Gelijkstroomaandrijving
Voor het eerst met IGBT’s
Op 12 maart 99 nodigde ABB de internationale technische
pers in Mannheim bijeen om enkele nieuwe producten voor te stellen. Een
sleutelrol hierbij wordt door een nieuwe drive, de DCS400, gespeeld. Kenmerkend
aan deze nieuwe aandrijving is de gebruiksvrien-delijkheid ervan: een leek zou,
volgens ABB, niet meer dan een kwartier nodig hebben om de machine op te
starten.
Version française
De DCS400 is tamelijk compact: hij is slechts
27 cm breed bij een hoogte van 20 tot 34,5 cm. Als gevolg hiervan kan men
gemakkelijk twee drives naast mekaar in een standaardkast van 600 mm plaatsen.
Dat de elektrische verbindingen niet aan de zijkant, maar onderaan toegang
hebben, is hierbij geen toeval. De drive valt onder meer hierdoor zeer eenvoudig
te installeren.
Gebruiksgemak
Eén van de designprioriteiten was een ver doorgevoerd gebruiksgemak. In
eenvoudige stappen die op een controlescherm of op een PC te voorschijn komen,
kunnen de procesdata en de motorgegevens van op het motorplaatje worden
ingevoerd. De drive berekent en regelt dan ankerstroom, toerental,
bekrachtigingsstroom en flux. Hiertoe is er geen bijkomende documentatie of
hardware nodig.
Het PC-programma is gebaseerd op het DriveWindow Light programma dat bij de
AC-aandrijvingen wordt gebruikt. Bij de installatie van de DCS500 CMT rezen er
soms problemen : deze zijn bij de « 400 » van de baan doordat
men zich op RS232 met standaard plug baseerde.
Nieuwe technologie
Het aantal verbindingsdraden naar de veldbekrachtiging is beperkt gehouden.
Hier werd gebruik gemaakt van nieuwe technologie met IGBT’s. Ten opzichte van
de klassieke oplossing met thyristoren brengen deze minder
spanningsschommelingen teweeg. Tot hiertoe voorzag men steeds in een
afzonderlijke gelijkspanningsvoeding van de exitatiewikkeling. Bij de DCS400 is
de veldomvormer parallel gemonteerd op de ankervoeding zodat er nu slechts 3
draden « in » en 4 draden « uit » nodig zijn. Vroeger,
bij een conventionele opstelling, waren dat er 5 « in » en 4
« uit ».
Borstels
Een ander belangrijk voordeel is de toegenomen levensduur van de
koolstofborstels van de motor. De slijtage van deze stroomoverbrengers hangt in
zekere mate af van de kwaliteit van de bekrachtigingsspanning. Hoe vlakker de
gelijkspanning, hoe langer de onderdelen gespaard blijven van
onderhoudswerkzaamheden.
Wereldwijd
Verder kan de DCS400 op alle gelijkstroommotoren geschakeld worden, ook op
machines van andere constructeurs. Anderzijds vergde de veldwikkeling vroeger
een bijkomende transformator om de uitgangsrimpel op de gelijkspanning te
beperken. De DCS400 heeft zo een oplossing niet nodig omdat de ingangsspanning
van de veldwikkeling kan variëren tussen 230V en 500V.
Doordat de veldvoeding, de smoorspoel en de beveiliging zich in de DCS400
bevinden, kan op bekabeling en installatieruimte bespaard worden.
Gamma
Het vermogengebied strekt zich uit van 10 tot 430 kW. De stromen worden door
een zespulsomvormer geleverd en gaan van 20 tot 820 A DC. De DCS400 is leverbaar
met of zonder een inrichting voor tegenstroomremming. Hij is gebouwd volgens CE
specificaties en wordt geproduceerd naar ISO 9001 kwaliteitstandaard.
Voor speciale toepassingen zoals extruders wordt dit aandrijfaggregaat met
voorgeconfigureerde macro’s geleverd. Volgens Ralf Form, Vice President DC
Drives, gaat het hier om een echte ‘black box’: "De drive beschikt over
een aantal toepassingsmakro’s waarbij er slechts een paar parameters door de
gebruiker kunnen worden gekozen. Andere gelijkstroomaandrijvingen hebben soms
meer dan 100 parameters die ingesteld moeten worden. Hier zijn alle I/O-functies
voorgeprogrammeerd. De gebruiker moet alleen maar die makro eruit kiezen, die
het best bij zijn applicatie past. Hij moet zich geenszins om de
I/O-instellingen bekommeren en zo wordt de inbedrijfstelling van speciale
toepassingen duidelijk eenvoudiger."
Dank zij het groot aantal voorbereide functies laat deze digitale drive zich zo
gemakkelijk als een analoge uitvoering bedienen. Ook werd ervoor gezorgd dat
inbouw en integratie zo eenvoudig mogelijk kunnen doorgevoerd worden.
DC-motoren verleggen grenzen
Parallel met de nieuwe drive stelt ABB een generatie middelgrote
gelijkstroommotoren voor. Deze worden gekenmerkt door een hoog vermogen en veel
koppel bij compacte buitenmaten. Ze worden aangeboden voor vermogens van 25 tot
360 kW en koppels van 265 tot 2870 Nm.
Verbeterde commutatie
De belangrijkste verbetering situeert zich op het gebied van de commutatie.
Stroomrichtingsveranderingen in de ankerwikkelingen worden door borstels, die
over lamellen glijden, tot stand gebracht. Vroeger zag men af van grote
commutatiemarges ter wille van het koppel en vermogen dat dan over een breed
toerentalgebied beschikbaar was. Maar met moderne technieken werden de
elektromagnetische, thermodynamische en mechanische eigenschappen van de motor
grondig onderzocht. Het resultaat is de DMI motor, die zodanig werd
gedimensioneerd, dat bepalende parameters zoals stroombeeld, trillingen,
temperatuur, belasting en koelluchtvervuiling in de hand werden gehouden. Toch
wordt nog voldoende commutatiemarge tezamen met een lange thermische levensduur
gewaarborgd.
Veldverzwakking
Een gelijkstroommotor die aan een hoge commutatiebelasting onderworpen is,
moet uitgerust zijn met borstels van hoge kwaliteit. Bij de DMI-motor bestaat de
mogelijkheid om de borstelkwaliteit aan de plaatselijke omstandigheden aan te
passen. Tegelijk zijn de voorziene onderhoudswerkzaamheden voor borstels en
commutator beduidend verminderd.
Verdere voordelen: een lager traagheidsmoment en een breder toerentalgebied. De
hogere topsnelheid komt door veldverzwakking maar zonder vermogenverlies tot
stand. Tussen het basistoerental en het drievoudige ervan wordt de snelheid ook
door veldverzwakking geregeld. Dit brengt met zich mee dat het niet snel nodig
is om motor en convertor over te dimensioneren. Ook is de arbeidsfactor
gunstiger geworden, er wordt minder reactieve energie in het net gestuurd.
Koeling
Voor de hier toegepaste ankerkoeling werd een patent aangevraagd. Het hoger
vermogen is mogelijk door de betere koeling.
De koelkanalen werden dichter bij de ankerwikkelingsgroeven geplaatst.Tegelijk
kon het gezamelijke koelvlak vergroot worden. Dit werd mogelijk doordat de
koelkanalen volkomen symmetrisch ten opzichte van de geleiders liggen.
Bouwgrootte
Binnen het aangeboden vermogengebied is de DMI één van de kleinste motoren
op de markt. Voor het vervangen van oudere machines is dit zeer belangrijk, maar
nieuwe ontwerpen kunnen eveneens compactere buitenmaten krijgen. De flexibele
plaatsing van de externe motoronderdelen brengt met zich mee dat de machine zich
aan de moeilijkste omgevingen kan aanpassen. Er zijn maar liefst 12 mogelijke
kabelingangen. De klemmenkast kan zowel links als rechts van de motor geplaatst
worden. Ook de koelventilator kan op 6 verschillende posities zijn functie
vervullen. Aan beide aszijden van de motor kan de lucht toegevoerd worden.
Elke motorgrootte of ashoogte omvat een breed palet van aslengtes. Zo kan men
voor een bepaald vermogen zowel een lange smalle, als een korte dikke motor
kiezen.
DC-componenten voor de OEM
De letters OEM staan voor Original Equipment Manufacturers en deze
fabrikanten kunnen complete en op mekaar afgestemde gelijkstroomaandrijvingen
bij éénzelfde leverancier bestellen. Het pakket, dat PowerPack genoemd wordt,
omvat de nieuwe DCS 400 met een vermogenbereik van 10 tot 430 kW, maar ook
gelijkstroommotoren van 1 kW tot 3200 kW. Vanzelfsprekend behoren de nieuwe DMI
motoren (van 10 tot 430 kW) tot de mogelijkheden. Alle accessoires die voor
aandrijving en motor nuttig kunnen zijn, staan ter beschikking: hieronder
behoren toerental feedbacks, veldbusaansluitingen voor Profibus, CAN-bus, CS31
en Modbus, die een integratie met controlesystemen van hogere orde toelaten.
Het spreekt voor zich dat producten van één leverancier geen of weinig last
hebben van afstelling. Ook voor onderhoud en herstelling moet men maar met één
servicepunt contact nemen. Daartegenover staat dat de concurrentie niet ten
volle kan spelen.
Doelgerichte klantenservice
Het volstaat tegenwoordig niet meer om alleen maar producten op de markt te
brengen. Met het "DC Direct" programma beoogt ABB de klanten over heel
de lijn te ondersteunen. Niet alleen bij de planning en het uitkiezen en de
levering, maar ook bij het installeren en de in bedrijfsstelling is ABB
behulpzaam. Hiervoor staan er in vele landen speciaal opgeleide teams ter
beschikking, die op telefonische vragen omtrent de DCS 400 en de DMI motoren
snel kunnen antwoorden. Op Internet vindt men niet alleen alle technische
gegevens en beschrijvingen, maar ook handleidingen en onderhoudsrichtlijnen.
Normale leveringen kunnen binnen de 5 werkdagen – indien de bestelling voor 11
uur binnenloopt, kan het dezelfde dag nog. Wereldwijd is er bij PowerPack
leveringen een waarborg van twee jaar voorzien.
Besluit
Met de nieuwe drive DCS 400 en de grondig doordachte gelijkstroommotoren DMI
heeft ABB bij de DC aandrijvingen een frisse wind doen waaien. Door in eerste
instantie de betrouwbaarheid en onderhoudsvriendelijkheid van de motoren te
verbeteren, naast betere prestaties in een compactere behuizing, kunnen de
DC-aandrijvingen hun positie – bijvoorbeeld bij extruders – blijven
verdedigen.
Herman Paternoster
Entraînement à
courant continu
Première fois avec des IGBT
Le 12 mars 99, ABB a invité la presse
technique internationale à Mannheim pour lui présenter quelques nouveaux
produits. Lors de cet événement, un nouveau drive a tenu la vedette: le
DCS400. C’est la facilité d’emploi qui caractérise le mieux ce nouvel
entraînement. A en croire ABB, un novice n’aurait pas besoin de plus d’un
quart d’heure pour lancer la machine.
Le DCS400 est relativement compact: sa largeur
n’excède pas 27 cm pour une hauteur de 20 à 34,5 cm. Par conséquent, il est
facile de placer deux drives côte à côte dans une armoire standard de 600 mm.
Ce n’est certes pas un hasard si on n’accède pas latéralement mais bien
par le bas aux connexions électriques. C’est entre autres pour cette raison
que l’installation du drive s’avère très simple.
Facilité d’emploi
Lors de la conception, une facilité d’emploi très poussée figurait
parmi les priorités. Les données du processus et celles du moteur peuvent
être introduites à partir de la plaquette du moteur en étapes successives
simples qui apparaissent sur un écran de contrôle ou sur un PC. Le drive
calcule et règle alors le courant d’induit, le régime, le courant d’excitation
et le flux. Aucune documentation ni aucun hardware supplémentaire ne sont
nécessaires.
Le programme du PC est basé sur le programme DriveWindow Light qui est utilisé
pour les entraînements AC. Certains problèmes peuvent apparaître lors de l’installation
du DCS500 CMT : pour le " 400 ", ceux-ci sont résolus parce
qu’on s’est basé sur un RS232 avec une fiche standard.
Nouvelle technologie
Le nombre de câbles de liaison vers le champ d’excitation a été
limité. On a eu recours à la nouvelle technologie des IGBT. Si on les compare
à la solution classique qui a recours à des thyristors, ceux-ci provoquent
moins de fluctuations de tension. Dans le passé, on prévoyait toujours une
alimentation séparée en tension continue du bobinage d’excitation. Dans le
cas du DCS400, le transformateur de terrain est monté en parallèle sur l’alimentation
d’induit, de façon à ne plus nécessiter que 3 fils
" entrants " et 4 fils " sortants ".
Auparavant, lors d’un montage conventionnel, le nombre de fils se montait à 5
"entrants" et 4 "sortants".
Balais
Un autre avantage important concerne la longévité accrue des balais en
carbone du moteur. L’usure de ces transmetteurs de courant dépend dans une
certaine mesure de la qualité de la tension d’excitation. Plus la tension
continue sera égale, plus longtemps les composants seront exempts de travaux d’entretien.
Universel
De plus, le DCS400 peut être couplé à tous les moteurs à courant
continu, même sur des machines en provenance d’autres constructeurs. D’autre
part, le bobinage inducteur exigeait auparavant un transformateur
complémentaire pour limiter l’ondulation résiduelle de sortie sur la tension
continue. Le DCS400 ne nécessite pas une telle démarche car la tension d’entrée
du bobinage inducteur peut varier entre 230V et 500V. Comme l’alimentation de
terrain, la bobine d’impédance et la protection se situent dans le DCS400, on
peut ainsi économiser sur le câblage et sur l’espace nécessaires pour l’installation.
Gamme
La plage de puissance s’étend de 10 à 430 kW. Les courants sont fournis
par un transformateur à six impulsions et vont de 20 à 820 A DC. Le DCS400 est
disponible avec ou sans un dispositif de freinage à courant inversé. Il est
construit selon les spécifications CE et il produit conformément au standard
qualitatif ISO 9001. Pour certaines applications spéciales comme les
extrudeurs, cet agrégat d’entraînement est fourni avec des macros
pré-configurés. Selon Ralf Form, Vice-Président de DC Drives, il s’agit
réellement d’un ‘black box’: "Le drive dispose d’un certain
nombre de macros d’application et quelques uns des paramètres seulement
peuvent être choisis par l’utilisateur. D’autres entraînements à courant
continu ont parfois plus de 100 paramètres qui doivent tous être réglés.
Dans ce cas-ci, toutes les fonctions I/O sont préprogrammées. L’utilisateur
n’a plus qu’à choisir le macro qui s’adapte le mieux à son application.
Il n’a pas à se soucier des réglages I/O et la mise en services des
applications spéciales s’en trouve nettement simplifiée." Grâce à
un grand nombre de fonctions préparatoires, ce drive digital se manœuvre aussi
facilement qu’un drive analogique. On a également fait en sorte que l’incorporation
et l’intégration puissent être effectuées le plus simplement possible.
Les nouveaux moteurs DC repoussent les
limites
Parallèlement au nouveau drive, ABB présente une génération de moteurs
moyens à courant continu. Ces moteurs sont caractérisés par une puissance
élevée et un couple important pour des dimensions extérieures compactes. Ils
sont proposés pour des puissances de 25 à 360 kW et des couples de 265 à 2870
Nm.
Commutation améliorée
La principale amélioration se situe dans le domaine de la commutation. Les
inversions du sens du courant dans les bobinages d’induit sont réalisées au
moyen de balais glissant sur des lamelles. Par le passé, on renonçait à des
marges importantes de commutation à cause du couple et de la puissance qui
étaient alors disponibles dans une large plage de régimes. Les techniques
modernes ont permis d’examiner à fond les caractéristiques
électromagnétiques, thermodynamiques et mécaniques du moteur. Le résultat de
ces recherches est le moteur DMI, qui est dimensionné de telle façon que
certains paramètres déterminants comme l’image du courant, les vibrations,
la température, la charge et la pollution de l’air de refroidissement soient
tenues sous contrôle. Simultanément, une marge suffisante de commutation et
une longévité thermique importante sont garanties.
Affaiblissement du champ
Un moteur à courant continu qui est soumis à une charge importante de
commutation, doit être équipé de balais d’excellente qualité. Les moteurs
DMI offrent la possibilité d’adapter la qualité des balais aux circonstances
locales. Simultanément, on réduit considérablement les travaux d’entretien
pour les balais et le commutateur. Autres avantages : un moment d’inertie plus
réduit et une plage plus importante de régimes. La vitesse maximale plus
élevée est réalisée par l’affaiblissement du champ mais sans que cela n’entraîne
de perte de puissance. Entre le régime de base et le triple de cette valeur, la
vitesse est réglée par le biais de l’affaiblissement du champ. Grâce à
cette caractéristique, il faut moins rapidement passer à un surdimensionnement
du moteur et du convertisseur. Le facteur de puissance est également devenu
plus favorable et une quantité inférieure d’énergie réactive est envoyée
dans le réseau.
Refroidissement
Une demande de brevet a été introduite pour le refroidissement d’induit
qui est appliqué dans ce cas-ci. Une puissance plus élevée est rendue
possible par un meilleur refroidissement. Les canaux de refroidissement sont
placés plus près des sillons du bobinage d’induit. Simultanément, on a pu
agrandir la surface de refroidissement. Cela a été rendu possible parce que
les canaux de refroidissement sont placés de façon totalement symétrique par
rapport aux conducteurs.
Taille de la construction
Dans la plage de puissances proposée, le DMI est l’un des plus petits
moteurs existant sur le marché. Pour le remplacement de machines plus
anciennes, ce fait revêt une grande importance mais de nouvelles conceptions
peuvent également bénéficier de dimensions extérieures plus compactes. Le
placement flexible des composants externes du moteur a pour effet que la machine
peut être adaptée aux environnements les plus difficiles. Il n’y a pas moins
de 12 entrées possibles de câbles. La boîte à bornes peut être placée tant
à gauche qu’à droite du moteur. Le ventilateur de refroidissement peut
également remplir sa fonction en 6 positions différentes. L’arrivée d’air
peut s’effectuer des deux côtés des axes du moteur. Chaque taille de moteur
ou hauteur d’axe comprend une vaste palette de longueurs d’axes. C’est
ainsi que, pour une puissance donnée, on peut choisir tant un moteur long et
étroit qu’un modèle court et gros.
Composants DC pour l’OEM
Les lettres OEM signifient Original Equipment Manufacturers et ces
fabricants peuvent commander des entraînements à courant continu complets et
bien assortis chez le même fournisseur. L’ensemble, appelé PowerPack,
comprend le nouveau DCS 400 avec une plage de puissances de 10 à 430 kW, mais
également des moteurs à courant continu de 1 kW à 3200 kW. Evidemment, les
nouveaux moteurs DMI (de 10 à 430 kW) font partie des possibilités. Tous les
accessoires qui peuvent être utiles à l’entraînement et au moteur sont à
disposition : citons par exemple les feedbacks de régime et les connexions de
bus de terrain pour Profibus, CAN-bus, CS31 et Modbus, qui permettent l’intégration
de systèmes de contrôle d’un niveau plus élevé. Il va de soi que les
produits en provenance d’un seul fournisseur réclament pas ou peu de
réglages. On ne doit également contacter qu’un seul point de service pour l’entretien
ou pour les réparations. En revanche, la concurrence ne peut pas entièrement
jouer son rôle.
DC Direct: service client direct
Actuellement, il ne suffit plus de lancer des produits sur le marché.
Grâce au programme "DC Direct", ABB vise à soutenir ses clients sur
toute la ligne. ABB ne limite plus seulement son assistance au planning, au
choix et à la livraison, mais intervient également lors de l’installation et
de la mise en service. Pour ce faire, des équipes spécialement formées sont
à disposition dans de nombreux pays, des équipes qui peuvent fournir des
réponses rapides à toutes les questions concernant le DCS 400 et les moteurs
DMI. Sur l’Internet, on ne trouve plus seulement des données techniques et
des descriptifs, mais également des manuels et des directives d’entretien.
Les livraisons normales peuvent se faire dans les 5 jours ouvrables - si la
commande arrive avant 11 heures, il est possible de livrer encore le jour même.
Dans le monde entier, les livraisons PowerPack sont assorties d’une garantie
de deux ans.
Conclusion
Grâce au nouveau drive DCS 400 et aux moteurs à courant continu DMI, dont
la mise au point a été mûrement réfléchie, ABB provoque un renouveau dans
le domaine des entraînements DC. En améliorant en première instance la
fiabilité et la facilité d’entretien des moteurs, en plus des prestations
supérieures dans un boîtier plus compact, les entraînements DC pourront
continuer à défendre leur position - par exemple, auprès des extrudeurs.
Herman Paternoster
