Versuch EA 3. (Praktikum) Drehstromasynchronmotor mit Frequenzsteuerung

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1 FH Stralsund Fachbereich Elektrotechnik Praktikum im Fach Elektrische Antriebstechnik Versuch EA 3 (Praktikum) Drehstromasynchronmotor mit Frequenzsteuerung Versuchsziel: Ein über einen Frequenzumrichter mit sinusbewerteter Pulsdauermodulation gespeister Drehstrom-Antrieb ist in Betrieb zu setzen und zu untersuchen. Das Funktionsprinzip dieses Puls-Umrichters und seine Wechselwirkung mit dem gespeisten Asynchronmotor sind mit Hilfe eines Zweistrahloszilloskops zu untersuchen. Stationäre Betriebskennlinien sind aufzunehmen.

2 2. Versuchsvorbereitung 2 Um die Versuchsaufgabe 3.1. zu erfüllen, ist die annähernde Berechnung der Leerlaufreaktanz X 11 aus gemessenen Werten notwendig. Damit Sie während des Versuches die notwendige Berechnungsgrundlage besitzen, lösen Sie bitte folgende Beispielaufgabe: Die Leerlaufreaktanz der Versuchsmaschine kann aus folgendem Ersatzschaltbild ermittelt werden: Mit der Versuchsschaltung nach Aufgabe und einer Widerstandsmessung wurden folgende Größen ermittelt: R 1 = 4,23Ω, angezeigte Wirkleistung P 1 = 110 W, angezeigte Wirkleistung P 2 = -40 W, aufgenommener Leerlaufstrom I 0 = 1,76 A, Leiter-Leiter-Spannung U 1 = 380 V Legen Sie den Lösungsweg dar und berechnen Sie die aufgenommene Leerlaufwirkleistung P 0 sowie X 11! Lösung: X 11 = 120,7Ω 2.1. Kolloquiumsfragen 1. Welche elektrischen Maschinen werden heute als frequenzgesteuerte Drehfeldmaschinen eingesetzt? 2. Welche technisch relevanten Verfahren zur Erzeugung eines frequenzveränderlichen Drehfeldes sind Ihnen bekannt? 3. Wann wird welche technische Lösung angewendet und mit welchen elektrischen Maschinen wird dieser Antrieb realisiert? 4. Vergleichen Sie das Drehzahl-Drehmoment-Verhalten eines gesteuerten Gleichstromantriebs (fremderregt) im Bereich der Ankerspannung- und der Feldstellung mit dem einer frequenzgesteuerten Asynchronmaschi- ne mit Kurzschlußläufer. 5. Erläutern Sie die Wirkungsweise eines Puls-Spannungs-Umrichters. Was verstehen Sie unter einer sinusbewerteten Pulsweitenmodulation? 6. Welche elektronischen Leistungsbauelemente werden bei einem Umrichter heute vorteilhaft eingesetzt? Wo liegen ihre Grenzen? 7. Was verstehen Sie unter einer PWM mit 16-kHz-Pulsung? Was sind ihre zwei großen Vorteile? 8. Wie erfolgt hinsichtlich der Leistung die ungefähre Auswahl eines normgerechten Drehstrommotors für einen frequenzgesteuerten Antrieb? Was sind die Ursachen für die notwendige Leistungsreduzierung bei einem umrichterbetriebenen Antriebsmotor im Vergleich zu einem sinusförmig gespeisten Normmotor? 9. Wie erfolgt im allgemeinen die Regelung eines Drehstromantriebs? 10. Was ist die Steuerkennlinie eines Frequenzumrichters? Welche Definition können Sie anhand dieser Anleitung dafür angeben? 11. Warum kann die Drehstromasynchronmaschine bei Speisung mit kleiner Frequenz ohne besondere Maßnahmen nicht ihr Nennmoment aufbringen? Welche Maßnahmen können diesem Verhalten entgegenwirken? 12. Warum ist eine Erhöhung der Umrichterausgangsspannung über den Nennwert der Maschine kritisch?

3 2.2. Experimentiereinrichtung 3 Frequenzumrichter FR-S 500 der Firma Mitsubishi Der Frequenzumrichter FR-S 500 ist ein sinusbewerteter, pulsbreitenmodulierter Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung. Die Endstufen sind mit Leistungs-Feldeffekttransistoren bestückt. Der Umrichter ist für den Betrieb am 230 V - 1-Phasennetz ausgelegt. Der Dauernennstrom beträgt 7 A. Die Ausgangsfrequenz ist kontinuierlich 0 bis 120 Hz einstellbar. Alle Bedienungselemente und Steueranschlüsse sind vom Leistungsteil galvanisch getrennt. Außerdem ist der Umrichter gegen motorische und generatorische Überlastung sowie gegen Kurzschluß geschützt. Der Frequenzumrichter FR-S 500 besitzt zusätzliche, vom Leistungsteil galvanisch getrennte Eingänge zur externen Ansteuerung. Sicherheitshinweise Achtung: Im Betrieb führt der Frequenzumrichter in jedem Falle, auch bei Speisung über einen Trenntransformator, gefährliche Spannungen. Das Betreiben des Frequenzumrichters ist deshalb nur unterwiesenen Personen erlaubt.

4 Bedienung 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 Parameterliste 9

10 Parametereinstellung 10

11 11

12 3. Versuchsdurchführung 3.1. Korrektur der eingestellten U/f-Kennlinie 12 Wie aus den vorgehenden Ausführungen bekannt, muß bei kleinen Drehzahlen des Motors die U/f-Kennlinie zur Kompensation des ohmschen Spannungsabfalls angehoben werden. Dazu müssen die Wirkwiderstände des Ständers sowie näherungsweise die Leerlaufreaktanz bei Nennfrequenz bekannt sein Bestimmung der Wirkwiderstände jedes Ständerwicklungsstranges Bei kleinen Labormaschinen liegen sie immer über 1 Ω und können deshalb leicht mit einem handelsüblichen Ohmmeter gemessen werden. 1. Messen Sie alle drei Strangwiderstände der Versuchsmaschine und errechnen Sie daraus für die weitere Berechnung den arithmetischen Mittelwert und rechnen Sie diesen auf die Betriebstemperatur von 75 nach: R 1(75 ) = (R 1(20 ) + R meß(20 ) ) wobei R meß(20 ) = 0,55Ω der gesamte im Stromkreis liegende Meßwiderstand (Shunt und Meßleitung) bei 20 ist. Meßwerttabelle Strangwiderstände R 1 R 2 R 3 R m R m(75 ) Näherungsweise Bestimmung der Ständerleerlaufreaktanz X 11 (mit LMG 500) Zur Berechnung der Steuerkennlinie muß X 11 bekannt sein. Man erhält sie entweder aus dem Berechnugsblatt des Motorenherstellers oder durch einen Leerlaufversuch bei Antrieb des Prüflings mit Synchondrehzahl. Der Versuchsmotor (1 kw-schleifringläufer in -Schaltung) wird durch einen frequenzgesteuerten 3,9 kw- Synchronservo-Motor (Y-Schaltung) auf Synchrondrehzahl gebracht. Lesen Sie die notwendigen elektrischen Grössen von dem entsprechenden Messgerät ab. 1. Schalten Sie S2 und damit den Versuchsmotor direkt an das Drehstromnetz! Kontrollieren Sie dabei die Drehrichtung, der Motor muss linksrum drehen! Gegebenenfalls sind 2 Zuleitungen zum Motor zu tauschen. 2. Laden Sie das Programm ActiveASMA und öffnen Sie die Datei ASMA_3.1.2.asma! Starten Sie die Servobremse und lassen Sie die voreingestellte Bremsrampe mit der Solldrehzahl von 1500 min -1 fahren. 3. Lesen Sie die Leiter-Leiterspannung, den Leiterstrom und die aufgenommene Drehstromwirkleistung von dem entsprechenden Messgerät ab! 4. Berechnen Sie aus diesen Werten X 11!

13 13 X 11 = Berechnung der notwendigen Spannungsanhebung Damit der Motor auch bei kleiner Speisefrequenz sein Nennmoment aufbringen kann, muß der ohmsche Spannungsabfall durch Anhebung der U/f-Kennlinie kompensiert werden. Berechnen Sie U 1x = U 1(6Hz) nach Gleichung (23) dieser Anleitung! Für R 1 ist R 1(75 ) nach Aufgabe einzusetzen. U 1x = U 1(6Hz) = Einstellung der Spannungsabfallkompensation am Umrichter Bauen Sie folgende Schaltung auf (mit LMG 500): Zur Frequenzermittlung benutzen Sie die Frequenzanzeige des Umrichters. 1. Laden Sie das Programm ActiveASMA und öffnen Sie die Datei ASMA_3.1.4.asma! 2. Überzeugen Sie sich, daß die Ausgangsfreuenz des FUs auf 0 Hz steht und der Parameter "P0" auf 0%. 3. Nehmen Sie den Frequenzumrichter in Betrieb und lassen Sie den Antrieb mit 6 Hz laufen! 4. Ermitteln Sie die Belastungskurve n = f(m). Starten Sie dazu die Servobremse und lassen Sie die Bremsrampe verfahren! 5. Entlasten Sie den Antrieb und stellen Sie durch Parameter "P"0 die von Ihnen berechnete Spannung U 1(6Hz) ein! Wiederholen Sie die Belastung mittels der Bremsrampe der Servobremse! 6. Lassen Sie die gefundene "P0"-Einstellung so stehen und entlasten Sie den Antrieb anschließend vollständig! Setzen Sie den ASM-Motor still! 7. Machen Sie einen Ausdruck der Belastungskennlinien! Aufnahme der Steuerkennlinie 1. Nehmen Sie die Steuerkennlinie U X,n X = f(f X ) des jetzt eingestellten Umrichters auf! Messen Sie, ausgehend von 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz... in 5 Hz - Schritten die Umrichterausgangsspannung bis f Xmax = 120 Hz! 2. Öffnen Sie dazu die Datei ASMA_3.1.5.asma und speichern Sie für die jeweilige Ständerspannungsfrequenz die Werte für U 1strang und n ab! Klicken Sie dazu auf das Fotoapparat-Symbol. 3. Setzen Sie die Servobremse sowie den Antrieb still! 3. Drucken Sie die ermittelten Werte aus!

14 3.2. Aufnahme der Belastungskennlinien Nehmen Sie für f X = 15 Hz, 50 Hz und 80 Hz die Belastungskennlinien des Umrichterantriebs auf! Öffnen Sie dazu die Datei ASMA_3.2_15 Hz-80 Hz.asma! Stellen Sie unter EINSTELLUNG-VORGABEN-RAMPE eine Endrehzahl von 300 min -1 ein. 3. Stellen Sie am Frequenzumrichter eine Frequenz von 15 Hz ein! 4. Starten Sie den Antrieb und anschliessend die Bremsrampe! 5. Schalten Sie die Servobremse softwaremässig aus und stellen Sie eine Enddrehzahl von 1300 min -1 ein! 6. Stellen Sie am Frequenzumrichter 50 Hz ein und ermitteln Sie die Belastungskurve. 7. Wiederholen Sie die Belastung bei 80 Hz! Dazu ist vorher eine Enddrehzahl von 1800 min -1 einzustellen! 8. Machen Sie von den erhaltenen Kurven einen Ausdruck nachdem Sie sowohl den Antrieb als auch die Servobremse stillgesetzt haben! 3.3. Untersuchung der Umrichterausgangsspannung und des Motorstromes 1. Stellen Sie am Frequenzumrichter eine Frequenz von 25 Hz ein! Oszillographieren Sie die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Umrichters! Machen Sie davon eine Hardcopy! 2. Wiederholen Sie diese Messungen bei einer Frequenz von 45 Hz und 65 Hz! 4. Versuchsauswertung 4.1. zu Aufgabe Geben Sie im Protokoll die Werte für R 1(20 ), R 1(75 ), P 1, P 2, P 0, U 1, I 10 und U 1(6Hz) an! 2. Diskutieren Sie Ihre gewonnenen Erkenntnisse schriftlich! 4.2. zu Aufgabe Diskutieren Sie den Verlauf der Kurven schriftlich! 4.3. zu Aufgabe 3.3. Erläutern Sie anhand der aufgenommenen Kurven die Funktionsweise des Frequenzumrichters!

15 5. Literaturverzeichnis 15 /1/ Bystron, Klaus: Leistungselektronik München, Wien: Hanser, 1979 /2/ Felderhoff, Rainer: Leistungselektronik München, Wien: Hanser, 1984 /3/ Jäger, Rainer: Leistungselektronik Berlin und Offenbach: vde-verlag gmbh, 1993 /4/ Fischer, R.: Elektrische Maschinen München, Wien: Carl Hanser Verlag 1989 (7. Auflage) /5/ Pfaff, G.; Meier, C.: Regelung elektrischer Antriebe R. Oldenbourg Verlag München Wien 1988 (2. Auflage) /6/ Brosch, Peter F.: Moderne Stromrichterantriebe Vogel Verlag und Druck KG, Würzburg 1992 (2. Auflage)