TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 5 - Likströmsmaskinen

Relevanta dokument
Elektriska drivsystem Föreläsning 5 - Likströmsmaskinen

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 4 - Grundläggande principer för elmaskiner

Elektriska drivsystem Föreläsning 4 - Introduktion av roterande maskiner

Fö 7 - TSFS11 Energitekniska system Likströmsmaskinen

Fö 5 - TMEI01 Elkraftteknik Likströmsmaskinen

Elektromekaniska energiomvandlare (Kap 7) Likströmsmaskinen (Kap 8)

Lösningsförslag/facit Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 19 aug, 2011, kl

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Elektromekaniska energiomvandlare (Kap 7) Likströmsmaskinen (Kap 8)

Elektromekaniska energiomvandlare, speciellt likströmsmaskinen (relevanta delar av kap 7)

Elektriska drivsystem Föreläsning 10 - Styrning av induktions/asynkorn-motorn

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 7 - Synkronmaskinen

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Lösningsförslag/facit till Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 11 mars, 2013, kl

Elektriska drivsystem Föreläsning 10 - Styrning av asynkornmotorn

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

5. Kretsmodell för likströmsmaskinen som även inkluderar lindningen resistans RA.

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Fö 4 - TMEI01 Elkraftteknik Trefastransformatorn Introduktion till Likströmsmaskinen

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Några övningar som kan vara bra att börja med

Fö 6 - TMEI01 Elkraftteknik Asynkronmaskinen

Elektriska drivsystem Föreläsning 2 - Transformatorer

Elektriska drivsystem Föreläsning 3 - Elektromekaniska omvandlingsprinciper

Elektromagnetism. Kapitel , 18.4 (fram till ex 18.8)

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Fö 4 - TMEI01 Elkraftteknik Trefastransformatorn Introduktion till Likströmsmaskinen

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 2 - Trefassystem och transformatorn

Lösningsförslag/facit till Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 5 mars, 2012, kl

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Asynkronmotorn. Industriell Elektroteknik och Automation

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 9 - Induktions/Asynkron-maskinen

Fö 7 - TMEI01 Elkraftteknik Asynkronmaskinen & Synkronmaskinen

LABORATION 2. Likströmsmaskinen och trefas kraftöverföring

Bra tabell i ert formelblad

Laborationsrapport. Kurs Elkraftteknik. Lab nr 3 vers 3.0. Laborationens namn Likströmsmotorn. Kommentarer. Utförd den. Godkänd den.

Laboration 2: Konstruktion av asynkronmotor

Asynkronmotorn. Den vanligaste motorn i industrin Alla effektklasser, från watt till megawatt Typiska användningsområden

WORKSHOP: EFFEKTIVITET OCH ENERGIOMVANDLING

Elektricitet och magnetism. Elektromagneter

Fö 7 - TMEI01 Elkraftteknik Asynkronmaskinen

Laboration 2 Likströmsmotorn

Asynkronmotorn. Asynkronmotorn. Den vanligaste motorn i industrin Alla effektklasser, från watt till megawatt Typiska användningsområden

Permanentmagnetiserad synkronmotor. Industriell Elektroteknik och Automation

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

2.7 Virvelströmmar. Om ledaren är i rörelse kommer den att bromsas in, eftersom det inducerade magnetfältet och det yttre fältet är motsatt riktade.

Motorprincipen. William Sandqvist

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

Elektriska drivsystem, 6-8 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

Roterande elmaskiner

Rättningstiden är i normalfall 15 arbetsdagar, till detta tillkommer upp till 5 arbetsdagar för administration.

4 Elektriska maskiner och kraftelektronik

Likströmsmotorns ankarlindning och kommutator

Elektriska drivsystem Föreläsning 9 - Induktions/Asynkron-maskinen

4. Elektromagnetisk svängningskrets

Linköpings tekniska högskola, ISY, Fordonssystem. Formelsamling Elektriska drivsystem TSFS04

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Sensorer, effektorer och fysik. Grundläggande fysikaliska begrepp som är viktiga inom mättekniken

Automation Laboration: Reglering av DC-servo

LNB727, Transformatorn. Jimmy Ehnberg, Examinator Avd. för Elkraftteknik Inst. för Elektroteknik

LABORATION 2 MAGNETISKA FÄLT

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

Kandidatprogrammet FK VT09 DEMONSTRATIONER MAGNETISM I. Det magnetiska fältet Örsteds försök Lorentzkraften Enkel motor

BILENS ELFÖRSÖRJNING. DEL 2: GENERATORN

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Roterande elmaskiner Likströmsmaskinen, trefas asynkronmaskinen och förevisning synkronmaskinen

Linköpings tekniska högskola, ISY, Fordonssystem. Lektionskompendium Elektriska drivsystem TSFS04

EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM. SYNK: Synkronmaskinen

Likströmsmotorer har funnits

Nikolai Tesla och övergången till växelström

Fö 4 - TSFS11 Energitekniska system Enfastransformatorn

X-tenta ET Figur 1. Blockschema för modell av det nordiska kraftsystemets frekvensdynamik utan reglering.

Rep. Kap. 27 som behandlade kraften på en laddningar från ett B-fält.

Fö 8 - TSFS11 Energitekniska System Asynkronmaskinen

Fö 1 - TMEI01 Elkraftteknik Trefassystemet

Laboration 1 Elektromekaniska omvandlingsprinciper

Roterande elmaskiner

Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

ARCUS i praktiken. Praktikfall: Mätningar på trefasmotorer på bänk.

Möjligt att el alergiker skulle bli lungnare också. Påverkar växlande magnetfält kroppen? Det har diskuterats länge.

Fö 4 - TSFS11 Energitekniska system Enfastransformatorn

Elektriska drivsystem Föreläsning 7 - Synkronmaskinen

En elmotor kan användas för att rotera svetsvertyget. Elmotorer delas in i två grupper, DC-motorer och AC-motorer.

Svar och anvisningar

Tentamen Elenergiteknik

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Elektricitetslära och magnetism - 1FY808. Lab 3 och Lab 4

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

EN ÖVERSIKT AV ELMOTORER

Tentamen i Elkraftteknik 3p

Tentamen på del 1 i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Tentamen den 9 januari 2002 Elkraftteknik och kraftelektronik TEL202

OMRIKTARTEKNOLOGI, LITTERATURINFORMATION


Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Tentamen i El- och vågrörelselära,

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Transkript:

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 5 - Likströmsmaskinen Andreas Thomasson Institutionen för systemteknik Linköpings universitet andreas.thomasson@liu.se 2018-01-29 1 / 50

Dagens föreläsning 1. Introduktion till likströmsmaskinen 2. MMK och luftgapsflöde 3. Moment 4. Inducerad spänning 5. Elektromekanisk energiomvandling 6. Grundläggande om magnetisering 7. Olika typer av likströmsmaskiner 8. Modellering och karakterisering 9. Magnetisering, en andra gång 10. Fältjusteringar 2 / 50

Introduktion till likströmsmaskinen 3 / 50

Likströmsmaskinen Likströmsmaskinens popularitet beror bland annat på: högt startmoment olika moment-varvtals karaktäristiker kan erhållas genom val av magnetisering enkel varvtalsstyrning utveckling av effektiva likriktare batteridrivna system Nackdelar i konkurrensen med andra typer av elmaskiner: förhållandevis komplicerade och därmed dyra kommutatorer kräver underhåll, även om kommutatorteknologi på senare år utvecklats idag kan även växelströmsmaskiner styras enkelt med hjälp av kraftelektronik 4 / 50

Konstruktionsprinciper I a Tväraxel quadrature q-riktning I a Borst Rotorlindning, ankarlindning Huvudpol Fältlindning I f Längsaxel direct (d-riktning) I f Kompensationslindning Kommuteringspol 5 / 50

Likströmsmaskinens funktionsprincip I statorn skapas ett fält i längs-/direkt-axelriktningen. I rotorn skapar ett fält i tvär-/kvadratur-axelriktningen. Moment skapas genom fältens vinkelskillnad. 6 / 50

Likströmsmaskinens lindningar Statorflödet som kallas för huvudflödet skapas med likström, statorlindningen är alltså fältlindning. Rotorflödet hålls fixt i rummet mha kommutering. I rotorns lindningar flyter kommuterad likström, dvs växelström, rotorlindningen är alltså ankarlindning. 7 / 50

Laminering Fältet i statorn är konstant, statorn behöver inte lamineras. Fältet i rotorn roterar relativt rotorn (stålet), rotorn måste vara laminerad. 8 / 50

Ankarlindning och kommutering (a) Strömmen tar följande vägar (i = inner,y = ytter): 1-1i-7y-2i-8y-3i-9y-4i-10y-5i- 11y-6i-12y-7 1-6y-12i-5y-11i-4y-10i-3y-9i- 2y-8i-1y-7i-7 (b) Vid kommutering: (1-1i-7y-2) 2-2i-8y-3i-9y-4i- 10y-5i-11y-6i-12y-7 1-6y-12i-5y-11i-4y-10i-3y-9i- 2y-8i-8 (8-1y-7i-7) Antalet ledningar C a = 24, parallella kopplingar m = 2, N a = Ca 2m = 6, strömmen går 6 varv genom rotorn. 9 / 50

MMK och luftgapsflöde 10 / 50

Huvudfältets fördelning Tvåpolig likströmsmotor då rotorströmmen är 0: Radiell magnetisk flödestäthet samt inducerad spänning i ankarlindningen vid generatordrift. Vi kommer att anta en sinusformad fördelning för huvudflödet. 11 / 50

MMK-fördelningen genererad av ankarlindningarna Tvärsnittet av en tvåpolig likströmsmaskin. Anta att varje spole har N c varv och att strömmen är i c. MMK:n är sågtandsformad med amplituden (F ag ) peak = 6N c i c 12 / 50

Grundton för mmk:n genererad av rotorlindningarna Låt N a = C a /(2m) vara antalet seriekopplade varv i rotorn och i a ankarströmmen då gäller att: ( ) Na (F ag ) peak = i a p Grundtonen är F ag1 = (F ag1 ) peak cos θ a där: (F ag1 ) peak = 8 π 2 ( Na p ) i a 13 / 50

Moment 14 / 50

Moment Eftersom mmk-vågorna approximeras med sinusfördelningar gäller: T = p 2 =A cyl {}}{ Dπl 2 B sr F r sin δ r Om vi antar att huvudflödet dominerar B sr så är det resulterande fältet och rotorfältet ortogonala, dvs sin δ r = 1 ger att T mech = p 2 A cyl 2 B peak(f ag1 ) peak Ett kompakt uttryck kan härledas om B peak uttrycks i det magnetiska flödet/pol Φ d i direktaxelriktningen samt att (F ag1 ) peak uttrycks i strömmen i a. 15 / 50

Moment T mech = p 2 A cyl 2 B peak(f ag1 ) peak Flödet kan beräknas enligt (sinusformad): Φ d = B da = medeltäthet area = 2 π B A cyl peak p polyta Mmk:n uttryckt i i a (sågtand) (F ag1 ) peak = 8 π 2 ( Na p ) i a, N a = C a 2m där C a är antalet ledare i ankarlindningen, m antalet parallellkopplade ledare. Substitution ger: T mech = pc a Φ d i a } 2πm {{} =:K a 16 / 50

Inducerad spänning 17 / 50

Inducerad spänning Spänning över rotorlindningen vid generatordrift. Anta sinusformad flödesfördelning i luftgapet. Minns att den inducerade spänningen är: e a = ω me NΦ p sin(ω me t) Efter likriktning kan medelspänningen beräknas som E a = 1 π π 0 ω me NΦ p sin(ω me t) d(ω me t) = 2 π ω menφ p 18 / 50

Inducerad spänning Spänningen kan skrivas som E a = 2 π N aω me Φ d = /ω me = p 2 ω m, N a = C a 2m / = = pc a π2m ω mφ d = K a Φ d ω m Ju fler kommutatorsegment desto mindre rippel. 19 / 50

Elektromekanisk energiomvandling 20 / 50

Elektromekanisk energiomvandling Från huvudsambanden T mech = K a Φ d I a E a = K a Φ d ω m fås P elec = E a I a = T mech ω m = P mech dvs sambanden modellerar en förlustfri ideal maskin. 21 / 50

Grundläggande om magnetisering 22 / 50

Magnetiska huvudflödet I grundsambanden T mech = K a Φ d i a e a = K a Φ d ω m ingår det magnetiska flödet Φ d längs direktaxeln. Vi kommer tillsvidare anta att bara fältlindningen bidrar till Φ d. Om stålets reluktans är försumbart (stålet är omättat) så gäller att Φ d = R 1 d Nf i f Då mättningsfenomen är betydande används så kallade magnetiseringskurvor. 23 / 50

Magnetiseringskurvor Att kurvorna inte börjar i origo beror på remanent magnetisering. Den streckade linjen tar inte hänsyn till mättning. Eftersom e a = K a Φ d ω m är lätt att mäta anges magnetiseringskurvan ofta som i (b) eller (c) för ett givet ω m0. 24 / 50

Beräkning av den inducerade spänningen Uppgift: Givet magnetiseringsströmmen i f och vinkelhastigheten ω m vad blir den inducerade spänningen e a? Lösning: e a = K a Φ d (i f )ω m Elimination av K a Φ d (i f ) ger e a (i f, ω m ) = e a0 (i f ) ω m ω m0 e a0 (i f ) = K a Φ d (i f )ω m0 25 / 50

Olika typer av likströmsmaskiner 26 / 50

Elektriskt exciterade likströmsmaskiner Olika kopplingar för att excitera likströmsmaskinen. (a) separatmagnetiserad (c) shuntmagnetiserad (b) seriemagnetiserad (d) kompoundmagnetiserad 27 / 50

Permanentmagnetiserade likströmsmaskiner Ett tvärsnitt av en typisk PM likströmsmotor. Fältlindningen utbytt mot PM. Höljet fungerar som magnetisk ledare. Tillskillnad från andra likströmsmaskiner har PM likströmsmaskiner typiskt en cylindrisk insida på statorn. 28 / 50

Modellering och karakterisering 29 / 50

Modellering av elektriskt exciterade maskiner Modellen inkluderar alla nämnda typer av elektriskt exciterade maskiner. Ekvationerna för motordrift: T mech = K a Φ d I a E a = K a Φ d ω m K a = pc a 2πm V a = E a + I a R a V t = E a + I a (R a + R s ) V t = I f R f I L = I a + I f R a ska tolkas som lindningsresistans plus spänningsfall över borst och R f som lindningsresistansen plus potentiometerns resistans. 30 / 50

Modellering av permanentmagnetiserade likströmsmaskiner Eftersom Φ d är konstant bakas den ihop med K a enligt K m = K a Φ d som kallas för momentkonstanten. Modellen kan då sammanfattas: E a = K m ω m T mech = K m I a V t = E a + I a R a 31 / 50

Hastighet-momentkarakteristik för likströmsmotorer Separat/shunt/PM-magnetiserad motor. Beräkna ω m (T mech ) då fältström I f och spänning över motorn V t är fixa: V t = E a + I a R a E a = K a Φ d ω m T mech = K a Φ d I a Elimination av E a och I a ger: V t = K a Φ d ω m + R a T mech ω m = 1 (V t R a T mech ) K a Φ d K a Φ d K a Φ d Hastigheten avtar linjärt med ökat moment. 32 / 50

Hastighet-momentkarakteristik för likströmsmotorer Antag konstant spänning över motorn, dvs V t är fixt som förut. Shuntmotorn: Konstant varvtal oberoende av belastning. Enkel varvtalsstyrning mha potentiometer i shuntkretsen. 33 / 50

Hastighet-momentkarakteristik för likströmsmotorer Antag konstant spänning över motorn, dvs V t är fixt som förut. Seriemotorn: Stort startmoment. (T I 2 a, V t = I a (R a + R s ) + E a, E a = 0) Överbelastning av moment leder till fartsänkning, dvs en naturlig begränsning i effektöverbelastning. Övervarvar vid låg belastning. 34 / 50

Hastighet-momentkarakteristik för likströmsmotorer Antag konstant spänning över motorn, dvs V t är fixt som förut. Kompoundmotorn: (medkompounderad = magnetfälten i lindningarna samverkar) Mellanting mellan shunt och seriemotor. Stort startmoment. Övervarvar ej vid låg belastning. 35 / 50

Likströmsmaskinen - exempel Givet: En 25 kw 125 V permanentmagnetiserad likströmsmaskin gör 3000 varv/min då terminalspänningen V t = 128 V. Den inducerade spänningen är E a = 125 V och ankarlindningens resistans R a = 0.02Ω. Sökt: Ankarlindningens ström I a, den tillförd effekten P input, den elektromekaniska effekten P elec = P mech och momentet T mech. Lösning: Maskinen körs som motor ty V t > E a. Strömmen och den tillförda effekten är: I a = V t E a R a = 150 A P input = V t I a = 19.2 kw Den elektromagnetiska effekten och momentet är P elec = P mech = E a I a = 18.75 kw T mech = P mech ω m = 59.7 Nm 36 / 50

Likströmsmaskinen - exempel Givet: Samma 25 kw 125 V permanentmagnetiserade maskin ger E a0 = 125 V vid n 0 = 3000 varv/min. R a = 0.02Ω. Anta motordrift med V t = 123 V och P input = 21.9kW. Sökt: Vilket varvtal n får motorn? Lösning: Ankarströmmen ges av: I a = P input V t = 178 A Inducerade spänningen i ankarlindningen blir Hastigheten ges av ( ) Ea n = n 0 E a0 E a = V t I a R a = 119.4 V = 2866 varv/min 37 / 50

Magnetisering, en andra gång 38 / 50

Magnetisering, en andra gång Magnetisering skapas i huvudsak av fältlindningarna. Huvudflödet bör ligga i längsaxeln. Vid belastning flödar en ankarström som förstör huvudflödet genom vridning och försvagning. Detta kallas ankarreaktion. 39 / 50

Ankarlindningens fältlinjer Fältlinjerna då endast ankarlindningen exciteras. Ökar flödesintensiteten på ena sidan och minskar den på motsatta sidan av polskon. Ökningen ger upphov till att magnetisk mättning uppstår tidigare och detta reducerar alltså huvudflödet möjligheter att passera. 40 / 50

Magnetfältets rumsfördelning Ankar- och huvud-fält och den resulterande flödestätheten. 41 / 50

Undvika avmagnetisering Maskiner går alltid nära mättning. Detta fenomen påverkar prestanda signifikant. Optimum då endast huvudflödet passerar luftgapet. Det betyder att huvudfältet ska vara starkare än ankarfältet. Reluktansen för ankarfältet kan görs stor genom att runda av polskorna. Bäst är att införa kompensationslindningar, men också dyrast. Vi återkommer till detta senare. 42 / 50

Magnetiseringskurvan/mappen De fyra heldragna kurvorna är magnetiseringskurvorna för respektive ankarström. Ankarströmmens fält ökar effekten av mättning (avmagnetisering). Shunt-ekviv. ström: Serielindning: N s, I s Shuntlindning: N f, I f Magnetiseringen ges av den shunt-ekvivalenta strömmen: I net = I f + N s N f I s 43 / 50

Beräkning av den inducerade spänningen Den inducerade spänningen ges av E a (I net, I a, ω m ) = E a0 (I net, I a ) ω m ω m0 44 / 50

Likströmsmaskinen - exempel Givet: En shuntkopplad likströmsmotor har magnetiseringskurvan på sidan innan och V t = 250 V. R a = 0.025Ω. Tomgångsförlusten är P 0 = 2kW och belastningsförlusten P B = 0.01P output. Potentiometern är inställd så att tomgångshastigheten är n = 1100 rpm. Sökt: a) Vilket varvtal n och uteffekt P output får motorn om ankarströmmen är I a = 400 A? b) En stabiliserande seriekopplad lindning bestående av 1.5 varv/pol kopplas in. Shuntlindningen har 1000 varv/pol. Beräkna åter varvtal och uteffekt då ankarströmmen är I a = 400 A. 45 / 50

Fältjusteringar 46 / 50

Fältjusteringar Avancerade likströmsmaskiner har: Kompensationslindning för att reducera avmagnetiseringen, dvs minimera ankarlindningens bidrag till flödet i luftgapet. Kommuteringspoler med lindningar för att omrikta strömmen i spolarna vid kommutering. Båda lindningarna är seriekopplade med ankarlindningen. huvudfält + ankarfält + kommutatorfält + kompensationsfält = huvudfält (förutom vid kommuteringszonen) 47 / 50

Att ta med sig från föreläsningen 48 / 50

Att ta med sig från föreläsningen Likströmsmaskinen är komplicerad i sin konstruktion men enkel att reglera. Maskintyper: serie, shunt, kompound, separat, permanentmagnetiserade. Olika typer har olika karaktäristik som kan utnyttjas vi val av motor. Enkla analytiska samband: T mech = K a Φ d I a E a = K a Φ d ω m Magnetiseringskurva 49 / 50

Sammanfattnig Magnetiska samband: T mech = K a Φ d I a E a = K a Φ d ω m För magn. linjärt system Φ d I f resp. för pm motorer gäller: T mech = K f I f I a E a = K f I f ω m T mech = K m I a E a = K m ω m Magnetiseringskurvan ger: E a = ω m ω m0 E a0 (I f,net, I a ) = K a Φ d (I f,net, I a )ω m där den shunt-ekviv. strömmen I f,net = I f,shunt + N serie N shunt I f,serie. Elektriska samband för rotor resp. stator: Effektsamband: V a = R a I a + E a V f = R f I f P mech = T mech ω m = E a I a = P elec 50 / 50