可調速工業馬達驅動器有哪些不同類型

國際電工委員會 (IEC) 標準 61800 認可兩種適用於工業應用的可調速電力驅動系統 (PDS)。61800-1 適用於直流電 (DC) PDS，而 61800-2 則適用於交流電 (AC) PDS。「PDS」一詞也適合用於驅動器加上馬達的整個系統。

61800 的其他章節討論了測試方法、與熱量和能量條件相關的安全要求、功能安全性、編碼器的電氣和環境要求、電氣介面和效能測量。最新的部分 IEC 61800-9 涵蓋馬達系統生態設計，包括效率測定和分類。

IEC 61800 不僅定義可調速交流和直流 PDS，同時也確定工業應用中變速驅動器 (VSD) 和變頻驅動器 (VFD) 的一般定義。IEC 61800 適用於連接到高達 1.5 kV_AC 50 Hz 或 60 Hz 的主電源供電式 PDS。此標準亦適用於電池供電系統的直流輸入電壓，例如使用可調速驅動器的工業用自主移動機器人 (AMR)。IEC 61800 不適用於牽引和電動車驅動器。

本文簡要介紹 VSD 和 VFD 的一般定義，並探討 VFD 受廣泛使用的原因。然後探討 IEC 61800-9 中針對交流驅動器所定義的效率等級，同時介紹 Delta Electronics、Siemens、Schneider Electric 及 Omron Automation 的典型主電源供電式 VFD，最後以 MEAN WELL 的系統為例，探討了 VFD 在 AMR 和其他電池供電系統的使用。

VFD 的標準定義是一種使用頻率變化控制馬達轉速的驅動器，因而適合用於交流馬達。同時，VSD 能夠改變電壓以控制馬達，因而同時適合用於交流和直流馬達。

但是，事情並非如此簡單。這兩種類型的驅動器均可控制馬達轉速。因此，有時 VSD 一詞被用於 VFD。VFD 可以和無刷直流馬達 (BLDC) 一起使用；嚴格來說，VFD 的用途並不僅限於交流馬達。VFD 適合與各種馬達一起使用，例如：

• 廣泛用於工業應用的感應 (IM) 或非同步交流馬達，這類馬達具有自啟動、可靠和經濟實惠等特點。
• 永磁同步馬達 (PMSM) 是高效率的交流馬達，能夠在有高能效要求的高效能應用中，提供精確的扭矩和轉速控制。
• BLDC 也可用於需要高效率和精確控制，且通常具有較長操作壽命的應用中。
• 伺服馬達可以是交流或直流馬達，並可支援快速、高精密度的響應。具有專用控制演算法的 VFD，可以和機器人、電腦數值控制 (CNC) 機器和類似應用中的伺服馬達配合使用。
• 同步交流馬達 (SM) 適用於需要恆定轉速和精確同步的應用中。VFD 可以控制交流馬達的轉速，而其他成本較低的驅動器選項可以支援恆定轉速的操作。

VFD 使用各種控制演算法，可提高其功能性。例如，僅用於感應馬達的 VFD 控制演算法有四種主要類型：V/f、含編碼器的 V/f、開迴路向量、閉迴路向量。這些演算法全都使用脈寬調變功能，並提供不同等級的轉速和扭矩控制。

IEC 61800-9 的制定證明 VFD 在多種工業應用中的重要性，這項標準側重於 VFD 和相關馬達驅動系統的效率和生態設計。

BDM、CDM、PDS

IEC 61800-9 有兩節與 VFD 有關。第 1 節描述測定應用能效指數或參照的方法。第 2 節則詳細介紹根據一系列分類評估效率的多種方法。

VFD 的效率在 IEC 61800-9 稱為基本驅動器模組 (BDM)，雖然很重要，但這並不是該標準的重點。此標準涵蓋的範圍更廣泛，包含由變頻器 (VFD)、饋送部分，以及輸入和輸出輔助裝置 (如濾波器和扼流圈) 所組成的完整驅動模組 (CDM)，以及由 CDM 和馬達組成的動力驅動系統 (PDS) (圖 1)。

圖 1：IEC 61800-9 效率等級適用於 VFD 系統中的 CDM (黑) 和 PDS (紅)。(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。效率等級藉由比較 CDM 的總損耗與參考 CDM 的效能判定。CDM 的 IE 等級相對於 90、100 操作點而定義，亦即使用 90% 馬達定子頻率和 100% 扭矩電流，以避免過度調變，並確保不同製造商的驅動器效能測量均可比較。

RCDM 的效能定義為 IE1。CDM 的損耗若比 RCDM 低 25% 以上，會被歸類為 IE2；其損耗若比 RCDM 高出 25％ 以上，則將被歸類為 IE0。RCDM 還能夠在八個預定操作點 (0, 25)、(0, 50)、(0, 100)、(50, 25)、(50, 50)、(50, 100)、(90, 50)、(90, 100)，與一般技術 CDM 進行能耗比較 (圖 2)。

圖 2：IEC 61800-9 CDM 操作點與效率等級。(圖片來源：Siemens)

PDS 效率等級

PDS 國際效率系統 (IES) 等級與 CDM IE 等級類似，且其定義從 IES0 至 IES2。這些等級乃是根據參考 PDS (RPDS) 所定義，且反映整個驅動模組加上馬達的效率。

將組合的馬達和 CDM 與特定應用要求進行匹配，可能提供更高的整體效率最佳化空間。效率最佳化可達到更高的 IES 等級。RPDS 如同 RCDM，能夠在八個預定操作點與一般技術 PDS 進行能耗比較。

這些操作點係根據扭矩百分比和轉速百分比所定立，而 IES 值則根據 100 % 扭矩和 100% 轉速，即根據 (100, 100) 操作點計算而得。

IE 等級使用 25% 的損耗差異作為劃分等級的依據，而 IES 等級使用 20% 的損耗差異作為依據。PDS 效率等級若為 IES2，其損耗比 RPDS 低於 20％ 以上，而 IES0 PDS 等級的損耗，比效能定義為 IES1 的 RPDS 高出 20％ 以上 (圖 3)。

圖 3：IEC 61800-9 PDS 操作點與效率等級。(圖片來源：Schneider Electric)

VFD 範例

VFD 製造商不會永遠根據 61800-9 回報效率。這是因為使用 IEC 61800-9 的最簡單效率測量適用於 CDM，而 CDM 則是由 VFD 和許多附加元件所組成，包括饋送部分以及輸入和輸出輔助裝置。VFD 製造商無法控制特定附加元件的使用，因此 61800-9 並不直接適用於 VFD。

一些 VFD 製造商已調整 61800-9 方法。若製造商聲稱符合 IE2 標準，其數據將以各種格式回報，包括圖表、表格和 Excel 檔案。

舉例來說，Siemens 的 SINAMICS V20 驅動器使用 IEC 61800-9 方法，並回報這些驅動器的效率等級為 IE2 (圖 4)。這些驅動器可供應 9 種框架尺寸，範圍從 0.16 到 40 hp 都有。這些驅動器已針對幫浦、風扇、壓縮機和輸送機等製造和加工應用的基本驅動系統，經過最佳化。許多選配元件包括輸入濾波器、輸入和輸出反應器、煞車電阻等。

圖 4：效率等級 IE2 7.5 kW CDM 比參考轉換器 (90%/100%) 的損耗低 36.1%。這些百分比顯示的損耗，乃是以不含選配元件的基本驅動器額定功率作為參照。(圖片來源：Siemens)

Delta Electronics 也已調整 61800-9 方法，並回報其 1.7、3.0、4.2、6.6、9.9 和 12.2 kVA MS300 系列小型驅動器的效率等級為 IE2。數據以表格格式，而非圖表形式詳列。MS300 系列包括 0.2 至 22 kW 的驅動器 (圖 5)。這些驅動器具有多種內建功能，包括用於編程的可編程邏輯控制器 (PLC) 功能、MODBUS 通訊，可支援額外協定的通訊插槽，以及用於上載和下載數據的 USB 埠。

圖 5：Delta Electronics 的 MS300 系列包括 0.2 至 22 kW 驅動器。(圖片來源：Delta Electronics)

Omron 回報其「三相輸入變速驅動器」(如 MX2 系列 VFD) 可滿足 IE2 效率要求。該公司以 Excel 檔案的形式提供測試數據。MX2 驅動器的額定功率為 0.1 至 2.2 kW (適用 200 V 單相輸入)、0.1 至 15.0 kW (適用 200 V 三相輸入) 和 0.4 至 15.0 kW (適用 400 V 三相輸入)。這些驅動器專為 IM 和 PM 馬達所設計，能夠在 0.5 Hz、200% 的啟動扭矩下，將轉速平穩降至零。

而其他 VFD 製造商則著重於 IEC 61800-9 的第 1 和第 2 節，Schneider Electric 採用更全面的方法，並說明如何將其驅動器與適當的馬達整合，以符合生態設計指令和 IEC 61800-9 第 3 節的要求，該節描述透過生態平衡進行的量化生態設計方法 (包括產品類別法規和相關環境聲明)。

該公司的 Altivar Machine ATV320 驅動器系列包含 IP20 和 IP6x 等級的 VFD，功率從 0.18 至 15 kW (0.25 至 20 hp) 都有，適用於開迴路控制中的三相同步、非同步 PM 和 BLDC 馬達，且包含以下功能：

• 使用無感測器磁通向量控制達成低轉速扭矩、精確轉速，和高動態效能
• 支援高頻率馬達
• 符合功能安全性標準的整合功能

那麼 AMR 又如何？

AMR 使用 VFD，但為不同類型的 VFD。MEAN WELL 的 VFD 系列工業用 BLDC 馬達驅動器，就是良好的一例。這類產品符合 IEC 61800 的相關章節，例如 61800-5-1 安全要求和 61800-3 電磁相容性 (EMC) 要求。但是，這些 VFD 不是封裝驅動器，因此並不適用 61800-9 的效率類別。

VFD 系列包括八種型號，具有不同的直流和交流輸入，功率範圍為 150 至 750 W。在電池供電應用 (如 AMR) 中，VFD-350P-48 型號的輸入電壓為 48 V_DC，且最多可供應 350 W 和 20 A 的輸出電流。

此 350 W BLCD 驅動器封裝在 4" x 2" 的電路卡上，無風扇的設計可支援 200％ 的峰值負載達 5 秒 (圖 6)。VFD 系列中的所有型號僅包括電源驅動器部分，並且需要外部控制卡。MEAN WELL 還提供選配控制卡。

圖 6：VFD 驅動器電源部分 (左) 和準備安裝在 AMR 中的電源部分 (右) 的方塊圖。(圖片來源：MEAN WELL)

結論

各種可調速驅動器設計可用於工業應用，包括機器控制裝置和 AMR。這些設計可以同時支援交流和直流馬達，並且符合 IEC 61800 章節中不同等級的要求。此外，由於各個 VFD 的效能不是 IEC 61800-9 的重點，因此有多種不同的方法來回報與這些效率標準相關的效能。一些 VFD 製造商側重於第 1 和第 2 節，並回報類似 IE2 的 VFD 效率等級。相比之下，其他製造商則側重於第 3 節，該節與總體生態設計考慮有關，包括產品類別法規和相關的環境聲明。