Practical Comparison of Different Current Measurement Technologies For Use In Variable Frequency Drives
Meisner, Rauno (2021)
Meisner, Rauno
2021
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-10-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110157623
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110157623
Tiivistelmä
Variable frequency drives are devices used in the control of induction motors. The function of the variable frequency drive is to control the input power and frequency of a motor and thus prolong the lifetime, and reduce the power consumption, of the motor.
Current sensors are an important part of variable frequency drive designs. In addition to being used to control the drive, the current data is used in safety applications, fault monitoring and other uses. However, there are several different technologies and sensor types commercially available with their own benefits and drawbacks, which might complicate the decision on what type of sensor to use in a specific application.
In this thesis the operation principles of the open-loop and closed-loop Hall sensors as well as fluxgate sensors and shunt current sensors are explained. Additionally, the benefits and drawbacks for each sensor type are discussed. This is to give the reader an idea on what to expect, and what to take into consideration, when selecting current sensors for use in variable frequency drives. In the latter chapters measurements are performed to show the differences and non-idealities between the sensor types. This is to make it easier for the reader to know which sensor type might best fit the needs of the design.
The zero point deviation, gain error and dynamic performance of the sensors were measured. The linearity error for the sensors was not measured due to the dominating linearity error of the laboratory equipment. The results show that, for simpler technologies, the performance of the sensor is often worse than for the more complex and expensive sensors. Additionally, it was noted that using signal conditioning electronics adds to the measurement errors.
Zero point deviation measurements indicate a relatively large zero point deviation in open-loop Hall sensors. Other sensor types, with the best performance exhibited by the shunt measurement, show good thermal stability. Shunt showed a relatively high gain error, with the other sensor types showing much less gain errors throughout the measurement range. The dynamic performance for the sensors indicate the best dynamic performance for the fluxgate and closed-loop Hall sensors and a worse dynamic performance for the other sensor types. However the total error, at least in this thesis, is low enough that all of the measured current sensors could still be used in a variable frequency drive, as long as certain non-idealities are kept in mind in the design phase. Taajuusmuuttajia käytetään oikosulkumoottorien ohjauksessa. Taajuusmuuttaja säätelee moottoriin syötettävää tehoa ja taajuutta ja täten pidentää moottorin käyttöikää ja parantaa sen hyötysuhdetta.
Virta-anturit ovat tärkeä osa taajuusmuuttajan rakennetta. Virtatietoa käytetään taajuusmuuttajan ohjaukseen. Lisäksi virtatietoa voidaan käyttää turvallisuussovelluksissa, vikavalvonnassa sekä muissa käyttökohteissa. Markkinoilla on kuitenkin useita eri virranmittausteknologioita, joilla jokaisella on omat hyötynsä ja haittansa, mikä saattaa hankaloittaa oikean virta-anturin valintaa tiettyyn käyttökohteeseen.
Tässä työssä on avattu avoimen silmukan Hall -anturin, suljetun silmukan Hall -anturin, fluxgate -anturin sekä virranmittaussuntin toimintaa. Lisäksi jokaisen anturityypin hyötyjä ja haittoja on käyty läpi, jotta lukija saa tietoa siitä mitä pitää ottaa huomioon valitessa virta-antureita taajuusmuuttajakäyttöön. Myöhemmissä kappaleissa on suoritettu mittauksia, joilla tuodaan esille eri anturityyppien eroja, jotta lukijalle on helpompaa valita käyttökohteeseensa sopiva anturityyppi.
Työssä mitattiin anturien nollapistepoikkeamaa, vahvistusvirhettä ja dynaamista suorituskykyä. Lineaarisuusvirhettä ei mitattu, sillä mittavälineiden oma lineaarisuusvirhe oli hallitseva ja täten peitti mitattavien anturien oman virheen. Tuloksista käy ilmi, että yksinkertaisten teknologioiden suorituskyky on usein huonompi kuin monimutkaisempien ja kalliimpien anturien. Lisäksi huomattiin, että signaalinkäsittelyelektroniikan käyttö usein kasvatti mittavirheitä.
Nollapistepoikkeamamittauksissa huomattiin suhteellisen suuri poikkeama avoimen silmukan Hall -anturissa. Muiden anturityyppien nollapistepoikkeama pysyi suhteellisen stabiilina koko lämpötila-alueella. Suntin suorituskyky nollapistepoikkeamamittauksissa oli mitatuista antureista paras. Suntti osoitti kuitenkin kaikkein eniten vahvistusvirhettä kaikista mitatuista antureista muiden anturityyppien osoittaessa suhteellisen vähän virhettä. Dynaamisilta suorituskyvyiltään parhaat anturit olivat fluxgate -anturi ja suljetun silmukan Hall -anturi. Muiden anturityyppien dynaaminen suorituskyky oli huomattavasti huonompi. Kokonaisvirhe oli kuitenkin jokaisella anturityypillä ainakin tässä työssä niin vähäinen, että jokaista voisi silti käyttää taajuusmuuttajakäytössä, kunhan tietyt epäideaalisuudet otetaan suunnitteluvaiheessa huomioon.
Current sensors are an important part of variable frequency drive designs. In addition to being used to control the drive, the current data is used in safety applications, fault monitoring and other uses. However, there are several different technologies and sensor types commercially available with their own benefits and drawbacks, which might complicate the decision on what type of sensor to use in a specific application.
In this thesis the operation principles of the open-loop and closed-loop Hall sensors as well as fluxgate sensors and shunt current sensors are explained. Additionally, the benefits and drawbacks for each sensor type are discussed. This is to give the reader an idea on what to expect, and what to take into consideration, when selecting current sensors for use in variable frequency drives. In the latter chapters measurements are performed to show the differences and non-idealities between the sensor types. This is to make it easier for the reader to know which sensor type might best fit the needs of the design.
The zero point deviation, gain error and dynamic performance of the sensors were measured. The linearity error for the sensors was not measured due to the dominating linearity error of the laboratory equipment. The results show that, for simpler technologies, the performance of the sensor is often worse than for the more complex and expensive sensors. Additionally, it was noted that using signal conditioning electronics adds to the measurement errors.
Zero point deviation measurements indicate a relatively large zero point deviation in open-loop Hall sensors. Other sensor types, with the best performance exhibited by the shunt measurement, show good thermal stability. Shunt showed a relatively high gain error, with the other sensor types showing much less gain errors throughout the measurement range. The dynamic performance for the sensors indicate the best dynamic performance for the fluxgate and closed-loop Hall sensors and a worse dynamic performance for the other sensor types. However the total error, at least in this thesis, is low enough that all of the measured current sensors could still be used in a variable frequency drive, as long as certain non-idealities are kept in mind in the design phase.
Virta-anturit ovat tärkeä osa taajuusmuuttajan rakennetta. Virtatietoa käytetään taajuusmuuttajan ohjaukseen. Lisäksi virtatietoa voidaan käyttää turvallisuussovelluksissa, vikavalvonnassa sekä muissa käyttökohteissa. Markkinoilla on kuitenkin useita eri virranmittausteknologioita, joilla jokaisella on omat hyötynsä ja haittansa, mikä saattaa hankaloittaa oikean virta-anturin valintaa tiettyyn käyttökohteeseen.
Tässä työssä on avattu avoimen silmukan Hall -anturin, suljetun silmukan Hall -anturin, fluxgate -anturin sekä virranmittaussuntin toimintaa. Lisäksi jokaisen anturityypin hyötyjä ja haittoja on käyty läpi, jotta lukija saa tietoa siitä mitä pitää ottaa huomioon valitessa virta-antureita taajuusmuuttajakäyttöön. Myöhemmissä kappaleissa on suoritettu mittauksia, joilla tuodaan esille eri anturityyppien eroja, jotta lukijalle on helpompaa valita käyttökohteeseensa sopiva anturityyppi.
Työssä mitattiin anturien nollapistepoikkeamaa, vahvistusvirhettä ja dynaamista suorituskykyä. Lineaarisuusvirhettä ei mitattu, sillä mittavälineiden oma lineaarisuusvirhe oli hallitseva ja täten peitti mitattavien anturien oman virheen. Tuloksista käy ilmi, että yksinkertaisten teknologioiden suorituskyky on usein huonompi kuin monimutkaisempien ja kalliimpien anturien. Lisäksi huomattiin, että signaalinkäsittelyelektroniikan käyttö usein kasvatti mittavirheitä.
Nollapistepoikkeamamittauksissa huomattiin suhteellisen suuri poikkeama avoimen silmukan Hall -anturissa. Muiden anturityyppien nollapistepoikkeama pysyi suhteellisen stabiilina koko lämpötila-alueella. Suntin suorituskyky nollapistepoikkeamamittauksissa oli mitatuista antureista paras. Suntti osoitti kuitenkin kaikkein eniten vahvistusvirhettä kaikista mitatuista antureista muiden anturityyppien osoittaessa suhteellisen vähän virhettä. Dynaamisilta suorituskyvyiltään parhaat anturit olivat fluxgate -anturi ja suljetun silmukan Hall -anturi. Muiden anturityyppien dynaaminen suorituskyky oli huomattavasti huonompi. Kokonaisvirhe oli kuitenkin jokaisella anturityypillä ainakin tässä työssä niin vähäinen, että jokaista voisi silti käyttää taajuusmuuttajakäytössä, kunhan tietyt epäideaalisuudet otetaan suunnitteluvaiheessa huomioon.