Frekvensomriktare till asynkronmotor, vector-drive, V/F?

[mr.olle.norell]

DSC_0018.jpg

Hej, har en ABB asynkronmotor som jag driver min hobbysvarv med.
Har testat att köra den på enfas med kondensatordrift, det funkade, men stånkade lite.
Dessutom får man ju inte ut max vridmoment med denna metod efter vad jag förstått.

Efter det körde jag den i Y-koppling på trefas 380/400V, alltså nätets 50Hz.
Detta funkade mycket bra, gick riktigt tyst och jämnt, och rätt varvtal till svarven.
Men det kräver ju att man har trefas framdraget.

Nu tänkte jag skaffa en frekvensomriktare för att kunna svarven på "enfas" 230V i normalt vägguttag.
Antar att det blir D-koppling då på 230V-drift med frekvensomriktare...

Har läst igenom forumet och hittat lite ledtrådar om att det finns två vanliga sorters tekniker åtminstone:
V/F-teknik (Även kallad V/Hz), samt "Vektor-tekniken"

Båda verkar ha ungefär samma uppbyggnad i kraftelektroniken.

Frekvensare.gif

Nätspänning går in, likriktas, glättas med stora elektrolytkondensatorer, och leds därefter till tre uppsättningar transistorpar av kraftigare sort, ett par för varje utgångs-fas. Poppis just nu verkar vara IGBT-transistorer, och de verkar bakas in i färdiga gjutna "kakor" har jag sett exempel på.

Genom att switch:a dessa utgångstransistorer av och på med varierande pulsbredd och frekvens kan man åstadkomma en PWM-uppbyggd utsignal att driva lasten (trefasmotorn) med.
Antar att man portionerar ut pulserna för att försöka efterlikna en sinusoidal vågform för att få jämnast möjliga motordrift?

Så: Som jag förstått det ligger den stora skillnaden mellan primitiva frekvensomriktare, och premium-frekvensomriktare i styrningen, samt funktionalitet/interfejs omkring detta paket av kraftelektronik?

V/F-tekniken, eller V/Hz
Med motorn i D-koppling, frekvensaren matad med 230V och inställd på 50Hz utsignal:
Visst ger frekvensaren då PWM-modulerad 50Hz "sinus" i tre faser med 230V effektivvärde då?
Enligt märkplåten på min motor bör det bli 1420 r/min då?

Men om man sänker till 25Hz...

Asynkronmotorns synkrona varvtal beteckning: n
n=120*(f/p)

Halvering från 50Hz-drift av motorn till 25Hz bör resultera i en halvering av varvtalet.
Men som jag förstår det måste frekvensomriktaren även sänka ut-spänningen till motorn med... (alltså minskad duty-cycle på pulsbredden).

Funderade lite kring ökning/sänkning av varvtal:

Induktansen i statorns lindningar bör ju vara konstant.
Ökar man frekvensen borde ju frekvensomriktaren se en motorlast med ett ökat "växelströmsmotstånd", alltså lättare last vig högre frekvens?
Och om man sänker frekvensen från 50Hz till 25Hz som ovan borde ju "växelströmsmotståndet" öka ända ner till DC där endast DC-resistansen finns kvar.

Så att sänkning av frekvens hör ihop med sänkning av spänning har att göra med att skydda lindningarna mot skadligt stor ström?

Motorns märkplåt ger
Y-koppling 380-420VAC | D-koppling 220-240VAC | 50Hz | 1420r/min | 0,37kW
Y-koppling 440-480VAC | D-koppling 250-280VAC | 60Hz | 1700r/min | 0,45kW

Alltså, skillnaden mellan 50 och 60Hz-drift är 280r/min på min motor (4-pol), men det kräver sissådär 30-40VAC extra spänning att svinga.
Vad händer om man inte kompenserar med spänning?
Man får det ökade varvtalet som 60Hz medför, men vridmomentet stiger inte, och därmed ökar inte maximalt effektuttag så man ligger kvar på 0,37kW maxuttag, bara att det inträffar på ett högre varvtal nu?

Jag är lite osäker på om jag förstått ovan samband rätt, och blir gärna ifrågasatt om det är några tveksamheter!

Nu till själva frågan jag egentligen har inför köpet av frekvensomriktare:

Ska jag försöka få tag i vector drive-typen eller satsa på V/F-tekniken?
Vektor-tekniken skaffar sig någon sorts återkopplingssignal, och kan kompensera för belastning på ett sätt som den passiva (linjära?) V/F-tekniken inte kan eller?
Och det fungerar genom att vektor-tekniken har en liten mikroprocessor som läser sensorn, och räknar och reglerar efter en algoritm i realtid och anpassar sin utsignal efter?

Den ena vektor-tekniken verkar använda extern sensor (direkt feedback-typ) men den dominerande typen verkars sakna extern sensor, (indirekt feedback-typ).

Fick dessa funderingar av en Youtuber som heter "AVE" som rekommenderar "Vector drives"
Hans modul har "Torque-control", "Overtorque" osv...


Är det något speciellt med hans frekvensare, eller är det en rätt vanlig "general purpouse" som skulle kunna ersättas med en Siemens eller nåt annat vad som helst?

Här är vad jag läst:

https://en.wikipedia.org/wiki/Vector_control_(motor)
https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_torque_control
https://en.wikipedia.org/wiki/Variable-frequency_drive
https://sv.wikipedia.org/wiki/Asynkronmotor

Det där med eftersläpning på asynkronmotorer verkar vara lite centralt, kanske är det det man mäter...

[TomasL]

Vad händer om man inte kompenserar med spänning?

Det beror på hur mycket överdimensionerad motorn är.
Momentet blir lägre, och beroende på motor och applikation så kan det fungera, eller inte.

Skalär eller Vridmoment.
Man brukar säga så här:
Enkla maskiner, såsom fläktar och centrifugalpumpar med lågt momentbehov funkar utmärkt med en enklare skalärstyrning.
Har man lite tyngre och svårare laster så är momentstyrning nödvändigt, samma gäller om man behöver ha en noggrann kontroll på hastigheten, oavsett last.

I De lite bättre omriktarna kan ofta välja vilken funktion man vill ha.
En asynkronmotor är en synkronmotor med eftersläpning, och det är i princip eftersläpningen som skapar momentet sas.

Har man flera motorer kopplade till samma omriktare, så är skalärstyrning ett krav, momentstyrning fungerar inte i en sådan applikation

EN annan sak att tänka på är att du aldrig kan få högre utspänning än vad du har inspänning.
Vill man köra översynkron drift, så måste man mata motorn med proportionellt högre spänning.
Till exempel vill man köra en vanlig 50Hz motor i 87 Hz, måste omriktaren vara kopplad till ett 400V nät och motorn kopplad för 230V.
Det är också den högsta frekvensen man kan köra en vanlig standard asynkronmotor på, och man får då i princip 1,73xMärkvarvtalet.

Motorn drar då samma ström vid 87Hz som vid 50Hz.

Jag använder rätt många ABB ACS850 i våra maskiner, där vi ofta kör med DTC, omriktaren ligger kontinuerligt och mäter spänning och ström, och på så sätt utan givare kan omformaren räkna fram hur den skall köra motorn.
Dock krävs det att man i DTC-läge kör en motoranpassning, där omriktaren först mäter upp motorn med bl.a. DC.
Kör man i skalärt mod, så behöver inte omriktaren några motorparametrar egentligen.
Dock är fördelen med DTC att man får fullt moment även vid uppstart.

[ziw]

Herr Norell, det var många frågor.

Det du kallar V/F teknik tror jag även kallas att använda frekvensriktaren skalärt, dvs den skickar ut en frekvens till motorn och den snurrar med.
Vektorstyrning har alltid någon form av återföring via en encoder eller mätning på 2 av faserna till motorn. Används tex på ABB:s ACS drifter.
Du kan lugnt svarva med en skalär drift.
ACS drifterna har också DTC, direct torque control, reglering av motorns moment genom att kommutera (styra) motorn via 2 fasmätningen.
Det var IGBT transistorerna och snabba datorer som gjorde det möjligt,

Frekvensdrift betyder varvtalsreglering med konstant moment upp till synkront varvtal. Effekten stiger med varvtalet.
Går man över synkront varvtal sker regleringen med konstant effekt. Motorn är begränsad av sin maxeffekt.
Max frekvens brukar sträcka sig till 400Hz på de flesta frekvensriktare. Men det vill till att motorn håller mekaniskt och att den orkar dit. Kylfläkten drar en del vid höga varv.

Vid låga varvtal, under 10 Hz, tappar motorn moment eftersom järnet i motorn inte räcker till. Ungefär som att
köra en transformator med för låg frekvens. Det kompenseras normalt genom att höja spänningen.

En frekvensriktare som drivs av 1fas och lämnar 3fas har jag inte kommit i kontakt med, men det borde gå med den låga effekten.

En VFD består av en likriktare, ett mellanled (kondensatorbank) och själva omriktaren. Nackdelen är att effekten kan bara gå till motorn, inte tillbaks till nätet
om man vill bromsa. Inte aktuellt för din svarv kanske. Bromsenergin laddar upp kondensatorbanken men kommer inte vidare. Enklaste lösningen
är att bränna bort överspänningen i ett bromsmotstånd via ett relä som känner av spänningen i kondensatorbanken.

[Elman]

Vektordrive och tacho givare brukar man ha där en perfekt hastighet är viktig. vilket jag aldrig personligen jobbar med i fläkt eller pumpdrifter där man kör mot ett tryck eller flöde man vill hålla.

Enklast kan man sammanfatta att val av koppling Y eller D avgörs vad lindningen tål för spänning i ditt fall vill du mata med 230V över en D lindning för slippa ha ett 3fas uttag (vid 400v Y matas ju 400v via 2 st lindnigar i serie mellan 2faser)

Ampere avgör hur mycket värme /lindnigen tål förenklat..
Sen kan man säga att ju mer/tyngre belastningen (Kw) blir ju mer ÖKAR eftersläpningen och amperen i lindningen som motorn suger i sig och mer värme bildas i motorn eftersom energin man stoppar in i motorn inte blir rörelseenergi så blir det värme..

att du har en 60hz märkning och högre spänning på skylten är att 60 hz finns som standard i sladden i vissa länder med den spänningen.

egentligen brukar momentet vara det man skall titta efter är oftast det man vill ha vid en viss hastighet och väljer motorer/antal poler därefter .

så motorformeln lite enkelt att om man bara ändrar en storhet i taget
mindre spänning ger mer ampere vid samma belastning
mindre belastning ger mindre eftersläpning som är det samma som mindre ampere och mindre värme i lindning. eller tvärtom


Det vektor styrning/tacho givaren gör är att öka Hz så att hastigheten bibehålls men det medför att motorn kommer att suga i sig mer ännu mera ström och bli varmare men behålla sin hastighet i stället för sacka efter när den går trögt.

FO måste hålla värdena inom ramarna för motorn som man matar in annars går motorn sönder.
max (värme)/ström i lindningen =Ampere
max spänning som isolationen lacken på tråden håller för ..
max mekaniskt varv som "g krafter" utan att det sönder.. ex man kan köra en 1500/4 polig motor i 3000 varv 100hz om det håller ....

230V 1fas till 230v 3fas FO är vanliga i länder där 3fas inte finns. har bara råkat på 1 av den anledningen hittills.

Men sänker du farten på motorn så kyls den sämre av sin egen kylfläkt... och belastar man den då fullt pajar den
Men FO håller även startströmmen nere.. Gissar att en liten svarv att en perfekt hastiget inte är avgörande?
/P

[TomasL]

Men, fortfarande gäller för en normal motor, dvs en traditionell asynkronmotor.
Om motorn är en 230/400V motor:
Y-Kopplad (400V) max varvtal är det instämplade varvtalet, max frekvens 50Hz.
D-Kopplad motor (230V), Omformaren matas med 400V, max hastighet 1,73xNominellt varvtal, max Frekvens 87Hz.

Sedan finns det specialmotorer som kan köras lite högre, typ 60Hz för en Y-kopplad motor.

[GFEF]

Vilken max frekvens en standard elmotor tål ha diskuteras i den tråd.

http://elektronikforumet.com/forum/view ... hilit=beer

[TomasL]

Oavsett om den tål oändligt höga varv, så går en standard 230/400V asynkronmotor inte att köra högre än 87Hz.

[arvidb]

Det går väl alldeles utmärkt att köra den i mer än 87 Hz, men man får inte fullt moment då (eftersom det inte finns tillräcklig spänning för att trycka in full ström genom motorns induktans).

Eller menar du att det finns någonting annat som begränsar?

[TomasL]

Man får ju utgå i att momentet behövs för applikationen i fråga, visst en helt obelastad motor kanske kan gå högre, men det blir inte praktiskt användbart.
Naturligtvis kan ju man ha en våldsamt överdimensionerad motor, men det är ju ofta inte speciellt lämpligt.

Så för rent praktiskt användande så skall man utgå ifrån att 87Hz är maximala frekvensen.

[danei]

Nej. Det beror helt på dimensioneringen och lastens karakteristik. Momentet går ner över 87Hz/50Hz men det är inte samma sak som att det inte går.

[TomasL]

Nu pratar vi praktisk användbarhet, i de flesta applikationer är motorn mycket noga anpassad till lasten, för att det skall bli så ekonomiskt som möjligt.

Ett förklarande dokument från AB
http://www.ab.com/support/abdrives/docu ... b/1024.pdf

[prototypen]

Men nu gäller denna tråden en svarv och vi kanske ska skilja på att grovsvarva med 3 mm skärdjup och stå med en bit slippapper och putsa bort lite repor. I första fallet kanske det bara går att köra med 50 Hz medan andra fallet medan fallet med putspapperet går köra med 100 Hz pga lågt momentbehov.

Protte

[mr.olle.norell]

Tack för alla svar hörni! Sorry att jag inte varit så snabb på att svara, men har läst era inlägg, och googlat utifrån vad som kommit fram!

Vektordrive och tacho givare brukar man ha där en perfekt hastighet är viktig. vilket jag aldrig personligen jobbar med i fläkt eller pumpdrifter där man kör mot ett tryck eller flöde man vill hålla.

Okej, gissar att du har tryck och flödes-mätare som ger en utsignal som går in på en ingång på frekvensomriktaren?
Frekvensomriktaren ställs då in för att driva motorn tills rätt värde från givaren uppnås?
Och dessa frekvensomriktare du kör med är normalt den klassiska etablerade "skalärdrift-typen"?

Det vektor styrning/tacho givaren gör är att öka Hz så att hastigheten bibehålls men det medför att motorn kommer att suga i sig mer ännu mera ström och bli varmare men behålla sin hastighet i stället för sacka efter när den går trögt.

Intressant, jag funderade på hur frekvensomriktare med vektorstyrning gör för att bibehålla varvtal, den bumpar frekvensen på utsignalen alltså!
Kanske även att spänningen höjs och följer med frekvensen?

Gissar att en liten svarv att en perfekt hastiget inte är avgörande?
/P

Nej alltså förut när jag drev motorn på 3~ 400VAC Y-kopplad så räckte motorns moment till att svarva det jag ville.
Kunde inte märka att motorn "lastades ner", eller "sackade" nämnvärt när verktyget grep in i svarvämnet med de skärdjup jag körde.

Frågan är vad som händer på 25Hz, halva varvtalet. Det kanske är först då man märker av att motorn tyngs ner betänkligt?

Det du kallar V/F teknik tror jag även kallas att använda frekvensriktaren skalärt, dvs den skickar ut en frekvens till motorn och den snurrar med.
Vektorstyrning har alltid någon form av återföring via en encoder eller mätning på 2 av faserna till motorn. Används tex på ABB:s ACS drifter.
Du kan lugnt svarva med en skalär drift.
ACS drifterna har också DTC, direct torque control, reglering av motorns moment genom att kommutera (styra) motorn via 2 fasmätningen.
Det var IGBT transistorerna och snabba datorer som gjorde det möjligt.

Intressant! Direct torque control är lite coolt!

Frekvensdrift betyder varvtalsreglering med konstant moment upp till synkront varvtal. Effekten stiger med varvtalet.

Vid låga varvtal, under 10 Hz, tappar motorn moment eftersom järnet i motorn inte räcker till. Ungefär som att
köra en transformator med för låg frekvens. Det kompenseras normalt genom att höja spänningen.

Är helt med på transformator-analogin! Anledningen att switchmode-nätaggregat sparar in med liten trafo och lite järn är hög switchfrekevens.
Men "frekvensdrift" som du skriver, det ingår i vektor-tekniken med DTC osv?

Vad händer om man inte kompenserar med spänning?

Det beror på hur mycket överdimensionerad motorn är.
Momentet blir lägre, och beroende på motor och applikation så kan det fungera, eller inte.

Skalär eller Vridmoment.
Man brukar säga så här:
Enkla maskiner, såsom fläktar och centrifugalpumpar med lågt momentbehov funkar utmärkt med en enklare skalärstyrning.
Har man lite tyngre och svårare laster så är momentstyrning nödvändigt, samma gäller om man behöver ha en noggrann kontroll på hastigheten, oavsett last.

I De lite bättre omriktarna kan ofta välja vilken funktion man vill ha.
En asynkronmotor är en synkronmotor med eftersläpning, och det är i princip eftersläpningen som skapar momentet sas.

Har man flera motorer kopplade till samma omriktare, så är skalärstyrning ett krav, momentstyrning fungerar inte i en sådan applikation

EN annan sak att tänka på är att du aldrig kan få högre utspänning än vad du har inspänning.
Vill man köra översynkron drift, så måste man mata motorn med proportionellt högre spänning.
Till exempel vill man köra en vanlig 50Hz motor i 87 Hz, måste omriktaren vara kopplad till ett 400V nät och motorn kopplad för 230V.
Det är också den högsta frekvensen man kan köra en vanlig standard asynkronmotor på, och man får då i princip 1,73xMärkvarvtalet.

Motorn drar då samma ström vid 87Hz som vid 50Hz.

Jag använder rätt många ABB ACS850 i våra maskiner, där vi ofta kör med DTC, omriktaren ligger kontinuerligt och mäter spänning och ström, och på så sätt utan givare kan omformaren räkna fram hur den skall köra motorn.
Dock krävs det att man i DTC-läge kör en motoranpassning, där omriktaren först mäter upp motorn med bl.a. DC.
Kör man i skalärt mod, så behöver inte omriktaren några motorparametrar egentligen.
Dock är fördelen med DTC att man får fullt moment även vid uppstart.

Intressant! Ska läsa på lite mer om vilka frekvensomriktare som har skalärstyrning, och vilka som har DTC/vektorstyrning!
Tycker inte alltid det framgår tydligt på tillverkarens produktinformationer alltid!

[SeniorLemuren]

Man får ju utgå i att momentet behövs för applikationen i fråga, visst en helt obelastad motor kanske kan gå högre, men det blir inte praktiskt användbart.
Naturligtvis kan ju man ha en våldsamt överdimensionerad motor, men det är ju ofta inte speciellt lämpligt.

Så för rent praktiskt användande så skall man utgå ifrån att 87Hz är maximala frekvensen.

Jag vet inte vad du har för definition på praktisk användbarhet. Ta t.ex min pelarborrmaskin som gör max 1200 Varv och klarar att borra 15 mm hål.

Vill jag borra ett litet hål på t.ex. 1 mm så vill jag kanske den attskall snurra 7000 varv/min. Den effekt som behövs för att driva borren för att borra 1mm i stål är nästan försumbar i sammanhanget. Det samma gäller ju även om jag vill svarva något med liten diameter.

Så visst finns det många användningsområden där det är fullt möjligt att dra nytta av ett väsentligt högre varvtal än det du tvärsäkert slår fast. Värden är lite större än den du lever i. Det handlar inte alltid om att driva kylpumpar. Elmotorer används till en hel massa andra saker där man i bland vill få ut höga effekter vid lågt varvtal eller höga varvtal med låg effekt i samma maskin.

[mr.olle.norell]

Jag kollade in den frekvensomriktare som youtubern AVE (länk inlägg ovan) använder till sin Boxford-svarv.
Den heter GS2 och säljs av sajten Automationdirect.
https://www.automationdirect.com/adc/Sh ... #btn-bar-c

Youtubern "AVE" kallar den "Vector drive", men på sajten står det V/Hz control and PID.
Det är alltså skalärstyrning och PID. Läste på om PID, det är ett sorts reglersystem, men jag förstår inte exakt vad det gör på en frekvensare.

Är det sant som jag förstår det att hans GS2 frekvensare inte är en sann "vector drive", utan snarare en frekvensomriktare med vanlig icke återkopplad skalärstyrning?
Men han säger ju i videon att den har "torque control"?

Jag har grävt lite i frekvensomriktardjungeln och hittat Hitachi-frekvensare som har Sensorlös vektorstyrning
https://www.elfa.se/sv/frekvensomriktar ... cache=true
Den kostar 2400kr inkl moms och är den första jag hittat som inte är extremt dyr, men ändå har sensorlös vektorstyrning.

Men som flera tipsat om så kanske det inte är helt nödvändigt med vektorstyrning på en svarv...
Hmm, jag har liksom ingen erfarenhet.

Siemens har lite modeller också som är billigare än Hitachin, men verkar sakna återkopplad sensorlös vektorstyrning...