Motor Teknologier & VLT Motortyper.

Transkript

1 Motor Teknologier & VLT Motortyper

2 Agenda Nye motor typer Hvorfor? Hvorfor er synkron motorer blevet så populære? Motor teknik Kort om PM motoren Kort om SynRm motoren Sammenligning af motortyper Valg af motor og frekvensomformer Krystalkuglen Hvad bringer fremtiden? Confidential property of Danfoss 26 June,

3 Hvorfor pludselig så populær? Teknologiskift mod synkron motorer Teknologiskift Frekvensomformere er i dag en std. hyldevare PM & SynRM motorer er fysisk mindre og lettere PM motorer har et større moment/inerti forhold Holdningsskift Indkøbsprisen på PM & SynRM er nede i et niveau, som vi kender fra induktionsmotoren PM & SynRM har større virkningsgad (Lav TCO) Fokus på optimering & energieffektivisering (Konkurrence parameter) Nye & kommende energistandarder IEC /2014 IEC (VFD driven) ikke released EN50598 tidligst 2015 Confidential property of Danfoss 26 June,

4 Hvorfor pludselig så populær? Lovgivning om minimum effektivitet International MEPS (Minimum Efficiency Performance Standards acc. IEC ) IE1: Applied IE2: Applied IE3: 2015/2017 IE2: Applied IE3: 2015/2017 IE2: Applied IE2: Expected IE2: Applied IE3: Applied IE2: Applied IE3: Applied IE2: Applied IE3: 2014 IE2: Applied IE3: 2013 IE2: Applied IE2: Applied Only a selection of valid MEPS are shown. No claim to the completeness and up-to-dateness Asynkronmotorer bliver underlagt obligatorisk krav om minimum effektivitetsklasser i mange lande OEM og slutbrugere efterspørger løsninger som overholder disse standarder Confidential property of Danfoss 26 June,

5 Hvorfor pludselig så populær? Nuværende og kommende energistandarder for EU Confidential property of Danfoss 26 June,

6 Hvorfor pludselig så populær? Nuværende og kommende energistandarder for EU IEC specifikt for Danmark Fra , kw IE2 Fra ,5 375 kw IE2 + VLT eller IE3 Fra , kw IE2 + VLT eller IE3 Enkelte undtagelser - motorer i helt specifikke applikationer er undtaget! Confidential property of Danfoss 26 June,

7 Motorteknik PM Motor = + Confidential property of Danfoss 26 June,

8 PM motorteknik Kendt teknologi PM materiale har været kendt siden middelalderen PM motor maskinen blev opfundet ca Den var baseret på magnetmaterialet Alnico PD 002, Rare-earth permanent magnets VACODYM/VACOMAX, VACUUMSCHMELZE, I 1970 erne blev der fundet nye magnet materialer som i dag kategoriseres som Sjældne jordarter Baseret på Lanthanider Stærkt forbedret flux-tætheder Dyrere magneter Confidential property of Danfoss 26 June,

9 PM motorteknik PM motor famillien PM maskiner Med kommutator Uden kommutator PMDC Permanent Magnet DC PMAC Permanent Magnet AC Trapezformet BackEMF Sinusformet BackEMF BLDC Brushless DC Også kendt som EC motor eller ECM PMSM PM Synkron Motor SPMSM or SPM Surface mounted magnets IPMSM or IPM Interior mounted magnets Ofte bare kaldet PM motorer Confidential property of Danfoss 26 June,

10 Motorteknik PM Motor Asynkron Motor (ASM) R 1 I1 X 1 X 2 I 2 R 2 I U 1 U q X h R Fe 1 - s R s 2 Synkron motor, der kræves en VSD (VLT) for at starte, styre og køre en PM motor Magneter i rotoren motoreffektiviteten øges Høj effektivitet ved dellast & delhastighed Stort start moment til rådighed Permanent Magnet Motor (PM) U 1 R 1 X 1 I1 U p ~ Nyt i forhold til asynkron motoren Intet slip Multipolet maskiner (Høj VSD frekvens) BackEMF Saliency (Ld/Lq Induktans) Confidential property of Danfoss 26 June,

11 Overflade monteret magneter (Non-salient magnetic field Lq=Ld) Magneter PM motorteknik Salient / Non-Salient motorer Salient og Non-salient er typisk de termer der bliver brugt til at beskrive opbygningen af en PM motor Rotor Stator Magneter Indstøbte monteret magneter (Salient magnetic field Lq>Ld) Resulterende magnetfelt I en PM motor er magneterne en del af luftgabet. Deres placering i motoren har derfor betydning for magnetfeltets karakteristik: Overflade monteret non-salient field Instøbte monteret salient field Salient motorer er lettest at producere. De har bedre performance i feltsvækningsområdet, men er til gengæld svære at Styre. Fortrukket i highspeed applikationer Rotor Stator Resulterende magnetfelt Non-Salient motorer er nemmest at styre og er fortrukket til VLT open-loop drift Confidential property of Danfoss 26 June,

12 PM motorteknik Styring af PM motor Med rotor positions feedbacksensorer Højere præcision Bedre performance Større udgift pga. encoder/sensorer EC motorer bruger ofte Hall sensors Hall sensor i EC motor Sensorless Nogle frekvensomformerfabrikanter benytter alm. U/F styring VVC+ algoritmen beregner rotorens position. Under en vis hastighed bliver motoren styret med en konstant strøm I nogle styringstyper er der overgang fra en styring til en anden f.eks. i Flux-mode. Med VVC+ er der til gengæld ingen overgang. Confidential property of Danfoss 26 June,

13 PM motorteknik Direct on Line (DOL) PM motorer DOL Motorer kan startes direkte på nettet uden brug af frekvensomformer. Permanent magnet DOL design har separate hjælpeviklinger for at overvinde PM motorens høje inerti. Aluminum cage Flux barrier Rotor på en DOL motor Reduceret effektivitet sammenlignet med en Ren PM motor Ekstra driftsikkerhed, da motor kan startes uden frekvensomformer. Begrænset størrelser tilgængelig (Eks. WEG): 1000 RPM: 0,37 5,5 kw 1500 RPM: 0,55 7,5 kw Confidential property of Danfoss 26 June,

14 Motorteknik Synkron Reluktans Motor Std. ABB Asynkron motor ABB - Reluktance motor (SynRM) Confidential property of Danfoss 26 June,

15 Motorteknik Synkron Reluktans Motor Switched Reluktans motor Gammel 1838 Switched reluktans motor (SRM) Synkron motor Ingen magneter & ingen kommutator Moment rippel Dårlig effektivitet Stor akustisk støj Overdimensionering af effektelektronik Synkron Reluktans motor Ny 1923 Synkron Reluktansmotor (SynRM) Design fra KSB (Reel) og ABB Høj effektivitet tæt på PM motor Acceptabelt støj niveau level Mange fordele som ved PM Confidential property of Danfoss 26 June,

16 Motorteknik Reluktans Motor Koncept a) Objekt med anisotropisk geometri b) Objekt med isotropisk geometri Confidential property of Danfoss 26 June,

17 Motorteknik Reluktans Rotor Design a) Simpel salient pole rotor b) Aksialt Lamineret Anisotropisk (ALA) rotor c) Tværgående (Transversalt) Lamineret Anisotropisk (TLA) rotor Confidential property of Danfoss 26 June,

18 SynRM compared to Induction motor (IM) Motorteknik Synkron Reluktans Motor SynRM er en synkron motor, den har intet slip Kræver derfor VLT SynRM produktionsomkostninger er sammenligneligt med ASM Asynkron stator genbruges i SynRM designet (4 Poler) Reduceret tab i SynRM rotoren betyder, at: SynRM kan producere 20-40% højere moment end ASM ved samme motorstørrelse Motorakslen på SynRM er kold SynRM har højere virkningsgrad end ASM SynRM har stor/større overlasts kapacitet (Op til 3x nominal last) Cos(fi) for SynRM er ikke god: Typisk ASM: 0.8 Typisk SynRm: 0.7 Confidential property of Danfoss 26 June,

19 Motorteknik Sammenligning af motortyper Confidential property of Danfoss 26 June,

20 Motorteknik Sammenligning af motortyper Confidential property of Danfoss 26 June,

21 Motorteknik Sammenligning af motortyper Asynkron Motor PM (Non-Salient) PM (Salient) SynRM Enkel design Enkel fabrikation Enkel at styre Virkningsgrad Felt svækkelse cap Moment densitet Magnetisk robust Mekanisk robust Direkte tilslutning Vægt / Størrelse Service Confidential property of Danfoss 26 June,

22 Motorteknik Sammenligning af motortyper PM motor 0.55KW MW (WEG, Lafert, ABB, Siemens, Domel, Yaskawa, Leroy Somer m.fl) Typiske applikationer Pumper/Faner/Industri Permanent Magneter Servo performance Stor dynamik Højeste virkningsgrad (dellast/-hastighed) Mange fabrikanter SynRm ABB KW (Formentlig også mindre KW) KSB KW (900KW custom) Typiske applikationer Pumper/Faner Ingen Permanente Magneter Robust Få fabrikanter Confidential property of Danfoss 26 June,

23 Motorteknik Hvilket drev, motor & applikation? VFD understøttelse af SynRM/ PM Mulighed for opgradering af VSD til at understøtte SynRm/ PM Udvidet motordata til SynRM/PM styring Dimensionering af SynRm/ PM motor til applikation Dimensionering af VSD til SynRm/ PM motor Service af SynRm/ PM motorer? Andre Issues..? Aynkron SPM SynRm Spænding Strøm Strøm Strøm Omdr. Omdr. Omdr. Frekvens Frekvens Moment Moment Poler Rs B.EMF Rs X1 Rs Ld Xh Ld Ld_sat Ld_SatPoint Lq_sat Old AMA New AMA Confidential property of Danfoss 26 June,

24 Motorteknik Hvilket drev, motor & applikation? SynRm Cos(fi) betyder at drev måske skal overdimensioneres VLT udgangsstrøm > SynRM motor nominel Strøm Confidential property of Danfoss 26 June,

25 Motorteknik Hvilket drev, motor & applikation? PM Cos(fi) betyder at drev måske skal overdimensioneres VLT indgangsstrøm > PM motor nominel Strøm Confidential property of Danfoss 26 June,

26 10 Nm 9 Nm Motorteknik Hvilket drev, motor & applikation? Induktionsmotoren (IM) vælges efter hastighed og effekt 8 Nm 7 Nm PM Motoren vælges efter hastighed og moment 6 Nm 5 Nm 4 Nm Ved at kende to af de tre følgende variabler, kan den tredje udregnes 3 Nm P = Effekt [kw] 2 Nm T = Moment [Nm] 1 Nm n = Hastighed [OMDR] 0 Nm 0 RPM 250 RPM 500 RPM 750 RPM 1000 RPM 1250 RPM 1500 RPM P T n 9550 n P 9550 T T P 9550 n Confidential property of Danfoss 26 June,

27 300 Hz 250 Hz 200 Hz 150 Hz 100 Hz 50 Hz 14 poles 12 poles 10 poles 8 poles 6 poles 4 poles Motorteknik Hvilket drev, motor & applikation? Asynkronmotorer er lavet til fast net frekvens og har derfor disse typiske hastigheder: 1500 RPM = 4 polet 50 Hz 1800 RPM = 4 polet 60 Hz PM motorer har typisk et større antal poler end IM. Ved at tilpasse mærkefrekvensen får man de typiske IM hastigheder (1500/1800RPM) 1500 RPM = e.g. 6 pole 75 Hz 1800 RPM = e.g. 8 pole 120 Hz 0 Hz 0 RPM 500 RPM 1000 RPM 1500 RPM 2000 RPM 2500 RPM 3000 RPM 3500 RPM 4000 RPM 4500 RPM Ved at kende to af de tre følgende variabler, kan den tredje udregnes n = hastighed [RPM] p f 60 n n f 60 p f n p 60 F = Frekvens [Hz] p = polpar Confidential property of Danfoss 26 June,

28 Motorteknik Hvilket drev, motor & applikation? SynRm motorer er typiske 2,4 eller 6 polet motorer SynRM kræver ligesom PM motoren en VFD for at køre den, derfor kan man finde SynRm motorer som kører ikke std. hastigheder F.eks. En ABB motor der nominelt kører 2100 RPM Eller en ABB motor der nominelt kører 3000 RPM ved Hz Antal pol-par har betydning for Saliency ratio som har direkte betydning for Cos(fi) af motoren Confidential property of Danfoss 26 June,

29 Motorteknik Krystalkuglen PMa Motor Teknik SynRm Pma (Ferrite) Højere Salience Ratio Bedre Power Factor Fanless SynRm Højere virkningsgrad Synkron Reluktans Motor - Permanent Magnet Assisted VLT IPM Support AMA for IPM SynRm PMa Support Udvidelse af funktionalitet til andre drev familier (FC-102/FC-202) Confidential property of Danfoss 26 June,

30 Confidential property of Danfoss 26 June,