NFO-PATENTEN Av Ragnar Jönsson, uppfinnare av NFO och Switch-kopplingen NFO Drives AB Huvudkontor: Box 35, SE-376 23 Svängsta, Sweden Tel: +46 (0)454-370 29 Fax: +46 (0)454-32 24 14 Email: nfo@nfodrives.se Internet: www.nfodrives.se Marknadsavdelning: Forskningsbyn IDEON SE-223 70 Lund, Sweden Tel: +46 (0)46-286 29 29 NFO Drives AB. Teknisk support: Lund tel: 046-286 29 28, Svängsta tel: 0454-370 29. Email: nfo@nfodrives.se Fax: +46 (0)46-286 29 25 1
NATURLIG FÄLTORIENTERING för styrning av asynkronmotorn Samhällets arbetshäst Asynkronmotorn är den verkliga arbetshästen i hela vårt moderna samhälle. Som regel arbetar asynkronmotorn med det fasta varvtal som bestäms av nätspänningens frekvens. Detta är naturligtvis i de flesta fall ett mycket stort slöseri med energi. Tack vare modern elektronik har det nu blivit praktiskt och ekonomiskt möjligt att styra asynkronmotorn. Det sker med hjälp av s k frekvensomriktare, som omvandlar nätspänningens fasta frekvens till en variabel frekvens. Det är också först nu som teorin för styrning av motorn börjat utvecklas. Naturlig Fältorientering (NFO) är en patenterad uppfinning som beskriver ett nytt sätt att styra asynkronmotorn. Frekvensomriktare har funnits ända sedan 60-talet och de är vanliga i industrin. Denna första generation frekvensomriktare är emellertid alltför enkel och primitiv. Industrin kräver nu bättre och säkrare funktion och större precision i styrningen. Därför har dessa enkla frekvensomriktare haft sin storhetstid. De har gjort nytta genom att marknaden har byggts upp, produktionsresurserna har skapats och industrin har blivit van vid motorstyrsystem. Detta har skapat ett bra utgångsläge. Marknaden är nu förberedd och väntar på nya produkter.. NFO - sensorlöst NFO är en ny metod för fältorienterad styrning som klarar sig utan sensorer på motorn. Mätning av ström och spänning till motorn ger information för styrningen. Namnet Naturlig Fältorientering har valts för att styrsystemet på ett enkelt och naturligt sätt anpassar sig till motorns inneboende egenskaper. Man kan säga att styrsystemet utgör en spegelbild av motorn. Detta framgår tydligt för fackmannen i den matematiska modellen av motorn och styrsystemet. NFO har fått Europapatent och USA-patent beviljade, och patentansökan pågår i Japan. NFO beskriver hur styrsignalerna för motorn skall alstras, rent praktiskt görs detta i en mikroprocessor från INTEL eller i en s.k. DSP (=Digital Signal Processor) från Texas Instruments. I framtiden kan även andra typer av processorer användas. Styrsignalerna från processorn leds till kraftelektroniken, som hanterar de stora spänningarna och strömmarna till motorn. Väl beprövad Tack vare sin enkelhet fungerar NFO problemfritt och är väl beprövad, både i teori och praktik. Som uppfinnare har jag kontinuerligt vetenskapligt stöd av världens två mest kända specialister inom detta område, professor Werner Leonhard vid Tekniska Högskolan i Braunschweig och sedan början av 1999 professor Peter Vas vid universitetet i Aberdeen. Inom hela branschen pågår fortfarande intensiv forskning i jakten på sensorlösa styrsystem och en slutlig vinnare är ännu ej att skönja. Om några år bör utvecklingen ha stabiliserats, och jag räknar med att NFO skall vara bland de främsta. - Begreppet sensorlös har blivit ett slagord i reklamen för moderna frekvensomriktare. Men de äldsta omriktarna var ju också sensorlösa. Det är därför nödvändigt att reda ut begreppen. NFO Drives AB. Teknisk support: Lund tel: 046-286 29 28, Svängsta tel: 0454-370 29. Email: nfo@nfodrives.se 2
Sensorlös styrning En gammal grundregel från vetenskapens värld lyder: Att mäta är att veta. Det gäller även motorstyrning. Man kan avstå från mätning och styra motorn blint, enbart genom att reglera ström eller spänning enligt ett förutbestämt mönster. Så arbetar den första generationen frekvensomriktare. Den stora nackdelen med en sådan styrning är att systemet ej känner hur hårt motorn är belastad. Det är ett välkänt problem att sådana omriktare kan tappa lasten, t ex när varvtalet höjs men motorn inte orkar med. Då tror frekvensomriktaren att motorn arbetar med önskad fart medan den i verkligheten har stannat. Sensorlös styrning av denna typ är inte tillräckligt bra för dagens krav. NFO motorstyrning behöver ej sensor. Det har den unika egenskapen att det med hjälp av tillgängliga mätdata räknar ut allt som händer inuti motorn och därför har full kontroll över motorn i alla driftsfall, t o m vid frekvensen 0 Hz. NFO-patentet beskriver den allra innersta kärnan i motorn och de grundläggande ekvationerna. Forskningen har studerat detta ämne under de senaste 30 åren och där finns inte längre mycket plats för nya lösningar. Enligt min bedömning blir det mycket svårt att med andra metoder åstadkomma en likvärdig styrning. Sammanfattning Asynkronmotorn är utan konkurrens världens bästa och mest använda elmotor. Cirka hälften av all elektrisk energi i världen används för motordrift. Motorstyrning är ett av de mest effektiva sätten att spara energi. I framtiden kommer användningen av frekvensomriktare, för styrning av asynkronmotorn att öka stadigt. Industrin kräver nu sensorlös styrning av asynkronmotorn. Det är svårt att styra asynkronmotorn utan sensor. Intensiv forskning pågår fortfarande. NFO är ett nytt, patenterat, sensorlöst styrsystem för asynkronmotorn. NFO är ett enkelt sätt att styra asynkronmotorn. NFO lämpar sig för alla motorstorlekar. NFO motorstyrning har förutsättningar att ta en mycket stor marknadsandel. NFO Drives AB. Teknisk support: Lund tel: 046-286 29 28, Svängsta tel: 0454-370 29. Email: nfo@nfodrives.se 3
SWITCH-KOPPLINGEN Av Gunnar Englund, styrelseledamot i NFO Drives AB Switchkopplingen ger unika fördelar framför konventionell teknik. All extra teknik, som behövs för att få acceptabel störnivå och tillförlitlighet i vanliga omriktare, blir överflödig när Switchkopplingen används. Varför frekvensomriktare? Nyttan och värdet av att kunna reglera hastigheten på roterande maskiner - det må vara en tvättmaskinsmotor eller kylvattenpumpen i ett kärnkraftverk - är påtaglig och självklar. Att samma behov finns i tusentals tillämpningar runt om oss i vår vardag är kanske inte lika påtagligt. Men så är det. I hemmen, i hantverk, industri och transportanordningar finns ett ständigt ökande behov av att kunna anpassa hastigheten till behovet. Och göra det så energisnålt som möjligt, utan komplicerade och dyrbara drivanordningar. Den enklaste elektriska motorn, asynkronmotorn, är också den vanligaste. Man ser den överallt - en oansenlig klump med kylflänsar och en axel som snurrar. Vattenpump, hissmotor, mjölkmaskin... överallt finns den. Den har mängder med fördelar: billig, robust, standardiserad. Nackdelen? Den har bara en hastighet, och den kan inte ändras utan att man ändrar frekvensen på matande nät. Det är alltså detta som är frekvensomriktarens uppgift. Att förse den billiga, robusta standardmotorn med en variabel frekvens så att den utöver alla sin andra fördelar också blir hastighetsreglerad. Det senaste decenniet har tydligt visat att detta är en i högsta grad önskvärd egenskap. Även i tider av låg ekonomisk aktivitet har det visat sig att marknaden för frekvensomriktare ständigt ökar. Det är detta som gör att varje teknik som på ett enkelt och ekonomiskt sätt kan bidra till frekvensomriktarteknikens utveckling är intressant. Inte bara från teknisk synpunkt utan också ekonomisk. De alltmer skärpta kraven på energibesparing gör användningen av varvtalsreglerade drivsystem ännu mera önskvärd. Genom att anpassa varvtalet till aktuellt behov i stället för att köra med en och samma hastighet oberoende av produktionens krav kan man spara stora mängder energi. Frekvensomriktarna har alltså även i detta avseende framtiden för sig. Vissa processer kräver höga varvtal. Ju högre desto bättre, tycks det. Eftersom en vanlig asynkronmotor inte kan snurra fortare än 3000 varv per minut när den drivs med nätets 50 hertz måste man använda växlar för att nå högre varvtal. Växlar är inte bara utrymmeskrävande och dyra, de kräver också ett visst mått av underhåll. Dessutom ökar energiförlusterna. Med en frekvensomriktare kan man lätt nå mycket höga varvtal. Nya kylprocesser, vacuumtorkning samt höghastighetsbearbetning av hårda/spröda material är spännande utvecklingslinjer där frekvensomriktaren kommer att spela en stor roll. Vad är problemet? Problemet är att den process som gör om den vanliga nätfrekvensen till en variabel frekvens innebär en våldsam misshandel av nätspänningens naturliga form, den så kallade sinuskurvan. Processen innebär att sinuskurvan först rätas ut till en rak linje (likspänning) som sedan hackas upp (i en så kallad chopper ) i småbitar som sätts ihop till den nya frekvensen. NFO Drives AB. Teknisk support: Lund tel: 046-286 29 28, Svängsta tel: 0454-370 29. Email: nfo@nfodrives.se 4
Det är just upphackningen som ger problem. Det visar sig att hackningen sker effektivare ju snabbare och hårdare den sker. Hittills har utvecklingen därför gått mot snabbare och hårdare hackning. Problemen har inte låtit vänta på sig. Snabb och hård hackning ställer höga krav på choppern. Den utsätts för stor elektrisk stress. För att den ska klara sitt jobb har man därför tvingats överdimensionera den ganska kraftigt. Eftersom choppern är en prismässigt stor del av frekvensomriktaren innebär det att priset blir högt. När man försöker sätta ihop en ny sinuskurva av den misshandlade nätspänningen blir resultatet inte särskilt lyckat. Det ser helt enkelt mycket taggigt och vasst ut. Men det är just så spänningen från alla vanliga frekvensomriktare ser ut. Bild 1 visar ett exempel. Bild 1 Motorspänning från normal frekvensomriktare Det är denna taggiga spänning som ställer till problemen. De snabba, branta spänningssprången ger upphov till störsignaler som stör radio/tv och datakommunikation. De stör även mätsignaler av olika slag inom processindustrin så att produktion med föreskriven kvalitet kan vara svår att upprätthålla. Ett av de tyngsta argumenten mot frekvensomriktare just nu är att de stör så svårt att det av många anses vara omöjligt att klara de europadirektiv som gäller för dessa installationer, främst EMC-direktivet, som handlar om tillåten störnivå i elinstallationer. NFO Drives AB. Teknisk support: Lund tel: 046-286 29 28, Svängsta tel: 0454-370 29. Email: nfo@nfodrives.se 5
Standardlösningar jämförda med Switchkopplingen Lösningarna på störproblemen har kommit motvilligt och tveksamt. Samtidigt som marknaden insett behovet av kraftfull störreducering har omriktartillverkarna ogärna berört ämnet. Orsaken är givetvis att störningsreduktion kostar pengar. Prisjämförelser mellan olika frekvensomriktarfabrikat har alltid utfallit till de avstörda omriktarnas nackdel. Avstörning har därför kommit att bli en marknad för specialiserade filtertillverkare. Det är först på senare tid som de större omriktartillverkarna börjat ta sig an problemet och kan leverera integrerade lösningar. Det integrerade filtret ger ekonomiska och praktiska fördelar. Men, det löser inte de grundläggande problemen: Choppern arbetar fortfarande med hård switchning Switchfrekvensen måste hållas inom bestämda gränser för att resonanser i filtret inte ska orsaka överlast När motorkabel ansluts ändras filtrets resonansfrekvens Spänningsfallet i filtret orsakar momentförluster i motorn Bortsett från att choppern fortfarande arbetar med hård switchning är det framförallt svårigheten att anpassa filterkomponenterna till varierande driftförhållanden som är problemet med filterlösningen. Överlast av chopper, motor eller filtret själv inträffar ofta. Anledningen till denna situation är att filtertillverkarna - som hittills varit de som utvecklat filter - inte har haft någon verklig insikt i omriktarteknologi utan sett omriktaren som en svart låda som man inte kunnat göra något åt. Tanken att man skulle kunna utnyttja delar av omriktarteknologin för att åstadkomma ett intelligent filter som är oberoende av yttre omständigheter infann sig aldrig. Det var först i och med att Ragnar Jönsson började söka ett intelligent sätt att omvandla NFO-principen till fungerande hårdvara - och därmed tog ett helhetsgrepp på problemet - som insikten att omriktare och filter kunde dra nytta av varandra på ett kontrollerat sätt infann sig. Embryot till det som senare kom att patenteras under namnet Switchkopplingen var verklighet. Vid första påseendet ser en omriktare med Switchkoppling ut som vilken omriktare med integrerat filter som helst. Det utmärkande för Switchkopplingen är emellertid att den tar tillbaka information från filtret och anpassar styrsignalerna till choppern så att den alltid arbetar på bästa sätt. Resonansfenomen är inte längre något problem - inte ens vid långa kablar med hög kapacitans - och switchningen styrs så att halvledarna utsätts för minsta möjliga påfrestning. Det hela är mycket enkelt och resultatet blir mycket bra. Återigen ett exempel på att bra uppfinningar inte behöver vara komplicerade. Den resulterande motorspänningen visas i bild 2. Jämför med bild 1! Man behöver inte vara fackman för att inse att det är så här en motorspänning ska se ut. NFO Drives AB. Teknisk support: Lund tel: 046-286 29 28, Svängsta tel: 0454-370 29. Email: nfo@nfodrives.se 6
Bild 2 Sammanfattning Frekvensomriktare är önskvärda komponenter i alla processer där något ska transporteras eller bearbetas, dvs så gott som alla processer i bostäder, förvaltning, handel och industri. Hård switchning ger problem på många fronter: elektromagnetiska störningar, ljudnivå, isolationsproblem i motorer och kablar, lagerskador är de vanligaste fenomenen. De konventionella motmedlen (filter) har tillkommit efter hand - det är lite grann som att kasta jästen efter degen in i ugnen - och utnyttjar inte de symbioseffekter som faktiskt är möjliga i omriktar/filterkombinationen. Switchkopplingen gör just detta - använder omriktarens möjligheter att utnyttja filterkomponenterna optimalt. Resultatet är en mjuk, ren sinusspänning utan elektromagnetiska störningar eller andra problem. I stället för att mildra symptomen angriper Switchkopplingen källan till störningarna och ser till att de aldrig uppstår. NFO Drives AB. Teknisk support: Lund tel: 046-286 29 28, Svängsta tel: 0454-370 29. Email: nfo@nfodrives.se 7