Säädettävänopeuksisten teollisuusmoottorikäyttöjen eri tyypit

Kansainvälisen sähköteknisen komitean (IEC) standardi 61800 käsittää kaksi erilaista säädettävänopeuksista sähköistä moottorinohjausjärjestelmää (PDS) teollisuussovelluksia varten. Standardi 61800-1 käsittää tasavirtaa ja standardi 61800-2 vaihtovirtaa (AC) käyttävät PDS-järjestelmät. Termi PDS koskee koko järjestelmää, joka koostuu ohjausjärjestelmästä ja moottorista.

Standardin 61800 muissa osissa käsitellään testausmenetelmiä, lämpötilaan ja energiankulutukseen liittyviä turvallisuusvaatimuksia, toiminnallista turvallisuutta, enkoodereiden sähkö- ja ympäristövaatimuksia, sähköliitäntöjä ja suorituskykymittauksia. Sen uusin osa, IEC 61800-9, kattaa moottorijärjestelmien ekosuunnittelun, kuten energiatehokkuuden määrittelyn ja luokittelun.

Standardi IEC 61800 määrittelee säädettävänopeuksiset AC- ja DC PDS-järjestelmät, mutta sisältää myös yleisiä määritelmiä teollisuussovelluksissa käytettäville VSD-taajuusmuuttajille ja VFD-taajuusmuuttajille. Standardi IEC 61800 koskee verkkovirtaan kytkettyjä PDS-järjestelmiä, joiden maksimijännite on 1,5 kV_AC ja taajuus 50 Hz tai 60 Hz. Se käsittää myös akkukäyttöiset DC-järjestelmät, kuten teollisuuden autonomiset mobiilirobotit (AMR), jotka käyttävät säädettävänopeuksista ohjausta. IEC 61800 ei koske voimansiirtoa eikä sähköajoneuvojen moottorikäyttöjä.

Tässä artikkelissa esitellään lyhyesti VSD- ja VFD-taajuusmuuttajien yleisiä määritelmiä ja tarkastellaan sitä, miksi VFD-taajuusmuuttajia käytetään niin yleisesti. Sen jälkeen artikkelissa tarkastellaan IEC 61800-9-standardissa AC-käytöille määriteltyjä hyötysuhdeluokkia ja esimerkkejä Delta Electronicsin, Siemensin, Schneider Electricin, Omron Automationin verkkovirtakäyttöisistä VFD-taajuusmuuttajista. Lopuksi käsitellään VFD-taajuusmuuttajien käyttöä autonomisissa mobiiliroboteissa ja muissa akkukäyttöisissä järjestelmissä MEAN WELLin esimerkkijärjestelmän avulla.

VFD on tavallisen määritelmän mukaan taajuusmuuttaja, joka käyttää taajuuden muutoksia moottorin nopeuden ohjaukseen, mikä tekee siitä hyödyllisen AC-moottoreiden ohjaamisessa. VSD-taajuusmuuttaja muuttaa lisäksi moottorin ohjausjännitettä, joten sitä voidaan käyttää sekä AC- että DC-moottoreiden kanssa.

Asia ei kuitenkaan ole aivan näin yksinkertainen. Molempia taajuusmuuttajatyyppejä voidaan käyttää ohjaamaan moottorin nopeutta. Tämän vuoksi VFD-taajuusmuuttajista käytetään joskus termiä VSD. VFD-taajuusmuuttajia voidaan käyttää harjattomien DC-moottoreiden (BLDC) kanssa; tarkkaan ottaen niiden käyttö ei rajoitu AC-moottoreihin. VFD-taajuusmuuttajia voidaan käyttää erilaisten moottoreiden kanssa, kuten:

• Induktio- (IM) eli asynkronisia AC-moottoreita käytetään laajalti teollisuussovelluksissa, koska ne ovat itsekäynnistyviä, luotettavia ja taloudellisia.
• Synkroniset kestomagneettimoottorit (PMSM) ovat erittäin tehokkaita AC-moottoreita, ja ne mahdollistavat tarkan vääntömomentin ja nopeuden ohjauksen huipputehokkaissa sovelluksissa, jotka vaativat korkeaa energiatehokkuutta.
• BLDC-moottoreita käytetään myös sovelluksissa, jotka vaativat korkeaa hyötysuhdetta ja tarkkaa ohjausta, ja niiden käyttöikä on yleensä pitkä.
• Servomoottorit voivat olla AC- tai DC-tyyppisiä, ja ne tukevat nopeita, erittäin tarkkoja vasteita. Erikoisohjausalgoritmeilla varustettuja VFD-taajuusmuuttajia voidaan käyttää servomoottoreiden kanssa roboteissa, CNC (Computer Numerically Controlled) -koneissa ja muissa vastaavissa sovelluksissa.
• Synkroniset AC-moottorit (SM) soveltuvat sovelluksiin, jotka vaativat vakionopeutta ja tarkkaa synkronointia. Vaikka VFD-taajuusmuuttajilla voidaankin ohjata SM-moottoreiden nopeutta, muita (halvempia) ohjausvaihtoehtoja voidaan käyttää, jos nopeutta ei tarvitse muuttaa.

VFD-taajuusmuuttajien kanssa käytetään erilaisia ohjausalgoritmeja, jotka lisäävät niiden monipuolisuutta. Esimerkiksi pelkästään induktiomoottoreita varten on olemassa neljä pääasiallista VFD-ohjausalgoritmityyppiä: volttia per hertsi (V/f), V/f enkooderilla, avoimen silmukan vektori sekä suljetun silmukan vektori. Nämä kaikki käyttävät pulssinleveysmodulaatiota ja tarjoavat erilaisia nopeuden ja vääntömomentin ohjausvaihtoehtoja.

VFD-taajuusmuuttajien tärkeyttä monenlaisissa teollisuussovelluksissa havainnollistaa IEC 61800-9 -standardin kehittäminen. Standardi keskittyy VFD-taajuusmuuttajien ja niihin liittyvien moottorikäyttöjärjestelmien tehokkuuteen ja ekologiseen suunnitteluun.

BDM, CDM ja PDS

IEC 61800-9 -standardi sisältää kaksi VFD-taajuusmuuttajiin liittyvää osiota. Osa 1 kuvailee menetelmän sovelluksen energiatehokkuusindeksin tai -viitteen määrittämiseksi. Osa 2 kuvaa yksityiskohtaisesti menetelmät tehokkuuden arvioimiseksi. Nämä perustuvat sarjaan tehokkuusluokkia.

Vaikka IEC 61800-9-standardi katsookin VFD-taajuusmuuttajien, joita kutsutaan peruskäyttömoduuleiksi (BDM), hyötysuhteen tärkeäksi, se ei ole standardin ensisijainen painopiste. Standardin soveltamisala on laajempi ja siinä käsitellään kokonaisia käyttömoduuleja (CDM, Complete Drive Module), jotka koostuvat taajuusmuuttajasta (VFD), syöttöosasta ja tulon ja lähdön lisäkomponenteista (kuten suodattimista ja kuristimista), sekä PDS (Power Drive System) -järjestelmää, joka koostuu CDM-moduulista ja moottorista (kuva 1).

Kuva 1: IEC 61800-9 -standardin hyötysuhdeluokat soveltuvat VFD-järjestelmien CDM-moduuliin (musta osa) ja PDS-järjestelmään (punainen osa). (Kuvan lähde: Schneider Electric)

CDM-hyötysuhdeluokat

CDM-moduulin kansainväliset hyötysuhdeluokat (IE) on määritetty välille IE0 – IE2. Ne määritetään vertaamalla CDM-moduulin kokonaishäviötä CDM-referenssimoduulin (RCDM) suorituskykyyn. CDM-moduulien IE-luokat määritellään suhteessa toimintapisteeseen 90, 100 käyttämällä moottorin 90 prosentin staattoritaajuutta ja 100 prosentin vääntömomenttivirtaa, jotta vältetään ylimodulointi ja varmistetaan eri valmistajien ohjainten suorituskykymittausten vertailukelpoisuus.

RCDM-suorituskyvyksi määritellään IE1. CDM-moduulin, jonka häviöt ovat yli 25 prosenttia pienemmät kuin RCDM-moduulilla, luokitus on IE2. CDM-moduulin, jonka häviöt ovat yli 25 prosenttia suuremmat kuin RCDM-moduulilla, luokitus on IE0. RCDM mahdollistaa myös energiankulutuksen vertailun keskiarvoisen CDM-teknologian kanssa kahdeksassa valmiiksi määritellyssä toimintapisteessä (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) ja (90, 100) (kuva 2).

Kuva 2: IEC 61800-9 -standardin CDM-toimintapisteet ja -hyötysuhdeluokat. (Kuvan lähde: Siemens)

PDS-hyötysuhdeluokat

PDS:n kansainvälisen hyötysuhdejärjestelmän (IES) luokat vastaavat CDM:n IE-luokkia ja luokat on määritetty välille IES0 – IES2. Ne perustuvat PDS (RPDS) -referenssimoduuliin ja kuvastavat koko CDM-moduulin ja moottorin hyötysuhdetta.

Moottorin ja CDM-moduulin sovittaminen yhdessä sovelluksen erityisvaatimuksiin tarjoaa paremman mahdollisuuden kokonaishyötysuhteen optimointiin. Tämä hyötysuhteen optimointi näkyy korkeampana IES-luokituksena. RCDM-moduulin tavoin RPDS mahdollistaa energiankulutuksen vertailun keskiarvoisen PDS-teknologian kanssa kahdeksassa valmiiksi määritetyssä toimintapisteessä.

Toimintapisteet perustuvat vääntömomentin ja nopeuden prosenttiarvoihin, ja IES-arvo lasketaan 100 prosentin vääntömomentin ja 100 prosentin nopeuden perusteella, joka on toimintapiste (100, 100).

IES-luokat perustuvat 20 prosentin muutoksiin IE-luokkien 25 prosentin muutosten sijaan. IES2-tehokkuusluokan PDS-moduulin häviöt ovat yli 20 prosenttia pienemmät ja IES0-tehokkuusluokan PDS-moduulin häviöt ovat yli 20 prosenttia suuremmat kuin IES1-luokkaan määritellyn RPDS-moduulin suorituskyky (kuva 3).

Kuva 3: IEC 61800-9 -standardin PDS-toimintapisteet ja -hyötysuhdeluokat. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

VFD-esimerkkejä

VFD-valmistajat eivät aina ilmoita hyötysuhdetta 61800-9-standardin perusteella. Tämä johtuu siitä, että yksinkertaisin IEC 61800-9 -standardin mukainen hyötysuhteen mittaus koskee CDM-moduulia, joka koostuu VFD-taajuusmuuttajasta ja lukuisista muista lisäkomponenteista, kuten syöttöosasta sekä tulon ja lähdön lisälaitteista. Tällaisten lisäkomponenttien käyttö ei ole VFD-taajuusmuuttajien valmistajien hallinnassa, eikä 61800-9 -standardia voi soveltaa suoraan VFD-taajuusmuuttajiin.

Jotkin VFD-valmistajat ovat mukauttaneet 61800-9-menetelmää. Kun valmistaja sanoo tuotteen täyttävän IE2-vaatimukset, tiedot ilmoitetaan eri muodoissa, kuten kaavioina, taulukkoina ja Excel-tiedostoina.

Esimerkiksi Siemens käyttää IEC 61800-9 -menetelmää SINAMICS V20 -taajuusmuuttajissaan ja ilmoittaa niiden hyötysuhdeluokaksi IE2 (kuva 4). Näitä taajuusmuuttajia on tarjolla yhdeksässä runkokoossa ja niiden teho on 0,16–40 hv. Nämä taajuusmuuttajat on optimoitu valmistus- ja prosessisovellusten, kuten pumppujen, puhaltimien, kompressorien ja kuljettimien, perustasoisiin ohjausjärjestelmiin. Lukuisat valinnaiset komponentit sisältävät tulosuodattimia, tulo- ja lähtöreaktoreja, jarruvastuksia ja niin edelleen.

Kuva 4: Hyötysuhdeluokan IE2 7,5 kW:n CDM, jonka häviöt ovat 36,1 % referenssimuuttajaa pienemmät (90 % / 100 %). Prosenttiosuudet ilmaisevat häviöt suhteessa peruskäytön nimellistehoon ilman lisävarusteita. (Kuvan lähde: Siemens)

Myös Delta Electronics on ottanut käyttöön 61800-9-menetelmän ja raportoi IE2-hyötysuhteen 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 ja 12,2 kVA:n MS300-sarjan kompakteille ohjaimille. Tiedot esitetään taulukkomuodossa eikä kaaviona. MS300-sarja sisältää ohjaimia teholuokissa 0,2–22 kW (kuva 5). Nämä ohjaimet tarjoavat useita sisäänrakennettuja ominaisuuksia, kuten PLC (ohjelmoitava logiikkaohjain) -toiminnon ohjelmointia varten, MODBUS-kommunikaation, korttipaikan lisäprotokollia ja viestintää varten sekä USB-portin tietojen laitteeseen ja laitteesta pois siirtämistä varten.

Kuva 5: Delta Electronicsin MS300-sarja sisältää taajuusmuuttajia teholuokissa 0,2–22 kW. (Kuvan lähde: Delta Electronics)

Omron ilmoittaa, että sen ”kolmivaihesyötöllä varustetut taajuusmuuttajat”, kuten MX2-sarjan VFD-taajuusmuuttajat, täyttävät IE2-tehokkuusvaatimukset. Yritys toimittaa testitiedot Excel-tiedostona. MX2-käyttöjä on saatavana teholuokissa 0,1 – 2,2 kW 200 V:n yksivaiheiselle tulolle, 0,1 – 15,0 kW 200 V:n kolmivaiheiselle tulolle ja 0,4 – 15,0 kW 400 V:n kolmivaiheiselle tulolle. Nämä käytöt on suunniteltu IM- ja PM-moottoreille, ja ne tarjoavat tasaisen ohjauksen nollanopeuteen asti 200 %:n käynnistysmomentilla 0,5 Hz:n taajuudella.

Kun muut VDF-valmistajat keskittyvät IEC 61800-9 -standardin osiin 1 ja 2, Schneider Electric käyttää kokonaisvaltaisempaa lähestymistapaa ja kuvaa, miten sen käytöt voidaan integroida sopivaan moottoriin ekosuunnitteludirektiivin sekä IEC 61800-9 -standardin osion 3 täyttämiseksi. Jälkimmäinen määrittelee ekosuunnittelun määrällisen lähestymistavan ekotasapainotuksen avulla sisältäen tuoteryhmiä koskevat määräykset ja niihin liittyvät ympäristöselosteet.

Yrityksen Altivar Machine ATV320 -taajuusmuuttajatuoteperheeseen kuuluu IP20- ja IP6x-luokiteltuja VFD-taajuusmuuttajia teholuokissa 0,18–15 kW (0,25–20 hv) kolmivaiheisille synkroni-, asynkroni-, PM- ja BLDC-moottoreille käytettäessä avoimen silmukan ohjausta. Se sisältää muun muassa seuraavia toimintoja:

• Tarkka matalan nopeuden vääntömomentti ja nopeus sekä korkea dynaaminen suorituskyky käytettäessä vuovektorisäätöä ilman anturia
• Tuki suurtaajuusmoottoreille
• Integroidut toiminnot toiminnallisen turvallisuuden standardien noudattamiseksi

Entä autonomiset teollisuusrobotit?

Autonomiset mobiilirobotit käyttävät VFD-ohjausta, mutta se on erityyppistä. MEAN WELLin teollisten BLDC-moottorikäyttöjen VFD-sarja on tästä hyvä esimerkki. Ne täyttävät niitä koskevat osat IEC 61800 -standardista, kuten 61800-5-1:n turvallisuusvaatimukset ja 61800-3:n sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) vaatimukset. Nämä VFD-taajuusmuuttajat eivät kuitenkaan ole valmiita käyttöjä, joten 61800-9-standardin hyötysuhdeluokkia ei sovelleta niihin.

VFD-sarjaan kuuluu kahdeksan mallia, joiden DC- ja AC-tuloversiot ovat teholtaan 150–750 W. Malli VFD-350P-48 toimii 48 V_DC:n tulojännitteellä akkukäyttöisiä sovelluksia, kuten autonomisia mobiilirobotteja, varten. Se voi syöttää jopa 350 W:n tehon ja 20 A:n lähtövirran

Tämä 350 W:n BLCD-ohjain on pakattu 4"x2":n kokoiselle piirikortille ja sen tuulettimeton rakenne kestää 200 %:n huippukuormitusta 5 sekunnin ajan (kuva 6). Kaikki VFD-sarjan mallit sisältävät vain virtaohjainosan ja vaativat ulkoisen ohjauskortin. MEAN WELL tarjoaa haluttaessa myös ohjauskortin.

Kuva 6: Lohkokaavio VFD-taajuusmuuttajan virtaosasta (vasemmalla) ja virtaosa, joka on valmis asennettavaksi autonomiseen mobiilirobottiin (oikealla). (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Yhteenveto

Teollisuussovelluksiin, kuten koneohjaimiin ja autonomisiin mobiilirobotteihin, on saatavana erilaisia säätyvänopeuksisia taajuusmuuttajamalleja. Niitä voidaan käyttää sekä AC- että DC-moottoreiden kanssa ja ne noudattavat vaihtelevasti IEC 61800 -standardin osia. Koska IEC 61800-9 -standardi ei keskity yksittäisten VFD-taajuusmuuttajien suorituskykyyn, on olemassa useita erilaisia lähestymistapoja suorituskyvyn raportointiin suhteessa kyseisiin tehokkuusstandardeihin. Jotkut VFD-taajuusmuuttajien valmistajat keskittyvät osiin 1 ja 2 ja ilmoittavat tuotteelleen VFD-hyötysuhdetason, kuten IE2. Toiset taas keskittyvät osaan 3, joka liittyy yleisiin ekologiseen suunnitteluun liittyviin näkökohtiin, kuten tuoteryhmiä koskeviin määräyksiin ja niihin liittyviin ympäristöilmoituksiin.