: Siemens)

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Redundante Stromversorgung kann nützlich sein, aber für kritische Anwendungen reicht sie nicht aus. Wenn Rückverfolgbarkeit und Datenerfassung obligatorisch sind, die Sicherheit eine Rolle spielt oder ein unterbrechungsfreier Betrieb erforderlich ist, wird eine USV wie die SITOP-USV 6EP41363AB002AY0 von Siemens benötigt. Diese USV bietet einen Ausgang für 24 V_DC und kann bis zu 20 A liefern.

Eine der wichtigsten Fragen bei der Auswahl einer USV ist die Energiespeichertechnologie. Ultrakondensatoren, die auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet werden, eignen sich für kurzfristige Notstromversorgungen wie die Speicherung von Prozessdaten und das geordnete Herunterfahren von Industrie-PCs und anderen Geräten. Sie haben eine lange Lebensdauer und können bis zu 20 Kilowatt-Sekunden (kWs) an Reserveleistung liefern. Der Kondensator-Energiespeicher von Siemens, Modell 6EP19332EC41, kann beispielsweise bis zu 2,5 kW Reserveleistung liefern.

Blei-Säure- und verschiedene Lithium-Ionen-Chemien können für einen längeren Notstrombedarf nützlich sein, der bei kritischen Kommunikations- oder Prozessvorgängen bis zu mehreren Stunden dauern kann (Abbildung 6). DC-USV-Batteriemodule mit einer Speicherkapazität von bis zu 38 Ah sind erhältlich. Mehrere Batteriemodule können verwendet werden, um Backup-Zeiten von mehreren Stunden zu erreichen. Das DC-USV-Batteriemodul 6EP19356MD31 von Siemens verwendet wartungsfreie verschlossene Blei-Säure-Batterien, die bis zu 15 A mit einer Speicherkapazität von 2,5 Ah liefern.

Abbildung 6: Ultrakondensatoren (UPS5005 und UPS501S) können kurzfristige Notstromversorgung bieten (links), während Batterien (UPS16090 und BAT1600) einen wesentlich längeren Notstrombetrieb ermöglichen (rechts). (Bildquelle: Siemens)

Fazit

VSDs/VFDs werden oft als die Arbeitspferde der industriellen Automatisierung angesehen. Eine umfassende industrielle Automatisierungsarchitektur erfordert jedoch mehr, einschließlich Servoantrieben, Motoren und Sanftanlauf-/-bremseinheiten. Für die Entwicklung von industriellen Automatisierungssystemen stehen zahlreiche DC-Stromversorgungsarchitekturen zur Verfügung, um die Betriebszeit und Zuverlässigkeit zu optimieren.