Frequency converter with induction motor

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1 Frequency converter with induction motor
Datum: Ort: Lohr am Main Erstellt durch: R. Reutter Version: V01_en Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

2 Frequency converter with induction motor
Basics Frequency converter Servo – Frequency Converter Rectifier – Mains Choke Pre-charging Inverter Motor Filter Mains Filter Braking Resistor Basics Inductance Motor Construction Stator Rotating Field Function Basics motor control V/f Field orientated control Sensor less field orientated control Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

3 Frequency converter Servo
Basics frequency converters Difference between frequency converter an servo controller? The construction is identical Both are V-converters Output of variable frequency and voltage Differences only in application / possibilities of the Firmware Frequency converter High continuous power ASM (inductance motor) With or without encoder Mostly velocity controlled Servo High peak power SM and ASM Always with encoder Mostly position mode Es gibt keinen Unterschied. Den macht das Steuerteil / Elektronik. Die Anwendung bestimmt meist den Unterschied im Sprachgebrauch In the Rexroth language „open Loop“ means „without encoder“ Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

4 Basics frequency converters
Construction of a Frequency Converter Rectifier Inverter DC-link Mains Filter Motor Filter Motor Mains Choke Pre-charging DC-link Capacity Braking Resistor Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

5 Rectifier Basics frequency converters u1 u2 u3 DC-link voltage DC-link
Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

6 Basics frequency converters
Without capacity smoothing u12 u13 u23 u21 u31 u32 With capacity smoothing DC-link u2 u1 u3 Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

7 Mains-Side Phase Current without mains choke
Basics frequency converters Mains-Side Phase Current without mains choke DC link Phase Current Phase Voltage Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

8 Mains-Side Phase Current with Mains Choke
Basics frequency converters Mains-Side Phase Current with Mains Choke DC- link Phase Current The choke extends the time of current flow Equal current-time area • Reduction of the amplitude Decrease of harmonics Phase Voltage Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

9 Frequency Spectrum Basics frequency converters Without Mains choke
Current With Mains choke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Order of Harmonics Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

10 Pre-charging / Softstart
Basics frequency converters Pre-charging / Softstart Charging current is limitated by a resistor e.g. Braking Resistor Control Controlled voltage by a thyristor (phase shift control) Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

11 Inverter Basics frequency converters
UDC-link V W IGBT‘s sind spezielle Halbleiterschalter. Vereint Vorteile von Feldeffekttransistor (schnelles Einschalten) und Bipolartransistor (schnelles Ausschalten und geringe Durchlassverluste) IGBT‘s are used as semiconductor switches Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

12 Basics frequency converters
UDC UDC-link V W Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

13 Basics frequency converters
UDC-link UDC V W i Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

14 Puls Width Modulation Basics frequency converters
The converter output voltage is adjusted by the puls/break ratio Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

15 Effect of the Puls Frequency
Basics frequency converters Effect of the Puls Frequency 200Hz = Periodendauer von 5ms; 1/2400Hz= 0,416ms. Das bedeutet: 5ms/0,416ms =12; Somit gibt es 12 Pulse pro Periode = 12 Stützstellen. Bei 7200Hz Pulsfrequenz gibt es 36 Stützstellen in einer Periode von 5ms. Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

16 Effect of the Puls Frequency
Basics frequency converters Effect of the Puls Frequency 12kHz 4kHz Voltage Current Nahezu identischer Arbeitspunkt. Hochfrequente Stromspitzen verursacht durch Schaltimpulse. Meassured with standard norm motor and HCS02 20 Hz motor frequency no load running Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

17 Switching loss Basics frequency converters U_DC i t i u t u
Switching losses t Conducting-state losses Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

18 Risks for the motor windings
Basics frequency converters Risks for the motor windings Rate of rise of voltage Made by the fast switching time of the IGBT‘s. HxS : 5 kV/µs Fv : k.A. Overvoltage Determined by inteferences of the voltage pulses ∆U ∆t Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

19 M Motorfilter / Linedumping Basics frequency converters
Adjusting of the wave impedance of the cable for a better load matching to avoid inteferinces inverter Filter inductance M Leakage capacity Lowpass – filtering high frequency parts Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

20 Voltage Pulse Basics frequency converters Without Motorfilter
With Motorfilter ∆U ∆U ∆t ∆t Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

21 Mains Filter / EMC Filter
Basics frequency converters Mains Filter / EMC Filter Rectifier Mains Filter Inverter DC-links Motor Mains i_lea i_lea Betriebsbedingte taktfrequente Ableitströme. Bedingt durch Ableitkapazitäten des Motorkabels und des Motors Ströme fließen zurück in den Zwischenkreis. Rückströme über das Netz sollten vermieden werden. Asymmetrische Störungen= zwischen Phase und Erde . Die gilt es vor allem zu beseitigen. Symmetrische Störungen = zwischen zwei Phasen. Nur bei Ungleichbelastung der Phasen Leakage current caused by the pulse frequency Should be avoided Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

22 Brakingresistor Basics frequency converters
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. Mostly outside U_on U_out DC_link DC-link speed Mostly inside the device Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

23 Frequency converter with induction motor
Basics Frequency converter Servo – Frequency Converter Rectifier – Mains Choke Precharging Inverter Motor Filter Mains Filter Braking Resistor Basics Inductance Motor Construction Stator Rotating Field Function Basics Motor control V/f Field orientated control Sensor less field orientated control Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

24 Inductance motor - Construction
Basics induction motor Inductance motor - Construction Connection Box Fan Stator-Winding Bearing Shaft Case Rotor Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

25 Basics induction motor
Principle of a motor. On a current carrying wire which is inside a magnetic field, a force is be appealed I F Principle of a generator A voltage is been induced when the wire is been moved. U v Lorenzkraft F=Q*(v x B), Q ist die Ladungsmenge, v= Geschwindigkeit(Vektor), B=magn. Flußdichte (Vektor). Zusammenhang zwische I und B ist das Durchflutungsgesetz. Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

26 Basics induction motor
Number of pole oairs p = 1 p = 2 Stator Rotor One U, V and W winding. Two U, V and W windings 50Hz rated frequency 50Hz rated frequency Synchronous velocity of 3000 U/min Synchronous velocity of 1500 U/min Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

27 Basics induction motor
V W U V W U V W U V W t1 t2 t3 t4 Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

28 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 Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

29 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 Moment bezieht sich auf Lorenzkraft F=B*l*I Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

30 Basics induction motor
Rs σR Rs= Stator resistor σs= Stator leakage inductance RR= Rotor resistor σR=Rotor leakage inductance Xh=Main inductance Iges Imag Itorque U Xh RR Rating plate: 6 values are always declared Voltage Speed Frequency Power Current Cos(phi) Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

31 Basics induction motor
A constant flux in the air gap has to be generated. 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. Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

32 Frequency converter with induction motor
Basics Frequency converter Servo – Frequency Converter Rectifier – Mains Choke Precharging Inverter Motor Filter Mains Filter Braking Resistor Basics Inductance Motor Construction Stator Rotating Field Function Basics motor control V/f Field orientated control Sensor less field orientated control Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

33 Motor characteristic of an ASM with 50 Hz rated frequency
Basics motor control Motor characteristic of an ASM with 50 Hz rated frequency Slip= Difference between the real frequency of the rotor and the rotating field frequency Breakdown torque Slipfrequency Depending on the load the operation point is moving on the charecteristic Rated point 50Hz (rotating field frequency) Big slip Small slip Rot: Nennpunkt = Arbeitspunkt. Rosa: Arbeitspunkt wandert bei größerer Belastung vom Nennpunkt in Richtung Kippmoment Big torque Small torque Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

34 Inductance motor with frequency converter
Basics motor control Inductance motor with frequency converter The characteristic is moved by the variable converter frequency Normal operating area Field weaking area M Breakdown torque The torque is reduced in the field weaking area Rated torque f [Hz] Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

35 Basics motor control V/f-control V V f f
Norm. operating area Field weaking area 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. V N f N f Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

36 Field orientated control- FOC
Basics motor control Field orientated control- FOC The motor current is devided in two parts. Iq = Torque generating current Id = Magnetising current Both currents can be independently of each other impressed into the maschine V iq2 is2 phi2 is1 iq1 phi1 Summery current Active current id1 =id2 Magnetising current Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

37 Sensor less field orientated control - FXC , SVC
Basics motor control Sensor less field orientated control - FXC , SVC Calculating of actual speed and slip Motor control Current Voltage Operation point of the mashine Field frequency Accurate motor parameters Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

38 Comparison of the three control modes V/f FOC Sensorless FOC no yes
Basics motor control Comparison of the three control modes V/f FOC Sensorless FOC Complete torque at standstill no yes Speed accuracy - - +++ + Knowledge of motorparameters low much a lot of Torquelimitter More motors at one converter Positioning Electric Drives and Controls | | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.