exjobbsrapport ver 1.06kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:470090/FULLTEXT01.pdfEffektmätning i pump av Martin Zetterquist Examensarbete XR-EE-EME 2011:015 Kungliga Tekniska Högskolan

Degree project in

Effektmätning i pump

Martin Zetterquist

Stockholm, Sweden 2011

XR-EE-EME 2011:015

Electrical EngineeringMaster of Science

Effektmätning i pump

av

Martin Zetterquist

Examensarbete

XR-EE-EME 2011:015

Kungliga Tekniska Högskolan

Skolan för system- och elektroteknik

Elektriska maskiner och effektelektronik

Stockholm 2011

2

3

Abstract The interest for power and energy measurement has greatly raised with todays increasing electricity prices and enviromental awareness. In the search for energy efficient solutions, the measurements are more complex due to increasing of non linear components. Harmonics and non sinusoidal voltages put high demands on sampling and filtering. Meanwhile, the price must be controlled so the customer still will find it interesting to invest in smaller plants. ITT W&WW asks for a robust, heat resistant power meter with compact dimensions to allow mounting inside the casing of a pump. It should be able to measure the power, both from a regular power supply and fed from a VFD. The accuracy needs not to be on reference level, but the price/performance-ratio is an important parameter. Synchronous sample is tested, but is not considered suitable. Several test kits designed for 50 Hz AC, turn out to also measure VFD feed loads with good accuracy. Keywords Power measurement, synchronous sampling, VFD, variable frequency drive, non sinusoidal. Sammanfattning Effekt- och energimätning efterfrågas mer och mer med dagens ökande elpriser och miljötänkande. I jakten på energieffektiva lösningar försvåras mätningarna på grund av ökandet av icke linjära komponenter. Övertoner och icke sinusformade spänningar ställer höga krav på sampling och filtrering. Samtidigt måste priset hållas nere för att kunden ska tycka att det är lönt med investeringen även i mindre anläggningar. ITT W&WW efterfrågar en robust, värmetålig effektmätare med kompakta mått för att möjliggöra montering inuti pumphus. Den ska klara av att mäta effekt både direkt från nätet och matad från en VFD. Noggrannheten behöver inte vara på referensnivå, däremot är pris/prestanda ett viktigt mått. Synkron sampling testas som mätmetod, men anses inte vara lämplig. Flera vanliga testkit avsedda för 50 Hz växelström visar sig mäta även VFD-matade laster med god precision. Nyckelord Effektmätning, synkron sampling, VFD, frekvensomriktare, icke sinusformad.

4

5

Tack Tack till min handledare Alexander Fullemann, Jürgen Mökander och övriga på RPEC-avdelningen för värdefulla kommentarer och synpunkter under hela examensarbetet. Tack till alla på labbet för hjälp med lån av instrument och uppriggning. Tack till Juliette Soulard, avdelningen för Elektriska maskiner och effektelektronik på KTH, för att du gjorde min speciallösning på starten av examensarbetet möjlig och för bra synpunkter under arbetets gång.

6

7

Innehållsförteckning 1 Inledning 9 2 Teori 9 2.1 Effektberäkning 9 2.2 Fouriertransform 10 2.3 Växelströmmotorers varvtal 11 2.4 PWM 11 2.5 Synkron sampling 13 3 Simulering av synkron sampling 14 3.1 Labview 14 3.2 Analys av kurvformen 16 4 Analys av spänning och ström 19 4.1 Analys av spänningen 19 4.2 Analys av strömmen 20 5 Utvärdering av befintliga effektmätare 21 5.1 Uppställning av labbrigg 21 5.2 Antal möjliga testkombinationer 22 5.3 Värsta fallet 23 5.4 FFT-analys 24 5.5 Carlo Gavazzi EM-20 26 5.6 Microchip MCP 3909 27 5.7 Analog Devices ADE7878 27 5.8 Teridian 78M6631 28 5.8.1 Mätresultat Teridian 29 5.8.2 Storlek på Teridiankretsen 32 6 Slutsatser 33 7 Referenser 34 A Materialförteckning 35 B Mätresultat 36

8

9

1 Inledning Det finns gott om effekt- och energimätare för den traditionella 50 Hz-marknaden. De senaste åren har i stort sett alla hushåll fått sina elmätare utbytta till fjärravläsbara varianter. Detta har givetvis ökat antalet tillgängliga produkter ytterligare. När det gäller effektmätning på VFD-matade laster är utbudet litet. De som finns är egentligen menade som referensinstrument och är då alldeles för dyra och otympliga för att användas ute i fält. ITT W&WW efterfrågar en robust, värmetålig effektmätare med kompakta mått för att möjliggöra montering inuti pumphus. Den ska klara av att mäta effekt både direkt från nätet och matad från en VFD. Noggrannheten behöver inte vara på referensnivå, däremot är pris/prestanda ett viktigt mått. I kabeln till pumpen finns ingen nolla, så effektmätaren måste klara sig utan den potentialen som referens. I detta examensarbete kommer olika metoder att mäta just VFD-matade laster att utvärderas. 2 Teori 2.1 Effektberäkningar Aktiv effekt Den aktiva effekten ges av momentanvärdena av spänningen och strömmen integrerad över tiden och sedan delat med tiden [1].

0

1T

P u i dtT

= ⋅ ⋅∫

Spänning och ström Effektivvärdet för spänningen och strömmen, oavsett kurvform beräknas genom det kvadratiska medelvärdet, även kallat RMS från engelskans Root-Mean-Square.

2

0

1T

RMSU u dt

T= ⋅∫

2

0

1T

RMSI i dt

T= ⋅∫

Skenbar effekt När strömmen och spänningen fasförskjuts från varandra blir den så kallade skenbara effekten S, högre än den aktiva effekten

RMS RMSS U I= ⋅

10

Reaktiv effekt Den skenbara effekten delas in i två komponenter, aktiv effekt P och reaktiv effekt Q.

2 2

Q S P= − Effektfaktor Effektfaktorn visar hur stor förskjutningen är mellan spänningen och strömmen. Den är intressant att undersöka då ett värde nära ett maximerar den aktivt överförbara effekten på en ledning.

cosP

Sϕ =

Samband mellan aktiv effekt och cos φ Den aktiva effekten och cos φ:s förhållande till varandra visas av denna formel.

cosRMS RMS

P U I ϕ= ⋅ ⋅

2.2 Fouriertransform En signal som endast beskådas i tidsplanet, kan vara svår att analysera. Delas signalen istället in i sina frekvenskomponenter är det mycket lättare att se t.ex. inom vilket frekvensspektrum som den största delen av energin i signalen ligger [2]. En metod för att gå från tidsplanet till frekvensplanet kallas Fouriertransform. Speciellt en variant av denna, FFT (Fast Fourier Transform) är intressant då den kan implementeras i realtid. Nyquistteoremet För att med digitalteknik analysera, behandla och göra beräkningar på en tidskontinuerlig signal måste signalen samplas. Beroende på hur fort samplingen sker, kan högre frekvenser analyseras. Gränsvärdet bestäms av Nyquistteoremet som säger att samplingsfrekvensen måste minst vara den dubbla av den som ska undersökas för att undvika vikning [3]. För att kunna realisera detta i verkligheten är det viktigt att placera ett lågpassfilter innan samplaren.

11

2.3 Växelströmmotorers varvtal De två vanligaste typerna av växelströmsmotorer är asynkronmotorn och synkronmotorn [4]. Den förstnämnda kan varvtalsregleras med frekvensen på matningsspänningen, ändring av eftersläpningen samt genom att ändra polparantalet. Synkronmotorn har ingen eftersläpning, så den kan bara regleras genom polparantal och frekvens. Att öka eftersläpningen ökar dock förlusterna avsevärt och att variera polpartalet ger stora varvtalsförändringar. Den enda metoden som återstår är frekvensreglering. För att motorn ska magnetiseras rätt måste spänningen öka samtidigt som frekvensen gör det. Detta kallas konstant volt per Hertz kontroll. Ett kostnads- och energieffektivt sätt att kontrollera spänning och frekvens är att använda en VFD. VFD En förkortning för Variable Frequency Drive, på svenska kallad frekvensomriktare, används för att varvtalsreglera elektriska motorer. Med hjälp av pulsbreddsmodulering (PWM) kan en utsignal som både är ställbar i frekvens och spänning genereras. 2.4 PWM Pulsbreddsmodulering, på engelska Pulse Width Modulation, är en metod som kan användas för att skapa växelström från en likströmsskälla. Genom att generera fyrkantsvågor med olika pulsbredd erhålls en spänning som varierar med tiden [5]. Bilden nedan visar pulsbreddens variation för att få fram en sinusvåg.

Fig. 1. Utsignal från en VFD och den skapade fundamentalvågen.

12

Ju högre frekvens fyrkantspulsen har, desto mer efterliknar den skapade signalen en sinusvåg. Detta i sin tur bidrar till bättre verkningsgrad i motorn. Nackdelen är att varje till- och frånslag inuti VFDn generar effektförluster. Vilken den optimala switchfrekvensen är beror från fall till. Om VFDn t.ex. monteras i ett dåligt ventilerat utrymme, kan det vara bättre att låta motorn ta hand om värmeförlusterna eftersom den ofta har bättre kylning. Kabellängd Längden på kabeln mellan VFDn och motorn påverkar prestandan. Korta kablar gör ingen nämnvärd skillnad i de flesta fall. Men när avståndet ökar till t.ex. 100 m, uppstår fenomen som stående vågor, vilket kan skada utrustningen. För att minska kablarnas inverkan kan åtgärder som t.ex. att sätta in filter mellan VFDn och pumpen behövas. Filter På grund av att utsignalen från VFDn består av högfrekventa fyrkantsvågor, kan transientrelaterade problem uppstå. T.ex. kan höga spänningsspikar uppstå vid motorns kopplingsplint. Detta kan skada både motorn om den inte är isolerad för den höjda spänningen, men även mätinstrument måste vara rätt dimensionerade för att inte bli förstörda. Transienterna ökar även EMCn som i sin tur kan störa ut känslig elektronik För att dämpa transienterna går det att montera ett filter mellan VFDn och motorn [6]. Det finns tre typer av filter: Motorreaktor: Är det enklaste filtret och består endast av induktanser, en per fas. Filtret ökar stigtiden och på så sätt dämpas transienterna. Du/dt-filter Som namnet på filtret antyder ökar även detta filtret stigtiden och är uppbyggt av induktanser och kapacitanser. Sinusfilter Det mest komplicerade filtret är uppbyggt av induktanser, kapacitanser och dioder. Det omvandlar utsignalen från VFDn till nära nog perfekt sinusvåg. Nackdelarna med filter överlag är de alltid ger upphov till spänningsfall och på så sätt ökar förlusterna för hela systemet. De tar stor plats, är tunga och kan mycket väl kosta lika mycket som VFDn. Ytterligare en sak som bör noteras är att omriktarna endast kan köras med skalärstyrning med filter inkopplade.

13

2.5 Synkron sampling En VFD har normalt en switchfrekvens på 4-32 kHz. Insvängningarna kan ha 10 gånger högre frekvens än fyrkantspulsen. Med Nyquistteoremet i beaktande betyder det att samplingsfrekvensen måste ligga på 640 kHz för att undvika vikning. Inte ens alla referensinstrument samplar så fort och att bara komma i närheten av den siffran innebär mycket dyr elektronik. Finns det då något sätt att sampla långsammare, men ändå få en godtagbar precision i mätningen? En mätmetod kallas synkron sampling [7]. Den går ut på att endast sampla en eller två gånger per period vid lämpligt utvalda punkter. Kurvformen och frekvensen måste vara känd. VFDn skickar ut en fyrkantsvåg och frekvensen kan bestämmas genom att mäta nollgenomgångarna. För att undvika eventuella insvängningar i början av varje puls är det lämpligt att sampla i mitten av varje puls. VFD-tekniken bygger på att pulsbredden ändras, men den gör det så pass lite för varje puls att informationen från föregående puls är tillräcklig för att bestämma samplingspunkten i nästa. Nollgenomgångarna och amplituden vid samplingspunkterna ger tillräckligt med information för att beräkna spänningen.

Fig. 2. Synkrona samplingspunkter.

14

3 Simulering av synkron sampling Synkron sampling avhandlas i ett fåtal vetenskapliga artiklar och det finns ingen färdig produkt på marknaden. Ett konsultbolag har tagit fram ett förslag på en prototyp som ska klara de steg som förklaras ovan. Att bygga ihop en komplett fungerande prototyp skulle innebära flera månaders jobb, så ett första steg att testa metoden är att simulera beräkningarna i Labview och Matlab. 3.1 Labview För att verifiera teorin presenterad från konsultbolaget, testades synkron sampling i Labview. Nedanstående schema identifierar pulsbredden och samplar halvvägs in i nästa period. Värdet beräknat av den synkrona samplingen jämförs med RMS-värdet.

Fig. 3. Labviewkretschema för simulering av synkron sampling.

15

Med en helt ren fyrkantsvåg blir det ingen differens mellan de två beräkningsmetoderna.

Fig. 4. Simulering med ren fyrkantsvåg.

Tillförs en störning på fyrkantsvågen erhålls dock olika värden.

Fig. 5. Simulering med distorderad fyrkantsvåg.

Det är helt klart en väsentlig del i den synkrona samplingen att samplingspunkten väljs med stor omsorg. Frågan är om det ens är helt möjligt att finna en algoritm som alltid ger ett korrekt värde?

16

3.2 Analys av kurvformen För att den synkrona samplingsmetoden ska fungera måste det i varje fyrkantspuls som VFDn genererar finnas en mätpunkt som kan användas för beräkning av spänningen. Genom att analysera kurvformen i olika driftsfall går det att bestämma om en sådan mätpunkt existerar. I gynnsamma fall erhålls en nästintill perfekt fyrkantsvåg. Då blir differensen mellan synkron sampling och den betydligt dyrare rms-mätningen liten. Synkrona samplingspunkten är i samtliga fall i mitten av den positiva och den negativa delen av pulsen.

Kort kabel Inget filter RMS-värde 299.5929 V

Synkront värde 301.4396 V differens 0.6164 %

Fig. 6. Utsignal från en VFD vid gynnsamma förhållanden.

17

I verkligheten är dock fyrkantsvågen mycket förvrängd. Det syns tydligt att det inte finns någon enstaka lämplig samplingspunkt.

Kort kabel Du/dt-filter RMS-värde 287.8006 V


Fig.7. Utsignal från VFD med du/dt-filter inkopplat.

18

Filter och mer avancerade VFDs kan modifiera fyrkantsvågen för att fundamentalvågen mer ska likna en sinusvåg. I dessa fall blir de synkrona samplingsberäkningarna felaktiga då de baseras på att vågen är rektangulär.

Kort kabel sinusfilter RMS-värde 227.5220 V


Fig. 8. Utsignal från VFD med sinusfilter inkopplad.

Det står snabbt klart att synkron sampling endast fungerar vid mycket gynnsamma fall och därför är mycket begränsad i sitt användningsområde när det gäller effektmätning av frekvensomriktardrivna laster. Synkron sampling är inte en lämplig lösning i detta fall.

19

4 Analys av spänning och ström 4.1 Analys av spänningen Även om frekvensomriktare switchar i mellan 4-32 kHz, så ligger den intressanta fundamentalfrekvensen runt 50 Hz. Frågan är om effektmätare gjorda för att mäta kring den frekvensen även kan mäta VFD-matade laster med gott resultat? En figur på fundamentalfrekvensen visar att det går att urskilja en periodisk signal.

Sampel/period RMS-värde

498 110.6647 V 125 111.4451 V 32 111.1457 V

Fig. 9. Utspänningen från en VFD, cirka 40 Hz.

Ett test av olika samplingsfrekvenser visar att även under 2 kHz/s behålls den väsentliga informationen. Den lägsta samplingstakten kräver en samplingsfrekvens på 1600 Hz vid 50 Hz växelström. Just runt 1500-2000 Hz samplingsfrekvens ligger väldigt många existerande effektmätare. För att verifiera att ingen viktigt information i signalen missas, kan en FFT-analys göras. Detta behandlas i ett senare kapitel.

20

4.2 Analys av strömmen Strömmen är betydligt lättare att mäta. Tack vare impedansen i motorlindningen filtreras den till nästan perfekt sinusform. Strömmen bör alltså inte vara något problem att mäta, inte ens för väldigt billiga kretsar.

Fig. 10. Strömmen från en VFD.

21

5 Utvärdering av befintliga effektmätare Det finns en uppsjö av effektmätare. De som är intressanta att testa är dels de som erbjuds tillsammans med existerande pumpar och dels mycket kompakta modeller som kan tänkas få plats inuti pumpen. 5.1 Uppställning av labbrigg För att kunna testa effektmätarna behövs en labbrigg. Bilden nedan visar uppbyggnaden av denna.

Fig. 11. Schematisk uppställning av labbriggen.

Följande komponenter ingår: Wattmeter En effektmätare av fabrikat Yokogawa. Denna används för att kunna bedöma värdena som anges i effektmätarna efter VFDn. VFD Fyra fabrikat: Invertek, Yaskawa, ABB och Danfoss I de fallen det är möjligt varieras varvtal och switchfrekvenser. Filter Motorreaktor, du/dt-filter och sinusfilter Kabellängd Den korta kabeln är cirka 5 m och den långa 105 m

22

Effektmätare som testas Tre effektmätare: En som tillhandahålls till befintliga pumpar, Carlo Gavazzi EM20. Ett testkit från Teridian, 78M6631 och ett från Analog Devices, ADE7878. EM20 testas för att visa om den nuvarande effektmätaren fungerar under dessa förhållanden. De två testkiten valdes ut efter att marknaden av kompakta effektmätande IC-kretsar undersökts. Dessa två tillsammans med Microchip MCP3909 var de fabrikaten som erbjöd IC-kretsen med ett färdigt testkit för 3-fasmätning, men det sistnämnda valdes bort då det var mycket snarlikt ADE7878. I samtliga fall används strömtransformatorer för att mäta strömmen. Troligtvis är det den metoden som kommer att användas vid montering inuti en pump. Referens Som referens till de effektmätare som ska testas valdes en Norma 4000. Den fanns tillgänglig på labbet och enligt de tekniska specifikationerna är den lämplig att mäta icke sinusformade kurvformer. Att ha rätt inställningar vid VFD-matade laster är väsentligt. Vid noggrannare undersökning måste Norman vara inställd i fundamentalvågmätningsläge. Den gör då beräkningar endast på grundtonen och filtrerar bort alla övertoner. Effekt- och strömskillnaden mellan detta läge och RMS-beräkning är liten. Däremot visar RMS-läget helt felaktiga spänningar och effektfaktorvärden. Spänningen följer inte alls den förväntade V/f-kurvan och effektfaktorn anges ibland som kapacitiv, något som är en fysikalisk omöjlighet för en asynkronmotor. Pump Pumpen är av fabrikat Flygt 2620, med en trefas asynkronmotor på 2,2 kW. Pumpen hängs upp i en travers för att kunna lyftas upp ur vattnet och köras torrt och därmed simulera tomgång. Vattenutflödet passerar genom en strypventil för att kunna variera belastningen. 5.2 Antal möjliga testkombinationer Multiplicering av alla möjliga tester ger 864 kombinationer. Antalet mätningar går dock att reducera kraftigt då många fall är i stort sett identiska sett till hur fundamentalvågen ser ut. De ingående komponenterna i labbriggen kan delas upp i två delar. De som ger stor påverkan på signalen och de som gör liten. Efter många stickprovsmätningar visar det sig att hög switchfrekvens, lågt varvtal, långa kablar och avancerade filter förvränger fyrkantsvågen mest. En kombination av dessa borde ge det värsta tänkbara scenariot. Dock bör hänsyn tas till filtrens eventuella maximala switchfrekvens som de är avsedda för.

23

5.3 Värsta fallet En kombination av Inverteks drive med en switchfrekvens på 8 kHz, lång kabel, du/dt-filter, låg belastning och lågt varvtal ger en utsignal där det knappt går att se att det är en fyrkantsvåg.

Fig. 12. En starkt förvrängd fyrkantspuls.

24

5.4 FFT-analys För att få en bättre uppfattning om inom vilket frekvensspektrum energin i signalen finns, är FFT-analys ett bra hjälpmedel. Nedanstående figur visar fundamentalvågen och FFTn för fyrkantsvågen i 5.3.

Fig. 13. Utspänning och dess FFT, 44 Hz.

Största delen av energin ligger kring fundamentalvågen på 44 Hz. Sänks varvtalet ändras frekvensspektrumet.

25

Fig. 14. Utspänning och dess FFT, 22 Hz.

När frekvensen sänks till 22 Hz, ökar energiinnehållet i de högre frekvensregistren.

26

5.5 Carlo Gavazzi EM-20 Denna effektmätare anger i manualen att den inte får användas tillsammans med en VFD. Efter 10 sekunder med lång kabel gick den sönder. Innan dess hade den fluktuerat ganska kraftigt i effektangivelsen, +- några hundra watt. Den är inte tillräckligt väl isolerad för topp till toppvärden på 1600 V. Carlo Gavazzis reparatörer bekräftar detta efter att de undersökt den trasiga enheten.

Fig. 15. Effektmätaren Carlo Gavazzi EM20. Strömtransformatorerna visas ej på bilden.

Noterbart är också att EM20n inte startar utan att den har en nolla kopplad till sig. Den har ingen extern strömförsörjning utan tar ström från ledarna som ska mätas. Detta ställde till problem för ABB-drivern. Den registrerade den lilla läckström som uppstod och vägrade att starta.

27

5.6 Microchip MCP3909 Detta effektmätarkort testades inte, men är ändå värd att notera. Skulle de mer utförligt undersökta alternativen fallera av någon anledning är detta en tänkbar ersättare, då den i specifikationerna är likvärdig både Analog Devices och Teridian. 5.7 Analog Devices AD7878 7878-kretsen är Analog Devices mest avancerade effektmätarkrets och dess tekniska specifikationer imponerar med övertonsmätningar och andra ganska avancerade analyser för ett så litet chip. Tyvärr är det Labviewbaserade gränssnittet mycket svårarbetat. Att läsa effekt, ström och spänning kräver mycket letande i flera olika menyer. För att gå vidare till övertonsanalysen krävs i det närmaste en omstart. För att testkortet ska starta behöver det få två ifrån varandra isolerade 3.3V spänningsmatningar. Kombinationen av detta och en väldigt långsam teknisk support gjorde att denna krets inte undersöktes särskilt noggrant. Av de få mätvärden som noterades, gav den likvärdiga värden som Teridiankretsen. Men den måste testas mycket mer utförligt för att det ska gå att dra slutsatser om lämpligheten som effektmätare i detta fall.

Fig. 16. Startfönstret för testkit till AD7878.

28

5.8 Teridian 78M6631 Betydligt enklare användargränssnitt. Kortet har inte lika mycket finesser som ADE7878, men all väsentlig information presenteras i ett fönster. Spänningsmatningen tar testkortet från USB-porten, så installationen är enklare. De första mätningarna gjordes med inkopplad nolla. Inuti en pump finns inte nollan att tillgå och jorden är inte lämplig att använda som referens, så kretsen måste kunna mäta korrekt med en fas som referens. I kopplingsschemat anges att en fas kan användas som referens och bara genom att välja mellan Y-delta koppling i menyn, så ska allt fungera. Det visar sig dock att programmet låser sig så fort VFDn startas. Efter en del felsökning visar det sig att kommunikationen mellan testkort och dator störs ut när nollingången kopplas till en fas. Det visar sig dock att det går bra att bara koppla bort nollan och låta faserna sitta kvar på sina respektive anslutningar. Då fungerar kommunikationen utan problem. Den första versionen av testkortet visade ganska stora skillnader mellan fasspänningarna vid 8 kHz, men differensen försvann vid högre frekvenser. Ingen förklaring till detta fenomen hittades, men det försvann i den andra generationens testkort.

Fig. 17. Teridians datorgränsnitt.

29

5.8.1 Mätresultat Teridian Först ett idealt driftsfall: kort kabel, inget filter, 8 kHz switchfrekvens. Mätdatan från Teridians krets ligger mycket nära referensmätaren Norma. Skillnaden i den aktiva effekten är så liten att det knappt går att urskilja de olika graferna. Effektfaktordifferensen är lite större, speciellt vid låga värden. Norman visar konsekvent lite högre effektfaktor.

Fig. 18. Aktiv effekt och effektfaktor. Den streckade linjen är Norma 4000 och den

heldragna Teridian.

30

Vid lång kabel och du/dt-filter blir fyrkantsvågen kraftigt förvrängd som tidigare visats. Även i detta fall blir effekt- och effektfaktorkurvorna mycket snarlika. Endast en lite större differens i cos φ-värdena går att urskilja.

Fig. 19. Aktiv effekt och effektfaktor. Den streckade linjen är Norma 4000 och den heldragna Teridian.

Även om den aktiva effekten är den primära storheten av intresse, så ger även spänningen och strömmen intressant information. Strömmen är som förväntat lätt att mäta, men spänningen skiljer sig markant.

31

Fig. 20. Spänning och ström. Den streckade linjen är Norma 4000 och den heldragna

Teridian.

Här kommer skillnaden mellan filtreringen i instrumenten in. Norman filtrerar bort allt över grundtonen, medans Teridians lågpassfilter delar vid 2.2 kHz. Att spänningsskillnaden minskar när effekten ökar beror på att energin i de högre frekvenserna minskar. Detta syns tydligt i den FFT-analysen som gjordes i kapitel 5.4. Teridiankretsen anger ett högre värde på spänningen, men lägre cos φ, därav blir effekten densamma som Norma 4000 anger. Värsta fallet När VFDn ställs upp till 32 kHz switchfrekvens och kopplas tillsammans med ett du/dt-filter förvrängs spänningen så mycket att pumpen får svårt att starta. Starka missljud hörs från flera ställen i systemet. Detta skadar utrustningen och är inget som den ska utsättas för långvarigt, men behöver ändå testas för att se hur Teridiankretsen fungerar. Som mest blev differensen mellan den och Normans effektangivelse 4 %. Övriga resultat När pumpen matas med nätspänning håller sig alla parametrar inom 0.5 % differens jämfört med Norman. Detta överensstämmer med noggrannheten enligt specifikationen. Kortet klarar topp till toppvärden på 1600 V utan att ta skada.

32

5.8.2 Storlek på Teridiankretsen Det är ont om plats inuti en pump. En boxliknande konstruktion stor som en tändsticksask som kan monteras på en DIN-skena är de önskvärda maximala måtten.

Fig. 21. Bild på Teridians testkort. Testkortet är cirka 10.5x13 cm stort. Anslutningsterminalerna tar en hel del plats och i övrigt finns det ganska mycket outnyttjad yta på kortet. Genom att använda ett dubbelsidigt kretskort bör det inte vara omöjligt att få ner hela kretskortet till önskad storlek. Det som kan vara problematiskt är resistorerna som står för spänningsdelningen. Dessa kan inte vara för kompakt monterade på grund av risken för överslag. Alternativa lösningar är intressanta att undersöka. T.ex. är ett alternativ där resistorerna sitter på kabeln mellan mätpunkten och kretskortet ett sätt att spara utrymme.

33

6 Slutsatser Den synkrona samplingen är inte en lämplig effektmätningsmetod, då den endast skulle fungera under mycket gynnsamma förhållanden. Att modifiera på marknaden existerande effektmätare kan inte ses som en bra lösning då de är för stora och dessutom måste det verifieras att de klarar de höga spänningspikarna som kan uppstå.

Av de testkit som undersökts verkar Teridians 78M6631 vara ett tänkbart alternativ. Något som bör tas i beaktande är att den missar en del, om än mycket liten del av den aktiva effekten på grund av sin lågpassfiltrering. Denna är satt till 2,2 kHz och med hjälp av FFTn går det att se att det finns energi över delningsfrekvensen. Genom att jämföra mätvärdet av grundton och RMS-värdet på referensinstrumentet Norma 4000, ger grundtonen ca 1 % lägre aktiv effekt jämfört med RMS-värdet. Vinsten med filtreringen är att det går att få användbara värden av spänningen och strömmen, information som kan vara nog så viktig. I värsta fall testet uppmättes en aktiv effektdifferens som mest på 4 % mellan Teridian och Norman. Detta var under mycket svåra omständigheter, något som den normalt inte kommer att utsättas för under längre tid. Under driftsförhållanden med VFD som sker inom ramen för vad alla komponenter är specificerade för, är effektdifferensen mycket lägre. För att bli en leveransfärdig produkt återstår dock en del saker som måste lösas. Testkitet har försetts med strömmatning från USB-porten. Vad den ska få för matning inuti pumpen kan lösas på flera sätt. Antingen måste pumpkabeln alltid ha två extra ledare för effektmätararens matning och en spänningstransformator måste installeras i elskåpet. Fördelen med denna lösning är att effektmätaren alltid är på och kan registrera alla händelser, speciellt start och stopp. Nackdelen är att pumpkabeln blir dyrare och ett extra moment krävs vid pumpinstallationen. En annan lösning är att ta ström från transformatorerna som mäter strömmen. Det gör installationen enklare, men effektmätaren fungerar bara när pumpen är igång. Dessutom innebär VFD-matning att en spänningsstabilisator som kan hantera mycket stora spänningsvariationer måste läggas till och kräver en del extrautrymme. Även vibrations- och värmetest som simulerar miljön inuti en pump behöver genomföras. Skulle uppgiften med att bygga in effektmätaren i pumpen bli alltför svår, kan en enkel strömmätare vara ett alternativ. Att bara ha tillgång till information om strömstyrkan ger ändå värdefull driftsinformation. Utsignalen från en strömtransformator är i storleksordningen någon volt, så inga utrymmeskrävande överslagskydd behövs. Strömmen är dessutom mycket mer kontinuerlig i sin kurvform och kräver på så vis minimalt med processorkraft och en strömmätarkrets blir därmed billigare.

34

7 Referenser [1] Fluke ”NORMA 4000/5000 Power Analyzer Operator Manual”, Juni 2007 http://assets.fluke.com/manuals/norma___omeng0100.pdf [2] B.P. Lathi, “Linear Systems and Signals”, 2nd edition, Oxford University

Press. 2005 [3] H.P. Hsu, “Shaum’s Outline of Signals and Systems”, McGraw-Hill, 1995.

[4] Stefan Östlund “Electrical Machines and Drives”, Course compendium KTH 2008. [5] Ned Mohan m.fl. ”Power Electronics Converters, Applications and Design” 2003 Wiley. [6] Sigbi “Utgångsfilter för trefasiga nät”. http://www.sigbi.se/tbh/utgangsfilter.htm?motorfilter [7] ”Effektmätning Flygt PWM VFD” Version 1, 2010, Internrapport från konsultbolag.

35

A Materialförteckning Referensmätare Yokogawa WT-130 Norma 4000 VFD Invertek Optipdrive P2, 380-480 V, 7,5 kW Yaskawa A1000, 380-480 V, 15/11 kW ABB ACS 550, 380-480 V, 15/11 kW Danfoss VLT6000 HVAC Filter Motorreaktor Lti drives LR34.10-UR Du/dt FUSS EMV 3AFU400-010 Sinus FUSS EMV 3AFS400-010 Kabel Kort kabel: Subcab 750 V RW 4G1,5 Lång kabel: Skärmad Subcab 1000 V 3 x 2,5 + 3 x 2,5/3E + s(4 x 0,5) Testade effektmätare Carlo Gavazzi EM20 Teridian testkit 78M6631 Analog Devices testkit ADE7878 Pump Flygt 2620 3-fas 400V 2,2 kW 4,7 A Slang med strypventil påmonterad Bassäng RTR-riggen Övrig datainsamling Bilder på spänning och ström har bearbetats i Matlab och fått rådata från ett Agilent 7000 oscilloskop.

36

B mätresultat

Invertek, 8kHz, kort kabel, låg belastning

P(W) cos φ

Teridian Norma Teridian Norma

150 146 0,249 0,29

187 181 0,278 0,316

313 306 0,377 0,407

430 427 0,451 0,48

587 580 0,531 0,563

733 730 0,592 0,621

857 850 0,633 0,66

983 978 0,667 0,694

1101 1097 0,696 0,721

1280 1281 0,732 0,755

1434 1437 0,756 0,778

1587 1588 0,777 0,799

1873 1866 0,806 0,826

2051 2048 0,822 0,838

2219 2212 0,834 0,849

Invertek, 24kHz, kort kabel, låg belastning P(W) cos φ Teridian Norma Teridian Norma

148 142 0,289 0,285 191 183 0,324 0,321 282 279 0,398 0,396 406 390 0,481 0,474 538 529 0,553 0,542 685 663 0,618 0,603 782 768 0,652 0,64 925 903 0,694 0,622

1124 1100 0,742 0,73 1302 1271 0,775 0,763 1414 1376 0,792 0,781 1583 1553 0,812 0,801 1708 1684 0,823 0,814 1806 1775 0,831 0,823 1943 1918 0,839 0,833 2263 2257 0,864 0,866

37

Invertek, 8 kHz, du/dt, lång kabel, låg bel.

U(V) I(A) P(W) cos φ

Teridian Norma Teridian Norma Teridian Norma Teridian Norma

88,5 69 2,3 2,3 151 146 0,248 0,305

99,8 83,7 2,3 2,3 217 215 0,328 0,382

111 97 2,3 2,3 314 307 0,411 0,466

121 109 2,4 2,4 430 420 0,497 0,54

130 119 2,5 2,5 550 544 0,562 0,611

137 127 2,6 2,6 654 648 0,609 0,65

143 134 2,7 2,7 748 745 0,692 0,682

154 146 3 3 951 952 0,697 0,734

162 155 3,2 3,15 1118 1112 0,732 0,766

175 168 3,5 3,15 1434 1429 0,78 0,809

172 175 3,7 3,68 1609 1605 0,799 0,827

192 187 4,1 4,1 1941 1932 0,827 0,851

200 195 4,3 4,3 2180 2173 0,841 0,864

Invertek 8 kHz Kort kabel

Inget filter

låg belastning

lågt varvtal Ingen nolla

U (V) I (A) P (W) cos φ Teridian 106 2,49 315 0,39 Norma 96 2,5 310 0,42


Inget filter

låg belastning




Inget filter

låg belastning




Inget filter

hög belastning



38

Invertek 8 kHz Kort kabel Inget filter

hög belastning

högt varvtal Ingen nolla



hög belastning




tomgång högt varvtal Ingen nolla


Invertek 8 kHz Kort kabel du/dt

hög belastning



Invertek 8 kHz Kort kabel motorreaktor

hög belastning



Invertek 8 kHz Kort kabel sinus

hög belastning



Invertek 8 kHz lång kabel Inget filter

hög belastning



39


hög belastning




hög belastning



Invertek 8 kHz lång kabel motordrossel

hög belastning



Invertek 8 kHz lång kabel du/dt

hög belastning



Invertek 8 kHz lång kabel sinus

hög belastning



Invertek 32 kHz lång kabel sinus



40

Yaskawa Kort kabel

Inget filter



Yaskawa Kort kabel

Inget filter

hög belastning


U (V) I (A) P (W) cos φ Teridian 82,572 1,62 209 0,503 Norma 49,08 1,62 214 0,89

Yaskawa Kort kabel du/dt

låg belastning



Yaskawa lång kabel du/dt

låg belastning

lågt varvtal+ Ingen nolla


Yaskawa Kort kabel

Inget filter

hög bel högt varvtal Ingen nolla


ABB Kort kabel

Inget filter



41

ABB Kort kabel

Inget filter

hög belastning



ABB Kort kabel du/dt

låg belastning



ABB lång kabel du/dt

låg belastning



ABB Kort kabel

Inget filter

hög bel högt varvtal Ingen nolla


Documents

exjobbsrapport ver 1.06kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:470090/FULLTEXT01.pdfEffektmätning i pump av Martin Zetterquist Examensarbete XR-EE-EME 2011:015 Kungliga Tekniska Högskolan