Electric Motors and Drives This Page Intentionally Left Blank

Breakaway torque
Pump
Fan
Figure 11.5
Torque–speed characteristics for fan- and pump-type loads
Motor/Drive Selection
375

---

An important point to bear in mind is that a non-regenerative drive will
have an asymmetrical transient speed response, so that when a higher
speed is demanded, the extra kinetic energy can be provided quickly, but
if a lower speed is demanded, the drive can do no better than reduce the
torque to zero and allow the speed to coast down.
Duty cycle and rating
This is a complex matter, which in essence reflects the fact that whereas
all motors are governed by a thermal (temperature rise) limitation, there
are different patterns of operation which can lead to the same ultimate
temperature rise.
Broadly speaking the procedure is to choose the motor on the basis of
the r.m.s. of the power cycle, on the assumption that the losses (and
therefore the temperature rise) vary with the square of the load. This is a
reasonable approximation for most motors, especially if the variation in
power is due to variations in load torque at an essentially constant
speed, as is often the case, and the thermal time-constant of the motor
is long compared with the period of the loading cycle. (The thermal
time-constant has the same significance as it does in relation to any first-
order linear system, e.g. an
R
/
C
circuit. If the motor is started from
ambient temperature and run at a constant load, it takes typically four
or five time-constants to reach its steady operating temperature.) Ther-
mal time-constants vary from more than an hour for the largest motors
(e.g. in a steel mill) through tens of minutes for medium power machines
4 kW
16 kW
2
4 kW
2
5 kW
2
2 kW
0
2
4
6
8
s
One cycle
1.5 kW
Figure 11.6
Calculation of r.m.s. power rating for periodically varying load
376
Electric Motors and Drives

---

down to minutes for fractional horsepower motors and seconds for
small stepping motors.
To illustrate the estimation of rating when the load varies periodically,
suppose a mains-fed cage induction motor is required to run at a power
of 4 kW for 2 min, followed by 2 min running light, then 2 min at 2 kW,
then 2 min running light, this 8-min pattern is repeated continuously. To
choose an appropriate power rating we need to find the r.m.s. power,
which means exactly what it says, i.e. it is the square root of the mean
(average) of the square of the power. The variation of power is shown in
the upper part of Figure 11.6, which has been drawn on the basis that
when running light the power is negligible. The ‘power squared’ is shown
in the lower part of the figure.
The average power is 1.5 kW, the average of the power squared is
5 kW
2
, and the r.m.s. power is therefore
5
p
kW, i.e. 2.24 kW. A motor
that is continuously rated at 2.24 kW would therefore be suitable for
this application, provided of course that it is capable of meeting the
overload torque associated with the 4 kW period. The motor must
therefore be able to deliver a torque that is greater than the continuous
rated torque by a factor of 4/2.25, i.e. 178%: this would be within the
capability of most general-purpose induction motors.
Motor suppliers are accustomed to recommending the best type of
motor for a given pattern of operation, and they will typically classify
the duty type in one of eight standard categories, which cover the most
commonly encountered modes of operation. As far as rating is con-
cerned the most common classifications are maximum continuous rat-
ing, where the motor is capable of operating for an unlimited
period, and short time rating, where the motor can only be operated
for a limited time (typically 10, 30 or 60 min) starting from ambient
temperature.
Enclosures and cooling
There is clearly a world of difference between the harsh environment
faced by a winch motor on the deck of an ocean-going ship, and the
comparative comfort enjoyed by a motor driving the drum of an office
photocopier. The former must be protected against the ingress of rain
and seawater, while the latter can rely on a dry and largely dust-free
atmosphere.
Classifying the extremely diverse range of environments poses a
potential problem, but fortunately this is one area where international
standards have been agreed and are widely used. The International Elec-
trotechnical Committee (IEC) standards for motor enclosures are
Motor/Drive Selection
377

---

now almost universal and take the form of a classification number prefixed
by the letters IP, and followed by two digits. The first digit indicates the
protection level against ingress of solid particles ranging from 1 (solid
bodies greater than 50-mm diameter) to 5 (dust), while the second relates
to the level of protection against ingress of water ranging from 1 (dripping
water) through 5 (jets of water) to 8 (submersible). A zero in either the first
or second digit indicates no protection.
Methods of motor cooling have also been classified and the more
common arrangements are indicated by the letters IC followed by two
digits, the first of which indicates the cooling arrangement (e.g. 4 indi-
cates cooling through the surface of the frame of the motor) while the
second shows how the cooling circuit power is provided (e.g. 1 indicates
motor-driven fan).
Dimensional standards
Standardisation is improving in this area, though it remains far from
universal. Such matters as shaft diameter, centre height, mounting
arrangements, terminal box position and overall dimensions are fairly
closely defined for the mainstream motors (induction, d.c.) over a wide
size range, but standardisation is relatively poor at the low-power end
because so many motors are tailor-made for specific applications.
Supply interaction and harmonics
Most converter-fed drives cause distortion of the mains voltage which
can upset other sensitive equipment, particularly in the immediate vicin-
ity of the installation. There are some drives that are equipped with
‘front-end’ conditioning (whereby the current drawn from the mains is
forced to approximate closely to a sinewave at unity power-factor), but
this increases the cost of the power-electronics and is limited to small-
and medium-power drives. With more and larger drives being installed
the problem of mains distortion is increasing, and supply authorities
therefore react by imposing increasingly stringent statutory limits gov-
erning what is allowable.
The usual pattern is for the supply authority to specify the maximum
amplitude and spectrum of the harmonic currents at various levels in the
power system. If the proposed installation exceeds these limits, appro-
priate filter circuits must be connected in parallel with the installation.
These can be costly, and their design is far from simple because the
electrical characteristics of the supply system need to be known in
advance in order to avoid unwanted resonance phenomena. Users
378
Electric Motors and Drives

---

need to be alert to the potential problem, and to ensure that the drive
supplier takes responsibility for handling it.
REVIEW QUESTIONS
1)
The speed-holding accuracy of a 1500 rev/min drive is specified as
0.5% at all speeds below base speed. If the speed reference is set at
75 rev/min, what are the maximum and minimum speeds between
which the drive can claim to meet the specification?
2)
A servo motor drives an inertial load via a toothed belt. The motor
carries a 12-tooth pulley, and the total inertia of motor and pulley
is 0
:
001 kg m
2
. The load inertia (including the load pulley)
is
0
:
009 kg m
2
. Find the number of teeth on the load pulley that will
maximise the acceleration of the load.
3)
Assuming that the temperature rise of a motor follows an exponen-
tial curve, that the final temperature rise is proportional to the total
losses and that the losses are proportional to the square of the load
power, for how long could a motor with a 30-min thermal time-
constant be started from cold and overloaded by 60%?
4)
A special-purpose numerically controlled machine-tool spindle has
a maximum speed of 10 000 rev/min, and requires full torque at all
speeds. Peak steady-state power is of the order of 1200 W. The
manufacturer wishes to use a direct-drive motor. What options are
available and what would you recommend? What additional infor-
mation is required in order to seek the best solution?
5)
When planning to purchase a variable-frequency inverter to provide
speed control of an erstwhile fixed-frequency induction motor driv-
ing a hoist, what problems should be anticipated if low-speed oper-
ation is envisaged?
6)
List three controlled-speed applications for which conventional d.c.
motors are not well-suited, and suggest an alternative for each.
7)
An induction motor was specifically chosen for a duty that
required it to run day and night delivering 2 kW for 1 min, followed
by 1-min running light. What continuous power rating would be
appropriate for the motor if it was redeployed to drive a constant-
torque load?
8)
A 50 Hz pump drive requires a torque of 60 Nm at approximately
1400 rev/min for 1 min, followed by 5 min during which the motor
Motor/Drive Selection
379

---

runs unloaded. This cyclic pattern is repeated continuously. The
motor is to be selected from a range of general-purpose cage
motors with continuous ratings of 2.2, 3, 4, 5.5, 7.5, 11 and
15 kW. The motors all have full-load slips of approximately 5%
and pull-out torques of 200% at slips of approximately 15%. Select
the pole number and power rating, and estimate the running speed
when the motor drives the pump.
9)
A speed-controlled drive rated 50 kW at its base speed of 1200 rev/
min drives a large circular stonecutting saw. When the drive is
started from rest with the speed reference set to base speed, it
accelerates to 1180 rev/min in 4 s, during which time the acceler-
ation is more or less uniform. It takes a further second to settle at
full speed, after which time the saw engages with the workpiece.
Estimate the total effective inertia of motor and saw. Make clear
what assumptions you have had to make. Estimate the stored
kinetic energy at full speed, and compare it with the energy sup-
plied during the first 4 s.
10)
When the saw in question 9 is running light at base speed, and the
power is switched-off, the speed falls approximately linearly, tak-
ing 20 s to reach 90% of base speed. Estimate the friction torque as
a percentage of the full-load torque of the motor. Explain how this
result justifies any approximations that had to be made in order to
answer question 9.
380
Electric Motors and Drives

---

APPENDIX
INTRODUCTION TO CLOSED-LOOP CONTROL
A.1
REASONS FOR ADOPTING A SIMPLIFIED
APPROACH
The aim of this Appendix is to help the readers who are not familiar with
closed-loop control and feedback to feel con
W
dent when they meet such
ideas in the drives context. In line with the remainder of the book, the
treatment avoids mathematics where possible, and in particular it makes
only passing reference to transform techniques. This approach is chosen
deliberately, despite the limitations it imposes, in the belief that it is more
useful for the reader to obtain a sound grasp of what really matters in a
control system, rather than to become adept at detailed analysis or design.
The writer’s experience when
W
rst coming into contact with control
was perhaps typical in that it soon became clear how one was required to
perform certain mathematical procedures to arrive at the ‘right answer’.
But when asked exactly what ‘the answer’ really meant and why it
mattered, or what features of the system were critically important and
what were not, some yawning gaps in understanding were revealed.
Re
X
ecting back, there are perhaps two main reasons why this experience
is not uncommon. Firstly, in the majority of student textbooks, the topic
of control is introduced at the same time as the Laplace transform
technique, which many readers will have not met before. And secondly,
the casual use of jargon that seems to be a particular characteristic of
‘control’ specialists can be bewildering to newcomers.
The Laplace transform approach to the analysis and design of linear
systems (i.e. those that obey the principle of superposition) is unchal-
lenged for the very good reason that it works wonderfully well. It allows
the di
V
erential equations that describe the dynamic behaviour of the
systems we wish to control to be recast into algebraic form. Instead of
having to solve di
V
erential equations in the time domain, we are able to

---

transform the equations and emerge in a parallel universe in which
algebraic equations in the complex frequency or ‘s’ domain replace
di
V
erential equations in time. For modelling control systems this ap-
proach is ideal because we can draw simple block diagrams containing
algebraic ‘s-domain transfer functions’ that fully represent both the
steady-state and dynamic (transient) relationships of elements such as
motors, ampli
W
ers,
W
lters, transducers, etc. We can assess whether the
performance of a proposed system will be satisfactory by doing simple
analysis in the s-domain, and decide how to improve matters if neces-
sary. When we have completed our studies in the s-domain, we have a set
of inverse transforms to allow us to ‘beam back’ to our real time
domain.
Despite the undoubted power of the transform method, the fact
that the newcomer has
W
rst to learn what amounts to a new language
presents a real challenge. And in the process of concentrating on
developing transfer functions, understanding how system order
in
X
uences transient response, and other supporting matters, some of
the key ideas that are central to successful control systems can easily
be overlooked.
In addition to having to come to grips with new mathematical tech-
niques the newcomer has to learn many new terms (e.g. bandwidth,
integrator, damping factor, dB/octave), and is expected to divine the
precise meaning of other casually used terms (e.g. gain, time-constant)
by reference to the particular context in which they are used.
Our aim here is to avoid these potential pitfalls by restricting our
analytical exploration to steady-state performance only. In the context
of a speed-controlled drive, for example, this means that although our
discussion will reveal the factors that determine how well the actual
steady-state speed corresponds with the target speed, we will have to
accept that it will not tell us how the speed gets from one value to
another when the speed reference is changed (i.e. the transient response).
By accepting this limitation we can avoid the need to use transform
techniques, and concentrate instead on understanding what makes the
system tick.
A.2
CLOSED-LOOP (FEEDBACK) SYSTEMS
A closed-loop system is one where there is feedback from the output,
feedback being de
W
ned by the Oxford English Dictionary as ‘the modi-
W
cation of a process by its results or e
V
ects, especially the di
V
erence
between the desired and actual result’. We will begin by looking at some
examples of feedback systems and identify their key features.
382
Electric Motors and Drives

---

A.2.1
Error-activated feedback systems
An everyday example of a feedback system is the lavatory cistern
(Figure A.1), where the aim is to keep the water level in the tank at
the full mark. The valve through which water is admitted to the tank is
controlled by the position of the arm carrying a ball that
X
oats in the
water. The steady-state condition is shown in diagram (a), the inlet valve
being closed when the arm is horizontal.
When the WC is
X
ushed (represented by the bottom valve being
opened – see diagram (b)), the water level falls rapidly. As soon as the
water level falls the ball drops, thereby opening the inlet valve so that
fresh water enters the tank in an e
V
ort to maintain the water level. Given
that the purpose of the system is to maintain the water level at the target
level, it should be clear from diagram (b) why, in a control systems
context, the angle
u
e
is referred to as the ‘error angle’: when the water is
at the desired level, the error is zero.
This is an example of an ‘error-activated’ system, because any error
automatically initiates corrective action. The fact that the water level has
fallen is communicated or fed back to the valve, which responds by
admitting more water to combat the ‘error’. In traditional cisterns the
inlet water rate is proportional to the angle
u
e
, so when the tank is empty
it
W
lls at a high rate and the water level rises rapidly. As the level rises the
valve begins to close and the rate at which the tank re
W
lls reduces until
W
nally when the target level is reached the valve is fully closed and the
water level is restored to its target value (i.e. full). In this particular
example the ‘feedback’ of the ball position takes the form of a direct
mechanical connection between the water level detector (the
X
oating
ball) and the inlet valve. Most of the control systems that we meet in a
drives context are also error-activated, though in the majority of cases
the feedback is less direct than in this example.
Alert readers will have spotted that although the aim of the system is
to maintain a constant water level, the level must change every time
corrective action is required. The only time that the system can have no