home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Explore the World of Soft…e: Engineering & Science / Explore_the_World_of_Software_Engineering_and_Science_HRS_Software_1998.iso / programs / electric / acdrive.txt < prev    next >
Text File  |  1997-09-18  |  47KB  |  815 lines

  1.                  TUTORIAL ON AC DRIVES AND DRIVE APPLICATIONS
  2.  
  3.  
  4.                   Written and Edited by Howard G. Murphy P.E.
  5.                         (C) Allen-Bradley Company 1990
  6.  
  7.  
  8.  
  9.            ------- T A B L E   O F   C O N T E N T S --------
  10.  
  11.  
  12.            USING AC MOTORS ON ADJUSTABLE FREQUENCY DRIVES        1
  13.              HOW FREQUENCY LIMITS SPEED
  14.              HOW VOLTAGE AFFECTS SPEED
  15.              AC MOTOR HEATING
  16.              CONSTANT TORQUE, LOW SPEED OPERATION
  17.              ALL AC MOTORS ARE NOT THE SAME
  18.  
  19.            TYPES OF AC DRIVES, FEATURES AND DIFFERENCES          3
  20.              VARIABLE VOLTAGE INVERTER
  21.              SIX-STEP WAVEFORMS
  22.              CURRENT SOURCE INVERTER
  23.              VARIABLE VOLTAGE OR CURRENT CONTROL
  24.              PULSE WIDTH MODULATED AC DRIVE
  25.              GENERAL PURPOSE AC DRIVE
  26.              INDUSTRIAL RATED AC DRIVE
  27.              INTELLIGENT INTERFACED AC DRIVE
  28.  
  29.            APPLYING AC DRIVES FOR VARIABLE SPEED                 6
  30.              APPLICATIONS RULES TO FOLLOW
  31.              BASIC RULES
  32.              THE IMPORTANCE OF WIRING SIZING
  33.              HOW VOLTAGE DROPS AFFECT TORQUE
  34.              SELECTING THE REQUIRED WIRE SIZE
  35.  
  36.            POWER DISTRIBUTION LINE CONSIDERATIONS                9
  37.              LIMITING CURRENT CAUSED BY HIGH VOLTAGE TRANSIENTS
  38.              SELECTING THE PROPER AC DISTRIBUTION SYSTEM
  39.              HOW ARE VOLTAGE TRANSIENTS CAUSED?
  40.              CORRECTING THE DISTRIBUTION SYSTEM
  41.  
  42.            APPLICATION AND SELECTION OF TRANSFORMERS            11
  43.  
  44.  
  45.            ENERGY SAVINGS WITH CENTRIFUGAL FANS AND PUMPS       12
  46.  
  47.  
  48.       AC Diskware Magazine is a service of the  Motion Control Division
  49.       of Allen-Bradley Company  Inc.  The information  provided in this
  50.       tutorial is a composite of experience in development, application
  51.       and field testing with AC drives, ac motors and process systems.
  52.  
  53.       The information is intended to be used only as a guide for applying
  54.       AC drives and ac motors. It is not intended to serve as any specific
  55.       recommendation for applications and installations where an ac motor
  56.       is used. The use of or interpretation of any information found in
  57.       this tutorial is the responsibility of the user. The Allen-Bradley
  58.       Company assumes no responsibility for the use and/or application of
  59.       any material presented in this tutorial.
  60.  
  61.  
  62.  
  63.  
  64.  
  65.                  USING AC MOTORS ON ADJUSTABLE FREQUENCY DRIVES
  66.  
  67.  
  68.     The ac motor has proven itself to be a reliable power conversion device.
  69.     It has been designed and built to provide reasonably accurate speed and
  70.     very efficient operation. Its characteristics can be changed to provide
  71.     optimum torque without large inrush currents.  It has been designed for
  72.     fixed speed operation using the fixed frequency ac line. In the past few
  73.     years, energy usage or conservation has become an important concern. With
  74.     the introduction of the premium efficiency or high efficiency ac motor,
  75.     the losses of the ac motor have been reduced. However, when used across
  76.     the line, higher inrush currents can be expected.
  77.  
  78.     Although the ac motor is well defined as a fixed speed device, operation
  79.     as a multiple or variable speed device will require a closer look into
  80.     how the speed of the motor will be changed and the type of load that the
  81.     motor is expected to handle.
  82.  
  83.  HOW FREQUENCY LIMITS SPEED
  84.  
  85.     The speed of an ac motor will be limited by the frequency applied. The
  86.     following formula shows how the maximum speed of the motor is controlled
  87.     by its construction (number of poles) and by the frequency applied.
  88.  
  89.                           120 x Applied Frequency
  90.           ACTUAL RPM =   -------------------------  -  Motor Slip
  91.                             Number of Pole Pairs
  92.                             ----------^---------       -----^-----
  93.                              Synchronous Speed          Slip Speed
  94.  
  95.   For a 100% loaded, 4 pole motor with 60Hz, rated voltage applied, 3% slip;
  96.  
  97.             1746 RPM = (120 x 60)/4 - 0.03(120 x 60)/4 = 1800 - 54
  98.  
  99.     Synchronous speed is a speed limit set by the applied frequency. Slip
  100.     speed changes with load. Full load will result in a reduction in the
  101.     synchronous speed of approximately 50 RPM with a NEMA B design motor.
  102.  
  103.  HOW VOLTAGE AFFECTS SPEED
  104.  
  105.     Speed regulation is better in a NEMA B, ac motor than in a dc motor.
  106.     Frequency sets an upper speed limit, however, voltage will control the
  107.     actual speed. In proper installations, the voltage applied to the motor,
  108.     at a constant frequency, will affect the actual operating speed of that
  109.     motor. If the load increases, the reduction in speed will be due to the
  110.     slip of the motor and, in addition, due to the reduction in the motor
  111.     terminal voltage due to the drop in the wires providing the power to the
  112.     motor. A 10% voltage drop in the wire will cause a 18% loss in torque
  113.     which will cause the motor to slip more than normally expected. If the
  114.     voltage drop in the wire is kept below 1% at full load amps, excellent
  115.     speed regulation can be expected.
  116.  
  117.     In other NEMA motor design classifications, like A, C, and D, the same
  118.     slip variations will occur. The actual slip percentage will depend on the
  119.     design characteristics of a particular motor. Rotor design, air gap and
  120.     stator design will affect the operating speed torque curve of the motor.
  121.  
  122.  
  123.  
  124.                                      -1-
  125.  
  126.  
  127.  
  128.  AC MOTOR HEATING
  129.  
  130.     Since a standard ac motor has been designed to operate at a fixed speed,
  131.     the application of an ac motor to variable speed applications requires
  132.     that some consideration be given to the thermal characteristics of the
  133.     motor. The ac motors losses are due mainly to the copper losses. Since
  134.     copper losses are a result of the motor current, the watts loss will be
  135.     proportional to the load. As a motor turns slower, with the same watts
  136.     loss that occurs at higher speeds, the motor will get hotter. The motor
  137.     gets hotter because less cooling air is available when the internal fan
  138.     moves at slower speeds. If the motor is used to control fans in HVAC
  139.     applications the load normally will decrease as the speed decreases so
  140.     motor heating is less of a problem.
  141.  
  142.  CONSTANT TORQUE, LOW SPEED OPERATION
  143.  
  144.     In applications where the motor must develop full torque (100% current)
  145.     at low speed, oversizing motors or using motors with a higher service
  146.     factor will be required. In many applications, the running or steady
  147.     state load is less than the full load amps of the motor. With a careful
  148.     analysis of the application requirements, it may be determined that the
  149.     actual load is less than the full nameplate amps of the motor. If that
  150.     is the case, it may be possible to use a standard 1.15 service factor
  151.     motor approaching 1/4 of the base speed rating of the motor. To protect
  152.     motors against damage resulting from higher temperatures, internal motor
  153.     thermal sensors can provide an effective means of safeguarding the motor.
  154.  
  155.  ALL AC MOTORS ARE NOT THE SAME
  156.  
  157.     All motors, of the same rating, are not the same. It is very important
  158.     that the manufacturer of the motor be contacted regarding how the motor
  159.     will perform above or below the base speed of their motor. It is best to
  160.     inform the motor manufacturer that the motor will be used with ac drives.
  161.     The manufacturer can recommend the proper motor for the application.
  162.  
  163.     Motor insulation plays an important role in how long the motor will last.
  164.     In some general purpose motors, the wire insulation or varnish is the
  165.     other electrical barrier between the wire and the motor frame. It is
  166.     important that a user ask the motor manufacturer about the insulation
  167.     and its capability to withstand high voltage transients. A quality motor
  168.     should be able to withstand, on a continuous basis, twice rated voltage
  169.     plus 1000 volts at rated frequency, when applied from a winding to the
  170.     case. It should also be able to withstand a continuous pulsing voltage
  171.     equal to 2/3 of the rated withstand voltage. A quality motor should
  172.     contain slot insulation and phase paper between the phases. This extra
  173.     insulation protection means longer life for the motor.
  174.  
  175.     In larger horsepower rated motors, rotor bar designs must be configured
  176.     for any harmonic currents that circulate in the motor. Too narrow a
  177.     rotor bar tip can result in higher rotor bar temperatures and shorter
  178.     motor life. In motor below 20 Hp, the motor frame and rotor construction
  179.     will normally have sufficient material to prevent abnormal heating at the
  180.     base speed rating of the motor. For operation above or below base speed,
  181.     the motor frame must increase if the HP load changes proportionally with
  182.     speed. Application of an ac motor to variable speed operation requires
  183.     an operational speed load curve and a motor speed torque curve. These
  184.     curves can be overlaid to determine if the motor is suitable for the
  185.     application. The motor manufacturer should be able to provide data on the
  186.     motor. The speed load curve must be obtained from the application,
  187.                                         -2-
  188.  
  189.  
  190.                   TYPES OF AC DRIVES, FEATURES AND DIFFERENCES
  191.  
  192.     The differences between AC drives can not easily be determined from the
  193.     data provided by the manufacturers. All AC drives convert the input ac
  194.     voltage into some form of dc voltage or current and then connect that dc
  195.     to the leads of the ac motor. There are three basic types of AC drives.
  196.     They are Variable Voltage, Current Source and Pulse Width Modulated.
  197.  
  198.  VARIABLE VOLTAGE INVERTER
  199.  
  200.     The oldest type of AC drive is the VVI or Variable Voltage Inverter. The
  201.     VVI drive changes the input ac voltage to a variable value of dc voltage.
  202.     This voltage is connected to the motor leads simulating frequency. The
  203.     dc voltage amplitude is varied in step with the frequency to obtain the
  204.     required constant volts per hertz relationship. The VVI type of AC drive
  205.     provides a low quality simulation of a sinewave or ideal waveform for the
  206.     motor. The motor or output waveform is called a 6-Step waveform.
  207.  
  208.  SIX-STEP WAVEFORMS
  209.  
  210.     This waveform contains the fundamental frequency or operating frequency
  211.     which produces the desired operating characteristic in the motor. This
  212.     waveform also contains other frequencies which do not provide desirable
  213.     operating characteristics. These other frequencies will cause additional
  214.     heating and cogging or rough shaft rotation. This type of waveform will
  215.     limit the speed range for a standard ac motor used in low speed, constant
  216.     torque applications.
  217.  
  218.  CURRENT SOURCE INVERTER
  219.  
  220.     The next type of AC drive is the CURRENT SOURCE INVERTER. This type of
  221.     AC drive controls a level of dc current which is connected to the leads
  222.     of the ac motor. If the level of current in the windings of the motor is
  223.     controlled, then the torque that the motor can produce is controlled.
  224.     The waveform to the ac motor is trapezoidal containing frequencies other
  225.     than the fundamental operating frequency. The motor characteristics will
  226.     define the actual shape of the resulting voltage waveform.
  227.  
  228.     The CURRENT SOURCE INVERTER (CSI) is dependent on the electrical design
  229.     of the motor and does not always accept a standard motor when a motor
  230.     replacement is required.  This type of drive is normally designed to
  231.     operate with a single motor and tach feedback, not with multiple motors.
  232.  
  233.  VARIABLE VOLTAGE OR CURRENT CONTROL
  234.  
  235.     Most VVI and CSI type AC drives convert the ac input power to a dc supply
  236.     by using Silicon Controlled Rectifiers or SCRs. This is the same type of
  237.     power device used by DC motor Controllers. The SCR type conversion method
  238.     is well known for its poor input power factor/speed range characteristic.
  239.     SCR type conversion causes high ac line distortion due to the commutation
  240.     action which momentarily short circuits the ac line.
  241.  
  242.     In general, the VVI ac motor controllers, used in constant torque
  243.     applications, will require line reactors or input transformers to reduce
  244.     ac line distortion and high ac line currents at low operating speeds.
  245.     Some VVI controllers use diodes for converting ac to fixed dc and a
  246.     chopper to convert the fixed dc to a variable dc. The variable dc is
  247.     then connected to the motor as a variable frequency supply.
  248.  
  249.  
  250.                                       -3-
  251.  
  252.  
  253.  PULSE WIDTH MODULATED AC DRIVE
  254.  
  255.     Of the three basic types of AC drives, the PWM or Pulse Width Modulated
  256.     AC drive, offers the most efficient control of an ac motor. All Pulse
  257.     Width Modulated AC drives are not the same. A PWM drive can be different
  258.     from different manufacturers and is not necessarily the same type drive
  259.     from the same manufacturer. The main differences can be characterized in
  260.     the following manner.
  261.  
  262.     Of the PWM drives available in the market, three types of PWM drives can
  263.     be defined in terms of the features and the type of waveform that it
  264.     creates. The first type is the GENERAL PURPOSE DRIVE. This drive will
  265.     provide the means to control the speed of an ac motor, but will not
  266.     provide the best use of electrical power. This type of PWM AC drive will
  267.     provide the basic features, but can be very sensitive in some types of
  268.     installations. Some of the differences exist in the conversion section
  269.     of the drive. This type of drive tends to be more voltage sensitive.
  270.  
  271.  GENERAL PURPOSE AC DRIVE
  272.  
  273.     The GENERAL PURPOSE AC DRIVE is designed with a simple dc filter.  All
  274.     PWM drives convert or rectify the input ac voltage to a dc voltage. The
  275.     dc voltage should be filtered before transferring the power to the motor
  276.     in the form of an AC voltage. The simple filter is a capacitor.  With a
  277.     simple filter, the input power factor reflected back to the ac line can
  278.     be much lower than the power factor of the motor it is controlling. The
  279.     PWM AC drive with a simple filter can cause a higher power factor penalty
  280.     than would occur when operating the ac motor across the line.  Dependent
  281.     upon the installation or characteristics of the distribution system
  282.     providing power to the drive, the GENERAL PURPOSE AC DRIVE can have a
  283.     input power factor as low as 0.60.
  284.  
  285.     The GENERAL PURPOSE AC DRIVE package is normally offered in an open panel
  286.     construction, a box type enclosure or in a NEMA 1 type enclosure. Other
  287.     types of enclosures would be "custom". The GENERAL PURPOSE AC DRIVE
  288.     custom drive package is normally a standard drive mounted in a specified
  289.     enclosure, such as a NEMA 12. This type of construction will be different
  290.     than a true factory built AC drive. The factory built AC drive is tested
  291.     as a complete unit, which will meet all the requirements for a NEMA 12 AC
  292.     drive. The enclosure variations and construction will vary as widely as
  293.     the number of panel shops that mount the ac controllers inside a "custom"
  294.     enclosure.
  295.  
  296.  INDUSTRIAL RATED AC DRIVE
  297.  
  298.     The next class of PWM drive is the INDUSTRIAL RATED AC DRIVE. This drive
  299.     contains an LC filter. The LC dc filter exists if reactors or inductors
  300.     are inserted before the filter capacitor. This significantly improves the
  301.     input power factor. When continuous current exists in the dc link choke
  302.     or inductor, a high power factor and low harmonic current distortion will
  303.     be the characteristics of the INDUSTRIAL RATED PWM AC DRIVE.
  304.  
  305.     The INDUSTRIAL RATED AC DRIVE has the ability to control motor current
  306.     and to handle momentary overload conditions.  Many ac drives will trip
  307.     off on a momentary overload rather than "ride-thru" the overload.  The
  308.     INDUSTRIAL RATED AC DRIVE can provide protection for severe overloads,
  309.     while ignoring peak loads that are greater than the overload rating of
  310.     the drive. The superiority of the INDUSTRIAL RATED AC DRIVE frequently is
  311.     overlooked until it replaces the GENERAL PURPOSE AC DRIVE in those more
  312.     demanding applications or installations.
  313.                                       -4-
  314.  
  315.  
  316.  INTELLIGENT INTERFACE AC DRIVE
  317.  
  318.     The last class of PWM drives is the INTELLIGENT INTERFACE AC DRIVE. This
  319.     AC drive contains some form of programming from which operating settings
  320.     can be selected. This interface does not add to the drive's ability to
  321.     power the motor, but may simplify the interface between the AC drive and
  322.     an external master controller. This class of AC drive is digital based,
  323.     rather than an analog-based drive. Some form of microprocessor or custom
  324.     digital chip is used for processing external signals and for control of
  325.     the output power transistors. The INTELLIGENT INTERFACE AC DRIVE may have
  326.     some form of distributed control such as PID for process control and
  327.     TREND buffer that is used as an event recorder. This event recorder is
  328.     used to monitor the process and provide a high level of diagnostics.
  329.  
  330.     In all PWM ac drives, the type of output waveform will vary. Most PWM
  331.     drives use a "unipolar" type switching method. A few drives use "bipolar"
  332.     type switching methods. The "bipolar" method provides greater control of
  333.     the dc voltage applied to the motor. It will result in fewer harmonics
  334.     and a better RMS to peak current ratio.
  335.  
  336.     Pulse Width Modulation is the method used to control the voltage to the
  337.     motor. The pulse pattern used will vary with drives. Many terms are used
  338.     to define the switching method used. Sine weighted, Star Modulation, and
  339.     Sine Modulated are examples of the terms that are used. The true test of
  340.     switching methods is not in a definition of a term, but in the actual
  341.     performance of the motor. The ac motor, when operated on a adjustable
  342.     frequency controller, should exhibit some easily measurable parameters.
  343.  
  344.     When compared against an ac motor operated across the line, the ac motor
  345.     temperature should not, when operated at base speed, achieve a surface
  346.     temperature that is 3% greater than the line operated motor. The actual
  347.     measured current may be different due to the non-sinusoidal waveform, but
  348.     the additional heating should not be significantly different. Rotational
  349.     performance should not be degraded when applying an adjustable frequency
  350.     controller. Cogging or pulsating shaft rotation should not be observed
  351.     at applied frequency greater than 6 Hertz. Observed pulsation are often
  352.     due to variations in loading due to machine friction variations during
  353.     rotation or when converting the rotation motion to a linear motion.
  354.  
  355.     With PWM drives, audible noise can become a consideration. Some switching
  356.     methods use a carrier frequency above 12,000 Hertz to place the "noise"
  357.     above the normal range of hearing. This type of method results in greater
  358.     heat losses in the drive and the motor. A higher frequency carrier also
  359.     placing more stress on wire insulation. This can result in shorter motor
  360.     life. With "standard" ac motor designs, a carrier frequency range from
  361.     600 to 3000 Hertz provides a reasonable efficiency. With special motors,
  362.     a wider range for the carrier frequency could be used.
  363.  
  364.     Pulse Width Modulated drives, with an internal LC filter or input line
  365.     reactors provides the best method for converting electrical energy to
  366.     mechanical energy in variable speed applications. High input power factor
  367.     and improved ability to ignore ac line conditions make the PWM drive the
  368.     most effective power conversion product. As digital based products, the
  369.     PWM drive can provide troublefree and predictable operation. Reliability,
  370.     in PWM drives, today far exceeds early type ac drives and can be expected
  371.     to improve with each new product. The trouble areas becoming more evident
  372.     are with the ac line and the ac motor. Voltage transients and insulation
  373.     stress have become the leading problem in variable speed applications.
  374.  
  375.  
  376.                                       -5-
  377.  
  378.  
  379.                      APPLYING AC DRIVES FOR VARIABLE SPEED
  380.  
  381.     When compared to alternative methods of controlling speed, the AC drive
  382.     combined with the standard  ac motor is the simplest method for speed
  383.     control.    Replacing an existing  motor starter with an AC drive will
  384.     provide not only the means to control the speed of that motor, but will
  385.     reduce the mechanical strain on belts, gear boxes and the electrical
  386.     distribution system.  There are some simple rules which will insure a
  387.     successful installation and long term operation.
  388.  
  389.  APPLICATION RULES TO FOLLOW
  390.  
  391.     The first rule is to follow proper grounding methods. The second is to
  392.     follow proper wiring methods. The last rule is to insure that correct
  393.     components and component ratings have been selected to do the job.
  394.  
  395.  BASIC RULES
  396.  
  397.     The basic rule in proper grounding methods is that all equipment is tied
  398.     to earth ground at one location. This means that a 3 phase electrical
  399.     system will require 4 wires. The 4th wire is the ground conductor. For
  400.     the input power, the best source of power for electronic power equipment
  401.     is a WYE configured source. This source could be the plant distribution
  402.     system or the secondary of an isolation or distribution transformer.
  403.  
  404.     With a 4 wire system, all current will be contained within the 4 wires
  405.     and will reduce the possibilities of creating interference on the input
  406.     power lines. To reduce interference in the output of power electrical
  407.     equipment, the 4th wire should be used as a fixed ground connection
  408.     between the drive enclosure and the motor case.
  409.  
  410.  THE IMPORTANCE OF WIRE SIZING
  411.  
  412.     The basic rule in proper wiring methods starts with the National
  413.     Electrical Code and local codes, but continues with wire size selection
  414.     for minimum voltage drops and metallic conduit to eliminate or reduce
  415.     magnetic radiation or electrical noise.
  416.  
  417.     In adjustable speed applications using electric motors, the motor voltage
  418.     is proportional to speed. When the speed is near full or base speed, the
  419.     voltage is near maximum. At full speed, the voltage drop in the wire to
  420.     the motor will be less critical than when the speeds are lower. At low
  421.     speeds, the voltage to the motor is low, so that a few volts drop in the
  422.     wires to the motor will prevent the motor from providing full capacity.
  423.  
  424.  HOW VOLTAGE DROPS AFFECT TORQUE
  425.  
  426.     Applications that require full torque at low speed will be sensitive to
  427.     voltage drops in the wire caused by rated motor currents. A normal 5%
  428.     voltage reduction at full speed would result in a 50% reduction in
  429.     voltage at 10% speed. The voltage boost available in AC drive is not
  430.     always sufficient to overcome large voltage drops. For constant torque
  431.     applications or when starting torque requirements are high, a good rule
  432.     of thumb is to size the wire so that no more than 1/2 volt is dropped in
  433.     a single wire when carrying the full load amps of the motor. By using
  434.     this rule of thumb, the maximum resistance of the wire is defined and the
  435.     wire size can be selected based on the total length of wire between the
  436.     drive and the motor.
  437.  
  438.  
  439.                                       -6-
  440.  
  441.  
  442.     All AC drives control the volts per hertz ratio. This ratio insures that
  443.     the air gap flux in the motor is maintained at the selected value. When
  444.     the voltage at the terminals of the motor vary, the air gap flux is the
  445.     motor will vary. Controlling the air gap flux in the ac motor controls
  446.     the performance of the motor.
  447.  
  448.     In some applications, any variation in the air gap flux will result in
  449.     rotational variations or varying torque capability as the shaft of the
  450.     motor rotates. A technology termed "vector control" can be employed which
  451.     will reduce the amount of rotational variation. To accomplish "vector
  452.     control", some form of rotor position feedback is used. By knowing the
  453.     timing relationship between the stator voltage and rotor position, the
  454.     stator voltage can be adjusted to keep the relationship between the rotor
  455.     and stator (slip) defined and stable.
  456.  
  457.     All PWM drives transfer the power on the ac line to the motor. In most
  458.     drives, that output voltage will vary if the input line voltage varies.
  459.     Any variation in the output voltage will result in a variation in speed.
  460.     At lower operating speeds, a significant speed variation can occur due to
  461.     any changes in the output voltage. Since percent slip is constant, when
  462.     a constant air gap flux is maintained in an ac motor, the actual RPM
  463.     change will be greater as the speed of the motor is reduced. It is very
  464.     important that the terminal voltage be maintained within +/- 2% to obtain
  465.     the best motor performance.
  466.  
  467.     A few PWM drives regulate the output voltage by correcting the modulation
  468.     to compensate for input voltage variations. By correcting for incoming
  469.     power variations, performance variations in the motor are reduced. With
  470.     input voltage compensation, speed variations, current variations and any
  471.     operating temperature variations can be reduced.
  472.  
  473.  SELECTING THE REQUIRED WIRE SIZE
  474.  
  475.     Since the performance of all ac motors will be affected by any voltage
  476.     variations, the selection of the proper wire size will be important to
  477.     the application. The National Electric Code provides some guidelines for
  478.     the selection of wire sizes for current carrying capacity. These types of
  479.     guides generally assume fixed voltage supplies. When adjustable frequency
  480.     controllers are used, the output voltage will change with frequency. At
  481.     low speeds or lower frequencies, the corresponding reduced voltage will
  482.     intensify the affect of any voltage loss in the wires between the drive
  483.     and the motor. To reduce the impact of the voltage loss, the resistance
  484.     of the wire should be kept as low a value as practical.
  485.  
  486.     The maximum resistance in ohms, will be defined by the length and AWG
  487.     size of the wire. The value of that maximum resistance is equal to 1/2
  488.     volts divided by the nameplate amps of the motor. The longer the wire
  489.     length, the larger the cross-sectional area of the wire(smaller American
  490.     Wire Gauge Number).  The low voltage drop in the wire will insure that
  491.     the motor receives as much of the voltage present on the output terminals
  492.     of the AC motor controller.
  493.  
  494.     In some AC drives, the output current can contain many harmonic currents.
  495.     Harmonic current consist of high frequency currents. These currents will
  496.     tend to compress to the outside surface of the wire. This phenomenon is
  497.     called "skin effect". It is important that the wire size be selected to
  498.     insure that any additional heating that occurs due to the "skin effect"
  499.     is considered.
  500.  
  501.  
  502.                                       -7-
  503.  
  504.  
  505.                      POWER DISTRIBUTION LINE CONSIDERATIONS
  506.  
  507.     The electrical power line from which the AC drive takes its power has a
  508.     more important role that merely providing RMS power. The input voltage to
  509.     any solid state equipment must always provide a voltage waveform which
  510.     stays within an acceptable RMS value and also provide a voltage waveform
  511.     that stays within the acceptable instantaneous voltage value.
  512.  
  513.     The RMS value does not accurately define an acceptable waveform to solid
  514.     state equipment. It never defines the shape of the waveform, only the
  515.     probable heating that might occur in the equipment due to the current.
  516.     With solid state equipment the term RMS could be defined as "Roughly
  517.     Means Something". In most solid state equipment, the ac line voltage is
  518.     changed to a dc voltage through a rectification process. The only thing a
  519.     rectification process is concerned with is the instantaneous value of the
  520.     voltage. In the filtering function of the process, the instantaneous
  521.     value of voltage can cause the filter capacitor voltage value to change
  522.     to the instantaneous value of the ac line. As long as the instantaneous
  523.     value of the input voltage is greater than the voltage on the capacitor
  524.     (dc bus), current will flow into the capacitor.
  525.  
  526.     All solid state equipment has limits to the voltage that it can sustain.
  527.     When the voltage level reaches that value, the equipment will attempt to
  528.     protect components used within the equipment.  To eliminate overvoltage
  529.     trips caused by high voltage transients, the current into the capacitor
  530.     must be limited.
  531.  
  532.  LIMITING CURRENT CAUSED BY HIGH VOLTAGE TRANSIENTS
  533.  
  534.     The easiest way to limit current is select an impedance which delays how
  535.     much input current is permitted while the voltage transient exists. All
  536.     INDUSTRIAL RATED DRIVES add an inductor to the filtering circuit. This
  537.     inductor prevents current from increasing rapidly, delaying an increase
  538.     in the capacitor voltage.  The inductor does not prevent the voltage from
  539.     changing but merely extends the time for the change to take place. It is
  540.     important to remember that power must be taken from the dc capacitor to
  541.     prevent an overvoltage condition from occurring.
  542.  
  543.     In fan applications, low speed operation requires less power. An over
  544.     voltage condition can occur if more energy goes into the capacitor than
  545.     is removed. This is what occurs when a fan is being operated at less than
  546.     base speed and a high voltage transient occurs on the ac line. The energy
  547.     within the voltage transient causes current to flow into the dc filter
  548.     circuit of the drive. If the current causes the filter circuit to charge
  549.     to the trip level of the drive, the drive will shutdown. In the same
  550.     application, when the fan is operating at full speed, more energy goes to
  551.     the motor and helps to keep the filter circuit from charging to the over
  552.     voltage trip level.
  553.  
  554.     In most cases, the voltage transients found on the ac line will not be
  555.     great enough to cause the drive to trip. In severe cases, the affect of
  556.     high voltage transients can be reduced by adding input line reactors or
  557.     shielded, isolation transformers. Power line filters are commercially
  558.     available to clamp the voltage transients to within a few percent of the
  559.     nominal ac line. Power factor switching capacitors tend to create the
  560.     greatest occurrence of high voltage transients. To avoid nuisance
  561.     tripping of solid state equipment, the peak voltage transient should not
  562.     be more than 125% of the nominal peak ac line with a time duration not
  563.     exceeding 1/10th of the period of the applied frequency.
  564.  
  565.                                       -8-
  566.  
  567.  
  568.  SELECTING THE PROPER AC DISTRIBUTION SYSTEM
  569.  
  570.     There are many variations in ac power distribution systems. Delta or Wye
  571.     systems which could be grounded or ungrounded are typically used. With AC
  572.     drives which rectify the ac line and store power in a dc bus, the ac line
  573.     current waveform is pulse shaped and consists of the fundamental current
  574.     (50/60Hz) and many harmonic currents. To minimize the harmonic currents,
  575.     a Wye configuration is used to eliminate any harmonic current whose
  576.     frequency is divisible by three. By using a 4th wire for neutral or
  577.     ground in a Wye system all current paths will be defined, minimizing
  578.     voltage unbalances that occur when currents are conducted though an earth
  579.     ground "conductor".
  580.  
  581.     The harmonics that are caused in a distribution system are more often due
  582.     to any unbalance between the phase voltages than by the power equipment
  583.     taking power from that distribution system. To minimize harmonics, the ac
  584.     line must have equal voltage waveforms in the positive and negative
  585.     cycles and must have the same form or shape. Any deviation will create
  586.     harmonics currents when power is drawn from the distribution system.
  587.     If a Delta configuration is used and one phase is grounded, the
  588.     equivalent Wye circuit is no longer balanced. The resulting line currents
  589.     will not be equal. This can cause harmonic heating, premature line fuse
  590.     failure and can cause failure in the input rectifiers used in drive
  591.     equipment.
  592.  
  593.  HOW ARE VOLTAGE TRANSIENTS CAUSED?
  594.  
  595.     Any deviation for the ideal voltage sinewave can be defined as a
  596.     transient or voltage spike. The deviation can be greater or less than the
  597.     ideal voltage value. Voltage transients do not have to be greater than
  598.     the ideal input voltage in order to cause overvoltage trips. An
  599.     overvoltage trip is usually caused whenever the dc bus voltage exceeds a
  600.     specified value.  The capacitor current resulting from a difference in ac
  601.     line phase voltages actually causes the overvoltage condition. Note the
  602.     word "difference" in ac line phase voltage. If "A" phase voltage is the
  603.     ideal value and "B" phase voltage is less than the ideal value or phase
  604.     shifted, the amount of current flowing from phase A to phase B can be
  605.     greater than expected.
  606.  
  607.     When a fixed speed motor is connected across the line, it is possible
  608.     that a single phase may experience a voltage reduction when compared to
  609.     the other phases. This "phase voltage droop" can result in higher than
  610.     normal current flow in other equipment connected to that ac distribution
  611.     system. When power factor correction capacitors are used in a system,
  612.     voltage waveform distortion will occur. When those capacitors are
  613.     switched, voltage droops will occur and dependent on the characteristics
  614.     of the distribution system, ie. R,L and C, voltage ringing or oscillation
  615.     can occur.  Voltage oscillations will further distort the waveform and
  616.     cause unwanted "electrical noise".
  617.  
  618.     With the introduction of switching mode power supplies in energy saving
  619.     ballasts for fluorescent lights, for computers and for power supplies in
  620.     commercial equipment such as television and VCRs, the level of harmonic
  621.     current distortion has increased on utility distribution systems. With
  622.     single phase switching mode power supplies, harmonic current distortion
  623.     is significantly greater than with most 3 phase switching power supplies.
  624.  
  625.     The problem is that most distribution system are designed or sized to
  626.     handle linear type loads. Switching mode power supplies are non-linear
  627.     type loads and will require changing to distribution system equipment.
  628.                                       -9-
  629.  
  630.  
  631.  CORRECTING THE DISTRIBUTION SYSTEM
  632.  
  633.     Correcting a distribution system assumes that the system or equipment
  634.     in the system is causing or having problems. The simplest problem to
  635.     overcome is nuisance tripping due to overvoltage or voltage transient
  636.     conditions. This problem can usually be overcome by adding inductance
  637.     in each phase. More difficult problems caused by ac line unbalance will
  638.     requires re-distribution of power to equipment on that ac line.
  639.  
  640.     A problem with most distribution systems is that they are considered low
  641.     maintenance equipment. In most installations, they are treated as "no"
  642.     maintenance systems. Maintenance is performed only after a problem has
  643.     occurred. Terminal connections, wire runs, transformers, circuit breaker,
  644.     fuses and disconnects are repaired or replaced only after a shutdown has
  645.     prevented a process operation. There have been, over the last years, a
  646.     number of problems where aluminum wire or terminals were interfaced to
  647.     copper conductors. The difference in the material create a long term
  648.     degradation which can result in a loss of connection or an unintentional
  649.     switch which creates voltage transients. These voltage transient can
  650.     cause equipment to shutdown and may cause equipment failure.
  651.  
  652.     Correcting a distribution system after problems begin to occur will often
  653.     be very costly. The first step is correcting a problem is to define the
  654.     problem. Many problems occur when a new piece of equipment has been added
  655.     to the system. The assumption is that the new piece of equipment is the
  656.     cause of the problem. Often the problem exists and is just waiting for
  657.     the "straw" to bring it to the surface. As new types of technologies are
  658.     placed on the market, it is important that the user keep a record of the
  659.     "state of the distribution system". Occasional measurements of the power
  660.     line will provide information that will indicate that a problem is about
  661.     to occur. A quarterly distribution system analysis can assist in defining
  662.     project costs and tasks. The power utility can provide the user with the
  663.     information and, many times, will provide the service.
  664.  
  665.     Often the problems can be solved by re-adjusting equipment that is on
  666.     the distribution system. Older types of power equipment require more
  667.     routine maintenance, which is often not provided. Older types of power
  668.     conversion equipment, using SCRs, can be adjusted to reduce any ac line
  669.     unbalance caused by the equipment.
  670.  
  671.     There is no single solution to a problem that can arise. Distribution
  672.     system are unique and will require an individual analysis. Frequently,
  673.     the types of problem are simple in nature and will require only a simple
  674.     change in the system. As long a no shortcuts were taken in the original
  675.     distribution system design, additions or changes in the system should be
  676.     minor to correct problems that may occur when applying new technologies.
  677.  
  678.     New drive technologies are being introduced which will minimize problems
  679.     that can occur due to the temporary loss of the ac line or to "brownout"
  680.     conditions. Today's AC drives can "ride-through" momentary power losses.
  681.     The upcoming problems will be associated with transformers and protective
  682.     devices used with power equipment. Transformers have been pushed to their
  683.     limit and are generally not rated for the non-linear loads that continue
  684.     to grow. Existing installations are being taxed as non-linear loads grow.
  685.     Each installation should be reviewed based on the existing power demand
  686.     and established a baseline for that distribution system. System should
  687.     begin a corrective action based on future non-linear loading. Without
  688.     a distribution system analysis, and the definition that it brings, the
  689.     distribution system will be regulated by codes and rules which will add
  690.     costly "canned solutions" to all installations.
  691.                                      -10-
  692.  
  693.  
  694.                  APPLICATION AND SELECTION OF TRANSFORMERS
  695.  
  696.     Transformers have normally been used with the older types of drives. The
  697.     purpose of the transformer was to buffer the ac line from the affects of
  698.     the conversion equipment. SCR type controllers would create line notching
  699.     of the ac line and could affect other equipment on the line. With the
  700.     introduction of the PWM type AC drive, the need for a transformer to
  701.     buffer the ac line was reduced. In fact, PWM drives do not require the
  702.     use of an input isolation transformer to prevent line notching on the ac
  703.     line. The use of isolation transformers with PWM drives can be restricted
  704.     to reducing short circuit capacity of the ac line, isolation of power and
  705.     signal circuits and where isolated equipment is required.
  706.  
  707.     Most transformers used today are designed for linear loads. Incandescent
  708.     lighting, line operated motors and resistive loads are all linear. With
  709.     the equipment loads today, the characteristic has gone from linear to
  710.     non-linear. Non-linear loads add an additional demand on transformers.
  711.     Non-linear loads demand current from the utility which creates higher
  712.     frequencies. The waveform or shape of the load current is no longer
  713.     defined by a single frequency. It is a complex shape which contains many
  714.     frequencies.
  715.  
  716.     These higher frequency currents behave differently than the fundamental
  717.     or 50/60 hertz currents. High frequency currents will attempt to flow in
  718.     the surface area on a conductor. When the cross sectional area of the
  719.     conductor become too restrictive, the conductor will become hot. When
  720.     the conductor is packaged inside layers of wire as in a transformer, the
  721.     temperature of the transformer will rise and can create hot spots which
  722.     will quickly reduce the life of the transformer.
  723.  
  724.     When using transformers with non-linear loads, the practice has been to
  725.     increase the size of the transformer, that is derate a transformer with a
  726.     higher rating. Using a larger transformer does not always guarantee that
  727.     it will run at a lower temperature. A larger transformer will use wire
  728.     with a larger cross-sectional area. Increasing cross sectional area does
  729.     not provide a proportional increase in surface area. Harmonic currents
  730.     can cause hot spots in oversized transformers.
  731.  
  732.     To correctly select a transformer for non-linear loads, the wire shape
  733.     must permit a much surface area as possible to offer the least resistance
  734.     to high frequency currents. Transformers are classified with a K factor.
  735.     The K factor defines the transformers ability to handle harmonic currents
  736.     while operating within the thermal capability of the transformer. Linear
  737.     load transformers are classified with a K factor of 1. Transformers with
  738.     a K factor of 4 are suitable for moderate levels of harmonic currents. A
  739.     K factor of 13 is suitable for greater levels of harmonic currents. An
  740.     INDUSTRIAL RATED AC PWM DRIVE contribute harmonic currents which would
  741.     be equivalent to a K factor of 2.5. Single phase lighting and computers
  742.     contribute harmonic currents which could be equivalent to a K factor of
  743.     10 or more.
  744.  
  745.     When non-linear rated transformers are used, the associated distribution
  746.     equipment such as circuit breakers can be size to the transformer rating.
  747.     When oversize linear rated transformers are used, electrical codes will
  748.     force the selection of larger, more costly circuit breakers. Non-linear
  749.     equipment requires harmonic currents to operate correctly. Using line
  750.     filters to reduce the level of harmonic currents transferred back to the
  751.     distribution system can create voltage problems with non-linear equipment
  752.     and will add additional losses into the system.
  753.  
  754.                                      -11-
  755.  
  756.  
  757.            ENERGY SAVING PROGRAMS FOR CENTRIFUGAL FANS AND PUMPS
  758.  
  759.      The programs contained on this diskette are intended as an aid in
  760.      determining possible energy savings that might be obtained when using
  761.      variable speed. The energy savings programs for centrifugal fans and
  762.      pumps apply equations defining the relationship between flow, pressure
  763.      and fan or pump speed as defined by the AFFINITY LAWS.
  764.                                                 2                      3
  765.               Q2   N2               P2   [ N2 ]           HP2   [ N2 ]
  766.        FLOW   -- = --    PRESSURE   -- = [ -- ]    HORSE  --- = [ -- ]
  767.               Q1   N1               P1   [ N1 ]    POWER  HP1   [ N1 ]
  768.      Where:
  769.  
  770.      N=Speed, Q=Flow(CFM), P=Pressure(Static Inches water), HP=Horsepower
  771.  
  772.      By applying these laws, it shows that fan or pump characteristics will
  773.      follow the system curve defined by the demands of the installation.
  774.  
  775.      The energy savings program for fans compares the characteristics of
  776.      outlet dampers and inlet vanes against variable speed.  The method of
  777.      obtaining variable speed has been selected as an adjustable frequency
  778.      AC drive and ac motor, since both represent the most effective way to
  779.      convert ac line power to rotating mechanical power.
  780.  
  781.      There is one fan program. This program will determine what operating
  782.      costs can be expected for any single operating flow rate and will also
  783.      provide for a comparison for a defined operating profile or selection of
  784.      different operating flow rates.  The program can be used to determine
  785.      what changes to the operating profile might be suitable in order to
  786.      reduce operating costs.
  787.  
  788.      The pump energy saving programs compares characteristics of throttling
  789.      flow control against flow control with variable speed. One  program
  790.      provides operating costs for a standard pump curve with a static
  791.      pressure of zero at zero flow. The second program will provide operating
  792.      cost comparison for custom pump curves with a specified static pressure.
  793.  
  794.      To use the energy programs, you will have to define the rating of the ac
  795.      motor and its operating efficiency. You will have to provide the cost
  796.      for electrical power, efficiency of the  AC drive and  the input power
  797.      factor of the AC drive.  Specific operating points for flow and pressure
  798.      will be asked for to define the pump characteristic more accurately.
  799.  
  800.      To determine the correct efficiency for the AC drive,  you will  have to
  801.      consult the manufacturers' AC drive product specification sheet for
  802.      input power factor and efficiency.  Since all AC drive are not equal, a
  803.      small change in efficiency can result in a substantial cost savings. To
  804.      gain the greatest cost savings, the program can be used to determine the
  805.      cost benefits that will occur with a slightly slower flow rate for a
  806.      slightly longer operating time.
  807.  
  808.      If the application permits some flexibility by defining a slight change
  809.      in the operating profile,  the program can provide some insight into
  810.       obtaining the maximum cost savings.
  811.  
  812.                             **** End of Text *****
  813.  
  814.                                      -12-
  815.