Motor och fasströmmar vid omriktardrift

[TomasL]

Funderar kring det här med strömförbrukning vid omriktardrift av asynkronmotor.
Vad jag vill räkna fram är hur mycket strömmen blir på nätsidan vid olika driftsfall, eftersom det blir lite (en hel del annorlunda) när man använder omriktare.
Vad jag vet är motorström och effekt vid 50 Hz.
Som jag fattat det så följer motoreffekten varvtalet (dvs frekvensen) linjärt.
Såsom jag uppfattat det, så är motorströmmen mer eller mindre konstant när man går upp i frekvens, då Motorspänningen följer frekvensen linjärt (i princip).
Så vid 50 Hz har jag 230V motorspänning och vid 87Hz har jag 400V, vilket då skulle innebära att strömmen på nätsidan, vid 87Hz/400V i princip skall motsvara motorströmmen vid 50Hz/230V.
Det som trollar till det är då naturligtvis effektfaktorn, då den sannolikt kommer att variera en del.
Någon med bra ideer?

[kimmen]

Vad tänkte du dig att du har för någon last på motorn? Den mekaniska effekten blir ju endast propoprtionell mot varvtalet (frekvensen) om lasten har konstant-vridmomentskaraktäristik.

Vad man har för effektfaktor på nätsidan av omriktaren beror egentligen inte direkt på vad som händer på motorsidan men man kan tänka sig at vid lägre än märkeffekt kan den bli lite sämre än omriktarens spec vid full effekt.

Så om man utgår från den mekaniska effekten och uppskattar elektrisk uteffekt mha. motorns verkningsgrad och sedan aktiv ineffekt till omriktaren via dess verkningsgrad och slutligen skenbar effekt med omriktarens effektfaktor kan man ju få fram nätströmmen.

Även om man använder typvärden för parametrarna borde man komma ganska nära.

[TomasL]

Den mekaniska effekten är inte känd, enbart den elektriska vid 50Hz/230V (och 50Hz/400V).
Omformaren kör med konstant vridmoment typ, i princip över hela varvtalsområdet.
Effektfaktorn på nätsidan är ointressant.
Vad jag vill hitta är strömförbrukningen från nätet vid olika driftsfall (rita snygga kurvor).
Det enda sättet jag kommit på är att räkna om motoreffekten och på så sätt få fram drivströmmen, dock har jag inte riktigt hittat vettig information om vad som händer med den skenbara effekten, före omriktaren, spontant skulle man kunna tänka sig att omriktaren visar en effektfaktor nära 1 mot nätet, men hur hanterar den då den skenbara effekten från motorn.

[xxargs]

Skenbara effekten hamnar och hanteras i växelriktarens resovir-kondensatorer som får buffra för den reaktiva effekten och senare leverera tillbaka till motorn med lämplig tidförskjutning - någon stans måste reaktiva effekten 'fjädra' och mellanlagras om det inte skall läcka ut på elnätet.


Skall du mäta på reella effekten som motorn drar så måste du mäta på samma sätt som en elmätare - dvs. mäta fasläget på strömmen gentemot spänningen förutom beloppet på strömmen och vid lättsnurrande tomgångsdrift så kommer den vara ganska nära 90 grader fasskillnad (typ 84 grader för cos(fi) = 0.1 ~ 10% förluster i motorn på olika sätt dvs. kopparförluster, järnförluster och friktionsförluster) och är det satt cos(fi)=0.7 för motorns märklast så har strömmen ökat ca 1.4 gentemot tomgångsströmmen och lastar man ännu hårdare så ökar strömmen snabbt med ökad last medans strömmen ändrar väldigt lite när man varierar motorlasten inom 10-30% lastgrad från tomgång.


Man kan likna det som en modell att motorn är en ideal drossel som drar konstant med ström oavsett lastgrad på motorn och parallellt med drosseln har man en resistans som varierar med lastgraden på motorn, vilket gör att när motståndet har 10 ggr större resistans som drosselns reaktans (vid tomgång) så är bidraget av strömmen från resistansen gentemot totala strömmen litet - det är först när resistansen sjunker för ökad lastgrad och når samma värde som reaktansen, som strömmen har ökat 1.4 ggr (inte två ggr då det är komplext uttryck - dvs. reella effekten eller strömmen är på X-axeln och reaktiva strömmen är på Y-axeln i 90 grader vinkel från X-axeln och den resulterande sammanslagna strömmen är hypotenusan) och lastar man motorn allt mera så blir strömmen genom motståndet allt mer dominerande på totalströmmen och den reaktiva strömmen andel är allt mindre på den totala strömmen.

[kimmen]

Den mekaniska effekten är inte känd, enbart den elektriska vid 50Hz/230V (och 50Hz/400V).
Omformaren kör med konstant vridmoment typ, i princip över hela varvtalsområdet.
Effektfaktorn på nätsidan är ointressant.
Vad jag vill hitta är strömförbrukningen från nätet vid olika driftsfall (rita snygga kurvor).
Det enda sättet jag kommit på är att räkna om motoreffekten och på så sätt få fram drivströmmen, dock har jag inte riktigt hittat vettig information om vad som händer med den skenbara effekten, före omriktaren, spontant skulle man kunna tänka sig att omriktaren visar en effektfaktor nära 1 mot nätet, men hur hanterar den då den skenbara effekten från motorn.

Okej, men du vet i alla fall att lastens vridmoment är konstant över hela varvtalsområdet. En första approximation då skulle väl vara att näströmmen ändras proportionellt med varvtalet. Fast då har man ju antagit att verkningsgrader och effektfaktor inte försämras vid lägre hastighet, vilket de i verkligheten rimligen gör.

Däremot bör inte förlusterna bli större i något driftsfall än de var vid full last. Så som gränsfall kan man tänka sig att om man t.ex. med en antagen total verkningsgrad på 90% har 1000W ineffekt till omriktaren vid normalt varvtal så kommer det ut som 900 W mekanisk effekt och resten (100 W) blir förlust i motor och omriktare.

Halverar man varvtalet har man då 450 W mekanisk effekt ut och fortfarande 100W förluster. Ineffekten (och strömmen) har alltså sjunkit till 55%. Sänker man ytterligare hastigheten till 10% av ursprungligt varvtal har man 90 W mekanisk effekt ut och 100 W förluster. Det är alltså 190 W in (19% av ursprunglig ström).

När man har nått ner till stillastående motor (men med fortfarande samma moment) skulle man bara ha förlusterna på 100 W kvar. I ett sådant driftsfall har man 5% av nominell frekvens på motorström/spänning om det rör sig om en motor som har en eftersläpning på 5% vid det lastförhållande man hade från början.

Om man kör motorn med konstant magnetiskt flöde (spänning proportionell mot frekvens så som du skrev tidigare) och konstant lastmoment kommer du att få en motorström vars fasläge och belopp är nästan oberoende av frekvensen i och med att både magnetiseringsströmmen (90 grader eftersläpande) som beror på frekvens och spänning samt "lastströmmen" (i fas med spänningen) som beror på moment är konstanta. Därmed kommer motorns kopparförluster (både i rotor och stator) att vara oförändrade med hastigheten vid konstant moment och magnetiskt flöde.

Däremot kommer motorns järnförluster att sjunka med frekvensen. Hysteresförluster beror linjärt på frekvensen medan virvelströmsförluster beror kvadratiskt på frekvensen vid konstant flöde, men för en grov approximation (åtminstone om man började vid motorns märkeffekt) skulle man kunna försumma det för det lär inte vara mer än hälften av motorns förluster till att börja med.

Omriktarens förluster är typiskt beroende endast på motorströmmens styrka (för DC till AC-delen) förutsatt att den kör med konstant switchfrekvens, och inströmmen (för likriktardelen). Men rimligen är likriktarens förluster inte mer än något tiotal procent av omriktarens förluster så att den minskar med varvtalet borde man kunna försumma utan för stort räknefel.

När det gäller reaktiv effekt så är det ju så, som xxargs skriver, att de två sidorna av omriktaren är i princip helt frikopplade från varandra via DC-mellanledet. Reaktiv effekt kan varje sida individuellt kontrollera. Det enda som måste uppfyllas är att aktiv effekt som går in till DC-mellanledet skall vara lika med den som går ut.

Beroende på vad man har på nätsidan för sorts källa och likriktare kan det hända olika saker när den aktiva effekten minskar. För en likriktare utan aktiv effektfaktorkorrigering tenderar effektfaktorn att sjunka när uteffekten sjunker, men i vilket fall som helst kommer urfaskomponenten hos strömmen (om det finns en sån, vilket det kan göra i enfaslikriktare med "passiv PFC") rimligen inte att öka när den aktiva effekten sjunker, och inte heller kommer övertonsströmmarnas amplituder att rimligen kunna öka. Är det tre faser in behöver man nog inte oroa sig över huvud taget.

Så med allt det i åtanke borde det vara en ganska bra approximation att förlusterna (och de ickeaktiva strömkomponenterna) är oförändrade med varvtalet och man får en inströmskaraktäristik som ser ut som följande för ett system med 10% förluster vid 100% varvtal:
100% varvtal -> 100% inström
50% varvtal -> 55% inström
20% varvtal -> 28% inström
10% varvtal -> 19% inström
0% varvtal -> 10% inström

Låga varvtal (med märkmoment) kan ju dock riskera att överhetta en standardmotor om den inte är avsedd för detta eftersom kylningen tenderar att försämras vid lägre varvtal. Den försämrade kylningen av motorhöljet borde ju lätt kunna avhjälpas med extern fläkt, men att värmeöverföringen från rotor till stator försämras kan ju vara svårare att göra något åt.

[kimmen]

Skenbara effekten hamnar och hanteras i växelriktarens resovir-kondensatorer som får buffra för den reaktiva effekten och senare leverera tillbaka till motorn med lämplig tidförskjutning - någon stans måste reaktiva effekten 'fjädra' och mellanlagras om det inte skall läcka ut på elnätet.

Rör det sig om trefas (eller något annat polyfassystem) är det faktiskt inte ens så illa. På samma sätt som att en symmetrisk linjär trefaslast aktiva effektförbrukning är ickepulserande (till skillnad från en enfaslast) så är även det totala reaktiva effektflödet ickepulserande. Pulsationen i en fas är precis i motfas mot de andra även för reaktiv effekt så på DC-sidan av en omriktare ser man ingen andratonskomponent som man hade haft i enfasfallet. Så det blir i princip så att effekten bara 'fjädrar' mellan de olika faserna.

[danei]

Mycket bra svar, jag har inget att tillägga.

[TomasL]

Det är ungefär så som jag trodde det skulle vara.

En motor som vid 50Hz drar 26 kW och med en nominell spänning om 230V ca 100A, vid 87 Hz blir då Motoreffekten ca 45kW, motorströmmen blir samma ca 100A, då spänningen höjts till 400V
Omriktarens strömförbrukning vid maxvarvtal blir då 45000/400/1,73 = 65A
Vid 25 Hz blir då motsvarande 13000/400/1,73 = 18A
Furluster i omriktaren är ej medräknat i ovanstående exempel.

[xxargs]

I och med att omriktare 'tar bort' dom reaktiva effekterna genom att låta det går runt i sina kondensatorbanker lokalt mot resp motorfas så bör inströmmen till omriktaren spegla ganska bra den faktiska effektförbrukningen med en offset för egenförlust och motorns förluster enligt resonemangen ovan - det som mätmässigt kan vara viktigt att kolla är om inströmmen är något så när sinusformade i alla lastlägen in i omriktaren (vilket förmodligen är om det är stor maskin på 45 kW då reglerna är ganska hårda på detta) då om man skall göra en tabell mellan 0-100% effektiv last baserat på strömmen in i frekvensomriktaren då kurvan kan bli lite krokig om sinusströmmen varierar i pulskaraktär vid olika last (inte helt sinusoid strömförbrukning vid tex. låg last) och använd strömmätningsmetod (dvs om den mäter strömmen med RMS detektor eller annan metod)

det bästa sättet att göra tabellen är kanske göra efter vad en energimätare säger, mäta ström och lastgrad och plotta tabell (det går väl plocka ut ganska mycket parametrar ur en omriktare gissar jag inklusive reell effekt reaktiv effekt etc. för att se vad motorn förbrukar och estimera lastgrad)

[danei]

Vad har du för last som har konstant moment?

[TomasL]

Kylkompressor, naturligtvis

[Tekko]

Kompressorer har väl inte konstant moment heller, eller är det en vane/centrifugal/skruv kompressor ?

En vanlig kolvare har ju lixom pulserande moment, ökar vid kompression och minskar till nära noll vid insug.

[TomasL]

Flercylindriga.
Dock menar man i detta fallet att man styr ut motorn så den ger samma moment oavsett varvtalet.

[danei]

Momentet sätts inte av motorn utan av lasten.

EDIT: Om hastigheten är konstant, annats kan ju momentet balanseras av accelerationen mot lastens tröghetsmoment.