Voorwoord. Invloed van harmonische spanningen op een netgekoppelde inductiegenerator I

Transcriptie

1 Voorwoord De Masterproef is het belangrijkste onderdeel van het laatste jaar van de opleiding Master in de industriële wetenschappen. Na mijn bachelor proef bij Lemcko koos ik vol overtuiging opnieuw voor dezelfde onderzoeksgroep. Bij deze wil ik Lemcko, expertisecentrum voor Energie en Power Quality, bedanken voor het mogelijk maken van dit eindwerk. In het bijzonder wil ik mijn promotoren Dhr. Ing. Colin Debruyne en Dhr. Ing. Bram Corne bedanken voor hun goede ondersteuning bij de uitwerking van dit eindwerk. Voor de uitleg bij de werking van de verschillende meettoestellen in het labo die nodig waren voor het uitvoeren van de verschillende metingen, moet ik Dhr. Tijs Cools bedanken. Ook mag ik zeker mijn ouders niet vergeten zonder hun ondersteuning was studeren niet mogelijk geweest. De laatste bedanking gaat naar mijn vriendin voor de morele steun en het nodige begrip. I

2 Abstract This paper will discuss the influence of harmonic voltage distortion on asynchronous generators. The influence that this distortion has on asynchronous motors is already known. The influence of the distortion on the efficiencies of the generator and the motor have been measured in order to make a comparison. The different harmonic voltage distortion can be created by a programmable power supply which is capable of delivering and taking in the electrical power. With the obtained efficiencies the influence of the harmonic voltage distortion can be compared. Not only the operation mode, but also the output power and the efficiency class will have a different result. Bigger and smaller motors will be compared, as well as motors of higher and lower efficiency. The amplitude of the harmonic voltage distortion will have a different effect on the different machines and changing the phase angle of the distortion will have an effect on the efficiency too. The size of this effect depends on the used induction machine. The efficiency is calculated by taking the ratio of the input and the output power. Depending on the operation mode, the electrical power will be the in- or output. II

3 Inhoudsopgave VOORWOORD... I ABSTRACT... II INHOUDSOPGAVE... III 1 SYMBOLEN EN AFKORTINGEN... V 2 LIJST MET FIGUREN... VI 3 LIJST MET TABELLEN... VII 4 INLEIDING Probleemstelling Situering Doelstelling Lemcko INDUCTIEMOTOR VS INDUCTIEGENERATOR Inductiemotor Inductiegenerator TESTOPSTELLING Opstelling Elektrische Vermogenmeting Mechanische vermogenmeting Het rendement EQUIVALENT SCHEMA Kenplaat gegevens Opstellen equivalent schema MAGNETISATIE KARAKTERISTIEK Opmeten van de karakteristiek Verschillende werkpunten Vervormde spanning Opgemeten karakteristieken VERMOGENSVERDELING Inductiemotor Inductiegenerator METINGEN Inductiemotor meting met 5 de harmonische Inductiegenerator meting met 5 de harmonische III

4 10.3 Vergelijking resultaten 5de harmonische Zevende harmonische Vergelijking resultaten 5de en 7de harmonische Uitzetten van verliezen BESLUIT LITERATUURLIJST BIJLAGEN Equivalente schema's bepalen Magnetisatie karakteristiek opstellen IV

5 1 Symbolen en afkortingen ϕ Hoekverschuiving tussen spanning en stroom Δ Driehoekschakeling %F Procentuele fout AC Wisselspanning AF Absolute fout A Ampere cm Centimeter DC Gelijkspanning DUT Device under test EMK Elektromotorische kracht EFF1,EFF2 Efficiëntieklasse van een elektrische machine EU Europese Unie Hz Hertz FS Full scale F In fase I Elektrische stroom I m Magnetisatiestroom imp Impuls IT Informatie technologie K Kelvin kw Kilowatt ms milliseconden n Toerental Nm Newton meter PF Power Factor rad Radialen RMS Root mean square rpm Ronden per minuut s Slip T Koppel T k Kipkoppel TF In tegen fase (180 verschoven) U Spanning (elektrisch) V Volt (eenheid voor spanning) VS Versus Y Sterschakeling V

6 2 Lijst met figuren Figuur 1: Voorbeeld lineair verbruik... 2 Figuur 2: Voorbeeld niet lineair verbruik... 3 Figuur 3: Voorbeeld vervormde spanning... 3 Figuur 4: Koppeltoerentalkarakteristiek... 5 Figuur 5: Invloed spanningsharmonische op koppel... 6 Figuur 6: Koppeltoerental karakteristiek inductiemachine... 7 Figuur 7: Testopstelling... 9 Figuur 8: Drie wattmeter methode Figuur 9: Meetopstelling Figuur 10: Nauwkeurigheidsmeting koppelmeter Figuur 11: Equivalent Schema inductiemachine Figuur 12: Kortsluitproef Figuur 13: Meetopstelling bepalen stator weerstand bij motor in ster Figuur 14: Meetopstelling bepalen stator weerstand bij motor in driehoek Figuur 15: Nullast proef Figuur 16: Vectordiagram Inductiemotor Figuur 17: Magnetisatie karakteristiek Figuur 18: Vector diagram in bij nullast Figuur 19: Equivalent schema bij nullast Figuur 20: Vector diagram motorwerking Figuur 21: Spanningsval in motorwerking Figuur 22: Vectordiagram bij generator Figuur 23: Spanningsval in generatorwerking Figuur 24: Magnetisatie karakteristiek met nominale wekpunten (11kW EFF1) Figuur 25: Verschil motor en generator Figuur 26: Vectordiagram effect stijging magnetisatiestroom Figuur 27: Rendementsmeting eindwerk Tom Wille Figuur 28: magnetisatie karakteristiek 4kW machine Figuur 29: magnetisatie karakteristiek 11kW EFF1 en EFF Figuur 30: Vermogen verdeling IM Figuur 31: Vermogen verdeling IG Figuur 32: Vermogenstromen bij vervormde spanning Figuur 33: Stijging van de temperatuur bij nominale belasting 11kW EFF1 en EFF Figuur 34: Efficiëntie in functie van de tijd van 11kW EFF1 en EFF Figuur 35: Rendement meting 4kW Inductiemotor met 5de harmonische Figuur 36: Rendementsmeting 11kW EFF1 inductiemotor met 5de harmonische Figuur 37: Rendementsmeting 11kW EFF2 inductiemotor met 5de harmonische Figuur 38: Generatormeting 4kW machine met 5de harmonische Figuur 39: Generatormeting 11kW machine EFF1 met 5de harmonische Figuur 40: Generatormeting 11kW machine EFF2 met 5de harmonische Figuur 41: Procentuele rendementsdaling in functie van procentuele belasting (EFF1) Figuur 42: Procentuele rendementsdaling in functie van procentuele belasting (EFF2) Figuur 43: Werkingspunten uitgezet op magnetisatie karakteristiek EFF1 en EFF Figuur 44: Motormeting 11kW machine EFF2 met 7de harmonische Figuur 45: Generatormeting 11kW machine EFF2 met 7de harmonische Figuur 46: Generator meting EFF2 vergelijking 5de en 7de harmonische Figuur 47: Procentuele rendementsdalingen motor en generator bij 5de en 7de Figuur 48: Verliezen in functie van de procentuele belasting van een 11kW EFF1 machine Figuur 49: Verliezen in functie van de procentuele belasting van een 11kW EFF2 machine VI

7 3 Lijst met tabellen Tabel 1: Meetfouten koppelmeting Tabel 2: Technische specificaties Tabel 3: Meetfout toerentalmeting Tabel 4: Fout bij verschillende werkpunten Tabel 5: Kenplaat gegevens Siemens 4 kw EFF Tabel 6: Kenplaat gegevens WEG 11kW EFF Tabel 7: Kenplaat gegevens WEG 11kW EFF Tabel 8: Kortsluitproef gegevens Tabel 9: Gegevens weerstand bepalen Tabel 10: Gegevens nullast proef VII

8 4 Inleiding 4.1 Probleemstelling Voor ons dagelijks comfort maken we gebruik van allerlei vormen van energie zowel rechtstreeks als onrechtstreeks. Door verschillende redenen, zoals de bevolkingsgroei en de toename van het levenscomfort, blijft de vraag naar energie stijgen. Die evolutie komt niet zonder gevolgen voor het milieu, zo zorgen hogere emissies (tijdens de energieopwekking) voor een slechtere luchtkwaliteit en de opwarming van de aarde. De gebruikte fossiele brandstoffen, die nog steeds het grootste deel van het energieverbruik/productie uitmaken, raken uitgeput. Daarom wordt voor verschillende toepassingen overgeschakeld naar elektriciteit, zo komt nu bijvoorbeeld de elektrische wagen op de markt. Dit is echter enkel een nuttige oplossing wanneer de elektriciteit op een verantwoorde manier wordt opgewekt. In 2010 werd door de EU gekozen voor de strategie. Deze heeft als doelstelling de Europese economie te ontwikkelen tot een zeer concurrerende, sociale en groene markteconomie. Er werd onder andere afgesproken om de uitstoot van broeikasgassen met 20 procent te verminderen ten opzichte van 1990, de energie-efficiëntie met 20 procent te verhogen en 20 procent van de energie op duurzame wijze op te wekken. Vanuit deze doelstellingen worden grote vervuilers vaker vervangen door elektrische toepassingen, denk maar aan warmtepompen die de plaats van de oude stookolieketels innemen. Door zulke maatregelen wordt energie bespaard, maar stijgt de vraag naar elektriciteit. Het is dus erg belangrijk dat alle nieuwe elektrische toepassingen een heel hoge efficiëntie hebben en dat elektriciteit op een verantwoorde manier wordt opgewekt, anders wordt het effect van de nieuwe toepassing teniet gedaan. Om te vermijden dat het licht uitgaat of alle grondstoffen uitgeput raken, moeten er maatregelen genomen worden. Er zijn verschillende maatregelen mogelijk: Minder energie verbruiken door de efficiëntie van toestellen/installaties te laten toenemen en zo hetzelfde gedaan krijgen met minder energie. Het implementeren van duurzame energie die geen impact heeft op het milieu. Verspreiden van verbruik over de tijd zodat een kleiner vermogen aan elektrische energieopwekking moet geïnstalleerd worden. Opgeven van een deel van het levenscomfort. Doordat er moet bespaard worden op elektrische energie, is het interessant om grote verbruikers efficiënter te laten functioneren. De industrie in België verbruikt het grootste deel van de elektriciteitsvoorziening. Daarbinnen wordt 70% van die energie gebruikt in elektromechanische aandrijvingen. Wanneer bij deze machines een kleine rendementsstijging kan worden gerealiseerd, brengt dit zeer grote energiebesparingen met zich mee. 1

9 4.2 Situering Door spanningsvervormingen op het net kunnen die inductiemachines niet meer altijd genieten van een zuivere sinusspanning. Hierdoor verliezen ze hun optimale rendement en verbruiken ze dus meer energie om hetzelfde gedaan te krijgen. Deze vervormingen, ook wel harmonische spanningen genaamd, hebben verschillende oorzaken. Eén van de grote oorzaken is niet-lineair verbruik. Voorbeelden niet-lineaire verbruiker: Spaarlampen; drives; IT; vermogenelektronica. Niet-lineaire verbruikers zijn verbruikers waarvan de stroomvorm de spanningsvorm niet volgt. De spanning en stroom hoeven echter niet in fase te zijn om een lineair verbruik te zijn. Een inductiemotor is bijvoorbeeld wel een lineaire verbruiker want stroom en spanning hebben dezelfde vorm, ze zijn enkel in fase verschoven. Dit is te zien in Figuur 1, de stroom en spanning zijn beiden een sinus maar zijn in fase verschoven. U(V),I(A) Spanning Stroom Tijd (ms) Figuur 1: Voorbeeld lineair verbruik Op Figuur 2 is een voorbeeld te zien van een niet lineair verbruik. De stroom en spanning hebben een verschillende vorm. De spanning is een sinusoïdale functie met een frequentie van 50Hz. De stroom daarentegen is een compleet andere vorm, maar nog steeds van de periodieke aard. Met als gevolg dat hij kan worden ontbonden in een grondgolf en een aantal harmonische stroomcomponenten met een frequentie, amplitude en fasehoek. Deze ontbinding gebeurd door middel van een Fourier analyse. 2

10 U(V),I(A) Spanning Stroom Tijd (ms) Figuur 2: Voorbeeld niet lineair verbruik Wanneer deze harmonische stromen uit het net onttrokken worden, zorgen die voor een spanningsval ten gevolge van de impedantie van het net. Met als gevolg dat het net 'vervuild' wordt met harmonische spanningen. Net als bij de vervormde stroom blijft de spanning een periodiek signaal waardoor na ontbinding door fourier analyse, het kan worden opgedeeld in een aantal even en oneven harmonische. Iedere harmonische wordt gekarakteriseerd door zijn eigen frequentie (geheel veelvoud van fundamentele frequentie), amplitude en fasehoek. U(V) Spanning Vervormde spanning 12% 5de harmonische Tijd (ms) Figuur 3: Voorbeeld vervormde spanning In Figuur 3 is een voorbeeld van vervormde spanning te zien. Deze kan worden ontbonden in een 50Hz sinus en een 12% 5 de harmonische spanning in fase met de sinusoïdale spanning. Deze harmonische heeft een frequentie vijf keer groter dan de fundamentele (250Hz), een amplitude van 12% van de fundamentele en een fasehoek van nul graden. De som van deze twee spanningen is de vervormde spanning. De 5 de harmonische wordt als voorbeeld gekozen omdat even harmonische spanningen bijna niet voorkomen en een 3 de harmonische weinig invloed heeft op een inductiemachine. De 5 de harmonische is dus de eerste in het rijtje met een reële invloed. Om deze vervormingen binnen de perken te houden zijn er normen die grenzen op leggen aan deze vervorming. Zo is er bijvoorbeeld de EN die eisen stelt aan de frequentie, amplitude, golfvorm en symmetrie tussen de verschillende fasen van de spanning. 3

11 Aangezien de meest gebruikte aandrijving een inductiemachine is, werden al vele onderzoeken en metingen gedaan naar de invloed van deze spanningsvervormingen. Deze machine kan ook op eenvoudig wijze gebruikt worden als generator waardoor deze veel wordt geïmplementeerd in kleinschalige decentrale energieopwekking, zoals windmolens en warmtekrachtkoppelingen. In de meeste toepassingen wordt deze rechtstreeks aan het net gekoppeld, waardoor de machine onderhevig is aan de harmonische spanningsvervormingen van het laagspanningsnet. 4.3 Doelstelling In de Masterproef is het de bedoeling de invloed van harmonische spanningsvervormingen op het rendement van een inductiegenerator en inductiemotor op te meten en te vergelijken. Aangezien de rendementen van de inductiemotor goed gekend zijn, wordt de generatorwerking verder uitgespit. De effecten van verschillende vervormingen worden vergeleken. Naast meten is het ook belangrijk om de nodige informatie te verzamelen aan de hand van een literatuurstudie, om zo de meetwaarden correct te kunnen interpreteren. 4.4 Lemcko Dit eindwerk gebeurd in opdracht van Lemcko: een expertisecentrum voor Energie en Power Quality gezeteld in HOWEST. Door de toenemende vraag is Lemcko de laatste jaren ook bezig met de efficiëntie en haalbaarheid van hernieuwbare energie. 4

12 5 Inductiemotor vs. Inductiegenerator 5.1 Inductiemotor Werking Op de motorklemmen wordt een drie fasen spanning aangesloten die zorgt voor een draaiveld in de stator. Dit draaiveld draait met de synchrone snelheid. (5.1) Met: : Synchrone snelheid [rpm]; : frequentie [Hz]; : aantal poolparen []. De rotor draait iets trager dan het stator draaiveld. Dit is noodzakelijk voor de werking van de inductiemotor. (5.2) Met: : Rotorsnelheid [rpm]; : slip []; : frequentie [Hz]; : aantal poolparen[]. Op Figuur 4 is de koppeltoerentalkarakteristiek van een inductiemotor te zien. Op de horizontale as is het toerental weergeven en op de verticale as het koppel. Wanneer de motor aanloopt stijgt het toerental en het koppel tot het kipkoppel (T k ) wordt bereikt daarna blijft het toerental stijgen en daalt het koppel naar de belasting die aan de machine moet worden geleverd. Het kipkoppel kan slechts een korte tijd worden geleverd, het nominaal koppel ligt een stuk lager. De verhouding tussen deze twee is afhankelijk van de machine. Wanneer de machine in werking is (voorbij kipkoppel), kan worden gezegd dat de snelheid zal dalen bij stijgende belasting. [3] Figuur 4: Koppeltoerentalkarakteristiek 5

13 5.1.2 Invloed van harmonische spanningen Extra verliezen door hogere frequentie Harmonische spanningen bevatten componenten met hogere frequenties. Dit heeft enkele gevolgen: Stijging hysteresisverliezen; verhoging koperverliezen door toename magnetisatiestroom; kernverlies in de machine wordt groter; stijging wervelstroom verliezen Invloed op koppel De vijfde harmonische brengt een invers of tegengesteld draaiveld voor. Dit zorgt voor een tegenwerkend koppel en dus minder asvermogen. De machine moet dus meer stroom onttrekken om een zelfde koppel te leveren met een daling van rendement tot gevolg. De zevende harmonische zorgt voor een meewerkend koppel. Op Figuur 5 zijn de verschillende karakteristieken te zien. De koppels zijn uitgezet in functie van het toerental. Zo is te zien dat de 5de tegenwerkend koppel levert en de 7de meewerkend. De harmonische stromen in functie van het toerental zijn ook af te lezen.[5] Figuur 5: Invloed spanningsharmonische op koppel 6

14 5.2 Inductiegenerator De inductiemachine is vooral gekend voor zijn motorwerking, maar kan ook als generator gebruikt worden in eilandbedrijf of net gekoppeld. Aangezien het in dit eindwerk over netgekoppelde machines gaat, wordt enkel deze werking besproken Werking Om de machine in generatormodus te laten werken moet ze worden aangedreven tot boven het synchroon toerental, dan wordt de slip negatief. De machine levert dan elektrisch vermogen aan het net. De machine moet zoals in motor-werking nog steeds gemagnetiseerd worden. Deze magnetisatie stroom wordt door het net geleverd. [2] Nominaal werkingspunt Figuur 6: Koppeltoerental karakteristiek inductiemachine Het nominale werkingspunt van een 4kW motor is gedimensioneerd op de stroom die zal vloeien bij het leveren van het nominaal vermogen (4kW mechanisch). De motor onttrekt dus een vermogen aan het net. Met : Lijnspanning[V]; : Stroom [A]; : Cosinus van de fasehoek tussen spanning en stroom []. Bij generatorwerking wordt de magnetisatiestroom die moet worden geleverd door het net echter veel groter dan bij hetzelfde elektrisch vermogen in motorwerking. Om een zelfde actief vermogen te verkrijgen met een grotere stroom, moet de cos verkleinen (5.3). De stroom mag niet groter worden dan de nominale stroom waarop de machine is gedimensioneerd, dus zal bij een lagere cos een lager actief vermogen kunnen worden geleverd. Dit wordt verder besproken in Hoofdstuk 8. (5.3) 7

15 5.2.3 Invloed van harmonische spanningen Het effect van de hogere frequenties zullen dezelfde zijn gezien het om dezelfde machine gaat ( ). Zoals te zien in Figuur 6 verandert het koppel aan de motor/generator -as van teken. Dit heeft als gevolg dat de 5de harmonische nu als meewerkend koppel gezien kan worden, waardoor vermoedelijk het effect van deze harmonische op het rendement minder groot zal zijn dan bij motorwerking. Omgekeerd geldt nu ook dat de 7de harmonische als tegenwerkend koppel zal werken. 8

16 6 Testopstelling 6.1 Opstelling Figuur 7: Testopstelling Het belasten van de motor gebeurt door een DC-machine met onafhankelijke bekrachtiging. De machine wordt gestuurd door een drive in torque control. Dit wil zeggen dat de drive een wenswaarde van het koppel krijgt en er voor zorgt dat de machine met dit koppel draait ongeacht het toerental. De wenswaarde van het koppel wordt gegeven door een spanning die kan worden geregeld met een potentiometer op het bedieningspaneel van de testbank. 9

17 6.2 Elektrische Vermogenmeting Toestel Het elektrisch vermogen wordt gemeten met een elektrische vermogenmeter. Deze is niet in de testbank geïntegreerd, maar moet apart worden gekozen en aangesloten. Er wordt gekozen voor de PM 3000A Universal power analyzer. Deze beschikt over drie kanalen die worden aangesloten volgens de drie wattmeter methode. De spanningsmeting gebeurt rechtstreeks. Voor de stroommeting kan worden gekozen voor meting met externe shunt of een rechtstreekse stroommeting. Het toestel kan tot 30A RMS meten, dit is meer dan voldoende dus wordt de stroom rechtstreeks gemeten. Bij opstarten van de machine moeten deze stroom kanalen worden overbrugd om schade door startstromen te vermijden. De procentuele fout op het gemeten elektrisch vermogen bedraagt 0,10%. Figuur 8: Drie wattmeter methode Fundamenteel vermogen Het fundamenteel enkelfasig vermogen is het vermogen van de 50Hz sinusoïdale spanning en stroom. (6.1) Met: : Fasespanning [V]; : stroom [A]; : cosinus van de fasehoek tussen stroom en spanning []. Deze formule is enkel geldig bij een zuivere sinus spanning. Bij een vervormde spanning wordt het vermogen van de harmonische spanningen en stroom niet in rekening gebracht. 10

18 fasig vermogen Het fundamenteel 3-fasig vermogen is de som van de drie enkel fasige vermogens. Bij een symmetrische belasting geldt formule (6.2). (6.2) Met: : Lijnspanning [V]; : stroom [A]; : cosinus van de fasehoek tussen stroom en spanning [] Totaal vermogen Het totaal vermogen is het elektrisch vermogen waar alle spanningsharmonische ook in rekening werden gebracht. [1] (6.3) Met: : Fundamentele fasespanning [V]; : fundamentele stroom [A]; : cosinus van de fasehoek tussen fundamentele stroom en spanning []; : harmonische fasespanning met orde h [V]; : harmonische stroom met orde h [A]; : cosinus van de fasehoek tussen harmonische stroom en spanning met orde h []. 11

19 6.3 Mechanische vermogenmeting Meetprincipe Het mechanische vermogen wordt gemeten met behulp van een toerental en koppel meting. De waarden kunnen worden afgelezen op het bedieningspaneel van de testbank. Daar het mechanisch vermogen de vermenigvuldiging is van de hoeksnelheid en het koppel kan dit makkelijk berekend worden. (6.4) Met : Mechanisch vermogen [Watt]; : koppel [Nm]; : hoeksnelheid [rad/s]. (6.5) Met : Hoeksnelheid [rad/s]; : toerental [rpm] Nauwkeurigheid koppelmeter Nauwkeurigheid De koppelmeter (Lorenz Messtechnik DR2112) heeft een nauwkeurigheid gegeven door Tabel 2. Deze koppelmeter geeft een spanning weer in functie van het koppel. Deze spanning wordt uitgelezen door de procesmeter die ook een meetfout heeft. Door het eindig aantal digits op het scherm kan nog een fout gemaakt worden door de afronding op het scherm. Tabel 1: Meetfouten koppelmeting Meettoestel Waarde Full scale Nauwkeurigheid Absolute fout Koppelmeter Koppel ±200Nm 0,1% FS ±0,2Nm Procesmeter Koppel ±5V 0,1%FS ± 1 digit 0,005V ± 1dgt Om de totale fout op het koppel te bekomen moeten deze twee absolute fouten worden opgeteld. De absolute fout van de koppelmeter in 0,2Nm, die van procesmeter 0,005V wat overeenkomt met 0,2Nm gezien 5V overeenstemt met 200Nm. De kleinste mogelijke waarde af te lezen op het scherm is 0,01Nm, dit staat gelijk aan 1 digit.[7] Temperatuursafhankelijkheid In de datasheet van de koppelmeter vinden we twee factoren terug die de nauwkeurigheid van het toestel beïnvloeden in functie van de temperatuur. 12

20 Verandering nulsignaal Verandering nulsignaal is wanneer er geen koppel is en er toch koppel wordt gemeten, er ontstaat een zekere offset. Volgens Tabel 2 is dit 0,02% van de full scale per Kelvin. Hier is de afwijking dus 0,04Nm/Kelvin gezien de full scale 200Nm is Verandering gevoeligheid De gevoeligheid van een toestel is de kleinste verandering die nog opgemerkt kan worden door het meettoestel. Volgens Tabel 2 is dit 0,01% van de full scale per Kelvin. Hier is de verandering dus 0,02Nm/Kelvin gezien de full scale 200Nm is. Tabel 2: Technische specificaties 13

21 Koppel (Nm) Controlemeting nauwkeurigheid Om na te gaan of de koppelmeter even nauwkeurig is als omschreven in de datasheets, wordt een controlemeting uitgevoerd. Er wordt een gekende massa (2kg) op een gekende afstand (63cm) aan de as gehangen (die geblokkeerd is zodat hij niet kan draaien). Op deze manier is het werkelijk koppel gekend (12,36Nm). Na het aanbrengen van de belasting kan de koppelmeter worden opgewarmd om de invloed van de temperatuur te kunnen registreren. Deze meetwaarden werden uitgezet in Figuur 10. De nauwkeurigheid en de temperatuursafhankelijke factoren ( ) mogen worden opgeteld en vormen samen het gebied waarbinnen de meetwaarden moeten vallen. De grafiek start bij 23 C omdat dit de temperatuur is waarop deze geijkt is en er dus geen afwijking zou mogen zijn. T Figuur 9: Meetopstelling De meetwaarden vallen binnen de nauwkeurigheid grenzen maar liggen dicht bij de grens , ,5 13 Gemeten Koppel Nulpuntverschuiving Verandering gevoeligheid Gemeten waarden Nauwkeurigheid 12, , , Temperatuur ( C) Figuur 10: Nauwkeurigheidsmeting koppelmeter 14

22 Gebruikte correctie bij metingen In het vorige punt werd besproken hoe de controle werd uitgevoerd om na te gaan of de koppelmeter binnen zijn vooropgestelde nauwkeurigheidsgrenzen werkt. Daarbij werd de afwijking in functie van de temperatuur vastgelegd, deze zal voor elke koppelmeter van dit type anders zijn. Er kon worden vastgesteld dat het afgelezen koppel 0,0812 Nm stijgt per kelvin die de koppelmeter warmer wordt. Wanneer de temperatuur gemeten wordt, kan een correctie worden toegepast. Per kelvin boven de referentietemperatuur van 296,15K (23 C) moet 0,0812Nm worden afgetrokken van het afgelezen koppel om het werkelijke koppel te bekomen. Op de grafiek (Figuur 10) is ook een offset te zien van 0,0747Nm. Deze moet worden opgeteld bij het afgelezen koppel om het werkelijke koppel te bekomen Nauwkeurigheid toerenteller Het toerental wordt gemeten door een encoder, die geeft dan een frequentie weer. Die frequentie wordt gemeten door de frequentiemeter die ook een meetfout heeft. Er worden 360 impulsen per omwenteling gegeven, de grootste afwijking die kan optreden is dat de laatste puls niet wordt doorgegeven.[7] Tabel 3: Meetfout toerentalmeting Meettoestel Waarde Fullscale Nauwkeurigheid Absolute fout Encoder RPM ± 7000RPM 1imp (360imp/toer) 0,0165Hz Frequentiemeter Frequentie 1 digit ± dgt Om de totale fout op het koppel te bekomen moeten deze twee absolute fouten worden opgeteld Totale meetfout mechanische vermogenmeting Het mechanische vermogen wordt berekend met de formule : (6.6) Om de totale fout op het mechanisch vermogen te vinden moet de procentuele fout van de hoeksnelheid en het koppel worden opgeteld. Deze is dus bij elk meetpunt verschillend. (6.7) 15

23 6.4 Het rendement Berekening Het rendement is de verhouding tussen het uitgaand (nuttig) vermogen en het ingaand vermogen. Bij motor: (6.8) Bij generator: (6.9) Meetfout Om de totale fout van het rendement te bekomen moeten de procentuele fouten van het in- en uitgaand vermogen met elkaar worden opgeteld. Tabel 4: Fout bij verschillende werkpunten Belastingspunt T(Nm) %F n ω %F Pmech(W) %Fout Pel %F η %F AF 4kW 20% 5,23 7,8% ,2419 0,13% 817 8,0% ,1% 68,9% 8,07% ± 5,56% 4kW 100% 26,16 1,6% ,1578 0,13% ,7% ,1% 82,6% 1,80% ± 1,49% 11kW EFF1 20% 14,3 2,9% ,3466 0,13% ,0% ,1% 77,3% 3,10% ± 2,39% 11kW EFF1 100% 71,7 0,6% ,9956 0,13% ,7% ,1% 87,4% 0,80% ± 0,70% 11kW EFF2 20% 14,43 2,8% ,2419 0,13% ,0% ,1% 74,9% 3,07% ± 2,30% 11kW EFF2 100% 72,19 0,6% ,1578 0,13% ,7% ,1% 84,9% 0,80% ± 0,68% In Tabel 4 zijn de verschillende belastingspunten van verschillende machines uitgezet. Zo is te zien dat bij de 4kW machine een absolute fout van 5,56% ontstaat bij een belasting van 20%. Het verschil tussen werkelijk en gemeten rendement kan dus 5,56% bedragen. Deze grote meetfouten bij de kleinere belastingen zijn toe te schrijven aan de koppelmeter. Deze heeft een meetbereik van 200Nm waardoor de meetfout bij het meten van 5 Nm, zoals bij de 4kW machine in deellast, zeer groot wordt. 16

24 7 Equivalent schema 7.1 Kenplaat gegevens Siemens 4kW 4p EFF1 inductiemotor Tabel 5: Kenplaat gegevens Siemens 4 kw EFF1 WEG 11 kw 4p EFF1inductiemotor Spanning 400V (Y) Nominale stroom 8,1A PF 0,81 Efficiëntie 88,3% toerental 1460rpm ω 153rad/s Vermogen 4000W 26,2Nm T nom Tabel 6: Kenplaat gegevens WEG 11kW EFF1 Spanning 400V (Δ) Nominale stroom 21A PF 0,83 Efficiëntie 91% toerental 1465rpm ω 153,3rad/s Vermogen 11000W T nom 71,70Nm WEG 11 kw 4p EFF2 inductiemotor Tabel 7: Kenplaat gegevens WEG 11kW EFF2 Spanning 400V(Δ) Nominale stroom 21A PF 0,84 Efficiëntie 90% toerental 1455 ω 152,4 Vermogen T nom 72,19 17

25 7.2 Opstellen equivalent schema Het schema Het equivalent schema is een verzameling van parameters voorgesteld in een enkelfasig schema. Deze moeten worden opgemeten om de magnetisatie stroom van de machine te kunnen berekenen. Uit deze stroom kan de magnetisatie karakteristiek worden opgesteld. Die maakt het mogelijk om te bepalen wanneer de machine in verzadiging gaat. Figuur 11: Equivalent Schema inductiemachine U 1 : Aangelegde fasespanning op één stator wikkeling; R 1 : ohmse weerstand van de stator wikkeling; X 1 : lekreactantie van de stator wikkeling; R FE : voorstelling ijzerverliezen; X m : voorstelling magnetisatie verliezen; R 2 : ohmse weerstand van de rotor gezien vanuit de stator; X 2 : lekreactantie van de rotor gezien vanuit de stator. De weerstand R' 2 en kan ook samen genomen worden tot de weerstand R' 2 /s Kortsluitproef Met de kortsluitproef worden de seriële elementen van het equivalent schema bepaald. Bij kortsluiting moet de slip maximaal zijn (s=1). De rotor wordt dan ook geblokkeerd zodat de motor niet draait. Dan wordt de spanning opgedreven tot de nominale stroom door de machine vloeit. Figuur 12: Kortsluitproef 18

26 Uit meting: U k : kortsluitspanning P k : kortsluitvermogen I n : nominale stroom gemeten bij kortsluitspanning Tabel 8: Kortsluitproef gegevens Siemens 4kW EFF1 WEG 11kW EFF1 WEG 11kW EFF2 U k (V) 47,58 85,27 93,79 P k (Watt) 189, ,8 1662,6 I n (A) 8,08 22,46 21,73 ( ) 2,9 0,95 1,17 ( 5,9 3,80 4,32 ( 5,1 3,67 4, Bepalen stator weerstand Met de Voltampère methode uitgevoerd zoals op Figuur 13 of Figuur 14 kan de stator weerstand bepaald worden. Er wordt gebruik gemaakt van een DC spanning, dit om enkel de ohmse weerstand op te meten. Bij meting op een motor in ster moet de bekomen waarde nog worden gehalveerd. Het plaatsen van de lampen is noodzakelijk om kortsluiting te vermijden, de lampen zorgen echter voor een grotere weerstand. Omdat het om een kleine weerstand gaat moet de methode voor kleine weerstand gebruikt worden. Daarbij mag de spanningsval over de ampère meter niet worden mee gemeten omdat deze in dezelfde grootteorde ligt als die van de stator weerstand. (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) De verhouding X 1 /X 2 mag bij benadering gelijk worden gesteld aan de verhouding van R 1 /R 2. (7.5) 19

27 Tabel 9: Gegevens weerstand bepalen Siemens 4kW EFF1 WEG 11kW EFF1 WEG 11kW EFF2 U(V) 1,45 0,634 0,5 I(A) 1 1,02 0,616 1,45 0,62 0,81 2,9 0,95 1,17 1,45 0,33 0,36 5,1 3,67 4,15 X 1 2,55 2,40 2,87 X 2 2,55 1,28 1,28 Figuur 13: Meetopstelling bepalen stator weerstand bij motor in ster Figuur 14: Meetopstelling bepalen stator weerstand bij motor in driehoek 20

28 7.2.4 Nullast proef Met de nullast proef kan men de parallelelementen van het equivalent schema bepalen. Bij nullast is de slip minimaal (s=0). De impedantie aan rotorzijde wordt oneindig of met andere woorden een open keten, waardoor R'2 geen invloed meer heeft. Aangezien er nog steeds wrijvingsverliezen zijn, zal de slip nooit perfect nul zijn. Maar doordat deze verliezen van de Siemens motor gegeven zijn door de leverancier kunnen deze in mindering worden gebracht van het gemeten nullast vermogen. Bij de motoren van WEG zijn deze niet gegeven, daarom wordt de machine aangedreven tot 1500 toeren zodat de wrijvingsverliezen overwonnen worden door een andere machine en de slip wel nul wordt. Het serie element R 1 neemt een deel van het vermogen op. Aangezien deze weerstand gekend is, kan die in mindering worden gebracht. Wanneer de motor in nullast draait, wordt het ingaand vermogen, de spanning en de stroom gemeten. (7.6) Om de R FE te berekenen moet de spanning en stroom gekend zijn. Om de spanning E 1 te kennen moet de spanningsval over de serie elementen van de stator in rekening gebracht worden. De stroom I 2 wordt gelijk aan nul verondersteld, daar de rotor als open keten kan worden gezien. De nullast stroom is sterk na-ijlend op de spanning, daarom kan volgende vereenvoudiging worden doorgevoerd ter bepaling van E 1. [5] (7.7) (7.8) (7.9) (7.10) (7.11) (7.12) (7.13) Figuur 15: Nullast proef 21

29 Tabel 10: Gegevens nullast proef Siemens 4kW EFF1 WEG 11kW EFF1 WEG 11kW EFF2 P 0(Watt) 83, ,9 I 0(A) 4,17 9,55 9,618 P wr(watt) 13,33 / / P R1(Watt) 25,21 56,64 75,09 P fe(watt) 44,56 438,36 428,814 E(V) 219,4 372,78 372,85 R fe 1080,8 951,02 972,59 C ϕ 0,048 0,076 0,076 I mag(a) 4,165 9,52 9,59 X m 188,33 39,16 38,88 22

30 TEMK (V) 8 Magnetisatie karakteristiek 8.1 Opmeten van de karakteristiek In de magnetisatie karakteristiek wordt de magnetisatie stroom uitgezet in functie van de EMK E. Er worden metingen gedaan bij verschillende spanningen. U 1, I 10 en P 0 worden telkens gemeten. Met het vectordiagram en de machineparameters uit het equivalent schema kunnen E en worden berekend. Berekeningen terug te vinden in bijlage 13.2.[4] Figuur 16: Vectordiagram Inductiemotor Bij de nominale spanning van 230V zou de machine in verzadiging werken, maar door de spanningsval over de serie elementen zal de EMK E kleiner zijn dan de nominale spanning. Wanneer de machine zwaarder belast wordt en de stroom nog toeneemt, zal de spanningsval nog groter worden. Daardoor werkt de machine in het lineaire gebied en niet in verzadiging Verzadigingsgebied 200 Lineaire gebied Im (A) Figuur 17: Magnetisatie karakteristiek 23

31 8.2 Verschillende werkpunten Nullast Bij nullast stroomt enkel de nullast stroom die een spanningsval veroorzaakt over de serie elementen. De vectoriële som van deze spanningsval en EMK E is de klemspanning. Omdat in nullast gewerkt wordt, kan gesteld worden dat gelijk is aan nul (Figuur 19): (8.1) (8.2) Figuur 18: Vector diagram in bij nullast Figuur 19: Equivalent schema bij nullast 24

32 8.2.2 Motorwerking Bij motorwerking stroomt naast de nullast stroom ook de stator stroom en de rotor stroom. Wanneer in punt X (Figuur 21) de wet van Kirchhoff wordt toegepast, kan gesteld worden dat: (8.3) (8.2) De spanningsvallen worden veroorzaakt door, opnieuw geldt vergelijking (8.2) maar door de grotere stroom en andere fasehoek zal de klemspanning nu voorijlen op de EMK E. Figuur 20: Vector diagram motorwerking X Figuur 21: Spanningsval in motorwerking 25

33 8.2.3 Generatorwerking Bij generatorwerking verandert het koppel van teken dus zal de stroom blijft de wet van Kirchhoff geldig: ook veranderen van zin. Ook hier (8.4) De stroom verandert van zin, fasehoek en grote tegenover motorwerking, met als gevolg dat de spanningsvallen over de serie elementen ook compleet veranderen. Waardoor de klemspanning nu zal na ijlen op de EMK E. en zijn groter dan bij motorwerking maar veranderen niet van zin (zie Figuur 24). Daardoor is de hoek groter dan de hoek bij motor (Figuur 20) met als gevolg dat de bij generatorwerking kleiner is dan bij motorwerking. Waardoor bij de nominale stroom, waar de machine is op gedimensioneerd, er bij generator een kleiner actief vermogen wordt geleverd dan bij motorwerking.[4] (8.5) Figuur 22: Vectordiagram bij generator 26

34 TEMK (V) Figuur 23: Spanningsval in generatorwerking Verschillende werkpunten uitgezet op de magnetisatie karakteristiek Motorwerking Nullast Generatorwerking Im (A) Figuur 24: Magnetisatie karakteristiek met nominale wekpunten (11kW EFF1) Op Figuur 24 staan de verschillende werkpunten uit op de magnetisatie karakteristiek. Zo is het duidelijk dat door de verschillende spanningsvallen de grote van de magnetisatie stroom zal wijzigen. 27

35 8.3 Vervormde spanning Invloed vervormde spanning Zoals besproken in punt en zal een vervormde spanning invloed hebben op het rendement. Omdat de fasehoek van deze vervorming een invloed heeft op de gemiddelde spanning zou deze ook het rendement kunnen beïnvloeden. In het volgende punt worden de twee uitersten met elkaar vergeleken, namelijk een 5de harmonische in fase en in tegenfase met de fundamentele spanning Gemiddelde spanning De wiskundige gemiddelde spanning over een periode is nul. Wanneer men over gemiddelde spanning spreekt, bedoelt men eigenlijk de gemiddelde spanning van het gelijkgericht signaal. Daarom wordt in de berekeningen de gemiddelde spanning over een halve periode berekend. Spanningsvergelijking sinusoïdale spanning in functie van de tijd: Met : Ogenblikkelijke spanning[v]; : amplitude [V]; : hoeksnelheid [rad/s]; : tijd[s]. Gemiddelde spanning van een sinusoïdale spanning: (8.6) (8.7) De functie wordt geïntegreerd over een halve periode (0 π) en gedeeld door de verlopen hoek. Dit stelt de gemiddelde spanning voor. Na uitwerking krijgt men: (8.8) De gemiddelde spanning van een sinusoïdale spanning is dus 0,64 keer de amplitude. Spanningsvergelijking sinusoïdale spanning en een harmonische in functie van de tijd: (8.9) Met : Ogenblikkelijke spanning[v]; : amplitude fundamentele [V]; : amplitude harmonische [V]; : hoeksnelheid [rad/s]; : fasehoek harmonische[rad]; : orde harmonische[]; : tijd[s]. Om de gemiddelde spanning te bepalen, wordt opnieuw geïntegreerd over een halve periode. (8.10) 28

36 Om de invloed van de fasehoek te bekijken, wordt een vergelijking gemaakt tussen 5 de harmonische in fase en in tegenfase. Fase Tegenfase Uit bovenstaande afleiding kan worden besloten dat de harmonische in fase een grotere gemiddelde spanning heeft dan deze in tegenfase. (*): Vergelijking De fasehoek van de harmonische vervorming heeft dus een invloed op de gemiddelde spanning, met als gevolg dat er op een ander punt van de magnetisatie karakteristiek wordt gewerkt. Er valt op te merken dat de stroom stijging bij zelfde spanningsstijging bij generator groter is dan bij motor (Figuur 25). Een grotere stroom betekent grotere verliezen. Hierdoor zal de invloed van de fasehoek bij generator een groter effect hebben op het rendement dan bij motorwerking. 29

37 TEMK (V) Motor Generator ΔIm ΔIm Im (A) Figuur 25: Verschil motor en generator Op Figuur 26 is op het vectordiagram bij generatorwerking te zien wat het effect is van een stijging in magnetisatiestroom te zien. De stroom I m neemt toe waardoor de reactieve component van de stroom I 1 groter wordt. Het actief vermogen blijft constant waardoor de cosϕ kleiner wordt of met andere woorden de fasehoek tussen spanning en stroom groter wordt. Figuur 26: Vectordiagram effect stijging magnetisatiestroom 30

38 Uit een voorgaand eindwerk [5] en een paper [8] kon worden besloten dat de fasehoek van de vervorming in deellast een heel klein effect had en in vollast geen effect had op het rendement van een motor. In Figuur 27 is een rendementsmeting op een 4kW inductiemotor te zien uit dit eindwerk. Het is zichtbaar dat er slechts een gering verschil is en bij vollast zelfs geen verschil meer. Daarom zullen bij de motormetingen geen metingen worden uitgevoerd bij verschillende fasehoeken. Figuur 27: Rendementsmeting eindwerk Tom Wille Een stijging in gemiddelde spanning zorgt voor een grotere magnetisatiestroom, er vloeit dus een grotere stroom voor een zelfde actief vermogen. Door deze grotere stroom zullen de jouleverliezen stijgen en het rendement dalen. Daarom zal bij de generatormetingen wel bij verschillende fasehoeken worden gemeten.[9] 31

39 TEMK (V) 8.4 Opgemeten karakteristieken kW machine Im (A) Figuur 28: magnetisatie karakteristiek 4kW machine 32

40 TEMK (V) kW machine EFF1 en EFF EFF1 EFF Im (A) Figuur 29: magnetisatie karakteristiek 11kW EFF1 en EFF Bespreking karakteristieken Op Figuur 28 en Figuur 29 zijn de magnetisatie karakteristieken van de verschillende machines te zien. De 11kW EFF2 gaat sneller in verzadiging dan de 11kW EFF1, dit omdat bij hogere efficiëntieklassen er meer blikpakket wordt voorzien om er voor te zorgen dat ze pas bij hogere spanningen in verzadiging gaan. Hoe meer in het verzadigingsgebied wordt gewerkt, hoe groter de magnetisatiestroom en dit heeft een nadelig effect op het rendement. Ook valt op te merken dat het aandeel van de magnetisatiestroom in de totale stroom bij de 4kW machine groter is dan bij de 11kW machines. Dat zorgt ervoor dat een verandering in magnetisatiestroom een groter effect zal hebben op de efficiëntie, omdat deze voor grotere jouleverliezen zorgt. 33

41 9 Vermogensverdeling 9.1 Inductiemotor Figuur 30: Vermogen verdeling IM Stator Ingaand elektrisch vermogen. (9.1) Joule verliezen ten gevolge van weerstand in de stator. (9.2) IJzerverliezen in de stator. (9.3) Supplementaire verliezen ten gevolge van harmonische vervormingen en andere kleine verliezen die moeilijk te bepalen zijn. Het vermogen dat via de luchtspleet wordt overgedragen naar de rotor is het verschil tussen de som van alle stator verliezen en het ingaand elektrisch vermogen. (9.4) (9.5) 34

42 9.1.2 Rotor IJzerverliezen in de rotor, deze zijn echter bijna verwaarloosbaar door de lage frequentie van de rotorstroom. Joule verliezen in de rotor. Het elektromagnetische vermogen geleverd door de motor kan geschreven worden als: Hieruit kan dus worden afgeleid dat de verliezen in de rotor afhankelijk zijn van de slip. Hoe hoger de slip, hoe meer vermogen de rotor moet krijgen om hetzelfde elektromagnetisch te leveren. Het verlies door wrijving van lagers en ventilatieverliezen moeten ook nog in rekening worden gebracht. Het effectieve mechanisch vermogen kan dan geschreven worden als: [2] (9.6) (9.7) (9.8) (9.9) (9.10) 35

43 9.2 Inductiegenerator Figuur 31: Vermogen verdeling IG Rotor Ingaand mechanisch vermogen. (9.11) Het verlies door wrijving van lagers en ventilatieverliezen. (9.12) Joule verliezen ten gevolge van weerstand in de rotor. IJzerverliezen in de rotor, deze zijn echter bijna verwaarloosbaar door de lage frequentie van de rotorstroom. Het vermogen dat via de luchtspleet wordt overgedragen naar de stator is het verschil tussen de som van alle verliezen in de rotor en het ingaand mechanisch vermogen. (9.13) (9.14) (9.15) 36

44 9.2.2 Stator IJzerverliezen in de stator. (9.16) Joule verliezen in de rotor. Supplementaire verliezen ten gevolge van harmonische vervormingen en andere kleine verliezen die moeilijk te bepalen zijn. Het geleverd elektrisch vermogen is: [2] Vermogenstromen bij vervormde spanning Zoals beschreven in zal een 5 de harmonische spanning een meewerkend koppel leveren aan de inductiegenerator. Dit heeft als gevolg dat er ook een vermogen uit het net wordt ontrokken. De generator draait dus ten gevolge van een mechanisch vermogen, maar ook als motor gevoed door een 5de harmonische. Het nuttig geleverd vermogen moet dus worden verminderd met het vermogen uit het net. (9.17) (9.18) (9.19) (9.20) (9.21) Met: Het elektrisch vermogen geleverd aan het net; het fundamentele vermogen dat naar het net stroomt; het 5de harmonische vermogen dat uit het net ontrokken wordt; het mechanische vermogen geleverd aan de generator; Het rendement van de generator. Figuur 32: Vermogenstromen bij vervormde spanning 37

45 Temperatuur ( C) 10 Metingen 10.1 Inductiemotor meting met 5 de harmonische Meetmethode Een inductiemotor warmt op wanneer hij in werking is, bij stijgende temperatuur stijgt de weerstand van koper. Dit heeft als gevolg dat de jouleverliezen toenemen waardoor de efficiëntie van de motor afneemt. De metingen zullen pas representatief en vergelijkbaar zijn als ze worden uitgevoerd wanneer de motor warm is. De motor wordt opgestart vanuit koude toestand en gedurende een tijd nominaal belast tot de temperatuur constant blijft (Figuur 33). De EFF2 machine kent een grotere temperatuurstijging dan de EFF1, dit omdat de verliezen groter zijn en dit verliesvermogen in warmte wordt omgezet. In Figuur 34 is dan ook te zien dat de EFF2 machine een grotere rendementsdaling ondervindt dan de EFF1 machine. Bij de curve van de EFF1 machine is een korte daling te zien in temperatuur, dit komt omdat het thermokoppel even loskwam van de machine EFF1 EFF :00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:31 Tijd (U) Figuur 33: Stijging van de temperatuur bij nominale belasting 11kW EFF1 en EFF2 38

46 Rendement (%) 90,5% 90,0% 89,5% 89,0% 88,5% 88,0% 87,5% EFF1 EFF2 87,0% 86,5% 86,0% 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:31 Tijd (U) Figuur 34: Efficiëntie in functie van de tijd van 11kW EFF1 en EFF2 De efficiëntie wordt gemeten bij een aantal verschillende belastingen. Bij een motor is het elektrisch vermogen het ingaand vermogen en het mechanische het uitgaand vermogen. Om een correcte vergelijking te kunnen maken tussen zuivere en vervormde spanning moet op dezelfde belastingspunten worden gemeten. Zo kan gekeken worden hoeveel meer elektrisch vermogen er nodig is voor een zelfde mechanische belasting ten gevolge van harmonische spanningsvervorming. Bij de motormetingen wordt het effect van de fasehoek slechts gering (bij vollast zelfs niet meer zichtbaar, zie punt 8.3). Het effect bij generator wordt verwacht stukken groter te zijn, daarom wordt enkel bij generator gemeten bij verschillende fasehoeken. 39

47 Rendement (%) kW machine In deze meting wordt een 12% 5 de in fase gesuperponeerd op de sinusoïdale spanning. 88% 86% 84% 82% 80% 78% Sinus 76% 12% 5de 74% 72% Mechanisch vermogen (Watt) Figuur 35: Rendement meting 4kW Inductiemotor met 5de harmonische Zoals te zien op Figuur 35 is het rendement bij vervormde spanning lager dan bij zuivere spanning. Elk meetpunt werd genomen bij hetzelfde mechanisch vermogen bij de twee verschillende spanningen. Bij nominale belasting (4kW) werd een rendementsdaling van 0,7% gemeten wat wil zeggen dat er 40 watt meer elektrisch vermogen nodig is om hetzelfde mechanisch vermogen te leveren. Deze daling in rendement wordt veroorzaakt door extra joule verliezen en tegenwerkende koppels zoals besproken in punt

48 Rendement (%) kW EFF1 In deze meting werd de vergelijking gemaakt tussen verschillende amplitudes van de 5de harmonische. Zo is op Figuur 36 duidelijk te zien dat bij toenemende vervorming het rendement daalt. Een 10% 5de in fase zorgt bij nominale belasting voor een procentuele rendement daling van 0,6%. 90% 88% 86% 84% 82% Sinus 5% 5de F 10% 5de F 80% 15% 5de F 78% Mechanisch vermogen (Watt) Figuur 36: Rendementsmeting 11kW EFF1 inductiemotor met 5de harmonische 41

49 Rendement (%) kW EFF2 Op Figuur 37 zijn de rendementscurven van de 11kW machine met efficiëntie klasse EFF2 te zien. Zo is duidelijk zichtbaar dat de rendementen lager liggen dan bij de EFF1 machine. Opnieuw zorgt een grotere vervorming voor een grotere daling in rendement. Een 10% 5de in fase zorgt bij nominale belasting voor een procentuele rendement daling van 0,83% terwijl bij de EFF1 machine deze vervorming slecht een daling van 0,6% veroorzaakt. De invloed van harmonische spanningsvervorming is dus groter bij een machine met een lagere efficiëntie. 88% 86% 84% 82% 80% Sinus 5% 5de F 10% 5de F 15% 5de 78% 76% Mechanisch vermogen (Watt) Figuur 37: Rendementsmeting 11kW EFF2 inductiemotor met 5de harmonische 42

50 10.2 Inductiegenerator meting met 5 de harmonische Meetmethode Bij de inductie generator is het ingaand vermogen het mechanisch vermogen en het uitgaande het elektrische vermogen. Daarom wordt bij de generatorwerking gemeten naar gelijk elektrisch vermogen. Om opnieuw een correcte vergelijking te kunnen maken tussen vervormde spanningen en zuivere sinus. Net als bij motorwerking moet de meting in warme toestand gebeuren. Bij de generatormetingen wordt niet enkel het effect van de harmonische vervorming gemeten, maar ook de invloed van de fasehoek van deze vervorming. Omdat zoals aangetoond in hoofdstuk 8 de invloed van de fasehoek een groter verschil in magnetisatie stroom met zich meebrengt dan in motorwerking, kan deze hier wel een zichtbaar effect hebben op het rendement. In motorwerking geldt: (10.1) Met : Geleverd mechanisch vermogen[kw]; : nuttig ingaand elektrisch vermogen[kw]; : vermogen ten gevolge van de verliezen[kw]; : rendement [%]. Dus wanneer de verliezen groter worden en hetzelfde mechanisch vermogen wordt geleverd, zal het rendement dalen. Vandaar dat bij motormeting gemeten wordt bij gelijk mechanisch vermogen. Zo kan de invloed van de vervorming duidelijk in kaart worden gebracht. In generatormeting geldt: (10.2) Met : Nodig mechanisch vermogen[kw]; : geleverd elektrisch vermogen[kw]; : vermogen ten gevolge van de verliezen[kw]; : rendement [%]. Wanneer de verliezen groter worden ten gevolge van spanningsvervormingen zal het geleverd elektrisch vermogen dalen. De verliezen zijn namelijk elektrisch en worden uit het net onttrokken. Maar het mechanisch vermogen zal hetzelfde blijven en niet toenemen om de verliezen te compenseren. Er kan dus niet vergeleken worden wat de invloed zal zijn van spanningsvervorming, omdat er niet op dezelfde elektrische belastingspunten wordt gemeten. Daarom wordt bij generatormeting gemeten naar gelijk elektrisch vermogen. Dit zorgt ervoor dat er kan vergeleken worden hoeveel meer mechanisch vermogen er nodig is om een zelfde elektrisch vermogen te bereiken ten gevolge van vervormde spanning. Bij het meten moet dus telkens afgeregeld worden tot de machine hetzelfde elektrisch vermogen levert. 43

51 Rendement(%) kW machine In deze meting werd de vergelijking gemaakt tussen zuivere sinusspanning en 12% 5de in fase en tegenfase. Er werd gemeten op gelijk elektrisch vermogen, zo kan gekeken worden hoeveel extra mechanische vermogen er nodig is om een zelfde elektrisch vermogen te produceren. 90% 88% 86% 84% 82% 80% 78% Sinus Fase Tegenfase 76% 74% Geleverd elektrisch vermogen(watt) Figuur 38: Generatormeting 4kW machine met 5de harmonische Uit de meting in Figuur 38 kunnen we besluiten dat de fasehoek van de harmonische spanning een invloed heeft op het rendement. Daar de 12% 5 de in fase een hogere gemiddelde spanning heeft dan die in tegenfase is er een grotere magnetisatiestroom bij deze spanning (zie 8.3). Een grotere stroom zorgt voor grotere verliezen. Het effect op het rendement bij deellast is groter omdat de magnetisatiestroom procentueel een groter deel uitmaakt dan bij vollast. 44