אילו מוצרי תמיכה נדרשים כדי למקסם את ההשפעה של שימוש בדוחפי VFDs ו-VSDs? - חלק 2

חלק 1 של סדרת מאמרים זו בחן מה לשקול בעת בחירת כבלי חיבור מנוע, ראקטורי יציאה, נגדי בלימה, ראקטורי קו ומסנני קו. חלק 2 ממשיך בבחינת ההבדלים בין דוחפי VSD/VFD ודוחפי סרוו, סקירת שימושים עבור מנועי סרוו AC ו-DC סיבוביים ולינאריים, תוך התחשבות היכן משתלבות יחידות התנעה-עצירה רכה בפעולות תעשייתיות, וכן בחינת כיצד ממירי DC משמשים להזנת ציוד היקפי כמו חיישנים, ממשקי אדם-מכונה (HMI) והתקני בטיחות.

דוחפים במהירות משתנה ודוחפים בתדר משתנה (VSDs/VFDs) הם חיוניים עבור מקסום היעילות והקיימות של פעולות תעשייתיות, אך הם אינם הכלים היחידים הקיימים. כדי להשיג את הביצועים האולטימטיביים, לעתים קרובות יש צורך להוסיף ל-VSDs/VFD התקנים אחרים כמו דוחפי סרוו ומנועים, יחידות התנעה-עצירה רכות, ממירי זרם ישר (DC) וספקי-כוח אל-פסק כניסת זרם ישר (DC) כדי להגיע לארכיטקטורת אוטומציה תעשייתית אופטימלית.

דוחפים ומנועי סרוו AC‏ ו-DC‏ מתאימים עבור יישומים שונים, החל ממשימות פשוטות של ציר אחד או שני צירים ועד למשימות מורכבות של 256 צירים או יותר. מפעילים (Actuators‏) מבוקרי מנוע סרוו מספקים תנועות מדויקות וחוזרות-ונשנות עבור מכונות תעשייתיות והם זמינים עם תצורות תנועה סיבובית ולינארית.

יישומי מהירות קבועה כמו מסועים, משאבות ומנופים עיליים יכולים לעתים קרובות להפיק תועלת משימוש ביחידות התנעה-עצירה רכות במקום VSDs/VFDs.

בהתאם לדרישות היישום, המתכננים יכולים לבחור בין ספקי כוח DC יתירים, ספקי כוח Class 2 כמוגדר בקוד החשמל הלאומי של ארה"ב (NEC), או UPS DC כדי לטפל במתח רשת בלתי-צפוי ולשפר את אמינות המערכת.

מאמר זה מתחיל בבחינת ההבדלים בין דוחפי VSD/VFD ודוחפי סרוו, סוקר את השימושים של מנועי סרוו סיבוביים וליניאריים AC ו-DC, ושוקל היכן משתלבות יחידות התנעה-עצירה רכות בפעולות תעשייתיות. המאמר ממשיך בסקירת האופן שבו ממירי DC משמשים להזנת ציוד היקפי כמו חיישנים, ממשקי אדם-מכונה (HMIs) והתקני בטיחות. הוא בוחן מתי להשתמש בארכיטקטורת DC יתירה או ב-DC UPS כדי להזין התקנים אלו, ואת הבחירה בין אחסון אנרגיה בסוללות או בסופר-קבלים. התקנים מייצגים של Schneider Electric‏, Omron‏, Lin Engineering‏ ו-Siemens‏ מוצגים עבור כל מקרה.

מערכות מנועי סרוו יכולות להשלים VSDs/VFDs בארכיטקטורות אוטומציה תעשייתיות. מערכות מנועי סרוו מתוכננות עבור מערכות תנועה מורכבות ודינמיות ויכולות לתמוך במיקום מדויק. דוחפי סרוו משמשים עם מנועי מגנט קבוע ואנקודרים עבור בקרת חוג-סגור. הם מתוכננים לתמוך בהאצה והאטה מהירים ויכולים לתמוך בפרופילי תנועה ליניארית או לא-ליניארית.

VSDs/VFDs רבים משתמשים בבקרת חוג-פתוח עבור ניהול מהירות המנוע. הם אינם תומכים בדיוק או בתגובתיות הקיימים במערכות מנועי סרוו. בנוסף, בקרת מנוע בחוג-פתוח פירושה שה-VSDs/VFDs לא בהכרח מפצים אם העומס משתנה או שהמנוע נתקע. בעוד שמערכות מנועי סרוו משמשות ביישומים דינמיים ביותר, ה-VSDs/VFDs משמשים ביישומים השומרים על מהירות קבועה, או עם שינויי מהירות מעטים יחסית, למשך זמן ארוך.

מערכות מנועי סרוו נוטות להיות קטנות יותר מדוחפי VSD/VFD, עם רמות הספק אופייניות בין 40 ל-5,000 וואט. הם מתאפיינים במהירויות גבוהות, עד 5,000 סיבובים לדקה (סל"ד), רעש נמוך, רעידות נמוכות ומומנט גבוה. מנועי סרוו זמינים בגודלי מסגרת שונים, עד 180 מ"מ ויותר. לדוגמה, ה-SBL40D1-04‏ של Lin Engineering הוא מנוע סרוו DC‏ ללא-מברשות (BLDC) של 40 מ"מ, W‏ 60‏ עם מתח נומינלי של _DC‏V‏ 36‏.

מנועי סרוו משולבים לרוב עם דוחפים. Schneider Electric‏ מציעה את הדוחף LXM28AU07M3X‏ ומנוע סרוו 5,000‏ סל"ד BCH2LF0733CA5C, שניהם מדורגים ל-W‏ 750‏ (איור 1). הדוחף כולל ממשקי תקשורת משולבים CANopen ו-CANmotion‏ ויכול לפעול עם הספקת-כוח חד-פאזית או תלת-פאזית. מנוע 80 מ"מ הנלווה הוא בדירוג IP65‏ ויכול לפעול ב-C‏°‏20‏- עד C‏°‏40‏+.

איור 1‏: דוחף סרוו W‏ 750‏ ומנוע בדירוג IP65‏ מתואמים. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

תנועה ליניארית וקרטזיאנית

תנועה ליניארית משמשת בתהליכים תעשייתיים שונים, מחומרי ציפוי והדפסת 3D‏ ועד למערכות בדיקת איכות, והיא זמינה במספר מימושים. חלקם מבוססים על מנועי צעד סיבוביים, ותכנים אחרים משתמשים במנועים ליניאריים. מנועי צעד סיבוביים מייצרים תנועה ליניארית באמצעות ציר עם תבריג. ישנם שני תכנים בסיסיים, אום-חיצוני ואום-פנימי, הנקראים לפעמים לא-שבוי (Non-Captive‏).

האום מותקן על ציר ההברגה במפעיל ליניארי עם אום-חיצוני. הציר קבוע בשני הקצוות. כאשר מנוע הצעד מסתובב, האום נע קדימה ואחורה לאורך הציר, ונושא את האובייקט (המטען) שיש להזיז. בתכן לא-שבוי, המטען מחובר למנוע. הציר קבוע בשני הקצוות, והמנוע הנושא את המטען נע לאורך הציר.

דרגות תנועה ליניארית עם מנועים ליניאריים עם ליבת-ברזל בנצילות גבוהה, מסלולי מגנט וטכנולוגיית אנקודר אבסולוטי יכולים לספק דיוק עקבי של תת-מיקרון ותאוצה של 5G, עם תנועה של עד 5 מטר/שניה עבור יישומים תעשייתיים במהירות גבוהה. שלא כמו תכנים של ציר עם תבריג, מנועים ליניאריים יכולים לספק דיוק מיקום גבוה יותר ותנועה מהירה יותר.

את החלקים המכניים של דרגת הנעה ליניארית ניתן למקם בתוך מארזים סגורים ביותר עבור הגנה מהסביבה. Omron מציעה דרגות הנעה ליניארית המבוססות על מנועי ליבת ברזל עם רוחב מגנט אקטיבי מ-30 מ"מ ושלושה סלילים ועד רוחב מגנט אקטיבי של 110 מ"מ ו-15 סלילים. הם מדורגים לספק מ-48 ניוטון (N) עד 760 ניוטון כוח.

מנוע מפעיל (Actuator‏) לינארי R88L-EA-AF-0303-0686‏ זמין בדגמים של V‏ 230‏ ו-V‏ 400‏. יש לו כוח נומינלי של N‏ 48‏ וכוח שיא של N‏ 105‏. ניתן לדחוף אותו עם דוחף הסרוו R88D-KN02H-ECT‏ הכולל תקשורת EtherCAT עבור שילוב ברשתות תעשייתיות. ניתן לגבב שתי דרגות הנעה לינאריות כדי לספק תנועה במערכת קואורדינטות קרטזיאנית (איור 2‏).

איור 2‏: שתי דרגות של מנועים לינאריים בגיבוב עבור תמיכה בתנועה קרטזיאנית. (מקור התמונה: Omron)

יחידות התנעה-עצירה רכות

בעוד שדוחפי VFDs/VSDs ודוחפי סרוו מבקרים את המהירות והמומנט של המנועים בזמן פעולה, יחידות התנעה-עצירה רכות מגבילות את כניסת הזרם כאשר המנוע מופעל כדי להגן על המנוע ולספק עליית מדרגה חלקה במהירות ובמומנט. הן מספקות מדרגת ירידה חלקה כשהמנוע נעצר. הן גם מגנות על הרכיבים המכניים במערכת מפני שיאי מומנט מזיקים בעת התנעה או עצירה.

יחידת התנעה-עצירה רכות של מנוע יכולה להועיל ליישומים כמו מסועים, משאבות, מאווררים, מנופים נעים עיליים ודלתות אוטומטיות שאינן זקוקות לרמות גבוהות של מומנט התנעה ופועלות במהירויות קבועות. שינויי מהירות מבוקרים וצפויים גם משפרים את בטיחות המפעיל.

מהירויות ההתנעה והעצירה של המנוע מבוקרות באמצעות התקני מצב-מוצק כמו מיישרים מבוקרי-סיליקון (SCRs) המבקרים את המתח והזרם למנוע. לאחר התנעה מלאה של המנוע, עוקפים את ה-SCR באמצעות ממתג-זרם (Contactor‏) כדי לשפר את נצילות הפעולה.

יחידות התחלה-עצירה רכות כמו משפחת Alistart 22‏ של Schneider Electric‏ יכולות להתמודד עם מגוון רחב של מנועים אסינכרוניים תלת-פאזיים מ-kW‏ 4‏ עד kW‏ 400‏. הן כוללות הגנות תרמית ועומס-יתר של מנוע Class 10, המספקים זמן הפעלה קצר של 8 עד 10 שניות. דירוגי ההספק של יחידות התנעה-עצירה רכות תלויים לעתים קרובות במתח הפעולה של המנוע. לדוגמה, יחידת ATS22D17S6U‏ של Schneider Electric‏ יכולה לטפל במנועים המדורגים עבור 3 כ"ס ב-V‏ 208‏, 5 כ"ס ב-V‏ 230‏, 10 כ"ס ב-V‏ 460‏ ו-15 כ"ס ב-V‏ 575‏ (איור 3‏). היא דורשת _AC‏V‏ 110‏ Hz‏ 60‏/50‏ עבור מעגלי הבקרה.

איור 3‏: יחידת התנעה-עצירה רכות זו יכולה לטפל במנועים של עד 15 כ"ס. (מקור התמונה: DigiKey‏)

הספקת-כוח יתירה (Redundant‏)

מערכות תעשייתיות משתמשות במתח של _DC‏V‏ 24‏ עבור פונקציות שונות כמו חיישנים, HMIs והתקני בטיחות. הספקת-כוח יתירה בסיסית יכולה לשפר את האמינות של התקנות תעשייתיות. הספקת-כוח יתירה משתמשת בשני ספקי-כוח המחוברים במקביל כדי להזין את העומס, כאשר כל ספק-כוח מספיק כדי להזין את כל העומס במקרה שספק-הכוח השני ייכשל. כאשר משתמשים בשני ספקי-כוח, זה נקרא יתירות 1+1. שני ספקי-הכוח חייבים להיכשל כדי שהספקת-הכוח של המערכת תיכשל.

שימוש בעוד ספקי-כוח בתצורת N+1 יכול להגביר את האמינות של מערכת הספקת-הכוח הכוללת. ארכיטקטורת הספקת-כוח יתירה של 3+1 משתמשת בארבעה ספקי-כוח, שכל שלושה מהם יכולים להפעיל את כל העומס.

מודול יתירות משתמש בדרך-כלל בבידוד דיודות כדי לחבר את ספקי-הכוח כדי להבטיח שכשל של ספק-כוח אחד לא ישפיע על פעולתם של ספקי-הכוח האחרים. עבור יישומים הדורשים אמינות גבוהה עוד יותר, ניתן להשתמש במספר מודולי יתירות כדי למנוע את האפשרות של נקודת כשל יחידה (איור 4). לדוגמה, ספק-הכוח AC/DC‏ S8VK-C12024‏ של Omron יכול לתמוך בעומסי V‏ 24‏ עד W‏ 120‏. ניתן לחבר שניים מאותם ספקי-כוח באמצעות מודול היתירות S8VK-R10‏ ליצירת מערכת הספקת-כוח יתירה 1+1 של W‏ 120‏.

איור 4‏: באמצעות מספר מודולי יתירות (מימין) ניתן לבטל את נקודת הכשל היחידה ולשפר את האמינות. (מקור התמונה: Siemens‏)

Class 2‏ ויתירות

הספקת-כוח Class 2 יכולה להיות גורם בטיחות חשוב במתקנים תעשייתיים. כפי שהוגדר ב-NEC של ארה"ב, לספקי-כוח Class 2 יש תפוקה המוגבלת לפחות מ-VA‏ 100‏. הספקת-כוח Class 2 נדרשת או מומלצת גם עם כמה התקנים תעשייתיים מחוץ לארה"ב.

הגבלת ההספק מפחיתה את הסיכונים למכות חשמל ולשריפה. כתוצאה מכך, התקנות Class 2 אינן מחייבות את ניתוב כבלי הספקת-הכוח דרך צינורות או תעלות, מה שמפשט את ההתקנה ומפחית את העלויות. בנוסף, נדרשות בדיקות פשוטות יותר עבור התקנות Class 2, מה שמפחית עוד יותר את העלויות.

ישנן שתי דרכים להשיג דירוג הספקת-כוח Class 2. קיימים ספקי-כוח המגבילים פנימית את הספק היציאה לפחות מ-VA‏ 100‏. לחלופין, ניתן להשתמש בספק-כוח בהספק גבוה יותר כמו ה-W‏ 480‏ (_DC‏V‏ 24‏ ו-A‏ 20‏) 6EP15663AA00‏ של Siemens‏ היכול לשמש עם מודולי יתירות כמו ה-6EP19622BA00‏ של Siemens‏ המגבילים את הספק היציאה כמו גם מספקים יתירות עבור מספר עומסים (איור 5‏).

איור 5: ספקי-כוח יתירים 1+1 (משמאל) מחוברים לארבעה עומסים באמצעות מודולי יתירות Class 2‏. (מקור התמונה: Siemens‏)

הספקת-כוח אל-פסק

הספקת-כוח יתירה יכולה להיות שימושית, אך זה לא מספיק עבור יישומים קריטיים. כאשר עקיבות ואיסוף נתונים הם דרישות מחייבות, הבטיחות היא חשובה ביותר, או שנדרשת פעולה ללא-הפסקות, יהיה צורך ב-UPS כדוגמת ה-6EP41363AB002AY0 SITOP UPS‏ של Siemens‏. UPS זה מספק יציאה של _DC‏V‏ 24‏ ויכול לספק עד A‏ 20‏.

אחת השאלות המרכזיות בבחירת UPS היא טכנולוגיית אחסון האנרגיה. אולטרה-קבלים, הנקראים גם קבלים דו-שכבתיים, מתאימים עבור צורכי גיבוי קצר טווח כמו שמירת נתוני תהליך וכיבוי מסודר של מחשבים תעשייתיים והתקנים אחרים. יש להם חיים ארוכים והם יכולים לספק עד 20 קילוואט-שנייה (kWs) של הספק גיבוי. לדוגמה, יחידת אחסון אנרגיה בקבלים דגם 6EP19332EC41‏ של Siemens‏ יכולה לספק עד 2.5 קילוואט של הספק גיבוי.

כימיות עופרת-חומצה וכימיות שונות של ליתיום-יון יכולות להיות שימושיות עבור צורכי הספקת-כוח גיבוי ארוכים יותר, הנמשכים עד מספר שעות עבור תקשורת קריטית או פעולות עיבוד (איור 6). קיימים מודולי סוללות DC UPS‏ עם עד Ah‏ 38‏ של אחסון. ניתן להשתמש במספר מודולי סוללות כדי להעניק זמני גיבוי של מספר שעות. מודול הסוללה 6EP19356MD31 DC UPS‏ של Siemens‏ משתמש בסוללות עופרת-חומצה אטומות ללא-תחזוקה כדי לספק עד A‏ 15‏ עם קיבולת אחסון של Ah‏ 2.5‏.

איור 6: אולטרה-קבלים (UPS5005 ו-UPS501S) יכולים להעניק הספק גיבוי לטווח קצר (משמאל), בעוד שסוללות (UPS16090 ו-BAT1600) יכולות לתמוך בפעולת הספקת-כוח גיבוי ארוכה בהרבה (מימין). (מקור התמונה: Siemens‏)

סיכום

דוחפי VSDs/VFDs נחשבים לעתים קרובות לסוסי העבודה של אוטומציה תעשייתית. עם זאת, ארכיטקטורת אוטומציה תעשייתית מקיפה דורשת יותר, כולל דוחפי סרוו, מנועים ויחידות התנעה-עצירה רכות. למתכנני מערכות אוטומציה תעשייתיות יש גם מספר רב של ארכיטקטורות מתח DC לבחירה בעת ביצוע אופטימיזציה של זמינות ואמינות.