Verschillende soorten regelbare industriële motoraandrijvingen

De IEC-norm 61800 van de Internationale Elektrotechnische Commissie erkent twee soorten regelbare elektrische aandrijfsystemen (power drive systems of PDS’s) voor industriële toepassingen. IEC 61800-1 is van toepassing op gelijkstroomaandrijfsystemen (DC) en 61800-2 is van toepassing op wisselstroomaandrijfsystemen (AC). De term PDS is van toepassing op het volledige systeem, dus aandrijving plus motor.

Andere 61800-delen bespreken testmethoden, veiligheidsvereisten met betrekking tot thermische en energieomstandigheden, functionele veiligheid, elektrische en omgevingsvereisten voor encoders, elektrische interfaces en prestatiemetingen. Het nieuwste deel, IEC 61800-9, gaat over ecologisch ontwerp voor motorsystemen, waaronder bepaling en classificatie van de energie-efficiëntie.

Terwijl IEC 61800 regelbare AC- en DC-PDS definieert, zijn er ook algemene definities voor variabele snelheidsaandrijvingen (VSD’s) en variabele frequentieaandrijvingen (VFD’s) in industriële toepassingen. IEC 61800 is van toepassing op netvoedingsaandrijfsystemen die zijn aangesloten op maximaal 1,5 kV_AC, 50 Hz of 60 Hz. De norm is ook van toepassing op DC-ingangsspanningen voor batterijgevoede systemen zoals industriële autonome mobiele robots (AMR’s) die regelbare aandrijvingen gebruiken. Aandrijvingen voor tractie en elektrische voertuigen vallen niet onder IEC 61800.

Dit artikel geeft een korte beschrijving van de gangbare definities van VSD en VFD en bekijkt waarom VFD’s op grote schaal worden gebruikt. Vervolgens wordt ingegaan op de efficiëntieklassen die zijn gedefinieerd in IEC 61800-9 voor AC-aandrijvingen en worden voorbeelden besproken van netvoedings-VFD’s van Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric en Omron Automation. Tot slot wordt gekeken naar het gebruik van VFD’s in AMR’s en andere batterijgevoede systemen aan de hand van een voorbeeldsysteem van MEAN WELL.

De standaarddefinitie van een VFD is een regelaar die veranderingen in frequentie gebruikt om de motorsnelheid te regelen, waardoor deze bruikbaar zijn voor wisselstroommotoren. Anderzijds varieert een VSD de spanning om de motor te regelen, waardoor deze bruikbaar is voor zowel AC- als DC-motoren.

Maar er komt iets meer bij kijken. Beide soorten aandrijvingen kunnen worden gebruikt om de snelheid van motoren te regelen. Daarom wordt de term VSD soms ook wel gebruikt voor VFD’s. VFD’s kunnen worden gebruikt met borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC’s). Strikt genomen zijn deze namelijk niet beperkt tot AC-motoren. VFD’s zijn geschikt voor gebruik met verschillende motoren, zoals:

• Inductiemotoren (IM), oftewel asynchrone draaistroommotoren: deze worden veel gebruikt in industriële toepassingen omdat ze zelfstartend, betrouwbaar en zuinig zijn.
• Permanente magneet synchrone motoren (PMSM): dit zijn zeer efficiënte AC-motoren die een nauwkeurige regeling van koppel en snelheid mogelijk maken in hoogprestatietoepassingen die een hoge energie-efficiëntie vereisen.
• BLDC’s: deze worden ook gebruikt in toepassingen die een hoge efficiëntie en nauwkeurige regeling vereisen en hebben doorgaans een lange levensduur.
• Servomotoren: deze motoren kunnen AC of DC zijn en ondersteunen snelle, zeer nauwkeurige reacties. VFD’s met gespecialiseerde besturingsalgoritmen kunnen worden gebruikt met servomotoren in robots, CNC-machines (Computer Numerically Control) en vergelijkbare toepassingen.
• Synchrone AC-motoren (SM’s): deze zijn geschikt voor toepassingen die een constante snelheid en nauwkeurige synchronisatie vereisen. Terwijl VFD’s de snelheid van SM’s kunnen regelen, kunnen andere (goedkopere) aandrijfopties een constante snelheid ondersteunen.

De verschillende regelalgoritmen die worden gebruikt met VFD’s vergroten hun veelzijdigheid. Er zijn bijvoorbeeld vier hoofdtypen VFD-regelalgoritmen alleen voor inductiemotoren: volt-per-Hertz (V/f), V/f met encoder, open-loop vector en gesloten-loop vector. Ze maken allemaal gebruik van pulsbreedtemodulatie en bieden verschillende regelniveaus voor snelheid en koppel.

Het belang van VFD’s in een groot aantal industriële toepassingen blijkt uit de ontwikkeling van IEC 61800-9, die gericht is op de efficiëntie en het ecologisch ontwerp van VFD’s en verwante motoraandrijfsystemen.

BDM, CDM en PDS

IEC 61800-9 heeft twee delen die betrekking hebben op VFD’s. Deel 1 beschrijft de methodologie voor het bepalen van de energie-efficiëntie-index of referentie van een toepassing. Deel 2 beschrijft methoden voor het evalueren van efficiëntie op basis van een reeks classificaties.

Hoewel de efficiëntie van VFD’s, die in IEC 61800-9 basic drive modules (BDM’s) worden genoemd, belangrijk is, is dit niet de primaire focus van de norm. De norm heeft een bredere focus en kijkt naar complete aandrijfmodules (CDM’s) die bestaan uit een frequentieregelaar (de VFD), een voedingsgedeelte en ingangs- en uitgangsauxiliaries (zoals filters en smoorspoelen) en naar het aandrijfsysteem (PDS) dat bestaat uit de CDM plus de motor (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Efficiëntieklassen in IEC 61800-9 zijn van toepassing op de CDM (zwarte kader) en PDS (rode kader) in VFD-systemen. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

CDM-efficiëntieklassen

CDM IE-klassen (internationale efficiëntie) worden gedefinieerd van IE0 t/m IE2. Ze worden bepaald door het totale verlies van het CDM te vergelijken met de prestaties van een referentie-CDM (RCDM). IE-klassen voor CDM’s worden gedefinieerd ten opzichte van het punt (90, 100) met 90% motorstatorfrequentie en 100% koppelstroom om overmodulatie te voorkomen en de vergelijkbaarheid van de prestatiemetingen van aandrijvingen van verschillende fabrikanten te garanderen.

De prestaties van de RCDM worden gedefinieerd als IE1. Een CDM met meer dan 25% lagere verliezen dan de RCDM wordt geclassificeerd als IE2, en een CDM met meer dan 25% hogere verliezen dan de RCDM wordt geclassificeerd als IE0. De RCDM maakt het ook mogelijk om het energieverbruik te vergelijken met een gemiddelde technologie CDM op acht vooraf gedefinieerde punten (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) en (90, 100) (afbeelding 2).

Afbeelding 2: IEC 61800-9 CDM-punten en efficiëntieklassen. (Bron afbeelding: Siemens)

PDS-efficiëntieklassen

De PDS IES-classificatie van het internationale efficiëntiesysteem is vergelijkbaar met de CDM IE-classificatie en wordt gedefinieerd als IES0 t/m IES2. Ze zijn gebaseerd op een referentie-PDS (RPDS) en geven de efficiëntie weer van de volledige aandrijfmodule plus de motor.

Het afstemmen van de gecombineerde motor en CDM op de specifieke toepassingseisen biedt een groter potentieel voor algehele efficiëntieoptimalisatie. Die efficiëntieoptimalisatie leidt tot een hogere IES-classificatie. Net als de RCDM maakt de RPDS het mogelijk om het energieverbruik te vergelijken met een gemiddelde technologie-PDS op acht vooraf gedefinieerde punten.

De punten zijn gebaseerd op een percentage koppel en een percentage toerental. De IES-waarde wordt berekend op basis van 100% koppel en 100% toerental: het punt (100, 100).

In plaats van de 25%-veranderingen van de IE-klassen zijn de IES klassen gebaseerd op 20%-veranderingen. Een PDS met een efficiëntieklasse IES2 heeft meer dan 20% lagere verliezen en een PDS met een klasse IES0 heeft meer dan 20% hogere verliezen dan de RPDS-prestatie gedefinieerd als IES1 (afbeelding 3).

Afbeelding 3: IEC 61800-9 PDS-punten en efficiëntieklassen. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

VFD-voorbeelden

Fabrikanten van VFD’s vermelden niet altijd efficiëntie op basis van IEC 61800-9. Dat komt omdat de eenvoudigste efficiëntiemeting met behulp van IEC 61800-9 voor de CDM is, bestaande uit de VFD (frequentieregelaar) plus talloze extra componenten, waaronder de voedingssectie en ingangs- en uitgangsauxiliaries. Het gebruik van specifieke extra componenten ligt buiten de controle van de fabrikanten van VFD’s en 61800-9 is niet rechtstreeks van toepassing op VFD’s.

Sommige VFD-fabrikanten hebben de 61800-9-methodologie aangepast. Wanneer IE2-conformiteit wordt geclaimd, worden de gegevens gerapporteerd in verschillende formaten, zoals grafieken, tabellen en Excel-bestanden.

Siemens gebruikt bijvoorbeeld de IEC 61800-9-methodologie voor zijn SINAMICS V20-aandrijvingen en rapporteert ze als efficiëntieklasse IE2 (afbeelding 4). Deze aandrijvingen worden aangeboden in negen framematen, variërend van 0,16 pk tot 40 pk. Deze aandrijvingen zijn geoptimaliseerd voor basisaandrijfsystemen in productie- en procestoepassingen zoals pompen, ventilatoren, compressoren en transportbanden. Talrijke optionele componenten omvatten ingangsfilters, ingangs- en uitgangsreactoren, remweerstanden etc.

Afbeelding 4: Efficiëntieklasse IE2 7,5 kW CDM met 36,1% lagere verliezen vergeleken met de referentieomvormer (90%/100%). De percentages tonen de verliezen in verhouding tot het nominale vermogen van de basisaandrijving zonder optionele componenten. (Bron afbeelding: Siemens)

Delta Electronics heeft ook de 61800-9-methodologie aangepast en rapporteert IE2-efficiëntie voor zijn compacte aandrijvingen van 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 en 12,2 kVA uit de MS300-serie. De gegevens zijn gedetailleerd in tabelvorm in plaats van een grafiek. De MS300-serie omvat aandrijvingen van 0,2 tot 22 kW (afbeelding 5). Deze aandrijvingen hebben verschillende ingebouwde functies, waaronder een PLC-functie (Programmable Logic Controller) voor programmering, MODBUS-communicatie, een communicatiesleuf die extra protocollen kan ondersteunen en een USB-poort voor het uploaden en downloaden van gegevens.

Afbeelding 5: De MS300-serie van Delta Electronics heeft aandrijvingen van 0,2 tot 22 kW. (Bron afbeelding: Delta Electronics)

Omron meldt dat zijn ‘regelbare aandrijvingen met driefasige ingang’, zoals de VFD’s uit de MX2-serie, voldoen aan de vereisten van IE2-efficiëntie. Het bedrijf levert de testgegevens als een Excel-bestand. MX2-aandrijvingen zijn verkrijgbaar met vermogens van 0,1 tot 2,2 kW voor 200 V eenfasige ingang, 0,1 tot 15,0 kW voor 200 V driefasige ingang en 0,4 tot 15,0 kW voor 400 V driefasige ingang. Deze regelaars zijn ontworpen voor IM- en PM-motoren en ondersteunen een soepele regeling tot nulsnelheid met 200% startkoppel bij 0,5 Hz.

Terwijl andere VFD-fabrikanten zich richten op deel 1 en 2 van IEC 61800-9, kiest Schneider Electric voor een meer holistische benadering. Dit bedrijf beschrijft hoe zijn aandrijvingen kunnen worden geïntegreerd met de juiste motor om te voldoen aan de richtlijn voor ecologisch ontwerp en deel 3 van IEC 61800-9. Hierin wordt een kwantitatieve benadering van ecologisch ontwerp beschreven door middel van eco-balancing, inclusief voorschriften voor productcategorieën en gerelateerde milieuverklaringen.

De aandrijvingen uit de serie Altivar Machine ATV320 van het bedrijf omvat IP20 en IP6x nominale VFD’s van 0,18 tot 15 kW (0,25 tot 20 pk) voor driefasige synchrone, asynchrone, PM- en BLDC-motoren in open-loop regeling en bevat functies zoals:

• nauwkeurigheid van koppel en toerental bij lage snelheid en hoge dynamische prestaties met fluxvectorregeling zonder sensor,
• ondersteuning voor hoogfrequentiemotoren,
• geïntegreerde functies voor naleving van functionele veiligheidsnormen.

Hoe zit het met AMR’s?

AMR’s gebruiken VFD’s, maar een ander type VFD. De VFD-serie industriële BLDC-motorregelaars van MEAN WELL is hier een goed voorbeeld van. Ze voldoen aan de relevante delen van IEC 61800, zoals 61800-5-1-veiligheidsvereisten en 61800-3-vereisten voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Deze VFD’s worden echter niet geleverd als pakket, dus de efficiëntiecategorieën van 61800-9 zijn niet van toepassing.

De VFD-serie heeft acht modellen met DC- en AC-ingangsversies van 150 tot 750 W. Het model VFD-350P-48 werkt met een ingang van 48 V_DC voor batterijvoedingstoepassingen zoals AMR’s en kan tot 350 W en een uitgangsstroom van 20 A leveren.

Deze BLCD-aandrijving van 350 W wordt geleverd op een circuitkaart van 4 inch x 2 inch en het ventilatorloze ontwerp kan 200% piekbelasting gedurende 5 seconden ondersteunen (afbeelding 6). Alle modellen in de VFD-serie omvatten alleen de vermogensaandrijving en vereisen een externe besturingskaart. MEAN WELL biedt ook een optionele besturingskaart.

Afbeelding 6: Blokschema van een VFD-aandrijving (links) en een VFD die klaar is voor installatie in een AMR (rechts). (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Conclusie

Er zijn verschillende ontwerpen voor regelbare snelheidsaandrijvingen beschikbaar voor industriële toepassingen, waaronder machinebesturingen en AMR’s. Ze kunnen zowel AC- als DC-motoren ondersteunen en voldoen in verschillende mate aan delen van IEC 61800. Aangezien de prestaties van individuele VFD’s niet centraal staan in IEC 61800-9, zijn er bovendien verschillende benaderingen voor het rapporteren van prestaties ten opzichte van die efficiëntienormen. Sommige VFD-fabrikanten richten zich op deel 1 en 2 en rapporteren VFD-efficiëntieniveaus zoals IE2. Anderen richten zich juist op deel 3, dat betrekking heeft op algemene overwegingen inzake ecologisch ontwerp, met inbegrip van voorschriften voor productcategorieën en bijbehorende milieuverklaringen.