מהם הסוגים השונים של הנעות מנוע תעשייתיות מהירות-מתכווננת

תקן 61800 של International Electrotechnical Commission‏ (IEC) מזהה שני סוגים של מערכות הינע חשמלי (PDS) מהירות-מתכווננת עבור יישומים תעשייתיים. 61800-1 חל על PDS זרם ישר (DC), ו-61800-2 חל על PDS זרם חילופין (AC). המונח PDS מתיחס למערכת כולה של‏ הנעה ומנוע.

סעיפים אחרים של 61800 דנים בשיטות בדיקה, דרישות בטיחות הקשורות לתנאים תרמיים וטמפרטורה, בטיחות פונקציונלית, דרישות חשמליות וסביבתיות עבור אנקודרים, ממשקים חשמליים ומדידות ביצועים. החלק החדש ביותר, IEC 61800-9, מכסה תכנון אקולוגי של מערכות מוטוריות, כולל קביעת יעילות אנרגטית וסיווג.

בעוד IEC 61800 מגדיר AC PDS ו-DC PDS מהירות-מתכווננת, ישנן גם הגדרות כלליות למניעי מהירות ניתנת-לשינוי (VSDs)‏ ומניעי תדירות ניתנת-לשינוי (VFDs‏) ביישומים תעשייתיים. IEC 61800 חל על PDS מוזן-רשת המחובר לעד ‎1.5 kV_AC‏ ‎50 Hz או ‎60 Hz‏. הוא חל גם על מתחי כניסה DC עבור מערכות מוזנות-סוללה כמו רובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs) תעשייתיים המשתמשים במניעי מהירות-מתכווננת. מניעי משיכה ורכב חשמלי אינם נכללים בתקן IEC 61800.

מאמר זה מתאר בקצרה את ההגדרות הנפוצות של‏ VSDs‏ ו-VFDs‏ ובוחן מדוע VFDs נמצאים בשימוש נרחב. אחר כך הוא סוקר את קטגוריות היעילות המוגדרות ב-IEC 61800-9 עבור מניעי AC‏ ובוחן דוגמאות של מניעי VFD מוזני רשת מבית Delta Electronics,‏ Siemens‏, Schneider Electric‏, Omron Automation‏, ומסיים בהתבוננות על השימוש במניעי VFD‏ ברובוטים AMR ומערכות מוזנות-סוללה אחרות תוך שימוש במערכת‏ דוגמה מבית MEAN WELL.

ההגדרה הסטנדרטית של‏ VFD‏ היא מניע המשתמש בשינויי תדירות כדי לשלוט על מהירות מנוע, מה שעושה אותו שימושי עם מנועי AC.‏ במקביל,‏ VSD‏ משנה את המתח כדי לבקר את המנוע, מה שעושה אותו שימושי עבור מנועי AC כמו גם DC.

אך הדבר אינו פשוט כל כך. שני סוגי המניעים ניתנים לשימוש עבור שליטה על המהירות של‏ מנועים. כתוצאה מכך, לעיתים, המונח VSD‏‏ משמש לציון מניעי VFD‏. מניעי VFD‏ ניתנים לשימוש עם מנועי DC ללא מברשות (מנועי BLDC‏); למען הדיוק, הם אינם מוגבלים למנועי AC. מניעי VFD‏ מתאימים לשימוש עם‏ מגוון מנועים כמו:

• השראה (IM) או מנועי AC אסינכרוניים‏, שנמצאים בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים מאחר והם בעלי אתחול-עצמי, אמינים וחסכוניים.
• מנועים סינכרוניים עם מגנט קבוע (PMSM‏), שהם מנועי AC בעלי נצילות גבוהה ויכולים לאפשר בקרה מדויקת של מומנט סיבוב ומהירות ביישומי ביצועים-עיליים הדורשים יעילות אנרגטית גבוהה.
• מנועי BLDC‏ משמשים גם ביישומים הדורשים נצילות גבוהה ובקרה מדויקת ובדרך כלל יש להם חיי עבודה ארוכים.
• מנועי סרוו יכולים להיות AC‏ או DC‏ ותומכים בהענויות מהירות ומדויקות ביותר. מניעי VFD‏ עם אלגוריתמים מיוחדים של בקרה ניתנים לשימוש עם מנועי סרוו ברובוטים, מכונות (CNC) ויישומים דומים.
• מנועי AC סינכרוניים (SMs‏) מתאימים עבור יישומים הדורשים מהירות קבועה וסינכרון מדויק. בעוד מניעי VFD‏ יכולים לשלוט על המהירות של‏ SMs‏, אופציות מניע אחרות (בעלות נמוכה יותר) יכולות לתמוך בעבודה במהירות קבועה.

יש מגוון של אלגוריתמי בקרה המשמשים עם מניעי VFD המגדילים את הרבגוניות שלהם. לדוגמה, ישנם ארבעה סוגים עיקריים של אלגוריתמי בקרת VFD רק עבור מנועי אינדוקציה: וולט-להרץ (V/f‏), V/f‏ עם אנקודר, וקטור חוג-פתוח ווקטור חוג-סגור. כולם משתמשים באפנון רוחב-פולס ומספקים רמות שונות של‏ בקרה על מהירות ומומנט סיבוב.

עדות לחשיבות של‏ מניעי VFD‏ במגוון רחב של‏ יישומים תעשייתיים היא‏ הפיתוח של‏ IEC 61800-9, שמתמקד ביעילות והתכנון האקולוגי של‏ מניעי VFD‏ ומערכות הנעת מנוע קשורות.

BDM,‏ CDM ו-PDS

ישנם שני סעיפים של‏ IEC 61800-9 הקשורים למניעי VFD‏. חלק 1 מתווה את המתודולוגיה לקביעת מדד יעילות אנרגיה של יישום או ייחוס. חלק 2 מפרט שיטות להערכת יעילות על בסיס סדרה של סיווגים.

בעוד היעילות של מניעי VFD, הנקראים מודולי הינע בסיסיים (BDMs) ב-IEC 61800-9, היא‏ חשובה, היא איננה המיקוד העיקרי של התקן. התקן מבוסס באופן רחב יותר ומתחשב במודולי הינע שלמים (CDMs) המורכבים ממהפך תדר (ה-VFD), קטע הזנה ועזרי כניסה ויציאה (כמו מסננים ומשנקים) ועל מערכת ההינע החשמלי‏ (PDS) המורכבת מ-CDM ומנוע (איור 1).

איור 1: קטגוריות יעילות של IEC 61800-9 מתייחסות ל-CDM (מקטע שחור) ו-PDS (מקטע אדום) במערכות VFD. (מקור תמונה: Schneider Electric‏)

קטגוריות יעילות CDM

קטגוריות יעילות בינלאומיות (IE)‏ CDM מוגדרות מ-IE0 עד IE2. הן נקבעות על ידי השוואת ההפסד הכולל של ה-CDM לביצועים של CDM ייחוס (RCDM). קטגוריות IE‏ עבור CDM מוגדרות ביחס לנקודת העבודה (100 ,90) תוך שימוש ב-90% תדר סטטור מנוע ו-100% זרם מומנט סיבוב כדי למנוע אפנון-יתר ולהבטיח יכולת השוואה של מדידות הביצועים של מניעים מיצרנים שונים.

הביצועים של ה-RCDM מוגדרים כ-IE1‏. ה-CDM עם הפסדים נמוכים יותר מהפסדים נמוכים ב-25% מה-RCDM מסווג כ-IE2, ו-CDM עם הפסדים גבוהים יותר מהפסדים גבוהים ב-25% מה-RCDM מסווג כ-IE0. ה-RCDM גם מאפשר את ההשוואה של צריכת האנרגיה עם CDM‏ בטכנולוגיה ממוצעת בשמונה נקודות עבודה מוגדרות מראש (25 ,0), (50 ,0), (100 ,0), (25 ,50), (50 ,50), (100 ,50), (50 ,90) ו-(100 ,90) (איור 2).

איור 2: נקודות עבודה IEC 61800-9 CDM וקטגוריות יעילות. (מקור תמונה: Siemens‏)

קטגוריות יעילות PDS

קטגוריות יעילות בינלאומיות של PDS‏ (IES)‏ הן כמו קטגוריות ה-CDM IE ומוגדרות מ-IES0 עד IES2. הן מבוססות על PDS ייחוס ‏(RPDS) ומשקפות את היעילות של מודול ההינע השלם (CDM) ועוד המנוע.

התאמת השילוב מנוע ו-CDM לדרישות היישום הספציפיות מספקת פוטנציאל גדול יותר לאופטימיזציה כוללת של יעילות. אופטימיזציה זו של היעילות באה לידי ביטוי בסיווג IES גבוה יותר. כמו ה-RCDM, ה-RPDS מאפשר את השוואת צריכת האנרגיה עם PDS בעל טכנולוגיה ממוצעת בשמונה נקודות עבודה מוגדרות מראש.

נקודות העבודה מבוססות על אחוז של‏ מומנט סיבוב‏ ואחוז של‏ מהירות, וערך ה-IES מחושב על בסיס 100% מומנט סיבוב ו-100% מהירות, שהיא נקודת העבודה (100 ,100).

במקום להשתמש בשינויי ה-25% של סיווגי ה-IE, סיווגי IES מבוססים על שינויי 20%. למערכת PDS עם סיווג יעילות IES2 יש הפסדים נמוכים יותר במעל 20%‏, ול-PDS מסוג IES0 יש הפסדים גדולים יותר במעל 20% משל ביצועי RPDS המוגדרים כ-IES1 (איור 3).

איור 3‏: נקודות עבודה IEC 61800-9 PDS וקטגוריות יעילות. (מקור תמונה: Schneider Electric‏)

דוגמאות VFD

יצרני VFD לא תמיד מדווחים על יעילות בהתבסס על 61800-9. הסיבה לכך היא שמדידת היעילות הפשוטה ביותר באמצעות IEC 61800-9 היא עבור CDM, שמורכב מה-VFD (מהפך תדירות) ומספר רכיבים נוספים, כולל חלק ההזנה והתקני עזר כניסה ויציאה. השימוש ברכיבים נוספים ספציפיים הוא מחוץ לשליטת יצרני ה-VFD, ו-61800-9 אינו חל ישירות על מניעי VFD‏.

יצרני VFD מסוימים אימצו את מתודולוגיית ה-61800-9. כשנטענת תאימות IE2, הנתונים מדווחים בפורמטים שונים, כולל תרשימים, טבלאות וקבצי Excel.

לדוגמה, Siemens‏ משתמשת במתודולוגיית ה-IEC 61800-9 עם מניעי ה-SINAMICS V20 שלה ומדווחת על היותם יעילים ברמה IE2 (איור 4‏). מניעים אלה מוצעים בתשע מידות מסגרת, מ-0.16‏ עד 40 כוח-סוס (hp). מניעים אלה מוטבו עבור מערכות הינע בסיסיות ביישומי ייצור ותהליכים כמו משאבות, מאווררים, מדחסים ומסועים. מספר רכיבים אופציונליים כוללים מסנני כניסה, ראקטורים של כניסה ויציאה, נגדי בלימה, וכו'.

איור 4: סיווג יעילות IE2 של 7.5‎ kW CDM, שהוא בעל הפסדים נמוכים יותר ב-36.1% בהשוואה לממיר הייחוס (100% / 90%). האחוזים מציגים את ההפסדים ביחס להספק הנקוב של המניע הבסיסי ללא רכיבים אופציונליים. (מקור תמונה: Siemens‏)

חברת Delta Electronics אימצה גם כן את מתודולוגיית ה-61800-9 ומדווחת יעילות IE2‏ למניעים הקומפקטיים שלה מסדרת MS300, ‏1.7, 3.0, 4.2, 6.6, 9.9, ו-12.2‎ kVA‏. הנתונים מפורטים בתבנית טבלאית ולא כתרשים. סדרת ה-MS300 כוללת מניעים מ-‏0.2‏ עד ‎22 kW (איור 5‏). מניעים אלה כוללים מספר מאפיינים מובנים, כולל פונקציית בקר לוגי ניתן-לתכנות (PLC) עבור תכנות, תקשורת MODBUS, חריץ תקשורת היכול לתמוך בפרוטוקולים נוספים ויציאת USB עבור העלאת והורדת נתונים.

איור 5: סדרת ה-MS300 של Delta Electronics כוללת מניעים מ-‏0.2‏ עד ‎22 kW. (מקור תמונה: Delta Electronics)

Omron מדווחת ש"מניעי מהירות משתנה עם כניסת שלוש פאזות" שלה, כמו מניעי ה-VFD מסדרת MX2, עומדים בדרישות היעילות‏ IE2. החברה מספקת נתוני בדיקה כקובץ Excel. מניעי MX2 זמינים בדירוגים מ-‏0.1‏ עד ‎2.2 kW‏ עבור כניסה חד-פאזית של 200‎ V,‏ 0.1 עד ‎15.0 kW‏ עבור כניסה תלת-פאזית של V‏ 200‏ ו-0.4 עד 15.0‎ kW‏ עבור כניסה תלת-פאזית של 400‎ V. מניעים אלה מתוכננים עבור מנועי IM ו-PM ותומכים בבקרה חלקה מטה עד מהירות אפס עם מומנט סיבוב התחלתי של 200%‏ ב-‏‎0.5 Hz‏.

בעוד יצרני VFD אחרים מתמקדים בסעיפים 1 ו-2 של IEC 61800-9,‏ Schneider Electric‏ נוקטת גישה הוליסטית יותר ומתארת כיצד לשלב את המניעים שלה עם המנוע המתאים כדי לעמוד בהוראת התכנון האקולוגי ובקטע 3 של IEC 61800-9 המגדיר גישת תכנון אקולוגי כמותית‏ באמצעות איזון אקולוגי כולל תקנות קטגוריית מוצרים והצהרות סביבתיות נלוות.

משפחת המניעים Altivar Machine ATV320 של החברה כוללת מניעי VFD מדורגים IP20 ו-IP6x מ-0.18 עד 15‎ kW‏ (0.25 עד ‎20 hp) עבור מנועי PM ו-BLDC תלת-פאזיים, סינכרוניים ואסינכרוניים, בבקרת חוג פתוח, וכוללת פונקציות כמו:

• מומנט סיבוב מהירות-נמוכה ודיוק מהירות וביצועים דינמיים גבוהים תוך שימוש בבקרת וקטור שטף ללא חיישן
• תמיכה במנועי תדר-גבוה
• פונקציות משולבות עבור תאימות עם תקני בטיחות פונקציונליים

מה לגבי רובוטים AMR?

רובוטים AMR משתמשים במניעי VFD‏, אך סוג שונה של VFD. סדרת ה-VFD של מנועי BLDC תעשייתיים מבית MEAN WELL‏ היא דוגמה טובה. היא תואמת עם הסעיפים הרלוונטיים של‏ IEC 61800, כגון דרישות בטיחות 61800-5-1 ודרישות תאימות אלקטרומגנטית (EMC‏) 61800-3. עם זאת, מניעי VFD‏ אלה אינם ארוזים, כך שקטגוריות היעילות של 61800-9 אינן חלות עליהם.

סדרת ה-VFD כוללת שמונה דגמים עם גרסאות כניסה DC‏ ו-AC בתחום מ-150 עד 750‎ W. דגם ה-VFD-350P-48 עובד עם‏ כניסה של‏ 48‎ V_DC עבור יישומים מוזני-סוללה כמו רובוטים AMR ויכול לספק עד 350‎ W ו-‎20 A של‏ זרם יציאה.

מניע BLDC ‏W‏ 350‏ זה ארוז על כרטיס מעגל "2 x‏ "4, והתכן ללא מאוורר יכול לתמוך בעומסי שיא של %‏200‏ למשך ‏5‏ שניות (איור 6‏). כל הדגמים בסדרת ה-VFD כוללים רק את החלק המניע ודורשים כרטיס בקרה חיצוני. חברת MEAN WELL מציעה גם‏ כרטיס בקרה אופציונלי.

איור 6‏: דיאגרמת מלבנים של‏ החלק המניע של VFD (שמאל) והחלק המוכן להתקנה ב-AMR (ימין). (מקור תמונה: MEAN WELL)

סיכום

תכנים שונים של מניעי מהירות-מתכווננת זמינים עבור יישומים תעשייתיים, כולל בקרי מכונה ורובוטים AMR. הם יכולים לתמוך במנועי AC‏ כמו גם מנועי DC והם בעלי רמות משתנות של תאימות עם סעיפי IEC 61800. נוסף לכך, מאחר והביצועים של‏ מניעי VFD‏ אינדיבידואליים אינם מהווים מיקוד של‏ IEC 61800-9, ישנן מספר גישות שונות לדווח על ביצועים ביחס לתקני יעילות אלה. יצרני VFD מסוימים מתמקדים בסעיפים 1 ו-2 ומדווחים על רמות יעילות VFD כמו IE2. לעומתם, אחרים מתמקדים בסעיף 3, שמתייחס לשיקולי תכנון אקולוגי כוללים, כולל תקנות קטגוריות מוצר והצהרות סביבתיות קשורות.