EA3_Praktikum_Servobremse_FR-S 500

FH Stralsund
Fachbereich Elektrotechnik
Praktikum im Fach
Elektrische Antriebstechnik
Versuch EA 3
(Praktikum)
Drehstromasynchronmotor mit Frequenzsteuerung
Versuchsziel:
Ein über einen Frequenzumrichter mit sinusbewerteter Pulsdauermodulation gespeister Drehstrom-Antrieb ist in
Betrieb zu setzen und zu untersuchen. Das Funktionsprinzip dieses Puls-Umrichters und seine Wechselwirkung mit
dem gespeisten Asynchronmotor sind mit Hilfe eines Zweistrahloszilloskops zu untersuchen. Stationäre
Betriebskennlinien sind aufzunehmen.
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2. Versuchsvorbereitung
Um die Versuchsaufgabe 3.1. zu erfüllen, ist die annähernde Berechnung der Leerlaufreaktanz X11 aus gemessenen
Werten notwendig. Damit Sie während des Versuches die notwendige Berechnungsgrundlage besitzen, lösen Sie
bitte folgende Beispielaufgabe:
Die Leerlaufreaktanz der Versuchsmaschine kann aus folgendem Ersatzschaltbild ermittelt werden:
Mit der Versuchsschaltung nach Aufgabe 3.1.2. und einer Widerstandsmessung wurden folgende Größen ermittelt:
R1 = 4,23Ω, angezeigte Wirkleistung P1 = 110 W, angezeigte Wirkleistung P2 = -40 W, aufgenommener
Leerlaufstrom I0 = 1,76 A, Leiter-Leiter-Spannung U1 = 380 V
Legen Sie den Lösungsweg dar und berechnen Sie die aufgenommene Leerlaufwirkleistung P0 sowie X11!
Lösung: X11 = 120,7Ω
2.1. Kolloquiumsfragen
1. Welche elektrischen Maschinen werden heute als frequenzgesteuerte Drehfeldmaschinen eingesetzt?
2. Welche technisch relevanten Verfahren zur Erzeugung eines frequenzveränderlichen Drehfeldes sind Ihnen
bekannt?
3. Wann wird welche technische Lösung angewendet und mit welchen elektrischen Maschinen wird dieser Antrieb
realisiert?
4. Vergleichen Sie das Drehzahl-Drehmoment-Verhalten eines gesteuerten Gleichstromantriebs (fremderregt) im
Bereich der Ankerspannung- und der Feldstellung mit dem einer frequenzgesteuerten Asynchronmaschi- ne mit
Kurzschlußläufer.
5. Erläutern Sie die Wirkungsweise eines Puls-Spannungs-Umrichters. Was verstehen Sie unter einer sinusbewerteten Pulsweitenmodulation?
6. Welche elektronischen Leistungsbauelemente werden bei einem Umrichter heute vorteilhaft eingesetzt? Wo
liegen ihre Grenzen?
7. Was verstehen Sie unter einer PWM mit 16-kHz-Pulsung? Was sind ihre zwei großen Vorteile?
8. Wie erfolgt hinsichtlich der Leistung die ungefähre Auswahl eines normgerechten Drehstrommotors für einen
frequenzgesteuerten Antrieb? Was sind die Ursachen für die notwendige Leistungsreduzierung bei einem
umrichterbetriebenen Antriebsmotor im Vergleich zu einem sinusförmig gespeisten Normmotor?
9. Wie erfolgt im allgemeinen die Regelung eines Drehstromantriebs?
10. Was ist die Steuerkennlinie eines Frequenzumrichters? Welche Definition können Sie anhand dieser Anleitung dafür angeben?
11. Warum kann die Drehstromasynchronmaschine bei Speisung mit kleiner Frequenz ohne besondere Maßnahmen nicht ihr Nennmoment aufbringen? Welche Maßnahmen können diesem Verhalten entgegenwirken?
12. Warum ist eine Erhöhung der Umrichterausgangsspannung über den Nennwert der Maschine kritisch?
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2.2. Experimentiereinrichtung
Frequenzumrichter FR-S 500 der Firma Mitsubishi
Der Frequenzumrichter FR-S 500 ist ein sinusbewerteter, pulsbreitenmodulierter Umrichter mit konstanter
Zwischenkreisspannung. Die Endstufen sind mit Leistungs-Feldeffekttransistoren bestückt.
Der Umrichter ist für den Betrieb am 230 V - 1-Phasennetz ausgelegt. Der Dauernennstrom beträgt 7 A. Die
Ausgangsfrequenz ist kontinuierlich 0 bis 120 Hz einstellbar. Alle Bedienungselemente und Steueranschlüsse sind
vom Leistungsteil galvanisch getrennt. Außerdem ist der Umrichter gegen motorische und generatorische
Überlastung sowie gegen Kurzschluß geschützt.
Der Frequenzumrichter FR-S 500 besitzt zusätzliche, vom Leistungsteil galvanisch getrennte Eingänge zur externen
Ansteuerung.
Sicherheitshinweise
Achtung: Im Betrieb führt der Frequenzumrichter in jedem Falle, auch bei Speisung über einen Trenntransformator, gefährliche Spannungen. Das Betreiben des Frequenzumrichters ist deshalb nur unterwiesenen
Personen erlaubt.
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Bedienung
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Parameterliste
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Parametereinstellung
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12
3.
3.1.
Versuchsdurchführung
Korrektur der eingestellten U/f-Kennlinie
Wie aus den vorgehenden Ausführungen bekannt, muß bei kleinen Drehzahlen des Motors die U/f-Kennlinie zur
Kompensation des ohmschen Spannungsabfalls angehoben werden. Dazu müssen die Wirkwiderstände des Ständers
sowie näherungsweise die Leerlaufreaktanz bei Nennfrequenz bekannt sein.
3.1.1.
Bestimmung der Wirkwiderstände jedes Ständerwicklungsstranges
Bei kleinen Labormaschinen liegen sie immer über 1 Ω und können deshalb leicht mit einem handelsüblichen
Ohmmeter gemessen werden.
1.
Messen Sie alle drei Strangwiderstände der Versuchsmaschine und errechnen Sie daraus für die weitere
Berechnung den arithmetischen Mittelwert und rechnen Sie diesen auf die Betriebstemperatur von 75° nach:
235 + 75
R1(75°) = (R1(20°) + Rmeß(20°)) ⋅ 235 + 20° wobei Rmeß(20°) = 0,55Ω der gesamte im Stromkreis liegende
Meßwiderstand (Shunt und Meßleitung) bei 20° ist.
Meßwerttabelle Strangwiderstände
R1
3. 1.2.
R2
R3
Rm
Rm(75°)
Näherungsweise Bestimmung der Ständerleerlaufreaktanz X11 (mit LMG 500)
Zur Berechnung der Steuerkennlinie muß X11 bekannt sein. Man erhält sie entweder aus dem Berechnugsblatt des
Motorenherstellers oder durch einen Leerlaufversuch bei Antrieb des Prüflings mit Synchondrehzahl.
Der Versuchsmotor (1 kW-Schleifringläufer in ∆-Schaltung) wird durch einen frequenzgesteuerten 3,9 kWSynchronservo-Motor (Y-Schaltung) auf Synchrondrehzahl gebracht. Lesen Sie die notwendigen elektrischen
Grössen von dem entsprechenden Messgerät ab.
1. Schalten Sie S2 und damit den Versuchsmotor direkt an das Drehstromnetz! Kontrollieren Sie dabei die
Drehrichtung, der Motor muss linksrum drehen! Gegebenenfalls sind 2 Zuleitungen zum Motor zu tauschen.
2. Laden Sie das Programm „ActiveASMA“ und öffnen Sie die Datei ASMA_3.1.2.asma!
Starten Sie die Servobremse und lassen Sie die voreingestellte Bremsrampe mit der Solldrehzahl von 1500 min-1
fahren.
3. Lesen Sie die Leiter-Leiterspannung, den Leiterstrom und die aufgenommene Drehstromwirkleistung von dem
entsprechenden Messgerät ab!
4. Berechnen Sie aus diesen Werten X11!
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X11 =
3.1.3.
Berechnung der notwendigen Spannungsanhebung
Damit der Motor auch bei kleiner Speisefrequenz sein Nennmoment aufbringen kann, muß der ohmsche
Spannungsabfall durch Anhebung der U/f-Kennlinie kompensiert werden.
Berechnen Sie U1x = U1(6Hz) nach Gleichung (23) dieser Anleitung! Für R1 ist R1(75°) nach Aufgabe 3.1.1.
einzusetzen.
U1x = U1(6Hz) =
3.1.4.
Einstellung der Spannungsabfallkompensation am Umrichter
Bauen Sie folgende Schaltung auf (mit LMG 500):
Zur Frequenzermittlung benutzen Sie die Frequenzanzeige des Umrichters.
1.
2.
3.
4.
Laden Sie das Programm „ActiveASMA“ und öffnen Sie die Datei ASMA_3.1.4.asma!
Überzeugen Sie sich, daß die Ausgangsfreuenz des FUs auf 0 Hz steht und der Parameter "P0" auf 0%.
Nehmen Sie den Frequenzumrichter in Betrieb und lassen Sie den Antrieb mit 6 Hz laufen!
Ermitteln Sie die Belastungskurve n = f(M). Starten Sie dazu die Servobremse und lassen Sie die Bremsrampe
verfahren!
5. Entlasten Sie den Antrieb und stellen Sie durch Parameter "P"0 die von Ihnen berechnete Spannung U1(6Hz) ein!
Wiederholen Sie die Belastung mittels der Bremsrampe der Servobremse!
6. Lassen Sie die gefundene "P0"-Einstellung so stehen und entlasten Sie den Antrieb anschließend vollständig!
Setzen Sie den ASM-Motor still!
7. Machen Sie einen Ausdruck der Belastungskennlinien!
3.1.5.
Aufnahme der Steuerkennlinie
1. Nehmen Sie die Steuerkennlinie UX ,nX = f(fX) des jetzt eingestellten Umrichters auf! Messen Sie, ausgehend von
5 Hz, 10 Hz, 15 Hz ... in 5 Hz - Schritten die Umrichterausgangsspannung bis fXmax = 120 Hz!
2. Öffnen Sie dazu die Datei „ASMA_3.1.5.asma und speichern Sie für die jeweilige Ständerspannungsfrequenz die
Werte für U1strang und n ab! Klicken Sie dazu auf das Fotoapparat-Symbol.
3. Setzen Sie die Servobremse sowie den Antrieb still!
3. Drucken Sie die ermittelten Werte aus!
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3.2. Aufnahme der Belastungskennlinien
1. Nehmen Sie für fX = 15 Hz, 50 Hz und 80 Hz die Belastungskennlinien des Umrichterantriebs auf!
Öffnen Sie dazu die Datei „ASMA_3.2_15 Hz-80 Hz.asma! Stellen Sie unter EINSTELLUNG-VORGABEN-RAMPE eine
Endrehzahl von 300 min-1 ein.
3. Stellen Sie am Frequenzumrichter eine Frequenz von 15 Hz ein!
4. Starten Sie den Antrieb und anschliessend die Bremsrampe!
5. Schalten Sie die Servobremse softwaremässig aus und stellen Sie eine Enddrehzahl von 1300 min-1 ein!
6. Stellen Sie am Frequenzumrichter 50 Hz ein und ermitteln Sie die Belastungskurve.
7. Wiederholen Sie die Belastung bei 80 Hz! Dazu ist vorher eine Enddrehzahl von 1800 min-1 einzustellen!
8. Machen Sie von den erhaltenen Kurven einen Ausdruck nachdem Sie sowohl den Antrieb als auch die
Servobremse stillgesetzt haben!
3.3.
Untersuchung der Umrichterausgangsspannung und des Motorstromes
1. Stellen Sie am Frequenzumrichter eine Frequenz von 25 Hz ein! Oszillographieren Sie die Ausgangsspannung und
den Ausgangsstrom des Umrichters! Machen Sie davon eine Hardcopy!
2. Wiederholen Sie diese Messungen bei einer Frequenz von 45 Hz und 65 Hz!
4. Versuchsauswertung
4.1. zu Aufgabe 3.1.
1. Geben Sie im Protokoll die Werte für R1(20°), R1(75°), P1, P2, P0, U1, I10 und U1(6Hz) an!
2. Diskutieren Sie Ihre gewonnenen Erkenntnisse schriftlich!
4.2. zu Aufgabe 3.2.
1. Diskutieren Sie den Verlauf der Kurven schriftlich!
4.3. zu Aufgabe 3.3.
Erläutern Sie anhand der aufgenommenen Kurven die Funktionsweise des Frequenzumrichters!
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5.
Literaturverzeichnis
/1/ Bystron, Klaus:
/2/
/3/
/4/
/5/
/6/
Leistungselektronik
München, Wien: Hanser, 1979
Felderhoff, Rainer: Leistungselektronik
München, Wien: Hanser, 1984
Jäger, Rainer:
Leistungselektronik
Berlin und Offenbach: vde-verlag gmbh, 1993
Fischer, R.:
Elektrische Maschinen
München, Wien: Carl Hanser Verlag 1989 (7. Auflage)
Pfaff, G.; Meier, C.:
Regelung elektrischer Antriebe
R. Oldenbourg Verlag München Wien 1988 (2. Auflage)
Brosch, Peter F.: Moderne Stromrichterantriebe
Vogel Verlag und Druck KG, Würzburg 1992 (2. Auflage)