Állítható fordulatszámú ipari motorvezérlő egységek
A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) IEC 61800-as szabványa kétféle, ipari berendezésekbe szánt, változtatható fordulatszámú villamos hajtásrendszert (PDS, power drive system) ismer. A 61800-1 szabvány az egyenáramú (DC, direct current), a 61800-2 pedig a váltakozó áramú (AC, alternating current) villamos hajtásrendszerekre vonatkozik. A villamos hajtásrendszer megnevezés a frekvenciaváltó és a villanymotor alkotta teljes rendszert jelenti.
Az IEC 61800 szabvány egyéb szakaszai a vizsgálati módszerekkel, a hűtési és energetikai feltételekkel kapcsolatos biztonsági követelményekkel, a funkcionális biztonsággal, a kódolók villamos és környezeti követelményeivel, a villamos csatlakozókkal és a teljesítménymérésekkel foglalkoznak. A legújabb rész, az IEC 61800-9 a villanymotoros rendszerek környezetbarát kialakításával foglalkozik, beleértve a hatásfok meghatározását és minősítéseit is.
Bár az IEC 61800 a változtatható fordulatszámú váltakozó áramú és egyenáramú villamos hajtásrendszereket határozza meg, tartalmaz az ipari berendezésekben használt változtatható fordulatszám-szabályozókra (VSD, variable speed drive) és frekvenciaváltókra (VFD, variable frequency drive) vonatkozó általános meghatározásokat is. Az IEC 61800 szabvány a legfeljebb 1,5 kV váltakozó feszültségű (kVAC) 50 vagy 60 Hz-es hálózatra csatlakoztatott villamos hajtásrendszerekre vonatkozik. Ezenkívül szabályozza az akkumulátoros rendszerek, például a változtatható fordulatszámú villamos hajtásokat használó önjáró ipari robotok (AMR, autonomous mobile robot) bemenő egyenfeszültségét is. A fokozatmentes hajtások és a villanyjárművek hajtásai nem tartoznak az IEC 61800 hatálya alá.
Ez a cikk röviden bemutatja a változtatható fordulatszám-szabályozók és a frekvenciaváltók általános meghatározását, majd megvizsgálja, hogy miért használják széles körben a frekvenciaváltókat. Ezután áttekinti az IEC 61800-9 szabványban a váltakozó áramú motorokhoz való frekvenciaváltókra meghatározott hatásfokosztályokat, majd példaként megvizsgálja a Delta Electronics, a Siemens, a Schneider Electric és az Omron Automation egy-egy hálózati áramellátásról működő frekvenciaváltóját, végül pedig a frekvenciaváltók önjáró robotokban és más akkumulátoros rendszerekben történő használatát, amihez a MEAN WELL egyik rendszerét veszi példaként.
Az általános meghatározás szerint a frekvenciaváltó olyan vezérlőegység, amely a frekvencia változását használja a motor fordulatszámának szabályozására, így váltakozó áramú motorok esetén hasznos. A változtatható fordulatszám-szabályozó ugyanakkor a feszültséget változtatja a motor fordulatszámának szabályozásához, így mind a váltakozó-, mind az egyenáramú motorokhoz használható, de ez nem ilyen egyszerű. Mindkét típusú vezérlőegység használható a motorok fordulatszámának szabályozására. Ennek eredményeképpen néha a frekvenciaváltókra is a változtatható fordulatszám-szabályozó megnevezést használják. A frekvenciaváltók szénkefe nélküli egyenáramú motorokhoz (BLDC, brushless direct current motor) is használhatók, szigorúan véve nem korlátozódnak a váltakozó áramú motorokra. A frekvenciaváltók számos villanymotorhoz használhatók, például a következőkhöz:
- indukciós (IM, induction motor) vagy aszinkron váltakozó áramú motorok – ezeket széles körben használják az ipari berendezésekben, mivel önindítók, megbízhatók és gazdaságosak;
- állandó mágneses szinkronmotorok (PMSM, permanent magnet synchronous motor) – ezek jó hatásfokú váltakozó áramú motorok, amelyek lehetővé teszik a nyomaték és a fordulatszám pontos szabályozását a nagy teljesítményű, jó hatásfokot igénylő berendezésekben;
- szénkefe nélküli egyenáramú motorok – olyan berendezésekben is használják őket, amelyek jó hatásfokot és pontos vezérlést igényelnek, és jellemzően hosszú élettartamúak;
- szervomotorok – lehetnek egyen- vagy váltakozó áramúak, és gyors, nagy pontosságú mozgásokat tesznek lehetővé. Az egyedi vezérlőalgoritmusokkal vezérelt frekvenciaváltókat robotok, számítógéppel vezérelt (CNC) gépek és más hasonló berendezések szervomotorjaihoz lehet használni;
- szinkron váltakozó áramú motorok (SM, synchronous motor) – olyan berendezésekbe alkalmasak, amelyek állandó fordulatszámot és pontos szinkronizálást igényelnek. Míg a frekvenciaváltók képesek szabályozni a szinkronmotorok fordulatszámát, más (olcsóbb) vezérlési lehetőségek az állandó fordulatszámú működést teszik lehetővé.
A frekvenciaváltókhoz különféle vezérlőalgoritmusokat használnak, amelyek növelik a frekvenciaváltók sokoldalúságát. Például a frekvenciaváltó-vezérlő algoritmusoknak csak az indukciós motorok esetében négy elsődleges típusa létezik: feszültség/frekvencia (V/f) vezérlés, kódolós feszültség/frekvencia vezérlés, nyílt hurkú vektoros vezérlés és zárt hurkú vektoros vezérlés. Mindegyik impulzusszélesség-modulációt használ, és a fordulatszám, valamint a nyomaték különböző szintű vezérlését teszi lehetővé.
A frekvenciaváltóknak az ipari felhasználási területek széles körében való fontosságát bizonyítja az IEC 61800-9 szabvány kidolgozása, amely a frekvenciaváltók és a kapcsolódó motorvezérlési rendszerek hatásfokára és környezetbarát kialakítására összpontosít.
Alapszintű vezérlőmodul, komplett vezérlőmodul és a villamos hajtásrendszer
Az IEC 61800-9 szabványnak két szakasza vonatkozik a frekvenciaváltókra. Az 1. rész a berendezés hatásfokindexének vagy referenciájának meghatározására szolgáló módszertant körvonalazza. A 2. rész egy sor osztályozás alapján részletezi a hatásfok értékelésének módszereit.
Bár az IEC 61800-9 szabványban alapszintű vezérlőmoduloknak (BDM, basic drive module) nevezett frekvenciaváltók hatásfoka is fontos, a szabvány nem elsősorban erre összpontosít. A szabvány szélesebb körű, és a komplett vezérlőmodulokat (CDM, complete drive module) veszi figyelembe, amelyek egy frekvenciainverterből (ez a frekvenciaváltó egy másik megnevezése), egy betápláló részből, valamint a be- és kimeneti kiegészítő alkatrészekből (például szűrőkből és fojtótekercsekből) állnak, valamint a villamos hajtásrendszert, amelyet a komplett vezérlőmodul és a villanymotor alkot (1. ábra).
1. ábra Az IEC 61800-9 szabványban szereplő hatásfokosztályok a frekvenciaváltó-rendszerekben lévő komplett vezérlőmodulra (fekete keretes rész) és a villamos hajtásrendszerre (piros keretes rész) vonatkoznak (Kép: Schneider Electric)
A komplett vezérlőmodulok hatásfokosztályai
A komplett vezérlőmodulok nemzetközi hatásfokosztályai (IE-osztály, IE: international efficiency) IE0-tól IE2-ig vannak meghatározva. Ezeket úgy határozzák meg, hogy összehasonlítják a komplett vezérlőmodul teljes veszteségét egy referencia komplett meghajtó modul (RCDM, reference CDM) teljesítményével.
A túlmoduláció elkerülése és a különböző gyártóktól származó villanymotor-vezérlők mért teljesítményértékeinek összehasonlíthatósága érdekében a komplett vezérlőmodulok IE-osztályait a (90, 100) munkaponthoz viszonyítva, azaz 90%-os motorállórész-frekvencia és 100%-os nyomatéknak megfelelő áramerősség mellett határozzák meg.
A referencia komplett meghajtó modul teljesítménye lesz az IE1 érték. Azok a komplett vezérlőmodulok, amelyeknek a veszteségei több mint 25%-kal kisebbek, mint a referencia komplett meghajtó modul veszteségei, IE2 besorolást, azok a komplett vezérlőmodulok pedig, amelyeknek a veszteségei több mint 25%-kal nagyobbak, mint a referencia komplett meghajtó moduléi, IE0 besorolást kapnak. A referencia komplett meghajtó modul ezenkívül nyolc előre meghatározott munkapontban – (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) és (90, 100) – teszi lehetővé a fogyasztás összehasonlítását egy átlagos műszaki megoldású komplett vezérlőmodullal (2. ábra).
2. ábra A komplett vezérlőmodul munkapontjai és hatásfokosztályai az IEC 61800-9 szabvány szerint (Kép: Siemens)
A villamos hajtásrendszerek hatásfokosztályai
A villamos hajtásrendszerek nemzetközi hatásfok-meghatározó rendszere (IES, international efficiency system) szerinti osztályok a komplett vezérlőmodulok IE-osztályaihoz hasonlóan IES0-tól IES2-ig terjednek. Ezek egy referencia villamos hajtásrendszeren (RPDS, reference PDS) alapulnak, és a komplett vezérlőmodul és a villanymotor együttes hatásfokát tükrözik.
A villanymotor és a komplett vezérlőmodul együttesének a konkrét felhasználási követelményekhez igazítása nagyobb lehetőséget biztosít a teljes hatásfok optimalizálására. Ez a hatásfok-optimalizálás a magasabb IES-besorolásban tükröződik. A referencia komplett meghajtó modulhoz (RCDM) hasonlóan a referencia villamos hajtásrendszer (RPDS) is nyolc előre meghatározott munkapontban teszi lehetővé a fogyasztás összehasonlítását egy átlagos műszaki megoldású villamos hajtásrendszerrel.
A munkapontok a nyomaték és a fordulatszám százalékos értékén alapulnak, és az IES-értéket a 100%-os nyomaték és 100%-os fordulatszám alapján számítják ki, ami a (100, 100) munkapontnak felel meg.
Az IE-osztályok 25%-os eltérései helyett az IES-osztályok 20%-os eltéréseken alapulnak. Az IES2 hatásfokosztályba sorolt villamos hajtásrendszereknek több mint 20%-kal kisebbek, az IES0 osztályba soroltaknak pedig több mint 20%-kal nagyobbak a veszteségei, mint az IES1-ként meghatározott referencia villamos hajtásrendszernek (3. ábra).
3. ábra A villamos hajtásrendszer munkapontjai és hatásfokosztályai az IEC 61800-9 szabvány szerint (Kép: Schneider Electric)
Példák frekvenciaváltókra
A frekvenciaváltó-gyártók nem mindig az IEC 61800-9 szabvány alapján adják meg a hatásfokot. Ez azért van így, mert az IEC 61800-9 alapján a legegyszerűbb hatásfokmérés is a komplett vezérlőmodulra vonatkozik, amely a frekvenciaváltóból (frekvenciainverter) és számos további részegységből áll, beleértve a betápláló részt, valamint a be- és kimeneti kiegészítő alkatrészeket. Az egyes kiegészítő alkatrészek használatára a frekvenciaváltó-gyártók ellenőrzése nem terjed ki, és az IEC 61800-9 szabvány nem közvetlenül a frekvenciaváltókra vonatkozik.
Egyes frekvenciaváltó-gyártók átvették az IEC 61800-9 szabvány módszertanát. Ha IE2-megfelelőségre van szükség, az adatokat különböző formátumokban, többek között diagramokon, táblázatokban és Excel-fájlokban adják meg.
A Siemens a SINAMICS V20 frekvenciaváltók esetében például az IEC 61800-9 szabvány módszertanát használja, és az IE2 hatásfokosztályba sorolja őket (4. ábra). Ezeket a frekvenciaváltókat kilencféle házméretben kínálják, 0,16 LE (0,12 kW) és 40 LE (30 kW) között. Ezek a frekvenciaváltók gyártási és folyamatvezérlési területeken használt alapvető hajtásrendszerekhez, például szivattyúkhoz, ventilátorokhoz, kompresszorokhoz és szállítószalagokhoz vannak optimalizálva. A nem kötelezően használandó számos kiegészítő alkatrész közé tartoznak a bemeneti szűrők, a be- és kimeneti fojtótekercsek, a fékező ellenállások stb.
4. ábra Egy IE2 hatásfokosztályú, 7,5 kW-os komplett vezérlőmodul, amelynek 36,1%-kal kisebbek a veszteségei, mint a referencia komplett meghajtó modulnak (munkapont: 90%/100%). A százalékos értékek a veszteségeket mutatják az alapszintű meghajtó névleges teljesítményéhez viszonyítva, a nem kötelezően használandó kiegészítő alkatrészek nélkül (Kép: Siemens)
A Delta Electronics szintén átvette az IEC 61800-9 szabvány módszertanát, és az 1,7 kVA, 3,0 kVA, 4,2 kVA, 6,6 kVA, 9,9 kVA és 12,2 kVA teljesítményű MS300 sorozatú kis méretű frekvenciaváltókat IE2 hatásfokúnak minősítette. A frekvenciaváltók adatait táblázatos formában, nem pedig grafikon formájában tették közzé. Az MS300 sorozat 0,2 kW és 22 kW közötti teljesítményű frekvenciaváltókat tartalmaz (5. ábra). Ezek a frekvenciaváltók számos beépített funkcióval el vannak látva, beleértve a programozható logikai vezérlő (PLC) funkciót a programozáshoz, a MODBUS-kommunikációt, egy kommunikációs kártyahelyet, amely további protokollokat támogat, valamint egy USB-portot az adatok fel- és letöltéséhez.
5. ábra A Delta Electronics MS300 sorozatában 0,2 kW és 22 kW közötti teljesítményű frekvenciaváltók találhatók (Kép: Delta Electronics)
Az Omron beszámolója szerint a „háromfázisú bemenetű frekvenciaváltók”, mint például az MX2 sorozatú frekvenciaváltók, megfelelnek az IE2 hatásfokosztály követelményeinek. A vállalat a tesztadatokat Excel-fájl formájában bocsátja rendelkezésre. Az MX2 sorozatú frekvenciaváltók 200 V-os egyfázisú bemenet esetén 0,1–2,2 kW, 200 V-os háromfázisú bemenet esetén 0,1–15,0 kW és 400 V-os háromfázisú bemenet esetén 0,4–15,0 kW teljesítményűek. Ezeket a frekvenciaváltókat indukciós és állandó mágneses motorokhoz tervezték, és 0,5 Hz-en 200%-os indítónyomatékkal támogatják a rángatásmentes fordulatszám-szabályozást le egészen nulla fordulatszámig.
Míg más frekvenciaváltó-gyártók az IEC 61800-9 szabvány 1. és 2. szakaszára összpontosítanak, a Schneider Electric holisztikusabb megközelítést használ, és leírja, hogyan építi egybe a frekvenciaváltóit a megfelelő villanymotorokkal, hogy az egység megfeleljen a környezetbarát berendezésekről szóló irányelvnek, valamint az IEC 61800-9 szabvány 3. szakaszát, amely az ökológiai egyensúlyt – beleértve a termékkategóriára vonatkozó előírásokat és a kapcsolódó környezetvédelmi nyilatkozatokat is – szem előtt tartva egy mennyiségi környezetbarát kialakítási megközelítést vázol fel.
A vállalat Altivar Machine ATV320 frekvenciaváltó-termékcsaládja IP20 és IP6x védettségű frekvenciaváltókat tartalmaz 0,18 kW (0,25 LE) és 15 kW (20 LE) között háromfázisú szinkron, aszinkron, állandó mágneses és szénkefe nélküli egyenáramú motorokhoz nyílt hurkú vezérléssel, és olyan funkciókat tartalmaz, mint:
- pontos nyomaték- és fordulatszám-szabályozás kis fordulatszámon és nagy dinamikus teljesítményérzékelő nélküli fluxusvektor-szabályozással;
- nagyfrekvenciás villanymotorok támogatása;
- beépített funkciók a funkcionális biztonságra vonatkozó szabványoknak való megfelelés érdekében.
Mi a helyzet az önjáró robotokkal?
Az önjáró robotok frekvenciaváltókat használnak ugyan, de más típusúakat. Jó példa erre a MEAN WELL cég VFD sorozatú, ipari szénkefe nélküli egyenáramú motorokhoz való frekvenciaváltó-termékcsaládja. Ezek a frekvenciaváltók megfelelnek az IEC 61800 szabvány vonatkozó szakaszainak, például az IEC 61800-5-1 szabvány biztonságra és az IEC 61800-3 szabvány elektromágneses összeférhetőségre (EMC) vonatkozó követelményeinek. A VFD sorozat tagjai azonban nem házban elhelyezett frekvenciaváltók, így az IEC 61800-9 szabvány hatásfokosztály-kategóriái nem alkalmazhatóak rájuk.
A VFD sorozat nyolc típust tartalmaz, köztük egyen- és váltakozó áramú bemenetű változatokat, 150 W és 750 W közötti teljesítménnyel. A VFD-350P-48 típus bemenőfeszültsége 48 V egyenfeszültség (VDC), és akkumulátorról működő berendezésekhez, például önjáró robotokhoz használható, és akár 350 W teljesítmény támogatására és 20 A kimenő áramerősség leadására is képes.
Ez a szénkefe nélküli egyenáramú motorokhoz való 350 W-os frekvenciaváltó egy 10 × 5 cm méretű áramköri kártyán van elhelyezve, és a ventilátor nélküli változata 5 másodpercig 200%-os csúcsterhelést képes elviselni (6. ábra). A VFD sorozatú frekvenciaváltók mindegyik típusa csak a teljesítményfokozatot tartalmazza, és külső vezérlőkártyát igényel. A MEAN WELL ezért külön rendelhető vezérlőkártyát is kínál a VFD sorozathoz.
6. ábra A VFD sorozatú frekvenciaváltók teljesítményfokozatának blokkvázlata (balra) és az önjáró robotokba való beépítésre kész teljesítményfokozat képe (jobbra) (Kép: MEAN WELL)
Összegzés
Az ipari felhasználási területekre, beleértve a gépvezérléseket és az önjáró robotokat is, különböző változtatható fordulatszámú vezérlőegységek állnak rendelkezésre. Úgy az egyen-, mint a váltakozó áramú motorokhoz léteznek ilyenek, és különböző mértékben felelnek meg az IEC 61800 szabvány egyes szakaszainak. Ezenkívül, mivel az IEC 61800-9 szabvány az egyes frekvenciaváltók teljesítményével nem foglalkozik, többféle módszer létezik a teljesítménynek az említett hatásfok-meghatározási szabványokhoz viszonyított megállapítására. Egyes frekvenciaváltó-gyártók az 1. és 2. szakaszra összpontosítanak, és olyan frekvenciaváltó-hatásfokszinteket adnak meg, mint az IE2. Mások ezzel szemben a 3. szakaszra helyezik a hangsúlyt, amely az általános környezetbarát kialakítási szempontokkal foglalkozik, beleértve a termékkategóriákra vonatkozó jogszabályokat és a kapcsolódó környezetvédelmi nyilatkozatokat.
Szerző: Rolf Horn – alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey
DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Applications Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail:
