Hei Glenn,

Tusen takk for spørsmålene, og din interesse for faget!

Total Harmonic Distortion

Total Harmonic Distortion (THD) er prosentvis forhold mellom harmoniske komponenter og den grunnharmoniske komponenten. THD forteller noe om kvaliteten på spenningsforsyningen.

Frekvensomformere

Drivlasten til frekvensomformere er typisk turtallstyrte elektriske motorer. Det variable motorturtallet (typisk 0 til 200 Hertz) settes opp av frekvensomformeren via spenningspulser. Dette resulterer i at strømtrekket også skjer i et typisk pulsmønster. Og forenklet: P =UI.

Den energi som frekvensomformeren trekker fra spenningsforsyningen blir dermed ikke noen 'ren' sinus, men en mer energipuls. Denne kan forstyrre eller forvrenge nettsinusen. Og, THD er et mål på hvor store forstyrrelsene er.

Beregning av harmoniske svingninger

Nettspenningen kan innta en form som ikke er en 'ren' sinus, men har en form som ligner. Typisk vil strømtrekket fra frekvensomformeren skje i midten av sinus. Når øyeblikksverdien på spenningen er på det høyeste i sinus, er strømtrekket på sitt laveste (og det er jo bra). Resultatet kan bli som vises på figuren på venstre siden. I stedet for den karakteristiske sinus, får vi her en sinus med tre lokale topper/bunner. Ved hjelp av et matematisk verktøy (Fourier-analyse) kan man beregne at denne harmoniske sinus matematisk kan beskrives av en sum av andre sinuser (som har ulike frekvenser og amplituder; som vist på de høyre delen av figuren).

Høy pipelyd fra frekvensomformer

Pipelyden du/dere hører kommer helt naturlig fra frekvensomformeren, og er ikke tegn på noe feil. Som tidligere nevnt, vil frekvensomformeren pulse sine utgang. Denne teknologien kalles PWM (Pulse Width Modulation", "Switching" eller koblingsfrekvens. Dette kan justeres (konfigureres) av brukeren. Generelt desto høyere Switching frekvens, desto bedre. Men, det fins unntak fra denne hovedregelen.

Swithingfrekvensen ligger i mennesket hørselsregion (typisk i kHz-området). Switchingfrekvensen til frekvensomformeren har i utgangspunktet ingen ting med frekvensen (turtallet) til motoren å gjøre. Dette er to uavhengige frekvenser. Switchingssfrekvensen er konstant (men kan endres av brukeren), mens motorfrekvensen er prosessavhengig.

Frekvensomformer som ryker etter noen år

Jeg har for liten informasjon til å mene noe sikkert om hvorfor deres frekvensomformere ryker etter noen år. Generelt; jeg har ingen tro på at dette har sin årsak i THD. Jeg har mer tro på at det ligger forstyrrelser på/i kabelinstallasjonen mellom frekvensomformer og den elektriske motoren.

Det kan være at det genereres spenningsrefleksjoner i forbindelse med PWM. eller et fenomen som vi kaller "Common Mode Voltage" som plukkes opp av kabelskjerm/armering. Dette er høyfrekvent støy som må returneres til frekvensomformeren.

Mer å lese på Trainor fagforum:

https://www.trainor.no/cms/Forum/Automasjon/Stroem-foer-og-etter-frekvensomformer

Hei og takk for godt svar.

Eg endret switching frekvens på omformeren til 10 khz.

Da jekk frekvensen så høyt at den var nesten ikkje til å høyre.

Er det noen bakdeler /fordeler og endre på denne. Kan motoren ta skade av dette.

Eg må legge til at pipelyden er unormalt høy.

(Har vert i kontakt med levrandør også.)

Ad Swichingfrekvens (= 10 kHz)

Kan motor ta skade av høy switchingfrekvens (= 10 kHz)?

Nei, motoren vil ikke ta skade av dette.

Fordeler med høy Switchingfrekvens

En fordel med høy Switchingfrekvens er at styreenheten for frekvensomformeren kan kalkulere en enda bedre form på sitt utgangssignal (motorfrekvens). Med Switchingfrekvens lik 10 kHz, vil én enkeltpuls ha en pulsbredde på 0,1 millisekund.

En annen fordel, kan være men nødvendigvis ikke alltid er så, er at lyden vi hører blir en 10 kHz pipelyd i stedet for en annen tone; for eksempel en tone med frekvens 5 - 6 kHz.

Ulemper med høy Switchingfrekvens

Et fenomen kaller vi for EDM - Electric Discharge Maching. Dette kan skade motoren, og føre til totalhavari av spesielt motorlagrene. Det kan oppstå en "Common Mode Voltage" CMV-spenning i motorkabelen; satt opp av PWM (Pulse Width Modulation). Denne CMV-spenningen kan føre il en sirkulerende strøm i motoren. Disse støystrømmene kan søke veien tilbake til frekvensomformeren via motorlagrene. I og med at motorlagrene typisk er smurt inn med fett/olje,blir visse metalliske deler elektrisk isolerte. Imidlertid, hvis spenningsforskjellen blir høy nok (og det gjør CMV), vil det skje en utladning (en liten lysbue skapes), og til slutt oppstår et lagerhavari.

Hvor ofte det skjer en lysbue, er igjen bestemt at frekvensomformerens Switchingfrekvens. Mest sannsynlig har deres motor ikke noe problem med EDM. For da ville det i ditt tilfelle skje 10.000 lysbueutladninger i lagrene hvert eneste sekund.

Glenn

Du sier: pipelyden er unormalt høy

Mener du høy frekvens, eller høy lydstyrke (desibel)?

Hvis det er frekvensen som er høy, har dette en direkte sammenheng med Switching-frekvensen til frekvensomformeren. Og, jeg vil si at en slik høy frekvens er et naturlig fenomen, og ikke skadelig for utstyret.

Hvis det er lydstyrken (desibel) som er unormalt høy, kan dette tyde på at utgangstrinnet i frekvensomformeren 'sliter', eller i beste fall har høy strømbelastning. Lydenergien må jo komme fra et sted! Min forklaring er at når styrekretsen i frekvensomformeren aktiviserer utgangstrinnet (typisk slår på IGBT-effekttransistoren), og denne leverer høy effekt, må det skje en lokal oppvarming når motorstrømmen slås på et kort millisekund. Den lokale oppvarmingen rundt komponentene setter luftmolekylene i bevegelse, og det er denne molekylbevegelsen vi mottar på trommehinnen (vi oppfatter lyd).

Så hvis motorlasten er nær opptil maksimum av hva frekvensomformeren kan håndtere, og lydstyrken fra frekvensomformeren er (unormal) høy, tror jeg dette er verdt å undersøke.

Oi....

No lærer eg mye. Eg skal dele dette med mine kolegaer.

Omformeren er merket med 31A og ligger og rusler på 21A. Kabeler er ein skjermet 10mm. Og kabel lengden er på (svimlende) ca 85 m. Levrandøren mener at kabel lengden ikkje har betydning i dette tilfellet. I ca 5meter ligger kablenne i ei "klynge" med MYE annet. Resten pent på kabelbru med andre kabler.

Ang. Lyd volumet var ganske høgt og iriterende. Da eg endret frekvensen vert det mindre merkbart. Tonen endret seg ut av hørbat frekvens.

Hei Glenn,

Det er mulig at lengden på motorkabelen på 85 meter ikke er årsaken til at frekvensomformerne ødelegges etter et par år drift slik leverandøren sier. Men, jeg kan ikke utelukke at lengden ikke er årsaken: Her er min forklaring:

Impedanstilpasning vs Impedansmistilpasning

Når frekvensomformeren aktiviserer sin "Insulated Gate Bipolar Transistors" IGBT-effekttransistor vil spenningen på utgangen stige VELDIG raskt. Vi snakker om en typisk stigningstakt på 7500 volt per mikrosekund. Så i løpet av et snaut mikrosekund har spenningen ut av IGBT økt fra 0 volt til f.eks 690 volt.

Neste utfordring er når elektronene settes i bevegelse i motorkabelen. Elektronbevegelsen er ca 2/3 lyshastigheten. Så et lite 'øyeblikk' senere etter at IGBT er blitt aktivisert, kommer 'elektrontoget' til motorterminalene. Typisk vil det her være en impedans-mistilpasning, og noen elektroner vil reflekteres tilbake. Vi snakker om fenomenet spenningsrefleksjon.

Den reflekterte spenningen vil "kjøre i motsatt" retning tilbake til frekvensomformeren, og 'legge seg oppå' IGBT-spenningen. Så når vi tar på oss Nanotidsbrillene, ser vi at spenningen i motorkabelen bygger seg opp i et slags 'trappetrinn"-mønster.

Fenomenet med spenningsrefleksjon blir tydeligere og tydeligere med økende lengde av kabelen. For egen del sier jeg at motorkabler lengre enn 30 meter begynner varsellampene å blinke!

Det er derfor helt typisk at spenningen i motorkabelen; for hver gang IGBT aktiviseres at pulsspenningen blir 2 til 3 ganger nominell spenning. Dette må installasjonen tåle.

Kabelresonans

Kabelresonans er et annet fenomen som gjelder motorkabeler. Siden du har en motorkabel ca 85 meter, er denne motorkabelen omfattet av problematikken støyresonans.

Mitt eksempel bruker en motorkabel på 75 meter. Denne vil ha en 'rød'-sone i kHz til MHz-området. Man kan her få en støy-resonanstopp som er typisk 100 ganger (!) høyere enn nominell støyverdi.

Og, desto lengre kabel, desto lavere i frekvens ligger denne støy-resonanstoppen.

Oppsummert:

Glenn; som jeg startet med er det sikkert riktig som leverandøren sier; det er ikke sikkert at din 85 meter lange motorkabel er årsaken til problemene. Men, jeg vil ikke utelukke det. Men, hva kan du gjøre hvis 85 meter lang motorkabel er årsaken?

En typisk løsning er å sette på et filter (hvis ikke frekvensomformeren allerede har dette implementert i utgangstrinnet). Andre gode løsninger er å sette på Ferrit-ringer.

Andre mulige årsaker til problemer med frekvensomformeren:

Du nevner at motoren trekker ca 21A, og frekvensomformerens kapasitet er 31A. Uansett produseres det en god den varme i frekvensomformeren. Så hvordan står det til med kjølingen av elektronikken?

* er omgivelsestemperaturen for høy?

* har kjøleviften stoppet?

* er kjøleviften tilsmusset?

* er luftstrømmen til kjølesystemet begrenset?

Drift av frekvensomformer og motor (dreiemoment vs turtall)

Et tema som jeg kan for lite om er problematikken: for høyt motormoment ved lav hastighet (motorturtall). Dette kan gi overbelastning av frekvensomformer. Vi snakker om at overbelastningskapasiteten for frekvensomformeren er redusert ved lave motorturtall.

Alarmer fra frekvensomformeren?

Glenn, det første man bør gjøre - og det har du sikkert allerede gjort - er å sjekke om og i tilfelle hvilke alarmer frekvensomformeren gir under drift.

* er det problemer med DC-over-/underspenning (likeretter-trinnet)?

* oppfyller nettspenningen forsyningskravet til frekvensomformeren?

* er det rapportert feil på frekvensomformerens styrekretser?

* er det jordfeil på anlegget?

En frekvensomformer og drift av flere motorer

Et annet fenomen (siden jeg ikke kjenner oppsett i fabrikken det gjelder) er problematikken hvor en og samme frekvensomformer styrer flere motorer; typisk eksempel er transportbånd. Da får man ulike kabellengder i motorkabelinstallasjonen ut fra frekvensomformeren.

Fenomenet spenningsrefleksjon gjelder fremdeles. Spenningen ute på den spesifikk motorterminalen kan fremdeles være håndterbar (ca 2 ganger nominell spenning), mens summen av refleksjoner inn mot IGBT-transistoren kan bli ødeleggende.

I et transportbånd-anlegg kan motor med kort (5 meter) motorkabel oppnå en transientspenning som er tilnærmet lik den nominelle, mens en motor som er 300 meter unna må håndtere spenningstransienter som er 4 - 5 ganger nominell spenning hvis du ikke innfører tiltak.

Corona; utfordring ved lange motorledninger

Lange (>30 meter) motorledninger kan gi opphav til et annet problem: 'Corona': Spenningstransienten setter opp en transientstrøm gjennom motorvinklene. Dette strømstøtet (vi får et pulserende magnetfelt rundt den strømførende lederen) resultater i en lokal temperaturøkning. Temperaturøkningen ioniserer luften (= ozone), og ozonet 'angriper' viklingsisolasjonen, som etter en viss tid bryter ned isolasjonen. Og, vi får til slutt en uønsket kortslutning av motorviklingene.