2018 LEP-Frequenzumrichter i PDF

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Labor...

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Leistungselektronik

Praktikumsprotokoll Frequenzumrichter Versuchstag: 04.04.2018 Gruppe: LEP03

Hochschule f¨ur angewandte Wissenschaft Hamburg Professor: Prof. Dr.-Ing. Gustav Vaupel HAW Berliner Tor 7 20097 Hamburg

Studenten: Malte Ostermann Niklas Hemmje S¨oren Zweiacker (Protokollf¨uhrer)

16. April 2018

Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung

3

2

Vorbereitung 2.1 . . . . 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7

3 . . . . . . . .

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3 3 3 3 3 4 5 6

3

Versuchsdurchf¨uhrung ¨ 3.1 Uberpr ufen und Berechnen der Nenndaten . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 3.2 Aufnahme der U/f Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Aufnahme der M/n Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Untersuchung des Pulsmusters des Frequenzumrichters . . . . . . . . . . 3.4.1 Betriebsart BLOCK Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Betriebsart SINE Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Betriebsart V-SINE Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Oberschwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Darstellung des Raumzeigers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 7 7 8 8 9 10 10 10 11 13 14 16

4

Auswertung 4.1 M/n Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Pulsmuster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Oberschwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Raumanzeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 17 17 18 18 18 18 18 19 19 19 19 19 19 19 20 20 20

2

Leistungselektronik

Praktikum

Sommersemester 2018

Abbildungsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

4 Spannungsverl¨aufe U 1z U 2z U 3z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Leiterspannungsverl¨aufe U 12 und U 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leiterspannungsverlauf U 31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 Strangspannungsverl¨aufe U 1N und U 2N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strangspannungsverlauf U 3N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 ur Leiter- und Strangspannung . . . . . . . . . . . . . . . . Wertetabelle f¨ Spannungsraumanzeiger f¨ur die Strangspannung . . . . . . . . . . . . . . 6 8 ur die Aufnahme einer U/f-Kennlinie . . . . . . . . . . . . Wertetabelle f¨ aufgenommene U/f Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 aufgenommene M/n Kennlinien bei 10-80 Hz ohne Spannungsanhebung . 9 aufgenommene M/n Kennlinien bei 10-80 Hz mit 25% Spannungsanhebung 9 aufgenommene M/n Kennlinien bei 20-80 Hz ohne Spannungsanhebung mit quadratischer U/ f 2 Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 aufgenommenes Pulsmuster der Blockmodulation bei 50 Hz . . . . . . . 11 aufgenommenes Pulsmuster der Blockmodulation bei 25 Hz . . . . . . . 11 aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 50 Hz . . . . . . . 12 aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 25 Hz . . . . . . . 12 aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation mit ver¨anderter Taktfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 50 Hz . . . . . . . . 14 aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 25 Hz . . . . . . . . 14 Oberschwingungsanalyse f¨ur die Blockmodulation . . . . . . . . . . . . 15 Oberschwingungsanalyse f¨ur die Sinusmodulation . . . . . . . . . . . . . 15 Oberschwingungsanalyse f¨ur V-Sinusmodulation . . . . . . . . . . . . . 16 Raumzeigerdarstellung f¨ur die Blockmodulation . . . . . . . . . . . . . . 16 Raumzeigerdarstellung f¨ur die Sinusmodulation . . . . . . . . . . . . . . 17 Raumzeigerdarstellung f¨ur die V-Sinusmodulation . . . . . . . . . . . . . 17

3

Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

1 Einleitung Gegenstand der Untersuchung ist ein im Labor vorhandener Frequenzumrichter mit angeschlossenem Drehstromasynchronmotor. Vor Versuchsbeginn wurde durch VorlesungsAufbau und unterlagen und entsprechender Literatur ein Grundkenntnisstand bezuglich ¨ Funktionsweise erlangt.

2 Vorbereitung 2.1 2.1.1 Die M¨oglichkeiten zur Drehzahlsteuerung von Asynchronmaschinen sind: die Polpaare ist sehr grobstufig und kann nur Anzahl der Polpaare - Die Einstellung uber ¨ vor dem Kauf des Motors festgelegt werden (Ausnahme:z.B. Dalandermotor). Schlupfregulierung - Schlupfregulierung funktioniert uber ¨ die Ver¨anderung des L¨auferwiderstands. Dadurch ver¨andert sich das Anlaufmoment, bei gleichem Kippmoment. Diese Variante ist sehr verlustbehaftet. Frequenzregulierung - Ein Frequenzumrichter kann durch Verringern und Erh¨ ohen der oglich.Jedoch wird Frequenz die Drehzahl steuern. Auch ein 4-Quadrantenbetrieb ist m¨ neben dem Asynchronmotor noch ein Frequenzumrichter gebraucht, der Nachteil sind die entstehenden Kosten.

2.1.2 Um den oben genannten Frequenzumrichter anzusteuern wird als Modulationsverfahren heutzutage die Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet. Dabei werden bei gleichbleibender Frequenz unterschiedlich breite Impulse moduliert (Rechteckimpulse). Anders als die Pulsamplitudenmodulation (PAM) werden bei der PWM zwei Spannungsebenen gebildet. Die Information liegt nicht in den Logikpegeln, sondern in dem Pulsbreitenverh¨altnis. 2.1.3 Der Unterschied zwischen einem ”halbgesteuerten” und einem ”vollgesteuerten”Wechselrichter liegt in der Verwendung unterschiedlicher Bauteile. Ein vollgesteuerter Wechselrichter besteht ausschließlich aus Thyristoren, ein halbgesteuerter Wechslrichter verwedet Dioden und Thyristoren gleichermaßen. Bei einem vollgesteuertem Wechselrichter muss die Spannung in einem bestimmten Takt umgepolt werden. Dadurch ist der Ausgangsstrom oberschwingungsbehaftet. 2.1.4 Ein Frequenzumrichter, der im Blockbetrieb betrieben wird hat die beispielhaften Spannungsverl¨aufe (Abb.1) 4

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Praktikum

Sommersemester 2018

Abbildung 1: Spannungsverl¨aufe U 1z U 2z U 3z

2.1.5 Die daraus resultierenden Leiterspannungen U 12 , U 23 und U 31 werden durch die Gleichungen

U 12 = U 1z − U 2z U 23 = U 2z − U 3z U 31 = U 3z − U 1z konstruiert. (Abb.2 und 3)

aufe U 12 und U 23 Abbildung 2: Leiterspannungsverl¨

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Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

Abbildung 3: Leiterspannungsverlauf U 31

2.1.6 Außerdem werden aus den gegeben Spannungsverl¨aufen die Strangspannungen U 1N , U 2N und U 3N konstruiert. (Abb.4 und 5)

Abbildung 4: Strangspannungsverl¨aufe U 1N und U 2N

Abbildung 5: Strangspannungsverlauf U 3N

¨ Zur Ubersicht werden die Werte in eine Tabelle eingetragen. 6

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Praktikum

Schaltzustand 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1

Leiterspannung Ud 0 −U d 0 U d −U d −U d U d 0 −U d 0 Ud 0 −U d U d Ud −U d 0

Sommersemester 2018 Strangspannung Ud − Ud − Ud 2 2 2 Ud − Ud − Ud 2 2 2 Ud − Ud − Ud 2 2 2 Ud − Ud − Ud 2 2 2 Ud Ud − 2 − Ud 2 2 Ud − Ud − Ud 2 2 2

Abbildung 6: Wertetabelle f¨ ur Leiter- und Strangspannung 2.1.7 Aus den konstruierten Strangspannungsverl¨aufen wird mithilfe der Formel Us =

2 3

∗ [U 1N (t) + a ∗ U 2N (t) + a2 ∗ U 3N (t)]

ein Spannungsraumzeiger erstellt, wobei U d mit 540 Volt vorgegeben wird. Die Konstante 2π 4π a hat den Wert e j∗ 3 bzw. a2 einen Wert von e j∗ 3 .

Abbildung 7: Spannungsraumanzeiger f¨ur die Strangspannung

7

Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

3 Versuchsdurchfuhrung ¨ Die im Labor verwendete Drehstromasynchronmaschine wird mit einem Frequenzumrichter betrieben. Die Nenndaten der Maschine sind:

U N = 400V/230V (Y/∆) IN = 1, 03A/1, 79A(Y/∆) cos(φ) = 0, 73 nN = 1385min−1 P N = 370W fN = 50Hz p=2

3.1

¨ ufen und Berechnen der Nenndaten Uberpr ¨

Zun¨achst wird das NenndrehmomentMN , der Nennschlupf S N und das Kippmoment MK bei S K = 0, 33 berechnet. MN = PNfN = 2π370W 50Hz = 2, 35Nm SN =

2π p n0 −nN n0

2

=

1500−1385 1500

= 0, 076

s sk + s sk MK = MN ∗ = 5, 37Nm 2 uft. Jetzt wird die Maschine im Nennpunkt betrieben und die Nenndaten werden uberpr ¨ ¨ Die Daten werden, mit einer kleinen Fehlertoleranz, eingehalten.

3.2

Aufnahme der U/f Kennlinie

Die Drehstromasynchronmaschine wird im Leerlauf mit Frequenzen zwischen 10Hz und 100Hz betrieben.An der Software wird folgendes eingestellt:

Darstellung Perioden Taktfrequenz Modus U/f Kennlinie Frequenz

FREQUENCY CONVERTER 2 8 kHz SINE linear ansteigend, Eckfrequenz 50 Hz 50 hz

Der Spannungseffektivwert der Grundschwingung wird aufgezeichnet. 8

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Praktikum Frequenz 0Hz 10 Hz 20 Hz 30 Hz 40 Hz 50 Hz 60 Hz 70 Hz 80 Hz 90 Hz 100 Hz

Sommersemester 2018

Spannungseffektivwert 0V 73 V 140 V 211 V 282 V 354 V 354 V 354 V 354 V 355 V 356 V

ur die Aufnahme einer U/f-Kennlinie Abbildung 8: Wertetabelle f¨

Das daraus entstehende Bild erf¨ ullt die Erwartung.

Abbildung 9: aufgenommene U/f Kennlinie

auft linear mit einer Kippfrequenz von 50 Hz, wie erwartet. Die Kennlinie verl¨

3.3

Aufnahme der M/n Kennlinie

3.3.1 Zur Aufnahme der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie wird die Drehstromasynchronmaur schine durch eine Synchronmaschine mit einer Gegenstrombremse abgebremst. Daf¨ wird die Software ActivServo”verwendet. Aufgezeichnet werden die Kurven f¨ ur 10 -80 ” Hz in 10er Schritten. 9

Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

M/Nm

8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400 1/min

Abbildung 10: aufgenommene M/n Kennlinien bei 10-80 Hz ohne Spannungsanhebung

3.3.2 eine weitere Messung der M/n -Kennlinie wird bei einer Startspannung von 25% durchoheres Kippmoment erzielt. gef¨uhrt, dadurch wird im Bereich f ¡ fN ein h¨

M/Nm

8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

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2400 1/min

Abbildung 11: aufgenommene M/n Kennlinien bei 10-80 Hz mit 25% Spannungsanhebung

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Praktikum

Sommersemester 2018

3.3.3 Mit einer quadratisch ansteigender U/ f 2 Kennlinie ver¨ andert sich auch das Erscheinungsbild der M/n Kennlinie, wobei durch den quadratischen Anstieg der Kurve die Durchflutung bzw. die Leistung bei 10 Hz nicht groß genug sind, um den Motor anzutreiben.

M/Nm

8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

0

200

400

600

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1200

1400

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2000

2200

2400 1/min

Abbildung 12: aufgenommene M/n Kennlinien bei 20-80 Hz ohne Spannungsanhebung mit quadratischer U/ f 2 Kennlinie

3.4

Untersuchung des Pulsmusters des Frequenzumrichters

¨ Uber den Servo-Maschinenpr¨ufstand wird manuell ein Lastmoment von 1Nm eingestellt. ¨ ache werden nachfolgend verschiedene PulsUber die Frequenzumrichter-Bedieneroberfl¨ muster eingestellt.

3.4.1

Betriebsart BLOCK Modulation

Gemessen und auf das Oszilloskop projiziert werden die Leiterspannung U L12 und der Motorstrom I1 . 11

Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

Abbildung 13: aufgenommenes Pulsmuster der Blockmodulation bei 50 Hz

Abbildung 14: aufgenommenes Pulsmuster der Blockmodulation bei 25 Hz

Die Drehstromasynchronmaschine erzielt im Blockbetrieb nur eine m¨ aßig gute Leistung. Dies sieht man in Abb. 13 und 14 an der Stromkurve, die zwar wiederkehrend ist, aber weder block- noch rein sinusf¨ormig ist. Auch die entstehenden Ger¨ausche der Maschine lassen auf einen unrunden Betrieb schließen. (Mehr dazu im Abschnitt 4.2.1) 3.4.2

Betriebsart SINE Modulation

Der Motor wird umgestellt auf die Modulationsart SINE. Außerdem wird die Taktfrequenz zwischen 1kHz und 8kHz variiert. 12

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Praktikum

Sommersemester 2018

Abbildung 15: aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 50 Hz

Abbildung 16: aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 25 Hz

Ein deutlicher Unterschied zur Blockmodulation ist der Stromkurvenverlauf, der in dieser Modulationsart eindeutig sinusf¨ormig ist. Die modulierte Spannung sieht auf der Abbildung zwar immer noch blockf¨ormig aus, jedoch werden die Fl¨achen der einzelnen Impulse gr¨oßer bzw. kleiner, wodurch eine sinusf¨ ormige Fl¨ache entsteht. Daher wird diese Art der Modulation auch ”sinusbewertete Pulsweitenmodulation”genannt. Eine solche Modulation bewirkt beim Motor eine deutlich h¨ohere Leistung als die Blockmodulation. Jetzt andertes Bild. wird die Taktfrequenz ver¨andert auf 1kHz verringert. Dabei entsteht ein ver¨ 13

Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

Abbildung 17: aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation mit ver¨anderter Taktfrequenz

Im Vergleich zu einer 8kHz-Taktfrequenz sind bei einem Bild der 1kHz-Taktfrequenz vereinzelt die Impulse sowohl im Spannung- als auch im Stromverlauf zu sehen.Wohingegen die einzelnen Impulse nicht erkennbei einer 8kHz-Taktfrequenz und gleicher Auflosung ¨ bar sind, sondern nur die Grundschwingung.

3.4.3

Betriebsart V-SINE Modulation

In der Modulationsart V-SINE wird zus¨atzlich zur Sinuskurvenmodulation die 3.Oberschwingung des Sinus mit einbezogen. Dadurch ist die Außenleiterspannung um den Faktor 2 gr o¨ ßer als die Leiter-N-Spannung. Eine Bildaufnahme der Pulsmuster bei 25 und 50 Hz sieht wie folgt aus: 14

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Praktikum

Sommersemester 2018

Abbildung 18: aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 50 Hz

Abbildung 19: aufgenommenes Pulsmuster der Sinusmodulation bei 25 Hz

¨ Ahnlich wie bei der Sinusmodulation verl¨auft der Strom sinusf¨ormig. Durch die gewertete dritte Oberschwingung und den damit verbesserten Leistungseigenschaften wird die Wirkleistung des Motors nochmals verbessert.

3.5 Oberschwingungsanalyse F¨ur die Oberschwingungsanalyse werden die drei untersuchten Modulationsarten bei 50Hz verglichen. 15

U/V

Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

700 650 600

550 500 450

400 350 300

250 200 150

100 50 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 f/Hz

U/V

Abbildung 20: Oberschwingungsanalyse f¨ur die Blockmodulation

700 650 600

550 500 450

400 350 300

250 200 150

100 50 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 f/Hz

Abbildung 21: Oberschwingungsanalyse f¨ur die Sinusmodulation

16

U/V

Leistungselektronik

Praktikum

Sommersemester 2018

700 650 600

550 500 450

400 350 300

250 200 150

100 50 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 f/Hz

Abbildung 22: Oberschwingungsanalyse f¨ur V-Sinusmodulation

3.6

Darstellung des Raumzeigers

ur die drei ModulatiDer Raumzeiger wird am Oszilloskop im XY-Betrieb dargestellt. F¨ onsverfahren entstehen dabei die folgenden Bilder:

ur die Blockmodulation Abbildung 23: Raumzeigerdarstellung f¨

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Sommersemester 2018

Praktikum

Leistungselektronik

ur die Sinusmodulation Abbildung 24: Raumzeigerdarstellung f¨

Abbildung 25: Raumzeigerdarstellung f¨ur die V-Sinusmodulation

4 Auswertung 4.1 M/n Kennlinie 4.1.1 F¨ur die M/n Kennlinie wird das errechnete Kippmoment mit dem wirklich gemessenen Kippmoment verglichen. Die Abb.10 zeigt, dass das h¨ochste Kippmoment im Nennbetrieb bei 50 Hz erreicht wird.Jedoch liegen der berechnete Wert (5,37Nm) und der abgelesene Wert (4,8Nm) schon signifikant auseinander. Dies liegt daran, dass zur Berechnung 18

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Prakti...