Accuracy Analysis of Frequency Converter Estimates in Diagnostic Applications

Transportation of fluids is one of the most common and energy intensive processes in the industrial and HVAC sectors. Pumping systems are frequently subject to engineering malpractice when dimensioned, which can lead to poor operational efficiency. Moreover, pump monitoring requires dedicated measuring equipment, which imply costly investments. Inefficient pump operation and improper maintenance can increase energy costs substantially and even lead to pump failure. A centrifugal pump is commonly driven by an induction motor. Driving the induction motor with a frequency converter can diminish energy consumption in pump drives and provide better control of a process. In addition, induction machine signals can also be estimated by modern frequency converters, dispensing with the use of sensors. If the estimates are accurate enough, a pump can be modelled and integrated into the frequency converter control scheme. This can open the possibility of joint motor and pump monitoring and diagnostics, thereby allowing the detection of reliability-reducing operating states that can lead to additional maintenance costs. The goal of this work is to study the accuracy of rotational speed, torque and shaft power estimates calculated by a frequency converter. Laboratory tests were performed in order to observe estimate behaviour in both steady-state and transient operation. An induction machine driven by a vector-controlled frequency converter, coupled with another induction machine acting as load was used in the tests. The estimated quantities were obtained through the frequency converter’s Trend Recorder software. A high-precision, HBM T12 torque-speed transducer was used to measure the actual values of the aforementioned variables. The effect of the flux optimization energy saving feature on the estimate quality was also studied. A processing function was developed in MATLAB for comparison of the obtained data. The obtained results confirm the suitability of this particular converter to provide accurate enough estimates for pumping applications.

Nesteiden siirtyminen on yksi teollisuus- ja LVI-alojen yleisimmistä ja energiaa vaativimmista prosesseista. Matala prosessihyötysuhde johtuu usein pumppausjärjestelmien epätarkasta mitoituksesta. Lisäksi yksilöllinen mittauslaitteisto vaaditaan pumpun toiminnantarkailua varten, mikä voi edellyttää suuria investointeja. Pumppujen tehoton toiminta sekä riittämätön kunnossapito voivat aiheuttaa huomattavaa energiankustannusten kasvua ja jopa vaurioita pumpussa. Keskipakopumppua ohjataan yleisesti oikosulkumoottorilla. Moottorin ohjaus taajuusmuuttajalla voi pienentää pumppukäytön energiankulutusta sekä parantaa prosessin säädettävyyttä. Sen lisäksi oikosulkumoottorien signaaleja voidaan estimoida nykyisillä anturittomilla taajuusmuuttajilla. Täten sekä pumpun että moottorin yhteinen valvonta ja diagnostiikka voi toteutua, mahdollistaen luotettavuutta heikentävien toimintatilojen havaitsemisen, jotka voivat aiheuttaa ylimääräisiä kunnossapitokustannuksia. Työn tavoite on tutkia taajuusmuuttajan laskemien pyörimisnopeus-, vääntömomentti- ja akselitehoestimaattien tarkkuutta. Laboratoriomittauksia suoritettiin sekä staattisessa että transienttitiloissa estimointitarkkuuden tutkimiseksi. Testilaitteisto koostui vektorisäädetystä taajuusmuuttajasta sekä kahdesta, toisiinsä kytketystä oikosulkukoneesta, joista yksi toimi moottorina ja toinen kuormana. Estimoidut muuttujat saatiin taajuusmuuttajan Trend Recorder- ohjelmistolla. Pyörimisnopeuden ja vääntömomentin todelliset arvot mitattiin HBM:n T12-anturilla. Laboratoriomittausten aikana vuon optimoinnin vaikutusta estimaateihin tarkkailtiin myös staattisessa tilassa. Mittauksista saatujen tietojen käsittelemistä varten kehitettiin lukemisohjelma MATLAB:lla. Saadut tulokset vahvistavat, että tämä taajuusmuuttaja tuottaa tarpeeksi tarkat estimaatit pumppaussovelluksia varten.