1. No category

Harjoitus 4
DEE-33030 Sähkömoottorikäytöt
Jenni Rekola
jenni.rekola@tut.fi 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  c2e 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  Tnn  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
 27438
•
•
 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