Sähkötehon taajuusanalyysin käyttäminen taajuusmuuttajasyöttöisen induktiomoottorin häviöerottelussa

Abstract

Taajuusmuuttajasyöttöiset moottorit ovat nopeasti yleistyviä sähkömoottoreita niiden tehokkuuden ja monipuolisuuden takia. Ne ovat erityisen suosittuja teollisuudessa ja järjestelmissä, joissa tarvitaan nopeaa ja tarkkaa pyörimisnopeuden säätöä. Energiatehokkuutta voidaan pitää tärkeänä terminä, kun suunnitellaan taajuusmuuttajasyöttöisen sähkömoottorin hankintaa. Energiatehokkuuden sähkömoottorissa määrittää sen kyky muuttaa sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Kun tavoitteena on parantaa yksittäisen moottorin energiatehokkuutta, on tarkasteltava moottorissa syntyviä häviökomponentteja.

Sähkömoottoreissa muodostuvia häviökomponentteja on perinteisesti laskettu hyödyntämällä aikatasoesitystä, jossa teho esitetään ajan funktiona. Tässä diplomityössä käydään läpi perinteisen tehon laskennan menetelmät, sekä kuinka sähköteho voidaan esittää taajuustasossa. Taajuustasoesitys ja -laskenta käydään läpi numeerisella esimerkillä ja 15 kW induktiomoottorista mitatuilla arvoilla taajuusmuuttaja- sekä sinisyötöllä. Taajuustasoesityksessä teho esitetään pystysuorina palkkeina, jotka kuvastavat tietyllä taajuudella esiintyvän tehon sisältämää energiaa. Taajuustasoesityksestä voidaan tehokkaasti erotella tehon perustaajuudella esiintyvä komponentti sekä korkeataajuiset komponentit.

Diplomityössä osoitetaan, että taajuustasolaskennassa ei synny merkittävää virhettä perinteiseen tehonlaskentaan eikä tehon hetkellisestä arvosta laskettavaan tehoon verrattuna. Työssä eritellään tehon komponentit mitatuista arvoista ja lopulta esitellään lisähäviöiden varsinainen osuus kokonaishäviötehosta. Saadut tulokset osoittavat, että korkeataajuiset harmoniset häviökomponentit rajoittuvat vain taajuusmuuttajasyöttöön eikä niitä sinisyötöllä ilmene. Kun korkeataajuinen häviökomponentti on poistettu, käyttäytyy jäännöshäviö lähes identtisesti sinisyötöllä saadun jäännöshäviön kanssa.

Frequency converter-fed motors are becoming increasingly popular due to their efficiency and versatility. They are particularly popular in industrial and system applications that require fast and precise control of rotational speed. Energy efficiency can be considered an important term when designing a frequency converter-fed electric motor. The energy efficiency of an electric motor is determined by its ability to convert electrical energy into mechanical energy. When the aim is to improve the energy efficiency of an individual motor, the loss components generated in the motor must be examined.

Traditionally, loss components in electric motors have been calculated using a time-domain representation, where power is represented as a function of time. This thesis discusses the traditional methods of power calculation, as well as how electric power can be represented in the frequency domain. Frequency domain representation and calculation are demonstrated through a numerical example and with measured values of a 15 kW induction motor using both frequency converter and sinusoidal input. In frequency domain representation, power is represented as vertical bars that reflect the energy contained in the power at a certain frequency. The frequency domain representation can be used to effectively separate the fundamental frequency component of the power and the high-frequency components.

The thesis demonstrates that there is no significant error in frequency domain calculation compared to traditional power calculation or instantaneous power values. The power components of the measured values are separated and the actual proportion of additional losses in the total loss power is presented. The results show that high-frequency harmonic loss components are limited to the frequency converter-fed system and do not appear in the sinusoidal input. When the high-frequency loss component is removed, the remaining loss behaves almost identically to the loss obtained from the sinusoidal input.