Pagina 1 Handboek | VLT® frequentieomvormers Wetenswaardigheden over frequentieomvormers...
Pagina 2 Voorwoord In 1968 was Danfoss het eerste bedrijf ter wereld dat begon met het in serie produceren van frequentieomvormers voor toerenregeling van driefase-inductiemotoren. Tegenwoordig vormen frequentieomvormers een steeds belangrijker component voor optimalisatie van motorprestaties en het systeem waar de motor deel van uit maakt.
Pagina 3: Inhoudsopgave
Inhoud Inhoud Pagina 0 Inleiding ................................7 0.1 Toerenregeling van elektromotoren .....................7 0.2 Het voordeel van toerenregeling ....................8 0.3 Hoe wordt het motortoerental aangepast? ................8 0.4 Frequentieomvormers ........................9 1 Elektromotoren ............................10 1.1 Overzicht .............................. 10 1.2 Basisprincipes ............................. 11 1.2.1 Stator en rotor......................... 11 1.2.2 Vermogen en koppel ......................
Pagina 4 2.7.4.2 Flux-vector (met terugkoppeling) ..............70 2.7.5 Servo-omvormerregeling ....................71 2.7.6 Conclusies over regeling ..................... 71 2.8 Danfoss-besturingsprincipes ......................71 2.8.1 Danfoss VVCplus-besturingsprincipe ................72 2.8.2 Danfoss flux-vectorbesturingsprincipe ................. 76 2.9 Normen en wetgeving ........................77 3 Frequentieomvormers en motoren ....................78 3.1 Basisprincipes ............................. 78 3.1.1 U/f-bedrijf en veldverzwakking..................
Pagina 5 Inhoud Pagina 3.2.5 PM-motor- en SynRM-compensaties ................85 3.3 Automatische aanpassing motorgegevens (AMA) ............... 86 3.4 Werking .............................. 87 3.4.1 Regeling motortoerental ....................87 3.4.2 Omkeren ........................... 88 3.4.3 Vertragings- en versnellingsramps (aanloop en uitloop) ........89 3.4.4 Motorkoppelregeling ......................91 3.4.5 Watchdog ..........................92 3.5 Werking dynamische rem ......................93 3.5.1 Verlenging van de vertragingsramp ................94 3.5.2 Motor als remweerstand .....................
Pagina 6 Inhoud Pagina 6 Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren ..........133 6.1 Algemeen ............................133 6.2 Netvoedingssystemen ........................134 6.3 Extra beveiliging ..........................137 6.4 Zekeringen en circuitbreakers ....................139 7 Netstoringen .............................142 7.1 Wat zijn harmonischen? .......................142 7.1.1 Lineaire belastingen ......................142 7.1.2 Niet-lineaire belastingen ....................143 7.1.3 Het effect van harmonischen in een stroomverdeelsysteem ......145 7.2 Normen en voorschriften voor het beperken van harmonischen ........147 7.3 Methoden voor harmonischenreductie in frequentieomvormers .......147 7.3.1 Passieve beperking van harmonischen ...............149...
Pagina 7: Inleiding
Inleiding 0 Inleiding De definitie van een frequentieomvormer (FC – frequency converter) (of frequentieomvormer) luidt: een elektronisch apparaat dat de frequentie van wisselstroom (AC) omzet naar een andere frequentie. Van oudsher waren deze apparaten elektromechanische machines (combinatie van motor en generator). Deze worden soms aangeduid als ”dynamische” FC’s. Met de komst van halfgeleiderelektronica werd het mogelijk om volledig elektronische FC’s te bouwen, die vaak worden aangeduid als ”statische” FC’s (geen bewegende delen). Hoewel het principe van het omzetten van een vaste netspanning en -frequentie naar variabele waarden praktisch ongewijzigd is gebleven, zijn er veel verbeteringen doorgevoerd sinds de eerste FC’s, die gebruikmaakten van thyristoren en analoge technologie, tot aan de huidige microprocessorgestuurde, digitale apparaten. Vanwege de voortdurend toenemende automatisering in de industrie is er een constante vraag naar meer geautomatiseerde regelingen en gestaag toenemende productiesnelheden, waardoor er voortdurend betere methoden voor verdere verbetering van het rendement van productie-installaties worden ontwikkeld.
Pagina 8: Het Voordeel Van Toerenregeling
Inleiding 0.2 Het voordeel van toerenregeling Er zijn talrijke redenen om het toerental van een toepassing aan te passen: • Energie besparen en het rendement van systemen verbeteren • Het toerental van de elektromotor aanpassen aan de procesvereisten • Het koppel of vermogen van een elektromotor aanpassen aan de procesvereisten • Het werkklimaat verbeteren • De mechanische belasting van machines beperken • Geluidsniveaus verlagen, bijvoorbeeld bij ventilatoren en pompen Welk voordeel het meest bepalend is, hangt af van de toepassing. Het is echter bewezen dat een toerenregeling aanzienlijke voordelen biedt in zeer uiteenlopende toepassingen. 0.3 Hoe wordt het motortoerental aangepast? Er zijn drie hoofdtechnologieën voor het realiseren van toerenregeling in de industrie. Elke technologie heeft unieke kenmerken: Hydraulisch • Hydrodynamisch type • Statische typen Deze genieten vaak de voorkeur in transportbandtoepassingen, met name voor grondverzet- en mijnuitrustingen. Dit komt voornamelijk vanwege de inherente ”softstart”- mogelijkheid van de hydraulische eenheid. Mechanisch • Riem- en kettingaandrijvingen (met instelbare diameters).
Pagina 9: Frequentieomvormers
Inleiding 0.4 Frequentieomvormers Moderne frequentieomvormers kunnen worden toegepast om het toerental of koppel van een aangedreven machine aan te passen en te handhaven met een nauwkeurigheidsmarge van ± 0,5%. Dit is onafhankelijk van de belasting, in tegenstelling tot netbedrijf van een inductiemotor, waarbij het toerental maar liefst 3-5% (slip) kan variëren tussen nullastbedrijf en vollastbedrijf.
Pagina 10: Elektromotoren
Elektromotoren 1 Elektromotoren 1.1 Overzicht Een elektromotor is een elektromechanisch apparaat dat elektrische energie omzet in mechanische energie. Het omgekeerde proces – het produceren van elektrische energie uit mechanische energie – wordt uitgevoerd door een generator. Er worden enorme eisen gesteld aan de werking van de elektromotor, met name in de industrie. Robuustheid, betrouwbaarheid, afmetingen, energierendement en prijs zijn slechts enkele van de criteria. De uiteenlopende behoeften hebben geleid tot de ontwikkeling van verschillende typen elektromotoren. Onderstaand schema geeft een algemeen overzicht van de meest gangbare elektromotortechnologieën. permanent- magneet Zonder permanent- magneet Aluminium rotor Elektromotor Inductiemotor Asynchroon...
Pagina 11: Basisprincipes
Elektromotoren 1.2 Basisprincipes 1.2.1 Stator en rotor De constructie van alle roterende elektromotoren bestaat in principe uit twee hoofdcomponenten. Fig. 1.2 Constructie van de asynchroonmotor Rotor De rotor (1) is het roterende deel van de motor dat op de motoras is gemonteerd. Net als de stator bestaat de rotor uit dunne ijzeren lamellen die de rotorwikkelingen bevatten. Stator De stator (2) is het stilstaande deel van de motor en bevat het blikpakket waarin de elektrische wikkelingen worden geplaatst. Eén variant is de externe rotormotor. In tegenstelling tot het concept met een interne rotor, is de stator in het midden van de motor geplaatst en draait de rotor om de stator heen. Deze constructie wordt gebruikt in bepaalde ventilatortoepassingen waarbij de ventilatorbladen direct op de rotor zijn gemonteerd. Tenzij anders aangegeven, hebben...
Pagina 12: Vermogen En Koppel
Elektromotoren 1.2.2 Vermogen en koppel Het nominale vermogen van elektromotoren is gedefinieerd binnen een standaardbereik. Deze standaardisatie stelt gebruikers in staat om voor specifieke toepassingen te kiezen tussen verschillende motorfabrikanten. Het ”standaard” vermogensbereik en de incrementen verschillen van land tot land en van regio tot regio. We adviseren om uit te zoeken wat fabrikanten in hun catalogi definiëren als standaard. Over het algemeen kunnen motoren met een framegrootte tot 315 (ca. 200 kW) worden beschouwd als standaardmotoren met standaardafmetingen. Paardenkracht [pk] is de imperiale eenheid die wordt gebruikt voor motorvermogen. Als deze eenheid in specificaties wordt gebruikt, kunt u deze als volgt converteren: 1 pk = 0,736 kW of 1 kW = 1,341 pk. Tabel 1.1 toont het typische nominale uitgangsvermogen in [kW] en [pk] op basis van de industriële standaard. 0,18 0,25 0,37 0,55 0,75 1,10 1,50 2,20 3,00 4,00 5,50 7,50 11,0 1,00 2,00...
Pagina 13: Wisselstroom- En Gelijkstroommotoren
Elektromotoren 1.2.3 Wisselstroom- en gelijkstroommotoren De eerste elektromotor, een gelijkstroommotor, werd rond 1833 gebouwd. De toerenregeling voor dit type motor is eenvoudig en voldeed destijds aan de vereisten van zeer uiteenlopende typen toepassingen. De gelijkstroommotor wordt gestuurd door het leveren van een DC-spanning waarvan de hoogte het rotortoerental beïnvloedt. Spanning die op de stator- en rotorwikkelingen wordt geschakeld, wekt magneetvelden op die elkaar aantrekken of afstoten, waardoor de rotor beweegt.
Pagina 14: Polen, Synchroon Toerental En Asynchroon Toerental
Elektromotoren b) Motorprincipe In motoren wordt het inductieprincipe in omgekeerde volgorde benut: een stroom- voerende geleider, die zich in een magnetisch veld bevindt, wordt beïnvloed door een kracht (F), wat resulteert in een beweging. a) Generatorprincipe b) Motorprincipe Fig. 1.3 Principe van elektromagnetische inductie In beide gevallen is een magnetisch veld vereist. In Fig. 1.3 “Principe van elektromagnetische inductie” wordt het magnetische veld opgewekt door een permanentmagneet, terwijl het magnetische veld in een motor wordt opgewekt in de stator. Dit wordt gewoonlijk gerealiseerd door een spanning op de statorwikkelingen te schakelen.
Pagina 15: Rendement En Verliezen
Elektromotoren a) b) Fig. 1.4 Twee spoelen in één fase in serie aangesloten op a) twee polen b) vier polen Tabel 1.2 Poolparen (p) of pooltal en synchroonmotortoerental – geeft het aantal polen dat overeenkomt met het synchrone toerental (n ) bij een voeding van 50 en 60 Hz. Hogere pooltallen zijn mogelijk maar worden tegenwoordig zelden toegepast. Poolparen (p) Pooltal (2 p) [min ] (50 Hz-voeding) 3000 1500 1000 [min ] (60 Hz-voeding) 3600 1800 1200 Tabel 1.2 Poolparen (p) of pooltal en synchroonmotortoerental Synchroon betekent ”gelijktijdig” of ”gelijk”. Dit houdt in dat bij synchroonmotoren het toerental van de rotor gelijk is aan het toerental van het draaiveld.
Pagina 16 Elektromotoren Koperverlies IJzerverlies Asvermogen Ventilatorverlies Wrijvingsverlies Fig. 1.5 Typische verliezen in de motor De verliezen in de motor, zoals afgebeeld in Fig. 1.5 “Typische verliezen in de motor”, omvatten: • koperverliezen als gevolg van de weerstand van de stator- en rotorwikkelingen; • ijzerverliezen bestaande uit hystereseverliezen en wervelstroomverliezen. H ystereseverliezen treden op wanneer ijzer wordt gemagnetiseerd door een wisselstroom (AC). H et ijzer wordt herhaaldelijk gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd (namelijk 100 keer per seconde in geval van een 50 Hz-voeding). Magnetisering en demagnetisering vereisen beide energie. De motor levert vermogen ter compensatie van de hystereseverliezen, die toenemen met de frequentie en de sterkte van magnetische inductie. W ervelstroomverliezen treden op doordat de magnetische velden elektrische spanningen opwekken in de ijzeren kern, net als in andere geleiders (zie Fig. 1.6 ”Wervelstromen worden beperkt door de gelamineerde vorm van het blikpakket van de motorkern”).
Pagina 17: Asynchroonmotoren
Elektromotoren • Ventilatorverliezen treden op als gevolg van de luchtweerstand van de motorventilator • Wrijvingsverliezen treden op in de kogellagers die de rotor op zijn plaats houden Bij het bepalen van het rendement en het uitgangsvermogen van de motor worden de verliezen in de motor gewoonlijk afgetrokken van het toegevoerde vermogen. Het toegevoerde vermogen wordt gemeten, terwijl de verliezen vaak worden berekend of proefondervindelijk worden bepaald. 1.3 Asynchroonmotoren Om goed te begrijpen hoe een systeem met toerenregeling werkt, is inzicht nodig in de werkingsprincipes van dit type motor. Hoewel het basisontwerp de afgelopen decennia niet veel is gewijzigd, hebben moderne isolatiematerialen, computergebaseerde ontwerptechnieken evenals geautomatiseerde productiemethoden geleid tot lagere kosten per kilowatt vermogen en een hoger rendement voor de betreffende motorklassen.
Pagina 18 Elektromotoren Het magnetische veld in de statorkern heeft een vaste locatie, maar de richting varieert, zoals aangegeven in Fig. 1.7 “Eén fase wekt een wisselend veld op”, aangeduid als ”wisselveld”. De draaisnelheid wordt bepaald door de netfrequentie. Bij een frequentie van 50 Hz wijzigt het veld 100 keer per seconde van richting. Als er twee fasewikkelingen worden aangesloten op de relevante voedingsfasen, worden in de statorkern twee magnetische velden opgewekt. In een tweepolige motor zijn de velden 120 graden verschoven ten opzichte van elkaar. Ook de maximale veldwaarden zijn verschoven in tijd, zoals aangegeven in Fig. 1.8 “Twee fasen wekken een asymmetrisch draaiveld op”. Fig. 1.8 Twee fasen wekken een asymmetrisch draaiveld op Dit wekt in de stator een draaiend magnetisch veld op dat zeer asymmetrisch is totdat de derde fase wordt aangesloten. Wanneer de derde fase wordt aangesloten, zijn er drie magnetische velden in de statorkern. De drie fasen zijn 120° verschoven ten opzichte van...
Pagina 19: Kooiankermotor
Elektromotoren De amplitude van het draaiveld (φ) is constant en bedraagt 1,5 maal de maximale waarde (ϕ ) van de wisselvelden. Het draaiveld draait met het synchrone toerental dat wordt bepaald door het aantal poolparen en de netfrequentie (zie ook sectie 1.3.3 Slip, koppel en toerental). a) b) Fig. 1.10 Componenten van een magnetisch veld De weergave van het draaiveld als een vector met een overeenkomstige hoeksnelheid beschrijft een cirkel, zoals aangegeven in Fig. 1.10 “Componenten van een magnetisch veld”. De grootte van het magnetische veld φ als resultaat van de componenten (φ1, φ2, φ3) blijft constant op verschillende tijdstippen (a en b). Als functie van tijd in een coördinatenstelsel beschrijft het draaiveld van één enkele spoel een sinuslijn. Het gecombineerde draaiveld van de drie fasen in vectorweergave heeft een cirkelvorm.
Pagina 20 Elektromotoren Een variant van de kortsluitrotor is de sleepringrotor, die gewikkelde rotorspoelen heeft. De spoelen zijn aangesloten op sleepringen. Borstels die over de sleepring slepen, maken het mogelijk om externe weerstanden aan te sluiten die het motorgedrag aanpassen (zie ook sectie 1.3.5 “Toerental wijzigen”). Als de sleepringen worden kortgesloten, werkt de rotor als een kooianker. Roterend veld Magnetische ux Hefboom (r) Kracht (F) Fig. 1.11 Werkingsgebied en kooianker De rotorbeweging van de kooiankermotor wordt als volgt gecreëerd: Een rotorstaaf die in het draaiveld is geplaatst, wordt gepasseerd door een reeks magnetische polen, zoals aangegeven in Fig. 1.11. Het magnetische veld van elke pool wekt in de rotorstaaf een stroom (I ) op, die wordt beïnvloed door een kracht (F). Deze kracht...
Pagina 21: Slip, Koppel En Toerental
Elektromotoren Wanneer de volledige rotor zich in het draaiveld bevindt (zie Fig. 1.12c “Inductie in de rotorstaven”), worden de rotorstaven beïnvloed door krachten die de rotor laten draaien. Het rotortoerental (2) bereikt niet het toerental van het draaiveld (1), aangezien er geen stromen in de kooistaven worden opgewekt wanneer deze met hetzelfde toerental als het veld draaien. 1.3.3 Slip, koppel en toerental Zoals aangegeven in de secties 1.2.5 “Polen, synchroon toerental en asynchroon toerental” en 1.3.2 “Kooiankermotor”, is het rotortoerental (n ) van asynchroonmotoren in normale omstandigheden iets lager dan het toerental (n ) van het draaiveld. Het verschil tussen de toerentallen van het draaiveld en de rotor wordt slip (s) genoemd, waarbij: s = n₀ – n De slip wordt vaak uitgedrukt als een percentage van het synchrone toerental en ligt typisch tussen 1 en 10 procent. s = (n₀ – n ) ×...
Pagina 22 Elektromotoren (Kipkoppel) (Nominaal koppel) Fig. 1.14 Belangrijkste motorstroom- en koppelkarakteristieken Het werkbereik van de motor (0 < n/n₀ < 1) is op te delen in twee bereiken: • Startbereik (0 < n/n₀ < n /n₀ ) • Werkbereik (n /n₀ < n/n₀ < 1) Deze bereiken hebben de volgende kenmerken: Startkoppel T . Dit is het koppel dat de motor produceert wanneer de nominale spanning en de nominale frequentie worden toegepast op een stilstaande motor. Kipkoppel (max. koppel) T bij kiptoerental n .
Pagina 23: Typische Bedrijfscondities
Elektromotoren Naast het normale motorwerkbereik zijn er twee rembereiken. • n/n₀ > 1: de motor wordt aangedreven door de belasting boven het synchrone toerental van de motor (n₀) en werkt als generator. In dit bereik produceert de motor een tegenkoppel en voert hij tegelijkertijd vermogen terug naar het voedingsnet. • n/n₀ < 0: het remmen wordt aangeduid als regeneratief remmen of tegenstroomremmen. Als twee fasen van een motor plotseling worden verwisseld, verandert het draaiveld van richting. Meteen hierna bedraagt de toerentalverhouding n/n₀ 1. De motor, die tot op dat moment was belast met koppel T, remt nu met het remkoppel. Als de motor niet wordt uitgeschakeld bij n = 0, zal hij in de nieuwe looprichting van het magnetische veld blijven werken.
Pagina 24: Toerental Wijzigen
Elektromotoren De spoelen beïnvloeden elkaar door middel van magnetische inductie. De rotorspoel wekt een stroom op in de statorspoel en omgekeerd. Dit wederzijdse effect betekent dat de twee elektrische circuits onderling kunnen worden verbonden via een gemeenschappelijk element dat bestaat uit R en X , de zogenaamde dwarsweerstand en dwarsreactantie. De stroom die de motor opneemt voor magnetisering van de stator en de rotor, loopt via dit gemeenschappelijke element. De spanningsval over de ”dwarskoppeling” is de inductiespanning (U ). R...
Pagina 25 Elektromotoren Het motortoerental kan daarom worden gewijzigd door wijziging van: • het aantal poolparen p van de motor (bijvoorbeeld poolomschakelbare motoren); • de motorslip s (bijvoorbeeld sleepringmotoren); • de frequentie f van de motorvoedingsspanning (voor de motor). (1 - s) x f Aantal Slip Frequentie poolparen Rotor Starterspanning Cascade- Weerstand koppeling Fig. 1.16 Diverse opties voor het wijzigen van het motortoerental Pooltalregeling De draaisnelheid van het magnetische veld wordt bepaald door het aantal poolparen in de stator.
Pagina 26 Elektromotoren Het toerental wordt gewijzigd door de statorwikkelingen om te schakelen zodat het aantal poolparen in de stator wijzigt. Door van een klein aantal poolparen (hoog toerental) om te schakelen naar een groot aantal poolparen (laag toerental), kan het feitelijke motortoerental aanzienlijk worden verlaagd, bijvoorbeeld van 1500 naar 750 tpm. Bij snel omschakelen van een hoger naar een lager toerental, doorloopt de motor zijn regeneratieve bereik. Dit betekent een aanzienlijke belasting voor zowel de motor als het mechanisme van de aangedreven machine, wat kan leiden tot schade aan de motor en de machine. Slipregeling Het regelen van het motortoerental door middel van slip is mogelijk op twee manieren: door de voedingsspanning van de stator te wijzigen of door de rotor te modificeren. Hierbij moet worden opgemerkt dat beide methoden gepaard gaan met aanzienlijke thermische verliezen. Raadpleeg andere informatiebronnen als u hier meer informatie over nodig hebt. Rotorregeling Het regelen van het motortoerental met behulp van de rotor is mogelijk op twee manieren: • Via weerstanden die in het rotorcircuit worden geplaatst. Deze typen motoren worden ”sleepringmotoren” genoemd. Het nadeel van deze methode is het hogere vermogensverlies in het rotorcircuit.
Pagina 27: Motortypeplaatje En Ster- Of Driehoekconfiguratie
Elektromotoren Bij lage toerentallen moet de verhouding worden aangepast om de ohmse verliezen te compenseren. Binnen dit toerentalbereik kan aanvullende, geforceerde koeling noodzakelijk zijn. 1.3.6 Motortypeplaatje en ster- of driehoekconfiguratie Gewoonlijk is de motor voorzien van een typeplaatje waarop alle essentiële motorgegevens staan vermeld. Aanvullende gegevens zijn beschikbaar in de motorcatalogus of op te vragen bij de fabrikant. IEC 60034-6 Fig. 1.19 Motortypeplaatje met essentiële gegevens Het getoonde typeplaatje bevat de volgende informatie: 1. De motor is een draaistroommotor met een nominale frequentie van 50 Hz 2. Het nominale (as)vermogen is 15 kW 3. De statorwikkelingen kunnen in serie (ster) worden aangesloten met een nominale spanning van 400 V en een nominale (schijnbare) stroom van 27,5 A...
Pagina 28 Elektromotoren Besteed speciale aandacht aan de nominale motorspanning bij aansluiting in ster of driehoek. Als de voedingsspanning hoger is dan de nominale spanning van de toegepaste configuratie, wordt de motor beschadigd. Vaak kan de aansluiting worden gewijzigd door de jumpers op de motorklemmen te verplaatsen. a) Fig. 1.20 Motoren aangesloten in ster (a) of driehoek (b) via jumpers op het klemmenblok Bij een driehoekaansluiting wordt de volledige voedingsspanning geschakeld op elke motorfase, maar wordt de stroom verlaagd met factor √3.
Pagina 29: Synchroonmotoren
Elektromotoren 1.4 Synchroonmotoren De synchroonmotor dankt zijn naam aan het feit dat de rotor met hetzelfde toerental draait als het magnetische veld dat door de statorwikkelingen wordt opgewekt. Het ontwerp van de stator is in veel gevallen vergelijkbaar met dat van asynchroonmotoren, met gedistribueerde wikkelingen. Sommige fabrikanten gebruiken concentrische wikkelingen (in groeven), wat een compacter motorontwerp mogelijk maakt en minder koper vereist. De energiebesparing die het gebruik van minder koper oplevert, wordt echter vaak tenietgedaan door extra verliezen, wat leidt tot harmonischen in de luchtspleetflux als gevolg van de constructie.
Pagina 30 Elektromotoren Om de motor zo goed mogelijk te magnetiseren, moet de regelaar op elk willekeurig moment de rotorhoek kennen. In veel toepassingen zijn sensorloze strategieën voor het bepalen van de rotorhoek voldoende. Als de regelaar niet geschikt is voor een sensorloze regeling, of in uiterst dynamische servotoepassingen, worden externe positieterugkoppelingsapparaten gebruikt. In het equivalentiediagram worden de magneten voorgesteld door een spanningsbron , omdat door het draaien van de rotor een spanning wordt opgewekt in de stator. Deze spanning wordt tegen-EMK genoemd; zie sectie 1.4.1.1 Tegen-EMK. De afwezigheid van motorslip, rotorweerstand en inductantie wijst erop dat er in de rotor geen verliezen optreden, wat zorgt voor een zeer goed rendement. U₁ voedingsspanning I₁ statorstroom spanning gegenereerd door permanentmagneten R₁, X₁ beschrijven de spoelen in de stator d.m.v. X₁ = X₁...
Pagina 31: Tegen-Emk
Elektromotoren Omdat de magneten zich als lucht gedragen ten opzichte van het resulterende magnetische veld, worden uitspringende en niet-uitspringende velden gecreëerd. Bij SPM-motoren hebben L en L dezelfde waarde, wat resulteert in een niet-uitspringend veld, terwijl de verschillende L en L van een IPM-motor een uitspringend veld creëren dat extra koppel produceert bij veldverzwakking. 1.4.1.1 Tegen-EMK Wanneer de as van een PM-motor wordt gedraaid, produceert de motor een spanning op de motorklemmen. Deze spanning wordt tegen-EMK (EMK = elektromotorische kracht) genoemd en beschrijft een belangrijk kenmerk van de motor. Hoe hoger de spanning, hoe beter het motorrendement. Afhankelijk van de aansluiting en plaatsing van de wikkelingen kan de tegen-EMK trapeziumvormig of sinusvormig zijn. Voor een trapeziumvormige spanning is zogenaamde blokcommutatie nodig, wat eenvoudig te realiseren is in de elektronica maar nadelen heeft zoals ruis en koppelrimpels. PM-motoren hebben meestal een sinusvormige tegen-EMK en worden aangestuurd door middel van sinusvormige commutatie.
Pagina 32: Koppel En Toerentalbereik
Elektromotoren Voorbeeld: 400 V net, U = 100 V, U = 1000 V tegen-EMK bij 1000 tpm DC kritisch 1000 V DC kritiek × 1000 tpm = × 1000 tpm = 5656 tpm 100 V × √2 kritiek tegen-EMK bij 1000 tpm √2 Een remweerstand kan worden gebruikt om dergelijke kritieke situaties het hoofd te bieden.
Pagina 33: Borstelloze Dc-Motoren (Bldc-Motoren) Of Elektronischecommutatiemotoren (Ec-Motoren)
Elektromotoren T [Nm] Nominaal vermogen Nominaal koppel Nominaal toerentalbereik Boven nominaal Veldver- toerental zwakking n [min Nominaal toerental Hangt samen Kritiek toerental met tegen-EMK Fig. 1.25 Werking in veldverzwakkingsgebied Het grootste risico van werking in veldverzwakkingsgebieden is uitschakeling van de motor bij een te hoog toerental, aangezien de hoge tegen-EMK de FC onherstelbaar kan beschadigen (zie sectie 1.4.1.1 Tegen-EMK). Een andere mogelijkheid om het toerentalbereik te vergroten, is om de sterconfiguratie van een motor te wijzigen in een driehoekconfiguratie, als de motor deze optie biedt. Net als bij asynchroonmotoren resulteert een driehoekaansluiting in een hogere spanning op de wikkelingen, omdat de spanning niet wordt verlaagd met een factor 1,73 oftewel √3, zoals...
Pagina 34: Netstart-Pm-Motor (Lspm-Motor)
Elektromotoren Moderne EC/ECM-motoren maken gebruik van dezelfde besturingsprincipes als PM- motoren. Bij gebouwautomatisering worden EC-motoren vaak toegepast als naaf van EC-ventilatoren. Dit resulteert in een zeer compacte ventilatoreenheid met een bijzonder efficiënte motor. Helaas veroorzaakt de plaatsing van de motor in het midden van een centrifugaalventilator luchtwervelingen die het totale ventilatorrendement verlagen. Ten opzichte van een direct aangedreven ventilator kan het verschil bij hetzelfde motorrendement 3-6% bedragen. 1.4.3 Netstart-PM-motor (LSPM-motor) Een netstart-PM-motor is een hybride van een kooiankermotor en een PM-motor waarbij de magneten intern in de rotor zijn geplaatst. Fig. 1.26 De positie van magneten in de rotor beïnvloedt de motorkarakteristieken Bij aansluiting op een driefasenet ontwikkelt de motor een koppel en versnelt hij zoals een standaard asynchroonmotor tot een bijna synchroon toerental, mits het motorkoppel gedurende het versnellen groter is dan het belastingskoppel. Wanneer de rotor ongeveer het toerental van het draaiveld heeft bereikt, wordt een synchronisatiekoppel (reactiekoppel) geproduceerd vanwege de magnetische koppeling tussen het draaiende...
Pagina 35: Reluctantiemotoren
Elektromotoren Een nadeel van het concept is de invloed van de magneten bij het starten van de motor. Tijdens het opstarten treden koppeloscillaties en koppelpieken op, in combinatie met ruis. Bovendien is het startkoppel lager in vergelijking met een asynchroonmotor, aangezien de magneten een negatieve koppelcomponent (1) creëren. Tkooi Tmagneet TLSPM Toerental Fig. 1.27 Startkoppel van LSPM wordt verlaagd in vergelijking met een zuiver kooiankerkoppel LSPM-motoren worden typisch gebruikt in ventilatoren en pompen, beschikbaar in het vermogensbereik tot zo’n 10 kW, maar kunnen ook worden gebruikt in toepassingen met een lage massatraagheid.
Pagina 36: Synchrone Reluctantiemotor Met Kooianker
Elektromotoren Maximale arbeidsfactor versus saliency ratio cos ϕ = Saliency ratio, (L Fig. 1.28 Maximale arbeidsfactor t.o. saliency ratio Hoewel bij reluctantiemotoren een hogere cos φ wenselijk is, is het energierendement redelijk hoog. Verliezen in de rotor ontstaan vooral door harmonischen in de luchtspleet tussen stator en rotor. Het reluctantieprincipe werd voor het eerst toegepast rond 1840. In de loop der tijd hebben diverse optimalisaties geleid tot uiteenlopende motorprincipes en -ontwerpen.
Pagina 37: Synchrone Reluctantiemotor (Synrm)
Elektromotoren Net als bij een LSPM-motorontwerp (zie sectie 1.4.3 Netstart-PM-motor (LSPM-motor)) versnelt de motor bij aansluiting op een driefasenet tot nabij het synchrone toerental, mits het geproduceerde koppel voldoende is voor de belasting. Wanneer het synchrone toerental bijna is bereikt, wordt de rotor gesynchroniseerd en loopt de motor met het synchrone toerental, ondanks het ontbreken van rotorbekrachtiging. Faseslingering Starten Synchronisatie Nominaal koppel Fig.
Pagina 38 Elektromotoren Fig. 1.31 Speciaal ontwerp rotorblikpakket leidt tot hoog rendement met lage koppelrimpels De statorconstructie en de wikkelingen zijn vergelijkbaar met die van een asynchroon- motor. Door een geschikte spanning te schakelen op de gedistribueerde wikkelingen, wordt een harmonischenveld opgewekt dat lage harmonische verliezen veroorzaakt. Ook het ontwerp van de rotor is geoptimaliseerd om harmonische verliezen te beperken en om te werken met lage koppelrimpels. Omdat de motor niet direct op het net kan starten, is het gebruik van een frequentie- regelaar nodig om de motor te regelen. Om de uitsparingen in het rotorblikpakket te magnetiseren, is een hoger schijnbaar vermogen nodig dan voor een asynchroonmotor (zie sectie 1.4.4 Reluctantiemotoren). Als de omvormer en de condensatoren in de tussenkring correct gedimensioneerd zijn, zullen deze de extra schijnbare stroom leveren. In dat geval wordt het net niet belast met het hogere schijnbare vermogen en de lagere cos φ. Om de motor te kunnen aandrijven, moet de FC de rotorhoek kennen. Afhankelijk van de hoek zal de omvormer de verschillende wikkelingen bekrachtigen. Het bepalen van de rotorhoek wordt vaak sensorloos uitgevoerd zonder aanvullend apparaat. Om een energie- efficiënte regeling te realiseren, moet de omvormer tijdens bedrijf ook het gedrag van L en L...
Pagina 39: Geschakelde Reluctantiemotor (Srm)
Elektromotoren De inductantiecomponenten van de SynRM-rotor veranderen afhankelijk van de belasting, vanwege verzadigingseffecten. Daarom zijn de afzonderlijke inductanties en L afhankelijk van stroom I en I ) en L )). Als hiermee rekening wordt gehouden, is een uiterst energie-efficiënte werking van de motor mogelijk. Boven een bepaald vermogensbereik biedt de efficiëntie in deellast voordelen ten opzichte van andere concepten. Decennia lang waren asynchroonmotoren de standaard, terwijl andere technologieën enkel in specifieke marktsegmenten werden gebruikt. De trend richting energie- efficiëntere motoren en de mogelijkheden die FC’s bieden, hebben geleid tot innovatieve technologieën zoals de verbeterde SynRM. Meer verbeteringen en optimalisaties zijn in ontwikkeling. 1.4.7 Geschakelde reluctantiemotor (SRM) De constructie van de stator lijkt veel op die van gelijkstroommotoren wegens het gebruik van concentrische wikkelingen. Dit kan leiden tot een compacte behuizing. Het ontwerp van het rotorblikpakket heeft een zeer duidelijke vorm met een lage massatraagheid,...
Pagina 40 Elektromotoren Het is niet mogelijk om de motor direct op het net te starten. Het ontwerp staat een aanloopkoppel van 100% voor onbepaalde tijd toe en biedt zelfs bij deellastbedrijf een hoog rendement. De dubbel uitspringende constructie in rotor en stator is uiterst robuust maar leidt meestal tot hoge koppelrimpels en lage dynamiek met meer geluid.
Pagina 41: Frequentieomvormers
Frequentieomvormers 2 Frequentieomvormers Sinds eind jaren ’60 is de FC in rap tempo ontwikkeld. Er is aanzienlijke voortgang geboekt dankzij ontwikkelingen op met name het gebied van microprocessor- en halfgeleider- technologie en de daarmee gepaard gaande prijsverlaging. De basisprincipes van de FC zijn echter ongewijzigd. Zoals in de inleiding is aangegeven, is de belangrijkste functie van een FC het genereren van een variabele voeding (bijvoorbeeld 0 tot 400 V en 0 tot 50 Hz) op basis van een voeding met ”vaste” parameters (bijvoorbeeld 400 V en 50 Hz). Er zijn twee benaderingswijzen om deze conversie uit te voeren, wat tot uiting komt in twee typen FC’s: directe omvormers en omvormers met tussenkring. Frequentieomvormers Omvormers Directe omvormers met tussenkring Constant Variabel Stroombron- Spanningsbron- frequentieomvormers frequentieomvormers I-omvormers U-omvormers CSI: stroombronomvormer PAM: pulsamplitudemodulatie PWM: pulsbreedtemodulatie Fig. 2.1 Overzicht van frequentieomvormertypen 2.1 Directe omvormers De directe omvormer voert de conversie uit zonder tussentijdse opslag.
Pagina 42: Omvormers Met Tussenkring
Frequentieomvormers Directe omvormers hebben de volgende kenmerken: • E en beperkt frequentieregelbereik (ongeveer 25 tot 30 Hz) bij een netfrequentie van 50 Hz. • Vaak gebruikt in combinatie met synchroonmotoren. • Geschikt voor toepassingen met strikte eisen ten aanzien van dynamische prestaties. Omvormers met tussenkring In de meeste gevallen is de FC uitgerust met een tussenkring. Een andere term voor tussenkring is ”DC-bus”. Binnen de groep omvormers met tussenkring zijn er twee subtypen: • constante tussenkring • variabele tussenkring FC’s met een tussenkring kunnen worden opgesplitst in vier hoofdcomponenten, zoals aangegeven in Fig. 2.2 “Blokschema van een frequentieomvormer met tussenkring”. Gelijk- Tussen- Omvormer richter circuit Stuurcircuit Fig. 2.2. Blokschema van een frequentieomvormer met tussenkring Gelijkrichter De gelijkrichter is aangesloten op een eenfase- of driefasenetvoeding en genereert een pulserende gelijkspanning. Er zijn vier basistypen gelijkrichters, zoals aangegeven in...
Pagina 43 Frequentieomvormers Tussenkring De tussenkring kan op verschillende manieren werken, zoals aangegeven in Fig. 2.3 “Topologieën hoofdcomponenten – tussenkring”, en heeft meerdere functies: • Omzetten van de spanning na de gelijkrichter in een gelijkspanning • S tabilisatie of afvlakken van de pulserende gelijkspanning om deze beschikbaar te maken voor de omvormer Omvormer Omzetten van de constante gelijkspanning van de gelijkrichter in een variabele wisselspanning. De omvormer genereert de frequentie van de motorspanning. Bepaalde omvormers zijn daarnaast echter ook in staat om de constante DC-spanning om te zetten in een variabele AC-spanning. Zie Fig. 2.3 “Topologie hoofdcomponenten – omvormer”. Stuurcircuit Het stuurcircuit zendt signalen naar – en ontvangt signalen van – de gelijkrichter, de tussenkring en de omvormer. Het ontwerp van de specifieke FC bepaalt welke onderdelen worden aangestuurd. Eenfase Driefase Ongestuurd Halfgestuurd Volledig gestuurd "Active Front End"...
Pagina 44: Gelijkrichter
Frequentieomvormers Bij de configuratie van de FC moet een keuze worden gemaakt uit verschillende hoofd- componenten. Zie tabel 2.1 “Configuratievoorbeelden frequentieomvormer”. Configuratie: Verwijzing naar Configuratievoorbeeld Afkorting componenten in Fig. 2.3 (1 of 2 of 3) en 6 en Pulsamplitudegemoduleerde omvormer (9 of 10) (1 of 2 of 3 of 4) en Pulsbreedtegemoduleerde omvormer (7 of 8) en (9 of 10) Stroombronomvormer 3, 5 en 9 Tabel 2.1 Configuratievoorbeelden frequentieomvormer Wat alle FC’s gemeenschappelijk hebben, is dat het stuurcircuit signalen gebruikt om de halfgeleiders van de omvormer in en uit te schakelen. Het schakelpatroon is gebaseerd op diverse principes. FC’s kunnen verder worden onderverdeeld in typen op basis van het schakelpatroon dat de voedingsspanning naar de motor regelt.
Pagina 45: Ongestuurde Gelijkrichters
Frequentieomvormers 2.3.1 Ongestuurde gelijkrichters Ongestuurde gelijkrichters bestaan uit diodes, zoals aangegeven in Fig. 2.4 “Werking van diodes”. Fig. 2.4 Werking van diodes Een diode laat de stroom in slechts één richting door: van de anode (A) naar de kathode (K). De stroom wordt geblokkeerd als deze van de kathode naar de anode wil gaan. Het is niet mogelijk om de stroomsterkte te regelen, zoals het geval is bij bepaalde andere halfgeleiders. Een wisselspanning over een diode wordt omgezet in een pulserende gelijkspanning. Als een driefasewisselspanning naar een ongestuurde driefasegelijkrichter wordt gevoerd, zal de gelijkspanning continu pulseren. Fig. 2.5 Ongestuurde gelijkrichter (B6-diodebrug) Fig. 2.5 “Ongestuurde gelijkrichter (B6-diodebrug)” toont een ongestuurde driefasegelijk- richter bestaande uit twee groepen diodes. De ene groep bestaat uit de diodes D .
Pagina 46: Halfgestuurde Gelijkrichters
Frequentieomvormers Hetzelfde principe geldt voor diodegroep D . Hier neemt klem (B) de negatieve 4,6,2 fasespanning aan. Als L op een gegeven moment de negatieve drempelwaarde bereikt, geleidt diode D De andere twee diodes zijn onderhevig aan sperspanningen van magnitude U en U L3-1 L3-2 De DC-uitgangsspanning van de ongestuurde gelijkrichter is constant en is gelijk aan het verschil in spanning tussen de twee diodegroepen. De gemiddelde waarde van de pulserende gelijkspanning is ongeveer 1,31 tot 1,41 maal de netspanning met een driefasevoeding of ongeveer 0,9 tot 1,2 maal de gelijkspanning in geval van een eenfasevoeding.
Pagina 47: Volledig Gestuurde Gelijkrichters
Frequentieomvormers In Fig. 2.6 “Werking van thyristoren” ziet u hoe het thyristorcircuit als gelijkrichter werkt wanneer α tussen 0° en 90° ligt. Wanneer α een waarde tussen 90° en 300° heeft, werkt het thyristorcircuit als omvormer. 2.3.3 Volledig gestuurde gelijkrichters Volledig gestuurde gelijkrichters maken gebruik van thyristoren. Net als een diode staat een thyristor enkel een stroom vanaf de anode (A) naar de kathode (K) toe. Het verschil is echter dat de thyristor een derde klem heeft, die bekendstaat als de poort (G). Wanneer de poort door een signaal wordt geactiveerd, zal de thyristor geleiden. Als er eenmaal stroom door de thyristor gaat lopen, blijft de thyristor geleiden totdat de stroom terugvalt naar nul. De stroom kan niet worden onderbroken door een signaal naar de poort te zenden.
Pagina 48: Active Front End/Active Infeed
Frequentieomvormers In vergelijking met ongestuurde gelijkrichters veroorzaken volledig gestuurde gelijkrichters aanzienlijke verliezen en verstoringen in het voedingsnet, omdat ze een hoge reactieve stroom opnemen wanneer de thyristoren gedurende korte tijd geleiden. Dit is een van de redenen waarom thyristoren voornamelijk worden gebruikt in het omvormerdeel van de FC. Volledig gestuurde gelijkrichters bieden echter het voordeel dat ze het mogelijk maken om regeneratief remvermogen in de tussenkring terug te voeren naar het voedingsnet. 2.3.4 Active Front End/Active Infeed Bij bepaalde FC-toepassingen werkt de motor soms als generator. In dergelijke gevallen kan de energiebalans worden verbeterd door energie terug te voeren naar het voedingsnet. Dergelijke FC’s hebben een gestuurde (actieve) gelijkrichter nodig die energie terug laat stromen. Daarom worden deze apparaten Active Front End (AFE) of Active Infeed Converters (AIC) genoemd. Voorwaarde voor het terugvoeren van energie naar het voedingsnet is...
Pagina 49: Variabele Tussenkring
Frequentieomvormers 2.4.1 Variabele tussenkring Fig. 2.8 Variabele DC-tussenkring Dit type tussenkring bestaat uit een zeer grote inductiespoel, ook wel reactor genoemd, en wordt gecombineerd met een volledig gestuurde gelijkrichter zoals aangegeven in Fig. 2.3 “Topologie hoofdcomponenten” – deel 5 en Fig. 2.8 “Variabele DC-tussenkring”. De inductiespoel zet de variabele spanning uit de volledig gestuurde gelijkrichter om in een variabele gelijkspanning. De belasting bepaalt de hoogte van de motorspanning. Het voordeel van dit type tussenkring is dat de remenergie van de motor kan worden teruggevoerd naar het voedingsnet zonder dat hiervoor extra componenten nodig zijn. De inductiespoel wordt gebruikt in stroomgestuurde FC’s (I-omvormers). Chopper Fig.
Pagina 50 Frequentieomvormers Als er tussen de waarden een verschil bestaat, wordt de verhouding tussen tijd t (wanneer de transistor geleidt) en tijd t (wanneer de transistor spert) aangepast. Dit maakt het mogelijk om de effectieve waarde van de gelijkspanning te variëren op basis van de tijd dat de transistor geleidt. Deze waarde kan worden uitgedrukt als: = U x Wanneer de choppertransistor de stroom onderbreekt, probeert de filterspoel (of ”reactor”) een oneindig hoge spanning over de transistor te produceren. Om dit te voorkomen, is de chopper beveiligd met een vrijloopdiode, zoals aangegeven in Fig. 2.9 “Tussenkring met variabele gelijkspanning”. Situatie 1 Situatie 2 Fig. 2.10 Choppertransistor regelt de tussenkringspanning met de bijbehorende effectieve waarde Het filter in de tussenkring vlakt de blokgolfstroom na de chopper af, terwijl de spanning bij een bepaalde frequentie constant wordt gehouden.
Pagina 51: Constante Tussenkring
Frequentieomvormers 2.4.2 Constante tussenkring gestuurd variabele amplitude constante amplitude ongestuurd Fig. 2.11 Constante DC-tussenkring De tussenkring kan bestaan uit een filter met een condensator en/of een inductiespoel (smoorspoel). Meestal worden er elektrolytische condensatoren gebruikt, vanwege hun hoge energiedichtheid. Hoewel condensatoren een beperkte levensduur hebben, bieden ze de volgende voordelen: • Afvlakking van pulserende gelijkspanning (U • Beschikbaarheid als energiereserve voor netspanningsdalingen • Beschikbaarheid voor energieopslag voor belastingspieken en generatorwerking van de motor DC-smoorspoelen bieden de volgende voordelen: • De FC wordt beveiligd tegen nettransiënten • Afvlakking van stroomrimpels, wat leidt tot een langere levensduur van de componenten van de tussenkring, met name de condensatoren • B eperking van netstoringen en het mogelijke gebruik van kleinere dwarsdoorsneden van voedingsgeleiders. Deze functie kan ook worden geïmplementeerd met behulp van netsmoorspoelen stroomopwaarts van de FC.
Pagina 52: Omvormer
Frequentieomvormers De afgelopen jaren hebben fabrikanten tussenkringen zonder condensatoren en inductoren (smoorspoelen) ontwikkeld. Dit wordt in het algemeen aangeduid als een ”condensatorloze” of ”slanke” tussenkring. Het stuurcircuit regelt de gelijkrichting van de voedingsspanning zodanig dat lagere inschakelstromen mogelijk zijn en interferentie via het net kan worden beperkt tot waarden onder de 40% (vijfde harmonische). Dit levert de volgende kenmerken op: • Lagere bouwkosten • Geen laadcircuit vereist • Compactere en lichtere constructie • Gevoelig voor kortstondige spanningsdalingen in het netvoedingssysteem. (Dat wil zeggen dat de FC eerder wordt uitgeschakeld (trip) bij kortstondige spanningdalingen, vanwege transiënten in het netvoedingssysteem). • Interferentie naar het net in het hoge frequentiespectrum • De toegenomen rimpel in de tussenkring verlaagt de uitgangsspanning met ongeveer 10% en resulteert in een hoger energieverbruik van de motor • De herstarttijd voor normaal bedrijf kan langer zijn, vanwege drie processen die optreden: - Herinitialisatie van de FC - Magnetisering van de motor - Aanlopen tot de vereiste referentie voor de toepassing 2.5 Omvormer De omvormer is de laatste van de hoofdelementen waaruit de FC bestaat. De...
Pagina 53 Frequentieomvormers Hoewel omvormers op verschillende manieren werken, is het basisontwerp altijd hetzelfde. De hoofdcomponenten zijn gestuurde halfgeleiders, die zijn ingedeeld in paren op drie aftakkingen, zoals aangegeven in Fig. 2.3 “Topologie hoofdcomponenten”. In plaats van thyristoren worden in het omvormerdeel van FC’s steeds vaker transistoren toegepast. Daar zijn diverse goede redenen voor. Om te beginnen zijn transistoren nu beschikbaar voor hoge stromen, hoge spanningen en hoge schakelfrequenties. Bovendien worden transistoren, in tegenstelling tot thyristoren en diodes, niet beïnvloed door de nuldoorgang van de stroom. Transistoren kunnen op elk moment overgaan op geleiden of sperren door wijziging van de polariteit van de spanning die op de stuurklemmen wordt geschakeld.
Pagina 54 Frequentieomvormers De keuze van de schakelfrequentie van de omvormer is een compromis tussen verliezen in de motor (sinusvorm van motorstroom) en verliezen in de omvormer. Als de schakelfrequentie toeneemt, nemen ook de verliezen in de omvormer toe, afhankelijk van het aantal halfgeleidercircuits. Hoogfrequente transistoren zijn onder te verdelen in drie hoofdtypen: • Bipolair (LTR) • Unipolair (MOSFET) • Bipolair met geïsoleerde poort (IGBT) Tabel 2.2 Vergelijking van kenmerken vermogenstransistoren toont de belangrijkste verschillen tussen MOSFET-, IGBT- en LTR-transistoren. Kenmerken Halfgeleider MOSFET IGBT Symbool Ontwerp Geleiding Elektrisch geleidingsvermogen Laag Hoog Hoog Verliezen Hoog Onbeduidend Onbeduidend Spercondities Hoge begrenzing Laag Hoog Middel Schakelcondities...
Pagina 55: Modulatieprincipes
Frequentieomvormers Een vrijloopdiode wordt parallel met elke transistor aangesloten, omdat hoge geïnduceerde spanningen kunnen optreden over de inductieve uitgangsbelasting. De diodes dwingen de motorstromen om in hun richting te blijven vloeien en beschermen de schakelcomponenten tegen opgelegde spanningen. Het blindvermogen dat de motor nodig heeft, wordt eveneens verwerkt door de vrijloopdiodes.
Pagina 56: Pulsbreedtemodulatie (Pwm)
Frequentieomvormers Het gebruik van PAM kan leiden tot minder motorruis en zeer geringe rendements- voordelen in speciale toepassingen zoals snellopende motoren (10.000-100.000 tpm). Vaak weegt dit echter niet op tegen de nadelen, zoals hogere kosten voor de meer geavanceerde hardware en regelproblemen zoals hogere koppelrimpels bij lage toerentallen. 2.6.2 Pulsbreedtemodulatie (PWM) PWM wordt gebruikt in FC’s met een constante tussenkringspanning. Dit is de meest toegepaste en ontwikkelde methode. In vergelijking met PAM gelden er voor deze modulatiemethode lagere hardwarevereisten, zijn de regelprestaties bij lagere toerentallen beter, en kan er altijd een remweerstand worden gebruikt. De motorspanning kan worden gevarieerd door de tussenkringspanning (DC) gedurende een bepaalde tijd op de motorwikkelingen te schakelen. De frequentie kan worden gevarieerd door de positieve en negatieve spanningspulsen voor de twee halve perioden te verschuiven langs de tijdsas.
Pagina 57 Frequentieomvormers 1,00 0,866 0,50 -0,50 -0,866 -1,00 Schakelpatroon van fase U ≠ Fasespanning (0-punt halve tussenkringspanning) Gecombineerde spanning naar motor Fig. 2.14 PWM uitgangsspanning Lage statorfrequenties leiden tot langere perioden. De periode kan zodanig worden verlengd dat het niet meer mogelijk is om de frequentie van de driehoekige signaalvorm te handhaven. Hierdoor wordt de spanningsvrije periode te lang en gaat de motor onregelmatig lopen. Om dit te voorkomen, kan de frequentie van de driehoekige signaalvorm worden verdubbeld bij lage frequenties.
Pagina 58 FC toeneemt. Alle regelwaarden van de omvormer worden vanaf de stuurkaart verzonden, en de diverse referentiesignalen voor het bepalen van de schakeltijden worden opgeslagen in een tabel in het geheugen en vervolgens uitgelezen en verwerkt op basis van de referentiewaarde. Er zijn andere manieren om de in- en uitschakeltijden van halfgeleiders te bepalen en te optimaliseren. De Danfoss VVC- en VVCplus-besturingsprincipes zijn gebaseerd op microprocessorberekeningen die de optimale schakeltijden voor de halfgeleiders van de omvormer bepalen. De specificaties voor de rekensoftware voor de schakeltijden zijn fabrikantspecifiek en worden hier niet besproken. Als er strengere eisen worden gesteld aan het instelbare toerentalbereik en soepele werking van de FC, dan moeten de PWM-schakeltijden worden bepaald door een extra digitale IC en kan niet worden volstaan met de microprocessor. Zo kan bijvoorbeeld een ASIC...
Pagina 59: Asynchrone Pwm
Frequentieomvormers 2.6.3 Asynchrone PWM Hieronder worden twee asynchrone PWM-methoden beschreven: • SFAVM (Stator Flux Asynchrone Vectormodulatie) • 60° AVM (Asynchrone Vectormodulatie) Deze maken het mogelijk om de amplitude en hoek van de omvormerspanning stapsgewijs te wijzigen. 2.6.3.1 SFAVM Stator Flux Asynchrone Vectormodulatie (SFAVM) is een ruimtevectormodulatiemethode die het mogelijk maakt om de omvormerspanning willekeurig, maar stapsgewijs, te wijzigen binnen de schakeltijd (oftewel asynchroon). Dit type modulatie is vooral bedoeld om de statorflux over het volledige spanningsbereik van de stator te handhaven, zonder koppelrimpels. Ten opzichte van de netvoeding zullen er bij een ”standaard” PWM-voeding afwijkingen optreden in de statorfluxvectoramplitude en de fluxhoek. Deze afwijkingen zullen het draaiveld (koppel) in de luchtspleet van de motor beïnvloeden en koppelrimpels veroorzaken. Het effect dat door de afwijking in amplitude wordt veroorzaakt, is te verwaarlozen en kan worden beperkt door de schakelfrequentie te verhogen. De afwijking in de hoek hangt af van de schakelreeks en kan leiden tot hogere koppelrimpels. Daarom moet de schakelreeks zodanig worden berekend dat de afwijking in de vectorhoek tot een minimum wordt beperkt.
Pagina 60 De motorspanning wordt opgewekt via korte pulsen op naastgelegen vectoren om een gemiddelde waarde te verkrijgen. De Danfoss SFAVM-methode heeft onder meer de volgende kenmerken: • De amplitude en hoek van de spanningsvector kunnen worden geregeld ten opzichte van de digitale referentie zonder dat er afwijkingen optreden. • Het startpunt voor een schakelreeks is altijd 000 of 111. Hierdoor kan elke gegenereerde spanningsvector drie schakelstanden hebben.
Pagina 61 Frequentieomvormers SFAVM vormt een verbinding tussen het besturingssysteem en de vermogenskring van de omvormer. De modulatie loopt synchroon aan de stuurfrequentie van de regelaar en asynchroon aan de grondfrequentie van de motorspanning. Synchronisatie van besturing en modulatie vormt een voordeel voor hoogvermogenbesturing (zoals spanningsvector- of flux-vectorregeling), aangezien het besturingssysteem de spanning rechtstreeks en zonder beperkingen kan regelen. Amplitude, hoek en hoeksnelheid zijn regelbaar. Om de realtime rekentijd drastisch te verlagen, zijn de spanningswaarden voor verschillende hoeken in een tabel opgenomen. Fig. 2.17 “Uitgangsspanning (motor) – (fase-fase)” toont de motorspanning bij volle toeren. Basisgolf Fig. 2.17 Uitgangsspanning (motor) – (fase-fase).
Pagina 62: Avm
Frequentieomvormers 2.6.3.2 60° AVM Anders dan bij het SFAVM-principe worden de spanningsvectoren bij 60° AVM (asynchrone vectormodulatie) als volgt bepaald: • Binnen een bepaalde schakelperiode wordt slechts één nulvector (000 of 111) gebruikt. • Als startpunt voor een schakelreeks wordt niet altijd een nulvector (000 of 111) gebruikt. • Eén fase van de omvormer wordt gedurende 1/6 van de periode (60°) constant gehouden. De schakelstand (0 of 1) blijft gedurende dit interval ongewijzigd. In de andere twee fasen wordt er normaal geschakeld. In Fig. 2.18 “Schakelreeks van de 60° AVM- en SFAVM-methode voor een aantal 60°-intervallen” en Fig. 2.19 “Schakelreeks van de 60° AVM- en SFAVM-methode voor meerdere perioden” wordt de schakelreeks van de 60° AVM-methode vergeleken met die van de SFAVM-methode – voor een kort interval (Fig. 2.18) en meerdere perioden (Fig. 2.19). Fig. 2.18 Schakelreeks van de 60° AVM- en SFAVM-methode voor een aantal 60°-intervallen. Fig. 2.19 Schakelreeks van de 60° AVM- en SFAVM-methode voor meerdere perioden Product type...
Pagina 63: Stuurcircuit En Methoden
Frequentieomvormers 2.7 Stuurcircuit en methoden Het stuurcircuit, of de stuurkaart, is de vierde hoofdcomponent van de FC. De drie hardwarecomponenten die tot nu toe zijn besproken (gelijkrichter, tussenkring en omvormer) zijn bijna altijd gebaseerd op dezelfde principes en componenten, ongeacht de fabrikant. In de meeste gevallen gaat het om standaardcomponenten die bijna altijd worden ingekocht bij dezelfde externe fabrikanten. Dit geldt echter niet voor het ontwerp van het stuurcircuit. Dit is waar de fabrikant van de FC al zijn verworven kennis concentreert. In principe heeft het stuurcircuit vier hoofdtaken: • Het sturen van de halfgeleiders van de FC; de halfgeleiders bepalen de verwachte dynamische kenmerken of nauwkeurigheid • Het uitwisselen van gegevens tussen de FC en randapparatuur (PLC’s, encoders)
Pagina 64 Frequentieomvormers Deze indeling wordt geïllustreerd in Fig. 2.20 “Besturingsklassen op basis van prestaties toerenregeling” en Fig. 2.21 “Besturingsklassen op basis van koppelprestaties”. Hier verwijst de responstijd naar de tijd die de FC nodig heeft om te berekenen hoe het signaal naar de uitgang moet worden gewijzigd wanneer het signaal op de ingang wijzigt. De motorkarakteristieken bepalen hoe lang het duurt om een respons op de motoras te registreren wanneer een ingangssignaal op de ingang van de FC wordt geschakeld. Toerenregeling 0,001 Servo 0,010 Flux-vector met Flux-vector terugkoppeling zonder terug- koppeling 0,100 Ruimte- vector Scalair met compensatie 0,01 Toerentalnauwkeurigheid (% van nom. toerental) Fig.
Pagina 65: Eenvoudige Besturingsmethode
Frequentieomvormers De toerentalbereiken voor de diverse FC-typen zijn grofweg als volgt: • Eenvoudig (scalair) zonder compensatie 1:15 • Scalair met compensatie 1:25 • Ruimtevector 1:100(0) • Flux (veldgeoriënteerd) zonder terugkoppeling 1:1000 • Flux (veldgeoriënteerd) met terugkoppeling 1:10.000 • Servo 1:10.000 De koppelregelingsprestaties kunnen als volgt worden geclassificeerd: • De reactietijd kan op dezelfde wijze worden gedefinieerd als voor toerenregeling • De nauwkeurigheid wordt bepaald ten opzichte van het nominale koppel van de motor Hierbij moet worden vermeld dat FC’s die werken op basis van een eenvoudige besturingsmethode niet kunnen worden gebruikt voor een motorkoppelregeling met of zonder terugkoppeling.
Pagina 66: Scalaire Sturing Met Compensatie
Frequentieomvormers 2.7.2 Scalaire sturing met compensatie Omvormer Motor Gelijkrichter stator stator Omvormer- Spanning- ∆f Ramp ∆U regeling generator Belastings- compen- sator wirk Stroom- Slip- compen- compen- satiebe- satie rekening Fig. 2.22 Structuur scalair type frequentieomvormer met compensatie Ten opzichte van een eenvoudige sturing voegt een FC met compensatie drie nieuwe besturingsfunctieblokken toe, zoals te zien is in Fig. 2.22 “Structuur scalair type frequentieomvormer met compensatie”. De belastingscompensator gebruikt de stroommeting om de extra spanning (ΔU) te berekenen die nodig is om de belasting op de motoras te compenseren.
Pagina 67: Ruimtevector Met Of Zonder Terugkoppeling
• M ogelijkheid voor actieve resonantiedemping • M ogelijkheid voor koppelregeling met/zonder terugkoppeling • H oog start- en houdkoppel • P roblemen tijdens snel omkeren ten opzichte van flux-vector • G een ”snelle” stroomregeling 2.7.3.1 Ruimtevector (zonder terugkoppeling) Als de ruimtevector zonder externe terugkoppeling van het toerental werkt, worden het toerental en de positie door de besturingssoftware berekend op basis van gegevens over de motorstroom en motorfrequentie die worden gemeten (zie voorbeeld op pagina 74, Fig. 2.26 “Basisprincipes van Danfoss VVCplus-regeling”).
Pagina 68: Ruimtevector (Met Terugkoppeling)
Frequentieomvormers Basiskenmerken: • Spanningsvectorbesturing ten opzichte van karakteristieke waarden in stabiele toestand (statisch) Typisch asvermogen: • Instelbaar toerentalbereik 1:100 • Nauwkeurigheid toerental (stabiele toestand) ± 0,5% van nominale frequentie • Versnellingskoppel 80-130% van nominaal koppel • Responstijd toerentalwijziging 50-300 ms • Responstijd koppelwijziging 20-50 ms 2.7.3.2 Ruimtevector (met terugkoppeling) Voor de ruimtevectormethode met terugkoppeling is een encoder of ander apparaat vereist om het motortoerental of de motorpositie te detecteren. De besturingssoftware, de resolutie op de terugkoppelingsingang en de encoderresolutie bepalen de nauwkeurigheid van de motorregeling.
Pagina 69: Flux-Vectorregeling Met Of Zonder Terugkoppeling
Frequentieomvormers 2.7.4 Flux-vectorregeling met of zonder terugkoppeling Een flux-vectorregeling wordt ook wel aangeduid als een veldgeoriënteerde regeling. De hierboven genoemde regelmethoden regelen de magnetische motorflux via de stator. Bij een veldgeoriënteerde regeling wordt de rotorflux rechtstreeks geregeld. Binnen deze context worden de volgende motorvariabelen geregeld: • Toerental • Koppel Nadat de nominale gegevens van de motor zijn ingevoerd, kan een magnetisch fluxmodel worden gebruikt om de benodigde spanning en hoek te bepalen voor optimale motormagnetisering. De gemeten motorstroom wordt omgezet in een koppel genererende stroom en een magnetiseringsstroom. Een interne PID-regelaar is verantwoordelijk voor het regelen van het toerental, waarbij de terugkoppelingswaarde wordt geschat op basis van...
Pagina 70: Flux-Vector (Met Terugkoppeling)
Frequentieomvormers 2.7.4.2 Flux-vector (met terugkoppeling) Voor de flux-vectorbesturingsmethode met terugkoppeling is een encoder of vergelijkbare sensor nodig op de motoras. De besturingssoftware en de terugkoppelingsresolutie bepalen de nauwkeurigheid van de motorregeling. De regeling wordt op exact dezelfde wijze uitgevoerd als bij methoden zonder terugkoppeling. In dit geval wordt het toerental echter niet geschat, maar berekend op basis van de encodersignalen. De flux-vectorregeling wordt geïllustreerd in Fig. 2.23 “Structuur flux-vectorregeling met terugkoppeling”.
Pagina 71: Servo-Omvormerregeling
2.8 Danfoss-besturingsprincipes Een algemeen overzicht van de huidige standaard besturingsprincipes voor Danfoss frequentieomvormers is te zien in Fig. 2.24 “Basisprincipes van huidige standaard frequentieomvormers van Danfoss”. Software Hardware (ASIC) Omvormer Besturings- algoritme Synchroon 60° PWM Asynchroon plus Motor SFAVM 60° PWM Fig. 2.24 Basisprincipes van huidige standaard frequentieomvormers van Danfoss...
Pagina 72: Danfoss Vvcplus-Besturingsprincipe
Deze methode biedt onder meer de volgende kenmerken: • Verbeterde dynamische eigenschappen in het lage toerentalbereik (0-10 Hz) • Verbeterde motormagnetisering • Bereik toerentalregeling: 1:100 met terugkoppeling • Nauwkeurigheid toerental: ± 0,5% van nominaal toerental zonder terugkoppeling • Actieve resonantiedemping • Koppelregeling • Werking op de motorstroomgrens 2.8.1 Danfoss VVCplus-besturingsprincipe Het VVCplus-besturingsprincipe van Danfoss gebruikt een vectormodulatiemethode voor PWM-omvormers met constante spanningsbron. Afhankelijk van de regelvereisten voor de toepassing kan het motorequivalentiediagram worden vereenvoudigd (d.w.z. dat de ijzer- koper- en luchtstromingsverliezen worden genegeerd) of in zijn volledige complexiteit worden gebruikt. Voorbeeld: Een eenvoudige ventilator- of pomptoepassing maakt gebruik van een vereenvoudigd motorschema.
Pagina 73 Frequentieomvormers Het besturingsalgoritme houdt rekening met twee bedrijfscondities: • Nullastbedrijf (stationaire toestand); zie Fig. 2.25a “Motorequivalentiediagram bij ”nullast””. Bij nullastbedrijf is er geen belasting op de motoras. Bij transportbanden betekent nullastbedrijf letterlijk dat er geen producten worden getransporteerd. Er wordt simpelweg aangenomen dat de stroom die door de motor wordt opgenomen, enkel nodig is voor magnetisering en voor compensatie van verliezen. De actieve stroom wordt geacht bijna nul te zijn. De nullastspanning (U ) wordt bepaald op basis van de motorgegevens (nominale spanning, stroom, frequentie, en nominaal toerental). Fig. 2.25a Motorequivalentiediagram bij ”nullast” • Belast bedrijf De motoras wordt belast, wat impliceert dat er producten worden getransporteerd, zoals aangegeven in Fig. 2.25b “Motorequivalentiediagram bij ”belasting””.
Pagina 74 Ramp (geen belasting) Belastings- compen- comp sator Slip- compen- satie Fig. 2.26 Basisprincipes van Danfoss VVCplus-regeling Zoals in Fig. 2.26 “Basisprincipes van Danfoss VVCplus-regeling” te zien is, berekent het motormodel de nullastreferenties (stromen en hoeken) voor de belastingscompensator ) en de spanningsvectorgenerator (I , θ De spanningsvectorgenerator berekent de nullastspanning (U ) en de hoek (θ ) van de spanningsvector op basis van de nullaststroom, statorweerstand en statorinductantie. De gemeten motorstromen (I en I ) worden gebruikt om de blindstroom- (I ) en arbeidsstroomcomponent (I ) te berekenen.
Pagina 75 Ankerlekreactantie Tabel 2.3 Verklaring van de gebruikte symbolen in: Fig. 2.23 Structuur flux-vectorregeling met terugkoppeling Fig. 2.24 Basisprincipes van huidige standaard frequentieomvormers van Danfoss Fig. 2.25a Motorequivalentiediagram bij ”nullast” Fig. 2.25b Motorequivalentiediagram bij ”belasting” Fig. 2.26 Basisprincipes van Danfoss VVCplus-regeling...
Pagina 76: Danfoss Flux-Vectorbesturingsprincipe
Niet alle parameters worden hier toegelicht. De parameters worden echter uitgebreid omschreven in de bedieningshandleidingen. Een korte beschrijving van de besturingsstrategie is te zien in Fig. 2.27 “Basisprincipes van Danfoss flux-vectorregeling”. In de frequentieomvormer is een fluxdatabase opgeslagen. De stromen die in alle 3 fasen worden gemeten, worden omgezet in polaire coördinaten (xy). Omvormer Motor Gelijkrichter Schakel- logica ψ Flux- Flux- setpoint regeling Toeren- Koppel- regeling regeling Flux- model Snelheids- schatting Fig. 2.27 Basisprincipes van Danfoss flux-vectorregeling...
Pagina 77: Normen En Wetgeving
Frequentieomvormers 2.9 Normen en wetgeving Net als voor alle andere producten zijn er wereldwijd wetten en technische normen beschikbaar om de veilige werking van FC’s te waarborgen. Wetten worden opgesteld door de wetgevingsinstanties van nationale of lokale overheden en kunnen daardoor van land tot land verschillen. Naleving is echter verplicht – het gaat om wetten. Het betreft politieke documenten die gewoonlijk geen specifieke technische details bevatten; deze details zijn te vinden in normen. Normen worden opgesteld door experts van relevante normalisatie-instituten (zoals de International Electrotechnical Commission, IEC, of het Europees Comité voor Elektrotechnische normalisatie, CENELEC) en weerspiegelen de huidige stand van de techniek. Normen dienen om een gemeenschappelijk technisch fundament te leggen voor samenwerking tussen marktspelers. Gewoonlijk worden IEC-normen in de meeste landen geaccepteerd en worden lokale normen (EN, NEN, NEMA) geharmoniseerd om erop aan te sluiten. Fabrikanten moeten naleving van de lokale regelgeving aantonen en documenteren door de normen na te volgen; als ze dit niet doen, mogen ze hun producten niet op de lokale markt verkopen. Op de producten zelf wordt de naleving aangeduid met symbolen.
Pagina 78: Frequentieomvormers En Motoren
Frequentieomvormers en motoren 3 Frequentieomvormers en motoren In de voorgaande hoofdstukken zijn de motor en de FC los van elkaar besproken. Dit hoofdstuk gaat in op de interactie tussen beide componenten. 3.1 Basisprincipes 3.1.1 U/f-bedrijf en veldverzwakking De belangrijkste technische kenmerken van een motor zijn te vinden op het motortype- plaatje. De vermelde gegevens zijn bijzonder relevant voor de elektrisch installateur, omdat de waarden voor spanning, frequentie en vollaststroom worden vermeld. Belangrijke informatie over het mechanische ontwerp ontbreekt echter; deze is te vinden op het datablad of in de catalogus of kan worden opgevraagd bij de motorfabrikant. Deze informatie over het mechanische ontwerp omvat gegevens die betrekking hebben op het starten van de motor en intermitterend bedrijf, en bevat ook het beschikbare koppel op de motoras.
Pagina 79 Frequentieomvormers en motoren U [V] T [Nm] U x l (Constante belasting) Belasting Reductie- bereik f [Hz] f [Hz] a) Regeling U/f-karakteristiek (ideaal) b) T/n-karakteristiek (ideaal) Fig. 3.1 Principe U/f-karakteristiek en koppel De ideale curve van de U/f-karakteristiek voor een in ster aangesloten 50 Hz-motor is te zien in Fig. 3.1 “Principe U/f-karakteristiek en koppel” a) geschakelde motorspanning b) resulterend koppel. Tot 50 Hz levert de FC een constante U/f-verhouding aan de motor, wat het mogelijk maakt om de motor een constant koppel te laten leveren. Om de motor bij 100 Hz te laten werken, moet de uitgangsspanning bij voorkeur worden verhoogd tot 800 V om een constante U/f-verhouding te handhaven (stippellijn in Fig. 3.1a “Principe U/f-karakteristiek en koppel”). Omdat deze hoge spanning kritiek is...
Pagina 80: 87 Hz-Kenmerken
Frequentieomvormers en motoren 3.1.2 87 Hz-kenmerken Door FC’s aangedreven asynchrone motoren worden meestal aangesloten op basis van de nominale spanning van het net. Dit betekent dat een 400 V/230 V-motor in ster wordt aangesloten als deze wordt gevoed door een 400 V-frequentieomvormer. Zoals in de vorige sectie is aangegeven, komt een 50 Hz-motor vanaf 50 Hz in het veldverzwakkingsgebied terecht wanneer de spanning niet verder kan worden verhoogd. Om het toerentalbereik uit te breiden, kan de motor in driehoek worden aangesloten. Voorbeeld Motor: 15 kW, 400 V/230 V Y/Δ, 27,5 A/48,7 A, 50 Hz Bij 50 Hz bedraagt het vermogen in zowel ster- als driehoekconfiguratie 15 kW vanwege de verschillende voedingsspanningen die leiden tot verschillende motorstromen. PY (50 Hz) = √3 × 400 V × 27,50 A × cos φ × η = 14,92 [kW] (50 Hz) = √3 × 230 V × 48,70 A × cos φ x η = 15,19 [kW] Δ...
Pagina 81 Frequentieomvormers en motoren U [V] T [Nm] U x l (Constante belasting) Belasting Stercon guratie Driehoekcon guratie Reductie- Reductie- bereik bereik f [Hz] f [Hz] a) Regeling 87 Hz U/f-karakteristiek (ideaal) b) T/n-karakteristiek (ideaal) Fig. 3.2 87 Hz-karakteristiek Dit betekent dat we de nominale fluxdichtheid (Φ) hebben tot 400 V, ook al is de motor aangesloten voor 230 V. Met deze hogere spanning kunnen we de maximale frequentie met nominale flux verhogen tot 87 Hz. Om deze kennis toe te passen, moet aan de volgende voorwaarden zijn voldaan: • De geselecteerde FC moet goed in staat zijn om de hogere driehoekstroom (48,70 A) te leveren.
Pagina 82: Draaien Binnen De Stroombegrenzing
Frequentieomvormers en motoren 3.1.3 Draaien binnen de stroombegrenzing Zoals we hebben gezien, houdt de relatie tussen motoraskoppel en motorstroom in dat als de motorstroom kan worden geregeld, ook het koppel onder controle is. Als een toepassing tijdelijk het maximale koppel nodig heeft, is het essentieel dat de FC is ontworpen voor een continue bedrijfsstroom tot aan de stroomgrens en deze niet overschrijdt, en ook niet wordt uitgeschakeld (trip). Er zijn verschillende strategieën om de FC te ontwerpen voor werking in stroombegrenzingssituaties. De meest gebruikte strategie is om het toerental te verlagen in toepassingen waarvan bekend is dat het werktuigkoppel dan ook zal dalen. Zoals we later echter zullen zien, kunnen er toepassingen zijn waarbij deze strategie niet kan worden toegepast en zelfs nog grotere problemen kan veroorzaken. 3.2 Compensaties Het was vroeger lastig om een FC op een motor af te stemmen, omdat enkele van de compensatiefuncties, zoals ”startspanning”, ”startcompensatie” en ”slipcompensatie” in de praktijk moeilijk in te schatten zijn. Deze compensaties zijn nodig omdat de motorkarakteristieken niet-lineair zijn. Zo vereist een asynchrone motor een grotere stroom bij lage toerentallen om zowel de magnetiseringsstroom als de koppel genererende stroom voor de motor te produceren. De ingebouwde compensatieparameters zorgen voor optimale magnetisering en daarmee het maximale koppel: • tijdens het starten;...
Pagina 83: Belastingonafhankelijke Startcompensaties
Als meerdere motoren door één FC worden bestuurd (parallelbedrijf ), wordt aangeraden om de belastingonafhankelijke compensatie uit te schakelen. Het belastingonafhankelijke supplement (de startspanning) zorgt voor een optimaal koppel tijdens de start. 3.2.2 Belastingafhankelijke startcompensaties Het belastingafhankelijke spanningssupplement (de start- en slipcompensatie) wordt bepaald via de stroommeting (arbeidsstroom). Deze compensatie wordt gewoonlijk aangeduid als I × R-compensatie, boost, koppelverhoging of – bij Danfoss – startcompensatie. Dit type regeling is niet toereikend wanneer de verstoringen lastig te meten zijn en de belasting uiterst variabel is (bijvoorbeeld in motoren waarbij de wikkelingsweerstand tot 25% verandert tussen de warme en koude toestand). De spanningstoename kan tot verschillende resultaten leiden. Bij nullastbedrijf kan het leiden tot verzadiging van de motorflux. In geval van verzadiging ontstaat er een hoge blindstroom die leidt tot opwarming van de motor. Als de motor belast werkt, zal hij vanwege de zwakke hoofdflux weinig koppel ontwikkelen en mogelijk stoppen met werken.
Pagina 84: Belastingcompensaties
Frequentieomvormers en motoren UMotor [V] Onbelast Belasting- compensatie Compenserende spanning f [Hz] T [Nm] 100% n [1/min] Fig. 3.3 Werkelijke U/f- en T/n-karakteristiek In Fig. 3.3 is te zien hoe bij lage toerentallen extra spanning aan de motor wordt geleverd ten behoeve van compensatie. 3.2.3 Belastingcompensaties De motorspanning wordt verhoogd bij hogere belasting, wat wordt bepaald op basis van de gemeten motorstroom.
Pagina 85: Pm-Motor- En Synrm-Compensaties
Frequentieomvormers en motoren De slip zal echter ongeveer 50% van het vereiste toerental bedragen als de FC de motor bestuurt bij 300 tpm (10% van het nominale synchrone toerental van 3000 tpm). Als de FC de motor moet besturen bij 5% van het nominale toerental, zal de motor stilvallen als deze wordt belast. Deze afhankelijkheid van de belasting is ongewenst, en de FC kan deze slip volledig compenseren door de arbeidsstroom naar de motor effectief te meten. De FC compenseert in dat geval de slip door de frequentie te verhogen op basis van de feitelijk gemeten stroom. Dit wordt actieve slipcompensatie genoemd. De FC berekent de slipfrequentie (f ) en de magnetiserings- of nullaststroom (I ) op basis ϕ slip van de motorgegevens. De slipfrequentie wordt lineair geschaald ten opzichte van de arbeidsstroom (verschil tussen nullaststroom en gemeten stroom). Voorbeeld Een vierpolige motor met een nominaal toerental van 1455 tpm heeft een slipfrequentie van 1,5 Hz en een magnetiseringsstroom van circa 12 A. Bij een belastingsstroom van 27,5 A en 50 Hz levert de FC een frequentie van ongeveer 51,5 Hz. Bij een belastingsstroom tussen I (12 A) en I (27,5 A) wordt de frequentie Φ...
Pagina 86: Automatische Aanpassing Motorgegevens (Ama)
Vanwege variaties in de productie van motoren en de installatie zijn deze motorgegevens niet altijd voldoende nauwkeurig om een optimale werking te garanderen. Zoals hierboven is aangegeven, zijn er ook diverse compensaties die moeten worden ingesteld. Voor moderne FC’s kan een nauwkeurige afstemming op de feitelijke motor en installatie een ingewikkelde en moeizame klus zijn. Om de installatie en eerste inbedrijfstelling eenvoudiger te maken, zijn er steeds vaker automatische-configuratiefuncties beschikbaar, zoals de functie voor automatische motorgegevens aanpassing (AMA) van Danfoss. Deze functies meten bijvoorbeeld de statorweerstand en -inductantie. Er wordt tevens rekening gehouden met de invloed van de kabellengte tussen FC en motor. De parameters die voor diverse typen motoren vereist zijn, verschillen in belangrijke details. Zo is de tegen-EMK-waarde essentieel voor PM-motoren, terwijl het verzadigingspunt belangrijk is voor SynRM-motoren. Daarom zijn verschillende typen AMA nodig. Houd er rekening mee dat niet alle FC’s de AMA-functie ondersteunen voor alle motortypen. In principe worden twee soorten motor-identificatie gebruikt:...
Pagina 87: Werking
Frequentieomvormers en motoren 3.4 Werking 3.4.1 Regeling motortoerental De uitgangsfrequentie van de FC, en daarmee het motortoerental, wordt geregeld door een of meer signalen (0-10 V; 4-20 mA of spanningspulsen) als toerentalreferentie. Als de toerentalreferentie toeneemt, neemt het motortoerental toe en verschuift het verticale deel van de motorkoppelkarakteristiek naar rechts (Fig. 3.4 “Relatie tussen referentiesignaal en motorkoppel”). Ref.-signaal Fig. 3.4 Relatie tussen referentiesignaal en motorkoppel Als het belastingskoppel lager is dan het motorkoppel, zal het toerental de vereiste waarde bereiken. Zoals te zien is in Fig. 3.5 “Relatie tussen stroomgrens en overstroomgrens”, snijdt de belastingskoppelcurve de motorkoppelcurve in het verticale deel (bij punt A). Als het snijpunt zich in het horizontale deel bevindt (bij punt B), kan het motortoerental de bijbehorende waarde niet continu overschrijden. De FC staat kortstondige overschrijding van de stroomgrens toe zonder uit te schakelen (bij punt C), maar de duur van de overschrijding moet worden beperkt. Fig. 3.5 Relatie tussen stroomgrens en overstroomgrens...
Pagina 88: Omkeren
Frequentieomvormers en motoren 3.4.2 Omkeren De draairichting van asynchroonmotoren en veel synchroonmotoren wordt bepaald door de fasevolgorde van de voedende spanning. Als twee fasen worden verwisseld, verandert de draairichting van de motor (de motor draait achteruit). Fig. 3.6 De draairichting van de motor wordt omgekeerd wanneer de fasevolgorde wordt gewijzigd Een FC kan de draairichting van de motor omkeren door de fasevolgorde te wijzigen.
Pagina 89: Vertragings- En Versnellingsramps (Aanloop En Uitloop)
Frequentieomvormers en motoren 3.4.3 Vertragings- en versnellingsramps (aanloop en uitloop) Voor veel toepassingen zijn er diverse redenen waarom het toerental niet te snel mag veranderen, maar in plaats daarvan langzaam of met soepele overgangen moet veranderen. Alle moderne FC’s beschikken over rampfuncties om dit mogelijk te maken. Deze ramps zijn instelbaar en zorgen ervoor dat de toerentalreferentie alleen met een vooraf ingestelde snelheid kan worden verhoogd of verlaagd. De versnellingsramp (aanloop) geeft aan hoe snel het toerental wordt verhoogd. Deze wordt uitgedrukt als een versnellingstijd t en geeft aan hoe snel de motor het nieuwe toerental moet bereiken. Deze ramps zijn voornamelijk gebaseerd op de nominale motor-frequentie; een versnellingsramp van bijvoorbeeld 5 seconden betekent dat de FC er 5 seconden over doet om vanuit stilstand naar de nominale motorfrequentie (f = 50 Hz) te gaan. Sommige fabrikanten bepalen het versnellen en vertragen echter ten opzichte van de waarden tussen de minimale en maximale frequentie. Fig.
Pagina 90 Frequentieomvormers en motoren –n = J × × – T 9,55 fric –n = J × × 9,55 fric is het traagheidsmoment van de motoras en de belasting [kgm²]. is het overkoppel dat wordt gebruikt om te versnellen [Nm]. is het wrijvingskoppel van het systeem [Nm]. fric is de berekende versnellings- resp. vertragingstijd [s]. acc/dec en n zijn de toerentallen bij de frequenties f en f [min Als de FC een kortstondig overbelastingskoppel toestaat, worden het versnellings- en het vertragingskoppel ingesteld op het nominale motorkoppel T. In de praktijk is de versnellings- en de vertragingstijd vaak gelijk.
Pagina 91: Motorkoppelregeling
Frequentieomvormers en motoren Accel. Bedrijf Decel. Accel. Bedrijf Decel. a) Zonder afvlakking b) Met afvlakking Fig. 3.9 Lineaire ramp (a) en S-ramp (b) 3.4.4 Motorkoppelregeling Motorkoppel is een andere parameter die belangrijk is voor de toepassing, zoals te zien is in Fig. 3.5. De motorstroom kan de stroomgrens kortstondig overschrijden. Het koppel vormt de basis voor de rotatie of beweging van een belasting. Redenen om het koppel te regelen zijn onder meer: • begrenzing van het koppel om schade aan de machine en dergelijke te voorkomen;...
Pagina 92: Watchdog
Frequentieomvormers en motoren Een andere functie in bepaalde FC’s wordt de droopfunctie genoemd. De droopfunctie houdt in dat één motor het toerental regelt en dat aanvullende FC’s ditzelfde toerental aanhouden en de belasting automatisch verdelen. Voorbeeld Een 100 meter lange transportband heeft meerdere aandrijfstations die verspreid langs de band staan opgesteld. Als een van de motoren iets sneller loopt dan de andere, moet deze motor een hoger koppel produceren. Dit kan ertoe leiden dat: • de motor overbelast en oververhit raakt; • de band wordt beschadigd vanwege het gedeeltelijk hogere koppel; • riemschijven en aandrijftrommels kunnen slippen, met overmatige slijtage als resultaat. In dergelijke situaties zijn koppel en koppelverdeling belangrijk. 3.4.5 Watchdog FC’s kunnen het te regelen proces bewaken en ingrijpen bij operationele verstoringen.
Pagina 93: Werking Dynamische Rem
Frequentieomvormers en motoren 3.5 Werking dynamische rem Machines kunnen potentiële of kinetische energie produceren die we uit de machine willen verwijderen. Potentiële energie wordt veroorzaakt door zwaartekracht, bijvoorbeeld wanneer een last naar een positie wordt gehesen en in die positie wordt vastgehouden. Kinetische energie wordt veroorzaakt door beweging, bijvoorbeeld een centrifuge die draait met een bepaald toerental dat we willen verlagen of een wagentje dat moet worden gestopt. Voor de dynamische karakteristieken van bepaalde belastingen is vierkwadrantenbedrijf vereist. Een verlaging van de statorfrequentie (en -spanning) door de FC stelt de motor in staat om te werken als generator en mechanische energie om te zetten in elektrische energie.
Pagina 94: Verlenging Van De Vertragingsramp
Frequentieomvormers en motoren Gewoonlijk worden de volgende maatregelen genomen: • het verlengen van de vertragingsramptijd; • het a fvoeren v an d e e nergie i n d e m otor, d .w.z. d at d e m otor w ordt g ebruikt a ls r emweerstand; • installatie van een ”remchopper”-circuit en geschikte remweerstanden in de FC;...
Pagina 95: Remchoppercircuit (Remmodule) En Weerstand
Frequentieomvormers en motoren 3.5.3 Remchoppercircuit (remmodule) en weerstand Het circuit bestaat in principe uit een transistor (bijvoorbeeld een IGBT) die de overtollige spanning elimineert door deze ”af te choppen” en naar de aangesloten remweerstand te sturen. Bij de inbedrijfstelling moet het stuurcircuit de juiste informatie krijgen dat er een remweerstand is aangesloten. Het stuurcircuit kan ook controleren of de remweerstand nog steeds goed functioneert. Gewoonlijk moet bij het bestellen worden gespecificeerd of de FC wel of niet moet worden uitgerust met een remchopper.
Pagina 96: Werking Statische Rem
Frequentieomvormers en motoren Fig. 3.12 “Regeneratieve remeenheid” toont een vereenvoudigde versie van het werkingsprincipe. AC-lijnvoeding AC-lijnvoeding Motor- Generator- Motor- Generator- werking werking werking werking DC-tussenkring DC-tussenkring Fig. 3.12 Regeneratieve remeenheid: a) motorregeling aan; b) motorfaseregeling uit Raadpleeg hoofdstuk 4 “Energiebesparing met frequentieomvormers” om te evalueren wanneer het economisch rendabel is om dit type apparaten te gebruiken. 3.6 Werking statische rem De FC heeft diverse functies om de motoras te blokkeren of vrij te laten lopen, zoals: • vrijlopen tot stilstand;...
Pagina 97: Dc-Remmen
Frequentieomvormers en motoren 3.6.2 DC-remmen Een gelijkspanning over twee van de drie motorfasen wordt gebruikt om een stationair magnetisch veld in de stator op te wekken. Dit veld kan bij de nominale frequentie geen hoog remkoppel produceren. Het remvermogen blijft in de motor en kan leiden tot oververhitting.
Pagina 98: Motoropwarming En Thermische Bewaking
Frequentieomvormers en motoren Voor kritische toepassingen zoals takels of liften geldt dat de rem, nadat het startcommando is gegeven, enkel mag worden vrijgegeven nadat de motor optimaal is voorgemagnetiseerd; anders kan de last vallen. Er moet eerst een minimale stroom lopen, gewoonlijk de magnetiseringsstroom, om te garanderen dat de motor de last kan heffen wanneer de rem wordt gelost.
Pagina 99 Frequentieomvormers en motoren Gra ek 1: Motor met nominaal vermogen, bijv. 15 kW Gra ek 2: Overgedimensioneerde motor, bijv. 22 kW Fig. 3.13 T/n-karakteristieken met en zonder externe koeling Een alternatief voor het toevoeren van extra koeling is het verlagen van de motorbelastingsverhouding. Om de motorbelastingsverhouding te verlagen, moet u een grotere motor selecteren. De specificatie van de FC legt echter beperkingen op ten aanzien van de motormaat die kan worden aangesloten.
Pagina 100: Functionele Veiligheid
Frequentieomvormers en motoren In plaats van lucht kan vloeistof worden gebruikt om de motor te koelen. Vloeistofkoeling wordt doorgaans geïmplementeerd in speciale motorontwerpen. In de FC zijn twee temperatuurbewakingsmethoden geïmplementeerd om de motor te beschermen: Berekening: De motortemperatuur wordt berekend op basis van een wiskundig motormodel. Meting: In de motor geplaatste thermistoren of PTC’s kunnen op de FC worden aangesloten om de temperatuur te bewaken. Welke corrigerende maatregel nodig is wanneer de motor oververhit raakt, wordt geprogrammeerd op basis van de toepassingsvereisten.
Pagina 101 Frequentieomvormers en motoren Over het algemeen worden binnen de verschillende wettelijke raamwerken en de normen afkortingen gebruikt om de veiligheidsfunctie en het veiligheidsniveau aan te geven. Functie Beschrijving Afbeelding Activering van STO De motor krijgt geen energie om koppel/rotatie te produceren. Safe Torque Off Deze functie voldoet aan stopcategorie 0 overeenkomstig IEC 60204-1. Actuele frequentie Tijd Een geregelde stop waarbij Activering van STO de aandrijfelementen van de machine bekrachtigd blijven...
Pagina 102 Frequentieomvormers en motoren De FC heeft diverse aanvullende functies voor functionele veiligheid: • SOS Safe Operating Stop – veilige bedrijfsstop • SS2 Safe Stop 2 – veilige stop 2 • SDI Safe Direction – veilige draairichting • SBC Safe Brake Control – veilige rembesturing • SAM Safe Acceleration Monitor – bewaking veilige versnelling • SLP Safe Limited Position – veilig begrensde positie • SCA Safe Cam – veilige nokkenregeling • SLI Safely Limited Increment – veilig begrensde stappen • SSR Safe Speed Range – veilig toerentalbereik • SBT Safe Break Test – veilige remtest SISTEMA Onafhankelijke softwaretools zoals SISTEMA (Safety Integrity Software Tool for the Evaluation of Machine Applications – veiligheidsintegriteitssoftware voor evaluatie van machinetoepassingen) helpen de machinebouwer om alle berekeningen voor de veiligheidstoepassing uit te voeren. Fig.
Pagina 103 Frequentieomvormers en motoren De SISTEMA-softwaretool ondersteunt ontwikkelaars en testers van veiligheidsgerelateerde machinebesturingen bij het evalueren van de veiligheid binnen de context van ISO 13849-1. De software maakt het mogelijk om de structuur van de veiligheidsgerelateerde besturingscomponenten te modelleren op basis van de aangewezen architecturen. Deze modellering maakt geautomatiseerde berekening mogelijk van de betrouwbaarheidswaarden met diverse detailleringsniveaus, waaronder die van het behaalde prestatieniveau (PL – performance level). Relevante parameters worden stapsgewijs ingevoerd via invoerdialoogvensters, bijvoorbeeld: • risicoparameters voor het bepalen van het vereiste prestatieniveau (PLr);...
Pagina 104: Energiebesparing Met Frequentieomvormers
Energiebesparing met frequentieomvormers 4 Energiebesparing met frequentieomvormers 4.1 Potentieel Elektromotoren zijn verantwoordelijk voor circa 48% van het elektriciteitsverbruik wereldwijd (1). In industriële toepassingen ligt dit percentage zelfs nog hoger. Afhankelijk van regio en industrietak wordt 65-75% van de elektrische energie gebruikt door elektromotoren. Daarom biedt elektrische-omvormertechnologie veel potentieel voor het terugdringen van het wereldwijd energieverbruik. Frequentieomvormers maken de ontwikkeling en verbetering van energie-efficiëntere motortechnologieën mogelijk. Een nog belangrijker pluspunt is de hoofdreden waarom FC’s werden ontwikkeld: instelbare toerenregeling. Toerenregeling helpt om processen te optimaliseren en motoren te laten werken bij optimaal toerental en koppel. Als we de totale potentiële besparingen die in een systeem te behalen zijn, op 100% stellen, kan grofweg 10% van dat potentieel worden behaald door gebruik te maken van efficiëntere componenten, zoals motoren. Bedrijf met instelbare toerenregeling biedt een...
Pagina 105: Rendement Motor + Frequentieomvormer
Energiebesparing met frequentieomvormers 4.2 Rendement motor + frequentieomvormer Het rendement van een systeem bestaande uit een toerengeregelde motor en een FC kan worden berekend door de afzonderlijke rendementen met elkaar te vermenigvuldigen. η = η η Motor * Systeem Frequentieomvormer Typische FC-rendementscurves bij twee verschillende belastingen zijn te zien in Fig. 4.2 “Rendementsvoorbeeld van frequentieomvormers” (A = 100% belasting/B = 25% belasting). Het rendement van de FC is hoog over het volledige regelbereik, bij zowel hoge als lage belastingsniveaus. Fig. 4.2 Rendementsvoorbeeld van frequentieomvormers Naast het economische aspect dat het hoge rendement van FC’s leidt tot een lager energieverbruik, wordt ook het uit de installatie af te voeren gedissipeerde vermogen (warmte) verlaagd. Dit is belangrijk als de FC in een kast wordt geïntegreerd. Als de verliezen hoog zijn, zijn aparte koelapparaten nodig die eveneens energie verbruiken.
Pagina 106: Classificatie Van Energie-Efficiënte Componenten
Energiebesparing met frequentieomvormers Als gevolg hiervan heeft de motor een belangrijke invloed op het systeemrendement (Fig. 4.4 “Rendementsvoorbeeld van een combinatie van frequentieomvormer en motor” (A = 100% belasting/B = 25% belasting)). Fig. 4.4 Rendementsvoorbeeld van een combinatie van frequentieomvormer en motor Hoewel het gebruikelijk is om het rendement van de verschillende componenten te specificeren, hangt de nauwkeurigheid van deze waarde sterk af van het aantal gebruikte decimalen. Daarom worden vaak ook de verliezen van de verschillende componenten vermeld. Zo zeggen verliezen van 143 W veel meer dan een rendement van 90,467% (gerelateerd aan 1,5 kW).
Pagina 107 Energiebesparing met frequentieomvormers Power Drive System (PDS) Complete aandrijfmodule (CDM) Aangedreven apparatuur Basis- Net en Voedende Hulp- Belastings- aandrijf- Transmissie Motor bekabeling sectie apparatuur machine module (BDM) Vaak aangeduid als omvormer met variabel toerental (VSD) Fig. 4.5 Definitie van CDM en PDS De IE-klassen zijn gedefinieerd ten opzichte van een referentie-CDM (RCDM). Door dezelfde schaal aan te houden voor alle vermogensklassen, worden de klassen gedefinieerd op basis van relatieve verliezen. CDM’s met relatieve verliezen in het bereik van ± 25% van de...
Pagina 108 Energiebesparing met frequentieomvormers Motoren Voor het vermogensbereik 0,12-1000 kW zijn de rendementsklassen IE1-IE4 voor elektro- motoren gedefinieerd in de norm EN-IEC 60034-30-1. Hoewel de norm voor alle motor- typen geldt, zijn bepaalde motorconstructies (bijv. remmotoren) niet opgenomen in de norm. Diverse landen en regio’s gebruiken de IE-classificatielimieten om Minimum Efficiency Performance Standards (MEPS) te definiëren om het gebruik van motoren met laag rendement aan banden te leggen. De rendementsklasse is gerelateerd aan het nomi- nale werkpunt van de motor. Rendementen bij volledig toerental maar met verlaagd koppel moeten worden vermeld op het typeplaatje of in de documentatie. Er gelden andere limieten voor voedingsfrequenties (50/60 Hz) en het aantal motorpolen (2, 4 of 6 polen).
Pagina 109: Energie-Efficiënte Motorstart
Energiebesparing met frequentieomvormers De classificatie is gebaseerd op 100% relatief toerental en 100% relatief koppel. Wanneer de FC is ontworpen voor een kortere kabel of direct op de motor wordt gemonteerd, waarbij een kortere kabel kan worden gebruikt, moet dit in de documentatie worden vermeld. In het algemeen zijn allerlei typen optimalisaties mogelijk, zolang deze in de documentatie worden vermeld. Dit maakt het lastig om twee PDS-klassen met elkaar te vergelijken, omdat ze hoogstwaarschijnlijk een verschillende grondslag hebben. De IES-klasse voor combinaties van FC en aandrijvingen onderstrepen hoe lastig het is om een systeem te optimaliseren en dat alle componenten zorgvuldig moeten worden geselecteerd om de toepassing te optimaliseren. Het verschil tussen voorgeconfigureerde en niet-geoptimaliseerde vrij gecombineerde systemen zal in de meeste gevallen gering zijn, maar het afstemmen van verschillende componenten maakt over het algemeen een fijnere afstelling van de machine mogelijk, waarmee de machinebouwer concurrentievoordeel realiseert.
Pagina 110 Energiebesparing met frequentieomvormers Het is mogelijk softstarters te gebruiken; deze passen de motorspanning net zo aan als ster-driehoekschakelingen, maar dan lineair. Het apparaat verhoogt de spanning totdat een geprogrammeerde stroomgrens wordt bereikt. De begrenzing is afhankelijk van de toepassing, maar ligt meestal in het bereik van 300-500% FLC. Wanneer de motor versnelt, daalt de stroom en verhoogt de softstarter de spanning nog verder. Dit herhaalt zich tot de netspanning op de motor wordt geschakeld. 300% 800% Starten op net Starten op net 700% 250% 600% 200% 500% 150% 400% Softstarter 300% Softstarter 100%...
Pagina 111: Energie-Efficiënte Motorregeling
Energiebesparing met frequentieomvormers De karakteristieke curves voor koppel en stroom voor het starten van een motor met constante belasting direct op het net, met een softstarter en met een frequentieomvormer, zijn te zien in Fig. 4.9 “Vergelijking tussen motorstart direct op net en motor gestart door een softstarter” en Fig. 4.10 “Vergelijking tussen motorstart direct op net en een motor die wordt gestart door een frequentieomvormer bij 160% overbelasting”. De curves zullen er anders uitzien bij andere belastingen. 4.5 Energie-efficiënte motorregeling Alle motoren werken door het schakelen van de juiste spanning bij een bepaalde frequen- tie. Een draaiende as betekent niet automatisch dat de motor efficiënt werkt. Om een motor te regelen, zijn een besturingsalgoritme (U/f, spanningsvector, flux-vector...) en een bestu- ringsstrategie nodig. Dat beide componenten afgestemd moeten zijn op een motortype...
Pagina 112 Energiebesparing met frequentieomvormers Maximaal koppel per ampère Deze strategie minimaliseert de statorstroomsterkte voor een vereist koppel, terwijl rekening wordt gehouden met reluctantiekoppels. Schommelingen in inductanties tijdens bedrijf moeten worden meegenomen voor de beste resultaten. Regeling met constante arbeidsfactor van 1 Bij deze strategie wordt de hoek tussen de stroom- en spanningsvector constant gehouden, zodat het nominale schijnbare vermogen van de omvormer kan worden verlaagd. Daarnaast bieden FC’s extra functionaliteit voor verlaging van de magnetische veldsterkte bij een lagere belasting. Dit kan worden gedaan via speciale U/f-karakteristieken of functies voor automatische energieoptimalisatie (AEO). Automatische energieoptimalisatie Starten met grote versnelling AEO-aanpassing Toerental Automatische...
Pagina 113: Belasting Over Tijd
Energiebesparing met frequentieomvormers 4.6 Belasting over tijd Elke component in een systeem heeft verliezen; vandaar dat het toevoegen van extra componenten aan een systeem zo mogelijk moet worden vermeden. Dit geldt ook voor FC’s. Het toevoegen van een FC aan een motor die de hele dag door draait op volledige belasting en volledig toerental zal leiden tot extra verliezen. Zodra verlaging van toerental en koppel echter zinvol is voor de toepassing, zal toepassing van een FC het energieverbruik verlagen. De haalbare besparing hangt af van het belastingsprofiel over tijd, de koppelkarakteristieken en het rendement van de motor en het aandrijfsysteem bij de specifieke deellastpunten. 100% Belasting Fig.
Pagina 114 Energiebesparing met frequentieomvormers Debiet is evenredig aan toerental Druk of opvoerhoogte is evenredig aan kwadraat van toerental Vermogen is evenredig aan derde macht van toerental De flow Q neemt lineair toe met een toenemend toerental (tpm), terwijl de druk/ opvoerhoogte H kwadratisch toeneemt en het opgenomen vermogen P kubiek toeneemt. In theorie resulteert een toerentalverlaging van 20% in een energiebesparing van 50%. Benodigde energie voor smoorklepregeling Werkpunt Systeemkarakteristiek Pompkarakteristiek...
Pagina 115: Toepassingen Met Constant Koppel
Energiebesparing met frequentieomvormers Bij een toerengeregelde ventilator/pomp beweegt het werkpunt langs de systeemkarak- teristiek. Hierdoor verwijdert de eenheid zich van het optimale rendementspunt en zal het rendement gewoonlijk iets afnemen, maar de energiebesparing die wordt gerealiseerd van- wege het verlaagde toerental is nog altijd veel hoger dan bij het gebruik van smoorkleppen of andere mechanische regelingen. In de praktijk zal de gerealiseerde energiebesparing afwijken van de theoretische, omdat verliezen in buizen en leidingwerk resulteren in een basisbelasting en dus extra verliezen. In pomptoepassingen is vaak een minimaal toerental (afhankelijk van toepassing en type/merk pomp) vereist om bezinking van vaste stoffen te vermijden en voldoende smering van de pomp te waarborgen. Als het bereik tussen het minimale toerental en het toerental voor het maximaal vereiste vermogen te groot is, kan het systeem in cascade worden geschakeld. Wanneer pompen in cascade worden geschakeld, neemt één toerengeregelde pomp de basisbelasting voor zijn rekening. Als het verbruik toeneemt,...
Pagina 116: Levenscycluskosten
Energiebesparing met frequentieomvormers De voor een dergelijk systeem benodigde energie is evenredig met het vereiste koppel en het toerental van de motor. P ~ T x n Als het toerental kan worden verlaagd van een constant-koppelbelasting, zoals bij koelcycli, leidt dit onder meer tot een directe energiebesparing. Bij andere toepassingen met een constant-koppelbelasting zal een verlaagd toerental niet veel impact hebben. Als het toerental van een transportband bijvoorbeeld wordt verlaagd, is ongeveer dezelfde hoeveelheid energie nodig om de goederen van A naar B te transporteren, omdat de afstand gelijk blijft. Enige besparing wordt gerealiseerd dankzij factoren zoals lagere wrijvingsverliezen of geoptimaliseerde versnelling. Desondanks neemt het gebruik van toerenregeling bij toepassingen met constant-koppelbelasting steeds verder toe,...
Pagina 117: Systeembesparingen
Energiebesparing met frequentieomvormers 4.8 Systeembesparingen Ongeacht of het energierendement van een nieuw(e) of een bestaand(e) proces/ machine zal worden verbeterd, er moet altijd naar het gehele systeem worden gekeken. Bestaande installaties hebben het voordeel dat er metingen kunnen worden uitgevoerd om de verliezen te bepalen, wat een referentiepunt creëert op basis waarvan kan worden beoordeeld of verbeteringen aan het systeem het verwachte resultaat hebben. Fig. 4.18 “Overzicht van een motoraandrijfsysteem met verschillende onderdelen” - toont een aandrijfsysteem van een transportband inclusief een aantal componenten die standaard of optioneel in een aandrijfsysteem aanwezig zijn.
Pagina 118 Energiebesparing met frequentieomvormers LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd = investeringskosten (aanschafkosten) = installatie- en inbedrijfstellingskosten = energiekosten C = kosten wegens stilstandtijd en verloren productie = bedrijfskosten C = milieukosten = onderhoudskosten C = kosten voor uitbedrijfname en afvoer Een van de belangrijkste factoren in de levenscycluskostenformule wordt gevormd door de energiekosten.
Pagina 119: Gebruik Van Geregenereerd Vermogen
Energiebesparing met frequentieomvormers 4.9 Het gebruik van geregenereerd vermogen Elektromotoren kunnen in generatormodus werken, bijvoorbeeld wanneer een asynchrone motor sneller loopt dan het synchrone toerental. Dit kan gebeuren wanneer de motor wordt teruggeregeld naar een lager toerental. In de meeste gevallen zal de gebruiker de gegenereerde energie vervolgens afvoeren naar remweerstanden, die de energie omzetten in warmte. In de praktijk zijn er twee gangbare technische oplossingen om deze energie terug te voeren naar het net of aan andere machines te leveren. Koppeling van tussenkringen Sommige FC’s kunnen hun DC-tussenkring koppelen aan de tussenkring van andere apparaten. Hierdoor kunnen andere apparaten rechtstreeks worden voorzien van...
Pagina 120 Energiebesparing met frequentieomvormers 13,16 kW 10,23 kW 11 kW 550 kW 451 kW 1155 kW 770 kW Fig. 4.20 Systeemverliezen bij motorwerking 7,73 kW 10,23 kW 9,51 kW 476 kW 312 kW 999 kW 716 kW Fig. 4.21 Systeemverliezen bij generatorwerking De verliezen die door de AFE of AIC zelf worden veroorzaakt, zijn veel hoger dan voor een standaard FC, vanwege de actieve gelijkrichter waarvan de verliezen twee keer zo hoog kunnen zijn, zowel tijdens bedrijf als in stand-by. Afhankelijk van de constructie produceren...
Pagina 121 Energiebesparing met frequentieomvormers Toepassing: Lift in een wooncomplex Belasting: 1100 kg Werking: 1 uur per dag η =90% η =80% η =88% (IE2) η =95% η =97% gear Hoist way Motor Stand-byverliezen: AIC = 40 W, VSD = 40 W Resultaat: AFE/AIC Standaard VSD Motorverliezen per jaar 47 kWh 34 kWh Stand-byverliezen per jaar 336 kWh 168 kWh Gegenereerde energie per jaar 170 kWh –...
Pagina 122: Elektromagnetische Compatibiliteit
Elektromagnetische compatibiliteit 5 Elektromagnetische compatibiliteit 5.1 EMI en EMC Elektromagnetische interferentie (EMI) is de aantasting van de prestaties van apparatuur als gevolg van elektromagnetische verstoringen. Een voorbeeld van EMI is wanneer willekeurige punten en lijnen (vaak aangeduid als ”sneeuw”) op het scherm van een televisie verschijnen wanneer in dezelfde ruimte een stofzuiger wordt gebruikt. In dit voorbeeld is de stofzuiger de interferentiebron en de tv het slachtofferapparaat. Interferentie door straling Geleide interferentie Fig. 5.1 Verschil tussen interferentie door straling en interferentie door geleiding Elektromagnetische ruis kan zich voortplanten via geleiders (geleide interferentie) of via elektromagnetische golven (gestraalde interferentie). Er zijn vier koppelingsmechanismen voor interferentie: • Galvanische koppeling treedt op wanneer twee circuits (interferentiebron en -slachtoffer) een gemeenschappelijke elektrisch geleidende verbinding hebben.
Pagina 123 Elektromagnetische compatibiliteit Er kunnen diverse bronnen van elektromagnetische interferentie zijn, bijvoorbeeld: • natuurlijke bronnen zoals bliksem; • elektrische apparatuur die onbedoeld elektromagnetische straling produceert – bijvoorbeeld een frequentieomvormer of voeding; • elektrische apparatuur die opzettelijk elektromagnetische straling produceert – bijvoorbeeld een draagbare radiozender De kunst van EMI-foutopsporing bestaat uit het identificeren van de interferentiebron en het koppelingsmechanisme en het beperken van de interferentiekoppeling tot een aanvaardbaar niveau. De toestand waarbij een apparaat of systeem in staat is naar behoren te werken in zijn elektromagnetische omgeving, zonder onaanvaardbare verstoringen in die omgeving te introduceren, wordt elektromagnetische compatibiliteit (EMC) genoemd. Het is belangrijk om te beseffen dat de definitie van EMC twee aspecten kent:...
Pagina 124: Emc En Frequentieomvormers
Elektromagnetische compatibiliteit Common mode en differentiële modus Wanneer er wordt gesproken over interferentie door geleiding, worden vaak de termen common mode (CM) en differentiële modus (DM) gebruikt. Bron Belasting Referentieaarde Fig. 5.3 Common mode en differentiële modus DM-ruis (differentiële modus) wordt in tegenovergestelde richting geleid op beide lijnen van de stroomkring, in serie met het gewenste signaal. CM-ruis (common mode) wordt op beide lijnen in dezelfde richting geleid en het retourpad loopt via een gemeenschappelijke referentieaarde. 5.2 EMC en frequentieomvormers Emissie FC’s worden gekenmerkt door een snelle schakeling van spanningen (hoge du/dt-niveaus) in het bereik van duizenden V/µs en amplitudes in het bereik van 500-1000 V (afhankelijk van de voedingsspanning) en hoge stroomniveaus. Hierdoor zijn FC’s een mogelijke bron van EMI en moet de EMC-correcte installatie nauwlettend worden gevolgd. Gelijkrichter Omvormer Hoge du/dt Afgeschermde motorkabel RFI- lter netlijn Belasting Vdc/2 Koellichaam/chassis...
Pagina 125: Aarding En Afscherming
Elektromagnetische compatibiliteit De bron van de interferentie is de spanningsbronomvormer die een pulsvormige uitgangsspanning produceert met zeer korte stijg- en daaltijden (ook uitgedrukt als een hoge du/dt). Deze spanning wordt over parasitaire capaciteiten naar aarde geschakeld in de motorkabel en in de motor, en resulteert in een common-modestroom: × waarbij C de parasitaire capaciteit naar aarde is. De common-modestroom moet de kring sluiten en terugkeren naar zijn bron, de DC-tussenkring. Het regelen van het retourpad van de common-modestroom is essentieel om de elektromagnetische interferentie onder controle te houden. In de FC bevinden zich common-modecondensatoren – dat wil zeggen, condensatoren tussen het FC-circuit en aarde. De common-modecondensatoren zijn te vinden in het RFI- circuit (C of als ontkoppelingscondensatoren in de DC-tussenkring (C ). Als een...
Pagina 126 Elektromagnetische compatibiliteit • Elektrische veiligheid: veiligheidsaarding zorgt ervoor dat in geval van aantasting van de elektrische isolatie geen spanning staat op elektrisch geleidende delen die door personen kunnen worden aangeraakt, waardoor het risico op elektrische schokken wordt vermeden. • Interferentie beperken: signaalaarding vermindert spanningsverschillen die ruisemissie of gevoeligheidsproblemen kunnen veroorzaken. Vergeet nooit dat elektrische veiligheid altijd de hoogste prioriteit heeft – hoger dan EMC. Er zijn diverse typen aarding gangbaar. Serie Apparatuur Apparatuur Apparatuur Parallel Apparatuur Apparatuur Apparatuur Meerpuntsaarding Apparatuur...
Pagina 127 Elektromagnetische compatibiliteit De afschermingsprestaties van een kabel worden aangeduid met de overdrachtsimpedantie . De overdrachtsimpedantie geeft het verband tussen een stroom op het oppervlak van de afscherming en de spanningsval die door deze stroom wordt geproduceerd op het oppervlak van het andere uiteinde van de afscherming: Fig. 5.6 Illustratie van overdrachtsimpedantie , waarbij L de kabellengte is Hoe lager de overdrachtsimpedantiewaarde, hoe beter de afschermingsprestaties.
Pagina 128 Als dit niet mogelijk is, kan het ene uiteinde van de afgeschermde kabel worden aangesloten via een condensator van 100 nF. Dit onderbreekt de aardlus bij lage frequentie (50 Hz) terwijl de afschermingsaansluiting in het hoge frequentiebereik gehandhaafd blijft. In bepaalde apparatuur is deze condensator al ingebouwd. Zo is bij Danfoss VLT® frequentieomvormers de afschermingsaansluiting voor signaalkabels aanwezig op klem 61.
Pagina 129 Elektromagnetische compatibiliteit PLC enz. Stuurkabels en kabels voor seriële communi- catie moeten gewoonlijk aan beide uiteinden worden geaard. PLC enz. Sluit de afscherming nooit aan via pigtails. PLC enz. Aardpotentiaal tussen PLC en omvormer: Koppel de kabels los en meet de spanning ter controle met een spanningsmeter. Gebruik een vereffeningskabel of zorg dat eenheden met bouten aan elkaar zijn bevestigd.
Pagina 130: Installaties Met Frequentieomvormers
Elektromagnetische compatibiliteit 5.4 Installaties met frequentieomvormers Het is belangrijk om bij het installeren van frequentieomvormers goede technische werkprak- tijken te volgen om de elektromagnetische compatibiliteit te waarborgen. Bij het ontwerpen van een installatie kan een EMC-plan worden opgesteld op basis van de volgende stappen: • Stel een lijst op met componenten, apparatuur en zones. • Verdeel deze onder in potentiële ruisbronnen en potentieel gevoelige apparatuur. • Classificeer de kabels waarmee de apparatuur wordt aangesloten (potentieel ruis veroorzakend of potentieel gevoelig). • Bepaal de vereisten en selecteer de apparatuur. • Scheid potentiële ruisbronnen van potentieel gevoelige apparatuur.
Pagina 131: Wetgeving En Normen
Elektromagnetische compatibiliteit 5.5 Wetgeving en normen Wetgeving t.o. normen Wetgeving wordt opgesteld door de wetgevingsinstanties van nationale of lokale overheden en moet worden nageleefd – dat is wettelijk verplicht. Het betreft politieke documenten zonder specifieke technische details; deze details zijn te vinden in normen. Normen worden opgesteld door experts van relevante normalisatie-instituten (zoals de International Electrotechnical Commission, IEC, of het Europees Comité voor Elektrotechnische normalisatie, CENELEC) en weerspiegelen de huidige stand van de techniek. Normen dienen om een gemeenschappelijke technische grondslag te creëren voor samenwerking tussen marktspelers. Europese EMC-richtlijn De nieuwste EMC-richtlijn is 2014/30/EU en deze wordt van kracht vanaf 20 april 2016, waarbij de vorige richtlijn, 2004/108/EG, komt te vervallen. Deze richtlijn is een wettelijke vereiste binnen de Europese Unie. In principe zijn de vereisten eenvoudig: • Producten mogen geen ongewenste elektromagnetische interferentie afgeven (beperkt emissie) • Producten moeten immuun zijn voor een redelijke hoeveelheid interferentie (stelt immuniteitseisen vast) De richtlijn zelf is een politiek document en bevat geen specifieke technische vereisten. Een producent heeft de mogelijkheid om geharmoniseerde normen te gebruiken om overeenstemming met de richtlijn aan te tonen. Naleving van de EMC-richtlijn (en ook van andere relevante richtlijnen zoals de laagspanningsrichtlijn – LVD) wordt vermeld in de Conformiteitsverklaring voor het product en de CE-markering wordt op het...
Pagina 132 Elektromagnetische compatibiliteit EMC-normen Normen zijn onder te verdelen in verschillende categorieën: • Basisnormen hebben betrekking op algemene aspecten zoals testopstelling, meettechnieken en emissielijnen. Voor toerenregelaars worden vaak de in EN 55011 gespecificeerde emissielimieten toegepast. • Algemene normen hebben betrekking op specifieke omgevingen en zijn hoofdzakelijk ontwikkeld om het ontbreken van specifieke productnormen op te vangen. Voor huishoudelijke, commerciële en lichtindustriële omgevingen is EN 61000-6-1 de algemene immuniteitsnorm en EN 61000-6-3 de algemene emissienorm. Voor industriële omgevingen is EN 61000-6-2 de algemene immuniteitsnorm en EN 61000-6-4 de algemene emissienorm.
Pagina 133: Beveiliging Tegen Elektrische Schokken En Energiegevaren
Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren 6 Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren 6.1 Algemeen Elektrische producten werken vaak met spanningen en stromen die potentieel gevaarlijk zijn voor mensen, dieren en systemen. Deze gevaren kunnen het gevolg zijn van fysieke aanraking, overbelasting, kortsluiting, onherstelbare beschadiging van componenten of de invloed van warmte of vocht. De hieruit voortvloeiende mogelijke gevaren moeten worden voorkomen, of in elk geval worden beperkt tot een aanvaardbaar minimum, door bij de planning en het ontwerp voorzorgsmaatregelen op te nemen, in combinatie met foutanalyse en een schatting...
Pagina 134: Netvoedingssystemen
Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren De behuizingsklasse van de FC biedt bescherming tegen letsel of schade door aanraking. Een behuizingsklasse hoger dan IP 21 voorkomt persoonlijk letsel door aanraking. Naleving van nationale voorschriften voor ongevallenpreventie (zoals BGV-A3, verplicht voor elektrische apparatuur in Duitsland) is eveneens noodzakelijk om bescherming te bieden tegen gevaren door aanraking. Temperatuur- en brandgevaren FC’s kunnen een brandgevaar vormen als gevolg van oververhitting. Daarom moeten ze worden voorzien van een ingebouwde temperatuursensor die de werking van de FC stopt als de koelvoorziening uitvalt. Onder bepaalde omstandigheden kan een op een FC aangesloten motor onverwachts opnieuw starten. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren als er in de FC timers zijn ingeschakeld of wanneer temperatuurbegrenzingen worden bewaakt. Noodstoppen Afhankelijk van systeemspecifieke voorschriften kan het nodig zijn om een noodstop- schakelaar in de buurt van de motor te monteren. Deze schakelaar kan in de netvoedingslijn of de motorkabel worden toegepast zonder de FC of de motor te beschadigen. 6.2 Netvoedingssystemen Er zijn verschillende manieren om de netvoeding aan te sluiten op aarde, elk met zijn eigen voor- en nadelen. IEC 60364 onderscheidt drie hoofdaardingssystemen: TN, TT en IT. De letters staan voor T – Terra (Lat.) = verbinding met aarde N – Neutraal = rechtstreeks verbonden met de nulgeleider I – Geïsoleerd = geen verbinding/zwevend TN-S-systeem...
Pagina 135 Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren Generator of transformator Verbruiker Aarde Fig. 6.1 TN-S-systeem: afzonderlijke nul- en PE-geleider TN-C-systeem In een TN-C-systeem zijn de PE- en N-geleider gecombineerd tot een PEN-geleider. Dit heeft als nadeel dat een stroom door de N-geleider ook een stroom door de PE is, waardoor er een spanningspotentiaal tussen aarde en het chassis van de aangesloten apparatuur ontstaat. In een 50 Hz/60 Hz-wereld, met lineaire belastingen, levert dit systeem geen echte problemen op. Maar bij aanwezigheid van elektronische belastingen, waaronder FC’s, kunnen de optredende hoogfrequente stromen storingen veroorzaken. Hoewel FC’s op dit systeem gebruikt kunnen worden, is het beter om dit te vermijden vanwege de risico’s die het met zich meebrengt. Vanuit EMC-oogpunt is het TN-C-systeem niet optimaal. Generator of transformator Verbruiker Aarde Fig.
Pagina 136 Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren Generator of transformator Verbruiker Aarde Fig. 6.3 TN-C-systeem: in het gehele systeem zijn de nulgeleider en de PE-geleider gecombineerd in de PEN-geleider TT-systeem In het TT-systeem wordt de PE bij de stroomverbruiker verzorgd door een aardelektrode ter plaatse. Het belangrijkste voordeel van het TT-systeem is dat hoogfrequente stromen in het PE-circuit bij de stroomverbruiker zijn gescheiden van de laagfrequente stromen in de N-geleider. Vanuit EMC-oogpunt is dit het ideale systeem.
Pagina 137: Extra Beveiliging
Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren Het nadeel van dit systeem is gelegen in de slechte EMC-prestaties. Elke aardruisstroom zal namelijk in het gehele systeem merkbaar zijn, wat mogelijk tot storingen in elektronische apparatuur zal leiden. Wanneer FC’s worden gebruikt op een IT-net, moeten er speciale maatregelen worden genomen, bijvoorbeeld door alle condensatoren naar aarde (zoals de common-modecondensatoren in het RFI-filter) los te koppelen. Als gevolg hiervan worden geleide emissies niet gefilterd en treedt er op het IT-net veel hoogfrequente ruis op. Generator of transformator Verbruiker Aarde Aarde Fig. 6.5 IT-systeem: geïsoleerd net; de nulgeleider kan zijn geaard via een impedantie of ongeaard zijn 6.3 Extra beveiliging De aantasting van de scheiding tussen spanningvoerende delen en chassis veroorzaakt aardlekstromen en kan zowel de persoonlijke veiligheid (risico op elektrische schokken)
Pagina 138 Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren De som is nul als er geen lekstroom in de installatie aanwezig is. Als er lekstroom is, is de som niet nul en wordt er een stroom opgewekt in de secundaire wikkeling van de transformator. Deze stroom schakelt het relais uit en onderbreekt de netvoeding naar de FC. Conventionele RCCB’s maken gebruik van inductieve detectie en zijn daarom alleen geschikt voor het detecteren van wisselstromen. Bij FC’s met B6-ingangsbruggelijkrichters kan er bij een fout een zuivere gelijkstroom in de voedingskabel gaan lopen. Het wordt aanbevolen om te controleren of er op de ingang van de FC een gelijkstroom aanwezig kan zijn. Als dat het geval is, moet een RCD van type B (gevoelig voor zowel AC als DC) worden gebruikt voor betrouwbare beveiliging. Dit type RCD heeft een extra geïntegreerd circuit waarmee het mogelijk is om zowel AC- als...
Pagina 139: Zekeringen En Circuitbreakers
Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren Wisselende foutstromen Pulserende gelijkstromen (halve golf pos. en neg.) Aangesneden sinus Aansnijdingshoek 90° el. 135° el. Halve periode bij overlapping van een vlakke foutgelijkstroom van 6 mA Vlakke gelijkstroomfouten Fig. 6.7 Golfvormen en aanduidingen van reststromen Elektrische Elektrische interpretatie interpretatie Fig. 6.8 Universele aardlekschakelaar 6.4 Zekeringen en circuitbreakers Om FC’s en de installatie te beschermen tegen elektrische gevaren en brand,...
Pagina 140 Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren Tijd-stroomkarakteristieken Prospectieve stroom [A] Fig. 6.9 Tijd-stroomkarakteristieken van zekeringen Er zijn verschillende gestandaardiseerde tijd-stroomkarakteristieken afhankelijk van de beoogde toepassing. Voor de beveiliging van FC’s worden gewoonlijk aR-zekeringen voor halfgeleiderbeveiliging gebruikt om de schade bij kortsluiting of bij uitval van interne componenten te beperken. In sommige situaties kunnen gG-zekeringen voor algemeen gebruik worden gebruikt. Voor het selecteren van de juiste zekeringen is het belangrijk om de documentatie van de FC te raadplegen en de vermelde aanbevelingen strikt op te volgen, aangezien de aanbevolen zekeringen samen met de FC zijn getest.
Pagina 141 Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren Circuitbreakers In tegenstelling tot zekeringen, die na het doorbranden moeten worden vervangen, zijn circuitbreakers elektromechanische apparaten die na activering simpelweg kunnen worden gereset. Omdat circuitbreakers trager kunnen werken dan zekeringen, moet het gebruik ervan zorgvuldig worden afgewogen. De trage werking kan leiden tot uitgebreide schade aan het beveiligde apparaat, hieruit voorvloeiende oververhitting en zelfs brandgevaar. Niet alle FC’s zijn zodanig ontworpen dat ze kunnen worden beveiligd met circuitbreakers. Tijdens de ontwerpfase van FC’s worden speciale afwegingen gemaakt om de schade bij uitval van een interne component van de FC te beperken. Dergelijke maatregelen zijn bijvoorbeeld speciale interne mechanische voorzieningen in de behuizing, het gebruik van schermen, het gebruik van deflectiefolies en dergelijke, om de gevolgen van interne storingen te beperken. Het is essentieel om de aanbevelingen in de documentatie van de specifieke FC ten aanzien van het gebruik van circuitbreakers te raadplegen en strikt op te volgen.
Pagina 142: Netstoringen
Netstoringen 7 Netstoringen 7.1 Wat zijn harmonischen? 7.1.1 Lineaire belastingen Op een sinusvormige AC-voeding zal een zuiver resistieve belasting (zoals een gloeilamp) een sinusvormige stroom afnemen, in fase met de voedingsspanning. Het vermogen dat door de belasting wordt gedissipeerd, bedraagt: P = U × I Bij reactieve belastingen (zoals een inductiemotor) is de stroom niet meer in fase met de spanning, maar loopt de stroom achter op de spanning, waardoor een naijlende werkelijke arbeidsfactor ontstaat met een waarde kleiner dan 1. Bij capacitieve belastingen loopt de stroom voor op de spanning, wat leidt tot een voorijlende werkelijke arbeidsfactor met een waarde kleiner dan 1.
Pagina 143: Niet-Lineaire Belastingen
Netstoringen ϕ Fig. 7.2 Componenten van AC-vermogen: werkelijk vermogen (P), blindvermogen (Q) en schijnbaar vermogen (S) De verschuivingshoek tussen stroom en spanning is φ. De verschuivingsfactor is de verhouding tussen het actieve vermogen (P) en het schijnbare vermogen (S): DPF = P = cos (ϕ) 7.1.2 Niet-lineaire belastingen Niet-lineaire belastingen (zoals diodegelijkrichters) nemen een niet-sinusvormige stroom op. Fig. 7.3 toont de stroom die wordt opgenomen door een 6-pulsgelijkrichter op een driefasevoeding. Een niet-sinusvormige golf kan worden ontleed als een som van sinusvormige golven met frequenties die overeenkomen met gehele veelvouden van de grondgolfvorm. f(t ) = ∑ ah × sin(h ω1t ) Fig.
Pagina 144 Netstoringen De gehele veelvouden van de grondfrequentie ω1 worden harmonischen genoemd. De RMS-waarde van een niet-sinusvormige golf (stroom of spanning) wordt uitgedrukt als: Σ Σ De hoeveel harmonischen in een golfvorm geeft de vervormingsfactor, of totale Σ harmonische vervorming (THD), die wordt aangeduid als de verhouding tussen de RMS-waarde van de harmonische component en de RMS-waarde van de grondwaarde, Σ uitgedrukt als een percentage van de grondwaarde: Σ...
Pagina 145: Het Effect Van Harmonischen In Een Stroomverdeelsysteem
PF = DPF = cos(ϕ) PF = DPF = cos(ϕ) Netstoringen PF = PF = √ √ 1 + THD 1 + THD TDD geeft de harmonische stroomvervorming als percentage van de maximale laststroom I × 100 % TDD = Σ...
Pagina 146 Netstoringen Harmonische stromen die door niet-lineaire belastingen worden opgewekt, veroorzaken vervorming van de spanning, vanwege de spanningsval over de impedanties van het verdeelsysteem. Hogere impedanties leiden tot hogere niveaus van spanningsvervorming. Stroomvervorming heeft betrekking op de prestaties van de apparatuur en op de individuele belasting. Spanningsvervorming heeft betrekking op de systeemprestaties. Het is niet mogelijk om de spanningsvervorming in het PCC te bepalen als alleen de harmonische prestaties van de belasting bekend zijn. Om de vervorming in het PCC te bepalen, moeten de configuratie van het verdeelsysteem en de relevante impedanties...
Pagina 147: Normen En Voorschriften Voor Het Beperken Van Harmonischen
Netstoringen 7.2 Normen en voorschriften voor het beperken van harmonischen De vereisten voor het beperken van harmonischen kunnen voortvloeien uit: • toepassingsspecifieke vereisten; • vereisten voor naleving van normen. De toepassingsspecifieke vereisten hebben betrekking op een specifieke installatie waar technische redenen aanwezig zijn om de harmonischen te beperken. Voorbeeld: transformator van 250 kVA waarop twee motoren van 110 kW zijn aangesloten. Motor A is rechtstreeks aangesloten op de netvoeding, terwijl motor B wordt gevoed via frequentieomvormer B. Er is een behoefte om FC A te installeren zodat motor A wordt gevoed via een eigen FC, maar in dat geval is de transformator ondergedimensioneerd.
Pagina 148 Netstoringen Een overzicht van de diverse methoden voor beperking van harmonische stromen wordt gegeven in Tabel 7.1 Methoden voor beperking van harmonischen. Beperkingsmethode Circuitschema Typische stroomvorm Geen beperking THDi > 80% DC-smoorspoelen THDi < 40% AC-smoorspoelen THDi < 40% Passief harmonischenfilter THDi < 10% Multipulsgelijkrichter (12/18) THDi < 10% Active Front End THDi < 5% Actief filter Golfvorm vergelijkbaar THDi < 5% met AFE Tabel 7.1 Methoden voor beperking van harmonischen Beperking van harmonischen kan worden gerealiseerd door middel van passieve of actieve circuits.
Pagina 149: Passieve Beperking Van Harmonischen
Om te beginnen zijn de effecten van de twee oplossingen op de componenten van het harmonischenspectrum verschillend, ook al is de THDi-waarde vergelijkbaar. DC- smoorspoelen verlagen vooral de laagfrequente componenten (5e, 7e, 11e harmonische), terwijl AC-smoorspoelen betere prestaties bieden voor de hoogfrequente harmonischen. Over smoorspoelen treedt een AC-spanningsval op. Bij AC-smoorspoelen zal een spanningsval optreden, meestal circa 4%. Bij DC-smoorspoelen veroorzaakt de DC-stroom geen spanningsval. De enige spanningsval over DC-smoorspoelen is het gevolg van de stroomrimpel van de gelijkrichter. Daarom zal het gebruik van DC-smoorspoelen resulteren in een hogere DC-tussenkringspanning, wat het mogelijk maakt om meer koppel te produceren op de motoras. Dit is het belangrijkste voordeel van DC-smoorspoelen. Het belangrijkste voordeel van AC-smoorspoelen is dat ze de gelijkrichter beschermen tegen transiënten van het net. Passieve harmonischenfilters Passieve harmonischenfilters worden in serie met de netvoeding aangesloten. Ze kunnen worden gerealiseerd door middel van diverse circuittopologieën die gewoonlijk bestaan uit combinaties van smoorspoelen (L) en condensatoren (C), en soms ook dempingsweerstanden R. Het filtercircuit kan een laagdoorlaatcircuit zijn, dat is afgestemd op specifieke harmonischen (5e, 7e enz.) of iets ontstemd is om het risico op resonantie te vermijden. De prestaties van passieve filters hangen af van de DC-tussenkringconfiguratie van de specifieke FC (met/zonder DC-smoorspoelen, waarde van capaciteit) en er kan een prestatieniveau worden bepaald voor een specifieke configuratie. Danfoss Advanced Harmonic Filters (AHF) zijn speciaal ontworpen voor Danfoss VLT® frequentieomvormers en kunnen de THDi beperken tot 10% (AHF10-serie) of zelfs 5% (AHF 5-serie). Deze filters maken gebruik van een bedrijfseigen topologie met een tweetraps ontstemd LC-circuit voor het absorberen van harmonischen.
Pagina 150: Actieve Beperking Van Harmonischen
Netstoringen Passieve filters hebben het nadeel dat ze nogal omvangrijk zijn (qua maat vergelijkbaar met de FC). Ze hebben een capacitieve arbeidsfactor waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van het systeem, om resonanties te voorkomen. Multipulsgelijkrichters Multipulsgelijkrichters worden gevoed via faseverschuivingstransformatoren. De meest gangbare oplossingen werken op basis van 12 pulsen (2 x 3 fasen) of 18 pulsen (3 x 3 fasen). Door faseverschuiving bevinden lage harmonischen zich 180° ten opzichte van elkaar, waardoor ze elkaar opheffen. In geval van 12-pulsgelijkrichting, bijvoorbeeld, zijn de fasen van de secundaire trafowikkelingen 30° ten opzichte van elkaar verschoven (de offset tussen de D- en Y-wikkeling). In deze configuratie worden de 5e en 7e harmonische opgeheven en zijn de hoogste harmonischen de 11e en 13e. Voor multipuls-harmonischenbeperking zijn grote transformatoren nodig – groter dan de FC. Een ander nadeel is dat de prestaties worden verlaagd naar suboptimale condities, zoals onbalans van de spanning. 7.3.2 Actieve beperking van harmonischen Active Front End (AFE) De diodegelijkrichter kan worden vervangen door een omvormer met actieve schakelaars (gewoonlijk IGBT-transistoren), vergelijkbaar met de omvormer aan de motorzijde. De omvormer aan de netzijde heeft pulsbreedtemodulatie en de ingangsstroom is bijna...
Pagina 151 Fig. 7.6 Werkingsprincipe van een actief filter Net als bij een AFE is er een LCL-filter nodig om de ruis op de schakelfrequentie te elimineren. Actieve filters worden parallel geschakeld met de niet-lineaire (harmonischen producerende) belasting. Dit biedt diverse mogelijkheden voor harmonischenbeperking: • Individuele compensatie van niet-lineaire belastingen: een actief filter compenseert harmonischen van één belasting. Danfoss biedt een geoptimaliseerd pakket met filter + FC genaamd ”Low Harmonic Drive (LHD)”. • Groepscompensatie: harmonischen van een groep diverse belastingen (bijvoorbeeld FC’s) worden gecompenseerd door één filter. • Centrale compensatie: harmonischen worden direct gecompenseerd bij het gemeenschappelijke koppelpunt van de hoofdtransformator. Voeding...
Pagina 152: Tools Voor Analyse Van Harmonischen
Er zijn diverse softwaretools in de handel verkrijgbaar, variërend van eenvoudige rekenprogramma’s voor een niet-lineaire belasting tot complexe softwarepakketten waarmee een volledig voedingssysteem kan worden ontworpen. NIVEAU 1 NIVEAU 2 NIVEAU 3 NIVEAU 4 NIVEAU 5 AHF1 AHF2 AHF3 Fig. 7.8 Rekenmodel met stroom- en spanningsmeetpunten Danfoss biedt twee softwaretools: • de offline tool VLT® Motion Control Tool MCT 31 en • de online tool HCS (Harmonic Calculation Software)
Pagina 153: Vlt® Motion Control Tool Mct 31
Netstoringen 7.4.1 VLT® Motion Control Tool MCT 31 MCT 31 is een offline softwarepakket voor het berekenen van harmonischen op basis van polynomische interpolatie tussen vooraf gedefinieerde simulatieresultaten. Het voordeel van deze methode is snelheid en het nadeel is dat ze minder nauwkeurig is dan een simulatie. MCT 31 maakt simulaties mogelijk met alle Danfoss-producten, waaronder oplossingen voor de beperking van harmonischen zoals AHF passieve filters en AAF actieve filters. Generieke frequentieomvormers van andere fabrikanten kunnen ook worden gesimuleerd. MCT 31 kan harmonischenrapporten genereren. 7.4.2 Harmonic Calculation Software (HCS) Het HCS-programma is online beschikbaar via www.danfoss-hcs.com. Het is verkrijgbaar in twee versies: Basic, voor eenvoudige berekeningen, en Expert, voor complexere berekeningen op systeemniveau.
Pagina 154: Interfaces
Interfaces 8 Interfaces 8.1 Mens-machine-interface (MMI) De mens-machine-interface (MMI, of HMI – Human Machine Interface) is tegenwoordig een belangrijk en essentieel onderdeel van frequentieomvormers. De MMI-interface kan variëren van een eenvoudige ledstatusindicator tot een geavanceerd veldbussysteem met uitgebreide FC-gegevens. De MMI vormt de interface tussen een mens en een toepassing waarmee de gebruiker de toepassing kan besturen, bewaken en diagnosticeren. Moderne FC’s zijn tegenwoordig vaak uitgerust met dergelijke MMI-interfaces: Fig. 8.1 Ledindicatie Een led om aan te geven dat de FC spanning ontvangt Een led om aan te geven dat er een waarschuwing actief is Een led om een alarm op de FC aan te geven Numerieke en/of alfanumerieke panelen Fig.
Pagina 155 Interfaces Deze voorzieningen bieden eenvoudige mogelijkheden om de FC te besturen, de actuele status daarvan te bewaken en de toepassing op eenvoudige wijze in bedrijf te stellen. In- en uitgangsklemmen Fig. 8.3 In- en uitgangsklemmen Speciale in- en uitgangsstuurklemmen zijn beschikbaar om een interface te bouwen tussen een PLC-besturing en de FC. Ingangsstuursignalen zoals start/stop, vrijloop of omgekeerde regeling zorgen ervoor dat de gebruiker beschikt over functies waarmee hij de FC kan regelen voor de specifieke toepassing. Voor het regelen van het toerental en terugkoppelingssignalen van de toepassing kunnen analoge ingangssignalen zoals 0-10 V of 0/4-20 mA worden gebruikt. Voor terugkoppelingssignalen van de FC naar de PLC zijn digitale uitgangen of relaisuitgangen beschikbaar die kunnen worden geconfigureerd voor het aanduiden van de status zoals ”motor draait” of ”alarm”. Ook analoge uitgangssignalen uit de FC kunnen worden geconfigureerd, bijvoorbeeld om de actuele belastingscondities te bewaken. Softwaretools Fig.
Pagina 156: Werkingsprincipes Van Seriële Interfaces
Interfaces Integratie van de FC in pc-software geeft de gebruiker alle mogelijkheden voor configuratie en regeling van het systeem. Met de pc-software is het mogelijk om het volledige systeem effectiever te bewaken voor snellere diagnose en beter preventief onderhoud. Een modern pc-softwaretool kan als volgt worden gebruikt: • Voor het offline plannen van een nieuw communicatienetwerk; pc-softwaretools bevatten een complete database met ondersteunde FC-producten • Voor het offline in bedrijf stellen van FC’s • Voor eenvoudige vervanging van een FC in geval van uitval • Voor eenvoudige uitbreiding van het netwerk met meer FC’s • Voor het maken van een backup van parameterinstellingen van FC’s in een...
Pagina 157 Interfaces Apparaten Max. Standaard aangesloten Aantal Signaal- afstand Principe (toepassing) lijnen niveau in m hoofdcircuit RS232 Duplex min. 1 zender ± 5 V min. (punt naar 3+ diverse 1 ontvanger ± 15 V max. punt) statussignalen RS422 1 zender (punt naar 1200 Duplex: 4 ±...
Pagina 158: Standaard Seriële Interfaces In Frequentieomvormers
Interfaces USB-interface De USB (universele seriële bus)-standaard werd in 1995 ontwikkeld door Intel, samen met bedrijven in de IT-sector. De USB 2.0-uitbreiding van de standaard in 2000 verhoogde de overdrachtssnelheid van 12 Mbps naar 480 Mbps. In 2008 werd vervolgens USB 3.0 geïntroduceerd, waarmee overdrachtssnelheden tot 5 Gbps mogelijk werden. De gegevens worden differentieel verzonden via ”twisted pair”-bedrading (gedraaide aderparen).
Pagina 159: Veldbusinterfaces In Frequentieomvormers
Interfaces Omdat op FC’s gewoonlijk alleen een seriële RS485-interface beschikbaar is, zijn interfaceomzetters vereist voor implementatie. Fabrikantspecifieke oplossingen waarin een specifieke FC vereist is, zijn wijdverbreid. Als de interfacespecificatie is gepubliceerd, kunnen eenvoudige industriespecifieke omzetters (zoals USB naar RS485) worden gebruikt. RS485 USB/ RS485- adapter Fig. 8.6 USB-naar-RS485-communicatie FC’s worden steeds vaker uitgerust met USB-interfaces voor eenvoudige gegevens- uitwisseling met een pc. Omdat veel pc’s USB-interfaces hebben, wordt het gebruik van interfaceomzetters overbodig. 8.4 Veldbusinterfaces in frequentieomvormers Het gebruik van moderne FC’s zonder interface voor seriële communicatie is tegenwoordig bijna ondenkbaar. In het eenvoudigste geval bestaat de interface uit twee datalijnen waarmee de FC kan worden geregeld, bewaakt, geconfigureerd en gedocumenteerd. Bijna alle bussystemen maken het mogelijk om meerdere apparaten op hetzelfde netwerk te gebruiken. In vergelijking met een conventionele FC-regeling via digitale en analoge in- en uitgangen is er bij seriëlebussystemen minder bekabeling nodig, waardoor de installatiekosten lager zijn. Daar staat tegenover dat er wel kosten moeten worden gemaakt voor de interfaces en extra componenten die nodig zijn om het bussysteem te besturen. Afhankelijk van het gebruikte bussysteem wordt bij slechts enkele netwerkapparaten al een aanzienlijke kostenverlaging gerealiseerd ten opzichte van een conventionele regeling.
Pagina 160 Interfaces Hier hangt echter wel een prijskaartje aan, aangezien dergelijke systemen relatief duur zijn, zowel om te installeren als om uit te breiden, omdat er voor elke extra parameter of omvormer nieuwe bekabeling, PLC-programmering en vaak meer I/O-hardware nodig is. Voor eigenaren betekent dit hogere kapitaalkosten en beperkte flexibiliteit. Daar komt bij dat de kans op fouten groot is, aangezien de kans op een foutieve aansluiting op de PLC toeneemt met het aantal kabels. Fig. 8.7 Traditionele bedrading zonder veldbus. Veldbusbedrading Een typisch veldbussysteem gebruikt alleen kabels met gedraaide paren om de omvormer aan te sluiten op de PLC. Ondanks de hogere kosten van componenten bieden veldbussystemen diverse voordelen ten opzichte van oudere, bedrade systemen: minder kabels, snellere inbedrijfstelling en minder kans op fouten.
Pagina 161: Standaardisatie Van Veldbussen
Interfaces Veldbus over Ethernet De Ethernetinterface maakt het mogelijk om vanaf locaties buiten de productiefaciliteit toegang te krijgen tot omvormerparameters en andere gegevens. Deze methode omzeilt de traditionele besturingshiërarchie, aangezien communicatie met frequentieomvormers en andere apparatuur die van veldbus zijn voorzien, niet per se via de PLC hoeft te lopen. Externe toegang verloopt via een firewall, wat communicatie met de in de veldbusoptie ingebouwde webserver mogelijk maakt. Dit biedt niet alleen een hoge mate van flexibiliteit tijdens de inbedrijfstelling, maar biedt ook voordelen als externe bewaking en ondersteuning van toepassingen.
Pagina 162 Interfaces Het essentiële verschil tussen de op de markt verkrijgbare interfaces en bussystemen is gelegen in het fysieke ontwerp en de gebruikte protocollen. Welk systeem wordt gebruikt, hangt af van de vereisten van de betreffende toepassing. Snelle processen zoals verpakkingsmachines hebben mogelijk buscyclustijden van slechts enkele milliseconden nodig, terwijl responstijden van enkele seconden voldoende kunnen zijn voor klimaatregelsystemen. Voor een betere classificatie kunnen communicatiesystemen worden beoordeeld op basis van datavolume, overdrachtstijd en transmissiefrequentie. Onderstaand schema toont de basisverdeling in drie verschillende niveaus. Bedrijfsniveau Area Ethernet/TCP/IP...
Pagina 163 Interfaces Fig. 8.11 Typische veldbussen Het belang van diverse bussystemen is afhankelijk van de regio en de toepassing. Als het gaat om omvormertechnologie kunnen we stellen dat Profibus en zijn Ethernetgebaseerde opvolger (PROFINET) een groter marktaandeel hebben in Europa. Daar staat tegenover dat DeviceNet en EtherNet/IP veelvuldig worden gebruikt in Noord- en Zuid-Amerika, en ook in Azië. Dit verklaart de hoge marktacceptatie van de respectievelijke, op Ethernet gebaseerde, opvolgers PROFINET in Europa en EtherNet/IP in Noord-Amerika.
Pagina 164: Dimensionering En Selectie Van Frequentieomvormers
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers 9 Dimensionering en selectie van frequentieomvormers 9.1 De juiste vermogensklasse van de omvormer Het selecteren van de juiste frequentieomvormer is een essentieel aspect bij het ontwerpen van een aandrijfsysteem met toerenregeling. Als de geselecteerde eenheid te klein is, zal deze niet in staat zijn om de aangesloten motor optimaal te regelen bij alle vereiste werkpunten.
Pagina 165: Classificatie Van De Frequentieomvormer Op Basis Van De Motorspecificaties
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers 9.2 Classificatie van de frequentieomvormer op basis van de motorspecificaties Een veelgebruikte methode voor het selecteren van FC’s is simpelweg gebaseerd op het nominale vermogen van de te gebruiken motor. Hoewel fabrikanten de vermogensklasse van hun FC’s specificeren, hebben deze gegevens gewoonlijk betrekking op standaard vierpolige motoren. Omdat de nominale stromen van motoren bij hetzelfde vermogen aanzienlijk uiteenlopen, afhankelijk van de motorconstructie (bijv. standaardmotor en motorreductor) en het aantal poolparen, is deze methode alleen geschikt voor een ruwe schatting van het juiste FC-vermogen. Fig. 9.1 “Nominale stroom voor 1,50 kW-motoren met verschillende pooltallen en van diverse fabrikanten” toont voorbeelden van de nominale stromen van diverse 1,5 kW-motoren. 1410 1425 1440 2850 2900 tpm [min Fig.
Pagina 166: Overbelastingscapaciteit
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Fig. 9.2 Identificatiegegevens van een Danfoss frequentieomvormer Het typeplaatje in Fig. 9.2 “Identificatiegegevens van een Danfoss frequentieomvormer” is afkomstig van een frequentieomvormer van 0,75 kW. De gespecificeerde stroomwaarden gelden voor twee verschillende spanningsbereiken. De FC kan 2,4 A leveren bij een netspanning van 380-440 V. Als de eenheid wordt gevoed met een netspanning van 441-500 V, kan hij 2,1 A leveren. Het schijnbare vermogen dat bij beide spanningsbereiken beschikbaar is, is echter altijd 1,70 kVA.
Pagina 167 Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Toepassing Overbelasting Hijs- en hefapparatuur 160% Transportband 160% Roerder/mixer/centrifuge 160% Roterende zuigercompressor/zuigercompressor 150% Spiraalpomp (dik slib) 150% Slibontwateringspers 150% Zuigerpomp 150% Roterende schuifklep 150% Roterende zuigerblower 110% Oppervlaktebeluchter 110% Doseerpomp 110% Boosterpompen (2-traps) 110% Recirculatiepomp 110% Zijkanaalblower voor zwembadbeluchting 110% Tabel 9.1 Typische overbelastingen in toepassingen met constant koppel Bij een constantkoppelbelasting is een overbelastingsreserve van ongeveer 50 tot 60% gedurende 60 seconden gebruikelijk.
Pagina 168: Afwegingen Ten Aanzien Van Energierendement
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Toepassing Overbelasting Ventilator 110% Bronpomp 110% Boosterpomp/centrifugaalpomp 110% Filtertoevoerpomp 110% Grondwaterpomp 110% Heetwaterpomp 110% Verstoppingsvrije pomp (vaste materialen) 110% Centrifugaalpomp/-ventilator 110% Primaire en secundaire verwarmingspomp 110% Primaire en secundaire koelwaterpomp 110% Evacuatiepomp voor regenwaterbassins 110% Slibrecirculatiepomp 110% Spiraalpomp (dun slib) 110% Dompelpomp 110% Spuislibpomp 110% Tabel 9.2 Typische overbelastingen in toepassingen met variabel koppel Zelfs bij kwadratisch-koppelbelasting en een overbelastingscapaciteit van 10% kunnen motoren zodanig worden geconfigureerd dat ze bij het starten een hoger losbreekkoppel hebben om een goede start van de toepassing te waarborgen.
Pagina 169: Regelbereik
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers 9.4 Regelbereik Het voordeel van een FC is de mogelijkheid om het toerental van de motor soepel te rege- len. Er gelden echter zeer uiteenlopende beperkingen voor het beschikbare regelbereik. Enerzijds is het mogelijke regelbereik (toerentalbereik) afhankelijk van de besturings- algoritmes die voor de eenheid beschikbaar zijn. Met de eenvoudige U/f-regeling zijn regelbereiken haalbaar die kunnen variëren binnen 1:15. Als een besturingsalgoritme met Voltage Vector Control wordt gebruikt, is een bereik van 1:100 haalbaar. Als het actuele motortoerental door een encoder wordt teruggekoppeld naar de FC, zijn regelbereiken van 1:1.000 tot 1:10.000 te realiseren. Behalve met de grenzen van de gebruikte besturingsalgoritmes moet ook rekening worden gehouden met het veldverzwakkingsbereik rond de nominale frequentie van de motor en met de werking bij lage toerentallen. Bij lage toerentallen neemt het zelfkoelend vermogen van de motor af. Daarom moet bij continue werking in dit toerentalbereik een externe ventilator met afzonderlijke voeding worden gebruikt om de motor te koelen, of moet de asbelasting worden verlaagd. Het toerental waaronder het koppel moet worden verlaagd, is te vinden in de databladen van de fabrikant.
Pagina 170: Reductie Van Het Fc-Vermogen
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Soms specificeren motorfabrikanten een hoger beschikbaar koppel bij een lagere belastingscyclus. Een ontwerp dat is geoptimaliseerd voor intermitterend bedrijf kan zuinig zijn, maar vereist een complexer ontwerp, zoals te zien is in Fig. 9.4 Bepaling van het optimale toerental. Koppel Kwadratische Geforceerde koeling belasting Constante belasting 20-60 Hz Constante belasting 5-70 Hz Fig.
Pagina 171: Regeneratieve Energie
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers In Fig. 9.5 “Vermogensreductieschema voor schakelfrequentie en temperatuur” is de schakelfrequentie van de omvormer uitgezet op de x-as. De uitgangsstroom (in %) van de eenheid is uitgezet op de y-as. Hogere schakelfrequenties leiden tot minder irritante motorgeluidsniveaus. De vermogensdissipatie in de omvormer neemt echter toe met de schakelfrequentie en dit leidt tot extra opwarming van de eenheid. Door het verlagen van de schakelfrequentie kunnen de schakelverliezen worden beperkt. Als de schakelfrequentie te laag is, loopt de motor gewoonlijk minder soepel.
Pagina 172: Motorkabels
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Een eenvoudige manier om een dergelijke overspanningssituatie te vermijden, is overdimensionering van de FC, zodat deze meer regeneratieve energie kan absorberen en het risico op overspanning hierdoor wordt beperkt. Dit is echter vaak een duurdere oplossing in vergelijking met dynamische remmethodes, zoals een oplossing die de mogelijkheid biedt remenergie terug te voeren naar het voedingsnet. Zie voor meer informatie de relevante subsecties in hoofdstuk 3 “Frequentieomvormers en motoren”.
Pagina 173: Omgeving
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Fig. 9.7 Totale motorkabellengte is de som van alle aangesloten delen 9.8 Omgeving Voordat een FC wordt geïnstalleerd, moeten diverse afwegingen worden gemaakt ten aanzien van de omgeving. De volgende factoren moeten worden gecontroleerd: • Omgevingstemperatuur • Opstellingshoogte • Omgeving • EMC • Harmonische vervorming Voor alle FC’s is een minimale en een maximale omgevingstemperatuur gespecificeerd. Het vermijden van extreme omgevingstemperaturen verlengt de levensduur van de apparatuur en optimaliseert de algehele systeembetrouwbaarheid. Als de FC wordt geïnstalleerd in een omgeving waar de omgevingstemperatuur hoger is dan gespecificeerd, moet het vermogen worden gereduceerd; zie Reductie van FC.
Pagina 174 Dimensionering en selectie van frequentieomvormers In veel gevallen is niet meteen te zien hoe kritiek de omgeving is. Dit hangt hoofdzakelijk af van 4 factoren: de concentratie van aanwezige verontreinigende stoffen, vuil, de relatieve vochtigheid en de temperatuur. De meeste fabrikanten van FC’s dragen de volgende oplossingen aan om de effecten van de omgeving te minimaliseren: • De FC’s monteren in een centrale kast met lange motorkabels. Op deze manier worden de FC’s uit de kritieke omgeving gehouden. • Airconditioning in de schakelkast installeren om ervoor te zorgen dat de kritieke omgeving niet in aanraking komt met de FC’s en andere elektronica (overdruk). • Sommige FC’s worden uitgerust met een koude plaat. Met deze oplossing kunt u de FC in een kast plaatsen, waarbij de warmte via de koude plaat naar buiten wordt geleid. Zo wordt de elektronica van de FC’s gescheiden gehouden van de kritieke omgeving.
Pagina 175: Centrale Versus Decentrale Installatie
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers 9.9 Centrale versus decentrale installaties De meest gangbare installatiewijze is ongetwijfeld de centrale installatie van FC’s in schakelkasten. De voordelen van centrale schakelkasttechnologie zijn vooral gelegen in de beschermde installatie van de eenheden en de centrale toegang tot de apparatuur voor voeding, besturing, onderhoud en foutanalyse. Bij installatie in de schakelkast moet primair rekening worden gehouden met warmtebeheer, niet alleen in de eenheden zelf maar ook in de installatie als geheel.
Pagina 176 Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Zo worden de motorkabellengtes tot een minimum beperkt. Bovendien biedt een decentrale installatie voordelen bij foutopsporing, aangezien de relatie tussen de regelaars en de bijbehorende motoren eenvoudig te zien is. In decentrale configuraties wordt meestal een veldbus gebruikt om de omvormers te besturen. Fig. 9.10 Twee concepten – verschillende voordelen Bij het plannen van een decentrale installatie moet rekening worden gehouden met factoren als omgevingstemperatuur, netspanningsval en beperkte motorkabellengte.
Pagina 177: Voorbeelden
Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Hoewel decentrale eenheden altijd duurder zijn dan centrale eenheden, kan met goed doordachte decentralisatieconcepten een besparing van circa 25% worden gerealiseerd ten opzichte van centrale systemen. Het potentieel voor besparingen in de installatie vloeit voort uit kortere kabellengtes en het gebruik van apparatuurmodules die al zijn gebouwd en getest door de fabrikant of leverancier van de machine. 9.10 Voorbeelden De volgende voorbeelden illustreren de basisprocedure voor het selecteren van een FC tijdens het ontwerpproces. In deze voorbeelden wordt het hieronder getoonde datablad gebruikt bij het selectieproces. De VLT® AutomationDrive FC 302 is geselecteerd als een FC die kan werken met een afgeschermde kabel van 150 m. P11K P15K P18K...
Pagina 178 Dimensionering en selectie van frequentieomvormers Voorbeeld 1 Een (4-polige) motor van 15,0 kW, 3 x 400 V wordt geïnstalleerd in combinatie met een transportsysteem (een schroeftransporteur met een losbreekkoppel van ongeveer 160%). Het stroomverbruik van de motor bedraagt 30,0 A bij continu bedrijf. Aanbevolen oplossing 1 Een VLT® AutomationDrive P15K (typisch voor een 15 kW-motor met een hoog constant belastingskoppel) kan 32 A bij continu bedrijf leveren en heeft voldoende overbelastingsreserve (160%/60 s) om de motor in deze toepassing te kunnen aandrijven. Voorbeeld 2 Een (4-polige) motor van 15,0 kW, 3 x 400 V wordt geïnstalleerd in combinatie met een centrifugaalpomp (losbreekkoppel van ongeveer 60%). Het stroomverbruik van de motor bedraagt 30,0 A bij het nominale toerental. Aanbevolen oplossing 2 Een VLT® AutomationDrive P11K (typisch voor een 11 kW-motor met een hoog constant belastingskoppel) kan desondanks 32 A leveren met een nominaal overbelastingskoppel...
Pagina 179 Dimensionering en selectie van frequentieomvormers...
Pagina 180 Met bijdragen van: John Bargmeyer, Michael Burghardt, Norbert Hanigovszki, Marie Louise Hansen, Anna Hildebrand Jensen, Johnny Wahl Jensen, Hans Seekjar, Ana-Mari Tataru-Kjar, Firuz Zare, Thomas Jansen en Martin Černý. DKDD.PM.403.A3.10 © Copyright Danfoss | Geproduceerd door PE-MSMBM/ColorSigns | 02.2016...

Deze handleiding is ook geschikt voor:

Vlt automationdrive fc 301 Vlt automationdrive fc 302

Danfoss VLT HVAC Drive FC 102 Handboek

Quick Links

Gerelateerde Handleidingen voor Danfoss VLT HVAC Drive FC 102

Samenvatting van Inhoud voor Danfoss VLT HVAC Drive FC 102

Deze handleiding is ook geschikt voor:

Inhoudsopgave