DTC-induktiomoottorikäytön soveltaminen keskitaajuusalueelle

Abstract

Työssä tarkastellaan olemassa olevan suoraa vääntömomentin säätöä käyttävän taajuudenmuuttajan soveltamista keskitaajuusalueella toimiviin induktiomoottorikäyttöihin. Keskinopeusalueen sovellusten pyörimisnopeudet ovat tyypillisesti 6000…30000rpm. Tällöin invertterin lähtötaajuuden on nelinapaista moottoria ohjattaessa ulotuttava 1000Hz:iin. ABB:n ACS600 taajuudenmuuttajan nykyinen syöttötaajuus ulottuu noin 400Hz:iin ja sen keskimääräinen kytkentätaajuus on luokkaa 3kHz. Taajuudenmuuttajan keskimääräistä kytkentätaajuutta ei haluta tästä merkittävästi nostaa, koska tällöin pääteasteen mitoitusta ja rakennetta on muutettava. Tarkastelussa keskitytään täten jännitemodulointiin, joka määrittelee invertterin lähtöjännitteen käyrämuodon ja pääteasteen tehokytkimien kytkentätaajuuden.

Työssä esitetään suoran käämivuon säädön periaatetta soveltava 30-kulmainen modulointimenetelmä (30-modulointi), jolla moottorin syöttövirrasta voidaan eliminoida 5. ja 7. yliharmoninen komponentti. Yliharmonisten komponenttien eliminointi mahdollistaa passiivisilla komponenteilla toteutetun alipäästösuodattimen asentamisen invertterin lähtöön, jolloin moottorissa tapahtuvat tehohäviöt saadaan pieniksi. 30-moduloinnin ohjaukseen ja säätöön esitetään menetelmät, jotka mahdollistavat sen toteuttamisen nykyiseen taajuudenmuuttajaan ohjelmallisesti ilman suuria laitteistomuutoksia. 30-moduloinnin ominaisuuksia tarkastellaan analyyttisin menetelmin ja sen toimintaa testataan esitettyjen teorioiden perusteella simuloimalla. 30-moduloinnin ohjelmallinen implementointi nykyiseen ACS600:een mahdollistaa periaatteessa noin 600Hz:n syöttötaajuuden saavuttamisen. Tällöin invertterin keskimääräinen kytkentätaajuus voidaan säätää koko pyörimisnopeusalueella alle 4kHz:n tasolle.

In this thesis an application of the inverter based on the direct torque control to medium speed induction motor drives is studied. The rotational speeds of medium speed applications vary typically between 6000…30000rpm. Therefore with a four pole motor the output fundamental frequency of the inverter should reach to 1000Hz. ABB’s ACS600 inverter is now able to produce about 400Hz output frequency and the average switching frequency of the power stage is approximately 3kHz. If the average switching frequency is remarkably increased from this level the power stage configuration must be redesigned, which is not the desired case. Therefore the study of this thesis is concentrated on the flux and voltage modulation responsible for the voltage waveform and average switching frequency of the inverter.

A 30-corner modulation method (30-modulation) based on the direct flux linkage control is suggested. With the 30-modulation the low frequency 5th and 7th inverter output current harmonics can be eliminated. Thus it is possible to use an LC-filter between the inverter and the motor, whereupon the motor losses can be kept at an acceptable level. Also, the control principle of the 30-modulation and the implementation to ACS600 without significant hardware changes are presented. Characteristics and functioning of the 30modulation are studied by theoretical methods and by simulations. By the software implementation of the 30-modulation to ACS600 the output frequency of the inverter can be, in principle, increased up to 600Hz. In that case, the average switching frequency can be controlled to be under 4kHz in whole operational speed range.