Electric Motors and Drives This Page Intentionally Left Blank

Constant
torque
region
High-speed
region
Constant
power
region
Figure 8.5
Constant torque, constant power and high-speed motoring regions
Inverter-Fed Induction Motor Drives
289

---

By contrast, it is still common for inverter-fed systems to use a
standard industrial induction motor. These motors are totally enclosed,
with an external shaft-mounted fan, which blows air over the
W
nned
outer case. They are designed
W
rst and foremost for continuous oper-
ation from the
W
xed frequency mains, and running at base speed.
When such a motor is operated at a low frequency (e.g. 10 Hz), the
speed is much lower than base speed and the e
Y
ciency of the cooling fan
is greatly reduced. At the lower speed, the motor will be able to produce
as much torque as at base speed (see Figure 8.4) but in doing so the
losses in both stator and rotor will also be more or less the same as at
base speed. Since the fan was only just adequate to prevent overheating
at base speed, it is inevitable that the motor will overheat if operated at
full torque and low speed for any length of time. Some suppliers of
inverter drives do not emphasise this limitation, so users need to raise
the question of whether a non-standard motor will be needed.
When through-ventilated motors with integral blowers become the
accepted standard, the inverter-fed system will be freed of its low-speed
limitations. Meanwhile users should note that one approach designed to
combat the danger of motor overheating at low speeds is for the control
circuits to be deliberately designed so that the
X
ux and current limit are
reduced at low speeds. The constant-torque facility is thus sacri
W
ced in
order to reduce copper and iron losses, but as a result the drive is only
suitable for fan- or pump-type loads, which do not require high torque
at low speed. These systems inevitably compare badly with d.c. drives,
but manage to save face by being promoted as ‘energy-saving’ drives.
CONTROL ARRANGEMENTS FOR
INVERTER-FED DRIVES
For speed control manufacturers o
V
er options ranging in sophistication
from a basic open-loop scheme which is adequate when precise speed
holding is not essential, through closed-loop schemes with tacho or
encoder feedback, up to vector control schemes which are necessary
when optimum dynamic performance is called for. The variety of
schemes is much greater than for the fully matured d.c. drive, so we
will look brie
X
y at some examples in the remainder of this section.
The majority of drives now provide a digital interface so that the user
can input data such as maximum and minimum speeds, acceleration
rates, maximum torque, etc. General purpose inverters that are not sold
with a speci
W
c motor may have provision for motor parameters such as
base frequency, full-load slip and current, leakage reactance and rotor
resistance to be entered so that the drive can self-optimise its control
290
Electric Motors and Drives

---

routines. Perhaps the ultimate are the self-commissioning drives that
apply test signals to the motor when it is
W
rst connected in order to
determine the motor parameters, and then set themselves to deliver
optimum performance: their detailed workings are well beyond our
scope!
Open-loop speed control
In the smaller sizes the simple ‘constant
V/f
’ control is the most popular,
and is shown in Figure 8.6. The output frequency, and hence the no-load
speed of the motor, is set by the speed reference signal, which in an
analogue scheme is either an analogue voltage (0–10 V) or current (4–
20 mA). This set-speed signal may be obtained from a potentiometer on
the front panel, or remotely from elsewhere. In the increasingly common
digital version the speed reference will be set on the keypad. Some
adjustment of the
V/f
ratio and low-speed voltage boost will be provided.
Typical steady-state operating torque–speed curves are shown in
Figure 8.7. For each set speed (i.e. each frequency) the speed remains
reasonably constant because of the sti
V
torque–slip characteristic of the
cage motor. If the load is increased beyond rated torque, the internal
current limit (not shown in Figure 8.6) comes into play to prevent the
motor from reaching the unstable region beyond pull out. Instead, the
frequency and speed are reduced, so that the system behaves in the same
way as a d.c. drive.
Sudden changes in the speed reference are bu
V
ered by the action of an
internal frequency ramp signal, which causes the frequency to be grad-
ually increased or decreased. If the load inertia is low, the acceleration
will be accomplished without the motor entering the current-limit re-
gime. On the other hand if the inertia is large, the acceleration will take
place along the torque–speed trajectory shown in Figure 8.7.
Inverter
power
circuits
Speed
−
frequency
Volts/Hz
Voltage boost
V
f
Speed
reference
50/60 Hz supply
I.M.
Variable frequency
and voltage
Figure 8.6
Schematic diagram of open-loop inverter-fed induction motor speed
controlled drive
Inverter-Fed Induction Motor Drives
291

---

Suppose the motor is operating in the steady state with a constant
load torque at point (a), when a new higher speed (corresponding to
point (d)) is demanded. The frequency is increased, causing the motor
torque to rise to point (b), where the current has reached the allowable
limit. The rate of increase of frequency is then automatically reduced so
that the motor accelerates under constant current conditions to point
(c), where the current falls below the limit: the frequency then remains
constant and the trajectory follows the curve from (c) to settle
W
nally at
point (d).
A typical deceleration trajectory is shown by the path
aefg
in Figure
8.7. The torque is negative for much of the time, the motor operating in
quadrant 2 and regenerating kinetic energy to the inverter. Most small
inverters do not have the capability to return power to the a.c. supply,
and the excess energy therefore has to be dissipated in a resistor inside
the converter. The resistor is usually connected across the d.c. link, and
controlled by a chopper. When the link voltage tends to rise, because of
the regenerated energy, the chopper switches the resistor on to absorb
the energy. High inertia loads, which are subjected to frequent deceler-
ation can therefore pose problems of excessive power dissipation in this
‘dump’ resistor.
Speed reversal poses no problem, the inverter
W
ring sequence being
reversed automatically at zero speed, thereby allowing the motor to
proceed smoothly into quadrants 3 and 4.
a
b
c
d
e
f
g
Speed
Torque
Figure 8.7
Acceleration and deceleration trajectories in the torque–speed plane
292
Electric Motors and Drives

---

Some schemes include slip compensation, whereby the drive senses the
active component of the load current, which is a measure of the torque;
deduces the slip (which at full
X
ux is proportional to the torque); and
then increases the motor frequency to compensate for the slip speed of
the rotor and thereby maintain the same speed as at no load. This is
similar to the ‘IR’ compensation used in open-loop d.c. drives and
discussed in Section 4.3.5.
Closed-loop speed control
Where precision speed holding is required a closed-loop scheme must be
used, with speed feedback from either a d.c. or a.c. tachogenerator, or a
digital shaft encoder. Many di
V
erent control strategies are employed, so
we will consider the typical arrangement shown in Figure 8.8. This
inverter has separate control of the a.c. output voltage (via phase-
angle control in the input recti
W
er) and frequency (via the switching in
the inverter), and this makes understanding how the control system
operates easier than when voltage and frequency are controlled together,
as in a PWM inverter.
Figure 8.8 has been drawn to emphasise the similarity with the closed-
loop d.c. drive that was discussed at length in Section 4.3. Experience
suggests that an understanding of how the d.c. drive operates is very
TG
Speed
reference
Speed
error
Speed
controller