ISY/Fordonssystem LABORATION 3 Roterande elmaskiner Likströmsmaskinen med tyristorlikriktare och trefas asynkronmaskinen (Ifylles med kulspetspenna ) LABORANT: PERSONNR: DATUM: GODKÄND: (Assistentsign) Maj 2016
Innehåll 1 FÖRORD... 3 2 ENPULS TYRISTORLIKRIKTARE... 3 3 TREPULS TYRISTORLIKRIKTARE... 6 4 SEXPULS TYRISTORLIKRIKTARE... 8 5 UNDERSÖKNING AV LIKSTRÖMSMOTORNS VARVTALSKURVA... 10 5.1 KOPPLING: SHUNTMAGNETISERAD LIKSTRÖMSMOTOR... 10 5.2 MÄTNING PÅ DEN SHUNTMAGNETISERADE LIKSTRÖMSMOTORN... 10 5.3 KOPPLING: SERIEMAGNETISERAD LIKSTRÖMSMOTOR... 11 5.4 MÄTNING PÅ DEN SERIEMAGNETISERADE LIKSTRÖMSMOTORN... 11 6 ASYNKRONMOTORN... 13 6.2 ASYNKRONMASKINENS MÄRKVÄRDEN... 14 6.3 KOPPLING... 14 6.4 MÄTNINGAR... 14 6.4.1 Mätning 1: Asynkronmotorns momentkurva... 14 6.4.2 Mätning 2: Förhållandet mellan I LD och I LY... 16 6.4.3 Mätning 3: Motorns effekt, effektfaktor och verkningsgrad... 16 6.4.4 Mätning 4: Inkoppling av kondensatorbatteri... 16 7 FREKVENSOMRIKTAREN... 17 7.1 LITE TEORI... 17 7.2 UPPGIFT... 17 7.3 UPPKOPPLING... 18 7.4 INPROGRAMMERING AV DRIFTPARAMETRAR... 18 7.5 MÄTNINGAR... 19 7.5.1 Mätning 1: Sambandet mellan U och f vid frekvensreglering... 19 7.5.2 Mätning 2: Kontroll av driftparameter 213 och 310... 19 8 FÖRBEREDELSEUPPGIFTER... 37 9 BILAGA DANFOSS FREKVENSOMRIKTARE... 40 2
1 Förord Laborationen omfattar undersökning av tyristorlikriktare (enpuls, trepuls och sexpuls), likströmsmaskinen, trefas asynkronmotorn och frekvensomriktaren. För maximalt utbyte finns några förberedelseuppgifter som bör vara lösta innan labben. 2 Enpuls tyristorlikriktare En enpulslikriktare i enpulskoppling belastas resistivt av en lampa och likspänningens utseende och storlek undersöks vid olika storlek på tändvinkeln. För att studera likspänningen används en scopemeter som kan visa spänningens utseende och spänningens likriktade medelvärde. Den teoretiska beräkningen görs i förberedelseuppgift 1. Utrustning : - Styrdon - Tyristorenhet - Lampa (L) - Scopemeter (oscilloskop och voltmeter i samma instrument) Kort handledning för mätinstrumentet Scopemeter: 1. Starta Scopemeter med ON/OFF knappen. 2. Anslut en signal via den röda oscilloskopproben till kanal A. 3. Tryck på SCOPE och därefter på funktionen AUTOSET. 4. Bildskärmen visar nu en bild av signalen som är ansluten till kanal A. Upptill på skärmen visas data för amplitud, prob, tidbas och trigg. 5. Tryck på knappen METER. 6. Scopemeter antar automatiskt grundinställningen. Ingång: Kanal A Funktion: Volt med separat växel- och likspänningskomponent. 7. Skulle bilden på skärmen "fladdra" förbi kan det bero på att triggsignalen måste justeras. Tryck TRIGGER och justera med pil upp eller pil ner till höger på panelen. 3
Se till att spänningen är avstängd från vägguttaget under kopplingsarbetet! Anslut matningsspänningen och koppla in tyristorn, lampan och scopemetern (REF på styrdon i läge U F ). Låt assistenten kontrollera kopplingen. Styrdon L1 (R) L2 (S) L3 (T) N 0 o G1 N1 α 180 o A B Tyristorenhet Lampa (L) + - L1 L2 L3 N Nät 3x231 V (Från vägguttag) Scope-meter Figur 1. Enfas enpuls tyristorlikriktare Mätning: Studera spänningen över lasten (lampan) med scopemetern för olika tändvinklar. Rita oscilloskopbilden av likspänningens momentanvärde över lasten för tändvinkeln 90 o på nästa sida. Ställ in vinkeln genom att studera scopemetern och verifiera att den uppmätta medelvärdesnivån överensstämmer med resultatet i förberedelseuppgift 1. 4
Oscilloskopbild vid enpuls likriktarbrygga och 90 o tändvinkel Markera medelvärdesnivån i grafen. 5
3 Trepuls tyristorlikriktare En trepulslikriktare skall belastas resistivt enligt figur 2 nedan och scopemetern ansluts som förut. L1 L2 L3 N Styrdon 0 o α 180 o G1 N1 G2 N2 G3 N3 Tyristorenhet + u L (t) - Lampa (L) L1 L2 L3 N Nät 3x231 V (Från vägguttag) Figur 2. Trefas trepuls tyristorlikriktare Rita oscilloskopbilden av likspänningens momentanvärde över lasten för 60 o tändvinkel på nästa sida. Gradera axlarna och markera den uppmätta medelvärdesnivån i grafen. Överensstämmer mätvärdet med beräkningen i förberedelseuppgift 2? 6
Oscilloskopbild vid trepuls likriktarbrygga och 60 o tändvinkel Markera medelvärdesnivån i grafen. 7
4 Sexpuls tyristorlikriktare Kopplingen är redan förberedd och klar (riv den ej!). I denna koppling är lampan utbytt mot tre seriekopplade lampor som i figur 3 representeras av en resistor R. Varför räcker det inte med en lampa? L1 L2 L3 Styrdon G1 N1 G2 N2 G3 N3 G1 N1 G2 N2 G3 N3 A + R u (t) L - Nät 3x231 V Figur 3 Sexpuls styrd likriktare med resistiv last. Styrd likriktare Inkoppling av amperemetern är frivilligt men kan vara bra om man vill ha koll på strömmen. Anslut scopemetern över lasten som förut och börja mätningen genom att ställa in maximal tändvinkel ( 180 ) på styrdonet. Minska sedan tändvinkeln sakta till 0. Vilken maximal likspänningsnivå ger mätningen? Hur överensstämmer det uppmätta värdet med det beräknade i förberedelseuppgift 3? Rita en graf av likspänningens momentanvärde över lasten för 0 o tändvinkel. Gradera axlarna i grafen. Vad blir maximala medelvärdet av likspänningen? Beräknat: U LMAXber =...V Uppmätt: U LMAXmätt =...V 8
Oscilloskopbild vid sexpuls likriktarbrygga och 0 o tändvinkel Markera medelvärdesnivån i grafen. 9
5 Undersökning av likströmsmotorns varvtalskurva 5.1 Koppling: Shuntmagnetiserad likströmsmotor Använd redan uppkopplad trepuls likriktare och anslut motorn till denna enligt Figur 4. Observera att bromsen/generatorn redan är ansluten. Motorn är till höger och bromsen till vänster på provbänken. Shuntkopplingen är kopplingen inom den streckade fyrkanten till höger i figuren. Anslut en digital voltmeter som mäter likspänningen U från den styrda likriktaren och en amperemeter till ankarströmmen Ia. Mellan motor och broms finns en liten generator vars utspänning är direkt proportionellt mot varvtalet. Spänningen omvandlas och varvtalet visas i varv per minut (rpm) på en speciell display. Det finns även en speciell display för momentet. A1 F1 Styrdon Nät Pulsdon Styrd likriktare (Trepuls) + U - V U V Broms Moment rpm Motor A2 I a A R m F2 Märkskylt: Figur 4 Shuntmagnetiserad likströmsmotor och broms Avläs på motorns märkskylt Märkspänning: U =...V Märkström I a =... A 5.2 Mätning på den shuntmagnetiserade likströmsmotorn Ställ tändvinkeln på max ( 180 ) och slå sedan till nätspänningen. Vrid sakta upp spänningen U till cirka 150 V genom att minska tändvinkeln α. Belasta motorn med bromsen genom att minska resistansen stegvis från 0 till 9. Spänningen hålls konstant under försöket. Varför kan du inte få märkspänning? Plotta samhörande värden på varvtal n (rpm) och moment M, i grafen på sid 12. Kontrollera så att märkströmmen inte överskrids för mycket. Stäng av genom att öka 180 och slå av spänningen. tändvinkeln till max ( ) 10
5.3 Koppling: Seriemagnetiserad likströmsmotor Gör om kopplingen så att du får en seriemotor, enligt Figur 5. Seriekopplingen återfinns innanför den streckade fyrkanten till höger i figuren. Styrdon Nät Pulsdon Styrd likriktare (Trepuls) + U - V U V Broms Moment rpm D1 D2 A1 R m Motor A A2 I a Figur 5 Seriemagnetiserad likströmsmotor och broms 5.4 Mätning på den seriemagnetiserade likströmsmotorn Vid start måste seriemotorn bromsas så att inte motorn rusar. Ställ bromsen (den stora resistorn) på läge 5 och styrdonet på tändvinkeln 180. Vrid sakta upp spänningen U till cirka 150 V genom att minska tändvinkeln. Belasta motorn med bromsen och anteckna samhörande värden på varvtal n [rpm] och moment M som i föregående uppgift. Spänningen hålls konstant under försöket. Motorn kan belastas kortvarigt över märkström. Fyll i diagrammet på nästa sida och jämför med den shuntmagnetiserade likströmsmotorn. Stäng av genom att öka tändvinkeln till 180 och slå ifrån spänningen på samma sätt som förut. 11
n [rpm] Shuntmotor 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 M [Nm] n [rpm] Seriemotor 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 M [Nm] 12
6 Asynkronmotorn På bänken sitter en kortsluten trefas asynkronmotor monterad (höger sida). Motorn bromsas med hjälp av en virvelströmsbroms (vänster sida). Bromseffekten kan regleras och bromsad effekt, moment och varvtal kan avläsas. Med hjälp av wattmetrar (tvåwattmetermetoden) mäts motorns tillförda effekt, spänning och ström. Med en Y/Domkopplare som har 6 statoruttag (S1 S6) kan man koppla om statorlindningarna till Yrespektive D-koppling. Broms Reglering av bromseffekt, avläsning av moment och varvtal Figur 6 Trefas släpringad asynkronmotor med virvelströmsbroms. 13
6.2 Asynkronmaskinens märkvärden Läs av och anteckna de märkdata som står angivna på asynkronmotorns märkskylt Avgiven märkeffekt: Märkvarvtal: Matningsspänning: Märkström vid D-kopplad stator: Beräkna sedan märkmomentet: P 2a = kw n 2 =. rpm U H = V I L =..A M M =...Nm 6.3 Koppling Uppkopplingen till asynkronmotorn är förberedd enligt Figur 6 6.4 Mätningar 6.4.1 Mätning 1: Asynkronmotorns momentkurva Se till att bromsen inte belastar motorn och att Y/D-omkopplaren är i D-läget innan motorn startas. Nollställ momentangivelsen på bromsens styrenhet. Starta genom att vrida upp spänningen med hjälp av spänningsaggregatet. Tips: Om motorns trilskas, öka spänningen till cirka 50 V och vrid/rotera axeln lite med handen så orkar motorn igång. Öka successivt spänningen till dess motorns märkspänning uppnås. Belasta motorn stegvis. Börja till exempel med att öka belastningen tills dess märkström erhålls. Minska sedan belastningen i lagom långa steg tills motorn är obelastad. Kontrollera så att märkspänningen hålls konstant. Anteckna ström, moment och varvtal vid de olika stegen i Tabell 1 och markera punkterna i Figur 7. Stäng av motorn genom att minska spänningen från spänningsaggregatet när motorn är obelastad. Av vilken anledning kan inte hela momentkurvan plottas? 14
Tabell 1 U H [V] I [A] M [Nm] n 2 [rpm] 220 220 220 220 220 M [Nm] 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 n [rpm] 1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450 1460 1470 1480 1490 1500 Figur 7 Asynkronmotorns momentkurva med D-kopplad stator. 15
6.4.2 Mätning 2: Förhållandet mellan I LD och I LY Y-koppla nu motorns stator. Håll fast rotorn med ena handen och öka spänningen sakta till 50 V. Avläs sedan strömmen I LY =...A Gör sedan om försöket med D-kopplad stator I LD =...A Vilket förhållande råder mellan linjeströmmarna vid I LD och I LY? Stämmer teorin? Kommentar:. 6.4.3 Mätning 3: Motorns effekt, effektfaktor och verkningsgrad Tillförd effekt mäts med hjälp av tvåwattmetermetoden enligt kopplingsschemat i Figur 6. Starta motorn D-kopplad och vrid upp spänningen till märkspänning. Belasta motorn med ett moment så att märkström erhålls (kondensatorerna på noll). Avläs M och n 2 och kontrollera om det stämmer med märkdata M =...... Nm n 2 =..... rpm Beräkna avgiven effekt P 2a =... Avläs wattmetrarna P I och P II. Beräkna effektfaktorn för motorn P I =......W P II =......W cosϕ M =... Beräkna verkningsgraden η för motorn η =.... 6.4.4 Mätning 4: Inkoppling av kondensatorbatteri Koppla in kondensatorerna så att fullständig faskompensering (cosϕ 1 = 1) erhålls. Enligt teorin ska wattmetrarna då visa lika mycket ty Q = 3 ( P II P I ). Vad händer med strömmen respektive varvtalet när man faskompenserar? 16
7 Frekvensomriktaren 7.1 Lite teori Varvtalsstyrning av asynkronmaskinen kan ske på olika sätt såsom ändring av eftersläpningen, ändring av poltalet eller ändring av frekvensen. I denna laboration får du bekanta dig med varvtalsstyrning genom frekvensreglering. Vid ändring av frekvens behövs en elektronisk frekvensomriktare. På labbet finns en frekvensomriktare av märket Danfoss. Denna finns beskriven i ett utdrag som bifogats. Enligt teorin så är spänningen U proportionell mot frekvensen f, vilket ger konstant flöde. (Se kompendiet.) Därför måste också spänningen minskas om frekvensen minskas så att: U = k f (k = konstant) Frekvensomriktaren begränsar på elektronisk väg strömstyrkan så att inställd strömgräns aldrig överskrids. Därmed får man också en automatisk startströmbegränsning. Omriktaren är så konstruerad att U/f är konstant upp till nätfrekvensen. Detta innebär att konstant moment kan tas ut över hela frekvensområdet, se Figur 8. Vid frekvenser högre än nätfrekvensen är U konstant, dvs uttagbart moment minskar med ökande frekvens (konstant effekt). Varje frekvensvärde ger då en momentkurva enligt Figur 8. M U / f = konstant U = konstant n 1 n (f 60) Figur 8 Asynkronmaskinens moment-varvtalskarakteristik vid frekvensreglering 7.2 Uppgift Inställning av driftparametrar hos en frekvensomriktare, samt mätningar på omriktaren vid drift av en kortsluten asynkronmotor. Omriktaren beskrivs i detalj i en komplett bruksanvisning som finns tillgänglig på laborationsplatsen. För att ge möjlighet att förbereda laborationen är ett utdrag ur denna bifogad i detta PM. 17
7.3 Uppkoppling Frekvensomriktaren ansluts till 3-fasnätet via kopplingssladdar från plintuttaget. Se till att spänningen är avslagen! Anslut frekvensomriktaren till asynkronmotorn (D-kopplad stator och kortsluten rotor). 7.4 Inprogrammering av driftparametrar Frekvensomformaren har menyer med flera parametrar som kan användas för styrning av motorn. Parametrarna är indelade i 7 grupper (grupperna 0 till 6). Grupperna 4 till 6 används inte här. Vid laborationen ska ett urval driftparametrar inställas enligt nedanstående sammanställning (förberedelseuppgift 6): Grupp Driftparameter Inställning 000... eget val... 003... lokal 004... 50 Hz 005... 100 006... ENABLE (medges) 007... ENABLE (medges) 008... ENABLE (medges) 009... ENABLE (medges) 010... ENABLE (medges) 103... se motorns märkskylt... 104... se motorns märkskylt... 105... se motorns märkskylt... 107... se motorns märkskylt:... (D-kopplad motor) 109... 5 volt 200... 120 Hz 201... 0 Hz 202... 50 Hz 214... linjär 215... 20 sekunder 216... 10 sekunder 310... 1 sekund 18
7.5 Mätningar 7.5.1 Mätning 1: Sambandet mellan U och f vid frekvensreglering Provkör frekvensomriktaren genom att trycka på START. Kontrollera under körning att parameter 112 står på 0. Vad innebär parameter 112?... Tag upp sambandet mellan inställd frekvens och utspänning för omriktaren i frekvensområdet 0 till 80 Hz. Utspänningen visas överst på displayen och frekvensen styrs lokalt med parameter 004 och visas underst på displayen. Stega i intervall om t.ex. 10 Hz. Anteckna sambandet mellan spänning och frekvens och rita U = f ( f ) i ett diagram. 7.5.2 Mätning 2: Kontroll av driftparameter 213 och 310 Ändra värdet till märkström för parameter 209 och 3 sekunder för parameter 310. Starta motorn och belasta den till över märkström. Vad händer och varför? 19
8 Förberedelseuppgifter 1. Rita ett schema för en enpuls tyristorlikriktare samt skissa utspänningens utseende vid resistiv last och vid tändvinkeln 90 o. Beräkna spänningens medelvärde när likriktaren är ansluten till fasspänningen 133 V, 50 Hz. 2. Rita ett schema för en trepuls tyristorlikriktare samt skissa utspänningens utseende vid resistiv last och vid tändvinkeln 60 o. Beräkna spänningens medelvärde när likriktaren är ansluten till fasspänningen 133 V, 50 Hz. 37
3. Beräkna medelvärdet U L för en sexpulskoppling med tyristorer om tändvinkeln α = 0 o och huvudspänningen 231 V, 50 Hz. För in värdet på sid 8. 4. Rita i samma diagram f ( M ) n = (varvtalskarakteristik) för en separatmagnetiserad och en seriemagnetiserad likströmsmaskin. Ange i diagrammet vilken kurva som gäller för respektive motor. 38
5. Mätning av trefaseffekt till asynkronmotor kan göras med tvåwattmetermetoden. Wattmetern i fas 1 ger effekten P I och wattmetern i fas 3 ger effekten P II. a) Rita en skiss på wattmetrarnas inkoppling b) Hur beräknas tillförd effekt till asynkronmotorn uttryckt i P I och P II? P tot =... c) Avgiven effekt kan beräknas med hjälp av moment och varvtal med formeln P 2a =... d) Effektfaktorn cosϕ M för motorn uttryckt i P I och P II cosϕ M =.. 6. Med ledning av bilagan till frekvensomriktaren ska du på sidan 18 fylla i alla driftparametrars namn som ska användas i laborationen och eventuellt göra ett eget val till några av parametrarna. 39
9 Bilaga Danfoss frekvensomriktare 40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56