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可調速工業(yè)電機驅動器有哪些不同類型

發(fā)布時間:2024-08-13 責任編輯:lina

【導讀】本文簡要介紹了 VSD 和 VFD 的常用定義,并探討了廣泛使用 VFD 的原因。然后,回顧了 IEC 61800-9 中為交流驅動器定義的效率等級,并介紹了 Delta Electronics、Siemens、Schneider Electric 和 Omron Automation 提供的典型市電供電型 VFD,最后還以 MEAN WELL 的示例系統(tǒng)為例,探討了 VFD 在 AMR 和其他電池供電型系統(tǒng)中的應用。


國際電工委員會 (IEC) 標準 61800 將用于工業(yè)應用的可調速電力驅動系統(tǒng) (PDS) 分為兩類。61800-1 適用于直流 (DC) PDS,61800-2 適用于交流 (AC) PDS。PDS 一詞適用于由驅動器和電機構成的完整系統(tǒng)。

61800 的其他部分討論了測試方法、與熱條件和能量條件相關的安全要求、功能安全、編碼器的電氣和環(huán)境要求、電氣接口和性能測量。最新部分 IEC 61800-9 涉及電機系統(tǒng)的生態(tài)設計,包括能效確定和分類。

雖然 IEC 61800 對可調速交流和直流 PDS 進行了定義,但工業(yè)應用中的變速驅動器 (VSD) 和變頻驅動器 (VFD) 也有通用定義。IEC 61800 適用于連接至最大 1.5 kVAC 50 Hz 或 60 Hz 電源的市電供電型 PDS。其還規(guī)定了電池供電型系統(tǒng)的直流輸入電壓,例如使用可調速驅動器的工業(yè)自主移動機器人 (AMR)。IEC 61800 不涉及牽引和電動汽車驅動器。

本文簡要介紹了 VSD 和 VFD 的常用定義,并探討了廣泛使用 VFD 的原因。然后,回顧了 IEC 61800-9 中為交流驅動器定義的效率等級,并介紹了 Delta Electronics、Siemens、Schneider Electric 和 Omron Automation 提供的典型市電供電型 VFD,最后還以 MEAN WELL 的示例系統(tǒng)為例,探討了 VFD 在 AMR 和其他電池供電型系統(tǒng)中的應用。

VFD 的標準定義是,利用頻率變化控制電機速度的驅動器,因此適用于交流電機。而 VSD 通過改變電壓來控制電機,因此既適用于交流電機,也適用于直流電機。

驅動器并非如此簡單。這兩類驅動器都可用于控制電機速度。因此,有時術語 VSD 亦適用于 VFD。VFD 可用于無刷直流電機 (BLDC);嚴格來說,VFD 并不局限于交流電機。VFD 適用于各種電機,例如:

· 感應電機 (IM) 或異步交流電機,這些電機具有自啟動、可靠和經(jīng)濟實惠的特點,因此廣泛應用于工業(yè)領域。
· 永磁同步電機 (PMSM),這是一種高效交流電機,可在要求高能效的高性能應用中實現(xiàn)精確的扭矩和速度控制。
· 無刷直流電機 (BLDC),其也可用于具有高效和精確控制要求的應用中,通常工作壽命較長。
· 伺服電機,可以是交流或直流電機,支持快速、高精度響應。具有專用控制算法的 VFD 可用于機器人中的伺服電機、計算機數(shù)控 (CNC) 車床和類似應用。
· 同步交流電機 (SM),適用于要求恒定速度和精確同步的應用。雖然 VFD 可以控制 SM 的速度,但其他(成本較低)的驅動器也能夠支持恒速運行。

VFD 采用多種控制算法,使其用途更加廣泛。例如,僅僅對于感應電機而言,就有四種主要 VFD 控制算法:每赫茲伏特 (V/f)、帶編碼器的 V/f、開環(huán)矢量和閉環(huán)矢量。這些算法都采用脈沖寬度調制,可對速度和扭矩進行不同程度的控制。

IEC 61800-9 標準的編制證實了 VFD 在各種工業(yè)應用中的重要性,其重點介紹 VFD 和相關電機驅動系統(tǒng)的效率和生態(tài)設計。

BDM、CDM 和 PDS

IEC 61800-9 標準有兩個部分與 VFD 有關。第 1 部分闡述了確定應用的能效指數(shù)或參考值的方法。第 2 部分通過一系列分類詳細介紹了效率評估方法。

雖然 VFD(在 IEC 61800-9 中稱為基本驅動模塊 [BDM])的效率非常重要,但這并不是該標準的主要關注點。該標準的適用范圍更廣,包括由頻率逆變器 (VFD)、反饋部分、輸入和輸出輔助設備(如濾波器和扼流圈)組成的完整驅動模塊 (CDM) 以及由 CDM 和電機組成的電力驅動系統(tǒng) (PDS)(圖 1)。


可調速工業(yè)電機驅動器有哪些不同類型圖 1:IEC 61800-9 效率等級適用于 VFD 系統(tǒng)中的 CDM(黑色部分)和 PDS(紅色部分)。(圖片來源:Schneider Electric)


CDM 效率等級

CDM 國際效率 (IE) 等級定義為 IE0 至 IE2。效率等級是通過比較 CDM 的總損耗與參考 CDM (RCDM) 的性能而確定的。CDM 的 IE 等級是相對于 (90, 100) 工作點定義的,使用 90% 的電機定子頻率和 100% 的轉矩電流,以避免過調并確保不同制造商的驅動器性能測量結果具有可比性。

RCDM 的性能定義為 IE1。如果 CDM 的損耗比 RCDM 低 25% 以上,則歸類為 IE2;如果 CDM 的損耗比 RCDM 高 25%以上,則歸類為 IE0。RCDM 還可以在八個預定義的工作點 (0, 25)、(0, 50)、(0, 100)、(50, 25)、(50, 50)、(50, 100)、(90, 50) 和 (90, 100),將能耗與采用平均技術的 CDM 進行比較(圖 2)。


可調速工業(yè)電機驅動器有哪些不同類型圖 2:IEC 61800-9 CDM 工作點和效率等級。(圖片來源:Siemens)


PDS 效率等級

PDS 國際效率系統(tǒng) (IES) 等級與 CDM IE 等級類似,定義為 IES0 至 IES2。這些等級以參考 PDS (RPDS) 為基礎,顯示完整驅動模塊和電機的效率。

根據(jù)具體應用要求匹配電機和 CDM 組合,為整體效率優(yōu)化提供了更大的潛力。這種效率優(yōu)化體現(xiàn)在更高的 IES 等級上。與 RCDM 一樣,RPDS 也可以在八個預定義的工作點將能耗與采用平均技術的 PDS 進行比較。

工作點基于扭矩百分比和速度百分比,IES 值則基于 100% 扭矩和 100% 速度,即 (100, 100) 工作點,進行計算。

IES 等級未采用 IE 等級的 25% 變化率,而是采用 20% 變化率。效率等級為 IES2 的 PDS 的損耗比定義為 IES1 的 RPDS 低 20% 以上,而等級為 IES0 的 PDS 的損耗比定義為 IES1 的 RPDS 高 20% 以上(圖 3)。


可調速工業(yè)電機驅動器有哪些不同類型圖 3:IEC 61800-9 PDS 工作點和效率等級。(圖片來源:Schneider Electric)


VFD 示例

VFD 制造商并不總是根據(jù) 61800-9 標準報告效率。這是因為 IEC 61800-9 中采用的最簡單效率測量適用于 CDM,而 CDM 由 VFD(頻率逆變器)和許多其他組件組成,包括饋送部分和輸入輸出輔助設備。其他特定組件的使用超出了 VFD 制造商的控制范圍,而且 61800-9 標準并不直接適用于 VFD。

一些 VFD 制造商對 61800-9 方法進行了調整。當要求符合 IE2 等級時,數(shù)據(jù)會以各種格式公布,包括圖表、表格和 Excel 文件。

例如,Siemens 在其 SINAMICS V20 驅動器中采用了 IEC 61800-9 方法,并報告這些驅動器達到效率等級 IE2(圖 4)。這些驅動器有九種框架尺寸,功率從 0.16 到 40 馬力 (hp) 不等。這些驅動器針對制造和加工應用中的基本驅動系統(tǒng)(如泵、風扇、壓縮機和傳送帶)進行了優(yōu)化。有很多可選組件,包括輸入濾波器、輸入和輸出電抗器、制動電阻器等。


可調速工業(yè)電機驅動器有哪些不同類型圖 4:效率等級為 IE2 的 7.5 kW CDM,其損耗比參考轉換器低 36.1% (90% / 100%)。百分比顯示了損耗與基本驅動器(不含可選組件)的額定功率的關系。(圖片來源:Siemens)


Delta Electronics 也對 61800-9 方法進行了調整,并報告其 1.7、3.0、4.2、6.6、9.9 和 12.2 kVA MS300 系列緊湊型驅動器達到 IE2 效率等級。數(shù)據(jù)以表格而非圖表的形式詳細列出。MS300 系列包括功率從 0.2 至 22 kW 的驅動器(圖 5)。這些驅動器具有多項內置功能,包括用于編程的可編程邏輯控制器 (PLC) 功能、MODBUS 通信、可支持其他協(xié)議的通信插槽以及用于上傳和下載數(shù)據(jù)的 USB 端口。


可調速工業(yè)電機驅動器有哪些不同類型圖 5:Delta Electronics 的 MS300 系列包括功率從 0.2 至 22 kW 的驅動器。(圖片來源:Delta Electronics)


Omron 報告稱,其“三相輸入變速驅動器”(如 MX2 系列 VFD)符合 IE2 效率要求。該公司提供 Excel 文件格式的測試數(shù)據(jù)。對于 200 V 單相輸入,MX2 驅動器的額定功率范圍為 0.1 至 2.2 kW;對于 200 V 三相輸入,其額定功率范圍為 0.1 至 15.0 kW;對于 400 V 三相輸入,額定功率范圍為 0.4 至 15.0 kW。這些驅動器專為 IM 和 PM 電機設計,可在 0.5 Hz 頻率下以 200% 的啟動扭矩平穩(wěn)控制至零速。

其他 VFD 制造商關注 IEC 61800-9 標準的第 1 和第 2 部分,而 Schneider Electric 則采取了更全面的方法,介紹了如何將其驅動器與適當?shù)碾姍C集成,以滿足生態(tài)設計指令和 IEC 61800-9 第 3 部分的要求,該部分描述了通過生態(tài)平衡實現(xiàn)定量生態(tài)設計方法,包含產(chǎn)品類別規(guī)范和相關環(huán)境聲明。

該公司的 Altivar Machine ATV320 驅動器系列包括 IP20 和 IP6x 等級的 VFD,功率范圍為 0.18 至 15 kW(0.25 至 20 hp),適用于采用開環(huán)控制的三相同步、異步、PM 和 BLDC 電機,并具有以下功能:

· 利用無傳感器磁通矢量控制,實現(xiàn)低速時的扭矩和速度精度以及高動態(tài)性能
· 支持高頻電機
· 符合功能安全標準的集成功能

那么,AMR 呢?

AMR 使用 VFD,但是不同類型的 VFD。MEAN WELL 的 VFD 系列 BLDC 電機驅動器就是一個很好的例子。它們符合 IEC 61800 相關部分的要求,例如 61800-5-1 安全要求和 61800-3 電磁兼容性 (EMC) 要求。不過,這些 VFD 并非成套驅動器,因此 61800-9 的效率類別并不適用。

VFD 系列包括八種型號,有直流和交流輸入版本,功率從 150 W 到 750 W 不等。VFD-350P-48 型的輸入電壓為 48VDC,適用于 AMR 等電池供電型應用,可提供高達 350 W 的功率和 20 A 的輸出電流。

這款 350 W BLCD 驅動器封裝在 4 "x 2 "電路板上,無風扇設計可支持 5 秒鐘的 200% 峰值負載(圖 6)。VFD 系列的所有型號都只包括動力驅動器部分,因此需要一個外部控制卡。MEAN WELL 也提供控制卡可供選擇。


可調速工業(yè)電機驅動器有哪些不同類型圖 6:VFD 驅動器電源部分框圖(左)和可直接安裝在 AMR 中的電源部分(右)。(圖片來源:MEAN WELL)


結語

各種可調速度驅動器設計可用于工業(yè)應用,包括機器控制和 AMR。它們可支持交流和直流電機,并在不同程度上符合 IEC 61800 標準相關部分的規(guī)定。此外,由于單個 VFD 的性能并非 IEC 61800-9 標準的重點,因此有幾種不同的方法來報告與這些效率標準相關的性能。一些 VFD 制造商關注第 1 和第 2 部分,并報告 VFD 效率等級,如 IE2。相比之下,另一些制造商則注重第 3 部分,該部分涉及整體生態(tài)設計考慮因素,包括產(chǎn)品類別規(guī)范和相關環(huán)境聲明。

作者:Jeff Shepard


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