Pagina Van
1 127
Klant TES Industrial Systems Klant project # P0284.20
TES doc.# Cursus Klant doc.#.
Versie 1.0 Klant contract #
Ward- Leonard
1.0 Mark Schouwenaars 6-6-2012
Versie Door Datum Revisie / opmerkingen
Gecontroleerd
CURSUS
Hoofdstuk: Inhoud -
2
Inhoud
Inhoud... 2
Voorwoord ... 7
Symbolenlijst ... 8
Figurenlijst ...11
Tabellenlijst ...14
De testopstelling ...15
De installatie ...15
Eigenschappen van de toegepaste machines ...16
1. Algemene beschrijving ...17
2. De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling ...18
2.1. De sleepring ankermotor (SRA- motor) ...18
2.1.1. Toegepaste sleepring anker motor...18
2.1.2. Algemeen ...19
2.1.3. Constructie ...20
2.1.4. Theorie & principe ...20
2.1.5. Werking ...21
2.2. De kortsluit ankermotor (KA- motor) ...22
2.2.1. Toegepaste kortsluit anker motor ...22
2.2.2. Algemeen ...22
2.2.3. Constructie ...23
2.2.4. Theorie & principe ...23
2.2.5. Werking ...24
2.2.6. Slipcompensatie ...25
2.2.7. De frequentieregelaar ...26
2.3. Algemene eigenschappen a- synchrone machines ...28
2.3.1. Draaiveld a- synchrone machine ...28
2.3.2. Draaiveld kortsluitanker motor ...29
2.3.1. Poolparen ...32
2.3.2. Slip ...33
2.3.3. Vermogen ...34
Hoofdstuk: Inhoud -
3
2.3.4. Toerental ...36
2.3.5. Koppel ...36
2.3.5.1. Koppel bij stilstand ...36
2.3.5.2. Elektromagnetisch koppel ...37
2.3.5.3. Nominale koppel ...37
2.3.5.3.1. Nominale koppel SRA- motor ...37
2.3.5.3.2. Nominale koppel KA- motor ...38
2.3.5.4. Aanloop koppel...38
2.3.5.5. Versnellingskoppel ...40
2.3.5.6. Kip koppel ...41
2.3.5.7. Koppel en hoek ...43
2.3.5.8. Koppel als functie van de slip ...44
2.3.6. Rotorfrequentie ...45
2.3.7. Rotorspanning ...46
2.3.8. Rotorstroom ...47
2.3.9. Statorstroom...48
2.3.10. Magnetiseringsstroom...48
2.3.11. Aanloopstroom ...49
2.3.12. Hoek ...49
2.3.13. Ster/ driehoek- schakeling ...50
2.3.14. Fase volgorde ...51
2.3.15. Vervangingsschema ...52
2.3.16. Werkpunt ...52
2.3.17. Zadelpunt ...53
2.3.18. Veldverzwakking ...53
2.3.19. Remmen van de frequentiegeregelde KA- motor ...55
2.3.20. Vier- kwadranten bedrijf ...56
2.3.21. Toepassingen ...56
2.4. Praktijkvoorbeelden a- synchrone machines ...57
2.4.1. Praktijkvoorbeeld SRA- motor ...57
2.4.2. Praktijkvoorbeeld KA- motor ...62
3. De gelijkstroommachine ...68
Hoofdstuk: Inhoud -
4
3.1. De gelijkstroommachine gebruikt als gelijkstroomgenerator (GG) ...68
3.1.1. Toegepaste gelijkstroommachine als generator ...68
3.2. De gelijkstroommachine gebruikt als gelijkstroommotor (GM) ...69
3.2.1. Toegepaste gelijkstroommachine als motor ...69
3.3. Algemene eigenschappen van de gelijkstroommachine ...70
3.3.1. Algemeen ...70
3.3.2. Constructie ...71
3.3.3. Theorie & principe ...73
3.3.1. Werking ...75
3.3.1. Veldwikkeling ...76
3.3.2. Typen gelijkstroomgeneratoren ...77
3.3.3. Ankerreactie ...79
3.3.4. Spanning (opgewekte Emk) ...80
3.3.4.1. Gelijkstroomgenerator ...80
3.3.4.2. Gelijkstroommotor ...81
3.3.5. Stroom ...82
3.3.5.1. Gelijkstroomgenerator ...82
3.3.5.2. Gelijkstroommotor ...84
3.3.6. Toerental ...85
3.3.6.1. Gelijkstroomgenerator ...85
3.3.6.2. Gelijkstroommotor ...86
3.3.7. Machine constante ...87
3.3.7.1. Gelijkstroomgenerator ...87
3.3.7.2. Gelijkstroommotor ...88
3.3.8. Koppel- toeren karakteristiek ...89
3.3.9. Koppel ...89
3.3.10. Vermogen ...91
3.3.10.1. Gelijkstroomgenerator ...91
3.3.10.2. Gelijkstroommotor ...94
3.3.11. Rendement ...95
3.3.11.1. Gelijkstroomgenerator ...95
3.3.11.2. Gelijkstroommotor ...95
Hoofdstuk: Inhoud -
5
3.3.12. Karakteristieken van de gelijkstroommachine bij motorbedrijf ...96
3.3.13. Massa traagheid ...97
3.3.14. Veldverzwakking ...97
3.3.15. Vier kwadranten bedrijf ...98
3.4. Praktijkvoorbeelden gelijkstroommachines...100
3.4.1. Algemene gegevens van de metingen ...100
3.4.2. Gelijkstroommachine gebruikt als gelijkstroom generator ...101
3.4.2.1. Toegevoerd vermogen bij nullast ...103
3.4.2.2. Toegevoerd vermogen bij vollast ...104
3.4.3. Gelijkstroommachine gebruikt als gelijkstroom motor ...106
3.4.3.1. Machine constante bij motor bedrijf ...106
3.4.3.2. Emk ...107
3.4.3.1. Vermogen ...108
3.4.3.2. Machine constante ...108
3.4.3.3. Toerental en belasting ...109
4. Diverse eigenschappen van de Ward- Leonard ...110
4.1. Algemeen ...110
4.2. Invloed van de rotorweerstand bij de SRA- motor ...110
4.3. Met de GG de SRA- motor aandrijven ...111
4.4. Andere aandrijvende motor i.p.v. de SRA- motor ...113
4.5. Stroom door het veld van de GM omkeren ...113
4.6. Veld van de GM uitschakelen of verzwakken ...114
4.7. GM andere draairichting toekennen ...115
4.8. Remmen van de GM ...115
4.8.1. Effect van remmen ...115
4.8.2. Remmen bij klassieke W- L (zonder terugvoeding) ...116
4.9. Invloed van belasting van de GM ...116
4.10. Verhouding van M en n van de GM ...117
4.11. Beveiligingen & begrenzingen ...118
4.11.1. Beveiliging van het anker van de GG en GM bij uitschakeling ...118
4.11.2. Stroombegrenzing van het anker bij een gelijkstroommachine ...118
5. De klassieke Ward- Leonard versus de moderne Ward- Leonard ...120
Hoofdstuk: Inhoud -
6
5.1. De klassieke Ward- Leonard ...120
5.2. De moderne Ward- Leonard ...121
5.3. Snelheid van de gelijkstroommotor regelen ...122
5.4. Types Ward- Leonard ...123
5.4.1. Anti- compound gelijkstroomgenerator ...123
5.4.2. Anti- compound gelijkstroomgenerator met shunt ...123
5.4.3. Krämer Ward- Leonard ...124
6. De voor- en nadelen van de Ward- Leonard ...125
6.1. Voordelen ...125
6.2. Nadelen...126
7. Toepassingen van de Ward- Leonard ...127
Hoofdstuk: Voorwoord -
7
Voorwoord
Dit document is samengesteld vanwege het feit dat we bij TES Industrial Systems geregeld te maken krijgen met Ward- Leonard installaties. Aangezien niet alle werknemers kennis hebben van deze bijzondere manier van regeltechniek, kunnen zij door dit opgestelde cursus document een idee krijgen over de werking hiervan.
Mocht er iemand in het vervolg te maken krijgen met de speciale installatie, bijvoorbeeld tijdens een storing of wanneer er een Ward- Leonard installatie omgebouwd moet worden, dan weten ze hoe er gehandeld dient te worden.
In dit cursusdocument wordt de algemene Ward- Leonard beschreven met referentie naar de bestaande testopstelling van TES Industrial Systems. Hierbij komt de onderlinge samenhang tussen de onderdelen waaruit de installatie bestaat aan bod. De testopstelling bestaat uit diverse motoren, uit een generator, twee regelaars, twee CPU’s en diverse andere hardware.
Er wordt in dit cursusdocument diep op de onderdelen van de Ward- Leonard ingegaan en hierbij worden de formules die van toepassing zijn beschreven. Op deze manier krijgt u inzicht in de samenhang tussen de motoren en generator bij de installatie en ook welke factoren er van invloed zijn.
De volgorde van de paragrafen binnen de hoofdstukken wordt bij elke machine gelijk gehouden en deze zal beginnen met een algemene beschrijving, daarna een beschrijving van de constructie, de theoretische principes, werking en hierna gevolgd door diverse onderwerpen welke van invloed zijn op het functioneren van de machine. De gelijkstroommachines worden ook beschreven volgens deze volgorde.
De onderwerpen die beschreven worden van de a- synchrone machines, de SRA- motor en de KA- motor:
poolparen, toerental, draaiveld, slip, stator- en rotoreigenschappen, vermogen, koppels die van toepassing zijn met bijbehorende grafieken, ster-, driehoek, hoek , fasevolgorde, veldverzwakking, vier- kwadranten bedrijf enzovoorts.
De specifieke onderwerpen die beschreven worden van de gelijkstroommachines zijn o.a. : veldwikkeling, typen gelijkstroomgeneratoren, ankerreactie, emk, machine constantes, karakteristieken, veldverzwakking, vier kwadranten bedrijf en diverse andere onderwerpen.
Deze documentatie is beschikbaar voor de werknemers van TES maar ook voor eventueel andere geïnteresseerden zodat er in geval van storing of bij een ombouw van een oude installatie waarin een Ward Leonard gebruikt is, omgegaan kan worden met de installatie. Dit document is opgesteld als afstudeerproject en kan gebruikt worden om de kennis te verbreden.
Met dank aan mijn collega’s voor hun opmerkingen, tips en advies.
Oosterhout, juni 2012
Mark Schouwenaars
Hoofdstuk: Symbolenlijst -
8
Symbolenlijst
= toerental in omwentelingen per minuut = aantal poolparen van de machine of g = slip (s in waarde en g in %)
= opgewekte Emk in Volt bij rotor in stilstand
= inductantie van de rotor bij stilstand ( ) in Ω = hoeksnelheid van de stator in rad/ sec
= hoeksnelheid van de rotor in rad/ sec
= zelfinductie van de rotor in Henry
= rotor weerstand in Ω
= rotor impedantie in Ω = rotor frequentie in Hz = stator frequentie in Hz
= Lorentzkracht in N
= lengte van de geleider in m
= oppervlakte in m2
= toegevoerd elektrisch vermogen in Watt = verliezen in de stator in Watt
= ijzerverliezen in de stator in Watt = verliezen in de rotor in Watt
= wrijvingsverliezen in Watt
= vermogen aan de as van de motor in Watt = statorspanning in Volt
= luchtspleet vermogen van één fase in Watt = aantal poolparen van de machine
= hoeksnelheid van de stator in rad/ sec = hoeksnelheid van de rotor in rad/ sec
= rotorstroom in A
= flux van het statorveld in Wb
= motor constante
= flux van het statorveld in Wb
= ems van de stator bij stilstand in V
= inductantie van de rotor bij stilstand ( ) in Ω
= Lorentzkracht in N
Hoofdstuk: Symbolenlijst -
9
= magnetische fluxdichtheid in Tesla = lengte van de geleider in magnetische veld in m
= oppervlakte in m2
= inductie in Wb / m2
= lengte van de geleider in m
= snelheid van de stator en rotor in omw/ min = flux van de stator in Wb
= toerental bij stilstand in omw / min = toerental van de rotor in omw/ minuut = stator draaiveld toerental in omw / min
= versnellingskoppel in Nm = geleverde motorkoppel in Nm
= tegenkoppel of belastingskoppel in Nm
= aanlooptijd in sec
= massatraagheidsmoment in kg m2 = koppelverschil in Nm
= nominaal toerental in omw / min = massa aan de motor as in kg = de straal van de motor as in m
= de overbrengingsverhouding van motor naar tandwielkast
= geïnduceerde elektromotorische spanning E in Volt = ankerspanning in Volt
= ankerstroom in A
of of = bekrachtigingsstroom (excitatiestroom) veldwikkeling in A
of = weerstand van de ankerwikkeling in Ω
of = weerstand van de veldwikkeling in Ω
= inwendige weerstand in Ω
= weerstand van de hulpwikkeling in Ω
= weerstand van de compensatiewikkeling in Ω
of = toegevoerd mechanisch vermogen in Watt = inwendig elektrisch vermogen in Watt
= nuttig elektrisch vermogen in Watt
= nominaal elektrisch vermogen in Watt
= elektromagnetisch elektrisch vermogen in Watt
= as- vermogen in Watt
= rendement in %
Hoofdstuk: Symbolenlijst -
10
= constante
of = machine constante (generatorbedrijf) in Volt / (rad/sec) of = machine constante (motorbedrijf) in Nm / A
= veldflux in Wb
Hoofdstuk: Figurenlijst -
11
Figurenlijst
Nr. Beschrijving Pagina
1. Stekkerbord voor W- L 15
2. Besturing van de testopstelling 15
3. Machines in de testopstelling 15
Hoofdstuk 1: Algemeen
Nr. Beschrijving Pagina
1.1.1 Klassieke versus de moderne Ward Leonard toegepast in de testopstelling 17
Hoofdstuk 2: A- synchrone machines
Nr. Beschrijving Pagina
2.1.1 Sleepring ankermotor schematisch weergegeven 19
2.1.2 Doorsnede overzicht sleepring ankermotor 20
2.1.3 Anker van SRA- motor 20
2.1.4 Rechterhandregel 20
2.1.5 Linkerhandregel 21
2.2.1 Grafische weergave KA- motor 22
2.2.2 Anker van een KA- motor 23
2.2.3 Weergave onderdelen van de KA- motor 23
2.2.4 M/n karakteristiek bij dezelfde U/ f- verhouding 24
2.2.5 M/n karakteristiek met Stroombegrenzing 25
2.2.6 Schematische weergave van frequentieregelaar 26
2.3.1 (a t/m h)
Ontstaan van een elektromagnetisch veld 29
2.3.2 (a t/m f)
Ontstaan van een elektromagnetisch veld 30/ 31
2.3.3 2- polige a- synchrone motor 32
2.3.4 4- polige a- synchrone motor 32
2.3.5 3 statorspoelen 120° t.o.v. elkaar verschoven en de richting van het magneetveld 33
2.3.6 Verhoudingen van de vermogens 34
2.3.7 Sankey diagram van de a- synchrone KA- motor 35
2.3.8 Koppel- toeren karakteristiek met invloed van variatie in rotor weerstandswaarde 39
2.3.9 Impedantie driehoek 32
2.3.10 Invloed van hoek op 43
2.3.11 Lorentzkrachten die ontstaan bij een faseverschuiving van 0°, 45° en 90° 44
2.3.12 Stroomkarakteristiek van de a- synchrone motor 47
2.3.13 Stator bewikkeld met één fase 48
2.3.14 Magnetisch veld onder hoek α 48
Hoofdstuk: Figurenlijst -
12
2.3.15 Vector diagram met hoek 49
2.3.16 Impedantie driehoek met hoek 50
2.3.17 Stromen bij een a- synchrone motor 50
2.3.18 Stroom- koppelverloop bij aanloop a- synchrone motor (ster naar driehoek) 50
2.3.19 Aansluiting van de spoelen in ster 51
2.3.20 Schematische weergave van motor in ster 51
2.3.21 Aansluiting van de spoelen in driehoek 51
2.3.22 Schematische weergave van motor in driehoek 51
2.3.23 T- vervangingsschema van een fase van een 3 fasen a- synchrone motor 52 2.3.24 Koppel- toeren kromme van een a- synchrone motor met weergegeven koppels 53 2.3.25 Koppel/ toeren karakteristiek tijdens nominaal bedrijf versus veldverzwakking 54
2.3.26 Verloop van koppel, vermogen, spanning en frequentie 55
2.3.27 Koppel- toeren kromme met weergegeven nominale-, aanloop- en kipkoppel 56
2.4.1.1 Koppel- toerenkarakteristiek met weergave ∆M en ∆n 58
2.4.1.2 Koppel- toerenkarakteristiek van de SRA- motor van de testopstelling 60 2.4.1.3 Koppel- toerenkarakteristiek bij aanloop SRA- motor uit testopstelling 61
2.4.2.1 Koppel- toeren karakteristiek van de KA- motor 63
2.4.2.2 Kip- en nominaal koppel- toeren verloop van de KA- motor 64
2.4.2.3 Verloop magnetiseringsstroom 64
2.4.2.4 Spanning/ frequentie bij 50 Hz 65
2.4.2.5 Spanning/ frequentie bij 25 Hz 66
2.4.2.6 Nominale koppelverloop bij veldverzwakking 67
2.4.2.7 Kipkoppel verloop bij veldverzwakking 67
Hoofdstuk 3: Gelijkstroommachines
Nr. Beschrijving Pagina
3.3.1 Vervangingsschema van onafhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor 71
3.3.2a Doorsnede van de gelijkstroommachine 71
3.3.2b Schematische weergave van gelijkstroommachine 72
3.3.3 Rechterhandregel 73
3.3.4 Verloop van opgewekte emk (e) bij bepaalde flux (ϕ) 73
3.3.5 één geleider in de neutrale stand in een magnetisch veld 74
3.3.6 Stroomvoerende geleider roteert in een magnetisch veld 75
3.3.7 Linkerhandregel 75
3.3.8 Draaizin bij motor- & generatorbedrijf 76
3.3.9 Serie generator 77
3.3.10 Shunt generator 78
3.3.11 Compound generator korte shunt 78
3.3.12 Compound generator lange shunt 78
3.3.13 Onafhankelijk bekrachtigde generator 79
3.3.14 (a t/m c)
Ankerreactie;
(a) : hoofdflux, (b): ankerflux, (c): gecombineerd
79
Hoofdstuk: Figurenlijst -
13
3.3.15 Nullast karakteristiek van gelijkstroomgenerator 82
3.3.16 Vollast karakteristiek van gelijkstroomgenerator 83
3.3.17 Sankey diagram van de gelijkstroomgenerator 92
3.3.18 Sankey diagram van de gelijkstroommotor 94
3.3.19 Karakteristieken van de gelijkstroommachine met motorbedrijf met variabele ankerspanning
96
3.3.20 Karakteristieken van het koppel, de stroom en het vermogen tijdens normaal bedrijf en veldverzwakking
97 3.3.21 Koppel- toeren karakteristieken bij vier- kwadranten bedrijf 98
3.3.22 Grootheden bij vier- kwadranten 98
3.4.0 Hysteresis curve met remanent magnetisme 100
3.4.1 Typeplaatje van de gelijkstroommachine (1) van de testopstelling gebruikt als generator
101 3.4.2 Aansluitingen van de gelijkstroommachine van de testopstelling gebruikt als
generator
102 3.4.3 Mechanische koppeling tussen de assen van de SRA- motor en de GG 103 3.4.4 Typeplaatje van de gelijkstroommachine (2) van de testopstelling gebruikt als
motor
107 3.4.5 Aansluitingen van de gelijkstroommachine (2) van de testopstelling gebruikt als
motor
107
Hoofdstuk 4: Diverse eigenschappen Ward- Leonard
Nr. Beschrijving Pagina
4.2.1 Koppel- toeren verloop bij de sleepring anker motor (er geldt: R3 > R2 > R1) 110
4.3.1 Meetschema met harmonic power analyzer 112
4.10.1 Koppel- toeren karakteristiek bij variabele ankerspanning 117
Hoofdstuk 5: Klassieke en moderne Ward- Leonard
Nr. Beschrijving Pagina
5.1.1 Klassieke Ward Leonard installatie met gelijkrichter en regelbare R in veldketen 120 5.2.1 Moderne Ward Leonard installatie met DC regelaar voor de veldbekrachtiging 121 5.4.1.1 Anti- compound generator met tegengestelde veldwikkeling 123 5.4.2.1
(a + b)
Anti- compound generator met shunt in serie met de ankerketen met bijbehorende spanning/ stroom- karakteristiek
123 5.4.3.1
(a + b)
Krämer Ward- Leonard schakeling met bijbehorende spanning/ stroom- karakteristiek
124
Hoofdstuk: Tabellenlijst -
14
Tabellenlijst
Hoofdstuk 2: A- synchrone machines
Nr. Beschrijving Pagina
2.1.1 Gegevens + afbeelding SRA- motor van testopstelling 18
2.2.1 Gegevens + afbeelding KA- motor van testopstelling 22
2.3.1 Overzicht aantal polen en poolpaar bij bepaald toerental met ruimtelijke verschuiving 32
2.3.2 Waarde van de slip met beschrijving van de oorzaak 33
2.3.3 Typeplaatje van de SRA- motor 37
2.3.4 Typeplaatje van de KA- motor 38
2.4.1.1 Motorgegevens sleepring ankermotor testopstelling 57
2.4.2.1 Motorgegevens kortsluit ankermotor testopstelling 62
Hoofdstuk 3: Gelijkstroommachines
Nr. Beschrijving Pagina
3.1.1 Gegevens + afbeelding gelijkstroommachine (generator) van de testopstelling 68 3.2.1 Gegevens + afbeelding van de gelijkstroommachine (motor) van de testopstelling 69
3.3.1 Onderdelen gelijkstroommachine 72
3.3.2 Grootheden in tabel bij vier- kwadranten bedrijf 98
3.4.1.1 Gegevens van de metingen aan de gelijkstroommachines 100
3.4.2.1 Gegevens van de gelijkstroommachine (1) van de testopstelling gebruikt als motor 101 3.4.2.2 Gegevens van de gelijkstroommachine (1) van de testopstelling gebruikt als
generator
101 3.4.3.1 Gegevens van de gelijkstroommachine (2) van de testopstelling gebruikt als motor 106
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 (Sleepring anker)
Vermogen Stator spanning Rotor spanning Stator stroom Rotor stroom Toerental Cos
= 2,2 kW
= 380 VAC
= 75 VAC
= 6,7 A
= 19 A
= 1420 rpm
= 0,67 Motor om belasting te
creëren (tegenkoppel)
A- synchrone machine (Kortsluit anker) Siemens
1LA7113-4AA10-Z
Vermogen Driehoek Spanning Stroom Frequentie Toerental Cos
= 4 kW
= 230 VAC
= 14,3 A
= 50 Hz
= 1440 rpm
= 0,83
Ster
= 400 VAC = 8,2 A
Gelijkstroom generator Gelijkstroommachine SG15/ 10, nr. 1-3024-1B2 Shunt/ compount
Motorbedrijf Vermogen Anker Spanning Stroom Toerental Generator bedrijf Vermogen Anker Spanning Stroom Toerental
= 2,2 kW
= 220 VDC
= 12,5 A
= 1500 rpm
= 1,8 kW
= 220 VDC
= … A
= 1500 rpm
= 3000 rpm
Veld
= 220 VDC = 0,55 – 0,4 A
Veld
= 220 VDC = 0,65 A
Gelijkstroom motor Gelijkstroommachine SG15/ 10, nr. 1-3024-2B1
Motorbedrijf Vermogen Anker Spanning Stroom Toerental
= 2 kW
= 220 VDC
= 9,1A
= 1500 rpm
Veld
= 220 VDC = 0,7 A
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.
Afbeelding 1.1.1:
Klassieke versus de
moderne Ward
Leonard toegepast in de testopstelling
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 motor
A- synchrone machine (Sleepring anker)
Vermogen Stator spanning Rotor spanning Stator stroom Rotor stroom Toerental Cos
= 2,2 kW
= 380 VAC
= 75 VAC
= 6,7 A
= 19 A
= 1420 rpm
= 0,67
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
22
2.2. De kortsluit ankermotor (KA- motor)
2.2.1. Toegepaste kortsluit anker motor
Onderdeel Type Eigenschappen
Motor om belasting te creëren (tegenkoppel)
A- synchrone machine (Kortsluit anker) Siemens
1LA7113-4AA10-Z
Vermogen Driehoek Spanning Stroom Frequentie Toerental Cos
= 4 kW
= 230 VAC
= 14,3 A
= 50 Hz
= 1440 rpm
= 0,83
Ster
= 400 VAC = 8,2 A
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 gaan. De nullaststroom vloeit als de motor onbelast draait bij een frequentie van 50 Hz. De nominale slip is te berekenen met de formule:
voor de KA- motor uit de testopstelling geldt
(g = 4 %)
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - De frequentieregelaar
26
2.2.7. De frequentieregelaar
De gelijkspanning wordt pulserend positief en negatief uitgestuurd waardoor een sinusvormige motorstroom ontstaat. De frequentie van deze "sinus" is te regelen door de afwisselende positieve en negatieve gelijkspanningen per tijdseenheid te variëren. De breedte van de pulserende gelijkspanning regelt de hoogte van de uitgangsspanning.
Over de tussenkring condensator staat een gelijkspanning gelijk aan de topwaarde van de lijnspanning:
. De laadstroom van de tussenkring condensator wordt tijdens inschakelen begrensd door een laadcircuit, zodat het voedende net niet met een hoge inschakelstroom wordt belast.
Als er thyristoren toegepast zijn om de wisselspanning van het net gelijk te richten is het laadcircuit niet nodig want thyristoren kunnen op elk moment in geleiding worden gebracht waardoor de stroom beperkt kan worden met opstarten. Diodes kunnen alleen geleiden als de ingaande (anode) spanning hoger is dan de uitgaande (kathode) spanning.
De frequentie regelaar bestaat uit een gelijkrichter, tussenkring en een wisselrichter. De gelijkrichter vormt de wisselspanning van het net om tot een gelijkspanning. De gelijkrichter kan bestaan uit een diodegelijkrichter maar als er een gestuurde gelijkrichter (thyristor) wordt toegepast, kan er energie die door de motor wordt opgewekt, teruggeleverd worden aan het net. Dit gebeurd dan via een aparte thyristor- brug.
De tussenkring van de frequentieregelaar bestaat uit een condensator parallel over de gelijkrichter die de gelijkgerichte spanning afvlakt. De gelijkspanning kan met de wisselrichter weer omgezet worden naar een wisselspanning die in grootte en frequentie geregeld kan worden.
Afbeelding 2.2.6: schematische weergave van frequentieregelaar
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - De frequentieregelaar
27
De SMPS (Switch Mode Power Supply) in de tussenkring zorgt voor een constante voedingsspanning voor de besturingselektronika van de frequentieregelaar. De SMPS betrekt het vermogen uit de tussen- kringcondensatoren.
De verhouding van de spanning en de frequentie moet constant gehouden worden om een constante flux te houden. Het verband tussen spanning, frequentie en flux is weergegeven in onderstaande formule:
[2.1]
Deze formule is ontstaan uit:
met:
met:
invullen geeft:
met: en
Met hierbij:
= magnetische fluxdichtheid in Tesla = oppervlakte van het magneetveld = hoeksnelheid in radialen / sec
= effectieve spanning in Volt
= aantal windingen in magnetisch veld = stator flux in Wb
= frequentie in Hz
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Draaiveld a- synchrone machine
28
2.3. Algemene eigenschappen a- synchrone machines
2.3.1. Draaiveld a- synchrone machine
Het draaiveld bij de a- synchrone motoren uit de testopstelling wordt opgebouwd door de spoelen van de stator. Het draaiveld van de toegepaste sleepring ankermotor heeft de snelheid van de aangeboden netspanning. Dit is bij de testopstelling 50 Hertz wat overeenkomt met 1500 omwentelingen per minuut. In één periodetijd verdraait het magnetisch veld een halve omwenteling (180°).
De 1500 omwentelingen/ minuut is dan af te leiden door:
50 Hz = 50 periodes/ sec per periodetijd een halve omwenteling verdraaid
50 x halve omwenteling/ sec dit is per minuut
½ x 50 x 60 = 1500 omwentelingen/ minuut
Het statorveld doorloopt 2 magnetische polen per netsinusoïde. Bij 1 poolpaar is dit dus een volledige omwenteling. Of in het algemeen bij p poolparen is dit maar 1/p omwentelingen.
Als de rotor stilstaat is de snelheid waarmee de rotorgeleiders gesneden worden door de veldlijnen van de stator gelijk. Met andere woorden; de frequentie van de geïnduceerde spanningen in de rotorgeleiders is gelijk aan de netfrequentie .
Het draaiveld is hieronder schematisch weergegeven met de stromen , en die in de stator wikkelingen vloeien en de tijden en waarop de netspanning 120° verschuift.
Voor de schematische weergave van de statorwikkelingen is een vierpolige machine uitgewerkt. Hierbij zijn dus twee noord- en twee zuidpolen aanwezig. In de volgende afbeelding wordt dit duidelijk gemaakt. Er geldt voor de statorwikkelingen:
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Draaiveld kortsluitanker motor
29
(t1) (t2) (t3)
(t1) (t2) (t3)
(t1)
Afbeelding 2.3.1 (a t/m h): ontstaan van een elektromagnetisch veld
2.3.2. Draaiveld kortsluitanker motor
Het draaiveld van de stator kan bepaald worden als de poolparen en de voedingsfrequentie bekend zijn. Dit kan berekend worden met de formule:
[2.2]
Hierin is:
= het toerental van het draaiveld in omwentelingen / minuut
= de frequentie van de voeding vanuit de bron (de frequentieregelaar) in Hz = aantal poolparen van de a- synchrone machine
In de volgende afbeeldingen worden de stromen weergegeven van de drie fasen met bijbehorend veld in de motor. De stromen wekken in de spoelen een magnetisch veld op. De positieve stromen zorgen voor een
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Draaiveld kortsluitanker motor
30
noordpool binnen de stator en de negatieve stromen zorgen voor een zuidpool. Het veld zal in de richting van de sterkste pool staan. Met andere woorden: in de richting van de spoel met de grootste stroomsterkte.
De drie fasen zijn weergegeven met de gele rode en blauwe lijnen. De verticale pijltjes drukken de grootte van de stroom uit op dat moment. Uit de afbeelding wordt duidelijk dat er op elk tijdstip twee stromen samen even groot zijn als de tegengestelde stroom van de derde fase. Op tijdstip één geldt er bijvoorbeeld:
de (positieve) rode en (positieve) gele samen zijn gelijk aan de (negatieve) blauwe stroom.
Er geldt:
spoel U1-U2 rode fase spoel V1-V2 gele fase spoel W1-W2 blauwe fase
De volgende afbeeldingen geven het draaiveld weer op verschillende tijdstippen. In principe is dit hetzelfde als de voorgaande schematische weergave onder paragraaf “draaiveld a- synchrone machine” met als toevoeging de sinus grafisch weergegeven bij elk tijdstip en de richting van de vectoren.
Tijdstip 1
Tijdstip 2
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Draaiveld kortsluitanker motor
31
Tijdstip 3
Tijdstip 4
Tijdstip 5
Tijdstip 6
Afbeelding 2.3.2 (a t/m f): ontstaan van een elektromagnetisch veld
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Poolparen
32
2.3.1. Poolparen
Het nominaal toerental van de toegepaste sleepring anker motor in de testopstelling bedraagt 1420 omwentelingen per minuut bij een frequentie van 50 Hz. Dit houdt in dat het een machine is met 2 poolparen, dus 4 polen, 2 x noord- en 2 x zuidpool. Dit betekent dat de twee heen- en teruggaande geleiders 60° verschoven zijn ten opzichte van elkaar. De kortsluit ankermotor heeft een nominaal toerental van 1440 omwentelingen per minuut en deze heeft eveneens 2 poolparen.
De wikkelingen zijn ruimtelijk verschoven, niet in de periodetijd maar mechanisch. Als er slechts 1 poolpaar wordt gevormd dan is de mechanische verschuiving 120° en in geval van de testopstelling, bij 2 poolparen is dit 60°. De ruimtelijke verschuiving is afhankelijk van het aantal poolparen. Dit wordt aangetoond door tabel 2.3.1 en door de formule: , met p het aantal poolparen en de ruimtelijke verschuivingshoek.
In onderstaande afbeelding is een tweepolige- versus een vierpolige a- synchrone motor grafisch weergegeven:
Afbeelding 2.3.3: 2- polige a- synchrone motor Afbeelding 2.3.4: 4- polige a- synchrone motor
Bij de 4- polige machine kunnen de twee wikkelingen in serie aangesloten zijn zodat de windingen uit dikke draad moeten bestaan. In geval dat de wikkelingen parallel zijn aangesloten, moeten de wikkelingen bestaan uit dunne draad om dezelfde stroom te kunnen laten lopen als dat ze in serie zijn aangesloten.
Aantal polen Poolpaar Toerental (bij f = 50 Hz) Ruimtelijke verschuiving
2 1 3000 rpm 120°
4 2 1500 rpm 60°
6 3 1000 rpm 40°
8 4 750 rpm 30°
Tabel 2.3.1: overzicht aantal polen en poolpaar bij bepaald toerental met ruimtelijke verschuiving
Bij de testopstelling betreft het voor zowel de SRA- motor als de KA- motor een 4- polige machine omdat het nominaal toerental 1420 respectievelijk 1440 omwentelingen per minuut bedraagt (zonder slip 1500 omwentelingen per minuut). Deze motor heeft dus een ruimtelijke verschuiving van de spoelen van 60°. De 60° is een andere verschuiving dan de eerder beschreven 120°. De drie spoelen van de stator zijn elektrisch
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Slip
33
120° in fase van elkaar verschoven en het begin van elke spoel wordt aangeduid met een letter, de U1, V1 of W1 en de uiteinden met de U2, V2 en W2.
De 4- polige a- synchrone motoren worden vaker toegepast dan de 2- polige aangezien de snelheid van 3000 omwentelingen per minuut te hoog is voor veel aandrijvingen en bij een 2- polige machine wordt het ijzeren juk slecht benut. De magnetische veldlijnen worden korter bij een meerpolige machine.
Als er een sinusvormige wissel spanning op de spoelen gezet wordt, zal de richting van het magnetische veld van noord naar zuid overgaan door het wisselen van de stroomrichting in de spoelen.
Afbeelding 2.3.5: De drie stator spoelen 120° t.o..v. elkaar verschoven en de richting van het magneetveld
De ruimtelijke 60° verschuiving wordt in het hoofdstuk 2.3.1 en 2.3.2. “Draaiveld” uitgelegd met een grafische weergave van de spoelen met aangegeven stroomrichting.
2.3.2. Slip
De slip is de relatieve afwijking van de snelheid van de rotor ( ) ten opzichte van de snelheid van het statordraaiveld ( ). De sleepring ankermotor en de kooianker motor zijn beide a- synchrone motoren. Dit betekend dat de rotorsnelheid ongelijk is aan de snelheid van het statorveld. Het snelheidsverschil tussen de rotor en de stator wordt slip genoemd. De slip ontstaat doordat de rotor het draaiveld van de stator probeert te volgen. Als de slip 0 is, zal er geen snelheidsverschil tussen de stator en de rotor zijn dus de rotor draait synchroon met de draaiveldsnelheid. Als de rotor stil staat is de slip 1.
De slip is te berekenen met of in procentuele waarde: [2.3]
Met:
= slip in % = slip in waarde
= mechanisch toerental van de rotor in omwentelingen per minuut = draaiveld toerental van de stator in omwentelingen per minuut De slip kan diverse waarden aannemen, zie onderstaande tabel:
Slip waarde Oorzaak
0 De rotor draait even snel als het draaiveld 1 De rotor staat stil, maar draaiveld is in beweging
1 > De rotor draait in tegenovergestelde richting van het draaiveld Positief De rotor draait langzamer dan het draaiveld
Negatief De rotor draait sneller dan het draaiveld
Tabel 2.3.2: Waarde van de slip met beschrijving van de oorzaak
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Vermogen
34
Als de motor aangedreven wordt door de last, met andere woorden; generatorisch gaat werken, zal de rotor sneller draaien dan het draaiveld. De slip is dan negatief en er zal elektrische energie opgewekt worden. Hoe meer negatieve slip, hoe meer energie er opgewekt wordt. Met dit principe kan er teruggevoed worden aan het net en als er geen netvoeding aanwezig is, zal de opgewekte energie opgestookt moeten worden in weerstanden. Bij de testopstelling maken we gebruik van netvoeding, hier kan dus teruggevoed worden aan het net.
2.3.3. Vermogen
Het elektrische vermogen bestaat uit drie soorten vermogen, namelijk het blindvermogen Q (VAr), schijnbare vermogen S (VA) en werkelijke vermogen P (W). Het schijnbare vermogen is het vermogen waar de componenten tegen bestand moeten zijn en het vermogen wat wordt toegevoerd. Het werkelijke vermogen is de elektrische energie die door de motor werkelijk gebruikt wordt om de elektrische energie om te zetten. Het blindvermogen is het vermogen dat tussen opwekker en verbruiker voor de op- en afbouw van magnetische velden zorgt.
Bij een inductieve belasting (spoelen) is het blindvermogen positief, bij een capacitieve belasting (condensatoren) negatief en als de belasting zuiver Ohms is, geldt dat cos = 1 en de hoek is 0°.
Blindvermogen is energie die niet wordt gebruikt maar wel getransporteerd moet worden en dus ook verliezen in de kabels veroorzaakt.
De a- synchrone motor is een inductieve belasting omdat er spoelen in de stator aanwezig zijn. De samenhang tussen de vermogens is weergegeven in onderstaand vectordiagram.
Q S
P
Afbeelding 2.3.6: Verhoudingen van de vermogens
Hierbij geldt:
Actief vermogen [2.4]
Blind vermogen [2.5]
Schijnbaar vermogen [2.6]
Het actief vermogen is het vermogen dat onttrokken wordt uit het net, het blindvermogen is het vermogen dat tussen bron en verbruiker continue wordt uitgewisseld en het schijnbaar vermogen is het vermogen dat aanwezig is als de stroom in fase is met de spanning.
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Vermogen
35
Als de fasehoek groter wordt, zal het blindvermogen groter worden en het werkelijk vermogen kleiner. Bij een hoek van 90° is het blindvermogen maximaal en het werkelijke vermogen 0W.
De vermogensbalans (Sankey diagram) die opgesteld kan worden voor een a- synchrone machine is hieronder weergegeven.
stator luchtspleet rotor
Afbeelding 2.3.7: Sankey diagram van de a- synchrone KA- motor
Met hierbij:
= het toegevoerd elektrisch vermogen = koperverliezen in de stator in Watt
= ijzerverliezen in de stator in Watt = koperverliezen in de rotor in Watt
= de wrijvingsverliezen
= vermogen aan de as van de motor in Watt
Het elektrische vermogen dat geldt bij nullast is door meting verkregen en is als volgt:
Watt
Het toegevoerd elektrisch vermogen kan ook bepaald worden volgens:
Watt
met 1,1 de wisselstroomfactor en nullast alleen de magnetiseringsstroom aanwezig Watt
de ijzerverliezen dienen bij nullast bepaalt te worden
212,54 Watt
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Toerental
36
Watt
Stel Nm
Watt
Watt
De vermogens die gelden bij vollast zijn als volgt:
Watt
Watt
hierbij is 1,1 de wisselstroomfactor
221,9 Watt
met
Watt
2.3.4. Toerental
Door de frequentie van de driefasen spanning te regelen, kunnen we het toerental van de draaistroommotor regelen. Met een frequentieregelaar, in de testopstelling de Siemens 6SL3120-1TE21-0AA3, kan de frequentie gevarieerd worden tussen 0 tot 200 % van de netfrequentie van 50 Hz. Als de frequentie hoger wordt, zullen ook de verliezen groter worden, omdat de motor ontworpen is voor een nominale frequentie van 50 Hz. Als de frequentie lager wordt, dient de motor geforceerd (dus door een aparte ventilator) gekoeld te worden omdat de koeling met de ventilator op de eigen as afneemt naarmate de motor langzamer draait.
2.3.5. Koppel
2.3.5.1. Koppel bij stilstand
Bij de kortsluitanker motor kan de rotorfrequentie synchroon zijn met het stator draaiveld van 50 Hz. Dit houdt in dat de rotorfrequentie tevens 50 Hz is. In dit geval staat de motor stil en heeft de slip een waarde van s = 1. Hierbij is de rotor inductantie maximaal en de faseverschuiving r relatief groot zodat de arbeidsfactor laag is. Er lopen hierbij grote rotorstromen maar er wordt een zwak aanzetkoppel ontwikkeld.
Hoofdstuk: De a- synchrone machines in de Ward Leonard testopstelling - Koppel
37
2.3.5.2. Elektromagnetisch koppel
Het elektromagnetische koppel is het koppel is uit te rekenen met:
[2.7]
Hierbij geldt:
= elektromechanisch koppel in Nm = spanning op de stator in V
= hoeksnelheid van de stator in rad/ sec = hoeksnelheid van de rotor in rad/ sec = rotorweerstand in Ω
Bij de sleepring ankermotor wordt dit koppel gevarieerd door variatie van de rotorweerstand ( ) en bij de kortsluit ankermotor wordt de grootte van de spanning en de frequentie gevarieerd met een frequentie regelaar. De verhouding moet constant zijn om een constante flux te houden. Met andere woorden: de flux is evenredig aan de verhouding spanning / frequentie dus: .
2.3.5.3. Nominale koppel
2.3.5.3.1.
Nominale koppel SRA- motorHet koppel op de motor as bestaat uit het luchtspleet koppel min de koperverliezen in de rotor en wrijvingsverliezen. Standaard inductiemotoren worden ontworpen zodat het kipkoppel 1,75 tot 3 maal het nominale koppel bedraagt. Het nominale koppel kan bepaald worden a.d.h.v. het type plaatje wat zich op de motor bevindt. Het nominaal koppel wordt verkregen als er aan de nominale waarden van de motor voldaan wordt. De nominale waarden zijn de waarden waarvoor de motor ontworpen is. Deze waarden komen voor op het type plaatje van de motor. Het nominaal koppel is dus het koppel bij vollast. Voor het koppel van de SRA- motor geldt volgens gebruikte gegevens van het typeplaatje:
Vermogen
Spanning Spanning Stroom Stroom Frequentie Toerental Cos
= 2,2 kW
= 380 VAC
= 75 VAC
= 6,7 A
= 19 A
= 50 Hz
= 1420 rpm
= 0,67
Tabel 2.3.3: Typeplaatje van de SRA motor
Hieruit kan het nominale koppel berekend worden:
