Studiengruppe: Eingegangen am: Protokollführer: Stationäres und dynamisches Verhalten eines Gleichstromantriebes

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1 Studiengruppe: Eingegangen am: Protokollführer: Übungstag: Weitere Teilnehmer: Professor: LEP3.2 Stationäres und dynamisches Verhalten eines Gleichstromantriebes 03/ Einleitung Ziel dieses Versuches ist die Untersuchung einer stromrichtergespeisten, fremderregten Gleichstrommaschine und die Analyse der wichtigsten Kenngrößen. Als Vorbereitung dienen die allgemeinen Grundlagen der Gleichstrommaschine, die theoretischen Zusammenhänge der B6-Brückenschaltung und der Kaskadenregelung einer Gleichstrommaschine aus der Vorlesung. Der Versuchsaufbau (siehe Anlagenschaltbild) setzt sich aus einer fremderregten Gleichstrommaschine (Antriebsmaschine) und einer Drehstromasynchronmaschine (Belastungsmaschine) zusammen. Die Gleichstrommaschine wird über einen Vierquadrant- Stromrichter und die Drehstromasynchronmaschine über einen Frequenzumrichter gespeist. Beide Maschinen sind über eine Drehmoment-Drehzahlmesswelle gekoppelt. Die Steuerung und Parametrierung der Umrichter ist über eine Visualisierung möglich. Vor der Versuchsdurchführung werden Sie durch den Professor oder den wissenschaftlichen Mitarbeiter in die Bedienung der Anlage eingewiesen. 2 Stationäres Verhalten des Gleichstromantriebes Es sind drei Messreihen in Abhängigkeit vom Belastungsdrehmoment M aufzunehmen. Folgende Kenngrößen sollen gemessen bzw. berechnet werden: Ankerspannung U A, Ankerstrom I A, Erregerstrom I E, Drehzahl n, Drehmoment M, Nennmoment M N, zugeführte Leistung P zu, Wirkungsgrad η. Zur Einstellung verschiedener Arbeitspunkte wird die Belastung des Gleichstrommotors angepasst. Dies geschieht durch Veränderung des Drehmomentsollwertes am Frequenzumrichter (Hauptsollwert) der Drehstromasynchronmaschine, die als Belastungsmaschine im generatorischen Bereich betrieben wird. Bei der Einstellung der Belastung, sollte der Phasenstrom der Drehstromasynchronmaschine den Nennstrom I N nicht überschreiten, da ansonsten der Frequenzumrichter nach kurzer Zeit automatisch abgeschaltet. Wird die Gleichstrommaschine mit Feldschwächung betrieben, ist darauf zu achten, dass kein instabiles Betriebsverhalten auftritt. Nehmen sie vor Inbetriebnahme der Anlage die Nenndaten auf und berechnen sie von beiden Maschinen das Nennmomente M N. LEP3.2-GM_dynamisch und stationär.docx Seite: 1

2 2.1 Messreihe: (Betrieb mit Ankernennspannung) U A = U AN (Ankernennspannung) = konst., I E = I EN (Nennerregerstrom) = konst. Der Hauptsollwert für das Belastungsmoment ist so einzustellen, dass der Gleichstrommotor bei einem Drehmoment M = M N annähernd die Drehzahl n = n N erreicht. Die Messreihe ist beginnend beim Drehmoment M N bis zum kleinsten einstellbaren Drehmoment aufzunehmen. 2.2 Messreihe: (Betrieb mit halber Ankernennspannung) U A = 0,5 * U AN = konst., I E = I EN = konst. Der Hauptsollwert für das Belastungsmoment ist so einzustellen, dass der Gleichstrommotor bei einem Drehmoment M = M N annähernd die Drehzahl n = 0,6 *n N erreicht Die Messreihe ist beginnend beim größten Drehmoment M N. bis zum kleinsten einstellbaren Drehmoment aufzunehmen. 2.3 Messreihe: (Betrieb mit Feldschwächung) U A = 0,5 * U AN = konst., I E = 0,5 * I EN = konst. (Achten sie auf stabiles Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine!) Der Hauptsollwert für das Belastungsmoment ist so einzustellen, dass der Gleichstrommotor bei einem Drehmoment M = M N annähernd die Drehzahl n = 0,6 *n N erreicht. Die Messreihe ist beginnend beim größten Drehmoment M N. bis zum kleinsten einstellbaren Drehmoment aufzunehmen. 3 Dynamisches Verhalten des Gleichstromantriebes 3.1 Funktionsplan Vorbereitend zum Praktikumsversuch, erstellen Sie mit Hilfe der Grundgleichungen der Gleichstrommaschine den Funktionsplan der Kaskadenregelung einer fremderregten Gleichstrommaschine. Wie können die Parameterwerte der Regelstrecke theoretisch und praktisch ermittelt werden? 3.2 Verlustmoment Bestimmen Sie wie folgend beschrieben das gesamte Verlustmoment M V des Antriebssatzes. Die Gleichstrommaschine wird im Leerlauf, also ohne Belastung durch die Drehstromasynchronmaschine betrieben. Verändern Sie die Ankerspannung U A, um unterschiedliche Leerlaufdrehzahlen n einzustellen. Beginnen Sie bei U A = U AN, beenden Sie die Messung bei U A = 0V Führen Sie denselben Versuch bei gleichen Drehzahlwerten noch einmal durch, vertauschen aber, ohne die Drehrichtung zu verändern, dabei Antriebs- und Lastmaschine. Berechnen Sie das gesamte Verlustmoment M V = f(n) als Summe aus den zugehörigen Messwerten gleicher Drehzahl. LEP3.2-GM_dynamisch und stationär.docx Seite: 2

3 3.3 Trägheitsmomentes Bestimmen Sie unter Beachtung des Punktes 5 Theoretische Grundlagen das Trägheitsmoment J. Stellen Sie die Stromgrenze des Stromrichters auf einen Wert entsprechend I A = 0,8 * I AN ein. Zeichnen Sie den Verlauf der Funktion n = f(t) mit einem Speicheroszilloskop auf. Bilden Sie gleichzeitig I A = f(t) und n Soll = f(t) ab. Berechnen Sie das Motormoment M: - mit Hilfe der Angaben auf dem Typenschild. - aus den aufgenommenen stationären Belastungsmessungen M = f(n) mit den Einstellungen U A = U AN und I E = I EN. Berechnen Sie das Trägheitsmoment J des Antriebssatzes. 3.4 Optimierung der Drehzahlregelung des Gleichstrommotors Folgende Parameterwerte sind gegeben bzw. sollen eingestellt werden. K pi = 0,10 T ni = 13,0ms V si = 15 t ei = 8,08ms t abt = 3,33ms Berechnen sie mit Hilfe der vorgegebenen Werte die Parameter des Drehzahlreglers nach dem symmetrischen Optimum. T IA K pn = T nn = 4 * Tσn 2 *T σn T = T IA H I * I AN Amax T 2 * π * J * n 0 H = σn ei abt M T = t + 2 * t Proprotional-Verstärkung Ermitteln sie die Proportional-Verstärkung K pn mit einer empirischen Vorgehensweise in der Form, dass sie die Verstärkung langsam von K pn = 0,5 bis max. K pn = 10 erhöhen. Dabei prüfen sie die Sprungantwort hinsichtlich Überschwingweite und Anregelzeit, wobei die Überschwingweite den höheren Stellenwert hat. Der Antrieb soll auf n = 1000 min -1 beschleunigt werden Sollwertglättung Stellen sie nach der Theorie des symmetrischen Optimums die Drehzahlsollwertglättung ein. Vergleichen sie den theoretischen Wert, mit dem aus einem empirischen Versuchsverlauf mit einer Überschwingweite von 8% Lastsprung Wie reagiert die Antriebsmaschine mit optimiertem Drehzahlregler auf einen Lastsprung von M L = 10 Nm auf 15 Nm bei einer Drehzahl n = 1000 min -1? LEP3.2-GM_dynamisch und stationär.docx Seite: 3

4 4 Auswertung Für alle Messreihen unter dem Aufgabenpunkt 1 sind nach einem grafischen oder numerischen Fehlerausgleich in einem Diagramm der Wirkungsgrad η, l A, n = f(m) und in einem weiteren Diagramm P zu, η = f (P ab ) darzustellen. Die gewonnenen Kennlinien sind mit den theoretisch zu erwartenden Kennlinien zu vergleichen und auftretende Abweichungen sind zu diskutieren. Für die Wirkungsgradbestimmung ist eine Fehlerbetrachtung durchzuführen. Erläutern sie die Bedingungen des symmetrischen Optimums und diskutieren sie die empirisch ermittelten und theoretischen Reglerparameter, sowie die zugehörigen Messkurven. 5 Theoretische Grundlagen Entsprechend der Vorlesung zu Leistungselektronik gilt: Bewegungsgleichung: dω M = J + Mw M = Antriebsmoment, M w = Widerstandsmoment dω M b = J M b = Beschleunigungsmoment ω = 2 π n Einheiten: [ M, M b, M w ] = Nm, [ dω/ = 1/s² ] [J] = Nms² Daraus wird mit 1N = 1kgm/s² [J] = kgm² Das Widerstandsmoment setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen: M W = M L + M Fe + M R, dabei ist: M L = das eigentliche Lastmoment M Fe = Eisenverlustmoment M R = Reibmoment des gesamten Antriebs Im Leerlauf ist: M L = 0 M W = M Fe + M R = M V = Verlustmoment Es ergibt sich dann: dω M = J + M V J = M M dω V Die Bestimmung des Trägheitsmomentes eines Antriebes, kann durch einen Hochlaufversuch mit Hilfe der geregelten fremderregten Gleichstrommaschine erfolgen. Der Einsatz des Stromrichters und dessen Ankerstromregelung, ermöglicht den Anlauf mit einem einstellbaren konstanten Ankerstrom I A. Man spricht von einem Hochlauf an der Stromgrenze. Entsprechend der Gleichung M = c m * Φ * I A resultiert daraus ein konstantes Antriebsmoment während des Hochlaufs. Unter der Bedingung, daß M groß genug gewählt wird, kann M V vernachlässigt werden. Dann ist auch M b = M - M V M konstant. Liegt wie hier ein fast konstanter Zusammenhang M V = f(n) als Meßkurve vor, so kann nach Wahl eines Mittelwertes für M V das Trägheitsmoment J genauer berechnet werden: LEP3.2-GM_dynamisch und stationär.docx Seite: 4

5 M J = dω b M M = dω v Da M und M V und damit M b dann konstant sind, ergibt sich für die Funktion n = f(t) beim Hochlauf eine ansteigende Gerade. Das gesuchte dω/ findet man als Steigung der Funktion n = f(t) multipliziert mit 2π. Die Theorie des geregelten Gleichstromantriebes, sowie die Verfahren des Betrags- und symmetrischen Optimum, sollen hier nicht detailliert wiedergeben werden, da diese ausführlich in der Vorlesung besprochen werde bzw. in der Literatur dargestellt werden. 6 Literaturhinweis Elektrische Antriebstechnik, Band 2, Manfred Meyer. Elektrische Maschinen, Rolf Fischer. LEP3.2-GM_dynamisch und stationär.docx Seite: 5

6 7 Anlagenschaltbild LEP3.2-GM_dynamisch und stationär.docx Seite: 6