Все приводы переменного тока (включая те, которые известны как частотно-регулируемые приводы или VFD) должны удовлетворять конкретным требованиям применения. Наиболее распространенные из этих приводов переменного тока отличаются от типичных для прецизионного управления движением, используемых в робототехнике, производстве полупроводников, некоторых видах механической обработки и медицинских инструментах, тем, что позволяют передавать движение в масштабах от субмиллиметра до мкм и даже нм. Это связано с тем, что обычные сервосистемы используют обратную связь и множество приводов постоянного тока для управления осями, приводимыми в движение двигателем, но наиболее распространенные приводы переменного тока управляют асинхронными и синхронными двигателями переменного тока.

Распространенные области применения включают конвейерное оборудование; подъемное оборудование; шлифовальные машины, вентиляторы, насосы и компрессоры; а также крупногабаритные машинные установки.

Наиболее распространенные приводы переменного тока работают в приложениях, где требуется регулирование скорости — от базовых функций до VFD в паре с (как уже упоминалось) асинхронными двигателями или синхронными двигателями с постоянными магнитами. Такие приводы переменного тока сначала преобразуют переменный ток в постоянный, а затем используют методы переключения для изменения напряжения и частоты двигателя. Наиболее распространены VFD постоянного напряжения (которые используют широтно-импульсную модуляцию [PWM]); они подают последовательность импульсов постоянного тока различной длительности в обмотки двигателя с определенной формой волны тока.

Машиностроители часто используют VFD для повышения энергопотребления. Регулирование тока, потребляемого двигателем, может снизить расходы на электроэнергию, поскольку это предотвращает постоянную работу двигателя с полной нагрузкой. Но VFD помогают повысить эффективность и другими способами. Благодаря трехфазным двигателям они превосходят по производительности однофазные асинхронные двигатели (распространенные в промышленных стиральных машинах и аналогичных устройствах). Аналогичным образом, настройки VFD также превосходят симисторное управление в паре с универсальными двигателями.

В некоторых областях применения (включая вертикальные установки и те, которые требуют частых остановок и пусков) рекуперативное торможение возможно с помощью VFDS. Здесь твердотельные компоненты привода (которые управляют напряжением двигателя) направляют энергию обратно в сеть переменного тока или тормозной резистор. Это повышает эффективность конструкции и позволяет осям машин замедляться быстрее, чем если бы они были оставлены на холостом ходу.

Конструкции привода на основе асинхронных двигателей, включающие VFD, также позволяют избежать высокого пикового тока при запуске. Это потому, что VFD делают так, что вход двигателя начинается с низкого напряжения и частоты. Кроме того, снижается механический износ, поскольку устранение пусковых токов предотвращает чрезмерный крутящий момент и делает ненужными дроссели, заслонки и жалюзи.

Независимо от области применения, все приводы переменного тока должны соответствовать ключевым параметрам, включая конфигурацию источника питания и входное напряжение (а также то, является ли входное напряжение 60 или 50 Гц). Другими соображениями являются совместимость с напряжением двигателя, номинальным током и мощностью в лошадиных силах, а также то, какое регулирование скорости требуется приложению (вектор замкнутого контура, вектор разомкнутого контура или вольт/ Гц). Обратите внимание, что VFD могут вносить гармонические искажения, которые ухудшают качество питания и производительность машины. Однако некоторые новые VFD решают эту проблему.

Кроме того, многие распространенные приложения с приводами переменного тока выигрывают от приводов переменного тока, которые обеспечивают функции безопасности (например, управление тормозами и остановки), а также контроль и ограничение ускорения или скорости.

Последним параметром применения является то, что приводы переменного тока в некоторых случаях должны выдерживать воздействие пыли, экстремальных температур и влажности. Здесь приводы с номинальными корпусами (например, вентилируемые NEMA 1 или NEMA 12) упрощают выбор.

Предприятие Sealed Air в Седл-Бруке, штат Нью-Джерси, занималось как изготовлением линии по переработке OEM-оборудования, так и конечным потребителем оборудования. Недавно компания перенесла свои перерабатывающие линии с более старой системы управления, состоящей из двигателя и привода, чтобы увеличить производительность линии. “Наша команда встретила некоторое сопротивление, но мы сотрудничали с нашим партнером по автоматизации Axis Inc., который показал нам лучший способ”, — сказал Том Кимбл, директор по специализированному оборудованию. Компания Axis является местным специалистом по промышленной автоматизации. Еще больше после прыжка.

В рамках этого проекта задача состояла в том, чтобы увеличить производство бумажных пакетов Jiffy-Lite (почтовые пакеты с ламинированной пузырчатой пленкой для интернет-магазина) со 120 до 180 упаковок в минуту. Цель увеличить мощность требовала увеличения лошадиных сил и улучшения управления и приводов. По словам Джо Питера (Joe Pitera), менеджера по продукции motion в Axis Inc., оси должны были работать быстрее, но с большей точностью и меньшей занимаемой станком площадью, чтобы решать проблемы, связанные с погрузочно-разгрузочными работами и производственным пространством.

Несколько предыдущих линий переоборудования отличались надежным двигателем, приводом и системой управления движением, но новая линия должна была работать на уровнях, невозможных при использовании старого оборудования и программного обеспечения.

В конечном счете, компания Axis рекомендовала двигатели, приводы и встроенные контроллеры движения в корпусе на 50% меньшего размера по сравнению с предыдущей конструкцией. Программное обеспечение для программирования и ввода в эксплуатацию Siemens TIA Portal упростило интеграцию контроллера.

“С помощью портала TIA мы представили им совершенно новую концепцию проектирования и запуска их оборудования, дополненную HMI с экранами для проектирования и последующего отображения на используемых устройствах”, — сказал Питер.

“Я боролся с идеей создания совершенно новой инженерной платформы”, — сказал Кимбл. “Это сильно отличалось от наших предыдущих протоколов и даже предыдущих поколений продуктов Siemens, которые мы успешно использовали на герметичных воздушных линиях. Но Джо показал нам демонстрацию и то, как портал TIA объединяет все воедино и запускает HMI с одного сенсорного экрана с пометками, межсоединениями, библиотекой дополнительных экранов и отслеживанием доступа ко всем кабелям в линии”.

Кимбл ожидал ответного удара. Итак, в течение нескольких месяцев Питер проводил день в неделю в Sealed Air, демонстрируя инженерам множество функций — например, как копировать и вставлять значения для всей температурной зоны линии.

Внедрение приводов переменного тока Sinamics S120 и контроллеров движения Simotion в Sinamics V20 plus с использованием функций интеграции портала TIA от Siemens позволило увеличить скорость линии Sealed Air на 50% (со 120 до 180 упаковок в минуту) и сократить площадь шкафа управления на 50%.

Новая конструкция управляет 13 осями сервопривода с помощью трех простых VFD для регулирования скорости; 16 зонами нагрева с твердотельным управлением и автоматизацией через HMI; интеграция 32 аналоговых и 64 цифровых сигналов; а также управление цепями, предохранительными устройствами и клеммными колодками.

Создание конструкции (включая блоки) заняло менее шести месяцев. Фактически, эта система является продолжением недавно построенной линии коэкструзии на заводе по производству герметичного воздуха в Чикаго, в которой используется продукция Siemens для 43 осей перемещения, 91 зоны нагрева, сотен точек ввода-вывода, а также HMI и контроллер.