Taajuusmuuttaja aktiivisesti säädetyn magneettilaakerin virtalähteenä
Sillanpää, Teemu (2013)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201308234411
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201308234411
Tiivistelmä
Työssä tutkitaan mahdollisuutta hyödyntää sähkömoottorien nopeudensäätöön suunniteltuja kaupallisia taajuusmuuttajia osana aktiivisesti säädetyn magneettilaakeroinnin säätöjärjestelmää. Magneettilaakerijärjestelmän ohjaamiseksi tarvitaan vahvistin, jonka tehtävänä on muuntaa paikkasäätöjärjestelmältä tuleva ohjearvo virraksi, jännitteeksi tai magneettivuoksi voiman tuottamiseksi laakerikäämityksellä. Nykyaikaiset modernit taajuusmuuttajat mahdollistavat säätöalgoritmien suorittamisen sekä liitynnän muuhun automaatiojärjestelmään kenttäväylien kautta. Tämän järjestelmäintegraation myötä olisi mahdollista rakentaa modulaarinen säätöjärjestelmä hyödyntäen luotettavaksi todettuja teollisuusautomaatiotuotteita vain muutamalla itse magneettilaakerijärjestelmään liittyvällä tuotteella.
Haluttaessa hyödyntää kolmivaiheinen taajuusmuuttaja mahdollisimman tehokkaasti magneettilaakerin teholähteenä tulee laakerikäämityksien kytkeytymistä taajuusmuuttajaan tarkastella tarkemmin. Kirjallisuustutkimuksessa keskitytään taajuusmuuttajan tehokytkimien muodostaman vaihtosuuntaajan eri rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön dynaamisten ominaisuuksien tarkasteluun. Soveltuvien rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön suorituskyky todennetaan simuloinnein ja lopuksi todellisella koelaitteistolla. Magneettilaakeroinnilla varustetun sähkökoneen roottorin onnistunut leijuttaminen viiden vapausasteen suhteen paikkasäädettynä sekä mittauksien tulokset osoittavat, ettei taajuusmuuttajien järjestelmäarkkitehtuurista löydy merkittäviä esteitä muuttajien hyödyntämiseksi magneettilaakerisovelluksissa. The objective of this thesis is to study the potential of using industrial frequency converters as a controlled power source for active magnetic bearing. The control system of an active magnetic bearing needs an amplifier which converts the control reference to an electric current, voltage or magnetic flux to create a force with the bearing. State of the art frequency converters are able to perform complex control algorithms and offer an interconnection with other automation systems through fieldbus connections. This system integration offers the possibility to construct the whole control system using reliable industrial automation products without the need to design AMB specific products, leading to cost savings.
The literature review section of the thesis concentrates on different possible converter topologies which are able to utilize the three phase frequency converter efficiently in a current controlled active magnetic bearing application. The operation and performance of the current controller and applicable converter topologies are verified using simulations and measurements on real hardware. The real world measurements and success of levitating the rotor of a magnetic bearing machine in five degrees of freedom indicate that there are not major system architecture restrictions to prevent the usability of industrial frequency converters in active magnetic bearing applications.
Haluttaessa hyödyntää kolmivaiheinen taajuusmuuttaja mahdollisimman tehokkaasti magneettilaakerin teholähteenä tulee laakerikäämityksien kytkeytymistä taajuusmuuttajaan tarkastella tarkemmin. Kirjallisuustutkimuksessa keskitytään taajuusmuuttajan tehokytkimien muodostaman vaihtosuuntaajan eri rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön dynaamisten ominaisuuksien tarkasteluun. Soveltuvien rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön suorituskyky todennetaan simuloinnein ja lopuksi todellisella koelaitteistolla. Magneettilaakeroinnilla varustetun sähkökoneen roottorin onnistunut leijuttaminen viiden vapausasteen suhteen paikkasäädettynä sekä mittauksien tulokset osoittavat, ettei taajuusmuuttajien järjestelmäarkkitehtuurista löydy merkittäviä esteitä muuttajien hyödyntämiseksi magneettilaakerisovelluksissa.
The literature review section of the thesis concentrates on different possible converter topologies which are able to utilize the three phase frequency converter efficiently in a current controlled active magnetic bearing application. The operation and performance of the current controller and applicable converter topologies are verified using simulations and measurements on real hardware. The real world measurements and success of levitating the rotor of a magnetic bearing machine in five degrees of freedom indicate that there are not major system architecture restrictions to prevent the usability of industrial frequency converters in active magnetic bearing applications.