Masterproef Impact van een sinusoïdale sturing op het totaalrendement van een aandrijfsysteem

Transcriptie

1

2 Masterproef Impact van een sinusoïdale sturing op het totaalrendement van een aandrijfsysteem Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Academiejaar 9- Steven Degryse Academische bachelor- en masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 85 Kortrijk

3 Voorwoord Bij het begin van het academiejaar kreeg ik mijn eindwerk voorgeschoteld: Impact van een sinusoïdale sturing op het totale rendement van een aandrijfsysteem. De opdracht bestond er enerzijds in om de werking van de NFO Sinus omvormer te achterhalen. Anderzijds de isorendementscontouren op te nemen van de omvormer en te vergelijken met een PBM omvormer. Bijkomend zijn er gerichte metingen gebeurd naar het verschil tussen rendementen van lage en hoge schakelfrequenties en is er een geluidsmeting verricht om inzicht te krijgen in de geluidsproblematiek. Tijdens het eindwerk was een goede basiskennis van verschillende vakken van voorgaande academiejaren vereist om het geheel tot een goed eindresultaat te laten verlopen Dit eindwerk is zelfstandig gecreëerd maar er is telkens overleg gepleegd met de projectmedewerkers van het Tetra-project en met mijn promotors. Ik kreeg de kans om binnen HOWEST mijn eindwerk uit te voeren. Hierbij wil ik mijn dank betuigen aan volgende personen: - Dhr. Steve Dereyne (externe promotor) - Dhr. Bram Vervisch (interne promotor) - Dhr. Pieter Defreyne (Wetenschappelijk medewerker) - Dhr. Heinz Vervaeke (Wetenschappelijk medewerker) - Alle mensen die mij geholpen hebben intern in HOWEST - Familie en vrienden Steven Degryse I

4 Inhoudsopgave Voorwoord... I Inhoudsopgave... II Abstract... V Figuren... VI Tabellen... VII Grafieken... VII Opdrachtomschrijving... Inleiding... Omvormer / drive.... Inleiding.... Elektronische controle van een asynchrone motor [, ]....3 Snelheidsregeling [] Frequentieregelaars Directe omvormers Indirecte omvormer Modulatietechnieken [] Sinusmodulatie Vectormodulatie Schakeltoestanden Ruimte vector modulatie Hysterese stroomregeling....5 Negatieve gevolgen PBM als motorvoeding [5] Fourier analyse Trillingen en geluid Geluid Levensduur... 4 Sinus frequentie omvormer/drive [6, 7] Algemeen Basiswerking Studie van het wisselrichter gedeelte... 9 II

5 .3. Basisprincipe geschakelde regelaar [8] Laagdoorlaatfilter (LC-filter) Hardswitching vs softswitching [9] PowerMOSFET vs IGBT [] Schakelfrequentie Switch circuit Invertor gedeelte Vectorcontrole [7, ] SFO Motormodel NFO (Natural Field Orientation)[3-5] NFO vs SFO [5] Besluit Rendement bepalen omvormer Structuur [6] Iso-rendementscontouren Meetopstelling Grid bepalen Meting / Grafieken Inleiding Voorbeeld vaste matrix Omvormer G Omvormer G met fluxoptimalisatie Verschilcontouren omvormer G en omvormer A Besluit Impact schakelfrequentie PBM omvormer Meetresultaten Verschilcontour omvormer A khz-khz UoF Verschilcontour omvormer A khz-khz Vector Verschilcontour omvormer A khz-5khz Vector Verschilcontour omvormer A 5kHz-kHz Vector Verklaring Besluit III

6 5 Geluidsmeting [7] Inleiding Meetopstelling Meting Besluit Algemeen besluit Literatuurlijst... 6 Bijlagen... 6 Bijlage... 6 Bijlage... 7 Bijlage IV

7 Abstract Within the scope of the Tetra-project "Energy-efficient use of electric motors and drives within the machine building world" research is carried out on new technologies that have an impact on the total efficiency for a power actuating system. One of these new technologies is a sinus drive. Nowadays drives are often a source of misery. They are responsible for extra warming up the motor, decreasing of the lifetime, additional sound and EMC problems. The main reason is the pulse width modulated output voltage of the drive (PWM). This modulation technique chops a dc voltage into pulses which contain lots of harmonics. The available technologies (e.g. sinus filters) that would provide a solution are not always effective. An alternative solution is the NFO Sinus drive. This sinus drive creates a purely sinusoidal voltage instead of a PWM-signal. The big advantage is that there are no extra losses in the motor caused through the PWM voltage. Additional benefits are noiseless operation of the motor and the total reduction of cable reflections in long cables. The purpose of this Master's thesis is, on the basis of specific measurements to understand this drive and to make conclusions on the efficiency. For both motor, drive as for the combination. Herefore iso-efficiency curves are used. These type of contours are already used in the automobile sector, more precisely in hybrid vehicules. Prior to the study of the NFO Sinus drive, the different principles of converters available on the market are studied. These technologies are compared to the NFO Sinus drive. The conclusion of the measurements is that the NFO Sinus drive creates a lower total efficiency for a power actuating system. The main reason is that the NFO Sinus drive has more electronic components that must been fed. V

8 Figuren Figuur.: Schematisch overzicht van de soorten regelingen... Figuur.: Principe Cyclo-omvormer... 4 Figuur.3: Principeschema matrixomvormer... 5 Figuur.4: Foute schakeltoestanden... 6 Figuur.5: 7 mogelijke schakeltoestanden matrixomvormer... 7 Figuur.6: Regeling matrixomvormer... 7 Figuur.7: Frequentie-omvormer met spanningstussenkring (VSI)... 8 Figuur.8: Frequentie-omvormer met stroomtussenkring (CSI)... 8 Figuur.9: PBM signaal... 8 Figuur.: Een VSI (PBM-) frequentie-omvormer... 9 Figuur.: Gelijkgerichte spanning... 9 Figuur.: Afgevlakte DC-spanning... 9 Figuur.3: PBM éénfasig op een andere f... 9 Figuur.4: Sinusmodulatie... Figuur.5: Schematische voorstelling wisselrichter... Figuur.6: Spanningsvectoren met PBM modulatie... Figuur.7: Spanningsvectoren met uitgangsspanning... Figuur.8: Blokgolf met zijn harmonischen... 3 Figuur.: NFO Sinus... 5 Figuur.: Principeschema van een sinusomvormer... 6 Figuur.3: Sinusomvormer van binnenuit bekeken... 7 Figuur.4: Buck convertor... 9 Figuur.5: Stroom-spanningsdiagram Buck convertor... Figuur.6: LC-filter... Figuur.7: Schakelgedrag van vermogenschakelaars... Figuur.8: Principe Softswitching... 3 Figuur.9: Keuze MOSFET of IGBT... 4 Figuur.: Staartstroom... 4 Figuur.: Schakelfrequentie,9kHz... 5 Figuur.: Schakelfrequentie 5,9kHz... 5 Figuur.3: Schakelfrequentie 8,8kHz... 5 Figuur.4: Schakelfrequentie,7kHz... 5 Figuur.5: PBM signaal na uitgang schakelaar... 6 Figuur.6: ingezoomd PBM signaal... 6 Figuur.7: Uitgangsbeeld spanning... 7 Figuur.8: Ingezoomd uitgangsbeeld spanning... 7 Figuur.9: Sinusomvormer principeschema []... 7 Figuur.: Stroom door de spoel & spanning over de condensator... 8 Figuur.: Patent figuur... 9 Figuur.: Patent figuur... 9 Figuur.3: Vectorendiagram van een driefasen spanning onderling verschoven... 3 Figuur.4: Vectordiagram met Clark-transformatie... 3 Figuur.5: Vectordiagram met Park-transformatie... 3 Figuur.6: Equivalent schema van een inductiemachine... 3 Figuur.7: Fasediagram Figuur.9: SFO Figuur.3: NFO Figuur 3.: Gehanteerd principe vermogenmeting VI

9 Figuur 3.: Praktische opstelling meting Figuur 3.3: Fluxoptimalisatie... 4 Figuur 5.: Fletcher-Munson curves Figuur 5.: Meetopstelling geluid Figuur 5.3: Meetopstelling geluid Figuur 5.4: Zijbanden Figuur 5.5: Harmonischen met zijn grondgolf Figuur 5.6: Trilling + geluidsspectrum Tabellen Tabel.: Schakeltoestanden... Tabel.: Kenmerken omvormer... 5 Tabel.: Laagdoorlaatfilter... Tabel 3.: Lettercodes merknamen Tabel 3.: Meetpunten drive G Tabel 3.3: Grid tabel Tabel 3.4: Gemeten koppels Tabel 3.5: Onrealistisch - Realistische contour Tabel 5.: Maximum trilling en geluid bij een bepaald toerental Grafieken Grafiek 3-: Op te nemen grid Grafiek 3-: Driverendement (Motor B/IE/,75kW/Drive G/UoF)... 4 Grafiek 3-3: Motorrendement (Motor B/IE/,75kW/Drive G/UoF)... 4 Grafiek 3-4: Totaalrendement (Motor B/IE/,75kW/Drive G/,75kW/UoF)... 4 Grafiek 3-5: Verschil Drive (Motor B/,75kW/IE/"Drive G FO - Drive G")... 4 Grafiek 3-6: Verschil Motor (Motor B/,75kW/IE/"Drive G FO - Drive G")... 4 Grafiek 3-7: Verschil Totaal (Motor B/,75kW/IE/"Drive G FO - Drive G") Grafiek 3-8: Verschil Drive (Motor B/,75kW/IE/"Drive G: UoF - Drive A: Vector") Grafiek 3-9: Verschil Motor (Motor B/,75kW/IE/"Drive G: UoF - Drive A: Vector") Grafiek 3-: Verschil Totaal (Motor B/,75kW/IE/"Drive G: UoF - Drive A: Vector") Grafiek 3-: Verschil Drive (Motor B/,75kW/IE/"Drive G: UoF FO- Drive A: Vector") 46 Grafiek 3-: Verschil Motor (Motor B/,75kW/IE/"Drive G: UoF FO- Drive A: Vector") 47 Grafiek 3-3: Verschil Totaal (Motor B/,75kW/IE/"Drive G: UoF FO- Drive A: Vector") 47 Grafiek 4-: Verschil Drive (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: khz - khz "UoF) Grafiek 4-: Verschil Motor (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: khz - khz "UoF) Grafiek 4-3: Verschil Totaal (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: khz - khz "UoF) Grafiek 4-4: Verschil Drive (Motor B/,75kW/IE/"Drive A: khz - khz"vector)... 5 Grafiek 4-5: Verschil Motor (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: khz - khz "Vector)... 5 Grafiek 4-6: Verschil Totaal (Motor B/,75kW/IE/"Drive A: khz - khz "Vector)... 5 Grafiek 4-7: Verschil Drive (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: khz - 5kHz "Vector)... 5 Grafiek 4-8: Verschil Motor (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: khz - 5kHz "Vector)... 5 Grafiek 4-9: Verschil Totaal (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: khz - 5kHz "Vector)... 5 Grafiek 4-: Verschil Drive (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: 5kHz - khz "Vector)... 5 Grafiek 4-: Verschil Motor (Motor B/,75kW/IE/"Drive A: 5kHz - khz "Vector)... 5 Grafiek 4-: Verschil Totaal (Motor B/,75kW/IE/" Drive A: 5kHz - khz "Vector)... 5 VII

10 Opdrachtomschrijving In het kader van het Tetra-project Energie-efficiënter aandrijven van elektrische motoren binnen de machinebouwwereld wordt onderzoek verricht naar nieuwe technologieën die een impact hebben op het totaalrendement van een aandrijfsysteem. Eén van deze nieuwe technologieën is een sinusomvormer. Deze omvormer wordt zodanig geregeld dat de motor gevoed wordt met een zuiver sinusoïdale spanning in plaats van een PBM-spanning. Een groot voordeel hierbij is dat er geen extra verliezen zijn ten gevolge van vervormde spanning en stroom in de motor. Bijkomende voordelen zijn de geluidsarme werking van de motor en de afwezigheid van kabelreflecties over lange kabels. Het Zweedse bedrijf NFO bracht een dergelijke omvormer op de markt als het gepatenteerde product NFO Sinus drive. Het doel van deze masterproef is om aan de hand van gerichte metingen deze omvormer beter te leren kennen en conclusies te nemen met betrekking tot het rendement. Inleiding Vandaag de dag brengen frequentieregelaars vaak problemen met zich mee. Ze zorgen voor opwarming van de motor, afname van de levensduur, extra geluid en EMC problemen. De oorzaak ligt voornamelijk bij de blokvormige uitgangspanning van de regelaar (PBM). De niet sinusvormige spanning bevat veel hogere harmonischen wat problemen met zich meebrengt. De beschikbare technologieën die hieraan een oplossing bieden zijn niet altijd efficiënt. Een voorbeeld hiervan is een sinusfilter na de omvormer. Een alternatieve oplossing is de NFO Sinus omvormer. Voor de technologieën die deze omvormer hanteert, bestudeerd worden, wordt er eerst een studie verricht naar de soorten omvormers die op de markt aanwezig zijn en hoe deze werken. Met deze technologieën kan dan een verband aangehaald worden met de sinusomvormer. Puls Breedte Modulatie in het Engels beter bekent als PWM (Puls Width Modulation)

11 Omvormer / drive. Inleiding Om een beeld te krijgen van de bestaande technieken worden deze in een hiërarchisch monogram verweven. Hierin zijn twee groepen onder te verdelen: de slipregelingen en frequentieregelingen. In het script worden de frequentieregelingen nader bekeken. Deze worden opgesplitst in directe en indirecte omvormers. Bij de directe omvormers komen de cylco- en matrixomvormer aan bod. Bij de indirecte omvormers wordt de PBM omvormer besproken. Op het monogram staat te de bestuderen omvormer ook al vermeld; namelijk de sinus omvormer. Deze is onder te brengen bij de indirecte omvormers. Convertoren voor de controle van asynchrone motoren Frequentieregelingen Slipregelingen Directe omvormers Cyclo-omvormer Matrixomvormer Indirecte omvormers Stroomtussenkring Spanningstussenkring PBM omvormer Sinus omvormer Figuur.: Schematisch overzicht van de soorten regelingen. Elektronische controle van een asynchrone motor [, ] Regeltechnisch onderscheiden er zich twee grote groepen:. Scalaire sturing. Vectorsturing Het sturen van de motorsnelheid wordt een scalaire sturing genoemd. Hierbij wordt tussen het voedingsnet en de motor een elektronische convertor/omvormer geplaatst, waarmee enkel de spanning wordt geregeld in grootte en frequentie. Dit beïnvloedt de motorflux en snelheid. Er is geen terugkoppeling vereist tussen de motor en omvormer. Wordt behalve de amplitude ook de fase van de flux geregeld, dan noemt dit een vectorsturing.

12 .3 Snelheidsregeling [] Het toerental van een inductie/asynchrone -motor is gegeven door volgende formule: of 6 (.) met: toerental tr/min synchroon toerental tr/min slip synchrone frequentie Hz aantal poolparen Het toerental is regelbaar door, of te wijzigen. Het veranderen van het aantal poolparen (Dahlandermotor 3 ) wordt buiten beschouwing gelaten omdat dit geen continue snelheidsregeling is. De frequentie en de slip blijven nog over om te regelen. Systemen waarvan enkel de amplitude van de flux en slip gecontroleerd wordt zijn systemen met scalaire controle. De flux kan constant gehouden worden door de spanning en de frequentie. Hierdoor krijgt deze regeling weleens de naam U/f-sturing. Beide woorden verwijzen naar hetzelfde type motor. Asynchroon wijst erop dat de rotor niet synchroon draait met het statordraaiveld. Inductie wijst erop dat het rotorveld geïnduceerd wordt door het statorveld. 3 Dit type motor beschikt over meerdere poolparen om verschillende toerentallen te kunnen verwezenlijken. 3

13 .3. Frequentieregelaars.3.. Directe omvormers Er wordt een onderscheid tussen de directe en indirecte omvormers gemaakt. Bij directe omvormers gebeurt de omvorming direct van AC naar AC zonder een tussenomvorming naar DC in een tussenkring. Cyclo-omvormer [3] Een cyclo-omvormer bestaat uit drie antiparallel geschakelde thyristorbruggen (4 thyristoren 4 per fase). Hierdoor is er een 4 kwadrantenwerking mogelijk. De amplitude de frequentie van de ingangsspanning in de cyclo-omvormer is constant, terwijl de amplitude en de frequentie van de uitgangsspanning variabel wordt gemaakt. Om een sinusvorm te benaderen, verandert de aanstuurhoek van de thyristoren continu zodat een redelijke sinusvormige spanning ontstaat. Figuur.: Principe Cyclo-omvormer Deze opstelling wordt zelden gebruikt bij lage vermogens omwille van de slechte kwaliteit van de opgewekte benaderde sinusgolven. Enkel wanneer zeer grote vermogens nodig zijn (enkele tientallen megawatt en meer) of als de lage kostprijs zijn onvolmaaktheden doet vergeten. 4 Een thyristor is een halfgeleider met de werking van een elektronische schakelaar die geschikt is om grote vermogens bij hoge spanningen met betrekkelijk weinig verlies te schakelen. 4

14 Matrixomvormer [4] Een matrixomvormer is vooral gekenmerkt door het ontbreken van een tussenkring. De ingang (voeding) is d.m.v. een schakelmatrix rechtstreeks aan de uitgang verbonden. Door een bepaald schakelalgoritme toe te passen kan de gewenste uitgangspanning worden bereikt. Om dit te verwezenlijken zou het best moeten gewerkt worden met bi-directionele schakelaars om te verbindingen van het schakelen tot stand te brengen. Deze schakelaars zorgen er voor dat er een verbinding kan gemaakt worden tussen elke lijn van de voeding en de lijn van de motor. Deze schakelaars bestaan echter nog niet in praktijk. Een oplossing hiervoor is: een netwerk van twee antiparallelle uni-directionele (Figuur.3). De filter dient om ongewenste harmonischen in de ingangsstroom teniet te doen afkomstig van de schakelfrequentie. Deze filter is een laagdoorlaatfilter bestaande uit een spoel en een condensator. Deze omvormer biedt tevens de mogelijkheid om de cos ϕ te regelen. Hierdoor vervallen de condensatorbatterijen die vooraan de installatie moeten worden geplaatst. Figuur.3: Principeschema matrixomvormer In vergelijking met een indirecte omvormer (zie later) is de continuïteit van deze omvormer lager. Als er een spanningsdip in het net optreedt wordt deze direct doorgeschakeld naar de motor. Zolang een bi-directionele schakelaar nog niet uitgevonden is, ligt het rendement van deze omvormer lager dan zijn tegenhangers door het geleidings- en schakelverliezen van de extra vermogencomponenten. 5

15 De 9 bi-directionele schakelaars 9 of m.a.w. 5 schakelmogelijkheden. Door het feit dat de omvormer gevoed wordt door een spanningsbron en de belasting inductief is moet er worden vermeden dat de ingangsfasen worden kortgesloten (Figuur.4: fase a en fase b) en dat de uitgangsstroom niet wordt onderbroken (Figuur.4: stroom B en stroom C). Door het elimineren van deze foute schakeltoestanden kan dit worden teruggebracht op 7 modes. Figuur.5 toont deze 7 toestanden. a aa ab ac b ba bb bc c ca cb cc A B C Figuur.4: Foute schakeltoestanden a aa ab ac b ba bb bc c ca cb cc A B

16 Figuur.5: 7 mogelijke schakeltoestanden matrixomvormer Het regelen van matrixomvormers gebeurt op dezelfde manier als conventionele spanningsomvormers. Het enige verschil is dat er 7 verschillende schakelconfiguraties zijn. Hierdoor worden er nog meer mogelijkheden gecreëerd. Aan de motorzijde wordt de uitgangsspanning opgemeten. Hierdoor ontstaat de mogelijkheid om de cos ϕ te regelen. Hierdoor vervallen de condensatorbatterijen die vooraan de installatie moeten worden geplaatst. Dit komt de totale efficiëntie van de matrixomvormer ten goede. Het regelsysteem neemt ook de ingangsstroom en ingangsspanning binnen. Met de hoek hiertussen kan de juiste schakelkeuze gekozen worden van de matrixomvormer. Hierdoor kan ook gebruik gemaakt worden van ruimte vector modulatie. Voeding Figuur.6: Regeling matrixomvormer 7

17 .3.. Indirecte omvormer De netfrequentie van 5Hz wordt in twee stappen omgevormd naar een instelbare frequentie bij een indirecte frequentie-omvormer. In een eerste stap wordt de spanning omgezet naar DC. Er bestaan omvormers met een spanningstussenkring (Figuur.7) en omvormers met een stroomtussenkring (Figuur.8) 3x4V 5Hz Gelijkrichter Spanningstussenkring Wisselrichter M C U Figuur.7: Frequentie-omvormer met spanningstussenkring (VSI) 3x4V 5Hz Gelijkrichter L I Wisselrichter M Stroomtussenkring Figuur.8: Frequentie-omvormer met stroomtussenkring (CSI) Voltage Source Inverter (VSI) De werking van een VSI wordt uitgelegd via een wisselrichter van het PBM 5 -type. PBM is een modulatietechniek die wordt gebruikt om een DC- spanning om te vormen naar een AC-spanning. Hierbij wordt een elektrische spanning met de vorm van een blokgolf met variabele frequentie gestuurd. Door de breedte van de blokgolf aan te passen, varieert de gemiddelde spanning. Figuur.9 toont een PBM signaal. Dit signaal heeft betrekking tot het opwekken Figuur.9: PBM signaal van een sinusvormige stroom. Dit kan enkel door het inductief karakter van de inductiemotor. 5 Puls Breedte Modulatie in het Engels beter bekend als PWM (Puls Width Modulation) 8

18 Figuur.: Een VSI (PBM-) frequentie-omvormer Het geheel is opsplitsbaar in drie delen. Het eerste deel is een gelijkrichter, het tweede deel is een tussenkring en het derde deel is een wisselrichter. De gelijkrichter zorgt voor een gelijkgerichte netspanning. De tussenkring zorgt dat de gelijkgerichte spanning wordt afgevlakt en de wisselrichter zet de afgevlakte spanning terug om naar een PBM die een sinusvormige stroom opwekt op een andere frequentie. Figuur.: Gelijkgerichte spanning Figuur.: Afgevlakte DCspanning Figuur.3: PBM éénfasig op een andere f De aanloopweerstand is actief tijdens het inschakelen van de drive. Deze zorgt dat de stroom naar de condensatoren wordt beperkt bij aanloop. Later wordt deze weerstand overbrugd om extra jouleverliezen te voorkomen. De remweerstand wordt ingeschakeld gebracht via een IGBT die schakelt als de tussenkringsspanning te hoog oploopt. De overige twee weerstanden zorgen voor een goede spanningsdeling tussen beide condensatoren zodat tijdens het ontladen van de condensatoren bij het afschakelen van de omvormer, deze gelijkmatig ontladen. 9

19 .4 Modulatietechnieken [] Een inductiemotor werkt optimaal als deze met een sinusvormige spanning wordt gevoed..4. Sinusmodulatie Sinusmodulatie is een modulatietechniek die veel gebruikt wordt bij frequentiesturingen. Hierbij wordt het sinusvormig signaal vergeleken met een driehoeksignaal per tak van de omvormer. Deze sinussen zijn onderling verschoven. Telkens wanneer de waarde van het driehoeksignaal groter is dan de sinus schakelt de vermogenschakelaar af. Indien de waarde kleiner is schakelt deze terug in. Deze methode heeft een lage modulatie index 6 m =.785. Hierdoor is deze methode niet zo efficiënt. Deze methode wordt niet verder onderzocht. Figuur.4: Sinusmodulatie 6 Deze index geeft weer hoe efficiënt het signaal wordt gemoduleerd met een m =.785 gaat er.5% verloren van het signaal.

20 .4. Vectormodulatie.4.. Schakeltoestanden Een wisselrichterschakeling ziet er als volgt uit: Figuur.5: Schematische voorstelling wisselrichter Bij deze schakeling mogen nooit twee schakelaars uit dezelfde tak gelijktijdig inschakelen want dit zorgt voor een kortsluiting. Bovendien kan een schakelaar niet ogenblikkelijk van geleidingstoestand naar spertoestand overgaan. Dit zorgt dat er een dode tijd in rekening moet gebracht worden tussen de omschakeling. Met deze voorwaarden zijn er nog 8 schakeltoestanden mogelijk. Deze zijn in volgende tabel weergegeven. Een waarde geeft aan dat de bovenste schakelaar gesloten is terwijl een nul wijst dat de onderste schakelaar gesloten is. Tabel.: Schakeltoestanden X Y Z V Actieve schakeltoestanden Nul toestanden Figuur.6: Spanningsvectoren met PBM modulatie

21 .4.. Ruimte vector modulatie Bij ruimte vector modulatie is de referentiespanning onmiddellijk verwerkt door deze te ontbinden volgens de zes basisspanningsvectoren. Een voorbeeld verduidelijkt de theorie: Figuur.7: Spanningsvectoren met uitgangsspanning Op een bepaald ogenblik wenst de motor een spanning Uout. De spanning kan gevormd worden door een tijdje v= te schakelen en daarna v= en als slot een nultoestand v=7 of v=8. Met deze techniek ligt de modulatie-index hoger namelijk m=.9 of hoger..4.3 Hysterese stroomregeling Deze regeling vergelijkt de fasestroom met een referentiestroom die door een regelaar opgewekt wordt. Als de stroom buiten de grenswaarden valt verschakelen de schakelaars naar een andere positie. Deze schakeling kan alleen worden gebruikt voor een stroomtussenkring. Omdat de te bestuderen omvormer een spanningstussenkring hanteert, wordt het principe van de hysterese stroomregeling niet verder uitgelegd.

22 .5 Negatieve gevolgen PBM als motorvoeding [5] Een niet sinusoïdale spanning of stroom brengt negatieve gevolgen met zich mee voor de motor. Enkele negatieve gevolgen door PBM zijn: Trillingen en geluidsproductie in de motor, verkorting van de levensduur van de motor, reflecties,.5. Fourier analyse Een PBM-omvormer werkt met blokgolven. Deze kunnen opgesplitst worden in hun grondgolf en bijhorende harmonischen. De bijhorende formule volgens Fourier: 4 sin sin 3 3 sin 5 (.) 5 met: U = spanning (V) ω = omega (rad/s) t = tijd (s) Figuur.8: Blokgolf met zijn harmonischen Om niet dieper in te gaan op de formule toont de Figuur.8 hoe een blokgolf tot stand wordt gebracht. Deze bestaat uit een grondgolf met zijn bijhorende harmonischen. De amplitudes van de harmonischen zijn omgekeerd evenredig met de orde van de harmonische. Bij een blokgolf is het typisch dat enkel hier oneven harmonische frequenties ontstaan. De som van al deze amplitudes geeft een blokgolf als resultaat (stippellijn op de figuur). Op de figuur is dit nog niet de ideale blokgolf omdat enkel zijn vier eerste harmonische zijn uitgetekend bij de grondgolf. Hoe meer harmonische er toegevoegd worden, hoe beter de blokgolf benaderd wordt. 3

23 .5. Trillingen en geluid Geluid Door harmonischen die aanwezig zijn in een PBM ontstaan er magnetische krachten waaronder magnetostrictie 7. Dit zorgt voor een scherp geluid dat bepaald wordt door de schakelfrequentie. Dit scherp geluid wordt veroorzaakt door zuivere tonen in het frequentiespectrum. Hoe groter de schakelfrequentie van een PBM-omvormer is, hoe sterker de benadering van een sinus en hoe meer de harmonischen worden verminderd. Moderne omvormers hebben de mogelijkheid om dit geluid te vermijden door over te schakelen op een ander pulspatroon. De frequentie varieert hierbij tussen een vastgestelde range. Hou wel in bedenking wat het belangrijkst is: het geluid of de verliezen bij deze moderne omvormers. Hoe hoger de schakelfrequentie genomen wordt, hoe groter de verliezen in de omvormer zijn. Dit is doorslaggevend voor het totale rendement..5.3 Levensduur Een PBM signaal kan voor extra opwarming zorgen in de motor t.o.v. een sinus. Een algemene regel die hierbij geldt is: als de temperatuur C boven de bedrijfstemperatuur van de isolatie stijgt de levensduur van de isolatie gehalveerd wordt. 7 Vervorming van magnetisch materiaal onder invloed van een magnetisch veld 4

24 Sinus frequentie omvormer/drive [6, 7]. Algemeen De werking van een sinus frequentie omvormer wordt bestudeerd aan de hand van de NFO Sinus omvormer. Deze omvormer is tot nu toe de enige omvormer die voldoet aan de strengste normen van de EMC-richtlijn 4/8/EU die vanaf juli 7 geldt. Opmerking: Vanaf nu staat het woord omvormer voor sinusomvormer in hoofdstuk. Figuur.: NFO Sinus Deze omvormers bestaan in verschillende grootheden van.37 5kW. De omvormer die bestudeerd is, heeft volgende kenmerken: Tabel.: Kenmerken omvormer Vermogen Voedingsspanning Uitgangsfrequentie Acceleratie tijd Deceleratie tijd,75kw 3x38V-4V ±% -5Hz.-5s.-5s Opmerking: Bij deze omvormer zijn twee patenten van kracht. Namelijk patentnummer: 5,94,876 en 4,947,39. Beiden geschreven door Ragnar Jonsson uit Zweden. Het eerste patent beschrijft hoe het toerental kan gecontroleerd worden zonder terugkoppeling. Het tweede patent deelt mee hoe de wisselrichter gecontroleerd kan worden. Patent 4,947,39 is terug te vinden in Bijlage. 5

25 . Basiswerking Principeschema: Figuur.: Principeschema van een sinusomvormer De gelijkrichter en spanningstussenkring zijn identiek als een PBM frequentie omvormer. Kort samengevat: gelijkrichter richt de wisselspanning gelijk en de condensator vlakt deze af en dient als energiebuffer. Vervolgens wordt deze spanning gechopt in een PBM signaal die door een laagdoorlaatfilter wordt gestuurd (sinusfilter). De uitgang verkrijgt een zuivere sinus die naar de motor kan gestuurd worden. Dit gebeurt in het wisselrichter gedeelte van de omvormer. Deze overgang van PBM naar sinusvorm wordt verder in het boek toegelicht. 6

26 Hardwareopbouw: Figuur.3: Sinusomvormer van binnenuit bekeken Figuur. toont de grootste componenten aangeduid met hun bijpassende naam. Het gevolgde traject doorheen de omvormer wordt aangeduid met de cijfers. ) Een voedingsspanning van 3x4V aan de ingang. ) De spanning wordt door EMI 8 suppressors gestuurd. Deze zorgen ervoor dat ongewenste signalen niet binnen worden genomen. 3) De gelijkrichters zorgen voor een omzetting van een wisselspanning naar een gelijkspanning. 4) Bij het inschakelen wordt er een inschakelweerstand ingeschakeld door een relais die na verloop van tijd overbrugd wordt. 5) De tussenkringcondensatoren zorgen voor een mooi afgevlakte gelijkspanning en dienen als energiereservoir (om lastvariaties op te vangen) voor de wisselrichter. 6) Schakelaars choppen de gelijkspanning in een PBM signaal. De te bestuderen omvormer gebruikt hiervoor PowerMOSFET s. 7) Dit PBM signaal wordt door een filter gestuurd die bestaat uit een spoel en twee condensatoren. De uitgang verkrijgt een heel sterk benaderde sinus. 8) Deze spanning wordt terug door EMI suppressors gestuurd om ervoor te zorgen dat ongewenste signalen naar buiten worden meegestuurd. 9) Deze spanning wordt naar buiten gestuurd. M.a.w. de voeding voor de motor. 8 Elektromagnetische interferentie: elk elektronisch/elektrisch apparaat zendt elektromagnetische velden uit, deze kunnen zich voortplanten in de bekabeling waardoor andere apparaten ongewenste effecten veroorzaken. 7

27 Om een goede werking van de omvormer te garanderen, moet de temperatuur in de omvormer binnen zijn grenzen blijven. Dit wordt verwezenlijkt door een koelvin waarop de vermogenschakelaars zijn bevestigd. Deze vermogenschakelaars zijn verantwoordelijk voor de meeste geproduceerde warmte in de omvormer. Om de warmte goed af te voeren is er een ventilator gemonteerd ter hoogte van de koelvin. Een pulstransfo zorgt voor de correcte aansturing van de MOSFETS. Deze schakelt de schakelaars in en uit. Stroomopnemers meten de stroom die uit de omvormer wordt gestuurd. Dit is nodig voor een sensorloze sturing van de motor. (Zie NFO voor de werking hiervoor). Deze meting zorgt ook voor een veiligheid, zodat er nooit meer dan de maximum stroom naar de motor wordt gestuurd. 8

28 .3 Studie van het wisselrichter gedeelte Om de wisselrichter schakeling te begrijpen, is er een noodzaak om een aantal begrippen toe te lichten..3. Basisprincipe geschakelde regelaar [8] Een chopper krijgt een DC-spaning toegestuurd. Deze wordt gechopt in een PBM-signaal. Dit signaal wordt vervolgens door een filter gestuurd die zorgt voor een andere DC-spanning. Er bestaan twee mogelijkheden: ) Boost convertor: transformeert de ingangspanning omhoog naar een hogere uitgangspanning ) Buck convertor: transformeert de ingangspanning omlaag naar een lagere uitgangsspanning De methode van de omvormer gebruikt de werking van een buck convertor. Deze techniek bekijken werpt een goede blik op de werking van de omvormer. Uin + S L - D C Uuit Figuur.4: Buck convertor 9

29 Figuur.5: Stroom-spanningsdiagram Buck convertor De chopper zorgt voor een PBM-signaal. Als de schakelaar ingeschakeld is vloeit er een stroom doorheen de spoel afkomstig van de schakelaar. Deze stijgt lineair. Dit is te verklaren via formule.. Over de spoel staat een constante spanning, dus zal de stroom lineair stijgen in de tijd. (.) met u L : spanning spoel (V) L: inductie (H) i: elektrische stroom (A) t: tijd (s) Wanneer de schakelaar uitgeschakeld wordt wil de stroom door de spoel blijven vloeien door het inductieve karakter van een spoel. De diode neemt de werking van de schakelaar over en zorgt dat de stroom blijft vloeien in de kring. Merk op: Werking gebeurt met een DCspanning: de chopper zorgt voor een positieve spanning over de spoel, terwijl de diode een negatieve spanning over de spoel plaats. Hierdoor zal de stroom lineair dalen. Dit is terug te begrijpen door in bovenstaande formule nu eens een negatieve spanning in te vullen i.p.v. een positieve. Een driehoekig verloop van de stroom door de spoel is het gevolg hiervan. De uitgang verkrijgt een afgevlakte spanning door middel van de condensator die oplaadt en ontlaadt. Deze techniek zal toegepast worden in de wisselrichter van de omvormer.

30 .3. Laagdoorlaatfilter (LC-filter) Een LC-filter werkt als spanningsdeler. Naarmate de frequentie stijgt, wordt de spanningsval over de spoel groter dan over de condensator. (.) met: Z C : impedantie condensator (Ω) : omega (rad/s) C: capaciteit (F) (.3) met: Z L : impedantie spoel (Ω) : omega (rad/s) L: inductie (H) (.4) met: f : grensfrequentie (Hz) L: inductie (H) C: capaciteit (F) Figuur.6: LC-filter Bijvoorbeeld: Stel L =,3 H, C 3,8 F en 4V Via bovenstaande formules is de grensfrequentie =56,9Hz. Dit is de frequentie vanaf waar de filter zijn werk zal doen. Alle frequenties die hoger liggen worden sterk afgezwakt, de frequenties lager worden doorgelaten Tabel.: Laagdoorlaatfilter Frequentie (Hz) Ω) Ω) (V) (V) 5 9,7,9 3,8 396, 9,5 5,5 5, 385, , 38,3 8,7 947,8 5, 399,,

31 .3.3 Hardswitching vs softswitching [9] Hardswitching betekent dat de vermogenschakelaars de ladingsstroom verbreken binnen de tijd van het in- en uitschakelen van de vermogenschakelaar. Deze manier van werken heeft een zwaar omschakelingsgedrag tot gevolg. Softswitching is de tegenhanger van hardswitching. Er wordt gewacht tot de spanning of de stroom nul is vooraleer de vermogenschakelaars terug inschakelen. I Safe Operating Area On Hard-switching snubbered Soft-switching Off V Figuur.7: Schakelgedrag van vermogenschakelaars Hardswitching Tijdens het inschakelen van de schakelaar krijgt deze een hoge stroom over zich heen en tijdens het uitschakelen een hoge spanning. Dit leidt tot hoge schakelverliezen. Passieve filters worden meestal toegevoegd om dv/dt en di/dt te reduceren (snubbernetwerk). Zodat de schakelverliezen verdeeld worden over de passieve filters. Deze schakelverliezen zijn wel in verhouding met de schakelfrequentie. Hierdoor werd de schakelfrequentie gelimiteerd van de omvormers. Typisch 6-kHz.

32 Softswitching Bij softswitching schakelt de schakelaar niet in voordat de stroom zo goed als nul is. Dit wordt Zero Current Switching genoemd (ZCS). Als de schakelaar uitschakelt en de spanning ook zo goed als nul is, treedt er ook geen verlies op. Dit noemt dan Zero Voltage Switching genoemd (ZVS). Een combinatie van deze twee of één van deze schakeltechnieken kan apart gehanteerd worden. Als deze schakeltechnieken goed uitgevoerd worden, vermindert het schakelverlies drastisch. (zo exact mogelijk schakelen als de spanning of stroom nul is) P = U I Figuur.8: Principe Softswitching 3

33 .3.4 PowerMOSFET vs IGBT [] De keuze tussen een PowerMOSFET of een IGBT als vermogenschakelaar in een applicatie is moeilijk te maken. Hiervoor moeten een groot aantal dingen in rekening gebracht worden. Figuur.9: Keuze MOSFET of IGBT Een IGBT wordt vooral gebruikt tot schakelfrequenties van khz bij een spanning de V en V. Figuur.9 geeft weer welke vermogencomponent bij een bepaalde frequentie en spanning best past. Er ontstaat een overlappingsgebied tussen de khz en khz. Bij elke toepassing moet afgewogen worden welke component de beste prestaties oplevert. De schakelfrequentie van een IGBT is beperkt door de staartstroom. Deze is te wijten doordat een groot aantal minderheidsladingsdragers die aanwezig zijn nog terug gecombineerd moeten worden in N-laag. Figuur.: Staartstroom Vanaf dat de collectorstroom % van zijn eigen waarde bereikt staat de volledige saturatiespanning al over de IGBT. Vanaf dat ogenblik daalt de stroom niet meer lineair maar volgens een staart door het herstel van de N-laag. 4

34 .3.5 Schakelfrequentie Hieronder wordt de definitie van schakelfrequentie verduidelijkt. Eén schakelfrequentie wordt gedefinieerd als de tijd die nodig is om 3 vectoren te schakelen. De laatste vector die geschakeld wordt is de nulvector. Om dit aan te tonen wordt van een bestaande drive de schakelfrequentie opgemeten m.b.v. een oscilloscoop. Deze drive had vier instelbare schakelfrequenties:,9khz; 5,9kHz; 8,8kHz en,7khz. Door de cursors te plaatsen op het begin van de eerste vector en op het einde van de derde vector kan de periode onmiddellijk afgelezen worden op de scoop. Een terugkomend patroon wordt bij elke schakelfrequentie gevonden. De metingen zijn gebeurt op CH. Paragraaf.4. toont visueel de vectoren die kunnen gekozen worden. Vector Vector Nulvector Figuur.: Schakelfrequentie,9kHz Figuur.: Schakelfrequentie 5,9kHz Figuur.3: Schakelfrequentie 8,8kHz Figuur.4: Schakelfrequentie,7kHz Als de periode van het signaal gekend, is de frequentie te vinden door de periode te inverteren. (.5) met: f = frequentie (Hz) T = periode (s) 5

35 .3.6 Switch circuit Invertor gedeelte De opgemeten spanning over een vermogenschakelaar levert het volgend beeld (zie onderstaande figuren). Een PBM-signaal verschijnt. Dit geeft aan dat de omvormer met PBMmodulatie werkt. Figuur.5: PBM signaal na uitgang schakelaar Figuur.6: ingezoomd PBM signaal Opmerking: het scoopbeeld toont dat CH, CH.V aanduiden, dit moet echter met vermenigvuldigd worden doordat het signaal verzwakt naar de scoop gestuurd is. Een tussenkringspanning van ongeveer 6V wordt verkregen. Het ingezoomde scoopbeeld toont allemaal pulsblokken. Deze zijn echter niet zo gelijk als bij een klassieke omvormer met vaste schakelfrequentie (.3.5.). Ten eerste is er een schakelfrequentie van -KHz. Dit wijst erop dat er hier MOSFET s worden gebruikt om aan deze schakelfrequentie te voldoen. Een klassiek IGBT is begrensd tot ongeveer 6kHz (.3.4.). Figuur.6 toont dat de grootte van de vectoren die geschakeld worden na elkaar niet even groot zijn. Dit heeft te maken met softswitching (.3.3). Er wordt gewacht totdat de stroom nul is, dus verkrijgt het schakelpatroon een variabele frequentie en niet langer een vaste schakelfrequentie. Deze methode van schakelen zorgt voor een geluidsarme omvormer. Het menselijk gehoor is begrensd van ongeveer Hz tot 6kHz. Deze hoge schakelfrequentie zorgt dat het geluid geproduceerd door de drive niet waargenomen wordt. 6

36 De spanning opmeten aan de uitgang van de drive levert een sinus op. Figuur.7: Uitgangsbeeld spanning Figuur.8: Ingezoomd uitgangsbeeld spanning Het ingezoomd signaal toont dat de sinus opgebouwd is door middel van condensatoren. Figuur.9 toont dat de spanning gelijkgericht wordt en vervolgens naar de vermogenschakelaars gaat waar deze door een filter wordt gestuurd. Op deze filter worden er twee metingen uitgevoerd. Ze meten namelijk de stroom door de spoel en de spanning over de condensator op. Deze waarden sturen ze naar hun controller die vervolgens beslist wanneer de vermogenschakelaar aan en uit wordt geschakeld. Figuur.9: Sinusomvormer principeschema [] 7

37 Figuur.: Stroom door de spoel & spanning over de condensator Figuur. toont een driehoekige stroom met een stijgende spanning. Het spanningsbeeld is een ingezoomd stuk signaal van de verkregen sinus aan de uitgang. De stroom stijgt telkens terug nadat deze de nuldoorgang in de spoel gepasseerd is. Dit fenomeen noemt Voltage Current Switching m.a.w. er wordt hier softswitching gehanteerd. Deze strategie laat een hoge schakelfrequentie toe zonder dat de schakelverliezen de hoogte invliegen. Het principe is gelijk aan dit van een buckconvertor. (.3.) De figuren uit het patentnummer 4,947,39 laten gelijkaardige besluiten zien. De driehoekige stroom is niet onmiddellijk terug te vinden. Maar de figuur is echter een sterk uitvergrootte figuur van de stroom in de tijd. Waardoor er hier toch een driehoekige stroom kan waargenomen worden. Het enige die nog niet in dit patent is opgenomen is softswitching. Het patent laat een stroom toe die onder nul daalt. Dit patent is geschreven voor hardswitching terwijl softswitching (VCS) schakelt wanneer de stroom nul bereikt. Via ingestelde waarden schakelen de vermogenschakelaars in of uit als deze de ingestelde waarden overschrijden. In de figuur rechtsboven staat het nummer van het bijbetreffende patent vermeld. 8

38 Figuur.: Patent figuur Figuur.: Patent figuur 9

39 .4 Vectorcontrole [7, ] Er bestaat directe en indirecte veldoriëntering. Met direct wordt bedoeld dat de tegen-emk onmiddellijk wordt berekend uit de statorflux en statorstroom. Terwijl bij een indirecte veldoriëntering de tegen-emk berekend wordt door met een encoder de werkelijke positie van de motor op te meten. De vectorcontrole heeft als doel om met een AC-motor een even dynamische motor te creëren als een DC-motor..4. SFO Deze methode is gebaseerd op het werkingsprincipe van een dc-machine. Het is de bedoeling om via deze controle een zeer dynamisch koppel te verkrijgen. Het driefasig assenstelsel (wisselspanning) wordt omgetransformeerd naar een tweefasig assenstelsel (wisselspanning). Deze transformatie heet de Clark-transformatie. De figuren en formules verduidelijken het principe om van een driefasig vectorendiagram naar een tweefasig over te gaan. Figuur.3: Vectorendiagram van een driefasen spanning onderling verschoven Figuur.4: Vectordiagram met Clark-transformatie 3 Clarke-transformatie Deze formule wordt bekomen door: sin 3 sin 3 waarbij dus.5 cos 3 cos 3 3 3

40 Om de vergelijking te bekomen met een DC machine moet het tweefasig assenstelsel (wisselspanning) omgetransformeerd worden naar een tweefasig assenstelsel (gelijkspanning). Deze transformatie heet de Parktransformatie. Park-transformatie cos sin sin cos Hoe de formule tot stand gekomen is, valt het best te zien door naar het vectordiagram te bestuderen. Hierin is er een nieuw assenkruis getekend. Bestaande uit een directe - en een quadratuur as. Hierbij staat de q-as (koppelvormende component) loodrecht op de d-as (fluxvormende component). Tussen het dq-assenstelsel en het αβ-assenstelsel bevindt er zich een hoek θ. Deze hoek stelt de achterstand voor die het αβ-assenstelsel heeft op het dqassenstelsel. M.a.w. het asynchroon draaien van de motor. Figuur.5: Vectordiagram met Park-transformatie 3

41 .4. Motormodel Een inductiemotor kan voorgesteld worden in een equivalent schema. Hierin staan de componenten van de stator en rotor vermeld. Figuur.6: Equivalent schema van een inductiemachine Figuur.6 toont dat de nullaststroom I zich opsplitst in een reactieve component I m (magnetiseringstroom) en een actieve component I FE (ijzerverliesstroom). Tijdens bedrijf loopt de motor slechts enkele toeren na op het synchroon toerental zodat de theoretisch nullaststroom I weinig verschilt met de bedrijfsnullaststroom. De formule: is terug te vinden in het equivalent schema. Hieruit blijkt dat constant moet blijven om constant te houden. Dit wordt verkregen door E te schatten en proportioneel in verhouding te brengen met de snelheid. E kan niet direct opgemeten worden omdat deze zich voordoet binnenin de motor. Maar het is wel mogelijk om U s en I op te meten en hieruit E te berekenen mits dat een autotunning de overige parameters heeft gevonden voor het motormodel. Deze berekening wordt vertaald in en β coördinaten (ACwisselspanning). Dit resulteert in een ronddraaiende vector E, die omgetransformeerd wordt naar zijn d en q veldcoördinaten (DC-spanningen). Om de synchrone snelheid te berekenen speelt enkel de q component een rol omdat de d component nul moet zijn als de parameters van de motor correct gemeten zijn via de autotunning. 3

42 Figuur.7 toont duidelijk dat enkel de stroomcomponenten op de quadratuuras de E beïnvloeden. Figuur.7: Fasediagram De stroom en spanning (U s en I ) die naar de motor gaan wordt opgemeten intern de omvormer. Hieruit kan de tegen-emk berekend worden. Deze wordt omgetransformeerd via de Clark-transformatie om naar een tweefasig αβ assenstelsel. Dit levert een ronddraaiende vector op die vervolgens getransformeerd wordt via Park naar het d-q assenstelsel. De q component bepaalt de hoek tussen beide assenstelsels (de hoek geeft aan hoe ver de motor achterloopt op het synchroon toerental). Met deze hoekwaarde kan via een omgekeerde weg, de wenswaarden naar de omvormer gestuurd worden..4.3 NFO (Natural Field Orientation)[3-5] Natuurlijke veldoriëntatie (NFO) is een sensorloze vereenvoudigde versie van de stator flux oriëntatie (SFO). Het essentiële verschil is dat NFO de stator flux niet schat maar gelijk stelt met een referentiewaarde. NFO gaat ervan uit dat de motor een mooi magnetisch veld zal genereren zolang deze correcte signalen binnenkrijgt. De grootste opgave hierbij is om de magnetische flux constant te houden om correcte signalen te blijven uitzenden naar de motor toe. Als dit vervuld wordt zal er altijd correcte veldcontrole mogelijk zijn..4.4 NFO vs SFO [5] Beide theorieën zijn gebaseerd op de werking van een DC motor. Het NFO-algoritme is een speciale vorm van het traditionele SFO-algoritme. Figuur.9 toont dat NFO geen integratiefactor nodig heeft om de flux van de machine te zoeken. De snelheid wordt geschat. Dit leidt tot een stabieler systeem. Aangezien een extra integrator het systeem ook instabiel kan maken. Want een integrator zorgt voor een faseachterstand van -9. Indien de faseachterstand -8 overschrijdt leidt dit tot een instabiel systeem. 33

43 Figuur.8: SFO Figuur.9: NFO.4.5 Besluit NFO is gebaseerd op het zelfde idee als SFO. Het essentiële verschil is dat NFO de stator flux niet schat maar gelijk stelt met een referentiewaarde. Dit zorgt ervoor dat er een integrator minder nodig is wat leidt tot een stabieler geheel. NFO gaat ervan uit dat de motor een mooi magnetisch veld zal genereren zolang hij correcte signalen binnenkrijgt. 34

44 3 Rendement bepalen omvormer Om merknamen te beschermen wordt met letters gewerkt in het script. Aangezien de omvormer die te onderzoeken valt, hier het hoofdaspect is zijn letter niet geheim. Tabel 3.: Lettercodes merknamen Product NFO Sinus omvormer PWM omvormer IE,75kW motor Naamgeving DRIVE G DRIVE A MOTOR B 3. Structuur [6] 3.. Iso-rendementscontouren In de literatuur is weinig terug te vinden over het totaal rendement van een aandrijving. Om hierop een antwoord te vinden zijn iso-rendementscontouren geïntroduceerd. Deze contouren bestonden al in de hybridevoertuigsector. Een iso-rendementscontour brengt het rendement in kaart van een aandrijving over het volledige werkingsgebied. Hiervoor zijn de matrices van het toerental, koppel en rendement nodig. Belangrijkste voordelen hierbij zijn: - Mogelijkheid om het rendement te bepalen van een aandrijving met een willekeurig lastprofiel - Mogelijkheid om een aandrijving optimaal te dimensioneren - Economisch en ecologisch interessant 3.. Meetopstelling De meting is verricht op een 3-assige meetbank. De verrichte meting is een éénassige meting. De overige assen kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om energierecuperatie van de ene omvormer naar de ander te testen. Om het uigaand en ingaand vermogen van de omvormer op te meten wordt de twee- en drie-wattmetermethode gehanteerd. De meting voor het uitgaand vermogen van de omvormer hanteert de tweewattmetermethode omdat er hier geen nulgeleider tot beschikking is. Figuur 3. toont het principeschema. Een uitlijning van de motor is verricht met een Shaftalign toestel van Prüftechnik. Dit toestel verricht een laseroptische asuitlijning. Bijlage geeft het rapport weer van de uitgevoerde uitlijning. 35

45 Figuur 3.: Gehanteerd principe vermogenmeting Figuur 3. toont de praktische opstelling. Een digitale vermogenmeter zorgt voor de twee- en drie- wattmetermethode. Als omvormer wordt de NFO Sinus omvormer tussen de digitale vermogenmeter geschakeld. Uit deze meter vloeit de voeding naar de motor toe. Een andere omvormer stuurt een motor aan die een koppel vraagt aan de te meten motor. Intern de motor, dicht bij de wikkelingen wordt een temperatuurssensor geplaatst. Deze is gekoppeld met een temperatuurslogger die de waarden logt. Hierbij is het belangrijk dat er pas gestart wordt met meten als de motor zich op nominale bedrijfstemperatuur bevindt. Dit is de gestabiliseerde temperatuur van de motor bij zijn nominale belasting op regimesnelheid. Een range van ± C temperatuursverschil beïnvloedt de metingen niet. De motor wordt tot 5 C boven zijn nominale bedrijfstemperatuur gebracht door hem te overbelasten en zijn koeling tegen te werken. De metingen kunnen uitgevoerd worden tot de temperatuur 5 C onder de nominale bedrijfstemperatuur daalt. Als dit gebeurt, moet de meting stoppen tot de motor terug genoeg opgewarmd is. Koppel omvormer NFO Sinus Temperatuurlogger Digitale vermogenmeter Figuur 3.: Praktische opstelling meting 36

46 3..3 Grid bepalen De meetpunten die opgemeten worden zijn bepaald a.d.h.v. een grid. De grid is zodanig gekozen dat het interpoleren geen grotere fout van ±% veroorzaakt. Daarvoor is het aangeraden om meer meetpunten dicht bij de assen te nemen omdat daar het rendement het meest varieert. De grid verkrijgt zijn uiterste punten door eerst te kijken hoeveel de maximale stroom is, die de omvormer kan leveren aan de motor. Bij drive G was dit 5% van het nominaal koppel. Belangrijk is dat na de meting een offset van de koppelmeter opgemeten wordt. Een offset is de fout die de koppelmeter maakt bij elke meting. Deze wordt later in de meetresultaten verwerkt. Een koppelmeter kan ook geijkt worden maar dit is omslachtig. Het is eenvoudiger/handiger om een offset op te meten en te verwerken in de meetresultaten.,5,5 M / M nominaal,75,5,5,5,5,75,5,5,75 n / n nominaal Grafiek 3-: Op te nemen grid Deze meting bestaat uit 7 meetpunten die opgenomen zijn. Elk meetpunt heeft een verschillende belasting of snelheid. Dit levert een 5x8 matrix op. Zie Tabel 3. Tabel 3.: Meetpunten drive G Toerental Koppel ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,47,47,47,47,47,47,47,47,47,47,47,4,38,34,3,6,3,,7,94,94,94,94,94,94,94,94,94,94,94,84,75,68,6,5,45,39,34,88,88,88,88,88,88,88,88,88,88,88,67,5,37,3,4,9,78,69,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,5,6,5,84,57,35,8,3 3,76 3,76 3,76 3,76 3,76 3,76 3,76 3,76 3,76 3,76 3,76 3,34 3,,73,45,9,8,57,38 5,64 5,64 5,64 5,64 5,64 5,64 5,64 5,64 5,64 5,64 5,64 5, 4,5 4, 3,68 3,3,7,35,7 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,68 6, 5,47 4,9 4,8 3,6 3,4,76 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 8,36 7,5 6,84 6,3 5, 4,5 3,9 3,45,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,3 9, 8, 7,35 6,7 5,4 4,7 4,4 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6,7,53 9,57 8,58 7,3 6,3 5,49 4,83 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 3,37,3,94 9,8 8,35 7, 6,7 5,5 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 5,4 3,54,3,3 9,4 8, 7,6 6, 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8 6,7 5,4 3,67,5,44 9, 7,84 6,89,68,68,68,68,68,68,68,68,68,68,68 8,38 6,54 5,4 3,48,49 9,9 8,63 7,58 37