Jakie są typy przemysłowych napędów silnikowych o nastawnej prędkości

Norma 61800 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) wyróżnia dwa typy elektrycznych układów napędowych (PDS) o nastawnej prędkości, przeznaczonych do zastosowań przemysłowych. Norma 61800-1 dotyczy układów napędowych (PDS) prądu stałego, natomiast norma 61800-2 ma zastosowanie do układów napędowych (PDS) prądu zmiennego. Termin „układ napędowy” (PDS) odnosi się do całego zespołu napędu i silnika.

W innych sekcjach normy 61800 omawiane są metody badań, wymagania bezpieczeństwa związane z warunkami termicznymi i energetycznymi, bezpieczeństwo funkcjonalne, wymagania elektryczne i środowiskowe dla enkoderów, interfejsów elektrycznych oraz pomiarów parametrów działania. Najnowsza część, IEC 61800-9, omawia ekoprojekt układów silnikowych, w tym określanie i klasyfikację sprawności energetycznej.

Mimo, że norma IEC 61800 definiuje układy napędowe (PDS) prądu zmiennego i stałego, istnieją również definicje ogólne napędów o zmiennej prędkości (VSD) i napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) w zastosowaniach przemysłowych. Norma IEC 61800 odnosi się do zasilanych z sieci układów napędowych (PDS) podłączonych do napięć dochodzących do 1,5kV_~ przy częstotliwości 50Hz lub 60Hz. Odnosi się ona również do napięć wejściowych prądu stałego w układach z zasilaniem bateryjnym, takich jak przemysłowe autonomiczne roboty mobilne (AMR), które wykorzystują napędy o nastawnej prędkości. Z zakresu normy IEC 61800 wyłączone są napędy pojazdów trakcyjnych i elektrycznych.

W niniejszym artykule przedstawiono pokrótce typowe definicje napędów o zmiennej prędkości (VSD) i napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) oraz wyjaśniono, z czego wynika powszechne wykorzystanie napędów o zmiennej częstotliwości. Dodatkowo artykuł zawiera przeglądu klas sprawności zdefiniowanych w normie IEC 61800-9 dla napędów prądu zmiennego oraz analizę przykładowych, zasilanych z sieci napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) firm Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric czy Omron Automation. Kończy się bliższym spojrzeniem na wykorzystanie napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) w autonomicznych robotach mobilnych (AMR) i innych systemach z zasilaniem bateryjnym na przykładzie systemu firmy MEAN WELL.

Standardowa definicja napędu o zmiennej częstotliwości brzmi następująco: „napęd, który wykorzystuje zmiany częstotliwości do sterowania prędkością silnika, co sprawia, że jest przydatny w przypadku silników prądu zmiennego”. Z kolei napęd o zmiennej prędkości (VSD) zmienia napięcie w celu sterowania silnikiem, dzięki czemu nadaje się zarówno do silników prądu zmiennego, jak i stałego.

Ale to nie jest takie proste. Do sterowania prędkością silników mogą być używane oba typy napędów. W rezultacie czasami napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) nazywa się napędami o zmiennej prędkości (VSD). Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) mogą być używane z bezszczotkowymi silnikami prądu stałego (BLDC). Ściśle rzecz biorąc, nie ograniczają się one do silników prądu zmiennego. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) mogą współpracować z różnymi silnikami, takimi jak:

• Indukcyjne (IM) lub asynchroniczne silniki prądu zmiennego, które są szeroko stosowane w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ charakteryzują się samoczynnym rozruchem, niezawodnością i ekonomiką.
• Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) są silnikami prądu zmiennego o wysokiej sprawności i umożliwiają precyzyjne sterowanie momentem obrotowym oraz prędkością w wysokoparametrowych zastosowaniach wymagających wysokiej sprawności energetycznej.
• W zastosowaniach wymagających wysokiej sprawności i precyzyjnego sterowania są również używane silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC), które zwykle charakteryzują się długim okresem użytkowania.
• Serwosilniki mogą być zasilane prądem zmiennym lub stałym i charakteryzują się szybkim reagowaniem o wysokiej precyzji. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) ze specjalistycznymi algorytmami sterowania mogą być używane z serwosilnikami w robotach, maszynach sterowanych numerycznie (CNC) i tym podobnych zastosowaniach.
• Do zastosowań wymagających stałej prędkości i precyzyjnej synchronizacji odpowiednie są silniki synchroniczne (SM) prądu zmiennego. Podczas gdy sterowanie prędkością silników synchronicznych (SM) wymaga napędu o zmiennej częstotliwości (VFD), ich pracę ze stałą prędkością umożliwiają też inne (tańsze) opcje napędów.

W przypadku napędów o zmiennej częstotliwości stosuje się różne algorytmy sterowania, które zwiększają ich uniwersalność. Na przykład istnieją cztery podstawowe typy algorytmów sterowania napędami o zmiennej częstotliwości (VFD) tylko dla silników indukcyjnych: V/f, V/f z enkoderem, wektorowe w pętli otwartej i wektorowe w pętli zamkniętej. Wszystkie one wykorzystują modulację szerokości impulsu i zapewniają różne poziomy kontroli nad prędkością i momentem obrotowym.

O znaczeniu napędów o zmiennej częstotliwości w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych świadczy opracowanie normy IEC 61800-9, która koncentruje się na napędach o zmiennej częstotliwości i powiązanych z nimi silnikowymi układami napędowymi w kontekście ich sprawności i ekoprojektu.

Podstawowy moduł napędowy (BDM), kompletny moduł napędowy (CDM) oraz układ napędowy (PDS)

O napędach o zmiennej częstotliwości (VFD) norma IEC 61800-9 mówi w dwóch sekcjach. Część 1 opisuje metodologię określania wskaźnika sprawności energetycznej lub wartości odniesienia. W części 2 wyszczególniono metody oceny sprawności w oparciu o szereg klasyfikacji.

Chociaż sprawność napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), zwanych w normie IEC 61800-9 podstawowymi modułami napędowymi (BDM) jest ważna, norma ta nie skupia się na niej przede wszystkim. Ma ona szerszy zakres i dotyczy kompletnych modułów napędowych (CDM), które składają się z przemiennika częstotliwości (VFD), sekcji zasilającej oraz wejściowych i wyjściowych urządzeń pomocniczych (takich jak filtry i dławiki), a także układu napędowego (PDS), który składa się z kompletnego modułu napędowego (CDM) oraz silnika (ilustracja 1).

Ilustracja 1: klasy sprawności wg normy IEC 61800-9 dotyczą kompletnych modułów napędowych (CDM) (czarny obszar) i układów napędowych (PDS) (czerwony obszar) w układach o zmiennej częstotliwości (VFD). (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Klasy sprawności kompletnych modułów napędowych (CDM)

Zdefiniowano międzynarodowe klasy sprawności (IE) kompletnych modułów napędowych (CDM): od IE0 do IE2. Są one określane przez porównanie całkowitych strat dla kompletnych modułów napędowych (CDM) z parametrami referencyjnego kompletnego modułu napędowego (RCDM). Klasy IE dla kompletnych modułów napędowych (CDM) zostały definiowane w odniesieniu do punktu pracy 90, 100 przy użyciu 90% częstotliwości stojana silnika i 100% prądu dla danego momentu obrotowego, aby uniknąć nadmiernej modulacji i zapewnić porównywalność pomiarów parametrów działania napędów różnych producentów.

Parametry działania referencyjnego kompletnego modułu napędowego (RCDM) definiuje się jako IE1. Kompletny moduł napędowy (CDM) o stratach niższych o ponad 25% od referencyjnego kompletnego modułu napędowego (RCDM) jest klasyfikowany jako IE2, a kompletny moduł napędowy (CDM) o stratach wyższych o 25% jest klasyfikowany jako IE0. Referencyjny kompletny moduł napędowy (RCDM) umożliwia również porównanie zużycia energii z przeciętnym kompletnym modułem napędowym (CDM) w ośmiu wstępnie zdefiniowanych punktach pracy (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50 ), (50, 100), (90, 50) oraz (90, 100) (ilustracja 2).

Ilustracja 2: punkty pracy i klasy sprawności dla kompletnego modułu napędowego (CDM) wg normy IEC 61800-9. (Źródło ilustracji: Siemens)

Klasy sprawności układów napędowych (PDS)

Klasy międzynarodowego systemu sprawności (IES) układów napędowych (PDS) są podobne do klas IE dla kompletnych modułów napędowych (CDM) i mają oznaczenia od IES0 do IES2. Opierają się one na referencyjnym układzie napędowym (RPDS) i odzwierciedlają sprawność zespołu tworzonego przez kompletny moduł napędowy (CDM) i silnik.

Dopasowanie silnika i kompletnego modułu napędowego (CDM) do wymagań konkretnego zastosowania zapewnia większe możliwości optymalizacji ogólnej sprawności. Optymalizacja sprawności znajduje odzwierciedlenie w wyższej klasyfikacji IES. Podobnie jak referencyjny kompletny moduł napędowy (RCDM), również referencyjny układ napędowy (RPDS) umożliwia porównanie zużycia energii z przeciętnym technologicznie układem napędowym (PDS) w ośmiu wstępnie zdefiniowanych punktach pracy.

Punkty pracy są oparte na procentach momentu obrotowego i procentach prędkości, a wartość IES jest obliczana na podstawie 100% momentu obrotowego i 100% prędkości - wartości te stanowią punkt pracy (100, 100).

Zamiast stosowania 25% zmian jak w przypadku klas IE, klasy IES bazują na zmianach 20%. Układ napędowy (PDS) o klasie sprawności IES2 ma ponad 20% niższe straty, a taki o klasie IES0 ma straty o ponad 20% wyższe niż urządzenie referencyjne, które ma zdefiniowaną klasę IES1 (ilustracja 3).

Ilustracja 3: punkty pracy i klasy sprawności dla układu napędowego (PDS) wg normy IEC 61800-9. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Przykłady napędów o zmiennej częstotliwości (VFD)

Producenci napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) nie zawsze podają sprawność w oparciu o normę 61800-9. Dzieje się tak, ponieważ najprostszy pomiar sprawności z wykorzystaniem normy IEC 61800-9 dotyczy kompletnego modułu napędowego (CDM), który składa się z napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) oraz licznych dodatkowych komponentów, w tym sekcji zasilającej oraz wejściowych i wyjściowych urządzeń pomocniczych. Zastosowanie określonych dodatkowych komponentów jest poza kontrolą producentów napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), a norma 61800-9 nie dotyczy bezpośrednio samych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD).

Niektórzy producenci napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) dostosowali metodologię z normy 61800-9 do swoich potrzeb. W przypadku stwierdzenia zgodności z klasą IE2, dane są podawane w różnych formatach, na przykład jako wykresy, tabele i pliki Excel.

Na przykład firma Siemens w przypadku swoich napędów SINAMICS V20 stosuje metodologię z normy IEC 61800-9 i określa dla nich klasę sprawności IE2 (ilustracja 4). Wspomniane napędy są oferowane w dziewięciu rozmiarach ram, od 0,16 do 40KM. Napędy te zostały zoptymalizowane pod kątem podstawowych układów napędowych w zastosowaniach produkcyjnych i procesowych, takich jak pompy, wentylatory, sprężarki i przenośniki. Liczne komponenty opcjonalne obejmują filtry wejściowe, dławiki wejściowe i wyjściowe, rezystory hamujące itp.

Ilustracja 4: kompletny moduł napędowy (CDM) o klasie sprawności IE2 i mocy 7,5kW, który charakteryzuje się stratami niższymi o 36,1% w porównaniu z przemiennikiem referencyjnym (90% / 100%). Wartości procentowe pokazują straty w stosunku do mocy znamionowej napędu podstawowego bez komponentów opcjonalnych. (Źródło ilustracji: Siemens)

Firma Delta Electronics również dostosowała metodologię z normy 61800-9 i podaje sprawność IE2 dla swoich kompaktowych napędów z serii MS300 o mocach 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 oraz 12,2kVA. Dane są wyszczególnione w formie tabeli, a nie wykresu. Seria MS300 obejmuje napędy o mocy od 0,2 do 22kW (ilustracja 5). Napędy te posiadają kilka wbudowanych funkcji, w tym funkcję sterownika PLC do programowania, komunikację MODBUS, gniazdo komunikacyjne obsługujące dodatkowe protokoły oraz port USB do przekazywania i pobierania danych.

Ilustracja 5: seria MS300 firmy Delta Electronics obejmuje napędy o mocy od 0,2 do 22kW. (Źródło ilustracji: Delta Electronics)

Firma Omron podaje, że jej „napędy o zmiennej prędkości z wejściem trójfazowym”, takie jak napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) z serii MX2 spełniają wymagania sprawności podane dla klasy IE2. Wspomniana firma podaje dane z badań w postaci pliku Excel. Napędy MX2 są dostępne w mocach znamionowych od 0,1 do 2,2kW dla jednofazowego napięcia wejściowego 200V, od 0,1 do 15,0kW dla trójfazowego napięcia wejściowego 200V oraz od 0,4 do 15,0kW dla trójfazowego napięcia wejściowego 400V. Napędy te są przeznaczone do silników indukcyjnych (IM) oraz silników z magnesami trwałymi (PM) i umożliwiają płynne sterowanie od prędkości zerowej przy rozruchowym momencie obrotowym 200% przy częstotliwości 0,5Hz.

Podczas gdy inni producenci napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) koncentrują się na sekcjach 1 i 2 normy IEC 61800-9, firma Schneider Electric stosuje bardziej holistyczne podejście i opisuje sposób integracji swoich napędów z odpowiednim silnikiem w celu spełnienia wymogów dyrektywy w sprawie ekoprojektu oraz sekcji 3 normy IEC 61800-9, która określa ilościowe podejście do ekoprojektu z wykorzystaniem równoważenia ekologicznego, z uwzględnieniem przepisów dotyczących kategorii produktów i powiązanych deklaracji środowiskowych.

Grupa napędów Altivar Machine ATV320 tej firmy obejmuje napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) o stopniu ochrony IP20 oraz IP6x o mocy od 0,18 do 15kW (0,25 do 20KM) do trójfazowych silników synchronicznych, asynchronicznych, silników z magnesami trwałymi (PM) oraz silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) ze sterowaniem w pętli otwartej. Napędy te charakteryzują się następującymi funkcjami:

• Dokładność momentu obrotowego i prędkości przy niskich prędkościach oraz wysokie parametry dynamiczne dzięki sterowaniu wektorem strumienia bez użycia czujnika
• Obsługa silników wysokiej częstotliwości
• Zintegrowane funkcje zapewniające zgodność z normami bezpieczeństwa funkcjonalnego

A co z autonomicznymi robotami mobilnymi (AMR)?

Autonomiczne roboty mobilne (AMR) również wykorzystują napędy o zmiennej częstotliwości (VFD), choć są to napędy innego typu. Dobrym przykładem jest seria przemysłowych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) wykorzystujących silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) firmy MEAN WELL. Są one zgodne z odpowiednimi sekcjami normy IEC 61800, takimi jak wymagania dotyczące bezpieczeństwa 61800-5-1 oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) 61800-3. Jednak omawiane napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) nie są napędami w obudowach, więc kategorie sprawności 61800-9 nie mają zastosowania.

Omawiana seria napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) obejmuje osiem modeli z wejściami prądu stałego i zmiennego o mocy od 150 do 750W. Model VFD-350P-48 działa przy napięciu wejściowym 48V₌ w zastosowaniach z zasilaniem bateryjnym, takich jak autonomiczne roboty mobilne (AMR), o mocy do 350W i prądzie wyjściowym 20A.

Omawiany napęd wykorzystujący silnik bezszczotkowy prądu stałego (BLDC) o mocy 350W jest umieszczony na karcie o wymiarach 4"x 2", a jego bezwentylatorowa konstrukcja wytrzymuje szczytowe obciążenia 200% przez 5 sekund (ilustracja 6). Wszystkie modele napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) zawierają tylko sekcję napędową i wymagają zewnętrznej karty sterującej. Firma MEAN WELL oferuje również opcjonalną kartę sterującą.

Ilustracja 6: schemat blokowy sekcji napędowej napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) (po lewej) i sekcji napędowej gotowej do instalacji w autonomicznych robotach mobilnych (AMR) (po prawej). (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Podsumowanie

Dostępne są różne konstrukcje napędów o zmiennej prędkości (VSD) do zastosowań przemysłowych, w tym do sterowania maszynami i autonomicznymi robotami mobilnymi (AMR). Mogą one obsługiwać zarówno silniki prądu zmiennego, jak i stałego oraz charakteryzują się różnymi poziomami zgodności z sekcjami normy IEC 61800. Ponadto, ponieważ parametry działania poszczególnych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) nie są przedmiotem normy IEC 61800-9, istnieje kilka różnych podejść do raportowania parametrów działania względem wspomnianych norm sprawności. Niektórzy producenci napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) koncentrują się na sekcjach 1 i 2, podając poziomy sprawności napędów o zmiennej częstotliwości, takie jak IE2. Inni natomiast koncentrują się na sekcji 3, która dotyczy ogólnych zagadnień dotyczących ekoprojektu, w tym przepisów dotyczących kategorii produktów i powiązanych deklaracji środowiskowych.