Verschiedene Typen von industriellen Motorsteuerungen für variable Geschwindigkeiten

Der Standard 61800 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) kennt zwei Typen von elektrischen Antriebssteuersystemen mit einstellbarer Geschwindigkeit (PDS) für industrielle Anwendungen. 61800-1 gilt für Gleichstrom-PDS und 61800-2 gilt für Wechselstrom-PDS. Der Begriff PDS bezieht sich auf das gesamte System aus Steuersystem und Motor.

Weitere Abschnitte der Norm 61800 behandeln Prüfverfahren, Sicherheitsanforderungen in Bezug auf thermische und energetische Bedingungen, funktionale Sicherheit, elektrische und umweltbezogene Anforderungen an Drehgeber, elektrische Schnittstellen und Leistungsmessungen. Der neueste Teil, IEC 61800-9, befasst sich mit dem Ökodesign für Motorsysteme, einschließlich der Bestimmung und Klassifizierung der Energieeffizienz.

Während die IEC 61800 geschwindigkeitsvariable Wechsel- und Gleichstrom-PDS definiert, gibt es auch allgemeine Definitionen für geschwindigkeitsvariable Steuersysteme (VSDs) und frequenzvariable Steuersysteme (VFDs) in industriellen Anwendungen. IEC 61800 gilt für netzgespeiste PDS, die an bis zu 1,5 kV_AC bei 50 Hz oder 60 Hz angeschlossen sind. Sie gilt auch für Gleichstrom-Eingangsspannungen für batteriebetriebene Systeme wie autonome mobile Roboter (AMR), die drehzahlveränderliche Steuersysteme verwenden. Antriebe für Traktions- und Elektrofahrzeuge sind von der IEC 61800 ausgenommen.

In diesem Artikel werden die gängigen Definitionen von VSDs und VFDs kurz vorgestellt und es wird erläutert, warum VFDs weit verbreitet sind. Anschließend werden die in der IEC 61800-9 definierten Effizienzklassen für Wechselstromantriebe erläutert und beispielhafte netzbetriebene VFDs von Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric und Omron Automation betrachtet. Abschließend wird der Einsatz von VFDs in AMRs und anderen batteriebetriebenen Systemen anhand eines Beispielsystems von MEAN WELL untersucht.

Die Standarddefinition eines VFD ist ein Steuersystem, das Frequenzänderungen zur Steuerung der Motordrehzahl nutzt, was es für Wechselstrommotoren geeignet macht. Ein VSD hingegen variiert die Spannung zur Steuerung des Motors, so dass es sowohl für Wechselstrom- als auch für Gleichstrommotoren geeignet ist.

Aber ganz so einfach ist es nicht. Beide Arten von Steuersystemen können zur Steuerung der Drehzahl von Motoren verwendet werden. Infolgedessen wird der Begriff VSD manchmal auch für VFDs verwendet. VFDs können mit bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDCs) verwendet werden; streng genommen sind sie nicht auf Wechselstrommotoren beschränkt. VFDs eignen sich für den Einsatz mit einer Vielzahl von Motoren wie:

• Induktionsmotoren (IM) oder asynchrone Wechselstrommotoren sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet, da sie selbststartend, zuverlässig und wirtschaftlich sind.
• Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) sind hocheffiziente Wechselstrommotoren und ermöglichen eine präzise Steuerung von Drehmoment und Drehzahl in Hochleistungsanwendungen, die eine hohe Energieeffizienz erfordern.
• BLDCs werden auch in Anwendungen eingesetzt, die einen hohen Wirkungsgrad und eine präzise Steuerung erfordern und in der Regel eine lange Lebensdauer haben.
• Servomotoren können AC- oder DC-Motoren sein und unterstützen schnelle, hochpräzise Reaktionen. VFDs mit speziellen Regelalgorithmen können mit Servomotoren in Robotern, computergesteuerten (CNC) Maschinen und ähnlichen Anwendungen eingesetzt werden.
• AC-Synchronmotoren (SM) eignen sich für Anwendungen, die eine konstante Drehzahl und eine präzise Synchronisierung erfordern. Während VFDs die Geschwindigkeit von SMs steuern können, können andere (kostengünstigere) Steuerungsoptionen den Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit unterstützen.

Es gibt eine Vielzahl von Steuerungsalgorithmen für VFDs, die deren Vielseitigkeit erhöhen. So gibt es beispielsweise vier Haupttypen von VFD-Steuerungsalgorithmen nur für Induktionsmotoren: Volt-pro-Hertz (U/f), U/f mit Encoder, Vektorsteuerung und Vektorregelung. Alle arbeiten mit Pulsweitenmodulation und bieten verschiedene Stufen der Steuerung von Drehzahl und Drehmoment.

Die Bedeutung von VFDs in einer Vielzahl industrieller Anwendungen zeigt sich in der Entwicklung der IEC 61800-9, die sich auf die Effizienz und das Ökodesign von VFDs und entsprechenden Motorsteuerungssystemen konzentriert.

BDM, CDM und PDS

Es gibt zwei Abschnitte der IEC 61800-9, die sich auf VFDs beziehen. In Teil 1 wird die Methodik zur Bestimmung des Energieeffizienzindexes oder der Referenz für eine Anwendung beschrieben. In Teil 2 werden die Methoden zur Bewertung der Effizienz auf der Grundlage einer Reihe von Klassifizierungen erläutert.

Die Effizienz von VFDs, die in der IEC 61800-9 als Basis-Steuerungsmodule (BDM) bezeichnet werden, ist zwar wichtig, steht aber nicht im Mittelpunkt der Norm. Die Norm ist breiter angelegt und berücksichtigt komplette Antriebsmodule (CDMs), die aus einem Frequenzumrichter (dem VFD), einem Einspeiseteil und Eingangs- und Ausgangshilfseinrichtungen (wie Filter und Drosseln) bestehen, sowie das Leistungsantriebssystem (PDS), das aus dem CDM und dem Motor besteht (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Effizienzklassen der IEC 61800-9 gelten für das CDM (schwarzer Abschnitt) und das PDS (roter Abschnitt) in VFD-Systemen. (Bildquelle: Schneider Electric)

CDM-Effizienzklassen

Die internationalen CDM-Effizienzklassen (IE) sind von IE0 bis IE2 definiert. Sie werden durch den Vergleich des Gesamtverlustes des CDM mit der Leistung eines Referenz-CDMs (RCDM) ermittelt. Die IE-Klassen für CDMs werden in Bezug auf den 90-100-Betriebspunkt unter Verwendung von 90 % Motorstatorfrequenz und 100 % Drehmomentstrom definiert, um Übersteuerungen zu vermeiden und die Vergleichbarkeit der Leistungsmessungen von Steuersystemen verschiedener Hersteller zu gewährleisten.

Die Performance des RCDM wird als IE1 definiert. Ein CDM mit mehr als 25 % geringeren Verlusten als das RCDM wird als IE2 eingestuft, und ein CDM mit mehr als 25 % höheren Verlusten als das RCDM wird als IE0 eingestuft. Das RCDM ermöglicht auch den Vergleich des Energieverbrauchs mit einem CDM durchschnittlicher Technologie bei acht vordefinierten Betriebspunkten (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) und (90, 100) (Abbildung 2).

Abbildung 2: CDM-Betriebspunkte und Effizienzklassen in IEC 61800-9. (Bildquelle: Siemens)

PDS-Effizienzklassen

Die PDS-Klassen des internationalen Effizienzsystems (IES) entsprechen den CDM-IE-Klassen und sind als IES0 bis IES2 definiert. Sie basieren auf einem Referenz-PDS (RPDS) und spiegeln den Wirkungsgrad des gesamten Antriebssteuerungsmoduls plus Motor wider.

Die Abstimmung der Kombination aus Motor und CDM auf die spezifischen Anwendungsanforderungen bietet ein größeres Potenzial zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrads. Diese Effizienzoptimierung spiegelt sich in einer höheren IES-Einstufung wider. Wie das RCDM ermöglicht auch das RPDS den Vergleich des Energieverbrauchs mit einem PDS durchschnittlicher Technologie bei acht vordefinierten Betriebspunkten.

Die Betriebspunkte basieren auf einem Prozentsatz des Drehmoments und einem Prozentsatz der Drehzahl, und der IES-Wert wird auf der Grundlage von 100 % Drehmoment und 100 % Drehzahl berechnet, was dem (100, 100) Betriebspunkt entspricht.

Anstelle der 25%-igen Änderungen der IE-Klassen basieren die IES-Klassen auf 20%-igen Änderungen. Ein PDS mit der Effizienzklasse IES2 hat mehr als 20 % geringere Verluste, und ein PDS der Klasse IES0 hat mehr als 20 % höhere Verluste als die als IES1 definierte RPDS-Leistung (Abbildung 3).

Abbildung 3: PDS-Betriebspunkte und -Effizienzklassen in IEC 61800-9. (Bildquelle: Schneider Electric)

VFD-Beispiele

Die Hersteller von VFDs geben den Wirkungsgrad nicht immer auf der Grundlage von 61800-9 an. Denn die einfachste Wirkungsgradmessung nach IEC 61800-9 bezieht sich auf den CDM, der aus dem VFD (Frequenzumrichter) und zahlreichen weiteren Komponenten wie dem Einspeiseteil und den Ein- und Ausgangshilfsgeräten besteht. Die Verwendung bestimmter zusätzlicher Komponenten entzieht sich der Kontrolle der VFD-Hersteller, und die Norm 61800-9 gilt nicht direkt für VFDs.

Einige VFD-Hersteller haben die 61800-9-Methode angepasst. Wenn die Einhaltung der IE2-Vorschriften beansprucht wird, werden die Daten in verschiedenen Formaten gemeldet, darunter Diagramme, Tabellen und Excel-Dateien.

So wendet Siemens bei seinen Steuersystemen SINAMICS V20 die IEC 61800-9-Methodik an und weist sie in der Effizienzklasse IE2 aus (Abbildung 4). Diese Steuersysteme werden in neun Baugrößen angeboten, die von 0,16 bis 40 Pferdestärken (PS) reichen. Die Steuersysteme wurden für grundlegende Antriebssysteme in Fertigungs- und Prozessanwendungen wie Pumpen, Lüfter, Kompressoren und Förderanlagen optimiert. Zu den zahlreichen optionalen Komponenten gehören Eingangsfilter, Eingangs- und Ausgangsdrosseln, Bremswiderstände und so weiter.

Abbildung 4: 7,5 kW CDM der Effizienzklasse IE2 mit 36,1 % geringeren Verlusten im Vergleich zum Referenzumrichter (90% / 100%). Die Prozentangaben zeigen die Verluste im Verhältnis zur Nennleistung der Basissteuerung ohne optionale Komponenten. (Bildquelle: Siemens)

Delta Electronics hat die 61800-9-Methodik ebenfalls angepasst und gibt die IE2-Effizienz für seine Kompaktsteuersysteme der Serien MS300 mit 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 und 12,2 kVA an. Die Daten werden in tabellarischer Form und nicht in Form eines Diagramms dargestellt. Die Serie MS300 umfasst Antriebe von 0,2 bis 22 kW (Abbildung 5). Diese Steuersysteme verfügen über mehrere integrierte Funktionen, darunter eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) für die Programmierung, MODBUS-Kommunikation, einen Kommunikationssteckplatz, der zusätzliche Protokolle unterstützen kann, und einen USB-Anschluss zum Hoch- und Herunterladen von Daten.

Abbildung 5: Die Serie MS300 von Delta Electronics umfasst Steuersysteme von 0,2 bis 22 kW. (Bildquelle: Delta Electronics)

Omron berichtet, dass seine „geschwindigkeitsvariablen Steuersysteme mit dreiphasigem Eingang“, wie die VFDs der Serie MX2, die Anforderungen der Effizienzklasse IE2 erfüllen. Das Unternehmen stellt die Testdaten in Form einer Excel-Datei zur Verfügung. MX2-Steuersysteme sind mit Leistungen von 0,1 bis 2,2 kW für einen einphasigen 200V-Eingang, 0,1 bis 15,0 kW für einen dreiphasigen 200V-Eingang und 0,4 bis 15,0 kW für einen dreiphasigen 400V-Eingang erhältlich. Diese Steuersysteme sind für IM- und PM-Motoren ausgelegt und unterstützen eine gleichmäßige Regelung bis zum Stillstand mit 200 % Anlaufmoment bei 0,5 Hz.

Während sich andere Hersteller von VFDs auf die Abschnitte 1 und 2 der IEC 61800-9 konzentrieren, verfolgt Schneider Electric einen ganzheitlicheren Ansatz und beschreibt, wie seine Steuersysteme mit dem entsprechenden Motor integriert werden können, um die Ökodesign-Richtlinie und Abschnitt 3 der IEC 61800-9 zu erfüllen, in dem ein quantitativer Ökodesign-Ansatz mittels Ökobilanzierung einschließlich Produktkategorievorschriften und entsprechender Umweltdeklarationen beschrieben wird.

Die Familie der Steuerungen Altivar Machine ATV320 umfasst VFDs der Schutzklassen IP20 und IP6x von 0,18 bis 15 kW (0,25 bis 20 PS) für dreiphasige Synchron-, Asynchron-, PM- und BLDC-Motoren im offenen Regelkreis und bietet Funktionen wie:

• Drehmoment- und Drehzahlgenauigkeit bei niedrigen Drehzahlen und hohe dynamische Leistung durch sensorlose Flussvektorregelung
• Unterstützung für Hochfrequenzmotoren
• Integrierte Funktionen zur Einhaltung der Normen für funktionale Sicherheit

Was ist mit AMRs?

AMRs verwenden VFDs, aber eine andere Art von VFDs. Die VFD-Serie der industriellen BLDC-Motorsteuerungen von MEAN WELL ist ein gutes Beispiel dafür. Sie erfüllen die relevanten Abschnitte der IEC 61800, wie z. B. die Sicherheitsanforderungen 61800-5-1 und die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 61800-3. Bei diesen VFDs handelt es sich jedoch nicht um Kompaktsteuersysteme, so dass die Effizienzkategorien von 61800-9 nicht gelten.

Die VFD-Serie umfasst acht Modelle mit Gleich- und Wechselstromeingang von 150 bis 750 W. Das Modell VFD-350P-48 arbeitet mit einem Eingang von 48 V_DC für batteriebetriebene Anwendungen wie AMRs und kann bis zu 350 W und 20 A Ausgangsstrom liefern.

Dieser 350W-BLCD-Treiber ist auf einer 4"x 2"-Leiterplatte untergebracht, und das lüfterlose Design kann 200 % Spitzenlast für 5 Sekunden unterstützen (Abbildung 6). Alle Modelle der VFD-Serie enthalten nur die Leistungstreiber und benötigen eine externe Steuerkarte. MEAN WELL bietet auch eine optionale Steuerkarte an.

Abbildung 6: Blockdiagramm des Leistungstreibers eines VFD-Antriebs (links) und des für den Einbau in einen AMR fertigen Leistungstreibers (rechts). (Bildquelle: MEAN WELL)

Fazit

Für industrielle Anwendungen, einschließlich Maschinensteuerungen und AMRs, sind verschiedene Ausführungen von geschwindigkeitsvariablen Steuerungen erhältlich. Sie können sowohl AC- als auch DC-Motoren unterstützen und entsprechen in unterschiedlichem Maße den Abschnitten der IEC 61800. Da die Leistung einzelner VFDs nicht im Mittelpunkt der IEC 61800-9 steht, gibt es verschiedene Ansätze für die Protokollierung der Performance im Vergleich zu diesen Effizienzstandards. Einige Hersteller von VFDs konzentrieren sich auf die Abschnitte 1 und 2 und geben VFD-Effizienzwerte wie IE2 an. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich andere auf Abschnitt 3, der sich auf allgemeine Ökodesign-Erwägungen bezieht, einschließlich Vorschriften für Produktkategorien und entsprechende Umweltdeklarationen.