Stijn Coppens Didactische opstelling U/f sturing.

100 Pages·2017·5.62 MB·Dutch

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 2016-2017

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
Abstract

In academiejaar 2016-2017 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
Extended abstract

III
Inhoudsopgave

Voorwoord ......................................................................................................................................... I
Abstract ..............................................................................................................................................II
Extended abstract ..............................................................................................................................III
Inhoudsopgave ................................................................................................................................. IV
Lijst met figuren en tabellen ............................................................................................................ VII
1. Literatuurstudie ..........................................................................................................................1
1.1. Asynchrone motoren ...........................................................................................................1
1.1.1. Bouw asynchrone motor ..............................................................................................1
1.1.1.1. De stator ..............................................................................................................1
1.1.1.2. De rotor ...............................................................................................................1
1.1.2. Het magnetisch draaiveld.............................................................................................3
1.1.3. Het effect van het draaiveld op de rotor ......................................................................5
1.1.4. De slip ..........................................................................................................................7
1.1.4.1. Slipafhankelijke rotorgrootheden .........................................................................8
1.1.5. Opstellen equivalent schema inductiemachine ............................................................9
1.1.5.1. Equivalent schema rotor ......................................................................................9
1.1.5.2. Equivalent schema inductiemachine................................................................... 10
1.1.6. Vermogensverdeling binnen de machine ................................................................... 12
1.1.6.1. statorverliezen ................................................................................................... 12
1.1.6.2. rotorverliezen .................................................................................................... 12
1.1.6.3. draaiveldvermogens ........................................................................................... 12
1.1.6.4. Vermogenbalans ................................................................................................ 14
1.1.7. Koppeltoerentalkarakteristiek .................................................................................... 15
1.1.7.1. Het koppel ......................................................................................................... 15
1.1.7.2. Kipslip en kipkoppel ........................................................................................... 16
1.1.7.3. Statische toestand .............................................................................................. 18
1.1.7.4. Dynamische toestand ......................................................................................... 19
1.2. Snelheidsregeling d.m.v. een scalaire sturing ..................................................................... 19
1.2.1. De directe en indirecte omvormer ............................................................................. 20
1.2.2. CSI VS VSI ................................................................................................................... 20
1.2.3. Danfoss FC102 ........................................................................................................... 21
1.1.1. Toerentalvariatie ....................................................................................................... 22
1.1.1.1. Variatie van de statorfrequentie ......................................................................... 22
1.1.1.2. Variatie van de statorspanning ........................................................................... 25
IV
1.2. Extra functies frequentieomvormer ................................................................................... 26
1.2.1. Koppelversterking ...................................................................................................... 26
1.2.2. Aan- en uitlooptijd ..................................................................................................... 27
1.2.2.1. Aanlooptijd ........................................................................................................ 27
1.2.2.2. Uitlooptijd .......................................................................................................... 28
1.3. Stroomtoerentalkarakteristiek ........................................................................................... 28
1.4. Elektromagnetische storing ............................................................................................... 29
1.4.1. Laagfrequente storingen ............................................................................................ 30
1.4.2. Hoogfrequente storingen ........................................................................................... 30
1.4.3. Harmonischen............................................................................................................ 30
1.4.3.1. De totale harmonische vervorming .................................................................... 31
1.4.3.2. Ontstaan van harmonischen ............................................................................... 31
1.4.4. Transiënten................................................................................................................ 31
1.4.5. Frequentieafhankelijkheid van een geleider ............................................................... 32
1.4.6. Elektromagnetische stoorzenders in de opstelling ...................................................... 32
1.5. Het meten van Koppel ....................................................................................................... 33
1.5.1. Koppel ....................................................................................................................... 33
1.5.2. Principes koppelmeting .............................................................................................. 33
1.5.2.1. Directe methode ................................................................................................ 33
1.5.2.2. Indirecte methode ............................................................................................. 35
1.5.2.3. systeemparameters............................................................................................ 36
1.6. PID-regelaar ...................................................................................................................... 36
1.6.1. P-actie ....................................................................................................................... 36
1.6.2. I-actie ........................................................................................................................ 37
1.6.3. D-actie ....................................................................................................................... 37
1.6.4. PID-actie .................................................................................................................... 37
1.6.5. Ziegler-Nichols methode ............................................................................................ 38
2. Praktische realisatie .................................................................................................................. 40
2.1. Voorstelling opstelling ....................................................................................................... 40
2.1.1. Danfoss FC102 ........................................................................................................... 41
2.1.1.1. Inbedrijfstelling .................................................................................................. 41
2.1.1.2. Analoge ingang................................................................................................... 43
2.1.1.3. Analoge uitgang ................................................................................................. 44
2.1.2. Asynchrone motor ..................................................................................................... 45
2.1.3. Belasting .................................................................................................................... 45
2.1.4. Leroy Somer Active Load ............................................................................................ 46
V
2.1.4.1. Bedienen Servorem ............................................................................................ 46
2.1.4.2. Modificaties ....................................................................................................... 47
2.1.5. CompactRIO ............................................................................................................... 48
2.1.6. Voltech PM1000+ ...................................................................................................... 50
2.2. Labview ............................................................................................................................. 50
2.2.1. Communicatie externe toestellen .............................................................................. 51
2.2.1.1. Configuratie CompactRio .................................................................................... 51
2.2.1.2. Configuratie Voltech PM1000+ ........................................................................... 53
2.2.2. Front panel ................................................................................................................ 55
2.2.3. Block diagram ............................................................................................................ 59
2.2.3.1. Initialize ............................................................................................................. 59
2.2.3.2. Wait until event ................................................................................................. 59
2.2.3.3. Handmatig ......................................................................................................... 62
2.2.3.4. Automatisch ....................................................................................................... 65
2.2.3.5. Exit ..................................................................................................................... 67
2.3. Instellen PID-regelaar ........................................................................................................ 68
2.4. EMC-problemen bij opstelling ............................................................................................ 69
2.5. Analyse van gemeten waarden .......................................................................................... 69
2.5.1. Variatie van statorspanning ....................................................................................... 70
2.5.2. Variatie van statorfrequentie ..................................................................................... 71
2.5.3. Koppelversterking ...................................................................................................... 73
2.5.4. Besluit........................................................................................................................ 74
1. Bibliografie ................................................................................................................................ 75
2. Bijlagen ..................................................................................................................................... 76
2.1. Labview ............................................................................................................................. 76
2.1.1. Front Panel ................................................................................................................ 76
2.1.2. Block Diagram ............................................................................................................ 77
2.2. Elektrische schema opstelling ............................................................................................ 83

VI
Lijst met figuren en tabellen

Figurenlijst
Figuur 1: Stator asynchrone machine. Geraadpleegd van
http://www.wisdompage.com/SEUhtmDOCS/SEU18.htm ...................................................................1
Figuur 2: Kooiankerrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door
https://nl.wikipedia.org/wiki/Kooianker .............................................................................................2
Figuur 3: Sleepringrotor asynchrone machine. Geraadpleegd door
http://www.brighthubengineering.com/diy-electronics-devices/43725-slip-ring-induction-motors-
basics/ ................................................................................................................................................2
Figuur 4: Statorwindingen. Geraadpleegd door http://electrical-engineering-portal.com/rotating-
magnetic-field-ac-machines ................................................................................................................3
Figuur 5: Het magnetisch draaiveld. Geraadpleegd door http://electrical-engineering-
portal.com/rotating-magnetic-field-ac-machines ................................................................................4
Figuur 6: Polenparen ...........................................................................................................................4
Figuur 7: Effect draaiveld op rotor.......................................................................................................5
Figuur 8: Equivalent schema rotor.......................................................................................................9
Figuur 9: Equivalent schema inductiemachine ................................................................................... 10
Figuur 10: Equivalent schema motor ................................................................................................. 11
Figuur 11: Equivalent schema i.f.v. vermogens .................................................................................. 13
Figuur 12: Sankeydiagram asynchrone motor.................................................................................... 14
Figuur 13: Equivalent schema met kortgesloten statorwikkelingen ................................................... 15
Figuur 14: Het koppeltoerentalkarakteristiek. Aangepast uit
https://www.electrical4u.com/images/february16/1456578362.gif ................................................. 17
Figuur 15: koppeltoerentalkarakteristiek met te laag aanzetkoppel. Aangepast uit
https://www.electrical4u.com/images/february16/1456578362.gif ................................................. 19
Figuur 16: Voltage Source Invertor .................................................................................................... 21
Figuur 17: Indirecte frequentieomvormer (VSI). Aangepast uit elektronische vermogencontrole
(pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ............................................................. 21
Figuur 18:koppeltoerentalkarakteristiek bij constante U/f. Aangepast uit elektronische
vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ............................... 23
Figuur 19: koppeltoerentalkarakteristiek bij veldverzwakking. Aangepast uit elektronische
vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ............................... 24
Figuur 20: afgegeven vermogen i.f.v. de statorfrequentie. Aangepast uit elektronische
vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ............................... 25
Figuur 21: Koppeltoerentalkarakteristiek met variabele statorspanning. Aangepast uit elektronische
vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ............................... 26
Figuur 22: U/f bij koppelversterking. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14) door J.
Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ........................................................................................ 27
Figuur 23: Koppeltoerentalkarakteristiek i.f.v. aanlooptijd. Aangepast uit elektronische
vermogencontrole (pg20.14) door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ............................... 28
Figuur 24: Stroomtoerentalkarakteristiek. Aangepast uit elektronische vermogencontrole (pg20.14)
door J. Pollefliet, 2007, uitgeverij Academia Press ............................................................................. 29
Figuur 25: Elektromagnetische storing .............................................................................................. 29
Figuur 26: Harmonischen in het tijdsdomein ..................................................................................... 30
Figuur 27: Harmonischen n het frequentiedomein ............................................................................ 31
VII
Figuur 28: Transiënten ...................................................................................................................... 32
Figuur 29: Frequentieafhankelijkheid van een geleider ..................................................................... 32
Figuur 30: Rekstrook koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html ......... 34
Figuur 31: Hoekencoders koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html ......... 34
Figuur 32: gekoppelde spoelen koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html ......... 35
Figuur 33: Lichrpulsen koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html ......... 35
Figuur 34: Magneto-elastisch koppelmeting. Overgenomen uit
http://www.fmtc.be/downloads/Monitoring&Diagnostics/Koppelmeting/Koppelmeting.html ......... 36
Figuur 35: PID-actie. Overgenomen uit http://docplayer.nl/7488026-Automatisering-wat-is-een-
regelsysteem.html ............................................................................................................................ 38
Figuur 36: PID bepalen met Ziegler-Nichols. Aangepast uit
http://pointing.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/basic-control-
theory/installation-and-commissioning-of-controls.asp .................................................................... 39
Figuur 37: Voorstelling opstelling ...................................................................................................... 40
Figuur 38: Danfoss FC102 .................................................................................................................. 41
Figuur 39: Hoofdmenu Danfoss FC102 .............................................................................................. 41
Figuur 40: Danfoss FC102 analoge ingang ......................................................................................... 44
Figuur 41: Danfoss FC 102 analoge uitgang ....................................................................................... 45
Figuur 42: De asynchrone motor ....................................................................................................... 45
Figuur 43: AC borstelloze servomotor ............................................................................................... 46
Figuur 44: Stand servorem ................................................................................................................ 47
Figuur 45: Emerson oude setup......................................................................................................... 48
Figuur 46: Emerson nieuwe setup ..................................................................................................... 48
Figuur 47: CompactRio chassis .......................................................................................................... 49
Figuur 48: NI-9263 ............................................................................................................................ 49
Figuur 49: NI-9201 ............................................................................................................................ 49
Figuur 50: Voltech PM1000+ ............................................................................................................. 50
Figuur 51: Measurement & Automation Explorer .............................................................................. 51
Figuur 52: Configuratie CompactRio .................................................................................................. 52
Figuur 53: Initialisatie power analyzer ............................................................................................... 53
Figuur 54: Block diagram power analyzer .......................................................................................... 54
Figuur 55: Front panel ....................................................................................................................... 56
Figuur 56: Front panel bij nemen stap ............................................................................................... 57
Figuur 57: Voorbeeld statorstroom i.f.v. snelheid bij 380V/70Hz ....................................................... 57
Figuur 58: Front panel bij te lage stap ............................................................................................... 58
Figuur 59: Front panel bij foutmelding .............................................................................................. 58
Figuur 60: 0-70Hz -> 0-10V en 0-100% -> 0-10V................................................................................. 62
Figuur 61: Opnemen grafieken .......................................................................................................... 63
Figuur 62: SubVI grafieken ................................................................................................................ 64
Figuur 63: Stoppen staat handmatig ................................................................................................. 64
Figuur 64: Stappentimer ................................................................................................................... 65
Figuur 65: Stappen tellen .................................................................................................................. 66
Figuur 66: Stappen actief? ................................................................................................................ 66
Figuur 67: Stap non-actief ................................................................................................................. 67
VIII