MergedFileMaster of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Begeleider: Paul Vander Haeghen Promotor: Christof Dauwels
I
Voorwoord Met deze masterproef wordt mijn opleiding in de industriële wetenschappen: automatisering afgerond. Tijdens deze masterproef kreeg ik de kans om een volledige configuratie van een asynchrone machine a.d.h.v. een frequentieregelaar te bestuderen.
De totstandkoming van deze masterproef zou niet gelukt zijn zonder de hulp van andere personen. Een eerste woord van dank gaat uit naar mijn promotor dhr. Christof Dauwels. Dit eindresultaat was zonder zijn begeleiding en goede advies niet mogelijk geweest.
Verder wil ik ook iedereen bedanken die onrechtstreeks bijgedragen hebben aan het vervolledigen van deze masterproef. Hierbij denk ik aan alle docenten en professoren van de faculteit die mij hun kennis van hun vakgebied hebben bijgebracht.
Tenslotte richt ik een zeer groot woord van dank aan familie en vrienden. In het bijzonder mijn ouders die mij over heel mijn schoolcarrière altijd hebben gesteund. Zonder hun zou dit alles niet mogelijk geweest zijn.
Verder wens ik iedereen nog veel plezier bij het lezen van deze masterproef.
Stijn Coppens
II
Abstract In academiejaar 2016-2017 werd mij gevraagd om een didactische opstelling van een frequentieregeling voor een asynchrone machine te maken. De opstelling bestaat uit een asynchrone machine aangesloten op een AC borstelloze servomotor die dienst doet als belasting, elk aangestuurd door een regelaar.
Het variëren van verschillende parameters zoals statorfrequentie of statorspanning van de asynchrone machine hebben een invloed op de koppeltoerentalkarakteristiek. De bedoeling is om een didactische opstelling te bouwen, waarbij de student bestudeert welke invloeden deze parameters hebben op de koppeltoerentalkarakteristiek.
Deze parameters worden normaalgezien handmatig ingesteld via de regelaars. De bedoeling is om deze parameters niet meer handmatig te bedienen via de regelaars. Maar via een computer d.m.v. een softwareprogramma genaamd Labview.
Labview is een programma waarin men grafisch kan programmeren. De bedoeling is om een applicatie te bouwen waarin zowel de asynchrone motor als de belasting veilig gestuurd word en waarbij verschillende parameters gevisualiseerd worden. Zo zal het koppel, statorstroom en power factor in functie van de snelheid weergegeven worden.
Om deze karakteristieken mooi te visualiseren zal de applicatie er automatisch voor zorgen dat de snelheid van de asynchrone machine stapsgewijs verlaagd wordt door de motor meer te belasten. De tijd en grootte van de stappen kunnen door de gebruiker aangepast worden.
Om te kunnen communiceren tussen de regelaar en de computer wordt er gebruik gemaakt van een CompactRio-eiland van National Instruments. Deze is via een ethernetkabel verbonden met de computer. Dit eiland zal via zijn analoge in- en uitgangskaarten spanningen van -10V tot 10V inlezen en uitsturen. Beide regelaars zijn ook voorzien van verschillende analoge in- en uitgangen. Door deze analoge in- en uitgangen te verbinden met de analoge kaarten van het CompactRio-eiland kan er een communicatie opgezet worden tussen de regelaars en de computer.
III
1. Literatuurstudie ..........................................................................................................................1
1.1.4. De slip ..........................................................................................................................7
1.1.4.1. Slipafhankelijke rotorgrootheden .........................................................................8
1.1.5.1. Equivalent schema rotor ......................................................................................9
1.1.6.1. statorverliezen ................................................................................................... 12
1.1.6.2. rotorverliezen .................................................................................................... 12
1.1.6.3. draaiveldvermogens ........................................................................................... 12
1.1.6.4. Vermogenbalans ................................................................................................ 14
1.1.7. Koppeltoerentalkarakteristiek .................................................................................... 15
1.1.7.3. Statische toestand .............................................................................................. 18
1.1.7.4. Dynamische toestand ......................................................................................... 19
1.2.2. CSI VS VSI ................................................................................................................... 20
1.2.3. Danfoss FC102 ........................................................................................................... 21
V
1.2.1. Koppelversterking ...................................................................................................... 26
1.2.2.1. Aanlooptijd ........................................................................................................ 27
1.2.2.2. Uitlooptijd .......................................................................................................... 28
1.3. Stroomtoerentalkarakteristiek ........................................................................................... 28
1.4.3.2. Ontstaan van harmonischen ............................................................................... 31
1.4.4. Transiënten................................................................................................................ 31
1.4.6. Elektromagnetische stoorzenders in de opstelling ...................................................... 32
1.5. Het meten van Koppel ....................................................................................................... 33
1.5.1. Koppel ....................................................................................................................... 33
VI
2.2.1.1. Configuratie CompactRio .................................................................................... 51
2.2.2. Front panel ................................................................................................................ 55
2.2.3. Block diagram ............................................................................................................ 59
2.2.3.3. Handmatig ......................................................................................................... 62
2.2.3.4. Automatisch ....................................................................................................... 65
2.2.3.5. Exit ..................................................................................................................... 67
2.5. Analyse van gemeten waarden .......................................................................................... 69
2.5.1. Variatie van statorspanning ....................................................................................... 70
2.5.2. Variatie van statorfrequentie ..................................................................................... 71
2.5.3. Koppelversterking ...................................................................................................... 73
VII
Figurenlijst
VIII
IX
Figuur 68: PID regelaar ...................................................................................................................... 67 Figuur 69: Staat exit .......................................................................................................................... 68 Figuur 77: PID parameters instellen .................................................................................................. 68 Figuur 78: Elektromagnetische storingen bij opstelling ...................................................................... 69 Figuur 70: analyse koppeltoerentalkarakteristiek bij variabele statorspanning .................................. 70 Figuur 71: Analyse statorstroom in functie van de snelheid bij variabele statorspanning ................... 71 Figuur 72: Analyse power factor in functie van de snelheid bij variabele statorspanning ................... 71 Figuur 73: Analyse koppel in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie .......................... 72 Figuur 74: Analyse statorstroom in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie ................ 72 Figuur 75: Analyse power factor in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie ................. 72 Figuur 76: U/f – verhouding .............................................................................................................. 73
Tabellenlijst
1
1. Literatuurstudie 1.1. Asynchrone motoren
Om de karakteristieken van de asynchrone machine juist te interpreteren moet de werking van de motor gekend zijn. In dit hoofdstuk zal de machine theoretisch besproken worden. Uit deze theorie wordt tenslotte de motorkarakteristieken gehaald en uitgelegd hoe deze karakteristieken te interpreteren.
1.1.1. Bouw asynchrone motor De motor kan voornamelijk opgesplitst worden in een roterend gedeelte namelijk de rotor en een statisch gedeelte, de stator. Deze zullen gescheiden zijn door een luchtspleet waar het magnetisch draaiveld zal opgewekt worden.
1.1.1.1. De stator De behuizing van de stator bestaat uit cilindervormige blikplaten en vormen samen een magnetische keten. Dit blikplatenpakket is gelamelleerd om de wervelstromen zoveel mogelijk te onderdrukken. Aan de binnenzijde van de stator zullen gleuven geponst zijn. In deze gleuven zal er een driefasige wikkeling aangebracht worden. Deze worden op zijn beurt aangesloten op een driefasennet.
De stator wordt gekarakteriseerd door het aantal polenparen Np. Dit heeft een invloed op de synchrone snelheid van het draaiveld en zal later in dit hoofdstuk besproken worden.
1.1.1.2. De rotor De rotor bevindt zich binnen de stator en is het roterend gedeelte. De rotor kan voornamelijk onderscheiden worden in twee types namelijk de kooirotormachines en de sleepringmachines.
Kooiankerrotor
De inductiemotor met kooirotor is een van de meest gebruikte motoren binnen de industrie. De rotor bestaat uit aluminium- of koperstaven die zich in de rotorgleuven bevinden. Langs beide zijden zijn de staven kortgesloten via twee kortsluitringen. Deze kortsluitringen vormen samen met de staven een kooi, waardoor men spreekt over een kooirotor. De ruimte binnen de kooi bestaat uit gelamelleerde stalen platen.
Voor motoren met grote vermogens (>2MW) of grote toerentallen worden aluminiumstaven gebruikt. Dit om de centrifugale krachten ten opzichte van koperstaven te beperken. De kooirotor heeft als eigenschap een laag startkoppel te hebben, vooral bij toenemende grootte
Figuur 1: Stator asynchrone machine. Geraadpleegd van http://www.wisdompage.com/SEUhtmDOCS/SEU18.htm
2
Figuur 2: Kooiankerrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door https://nl.wikipedia.org/wiki/Kooianker
Sleepring
De rotor van de sleepringmachine bestaat net zoals bij een kooirotormachine uit een gelamelleerde rotor. Alleen zal in de gleuven van de rotor, een driefasige wikkeling aangebracht worden met evenveel polen als de stator. Deze driefasige wikkeling zal in ster geschakeld worden, waarbij de drie vrije uiteindes via sleepringen naar buiten gebracht worden. Deze sleepringen komen in contact met drie borstels die op hun beurt verbonden zijn met de aansluitklemmen. Op deze klemmen worden rotorweerstanden aangesloten.
Figuur 3: Sleepringrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door http://www.brighthubengineering.com/diy-electronics- devices/43725-slip-ring-induction-motors-basics/
3
1.1.2. Het magnetisch draaiveld Het fundamentele principe van de stator is het opwekken van een roterend magnetisch veld in de luchtspleet tussen de stator en rotor en zal zich met een welbepaalde constante snelheid voortplanten langs de omtrek van de machine.
Figuur 4: Statorwindingen. Geraadpleegd door http://electrical-engineering-portal.com/rotating-magnetic-field-ac- machines
= ∗ ∗
met Np = aantal polenparen.
De drie wikkelingen worden gevoed door drie sinusoïdale wisselstromen die ook 120° t.o.v. elkaar verschoven zijn. Deze hebben een gelijke effectieve spanning en hoeksnelheid:
= cos( )
= cos( − 120°)
= cos( − 240°)
( ) = − ∗
De resulterende vector van de hoofdflux zal verkregen worden door de som te nemen van de fluxen L1-L1’, L2-L2’ en L3-L3’. De hoofdflux van de driefasige stator zal roteren in de ruimte en zijn amplitude zal constant zijn zoals in onderstaande figuur. Dit veld noemen we het draaiveld.
4
machines
De snelheid waarmee het draaiveld zal roteren in de ruimte is afhankelijk van de frequentie van de aangelegde spanning en het aantal polen die de machine bevat. De snelheid van het draaiveld wordt de synchrone snelheid genoemd. De mechanische hoeksnelheid Ωsy in rad/s van het draaiveld wordt gegeven door de formule:
Ωsy = = ∗
Nsy = ∗ = ∗
Waarbij f de frequentie is van het net. Bij een tweepolige machine zal het draaiveld gedurende een periode van de driefasige wisselstroom een dubbele poolsteek 2 p afleggen. Wat de gehele omtrek voor een tweepolige machine betekend. p is de afstand langsheen de ankeromtrek tussen het midden van de noord- en zuidpool. Bij een meerpolige machine zal het draaiveld nog steeds 2 p afleggen gedurende een periode van de driefasige wisselstroom, maar zal slechts een gedeelte van de omtrek afgelegd hebben. Waardoor de synchrone snelheid van een meerpolige machine trager is dan deze van een tweepolige machine. De volgende tabel geeft bij de verschillende synchrone snelheden aan bij een netfrequentie van 50z naargelang aantal polenparen Np.
Np 1 2 3 4 5 6
Nsy (tr/min) 3000 1500 1000 750 600 500
Figuur 6: Polenparen
5
De zin van het draaiveld kan omkeren door de fasevolgorde van de aangelegde wisselstromen om te keren. Het gevolg hiervan is dat de rotor in de andere zin zal draaien. Door middel van twee van de drie wisselstromen te verwisselen aan de stator.
1.1.3. Het effect van het draaiveld op de rotor
De rotor kan zowel als kooirotor of als een sleepringrotor bestaan. Het principe van de invloed van het draaiveld op deze rotors is hetzelfde.
= = ∗ ∗
Hierbij is s en r de wikkelfactoren van de windingen en Ns en Nr het aantal windingen.
Beschouw nu dat de rotor stilstaat en de geleiders van de rotor kortgesloten of via een externe weerstand gesloten zijn. Wanneer de rotorgeleiders door de veldlijnen van het draaiveld gesneden worden zal er een inductiespanning Er ontstaan. Dit kan aangetoond worden via de wet van Faraday:
Er = ( )
Waarbij B de vector is van de luchtspleetinductie afkomstig van het draaiveld, v de relatieve snelheid van de rotorgeleiders t.o.v. het magnetisch draaiveld en l de axiale lengte van de as. Er moet rekening gehouden worden dat de het draaiveld beweegt t.o.v. de rotorgeleiders en niet omgekeerd. Bijgevolg draait de relatieve snelheid in de tegengestelde zin t.o.v. het draaiveld.
Figuur 7: Effect draaiveld op rotor
6
De rotorgeleiders zijn kortgesloten (kooirotor) of verbonden met en externe weerstand. (sleepringrotor) Als gevolg zal de inductiespanning Er zal een wisselstroom in de rotor opwekken. Het roteren van de rotor kan op twee manieren verklaard worden via de Lorentzkracht en via de wet van Lenz.
De Lorentzkracht
=
Waarbij I de stroom door de rotorgeleiders is, l de axiale lengte van de as en B de vector van de luchtspleetinductie. De richting van de lorentzkracht wordt bepaald via de linkerhandregel. Dit wordt weergegeven in bovenstaande figuur 7. Deze lorentzkrachten genereren op zijn beurt een koppel in de richting van het statordraaiveld.
De Lorentzkracht zal op zijn beurt een koppel vormen, waardoor de motor zal versnellen
Wet van Lenz
Het roteren van de rotor kan ook verklaard worden via de wet van Lenz. De wisselstroom in de rotor wordt opgewekt door zijn e.m.s. Er. Bijgevolg zijn deze stromen inductiestromen, waardoor ze hun ontstaan willen tegenwerken. Deze inductiestromen gaan op zijn beurt een tweede magnetisch draaiveld opwekken. Dit magnetisch draaiveld heeft dezelfde richting als deze van het magnetisch draaiveld van de stator. De inductiestromen willen hun ontstaan tegenwerken d.w.z. dat de magnetische veldlijnen afkomstig van de rotor, het snijden van statorveldlijnen willen tegenwerken. Als gevolg zal de rotor beginnen roteren in dezelfde richting als deze van het statordraaiveld.
Merk echter op dat de relatieve snelheid van de rotorgeleiders t.o.v. het magnetisch zal dalen wanneer de rotor versneld in de zin van het statordraaiveld. Als gevolg zal de geïnduceerde spanningen in de rotor dalen, waardoor de frequentie van de rotorspanning. De rotor zal nooit het synchrone toerental kunnen bereiken zonder externe hulp. Indien de rotor dezelfde snelheid zou hebben als het synchrone toerental zou de e.m.s. Es en geïnduceerde rotorstromen nul zijn. Waardoor het koppel wegvalt en de machine vertraagd. Bijgevolg draait de rotor steeds trager dan het synchroon toerental. Vandaar de naam: asynchrone motor. Het verschil in toerental wordt gedefinieerd als slip s.
7
1.1.4. De slip De slip wort gedefinieerd als de relatieve afwijking in toerental tussen het magnetisch draaiveld van de stator of synchroon toerental en het toerental van de rotor en is een belangrijk gegeven bij het behandelen van de asynchrone machine. De slip wordt meestal procentueel uitgedrukt.
= Ω − Ω
−
Wanneer de formule wordt omgevormd, kan de hoeksnelheid of toerental makkelijk berekend worden:
= ∗ (1 − )
Ω = Ω ∗ (1 − )
Naargelang slip kunnen we de asynchrone motor onderverdelen in drie toestanden namelijk motorbedrijf, generatorbedrijf en tegenstroomremmen.
Motortoestand
Bij motorwerking zal het slip het grootst zijn bij rotorstilstand s = 1 en naarmate het toerental van de rotor toeneemt naar het synchroon toerental zal de slip dalen naar s = 0. Bij nullast zal het rotortoerental net iets kleiner zijn dan het synchroon toerental als gevolg van de ventilatie – en wrijvingsverliezen.
Generatorbedrijf
Wanneer de asynchrone motor als generator fungeert zal de slip s < 0 of negatief zijn. Dit komt omdat extern de rotor met een groter toerental laat draaien dan het statordraaiveld. Hierbij laat men de asynchrone motor als het ware oversynchroon draaien.
Tegenstroomremmen
Tenslotte is er ook nog een derde toestand genaamd tegenstroomremmen. Wanneer de asynchrone machine zich in motorgebied bevind, zullen er twee van de drie fasen aan de stator omgewisseld worden. Dit heeft als gevolg dat het statordraaiveld zal omkeren van richting. De rotor en het statordraaiveld zullen nu in tegengestelde zin roteren, waardoor de motor op een krachtige manier zal geremd worden.
Tabel 1: Slip
Bedrijf Slip toerental Motor 0 < s < 1 0 < Nr < Nsy generator s < 0 Nsy < Nr tegenstroomremmen 1 < s Nr < 0
8
1.1.4.1. Slipafhankelijke rotorgrootheden De rotorfrequentie
Wanneer de rotor stilstaat heeft de e.m.s. Er een frequentie fr die gelijk is aan de frequentie fs van het magnetisch statordraaiveld. Naarmate de rotor versneld zal de relatieve snelheid van de rotor t.o.v. het magnetisch statordraaiveld verkleinen. Waardoor rotorfrequentie fr daalt naarmate de rotor versneld. Het verband tussen de statorfrequentie fs en de rotorfrequentie fr wordt gegeven door:
fr = ∗ fs
r = ∗ s
De rotor - e.m.s.
= ( )
Omdat de relatieve snelheid tussen rotorgeleiders t.o.v. het magnetisch statordraaiveld maximaal is bij rotorstilstand. De relatieve snelheid zal dalen naarmate de rotor het synchrone toerental bereiken. Bijgevolg zal Er verkleinen naarmate de rotor versneld. Het verband tussen de geïnduceerde e.m.s. bij rotorstilstand Er,st en geïnduceerde e.m.s. bij draaiende rotor Er wordt gegeven door:
r = ∗ r,st
Er zal bijgevolg naarmate de slip kleiner wordt, evenredig dalen t.o.v. de geïnduceerde e.m.s. bij rotorstilstand Er,st.
De rotorreactantie
De rotorreactantie is een inductief spanningsverlies die zich voordoet in de rotor. deze is afhankelijk van de hoeksnelheid r en van de spreidingsinductantie Lr in de rotor. De spreidingsinductantie is enkel afkomstig van de flux die met de rotor is gekoppeld en niet met de stator. Daarom is de rotorreactantie enkel afhankelijk van de frequentie fr. Bij stilstaande rotor geldt:
r,st = s * Lr = 2 * fs * Lr
Bij draaiende rotor geldt:
9
Zoals in het vorige hoofdstuk beschreven is de rotorreactantie Xr slipafhankelijk. Als gevolg geeft dit dat de rotorstroom Ir die bepaald wordt door o.a. rotorreactantie ook slipafhankelijk is. Hierdoor zal de faseverschuiving tussen de rotorstroom en rotorspanning ook slipafhankelijk zijn:
tg r = = ∗ , = s * tg r,st
Motorkoppel
1.1.5. Opstellen equivalent schema inductiemachine
1.1.5.1. Equivalent schema rotor Zoals in het vorige hoofdstuk besproken zal een rotor-e.m.s. Er over de wikkelingen van de rotor opgewekt worden. Bijgevolg zal er per fase een stroom Ir door de rotorgeleiders ontstaan. Deze rotorstroom Ir is onderhevig aan verliezen namelijk de ohmse weerstand Rr en rotorreactantie Xr. Onderstaand schema geeft het equivalent schema weer de rotor per fase.
Figuur 8: Equivalent schema rotor
Wanneer de machine een sleepringrotor heeft zullen de klemmen aan spanning Vr naar buiten gebracht worden. Zodanig dat aan deze klemmen een extern rotorweerstand Rv kan aangesloten worden. Bij een machine met een kooirotor worden deze klemmen niet naar buiten gebracht en zal deze kortgesloten worden. Vr zal bijgevolg gelijk aan nul zijn.Met de werkelijke rotorreactantie Xr en de werkelijke weerstand in een fase kan de rotorstroom in een fase bepaald worden:
r =
1.1.5.2. Equivalent schema inductiemachine
Bij het bepalen van het equivalent schema moest er rekening gehouden worden met een aantal verliezen. Ook aan de statorzijde zullen deze verliezen optreden. Er zal een ohmse spanningsval optreden d.m.v. de weerstand Rs in de statorwikkelingen. Ook zullen niet alle veldlijnen van het statorveld de rotorwikkelingen bereiken, waardoor er een inductieve spanningsval ontstaat d.m.v. de statorreactantie Xs.
Vervolgens zal er ook nog rekening moeten gehouden worden met de magnetiseringsstroom Im en zijn ijzerverliezen Rg. De magnetiseringsstroom is de stroom die nodig is in de stator om de nodige m.m.k. te leveren om eenzelfde draaiveld te genereren. Deze is te vergelijken als de magnetiseringsstroom bij de transformator. Omwille van de hoge reluctantie door de luchtspleet, zal de magnetiseringsstroom veel groter zijn bij de inductiemotor dan bij de transformator. De ijzerverliezen Rm zullen in het equivalent schema verwaarloosd worden, omwille van zijn zeer hoge impedantie.
Om het equivalent schema te tekenen van de volledige inductiemotor dienen zowel de statorzijde als de rotorzijde op dezelfde frequentie te werken. Om dit te kunnen verwezenlijken moet de formule van de rotorstroom Ir aangepast worden:
r =
( )² ( , )² =
( )² ( , )²
Bij het tekenen van het equivalent schema zullen alle grootheden omgerekend worden naar de stator.
Figuur 9: Equivalent schema inductiemachine
11
R’r = k² * Rr
’r = k * r
’m = ∗ m
sm = Is + ’r
’r = s * j * m * m = s * s
De vergelijkingen van de klemspanningen zijn:
s = (Rs + j * s) * s + S = Zs * s + s
r = (Rr + j * r) * r + r = Zr * r + r
Alle grootheden moeten omgerekend worden naar de stator dus:
’r = Z’r * ’r + ’r = k² * (Rr + j * r) * * r + s * s
In motorbedrijf zullen de rotorgeleiders kortgesloten zijn. Bijgevolg zal de rotor enkel afhankelijk zijn van de ohmse verliezen in de rotorwikkelingen en inductieve verliezen d.m.v. zijn spreidingsreactantie. Het equivalente weerstand R’r/s wordt opgesplitst in R’r die de joule- verliezen in de rotor weergeeft en R’r * ( ) die de omzetting van elektrische energie in
mechanische energie vertegenwoordigd.
12
1.1.6. Vermogensverdeling binnen de machine In motorbedrijf wordt het vermogen uit het net aan statorzijde, het toegevoerd of het opgenomen elektrisch vermogen genoemd. Dit wordt voorgesteld door:
Pt = 3 * Us,f * Is,f * cos
Dit vermogen zal echter niet volledig omgezet worden in nuttig vermogen. De verliezen die optreden kunnen onderverdeeld worden in statorverliezen en rotorverliezen.
1.1.6.1. statorverliezen
De statorverliezen bestaan uit de statorkoperverliezen Ps,cu en de statorijzerverliezen PFe,s.De koperverliezen zijn afhankelijk van de fasestroom Is,f en van de ohmse weerstand Rs in de wikkelingen van de stator. Voor de vergelijking van de koperverliezen in de stator geldt:
Ps,Cu = 3 * Rs * I²s,f
De ijzerverliezen bestaan uit hysteresis- en wervelstroomverliezen. Deze is afhankelijk van de opgewekte e.m.s. in de stator en de impedantie van de ijzerverliezen. De vergelijking van de ijzerverliezen wordt gegeven door:
Ps,Fe = 3 * ²
1.1.6.2. rotorverliezen De rotorverliezen in de rotor treden op door de rotorkoperverliezen Pr,Cu, de rotorijzerverliezen Pr,Fe en de wrijvings- en ventilatieverliezen Pvmech. In nominaal bedrijf zijn de rotorijzerverliezen een fractie van de rotorkoperverliezen. Daarom worden bij de berekeningen de rotorijzerverliezen meestal verwaarloosd.
De koperverliezen in de rotor wordt gegeven door:
Pr,Cu = 3 * Rr * I²r
Deze koperverliezen zijn afhankelijk van de fasestroom Ir in de rotor en de ohmse weerstand Rr in de rotorwikkelingen.
1.1.6.3. draaiveldvermogens Aan statorzijde wordt het resterend actief vermogen verkregen door het toegevoerd elektrisch vermogen te verminderen met de statorverliezen. Dit wordt het primair draaiveldvermogen Pd1 genoemd.
Pd1 = Pt – (Ps,Cu + Ps,Fe)
Pd1 = 3 * Es,f * Is,f * coss
Het primair draaiveldvermogen wordt omschreven als het vermogen dat in de stator via het draaiveld wordt omgezet en op de rotor wordt overgedragen. Waarbij s faseverschuiving is tussen Es,f en Is,f.
Naast het primair draaiveldvermogen wordt er in de rotor een e.m.s Er,f geïnduceerd met een frequentie s * fs. De spanning Er,f geeft samen met de rotorstroom Ir,f het secundair
13
Pd2 = 3 * Er,f * Ir,f * cosr
Zowel voor primaire als secundaire draaiveldvermogen geldt dat er een elektromagnetisch koppel wordt ontwikkeld, die met dezelfde absolute waarde inwerkt voor stator als rotor.
Hierbij wordt er rekening gehouden dat de relatieve snelheid van het elektromagnetisch draaiveld t.o.v. stator of rotor verschillend is. De relatieve snelheid t.o.v. de stator zal gelijk zijn aan sy. De relatieve snelheid t.o.v. de rotor zal slipafhankelijk zijn en daarom gelijk aan s * sy.
Pd1 = M * sy
Pd2 = s * Pd1
Uit vergelijking van Pd2 blijkt dat slechts een klein gedeelte van het primaire draaiveldvermogen wordt omgezet in elektrische vorm in de rotor. Het secundair draaiveldvermogen zal geheel omgezet worden in jouleverlies namelijk de rotorkoperverliezen.
Pd2 = s * Pd1 = PCu,r
Het mechanisch vermogen Pmech wordt bepaalt door het verschil te nemen van het primaire draaiveldvermogen en de rotorkoperverliezen. Dit vermogen wordt onder mechanische vorm overgedragen aan de rotor.
Pmech = Pd1 – Pd2 = Pd1 – (s * Pd1) = Pd1 * (1 – s)
Het mechanisch vermogen wordt voor een gedeelte omgezet in wrijvings- en ventilatieverliezen. Het resterend vermogen is het vermogen bruikbaar op de as.
Pas = Pd1 – Pd2 – Pvmech
Figuur 11: Equivalent schema i.f.v. vermogens
14
Weerstand R’r geeft het koperverlies weer in de rotor en weerstand R’r * ( ) geeft het
mechanisch vermogen weer met:
1.1.6.4. Vermogenbalans
Voor het opstellen van een vermogenbalans wordt het Sankey – diagram gebruikt. Dit diagram wordt gebruikt om vermogensstromen visueel voor te stellen. Waarbij de breedte van de pijl proportioneel is met de grootte van de vermogensstroom.
Het Sankey – diagram wordt opgesteld bij een constante fasespanning Us,f. Er wordt een balans opgesteld van het toegevoerd vermogen uit het net tot het mechanisch vermogen aanwezig op de as.
Figuur 12: Sankeydiagram asynchrone motor
Ps,r,Cu Joule- of koperverliezen in rotor en stator.
Ps,r,Fe Het ijzerverlies in de rotor en stator omvat de hysteresis- en wervelstroomverliezen en zijn afhankelijk van de frequentie. Bij nominale werking zullen de ijzerverliezen in de rotor verwaarloosbaar klein zijn, omdat de relatieve snelheid van statordraaiveld t.o.v. de rotor zeer klein is.
Pvmech De mechanische verliezen. Dit zijn de de wrijvings- en ventilatieverliezen en zijn afhankelijk van het toerental van de rotor.
Psupp Dit zijn de verliezen die voorkomen in de toevoerleidingen van de rotor.
15
Om een idee te geven hoe groot deze verliezen zijn in procentuele waarden, wordt er een volgende voorbeeldstudie gemaakt. Neem aan dat de inductiemotor een rendement heeft van 87% nominaal. Het toegevoerd vermogen afkomstig uit het net (100%) wordt verminderd met de koperverliezen (4%) en ijzerverliezen (2.5%) in de stator. Hieruit ontstaat het primair draaiveldvermogen met een grootte van 93.5% dat overgebracht wordt naar de rotor. Door het primair draaiveldvermogen te verminderen met de ijzer- en koperverliezen van de rotor wordt het mechanisch vermogen verkregen. De koperverliezen hebben een grootte van 3.5%. De ijzerverliezen zijn verwaarloosbaar klein door de geringe rotorfrequentie bij nominaal gebruik. Het mechanisch vermogen heeft dus een grootte van 90%. Tenslotte om het asvermogen te bekomen moeten enkel nog de wrijvings- en ventilatieverliezen (3%) afgetrokken worden. Waardoor men een rendement van 87% op de kenplaat verkrijgt.
1.1.7. Koppeltoerentalkarakteristiek
In de koppeltoerentalkarakteristiek zal het koppel in functie van het toerental of de slip geplot worden. Om de karakteristiek te begrijpen moeten eerst enkele begrippen verklaard worden.
1.1.7.1. Het koppel
Beschouw onderstaande rotorschakeling met kortgesloten statorwikkelingen. Hierin stelt V’0,r
de naar stator omgerekende openklemspanning. JXk,r en Rk,r vormen samen de naar stator omgerekende kortsluitimpedantie Z’k,r.
Figuur 13: Equivalent schema met kortgesloten statorwikkelingen
Hierbij geldt dat:
’r = , ,
Bij inductiemachines met grote vermogens worden de koperverliezen en ijzerverliezen zo klein dat deze verwaarloosd worden. Aan de hand van het equivalent schema kan volgende formule opgesteld worden:
’0,r = ,
Uit het equivalent schema:
Z’k,r = ( j ,s // J m ) + j ’,r + = j ,s + j ’,r +
16
’r = ( , , )
’²r = ( )² ( , , )²
In het vorige hoofdstuk werd besproken dat het primair draaiveldvermogen wordt gegeven door:
Pd1 = M * sy
Het primair vermogen zal voor een deel worden overgedragen aan de rotor afhankelijk van slip s. Waarbij het secundair draaiveldvermogen volledig wordt omgezet in jouleverliezen:
Pd1 = = ∗ ∗ = T * sy
Wanneer I’²r in bovenstaande formule wordt gesubstitueerd bekomt men de koppelformule:
Pd1 = = ∗ ∗ ( )² ( , , )²
Het koppel is dus afhankelijk van de aangelegde statorspanning, de rotorweerstand, de rotorreactantie, statorfrequentie en slip. Deze parameters zullen dus het verloop van de koppeltoerentalkarakteristiek bepalen.
1.1.7.2. Kipslip en kipkoppel Het kipkoppel Tk wordt gedefinieerd als het maximum koppel dat de machine kan leveren. De slip waar het kipkoppel zal optreden wordt de kipslip sk genoemd. Om dit extremum te vinden zal de formule van het koppel afgeleid worden naar slip en gelijkgesteld aan nul.
= en = 0
x = ± X

De kipslip is afhankelijk van de spreidingsreactantie en rotortoestand. Bij inductiemachines met sleepringmotor kan de kipslip gewijzigd worden door de externe weerstand in serie met de rotorketen te variëren. Bij kooirotormachines ligt de kipslip vast. Het teken kan zowel
17
positief als negatief zijn afhankelijk of de motor in motor- of generatorwerking is.Het kipkoppel wordt verkregen door de kipslip te substitueren in de formule van het koppel:
sk = ±
X = ±
Mk =
∗
Het kipkoppel zal in tegenstelling tot het kipslip onafhankelijk zijn van de rotorweerstand. De verhouding van het koppel tot het kipkoppel wordt de overbelastbaarheid genoemd en
wordt gegeven door:
+
Hieruit stelt men vast dat voor lage slipwaarden en bij een constante rotorweerstand, het koppel lineair afhankelijk is van de slip. Bij hoge slipwaarden heeft het koppel een hyperbolisch verloop. Onderstaand Figuur geeft de koppeltoerentalkarakteristiek van de inductiemachine weer:
Figuur 14: Het koppeltoerentalkarakteristiek. Aangepast uit
https://www.electrical4u.com/images/february16/1456578362.gif
18
Enkele belangrijke gegevens op de grafiek zijn:
- Het aanzetkoppel Ma, dit is het koppel dat beschikbaar is wanneer de rotor uit rusttoestand vertrekt. De slip s=1. Het aanzetkoppel is relatief klein ten opzichte van het kipkoppel.
- Wanneer de kipslip wordt bereikt zal de motor zijn maximum koppel leveren, het kipkoppel. Tussen slip s=1 en sk bevindt de motor zich in onstabiel gebied. Binnen het onstabiel gebied zal voor een kleine verandering van belasting een grote snelheidsverandering tot gevolg hebben.
- Ongeveer op 96% van het synchroon toerental bereikt de motor zijn nominaal toerental. Op dit nominaal toerental wordt het nominaal koppel bereikt.
- Het stabiele gebied bevindt zich tussen het nullastpunt en de nominale toerental. Dit is het werkingsgebied van de motor.
De koppeltoerentalkarakteristiek wordt onderverdeelt in drie gebieden:
- Het gebied van tegenstroomremmen. Door twee van de drie fasen te verwisselen aan statorzijde zal het draaiveld omkeren van zin. Waardoor rotor en draaiveld in tegengestelde richting draaien. Als gevolg zal de rotor krachtig worden afgeremd. Het gereverseerd gebied bevindt zich in de zone van s > 1.
- Het motorgebied. In deze zone zal de machine fungeren als motor. Dit gebied wordt begrensd door zijn synchroon toerental (s=0) en rotorstilstand (s=1).
- Het Generatorgebied. In dit gebied zal de rotor sneller draaien dan het statordraaiveld. Het slip zal hierdoor negatief worden. Dit gebied bevindt zich tussen synchroon toerental (s=0) en s=-1.
1.1.7.3. Statische toestand De inductiemachine bevindt zich in statische toestand als machine een constante snelheid heeft. Dit gebeurd wanneer het koppel beschikbaar op de as Mas dezelfde grootte heeft als het belastingskoppel Mw . Er moet ook nog rekening gehouden worden met het verlieskoppel Mv. Dit zijn de ventilatie-, wrijvings- en rotorijzerverliezen van de machine. Het verlieskoppel en belastingskoppel samen wordt het tegenwerkend koppel Mt genoemd. Het totale koppel MM die de machine moet produceren wordt dan:
MM = Mv + Mw met Mw = Mas
MM = Mt
Wanneer aan deze voorwaarde is voldaan en het koppel geproduceerd door de machine even groot is als het tegenwerkend koppel zal het statische werkingspunt bereikt worden. Dit werkingspunt wordt gevonden door het koppeltoerentalkarakteristiek van de inductiemachine te projecteren op het tegenwerkend koppel van de belasting. Het punt waar deze twee karakteristieken elkaar snijden is het statische werkingspunt. Het liefst ligt dit punt
19
in het stabiele gebied. Anders zou een verandering van belasting een grote invloed hebben op de snelheid van de machine.
1.1.7.4. Dynamische toestand Wanneer de snelheid van de machine niet constant is, bevindt de machine zich in een dynamische toestand. Hierbij zal de machine onderhevig zijn aan een positieve of negatieve versnelling. Het versnellingsmoment Mj is afhankelijk van de versnelling α en het traagheidsmoment van het systeem. Het versnellingsmoment Mj wordt gegeven door:
MJ = J * = J * α
De vergelijking van de dynamische toestand van motor met belasting:
MM = Mt + MJ = Mt + J * = Mt + J * α
Het versnellingsmoment is het verschil tussen het koppel van de motor en het tegenwerkend koppel. Daarom wordt het ook het koppeloverschot genoemd. Het koppeloverschot moet positief zijn om de motor te laten versnellen. Dit wil zeggen dat grafisch gezien de belastingskarakteristiek steeds onder de motorkarakteristiek moet liggen. Onderstaande afbeelding geeft een motor/belastingskarakteristiek wee waar het tegenwerkend koppel hoger is als het koppel van de motor.
Figuur 15: koppeltoerentalkarakteristiek met te laag aanzetkoppel. Aangepast uit https://www.electrical4u.com/images/february16/1456578362.gif
Het aanzetkoppel bij deze karakteristiek is te laag. Hierdoor krijgt men een negatieve koppeloverschot bij starten van de motor. Bijgevolg zal de motor niet starten.
1.2. Snelheidsregeling d.m.v. een scalaire sturing Door de motor rechtstreeks op het net aan te sluiten wordt zal de nominale snelheid bereikt. Om deze snelheid regelbaar te maken, kunnen er verschillende regelingen toegepast worden. Zoals eerder in de cursus beschreven is de rotorsnelheid van de asynchrone machine afhankelijk van twee parameters namelijk de frequentie van het draaiveld en het aantal polenparen.
Nsy = ∗ = ∗
20
= ∗ (1 − )
De snelheidsregeling van een asynchrone machine kan onderverdeelt worden in twee groepen namelijk slipregeling en frequentieregeling. Bij de slipregeling zal de statorfrequentie fs constant blijven, waardoor snelheid van statordraaiveld constant blijft. Door slip s te regelen, kan rotorsnelheid regelbaar gemaakt worden. Voor de slipregeling wordt er meestal gebruik gemaakt van wisselstroominstellers.
In de opstelling van de masterproef wordt er gebruik gemaakt van een Danfoss FC102. Deze drive is een frequentieregeling en zal de snelheid van de asynchrone machine regelen door de frequentie van het statordraaiveld te variëren. Waardoor de snelheid van de rotor zal variëren. De frequentieregeling kan vervolgens onderverdeelt worden in scalaire- of vectorsturing. Bij scalaire regeling zal de spanning aan statorzijde variëren met de frequentie in functie van elkaar. De Danfoss FC102 drive zal onder andere gebruik maken van deze sturing. Bij deze sturing wordt het koppel niet gecontroleerd en is het werkingspunt van de motor niet gekend. Bij vectorsturing zal de statorstroom opgesplitst worden in twee orthogonale vectoren. Een component definieert de magnetische flux van de motor, de andere het koppel. Aan de hand van DSP – processoren zal de corresponderende stroomvector berekend worden. Hierdoor wordt een nauwkeurige snelheidsregeling verkregen. In tegenstelling tot de scalaire sturing heeft de vectorsturing een terugkoppeling nodig.
1.2.1. De directe en indirecte omvormer
De scalaire frequentieomvormer kan op zijn beurt onderscheiden worden door een directe- of indirecte omvormer. Een directe omvormer is een AC-AC omzetter. Die gebruik maakt van cycloconvertoren, waarbij de uitgangsfrequentie continue regelbaar is. Directe omvormers hebben een zeer beperkt toepassingsgebied en worden enkel gebruikt voor het regelen van zwaar en traag lopende inductiemachines (4 tot 12 MW).
De meeste scalaire sturingen maken gebruik van een indirecte omvormer. Hierbij wordt de driefasennetspanning omgezet naar een gelijkspanning door middel van een gelijkrichter. Vervolgens zal deze gelijkspanning omgezet worden in een driefasespanning met regelbare frequentie dankzij een driefasige invertorbrug.
1.2.2. CSI VS VSI
De indirecte omvormer kan vervolgens onderverdeelt worden in VSI1 of CSI2. Het verschil is de manier waarop deze twee invertoren hun energie opslaan. De CSI zal op een inductieve manier via een spoel in de stroomtussenkring zijn energie opslaan. Zodanig dat de stroomrimpel tussen gelijkrichterbrug en invertorbrug wordt geregeld. Hierdoor wordt er een constante stroom aan de ingang van de invertor verkregen. Een VSI zal op een capacitieve manier via condensatoren in de spanningstussenkring de spanningsrimpel
1 Voltage Source Invertor 2 Current Source Invertor
21
regelen tussen gelijkrichterbrug en invertorbrug. Op zijn beurt wordt er een constante spanning aan de ingang van de invertor geleverd. De Danfoss FC102 maakt gebruik van het VSI-type.
Figuur 16: Voltage Source Invertor
1.2.3. Danfoss FC102 De danfoss FC102 is een indirecte frequentieomvormer van het VSI-type. De regelaar zal aan een snelheidsregeling toepassen door de frequentie van de statorspanning variabel te maken. Onderstaand figuur geeft het principeschema weer van zo’n frequentieomvormer.
Figuur 17: Indirecte frequentieomvormer (VSI). Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
B1:
Dit is een ongestuurde netgelijkrichting. De bedoeling van deze brug is om een driefasenspanning om te zetten naar een gelijkspanning.
R1:
Deze aanzetweerstand dient als beveiliging. Wanneer de frequentieomvormer wordt ingeschakeld en de condensatoren zijn volledig ontladen, zou dit zorgen voor een grote stroomstoot vanwege de ontladen condensatoren. De weerstand in serie met de gelijkrichtersbrug zorgt er dus voor dat de stroomstoot bij inschakelen zal beperkt worden. Indien de condensatoren genoeg zijn opgeladen, zal de aanzetweerstand overbrugd worden.
C1:
Deze condensatoren zullen ervoor zorgen dat de rimpel van de gelijkgerichte spanning door de ongestuurde gelijkrichtingsbrug zal afgevlakt worden. Zodanig dat er over de DC-bus een bruikbare gelijkspanning komt de staan die door de invertor kan omgezet worden in een wisselspanning met variabele frequentie.
22
B2:
Dit is een 180°-invertorbrug. Deze brug zal de gelijkgerichte spanning omzetten in een wisselspanning met een variabele frequentie. Deze brug kan in twee richtingen werken. Bij het remmen zal de motor zich in generatorwerking bevinden. Wil men de motor gecontroleerd laten remmen dan kan de invertorbrug energie afkomstig van de inductiemachine opnemen en afgeven aan de DC-bus.
T1 en R4:
De energie dat vrijkomt tijdens het remmen en wordt afgegeven aan de DC-bus zal gecontroleerd laten wegvloeien in de remweerstand. De elektrische energie zal hierbij omgezet worden in warmte.
1.1.1. Toerentalvariatie
De frequentieomvormer heeft invloed op het koppeltoerentalkarakteristiek van de machine. Dit voornamelijk in twee opzichten: de regelaar zal de statorspanning van de machine regelen en zal de statorfrequentie van de machine regelen.
1.1.1.1. Variatie van de statorfrequentie Het net levert standaard een wisselspanning van 50Hz. Door de frequentie van de stator variabel te maken kan de snelheid van het synchroon toerental gewijzigd worden. Onrechtstreeks wijzigt hierdoor het rotortoerental ook mee. Om een goede werking van de machine te garanderen mag de nominale waarde van de flux niet overschreden worden. Dit zou anders als gevolg hebben dat de magnetiseringstroom te groot zou worden. De vergelijking van het kipkoppel zegt:
Mk = ±
= k3 * ( )²
Φ = k1 *
De vergelijking toont aan dat de U/f-verhouding3 constant moet blijven om een maximaal kipkoppel te behouden. De sturing waarbij deze verhouding constant blijft wordt de constant flux regeling genoemd.
3 De verhouding tussen statorspanning en statorfrequentie.
23
De frequentieregeling kan voornamelijk gescheiden worden in twee gebieden: het gebied kleiner dan de nominale frequentie van de motor en het gebied hoger dan de nominale frequentie namelijk het veldverzwakkingsgebied.
Gebied met statorfrequentie lager dan nominale frequentie
Om een constante flux-regeling toe te passen bij een statorfrequentie lager dan de nominale frequentie moet de statorspanning mee verlaagd worden. De invloed van het wijzigen van de statorfrequentie samen met de statorspanning onder het nominaal punt kan uitgetekend worden op de koppeltoerentalkarakteristiek.
Figuur 18:koppeltoerentalkarakteristiek bij constante U/f. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J.
Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
Doordat de U/f-verhouding constant blijft zal het kipkoppel en koppel onafhankelijk zijn van de statorfrequentie. Als gevolg zal het kipkoppel overal hetzelfde zijn. Het synchroon toerental zal mee variëren met de statorfrequentie. Alle andere eigenschappen buiten het synchrone toerental blijven ongewijzigd. Hierdoor zal de vorm van de motorkarakteristiek hetzelfde blijven. De karakteristiek zal enkel naar links of naar rechts verschuiven afhankelijk van de statorfrequentie.
Mk = k3 * ( )² = cte en Mem k4 * Φn * Is = cte
met = cte
Gebied in veldverzwakking
Bij veldverzwakking zal de statorfrequentie hoger zijn dan de nominale frequentie. De U/f- verhouding zal hierdoor niet meer constant zijn. Omdat de statorspanning niet boven de nominale spanning gedreven wordt. De statorspanning wordt constant gehouden op de nominale spanning.
Φn = k1 * met < 1
24
Naarmate de statorfrequentie groter wordt zal de U/f-verhouding dalen. Bijgevolg zal de flux dalen en kleiner worden dan de nominale flux. Waardoor het Kipkoppel en koppel zal dalen naarmate de statorfrequentie groter word.
Mem = k4 * Φn * Is
Mem ~
= k3 * ( )²
Mk < Mk,nom
Het koppel is omgekeerd evenredig met de statorfrequentie en het kipkoppel zal door het kwadraat hyperbolisch dalen met een stijgende frequentie. De synchrone snelheid zal net zoals bij de statorfrequentie onder de nominale frequentie variëren met de statorfrequentie. De motorkarakteristiek zal hierdoor horizontaal verschuiven met de statorfrequentie en het kipkoppel zal hyperbolisch afnemen met stijgende statorfrequentie.
Figuur 19: koppeltoerentalkarakteristiek bij veldverzwakking. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
Naast de koppeltoerentalkarakteristiek kan men ook het afgegeven vermogen van de motor beschrijven in functie van de statorfrequentie. Voor het afgegeven vermogen uitgedrukt in kW geldt dat:
P = * M met = ∗
Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
Het afgegeven vermogen zal recht evenredig met de snelheid van de rotor stijgen. Het koppel in het constante fluxgebied is constant. Na de nominale statorfrequentie, zal het koppel omgekeerd evenredig dalen met de statorfrequentie. Doordat het afgegeven vermogen recht evenredig stijgt met de snelheid van de rotor blijft het afgegeven vermogen constant. De statorfrequentie kan niet oneindig lang opgedreven worden. Gezien de verliezen zal de machine slechts een deel van zijn kipkoppel kunnen leveren. Het gebied waarbij de motor een constant vermogen levert wordt bij de meeste motoren bepaald door = 0,5. Hieruit kan
men afleiden dat fmax 2fnom. De motor bevindt zich in het hogere snelheidsgebied wanneer deze zijn maximale frequentie heeft bereikt. Het koppel Mem zal net zoals het kipkoppel Mk omgekeerd evenredig dalen met factor
² .
1.1.1.2. Variatie van de statorspanning Wanneer de frequentieomvormer de aangelegde spanning aan statorzijde varieert zal dit een invloed hebben op de koppeltoerentalkarakteristiek van de machine. Door de formule van het kipkoppel geldt dat:
Mk = k3 * ( )² met k3 en fs constant
Mk ~ Vs²
Hieruit kan men besluiten dat het kipkoppel kwadratisch zal afnemen, wanneer de statorspanning lineair daalt. Het synchroon toerental blijft constant. De invloed van de statorspanning op de koppeltoerentalkarakteristiek wordt grafisch op onderstaande afbeelding weergegeven.
26
Figuur 21: Koppeltoerentalkarakteristiek met variabele statorspanning. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
Bij nominale spanning aan statorzijde zal de rotor aan een bepaalde snelheid draaien. Wanneer de spanning verlaagd word zal het kipkoppel dalen en het synchroon toerental blijft gelijk. Hierdoor zal het statisch werkingspunt tussen motor- en belastingskarakteristiek opschuiven naar linksonder. Doordat het statisch werkingspunt opschuift naar links zal de rotorsnelheid dalen. Het regelgebied van de machine is begrensd tot het kiptoerental. Wanneer de spanning nog zou dalen, bevindt de motor zich in het onstabiel gebied. Het werkingsgebied bij variabele statorspanning is bijgevolg zeer klein.
1.2. Extra functies frequentieomvormer Om in de praktijk een betere regeling van de machine mogelijk te maken, maakt de frequentieomvormer gebruik van extra functies die in de regelaar zijn ingebouwd.
1.2.1. Koppelversterking Bij lage statorfrequenties spelen de koperverliezen in de stator een belangrijke rol. Deze zorgen namelijk voor een ohmse spanningsval IsRs in de machine. Door de ohmse spanningsval zal de opgewekte e.m.s. Es veel lager zijn dan statorspanning Us. Dit heeft als gevolg dat de flux daalt, waardoor het koppel ook zal dalen. Om dit te verhelpen wordt de koppelversterking toegepast. Hierbij gaat de statorspanning verhoogd worden tot een bepaalde frequentie. Zodanig dat de U/f-verhouding groter wordt dan zijn nominaal. Bijgevolg zal het koppel stijgen. Via de koppelversterking kan ook de spanningsval in de kabels naar de machine weggewerkt worden.
27
Figuur 22: U/f bij koppelversterking. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
1.2.2. Aan- en uitlooptijd Binnen de frequentieomvormer kan men de aan- en uitlooptijd van de machine instellen. Dit is de tijd waarin de frequentieomvormer zijn uitgangsfrequentie zal regelen van 0Hz tot zijn nominale waarde. Deze waarde is afhankelijk van het traagheidsmoment van de motor en zijn belasting.
1.2.2.1. Aanlooptijd De gevaren van het snel aanlopen bij een groot traagheidsmoment kan grafisch bepaalt worden via de koppeltoerentalkarakteristiek van een motor met het tegenwerkend koppel van zijn belasting. Neem aan dat de machine wordt aangedreven met statorfrequentie f1. De snelheid kan gevonden worden door het statisch werkpunt tussen het tegenwerkend koppel van de belasting en het koppel van de machine. Wanneer de machine aangedreven wordt met een hogere statorfrequentie f2 zal het statisch werkpunt verschuiven. Het statisch werkpunt legt de weg af aangegeven in het blauw en zal eindigen in het punt B. Hierbij ziet men door de traagheid dat de snelheid eerst ongewijzigd blijft. Het werkpunt zal eerst verticaal stijgen. Daarna volgt het werkpunt de weg via de koppeltoerencurve van statorfrequentie f2 naar zijn statisch werkpunt. Dit resulteert in een hogere snelheid n2. De statorfrequentie kan ook meteen gewijzigd worden van f1 naar f3. Het werkpunt zal nu de weg volgen via de koppeltoerencurve van f3 aangegeven door de rode lijn. Door de traagheid zal het werkpunt verticaal dalen naar koppeltoerencurve van f3. Dit punt is echter gelegen onder het tegenwerkend koppel van de belasting. Als gevolg is het koppeloverschot van de machine negatief. De motor zal vertragen en tot stilstand komen in het punt C. Dit toont aan dat het belangrijk is om de statorfrequentie geleidelijk aan te verhogen. Zodanig dat het werkpunt steeds boven het tegenwerkend koppel van de belasting gelegen is. Waardoor het koppeloverschot steeds positief is tot het statisch werkpunt is bereikt.
28
Figuur 23: Koppeltoerentalkarakteristiek i.f.v. aanlooptijd. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
1.2.2.2. Uitlooptijd De traagheid van de motor en zijn belasting speelt niet alleen een belangrijke rol bij het aanlopen van de machine, maar ook een te korte uitlooptijd kan een nefast effect hebben bij het regelen van de machine. Veronderstel dat de motor aangedreven wordt met een bepaalde statorfrequentie. Wanneer deze frequentie verlaagd wordt, zal door de traagheid van de belasting, de motor voor een korte tijd oversynchroon draaien. Het statordraaiveld zal met andere woorden sneller draaien dan de rotor. De machine werkt als een generator. Hierdoor zal de mechanische energie die opgewekt wordt door het afremmen van de belasting omgezet worden in elektrische energie. Deze elektrische energie zal zich opstapelen in de tussenkring van de frequentieomvormer. Wanneer er op korte tijd te veel energie in de tussenkring opgestapeld wordt zal de spanning in de tussenkring te hoog worden. Dit heeft schadelijke gevolgen voor de condensatoren in de tussenkring. Daarom is het belangrijk om een goede uitlooptijd in te stellen. Bij bepaalde toepassingen is het belangrijk om een zeer korte uitlooptijd in te stellen. De energie in de tussenkring wordt dan afgevoerd via een remweerstand of afhankelijk van frequentieomvormer kan de energie terug in het net worden geïnjecteerd.
1.3. Stroomtoerentalkarakteristiek Wanneer de motor wordt opgestart zal de stroom door de stator vele malen groter zijn als de nominale stroom Is. Een hoge aanloopstroom heeft verschillende nadelen. Wanneer deze stroom te groot word bestaat de kans dat de wikkelingen van de motor beschadigd worden. Door de inwendige impedantie van het net, zorgt een hoge aanloopstroom voor een spanningsdip in het net. De aanzetstroom zal 4 tot 6 keer hoger zijn dan de nominale statorstroom Dit kan storend zijn voor andere gebruikers op het net. Onderstaande afbeelding geeft het stroomverloop in functie van het toerental weer.
29
Figuur 24: Stroomtoerentalkarakteristiek. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press
De stroomtoerentalkarakteristiek toont aan dat de statorstroom weinig afneemt tot wanneer het kipkoppel bereikt is. Daarom is het belangrijk om de inductiemachine zo snel mogelijk te laten aanlopen. Wanneer ten gevolge van de belasting de machine traag aanloopt zal voor een lange tijd een hoge statorstroom door de machine vloeien. Dit vergroot echter alleen maar de kans op het verbranden van de wikkelingen. Om de aanloopstroom te beperken zal men de machine onder verlaagde spanning laten aanlopen. Het verlagen van de statorspanning zal leiden tot het verlagen van het aanzetkoppel. Een lager aanzetkoppel heeft als gevolg dat het koppeloverschot kleiner wordt. Waardoor de machine trager zal accelereren.
1.4. Elektromagnetische storing Elektromagnetische storingen kan men omschrijven als een verschijnsel die de prestaties van elektrische apparaten zullen verstoren. Deze storing zal een ongewenst signaal in de vorm van elektrische ruis bovenop het bestaand signaal implementeren. Hierdoor kan bijvoorbeeld een meetsignaal onleesbaar worden.
Figuur 25: Elektromagnetische storing
Een elektromagnetische storing kan men verdelen in twee componenten: het elektrisch veld opgewekt door het potentiaalverschil en het magnetisch veld dat opgewekt wordt door
een geleidende stroom binnen een geleider. De storing verspreidt zich door straling in de lucht en door geleiding binnen de kabels. De elektromagnetische storingen kan men onderverdelen in verschillende types:
30
1.4.1. Laagfrequente storingen Laagfrequente storingen hebben een frequentiebereik tussen 0Hz – 50Hz en treden meestal op als geleider gebonden storingen. Ze zijn van relatief lange duur ( van een milliseconde).
De energie-inhoud van een geleider gebonden storing kan hoog zijn en zelfs schade berokkenen bij aangesloten toestellen.
1.4.2. Hoogfrequente storingen Hoogfrequente storingen hebben een frequentiebereik ≥ 30MHz. Deze treden meestal op straling gebonden storingen. Ze zijn van relatief korte duur (<10ns). De energie uitgestraald is een stuk lager als bij laagfrequente storingen en vormen meestal problemen bij naburige toestellen.
1.4.3. Harmonischen Harmonischen zijn storingen veroorzaakt door niet-lineaire verbruikers zoals choppers, frequentieregelaars, enz. Deze verbruikers zullen zorgen dat de sinusoïdale wisselstroom van het net wordt vervormd. Deze wisselstroom kan men beschouwen als een periodisch signaal. Vervolgens kan men dit periodisch signaal ontbinden in een signaal met de grondfrequentie en signalen die een frequentie hebben dat het meervoud is van de grondfrequentie. Het signaal met de grondfrequentie noemt men de grondharmonische. Neemt men nu als voorbeeld de wisselstroom van het net. Dan zal 50Hz de grondharmonische zijn met een derde harmonische van 3 * 50Hz = 150Hz en vijfde harmonische van 5 * 50Hz = 250Hz. Deze harmonische stromen in het net zullen bijgevolg de sinusoïdale vorm van de sinus verstoren. Een voorbeeld van een sinusoïdale stroom en zijn harmonische wordt weergegeven in onderstaande figuur.
Voorstelling harmonischen in het tijdsdomein:
Figuur 26: Harmonischen in het tijdsdomein
31
Voorstelling harmonischen in het frequentiedomein:
De som van alle signalen is het signaal dat het meettoestel uiteindelijk meet. Tenzij het toestel speciaal voorzien is om harmonischen te meten. Harmonischen zijn laagfrequente storingen. Deze zijn dus meestal storingen die worden geleid via geleiders.
1.4.3.1. De totale harmonische vervorming TDH4 is een maat voor de afwijking van een signaal ten opzichte van de grondgolfsignaal. Hoe lager de waarde van THD is, hoe beter. De TDH wordt als volgt berekent en wordt uitgedrukt in %.
= ( 1)²
Met Hi = Amplitude van de harmonische met rangorde i. H1 = Amplitude van de golf met de grondfrequentie.
1.4.3.2. Ontstaan van harmonischen
1.4.4. Transiënten
Transiënten zijn storingen die voorkomen in de vorm van impulsen. Deze storingen worden veroorzaakt door het schakelen van mechanische en elektronische schakelaars, blikseminslag, aardfouten, enz. Door het plots schakelen zullen er steile spanningshellingen ( ) ontstaan. Deze zullen zich verder geleiden doorheen de geleidingskabels. Transiënten zijn
4 De totale harmonische vervorming of distorsiefactor. 5 Er is geen lineair verband tussen het ingangssignaal en het uitgangssignaal.
Figuur 27: Harmonischen n het frequentiedomein
32
hoogfrequente storingen. Ze worden zowel geleid via geleiders, als via straling. Onderstaand figuur geeft een voorbeeld weer van de transiënten.
Figuur 28: Transiënten
1.4.5. Frequentieafhankelijkheid van een geleider Spanningharmonischen zullen afhankelijk zijn van de impedantie van de geleider. Deze impedantie is afhankelijk van de frequentie van de harmonischen. Onderstaand figuur geeft het vervangingsschema van het inductief en capacitief gedrag weer van de impedantie afhankelijk van de frequentie binnen de geleider.
Figuur 29: Frequentieafhankelijkheid van een geleider
Hierbij geldt voor ZL en ZC:
ZL = 2*L*f en ZC = ∗ ∗
De inductieve impedantie ZL zal sterk toenemen, terwijl de capacitieve impedantie ZC sterk zal afnemen naarmate de frequentie stijgt. Bijgevolg zal bij een lage frequentie de geleider zich als een capacitieve impedantie gedragen. Er gaat als het ware een capacitieve koppeling ontstaan tussen geleider en massa. Als gevolg zullen er lekstromen in de keten ontstaan. Bij hoge frequentie zal de geleider zich als een inductieve impedantie gedragen. Hierdoor zal het signaal vervormen in amplitude en frequentie.
1.4.6. Elektromagnetische stoorzenders in de opstelling De frequentieomvormer en motoren zijn twee belangrijke elektromagnetische stoorzenders. De halfgeleiders van de frequentieomvormer zullen continue een inductieve belasting namelijk de asynchrone motor moeten schakelen. Het openen en sluiten van de halfgeleiders zullen een driefasen wisselspanning over de stator van de asynchrone machine opwekken. Het schakelen van deze halfgeleiders zorgt ervoor dat er continue plotselinge wijzigingen van spanningen worden gecreëerd. Als gevolg zullen deze steile ’s tot storing leiden. Deze
33
storingen kunnen vervolgens door meetapparatuur opgenomen worden. Waardoor meetgegevens een vertekent beeld kunnen geven. Niet Alleen de frequentieomvormer is een stoorbron, maar ook de asynchrone motor op zichzelf zal verantwoordelijk zijn voor elektromagnetische storingen. In nominaal bedrijf zal de asynchrone motor weinig storingen produceren. De meeste storingen zullen geproduceerd worden bij het aanlopen van de motor en wanneer de motor magnetisch verzadigd is. De hoge stromen bij het aanlopen zorgen voor spanningsschommelingen en de magnetisch verzadiging van de motor zorgt ervoor dat de belasting niet-lineair wordt, waardoor harmonischen zullen ontstaan.
1.5. Het meten van Koppel 1.5.1. Koppel
=
Net zoals snelheid is koppel een belangrijke prestatie indicator bij elektrische machines. Het koppel kan op verschillende manieren gemeten worden. De meetprincipes die worden toegepast kunnen in drie categorieën onderverdeelt worden:
1.5.2.1. Directe methode Bij de directe methode zal rechtstreeks de hoekverdraaiing of rek van de as gemeten worden. Enkele van de meest gebruikte directe methodes zijn:
Rekstrookje
Een koppel op de as zal er voor zorgen dat de as zal torderen. Een rekstrookje op de as zal hierdoor uitrekken. Naargelang de rek zal de weerstand van het rekstrookje veranderen. Wanneer de weerstand van het rekstrookje en de specificaties van de as geweten zijn, kan het koppel berekend worden.
Omdat de as draait om zijn as, kunnen de rekstrookjes niet rechtstreeks verbonden worden om hun weerstand te meten. Om dit probleem op te lossen zal een versterker met antenne geplaatst worden. Deze zal vervolgens de signalen doorsturen naar de ontvanger.
34
Faseverschil tussen twee hoekencoders
Door twee hoekencoders die op een zekere axiale afstand van elkaar verwijderd zijn. Het verschil van hoek tussen deze twee encoders met de gekende eigenschappen van de as, is een maat voor het koppel.
Figuur 31: Hoekencoders koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html
Surface acoustic wave principe
Door middel van kleine piëzostemvorken zal er een gepulste trilling aan de oppervlakte van de as opgewekt worden. De pulsen worden aangelegd met een frequentie van 1 MHz. De receptoren zullen een vrij gedempte trilling tussen twee pulsen waarnemen. Afhankelijk van de rek van de as door middel van het koppel zal de afstand tussen de stemvorken, receptoren en voorplantingssnelheid van de trilling door de as veranderen. Deze verandering is bijgevolg een maat voor de rek of het koppel.
Gekoppelde magnetische flux door middel gekoppelde spoelen
Twee spoelen geplaatst de as zullen een geïnduceerd magnetisch veld opwekken. Dit magnetisch veld is afhankelijk van de hoekverdraaiing van de as.
35
Figuur 32: gekoppelde spoelen koppelmeting. Overgenomen uit http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html
Het meten van lichtpulsen.
Een lichtbron zal schijnen op twee axiaal naast elkaar geplaatste schijven. De schijven zijn afgebakend met materiaal die wel of niet licht doorlatend is. Wanneer de as tordeert door het koppel zullen de schijven ten opzicht van elkaar verdraaien. Het aantal lichtpulsen die de ontvanger detecteert, is de maat voor het koppel.
Figuur 33: Lichrpulsen koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html
1.5.2.2. Indirecte methode Naast de directe methode om een koppel te meten heeft men ook de indirecte methoden. Bij de indirecte methoden zal een eigenschap van een medium rond de as of de as zelf gemeten worden.
Piezo-elektrisch
Piëzo-elektrische strips worden op de as aangebracht. Deze zullen een spanning opwekken naargelang hun rek. deze spanning wordt gemeten en het koppel wordt berekend.
Magneto-elastisch
36
Deze methode berust op de eigenschap van magnetostrictie. Deze eigenschap zegt dat het veranderen van het volume van een ferromagnetisch materiaal onder invloed van een magnetisch veld. Magnetische dipolen zullen zich aligneren in de richting van de aangelegde rek. Bijgevolg is de magnetische permeabiliteit afhankelijk van de aangelegde rek. Het opmeten van het magnetisch veld is een maat voor het koppel.
Figuur 34: Magneto-elastisch koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html
1.5.2.3. systeemparameters
Door het meten van verschillende parameters kan het koppel beredeneerd worden. Bijvoorbeeld het meten van stroom en spanning van een elektrische motor plus de kennis van de motorkarakteristiek maakt het mogelijk om het koppel van de machine te berekenen.
1.6. PID-regelaar De verschillende parameters van de asynchrone motor worden opgenomen bij een constante statorfrequentie. De snelheid van de asynchrone machine zal in verschillende stappen verlaagd worden door de motor te belasten via de rem. Om de gewenste snelheid te bereiken wordt de rem geregeld via een PID-regelaar van Labview. Om de PID-regelaar in te stellen is de kennis van de P-,I- en D-actie vereist.
( ) = ∗ ( )
Met KP: de versterkingsfactor (t): de afwijking tussen setpoint en gemeten waarde.
De versterkingsfactor Kp zal bepalen hoe sterk de P-actie zal reageren op de afwijking van het setpoint en de gemeten waarde. Met andere woorden hoe groter het verschil in afwijking, hoe groter de uitgang van de P-actie zal zijn.
Ook is het belangrijk om te kijken of het een direct of indirect systeem is. Indien de uitgang van de regelaar zorgt voor een stijging van de gemeten waarde. Dan spreekt men van een
37
direct systeem. Hierbij is de afwijking ( ) = S.P. – G.W. Een voorbeeld van een direct systeem is een koeling.
Bij het indirect systeem zal de uitgang van de regelaar zorgen voor een daling van de gemeten waarde. Hierbij is de afwijking ( ) = G.W. – S.P. Een voorbeeld van een indirect systeem is een verwarming.
Met het regelen van de P-actie ontstaat er zo goed als elke keer een statische afwijking. Dit wil zeggen dat de gemeten waarde afwijkt van het setpunt. Dit probleem kan verholpen worden door naast de P- actie ook de I-actie te gebruiken.
1.6.2. I-actie De P-actie zal steeds voor een statische fout zorgen. Deze statische fout kan weggewerkt worden indien men een integrerende actie toevoegt, genaamd de I-actie. De I-actie zal als het ware de uitgang continue vergroten totdat de gemeten waarde het setpunt bereikt.
( ) = 1
Met Ti: de integratietijd (s) (t): de afwijking
Een grote integratietijd zorgt voor een kleine invloed van de I-actie en omgekeerd. Een zeer kleine integratietijd zal leiden tot een zeer snelle integrator, waardoor het systeem onstabiel zal worden. Bij een te grote integratietijd zal het systeem dan weer te langzaam reageren. In tegenstelling tot de P-actie zal de I-actie niet alleen voorkomen. Een systeem geregeld door enkel de I-actie heeft een grote kans op instabiliteit.
( ) = ∗ ( )
Met Td: de differentiatietijd (s) (t): de afwijking
De differentiatietijd zal bepalen hoe de D-actie zal reageren op een verandering van de fout. Net zoals de I-actie zal de D-actie zelden alleenstaand voorkomen, maar meestal in combinatie met de P-actie.
1.6.4. PID-actie De PID-regelaar is een combinatie van de drie regelacties. Elke actie heeft zijn individuele sterke en zwakke punten. De parameters van de PID-regelaar worden zo gekozen zodanig de sterke punten zoveel mogelijk worden benut en de zwakke punten worden geminimaliseerd.
38
( ) = ∗ ( ) + 1
( ) 0
Figuur 35: PID-actie. Overgenomen uit http://docplayer.nl/7488026-Automatisering-wat-is-een-regelsysteem.html
1.6.5. Ziegler-Nichols methode Dit is een methode die bedacht is om goede waarden van de PID-parameters te creëren. Zodanig dat de regelaar op een goede manier op verstoringen reageert zonder daarbij instabiliteit te veroorzaken. Vooraleer de methode kan worden toegepast, moet men kijken of men een systeem heeft met open of gesloten kring. Aangezien de encoder zorgt voor een terugkoppeling van de snelheid naar de regelaar beschouwt men dit als een systeem met gesloten kring.
Om de Ziegler-Nichols methode met gesloten kring toe te passen op een PID-regeling gelden onderstaande regels:
Kp = 0,6 * Kosc Ti = 0.5 * Tosc
Td = 0,125 * Tosc
Kosc en Tosc worden bepaalt door I- en D-actie van de regelaar uit te schakelen. Dit doet men door Ti = ∞ en Td = 0 te plaatsen. Vervolgens laat men Kp van de P-actie opdrijven tot het systeem marginaal stabiel is. De Kp waarde waardoor het systeem net marginaal stabiel is, wordt beschouwd als de Kosc. De periode waarmee het systeem oscilleert is Tosc. Wanneer de Kosc en Tosc in bovenstaande regels worden ingevuld, krijgt men de PID-parameters van de regelaar. De Ziegler-Nichols methode is een manier op acceptabele wijze de verstoringen in het systeem weg te werken. Dit wil zeggen dat de berekende PID-parameters door de methode niet altijd ideaal zijn. Daarom kan het zijn dat men de PID-parameters nog moeten ‘fine tunen’.
39
40
2. Praktische realisatie 2.1. Voorstelling opstelling
De opstelling bestaat voornamelijk uit een asynchrone machine die dienst doet als motor. Deze motor wordt gestuurd via een ‘frequency drive’ namelijk de Danfoss FC102. Als belasting wordt een AC servomotor van Emerson gebruikt. Deze servomotor wordt gestuurd via een ‘universal AC drive’ van Emerson. Dit is een AC drive voor het sturen van synchrone machines met een permanente magneet of ‘brushless’ AC servomotoren. De analoge in- en uitgangen van beide drives zullen verbonden zijn met een CompactRio –eiland van Labview. Dit eiland is op zijn beurt verbonden met de computer via een ethernetkabel. Via deze computer kan de gebruiker alle waarden van het proces inlezen en beide drives aansturen. Om nog extra parameters van de asynchrone motor te kunnen uitlezen zoals de ‘power factor’, is er nog gebruikt gemaakt van een power analyzer: Voltech PM1000+. Deze is verbonden via een USB- kabel met de computer. Het principeschema ziet er als volgt uit:
Figuur 37: Voorstelling opstelling
41
2.1.1. Danfoss FC102 De asynchrone motor wordt gestuurd via een Danfoss FC102. Dit is een frequentieregelaar met de bedoeling om het motortoerental te regelen en zal aangestuurd worden via externe commando’s vanaf het CompactRIO-eiland. De frequentieregelaar wordt aangesloten op een net van 3x380V en heeft een maximale output van 4,0kW. Deze regelaar kan zowel via het bedieningspaneel als extern bestuurd worden via analoge of digitale in- en uitgangen. Er bevindt zich geen terugkoppeling van de motorsnelheid naar de frequentieregelaar. Dit is dus een open kring regeling.
2.1.1.1. Inbedrijfstelling De parameters van de frequentieregelaar zullen eerst ingesteld worden vooraleer deze de motor mag aandrijven. Alvorens de parameters in te stellen zal men eerst de fabrieksinstellingen terug inladen, zodanig dat de vorige configuraties verwijderd worden. Dit doet men door bij opstart de knoppen [Status], [Main Menu] en [OK] gelijktijdig in te drukken gedurende vijf seconden lang. Vervolgens drukt men na opstart op de knop [Main Menu]. Het hoofdmenu verschijnt op het scherm. Onderstaande tabel geeft alle parameters weer die gewijzigd zijn in de frequentieregelaar.
Tabel 2: Bediening/display
0 - ** Bediening/display 0 - 0* Basisinstellingen 0 - 01 Taal 7 - Nederlands
0 - 02 Eenh. Motortoerental 1 - Hz 0 - 03 Regionale instellingen 0 - Internationaal 0 - 2* LCP-display
0 - 20 Displayregel 1.1 klein 1613 - Frequentie 0 - 21 Displayregel 1.2 klein 1614 - Motorstroom 0 - 22 Displayregel 1.3 klein 1612 - Motorspanning 0 - 23 Displayregel 1.3 groot 1615 - Frequentie %
Bij parameter 0 – 0* worden alle basisinstellingen ingesteld. Bij parameter 0 – 2* wordt ingesteld welke gegevens op het LCP-display worden afgebeeld. Dit was alleen belangrijk bij het initialiseren van de frequentieregelaar. Later werd de power analyzer toegevoegd, waardoor alle parameters die op het display ingesteld zijn ook op de power analyzer zichtbaar zijn.
Figuur 38: Danfoss FC102
42
1-2* Motordata 1-20 Motorverm. (kW) 1.10kW
1-22 Motorspanning 380V 1-23 Motorfrequentie 50Hz 1-24 Motorstroom 2.8A 1-25 Nom. Motorsnelheid 1420RPM 1-28 Controle draair. Motor 0 - Uit 1-9* Motortemperatuur
1-90 Therm. Motorbeveiliging 0 - geen bescherm. 1-91 Externe motor-ventilator 0 - Nee 1-93 Thermistorbron 0 - Nee
Onder Hoofdstuk ‘Belasting & motor’ stelt men alle motorgegevens in. Deze gegevens haalt men uit de kenplaatgegevens van de asynchrone machine rekening houdend dat de motor in ster geschakeld is. De motor heeft geen thermistor voor beveiliging tegen verbranden van de wikkelingen. Daarom is het belangrijk om bij het langdurig zwaar belasten van de motor zelf de temperatuur van de motor te controleren of deze niet te warm wordt.
Tabel 4: Referentie/ramptime
3-03 Maximumreferentie 70Hz 3-1* Referenties
3-15 Referentiebron 1 1 - Anal. Ingang 53 3-16 Referentiebron 2 0 - Geen functie 3-17 Referentiebron 3 0 - Geen functie 3-4* Ramp 1
3-41 Ramp 1 aanlooptijd 1.0s 3-42 Ramp 1 uitlooptijd 1.0s
Om de asynchrone machine ook in het veldverzwakkingsgebied te belasten zal de maximumfrequentie ingesteld zijn op 70Hz. Het 0V – 10V spanningssignaal als referentie voor de statorfrequentie van het CompactRio-eiland wordt op analoge ingang met klemnummer 53 aangesloten. De ramp tijd6 werd ingesteld op het minimum namelijk een seconde.
Tabel 5: Begrenzing/waarschuwing
4-** Begr./waarsch. 4-1* Motorbegr. 4-10 Draairichting motor 0 - Rechts
6 De tijd die nodig is om de statorfrequentie van 0Hz naar zijn nominale waarde uit te sturen.
43
4-12 Motorsnelh. Lage begr. (Hz) 0Hz 4-14 Motorsnelh. hoge begr. (Hz) 70Hz 4-16 Koppelbegr. motormodus Max - 745.8% 4-18 Stroombengr. Max - 372.9%
De statorfrequentie van de machine krijgt een range van 0 – 70Hz. De koppel- en stroombegrenzing zet men op het maximum zodanig dat deze de koppel- en stroomtoerentalkarakteristieken niet of nauwelijks kunnen beïnvloeden.
Tabel 6: Digitaal In/uit
5-** Digitaal In/uit 5-1* Digitale ingangen 5-10 Klem 18 digitale ingang 8 - Start
5-12 Klem 27 digitale ingang 0 - Niet in bedrijf Om analoge ingang 53 te gebruiken als referentiesignaal voor de statorfrequentie, moet de regelaar een signaal ontvangen als vrijgave voor de start. Klem 18 wordt rechtstreeks doorverbonden naar klem 13 (+24VDC). De frequentieregelaar zal hierdoor constant vrijgegeven zijn.
Tabel 7: Analoog in/uit
6-** Analoog In/uit 6-5* Analoge Uitgang 42 6-50 Klem 42 uitgang 133 - Motorstr. 4-20mA
De analoge uitgang heeft als referentie de statorstroom door de motor. De analoge ingang kon enkel een signaal in de vorm van 4-20mA uitsturen. Later zal dit omgevormd worden naar een 0 – 10V signaal zodanig dat dit leesbaar wordt voor het CompactRio-eiland. Dit zal later in het hoofdstuk ‘Analoge uitgang’ uitgelegd worden.
2.1.1.2. Analoge ingang Zoals in parameterlijst beschreven zal aan de hand van ingang met klemnummer 53 de frequentie van de regelaar variëren. De analoge ingang zal op 0-10V ingesteld worden in plaats van 0-20mA. Dit komt omdat de NI-9263 analoge uitgangskaart van het CompactRio-eiland enkel een spanning van -10V tot 10V kan sturen. Op het paneel van de frequentieregelaar zal dipswitch S201 op ‘OFF’ geplaatst. Deze dipswitch zal bepalen of er spanning- of stroomsignaal wordt ingelezen. Vervolgens wordt ingang met klemnummer 53 verbonden met AO0 van de NI-9263 kaart en zal de COM met klemnummer 55 verbonden worden met de common van de NI-9263 kaart. In onderstaande figuur is het elektrisch schema afgebeeld tussen de analoge ingang van de frequentieregelaar en het CompactRio-eiland.
44
Figuur 40: Danfoss FC102 analoge ingang
2.1.1.3. Analoge uitgang De analoge uitgang van de frequentieregelaar zal de grootte van de statorstroom door de asynchrone motor weergeven en heeft enkel een outputsignaal van 4 tot 20mA. De analoge ingangskaart van het CompactRIO-eiland kan enkel signalen van -10V tot 10V inlezen. Om dit probleem op te lossen zal een metaalfilmweerstand van 470 1% in serie geplaatst worden met de analoge uitgang van de frequentieregelaar. Vervolgens zal de analoge ingangskaart NI- 9021 van het CompactRio-eiland de spanning over de weerstand meten. Hierdoor wordt het 4-20mA signaal een 1.88V-9.4V spanningssignaal. Het spanningssignaal is vervolgens leesbaar door de analoge ingangskaart. Softwarematig zal het 1,88V - 9.4V signaal omgezet worden naar de statorstroom in A.
Tabel 8: Omzetting stroom in spanningswaarde
I uit analoge uitgang frequentieregelaar. U over analoge ingangskaart NI-9201 Imin: 0mA 470 * 4mA = 1,88V Imax: 20mA 470 * 20mA = 9,4v
In onderstaande figuur is het elektrisch schema van de communicatie tussen frequentieregelaar en CompactRio-eiland afgebeeld:
45
Figuur 41: Danfoss FC 102 analoge uitgang
2.1.2. Asynchrone motor Oorspronkelijk werd er gebruik gemaakt van een asynchrone motor van Leroy Somer. Deze was samen met de belasting al gemonteerd op een bank. Uit testen is gebleken dat de statorstroom niet sterk varieert tussen nullast en geblokkeerde rotor. Daarom is er gekozen voor een andere asynchrone motor uit het labo elektrische aandrijftechnieken. Deze motor is in ster geschakeld om de stroom door de wikkelingen te beperken. Om deze nieuwe motor te kunnen bevestigen zijn er andere gaten in de houdbeugels gefreesd met behulp van een kolomboormachine. De asynchrone motor heeft de volgende kenplaatgegevens:
Tabel 9: kenplaatgegevens asynchrone motor
kenplaatgegevens 3ph~50Hz P = 1,10kW IP54 I = 4,8/2,8 220/380V cos = 0,78 N = 1400rpm
Figuur 42: De asynchrone motor
2.1.3. Belasting Als belasting wordt een AC borstelloze servomotor van het merk Leroy Somer gebruikt. Deze servomotor wordt aangestuurd via de Unidrive SP van Emerson die zich in de Active Load bevindt. Op het einde van de as van de servomotor bevindt zich een encoder. Deze encoder wordt samen met de
46
drie fasen en PE-kabel verbonden met Active Load. De borstelloze servomotor heeft de volgende kenplaatgegevens:
Tabel 10: AC servomotor
kenplaatgegevens 3ph~50Hz P = 2,26kW IP65 T = 10,8Nm 6-polig U = 380/480VAC N = 2000rpm
Figuur 43: AC borstelloze servomotor
2.1.4. Leroy Somer Active Load De AC borstelloze motor die dienst doet als belasting wordt aangestuurd door de Leroy Somer Active Load. Deze bestaat uit een Emerson Unidrive SP en een elektronisch bord. De Unidrive is een universele drive voor het sturen van inductiemachines of zelf startende synchrone machines. Deze bevat een SM-Applicationcard. Deze bevat alle parameters ingesteld in de Unidrive. Waardoor deze parameters niet aangepast kunnen worden. Het elektrisch bord zal bepaalde waarden van de belasting zoals koppel en snelheid meten en naar buiten brengen aan de hand van analoge uitgangen van –10V tot 10V. Deze signalen worden op hun beurt doorverbonden met het CompactRIO-eiland.
2.1.4.1. Bedienen Servorem De drive kan in verschillende standen geplaatst worden door middel van een schakelaar op het paneel. Parameter ‘K’ wordt aangestuurd aan de hand van een 0V tot 10V signaal via het CompactRIO-eiland.
Stand 0 - Stop
Rem zal niet bediend worden.
Stand 1 – rem: T = k
Stand 1 zal dienst doen als rem. het koppel zal hierbij evenredig toenemen met parameter K. Koppel is dus onafhankelijk van de snelheid. Stand 1 kan gebruikt worden wanneer men het maximale koppel van de inductiemachine wil testen.
47
Stand 2 – rem: T = k*n
= ∗
Hierdoor verkrijgt men een koppeltoerentalmeting over het volledige snelheidsgebied van de asynchrone motor. Alvorens men de test start moet parameter K=0 zijn en moet de asynchrone motor op zijn nominaal toerental draaien. Bij k=0 zal de regelaar van de belasting de draairichting en snelheid van de motor controleren. Daarna mag de test pas beginnen. Bij het regelen van parameter K zal de snelheid van de motor zal omgekeerd evenredig dalen met parameter ‘K’. Stand 2 dient voor het opnemen van de koppeltoerentalkarakteristiek van de asynchrone motor. Bijgevolg zal men de regelaar van de belasting op stand 2 zetten om de koppeltoerentalkarakteristiek op te nemen.
Stand 3 en 4 – motor: niet van toepassing
Stand drie en vier zijn niet van toepassing bij het opnemen van de meetresultaten. De asynchrone motor kan bij het veelvuldig opnemen van de koppeltoerentalkarakteristiek warm worden. Om te voorkomen dat de wikkelingen van de machine zullen verbranden, kan men tussen de metingen door de AC servomachine in motorstand plaatsen. De Machine zal hierdoor het as aandrijven, waardoor de ventilator van de asynchrone machine de motor zal afkoelen.
Figuur 44: Stand servorem
2.1.4.2. Modificaties
Parameter K werd oorspronkelijk manueel via een potentiometer bediend. De bedoeling is om deze potentiometer te verwijderen en Labview de taak van de potentiometer te laten overnemen. Onderstaande opstelling geeft de uitgevoerde modificaties weer. De analoge uitgang 1 van het CompactRio-eiland zal een spanningssignaal tussen de 0 à 10V produceren om zo het spanningsverschil over de potentiometer na te boosten.
48
Nieuwe setup:
Figuur 46: Emerson nieuwe setup
2.1.5. CompactRIO CompactRIO is een real-time embedded industriële controller gemaakt door National Instruments. De controller bestaat uit een chassis. In het chassis kunnen verschillende soorten ‘NI C Series’ kaarten worden geïmplementeerd. Deze kaarten kunnen uiteenlopende functies hebben: digitale en analoge I/O, motor drives, CANopen interface, counter input enz. Voor deze masterproef zijn er twee soorten kaarten nodig, waarbij de analoge spanning van -10V tot 10V kan lezen en uitgestuurd worden. Het chassis zal via een ethernetkabel verbonden worden met de PC. Via het softwareprogramma Labview wordt het CompactRio-eiland gestuurd.
49
CompactRIO Chassis
Het chassis bevat vier sloten. In deze sloten worden de C Series kaarten geplaatst. Het chassis bevat een ethernetverbinding om te communiceren met de PC en kan gevoed worden met een voedingsbron van 9-30VDC. In het chassis zullen twee kaarten geïmplementeerd worden namelijk NI-9263 en NI- 9201.
NI-9263
De NI-9263 is een analoge uitgangskaart. De kaart is voorzien van vier uitgangen die een range hebben van -10V tot 10V. Men zal gebruik maken van twee uitgangen. Een uitgang AO0 zal dienen voor het sturen van de Danfoss FC102 en uitgang AO1 zal dienen voor het sturen van de AC servo rem.
NI-9201
De NI-9201 is een analoge ingangskaart en is voorzien van acht ingangen die een range hebben van -10V tot 10V. Deze kaart zal de analoge waarde van de snelheid AI0, het koppel AI1 en de statorstroom AI2 van de asynchrone motor lezen. De analoge ingangskaart is van het type ‘single- ended analog input’7
7 Alle ingangskanalen hebben een gemeenschappelijke massa.
Figuur 47: CompactRio chassis
50
2.1.6. Voltech PM1000+ De Voltech PM1000+ is een power analyzer8. De frequentieregelaar van de asynchrone motor heeft slechts een enkele analoge uitgang. Deze analoge uitgang zal dienen om de grootte van de statorstroom te visualiseren. Om andere elektrische parameters zoals de power factor9 te kunnen visualiseren, is de power analyzer geïmplementeerd. De Voltech zal via een USB- verbinding communiceren met Labview.
Figuur 50: Voltech PM1000+
2.2. Labview Labview staat voor Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench en is een grafisch programmeerprogramma. Labview wordt vooral gebruikt voor data-acquisitie en het in- en uitlezen van meetinstrumenten.
De broncode wordt geschreven in een VI10. Een VI wordt onderverdeelt in twee tabbladen:
1. Een bedieningspaneel waar alle grafieken, indicatoren, bedieningstoetsen enz. op aanwezig zijn. Dit wordt het ‘Front Panel’ genoemd.
2. In het tweede tabblad bevind zich de aaneenschakeling van subroutines en functies van het programma. Dit wordt het blokdiagram genoemd.
De subroutines en functies worden voorgesteld in blokken. Deze blokken worden met elkaar verbonden door middel van lijnen. Deze lijnen zal bepalen in welke volgorde de blokken worden uitgevoerd. Lijnen kunnen naar verschillende blokken worden afgetakt. Dit heeft als voordeel dat verschillende blokken tegelijkertijd worden uitgevoerd. Dit is een belangrijke eigenschap voor het verwerken van meetgegevens. Een tweede eigenschap is dat elke lijn een kleur heeft. Deze kleur stelt het type variabele voor die de lijn van het ene blok doorgeeft aan het andere. Onderstaand schema geeft de kleur met enkele gebruikte types weer:
Tabel 11: Kleurtypes
Scalar Cluster
8 Een instrument voor het meten van diverse elektrische parameters. 9 Arbeidsfactor: de verhouding tussen het werkelijke vermogen en het schijnbaar vermogen. 10 Virtual Instrument
51
Roos
Niet enkel de kleur, maar ook de dikte van de lijn geeft informatie van de variabele weer. Zo zal een gewone lijn een enkele variabele voorstellen, terwijl een brede lijn een eendimensionale array voorstelt. While-, for-lussen en statements worden voorgesteld als een venster. Wanneer de lus of statement wordt opgeroepen zal alles in het venster worden uitgevoerd.
2.2.1. Communicatie externe toestellen Via het CompactRio-eiland zal men zowel de motor als de rem aansturen en zullen de parameters: motorsnelheid, koppel en statorstroom ingelezen worden. Via de power analyzer zal de power factor en de statorfrequentie ingelezen worden. Om communicatie mogelijk te maken met deze twee toestellen, moeten deze toestellen eerst geconfigureerd worden in Labview.
2.2.1.1. Configuratie CompactRio Men verbindt het CompactRio-eiland met de computer via een ethernetkabel. Vervolgens leggen we een spanning van 9-30VDC. Dit kan via een externe spanningsbron of via de 24VDC ‘power supply’ die zowel op de Danfoss FC102 als op de Leroy Somer Active Load aanwezig is. Hierna opent men een nieuw project in Labview en onder ‘Tools’ bovenaan in het menubalk opent men ‘Measurement & Automation Explorer’.
Men klikt op de rechtermuisknop in het tabblad ‘Remote Systems’. Vervolgens klikt men op ‘Search Devices’. Labview zal nu zoeken of er externe toestellen die compatibel zijn met Labview verbonden zijn met de computer. Wanneer alles goed verloopt komt onderstaande figuur in beeld.
Figuur 51: Measurement & Automation Explorer
Indien de controller niet meteen gevonden wordt, kan het zijn dat de firewall de communicatie tegenhoudt. Wanneer dit gebeurd schakel de firewall eerst uit en probeer opnieuw.
52
Vervolgens gaat men de fabrieksinstellingen terug op de controller zetten om eventuele oude programma’s uit de controller te verwijderen. Dit doet men door op rechtermuisklik de duwen op ‘Remote Systems’. Vervolgens klikt men op ‘Format Disk’. Hierna Reset men de controller zelf door op de resetknop op de controller zelf drie seconden lang in te duwen.
Vervolgens gaat men in het Measurement & Automation Explorer naar de IP instellingen. Dit tabblad vindt men onderaan het scherm. In het menu selecteert men ‘Obtain an IP address automatically’ zodanig de controller een statisch adres krijgt. Daarna geeft men een naam aan het CompactRio-eiland en duwt men