作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-26

國(guó)際電工委員會(huì) (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(dòng)系統(tǒng) (PDS) 分為兩類(lèi)。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(dòng)器和電機(jī)構(gòu)成的完整系統(tǒng)。

61800 的其他部分討論了測(cè)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(cè)量。最新部分 IEC 61800-9 涉及電機(jī)系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計(jì)，包括能效確定和分類(lèi)。

雖然 IEC 61800 對(duì)可調(diào)速交流和直流 PDS 進(jìn)行了定義，但工業(yè)應(yīng)用中的變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD) 和變頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的工業(yè)自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)。IEC 61800 不涉及牽引和電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)器。

本文簡(jiǎn)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(dòng)器定義的效率等級(jí)，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(jī)速度的驅(qū)動(dòng)器，因此適用于交流電機(jī)。而 VSD 通過(guò)改變電壓來(lái)控制電機(jī)，因此既適用于交流電機(jī)，也適用于直流電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)器并非如此簡(jiǎn)單。這兩類(lèi)驅(qū)動(dòng)器都可用于控制電機(jī)速度。因此，有時(shí)術(shù)語(yǔ) VSD 亦適用于 VFD。VFD 可用于無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC)；嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，VFD 并不局限于交流電機(jī)。VFD 適用于各種電機(jī)，例如：

• 感應(yīng)電機(jī) (IM) 或異步交流電機(jī)，這些電機(jī)具有自啟動(dòng)、可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。
• 永磁同步電機(jī) (PMSM)，這是一種高效交流電機(jī)，可在要求高能效的高性能應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確的扭矩和速度控制。
• 無(wú)刷直流電機(jī) (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(zhǎng)。
• 伺服電機(jī)，可以是交流或直流電機(jī)，支持快速、高精度響應(yīng)。具有專(zhuān)用控制算法的 VFD 可用于機(jī)器人中的伺服電機(jī)、計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 車(chē)床和類(lèi)似應(yīng)用。
• 同步交流電機(jī) (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(dòng)器也能夠支持恒速運(yùn)行。

VFD 采用多種控制算法，使其用途更加廣泛。例如，僅僅對(duì)于感應(yīng)電機(jī)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(kāi)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(duì)速度和扭矩進(jìn)行不同程度的控制。

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

BDM、CDM 和 PDS

IEC 61800-9 標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)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(guò)一系列分類(lèi)詳細(xì)介紹了效率評(píng)估方法。

雖然 VFD（在 IEC 61800-9 中稱(chēng)為基本驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。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(dòng)模塊 (CDM) 以及由 CDM 和電機(jī)組成的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (PDS)（圖 1）。

圖 1：IEC 61800-9 效率等級(jí)適用于 VFD 系統(tǒng)中的 CDM（黑色部分）和 PDS（紅色部分）。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

CDM 效率等級(jí)

CDM 國(guó)際效率 (IE) 等級(jí)定義為 IE0 至 IE2。效率等級(jí)是通過(guò)比較 CDM 的總損耗與參考 CDM (RCDM) 的性能而確定的。CDM 的 IE 等級(jí)是相對(duì)于 (90, 100) 工作點(diǎn)定義的，使用 90% 的電機(jī)定子頻率和 100% 的轉(zhuǎn)矩電流，以避免過(guò)調(diào)并確保不同制造商的驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)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(lèi)為 IE2；如果 CDM 的損耗比 RCDM 高 25%以上，則歸類(lèi)為 IE0。RCDM 還可以在八個(gè)預(yù)定義的工作點(diǎn) (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(jìn)行比較（圖 2）。

圖 2：IEC 61800-9 CDM 工作點(diǎn)和效率等級(jí)。（圖片來(lái)源：Siemens）

PDS 效率等級(jí)

PDS 國(guó)際效率系統(tǒng) (IES) 等級(jí)與 CDM IE 等級(jí)類(lèi)似，定義為 IES0 至 IES2。這些等級(jí)以參考 PDS (RPDS) 為基礎(chǔ)，顯示完整驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)的效率。

根據(jù)具體應(yīng)用要求匹配電機(jī)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(jí)上。與 RCDM 一樣，RPDS 也可以在八個(gè)預(yù)定義的工作點(diǎn)將能耗與采用平均技術(shù)的 PDS 進(jìn)行比較。

工作點(diǎn)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(diǎn)，進(jìn)行計(jì)算。

IES 等級(jí)未采用 IE 等級(jí)的 25% 變化率，而是采用 20% 變化率。效率等級(jí)為 IES2 的 PDS 的損耗比定義為 IES1 的 RPDS 低 20% 以上，而等級(jí)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(diǎn)和效率等級(jí)。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

VFD 示例

VFD 制造商并不總是根據(jù) 61800-9 標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告效率。這是因?yàn)?IEC 61800-9 中采用的最簡(jiǎn)單效率測(cè)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(duì) 61800-9 方法進(jìn)行了調(diào)整。當(dāng)要求符合 IE2 等級(jí)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)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(dòng)器中采用了 IEC 61800-9 方法，并報(bào)告這些驅(qū)動(dòng)器達(dá)到效率等級(jí) IE2（圖 4）。這些驅(qū)動(dòng)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(dòng)器針對(duì)制造和加工應(yīng)用中的基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)和傳送帶）進(jìn)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(dòng)電阻器等。

圖 4：效率等級(jí)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(dòng)器（不含可選組件）的額定功率的關(guān)系。（圖片來(lái)源：Siemens）

Delta Electronics 也對(duì) 61800-9 方法進(jìn)行了調(diào)整，并報(bào)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(dòng)器達(dá)到 IE2 效率等級(jí)。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(dòng)器（圖 5）。這些驅(qū)動(dòng)器具有多項(xiàng)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(dòng)器。（圖片來(lái)源：Delta Electronics）

Omron 報(bào)告稱(chēng)，其“三相輸入變速驅(qū)動(dòng)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(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)于 200 V 單相輸入，MX2 驅(qū)動(dòng)器的額定功率范圍為 0.1 至 2.2 kW；對(duì)于 200 V 三相輸入，其額定功率范圍為 0.1 至 15.0 kW；對(duì)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(dòng)器專(zhuān)為 IM 和 PM 電機(jī)設(shè)計(jì)，可在 0.5 Hz 頻率下以 200% 的啟動(dòng)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(dòng)器與適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)集成，以滿(mǎn)足生態(tài)設(shè)計(jì)指令和 IEC 61800-9 第 3 部分的要求，該部分描述了通過(guò)生態(tài)平衡實(shí)現(xiàn)定量生態(tài)設(shè)計(jì)方法，包含產(chǎn)品類(lèi)別規(guī)范和相關(guān)環(huán)境聲明。

該公司的 [Altivar Machine ATV320] 驅(qū)動(dòng)器系列包括 IP20 和 IP6x 等級(jí)的 VFD，功率范圍為 0.18 至 15 kW（0.25 至 20 hp），適用于采用開(kāi)環(huán)控制的三相同步、異步、PM 和 BLDC 電機(jī)，并具有以下功能：

• 利用無(wú)傳感器磁通矢量控制，實(shí)現(xiàn)低速時(shí)的扭矩和速度精度以及高動(dòng)態(tài)性能
• 支持高頻電機(jī)
• 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(lèi)型的 VFD。MEAN WELL 的 VFD 系列 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就是一個(gè)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(guò)，這些 VFD 并非成套驅(qū)動(dòng)器，因此 61800-9 的效率類(lèi)別并不適用。

VFD 系列包括八種型號(hào)，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(dòng)器封裝在 4 "x 2 "電路板上，無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)可支持 5 秒鐘的 200% 峰值負(fù)載（圖 6）。VFD 系列的所有型號(hào)都只包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器部分，因此需要一個(gè)外部控制卡。MEAN WELL 也提供控制卡可供選擇。

圖 6：VFD 驅(qū)動(dòng)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(lái)源：MEAN WELL）

結(jié)語(yǔ)

各種可調(diào)速度驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可用于工業(yè)應(yīng)用，包括機(jī)器控制和 AMR。它們可支持交流和直流電機(jī)，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(gè) VFD 的性能并非 IEC 61800-9 標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)，因此有幾種不同的方法來(lái)報(bào)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(bào)告 VFD 效率等級(jí)，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(jì)考慮因素，包括產(chǎn)品類(lèi)別規(guī)范和相關(guān)環(huán)境聲明。

審核編輯 黃宇