Jaké jsou různé typy průmyslových motorových pohonů s nastavitelnými otáčkami

Norma 61800 Mezinárodní elektrotechnické komise („International Electrotechnical Commission“, IEC) rozeznává dva typy elektrických pohonných systémů („power drive systems“, PDS) s nastavitelnými otáčkami pro průmyslové aplikace. Pro stejnosměrný („direct current“, DC) pohon PDS platí norma 61800-1 a pro střídavý („alternating current“, AC) pohon PDS platí norma 61800-2. Termín PDS se vztahuje na celý systém měniče a motoru.

Další oddíly normy 61800 pojednávají o zkušebních metodách, bezpečnostních požadavcích týkajících se tepelných a energetických podmínek, funkční bezpečnosti, elektrických požadavcích a požadavcích ohledně prostředí na kodéry, elektrických rozhraních a měření výkonu. Nejnovější část, IEC 61800-9, pokrývá ekodesign motorových systémů, včetně stanovení a klasifikace energetické účinnosti.

Zatímco norma IEC 61800 definuje AC a DC PDS s nastavitelnými otáčkami, existují také obecné definice pro pohony s proměnnými otáčkami („variable speed drive“, VSD) a pohony s proměnnou frekvencí („variable frequency drive“, VFD) v průmyslových aplikacích. Norma IEC 61800 platí pro PDS napájené ze sítě a připojené k napětí až do 1,5 kV_AC 50 Hz nebo 60 Hz. Platí také pro stejnosměrná vstupní napětí pro systémy napájené bateriemi, jako jsou průmyslové autonomní mobilní roboty („autonomous mobile robot“, AMR), které používají pohony s nastavitelnými otáčkami. Na trakční a elektrické pohony vozidel se norma IEC 61800 nevztahuje.

V tomto článku jsou stručně představeny běžné definice VSD a VFD a zkoumáno, proč jsou VFD široce používány. Poté se článek zabývá třídami účinnosti definovanými v normě IEC 61800-9 pro AC pohony a zvažuje příklady VFD napájených ze sítě od společností Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric a Omron Automation a v závěru se článek věnuje použití VFD v AMR a dalších systémech napájených bateriemi na příkladu systému od společnosti MEAN WELL.

Standardní definice VFD je, že je to měnič, který využívá změny frekvence k řízení otáček motoru, což je užitečné u AC motorů. Zároveň VSD mění napětí pro regulaci motoru, což je užitečné pro AC i DC motory.

Jenže ono to není tak úplně jednoduché. Oba typy měničů lze použít k regulaci otáček motorů. V důsledku toho se někdy termín VSD používá pro VFD. VFD lze použít s bezkartáčovými stejnosměrnými motory („brushless DC motor“, BLDC). Přísně vzato nejsou omezeny na AC motory. VFD jsou vhodné pro použití s různými motory, jako jsou:

• Indukční („induction motor“, IM) nebo asynchronní AC motory jsou široce používány v průmyslových aplikacích, protože jsou samočinné, spolehlivé a hospodárné.
• Synchronní motory s permanentními magnety („permanent magnet synchronous motor“, PMSM) jsou vysoce účinné střídavé motory a mohou umožnit přesnou regulaci točivého momentu a otáček ve vysoce výkonných aplikacích, které vyžadují vysokou energetickou účinnost.
• BLDC se také používají v aplikacích, které vyžadují vysokou účinnost a přesnou regulaci a obvykle mají dlouhou provozní životnost.
• Servomotory mohou být AC nebo DC a podporují rychlé a vysoce přesné odezvy. VFD se specializovanými řídicími algoritmy lze použít se servomotory v robotech, počítačově číslicově řízených („computer numerically controlled“, CNC) strojích a podobných aplikacích.
• Synchronní AC motory („synchronous motor“, SM) jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují konstantní rychlost a přesnou synchronizaci. Zatímco VFD mohou řídit otáčky SM, jiné (levnější) varianty pohonů mohou podporovat provoz s konstantními otáčkami.

S VFD se používají různé řídicí algoritmy, které zvyšují jejich všestrannost. Například jen pro indukční motory existují čtyři primární typy řídicích algoritmů VFD: volty na Hz (U/f), U/f se snímačem, vektor s otevřenou smyčkou a vektor s uzavřenou smyčkou. Všechny využívají pulzně-šířkovou modulaci a poskytují různé úrovně regulace otáček a točivého momentu.

Význam VFD v širokém spektru průmyslových aplikací dokládá vývoj normy IEC 61800-9, která je zaměřena na účinnost a ekodesign VFD a souvisejících systémů motorových pohonů.

BDM, CDM a PDS

V normě IEC 61800-9 jsou dva oddíly týkající se VFD. V části 1 je vymezena metodologie pro stanovení indexu nebo referenční hodnoty energetické účinnosti aplikace. V části 2 jsou podrobně popsány metody hodnocení účinnosti na základě řady klasifikací.

Ačkoli je účinnost VFD, v normě IEC 61800-9 nazývaných moduly základního pohonu („basic drive module“, BDM), důležitá, není primárním cílem normy. Norma má širší základ a bere v úvahu moduly úplného pohonu („complete drive module“, CDM), které se skládají z frekvenčního měniče (VFD), napájecí části a vstupních a výstupních pomocných zařízení (jako jsou filtry a tlumivky) a ze systému výkonového pohonu („power drive system“, PDS), který sestává z CDM a motoru (obrázek 1).

Obrázek 1: Třídy účinnosti podle normy IEC 61800-9 platí pro CDM (černá část) a PDS (červená část) v systémech VFD. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Třídy účinnosti CDM

Mezinárodní třídy účinnosti („international efficiency“, IE) CDM jsou definovány od IE0 do IE2. Určují se porovnáním celkové ztráty CDM s výkonem referenčního CDM („reference CDM“, RCDM). Třídy IE jsou pro CDM definovány vzhledem k provoznímu bodu 90, 100 s použitím 90 % frekvence statoru motoru a 100 % proudu momentu, aby se zabránilo přemodulování a zajistila se srovnatelnost měření výkonu měničů různých výrobců.

Výkonnost RCDM je definována jako IE1. CDM s o více než 25 % nižšími ztrátami než RCDM je klasifikován jako IE2 a CDM s o více než 25 % vyššími ztrátami než RCDM je klasifikován jako IE0. RCDM také umožňuje srovnání spotřeby energie s průměrnou technologií CDM v osmi předem definovaných provozních bodech (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) a (90, 100) (obrázek 2).

Obrázek 2: Provozní body a třídy účinnosti CDM podle normy IEC 61800-9. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Třídy účinnosti PDS

Třídy mezinárodního systému účinnosti („international efficiency system“, IES) PDS jsou jako třídy IE CDM a jsou definovány jako IES0 až IES2. Jsou založeny na referenčním PDS („reference PDS“, RPDS) a odrážejí účinnost celého modulu pohonu plus motoru.

Přizpůsobení kombinovaného motoru a CDM konkrétním požadavkům aplikace poskytuje větší potenciál pro celkovou optimalizaci účinnosti. Tato optimalizace účinnosti se odráží ve vyšší klasifikaci IES. Stejně jako RCDM umožňuje i RPDS srovnání spotřeby energie s průměrnou technologií PDS v osmi předem definovaných provozních bodech.

Provozní body jsou založeny na procentech točivého momentu a procentech otáček a hodnota IES se vypočítá na základě 100 % točivého momentu a 100 % otáček, což je provozní bod (100, 100).

Namísto použití 25% změn tříd IE jsou třídy IES založeny na 20% změnách. PDS s třídou účinnosti IES2 má o více než 20 % nižší ztráty a PDS třídy IES0 má o více než 20 % vyšší ztráty než výkon RPDS definovaný jako IES1 (obrázek 3).

Obrázek 3: Provozní body a třídy účinnosti PDS podle normy IEC 61800-9. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Příklady VFD

Výrobci VFD neuvádějí účinnost podle normy 61800-9 vždy. Je to proto, že nejjednodušší měření účinnosti podle normy IEC 61800-9 se týká CDM, který se skládá z VFD (frekvenčního měniče) a mnoha dalších součástek, včetně napájecí části a vstupních a výstupních pomocných zařízení. Použití konkrétních přídavných součástek je mimo kontrolu výrobců VFD a norma 61800-9 se nevztahuje přímo na VFD.

Někteří výrobci VFD metodiku normy 61800-9 přizpůsobili. Pokud je deklarována shoda s IE2, jsou údaje uváděny v různých formátech, včetně grafů, tabulek a souborů aplikace Excel.

Například společnost Siemens využívá metodiku normy IEC 61800-9 u svých měničů SINAMICS V20 a uvádí je jako třídu účinnosti IE2 (obrázek 4). Tyto měniče jsou nabízeny v devíti velikostech rámu, v rozmezí od 0,16 do 40 koní. Tyto měniče byly optimalizovány pro základní pohonné systémy ve výrobních a procesních aplikacích, jako jsou čerpadla, ventilátory, kompresory a dopravníky. Mezi četné volitelné součástky patří vstupní filtry, vstupní a výstupní tlumivky, brzdové rezistory a tak dále.

Obrázek 4: Třída účinnosti IE2 7,5kW CDM, který má o 36,1 % nižší ztráty ve srovnání s referenčním měničem (90 % / 100 %). Procenta ukazují ztráty ve vztahu k jmenovitému výkonu základního měniče bez volitelných součástek. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Společnost Delta Electronics metodiku normy 61800-9 také upravila a pro své 1,7-, 3,0-, 4,2-, 6,6-, 9,9- a 12,2kVA kompaktní měniče řady MS300 uvádí účinnost IE2. Údaje jsou podrobně popsány v tabulkovém formátu, nikoli jako graf. Řada MS300 zahrnuje měniče od 0,2 do 22 kW (obrázek 5). Tyto měniče mají několik vestavěných funkcí, včetně funkce programovatelného logického automatu („programmable logic controller“, PLC) pro programování, komunikace MODBUS, komunikačního slotu, který může podporovat další protokoly, a portu USB pro nahrávání a stahování dat.

Obrázek 5: Řada MS300 společnosti Delta Electronics obsahuje měniče o výkonu 0,2 až 22 kW. (Zdroj obrázku: společnost Delta Electronics)

Společnost Omron uvádí, že její „pohony s proměnnými otáčkami s třífázovým vstupem“, jako jsou například VFD řady MX2, splňují požadavky na účinnost IE2. Společnost poskytuje data z testů jako soubor aplikace Excel. Měniče MX2 jsou k dispozici s výkonem od 0,1 do 2,2 kW pro jednofázový vstup 200 V, 0,1 až 15,0 kW pro třífázový vstup 200 V a 0,4 až 15,0 kW pro třífázový vstup 400 V. Tyto měniče jsou určeny pro motory IM a PM a podporují plynulou regulaci až do nulových otáček s rozběhovým momentem 200 % při 0,5 Hz.

Zatímco ostatní výrobci VFD se zaměřují na oddíly 1 a 2 normy IEC 61800-9, společnost Schneider Electric zaujímá holističtější přístup a popisuje, jak integrovat své pohony s vhodným motorem, aby splňovaly požadavky směrnice o ekodesignu a oddílu 3 normy IEC 61800-9, který vymezuje kvantitativní přístup k ekodesignu prostřednictvím ekologické bilance včetně předpisů pro kategorie výrobků a souvisejících prohlášení o ochraně životního prostředí.

Řada měničů Altivar Machine ATV320 této společnosti zahrnuje VFD s krytím IP20 a IP6x od 0,18 do 15 kW (0,25 až 20 k) pro třífázové synchronní, asynchronní, PM a BLDC motory v řízení s otevřenou smyčkou a zahrnuje funkce jako například:

• Přesnost točivého momentu a otáček při nízkých otáčkách a vysoký dynamický výkon při použití vektorového řízení toku bez snímače
• Podpora vysokofrekvenčních motorů
• Integrované funkce pro splnění norem funkční bezpečnosti

A co AMR?

AMR používají VFD, ale jiný typ VFD. Dobrým příkladem je řada VFD průmyslových pohonů BLDC motorů od společnosti MEAN WELL. Splňují příslušné oddíly normy IEC 61800, jako jsou bezpečnostní požadavky 61800-5-1 a požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu („electromagnetic compatibility“, EMC) 61800-3. Tyto VFD však nejsou pohony v pouzdru, takže kategorie účinnosti podle normy 61800-9 se na ně nevztahují.

Řada VFD zahrnuje osm modelů ve verzích s DC a AC vstupem v rozsahu od 150 do 750 W. Model VFD-350P-48 pracuje se vstupem 48 V_DC pro aplikace s napájením bateriemi, jako jsou AMR, a může dodávat až 350 W a 20 A výstupního proudu.

Tento 350W ovladač BLCD je v pouzdru na obvodové kartě o rozměrech 4" × 2" a jeho konstrukce bez ventilátoru dokáže podporovat 200% špičkové zatížení po dobu 5 sekund (obrázek 6). Všechny modely řady VFD obsahují pouze výkonovou část měniče a vyžadují externí řídicí kartu. Společnost MEAN WELL nabízí také volitelnou ovládací kartu.

Obrázek 6: Blokové schéma výkonové části měniče VFD (vlevo) a výkonové části připravené k instalaci do AMR (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost MEAN WELL)

Závěr

Pro průmyslové aplikace jsou k dispozici různé konstrukce pohonů s nastavitelnými otáčkami, včetně řízení strojů a AMR. Mohou podporovat AC i DC motory a mají různé úrovně shody s oddíly normy IEC 61800. Vzhledem k tomu, že výkonnost jednotlivých VFD není předmětem normy IEC 61800-9, existuje kromě toho ve vztahu k těmto normám účinnosti několik různých přístupů k vykazování výkonnosti. Někteří výrobci VFD se zaměřují na oddíly 1 a 2 a uvádějí úrovně účinnosti VFD jako IE2. Jiní se naopak zaměřují na oddíl 3, který souvisí s celkovými aspekty ekodesignu, včetně předpisů pro kategorie výrobků a souvisejících prohlášení o ochraně životního prostředí.