Tekninen opas nro 7 - library.e.abb.com · PDF filevälipiiri ja vaihtosuuntaaja. Luku 2 -...

Tekninen opas nro 7

Tekninen opas nro 7Tekninen opas nro 7

Sähkökäytön mitoitus

2 Tekninen opas nro 7 - Sähkökäytön mitoitus

3Tekninen opas nro 7 - Sähkökäytön mitoitus

Sisällysluettelo

1. Johdanto ......................................................... 5

2. Sähkökäyttö ........................................................... 6

3. Mitoituksen yleiskuvaus ..................................... 7

4. Oikosulkumoottori (AC) ................................... 9

4.1 Perusteet ................................................................. 94.2 Moottorivirta ............................................................ 11

4.2.1 Vakiovuoalue ............................................... 124.2.2 Kentänheikennysalue.................................. 13

4.3 Moottoriteho ........................................................... 14

5. Mekaaniset perusperiaatteet ............................ 15

5.1 Pyörimisliike ............................................................ 155.2 Vaihteet ja hitausmomentti ..................................... 18

6. Kuormitustyypit .................................................... 20

7. Moottorin kuormitettavuus ................................ 23

8. Taajuusmuuttajan ja moottorinvalitseminen .......................................................... 24

8.1 Pumppu- ja puhallinsovellus (esimerkki) ............... 248.2 Vakiomomenttisovellus (esimerkki) ........................ 278.3 Vakiotehosovellus (esimerkki) ................................ 29

9. Syöttömuuntaja ja tasasuuntaaja ..................... 33

9.1 Tasasuuntaaja ......................................................... 339.2 Muuntaja .................................................................. 34

10. Hakemisto ....................................................... 36


Yleistä

Luku 1 - Johdanto

Sähkökäytön mitoitus kannattaa tehdä harkiten. Mitoitusedellyttää järjestelmän tuntemusta, mukaan lukiensähkönsyöttö, käytettävä laite, ympäristöolosuhteet,moottorit, käytöt jne. Mitoitukseen käytetyn ajanseurauksena voidaan saavuttaa huomattaviakustannussäästöjä.


Vaihtovirralla toimiva sähkökäyttö koostuu yleensäsyöttömuuntajasta tai sähkönsyötöstä, taajuus-muuttajasta, vaihtovirtamoottorista sekä kuormasta.Taajuusmuuttajaan kuuluu tasasuuntaaja, tasajännite-välipiiri ja vaihtosuuntaaja.

Luku 2 - Sähkökäyttö

Kuva 2.1 Taajuusmuuttaja koostuu 1) tasasuuntaajasta,2) tasajännitevälipiiristä, 3) vaihtosuuntaajasta ja 4) sähkönsyötöstä.

Monista käytöistä koostuvissa sähkökäytöissä on yleensäerillinen tasasuuntaajayksikkö. Vaihtosuuntaajayksiköt onkytketty suoraan yhteiseen tasajännitevälipiiriin.

Kuva 2.2 Sähkökäyttö, jossa on 1) erillinen syöttöyksikkö,2) yhteinen tasajännitevälipiiri, 3) vaihtosuuntaajayksiköt ja4) sähkönsyöttö.


Tässä luvussa kuvataan moottorin ja taajuusmuuttajanmitoituksen vaiheet.

1) Käyttöolosuhteiden tarkistaminenKun halutaan valita sopiva taajuusmuuttaja ja moottori, onensin tarkistettava verkkojännite (380 V …690 V) ja sentaajuus (50 Hz … 60 Hz). Sähkönjakeluverkon jännitteentaajuus ei rajoita sovelluksen kierrosaluetta.

2) Prosessin vaatimusten tarkistaminenTarvitaanko käynnistysmomenttia? Mikä on käytettäväkierrosalue? Minkätyyppinen on aiottu kuormitus? Joitakintyypillisiä kuormitustyyppejä on esitetty myöhemmin tässäoppaassa.

3) Moottorin valitseminenSähkömoottoria tulisi pitää momenttilähteenä. Moottorinon kestettävä prosessin ylikuormitusta ja pystyttävämuodostamaan tietty momentti. Moottorin termistäylikuormitettavuutta ei saisi ylittää. Moottorin maksimi-momentille on myös jätettävä noin 30 % marginaali, kunotetaan huomioon mitoitusvaiheen maksimimomentti.

4) Taajuusmuuttajan valitseminenTaajuusmuuttaja valitaan käyttöolosuhteiden ja valitunmoottorin perusteella. Taajuusmuuttajan kyky tuottaatarvittava virta ja teho on tarkistettava. Taajuusmuuttajanylikuormitettavuutta voidaan hyödyntää, jos kyseessä onlyhytaikainen jaksottainen kuormitus.

Luku 3 - Mitoituksen yleiskuvaus


Mitoituksen vaiheet Verkko Muuttaja Moottori Kuorma

1) Tarkista syöttävä sähköverkko ja

kuormitus

2) Valitse moottori näidentekijöiden mukaan:• Lämpökuormitettavuus• Kierroslukualue• Tarvittava maksimi-

momentti

3) Valitse muuttaja näidentekijöiden mukaan:• Kuormitustyyppi• Jatkuva ja

maksimivirta• Syöttöverkko

fN=50Hz, 60Hz

UN=380...690V

Tkuorma

T

n min n max

Tkuorma

T

TS

n min n max

Imax

IN

n min n max

TS

Mitoituksen yleiskuvaus

Kuva 3.1 Yleiskuvaus mitoituksen eri vaiheista.


napaluku

Oikosulkumoottoreita käytetään monilla eri teollisuu-denaloilla. Tässä luvussa esitellään muutamia oikosulku-moottoreiden perusominaisuuksia.

Oikosulkumoottori muuttaa sähköenergian mekaaniseksienergiaksi. Energian muuttaminen perustuusähkömagneettiseen induktioon. Induktion seurauksenaoikosulkumoottorilla on jättämä.Jättämä määritellään usein moottorin nimellispisteessä(taajuus ( fn ), nopeus ( nn ), momentti ( Tn ), jännite ( Un ),virta ( In ) ja teho ( Pn )). Nimellispisteessä jättämää kutsutaannimellisjättämäksi:

4.1 Perusteet

Luku 4 - Oikosulkumoottori (AC)

(4.1)

jossa ns on synkroninen pyörimisnopeus:

(4.2)

Kun moottori on kytketty syöttöön vakiojännitteellä ja-taajuudella, sen momenttikäyrä on seuraavanlainen:

Kuva 4.1 Oikosulkumoottorin tyypillinen momentti/kierroslukukäyrä, kunmoottori on kytketty syöttöverkkoon (D.O.L., Direct-On-Line). Kuvassakirjain a) tarkoittaa lukittua roottorimomenttia, b) minimimomenttia,c) moottorin maksimimomenttia, Tmax ja d) moottorin nimellispistettä.


MOMENTTI

KIERROS-LUKU

n

olo

Oikosulkumoottori (AC)

Vakio-oikosulkumoottorin maksimimomentti (Tmax, jotakutsutaan myös kippimomentiksi) on yleensä 2-3 kertaanimellismomentin suuruinen. Maksimimomentilla onjättämä smax, joka on nimellisjättämää suurempi. Jottaoikosulkumoottoria käytettäisiin tehokkaasti, moottorinjättämän tulisi olla alueella - smax ... smax. Tähän päästäänsäätämällä jännitettä ja taajuutta. Säätö voidaan tehdätaajuusmuuttajalla.

Kuva 4.2 Taajuusmuuttajan syöttämät oikosulkumoottorin momentti/kierroslukukäyrät. Tmax on käytettävissä lyhytaikaista ylikuormitustavarten kentänheikennyspisteen alapuolella. Taajuusmuuttajatrajoittavat kuitenkin käytettävissä olevan maksimimomentin 70 %:iinTmax :ista.

Nimellistaajuuden alapuolella olevaa taajuusaluettakutsutaan vakiovuoalueeksi. Nimellistaajuuden/kierrosluvun yläpuolella moottori toimii kentän-heikennysalueella. Kentänheikennysalueella moottori voitoimia vakioteholla, minkä johdosta kentän-heikennysaluetta voidaan myös kutsua vakiotehoalueeksi.

Oikosulkumoottorin maksimimomentti on verrannollinenmagneettivuon neliöön ( Tmax ~ ψ 2 ). Tämä tarkoittaa, ettämaksimimomentti on vakiovuoalueella suunnilleen vakio.Kentänheikennyspisteen yläpuolella maksimimomentinlasku on kääntäen verrannollinen taajuuden neliöön

( Tmax ~ ).


,

,

,

, , , , , , , ,

VakiovuoalueNOPEUS

Kentänheikennysalue

Vuo

Tmax

Jännite


4.2 Moottori-virta

Kuva 4.3 Maksimimomentti, -jännite ja -vuo suhteellisen nopeudenfunktiona.

Oikosulkumoottorin virralla on kaksi komponenttia: loisvirta( isd ) ja pätövirta ( isq ). Loisvirtakomponentti sisältäämagnetointivirran ( imagn ), kun taas pätövirta on momentintuottava virtakomponentti. Loisvirta ja pätövirta ovatkohtisuorassa toisiinsa nähden.

Magnetointivirta ( imagn ) säilyy suunnilleen vakionavakiovuoalueella (kentänheikennyspisteen alapuolella).Kentänheikennysalueella magnetointivirran lasku onverrannollinen nopeuteen.Loisvirta ( isd ) moottorin nimellispisteessä antaa melkohyvän arvion magnetointivirrasta vakiovuoalueella.

Kuva 4.4 Staattorivirta ( is ) koostuu loisvirrasta ( isd ) ja pätövirrasta( isq ), jotka ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden. Staattorivuon tunnuson ψs.


, A = 17,8 A

Kokonaismoottorivirta arvioidaan 120 % momentilla:

Arviointiin käytettiin yllä olevaa laskukaavaa, sillä momentti

täytti seuraavan ehdon: 0,8 * Tn ≤ Tkuorma ≤ 0,7 * Tmax

kuorma

kuorma

Kentänheikennyspisteen alapuolella olevat virtakom-ponentit voidaan arvioida seuraavasti:

Kun moottorin momentti on nolla, pätövirtakomponentti onnolla. Suuremmilla momenttiarvoilla moottorivirrasta tuleelähes verrannollinen momenttiin. Hyvä arviokokonaismoottorivirrasta on:

4.2.1 Vakiovuo-alue

Kokonaismoottorivirta on:

(4.5)

Esimerkki 4.1:15 kW moottorin nimellisvirta on 32 A ja tehokerroin 0,83.Mikä on moottorin arvioitu magnetointivirta nimellis-pisteessä? Mikä on arvioitu kokonaisvirta 120 % momentillakentänheikennyspisteen alapuolella?

Ratkaisu 4.1:Nimellispisteessä magnetointivirta-arvio on:

(4.6)

(4.3)

(4.4)

, ,kuorma


kuorma

, kun 0,8 * Tn ≤ Tkuorma ≤ 0,7 * Tmax


, ,kuorma

, ,kuorman

, ,kuorma

kuorma kuorma

kuorma kuorma

kuorma

4.2.2 Kentän-heikennysalue

Kentänheikennyspisteen yläpuolella virtakomponentitriippuvat myös kierrosluvusta.

Kokonaismoottorivirta on:

(4.8)

(4.7)

(4.10)

(4.9)

Moottorivirta voidaan arvioida melko tarkkaan tietyllätoiminta-alueella. Moottorivirrasta tulee verrannollinensuhteelliseen tehoon nähden. Virta voidaan arvioidaseuraavalla kaavalla:

Arviointikaavaa voidaan käyttää, kun:

ja

(4.11)

(4.12)

Kentänheikennysalueella tietyn momenttitasonsäilyttämiseksi tarvittava lisävirta on verrannollinensuhteelliseen nopeuteen.

Esimerkki 4.2:Moottorin nimellisvirta on 71 A. Kuinka paljon virtaatarvitaan 100 % momenttitason säilyttämiseksi 1,2kertaisella nimellisnopeudella (Tmax = 3 * Tn)?

Ratkaisu 4.2:Virta voidaan laskea seuraavalla kaavalla:



lähtö

syöttö

lähtö

Moottorin mekaaninen (lähtö) teho voidaan laskeanopeuden ja momentin avulla seuraavasti:

Koska moottoriteho annetaan yleensä kilowatteina(1 kW = 1000 W) ja nopeus kierroslukuna, rpm (revolutionsper minute),

(1 rpm = rad/s), voidaan käyttää seuraavaa kaavaa:

Moottorin syöttöteho voidaan laskea jännitteen, virran jatehokertoimen avulla:

Moottorin hyötysuhde saadaan jakamalla lähtötehosyöttöteholla:

Esimerkki 4.3:Moottorin nimellisteho on 15 kW ja nimellisnopeus1480 rpm. Mikä on moottorin nimellismomentti?

Ratkaisu 4.3:Moottorin nimellismomentti lasketaan seuraavasti:

Esimerkki 4.4:Mikä on 37 kW (Pn = 37 kW, Un =380 V, In =71 A ja cos(ϕn) =0,85) moottorin hyötysuhde?

Ratkaisu 4.4:Hyötysuhde on:

,

,lähtö

syöttö

,

syöttö

4.3 Moottori-teho

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

lähtö



kuorma

kuorma

kuorma

Luku 5 - Mekaaniset perusperiaatteet

5.1 Pyörimis-liike

Eräs oikosulkumoottorin perusyhtälöistä kuvaahitausmomentin ( J [kgm2]), kulmanopeuden ( ω [rad/s]) jamomentin ( T [Nm]) välistä suhdetta. Kyseessä on seuraavayhtälö:

(5.1)

Yllä olevassa yhtälössä oletetaan, että sekä taajuus ettähitausmomentti ovat muuttuvia. Yleensä kaava esitetäänkuitenkin siten, että hitausmomentin oletetaan olevan vakio:

(5.2)

Jos nopeus ja hitausmomentti ovat vakioita, dynaaminenkomponentti ( Tdyn ) on nolla.

Vakiohitausmomentin kiihdytyksen/hidastuksen aikaan-saama dynaamisen momentin komponentti (moottorinnopeus muuttuu ∆n [rpm] ajan ∆t [s] kuluessa, J on vakio)on:

(5.3)

(5.4)

Momentti Tkuorma tarkoittaa moottorin kuormitusta.Kuormitus muodostuu kitkasta, hitausmomentista ja itsekuormasta. Kun moottorin nopeus muuttuu, moottorinmomentti eroaa Tkuorma -arvosta. Moottorin momenttivoidaan jakaa dynaamiseen komponenttiin jakuormakomponenttiin:

(5.5)

Muuttuvan hitausmomentin aikaansaama dynaamisenmomentin komponentti vakionopeudella n[rpm] on:


,

kuorma

, ,kuorma

,

Mekaaniset perusperiaatteet

Jos hitausmomentti muuttuu ja samanaikaisesti moottorikiihtyy, dynaamisen momentin komponentti voidaan laskeakäyttämällä pieniä mittausvälejä. Termisen mitoituksennäkökulmasta riittää kuitenkin usein, että otetaan huomioonkeskimääräinen hitausmomentti kiihdytyksen aikana.

Esimerkki 5.1:Kokonaishitausmomentti, 3 kgm2, kiihtyy 500 rpm:stä 1000rpm:ään 10 sekunnissa. Mikä on tarvittava kokonais-momentti, kun vakiokuormitusmomentti on 50 Nm?

Kuinka nopeasti moottori hidastuu 0 rpm:ään, jos moottorinsähkönsyöttö on kytketty pois?

Ratkaisu 5.1:Kokonaishitausmomentti on vakio. Kiihdytykseen tarvittavadynaamisen momentin komponentti on:

Jos moottorin sähkönsyöttö kytketään pois 1000 rpm:ssä,moottori hidastuu vakiokuormitusmomentista johtuen(50 Nm). Seuraava yhtälö pitää paikkansa:

Kokonaismomentti kiihdytyksen aikana on:

Hidastusaika 1000 rpm:stä 0 rpm:ään:

Esimerkki 5.2:Puhaltimen kiihdyttäminen nimellisnopeuteen tehdäännimellismomentilla. Nimellisnopeuden momentti on 87 %.Puhaltimen hitausmomentti on 1200 kgm2 ja moottorinhitausmomentti on 11 kgm2. Puhaltimen kuormitus-ominaisuudet Tkuorma näkyvät kuvassa 5.1.

Moottorin nimellisteho on 200 kW ja nimellisnopeus991 rpm.


KIERROS-LUKU

,

,

,

,

,

,

,

,

,

, , , , , , , , ,

MO

MEN

TTI

kuorma

kokonais

n


Kuva 5.1 Puhaltimen momentin ominaisuudet. Kierrosluku ja momenttinäkyvät suhteellisina arvoina.

Arvioitu käynnistysaika lasketaan nollanopeudestanimellisnopeeen.

Ratkaisu 5.2:Moottorin nimellismomentti on:

Käynnistysaika lasketaan jakamalla kierrosalue viiteenpienempään alueeseen. Jokaisen alueen (198,2 rpm)momentin oletetaan olevan vakio. Kunkin alueen momenttiotetaan alueen keskipisteestä. Näin voidaan tehdä, kunneliöllisen momentin arvioidaan olevan alueella lineaarinen.

Moottorin (puhallin) kiihdytysaika nimellismomentillavoidaan laskea kaavalla:


,,

,

, ,

,

5722 9,

Kierroslukualueiden kiihdytysajat ovat seuraavat:

0-198,2 rpm

198,2-396,4 rpm

396,4-594,6 rpm

594,6-792,8 rpm

792,8-991 rpm

Kokonaiskäynnistysaika 0-991 rpm on noin 112 sekuntia.

Järjestelmäkäytöissä käytetään yleensä vaihteita. Kun

,,

,

,

,,

lasketaan moottorin momenttia ja kierroslukualuetta, onvaihteet otettava huomioon. Vaihteet redusoidaankuormituspuolelta moottoripuolelle seuraavilla kaavoilla(katso myös kuva 5.2 ):

5.2 Vaihteet jahitausmomentti

Kuva 5.2 Vaihde hyötysuhteella η. Välityssuhde on n1:n2.

,

,,


(5.6)

(5.7)

(5.8)

Energian suunta


,

,

Myös kaikki järjestelmän hitausmomentit (J [kgm2]) ontunnettava. Jos niitä ei tunneta, ne voidaan laskea, vaikkatarkkojen lukujen laskeminen onkin melko vaikeaa. Yleensälaitteiden valmistajilta saa tarvittavat tiedot.

Esimerkki 5.3:Sylinteri on melko yleinen kuorman muoto (esim. rullissa,rummuissa ja kytkimissä). Mikä on pyörivän sylinterinhitausmomentti (massa=1600 kg, säde=0,7 m)?

Ratkaisu 5.3:Pyörivän sylinterin hitausmomentti (massa m [kg] ja säde r[m]) lasketaan seuraavasti:

Jos laitteessa on vaihde, hitausmomentti on redusoitavamoottorin akseliin. Seuraavassa esimerkissä kerrotaan,kuinka nostokäyttö redusoidaan moottorin akselille.Tekniikan peruskirjoissa on myös muita kaavoja.

Esimerkki 5.4:Redusoi hitausmomenttia nosturikäytön moottorin akseliin.

Kuva 5.3 Esimerkin 5.4 nosturikäyttö.

Ratkaisu 5.4:Kokonaishitausmomentti muodostuu seuraavista:J1=10 kgm2, J2=30 kgm2, r=0,2 m ja m=100 kg.Hitausmomentti J2 ja massa m ovat vaihteiston takanavälityssuhteella n1:n2=2:1.

Hitausmomentti J2 redusoidaan kertomalla sevälityssuhteen käänteisluvun neliöllä. Nosturin massa mredusoidaan kertomalla se säteen r neliöllä. Koska massaon vaihteiston takana, myös se on kerrottava välityssuhteenkäänteisluvun neliöllä.

Järjestelmän kokonaishitausmomentti on siten:



Tiettyjä kuormitustyyppejä esiintyy eri teollisuudenaloillarunsaasti. Kuormitusprofiilin (kierrosalue, momentti ja teho)tunteminen on oleellista valittaessa sovellukseen sopivaamoottoria ja taajuusmuuttajaa.

Alla on joitakin yleisiä kuormitustyyppejä. Myös näidentyyppien yhdistelmiä voi esiintyä.

1. VakiomomenttiVakiomomentti-kuormitustyyppiä käytetään yleensä silloin,kun käsitellään kiinteitä määriä. Esimerkiksiruuvikompressorit, syöttölaitteet ja kuljettimet ovattyypillisiä vakiomomenttisovelluksia. Momentti on vakio jateho suoraan verrannollinen kierroslukuun.

Kuva 6.1 Tyypilliset momentti- ja tehokäyrät vakiomomentti-sovelluksessa.

2. Neliöllinen momenttiNeliöllinen momentti on yleisin kuormitustyyppi. Tyypillisiäsovelluksia ovat keskipakopumput ja puhaltimet. Momenttion neliöllisesti ja teho kuutiollisesti verrannollinenkierroslukuun.

Luku 6 - Kuormitustyypit

Kuva 6.2 Tyypilliset momentti- ja tehokäyrät neliöllisen momentinsovelluksessa.


3. VakiotehoVakioteho-kuormitustyyppi on tavallinen silloin, kunmateriaalia rullataan ja läpimitta muuttuu rullauksen aikana.Teho on vakio ja momentti kääntäen verrannollinenkierroslukuun.

Kuva 6.3 Tyypilliset momentti- ja tehokäyrät vakiotehosovelluksessa.

4. Vakioteho/momenttiTämä kuormitustyyppi on yleinen paperiteollisuudessa.Kyseessä on vakioteho- ja vakiomomentti-kuormitustyyppien yhdistelmä. Tämä kuormitustyyppi onusein seurausta tilanteesta, jossa järjestelmä mitoitetaansuurella kierrosluvulla tarvittavan tehon mukaan.

Kuva 6.4 Tyypilliset momentti- ja tehokäyrät vakioteho/momenttisovelluksessa.

5. Käynnistys/irrotusmomentin tarveJoissakin sovelluksissa tarvitaan suuri momentti alhaisillataajuuksilla. Tämä on otettava huomioon mitoituksessa.Tämän kuormitustyypin tavallisia sovelluksia ovatesimerkiksi ekstruuderit ja ruuvipumput.

Kuormitustyypit


Kuormitustyypit

Kuva 6.5 Tyypillinen momenttikäyrä sovelluksessa, jossa tarvitaankäynnistysmomenttia.

On myös muita kuormitustyyppejä. Niitä on kuitenkin vaikeakuvailla lyhyesti. Esimerkkeinä voidaan mainita erilaisetsymmetriset (rullat, nosturit jne.) ja epäsymmetrisetkuormat. Momentin symmetrisyys/epäsymmetrisyys voiolla esimerkiksi kulman tai ajan funktio. Tällaisetkuormitustyypit on mitoitettava huolellisesti ottamallahuomioon moottorin ja taajuusmuuttajan ylikuormitus-marginaalit sekä moottorin keskimääräinen momentti.


, , , , , , , , , ,

T / Tn

Suhteellinen nopeus

Luku 7 - Moottorin kuormitettavuus

Moottorin terminen kuormitettavuus on otettava huomioonsähkökäyttöä mitoitettaessa. Terminen kuormitettavuusmäärittelee moottorin pitkäaikaisen maksimi-kuormitettavuuden.

Vakio-oikosulkumoottori on itsejäähdytteinen. Itsejääh-dytyksen takia moottorin terminen kuormitettavuus laskee,kun moottorin nopeus laskee. Tämä rajoittaa jatkuvaakäytettävissä olevaa momenttia alhaisilla kierrosluvuilla.

Moottoria, jossa on erillinen jäähdytys, voidaan kuormittaamyös alhaisilla kierrosluvuilla. Jäähdytys mitoitetaan useinsiten, että jäähdytysvaikutus on sama kuin nimellis-pisteessä.

Sekä itse- että erillisjäähdytyksessä momentti rajoitetaantermisesti kentänheikennysalueelle.

Kuva 7.1 Vakio-oikosulkumoottorin tyypillinen kuormitettavuus taajuus-muuttajalla säädetyssä käytössä 1) ilman erillistä jäähdytystä ja2) erillisjäähdytyksellä.

Vaihtovirtamoottori voidaan ylikuormittaa lyhytaikaisestiilman moottorin ylikuumenemista. Lyhytaikaistaylikuormitusta rajoitetaan pääasiassa maksimimomentillaTmax (tarkista turvallisuusmarginaali).

Yleensä ottaen taajuusmuuttajan lyhytaikainenkuormitettavuus on ratkaisevampaa kuin moottorin lyhytai-kainen kuormitettavuus. Moottorin lämmön-nousuajat ovattavallisesti 15 minuutista (pienet moottorit) useisiin tunteihin(suuret moottorit) moottorin koosta riippuen.Taajuusmuuttajan lämmönnousuajat (yleensä muutamaminuutti) kerrotaan taajuusmuuttajan oppaissa.


Luku 8 - Taajuusmuuttajan jamoottorin valitseminen

Moottori valitaan prosessin perustietojen mukaan.Kierrosalue, momenttikäyrät, jäähdytysmenetelmä jamoottorin kuormitettavuus antavat ohjeita moottorinvalintaan. Usein kannattaa vertailla erilaisia moottoreita,sillä valittu moottori vaikuttaa taajuusmuuttajan kokoon.

Sopivaa taajuusmuuttajaa valittaessa on huomioitavauseita seikkoja. Taajuusmuuttajien valmistajilla on yleensävalintataulukoita, joissa on annettu erikokoistentaajuusmuuttajien tyypilliset moottoritehot.

Mitoitusvirta voidaan myös laskea, jos momentinominaisuudet tunnetaan. Vastaavat virta-arvot voidaanlaskea momentin profiilista ja verrata niitä muuttajanvirtarajoihin. Moottorin nimellisvirta antaa jonkinlaisiaviitteitä. Se ei kuitenkaan aina ole paras mahdollinenmitoituskriteeri, sillä esimerkiksi moottoreiden kuormitustaon saatettu rajoittaa (käyttöympäristön lämpötila,räjähdysvaarallinen tila jne.).

Käytettävä syöttöjännite on tarkistettava ennentaajuusmuuttajan valitsemista. Syöttöjännitteen vaihtelutvaikuttavat moottorin akselitehoon. Jos syöttöjännite onnimellisjännitettä alhaisempi, kentänheikennyspiste siirtyyalhaisemmalle taajuudelle ja moottorin maksimimomenttiredusoituu kentänheikennysalueelle.

Taajuusmuuttaja rajoittaa usein maksimimomenttia. Tämäon otettava huomioon jo moottoria valittaessa.Taajuusmuuttaja voi rajoittaa moottorin momenttiaaikaisemmin kuin moottorivalmistajan teknisissä tiedoissakerrotaan.

Maksimimomenttiin vaikuttavat myös järjestelmänmuuntajat, kuristimet, kaapelit jne, sillä ne saavat aikaanjännitepudotuksen ja siten myös maksimimomentti voilaskea. Järjestelmän tehohäviöt on korvattavataajuusmuuttajan mitoituksella.

Pumppu- ja puhallinsovelluksen mitoituksen vaiheita:

- Tarkista kierrosalue ja laske teho korkeimmallamahdollisella kierrosluvulla.

- Tarkista käynnistysmomentin tarve.- Valitse moottorin napaluku. Taloudellisin toimintataajuus

on yleensä kentänheikennysalueella.

8.1 Pumppu- japuhallinsovellus(esimerkki)


n

,

- Valitse moottoriteho siten, että teho on käytettävissämaksimikierrosluvulla. Muista terminen kuormitettavuus.

- Valitse taajuusmuuttaja. Käytä pumppu- japuhallinarvoja. Jos pumppu- ja puhallinarvoja ei olesaatavana, valitse taajuusmuuttaja moottorivirranmukaan.

Esimerkki 8.1:Pumpulla on 150 kW kuormitus 2000 rpm kierrosluvulla.Käynnistysmomenttia ei tarvita.

Ratkaisu 8.1:Tarvittava momentti 2000 rpm kierrosluvulla:

Tähän sovellukseen voidaan siis valita joko 2- tai 4-napainenmoottori.

Taajuusmuuttajan ja moottorin valitseminen

Kuva 8.1 Moottorin kuormitettavuuskäyrät pumppu- japuhallinsovelluksessa. Vertailussa 1) 2-napaiset ja 2) 4-napaisetmoottorit.

1) moottori p=22-napaisessa moottorissa kuormitettavuus 2000 rpmkierrosluvulla on noin 95 %. Moottorin nimellismomentin onoltava vähintään:


kuorma kuorma

nn

Vastaavan nimellistehon on siten oltava vähintään:

Valitaan 250 kW (400 V, 431 A, 50 Hz, 2975 rpm ja 0,87)moottori. Moottorin nimellismomentti on:

Moottorivirta 2000 rpm kierrosluvulla (vakiovuoalue) onnoin:

Taajuusmuuttajan jatkuva virta on silloin 384 A.

2) moottori p=44-napaisen moottorin kuormitettavuus 2000 rpmkierrosluvulla on 75 %.Moottorin miniminimellismomentti on:

4-napaisen moottorin minimiteho on:

160 kW moottori (400 V, 305 A, 50 Hz, 1480 rpm ja 0,81)täyttää ehdot. Arvioitu virta 2000 rpm kierrosluvulla(66,7 Hz) on:

Tarkka virta tulisi laskea, jos valitun taajuusmuuttajannimellisvirta on lähellä arvioitua moottorivirtaa.

4-napainen moottori vaatii vähemmän virtaa pumpuntoimintapisteessä. Siten se on luultavasti taloudellisempivalinta kuin 2-napainen moottori.


kuorma

,


n

Vakiomomenttisovelluksen mitoituksen vaiheita:

- Tarkista kierrosalue.- Tarkista tarvittava vakiomomentti.- Tarkista mahdolliset kiihdytykset. Jos kiihdytyksiä

tarvitaan, tarkista hitausmomentit.- Tarkista mahdolllisesti tarvittava käynnistysmomentti.- Valitse moottori siten, että momentti on

terminen kuormitettavuus -käyrän alapuolella (erillis-/itsejäähdytys?). Tavallisesti moottorin nimellisnopeus onkäytetyn kierrosalueen keskellä.

- Valitse sopiva taajuusmuuttaja mitoitusvirran mukaan.

Esimerkki 8.2:Ekstruuderin kierrosalue on 300-1200 rpm. Kuormituskierrosluvulla 1200 rpm on 48 KW. Käynnistysmomentin onoltava 200 Nm. Kiihdytysaika nollanopeudestakierroslukuun 1200 rpm on 10 sekuntia. Moottori onitsejäähdytteinen ja nimellisjännite on 400 V.

Ratkaisu 8.2:Vakiomomenttivaatimus on:

Moottoriksi sopii 4- tai 6-napainen moottori.


8.2 Vakio-momentti-sovellus(esimerkki)

Kuva 8.2 Moottorin kuormitettavuuskäyrät vakiomomenttisovelluksessa,vertailussa 1) 4-napaiset ja 2) 6-napaiset moottorit.


,

,

1) Moottori p=4300 rpm kierrosluvulla terminen kuormitettavuus on 80 %.Arvioitu miniminimellismomentti on:

Moottorin miniminimellisteho on:

Sopiva moottori on esimerkiksi 75 kW (400 V, 146 A,50 Hz, 1473 rpm ja 0,82) moottori. Moottorinnimellimomentti on:

Moottorivirta on noin (T/Tn ≈ 0,8):

Lasketun moottorivirran avulla voidaan valita sopivataajuusmuuttaja vakiomomenttikäyttöön.

Käynnistysmomenttivaatimus (200 Nm) ei ole ongelma tällemoottorille.

Jos moottorin hitausmomentti on 0,72 kgm2, dynaaminenmomentti kiihdytyksessä on:

Siten kokonaismomentti kiihdytyksen aikana on 391 Nm,joka on pienempi kuin moottorin nimellismomentti.

2) Moottori p=6Kierrosluvuilla 300 rpm ja 1200 rpm moottorinkuormitettavuus on 84 %. 6-napaisen moottorinminiminimellismomentti on siten:

Moottorin nimellistehon minimiarvo on:

kuorma

,



,

Sopiva moottori voisi olla esimerkiksi 55 kW (400 V, 110 A,50 Hz, 984 rpm ja 0,82) moottori. Moottorin nimellismomenttion:

Mitoitusvirraksi voidaan arvioida kierrosluvulla 1200 rpm:

Taajuusmuuttajan nimellisvirran (jatkuva) on oltava yli96 A.

Käynnistysmomenttivaatimus on pienempi kuin moottorinnimellismomentti.

Jos moottorin hitausmomentti on 1,2 kgm2, dynaaminenmomentti kiihdytyksessä on:

Kiihdytyksen aikana tarvittava kokonaismomentti on397 Nm, joka on pienempi kuin moottorin nimellismomentti.

6-napaisen moottorin virta on 19 A pienempi kuin 4-napaisen moottorin. Lopullinen taajuusmuuttaja/moottori-valinta riippuu moottorin ja taajuusmuuttajan koosta jahinnasta.

Vakiotehosovelluksen mitoituksen vaiheita:

- Tarkista kierrosalue.- Laske tarvittava teho. Kelaimet ovat tyypillisiä

vakiotehosovelluksia.- Mitoita moottori siten, että kentänheikennysaluetta

hyödynnetään.

Esimerkki 8.3:Langanvetokonetta säädetään taajuusmuuttajalla. Puolanpintanopeus on 12 m/s ja vetokireys 5700 N. Puolanhalkaisijat ovat 630 mm (tyhjä rulla) ja 1250 (täysi rulla).Käytössä on vaihde, jonka välityssuhde on n2 :n1 =1:7,12 jahyötysuhde 0,98.

Valitse sovellukseen sopiva moottori ja taajuusmuuttaja.

kuorma kuorma

8.3 Vakioteho-sovellus(esimerkki)



,

,

,

,

,

,

,

Kuva 8.3 Kelaimen toiminta.

Suoraviivaisessa liikkeessä teho on: P = Fv

Pyörimisliikkeessä teho on: P = Tω

Pintanopeuden ja kulmanopeuden suhde on:

Momentti on voima kertaa säde: T = Fr

Moottori voidaan valita yllä olevien kaavojen avulla:

Ratkaisu 8.3:Kelaimen perusajatuksena on pitää pintanopeus javetokireys vakiona halkaisijan muuttuessa.



,

kuorma

,

, ,

,,

, ,

,

,,

vaihde

Vaihde on otettava huomioon ennen moottorin valitsemista.Kierroslukuja, momentteja ja tehoa on redusoitava:

1) Moottori p=2Jos valitaan 2-napainen moottori, kuormitettavuuskierrosluvulla 1305 rpm on noin 88 % ja kierrosluvulla2590 rpm noin 97 %. Moottorin miniminimellisteho on:


Mitoitusvirta lasketaan momentin 511 Nm mukaan:

2) Moottori p=4Jos valitaan 4-napainen moottori, kuormitettavuuskäyrästävoidaan nähdä, että kuormitettavuus kierrosluvulla1305 rpm on noin 98 % ja kierrosluvulla 2590 rpm noin60 %. Moottorin miniminimellisteho on:

, ,




Tässä tapauksessa mitoitus tehdään moottorivirranmukaan 1305 rpm kierrosluvulla. Moottorivirta on:

2-napaisessa moottorissa kentänheikennysaluetta(vakioteho) ei hyödynnetty, mikä johti tarpeettomaanylimitoitukseen. 4-napainen moottori on parempi valintatähän sovellukseen.



MOMENTTI

VERKKOVIRTA

,,

tasasuuntaaja

moottori

generaattori

,tasasuuntaaja

moottori

Luku 9 - Syöttömuuntaja jatasasuuntaaja

Syöttömuuntajia on monenlaisia. Syöttömuuntajantoimintaan saattaa vaikuttaa tasasuuntaajan tyyppi.

Tavallinen tasasuuntaaja on 6- tai 12-pulssinendioditasasuuntaaja. Dioditasasuuntaajat tukevat vainmoottorikuormitusta, jossa teho kulkee vain yhteensuuntaan.

Kuormitusta jarruttavissa prosesseissa energiaa onhävitettävä. Lyhytaikaisen kuormituksen perinteisenäratkaisuna on ollut jarruvastus, jossa generoitunut tehomuutetaan lämpöhäviöksi. Jos kuormitusta generoituujatkuvasti, tarvitaan nelikvadranttista tasasuuntaajaa.

Sekä syöttömuuntaja että tasasuuntaaja mitoitetaanmoottorin akselitehon ja järjestelmähäviöiden mukaan. Josesimerkiksi tuotetaan suuri momentti alhaisellakierrosluvulla, mekaaninen teho on silti melko alhainen.Tasasuuntaajan näkökulmasta suuri ylikuormitus ei sitenvälttämättä merkitse suurta tehoa.

Kuva 9.1 Verkkovirta vakiomomenttisovelluksessa. Verkkovirta on pienialhaisella kierrosluvulla.

Tasasuuntaajat mitoitetaan moottorin akselitehon mukaan.Yksittäisen käytön syöttötasasuuntaaja voidaan valitakäyttämällä seuraavaa kaavaa:

Järjestelmäkäytöissä, joissa on yhteinen tasajännitevälipiiri,voi olla moottori- ja generaattoritehoa yhtä aikaa.Tasasuuntaajan teho voidaan siten laskea seuraavasti:

9.1 Tasa-suuntaaja

(9.1)

(9.2)


Yllä olevissa kaavoissa:

Pkokonais on moottorin kokonaisakseliteho

k on muuntajan kuormitettavuus (k-kerroin)

1,05 tarkoittaa muuntajan jännitepudotusta(impedanssi)

on tasasuuntaajan hyötysuhde

cos(α) on tasasuuntaajan säätökulma (=1,0 diodita-sasuuntaajalle)

on vaihtovirtakuristimen (jos käytössä) hyötysuhde

on vaihtosuuntaajan hyötysuhde

on moottorin hyötysuhde

Kokonaisakseliteho jaetaan yleensä kertoimella1,2 - 1,35.

Esimerkki 9.1:Vakiomomenttisovelluksessa tarvittava maksimiakselitehoon 48 kW kierrosluvulla 1200 rpm. 55 kW moottori ja70 kVA vaihtosuuntaaja valittiin.

Määrittele tasasuuntaaja ja syöttömuuntaja, kun käytetään6-pulssista diodisyöttöä (hyötysuhde 0,985),tasajännitevälipiirissä on tasavirtakuristin, vaihtosuuntaajanhyötysuhde on 0,97 ja moottorin 0,95.

Ratkaisu 9.1:Tasasuuntaajan arvioitu teho on:

,,tasasuuntaaja

m

i

c

r

,

muuntaja kokonais

9.2 Muuntaja

(9.3)

Syöttömuuntaja ja tasasuuntaaja

Syöttömuuntajan teho voidaan laskea seuraavasti:


,

,

, , ,,muuntaja

Syöttömuuntaja ja tasasuuntaaja

Kuristimen hyötysuhde on mukana vaihtosuuntaajanhyötysuhteessa. Diodisyöttöyksikön johdosta cos(α) =1.Syöttömuuntajan (k=0,95) teho on:


Luku 10 - Hakemisto

Aakseliteho 24

Ddioditasasuuntaaja 33

Eerillisjäähdytys 23

Ggeneraattori 33

Hhidastus 16hitausmomentti 15hyötysuhde 14

Iitsejäähdytys 23

Jjaksottainen kuormitus 7jännite 9jättämä 9

Kkentänheikennysalue 10keskipakopumput 20kierrosalue 7kierrosluku 9kiihdytys 18kilowatti 14kippimomentti 10kitka 15kulmanopeus 15kuormitus 7kuormitusprofiili 20kuormitustyyppi 20kuutio 20kytkin 19käynnistys/irrotusmomentti 21käynnistysmomentti 7

Lloisvirta 11lukittu roottorimomentti 9

Mmaksimimomentti 10mekaaninen teho 14minimimomentti 9momentti 9, 10moottori 9, 33muuntaja 6

Nnelikvadranttinen 33neliö 20neliöllinen momentti 20nimellispiste 9, 12

Ooikosulku 9oikosulkumoottori 9

Ppuhallin 16, 20pätövirta 11

Rrulla 19rumpu 19

Ssyöttö 6, 7syöttöjännite 7, 24syöttömuuntaja 6sähkönsyöttö 6

Ttaajuus 7, 9taajuusmuuttaja 6tasajännitevälipiiri 6tasasuuntaaja 33tasasuuntaajayksikkö 6teho 9, 14tehokerroin 14terminen kuormitettavuus 23

Vvaihde 18vaihteisto 19vaihtosuuntaaja 34, 35


Hakemisto

vaihtovirtamoottori 6vakiomomentti 20vakioteho 10, 21vakiovuoalue 10

Yylikuormitettavuus 7

Cop

yrig

ht ©

AB

B A

utom

atio

n G

roup

Ltd

, 200

13B

FE64

4448

41

R01

05

Oik

eude

t muu

toks

iin p

idät

etää

n.FI

20.

02.0

1

ABB Industry OyTuotemyyntiPL 18200381 HelsinkiPuhelin 010 222 000Telekopio 010 222 2913Internet http://www.abb.fi

Tekninen opas nro 7 - library.e.abb.com · PDF filevälipiiri ja vaihtosuuntaaja. Luku 2 -...

Documents

Transcript of Tekninen opas nro 7 - library.e.abb.com · PDF filevälipiiri ja vaihtosuuntaaja. Luku 2 -...