Gebruik van softstarters om problemen met motorvoeding en cyberbeveiliging op te lossen

Asynchrone draaistroommotoren die worden aangedreven door wisselspanning en een vermogen hebben van tientallen tot honderden PK (paardenkracht) zijn de drijvende kracht achter veel commerciële en industriële toepassingen. Ze hebben meestal een motoraandrijfstroom van circa 10 ampère (A) tot meer dan 1000 A bij een lijnspanning van iets meer dan 200 volt wisselspanning (V_AC) tot wel 700 V_AC. Het probleem voor ontwerpers is dat ze bij het starten een grote inschakelstroom trekken die de motor kan beschadigen en de belasting kan beïnvloeden.

Een softstarter-regeleenheid tussen de wisselspanningslijn en de motor regelt deze inschakelstroom door de opstartacceleratie en het motorkoppel te beheren, waardoor de motorprestaties worden geoptimaliseerd en ongewenste gevolgen worden geminimaliseerd. Meer geavanceerde softstarters voegen geavanceerde functies toe voor betere prestaties, elektrische en thermische bescherming, bescherming tegen cyberaanvallen en een robuuste reeks aansluitopties.

In dit artikel worden allereerst de functies van een softstarter beschreven. Vervolgens wordt uitgelegd en getoond hoe de Altivar Soft Starter ATS480 regeleenheden van Schneider Electric kunnen worden toegepast.

Softstartfuncties

Een softstarter wordt gebruikt om de inschakelstroom van een motor te verminderen en het koppel tijdens het opstarten voor een overgangsperiode te regelen. De spanning op de motor wordt geleidelijk verhoogd, wat resulteert in een soepele acceleratie met minimale schokken (de mate waarin de acceleratie verandert).

Starters bieden meestal een voorziening waarmee de gebruiker het startkoppel en de acceleratietijd kan aanpassen aan verschillende toepassingen. Ze kunnen de startstroom voor breakaway aanzienlijk verlagen en de stroom tijdens het accelereren tegenhouden.

Nieuwere softstarters bieden extra functies die de efficiëntie verhogen, een hoge arbeidsfactor (PF) handhaven met behulp van dynamische PF-correctie, de elektrische veiligheid verbeteren, lijn- en motorafwijkingen detecteren, netwerkconnectiviteit bieden en cyberbeveiligingsproblemen aanpakken.

Een voorbeeld van een ultramoderne softstarter is de Altivar Soft Starter ATS480-serie van Schneider Electric (afbeelding 1).

Afbeelding 1: De Altivar Soft Starter ATS480-serie voegt veel geavanceerde functies toe aan de basisfunctie. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Deze eenheden bevatten zes thyristors en een koppelregelalgoritme voor het regelen van acceleratie, vertraging en stoppen van 'squirrel cage' asynchrone draaistroommotoren tot 900 kilowatt (kW). Het brede scala aan modellen in deze serie ondersteunt een bedrijfsspanning van 208 V tot 690 V en een stroom van 17 A tot 1200 A. Alle eenheden voldoen aan wereldwijde standaarden, certificeringen en regelgevende mandaten die prestaties, veiligheid, efficiëntie, elektromagnetische compatibiliteit (EMC), verontreinigingsgraad en schokken en trillingen definiëren.

De ATS480-eenheden bevatten diverse soorten beveiligingen voor lijnen, starters en belastingen, waaronder:

• fase-uitval (lijn)
• geïntegreerde thermische beveiliging (motor)
• thermische beveiliging (starter)
• stroomoverbelasting (motor)
• onderbelasting (motor)
• te lange starttijd, geblokkeerde rotor (motor)
• faseverlies motor (motor)
• faseverlies netvoeding (lijn, motor)
• thermische beveiliging (motor) via een directe aansluiting op een PTC-thermistor (positieve temperatuurcoëfficiënt) of een platina 100 (PT100) 2- of 3-draadse RTD-sonde voor weerstandstemperatuurdetectie

Er zijn veel aansluitmogelijkheden om aan de uiteenlopende behoeften van de doeltoepassingen te voldoen. Eén basisconfiguratie is bijvoorbeeld gericht op lokale besturing waarbij een handmatige interventie wordt vereist om na een foutreset een herstart uit te voeren, zelfs in het geval van besturing op afstand (afbeelding 2). Hier drukt de operator op de S3-knop om opnieuw te starten.

Afbeelding 2: Een van de vele bedradingsopties voor de softstarter; de gebruiker moet handmatig een herstart uitvoeren na een foutreset door op S3 te drukken. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

De specifieke benamingen van de componenten worden in tabel 1 gedefinieerd.

Tabel 1: Componentaanduidingen voor afbeelding 2. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

De ATS480-eenheden hebben ook discrete normaal open (NO) en normaal gesloten (NC) elektromechanische relaiscontacten tot 2 A/250 V_AC en 30 V open-collector digitale uitgangen. Deze contacten en uitgangen vereenvoudigen de implementatie van extra functies, zoals signaallampjes of hulpapparatuur.

Connectiviteit en cyberbeveiliging

Naast de geavanceerde softstarter-functionaliteit ondersteunen alle ATS480-eenheden een groot aantal aansluitmogelijkheden. Elke ATS480-eenheid heeft twee RJ45-poorten voor verbindingen met configuratie- en firmware-updates en een externe terminal voor tekst of grafische weergave. Bovendien heeft elke module een sleuf voor een extra communicatiemodule die Modbus TCP, ethernet/IP, CANopen, PROFINET of PROFIBUS DP ondersteunt.

Deze connectiviteit brengt onvermijdelijk veiligheidsproblemen met zich mee. Om deze problemen aan te pakken heeft de serie 'best practices' op het gebied van cyberbeveiliging in de eenheden ingebouwd om bescherming te bieden tegen opzettelijk kwaad (hacken) en goedbedoelde maar onzorgvuldige activiteiten door personeel of contractors. Deze beveiligingen omvatten accountbeheer, inclusief gebruikersverificatie en -autorisatie, en meerdere lagen wachtwoordbeveiliging. Er zijn ook opzettelijke beperkingen op verschillende poorten, functies en bronnen.

Beveiliging op een hoger niveau omvat diepgaande, proactieve verdedigingen om cyberbeveiligingsgerelateerde gebeurtenissen te beheren, inclusief gedetailleerde activiteitenlogboeken met tijd- en gebruikersstempels. De authenticiteit van de geïnstalleerde firmware en eventuele upgrades wordt verbeterd door digitaal ondertekende firmware en cryptografische sleutels. Dit zorgt ervoor dat bij elke inschakelcyclus geldige firmware wordt gebruikt.

Mens-machine-interface

Naast uitgebreide connectiviteit moeten veel softstartinstallaties ook voorzien zijn van directe en directe toegankelijkheid voor de operator. Deze toegankelijkheid begint met een basisinitiatie RUN en STOP via discrete, goed zichtbare en duidelijk gelabelde schakelaars op of nabij de motor of installatie. Deze worden vaak verplicht gesteld door regelgevende veiligheidsnormen.

Om deze vereisten te implementeren, kunnen de ATS480-eenheden bekabeld worden met twee onafhankelijke run- en stopschakelaars of een enkele run/stop (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De softstarter kan bekabeld worden voor twee onafhankelijke stop- en runknoppen of één schakelaar in een dubbele rol. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Voor eenvoudige setup, run en interrogation kunnen ontwerpers de achtregelige VW3A1113 tekstdisplayterminal gebruiken (afbeelding 4). Met behulp van de beschikbare RJ45-connector kan deze terminal worden aangesloten en gemonteerd op de voorkant van de softstarter of worden gemonteerd op een behuizingsdeur met behulp van een accessoire voor montage op afstand.

Afbeelding 4: De tekstdisplayterminal VW3A1113 wordt op de softstarter aangesloten met de meegeleverde RJ45-connector en ondersteunt basisfuncties voor setup, run en interrogation. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Deze meertalige eenheid (Engels, Frans, Spaans, Italiaans, Duits en Chinees, met andere talen beschikbaar via download) vereist een wachtwoord om in te loggen om de veiligheid van het systeem te garanderen. Eenmaal aangesloten kan de eenheid worden gebruikt om:

• de softstarter te bedienen, af te stellen en te configureren
• de huidige waarden van motor-, ingang/uitgang- en machinegegevens weer te geven
• configuraties op te slaan en te downloaden
• de configuratie van een ingeschakelde softstarter te dupliceren op een andere softstarter die ook ingeschakeld is

Voor meer geavanceerde diagnose, besturing, bewaking en bestandsbeheer kunnen de Device Type Manager (DTM) en SoMove-software van Schneider worden gebruikt in combinatie met een grafische terminalopstelling op een pc.

Vermogen dicteert verpakking, vormfactor

Hoewel de eenheden in de Altivar Soft Starter ATS480-familie dezelfde functies, mogelijkheden, gebruikersinterfaces en connectiviteit bieden, verschillen ze in hun vermogensniveaus. Dit dicteert de juiste verpakking en vormfactor, wat gemakkelijk te zien is als je kijkt naar de eenheden in de serie met het laagste en hoogste vermogen.

De ATS480D17Y (afbeelding 5, links) is geschikt voor het voeden en regelen van driefasige wisselstroommotoren met een stroom van 17 A op een netvoedingslijn van 208 tot 690 V_AC en werkt met een regelvoeding van 110 tot 230 V_AC. Deze eenheid is 275 millimeter (mm) hoog, 160 mm breed, 8 mm diep en weegt bijna 5 kilogram (kg).

Afbeelding 5: De kleinste (links) en grootste (rechts) eenheden in de Altivar Soft Starter ATS480-familie zijn functioneel vergelijkbaar, maar omvatten een groot bereik wat betreft stroom- en gewichtsspecificaties. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

De ATS480M12Y (afbeelding 5, rechts) is daarentegen berekend op een veel krachtiger 1200 A met een netvoedingslijn van 208 tot 690 V_AC en gebruikt een regelvoeding van 110 tot 230 V_AC. Hoewel de kenmerken en functies bijna identiek zijn aan die van de 17A-eenheid is hij veel groter (890 mm hoog, 770 mm breed en 329 mm diep) en weegt hij 115 kg.

Conclusie

Softstarters vormen een essentiële schakel tussen de meerfasige wisselstroomlijn en middelgrote tot grotere driefasige wisselstroommotoren, waar ze inschakelstromen beheren. De Altivar Soft Starter ATS480-serie van Schneider Electric ondersteunt motoren van 17 A tot 1200 A met uitgebreide netwerkconnectiviteit en verbeterde cyberbeveiliging. Ook bieden ze verschillende functies om de prestaties, veiligheid en betrouwbaarheid te verbeteren.