ABB frekvensomformere - Teknisk veiledning nr. 7 ...€¦ · 10 Dimensjonering av frekvensomformer...

Teknisk veiledning nr. 7Dimensjonering av frekvensomformer og motor

ABB frekvensomformere

2 Dimensjonering av frekvensomformer og motor | Teknisk veiledning nr. 7

Teknisk veiledning nr. 7 | Dimensjonering av frekvensomformer og motor 3

© Copyright 2011 ABB. Alle rettigheter forbeholdt.

Spesifikasjoner kan endres uten varsel.

3AUA0000109890 REV C NO 25.11.2011

Teknisk veiledning nr. 7Dimensjonering av frekvensomformer og motor


Innhold

Kapittel 1 – Innledning ...............................................................................7

Generelt .............................................................................................7

Kapittel 2 – Frekvensomformersystem ......................................................8

Kapittel 3 – Generell beskrivelse av en dimensjoneringsprosedyre ...........9

Kapittel 4 – AC induksjonsmotor .............................................................11

4.1 Grunnleggende ...........................................................................114.2 Motorstrøm ................................................................................13

4.2.1 Konstant fluksområde .........................................................144.2.2 Feltsvekkingsområde ...........................................................15

4.3 Motoreffekt .................................................................................16

Kapittel 5 – Grunnleggende mekaniske lover ..........................................17

5.1 Rotasjonsbevegelse ....................................................................175.2 Gir og treghetsmoment ...............................................................20

Kapittel 6 – Lasttyper ...............................................................................22

Kapittel 7 – Motorens belastbarhet ..........................................................25

Kapittel 8 – Valg av frekvensomformer og motor .....................................26

8.1 Pumpe- og vifte applikasjon (eksempel) .......................................278.2 Konstant moment applikasjon (eksempel) ...................................298.3 Konstant effekt applikasjon (eksempel) .......................................31

Kapittel 9 – Inngang transformator og likeretter ......................................35

9.1 Likerettere ..................................................................................359.2 Transformator .............................................................................36

Kapittel 10 – Stikkord ..............................................................................37


Kapittel 1 - Innledning

Generelt

Dimensjonering av frekvensomformer og motor er en oppgave hvor alle faktorene må vurderes grundig. Dimensjonering krever kunnskap om hele systemet, inkludert elektrisk forsyning, arbeids maskinen, miljøforholdene, motorer og frekvensomformere etc. Kvaliteten av arbeidet i dimensjoneringsfasen kan gi betydelige kostnadsbesparelser.


Kapittel 2 - Frekvensomformersystem

Et enkelt AC frekvensomformersystem består typisk av en inn-gangstransformator eller en elektrisk forsyning, frekvensomfor-mer, en AC-motor og last. Inni frekvensomformeren er det en likeretter, DC-link og vekselretter.

Figur 2.1 En enkel frekvensomformer består av 1) likeretter, 2) DC-link3) vekselretter og 4) elektrisk forsyning.

I systemer med flere frekvensomformere kan det brukes en felles likeretter direkte koblet til en felles DC-link. DC linken forskyner induviduellt styrte vekselrettere. Dette kalles en Multidrive.

Figur 2.2 Multidrive 1) med en separat tilførsels, 2) felles DC-link, 3) Induviduellt styrte veklselrettere og 4) elektrisk forsyning.


Dette kapitlet angir de generelle trinnene for dimensjonering av motoren og frekvensomformeren.

1) Kontroller først de faktiske forholdene. For å kunne velge riktig frekvensomformer og motor, må

du sjekke nettforsyningens spenningsnivå (230 til 690 V = Lavspenning) og frekvens (50 Hz eller 60 Hz). Nettforsyningens nettfrekvens begrenser ikke hastighetsområdet til motoren.

2) Kontroller prosessbehovene. Er det behov for forhøyet startmoment? Hvilket hastighets-

område skal brukes? Hvilken lasttype skal det være? Noen av de typiske lasttypene beskrives senere.

3) Velg motoren. En elektromotor skal anses som en momentkilde. Motoren må

tåle overbelastning og kunne produsere et spesifisert moment. Motorens varme-overlastevne skal ikke overskrides. Det er også nødvendig og ha en margin på ca. 30% for motorens maksimum moment når man i dimensjoneringsfasen vurderer maksimum tilgjengelig moment. (Dette da det over de mest brukte like og vekselrettere vil være noe spenningsfall som gir motoren noe redusert moment).

4) Velg frekvensomformeren. Frekvensomformeren velges i henhold til de faktiske forholdene

for den valgte motoren. Frekvensomformerens kapasitet til å produsere nødvendig strøm og effekt skal kontrolleres. Man kan utnytte frekvensomformerens potensielle overlastevne i tilfelle kortvarig syklisk last.

Kapittel 3 - Generell beskrivelse av en dimensjoneringsprosedyre


Dimensjoneringsfase Nettverk Frekvensom-former

Motor Last

1) Kontroller de faktiske forholdene til nettverket og lasten

2) Velg en motor i henhold til: - Termisk belastningsevne - Hastighetsområde, også

maksimal tillatte hastighet - Maksimalt nødvendig

moment

3) Velg en frekvensomformer i henhold til:

- Lasttype - Kontinuerlig og eller syklisk

overlast strøm - Nettforhold

fN= 50 Hz, 60 Hz

UN= 380 to 690 V Tload

T

n min n max

Tload

T

TS

n min n max

Imax

IN

n min n max

TS

Generell beskrivelse av en dimensjoneringsprosedyre

Figur 3.1 Generell beskrivelse av dimensjoneringsprosedyren.


Kapittel 4 - AC induksjonsmotor

Induksjonsmotorer (kortslutningsmotorer) er de mest vanlige motorene i industrien. I dette kapitlet beskrives noen av de grunnleggende funksjonene.

4.1 Grunnleggende

En induksjonsmotor omdanner elektrisk energi til mekanisk energi. Konvertering av energien er basert på elektromagnetisk induksjon. På grunn av induksjonsfenomenet har induksjonsmo-toren sakking og er derfor asynkron.

Sakking (Δ n) defineres ved motorens synkrone magnetfelt - motorens nominelle hastighet (frekvens ( fn ), hastighet nominell ( nn ), moment ( Tn ), spenning ( Un ), strøm ( In ) og effekt ( Pn )).

hvor ns er den synkrone hastigheten:

Når en motor kobles til en forsyning med konstant spenning og frekvens, har den følgende momentkurve:

Figur 4.1 Typisk moment-/hastighetskurve til en induksjonsmotor når koblet til nettilførselen (D.O.L., Direct-On-Line). I bilde a) er det låste rotormomentet, b) er pull-up momentet, c) er maksimum motormoment, Tmax og d) er motorens nominelle arbeids punkt.

(4.1)

(4.2)


Moment

Hastighet

AC induksjonsmotor

En standard induksjonsmotors maksimum moment (Tmax, også kalt pull-out moment og nedbrytningsmoment) er typisk 2-3 ganger nominelt moment. Maksimum moment er tilgjengelig med sakking smax, som er høyere enn nominell sakking. For å bruke en induksjonsmotor effektivt, skal motorens sakking være i området - smax ... smax. Dette kan oppnås ved å styre spenningen og frekvensen. Styring gjøres med frekvensomformer.

Figur 4.2 Moment-/hastighetskurver for en induksjonsmotor matet av en frekvensomformer. Tmax er tilgjengelig for kortvarige overbelastninger under feltsvekkingspunktet . Frekvensomformere vil imidlertid typisk begrense maksimum tilgjengelig moment til 70% av Tmax.

Frekvensområdet under nominell frekvens kalles et konstant fluksområde. Over den nominelle frekvensen/hastigheten, ope-rerer motoren i feltsvekkingsområdet. I feltsvekkingsområdet kan motoren operere på konstant effekt, hvilket er årsaken til at feltsvekkingsområdet noen ganger også kalles for det konstante effektområdet.

Maksimum moment til en induksjonsmotor er proporsjonal med kvadratet av den magnetiske fluksen ( Tmax ~ ψ 2 ). Dette betyr at maksimum moment er omtrent en konstant i konstant fluksom-rådet. Over feltsvekkingspunktet vil maksimum moment senkes omvendt proporsjonal med kvadratet av frekvensen. Dette da en nomalt likerettet DC krets ikke karer å øke spenningen. Med En IGBT likerettet strømforskyning kan spenningen økes opp til Un x 1,2 og feltsvekkingsomerådet forskyves til over-synkront turtall, dog begrenset av motorens Umax, frekvens i praksis.

( Tmax ~ )


Konstant fluksområde Hastighet Feltsvekkingsområde

Fluks

Tmax

Spenning

Figur 4.3 Maksimum moment, spenning og fluks som en funksjon av den relative hastigheten.

4.2 Motorstrøm

En induksjonsmotorstrøm har to komponenter: reaktiv strøm ( isd ) og aktiv strøm ( isq ). Den reaktive strømkomponenten inkluderer magnetiseringsstrømmen ( imagn ), mens den aktive strømmen er den momentproduserende strømkomponenten. De reaktive og aktive strømkomponentene er perpendikulært (vinkelrett) mot hverandre.

Magnetiseringsstrømmen ( imagn ) forblir omtrent konstant i det konstante fluksområdet (under feltsvekkingspunktet). I feltsvek-kintsområdet er reduksjonen av magnetiseringsstrømmen pro-porsjonal med hastighet.

Et forholdsvis godt estimat for magnetiseringsstrømmen i det konstante fluksområdet er den reaktive ( isd ) strømmen ved motorens nominelle punkt.

Figur 4.4 Statorstrøm ( is ) består av komponenter med reaktiv strøm ( isd ) og aktiv strøm ( isq ) som er perpendikulært mot hverandre. Statorfluks er angitt som Ψs.

AC induksjonsmotor


, when 0.8 * Tn ≤ Tload ≤ 0.7 * Tmax

4.2.1 Konstant fluksområde

Under feltsvekkingspunktet kan strømkomponentene beskrives tilnærmet som følger:

Den totale motorstrømmen er:

Med null motormoment, så vil aktiv strømkomponent være null. Med høyere momentverdier blir motorstrømmen ganske proporsjonal med momentet. En god tilnæringsformel for total motorstrøm er:

Eksempel 4.1:En 15 kW motors nominelle strøm er 32 A og Cos ρ er 0,83. Hva er motorens omtrentlige magnetiseringsstrøm ved det nominelle punktet? Hva er den totale omtrentlige strømmen med 120% moment under feltsvekkingspunktet.

Løsning 4.1:På det nominelle punktet er estimatet for magnetiseringsstrøm-men:

Den tilnærmede formelen for total motorstrøm med 120% mo-ment gir:

The tilnærmede formelen ble brukt fordi momentet oppfylte betingelsen 0.8 * Tn ≤ Tload ≤ 0.7 * Tmax

(4.5)

(4.3)

(4.4)

(4.6)

AC induksjonsmotor


4.2.2 Feltsvekkingsområde

Over feltsvekkingspunktet avhenger strømkomponentene også av hastighet.

Total motorstrøm er:

Motorstrømmen blir tilnærmet ganske nøyaktig innenfor en viss driftsområde. Motorstrømmen blir proporsjonal til relativ effekt. En sannsynlighetsformel for strøm er: –

Tilnærmingsformelen kan brukes når:

og

(4.8)

(4.7)

(4.10)

(4.9)

(4.11)

(4.12)

I feltsvekkingsområdet er den ekstra strømmen som er nødven-dig for å opprettholde et visst momentnivå, proporsjonal med relativ hastighet.

Eksempel 4.2:Motorens nominelle strøm er 71 A. Hvor mye strøm er nødvendig for å opprettholde 100% momentnivået ved 1,2 ganger nominell hastighet (Tmax = 3 x Tn).

Løsning 4.2:Strømmen kan beregnes ved å bruke tilnærmingsformelen:

AC induksjonsmotor


4.3 Motoreffekt

Motorens mekaniske (utgangs-) effekt kan beregnes ut i fra hastighet og moment med formelen:

Fordi motoreffekt ofte angis i kilowatt (1 kW = 1000 W) og has-tighet i o/min (omdreininger per minutt),

1 o/min = rad/s), kan følgende formel brukes:

Motorens inngangseffekt kan beregnes fra spennings-, strøm- og effektfaktoren:

Motorens virkningsgrad er utgangseffekten dividert på inngangs-effekten:

Eksempel 4.3:Motorens nominelle effekt er 15 kW og den nominelle hastigheten er 1480 o/min. Hva er motorens nominelle moment?

Løsning 4.3:Motorens nominelle moment beregnes som følger:

Eksempel 4.4:Hva er den nominelle virkningsgraden av en 37 kW (Pn = 37 kW,Un = 380 V, In = 71 A og cos(ϕn) = 0,85) motor?

Løsning 4.4:Den nominelle virkningsgraden er:

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

AC induksjonsmotor


Kapittel 5 - Grunnleggende mekaniske lover

5.1 Rotasjonsbevegelse

Én av de grunnleggende ligningene til en induksjonsmotor beskri-ver forholdet mellom treghetsmomentet ( J [kgm2]), vinkelhastig-het ( ω [rad/s]) og moment ( T [Nm]). Ligningen er som følger:

I ligningen over antas det at både frekvensen og treghetsmomen-tet endres. Formelen gis imidlertid ofte slik at treghetsmomentet antas å være konstant:

Moment Tload representerer lasten. Lasten består av friksjon, treghet og selve lasten. Når motorhastigheten endres, er motor-momentet forskjellig fra Tload . Motormomentet kan antas å bestå av en dynamisk og en lastkomponent:

Hvis hastigheten og treghetsmomentet er konstanter, er den dynamiske komponenten ( Tdyn ) null.

Den dynamiske momentkomponenten forårsaket av akselera-sjon/retardasjon av et konstant treghetsmoment (motorens hastighet endres av Δn [o/min] i tid Δt [s], J er konstant) er:

Den dynamiske momentkomponenten forårsaket av et variabelt treghetsmoment ved konstant hastighet n[o/min] er:

Hvis treghetsmomentet varierer og motoren samtidig akselererer, kan den dynamiske momentkomponenten beregnes ved et visst forsiktig oppdelings intervall. Fra et termisk dimensjonerings-synspunkt, er det imidlertid ofte tilstrekkelig å ta i betraktning gjennomsnittlig treghetsmoment under akselerasjon. Dette da kortsluningsmotorer har stor varmekapasitet i stator og rotor.

(5.1)

(5.2)

(5.3)

(5.4)

(5.5)


Grunnleggende mekaniske lover

Eksempel 5.1: Det totale treghetsmomentet, 3 kgm2, akselereres fra en has-tighet på 500 o/min til 1000 o/min på 10 sekunder. Hva er det totale nødvendige momentet når det konstante lastmomentet er 50 Nm?

Hvor raskt vil motoren retardere til en hastighet på 0 o/min hvis motorens elektriske forsyning slås av?

Løsning 5.1:Det totale treghetsmomentet er konstant. Den dynamiske mo-mentkomponenten nødvendig for akselerasjon er:

Totalt moment under akselerasjon er:

Hvis motorens elektriske forsyning slås av ved 1000 o/min retar-derer motoren på grunn av det konstante lastmomentet (50 Nm). Dette kan vi ut trykke på følgende måte:

Tid til å retardere fra 1000 o/min til 0 o/min:

Eksempel 5.2: Akselerering av en vifte til nominell hastighet gjøres med nomi-nelt moment. Ved nominell hastighet er momentet 87%. Viftens treghetsmoment er 1200 kgm2 og motorens treghetsmoment er 11 kgm2. Lastegenskapene til viften Tload er vist i figur 5.1.

Motorens nominelle effekt er 200 kW og den nominelle hastig-heten er 991 o/min.


Hastighet

Mo

men

t

Figur 5.1 Momentkarakteristikken til en vifte. Hastighet og moment er vist ved bruk av relative verdier.

Beregn omtrentlig starttid fra null hastighet til nominell hastighet.

Løsning 5.2:Motorens nominelle moment er:

Starttiden beregnes ved å dividere hastighetsområdet i fem sektorer. I hver sektor (198,2 o/min) antas momentet å være kon-stant. Momentet for hver sektor tas fra sektorens middelpunkt. Dette er ganske akseptabelt fordi det kvadratiske momentet er tilnærmet lineært i sektoren.

Tiden det tar for å akselerere motoren (viften) med nominelt moment, kan beregnes med formelen:



Energiretning

Akselereringstidene for forskjellige hastighetsseksjoner er:

0-198.2 o/min

198.2-396.4 o/min

396.4-594.6 o/min

594.6-792.8 o/min

792.8-991 o/min

total starttid 0-991 o/min er omtrent 112 sekunder.

5.2 Gir og treghetsmoment

Gir er også vanlig å bruke med frekvensttyrte motorer. Ved be-regning av motormomentet og hastighetsområdet må man også ta med girene i betraktning. Følgende gjelder (se også figur 5.2):

Figur 5.2 Et gir med virkningsgrad η. Girforhold er n1:n2.

(5.6)

(5.7)

(5.8)



I tillegg må alle treghetsmomenter (J [kgm2]) i systemet være kjente. Hvis de ikke er kjente, kan de beregnes, selv om det er ganske vanskelig å gjøre dette nøyaktig. Normalt kan maskin-byggere gi nødvendige data.

Eksempel 5.3:En sylinder er en ganske vanlig form for en last (ruller, trom-ler, koblinger etc.). Hva er tregheten til en roterende sylinder (masse=1600 kg, radius=0,7 m)?

Løsning 5.3:Tregheten til en roterende sylinder (med masse m [kg] og radius r [m]) beregnes som følger:

I tilfellet med et gir reduseres momentet på motorakselen. Føl-gende eksempel viser hvordan man reduserer momentet ved bruk av gir i heisapplikasjon. I bøker om grunnleggende prosjektering finnes det også andre formler.

Eksempel 5.4: Reduser treghetsmomentet til motorakselen til følgende heis drivsystem.

Figur 5.3 Et heis drivsystem brukt i eksempel 5.4.

Løsning 5.4: Det totale treghetsmomentet består av J1=10 kgm2,J2=30 kgm2, r=0,2 m og m=100 kg.Treghetsmomentet J2 og massen m er bak en girboks med girforhold n1:n2=2:1.

Treghetsmomentet J2 reduseres ved å multiplisere med kvadratet til inversen av girforholdet. Massen m til heisen reduseres ved å multiplisere den med kvadratet til radiusen r og fordi den er bak girboksen, må den også multipliseres med kvadratet av inversen til girforholdet.

Dermed systemets totale treghetsmoment:



Kapittel 6 - Lasttyper

Visse lasttyper er karakteristiske i industriverdenen. Det er avgjørende å vite lastprofilen (hastighetsområde, moment og effekt) når man skal velge en egnet motor og frekvensomformer for applikasjonen.

Noen vanlige lasttyper er vist. Det kan også være kombinasjoner av disse typene.

1. Konstant moment En lasttype med konstant moment er typisk når man håndterer

faste volumer. For eksempel skruekompressorer, matinger og transportører er typiske applikasjoner for konstant moment. Moment er konstant og effekten er lineær proporsjonal med hastigheten.

Figur 6.1 Typisk moment- og effektkurver i en applikasjon med konstant moment.

2. Kvadratisk moment Kvadratisk moment er den vanligste lasttypen. Typiske applika-

sjoner er sentrifugalpumper og vifter. Momentet er kvadratisk og effekten er kubisk proporsjonal med hastigheten.

Figur 6.2 Typisk moment- og effektkurver i en applikasjon med kvadratisk moment.


3. Konstant effekt En last med konstant effekt er normal når materialet rulles og

diameteren endres under rullingen. Effekten er konstant og momentet er omvendt proporsjonalt med hastigheten.

Figur 6.3 Typisk moment- og effektkurver i en applikasjon med konstant effekt.

4. Konstant effekt/moment Denne lasttypen er vanlig i papirindustrien. Det er en kom-

binasjon av lasttypene konstant effekt og konstant moment. Denne lasttypen er ofte en konsekvens av dimensjonering av systemet basert på behovet for en viss effekt ved høy hastig-het.

Figur 6.4 Typiske moment- og effektkurver i en applikasjon med konstant effekt/moment.

5. Krav til start-/igangsettingsmoment I enkelte applikasjoner er det nødvendig med høyt moment

ved lave frekvenser. Dette må vurderes ved dimensjoneringen. Typiske bruksområder for denne lasttypen er for eksempel ekstrudere, skruepumper og rørverk med mulighet for sed-mitering etc.

Lasttyper


Figur 6.5 Typisk momentkurve i en applikasjon hvor det er behov for startmoment.

Det er også flere andre lasttyper. Disse er imidlertid vanskelig å beskrive i en generell presentasjon. Bare for å ha nevnt noen få, finnes det forskjellige symmetriske (ruller, kraner etc.) og usym-metriske laster. Symmetri/ikke-symmetri i moment kan være f.eks. som en funksjon av vinkel eller tid. Disse lasttypene må dimensjoneres nøyaktig med henblikk på overlast marginene til motoren og frekvensomformeren, samt motorens gjennom-snittsmoment.

Lasttyper


T / Tn

Relativ hastighet

Kapittel 7 - Motorens belastningsevne

Motorens termiske belastningsevne må vurderes når man dimen-sjonerer et frekvensomformersystem. Den termiske belastningsev-nen defi nerer motorens maksimale belastningsevne på lang sikt.

En standard induksjonsmotor er selvventilert. På grunn av sel-vventileringen reduseres motorens termiske belastningsevne når motorhastigheten reduseres. Denne typen atferd reduserer kontinuerlig tilgjengelig moment ved lave hastigheter.

En motor med en separat kjøling kan belastes opp til 100% ved lave hastigheter. Kjølingen dimensjoneres ofte slik at kjøleeffekten er den samme som det nominelle punktet.

Med både egne og separate kjølemetoder begrenses momentet termisk i feltsvekkingsområdet. Dette da den termiske oppvar-mingen av motoren er funksjon av strømmen

Figur 7.1 En standard kortslutningsmotors typiske belastningsevne når den styres av en frekvensomformer 1) uten separat kjøling og 2) med separat kjøling.

En AC-motor kan overbelastes i korte tidsperioder uten at den overopphetes. Kortvarige overbelastninger begrenses hovedsa-kelig av Tmax (sjekk sikkerhetsmarginen).

Generelt sett er en frekvensomformers kortvarige belastnings-evne ofte mer kritisk en motorens. Motorens termiske stigetider er typisk fra 15 minutter (små motorer) til flere timer (store motorer) avhengig av motorstørrelsen. Frekvensomformerens termiske stigetider (typisk noen få minutter) er angitt i produkthåndbøkene.


Kapittel 8 - Velge frekvensomformer og motor

Motoren velges i henhold til den grunnleggende informasjonen om prosessen. Hastighetsområde, momentkurver, ventilasjons-metoder, omgivelsestemperatur og motorens belastningsevne gir retningslinjer for valg av motor. Ofte er det verdt å sammenligne forskjellige motorer fordi den valgte motoren påvirker størrelsen til frekvensomformeren.

Ved valg av en egnet frekvensomformer er det flere ting man må vurdere. Frekvensomformerprodusenter har normalt visse valg-tabeller som angir typisk motoreffekt for hver omformerstørrelse. Dimensjoneringsstrømmen kan også beregnes når momentka-rakteristikken er kjent. De korresponderende strømverdiene kan beregnes fra momentprofilen og sammenlignes med omforme-rens strømgrenser. Motorens nominelle strøm gir en slags indika-sjon. Imidlertid er ikke dette alltid det beste dimensjoneringskri-teriet, fordi motorer kan f.eks. reduseres (omgivelsestemperatur, farlig område etc.).

Den tilgjengelige forsyningsspenningen må kontrolleres før man velger frekvensomformeren. Variasjoner i forsyningsspenningen påvirker den tilgjengelige motorakseleffekten. Hvis forsynings-spenningen er lavere enn nominelt, skifter feltsvekkingspunktet til en lavere frekvens og motorens tilgjengelige maksimum moment reduseres i feltsvekkingsområdet.

Maksimum tilgjengelig moment begrenses ofte av frekvensomfor-meren. Dette må vurderes allerede i motorvalgfasen. Frekvens-omformeren kan begrense motormomentet tidligere enn angitt i motorprodusentens datablad.

Maksimum tilgjengelig moment påvirkes også av transforma-torer, reaktorer, kabler etc. i systemet fordi de forårsaker et spenningsfall og dermed vil også maksimum tilgjenglig moment falle. Systemets effekttap må også tas med ved beregning av frekvensomformer størelse.


8.1 Pumpe- og vifteapplikasjon (eksempel)

Noen trinn i dimensjoneringen av pumpe- og vifteapplikasjoner:

– Kontrollere hastighetsområdet og beregn effekten ved høy-este hastighet.

– Kontrollere behovet for startmoment. – Velge antall poler for motoren. Den mest økonomiske drifts-

frekvensen er ofte i feltsvekkingsområdet. – Velge motoreffekt slik at effekten er tilgjengelig ved maksimum

hastighet. Husk på den termiske belastningsevnen. – Velge frekvensomformer. Bruk pumpe- og viftekurven. Hvis

pumpe- og viftekurven ikke er tilgjengelig, må du velge fre-kvensomformer i forhold til motorstrøm.

Eksempel 8.1:En pumpe har en 150 kW belastning ved en hastighet på 2000 o/min. Det er ikke behov for startmoment.

Løsning 8.1:Nødvendig moment ved 2000 o/min er:

Det ser ut til at 2-polt eller 4-polt motorer er alternativer til denne applikasjonen.

Figur 8.1 Motorens belastningskurver i en pumpe- og vifteapplikasjon. Sammenligning av 1) 2-polt og 2) 4-polt motorer.

1) 2-polt motorFor en 2-polt motor er belastningsevnen ved 2000 o/min iht. lastkurven ca. 95%. Motorens nominelle moment må være minst:

Velge frekvensomformer og motor



Motorens korresponderende nominelle effekt må da være minst:

Det velges en 250 kW (400 V, 431 A, 50 Hz, 2975 o/min og 0,87) motor. Motorens nominelle moment er:

Motorstrømmen ved 2000 o/min hastighet (konstant fluksom-råde) er omtrent:

Minimum kontinuerlig strøm for frekvensomformeren er da 384 A.

2) 4 polt motor For en 4-polt motor er belastningsevne ved 2000 o/min 75%.Motorens minimum nominelle moment er:

Minimum effekt for en 4-polt motor er:

En 160 kW motor (400 V, 305 A, 50 Hz, 1480 o/min og 0,81) oppfyller kravene. Den tilnærmet strømmen ved en hastighet på 2000 o/min (66,7 Hz) er:

Den nøyaktige strømmen skal beregnes hvis den valgte fre-kvensomformerens nominelle strøm er nær den tilnærmet mot-orstrømmen.

En 4-polt motor krever mindre strøm ved pumpes driftspunkt. Dermed er det sannsynligvis et mer økonomisk valg enn en 2-polt motor.


8.2 Konstant momentapplikasjon (eksempel)

Noen trinn i dimensjoneringen av en applikasjon med konstant moment: – Kontrollere hastighetsområdet. – Kontrollere behovet for konstant moment. – Kontroller hastighetsendringene. Hvis akselerasjoner er nød-

vendig, kontroller treghetsmomentene. – Kontrollere mulig nødvendig startmoment. – Velg motoren slik at momentet er under den termiske lastkur-

ven (separat/selvventilasjon?). Motorens nominelle hastighet er typisk i midten av det anvendte hastighetsområdet.

– Velg en egnet frekvensomformer avhengig av dimensjone-ringsstrømmen.

Eksempel 8.2:En ekstruder har et hastighetsområde på 300-1200 o/min. Lasten ved 1200 o/min er 48 KW. Kravet til startmoment er 200 Nm. Ak-selerasjonstiden fra null hastighet til 1200 o/min er 10 sekunder. Motoren er selvventilert og den nominelle spenningen er 400 V.

Løsning 8.2:Kravet til konstant moment er:En egnet motor er en 4-polt eller en 6-polt motor.

Figur 8.2 Motorens belastningskurver i en applikasjon med konstant moment. Sammenligning av 1) 4-polt og 2) 6-polt motor.



1) 4-polt motorVed en hastighet på 300 o/min er den termiske belastningsev-nen 80%.Estimert minimum nominelt moment er:

Motorens minimum nominelle effekt er:

En egnet motor er f.eks. en 75 kW (400 V, 146 A, 50 Hz, 1473 o/min og 0,82) motor. Motorens nominelle moment er:

Motorstrømmen er ca. (T/Tn ≅ 0,8):

I henhold til den beregnede motorstrømmen kan man velge en egnet frekvensomformer for bruk ved konstant moment.Kravet til startmomentet (200 Nm) er ikke et problem for denne motoren.

Hvis motorens treghetsmoment er 0,72 kgm2 er det dynamiske momentet i akselerasjon:

Dermed er totalt moment under akselerasjon 391 Nm, som er lavere enn motorens nominelle moment.

2) 6-polt motorVed hastigheter på 300 o/min og 1200 o/min er motorens be-lastningsevne 84%. Dermed er den 6-polte motorens minimum nominelle moment:

Motorens minimum nominelle effekt er:



En egnet motor kan f.eks. være en 55 kW (400 V, 110 A, 50 Hz, 984 o/min og 0,82) motor. Motorens nominelle moment er:

Dimensjoneringsstrømmen blir da tilnærmet med en hastighet på 1200 o/min:

Den nominelle (kontinuerlige) strømmen til frekvensomformeren må være over 96 A.

Behovet for startmoment er mindre enn motorens nominelle moment.

Hvis motorens treghetsmoment er 1,2 kgm2 er det dynamiske momentet under akselerasjon:

Det totale momentet som er nødvendig under akselerasjon er 397 Nm, som er lavere enn motorens nominelle moment.

Motorstrømmen til en 6-polt motor blir 19 A mindre enn en 4-polt motor. Det endelige valget av frekvensomformer/motor avhenger av motoren og frekvensomformer rammestørrelser og priser.

8.3 Konstant effektapplikasjon (eksempel)

Noen trinn i dimensjoneringen av en applikasjon med konstant effekt:

– Kontrollere hastighetsområdet. – Beregne behovet for effekt. Oppviklere er typiske applikasjo-

ner med konstant effekt. – Dimensjonere motoren slik at feltsvekkingsområdet utnyttes.

Eksempel 8.3:En trådtrekkemaskin styres av en frekvensomformer. Overfla-tehastigheten til trommelen er 12 m/s og trekk kraften er 5700 N. Tromlenes diametre er 630 mm (tom trommel) og 1250 (full trommel). Det er et gir med girforhold n2:n1 =1:7,12 og virk-ningsgraden til giret er η=0,98.

Velg en egnet motor og omformer for denne applikasjonen.



Løsning 8.3:Den grunnleggende idéen til en viklemaskin er å holde overflate-hastigheten og trekk kraftene konstant når diameteren endres.

Figur 8.3 Grunnleggende diagram av en viklemaskin.

I rettlinjet bevegelse er effekten: P = Fv

I rotasjonsbevegelse er effekten: P = Tω

Forholdet mellom overflatehastighet og vinkelhastighet er:

Moment er et produkt av kraft(N) og radius (m) = Nm: T = Fr

Man kan velge motor ved å bruke formlene over:



Giret må tas i betraktning før man velger motoren. Hastigheter, momenter og effekt må reduseres:

1) 2-polt motorHvis en 2-polt motor velges, er belastningsevnen ved en hastig-het på 1305 o/min ca. 88% og 97% ved 2590 o/min. Motorens minimum nominelle effekt er:

Det velges en 200 kW (400 V, 353 A, 50 Hz, 2975 o/min og Cos α=0.86) motor. Motorens nominelle moment er:

Dimensjoneringsstrømmen beregnes i henhold til et moment på 511 Nm:

2) 4-polt motorHvis en 4-pols motor velges, kan man se fra lastkurven at be-lastningsevnen ved en hastighet på 1305 o/min er ca. 98% og ca. 60% ved 2590 o/min. Motorens minimum nominelle effekt er:



Det velges en 90 kW (400 V, 172 A, 50 Hz, 1473 o/min og Cos α=0,83) motor. Motorens nominelle moment er:

Dimensjoneringen i dette tilfellet gjøres i forhold til motorstrøm-men ved 1305 o/min. Den totale motorstrømmen er:

Med en 2-polt motor ble ikke feltsvekkingsområdet (konstant effekt) utnyttet, hvilket førte til unødvendig overdimensjonering. En 4-polt motor er et bedre valg for denne applikasjonen.



Moment

Strøm

Kapittel 9 - Transformator og likeretter

Det finnes flere typer inngangslikerettere. Likerettertypen kan begrense driften.

En konvensjonell likeretter er en 6- eller 12-puls diodelikeretter. Diodelikerettere støtter bare motorlaster der strømflyten kun går fra forskyningside til lastside ( motorisk ).

I visse prosesser hvor lasten også kan være genererende, må energien absorberes. For korte genererende laster har den tradisjonelle løsningen vært en bremsemotstand hvor generert effekt har blitt omdannet til varmetap. Men hvis lasten genereres hele tiden, er det nødvendig med en ekte 4-kvadrant likeretter. Regenerativ likeretter forskyner også vekselstrøm tilbake til nettet når motoren går generatorisk ( bremser ).

Både inngangstransformatoren og likeretteren er dimensjonert i forhold til motorakseleffekten og systemtapene. Hvis f.eks. høyt moment ved lav hastighet leveres, er den mekaniske kraften like-vel lav. Og dermed betyr ikke høye overbelastninger nødvendigvis høy effekt fra likeretterens ståsted.

Figur 9.1 Strøm i en applikasjon med konstant moment. Strømmen er lav ved lav hastighet.

9.1 Likerettere

Likerettere dimensjoneres i forhold til motorens akselkraft. En enkel likeretter kan velges ved å bruke formelen:

I frekvensomformersystemer med en felles DC-link ( Multidrive ), kan det være motorisk og genererende kraft samtidig. Likeret-tereffekten kan så beregnes omtrentlig som følger:

(9.1)

(9.2)


9.2 Transformator

En inngangstransformators effekt kan beregnes som følger:

I formlene over:

Ptotal er total motorakseleffekt k er transformatorens belastningsevne (k-faktor) 1,05 står for transformatorspenningsfall (impedans) ηr er likerettervirkningsgraden cos(α) er likeretterens styrevinkel (=1,0 for diodelikeretter) ηc er virkningsgraden til AC-choken (hvis det er en) ηi er vekselretter virkningsgraden ηm er motorvirkningsgraden

Typisk multipliseres total akseleffekt med en koeffisient 1,2 - 1,35.

Eksempel 9.1:I en applikasjon med konstant moment, er behovet for maksimum akseleffekt på 48 kW ved en hastighet på 1200 o/min. En 55 kW motor og 70 kVA frekvensomformer ble valgt.

Spesifiser likeretter og inngangstransformator. En 6-puls dio-deforsyning brukes (virkningsgrad 0,985), det er en DC-choke i DC-linken, vekselretter virkningsgraden er 0,97 og motorvirk-ningsgraden er 0,95.

Løsning 9.1:For likeretteren er estimert effekt:

Transformator og likeretter

(9.3)

Choke virkningsgraden er inkludert i vekselretter virkningsgraden. Diodeforsyningsenheten har cos(a)=1. Inngangstransformatoren har belastningsevne (k=0,95):


Symboler4-kvadrant 35

AAC-motor 8akselerasjon 17, 18, 29, 30, 31akselkraft 26, 35, 36aktiv strøm 13, 14

DDC-link 8, 35, 36

Eeffekt 9, 11, 12, 14, 15, 16, 18, 22, 23, 26, 27, 28, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36effektfaktor 14, 16effektivitet 16, 20, 31, 36elektrisk forsyning 7, 8, 18etterslep 11, 12

Ffeltsvekkingsområde 12, 13, 15, 25, 26, 27, 31fluksområde 12, 13, 14, 28frekvens 8, 9, 10, 11, 12, 17, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34frekvensomformer 8, 36friksjon 17forsyning 7, 8, 9, 11, 18, 26, 36

Ggenerere 35gir 20, 21, 31, 32

Hhastighet 9, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 35, 36hastighetsområde 19, 20, 22, 27, 29, 31

Iinduksjon 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 25induksjonsmotor 11, 12, 13, 17, 25inngangstransformator 8, 35, 36

Kkilowatt 16kobling 21konstant fluksområde 12, 13, 28konstant effekt 12, 23, 31, 34konstant moment 22, 23, 29, 30, 35, 36kubisk 22kvadratisk 22kvadratisk moment 22

Llast 8, 9, 10, 12, 14, 17, 18, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 33, 35, 36lastprofil 22lasttype 9, 22, 23, 24likeretter 8, 35, 36likeretterenhet 8låst rotormoment 11

Mmaksimum moment 9, 12, 26matespenning 9, 26mekanisk 11, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 35moment 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 33, 34, 35, 36motor 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36motorisk 35

Nnominelt punkt 11, 13, 14, 25

Ooverlastevne 9, 24

Ppull-out-moment 12pull-up-moment 11

Rreaktiv strøm 13retardere 18ruller 21, 24

Ssentrifugalpumper 22separat kjøling 25spenning 9, 11, 12, 13, 16, 26, 29, 36startmoment 9, 24, 27, 29, 30, 31syklisk last 9

Ttermisk belastningsevne 25, 27, 29, 30transformator 8, 26, 35, 36trommel 21

Vvifte 18, 19, 22, 27vinkelhastighet 17, 32

Kapittel 10 - Stikkord

Kontakt oss

© Copyright 2011 ABB. Alle rettigheter forbeholdt. Spesifikasjoner kan endres uten varsel.

For mer informasjon kontakter du din lokale ABB-representant eller besøker:

www.abb.com/driveswww.abb.com/drivespartners

3AU

A00

0010

9890

RE

V C

EN

25.

11.2

011

#15

941

ABB frekvensomformere - Teknisk veiledning nr. 7 ...€¦ · 10 Dimensjonering av frekvensomformer...

Documents

Transcript of ABB frekvensomformere - Teknisk veiledning nr. 7 ...€¦ · 10 Dimensjonering av frekvensomformer...