Taajuusmuuttajan luomien aikaharmonisten komponenttien aiheuttamat lisähäviöt kiertokenttäkoneissa

Abstract

Sähkökäytöt muodostavat suurimman teollisuuden sähkökuorman. Energiatehokkuuden saavuttamiseksi nykyaikaiset prosessit varustetaan usein säädettävillä taajuusmuuttajilla, mutta niiden tuottama pulssinleveysmoduloitu (PWM) jännite poikkeaa puhtaasta sinisyötöstä ja indusoi sähkökoneeseen korkeataajuisia aikaharmonisia yliaaltoja. Nämä yliaallot synnyttävät moottorissa ylimääräisiä energiahäviöitä, jotka kasvattavat laitteen lämpökuormaa ja heikentävät hyötysuhdetta. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää järjestelmällisen kirjallisuustutkimuksen avulla taajuusmuuttajasyötön aiheuttamien aikaharmonisten lisähäviöiden teoreettiset perusteet, tunnistaa niihin vaikuttavat keskeiset parametrit sekä kartoittaa alan kokeellisia ja laskennallisia tutkimusmenetelmiä.

Tutkimus toteutettiin järjestelmällisenä kirjallisuustutkimuksena IEEE-tutkimustietokannasta. Vertailukelpoisen ja käytännön teollisuutta vastaavan aineiston varmistamiseksi tutkimus rajattiin koskemaan yksinomaan kolmivaiheisia häkkioikosulkumoottoreita laajalla 1,1-55 kilowatin tehoalueella sekä tavanomaisia kaksitasoisia jännitevälipiirillisiä vaihtosuuntaajia (2L-VSI). Kerätystä empiirisestä aineistosta suoritettiin kattava kvantitatiivinen synteesi, ja aikaharmonisten lisähäviöiden käyttäytymistä suhteessa moottorin nimellistehoon mallinnettiin tilastollisen regressioanalyysin avulla.

Tulokset osoittavat, että siirtyminen sinisyötöstä PWM-syöttöön kasvattaa moottorin rautahäviöitä, ja lisärasitus kohdistuu lähes täysin klassisiin pyörrevirtahäviöihin, joiden on mitattu olevan PWM-syötöllä jopa 1,388 kertaa suuremmat kuin puhtaalla sinisyötöllä. Häviöiden jakautuminen koneen rakenteisiin on epätasaista: PWM-syöttö kasvattaa häviöitä paikallisesti staattorin hampaistossa 73 %, ja osa lämpökuormasta (tyhjäkäynnillä 15-25 % kokonaisrautahäviöistä) siirtyy suoraan roottoriin. Invertterin kytkentätaajuuden nostaminen pienentää yliaaltoja ja siten harmonisia häviöitä, mutta hyöty on epälineaarinen ja saturoituva. Aikaharmoniset lisähäviöt ovat suhteellisen riippumattomia mekaanisesta kuormituksesta, minkä vuoksi niiden prosentuaalinen osuus kokonaishäviöistä nousee jyrkästi osakuormilla ajettaessa. Kvantitatiivisen analyysin pohjalta muodostettiin lineaarinen regressiomalli: y=4,9955x+8,1683, missä x on moottorin nimellisteho (kW) ja y ennustettu aikaharmoninen lisähäviö (W).

Mallin selitysaste (R^{2}) on 0,8436, ja se osoittaa suhteellisten aikaharmonisten lisähäviöiden asettuvan vakaasti 0,4 %:n ja 0,8 %:n välille moottorin kilpiarvosta kokoluokasta riippumatta. Johtopäätöksenä todetaan, että sähkökäytön energiatehokkuuden maksimointi edellyttää aina kokonaisvaltaista järjestelmän tarkastelua, sillä optimitilanne on kuitenkin kompromissi invertterin kytkentähäviöiden ja moottorin harmonisten häviöiden välillä. Työssä kehitettyä regressioyhtälöä voidaan hyödyntää käytännönläheisenä työkaluna sähkökäyttöjen mitoituksessa.

Electric motors use most of the electricity consumed by industry. To save energy, modern factories often use frequency converters to control these motors. However, these converters produce pulse-width modulated (PWM) voltage waves instead of perfect sine waves. This introduces high-frequency harmonics into the system. These harmonics cause extra power losses, which heat up the motor and lower its efficiency. The goal of this Master's thesis was to study the theory behind these extra losses in rotating field machines. The thesis uses a systematic literature review to find out which parameters affect the losses, and how they are measured and modeled in previous research.

The research is based on a systematic literature review of scientific papers from the IEEE database. The scope is limited only to three-phase squirrel-cage induction motors between 1.1 kW and 55 kW. These motors are driven by standard two-level inverters (2L-VSIs). Data was collected from these studies and analyzed. Then, a statistical linear regression model was created to show the relationship between the motor's nominal power and its extra losses.

Using a PWM inverter instead of a perfect sine wave increases core losses significantly. This extra stress mostly causes eddy current losses, which can be 1.388 times higher than with a sine wave. These losses are not spread evenly inside the motor structure. For example, core losses increase by up to 73% in the stator teeth. Also, a large part of the heat goes straight to the rotor, where extra losses make up 15-25% of the total core losses under no-load conditions. Increasing the converter's switching frequency helps reduce these losses, but this benefit slows down at higher frequencies. At a constant speed, the absolute extra losses do not change much with the mechanical load. Therefore, their relative share of the total losses grows very fast at low loads. Based on the data, a strong linear regression model was built: y=4.9955x+8.1683, where x is the motor's power (kW) and y is the extra loss (W). The model's accuracy is high (R^{2}=0.8436). It proves that the extra losses stay between 0.4% and 0.8% of the motor's rated power, regardless of the motor's size.

To make a drive system efficient, engineers must look at the whole system. The best operating point is a compromise because a higher switching frequency reduces motor losses but increases converter losses. The linear regression equation from this thesis is a simple and practical tool for engineers. In the early design phase, it helps them quickly estimate the extra losses without simulations or tests.