Vilka är de olika typerna av industriella motorstyrningar med justerbar hastighet?

Standarden IEC 61800 omfattar två typer av varvtalsreglerande elektriska drivsystem (PDS) för industriella tillämpningar. 61800-1 gäller för drivsystem med likström och 61800-2 gäller för drivsystem med växelström. Termen drivsystem gäller hela systemet med drivenhet och motor.

Andra avsnitt i 61800 behandlar testmetoder, säkerhetskrav relaterade till värme- och energiförhållanden, driftsäkerhet, elektriska krav och miljökrav för kodare, elektriska gränssnitt och prestandamätningar. Den nyaste delen, IEC 61800-9, omfattar miljömässigt hållbar utformning av motorsystem, inklusive konstaterande och klassificering av verkningsgrad.

Även om IEC 61800 definierar reglerbara drivsystem för växel- och likström finns det även allmänna definitioner för varvtalsreglerare (VSD) och frekvensomriktare (VFD) som används för industriella tillämpningar. IEC 61800 gäller för nätanslutna drivsystem som är anslutna till upp till 1,5 kV_AC med 50 eller 60 Hz. Det gäller även för inspänningen för batteridrivna system med likström, som t.ex. industriella autonoma mobila robotar (AMR) som använder frekvensomriktare. Drivsystem för drivmotorer och elfordon omfattas inte av IEC 61800.

Artikeln presenterar kortfattat de vanligaste definitionerna för varvtalsreglerare och frekvensomriktare och varför frekvensomriktare används i så stor utsträckning. Därefter granskas klassificeringarna för verkningsgrad för drivsystem med växelström som definieras i IEC 61800-9 och visar exempel på nätanslutna frekvensomriktare från Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric och Omron Automation. Avslutningsvis granskas användningen av frekvensomriktare i autonoma mobila robotar och andra batteridrivna system med hjälp av ett exempelsystem från MEAN WELL.

Standarddefinitionen för en frekvensomriktare är ett drivsystem som ändrar frekvensen för att styra motorns varvtal, vilket gör dem användbara tillsammans med växelströmsmotorer. En varvtalsreglerare reglerar spänningen för att styra motorn, vilket gör den användbar för både växel- och likströmsmotorer.

Men det är inte riktigt så enkelt. Båda typerna av drivsystem kan användas för att reglera motorns varvtal. Därför används ibland termen varvtalsreglerare för frekvensomriktare. Frekvensomriktare kan användas för borstlösa likströmsmotorer (BLDC) och är inte begränsade till en växelströmsmotor. Frekvensomriktare är lämpliga för användning med en mängd olika motorer, som t.ex:

• Induktionsmotorer (IM), eller asynkrona växelströmsmotorer, som ofta används i industriella tillämpningar eftersom de är självstartande, tillförlitliga och ekonomiskt fördelaktiga.
• Synkronmotorer med permanentmagneter (PMSM) är växelströmsmotorer med hög verkningsgrad som möjliggör exakt styrning av vridmoment och varvtal i krävande tillämpningar som kräver hög verkningsgrad.
• Borstlösa likströmsmotorer används även i tillämpningar som kräver hög verkningsgrad och exakt styrning och de har vanligtvis lång livslängd.
• Servomotorer kan vara för växel- eller likström och har korta svarstider och hög precision. Frekvensomriktare med specialiserade styralgoritmer kan användas för servomotorer i robotar, CNC-maskiner och liknande tillämpningar.
• Synkrona växelströmsmotorer (SM) lämpar sig för tillämpningar som kräver konstant hastighet och exakt synkronisering. Frekvensomriktare kan styra varvtalet på synkrona växelströmsmotorer, men andra (billigare) alternativ kan stödja drift med konstant hastighet.

Det finns en mängd olika styralgoritmer som används för frekvensomriktare och ökar mångsidigheten. Det finns till exempel fyra primära typer av styralgoritmer för frekvensomriktare för induktionsmotorer: volt per Hertz (V/f), V/f med kodare och vektor med öppen respektive sluten slinga. Alla använder pulsbreddsmodulering och tillhandahåller olika nivåer för styrning av varvtal och vridmoment.

Frekvensomriktarnas betydelse för många industriella tillämpningar framgår av utvecklingen av standarden IEC 61800-9 som fokuserar på verkningsgrad och miljömässigt hållbar utformning av frekvensomriktare och relaterade drivsystem för motorer.

Basdrivmoduler, kompletta drivmoduler och drivsystem

Det finns två avsnitt i IEC 61800-9 som är relaterade till frekvensomriktare. I del 1 beskrivs tillvägagångssättet för att fastställa ett index för tillämpningens verkningsgrad eller en referens. I del 2 beskrivs metoder för att utvärdera verkningsgraden baserat på en serie klassificeringar.

Även om verkningsgraden hos frekvensomriktare, som kallas basdrivmoduler (Basic Drive Module) i IEC 61800-9, är viktig är den inte standardens primära fokus. Standarden omfattar mer och tar hänsyn till kompletta drivmoduler (CDM) som består av en frekvensomriktare, en matningsdel och hjälpfunktioner för in- och utmatning (som t.ex. filter och drosslar) och även för drivsystem som består av kompletta drivmoduler plus motor (figur 1).

Figur 1: Klassificeringarna för verkningsgrad enligt IEC 61800-9 gäller för den kompletta drivmodulen (svart ram) och drivsystemet (röd ram) i ett frekvensomriktarsystem. (Bildkälla: Schneider Electric)

Klassificering av verkningsgrad för kompletta drivmoduler

Den internationella klassificeringen för verkningsgraden (IE) för kompletta drivmoduler definieras från IE0 till IE2. De fastställs genom att jämföra den kompletta drivmodulens totala förlust med prestandan hos en referensenhets kompletta drivmodul (RCDM). IE-klassificeringen för kompletta drivmoduler definieras i förhållande till driftspunkten 90, 100 med 90 % statorfrekvens för motorn och 100 % ström för vridmomentet för att undvika övermodulering och garantera överensstämmelse med prestandamätningar mellan olika tillverkare av frekvensomriktare.

Prestandan för referensenhetens kompletta drivmodul definieras som IE1. En komplett drivmodul med mer än 25 % lägre förluster jämfört med referensenhetens kompletta drivmodul klassificeras som IE2 och en komplett drivmodul med mer än 25 % högre förluster än referensenhetens kompletta drivmodul klassificeras som IE0. Referensenhetens drivmodul möjliggör även en jämförelse av energiförbrukningen mot en genomsnittlig teknisk komplett drivmodul vid åtta fördefinierade driftpunkter (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) och (90, 100) (figur 2).

Figur 2: Driftpunkter och klassificeringar för kompletta drivmodulers verkningsgrad enligt IEC 61800-9. (Bildkälla: Siemens)

Klassificeringar av drivsystemets verkningsgrad

Drivsystemens IES-klassificeringar (International Efficiency System) liknar IE-klassificeringarna för kompletta drivmoduler och definieras som IES0 till IES2. De baseras på ett referensdrivsystem (RPDS) och återspeglar verkningsgraden för hela drivmodulen plus motorn.

Genom att para ihop den kombinerade motorn och den kompletta drivmodulen för de specifika tillämpningskraven får man större möjligheter att optimera den totala verkningsgraden. Optimering av verkningsgrad återspeglas i en högre IES-klassificering. I likhet med referensenheten för kompletta drivmoduler möjliggör referensdrivsystemet en jämförelse av energiförbrukningen för ett genomsnittligt tekniskt drivsystem vid åtta fördefinierade driftpunkter.

Driftpunkterna baseras på en procentuell andel av vridmomentet och en procentuell del av varvtalet, och värdet för IES beräknas baserat på 100 % vridmoment respektive 100 % varvtal, vilket är driftpunkten (100, 100).

I stället för att använda IE-klassificeringarnas förändringar på 25 % baseras IES-klassificeringarnas förändringar på 20 %. Ett drivsystem med IES2-klassificering för verkningsgraden har mer än 20 % lägre förluster, och ett drivsystem med klassificeringen IES0 har mer än 20 % högre förluster än referensdrivsystemet som definieras som IES1 (figur 3).

Figur 3: Driftpunkter och klassificeringar för drivsystemets verkningsgrad enligt standarden IEC 61800-9. (Bildkälla: Schneider Electric)

Exempel på frekvensomriktare

Tillverkare av frekvensomriktare redovisar inte alltid verkningsgraden utifrån standarden 61800-9. Det beror på att den enklaste mätningen av verkningsgraden enligt standarden IEC 61800-9 är för en komplett drivmodul som består av en frekvensomriktare plus flertalet ytterligare komponenter, inklusive matningsdelen och hjälpenheter för in- och utmatning. Användningen av övriga specifika komponenter ligger utanför tillverkarnas kontroll och 61800-9 gäller inte enbart för frekvensomriktare.

Vissa tillverkare av frekvensomriktare har anpassat tillvägagångssättet enligt standarden 61800-9. När man hävdar överensstämmelse enligt IE2 redovisas uppgifterna i olika format, inklusive diagram, tabeller och Excel-filer.

Siemens använder exempelvis tillvägagångssättet enligt IEC 61800-9 för sina frekvensomriktare i serien SINAMICS V20 och redovisar verkningsgrad IE2 enligt klassificeringen (figur 4). Frekvensomriktarna finns i nio olika ramstorlekar, från 0,16 till 40 hk. Frekvensomriktarna har optimerats för grundläggande drivsystem i tillverknings- och processtillämpningar som t.ex. pumpar, fläktar, kompressorer och transportband. Bland de många tillvalskomponenterna finns ingångsfilter, in- och utgångsreaktorer, bromsresistorer och så vidare.

Figur 4: Komplett drivmodul med IE2-klassificeringen för 7,5 kW som har 36,1 % lägre förluster jämfört med referensomriktaren (90/100 %). Procentsatserna visar förlusterna i förhållande till den nominella effekten för basdrivmodulen utan tillvalskomponenter. (Bildkälla: Siemens)

Delta Electronics har även de anpassat sig till tillvägagångssätten för standarden 61800-9 och redovisar verkningsgraden IE2 för sina små frekvensomriktare i serien MS300 för 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 och 12,2 kVA. Uppgifterna redovisas i tabellform i stället för i diagramform. Serien MS300 omfattar frekvensomriktare från 0,2 till 22 kW (figur 5). Frekvensomriktarna har flera inbyggda funktioner, bland annat en PLC-funktion (programmerbar logisk styrenhet) för programmering, MODBUS-kommunikation, en kommunikationsplats som kan stödja ytterligare protokoll och en USB-port för inläsning och hämtning av data.

Figur 5: Serien MS300 från Delta Electronics innefattar frekvensomriktare på 0,2 till 22 kW. (Bildkälla: Delta Electronics)

Omron redovisar att deras "varvtalsreglerare för tre faser", som t.ex. frekvensomriktare i produktserien MX2, uppfyller IE2-klassificeringen för verkningsgrad. Företaget tillhandahåller testdata som en Excel-fil. Frekvensomriktarna MX2 finns med effekter från 0,1 till 2,2 kW för 200 V och en fas, 0,1 till 15,0 kW för 200 V och tre faser och 0,4 till 15,0 kW för 400 V och tre faser. Frekvensomriktarna är konstruerade för induktionsmotorer och motorer med permanentmagnet och har en jämn styrning ner till noll i varvtal med 200 % vridmoment för start vid 0,5 Hz.

Medan andra tillverkare av frekvensomriktare fokuserar på avsnitt 1 och 2 i IEC 61800-9, har Schneider Electric ett mer holistiskt synsätt och beskriver hur man integrerar frekvensomriktare från dem med lämplig motor för att uppfylla ecodesign-direktivet och avsnitt 3 i IEC 61800-9 som beskriver en kvantitativ strategi för miljövänligt hållbar utformning, med hjälp av balanserade miljökrav, inklusive bestämmelser för produktkategorier och relaterade miljödeklarationer.

Företagets produktsortiment av drivsystem, Altivar Machine ATV320, omfattar IP20- och IP6x-klassificerade frekvensomriktare från 0,18 till 15 kW (0,25 till 20 hk) för trefas synkrona och asynkrona motorer med permanentmagnet och borstlösa likströmsmotorer för öppen styrning och innehåller funktioner som t.ex.:

• Noggrannhet i vridmoment och hastighet vid låga varvtal samt hög dynamisk prestanda med flödesvektorstyrning utan givare
• Stöd för motorer med höga frekvenser
• Integrerade funktioner för överensstämmelse med standarder för funktionell säkerhet

Hur fungerar autonoma mobila robotar?

Autonoma mobila robotar använder frekvensomriktare, men en annan typ av frekvensomriktare. Den industriella serien av frekvensomriktare för borstlösa motorer från MEAN WELL är ett bra exempel. De uppfyller relevanta avsnitt i IEC 61800, som t.ex. säkerhetskraven i 61800-5-1 och kraven på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) i 61800-3. Frekvensomriktarna är dock inte paketerade drivsystem, så kategorierna för verkningsgrad i 61800-9 är inte tillämpliga.

Frekvensomriktarserien omfattar åtta modeller med versioner för lik- och växelström i storlekar från 150 till 750 W. Modellen VFD-350P-48 arbetar med en inspänning på 48 V_DC för batteridrivna tillämpningar, som t.ex. autonoma mobila robotar, och kan leverera upp till 350 W och 20 A ström.

Drivsystemet för borstlösa likströmsmotorer på 350 W är monterat på ett kretskort med måtten 10 x 5 cm och konstruktionen utan fläkt klarar toppbelastningar på 200 % i 5 sekunder (figur 6). Alla modeller i serien av frekvensomriktare innehåller endast kraftdelen och kräver ett externt styrkort. MEAN WELL har även ett styrkort som tillval.

Figur 6: Blockschema över kraftdelen i en frekvensomriktare (vänster) och kraftdelen klar för installation i en autonom mobil robot (höger). (Bildkälla: MEAN WELL)

Sammanfattning

För industriella tillämpningar finns olika konstruktioner för varvtalsreglerare, bland annat för maskinstyrning och autonoma mobila robotar. De kan stödja både växel- och likströmsmotorer och har varierande nivåer av överensstämmelse med delar av IEC 61800. Eftersom IEC 61800-9 inte fokuserar på enskilda frekvensomriktares prestanda finns det dessutom flera olika sätt att redovisa prestanda på i förhållande till standarderna för verkningsgrad. Vissa tillverkare av frekvensomriktare fokuserar på avsnitt 1 och 2 och redovisar frekvensomriktarnas verkningsgrader som IE2. Andra fokuserar däremot på avsnitt 3, som handlar om övergripande överväganden om miljömässigt hållbar utformning, inklusive bestämmelser för produktkategorier och tillhörande miljödeklarationer.