Lenze Global Drive Frekvens konvertere og AC motorer Grundlæggende teori

Transkript

1 Frekvens konvertere og AC motorer Grundlæggende teori 1

2 Hvad skal Frekvens konverter bruges til Hastigheds regulering af en asynkron AC motor => Energibesparelser Mindre slidtage og vedligehold Bedre arbejdsmiljø 2

3 Frekvens konverter virkemåde 3

4 Frekvensomformerens grundfunktion Netside Motorside U = konst f = konst U = konst f = konst U = konst f = konst Frekvensomformer U = variabel f = variabel U = konst f = konst Ustyret Indgangsensretter Jævnspændings - mellemkreds Trefaset vekselretter U = variabel f = variabel 4

5 Frekvensomformeren (1) Frekvensomformeren består i princippet af Ustyret indgangsensretter Jævnspændingsmellemkreds Tre-faset vekselretter 5

6 Frekvensomformeren (2) Indkoblingsbeskyttelse Mellemkredskondensator M 3 faset Ustyret Indgangsensretter Jævnspændingsmellemkreds Tre-faset vekselretter 6

7 Frekvensomformeren (3) Forsyningsnettets vekselspænding ensrettes til en jævnspænding i indgangsensretteren Mellemkredsen kan betragtes som et lager, hvori der oplades energi til senere anvendelse Vekselretteren omformer jævnspændingen til en variabel vekselspænding for AC-motoren Vekselretteren består af 6 IGBT-transistorer 2 til hver fase - 1 til hver halvbølge af kurven Til at danne sinus-kurven anvendes PWM. PWM står for Puls Width Modulation (Puls brede modulation). 7

8 Pulsbreddemodulation PWM (1) Spænding, U t ind t ud tind tud = indkoblingstid = udkoblingstid t 8

9 Pulsbreddemodulation PWM (2) Spændingens effektive amplitude fås ved at tilpasse forholdet mellem ind- og udkoblingstiden af de enkelte IGBT er Frekvensen som IGBT erne åbnes og lukkes med kaldes chopper-frekvensen. Den er idag normal 8 eller 16 khz 9

10 AC-motor 10

11 Typer af AC-motor AC-motoren består i dag af 2 hovedgrupper asynkrone AC-motorer synkrone AC-motorer I det efterfølgende betragtes kun først nævnte 11

12 AC-motoren Ventilatorkappen Rotoren Kuglelejer Statorhuset Faseviklinger Ventilator Akslen Klemkasse m. tilslutning Lejeskjold 12

13 De grundlæggende funktioner Statorkernens funktion er at frembringe magnetfeltet og et antal polpar, der bestemmer motorens synkrone omløbshastighed. Magnetfeltet (drejefeltet) roterer i luftspalten mellem stator og rotor. Rotoren er monteret på motorakslen. Da rotoren er placeret midt i drejefeltet, bliver rotorstavene påvirket af magnetiske kræfter, der vil få rotoren (motorakslen) til at dreje med rundt i samme retning. Rotorens omdrejningstal vil ikke nå magnetfeltets, da der i en situation med ens omdrejningstal ikke vil induceres strømme i rotorstavene. Det betyder, at rotoren(akslen) ikke vil dreje rundt. 13

14 Motorens omløbshastighed (1) Motorens synkrone omløbshastighed kan bestemmes ud fra n = f 60 p n = den synkrone omløbshastighed f = den nominelle frekvens p = antal polpar 14

15 Motorens omløbshastighed (2) Den synkrone hastighed er lig med magnetfeltets omløbshastighed, også kaldet drejefeltets hastighed. Den asynkrone omløbshastighed er lig med rotorens omløbshastighed, den hastighed som akslen roterer med. Forskellen mellem den synkrone og asynkrone hastighed kaldes for slippet. Den er oftest 4-8 % af den synkrone. 15

16 Momentkarakteristik ved 50 Hz net Drejningsmoment, M Motordrift Saddelmoment Startmoment kipmoment Driftsområde Tomgang Omdrejningstal, n Generatordrift 16

17 Momentkarakteristik ved variabel net Drejemoment, M Ankerreguleringsområde Feltsvækningsområde Omdrejningstal, n 17

18 Momentkarakteristik ved frekvensomformerdrift (1) Momentkarakteristik-kurven for en AC-motor skubbes langs omdrejningstals-aksen (x-aksen) ved frekvensomformerdrift. Ved at forbinde punkterne ved fuldlast fås følgende karakteristik 18

19 Momentkarakteristik ved frekvensomformer drift (2) Drejemoment, M/M n 1 Frekvens, f Knækpunktet er afhængig af motorens data Normalt forekommer knækpunktet ved 50Hz 19

20 Ækvivalentdiagram for AC-motor I R X X R I 0 I U 1 R Fe I u L H R 1 = kobbertab på primærsiden R 2 = sekundær rotormodstand R Fe = jerntabsmodstand X 1 = primær spredningsreaktans X 2 = sekundær spredningsreaktans L H = hovedinduktivitet 20

21 Den konstante magnetiseringsstrøm (1) For at holde magnetiseringsstrømmen I 0 konstant skal følgende være opfyldt U I = 1 = 0 w L H kst 21

22 Den konstante magnetiseringsstrøm (2) Videre forenkling af ligningen giver U I = 1 = 0 2 pi f L H kst 22

23 Den konstante magnetiseringsstrøm (3) Ved et konstant forhold mellem spændingen U 1 og frekvensen f er magnetiseringsstrømmen I 0 konstant Konstant magnetiseringsstrøm er ens-betydende med konstant magnetisk flux, dvs. konstant afgangsmoment 23

24 Krav til frekvensomformeren Udgangsfrekvensen skal være variabel, for at kunne ændre motorens omdrejningshastighed Udgangsspændingen skal være variabel, for at kunne holde magnetiseringsstrømmen konstant 24

25 Styringsprincipper Motoren kan styres efter 2 principper U/f-styring vectorstyring 25

26 U/f styring U/f styring kan altid anvendes og skal anvendes til AC-normmotorer som ikke er tilpasset drevstørrelse flere motor drift med forskellige AC-normmotorer andre motortype end AC-normmotorer applikationer med høj dynamik, f.eks. positionering applikationer med løfte og sænke bevægelser U/f styring kræver kun kendskab til U/f - knækfrekvensen 26

27 Styring af U/f karakteristik Forholdet mellem spændingen U og frekvensen f skal holdes konstant. Til styring anvendes kun U/f-knækpunktet Spænding, U U Nom U/f-knækpunkt Ankerreguleringsområde Feltsvækningsområde f Nom Frekvens, f 27

28 Styring af U/f karakteristik (2) Indstilling af U/f knækpunktet er ikke frit Den er afhængig af AC-motorens data Dataerne kan aflæses på typeskiltet Det er motorspænding og motorfrekvens 28

29 Momentforløb ved U/f styring Spænding, U U Nom Ankerreguleringsområde f Nom Feltsvækningsområde Frekvens, f Drejemoment, M/ M n 1 Frekvens, f 29

30 U min forhøjelse I Ved en U min forhøjelse bliver motorspændingen i de lavere frekvensområder forhøjet optil 40% Derved bliver det ohmske tab udlignet og det afgivnet moment i samme område bliver derved forhøjet Det kan anvendes til motorer i et anlæg, hvor der er behov for et ekstra stort startmoment end normalt Ved egenventileret motorer opstår faren for en utilladelig opvarming, grundet manglende køling 30

31 U min forhøjelse II Spænding, U U Nom f Nom Frekvens, f 31

32 Vector regulering (1) Vector regulering anvender en model af motor til at opnå fuld motormoment ned til 1,0 Hz uden feedback nøjagtigere hastighedsregulering uden feedback tilpasning af magnetiseringstrøm til motorbelasning Vector regulering kræver derfor kendskab til motordata. Det opnås ved at udføre en motoridentifikation af motor. 32

33 Vector regulering (2) Anvend vector regulering til følgende applikationer hvor der er variabel motorbelastning hvor der brug for fuld moment ved lav hastighed hvor der er brug for konstant hastighed Den tilsluttet motor må ikke være mere end en effektstørrelse forskellig fra frekvensomformerens egen nominelle effekt. 33

34 Vector regulering (3) Kaldes også I 0 -regulering, FTC, flux-vector m.m. Der arbejdes efter en matematisk model af AC-motoren. På baggrund af modellen og målinger beregnes flg. De optimale koblingstidspunkter for de 6 IGBT-halvledere Den optimale motormagnetisering ved varierende belastninger af motorakslen. 34

35 Vector regulering (4) Princippet for koblingstidspunkterne er den fase, der er numerisk størst, holdes fast på det positive eller negative potentialeniveau i 1/6 periodetid (60 ) de to andre faser varieres, så de resulterende udgangsspændinger bliver sinusformede og får den ønskede amplitude 35

36 Motor mærkeplade Antal faser og nominel frekvens Nominel effekt på akselen Kølings norm Norminel hastighed Virkningsgraden! Spænding og strøm ved trekant kobling Kapslingsgrad: Støvbeskyttet og beskyttet mod vandsprøjt 36