Katholieke Hogeschool Kempen Campus HIKempen Geel Departement Industrieel Ingenieur en Biotechniek 4 EM – ET
Marijn Roels
3 November 2005
Labo Elektrotechniek Driefasige ASM ________________________________
CAMPUS
Geel
Docent: Segers W.
Academiejaar 2005 – 2006
2 Inhoudsopgave 1 2 3 4
Inleiding - proefomschrijving .......................................................... 3 Bouw en werking .......................................................................... 4 Voorstelling meetgegevens ............................................................. 6 Verwerking meetgegevens ........................................................... 11
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
3
1 Inleiding - proefomschrijving De meest gebruikte motor in de industrie is de Asynchrone motor. Althans voor relatief kleine vermogens, dus geen tientallen MW vermogens. Het doel van deze proef is om te kijken hoe de elektrische karakteristieken van de motor eruit zien in het normale werkingsgebied. Hierbij geven we dan ook een korte beschrijving van zijn werking en zijn verschillende types, constructies, …
Figuur 1: 3-fasige ASM In het labo gebruikten we een ASM met voornaamste gegevens: MDK 3/1500 V: 380
A: 6,3
660 cos φ : 0,86
3,65 kW: 3
tr/min: 1450 Dit wil zeggen dat als we de motor in Δ plaatsen, dat we maximaal 380 V lijnspanning mogen hebben en dat we dan een lijnstroom van 6,3 A trekken. Gebruiken we de motor in Y dan mogen we 660 V lijnspanning aanleggen en dat we dan een lijnstroom van 3,65 A trekken. In beide configuraties hebben we in de motor een spoelspanning van 380 V en door elke spoel een stroom van 3,65 A. Wij gebruikten een net van 230/400 en we startten hem met Y/Δ. We bekwamen dus een Δ – eindsituatie van 400 V. Dit is dus oké met het naamplaatje. De motor kan een mechanisch vermogen van 3 kW leveren en heeft in bedrijfstoestand een nominaal toerental van 1450 tr/min en dit met een cos φ van 0,86.
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
4
2 Bouw en werking Bij de ASM hebben we voornamelijk 2 types die men kan onderscheiden: Kooianker motoren; Sleepringanker motoren.
Kooianker Stator De kooianker motor is de meest gebruikte ASM. Zijn stator bestaat uit 3 – fasige wikkelingen die ruimtelijk 120° (radiaal) verschoven zijn. Deze wikkelingen worden omgeven door gelamelleerd Fe met Si (verminderen wervelstromen) en vormen dan samen het ankerblik pakket. Rotor De rotor bestaat ook uit een gelamelleerd ankerblik met daarin Cu of Al staven. Deze worden aan beide kanten kortgesloten door een kortsluitring en hierdoor verkrijgt men dan de typsiche vorm van een kooi zoals op figuur 2 te zien is.
Figuur 2: Kooiaker Opmerking: voor Al staven kan men gebruik maken van de spuitgiettechnologie.
Sleepringanker Stator De stator is identiek aan deze van de kooianker. Rotor In het blikpakket zit een 3 – fasige wikkeling. Deze wordt via sleepringen en borstels naar buiten gebracht. De wikkeling kan ook direct kortgesloten worden.
Figuur 3: Sleepringanker
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
5 Werking ASM Een ASM motor werkt op het principe van inductie en wordt daarom ook vaak inductiemotor genoemd. Door het aanleggen van een 3 - fasige wisselspanning op de statorwikkelingen krijgen we een sinusoïdaal draaiveld op netfrequentie. De rotor staat op het startogenblik nog stil en het veld (stator) draait met 50 Hz (n = 60.f /p) rond. Hierdoor snijden de geleiders (vb. Cu – staven) veldlijnen en er zal een spanning geïnduceerd worden over deze geleiders. Deze geleiders zijn kortgesloten en hierdoor zal er een stroom vloeien door de geleiders. Deze stroomvoerende geleiders bevinden zich in een magnetisch (stator)veld en hierop werken dus krachten (Wet van Lorentz). Eigenlijk zijn het de twee velden (aangelegd statorveld en geïnduceerd rotorveld) die op elkaar inwerken en daardoor een krachtwerking wordt veroorzaakt. Door deze krachtwerking loopt de motor aan. Bij aanloop staat de rotor stil en draait het statorveld op 50 Hz rond. De slip is dan gelijk aan 1 en uit het equivalent schema kan men dan vinden dat de rotorstroom zeer groot is en dat de motor een grote aanloopstroom zal trekken. Naargelang de motor aan het aanlopen is, zal de slip kleiner worden en zal de rotorstroom afnemen naar de regimestroom. Bij de ASM geldt wel dat er altijd slip moet zijn tussen de rotor en de stator. Is dit niet zo, dan zullen de geleiders geen veldlijnen meer snijden, en zullen er geen spanningen en stromen geïnduceerd worden en zal er geen krachtwerking meer zijn. Dit zou betekenen dat de motor niet draait. Altijd slip wil zeggen dat de motor altijd trager zal draaien dan het statorveld. Vb. bij het # poolparen = 2 (p=2) zal ns = 1500 tr/min. De rotor zal om bovenstaande reden niet tegen 1500 tr/min kunnen draaien. SM Dit is een groot verschil met de synchrone motor. De synchrone motor draait wel met hetzelfde aantal toeren als het aangelegde draaiveld. De rotor (vb. permanente magneet) volgt het draaiveld (haakt in) en zal hierdoor synchroon draaien. Bij een synchroon systeem moet men wel zorgen voor een veld (statorveld) en voor een magneet (permanent of DC – bekrachtigd). Een synchrone motor heeft ook nog een interessante eigenschap dat hij als condensatorenbatterij kan dienen. Als men de SM gaat overbekrachtigen, dan zal de machine reactief vermogen leveren en kan hij als condensatorenbatterij ingeschakeld worden.
Voor- en nadelen Kooianker +) Bij de kooianker motor kan de rotor (met Al – staven) met spuitgieten bekomen worden. Dit betekent massaproductie en dus goedkoper. +) Bij de kooianker motor is weinig onderhoud vereist. +) Met verschillende poolparen kan men verschillende discrete toerentallen bekomen. -)
Grote stroom bij het aanlopen van de kooianker motor.
-)
Moeilijk toerentalregelbaar, men moet al een frequentieomvormer gebruiken om het toerental soepel te regelen.
Sleepringanker +) Men kan aanloopweerstanden gebruiken bij de sleepringen en hierdoor kan men bij de start voor een kleinere aanloopstroom zorgen. +) Vroeger kenden men geen frequentieomvormers en men gebruikte deze aanloopweerstanden om het toerental te regelen.
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
6 -)
Deze sleepringanker motor is veel duurder dan de gewone kooianker motor.
-)
Men zit met mechanisch contact bij de borstels, sleepringen, dus er is meer onderhoud vereist.
Dubbelkooirotor Dit is een verbetering (maar dus ook duurder) voor de kooianker motor. In de rotor zitten nu 2 kooien. Men heeft aan de buitenkant (tegen de luchtspleet) een kooi met dunne staven en aan de binnenkant (dieper in het blikpakket) een kooi met dikke staven. Men spreekt hier dan van een bovenkooi en een onderkooi, respectievelijk de dunste-staven-kooi en de dikste-staven-kooi. Bij de start is de slip gelijk aan 1 en zal de stroom zich verdelen. De grootste stroom loopt door de kooi met de kleinste impedantie. De impedantie van de kooi wordt gegeven door formule 2.1:
Z staaf = R staaf + jϖ 2 Lσstaaf
(2.1)
Bij de start is ϖ 2 groot en is de weerstand van de staaf te verwaarlozen. De stroom verdeelt zich dus volgens de inductanties en daardoor zal de grootste stroom door de dunste staven vloeien of door de bovenkooi. De bovenkooi heeft een grote weerstand en hierdoor zal de aanloopstroom beperkt worden. In bedrijf (belast) zal de rotorfrequentie klein zijn en is de lekinductantieterm verwaarloosbaar. De grootste stroom gaat dus door de kleinste weerstand en dus door de onderkooi. 99% van de gebruikte ASM motoren zijn de kooiankermotoren. Deze worden in de industrie gebruikt bij vermogens vanaf 100 W tot enkele MW. Bij generatoren in windmolens worden ook ASM gebruikt. Deze zijn robuust voor windstoten.
3 Voorstelling meetgegevens
Figuur 4: Opstelling
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
7 Bij deze proef hebben we een 3 – fasige ASM gebruikt. Zijn kenplaatje hebben we reeds besproken in de inleiding. Als last hebben we een wervelstroomrem. In een machine wordt een DC – bekrachtigd magnetisch veld aangelegd door een “volgestuurde thyristorbrug”. Naargelang de instelling meer of minder DC – bekrachtiging gaan we de as van de ASM meer of minder belasten. Aan de hand van een koppelmeting (kracht . een zekere afstand) kunnen we dan het koppel in het bedrijfspunt (koppel machine = koppel last) gaan meten. Hiervoor moeten we nog wel uitrekenen wat het maximale te leveren koppel van de machine is:
Pmech = T .ϖ ⇒ T =
Pmech 3000 = = 19,75 Nm 2πn 2.π .1450 60 60
(3.1)
Nu weten we tot welk koppel we maximaal mogen belasten. Om de belastingskarakteristiek op te meten, gaan we belasten van nullast tot + vollast in een aantal stappen. Hierbij gaan we een aantal grootheden meten. Met deze gegevens kunnen we dan nog een aantal andere grootheden berekenen. We hebben gebruik gemaakt van een energiemeter en stroomtransfo’s. De maximale stroom die door de energiemeter mocht gaan bedroeg 5 A en bij vollast bedroeg de lijnstroom 6,3 A. We hebben een stroomtransfo van 60/5 omgezet naar een transfo van 60/30 ofwel 2/1. Dit bekwamen we door de lijndraad 6x door de stroomtransfo te wikkelen. Nr Unet (V) Inet (A) P (kW) Q (kVAr) S (kVA) cos φ M (Nm) n (tr/min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
401 400 401 400 401 400 400 400 400 400 401 401
2,32 2,46 2,71 2,97 3,27 3,64 4,15 4,56 5,23 5,7 2,25 1,99
0,386 0,743 1,064 1,36 1,66 1,978 2,38 2,7 3,18 3,53 1,38 1,33
1,572 1,55 1,55 1,54 1,55 1,57 1,61 1,65 1,7 1,78 0,735 0,34
1,62 1,718 1,88 2,06 2,27 2,52 2,87 3,17 3,618 3,96 1,566 1,38
0,234 0,433 0,565 0,66 0,73 0,782 0,83 0,853 0,88 0,89 0,88 0,967
0 2,2 4,4 6,2 8,3 10,3 13,1 15,1 18 20,6 6,4 6,2
1497 1492 1488 1485 1481 1477 1471 1467 1460 1455 1485 1485
Iact (A)* Ireact (A)* Pmech (kW)* η (%)* 0,54 1,07 1,53 1,96 2,39 2,85 3,44 3,89 4,6 5,07 1,98 1,92
3fasige ASM
2,26 2,22 2,24 2,23 2,23 2,27 2,31 2,38 2,48 2,6 1,07 0,51
0 0,344 0,686 0,964 1,287 1,593 2,018 2,32 2,752 3,139 0,995 0,964
Marijn Roels
0 46,3 64,5 70,9 77,5 80,5 84,8 85,9 86,5 88,9 72,1 72,5
4 EM – ET
8
Grafieken 25
20
15
10
5
0 1450
1455
1460
1465
1470
1475
1480
1485
1490
1495
1500
n (tr/min) T-n
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
9 Grafieken 6
5
4
3
2
1
0 1450
1455
1460
1465
1470
1475
1480
1485
1490
1495
1500
n (tr/min) I actief
3fasige ASM
I reactief
Marijn Roels
P
Q
4 EM – ET
10 Grafieken 1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0 1450
1455
1460
1465
1470
1475
1480
1485
1490
1495
1500
n (tr/min) cos phi
3fasige ASM
Rendement
Marijn Roels
4 EM – ET
11
4 Verwerking meetgegevens Bij verschillende karakteristieken zien we op 1 toerental 3 resultaten. Dit zijn de resultaten van de verbetering van de cos φ. We overlopen ze even: Karakteristiek Ireactief: deze daalt op de verbetering. Dit is logisch. We verbeteren de arbeidsfactor dus we wensen minder reactieve stroom. Karakteristiek Q:
deze daalt op de verbetering. Dit is ook logisch, minder reactieve stroom wil ook zegen minder reactief vermogen trekken.
Karakteristiek cos φ: deze stijgt op de verbetering. Dit is juist wat we wensen! Onze meetpunten bevinden zich in het volgende gebied:
Figuur 5: Werkingsgebied We zien dat de arbeidsfactor bij nullast slecht is. Dit komt omdat bij nullast weinig actief vermogen wordt getrokken (er is geen belasting). Er wordt dus wel reactieve stroom getrokken, maar weinig actieve. Hierdoor hebben we een slecht cos φ (zoals ook het rendement dat slecht is) We zien dus dat het overdimensioneren van een motor niet zo gunstig is voor het rendement en de cos φ. Als de motor maar vb. ¾ belast wordt, dan zal hij werken in het gebied over zijn bedrijfstoerental en zal zijn rendement en zijn cos φ minder zijn dan nominaal. We hebben voor meting 4 een cos φ verbetering toegepast. Hiervoor hadden we P, cos φ en de nieuwe arbeidsfactor (cos’ φ) nodig. Als we uitrekenen hoeveel Q we moeten compenseren kunnen we uitrekenen hoe groot de condensatoren moeten zijn:
Q = P (tg (bg cos(cos ϕ )) − tg (bg cos(cos' ϕ )) = 1,36.(tg (bg cos(0,66)) − tg (bg cos(0,9))) = 0,889 KVAr
(4.1)
We moeten dus 889 VAr gaan compenseren. Nu kunnen we kiezen of we de condensatoren in ster plaatsten of in driehoek. In ster hebben we grotere condensatoren nodig, maar dan staat de fasespanning over dezen. Plaatsten we de condensatoren in driehoek, dan staat er een grotere spanning, de lijnspanning over dezen, maar zal de benodigde condensatorwaarde kleiner zijn:
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
12 In Y:
C=
Q 889 = = 17,8µF 2 3.U f .2πf 3.230 2.100π
(4.2)
In Δ:
C=
Q 889 = = 5,90 µF 2 3.U f .2πf 3.400 2.100π
(4.3)
In het labo beschikken we enkel over condensatoren van 8 µF. Daarom doen we een ondercompensatie en een overcompensatie. Rij 11 in de tabel is de onder-compensatie (16 µF voor 17,8 µF) en rij 12 in die tabel is de overcompensatie (8 µF voor 5,9 µF). We moeten deze C – batterij tussen de meter en de motor plaatsten. We kunnen beschouwen dat de C – batterij Q op het net stuurt richting bron, dus de reactieve stroom moet door de meter richting bron gaan (in andere zin dan de reactieve stroom die door de motor getrokken wordt). Voor de overcompensatie hebben we een nieuwe cos φ van 0,967 en voor de ondercompensatie hebben we een nieuwe cos φ van 0,88. In beide gevallen zien we een significante verbetering van de oude cos φ die gelijk was aan 0,66. Praktisch gaan we maar tot 0,9 compenseren. We willen vermijden dat de motor capacitief gaat werken. Hierdoor zou de spanning kunnen gaan stijgen en dit is niet gewenst.
Besluit Met deze proef hebben we inzicht gekregen in de verschillende kenmerkende grootheden van de motor, allen in functie van het toerental; Overdimensionering komen het rendement en PF niet ten goede; Overcompensatie moet vermeden worden door vb. max. tot 0,9 cos φ te compenseren; Men moet opletten met het kenplaatje en het gebruikte voedingsnet: de eindwaarde is driehoek en daarmee moet gerekend worden!; De plaatsing van de C – batterij mag niet willekeurig geplaatst worden als we de verandering willen meten; Er zijn verschillende soorten, types ASM en zij hebben elk hun voor – en nadelen.
3fasige ASM
Marijn Roels
4 EM – ET
