Elektroteknikens grunder Laboration 2 Likströmsmaskinen Kraftelektronik
Elektroteknikens grunder Laboration 2 1 Förberedelser Läs om kraftelektronik och motorstyrning avsnitt 12.6 i boken samt http://iea.lth.se/etg/extra/kraftelektronik.pdf. Se även presentationen på hemsidan från föreläsningen som behandlar likströmsmaskinen. Läs igenom vad du ska göra under laborationen samt gör nedanstående förberedelseuppgifter. FU 1. En nedspänningsomvandlare med RL-last matas med en likspänning på 12V. Omvandlaren drivs med en switchfrekvens på 1 khz och en pulskvot (duty-cycle) på 0,25. Skissa spänning över lasten samt ström genom lasten. FU 2. Beskriv sambanden mellan moment, ström, flöde, inducerad spänning samt varvtal för en likströmsmaskin. FU 3. En likströmsmotor ska bromsas elektriskt. Hur ska klämspänningen (matningsspänningen) förhålla sig till inducerad spänning? Vilken strömriktning ger detta upphov till? FU 4. Beskriv sambandet mellan spänning, frekvens och flöde i en asynkronmaskin. FU 5. Man önskar variera varvtalet på en asynkronmotor. Hur gör man? Mål Du skall i denna laboration studera likströmsmaskinen samt de kraftelektroniska komponenterna med tillhörande styrning som används för att omvandla likspänning till likspänning omvandla likspänning till växelspänning styra varvtalet på en asynkronmotor Utrustningen Kraftelektroniken Utrustningen består av en trefasig brygga med IGBT-transistorer samt en microcontroller som sköter styrningen (till och frånslag) av transistorerna, se Figur 1. Utrustningen är tillverkad för lab-ändamål men innehåller samma komponenter som en kommersiell frekvensomriktare för t.ex. motorstyrning. De viktigaste komponenterna är den trefasiga transistorbryggan bestående av 6 transistorer och 6 frihjulsdioder samt microcontrollern som sköter styrningen av transistorerna. Transistorbryggan är monterad under kylflänsen som syns mitt på kraftelektronikkortet i Figur 1. Microcontrollern återfinns mitt på styrkortet.
Elektroteknikens grunder Laboration 2 2 Styrkort Kraftelektronik Anslutningar Figur 1 Styrelektronik och kraftelektronik med två potentiometrar, vippbrytare och vridomkopplare i rad nederst på styrkortet. De små anslutningarna på anslutningsplattan är mätpunkter. Eftersom det är en brygga med 6 transistorer och 6 dioder kan denna uppställning användas både som 1-kvadrant, 2-kvadrant och 4-kvadrant omvandlare genom att variera antalet komponenter som är i drift. Vilka komponenter som används, dvs vilken sorts omvandlare det handlar om, väljs med vridomkopplaren på styrkortet enligt tabellen i Appendix 1. Switchad omvandlare För att variera spänningen ut från omvandlaren hackas inspänningen, dvs spänningen slås till och från snabbt (switchas), se Figur 2. Genom att hålla konstant periodtid (T) på switchningen och variera tiden som spänningen är till (t p ) kan medelspänningen varieras. Switchfrekvensen definieras som 1/T. Figur 2 Switchad spänning. Genom att ändra tiden t p kan utspänningens medelvärde U UT,medel varieras mellan noll t p t och U dc enligt UUT, medel = U dc Förhållandet p kallas pulskvot eller duty-cycle. T T Belastning I den första uppgiften ska en glödlampa i serie med en induktans anslutas till omvandlarens utgång och därmed användas som belastning. Genom att styra
Elektroteknikens grunder Laboration 2 3 pulsbredden på omvandlarens utgångsspänning, dvs variera medelspänningen, kan glödlampans ljusintensitet varieras. I de följande uppgifterna ska glödlampan och induktansen bytas ut mot en likströmsmotor, se Figur 3, vilken därmed fungerar som belastning på omvandlarens utgång. Förutom att motorns axel roterar är även motorns stator upphängd så att denna kan rotera kring axeln. Detta innebär att om man bromsar på motoraxeln kommer statorn att vridas i en riktning motsatt axelns rotationsriktning. Statorn är försedd med en 100 mm lång hävarm och kopplad till en dynamometer vilket innebär att motorns moment kan uppmätas. För att mäta motorns varvtal är en tachogenerator kopplad till motoraxeln via en rem. Techongeneratorn är princip en likströmsgenerator som ger en utspänning proportionell mot varvtalet, i detta fall 3.9 V/1000rpm. Figur 3 Likströmsmotor dynamometer och tachogenerator. Mätutrustning Ett digitalt oscilloskop används för att mäta ström och spänning i omvandlaren. Spänningen mäts med hjälp av en differentialprob. Denna har två anslutningssladdar och mäter spänningen mellan dessa. Detta gör att de två kanalerna på oscilloskopet har oberoende jordanslutningar (till skillnad från Lab 1). I omvandlaren finns inbyggt en krets för strömmätning vilken lämnar en spänning som är proportionell mot strömmen, u mät = k i + 2. 5V. U mät mäts med en 10x oscilloskopprob som ansluts till mätpunkterna i a respektive i dc.
Elektroteknikens grunder Laboration 2 4 DC/DC omvandling Den första delen av laborationen behandlar DC/DC-omvandling med en nedspänningsomvandlare. Denna används för att reglera ljusintensiteten hos en glödlampa samt för att styra en likströmsmotor. Pulsbreddsmodulering av induktiv last, 1-kvadrant I denna uppgift undersöks hur ljusintensiteten hos en glödlampa kan styras med hjälp av en pulsbreddsmodulerad (PWM Pulse Width Modulated) spänning. Figur 4 1-kvadrant nedspänningsomvandlare med induktiv last. Matningsspänning ansluts till vänster. Vänta med att ansluta matningsspänningen. En glödlampa i serie med en induktans kopplas in som last till nedspänningsomvandlaren enligt Figur 4. De skuggade komponenterna i figuren finns men används inte i denna uppkoppling. Kopplingen ser uppochnervänd ut jämfört med figuren som presenterats på föreläsningen och får motsatt strömriktning genom lasten, men är i övrigt helt jämförbar. Ställ omkopplaren på styrkortet i läge 1. Potentiometern POT1 ändrar nu omvandlarens utspänning medan POT2 används för att variera switchfrekvensen. Anslut 12 V matningsspänning och starta switchningen med START/STOPP omkopplaren. Mät med hjälp av oscilloskop och differentialprob spänningen över lasten (glödlampa + induktans). Mät även strömmen till lasten. Strömmätning sker med en x10 oscilloskopsprob ansluten till mätuttaget märkt i a. Justera switchfrekvensen till 2 khz med hjälp av POT2. Studera spänningen över lasten och lastström i a vid några olika pulskvoter (0, 25, 50, 75, 100%) Variera switchfrekvensen. Hur påverkas strömripplet?
Elektroteknikens grunder Laboration 2 5 Mät även transistorströmmen, i dc i Figur 4. Skissa i Figur 5 utseendet på spänningen över lasten, lastström samt transistorström vid 50% pulskvot och 2 khz switchfrekvens. Skissa även hur diodströmmen bör se ut utifrån de gjorda mätningarna. Vad har dioden för funktion? Figur 5 Transistorström, lastström, utspänning. Vad har induktansen för funktion? Pulsbreddsmodulering av likströmsmotor, 1-kvadrant Likströmsmotorn kan modelleras enligt Figur 6 som en induktans och resistans i serie med en motspänning, emk, e a. Vid pulsad likströmsmotordrift behövs normalt ingen separat induktans utan rotorinduktansen L a är tillräcklig för att ge glättning av strömmen. Figur 6 Likströmsmaskinens ekvivalenta schema. Koppla in likströmsmotorn som belastning istället för induktans och lampa. Koppla in oscilloskopet för att mäta motorspänning u a och motorström i a. Omkopplaren på styrkortet fortfarande i läge 1, dvs POT1 bestämmer spänningen och POT2 bestämmer switchfrekvensen.
Elektroteknikens grunder Laboration 2 6 Anslut 12 V matningsspänning och kör igång motorn med ca 2 khz switchfrekvens. Kontrollera att motorvarvtalet kan styras genom att variera pulskvoten. Kör motorn på ca 250 rpm vilket motsvarar ca 1 volt ut från tachogeneratorn. Bromsa motorn för hand. Hur ändras spänning ström, moment och varvtal? Varför ökar strömmen när motorn bromsas? Strömreglering av likströmsmotor, 1-kvadrant Hitintills har spänningen till motorn styrts manuellt. Ibland vill man emellertid styra momentet i motorn istället. Eftersom momentet i en likströmsmaskin är proportionellt mot strömmen innebär detta att man önskar hålla strömmen på en bestämd nivå. Detta sker med hjälp av en så kallad strömregulator, se Figur 7. Strömregulatorn finns implementerad i den microcontroller som även styr transistorerna. Strömregulatorn mäter hur stor strömmen till motorn är och justerar därefter utspänningen från omvandlaren så att strömmen blir den önskade. Det önskade värdet på strömmen kallas strömbörvärde sätts genom att vrida på potentiometern POT2. Figur 7 Strömreglering av elmotor. Ställ omkopplaren på styrkortet i läge 2. Observera att START/STOPP knappen måste stå i läge STOPP innan omkopplaren ändras. Potentiometern POT2 används för att sätta strömbörvärde. Koppla in oscilloskopet för att mäta motorspänning och motorström. Anslut 12 V matningsspänning och kör igång motorn. Ställ potentiometern så att strömmen blir noll. Öka strömbörvärdet sakta genom att vrida på potentiometern. Studera ström och spänning till motorn just när den börjar rotera. Varför ändras spänningen?... Kör motorn på ca 250 rpm vilket motsvarar ca 1 volt ut från tachogeneratorn. Bromsa motorn för hand.
Elektroteknikens grunder Laboration 2 7 Hur ändras spänning ström, moment och varvtal? Variera strömbörvärdet samtidigt som motorn bromsas för hand. Hur ändras spänning ström och maxmoment? Varvtalsreglering av likströmsmotor, 1-kvadrant I föregående uppgift erhölls en strömreglering av likströmsmotorn vilket innebar att vi fick en möjlighet att reglera motorns moment. Ofta vill man dock istället reglera varvtalet till något bestämt värde. Följaktligen behövs en varvtalsregulator. Utsignalen från varvtalsregulatorn bildar momentbörvärde (egentligen strömbörvärde) till strömregulatorn som i sin tur bestämmer utspänningen från omvandlaren, se Figur 8. Figur 8 Kaskadreglering av varvtalet på den vänstra likströmsmotorn med den högra som varvtalsgivare. Ställ omkopplaren på styrkortet i läge 3. Varvtalsbörvärdet kommer från POT2 och jämförs med varvtalssignalen som kommer från en varvtalsgivare (tachometer). I detta fall är det likströmsgeneratorn som sitter på samma axel som motorn. Eftersom spänningen ut från en likströmsgenerator är proportionell mot varvtalet fungerar denna utmärkt som varvtalsgivare. Spänningen från likströmsgeneratorn kopplas in till de två ingångarna märkta varvtalssignal Anslut 12 V matningsspänning och öka varvtalsbörvärdet. Motorns varvtal följer nu börvärdet (om inte kan det hända att återkopplingen från likströmsgeneratorn har fel tecken, byt i så fall plats på sladdarna). Kör motorn på ca 250 rpm vilket motsvarar ca 1 volt ut från tachogeneratorn. Bromsa motorn för hand. Hur ändras spänning ström, moment och varvtal?
Elektroteknikens grunder Laboration 2 8 Vad är skillnaden nu jämfört med när den kördes med konstant spänning? Kör motorn på högt varv och minska varvtalsbörvärdet momentant genom att vrida ner POT2 snabbt. Bromsas motorn elektriskt?(bromsning av motorn innebär att effekt matas tillbaka från motorn till källan varför mellanledsspänningen bör stiga något vid elektrisk bromsning) Vad händer om man sätter negativt varvtalsbörvärde (nedre halvan av potentiometerskalan)? Beräkna motorns verkningsgrad vid ca 250 rpm (ca 1 V från tachogeneratorn) och ett moment på 0.5 Nm. Varvtalsreglering av likströmsmotor, 2-kvadrant Hitintills har en 1-kvadrant omvandlare använts. Det är nu dags att utöka denna till en 2-kvadrant omvandlare. Detta innebär att ytterligare en transistor och en diod tas i bruk, se Figur 9. Figur 9 2-kvadrant omvandlare med likströmsmotor. Ställ omkopplaren på styrkortet i läge 5. Varvtalsbörvärdet kommer precis som tidigare från POT2. Anslut 12 V matningsspänning och öka varvtalsbörvärdet. Kör motorn på högt varv och minska varvtalsbörvärdet momentant. Bromsas motorn?
Elektroteknikens grunder Laboration 2 9 Vad händer om man sätter negativt varvtalsbörvärde (nedra halvan av potentiometerskalan)? Varvtalsreglering av likströmsmotor, 4-kvadrant Omvandlaren från föregående uppgift ska nu utökas till en 4-kvadant omvandlare. Figur 10 4-kvadrant omvandlare med likströmsmotor. Likströmsmotorn kopplas in enligt Figur 10 och omkopplaren på styrkortet ställs i läge 7. Anslut 12 V matningsspänning och öka varvtalsbörvärdet. Kör motorn på högt varv och minska varvtalsbörvärdet momentant. Bromsas motorn? Vad händer om man sätter negativt varvtalsbörvärde (nedre halvan av potentiometerskalan)?
Elektroteknikens grunder Laboration 2 10 DC/AC omvandling Hitintills har likspänning omvandlats till likspänning med en lägre spänning. Det är nu tid att använda 4-kvadrant omvandlaren i föregående uppgift till att generera växelspänning. Genering av 50 Hz AC Utspänningen filtreras med hjälp av ett LC-filter enligt Figur 11. Figur 11 4-kvadrant DC/AC omvandlare med utgångsfilter. Koppla in ett LC-filter på omvandlarens utgång. Ställ omkopplaren på styrkortet i läge 8 vilket innebär att ett sinusformigt spänningsbörvärde genereras av microcontrollern. Med POT1 varieras spänningen och med POT2 varieras frekvensen på utspänningens grundton. Anslut 12 V matningsspänning. Studera med hjälp av diffprob spänningen före och efter utgångsfiltret. Ställ in 50 Hz grundton med POT2. Vilken funktion har filtret, vilken sorts filter är det?
Elektroteknikens grunder Laboration 2 11 Demonstration av varvtalsstyrning av asynkronmotor Varvtalet hos en asynkronmotor varieras ofta genom att frekvensen hos den matande spänningen varieras. Detta ska studeras med en 3-fasig asynkronmotor ansluten till den kraftelektroniska omvandlaren nu kallad växelriktare eller frekvensomriktare, se Figur 12. Figur 12 3-fas asynkronmotor ansluten till frekvensomriktare. Omkopplaren på styrkortet ställs i läge 9. POT2 bestämmer nu den önskade frekvensen på utspänningens grundton. Koppla in en vridtransformator med tillhörande likriktare, som ska användas som likspänningskälla, samt ansluta asynkronmotorn. OBSERVERA att labuppställningen inte har fullgott beröringsskydd och ska behandlas därefter. Detta gäller särskilt kortet med kraftelektroniken. För att kunna studera spänning, ström samt flöde som vektorer kopplas en VVU in mellan omriktaren och motorn. Denna utför en vektortransformation och resultatet presenteras på oscilloskopet. Frekvensen kan avläsas på frekvensräknaren. Vrid upp likspänningen till ca 120 V. Studera ström och spänning som vektorer med hjälp av VVU:n. Vad händer när frekvensen varieras?
Elektroteknikens grunder Laboration 2 12 Variera frekvensen mellan 0 och 50 Hz Vad händer med spänningens effektivvärde och flödet? Vilken metod för varvtalsstyrning används här och varför används denna metod? Öka frekvensen till 60 Hz Vad händer med spänningens effektivvärde och flödet? Varför?
Elektroteknikens grunder Laboration 2 13 Appendix 1 Omkopplarläge Omvandlartyp 1 DC/DC, 1- kvadrant Spänningsstyrning 2 DC/DC, 1- kvadrant Strömreglering 3 DC/DC, 1- kvadrant Varvtalsreglering 4 DC/DC, 2- kvadrant Spänningsstyrning 5 DC/DC, 2- kvadrant Varvtalsreglering 6 DC/DC, 4- kvadrant Spänningsstyrning 7 DC/DC, 4- kvadrant Varvtalsreglering 8 DC/AC, 3-fas Spännings- och frekvensstyrning 9 Varvtalsstyrning AM Frekvensstyrning Referens POT1: Spänningsreferens POT2: Switchfrekvens POT2: Strömreferens POT2: Varvtalsreferens POT1: Spänningsreferens POT2: Varvtalsreferens POT1: Spänningsreferens POT2: Varvtalsreferens POT1: Spänningsreferens POT2: Frekvens POT2: Frekvens