værd at vide om frekvensomformere - spz.dkkapitel 0: indledning 7 0. indledning en statisk...

Værd at vide omfrekvensomformere

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 1

»Værd at vide om frekvensomformere«© Danfoss A/SGengivelse tilladt med kildeangivelseTryk: New Century Schoolbook, DTPLayout: Danfoss ReklameafdelingTrykkeri: Laursen Grafisk A/SIndbinding: Chr. Hendriksen & Søn, Skive

1. udgave, 3. oplag 1998

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 2

IndledningDanfoss har fremstillet og leveret VLT® frekvensomformere tiltrinsløst variabel hastighedsregulering af trefasede veksel-strømsmotorer siden 1968. Nutidens frekvensomformere sermeget anderledes ud end dem, der blev fremstillet for en gene-ration siden. Mikroprocessorer og integrerede kredsløb er kom-ponenter, som nu anvendes i styringen af frekvensomformere;de er fuldt digitaliserede og kan let tilpasses brugerens oginstallatørens krav.

Selv om frekvensomformerens grundlæggende opbygning eruændret, mener vi, tiden er inde til en ny udgave af denne hyp-pigt benyttede bog.

I »Værd at vide om frekvensomformere« vil vi gerne give en kortindføring i emnet frekvensomformere og sætte Dem i stand til atlære deres fordele, funktioner, installation og drift at kende.Forudgående kendskab til frekvensomformere er ikke påkræ-vet. Det eneste nødvendige forkendskab for at kunne forstå,hvordan en frekvensomformer fungerer, er en grundviden omelektronik og matematik, samt viden om vekselstrømsmotor.

Første del af bogen given en teoretisk beskrivelse af veksel-strømsmotorer.

Anden del af bogen omhandler de forskellige principper, deranvendes til at konstruere og styre en frekvensomformer.

Tredje del af bogen indeholder en beskrivelse af forskelligemåder, hvorpå en motor, der styres af en frekvensomformer, for-holder sig, dvs. hvordan frekvensomformeren styrer motoren.

Del fire omhandler virkningerne på motoren og miljøet, samtbeskyttelse af udstyr og personale tillige med kriterierne forvalg af frekvensomformer.

Vi har skrevet »Værd at vide om frekvensomformere« på ensådan måde, at De vil kunne få udbytte af det uanset Deres for-udgående kendskab til frekvensomformere. Hvis De gerne vilvide mere, er De velkommen til at kontakte os.

Danfoss 1998

INDLEDNING 3

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 3

4 INDHOLDSFORTEGNELSE

IndholdsfortegnelseKAPITEL 0: INDLEDNING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Fordele ved trinløs hastighedsregulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Styre eller regulere? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

KAPITEL 1: 3-FASEDE VEKSELSTRØMSMOTORER . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Asynkrone motorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15Stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15Magnetfelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Rotor (roterende element) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18Slip, moment og omdrejningstal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20Virkningsgrad og tab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23Magnetfelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25Ækvivalent kredsløbsdiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25Ændring af omdrejningshastighed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29Ændring af polantal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29Slip-styring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30Frekvensjustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32Motordata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Belastningskarakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Synkronmotorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47Reluktansmotorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

KAPITEL 2: FREKVENSOMFORMERE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Ensrettere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Ustyrede ensrettere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54Styrede ensrettere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

Mellemkredsløb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59Vekselrettere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

Transistorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65Puls-Amplitude-Modulation (PAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68Puls-Bredde-Modulation (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70Sinus-styret Puls-Bredde-Modulation (PWM) . . . . . . . . . . .71Synkrone PWM rutiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Asynkrone PWM rutiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Styringskredsløb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81Danfoss styringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82Danfoss VVC styringsprincip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84Danfoss VVCplus styringsprincip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 4

INDHOLDSFORTEGNELSE 5

Generelt om computere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Computere til frekvensomformere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97Seriel kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99Fabrikant-uafhængig kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

KAPITEL 3: FREKVENSOMFORMERE OG MOTORER . . . . . . . . . . . . . 106

Motorens driftsforhold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Kompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108Belastningsafhængige og -uafhængige kompensations-parametre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108Slipkompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109

Motorens momentkarakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110Strømgrænse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110Krav til moderne digitale frekvensomformere . . . . . . . . .113Felt-orienteret (Vektor) regulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114U/f karakteristik og vektorstyring . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116Slipkompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117Automatic Motor Adaption (AMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118Automatisk Energioptimering (AEO) . . . . . . . . . . . . . . . .118Drift i strømgrænsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119

Valg af frekvensomformerens størrelse . . . . . . . . . . . . . . . . .121Belastningskarakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121Strømopdeling i frekvensomformeren (motorens cos ϕ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125Styring af motorens hastighed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126Accelerations- og decelerationsramper . . . . . . . . . . . . . . .127Bremsens drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128Reversering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130Ramper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131Overvågning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

Motorbelastning og motoropvarmning . . . . . . . . . . . . . . . . . .134Virkningsgrader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

KAPITEL 4: BESKYTTELSE OG SIKKERHED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Ekstra beskyttelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Nulling (TN system) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140Jording (TT system) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140Beskyttelsesrelæer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141Elektromagnetisk kompabilitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143Grundstandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144Generisk standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 5

6 INDHOLDSFORTEGNELSE

Produktstandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144Støjspredningsveje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146Kobling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146Fast-fortrådet spredning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148Nettilbagevirkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148Transienter/overspænding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149Radiofrekvensstøj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151Skærmede kabler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153Fasekompenseringsanlæg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154Valg af frekvensomformer til drev med justerbartomdrejningstal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

BILAG I: ALMEN MEKANISK TEORI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Retlinet bevægelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Roterende bevægelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159Præstation og effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161

BILAG II: ALMEN VEKSELSTRØMSTEORI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Effektfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1653-faset vekselstrøm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166Stjerne- eller trekantforbindelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167

BILAG III: ANVENDTE FORKORTELSER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

LITTERATURFORTEGNELSER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

STIKORDSREGISTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 6

KAPITEL 0: INDLEDNING 7

0. IndledningEn statisk frekvensomformer er en elektronisk effektenhed,som muliggør trinløs styring af trefasede vekselstrømsmotorershastighed ved omdannelse af den faste netspænding og -fre-kvens til variable størrelser. Fra de første frekvensomformere,som var baseret på tyristorer, er der sket en lang udvikling tilnutidens mikroprocessor-styrede digitale apparater.

På grund af den stadig stigende automatisering i industrien, erder et konstant behov for flere automatiske styringer og en sta-dig højere produktionshastighed. Der udvikles hele tiden bedremetoder til yderligere forbedring af produktions-anlæggeneseffektivitet. El-motorer er et vigtigt standardelement i disseproduktionsanlæg. Konstruktionsmæssigt er disse motorerfremstillet til at arbejde ved et fast omdrejningstal, og man hari mange år arbejdet på at optimere styringen af motorenshastighed. Der er udviklet forskellige metoder til trinløsændring af faste omdrejningstal i trefasede vekselstrømsmo-torer, ofte med effekttab eller større investeringer til følge.

Ill. 0.01

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 7

8 KAPITEL 0: INDLEDNING

Der var først ved fremkomsten af den statiske frekvensomfor-mer, som kan konstrueres efter forskellige principper, at trefa-sede vekselstrømsmotorer med trinløs hastighedsreguleringkunne anvendes effektivt.Langt størstedelen af de statiske frekvensomformere, somanvendes af industrien i dag til at styre og regulere hastighedenaf trefasede vekselstrømsmotorer, er konstrueret efter to for-skellige principper (se Ill. 0.02):• frekvensomformere uden mellemkredsløb (også kaldet direk-

te omformere), og• frekvensomformere med variabelt eller konstant mellem-

kredsløb.

Frekvensomformere med mellemkredsløb har enten et jævn-strøms-mellemkredsløb eller et jævnspændings-mellemkreds-løb. Disse kaldes henholdsvis strømstyrede frekvensomformereog spændingsstyrede frekvensomformere.

Mellemkredsløbsomformerne har en række fordele frem for dedirekte omformere, så som:• bedre styring af blindstrøm• udkobling af oversvingninger, og• frihed vedrørende udgangsfrekvens, idet den eneste begræns-ning er styringen og de anvendte komponenters egenskaber.Frekvensomformere til høje udgangsfrekvenser har såledesaltid mellemkredsløb.

Strømstyrede Spændingsstyrede Spændingsstyredefrekvensomformere frekvensomformere frekvensomformere

I-omformere U-omformere U-omformere

Ill. 0.02 Principper for omformere

Frekvensomformere

Frekvensomformereuden mellemkredsløb

Jævnstrøms-mellemkredsløb

Frekvensomformeremed mellemkredsløb

Variabel Konstant

Jævnspændings-mellemkredsløb

Jævnspændings-mellemkredsløb

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 8

Hvad angår de samlede omkostninger, er den direkte omformernoget billigere end omformeren med mellemkredsløb, hvorimoden af ulemperne er den dårligere udkobling af oversvingninger.

De fleste frekvensomformere arbejder med et jævnstrøms-mel-lemkredsløb. Denne bog fokuserer derfor især på denne gruppe.


V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 9

Fordele ved trinløs hastighedsregulering

I dag er frekvensomformer-styrede, trefasede vekselstrøms-motorer standard i alle automatiserede procesanlæg. Bortsetfra muligheden for at udnytte de gode egenskaber ved trefasedevekselstrømsmotorer, er trinløs hastighedsregulering også etgrundkrav i forbindelse med anlæggets konstruktion. Desudener der en række andre fordele.

EnergibesparelserDer kan spares energi, hvis motoren løber med en hastighed,som svarer til behovet på ethvert givet tidspunkt. Dette gælderisær centrifugalpumper og ventilationsdrev. Her falder den for-brugte energi med omdrejningstallet i tredje potens. Et drev,som kører med halvt omdrejningstal, bruger kun ca. 12,5% afden nominelle effekt.

ProcesoptimeringJustering af hastigheden i en produktionsproces giver en rækkefordele. Produktionen kan øges, mens materialeforbrug og slidnedbringes og kassationsprocenten nedbringes.

Mere skånende maskindriftAntallet af start og stop med fuld hastighedsændring kan ned-bringes kraftigt. Ved brug af bløde start- og stopramper kan enunødvendig hård behandling af maskinens komponenter såle-des undgås.


Ill. 0.03 Energibesparelser

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 10

Mindre vedligeholdelseEn frekvensomformer kræver ingen vedligeholdelse. Ved kørselmed lave omdrejningshastigheder, øges anlæggenes levetid. Ivandforsyningssystemer forsvinder de trykstød, som kan opstå,når pumpemotorerne tilsluttes direkte, og generne heraf elimi-neres.

Bedre arbejdsmiljøTransportbåndets fremføringshastighed kan tilpasses præcis tilden ønskede arbejdshastighed. Flasker på båndet i et aftap-ningsanlæg laver meget mindre støj, hvis båndets hastighedkan nedsættes, når der er kø på båndet.Hvis en ventilators hastighed kan justeres, kan de unødvendigeakustiske lyde (støj) nær ventilatoren nedbringes, og det sammekan træk-virkningen.

Mere fleksibel processtyringIntelligente frekvensomformere gør det muligt at enkeltopgaverkan løses på stedet fra frit-programmerbare computere i drev-enheden. Mindre regulerings- og overvågningsopgaver kanløses på selve drevet, hvilket betyder, at de centrale styringerbehøver mindre lagringskapacitet og dermed kan være mindreog hurtigere.


Ill. 0.04 Bedre arbejdsmiljø

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 11

Styre eller regulere?Styre og regulere er ord, som ofte anvendes uden skelnen.Udviklingen af automatiserings- og drev-teknikker gør det nød-vendigt at skelne klart mellem de to.

Om der er tale om styring eller regulering afhænger afanlæggets opbygning. Styring betyder at give drevet et signal,hvoraf det forventes, at dette vil føre til den ønskede omdrej-ningshastighed inden for de tilladte grænser. Regulering bety-der, at et signal om den faktiske værdi sendes tilbage fra pro-cessen, idet dette signal er analogt med det aktuelle om-drejningstal. Hvis der opstår en forskel til den ønskede indstil-lingsværdi, udfører systemet automatisk efterfølgende regule-ring, så det ønskede omdrejningstal nås.


Ill. 0.05 Skelnen mellem styre og regulere

Styre

Regulere

Faktisk værdi

Proces

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 12

1. 3-fasede veksel-strømsmotorer

Den første el-motor, en jævnstrømsmotor, blev bygget i 1833.Hastighedsreguleringen på denne motor er simpel og opfylderde krav, der stilles i mange forskellige typer anlæg og installati-oner.

I 1889 kom de første trefasede vekselstrømsmotorer. Sammen-lignet med jævnstrømsmotoren er denne meget enklere og mererobust. Imidlertid har trefasede vekselstrømsmotorer fastomdrejningstal og momentkarakteristik. Derfor kunne de i langtid ikke anvendes i forskellige specialanlæg. Trefasede veksel-strømsmotorer er elektromagnetiske energiomformere. De om-former elektrisk energi til mekanisk energi (motorisk drift) ogomvendt (generatorisk drift) ved hjælp af elektromagnetiskinduktion.

Princippet for elektromagnetisk induktion er følgende:I en leder, som føres direkte gennem et magnetfelt (B) induceresen spænding. Hvis lederen er et lukket kredsløb, vil der flyde enstrøm (I).

a) Generatorisk princip (induktion ved hjælp af bevægelse)Ved det generatoriske princip, skaber magnetfelt og bevægelseaf lederen en spænding (Ill. 1.01a).

b) Motorisk principI motorer anvendes induktionsprincippet i »omvendt rækkeføl-

KAPITEL 1: TREFASEDE VEKSELSTRØMSMOTORER 13

N

S

N I

I

I ⇒ FF ⇒ I

F

B B

F

S

Ill. 1.01 Princip for elektromagnetisk induktion

a) Generatorisk princip b) Motorisk princip

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 13

ge«: en strømførende leder placeres i et magnetfelt. Lederenpåvirkes derefter af en kraft (F), som prøver at bevæge lederenud af magnetfeltet. Ved det motoriske princip skaber magnet-feltet og den strømførende leder bevægelsen (Ill. 1.01b).

Magnetfeltet skabes i motoren i den stationære del (statoren).Lederne, som påvirkes af de elektromagnetiske kræfter, befin-der sig i den roterende del (rotoren). Trefasede vekselstrøms-motorer kan opdeles i to hovedgrupper: asynkrone og synkronemotorer.

Ved disse to typer fungerer statorerne principielt på sammemåde. Forskellen ligger i rotoren. Konstruktionen og den måde,rotoren bevæger sig i forhold til magnetfeltet, er de vigtige fak-torer. Synkron betyder »samtidig« eller »samme«, mens asyn-kron betyder »ikke samtidig« eller »ikke det samme«. Med andreord kan omdrejningshastigheden for rotor og magnetfelt entenvære ens eller forskellig.

14 KAPITEL 1: TREFASEDE VEKSELSTRØMSMOTORER

Trefasede vekselstrømsmotorer

synkrone asynkrone

Rotor med udprægede poler Kontaktring-rotor Rotor uden udprægede poler Kortslutningsrotor

Ill. 1.02 Opdeling af trefasede vekselstrømsmotorer

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 14

Asynkrone motorerAsynkrone motorer er den mest anvendte type og kræver stortset ingen vedligeholdelse. Den mekaniske opbygning er stan-dardiseret; derved sikres det, at der er en leverandør til rådig-hed på ethvert tidspunkt. Der findes flere typer asynkronemotorer, men de arbejder alle efter samme grundprincip.

De to hovedkomponenter af en asynkron motor er statoren (detstationære element) og rotoren (det roterende element).

Stator (stationært element)

Statoren udgør en del af den stationære motor. Statoren beståraf et statorhus (1), kuglelejer (2), som støtter rotoren (9), leje-blokke (3) til placering af lejerne og som finish for statorhuset,ventilatoren (4) til køling af motoren og ventilhuset (5) sombeskyttelse mod den roterende ventilator. Der sidder et elskab(6) på siden af statorhuset.

I statorhuset er der en jernkerne (7) lavet af tynd, 0,3 til 0,5 mmtyk jernplade. Disse jernplader har udstansede afsnit til de trefaseviklinger.


5 4 3 2 10 9 2 1

6 7 3

Ill. 1.03 Opbygning af en asynkron motor

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 15

Faseviklingerne og statorkernen skaber magnetfeltet. Antalletaf polpar (eller poler) afgør ved hvilken hastighed, magnetfeltetroterer. Hvis en motor er tilsluttet sin nominelle frekvens, kal-des magnetfeltets hastighed den synkrone hastighed for motor-en (n0).

Magnetfelt Magnetfeltet roterer i luftlommen mellem stator og rotor. Eftertilslutning af en fasevikling til en fase i forsyningsspændingen,induceres et magnetfelt.Placeringen af dette magnetfelt i statorens kerne er fast, men

dets retning ændrer sig. Den hastighed, hvormed retningenændrer sig, bestemmes af forsyningsspændingens frekvens. Veden frekvens på 50 Hz ændrer vekselfeltet retning 50 gange isekundet.

Hvis to faseviklinger er forbundet med hver fase på samme tid,induceres der to magnetfelter i statorens kerne. I en to-poletmotor er det ene felt forskudt 120 grader i forhold til det andet.Felternes maksimumværdier er også tidsforskudt.


ωt

0°

N S N

S N S

360°180°

I1 Φ1

Φ IL1

I10 V

Ill. 1.04 En fase resulterer i et vekselfelt

Polpar (p) 1 2 3 4 6

Antal poler 2 4 6 8 12

n0 [1/min] 3000 1500 1000 750 500

Tabel 1.01 Polpar (p), polantal og synkronmotorens hastighed

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 16


Dette fører til skabelsen af et magnetfelt, som roterer i statoren.Feltet er imidlertid meget asymmetrisk, indtil den tredje fasetilsluttes.

Efter tilslutning af den tredje fase er der tre magnetfelter istatorkernen. Tidsmæssigt er de tre faser forskudt 120 grader iforhold til hinanden.

Statoren er nu tilsluttet den trefasede forsyningsspænding.Magnetfelterne for de enkelte faseviklinger udgør et symme-trisk, roterende magnetfelt. Dette magnetfelt kaldes motorensroterende felt.

Det roterende felts amplitude er konstant; det er 1,5 gange mak-simumværdien for vekselfelterne. Rotationen sker med følgen-de hastighed:

(f × 60)n0 = [1/min]p

ωt

0° 360°180°120°60° 300°240°

I1 Φ1 I2 Φ2 I3 Φ3

Φ I

N

S

N

S

N

S

N

S

S

N

S

N

S

N

f = frekvensn0 = synkron omdrejningstalp = antal polpar

ωt

0° 360°180°120° 300°

I1 Φ1 I2 Φ2

Φ I

N

S

S

N

S

N

N

S

N

S

Ill. 1.05 To faser resulterer i et asymmetrisk roterende fel

L1

I1

L2

I2

0 V

0 V

L1

I1

L2

L3 I2

I3

Ill. 1.06 Tre faser medfører et symmetrisk roterende felt

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 17

Hastigheden afhænger således af antallet af polpar (p) samt affrekvensen (f) for forsyningsspændingen. Illustrationen neden-for viser størrelsen af magnetfelterne (Φ) på tre forskellige tids-punkter.

Illustrationen af det roterende felt med en vektor og en tilsva-rende vinkelhastighed udgør en cirkel. Som en funktion af tideni et koordinatsystem udgør det roterende felt en sinuskurve. Detroterende felt blive elliptisk, hvis amplituden ændrer sig underen rotation.

Rotor (roterende element)Rotoren (9) er vedhæftet motorakslen (10)(se Ill. 1.03). Lige somstatoren, er rotoren fremstillet af tynd jernplade med udstanse-de noter. Rotoren kan være i form af en kontaktringsmotor elleren kortslutningsmotor, idet forskellen mellem de to er, at vik-lingerne i noterne er forskellige.

Lige som statoren består kontaktring-rotoren af oprullede spo-ler placeret i noterne. Der er spoler for hver fase, der føres tilkontaktringene. Efter en kortslutning af kontaktringene vilrotoren fungere som kortslutningsrotor.

Kortslutningsrotoren har indstøbte aluminiumstave i noterne.Ved hver ende af rotoren foretages kortslutning af stavene viaen aluminiumring.

Kortslutningsrotoren er den hyppigst anvendte af de to. Da deto rotorer i princippet fungerer på samme måde, vil kun kort-slutningsmotoren blive beskrevet i det følgende.


ϕ3 = 1/2 Φmax.

ϕ1 = Φmax.

ϕ3 = Φmax.

ϕ2 = 1/2 Φmax.

ϕ1 = 1/2 Φmax.

ϕ2 = 1/2 Φmax.

ϕ = 3/2 Φmax.

ϕ = 3/2 Φmax.

ϕ = 3/2 Φmax.ϕ3 = √3

2 Φmax.

ϕ1 = √32 Φmax.

Ill. 1.07 Størrelsen af magnetfelterne er konstant

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 18

Når en rotorstav placeres i det roterende magnetfelt, skæresmagnetfeltet af rotorstavene. Magnetfeltet inducerer en spæn-ding, og der går en strøm (IW) igennem rotorens stav, som påvir-kes af en kraft (F) (se Ill. 1.08 og 1.09a). Denne kraft bestemmesaf flux-tætheden (B), den inducerede strøm (IW), længden (l) pårotoren, samt fasepositionen (θ) mellem kraft og flux-tæthed.

Hvis θ antages at være = 90°, er kraften

Det næste magnetfelt, som skæres af rotorstavene, har denmodsatte polaritet. Derved induceres en strøm i den modsatteretning. Da retningen på magnetfelterne imidlertid også harændret sig, fungerer kraften i samme retning som før (Ill.1.09b).Når den fulde rotor skal placeres i det roterende felt (se Ill.1.09c), påvirkes rotorstavene af kræfter, som drejer rotoren.Hastigheden (2) på rotoren når ikke op på hastigheden for detroterende felt (1). Hvis dette var tilfældet, ville ingen rotorstaveskære magnetfelterne; derved ville der ingen induktion opstå irotorstavene. Kraften F = 0.

I W

lS

N


NF

S

B

a) b) c)

SF

N

1 N

2

S

B

Magnetisk flux (Φ)

Roterende felt

Kraft (F)

Hævearm (r)

Ill. 1.09 Induktion i rotorstavene

F = B × IW × l × sin θ

F = B × IW × l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.01

Ill. 1.08 Roterende felt og kortslutningsrotor

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 19

Slip, moment og omdrejningstalUnder normale omstændigheder er rotorens omdrejningstal, n0,noget lavere end det roterende felts omdrejningstal, n0.

Slippet, s, er forskellen mellem rotorfeltets hastighed og rotor-ens hastighed:

Slippet udtrykkes ofte som en procentdel af den synkronehastighed:

Normalt ligger slippet mellem 4 og 11 procent. Flux-tætheden(B) defineres som fluxet (Φ) pr. tværsnit (A). Fra ligning 1.01kan følgende kraft således beregnes:

Den kraft, den strømindeholdende leder bevæger sig med, erproportional med den magnetiske flux (Φ) og styrken af strøm-men (Iw) i lederen.

I rotorstavene induceres en spænding via magnetfeltet. Dennespænding tillader en strøm (IW) at flyde gennem de kortsluttederotorstave. De enkelte kræfter i rotorstavene bliver i alt til drej-ningsmomentet, M, på motorakslen.


Ill. 1.10 Motorens drejningsmoment er »kraft gange vægtstang«

rF

n0 – nns = × 100[%]n0

Φ × IW × lF = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.02A

(f × 60)n0 = [1/min]p p = motorens polpar

s = n0 – nn

F ~ Φ × IW

M

0 1

n0

n

s0

s

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 20

Sammenhængen mellem motorens drejningsmoment og hastig-hed har et karakteristisk forløb. Dette forløb varierer imidlertidmed formen på rotorens noter.

Motorens moment – drejningsmomentet – skaber en kraft og en»drejning« af motorakslen.

Kraften ses for eksempel i omkredsen af et svinghjul, som ermonteret på akslen. Når betegnelserne (F) for kraften og (r) for radius anvendes forsvinghjulet, er drejningsmomentet M = F × r.

Det arbejde, motoren udfører, er: W = F × d.

d er den afstand, en motor kan trække en given belastning,mens n er antallet af omdrejninger: d = n × 2 × π × r.

Arbejdet kan også beskrives som effekt gange den tid, hvoreffekten er aktiv: W = P x t.

Drejningsmomentet er således:

Denne formel viser forbindelsen mellem hastigheden n,(omdr./min.), momentet M [Nm] og motorens effekt P [kW].

Ser man på n, M og P i forhold til de tilsvarende værdier ved etbestemt driftspunkt (nr, Mr og Pr), giver formlen mulighed for ethurtigt overblik. Driftspunktet er normalt motorens nominelledriftspunkt, og formlen kan omskrives som følger:

I denne udregning med forholdstal anvendes konstanten – 9550– ikke.


W (P × t × r)Μ = F × r = × r =d n × 2 π ×r

P × 9550M = (t = 60 sek.)n

PrMr = og som Pr = Mr × nr,nr

M P nhvor Mr = , Pr = og nr =Mn Pn nn

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 21

Eksempel:Belastning = 15% af den nominelle værdi, hastighed = 50% afden nominelle værdi. Den frembragte effekt er 7,5% af dennominelle effekt, idet Pr = 0,15 × 0,50 = 0,075.

Ud over motorens normale driftsområde, forefindes der to brem-seområder.

Inden for området , trækkes motoren over den synkrone hastighed. Her fungerer motoren som generator. I det områdeskaber motoren et belastningsmoment, mens den samtidig giveren effekt tilbage til forsyningsnettet.

I området , kaldes bremsningen for modstrømsbremsning.

Hvis to faser i en motor pludselig byttes, ændrer rotationsfeltetretning. Straks herefter er hastighedsforholdet


nK, MK

nN, MN

nN, IN

M0, I0

0, Ma

0, Ia

01

I

M

10

01

10

n0, 0

n0

ns0

s

n0

ns0

s

≥ 8 × In

Ill. 1.11 Motorens strøm- og belastningskarakteristik

n > 1n0

n < 0n0

n = 1.n0

(Kippunkt)

(Nom. punkt)

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 22


Motoren, som tidligere blev belastet med momentet M, bremsernu med et bremsemoment. Hvis motoren ikke slås fra ved n = 0,fortsætter den med at køre, men i rotationsfeltets nye retning.

I området fungerer motoren inden for sit normaleområde.

Motorens arbejdsområde kan opdeles i to:

Opstartsområde og driftsområde

Der er nogle vigtige punkter inden for motorens arbejdsområde:

Ma er motorens opstartsmoment. Det er det moment, som byg-ger motoren op, når der tilføres nominel spænding og nominelfrekvens under stilstand.

Mk er motorens kippunkt. Dette er det største moment, motorenkan frembringe, mens der tilføres nominel spænding og nominelfrekvens.

MN er motorens drift-/fuldlast-moment. Motorens nominelleværdier er de mekaniske og elektriske værdier, motoren blevkonstrueret til i overensstemmelse med standard IEC 34. Dissekan ses fra motorens mærkeplade og kaldes også mærkeplade-værdierne og motorens type-data. Motorens nominelle værdierangiver, hvor motorens optimale driftspunkt findes i tilfælde afdirekte tilslutning til forsyningsnettet.

Virkningsgrad og tabMotoren modtager en elektrisk effekt fra forsyningsnettet. Vedkonstant belastning er denne effekt større end den mekaniskeeffekt, motoren kan videregive til akslen. Grunden hertil er for-skellige tab i motoren. Forholdet mellem modtaget og afgiveteffekt er motorens virkningsgrad, η.

En motors typiske virkningsgrad ligger mellem 0,7 og 0,9,afhængig af motorens størrelse og antallet af poler.

nk n< < 1n0 n0

n0 < < 1,n0

n nk0 < < n0 n0

P2 afgivet effektη = = P1 modtaget effekt

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 23

Tabene i motoren er følgende:

Kobbertab i de ohmske modstande i stator- og rotorviklingerne.

Jerntab, som består af hysterese-tab og hvirvelstrømstab.Hysterese-tab opstår, når jern magnetiseres af en vekselstrøm.Jernet skal konstant være afmagnetiseret: ved en 50 Hz forsy-ningsspænding 100 gange pr. sekund. Dette fører til et behov forenergi, både til magnetisering og afmagnetisering. Motorenoptager en effekt for at dække hysterese-tabene. Disse voksermed frekvensen og den magnetiske induktion.

Hvirvelstrømstabene sker, fordi magnetfelterne inducerer enelektrisk spænding i jernkernen som i enhver anden leder. Dissespændinger resulterer i strømme, som fører til varmetab.Strømmene bevæger sig i cirkler rundt om magnetfelterne.

Ved at opdele jernkernen i tynde plader, kan hvirvelstrøms-tabene reduceres markant.


Ill. 1.13 Hvirvelstrømmene reduceres ved hjælp af lamelformen påmotorens jernelementer

P2

P1

KobbertabJerntabVentilationstabFriktionstab

Akseleffekt

Ill. 1.12 Tab i motoren

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 24


Ventilatortab er den effekt, der opstår på grund af den luftmod-stand, der møder motorens ventilator.

Friktionstabene opstår i rotorens kuglelejer. Når virkningsgradog motoreffekt skal bestemmes, trækkes tabene i motoren ipraksis fra den optagne effekt. Motorens optagne effekt målesog tabene beregnes eller fastslås gennem målinger.

MagnetfeltMotoren er udlagt til en fast spænding og frekvens.Magnetiseringen af motoren afhænger af forholdet mellemspænding og frekvens.

Hvis spændings/frekvensforholdet stiger, bliver motoren over-magnetiseret. Hvis forholdet falder, bliver motoren undermag-netiseret. Magnetfeltet i en undermagnetiseret motor er svæk-ket. Det drejningsmoment, motoren er i stand til at yde, erreduceret. Dette kan medføre en situation, hvor motoren ikkestarter eller forbliver i stilstand. Opkørselstiden kan forlænges,hvilket fører til overbelastning af motoren.

En overmagnetiseret motor overbelastes ved normal drift.Effekten til denne ekstra magnetisering omdannes til varme imotoren og kan, i værste tilfælde, beskadige isoleringen.Trefasede vekselstrømsmotorer og især asynkrone motorer ermeget robuste. Problemet med forkert magnetisering, som førertil belastningsskader, kan kun opstå under kontinuerlig drift.Den måde motoren kører på indikerer, om magnetiseringsfor-holdene er dårlige (faldende hastighed ved varierende belast-ning, ustabil eller hakkende motordrift, osv.).

Ækvivalent kredsløbsdiagramPrincipielt består asynkrone motorer af seks spoler: tre spoler istatoren og tre spoler i kortslutningsrotoren (der magnetiskopfører sig, som om den bestod af tre spoler). Ved at betragte etsæt af disse spoler er det muligt at få fastlagt et el-diagram,hvorved den måde, motoren fungerer på, forståelig, f.eks. hvisforsyningsspændingens frekvens ændrer sig.

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 25

Statorspolestrømmen er ikke kun begrænset af spolens ohmskemodstand. I hver spole, der er tilsluttet vekselspænding, byggesder en vekselstrømsmodstand op. Denne modstand kaldesreaktans (XL = 2 × π ×f × L) og i ohm [Ω]

f er frekvensen og 2 × π ×f er vinkelfrekvensen, ω, i .

L er spolens induktans og måles i Henry [H]. Den effektivestrøm begrænses af sin afhængighed af frekvensen.


L2

L3

L1

I1

B

L1

R1

X1

X1

I1L1 I2

R2

X2

I1

L1

R1

RFe Xh

I2

I2

R2/sX2

B

Ill. 1.14b Ækvivalent kredsløbsdiagram for motoren (gælder fase L1)

Ill. 1.14a Stator- og rotorlayout

1s

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 26

Spolerne har en gensidig indvirkning gennem en magnetiskinduktion (B). Rotorspolen frembringer en strøm i statorspolenog omvendt (Ill. 1.14b). Denne gensidige indvirkning betyder, atde to el-kredsløb kan tilsluttes med en fælles forbindelse. Dennefælles forbindelse består af RFe og Xh, som kaldes modrettetmodstand og modrettet reaktans. Den strøm, motoren modtagertil magnetisering af statoren og rotoren, flyder gennem disse.Spændingsfaldet hen over den »fælles forbindelse« kaldesinduktionsspænding.

Motorens driftsforholdI de hidtil givne eksempler, har der ikke været nogen belastningpå motoren. Hvis motoren kører inden for det normale drifts-område, er rotorfrekvensen lavere end frekvensen for rotations-feltet. I denne proces nedsættes X2 med faktoren s (slip).

I det ækvivalente kredsløbsdiagram beskrives virkningen vedat ændre rotormodstanden R2 med faktoren .

kan skrives som hvor

er den mekaniske belastning på motoren.

Værdierne R2 og X2 repræsenterer rotoren.

Værdien R2 er årsagen til det varmetab, som finder sted i rotor-en, når motoren er under en belastning.

Under tomløb er slip-værdien, s, mindre (tæt ved nul).

Dette betyder, at er stor.


R2s

1 – sR2 + R2 × s1 – sR2 × .s

1s

X1σI1R1

Xh

I2 R2X2σ

1 – s × R2 sU1 Uq

Ill. 1.15 Ækvivalent kredsløbsdiagram for en motor under belastning

1 – sR2 × s

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 27

Der kan således næsten ikke flyde nogen strøm i rotoren. Ideeltset svarer dette til den situation, hvor den modstand, derrepræsenterer den mekaniske belastning, fjernes fra det ækvi-valente kredsløbsdiagram.

Når motoren underkastes en belastning, stiger slip-værdien,hvorved der sker en reduktion af .

Strømmen, I2, i rotoren stiger ligeledes, når belastningen øges.

Det ækvivalente kredsløbsdiagram svarer således til de forhold,som er gældende for asynkrone motorer i praksis. I mangetilfælde kan det anvendes til at beskrive forholdene i motoren.

Der tages ofte fejl af induktionsspændingen (Uq) og motorklem-mespændingen. Årsagen hertil er den forenkling, der er sket afdet ækvivalente kredsløbsdiagram for at give et bedre overblikover de forskellige motorforhold. Induktionsspændingen erimidlertid kun næsten det samme som klemmespændingenunder tomgang.

Hvis belastningen øges, stiger I2 – og dermed I1 – og spændings-faldet skal tages i betragtning. Dette er vigtigt, især hvis moto-ren styres af en frekvensomformer.


X1σI1R1

a)

Xh

R2X2σ

s → 0 : 1 – s × R2 → ∞ s

U1 Uq

X1σI1 I2R1

Xh

R2X2σ

s → 1 : 1 – s × R2 → 0 s

U1 Uq

b)

Ill. 1.16 Diagram over tomløb (a) og blokeret rotor (b)

1 – sR2 × s

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 28

Ændring af omdrejningshastighedMotorens hastighed, n, er forbundet med det roterende feltshastighed; dette kan vises som følger:

hvor

Ændring af motorens omdrejningshastighed er således muligved at ændre:

• antallet af polpar, p, i motoren (f.eks. pol-omskiftelige motorer)

• motorens slip (f.eks. motorer med kontaktring-rotor)• frekvensen, f, for motorens forsyningsspænding

Ændring af polantalHastigheden på det roterende felt bestemmes af antallet af pol-par i statorerne. Ved en to-polet motor, er det roterende felts


n0 – ns = n0

(1 – s) × fn = p

Ill. 1.17 Forskellige muligheder for ændring af motorhastighed

(1 – s) × fn =p

Antal poler Slip

Rotor Statorspænding

Modstand

Frekvens

Kaskade-forbindelse

M

n2 nn1

Ill. 1.18 Momentkarakteristik ved ændring af polantal

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 29


hastighed 3.000 omdr./min. ved en motorforsyningsfrekvens. på 50 Hz. Det roterende felts hastighed i en fire-polet motor er1.500 omdr./min.

Motorer kan konstrueres til to forskellige antal polpar. Det er pågrund af den særlige udformning af statorviklingerne i noterne:enten i form af en Dahlander-vikling eller som to separate vik-linger. For en motor med flere poltal kombineres disse typer afviklinger.

Hastighedsændringen sker ved at bytte rundt på statorens vik-linger, så antallet af polpar i statoren ændres.

Ved at bytte et lille polpar-tal (høj hastighed) med et højt polpar-tal (lav hastighed), kan den nuværende motorhastighed ned-bringes voldsomt, f.eks. fra 1.500 til 750 omdr./min. Hvisomskiftningen udføres hurtigt, vil motoren gennemløbe genera-torområdet. Dette bevirker en betydelig belastning af motorenog mekanikken.

Slip-styringStyring af motorens hastighed ved hjælp af slippet er mulig påto forskellige måder: enten ved at ændre forsyningsspændingentil statoren eller ved at gribe ind i rotoren.

Ændring af statorspændingenHastigheden af asynkrone motorer kan styres ved justere mo-torens forsyningsspænding uden at ændre frekvensen, (f.eks.Softstarter). Dette er muligt, fordi motorens moment falder medspændingen i anden potens.

M

n

Ill. 1.19 Momentkarakteristik når statorspændingen – og dermed slippet – ændres

M

nn4 n3n2 nN

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 30

Som angivet af momentkarakteristikken, kan der kun opnåsstabile driftspunkter inden for driftsområdet (nk < n < n0). Hvisder anvendes en kontaktringsmotor, kan der også opnås stabiledriftspunkter i opkørselsområdet (0 < n < nk) ved at indsættemodstande i rotorviklingerne.

Rotor-styringDer er to mulige måder at gribe ind i rotoren på. Ved den enemetode indskydes ohmske modstande i rotorkredsløbet.

Ved den anden metode tilsluttes rotorkredsløbet andre el-maskiner eller ensretterkredsløb i en kaskadeforbindelse.

Rotor-styring er således kun mulig med kontaktringsmotorer,idet de er den eneste type, hvor der er adgang til rotorviklinger-ne.

Ændring af rotormodstandeneDenne styring af motorhastigheden foretages ved at forbindekontaktringene med ohmske modstande. Motorens hastighedændres ved at øge effekttabet i rotoren. Stigende effekttab irotoren fører til en stigning i slipværdien, og motorens omdrej-ningshastighed falder.

Hvis modstande forbindes med rotorens kredsløb, ændres mo-torens momentkarakteristik.


n

M

Ill. 1.20 Momentkarakteristik ved ændring af rotormodstandene ogdermed af slippet

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 31

Som vist i illustration 1.20, forbliver kippunktet uændret. Vedforskellige indstillinger forekommer der forskellige hastighederved samme belastning. En forindstillet hastighed er derforafhængig af belastningen. Hvis motorens belastning fjernes, sti-ger hastigheden tæt op til den synkrone hastighed. De ohmskemodstande er for det meste variable og skal termisk svare tildriftsforholdene.

KaskadeforbindelseI stedet for ohmske modstande forbindes rotorkredsløbet viakontaktringene med jævnstrømsmaskiner eller styrede ensret-terkredsløb.

Jævnstrømsmaskiner giver motorens rotorkredsløb en ekstra,justerbar spænding. Det er således muligt at påvirke motorenshastighed og magnetisering. Denne styring af motorens hastig-hed har især fundet anvendelse ved forsyning af elektriske jern-banesystemer.

Styrede ensretterkredsløb kan anvendes i stedet for jævntrøms-maskiner, i hvilket tilfælde anvendelsesområdet reduceres tilsystemer med pumper, ventilatorer, osv.

FrekvensjusteringTabsfri styring af motorhastigheden kan opnås ved at anvendeen variabel forsyningsfrekvens. Når frekvensen ændrer sig,ændrer det roterende felts hastighed sig med den.


Μ 3∼

Ill. 1.21 Typisk kaskadekredsløb

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 32


Motorens hastighed ændrer sig proportionalt med det roterendefelt. For at opretholde motorens moment, skal motorspændingenændres med frekvensen.

Ved en given belastning er følgende gældende:

Ved et konstant forhold mellem motorens forsyningsspændingog -frekvensen, er magnetiseringen i motorens nominelle drifts-område også konstant.

I to tilfælde er magnetiseringen imidlertid ikke optimal: vedstart og ved meget lave frekvenser, hvor der kræves yderligeremagnetisering, og ved drift med varierende belastning, hvorvariation i magnetiseringen svarende til belastningen skal væremulig.

Ekstra startmagnetiseringDet er vigtigt at se på spændingsfaldet Us i forhold til induk-tionsspændingen Uq.

P × 9550 η × √ 3 × U × I × cos ϕ × 9550 UM = = = k × × Ιn 60 ff × pUM ∼ × Ιf

M

100 V/12,5 Hz

200 V/25 Hz

300 V/37,5 H

z

400 V/50 Hz

25% 50% 75% 100% n

Ill. 1.22 Momentkarakteristik ved spændings-/frekvensstyring

I1

Us

IΦ

I’2R’2X’2X1

U1 Uq

R1

Xh 1 – s × R2 s

Ill. 1.23 Motorens erstatningsstrømskema

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 33

Klemmespænding: U1 = Us + Uq = UR1 + UX1 + Uq

Statorreaktans: X1 = 2 × π × f × L

Motoren er konstrueret til de nominelle værdier. For eksempelkan magnetiseringsspændingen Uq, være 370 V for en motor,ved U1 = 400 V og f = 50 Hz. Der er her, motoren har sin opti-male magnetisering.

Spændings/frekvens-forholdet er

Hvis frekvensen nedsættes til 2,5 Hz, er spændingen 20 V. Pågrund af denne lavere frekvens, bliver statorreaktansen, X1,også mindre. Spændingsfaldet har ingen indflydelse på det sam-lede spændingsfald i statoren. Spændingsfaldet bestemmesudelukkende af R1. Dette svarer ca. til de nominelle værdier,omkring 20 V, idet motorstrømmen bestemmes af belastningen.

Klemmespændingen svarer nu til spændingsfaldet hen overstatormodstanden, R1. Der er ingen spænding til magnetiseringaf motoren. Motoren er ikke i stand til at frembringe et momentved lave frekvenser, hvis forholdet mellem spænding og fre-kvens holdes konstant over hele området. Derfor skal der kom-penseres for spændingstabet under start og ved lave frekvenser.

Belastningsafhængig magnetiseringEfter tilpasning af motoren med ekstra startmagnetisering vedlave frekvenser, vil der ske overmagnetisering ved kørsel medlille belastning. I denne situation vil statorstrømmen I1, falde,og induktionsspændingen Uq, vil stige.

Motoren vil modtage en højere blindstrøm og blive unødigtopvarmet. Magnetiseringen afhænger således af, at spændin-gen til motoren ændrer sig automatisk som reaktion på motor-belastningen.

Den optimale magnetisering af motoren sker, idet der tages høj-de for frekvensen og den varierende belastning.


400 [V]= 850 [Hz]

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 34


MotordataMotoren har en mærkeplade, som er fast monteret på motoren.Mærkepladen giver alle de væsentligste data om motoren.

Yderligere data kan ses i motorkataloget.

EksempelMærkepladen for en to-polet 15 kW motor kan indeholde føl-gende data:

1. Motoren har tre faser og er beregnet til et netforsyning meden frekvens på 50 Hz.

2. Motorens nominelle udgangseffekt er 15 kW, dvs. at moto-ren er i stand til at levere en akseleffekt på mindst 15 kWhvis den tilsluttes netforsyningen som angivet. Den nomi-nelle udgangseffekt af asynkrone motorer er indskrevet i enstandardserie. Dette giver brugeren frit valg mellem de for-skellige motormærker til forskellige applikationer. Stan-dardserien opererer med udgangseffekter som følgende:

Tabel 1.02 Motor-udgangseffektserie

Hestekræfter (hk) er en gammel enhed til måling af motor-ens effekt. Hvis denne enhed ses, kan den omregnes somfølger: 1 hk = 0,736 kW.

123

8764

5

Ill. 1.24 Motorens mærkeplade indeholder en lang række data

kW 0,06 0,09 0,12 0,18 0,25 0,37 0,55 0,75 1,10 1,50 2,20 3,00

kW 4,00 5,50 7,50 11,0 15,0 18,5 22,0 30,0 37,0 45,0 55,0 75,0

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 35


3-4. Statorviklingerne kan forbindes som »stjerne« eller »tre-kant« (delta). Hvis netspændingen er 400 V, skal viklingerne »stjerne«-forbindes. Motorstrømmen er da 27,5 A pr. fase.Hvis netspændingen er 230 V, skal viklingerne »trekant«-forbindes. Motorstrømmen er da 48,7 A pr. fase. Ved start-momentet, når strømmen er 4-10 gange større end dennominelle strøm, kan nettet blive overbelastet.Dette har fået forsyningsselskaberne til at udstede reglertil virksomhederne om at mindske startstrømmen i storemotorer. En reduktion i startstrømmen kan opnås f.eks.ved at få motoren til at starte under en stjerne-forbindelseog senere skifte over til en delta-forbindelse.

Udgangseffekt og moment nedbringes til 1/3. Derfor kanmotoren ikke starte med fuld belastning.En motor udlagt til delta-forbindelse vil blive overbelastet,hvis der ikke sker skift til delta-forbindelse ved drift medfuld last.

M/Mn

M

U U

U

M

3

2

1

0.5

I

I

I

n/nN

I/In

3I

÷3

I

÷3U

Ill. 1.25 Motormoment og -strøm i stjerne- (γ) og delta-(∆) forbindelse

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 36


5. Kapslingsgraden angiver niveauet af beskyttelse mod ind-trængning af væsker og fremmedlegemer.Ill. 1.26 angiver de betegnelser, der anvendes i den inter-nationale standard IEC Publikation 34-5.Arten af beskyttelse (kapslingsgraden) står angivet ved deto bogstaver IP (International Protection) og to cifre, somangiver beskyttelsen mod kontakt og fremmedlegemer(første ciffer) og vandbeskyttelse (andet ciffer). Om nødven-digt kan der tilføjes ekstra bogstaver (supplerende og/ellerkompletterende bogstaver). Grundlayoutet for IP-koden erderefter som følger:

IP 2 3 C SKodebogstaver

første ciffer (fra 0-6)beskyttelse mod kontakt og fremmedlegemer

andet ciffer (fra 0-8)vandbeskyttelse

supplerende bogstav A, B, C, D(valgfrit)

kompletterende bogstav H, M, S, W(valgfrit)

Følgende kommentarer kan gives med hensyn til strukturog anvendelse af IP-forkortelserne:• Hvis et ciffer ikke behøver at blive angivet, skal det

erstattes af bogstavet »X«.• Supplerende og/eller kompletterende bogstaver kan

fjernes uden at blive erstattet af noget andet.• Hvis der skal bruges mere end ét kompletterende bog-

stav, skal den alfabetiske rækkefølge overholdes.

Den beskyttelsesgrad, de forskellige typer beskyttelse yder,står kort angivet i Ill. 1.26.

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 37


Det supplerende (valgfri) bogstav har betydning med hen-syn til beskyttelsen af personer og omfatter en angivelse afbeskyttelsen mod adgang til farlige komponenter:• Håndens bagside Bogstav A• Finger Bogstav B• Værktøj Bogstav C• Ledning Bogstav DDet kompletterende (valgfri) bogstav har betydning forbeskyttelse af driftsanlægget og giver kompletterendeoplysninger især om• Højspændingsenheder Bogstav H• Vandtest under drift Bogstav M• Vandtest under stilstand Bogstav S• Vejrforhold Bogstav WHvis driftsanlægget er beskyttet mod støv (første ciffer er5), er støvindtrængning ikke fuldstændigt forhindret; imid-lertid har støv kun lov at trænge ind i begrænsede mæng-der, så tilfredsstillende drift af enheden sikres tillige medfuld, ubegrænset sikkerhed.

Ciffer første ciffer andet ciffer

Kontaktbeskyttelse Beskyttelse mod Vandbeskyttelsefremmedlegemer

0 ingen beskyttelse ingen beskyttelse ingen beskyttelse1 beskyttelse mod beskyttelse mod beskyttelse mod

berøring fra faste fremmedlegemer lodret dryppendehåndens bagside 500 mm diam. vand

2 beskyttelse mod beskyttelse mod beskyttelse modfingerberøring faststoffer skråt dryppende

12,5 mm diam. vand (15°)3 beskyttelse mod beskyttelse mod beskyttelse mod

værktøjskontakt faststoffer vandsprøjt i vinkel2,5 mm diam. op til 60°

4 beskyttelse mod beskyttelse mod beskyttelse modledningskontakt faststoffer vandsprøjt fra

1,0 mm diam. alle retninger5 beskyttelse mod støvbeskyttelse beskyttelse mod

ledningskontakt vandstråle 6 beskyttelse mod støvbeskyttelse beskyttelse mod

ledningskontakt kraftig vandstråle7 – – beskyttelse mod

midlertidignedsænkning i vand

8 – – beskyttelse mod permanentnedsænkning i vand

Ill. 1.26 Oversigt over beskyttelse af motorer efter IEC 34-5

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 38


Vandbeskyttelse op til ciffer 6 betyder, at kravene til allelavere numre også er opfyldt. En driftsenhed med beteg-nelsen IPX7 (midlertidig nedsænkning) eller IPX8 (perma-nent nedsænkning) behøver ikke også overholde kravene tilbeskyttelse mod vandstråler i IPX5 eller mod kraftigevandstråler IPX6. Hvis begge krav skal opfyldes, skaldriftsenheden have en dobbeltbetegnelse, så begge eromfattet, f.eks. IPX5/IPX7.

Eksempel: Ifølge IP 65 er motoren kontaktsikker og er tætmod støv og vandstråler.

6. Den nominelle strøm Is, som motoren modtager, kaldes denresulterende strøm og kan opdeles i to strømme: en aktivstrøm Iw og en blindstrøm IB. Cos ϕ angiver den aktivestrøm som en procentdel af motorstrømmen ved nomineldrift.Den aktive strøm omdannes til akseleffekt, mens blind-strømmen giver den effekt, der skal til for at opbygge mag-netfeltet i motoren. Når magnetfeltet derefter fjernes, føresmagnetiseringseffekten tilbage til forsyningsnettet.Ordet »blind« angiver, at strømmen bevæger sig frem og til-bage i ledningerne uden at bidrage til akseleffekten.

Den resulterende strøm til motoren fra nettet bestemmesikke ved blot at addere den aktive strøm og blindstrømmen;det er fordi disse to strømme er faseforskudt. Der er derforbrug for en geometrisk sammenlægning:

Strømmene kan ses som siderne i en retvinklet trekant,hvor den lange side svarer til kvadratroden af summen afde korte sider i anden (Pythagoras læresætning).

IS = √ I2W + I2

B

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 39

ϕ er vinklen mellem den resulterende strøm og den aktivestrøm.Cos ϕ er forholdet mellem størrelsen af de to strømme:

Cos ϕ kan også angives som forholdet mellem den faktiskevirke-effekt P og den resulterende effekt S:

Ordet resulterende effekt betyder, at kun en del af strøm-men skaber en effekt, dvs. den del, der kaldes Iw, den akti-ve strøm.

7. Motorens nominelle hastighed er motorhastigheden vednominel spænding, nominel frekvens og nominel belast-ning.

8. El-motorer bygges til forskellige former for køling. Normaltstår kølingsmetoden angivet efter den internationale stan-dard IEC Publikation 34-6. Ill. 1.28 viser betegnelserne fradenne standard. IC står for International Cooling.


IC01Selv-ventilationMotorens inderside kølesdirekte af den omgivendeluft

IC06Ekstern ventilationMotor til separat køle-luftsindgang

IC17Ekstern ventilationMotor med påbygget ven-tilator til køling af ind-gangsluft

IC37Ekstern ventilationMotor til separat køle-luftsudgang og separatkøleluftsindgang

Ill. 1.28 Motorkøling efter IEC 34-6

ϕ

IS

IW

IB

Ill. 1.27 Forbindelse mellem resulterende, blind- og aktivstrøm

IWcos ϕ = IS

Pcos ϕ = S

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 40

Valget af motor bør bestemmes af motorens anvendelse samtinstallationsstedet.

International standard IEC 34-7 angiver monteringstype formotoren i form af to bogstaver, IM (International Mounting), ogfire cifre.

Ill. 1.29 viser nogle af de almindeligste konstruktioner. Ved brugaf data fra motorens mærkeplade kan yderligere motordataberegnes.

Motorens nominelle drejningsmoment udregnes ved følgendeformel:


P × 9550 15 × 9550M = = = 49 Nmn 2910

Maskiner med mærkeplader, horisontal placering

Montering Forklaring

Forkortelse efterIll. DIN 42 9500 DIN IEC 34 Del 7 Mærke- Stator Generelt Fæste

Kode I Kode II plade (hus) design ellermontering

B 3 IM B 3 IM 1001 2 mærke- m. fødder – Monteringplader på sokkel

B 3/B 5 IM B 35 IM 2001 2 mærke- m. fødder Fæste Monteringplader flange på sokkel

med ekstraflange

B 3/B 14 IM B 34 IM 2101 2 mærke- m. fødder Fæste- Monteringplader flange på sokkel

med ekstraflange

B 5 IM B 5 IM 3001 2 mærke- u. fødder Fæste- Flange-plader flange montering

B 6 IM B 6 IM 1051 2 mærke- m. fødder Montering Fæste tilplader B3, ende- væg; fødder

plader til venstredrejet set fra90° drevsiden

Ill. 1.29 Motormontering efter IEC 34.7

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 41


Motorens effektivitet h kan bestemmes som forholdet mellemden nominelle faktiske udgangseffekt og den optagne effekt:

Motorens slip kan beregnes, idet mærkepladen angiver dennominelle hastighed og frekvens. Disse to data siger, at motorener af den to-polede type. En to-polet motor har en synkronhastighed på 3.000 omdr./min.

Sliphastigheden (ns) er dermed 3.000-2.910 = 90 omdr./min.

Slippet står normalt anført som en procentdel:

Naturligvis indeholder motorkataloget nogle af mærkepladensdata. Desuden angives andre data:

Akseleffekt, hastighed, cos ϕ og motorstrøm fremgår af mærke-pladen. Effektivitet og omdrejningsmoment kan beregnes pågrundlag af oplysningerne på mærkepladen.

Desuden står der i motorkataloget, at startstrømmen for en 15kW motor, Ia, er 6,2 gange højere end den nominelle strøm, IN. Ia = 29 × 6,2 = 180 A.

P 15000 η = = = 0,87√ 3 × U × I × cos ϕ √ 3 × 380 × 29 × 0,9

ns 90s = = = 0,03 = 3%n0 3000

Nom. drift

Type Ud- Hastig- Effek- cos ϕ Strøm Ia M Ma Mmax Inerti- Vægtgangs- hed tivitet ved I M M momenteffekt 380 VkW min–1 % A Nm kgm2 kg

160 MA 11 2900 86 0.87 25 6.2 36 2.3 2.6 0.055 76

160 M 15 2910 88 0.90 29 6.2 49 1.8 2.0 0.055 85

160 L 18.5 2930 88 0.90 33 6.2 60 2.8 3.0 0.056 96

Ill. 1.30 Motorkataloget indeholder yderligere data

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 42


Motorens opstartsmoment (Ma) angives som 1,8 gange det nomi-nelle moment Ma = 1,8 × 49 = 88 Nm. Dette opstartsmomentkræver en opstartsstrøm på 180 A. Motorens maksimale drej-ningsmoment, kipmomentet (MK), er dobbelt så stort som detnominelle moment: Mk = 2 × 49 = 98 Nm.

Endelig er inertimomentet og motorens vægt anført.Inertimomentet anvendes til at beregne accelerationsmomen-tet, og vægten kan være af betydning ved transport og installa-tion.

Nogle motorfabrikanter offentliggør ikke intertimomentet, mensvingmomentet WR2. Imidlertid kan denne værdi omregnes somfølger:

.

g er accelerationen i følge af tyngdekraftenEnheden for svingmomentet WR2 er [Nm2]Enheden for inertimomentet J er [kgm2]

M [Nm]

88

98

49

nN = 2910 n [min–1]

Ill. 1.31 Motormoment og -strøm

IM

IA = 180

[A]

29

n [min–1]nN = 2910

GD2J = 4 × g

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 43


BelastningskarakteristikTilstanden er stationær, hvis det moment, motoren skaber, ogbelastningsmomentet er det samme. I denne tilstand er momentog hastighed konstante.

Karakteristikken for motoren og driftsenheden står angivetsom forholdet mellem hastighed og moment eller udgangseffekt.

Momentkarakteristikken er allerede beskrevet. Karakteristik-ken for driftsenheden kan opdeles i fire grupper.

Denne gruppe (1) består af driftsenheder for opvikling af mate-riale med konstant træk. Denne gruppe omfatter også skæren-de maskiner, som f.eks. dem, der anvendes til at udskære møb-ler fra tømmer.

Ill. 1.32 Typisk belastningskarakteristik

M

n

M (n)~n–1

V

r

P

n

M

n

M (n) = k

V

r

nP

n

m1m2

M

n

M (n) = k

V

r

nP

n

m1m2

M

n

M (n)~n2n

P

n

1

2

3

4

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 44


Gruppe (2) består af forskellige maskiner. Der er her tale omtransportbånd, forskellige kraner, fortrængningspumper samtmaskinværktøjer.

Gruppe (3) består af maskiner som valser, glattemaskiner ogandre maskiner til materialebearbejdning.

Gruppe (4) omfatter maskiner, der drives ved centrifugalkraft,så som centrifuger, rotationspumper og ventilatorer.

Den stationære tilstand optræder, når motorens og driftsenhe-dens moment er det samme (Ill. 1.33). Kurverne krydser hinan-den i punkt B.

Ved udmåling af en motor til en given driftsmaskine, børskæringspunktet så vidt muligt ligge i punkt N for motorensnominelle data. Her udnyttes motoren bedst.

Det er vigtigt, at der over hele området fra stilstand tilskæringspunkt er et overskydende moment til rådighed. Hvisdet ikke er tilfældet, bliver driften ustabil, og den stationære til-stand kan ophøre, hvis hastigheden er for lav. En af årsagernehertil er, at det overskydende moment skal bruges til accelera-tion.

Især for driftsmaskiner i gruppe 1 og 2 er det nødvendigt at tagehøjde for denne opstartstilstand. Disse typer belastning kan ibegyndelsen have et løsrivelsesmoment af samme størrelse sommotorens startmoment.

M

B

N

n

Ill. 1.33 Motoren skal bruge et overskydende moment til acceleration

Overskydendemoment

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 45

Når startmomentet for belastningen er højere end startmomen-tet for motoren, kan motoren ikke starte.


M

100%

n

Ill. 1.34 Opstartstilstanden kan kræve et særligt højt moment

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 46

SynkronmotorerStatoropbygningen af synkrone og asynkrone motorer er densamme. Rotoren i den synkrone motor (også kaldet magnethjul-et) kan opbygges på to forskellige måder. Rotoren har udpræge-de magnetiske poler. Magneterne kan være faste magneter (vedsmå motorer) eller elektro-magneter. Rotoren har to eller flerepolpar og kan dermed også anvendes til lavhastighedsmotorer.En synkronmotor kan ikke starte ved hjælp af netforsyningen isig selv. Det er på grund af inertien i rotoren og det roterendefelts høje hastighed. Rotoren skal derfor bringes til en hastig-hed, der svarer til det roterende felts hastighed.

Dette er muligt, f.eks. ved at anvende en startmotor eller en fre-kvensomformer. Små motorer starter normalt med startvikling-er (dæmpningsviklinger). I dette tilfælde fungerer motoren somen kortslutningsmotor.

Efter start drejer motoren synkront med det roterende felt. Hvismotoren underkastes en belastning, øges afstanden mellemrotorpolerne og det roterende felt. Rotoren ligger bag det rote-rende felt med belastningsviklingens størrelse (ν) og dermedogså bag rotorens tomgangsposition (Ill. 1.38).

Synkronmotorer har en konstant hastighed uafhængigt afbelastningen. Motoren kan ikke tåle en højere belastning endstarteffekten mellem rotor og magnetfelt er i stand til at klare.


1

23

4

5

Ill. 1.35 (Synkronmotor-rotorer: fast magnet)

1. Nyttigt flux2. Tilbageholdt flux3. Fast magnet4. Afstandsplade

(ikke-magnetisk)5. Startbur

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 47

Hvis belastningen overstiger starteffekten, afbrydes synkronis-men og motoren står stille.

Synkronmotorer anvendes f.eks. til parallel drift, hvor fleremekanisk uafhængige enheder skal drives synkront.


N

I1

I2

Φ 1

Φ 1

Φ 2

S

0˚ 90˚ 180˚

M

MKb)

N

S

N

S

Ill. 1.36 Rotor med udprægede poler og momentkarakteristik

Ill. 1.37 Belastningsvinkel og driftsmoment sat over for rotorvinkel

Vikling

Belastnings-vinkel (ν)

Rotations-retning

StatorfeltFuldspænding

Halvspænding

Magnethjulsvinkel

Tværsnit

Magnet Stator

Rotorer

MN

MK

M

0 nd n

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 48

ReluktansmotorerTrefasede vekselstrøms-reluktansmotorer er trefasede veksel-strømsmotorer, som udvikler hastighed lige som almindeligeasynkrone motorer med kortslutningsrotor, men som derefterbliver synkrone og fortsætter med at virke som synkronmotorer.Da reluktansmotorer – lige som kortslutnings-rotormotorer –har en enkel burformet vikling i rotoren, er de stærke, stabile,vedligeholdelsesfri, giver ikke støjforstyrrelser og er relativt bil-lige. Ulemperne er det relativt høje krav til induktiv blindudgangseffekt og en ugunstig effektivitet. Derfor er reluktans-motorer kun af betydning for industrien ved en udgangseffektpå op til ca. 15 kW.

OpbygningStatorerne i en trefaset vekselstrøms-reluktansmotor er ikkeanderledes end i en normal trefaset vekselstrøms-asynkron-motor med kortslutningsrotor. Denne rotor har også en enkelburformet vikling. Imidlertid har rotoren en reluktansmotor – imodsætning til en normal kortslutningsrotor – udprægedepoler, hvis antal svarer til antallet af statorer. Polerne laves vedat udskære polhuller rundt i omkredsen af rotorens metalpladereller tilsvarende plader (se Ill. 1.38b).

Gennem polhullerne, som også kan fyldes med det materiale,rotorburet er lavet af, opstår der en fleksibel, magnetisk mod-


p = 2

Ill. 1.38a Reluktansrotor

tværsnit, rotor

»hul«

»pol«

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 49

stand (reluktans) i omkredsen af rotoren, som er mindst indenfor polområdet og størst inden for pol-mellemrummene.

Når de tilsluttes det trefasede vekselstrømsnet, udvikler reluk-tansmotorer – lige som almindelige kortslutningsmotorer – etmoment og kører tæt op til den synkrone hastighed, forudsatmotorens drejningsmoment er højere end belastningsmomenteti hele opstartprocessen. Opstartstrømmen er normalt nogethøjere og opstartmomentet noget mindre end i tilsvarendekortslutningsmotorer, idet der er en bredere luftlomme i pol-mellemrummene. Hvis rotoren stort set har nået det roterendefelts hastighed, medfører den magnetiske kobling af statorensroterende felt og rotorens poler et synkroniseringsmoment(reaktionsmoment), som driver rotoren til synkron drift. Efterdenne synkroniseringsproces kører motoren ved den synkroni-serede hastighed, uanset manglende regulering af rotoren.

En synkroniseret reluktansmotor fungerer mere eller mindresom en synkronmotor. Rotoren drejer synkront med hastighe-den på statorens rotationsfelt. På samme måde som polen påstatorens roterende felt bevæger sig for at påvirke rotorpolerne,prøver den magnetiske flux i statorens roterende felt i reluk-tansmotoren at aktivere rotoren inden for de udprægede polersområde. Den lille luftnot ved disse punkter medfører mindremagnetisk modstand end i området med pol-mellemrummene.Den magnetiske fluxes bestræbelser på ikke at skulle klare denmagnetiske modstand i området for pol-mellemrummene fører


MA

MK Ms

Mks

Mn

M/Mn

00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.0

3

2

1

nl/nf

Nominelt moment

Synkroni-sering

Fase-udsving

Ove

r-be

last

ning

Afl

astn

ing

Opstart

Ill. 1.38b Momentkurve for en reluktansmotor

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 50

til et synkront moment og til opretholdelse af det synkronemoment under belastninger. På grund af den faldende jævn-strømsgenerering i rotoren, er det synkrone moment i en reluk-tansmotor betydeligt mindre end i en tilsvarende synkronmotor.

Når synkroniseringen er tilendebragt, har reluktansmotorerdriftskarakteristikker, som ligner dem, der er gældende for nor-male synkronmotorer. Rotoren drejer med hastigheden forstatorens roterende felt, som afhænger af netfrekvensen ogantallet af polpar. Under belastninger forbliver de udprægederotorpoler bag statorens roterende felt med en værdi, der svarertil størrelsen af belastningsvinklen. Hvis motoren modtager etmoment, som er højere end dens synkrone løsrivelsesmoment,vil der ske faseudsvingning, og motoren vil køre som asynkronmotor med en belastningsafhængig hastighed (ill. 1.38b).Synkronisering sker igen uafhængigt, så snart belastningsmo-mentet er mindre end synkroniseringsmomentet. Hvis motorenimidlertid modtager et moment, som er højere end dens asyn-krone løsrivelsesmoment, standser rotoren.

På grund af den forøgede luftnot i området for pol-mellemrum-mene i rotorens omkreds, har reluktansmotorer en relativt højspredning, hvilket fører til et højt behov for induktiv blindstrømog en tilsvarende andel. Dette fører til en ugunstig effektfaktor,som kan ligge på 0,4 til 0,5 ved nominel drift. Når der konstru-eres drev med reluktansmotorer, skal der tages højde for dettebehov for blindeffekt.

Trefasede vekselstrøms-reluktansmotorer anvendes især, hvisen driftsmaskine skal anvendes på forskellige steder ved præcissamme hastighed, og hvor anvendelsen af en enkelt motor medmekanisk transmission af momentet til de enkelte drev villevære for vanskelig eller for dyr.

Eksempler på sådanne anvendelser kunne være spindemaskin-er, pumper og transportanlæg.


V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 51

52 KAPITEL 2: FREKVENSOMFORMERE

2. Frekvensomformere Siden slutningen af tresserne har omformerne undergået enutrolig hurtig udvikling. Udviklingen af mikroprocessor- oghalvlederteknologien har især – tillige med priserne på disseenheder – ført til et stort fremskridt inden for området frekvens-omformere. Imidlertid er grundprincipperne for disse omforme-re uændrede.

Frekvensomformere kan opdeles i fire hovedkomponenter:

1. Ensretteren tilsluttes den trefasede vekselspænding og frem-bringer en pulserende jævnstrøm. Der findes to grundtyper afensrettere – styrede og ikke-styrede.

2. Mellemkredsløb. Der findes tre typer:a) Mellemkredsløbet som omdanner ensretterspændingen til

jævnstrøm.b) Mellemkredsløbet som stabiliserer eller udjævner den

pulserende jævnstrøm og stiller den til rådighed for vek-selretteren.

c) Mellemkredsløbet som gør den konstante jævnstrøm fra ensretteren variabel.

3. Motorspændingens frekvens frembringes i vekselretteren.Alternativt kan en yderligere type vekselretter også omdanneden konstante jævnspænding til en variabel vekselspænding.

~~~

M

Ill. 2.01 Principdiagram over frekvensomformere

Ens-retter

Mellem-kredsløb

Veksel-retter

Styringskredsløb

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 52

KAPITEL 2: FREKVENSOMFORMERE 53

4. Elektronikken i styringskredsløbet er i stand til at transmit-tere signaler til og modtage signaler fra ensretter, mellem-kredsløb og vekselretter. Hvilke dele, der styres i detaljer,afhænger af konstruktionen af den enkelte frekvensomfor-mer (se ill. 2.02).

Det, alle frekvensomformere har til fælles, er, at styrings-kredsløbet bruger signalerne til at lede eller afbryde veksel-retterens halvledere. Dette koblingsmønster kan strukture-res efter forskellige principper. Frekvensomformere opdelesefter det koblingsmønster, som styrer forsyningsspændingentil motoren.

For fuldstændighedens skyld bør omformeren uden mellem-kredsløb (direkte omformere) også nævnes. Denne typeanvendes i MW-effektområdet til at frembringe et lavfre-kvensnet direkte fra 50 Hz forsyningsspændingen. Den mak-simale udgangsfrekvens er ca. 30 Hz.

α1 2

3 4

76

Ill. 2.02 Forskellige konstruktionsprincipper

Ensretter

Mellem-kreds

Vekselretter

Strømstyret omformer: CSI(1 + 3 + 6)

Puls-amplitude-moduleret omformer: PAM(1 + 4 + 7) (2 + 5 + 7)

Puls-bredde-moduleret omformer: PWM/VVCplus

(2 + 4 + 7)

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 53


Ensrettere Forsyningsspændingen er en trefaset vekselspænding eller enenkeltfaset vekselspænding med permanent frekvens (f.eks. 3 ×400 V/50 Hz eller 1 × 240 V/50 Hz)Nedenstående illustrationer angiver nogle karakteristiske vær-dier.

Illustrationen viser, at de tre faser er forskudt tidsmæssigt.Fasespændingen ændrer hele tiden retning, mens frekvensenangiver antallet af perioder pr. sekund. En frekvens på 50 Hzbetyder, at der er 50 perioder pr. sekund (50 × T), dvs. at en peri-ode varer 20 millisekunder.

Ensretteren i en frekvensomformer består enten af dioder, tyri-storer eller en kombination af disse to halvledere. En ensretter,som består af dioder er ustyret. En ensretter, som består af tyri-storer, er styret. Hvis dioder og tyristorer kombineres, er ens-retteren halv-styret.

Ustyrede ensrettereDen ustyrede ensretter består af dioder.

ωt

U

ωt

U

A

I

K

U

T

aa) a → b = 1/3 Tbb)

ωt

U

ωt

Ill. 2.03 Enkelt- og trefaset vekselspænding

Ill. 2.04 Diodens funktion

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 54


En diode giver kun mulighed for, at strømmen flyder i en ret-ning: fra anoden (A) mod katoden (K). Dioden blokerer en strøm,som ønsker at bevæge sig fra katoden til anoden. Det er ikkemuligt – som det er tilfældet med andre halvledere – at styrestrømstyrken.En vekselspænding over en diode omdannes til en pulserendejævnspænding. Hvis en trefaset vekselspænding leveres til enustyret trefaset ensretter, fortsætter jævnspændingen med atpulsere.

Illustrationen viser den ustyrede trefasede ensretter, som bes-tår af to grupper dioder. Den ene gruppe består af dioderne D1,D3 og D5. Den anden gruppe består af dioderne D2, D4 og D6.Hver diode leder 1/3 af periodetiden (120°).I de to grupper afløser dioderne hinanden skiftevis. De perioder,hvor begge grupper leder, er forskudt med 1/6 af periodetiden T(60°) i forhold til hinanden.

Diodegrupperne D1,3,5 leder den positive spænding. Hvis spæn-dingen i fase L1 når den positive spidsværdi, antager klemme Aværdien af fase L1. Over de to andre dioder ligger blokerings-spændinger af størrelsen UL1-2 og UL1-2.

Dette gælder også diodegruppen D2,4,6. Her modtager klemme Bden negative fasespænding. Hvis L3 på et givet tidspunkt nården negative tærskelværdi, leder diode D6.De to andre dioder er underkastet blokeringsspændinger afstørrelsen UL3-1 og UL3-2.

Udgangsspændingen for den ustyrede ensretter har forskels-værdien på spændingerne i de to diodegrupper. Gennemsnits-værdien af den pulserende jævnspænding er 1,35 × netspæn-dingen.

U U+(A)

–(B)

L1L2

D1 D3 D5

D2 D4 D6

L3ωt ωt

Ill. 2.05 Den ustyrede ensretter

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 55


Styrede ensrettereI styrede ensrettere erstattes dioderne af tyristorer. Som diodentillader tyristoren kun strømmen at flyde fra anoden (A) tilkatoden (K). Til forskel fra dioden, har tyristoren imidlertid entredje forbindelse, »Gate« (G). Denne gate eller port skal styresaf et signal, før tyristoren leder en strøm. Hvis der flyder enstrøm gennem tyristoren, leder tyristoren strømmen, indtil denbliver nul.

Strømmen kan ikke afbrydes ved et signal på »Gate«. Tyristoreranvendes i ensrettere såvel som i vekselrettere.

Signalet til »Gate« er styringsignalet α for tyristoren. α er entidsforsinkelse, angivet i grader. Gradsværdien angiver forsin-kelsen mellem spændingens nulgennemløb og det tidspunkt,hvor tyristoren aktiveres.

–

U

AG

K

I

α α

ωt

U

ωt

Ill. 2.07 Tyristorens funktionsmåde

ωt

U

ωt

UA-B

UA

UB

Ill. 2.06 Udgangsspændingen for den ustyrede trefasede ensretter

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 56


Hvis α ligger mellem 0° og 90°, anvendes tyristoromkoblingernesom ensretter, mens de mellem 90° og 300° anvendes som vek-selretter.

Styrede, trefasede ensrettere kan opdeles i to grupper med tyri-storer T1, T3 og T5, hhv. tyristorerne T2, T4 og T6. I den styredeensretter tæller α fra det punkt, hvor den tilsvarende diode forden ikke-styrede ensretter begynder at lede. Dette punkt ligger30° bag spændingens nulgennemløb. I øvrigt er beskrivelsen afden ustyrede ensretter gældende.

Reguleringen af α giver mulighed for at variere størrelsen af denensrettede spænding. Den styrede ensretter leverer en jævn-spænding med en middelværdi på 1,35 × netspændingen × cos α.

ωt

α

ωt

UA

U

UA-B

UB

Ill. 2.09 Udgangsspændingen for en styret, trefaset ensretter

ωt

U

L1L2

T1 T3 T5

T2 T4 T6

L3ωt

U

Ill. 2.08 Den styrede, trefasede ensretter

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 57


I sammenligning med den ustyrede ensretter, medfører den sty-rede ensretter store tab og forstyrrelser i netforsyningen, fordiensretteren trækker en større blindstrøm, hvis tyristorerneleder i kort tid. Dette er en af årsagerne til, at tyristorer isærbruges i frekvensomformeres vekselretter.

Fordelen ved styrede ensrettere er, at en generatorisk effekt imellemkredsen kan returneres til forsyningsnettet.

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 58

MellemkredsløbMellemkredsløbet kan betragtes som en oplagringsfacilitet,hvorfra motoren kan trække sin energi via vekselretteren.Mellemkredsen kan opbygges efter tre forskellige principper.Mellemkredsløbets art afhænger af ensretteren og vekselrette-ren, som mellemkredsløbet skal arbejde sammen med.

Denne type mellemkredsløb består af en meget stor spole ogkombineres kun med den styrede ensretter. Spolen omdannerden variable spænding fra ensretteren til en variabel jævn-spænding. Belastningen afgør størrelsen af motorens spænding.Dette mellemkredsløb har den fordel, at det lader en genera-torisk efekt gå tilbage til forsyningsnettet.

Mellemkredsløbet kan bestå af et filter med kondensator og spo-le. Dette mellemkredsløb kan kombineres med begge typer ens-rettere. Filteret udjævner den pulserende jævnspænding (UZ1) iensretteren. I en styret ensretter opretholdes spændingen kon-stant ved en given frekvens. Den spænding, der tilføres veksel-retteren, er således en ren jævnspænding (UZ2) med variabelamplitude.


U

t

+

–

I

t

UZ1

UZ1UZ1

UZ2

UZ2

t

+

–

UZ2t

tt

Ill. 2.10 Variabelt jævnstrøms-mellemkredsløb

Ill. 2.11 Mellemkredsløb med konstant jævnspænding

Strømstyrede frekvensomformere (I-omformere)

Spændingsstyrede frekvensomformere (U-omformere)

styrede

ustyrede

variabel amplitude

konstant amplitude

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 59

I ustyrede ensrettere er spændingen ved vekselretterens ind-gang en jævnspænding med konstant amplitude.

Endelig kan der i mellemkredsløbet indsættes en chopper foranfilteret, som vist ovenfor. Chopperen indeholder en transistor,der fungerer som afbryder, så den ensrettede spænding kan slåstil og fra. Styringskredsløbet regulerer chopperen ved at sam-menligne den variable spænding (Uv) efter filteret med ind-gangssignalet.

Hvis der er en forskel, reguleres forholdet af den tid ton, hvortransistoren leder, og den tid toff hvor transistoren spærrer.Jævnspændingens effektive værdi bliver således variabel, ogdens størrelse afhænger af længden af den tid, hvor transistorener åben:

Hvis chopper-transistoren afbryder strømmen, laver filterspo-len spændingen hen over transistoren uendeligt høj. For at und-gå dette, er chopperen beskyttet af en friløbsdiode. Hvis tran-sistoren åbner og lukker sig – som vist, er spændingen højest itilstand 2 (ill. 2.13a).


tonUV = U ×ton + toff

U

U

t t

UV

UV

Ill. 2.12 Mellemkredsløb med variabel spænding

Mellemkredsløb med variabel jævnspænding

Chopper

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 60


Filteret for mellemkredsløbet tjener til at udjævne firkant-spændingen efter chopperen. Filter-kondensatoren og spolenholder spændingen konstant ved en given frekvens.

Ud over ovennævnte funktioner tilbyder mellemkredsløbet –afhængig af konstruktionen – yderligere funktioner, som f.eks.• afkobling af ensretter fra vekselretter• reduktion af nettilbagevirkning• energioplagring til at dække intermitterende belastningsstød.

UV UV

toff ton

t

toff ton toffton

Tilstand 1 Tilstand 2

Ill. 2.13a Chopper-transistoren regulerer mellemkreds-spændingen

ÛV ÛV

t

Ill. 2.13b Den variable spændings effektive værdi (Uv)

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 61


Vekselrettere Vekselrettere er det sidste led i frekvensomformeren før mo-toren. Det er her, den sidste tilpasning af udgangsspændingenforegår. Hvis motoren er forbundet direkte med netforsyningen,er de ideelle driftsforhold det nominelle driftspunkt.

Frekvensomformerne sikrer gode driftsforhold i hele regule-ringsområdet gennem tilpasning af udgangsspændingen tilbelastningsforholdene. Det er således muligt at opretholdemotorens magnetisering på optimalt niveau.

Fra mellemkredsløbet til vekselretten kommer enten• en variabel jævnstrøm,• en variabel jævnspænding, eller• en konstant jævnspænding

I hvert tilfælde skal vekselretteren sikre, at forsyningen tilmotoren bliver en variabel størrelse. Med andre ord er det i vek-selretteren, at motorspændingens frekvens skal frembringes.Styringen af vekselretteren afhænger af, om der modtages envariabel eller en konstant mængde. Hvis strømmen eller spæn-dingen er variabel, skal vekselretteren kun frembringe frekven-sen. Hvis spændingen er konstant, anvendes vekselretteren tilat frembringe den variable frekvens og spænding.

Selv om vekselrettere arbejder på forskellig måde, er deresgrundstruktur altid den samme. Hovedkomponenterne er sty-rede halvledere, placeret parvis i tre grene.

I de senere år er vekselretternes tyristorer blevet erstattet afavancerede komponenter, så som Bipolar (LTR), Unipolar(MOS) Transistor og Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).Disse giver den fordel, at de er i stand til at lede eller spærre tilenhver tid. Ændringen fra ledende til spærrende tilstand skerøjeblikkeligt.

Tyristorer kan kun slukkes ved hjælp af en afbryder, da de kunswitcher, når spændingen er tilbage på nul. Tyristorernes skif-tefrekvens er maksimalt 2 kHz, mens den for moderne kompo-nenter, så som IGBT, er ca. 20 kHz.

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 62


Vekselretterens switchfrekvens kan dermed udvides betydeligt(fra 300 Hz til 20 kHz).

Vekselretterens halvledere leder og spærrer signaler efter denstyring, som styringskredsløbet udøver. Signaler kan styresefter forskellige principper. Hvis vekselretteren skal bearbejdeen strøm, skal der forskellige andre komponenter til, end hvisden skal bearbejde en spænding.

Forenklet fremstillet består vekselretteren af seks dioder, sekstyristorer og seks kondensatorer.

Kondensatorerne skal holde på den energi, der skal til for at slåtyristorerne fra (slukke) og skal derfor være tilpasset motorensstørrelse.

Kondensatorerne gør det muligt at slå tyristorerne til og fra, såstrømmen er forskudt 120 grader i faseviklingerne. Periodisk,vekselfremføring af strøm til motorklemmerne U-V, V-W, W-U,U-V ... får det roterende felt til at springe med den ønskede fre-kvens i statoren. Selv om dette gør motorstrømmen næsten kva-dratisk, er motorspændingen næsten sinusformet. Der er imid-lertid altid spændingsspidser, når strømmen slås til og fra.

Dioderne adskiller kondensatorerne fra motorens belastnings-strøm.

I (ƒ)

t

I

t

I

Ill. 2.14 Vekselretter til variabel mellemkredsstrøm

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 63


Denne vekselretter består af seks tyristorer, transistorer ellerandre elektroniske switch-komponenter. Uafhængig af den typehalvleder, der anvendes, er funktionen grundliggende den sam-me. Styringskredsløbet slår halvlederne til og fra efter forskel-lige principper (modulation), hvorved frekvensomformerensudgangsfrekvens ændres.

Ved et princip anvendes en variabel spænding eller strøm i mel-lemkredsløbet.

Intervallerne, hvor den enkelte halvleder leder eller spærrer, erplaceret i et mønster, som gennemgås efter den ønskedeudgangsfrekvens.

Halvledernes switchmønster styres af størrelsen af den vari-able spænding eller strøm i mellemkredsløbet. Ved brug af enspændingsstyret oscillator, følger frekvensen altid spændingensamplitude. Denne styring af vekselretteren kaldes Puls-Amplitude-Modulation (Pulse-Amplitude-Modulation).

Ved et andet princip anvendes en fast mellemkredsspænding.Motorspændingen gøres variabel ved, at mellemkredsspæn-dingen fremføres til motorviklingerne i kortere eller længere

U

tU

t

t

I

t

I

t

I

Ill. 2.15 Vekselretter for variabel eller konstant mellemkreds-spænding og udgangsstrøm afhængig af vekselretterensswitchfrekvens

Switchfrekvens: lav

Switchfrekvens: medium

Switchfrekvens: høj

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 64


tidsperioder. Frekvensændringen sker ved at spændingsimpul-serne er variable langs tidsaksen – positivt for den ene halvpe-riode og negativt for den anden.

Dette princip ændrer dermed bredden af spændingspulsen ogbetegnes derfor »Puls-Bredde-Modulation« (Pulse-Width-Modulation). Traditionelt finder styringskredsløbet til og fratiderne for halvlederne i form af snitflader mellem en delta-spænding og en derover lagt sinusformet referencespænding(sinusstyret PWM).

Der er andre muligheder for at finde til og fra tiderne for halv-lederne. Danfoss styringsprincipperne VVC og VVCplus arbejderpå grundlag af beregninger, som foretages af mikroprocessorerfor at finde de optimale switchtider for vekselretterens halvle-dere. Disse to principper står beskrevet på side 84 og de følgen-de sider.

TransistorerDe transistorer, der findes i dag til høje strømme, høje spæn-dinger og switchfrekvenser, erstatter de tyristorer, der tidligereblev anvendt i vekselrettere. Modsat tyristorer og dioder, er entransistor uafhængig af, at strømmen skal foretage et nulgen-nemløb. Transistorer kan lede eller spærre på ethvert tidspunktved at polariteten i styringsklemmerne ændres. Udviklingen afhalvlederteknologi i de senere år har ført til en betydelig stig-ning i transistorernes switchfrekvens. Den øvre switchgrænseer i dag flere hundrede kilo-hertz.

Dette medfører en reduktion af den elektromagnetiske forstyr-relse, som skabes af motorens »puls«-magnetisering.

U

UZ UZ

t

U

PAM PWMt

Ill. 2.16 Modulation af amplitude og pulsbredde

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 65


En anden fordel ved den høje koblefrekvens er den variablemodulation af frekvensomformerens udgangsspænding. Dettegør det muligt at skabe en sinusformet motorstrøm. Frekvens-omformerens styringskredsløb behøver blot at slå vekselretter-ens transistorer til og fra i et passende mønster.

Vekselretterens koblefrekvens er et kompromis mellem motor-ens tab (motorstrømmens sinusform) og tabene i vekselretteren.Ved en højere koblefrekvens stiger tabene i vekselretteren medantallet af halvleder-omskift.

Høj-frekvente transistorer kan opdeles i tre hovedtyper:• Bipolare (LTR)• Unipolare (MOS-FET)• Insulated-Gate-Bipolare (IGBT)

0

t

0

0

IN

Ill. 2.17 Koblefrekvensen påvirker motorstrømmen

fp = 1,5 kHz

fp = 3 kHz

fp = 12 kHz

IN

0

0

0

ωt

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 66


IGBT transistoren kombinerer egenskaberne i MOS-FET tran-sistorer med LTR transistorers udgangsegenskaber.

I dag sidder komponenter og styringer til disse vekselrettere i etstøbt modul, kaldet »Intelligent Power Module« (IPM).

Nedenstående tabel angiver de væsentligste forskelle.

Halvledere MOS-FET IGBT LTREgenskaber

Symbol

Konstruktion

Lede-evneLede-evne for strøm Lav Høj HøjTab Høj Ubetydelig Ubetydelig

SpærringØvre grænse Lav Høj Medium

OmskiftningTilslutningstid Kort Medium MediumFrakoblingstid Kort Medium LavTab Ubetydelig Medium Høj

StyringEffekt Lav Lav HøjEnhed Spænding Spænding Strøm

S

N+ N+P

P+N–

SG

D

S

N+ N+P

N+N–

SG

D

B

C

N+ N+P

N+N–

E

Ill. 2.18 Sammenligning mellem effekttransistorer

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 67


IGBT transistorer passer godt til frekvensomformere. Dettegælder effektområde, gode lede-egenskaber, høj koblefrekvensog let styring af disse transistorer.

kVA

kHz

IGBT

LTR

MOS-FET

Ill. 2.19 Effekt- og frekvensområde for effekttransistorer

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 68


Puls-Amplitude-Modulation (PAM)PAM proceduren (Pulse-Amplitude-Modulation) anvendes i fre-kvensomformere med variabel mellemkredsspænding. Ud-gangsspændingens amplitude frembringes enten af mellem-kredschopperen i frekvensomformere med ustyret ensretter,eller direkte ved frekvensomformere med styret ensretter.Nedenfor følger en oversigt over spændingsfrembringelsen i fre-kvensomformere med mellemkredschopper.

Transistoren (chopperen) i ill. 2.20 aktiveres og slås fra gennemstyrings- og reguleringskredsløbet. Kobletiderne afhænger afden nominelle værdi (indgangssignalet) og det målte spæn-dingssignal (faktisk værdi). Den faktiske værdi måles ved kon-densatoren. Spole og kondensator fungerer som filtre, derudjævner spændingsudsvingene. Spændingsspidsen afhængeraf transistorens åbningstider. Hvis den nominelle værdi og denfaktiske værdi er forskellige, reguleres chopperen derefter, ind-til det ønskede spændingsniveau efter chopperen er opnået.

FrekvensstyringUdgangsspændingens frekvens varieres af vekselretteren vedat ændre periodelængden. Inden for en periode switcher halv-lederne et antal gange.

Ill. 2.20 Spændingsregulering

?

+

–

+

–

Chopper

Faktisk værdi

Fastjævnspænding

Variabeljævnspænding

Styrings- og reguleringskredsløb

Indgangssignal

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 69


Periodens længde kan styres1. direkte ved indgangssignalet, eller2. af den variable jævnspænding, som er proportional med ind-gangssignalet.

Pulse-Bredde-Modulation (PWM)Den mest anvendte procedure til at frembringe en trefasetspænding med tilsvarende frekvens er Puls-Bredde-Modulation(Pulse-Width-Modulation).

Ved denne procedure slås hele mellemkredsspændingen (~√2—×

Unet) til og fra via de effekt-elektroniske komponenter. Puls-bredde-gentagelsestakten mellem fra og til kobletiderne er vari-abel og forårsager spændingsjustering.

Der er forskellige muligheder for at bestemme tilslutnings- ogfrakoblingstiderne for vekselretteren. I det følgende gives enredegørelse over den såkaldte sinus-evaluerede PWM procedu-re (også kendt som traditionel PWM) og de yderligere mulighe-der, nutidens teknologi giver med hensyn til at afgøre veksel-retterens kobletider.

Ill. 2.21 Frekvensstyring via mellemkredsspænding

+

–

Vekselrettere

Variabeljævnspænding Motor

3~

Styrings- og reguleringskredsløb

Spænding Frekvens

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 70


Sinusstyret Puls-Bredde-Modulation (PWM)Dette styringsprincip anvender en sinusformet reference-spænding (US) for hver frekvensomformer-udgang.Periodelængden på den sinusformede spænding svarer til denønskede grundfrekvens for udgangsspændingen. Der lægges en deltaspænding hen over de tre referencespæn-dinger (U∆) (se ill. 2.22).

I snitfladerne mellem deltaspændingen og sinusreferencen slåsvekselretterens halvledere til og fra.

Snitfladerne sammenlignes af elektronikken på styringskortet.Hvis deltaspændingen er højere end sinusspændingen, bliverudgangsimpulsen hhv. negativ eller positiv, når deltaspænding-en reduceres. Frekvensomformerens maksimale udgangs-spænding bestemmes således af mellemkredsspændingen.Udgangsfrekvensen ændres ved, at motoren i kortere eller læn-gere tid tilsluttes det halve af mellemkredsspændingen.

USU∆

U1–U2

U2

U1

ωt

ωt

ωt

ωt

US1 US2U∆

Ill. 2.22 Princippet for den sinusstyrede PWM (med to reference-spændinger: US1, US2)

Omformerudgang

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 71


Udgangsspændingen ændres af spændingsimpulserne fraudgangsklemmerne på frekvensomformeren, når de opløses i enrække snævrere enkelt-impulser med intermitterende pauser.Dette forhold mellem impuls og pause kan ændres efter denønskede spænding. Amplituden for den negative og positivespændings impulser svarer derfor altid til halvdelen af mellem-kredsspændingen.

Ved lave statorfrekvenser stiger periodetiden. Periodetiden kanblive så stor, at det ikke er muligt at opretholde deltaspænding-ens frekvens.

Derved bliver den spændingsfrie periode for lang og motorenskørsel bliver uregelmæssig. For at undgå dette kan delta-spændingens frekvens fordobles ved lave frekvenser.

En lav koblingsfrekvens fører til højere akustisk motorstøj. Forat begrænse denne støj kan koblingsfrekvensen øges. Dette erblevet muligt takket være den løbende udvikling af halvledere.Modulation af en næsten sinusformet udgangsspænding ogfrembringelse af en næsten sinus-formet strøm er dermedmulig.

0,00

0,50

1,00

–0,50

–1,00

U-V V-W W-U0,866

–0,866

3600 60 120 180 240 300

Ill. 2.23 Udgangsspænding i sinusstyret PWM

Koblingsmønster for fase UFasespænding (0-point = halv mellemkredsspænding)Kombineret spænding til motor

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 72


En PWM frekvensomformer, som arbejder udelukkende medsinusformet reference-modulation er i stand til at levere op til86,6% af den nominelle spænding (se ill. 2.23).

Fasespændingen på frekvensomformerens udgangsklemmersvarer til halvdelen af mellemkredsspændingen divideret med√2—

og svarer således til halvdelen af forsyningsspændingen.Netspændingen på udgangsklemmerne svarer til √3

—gange

fasespændingen og er dermed lig med 0,866 gange forsynings-spændingen.

Udgangsspændingen for frekvensomformeren kan ikke nå op påmotorspændingen ved en ren sinus-modulation. Udgangsspæn-dingen vil være ca. 13% for lav.

Den nødvendige ekstra spænding kan opnås ved at nedsættepulstallet, hvis frekvensen overstiger ca. 45 Hz. Denne metodehar den ulempe, at den får spændingen til at veksle trinvist oggør motorstrømmen ustabil. Hvis pulstallet reduceres, stigerdet overharmoniske indhold ved frekvensomformerens udgang.Dette fører til større tab i motoren.

Ved en anden metode anvendes andre referencespændinger istedet for de tre sinus-referencer. Disse kan være trapez-forme-de spændinger, trin-formede spændinger eller spændinger meden anden tidsrækkefølge.

En enkelt frembragt referencespænding bruger den tredje har-moniske af sinus-referencerne. Ved at øge sinus-referencensamplitude med 15,5% og tilføje den tredje harmoniske, kan deropnås et koblingsmønster for vekselretterens halvledere, somøger frekvensomformerens udgangsspænding.

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 73


Synkrone PWM rutinerVed den sinus-evaluerede PWM procedure var det nødvendigt atoptimere spændingsudnyttelsen og minimere oversvingsspek-tret. Hvis gentagelsestakten (dvs. frekvensen for deltaspæn-dingen) bliver meget høj i forhold til referencesignalets fre-kvens, kan disse to signaler løbe asynkront i forhold tilhinanden. Ved frekvensforhold tæt ved 10 eller lavere – senest,vil der opstå forstyrrende undersvingninger. Det er således nød-vendigt at synkronisere disse to signaler. Denne synkroniseringkan ses af det såkaldte »gearskift«.

Da pris/kraft-forholdet for microprocessor-teknologien, integre-rede omskiftere og komponenter i effektelektronikken (Bipolaretransistorer og IGBT’er) har udviklet sig gunstigt, udføresbestemmelse af koblingstiden for vekselretteren nu ved hjælp afen microprocessor (computer) selv ved enkle apparater.

Specifikationerne af softwaren til beregning af koblingstiderneer forskellige fra den ene leverandør til den anden og behandlesikke yderligere i denne sammenhæng.

Hvis der stilles større krav vedrørende drevets hastighedsregu-leringsområde og rotationsegenskaber, kommer koblingstidernefor Pulse-Width-Modulation ikke længere fra en microprocessor,men fra ekstra, digitale koblingskredsløb, så som ASIC(Application Specific Integrated Circuit). Denne komponentindeholder know-how’et fra de enkelte leverandører. Mikroprocessorerne overtager så andre opgaver.

Et af de grundliggende problemer ved PWM proceduren er at fåbestemt de optimale koblingstider og -vinkler for spændingenud over en given periode. Disse koblingstider skal indstilles, såder kun tillades et minimum af overharmoniske bølger. Etsådant koblingsmønster kan kun opretholdes for et givet (be-grænset) frekvensområde. Drift uden for dette område kræveret andet koblingsmønster. Disse modulationsteknikker (synkro-ne) med »gearskift« er gode for trefasede vekselstrømsdrev medlave dynamiske egenskaber, hvor spænding og frekvens (normalU/f styring) kan ændres langsomt.

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 74


Asynkrone PWM rutinerKravene til hurtig systemreaktion ved momentog hastigheds-styring af trefasede vekselstrømsdrev (bortset fra booster-drev)med felt-orienteret styring nødvendiggør en trinvis ændring afamplitude og vinkel på vekselretterens spænding. Med et »nor-malt« eller »synkront« PWM koblingsmønster er det ikke muligtat ændre vekselretterspændingens amplitude og vinkel trinvist.En mulig måde at opfylde disse krav på er den asynkrone PWMprocedure, hvor der ikke sker nogen synkronisering af frekvens-takten og den indstillede motorfrekvens.

Der gives i det følgende en præsentation af to asynkrone PWMprocedurer:• SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronous Vector Modu-

lation) og• 60° AVM (Asynchronous Vector Modulation).

Disse procedurer muliggør en trinvis ændring af vekselret-terspændingens amplitude og vinkel.

SFAVMSFAVM er en rum-vektor moduleringsprocedure, som gør detmuligt at ændre vekselretterspændingen tilfældigt, men trin-vist inden for koblingstiden (asynkront).

Hovedmålet for denne modulation er at holde stator-feltet opti-malt (ingen momentbølger) over statorspændingen. Sammen-lignet med netforsyningen medfører den »normale« PWM-for-syning en afvigelse fra statorfeltets vektor-amplitude ogfelt-vinklen. Disse afvigelser påvirker det roterende felt(moment) i luftnoterne på motoren og gør momentet bølgefor-met. Virkningen af denne afvigelse på amplituden er ubetydeliglille og kan reduceres yderligere ved at øge koblings-frekvensen.Afvigelsen på vinklen afhænger af koblingssekvensen og kanføre til større momentbølger. Derfor skal koblingsrækkefølgenberegnes, så det sikres, at afvigelsen på vektorvinklen minime-res.

Hver vekselretter-gren af en trefaset PWM vekselretter kanhave to forskellige positioner (on eller off).

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 75


De tre omskiftere giver hver otte mulige koblingskombinationer(23) og dermed otte diskrete spændingsvektorer ved vekselrette-rens udgang eller ved statorviklingen på den tilsluttede motor.Som vist i ill. 2.24a, placeres disse vektorer 100, 110, 010, 011,001, 101 i hjørnerne af en ophængt sekskant ved brug af 000 og111 som nul-vektorer.

Med koblingskombinationerne 000 og 111 skabes der sammepotentiale i alle tre udgangsklemmer på vekselretteren – entenet plus- eller et minus-potentiale fra mellemkredsløbet (se ill.2.24b). For motoren kommer dette tæt på virkningen af enklemme-kortslutning; 0 V spændingen påføres også motorvik-lingerne.

Frembringelse af motorspændingHvis man betragter den stationære drift, svarer denne til at for-syne maskinspændingsindikator Uwt til et kredsløb, som vist iill. 2.25b.

Længden af spændingsindikatoren er et mål for værdien afmotorspændingen, og rotationshastigheden svarer til driftsfre-kvensen på det pågældende tidspunkt. Motorspændingen frem-bringes ved dannelse af middelværdier på grund af korte impul-ser fra tilstødende indikatorer.

Danfoss SFAVM har følgende egenskaber, blandt andre:• Spændingsvektoren kan styres uden afvigelse med hensyn til

den nominelle, indstillede amplitudeog vinkelværdi.

V

U

U V W

W

000 111

101

1

+

–

0 0

0 1 1

010

110 100

011 001

Ill. 2.24a Ill. 2.24bSpændingsvektorer Illustration af vekselretteren

fungerende som omskifter

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 76


• En koblingssekvens starter altid fra 000 eller 111. Dette giverhver spændingsvektor tre koblingsmåder.

• Middelværdien for en spændingsvektor findes ved korteimpulser fra tilstødende vektorer samt nulvektorerne 000 og111.

Generering af motorspænding kan forklares mere i detaljer vedhjælp af følgende eksempel, som illustreres i 2.25 og 2.26:

U

V

W

c) Tidssekvens for styringssignalerne for de tre vekselretter-strenge – U, V, W

Ill. 2.25 Momentoptagelse PWM efter rumvektormodulering (SFAVM) ved 50% at nominel motorspænding

1,0

0,5

UMotor

0

V

ωt

U ωt

U

W

101010

110 100

011 001

a) Indstillet udgangs-spænding (50% af nominel spænding)

b) Efterfølgende generering af den ideelle spændingsindikatorUωt gennem PWM mellem tilstødende, justerbare spændingsvektorer

Grundbølge

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 77

Den indstillede nominelle værdi (Uωt) i ill. 2.25a er 50%.Udgangsspændingen frembringes ved korte impulser fra dentilstødende indikator – i dette tilfælde 011 og 001, samt 000 og111 – i form af en middelværdi (ill. 2.25b).

Ill. 2.26 viser frembringelsen af en motorspænding på 100%.

SFAVM skaber en forbindelse mellem styringssystemet og vek-selretterens effektkredsløb. Moduleringen er synkron med sty-ringens styringsfrekvens (se kapitel VVCplus) og asynkron medmotorspændingens grundfrekvens.


1,0

0

Umotor

V

U

W

101010

110 100

011 001

U

V

W

a) Indstillet udgangs-spænding (100% af nominel spænding)

c) Tidssekvens for styringssignalerne for tre vekselretter-strenge – U, V, W

Ill. 2.26 Momentoptagelse PWM efter rumvektormodulation (SFAVM) ved 100% nominel spænding

b) Generering af ideel spændings-indikator Uωt gennem PWM mellem tilstødende, justerbarespændingsvektorer

Grundbølge

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 78


Synkronisering mellem styring og modulation er en fordel forhøjeffekt-styringerne (spændingsvektor, feltvektor), da sty-ringssystemet for spændingsvektoren er i stand til at styredirekte og uden begrænsninger (amplitude, vinkel og vinkelhas-tighed kan styres).

For væsentligt at nedbringe »on-line« beregningstiden, angivesspændingsværdierne for forskellige vinkler i en tabel. Ill. 2.27 viser et udtog fra vektormodulationstabellen for SFAVMfra Danfoss tillige med udgangsspændingen (til motor-en).

Ill. 2.28 Udgangsspænding (motor) – (fase-fase)

1500

1000

500

060 120 180 240 300 360

–500

–1000

–1500

Ill. 2.27 Udgangsværdier i vektormodulationstabellen (SFAVM)

Fase U-0

Fase W-0

Fase V-0SpændingsvinkelO

pløs

ning

[bit

s]

1500

1000

500

060 120 180 240 300 360–500

–1000

–1500

–2000

2000

–2500

2500

U-W

V-W

U-VSpændingsvinkelO

pløs

ning

[bit

s]

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 79


60° AVMHvis der anvendes 60° AVM (Asynchronous Vector Modulation)i stedet for SFAVM proceduren, kan spændingsvektorerne fast-lægges som følger:• Inden for koblingsperioden anvendes kun en nulvektor (000

eller 111).• En koblingssekvens begynder ikke altid fra en nulvektor (000

eller 111).• Inden for 1/6 periode (60°) kobler vekselretteren ikke i en fase.

Koblingstilstanden (0 eller 1) opretholdes. I de to andre fasersker koblingen normalt.

Ill. 2.29 angiver koblingsfrekvensen ved en 60° AVM procedureover for SFAVM proceduren – for et kort tidsinterval (a) og forflere perioder (b).

0.2450 0.2452 0.2454 0.2456

t (s)

U

V

W

U

V

W

60°-AVM

SFAVM

Ill. 2.29a Koblingssekvens ved 60° AVM og SFAVM ved nogle 60° intervaller

Ill. 2.29b Koblingssekvens ved hhv. 60° AVM og SFAVM for flere perioder

0.23 0.24 0.25 0.26 0.27

t (s)

U

V

W

U

V

W

60°-AVM

SFAVM

V.A.V. 01 03/04/98 11:28 Side 80


Styringskredsløb Styringskredsløbet, også kaldet styringskredsløbsprintet, erden fjerde hovedkomponent i frekvensomformeren. Det har firevæsentlige opgaver:• styring af frekvensomformerens halvledere,• dataudveksling mellem frekvensomformeren og periferaler-

ne,• indsamling og rapportering af forstyrrelsesmeddelelser,• udførelse af beskyttelsesfunktioner for frekvensomformer og

motor.

Anvendelsen af mikroprocessor-teknologi har muliggjort en for-bedring i styringskredsløbets hastighed, hvor der anvendes fær-dige og oplagrede pulsmønstre. Dette nedbringer antallet afnødvendige beregninger betydeligt.

Når denne type styring anvendes, er den computer, der er ind-bygget i frekvensomformeren, altid i stand til at angive det opti-male pulsmønster for hver driftstilstand.

Ill. 2.30 viser en PAM-styret frekvensomformer chopper i mel-lemkredsløbet. Styringskredsløbet styrer chopperen (2) og vek-selretteren (3).

Uf

1 2 3

Ill. 2.30 Styringskredsløbs-princippet anvendt til et chopper-styret mellemkredsløb

Styringskredsløb forchopper-frekvens

PI spændingsregulator

Sekvens-generator

Styringskredsløb for PAM frekvensomformer

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 81

Dette gøres i overensstemmelse med øjebliksværdien af mel-lemkredsspændingen.

Mellemkredsværdierne styrer et kredsløb, der fungerer somadressetæller i data-lageret. Lageret har udgangssekvensernefor vekselretterens pulsmønster. Når mellemkredsspændingenstiger, tælles der hurtigere, sekvensen tilendebringes hurtigereog udgangsfrekvensen stiger.

Med hensyn til chopper-styringen, sammenlignes mellemkreds-spændingen først med referencesignalets nominelle værdi – etspændingssignal. Dette spændingssignal forventes at give enkorrekt udgangsspænding og -frekvens. Hvis der er forskel påreferencesignalet og mellemkredssignalet, meddeler en PI regu-lator et kredsløb, at cyklustiden skal ændres. Dette fører til enjustering af mellemkredsspændingen til referencesignalet.

Danfoss styringerIll. 2.31 angiver styringsproceduren for vekselrettere, anvendtaf Danfoss.

Styringsalgoritmen anvendes til at beregne PWM koblingsmøn-stret for vekselretteren. Styringsproceduren er i form af VoltageVector Control (VVC) (spændingsvektor-styring) for spænd-ingsstyrede frekvensomformere.


Ill. 2.31 Styringsprincipper anvendt af Danfoss

Software Hardware (ASIC) Vekselretter

VVC Synkron60° PWM Motor

VVCplus Asynkron• SFAVM • 60° PWM

Styrings-algo-

ritmenPWM

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 82

VVC styringsprincippet styrer spændingsvektorens amplitudeog frekvens ved anvendelse af belastnings- og slipkompensati-on. Vinklen på spændingsvektoren bestemmes i forhold til denindstillede motorfrekvens (nominel værdi) samt frekvenstakt-en.

Denne procedurer giver bl.a. følgende egenskaber:• fuld nominel motorspænding ved nominel motorfrekvens, så

der ikke er behov for effektreduktion• hastighedsreguleringsområde: 1:25 uden feedback• hastighedspræcision: ±1% af nominel hastighed

uden feedback• robust over for belastningsstød

Med VVCplus styringsprincippet styres spændingsvektorensamplitude og vinkel, tillige med frekvensen, direkte.Ud over egenskaberne ved VVC princippet, tilbyder denne sty-ringsprocedure følgende fordele:Forbedrede dynamiske egenskaber inden for lavhastighedsom-rådet (0 Hz – 10 Hz).• forbedret motormagnetisering• hastighedsreguleringsområde: 1:100 uden feedback• hastighedspræcision: ±0.5% af den nominelle

hastighed uden feedback• aktiv resonansdæmpning• momentstyring• kørsel i strømgrænsen


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 83

Danfoss VVC styringsprincipDanfoss VVC styringsprincip anvender en synkron 60° PWMprocedure.

Styringskredsløbet arbejder efter en matematisk model, som:• beregner den optimale motormagnetisering ved forskellige

motorbelastninger ved hjælp af kompensationsparametre.

Den synkrone 60° PWM procedure, som er indpasset i et ASICkredsløb, bestemmer• den optimale koblingstid for vekselretterens halvledere

(IGBT’er).

Disse koblingstider bestemmes som følger:• Den numerisk største fase holdes på sit positive eller negati-

ve potentiale i 1/6 af periodetiden (60°).• De to andre faser skiftes over proportionalt, så den deraf føl-

gende udgangsspænding (fase-fase) igen er sinus-formet ognår den ønskede amplitude (ill. 2.32b).


0,00

–0,5 UDC

0,5 UDC

3600 60

60°

120 180 240 300

Ill. 2.32a Synkron 60° PWM (Danfoss VVC styring) af en fase

UDC = mellemkredsspænding

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 84


Modsat det sinus-styrede PWM princip, er VVC styringsprin-cippet baseret på digital generering af den ønskede udgangs-spænding. Dermed sikres det, at frekvensomformerens ud-gangsspænding når forsyningsspændingens fulde højde.Motorstrømmen blive sinus-formet, og motorforholdene svarertil dem, der opnås ved direkte nettilslutning.

Den optimale motormagnetisering opnås ved, at frekvensomfor-meren tager højde for motorkonstanterne (statormodstand oginduktivitet). Ved brug af disse data beregner frekvensomfor-meren den optimale udgangsspænding.

Da frekvensomformeren fortsat måler belastningsstrømmen,kan den senere regulere udgangsspændingen, så den passer tilbelastningen. Motorspændingen tilpasses således motortypenog følger belastningsvariationerne.

0,00

0,50

1,00

–0,50

–1,00

U-V V-W W-U

3600 60 120 180 240 300

Ill. 2.32b Med det synkrone 60° PWM princip opnås den fulde udgangsspænding direkte

Koblingsmønster for fase UFasespænding (0-point = halvdelen af mellemkredsspændingen)Kombineret spænding til motor

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 85

Danfoss VVCplus styringsprincipDanfoss VVCplus styringsprincip anvender et vektormodulations-princip for konstante, spændingskontrollerede PWM vekselret-tere.

Koblingsmønstret for vekselretteren beregnes efter SFAVMeller 60° AVM princippet, så det pulserende moment i luftspal-ten forbliver meget lille (i forhold til frekvensomformere, somanvender synkron PWM). Brugeren vil selv kunne vælge et afovenstående principper, eller lade valget af styring (AUTO) fore-tage på grundlag af kølelegemets temperatur. Hvis temperatu-ren er under 75°C, anvendes SFAVM princippet til styring,mens der ved temperaturer over 75°C gøres brug af 60° AVMprincippet.

Tabel 2.01 giver en kort oversigt over de to principper:

Styringsprincippet kan ses ud af det ækvivalente kredsløbsdia-gram (ill. 2.33) og princip-kredsløbsdiagrammet (ill. 2.34).

Der skelnes mellem to driftstilstande:

• TomgangUnder tomgang flyder der ingen strøm i rotoren (iω = 0), hvilketbetyder, at tomgangsspændingen kan udtrykkes som følger:

U = U L = (RS + jωSLS) × is


Tabel 2.01 Oversigt: SFAVM over for 60° AVM

Maks. koblings-Valg frekvens for Egenskaber

vekselretter

SFAVM Maks. 8 kHz 1. lav momentbølge i forhold til synkron 60° PWM (VVC)

2. ingen »gearskift«

3. høje koblingstab i vekselretteren

60° AVM Maks. 14 kHz 1. reducere koblingstab i vekselretteren (med 1⁄3 i forhold til SFAVM)

2. lav momentbølge i forhold til den synkrone 60° PWM (VVC).

3. relativ høj momentbølge i forhold til SFAVM

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 86

hvor:RS er statormodstanden,is er motorens magnetiseringsstrøm,LSσ er statorens lækageinduktans,Lh er hovedinduktiviteten,LS (= LSσ + Lh) er statorens induktivitet, ogωs (= 2πfs) er det roterende felts vinkelhastighed i luft-

noterneTomgangsspændingen (U L) findes ved anvende motorensdata (nominel spænding, strøm, frekvens, hastighed).

• BelastningUnder belastning flyder den aktive strøm (iw) i rotoren. Forat muliggøre denne strøm stilles en ekstra spænding (U Komp)til rådighed for motoren:

U = U Last = UL + U Komp

Den ekstra spænding U Komp bestemmes efter tomgangs- ogbelastningsstrømmene samt hastighedsområdet (lav ellerhøj omdr./min. værdi). Spændingsværdien og hastighedsom-rådet bestemmes på grundlag af motorens data.


iw

LRσ

RrLh

is

LSσRS

+

UL

Uq

UKomp

Ill. 2.33b Ækvivalent kredsløbsdiagram for trefaset veksel-strømsmotor (under belastning)

iw

LRσ

Rr

is

LSσ

Lh

RS

U = UL Uq

Ill. 2.33a Ækvivalent kredsløbsdiagram for trefaset veksel-strømsmotor (under tomgang)

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 87


ffr

ekve

ns (i

nter

n)f s

inds

till

et n

omin

al fr

ekve

ns∆ f

bere

gnet

sli

pfre

kven

sI S

Xbl

inds

trøm

skom

pone

nter

(ber

egne

t)IS

Yak

tivs

trøm

skom

pone

nter

(ber

egne

t)I S

X0,

IS

Y0

tom

gang

sstr

øm fo

r x

og y

aks

erne

(b

ereg

net)

I u, I

v, I

wst

røm

i fa

sern

e U

, V o

g W

(mål

t)R

sst

ator

mod

stan

dR

rro

torm

odst

and

θsp

ænd

ings

vekt

or-v

inke

lθ 0

tom

gang

svæ

rdi t

heta

∆θbe

last

ning

safh

æng

ig d

el t

heta

(k

ompe

nsat

ion)

TC

Tem

pera

tur

for

varm

ebor

tska

ffel

se/

køle

lege

me

UD

Csp

ænd

ing

i jæ

vnst

røm

s-m

elle

mkr

eds

UL

tom

gang

sspæ

ndin

gsve

ktor

US

stat

orsp

ænd

ings

vekt

orU

Kom

pbe

last

ning

safh

æng

ig s

pænd

ings

-ko

mpe

nsat

ion

Um

otor

ens

fors

ynin

gssp

ænd

ing

Xh

reak

tans

X1

stat

or læ

k-re

akta

nsX

2ro

tor

læk-

reak

tans

ωs

stat

orfr

ekve

nsL

Sst

ator

-ind

ukta

nsL

Ss

stat

or-l

æk-

indu

ktan

sL

Rs

roto

r-læ

k-in

dukt

ans

i sm

otor

ens

fase

strø

m (s

kins

trøm

)i w

akti

v (r

otor

) str

øm

For

klar

inge

r ti

l ill

. 2.3

3 (s

ide

87) o

g il

l. 2.

34 (s

ide

89)

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 88


xy

PW

M-A

SIC

ab

xy

ab

2

3

I SX

0I S

Y0

I SX

I SY

I uI v

I w

UL

UD

CT

C

I 0 θ 0θ

θ Lf s

f

∆f

∆θp

UU

UK

omp

f

f

f

=

3~

θ

Ens

rett

er

Vek

selr

ette

r

Mot

or

Kob

ling

s-lo

gik

Spæ

ndin

gs-

vekt

or-

gene

rato

r(t

omga

ng)

Bel

ast-

ning

s-ko

mpe

n-sa

tor

Sli

p-ko

mpe

n-sa

tion

Ram

pe

Net ~

Bas

is V

VC

plu

s

Mot

or-

mod

el

Ill.

2.34

Gru

nd

lag

for

VV

Cpl

usst

yrin

g

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 89

Som vist i ill. 2.34, beregner motormodellen de nominelle tom-gangsværdier (strømme og vinkler) for belastningskompensato-ren (ISX0, ISY0) og for spændings-vektorgeneratoren (I0, θ0).

Spændings-vektorgeneratoren beregner tomgangsspændingen(U L) og -vinklen (θL) for spændingsvektoren på grundlag af tom-gangsstrømmen, statormodstanden og induktiviteten (se ill.2.33a).

De målte motorstrømme (Iu, Iv og Iw) anvendes til at beregne dekomponenter, som udgøres af blindstrømmen (ISX) og den aktivestrøm(ISY).

På grundlag af de beregnede strømme (ISX0, ISY0, ISX, ISY) og defaktiske værdier for spændingsvektor, foretager belastnings-kompensatoren et skøn over luftspaltens moment og beregner,hvor meget ekstra spænding (U Komp), der skal til for at opret-holde magnetfeltet på den nominelle værdi. Belastnings-kom-pensatoren beregner også vinkelafgivelsen (∆θ), som må forven-tes pga. belastningen på motorakslen. Udgangs-spændingsvektoren er vist i polar form (p). Dette tilla-der en direkte overmodulation og letter forbindelsen til PWM-ASIC.

Spændingsvektorstyring er effektiv især for lave hastigheder,hvor drevets dynamiske effekt kan forbedres betydeligt i forholdtil U/f styringen ved hjælp af passende styring af spændings-vektorvinklen. Desuden opnås bedre præstation fra statoren,fordi styringssystemet er bedre i stand til at håndtere belast-ningsmomentet gennem vektorværdierne for spænding ogstrøm, end det er tilfældet på grundlag af de skalerede signaler(amplitude værdier).

BeskyttelsesfunktionerVVCplus systemet giver et beskyttelseskredsløb, som tjener til atopbygge et stærkt, intelligent el-kredsløb, mens omkostninger-ne til frekvensomformeren og motorbeskyttelsen samtidig hol-des så lave som muligt.Dette opnås ved en digital beskyttelsesstrategi, baseret på gen-anvendelse af de signaler, styringssystemet skal bruge, oganvendelse af hurtig, digital signalbearbejdning (ASIC) i stedetfor passive el-komponenter (som f.eks. vekselstrømsspoler).


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 90

Vekselretteren er beskyttet imod alle forstyrrelser med undta-gelse af brud på de enkelte grene. I dette tilfælde kan der anven-des en passende pausetidsstyring og et korrekt gate-drev. HverIGBT er galvanisk adskilt fra forsyningsspændingen og sty-ringssignalet ved hjælp af gate-drev transformere.

En fejlovervågningsfunktion bearbejder de registrerede forstyr-relser. I det følgende gives en beskrivelse af, hvordan man hånd-terer overstrømme og for høje temperaturer.

Strøm og temperatur overføres til ASIC, enten gennem en ana-log/digital transducer eller en komparator. »Fejlovervågning«-funktionen i ASIC bearbejder signalerne, så de kan aktivere denkorrekte beskyttelsesfunktion (strøm, trin 1 og 2 (ill. 2.35)). Forat begrænse størrelsen af ASIC, udføres fejlovervågning på detandet niveau i mikroprocessoren (strøm, trin 3 og 4 (ill. 2.35)).

Overstrøm-beskyttelse:Ill. 2.35 gør det klart, hvordan forskellige »filtertider« (tiden førfrekvensomformeren slår fra) kommer fra forskellige strømme.Udløserniveau og »filtertid« kan indstilles til den størst muligestøjsikring for den enkelte vekselretter-omskifter (IGBT). Støjer i denne sammenhæng både egentlig støj (interferens) og kort-varige overbelastninger, som f.eks. indkobling af vekselretterenpå lange motorkabler. For at gøre vekselretteren endnu mereufølsom, er der tilføjet en ekstra »filtertid«.


T1 T2 T3 T4

Strøm

Tid

ASIC+

komparator

AD+

µC

Trin 1

Trin 2

Trin 3

Trin 4

Ill. 2.35 Overstrømstrin

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 91


Denne »filtertid« angiver ved hvilke frekvenser og hvor ofte efterhinanden, vekselretten kan indkobles før den endeligt låses(strømniveau 1). Brugeren bestemmer filtertid T4 og strøm-niveau 4.

Eksempel:Af anlægstekniske årsager må en 4-polet 1,5 kW motor kuntrække 4 A i 5 sek. Det betyder, at T4 = 5 sek. og strømniveau 4 = 4 A.

Resten bestemmes af styringerne og hardwarens strømgrænsefor frekvensomformeren.

Et sådant overstrøms-beskyttelseskredsløb, hvor der i bereg-ningerne tages højde for, hvor robuste den nye generation afIGBT’er er, giver en stærk vekselretter uden brug af ekstra, pas-sive komponenter, som f.eks. motorspoler.

Beskyttelse mod høje temperaturer:Temperaturen i kølelegemet (TC)(se ill. 2.34) måles direkte, ogpå grundlag heraf beregnes vekselrettertabene (Ptab,WR). I denneberegning antages det, at kølelegements temperatur afhængeraf den omgivende temperatur, køleforholdene og vekselrette-rens tab, og at omskifterne (IGBT’erne) i vekselretteren er debegrænsende komponenter.

Ved at kombinere de målte værdier for TC og Ptab,WR), er detmuligt at indstille drevet optimalt til de faktiske arbejdsforhold.Normalt er dette et spørgsmål om at ændre koblingsfrekvensenog udgangsstrømmen i forhold til køleforholdene, netspænding-en og den omgivende temperatur.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 92


Ill. 2.36 giver et eksempel, hvor temperatursignalet anvendespå en sådan måde, at brugeren har mulighed for og tid til at rea-gere på en fejl. Brugeren kan for eksempel korrekt klemtilslut-te og forbinde en frekvensomformer-ventilator, som ved en fejlikke er tilsluttet.

Ved tid T1 er frekvenstakten for vekselretteren nedsat; støjni-veauet (interferensen) stiger, og der gives et advarselssignalsom feedback. Ved T2 er udgangsspændingen nedsat, højt mak-simum moment er begrænset og der gives endnu et signal. VedT3 er en tidligere defineret mindstestrøm nået; der gives en tred-je advarsel. Brugeren har nu mulighed for at vælge et kontrol-leret motorstop eller lade motoren køre med den risiko, at vek-selretteren ved T4 slår helt fra.

Det »intelligente beskyttelseskredsløb«, som er beskrevet (fejl-overvågning) muliggør en effektiv brug af vekselretter-chippen.På denne måde garanteres et stærkt og særdeles »fejl-tolerant«drev. Desuden har brugeren mulighed for at forudprogrammerefrekvensomformerens reaktioner i en given fejlsituation.

T1

TC

T2 T3 T4

Kølelegemets temperatur

Trin 4

Trin 3

Trin 2

Trin 1

Tid

Ill. 2.36 Overtemperatur-trin

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 93

Generelt om computereComputeren består af tre grund-enheder. Hver enhed har enspeciel opgave.

Mikroprocessoren er hjertet i computeren. Hvis processorenmodtager instruktionerne i den rette rækkefølge (programmer),er den i stand til at udføre en række funktioner i computerenshukommelse. Mikroprocessoren styrer også de andre enheder ihenhold til programmet.

Computerens hukommelse er der, hvor program og data lagres.Programmet lagres ofte i en EPROM (Erasable ProgrammableRead Only Memory) eller en PROM. EPROM’er lagrer ogsåderes indhold, hvis spændingen til kredsløbet falder bort.Information i en EPROM kan kun slettes med UV-lys, hvorefterder skal ske ny programmering. Modsat EPROM’er, kanPROM’er kun programmeres en gang. Mikroprocessoren mod-tager information fra EPROM eller PROM.

RAM er den hukommelse, hvorfra mikroprocessoren henterdata og lagrer data igen efter behandling. RAM (Random AccessMemory) mister sin information, hvis spændingen falder bort.Indholdet er ikke længere defineret, når spændingen kommertilbage.

Den tredje enhed er mærket I/O, hvilket er de inputs og outputs(indgange og udgange), computeren skal bruge til kommunika-tion.


RAM ROM I/O

Ill. 2.37 Principdiagram over computeren

Mik

ropr

oces

sor

Data-bus

Styringsbus

Adressebus

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 94

Disse kan være tilsluttet kontrolpaneler, printere eller andetelektronisk udstyr.

Bussen er en parallel leder, som forbinder de enkelte enhedermed computeren. Databussen transmitterer data mellem en-hederne. Adressebussen siger, hvor data skal hentes og hvortil,de skal sendes. Kontrolbussen overvåger transmissionen for atsikre, at den sker i korrekt rækkefølge.

Computere til frekvensomformereUd over de tre nævnte enheder, indeholder computere til fre-kvensomformere en række yderligere enheder. En af disse er enEEPROM (Electrically Erasable PROM) hukommelse, som sæt-ter brugeren i stand til at programmere computeren, og som kanprogrammeres eller afprogrammeres ved hjælp af elektriskesignaler. Dette er nødvendigt ved programmering af frekvens-omformeren (konstruktionsdata) og ved lagring af specialop-gaver.

Desuden kan en frekvensomformer-computer udstyres med enASIC. Dette er et integreret koblingskredsløb, hvor nogle funk-tioner bestemmes af halvleder-fabrikanterne. Øvrige funktion-er kan programmeres, så de passer til de særlige krav fra fre-kvensomformer-fabrikanten. Et eksempel herpå er Danfoss’VVCplus styringsprincip.

Styringskort – ind- og udgangeAnlægget, som frekvensomformeren skal bruges til, afgør be-hovet for ind- og udgange. Frekvensomformere i automatisere-de anlæg skal modtage både analoge og digitale styringssigna-ler. Analoge signaler kan antage alle værdier inden for etbestemt område. Digitale signaler kan antage to værdier (0 eller1).


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 95


Der findes ingen egentlig standard for styringssignaler.Imidlertid er der nogle signaler, som i dag anses for standard –som f.eks. 0-10 V eller 0/4-20 mA for analoge signaler. Da deranvendes halvledere i de digitale signaludgange, skal den digi-tale udgang modtage en mindstestrøm for at gøre signalet»læseligt«. Et typisk signalområde er 20-30 V og 10-500 mA.

De digitale udgange fra en PLC (Programmable Logic Control)er tilpasset de digitale indgange på frekvens-omformeren. Somminimum accepterer disse spændinger f.eks. mellem 10 og 30 Vog har et strømoptag på min. 10 mA ved 20 V. Den interne mod-stand i signalindgangene kan dermed være maksimalt 2 kOhm.

RAMEPROM (PROM) EEPROM

VVCplus

ASIC

Ill. 2.38 Computer til frekvensomformer

U

t b)a)

U

t

Ill. 2.39 Analogt signal (a) og digitalt signal (b)

Mik

ropr

oces

sor

Databus

Kontrolbus

El-kompo-nenter

Drift

Angivelse

Digitaleind-/udgange

Analogeind-/udgange

Adressebus

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 96

KommunikationGrundlæggende kan digitale frekvensomformere udveksle datamed periferalerne via tre snitflader (se ill. 2.40). Der er tale omfølgende:• de konventionelle styringsklemrækker for digitale og analoge

ind- og udgange,• styringsenheden med displays og tastatur,• en seriel snitflade til service og diagnostik samt til styrings-

funktioner.

Afhængig af applikationen, kan kommunikationen suppleresmed en intelligent, seriel snitflade for en højtydende automati-seringsbus (som f.eks. PROFIBUS). Dette kan være i form af enuafhængig gruppe enheder, som kan indeholde deres egenmikroprocessor periferaler (f.eks. Dual Port Ram) som aflast-ning for det elektroniske grundudstyr.

Ved styringsklemrækkerne kræves mindst (n+1) datakabler tiln-forbindelser, hvilket betyder, at antallet af kabler afhænger afopgaverne og antallet af klemmer. De enkelte klemmer kan pro-grammeres til forskellige opgaver. Et kontrolpanel med displayog tastatur kan indbygges i næsten enhver digital frekvensom-former. Displayet gør det muligt at slå styreklemmernes funk-


Ill. 2.40 Grundkoncept – kommunikation (frekvensomformer)

ServiceSeriel snitflade(RS 485/RS 232)

StyringsterminalDigitale og analogeind- og udgange

PC/PLC

IntelligentesnitfladerEnheds-

gruppe fxPROFIBUS

Teknologiskeregelsæt,fx anløbs-styrings

Elektroniskgrund-udstyr

El-del

Enheds-styrings-panel m.

display ogtastatur

Lokalstyringsenhed

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 97

tion fra. Dette kan være nyttigt ved diagnostisering af visse for-styrrelser (ledningsbrud, svigtende styringssignal).

I en proces ses frekvensomformeren som en aktiv del af udsty-ret. Den er en komponent i et system uden feedback (styring)eller et system med feedback (regulering) fra processen.

Et system uden feedback kan betjenes med et simpelt potentio-meter. Et system med feedback er dyrere og laves normalt medet programmerbart styrings- og reguleringssystem (f.eks.PLC/PC).

Generel information om PLC PLC’en er i stand til at levere både styringssignaler (hastighed)og kommandoer (start, stop, reversering).Udgangssignalerne fra frekvensomformeren, som f.eks. motor-strøm eller motorfrekvens, aflæses ofte ved hjælp af instrumen-ter med viser eller lignende. Imidlertid er PLC’en også i standtil at aflæse udgangssignaler. Dermed muliggøres en kontinuer-lig indsamling af data.

Et PLC system består af tre grundelementer:• central enhed,• ind- og udgangsmoduler,• programmeringsenhed.Programmeringsenheden anvendes til at tildele styringsenhe-


Ill. 2.41 Frekvensomformerens lokale styringsenhed

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 98


den et styringsprogram. Centralenheden organiserer indgangs-signalerne og aktiverer udgangssignalerne efter programmet.Den centrale enhed er kun i stand til at arbejde med digitale sig-naler. Disse signaler skifter mellem to værdier, f.eks. mellem 24V og 0 V. Den høje spænding kaldes »1« eller »ON«, mens denlavere spænding kaldes »0« eller »OFF«.

En frekvensomformer og en PLC kan grundliggende forbindespå to forskellige måder. De enkelte ind- og udgange fra PLC’en forbindes med ind- ogudgange på frekvensomformeren ved hjælp af separate kabler.Ind- og udgangene fra PLC’en erstatter således separate kom-ponenter, så som potentiometer, styringskontakter og viser-instrumenter.

Seriel kommunikationVed den anden mulighed transmitteres tidsforskudte signalervia ledersæt. I periode t1-t2 sendes information A; i periode t2-t3

sendes information B, osv. Denne type informationstransmissi-on kaldes seriel kommunikation (se ill. 2.44).

U

»1«

»0«t

Ill. 2.43 Det digitale signal kan være »ON« eller »OFF« i kortereeller længere perioder

Ill. 2.42 Principiel struktur af PLC

CentralenhedInd Ud

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 99


Der er forskellige principper for seriel kommunikation. Detafgørende er antallet af enheder, som skal kommunikere medhinanden.

Et anvendt princip kræver flere ledere, hvis hver enhed skalbåde sende og modtage information. Ved et andet princip erkommunikation med en række enheder mulig med kun to lede-re. Her er det muligt at forbinde flere modtagere til kun enafsender (S). Ved et tredje princip kan alle tilsluttede enhedersende og modtage kun med brug af to ledere. Denne kommuni-kations-forbindelse kaldes en bus.

Enhederne skal have samme signalniveau for at sikre, at enhe-der af forskelligt fabrikat kan modtage det serielle signal.

Desuden skal enhederne have den samme signalstruktur for atsikre, at modtageren forstår de oplysninger, der ligger i signalet.Strukturen og kombinationen af signaler er underkastet enrække standarder.

A

S

S

PL

CP

LC

D/A

D/D

D/D

A/D

S

S

S

A A

A B C D

D D

t1 t2 t3 t4 t5 t1 t2 t3 t4 t5

Ill. 2.44 Seriel kommunikation garanterer hurtig signal-transmission og forenklet installation

D/D = transducer digital/digitalD/A = transducer digital/analogA/D = transducer analog/digitalS = afsender af serielle data

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 100

Systemstrukturer af stigende kompleksitet fører til flere sådan-ne standarder.

Det fælles signalniveau er ikke underkastet nogen bestemt vær-di. Derfor passer softwaren i enhederne normalt, så det fællessignalniveau kan bestemmes.

RS 232 er den mest kendte standard. Dens anvendelse er be-grænset til korte transmissionsafstande og lav transmissions-hastighed. RS 232 anvendes derfor der, hvor signalerne kunsendes lejlighedsvis. Dette kunne være i forbindelse med termi-naler og printere.

RS 422 og 423 løser problemet med afstand og transmissions-hastighed. De anvendes derfor ofte i procesautomatisering,f.eks. sammen med en PLC, hvor signaltransmissionen skalvære kontinuerlig.

RS 485 er den eneste standard, som muliggør forbindelse medog drift af et større antal enheder tillige med kommunikation


Princip Standard Antal Maks. Antal Signal(application) en- af- ledere niveau

heder/ standleder- mpar

RS 232 1 sender Duplex:(punkt 1 mod- 15 min. 3 ±5 V min.til punkt) tager + div.

status- ±15 V maks.signaler

RS 423 1 sender Duplex:(punkt 10 mod- 1200 min. 3 ±3,6 V min.til punkt) tagere + div. ±6 V maks.

status-signaler

RS 422 1 sender Duplex:(punkt 10 mod- 1200 4 ±2 V min.til punkt) tagere

RS 485 32 sendere Semi(Bus) 32 mod- 1200 duplex: ±1,5 V min.

tagere 2

: Sender : Modtager

Ill. 2.45 Standarder for serielle forbindelser

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 101

mellem en række enheder via et fælles leder-par. Denne instal-lation kræver kun to ledere for at give enhederne mulighed forat skiftes til at sende via det fælles ledningssystem (bus). Et afde kendte bussystemer er PROFIBUS.

Til kommunikation mellem en PLC/PC og frekvensomformerefindes der tre typer signaler:• styringssignaler (hastighed, start/stop/reversering)• statussignaler (motorstrøm, motorfrekvens, opnået frekvens)• alarmsignaler (motorstop, overtemperatur)

Frekvensomformeren modtager styringssignaler fra PLC’en ogstyrer derefter motoren. Frekvensomformeren sender statussig-naler til PLC’en og leverer information om styringssignalernesindvirkning på motoren/processen. Hvis frekvensomformerensætter ud på grund af ekstraordinære driftsforhold, sendes deralarmsignaler til PLC’en.

RS 485 giver mulighed for en anden struktur i processystemer.F.eks. kan en PLC installeres i et el-skab, hvorfra den kan styreen række frekvensomformere i et andet el-skab.


PLC

Ill. 2.46 Tre typer signaler mellem en PLC og frekvensomformere

Styringssignaler

Statussignaler

Alarm-/advarselssignaler

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 102

Med overgangen fra analog til digital teknologi, bliver seriellesnitflader mere og mere almindeligt brugt til frekvensomforme-re i forbindelse med• prøvning af udstyr• idriftsætning• serviceopgaver• automatiseret drift, og• visualisering.

Til udvekslingen af informationer mellem frekvensomformereog styringen (PLC/PC) via de serielle snitflader kræves der enprotokol. Protokollen bestemmer maksimumlængden på infor-mationen (telegram) og hvor i informationskæden, de enkeltedata skal placeres.

I protokollen er følgende generelle funktioner beskrevet:• valg (adresse) af det anvendte udstyr• udstyrets datakrav (f.eks. nominelle strøm/spændingsværdi-

er)• Dataoverførsel til de enkelte enheder (f.eks. nominelle værdi-

er, grænseværdier for strøm/frekvenser) med hensyn til deresadresser, og

• dataoverførsel til alle enheder (BROADCAST), f.eks. for atmuliggøre samtidig stop/start. I dette tilfælde kræves deringen feedback fra enhederne.


Ill. 2.47 Bussen giver mulighed for mange forskellige opbygninger

PLC

RS 485

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 103

Hver fabrikant fastlægger sin egen protokol. Det betyder, athvis der anvendes enheder fra forskellige fabrikanter, skal brugeren udføre programmering et antal gange. Mange fabri-kanter tilbyder det nødvendige software til parameterisering, fejldiagnose eller enkle styringsopgaver via pc. Den mest anvendte overførselshastighed er 9600 bits/sek. Ved komplekse applikationer eller applikationer, hvor denne hastighed ikke er tilstrækkelig, anbefales en intelligent, højtydende snitflade-enhed, så som PROFIBUS (se ill. 2.40).

Fabrikant-uafhængig kommunikationBussystemerne giver mulighed for brug af forskellige enheder,som f.eks. PLC, PC, frekvensomformere, følere og aktiverings-enheder til automatisering af tekniske processer. Til informati-onsudvekslingen mellem disse feltenheder og systemer på høje-re niveau – samt blandt enhederne indbyrdes – anvendesbit-serielle feltbusser som kommunikationsmedium. Fabrikant-specifikke protokoller vil føre til isolerede løsninger. Fra bruge-rens synspunkt er der brug for en fabrikant-uafhængig proto-kol. En sådan åben, veletableret protokol er PROFIBUS.

PROFIBUS giver mulighed for udveksling af data mellemenheder fra forskellige fabrikanter uden krav om særskilt juste-ring af snitflader. I mange applikationer inden for automatise-ring af konstruktion og fremstilling, har PROFIBUS vist sineevner med hensyn til drev- og procesteknik.

Der skelnes mellem tre varianter efter de mulige anvendelses-områder:

FMS (Fieldbus Message Service) ProtokolDette er den universelle løsning til kommunikationsopgaver. Pågrund af høj fleksibilitet, kan FMS løse omfattende kommuni-kationsopgaver med mellemhøj data-hastighed. FMS protokol-len anvendes f.eks. i tekstilindustrien, bygningsovervågning ogdrevteknikker, aktiverings- og følerteknikker samt lavspænd-ings-tavleanlæg.


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 104

DP (Decentral Peripherals) ProtokolDenne variant, som er optimeret med hensyn til hastighed, erisær beregnet til kommunikation mellem automatiseringsyste-mer og decentrale periferi-enheder. Det er velegnet som erstat-ning for dyr parallel signaltransmission via 24 V og transmissi-on af målte værdi via 20 mA.DP protokollen anvendes især i automatiserede fremstillings-anlæg.

PA (Process Automation)PROFIBUS-PA er PROFIBUS varianten til brug i procesauto-matisering. PROFIBUS-PA anvender den sikre, indbyggedetransmissionsteknik, som er fastlagt i IEC 1158-2, og som mu-liggør fjern-forsyning af deltagende enheder via bussen.

Ud over PROFIBUS findes der andre kommunikationssystemerfor frekvensomformere på markedet, som f.eks.• Modbus +• Interbus-S• Device Net• LonWorks.


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 105

106 KAPITEL 3: FREKVENSOMFORMERE OG TREFASEDE VEKSELSTRØMSMOTORER

3. Frekvensomformereog motorer

For det moment (M), der udvikles i asynkrone motorer, gælderM ~ Φ × IL normalt, hvor IL er rotorstrømmen, og Φ er maskin-ens nytteflux.

Hvis der skal opnås et optimeret moment fra motoren, børmaskinens nytteflux (Φ ~ U/f) holdes konstant. Det betyder, athvis forsyningsfrekvensen (f) ændres, skal forsyningsspænding-en (U) ændres proportionalt hermed (se ill. 3.01).

Ved start af tunge anlæg (transportsnegle) hhv. et optimeret løs-rivelsesmoment, kræves en ekstra (start-)spænding (U0). Indenfor det lave hastighedsområde (f < 10 Hz) og under belastning,ses spændingstabet klart på den aktive modstand i statorvik-lingerne (primært i små motorer), hvor der sker en specifiksvækkelse af magnetfeltet (Φ).

EksempelEn 1,1 kW, 3 × 400 V/50 Hz motor med en statormodstand (enfase) på ca. 8 Ω optager 3 A ved nominel belastning.

I × R

f1 f2 fN0 f [Hz]

UN

U [V]

U2

U1U0

Feltsvækkelses-område

UN = KonstantfN

Ill. 3.01 Styring af U/f karakteristik

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 106

KAPITEL 3: FREKVENSOMFORMERE OG TREFASEDE VEKSELSTRØMSMOTORER 107

Spændingsfaldet ved statormodstanden er i dette tilfælde på 8Ω × 3 A = 24 V. Motorfabrikanten sikrer, at der sker kompensa-tion for dette tab under nominel drift.

Efter U/f karakteristikkens styring tilføres der ideelt 40 V ved 5Hz til motoren. Hvis den nominelle last påføres motoren, opta-ger motoren 3 A og har dermed et spændingstab på 24 V. Der erdermed kun 16 V tilbage til magnetiseringen. Ved denne spænd-ing er en sådan motor undermagnetiseret og skaber dermedmindre moment.

Der skal ske kompensation for dette spændingsfald for at opret-holde maskinens flux.

Den enkleste metode er følgende:• styr det nedre område ved at øge udgangsspændingen, eller • reguler det ved de aktive strømkomponenter i frekvensomfor-

merens udgangsstrøm.

Denne kompensation kaldes normalt I × R kompensationen,boost, momentforøgelse, eller – hos Danfoss – startkompensa-tion.

Denne type styring har sine grænser, hvor størrelsen af forstyr-relsen gør den vanskelig at håndtere, når belastningen variererkraftigt (et eksempel kunne være drev med driftsmæssigeudsving i viklingsmodstanden på op til 25% mellem varm ogkold tilstand). Spændingsstigningen kan have forskellige resul-tater. Under tomgang, kan den føre til mætning af motorfluxeneller – hvis der anvendes belastning – til utilstrækkelig hoved-flux. Ved mætning vil der flyde en høj blindstrøm, som fører tilopvarmning af motoren. Hvis der er belastning, vil motoren kunudvikle lidt moment på grund af den svage hovedflux og kan gåover i stilstandsposition.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 107


Motorens driftsforhold

KompensationTidligere var det vanskeligt at tune en frekvensomformer til enmotor. Det er fordi betydningen af nogle kompenserende funkti-oner, som f.eks. »start spænding«, »start« og »slipkompensati-on«, var vanskelige at forstå.

Frekvensomformeren styrer automatisk disse kompensations-parametre efter motorfrekvens, -spænding og -strøm. Normaltkan disse kompensationsindstillinger også ændres manuelt.

Belastningsafhængige og -uafhængigekompensationsparametreDisse kompensationsparametre garanterer optimal magnetise-ring og dermed maksimalt moment under start, ved lave hastig-heder samt i området op til den nominelle motorhastighed.Udgangsspændingen modtager et spændingssupplement, hvisvirkning er at opveje virkningen af den ohmske modstand imotorviklingerne ved lave frekvenser. Det belastningsafhængi-ge spændingssupplement (start- og slipkompensation) bestem-mes via strømmåling (aktiv strøm). Det belastningsuafhængigesupplement (startspænding) garanterer et optimalt løsrivelses-moment i det lave hastighedsområde.

En motor, som er meget mindre end den til frekvensomformerenpassende motorstørrelse, kan kræve et ekstra, manuelt juster-bart spændingssupplement for at løsrives eller for at garantereoptimal magnetisering i det lave hastighedsområde.

Hvis flere motorer styres af en frekvensomformer (paralleldrift), bør belastningsafhængig kompensation ikke anvendes.

Ved frekvensomformere af nyeste generation, indstilles dennekompensation automatisk af frekvensomformeren (ved standard-applikationer).

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 108


SlipkompensationSlippet i en asynkron motor er belastningsafhængig og beløbersig til ca. 5% af den nominelle hastighed. Ved en to-polet motor,betyder det, at slippet svarer til op til 150 omdr./min.

Imidlertid er slippet ca. 50% af den ønskede hastighed, hvis fre-kvensomformeren skal styre en motor med f.eks. 300 omdr./min.(10% af den nominelle hastighed).

Hvis frekvensomformeren skal styre motoren med 5% af dennominelle hastighed, reagerer motoren ikke på en belastning.Denne belastningsafhængighed er ikke ønskelig, og frekven-somformeren er i stand til fuldt ud at kompensere for dette slipved hjælp af effektiv strømmåling i frekvensomformerensudgangsfase.

Frekvensomformeren kompenserer for slippet på den måde, atudgangsfrekvens og motorspænding øges i forhold til den målte,effektive strøm. Denne type kompensation kaldes aktiv slip-kompensation.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 109


Motorens momentkarakteristik

StrømgrænseMed en frekvensomformer, som afgiver en strøm, der er mangegange større end den nominelle motorstrøm, kan momentkarak-teristikken for motoren se ud som vist i ill. 1.22 (side 33).

Sådanne høje strømme kan beskadige motoren og frekvens-omformeren (elektroniske effektkomponenter) og kræves ikketil normal motordrift. Derfor begrænser frekvensomformerenindirekte motorstrømmen ved at nedbringe udgangsspænding-en og dermed frekvensen. Strømgrænsen er variabel og garan-terer, at motorstrømmen ikke konstant overstiger den nominel-le værdi. Da frekvensomformeren styrer motorhastighedenuafhængigt af belastningen, er det muligt at indstille forskelli-ge grænseværdier inden for motorens nominelle arbejdsområde.

Motorens momentkarakteristik ligger inden for de nominelleværdier for nogle typer frekvensomformere. Det er imidlertid enfordel for frekvensomformeren at tillade et moment på f.eks.160% af det nominelle moment i kortere eller længere tid. Deter også normalt muligt for en frekvensomformer-styret motor atkøre i det oversynkrone område op til f.eks. 200% af den nomi-nelle hastighed.

M [%]

25 50

50

75

75

100

100

n [%]

Ill. 3.02 Momentkarakteristikken for en frekvensomformerstyret motor kan indstilles i »firkanter«

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 110


Frekvensomformeren er ikke i stand til at levere en højerespænding end forsyningsspændingen. Dette fører til et faldendespændings-/frekvensforhold, hvis hastigheden overstiger dennominelle hastighed. Magnetfeltet svækkes, og det moment,motoren frembringer, falder med 1/n.

Frekvensomformerens maksimale udgangsstrøm er uændret.Dette medfører en konstant effekt på op til 200% af den nomi-nelle hastighed.

Motorens hastighed kan angives på forskellig vis: omdrejningerper minut [omdr./min.] eller som en procentdel af den nominel-le motorhastighed [%]. Udgangspunktet er altid motorhastig-heden ved nominel frekvens.

M [%]

50 100 150 200

100

160

n [%]

M = 100%

P ~ n

100

100

200

P

n [%]

Ill. 3.03 Motorens moment og overmoment

Ill. 3.04 Motoreffekt

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 111


En ændring af spændings-/frekvensforholdet påvirker moment-karakteristikken. Nedenstående illustration viser momentka-rakteristikken i forbindelse med en reduktion af spændings-/frekvensforholdet til 6,7 [V/Hz].

M [%]U [V]

f [Hz]

= 8,0 [V/Hz]

25 50

1500

50 100 3000

100 200 6000

100

400

50

F [Hz] n/n0 [%] n [min–1]

U f

Ill. 3.05 Hastighedsindikation (her for en 2-polet motor)

M [%]U [V]

f [Hz]

= 6,7 [V/Hz]

25 50

1500

50 100 3000

100 200 6000

100

400

50 60

F [Hz] n/n0 [%] n [min–1]

60 120 3600

U f

Ill. 3.06 Moment ved anden indstilling af U/f forholdet

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 112


Krav til moderne digitale frekvensomformereDen positive udvikling inden for elektronik, microprocessor-tek-nologi samt integreret kobling har haft en kraftig indvirkningpå el-drevsteknikkerne i de senere år.Denne udvikling stiller nye krav til de nye systemkomponentersbearbejdningshastighed og nøjagtighed, idet disse muliggørdigital drevregulering.

Her er nogle af fordelene ved digital drev-regulering:• gentagelighed og stabilitet af reguleringsparametre• let realisering af styringsforanstaltninger• fleksibilitet af applikations-specifikke funktioner• øget reguleringsnøjagtighed og -område.

Ved analog teknologi, foretages udligningsforanstaltninger vedhjælp af et potentiometer eller passive komponenter. Dette kanføre til offset- og temperatur-driftsproblemer. Ved digital regu-lering, kan de fastlagte reguleringsparametre lagres i enhukommelsesblok (som f.eks. EEPROM).

Microprocessoren gør det let at gennemføre funktioner somspærring af regulering, skift af dataregistre, osv. Selv komplet-te driftsprogrammer (processtyring) og drev-specifik intelligenskan lagres i frekvensomformeren.Indtil for nogle få år siden, blev der brugt jævnstrømsmaskinertil hastighedsregulerede drev med et bredt justeringsområde forat sikre korrekt forsyning og belastning.

Ovennævnte udvikling på elektronikmarkedet har betydet, atder også stilles højere dynamiske krav til frekvensomformere ogasynkrone maskiner. For at leve op til disse krav, skal der vedhjælp af digital teknologi indføres tilsvarende procedurer somfor jævnstrømsmaskiner.

U/f karakteristik-styring fra frekvensomformeren er ikke læn-gere tilstrækkelig, hvis disse dynamiske krav skal opfyldes. Tildet formål anvendes princippet om felt-orienteret regulering– ofte kaldet vektor-regulering.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 113


Felt-orienteret (Vektor) reguleringVektor-regulering kan udformes på flere forskellige måder. Denstørste forskel ligger i de kriterier efter hvilke værdierne foraktiv strøm, magnetiseringsstrøm (flow) og drejningsmomentberegnes.

Hvis jævnstrømsmaskinen og den trefasede vekselstrømsma-skine stilles over for hinanden (se ill. 3.07), fremstår de proble-mer, der må forventes, klart. I jævnstrømsmaskinen fastsættesde værdier, der er vigtige for skabelsen af drejningsmomentet– felt (Φ) og ankerstrøm – for så vidt angår størrelse og fasepo-sition, baseret på feltviklingernes retning og kullenes placering(ill. 3.07a).

Ankerstrøm og felt-skabende strøm står vinkelret på hinandenog ingen af værdierne er særlig høje. Ved en asynkron motorafhænger placeringen af felt (Φ) og rotorstrøm IL af belastnin-gen. Desuden kan fasevinklerne og strømmængden ikke målesdirekte ud fra statorens størrelse, som det er tilfældet ved jævn-strømsmaskiner.

Ved hjælp af en matematisk motor opbygningsmodel kanmomentet imidlertid beregnes på grundlag af forbindelsernemellem felt og statorstrøm. Den målte statorstrøm (IS) opdeles ide moment-skabende komponenter (IL), som skaber momentet

Φ

Φ

Φ

Φ

U

α

IL IM

IM

I S

IΦ

M ~ I × Φ × sinßG

ßG ßD

I

I

a) b)

Ui

Ill. 3.07 Sammenligning mellem asynkrone jævnstrøms- og vekselstrømsmaskiner

DC maskine

Forenklet indikatordiagram overasynkron maskine for et belast-ningspunkt

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 114


ved hjælp af felt (Φ) og de komponenter, som står i en ret vinkeli forhold hertil (IB). Disse skaber maskinens moment (ill. 3.08).

Med hjælp af disse to strømkomponenter, kan moment og feltpåvirkes uafhængigt af hinanden. De nødvendige beregningermed hjælp af dynamiske maskinmodeller kræver en kostbardatabehandling, hvilket betyder, at denne mulighed kun er øko-nomisk opnåelig ved brug af digitale drev. Med denne teknik foropdeling i to reguleringskredsløb for• den belastningsuafhængige magnetiseringstilstand, og• drejningsmomentet,kan den asynkrone maskine reguleres lige så dynamisk somjævnstrømsmaskinen. Denne type regulering kræver imidlertidet feedback-signal (f.eks. Tacho). Denne metode til regulering aftrefaset vekselstrøm giver følgende fordele:• god reaktion på belastningsændringer• præcis hastighedsregulering• fuldt moment ved nulhastighed• drevpræstation sammenlignelig med jævnstrømsdrev.

ΦL

ω

M ~ IS × ΦL × sinθ

θ

IM

U

IW

IB

IS

Ill. 3.08 Beregning af strømkomponenterne ved felt-orienteret regulering

ω: Vinkelhastighed

IS: Statorstrøm

IB: Moment-skabende strøm

IW: Aktiv strøm/rotor strøm

ΦL: Rotor-felt

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 115


U/f karakteristik og vektorstyringHastighedsstyringen af trefasede vekselstrømsmotorer er i desenere år blevet udviklet på grundlag af to forskellige styrings-principper:• normal U/f styring, og• vektorstyring.

Afhængig af de konkrete krav vedrørende drevpræstationer(dynamik) og nøjagtighed, har begge metoder fordele og ulem-per.

U/f karakteristik-styring har et begrænset område for hastig-hedsregulering. Det styrede område er ca. 1:20. Ved lave hastig-heder, kræves en alternativ styringsstrategi (kompensering).Der er dog også fordele i form af• relativt enkel tilpasning af frekvensomformer til motor• robusthed over for øjeblikkelige belastninger over hele

hastighedsområdet.

Ved vektordrev, skal frekvensomformeren justeres præcis efterden pågældende motor. Dette kræver en detaljeret viden om dentrefasede vekselstrømsmotor, som skal styres. Der krævesekstra komponenter til feedback-signalet. Der er følgende for-dele:• hurtig reaktion på hastighedsændringer i det høje regule-

ringsområde• bedre dynamisk reaktion på retningsændring• giver en styringsstrategi for hele hastighedsområdet.

For brugeren ligger den optimale løsning i motor-hastigheds-styring, som kombinerer de bedste egenskaber ved begge stra-tegier. Karakteristikker som stabilitet over for trinvis belast-ning/ingen belastning over hele hastighedsområdet, som er entypisk styrke ved den »U/f-styrede« trefasede vekselstrømsmo-tor, samt hurtig reaktion på ændringer i den nominelle hastig-hed (som ved felt-orienteret styring) er helt klart blandt de krav,der vil blive stillet til fremtidens motor-hastighedsstyringer.Danfoss VVCplus er en ny styringsstrategi, som kombinerer derobuste egenskaber ved U/f styring med den højere dynamiskepræstation for de felt-orienterede reguleringsprincipper, somsætter nye standarder for drev med hastighedsstyring.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 116


I det følgende vil yderligere karakteristika ved VVCplus styringenblive gennemgået.

SlipkompensationUafhængigt af det faktiske belastningsmoment, opretholdesmotorens magnetfeltstyrke og akselhastighed på den pågæl-dende nominelle værdi. Dette sker ved hjælp af to udlignings-funktioner: slipkompensation og den såkaldte belastningskom-pensator (se Danfoss VVCplus styring i kapitel 2, hvorbelastningskompensatorer beskrives nærmere).

Slipkompensation lægger en beregnet slip-frekvens (∆f) til detnominelle hastighedssignal for at opretholde den ønskede,nominelle frekvens (se ill. 2.32). Statorens frekvensstigning erbegrænset af en brugerdefineret opstarttid (rampe). Den an-slåede slip-værdi udregnes på grundlag af den skønnede værdiaf momentbelastningen og den faktiske magnetiske feltstyrke,hvor felt-svækkelsen også tages med i betragtning.

Styringssystemets stationære procedure illustreres tillige medmoment-/hastighedskurverne i ill. 3.09.

2000

2

10

20

24[Nm]

1000 2000 3000 4000 [rpm]

Ill. 3.09 Moment-/hastighedskarakteristik (Nom. moment 10 Nm)

Nom. moment

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 117


Automatic Motor Adaption (AMA)Automatiske indstillingsfunktioner anvendes mere og mere itekniske produkter. Disse funktioner har til hensigt at letteinstallation og idriftsætning. Til dette formål måles statorensmodstand og induktans. En fordel ved disse lokale målinger er,at de gør det muligt at tage højde for installations-relateredeafvigelser i de elektriske parametre.

Under driften skal motorforbindelserne kontrolleres for at sik-re, at de er korrekte, så rigtigheden af data kan garanteres.

Parametre, som skal indstillesParametrene i styringssystemet er rettet mod den enkeltemotor, dvs. mod de strømkredsløbsparametre og mærkeplade-data, som er gældende. Motordata kan findes direkte gennemautomatisk motor tilpasning, (AMA), ved manuel indtastning afdata (standarddata, standardmodstand og -reaktans), eller vedat bruge standarddata (nom. motoreffekt, spænding, frekvens,omdrejningshastighed og strøm). På dette grundlag kan sty-ringsalgoritmen anvendes over et bredt effektspektrum (0,25 til500 kW).

AMA for VVCplus styringssystemet udfører målinger på motoreni stilstand. På grund af muligheden for ekstern påvirkning, skaldet sikres, at motoren ikke roterer mens målingerne foregår.

Automatisk Energioptimering (AEO)På grund af det stigende brug af elektriske drev i industrien,fokuseres der i dag meget på energibesparelser. I mange appli-kationer, hvor drevene kører i forskellige belastnings-cykluser,kan der spares energi under driften med lave belastninger vedat nedbringe magnetfeltets styrke. I mange drev er dette i et vistomfang løst ved at indføre U/f karakteristikker for moment-for-anderlige belastninger, som drager fordel af forudgående videnom moment/hastighedsprofilen (ventilatorer, rotationspumper).

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 118


Der anvendes en procedure for automatisk online-optimering afenergiforbruget ved den givne faktiske belastning. Dette førertil tilpasning af den nominelle værdi, som leverer den ønskedemagnetfeltstyrke til den faktiske belastning. Som et kompromismellem optimale besparelser og de reelle anvendelsesbehov tilet mindstemoment for fast-bremsede rotorer (kipmoment) erder fastlagt en nedre grænse.

Indstillingerne er udelukkende baseret på de data, der er tilrådighed i styringsenheden; for disse funktioner er der såledesikke noget behov for ekstra justering af ekstra parametre.Modsat den normale hastighedsstyrede drift med magnetfeltetpå nominel styrke, så forhindrer energioptimering tab i motor-en, hvorved der spares energi. Den gennemsnitlige mulige ener-gibesparelse for små-og-mellemstore drev er 3 til 5% af dennominelle effekt ved drift under små belastninger. Som enmeget vigtig bivirkning kører motoren næsten uden støj undersmå belastninger – selv ved lave eller mellemstore switchfre-kvenser.

Drift i strømgrænsenSpændingsstyrede PWM frekvensomformere, som arbejderefter en enkel U/f karakteristik-styring, er normalt ikke i standtil at arbejde »glat« i strømgrænsen. Spændingen (og dermedautomatisk frekvensen) reduceres først, indtil den indstilledestrømgrænse er nået. Så snart denne grænse er nået, prøver fre-kvensomformeren at nå den indstillede nominelle værdi igen(spænding og frekvens øges igen). Dette fører til en stigningeller et fald i hastigheden, hvilket placerer en unødvendig byr-de f.eks. på systemets mekanik og kan have en negativ virkningpå produktkvaliteten.

I nogle situationer, kan der ske en pludselig frakobling:• hvis spændingen og frekvensen reduceres eller øges indtil der

finder en frakobling sted (vekselretter overbelastet) ved hjælpaf en intern rampe, eller

• hvis belastningen reduceres.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 119

Nutidens PWM frekvensomformere søger (via en intern rampe)efter et arbejdspunkt, hvor den indstillede strømgrænse ikkeoverskrides og styrer motoren »glat« til dette arbejdspunkt. Dergives et advarselssignal som besked til brugeren om, at strøm-grænsen er nået. Frekvensomformeren frakobler ikke med-mindre en passende frekvens ikke kan findes.


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 120

Valg affrekvensomformerens størrelse

Når den nødvendige nominelle størrelse af en frekvensomfor-mer til en given belastning skal bestemmes, skal belastnings-karakteristikken klarlægges først. Derefter kan der foretagesberegning af hvilken størrelse, der kræves for at opnå denønskede udgangseffekt. Der er fire forskellige metoder til atberegne den nødvendige udgangseffekt; valget af metode afhæn-ger af den pågældende motors mærkedata.

BelastningskarakteristikFør frekvensomformerens størrelse kan bestemmes, skal derskelnes mellem de to mest almindelige belastningskarakteri-stikker (se ill. 1.32 – side 43).

Grundene til at skelne mellem belastningskarakteristikkerneer følgende:• Når pumpers og ventilatorers hastighed øges, øges effektbe-

hovet med hastigheden i tredje potens (P=n3).• Pumpers og ventilatorers normale arbejdsområde er inden for

et område på 50 til 90%. Belastningsforholdet øges med has-tigheden i anden potens, dvs. ca. 30 til 80%.

Disse to faktorer afspejles i belastningskarakteristikken for enfrekvensomformer-styret motor.

Ill. 3.11 og ill. 3.12 viser belastningskarakteristikken for to for-skellige frekvensomformerstørrelser – en af dem (ill. 3.12) liggeret effekttrin lavere end den anden. For begge momentkarakte-ristikker er samme belastningskarakteristik anvendt for en


M

n

M

nKonstant Kvadratisk (variabel)

Ill. 3.10 Konstant og kvadratisk belastningsmoment

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 121


centrifugalpumpe. I ill. 3.11 ligger pumpernes samlede arbejds-område (0-100%) inden for motorens nominelle værdi. Da pum-pens normale arbejdsområde er 30-80%, kan der vælges en fre-kvensomformer med lavere udgangseffekt.

Hvis belastningsmomentet er konstant, skal motoren kunnegenerere et moment, som er større end belastningsmomentet. Det overskydende moment anvendes til acceleration.

Et overmoment på 60%, genereret af frekvensomformeren for etkort tidsrum, er nok til acceleration og et højt startmoment,f.eks. i forbindelse med transportbånd. Overmomentet garante-rer også, at systemet er i stand til at klare en pludselig belast-ningsstigning. En frekvensomformer, som ikke tillader et over-moment, er nødt til at vælges stort nok til, at accelera-tionsmomentet (MB) ligger inden for det nominelle moment.

Når belastningskarakteristikken er fastlagt, findes der forskel-lige motordata til at bestemme frekvensomformerens effekt-størrelse.

Ill. 3.11 Ill. 3.12»Stor« frekvensomformer »Mindre« frekvensomformer

M [%]

MB

100

100

50

160

n [%]

M [%]

MB

100

10050

n [%]

Ill. 3.13 Overmomentet anvendes til acceleration

M [%]

100

100

80

30

160

n [%]

M [%]

100

10080

30

160

n [%]

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 122

1. Frekvensomformeren kan bestemmes hurtigt og præcist pågrundlag af den strøm IM, som motoren optager. Hvis motorenikke er fuldt belastet, kan motorstrømmen måles på et lig-nende system i fuld drift.

Eksempel: A 7,5 kW, 3 × 400 V motor optager 14,73 A.

I overensstemmelse med frekvensomformerens tekniske datavælges en frekvensomformer, som har en maksimal, kontinu-erlig udgangsstrøm på mere end eller lig med 14,73 A vedkonstant eller kvadratisk momentkarakteristik.

ReferenceHvis en frekvensomformer vælges på grundlag af effekten(metode 2-4), er det vigtigt, at den beregnede effekt og deneffekt, der står angivet under tekniske data for frekvensom-formeren, sammenlignes ved samme spænding. Dette er ikkenødvendigt, hvis frekvensomformeren beregnes på grundlagaf en strøm (metode 1), da udgangsstrømmen fra frekvens-omformeren bestemmer de andre data.

2. Frekvensomformeren kan vælges på grundlag af den skinef-fekt SM, motoren optager, og den skineffekt, frekvensomfor-meren leverer.

Eksempel: A 7,5 kW, 3 × 400 V motor optager 14,73 A


U × I × √ 3 400 × 14,73 × √ 3SM = = = 10,2 kVA1000 1000

IVLT IM

Ill. 3.14 Valg af frekvensomformer på grundlag af mærkestrøm

SVLT SM

Ill. 3.15 Valg af frekvensomformer baseret på skineffekt

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 123


Efter frekvensomformerens tekniske data vælges en fre-kvensomformer, hvis maksimale, kontinuerlige udgangsef-fekt er mere end eller lig med 10,2 kVA ved en konstant ellerkvadratisk momentkarakteristik.

3. En frekvensomformer kan også vælges efter den effekt PM,

motoren leverer. Denne metode vælges normalt, hvis det dre-jer sig om 2- eller 4-polede motorer, og hvis der kun skal til-sluttes en motor til frekvensomformeren.

Eksempel:En 3 kW motor med en effekt og cos ϕ på hhv. 0,80 eller 0,81trækker som følger

Efter frekvensomformerens tekniske data vælges en fre-kvensomformer, som har en maksimal, kontinuerlig udgangs-effekt på mere end eller lig med 4,6 kVA ved konstant eller fir-kantet momentkarakteristik.

4. Af praktiske årsager følger effektværdien for frekvensomfor-meren standardserien for asynkrone motorer. Derfor vælgesfrekvensomformeren ofte på dette grundlag. Dette kan føre tilen upræcis dimensionering, især hvis motoren ikke underkas-tes fuld belastning.

SVLT PM

Ill. 3.16 Valg af frekvensomformer efter akseleffekt

PM 3,0SM = = = 4,6 kVAη × cos ϕ 0,80 × 0,81

PM

Ill. 3.17 Valg af frekvensomformer på grundlag af standardserierne for motorer

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 124

Strømopdeling i frekvensomformeren(motorens cos ϕ)Strømmen til magnetisering af motoren kommer fra kondensa-toren i frekvensomformerens mellemkredsløb. Magnetiserings-strømmen er en blindstrøm, som flyder mellem kondensatorenog motoren og tilbage (ill. 3.18).

Kun den aktive strøm (IW) trækkes fra netforsyningen. Det erderfor, udgangsstrømmen fra frekvensomformeren altid erstørre end indgangsstrømmen. Ud over den aktive strøm opta-ges tabene (ITab) af nettet. Dette ses klart i tomgang.

Eksempel:Tomgangsstrømmen for en firepolet 1,1 kW motor er 1,6 A.Udgangsstrømmen for den tilsluttede frekvensomformer er ca.1,6 A, og indgangsstrømmen for tomgang er næsten nul.

Motorfabrikanter angiver normalt motorens cos ϕ til mærke-strømmen. Ved en lavere værdi af cos ϕ (f.eks. reluktansmotor-er) vil den nominelle motorstrøm – ved samme effekt og mær-kespænding – være større i henhold til følgende ligning:

Hvis frekvensomformeren dimensioneres efter den nominellemotorstrøm (metode 1), vil der ikke ske nogen reduktion af detnominelle motormoment.

En kondensator, der er placeret ved motorklemmerne med hen-


M 3~

cos ϕϕ

IW IS

IB

ISIS =

IW

IB

IW

Ill. 3.18 Strømme i frekvensomformeren

IWIS = cos ϕ

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 125


blik på blindstrømskompensation, skal fjernes. Frekvensom-formerens høje koblingsfrekvens får kondensatoren til at funge-re som kortslutning, og giver dermed motorstrømmen mulighedfor at stige ukontrolleret. Frekvensomformeren vil opfatte dettesom en jord- eller kortslutning og slå fra.

Styring af motorens hastighedFrekvensomformerens udgangsfrekvens, og dermed motorenshastighed, styres af et eller flere signaler (0-10 V; 4-20 mA, ellerspændingsimpulser) som hastighedsreference. Hvis hastigheds-referencen stiger, stiger motorens hastighed også. Den lodrettedel af momentkarakteristikken for motoren flyttes mod højre(ill. 3.19b).

Hvis belastningsmomentet er mindre end motorens moment,stiger hastigheden med den nødvendige værdi. Momentkarak-teristikken for belastningen skærer momentkarakteristikkenfor motoren i den lodrette del (punkt A). Hvis skæringspunktetligger i den vandrette del (punkt B), kan motorens hastighedikke kontinuerligt overstige den tilsvarende værdi. Frekvens-omformeren giver mulighed for kortvarige overskridelser afstrømgrænsen, uden at systemet slår fra (punkt C). Det er dognødvendigt at begrænse tiden.

fa) b)

M

n

Ill. 3.19 Funktion mellem motorens referencesignal og momentkarakteristik

Ref. signal

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 126

Accelerations- og decelerationsramperAccelerationsrampen angiver hastighedens stigningstakt.Denne står angivet i form af en accelerationstid tacc, som angi-ver, hvor hurtigt drevet skal nå den nye hastighed. Disse ram-per vedrører især den nominelle motorfrekvens, f.eks. en acce-lerationsrampe på 5 sek. betyder, at det skal tage frekvensen 5sekunder at bevæge sig fra 0 til den nominelle motorfrekvens(fn = 50 Hz).

Decelerationsrampen angiver, hvor hurtigt hastigheden falder.Dette angives i form af en decelerationstid tdec, som angiver,hvor hurtigt drevet skal nå den nye hastighed.

Det er muligt at gå direkte fra acceleration til deceleration, damotoren altid følger vekselretterens udgangsfrekvens.

Hvis motorakslens inertimoment kendes, kan de korteste acce-lerations- og decelerationstider beregnes.


f

fn

fmin.

f

fn

fmin.

ta) b)tacc ttdec

Ill. 3.21 Accelerations- og decelerationstider

I [%]

ILIM

IN, VLT

160C

B1

B2 A

M

Ill. 3.20 Motorstrømmen må overstige strømgrænsen kortvarigt

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 127


J er motorakslens inertimoment.Mfric er systemets friktionsmoment.Macc er det overskridelsesmoment, som anvendes ved accelerati-on.Mdec er det bremsemoment, som opstår, når hastighedsreferen-cen nedsættes.n1 og n2 er hastigheden ved frekvens f1 og f2.

Hvis frekvensomformeren tillader et overmoment i kort tid,sættes accelerations- og decelerationsmomentet til det nominel-le motormoment, M. I praksis er accelerations- og decelerati-onstiderne normalt identiske.

EksempelJ = 0,042 kgm2 n1 = 500 min–1 n2 = 1000 min–1

Mfric = 0,05 × MN MN = 27 Nm

Bremsens driftNår hastighedsreferencen reduceres, fungerer motoren somgenerator og bremser. Bremsedecelerationen afhænger afstørrelsen af motorens udgangseffekt.Motorer, som er forbundet direkte med nettet, leverer bremse-effekten direkte tilbage til nettet.

Hvis en motor styres af en frekvensomformer, lagres bremseef-fekten i frekvensomformerens mellemkredsløb. Hvis bremseef-fekten overstiger frekvensomformerens tabseffekt, stiger spæn-dingen i mellemkredsen.Mellemkredsens spænding kan stige, indtil frekvensomforme-ren af beskyttelseshensyn slår fra. Det kan derfor blive nødven-digt at placere en belastning på mellemkredsen i form af etbremsemodul og en ekstern modstand til at absorbere bremse-effekten.

n2 – n1 1000 – 500tacc = J × = 0,042 × = 0,1 [s](Macc – Mfric) × 9,55 (27,0 – (0,05 × 27,0)) × 9,55

n2 – n1tacc = J × (Macc – Mfric) × 9,55

n2 – n1tdec = J × (Mdec + Mfric) × 9,55

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 128

Med et bremsemodul og en modstand kan store belastningerbremses hurtigt ned.

Fra og med en vis effekt vil der imidlertid opstå varmeproble-mer, hvis bremsemodul og modstand anvendes. Det er her, derer brug for den såkaldte nettilbageføring. Nettilbageføringenanvendes til frekvensomformere med ukontrolleret vekselret-ter.

Ved frekvensomformere med styret ensretter kan bremseeffek-ten i mellemkredsen leveres tilbage (se ill. 3.23).Dette gøres f.eks. via en vekselretter, som er anti-parallelt for-bundet hen over ensretteren.

Jævnstrømsbremsen er en anden måde, at bremse motoren på.En jævnspænding hen over to motorfaser anvendes til at levereet stationært magnetfelt i statoren. Bremseeffekten forbliver imotoren og overophedning kan forekomme. Det anbefales der-for at indstille jævnstrømsbremsen i det nedre hastighedsområ-de på en sådan måde, at den nominelle motorstrøm ikke over-skrides. Generelt er jævnstrømsbremsning ikke tidsbegrænset.


Ill. 3.22Bremsemodul og modstand

Ill. 3.23Vekselretter anti-paral-lelt forbundet

~~~

~~~

Bremsechoppermodul

Bremsemodstand

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 129


ReverseringRotationsretningen for asynkrone motorer bestemmes af forsy-ningsspændingens fasefølge.

Hvis to faser byttes om, ændres motorens rotationsretning, dvs.motoren reverserer.De fleste motorer er konstrueret, så motorakslen drejer modhøjre, hvis tilslutning sker som følger.

Fasefølgen for udgangsklemmerne i de fleste frekvensomforme-re følger også dette princip.

En frekvensomformer er i stand til at ændre motorens rotati-onsretning ved hjælp af en elektronisk ændring af fasefølgen.Reversering sker enten gennem en negativ hastighedsreferenceeller gennem et digitalt indgangssignal. Hvis motoren kræveren bestemt rotationsretning, når den ibrugtages første gang, erdet vigtigt at kende frekvensomformerens indstilling fra fabrik-ken.

Da en frekvensomformer begrænser motorstrømmen til mærke-værdien, kan en frekvensomformer-styret motor reversereshyppigere end en motor, som er direkte tilsluttet nettet.

U

L1 L2 L3

V W U

L1 L2 L3

V W

Ill. 3.24 Motorens rotationsretning ændres ved at ændre fasefølgen

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 130

RamperAlle frekvensomformere har rampefunktioner til rolige drifts-forhold. Disse ramper kan justeres og garanterer, at hastighe-den kun er i stand til at øges eller mindskes med den indstille-de rampe.

Rampetider kan indstilles til så lave værdier, at motoren i nog-le situationer ikke kan følge med.

Dette fører til en stigning i motorstrømmen, indtil strøm-grænsen nås. Ved korte nedrampningstider (t–a), kan spændin-gen i mellemkredsløbet stige til et sådant niveau, at frekvens-omformerens beskyttende elektronik slår omformeren fra.

De optimale rampetider kan beregnes på grundlag af neden-stående formler:


nt–a = J × (MN + Mfric) × 9,55

nta = J × (MN – Mfric) × 9,55

n

nN

t

n

t

Ill. 3.26 Variable rampetider

M

MMn n

nM Mn n

Ill. 3.25 Frekvensomformerens bremsemoment under reversering

ta: rampe opt–a: rampe nedn: omdrejningerMN: nominelt motormomentMfric: friktionsmoment

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 131

Rampetider vælges for det meste på grundlag af den nominellemotorhastighed.

OvervågningEn frekvensomformer kan overvåge den proces, der skal styres,og gribe ind ved driftsforstyrrelser.

Denne overvågning kan opdeles i tre områder: procesanlæg,motor og frekvensomformer.

Overvågning af anlægget er baseret på udgangsfrekvensen, ud-gangsstrømmen og motormomentet. Baseret på disse værdierkan der indstilles en række grænseværdier, som griber ind i sty-ringsfunktionen, hvis de overstiges. Disse grænser kunne væreden mindst tilladte motorhastighed (min. frekvens), begræns-ning af den højest tilladte motorstrøm (strømgrænse) eller be-grænsning af højest tilladte motormoment (momentgrænse).Hvis de grænser, der skal vælges, overstiges, er frekvensomfor-meren i stand til at gribe ind. Den kan f.eks. programmeres tilat afgive et advarselssignal, at regulere motorhastigheden ned,eller at afbryde motoren så hurtigt som muligt.


n

nN

nref

tt–a

Ill. 3.27 Indstilling af rampetider

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 132


Eksempel:I en ventilator-installation med en kilerem som forbindelse mel-lem motoren og ventilatoren kan frekvensomformeren pro-grammeres til at overvåge kileremmen indirekte. Det må forventes, at udgangsfrekvensen stiger samtidig med, atstrømmen går mod tomgangsniveau, hvis kileremmen rives itu.Hvis denne situation opstår, er frekvensomformeren i stand tilat afbryde motoren og give en alarm-meddelelse.

Motorovervågning via frekvensomformeren er mulig via en tem-peraturføler i motoren eller via beregning af de termiske forholdi motoren. Beregningerne foretages ud fra udgangsfrekvens ogmotorstrøm og anvendes i et indbygget elektronisk termorelæ,som afbryder motoren, hvis der er risiko for overbelastning.Mikroprocessoren i frekvensomformeren er i stand til at sam-menholde motorstrømmen, udgangsfrekvensen og tiden, så detsikres, at motoren afbrydes på det rigtige tidspunkt, uden atden beskadiges.

Nutidens frekvensomformere er også i stand til at starte ogstoppe en evt. fremmedventilator monteret på motoren.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 133

Motorbelastning og motoropvarmning

Når en motor er tilsluttet en frekvensomformer, skal den nød-vendige køling tilsikres.Temperaturforholdene i motoren er underkastet to typer ind-flydelse.

• Hvis hastigheden går ned, falder mængden af køleluft.• Hvis en ikke-sinusformet motorstrøm forefindes, dannes der

varme i motoren.

Ved lave hastigheder er motorventilatoren ikke i stand til atlevere nok luft til kølingen. Dette problem opstår, hvis belast-ningsmomentet er konstant i hele reguleringsområdet. Dennemindre ventilation bestemmer det momentniveau, der kan til-lades under kontinuerlig belastning. Hvis motoren kører konti-nuerligt – ved 100% nominelt moment – ved en hastighed, somer mindre end halvdelen af den nominelle hastighed, krævermotoren ekstra luft til køling (de grå overflader i ill. 3.28).

I stedet for mere køling kan motorens belastningsprocent ned-bringes. Dette gøres ved at vælge en større motor. Ved kon-struktionen af frekvensomformeren (til et konstant moment), erder imidlertid grænser for, hvor stor motoren må være.


M [%]

100

146

50

100

1

2

150 20050n [%]

Ill. 3.28 Behovet for ekstern ventilation af en motor i nom. størrelsesamt en motor i overstørrelse

Kurve 1: Motor i nom. størrelse, f.eks. 15 kWKurve 2: Motor i overstørrelse, f.eks. 22 kW

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 134

Hvis motorstrømmen ikke er sinusformet, vil motoren modtageharmoniske strømme, som opvarmer motoren yderligere.Størrelsen af de harmoniske strømme afgør mængden af varme.En motor må ikke underkastes 100% belastning konstant vedikke-sinusformede strømme.


M

100%

50%

100% 200%n

M

100%

50%

100% 200%n

Ill. 3.29 En ikke-sinusformet strøm skaber ekstra varme i motoren

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 135

Virkningsgrader Virkningsgraden η for en enhed defineres som forholdet mellemudgangseffekt P2 og indgangseffekt P1.

Forskellen mellem P1 og P2 defineres som tabseffekt PV, dvs.effekt, der kommer ud som varme i enheden.Virkningsgraden kan beregnes for frekvensomformeren alene,

for motoren alene eller for frekvensomformer plus motor (sy-stemvirkningsgrad).

Frekvensomformerens virkningsgrad

Motorens virkningsgrad

Systemvirkningsgrad


P2η = P1

P3

P2

P2

P1

P3

P1

P1 P2

Pv

P2P1~

P3

Ill. 3.30 Udgangseffekt, indgangseffekt og virkningsgrad

100A

B

η%

0 600 1200 1800 2400 3000

min–1

80

60

40

20

0

Ill. 3.31a Frekvensomformerens virkningsgrad ved 100% (A) og25% (B) belastning

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 136

Kurverne viser, at motorens virkningsgrad har en betydelig ind-virkning på systemvirkningsgraden. Frekvensomformerensvirkningsgrad er høj i hele reguleringsområdet, både ved højt oglavt belastningsniveau.

Det fremgår ligeledes, at virkningsgraden er lavest ved lavehastigheder. Dette betyder imidlertid ikke, at de samlede tab erhøjest ved lave hastigheder.


100

A

B

η%

0 600 1200 1800 2400 3000

min–1

80

60

40

20

0

Ill. 3.31c Frekvensomformers og motors virkningsgrad (2-polet)ved 100% (A) og 25% (B) belastning

100

A

B

η%

0 600 1200 1800 2400 3000

min–1

80

60

40

20

0

Ill. 3.31b Virkningsgrad for en typisk motor (2-polet) ved 100% (A) og 25% (B) belastning

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 137

Eksempler fra ill. 3.31c:

Frekvensomformernes høje virkningsgrad giver flere fordele:

• Jo højere effektivitet, desto mindre er varmetabet, som skalfjernes fra installationen. Dette er vigtigt, hvis frekvensom-formeren er integreret i et kontrolpanel.

• Jo mindre varmetab, der forefindes i frekvensomformerenshalvledere og spoler, desto længere er levetiden.

• Lavt energiforbrug.

1. n = 800 min–1

P3 = 9628 W η = 77,3%

P1 = P3 = 12455,4 W η

PT = P1 – P3 = 2827,4 W

2. n = 500 min–1

P3 = 1500 W η = 70%

P1 = P3 = 2143 W η

PT = P1 – P3 = 643 W


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 138

4. Beskyttelse og sikkerhed

På grundlag af de regler, som gælder for en given installation,kan det være nødvendigt at placere en nødkontakt nær motoren.Det er vigtigt at placere kontakten i motorkablet på en sådanmåde, at motoren og frekvensomformeren ikke beskadiges.

Det er nødvendigt at have galvanisk adskillelse mellem fre-kvensomformerens styringsdel og effektdel. Ellers ville sty-ringskablerne have samme spænding i forhold til jorden somnetforsyningen. Berøring af styringskablerne kan være livsfar-ligt, eller udstyret kan blive beskadiget. Den europæiske stan-dard EN 50178 beskriver retningslinierne for galvanisk adskil-lelse. Kapslingsgraden for frekvensomformere angiver i hvilketom-fang, frekvensomformeren er beskyttet mod direkte be-røring og indtrængende fugtighed. En kapslingsgrad på IP 20sikrer mod personskade ved berøring. En kapslingsgrad på IP54 er stænktæt og derfor velegnet til montering på udsatte sted-er. Overophedning kan gøre en frekvensomformer til en brand-farlig enhed. Derfor bør der monteres en integreret varmeføler,som kan afbryde spændingsforsyningen, hvis kølingen ikke vir-ker.

En motor forbundet med en frekvensomformer kan under visseomstændigheder starte igen uden varsel. Dette kan f.eks. ske,hvis tidsfunktionselementerne aktiveres i frekvensomformereneller temperaturgrænserne overvåges. Frekvensomformerenstopper motoren ved overskridelse af temperaturgrænsen ogstarter motoren, når temperaturgrænsen igen er under detacceptable.

Ekstra beskyttelseEkstra beskyttelse hjælper med til at undgå spændinger, som erfarlige ved berøring, på ydersiden af kappen. Frekvensomfor-mere kræver altid ekstra beskyttelse. Beskyttelsesformen måvurderes efter den enkelte situation, afhængig af de lokale for-hold og regler. De forskellige typer beskyttelse er nulling, jor-ding og beskyttelsesrelæer.

KAPITEL 4: PERSONSIKKERHED 139

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 139

140 KAPITEL 4: PERSONSIKKERHED

Nulling (TN system)Beskyttelse mod indirekte berøring (B.I.B) af frekvensomforme-ren kan udføres ved montering af en beskyttelsesleder mellemjordklemmen og nullederen i installationens forsyningskabel.Denne form for ekstra beskyttelse anvendes ofte i industriellenet. Hvis der ikke er foretaget nulling af installationen, vilspørgsmålet om, hvorvidt det kan anvendes i dette net, afhæn-ge af betingelserne for tilslutning af apparatet. I nogle situatio-ner vil det være nødvendigt at tale med leverandøren for at fin-de ud af, om nulling kan anvendes i denne type net.

Jording (TT system)Direkte jording af frekvensomformeren kan opnås ved hjælp afen beskyttelsesleder mellem jordklemmen og potentiale-udlig-ningsskinnen. Det er en betingelse for at bruge denne metode,at impedansen i potentiale-udligningspunktet er tilstrækkeligtlav. På grund af virkemåden har frekvensomformeren en læk-strøm, hvilket er årsagen til, at jordingen helst skal have lavimpedans. EN 50178/5.3.2.1 opstiller følgende krav:

Ved en lækstrøm > 3,5 mA, skal tværsnittet af beskyttelseslede-ren være mindst 10 mm2, eller apparatet skal jordes ved hjælpaf to separate beskyttelsesledere, som skal opfylde kravene iIEC 364-5-543. Dette kaldes ofte forstærket jording.

L1

L2

L3

PEN

L1

L2

L3

Ill. 4.01 Nulling (TN system)

Ill. 4.02 Direkte jording (TT system)

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 140

BeskyttelsesrelæerDer findes to typer beskyttelsesrelæer til ekstra beskyttelse.Den ene type anvender et fejlspændingsrelæ; den anden et fejl-strømsrelæ.

Ekstra beskyttelse i form af et fejlspændingsrelæ (FU relæ) ersvær at etablere i de fleste installationer. Beskyttelsen opnåsved, at relæspolen tilsluttes via en beskyttelsesleder mellemfrekvensomformerens jordklemme og jordpotentialet. En fejl-spænding udløser relæet og gør frekvensomformeren spæn-dingsfri.

FU relæer kan anvendes med gode resultater, hvis nulling ikkeer tilladt. Hvorvidt sådanne relæer er tilladt, afhænger af deregler, der er udstukket af den regionale elforsyning. I de flestelande anvendes denne form for beskyttelse ikke længere.

Beskyttelse af frekvensomformere ved hjælp af fejlstrømsrelæer(FI relæ) er tilladt under visse forhold. Fejlstrøms-beskyttelses-relæer har en summerings-strømtransformer. Alle forsynings-kabler til frekvensomformeren går gennem denne transformer.Summerings-strømtransformeren måler summen af strømmenegennem disse kabler. Summen af strømmene er nul, hvis derikke er afledning på installationen. Hvis der opstår afledning, erstrømmen forskellig fra nul, og der induceres en strøm i trans-formerens sekundære vikling. Denne strøm slår relæet fra oggør frekvensomformeren spændingsfri. Ved de traditionelle FIrelæer anvendes induktionsprincippet, som fungerer udeluk-kende ved vekselspænding.


Ill. 4.03 Fejlspændingsrelæer

L1

L2

∆U

L3

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 141

I henhold til EN 50178, kan frekvensomformere med 3-fasedeensrettere forårsage en glat jævnstrøm i tilfælde af fejl. Hvisman ønsker at ekstra-beskytte en 3-faset frekvensomformermed et FI-relæ, så skal det være et type B relæ som beskrevet iIEC 755. I praksis betyder det, at relæet skal være mærket medfølgende symbol:

Ved hjælp af tilføjet elektronik, er dette relæ også i stand atovervåge strømme, som indeholder jævnstrøm. Kompatibilite-ten med fejlstrøms-beskyttelsesanordninger står anført i EN50178.

Hvis fejlstrøms-beskyttelsesrelæer anvendes, som ikke er jævn-strømskompatible, er en skilletransformer foran frekvensom-formeren i stand til at forhindre en sådan fejlstrøm.

Lækstrømme skabes i et vist omfang af radiostøjfiltre og radio-støjkomponenter. De enkelte radiostøjfiltre skaber normalt enlækstrøm på blot nogle få mA, hvilket ikke fører til udløsning afrelæet.


Ill. 4.05 Fejlstrøms-kurver og karakteristik

L1

L2

∆I

L3

Vekselstrømsfejlstrømme

Pulserende jævnstrømme (pos. og neg. halvbølge) halvbølgestrøm

Skrå halvbølgestrømSkråningsvinkel 90° el.

135° el.

Halvbølgestrøm ved overlejring med glat jævnstrømsfejlstrøm på 6 mA

Glatte jævnstrømsfejlstrømme

Elektriskfortolkning

Elektroniskfortolkning

Ill. 4.04 Fejlstrømsrelæ følsom over for al strøm

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 142


Hvis der imidlertid anvendes flere eller meget store filtre, kandette bringe et FI-relæ type B på grænsen til en frakobling.

Elektromagnetisk kompatibilitetElektromagnetisk støj er uønskede elektriske fænomener, somstammer fra apparatet eller påvirker apparatet på en uønsketmåde.

Elektromagnetiske fænomener kan skyldes de naturlige omgi-velser eller være menneskeskabte.

Blandt de elektromagnetiske støjfænomener, som optræder inaturen, er atmosfærisk støj, sådan som den opleves i form aflyn og torden. Et andet fænomen er det magnetfelt, som omgi-ver hele jordkloden og beskytter os mod den energifyldte ind-stråling, som kommer fra rummet. Atmosfærisk støj kan ikkeundgås; men dens indflydelse på elektriske enheder og installa-tioner kan begrænses ved hjælp af forskellige foranstaltninger.

Enhver menneskeskabt støj anses for kunstige, elektromagneti-

ske fænomener. Disse optræder alle steder, hvor der anvendeselektrisk energi. Denne støj kan spredes gennem luften ellergennem elledninger. Støj fra lyskontakter eller tændingssy-stemer kan optræde på radio og tv. Ved en kort spændingsaf-brydelse, kan urene stå stille eller pc’erne fungerer måske ikkekorrekt.

Ill. 4.06 Elektromagnetiske fænomener

Radiostøj

Nettilbagevirkning Støjmodstand

Lynbeskyttelse

Beskyttelse modberøringsskader

Elektrostatiske

El-korrosion

Korona

Radioaktivitet

Mikrobølger

Magnetfelter

Biologiskevirkninger

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 143

Elektrostatiske fænomener kan medføre fejl i de elektroniskekontakter og endda brandfare. Der sker en række indbyrdesindvirkninger også på biologiske systemer, som f.eks. menne-sker, planter og dyr.

Den internationale betegnelse for radiostøj er EMC, en forkor-telse for Electro-Magnetic Compatibility (elektromagnetiskkompatibilitet). Derved forstås et apparats evne til at modståelektrisk støj og ikke udstråle støj til omgivelserne.

I Europa blev EMC direktivet vedtaget den 3. maj 1989 afMinisterrådet. De nye EMC-standarder er opdelt i tre grupper:

GrundstandardDisse standarder er fænomen-orienterede. De beskriver opbyg-ningen af de påkrævede prøvningsmidler og måleprocedurer.

Generisk standardDisse standarder er omgivelsesorienterede. De skelner mellemboligområder, kontorområder, let industri, fremstillingsindustriog specialanvendelser.

ProduktstandardDisse standarder vedrører de specifikke krav fra givne produkt-familier med hensyn til måleprocedure og vurdering. Præciseprøvningsniveauer og grænseværdier er fastlagt. Disse stan-darder har prioritet frem for de generiske standarder og befin-der sig på et højere niveau end disse.


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 144

Hvis en elektrisk eller elektronisk enhed lever op til den euro-pæiske lovgivning, skal dette forelægges og bevises for myndig-hederne på et givet tidspunkt. Dette sker i form af den såkaldteEU Overensstemmelseserklæring og CE-mærkning. EU-Overensstemmelseserklæringen udstedes som verifikation foren serie af enheder, mens CE-mærket placeres på selve enhe-den, emballagen og driftsvejledningen. CE-mærket skal ansesfor et myndighedssymbol rettet til de relevante europæiskemyndigheder. Det bekræfter, at gældende regler og regelsæt eroverholdt.

Produkter, som kræver CE-mærkning efter EMC-direktivet,skal bære dette mærke fra og med 1996.

Hvis et elektrisk apparat arbejder i spændingsområdet fra 50 til1000 V a.c. spænding eller mellem 75 og 1500 d.c. spænding,skal lavspændingsdirektivet også overholdes. Dette kan ud-læses af reglerne om maskinsikkerhed, som allerede har væretdækket af lovgivning i en tid. Dette direktiv, som skal overhol-des fra og med 1997, vedrører farer, som kan opstå ved elektri-ske produktionsanlæg for mennesker, husdyr eller genstande.


Ill. 4.08 Overgangstider for CE-mærkning

1992 1993 1994 1995 1996 1997

EMC89/336/EØF

Lavspænding72/23/EØF

Maskiner89/393/EØF

CE-mærkning93/68/EØF

Ill. 4.07 EU-overensstemmelsesmærke

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 145

StøjspredningsvejeEmission (støjspredning) er den elektromagnetiske energi, somkommer fra et apparat (støjkilden).Immunitet (støjmodstand) er et apparats modstand over forelektromagnetisk støj. Den støj, der kommer fra en frekvens-omformer, er nettilbagevirkning i det lavfrekvente område.Denne støj spredes gennem kabelnettet som fast-fortrådet støj.Desuden spredes støj i form af højfrekvent luftbåret støj (10 kHztil GHz) som strålingsbåret støj spredes gennem luften.

KoblingKobling af elektriske kredsløb kan foretages i form af galvanisk,kapacitativ eller induktiv kobling. Galvanisk kobling udføres,hvis to elektriske kredsløb deler en elektrisk ledende forbindel-se.

Frekvensomformere og andre elektriske apparater i systemetforbindes ved hjælp af jordledere og har samme jordings-refe-rence. Afhængig af impedans-situationen, kan denne koblingføre til en støjspænding ved et apparat på tværs af de to delteimpedanser ZL3 og Z0.


Z

ZL1

ZL2

ZL3

Z0

Ill. 4.09 Galvanisk kobling

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 146

Kapacitativ kobling forekommer, hvis to elektriske kredsløb harjord som fælles reference. Et typisk eksempel er, at et motorka-bel er lagt for tæt ved andre kabler. Den kapacitative støjstrøm,som opstår, afhænger af motorkablets frekvens, den dertilhørende spændingsstørrelse samt afstanden til andre kabler.Den relativt høje frekvens i nutidens frekvensomformere, somanvendes til at skabe udgangsspændingen, fører til en lav kapa-citativ modstand i motorkablet og giver dermed kapacitativestøjstrømme.


M

M

Ill. 4.10 Kapacitativ kobling

Ill. 4.11 Induktiv kobling

Kapacitativ støjstrøm

Induktiv støjspænding

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 147


Induktiv kobling forekommer, når magnetfeltet rundt om etstrømførende kabel inducerer en spænding i et andet kabel.Den dermed inducerede vekselspænding afhænger af magnet-feltets styrke, samt af strømstyrken i motorkablet, frekvensenog afstanden mellem kablerne.

Fast-fortrådet spredningStøj kan spredes gennem netforsyningskablerne. Højere fre-kvenser pålægges dermed på 50 Hz sinuskurven fra forsynings-spændingen. Der sker en forvridning af den rene sinuskurve.

NettilbagevirkningNettilbagevirkning fra el-forbrugende apparater forårsager enforvridning af forsyningsspændingskurven. Denne forvridningsker på grund af spændingens højfrekvente elementer, i form afindgangskontakter med vekselrettere og halvleder-komponen-ter, som i dag anvendes i mange apparater – også i frekvensom-formere. I andre apparater tilsluttet samme forsyningslinieforårsager nettilbagevirkning en ekstra belastning. Dette af-spejles i form af højere strømtræk eller akustisk brummen iapparaterne.

Ill. 4.12 Reduktion af nettilbagevirkningen i VLT 5000

F 5 10 15 20 25 30 40 45 5035

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0

Amplitude

Uden mellemkredsspole

Med mellemkredsspole

Harmoniskebølger

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 148

Ensretteren i en frekvensomformer skaber en pulserende jævn-spænding. Kondensatoren i det efterfølgende mellemkredsløbmed jævnspænding oplades ved hver spændingsspids. Underdenne opladning skabes indgangsstrømmene med relativ højamplitude. På grund af denne impuls-formede, ikke-sinusformede belast-ning, forvrides forsyningsspændingens sinusform. Hvor megetspændingen forvrides afhænger af belastningsstrømmen og net-impedansen. Størrelsen af den maksimalt tilladte forvridningfremgår af EN 61000-2-2 for så vidt angår offentlige lavspæn-dingsnet, samt af EN 61000-2-4 for så vidt angår industrisyste-mer. Nettilbagevirkningen består af de højfrekvente dele i formaf såkaldte oversving af forsyningsspændingens grundfrekvens.Det samlede oversvingsindhold kaldes også Total HarmonicDistortion (THD)(den totale harmoniske forstyrrelse).

Den maksimalt tilladte størrelse af de enkelte oversving i net-spændingen er fastlagt i EN 61000-2-2, tabel 1. Nettilbagevirk-ningen kan nedbringes ved at begrænse impulsstrømmenesamplitude. I praksis integreres spoler i mellemkredsløbet eller ifrekvensomformerens indgang. Hyppigt leveres frekvensomfor-mere uden spoler. Spoler kan bestilles separat og installeresefterfølgende. De forvrængninger af netspændingen, som en fre-kvensomformer er i stand til at give, står angivet i standardenEN 60146-1-1 (generelle krav til effektomformere med halvle-dere).

Transienter/overspændingI netforsyningen - både til industrien og til private husholdning-er – kan der forekomme transienter. Disse er kortvarige over-spændingsspidser inden for et område af nogle tusind V.

Disse transienter eller overspændingsspidser kan opstå, fordikraftige belastninger i netforsyningen slås til og fra, eller fordiblindstrømskompensationsenheder skifter position. Hvis lynetslår ned direkte i forsyningskablet, vil der fremkomme en højoverspændingsspids. Disse spidser kan forårsage skader påinstallationer 20 km væk fra det sted, hvor lynet slog ned.


THD [%] =√ (U3)2 + (U5)2 + ... + (UN)2

U1

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 149


Ved friluftsinstallationer kan der ske overslag af isolatorer tilandre kabler. Kortslutninger og sikkerhedsfrakoblinger af net-forsyningen fører også til transienter. Gennem magnetiskinduktive koblinger kan kabler, som er lagt parallelt, også med-føre høje spændingsspidser.

Formen på disse transienter og den energi, der er indeholdt idem, er forklaret i VDE 0160 og EN 61000-4-1.

Danfoss har valgt fortsat at følge kravene i VDE 0160 (version2) selvom denne i mellemtiden er udgået. Danfoss bibeholder atmåle efter denne skrappere norm, da frekvensomformere vil bli-ve udsat for de påvirkninger, normen omtaler.

De skadelige virkninger af transienter og overspændinger kanbegrænses med forskellige metoder. Til energi-intensive transi-enter og overspændinger kan anvendes gasafledere eller gnist-gab. I elektroniske apparater anvendes spændingsafhængigemodstande (varistorer) ofte til at dæmpe overspændinger. Indenfor signalområdet kan beskyttelsen sikres ved hjælp af en fri-løbsdiode.

U

ωt

tr ≈ 0,1 ms

1 /2 ∆

U

2,3

ÛN

UN

± 1

0%

Ill. 4.13 Nettransienter ifølge VDE 0160 fra december 1990

Ill. 4.14 Transientbeskyttelse

4 kV 2,5 kV6 kV

Overspændings-kategoriefter IEC 664

Grov-beskyt-telse f.eks.gnistgab

Finbeskyttelsef.eks. MetalOxid Varistor(MOV)

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 150


RadiofrekvensstøjHver strøm og hver spænding, som afviger fra den rene sinus-form, indeholder komponenter med høje frekvenser. Højden på disse frekvenser afhænger af, hvor stejlt processenforløber.

Når en kontakt lukker eller åbner, sker strømændringen megethurtigt. En meget stejl strømændringskurve kan registreres,hvilket også afspejles i spændingen. På radioen kan dette fæno-men høres som en skrattende lyd. I denne sammenhæng ansesen enkelt støjimpuls normalt ikke for at udgøre støj. Da fre-kvensomformerens halvledere imidlertid kobles i form af kon-taktelementer i kHz området med stejle koblingsflanker, skabesog spredes der permanent radiofrekvensstøj.

Radiofrekvensstøj (RFI) defineres som elektriske svingningermed frekvenser mellem 10 kHz og GHz området.

91,0

79,0

69,5

66,0

57,5

56,0

46,0

50,0

105

µV

5

2

104

5

2

105

5

2

102

5

2

102101

101 2 3 MHz5210˚ 521510-15210-220

30

40

50

60

70

80

90

(µV)dB

100

Frekvens

Rad

iost

øjsp

ænd

ings

nive

au

Klasse A Gruppe 1

Klasse B Gruppe 1 og 2

Rad

iost

øjsp

ænd

ing

Ill. 4.15 Gennemsnits grænseværdier for ledningsbåren radiostøj efter EN 55011

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 151

I hvilket omfang denne støj fremkommer afhænger af en rækkefaktorer:• impedansforholdene i netforsyningen• vekselretterens koblingsfrekvens• frekvensomformerens mekaniske opbygning• udgangsspændingens frekvens til motoren• trufne anti-støj foranstaltninger.

Radiostøj spredes som ledningsbåren eller luftbåren stråling.Verden over og i Europa findes der lovgivning, som fastlægger,hvor meget støj et apparat må skabe. I dag er EN standardernegældende i Europa. På verdensplan er IEC standarderne gæl-dende.

Grænseværdier og måleprocedurer for radiostøj fra højfrekven-te enheder i industrien, forskningen og det medicinske område(ISM enheder) – som tidligere også omhandlede frekvensomfor-mere – er dækket af EN 55011. Grænseværdierne for emissionerfra elektriske husholdningsartikler er dækket af EN 55014. Ifremtiden vil frekvensomformere være dækket af standardenEN 61800-3.

Ledningsbåren, højfrekvent støj kan kun reduceres effektivt vedhjælp af et filter. Dette radiostøjfilter består af spoler og kon-densatorer. Ikke alle frekvensomformere leveres med et indbyg-get radiostøjfilter, således at filteret monteres efterfølgende– klasse A filtre for industrien, klasse B filtre for offentlige for-syningsnet.I kablet fra frekvensomformeren til den tilsluttede motor kan

L1

L2

L3

MOV

MOV

MOVCS

CR

CT

CE5

CE6

CE1

CE4

R5 R1

R6 R2

RFI

C1

C2


Netsik-ringer(ekstern)

Commonmode netspole

Ens-retter Strøm-

måling

Tryk-støds-beskyt-telse

Ill. 4.16 Frekvensomformere og radiostøjforanstaltninger

DC-spole 1

DC-spole 2

dudt

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 152


radiostøjen begrænses ved hjælp af filtre eller skærmede kabler.I denne forbindelse betyder en høj koblingsfrekvens i vekselret-teren:• at kondensatorerne skal optage større strømme• at filterspolerne skal være i overstørrelse.

Skærmede kablerSkærmede kabler anvendes ofte for at begrænse radiostøjen.Skærmens virkning angives i decibel (dB) som skærmdæmp-ning. Koblingsimpedans er ligeledes et udtryk, som anvendes.Skærmdæmpningen bør være så høj som mulig (normalt indenfor området 30 dB), mens koblingsimpedansen bør være så lavsom mulig. Et almindeligt kabel er ikke i stand til at erstatteskærmen, da den overflade, hvorfra den højfrekvente støj skalflyde på grund af skin-effekten, er for lille

For at skærmningen mod højfrekvent støj skal fungere så godtsom muligt, bør der hyppigt foretages jording. I praksis betyderdet i begge ender af kablet. Det vigtige er god kontakt mellemskærm og jordpotentiale. En dårlig forbindelse reducererskærmningseffekten og dermed støjdæmpningen. Der skaltages højde for, at hvis jording foretages flere steder, vil der fly-de en udligningsstrøm hen over jordpotentialet. Derfor skal sig-nalkabler kun jordforbindes i den ene ende. Da disse signalkab-ler arbejder med meget små signalstørrelser, ville det have enforstyrrende virkning af forbinde dem med skærmen.

Når en frekvensomformer købes og installeres, må det overve-jes, hvordan og i hvilket omfang radiostøjen skal begrænses.

Ill. 4.17 EMC-korrekt installation af skærmen

God GodDårlig

Skærmbøjle KabelforskruningJordskrue

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 153


Den tekniske dokumentation bør angive den radiostøjklasse,som frekvensomformeren overholder. Man kan ikke altid se, omder forefindes et indbygget filter, eller om man skal købe oginstallere dette separat.

Skærmede motor- og styrekabler er ofte nødvendige og anbefa-les, hvis en given radiostøjbeskyttelsesklasse skal overholdes.

FasekompenseringsanlægFasekompenseringsanlæg er indbygget i nettene, hvis fasefor-skydningsvinklen mellem spænding og strøm (cos ϕ) skal korri-geres. Dette er tilfældet, hvis mange induktive, strømforbru-gende apparater, så som motorer eller omkoblere til lamper,drives som et net. En frekvensomformer genererer ikke nogenfaseforskydningsvinkel; dens cos ϕ er ca. 1. Ved høje frekvenserhar kondensatorerne i kompensationssystemet en lavere internmodstand. Hvis der er højfrekvente elementer (harmoniske bøl-ger) tilbage i netspændingen, vil indgangsstrømmen til fase-kompenseringsanlægget stige, kondensatorerne vil blive opvar-met, og de vil blive underkastet en stærkere belastning. Dehøjfrekvente elementer fra nettet kan blokeres i installationenved hjælp af spoler.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 154


Valg af frekvensomformertil drev med justerbart

omdrejningstalValg af frekvensomformer til drev med justerbart omdrejnings-tal kræver megen erfaring. Hvis denne erfaring ikke er til ste-de, vil det være nyttigt at aflægge besøg hos et referenceanlæg(med lignende applikationer), eller at indhente de nødvendigeinformationer ved at foretage målinger. Herunder følger en listeover punkter, som bør overvejes:

1. Nærmere oplysninger om den maskine, der skalstyres

• anlægskarakteristik• momentsekvens, løsrivelsesmoment, accelerationsmoment• hastighedsreguleringsområde, køling• tilslutning af omformeren og motoren• driftskvadranter• slip-kompensation (dynamisk)• ønsket rampe-op og rampe-ned tid• ønskede bremsetider, bremsefunktionstider• direkte drev, gear, overgangsstykker, masseinertimoment• synkronisering med andre drev• driftstid, styring• computer-opkobling, snitflader, visualisering• konstruktions- og kapslingsgrad• mulighed for at indbygge decentral intelligens i frekvensom-

formeren

2. Nærmere oplysninger vedrørende miljøet• installationshøjde, indflydelse fra omgivende temperatur• kølingsbehov, kølingsmuligheder• klimaforhold, så som fugtighed, vand, snavs, støv, luftarter• særlige regler, f.eks. for miner, den kemiske industri skib-

bygningsindustrien, fødevareteknologi• støj

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 155


3. Netforhold• netspænding, spændingsudsving• nettets frekvensudsving• nettilbagevirkning• kortslutnings- og overspændingsbeskyttelse• netudfald

4. Vedligehold, drift, personale• uddannelse og instruktion af operatører• vedligehold• udskiftningsdele/udskiftningsenheder

5. Økonomiske kriterier• indkøbsomkostninger (komponenter)• pladskrav, integreret installation, konstruktion• installationsomkostninger• idriftsætning af systemet• opstillingsomkostninger• driftsomkostninger• systemets virkningsgrad (frekvensomformer og maskine)• kompensation for harmoniske belastninger

6. Beskyttelsesforanstaltninger for operatør/omformer/motor

• galvanisk adskillelse efter PELV• faseudfald• kobling på omformerens udgang• jord- og kortslutningsbeskyttelse• motorspoler til nedbringelse af spændingsstigningstiden• elektronisk varmeovervågning og tilslutning af koldledere

7. Standarder/regelsæt• Nationale DS, VDE • europæisk EN-normer og CE mærkningsdirektivet• Internationale IEC, CISPR, ISO

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 156

På grundlag af ovenstående punkter bør der vælges en fre-kvensomformer, der som standard dækker de fleste af punkter-ne. For eksempel bør det kontrolleres, om:• omformeren har en netspole eller en mellemkredsspole, så

nettilbagevirkningen kan nedsættes betydeligt,• et RFI-filter for klasse A eller B er standard eller skal købes

separat,• reduktion af motorudgangseffekten kræves, hvis der anven-

des en frekvensomformer,• omformeren selv har jord- og kortslutningsbeskyttelse, og

omformeren reagerer tilfredsstillende i en fejlsituation.


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 157


V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 158

BILAG I: ALMEN MEKANISK TEORI 159

Bilag I: Almen mekanisk teori

Retlinet bevægelseVed retlinet bevægelse ligger et legeme stille eller opretholdersin retlinede bevægelse, indtil denne påvirkes af en kraft.Kraften, F, kan beskrives som et produkt af legemets masse ogændringen pr. tidsenhed af legemets hastighed.Hastighedsændringen pr. anvendt tidsenhed kaldes også acce-leration, a.

For at et legeme skal kunne opretholde en konstant bevægelse,skal det hele tiden påvirkes af en kraft, fordi der forekommer

kræfter, som arbejder imod bevægelsesretningen. Som eksem-pler herpå kan nævnes friktion og tyngdekraft.

Roterende bevægelseVed en roterende bevægelse gælder det ligeledes, at et legemekan bringes til at rotere, eller det kan ændre rotationsretning,hvis det påvirkes af et moment nær sit massecentrum.Lige som kraften, kan momentet angives i form af sin virkning.Moment er et produkt af legemets inertimoment og legemetshastighedsændring pr. tidsenhed, dvs. vinkelaccelerationen, α.

F = m × a

Masse: »m« måleenhed: [kg]mAcceleration: »a« måleenhed: [ ]s2

Kraft: »F« måleenhed: [N]

M = F × r

r

F

Ill. AI.01

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 159

På samme måde som massen, dæmper inertimomentet accele-rationen. Inertimomentet afhænger af legemets masse og denfysiske placering i forhold til den roterende aksel.

160 BILAG I: ALMEN MEKANISK TEORI

M = I × α 2 πnω = ; n målt i [min–1]60vinkelændringVinkelhastighed: ω måleenhed: [ ]s

dω vinkelændringAccelerationsvinkel: α = ; måleenhed [ ]dt s2

Inertimoment: I; måleenhed: [kg m2]

Ill. AI.02 Beregning af forskellige inertimomenter

m × r2

I = 2

m × r2 m × l2

I = +4 12

2 × m × r2

I = 5

mI = × (r12 + r2

2)2

Massiv cylinder :

Hul cylinder:

Massiv bold:

l

l

r

l

r1

r2

2r

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 160

BILAG I: ALMEN MEKANISK TEORI 161

Når et systems moment og acceleration skal beregnes, er detbedst at placere alle masser og al inerti i et inertimoment påmotorakslen.

Præstation og effektDen præstation, en motor yder ved retlinet bevægelse, kanberegnes som et produkt af bevægelsesretningens kraft »F« ogafstanden »s«, som legemet bevæges.

Ved roterende bevægelse beregnes præstationen som et produktaf momentet M og vinkelbevægelsen (ϕ). En omdrejning = 2 × p[rad].

Det arbejde, der udføres af et transportsystem, øges med tiden.Der er derfor ingen maksimumværdi, og der er ikke noget tal,der skal bruges i beregningerne.Effekten, P, er præstationen pr. tidsenhed, og der er ingen mak-simumværdi herfor.Ved retlinet bevægelse, beregnes effekten som et produkt afkraften i bevægelsesretningen og bevægelsens længde pr. tids-enhed, hastigheden »v«.

Ved en roterende bevægelse gælder det ligeledes, at effektenkan beregnes som et produkt af momentet og længden afbevægelsen pr. tidsenhed, vinkelhastigheden ω.

P = F × V

ω22 ω3

2J = J1 + J2 ×( ) + I3 × ( ) + …ω1 ω1

W = F × s

Vinkelbevægelse: ϕ måleenhed: vinkelændring1 omdrejning = 2 × π[rad]

måleenhed: [W]

J1: motorens eget inerti-moment, osv.

J2, J3: systemets enkelte inerti-momenter

ω1: motorens vinkelhastighedosv.

ω2, ω3: det enkelte roterende legemes vinkelhastighed, osv.

Bevægelsens længde: s måleenhed: [m]Præstation: W måleenhed: [W × s]

P = M × ω måleenhed: [W]

W = M × ϕ

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 161

Bilag II: Almen

vekselstrømsteori AC står for Alternating Current (vekselstrøm) og symboliseresved »~«. Denne strøm veksler både med hensyn til størrelse(amplitude) og retning.

Tallet for perioder pr. sekund kaldes frekvens og angives iHertz. 1 Hz = en periode pr. sekund. Varigheden af en periode erperiodetiden, der beregnes som følger

Ved en frekvens på 50 Hz, er periodetiden 0,02 sekunder.

Modsat jævnspændingen og jævnstrømmen, som karakteriseresved kun at have en størrelse, karakteriseres vekselspændingenog vekselstrømmen ved at have flere størrelser.

162 BILAG II: ALMEN VEKSELSTRØMSTEORI

Periode

Strøm i én retning

Tid

Strøm i den anden retning

Firepolet rotors omdrejning

Ill. AII.01 Forskellige værdier for vekselstrøm

1T = f

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 162

Normalt anvendes den effektive værdi. En vekselstrøm på 1 Audvikler samme varme i en given modstand som en jævnstrømpå 1 A.

Vektorer er meget nyttige ved vekselstrømme og vekselspæn-dinger. De klargør forbindelsen mellem strøm, spænding og tid.En vektor karakteriseres ved sin længde og rotationsretning.Rotationsretningen er mod uret.

Når en vektor drejer en fuld omgang fra udgangspunktet,gennemløber vektorspidsen 360°.Tiden for en omdrejning er identisk med sinuskurvens periode.Vektorhastigheden pr. sekund angives som vinkelhastighed og iform af det græske bogstav ω. ω = 2 × π ×f. Der findes tre typervekselstrømsbelastninger.Hvis belastningen består af spoler med jernkerne, som i motor-er, er belastningen hovedsageligt induktiv. I dette tilfælde for-sinkes strømmen i forhold til spændingen.

BILAG II: ALMEN VEKSELSTRØMSTEORI 163

Ill. AII.03 Vektorens rotationsretning er mod uret

α

90°

180° 0/360°

270°

90°45° 135° 180° 225° 270° 315° 360°

Ill. AII.02 Forskellige værdier af vekselspænding

Strøm/spænding

mid

del

eff.

mak

s.

mid

del

eff.

mak

s.

spid

s ti

l spi

ds

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 163

Belastningen kan være kapacitiv. Her er strømmen forud forspændingen tidsmæssigt set. Ved en rent ohmsk belastning erder ingen tidsforskydning mellem strøm og spænding.Forskydningen mellem spænding og strøm kaldes faseforskyd-ningsvinklen og kendes ved det græske bogstav ϕ.

Hvis man multiplicerer de strøm- og spændingsværdier, derhører sammen, kommer man frem til effektkarakteristikken forde tre belastningstyper.

De »rene« typer belastning er kun teoretiske værdier, når vek-selstrømskredsløbene beskrives. En belastning er enten ohmsk-induktiv eller ohmsk-kapacitiv.


Ill. AII.04 Strøm, spænding og effekt under belastning

Ohmsk belastning Induktiv belastning Kapacitiv belastning

R

U

U

P

I

I

0° 90° t

270° 360°

0° 90°

270° 360°

Umax.

Imax.

ϕ

U

I

U

I

P

P = 0

L

0° 90°

270° 360°

Umax.

Imax.

ϕ

ϕ

ϕ

U

C

I

U

I P

P = 0

0° 90°

270° 360°

Umax.

Imax.

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 164


EffektfaktorEffektfaktoren λ defineres som forholdet mellem den aktiveeffekt og skineffekten.Ofte kaldes denne faktor også cos ϕ; imidlertid er cos ϕ kun defi-neret for sinusformede strømme og spændinger.Ved ikke-lineære belastninger, så som frekvensomformeren, erbelastningsstrømmen ikke sinusformet. Derfor skal der skelnesmellem cos ϕ og effektfaktoren.

P er den aktive effekt, IW er den aktive strøm, I og U er effekti-ve værdier.

ϕ er faseforskellen mellem strøm og spænding. Hvis der er enrent sinusformet strøm og spænding, svarer cos ϕ derfor til for-holdet mellem aktiv effekt og skineffekt.

P IWλ = = I × U I

Ill. AII.05

Effekt

Spænding

Strøm

Fasefor-skydning

Formel-tegn.

P =

Q =

S =

U =

IS =

IW =

IB =

cos ϕ =

sin ϕ =

Generelt

U × I × cos ϕ = S cos ϕ

U × I × sin ϕ = S sin ϕ

P QU × I = =cos ϕ sin ϕ

P Q S= =I × cos ϕ I × sin ϕ I

P Q S= =U × cos ϕ U × sin ϕ U

P S × cos ϕ=U U

Q S × sin ϕ=I I

P P=U × I S

Q Q=U × I S

Enhed

W el. kW

VAr el. kVAr

VA el. kVA

V

A

A

A

ingen enhed

ingen enhed

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 165


3-faset vekselstrømI et 3-faset spændingssystem er spændingerne forskudt 120° iforhold til hinanden. De tre faser vises normalt i samme koordi-natsystem.

Spændingen mellem en faseleder og nullederen kaldes fase-spændingen Uf,og spændingen mellem to faser kaldes net-spændingen UN.

Forholdet mellem UN og Uf er √3—

.

U1

U2

U3

U1 U2 U3U

–U

90° 270°

360°180°

90°

270°

360°180°

120°

120°

Ill.AII.06 En 3-faset vekselspænding består af tre forskellige, tidsforskudte vekselspændinger

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 166


Stjerne- eller trekantforbindelseNår en trefaset netforsyning underkastes en motorbelastning,forbindes motorviklingerne i stjerne eller trekant (delta).

Ved stjerneforbindelse forbindes en fase med den ene ende afmotorviklingerne, mens de andre ender kortsluttes (stjerne-punkt). Spændingen hen over de enkelte viklinger er

For strømmene er følgende gældende: I1 = I2 = I3 = IN

Ved trekantforbindelse serieforbindes motorviklingerne. Hvertforbindelsespunkt er forbundet med en fase.

Spændingen hen over de enkelte viklinger er

UN = U1= U2 = U3

For strømmene er følgende gældende

Uf

Uf

Uf

L1 U

W

L2

L3

IN

I2

I3

I1

V

UN

UNUN

UfU2

U1

L1 U

W

L2

L3

IN

I2

I3

I1

UN

UNUN

Ill. AII.07 Net- og faseværdier ved stjerne- eller trekant-forbindelse

UNUf = Uf = Uf = Uf =√3

INI1 = I2 = I3 =√3

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 167

168 BILAG III: ANVENDTE FORKORTELSER

Bilag III: Anvendte forkortelser

ASIC Applikations- specifik IC

CSI »Current Source Inverter«

d AfstandDDC Direct Digital Controlf FrekvensF Kraftg TyngdekraftGD2 SvingmomentI1 StatorstrømIB Blindstrøm/Flux-

skabende strømIL RotorstrømIM, IS Motorstrøm

(skinstrøm)IN Nominel strømIW Moment-skabende

strøm/aktiv strømIϕ MagnetiseringsstrømIC Integrerede koblings-

kredsløbJ InertimomentL InduktansM MomentMa StartmomentMacc AccelerationsmomentMdec BremsemomentMk Nedbremsnings-

momentMN Nominelt momentn omdr./min.nn Nominel hastighedno Synkron omdr./min.ns Slip-omdr./min.p Antal polpar

P Effekt/aktiv effektP1 (Elektrisk) indgangs-

effektP2 (Mekanisk) udgangs-

effektPLC Programmable Logic

ControllerPtab Tabseffekthk Hestekraftr RadiusRFE Modsatrettet

modstands SlipS SkineffektSFAVM Stator Flux-oriented

Asynchronous Vector Modulation

SM Skineffekt (motor)tacc Accelerationstidtdec Decelerationstidtoff Tidstransistor inaktivton Tidstransistor aktivU SpændingUq InduktionsspændingUS Spændingsfald

(stator)VVC Voltage Vector ControlW FunktionXh ModreaktansXL Reaktans (rotor)

Φ Hovedflux, stator fluxΦL Rotorfluxη Motor-virkningsgradω Vinkelhastighed

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 168

LITTERATURFORTEGNELSE 169

LitteraturfortegnelseSupplerende litteratur:

P. Thøgersen, M. Tønnes,U. Jæger, S.E. Nielsen:»New High Performance VectorControlled AC-Drive withAutomatic Energy Optimizer«6th European Conference onPower Electronics andApplications; Sept. 1995

S. Anderson og K. Jørgensen:»Vekselstrømsmaskiner, -anlæg«Polyteknisk forlag, 1985

P.F. Brosch: »Frequenzumformer«,Verlag moderne industrie, 1989

P.F. Brosch: »Moderne Stromrichterantriebe«Vogel Buchverlag 1992

ELFO: »El-faglære«Elinstallatørernes Lands-forening, 1993

R. Fisher: »Elektrische Maschinen«Carl Hanser Verlag, 1986

W. Gilson:»Drehzahlgeregelte Drehstrom-antriebe«VDE-Verlag, 1983

E.v. Holstein-Rathlou: »Stærkstrømselektroteknik«J. Jørgensen & Co. Bogtrykkeri,1939

K. Jark og A.H. Axelsen: »Elektroteknik«H. Hagerup, 1966

Thomas Kibsgård: »EL Ståbi«Teknisk Forlag A/S, 1988

U. Krabbe: »Strømrettere«Danmarks Tekniske Højskole,1982

W. Norbøll:»Elektricitetslære«P. Haase & Søns Forlag, 1952

Sprecher + Schuh AG: »Schütz-Steuerungen«Sprecher + Schuh AG, 1982

J. Nedtwig, M. Lutz: »WEKA Praxis Handbuch«Weka Fachverlag für technischeFührungskräfte, 1996

H.R. Schmeer: »EMV 96«VDE-Verlag, 1996

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 169

170 STIKORDSREGISTER

A Acceleration 45,121,126Adressebus 96Aktiv strøm 39,87Alternerende felter 16Analoge styringssignaler 96ASIC 74,84Asynkron motor 15,27,51AVM 75

BBelastningsafhængig magneti-

sering 34Belastningsmoment 44,51,121Belastningstyper 45Beskyttelse 149Beskyttelsesrelæ 138,140Beskyttelsestyper 37,138,154Blindstrøm 34,39,51,58Bremser 22,128,153Bremseområder 22Bus 95,100,103

CChopper 60,69,83Computer 81,93,95Cos ϕ 39,123,124,152

DDanfoss VVC styringsprincip 84Danfoss VVCplus styringsprincip

86,95,116Databus 93Datalager 59,81,93Delta-forbindelse 36,166Delta-spænding 65,71Digitale styringssignaler 95Diode 54Drift 93,101,155Driftsområde 22,27,31

EEEPROM 95,113

Effekt 21Effektserier 35Effekttværsnit 139Ekstern ventilation 133Ekstra beskyttelse 138EMC 143Ensretter 52,54,56EPROM 94

FFasesekvens 127Fejlspændingsrelæ 140Fejlstrømsrelæ 140Flux-styring 13Forstærket jord 139Frekvensændring 32Frekvensomformer, princip-

diagram 52Frekvensomformerstørrelser

120Friktionstab 25Fuldt-styret ensretter 56Funktioner 22

GGalvanisk adskillelse 138,155Galvanisk kobling 145Gate 56,62,91Generator 22,28,127Generator-princip 13

HHastighed 7,10,20Hastighedsændring 10,30,158Hastighedsreference 127,130Hestekræfter 35Hvirvelstrømstab 24Hysterese-tab 24

IIGBT transistor 62,74,91Ikke-styret ensretter 54Ind- og udgange 94,95

Stikordsregister

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 170

STIKORDSREGISTER 171

Induktiv kobling 147Inertimoment 43,126,158Installationstype 41International beskyttelse 37International køling 40International montering 41

JJerntab 24Jording 137,145,152Jævnstrømsbremser 128Jævnstrømsmotor 13

KKapacitativ overkobling 145Kaskade-kobling 32Kipmoment 23,32,43,51 Konstant spændingsmellem-

kredsløb 59Konstant strømensretter 53Kobbertab 24Koblingsfrekvens 62,65,72,92Koblingsring motor 29,31Koblingsring rotor 18,32Kortslutning 125,155Kortslutningsrotor 18,25Køling 133Kølingstyper 40

LLøsrivelsesmoment 45

MMagnetfelt 13,16Magnetisering 25,34,65Mekanisk belastning 27Mellemkredsløb 8,52,59Mellemkredsløb med variabel

spænding 60Mikroprocessor 65,74,81,93Moment 20,31,40Motordata 35,41,86,118Motoropvarmning 133Motorkabel 89,138,146Motorkatalog 35,42Motorprincip 13

Mærkeplade 23,35,41

NNetforsyning 22,59,111Nettilbagevirkning 61,145,147Nominelt moment 23,41,110Nulling 139Nødkontakt 138

OOpstartområde 23,31Overharmoniske 73Overmagnetisering 34Overbelastningsmoment

121,127

PParallel-forbundne motorer 106Polpar 16,47Pulse Amplitude Modulation

(PAM) 68,82Pulse Width Modulation

(PWM) 70

RRadiostøj 141,151RAM 94Ramper 130Reluktansmotor 49Reversering 129Roterende felt 17,29,32,47Rotor 14,18Rotorstyring 31Rotormodstand 27RS 232/422/423/485 101

SScreening 152Seriel kommunikation 99SFAVM 75,86Sinusreference 71Sinusstyret PWM 65,71,85Slip 20,27,30,42Slipkompensation 109Slip-styring 30Spredning af radiostøj 151

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 171

172 STIKORDSREGISTER

Spændings-/frekvensforhold 34,111

Spændingsstigningstider du/dt 155

Startkompensation 107Startmagnetisering 33Startmoment 23Startstrøm 36Statussignaler 102Stjerneforbindelse 36,166Styringsbus 95Styringskredsløb 52,60,81Styringssignal 56,91,95Synkron hastighed 16,22,42Synkrone motorer 47,51,123Strømgrænse 110,119

TTab 24Tidsforsinkelse 56Transformer 140Transienter/overspænding 148Transistorer 64,65Tyristor 7,54,62

UUdgangsspænding 55,62,67Undermagnetisering 25,107

VVariabelt jævnstrøms-

mellemkredsløb 49Varistor 149Varmesensor 138Varmetab 26Vekselretter 52,59,62Ventilationstab 25Vinkelhastighed 18,78,86Virkningsgrad 23,42,123,135Tidsforsinkelse 126

ÆÆkvivalent kredsløbsdiagram

27,33,86Ændring af polantal 29Ændring af statorspænding 30

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 172

STICHWORTVERZEICHNIS 173

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 173

174 STICHWORTVERZEICHNIS

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 174

STICHWORTVERZEICHNIS 175

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 175

176 STICHWORTVERZEICHNIS

V.A.V. 01 03/04/98 11:29 Side 176

værd at vide om frekvensomformere - spz.dkkapitel 0: indledning 7 0. indledning en statisk...

Documents