Como instalar, conectar e integrar rapidamente VSDs de eixo único em sistemas de automação da Indústria 4.0

Os acionamentos de velocidade variável (VSDs) de eixo único são essenciais em aplicações industriais, como bombas, ventiladores, compressores, esteiras e operações de processamento, como moinhos e misturadores. Essas aplicações têm sequências de movimento simples e exigem VSDs eficientes para dar suporte à implementação rápida e econômica de funções básicas de acionamento com tempos de comissionamento curtos.

Podem exigir uma variedade de funções de controle, incluindo volts escalares por Hertz (V/f), V/f multiponto programável, V²/f que adapta automaticamente o fluxo para economizar energia e controle de corrente de fluxo (FCC) que adapta automaticamente a saída do acionamento/inversor até a carga. A implementação e a integração com custo-benefício são fundamentais para os sistemas industriais e se beneficiam de recursos como:

• Seleção de aplicações pré-configuradas
• Tamanho compacto
• Parâmetros de comunicação predefinidos
• Transferência eficiente de configurações de parâmetros para várias unidades
• Comissionamento, operação e diagnóstico sem fio
• Macros de conexão e aplicação para simplificar a fiação e a configuração de E/S

Este artigo apresenta uma família de VFDs de eixo único, robustos e eficientes em termos de energia da Siemens, projetados para simplificar a instalação. Ele também analisa várias funções integradas, examina os acessórios básicos do sistema e uma variedade de módulos complementares mais especializados e avançados, além de sugestões de integração usando controladores Siemens. Para finalizar, analisa algumas considerações sobre a integração desses VFDs em gabinetes de controle com conformidade EMI e sistemas de movimento industrial.

A digitalização do controle do motor traz vários benefícios aos sistemas industriais de movimento de eixo único. A substituição de controles mecânicos simples por um VSD permite que o sistema responda imediatamente a situações de operação de carga parcial e pode reduzir o consumo de energia em 50% ou mais. A operação com velocidade variável também pode minimizar o desgaste dos motores e dos componentes mecânicos, reduzindo a necessidade de manutenção e melhorando a disponibilidade.

A plataforma SINAMICS V20 da Siemens está disponível em nove tamanhos de chassi e abrange uma faixa de potência de 0,12 kW a 30 kW (0,16 hp a 40 hp) (Figura 1). Os VFDs SINAMICS V20 exemplares incluem os modelos de entrada monofásica de 230 V_CA de 0,12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 até 3 kW, 6SL3210-5BB23-0UV1 e os modelos trifásicos de 480 V_CA de 0,37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 até 30 kW.

Figura 1: Os nove tamanhos de chassi dos conversores SINAMICS V20 de FSAA a FSE (0,16 a 40 HP). (Fonte da imagem: Siemens)

A eficiência é um dos principais benefícios do uso dos inversores SINAMICS V20. Eles são compactos e fazem uso eficiente do espaço; permitem a instalação e o comissionamento rápidos, fazendo uso eficiente de tempo e dinheiro, e são eficientes em termos de energia, contribuindo para um planeta mais verde. Alguns dos muitos recursos incluem:

• Operação econômica com suporte de vários modos de controle, incluindo V/f, V²/f, FCC e V/f multiponto
  • A economia de energia pode ser aprimorada usando o modo ECO para V/f, V²/f e um modo de hibernação
  • A economia de energia pode ser monitorada sem equipamento externo de medição de energia e exibida em kWh, CO2 ou valor da moeda
• Alimentação de rede monofásica ou trifásica
  • Os monofásicos de 200 a 240 V_CA (-10% / +10%) também podem ser conectados a duas fases de uma rede elétrica trifásica de 120/240 V_CA
  • Trifásico de 380 a 480 V_CA (-15% / +10%)
• As macros de aplicação pré-configuradas reduzem o tempo de comissionamento
• Os parâmetros de comunicação predefinidos aceleram o comissionamento usando bibliotecas padrões e macros de conexão
• A adaptação automática a tensões de rede instáveis garante uma operação estável, evita interrupções e ajuda a proporcionar maior produtividade
• Capacidade de sobrecarga de até 150% durante 60 s em um tempo de ciclo de 300 s
• A tensão máxima de saída é 100% da tensão de entrada
• O carregamento de parâmetros sem fonte de alimentação permite a configuração rápida de várias unidades
• Comissionamento com dispositivo móvel ou laptop com servidor da Web Smart Access
• Macros integradas de aplicações e conexões

Funções integradas

Os inversores SINAMICS V20 têm várias funções integradas que aceleram a implantação e simplificam a integração, como um controlador proporcional-integral-derivativo (PID) para tarefas de controle de processo, chopper de freio integrado nos dois maiores tamanhos de chassi e uma função de acoplamento CC que permite que dois inversores de tamanho igual trabalhem em conjunto para aumentar a economia de energia. O controlador PID pode ser usado em tarefas simples de processo, como o controle de pressões, níveis ou taxas de fluxo em relação a um ponto de ajuste.

A função PID inclui o autoajuste para uma operação otimizada e pode suportar a operação de escalonamento do motor. O escalonamento de motores permite o controle de até 2 motores adicionais escalonados (em cascata). Nesse caso, o sistema consiste no motor principal controlado pelo inversor e em dois motores adicionais controlados por meio de contatores ou acionadores de partida controlados por saídas digitais no inversor.

Os tamanhos de chassi FSD e FSE têm um chopper de frenagem integrado; para outros tamanhos de chassi, um módulo de freio externo está disponível (veja abaixo). O motor pode ser freado elétrica ou mecanicamente.

• Opções de freio elétrico
  • A frenagem CC é aplicada ao enrolamento do estator, resultando em um torque de frenagem significativo. Embora não seja adequada para manter cargas suspensas, a corrente pode manter o eixo estacionário depois que a rotação for interrompida.
  • A frenagem composta sobrepõe a frenagem CC na frenagem regenerativa, em que o inversor regenera energia para a alimentação do filtro CC durante a frenagem.
  • A frenagem dinâmica converte a energia regenerativa em calor. A implementação da frenagem dinâmica requer um resistor de frenagem externo para dissipar a energia.
• Um motor mecânico que segura o freio pode ser controlado pela lógica interna para evitar que o motor gire quando o inversor for desligado.

Os inversores SINAMICS V20 também incluem uma função de acoplamento CC que permite que dois inversores de tamanho igual sejam acoplados eletricamente usando suas conexões de filtro CC. Quando aplicável, o acoplamento CC pode reduzir os custos de energia, permitindo que um inversor use a energia regenerativa extraída do outro inversor. Os inversores podem compartilhar um único sistema de freio dinâmico, reduzindo os custos de instalação. Em alguns casos, o acoplamento CC pode eliminar a necessidade de um módulo de frenagem dinâmica e de um resistor de frenagem dinâmica.

Acessórios básicos do sistema

Além das funções integradas, a utilidade dos inversores SIMAMICS V20 pode ser aprimorada com a adição de alguns acessórios de sistema, como um painel de operação básico (BOP) e uma interface BOP, um módulo de acesso inteligente e um carregador de parâmetros (Figura 2):

• O SIMAMICS V20 tem um painel de controle integrado, mas algumas aplicações podem se beneficiar da adição de um BOP para controle remoto da unidade. O BOP foi projetado para montagem distribuída e tem uma classificação de gabinete UL Tipo 1.
• O BOP é conectado ao SINAMICS V20 usando um módulo de interface BOP especializado que se conecta à porta de expansão do inversor e tem uma interface RS232 para conexão com o BOP.
• O módulo Smart Access tem um servidor da Web integrado que simplifica o comissionamento e a operação do SINAMICS V20 usando um smartphone, laptop ou tablet. As funções suportadas por esse módulo incluem:
  • Assistente de comissionamento para maior rapidez
  • Configuração e salvamento de parâmetros ou restauração das configurações de fábrica
  • Teste de motor
  • Monitoramento de dados operacionais
  • Realização de verificações de diagnóstico do sistema
• O Carregador de Parâmetros pode carregar até 100 conjuntos de parâmetros no SINAMICS V20 ou fazer download de conjuntos de parâmetros da unidade. O carregador de parâmetros alimentado por bateria pode ser usado sem ligar o inversor.

Figura 2: O SINAMICS V20 de 0,16 HP FSAA mostrado com quatro módulos de expansão comuns. (Fonte da imagem: Siemens)

Mais acessórios

Os filtros de linha podem ser adicionados quando necessário. Para atender à norma EN 61800-3 Categoria C2 de Emissão Radiada e Conduzida, são necessários filtros EMC externos para os inversores SINAMICS V20 (modelos com e sem filtro de 400 V, bem como modelos sem filtro de 230 V). Por exemplo, o modelo 6SL32030BE177BA0 foi projetado para uso com inversores de 400 V de chassi tamanho FSA.

Os reatores de linha estão disponíveis para suavizar os picos de tensão ou as quedas de comutação da ponte. Esses reatores também reduzem os efeitos dos harmônicos na alimentação da linha e no conversor.

A frenagem pode ser implementada usando o módulo de frenagem 6SL32012AD208VA0 (Figura 3) com chassi de tamanho FSAA a FSC. Os chassis de tamanho FSD e FSE têm um chopper de frenagem integrado e não requerem um módulo externo. Em todos os casos, o melhor desempenho de frenagem e a desaceleração aprimorada podem ser obtidos com a adição de um resistor de frenagem externo, como o modelo 6SE64004BC050AA0, para dissipar a energia regenerativa produzida pelo motor.

Figura 3: Módulo de freio para inversores de frequência SINAMICS V20. (Fonte da imagem: DigiKey)

As aplicações que precisam de entradas ou saídas podem adicionar o módulo de extensão de E/S SINAMICS V20 (Figura 4). O módulo é montado diretamente na linha de inversores de 400 V e fornece duas entradas digitais e duas saídas digitais de relé. Por exemplo, o módulo de extensão de E/S pode ser usado em aplicações de controle de várias bombas, permitindo que até quatro bombas sejam controladas com um único inversor SIMAMICS V20. O módulo também é útil quando vários ventiladores ou compressores precisam ser controlados. Ele tem conexões na parte frontal e traseira e pode ser combinado com outros acessórios, como a interface BOP e os módulos de acesso inteligente. No entanto, ele não pode ser usado simultaneamente como o módulo do carregador de parâmetros.

Figura 4: Módulo de expansão montado na parte frontal de um inversor SINAMICS V20. (Fonte da imagem: Siemens)

Os reatores de saída, como o modelo 6SL3202-0AE16-1CA0 para o chassi de tamanho FSA, podem reduzir o estresse de tensão nos enrolamentos do motor (Figura 5). Esses reatores de saída também reduzem as correntes capacitivas de carga e descarga que podem sobrecarregar o inversor quando são usados cabos longos no motor.

Figura 5: Reator de saída para inversores SINAMICS V20 de 0,5 HP trifásicos de 380 V_CA a 480 V_CA, 6,1 A e chassi FSA. (Fonte da imagem: Siemens)

Integração em sistemas maiores

Os inversores SINAMICS V20 foram projetados para serem controlados por um controlador SINAMICS S7-1200 ou S7-1500, como o modelo 6ES75173FP000AB0, por meio da interface RS485 e usando o protocolo USS (Interface Serial Universal). Estão disponíveis exemplos de projetos que demonstram como configurar e programar esses controladores com um SINAMICS V20. USS é a configuração padrão, mas o SINAMICS V20 também pode usar o protocolo MODBUS RTU.

Um controlador mestre pode se conectar a um máximo de 31 VFDs.

Juntando tudo

A montagem dos componentes detalhados acima em um sistema completo pode ser um desafio, especialmente se a conformidade com a EMC for uma consideração importante. Isolar as possíveis fontes de interferência geralmente é a abordagem mais rápida e econômica. Isso pode ser obtido organizando o gabinete de controle e o restante do sistema em uma série de quatro zonas isoladas, conforme mostrado na Figura 6. As considerações ao implementar as zonas de isolação incluem:

• O desacoplamento eletromagnético das zonas pode ser obtido com o uso de placas de separação aterradas ou gabinetes metálicos separados.
  • O SINAMICS V20 está na Zona B e um controlador SIMATIC S7-1200 ou S7-1500 está na Zona C.
• Para melhorar o desempenho de EMC, filtros e módulos de acoplamento podem ser adicionados às interfaces das zonas.
• Os cabos de conexão entre as zonas devem ser separados para evitar o acoplamento EMC e não devem estar no mesmo canal de cabos ou chicote.
• A rede de comunicação e os cabos de sinal, como o RS485, que entram ou saem do gabinete devem ser blindados.

Figura 6: As zonas eletromagneticamente desacopladas podem melhorar o desempenho de EMC das instalações do SINAMICS V20. (Fonte da imagem: Siemens)

Conclusão

Os conversores SINAMICS V20 são altamente versáteis, compactos e suportam várias aplicações industriais de velocidade variável de eixo único. Eles têm uma ampla gama de recursos e funcionalidades incorporados. A adição de acessórios, como um painel básico do operador, um módulo de acesso remoto e um carregador de parâmetros, pode aumentar a utilidade. Além disso, esses inversores de frequência estão disponíveis com uma grande variedade de módulos complementares para dar suporte à funcionalidade avançada do sistema e são otimizados para uso com os controladores Siemens. Por fim, foi mostrado como integrar esses VFDs em gabinetes de controle com conformidade EMI e sistemas de movimento industrial.