Einführung in Elektrische Maschinen - Teil 1 Drossel an Wechselstrom - Teil 2 Spannungsinduktion

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1 Fachbereich 3 : Informations- und Elektrotechnik Semester: Fach: Dozent: Elektrische Maschinen Prof. Dr. Bernd Aschendorf Datum: Versuch Nr. 2 Thema: Einführung in Elektrische Maschinen - Teil 1 Drossel an Wechselstrom - Teil 2 Spannungsinduktion Gruppe: Studenten: Name Vorname Unterschrift Versuchsleiter: Unterschrift: Datum der Abgabe: Sichtvermerk Laboringenieur: Datum: Sichtvermerk des Dozenten: Datum: Anmerkung: Testat: Versuch anerkannt am:

2 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1. Ziel des Versuches Grundlagen zum Versuch Durchführung Teil Einleitung Aufbau des Modells Teil1a linear Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Generierung des Modells Lösung MT2 (MK) Aufbau des Modells Teil1b-e nicht linear Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Generierung des Modells Lösung MT2 (MK) Aufbau des Modells Teil1f linear Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Generierung des Modells Lösung MT2 (MK) Aufbau des Modells Teil1g-j nicht linear Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Generierung des Modells Lösung MT2 (MK) Durchführung Teil Einleitung Aufbau des Modells Durchführung und Auswertung der Berechnungen Berechnung des Feldbildes für einen Erregerstrom von 1A und 0A Ankerstrom Berechnung für ein Luftspaltfeld von 0.2 T Berechnung der Induzierten Spannung für 1000 U/min Seite 2 von 16

3 1. Ziel des Versuches Im Rahmen dieses Versuches sollen die Phänomene Elektrischer Maschinen Drossel an Wechselstrom zur Darstellung des Einflusses von Sättigung, Spannungsinduktion in einer bewegten Anordnung und Spannungsinduktion am Transformator erarbeitet werden. 2. Grundlagen zum Versuch Der Versuch Nr. 2 besteht aus drei Teilen, die von jeder Gruppe durchgeführt werden müssen. Diese drei Teile werden mit dem Programm ANSYS 11.0 durchgeführt. Teil 1 Drossel an Wechselstrom Teil 2 Spannungsinduktion an einer Gleichstrommaschine Seite 3 von 16

4 Durchführung Teil 1 Maxwellsche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) kurz MT2 (MK) 3. Durchführung Teil 1 Das dem Teil 1 von Versuch 2 zugrundeliegende Modell wurde bereits in Versuch 1 in Teil 2 und 3 untersucht. Bei diesem Versuchsteil wird das Modell mit Wechselstrom gespeist, um die Einflüsse der Rückinduktion und der Sättigung zu untersuchen. 3.1 Einleitung Der erste Teil besteht aus 10 Unterpunkten, die entweder harmonisch oder transient berechnet werden. Teil Luftspalt Berechnungsart Merkmal Eisen Spannung a mit Harmonisch Linear 230 Veff b mit Harmonisch Nichtlinear 230 Veff c mit Harmonisch Nichtlinear 800 Veff d mit Transient Nichtlinear 230 Veff e mit Transient Nichtlinear 800 Veff f ohne Harmonisch Linear 230 Veff g ohne Harmonisch Nichtlinear 230 Veff h ohne Harmonisch Nichtlinear 800 Veff i ohne Transient Nichtlinear 230 Veff j ohne Transient Nichtlinear 800 Veff Das Modell ist bereits bekannt, der Luftspalt kann offen oder geschlossen sein, um verschiedene Drosseln nachbilden zu können. Die hellblauen Flächen sind Luft, die lilanen Flächen sind Eisen und die roten Flächen stellen die Spule dar. Seite 4 von 16

5 Durchführung Teil 1 Maxwellsche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) kurz MT2 (MK) 3.2 Aufbau des Modells Teil1a linear Verwenden Sie für diesen Teil das Verzeichniss mit dem Namen Teil1a_linear. Geben Sie Teil1a_linear_230 als Dateinamen ein Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Lesen Sie die Teil1_a_DaW.geo -Datei ein unter Einlesen Parameter lesen ein. Die Geometrie-, Netz- sowie die Schaltungsdaten können übernommen werden Generierung des Modells Übernehmen Sie alle vorgegebenen Werte und sichern Sie nach der Generierung die Daten des Modells Lösung MT2 (MK) Geben Sie die Ausgabenummer der Berechnungsdateien (hier: 1) ein und geben Sie für die Rechnung folgende Werte unter Harmonische Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 230*[Amplitude] ein. Starten Sie die Rechnung und erzeugen Sie anschließend die Auswertungsdateien. Schließen Sie ANSYS und fahren Sie mit Teil1b-e - nicht linear fort. 3.3 Aufbau des Modells Teil1b-e nicht linear Verwenden Sie für diesen Teil das Verzeichniss mit dem Namen Teil1b-e - nicht linear. Kopieren Sie die Geometriedatei Teil1_a_DaW.geo aus Teil 1a. Ändern Sie den Dateinamen in Teil1_b-e_DaW.geo. Geben Sie Teil1b-e_nicht_linear als Dateinamen ein Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Lesen Sie die GEO -Datei ein unter Einlesen Parameter lesen ein. Die Geometrie-, Netz- sowie die Schaltungsdaten können übernommen werden Generierung des Modells Ändern Sie folgende Werte und sichern Sie nach der Generierung die Daten des Modells. Materialdefinition MT2 (MK) o muer Joch 0 o Lineares oder nichtlineares Eisen nichtlinear Seite 5 von 16

6 Durchführung Teil 1 Maxwellsche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) kurz MT2 (MK) Lösung MT2 (MK) Lösung Teil 1b-230V_eff-harmonisch Geben Sie die Ausgabenummer (hier: 1) der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die Rechnung folgende Werte ein Harmonische Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 230*[Amplitude] Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_1.txt Plots_Drossel_imag1.grph Plots_Drossel_real1.grph Teil1b-e_nicht_linear000.jpg Teil1b-e_nicht_linear003.jpg in das Verzeichnis Teil1b-230V_eff-harmonisch Lösung Teil 1c-800V_eff-harmonisch Geben Sie die Ausgabenummer (hier: 2) der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die rechnung folgende Werte ein Harmonische Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 800*[Amplitude] Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_2.txt Plots_Drossel_imag2.grph Plots_Drossel_real2.grph Teil1b-e_nicht_linear000.jpg Teil1b-e_nicht_linear003.jpg in das Verzeichnis Teil1c-800V_eff-harmonisch Lösung Teil 1d-230V_eff-transient Geben Sie die Ausgabenummer (hier: 3) der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die rechnung folgende Werte ein Transiente Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 230 * [Amplitude] Anzahl Zeitschritte 50 Anzahl Zeitschritte je Periode 20 Seite 6 von 16

7 Durchführung Teil 1 Maxwellsche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) kurz MT2 (MK) Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_3.txt Ergebnisse_Drossel_transient3.txt Ergebnisse_Drossel_transient_z3.txt Plots_Drossel_transient3.grph Teil1b-e_nicht_linear000.jpg Teil1b-e_nicht_linear199.jpg in das Verzeichnis Teil1d-230V_eff-harmonisch Lösung Teil 1d-230V_eff-transient Geben Sie die Ausgabenummer der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die rechnung folgende Werte unter Transiente Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 800 * [Amplitude] Anzahl Zeitschritte 50 Anzahl Zeitschritte je Periode 20 ein. Starten Sie die Rechnung und erzeugen Sie anschließend die Auswertungsdateien. Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_4.txt Ergebnisse_Drossel_transient4.txt Ergebnisse_Drossel_transient_z4.txt Plots_Drossel_transient4.grph Teil1b-e_nicht_linear000.jpg Teil1b-e_nicht_linear199.jpg in das Verzeichnis Teil1d-230V_eff-harmonisch. Schließen Sie ANSYS und fahren Sie mit Teil 1f fort. 3.4 Aufbau des Modells Teil1f linear Verwenden Sie für diesen Teil das Verzeichniss mit dem Namen Teil1f - linear. Kopieren Sie die Geometriedatei Teil1_a_DaW.geo aus Teil 1a. Ändern Sie den Dateinamen in Teil1_f_DaW.geo. Geben Sie Teil1f_linear_230 als Dateinamen ein Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Lesen Sie die GEO -Datei ein unter Einlesen Parameter lesen ein. Ändern Sie folgende Werte: Geometriedaten o Luftspalt vorhanden (ja = 1) 0 Die Netz- sowie die Schaltungsdaten können übernommen werden. Sichern Sie anschließend die Modelldaten unter Teil1_f_DaW.geo. Seite 7 von 16

8 Durchführung Teil 1 Maxwellsche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) kurz MT2 (MK) Generierung des Modells Übernehmen Sie alle vorgegebenen Werte und sichern Sie nach der Generierung die Daten des Modells Lösung MT2 (MK) Geben Sie die Ausgabenummer der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die rechnung folgende Werte unter Harmonische Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 230 * [Amplitude] Ein. Starten Sie die Rechnung und erzeugen Sie anschließend die Auswertungsdateien. Schließen Sie ANSYS und fahren Sie mit Teil1g-j nicht linear fort. 3.5 Aufbau des Modells Teil1g-j nicht linear Verwenden Sie für diesen Teil das Verzeichniss mit dem Namen Teil1g-j - nicht linear. Kopieren Sie die Geometriedatei Teil1_f_DaW.geo aus Teil 1f. Ändern Sie den Dateinamen in Teil1_g-j_DaW.geo. Geben Sie Teil1g-j_nicht_linear als Dateinamen ein Voreinstellungen MT2 (MK) Praeferenzen MT2 (MK) Lesen Sie die GEO -Datei ein unter Einlesen Parameter lesen ein. Die Geometrie-, Netz- sowie die Schaltungsdaten können übernommen werden Generierung des Modells Ändern Sie folgende Werte und sichern Sie nach der Generierung die Daten des Modells. Materialdefinition MT2 (MK) o muer Joch 0 o Lineares oder nichtlineares Eisen nichtlinear Lösung MT2 (MK) Lösung Teil 1g-230V_eff-harmonisch Geben Sie die Ausgabenummer (hier: 1) der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die Rechnung folgende Werte ein Harmonische Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 230*[Amplitude] Seite 8 von 16

9 Durchführung Teil 1 Maxwellsche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) kurz MT2 (MK) Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_1.txt Plots_Drossel_imag1.grph Plots_Drossel_real1.grph Teil1g-j_nicht_linear000.jpg Teil1g-j_nicht_linear003.jpg in das Verzeichnis Teil1g-230V_eff-harmonisch Lösung Teil 1h-800V_eff-harmonisch Geben Sie die Ausgabenummer (hier: 2) der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die Rechnung folgende Werte ein Harmonische Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 800*[Amplitude] Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_2.txt Plots_Drossel_imag2.grph Plots_Drossel_real2.grph Teil1g-j_nicht_linear000.jpg Teil1g-j_nicht_linear003.jpg in das Verzeichnis Teil1h-800V_eff-harmonisch Lösung Teil 1d-230V_eff-transient Geben Sie die Ausgabenummer (hier: 3) der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die Rechnung folgende Werte ein Transiente Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 230 * [Amplitude] Anzahl Zeitschritte 50 Anzahl Zeitschritte je Periode 20 Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_3.txt Ergebnisse_Drossel_transient3.txt Ergebnisse_Drossel_transient_z3.txt Plots_Drossel_transient3.grph Teil1g-j_nicht_linear000.jpg Teil1g-j_nicht_linear199.jpg in das Verzeichnis Teil1i-230V_eff-harmonisch. Seite 9 von 16

10 Durchführung Teil 1 Maxwellsche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) kurz MT2 (MK) Lösung Teil 1j-230V_eff-transient Geben Sie die Ausgabenummer der Berechnungsdateien ein und geben Sie für die rechnung folgende Werte unter Transiente Rechnung Maxwell sche Theorie 2 (Magnetischer Kreis) Quellenspannung (Amplitude!) [V] 800 * [Amplitude] Anzahl Zeitschritte 50 Anzahl Zeitschritte je Periode 20 ein. Starten Sie die Rechnung und erzeugen Sie anschließend die Auswertungsdateien. Verschieben Sie die folgenden Dateien Ergebnisse_Drossel_an_Wechselspannung_4.txt Ergebnisse_Drossel_transient4.txt Ergebnisse_Drossel_transient_z4.txt Plots_Drossel_transient4.grph Teil1g-j_nicht_linear000.jpg Teil1g-j_nicht_linear199.jpg in das Verzeichnis Teil1j-230V_eff-harmonisch. Seite 10 von 16

11 Durchführung Teil 2 4. Durchführung Teil 2 Gleichstrommaschinen gehören aufgrund ihrer einfachen Steuerbarkeit zu den beliebtesten Antriebsmaschinen. Das Verständnis der Spannungsinduktion und der Kommutierung ist für den Umgang mit Gleichstrommaschinen unerläßlich. 4.1 Einleitung Im Rahmen dieses Versuches soll grundlegend die Spannungsinduktion an Gleichstrommaschinen erarbeitet werden. Es wird nahegebracht, von welchen Größen die Induzierte Spannung bei Gleichstrommaschinen abhängig ist. 4.2 Aufbau des Modells Der Aufbau des Finite-Elemente-Modells wird innerhalb von ANSYS über das Tool EM-Praktikum gesteuert. Hierzu wird im ANSYS-Menü der Menüpunkt EM-Praktikum aufgerufen. Mit dem Tool EM-Praktikum können neben den Maxwell schen Theorien, die Sie in den Aufgabenteilen zuvor kennengelernt haben, verschiedenste Maschinentypen modelliert und berechnet werden. Im Rahmen dieses Praktikum werden Gleichstrommaschinen behandelt. Für diesen Praktikumsteil ist ein Gleichstrommaschinenmodell vom Typ 1 (GSM1) aufzurufen. Die gesamte Benutzerführung genauso wie bei den Maxwell schen Theorien aufgebaut und besteht aus den Schritten Voreinstellung, Generierung und Lösung. Seite 11 von 16

12 Durchführung Teil 2 Im Rahmen der Voreinstellung ist zunächst ein Geometriefile einzulesen. Dies ist in den Praktikumsunterlagen unter dem Namen gsm1-1spule.geo enthalten und ist in das Arbeitsverzeichnis zu kopieren. Das File wird über Einlesen und dort Parameter lesen eingelesen. Das Geometriefile gsm1_1spule.geo ist einzulesen. Anschließend können die Geometrieparameter geändert werden. Im Rahmen dieses Praktikums sind die Eingabedaten zu übernehmen. Der Reihe nach werden folgende Menüschritte abgearbeitet: 1. Statordaten 2. Rotordaten 3. Statorpol 4. Rotorpol Seite 12 von 16

13 Durchführung Teil 2 Anschließend wird mit der Modellierung begonnen. Über die Schritte Definition, Geometriegenerierung, Vernetzung, Kopplungen, Verschaltung und Interface wird das Maschinenmodell inklusive Verschaltung drehbar aufgebaut. Die einzelnen Schritte sind zu bestätigen, bis nach wenigen Sekunden nach dem Schritt Interface folgendes Bild erscheint: Anschließend kann über den Menüpunkt Select und dort everything und anschließend den Befehl Plot und dort Areas das gesamte Modell angezeigt werden. Seite 13 von 16

14 Durchführung Teil Durchführung und Auswertung der Berechnungen Anschließend steht das Modell zur Berechnung bereit. Innerhalb von EM-Design stehen je nach Maschinentypen verschiedene statische und transiente (Zeitschrittrechnung) Berechnungsmöglichkeiten zur Verfügung. Im Rahmen der statischen Rechnung sind dies Einzelschritt- und Mehrschrittrechnungen mit unterschiedlicher Speisung der Schaltung. Im Rahmen der transienten Rechnung wird im Rahmen dieses Praktikums die Induzierte Spannung als Berechnungsmethode verwendet. Um die Ergebnisse verschiedener Rechnungen zu separieren, können über Ausgabedefinition Ausgabenummern vergeben werden, die zur Nummerierung an Ausgabe- und Plotfiles angehängt werden. Seite 14 von 16

15 Durchführung Teil 2 Nach Aufruf von Ausgabedefinition GSM1 kann die Ausgabenummer angewählt werden. 4.4 Berechnung des Feldbildes für einen Erregerstrom von 1A und 0A Ankerstrom Zunächst ist eine Rechnung für Erregerstrom von 1 A durchzuführen, wobei der Ankerstrom 0 A ist. Da innerhalb von ANSYS 0 A nicht zulässig ist, wird ein Ankerstrom von 1E-6 A gewählt. Die Berechnung erfolgt nach der Ausgabedefinition über Statische Rechnung und dort Einzelschrittrechnung. Nach wenigen Sekunden steht das Ergebnis bereit. Die aktuelle Datenbank sollte gespeichert werden, dies erfolgt im ANSYS-Menü über File und dort Save as. Nach der Speicherung wird ANSYS beendet. Die Ergebnisinterpretation erfolgt über das DISPLAY-Programm. Seite 15 von 16

16 Durchführung Teil Berechnung für ein Luftspaltfeld von 0.2 T Ändern Sie die elektrischen Eingabedaten so, daß ein Luftspaltfeld von 0.2 T im Luftspalt auftritt. Erregerstrom auf 0.2/0.028*1 A= 7.14 A stellen! Rufen Sie hierzu ANSYS wieder auf. Laden Sie Ihre Datenbank über RESUME FROM im ANSYS-Menü. Starten Sie eine neue Rechnung über EM-Praktikum Berechnung der Induzierten Spannung für 1000 U/min Starten Sie über Transiente Rechnung und dort Induzierte Spannung eine Rechnung zur Ermittlung der im Anker induzierten Spannung bei 1000 U/min. Wählen Sie dazu folgende Eingaben, wobei der Erregerstrom Ihren Angaben zur Erreichung eines Luftspaltfeldes von 0.2 T entspricht. Die Kommutierung ist auszuschalten. Starten Sie anschließend eine Berechnung der Induzierten Spannung bei 1000 U/min mit Kommutierung. Starten Sie anschließend eine Berechnung der Induzierten Spannung bei 500 U/min mit Kommutierung. Starten Sie danach eine weitere Berechnung bei 1000 U/min und dem halben Erregerstrom mit Kommutierung. Beenden Sie ANSYS. Seite 16 von 16