Kaksitasoisen jännitevälipiiritaajuusmuuttajan häviömalli

Abstract

Teollisuuden sähköistyessä yhä useammat prosessit hyödyntävät sähköisiä käyttöjärjestelmiä, joissa taajuusmuuttajilla on keskeinen rooli. Tässä työssä tutkittiin jännitevälipiirillisen, kaksitasoisen taajuusmuuttajan häviömallia ja arvioitiin sen tarkkuutta IEC 61800–9–2 -standardin pohjalta. Työn tavoitteena oli selvittää kyseisen standardin mukaisen mallin luotettavuutta ja esittää kehitysehdotuksia sen parantamiseksi. Tutkimuksessa käytettiin ABB:n 37 kW taajuusmuuttajaa ja siihen liitettyä induktiomoottoria. Häviöt mallinnettiin puolianalyyttisellä menetelmällä, jossa yhdistyvät komponenttikohtainen fysikaalinen ja matemaattinen tarkastelu. Mittaustuloksia verrattiin eri malliversioiden tuottamiin arvoihin. Sovellettiin standardinmukaista “tiukkaa mallia” (4000 Hz ja 2400 Hz kytkentätaajuuksilla) sekä joustavampaa, mittausdataan perustuvaa mallia.

Tulokset osoittivat, että tiukka 4000 Hz malli yliarvioi häviöt jopa 30 %:lla nimellispisteessä, kun taas 2400 Hz tiukka malli paransi tarkkuutta huomattavasti. Joustavalla mallilla saavutettiin paras vastaavuus, keskimääräinen prosentuaalinen poikkeama mitatuista arvoista oli vain 7 %. Suurimmat erot liittyivät tehokertoimen ja kytkentätaajuuden määrittelyihin, joita standardi ei ohjaa riittävän tarkasti. Työn perusteella voidaan todeta, että nykyinen IEC-standardin mukainen malli tarjoaa kohtuullisen tarkkuuden alustavaan arviointiin, mutta sen käyttökelpoisuutta voidaan merkittävästi parantaa tarkentamalla tehokertoimen ja kytkentätaajuuden määrittelyä. Kehitettyä mallia voidaan hyödyntää luotettavammin eri taajuusmuuttajien vertailussa sähköistymiskehityksen tueksi.

As industrial electrification progresses, electric drive systems are becoming increasingly common, with frequency converters playing a central role. This thesis investigates the loss modelling of a two-level voltage-source frequency converter and assesses the accuracy of the IEC 61800–9–2 standard-based model. The aim was to evaluate the reliability of the standard model and propose improvements for better applicability. The study utilised a 37 kW ABB frequency converter connected to an induction motor. Losses were modelled using a semi-analytical method that combines component-level physical characteristics with mathematical calculations. Measurement results were compared against different model variants: the strict standard-compliant model (using switching frequencies of 4000 Hz and 2400 Hz) and a more flexible model based on measured data.

The results showed that the strict 4000 Hz model overestimated losses by up to 30 % at the nominal operating point, whereas the 2400 Hz version significantly improved accuracy. The flexible model provided the best match, with an average deviation of only 7 % from measured values. The largest discrepancies were related to the determination of power factor and switching frequency, which are not precisely defined in the standard. The study concludes that while the current IEC model offers reasonable accuracy for preliminary assessments, its reliability can be significantly improved by refining the standard’s specifications for power factor and switching frequency. The developed model can be used more reliably for comparing frequency converters in support of industrial electrification efforts