ไดรฟ์มอเตอร์อุตสาหกรรมแบบปรับความเร็วได้ประเภทต่างๆ มีอะไรบ้าง

มาตรฐาน International Electrotechnical Commission (IEC) 61800 กล่าวถึงระบบขับเคลื่อนกำลัง (PDS) ด้วยไฟฟ้าปรับความเร็วได้สองประเภทสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรม โดย 61800-1 ใช้กับ PDS กระแสตรง (DC) และ 61800-2 ใช้กับ PDS กระแสสลับ (AC) ซึ่งคำว่า PDS จะใช้กับระบบขับเคลื่อนและมอเตอร์ทั้งหมด

ส่วนอื่น ๆ ของ 61800 กล่าวถึงวิธีการทดสอบ ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับสภาวะความร้อนและพลังงาน ความปลอดภัยในการใช้งาน ข้อกำหนดทางไฟฟ้าและสิ่งแวดล้อมสำหรับตัวเข้ารหัส อินเทอร์เฟซทางไฟฟ้า และการวัดประสิทธิภาพ โดยส่วนใหม่ล่าสุดของ IEC 61800-9 ครอบคลุมการออกแบบแบบยั่งยืนสำหรับระบบมอเตอร์ รวมถึงการกำหนดและการจำแนกประเภทประสิทธิภาพพลังงาน

แม้ว่า IEC 61800 จะให้คำจำกัดความ PDS แบบ AC และ DC ความเร็วแปรผัน แต่ก็มีคำจำกัดความทั่วไปสำหรับไดรฟ์ความเร็วแปรผัน (VSD) และไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) ในการใช้งานทางอุตสาหกรรม ซึ่ง IEC 61800 ใช้กับ PDS ที่จ่ายไฟหลักซึ่งเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 1.5 kV_AC 50 Hz หรือ 60 Hz นอกจากนี้ยังใช้กับแรงดันไฟฟ้าอินพุตกระแสตรงสำหรับระบบที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เช่น หุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติทางอุตสาหกรรม (AMR) ที่ใช้ไดรฟ์ปรับความเร็วได้ ระบบขับเคลื่อนและรถยนต์ไฟฟ้าไม่รวมอยู่ใน IEC 61800

บทความนี้จะนำเสนอคำจำกัดความทั่วไปของ VSD และ VFD โดยย่อ และดูว่าเหตุใด VFD จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย จากนั้นจะตรวจสอบคลาสประสิทธิภาพที่กำหนดใน IEC 61800-9 สำหรับไดรฟ์ AC และพิจารณา VFD ที่จ่ายไฟหลักที่เป็นแบบอย่างจาก Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric, Omron Automation, และปิดท้ายโดยกล่าวถึงการใช้ VFD ใน AMR และระบบที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่อื่นๆ โดยใช้ระบบตัวอย่างจาก MEAN WELL

คำจำกัดความมาตรฐานของ VFD คือตัวขับเคลื่อนที่ใช้การเปลี่ยนแปลงความถี่เพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์ ใช้ได้กับมอเตอร์ AC ในขณะเดียวกัน VSD จะเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเพื่อควบคุมมอเตอร์ นำมาใช้ได้กับมอเตอร์ AC และ DC

อย่างไรก็ตาม ไดรฟ์ทั้งสองประเภทสามารถใช้เพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้ ด้วยเหตุนี้ บางครั้งคำว่า VSD จึงถูกนำมาใช้กับ VFD โดย VFD สามารถใช้กับมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) กล่าวคือ ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงมอเตอร์ AC ซึ่ง VFD เหมาะสำหรับใช้กับมอเตอร์หลากหลายประเภท เช่น:

• มอเตอร์เหนี่ยวนำ (IM) หรือมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับแบบอะซิงโครนัสถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรม เนื่องจากเป็นมอเตอร์ที่สตาร์ทได้เอง เชื่อถือได้ และประหยัด
• มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) เป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับประสิทธิภาพสูง และสามารถควบคุมแรงบิดและความเร็วได้อย่างแม่นยำในการใช้งานประสิทธิภาพสูงที่ต้องการประสิทธิภาพด้านพลังงานสูง
• BLDC ยังใช้ในการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงและการควบคุมที่แม่นยำ และโดยทั่วไปจะมีอายุการใช้งานยาวนาน
• เซอร์โวมอเตอร์อาจเป็นไฟฟ้ากระแสสลับหรือกระแสตรง และรองรับการตอบสนองที่รวดเร็วและมีความแม่นยำสูง VFD ที่มีอัลกอริธึมการควบคุมพิเศษสามารถใช้กับเซอร์โวมอเตอร์ในหุ่นยนต์ เครื่องจักรกลอัตโนมัติที่ทำงานได้ด้วยระบบคอมพิวเตอร์ (CNC) และการใช้งานที่คล้ายกัน
• มอเตอร์ AC แบบซิงโครนัส (SM) เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วคงที่และการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำ แม้ว่า VFD จะสามารถควบคุมความเร็วของ SM ได้ แต่ตัวเลือกไดรฟ์อื่นๆ (ต้นทุนต่ำกว่า) ก็สามารถรองรับการทำงานที่ความเร็วคงที่ได้

มีอัลกอริธึมการควบคุมที่หลากหลายที่ใช้กับ VFD ซึ่งเพิ่มความคล่องตัว ตัวอย่างเช่น มีอัลกอริธึมควบคุม VFD หลักสี่ประเภทสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำโดยเฉพาะ: โวลต์ต่อเฮิร์ตซ์ (V/f), V/f พร้อมตัวเข้ารหัส เวกเตอร์วงเปิด และเวกเตอร์วงปิด ทั้งหมดใช้การปรับความกว้างพัลส์และให้การควบคุมความเร็วและแรงบิดในระดับที่แตกต่างกัน

ความสำคัญของ VFD ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่หลากหลายนั้นเห็นได้จากการพัฒนา IEC 61800-9 ซึ่งมุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพและการออกแบบแบบยั่งยืนของ VFD และระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ที่เกี่ยวข้อง

BDM, CDM และ PDS

IEC 61800-9 มีสองส่วนที่เกี่ยวข้องกับ VFD โดยส่วนที่ 1 อธิบายวิธีการในการกำหนดดัชนีหรือการอ้างอิงประสิทธิภาพพลังงานของการใช้งาน และส่วนที่ 2 ให้รายละเอียดวิธีการประเมินประสิทธิภาพตามการจำแนกประเภทต่างๆ

แม้ว่าประสิทธิภาพของ VFD ที่เรียกว่าโมดูลขับเคลื่อนพื้นฐาน (BDM) ใน IEC 61800-9 จะมีความสำคัญ แต่ก็ไม่ใช่ส่วนที่มาตรฐานมุ่งเน้น โดยมาตรฐานนี้มีพื้นฐานกว้างกว่าและพิจารณาโมดูลขับเคลื่อน (CDM) ที่สมบูรณ์ซึ่งประกอบด้วยอินเวอร์เตอร์ความถี่ (VFD), ส่วนการจ่ายพลังงาน, และอุปกรณ์เสริมอินพุตและเอาต์พุต (เช่น ตัวกรองและโช้ก) และบนระบบขับเคลื่อนกำลัง (PDS) ที่ ประกอบด้วย CDM บวกกับมอเตอร์ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ระดับประสิทธิภาพ IEC 61800-9 ใช้กับ CDM (ส่วนสีดำ) และ PDS (ส่วนสีแดง) ในระบบ VFD (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ระดับประสิทธิภาพ CDM

ระดับประสิทธิภาพสากล (IE) ของ CDM มีค่าตั้งแต่ IE0 ถึง IE2 พิจารณาโดยการเปรียบเทียบการสูญเสียโดยรวมของ CDM กับประสิทธิภาพของ CDM อ้างอิง (RCDM) โดยระดับ IE สำหรับ CDM ได้รับการกำหนดโดยสัมพันธ์กับจุดปฏิบัติงาน 90, 100 โดยใช้ความถี่สเตเตอร์ของมอเตอร์ 90% และกระแสแรงบิด 100% เพื่อหลีกเลี่ยงการปรับเกินและรับประกันความสามารถในการเปรียบเทียบการวัดประสิทธิภาพของไดรฟ์จากผู้ผลิตที่แตกต่างกัน

ประสิทธิภาพของ RCDM กำหนดให้อยู่ที่ระดับ IE1 โดย CDM ที่มีการสูญเสียน้อยกว่า RCDM มากกว่า 25% จะถูกจัดประเภทเป็น IE2 และ CDM ที่มีการสูญเสียมากกว่า RCDM มากกว่า 25% จะถูกจัดประเภทเป็น IE0 นอกจากนั้น RCDM ยังช่วยให้สามารถเปรียบเทียบการใช้พลังงานกับ CDM เทคโนโลยีโดยเฉลี่ยที่จุดปฏิบัติงานที่กำหนดไว้ล่วงหน้าแปดจุด (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50) ), (50, 100), (90, 50) และ (90, 100) (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: จุดปฏิบัติการ IEC 61800-9 CDM และระดับประสิทธิภาพ (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

ระดับประสิทธิภาพ PDS

ระดับของระบบประสิทธิภาพสากล (IES) ของ PDS เหมือนกับระดับ CDM IE และถูกกำหนดเป็น IES0 ถึง IES2 โดยอิงตาม PDS อ้างอิง (RPDS) และสะท้อนถึงประสิทธิภาพของโมดูลขับเคลื่อนที่สมบูรณ์บวกกับมอเตอร์

การจับคู่มอเตอร์แบบรวมและ CDM กับข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะทำให้มีศักยภาพมากขึ้นในการเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม โดยการเพิ่มประสิทธิภาพให้เหมาะสมนั้นสะท้อนให้เห็นในระดับ IES ที่สูงกว่า ซึ่ง RPDS ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบการใช้พลังงานกับ PDS เทคโนโลยีโดยเฉลี่ยที่จุดปฏิบัติงานที่กำหนดไว้ล่วงหน้าแปดจุด เช่นเดียวกับ RCDM

จุดปฏิบัติงานขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของแรงบิดและเปอร์เซ็นต์ของความเร็ว และค่า IES คำนวณจากแรงบิด 100% และความเร็ว 100% ซึ่งก็คือจุดปฏิบัติงาน (100, 100)

ระดับ IES จะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของระดับ IE ที่ 20% แทนที่จะใช้การเปลี่ยนแปลง 25% โดย PDS ที่มีระดับประสิทธิภาพ IES2 มีการสูญเสียน้อยกว่า 20% และ PDS ระดับ IES0 มีการสูญเสียมากกว่า 20% มากกว่าประสิทธิภาพ RPDS ที่กำหนดเป็น IES1 (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: จุดปฏิบัติการ IEC 61800-9 PDS และระดับประสิทธิภาพ (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ตัวอย่าง VFD

ผู้ผลิต VFD ไม่ได้รายงานประสิทธิภาพตาม 61800-9 เสมอไป นั่นเป็นเพราะว่าการวัดประสิทธิภาพที่ง่ายที่สุดโดยใช้ IEC 61800-9 นั้นมีไว้สำหรับ CDM ซึ่งประกอบด้วย VFD (อินเวอร์เตอร์ความถี่) พร้อมส่วนประกอบเพิ่มเติมมากมาย รวมถึงส่วนจ่ายพลังงานและอุปกรณ์เสริมอินพุตและเอาต์พุต โดยการใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมเฉพาะนั้นอยู่นอกเหนือการควบคุมของผู้ผลิต VFD และ 61800-9 ใช้ไม่ได้กับ VFD โดยตรง

ผู้ผลิต VFD บางรายได้ปรับวิธีการ 61800-9 เมื่อมีการอ้างสิทธิ์การปฏิบัติตาม IE2 ข้อมูลจะถูกรายงานในรูปแบบต่างๆ รวมถึงแผนภูมิ ตาราง และไฟล์ Excel

ตัวอย่างเช่น Siemens ใช้วิธีการตาม IEC 61800-9 ร่วมกับ SINAMICS V20 ขับเคลื่อนและรายงานเป็นคลาสประสิทธิภาพ IE2 (รูปที่ 4) ไดรฟ์เหล่านี้มีจำหน่ายในขนาดเฟรมเก้าขนาด ตั้งแต่ 0.16 ถึง 40 แรงม้า (แรงม้า) โดยไดรฟ์เหล่านี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับระบบขับเคลื่อนขั้นพื้นฐานในการใช้งานด้านการผลิตและกระบวนการ เช่น ปั๊ม พัดลม คอมเพรสเซอร์ และสายพานลำเลียง ส่วนประกอบเสริมจำนวนมากประกอบด้วยตัวกรองอินพุต รีแอคเตอร์อินพุตและเอาต์พุต ตัวต้านทานการเบรก และอื่นๆ

รูปที่ 4: CDM 7.5 kW ระดับประสิทธิภาพ IE2 ที่มีการสูญเสียลดลง 36.1% เมื่อเทียบกับตัวแปลงอ้างอิง (90% / 100%) โดยเปอร์เซ็นต์แสดงการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับกำลังไฟของไดรฟ์พื้นฐานที่ไม่มีส่วนประกอบเสริม (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

นอกจากนี้ Delta Electronics ยังได้ปรับวิธีการ 61800-9 และรายงานประสิทธิภาพของ IE2 สำหรับรุ่น 1.7, 3.0, 4.2, 6.6, 9.9 และ 12.2 kVA ของไดรฟ์ขนาดกะทัดรัดซีรีส์ MS300 โดยข้อมูลมีรายละเอียดในรูปแบบตารางแทนที่จะเป็นแผนภูมิ ซีรีส์ MS300 มีไดรฟ์ตั้งแต่ 0.2 ถึง 22 kW (รูปที่ 5) ไดรฟ์เหล่านี้มีคุณสมบัติในตัวหลายประการ รวมถึงฟังก์ชันตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) สำหรับการเขียนโปรแกรม, การสื่อสาร MODBUS, ช่องเสียบการสื่อสารที่สามารถรองรับโปรโตคอลเพิ่มเติม และพอร์ต USB สำหรับการอัพโหลดและดาวน์โหลดข้อมูล

รูปที่ 5: ซีรีส์ MS300 ของ Delta Electronics มีไดรฟ์ 0.2 ถึง 22 kW (แหล่งที่มาภาพ: Delta Electronics)

Omron รายงาน "ไดรฟ์ความเร็วตัวแปรพร้อมอินพุตสามเฟส" เช่น VFD ซีรี่ส์ MX2 ที่ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ IE2 บริษัทให้ข้อมูลการทดสอบเป็นไฟล์ Excel โดยไดรฟ์ MX2 มีพิกัดตั้งแต่ 0.1 ถึง 2.2 kW สำหรับอินพุต 1 เฟส 200 V, 0.1 ถึง 15.0 kW สำหรับอินพุต 3 เฟส 200 V และ 0.4 ถึง 15.0 kW สำหรับอินพุต 3 เฟส 400 V ไดรฟ์เหล่านี้ได้รับการออกแบบสำหรับมอเตอร์ IM และ PM และรองรับการควบคุมที่ราบรื่นจนถึงความเร็วเป็นศูนย์ด้วยแรงบิดเริ่มต้น 200% ที่ 0.5 Hz

ในขณะที่ผู้ผลิต VFD รายอื่นๆ มุ่งเน้นไปที่ส่วนที่ 1 และ 2 ของ IEC 61800-9 แต่ Schneider Electric ใช้แนวทางแบบองค์รวมมากขึ้นและอธิบายวิธีรวมไดรฟ์เข้ากับมอเตอร์ที่เหมาะสมเพื่อให้เป็นไปตามคำสั่งการออกแบบแบบยั่งยืนและส่วนที่ 3 ของ IEC 61800-9 ที่สรุป แนวทางการออกแบบแบบยั่งยืนเชิงปริมาณโดยการสร้างสมดุล รวมถึงกฎระเบียบประเภทผลิตภัณฑ์และการประกาศด้านสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้อง

ตระกูลไดรฟ์ Altivar Machine ATV320 ของบริษัทประกอบด้วย VFD พิกัด IP20 และ IP6x ตั้งแต่ 0.18 ถึง 15 kW (0.25 ถึง 20 แรงม้า) สำหรับมอเตอร์ซิงโครนัส 3 เฟส อะซิงโครนัส PM และ BLDC ในการควบคุมลูปเปิด และมีฟังก์ชันต่างๆ เช่น:

• แรงบิดความเร็วต่ำและความแม่นยำของความเร็วและประสิทธิภาพไดนามิกสูงโดยใช้การควบคุมเวกเตอร์ฟลักซ์โดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์
• รองรับมอเตอร์ความถี่สูง
• ฟังก์ชันแบบรวมเพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานความปลอดภัยในการใช้งาน

ด้าน AMR

AMR ใช้ VFD แต่เป็น VFD ประเภทอื่น มอเตอร์ไดรฟ์ BLDC อุตสาหกรรมซีรีส์ VFD จาก MEAN WELL คือตัวอย่างที่ดี เป็นไปตามส่วนที่เกี่ยวข้องของ IEC 61800 เช่น ข้อกำหนดด้านความปลอดภัย 61800-5-1 และข้อกำหนดความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) 61800-3 อย่างไรก็ตาม VFD เหล่านี้ไม่ใช่ไดรฟ์แบบแพ็กเกจ ดังนั้นจึงใช้หมวดประสิทธิภาพ 61800-9 ไม่ได้

ซีรีส์ VFD มีแปดรุ่นที่มีเวอร์ชันอินพุต DC และ AC ตั้งแต่ 150 ถึง 750 W โดยรุ่น VFD-350P-48 ทำงานด้วยอินพุต 48 V_DC สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ เช่น AMR และสามารถจ่ายกระแสเอาต์พุตได้สูงสุด 350 W และ 20 A

ไดรเวอร์ BLCD ขนาด 350 W นี้บรรจุอยู่ในการ์ดวงจรขนาด 4"x 2" และการออกแบบแบบไม่มีพัดลมสามารถรองรับโหลดสูงสุด 200% เป็นเวลา 5 วินาที (รูปที่ 6) ทุกรุ่นในซีรีส์ VFD มีเพียงส่วนขับเคลื่อนด้วยกำลังและต้องใช้การ์ดควบคุมภายนอก MEAN WELL ยังมีการ์ดควบคุมเสริมอีกด้วย

รูปที่ 6: แผนภาพของส่วนกำลังขับ VFD (ซ้าย) และส่วนกำลังที่พร้อมสำหรับการติดตั้งใน AMR (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: MEAN WELL)

สรุป

มีการออกแบบไดรฟ์ปรับความเร็วได้หลากหลายรูปแบบสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรม รวมถึงการควบคุมเครื่องจักรและ AMR สามารถรองรับทั้งมอเตอร์ AC และ DC และมีระดับการปฏิบัติตามข้อกำหนด IEC 61800 ที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ เนื่องจากประสิทธิภาพของ VFD แต่ละตัวไม่ได้เป็นส่วนสำคัญของ IEC 61800-9 จึงมีแนวทางที่แตกต่างกันหลายวิธีในการรายงานประสิทธิภาพโดยสัมพันธ์กับมาตรฐานประสิทธิภาพเหล่านั้น โดยผู้ผลิต VFD บางรายมุ่งเน้นไปที่ส่วนที่ 1 และ 2 และรายงานระดับประสิทธิภาพของ VFD เช่น IE2 ในทางตรงกันข้าม ผู้ผลิตรายอื่นอาจมุ่งเน้นไปที่ส่วนที่ 3 ซึ่งเกี่ยวข้องกับการพิจารณาการออกแบบแบบยั่งยืนโดยรวม รวมถึงข้อบังคับประเภทผลิตภัณฑ์และการประกาศด้านสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้อง