Harjoitus 4 DEE-33030 Sähkömoottorikäytöt Jenni Rekola [email protected] huone SE206 Tehtävä 1: DC-kone katkojakäyttö 23.2.2015 2 Lisäkuristin Udc Ea Hakkuriteholähde Moottori 23.2.2015 3 • • • Oletetaan cosφ=1 Kyseessä on 4-kvadranttikäyttö: kone voi toimia moottorina tai generaattorina molempiin pyörimissuuntiin Kuvassa merkitty moottorikäyttö: 1-kytkimet johtavat, virtatie *** hyötyjarrutus: 2-kytkimet johtavat, virtatie - - - Oletetaan virta jatkuvaksi eli i(0)=i(T). Kyseessä on laskeva hakkuri (buck), jossa kytkimen T ollessa kiinni, ulostulojännite on U o U dc U L Jossa Udc on sisäänmenojännite ja UL on kelan yli oleva jännite. Kun kytkin on auki, jännite on U o U L Koska kyseessä on laskeva hakkuri, on ulostulojännite U o DU dc ton U dc Ts 23.2.2015 4 • • Jos vaimennuskuristinta ei ole, toimii kelana koneen ankkuri-induktanssi La. Hakkurin ulostulojännite Uo on siis jännite, joka muodostuu koneen ankkuriresistanssin Ra ja sähkömotorisen voiman Ea yli. Lasketaan kelan virran muutos aikavälillä Δt. Valitaan aikaväliksi ton, jolloin kelan jänniteyhtälöstä di dt U i L t L U dc U o U dc DU dc U dcTs U dcTs D D 2U dcTs i ton DTs (1 D ) L L L L L uL L • Maksimiarvo ko. lausekkeelle löytyy derivaatan nollakohdasta, kun derivoidaan D:n suhteen di U dcTs 2 DU dcTs 0 dD L L U T D dc s 2U dcTs D 1 2 23.2.2015 5 • Kelavirran muutos on suurin kun kelajännite on suurimmillaan eli kun DC jännite on suurimmillaan (750V). Tarkastellaan aikaväliä ton. di dt U i L t L uL L t ton DTs D i 1 1 0,5 5ms f sw 100 Hz U Uo UL t dc ton L L imax U dc U o U ton dc (1 D)ton La La 750V (1 0,5) 5ms 234 A 8mH 23.2.2015 6 • Virta on suurempi kuin 60A joten lisävaimennusta tarvitaan imax Ltot U dc (1 D)ton La U dc (1 D)ton imax 750V (1 0,5) 5ms 31mH 60 A Llisä Ltot La 31mH 8mH 23mH • - Kelavirran suurinta muutosta voidaan rajoittaa Lisäämällä kuristin Nostamalla kytkentätaajuutta esim. 10kHz:lla Δimax = 19A Lisäämällä suuntaajan kytkimien määrää Virran aaltoisuus lisää moottorin häviöitä ja lämpenemistä. 23.2.2015 7 Tehtävä 2: DC kestomagneettikone • Kestomagnetointi vastaa erillismagnetointia (sivuvirtakone pruju s. 7-6), jossa vuo ϕe on vakio (staattorin magnetointikäyrä). 23.2.2015 8 23.2.2015 9 • Näin ollen indusoitunut sähkömotorinen voima (Pruju yht. 7-3) c1 = konekohtainen vakio e c k n a • 1 e E m Sähköinen vääntömomentti (Pruju yht. 7-5) Tem c2e I a kT I a • Tem Ia kT Kun ankkurivirta Ia on vakio niin napajännite (eli liitinjännite) VT ea Ra I a VT _ rated k E nrated Ra Trated 53V 10 Nm 3700rpm 0,37 204V kT 1000rpm 0,5 Nm / A 23.2.2015 10 • Uudessa toimintapisteessä Tem =5Nm ja nm =1850rpm -> liitinjännitteen (napajännitteen) suuruus riippuu pyörimisnopeudesta ja momentista VT ea Ra I a ke nm Ra I a ke nm Ra Tem kT 53V 5 Nm 1850rpm 0,37 1000rpm 0,5 Nm / A 102V 23.2.2015 11 Tehtävä 3: Erillismagnetoitu DC-kone 23.2.2015 12 L- tai LCL-suodin • • • Vektorimoduloitu aktiivinen verkkosilta pitää DC jännitteen vakiona ja mahdollistaa verkon tehokertoimen säädön. Säädössä tarvitaan takaisinkytkentänä DC jännite ja verkon vaihevirrat. 4-kvadranttisuuntaaja muodostaa halutun ankkurijännitteen moottorille. Takaisinkytkentöinä säädölle ankkurivirta ja pyörimisnopeus. Verkko- ja moottorisuuntaajien kytkentätaajuus esim. 5kHz. 23.2.2015 13 Tasavirtamoottorin säätö 1. Ankkurivirran säätö 2. Magnetointivirran säätö 3. Yhdistetty ankkuri- ja magnetointivirran säätö Erillismagnetoitu kone Koneen vuota ja ankkurivirtaa voidaan säätää toisistaan riippumatta Normaalisti vuo (eli magnetointi) pidetään vakiona (Imagn = Imagn-n kun n ≤ nn) ja säädetään ankkurivirtaa, koska La < Lm niin muutos on nopeampi. Jos n > nn niin toimitaan kentänheikennysalueella ja säädetään magnetointivirta pienemmäksi. Takaisinkytkentänä Imagn. 23.2.2015 14 Kaskadisäätö Ankkurivirta ohje nopeussäädöstä Ankkurijänniteohje virtasäädöstä Pyörimisnopeusohje Takometri (moottorin pyörimisnopeuden mittaus) Mittausten suodatus Mitattu pyörimisnopeus • • • Kaskadisäätö = ankkurivirran sekä pyörimisnopeuden säätö, kaksi sisäkkäistä säätösilmukkaa Sisempi säätösilmukka on aina nopeampi, tässä tapauksessa virran säätö on nopeampaa kuin pyörimisnopeuden säätö Voidaan mitata pyörimisnopeuden sijaan kulma resolverilla ja säätää sitä halutuksi θref- θmit = ωref 23.2.2015 15 Verkkovaihtosuuntaajan säätö 23.2.2015 16 • Lasketaan moottorin nimellispisteen hyötysuhde ja nimellismomentti Pn m I AnVAn m Pn 49,5kW 0,854 I AnVAn 138 A 420V Tn Pn n 49,5kW 446 Nm 1060rpm (2 / 60) 23.2.2015 17 n=700rpm • Akseliteho Paks Tnn 446 Nm 700rpm (2 / 60) 33kW • Moottorin ankkuriteho PA Paks / m 33kW / 0,85 38kW • Magnetointiin kuluva teho Pmagn I magn nVmagn n 6 A 235V 1, 4kW • DC linkissä kuluva teho PDC Pmagn / magn n PA / dc h (1, 4kW / 0,985) (38kW / 0,97) 40kW • Verkosta otettu teho Pverkko PDC / v s 40kW / 0,97 42, 2kW Pvaihe Pverkko / 3 14kW cos 1 I verkko rms Pvaihe / Vvaihe rms 14kW / 230V 61A 23.2.2015 18 C) Nimellisellä kuormalla verkosta otettu teho n nn 1060rpm Taks Tn PA I A nVA n 138 A 420V 58kW PA Pn / m 49,5kW / 0,85 58kW Pmagn PA Pvaihe / 3 dc h v s magn v s 21kW I verkko Pvaihe / Vvaihe rms 21kW / 230V 91A Pyörimisnopeus kasvaa -> verkosta otettu virta kasvaa 23.2.2015 19 Tehtävä 4: DC kestomagneettikone 23.2.2015 20 Moottorin arvot Rv = 4Ω Lv = 8mH kEpeak =25V/1000 rpm p=2 nn =10 000 rpm I=10A Sähköinen pyörimisnopeus nsn nsn pn 2 10000rpm 20000rpm Taajuus f nsn / 60 20000rpm / 60 333Hz Indusoituva vastajännite Evasta _ n nn k Epeak 2 10000rpm Huomaa! kEpeak/√2 25V 177V 2 1000rpm 23.2.2015 21 • • Pintamagnetoidulla kestomagneettikoneella Lsd = Lsq Näin ollen momentti 3 te p PM isq 2 • • Vakiomomentin/vakiovuon alueella isd =0 ja momenttia säädetään roottorikoordinaatistossa isq :lla. Kentänheikennysalueella magnetointia pienennetään säätämällä isd :tä (negatiivinen isd ) -> vuo pienenee koska isd :n tuottama vuokomponentti vastakkainen kestomagneettien tuottaman vuokomponentin kanssa -> riski että kestomagneetit demagnetoituvat -> pyritään siihen, että kestomagneettimoottoria ei käytetä kentänheikennysalueella 23.2.2015 22 Syötön vaihejännite ja tehokerroin Ei olla kentänheikennysalueella -> isd =0 -> kestomagneettikoneen Evasta_n ja virta I samassa vaiheessa. Pruju yht. 7-2 tasavirtakoneen ankkurijännite U a Evasta La dia Ra I a dt U syöttö U a U magn Kestomagneettimoottorille magnetointijännite =0 joten U syöttö Evasta _ n j Lv I Rv I 177V j (2 333Hz ) 8mH 10 A 4 10 A (217 j168)V 27438 • • 168 tan 1 38 217 Syötön vaihejännite on 274V Moottorin tehokerroin cosφ=cos(38°)≈0,80 23.2.2015 23 Tehtävä 5: oikosulkumoottori • Nelinapainen -> p=2 23.2.2015 24 • • Oletetaan, että kitka- ja tuuletushäviöitä ei huomioida. Tällöin akselimomentti ja sähköinen momentti ovat yhtä suuret, sähköinen momentti = Tem Trated • Pn n 7,5kW 41Nm 1746rpm(2 / 60) Sähköinen pyörimisnopeus (napapariluku p=2) nsn 60 f n 60 60 Hz 1800rpm p 2 • Ilmavälivuo on vakio, joten absoluuttinen jättämänopeus on vakio riippumatta pyörimisnopeudesta. Näin ollen sähköinen momentti on myös vakio. • Absoluuttinen jättämänopeus n j nsn n 1800rpm 1746rpm 54rpm 23.2.2015 25 Vakiomomentin alue Staattorijännite kasvaa lineaarisesti -> vakiovuo Imagn = vakio Us Kentänheikennysalue Käämivuo pienenee syöttöjännite = vakio Imagn pienenee pyörimisnopeuteen verrannollisesti T, Ψs 23.2.2015 26 23.2.2015 27 Tmax ”kippauspiste” Tn s=1 ja n=0 Moot. paikallaan n=nn s=0 ja n=ns roottori pyörii synkroninopeudella • Jos syöttötaajuus on 45 Hz niin moottorin pyörimisnopeus on n nsn n j n 60 f nj p 60 45 Hz 54rpm 1296rpm 2 • Momentti pysyy vakiona 41Nm -> Liukurengaskoneen toiminta: Rr:ää lisäämällä Tmax siirtyy mutta Tmax arvo ei muutu! 23.2.2015 28 • • • Jos jättämä =0 niin myös tuotettu momentti =0 Maksimimomentti Tmax ≈ 2..3*Tn Momenttikäyrän muoto riippuu koneen roottorin rakenteesta, erityisesti roottoripiirin resistanssista. Kun Rr kasvaa niin momenttikäyrä siirtyy oikealle. • Vakiomomentti muuttuvalla syöttötaajuudella pystytään tuottamaan käyttämällä taajuusmuuttajaa moottorin edessä. Jos moottorin jännitteessä ei saa esiintyä korkeataajuista säröä PWM:stä johtuen, on moottorin ja taajuusmuuttajan väliin lisättävä alipäästösuodin (esim. LC-suodin). • 23.2.2015 29 jarrukatkoja diodit alipäästösuodin 23.2.2015 30
© Copyright 2024