Egyenáramú gép mérése

Átírás

1 Egyenáramú gép mérése Villamos laboratórium 1. BMEVIVEA042 Németh Károly Kádár István Hajdu Endre szeptember.1.

2 Tartalomjegyzék 1. A laboratóriumi mérés célja Elméleti alapismeretek, a méréssel kapcsolatos tananyag Mérési feladatok A mérési elrendezésben használt eszközök A mérési elrendezés ismertetése Egyenáramú generátor üresjárási jelleggörbéje Egyenáramú generátor külső jelleggörbéje Egyenáramú motor sebességi és mechanikai jelleggörbéje Egyenáramú gépcsoport üresjárási veszteségének mérése A motor és a generátor hatásfokának mérése A mérés kiértékelése, mérési dokumentáció Felkészülési kérdések... 7

3 1. A laboratóriumi mérés célja Korszerű, szabályozott áramirányítókkal táplált egyenáramú gépcsoport állandósult állapotú üzemviszonyainak laboratóriumi vizsgálata motoros és generátoros üzemben. A külső gerjesztésű egyenáramú gép villamos és mechanikai jelleggörbéinek meghatározása különböző munkapontokban, a kapott eredmények kiértékelése. 2. Elméleti alapismeretek, a méréssel kapcsolatos tananyag Dr. Retter Gyula: Villamosenergia átalakítók 1. kötet. Tankönyvkiadó. Budapest, (Jegyzet): Egyenáramú gépek: 3.1, 3.3, 4.1, 6.1, 6.2. Dr. Halász Sándor: Villamos hajtások. Egyetemi tankönyv Egyenáramú gépek: 3.1; 3.2; 4.2 [ 3. Mérési feladatok 1. Külső gerjesztésű generátor üresjárási jelleggörbéjének felvétele. 2. Egyenáramú generátor külső jelleggörbéjének felvétele. 3. Egyenáramú motor sebességi és mechanikai jelleggörbéinek. 4. Egyenáramú gépcsoport üresjárási veszteségének meghatározása. 5. Külső gerjesztésű motor és generátor hatásfokának mérése. 4. A mérési elrendezésben használt eszközök M1: külső gerjesztésű motor, Leroy-Somer gyártmány: MS 1322 M 8,1kW; n=1520/perc; Ua=400V; Ia=24A; Ig= 0,8A; külső szellőzésű M2: vegyes gerjesztésű generátor, Leroy-Somer gyártmány: MS 1322 M* 8,1kW; n=1520/perc; Ua=400V; Ia=24A; Ig= 0,8A; külső szellőzésű, *kiegészítő soros gerjesztő (kompaund) tekerccsel EC: Heidenhahn ERN430 inkrementális enkóder; 1024p/ford VM: egyedi sebesség interfész V3 analóg feszültség mérő kimenettel: 5,00V/1000ford/perc V1,V2 analóg voltmérők: 600; 300; 130; 60; 30; 12; 6 V mérési tartománnyal A1,A2 Deprez-alapműszer: 60mV/5mA, hozzá tartozó sönttel: 10; 20; 50A/60mV, A3,A4 lágyvasas analóg ampermérők 0,6A; 1,2A; 3A; 6A mérési tartománnyal ÁI1: MENTOR II. típusú feszültség-szabályozott tirisztoros áramirányító 15 kw ÁI2 MENTOR II. típusú áram-szabályozott tirisztoros áramirányító 15 kw MS: LORENZ DR2212-R tip. forgó nyomaték szenzor 0 100Nm max MM: LORENZ GM80-TG nyomaték jelfeldolgozó és kijelző egység 1

4 5. A mérési elrendezés ismertetése A kapcsolási vázlat az 1. ábrán látható. A tengelykapcsolatban levő két gép névleges adatai azonosak, de M2 generátor opcionálisan beiktatható soros gerjesztő tekercset is tartalmaz, amellyel jelleggörbe módosító (ún. kompaund vagy antikompaund hatás) valósítható meg. terh. nyomaték (arm.áram) alapjel ford.szám (arm.fesz.) alapjel gerjesztés gerjesztés Nyomaték interfész MM soros gerj. fõpólus terhelo gép (generator) nyomaték szenzor MS hajto gép (motor) fõpólus sebesség interfész VM segédpólus fordulatszám 5.00V/1000n segédpólus armatura áram armatura feszultség armatura feszultség armatura áram 1. ábra. A mérési elrendezés villamos vázlata Az M1 motort változtatható nagyságú egyenfeszültséggel tápláljuk az armatúra áramkör ÁI1 tirisztoros feszültség-szabályozott áramirányítójával. Az armatúra feszültsége ÁI1 feszültség alapjel potenciométerével változtatható [0-420V] tartományban. Az M1 motor Ig 1 gerjesztő áramát az áramirányító gerjesztés alapjelével állítjuk, és A3 ampermérővel mérjük. A gerjesztő áram a [0,3A 0,9A] tartományban állítható. Az M2 terhelő gép (generátor) armatúra köri villamos teljesítményét az ÁI2 tirisztoros áram-szabályozott áramirányító visszatápláló üzemmódban a háromfázisú hálózatba visszajuttatja. A gépcsoport tengelyére nézve ez a szabályozott hajtás veszteségmentes terhelő gépként viselkedik, a tengely által közvetített teljesítményt AI2 áramirányító a hálózatba visszatáplálja. Az Ia 2 armatúra árammal arányos fékező nyomaték az AI2 áramirányító áramalapjelével a [0A 20A] tartományban állítható. A generátor Ig 2 gerjesztő árama a [0,05A 0,9A] tartományban változtatható, és az A4 ampermérővel mérjük. 2

5 A gépcsoport fordulatszámával arányos feszültséget az EC enkóder jelsorozatából a VM interfész segítségével állítjuk elő 5V/1000ford/perc (max. 2000ford/perc) együtthatóval, és a V3 voltmérővel mérjük. A tengelyteljesítmény meghatározásához a mechanikai nyomatékot az MS (csúszókuplungos nyomatékkorlátozóval védett) nyomaték jeladóhoz csatlakoztatott MM digitális mérőmű és kijelző segítségével mérjük. Az egyenáramú gépek kapcsainak jelölését szabvány rögzíti: armatúra (A), segédpólus (B), kompenzáló tekercs (C), soros gerjesztő tekercs (D), mellékáramkörű gerjesztő tekercs (E), külső gerjesztő tekercs (F). Mindkét gép külső szellőzésű, a ventillátor a mérési elrendezésben nem szerepel. A mérés során a külső szellőzőt be kell kapcsolni, mivel a korszerű gépek magas hőosztályra (magas belső üzemi hőmérsékletre, és veszteségre) vannak tervezve, ezért szellőzés híján rendkívül gyorsan túlmelegszenek. 6. Egyenáramú generátor üresjárási jelleggörbéje Az üresjárási jelleggörbe az indukált feszültséget ábrázolja a gerjesztő áram függvényében. A generátor üresjárási jelleggörbéjének felvételéhez ÁI2 vezérlését (ENG. kapcsoló) tiltsuk le. Először a (külső gerjesztésű) hajtó motor gerjesztését kapcsoljuk be (motor Engedélyezés), és névleges gerjesztő áram (Ig= 0.8A) mellett indítsunk (motor START). Célszerű a motor armatúra feszültségét nulláról fokozatosan növelni a gépcsoport kívánt fordulatszámáig. Leálláskor az armatúra feszültséget fokozatosan csökkentsük. Először az armatúra feszültséget (START ki) és utána a gerjesztő áramot (ENG.) kapcsoljuk ki. 2. ábra.külső gerjesztésű generátor tipikus üresjárási jelleggörbéje. Az üresjárási jelleggörbét, a szabvány szerint, felülről lefelé haladva vegyük fel (2. ábra), így a gép hiszterézis jelleggörbéjének leszálló ágát fogjuk megkapni. A legnagyobb megengedett 3

6 gerjesztő áram Ig=0,8A. Ügyeljünk a mérés során a fordulatszám állandóságára és arra, hogy a gerjesztő áramot szigorún monoton csökkentsük (ne növeljük!), mert csak így kapjuk meg helyesen a leszálló ág pontjait. A gerjesztő kört lekapcsolva mérjük meg a remanens feszültséget. 7. Egyenáramú generátor külső jelleggörbéje A külső jelleggörbe a kapocsfeszültséget ábrázolja az armatúra áram (terhelő áram) függvényében. A generátor külső jelleggörbéinek felvételénél az üresjárási állapotból (I ag = 0) induljunk ki. A példaként feltüntetett ábrán hagyományos építésű generátor tipikus külső jelleggörbéje látható. A generátor áramát ÁI2 áramirányító áram alapjelével növelhetjük és az A2 ampermérővel mérhetjük. A megengedhető armatúra áram 20 A. Ügyeljünk a fordulatszám és a gerjesztő áram állandóságára, mivel a generátor áramának növelésével a gépcsoport terhelése növekszik és a hajtómotor lassul. Ezt a hajtómotor AI1 áramirányító feszültség alapjelének növelésével korrigáljuk. Az ábrán egyenáramú generátor tipikus külső jelleggörbéi láthatók különböző gerjesztési módok esetén. 8. Egyenáramú motor sebességi és mechanikai jelleggörbéje A sebességi jelleggörbe a motor fordulatszámát ábrázolja az armatúra áram függvényében. Az állandó feszültségről táplált egyenáramú gép fordulatszáma motoros üzemben az armatúra áramától (tulajdonképpen a tengelyen fellépő terhelő nyomatéktól) függően változik. A fordulatszám a motor típusától függően az Ua armatúra feszültségtől és az Ig gerjesztő áramtól függ. 4

7 A mechanikai jelleggörbe ugyanilyen feltételek mellett a fordulatszám tengelynyomaték összefüggést ábrázolja. A jelleggörbe felvételekor szintén az üresjárási állapotból indulunk ki. Névleges armatúra feszültség és két gerjesztő áram érték mellett vegyük fel a jelleggörbéket a motor megengedett max 20A armatúra áram tartományában. A generátor oldali ÁI2 áramirányító áram alapjelével változtathatjuk a motor armatúra áramát. Minden mérési munkapontban jegyezzük fel a tengely forgatónyomatékát is. A mérés során motor oldali armatúra feszültséget és a motor gerjesztő áramát állandó értéken kell tartani. Az alábbi ábrán különböző kivitelű egyenáramú motorok tipikus jelleggörbéi láthatók. 9. Egyenáramú gépcsoport üresjárási veszteségének mérése A gépcsoport teljes üresjárási veszteségét a hajtó motor által felvett egyenáramú teljesítmény fedezi. A Po üresjárási veszteség Pm mechanikus (forgással összefüggő), és Pv villamos (mágnesezéssel összefüggő) komponensre bontható. Ha a hajtómotor és a generátor armatúra feszültsége megegyezik, a két gép üresjárási vesztesége közel azonos lesz, mivel a fordulatszámuk azonos (a hajtó motor üresjárási áramával összefüggő veszteséget elhanyagoljuk). Ha a generátor Ig 2 gerjesztését az AI2 áramirányítón letiltjuk (ENG kapcsoló kikapcsolva), a generátor Ua armatúra feszültsége és Pv villamos vesztesége közel nulla lesz (a remanens feszültséget elhanyagoljuk). Ez lehetővé teszi a Pm mechanikus és Pv villamos veszteségi komponens külön-külön meghatározását. A mérést két különböző fordulatszámon végezzük el. A hajtó motor Ig 1 gerjesztő árama névleges, a generátor Ig 2 gerjesztő áramát úgy kell beállítani, hogy a motor és a generátor armatúra feszültsége azonos legyen. 5

8 10. A motor és a generátor hatásfokának mérése A korábban ismertetett módon állítsuk be mindkét gépen a névleges gerjesztő áramot, majd a hajtó motor fordulatszámát állítsuk névlegesre. A generátor Ia 2 armatúra áramát (a fékező nyomatékot) addig növeljük, amíg a motor Ia 1 armatúra árama eléri a névleges (20A ) értéket. A gépcsoport fordulatszámát szükség szerint korrigáljuk. Jegyezzük fel a motor és a generátor oldali armatúra köri villamos mennyiségeket (Ua; Ia), valamint a fordulatszámot és a tengely nyomatékot. A mérés végeztével a gépcsoportot és a szellőzést kapcsoljuk ki, a mérési elrendezést feszültségmentesítsük. 11. A mérés kiértékelése, mérési dokumentáció 6. ponthoz: A mért értékek alapján Excel adatbázisban szerkesszük meg a generátor üresjárási jelleggörbéjét az állandó paraméterek feltüntetésével. Milyen fizikai jelenségek befolyásolják a jelleggörbe alakját? 7. ponthoz: A mért értékek alapján Excel adatbázisban szerkesszük meg, és ábrázoljuk a generátor külső jelleggörbéit. Számítsuk ki k G értékeit, és ábrázoljuk az armatúra áram függvényében. A felhasználható összefüggés: k G U ag U k IaGR, ahol a kefe feszültségesése U k = 2V = állandónak vehető, =2 n/60 a szögsebesség és R az eredő armatúraköri ellenállás. 115 C-on (üzemi hőmérséklet) az armatúra és segédpólus tekercs együttes ellenállása mindkét gépnél 2,28 ohm (gyári adat). Értelmezzük a kapott eredményeket. 8. ponthoz: Az előzőekhez hasonlóan szerkesszük meg az egyenáramú motor sebességi és mechanikai jelleggörbéit. A mért értékek alapján rajzoljuk fel a jelleggörbéket. Számítsuk ki és ábrázoljuk k M értékét az armatúraáram függvényében. Állapítsuk meg a mezőgyengítés mértékét a kisebb gerjesztő áram esetén. Értelmezzük a sebességi és mechanikus jelleggörbék lefutása közötti különbséget. 9. ponthoz: Az ismertetett módon mért üresjárási veszteségek összehasonlításával állapítsuk meg a generátor villamos és mechanikai eredetű veszteségi összetevőit. Számítsuk ki a hajtó gép üresjárási tekercs veszteségét. 10. ponthoz: Számítsuk ki a hajtó motor (bemeneti) armatúra köri, és a generátor (kimeneti) armatúra köri villamos teljesítményét, valamint a tengelyteljesítményt. Állapítsuk meg a hajtó motor villamos mechanikai energia átalakítás, valamint a generátor 6

9 mechanikai villamos energia átalakítás hatásfokát. Határozzuk meg a hatásfokot a gerjesztő köri teljesítmény (360V; 0,8A) figyelembevételével. A mérési dokumentációt elektronikus formátumban (lehetőleg.pdf) kell elkészíteni, és a mérésvezetőnek eljuttatni a mérés helyének, idejének, valamint a mérést végzők nevének a feltüntetésével. 12. Felkészülési kérdések 1. A kapcsolási vázlat alapján ismertesse az elrendezés működését. 2. Szerkezetileg hová építik az egyenáramú gép segédpólusát? 4. Mi a segédpólus mágneses szerepe? 6. Milyen árammal gerjesztik a segédpólust? 8. Mit jelent a külső, párhuzamos, soros, vegyes, kompaund és antikompaund gerjesztés? 9. Milyen összefüggést ábrázol a külső gerjesztésű generátor üresjárási jelleggörbéje, mi felvételének módszere? 10. Milyen összefüggést ábrázol az egyenáramú generátor külső jelleggörbéje, mi felvételének módszere? 11. Milyen összetevői vannak a külső gerjesztésű motor üresjárási veszteségének, mi mérésének módszere? 12. Milyen összefüggést ábrázol az egyenáramú motor sebességi (fordulatszám-áram) jelleggörbéje, mi felvételének módszere? 13. Mitől függ egy külső gerjesztésű motor fordulatszáma? 14. Mitől függ egy külső gerjesztésű motor nyomatéka? 15. Mitől függ egy külső gerjesztésű generátor indukált (belső) feszültsége? 16. Mitől függ egy külső gerjesztésű generátor armatúra árama? 17. Hogyan módosítja a külső gerjesztésű motor fordulatszám-nyomaték jelleggörbéjét az armatúra körébe iktatott külső soros ellenállás? 19. Egy külső gerjesztésű motor névleges adatai: U an = 400 V; I an = 20 A; n n = 1500 ford/perc. 7

10 a) mekkora az M n névleges nyomaték névleges gerjesztés esetén? b) mekkora az üresjárási (I a = 0) fordulatszám névleges gerjesztés esetén, ha a teljes armatúra kör ellenállása R a = 2,2 ohm.? c) mekkora az üresjárási (I a = 0) fordulatszám a névleges gerjesztés 80%-a (mezőgyengítés) esetén? d) mekkora U a armatúra feszültségnél lesz a motor M nyomatéka - névleges I g gerjesztés mellett - álló állapotban névleges értékű? 8