Dette er de forskjellige typene industrimotordrivere med justerbar hastighet

IEC-standarden (IEC – International Electrotechnical Commission) 61800 anerkjenner to typer elektriske motordriftsystemer (PDS – power drive system) med justerbar hastighet for industrielle utrustninger. 61800-1 gjelder motordriftsystemer (PDS-er) med likestrøm (DC), og 61800-2 gjelder motordriftsystemer med vekselstrøm (AC). Begrepet PDS gjelder for hele systemet, som omfatter drivenhet og motor.

Andre deler av 61800 tar for seg testmetoder, sikkerhetskrav knyttet til varme- og energitilstander, funksjonssikkerhet, elektriske og miljømessige krav til pulsgivere, elektriske grensesnitt og ytelsesmålinger. Den nyeste delen, IEC 61800-9, omhandler økodesign for motorsystemer, som omfatter fastsettelse og klassifisering av energieffektivitet.

Selv om IEC 61800 definerer motordriftsystemer (vekselstrøm og likestrøm) med justerbar hastighet, finnes det også generelle definisjoner for drivenheter med variabel hastighet (VSD – variable speed drive) og drivenheter med variabel frekvens (VFD – variable frequency drive) i industrielle utrustninger. IEC 61800 gjelder for nettstrømdrevne motordriftsystemer koblet til opptil 1,5 kV_AC 50 Hz eller 60 Hz. Dette gjelder også DC-inngangsspenninger for batteridrevne systemer som industrielle autonome mobile roboter (AMR) som bruker drivenheter med justerbar hastighet. Drivenheter i kjøretøy med mekanisk og elektrisk trekkraft er ekskludert fra IEC 61800.

Denne artikkelen presenterer kort de vanlige definisjonene til VSD-er og VFD-er, og ser på hvorfor VFD-er er så mye brukt. Den gjennomgår deretter virkningsgradklassene som er definert i IEC 61800-9 for AC-drivenheter, og ser på typiske strømnettdrevne VFD-er fra Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric, Omron Automation. Den avslutter med å se på bruken av VFD-er i autonome mobile roboter og andre batteridrevne systemer ved hjelp av et eksempelsystem fra MEAN WELL.

Standarddefinisjonen for en VFD: En drivenhet som bruker endringer i frekvens til å styre motorhastighet. Dette gjør dem nyttige i bruk med vekselstrømsmotorer. Samtidig vil en VSD variere spenningen for å styre motoren, noe som gjør den nyttig for bruk med både vekselstrøms- og likestrømsmotorer.

Det er imidlertid ikke så enkelt som det høres ut. Begge typer drivenheter kan brukes til å styre motorhastigheten. Som et resultat brukes noen ganger begrepet VSD for VFD-er. VFD-er kan brukes med børsteløse likestrømsmotorer (BLDC-er), så strengt tatt er de ikke begrenset til vekselstrømsmotorer. VFD-er er egnet for bruk med en rekke motorer, for eksempel:

• Induksjonsmotorer (IM), eller asynkrone vekselstrømsmotorer, brukes ofte i industrielle utrustninger siden de er selvstartende, pålitelige og økonomiske.
• Permanentmagnet-synkronmotorer (PMSM) er svært effektive vekselstrømsmotorer, og de kan muliggjøre nøyaktig styring av dreiemoment og hastighet i høyytelsesutrustninger som krever høy energieffektivitet.
• Børsteløse likestrømsmotorer brukes også i utrustninger som krever høy virkningsgrad og nøyaktig styring og som vanligvis har lang levetid.
• Servomotorer kan drives med enten vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC), og støtter raske responser med høy nøyaktighet. VFD-er med spesialiserte styringsalgoritmer kan brukes med servomotorer i roboter, CNC-maskiner og lignende utrustninger.
• Synkrone vekselstrømsmotorer (SM-er) er egnet for utrustninger som krever konstant hastighet og nøyaktig synkronisering. Mens VFD-er kan styre hastigheten til synkrone vekselstrømsmotorer, kan andre (billigere) drivenhetalternativer støtte drift med konstant hastighet.

Det er en rekke styringsalgoritmer som brukes med VFD-er som øker allsidigheten deres. Det finnes for eksempel fire primære VFD-styringsalgoritmetyper kun for induksjonsmotorer: volt-per-Hertz (V/f), V/f med pulsgiver, åpen-sløyfe-vektor og lukket-sløyfe-vektor. Alle bruker pulsbreddemodulasjon og gir forskjellige nivåer av styring over hastighet og dreiemoment.

Viktigheten av VFD-er i et bredt spekter av industrielle utrustninger demonstreres i utviklingen av IEC 61800-9, som er fokusert på virkningsgrad og økodesign av VFD-er og relaterte motordriftsystemer.

BDM, CDM og PDS

Det er to avsnitt i IEC 61800-9 som er relatert til VFD-er. Avsnitt 1 beskriver metodikken for å fastsette energieffektivitetsindeksen eller -referansen til en utrustning. Avsnitt 2 beskriver metoder for å evaluere virkningsgraden basert på en serie klassifiseringer.

Selv om virkningsgraden til VFD-er, kalt grunnleggende drivenhetmoduler (BDM – basic drive module) i IEC 61800-9, er viktig, er ikke dette hovedfokuset i standarden. Standarden har et bredere grunnlag og tar i betraktning komplette drivenhetmoduler (CDM – complete drive module) som består av en frekvensomformer (VFD-en), en matedel og inn- og utgangsenheter (f.eks. filtre og drosler), og på motordriftsystemet (PDS) som består av CDM-en pluss motoren (figur 1).

Figur 1: IEC 61800-9-virkningsgradklasser gjelder for CDM-en (svart del) og PDS-en (rød del) i VFD-systemer. (Bildekilde: Schneider Electric)

CDM-virkningsgradklasser

CDM internasjonale virkningsgradklasser er definert fra IE0 til IE2. De fastsettes ved å sammenligne det totale tapet til CDM-en med ytelsen til en referanse-CDM (RCDM). IE-klasser for CDM-er er definert relativt til 90, 100-driftspunktet ved å bruke 90 % motorstatorfrekvens og 100 % dreiemomentstrøm for å unngå overmodulasjon og sikre sammenlignbarhet av ytelsesmålingene til drivenheter fra forskjellige produsenter.

Ytelsen til RCDM-en er definert som IE1. En CDM med mer enn 25 % lavere tap enn RCDM-en, er klassifisert som IE2, og en CDM med mer enn 25 % høyere tap enn RCDM-en, er klassifisert som IE0. RCDM-en gjør det også mulig å sammenligne energiforbruket med en CDM som har gjennomsnittlig teknologi, ved åtte forhåndsdefinerte 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 -virkningsgradklasser. (Bildekilde: Siemens)

PDS-virkningsgradklasser

PDS-klasser for internasjonalt virkningsgradsystem (IES – international efficiency system) er som CDM IE-klassene, og er definert som IES0 til IES2. De er basert på en referanse-PDS (RPDS) og gjenspeiler virkningsgraden til hele drivenhetmodulen pluss motoren.

Ved å samsvare den kombinerte motoren og CDM-en til de spesifikke utrustningskravene, oppnås større potensial for generell virkningsgradoptimalisering. Denne virkningsgradoptimaliseringen gjenspeiles i en høyere IES-klassifisering. I likhet med RCDM-en, gjør RPDS-en det mulig å sammenligne energiforbruket med en gjennomsnittlig PDS-teknologi ved åtte forhåndsdefinerte driftspunkter.

Driftspunktene er basert på en prosentandel av dreiemomentet og en prosentandel av hastigheten, og IES-verdien beregnes basert på 100 % dreiemoment og 100 % hastighet, som er (100, 100)-driftspunktet.

I stedet for å bruke 25 %-endringene i IE-klassene, er IES-klasser basert på 20 %-endringer. En PDS med virkningsgradklasse IES2 har mer enn 20 % lavere tap, og en PDS i klasse IES0 har mer enn 20 % høyere tap enn RPDS-ytelsen definert som IES1 (figur 3).

Figur 3: IEC 61800-9 PDS-driftspunkter og -virkningsgradklasser. (Bildekilde: Schneider Electric)

VFD-eksempler

VFD-produsenter rapporterer ikke alltid virkningsgrad basert på 61800-9. Dette er fordi den enkleste virkningsgradmålingen som bruker IEC 61800-9 er for CDM-en, som består av VFD-en (frekvensomformer) pluss en rekke tilleggskomponenter, deriblant matedelen og inn- og utgangsenheter. Bruken av spesifikke tilleggskomponenter er utenfor VFD-produsentenes kontroll, og 61800-9 gjelder ikke direkte for VFD-er.

Noen VFD-produsenter har tatt i bruk 61800-9-metodikken. Når IE2-samsvar kreves, rapporteres dataene i ulike formater, deriblant skjemaer, tabeller og Excel-filer.

For eksempel bruker Siemens IEC 61800-9-metodikken med SINAMICS V20-drivenhetene sine, og rapporterer disse som virkningsgradklasse IE2 (figur 4). Disse drivenhetene tilbys i ni rammestørrelser, som spenner fra 0,16 til 40 hestekrefter. Disse drivenhetene er optimalisert for grunnleggende drivenhetsystemer i produksjons- og prosessutrustninger som pumper, vifter, kompressorer og transportbånd. Mange valgfrie komponenter omfatter inngangsfiltre, inngangs- og utgangsreaktorer, bremsemotstander og så videre.

Figur 4: 7,5 kW CDM med virkningsgradklasse IE2 som har 36,1 % lavere tap sammenlignet med referanseomformeren (90 % / 100 %). Prosentandelene viser tapene i forhold til den nominelle effekten til den grunnleggende drivenheten uten tilleggskomponenter. (Bildekilde: Siemens)

Delta Electronics har også tatt i bruk 61800-9-metodikken, og de rapporterer IE2-virkningsgrad for de kompakte drivenhetene sine i MS300-serien på 1,7; 3,0; 4,2; 6,6; 9,9 og 12,2 kVA. Dataene er detaljert i tabellformat i stedet for et skjema. MS300-serien omfatter drivenheter fra 0,2 til 22 kW (figur 5). Disse drivenhetene har flere integrerte funksjoner, inkludert en programmerbar logisk styring (PLS) for programmering, MODBUS-kommunikasjon, et kommunikasjonsspor som kan støtte ekstra protokoller og en USB-port for opplasting og nedlasting av data.

Figur 5: Delta Electronics MS300-serien omfatter drivenheter fra 0,2 til 22 kW. (Bildekilde: Delta Electronics)

Omron rapporterer at deres «drivenheter med variabel hastighet og med tre faser», for eksempel VFD-er i MX2-serien, oppfyller kravene til IE2-virkningsgrad. Selskapet tilbyr testdataene som en Excel-fil. MX2-drivenheter er tilgjengelige med klassifiseringer fra 0,1 til 2,2 kW for 200 V enfaset inngang, 0,1 til 15,0 kW for 200 V trefaset inngang og 0,4 til 15,0 kW for 400 V trefaset inngang. Disse drivenhetene er konstruert for IM- og PM-motorer, og de støtter jevn styring ned til nullhastighet med 200 % startmoment ved 0,5 Hz.

Mens andre VFD-produsenter fokuserer på avsnitt 1 og 2 i IEC 61800-9, tar Schneider Electric en mer helhetlig tilnærming og beskriver hvordan de kan integrere drivenhetene med den riktige motoren for å oppfylle direktivet om økodesign, og avsnitt 3 i IEC 61800-9 som beskriver en kvantitativ tilnærming til økodesign ved å bruke økobalansering, inkludert forskrifter for produktkategorier og relaterte miljødeklarasjoner.

Selskapets Altivar Machine ATV320-familie av drivenheter inkluderer IP20- og IP6x-klassifiserte VFD-er fra 0,18 til 15 kW (0,25 til 20 hk) for trefasede synkrone og asynkrone motorer og PM- og BLDC-motorer i åpen-sløyfe-styring, og omfatter funksjoner som:

• Lavhastighets dreiemoment og hastighetsnøyaktighet og høy dynamisk ytelse ved å bruke fluksvektorstyring uten noen sensor
• Støtte for høyfrekvente motorer
• Integrerte funksjoner for samsvar med standarder for funksjonssikkerhet

Hva med AMR-er?

AMR-er bruker VFD-er, men de bruker en annen type VFD. VFD-serien med industrielle BLDC-motordrivenheter fra MEAN WELL er et godt eksempel. De oppfyller de relevante delene i IEC 61800, for eksempel 61800-5-1-sikkerhetskrav og 61800-3-kravene til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Disse VFD-ene er imidlertid ikke pakkede drivenheter, så virkningsgradkategoriene i 61800-9 gjelder ikke.

VFD-serien omfatter åtte modeller med DC- og AC-inngangsversjoner som spenner fra 150 til 750 W. VFD-350P-48-modellen er virksom med en inngang på 48 V_DC for batteridrevne utrustninger som AMR-er, og den kan forsyne opptil 350 W med en utgangsstrøm på 20 A.

Denne BLCD-driveren på 350 W er integrert på et kretskort på 10 x 5 cm (4x2 tommer), og den vifteløse konstruksjonen kan støtte toppbelastninger på 200 % i 5 sekunder (figur 6). Alle modellene i VFD-serien omfatter bare drivenheten, og de krever et eksternt styringskort. MEAN WELL tilbyr også et valgfritt styringskort.

Figur 6: Blokkskjema for en VFD-strømdel for drivenheten (VFD drive power section) (venstre) og strømdelen som er klar for installasjon i en AMR (høyre). (Bildekilde: MEAN WELL)

Konklusjon

Ulike drivenhetkonstruksjoner med justerbar hastighet er tilgjengelige for industrielle utrustninger, inkludert maskinstyringer og AMR-er. De kan støtte både vekselstrøms- og likestrømsmotorer, og de har varierende grad av samsvar med avsnitt i IEC 61800. I tillegg, siden ytelsen til individuelle VFD-er ikke er et fokus i IEC 61800-9, er det flere forskjellige tilnærminger til rapportering av ytelse relativt til disse virkningsgradstandardene. Noen VFD-produsenter fokuserer på avsnitt 1 og 2 og rapporterer VFD-virkningsgradsnivåer som IE2. Andre fokuserer imidlertid på avsnitt 3, som er relatert til overordnede hensyn til økodesign, inkludert forskrifter for produktkategorier og relaterte miljødeklarasjoner.