Versuch EA 4. (Praktikum)

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1 FH Stralsund Fachbereich Elektrotechnik Praktikum im Fach Elektrische Antriebstechnik Versuch EA 4 (Praktikum) Umrichtergespeiste Synchronmaschine Versuchsziel: Es ist ein stromrichtergespeister Synchronmaschinen-Einquadrantenantrieb aufzubauen, in Betrieb zu nehmen und zu untersuchen, der sein natürliches äußeres Betriebsverhalten verloren hat und das charakteristische Betriebsverhalten eines fremderregten Gleichstrommotors aufweist. Zum Nachweis sind die stationären Betriebskennlinien dieses Elektronikmotormodells bei verschiedenen Werten der Ankerspannung und des Erregerstromes aufzunehmen. Strom und Spannung der Motorwicklung sind zu oszillografieren.

2 2 2. Versuchsvorbereitung 2.1. Kolloquiumsfragen 1. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise einer Synchronmaschine am starren Netz! 2. Welche Möglichkeiten der Drehzahlstellung gibt es für einen Synchronmotor, wie sehen seine natürlichen Betriebskennlinien aus? 3. Welches nachteiliges Verhalten zeigt eine Synchronmaschine bei Übergangsvorgängen? 4. Was verstehen Sie unter einem Direktumrichter und wie ist er aufgebaut? 5. Worin besteht das Einsatzgebiet eines über einen Direktumrichter gespeisten Synchronmotors? Wie kann mit einen solchen Antrieb der Leistungsfaktor des speisenden Netzes verbessert werden? 6. Wie ist ein Stromrichtermotor-Antrieb aufgebaut, wie funktioniert er und welche Betriebskennlinien liegen jetzt für die Synchronmaschine vor? 7. Erläutern Sie den Aufbau eines geregelten Drehstrom-Servoantriebs! Wie funktioniert ein solcher Antrieb? 8. Was bedeutet in diesem Zusammenhang "Sinusbetrieb", "Blockbetrieb" und "Mischbetrieb"? Wo liegen Vor- und Nachteile dieser Betriebsarten? 9. Warum kann mit einem einfachen Polradlagegeber kein Sinusbetrieb realisiert werden? Wie ist ein Resolver aufgebaut? 10. Welche Vor- und Nachteile hat ein geregelter Servoantrieb gegenüber einem geregelten Gleichstromantrieb? 11. Erläutern Sie anhand von Gleichungen die Übereinstimmung im Betriebsverhalten von Elektronik- und Gleichstrommotor! 12. Wo liegen die Einsatzgebiete für Elektronikmotoren? 2.2. Versuchseinrichtung Der Puls-U-Umrichter ist derselbe wie er im Versuch EA3 verwendet wird. Das gleiche gilt auch für den Externen Pulsweiten-Modulator. Als Antriebsmotor wird eine handelsübliche vierpolige Drehstrom-Synchron-Schenkelpolmaschine mit folgende Leistungsschildangaben eingesetzt: S N = 1 kva P N = 0,8 kw U N = 380 V Y I N = 2,8/1,6 A cos ϕ N = 0,8 n N = 1500 min -1 f N = 50 Hz Diese hat ein sinusförmiges Polradfeld, statt des bei EK-Motoren und Blockstromspeisung aus Gründen der optimalen Drehmomentkonstanz geforderten rechteckförmigen Polradfeldes. Darüber hinaus wird der Motor elektrisch über Bürsten und Schleifringe erregt, statt der üblichen Permanentmagneterregung. Damit besitzt der Motor ein höheres Massenträgheitsmoment und somit schlechtere dynamische Eigenschaften als industrielle EK-Motoren, die hier aber nicht untersucht werden sollen. Der Ständer trägt eine gesehnte Zweischichtwicklung, deren Enden am Klemmenbrett sowohl im Dreieck als auch im Stern verschaltet werden können. Da es hier hauptsächlich darauf ankommt, zu zeigen, daß EK-Motoren das gleiche Betriebsverhalten wie Gleichstromnebenschlußmaschinen aufweisen, hat man mit der Veränderung des Erregerfeldes eine zweite Stellmöglichkeit für die Drehzahl. Im Gegensatz zu den industriell eingesetzten EK-Motoren wird hier weder der Ankerstrom noch die Drehzahl geregelt. Der Polradwinkelgeber besteht aus einer Kodierscheibe, die mechanisch mit der Welle des Motors verbunden ist und gleichmäßig am Umfang der Scheibe angeordneten Optokopplern, die die Information der Kodierscheibe abtasten.

3 3 3. Versuchsdurchführung 3.1. Versuchsaufbau 3.2. Selbstgeführte Synchronmaschine als Elektronikmotor Zum Nachweis dafür, daß die elektronisch kommutierte Drehstrom-Synchronmaschine das Betriebsverhalten einer ankerspannungsgesteuerten, fremderregten Gleichstromkommutatormaschine besitzt, werden die stationären Belastungskennlinien des Antriebs mit verschiedenen Parameter-Änderungungen aufgenommen. Ausgangsspannungen und Ausgangsströme sind zu oszillografieren. Grundeinstellungen: 1. Pulsweitenmodulator: Dreistellungsschalter in Position "Input-B" 2. Frequenzumrichter: Mode: "Release Gate Impuls extern" "SPEED INTERN" in Mittenstellung Inbetriebnahme des Elektronikmotor-Antriebs 1. Vorbereitung Magnetpulverbremse abkoppeln (der Antrieb läßt sich so besser einstellen). Kupplungsmanschette zwischen Polradlagegeber und Motor entfernen, Polradlagegeber ohne Kupplungsmanschette wieder einbauen. Die Rändelschrauben der Platinenhalterung des Polradlagegebers lösen und ungefähr in der Mitte der Einstellschlitze wieder festdrehen. Erregergerät einschalten und Erregerstrom laut Motortypenschild einstellen, dazu unbedingt Strommesser in den Erregerkreis einschalten. Trenntransformator einschalten: Nach dem Einschalten dauert es einige Sekunden, bis die Freigabe des Frequenzumrichters erfolgt: Die Leuchtdioden zeigen den aktuellen Betriebszustand an. Die Betriebsbereitschaft wird durch die LED "RE" angezeigt. 2. Drehrichtung kontrollieren Den Einsteller "SPEED INTERN" am Frequenzumrichter ca. eine achtel Umdrehung aus der Mittelstellung heraus nach rechts drehen. Der Motor erhält damit Ankerstrom, die Motorwelle richtet sich in die vom Polradlagegeber vorgegebene Lage aus und blockiert in dieser Stellung.

4 4 Nun die Welle des Polradlagegebers von Hand langsam drehen. Die Motorwelle muß dieser Drehbewegung schrittweise folgen. Dreht der Motor in die entgegengesetzte Richtung, sind zwei Phasen des Motors zu vertauschen. Dazu ist der Trenntransformator auszuschalten! 3. Polradwinkel einstellen Stimmt die Dregrichtung, wird die Stellung der beiden Wellen zueinander markiert. Dazu markiert man beide Zahnkranzkupplungen so, daß die Markierungen auch noch bei eingesetzter Kupplungsmanschette sichtbar sind. Danach den Trenntransformator ausschalten und Motor mittels der Kupplungsmanschette verbinden, aber nicht in der markierten Neutralstellung, sondern um einen Zahn nach rechts versetzt. Den Einsteller "SPEED INTERN" in Mittelstellung bringen. 4. Anfahren Trenntrafo einschalten. Mit dem Einsteller "SPEED INTERN" wird der Antrieb zunächst in einer Drehrichtung und danach in der anderen vorsichtig angefahren. Dabei zeigt der Motor in der Regel für die beiden Drehrichtungen ein stark unterschiedliches Verhalten. In der einen Richtung dreht er schnell, in der anderen langsam und unsauber. Zur Feineinstellung des Polradwinkels wird der Motor in der langsamen Richtung betrieben. Bei laufender Maschine wird nun die Platinenhalterung des Polradgebers so verdreht, bis der Motor ein sauberes Laufverhalten aufweist (Motorstrom beachten! Er muß kleiner werden. Nicht über 2 A!). Nun wird mittels des Einstellers "SPEED INTERN" die Drehrichtung gewechselt. Die Einstellung erfolgt ebenso, wie in der anderen Laufrichtung. Entscheidendes Kriterium ist, daß beide Drehrichtungen ein in etwa gleiches Verhalten (I 1 = ca. 1,0 A, U 12 (Leiterspannung) = ca. 400 V) und Enddrehzahl (n = ca min -1 ) bei "SPEED INTERN" = max. aufweisen. Damit ist der optimale Polradwinkel gefunden. Nun kann die Magnetpulverbremse wieder angekoppelt werden. Dazu den Einsteller "SPEED INTERN" in Mittenstellung bringen und den Trenntransformator ausschalten. Anschließend die Bremse ankoppeln, Trenntrafo einschalten und mit dem Einsteller "SPEED INTERN" die Anlage anfahren. Damit ist die Inbetriebnahme beendet, der Antrieb kann nun belastet und auf sein Betriebsverhalten hin untersucht werden Motor bei konstantem Erregerstrom und veränderlicher Speisespannung 1. Halten Sie während des gesamten Versuches I f = I fn = 0,6 A konstant! 2. Stellen Sie U 12 = U 12max ein! 3. Laden Sie die Datei SM_3.2.1.asma und führen Sie die softwaregesteuerte Belastung durch! 4. Wiederholen Sie die Messungen für U 12 = 200 V! Motor bei konstanter Speisespannung und veränderlichem Erregerstrom 1. Stellen Sie U 12 = 250 V ein! 2. Stellen Sie I f = 0,4 A ein! 3. Laden Sie die Datei SM_3.2.2.asma und führen Sie die softwaregesteuerte Belastung durch! 4. Wiederholen Sie die Messungen für I f = 0,2 A! Motor bei konstanter Belastung und veränderlicher Speisespannung 1. Stellen Sie I f = 0,6 A ein! 2. Stellen Sie U 12 = U 12max ein! 3. Laden Sie die Datei SM_3.2.3.asma und stellen Sie eine Belastung von 1 Nm ein! 4. Machen Sie einen Belastungsschuss bei U 12 = U 12max, U 12 = 300 V, 250 V, 200 V, 150 V, 100 V!

5 Motor bei konstanter Belastung und veränderlichem Erregerstrom 1. Stellen Sie U 12 = 250 V ein! 2. Stellen Sie I f = 0,6 A ein! 3. Laden Sie die Datei SM_3.2.4.asma und stellen Sie eine Belastung von 1 Nm ein! 4. Machen Sie einen Belastungsschuss bei I f = 0,6 A, 0,55 A, 0,5 A, 0,45 A, 0,4 A, 0,35 A, 0,3 A, 0,25 A und 0,2 A! 6. Setzen Sie den Antrieb still und sperren Sie die Freigabe! Oszillogramme der Spannungen und Ströme mit dem DL 708 Einstellungen: 1. Stellen Sie I f = I fn = 0,6 A ein! Oszillogramm der Leiter-Leiter-Spannung 1. Schalten Sie den Trenntrafo wieder ein! 2. Oszillografieren Sie die Leiter-Leiter-Spannung und den Strangstrom I 1 für U 12 = 250 V und I 1 = 1,5 A! 3. Machen Sie eine Hardcopy 4. Entlasten Sie den Antrieb vollständig! Oszillogramme der Strangspannung und der Strangströme 1. Oszillografieren Sie die Strangspannung U 1 und I 1 für U 12 = U 12max bei I 1 = I 1min und I 1 = 1,5 A! 2. Fertigen Sie von beiden Oszillogrammen eine Hardcopy! 3. Wiederholen Sie die Messung für U 12 = 200 V jeweils für I 1 = I 1min und I 1 = 1,5 A! 4. Entlasten Sie den Antrieb vollständig und schalten Sie die gesamte Anlage spannungsfrei! 4. Versuchsauswertung 4.1. zu zu zu zu zu und Beschreiben Sie anhand der Oszillogramme die Arbeitsweise des Versuchsaufbaus! Gehen Sie auf Spannungs- und Stromkurvenform ein! Erläutern Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom eingestellten Effektivwert von U 12 und der Belastung! Ermitteln Sie jeweils die Frequenz und die maximale Amplitude der Strangspannung!

6 6 5. Literaturverzeichnis /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)