Stijn Coppens Didactische opstelling U/f sturing. Academiejaar 2016-2017 Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Dupré Systemen Vakgroep Elektrische Energie, Metalen, Mechanische Constructies en Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Begeleider: Paul Vander Haeghen Promotor: Christof Dauwels
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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