Trefas asynkronmotor med frekvensriktare

Trefas asynkronmotor med frekvensriktare
Förberedelse (vid denna laboration förekommer höga spänningar,
så förbered Dig därför noga)
Lärobok
• Läs Läroboken: Effektmätning, Wattmetern sid. 218 till sid. 223.
• Läs läroboken: 3-fas asynkronmotorn sid 246, sid 247. Motorns vridmoment sid 248. Y- och D-koppling sid
248. Motorskydd sid 249. YD-omkopplare sid. 250. Rotationsriktning sid. 250. Varvreglering av
asynkronmotorer sid 251. Observera förberedelseuppgiften i labhäftet!
Bearbetning av mätvärden
Under laborationen fyller du i mätvärden och redovisar dina beräkningar i laborationshäftet, ritar kurvor och
diskutera resultatet av dina mätningar med laborationsledaren. Någon rapport utöver detta behöver inte lämnas
in.
Utrustning
Börja med att sätta dig in i hur utrustningen fungerar. Till laborationen är utrustningen uppkopplad i förväg, men
du kommer att få visa att du kan följa ledningsdragningen och att du kan identifiera de olika delarna i
kopplingsschemat. (Se bilaga).
B ro m s m o to r
Laborationsutrustningen består av en ”motorbänk” med en asynkronmotor (till vänster i bilden) och en
bromsmotor (till höger i bilden).
• Asynkronmotorn drivs med en trefasspänning som kommer från en elektronisk frekvensriktare
(Scandialogic). Frekvensriktaren gör om nätets enfasspänning till en konstgjord trefasspänning med en
frekvens som kan varieras mellan 5 och 55 Hz.
• Även bromsmotorn är en asynkronmotor. När den bromsar alstras elektrisk energi som kyls bort av ett trefas
effektmotstånd. Effektmotståndet har ett fast värde (3×640 Ω). Det bromsande momentet beror av
bromsmotorns magnetisering, och denna kan varieras med hjälp av en magnetiseringsström från ett kraftigt
spänningsagregat (LAB510).
Asynkronmotorn på denna ”motorbänk” kan således köras med ett godtyckligt varvtal, och
bromsas med ett valfritt moment.
1

Inställning av varvtal
Frekvensriktare Scandialogic
Frekvensriktaren är monterad på en platta tillsammans med ett
avstörningsfilter.
Med indikatorlampor visas
• Power - att nätspänningen är tillkopplad
• Rotation 1 - medurs rotation
• Rotation 2 - moturs rotation
• Temp. Lim - frekvensriktaren överhettad
• Voltage lim - frekvensriktaren lämnar högsta utspänning
• Current lim - frekvensriktaren begränsar strömmen
• Med en sifferindikator visas vilken frekvens den utgående
spänningen har.
176
Med reglaget styr man den utgående spänningens frekven och därmed
motorns varvtal. Frekvensen kan varieras mellan ”0” och 55 Hz. Man
kan således övervarva asynkronmotorn något.
OBSERVERA! Gör endast mjuka förändringar av varvtalet.
Med omkopplaren väljer man medurs rotation och moturs rotation.
Kör endast korta tider med moturs rotation eftersom asynkronmotorns
axelmonterade kylfläkt då fungerar dåligt.
177
STOP
2
3
1
4
0
5 6
7
8
9
10
Inställning av bromsmoment
ON
0
0 - 30 V
CV CC
30 0
0 - 5 A
5
MONITOR OUTPUT
0 - 30 V
0 - 5 A
POWER
COARSE
VOLTAGE
FINE
COARSE
AMPERE
FINE
REGULATED POWER SUPPLY LAB510
Spänningsagregatet LAB 510 kan leverera spänningar mellan 0 och 30 V och strömmar på upp till 5 A.
Spänningen levereras från aggregatets baksida (polskruvarna på frontpanelen är till för styrändamål).
Aggregatet används för att leverera magnetiseringsström till bromsmotorn. Genom att öka spänningen från
aggregatet och därmed magnetiseringsströmmen får man större bromsmoment. OBSERVERA! Låt inte
spänningen från aggregatet överstiga 20 V.
2

Effektmätning.
Under laborationen mäter vi den elektriska effekt som går
in i asynkronmotorn, och den elektriska effekt som lämnar
bromsmotorn och går in i ”bromsmotstånden”.
Detta sker med två elektroniska Wattmetrar NORMA
D1150.
Wattmeter NORMA D1150
RMS
A
V
HI LO HI LO
MAX 20A ~ MAX 750V ~
Båda Wattmetrarna har anslutits så att de mäter effekt per
fas. (Den totala effekten är således tre gånger så stor).
Genom wattmetrarnas strömanslutningar passerar en av
linjerna, och spänningsanslutningarna ligger mellan denna
linje och en 0-punkt (0-punkten hos tre små Y-kopplade
resistorer).
Wattmetrarna kan ställas in för att visa.
• Watt aktiv effekt - i detta fall effekt per fas P/fas
• Ström - i detta fall linjeströmmen I L
• Spänning - i detta fall fasspänningen U F
• cosϕ
NORMA WATTMETER D 1150
2A
6A
200
V A W COS ϕ
COS ϕ
V
A
W
W
A
COS ϕ
750
AUTO V
20A
OBSERVERA! Vid mätning med Wattmetrar är det viktigt
att man håller reda på hur stor ström och spänning som går
igenom Wattmetern eftersom man lätt kan överskrida
maxgränsen för endera storheten utan att produkten blir
för stor! Samtidigt bör man inte använda onödigt stort
mätområde eftersom det försämrar mätnoggrannheten.
CAPACITIVE
COS ϕ
INDUCTIVE
Mätning av varvtal FLUKE Scopemeter 123
Mätning av den utgående axelns varvtal tillgår så att vi mäter frekvensen på den generatorspänning som lämnar
bromsmotorn. Detta sker med en FLUKE Scopemeter 123. Handledaren hjälper dig att ställa in denna för
frekvensmätning. Vid beräkning av varvtalet utifrån den uppmätta frekvensen måste man beakta generatorns
poltal (p = 4).
Motorbänkens anslutningskontakter
1 2 3
L1
L2
L3
4 5 6
184 184b
Asynkronmotorn. anslutningsbox
• L1, L2, L3 kontakter för anslutning av
trefasspänning (2 parallellkopplade per linje)
• Skyddsjordsanslutning (en kontakt)
Bromsmotorn, anslutningsbox
• 1, 2, 3 kontakter för anslutning av trefasspänning (2
parallellkopplade kontakter per fas)
• Skyddsjordsanslutning (2 kontakter)
• 4, 5, 6 anslutning av magnetiserings ström (2
parallellkopplade kontakter per fas)
3

Mätprincip för momentmätningen
Motorbänken saknar momentmätare. Medan en likströmsmotor har ett helt proportionellt samband mellan
moment och ström, och därigenom är sin egen momentmätare, är förhållandena hos asynkronmotorn mer
komplicerat. En stor del av den ström som flyter i en asynkronmotor är reaktiv och används inte till
effektalstringen, utan till att magnetisera motorn. Strömmen utgör därför inte ett direkt mått på momentet.
I vår uppställning är både asynkronmotorn och bromsmotorn av likartad typ och med samma märkeffekt.
Eftersom båda motorerna är kopplade till samma axel kommer de hela tiden att utsättas för samma moment, och
i övrigt likartade arbetsbetingelser. I samband med bygget av motorbänken fastställdes att de totala förlusterna
alltid delas mellan de båda maskinerna så att asynkronmotorn står för 2/3 och bromsmotorn för 1/3 av de totala
förlusterna. Detta uppmätta faktum används under laborationen för att beräkna axelmomentet för olika driftfall.
MT 90L (märklastdata) ABB Motors
p = 4 (poltal)
P N = P mek = 1,5 kW
n N = 1420 varv/min (märkvarvtal)
η = 78 % (verkningsgrad vid märkdrift)
I N = 3,7/6,4 A (märkström vid 380/220 VY/VD)
cosϕ N = 0,79 (effektfaktor vid märkdrift)
M N = 10 Nm (märkmoment)
MST
MN
= 2,
1
Mmax
MN
= 2,
6
IST
= 5
IN
Förberedelseuppgift:
Pricka in de ovan angivna datauppgifterna i
diagrammet till höger. Skissa hur motorns M(n)-
diagram går mellan punkterna. (Se tilläggsuppgifterna).
Enligt Gustavsson (fig 9.18) gäller för asynkronmotorer
att vridmomentet är maximalt M max vid s max c:a
20 [ % ], där s är den så kallade eftersläpningen
n0
− n
s =
n0
(OBSERVERA! Fig 9.18 är ett ”bakvänt” M(n)-
diagram, ett sk. M(s)-diagram)
M Nm
30
20
10
0
214
500 1000 1500 2000
n varv/min
4

Mätningar med frekvensriktare, tomgående motor ( = ingen
magnetiseringsström till bromsmotorn)
Uppgift 1.
Skruva upp luckan till kopplingsplinten. Hur är motorlindningarna anslutna Y eller D (se Gustavsson fig 9.19)?
Sätt tillbaka luckan.
Svar:
Uppgift 2.
Provkör motorn i tomgång. (= ingen magnetiseringsström till bromsmotorn). Variera frekvensriktarens frekvens
från 0 till 55 Hz. Byt riktning med omkopplaren och variera från 0 till 55 Hz.
Uppgift 3.
Hur gör frekvensriktaren för att byta rotationsriktning på motorn? Koppla själv om två linjer och pröva om
rotationsriktningen ändras (se Gustavsson fig 9.22) . Koppla därefter tillbaka linjerna.
Kommentar:
Uppgift 4.
Frågeställning: Ändrar frekvensriktaren spänningen med frekvensen?
Mät fasspänningen med Wattmetern i läge spänningsvisning vid olika frekvenser (enligt frekvesriktarens
siffereindikator) och redovisa resultatet av mätningen i tabellen:
f [Hz] 5 10 20 30 40 50 55
Mät
U F [V]
Beräkna
U
f
Vilken huvudspänning levererar frekvensriktaren vid frekvensen 50 Hz? U H50 =
Hur borde kvoten U f
vara för att det ska bli samma maxmoment vid alla frekvenser? Under kursen härleds
U
följande uttryck för asynkronmotorns moment: M ∝ ⎛ ⎝ ⎜ ⎞
⎟
f ⎠
2
⋅ ∆ n
Kommentar:
Flytta över SCOPEMETERNs anslutningar från bromsmotorns wattmeter till motsvarande anslutningar
(spänningsanslutningen) på asynkronmotorns Wattmeter. Du kan nu mäta frekvensriktarens utspänning och
frekvens. (Flytta sedan tillbaka anslutningarna).
• Stämmer siffervärdet på frekvensriktarens display?
• Passa på att studera kurvformen på frekvensriktarens utspänning ( = ”fusksinus” ? ). Hur gör
frekvensriktaren för att ändra på spänningen?
Kommentar: (tex. rita av kurvformen)
Uppgift 5. Tomgående motor 50 Hz.
Ställ in f = 50 Hz och kör motorn i tomgång. Använd Wattmetern för att läsa av motorns P, I, och cosϕ.
Mät
Beräkna
P
P tomg (trefas!) I tomg cosϕ
tomg
Itomg
P
I
N
N
Varför är strömmen så hög? (uteffekten är ju så låg?)
Kommentar:
5

Matning från labsalens trefasnät. Dellastmätningar (50 Hz).
Du ska nu koppla om labutrustningen så att
motorn drivs från labsalens stabila trefasnät
och inte från frekvensriktaren. Figuren visar
trefaskontakten (se Gustavsson figur 2.13
CEE-don), kontaktorn (jämför med ”relä med
självhållning" i Digitalteknikkursens relälab)
och en likadan anslutningsbox som till
frekvensriktaren. Av säkerhetsskäl har
labsalen har ett ”nedväxlat” skolnät med
huvudspänningen 230V.
Det är vanligt att asynkronmotorer har hög
startström vid direkt tillslag av spänningen
(det vill säga utan den strömbegränsande
frekvensriktaren). För den aktuella motorn är
startströmmen c:a 5 ggr större än märkströmmen,
totalt 20 A.
För att inte skada Watt-meterarna är det
viktigt att dessa står på högsta strömområdet
vid start. Samtidigt är det olämpligt att flera
grupper startar sina asynkronmotorer samtidigt.
225
Till
Från
L1
L2
L3
Uppgift 6.
Du ska nu belasta asynkronmotorn med några olika moment genom att magnetisera bromsmotorn med
magnetiseringsström från spänningsagregatet. Bromsmotorns Wattmeter visar avgiven effekt per fas.
• Bromsa så att bromsmotorn avger 0,33 kW (detta svarar mot c:a 1/4 M N ) . Bromsmotorns Wattmeter ska
således visa 0,33/3 = 0,11 kW.
Bromsmotstånd
När Bromsmotorn magnetiseras avger den en trefasspänning till bromsmotstånden. Vilket cosϕ har
belastningsmotstånden som är kopplade till bromsmotorn? Gissa!
Ställ därefter in Bromsmotorns Wattmeter för mätning av cosϕ och kontrollera om du gissat rätt!
Kommentar:
Eventuellt justerat värde ( f )
Vid mätningen av varvtalet är det viktigt att nätfrekvensen inte avviker från 50 Hz. Om nätfrekvensen inte är 50
Hz under tiden för dina mätningar kan man behöva justera frekvensvärdet. Enklast sker det efter mätningarna
genom att man efteråt parallellförskjuter kurvan så att den passerar genom punkten med det synkrona varvtalet.
Avläs
Asynkronmotor
P ELin [kW]
(OBS! trefaseffekt)
cosϕ
Bromsmotor
P ELut [kW]
(OBS! trefaseffekt)
f
0,33 (visat 0,11)
Beräkna:
totala förluster
PFTOT
=
PELin
− PELut
motorförluster axeleffekt
PFmotor
= Pmek
=
2
3
P
PELin
− P
FTOT
Fmotor
verkningsgrad
η = P mek
PELin
varvtal ( p = 4 )
f
n = 2 ⋅ ⋅ 60
4
moment
M = Pmek
2π
n
60
6

• Bromsa så att bromsmotorn avger 0,9 kW (detta svarar mot c:a 2/4 M N ) . Wattmetern ska visa 0,9/3=0,3
kW.
Avläs
Asynkronmotor
P ELin [kW]
(OBS! trefaseffekt)
Beräkna:
totala förluster
PFTOT
=
PELin
− PELut
cosϕ
motorförluster axeleffekt
PFmotor
= Pmek
=
2
3
P
PELin
− P
FTOT
Fmotor
Bromsmotor
P ELut [kW]
(OBS! trefaseffekt)
0,9 (visat 0,3)
verkningsgrad
η = P mek
PELin
varvtal
f
n = 2 ⋅ ⋅ 60
4
f
moment
M = Pmek
2π
n
60
• Bromsa maximalt. Kör asynkronmotorn med märkström, I N . Observera att magnetiseringsspänningen inte
bör överstiga 20 V ( för i så fall kommer bromsmotorns huvudspänning att överstiga maxvärdet 400 V ).
Avläs
Asynkronmotor
P ELin [W]
(OBS! trefaseffekt)
cosϕ
Bromsmotor
P ELut [W]
(OBS! trefaseffekt)
f
Beräkna:
totala förluster
PFTOT
=
PELin
− PELut
motorförluster axeleffekt
PFmotor
= Pmek
=
2
3
P
PELin
− P
FTOT
Fmotor
verkningsgrad
η = P mek
PELin
varvtal
f
n = 2 ⋅ ⋅ 60
4
moment
M = Pmek
2π
n
60
Rita in dina mätvärden som asynkronmotorns M(n)-kurva i diagrammet på nästa sida. Diagrammet är en liten del
av det M(n)-diagram som du gjort som förberedelseuppgift. Det är tillåtet att förskjuta kurvan så att den går
igenom den teoretiska punkten med det synkrona varvtalet (så brukar kurvan alltid presenteras i litteraturen).
Kontrollera dina mätvärden med labledaren. ABB har angivit värden på cosϕ och η vid 1/4, 1/2, 3/4 och 5/4 -
last för denna asynkronmotor.
Faskompenseringsexperiment. Matning från labsalens trefasnät.
Uppgift 7.
Mät med wattmetern, och beräkna motorns ”effekttriangel” (för tex tomgång), med och utan trefasig
faskompenseringskondensator. (Se tex Gustavsson Kap 7 Effektfaktorn, Faskompensering).
utan faskompenseringskondensator
med faskompenseringskondensator
Mät Beräkna Mät Beräkna
P fas U F I L cos( ϕ ) P tot S tot ϕ Q tot P fas U F I L cos( ϕ)
P tot S tot ϕ Q tot
Kommentar:
Lycka till!
7

Motorns momentkurva vid dellast, märkfrekvens (50 Hz)
M 12,5
Nm
10
4/4
7,5
3/4
5
2/4
2,5
1/4
n
215
0
1400 1410 1420
1430
1440
1450
1460
1470
1480
1490
varv/min
1500
8

Provbänk Asynkronmotor 1,5 kW
från
motorskydd
eller
frekvensriktare
W
Ineffekt/fas
Motor
Bromsmotor
varvtal/frekvens
f
W
Uteffekt/fas
Trefas 220 V
Motorskydd
Bromsmotstånd
Likspänning
Från
Till
9