Lehrfach: Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft Versuch: Betrieb des doppelt gespeisten Asynchrongenerators

Transkript

1 DGAG Lehrfach: Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft Versuch: Betrieb des doppelt gespeisten Asynchrongenerators Oc Hochschule Zittau/Görlitz; Fakultät Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr.-Ing. Kühne Sept Bearb.: Dr.-Ing. Menzel Hinweis: Zur Speicherung der Messwerte bzw. Tabellen wird pro Gruppe 1 USB-Stick benötigt. 1 Versuchsziel: Kennenlernen der Funktionsweise eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators, Analyse Spannungserzeugung bei unterschiedlichen Drehzahlen, Synchronisation des Generators auf das Netz, Untersuchung der Wirkleistungs- und Blindleistungssteuerung 2 Literatur: /1/ Vorlesungsunterlagen Modul : Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft /2/ Gasch, Robert; Twele, Jochen: Windkraftanlagen - Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, Springer Vieweg Verlag, 9. Auflage 2016, ISBN: /3/ Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme Technologie - Berechnung - Simulation, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 8. Auflage 2013, ISBN: /4/ Heier, Siegfried: Windkraftanlagen - Systemauslegung, Netzintegration und Regelung, Vieweg+Teubner Verlag, 5. Auflage 2009, ISBN: Versuchsvorbereitung: 3.1 Literaturstudium mit den Schwerpunkten: Aufbau einer Drehstromasynchronmaschine mit Schleifringläufer Generatorstruktur eine Windkraftanlage mit einem doppelt speisenden Asynchronmaschine Struktur und Funktionsweise der Leistungselektronik im Rotorkreis des Generators übersynchroner und untersynchroner Betrieb einer Drehstromasynchronmaschine mit Schleifringläufer, Kennliniencharakteristik (Drehzahl-Drehmoment-Diagramm) elektrisches Ersatzschaltbild einer Drehstromasynchronmaschine mit Schleifringläufer Erzeugen einer Läuferzusatzspannung mittels Umrichter im Rotorkreis Zeigerbild der Statorgrößen bei übersynchronen und untersynchronem Betrieb Energieflüsse im Stator und im Rotor bei unter- und übersynchronem Betrieb Blindleistungsbereitstellung und-entnahme 1

2 3.2 Versuchsschaltung: Die Verdrahtung des Versuches erfolgt nach dem folgenden Schaltbild: 4 Versuche 4.1 Einfluss der mechanischen Drehzahl auf die Generatorspannung Aufnahme der Frequenz der Generatorspannung für die Drehzahlen 1200 min -1, 1300 min -1 und 1400min -1 Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt 3.2. Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den doppeltgespeisten 2

3 Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 1.1 Experiment: Einfluss der mechanischen Drehzahl auf die Generatorspannung aus. Öffnen Sie das Instrument DFIG-Steuerung (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable-Button am virtuellen Instrument. Stellen Sie die Amplitude auf 40% bei Frequenz 0Hz. Bestimmen Sie die mechanische Drehzahl in Hz sowie die Frequenz der Generatorspannung Wiederholen Sie die Messungen für die Drehzahlen 1300min -1 und 1400min -1. Tragen Sie die Werte in die folgenden Lücken ein. Bei einer mechanischen Drehzahl von 1200 min -1 beträgt: die mechanische Drehfrequenz Hz; die Frequenz der Generatorspannung Hz. Bei einer mechanischen Drehzahl von 1300 min -1 beträgt: die mechanische Drehfrequenz Hz; die Frequenz der Generatorspannung Hz. Bei einer mechanischen Drehzahl von 1400 min -1 beträgt: die mechanische Drehfrequenz Hz; die Frequenz der Generatorspannung Hz. 4.2 Einfluss unterschiedlicher Rotorfrequenzen Ermittlung welche Speisefrequenz für den Rotor bei 1200 min -1 notwendig ist um die Frequenz der Statorspannung des Generators auf 50Hz zu heben, Wiederholung der Messung für 1300 min -1 und 1400min -1 Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt

4 Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den doppeltgespeisten Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 1.2 Experiment: Einfluss unterschiedlicher Rotorfrequenzen aus. Öffnen Sie das Instrument DFIG-Steuerung (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument. Stellen Sie die Amplitude auf 40% bei Frequenz 0Hz. Erhöhen Sie langsam im Instrument die Frequenz bis die Statorfrequenz 50Hz beträgt. Wiederholen Sie die Messungen für die Drehzahlen 1300min -1 und 1400min -1. Tragen Sie die Werte in die folgenden Lücken ein. Bei einer mechanischen Drehzahl von 1200min -1 Rotorspannung auf muss die die Frequenz der Hz eingestellt werden, damit die Statorfrequenz 50Hz beträgt. Bei einer mechanischen Drehzahl von 1300min -1 Rotorspannung auf muss die die Frequenz der Hz eingestellt werden, damit die Statorfrequenz 50Hz beträgt. Bei einer mechanischen Drehzahl von 1400min -1 Rotorspannung auf muss die die Frequenz der Hz eingestellt werden, damit die Statorfrequenz 50Hz beträgt. 4

5 4.3 Einfluss des Rotorstroms Untersuchung des Einflusses des Rotorstroms auf die Statorspannung und Auswirkungen von Drehzahl und Strom Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt 3.2. Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den doppeltgespeisten Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 1.3 Experiment: Einfluss des Rotorstroms aus. Öffnen Sie das Instrument DFIG-Steuerung (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument. Stellen Sie die Frequenz auf 0Hz. Erhöhen Sie langsam im Instrument die Amplitude bis der Strom 0,5A beträgt und tragen den Wert der Statorspannung in die Tabelle (Tabelle 1: Statorspannung und Rotorstrom) ein. Wiederholen Sie die Messung für die weiteren Stromwerte. Stellen Sie den Rotorstrom nun auf 0,5A und die Frequenz auf 10Hz. Wiederholen Sie die Messreihe. Rotorfrequenz 0 Hz Rotorfrequenz 10 Hz I Rot in A 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 U Stat in V U Stat in V Tabelle 1: Statorspannung und Rotorstrom 5

6 Stellen Sie nun wieder am Maschinenprüfstand den Modus SPEED CONTROL und eine Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument DFIG-Steuerung. Stellen Sie die Frequenz auf 0Hz. Erhöhen Sie langsam im Instrument die Amplitude bis der Strom 1A beträgt und tragen den Wert der Statorspannung in die Tabelle ein. Erhöhen Sie die Drehzahl des Generators schrittweise auf 1450 min -1 und tragen die Spannungswerte in die Tabelle (Tabelle 2: Statorspannung und Drehzahl) ein. Wiederholen Sie die Messung für die weiteren Stromwerte. n in min A U in V 2 A U in V 3 A U in V Tabelle 2: Statorspannung und Drehzahl 4.4 Netzsynchronisation des doppelt gespeisten Asynchrongenerators Synchronisierung des Generators ans Netz manuell und automatisch bei verschiedenen Drehzahlen Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt 3.2. Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den Doppeltgespeisten Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 1.4 Experiment: Netzsynchronisation des doppelt gespeisten Asynchrongenerators aus. Öffnen Sie das Instrument SYNCHRONISIERER (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). 6

7 Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie Enable Button am virtuellen Instrument. Erhöhen Sie langsam im Instrument die Amplitude bis die Statorspannung des Generators etwa 80% der Netzspannung beträgt. Erhöhen Sie die Frequenz bis Netzfrequenz und Generatorfrequenz übereinstimmen. Variieren Sie über Amplitude und Frequenz die Generatorspannung so, dass alle Kriterien für das Schalten ans Netz erfüllt sind. Nutzen Sie für das justieren das Synchronoskop. Schalten Sie den Generator über den Button LINE ans Netz.Der Generator ist nun mit dem Netz verbunden. Betätigen Sie den LINE-Button erneut um den Generator vom Netz zu nehmen Betätigen Sie den ENABLE um die Erregung des Generators abzuschalten. Wiederholen Sie das Synchronisieren des Generators mit 1300 min -1 und 1400 min -1. Übertragen Sie die zeitliche Darstellung der Netz- und Generatorspannung im nicht synchronisierten und synchronisierten Betrieb in ein WORD Dokument (oder Ähnliches) und speichern Sie es für Ihre Auswertung auf einem geeigneten Medium. Wiederholen Sie das Synchronisieren des Generators mit 1300 min -1. Nutzen Sie für das Synchronisieren den Automatik Modus, dabei werden die entsprechenden Werte am Rotor eingestellt. Der Stator des Generators wird aber nicht selbständig zugeschaltet. Schalten Sie den Generator nicht ans Netz. Variieren Sie die Generatordrehzahl zwischen und 1400min -1. Was beobachten Sie? 4.5 Leistungssteuerung im untersynchronen Betrieb Untersuchung der Erregerleistung bei verschiedenen Generatorleistungen, Analyse des Einflusses der Generatordrehzahl bei Einspeisung von Energie ins Netz im untersynchronen Betrieb Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt 3.2. Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den Doppeltgespeisten 7

8 Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 2.1 Experiment: Leistungssteuerung im untersynchronen Betrieb aus. Öffnen Sie das Instrument LEISTUNGSSTEUERUNG (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Wählen Sie den Modus STATOR POWER. Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument. Der Generator wird automatisch ans Netz synchronisiert und zugeschaltet. Er läuft dann, ohne dass Leistung über den Stator ins Netz fließt. Bestimmen Sie die Leistungen für den Fall, dass Sie als Leistungsvorgabe 0 eingestellt haben. Leistung LSC: W; Leistung Netz: W Stellen Sie am Maschinenprüfstand eine Drehzahl von 1300 min -1 ein. Erhöhen Sie entsprechend der Tabelle die Wirkleistungsvorgabe am MSC. Tragen Sie die entsprechenden Werte in die Tabelle (Tabelle 3: Erhöhung Wirkleistung) ein. DFIG Grid LSC Tabelle 3: Erhöhung Wirkleistung Stellen Sie nun am Maschinenprüfstand eine Drehzahl von 1200 min -1 ein. Stellen Sie die Leistungsvorgabe am MSC so ein, dass der Generator 400W Wirkleistung liefert. 8

9 Erhöhen Sie schrittweise die Drehzahl des Generators, halten Sie dabei die Generatorleistung konstant und tragen die entsprechenden Werte in die Tabelle (Tabelle 4: Erhöhung Drehzahl) ein. n in rpm Grid LSC DFIG Tabelle 4: Erhöhung Drehzahl 4.6 Leistungssteuerung im übersynchronen Betrieb Untersuchung der Erregerleistung bei verschiedenen Generatorleistungen, Analyse des Einflusses der Generatordrehzahl bei Einspeisung von Energie ins Netz im übersynchronen Betrieb Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt 3.2. Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den Doppeltgespeisten Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 2.2 Experiment: Leistungssteuerung im übersynchronen Betrieb aus. Öffnen Sie das Instrument LEISTUNGSSTEUERUNG (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Wählen Sie den Modus STATOR POWER. Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument. Der Generator wird automatisch ans Netz synchronisiert und zugeschaltet. Er läuft dann, ohne dass Leistung über den Stator ins Netz fließt. 9

10 Erhöhen Sie die Drehzahl des Generators langsam auf 1900 min -1. Bestimmen Sie die Leistungen für den Fall, dass Sie als Leistungsvorgabe 0 eingestellt haben. Leistung LSC: W; Leistung Netz: W Erhöhen Sie entsprechend der Tabelle (Tabelle 5: Wirkleistungsaufnahme) die Wirkleistungsvorgabe am MSC. Tragen Sie die entsprechenden Werte in die Tabelle ein. DFIG Grid LSC Tabelle 5: Wirkleistungsaufnahme Erhöhen Sie die Drehzahl des Generators langsam auf 1650 min -1. Stellen Sie die Leistungsvorgabe am MSC so ein, dass der Generator 500W liefert. Erhöhen Sie schrittweise die Drehzahl des Generators, halten Sie dabei die Generatorleistung konstant und tragen die entsprechenden Werte in die Tabelle (Tabelle 6: Wirkleistungsaufnahme und Drehzahl) ein. n in rpm Grid LSC DFIG Tabelle 6: Wirkleistungsaufnahme und Drehzahl 4.7 Leistungsverteilung und Leistungsflüsse Untersuchung der Leistungsverteilung bei einem ans Netz geschalteten Generator Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt

11 Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den Doppeltgespeisten Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 2.3 Experiment: Leistungsverteilung aus. Öffnen Sie das Instrument LEISTUNGSSTEUERUNG (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Wählen Sie den Modus STATOR POWER. Drehzahl von 1200 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument. Der Generator wird automatisch ans Netz synchronisiert und zugeschaltet. Er läuft dann, ohne dass Leistung über den Stator ins Netz fließt. n in rpm s 0,20 0,15 0,07 0,00-0,07-0,15-0,20-0,27 P Rot (berechnet) LSC Erhöhen Sie die Leistungsvorgabe am MSC bis 400W Statorleistung abgegeben werden Stellen Sie die Drehzahlen laut Tabelle (Tabelle 7: Rotorleistung und LSC-Leistung) ein und bestimmen die Leistung am LSC. Tabelle 7: Rotorleistung und LSC-Leistung Eleminieren Sie die Verluste aus den gemessenen Werten. Nehmen Sie dazu an, dass bei Synchrondrehzahl die Leistung am LSC 0 beträgt. Korrigieren Sie die anderen Messwerte um die Leistung bei Synchrondrehzahl (Subtraktion der Leistung bei Synchrondrehzahl auf die anderen Messwerte) Tragen Sie die berechneten Werte in die Tabelle (Tabelle 8: Rotorleistung und LSC- Leistung - korrigiert) ein. 11

12 n in rpm s 0,20 0,15 0,07 0,00-0,07-0,15-0,20-0,27 P Rot (berechnet) LSC (korrigiert) Tabelle 8: Rotorleistung und LSC-Leistung - korrigiert 4.8 Blindleistungssteuerung des Generators Untersuchung des Rotorstroms bei verschiedenen Blindleistungen Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend des nachfolgenden Aufbauplans. 12

13 Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den Doppeltgespeisten Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 3.1 Experiment: Blindleistungssteuerung des Generators aus. Öffnen Sie das Instrument LEISTUNGSSTEUERUNG (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Wählen Sie den Modus STATOR POWER. Drehzahl von 1400 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument. Der Generator wird automatisch ans Netz synchronisiert und zugeschaltet. Er läuft dann, ohne dass Leistung über den Stator ins Netz fließt. Variieren Sie die Blindleistung des MSC entsprechend der Vorgabe der Tabelle (Tabelle 9: Blindleistungssteuerung). Bestimmen Sie die jeweiligen Rotorströme. Wiederholen Sie die Messreihe für eine Drehzahl von 1900 min -1. Q DFIG in VAR n = 1400 rpm n = 1900 rpm I Rot in A I Rot in A Tabelle 9: Blindleistungssteuerung Variieren Sie nun die Blindleistung des MSC entsprechend der Vorgabe der Tabellen (Tabelle 10 und 11). Bestimmen Sie die Drehmomente. Wiederholen Sie die Messreihe, wobei Sie nun die Wirkleistung variieren 13

14 Q DFIG in VAR M in Nm Tabelle 10: Blindleistungsänderung P DFIG in W M in Nm Tabelle 11: Wirkleistungsänderung Öffnen Sie das Instrument LEISTUNGSSTEUERUNG (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Wählen Sie den Modus STATOR POWER. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrument. Der Generator wird automatisch ans Netz synchronisiert und zugeschaltet. Er läuft dann, ohne dass Leistung über den Stator ins Netz fließt. Beobachten Sie für die Betriebszustände 300W Wirkleistung sowie für +/- 300W Blindleistung des Generators die Vektoren von Generatorstrom I s und -spannung U s mit dem Instrument VEKTORANSICHT. Fügen Sie die Darstellungen in ein WORD Dokument (oder Ähnliches) ein und speichern Sie es für Ihre Auswertung auf einem geeigneten Medium: Vektoransicht Wirkleistung 300W Vektoransicht Blindleistung 300VAR Vektoransicht Blindleistung -300VAR 4.9 Blindleistungssteuerung des Inverters Untersuchung der Wirkungsweise des Inverters beim Austausch von Blindleistung Verdrahten Sie die Schaltung entsprechend dem Aufbauplan in Punkt 3.2. Schalten Sie den Maschinenprüfstand und die Kontrolleinheit für den Doppeltgespeisten 14

15 Asynchrongenerators und anschließend den Kurs 3.2 Experiment: Blindleistungssteuerung des Inverters aus. Öffnen Sie das Instrument LEISTUNGSSTEUERUNG (Die USB-Schnittstelle muss mit dem PC verbunden sein). Wählen Sie den Modus STATOR POWER. Drehzahl von 1400 min -1 ein. Betätigen Sie den Enable Button am virtuellen Instrumen. Der Generator wird automatisch ans Netz synchronisiert und zugeschaltet. Er läuft dann, ohne dass Leistung über den Stator ins Netz fließt. Stellen Sie am LSC die Betriebszustände +/- 200W Blindleistung sowie reine Wirkleistungsaufnahme ein. Beobachten Sie die Vektoren von LSC-Strom I LSC und -Spannung U LSC mit dem Instrument VEKTORANSICHT. Fügen Sie die Darstellungen in ein WORD Dokument (oder Ähnliches) ein und speichern Sie es für Ihre Auswertung auf einem geeigneten Medium: Vektoransicht Wirkleistung Vektoransicht Blindleistung 200VAR Vektoransicht Blindleistung -200VAR Beobachten Sie die Betriebsfälle im Zeitbereich mit dem Oszilloskop. Oszilloskopieren Sie dazu am LSC Spannung U L1L3 (U ga )und den Strom I L1 (I lsca ). Fügen Sie die Darstellungen in ein WORD Dokument (oder Ähnliches) ein und speichern Sie es für Ihre Auswertung auf einem geeigneten Medium: Oszilloskop Wirkleistung Oszilloskop Blindleistung 200VAR Oszilloskop Blindleistung -200VAR 5 Auswertung 5.1 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.1 durchgeführt haben, beantworten Sie folgende Frage: 15

16 Wie verhält sich der Generator? Welche Polpaarzahl besitzt der DFIG? 5.2 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.2 durchgeführt haben, beantworten Sie folgende Frage: Welche Aussagen lassen sich aufgrund der gemessenen Werte tätigen? 5.3 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.3 durchgeführt haben, lassen Sie sich in MS EXCEL oder einem ähnlichen Programm aus den Werten der Tabellen sinnvolle Diagramme erzeugen. Werten Sie die Diagramme aus. 5.4 Nachdem Sie alle Messungen in Punkt 4.4 durchgeführt haben, beantworten Sie folgende Frage: Was passiert mit der Generatorspannung? 5.5 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.5 durchgeführt haben, lassen Sie sich in MS EXCEL oder einem ähnlichen Programm aus den Werten der Tabellen sinnvolle Diagramme erzeugen. Werten Sie die Diagramme aus. Wie verändert sich die aufgenommene Wirkleistung in diesem Fall bei steigender Drehzahl? 5.6 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.6 durchgeführt haben, lassen Sie sich in MS EXCEL oder einem ähnlichen Programm aus den Werten der Tabellen sinnvolle Diagramme erzeugen. Werten Sie die Diagramme aus. 5.7 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.7 durchgeführt haben, lassen Sie sich in MS EXCEL oder einem ähnlichen Programm aus den Werten der Tabellen sinnvolle Diagramme erzeugen. Werten Sie die Diagramme aus. 5.8 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.8 durchgeführt haben, lassen Sie sich in MS EXCEL oder einem ähnlichen Programm aus den Werten der Tabellen sinnvolle Diagramme erzeugen. Werten Sie die Diagramme aus. 5.9 Nachdem Sie alle Messungen und Berechnungen in Punkt 4.9 durchgeführt haben, vergleichen Sie die Diagramme miteinander und interpretieren Sie die Kurvenverläufe. 16

17 6 Kolloquiumsschwerpunkte Aufbau und Funktionsweise eines Drehstromasynchronmaschine mit Schleifringläufer, Spannungen, Ströme und Frequenzen im Stator und im Rotor einer Schleifringläufermaschine, Arbeitspunkte im Drehzahl-Drehmoment-Diagramm im übersynchronen und untersynchronen Betrieb - Kennlinienverläufe, Struktur und Funktionsweise des Wechselrichters im Rotorkreis eines Generators mit einer doppelt speisenden Drehstromasynchronmaschine, Vor- und Nachteile einer Maschinen- und Generatoranordnung mit doppelt speisendem Asynchrongenerator und Umrichter im Rotorkreis, Leistungsflüsse im Stator und im Rotor bei unter- und übersynchronem Betrieb, Leistungsbilanz/Leistungsbetrachtungen bei Maschinen kleiner Leistung im Hundertwattbereich und größerer Leistung im Megawattbereich, Ersatzschaltbild, Zeigerbild der Schleifringläufermaschine im übersynchronen und untersynchronen Betrieb Blindleistungaufnahme und - abgabe mittels Steuerung der Rotorzusatzspannung 17