BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK Villamos gépek és hajtások csoport IMPULZUSSZÉLESSÉG-MODULÁLT FESZÜLTSÉGINVERTERRŐL TÁPLÁLT ASZINKRON MOTOROS HAJTÁS ENERGETIKAI VISZONYAINAK VIZSGÁLATA Laboratóriumi mérési útmutató Összeállította: Erdélyi István, Kádár István, Veszprémi Károly 1. A méréssel kapcsolatos tananyag: Halász S.: Villamos hajtások. Egyetemi tankönyv. ROTEL Kft., Budapest, 1993. 263-277 o. letölthetö file: http://www.vgt.bme.hu/okt/atal_vh/villhajt.pdf Hunyár Mátyás szerk.: Energiatakarékos és hálózatbarát villamos hajtások. Egyetemi tankönyv. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1997. 71-74. o. 2. A mérés célja: Egy-chipes mikrokontrollerre épülő információ-elektronikai elemek és teljesítmény IGBT-k felhasználásával megépített frekvenciaváltó vizsgálata, aszinkron motoros hajtás veszteségeinek és hatásfokának mérése. V TD 3x400 V INVERTER R S T C NM TA AM A 1 220 V = i h ui,, ψ, m Oszciloszkóp A mérés kacsolási vázlata MD RT A 2 3. A méréshez használt berendezések, eszközök: AM - Háromfázisú aszinkron motor, EVIG gyártmány, VZ 132 S4C, 5,5 kw, 380 V, 11.1 A, 1445/min, Y kapcsolás, állórész fázisellenállás 0,75 Ω MD - terhelő gép 220 V; 82 A; 20 kw; 1500/min INVERTER - Microverter D típusú impulzusszélesség modulált feszültséginverter (7,9/380) NM - Villamos elven működő nyomatékmérő berendezés TA - Norma gyártmányú, 6100 típusú teljesítmény analizátor 1
V A 1 A 2 TD RT - voltmérő - ampermérő - ampermérő - tachométer dinamó 35 V; 1000/min - Nyomatékmérő mérleg, Hódmezővásárhelyi Mérleggyár - terhelő ellenállás 4. Mérési feladatok 1. Inverterről táplált aszinkron motor feszültség-, áram- és fluxus időfüggvényének és Park-vektorának megfigyelése oszcilloszkópon, a szinuszos tápláláshoz képesti eltérés vizsgálata. 2. Az aszinkron motor üresjárási veszteség-fluxus jelleggörbéjének felvétele, a súrlódási és a vasveszteség szétválasztása f 1 = 10 és 45 Hz frekvencia alapjel mellett. 3. Az aszinkron motor felvett és a leadott teljesítményének mérése a nyomaték függvényében f 1 = 10 és 45 Hz frekvencia alapjel mellett. A mérés folyamán beállított munkapontokban a motoráram frekvencia spektrumának vizsgálata. A hatásfok nyomaték jelleggörbék meghatározása. 4. A 3. pont szerinti eredmények összehasonlítása az SRM hajtás mérésénél kapott eredményekkel. 5. Az inverter rövid áttekintése (részletes leírását a Melléklet tartalmazza). Az inverter háromfázisú betáplálást igényel; diódás híddal egyenirányítjuk a hálózati feszültséget. Az inverter oldal kapcsolóelemei IGBT tranzisztorok, ami nagy kapcsolási frekvencia elérését teszi lehetővé. Ez utóbbi a motor igénybevétele szempontjából (járulékos felharmonikus veszteség) előnyös, de méréstechnikai szempontból az igen gyors kapcsolások komoly problémákat okoznak. Az egyenáramú kör csak kondenzátort tartalmaz, a szűrési célból gyakran alkalmazott fojtótekercs nincs beépítve, ez a hálózati (felharmonikus) visszahatás miatt hátrányos. Fékezésre nincs mód, ezért a terhelés nélküli gyors lassítások kerülendők, mert a hajtás az egyenköri feszültség megemelkedése miatt hibajelzéssel leállhat. Az egy-chipes mikrokontrollerre épülő irányítóegység teljesen digitális. A programot és a paramétereket EEPROM memóriában tárolják, ezáltal lehetséges a paramétereknek bármikor történő módosítása és elmentése. A tápfeszültség (3x400 V) bekapcsolása után a készülék egy inicializáló programrészt futtat le, melynek során a kijelzőn a minimális (egyúttal aktuális) frekvencia jelenik meg. Ezen programrész lefutása után, ha közben nem nyomjuk meg a billentyűket, a "ready" (rdy) felirat lesz látható. Az inverteren 3 kompenzációs paramétert lehet beállítani: k1) szlipkompenzációt, k2) kisfrekvenciás feszültségemelést, k3) törésponti frekvencia módosítást. k1) Szlipkompenzáció A terhelőárammal arányosan kompenzálja az aszinkron motor mechanikai jelleggörbéjének esését. A névleges nyomatékhoz (áramhoz), névleges fordulatszámhoz tartozó munkapontban kell beállítani az inverter frekvencia emelését. A mérést szlipkompenzáció nélkül kell végezni. 2
w Pr7 w 0 w n M n M A szlipkompenzáció értelmezése és beállítása k2) Kisfrekvenciás feszültségemelés Az aszinkron motor állórész ellenállásán alacsony frekvencián a kis tápfeszültséghez viszonyítva jelentős a feszültségesés, ami a fluxus és a nyomaték csökkenését okozza. Ennek kompenzálására az U/f = állandó értékhez képest az inverter a frekvenciától (és esetleg a terheléstől is) függő mértékben emelt feszültséget ad (IR kompenzáció). Értékét 3 Hz-hez kell megadni, hatása a törésponti frekvencia feléig érvényesül. A mérést 3,5 % feszültség emeléssel végezzük. U 100 % 50 % Pr6 25,5 % 3 Hz f t /2 f t f MAX f A kisfrekvenciás feszültségemelés értelmezése és beállítási tartománya k3) A törésponti frekvencia Az inverter a névleges feszültséget az f t törésponti frekvencián és afelett adja ki. Adott frekvencia mellett a kapocsfeszültséget (és ezzel a fluxust is) a törésponti frekvencia módosításával változtathatjuk. 3
U Prc U n f HATÁR /16 f t f HATÁR A törésponti frekvencia értelmezése és beállítási tartománya Alapjel adásra három lehetőség van: a1) az előlapon elhelyezett billentyűzet segítségével, a2) analóg vonalon potencióméterről, a3) soros vonalon keresztül külső számítógépről. a1) Kezelés a saját billentyűzetről a Mellékletben részletesen leírtak szerint. Ha irányváltást akarunk, akkor a gomb megnyomásával lemegyünk a minimális frekvenciáig. Miután ezt elértük, ismét nyomjuk meg kétszer a gombot. Ezután a gomb hatására az ellentétes forgásirányba forog a motor. a2) Analóg vezérlés A csatlakoztatott analóg kezelő szervekkel a vezérlés egyszerűbb, mint billentyűzet segítségével. Ehhez b9 = 1 beállítás szükséges. Kezelőszervek: - STOP kapcsoló - feloldása engedélyezi a hajtás működését, ezután a hajtás felfut a potenciométeren beállított fordulatszámra. - az alapjel potenciométer maximuma a Pr1-gyel beállított f max maximális frekvenciának felel meg. - +/- forgásirány váltás - TÁV/KÉZI - KÉZI-ben érvényesül az alapjel potenciométer, TÁV állásban a soros vonalon vár paramétereket. - HIBA - visszajelzés és nyugtázás. - f analóg kimenet: 0...10 V - 0... f max - I analóg kimenet: 0...10 V - 0...150% I n a3) A soros vonalon keresztül történő távirányítás jelenleg nem működik. 6. A nyomatékmérő készülék A műszer alkalmas a feszültség és áram mérése alapján u, i, ψ Park-vektorok előállítására, belőlük P, Q, M számítására. A ψ és M pontos méréséhez a vizsgált motor pólusszámát és állórészének fázisellenállását be kell állítani. A digitális kijelző a feszültség, az áram és a fluxus fázis effektív értékét mutatja. f 4
7. A mérési feladatok elvégzése 7.1. Feszültség-, áram- és fluxus időfüggvények és Park-vektorok értékelése Az inverterről táplált aszinkron motor feszültség-, áram- és fluxus időfüggvényét és Parkvektorát figyeljük meg oszcilloszkópon A vizsgálandó jeleket a nyomatékmérő készülék csatlakozóiról kapjuk. Feladat: értelmezzük a szinuszos tápláláshoz képesti eltérést. 7.2. A súrlódási és a vasveszteség szétválasztása üresjárási méréssel Feltételezzük, hogy a leadott mechanikai (tengely) teljesítmény zérus. Állandó frekvencia mellett a fluxust (és a kapocsfeszültséget) a törésponti frekvencia módosításával változtathatjuk (üzem közben Prc nem állítható!). A P ü üresjárási veszteség három összetevőjét vizsgáljuk: az állórész P t,s tekercsveszteségét, az állórész P Fe,s vas- és fogpulzációs veszteségét, valamint a P sv súrlódási és ventillációs veszteséget. P ü = P sv + P t,s + P Fe,s A tekercs veszteség a mért áram és az (állandó értékűnek feltételezett) tekercs ellenállás ismeretében számítható. A vasveszteség a fluxus négyzetével változik, míg a fordulatszám kis mértékű változása miatt a súrlódási veszteséget állandónak tekintjük. Az áram és a fluxus értékét a nyomatékmérő készülékről olvashatjuk le. A tekercsveszteséggel csökkentett üresjárási veszteséget a fluxus négyzetének függvényében ábrázolva és az eredményt 0 fluxusra extrapolálva leolvasható a súrlódási és ventillációs veszteség értéke. Feladat: az üresjárási jelleggörbe felvétele f 1 = 10 és 45 Hz alapjel értéknél, az f t törésponti frekvencia 50 és 120 Hz közötti, 10 Hz-es lépésekben történő változtatása mellett. 7.3. A hatásfok nyomaték jelleggörbék meghatározása Állandó f 1 frekvencia alapjel mellett a fluxust a törésponti frekvencia módosításával változtathatjuk (üzem közben Prc nem állítható!). Az aszinkron motor felvett teljesítményét a nyomatékmérő készülékkel mérjük, a leadott teljesítményt a mérleg által mutatott nyomatékból és a fordulatszámból számítjuk. (A mérleg mkg egységre van skálázva, 1 kg az MKS mértékrendszerben az egységnyi tömeg súlya a gravitációs térben, a mérlegen közelítőleg 1 mkg = 9,81 Nm.) A mérés folyamán beállított munkapontokban figyeljük meg a motor áramának frekvencia spektrumát a teljesítmény analizáló képernyőjén. η [%] 100 95 90 f 1 f 2 85 80 75 U/f=áll. 70 f 3 65 60 0 50 100 150 M [%] A hatásfok-nyomaték görbék jellegzetes menete 5
Feladat: a hatásfok nyomaték jelleggörbék felvétele az alapjel f 1 = 10 és 45 Hz és az f t törésponti frekvencia 50, 85 és 120 Hz értéke mellett. 7.4. Az ISZM inverterről táplált aszinkron motor és az SRM hajtás mérési eredményeinek összehasonlítása. Ha még nincsenek eredményei, akkor ezt a feladatot az SRM mérésnél végezze el. 8. Welcome kérdések 1. Melyek a vasveszteség összetevői és egyhullámú táplálás esetén hogyan függnek a fluxustól, a tápfeszültségtől és a frekvenciától? 2. Milyen módszerrel lehet szétválasztani az aszinkron gép súrlódási és a vasveszteségét? 3. Az aszinkron motor helyettesítő áramkörében hogyan veszik figyelembe a vasveszteséget? 4. Állandó frekvenciájú szinuszos táplálásnál, hogyan változik az aszinkron motor billenőnyomatéka a tápfeszültség változás hatására? 5. Rajzolja fel az ISZM inverter blokkvázlatát és magyarázza el működési elvét. 6. Rajzolja fel az ISZM inverterről táplált aszinkron motor kapocsfeszültségének Park-vektor diagramját. 7. Inverteres táplálásnál miért alkalmaznak feszültségnövelést alacsony frekvencián? Mihez képest emelik a feszültséget? 8. A törésponti frekvencia megválasztása hogyan hat a névleges frekvencián kialakuló fluxusra? 9. Hogyan változik a fluxus a frekvencia függvényében a törésponti frekvencia alatt és felett? 10. Mi az interpoláció és az extrapoláció? 2008. november 6
Melléklet Microverter D digitális frekvenciaváltó háromfázisú hajtások szabályozására 1. Bevezetés A frekvenciaváltó szabványos és nagy fordulatszámú aszinkron motorok folyamatos, kis veszteségű fordulatszám szabályozására szolgál. Diódás híddal egyenirányított konstans közbenső köri egyenfeszültségből szinuszt közelítő impulzusszélesség modulációval változtatható feszültségű és frekvenciájú háromfázisú váltakozó áramú rendszert hoz létre. Az általa táplált aszinkron motorral olyan szabályozási dinamikát lehet elérni, amely egyenértékű az egyenáramú hajtásokéval. A nagy kapcsolási frekvencia biztosítja a motoráram alacsony felharmonikus tartalmát és ezáltal a motor alacsony zaját és veszteségét, továbbá egyenletes járását még alacsony fordulatszám tartományban is. A frekvenciaváltó különböző funkcióit mikroprocesszor látja el. A berendezés integrált kezelőegységgel rendelkezik, amely három nyomógombból és egy alfanumerikus kijelzőből áll. Ezekkel lehet beállítani a hajtás paramétereit, így az üzembehelyezés rendkívül leegyszerűsödik, nincs szükség mérőműszerekre. 1.1. A legfontosabb jellemzők: Alkalmas szabványos háromfázisú aszinkron motorok táplálására A váltóirányítóban alkalmazott IGBT-k nagy kapcsolási frekvenciájú impulzus-átalakítást tesznek lehetővé A beállítható maximális kapcsolási frekvencia 11,7 khz Széles kimeneti frekvenciatartomány (0-480 Hz) Nagy bemeneti feszültségtartomány Üresjárás-, rövidzárás-, földzárlatbiztos kimenet Kompakt kialakítás A bemeneti cos ϕ megközelítőleg 1 A készülék digitális jeladó alkalmazása esetén alkalmas fordulatszám szabályozásra Hatásos áramerősség-függő szlipkompenzáció A fékezésnek két módja között lehet választani: - egyenáramú fékezés, vagy - fékezés állítható meredekségű fordulatszám-alapjel csökkentéssel A motorfeszültség terheléstől függő növelése az alsó- (automatikus növelés) és a felső- (kivéve az "economy" = takarékos üzemmódot) frekvenciatartományban. A paramétereket üzem közben is lehet állítani Frekvencia-, fordulatszám- vagy nyomaték alapjel megadás lehetősége Hibás vagy hiányzó alapjel esetében a rendszer lekapcsol A kijelzőn megjeleníthető a frekvencia vagy a terhelőáram aktuális értéke Az inverter adattáblája M-1
Az inverter működési és áramköri vázlata M-2
2. Paraméterezés Ellenőrzés: A beállított értékek mind üzemelő, mind leállított hajtásnál ellenőrizhetők. Módosítás: Prc kivételével valamennyi Pr.. paramétert üzem közben is meg lehet változtatni, a választókapcsolók és a Prc paraméter módosításához a hajtást le kell tiltani. Az inverter kezelőpultja 2.1. A paraméterek ellenőrzése: a) Nyomjuk meg egyszer a MÓD gombot; a kijelzőn váltakozva jelenik meg az aktuális paraméter azonosító jele és beállított értéke. b) A vagy a gombbal választhatjuk ki a kívánt paramétert illetve választókapcsolót. 2.2. A paraméterek módosítása: a) Nyomjuk meg egyszer a MÓD gombot, és a vagy a gombokkal válasszuk ki a kívánt paramétert illetve választókapcsolót. b) Nyomjuk meg másodszor is a MÓD gombot; a kijelző az aktuális paraméter beállított értékét mutatja. c) A vagy a gombbal állítsuk be a kívánt értéket. Beavatkozás nélkül 8 másodperc után a rendszer kilép a MÓD üzemből, a kijelző visszaáll frekvencia- vagy terheléskijelzésre (b8-nak megfelelően). A paraméterek és választókapcsolók követési sorrendje M-3
2.3. A paraméterek leírása Pr0: Minimális frekvencia [Hz] (f MIN ) - Kimeneti frekvencia minimális alapjelnél beállítási tartománya: 0 f MAX (f MAX a Pr1-el beállított maximális frekvencia értéke) gyári alapérték: 0 Hz Pr1: Maximális frekvencia [Hz] (f MAX ) - Kimeneti frekvencia maximális alapjelnél beállítási tartománya: f MIN f HATÁR (f MIN a Pr0-al, f HATÁR a b14-el beállított érték) gyári alapérték: 50 Hz Értékét ne növeljük a 60 Hz fölé, mert az egyenáramú terhelőgépet nem szabad az ehhez tartozó fordulatszám fölé gyorsítani! Pr4: Maximális áramerősség [a készülék névleges áramának %-ban] - A motorra 30 s-ig megengedett terhelőáram beállítási tartománya: 0 150 % gyári alapérték: 150 % Az időkorlát túllépése a tizedespont villogását eredményezi a kijelzőn. Túl hosszú ideig tartó túlterhelés lekapcsolást idéz elő és a kijelzőn "I t" üzenet jelenik meg. Pr5: Tartós áramerősség [a készülék névleges áramának %-ban] - A motorra megengedett tartós üzemi áram. beállítási tartománya: 10 105 % gyári alapérték: 100 % Túllépése a tizedespont villogását eredményezi a kijelzőn. Túl hosszú ideig tartó túlterhelés lekapcsolást idéz elő és a kijelzőn "I t" üzenet jelenik meg. A motor névleges áramának megfelelő értékre kell állítani. Pr6: Kisfrekvenciás feszültségemelés (Boost) [a névleges feszültség %-ban] - A feszültség megemelése alacsony frekvenciákon növelt indítónyomaték biztosításához (IR kompenzáció). Hatása 3 Hz-től a törésponti frekvencia feléig érvényesül, terheléstől való függése (vagy függetlensége) b3-al választható. beállítási tartománya: 0 25,5 %, 0,1 %-os lépésekben gyári alapérték: 5,1 % Ezt a paramétert a mérés során változtatni kell, lehet üzem közben is. Pr7: Szlipkompenzáció [Hz] - A frekvencia növelése a terhelés függvényében. A frekvenciának az alapjelhez képesti növelése a Pr5-tel beállított tartós áramerősségnél. Beállítása 0,1 %-os lépésekben, maximális értéke a b14-el beállított f HATÁR határfrekvencia értékétől függ: b14 maximális frekvencia növelés 120 Hz 5 Hz 240 Hz 10 Hz 480 Hz 20 Hz gyári alapérték: 0 Hz Ezt a paramétert a mérés során változtatni kell. PrA: Az utolsó lekapcsolási ok tárolt hibakódjának előhívása M-4
Prc: Törésponti frekvencia - Az inverter kimenő feszültsége (motorfeszültség) ennél a frekvenciánál éri el legnagyobb (névleges) értékét. Általában itt történik a motor névleges frekvenciájának beállítása. Ez a paraméter alkalmas a különböző fluxusú táplálás megvalósítására. beállítási tartománya: f HATÁR /16 f HATÁR (f HATÁR a b14-el beállított érték) gyári alapérték: 50 Hz A törésponti frekvenciát a mérés során változtatni kell, üzem közben nem lehet. 2.4. A választókapcsolók (logikai változók) ismertetése b0: Alapjel választás: frekvencia vagy nyomaték b0 = 0 nyomaték alapjel képzés b0 = 1 frekvencia alapjel képzés gyári alapérték: b0=1 b1: Viselkedés rövid ideig tartó feszültség kimaradás esetén b1 = 0 automatikus újraindítás b1 = 1 kezelői újraindítás b3: Kisfrekvenciás üzemi feszültségemelés b3 = 0 terheléstől függő (dinamikus) b3 = 1 terheléstől független (statikus) gyári alapérték: b3=0 Ezt a paramétert b3=1 értékre kell állítani. b5: Vezérelt és fordulatszabályozott üzem közötti választás b5 = 0 fordulatszabályozott b5 = 1 frekvenciavezérelt gyári alapérték: b5=1 b6: Az alapjeladás módja külső vezérlés esetén b6 = 0 alapjeladás kapocslécen keresztül b6 = 1 alapjeladás soros vonalon gyári alapérték: b6=0 b8: Kijelzendő változó kijelölése b8 = 0 a kimenő frekvencia kijelzése [Hz] b8 = 1 a terhelés kijelzése [a készülék névleges áramának %-ban] gyári alapérték: b8=0 A - és a - gombok együttes megnyomásával átválthatunk a két kijelzési lehetőség között. A gombok elengedése után a kijelzőn a b8-al beállított változó jelenik meg. b9: Frekvencia alapjel és vezérlés előválasztása b9 = 0 kezelőegységről (klaviatúráról) b9 = 1 kapocslécen keresztül gyári alapérték: b9=1 Kezelőegységgel: frekvencia növelése: - gomb frekvencia csökkentése: - gomb M-5
b14 A kapcsolási frekvencia és a frekvenciatartomány kiválasztása 4 kapcsolási frekvencia választható: 2.9 = 2,9 khz; 5.9 = 5,9 khz; 8,8 = 8,8 khz; 11,7 = 11,7 khz; 3 frekvenciatartomány választható: 0...120 Hz; 0...240 Hz; 0...480 Hz; gyári alapérték: 2.9; 120 3. A hibajelzések összefoglalása Under Voltage A hálózati feszültség túl alacsony Over Voltage A hálózati feszültség túl magas Over (I) current Túláram Ixt trip Túlterhelés (áram*idő szorzat túllépés) Overheat Túlmelegedés (hűtőborda) thermisztor Túlmelegedés (motor) External trip Külső leállítás current loop loss Áram alapjel hiba PowerSupply Tápegység hiba Error Hardverhiba Összeállította: Kádár István 2005. október M-6