Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) i napędy o zmiennej prędkości (VSD) odgrywają kluczową rolę w zakładach produkcyjnych, a te zmieniają się i zmieniają ze względu na zmiany w świecie rzeczywistym i zmiany technologiczne. Na pytanie odpowiada eksperci: Thomas Burke, globalny doradca strategiczny, CC-Link Partner Association (CLPA), Vernon Hills, Illinois, oraz Edward Polzin, menedżer produktu, Bosch Rexroth, Hoffman Estates, Illinois.
Jakie są niektóre z obecnych trendów w zakresie napędów o zmiennej częstotliwości i napędów o zmiennej prędkości (VFD i VSD) dla zakładów przemysłowych i produkcyjnych?
Thomas Burke: Compact AI napędza zaawansowaną diagnostykę w napędach o zmiennej częstotliwości (VFD) nowej generacji. Zobaczymy różne innowacyjne zastosowania Compact AI w kontroli jakości, redukcji odpadów i optymalizacji produkcji. W VFD, kompaktowa sztuczna inteligencja umożliwi analizę i określenie żywotności krytycznych komponentów, takich jak kondensatory, przekaźniki stykowe, wentylatory chłodzące i rezystory ograniczające prąd rozruchowy. Innym przypadkiem użycia może być identyfikacja oznak uszkodzenia falownika spowodowanego siarkowodorem lub innymi gazami korozyjnymi, które zwykle występują w niektórych zastosowaniach VFD.
Gdy środowisko produkcyjne wymaga poprawy, aby uniknąć awarii sprzętu i nieplanowanych przestojów, operator otrzyma powiadomienie. Niektóre przetwornice częstotliwości VFD będą również wyposażone w sztuczną inteligencję w oprogramowaniu konfiguracyjnym, aby ułatwić instalację. Diagnostyka oparta na sztucznej inteligencji może analizować przyczyny przestojów, takie jak nadmierne prądy spowodowane skokami przyspieszenia. Niektóre falowniki mogą wykrywać odchylenia w profilach obciążenia, co może wskazywać na awarię mechaniczną, taką jak zatkany filtr lub zerwany pasek.
Edward Polzin: Przetwornice częstotliwości VFD są wykorzystywane jako sposób na optymalizację zużycia energii i emisji słyszalnego hałasu przez urządzenia. Wiele przetwornic częstotliwości dostarcza obecnie dane śledzenia energii do wykorzystania w obliczeniach i śledzeniu emisji dwutlenku węgla. Mniejszy ślad i większa gęstość mocy oraz lepsza łączność z Internetem.
Jakie długoterminowe trendy dostrzega Pan w odniesieniu do VFD i VSD (patrząc w perspektywie kolejnych 12-18 miesięcy)?
Thomas Burke: Długoterminowy trend w odniesieniu do VFD i VSD opiera się na potrzebie przyjęcia przez firmy technologii cyfrowej i chęci posiadania łączności dla swoich procesów produkcyjnych. Chodzi o cyfrowy świat oraz gromadzenie i analizowanie danych w celu przekształcenia ich w przydatne informacje, aby zoptymalizować wydajność i poprawić efektywność energetyczną. Istnieje również ruch w odniesieniu do technologii, która obejmuje sztuczną inteligencję, uczenie maszynowe i analizę dużych zbiorów danych – technologie te jeszcze bardziej poprawią wydajność i efektywność VFD i VSD. Wysiłki w zakresie standaryzacji, gdzie firmy dążą do interoperacyjności i integracji z różnymi systemami i aplikacjami, również będą nadal ewoluować.
Edward Polzin: Systemy o stałej prędkości wymagają mechanicznej regulacji, gdy wymagany jest inny profil prędkości. Napędy VFD oferują kontrolę prędkości i przyspieszenia, elastyczną konstrukcję systemu i łatwiejszą adaptację do zmieniających się wymagań. Różnica w kosztach między jednostką łagodnego rozruchu a VFD staje się mniej znacząca dla niektórych rozmiarów. Przetwornice VFD mogą dostarczać dodatkowych danych diagnostycznych ułatwiających rozwiązywanie problemów, a także programowalność.
Jak wybrać odpowiedni rozmiar i wartość znamionową VFD i VSD dla konkretnego zastosowania silnika? Jakie są kluczowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę w tym procesie?
Thomas Burke: Istnieje wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniego rozmiaru i wartości znamionowej VFD i VSD dla konkretnego zastosowania silnika. Należy wziąć pod uwagę moc, napięcie, prąd, moment rozruchowy, prąd pełnego obciążenia i cykl pracy silnika. Odpowiedni VFD lub VSD musi być w stanie obsłużyć i poradzić sobie z wymaganiami silnika. Zasadniczo chodzi o to, aby przyjrzeć się silnikowi i jego zastosowaniu, a następnie wybrać odpowiedni VFD lub VSD, który może spełnić wymagania silnika. Należy upewnić się, że VFD lub VSD może spełnić górną granicę określonego silnika.
Przetwornice częstotliwości VFD mogą być wykorzystywane do sterowania wrzecionem maszyny CNC. W zależności od materiału i narzędzia, pożądane są różne prędkości. Dzięki uprzejmości: Bosch Rexroth
Edward Polzin: Wymagania aplikacji, takie jak moc silnika, przyspieszenie, maksymalna prędkość jazdy i stabilność systemu są głównymi problemami. Niektóre aplikacje mogą wybrać urządzenie VFD wyłącznie na podstawie wymagań dotyczących mocy. W przypadku zastosowań wymagających precyzyjnego pozycjonowania konieczne może być posiadanie urządzenia sprzężenia zwrotnego do kontroli prędkości i położenia.
Przetwornice częstotliwości VFD mogą wytwarzać harmoniczne, które mogą wpływać na system zasilania i inne podłączone urządzenia. Jakie są najskuteczniejsze metody ograniczania zniekształceń harmonicznych w zastosowaniach VFD?
Thomas Burke: VFD to urządzenia elektroniczne, które kontrolują prędkość silnika elektrycznego poprzez zmianę częstotliwości i napięcia prądu elektrycznego dostarczanego do silnika. VFD mogą również wytwarzać harmoniczne, które są niepożądanymi częstotliwościami, które mogą wpływać na system zasilania i inne podłączone urządzenia.
Wybierając przetwornicę częstotliwości VFD, należy upewnić się, że posiada ona funkcje redukcji harmonicznych, takie jak filtry harmonicznych i sterowanie modulacją szerokości impulsu (PWM). Aby zredukować harmoniczne, należy zrównoważyć obciążenie systemu zasilania. Sugerujemy użycie kondycjonera jakości zasilania, który można zainstalować w celu poprawy jakości zasilania, w tym redukcji harmonicznych. Ochronniki przeciwprzepięciowe mogą pomóc chronić sprzęt przed uszkodzeniami spowodowanymi przez harmoniczne.
Edward Polzin: Jeśli to konieczne, obwód filtra liniowego może zminimalizować wpływ zakłóceń harmonicznych. Napędy VFD z aktywnym przednim końcem, takie jak obwód prostownika IGBT, mogą zmniejszyć całkowite zakłócenia harmoniczne (THD).
Jakie są kluczowe różnice między technikami sterowania skalarnego i wektorowego w VFD? W jakich scenariuszach preferowana jest każda z tych metod?
Thomas Burke: Sterowanie skalarne jest prostszą i tańszą metodą sterowania niż sterowanie wektorowe. Nie wymaga sprzężenia zwrotnego z silnika, w związku z czym jest mniej dokładne niż sterowanie wektorowe.
Sterowanie wektorowe jest bardziej złożoną i droższą metodą sterowania niż sterowanie skalarne. Sterowanie wektorowe wymaga sprzężenia zwrotnego z silnika, dlatego jest znacznie dokładniejsze niż sterowanie skalarne. Sterowanie wektorowe oferuje bardziej elastyczne i dynamiczne działanie, w tym szybsze przyspieszanie i zwalnianie. Problem polega na tym, że sterowanie wektorowe jest bardziej podatne na harmoniczne i zakłócenia.
Edward Polzin: Sterowanie wektorowe oferuje znacznie lepszą kontrolę prędkości w porównaniu do napędu VFD wykorzystującego V/Hz (sterowanie skalarne). Systemy dynamiczne mogą korzystać ze sterowania wektorowego, podczas gdy systemy o bardzo niskiej prędkości będą korzystać ze sterowania skalarnego.
W jaki sposób ocenia Pan/Pani wydajność i potencjał oszczędności energii instalacji VFD w systemie napędzanym silnikiem? Czy istnieją jakieś standardowe metodologie lub narzędzia do tej oceny?
Edward Polzin: Zrozumienie cyklu pracy sprzętu najlepiej określi potencjał oszczędności energii. Na przykład hydrauliczne jednostki napędowe napędzane przez VFD mogą oferować do 80% oszczędności energii w porównaniu z systemem silnika o stałej prędkości.
VFD mogą powodować prądy łożyskowe i napięcia wału w niektórych typach silników. Jakie są najlepsze praktyki, aby zapobiec lub zminimalizować te problemy i zapewnić długowieczność silników?
Edward Polzin: Prawidłowo uziemione systemy mogą zminimalizować wpływ prądu uziemienia. Można również zastosować silnik z izolowanymi łożyskami. W niektórych przypadkach silnik ze szczotką uziemiającą wał może tworzyć ścieżkę przewodzącą dla prądu łożyskowego.
W jaki sposób rozwiązują Państwo typowe problemy z przetwornicami częstotliwości VFD, takie jak przepięcia, podnapięcia i przetężenia? Jakie są najlepsze praktyki diagnozowania i usuwania tych problemów?
Edward Polzin: Tradycyjne metody polegają na wyświetlaniu kodu błędu na wyświetlaczu VFD. Nowsze metody obejmują rejestrowanie danych usterek w pliku dziennika w urządzeniu, który można odczytać zdalnie za pośrednictwem połączenia Ethernet. Możliwe jest również przesyłanie tych błędów za pośrednictwem połączenia Ethernet. Wreszcie, najnowsza metodologia wykorzystuje Bluetooth do aplikacji mobilnej do bezprzewodowego odczytu kodów usterek.
Wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowej, jakie nowe trendy i funkcje pojawiają się w nowoczesnych projektach VFD?
Thomas Burke: Producenci chipów półprzewodnikowych i innego sprzętu elektronicznego muszą zapewnić maksymalną precyzję i dokładność, działając w rygorystycznych warunkach środowiskowych, aby dostarczać produkty wysokiej jakości. Priorytetem są również skuteczne systemy śledzenia, które mogą monitorować przepływ zasobów i towarów w fabrykach, a także w całym łańcuchu dostaw.
Aby odnieść sukces w tym zakresie, kluczowe jest skonfigurowanie sieci komunikacyjnej, która oprócz deterministycznych możliwości w zakresie wydajności, może również obsługiwać systemy wyższego poziomu korporacyjnego w celu niezawodnego śledzenia materiałów na całej linii produkcyjnej i poza nią. Ostatecznie producenci półprzewodników potrzebują technologii sieciowej, która umożliwi wysoce efektywną konwergencję między domenami technologii operacyjnej (OT) i technologii informacyjnej (IT).
Time-sensitive networking (TSN) jest idealna do zaspokojenia tych potrzeb, ponieważ technologia ta została opracowana w celu ulepszenia przemysłowego Ethernetu, aby mógł łączyć różne rodzaje ruchu danych. Mówiąc dokładniej, zapewniając gwarantowany transport danych z ograniczonym niskim opóźnieniem, sieci oparte na TSN są w stanie przesyłać ruch o najlepszym wysiłku, a także dane o znaczeniu krytycznym w odpowiednim czasie. W rezultacie urządzenia VFD są teraz kompatybilne z sieciami TSN.
Przetwornice częstotliwości VFD są często używane do sterowania prędkością przenośników taśmowych. Ten przykład pokazuje wiele przenośników taśmowych, które działają z różnymi prędkościami. Dzięki uprzejmości: Bosch Rexroth
Edward Polzin: Nowe technologie półprzewodnikowe pomagają zmniejszyć rozmiar urządzeń lub zwiększyć gęstość mocy. Półprzewodniki o niższych stratach stają się coraz bardziej ekonomiczne, co może zwiększyć ogólną wydajność urządzenia i zmniejszyć potrzebę stosowania dużych radiatorów. Umożliwia to również uszczelnienie urządzeń przed wpływem środowiska, dzięki czemu napędy montowane poza szafą sterowniczą stają się bardziej ekonomiczne. Wreszcie, nowsze półprzewodniki oferują wyższe częstotliwości przełączania, co pomaga zmniejszyć słyszalny hałas.
Przetwornice częstotliwości VFD generują znaczne częstotliwości przełączania, co może prowadzić do problemów z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). W jaki sposób można rozwiązać te problemy EMI, aby zachować zgodność z normami regulacyjnymi?
Edward Polzin: Prawidłowo uziemiony i ekranowany system może zminimalizować wpływ wyższych szumów przełączania i problemów EMI. Zaleca się stosowanie ekranowanego kabla zasilającego silnik i odpowiedniego zakończenia ekranowania. Konwencjonalny kabel zasilający silnik bez ekranowania może powodować zakłócenia.
Jakie są kluczowe różnice i kompromisy między używaniem VFD z silnikami synchronicznymi a silnikami indukcyjnymi? Kiedy wybrałby Pan/Pani jeden typ silnika zamiast drugiego w aplikacji VFD?
Edward Polzin: Silniki indukcyjne oferują niższy koszt i większą wytrzymałość, ale mają niższą gęstość mocy niż silniki synchroniczne. Silniki synchroniczne oferują wyższą gęstość mocy i lepszą dynamikę.
W miarę jak VFD stają się coraz szerzej stosowane w warunkach przemysłowych i komercyjnych, w jaki sposób zapewniają Państwo kompatybilność i integrację systemów VFD z innymi technologiami sterowania i automatyzacji?
Edward Polzin: Zdolność do oferowania różnorodnych opcji interfejsów, takich jak różne połączenia fieldbus, tradycyjne interfejsy analogowe i dyskretne, jest kluczem do zapewnienia kompatybilności.
Czy istnieją określone praktyki konserwacyjne i środki zapobiegawcze, które mogą wydłużyć żywotność VFD i zwiększyć ich niezawodność w wymagających środowiskach pracy?
Thomas Burke: Wprowadzając funkcje sieciowe do przetwornic częstotliwości VFD, mogą Państwo zwiększyć dostępność i widoczność danych gromadzonych w hali produkcyjnej oraz przesyłać informacje do innych maszyn, sieci lub platform zarządzania danymi. Następnie można wykorzystać te dane do poprawy ogólnej efektywności sprzętu (OEE), podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym w celu wpłynięcia na proces produkcji oraz wykorzystania danych zebranych z programowalnych sterowników logicznych (PLC), serwomechanizmów i innych VFD w celu dostosowania i optymalizacji operacji.
Ponieważ VFD reaguje teraz na dane wejściowe z całego ekosystemu, inżynierowie mają kolejną drogę do zwiększenia wydajności, obniżenia kosztów konserwacji i usprawnienia procesów. Na przykład organizacje zajmujące się transportem materiałów mogą połączyć wszystkie swoje dźwigi i inne maszyny oraz aplikacje w jeden inteligentny system, aby zwiększyć elastyczność biznesową. Gdy dźwigi i inne maszyny są połączone z systemami back-office i aplikacjami AI, uzyskują Państwo pełny wgląd w każde ogniwo łańcucha wartości. Gdy dźwigi zaczynają się zużywać, inteligentne systemy mogą ostrzegać o potencjalnych problemach, zanim dojdzie do ich eskalacji i spowodowania nieoczekiwanych przestojów lub incydentów związanych z bezpieczeństwem.
Edward Polzin: Sam przetwornik VFD jest w większości bezobsługowy. Utrzymywanie obudowy w czystości i wolnej od kurzu oraz utrzymywanie odpowiedniej temperatury otoczenia są zalecane w celu przedłużenia żywotności VFD. Jedyna wymagana konserwacja dotyczy zazwyczaj urządzeń mechanicznych, takich jak wentylator chłodzący.
W jaki sposób napędy VFD mogą przyczynić się do poprawy współczynnika mocy systemu napędzanego silnikiem? Jakie są potencjalne korzyści i wyzwania związane z korektą współczynnika mocy za pomocą VFD?
Edward Polzin: Współczynnik mocy dla silnika podłączonego bezpośrednio do linii może się różnić w zależności od warunków obciążenia. VFD można zaprojektować tak, aby zapewnić wysoki współczynnik mocy przy użyciu wewnętrznych kondensatorów i cewek indukcyjnych łączących szynę prądu stałego.
Wraz z rozwojem Internetu rzeczy (IoT) i Przemysłu 4.0, jak wyobraża Pan sobie ewolucję VFD, aby stały się inteligentniejsze i bardziej połączone w ramach większych systemów sterowania i monitorowania?
Thomas Burke: Wprowadzenie napędów VFD do Internetu Rzeczy i środowiska Przemysłu 4.0 wymaga od napędów VFD zapewnienia dwukierunkowej komunikacji, która wypełni lukę między technologią informacyjną (IT) a możliwościami technologii operacyjnej (OT). Oznacza to, że interfejsy VFD muszą być kompatybilne z wybranym przez użytkownika końcowego protokołem sieciowym, aby umożliwić zdalny dostęp do linii maszyn i urządzeń oraz dostarczanie danych maszynowych do systemu monitorowania i raportowania.
W rezultacie sprzedawcy, integratorzy systemów, operatorzy i pracownicy mogą znaleźć znaczące usprawnienia operacyjne w swoich codziennych działaniach. W ramach tej koordynacji IT/OT, możliwości VFD będą również musiały płynnie integrować się z ofertami cyberbezpieczeństwa, takimi jak ochrona przed ruchomymi celami i filtrowanie ruchu sieciowego, aby zapewnić dostęp tylko właściwym osobom we właściwym czasie.
Edward Polzin: Zapewniając łatwe do zrozumienia dane diagnostyczne i ogólne monitorowanie stanu zarówno napędu, jak i podłączonego silnika. Ponadto dane dotyczące zużycia energii i wydajności systemu do śledzenia emisji dwutlenku węgla i profilu użytkowania.
