可調(diào)速工業(yè)電機驅(qū)動器有哪些不同類型

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-26

國際電工委員會 (IEC) 標(biāo)準(zhǔn) 61800 將用于工業(yè)應(yīng)用的可調(diào)速電力驅(qū)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(qū)動器和電機構(gòu)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(guān)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(shè)計，包括能效確定和分類。

雖然 IEC 61800 對可調(diào)速交流和直流 PDS 進行了定義，但工業(yè)應(yīng)用中的變速驅(qū)動器 (VSD) 和變頻驅(qū)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(diào)速驅(qū)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(qū)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(qū)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(yīng)用。

VFD 的標(biāo)準(zhǔn)定義是，利用頻率變化控制電機速度的驅(qū)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(qū)動器并非如此簡單。這兩類驅(qū)動器都可用于控制電機速度。因此，有時術(shù)語 VSD 亦適用于 VFD。VFD 可用于無刷直流電機 (BLDC)；嚴(yán)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(yīng)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(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。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(yīng)用。
• 同步交流電機 (SM)，適用于要求恒定速度和精確同步的應(yīng)用。雖然 VFD 可以控制 SM 的速度，但其他（成本較低）的驅(qū)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(yīng)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(diào)制，可對速度和扭矩進行不同程度的控制。

IEC 61800-9 標(biāo)準(zhǔn)的編制證實了 VFD 在各種工業(yè)應(yīng)用中的重要性，其重點介紹 VFD 和相關(guān)電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率和生態(tài)設(shè)計。

BDM、CDM 和 PDS

IEC 61800-9 標(biāo)準(zhǔn)有兩個部分與 VFD 有關(guān)。第 1 部分闡述了確定應(yīng)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(xì)介紹了效率評估方法。

雖然 VFD（在 IEC 61800-9 中稱為基本驅(qū)動模塊 [BDM]）的效率非常重要，但這并不是該標(biāo)準(zhǔn)的主要關(guān)注點。該標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備（如濾波器和扼流圈）組成的完整驅(qū)動模塊 (CDM) 以及由 CDM 和電機組成的電力驅(qū)動系統(tǒng) (PDS)（圖 1）。

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(zhuǎn)矩電流，以避免過調(diào)并確保不同制造商的驅(qū)動器性能測量結(jié)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(yù)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(shù)的 CDM 進行比較（圖 2）。

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(chǔ)，顯示完整驅(qū)動模塊和電機的效率。

根據(jù)具體應(yīng)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(yù)定義的工作點將能耗與采用平均技術(shù)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）。

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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)并不直接適用于 VFD。

一些 VFD 制造商對 61800-9 方法進行了調(diào)整。當(dāng)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(qū)動器中采用了 IEC 61800-9 方法，并報告這些驅(qū)動器達(dá)到效率等級 IE2（圖 4）。這些驅(qū)動器有九種框架尺寸，功率從 0.16 到 40 馬力 (hp) 不等。這些驅(qū)動器針對制造和加工應(yīng)用中的基本驅(qū)動系統(tǒng)（如泵、風(fēng)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。

圖 4：效率等級為 IE2 的 7.5 kW CDM，其損耗比參考轉(zhuǎn)換器低 36.1% (90% / 100%)。百分比顯示了損耗與基本驅(qū)動器（不含可選組件）的額定功率的關(guān)系。（圖片來源：Siemens）

Delta Electronics 也對 61800-9 方法進行了調(diào)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(qū)動器達(dá)到 IE2 效率等級。數(shù)據(jù)以表格而非圖表的形式詳細(xì)列出。MS300 系列包括功率從 0.2 至 22 kW 的驅(qū)動器（圖 5）。這些驅(qū)動器具有多項內(nèi)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。

圖 5：Delta Electronics 的 MS300 系列包括功率從 0.2 至 22 kW 的驅(qū)動器。（圖片來源：Delta Electronics）

Omron 報告稱，其“三相輸入變速驅(qū)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(qū)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(qū)動器專為 IM 和 PM 電機設(shè)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(guān)注 IEC 61800-9 標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動器與適當(dāng)?shù)碾姍C集成，以滿足生態(tài)設(shè)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(shè)計方法，包含產(chǎn)品類別規(guī)范和相關(guān)環(huán)境聲明。

該公司的 [Altivar Machine ATV320] 驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(qū)動器就是一個很好的例子。它們符合 IEC 61800 相關(guān)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(qū)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 48 VDC ，適用于 AMR 等電池供電型應(yīng)用，可提供高達(dá) 350 W 的功率和 20 A 的輸出電流。

這款 350 W BLCD 驅(qū)動器封裝在 4 "x 2 "電路板上，無風(fēng)扇設(shè)計可支持 5 秒鐘的 200% 峰值負(fù)載（圖 6）。VFD 系列的所有型號都只包括動力驅(qū)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。

圖 6：VFD 驅(qū)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(jié)語

各種可調(diào)速度驅(qū)動器設(shè)計可用于工業(yè)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)相關(guān)部分的規(guī)定。此外，由于單個 VFD 的性能并非 IEC 61800-9 標(biāo)準(zhǔn)的重點，因此有幾種不同的方法來報告與這些效率標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的性能。一些 VFD 制造商關(guān)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(shè)計考慮因素，包括產(chǎn)品類別規(guī)范和相關(guān)環(huán)境聲明。

審核編輯 黃宇