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Electric Drives and Controls | 02.10.2012 | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG 2012. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
Frequency converter with induction motor
Datum: 02.10.2012Ort: Lohr am MainErstellt durch: R. ReutterVersion: V01_en
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Electric Drives and Controls | 02.10.2012 | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG 2012. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
Frequency converter with induction motor
Basics Frequency converterServo – Frequency ConverterRectifier – Mains ChokePre-chargingInverterMotor FilterMains FilterBraking Resistor
Basics Inductance MotorConstructionStator Rotating FieldFunction
Basics motor controlV/fField orientated controlSensor less field orientated control
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Basics frequency converters
Difference between frequency converter an servo controller?
ServoHigh peak powerSM and ASMAlways with encoderMostly position mode
Frequency converterHigh continuous powerASM (inductance motor)With or without encoderMostly velocity controlled
The construction is identical Both are V-converters
Output of variable frequency and voltage
Differences only in application / possibilities of the Firmware
In the Rexroth language „open Loop“ means „without encoder“
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Basics frequency converters
Mains Filter
Mains Choke
Rectifier Inverter
DC-linkMotor Filter
Motor
DC-link CapacityBraking Resistor
Construction of a Frequency Converter
Pre-charging
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Basics frequency converters
DC-linkvoltage
u1
u2
u3
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Rectifier
DC-link voltage
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Basics frequency converters
u1u2 u3
u12 u13 u23 u21 u31 u32
Without capacity smoothing
With capacity smoothingDC-link
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Basics frequency converters
Mains-Side Phase Current without mains choke
Phase Voltage
Phase Current
DClink
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Basics frequency converters
Mains-Side Phase Current with Mains Choke
Phase Voltage
Phase Current
DC-link
The choke extends the time ofcurrent flow• Equal current-time area• Reduction of the amplitude• Decrease of harmonics
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Basics frequency converters
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Without Mains choke
With Mains choke
Current
Order of Harmonics
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Frequency Spectrum
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Basics frequency converters
Pre-charging / Softstart
Control
Charging current is limitated bya resistor e.g. Braking Resistor
Controlled voltage by athyristor (phase shift control)
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Basics frequency converters
U
V
W
UDC-link
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IGBT‘s are used as semiconductor switches
Inverter
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Basics frequency converters
U
V
W
UDC-link
ii
UDC
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Basics frequency converters
U
V
W
UDC-link
i
i
UDC
13
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Basics frequency converters
The converter output voltage is adjusted by the puls/break ratio
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Puls Width Modulation
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Basics frequency converters
Effect of the Puls Frequency
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Basics frequency converters
Effect of the Puls Frequency
4kHz 12kHz
Current
Voltage
• Meassured with standard norm motor and HCS02• 20 Hz motor frequency• no load running
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Basics frequency converters
Switching loss
U_DC
i
u
t
t
Switching losses
Conducting-state losses
u
i
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Basics frequency converters
Risks for the motor windings
∆t
∆U
Rate of rise of voltageMade by the fast switching timeof the IGBT‘s.HxS : 5 kV/µsFv : k.A.
OvervoltageDetermined by inteferences of the voltage pulses
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Basics frequency converters
Motorfilter / Linedumping
inverter
MFilter inductance
Leakage capacity
Lowpass – filtering high frequency parts
Adjusting of the wave impedance of the cable for a better load matching to avoid inteferinces
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Basics frequency converters
Voltage Pulse
∆U
∆t
Without Motorfilter With Motorfilter
∆t
∆U
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Basics frequency converters
Mains Filter / EMC Filter
Rectifier
InverterDC-links Motor
Mains
Mains Filter
Leakage current causedby the pulse frequency
i_lea i_lea
Should be avoided
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Basics frequency converters
Brakingresistor
A braking resistor converts regenerative kinetic energy into thermal energy. The DC-link voltage is short circuited over the braking resistor by the braking transistor(Chopper).Switching on threshold between 780 and 820V.The difference between U_on and U_out is 30….40V.
U_on
U_out
DC_link
speed
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DC-link
Mostly inside the device
Mostly outside
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Frequency converter with induction motor
Basics Frequency converterServo – Frequency ConverterRectifier – Mains ChokePrechargingInverterMotor FilterMains FilterBraking Resistor
Basics Inductance MotorConstructionStator Rotating FieldFunction
Basics Motor controlV/fField orientated controlSensor less field orientated control
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Basics induction motor
Inductance motor - Construction
Connection Box
Bearing
Shaft
Fan
Stator-Winding
Rotor
Case
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Basics induction motor
IlBF **
Principle of a motor.On a current carrying wire which is inside a magnetic field, a force is be appealed
Principle of a generatorA voltage is been induced when the wire is been moved.
vlBU **
I
B
F
v
U
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Basics induction motor
Number of pole oairs
p = 1 p = 2
One U, V and W winding. Two U, V and W windings
50Hz rated frequency
Synchronous velocity of 3000 U/min
50Hz rated frequency
Synchronous velocity of 1500 U/min
Stator
Rotor
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Basics induction motor
U
V
W
U
V
W
U
V
W
U
V
W
i1i2 i3
t1 t2 t3 t4
t1 t2 t3 t4
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Basics induction motor
The asynchonous motor can be considered like a transformer
The stator current I1 generates a alternating magnetic field Φ in the air gap
Because the phase shifting of 120° a rotating field is generated.
The flux induces a voltage in the rotor. A current I2 flows through the short
circuit rotor. These short cut current effects a force
F.
Important: The speed of the rotor must be unequal (asynchonous) to the speed of the stator field.
Asynchronous motor
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Basics induction motor
• The torque Mi at the motor- shaft is proportional to the current in the short circuit rotor and proportional to the magnetic flux Φ of the rotor field.
• The speed nd depends on the frequency in the stator windings
d2i I~M
p
fn 1
d
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Basics induction motor
Rsσs σR
RRXh
Rs= Stator resistorσs= Stator leakage inductanceRR= Rotor resistorσR=Rotor leakage inductanceXh=Main inductanceU
IgesImag Itorque
Rating plate:6 values are always declared• Voltage• Speed• Frequency• Power• Current• Cos(phi)
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Basics induction motor
A constant flux in the air gap has to be generated.
magnIL
Lf
U
Lj
UImagn
2
When the ohmic part is neglect the magnetising current can be described by this formula.
To get a constant flux the following condition must be met.
.constf
UImagn
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Frequency converter with induction motor
Basics Frequency converterServo – Frequency ConverterRectifier – Mains ChokePrechargingInverterMotor FilterMains FilterBraking Resistor
Basics Inductance MotorConstructionStator Rotating FieldFunction
Basics motor controlV/fField orientated controlSensor less field orientated control
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Basics motor control
Motor characteristic of an ASM with 50 Hz rated frequency
50Hz (rotating field frequency)
Slipfrequency
Slip= Difference between the real frequency of the rotor and the rotating field frequency
Rated point
Breakdown torque
Big slip
Small slip
Big torque
Small torque
Depending on the load the operation pointis moving on the charecteristic
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Basics motor control
Inductance motor with frequency converter
f [Hz]
Normal operating area Field weaking area
M
Breakdown torque
Rated torque
2
)( *
n
nMM N
breakdownnbreakdown
n
nMM N
NnN *)(
The torque is reduced in the field weaking area
The characteristic is moved by the variable converter frequency
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Basics motor control
V
f
VN
fN
Norm. operating area Field weaking area
V/f-control
It‘s an open loop voltage control
For every frequency (demand speed) the converter gives a specific voltage out.
The relation between voltage and frequency is constant to get a constant flux in the mashine.
Optimisations modify the form of the curve.
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Basics motor control
Field orientated control- FOC
V
id1
iq1is1
phi1
Magnetising current
Active current
Summery current
The motor current is devided in two parts.Iq = Torque generating currentId = Magnetising current
Both currents can be independently of each other impressed into the maschine
iq2 is2
phi2
=id2
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Basics motor control
Sensor less field orientated control - FXC , SVC
Current
Voltage
Field frequency
Motor control
Accurate motor parameters
Operation point of the mashine
Calculating of actual speed and slip
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Basics motor control
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Comparison of the three control modes
V/f FOC Sensorless FOC
Complete torque at standstill
no yes no
Speed accuracy - - +++ +
Knowledge of motorparameters
low much a lot of
Torquelimitter no yes yes
More motors at one converter
yes no no
Positioning no yes no