School of Mathematics and Systems Engineering Reports from MSI - Rapporter från MSI

Frekvensomriktare i hydraulhissdrift

Thomas Leek, Peter Nilsson

Jun 2006

MSI Report 06069 Växjö University ISSN 1650-2647 SE-351 95 VÄXJÖ ISRN VXU/MSI/EL/E/--06069/--SE

Förord Detta arbete utfördes vid Matematiska och Systemtekniska Institutionen på avdelningen för Elektroteknik vid Växjö Universitet. Arbetet gjordes ute på Hydroware Elevation Technology AB i Alvesta VT-06. Handledare för arbetet var Kjell Salomonsson på avdelningen för Elektroteknik samt Joakim Dahlberg och Kjell Johansson på Hydroware. Ett stort tack till Joakim Dahlberg och Kjell Johansson för undvarad tid och intresse för vårt arbete. Vi vill även ge ett stort tack till Stefan Svelenius på Sigbi System AB för all support med frekvensomriktaren. Växjö Universitet maj 2006 Peter Nilsson och Thomas Leek

Sammanfattning Hydroware Elevation Technology AB säljer styr och reglerutrustning till hydraulikhissar. De vill nu undersöka möjligheten att byta ut de mjukstartare de använder idag mot frekvensomriktare för effektmatning till sina pumpmotorer och även undersöka möjligheten att i framtiden kunna använda detta i så kallade ”intelligenta” hus. Syftet med denna rapport är att undersöka dessa möjligheter.

Abstract Hydroware Elevation Technology AB sells control and regulation equipment for hydraulic elevators. The company now wants to investigate the possibility of changing their present softstarters to frequency inverters to supply power to their pump engines. They also want to investigate the possibility of future use in so called ”intelligent” houses. The purpose of this report is to investigate these possibilities.

1

Innehållsförteckning 1. Inledning…………………………………………………….. .2 1.1 Bakgrund…………………………………………………………………………………. ..2 1.1.1 Företagets historia……………………………………………………………………. ..2 1.1.2 Anförskaffningen av arbetet………………………………………………………….. ..3 1.2 Syfte……………………………………………………………………………………… ..3 1.3 Begränsning………………………………………………………………………………...3 2. Teori/Fakta…………………………………………………...4 2.1 Teori om varvtalsstyrning av asynkronmotorer…………………………………………...4 2.1.1 Ändring av poltalet…………………………………………………………………… ..4 2.1.2 Ändring av eftersläpningen……………………………………………………………..4 2.1.3 Ändring av frekvensen……………………………………………………………….…5 2.2 Teori om frekvensomriktaren CDA3000:s tre olika reglersätt…………………………….6 2.2.1 VFC – Voltage Frequency Control……………………………………………………..6 2.2.2 FOR – Field Oriented Regulation………………………………………………………7

2.2.3 SFC – Sensorless Flux Control…………………………………………………………9 2.3 Fakta om Hydrowares hydraulhissar……………………………………………………..10 2.4 En PWM-omriktares principiella uppbyggnad…………………………………………...11 3. Genomförande……………………………………………….12 3.1 Gränsnitt…………………………………………………………………………………. 12 3.2 Programvaran Drivemanager…………………………………………………………….. 13 3.2.1 Genomgång av Drivemanager………………………………………………………...13 3.2.2 Användningen av Drivemanager……………………………………………………...16 3.3 Mätningar………………………………………………………………………………….17 3.3.1 Mätningar med 6 kW motor, 150 l/min pump och 7.5 kW frekvensomriktare……….18 3.3.2 Mätningar med 7.7 kW motor, 150 l/min pump och 7.5 kW frekvensomriktare……..18 3.3.3 Mätningar med 11 kW motor, 150 l/min pump och 7.5 kW frekvensomriktare……...18 3.3.4 Mätningar med 11 kW motor, 100 l/min pump och 11 kW frekvensomriktare………19 4. Resultat / Diskussion………………………………………..20 5. Referenser…………………………………………………...21

5.1 Litteraturförteckning………………………………………………………………………21 5.2 Internet…………………………………………………………………………………….21

2

1 Inledning Här beskrivs problemställningen, företagets historia, hur vi fick tag i arbetet och även syftet med projektet. 1.1 Bakgrund Hydroware Elevation Technology AB använder sig i nuläget av en tyristorstyrning, mjukstartare, för effektmatningen till sina hissmotorer. De vill dock undersöka möjligheten att byta ut denna mot en frekvensomriktare och då få större möjligheter att styra effekt och frekvens till hissmotorerna. Detta skapar då också möjligheten att bygga in systemet i ett så kallat intelligent hus. Man skulle då kunna styra den ström som hissmotorn tar från nätet, vilket kan vara intressant när den övriga förbrukningen i huset är hög. Detta resonemang ligger till grund för detta arbete 1.1.1 Företagets historia Hydroware Elevation Technology AB bildades 1998 då Schindler flyttade sin koncernutveckling utav hydraulik till USA. Hydroware var i princip utvecklingsavdelningen som valde att inte flytta med företaget över Atlanten utan att starta ett nytt företag istället. Företagets huvudsysselsättning från början var styr och reglerutrustning till hydraulikhissar på uppdrag av DEVE. År 2000 så började de tillverka en komplett systemlösning med hydraulikkraftenhet och styrenheter. De säljer kompletta lösningar med hisskorg, styrning, reglering och kraftenhet vid behov men det är inte deras huvudsakliga sysselsättning. Största marknaden är Europa, största intressenter är Sverige, England, Tyskland och Norge. Företaget har 22 anställda, har en omsättning på 35 miljoner kronor och tillverkar ca 350-400 enheter per år men detta år förutspås en fördubbling av antalet sålda enheter. Eventuella framtida projekt är då inriktning mot intelligenta hus, som detta arbete tittar närmare på, även service, underhåll och övervakning av hissar.

3

1.1.2 Anförskaffningen av examensarbetet Vi började tidigt på våren att skicka e-post till en del intressanta företag med en förfrågan om det skulle vara möjligt att kunna göra sitt examensarbete hos respektive företag. Veckorna gick och inga svar inkom från något av företagen. Vi väntade kanske för länge innan vi började ringa runt till lokala, större företag för ingen kunde/ville erbjuda oss något projekt. Sen av en slump så pratade vi med en lärare på vår avdelning. Han hade fått ett e-mail från ett företag i Alvesta som ville anställa en elektroingenjör, nyutexaminerad var inget problem. Även om vi inte sökte arbetet kunde vi i alla fall undersöka om de eventuellt hade ett projekt som vi kunde arbeta med. De var positiva och hörde av sig redan nästa dag och erbjöd oss då detta projekt som vi tackade ja till. 1.2 Syfte Syftet med detta projekt var att i första hand undersöka möjligheten att ersätta den befintliga tyristorstyrningen, som företaget använder sig av för att driva motorn, med en frekvensomriktare. Andra frågor som vi skulle undersöka var om frekvensomriktaren klarar av att strypa den från elnätet tagna strömmen/effekten efter förinställda parametrar och även om själva frekvensomriktar-konstruktionen gick att bantas ner och göras billigare. En förutsättning för att kunna byta till frekvensomriktardrift var att frekvensomriktaren var i samma prisklass som det befintliga tyristorkortet. Något som vi även skulle titta närmre på var möjligheten att kunna använda omriktaren i intelligenta hus. D.v.s. om t.ex. strömförbrukningen vid en given tidpunkt i huset är stor så ska man kunna dra ner hissens eftektförbrukning så att den får gå lite långsammare. Och även tvärtom, att skulle det behövas mer effekt till hissen så skall ”slöa” processer i huset som t.ex. spisar kunna stängas av eller begränsas tillfälligt. 1.3 Begränsning Uppgiften går ut på att byta ut mjukstartaren mot en frekvensomriktare och göra ett gränssnitt mellan deras egen utrustning och omriktaren. Vi ska undersöka möjligheten till strömbegränsning och extern styrning av omriktaren. Mätningar skall även göras för att undersöka olika belastningsfall på hissen. Eventuell nedbantning av frekvensomriktarkonstruktionen utförs inte i detta arbete.

4

2 Teori/Fakta I detta kapitel tas teori upp om olika sätt att styra varvtalet hos asynkronmotorer och även om vilka sätt som vår frekvensomriktare LUST CDA3000 reglerar och arbetar med. 2.1 Teori om varvtalsstyrning av asynkronmotorer Det finns tre olika sätt att styra varvtalet hos en asynkronmotor och de ges av sambandet: n = ( 2 / p ) * f * 60 * ( 1 – s ) n = varvtalet (varv/minut), p = poltalet, f = inmatad frekvens (Hz), s = eftersläpningen (%) 2.1.1 Ändring av poltalet Ändring av poltalet kan göras genom att helt enkelt förse statorn med flera olika lindningar, en för varje poltal och sedan kan varvtalet ändras stegvis genom omkoppling mellan lindningarna. En mer använd metod är Dahlanderkopplingen. Varje fas hos Dahlanderkopplingen består av två lindningsdelar som är seriekopplade med varandra. Mellan lindingsdelarna finns sen ett uttag så att omkoppling mellan poltal blir möjligt. Detta gör att endast två olika varvtal kan erhållas. 2.1.2 Ändring av eftersläpningen Ändring av eftersläpningen kan göras på flera sätt. Ett av sätten är att ändra på matningsspänningen till motorn. Förhållandet mellan spänning och eftersläpning fås ur sambandet: M ≈ kM * U2 * s/R2 M = avgivet moment (Nm), kM är en konstant kM = B * r * l * E20 där B = magnetiska flödestätheten i luftgapet (Wb/m2), r = rotorns

radie (m), l = rotorledarnas längd (m), E20 = inducerad spänning i rotorkretsen vid stillastående rotor (V)

U = matningsspänningen (V), s = eftersläpningen (%), R2 = rotorlindningarnas resistans i varje fas (Ω) Vid konstant moment och sänkt spänning så säger sambandet att eftersläpningen måste öka. Detta tillvägagångssätt är främst avsett för kortslutna motorer. En annan metod för att öka eftersläpningen är att öka på rotorresistansen men detta kräver en släpringad motor och eftersom vi använder oss av en kortsluten motor så behandlar vi inte detta alternativ.

5

2.1.3 Ändring av frekvensen Jämfört med att ändra poltalet och spänningen till motorn så är ändring av frekvensen en mycket bättre och skonsammare metod för styrning av motorvarvtalet. Metoden är dock mer komplex än de två ovan nämnda styrsätten. En fördel med frekvensstyrning är att momentkurvan bara förskjuts i sidled upp till motorns märkfrekvens ( i Sverige 50 Hz ), om man samtidigt ökar spänningen proportionellt mot frekvensen, dvs U/f = konstant. Om U/f är konstant så är även flödet konstant vilket ger ett konstant moment (Se bilden nedan). Detta ges av sambandet: U = 4,44 * f * N * φ (transformatorformeln) U = matningsspänningen (V), f = statorfrekvensen (Hz), N = lindningsvarv, φ = B * A = flödet (Wb) där B = maximala flödestätheten (T) och A = järnarea (m2) Kör man sedan över märkfrekvensen, >50 Hz, så skjuts momentkurvan fortfarande i sidled men trycks även ihop i höjdled eftersom vi inte kan få ut mer spänning än nätspänningen. Flödet minskar då och ger upphov till mindre moment. Den största nackdelen med frekvensomriktare är priset men att införskaffa en är en långsiktig investering. En annan nackdel är att omriktaren sänder ut störningar som måste filtreras och dessa filter kostar också pengar. Med frekvensomriktardrift så fås inte något strömmaximum eftersom man ökar frekvensen från noll och sedan går mot önskad frekvens. Detta gör att säkringar kan dimensioneras ner och pengar kan sparas.

6

2.2 Teori om frekvensomriktaren CDA3000:s tre olika reglersätt Avsnittet kommer att behandla skalärstyrning (VFC), vektorreglering (FOR) och flödesstyrning (SFC). Här kommer de tre reglersättens respektive för och nackdelar att tas upp. 2.2.1 VFC – Voltage Frequency Control Skalärstyrning (VFC) är den enklaste reglerformen av de tre och behöver ingen återkoppling av vare sig t.ex. varvtal eller rotorvinkel. Principen som den arbetar efter är styrning av momentet genom att styra spänning och frekvens proportionellt mot varandra. Genom att linjärt öka spänningen mot frekvensen får man ett konstant flöde som i sin tur ger ett konstant moment, d.v.s. kvoten U/f ska vara konstant. Man bryr sig dock inte om riktningen på spänningsvektorn utan endast dess amplitud. Frekvenser över märkfrekvensen kommer dock inte ge ett konstant flöde då spänningen redan har nått sitt maximum. Enligt transformatorformeln kommer då flödet minska när frekvensen ökar, d.v.s. kvoten U/f är inte längre konstant utan blir bara mindre och mindre. Detta resulterar i ett minskat moment. Upp till den frekvens där flödet slutar vara konstant kallas för konstantflödesområde och därefter kallas det för fältförsvagningsområde. I vissa fall kan det vara av intresse att inte ha en linjär U/f-kvot utan att istället använda sig av en kvadratisk kurva, vid t.ex. pump och fläktdrift där momentbehovet stiger kvadratiskt vid ökande frekvens. Genom att köra med kvadratisk kurva i dessa fallen så fås mindre järnförluster i motorn och även en minskad elektromagnetisk ljudnivå. Vid låga frekvenser så minskar motorns reaktans vilket ökar spänningsfallet över motorns resistans. Detta i sin tur leder till ett minskat moment vilket kan kompenseras genom att öka spänningen något vid dessa låga frekvenser. Detta kallas IR-kompensation. Nackdelen med skalärstyrning är att den är förhållandevis långsam. Om det sker en momentförändring under drift så svarar frekvensomriktaren på förändringen först efter ca 20-30 ms, vilket kan vara oacceptabelt i en snabb process utan man får då titta efter andra reglersätt.

7

2.2.2 FOR – Field Oriented Regulation Vektorreglering (FOR) är en mycket mer komplicerad reglermetod än skalärreglering men i gengäld också mycket mer noggrann. När man använder sig av vektorreglering så styr man till skillnad från skalärreglering spänning och frekvens oberoende av varandra. Man styr förutom amplituden också riktningen på spänningsvektorn. Man styr spänning och frekvens med hjälp av motorströmmen och flödet, vilka behandlas som vektorer därav reglermetodens namn. I vektorreglering så är statorströmmen, Is, intressant att styra. Vektorn Is består av två delar, dels Id som är parallell mot flödesvektorn och Iq som är vinkelrät mot flödesvektorn. Id är den ström som skapar flödet och vektorprodukten av Id och Iq är det som skapar momentet. Id bör hållas konstant för att slippa den relativt långsamma process som det innebär att ändra flödet utan man ska istället styra Iq. Id och Iq kan dock inte enkelt mätas som bilden nedanför visar utan man får istället två andra komponenter Ia och Ib. Förhållandet mellan de två fältrelaterade strömmarna och de två statorrelaterade strömmarna bestäms av vinkeln γ. Vi behöver bestämma riktningen på flödesvektorn vilket görs med ström och varvtalsberäkningar samt en noggrann matematisk modell av hur motorn beter sig under drift. Och känner vi till flödets riktning så kan vi transformera strömreferenserna för Id och Iq, Id* och Iq* till motsvarande komponenter relaterade till statorns koordinatsystem. Id* och Iq* är då börvärden till Id och Iq. Detta betyder att om Id* hålls konstant så hålls motorns flöde konstant och styr man sedan Iq* så styr man momentet som är proportionellt mot Iq*. Detta illustreras i bilden nedan.

8

För att kunna kontinuerligt bestämma vinkeln (γ) mellan statorströmmen och flödesvektorn så behövs en pulsgivare som mäter rotorns läge i förhållande till statorn. Med vektorreglering så påverkar man alltså motorns flöde och moment genom att styra spänning och frekvens men till skillnad från skalärstyrning så styrs de två storheterna oberoende av varandra. Detta gör att önskat moment och flöde kan fås med en mycket god noggrannhet. Bilden nedan visar en schematisk bild över hur vektorreglering fungerar.

9

2.2.3 SFC – Sensorless Flux Control I flödesstyrning (SFC) så inriktar man sig på att styra flödet i motorn snarare än att direkt försöka styra spänning, ström eller frekvens. För att få fram statorflödet så integreras statorspänningen, d.v.s. efter att man kompenserat för spänningsfallet över statorresistansen. För att kunna kontinuerligt bestämma den mest optimala spänningsvektorn så behöver man titta på flödets amplitud och momentavvikelsen samt statorflödets riktning. Fördelen med flödesstyrning är att den är mindre komplex än vad vektorreglering är. Metoden behöver en snabb processor för att kunna göra snabba beräkningar och mätningar av spänning och ström. Att integrera flödet vid låga varvtal är dock svårt, vilket då kräver en pulsgivare om processen behöver mycket noggrann reglering.

10

2.3 Fakta om Hydrowares hydraulhissar När någon trycker på ”hissknappen” så får motorn som driver pumpen en startsignal och börjar då pumpa olja. Oljan pumpas endast runt i oljetanken tills en ventil börjar strypa utflödet från pumpen ut till tanken, oljan kan då endast gå ut till hisskolven och hissen börjar då röra sig uppåt. När ventilen är helt strypt så har hissen nått sin maxfart. Hydrowares hissar är lite speciella då de kör med full hastighet och stryper sedan flödet genom ventilen för att få en jämn inbromsning innan våningsplanen. Den lär sig även var våningsplanen finns så att körningen blir ännu effektivare och lär sig även om förutsättningarna ändras under drift. Andra hisslösningar kör med full fart fram till ett gränsläge där de byter till en lägre hastighet och kryper fram till våningsplanet. Om hissen är tungt lastad så tar denna krypsträcka ännu längre tid vilket undviks med Hydrowares lösning. Fördelar med hydraulikdrift gentemot lindrift är att man slipper att ha ett maskinrum uppe på hustaket. Med lindrift så belastar hissen hela huset vilket måste tas med i beräkningarna när man uppför bygger byggnaden. Man behöver inte heller ha en motvikt till hissen vilket sparar utrymme. Hydrauldrift är något energisnålare än lindrift då man inte behöver köra motorn under nedfärden utan endast öppna ventilen. En nackdel med hydraulikhissar är att de behöver effektmässigt en större motor än vid lindrift, ca fyra gånger större motor. En hydraulhiss kan inte vara hur hög som helst p.g.a. att kolven begränsar höjden utan maxhöjden ligger på ca 25-30 meter. Då hissen använder sig av olja så uppstår ett visst läckage, dock inga stora mängder, värsta fallet är ifall oljeslangen skulle brista. En tryckvakt slår då till och klaffar fälls ut som bromsar upp hissen.

11

2.4 En PWM-omriktares principiella uppbyggnad Den pulsbreddsmodulerade frekvensomriktaren är den omriktartyp som har vunnit mest mark genom åren och har blivit den mest vanliga. En pulsbreddsmodulerad (PWM, Pulse Width Modulation) omriktare består i princip av fyra olika delar. Först en likriktare, sen ett mellanled, en växelriktare, samt en styrenhet. Likriktarens uppgift är att likrikta nätspänningen, vilket görs i t.ex. en halvstyrd brygga med tre dioder på minussidan och tre tyristorer på plussidan. Likriktningen utförs för att skapa oberoende av nätets frekvens. Det finns även en strömbegränsning för att inte likriktaren skall slås ut av inkopplingsströmmen. Mellanledet är oftast ett LC-filter som har till uppgift att glätta och filtrera den pulsade likspänningen från likriktaren, samt hjälpa till att dämpa de övertoner som genereras mot nätet. Likspänningen i mellanledet hålls konstant av kondensatorbatteriet som är parallellkopplat med motstånd som har till uppgift att ladda ur kondensatorerna vid spänningsfrånslag. Växelriktaren skapar en trefas växelspänning som styrs både till storlek och frekvens. Likspänningen hackas och blir då pulser som kan styras till längd och antal, därav namnet pulsbreddsmodulering, vilket gör att spänningens medlevärde kan styras. Styrenheten behandlar moment och varvtalsbörvärden för att kunna styra spänning och frekvens till motorn.

12

3 Genomförande Här beskrivs tillvägagångssättet, beskrivning av programvaran Drivemanager och även mätningar utförda på hissen. 3.1 Gränssnitt För att överhuvudtaget kunna använda frekvensomriktaren så behövdes ett gränssnitt mellan den befintliga utrustningen och omriktaren. Tre olika signaler skulle behandlas, en startsignal, en signal som indikerade att omriktaren var redo och sedan en signal som bekräftade att omriktaren var uppe i börfrekvensen. Ett eget kretskort tillverkades för detta ändamål, av oss kallat gränssnittskortet, och eftersom företaget ville att frekvensomriktaren och deras eget kort, av oss kallat Dynahyd-kortet, skulle vara åtskilda så användes optokopplare för att skilja systemen åt. Startsignalen var en 5 V-signal från Dynahyd-kortet som skulle omvandlas av gränssnittskortet till en för frekvensomriktaren hanterbar 24 V-signal. Signalen som skulle bekräfta att omriktaren var redo, av oss kallad ”Device Ready to Start”, skulle när den var startklar ge 0 V, som gränssnittskortet skulle omvandla den till en för Dynahyd-kortet hanterbar 5 V-signal. Om omriktaren inte var redo skulle en 24 V-signal ges till Dynahyd-kortet som av gränssnittskortet omvandlades till 0 V. Signalen som bekräftade att börfrekvensen var uppnådd, av oss kallad ”Top of Ramp”, skulle ge en 24 V-signal från omriktaren som gränssnittskortet omvandlade till en 5 V-signal till Dynahyd-kortet. Lysdioder sattes in så att man enkelt skulle kunna se statusen på signalerna på gränssnittskortet. I fallet med ”Device Ready to Start” så skulle lysdioden lysa när 0 V gavs till Dynahyd-kortet, eftersom detta var en gammal signal som bekräftade att det var spänning över tyristorerna i det mjukstartarkort som vi bytt mot vår frekvensomriktare. Ett schema gjort i PSpice finns med i bilagan.

13

3.2 Programvaran Drivemanager För att styra frekvensomriktaren så behövs någon form av gränssnitt och det finns två olika alternativ. Man kan koppla på en modul som heter KeyPad 200 där styrningen sker via knapptryckningar. Detta arbete utfördes istället med en PC, en programvara som heter Drivemanager samt en seriekabel. 3.2.1 Genomgång av Drivemanager

Loop Control – Härifrån styrs strömmen i accelerationen och under drift. Även eftersläpning, och hjälpstartström kan regleras härifrån.

PLC – Det finns även möjlighet att använda sig av en begränsad inbyggd PLC-funktion

Initial Commissioning – Här börjar man att ställa in motordata, vilket reglersätt man vill jobba med och gör även motorkalibrering

Input / Output – Härifrån styrs funktionerna hos de analoga och digitala in/utgångar som finns på omriktaren.

Reference / Ramps – Härifrån styrs max/minfrekvens samt hur snabbt omriktaren skall accelerera.

Actual Values – Ett fönster som under drift visar spänning, strömmar och effekt.

Koppla ifrån omriktaren

Ansluter omriktareDigital Scope – Internt mätinstrument

Control Device – Tvångskörning av omriktaren/motorn

Store Setting in File – Spara ner konfigurationen till frekvensomriktaren

Aktiv konfiguration

Huvudfönstret i Drivemanager.

14

Stop Ramp – Hur snabbt omriktaren drar ner frekvensen vid ett nödstopp/driftstopp

Smoothing Time – Motverkar skarpa ”kanter” på acceleration/retardationskurvan, vilket gör den mer S-formad.

Slow / Quick jog – sakta / snabb körning, väljs med digital ingång

Acceleration – Hur snabbt frekvensen går från 0 Hz till vald frekvens.

Deceleration – Hur snabbt frekvensen sänks under drift

Fönstret Basic Settings. Samma funktioner som i fönstret Reference/Ramps.

Current Controlled Startup – Här styrs strömmen under acceleration och under drift

Current Injection / Magnetization / IxR-compensation – Detta är tre olika sätt att förbättra startmomentet.

Slip Compensation – Kompensering för eventuell eftersläpning som lasten ger upphov till, så att konstant hastighet kan bibehållas

V/F Characteristic – Här finns möjlighet att ställa in vilket samband som spänning och frekvens skall följa, t.ex. linjärt eller kvadratiskt förhållande och även fritt välja hur spänningen skall följa frekvensen.

I detta fönster så styrs ström och moment.

15

Current Limit Value – Procent av frekvensomriktarens märkström, som inte får överskridas vare sig under acceleration eller under drift.

Initial Frequency – Den frekvens som ström-begränsningen börjar verka vid.

Lowering Frequency – Den frekvens som omriktaren kan reglera ner till om belastningen blir för stor.

Lowering Ramp – Hur snabbt frekvensen sänks när strömregleringen sätter igång.

I detta fönster styrs strömmen under acceleration och under drift och här styrs även känsligheten för korta strömändringar.

Filter Time – Tidskonstant för att göra omriktaren mindre känslig för korta strömvarationer

Temperatures – Frekvensomriktarens inre temperatur, kan även se motortemperatur om PTC är inkopplad.

Effective Power – Den effekt som levereras till motor, inte axeleffekten.

Apparent Power – Den effekt som dras från nätet.

Effective Current – Den ström som levereras till motorn.

Apparent Current – Den ström som omriktaren drar från nätet.

Output Voltage – Utspänningen till motorn.

I detta fönster så syns driftvärdena. Dessa gäller endast vid VFC.

16

3.2.2 Användningen av Drivemanager Två olika saker behövde uppnås vid vår drift. Det ena var snabb acceleration av pumpmotorn upp till det önskade varvtalet. När den uppnått det önskade varvtalet skulle en signal skickas till ventilen som då började stänga. Ju snabbare acceleration desto snabbare skulle hissen bli klar för avfärd. Det andra var att kunna möta en ökande belastning vid maxvarvtal. Detta för att när pumpen startar så pumpar den endast runt oljan i tanken. Men belastningen kommer då ventilen börjar stänga och då är redan motorn uppe i det inställda varvtalet. Den största belastningen kommer därför inte vid starten utan efter en stund. VFC bedömdes då kunna uppfylla dessa behov och därför valdes detta reglersätt. SFC kunde också ha använts, men inte FOR då det krävs en dyr vinkelgivare. Det första som gjordes var att köra den automatiska motoridentifieringen. Denna bestämmer vilket förhållande det råder mellan omriktare och motor och detta kräver att man skriver in precisa märkdata. Två digitala utgångar programmerades så att de gav de utsignaler som behövdes för att kommunicera med resten av styrutrustningen. En digital ingång användes för att kunna ta emot startsignalen från hissen. Behovet att komma upp i maxvarvtalet snabbt gjorde att en mycket brant accelerations kurva valdes, ca 500 Hz/s. Att sätta ett för lågt frekvensvärde på reglerstarten rekomenderas ej då något större strömmar kan förekomma under startögonblicken utan minst 10 Hz bör ställas in. Den frekvens som omriktaren tillåts att reglera ner till kan i princip sättas till noll men hissen fick inte gå för sakta, då styrutrustningen mäter gångtiden och stänger av driften om färden tar för lång tid, så 40-50 Hz som lägre gräns användes. Retardationen under drift fick inte vara för snabb då hissfärden isåfall kunde upplevas som ryckig av passageraren utan ställdes på ett ganska lågt värde, ca 10-20 Hz/s. Programmet kryllade av funktioner som inte behövdes för hissdriften, som t.ex. de olika startmoments-hjälpmetoderna som inte fyllde någon funktion då starten av motorn inte var särskilt tung p.g.a. att endast oljan pumpades runt i tanken. Det enda som egentligen ändrades under mätningarna var strömbegränsningen och i vissa fall det övre frekvensvärdet men annars så bibehölls grundinställningarna.

17

3.3 Mätningar Mätningarna som gjordes utfördes på en befintlig fyravåningshiss som klarade högst 630 kg eller åtta personer, vilken fanns i företagets lokaler. Frekvensomriktaren och gränssnittskortet installerades i motorrummet och sedan kopplades ett oscilloskop in, för att kunna se Top of Ramp-signalen och hissens hastighetskurva, samt en dator med frekvensomriktarens programvara. Två olika frekvensomriktare användes under försöken. Den första var: LUST CDA34.017, med en uteffekt på 7.5 kW (12.4 kVA) och en nominell utström på 17 A. Spänningen ut från omriktaren var 400 V och förlusteffekten i omriktaren under drift ca 300 W. En ström på 31 A kunde tas ut under 30 s innan frekvensomriktaren slog ifrån. Den andra omriktaren som användes var: LUST CDA34.024, med en uteffekt på 11 kW (17.5 kVA) och en nominell utström på 24 A. Utspänningen från omriktaren var 400 V och förlusteffekt under drift ca 400 W. En ström på 43 A kunde tas ut under 30 s innan frekvensomriktaren slog ifrån. Tre olika motorer användes under försöken: P = 6 kW, U = 400 V Δ, In = 14.5 A, n = 2780 r/min, cosϕ = 0.84, η = 0.71 P = 7.7 kW, U = 400 V Δ, In = 17.5 A, n = 2790 r/min, cosϕ = 0.87, η = 0.73 P = 11 kW, U = 400 V Δ, In = 25 A, n = 2790 r/min, cosϕ = 0.84, η = 0.76 Två olika pumpar användes under försöken: 100 liter/minut, vid ett varvtal på ca 2750 r/min 150 liter/minut, vid ett varvtal på ca 2750 r/min Vikter som användes under försöken: Åtta stycken 42 kg vikter, fyra stycken 64 kg vikter, en lastpall och en ställning som tillsammans vägde 27 kg och en palltruck som vägde 59 kg. Tillsammans vägde alltihop 676 kg. Diagram från mätningarna finns med i bilagan.

18

3.3.1 Mätningar med 11 kW motor, 150 l/min pump och 7.5 kW frekvensomriktare Den första mätningen gjordes på den befintliga utrustningen för att kolla om den var tillräcklig för att kunna driva hissen. Det intressanta med mätningarna var att se vilken ström som behövdes vid olika belastningar på hissen. Den enda regleringen som var med i denna inledande mätning var att utfrekvensen från frekvensomriktaren inte fick överstiga 50 Hz. Detta för att se hur mycket ström som motorn drog utan någon reglering. Med ingen belastning, d.v.s. tom hisskorg, så drog motorn ca 55% (13,9 A) av sin nominella strömförbrukning. Belastningen ökades sedan successivt och strömmen ökade i princip linjärt hela tiden. Vid 674 kg, hissen var då överbelastad med 7%, så hade strömmen nått 96% (24 A) av sitt nominella värde. Utifrån dessa mätningar drogs då slutsatsen att motorn med reglering skulle kunna dimensioneras ner, p.g.a. att motorn inte ens drog nominell ström vid 7% överbelastning. Frågan var då hur mycket motorn skulle kunna minskas i effekt. Diagram från mätningarna finns som bilaga. 3.3.2 Mätningar med 6 kW motor, 150 l/min pump och 7.5 kW frekvensomriktare Den andra mätningen som gjordes utfördes på liknande sätt som den första mätningen, d.v.s. utan reglering. Men här upptäcktes ganska omgående att motorn var alldeles för liten då redan vid tom hisskorg drog 111% (16.1 A) av sitt nominella strömvärde. Testet fortsatte dock för att se vid vilken belastning som frekvensomriktaren slog ifrån. Vid 376 kg så slog frekvensomriktaren av driften för att skydda motorn. Strömmen var då uppe i 140% (20.4 A). 3.3.3 Mätningar med 7.7 kW motor, 150 l/min pump och 7.5 kW frekvensomriktare I den tredje mätningen så reglerades utfrekvensen mellan ett maxvärde på 66 Hz och ett minvärde på 50 Hz. Nu började hastigheten på hissen blir intressant också. Vid tomkorg så skulle hissen röra sig med en hastighet på 0.63 m/s uppåt. Motorns nominella strömvärde var 17.5 A och frekvensomriktarens nominellt levererade ström var 17 A. Eftersom strömmen nu började närma sig smärtgränsen av vad omriktaren tålde så ställde vi in ett lite lägre värde på maxströmmen än 17 A. Frekvensomriktaren reglerar strömmen ut till motorn efter den ström den tar från elnätet, vilket gör att maxströmmen till motorn kan bli lite svår att veta exakt på förhand. Hastigheten som hisskorgen rörde sig i vid tomlast var dock endast 0.45 m/s och strömvärdet uppnåddes direkt men testet fortsatte ändå. För att komma upp i de 0.63 m/s som var nödvändigt

19

så skulle strömmen behöva höjas så mycket mer att varken motor eller omriktare skulle klarar av detta. Det bestämdes då att motor, frekvensomriktare och pump skulle bytas ut. 3.3.4 Mätningar med 11 kW motor, 100 l/min pump och 11 kW frekvensomriktare Inför detta test så byttes även pumpen till motorn. Detta för att beräkningar visade att ett flöde på 148 l/min behövdes för att driva hissen i 0.63 m/s. Det hade 150 liters-pumpen lämnat vid 50 Hz men då hade frekvensomriktaren blivit tvungen att reglera ner under 50 Hz om den skulle bli ansträngd. Och ju längre under 50 Hz den kommer desto svårare får den att driva hissen, frekvensomriktaren går sämre vid frekvenstal under 30 Hz. Då bestämdes det att köra med en mindre pump och köra den i 75 Hz istället så skulle de 150 l/min kunna uppnås. Eftersom vätskeflödet påverkas negativt av trycket och viskositeten hos vätskan så valdes en lite högre frekvens, 82 Hz, för att gardera mot dessa faktorer. Efter några provkörningar visade det sig att hissen körde i 0.63 m/s vid en ström på 19.8 A så detta blev det nya maxvärdet på strömmen. Ett av villkoren för driften var också att vid 60% last (378 kg) så skulle hastigheten max sjunkit med 15%, d.v.s. ca 0.53 m/s. Detta uppfylldes och vid 674 kg så var strömmen fortfarande 19.9 A och hissens hastighet var 0.43 m/s. En teori som uppkom under mätningarna var att en motor som kördes med sin nominella ström levererar ett visst moment, om man då kör en större motor men med den mindre motorns nominella ström så skulle ett högre moment än den mindre motorns kunna uppnås. De mätningar som gjordes tydde på detta. Då ingen litteratur kunde bekräfta denna teorin så kontaktades ITT Flygt. Det visade sig då att teorin till viss del stämde. En motors högsta verkningsgrad ligger vid ca 70 % av sin nominella drift. D.v.s. att man kan få ut ett större moment då man kör en större motor med samma nominella ström som en mindre motor, om den större motorns nominella ström är ca 43 % högre än den mindre motorns.

20

4 Resultat / Diskussion De huvudsakliga målen med arbetet har uppnåtts. Det var fullt möjligt att byta ut den befintliga mjukstartaren mot en frekvensomriktare och det gick styra strömmen / effekten som frekvensomriktaren tog från nätet. Något som dock inte var möjligt var att banta ner frekvensomriktaren så att bara de nödvändiga funktionerna fanns med. Detta p.g.a. att det är hårdvarudelen som kostar pengar och inte mjukvarudelen. Detta resulterade i att omriktarlösningen blev en rätt dyr historia jämfört med mjukstartaren. Priset var ca 6-7 gånger mer och då räknas inte de filter in som förmodligen kommer att behövas för att skydda mot att eventuella störningar sprider sig tillbaka till nätet. Så lösningen är endast hållbar om företaget lyckas övertala sina kunder om de fördelar som lösningen då har. En tillämpning som skulle studeras var möjligheten att kunna koppla in omriktaren i ett intelligent hus. Vid behov skulle strömmen till motorn kunna ökas/sänkas beroende på förhållanden i byggnaden. Om strömförbrukningen var för hög skulle hissen gå långsammare d.v.s. dra mindre ström. Detta är fullt möjligt då man via en av de analoga ingångarna kan styra strömbörvärdet med hjälp av en potentiometer. Då skulle ett styrkort behövas, där man först kollar strömmen ut från omriktaren med hjälp av en analog utgång och jämför det med förbrukad ström i byggnaden. Med hjälp av dessa två strömmar kan man då ändra börvärdet för omriktarens ström. Problem som uppkom under projektets gång var bland annat att det var svårt att veta momentbehovet för att driva hissen. Det gick att se det beräknade momentvärdet i SFC men för att veta exakt så behövdes en vinkelgivare, vilket gällde även för FOR. Eftersom VFC användes så fick momentbehovet mer eller mindre uppskattas. Om momentet från motorn var för litet så skulle eftersläpningen öka och varvtalet minska, konsekvensen av detta skulle bli att pumpflödet skulle minska. I efterhand hade det varit bättre att köra med SFC då man hade fått en bättre uppfattning om momentet och på det sättet sluppit onödiga mätningar.

21

5 Referenser 5.1 Litteraturförteckning Anders Cronqvist (2002), Elmaskiner ISBN 91-47-05156-6 Hans Blomqvist (2003), Elkraftsystem 2 ISBN 91-47-05177-9 Gunnar Elfving (1993), ABB handbok Industri ISBN 91-970956-5-6 5.2 Internet www.sigbi.se www.lust-antriebstechnik.de

22

23

24

25

26

27

28

29

30

6 kW

mot

or, 1

50 l/m

, 7.5

kW o

mrikt

0102030405060

Ström och hastighet (A och cm/s)

are

082

124

166

208

250

292

334

376

Last

(kg)

Appa

rent

Curre

ntEf

fecti

ve C

urre

ntHa

stigh

et

31

7.5

kW m

otor

, 150

l/m

in, 7

.5 k

W o

m

5101520253035404550Ström och hastighet

(A och cm/s)

rikta

re

00

8212

416

620

825

029

233

437

6La

st (k

g)

Appa

rent

Cur

rent

Effe

ctiv

e C

urre

ntH

astig

het

32

11kW

mot

or, 1

00 l/

min

, 11

kW o

mr

010203040506070Ström och hastighet

(A och cm/s)

ikta

re

082124166208250292334376418482546610674

Last

(Kg)

Appa

rent

curre

nt (A

)Ef

fecti

ve cu

rrent

(A)

Hasti

ghet

(cm

/s)

33

11 k

W m

otor

, 150

l/m

, 7.5

kW

om

051015202530 Ström (A)rik

tare

082

124

166

208

250

292

334

376

418

482

546

610

674

Last

(kg)

Appa

rent

Cur

rent

Effe

ctive

Cur

rent

34

Matematiska och systemtekniska institutionen SE-351 95 Växjö

Tel. +46 (0)470 70 80 00, fax +46 (0)470 840 04

http://www.vxu.se/msi/

35