Modal and harmonic analysis of frequency converters : a simulation and validation study

Abstract

Industrial applications of machines have requirements to withstand environmental vibrations. These vibrations can affect the reliability and lifespan of products. These vibrations should be minimized in the design and validation phases of product development. In this thesis, the requirements and limitations of simulating environmental vibrations of a variable frequency drive (VFD) were considered. Emphasis was placed on the creation of a simulation model where base excitation is applied according to IEC standard environmental testing. These results were compared to existing experimental results of the same product. The model creation process was presented in detail and used theoretical background was covered. Additionally, environmental vibration simulation methods and implementations found in the literature were presented.

The results of the simulated modal and harmonic response analyses were used as the basis for conducting a sensitivity analysis for further understanding of the main parameters’ impact on the simulation. The simulation results highlighted the accuracy and reliability of the results. It was found that simulation could be used to achieve a noticeable correlation with the actual VFD, although there were many factors causing uncertainty in the results and limiting accuracy. Many of these factors were analyzed and their significance was discussed.

Future research on the subject was discussed and potential gaps were identified for improving and gaining a better understanding of the subject. Overall, the thesis presented an overview of the accuracy and requirements for conducting environmental vibration simulation on a VFD. Additionally, the benefits and limitations of the methods and results were discussed.

Teollisuudessa käytettävillä laitteilla on vaatimuksia kestää ympäristön aiheuttamaa tärinää. Tärinä voi vaikuttaa tuotteiden luotettavuuteen ja käyttöikään. Tärinöiden minimointi tulisi toteuttaa tuotekehityksen suunnittelu- ja validointivaiheissa. Tässä työssä tutkittiin vaatimuksia ja rajoituksia ympäristön aiheuttaman tärinän simuloinnille taajuusmuuttajan näkökulmasta. Työssä painotettiin erityisesti simulointimallin luontia, jossa käytettiin perusherätettä ympäristön IEC tärinätestaus standardin mukaisesti. Työn tuloksia verrattiin vastaavaan olemassa olevaan kokeellisen testauksen tuloksiin. Mallin luomisprosessi esitettiin yksityiskohtaisesti ja käytetty teoreettinen tausta esitettiin. Tämän lisäksi esitettiin ympäristön tärinän simuloinnin metodeja ja toteutuksia kirjallisuudesta.

Modaali ja harmonisen analyysin tuloksia käytettiin pohjana herkkyysanalyysin toteutukselle, jotta voitiin saada syvempi ymmärrys käytettyjen pääparametrien vaikutuksesta simulaatioon. Tulokset korostivat simulaation tarkkuutta ja luotettavuutta. Työssä todettiin, että simulaatiota voidaan käyttää saavuttamaan tuloksia, joilla on merkittävä korrelaatio todelliseen laitteeseen, vaikkakin useat tekijät vaikuttivat tulosten varmuuteen ja rajoittivat niiden tarkkuutta. Näitä tekijöitä analysoitiin ja niiden merkityksellisyyttä pohdittiin.

Mahdollisia jatkotutkimuksia pohdittiin ja mahdollisia aukkoja tunnistettiin aiheen parantamiseksi ja syvällisemmäksi ymmärtämiseksi. Yhteenvetona työ esitti yleisen kuvan ympäristön tärinän simuloinnin tarkkuudesta ja vaatimuksista taajuusmuuttajille. Lisäksi työn hyötyjä ja rajoitteita pohdittiin.