Frequenzgesteuerter Drehstrom-Asynchronmotor

Transkript

1 Praktikum Elektrische Maschinen Frequenzgesteuerter Drehstrom-Asynchronmotor 1 Voraussetzungen und Schwerpunkte Es wird vorausgesetzt das die Versuchsunterlagen, vor der Versuchsdurchführung, vollständig durchgelesen wurden und die Fragen unter Punkt 6 (Selbstkontrolle) beantwortet werden können. Weiterhin werden schwerpunktmäßig insbesondere Kenntnisse über folgende Themenkomplexe vorausgesetzt: Entstehung magnetischer Drehfelder mit Drehstromwicklungen Aufbau und Wirkungsweise der DASM Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinienverlauf Möglichkeiten des Drehzahlstellens und deren Vor- und Nachteile Verlustbilanz eines Asynchronmotors Stromortskurve Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise eines Frequenzumrichters 2 Versuchsziel Sie lernen das Betriebsverhalten eines Asynchronmotors mit Kurzschlussläufer bei Speisung mit veränderlicher Frequenz kennen und erwerben Kenntnisse über das Parametrieren eines Umrichters. 3 Versuchsobjekt Typ: Asynchronmotor mit Käfigläufer CLASS 1,0 Bemessungsdaten: Leistung 1 kw Spannung Υ/ 690/400 V / 50 Hz Strom 1,4 / 2,5 A Leistungsfaktor 0,79 Drehzahl 1405 min -1 Schutzart IP 20 Iso-Klasse B geeignet für Stern-Dreieck-Anlauf mit Thermistorschutz

2 4 Versuchsstand Die Belastung des zu untersuchenden Asynchronmotors mit Kurzschlussläufer erfolgt durch eine direkt gekuppelte Pendelmaschine. Das Belastungsdrehmoment wird mit einer Druckmessdose an der Pendelmaschine erfasst und lässt sich am Steuergerät der Pendelmaschine mittels Potentiometer einstellen. In Mittelstellung des Potentiometers ist die Belastung Null. Die Drehzahl und das an der Motorwelle wirkende Drehmoment können an Displays des Steuergerätes abgelesen werden. Ein dreiphasiger Umrichter vom Typ Siemens SINAMICS G120S stellt veränderliche Spannungen und Frequenzen für das Versuchsobjekt bereit. Zur Leistungsmessung wird ein hochpräziser Leistungsanalysator der Serie Norma 4000 eingesetzt. 5 Aufgaben 5.1 Widerstandsbestimmung Bestimmen Sie mit einer Strom-Spannungs-Messung die Ständer- Wicklungswiderstände des Motors im kalten Zustand. Zu messen sind: a) die 3 Strangwiderstände und b) der Ständerwiderstand zwischen zwei Phasen. Dazu ist der Motor in Dreieck zu verschalten. Der unter b) ermittelte Ständerwiderstand ist auf den betriebswarmen Zustand umzurechnen. Für den Warmwiderstand gilt vereinfacht: dabei sind: RR ww = RR kk (1 + αα 20 θθ) θθ = θθ ww θθ RRRRRRRR RR kk θθ ww = 95 CC θθ RR Kaltwiderstand bei Raumtemperatur Bezugstemperatur für ein Isoliersystem der Wärmeklasse B (siehe Versuchsobjekt) Raumtemperatur αα 20 = 0,0039K 1 Temperaturkoeffizient für Kupfer bei 20 C 5.2 Anschließen des Motors Der Motor ist in Dreieckschaltung an die Ausgänge des Umrichters anzuschließen. Frequenzgesteuerter DASM Seite 2

3 5.3 Parametrieren des Umrichters Der Umrichter ist am Bedienfeld unter Zuhilfenahme der Bedienungsanleitung (Praktikumsanleitung) zu parametrieren. Parameter oder Vorgang Beschreibung P0003 = 3 P0004 = 0 P0010 = 30 P0970 = 1 BUSY (am BOP) Fortschrittsbalken (STARTER) Anwender-Zugriffsstufe 3: Expertenstufe: Nur zur Verwendung durch einen Fachmann Parameterfilter 0: Alle Parameter (Standard) Inbetriebnahmeparameterfilter 30: Werkseinstellung Parameterübertragung Rücksetzen auf Werkseinstellung 1: Rücksetzen der Parameter auf Standardwerte Wenn die Rücksetzung auf Werkseinstellungen abgeschlossen ist, werden P0970 und P0010 auf 0 gesetzt und das BOP kehrt zur Standardanzeige zurück. Parameter Wert Beschreibung P Anwender-Zugriffsstufe P Parameterfilter P P0304 P0305 P0307 P0308 P0310 P0311 P0625 Inbetriebnahmeparameterfilter 0: Bereit (Standard) 1: Schnellinbetriebnahme Motornennspannung Die Eingabe der Typenschilddaten muss mit der Motorschaltung (Stern/Dreieck) übereinstimmen. Das bedeutet, dass bei Dreieckschaltung des Motors die Typenschilddaten für Dreieckschaltung einzugeben sind. Motornennstrom Wert vom Motortypenschild in Ampere eingeben Motornennleistung Wert vom Motor-Typenschild in kw oder hp eingeben Motornennleistungsfaktor / Motornenn-cos(φ) Motornennfrequenz Wert vom Motor-Typenschild in Hz eingeben. Motornenndrehzahl Wert vom Motor-Typenschild in U/min eingeben Motor-Umgebungstemperatur (in C eingegeben). Die Motor-Umgebungstemperatur wird zum Zeitpunkt der Motordatenerfassung eingegeben (Werkseinstellung: 20 C). Die Differenz zwischen der Motortemperatur und der Motorumgebungstemperatur P0625 muss in einem Toleranzbereich von etwa ± 5 C liegen. Falls nicht, muss das Abkühlen des Motors abgewartet werden. P0640 P P P P1082 P1120 P Motorüberlastfaktor in [%] relativ zu P0305 (Motornennstrom) 76 Auswahl der Befehlsquelle 1: BOP (Tastatur) Auswahl des Frequenzsollwertes 2: Analogsollwert (Standard bei CU240S) Mindestfrequenz Die tiefste Motorfrequenz (in Hz) eingeben, bis zu welcher der Motor unabhängig vom Frequenzsollwert arbeitet. Der hier eingestellte Wert gilt sowohl für Drehung im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn. Maximalfrequenz Die höchste Frequenz (in Hz) eingeben, auf welche der Motor unabhängig vom Frequenzsollwert begrenzt ist. 10 Hochlaufzeit 10 Auslaufzeit Frequenzgesteuerter DASM Seite 3

4 P P P ON-Befehl OFF1 Regelungsart 0: U/f mit linearer Kennlinie (Standard) Motordatenidentifikation wählen 3: Identifikation aller Parameter einschließlich der Sättigungskurve im Stillstand. Schnellinbetriebnahme (QC) beenden 1: Motorberechnung und Rücksetzen aller Parameter, die während der Schnellinbetriebnahme nicht auf Werkseinstellung geändert wurden. Während der Beendigung der Schnellinbetriebnahme wird "busy" auf dem BOP angezeigt. Das bedeutet, dass die Regelungsdaten berechnet und die entsprechenden Parameterwerte im E EPROM gespeichert werden. Start der Motordatenidentifikation Sobald P1900 0, wird Alarm A0541 generiert. Damit wird angezeigt, dass der nächste ON-Befehl die Motordatenidentifikation einleiten wird. Wenn der ON-Befehl gegeben wird, fließt Strom durch den Motor und der Rotor richtet sich aus. Anmerkung: Sobald die Motordatenidentifikation abgeschlossen ist, wird A0541 gelöscht und P1900 wird auf 0 gesetzt. Um den Umrichter in einen definierten Zustand zu versetzen, muss vor dem nächsten Schritt der Befehl OFF1 gegeben werden. Mit dem Befehl OFF1 wird die Motordatenidentifikation beendet. Abschließend sind noch folgende Parameter einzustellen: P0003 = 3 Anwender-Zugriffsstufe P0004 = 0 Parameterfilter P0350 = Ständerwiderstand (Phase) (der in 5.1b) ermittelte Wert ist durch 2 zu teilen) Parameterwert enthält nicht den Leitungswiderstand. P1800 = 6 Pulsfrequenz (khz) Fn-Taste betätigen und Anschließen die P-Taste Die eingestellte Frequenz wird im BOP angezeigt Hinweis: Die Messwerte für Spannung und Strom werden im Versuch grundsätzlich als Leitergrößen bestimmt. Zur Vereinfachung und in Anpassung an die Sprachgepflogenheiten in der Umrichtertechnik sind in den Messwerttabellen und im Protokoll diese Formelzeichen ausnahmsweise ohne den Index L zu verwenden 5.4 Steuerkennlinie des Umrichters Umrichter mit leerlaufendem Asynchronmotor In dieser Messreihe sind die Abhängigkeiten zwischen ff = ff(nn), UU = ff(nn) und UU = ff(ff), in einem Bereich von ff = 0 75 Hz zu bestimmen. Der Angeschlossene Motor ist im Leerlauf zu betreiben und die Frequenz, mit dem Sollwert-Potentiometer, in Schritten von 5 Hz zu erhöhen. Die Messwerte für ff, UU = ff(nn) sind in einem gemeinsamen Diagramm darzustellen. Die Bereiche: Betrieb des Motors mit konstantem Feld Betrieb mit Feldschwächung sind zu kennzeichnen. Frequenzgesteuerter DASM Seite 4

5 5.5 Belastungsversuch Allgemeines zur Messung Als Belastungskennlinien bezeichnet man bei Elektromotoren die Funktionen nn = ff(mm) und II = ff(mm). Für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit eines Antriebes interessieren auch die Kennlinien ηη = ff(mm) bei Netz- und Umrichterbetrieb. Dabei sind folgende Werte aufzunehmen: - Drehmoment MM - Drehzahl nn - Motorstrom II - Leistungsfaktor (bei Netzbetrieb) cos φφ - Drehstrom-Wirkleistung (motorseitig bei Netzbetrieb) PP eeee,mm - Drehstrom-Wirkleistung (FU netzseitig bei FU-betrieb) PP eeee,ffff Die Kennlinien nn = ff(mm), II = ff(mm), cos φφ = ff(mm) und ηη = ff(mm) (PPPPPPPPPPPPPPPPPP ff) sind in getrennten Diagrammen darzustellen und zu diskutieren. Das Bemessungsmoment MM nn ist als senkrechte Linie einzuzeichnen. In einem zusätzlichem Diagramm sind für den Betrieb am Umrichter und die dabei untersuchten 3 Frequenzen die jeweils erreichten Maximalwerte für das Moment und die dazu rechnerisch ermittelte mechanische Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl aufzutragen. Skizzieren Sie an Hand dieser Daten den zu erwartenden Verlauf für MM mmmmmm = ff(nn) und PP mmmmmm h = ff(nn). Kennzeichnen Sie die Bereiche mit konstantem und geschwächtem Magnetfeld. Die vom Motor abgegebene Leistung bestimmt man mit PP mmmmmm h = MM Ω = MM 2π nn (Ω Winkelgeschwindigkeit des Läufers) bzw. mit Hilfe einer zugeschnittenen Größengleichung. PP mmmmmm h = MM nn 9, Messung am Drehstromnetz Zur Aufnahme dieser Kennlinien ist die Asynchronmaschine zuerst direkt am Drehstromnetzt 400 V / 50 Hz zu betreiben. Dabei ist das Drehmoment im Motorbetrieb von 0 Nm beginnend, in Schritten von 1 Nm bis zum ca. 1,5 fachen des Bemessungsmomentes zu erhöhen. Frequenzgesteuerter DASM Seite 5

6 5.5.3 Messung am Frequenzumrichter Bei anschließendem Betrieb am Umrichter ist die maximale Belastung erreicht, wenn in der Anzeige des Frequenzumrichters F A0501 zu blinken beginnt (Schutzfunktion des FU). Orientieren sie sich hierbei an den Endwerten der Messung bei Netzbetrieb. Die geforderten Kennlinien sind hier bei ff = 25, 50, 75 Hz aufzunehmen. 5.6 Oszillografieren Nehmen Sie mit einem Speicheroszilloskop die zeitlichen Verläufe der Umrichterausgangsspannung UU und des Stromes II auf. Die Messstellen sind von Ihnen festzulegen. Zwischen Messstelle und Oszilloskop müssen unbedingt sogenannte aktive Differenz-Tastköpfe geschaltet werden, um eine Potentialtrennung zu gewährleisten. Spannung: Strom: Die Ausgangsspannung U kann nur als Leiterspannung abgegriffen werden, da der Motor in Dreieckschaltung betrieben wird und kein Neutralleiter herausgeführt ist. Über einen Shunt wird ein stromproportionales Spannungssignal abgegriffen. Die Kurvenverläufe sind zu interpretieren. 6 Selbstkontrolle Erklären Sie Aufbau, Funktion und Einsatzgebiete der DASM. Zeichnen Sie den vollständigen Verlauf des Drehmomentes über der Drehzahl bzw. über dem Schlupf für eine DASM und geben Sie Betriebsbereiche und markante Betriebspunkte an. Diskutieren Sie den Kurvenverlauf. Welche Möglichkeiten der Drehzahlstellung gibt es bei DASM und wie verändert sich das M-n-Verhalten? Wie ist deren praktische Bedeutung einzuschätzen, insbesondere hinsichtlich Drehzahlstellbereich, Aufwand, Kosten und Wirkungsgradbeeinflussung? Wie kann der hohe Anlaufstrom einer DASM verringert werden? Welche Verluste treten in einer DASM auf? Wie sieht der belastungsabhängige Wirkungsgradverlauf einer DASM aus und wie könnte der Wirkungsgrad konstruktiv beeinflusst werden? Beschreiben Sie den prinzipiellen Aufbau des Leistungsteiles und die Funktionsweise eines pulsweitenmodulierten Frequenzumrichters. Was ist unter der Steuerkennlinie des Umrichters zu verstehen? Frequenzgesteuerter DASM Seite 6

7 7 Messprotokoll 7.1 Form Beachten Sie folgende Hinweise zur Form des Protokolls: Die Gliederung ist entsprechend der Reihenfolge der Aufgabenstellung vorzunehmen. Tabellen und Kurven sind mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms zu erstellen. Verwenden Sie einen Formeleditor für die Darstellung von Formeln. Messwerte-Tabellen sind als Anlage dem Protokoll anzufügen. 7.2 Inhalt Das Deckblatt entsprechend Vorgabe ist dem Protokoll vollständig ausgefüllt voranzustellen. Die Ausgangsbedingungen für den Versuch wie Leistungsschildangaben, Messschaltung, Raumtemperatur sind im Versuchsprotokoll aufzuführen. Prüfen Sie die Plausibilität der aufgenommenen Messwerte. Führen Sie gegebenenfalls Fehlerbetrachtungen durch und eliminieren Sie offensichtlich stark fehlerbehaftete Messwerte aus den Messreihen. Abweichungen der Kurven vom erwarteten Verlauf sind zu diskutieren. Stellen Sie die Messreihen entsprechend Aufgabenstellung grafisch dar und erklären Sie die gemessenen Kurvenverläufe anhand der behandelten physikalischen Zusammenhänge. Benutzen Sie zur Beschreibung von Sachverhalten bei Bedarf die Darstellung mittels Zeigerbild. Frequenzgesteuerter DASM Seite 7