Versuch: „Asynchronmotor - Käfigläufer“

Praktikum „Elektrische Maschinen und Antriebe“
Versuch:
„Asynchronmotor - Käfigläufer“
Gruppe
Gruppe 3
Name
Versuchsdurchführung am
Abgabe am
Blattzahl (inkl. Deckblatt): 18
11.01.2006
16.01.2006
Versuch: Asynchronmotor - Käfigläufer
Praktikum – Elektrische Maschinen
1. Versuchsaufbau
Steuerung
Mist
nist
2. Versuchsvorbereitung
2.1 Theorie
a) Strangstromzeiger der Asynchronmaschine als Funktion des Schlupfes s für den
Hochlauf der Maschine. Annahme: R1 = 0 Ω
Für die Vereinfachung R1 = 0 Ω gilt, Re{I1(s = 0)} = 0 und Re{I1(∞)} = 0. Damit ergibt sich
für die Stromortskurve:
n
P0
Formelmäßig gilt für den Strangstrom in Abhängigkeit des Schlupfes für R1 = 0 Ω:
Gruppe 3
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I1 =
X 2 '− j
(
R2 '
s
R2 '
2
X1 − X 2 ' X1 − X h
s
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U 1 , dies stellt für positive Schlupfwerte einen Halbkreis dar für
Re{I 1 } ≥ 0;
Im{I 1} < 0
)
b) Anlaufstrom im Stillstand der Asynchronmaschine in Stern- oder Dreieckschaltung
am Versorgungsnetz
Sternschaltung
Dreieckschaltung
Für den Leiterstrom gilt für die Sternschaltung im Vergleich zur Dreieckschaltung
ILY = 1 IL∆.,
3
und für den Strangstrom gilt: ISY = 1
IS∆.
3
c) aufgenommene elektrische Scheinleistung der Asynchronmaschine für Anschluss in
Stern- und Dreieckschaltung
Für die Definition der Größen U und I wie in obigen Abbildung
gilt für die Sternschaltung:
S Y = 3U ⋅ I SY = 3U ⋅ I LY
Entsprechend für die Dreieckschaltung:
S Δ = 3 ⋅ U ⋅ I SΔ = 3U ⋅ I LΔ
Damit folgt für die aufgenommenen Leistungen im Vergleich:
SΔ
=3
SY
Die aufgenommene Wirkleistung berechnet sich aus der Scheinleistung mit
Pelektr = S ⋅ cos ϕ = 3U ⋅ I L ⋅ cos ϕ
Gruppe 3
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2.2 Maschinendaten / Grenzwerte
Vom Typenschild der Maschine werden folgende Kenndaten abgelesen:
UN =
380 – 420 V (Nennspannung)
cos(ϕ) =
0,88
nN =
2900 1/min
PN =
5,5 kW(Nennleistung)
IN =
10,9 – 10,5 A (Nennstrom)
(Nenndrehzahl)
Schaltart:
Dreieck
Das Nennmoment der Maschine ergibt sich damit aus:
PN
PN = M N ⋅ 2π ⋅ n N ⎯
⎯→ M N =
= 18,1 Nm
2π ⋅ n N
Für den Nennwirkungsgrad der Maschine ergibt sich:
ηN =
PN
Pelektr , N
=
PN
3U N I N cos ϕ N
=
5,5 kW
3 ⋅ 380 V ⋅ 10,9 A ⋅ 0,88
= 0,87 =ˆ 87 %
2.3 Maschine in Betrieb nehmen
Zunächst wird der statische Offset der Drehmomentmesseinrichtung bestimmt. Es ergibt sich:
MOff = 0,3 Nm
Die Maschine wird über die Spannung U8 (Netzspannung dreiphasig 400 V) versorgt. Die
Maschine wird in Stern-Schaltung eingeschaltet. Für den sich einstellenden Schlupf s ergibt
sich mit der abgelesenen realen Leerlaufdrehzahl:
n = 2990 min-1
s = 0,3 %
3. Versuchsdurchführung
3.1 Anlaufverhalten der Asynchronmaschine
3.1.1 Kennlinie der Drehzahlmesseinrichtung und des eingebauten Strommesswandlers
Als erstes wird die Kennlinie der Drehzahlmesseinrichtung in der Schalttafel ermittelt.
ML / Nm
0
2
4
6
8
10
n / 1/min
2990
2966
2940
2910
2875
2836
UMess / V
7,27
7,22
7,2
7,12
7,02
6,89
Für die Empfindlichkeit ergibt sich:
Gruppe 3
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UMess / V
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
n / 1/min
Vn =
min −1
Δn
= 409,6
V
ΔU
Nun folgt die Kennlinie des Strommesswandlers in der Messbox.
ML / Nm
0
2
4
6
8
10
I/A
1,08
1,78
2,74
3,81
4,93
6,29
UMess / mV
45
73
110
154
200
254
Hier ergibt sich für die Empfindlichkeit:
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VI =
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A
ΔI
= 24,9
V
ΔU
UMess / mV
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
I/A
3.1.2 Anlaufstrom für verschiedene Hochlaufphasen
Die Asynchronmaschine wird für diese Versuche an der Spannung U8 (Netzspannung)
betrieben.
Versuchsaufbau:
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a) Stern-Anlauf ohne Last
≈2950 min-1
n(t)
34 A
IStrang(t)
-38 A
b) Stern-Anlauf mit ML = 2 Nm
≈2870 min-1
n(t)
40 A
IStrang(t)
-35 A
c) Dreieck-Anlauf ohne Last
Gruppe 3
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≈2870 min-1
n(t)
62 A
IStrang(t)
-62 A
d) Dreieck-Anlauf mit ML = 2 Nm
≈2870 min-1
n(t)
60 A
IStrang(t)
-60 A
e) Stern-Dreieck-Anlauf ohne Last
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55 A
n(t)
≈2970 min-1
35 A
IStrang(t)
-35 A
f) Stern-Dreieck-Anlauf mit ML = 2 Nm
62 A
≈2970 min-1
n(t)
37 A
IStrang(t)
-33 A
Hier erkennt man, dass beim Umschalten die Drehzahl durch die jeweilige Last leicht
einbricht und der Antrieb dann in Dreieckschaltung etwas beschleunigt werden muss. Deshalb
auch die Stromspitze.
Gruppe 3
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Anlaufzeit
Stern-Anlauf ohne
Last
Stern-Anlauf mit
ML = 2 Nm
Dreieck-Anlauf ohne
Last
Dreieck-Anlauf mit
ML = 2 Nm
Stern-DreieckAnlauf
ohne Last
Stern-DreieckAnlauf mit ML = 2
Nm
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Maximum des
Anlaufstroms
(Strang)
Stromaufnahme des
Motors nach
erfolgtem Anlauf
(Effektivwert)
Istat in A
tAnlauf in s
Imax in A
0,54
38
1,8
0,60
40
2,2
0,20
62
2,2
0,20
60
2,6
0,56
55 (kurze Spitze)
35
2,2
0,60
62 (kurze Spitze)
37
2,6
Die Anlaufzeit im Dreieckanlauf ist wie erwartet geringer (ungefähr 1/3) als im Sternanlauf,
2
M mk ,Δ ⎛ U Δ ⎞
⎟ = 3 auch
=⎜
da ja durch die höhere Strangspannung U Strang ,Δ = 3U Strang ,Y nach
M mk ,Y ⎜⎝ U Y ⎟⎠
das Moment steigt. Am Drehzahlverlauf ist zu erkennen, dass der Antrieb weitgehend linear
beschleunigt.
Im Stern-Dreieck-Anlauf läuft der Antrieb zunächst im Stern an, mit dem dort niedrigeren
⎛
⎞
1
Spitzenstrom ⎜⎜ I Strang ,Y =
⋅ I Strang ,Δ ⎟⎟ und kleineren Moment, und wird anschließend auf
3
⎝
⎠
Dreieckbetrieb umgeschaltet. Damit erhält man den Vorteil eines niedrigeren Anlaufstroms,
1
für den gilt Leiterstrom sogar I Leiter ,Y = ⋅ I Leiter ,Δ . Nur beim Umschalten ergibt sich eine
3
kurze Stromspitze.
Der stationäre Strom steigt wie erwartet mit der Last an. Im Dreieckanlauf ist es schwierig
aus dem aufgenommenen Verläufen Unterschiede zwischen Anlauf mit und ohne Last zu
erkennen, da die Last im Vergleich zum Nennmoment klein ist.
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3.2 Stromortskurve der ASM
Für diese Messungen wird die ASM in Stern-Schaltung and der Spannung U5 betrieben.
Der Strommesswandler liefert einen Ausgangsstrom von 0 bis 5 A bei einem Eingangsstrom
von 0 bis 30 A, d.h. mit dem Übersetzungsverhältnis 1/6.
Durch Strom- und Spannungsmessung an der Motorwicklung U wird die Lage folgender
Punkte der Stromortskurve bestimmt.
Leerlaufpunkt P0:
P0 = 132,6 W
P0ges = 397,8 W
I0 =
1,05 A
cos ϕ0 = 0,55 => ϕ0 = -56,6°
Kurzschlusspunkt PK:
Messwerte:
P=
183,6 W
I=
5,34 A
cos ϕ =
0,62
Hier wurde mit verminderter Strangspannung von 100 V an U7 (Stelltransformator) gemessen
und auf Nennbetrieb umgerechnet, das heißt da mit ¼ UN gemessen wurde gilt: PK = 16 Pmess
und IK = 4 Imess
PK = 2,94 kW
PKges = 8,82 kW
IK =
21,4 A
cos ϕK = 0,62 => ϕK = -51,7°
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Nennpunkt PN:
Hier wurde ein Nennmoment von MN = 6,0 Nm eingestellt, da die Maschine in Sternschaltung
1
betrieben wird. Damit ergibt sich M N ,Y = M N ,Δ
3
PNges = 2,32 kW
PN,elektr = 774 W
3,76 A
IN =
cos ϕN =
0,93 => ϕN = -21,56°
Pges:
Von der Maschine (alle 3 Stränge) aufgenommene Wirkleistung
Nach dem Typenschild gilt für die im Nennbetrieb aufgenommene elektrische Leistung:
Pelektr = 3U N I N cos ϕ N = 3 ⋅ 380 V ⋅ 10,9 A ⋅ 0,88 = 6,3 kW
Da gilt PΔ = 3 ⋅ PY ergibt sich für die Umrechnung auf die Messung:
1
Pelektr ,Y =
3U N I N cos ϕ N = 2,1 kW
3
Dies entspricht auch der hier gemessenen Leistung.
Aus diesen Messwerten lässt sich nun der theoretische Verlauf der Stromortskurve
konstruieren.
Gruppe 3
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n
Nun werden noch für weitere Lastpunkte zwischen Leerlauf und Nennlast Betrag und Phase
des Stromzeigers gemessen und in die Ortskurvendarstellung eingetragen.
0,2 MN
0,4 MN
0,6 MN
0,8 MN
= 1,2 Nm
= 2,4 Nm
= 3,6 Nm
= 4,8 Nm
1,44
1,95
2,52
3,15
I1 / A
0,74
0,85
0,89
0,92
cos ϕ
-42,3°
-31,8°
-27,1°
-23,1°
ϕ
Die Winkel sind negativ, da sich die ASM ohmsch-induktiv verhält und damit der Strom
nacheilt.
ML
Wie man sieht ist im Nennpunkt der Leistungsfaktor cos ϕ am größten.
Durch die weiteren Lastpunkte bestätigt sich der Verlauf der Ortskurve (vergrößerter
Ausschnitt der Ortskurve):
Gruppe 3
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0,8 MN
0,6 MN
0,4 MN
0,2 MN
Die Messpunkte liegen im Rahmen der Messgenauigkeit auf der Ortskurve, wie erwartet
zwischen realem Leerlauf und Nennpunkt.
3.3 Drehzahlsteuerung der Asynchronmaschine
3.3.1 Änderung der Ständerspannung
Nun werden für verschiedene Ständerspannungen und Lastmomente die Schlupfwerte der
ASM bestimmt. Die Asynchronmaschine wird dabei an U5 (Motor-Generator) und im
Dreieck betrieben.
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U
ML / Nm
UN = 400 V
0
4
8
10
2994
2979
2964
2952
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300 V
n / 1/min / Schlupf s in %
0,2
0,7
1,2
1,6
2991
2965
2933
2914
0,3
1,2
2,2
2,9
200 V
2983
2914
-
0,6
2,9
-
damit ergibt sich für den Schlupf s:
s=
nS − n
s
1
wobei n S = f ⋅ 60
= 3000
(Ständerdrehfeldfrequenz, synchrone
nS
min
min
Drehzahl)
Aufgetragen im Diagramm ergibt sich:
M / Nm 12
UN = 400 V
300 V
10
8
6
200 V
4
2
0
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
s
Das Kippmoment ändert sich proportional zum Quadrat der Ständerspannung, der
Kippschlupf sk bleibt unverändert:
2
⎛ U ⎞
M mk
⎟
= ⎜⎜
M mk , N ⎝ U N ⎟⎠
Mmk,N: Nennkippmoment
(1)
Der Schlupf nimmt dadurch bei gleicher Belastung mit sinkender Ständerspannung zu.
Nach der Kloß'schen Formel (nur für Rundstab Käfigläufer) gilt:
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0
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Mm
Mm
2
2s
(2)
=
damit folgt für kleine Schlupfwerte s << sk näherungsweise:
≈
s sk
M mk s k
M mk
+
sk
s
Die lineare Näherung für kleine Schlupfwerte dürfte auch bei diesem Maschinentyp passen.
2
M m ⋅ sk ⎛ U N ⎞
1
⎯→ s ~ 2 ⎯
⎯→ s ⋅ U 2 = const.
Damit erhält man mit (1): s ≈
⎜
⎟ ⎯
2 ⋅ M mk , N ⎝ U ⎠
U
für Mm = konst.
Dies bestätigt sich auch anhand der Messwerte:
U
ML / Nm
UN = 400 V
300 V
s U2 in V2
200 V
0
4
8
10
320
1,1·103
1,9·103
2,6·103
270
1,1·103
2,0·103
2,6·103
240
1,2·103
-
3.3.2 Änderung der Drehfeldfrequenz
Nun werden für verschiedene Werte der Ständerfrequenz und verschiedene Lastmomente die
Schlupfwerte der ASM bestimmt. Die Asynchronmaschine wird dabei an U5 (MotorGenerator) betrieben. Die Klemmenspannung ist an die Frequenz anzupassen.
Es gilt: U =
UN
⋅f
fN
Der Schlupf s ergibt sich aus: s =
U/V
f
nS / 1/min
ML / Nm
0
4
8
10
Gruppe 3
nS − n
nS
400
f1 = 50 Hz
3000
2994
2979
2964
2952
0,2
0,7
1,2
1,6
320
f2 = 40 Hz
2400
n / 1/min / Schlupf s in %
2390
2369
2355
2347
0,42
1,3
1,9
2,2
240
f3 = 30 Hz
1800
1798
1780
1760
1750
0,11
1,1
2,2
2,7
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Praktikum – Elektrische Maschinen
M / Nm 12
f = 30 Hz
10
f = 40 Hz
f = 50 Hz
8
6
4
2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
n / min-1
Es ergibt sich hier nur eine Verschiebung der Kennlinien entsprechend der Änderung der
Frequenz.
Nach der Drehzahlgleichung für die Asynchronmaschine
f
n=
(1 − s )
Zp
kann ja die Drehzahl stufenlos mit der Frequenz geändert werden.
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M / Nm 12
f = 40 Hz
10
f = 30 Hz
f = 50 Hz
8
6
4
2
0
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
s
Trägt man das Moment über dem Schlupf auf, so sollte sich hier keine Abhängigkeit von der
Frequenz ergeben. Hier ist dies im Rahmen der Messgenauigkeit bei solch kleinen
Schlupfwerten auch gegeben, da zudem die Drehzahl aufgrund von Schwankungen immer nur
sehr ungenau gemessen werden konnte.
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