Aszinkron gép mérése Villamos laboratórium 1. BMEVIVEA042 Farkas Balázs 2017. szeptember 10.
Tartalomjegyzék 1 Rövidítések... 2 2 A laboratóriumi mérés célja... 3 3 Mérési környezet... 4 3.1 Mérési elrendezés... 4 3.2 Mérendő mennyiségek... 4 3.3 Műszerlista és fontosabb paraméterek... 5 3.4 Villamos hajtásrendszer adatai... 5 3.4.1 Háromfázisú aszinkron gép... 5 4 Mérési feladatok... 5 4.1 Üresjárási mérés... 5 4.1.1 Mérés célja... 5 4.1.2 Mérés elve... 5 4.1.3 Üresjárási veszteségek... 6 4.1.4 Mérés menete... 7 4.2 Rövidzárási mérés... 9 4.2.1 Mérés célja... 9 4.2.2 Mérés elve... 9 4.2.3 Mérés menete... 11 4.3 Terheléses mérés... 13 4.3.1 Mérés célja... 13 4.3.2 Mérés elve... 13 4.3.3 Mérés menete... 14 1
1 Rövidítések If0: Fázistekercseken átfolyó üresjárásiáram átlag effektívértéke I0: Motor kapcsokon mérhető üresjárásiáram átlag effektívértéke Iz: Motor kapcsokon mérhető rövidzárási áramának átlag effektívértéke IU0, IV0, IW0: Motor adott kapcsán mért áram effektívértéke IUf0, IVf0, IWf0: Motor adott tekercsén mért áram effektívértéke Izn: zárlati áram névleges értéke n: fordulatszám Pt0: alapharmonikus tekercselési veszteség P1, Q1, S1: felvett teljesítmények terhelési mérésnél P1z, Q1z, S1z: felvett teljesítmények rövidzárási mérésnél P10, Q10, S10: felvett teljesítmények üresjárási mérésnél PV0: üresjárási vasveszteség Ps: súrlódási és ventillációs veszteség Pp: Pulzációs veszteség P0: üresjárási veszteség PU0, PV0, PW0: Gép által felvett üresjárási hatásos teljesítmény fázisonként PUz, PVz, PWz: Gép által felvett rövidzárási hatásos teljesítmény fázisonként R1ft: Fázistekercs ellenállás R1ftK: Fázistekercs ellenállás korrigált U: Motor kapocsfeszültségének átlagos effektívértéke URZ: Rövidzárási kapocsfeszültség névleges áramfelvételnél URZ*: becsült URZ UUV0, UVW0, UWU0: üresájárási mérés alatti vonali feszültség UUVz, UVWz, UWUz: Rövidzárási mérés alatti vonali feszültség 2
2 A laboratóriumi mérés célja A mérés során a hallgatók az aszinkron gépek legtipikusabb vizsgálati módszereit ismerik meg. Emellett a labor célja, hogy az előadás keretében megismert gép tulajdonságokat a gyakorlatban is megismerhessék. Mérés keretében a háromfázisú aszinkron gépek alábbi vizsgálati módszerei kerülnek bemutatásra: - rövidzárási mérése - üresjárási mérése - terheléses mérése Ezek alapján az aszinkron gépek alábbi jellemzői kerülnek meghatározásra: - fordulatszám nyomaték jelleggörbe - kördiagram - helyettesítőkép elemei A mérés kiértékelése során a hallgatók feladata a mérési hibák becslése. Az elméleti alapismereteket a függelék tartalmazza. 3
3 Mérési környezet 3.1 Mérési elrendezés A mérés során egy háromfázisú kalickás aszinkron gépet a hálózatról egy toroid transzformátoron keresztül táplálunk meg, aminek feladata, hogy a motorra jutó feszültség könnyen szabályozható legyen. A háromfázisú aszinkron gép terhelését egy egyenáramú géppel valósítjuk meg, amit egy 4/4 es tirisztoros egyenirányítóról táplálunk. Ennek az elrendezésnek a segítségével az aszinkron gép mind generátoros, mind pedig motoros üzemben vizsgálható. 1. Ábra Mérési elrendezés 3.2 Mérendő mennyiségek A mérés során az alábbi mennyiségek méréséhez szükséges műszerezetségre van szükség: - Aszinkron gép felvett/leadott hatásos és meddő teljesítménye - Aszinkron gép kapocsfeszültsége - Aszinkron gép árama 4
- Aszinkron gép teljesítménytényezője - Aszinkron gép mechanikai fordulatszáma - Aszinkron gép állórész tekercselésének ellenállása - Egyenáramú gép árama - Egyenáramú gép feszültségének középértéke 3.3 Műszerlista és fontosabb paraméterek Mérés során alkalmazott műszerek listája. 3.4 Villamos hajtásrendszer adatai 3.4.1 Háromfázisú aszinkron gép Névleges feszültség Un Névleges áram In Névleges fordulat nn Pólusszám Motor tekercseinek kapcsolása 4 Mérési feladatok 4.1 Üresjárási mérés 4.1.1 Mérés célja A mérés során a gép mágneseskörének tulajdonságait, illetve a súrlódási veszteségeket vizsgáljuk meg. A mérési adatok segítségével meghatározhatóak az aszinkron gép helyettesítőképének sönt elemei. 4.1.2 Mérés elve A mérés során az állórész tekercselésre névleges frekvenciájú és nagyságú szimmetrikus háromfázisú szinuszos feszültségrendszert kapcsolunk. Ideális esetben a forgórészt a szinkron fordulatszámra kellene egy külső géppel pörgetni, de az egyszerűség kedvéért ehelyett a tengelyt terheletlenül hagyjuk és így végezzük el a mérést. Ebben az esetben a vas-, súrlódásiés ventillációs veszteségek miatt a szlip értéke 0,1 0,01 % nagyságrendjébe fog esni, ami elhanyagolható mérési hibát okoz. A mérést a névleges feszültségről indítjuk, majd 5-10% -os lépésekben 25-30% -os feszültségig végezzük. Ennek során rögzítjük az aszinkron gép által felvett áramot, hatásos és meddő teljesítmény értékét, a felvett áram fázisszögét. 5
2. Ábra Aszinkron gép közelítő helyettesítőképe üresjárásban 4.1.3 Üresjárási veszteségek A gép által felvett hatásos teljesítmény az üresjárási veszteségeket fedezi, ami az alábbi komponensekből áll: P 0 = P V0 + P S + P P + P t0 Jelen esetben a pulzációs veszteségeket nem fogjuk a vasveszteségtől szétválasztani, ezért a mérés során a mért vasveszteség tartalmazza a pulzációs veszteséget is. 1 A későbbiek szempontjából fontos az állórész tekercselésen 2 az üresjárási áram által okozott veszteség meghatározása. Ezt a motor kapcsain történő ohm méréssel 3 határozhatjuk meg azután, hogy meghatároztuk a motor tekercselésének kapcsolását 4. Motor kapcsok Mért R1K [Ω] Korrigált R1KK [Ω] Az így meghatározott ellenállás érték környezeti hőfokon igaz, de a motor tekercselésének hőmérséklete a környezeténél jelentősen magasabb. A mérés időbeli korlátozottsága miatt nem tudjuk megvárni amíg beállnak a hőmérsékletek, ezért számítással korrigáljuk az értékeket 5. Így meghatározhatók a tekercsellenállások: 1 A pulzációs veszteség az álló- és forgórész fogak egymáshoz képesti változó helyzetéből származik. 2 Mivel a szlip értéke nagyon alacsony, a forgórészben folyó áram értéke nagyon alacsony, nem ejtünk nagy hibát, ha úgy tekintjük mintha csak az állórészen keletkezne tekercsveszteség. 3 Ez nem teljesen korrekt, hiszen ilyenkor DC ellenállást mérünk. 4 Csillag vagy Delta 5 Réz esetén az α=0,00393 1/K 6
R1U R1V R1W Itt figyelembe kell venni, hogy a kapcsokon mért üresjárásiáram értéke csak csillagba kapcsolt motor tekercselések esetén egyezik meg a fázistekercseken folyó árammal. Delta kapcsolás esetén I f0 = I 0 3 Úgy becsüljük, hogy a mérés során a tekercselés átlagos melegedése ΔT = 50 C lesz. 2 2 2 P t0 = I Uf0 R 1U + I Vf0 R 1V + I Wf0 R 1W Ha az üresjárási mérés során a watt mérőkkel mért teljesítményből levonjuk a tekercsveszteség értékét, akkor megkapjuk a vas és súrlódási veszteségek összegét 6. 4.1.4 Mérés menete 1. Ha a rendszer nem feszültségmentes, akkor feszültségmentesítünk a toroid nulla állásra történő állítása után. 2. Feszültségmentes állapotban megszüntetjük a tengelykapcsolatot az egyenáramú géppel, így biztosítjuk, hogy a tengelyen ne legyen terhelés. 3. A mérendő mennyiségek várható értékének meghatározása. Üresjárásiáram becsült értéke 7 I0* Motor maximális kapocsfeszültsége Motor minimális kapocsfeszültsége 8 4. A 3 as pont alapján a műszerek méréshatárának ellenőrzése figyelembevéve, hogy a műszereinkkel a mérési tartomány felső egyharmadában szükséges mérnünk a megfelelő pontosság érdekében 9. 5. A mérésvezető bekapcsolja 400V-os hálózatot. 6. Műszerek ellenőrzése, tapasztalunk-e valami rendellenességet. 7. Toroid segítségével lassan növeljük a motor kapocsfeszültségét a névleges értékig. 8. Várjunk, amíg a motor felgyorsul a szinkron fordulat közelébe. 6 A vas és súrlódási veszteség szétválasztásának módjáról lsd. Függeléket 7 Adattáblán lévő teljesítmény tényező alapján. 8 A mérés alatt 9 Terhelés alatt árammérőkön nem szabad méréshatárt váltani; feszültségmérők esetén ez megtehető. 7
9. 5-10%-os feszültség lépésekben rögzítjük az alábbi mennyiségeket. Mérési adatok UUV0 UVW0 UWU0 IU0 IV0 IW0 PU0 PV0 PW0 ϕ0 10. A toroid nulla állásában, miután az aszinkron gép megállt feszültségmentesítsük a rendszert. 11. A mérési adatok alapján határozzuk meg az alábbi adatokat: U Származtatott adatok IUf0 IVf0 IWf0 I0 I0f SU0 SV0 SW0 QU0 QV0 QW0 P10 Pt0 PV0 S0 Q0 8
cos ϕ0 10 cos ϕ0 11 12. Az előzőek alapján számítsuk ki a helyettesítőkép elemeinek értékét. Rv Xm Helyettesítőkép elemei 12 13. Származtatott mennyiségek meghatározása. 14. Helyettesítőkép elemeinek számítása. 15. Ábrázoljuk egy koordinátarendszerben a felvett üresjárási áram átlag effektívértékét (I0f) és a teljesítménytényezőt (cosϕ) 13 a motor kapocsfeszültségének (U) függvényében. Értékeljük a diagramokat. 1. ábra Aszinkron gép I0 U és cosϕ U görbéi 14 16. Ábrázoljuk egy koordinátarendszerben a felvett üresjárási teljesítményt (P0), a tekercsveszteséget (Pt0), illetve a vas és súrlódási veszteség (P0V+PS) összegét a motor kapocsfeszültségének (U) függvényében. Utóbbit (P0V+PS) extrapoláljuk U = 0V-ig, így megkapjuk a súrlódási veszteség értékét. Értékeljük a diagramokat, illetve jelöljük be a nevezetes értékeket a görbéken. 2. ábra Aszinkron gép P0 U, Pt0 U és P0V+PS U görbéi 15 4.2 Rövidzárási mérés 4.2.1 Mérés célja Célunk a gép tekercselésének vizsgálata, illetve az indítási tulajdonságok közelítő meghatározása. 4.2.2 Mérés elve Az aszinkron gép rövidzárási állapotát a motor álló állapotára értelmezzük, amit a mérés során a tengely rögzítésével idézünk elő. Ezzel a méréssel meghatározhatóak a gép helyettesítőképének soros elemei. 10 teljesítményekből 11 fázisszög mérésből 12 soros impedanciákat elhanyagoljuk, lsd Függelék 13 mindkét számítási módszerrel meghatározottat 14 Hallgatók jegyzőkönyv készítés során készítik el 15 Hallgatók jegyzőkönyv készítés során készítik el 9
Jelen mérés esetén ezt úgy valósítjuk meg, hogy az aszinkron gép tengelyét az egyenáramú gép tengelyéhez rögzítjük és az egyenáramú gép armatúráját rövidrezárjuk 16. Az aszinkron gép kapcsaira akkora kapocsfeszültséget kapcsolunk, hogy a gép a hálózatból névleges áramot vegyen fel. Ehhez kb. 15-30% -os kapocsfeszültség szükséges. Ezután kb. 10 lépésben nullára csökkentjük a gép kapocsfeszültségét. A rövidrezárt gépre tilos névleges feszültséget kapcsolni, mert ilyenkor a névleges áram 3 7- szerese is kialakulhat, ami a gép károsodásához vezethet. A névleges feszültséghez tartozó IRZn áramot úgy határozzuk meg, hogy a méréssel felvett görbe utolsó mérési pontjához érintőt húzunk és azt Un -ig meghosszabbítjuk. 3. Ábra Aszinkron gép közelítő helyettesítőképe rövidzárásban Az aszinkron gép rövidzárásban felvett teljesítménye az alábbi összetevőkből áll: P z = P 1t + P 2t + P 1v + P 2v Bár az üzemi viszonyokhoz képest a fogórész vasvesztesége jelentősen megnő, mert a forgórész állóállapota miatt a forgórésszel kapcsolódó fluxus frekvenciája megegyezik a táphálózat frekvenciájával, de a lecsökkent indukált feszültség és indukció miatt ez elhanyagolható a tekercsveszteség mellett. P z ~ P 1tz + P 2tz Az állórész tekercsveszteséget a korábban megmért állórész tekercsellenállás segítségével becsülhető meg: P 1tz = I 2 Uz R 1U + I 2 2 Vz R 1V + I Wz R 1W Ezek alapján megbecsülhető a rotorköri ellenállás értéke: R 2 ~ P z P 1tz 3 I z 2 16 Az ekkor tapasztalható 1-2% fordulatszám hatása a mérésre elhanyagolható. 10
4.2.3 Mérés menete 1. Ha a rendszer nem feszültségmentes, akkor feszültségmentesítünk a toroid nulla állásra történő állítása után. 2. Mentor II áramirányító lekötése az egyenáramú gép armatúrájáról az egyenáramú gép kapocstábláján. 3. Mérendő mennyiségek várható értékének meghatározása. Rövidzárási kapocsfeszültség becsült értéke 17 URZ* Rövdzárási áram értéke Egyenáramú gép gerjesztő árama Ig* 4. A 3 as pont alapján a műszerek méréshatárának ellenőrzése figyelembevéve, hogy a műszereinkkel a mérési tartomány felső egyharmadában szükséges mérnünk a megfelelő pontosság érdekében 18. 5. A mérésvezető bekapcsolja a 400V illetve 200V os betápokat. 6. Egyenáramú gép gerjesztésének ellenőrzése. 7. Feszültségmentesítés. 8. Egyenáramú gép armatúrájának rövidrezárása. 9. Feszültségmentes állapotban a tengelykapcsolat kialakítása az egyenáramú géppel. 10. A mérésvezető bekapcsolja a 400V illetve 200V os betápokat. 11. Műszerek ellenőrzése, tapasztalunk-e valami rendellenességet. 12. Toroid segítségével addig növeljük a motor kapocsfeszültségét, amíg a gép felvett árama névleges nem lesz. 13. 10 lépésben a kapocsfeszültséget nullára csökkentve mérjük meg az alábbi mennyiségeket. Mérési adatok UUvz UVWz UWuz IUz IVz IWz PUz PVz PWz 17 Adattáblán lévő teljesítménytényező alapján. 18 Terhelés alatt árammérőkön nem szabad méréshatárt váltani; feszültségmérők esetén ez megtehető. 11
ϕz 14. A toroid nulla állásában feszültségmentesítsük a rendszert. 15. A mérési adatok alapján határozzuk meg az alábbi adatokat Származtatott adatok Uz IUfz IVfz IWfz Iz Izf Izn SUz SVz SWz QUz QVz QWz P1z P1tz P2tz Sz Qz cos ϕz 19 cos ϕz 20 16. Az előzőek alapján számítsuk ki a helyettesítőkép elemeinek értékét minden munkapontra. R2 Helyettesítőkép elemei 21 Xs Zz 19 teljesítményekből 20 fázisszög mérésből 21 soros impedanciákat elhanyagoljuk 12
17. Ábrázoljuk egy koordinátarendszerben a felvett rövidzárási áram átlag effektívértékét (Iz) és a teljesítménytényezőt (cosϕz) 22 a motor kapocsfeszültségének (U) függvényében. Extrapoláljuk a görbéket a névleges feszültségig. Értékeljük a diagramokat. 3. ábra Aszinkron gép Iz U és cosϕz U görbéi 23 18. Ábrázoljuk egy koordinátarendszerben a felvett rövidzárási áram átlag effektívértékét (Iz) és a gép rövidzárási impedanciáját (Zz) 24 a motor kapocsfeszültségének (U) függvényében. Extrapoláljuk a görbéket a névleges feszültségig. Értékeljük a diagramokat. 4. ábra Aszinkron gép Iz U és Zz U görbéi 25 19. Ábrázoljuk egy koordinátarendszerben a felvett üresjárási teljesítményt (Pz), a tekercsveszteséget (P1tz+ P2tz) a motor kapocsfeszültségének (U) függvényében. Értékeljük a diagramokat, illetve jelöljük be a nevezetes értékeket a görbéken. 5. ábra Aszinkron gép Pz U és P1tz+P2tz U görbéi 26 4.3 Terheléses mérés 4.3.1 Mérés célja Aszinkron gép vizsgálata terheléses üzemállapotokban. 4.3.2 Mérés elve Az aszinkron gép terhelését a vele tengelykapcsolatban lévő egyenáramú gép segítségével valósítjuk meg. Az aszinkron gépet csak névleges áramáig terheljük. A mérést az aszinkron gép motoros és generátoros üzemében is elvégezzük, mindkét oldalon 5 5 munkapontot veszünk fel, úgy hogy a 0 - Mn tartományt egyenlő részre osztjuk. Mivel a tengelyen nem áll rendelkezésre nyomatékmérő, a gép nyomatékát nem tudjuk közvetlenül mérni. Ezért a nyomaték közvetlen mérése helyett, az egyenáramú gép armatúra áramát mérjük, ami közelítőleg arányos a tengelyen lévő nyomatékkal, amennyiben az egyenáramú gép gerjesztése állandó. A mérés során mérésre kerül: 22 mindkét számítási módszerrel meghatározottat 23 Hallgatók jegyzőkönyv készítés során készítik el 24 mindkét számítási módszerrel meghatározottat 25 Hallgatók jegyzőkönyv készítés során készítik el 26 Hallgatók jegyzőkönyv készítés során készítik el 13
- Egyenáramú gép armatúra árama - Egyenáramú gép armatúra feszültsége - Tengely mechanikai fordulatszáma - Aszinkron gép kapocsfeszültsége - Aszinkron gép árama - Aszinkron gép felvett teljesítménye 4.3.3 Mérés menete 1. Ha a rendszer nem feszültségmentes, akkor feszültségmentesítünk a toroid nulla állásra történő állítása után. 2. Egyenáramú gép armatúra rövidzárának megszüntetése. 3. Mentor II áramirányító bekötése az egyenáramú gép armatúrájára az egyenáramú gép kapocstábláján. 4. A mérendő mennyiségek várható értékének meghatározása. Kapocsfeszültség maximális értéke Egyenáramú gép armatúra feszültségének maximuma Egyenáramú gép armatúra áramának maximuma 5. A 3 as pont alapján a műszerek méréshatárának ellenőrzése figyelembevéve, hogy a műszereinkkel a mérési tartomány felső egyharmadában szükséges mérnünk a megfelelő pontosság érdekében 27. 6. Mentor II nyomaték korlátját és fordulatszám alapjelét 0 ra állítjuk és ellenőrizzük, hogy a start és enable kapcsolók ki vannak kapcsolva. 7. A mérésvezető bekapcsolja 400V-os hálózatot. 8. Műszerek ellenőrzése, tapasztalunk-e valami rendellenességet. 9. A mérésvezető bekapcsolja 200V-os hálózatot. 10. Műszerek ellenőrzése, tapasztalunk-e valami rendellenességet. 11. Mentor II engedélyezése ( enable és start segítségével ). 12. Toroid segítségével lassan növeljük a motor kapocsfeszültségét a névleges értékig. 13. Várjunk, amíg a motor felgyorsul a szinkron fordulat közelébe. 14. Aszinkron gépet motoros üzemben névleges áramáig terheljük. A Mentor II nyomaték kapcsolóján fékező nyomatékra kapcsolunk. Majd kb. 10-20% -ra emeljük a nyomatékkorlátot, ezután a fordulatszám alapjelet addig emeljük, amíg az egyenáramú gép áramfelvétele nullára nem csökken. Ekkor szinkronfordulat közelében forog a hajtás. Mérési adatokat folyamatosan rögzítjük. 27 Terhelés alatt az árammérőkön nem szabad méréshatárt váltani; feszültségmérők esetén ez megtehető. 14
15. Ezután lassan addig növeljük a fékező nyomatékot, amíg az aszinkron gép árama névleges nem lesz. Ekkor az egyenáramú gép armatúra árama közelítőleg megfelel a névleges nyomatéknak. Az így kijelölt áramtartományban 5 mérési pontot veszünk fel. A mérési adatokat folyamatosan rögzítjük. 16. A mérést fordított előjelekkel végezzük el az aszinkron gép generátoros állapotában is. A mérési adatokat folyamatosan rögzítjük. 17. A mérés végeztével a Mentor II nyomaték korlátját állítsuk 0 ra, majd a toroidot állítsuk nullára, a gépcsoport megállása után feszültségmentesítsük a rendszert. Mérési Adatok Aszinkron gép UUv UVW UWu IU IV IW PU PV PW ϕ n UDCv IDC PDC Mérési Adatok Egyenáramú gép 18. A mérési adatok alapján határozzuk meg az alábbi adatokat: U Származtatott Adatok 28 IUf IVf IWf I1 28 lsd Függelék 15
I1f S1U S1V S1W Q1U Q1V Q1W P1 S1 Q1 cos ϕ 29 cos ϕ 30 s 19. Ábrázoljuk egy koordinátarendszerben az aszinkron gép felvett áramának átlag effektívértékét (I1), a szlipet és a teljesítménytényezőt (cosϕ) 31 a motor relatív teljesítményének ( P1/Pn) függvényében 32. Értékeljük a diagramokat. 6. ábra Aszinkron gép I1 U és cosϕ U görbéi 33 20. Ábrázoljuk egy koordinátarendszerben az egyenáramú gép armatúra áramát 34 (IDC) a fordulatszám függvényében. Értékeljük a diagramokat. 7. ábra Aszinkron gép IDC (M) n görbe 35 29 teljesítményekből 30 fázisszög mérésből 31 mindkét számítási módszerrel meghatározottat 32 mind generátoros mind pedig motoros üzemben 33 Hallgatók jegyzőkönyv készítés során készítik el 34 tengelynyomatékkal arányos mennyiség 35 Hallgatók jegyzőkönyv készítés során készítik el 16