nt.
List of contents
List of contents
Chapter

0:
Introduction
Chapter 1:
3
-
Phase AC Motors
Chapter 2:
Frequency converters
Chapter 3:
Frequency converters and Motors
Chapter 4:
Protection and Safety
Appendix I:
General Mechanical Theory
Appendix II:
General AC Theory
Appendix III:
Generally used Abbreviations
Literature reference
Index 4
L
IST OF
C
ONTENTS
List of contents
C
HAPTER
0: I
NTRODUCTION
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Advantages of infinitely variable speed regulation . . . . . . . . .10
Control or regulation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
C
HAPTER
1: 3-P
HASE
AC M
OTORS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Asynchronous motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Slip, torque and speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Efficiency and losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Equivalent circuit diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Speed change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Changing the number of poles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Slip control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Frequency regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Motor data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Types of load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
Synchronous motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Reluctance motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
C
HAPTER
2: F
REQUENCY
C
ONVERTERS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
The rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Uncontrolled rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Controlled rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
The intermediate circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
The inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Pulse-Amplitude-Modulation (PAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Pulse-Width-Modulation (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Sinus-controlled PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Synchronous PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Asynchronous PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .75
Control circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
Danfoss control principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
VVC control principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
VVC
plus
control principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 L
IST OF
C
ONTENTS
5
Field-oriented (Vector) control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
V/f characteristic and flux vector control . . . . . . . . . . . . . .93
VVC
plus
slip compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
Automatic Motor Adaptation (AMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
Automatic Energy Optimisation (AEO) . . . . . . . . . . . . . . . .95
Operating at the current limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
Protective functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
The microchip in general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
Computers for frequency converters . . . . . . . . . . . . . . . . .102
Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
Serial communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
Manufacturer-independent communication . . . . . . . . . . . .111
C
HAPTER
3: F
REQUENCY
C
ONVERTERS AND
M
OTORS
. . . . . .113
Operational conditions of the motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Compensations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Load-dependent and load-independent compensation
parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Slip compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
Motor torque characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Current limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Requirements from advanced digital frequency
converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Sizing a frequency converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Load characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Current distribution in the frequency converter
(cos

of the motor ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
Dynamic brake operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
Reversing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
Ramps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
Motor load and motor heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
C
HAPTER
4: P
ROTECTION AND
S
AFETY
. . . . . . . . . . . . . . . . . .139
Extra protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
Reset to zero (TN system) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
Earthing (TT system) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
Protective relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
Electromagnetic compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
Basic Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
Generic Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 6
L
IST OF
C
ONTENTS
Product Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
Dispersal of interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
Hard-wired dispersal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Mains supply interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Transients/over-voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
Radio-frequency interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
Screened/armoured cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
Power Factor compensation units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
Selection of a frequency converter for
variable speed drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
A
PPENDIX
I: G
ENERAL
M
ECHANICAL
T
HEORY
. . . . . . . . . . . .159
Straight-line motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
Rotating motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
Work and power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
A
PPENDIX
II: G
ENERAL
AC T
HEORY
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162
Power factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
3-phase AC current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
Star or delta connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167
A
PPENDIX
III: G
ENERALLY USED ABBREVIATIONS
. . . . . . . . . .168
L
ITERATURE REFERENCES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
I
NDEX
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 C
HAPTER
0: I
NTRODUCTION
7
0. Introduction
A static frequency converter is an electronic unit which provides
infinitely variable control of the speed of three-phase AC motors
by converting fixed mains voltage and frequency into variable
quantities. Whilst the principle has always remained the same,
there have been many changes from the first frequency con-
verters, which featured thyristors, to todays microprocessor-
controlled, digital units.
Because of the ever-increasing degree of automation in industry,
there is a constant need for more automatic controls, and a
steady increase in production speeds and better methods to fur-
ther improve the efficiency of production plants are being devel-
oped all the time.
Today electric motors are an important standard industrial
product. These motors are designed to run at a fixed speed and