Print

Konfigurace frekvenčních měničů, vysoce efektivní provoz a motory s permanentními magnety

-- 23.04.14

http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Casopis_duben_2014/motory_1.jpgPo střídavých motorech s permanentními magnety (Permanent Magnet Alternating Current – PMAC) je stále vyšší poptávka po aplikacích polohování s proměnlivou rychlostí a náročným pracovním cyklem, a to díky jejich vyšší efektivitě a potenciálu úspory energie napříč různými rozsahy rychlostí a krouticího momentu. Obrázek 1 ukazuje příklad účinnosti motoru v aplikaci ventilátoru o výkonu 3 k s vysoce účinným motorem PMAC vykazujícím 5%–12% zvýšení účinnosti oproti indukčnímu motoru. V aplikacích s proměnlivou rychlostí, ať už s motory PMAC, nebo indukčními motory, je zapotřebí frekvenční měnič (Variable Frequency Drive – VFD). Konfigurace VFD zohledňující motory PMAC a další aspekty může přinést optimální výkon systému, což může znamenat rozdíl mezi úspěchem a selháním při dosahování požadovaných energetických úspor při aplikacích motorů.

Pojem „PMAC“ se používá pro označení motorů s permanentními magnety, které mají sinusovou protielektromotorickou sílu a lze je účinně napájet frekvenčními měniči s třífázovým sinusovým výstupem. Bezkartáčové stejnosměrné motory nebo stejnosměrné motory s permanentními magnety jsou motory s lichoběžníkovou protielektromotorickou silou napájené pohony s jednoduchým lichoběžníkovým výstupem. Motory PMAC se někdy označují jako „bezkartáčové  motory s permanentními magnety“ nebo elektronicky komutované motory s permanentními magnety (Electronically Commutated Permanent Magnet – ECPM).

Bezsenzorové řízení a konfigurace

V posledních několika letech zavedlo mnoho velkých výrobců frekvenčních měničů do svých levných modelů pohonů funkčnost bezsenzorového řízení motorů PMAC. Dříve bylo použití motorů s permanentními magnety omezeno na servosystémy nebo specializované aplikace využívající zpětnovazební řízení s uzavřenou smyčkou. Motory s permanentními magnety byly v podstatě vyloučeny z aplikací ventilátorů, čerpadel a jiných zátěžových aplikací z důvodu nákladů a složitosti instalace souvisejících řídicích systémů s uzavřenou smyčkou. Nyní, s doplněním algoritmů pro bezsenzorové řízení motorů PMAC k frekvenčním měničům, existuje příležitost těžit z přínosů úspory energie motorů  s permanentními magnety v široké řadě aplikací s proměnlivou rychlostí a náročným pracovním cyklem.

Konfigurování frekvenčních měničů pro bezsenzorové řízení motorů PMAC je složitější než u indukčních motorů.

1. Algoritmy pro řízení indukčních motorů byly vyvíjeny a zdokonalovány více než dvě desetiletí, bezsenzorové řízení motorů PMAC je poměrně nové.

2. Motory PMAC různých výrobců jsou různorodější než u indukčních motorů.

Konfigurace frekvenčních měničů pro indukční motory dosáhla zralosti rutinní operace: Do VFD se zadají parametry z typového štítku motoru, obvykle se spustí rutina automatického ladění a indukční motor je připraven k použití. U motorů PMAC může být zapotřebí více údajů, včetně informací neuvedených na typovém štítku motoru. Chování motoru PMAC se může značně lišit s různými frekvenčními měniči a je závislé na vhodnosti specifického bezsenzorového řízení motoru PMAC a na řádném zadání vhodné konfigurace parametrů do frekvenčního měniče.

Při výběru frekvenčního měniče pro provozování motoru PMAC se poraďte o technických záležitostech s výrobcem frekvenčního měniče a motoru. Výrobce motoru PMAC bude pravděpodobně uvádět nebo doporučovat „kvalifikované“ pohony, u nichž je ověřeno, že zajistí efektivitu a robustní výkon pro dané provedení motoru PMAC. Také je možné, že již vyvinul, optimalizoval a otestoval konfigurace s frekvenčními měniči v „předpřipraveném řešení“ s motorem PMAC a předem naprogramovaným frekvenčním měničem.

Charakteristiky motoru PMAC

Kromě standardních parametrů motoru uvedených na typovém štítku, které jsou obdobné jako u indukčních motorů (jmenovitý výkon, jmenovitá rychlost, jmenovitá frekvence, proud při plném zatížení a jmenovité napětí), musejí být ve frekvenčním měniči správně nakonfigurovány i další parametry motoru PMAC, jako je indukčnost vinutí, odpor vinutí a protielektromotorická síla.

Pracuje se na zlepšení automatické konfigurace frekvenčních měničů pro motory PMAC. Několik výrobců doplňuje procedury automatického ladění, které odstraňují některé požadavky na manuální konfiguraci parametrů frekvenčních měničů. V situacích, kdy nejsou motor PMAC a frekvenční měnič dodávány jako „balík“, je nezbytné znát parametry motoru PMAC a rozumět specifickým řídicím algoritmům nabízeným frekvenčním měničem. Tyto informace jsou nezbytné pro určení, zda kombinace motoru s pohonem dokáže splnit výkonnostní cíle  polohovací aplikace.

Indukčnost vinutí motoru

Motory PMAC se dělí do dvou hlavních kategorií: s povrchově montovaným permanentním magnetem (Surface Mount Magnet – SPM) a vnitřním permanentním magnetem (Interior Permanent Magnet – IPM). Motory IPM  vykazují indukčnost vinutí, která se mění s úhlem natočení rotoru. K maximální indukčnosti vinutí dochází při pozici rotoru s fázovým rozdílem 90° a označuje se jako indukčnost v ose q (Lq); k minimální indukčnosti vinutí dochází v přímé ose a označuje se jako indukčnost v ose d (Ld).

http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Casopis_duben_2014/motory_2.jpgMotory SPM mají indukčnost vinutí, která se s pozicí rotoru téměř nemění (Ld ≈ Lq).

Proměnlivost indukčnosti vinutí podle úhlu natočení rotoru se označuje jako „magnetická nesymetrie“ a lze ji vyjádřit jako procentuální změnu (Lq – Ld) / Ld × 100,0. Motory SPM mají zanedbatelnou nesymetrii, motory IPM mají nesymetrii od několika procent až po 100 % nebo více, což závisí na provedení motoru. Obrázek 2 ukazuje indukčnost vinutí motoru IPM s 20% nesymetrií.

http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Casopis_duben_2014/motory_3.jpgStrategie řízení s VFD jsou odlišné pro motory IPM a SPM, zejména pokud jde o volbu vhodných spouštěcích algoritmů motoru a optimalizaci schopnosti motorové rychlosti v oblasti konstantního výkonu. Obrázek 3 znázorňuje oblasti provozu motoru. Pro dosažení optimálního výstupního krouticího momentu a účinnosti u motorů IPM a SPM je nezbytná přesná konfigurace parametrů indukčnosti VFD.

Spouštění motoru, konstantní výkon

Než se motor PMAC může uvést do pohybu, je nutné nejprve určit pozici magnetického pole. Frekvenční měnič kompatibilní s motory PMAC může nabízet možnost výběru z algoritmů spouštění motoru, přičemž každý má požadovanou úroveň magnetické nesymetrie. Motor IPM s dostatečnou mírou nesymetrie může dovolovat, aby VFD využíval metodu „vysokofrekvenčního vstřikování“, kdy je do motoru po krátkou dobu aplikován vysokofrekvenční napěťový signál.
Výslednou amplitudu proudu, která závisí na pozici rotoru, pak lze měřit a pomocí ní určit pozici rotoru bez nutnosti otáčení hřídele.

Motory SPM nemají magnetickou nesymetrii a vyžadují alternativní metody počátečního určení pozice rotoru. Pro uvedení rotoru do známé pozice lze použít stejnosměrnou magnetizaci či podobné metody. Pro zvažovanou  polohovací aplikaci je nutno posoudit přijatelnost počátečního natáčení pro určení pozice pólů. U většiny aplikací ventilátorů a čerpadel je malé počáteční zpětné natočení pravděpodobně přijatelné, u jiných aplikací, jako je přesun materiálu, nemusí být počáteční posun ve zpětném směru přijatelný.

Většina frekvenčních měničů kompatibilních s motory PMAC využívá fázový předstih motorového proudu v provozní oblasti konstantního výkonu, kdy motor přesahuje jmenovitou rychlost. Tato provozní oblast je obvykle napěťově omezená, nicméně s využitím metod fázového předstihu může motor běžet na vyšších rychlostech bez nutnosti vyššího napětí. Normálně jsou fáze motorového proudu a protielektromotorická síla sladěny, což přináší maximální  výstupní krouticí moment. Předstih proudové fáze snižuje krouticí moment motoru, je však přijatelný v oblasti konstantního výkonu, kdy je motor tepelně limitován a kdy jsou zapotřebí vyšší rychlosti.

V případě motorů IPM s dostatečnou magnetickou nesymetrií mohou frekvenční měniče, které mají moderní algoritmy pro fázový předstih, provozovat motor za vyšších rychlostí, než je obvykle možné u tradiční metody fázového předstihu využívané u motorů SPM. Poraďte se s výrobci PMAC a VFD, abyste zjistili možnosti fázového předstihu u kombinace motoru a pohonu i jakákoli hardwarová omezení, která by mohla ovlivnit spolehlivost motoru nebo VFD,
když motor běží nad nominální rychlostí.

Protielektromotorická síla motoru, frekvence a proud

Motory PMAC generují sinusové napětí protielektromotorické síly. Amplituda protielektromotorické síly je přímo úměrná rychlosti otáčení motoru. Sklon amplitudy protielektromotorické síly oproti rychlosti otáčení se označuje jako Ke motoru. Není-li VFD předem naprogramován pro motor PMAC nebo nemá-li schopnost automatického ladění, hodnota Ke motoru se bude muset zadat jako parametr. Některé VFD vyžadují zadání protielektromotorické síly ze jmenovité rychlosti motoru, namísto zadání Ke v typických jednotkách, jako je mV/ot.

Motory PMAC produkují napětí protielektromotorické síly, když jsou otáčeny v nenapájeném stavu. Při otáčení motoru bez napájení může dojít k bezpečnostním problémům – zajistěte výstrahy anebo ochranu obvodu podle potřeby.

Frekvenční měniče využívají šířkou pulzu modulované (Pulse-Width Modulated – PWM) spínání napětí stejnosměrné sběrnice, aby generovaly třífázový sinusový proud pro motor. Frekvence spínání PWM (někdy označovaná jako nosná frekvence) je běžně konfigurovatelným nastavením na VFD, obvykle s výběrem v rozsahu 2–16 kHz. Nízká frekvence spínání PWM umožňuje vysoký jmenovitý proudový výstup z VFD, avšak způsobuje větší hluk motoru; vysoká frekvence spínání PWM snižuje jmenovitý proudový výstup z VFD, avšak hlučnost motoru je snížena. Frekvence spínání PWM také ovlivňuje účinnost VFD. Elektrické ztráty VFD se zvyšují přibližně 2–3 W na 1 kHz frekvence spínání u typických frekvenčních měničů s výkonem 3–10 k s tradiční výkonovou elektronikou s bipolárními tranzistory s izolovaným hradlem (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBT).

Se změnou frekvence spínání PWM frekvenčního měniče se účinnost motoru v zásadě nemění. U systému o výkonu 3 k se při navýšení frekvence spínání o 8 kHz snižuje účinnost VFD přibližně o 1,0 %. Najděte rovnováhu mezi efektivitou používání nízké frekvence spínání PWM a hlučností motoru. Poskytují vysokou provozní účinnost v širokém rozsahu rychlostí a krouticího momentu. Pro dosažení nejvyšší účinnosti při částečném zatížení je důležité zajistit, aby parametr „minimálního proudu“ VFD, je-li poskytnut, nebyl nastaven na zbytečně vysokou úroveň. Účinnost vysoce účinného motoru PMAC o výkonu 3 k bude mít odlišný krouticí moment při používání s různými frekvenčními měniči. Změna nastavení, aby odpovídalo aplikaci, může zvýšit účinnost motoru při částečném zatížení o 5 % až 10 %.

Úspory, ale s opatrností

Motory PMAC nabízejí příležitost k výrazným úsporám energie oproti  ekvivalentním indukčním motorům. Musíte však být opatrní při výběru a konfiguraci vhodného motoru PMAC a kompatibilního frekvenčního měniče, abyste realizovali přínosy vyšší účinnosti a zajistili robustní řízení motoru. ce

Kim Baker je viceprezident pro technické zajištění aplikací společnosti NovaTorque.

www.novatorque.com

Autor: Kim Baker, NovaTorque


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2019
2019-09-05 - 2019-09-06
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno
MSV TOUR 2019
2019-10-07 - 2019-10-10
Místo: MSV, Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI