Taajuusmuuttajan energiatehokkuus teollisuuskäyttöisen oikosulkumoottorin kentänheikennysalueella
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-08-21
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
fi
Pages
64+4
Series
Abstract
Tässä diplomityössä tutkitaan kolmivaiheisen taajuusmuuttajan energiatehokkuutta teollisuuskäyttöisen oikosulkumoottorin kentänheikennysalueella pysyvässä tilassa. Energiatehokkuutta selvitettiin työssä kehitetyn häviölaskentamallin avulla, jonka tuloksia verrattiin kokeellisiin sähköisiin mittauksiin. Työ on jaettu neljään osaan. Työn ensimmäinen osa on kirjallisuuskatsaus, jossa tarkastellaan teorian pohjalta oikosulkumoottorin toimintaa vakiovuoalueella ja kentänheikennysalueella. Osiossa esitetään myös taajuusmuuttajan toimintaperiaate, sekä paneudutaan sen tärkeimpien komponenttien toimintaan ja niiden tuottamiin tehohäviöihin. Toisessa osassa kehitetään taajuusmuuttajalle häviölaskentamalli kentänheikennysalueella työn ensimmäisen osan perusteella. Kolmannessa osassa esitellään työssä tehty sähköinen hyötysuhdemittaus ja sen mittausepävarmuus. Lopulta viimeisessä osassa vertaillaan kriittisesti häviölaskentamallin ja sähköisen hyötysuhdemittauksen tuloksien eroja. Oikosulkumoottorin toimintapiste määritellään pyörimisnopeudella ja vääntömomentilla. Moottorin syöttöjännite ja toimintapiste määrittelevät moottorivirran eli taajuusmuuttajan lähtövirran. Taajuusmuuttajan lähtövirta ja lähtöjännite vaikuttavat taajuusmuuttajan komponenttien tehohäviöihin ja täten sen energiatehokkuuteen vakiovuo- ja kentänheikennysalueella. Moottorivirta mallinnettiin ympyrädiagrammilla oikosulkumoottorin tyyppikilven arvoilla toimintapisteen funktiona, mikä mahdollistaa toimintapisteen tarkastelun ilman moottorin parametrien erillisiä mittauksia. Moottorivirran, lähtöjännitteen ja taajuusmuuttajan sisäisten komponenttien häviöyhtälöiden avulla luotiin häviölaskentamalli, jolla pystyttiin selvittämään taajuusmuuttajan energiatehokkuus tietyssä toimintapisteessä. Laskentamallin ja sähköisen hyötysuhdemittauksen tulokset erosivat muutamia prosentteja riippuen toimintapisteestä. Laskentamalli tuotti uskottavia tuloksia staattorin pätövirtojen, taajuusmuuttajan hyötysuhteen ja kokonaishäviöiden osalta oikosulkumoottorin kentänheikennysalueella. Laskentamallin avulla voidaan tarkastella eri komponenttien vaikutusta taajuusmuuttajan energiatehokkuuteen, ja täten valmistautua tulevaisuuden energiatehokkuusvaatimuksiin.This thesis investigates the energy efficiency of three-phase frequency converter in the field-weakening region of an industrial induction motor in steady state operation. Energy efficiency was studied using a developed loss calculation model, and its results were compared with experimental electrical measurements. The thesis is divided into four parts. The first part is a literature review, which examines the operation of the induction motor in the constant flux region and the field-weakening region based on theory. This part also presents the operating principle of the frequency converter and delves into the operation of its main components and the power losses they generate. In the second part, a loss calculation model for the frequency converter is developed for the field-weakening region based on the findings of the first part. The third part introduces the electrical efficiency measurement carried out in the study and its measurement uncertainty. Finally, in the last part, a critical comparison is made between the results of the loss calculation model and the electrical efficiency measurement. The operating point of the induction motor is defined by its rotational speed and torque. The motor's supply voltage and operating point determine the motor current, i.e., the output current of the frequency converter. The output current and voltage of the converter affect the power losses of its components and, consequently, its energy efficiency in the field-weakening region of the motor. The motor current was modelled on a circle diagram as a function of the operating point using the values from the motor nameplate, enabling the examination of the operating point without separate measurements of motor characteristic values. By utilizing the motor current, output voltage, and power loss equations for the components of the frequency converter, a loss calculation model was created to determine the frequency converter's energy efficiency at a specific operating point. The results of the calculation model and the electrical efficiency measurement differed by a few percentage points, depending on the operating point. The calculation model produced credible results concerning the stator's apparent current, the frequency converter's efficiency, and total losses in the field-weakening region of the induction motor. The calculation model allows the examination of the impact of various components on the frequency converter's energy efficiency, thereby preparing for future energy efficiency requirements.Description
Supervisor
Hinkkanen, MarkoThesis advisor
Peltonen, LauriKeywords
häviölaskentamalli, induktiomoottori, kentänheikennysalue, oikosulkumoottori, taajuusmuuttaja, tehohäviö