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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,

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Präsentation zum Thema: "Electric Drives and Controls | 02.10.2012 | Ralph Reutter | DC-IA/SFS31 | Grundlagen Frequenzumrichter mit ASM | © Bosch Rexroth AG 2012. Alle Rechte vorbehalten,"—  Präsentation transkript:

1 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. Frequency converter with induction motor Datum: Ort:Lohr am Main Erstellt durch:R. Reutter Version:V01_en 1

2 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. 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 2

3 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. Basics frequency converters Difference between frequency converter an servo controller? Servo High peak power SM and ASM Always with encoder Mostly position mode Frequency converter High continuous power ASM (inductance motor) With or without encoder Mostly 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“ 3

4 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. Basics frequency converters Mains Filter Mains Choke RectifierInverter DC-link Motor Filter Motor DC-link Capacity Braking Resistor Construction of a Frequency Converter Pre-charging 4

5 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. Basics frequency converters DC-link voltage u1 u2 u3 5 Rectifier DC-link voltage

6 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. Basics frequency converters u1 u2 u3 u12u13u23u21u31u32 Without capacity smoothing With capacity smoothing DC-link 6

7 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. Basics frequency converters Mains-Side Phase Current without mains choke Phase Voltage Phase Current DC link 7

8 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. Basics frequency converters Mains-Side Phase Current with Mains Choke Phase Voltage Phase Current DC- link The choke extends the time of current flow Equal current-time area Reduction of the amplitude Decrease of harmonics 8

9 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. Basics frequency converters Without Mains choke With Mains choke Current Order of Harmonics 9 Frequency Spectrum

10 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. Basics frequency converters Pre-charging / Softstart Control Charging current is limitated by a resistor e.g. Braking Resistor Controlled voltage by a thyristor (phase shift control) 10

11 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. Basics frequency converters U V W U DC-link 11 IGBT‘s are used as semiconductor switches Inverter

12 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. Basics frequency converters U V W U DC-link i i U DC 12

13 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. Basics frequency converters U V W U DC-link i i UDC 13

14 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. Basics frequency converters The converter output voltage is adjusted by the puls/break ratio 14 Puls Width Modulation

15 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. Basics frequency converters Effect of the Puls Frequency 15

16 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. 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 16

17 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. Basics frequency converters Switching loss U_DC i u t t Switching losses Conducting-state losses u i 17

18 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. Basics frequency converters Risks for the motor windings ∆t ∆U 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 18

19 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. Basics frequency converters Motorfilter / Linedumping inverter M Filter inductance Leakage capacity Lowpass – filtering high frequency parts Adjusting of the wave impedance of the cable for a better load matching to avoid inteferinces 19

20 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. Basics frequency converters Voltage Pulse ∆U ∆t Without Motorfilter With Motorfilter ∆t ∆U 20

21 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. Basics frequency converters Mains Filter / EMC Filter Rectifier Inverter DC-links Motor Mains Mains Filter Leakage current caused by the pulse frequency i_lea Should be avoided 21

22 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. 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 22 DC-link Mostly inside the device Mostly outside

23 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. 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 23

24 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. Basics induction motor Inductance motor - Construction Connection Box Bearing Shaft Fan Stator- Winding Rotor Case 24

25 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. Basics induction motor Principle of a motor. On a current carrying wire which is inside a magnetic field, a force is be appealed Principle of a generator A voltage is been induced when the wire is been moved. I B F v U 25

26 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. 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 26

27 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. Basics induction motor U V W U V W U V W U V W i1 i2 i3 t1t2t3 t4 t1t2t3t4 27

28 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. 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 28

29 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. Basics induction motor The torque M i 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 n d depends on the frequency in the stator windings 29

30 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. Basics induction motor RsRs σsσs σRσR R XhXh R s = Stator resistor σ s = Stator leakage inductance R R = Rotor resistor σ R =Rotor leakage inductance X h =Main inductance U I ges I mag I torque Rating plate: 6 values are always declared Voltage Speed Frequency Power Current Cos(phi) 30

31 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. 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. 31

32 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. 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 32

33 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. 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 point is moving on the charecteristic 33

34 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. Basics motor control Inductance motor with frequency converter f [Hz] Normal operating areaField weaking area M Breakdown torque Rated torque The torque is reduced in the field weaking area The characteristic is moved by the variable converter frequency 34

35 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. Basics motor control V f V N f N Norm. operating areaField 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. 35

36 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. Basics motor control Field orientated control- FOC V id1 iq1 is1 phi1 Magnetising current Active current Summery current 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 iq2 is2 phi2 =id2 36

37 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. 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 37

38 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. Basics motor control 38 Comparison of the three control modes V/fFOCSensorless FOC Complete torque at standstill noyesno Speed accuracy Knowledge of motorparameters lowmucha lot of Torquelimitter noyes More motors at one converter yesno Positioning noyesno


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