Installer, connecter et intégrer rapidement des VSD à un axe dans les systèmes d'automatisation Industrie 4.0

Les variateurs de vitesse (VSD) à un seul axe sont essentiels dans les applications industrielles telles que les pompes, les ventilateurs, les compresseurs, les convoyeurs, et les processus de traitement tels que les broyeurs et les mélangeurs. Ces applications ont des séquences de mouvements simples et requièrent des VSD efficaces pour prendre en charge l'implémentation rapide et économique des fonctions d'entraînement de base avec des délais de mise en service courts.

Elles peuvent nécessiter une variété de fonctions de contrôle, y compris : volts scalaires par Hertz (V/f), multipoint V/f programmable, V²/f adaptant automatiquement le flux pour économiser de l'énergie, et contrôle de courant de flux (FCC) ajustant automatiquement la sortie de l'entraînement à la charge. Un déploiement et une intégration à moindre coût sont essentiels pour les systèmes industriels et bénéficient de fonctionnalités telles que les suivantes :

• Sélection d'applications préconfigurées
• Format compact
• Paramètres de communication prédéfinis
• Transfert efficace des réglages vers plusieurs unités
• Mise en service, fonctionnement et diagnostic sans fil
• Macros de connexion et d'application simplifiant la configuration et le câblage E/S

Cet article présente une famille de VFD à un axe robustes et écoénergétiques de Siemens, conçus pour simplifier l'installation. Il présente également plusieurs fonctions intégrées, les accessoires système de base et une variété de modules d'extension plus spécialisés et avancés, ainsi que des suggestions d'intégration avec les contrôleurs de Siemens. Enfin, il passe en revue certaines considérations relatives à l'intégration de ces VFD dans des armoires de commande et des systèmes de mouvement industriels conformes EMI.

La numérisation de la commande moteur apporte de nombreux avantages aux systèmes de mouvement industriels à un seul axe. Le remplacement des commandes mécaniques simples par un VSD permet au système de réagir immédiatement aux situations de fonctionnement à charge partielle et peut réduire la consommation d'énergie de 50 % ou plus. Le fonctionnement à vitesse variable peut également minimiser l'usure des moteurs et des composants mécaniques, réduisant ainsi les besoins de maintenance et améliorant la disponibilité.

La plateforme SINAMICS V20 de Siemens est disponible en neuf tailles de châssis et couvre une plage de puissance de 0,12 kW à 30 kW (0,16 ch à 40 ch) (Figure 1). Les exemples de VFD SINAMICS V20 incluent les modèles 6SL3210-5BB11-2UV1 de 0,12 kW à 3 kW, les modèles 6SL3210-5BB23-0UV1 à entrée monophasée de 230 V_CA, et les modèles 6SL3210-5BE32-2UV0 de 0,37 kW à 30 kW à entrée triphasée de 480 V_CA.

Figure 1 : Les neuf tailles de châssis des convertisseurs SINAMICS V20, de FSAA à FSE (0,16 ch à 40 ch). (Source de l'image : Siemens)

Le rendement est l'un des avantages majeurs de l'utilisation des variateurs SINAMICS V20. Ces dispositifs sont compacts et utilisent efficacement l'espace. Ils offrent une installation et une mise en service rapides, permettant une utilisation efficace du temps et de l'argent, et ils sont écoénergétiques, contribuant ainsi à une planète plus verte. Les nombreuses fonctionnalités incluent les suivantes :

• Fonctionnement économique pris en charge par plusieurs modes de commande, notamment V/f, V²/f, FCC et V/f multipoint
  • Améliorations des économies d'énergie avec le mode ECO pour V/f, V²/f , et un mode hibernation
  • Suivi des économies d'énergie sans équipement de mesure de puissance externe, et affichage en kWh, CO2 ou devise
• Alimentation secteur monophasée ou triphasée
  • Alimentation monophasée de 200 à 240 V_CA (-10 %/+10 %) pouvant également être connectée à deux phases d'un réseau triphasé de 120/240 V_CA
  • Alimentation triphasée de 380 à 480 V_CA (-15 %/+10 %)
• Macros d'application préconfigurées réduisant le temps de mise en service
• Paramètres de communication prédéfinis accélérant la mise en service à l'aide de bibliothèques standard et de macros de connexion
• Adaptation automatique aux tensions secteur instables garantissant un fonctionnement stable, évitant les interruptions et contribuant à offrir une productivité plus élevée
• Capacité de surcharge jusqu'à 150 % pendant 60 s sur une durée de cycle de 300 s
• Tension de sortie maximum étant de 100 % de la tension d'entrée
• Chargement des paramètres sans alimentation permettant la configuration rapide de plusieurs unités
• Mise en service avec un appareil mobile ou un ordinateur portable avec le serveur Web Smart Access
• Macros d'application et de connexion intégrées

Fonctions intégrées

Les variateurs SINAMICS V20 disposent de plusieurs fonctions intégrées qui accélèrent le déploiement et simplifient l'intégration, comme un contrôleur proportionnel-intégral-dérivé (PID) pour les tâches de contrôle de processus, un hacheur de freinage intégré sur les deux plus grandes tailles de châssis et une fonction de couplage CC qui permet à deux variateurs de même taille de fonctionner en tandem pour des économies d'énergie accrues. Le contrôleur PID peut être utilisé dans des tâches de processus simples telles que le contrôle des pressions, des niveaux ou des débits par rapport à un point de consigne.

La fonction PID inclut un réglage automatique pour un fonctionnement optimal et peut prendre en charge le fonctionnement par étages du moteur. Ce dernier permet de contrôler jusqu'à 2 moteurs en étage (en cascade) supplémentaires. Dans ce cas, le système se compose du moteur principal commandé par l'onduleur et de deux moteurs supplémentaires commandés à l'aide de contacteurs ou de démarreurs commandés par les sorties numériques sur l'onduleur.

Les châssis FSD et FSE disposent d'un hacheur de freinage intégré ; pour les autres tailles de châssis, un module de freinage externe est disponible (voir ci-dessous). Le moteur peut être freiné électriquement ou mécaniquement.

• Options de freinage électrique
  • Le freinage CC est appliqué à l'enroulement du stator, résultant en un couple de freinage important. Bien qu'il ne soit pas adapté au maintien des charges suspendues, le courant peut maintenir l'arbre stationnaire une fois la rotation arrêtée.
  • Le freinage composé superpose le freinage CC au freinage régénératif, où l'onduleur régénère l'énergie dans l'alimentation de circuit intermédiaire pendant le freinage.
  • Le freinage dynamique convertit l'énergie régénérative en chaleur. La mise en œuvre du freinage dynamique requiert une résistance de freinage externe pour dissiper l'énergie.
• Un moteur mécanique qui maintient le frein peut être commandé par une logique interne pour empêcher le moteur de tourner lorsque l'onduleur est hors tension.

Les variateurs SINAMICS V20 incluent également une fonction de couplage CC qui permet de coupler électriquement deux onduleurs de même taille à l'aide de leurs connexions de circuit intermédiaire. Lorsque cela est applicable, le couplage CC peut réduire les coûts énergétiques en permettant à un onduleur d'utiliser l'énergie régénérative provenant de l'autre onduleur. Les onduleurs peuvent partager un seul système de freinage dynamique, réduisant ainsi les coûts d'installation. Dans certains cas, le couplage CC peut éliminer le recours à un module de freinage dynamique et à une résistance de freinage dynamique.

Accessoires systèmes de base

En plus des fonctions intégrées, l'utilité des onduleurs SINAMICS V20 peut être améliorée en ajoutant quelques accessoires systèmes comme un BOP (Basic Operator Panel) et une interface BOP, un module Smart Access et un chargeur de paramètres (Figure 2) :

• Le SINAMICS V20 dispose d'un panneau de commande intégré, mais certaines applications peuvent bénéficier de l'ajout d'un BOP pour la commande à distance du dispositif. Le BOP est conçu pour le montage distribué et il est doté d'un boîtier répertorié UL Type 1.
• Le BOP se connecte au SINAMICS V20 à l'aide d'un module d'interface BOP spécialisé qui se branche dans le port d'extension sur l'onduleur et fournit une interface RS232 pour la connexion au BOP.
• Le module Smart Access dispose d'un serveur Web intégré qui simplifie la mise en service et l'utilisation du SINAMICS V20 à l'aide d'un smartphone, d'un ordinateur portable ou d'une tablette. Les fonctions prises en charge par ce module incluent les suivantes :
  • Assistant de mise en service pour accélérer la mise en service
  • Définition et enregistrement des paramètres, ou restauration des paramètres d'usine
  • Test moteur
  • Surveillance des données opérationnelles
  • Exécution des contrôles de diagnostic du système
• Le chargeur de paramètres peut charger jusqu'à 100 jeux de paramètres sur le SINAMICS V20 ou télécharger des jeux de paramètres depuis l'unité. Le chargeur de paramètres alimenté par batterie peut être utilisé sans mettre le variateur sous tension.

Figure 2 : SINAMICS V20 FSAA 0,16 ch avec quatre modules d'extension communs. (Source de l'image : Siemens)

Autres accessoires

Des filtres antiparasites peuvent être ajoutés si nécessaire. Pour répondre à la norme EN 61800-3 catégorie C2 en matière d'émissions rayonnées et conduites, des filtres CEM externes sont requis pour les onduleurs SINAMICS V20 (modèles 400 V avec filtre et sans filtre, et modèles 230 V sans filtre). Par exemple, le modèle 6SL32030BE177BA0 est conçu pour être utilisé avec les onduleurs à châssis FSA de 400 V.

Des réacteurs de ligne sont disponibles pour lisser les pics de tension ou combler les creux de commutation. Ces réacteurs réduisent également les effets des harmoniques sur la ligne d'alimentation et le convertisseur.

Le freinage peut être mis en œuvre à l'aide du module de freinage 6SL32012AD208VA0 (Figure 3) avec les tailles de châssis FSAA à FSC. Les tailles de châssis FSD et FSE disposent d'un hacheur de freinage intégré et ne requièrent pas de module externe. Dans tous les cas, de meilleures performances de freinage et une décélération améliorée peuvent être obtenues en ajoutant une résistance de freinage externe comme le modèle 6SE64004BC050AA0 pour dissiper l'énergie régénérative produite par le moteur.

Figure 3 : Module de freinage pour les variateurs moteur SINAMICS V20. (Source de l'image : DigiKey)

Les applications exigeant des entrées ou des sorties peuvent ajouter le module d'extension E/S SINAMICS V20 (Figure 4). Le module se monte directement sur une gamme d'onduleurs 400 V et fournit deux entrées numériques et deux sorties de relais numériques. Par exemple, le module d'extension E/S peut être utilisé dans des applications de contrôle multi-pompes, permettant de contrôler jusqu'à quatre pompes avec un seul variateur SINAMICS V20. Le module est également utile lorsque plusieurs ventilateurs ou compresseurs doivent être contrôlés. Il dispose de connexions à l'avant et à l'arrière et peut être combiné avec d'autres accessoires comme l'interface BOP et les modules Smart Access. Cependant, il ne peut pas être utilisé simultanément comme module de chargement des paramètres.

Figure 4 : Module d'extension monté à l'avant d'un variateur SINAMICS V20. (Source de l'image : Siemens)

Les réacteurs de sortie, comme le modèle 6SL3202-0AE16-1CA0 pour les châssis FSA, peuvent réduire la contrainte de tension sur les enroulements du moteur (Figure 5). Ces réacteurs de sortie réduisent également les courants de charge et de décharge capacitifs qui peuvent solliciter l'onduleur lorsque de longs câbles moteur sont utilisés.

Figure 5 : Réacteur de sortie de Siemens pour variateurs SINAMICS V20 à châssis FSA triphasés 0,5 ch, 380 V_CA à 480 V_CA, 6,1 A. (Source de l'image : Siemens)

Intégration dans des systèmes plus grands

Les variateurs SINAMICS V20 sont conçus pour être commandés par un contrôleur SINAMICS S7-1200 ou S7-1500, comme le modèle 6ES75173FP000AB0, via l'interface RS485 et avec le protocole Universal Serial Interface (USS). Des projets d'exemple montrant comment configurer et programmer ces contrôleurs avec un SINAMICS V20 sont disponibles. USS est le paramètre par défaut, mais un SINAMICS V20 peut également utiliser le protocole MODBUS RTU.

Un contrôleur maître peut se connecter à un maximum de 31 VFD.

Assemblage

L'assemblage des composants détaillés ci-dessus dans un système complet peut s'avérer complexe, en particulier si la conformité CEM est une considération importante. L'isolation des sources potentielles d'interférences constitue généralement l'approche la plus rapide et la plus rentable. Cela peut être réalisé en divisant l'armoire de commande et le reste du système en une série de quatre zones isolées, comme illustré à la Figure 6. Lors de l'implémentation des zones isolées, il convient de tenir compte des points suivants :

• Le découplage électromagnétique des zones peut être réalisé à l'aide de plaques de séparation mises à la terre ou de boîtiers métalliques séparés.
  • Le SINAMICS V20 est en zone B et un contrôleur SIMATIC S7-1200 ou S7-1500 est en zone C.
• Pour améliorer les performances CEM, des filtres et des modules de couplage peuvent être ajoutés aux interfaces des zones.
• Les câbles de connexion entre les zones doivent être séparés pour prévenir le couplage CEM et ils ne doivent pas se trouver dans le même faisceau ou canal de câbles.
• Les câbles de réseau de communication et de signaux comme RS485 entrant dans l'armoire ou en sortant doivent être blindés.

Figure 6 : Les zones de découplage électromagnétique peuvent améliorer les performances CEM des installations SINAMICS V20. (Source de l'image : Siemens)

Conclusion

Les convertisseurs SINAMICS V20 sont très polyvalents et compacts, et ils prennent en charge diverses applications industrielles à un seul axe à vitesse variable. Ils offrent un vaste choix de fonctionnalités et de capacités intégrées. L'ajout d'accessoires tels qu'un BOP, un module d'accès à distance et un chargeur de paramètres peut améliorer leur utilité. De plus, ces variateurs sont disponibles avec un large éventail de modules d'extension pour prendre en charge des fonctionnalités système avancées, et ils sont optimisés pour une utilisation avec les contrôleurs Siemens. Enfin, il a été montré comment intégrer ces VFD dans des systèmes de mouvement industriels et des armoires de commande conformes EMI.