วิธีติดตั้ง เชื่อมต่อ และรวม VSD แบบแกนเดี่ยวเข้ากับระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม 4.0 อย่างรวดเร็ว

อุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์ (VSD) แบบแกนเดียว มีความสำคัญในการใช้งานทางอุตสาหกรรม เช่น ปั๊ม พัดลม คอมเพรสเซอร์ สายพานลำเลียง และการดำเนินการในกระบวนการผลิต เช่น โรงสีและเครื่องผสม การใช้งานเหล่านี้มีลำดับการเคลื่อนไหวที่เรียบง่ายและต้องการ VSD ที่มีประสิทธิภาพเพื่อรองรับการใช้งานฟังก์ชันไดรฟ์พื้นฐานอย่างรวดเร็วและประหยัดโดยใช้เวลาทดสอบใช้งานสั้น

อุปกรณ์จะต้องมีฟังก์ชันควบคุมที่หลากหลาย รวมถึงสเกลาร์โวลต์ต่อเฮิรตซ์ (V/f), V/f หลายจุดที่ตั้งโปรแกรมได้, V²/f ที่ปรับฟลักซ์โดยอัตโนมัติเพื่อประหยัดพลังงาน และการควบคุมกระแสฟลักซ์ (FCC) ที่ปรับเอาต์พุตของไดรฟ์ไปยังโหลดโดยอัตโนมัติ ซึ่งการใช้งานและการบูรณาการที่คุ้มทุนเป็นกุญแจสำคัญสำหรับระบบอุตสาหกรรมและได้รับประโยชน์จากคุณสมบัติต่างๆ เช่น:

• การเลือกการใช้งานที่กำหนดค่าไว้ล่วงหน้า
• ขนาดกะทัดรัด
• พารามิเตอร์การสื่อสารที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
• การถ่ายโอนการตั้งค่าพารามิเตอร์ไปยังหลายยูนิตอย่างมีประสิทธิภาพ
• การทดสอบการใช้งาน การทำงาน และการวินิจฉัยระบบไร้สาย
• มาโครการเชื่อมต่อและการใช้งานเพื่อลดความซับซ้อนของการเดินสายและการกำหนดค่า I/O

บทความนี้นำเสนอกลุ่มผลิตภัณฑ์ VFD แบบแกนเดี่ยวที่ทนทานและประหยัดพลังงานจาก Siemens ที่ออกแบบมาเพื่อการติดตั้งง่ายขึ้น นอกจากนี้ยังตรวจสอบฟังก์ชันที่บูรณาการหลายอย่าง ดูที่อุปกรณ์เสริมของระบบพื้นฐาน และโมดูลเสริมเฉพาะทางและขั้นสูงที่หลากหลาย และคำแนะนำในการบูรณาการโดยใช้ตัวควบคุมของ Siemens ปิดท้ายด้วยการศึกษาข้อควรพิจารณาบางประการในการรวม VFD เหล่านี้เข้ากับตู้ควบคุมที่สอดคล้องกับ EMI และระบบการเคลื่อนที่ทางอุตสาหกรรม

การควบคุมมอเตอร์แบบดิจิทัลให้ประโยชน์หลายประการแก่ระบบการเคลื่อนที่แบบแกนเดี่ยวทางอุตสาหกรรม การเปลี่ยนการควบคุมเชิงกลแบบธรรมดาด้วย VSD ช่วยให้ระบบตอบสนองต่อสถานการณ์การทำงานของโหลดบางส่วนได้ทันที และสามารถลดการใช้พลังงานลงได้อย่างน้อย 50% นอกจากนี้การทำงานของความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปยังช่วยลดการสึกหรอของมอเตอร์และส่วนประกอบทางกล ลดความจำเป็นในการบำรุงรักษาและเพิ่มความพร้อมในการใช้งาน

แพลตฟอร์ม SINAMICS V20 จาก Siemens มีจำหน่ายในเฟรมเก้าขนาด และครอบคลุมช่วงกำลังตั้งแต่ 0.12 kW ถึง 30 kW (0.16 hp ถึง 40 hp) (รูปที่ 1) โดยตัวอย่าง VFD ของ SINAMICS V20 ได้แก่ 0.12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 สูงสุด 3 กิโลวัตต์, 6SL3210-5BB23-0UV1 รุ่นอินพุท 230 V_AC เฟสเดียว และขนาด 0.37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 สูงสุด 30 kW รุ่น 480 V_AC สามเฟส

รูปที่ 1: ขนาดเฟรมทั้งเก้าของคอนเวอร์เตอร์ SINAMICS V20 ตั้งแต่ FSAA ถึง FSE (0.16 ถึง 40 HP) (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

ประสิทธิภาพเป็นข้อดีหลักของการใช้ไดรฟ์ SINAMICS V20 มีขนาดกะทัดรัดและใช้พื้นที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ รองรับการติดตั้งและทดสอบการทำงานอย่างรวดเร็ว ทำให้ใช้เวลาและเงินอย่างมีประสิทธิภาพ และประหยัดพลังงานและสนับสนุนโลกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม คุณสมบัติบางประการประกอบด้วย:

• การทำงานที่ประหยัดรองรับโหมดการควบคุมหลายโหมด รวมถึง V/f, V²/f, FCC และ V/f หลายจุด
  • สามารถปรับปรุงการประหยัดพลังงานได้โดยใช้โหมด ECO สำหรับ V/f, V²/f และโหมดไฮเบอร์เนต
  • สามารถตรวจสอบการประหยัดพลังงานได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์วัดพลังงานภายนอก และแสดงค่าเป็น kWh, CO2 หรือกระแสไฟฟ้า
• พลังงานไฟฟ้าหลักเฟสเดียวหรือ 3 เฟส
  • 200 ถึง 240 V_AC (–10% / +10%) เฟสเดียวสามารถเชื่อมต่อกับไฟฟ้าหลักสองเฟสของไฟ 120/240 V_AC สามเฟสได้
  • 380 ถึง 480 V_AC (–15% / +10%) สามเฟส
• มาโครการใช้งานที่กำหนดค่าไว้ล่วงหน้าจะช่วยลดเวลาในการทดสอบการใช้งาน
• ความเร็วในการทดสอบการทำงานของพารามิเตอร์การสื่อสารที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยใช้ไลบรารีมาตรฐานและมาโครการเชื่อมต่อ
• การปรับอัตโนมัติให้เข้ากับแรงดันไฟฟ้าหลักที่ไม่เสถียรช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เสถียร ป้องกันการหยุดชะงัก และช่วยให้ได้ผลลัพธ์ที่สูงขึ้น
• ความสามารถในการรับโอเวอร์โหลดสูงถึง 150% เป็นเวลา 60 วินาทีภายในรอบเวลา 300 วินาที
• แรงดันเอาต์พุตสูงสุดคือ 100% ของแรงดันไฟฟ้าอินพุต
• โหลดพารามิเตอร์โดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟช่วยให้สามารถกำหนดค่าหลายยูนิตได้อย่างรวดเร็ว
• การทดสอบการใช้งานกับอุปกรณ์เคลื่อนที่หรือแล็ปท็อปด้วยเว็บเซิร์ฟเวอร์ Smart Access
• การใช้งานแบบบูรณาการและมาโครการเชื่อมต่อ

ฟังก์ชั่นบูรณาการ

ไดรฟ์ SINAMICS V20 มีฟังก์ชันบูรณาการหลายอย่างที่ทำให้สามารถใช้งานได้อย่างรวดเร็วและลดความซับซ้อนของการบูรณาการ เช่น ตัวควบคุมแบบสัดส่วน-ปริพันธ์-อนุพันธ์ (PID) สำหรับงานควบคุมกระบวนการ, เบรกช็อปเปอร์แบบรวมในขนาดเฟรม 2 ที่ใหญ่ที่สุด และฟังก์ชันการเชื่อมต่อ DC ที่ทำให้ทั้งสอง ไดรฟ์ขนาดต่างๆ ทำงานควบคู่กันเพื่อการประหยัดพลังงานที่เพิ่มขึ้น ตัวควบคุม PID สามารถใช้ในงานกระบวนการง่ายๆ เช่น การควบคุมความดัน ระดับ หรืออัตราการไหลที่สัมพันธ์กับจุดที่ตั้งไว้

ฟังก์ชัน PID รวมถึงการปรับอัตโนมัติเพื่อการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และสามารถรองรับการปรับการทำงานของมอเตอร์ได้ การสเตจมอเตอร์ช่วยให้สามารถควบคุมมอเตอร์สเตจเพิ่มเติม (แบบเรียงซ้อน) ได้สูงสุด 2 ตัว ในกรณีนี้ ระบบประกอบด้วยมอเตอร์หลักที่ควบคุมโดยอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์เพิ่มเติมอีกสองตัวที่ควบคุมโดยใช้คอนแทคเตอร์หรือสตาร์ตเตอร์ที่ควบคุมโดยเอาท์พุตดิจิทัลบนอินเวอร์เตอร์

ขนาดเฟรม FSD และ FSE มีเบรกช็อปเปอร์ในตัว สำหรับเฟรมขนาดอื่นๆ จะมีโมดูลเบรกภายนอกให้เลือกใช้ (ดูด้านล่าง) มอเตอร์สามารถหยุดด้วยไฟฟ้าหรือหยุดเชิงกลได้

• ตัวเลือกการหยุดด้วยไฟฟ้า
  • การเบรกแบบกระแสตรงถูกนำไปใช้กับขดลวดสเตเตอร์ ส่งผลให้แรงบิดในการเบรกมีนัยสำคัญ แม้ว่าจะไม่เหมาะสำหรับการยึดโหลดแบบแขวน แต่กระแสสามารถยึดเพลาให้อยู่กับที่เมื่อหยุดการหมุน
  • การเบรกแบบผสมจะซ้อนทับการเบรก DC ในการเบรกแบบป้อนพลังงานกลับ โดยที่อินเวอร์เตอร์จะสร้างพลังงานใหม่ให้กับแหล่งจ่ายไฟ DC-link ระหว่างการเบรก
  • การเบรกแบบไดนามิกจะแปลงพลังงานที่สร้างใหม่ให้เป็นความร้อน การใช้งานการเบรกแบบไดนามิกต้องใช้ตัวต้านทานการเบรกภายนอกเพื่อกระจายพลังงาน
• มอเตอร์กลที่ยึดเบรกสามารถควบคุมได้ด้วยลอจิกภายใน เพื่อป้องกันไม่ให้มอเตอร์หมุนเมื่อปิดอินเวอร์เตอร์

ไดรฟ์ SINAMICS V20 ยังมีฟังก์ชันการเชื่อมต่อ DC ที่ช่วยให้อินเวอร์เตอร์สองตัวที่มีขนาดเท่ากันสามารถเชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดยใช้การเชื่อมต่อ DC-link เมื่อทำได้ ข้อต่อ DC สามารถลดต้นทุนด้านพลังงานได้โดยอนุญาตให้อินเวอร์เตอร์ตัวหนึ่งใช้พลังงานที่สร้างใหม่จากอินเวอร์เตอร์อีกตัวหนึ่ง อินเวอร์เตอร์สามารถใช้ระบบเบรกแบบไดนามิกระบบเดียวร่วมกัน ซึ่งช่วยลดต้นทุนการติดตั้ง ในบางกรณี การเชื่อมต่อกระแสตรงสามารถขจัดความจำเป็นในการใช้โมดูลเบรกแบบไดนามิกและตัวต้านทานเบรกแบบไดนามิกได้

อุปกรณ์เสริมของระบบพื้นฐาน

นอกเหนือจากฟังก์ชันที่ผสานรวมแล้ว ยังเพิ่มประสิทธิภาพยูทิลิตี้ของอินเวอร์เตอร์ SIMAMICS V20 ได้ด้วยการเพิ่มอุปกรณ์เสริมของระบบบางอย่าง เช่น แผงควบคุมพื้นฐาน (BOP) และอินเทอร์เฟซ BOP โมดูล Smart Access และตัวโหลดพารามิเตอร์ (รูปที่ 2):

• SIMAMICS V20 มีแผงควบคุมในตัว แต่บางการใช้งานจะได้รับประโยชน์จากการเพิ่ม BOP สำหรับการควบคุมระยะไกลของเครื่อง BOP ได้รับการออกแบบมาเพื่อการติดตั้งแบบกระจายและมีระดับกรอบหุ้ม UL Type 1
• BOP เชื่อมต่อกับ SINAMICS V20 โดยใช้อุปกรณ์พิเศษโมดูล BOP Interface ที่เสียบเข้ากับพอร์ตขยายบนอินเวอร์เตอร์และมีอินเทอร์เฟซ RS232 สำหรับเชื่อมต่อกับ BOP
• โมดูล Smart Access มีเว็บเซิร์ฟเวอร์ในตัวซึ่งช่วยให้การทดสอบและการใช้งาน SINAMICS V20 ง่ายขึ้นโดยใช้สมาร์ทโฟน แล็ปท็อป หรือแท็บเล็ต ฟังก์ชันที่โมดูลนี้รองรับ ได้แก่ :
  • ตัวช่วยทดสอบการใช้งานเพื่อเพิ่มความเร็วในการทดสอบการใช้งาน
  • การตั้งค่าและการบันทึกพารามิเตอร์ หรือการคืนค่าการตั้งค่าจากโรงงาน
  • การทดสอบมอเตอร์
  • การติดตามข้อมูลการดำเนินงาน
  • ดำเนินการตรวจสอบการวินิจฉัยระบบ
• Parameter Loader สามารถอัปโหลดชุดพารามิเตอร์ได้สูงสุด 100 ชุดไปยัง SINAMICS V20 หรือดาวน์โหลดชุดพารามิเตอร์จากหน่วย สามารถใช้ Parameter Loader ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ได้โดยไม่ต้องเปิดไดรฟ์

รูปที่ 2: 0.16 HP FSAA SINAMICS V20 ที่แสดงพร้อมกับโมดูลส่วนขยายทั่วไปสี่โมดูล (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

อุปกรณ์เสริมเพิ่มเติม

Line filters สามารถถูกเพิ่มเข้าไปได้เมื่อจำเป็น เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน EN 61800-3 Category C2 การแผ่รังสีและการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ตัวกรอง EMC ภายนอกนั้นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอินเวอร์เตอร์ SINAMICS V20 (รุ่นกรองและไม่กรอง 400 V รวมถึงรุ่นไม่กรอง 230 V) ตัวอย่างเช่น รุ่น 6SL32030BE177BA0 ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับอินเวอร์เตอร์ขนาดเฟรม 400 V ของ FSA

Line reactors สำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ราบรื่นหรือจุดเปลี่ยนการสับเปลี่ยนบริดจ์ รีแอคเตอร์เหล่านี้ยังลดผลกระทบของฮาร์โมนิคต่อแหล่งจ่ายไฟหลักและตัวแปลงอีกด้วย

การเบรก สามารถนำไปใช้ได้โดยใช้โมดูลเบรก 6SL32012AD208VA0 (รูปที่ 3) ที่มีขนาดเฟรม FSAA ถึง FSC ขนาดเฟรม FSD และ FSE มีเครื่องบดสับเบรกในตัว และไม่ต้องใช้โมดูลภายนอก ในทุกกรณี ประสิทธิภาพการเบรกที่ดีขึ้นและการชะลอความเร็วที่ดีขึ้นสามารถทำได้โดยการเพิ่มตัวต้านทานการเบรกภายนอกเหมือนกับรุ่น 6SE64004BC050AA0 เพื่อกระจายพลังงานหมุนเวียนที่เกิดจากมอเตอร์

รูปที่ 3: โมดูลเบรกสำหรับมอเตอร์ไดรฟ์ SINAMICS V20 (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

การใช้งานที่ต้องการอินพุตหรือเอาต์พุตสามารถเพิ่ม SINAMICS V20 ได้โมดูลส่วนขยาย I/O (รูปที่ 4) โมดูลติดตั้งโดยตรงบนอินเวอร์เตอร์ช่วง 400 V และมีอินพุตดิจิตอล 2 ช่องและเอาต์พุตรีเลย์ดิจิตอล 2 ช่อง ตัวอย่างเช่น สามารถใช้โมดูลขยาย I/O ในการควบคุมหลายปั๊มได้ ทำให้สามารถควบคุมปั๊มได้สูงสุด 4 ตัวด้วยไดรฟ์ SIMAMICS V20 ตัวเดียว โมดูลนี้ยังมีประโยชน์เมื่อต้องควบคุมพัดลมหรือคอมเพรสเซอร์หลายตัว มีการเชื่อมต่อที่ด้านหน้าและด้านหลัง และสามารถใช้ร่วมกับอุปกรณ์เสริมอื่นๆ เช่น อินเทอร์เฟซ BOP และโมดูล Smart Access อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถใช้พร้อมกันเป็นโมดูลตัวโหลดพารามิเตอร์ได้

รูปที่ 4: โมดูลส่วนขยายที่ติดตั้งที่ด้านหน้าของไดรฟ์ SINAMICS V20 (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

รีแอคเตอร์เอาท์พุต เช่นเดียวกับโมเดล 6SL3202-0AE16-1CA0 สำหรับขนาดเฟรม FSA สามารถลดความเครียดแรงดันไฟฟ้าบนขดลวดมอเตอร์ได้ (รูปที่ 5) โดยรีแอคเตอร์เอาท์พุตเหล่านี้ยังช่วยลดกระแสการชาร์จและการคายประจุแบบคาปาซิทีฟที่สามารถสร้างความเครียดให้กับอินเวอร์เตอร์เมื่อใช้สายเคเบิลมอเตอร์ขนาดยาว

รูปที่ 5: รีแอคเตอร์เอาท์พุตสำหรับ SINAMICS V20 0.5 HP 3 เฟส 380 V_AC ถึง 480 V_AC, ไดรฟ์ 6.1A เฟรม FSA (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

บูรณาการเข้ากับระบบที่ใหญ่ขึ้น

ไดรฟ์ SINAMICS V20 ได้รับการออกแบบให้ควบคุมโดย SINAMICSS7-1200 หรือคอนโทรลเลอร์ S7-1500 เช่นเดียวกับรุ่น 6ES75173FP000AB0 ผ่านอินเทอร์เฟซ RS485 และใช้โปรโตคอล Universal Serial Interface (USS) มีโปรเจ็กต์ตัวอย่างที่สาธิตวิธีกำหนดค่าและตั้งโปรแกรมคอนโทรลเลอร์เหล่านี้ด้วย SINAMICS V20 ให้เลือก USS เป็นการตั้งค่าเริ่มต้น แต่ SINAMICS V20 ก็สามารถใช้โปรโตคอล MODBUS RTU ได้เช่นกัน

ตัวควบคุมหลักหนึ่งตัวสามารถเชื่อมต่อกับ VFD ได้สูงสุด 31 ตัว

รวมทั้งหมดเข้าด้วยกัน

การประกอบส่วนประกอบตามรายละเอียดข้างต้นให้เป็นระบบที่สมบูรณ์อาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากการปฏิบัติตาม EMC ถือเป็นการพิจารณาที่สำคัญ การแยกแหล่งจ่ายไฟของการรบกวนที่อาจเกิดขึ้นมักเป็นวิธีที่รวดเร็วและคุ้มค่าที่สุด สามารถทำได้โดยการจัดตู้ควบคุมและส่วนที่เหลือของระบบให้เป็นชุดของโซนแยกสี่โซน ดังแสดงในรูปที่ 6 ข้อควรพิจารณาเมื่อใช้โซนแยก ได้แก่:

• การแยกโซนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถทำได้โดยใช้แผ่นแยกที่มีการต่อสายดินหรือตัวเรือนโลหะที่แยกจากกัน
  • SINAMICS V20 อยู่ในโซน B และคอนโทรลเลอร์ SIMATIC S7-1200 หรือ S7-1500 อยู่ในโซน C
• เพื่อประสิทธิภาพ EMC ที่ได้รับการปรับปรุง คุณสามารถเพิ่มตัวกรองและโมดูลเชื่อมต่อที่อินเทอร์เฟซของโซนได้
• การเชื่อมต่อสายเคเบิลระหว่างโซนจะต้องแยกออกจากกันเพื่อป้องกันการเชื่อมต่อ EMC และต้องไม่อยู่ในช่องเคเบิลหรือชุดสายไฟเดียวกัน
• เครือข่ายการสื่อสารและสายสัญญาณ เช่น RS485 เข้าหรือออกจากตู้จะต้องมีการป้องกัน

รูปที่ 6: โซนที่แยกแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพ EMC ของการติดตั้ง SINAMICS V20 ได้ (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

สรุป

คอนเวอร์เตอร์ SINAMICS V20 มีความหลากหลายสูง กะทัดรัด และรองรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมแบบปรับความเร็วได้แบบแกนเดียวต่างๆ โดยอุปกรณ์มีคุณสมบัติและความสามารถในตัวมากมาย การเพิ่มอุปกรณ์เสริม เช่น แผงควบคุมพื้นฐาน โมดูลการเข้าถึงระยะไกล และตัวโหลดพารามิเตอร์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพอรรถประโยชน์ได้ นอกจากนี้ ไดรฟ์เหล่านี้ยังมีโมดูลเสริมที่หลากหลายเพื่อรองรับฟังก์ชันการทำงานของระบบขั้นสูง และได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อใช้กับคอนโทรลเลอร์ของ Siemens สุดท้ายนี้ มีการสาธิตวิธีการรวม VFD เหล่านี้เข้ากับตู้ควบคุมที่สอดคล้องกับ EMI และระบบการเคลื่อนที่ทางอุตสาหกรรม