Hoofdstuk 4: Diverse eigenschappen van de Ward- Leonard
Nr. Beschrijving Pagina
4.3.1 Resultaten gemeten met de harmonic power analyzer 112
Hoofdstuk: De testopstelling - De installatie
15
De testopstelling
De installatie
De machines die toegepast zijn in de Ward- Leonard testopstelling bij Tes Industrial Systems zijn een aandrijvende motor (sleepring anker) voor de aandrijving van de gelijkstroomgenerator, een gelijkstroommotor en een kortsluitanker motor om de belasting te kunnen variëren. De eigenschappen van de machines zijn op de volgende pagina weergegeven in een tabel.
De testopstelling kan gebruikt worden als een opstelling met een gelijkstroommotor en een kortsluitanker motor en als de Ward- Leonard opstelling. De stekkers aan de achterzijde van het paneel dienen aangesloten te zijn volgens schema wat van toepassing is voor de Ward- Leonard.
Afbeelding 1: Stekkerbord voor W- L
Nadat de installatie is ingeschakeld, moet eerst de sleepring anker motor aangelopen zijn. Dit kan via het display onder tap “SRA- motor”
door de keuze “automatisch” te selecteren. Als deze op toeren is, kunnen de ankers van de gelijkstroomgenerator en gelijkstroommotor gekoppeld worden. Dit gebeurd via de tap “GM” en dan “start”.
Afbeelding 2: Besturing van de testopstelling
Nu kan er met de controller het koppel gevarieerd worden wat door de gelijkstroommotor uitgeoefend moet worden. Dit wordt gerealiseerd door het veld van de gelijkstroomgenerator te variëren en het veld van de gelijkstroommotor constant te houden.
Om een belasting te creeren, kan er met de kortsluitanker motor een tegenkoppel uitgeoefend worden op de gelijkstroommotor.
Hierdoor is het mogelijk om te simuleren dat er met de last gevierd wordt zodat er teruggevoed kan worden aan het net.
De installatie bestaat uit een paneel met automaten, zekeringen, relais, smart- line module, motor module, DC- regelaar, PLC en een CU-320 regelprint.
De programmering, parameters en software worden achterwegen gelaten in dit document. Er wordt een theoretische analyse uitgewerkt van de verschillende machines die zijn toegepast in de testopstelling. Hierbij komen alle onderdelen aan bod die van invloed zijn op de eigenschappen van de machines.
Afbeelding 3: Machines in de testopstelling
Hoofdstuk: De testopstelling - Eigenschappen van de toegepaste machines
16
Eigenschappen van de toegepaste machines
Onderdeel Type Eigenschappen Eigenschappen
Aandrijvende motor A- synchrone machine
Hoofdstuk: Algemene beschrijving -
17
1. Algemene beschrijving
De Ward Leonard is een snelheidsregeling voor gelijkstroom motoren, welke in 1891 bedacht is door Harry Ward Leonard. De Ward- Leonard beschikt over een gelijkstroom generator (GG) welke aangedreven wordt door een 3 fasen draaistroommotor of een verbrandingsmotor. Wanneer er een draaistroommotor gebruikt wordt, kan er teruggevoed worden aan het elektriciteitsnet. Dit is mogelijk door het vier kwadranten bedrijf.
Als er geen driefasen elektriciteitsnet aanwezig is, kan de gelijkstroomgenerator ook gevoed worden door een verbrandingsmotor, zoals een dieselmotor. Hierbij kan er niet teruggevoed worden aan het net maar zal de opgewekte energie gedissipeerd moeten worden in weerstanden.
Dit document beschrijft de werking van de Ward- Leonard waarbij dieper op de onderdelen wordt ingegaan die toegepast zijn bij de testopstelling van TES. In de testopstelling is de motor die de gelijkstroomgenerator aandrijft een sleepringankermotor (SRA- motor). Dit is, evenals de frequentiegeregelde motor die het tegenkoppel creëert, een draaistroommotor. In de praktijk hoeft er bij een Ward- Leonard geen a- synchrone motor aanwezig te zijn maar omdat er in de toekomst hoofdzakelijk a- synchrone frequentie geregelde draaistroommotoren worden toegepast, wordt dit type toch diepgaand beschreven om deze motor te kunnen begrijpen.
De aandrijvende motor (a- synchrone draaistroommotor of dieselgenerator) drijft, doordat de assen mechanisch zijn verbonden, mechanisch een gelijkstroomgenerator (GG) aan waarvan het anker in serie staat met dat van de gelijkstroommotor (GM). Deze gelijkstroommotor drijft de last aan in normaal bedrijf en deze gelijkstroommotor functioneert als gelijkstroomgenerator als de last deze aandrijft, bijvoorbeeld bij de hijsbeweging wanneer er gevierd wordt. Hierbij wordt er energie opgewekt in plaats van gebruikt.
In dit document is de last voorgesteld als een motor die een geregeld tegenkoppel kan creëren; de frequentiegeregelde a- synchrone draaistoommotor. De belasting kan hierbij gevarieerd worden.
Het veld van de gelijkstroomgenerator wordt geregeld door een regelaar. Het veld van de gelijkstroommotor wordt constant gehouden en door het veld van de gelijkstroomgenerator te regelen, kunnen we de snelheid van de belastbare gelijkstroommotor regelen. Doordat het anker van de gelijkstroomgenerator in serie staat met het anker van de gelijkstroommotor, is door het veld van de gelijkstroommotor constant te houden, het toerental van de gelijkstroommotor alleen afhankelijk van de ankerspanning.
In de afbeelding is de klassieke Ward- Leonard versus de moderne schematisch weergegeven. Bij de klassieke W- L wordt er een gelijkrichter toegepast met een regelbare weerstand om het veld te regelen. In een moderne W- L installatie zijn de gelijkrichter en de regelbare weerstand vervangen door een DC regelaar welke het veld van de gelijkstroommotor constant bekrachtigd en het veld van de gelijkstroomgenerator kan regelen.
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Toegepaste sleepring anker motor
18
2. De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling
De machine die de gelijkstroomgenerator aandrijft in de Ward- Leonard test opstelling is een a- synchrone motor, een sleepring ankermotor. De motor die het tegenkoppel kan creëren op de gelijkstroommotor, dus tegen het koppel van de gelijkstroommotor in, is eveneens een a- synchrone draaistroommotor, een kortsluitankermotor. Het enige verschil tussen de sleepringankermotor (SRA- motor) en de kortsluitankermotor (KA- motor) is dat de rotors van elkaar verschillen. Het principe van de werking van een SRA – motor is gebaseerd op variatie van de rotorweerstand. . In de testopstelling bij Tes wordt bij de SRA – motor de rotorweerstand gevarieerd en bij de KA- motor de spanning en frequentie gevarieerd.
In dit hoofdstuk worden de theoretische aspecten beschreven met als laatste paragraaf een referentie naar de praktijk, in dit geval de testopstelling. Hierbij zal gebruik gemaakt worden van de motorgegevens van het typeplaatje van de machines uit de testopstelling die aanwezig is bij Tes Industrial systems.
2.1. De sleepring ankermotor (SRA- motor)
2.1.1. Toegepaste sleepring anker motor
Onderdeel Type Eigenschappen Eigenschappen
Aandrijvende
Tabel 2.1.1: Gegevens + afbeelding SRA- motor van de testopstelling
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Algemeen
19
2.1.2. Algemeen
Een sleepring ankermotor (in het vervolg SRA- motor) is, evenals de frequentiegeregelde kooianker (in ons geval kortsluit anker) motor een inductiemotor omdat de werking gebaseerd is op het inductieprincipe. Deze motoren zijn a- synchroon wat inhoudt dat het rotor toerental van motor kleiner is dan het draaiveld toerental in geval van motorbedrijf. Als de machine als generator functioneert, zal het rotortoerental groter zijn dan het draaiveld toerental. De rotor draait dus a- synchroon (niet gelijk) aan het draaiveld toerental. Bij een synchrone motor is de snelheid van de rotor wel gelijk aan het draaiveld.
De rotor van een sleepring ankermotor bestaat uit een blikpakket met groeven waarin een driefase wikkeling is aangebracht. De stator bestaat ook uit een blikpakket met groeven met een driefase wikkeling. Het aantal polen van de stator is gelijk aan het aantal van de rotor (zie hoofdstuk “2.1.3. Constructie”). De rotorwikkelingen zijn in ster geschakeld en de uiteinden van de spoelen zijn verbonden met sleepringen die geïsoleerd zijn van de rotor- as. Op deze sleepringen zijn aanloop weerstanden aangesloten.
Afbeelding 2.1.1: Sleepring ankermotor schematisch weergegeven
Bij het aanlopen van de sleepring ankermotor moet rekening gehouden worden met de aanloopweerstand, de statorweerstand en de strooireactantie van de wikkelingen. De frequentie van de rotor- emk bij een stilstaande rotor is hetzelfde als de netfrequentie. Dit is te vergelijken met een transformator. In dit geval is de stator de primaire- en de rotor de secondaire zijde. Beide wikkelingen zijn enkel gekoppeld door de magnetische flux in de vorm van een draaiveld.
De magnetiseringsstroom van de motor is wel veel groter als bij een transformator, dit komt door de lagere zelfinductie door de luchtspleet tussen stator en rotor. De sleepring ankermotor heeft diverse eigenschappen. De motor is zelfaanlopend, heeft een groot aanloopkoppel en een geringe aanloopstroom.
Het toerental is beperkt regelbaar en de motor vergt meer onderhoud door de sleepringen en koolborstels.
De SRA- motor wordt geregeld door de weerstandswaarde van de rotor te variëren (regeling van de snelheid door rotorweerstand variatie).
In het geval dat er geen weerstanden aangesloten zijn op het anker, zal de weerstand oneindig groot zijn en er geen stroom vloeien. Er wordt dus geen lorentzkracht opgewekt en de motor zal niet draaien.
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - /Constructie
20
2.1.3. Constructie
De sleepring ankermotor is, net als de kooi ankermotor een a- synchrone motor alleen heeft de SRA- motor een anders geconstrueerde rotor. Dit is bij de kooi ankermotor een kortsluitanker en bij de SRA- motor is de rotor voorzien van wikkelingen van dunne draad. De uiteinden van de wikkelingen zijn aangesloten op sleepringen die via koolborstels van buitenaf bereikbaar zijn. Op deze manier kan de rotorstroom en dus daardoor ook het motorkoppel goed worden geregeld.
Afbeelding 2.1.2: Doorsnede overzicht SRA- motor
De rotorgleuven worden axiaal iets schuin geplaatst, in de afbeelding “doorsnede SRA- motor” is dit duidelijk te zien, waardoor de rotor soepel loopt en niet pulserend zal kunnen draaien. Dit komt doordat het magnetische veld dan constant is onafhankelijk van de hoek tussen rotor en stator. Als de lamellen recht geplaatst worden, zal er een pulserend magnetisch veld aanwezig zijn.
De sleepring ankermotor heeft een rotor met wikkelingen van dunne draad omdat hier de externe weerstanden bij geschakeld worden. De kortsluit ankermotor is voorzien van een anker met dikkere wikkelingen en hierbij is het anker, zoals de naam al zegt, kortgesloten om direct een grote stroom te kunnen induceren.
De stator van de SRA- motor en de KA- motor zijn van gelijke constructie.
Afbeelding 2.1.3: Anker van de SRA- motor
2.1.4. Theorie & principe
Als de statorwikkelingen aangesloten worden op een driefase spanning ontstaat er een elektromagnetisch draaiveld met een rotatie toerental. In de rotorgeleiders zal het draaiveld spanningen induceren en daardoor zal er in de rotorwikkelingen een grote stroom lopen, de inductiestroom. Dit vindt plaats doordat de veldlijnen de rotorgeleiders snijden. Deze stroom veroorzaakt Lorentzkrachten waardoor er een draaikoppel ontstaat in dezelfde zin als het draaiveld. Met de rechterhandregel kan bepaald worden in welke richting de geïnduceerde spanning zal lopen.
De duim moet in de bewegingsrichting van de geleider gehouden worden en de hand moet loodrecht op de veldlijnen gehouden worden. De richting van de geïnduceerde ems door de geleider wordt dan aangegeven met de richting waarin de vingers wijzen.
Afbeelding 2.1.4: Rechterhandregel
De inductiestroom veroorzaakt een Lorentzkracht op de geleider, waarvan de richting bepaalt kan worden met de linkerhandregel. Bij de linkerhandregel worden de veldlijnen loodrecht op de handpalm gezet, de
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Werking
21
richting van de inductiestroom met de vingers mee en hieruit volgt de richting van de Lorentzkracht in de richting van de duim.
De lorentzkracht geeft de rotor een draaizin, die hetzelfde is als die van het draaiveld van de stator. Door de Lorentzkracht gaat de rotor bewegen.
Afbeelding 2.1.5: Linkerhandregel
Als de snelheid van het stator draaiveld en rotor gelijk zijn (synchroon), worden er geen rotorgeleiders meer gesneden door de veldlijnen en wordt er geen inductiestroom meer opgewekt, dus ook geen Lorentzkracht.
De rotor zal in dit geval geen draaikoppel meer geven.
2.1.5. Werking
Als er een stroom in de statorwikkelingen gaat lopen, wordt een magnetisch veld opgewekt in de luchtspleet tussen stator en rotor. Hierdoor ontstaat het draaiveld. Het draaiveld kan van richting verandert worden door twee fasen te wisselen. Hierdoor keert eveneens de rotordraai richting. Het draaiveld van de stator induceert een spanning in de rotorwikkelingen, waardoor er Lorentzkrachten ontstaan die een roterend koppel vormen. De rotor ontwikkeld een tegen veld ten opzichte van het statorveld.
De stroom die in de rotorwikkelingen gaat lopen kan worden beperkt door de aanzetweerstanden. De aanloopstroom van de statorwikkelingen wordt indirect beperkt door de rotor aanzetweerstand. Als de weerstanden zo geschakeld worden, dat er in de rotorwikkeling de vollast stroom loopt, wordt het vollast koppel verkregen. Als de stroom in de statorwikkelingen toeneemt door de belasting, zal de snelheid van de rotor kleiner worden. In nullast is de grootte van het draaiveld in de luchtspleet gelijk aan het statorveld.
Als de motor aan het aanlopen is, dus sneller gaat draaien tot het nominale toerental, zal de rotorspanning afnemen. De stroom door de rotorwikkelingen zal ook afnemen en de aanzetweerstand kan worden verlaagd totdat de rotor is kortgesloten. Als de rotor kortgesloten is, zal de motor verder draaien als a- synchrone kortsluit ankermotor.
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Toegepaste kortsluit anker motor
Tabel 2.2.1: Gegevens + afbeelding KA- motor van de testopstelling
2.2.2. Algemeen
De a- synchrone draaistroommotor bestaat uit een stator en een rotor. De stator bestaat uit gelammelleerd statorijzer met aan de binnenkant in de gleuven een driefasenwikkeling. De driefasen spanning die de wikkelingen bekrachtigt, kan variëren in frequentie waardoor de motor geregeld kan worden. De rotor zal over hetzelfde aantal polen beschikken als de stator. De rotor bestaat uit een aantal staven die aan de uiteinden zijn kortgesloten. In de staven kunnen grote stromen lopen die een Lorentzkracht veroorzaken ten opzichte van de stator waardoor de rotor gaat draaien.
Afbeelding 2.2.1: De KA- motor
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Constructie
23
De kortsluit ankermotor wordt in snelheid geregeld door de aangeboden frequentie van het draaiveld te variëren. Ten opzichte van de SRA- motor, waarbij de snelheid wordt geregeld door de weerstandswaarde van de rotor te variëren en een constante stator spanning aan te leggen, wordt de snelheid van een KA- motor juist geregeld door variatie van de aangeboden stator spanning en frequentie.
2.2.3. Constructie
De kooi ankermotor welke toegepast is in de testopstelling om het tegenkoppel te creëren beschikt over een kortsluitanker. De kortsluit ankermotor is een motor waarbij het anker bestaat uit een rotor met staven die aan de uiteinden zijn kortgesloten door twee metalen ringen. De kortsluit ankermotor is voorzien van een anker met dikke wikkelingen en hierbij is het anker, zoals de naam al zegt, kortgesloten om direct een grote stroom te kunnen induceren.
Afbeelding 2.2.2: Anker van de KA- motor
De stator is samengesteld uit een gelamelleerde elektromagnetische keten van Si- staal voorzien van gleuven, waarin een driefase statorwikkeling is aangebracht. Het statorhuis is meestal voorzien van koelribben.
Afbeelding 2.2.3: Onderdelen van de KA- motor
2.2.4. Theorie & principe
De snelheid van een a- synchrone motor aangesloten op een frequentie regelaar, kan geregeld worden door variatie van de voedingsfrequentie. Het net heeft een frequentie van 50 Hz maar met vermogenselektronica is het mogelijk de frequentie aan te passen tussen 0 en enkele honderden Hz.
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Werking
24
Door het veranderen van de frequentie ontstaat een verandering van de rotatiesnelheid van de motor.
Hierbij moet de waarde van de toegepaste spanning op de statorwikkeling veranderd worden en om de flux in de motor constant houden, moet aan de formule voldaan worden. Als de snelheid verhoogd dient te worden, zal de frequentie en de spanning verhoogd moeten worden.
Een frequentieregeling is een nagenoeg verlies arme regeling, waarbij de snelheid ook boven de nominale motorsnelheid kan worden geregeld.
2.2.5. Werking
De werking van de kortsluitanker motor is gelijk aan de sleepring anker motor maar bij de KA- motor wordt de voedingsfrequentie gevarieerd.
Met de frequentie regelaar wordt er een spanning met bijbehorende frequentie op de statorwikkelingen gezet waardoor er een magnetisch draaiveld opgewekt wordt in de luchtspleet tussen stator en rotor. Het draaiveld kan gevarieerd worden in sterkte en toerental.
Het draaiveld van de stator induceert spanningen en stromen in de rotorwikkelingen, waardoor er Lorentzkrachten ontstaan die een roterend koppel vormen. De rotor ontwikkelt een tegen veld ten opzichte van het statorveld.
De flux van het statorveld mag de maximale waarde niet overschrijden want dan wordt de magnetiseringstroom te groot en het blikpakket in de motor zal in verzadiging raken. Als de frequentie lager is dan de nominale 50 Hz (bij testopstelling volgens typeplaatje), moet de spanning ook dalen om de flux constant te houden.
De motor kan aangestuurd worden met een hogere frequentie dan de nominale frequentie maar hierbij kan de spanning / frequentie verhouding niet constant gehouden worden door de spanningsbegrenzing. De spanning mag niet hoger worden dan de nominale want als deze hoger wordt, zal er isolatiedoorslag optreden. De spanning wordt op zijn nominale waarde gehouden en de frequentie kan verder stijgen. De flux wordt hierbij kleiner dan de nominale flux en er treedt veldverzwakking op. De frequentie kan niet
oneindig stijgen wegens mechanische beperkingen. Afbeelding 2.2.4: M/n karakteristiek bij dezelfde U/ f- Verhouding
Het koppel van de motor zal boven de 50 Hz afnemen bij een gelijkblijvend vermogen. De motor kan nu minder overbelasting verdragen omdat het kipkoppel nu veel dichter bij het nominale koppel ligt.
De koppel- toeren karakteristiek die ontstaat bij een constante flux, maar met variatie van de stator spanning en frequentie in weergegeven in afbeelding 2.2.4. De vorm van de karakteristiek verandert niet
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Slipcompensatie
25
maar verschuift afhankelijk van de frequentie. Deze afbeelding geldt alleen als de frequentieregelaar een stroom kan leveren groter dan de nominale motorstroom.
De stroombegrenzing zorgt ervoor dat als de motor zwaarder wordt belast, dus de motorstroom wil stijgen, dit voorkomen wordt. Dit wordt gerealiseerd door de spanning en frequentie te laten afnemen maar als de belasting te groot is, zal de motor vertragen en de koppel/ toeren karakteristiek zal naar links verschuiven.
Afbeelding 2.2.5: M/n karakteristiek met stroombegrenzing
Er ontstaat een nieuw werkpunt: het punt waar het belastingskoppel gelijk wordt aan het motorkoppel. Als de belasting bij afnemende snelheid niet terug onder het nominale koppel komt, zal de karakteristiek zover naar links verschuiven, totdat de motor stilstaat of zelfs tegengesteld kan gaan draaien.
Bij lagere frequenties wordt de ohmse statorweerstand groter in verhouding tot de inductantie. De statorweerstand zorgt bij lage frequenties voor een spanningsval waardoor er tijdens bedrijf bij lage frequenties een verhoogde spanning gebruikt moet worden om de flux constant te houden. De spanningsval treedt op door de inductantie . Bij een lage frequentie moet er een hogere spanning uitgestuurd worden dan de spanning die eigenlijk nodig is om de flux constant te houden. Naarmate de statorweerstand warmer wordt zal de weerstandswaarde ook een andere waarde aannemen.
2.2.6. Slipcompensatie
Slipcompensatie kan toegepast worden door bij toenemende belasting de frequentie te verhogen waardoor het toerental constant blijft. De regelaar kan slipcompensatie toepassen als de nominale stroom van de motor, de stroom die loopt tijdens onbelast bedrijf en de nominale slip bekend zijn. Als het toerental gemeten wordt met een encoder en dit signaal teruggekoppeld wordt naar de regelaar kan het toerental nog nauwkeuriger geregeld worden.
De van de motor is af te lezen van het typeplaatje en dient als instelling om overbelasting tegen te
De van de motor is af te lezen van het typeplaatje en dient als instelling om overbelasting tegen te