Hvad er de forskellige typer af industrielle motordrev med justerbar hastighed?

Den internationale elektrotekniske kommissions (IEC) standard 61800 anerkender to typer elektriske drevsystemer (power drive systems/PDS) med justerbar hastighed til industrielle anvendelser. 61800-1 gælder for jævnstrøms- (DC) PDS, og 61800-2 gælder for vekselstrøms- (AC) PDS. Betegnelsen PDS gælder for hele systemet med drev plus motor.

Andre afsnit i 61800 omhandler testmetoder, sikkerhedskrav i forbindelse med termiske- og energiforhold, funktionel sikkerhed, elektriske og miljømæssige krav til enkodere, elektriske grænseflader og præstationsmålinger. Den nyeste del, IEC 61800-9, dækker ecodesign for motorsystemer, herunder bestemmelse og klassificering af energieffektivitet.

Mens IEC 61800 definerer vekselstrøms - og jævnstrøms-PDS'er med justerbar hastighed, er der også generelle definitioner for drev med variabel hastighed (variable speed drive/VSD'er) og drev med variabel frekvens (variable frequency drive/VFD'er) i industrielle anvendelser. IEC 61800 gælder for netforsynede PDS'ere, der er tilsluttet op til 1,5 kV_AC 50 Hz eller 60 Hz. Det gælder også jævnstrømsindgangsspændinger til batteriforsynede systemer som industrielle, autonome mobile robotter (AMR'er), der anvender justerbare hastighedsdrev. Drev til trækkraft og elektriske køretøjer er ikke omfattet af IEC 61800.

Denne artikel præsenterer kort de almindelige definitioner af VSD'er og VFD'er og ser på, hvorfor VFD'er er meget udbredte. Derefter gennemgås de effektivitetsklasser, der er defineret i IEC 61800-9 for vekselstrømsdrev, og der ses på eksempler på netforsynede VFD'er fra Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric, Omron Automation, og der sluttes af med at se på brugen af VFD'er i AMR'er og andre batteriforsynede systemer ved hjælp af et eksempel på et system fra MEAN WELL.

Standarddefinitionen af en VFD er et drev, der bruger ændringer i frekvensen til at styre motorhastigheden, hvilket gør dem nyttige med vekselstrømsmotorer. Samtidig varierer en VSD-spændingen for at styre motoren, hvilket gør den anvendelig til både vekselstrøms- og jævnstrømsmotorer.

Men helt så enkelt er det ikke. Begge typer drev kan bruges til at styre motorers hastighed. Derfor bruges betegnelsen VSD nogle gange om VFD'er. VFD'er kan bruges med børsteløse jævnstrømsmotorer (brushless DC motor/BLDC); strengt taget er de ikke begrænset til vekselstrømsmotorer. VFD'er er egnede til brug med en række forskellige motorer som f.eks.:

• induktionsmotorer (IM) eller asynkrone vekselstrømsmotorer bruges i vid udstrækning i industrien, da de er selvstartende, pålidelige og økonomiske.
• synkronmotorer med permanent magnet (PMSM) er højeffektive vekselstrømsmotorer og kan muliggøre præcis styring af drejningsmoment og hastighed i højtydende anvendelser, der kræver høj energieffektivitet.
• BLDC'er bruges også i anvendelser, der kræver høj effektivitet og præcis styring, og som typisk har lang levetid.
• Servomotorer kan være til vekselstrøm eller jævnstrøm og understøtter hurtige reaktioner med høj præcision. VFD'er med specialiserede kontrolalgoritmer kan bruges sammen med servomotorer i robotter, numerisk styrede maskiner (computer numerically controlled/CNC) og lignende anvendelser.
• Synkrone vekselstrømsmotorer (SM) er velegnede til anvendelser, der kræver konstant hastighed og præcis synkronisering. Mens VFD'er kan styre hastigheden på SM'er, kan andre (billigere) drevmuligheder understøtte drift med konstant hastighed.

Der er en række forskellige styringsalgoritmer, der bruges med VFD'er, som øger deres alsidighed. For eksempel er der fire primære typer VFD-styringsalgoritmer kun til induktionsmotorer: volt-per-Hertz (V/f), V/f med enkoder, åbensløjfevektor og lukketsløjfevektor. Alle bruger pulsbreddemodulation og giver forskellige niveauer af styring over hastighed og drejningsmoment.

VFD'ernes betydning i en lang række industrielle anvendelser fremgår af udviklingen af IEC 61800-9, som fokuserer på effektivitet og økodesign af VFD'er og relaterede motordrevssystemer.

BDM, CDM og PDS

Der er to afsnit i IEC 61800-9, som er relateret til VFD'er. 1. del beskriver metoden til bestemmelse af en anvendelses energieffektivitetsindeks eller -reference. 2. del beskriver metoder til evaluering af effektivitet baseret på en række klassifikationer.

Selvom effektiviteten af VFD'er, som i IEC 61800-9 kaldes grundlæggende drevmoduler (basic drive module/BDM), er vigtig, er det ikke standardens primære fokus. Standarden er mere bredt funderet og tager højde for komplette drevmoduler (complete drive modules/CDM'er), der består af en frekvensomformer (VFD'en), en fødesektion og indgangs- og udgangshjælpemidler (som filtre og drosselspoler), og for PDS’et, der består af CDM'en plus motoren (figur 1).

Figur 1: IEC 61800-9-effektivitetsklasser gælder for CDM (sort sektion) og PDS (rød sektion) i VFD-systemer. (Billedkilde: Schneider Electric)

CDM-effektivitetsklasser

CDM's internationale effektivitetsklasser (IE) er defineret fra IE0 til IE2. De bestemmes ved at sammenligne CDM'ens samlede tab med ydeevnen for en reference-CDM (RCDM). IE-klasser for CDM'er defineres i forhold til 90, 100-driftspunktet ved hjælp af 90 % motorstatorfrekvens og 100 % drejningsmomentstrøm for at undgå overmodulation og sikre sammenlignelighed af ydelsesmålingerne for drev fra forskellige producenter.

RCDM'ens ydeevne er defineret som IE1. En CDM med mere end 25 % lavere tab end RCDM'en klassificeres som IE2, og en CDM med mere end 25 % højere tab end RCDM'en klassificeres som IE0. RCDM gør det også muligt at sammenligne energiforbruget med en gennemsnitlig CDM-teknologi ved otte foruddefinerede driftspunkter (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) og (90, 100) (figur 2).

Figur 2: IEC 61800-9 CDM-driftspunkter og effektivitetsklasser. (Billedkilde: Siemens)

PDS-effektivitetsklasser

PDS' internationale effektivitetssystem (IES) ligner CDM's IE-klasser og er defineret som IES0 til IES2. De er baseret på en reference-PDS (RPDS) og afspejler effektiviteten af det komplette drivmodul plus motoren.

Ved at matche den kombinerede motor og CDM til de specifikke anvendelses krav får man et større potentiale for at optimere den samlede effektivitet. Denne effektivitetsoptimering afspejles i en højere IES-klassificering. Ligesom RCDM gør RPDS det muligt at sammenligne energiforbruget med en gennemsnitlig teknologisk PDS ved otte foruddefinerede driftspunkter.

Driftspunkterne er baseret på en procentdel af drejningsmomentet og en procentdel af hastigheden, og IES-værdien beregnes ud fra 100 % drejningsmoment og 100 % hastighed, hvilket er driftspunktet (100, 100).

I stedet for at bruge de 25 % ændringer i IE-klasserne er IES-klasserne baseret på 20 % ændringer. En PDS med effektivitetsklasse IES2 har mere end 20 % lavere tab, og en PDS i klasse IES0 har mere end 20 % højere tab end RPDS-ydelsen, der er defineret som IES1 (figur 3).

Figur 3: IEC 61800-9 PDS-driftspunkter og effektivitetsklasser. (Billedkilde: Schneider Electric)

Eksempler på VFD'er

VFD-producenter rapporterer ikke altid effektivitet baseret på 61800-9. Det skyldes, at den enkleste effektivitetsmåling ved hjælp af IEC 61800-9 er for CDM'en, som består af VFD'en (frekvensomformeren) plus adskillige yderligere komponenter, inklusive fødesektionen og indgangs- og udgangshjælpeenheder. Brugen af specifikke ekstra komponenter ligger uden for VFD-producenternes kontrol, og 61800-9 gælder ikke direkte for VFD'er.

Nogle VFD-producenter har tilpasset 61800-9-metoden. Når der kræves IE2-overensstemmelse, rapporteres dataene i forskellige formater, herunder diagrammer, tabeller og Excel-filer.

For eksempel bruger Siemens IEC 61800-9-metoden med sine SINAMICS V20-drev og rapporterer dem som værende i effektivitetsklasse IE2 (figur 4). Disse drev tilbydes i ni rammestørrelser, der spænder fra 0,16 til 40 hestekræfter (hk). Disse drev er optimeret til grundlæggende drevsystemer i produktions- og procesanvendelser, som pumper, ventilatorer, kompressorer og transportbånd. De mange valgfrie komponenter inkluderer indgangsfiltre, indgangs- og udgangsreaktorer, bremsemodstande og så videre.

Figur 4: effektivitetsklasse IE2 7,5 kW CDM, der har 36,1 % lavere tab sammenlignet med referencekonverteren (90 % / 100 %). Procenterne viser tabene i forhold til den nominelle effekt for basisdrevet uden valgfri komponenter. (Billedkilde: Siemens)

Delta Electronics har også tilpasset 61800-9-metoden og rapporterer IE2-effektivitet for sine kompakte drev i MS300-serien på 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 og 12,2 kVA. Dataene er beskrevet i et tabelformat i stedet for som et diagram. MS300-serien inkluderer frekvensomformere fra 0,2 til 22 kW (figur 5). Disse drev har flere indbyggede funktioner, herunder en programmerbar logik-kontroller (programmable logic controller/PLC) -funktion til programmering, MODBUS-kommunikation, et kommunikationsslot, der kan understøtte yderligere protokoller, og en USB-port til upload og download af data.

Figur 5: Delta Electronics' MS300-serie inkluderer frekvensomformere fra 0,2 til 22 kW. (Billedkilde: Delta Electronics)

Omron meddeler, at deres "frekvensomformere med trefaset indgang", som VFD'erne i MX2-serien, opfylder kravene til IE2-effektivitet. Virksomheden leverer testdataene som en Excel-fil. MX2-drev fås med nominelle værdier fra 0,1 til 2,2 kW for 200 V enfaset indgang, 0,1 til 15,0 kW for 200 V trefaset indgang og 0,4 til 15,0 kW for 400 V trefaset indgang. Disse drev er designet til IM- og PM-motorer og understøtter glidende styring ned til nul hastighed med 200 % startmoment ved 0,5 Hz.

Mens andre VFD-producenter fokuserer på afsnit 1 og 2 i IEC 61800-9, tager Schneider Electric en mere holistisk tilgang og beskriver, hvordan man integrerer sine frekvensomformere med den passende motor for at opfylde ecodesign-direktivet og afsnit 3 i IEC 61800-9, der beskriver en kvantitativ ecodesign-tilgang ved hjælp af økobalancering, herunder forskrifter for produktkategorier og tilhørende miljødeklarationer.

Virksomhedens Altivar Machine ATV320 -drevfamilie omfatter IP20- og IP6x-klassificerede VFD'er fra 0,18 til 15 kW (0,25 til 20 hk) til trefasede synkrone, asynkrone, PM- og BLDC-motorer i åben-sløjfe-styring og inkluderer funktioner som f.eks.:

• Drejningsmoment og hastighedsnøjagtighed ved lav hastighed og høj dynamisk ydeevne ved hjælp af fluxvektorstyring uden sensor
• Understøttelse af højfrekvens-motorer
• Integrerede funktioner til overholdelse af standarder for funktionel sikkerhed

Hvad med AMR'er?

AMR'er bruger VFD'er, men en anden type VFD. VFD-serien af industrielle BLDC-motordrev fra MEAN WELL er et godt eksempel. De overholder de relevante afsnit i IEC 61800, f.eks. 61800-5-1 sikkerhedskrav og 61800-3 krav til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Men disse VFD'er er ikke pakkede drev, så effektivitetskategorierne i 61800-9 gælder ikke.

VFD-serien inkluderer otte modeller med jævnstrøms- og vekselstrømsindgang fra 150 til 750 W. Modellen VFD-350P-48 fungerer med en indgang på 48 V_DC til batteriforsynede anvendelser som AMR'er og kan levere op til 350 W og 20 A udgangsstrøm.

Denne 350 W BLCD-driver leveres på et 4"x2" kredsløbskort, og det blæserløse design kan understøtte 200 % spidsbelastning for 5 sekunder (figur 6). Alle modellerne i VFD-serien omfatter kun effektdrevssektionen og kræver et eksternt kontrolkort. MEAN WELL tilbyder også et valgfrit kontrolkort.

Figur 6: blokdiagram over en VFD-drevkraftsektion (venstre) og strømsektionen, klar til installation i en AMR (højre). (Billedkilde: MEAN WELL)

Konklusion

Der findes forskellige design af drev med justerbar hastighed til industrielle anvendelser, herunder maskinstyringer og AMR'er. De kan understøtte både vekselstrøms- og jævnstrømsmotorer og har forskellige niveauer af overensstemmelse med dele af IEC 61800. Da IEC 61800-9 ikke fokuserer på individuelle VFD'ers ydeevne, er der desuden flere forskellige tilgange til rapportering af ydeevne i forhold til disse effektivitetsstandarder. Nogle VFD-producenter fokuserer på sektion 1 og 2 og rapporterer VFD-effektivitetsniveauer, såsom IE2. I modsætning hertil fokuserer andre på afsnit 3, som er relateret til overordnede overvejelser om miljøvenligt design, herunder forskrifter for produktkategorier og tilhørende miljødeklarationer.