teknisk e-bok acs580-standardfrekvensomriktareteknisk e-bok för acs580 7 flygande start funktionen...

Teknisk e-bokACS580-standardfrekvensomriktare

Teknisk e-bok för ACS5802

Innehåll

3 Teknisk e-bok för ACS580-standardfrekvensomriktare3 Inledning

4 1. Frekvensomriktare: den ledande styrmetoden för att spara energi4 Varför investera i frekvensomriktare?4 AC-frekvensomriktares grundfunktioner4 En motors ineffektkurvor med en frekvensomriktare

5 2. ACS580-frekvensomriktares inbyggda egenskaper för enastående smidighet5 ACS580-frekvensomriktares egenskaper för bättre processtyrning5 Reversering5 Energioptimerare5 Momentstyrning6 Eliminering av mekaniska vibrationer6 Permanentmagnetmotorer för energieffektivitet6 Power loss ride-through vid effektförlust7 Flygande start7 Fastlåsningsfunktion7 Kundspecifiklastkurva8 Förmagnetisering8 DC-hållning8 Joggning9 PID-reglering9 PFC,pump-ochfläktstyrning9 Miljöegenskaper9 EMC

10 3. Dimensionering av frekvensomriktarsystem10 Inledning10 Dimensionering10 Frekvensomriktarsystem10 Allmän beskrivning av en dimensioneringsprocedur11 Asynkronmotor (AC)11 Grundläggande om asynkronmotorer12 Motorström12 Konstantflödesområde13 Fältförsvagningsområde13 Motoreffekt14 Grundläggande mekaniska lagar16 Belastningstyper och val av frekvensomriktare och motor19 Kvadratisktvridmoment:exempelpåpump-ochfläkttillämpning20 Konstant vridmoment: exempel på extrudertillämpningar22 Konstant effekt: exempel på haspeltillämpning

24 4. Smidig säkerhet med ACS580-standardfrekvensomriktare24 Inledning24 Safe torque-off (STO)24 Standardiserad säkerhetsfunktion24 Designverktyg för funktionssäkerhet

Teknisk e-bok för ACS580 3

Teknisk e-bok för ACS580-standardfrekvensomriktare

InledningACS580-standardfrekvensomriktare är mycket lätta att använda. Tack vare sin enkla installation och driftsättning samt en mängd inbyggda egenskaper ger de enastående smidighet. Med ACS580 har inget lämnats åt slumpen – frekvensomriktaren är praktiskt taget anslutningsklar för att styra pumpar, fläktar, kompressoreroch en rad andra tillämpningar med variabelt och konstant vridmoment.

Syftet med den här e-boken är dock att tillhandahålla ytterligare information om att använda ACS580-standardfrekvensomriktare för att spara energi och optimera frekvensomriktaren för olika processer. ABB har ett omfattande utbud av dimensioneringsverktyg, till exempel DriveSize, och i den här e-boken får läsaren kunskaper i dimensioneringens grunder. Den hjälper användaren att förstå teorin bakom de avancerade dimensioneringsprocesserna.

E-boken är indelad i fyra kapitel. Det första innehåller en presentation av AC-frekvensomriktare och en allmän förklaring av varför de används och hur energiförbrukningen kan optimeras med dem. I det andra presenteras en del inbyggda funktioner i ACS580 som möjliggör bättre processtyrning och ger enastående smidighet. Det tredje kapitlet handlar om dimensionering av ett frekvensomriktarsystem som, korrekt utfört, maximerar energibesparingarna. Dessutom ges grundläggande information om induktionsmotorer och mekaniska lagar, och avancerade användare får hjälp att välja rätt frekvensomriktare genom olika exempelberäkningar. Det fjärde och sista kapitlet rör säkerhetsfrågor.


1. Frekvensomriktare: den ledande styrmetoden för att spara energi

Varför investera i frekvensomriktare?Behovet av att minska energiförbrukningen och koldioxidutsläppen blir mer aktuellt för varje år. Det enklaste sättet att anta den här utmaningen är att tillvarata möjligheterna till energibesparing och börja använda energi mer effektivt.

Ett enkelt sätt att erhålla de önskade energibesparingarna är att använda ACS580-frekvensomriktare för att styra motorer på ett intelligent sätt och öka energieffektiviteten. ACS580-frekvensomriktare reglerar motorns varvtal och kan minska energiförbrukningen med så mycket som 30–50 % i många tillämpningar, och i extremfall med så mycket som 90 %. ACS580-frekvensomriktarnas enkelhet ger enastående ekonomiska, verksamhets- och miljömässiga fördelar.

Många motorer i pumpapplikation är exempelvis överdimensionerade för att klara ett maxbehov som sällan uppstår. Med traditionella mekaniska ventiler körs motorn ofta vid ett nominelltvarvtaloavsettdetfaktiskabehovetochflödetbegränsasmekaniskt, vilket slösar energi. Med en frekvensomriktare sänks motornsvarvtalsåattdetmatchardetfaktiskabehovetavflöde.

AC-frekvensomriktares grundfunktionerI följande kapitel tittar vi närmare på en frekvensomriktares olika funktioner samt de prestandanivåer frekvensomriktaren kan erbjuda.

I följande kapitel tittar vi närmare på de komponenter som krävs i ett AC-frekvensomriktarsystem.

Kraftförsörjning matar den el som krävs till frekvensomriktaren, ett urvalskriterium för frekvensomriktaren är spänningsnivåer och dess frekvens. Frekvensomriktaren omvandlar frekvensen och spänningen för att strömförsörja motorn. Regleringen i frekvensomriktaren styrs av signaler från processen eller via operatören mot frekvensomriktarens signal och användargränssnitt.

Från frekvensomriktaren användargränssnitt kan man få information om processen och driftstatus från frekvensomriktare. Genom att sedan länka samman frekvensomriktaren med ett överordnat processtyrningsystem så får man en optimal systemlösning för sin process.

En motors ineffektkurvor med en frekvensomriktareOm motorn drivs utan en frekvensomriktare kan varken dess ineffektkurvor ändras eller energiförbrukningen optimeras effektivt. Motorngerettspecificeratvridmomentvidettvisstvarvtalochdetmaximala vridmomentet kan inte överstigas.

Med hjälp av en frekvensomriktare kan man driva en last/belastning med olika förutsättningar. Standardkurvan, kurva 1, som visas i figur 1-1, kan användas kontinuerligt. Andra kurvor kan endastanvändas under vissa tidsperioder eftersom motorns kylsystem inte är utformat för den här typen av tung användning.

Dessa högre ineffektsnivåer kan exempelvis behövas under start. I vissa tillämpningar kan så mycket som den dubbla mängden vridmoment behövas under start. Med en frekvensomriktare är detta möjligt, vilket innebär att en motor kan dimensioneras utifrån dess normala användning. Detta sänker investeringskostnaden.

För att kunna utnyttja dessa egenskaper är det viktigt att belastningen, frekvensomriktaren och motorn är dimensionerade på rätt sätt, annars överhettas och skadas motorn eller omriktaren.

T/Tn

f (Hz)

Kurva 1

Kurva 2

Kurva 3

Belastning

Figur 1-1 En motors ineffektkurvor när den används med en frekvensomriktare


ACS580-frekvensomriktares egenskaper för bättre processtyrningACS580-frekvensomriktare har en rad inbyggda egenskaper som ger enastående smidighet. De inbyggda egenskaperna och funktionerna krävs även ofta för bättre processtyrning och energibesparingar. Genom ingångs- och utgångssignaler kan till exempel olika slags processinformation utbytas till omriktaren och motorn styras utifrån detta. Med hjälp av frekvensomriktaren kan man göra styrningar och lägga in begränsningar för att skydda maskien och hela drivsystemet mot fel och driftstörningar. Inbyggda kalkylatorer för energieffektivitet ger även värdefull information om energiförbrukning och -besparingar.

Vissa av de viktigaste egenskaperna:

– ingångar och utgångar – reverseringsfunktion – ramptider för acceleration/retardation – V/Hz-inställningar för variabelt vridmoment – höjning av vridmoment – eliminering av mekaniska vibrationer – belastningsgränser, t.ex min och max gränser – power loss ride-though (möjliggör forsatt drift vid

spänningsbortfall) – fastlåsningsfunktion, används t.ex för matarskruvar – flygandestart,användsförfläktdrifter – energioptimerare – permanentmotorstyrning för energieffektivitet – förmagnetisering – DC-hållning – eftermagnetisering – användarbelastningskurva – joggning/krypkörning – PID-reglering – PFC(pump-ochfläktstyrning)

I följande avsnitt beskrivs några av de listade egenskaperna hos ACS580 mer utförligt. Se även bilderna av egenskaperna.

ReverseringMed en frekvensomriktare är det enkelt att reversera motorns rotationsriktning. Med frekvensomriktarna i ACS580-serien räcker det med att trycka på en knapp. Det går dessutom att ställa in olika ramptider för acceleration och retardation. Rampformen kan ävenmodifierasenligtanvändarensönskemål.Ifigur1-2visasenS-ramp. En annan möjlighet är en linjär ramp.

Figur 1-2 Reversering med accelerations- och retardationsramper

EnergioptimerareDenhär funktionenoptimerarmagnetflödet imotorn så att dentotala energiförbrukningen och motorns bullernivå minskas när frekvensomriktaren körs under den nominella belastningen. Den totala effektiviteten (motor och frekvensomriktare) kan förbättras med 1–20 % beroende på lastmoment och varvtal. Med enpermanentmagnetmotor är energioptimeringen alltid aktiv.

MomentstyrningMomentstyrning är en relativt enkel uppgift med en frekvensomriktare. Momenthöjning är nödvändigt om ett mycket högt startmoment krävs. U/f-inställningar för variabelt vridmoment innebär att maximalt vridmoment kan åstadkommas vid en lägre rotationshastighetännormalt.Dessavisasifigur1-3.

t

n td

ta

td-retardationstid

ta-accelerationstid

2. ACS580-frekvensomriktares inbyggda egenskaper för enastående smidighet



Eliminering av mekaniska vibrationerMekaniska vibrationer kan elimineras genom bypass av kritiska varvtal. Det innebär att när en motor accelereras nära sitt kritiska varvtal, så tillåter inte frekvensomriktaren att motorns faktiska varvtal följer referensvarvtalet. När den kritiska punkten har passerats återgår motorn mycket snabbt till den reguljära kurvan ochpasserardetkritiskavarvtalet.Ävendettavisasifigur1-3.

Figur 1-3 Inställningar för momentstyrning

Permanentmagnetmotorer för energieffektivitetACS580 har stöd för permanentmagnetmotorer. I dessa motorer har permanentmagneter som innehåller sällsynta jordartsmetaller byggts in i motorns rotor, vilket eliminerar behovet av en magnetiseringsström.Pågrundavdettafinnsdetingenrotorströmoch därför överförs mycket lite värme till den övriga motorn och lagren, vilket omedelbart ökar motorns energieffektivitet.

Power loss ride-through vid effektförlustRide-through-funktionen används när spänningsmatningen bryts. Detta visas i figur 1-4. I en sådan situation fortsätterfrekvensomriktaren att drivas med den roterande motorns kinetiska energi. Frekvensomriktaren förblir i drift så länge motorn roterar och genererar energi åt den.

Figur 1-4 Power loss ride-through vid effektförlust

Tm,f,Udc

t

Mellanspänning (Udc)Utgångsfrekvens (f)Motorns vridmoment (Tm)

Umains

MomenthöjningU/f-inställningar för variabelt vridmomentEliminering av mek. vibrationer

nref

T,nact


Flygande startFunktionen för flygande start används när en motor ansluts tillett svänghjul eller en belastning med stor tröghet. Flygande start fungerar även utan varvtalsfeedback. Om motorn roterar startar växelriktaren först med reducerad spänning och synkroniseras sedan med den roterande motorn. Efter synkroniseringen ökas spänningen och varvtalet till motsvarande nivåer. Funktionen visas ifigur1-6.

Figur 1-5 Flygande start

FastlåsningsfunktionMed en frekvensomriktare kan motorn skyddas i en fastlåsningssituation med fastlåsningsfunktionen. Det går att justera övervakningsgränserna och välja hur frekvensomriktaren skareageravidfastlåsning.Dettavisualiserasifigur1-6.Skyddetaktiveras om tre villkor uppfylls samtidigt.

1. Omriktarens frekvens måste vara under den förinställda fastlåsningensfrekvensen.

2. Motorns vridmoment måste stiga till en viss gräns, vilken beräknas av frekvensomriktarens programvara.

3. Motorn har varit i fastlåsningsgränsen längre än den tidsperiod som ställts in av användaren.

Figur 1-6 Fastlåsningsfunktion


Kundspecifik lastkurvaNär man har kundspecifik lastkurva går det att lägga in enövervakningsfunktion som övervakaren ingångssignal en funktion av frekvens eller varvtal samt belastning . Den visar den övervakade signalens status och kan avge en varning eller indikera fel baserat påöverträdelsenavenanvändardefinieradprofil.

I figur 1-7 konstrueras användarbelastningskurvan frånmotornsnominella vridmoment till vilket en marginal på 10 % läggs till ochdrasifrån.Marginalkurvornadefinierarenarbetsenveloppförmotorn så att det går att övervaka, tidsbestämma och upptäcka avvikelser från enveloppen.

Överbelastning kan till exempel användas för att upptäcka om ett sågbladträffarenkvistelleromfläktarsbelastningsprofilerblirförhöga. Underbelastning kan i sin tur användas för att övervaka om belastningen faller eller om transportband eller fläktremmar gårsönder.

Överbelastningskurva (fem punkter)

Nominell processbelastningskurva

Överbelastningskurva (fem punkter)

Utgångsfrekvens (Hz)

Figur 1-7 Användarbelastningskurva

Motorns vridmoment/nominellt vridmoment

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-0,210 20 30 5040

Vridmoment

n

Låsningsfrekvens

Tstall

Varvtal

Spänning

Start

t


FörmagnetiseringFörmagnetisering avser DC-magnetisering av motorn före start. Beroende på det valda startläget (vektor- eller skalärt startläge) kan förmagnetisering användas för att säkerställa högsta möjliga igångsättningsmoment, med upp till 200 % av motorns nominella vridmoment. Genom att justera förmagnetiseringstiden går det att synkronisera motorstarten och till exempel frigörandet av en mekanisk broms.

DC-hållningMed den här funktionen går det att låsa motorn vid (nästan) nollvarvtal mitt i normal drift. När både referens- och motorvarvtalet faller under en viss nivå slutar frekvensomriktaren att generera sinusström och börjar mata DC till motorn. När referensen överstiger DC-hållningsvarvtalet återupptas normal drift. Situationen visas i figur1-7.

Figur 1-7 DC-hållningsfunktion


EftermagnetiseringDen här funktionen håller motorn magnetiserad en viss period efter stopp. Detta för att förhindra att maskinen rör sig under belastning, till exempel innan en mekanisk broms kan appliceras. Tänk dock på att eftermagnetisering endast är tillgängligt när rampstopp valts.

JoggningJoggningsfunktionen gör det möjligt att använda en momentan brytare för att kortvarigt rotera motorn. Joggningsfunktionen används vanligen under service eller driftsättning för att styra maskinen lokalt vid objektet.

När joggning aktiveras, så startas och accelereras frekvensomriktaren till det definierade joggningsvarvtaletlängs den definierade joggningsaccelerationsrampen. Näraktiveringssignalen stängs av retarderas frekvensomriktaren till ett stopplängsdendefinieradejoggningsretardationsrampen.Sålängejoggningsaktiveringssignalen är på ignoreras startkommandon. När joggningsaktiveringen stängs av krävs ett nytt startkommando. Så länge som startkommandot är på ignoreras på samma sätt joggningsaktiveringssignalen. Om joggningsaktiveringssignalen är på när startkommandot stängs av aktiveras joggning omedelbart. Logikenvisualiserasifigur1-9.

Figur 1-9 Joggningsfunktionens logik

Joggnings-aktivering

Joggnings-kommando

Start-kommando

Varvtal

t

Motorns varvtal DC-hållning

Referenst

t

DC-hållningsvarvtal



MiljöegenskaperAlla frekvensomriktarsystem måste kunna hantera olika miljöpåfrestningar som till exempel fukt eller elektriska störningar. Skyddsklassennivån t.ex. IP55 säkerställer att den kan användas i dammiga miljöer och att den tål vattenstänk från alla håll.

Frekvensomriktaren har vanligen skyddsklass IP21. Det innebär att det inte är möjligt att vidröra de spänningsförande delarna och att vertikalt droppande vatten inte orsakar skador på elektroniken. Om högre skyddsklass krävs kan det uppnås till exempel genom att välja en ACS580-01-frekvensomriktare i en kompakt IP55-kapsling.

EMCEn annan viktig miljöegenskap är elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Det är viktigt att ett frekvensomriktarsystem uppfyller kraven i EU:s EMC-direktiv. Det innebär att frekvensomriktarsystemet kan klara ledningsbundna och utstrålade störningar, och att det självt inte avger några ledningsbundna eller utstrålade störningar till vare sig nätmatningen eller omgivningen.

Figur 1-10 Skyddsklasserna IP21 och IP55 samt EMC-kompatibilitet

PID-regleringDetfinnseninbyggdprocessstyrningmedens.k.PID-regleringi ACS580-frekvensomriktaren. Styrningen kan användas för att styraprocessersom tryckeller flöde i röreteller vätskenivåni behållaren. Vid PID-regleringen ansluts en processreferens (börvärde) till frekvensomriktaren istället för en varvtalsreferens. Ett verkligt värde s.k. ärvärde (processfeedback) återförs också till frekvensomriktaren. Process-PID-regleringen justerar frekvensomriktarens varvtal så att den mätta processtorheten (verkligt värde) hålls på önskad nivå (börvärde). Det innebär att användaren inte behöver ställa in en referens för frekvens/varvtal/vridmoment för frekvensomriktaren, utan frekvensomriktaren justerar sin drift utifrån PID-reglering.

PFC, pump- och fläktstyrningPFC (Pump, Fan & Control) -styrningen använd till för att reglera det totala effektbehovet med hjälp av en frekvensomriktare och en tillfleradirektstartademotordrifter(kontaktorstyrning).Endriftärreglerande och om behovet är större så styr frekvensomriktaren in endirektstatradmotortillochbörjarregleraflödetutifråndennyanivån.Frekvensomriktarenkommerattkoppla in/uteneller fleramotordrifter beroende av det totala effektbehovet.


3. Dimensionering av frekvensomriktarsystem

DimensioneringDimensionering av frekvensomriktarsystem är en uppgift där alla faktorer måste övervägas noga. Dimensionering kräver kunskap om hela systemet, inklusive strömförsörjning, driven maskin, miljöförhållanden, motorer, frekvensomriktare och så vidare. God planering och noggrann dimensionering kan ge avsevärda kostnadsbesparingar.

Det finns förstås vissa verktyg som hjälper användare meddimensioneringsprocessen. Några av dessa är till exempel ett verktyg kallat DriveSize och ett annat kallat Drives Customer Lab. Det första hjälper användare att välja motor och frekvensomriktare utifrån tillämpningens krav. Det andra hjälper användare att testa överensstämmandet mellan enheter mellan en motor och en frekvensomriktare samt är till hjälp för att hitta den mest optimala frekvensomriktaren för motorn. Båda dessa verktyg tillhandahålls av ABB.

FrekvensomriktarsystemEtt drivsystem består vanligen av en ingångstransformator eller en strömförsörjning, frekvensomriktare, en AC-motor och belastning. Idenenskildafrekvensomriktarenfinnsenlikriktare,DC-mellanledochväxelriktarenhet.Dettavisasifigur2-1.

Figur 2-1 En enskild frekvensomriktare består av 1) likriktare, 2) DC-mellanled,3) växelriktarenhet och 4) strömförsörjning.

Allmän beskrivning av en dimensioneringsprocedurDet här kapitlet visar de allmänna stegen för dimensionering av motor och frekvensomriktare.

1. Kontrollera de inledande förutsätningarna för driften. För att välja rätt frekvensomriktare och motor, kontrollera elnätets spänningsnivå (380 V till 648 V) och frekvens (50 Hz till 60 Hz). Nätfrekvensen begränsar inte tillämpningens varvtalsområde.

2. Kontrollera processkraven. Behövs startmoment? Vilket varvtalsområde används? Vilken typ av belastning kommer att förekomma? Vissa av de typiska belastningstyperna beskrivs senare.

3. Välj motor. En elmotor ska ses som en källa till vridmoment. Motorn måste tåla processöverbelastningar och kunna ge ett bestämt vridmoment. Motorns termiska överbelastbarhet för inte överskridas. Det är även nödvändigt med en marginal på cirka 30 % för motorns maximala vridmoment när det maximala tillgängliga vridmomentet beaktas i dimensioneringsfasen.

4. Välj frekvensomriktare. Frekvensomriktaren väljs utifrån kriterier som applikationen kräver och den valda motorn. Frekvensomriktaren ska vara vald så att den ström den kan genererar klarar av att driva motorn med en vis möjlighet överlastbarhet. Temperatur och installations höjd över havsytan är andra faktorer som kan påverkar dimensioneringen

Det här kapitlet handlar om dimensionering av ett frekvensomriktarsystem. Först presenteras ett frekvensomriktarsystem i allmänhet och principerna för dimensioneringsproceduren och de mekaniska lagarna relaterade till dessa. Dessutom undersöks asynkronmotorer benämns även induktionsmotor utförligt i olika lastfall. Kapitlet avslutas med exempelberäkningar som illustrerar dimensioneringsproceduren och teorin bakom den.



Asynkronmotor (AC)Asynkronmotorer är brett förekommande i industrin och några av grundfunktionerna beskrivs i det här avsnittet.

Grundläggande om asynkronmotorerEn asynkronmotor omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. Energiomvandlingen baseras på elektromagnetisk induktion. På grund av induktionsfenomenet har asynkronmotorn en eftersläpning.

Eftersläpningen definieras ofta som motorns nominellabelastningspunkt (frekvens (fn), varvtal (nn), vridmoment (Tn), spänning (Un), strömstyrka (In) och effekt (Pn)). Vid den nominella belastningspunkten är eftersläpningen nominell:

där ns är det synkrona varvtalet:

När en motor ansluts till en strömförsörjning med konstant spän-ning och frekvens har den en momentkurva. Den här kurvan visasifigur2-2.

Figur 2-2 Typisk moment-/varvtalskurva för en induktionsmotor ansluten till nätmatning (D.O.L., Direct-On-Line). I bilden är a) vridmoment med låst motor, b) minimimoment, c) maximaltmoment, Tmax och d) nominell belastningspunkt för motorn.

En vanlig asynkronmotors maximimoment (Tmax, även kallat kippmoment och genomslagsmoment) är vanligen 2–3 gånger det nominella vridmomentet. Maximaltmoment är tillgängligt med eftersläpning smax som är större än den nominella eftersläpningen. För att kunna använda en asynkronmotor effektivt ska motorns eftersläpning befinna sig i området - smax – smax. Detta kan åstadkommas genom att styra spänningen och frekvensen. Styrningen kan ske med en frekvensomriktare.

Frekvensområdet under den nominella frekvensen kallas ett konstantflödesområde. Över den nominella frekvensen/varvtaletdrivs motorn i fältförsvagningsområdet. I fältförsvagningsområdet kan motorn drivas med konstant effekt, och fältförsvagningsområdet kallasdärför iblandävenkonstanteffektområdet.Sefigur2-3 förillustration.

Figur 2-3 Maximalt vridmoment, spänning och flöde som en funktion av det relativa varvtalet.

En induktionsmotors maximala vridmoment är proportionellt mot kvadratenpåmagnetflödet(Tmax ~ y2). Det innebär att det maximala vridmomentet är ungefär konstant vid konstantflödesområdet.Över fältförsvagningspunkten är minskningen av det maximala vridmomentet omvänt proportionellt mot kvadraten på frekvensen.

Tmax ~ .

Konstantflödesområde Fältförsvagningsområde

Flöde

Spänning

Tmax


MotorströmStrömmen till en induktionsmotor har två komponenter: reaktiv ström (isd) och aktiv ström (isq). Den reaktiva strömkomponenten innefattar magnetiseringsströmmen (imagn), medan den aktiva strömmen är den momentproducerande strömkomponenten. De reaktiva och aktiva strömkomponenterna är vinkelräta mot varandra.

Magnetiseringsströmmen (imagn) håller sig ungefärligen konstant i konstantflödesområdet (under fältförsvagningspunkten).I fältförsvagningsområdet är minskningen av magnetiseringsströmmen proportionell mot varvtalet.

En ganska bra uppskattning av magnetiseringsströmmen i konstantflödesområdetärdenreaktiva(isd) strömmen vid motorns nominella belastningspunkt.

Figur 2-4 Statorström (is) består av komponenterna reaktiv ström (isd) och aktiv ström (isq) som är vinkelräta mot varandra. Statorflöde betecknas med Ys.

KonstantflödesområdeUnder fältförsvagningspunkten kan strömkomponenterna approximeras enligt följande:

Den totala motorströmmen är:

Det kan ses att den aktiva strömkomponenten är noll med noll motormoment. Med högre momentvärden blir motorströmmen ganska proportionell mot vridmomentet. En bra uppskattning av den totala motorströmmen är:

, när 0,8 * Tn≤Tload≤0,7*Tmax

Exempel 1En 15 kW-motors nominella ström är 32 A och effektfaktorn är 0,83. Vad är motorns ungefärliga magnetiseringsström vid den nominella punkten? Vad är den totala ungefärliga strömmen med 120 % vridmoment under fältförsvagningspunkten?

Lösning 1Vid den nominella punkten är den uppskattade magnetiseringsströmmen:

Approximationsformelnfördentotalamotorströmmenmed120 %vridmoment ger:

Approximationsformeln användes eftersom vridmomentet uppfyllde villkoret 0,8 * Tn≤Tload≤0,7*Tmax



FältförsvagningsområdeÖver fältförsvagningspunkten beror strömkomponenterna även på varvtalet.

Den totala motorströmmen är:

Motorströmmen kan approximeras ganska exakt inom ett visst driftområde. Motorströmmen blir proportionell mot den relativa effekten. En approximationsformel för ström är:

Approximation kan användas när:

och

I fältförsvagningsområdet är den extra ström som behövs för att bibehålla en viss momentnivå proportionell mot det relativa varvtalet.

Exempel 2Motorns nominella ström är 71 A. Hur mycket ström behövs för att bibehålla 100 % momentnivå vid 1,2 gånger det nominella varvtalet (Tmax = 3 * Tn)?

Lösning 2Strömmen kan beräknas med följande approximationsformel:

MotoreffektMotorns mekaniska (utgångs-) effekt kan beräknas från varvtal och vridmoment med formeln:

Eftersom motoreffekt oftast uttrycks i kilowatt och varvtal i varv per minut, (1 varv/min = 2p/60 rad/s) kan följande formel användas:

Motorns ingångseffekt kan beräknas från spänning, ström och effektfaktor:

Motorns effektivitet är utgångseffekten delad med ingångseffekten:




Exempel 3Motorns nominella effekt är 15 kW och det nominella varvtalet är 1 480 varv/min. Vad är motorns nominella vridmoment?

Lösning 3Motorns nominella vridmoment beräknas enligt följande:

Exempel 4Vad är den nominella verkningsgraden för en motor på 37 kW (Pn=37 kW, Un=380 V, In=71 A och cos(jn)=0,85)?

Lösning 4Den nominella verkningsgraden är:

Grundläggande mekaniska lagarEn av de grundläggande ekvationerna för en induktionsmotor beskriver förhållandet mellan tröghetsmoment (J [kgm2]), vinkelhastighet (w [rad/s]) och vridmoment (T [Nm]). Ekvationen är:

I ovanstående ekvation antas att både frekvensen och tröghetsmomentet ändras. Formeln ges dock ofta så att tröghetsmomentet antas vara konstant:

Vridmomentet Tload representerar motorns belastning. Belastningen utgörs av friktion, tröghet och själva lasten. När motorvarvtalet ändras avviker motorns vridmoment från Tload. Motorns vridmoment kan anses bestå av en dynamisk komponent och en lastkomponent:

Om varvtalet och tröghetsmomentet är konstanter, så är den dynamiska komponenten (Tdyn) noll. Den dynamiska momentkomponenten som orsakas av acceleration/retardation av ettkonstanttröghetsmoment(motornsvarvtaländrasavΔn[rpm]iitdΔt[s],J är konstant) är:

Om tröghetsmomentet varierar och motorn samtidigt accelererar kan den dynamiska momentkomponenten beräknas med ett visst diskret provtagningsintervall. När det gäller termisk dimensionering räcker det dock ofta med att beakta det genomsnittliga tröghetsmomentet under acceleration.


Exempel 5Det totala tröghetsmomentet, 3 kgm2, accelereras från ett varvtal på 500 varv/min till 1 000 varv/min på 10 sekunder. Vad är det totala vridmoment som behövs när det konstanta belastningsmomentet är 50 Nm? Hur snabbt kommer motorn att retardera till 0 varv/min om motorns strömförsörjning bryts?

Lösning 5Det totala tröghetsmomentet är konstant. Den dynamiska momentkomponent som behövs för acceleration är:

Det totala vridmomentet under acceleration är:

Ommotornsströmförsörjningbrytsvid1 000varv/minretarderasmotorn på grund av det totala belastningsmomentet (50 Nm). Ekvationen är:

Tidförretardationfrån1 000varv/mintill0varv/min.

Exempel 6Acceleration av en fläkt till nominellt varvtal görs med nominellt vridmoment. Vid nominellt varvtal är vridmomentet 87 %. Fläktens tröghetsmoment är 1 200 kgm2 och motorns tröghetsmoment är 11 kgm2. Belastningsegenskaperna för fläkten Tload visas i figur 2-5.

Motorns nominella effekt är 200 kW och det nominella varvtalet är 991 varv/min.

Figur 2-5 En fläkts momentegenskaper. Varvtal och vridmoment visasi relativa värden.

Beräkna ungefärlig starttid från nollvarvtal till nominellt varvtal.

Varvtal

Vri

dm

om

ent



Lösning 6Motorns nominella vridmoment är:

Starttiden beräknas genom att dela in varvtalsområdet i fem sektorer. I varje sektor (198,2 varv/min) antas vridmomentet vara konstant. Vridmoment för varje sektor tas från sektorns mittpunkt. Detta är ganska acceptabelt eftersom det kvadratiska beteendet approximeras att vara linjärt i sektorn.

Tidenförattaccelereramotorn(fläkten)mednominelltvridmomentkan beräknas med formeln:

Accelerationstider för olika varvtalssektioner är:

Därför är den totala starttiden från 0 till 991 varv/min cirka 112 sekunder.

Belastningstyper och val av frekvensomriktare och motorMotorn väljs utifrån den grundläggande informationen om processen. Varvtalsområde, vridmomentskurvor, ventilationsmetod och motorns belastbarhet vägleder motorvalet. Ofta är det värt att jämföra olika motorer eftersom den valda motorn påverkar frekvensomriktarens storlek.

Detärnödvändigtattkännatillbelastningsprofilen(varvtalsområde,vridmoment och effekt) när en lämplig motor och frekvensomriktare väljs för tillämpningen.

Vissa vanliga lastfall presenteras i följande fem figurer. Det kanävenfinnaskombinationeravdessatyper.

1. Konstant vridmomentEn belastningstyp med konstant vridmoment är typisk när fasta volymer hanteras. Till exempel skruvkompressorer, matare och transportörer är typiska tillämpningar med konstant vridmoment. Vridmomentet är konstant och effekten linjärt proportionell mot varvtalet.

Figur 2-6 Typiska vridmoments- och effektkurvor i en tillämpning med konstant vridmoment.


792,8–991 varv/min

0–198,2 varv/min

198,2–396,4 varv/min

396,4–594,6 varv/min

594,6–792,8 varv/min


2. Kvadratiskt vridmomentKvadratiskt vridmoment är den vanligaste belastningstypen. Som namnet antyder är vridmomentet kvadratiskt och effekten således kubiskt proportionell mot varvtalet. Typiska tillämpningar med kvadratiskt vridmoment är till exempel centrifugalpumpar och fläktar.

Figur 2-7 Typiska vridmoments- och effektkurvor i en tillämpning med kvadratisktvridmoment.

3. Konstant effektEn last med konstant effekt är normalt när material rullasupp och diametern ändras under rullningen. Effekten är konstant och vridmomentet omvänt proportionellt mot varvtalet.

Figur 2-8 Typiska vridmoments- och effektkurvor i en tillämpning med konstant effekt.


4. Konstant effekt/vridmomentDen här belastningstypen är vanlig i pappersindustrin. Den är en kombination av belastningstyper med konstant effekt och konstant vridmoment. Den är ofta en följd av att systemet dimensioneras utifrån behovet av en viss effekt vid högt varvtal.

Figur 2-9 Typiska vridmoments- och effektkurvor i en tillämpning med konstant effekt/vridmoment.

5. Behov av start-/igångsättningsmomentI vissa tillämpningar behövs högt vridmoment vid låga frekvenser, vilket måste beaktas vid dimensioneringen. Typiska tillämpningar för den här belastningstypen är till exempel extruderare och skruvpumpar.

Figur 2-10 Typisk momentkurva i en tillämpning där startmoment behövs.


Detfinnsävenfleraandrabelastningstyper.Deärdocksvåraattbeskriva ienallmänpresentation.Förattnämnanågra,såfinnsdet olika symmetriska (vältar, kranar osv.) och asymmetriska belastningar. Symmetri/asymmetri i vridmoment kan vara till exempel som en funktion av vinkel eller tid. Dessa slags belastningstyper måste dimensioneras noggrant med hänsyn till motorns och frekvensomriktarens marginaler för överbelastbarhet, såväl som motorns genomsnittliga vridmoment.

Låt oss nu titta på de olika stegen för att välja frekvensomriktare. Nären lämplig frekvensomriktareskaväljasfinnsdetflerasakeratt tänka på. Tillverkare av frekvensomriktare har vanligen vissa valtabeller där typiska motoreffekter för varje omriktarstorlek anges.

Dimensioneringsströmmen kan även beräknas när momentegenskaperna är kända. Motsvarande strömvärden kan beräknas från momentprofilen och jämföras med omriktarensströmgränser. Motorns nominella ström ger viss vägledning. Den är dock inte alltid det bästa dimensioneringskriteriet eftersom motorer exempelvis kan vara nedställda (omgivningstemperatur, riskområde osv.).

Den tillgängliga matningsspänningen måste kontrolleras innan frekvensomriktaren väljs. Variationer i matningsspänningen påverkar den tillgängliga motoraxeleffekten. Om matningsspänningen är lägreändennominellaspänningenflyttasfältförsvagningspunktentill en lägre frekvens och det tillgängliga maxmomentet för motorn minskas i fältförsvagningsområdet.

Det maximala tillgängliga vridmomentet begränsas ofta av frekvensomriktaren, vilket måste beaktas när motorn väljs. Frekvensomriktaren kan begränsa motorns vridmoment tidigare än vad som anges i motortillverkarens datablad.

Det maximala tillgängliga vridmomentet påverkas även av transformatorer, reaktorer, kablar osv. i systemet eftersom de orsakar ett spänningsfall och därmed kan det maximala tillgängliga vridmomentet falla. Systemets effektförluster måste även kompenseras av frekvensomriktarens märkdata.


Visste du att?

Varje ACS580-frekvensomriktare är utrustad med ett inbyggt filter som minskar högfrekvensstrålningen. Kraven i kategori C2 i EMC-direktivet (EN 61800-3) uppfylls för väggmonterade frekvensomriktare och i kategori C3 för frekvensomriktarmoduler samt skåpsmonterade frekvensomriktare utan externa filter.

EMC-standarderEMC-direktiven(EN61800-3)täckerdespecifikaEMC-kravenförfrekvensomriktare (som testats med motor och motorkabel) inom EU. EMC-direktivet som EN 55011 och EN 61000-6-3/4 gäller för utrustning och system för industrier och bostäder, inklusive komponenter inne i frekvensomriktaren. Frekvensomriktarenheter som uppfyller kraven i EN 61800-3 är överensstämmande med jämförbara kategorier i EN 55011 och EN 61000-6-3/4, men inte nödvändigtvis vice versa. EN 55011 och EN 61000-6-3/4 anger inte kabellängd eller kräver att en motorn är ansluten som last. Emissionsgränserna är jämförbara med EMC-standarder enligt tabellen nedan.

Bostadsmiljöer visavi allmänna lågspänningsnätDen första miljön innefattar bostäder. Den innefattar även anläggningar som är direktanslutna utan mellantransformator till ett lågspänningsnät som strömförsörjer byggnader för bostadsändamål. Den andra miljön innefattar alla anläggningar som är direktanslutna till allmänna lågspänningsnät.


Kvadratiskt vridmoment: exempel på pump- och fläkttillämpningHär listas några faser för dimensionering av en pump- och fläkttillämpning:

– Kontrollera varvtalsområdet och beräkna effekten med det högsta varvtalet.

– Kontrollera vilket startmoment som behövs. – Välj motorns polantal. Den mest ekonomiska arbetsfrekvensen

är ofta i fältförsvagningsområdet. – Välj motoreffekt så att effekten är tillgänglig vid maximalt

varvtal. Tänk på den termiska belastbarheten. – Väljfrekvensomriktaren.Användpumpensochfläktensmärkdata.Ompumpensochfläktensmärkdatainteärtillgängliga väljer du frekvensomriktaren utifrån motorns befintligaprofil.

ExempelEn pump har en belastning på 150 kW vid 2 000 varv/min. Det behövs inget startmoment. Välj en lämplig motor för den här tillämpningen.

LösningDetnödvändigavridmomentetvid2 000varv/minär:

Enligt figur2-11 verkardet somatt 2- eller 4-poligamotorer äralternativa val för tillämpningen.

Figur 2-11 Belastbarhetskurvor för motor i en pump- och fläkttillämpning. Jämförelse av 1) 2-poliga och 2) 4-poliga motorer.

1) motor p=2Enligtfigur2-13ären2-poligmotorsbelastbarhetvid2 000varv/min enligt belastbarhetskurvan cirka 95 %. Motorns nominellavridmoment måste vara minst:

Motsvarande nominella effekt måste vara minst:


I det här avsnittet i kapitlet presenteras tre exempel på dimensioneringsproblem och utförliga lösningar på dem. Varje problem har en egen motorbelastbarhetskurva och syftet är att hitta den bästa motorn för varje tillämpning.


En motor på 250 kW (400 V, 431 A, 50 Hz, 2 975 varv/min och 0,87) väljs. Motorns nominella vridmoment är:

Motorströmmen vid 2 000 varv/min (konstantflödesområde) ärcirka:

Den minsta kontinuerliga strömmen för frekvensomriktaren är då 384 A.

2) motor p=4Enligtfigur2-13fören4-poligmotorärbelastbarhetenvid2 000varv/min75 %.Motornsminstanominellavridmomentär:

Den minsta effekten för en 4-polig motor är:

En motor på 160 kW (400 V, 305 A, 50 Hz, 1480 varv/min och 0,81)uppfyllervillkoren.Denapproximeradeströmmenvid2 000varv/min (66,7 Hz) är:

Den exakta strömmen ska beräknas om den valda frekvensomriktarens nominella ström är nära den approximerade motorströmmen.

En 4-polig motor kräver mindre ström vid pumpdriftspunkten. Därför är det troligen ett mer ekonomiskt val än en 2-polig motor.

Konstant vridmoment: exempel på extrudertillämpningarHär listas några faser för dimensionering av en tillämpning med konstant vridmoment:

– Kontrollera varvtalsområdet. – Kontrollera vilket konstant vridmoment som behövs. – Kontrollera de möjliga accelerationerna. Om accelerationer

behövs ska tröghetsmomenten kontrolleras. – Kontrollera vilket möjligt startmoment som behövs. – Välj motorn så att vridmomentet är under den termiska

belastbarhetskurvan (separat ventilation/självventilation?). Vanligenbefinnersigmotornsnominellavarvtalimittenavdetvarvtalsområde som används.

– Välj en lämplig frekvensomriktare utifrån dimensioneringsströmmen.



ExempelEn extruder har ett varvtalsområde på 300–1 200 varv/min. Belastningen vid 1 200 varv/min är 48 kW. Det startmoment som krävs är 200 Nm. Accelerationstiden från nollvarvtal till 1 200 varv/min är 10 sekunder. Motorn är självventilerad och den nominella spänningen är 400 V. Välj en lämplig motor för tillämpningen.

LösningDet konstanta vridmoment som krävs är:

En lämplig motor är en 4-eller 6-polig motor.

Figur 2-12 Belastbarhetskurvor för motor i en tillämpning med konstant vridmoment. Jämförelse av 1) 4-poliga och 2) 6-poliga motorer.


1) Motor p=4Enligt figur 2-14 är den termiska belastbarheten 80 % vid 300varv/min. Det uppskattade minsta nominella vridmomentet är:

Motorns minsta nominella effekt är:

En lämplig motor är till exempel en motor på 75 kW (400 V, 146 A, 50Hz,1 473varv/minoch0,82).Motornsnominellavridmomentär:

Motorströmmen är cirka (T/Tn≈0,8):

Utifrån den beräknade motorströmmen kan en lämplig frekvensomriktare väljas för användning med konstant vridmoment.

Kravet på startmoment (200 Nm) är inte något problem för den här motorn.

Om motorns tröghetsmoment är 0,72 kgm2, så är accelerationens dynamiska vridmoment:

Det totala vridmomentet under acceleration är därmed 391 Nm, vilket är mindre än motorns nominella vridmoment.


2) Motor p=6Enligt figur 2-14 är motorns belastbarhet 84 % vid varvtal på300varv/minoch1 200varv/min.Den6-poligamotornsminstanominella vridmoment är därmed:

Minimivärdet för motorns nominella effekt är:

En lämplig motor är till exempel en motor på 55 kW (400 V, 110 A, 50 Hz, 984 varv/min och 0,82). Motorns nominella vridmoment är:

Dimensioneringsströmmen kan approximeras vid ett varvtal på 1 200varv/min:

Frekvensomriktarens nominella (kontinuerliga) ström måste vara över 96 A.

Startmomentskravet är mindre än motorns nominella vridmoment.

Om motorns tröghet är 1,2 kgm2, så är accelerationens dynamiska vridmoment:

Det totala vridmomentet som behövs under acceleration är 397 Nm, vilket är mindre än motorns nominella vridmoment.

Strömmen för en 6-polig motor är 19 A mindre än med en 4-polig motor. Det slutliga valet av frekvensomriktare/motor beror på motorns och frekvensomriktarens storlekar och priser.

Konstant effekt: exempel på haspeltillämpningNedan listas några faser för dimensionering av en tillämpning med konstant effekt:

– Kontrollera varvtalsområdet. – Beräkna effektbehovet. Hasplar är typiska tillämpningar med

konstant effekt. – Dimensionera motorn så att fältförsvagningsområdet utnyttjas.

ExempelEn tråddragningsmaskin styrs av en frekvensomriktare. Trummans ythastighet är 12 m/s och spänningen är 5 700 N. Rullens diametrar är 630 mm (tom trumma) och 1 250 mm (full trumma). Det finns en växel med utväxlingsförhållandet n2:n1 = 1:7.12 och växelns effektivitet är 0,98. Välj en lämplig motor och frekvensomriktare för tillämpningen.



LösningGrundtanken med en haspel är att hålla ythastigheten och spänningen konstant när diametern ändras.

Figur 2-13 Grundläggande haspelschema.

Vid rätlinjig rörelse är effekten: P = Fv

Vid rotationsrörelse är effekten: P = Tw

Relationen mellan ythastighet och vinkelhastighet är:

Vridmomentet är en produkt av kraft och radie: T = Fr

Med hjälp av ovanstående formler kan motorn väljas:

Växeln måste beaktas innan motorns väljs. Varvtal, vridmoment och effekt måste minskas:

1) Motor p=2Omen2-poligmotorväljsärbelastbarheten88%vid1 305varv/min och 97 % vid 2 590 varv/min. Motorns minsta nominellaeffekt är:

Enmotorpå200kW(400V,353A,50Hz,2 975varv/minoch0,86) väljs. Motorns nominella vridmoment är:

Dimensioneringsströmmen beräknas utifrån ett vridmoment på 511 Nm:

2) Motor p=4Omen4-poligmotorväljsärbelastbarheten98%vid1 305varv/min och 60 % vid 2 590 varv/min. Motorns minsta nominellaeffekt är:

Enmotorpå90kW(400V,172A,50Hz,1 473varv/minoch0,83) väljs. Motorns nominella vridmoment är:

Dimensioneringen görs i det här fallet utifrån motorströmmen vid 1 305varv/min.Motorströmmenär:

Med en 2-polig motor utnyttjades inte fältförsvagningsområdet (konstanteffektområdet), vilket ledde till onödig överdimensionering. En 4-polig motor är ett bättre val för den här tillämpningen.



4. Smidig säkerhet med ACS580-standardfrekvensomriktare

InledningTack vare ny frekvensomriktarteknik samt standardisering som harmoniserar krav och terminologi på marknaden är det numera betydligt enklare att implementera system för maskinsäkerhet. Nya tekniska framsteg gör säker drift mindre komplex, samtidigt som de ger spännande nya möjligheter till ökad produktivitet och färre stopp.

Utöver ACS580:s inbyggda säkerhetsfunktioner har ABB ett omfattande utbud av säkerhetslösningar för dina processkrav. Detta är en prisvärd lösning för säkrare utformning och underhåll av maskiner. ABB har redan gjort allt standardiseringsarbete, så att du lättare kan uppfylla alla säkerhetskrav samtidigt som du sparar tid och pengar.

Safe torque-off (STO)Safe torque off (STO), den säkerhetsmetod som gör frekvensomriktare momentlösa (t.ex. nödstopp) och/eller förhindrar en oavsiktlig start, är den obligatoriska grunden för integrerad frekvensomriktarbaserad funktionssäkerhet. STO är därför inbyggt i frekvensomriktaren som en elektronisk säkerhetsfunktion att använda som alternativ till traditionella elektromekaniska metoder, till exempel fast ansluten extra logik som reläer och kontaktorer. STO-funktionenslogikillustrerasifigur4-1.

|n|

0t

Function requested

Figur 4-1 Safe torque-off-funktion

Visste du att?

Varje ACS580-frekvensomriktare har en inbyggd STO-funktion som på ett säkert sätt gör frekvensomriktaren momentlös eller förhindrar oavsiktlig start.

Med STO-funktionen kan till exempel säkerheten garanteras när en maskin underhålls och rengörs. Medan det befinner sig personer i närheten av maskinen förhindrar STO oavsiktlig start, men samtidigt fungerar kommunikationen med frekvensomriktaren via fältbussar.

Standardiserad säkerhetsfunktionStandarden EN 61800-5-2 innehåller definitioner för en mängdsäkerhetsfunktioner. För att understryka ABB:s åtagande om frekvensomriktarbaserad funktionssäkerhet har många av våra frekvensomriktare STO inbyggt som standard nu mera. ACS580-frekvensomriktarserien är ett mycket bra exempel på integrerad säkerhet i frekvensomriktare, med STO som standard och den valbara SIL 3- eller PL e-klassade säkerhetsfunktionsmodulen för ytterligare säkerhetsfunktioner.

Designverktyg för funktionssäkerhetEn av de första huvuduppgifterna för en säkerhetsingenjör är att göra en riskanalys som syftar till att definiera var säkerhetbehövs på maskinen, och sedan bestämma vilka säkerhetsnivåer och funktioner som krävs för att göra maskinen säker. ABB:s designverktyg för funktionssäkerhet (FSDT-01) hjälper maskinbyggare, OEM-tillverkare och systemintegrerare att beräkna, verifiera ochdokumenteraden krävda, utformadeochuppnådda säkerhetsintegritetsnivån (SIL) eller prestandanivån (PL) genom en mycket logisk stegvis procedur, i enlighet med maskinstandarderna EN IEC 62061 och EN ISO 13849-1.

Kontakta oss

3AU

A00

0019

7174

RE

V A

SE

10.

5.20

16

www.abb.se/frekvensomriktarewww.abb.se/motorer&generatorer

Onlinehandböcker för ACS580-standardfrekvensomriktare

Videospellista: Videor om användning av ACS580

© Copyright 2016 ABB. Alla rättigheter förbehålles. Specifikationer kan ändras utan meddelande.

teknisk e-bok acs580-standardfrekvensomriktareteknisk e-bok för acs580 7 flygande start funktionen...

Documents