Didactische opstelling U/f sturing.

Transcriptie

1 Didactische opstelling U/f sturing. Stijn Coppens Promotor: Christof Dauwels Begeleider: Paul Vander Haeghen Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek Vakgroep Elektrische Energie, Metalen, Mechanische Constructies en Systemen Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Dupré Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar

2

3 Voorwoord Met deze masterproef wordt mijn opleiding in de industriële wetenschappen: automatisering afgerond. Tijdens deze masterproef kreeg ik de kans om een volledige configuratie van een asynchrone machine a.d.h.v. een frequentieregelaar te bestuderen. De totstandkoming van deze masterproef zou niet gelukt zijn zonder de hulp van andere personen. Een eerste woord van dank gaat uit naar mijn promotor dhr. Christof Dauwels. Dit eindresultaat was zonder zijn begeleiding en goede advies niet mogelijk geweest. Verder wil ik ook iedereen bedanken die onrechtstreeks bijgedragen hebben aan het vervolledigen van deze masterproef. Hierbij denk ik aan alle docenten en professoren van de faculteit die mij hun kennis van hun vakgebied hebben bijgebracht. Tenslotte richt ik een zeer groot woord van dank aan familie en vrienden. In het bijzonder mijn ouders die mij over heel mijn schoolcarrière altijd hebben gesteund. Zonder hun zou dit alles niet mogelijk geweest zijn. Verder wens ik iedereen nog veel plezier bij het lezen van deze masterproef. Stijn Coppens Gent, juni 2017 I

4 Abstract In academiejaar werd mij gevraagd om een didactische opstelling van een frequentieregeling voor een asynchrone machine te maken. De opstelling bestaat uit een asynchrone machine aangesloten op een AC borstelloze servomotor die dienst doet als belasting, elk aangestuurd door een regelaar. Het variëren van verschillende parameters zoals statorfrequentie of statorspanning van de asynchrone machine hebben een invloed op de koppeltoerentalkarakteristiek. De bedoeling is om een didactische opstelling te bouwen, waarbij de student bestudeert welke invloeden deze parameters hebben op de koppeltoerentalkarakteristiek. Deze parameters worden normaalgezien handmatig ingesteld via de regelaars. De bedoeling is om deze parameters niet meer handmatig te bedienen via de regelaars. Maar via een computer d.m.v. een softwareprogramma genaamd Labview. Labview is een programma waarin men grafisch kan programmeren. De bedoeling is om een applicatie te bouwen waarin zowel de asynchrone motor als de belasting veilig gestuurd word en waarbij verschillende parameters gevisualiseerd worden. Zo zal het koppel, statorstroom en power factor in functie van de snelheid weergegeven worden. Om deze karakteristieken mooi te visualiseren zal de applicatie er automatisch voor zorgen dat de snelheid van de asynchrone machine stapsgewijs verlaagd wordt door de motor meer te belasten. De tijd en grootte van de stappen kunnen door de gebruiker aangepast worden. Om te kunnen communiceren tussen de regelaar en de computer wordt er gebruik gemaakt van een CompactRio-eiland van National Instruments. Deze is via een ethernetkabel verbonden met de computer. Dit eiland zal via zijn analoge in- en uitgangskaarten spanningen van -10V tot 10V inlezen en uitsturen. Beide regelaars zijn ook voorzien van verschillende analoge in- en uitgangen. Door deze analoge in- en uitgangen te verbinden met de analoge kaarten van het CompactRio-eiland kan er een communicatie opgezet worden tussen de regelaars en de computer. II

5 Extended abstract III

6 Inhoudsopgave Voorwoord... I Abstract...II Extended abstract...iii Inhoudsopgave... IV Lijst met figuren en tabellen... VII 1. Literatuurstudie Asynchrone motoren Bouw asynchrone motor De stator De rotor Het magnetisch draaiveld Het effect van het draaiveld op de rotor De slip Slipafhankelijke rotorgrootheden Opstellen equivalent schema inductiemachine Equivalent schema rotor Equivalent schema inductiemachine Vermogensverdeling binnen de machine statorverliezen rotorverliezen draaiveldvermogens Vermogenbalans Koppeltoerentalkarakteristiek Het koppel Kipslip en kipkoppel Statische toestand Dynamische toestand Snelheidsregeling d.m.v. een scalaire sturing De directe en indirecte omvormer CSI VS VSI Danfoss FC Toerentalvariatie Variatie van de statorfrequentie Variatie van de statorspanning IV

7 1.2. Extra functies frequentieomvormer Koppelversterking Aan- en uitlooptijd Aanlooptijd Uitlooptijd Stroomtoerentalkarakteristiek Elektromagnetische storing Laagfrequente storingen Hoogfrequente storingen Harmonischen De totale harmonische vervorming Ontstaan van harmonischen Transiënten Frequentieafhankelijkheid van een geleider Elektromagnetische stoorzenders in de opstelling Het meten van Koppel Koppel Principes koppelmeting Directe methode Indirecte methode systeemparameters PID-regelaar P-actie I-actie D-actie PID-actie Ziegler-Nichols methode Praktische realisatie Voorstelling opstelling Danfoss FC Inbedrijfstelling Analoge ingang Analoge uitgang Asynchrone motor Belasting Leroy Somer Active Load V

8 Bedienen Servorem Modificaties CompactRIO Voltech PM Labview Communicatie externe toestellen Configuratie CompactRio Configuratie Voltech PM Front panel Block diagram Initialize Wait until event Handmatig Automatisch Exit Instellen PID-regelaar EMC-problemen bij opstelling Analyse van gemeten waarden Variatie van statorspanning Variatie van statorfrequentie Koppelversterking Besluit Bibliografie Bijlagen Labview Front Panel Block Diagram Elektrische schema opstelling VI

9 Lijst met figuren en tabellen Figurenlijst Figuur 1: Stator asynchrone machine. Geraadpleegd van Figuur 2: Kooiankerrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door Figuur 3: Sleepringrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door Figuur 4: Statorwindingen. Geraadpleegd door Figuur 5: Het magnetisch draaiveld. Geraadpleegd door Figuur 6: Polenparen...4 Figuur 7: Effect draaiveld op rotor...5 Figuur 8: Equivalent schema rotor...9 Figuur 9: Equivalent schema inductiemachine Figuur 10: Equivalent schema motor Figuur 11: Equivalent schema i.f.v. vermogens Figuur 12: Sankeydiagram asynchrone motor Figuur 13: Equivalent schema met kortgesloten statorwikkelingen Figuur 14: Het koppeltoerentalkarakteristiek. Aangepast uit 17 Figuur 15: koppeltoerentalkarakteristiek met te laag aanzetkoppel. Aangepast uit 19 Figuur 16: Voltage Source Invertor Figuur 17: Indirecte frequentieomvormer (VSI). Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 18:koppeltoerentalkarakteristiek bij constante U/f. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 19: koppeltoerentalkarakteristiek bij veldverzwakking. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 20: afgegeven vermogen i.f.v. de statorfrequentie. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 21: Koppeltoerentalkarakteristiek met variabele statorspanning. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 22: U/f bij koppelversterking. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 23: Koppeltoerentalkarakteristiek i.f.v. aanlooptijd. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 24: Stroomtoerentalkarakteristiek. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Figuur 25: Elektromagnetische storing Figuur 26: Harmonischen in het tijdsdomein Figuur 27: Harmonischen n het frequentiedomein VII

10 Figuur 28: Transiënten Figuur 29: Frequentieafhankelijkheid van een geleider Figuur 30: Rekstrook koppelmeting. Overgenomen uit 34 Figuur 31: Hoekencoders koppelmeting. Overgenomen uit 34 Figuur 32: gekoppelde spoelen koppelmeting. Overgenomen uit 35 Figuur 33: Lichrpulsen koppelmeting. Overgenomen uit 35 Figuur 34: Magneto-elastisch koppelmeting. Overgenomen uit 36 Figuur 35: PID-actie. Overgenomen uit 38 Figuur 36: PID bepalen met Ziegler-Nichols. Aangepast uit 39 Figuur 37: Voorstelling opstelling Figuur 38: Danfoss FC Figuur 39: Hoofdmenu Danfoss FC Figuur 40: Danfoss FC102 analoge ingang Figuur 41: Danfoss FC 102 analoge uitgang Figuur 42: De asynchrone motor Figuur 43: AC borstelloze servomotor Figuur 44: Stand servorem Figuur 45: Emerson oude setup Figuur 46: Emerson nieuwe setup Figuur 47: CompactRio chassis Figuur 48: NI Figuur 49: NI Figuur 50: Voltech PM Figuur 51: Measurement & Automation Explorer Figuur 52: Configuratie CompactRio Figuur 53: Initialisatie power analyzer Figuur 54: Block diagram power analyzer Figuur 55: Front panel Figuur 56: Front panel bij nemen stap Figuur 57: Voorbeeld statorstroom i.f.v. snelheid bij 380V/70Hz Figuur 58: Front panel bij te lage stap Figuur 59: Front panel bij foutmelding Figuur 60: 0-70Hz -> 0-10V en 0-100% -> 0-10V Figuur 61: Opnemen grafieken Figuur 62: SubVI grafieken Figuur 63: Stoppen staat handmatig Figuur 64: Stappentimer Figuur 65: Stappen tellen Figuur 66: Stappen actief? Figuur 67: Stap non-actief VIII

11 Figuur 68: PID regelaar Figuur 69: Staat exit Figuur 77: PID parameters instellen Figuur 78: Elektromagnetische storingen bij opstelling Figuur 70: analyse koppeltoerentalkarakteristiek bij variabele statorspanning Figuur 71: Analyse statorstroom in functie van de snelheid bij variabele statorspanning Figuur 72: Analyse power factor in functie van de snelheid bij variabele statorspanning Figuur 73: Analyse koppel in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie Figuur 74: Analyse statorstroom in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie Figuur 75: Analyse power factor in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie Figuur 76: U/f verhouding Tabellenlijst Tabel 1: Slip...7 Tabel 2: Bediening/display Tabel 3: Belasting & motor Tabel 4: Referentie/ramptime Tabel 5: Begrenzing/waarschuwing Tabel 6: Digitaal In/uit Tabel 7: Analoog in/uit Tabel 8: Omzetting stroom in spanningswaarde Tabel 9: kenplaatgegevens asynchrone motor Tabel 10: Kleurtypes IX

12 1. Literatuurstudie 1.1. Asynchrone motoren Om de karakteristieken van de asynchrone machine juist te interpreteren moet de werking van de motor gekend zijn. In dit hoofdstuk zal de machine theoretisch besproken worden. Uit deze theorie wordt tenslotte de motorkarakteristieken gehaald en uitgelegd hoe deze karakteristieken te interpreteren Bouw asynchrone motor De motor kan voornamelijk opgesplitst worden in een roterend gedeelte namelijk de rotor en een statisch gedeelte, de stator. Deze zullen gescheiden zijn door een luchtspleet waar het magnetisch draaiveld zal opgewekt worden De stator De behuizing van de stator bestaat uit cilindervormige blikplaten en vormen samen een magnetische keten. Dit blikplatenpakket is gelamelleerd om de wervelstromen zoveel mogelijk te onderdrukken. Aan de binnenzijde van de stator zullen gleuven geponst zijn. In deze gleuven zal er een driefasige wikkeling aangebracht worden. Deze worden op zijn beurt aangesloten op een driefasennet. De stator wordt gekarakteriseerd door het aantal polenparen Np. Dit heeft een invloed op de synchrone snelheid van het draaiveld en zal later in dit hoofdstuk besproken worden. Figuur 1: Stator asynchrone machine. Geraadpleegd van De rotor De rotor bevindt zich binnen de stator en is het roterend gedeelte. De rotor kan voornamelijk onderscheiden worden in twee types namelijk de kooirotormachines en de sleepringmachines. Kooiankerrotor De inductiemotor met kooirotor is een van de meest gebruikte motoren binnen de industrie. De rotor bestaat uit aluminium- of koperstaven die zich in de rotorgleuven bevinden. Langs beide zijden zijn de staven kortgesloten via twee kortsluitringen. Deze kortsluitringen vormen samen met de staven een kooi, waardoor men spreekt over een kooirotor. De ruimte binnen de kooi bestaat uit gelamelleerde stalen platen. Voor motoren met grote vermogens (>2MW) of grote toerentallen worden aluminiumstaven gebruikt. Dit om de centrifugale krachten ten opzichte van koperstaven te beperken. De kooirotor heeft als eigenschap een laag startkoppel te hebben, vooral bij toenemende grootte 1

13 van motor en een hoge aanloopstroom te hebben. Door andere types kooiconstructies zoals dubbelkooirotor of stroomverdringingsrotor te gebruiken om zo het startkoppel te verhogen. Figuur 2: Kooiankerrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door Sleepring De rotor van de sleepringmachine bestaat net zoals bij een kooirotormachine uit een gelamelleerde rotor. Alleen zal in de gleuven van de rotor, een driefasige wikkeling aangebracht worden met evenveel polen als de stator. Deze driefasige wikkeling zal in ster geschakeld worden, waarbij de drie vrije uiteindes via sleepringen naar buiten gebracht worden. Deze sleepringen komen in contact met drie borstels die op hun beurt verbonden zijn met de aansluitklemmen. Op deze klemmen worden rotorweerstanden aangesloten. Figuur 3: Sleepringrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door 2

14 Het magnetisch draaiveld Het fundamentele principe van de stator is het opwekken van een roterend magnetisch veld in de luchtspleet tussen de stator en rotor en zal zich met een welbepaalde constante snelheid voortplanten langs de omtrek van de machine. Figuur 4: Statorwindingen. Geraadpleegd door Beschouw een stator met een twee polig driefasig systeem. De wikkelingen L1-L1, L2-L2 en L3-L3 zijn 120 t.o.v. elkaar in de ruimte verschoven. De ruimtelijke hoek waarbij de wikkelingen t.o.v. elkaar verschoven zijn wordt bepaald door de vergelijking: = met Np = aantal polenparen. De drie wikkelingen worden gevoed door drie sinusoïdale wisselstromen die ook 120 t.o.v. elkaar verschoven zijn. Deze hebben een gelijke effectieve spanning en hoeksnelheid: = cos( ) = cos( 120 ) = cos( 240 ) Hierbij is de pulsatie in rad/s en is afhankelijk van de frequentie van de aangelegde spanning en is A de amplitude of de Vptp. Volgens de inductiewet van Faraday zullen de tijdsafhankelijke spanningen over de drie wikkelingen elk een tijdsafhankelijke flux veroorzaken in de luchtspleet: ( ) = De resulterende vector van de hoofdflux zal verkregen worden door de som te nemen van de fluxen L1-L1, L2-L2 en L3-L3. De hoofdflux van de driefasige stator zal roteren in de ruimte en zijn amplitude zal constant zijn zoals in onderstaande figuur. Dit veld noemen we het draaiveld. 3

15 Figuur 5: Het magnetisch draaiveld. Geraadpleegd door De snelheid waarmee het draaiveld zal roteren in de ruimte is afhankelijk van de frequentie van de aangelegde spanning en het aantal polen die de machine bevat. De snelheid van het draaiveld wordt de synchrone snelheid genoemd. De mechanische hoeksnelheid Ωsy in rad/s van het draaiveld wordt gegeven door de formule: En het synchrone toerental in tr/min door: Ω sy = = Nsy = = Waarbij f de frequentie is van het net. Bij een tweepolige machine zal het draaiveld gedurende een periode van de driefasige wisselstroom een dubbele poolsteek 2 p afleggen. Wat de gehele omtrek voor een tweepolige machine betekend. p is de afstand langsheen de ankeromtrek tussen het midden van de noord- en zuidpool. Bij een meerpolige machine zal het draaiveld nog steeds 2 p afleggen gedurende een periode van de driefasige wisselstroom, maar zal slechts een gedeelte van de omtrek afgelegd hebben. Waardoor de synchrone snelheid van een meerpolige machine trager is dan deze van een tweepolige machine. De volgende tabel geeft bij de verschillende synchrone snelheden aan bij een netfrequentie van 50z naargelang aantal polenparen Np. Np Nsy (tr/min) Figuur 6: Polenparen 4

16 De zin van het draaiveld kan omkeren door de fasevolgorde van de aangelegde wisselstromen om te keren. Het gevolg hiervan is dat de rotor in de andere zin zal draaien. Door middel van twee van de drie wisselstromen te verwisselen aan de stator Het effect van het draaiveld op de rotor De rotor kan zowel als kooirotor of als een sleepringrotor bestaan. Het principe van de invloed van het draaiveld op deze rotors is hetzelfde. De werking is analoog aan deze van een transformator. De stator kan als de primaire zijde en de rotor als secundaire zijde van de transformator beschouwd worden. Aan statorzijde wordt er een driefasige wisselspanning aangelegd zodanig dat er een draaiveld wordt opgewekt. Dit draaiveld zal zowel de geleiders van de stator, als de rotor snijden. Hierdoor ontstaat er in de wikkelingen van de stator een zelfinductiespanning Es. In het ideale geval is deze zelfinductiespanning Es even groot als de aangelegde spanning, maar er moet rekening gehouden worden met de ohmse spanningsvallen of warmteverliezen en de inductieve spanningsvallen of spreidingsfluxverliezen. De zelfinductiespanning is dus even groot als aangelegde spanning op deze verliezen na. Wanneer de rotorgeleiders door de veldlijnen van het draaiveld gesneden worden zal er een inductiespanning Er opgewekt worden met een frequentie gelijk aan die van de aangelegde spanning aan de stator. Wanneer de rotorgeleiders een open keten zijn zal de inductiespanning Er afhankelijk zijn van de wikkelverhouding k tussen de stator en rotor. Er kan namelijk geen stroom door de rotorgeleiders vloeien. = = Hierbij is s en r de wikkelfactoren van de windingen en Ns en Nr het aantal windingen. Beschouw nu dat de rotor stilstaat en de geleiders van de rotor kortgesloten of via een externe weerstand gesloten zijn. Wanneer de rotorgeleiders door de veldlijnen van het draaiveld gesneden worden zal er een inductiespanning Er ontstaan. Dit kan aangetoond worden via de wet van Faraday: Er = ( ) Waarbij B de vector is van de luchtspleetinductie afkomstig van het draaiveld, v de relatieve snelheid van de rotorgeleiders t.o.v. het magnetisch draaiveld en l de axiale lengte van de as. Er moet rekening gehouden worden dat de het draaiveld beweegt t.o.v. de rotorgeleiders en niet omgekeerd. Bijgevolg draait de relatieve snelheid in de tegengestelde zin t.o.v. het draaiveld. Figuur 7: Effect draaiveld op rotor 5

17 De rotorgeleiders zijn kortgesloten (kooirotor) of verbonden met en externe weerstand. (sleepringrotor) Als gevolg zal de inductiespanning Er zal een wisselstroom in de rotor opwekken. Het roteren van de rotor kan op twee manieren verklaard worden via de Lorentzkracht en via de wet van Lenz. De Lorentzkracht Zoals in vorige paragraaf werd beschreven zal de e.m.s. Er, een wisselstroom veroorzaken in de rotor. Hierdoor zal op zijn beurt een Lorentzkracht ontstaan op de rotor: = Waarbij I de stroom door de rotorgeleiders is, l de axiale lengte van de as en B de vector van de luchtspleetinductie. De richting van de lorentzkracht wordt bepaald via de linkerhandregel. Dit wordt weergegeven in bovenstaande figuur 7. Deze lorentzkrachten genereren op zijn beurt een koppel in de richting van het statordraaiveld. De Lorentzkracht zal op zijn beurt een koppel vormen, waardoor de motor zal versnellen Wet van Lenz Het roteren van de rotor kan ook verklaard worden via de wet van Lenz. De wisselstroom in de rotor wordt opgewekt door zijn e.m.s. Er. Bijgevolg zijn deze stromen inductiestromen, waardoor ze hun ontstaan willen tegenwerken. Deze inductiestromen gaan op zijn beurt een tweede magnetisch draaiveld opwekken. Dit magnetisch draaiveld heeft dezelfde richting als deze van het magnetisch draaiveld van de stator. De inductiestromen willen hun ontstaan tegenwerken d.w.z. dat de magnetische veldlijnen afkomstig van de rotor, het snijden van statorveldlijnen willen tegenwerken. Als gevolg zal de rotor beginnen roteren in dezelfde richting als deze van het statordraaiveld. Merk echter op dat de relatieve snelheid van de rotorgeleiders t.o.v. het magnetisch zal dalen wanneer de rotor versneld in de zin van het statordraaiveld. Als gevolg zal de geïnduceerde spanningen in de rotor dalen, waardoor de frequentie van de rotorspanning. De rotor zal nooit het synchrone toerental kunnen bereiken zonder externe hulp. Indien de rotor dezelfde snelheid zou hebben als het synchrone toerental zou de e.m.s. Es en geïnduceerde rotorstromen nul zijn. Waardoor het koppel wegvalt en de machine vertraagd. Bijgevolg draait de rotor steeds trager dan het synchroon toerental. Vandaar de naam: asynchrone motor. Het verschil in toerental wordt gedefinieerd als slip s. 6

18 De slip De slip wort gedefinieerd als de relatieve afwijking in toerental tussen het magnetisch draaiveld van de stator of synchroon toerental en het toerental van de rotor en is een belangrijk gegeven bij het behandelen van de asynchrone machine. De slip wordt meestal procentueel uitgedrukt. = Ω Ω Ω = Wanneer de formule wordt omgevormd, kan de hoeksnelheid of toerental makkelijk berekend worden: = (1 ) Ω = Ω (1 ) Naargelang slip kunnen we de asynchrone motor onderverdelen in drie toestanden namelijk motorbedrijf, generatorbedrijf en tegenstroomremmen. Motortoestand Bij motorwerking zal het slip het grootst zijn bij rotorstilstand s = 1 en naarmate het toerental van de rotor toeneemt naar het synchroon toerental zal de slip dalen naar s = 0. Bij nullast zal het rotortoerental net iets kleiner zijn dan het synchroon toerental als gevolg van de ventilatie en wrijvingsverliezen. Generatorbedrijf Wanneer de asynchrone motor als generator fungeert zal de slip s < 0 of negatief zijn. Dit komt omdat extern de rotor met een groter toerental laat draaien dan het statordraaiveld. Hierbij laat men de asynchrone motor als het ware oversynchroon draaien. Tegenstroomremmen Tenslotte is er ook nog een derde toestand genaamd tegenstroomremmen. Wanneer de asynchrone machine zich in motorgebied bevind, zullen er twee van de drie fasen aan de stator omgewisseld worden. Dit heeft als gevolg dat het statordraaiveld zal omkeren van richting. De rotor en het statordraaiveld zullen nu in tegengestelde zin roteren, waardoor de motor op een krachtige manier zal geremd worden. Tabel 1: Slip Bedrijf Slip toerental Motor 0 < s < 1 0 < Nr < Nsy generator s < 0 Nsy < Nr tegenstroomremmen 1 < s Nr < 0 7

19 De rotorfrequentie Slipafhankelijke rotorgrootheden Wanneer de rotor stilstaat heeft de e.m.s. Er een frequentie fr die gelijk is aan de frequentie fs van het magnetisch statordraaiveld. Naarmate de rotor versneld zal de relatieve snelheid van de rotor t.o.v. het magnetisch statordraaiveld verkleinen. Waardoor rotorfrequentie fr daalt naarmate de rotor versneld. Het verband tussen de statorfrequentie fs en de rotorfrequentie fr wordt gegeven door: fr = fs r = s De rotor - e.m.s. De wet van Faraday toont aan dat de geïnduceerde e.m.s. van de rotor het grootst is bij rotorstilstand. = ( ) Omdat de relatieve snelheid tussen rotorgeleiders t.o.v. het magnetisch statordraaiveld maximaal is bij rotorstilstand. De relatieve snelheid zal dalen naarmate de rotor het synchrone toerental bereiken. Bijgevolg zal Er verkleinen naarmate de rotor versneld. Het verband tussen de geïnduceerde e.m.s. bij rotorstilstand Er,st en geïnduceerde e.m.s. bij draaiende rotor Er wordt gegeven door: r = r,st Er zal bijgevolg naarmate de slip kleiner wordt, evenredig dalen t.o.v. de geïnduceerde e.m.s. bij rotorstilstand Er,st. De rotorreactantie De rotorreactantie is een inductief spanningsverlies die zich voordoet in de rotor. deze is afhankelijk van de hoeksnelheid r en van de spreidingsinductantie Lr in de rotor. De spreidingsinductantie is enkel afkomstig van de flux die met de rotor is gekoppeld en niet met de stator. Daarom is de rotorreactantie enkel afhankelijk van de frequentie fr. Bij stilstaande rotor geldt: r,st = s * Lr = 2 * fs * Lr Bij draaiende rotor geldt: r = s * r,st = s * 2 * fs * Lr 8

20 Faseverschuivingshoek tussen rotorstroom en rotorspanning Zoals in het vorige hoofdstuk beschreven is de rotorreactantie Xr slipafhankelijk. Als gevolg geeft dit dat de rotorstroom Ir die bepaald wordt door o.a. rotorreactantie ook slipafhankelijk is. Hierdoor zal de faseverschuiving tussen de rotorstroom en rotorspanning ook slipafhankelijk zijn: tg r = =, = s * tg r,st Motorkoppel Het koppel geproduceerd door de motor is afhankelijk van de faseverschuivingshoek tussen de rotorstroom en statordraaiveld. Het motorkoppel is dus slipafhankelijk Opstellen equivalent schema inductiemachine Equivalent schema rotor Zoals in het vorige hoofdstuk besproken zal een rotor-e.m.s. Er over de wikkelingen van de rotor opgewekt worden. Bijgevolg zal er per fase een stroom Ir door de rotorgeleiders ontstaan. Deze rotorstroom Ir is onderhevig aan verliezen namelijk de ohmse weerstand Rr en rotorreactantie Xr. Onderstaand schema geeft het equivalent schema weer de rotor per fase. Figuur 8: Equivalent schema rotor Wanneer de machine een sleepringrotor heeft zullen de klemmen aan spanning Vr naar buiten gebracht worden. Zodanig dat aan deze klemmen een extern rotorweerstand Rv kan aangesloten worden. Bij een machine met een kooirotor worden deze klemmen niet naar buiten gebracht en zal deze kortgesloten worden. Vr zal bijgevolg gelijk aan nul zijn.met de werkelijke rotorreactantie Xr en de werkelijke weerstand in een fase kan de rotorstroom in een fase bepaald worden: r = 9

21 Equivalent schema inductiemachine Bij het bepalen van het equivalent schema moest er rekening gehouden worden met een aantal verliezen. Ook aan de statorzijde zullen deze verliezen optreden. Er zal een ohmse spanningsval optreden d.m.v. de weerstand Rs in de statorwikkelingen. Ook zullen niet alle veldlijnen van het statorveld de rotorwikkelingen bereiken, waardoor er een inductieve spanningsval ontstaat d.m.v. de statorreactantie Xs. Vervolgens zal er ook nog rekening moeten gehouden worden met de magnetiseringsstroom Im en zijn ijzerverliezen Rg. De magnetiseringsstroom is de stroom die nodig is in de stator om de nodige m.m.k. te leveren om eenzelfde draaiveld te genereren. Deze is te vergelijken als de magnetiseringsstroom bij de transformator. Omwille van de hoge reluctantie door de luchtspleet, zal de magnetiseringsstroom veel groter zijn bij de inductiemotor dan bij de transformator. De ijzerverliezen Rm zullen in het equivalent schema verwaarloosd worden, omwille van zijn zeer hoge impedantie. Om het equivalent schema te tekenen van de volledige inductiemotor dienen zowel de statorzijde als de rotorzijde op dezelfde frequentie te werken. Om dit te kunnen verwezenlijken moet de formule van de rotorstroom Ir aangepast worden: r = =,, =, =,, = ( )² (, )² ( )² (, )² Bij het tekenen van het equivalent schema zullen alle grootheden omgerekend worden naar de stator. Figuur 9: Equivalent schema inductiemachine 10

22 Alle grootheden omgerekend naar de stator zijn dan: R r = k² * Rr r = k * r r = r r = k² * r r = k * r m = m met wikkelverhouding k = Uit het equivalent schema kunnen de volgende vergelijkingen afleiden: sm = Is + r s = j * m * m r = s * j * m * m= j * s * m * * m r = s * j * m * m = s * s De vergelijkingen van de klemspanningen zijn: s = (Rs + j * s) * s + S = Zs * s + s r = (Rr + j * r) * r + r = Zr * r + r Alle grootheden moeten omgerekend worden naar de stator dus: r = Z r * r + r = k² * (Rr + j * r) * * r + s * s In motorbedrijf zullen de rotorgeleiders kortgesloten zijn. Bijgevolg zal de rotor enkel afhankelijk zijn van de ohmse verliezen in de rotorwikkelingen en inductieve verliezen d.m.v. zijn spreidingsreactantie. Het equivalente weerstand R r/s wordt opgesplitst in R r die de jouleverliezen in de rotor weergeeft en R r * mechanische energie vertegenwoordigd. ( ) die de omzetting van elektrische energie in Figuur 10: Equivalent schema motor 11

23 Vermogensverdeling binnen de machine In motorbedrijf wordt het vermogen uit het net aan statorzijde, het toegevoerd of het opgenomen elektrisch vermogen genoemd. Dit wordt voorgesteld door: Pt = 3 * Us,f * Is,f * cos Dit vermogen zal echter niet volledig omgezet worden in nuttig vermogen. De verliezen die optreden kunnen onderverdeeld worden in statorverliezen en rotorverliezen statorverliezen De statorverliezen bestaan uit de statorkoperverliezen Ps,cu en de statorijzerverliezen PFe,s.De koperverliezen zijn afhankelijk van de fasestroom Is,f en van de ohmse weerstand Rs in de wikkelingen van de stator. Voor de vergelijking van de koperverliezen in de stator geldt: Ps,Cu = 3 * Rs * I²s,f De ijzerverliezen bestaan uit hysteresis- en wervelstroomverliezen. Deze is afhankelijk van de opgewekte e.m.s. in de stator en de impedantie van de ijzerverliezen. De vergelijking van de ijzerverliezen wordt gegeven door: Ps,Fe = 3 * ² rotorverliezen De rotorverliezen in de rotor treden op door de rotorkoperverliezen Pr,Cu, de rotorijzerverliezen Pr,Fe en de wrijvings- en ventilatieverliezen Pvmech. In nominaal bedrijf zijn de rotorijzerverliezen een fractie van de rotorkoperverliezen. Daarom worden bij de berekeningen de rotorijzerverliezen meestal verwaarloosd. De koperverliezen in de rotor wordt gegeven door: Pr,Cu = 3 * Rr * I²r Deze koperverliezen zijn afhankelijk van de fasestroom Ir in de rotor en de ohmse weerstand Rr in de rotorwikkelingen draaiveldvermogens Aan statorzijde wordt het resterend actief vermogen verkregen door het toegevoerd elektrisch vermogen te verminderen met de statorverliezen. Dit wordt het primair draaiveldvermogen Pd1 genoemd. Pd1 = Pt (Ps,Cu + Ps,Fe) Pd1 = 3 * Es,f * Is,f * cos s Het primair draaiveldvermogen wordt omschreven als het vermogen dat in de stator via het draaiveld wordt omgezet en op de rotor wordt overgedragen. Waarbij s faseverschuiving is tussen Es,f en Is,f. Naast het primair draaiveldvermogen wordt er in de rotor een e.m.s Er,f geïnduceerd met een frequentie s * fs. De spanning Er,f geeft samen met de rotorstroom Ir,f het secundair 12

24 draaiveldvermogen. Het secundair draaiveldvermogen is het vermogen dat onder elektrische vorm beschikbaar in de rotor komt. Pd2 = 3 * Er,f * Ir,f * cos r Zowel voor primaire als secundaire draaiveldvermogen geldt dat er een elektromagnetisch koppel wordt ontwikkeld, die met dezelfde absolute waarde inwerkt voor stator als rotor. Hierbij wordt er rekening gehouden dat de relatieve snelheid van het elektromagnetisch draaiveld t.o.v. stator of rotor verschillend is. De relatieve snelheid t.o.v. de stator zal gelijk zijn aan sy. De relatieve snelheid t.o.v. de rotor zal slipafhankelijk zijn en daarom gelijk aan s * sy. Pd1 = M * sy Pd2 = M * s * sy Pd2 = s * Pd1 Uit vergelijking van Pd2 blijkt dat slechts een klein gedeelte van het primaire draaiveldvermogen wordt omgezet in elektrische vorm in de rotor. Het secundair draaiveldvermogen zal geheel omgezet worden in jouleverlies namelijk de rotorkoperverliezen. Pd2 = s * Pd1 = PCu,r Het mechanisch vermogen Pmech wordt bepaalt door het verschil te nemen van het primaire draaiveldvermogen en de rotorkoperverliezen. Dit vermogen wordt onder mechanische vorm overgedragen aan de rotor. Pmech = Pd1 Pd2 = Pd1 (s * Pd1) = Pd1 * (1 s) Het mechanisch vermogen wordt voor een gedeelte omgezet in wrijvings- en ventilatieverliezen. Het resterend vermogen is het vermogen bruikbaar op de as. Pas = Pd1 Pd2 Pvmech Onderstaand equivalent schema met opsplitsing van verschillende vermogens: Figuur 11: Equivalent schema i.f.v. vermogens 13

25 Weerstand R r geeft het koperverlies weer in de rotor en weerstand R r * ( ) mechanisch vermogen weer met: geeft het Pmech = 3 * R r * ( ) * I r² Vermogenbalans Voor het opstellen van een vermogenbalans wordt het Sankey diagram gebruikt. Dit diagram wordt gebruikt om vermogensstromen visueel voor te stellen. Waarbij de breedte van de pijl proportioneel is met de grootte van de vermogensstroom. Het Sankey diagram wordt opgesteld bij een constante fasespanning Us,f. Er wordt een balans opgesteld van het toegevoerd vermogen uit het net tot het mechanisch vermogen aanwezig op de as. Figuur 12: Sankeydiagram asynchrone motor Ps,r,Cu Ps,r,Fe Joule- of koperverliezen in rotor en stator. Het ijzerverlies in de rotor en stator omvat de hysteresis- en wervelstroomverliezen en zijn afhankelijk van de frequentie. Bij nominale werking zullen de ijzerverliezen in de rotor verwaarloosbaar klein zijn, omdat de relatieve snelheid van statordraaiveld t.o.v. de rotor zeer klein is. Pvmech De mechanische verliezen. Dit zijn de de wrijvings- en ventilatieverliezen en zijn afhankelijk van het toerental van de rotor. Psupp Dit zijn de verliezen die voorkomen in de toevoerleidingen van de rotor. 14

26 Om een idee te geven hoe groot deze verliezen zijn in procentuele waarden, wordt er een volgende voorbeeldstudie gemaakt. Neem aan dat de inductiemotor een rendement heeft van 87% nominaal. Het toegevoerd vermogen afkomstig uit het net (100%) wordt verminderd met de koperverliezen (4%) en ijzerverliezen (2.5%) in de stator. Hieruit ontstaat het primair draaiveldvermogen met een grootte van 93.5% dat overgebracht wordt naar de rotor. Door het primair draaiveldvermogen te verminderen met de ijzer- en koperverliezen van de rotor wordt het mechanisch vermogen verkregen. De koperverliezen hebben een grootte van 3.5%. De ijzerverliezen zijn verwaarloosbaar klein door de geringe rotorfrequentie bij nominaal gebruik. Het mechanisch vermogen heeft dus een grootte van 90%. Tenslotte om het asvermogen te bekomen moeten enkel nog de wrijvings- en ventilatieverliezen (3%) afgetrokken worden. Waardoor men een rendement van 87% op de kenplaat verkrijgt Koppeltoerentalkarakteristiek In de koppeltoerentalkarakteristiek zal het koppel in functie van het toerental of de slip geplot worden. Om de karakteristiek te begrijpen moeten eerst enkele begrippen verklaard worden Het koppel Beschouw onderstaande rotorschakeling met kortgesloten statorwikkelingen. Hierin stelt V 0,r de naar stator omgerekende openklemspanning. JXk,r en Rk,r vormen samen de naar stator omgerekende kortsluitimpedantie Z k,r. Figuur 13: Equivalent schema met kortgesloten statorwikkelingen Hierbij geldt dat: r =,, Bij inductiemachines met grote vermogens worden de koperverliezen en ijzerverliezen zo klein dat deze verwaarloosd worden. Aan de hand van het equivalent schema kan volgende formule opgesteld worden: Uit het equivalent schema: 0,r =, s s Z k,r = ( j,s // J m ) + j,r + = j,s + j,r + 15

27 Vervolgens wordt de naar stator omgerekende kortsluitimpedantie Z k,r gesubstitueerd in de formule van I r en V 0,r r = ²r = (,, ) ( )² (,, )² In het vorige hoofdstuk werd besproken dat het primair draaiveldvermogen wordt gegeven door: P d1 = M * sy Het primair vermogen zal voor een deel worden overgedragen aan de rotor afhankelijk van slip s. Waarbij het secundair draaiveldvermogen volledig wordt omgezet in jouleverliezen: P d1 = = = T * sy Wanneer I ²r in bovenstaande formule wordt gesubstitueerd bekomt men de koppelformule: Pd1 = = ( )² (,, )² = M * sy M = Het koppel is dus afhankelijk van de aangelegde statorspanning, de rotorweerstand, de rotorreactantie, statorfrequentie en slip. Deze parameters zullen dus het verloop van de koppeltoerentalkarakteristiek bepalen Kipslip en kipkoppel Het kipkoppel Tk wordt gedefinieerd als het maximum koppel dat de machine kan leveren. De slip waar het kipkoppel zal optreden wordt de kipslip sk genoemd. Om dit extremum te vinden zal de formule van het koppel afgeleid worden naar slip en gelijkgesteld aan nul. M = = en = 0 x² + X² - 2x² = 0 x = ± X s k = ± De kipslip is afhankelijk van de spreidingsreactantie en rotortoestand. Bij inductiemachines met sleepringmotor kan de kipslip gewijzigd worden door de externe weerstand in serie met de rotorketen te variëren. Bij kooirotormachines ligt de kipslip vast. Het teken kan zowel 16

28 positief als negatief zijn afhankelijk of de motor in motor- of generatorwerking is.het kipkoppel wordt verkregen door de kipslip te substitueren in de formule van het koppel: Mk = sk = ± X = ± X Mk = ± Het kipkoppel zal in tegenstelling tot het kipslip onafhankelijk zijn van de rotorweerstand. De verhouding van het koppel tot het kipkoppel wordt de overbelastbaarheid genoemd en wordt gegeven door: = ² = = 2 + met s k = Hieruit stelt men vast dat voor lage slipwaarden en bij een constante rotorweerstand, het koppel lineair afhankelijk is van de slip. Bij hoge slipwaarden heeft het koppel een hyperbolisch verloop. Onderstaand Figuur geeft de koppeltoerentalkarakteristiek van de inductiemachine weer: Figuur 14: Het koppeltoerentalkarakteristiek. Aangepast uit 17

29 Enkele belangrijke gegevens op de grafiek zijn: - Het aanzetkoppel Ma, dit is het koppel dat beschikbaar is wanneer de rotor uit rusttoestand vertrekt. De slip s=1. Het aanzetkoppel is relatief klein ten opzichte van het kipkoppel. - Wanneer de kipslip wordt bereikt zal de motor zijn maximum koppel leveren, het kipkoppel. Tussen slip s=1 en sk bevindt de motor zich in onstabiel gebied. Binnen het onstabiel gebied zal voor een kleine verandering van belasting een grote snelheidsverandering tot gevolg hebben. - Ongeveer op 96% van het synchroon toerental bereikt de motor zijn nominaal toerental. Op dit nominaal toerental wordt het nominaal koppel bereikt. - Het stabiele gebied bevindt zich tussen het nullastpunt en de nominale toerental. Dit is het werkingsgebied van de motor. De koppeltoerentalkarakteristiek wordt onderverdeelt in drie gebieden: - Het gebied van tegenstroomremmen. Door twee van de drie fasen te verwisselen aan statorzijde zal het draaiveld omkeren van zin. Waardoor rotor en draaiveld in tegengestelde richting draaien. Als gevolg zal de rotor krachtig worden afgeremd. Het gereverseerd gebied bevindt zich in de zone van s > 1. - Het motorgebied. In deze zone zal de machine fungeren als motor. Dit gebied wordt begrensd door zijn synchroon toerental (s=0) en rotorstilstand (s=1). - Het Generatorgebied. In dit gebied zal de rotor sneller draaien dan het statordraaiveld. Het slip zal hierdoor negatief worden. Dit gebied bevindt zich tussen synchroon toerental (s=0) en s= Statische toestand De inductiemachine bevindt zich in statische toestand als machine een constante snelheid heeft. Dit gebeurd wanneer het koppel beschikbaar op de as Mas dezelfde grootte heeft als het belastingskoppel Mw. Er moet ook nog rekening gehouden worden met het verlieskoppel Mv. Dit zijn de ventilatie-, wrijvings- en rotorijzerverliezen van de machine. Het verlieskoppel en belastingskoppel samen wordt het tegenwerkend koppel Mt genoemd. Het totale koppel MM die de machine moet produceren wordt dan: MM = Mv + Mw met Mw = Mas MM = Mt Wanneer aan deze voorwaarde is voldaan en het koppel geproduceerd door de machine even groot is als het tegenwerkend koppel zal het statische werkingspunt bereikt worden. Dit werkingspunt wordt gevonden door het koppeltoerentalkarakteristiek van de inductiemachine te projecteren op het tegenwerkend koppel van de belasting. Het punt waar deze twee karakteristieken elkaar snijden is het statische werkingspunt. Het liefst ligt dit punt 18

30 in het stabiele gebied. Anders zou een verandering van belasting een grote invloed hebben op de snelheid van de machine Dynamische toestand Wanneer de snelheid van de machine niet constant is, bevindt de machine zich in een dynamische toestand. Hierbij zal de machine onderhevig zijn aan een positieve of negatieve versnelling. Het versnellingsmoment Mj is afhankelijk van de versnelling α en het traagheidsmoment van het systeem. Het versnellingsmoment Mj wordt gegeven door: MJ = J * = J * α De vergelijking van de dynamische toestand van motor met belasting: MM = Mt + MJ = Mt + J * = Mt + J * α Het versnellingsmoment is het verschil tussen het koppel van de motor en het tegenwerkend koppel. Daarom wordt het ook het koppeloverschot genoemd. Het koppeloverschot moet positief zijn om de motor te laten versnellen. Dit wil zeggen dat grafisch gezien de belastingskarakteristiek steeds onder de motorkarakteristiek moet liggen. Onderstaande afbeelding geeft een motor/belastingskarakteristiek wee waar het tegenwerkend koppel hoger is als het koppel van de motor. Figuur 15: koppeltoerentalkarakteristiek met te laag aanzetkoppel. Aangepast uit Het aanzetkoppel bij deze karakteristiek is te laag. Hierdoor krijgt men een negatieve koppeloverschot bij starten van de motor. Bijgevolg zal de motor niet starten Snelheidsregeling d.m.v. een scalaire sturing Door de motor rechtstreeks op het net aan te sluiten wordt zal de nominale snelheid bereikt. Om deze snelheid regelbaar te maken, kunnen er verschillende regelingen toegepast worden. Zoals eerder in de cursus beschreven is de rotorsnelheid van de asynchrone machine afhankelijk van twee parameters namelijk de frequentie van het draaiveld en het aantal polenparen. Nsy = = 19

31 = (1 ) De snelheidsregeling van een asynchrone machine kan onderverdeelt worden in twee groepen namelijk slipregeling en frequentieregeling. Bij de slipregeling zal de statorfrequentie fs constant blijven, waardoor snelheid van statordraaiveld constant blijft. Door slip s te regelen, kan rotorsnelheid regelbaar gemaakt worden. Voor de slipregeling wordt er meestal gebruik gemaakt van wisselstroominstellers. In de opstelling van de masterproef wordt er gebruik gemaakt van een Danfoss FC102. Deze drive is een frequentieregeling en zal de snelheid van de asynchrone machine regelen door de frequentie van het statordraaiveld te variëren. Waardoor de snelheid van de rotor zal variëren. De frequentieregeling kan vervolgens onderverdeelt worden in scalaire- of vectorsturing. Bij scalaire regeling zal de spanning aan statorzijde variëren met de frequentie in functie van elkaar. De Danfoss FC102 drive zal onder andere gebruik maken van deze sturing. Bij deze sturing wordt het koppel niet gecontroleerd en is het werkingspunt van de motor niet gekend. Bij vectorsturing zal de statorstroom opgesplitst worden in twee orthogonale vectoren. Een component definieert de magnetische flux van de motor, de andere het koppel. Aan de hand van DSP processoren zal de corresponderende stroomvector berekend worden. Hierdoor wordt een nauwkeurige snelheidsregeling verkregen. In tegenstelling tot de scalaire sturing heeft de vectorsturing een terugkoppeling nodig De directe en indirecte omvormer De scalaire frequentieomvormer kan op zijn beurt onderscheiden worden door een directeof indirecte omvormer. Een directe omvormer is een AC-AC omzetter. Die gebruik maakt van cycloconvertoren, waarbij de uitgangsfrequentie continue regelbaar is. Directe omvormers hebben een zeer beperkt toepassingsgebied en worden enkel gebruikt voor het regelen van zwaar en traag lopende inductiemachines (4 tot 12 MW). De meeste scalaire sturingen maken gebruik van een indirecte omvormer. Hierbij wordt de driefasennetspanning omgezet naar een gelijkspanning door middel van een gelijkrichter. Vervolgens zal deze gelijkspanning omgezet worden in een driefasespanning met regelbare frequentie dankzij een driefasige invertorbrug CSI VS VSI De indirecte omvormer kan vervolgens onderverdeelt worden in VSI 1 of CSI 2. Het verschil is de manier waarop deze twee invertoren hun energie opslaan. De CSI zal op een inductieve manier via een spoel in de stroomtussenkring zijn energie opslaan. Zodanig dat de stroomrimpel tussen gelijkrichterbrug en invertorbrug wordt geregeld. Hierdoor wordt er een constante stroom aan de ingang van de invertor verkregen. Een VSI zal op een capacitieve manier via condensatoren in de spanningstussenkring de spanningsrimpel 1 Voltage Source Invertor 2 Current Source Invertor 20

32 regelen tussen gelijkrichterbrug en invertorbrug. Op zijn beurt wordt er een constante spanning aan de ingang van de invertor geleverd. De Danfoss FC102 maakt gebruik van het VSI-type. Figuur 16: Voltage Source Invertor Danfoss FC102 De danfoss FC102 is een indirecte frequentieomvormer van het VSI-type. De regelaar zal aan een snelheidsregeling toepassen door de frequentie van de statorspanning variabel te maken. Onderstaand figuur geeft het principeschema weer van zo n frequentieomvormer. Figuur 17: Indirecte frequentieomvormer (VSI). Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press B1: Dit is een ongestuurde netgelijkrichting. De bedoeling van deze brug is om een driefasenspanning om te zetten naar een gelijkspanning. R1: Deze aanzetweerstand dient als beveiliging. Wanneer de frequentieomvormer wordt ingeschakeld en de condensatoren zijn volledig ontladen, zou dit zorgen voor een grote stroomstoot vanwege de ontladen condensatoren. De weerstand in serie met de gelijkrichtersbrug zorgt er dus voor dat de stroomstoot bij inschakelen zal beperkt worden. Indien de condensatoren genoeg zijn opgeladen, zal de aanzetweerstand overbrugd worden. C1: Deze condensatoren zullen ervoor zorgen dat de rimpel van de gelijkgerichte spanning door de ongestuurde gelijkrichtingsbrug zal afgevlakt worden. Zodanig dat er over de DC-bus een bruikbare gelijkspanning komt de staan die door de invertor kan omgezet worden in een wisselspanning met variabele frequentie. 21

33 R2 en R3 Zorgen voor een gelijkmatige spanningsdeling tussen beide condensatoren. B2: Dit is een 180 -invertorbrug. Deze brug zal de gelijkgerichte spanning omzetten in een wisselspanning met een variabele frequentie. Deze brug kan in twee richtingen werken. Bij het remmen zal de motor zich in generatorwerking bevinden. Wil men de motor gecontroleerd laten remmen dan kan de invertorbrug energie afkomstig van de inductiemachine opnemen en afgeven aan de DC-bus. T1 en R4: De energie dat vrijkomt tijdens het remmen en wordt afgegeven aan de DC-bus zal gecontroleerd laten wegvloeien in de remweerstand. De elektrische energie zal hierbij omgezet worden in warmte Toerentalvariatie De frequentieomvormer heeft invloed op het koppeltoerentalkarakteristiek van de machine. Dit voornamelijk in twee opzichten: de regelaar zal de statorspanning van de machine regelen en zal de statorfrequentie van de machine regelen Variatie van de statorfrequentie Het net levert standaard een wisselspanning van 50Hz. Door de frequentie van de stator variabel te maken kan de snelheid van het synchroon toerental gewijzigd worden. Onrechtstreeks wijzigt hierdoor het rotortoerental ook mee. Om een goede werking van de machine te garanderen mag de nominale waarde van de flux niet overschreden worden. Dit zou anders als gevolg hebben dat de magnetiseringstroom te groot zou worden. De vergelijking van het kipkoppel zegt: Mk = ± Φ = k1 * = k3 * ( De vergelijking toont aan dat de U/f-verhouding 3 constant moet blijven om een maximaal kipkoppel te behouden. De sturing waarbij deze verhouding constant blijft wordt de constant flux regeling genoemd. )² 3 De verhouding tussen statorspanning en statorfrequentie. 22

34 De frequentieregeling kan voornamelijk gescheiden worden in twee gebieden: het gebied kleiner dan de nominale frequentie van de motor en het gebied hoger dan de nominale frequentie namelijk het veldverzwakkingsgebied. Gebied met statorfrequentie lager dan nominale frequentie Om een constante flux-regeling toe te passen bij een statorfrequentie lager dan de nominale frequentie moet de statorspanning mee verlaagd worden. De invloed van het wijzigen van de statorfrequentie samen met de statorspanning onder het nominaal punt kan uitgetekend worden op de koppeltoerentalkarakteristiek. Figuur 18:koppeltoerentalkarakteristiek bij constante U/f. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Doordat de U/f-verhouding constant blijft zal het kipkoppel en koppel onafhankelijk zijn van de statorfrequentie. Als gevolg zal het kipkoppel overal hetzelfde zijn. Het synchroon toerental zal mee variëren met de statorfrequentie. Alle andere eigenschappen buiten het synchrone toerental blijven ongewijzigd. Hierdoor zal de vorm van de motorkarakteristiek hetzelfde blijven. De karakteristiek zal enkel naar links of naar rechts verschuiven afhankelijk van de statorfrequentie. Mk = k3 * ( )² = cte en Mem k4 * Φn * Is = cte met = cte Gebied in veldverzwakking Bij veldverzwakking zal de statorfrequentie hoger zijn dan de nominale frequentie. De U/fverhouding zal hierdoor niet meer constant zijn. Omdat de statorspanning niet boven de nominale spanning gedreven wordt. De statorspanning wordt constant gehouden op de nominale spanning. Φn = k1 * met < 1 23

35 Naarmate de statorfrequentie groter wordt zal de U/f-verhouding dalen. Bijgevolg zal de flux dalen en kleiner worden dan de nominale flux. Waardoor het Kipkoppel en koppel zal dalen naarmate de statorfrequentie groter word. Mem = k4 * Φn * Is = k4 * * Is met k4, Is en Vs constant Mem ~ Mem < Mnom Mk = k3 * ( )² met k3 en Vs constant = k3 * ( )² Mk ~ Mk < Mk,nom Het koppel is omgekeerd evenredig met de statorfrequentie en het kipkoppel zal door het kwadraat hyperbolisch dalen met een stijgende frequentie. De synchrone snelheid zal net zoals bij de statorfrequentie onder de nominale frequentie variëren met de statorfrequentie. De motorkarakteristiek zal hierdoor horizontaal verschuiven met de statorfrequentie en het kipkoppel zal hyperbolisch afnemen met stijgende statorfrequentie. Figuur 19: koppeltoerentalkarakteristiek bij veldverzwakking. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Naast de koppeltoerentalkarakteristiek kan men ook het afgegeven vermogen van de motor beschrijven in functie van de statorfrequentie. Voor het afgegeven vermogen uitgedrukt in kw geldt dat: P = * M met = 24

36 Figuur 20: afgegeven vermogen i.f.v. de statorfrequentie. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Het afgegeven vermogen zal recht evenredig met de snelheid van de rotor stijgen. Het koppel in het constante fluxgebied is constant. Na de nominale statorfrequentie, zal het koppel omgekeerd evenredig dalen met de statorfrequentie. Doordat het afgegeven vermogen recht evenredig stijgt met de snelheid van de rotor blijft het afgegeven vermogen constant. De statorfrequentie kan niet oneindig lang opgedreven worden. Gezien de verliezen zal de machine slechts een deel van zijn kipkoppel kunnen leveren. Het gebied waarbij de motor een constant vermogen levert wordt bij de meeste motoren bepaald door = 0,5. Hieruit kan men afleiden dat fmax 2fnom. De motor bevindt zich in het hogere snelheidsgebied wanneer deze zijn maximale frequentie heeft bereikt. Het koppel Mem zal net zoals het kipkoppel Mk omgekeerd evenredig dalen met factor. ² Variatie van de statorspanning Wanneer de frequentieomvormer de aangelegde spanning aan statorzijde varieert zal dit een invloed hebben op de koppeltoerentalkarakteristiek van de machine. Door de formule van het kipkoppel geldt dat: Mk = k3 * ( )² met k3 en fs constant Mk ~ Vs² Hieruit kan men besluiten dat het kipkoppel kwadratisch zal afnemen, wanneer de statorspanning lineair daalt. Het synchroon toerental blijft constant. De invloed van de statorspanning op de koppeltoerentalkarakteristiek wordt grafisch op onderstaande afbeelding weergegeven. 25

37 Figuur 21: Koppeltoerentalkarakteristiek met variabele statorspanning. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Bij nominale spanning aan statorzijde zal de rotor aan een bepaalde snelheid draaien. Wanneer de spanning verlaagd word zal het kipkoppel dalen en het synchroon toerental blijft gelijk. Hierdoor zal het statisch werkingspunt tussen motor- en belastingskarakteristiek opschuiven naar linksonder. Doordat het statisch werkingspunt opschuift naar links zal de rotorsnelheid dalen. Het regelgebied van de machine is begrensd tot het kiptoerental. Wanneer de spanning nog zou dalen, bevindt de motor zich in het onstabiel gebied. Het werkingsgebied bij variabele statorspanning is bijgevolg zeer klein Extra functies frequentieomvormer Om in de praktijk een betere regeling van de machine mogelijk te maken, maakt de frequentieomvormer gebruik van extra functies die in de regelaar zijn ingebouwd Koppelversterking Bij lage statorfrequenties spelen de koperverliezen in de stator een belangrijke rol. Deze zorgen namelijk voor een ohmse spanningsval IsRs in de machine. Door de ohmse spanningsval zal de opgewekte e.m.s. Es veel lager zijn dan statorspanning Us. Dit heeft als gevolg dat de flux daalt, waardoor het koppel ook zal dalen. Om dit te verhelpen wordt de koppelversterking toegepast. Hierbij gaat de statorspanning verhoogd worden tot een bepaalde frequentie. Zodanig dat de U/f-verhouding groter wordt dan zijn nominaal. Bijgevolg zal het koppel stijgen. Via de koppelversterking kan ook de spanningsval in de kabels naar de machine weggewerkt worden. 26

38 Figuur 22: U/f bij koppelversterking. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Aan- en uitlooptijd Binnen de frequentieomvormer kan men de aan- en uitlooptijd van de machine instellen. Dit is de tijd waarin de frequentieomvormer zijn uitgangsfrequentie zal regelen van 0Hz tot zijn nominale waarde. Deze waarde is afhankelijk van het traagheidsmoment van de motor en zijn belasting Aanlooptijd De gevaren van het snel aanlopen bij een groot traagheidsmoment kan grafisch bepaalt worden via de koppeltoerentalkarakteristiek van een motor met het tegenwerkend koppel van zijn belasting. Neem aan dat de machine wordt aangedreven met statorfrequentie f1. De snelheid kan gevonden worden door het statisch werkpunt tussen het tegenwerkend koppel van de belasting en het koppel van de machine. Wanneer de machine aangedreven wordt met een hogere statorfrequentie f2 zal het statisch werkpunt verschuiven. Het statisch werkpunt legt de weg af aangegeven in het blauw en zal eindigen in het punt B. Hierbij ziet men door de traagheid dat de snelheid eerst ongewijzigd blijft. Het werkpunt zal eerst verticaal stijgen. Daarna volgt het werkpunt de weg via de koppeltoerencurve van statorfrequentie f2 naar zijn statisch werkpunt. Dit resulteert in een hogere snelheid n2. De statorfrequentie kan ook meteen gewijzigd worden van f1 naar f3. Het werkpunt zal nu de weg volgen via de koppeltoerencurve van f3 aangegeven door de rode lijn. Door de traagheid zal het werkpunt verticaal dalen naar koppeltoerencurve van f3. Dit punt is echter gelegen onder het tegenwerkend koppel van de belasting. Als gevolg is het koppeloverschot van de machine negatief. De motor zal vertragen en tot stilstand komen in het punt C. Dit toont aan dat het belangrijk is om de statorfrequentie geleidelijk aan te verhogen. Zodanig dat het werkpunt steeds boven het tegenwerkend koppel van de belasting gelegen is. Waardoor het koppeloverschot steeds positief is tot het statisch werkpunt is bereikt. 27

39 Figuur 23: Koppeltoerentalkarakteristiek i.f.v. aanlooptijd. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press Uitlooptijd De traagheid van de motor en zijn belasting speelt niet alleen een belangrijke rol bij het aanlopen van de machine, maar ook een te korte uitlooptijd kan een nefast effect hebben bij het regelen van de machine. Veronderstel dat de motor aangedreven wordt met een bepaalde statorfrequentie. Wanneer deze frequentie verlaagd wordt, zal door de traagheid van de belasting, de motor voor een korte tijd oversynchroon draaien. Het statordraaiveld zal met andere woorden sneller draaien dan de rotor. De machine werkt als een generator. Hierdoor zal de mechanische energie die opgewekt wordt door het afremmen van de belasting omgezet worden in elektrische energie. Deze elektrische energie zal zich opstapelen in de tussenkring van de frequentieomvormer. Wanneer er op korte tijd te veel energie in de tussenkring opgestapeld wordt zal de spanning in de tussenkring te hoog worden. Dit heeft schadelijke gevolgen voor de condensatoren in de tussenkring. Daarom is het belangrijk om een goede uitlooptijd in te stellen. Bij bepaalde toepassingen is het belangrijk om een zeer korte uitlooptijd in te stellen. De energie in de tussenkring wordt dan afgevoerd via een remweerstand of afhankelijk van frequentieomvormer kan de energie terug in het net worden geïnjecteerd Stroomtoerentalkarakteristiek Wanneer de motor wordt opgestart zal de stroom door de stator vele malen groter zijn als de nominale stroom Is. Een hoge aanloopstroom heeft verschillende nadelen. Wanneer deze stroom te groot word bestaat de kans dat de wikkelingen van de motor beschadigd worden. Door de inwendige impedantie van het net, zorgt een hoge aanloopstroom voor een spanningsdip in het net. De aanzetstroom zal 4 tot 6 keer hoger zijn dan de nominale statorstroom Dit kan storend zijn voor andere gebruikers op het net. Onderstaande afbeelding geeft het stroomverloop in functie van het toerental weer. 28

40 Figuur 24: Stroomtoerentalkarakteristiek. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press De stroomtoerentalkarakteristiek toont aan dat de statorstroom weinig afneemt tot wanneer het kipkoppel bereikt is. Daarom is het belangrijk om de inductiemachine zo snel mogelijk te laten aanlopen. Wanneer ten gevolge van de belasting de machine traag aanloopt zal voor een lange tijd een hoge statorstroom door de machine vloeien. Dit vergroot echter alleen maar de kans op het verbranden van de wikkelingen. Om de aanloopstroom te beperken zal men de machine onder verlaagde spanning laten aanlopen. Het verlagen van de statorspanning zal leiden tot het verlagen van het aanzetkoppel. Een lager aanzetkoppel heeft als gevolg dat het koppeloverschot kleiner wordt. Waardoor de machine trager zal accelereren Elektromagnetische storing Elektromagnetische storingen kan men omschrijven als een verschijnsel die de prestaties van elektrische apparaten zullen verstoren. Deze storing zal een ongewenst signaal in de vorm van elektrische ruis bovenop het bestaand signaal implementeren. Hierdoor kan bijvoorbeeld een meetsignaal onleesbaar worden. Figuur 25: Elektromagnetische storing Een elektromagnetische storing kan men verdelen in twee componenten: het elektrisch veld opgewekt door het potentiaalverschil en het magnetisch veld dat opgewekt wordt door een geleidende stroom binnen een geleider. De storing verspreidt zich door straling in de lucht en door geleiding binnen de kabels. De elektromagnetische storingen kan men onderverdelen in verschillende types: 29

41 Laagfrequente storingen Laagfrequente storingen hebben een frequentiebereik tussen 0Hz 50Hz en treden meestal op als geleider gebonden storingen. Ze zijn van relatief lange duur ( van een milliseconde). De energie-inhoud van een geleider gebonden storing kan hoog zijn en zelfs schade berokkenen bij aangesloten toestellen Hoogfrequente storingen Hoogfrequente storingen hebben een frequentiebereik 30MHz. Deze treden meestal op straling gebonden storingen. Ze zijn van relatief korte duur (<10ns). De energie uitgestraald is een stuk lager als bij laagfrequente storingen en vormen meestal problemen bij naburige toestellen Harmonischen Harmonischen zijn storingen veroorzaakt door niet-lineaire verbruikers zoals choppers, frequentieregelaars, enz. Deze verbruikers zullen zorgen dat de sinusoïdale wisselstroom van het net wordt vervormd. Deze wisselstroom kan men beschouwen als een periodisch signaal. Vervolgens kan men dit periodisch signaal ontbinden in een signaal met de grondfrequentie en signalen die een frequentie hebben dat het meervoud is van de grondfrequentie. Het signaal met de grondfrequentie noemt men de grondharmonische. Neemt men nu als voorbeeld de wisselstroom van het net. Dan zal 50Hz de grondharmonische zijn met een derde harmonische van 3 * 50Hz = 150Hz en vijfde harmonische van 5 * 50Hz = 250Hz. Deze harmonische stromen in het net zullen bijgevolg de sinusoïdale vorm van de sinus verstoren. Een voorbeeld van een sinusoïdale stroom en zijn harmonische wordt weergegeven in onderstaande figuur. Voorstelling harmonischen in het tijdsdomein: Figuur 26: Harmonischen in het tijdsdomein 30

42 Voorstelling harmonischen in het frequentiedomein: Figuur 27: Harmonischen n het frequentiedomein De som van alle signalen is het signaal dat het meettoestel uiteindelijk meet. Tenzij het toestel speciaal voorzien is om harmonischen te meten. Harmonischen zijn laagfrequente storingen. Deze zijn dus meestal storingen die worden geleid via geleiders De totale harmonische vervorming TDH 4 is een maat voor de afwijking van een signaal ten opzichte van de grondgolfsignaal. Hoe lager de waarde van THD is, hoe beter. De TDH wordt als volgt berekent en wordt uitgedrukt in %. = ( )² 1 Met Hi = Amplitude van de harmonische met rangorde i. H1 = Amplitude van de golf met de grondfrequentie Ontstaan van harmonischen Harmonische storingen ontstaan doordat niet-lineaire 5 componenten een niet-sinusoïdale stroom opnemen. Als gevolg zullen er hoger harmonischen ontstaan. Door de stroomharmonischen zullen omwille van de impedantie in de kabels ook spanningharmonischen ontstaan. Voorbeelden van niet-lineaire componenten zijn frequentieomvormers, softstarters, thyristoren, enz Transiënten Transiënten zijn storingen die voorkomen in de vorm van impulsen. Deze storingen worden veroorzaakt door het schakelen van mechanische en elektronische schakelaars, blikseminslag, aardfouten, enz. Door het plots schakelen zullen er steile spanningshellingen ( ) ontstaan. Deze zullen zich verder geleiden doorheen de geleidingskabels. Transiënten zijn 4 De totale harmonische vervorming of distorsiefactor. 5 Er is geen lineair verband tussen het ingangssignaal en het uitgangssignaal. 31

43 hoogfrequente storingen. Ze worden zowel geleid via geleiders, als via straling. Onderstaand figuur geeft een voorbeeld weer van de transiënten. Figuur 28: Transiënten Frequentieafhankelijkheid van een geleider Spanningharmonischen zullen afhankelijk zijn van de impedantie van de geleider. Deze impedantie is afhankelijk van de frequentie van de harmonischen. Onderstaand figuur geeft het vervangingsschema van het inductief en capacitief gedrag weer van de impedantie afhankelijk van de frequentie binnen de geleider. Hierbij geldt voor ZL en ZC: Figuur 29: Frequentieafhankelijkheid van een geleider ZL = 2 *L*f en ZC = De inductieve impedantie ZL zal sterk toenemen, terwijl de capacitieve impedantie ZC sterk zal afnemen naarmate de frequentie stijgt. Bijgevolg zal bij een lage frequentie de geleider zich als een capacitieve impedantie gedragen. Er gaat als het ware een capacitieve koppeling ontstaan tussen geleider en massa. Als gevolg zullen er lekstromen in de keten ontstaan. Bij hoge frequentie zal de geleider zich als een inductieve impedantie gedragen. Hierdoor zal het signaal vervormen in amplitude en frequentie Elektromagnetische stoorzenders in de opstelling De frequentieomvormer en motoren zijn twee belangrijke elektromagnetische stoorzenders. De halfgeleiders van de frequentieomvormer zullen continue een inductieve belasting namelijk de asynchrone motor moeten schakelen. Het openen en sluiten van de halfgeleiders zullen een driefasen wisselspanning over de stator van de asynchrone machine opwekken. Het schakelen van deze halfgeleiders zorgt ervoor dat er continue plotselinge wijzigingen van spanningen worden gecreëerd. Als gevolg zullen deze steile s tot storing leiden. Deze 32

44 storingen kunnen vervolgens door meetapparatuur opgenomen worden. Waardoor meetgegevens een vertekent beeld kunnen geven. Niet Alleen de frequentieomvormer is een stoorbron, maar ook de asynchrone motor op zichzelf zal verantwoordelijk zijn voor elektromagnetische storingen. In nominaal bedrijf zal de asynchrone motor weinig storingen produceren. De meeste storingen zullen geproduceerd worden bij het aanlopen van de motor en wanneer de motor magnetisch verzadigd is. De hoge stromen bij het aanlopen zorgen voor spanningsschommelingen en de magnetisch verzadiging van de motor zorgt ervoor dat de belasting niet-lineair wordt, waardoor harmonischen zullen ontstaan Het meten van Koppel Koppel Het koppel is een rotatiekracht. Het is een maat voor het rotatie-effect van een kracht en kan beschouwd worden als de kracht die men moet uitoefenen om een draai aan een voorwerp te geven.. Vectorieel is het koppel de kracht die wordt uitgeoefend maal de afstand het rotatiepunt tot het aangrijpingspunt van de kracht op de hefboomarm. De krachtvector staat loodrecht op de hefboomarm. Het koppel is dus afhankelijk van drie grootheden namelijk de kracht F die wordt toegepast, de lengte van de hefboomarm r en de hoek tussen de krachtvector en de hefboomarm: = = sin Principes koppelmeting Net zoals snelheid is koppel een belangrijke prestatie indicator bij elektrische machines. Het koppel kan op verschillende manieren gemeten worden. De meetprincipes die worden toegepast kunnen in drie categorieën onderverdeelt worden: Directe methode Bij de directe methode zal rechtstreeks de hoekverdraaiing of rek van de as gemeten worden. Enkele van de meest gebruikte directe methodes zijn: Rekstrookje Een koppel op de as zal er voor zorgen dat de as zal torderen. Een rekstrookje op de as zal hierdoor uitrekken. Naargelang de rek zal de weerstand van het rekstrookje veranderen. Wanneer de weerstand van het rekstrookje en de specificaties van de as geweten zijn, kan het koppel berekend worden. Omdat de as draait om zijn as, kunnen de rekstrookjes niet rechtstreeks verbonden worden om hun weerstand te meten. Om dit probleem op te lossen zal een versterker met antenne geplaatst worden. Deze zal vervolgens de signalen doorsturen naar de ontvanger. 33

45 Figuur 30: Rekstrook koppelmeting. Overgenomen uit Faseverschil tussen twee hoekencoders Door twee hoekencoders die op een zekere axiale afstand van elkaar verwijderd zijn. Het verschil van hoek tussen deze twee encoders met de gekende eigenschappen van de as, is een maat voor het koppel. Figuur 31: Hoekencoders koppelmeting. Overgenomen uit Surface acoustic wave principe Door middel van kleine piëzostemvorken zal er een gepulste trilling aan de oppervlakte van de as opgewekt worden. De pulsen worden aangelegd met een frequentie van 1 MHz. De receptoren zullen een vrij gedempte trilling tussen twee pulsen waarnemen. Afhankelijk van de rek van de as door middel van het koppel zal de afstand tussen de stemvorken, receptoren en voorplantingssnelheid van de trilling door de as veranderen. Deze verandering is bijgevolg een maat voor de rek of het koppel. Gekoppelde magnetische flux door middel gekoppelde spoelen Twee spoelen geplaatst de as zullen een geïnduceerd magnetisch veld opwekken. Dit magnetisch veld is afhankelijk van de hoekverdraaiing van de as. 34

46 Figuur 32: gekoppelde spoelen koppelmeting. Overgenomen uit Het meten van lichtpulsen. Een lichtbron zal schijnen op twee axiaal naast elkaar geplaatste schijven. De schijven zijn afgebakend met materiaal die wel of niet licht doorlatend is. Wanneer de as tordeert door het koppel zullen de schijven ten opzicht van elkaar verdraaien. Het aantal lichtpulsen die de ontvanger detecteert, is de maat voor het koppel. Figuur 33: Lichrpulsen koppelmeting. Overgenomen uit Indirecte methode Naast de directe methode om een koppel te meten heeft men ook de indirecte methoden. Bij de indirecte methoden zal een eigenschap van een medium rond de as of de as zelf gemeten worden. Piezo-elektrisch Piëzo-elektrische strips worden op de as aangebracht. Deze zullen een spanning opwekken naargelang hun rek. deze spanning wordt gemeten en het koppel wordt berekend. Magneto-elastisch 35

47 Deze methode berust op de eigenschap van magnetostrictie. Deze eigenschap zegt dat het veranderen van het volume van een ferromagnetisch materiaal onder invloed van een magnetisch veld. Magnetische dipolen zullen zich aligneren in de richting van de aangelegde rek. Bijgevolg is de magnetische permeabiliteit afhankelijk van de aangelegde rek. Het opmeten van het magnetisch veld is een maat voor het koppel. Figuur 34: Magneto-elastisch koppelmeting. Overgenomen uit systeemparameters Door het meten van verschillende parameters kan het koppel beredeneerd worden. Bijvoorbeeld het meten van stroom en spanning van een elektrische motor plus de kennis van de motorkarakteristiek maakt het mogelijk om het koppel van de machine te berekenen PID-regelaar De verschillende parameters van de asynchrone motor worden opgenomen bij een constante statorfrequentie. De snelheid van de asynchrone machine zal in verschillende stappen verlaagd worden door de motor te belasten via de rem. Om de gewenste snelheid te bereiken wordt de rem geregeld via een PID-regelaar van Labview. Om de PID-regelaar in te stellen is de kennis van de P-,I- en D-actie vereist P-actie De P- of proportionele actie regelt zijn uitgang evenredig met de fout. Dit betekent dat het verschil in gemeten waarde G.W. en setpunt S.P. met een factor KP wordt versterkt. De P-actie kan men schrijven als: ( ) = ( ) Met KP: de versterkingsfactor (t): de afwijking tussen setpoint en gemeten waarde. De versterkingsfactor Kp zal bepalen hoe sterk de P-actie zal reageren op de afwijking van het setpoint en de gemeten waarde. Met andere woorden hoe groter het verschil in afwijking, hoe groter de uitgang van de P-actie zal zijn. Ook is het belangrijk om te kijken of het een direct of indirect systeem is. Indien de uitgang van de regelaar zorgt voor een stijging van de gemeten waarde. Dan spreekt men van een 36

48 direct systeem. Hierbij is de afwijking ( ) = S.P. G.W. Een voorbeeld van een direct systeem is een koeling. Bij het indirect systeem zal de uitgang van de regelaar zorgen voor een daling van de gemeten waarde. Hierbij is de afwijking ( ) = G.W. S.P. Een voorbeeld van een indirect systeem is een verwarming. Met het regelen van de P-actie ontstaat er zo goed als elke keer een statische afwijking. Dit wil zeggen dat de gemeten waarde afwijkt van het setpunt. Dit probleem kan verholpen worden door naast de P- actie ook de I-actie te gebruiken I-actie De P-actie zal steeds voor een statische fout zorgen. Deze statische fout kan weggewerkt worden indien men een integrerende actie toevoegt, genaamd de I-actie. De I-actie zal als het ware de uitgang continue vergroten totdat de gemeten waarde het setpunt bereikt. Met Ti: de integratietijd (s) (t): de afwijking ( ) = 1 ( ) Een grote integratietijd zorgt voor een kleine invloed van de I-actie en omgekeerd. Een zeer kleine integratietijd zal leiden tot een zeer snelle integrator, waardoor het systeem onstabiel zal worden. Bij een te grote integratietijd zal het systeem dan weer te langzaam reageren. In tegenstelling tot de P-actie zal de I-actie niet alleen voorkomen. Een systeem geregeld door enkel de I-actie heeft een grote kans op instabiliteit D-actie De D-actie van de regelaar zal reageren op de snelheid van de verandering van de gemeten waarde. Wanneer het setpunt wordt genaderd zal de D-actie minder uitgestuurd worden. Bijgevolg is de kans op overshoot kleiner. Overshoot kan men omschrijven als het moment wanneer de gemeten waarde het setpunt overschrijdt. Met Td: de differentiatietijd (s) (t): de afwijking ( ) = ( ) De differentiatietijd zal bepalen hoe de D-actie zal reageren op een verandering van de fout. Net zoals de I-actie zal de D-actie zelden alleenstaand voorkomen, maar meestal in combinatie met de P-actie PID-actie De PID-regelaar is een combinatie van de drie regelacties. Elke actie heeft zijn individuele sterke en zwakke punten. De parameters van de PID-regelaar worden zo gekozen zodanig de sterke punten zoveel mogelijk worden benut en de zwakke punten worden geminimaliseerd. 37

49 ( ) = ( ) + 1 ( ) 0 + ( ) Onderstaand figuur geeft een stapresponsie weer van een PID-regelactie. Figuur 35: PID-actie. Overgenomen uit Ziegler-Nichols methode Dit is een methode die bedacht is om goede waarden van de PID-parameters te creëren. Zodanig dat de regelaar op een goede manier op verstoringen reageert zonder daarbij instabiliteit te veroorzaken. Vooraleer de methode kan worden toegepast, moet men kijken of men een systeem heeft met open of gesloten kring. Aangezien de encoder zorgt voor een terugkoppeling van de snelheid naar de regelaar beschouwt men dit als een systeem met gesloten kring. Om de Ziegler-Nichols methode met gesloten kring toe te passen op een PID-regeling gelden onderstaande regels: Kp Ti Td = 0,6 * Kosc = 0.5 * Tosc = 0,125 * Tosc Kosc en Tosc worden bepaalt door I- en D-actie van de regelaar uit te schakelen. Dit doet men door Ti = en Td = 0 te plaatsen. Vervolgens laat men Kp van de P-actie opdrijven tot het systeem marginaal stabiel is. De Kp waarde waardoor het systeem net marginaal stabiel is, wordt beschouwd als de Kosc. De periode waarmee het systeem oscilleert is Tosc. Wanneer de Kosc en Tosc in bovenstaande regels worden ingevuld, krijgt men de PID-parameters van de regelaar. De Ziegler-Nichols methode is een manier op acceptabele wijze de verstoringen in het systeem weg te werken. Dit wil zeggen dat de berekende PID-parameters door de methode niet altijd ideaal zijn. Daarom kan het zijn dat men de PID-parameters nog moeten fine tunen. 38

50 Figuur 36: PID bepalen met Ziegler-Nichols. Aangepast uit 39

51 2. Praktische realisatie 2.1. Voorstelling opstelling De opstelling bestaat voornamelijk uit een asynchrone machine die dienst doet als motor. Deze motor wordt gestuurd via een frequency drive namelijk de Danfoss FC102. Als belasting wordt een AC servomotor van Emerson gebruikt. Deze servomotor wordt gestuurd via een universal AC drive van Emerson. Dit is een AC drive voor het sturen van synchrone machines met een permanente magneet of brushless AC servomotoren. De analoge in- en uitgangen van beide drives zullen verbonden zijn met een CompactRio eiland van Labview. Dit eiland is op zijn beurt verbonden met de computer via een ethernetkabel. Via deze computer kan de gebruiker alle waarden van het proces inlezen en beide drives aansturen. Om nog extra parameters van de asynchrone motor te kunnen uitlezen zoals de power factor, is er nog gebruikt gemaakt van een power analyzer: Voltech PM Deze is verbonden via een USBkabel met de computer. Het principeschema ziet er als volgt uit: Figuur 37: Voorstelling opstelling 40

52 Danfoss FC102 De asynchrone motor wordt gestuurd via een Danfoss FC102. Dit is een frequentieregelaar met de bedoeling om het motortoerental te regelen en zal aangestuurd worden via externe commando s vanaf het CompactRIO-eiland. De frequentieregelaar wordt aangesloten op een net van 3x380V en heeft een maximale output van 4,0kW. Deze regelaar kan zowel via het bedieningspaneel als extern bestuurd worden via analoge of digitale in- en uitgangen. Er bevindt zich geen terugkoppeling van de motorsnelheid naar de frequentieregelaar. Dit is dus een open kring regeling. Figuur 38: Danfoss FC Inbedrijfstelling De parameters van de frequentieregelaar zullen eerst ingesteld worden vooraleer deze de motor mag aandrijven. Alvorens de parameters in te stellen zal men eerst de fabrieksinstellingen terug inladen, zodanig dat de vorige configuraties verwijderd worden. Dit doet men door bij opstart de knoppen [Status], [Main Menu] en [OK] gelijktijdig in te drukken gedurende vijf seconden lang. Vervolgens drukt men na opstart op de knop [Main Menu]. Het hoofdmenu verschijnt op het scherm. Onderstaande tabel geeft alle parameters weer die gewijzigd zijn in de frequentieregelaar. Figuur 39: Hoofdmenu Danfoss FC102 Tabel 2: Bediening/display 0 - ** Bediening/display 0-0* Basisinstellingen 0-01 Taal 7 - Nederlands 0-02 Eenh. Motortoerental 1 - Hz 0-03 Regionale instellingen 0 - Internationaal 0-2* LCP-display 0-20 Displayregel 1.1 klein Frequentie 0-21 Displayregel 1.2 klein Motorstroom 0-22 Displayregel 1.3 klein Motorspanning 0-23 Displayregel 1.3 groot Frequentie % Bij parameter 0 0* worden alle basisinstellingen ingesteld. Bij parameter 0 2* wordt ingesteld welke gegevens op het LCP-display worden afgebeeld. Dit was alleen belangrijk bij het initialiseren van de frequentieregelaar. Later werd de power analyzer toegevoegd, waardoor alle parameters die op het display ingesteld zijn ook op de power analyzer zichtbaar zijn. 41

53 Tabel 3: Belasting & motor 1-** Belasting & motor 1-1* Motorselectie 1-10 Motorconstructie 0 - Asynchroon 1-2* Motordata 1-20 Motorverm. (kw) 1.10kW 1-22 Motorspanning 380V 1-23 Motorfrequentie 50Hz 1-24 Motorstroom 2.8A 1-25 Nom. Motorsnelheid 1420RPM 1-28 Controle draair. Motor 0 - Uit 1-9* Motortemperatuur 1-90 Therm. Motorbeveiliging 0 - geen bescherm Externe motor-ventilator 0 - Nee 1-93 Thermistorbron 0 - Nee Onder Hoofdstuk Belasting & motor stelt men alle motorgegevens in. Deze gegevens haalt men uit de kenplaatgegevens van de asynchrone machine rekening houdend dat de motor in ster geschakeld is. De motor heeft geen thermistor voor beveiliging tegen verbranden van de wikkelingen. Daarom is het belangrijk om bij het langdurig zwaar belasten van de motor zelf de temperatuur van de motor te controleren of deze niet te warm wordt. Tabel 4: Referentie/ramptime 3-** Ref./ramp. 3-0* Ref. begrenz Minimumreferentie 0Hz 3-03 Maximumreferentie 70Hz 3-1* Referenties 3-15 Referentiebron Anal. Ingang Referentiebron Geen functie 3-17 Referentiebron Geen functie 3-4* Ramp Ramp 1 aanlooptijd 1.0s 3-42 Ramp 1 uitlooptijd 1.0s Om de asynchrone machine ook in het veldverzwakkingsgebied te belasten zal de maximumfrequentie ingesteld zijn op 70Hz. Het 0V 10V spanningssignaal als referentie voor de statorfrequentie van het CompactRio-eiland wordt op analoge ingang met klemnummer 53 aangesloten. De ramp tijd 6 werd ingesteld op het minimum namelijk een seconde. Tabel 5: Begrenzing/waarschuwing 4-** Begr./waarsch. 4-1* Motorbegr Draairichting motor 0 - Rechts 6 De tijd die nodig is om de statorfrequentie van 0Hz naar zijn nominale waarde uit te sturen. 42

54 4-12 Motorsnelh. Lage begr. (Hz) 0Hz 4-14 Motorsnelh. hoge begr. (Hz) 70Hz 4-16 Koppelbegr. motormodus Max % 4-18 Stroombengr. Max % De statorfrequentie van de machine krijgt een range van 0 70Hz. De koppel- en stroombegrenzing zet men op het maximum zodanig dat deze de koppel- en stroomtoerentalkarakteristieken niet of nauwelijks kunnen beïnvloeden. Tabel 6: Digitaal In/uit 5-** Digitaal In/uit 5-1* Digitale ingangen 5-10 Klem 18 digitale ingang 8 - Start 5-12 Klem 27 digitale ingang 0 - Niet in bedrijf Om analoge ingang 53 te gebruiken als referentiesignaal voor de statorfrequentie, moet de regelaar een signaal ontvangen als vrijgave voor de start. Klem 18 wordt rechtstreeks doorverbonden naar klem 13 (+24VDC). De frequentieregelaar zal hierdoor constant vrijgegeven zijn. Tabel 7: Analoog in/uit 6-** Analoog In/uit 6-5* Analoge Uitgang Klem 42 uitgang Motorstr. 4-20mA De analoge uitgang heeft als referentie de statorstroom door de motor. De analoge ingang kon enkel een signaal in de vorm van 4-20mA uitsturen. Later zal dit omgevormd worden naar een 0 10V signaal zodanig dat dit leesbaar wordt voor het CompactRio-eiland. Dit zal later in het hoofdstuk Analoge uitgang uitgelegd worden Analoge ingang Zoals in parameterlijst beschreven zal aan de hand van ingang met klemnummer 53 de frequentie van de regelaar variëren. De analoge ingang zal op 0-10V ingesteld worden in plaats van 0-20mA. Dit komt omdat de NI-9263 analoge uitgangskaart van het CompactRio-eiland enkel een spanning van -10V tot 10V kan sturen. Op het paneel van de frequentieregelaar zal dipswitch S201 op OFF geplaatst. Deze dipswitch zal bepalen of er spanning- of stroomsignaal wordt ingelezen. Vervolgens wordt ingang met klemnummer 53 verbonden met AO0 van de NI-9263 kaart en zal de COM met klemnummer 55 verbonden worden met de common van de NI-9263 kaart. In onderstaande figuur is het elektrisch schema afgebeeld tussen de analoge ingang van de frequentieregelaar en het CompactRio-eiland. 43

55 Figuur 40: Danfoss FC102 analoge ingang Analoge uitgang De analoge uitgang van de frequentieregelaar zal de grootte van de statorstroom door de asynchrone motor weergeven en heeft enkel een outputsignaal van 4 tot 20mA. De analoge ingangskaart van het CompactRIO-eiland kan enkel signalen van -10V tot 10V inlezen. Om dit probleem op te lossen zal een metaalfilmweerstand van 470 1% in serie geplaatst worden met de analoge uitgang van de frequentieregelaar. Vervolgens zal de analoge ingangskaart NI van het CompactRio-eiland de spanning over de weerstand meten. Hierdoor wordt het 4-20mA signaal een 1.88V-9.4V spanningssignaal. Het spanningssignaal is vervolgens leesbaar door de analoge ingangskaart. Softwarematig zal het 1,88V - 9.4V signaal omgezet worden naar de statorstroom in A. Tabel 8: Omzetting stroom in spanningswaarde I uit analoge uitgang frequentieregelaar. U over analoge ingangskaart NI-9201 Imin: 0mA 470 * 4mA = 1,88V Imax: 20mA 470 * 20mA = 9,4v In onderstaande figuur is het elektrisch schema van de communicatie tussen frequentieregelaar en CompactRio-eiland afgebeeld: 44

56 Figuur 41: Danfoss FC 102 analoge uitgang Asynchrone motor Oorspronkelijk werd er gebruik gemaakt van een asynchrone motor van Leroy Somer. Deze was samen met de belasting al gemonteerd op een bank. Uit testen is gebleken dat de statorstroom niet sterk varieert tussen nullast en geblokkeerde rotor. Daarom is er gekozen voor een andere asynchrone motor uit het labo elektrische aandrijftechnieken. Deze motor is in ster geschakeld om de stroom door de wikkelingen te beperken. Om deze nieuwe motor te kunnen bevestigen zijn er andere gaten in de houdbeugels gefreesd met behulp van een kolomboormachine. De asynchrone motor heeft de volgende kenplaatgegevens: Tabel 9: kenplaatgegevens asynchrone motor kenplaatgegevens 3ph~50Hz P = 1,10kW IP54 I = 4,8/2,8 220/380V cos = 0,78 N = 1400rpm Figuur 42: De asynchrone motor Belasting Als belasting wordt een AC borstelloze servomotor van het merk Leroy Somer gebruikt. Deze servomotor wordt aangestuurd via de Unidrive SP van Emerson die zich in de Active Load bevindt. Op het einde van de as van de servomotor bevindt zich een encoder. Deze encoder wordt samen met de 45

57 drie fasen en PE-kabel verbonden met Active Load. De borstelloze servomotor heeft de volgende kenplaatgegevens: Tabel 10: AC servomotor kenplaatgegevens P = 2,26kW T = 10,8Nm U = 380/480VAC 3ph~50Hz IP65 6-polig N = 2000rpm Figuur 43: AC borstelloze servomotor Leroy Somer Active Load De AC borstelloze motor die dienst doet als belasting wordt aangestuurd door de Leroy Somer Active Load. Deze bestaat uit een Emerson Unidrive SP en een elektronisch bord. De Unidrive is een universele drive voor het sturen van inductiemachines of zelf startende synchrone machines. Deze bevat een SM-Applicationcard. Deze bevat alle parameters ingesteld in de Unidrive. Waardoor deze parameters niet aangepast kunnen worden. Het elektrisch bord zal bepaalde waarden van de belasting zoals koppel en snelheid meten en naar buiten brengen aan de hand van analoge uitgangen van 10V tot 10V. Deze signalen worden op hun beurt doorverbonden met het CompactRIO-eiland Bedienen Servorem De drive kan in verschillende standen geplaatst worden door middel van een schakelaar op het paneel. Parameter K wordt aangestuurd aan de hand van een 0V tot 10V signaal via het CompactRIO-eiland. Stand 0 - Stop Rem zal niet bediend worden. Stand 1 rem: T = k Stand 1 zal dienst doen als rem. het koppel zal hierbij evenredig toenemen met parameter K. Koppel is dus onafhankelijk van de snelheid. Stand 1 kan gebruikt worden wanneer men het maximale koppel van de inductiemachine wil testen. 46

58 Stand 2 rem: T = k*n Stand 2 zal ook dienst doen als rem. Het koppel T is afhankelijk van parameter K maal de snelheid van de machine. = Hierdoor verkrijgt men een koppeltoerentalmeting over het volledige snelheidsgebied van de asynchrone motor. Alvorens men de test start moet parameter K=0 zijn en moet de asynchrone motor op zijn nominaal toerental draaien. Bij k=0 zal de regelaar van de belasting de draairichting en snelheid van de motor controleren. Daarna mag de test pas beginnen. Bij het regelen van parameter K zal de snelheid van de motor zal omgekeerd evenredig dalen met parameter K. Stand 2 dient voor het opnemen van de koppeltoerentalkarakteristiek van de asynchrone motor. Bijgevolg zal men de regelaar van de belasting op stand 2 zetten om de koppeltoerentalkarakteristiek op te nemen. Stand 3 en 4 motor: niet van toepassing Stand drie en vier zijn niet van toepassing bij het opnemen van de meetresultaten. De asynchrone motor kan bij het veelvuldig opnemen van de koppeltoerentalkarakteristiek warm worden. Om te voorkomen dat de wikkelingen van de machine zullen verbranden, kan men tussen de metingen door de AC servomachine in motorstand plaatsen. De Machine zal hierdoor het as aandrijven, waardoor de ventilator van de asynchrone machine de motor zal afkoelen. Figuur 44: Stand servorem Modificaties Parameter K werd oorspronkelijk manueel via een potentiometer bediend. De bedoeling is om deze potentiometer te verwijderen en Labview de taak van de potentiometer te laten overnemen. Onderstaande opstelling geeft de uitgevoerde modificaties weer. De analoge uitgang 1 van het CompactRio-eiland zal een spanningssignaal tussen de 0 à 10V produceren om zo het spanningsverschil over de potentiometer na te boosten. 47

59 Oude setup: Figuur 45: Emerson oude setup Nieuwe setup: Figuur 46: Emerson nieuwe setup CompactRIO CompactRIO is een real-time embedded industriële controller gemaakt door National Instruments. De controller bestaat uit een chassis. In het chassis kunnen verschillende soorten NI C Series kaarten worden geïmplementeerd. Deze kaarten kunnen uiteenlopende functies hebben: digitale en analoge I/O, motor drives, CANopen interface, counter input enz. Voor deze masterproef zijn er twee soorten kaarten nodig, waarbij de analoge spanning van -10V tot 10V kan lezen en uitgestuurd worden. Het chassis zal via een ethernetkabel verbonden worden met de PC. Via het softwareprogramma Labview wordt het CompactRio-eiland gestuurd. 48

60 CompactRIO Chassis Het chassis bevat vier sloten. In deze sloten worden de C Series kaarten geplaatst. Het chassis bevat een ethernetverbinding om te communiceren met de PC en kan gevoed worden met een voedingsbron van 9-30VDC. In het chassis zullen twee kaarten geïmplementeerd worden namelijk NI-9263 en NI Figuur 47: CompactRio chassis NI-9263 De NI-9263 is een analoge uitgangskaart. De kaart is voorzien van vier uitgangen die een range hebben van -10V tot 10V. Men zal gebruik maken van twee uitgangen. Een uitgang AO0 zal dienen voor het sturen van de Danfoss FC102 en uitgang AO1 zal dienen voor het sturen van de AC servo rem. NI-9201 Figuur 48: NI-9263 De NI-9201 is een analoge ingangskaart en is voorzien van acht ingangen die een range hebben van -10V tot 10V. Deze kaart zal de analoge waarde van de snelheid AI0, het koppel AI1 en de statorstroom AI2 van de asynchrone motor lezen. De analoge ingangskaart is van het type singleended analog input 7 Figuur 49: NI Alle ingangskanalen hebben een gemeenschappelijke massa. 49

61 Voltech PM1000+ De Voltech PM1000+ is een power analyzer 8. De frequentieregelaar van de asynchrone motor heeft slechts een enkele analoge uitgang. Deze analoge uitgang zal dienen om de grootte van de statorstroom te visualiseren. Om andere elektrische parameters zoals de power factor 9 te kunnen visualiseren, is de power analyzer geïmplementeerd. De Voltech zal via een USBverbinding communiceren met Labview. Figuur 50: Voltech PM Labview Labview staat voor Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench en is een grafisch programmeerprogramma. Labview wordt vooral gebruikt voor data-acquisitie en het in- en uitlezen van meetinstrumenten. De broncode wordt geschreven in een VI 10. Een VI wordt onderverdeelt in twee tabbladen: 1. Een bedieningspaneel waar alle grafieken, indicatoren, bedieningstoetsen enz. op aanwezig zijn. Dit wordt het Front Panel genoemd. 2. In het tweede tabblad bevind zich de aaneenschakeling van subroutines en functies van het programma. Dit wordt het blokdiagram genoemd. De subroutines en functies worden voorgesteld in blokken. Deze blokken worden met elkaar verbonden door middel van lijnen. Deze lijnen zal bepalen in welke volgorde de blokken worden uitgevoerd. Lijnen kunnen naar verschillende blokken worden afgetakt. Dit heeft als voordeel dat verschillende blokken tegelijkertijd worden uitgevoerd. Dit is een belangrijke eigenschap voor het verwerken van meetgegevens. Een tweede eigenschap is dat elke lijn een kleur heeft. Deze kleur stelt het type variabele voor die de lijn van het ene blok doorgeeft aan het andere. Onderstaand schema geeft de kleur met enkele gebruikte types weer: Tabel 11: Kleurtypes Scalar Cluster 8 Een instrument voor het meten van diverse elektrische parameters. 9 Arbeidsfactor: de verhouding tussen het werkelijke vermogen en het schijnbaar vermogen. 10 Virtual Instrument 50

62 Numeric Oranje Bruin (Real) Blauw Roos (Integer) Boolean Groen Roos String Roos Roos Niet enkel de kleur, maar ook de dikte van de lijn geeft informatie van de variabele weer. Zo zal een gewone lijn een enkele variabele voorstellen, terwijl een brede lijn een eendimensionale array voorstelt. While-, for-lussen en statements worden voorgesteld als een venster. Wanneer de lus of statement wordt opgeroepen zal alles in het venster worden uitgevoerd Communicatie externe toestellen Via het CompactRio-eiland zal men zowel de motor als de rem aansturen en zullen de parameters: motorsnelheid, koppel en statorstroom ingelezen worden. Via de power analyzer zal de power factor en de statorfrequentie ingelezen worden. Om communicatie mogelijk te maken met deze twee toestellen, moeten deze toestellen eerst geconfigureerd worden in Labview Configuratie CompactRio Men verbindt het CompactRio-eiland met de computer via een ethernetkabel. Vervolgens leggen we een spanning van 9-30VDC. Dit kan via een externe spanningsbron of via de 24VDC power supply die zowel op de Danfoss FC102 als op de Leroy Somer Active Load aanwezig is. Hierna opent men een nieuw project in Labview en onder Tools bovenaan in het menubalk opent men Measurement & Automation Explorer. Men klikt op de rechtermuisknop in het tabblad Remote Systems. Vervolgens klikt men op Search Devices. Labview zal nu zoeken of er externe toestellen die compatibel zijn met Labview verbonden zijn met de computer. Wanneer alles goed verloopt komt onderstaande figuur in beeld. Figuur 51: Measurement & Automation Explorer Indien de controller niet meteen gevonden wordt, kan het zijn dat de firewall de communicatie tegenhoudt. Wanneer dit gebeurd schakel de firewall eerst uit en probeer opnieuw. 51

63 Vervolgens gaat men de fabrieksinstellingen terug op de controller zetten om eventuele oude programma s uit de controller te verwijderen. Dit doet men door op rechtermuisklik de duwen op Remote Systems. Vervolgens klikt men op Format Disk. Hierna Reset men de controller zelf door op de resetknop op de controller zelf drie seconden lang in te duwen. Vervolgens gaat men in het Measurement & Automation Explorer naar de IP instellingen. Dit tabblad vindt men onderaan het scherm. In het menu selecteert men Obtain an IP address automatically zodanig de controller een statisch adres krijgt. Daarna geeft men een naam aan het CompactRio-eiland en duwt men op Apply settings. Het Measurement & Automation Explorer programma mag vervolgens gesloten worden. Vervolgens gaat men naar Project explorer. Dit ziet er nu als volgt uit: In het project is de controller toegevoegd inbegrepen het chassis en al zijn aangesloten kaarten. Wanneer men vervolgens een ingangsof uitgangskanaal wilt programmeren, klikt men het te programmeren kanaal aan en sleept men het naar de VI. Figuur 52: Configuratie CompactRio 52

64 Configuratie Voltech PM1000+ In het Instrument Driver Network van National Instruments vindt men een Instrument driver voor een Voltech PM1000+ om de power analyzer te laten communiceren met Labview. Wanneer men de VI van deze driver opendoet, opent onderstaande block diagram. Figuur 53: Initialisatie power analyzer Elke functieblok stelt een VI voor die een bepaalde functie van de power analyzer overneemt. Bijvoorbeeld via het functieblock configure measurements kan men aanduiden welke elektrische parameters ingelezen mogen worden zoals VRMS, ARMS, VA, Freq, enz. In het functieblok Configure range kan men het te meten bereik instellen. Door het volgende block diagram te programmeren verkrijgt men een volledige functionele power analyzer in Labview. De parameters zullen ingeladen worden in globale variabelen. Zodanig dat deze waarden door een andere VI kunnen ingelezen worden. Onderstaand figuur geeft het block diagram weer die de communicatie tussen de power analyzer en Labview verzorgt. 53

65 Figuur 54: Block diagram power analyzer 54

66 Front panel Op de volgende pagina staat een overzicht van het front panel. Het front panel bestaat uit: - Drie grafieken: statorstroom i.f.v. de snelheid, power factor i.f.v. de snelheid en koppel i.f.v. de snelheid. - Twee pointer slides: de frequentie (Hz) slide zal de statorfrequentie van de asynchrone machine bedienen. Rem (%) slide: zal de factor k van het belastingskoppel bedienen. - Twee array s waarvan elke numeric control een eigen boolean en eigen horizontal toggle switch heeft. - Vijf drukknoppen: Handmatig, automatisch, record, stop record, exit. - Een numeric counter: tijd stappen (s). - Een slide switch: veiligheid OFF/ON. - Een string indicator: tekst. Om het labviewproject te starten moet er links bovenaan op Run continuously geduwd worden. Deze drukknop wordt afgebeeld door: Het Labviewproject zal starten in de OFF stand. In totaal zijn er drie standen: OFF stand Deze stand betekend dat het systeem in stand-by staat. In de tekstbalk zal er OFF verschijnen. De analoge uitgangen worden ter preventie op 0V gezet en er kunnen geen waarden worden opgenomen in de grafieken. AUTO stand Wanneer op de AUTO drukknop wordt ingeduwd zal het systeem in automatische stand gaan. Dit wil zeggen dat het systeem automatisch stapsgewijs de motor zal belasten naar een bepaalde snelheid die men heeft ingesteld in de array. Het gaat als volgt in zijn werk. Eerst stelt men de gewenste statorfrequentie van de asynchrone motor in. Vervolgens vult men alle gewenste stappen in en duidt men aan welke stappen men wilt gebruiken door bijhorende toggle switch op ON te zetten. Daarna vult men de tijd in die elke stap mag duren via tijd stappen (s). Door op de Record knop te duwen, zullen de grafieken starten met opnemen en zal elke stap worden overlopen. De tekstbalk en Boolean naast elke stap, zal aanduiden in welke stap het systeem zich bevind. Wanneer de laatste stap is overlopen zullen de grafieken automatisch stoppen met opnemen. 55

67 Figuur 55: Front panel 56

68 Een voorbeeld van een stap wordt weergegeven in onderstaande figuur: Figuur 56: Front panel bij nemen stap In de tekstbalk zal aanduiden of het systeem al dan niet de karakteristieken aan het opnemen zijn, in welke stap het systeem zich bevindt, wat de actuele snelheid van de asynchrone machine en hoeveel procent de belasting wordt uitgestuurd. Onderstaande figuur geeft de statorstroom in functie van snelheid weer. Tijdens het opnemen van stap 2000 tot stap 1050 bij een statorfrequentie van 70Hz. Figuur 57: Voorbeeld statorstroom i.f.v. snelheid bij 380V/70Hz 57

69 Tijdens het zwaar belasten van de asynchrone motor zal een stroom door de stator lopen die vele malen groter is als zijn nominale waarde. Hierdoor is een beveiliging ingebouwd zodanig dat de motor niet kan belast worden tot kleiner dan 700tr/min. Wanneer er toch een stap wordt ingevuld kleiner als 700tr/min. Zal het systeem stoppen met opnemen en in de tekstbalk zal verschijnen welke stap kleiner is als 700tr/min zoals in onderstaande figuur weergegeven: Figuur 58: Front panel bij te lage stap Het systeem zal ook niet beginnen met opnemen wanneer tijd stappen (s) niet is ingevuld. Dit om te voorkomen dat het systeem ongecontroleerd stappen zou nemen. Ook dit wordt weergegeven in de tekstbalk. Figuur 59: Front panel bij foutmelding Wanneer men wil stoppen kan men op EXIT duwen dan zal het systeem terug op OFF gezet worden. HAND stand Ten slotte is er nog een handmatige stand. Hier zal het systeem automatisch geen stappen ondernemen, maar kan de gebruiker zelf bepalen hoeveel de rem wordt uitgestuurd. Door op Record te duwen zullen de grafieken starten met opnemen. Deze knop blijft tijdens het opnemen automatisch ingedrukt. Wil men de grafieken pauzeren dan zal men de Record knop terug uitduwen. De grafieken kunnen gereset worden door op Stop Record te duwen. Wanneer men uit de handmatige stand wil stopzetten, moet men op de Exit knop duwen. 58

70 Block diagram Terwijl het front panel het bedieningspaneel van de gebruiker weergeeft zal in het block diagram de broncode bevatten. Het block diagram is geschreven in een state machine architectuur. Dit is een fundamentele architectuur van National Instruments zelf en wordt vaak door programmeurs gebruikt om applicaties te bouwen. Deze applicatie zal geschreven worden in onderscheidbare staten. Elke staat kan nog een onderverdeelt worden in verschillende staten. Elke staat heeft ook de mogelijkheid om het procesverloop te stoppen. De state machine zal wachten op een handeling van de gebruiker. Aan de hand van de handeling zal de state machine een bepaalde staat doorlopen. Wanneer deze doorlopen is zal de state machine terug wachten op een handeling van de gebruiker. Het verloop van de state machine ziet er als volgt uit: Initialize Wait until event states exit state. De state machine voor de didactische opstelling is onderverdeelt in de volgende staten: - Initialize - Wait until event - State: automatisch - State: handmatig - Exit Initialize Wanneer men de state machine laat runnen zal deze eerst een initialisatiestaat doorlopen alvorens deze zal wachten op een handeling van de gebruiker. In deze staat zullen alle analoge uitgangen op 0 worden gezet en worden alle grafieken gereset, zodanig de volgende metingen kunnen opgenomen worden. De staat wordt voorgesteld in onderstaand figuur. Vervolgens gaat men naar de volgende state Wait until event Wait until event Wanneer de state machine Wait until event staat doorloopt zal er OFF in string indicator tekst geplaatst worden. Dankzij het shift register bevindt de staat zich in een lus. Zolang er geen handeling van de gebruiker is, blijft de state machine deze staat oproepen. Wanneer men vervolgens op HAND of AUTO drukt zal een nieuwe staat opgeroepen worden. 59

71 60

72 61

73 Handmatig Wanneer men op HAND duwt zal de staat Handmatig opgeroepen worden. Bij deze staat zullen zowel de statorfrequentie van de asynchrone machine als het tegenwerkend belastingskoppel van de rem handmatig te bedienen zijn door middel van twee pointer slides. Door op Record te duwen zullen de grafieken beginnen met opnemen en blijft de knop ingedrukt. Wil men de grafieken pauzeren, dan moet men de Record knop terug induwen. Indien men wenst de grafieken te resetten, moet men op Stop Record duwen. Wanneer men op Exit duwt zal de handmatige staat stoppen en wordt er naar de exit staat gegaan. In het tekstblok zal er verschijnen dat de state machine zich in de handmatige staat bevindt en zal de snelheid van de motor weergegeven worden. De frequentieregelaar van de asynchrone machine wordt gestuurd via een 0 tot 10V signaal van het CompactRio-eiland. In het front panel zal de pointer slider frequentie (Hz) de frequentie van deze regelaar afbeelden. Deze slider zal een numerieke waarde voorstellen van 0 tot en met 70. De bedoeling is dat deze numerieke waarde omgevormd wordt tot een 0 tot 10V signaal op AO0 van de analoge uitgangskaart. Dit doet men door de numerieke waarden te delen door zeven. Vervolgens wordt deze numerieke waarde ingeladen in de uitgang van AO0 zoals afgebeeld in onderstaande figuur. Figuur 60: 0-70Hz -> 0-10V en 0-100% -> 0-10V In de handmatige stand kan men ook het tegenwerkend koppel van de belasting bedienen. Dit doet men door pointer slider Rem (%) te bedienen. Deze pointer is analoog met pointer slider frequentie (Hz). De numerieke waarde zal van 0 tot 100% omgevormd worden in een 0-10V signaal op AO1 van de analoge uitgangskaart zoals weergegeven in onderstaande figuur. 62

74 Wanneer men dit wenst kan men tijdens het handmatig bedienen ook de karakteristieken opnemen door op Record of Stop record te duwen. Het opnemen van de grafieken gaat als volgt te werk. Figuur 61: Opnemen grafieken AI0 geeft de snelheid waar van de asynchrone machine in een 0-10V signaal. 10V komt overeen met een snelheid van 2000rpm. Dus om het 0-10V signaal om te zetten in toeren per minuut zal men de numerieke waarde moeten vermenigvuldigen met 200. Omdat de snelheid gemeten wordt ten opzichte van de belasting in plaats van de asynchrone motor. Zal de snelheid negatief zijn. Hierdoor zal de numerieke waarde negatief zijn. De numerieke waarde wordt positief gemaakt met behulp van functie Negate function. Vervolgens zal AI1 het koppel van de asynchrone machine weergeven in 0-10V signaal. 10V komt overeen met 10Nm, waardoor er geen extra omzetting moet plaatsvinden. Ook hier zal het koppel gemeten worden ten opzichte van de belasting, dus ook hier zal men de numerieke waarde moeten omkeren van teken met de Negate function. AI2 zal op zijn beurt de statorstroom door de asynchrone machine weergeven. De omzetting van 4-20mA naar de statorstroom werd uitgelegd in hoofdstuk analoge uitgang. Als laatste meetwaarde wordt de power factor gemeten. Deze wordt gemeten via de power analyzer en wordt gehaald uit globale variabele Value. Deze numerieke waarden kunnen niet zomaar rechtstreeks in een XY-graph geplaatst worden. Omdat de grafieken alleen maar de meetwaarden zouden tonen op het eigenste moment. Om een lijngrafiek te verkrijgen en zo de vorige meetwaarden in beeld te brengen zal men de numerieke waarden moeten omzetten in een array. Dit wordt in onderstaande figuur uitgelegd. Om het programma niet te groot te maken zal dit vanuit een subvi opgeroepen worden. 63

75 Figuur 62: SubVI grafieken Wanneer boolean start koppeltoeren true is zullen de numerieke waarden van zowel de x- als de y-as in de array geladen worden. Wanneer de boolean start koppeltoeren false is zal de laatste waarde dat in het array is geplaatst herladen worden. Vervolgens worden beide arrays tot een cluster gevormd. Tenslotte is er ook een Clear koppeltoeren boolean. Deze array zal ervoor zorgen dat de grafiek gewist wordt. Wanneer deze true is zullen beide arrays terug van plaats nul beginnen. Deze subvi is toegepast op de koppeltoerentalkarakteristiek. Maar is hetzelfde voor alle andere grafieken buiten de benaming van de variabelen. Figuur 63: Stoppen staat handmatig Tenslotte om uit de handmatige staat te gaan zal men op exit moeten duwen. Deze zal de timed loop doen stoppen en er zal een nieuwe staat: exit in de state machine geladen worden. 64

76 Automatisch In staat automatisch kan men een twintigtal stappen instellen en ingeven hoeveel seconden elke stap mag duren. Bij het indrukken van de boolean Start Record zal de state machine beginnen met opnemen van de grafieken en zal automatisch elke stap aflopen. Wanneer men een stap wenst over te slaan kan men dit aangeven door de boolean naast de stap op False te zetten. Ook zit er een beveiliging in het systeem zodanig dat men geen stap kan nemen onder de 700tr/min. Dit om de motor niet te zwaar te belasten. Deze beveiliging kan eventueel uitgeschakeld worden via boolean veiligheid ON/OFF. Deze broncode van deze staat is hetzelfde als deze van staat handmatig alleen zal er extra code zijn toegevoegd om de stappen te kunnen nemen. Ten eerste zal het systeem kijken hoelang elke stap duurt. Dit gebeurd via een shift register dat met +1 zal geïncrementeerd worden per cyclus. Elke cyclus duurt 20ms. Dit wil zeggen dat het register 50 keer geïncrementeerd moet worden vooraleer een seconde verstreken is. Wanneer de waarde van het register gelijk is aan de waarde die men heeft ingegeven in Tijd stappen (s), dan wordt het register terug op 0 gezet en zal er een puls worden gegenereerd. Wanneer Tijd stappen (s) gelijk is aan 0 zal men niet kunnen starten met opnemen. Dit om te voorkomen dat het systeem blokkeert. Figuur 64: Stappentimer Ten eerste zal het systeem kijken hoelang elke stap duurt. Dit gebeurd via een shift register dat met +1 zal geïncrementeerd worden per cyclus. Elke cyclus duurt 20ms. Dit wil zeggen dat het register 50 keer geïncrementeerd moet worden vooraleer een seconde verstreken is. Wanneer de waarde van het register gelijk is aan de waarde die men heeft ingegeven in Tijd stappen (s), dan wordt het register terug op 0 gezet en zal er een puls worden gegenereerd. Wanneer Tijd stappen (s) gelijk is aan 0 zal men niet kunnen starten met opnemen. Dit om te voorkomen dat het systeem blokkeert. 65

77 Figuur 65: Stappen tellen De puls gegenereerd uit de vorige figuur zal bij elke puls een nieuwe shift register doen laten incrementeren. Dit shift register zal bijhouden in welke stap men zich bevindt. Wanneer alle stappen doorlopen zijn of er op de Stop Record boolean is geduwd, dan zal opnieuw een 0 in het shift register geladen worden. Figuur 66: Stappen actief? Wanneer men de veiligheid heeft ingeschakeld zal er gekeken worden of de stap groter is dan 700rpm. Is dit niet het geval dan zal het automatisch nemen van stappen stopgezet worden en zal er een foutmelding in het tekstblok verschijnen met vermelding welke stap in fout is. Vervolgens zal het programma kijken welke stappen door de gebruiker aangevinkt zijn. Bijgevolg zal stapsgewijs elke boolean van de stap true zijn. Hierdoor kan de gebruiker zijn met welke stap het programma bezig is. 66

78 Figuur 67: Stap non-actief Heeft de gebruiker de stap op non-actief gezet, dan zal het shift register met +1 geïncrementeerd worden, zodanig dat de stap wordt overgeslagen. Vervolgens wordt elke stap als setpoint in de PID-regelaar geladen. De PID regelaar zal het tegenwerkend koppel van de belasting regelen, hierdoor wordt de snelheid van de machine geregeld. De regelaar zal beginnen met regelen wanneer de gebruiker op Start Record duwt. De uitgang in procenten wordt omgevormd in een 0-10V signaal door de uitgang te delen door tien. Figuur 68: PID regelaar Vervolgens zal bij het beginnen van de automatische stappen de grafieken starten met opnemen. Het principe is idem als bij de handmatige staat Exit Wanneer men de handmatige of automatische staat afsluit zal de state machine de exit staat doorlopen. Deze staat zal voor de veiligheid in alle analoge uitgangen een nul plaatsen. Zowel de asynchrone motor als de belasting zullen niet meer uitgestuurd worden. 67

79 Figuur 69: Staat exit 2.3. Instellen PID-regelaar Men zal trachtten de PID regelaar zo in te stellen dat er in een zo kort mogelijke tijd een stabiele regeling zonder overschot bekomen wordt. Om de PID parameters te bekomen zijn er verschillende methode beschikbaar zoals Ziegler-Nichols, Cohen-Coon en Lambda methode. Voor deze opstelling is de Ziegler-Nichols methode gebruikt. Bij Cohen-Coon en Lambda moet namelijk de dode tijd van het proces gemeten worden om de PID parameters te kunnen berekenen. Aangezien dit een proces is waar nauwelijks een dode tijd in voorkomt en bijgevolg niet nauwkeurig meetbaar is, zullen deze twee methodes het minst geschikt zijn. De Ziegler-Nichols methode bij een gesloten kring past men toe door de integratietijd oneindig lang te maken en de differentiatietijd uit te schakelen. Vervolgens laat men asynchrone motor onbelast draaien. De bedoeling is om de asynchrone motor te oscilleren met een constante amplitude rond de nominale snelheid. Dit doet men door de versterkingsfactor Kp geleidelijk aan op te drijven. Dit is een direct proces. Dit wil zeggen dat een stijging van de uitgang van de regelaar zorgt voor een daling van de gemeten snelheid. De versterkingsfactor moet bijgevolg negatief zijn. Figuur 70: PID parameters instellen 68

80 Wanneer men de versterkingsfactor opdrijft tot -0,34 krijgt men een stabiele oscillatie met een periode T0 van 0,6s. Vervolgens implementeert men deze gegevens in de formules van Ziegler Nichols. Dan krijgt men: Kp = 0,6 * Kosc = 0,6 * -0,34 = -0,204 Ti = 0,5 * Tosc = 0,5 * 0,6 = 0,3 Td = 0,125 * Tosc = 0,125 * 0,6 = 0, EMC-problemen bij opstelling Als gevolg van de steile veroorzaakt door de frequentieregelaar zullen er heel wat harmonischen ontstaan. Deze spanningsharmonischen kunnen de signalen doorheen de meetkabels beïnvloeden. Waardoor meetgegevens een vertekend beeld geven. Om de harmonischen zoveel mogelijk te elimineren uit de meetkabels zijn de vermogen- en meetkabels zo ver mogelijk van elkaar gescheiden en worden de vermogenkabels in elkaar gevlochten. In Labview zal van elke analoge ingang het gemiddelde gemeten worden van de laatste honderd samples. Hierdoor worden de spanningspieken in de metingen afgevlakt. Hierbij mag men het gemiddelde over het aantal samples niet te groot nemen, anders zouden deze de metingen te sterk beïnvloeden. In onderstaand figuur links wordt een snelheidsmeting van het koppel in functie van tijd weergegeven zonder voorzorgen tegen de spanningsharonischen. Rechts vindt u de snelheidsmeting met maatregelen tegen harmonischen. Figuur 71: Elektromagnetische storingen bij opstelling 2.5. Analyse van gemeten waarden Tijdens het analyseren heeft men de statorspanning en statorfrequentie afzonderlijk variabel gemaakt om te kijken welke invloed dit heeft op de motorkarakteristieken van de asynchrone motor. In totaal zijn er drie karakteristieken in functie van de snelheid namelijk koppel, power factor en statorstroom. 69

81 Variatie van statorspanning In de literatuurstudie heeft men gezien dat bij een constante statorfrequentie, het kipkoppel kwadratisch zal afnemen wanneer de aangelegde statorspanning daalt en de statorspanning geen invloed zal hebben op het kipslip. Mk = k3 * ( )² met k3 en fs constant Mk ~ Vs² sk = ± Figuur 72: analyse koppeltoerentalkarakteristiek bij variabele statorspanning Uit de metingen is gebleken dat het kipkoppel bij deze asynchrone machine afgevlakt is ten opzichte van de theoretische koppeltoerentalkarakteristiek. Theoretisch gezien zal het kipkoppel kwadratisch afnemen wanneer de aangelegde statorspanning daalt. Dit is ook te zien in de opgenomen koppeltoerentalkarakteristiek. Wanneer men de nominale spanning van 380V met de helft verlaagd naar 190V. Dan zal het kipkoppel ongeveer met een vierde gedaald zijn van 5,8Nm naar 1,5Nm. 70

82 Figuur 73: Analyse statorstroom in functie van de snelheid bij variabele statorspanning Wanneer men naar de statorstroom in functie van de snelheid kijk ziet men dat de statorstroom recht evenredig zal dalen met de statorspanning. Hierbij ziet men dat de nominale stroom snel overschreden wordt wanneer de motor zwaarder belast. Figuur 74: Analyse power factor in functie van de snelheid bij variabele statorspanning Variatie van statorfrequentie Zoals in de literatuurstudie beschreven kan men bij het variëren van de statorfrequentie de koppeltoerentalkarakteristiek opsplitsen in twee gebieden. Het gebied onder de nominale statorfrequentie en het gebied van veldverzwakking. In het gebied onder de nominale statorfrequentie zal de U/f verhouding constant gehouden worden. Als gevolg zal het kipkoppel voor elke statorfrequentie overal constant zijn. Wanneer men de statorfrequentie groter maakt dan zijn nominale waarde kan de U/f verhouding niet meer constant gehouden worden. De statorspanning mag immers niet groter worden dan zijn nominale waarde. Als gevolg zal de U/f verhouding en het kipkoppel dalen. Onderstaande figuur geeft het Koppeltoerentalkarakteristiek weer bij 35Hz, 50Hz en 75Hz. 71

83 Figuur 75: Analyse koppel in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie Figuur 76: Analyse statorstroom in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie Figuur 77: Analyse power factor in functie van de snelheid bij variabele statorfrequentie 72

84 Koppelversterking Zoals eerder reeds besproken zullen bij lage toerentallen de verliezen in de motor groter zijn. Als gevolg zal het koppel dalen. Om dit tegen te werken zal men aan koppelversterking doen. Dit doet men door de statorspanning te verhogen, waardoor de U/f-verhouding groter wordt. Als gevolg zal het koppel ook groter worden. Mk = k3 * ( )² Om de U/f verhouding aan te tonen heeft men de asynchrone motor laten aanlopen van stilstand tot een 70Hz. Hierbij heeft men bij bepaalde frequenties de statorspanning opgenomen. Vervolgens heeft men de spanning over de frequentie berekend en verwerkt in een grafiek. Hieruit blijkt dat de U/f verhouding niet door de oorsprong zal gaan. Maar Dat bij zeer lage waarde de verhouding een stuk groter is of anders gezegd zal de statorspanning groter zijn zeer lage statorfrequenties. Tabel 12: U/f - verhouding Statorfrequentie (Hz) Statorspanning (V) U/f-verhouding , , , , , , , , , ,89 Statorspanning (V) U/f-verhouding Statorfrequentie (Hz) Figuur 78: U/f verhouding 73

85 Besluit Bij het analyseren van de gemeten waarden kan men besluiten dat de theoretische karakteristieken uit de literatuurstudie overeenkomen met de karakteristieken in de praktijk. De opgenomen karakteristieken uit de opstelling bevatten in tegenstelling tot de theoretische karakteristieken oneffenheden. Deze oneffenheden kan men verklaren aan de hand van twee zaken. Ten eerste heeft men te maken met elektromagnetische storingen opgenomen in de meetdraden. Hierdoor zullen spanningsharmonischen ontstaan in de meetdraden. Deze spanningsharmonischen zullen niet enkel de karakteristieken beïnvloeden, maar beïnvloeden ook de PID-regelaar. Aangezien de gemeten waarde van de regelaar een spanningssignaal is, afkomstig uit de Leroy Somer Active Load. Vervolgens zullen de oneffenheden ook te wijten zijn aan de PID instellingen. Om de nauwkeurige PID instellingen te berekenen, moet de dode tijd van het systeem gekend zijn. Aangezien men de dode tijd bij dit systeem niet nauwkeurig kan meten zullen de PID instellingen niet nauwkeurig berekend zijn. Dit leidt tot zeer kleine oscillaties bij elke stap. 74

86 1. Bibliografie (sd). Opgehaald van National Instruments: Butaye, E. (2012). Elektriciteit 3. Gent: Kaho Sint-Lieven. EDVARD. (2016, Maart 23). How rotating magnetic field works in AC machines. Opgehaald van Electrical engineering portal: H Vandenheede, L. V. (sd). Elektrische machines : Deel Brugge: Keure. koppelmeting in standaard machine-uitrusting. (sd). Opgehaald van fmtc: Pollefliet, J. (2010). Elektronische vermogencontrole 1. Vermogenelektronica. Gent: Academia Press. Pollefliet, J. (2010). Elektronische vermogencontrole 2. Elektronische motorcontrole. Gent: Academia Press. Sergeant, P. (2015). Elektrische aandrijftechniek 1. Gent: Universiteit Gent. Sergeant, P. (2016). Geavanceerde elektrische aandrijftechniek. Gent: Universiteit Gent. 75

87 2. Bijlagen 2.1. Labview Front Panel 76

88 Block Diagram 77

89 78

90 79

91 80

92 81

93 82

94 2.2. Elektrische schema opstelling 83

95 U6 NI U4 NI-9201 AI -U5 NI-9263 AO -X59 AI0 X60 AI1 X61 AI2 X62 AI3 X63 AI4 X64 AI5 X65 AI6 X66 AI7 X67 AI8 -X6 NC X68 COM AO0 -X4 COM -X5 AO1 -X6 COM -X7 AO2 -X8 COM AO3 -X9 -X10 COM -X11 NC -X12 COM A_SP / Leroy Somer Active Load.7 A_TO / Leroy Somer Active Load.7 A_ST / Danfoss FC102.7 A_COM1 / Danfoss FC102.7 A_COM2 / Leroy Somer Active Load.7 AO_SP / Danfoss FC102.6 AO_SPCOM / Danfoss FC102.6 AO_R / Leroy Somer Active Load.7 AO_RCOM / Leroy Somer Active Load.7 Company name Datum Bew. Gecontr 31/05/2017 EPLAN EPLAN Software & Service = ECAD_000 GmbH & Co. KG + Projectsjabloon met coderingsstructuur volgens IEC-norm IEC_tpl001 Danfoss FC102 Blad CompactRio Wijziging Datum Naam Oorspr Vervanging van Vervangen door Blad 5

96 PE_D / voeding.8 AO_SP / CompactRio.0 L3_ASM / voeding.8 AO_SPCOM / CompactRio.0 L2_ASM / voeding.8 L1_ASM / voeding.8 -U1 -X4 L1 X5 L2 X6 L3 X23 95 PE X6 X7 88 DC-bus 89 DC-bus X V X9 53 AI X10 54 AI X11 55 AICOM X12 X V V X14 18 DI X15 19 DI X16 20 DICOM X17 X18 27 DI/O 29 DI/O X19 32 DI X38 33 DI X39 37 DI Danfoss VLT FC 102 -X20 U X21 V X22 W X24 99 PE_M X25 82 R+ X26 81 R- X27 03 X28 02 X29 01 X30 06 X31 05 X32 04 X34 42 AO X33 39 AOCOM X35 69 RS-485 X36 68 RS-485 X37 61 RS-485 -R1 470R 1% A_COM1 / CompactRio.0 A_ST / CompactRio.0 -U2 -X40 Vhi -X41 Vlo -X42 Ahi -X43 Alo Voltech PM1000+ PE_ASM / Vermogenverbruikers.0 W_ASM / Vermogenverbruikers.0 V_ASM / Vermogenverbruikers.0 Company name CompactRio Datum Bew. Gecontr U_ASM / Vermogenverbruikers.0 31/05/2017 EPLAN EPLAN Software & Service = ECAD_000 GmbH & Co. KG + Projectsjabloon met coderingsstructuur volgens IEC-norm IEC_tpl001 Leroy Somer Active Load BladDanfoss FC102 Wijziging Datum Naam Oorspr Vervanging van Vervangen door Blad 5

97 PE_L / voeding.8 A_COM2 / CompactRio.0 A_TO / CompactRio.0 L3_S / voeding.8 A_SP / CompactRio.0 L2_S / voeding.8 L1_S / voeding.8 AO_R / CompactRio.0 AO_RCOM / CompactRio.0 -U3 -X44 L1 X45 L2 X46 L3 X47 PE X48 AO _ COM X49 AI - TO X50 AI - SP -X58 AIx57 AI1+ X51 U X52 V X53 W X54 PE_M X57 PE R R+ X55 X56 R- Leroy Somer Active Load + PE - -E1 2000W Remweerstand PE_S / Vermogenverbruikers.0 W_S / Vermogenverbruikers.0 V_S / Vermogenverbruikers.0 U_S / Vermogenverbruikers.0 Company name Danfoss FC102 Datum Bew. Gecontr 31/05/2017 EPLAN EPLAN Software & Service = ECAD_000 GmbH & Co. KG + Projectsjabloon met coderingsstructuur volgens IEC-norm IEC_tpl001 Vermogenverbruikers Leroy Somer Blad Active Load Wijziging Datum Naam Oorspr Vervanging van Vervangen door Blad 5

98 W_S / Leroy Somer Active Load.5 V_S / Leroy Somer Active Load.5 U_S / Leroy Somer Active Load.5 PE_S / Leroy Somer Active Load.5 PE_ASM / Danfoss FC102.5 W_ASM / Danfoss FC102.5 V_ASM / Danfoss FC102.5 U_ASM / Danfoss FC M1 U1 V1 W1 M 3~ PE -M2 U1 V1 U2 V2 W2 PE W1 Asynchrone motor Belasting Company name Leroy Somer Active Load Datum Bew. Gecontr 31/05/2017 EPLAN EPLAN Software & Service = ECAD_000 GmbH & Co. KG + Projectsjabloon met coderingsstructuur volgens IEC-norm IEC_tpl001 voeding Vermogenverbruikers Blad Wijziging Datum Naam Oorspr Vervanging van Vervangen door Blad 5

99 PE PE_D / Danfoss FC102.0 PE_L / Leroy Somer Active Load.1 -W1 3X380V -X1 L1 -X2 L2 -X3 L3 -F L1_ASM / Danfoss FC102.0 L2_ASM / Danfoss FC102.0 L3_ASM / Danfoss FC102.0 L1_S / Leroy Somer Active Load.1 L2_S / Leroy Somer Active Load.1 L3_S / Leroy Somer Active Load.1 Company name Vermogenverbruikers Datum Bew. Gecontr 31/05/2017 EPLAN EPLAN Software & Service = ECAD_000 GmbH & Co. KG + Projectsjabloon met coderingsstructuur volgens IEC-norm IEC_tpl001 Blad voeding Wijziging Datum Naam Oorspr Vervanging van Vervangen door Blad 5

100 VDC / Leroy Somer Active Load.7 0VCOM / Leroy Somer Active Load.7 -U6 NI-9147 X79 V X80 C -U4 NI-9201 AI -U5 NI-9263 AO -X59 AI0 X60 AI1 X61 AI2 X62 AI3 X63 AI4 X64 AI5 X65 AI6 X66 AI7 X67 AI8 -X6 NC X68 COM X69 AO0 X70 COM X71 AO1 X72 COM X73 AO2 X74 COM X75 AO3 X76 COM X77 NC X78 COM A_SP / Leroy Somer Active Load.7 A_TO / Leroy Somer Active Load.7 A_ST / Danfoss FC102.7 A_COM1 / Danfoss FC102.7 A_COM2 / Leroy Somer Active Load.7 AO_SP / Danfoss FC102.6 AO_SPCOM / Danfoss FC102.6 AO_R / Leroy Somer Active Load.7 AO_RCOM / Leroy Somer Active Load.7 Company name Wijziging Datum Naam Datum Bew. Gecontr Oorspr 2/06/2017 EPLAN EPLAN Software & Service = ECAD_000 GmbH & Co. KG + Projectsjabloon met coderingsstructuur volgens IEC-norm IEC_tpl001 Vervanging van Vervangen door Danfoss FC102 Blad CompactRio Blad 5