Care sunt diferitele tipuri de motoare industriale cu viteză reglabilă

Standardul 61800 al Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC) recunoaște două tipuri de sisteme de acționare electrică cu viteză reglabilă (PDS) pentru aplicații industriale. 61800-1 se aplică la PDS în curent continuu (c.c.), iar 61800-2 se aplică la PDS în curent alternativ (c.a.). Termenul PDS se aplică întregului sistem de acționare plus motor.

Alte secțiuni din 61800 tratează metodele de testare, cerințele de siguranță referitoare la condițiile termice și energetice, siguranța funcțională, cerințele electrice și de mediu pentru codificatoare, interfețele electrice și măsurătorile de performanță. Cea mai recentă parte, IEC 61800-9, se referă la proiectarea ecologică a sistemelor cu motor, inclusiv determinarea și clasificarea eficienței energetice.

În timp ce IEC 61800 definește PDS c.a. și c.c. cu viteză reglabilă, există, de asemenea, definiții generale pentru acționările cu viteză variabilă (VSD) și acționările cu frecvență variabilă (VFD) în aplicații industriale. IEC 61800 se aplică la PDS alimentate de la rețea conectate la maximum 1,5 kV_c.a. 50 Hz sau 60 Hz. Se aplică, de asemenea, tensiunilor de intrare c.c. pentru sistemele alimentate cu baterii, cum ar fi roboții mobili autonomi (AMR) industriali care utilizează acționări cu viteză reglabilă. Acționările de tracțiune și ale vehiculelor electrice sunt excluse din IEC 61800.

Acest articol prezintă pe scurt definițiile comune ale VSD-urilor și VFD-urilor și analizează motivele pentru care VFD-urile sunt utilizate pe scară largă. Apoi, analizează clasele de eficiență definite în IEC 61800-9 pentru acționările c.a. și prezintă exemple de VFD-uri alimentate din rețea de la Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric, Omron Automation și se încheie cu analiza utilizării VFD-urilor în AMR-uri și alte sisteme alimentate cu baterii, folosind un exemplu de sistem de la MEAN WELL.

Definiția standard a unui VFD este o unitate care utilizează schimbările de frecvență pentru a controla viteza motorului, ceea ce le face utile pentru motoarele c.a. În același timp, un VSD variază tensiunea pentru a controla motorul, ceea ce îl face util atât pentru motoarele c.a., cât și pentru cele c.c.

Dar nu este chiar atât de simplu. Ambele tipuri de acționări pot fi utilizate pentru a controla turația motoarelor. Drept urmare, uneori, termenul VSD se aplică pentru VFD-uri. VFD-urile pot fi utilizate cu motoare c.c. fără perii (BLDC); de fapt, acestea nu sunt limitate la motoarele c.a. VFD-urile sunt potrivite pentru utilizare cu o varietate de motoare, cum ar fi:

• Motoarele de inducție (IM), sau motoarele asincrone c.a., sunt utilizate pe scară largă în aplicații industriale, deoarece pornesc în mod autonom, sunt fiabile și economice.
• Motoarele sincrone cu magnet permanent (PMSM) sunt motoare c.a. foarte eficiente și pot permite controlul precis al cuplului și al vitezei în aplicații de înaltă performanță care necesită o eficiență energetică ridicată.
• Și BLDC-urile sunt utilizate în aplicații care necesită eficiență ridicată și control precis și au, de obicei, o durată lungă de funcționare.
• Servomotoarele pot fi de curent alternativ sau continuu și permit răspunsuri rapide, de înaltă precizie. VFD-urile cu algoritmi de control specializați se pot utiliza cu servomotoare în roboți, mașini cu comandă numerică computerizată (CNC) și aplicații similare.
• Motoarele c.a. sincrone (SM) sunt potrivite pentru aplicații care necesită viteză constantă și sincronizare precisă. În timp ce VFD-urile pot controla viteza SM-urilor, alte opțiuni de acționare (cu costuri mai mici) pot susține funcționarea la viteză constantă.

Există o varietate de algoritmi de control utilizați cu VFD-urile, care le sporesc versatilitatea. De exemplu, există patru tipuri principale de algoritmi de control VFD doar pentru motoarele de inducție: volți per Hertz (V/f), V/f cu codificator, vector în buclă deschisă și vector în buclă închisă. Toate acestea utilizează modularea impulsurilor în lățime și oferă diferite niveluri de control asupra vitezei și cuplului.

Importanța VFD-urilor într-o gamă largă de aplicații industriale este evidențiată de dezvoltarea IEC 61800-9, care se concentrează pe eficiența și proiectarea ecologică a VFD-urilor și a sistemelor conexe de acționare a motoarelor.

BDM, CDM și PDS

Există două secțiuni ale IEC 61800-9 referitoare la VFD-uri. Partea 1 definește metodologia de determinare a indicelui sau a referinței de eficiență energetică a unei aplicații. Partea 2 detaliază metodele de evaluare a eficienței pe baza unei serii de clasificări.

Deși eficiența VFD-urilor, denumite module de acționare de bază (BDM) în IEC 61800-9, este importantă, aceasta nu reprezintă obiectivul principal al standardului. Standardul are o bază mai largă și ia în considerare modulele de acționare complete (CDM) care constau dintr-un invertor de frecvență (VFD), o secțiune de alimentare și dispozitive auxiliare de intrare și ieșire (cum ar fi filtre și bobine de reactanță) și sistemul de acționare electrică (PDS) care constă din CDM plus motorul (Figura 1).

Figura 1: Clasele de eficiență IEC 61800-9 se aplică la CDM (secțiunea neagră) și PDS (secțiunea roșie) în sistemele VFD. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Clasele de eficiență CDM

Clasele de eficiență internațională (IE) ale CDM sunt definite de la IE0 la IE2. Acestea sunt determinate prin compararea pierderii totale a CDM cu performanța unui CDM de referință (RCDM). Clasele IE pentru CDM sunt definite în raport cu punctul de funcționare 90, 100, folosind o frecvență a statorului motorului de 90% și un curent de cuplu de 100% pentru a evita supramodularea și a asigura comparabilitatea măsurătorilor de performanță ale acționărilor de la diferiți producători.

Performanța RCDM este definită ca IE1. Un CDM cu pierderi minime de peste 25% comparativ cu RCDM este clasificat ca IE2, iar un CDM cu pierderi maxime de peste 25% comparativ cu RCDM este clasificat ca IE0. De asemenea, RCDM permite compararea consumului de energie cu un CDM cu tehnologie medie la opt puncte de funcționare predefinite (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) și (90, 100) (Figura 2).

Figura 2: Puncte de funcționare și clase de eficiență IEC 61800-9 CDM. (Sursa imaginii: Siemens)

Clasele de eficiență PDS

Clasele sistemului internațional de eficiență (IES) pentru PDS sunt similare claselor CDM IE și sunt definite de la IES0 până la IES2. Acestea se bazează pe un PDS de referință (RPDS) și reflectă eficiența întregului modul de acționare plus motorul.

Adaptarea motorului combinat și a CDM la cerințele specifice ale aplicației oferă un potențial mai mare pentru optimizarea eficienței globale. Această optimizare a eficienței se reflectă într-o clasificare IES superioară. Ca și RCDM, RPDS permite compararea consumului de energie cu un PDF cu tehnologie medie la opt puncte de funcționare predefinite.

Punctele de funcționare se bazează pe un procent de cuplu și un procent de viteză, iar valoarea IES este calculată pe baza unui cuplu de 100% și a unei viteze de 100%, ceea ce reprezintă punctul de funcționare (100, 100).

În loc să utilizeze modificările de 25% ale claselor IE, clasele IES se bazează pe modificări de 20%. Un PDS cu o clasă de eficiență IES2 are pierderi minime de peste 20%, iar un PDS cu clasa IES0 are pierderi maxime de peste 20%, comparativ cu performanța RPDS definită ca IES1 (Figura 3).

Figura 3: Puncte de funcționare și clase de eficiență IEC 61800-9 PDS. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Exemple de VFD

Producătorii de VFD nu raportează întotdeauna eficiența pe baza 61800-9. Acest lucru se datorează faptului că cea mai simplă măsurare a eficienței utilizând IEC 61800-9 se face pentru CDM, care constă în VFD (invertor de frecvență) plus numeroase componente suplimentare, inclusiv secțiunea de alimentare și dispozitivele auxiliare de intrare și ieșire. Utilizarea componentelor suplimentare specifice este în afara controlului producătorilor de VFD-uri, iar 61800-9 nu se aplică direct VFD-urilor.

Unii producători de VFD au adaptat metodologia 61800-9. Atunci când se solicită conformitatea cu IE2, datele sunt raportate în diferite formate, inclusiv grafice, tabele și fișiere Excel.

De exemplu, Siemens utilizează metodologia IEC 61800-9 pentru acționările sale SINAMICS V20 și le raportează ca fiind din clasa de eficiență IE2 (Figura 4). Aceste acționări sunt oferite în nouă dimensiuni de cadru, variind de la 0,16 la 40 cai putere (CP). Aceste acționări au fost optimizate pentru sistemele de acționare de bază în aplicații de producție și proces, cum ar fi pompe, ventilatoare, compresoare și transportoare. Numeroasele componente opționale includ filtre de intrare, reactoare de intrare și ieșire, rezistoare de frânare și așa mai departe.

Figura 4: CDM de 7,5 kW cu clasă de eficiență IE2, care are pierderi cu 36,1% mai mici comparativ cu convertorul de referință (90%/100%). Procentele arată pierderile în raport cu puterea nominală a acționării de bază, fără componente opționale. (Sursa imaginii: Siemens)

Delta Electronics a adaptat, de asemenea, metodologia 61800-9 și raportează eficiența IE2 pentru acționările sale compacte din seria MS300 de 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 și 12,2 kVA. Datele sunt detaliate în format tabelar, în locul unui grafic. Seria MS300 include acționări de la 0,2 la 22 kW (Figura 5). Aceste acționări au mai multe caracteristici integrate, inclusiv o funcție de controler logic programabil (PLC) pentru programare, comunicare MODBUS, un slot de comunicare ce poate accepta protocoale suplimentare și un port USB pentru încărcarea și descărcarea datelor.

Figura 5: Seria MS300 de la Delta Electronics include acționări de la 0,2 la 22 kW. (Sursa imaginii: Delta Electronics)

Omron raportează că „acționările sale cu viteză variabilă cu intrare trifazată”, precum VFD-urile din seria MX2, îndeplinesc cerințele de eficiență IE2. Compania oferă datele de testare sub forma unui fișier Excel. Acționările MX2 sunt disponibile cu puteri nominale de la 0,1 la 2,2 kW pentru intrare monofazată de 200 V, de la 0,1 la 15,0 kW pentru intrare trifazată de 200 V și de la 0,4 la 15,0 kW pentru intrare trifazată de 400 V. Aceste acționări sunt proiectate pentru motoare IM și PM și permit controlul fără probleme până la viteza zero, cu un cuplu de pornire de 200% la 0,5 Hz.

În timp ce alți producători de VFD-uri se concentrează pe secțiunile 1 și 2 din IEC 61800-9, Schneider Electric adoptă o abordare mai holistică și descrie modul de integrare a acționărilor sale cu motorul adecvat pentru a respecta directiva privind proiectarea ecologică și secțiunea 3 din IEC 61800-9, care definește o abordare cantitativă a proiectării ecologice prin intermediul echilibrării ecologice, inclusiv reglementările privind categoriile de produse și declarațiile de mediu aferente.

Familia de acționări Altivar Machine ATV320 a companiei include VFD-uri clasificate IP20 și IP6x de la 0,18 la 15 kW (de la 0,25 la 20 CP) pentru motoare trifazate sincrone, asincrone, PM și BLDC cu control în buclă deschisă și include funcții precum:

• Precizia cuplului și a vitezei la viteze mici și performanțe dinamice ridicate utilizând controlul vectorial al fluxului fără senzor
• Suport pentru motoare de înaltă frecvență
• Funcții integrate pentru conformitatea cu standardele de siguranță funcțională

Cum rămâne cu AMR-urile?

AMR-urile utilizează VFD-uri, dar un tip diferit de VFD. Seria VFD de acționări industriale pentru motoare BLDC de la MEAN WELL este un bun exemplu. Acestea sunt conforme cu secțiunile relevante din IEC 61800, cum ar fi cerințele de siguranță 61800-5-1 și cerințele de compatibilitate electromagnetică (CEM) 61800-3. Cu toate acestea, aceste VFD-uri nu sunt acționări grupate, astfel încât categoriile de eficiență din 61800-9 nu se aplică.

Seria de VFD-uri include opt modele cu versiuni de intrare c.c. și c.a. de la 150 la 750 W. Modelul VFD-350P-48 funcționează cu o intrare de 48 V_c.c. pentru aplicații de alimentare cu baterii, cum ar fi AMR-urile, și poate furniza un curent de ieșire de până la 350 W și 20 A.

Acest driver BLCD de 350 W este capsulat pe o placă de circuit de 4" x 2", iar designul fără ventilator poate accepta sarcini de vârf de 200% timp de 5 secunde (Figura 6). Toate modelele din seria VFD includ doar secțiunea de acționare a puterii și necesită o placă de control externă. De asemenea, MEAN WELL oferă o placă de control opțională.

Figura 6: Schema bloc a unei secțiuni de alimentare a unei acționări VFD (stânga) și secțiunea de alimentare pregătită pentru instalarea într-un AMR (dreapta). (Sursa imaginii: MEAN WELL)

Concluzie

Sunt disponibile diverse modele de variatoare cu viteză reglabilă pentru aplicații industriale, inclusiv pentru controlul mașinilor și AMR-uri. Acestea pot accepta atât motoare c.a., cât și c.c., și au diferite niveluri de conformitate cu secțiunile din IEC 61800. În plus, având în vedere că IEC 61800-9 nu se concentrează asupra performanței aparatelor VFD individuale, există mai multe abordări diferite pentru raportarea performanței în funcție de aceste standarde de eficiență. Unii producători de VFD se concentrează pe secțiunile 1 și 2 și raportează niveluri de eficiență VFD precum IE2. În schimb, alții se concentrează asupra secțiunii 3, care se referă la considerentele generale privind proiectarea ecologică, inclusiv reglementările privind categoriile de produse și declarațiile de mediu aferente.