Generatorstyring SEKTOR FOR INFORMATIONS - OG ELEKTROTEKNOLOGI INGENIØRHØJSKOLEN ODENSE TEKNIKUM PROJEKTRAPPORT FOR 4. SEMESTER STÆRKSTRØM

Transkript

1 Genertorstyring SEKTOR FOR INFORMATIONS - OG ELEKTROTEKNOLOGI INGENIØRHØJSKOLEN ODENSE TEKNIKUM PROJEKTRAPPORT FOR 4. SEMESTER STÆRKSTRØM EFTERÅRSSEMESTER 3 KURSUSKODE E-RED1 STAMHOLD 4EP GRUPPE A PROJEKTPERIODE FRA DEN TIL DEN UDARBEJDET AF: JESPER L. HANSEN STD.NR MARTIN H. LARSEN STD.NR HENRIK L. POULSEN STD.NR. 139 SØREN B. KVORNING STD.NR. 136 FLEMMING BERTELSEN STD.NR DANIEL SIGURBJÖRNSSON STD.NR VEJLEDER: MIKAEL ØSTERGAARD JENSEN

2 Synopsis Det er ønsket t å udviklet et system, der kn styre, regulere og overvåge en genertor, således t denne er i stnd til t køre i ø-drit, køre prllelt med en nden genertor smt blive koblet smmen med et stit net. Til løsning disse problemstillinger er der i rpporten redegjort or teori og de til ormålet nødvendige ormler or genertor og drivmskine smt or den elektronik, der skl bruges i udrbejdelsen den ønskede styring. Med det udviklede elektronik og progrmmet til den nvendte digitle signl processor er det muligt t regulere genertornlægget i ø-drit og smmen med et stit net. Forord Rpporten er remstillet studerende ved Sektor or Inormtions og Elektroteknologi på Ingeniørhøjskolen Odense Teknikum. Den henvender sig til personer med et gligt niveu svrende til E-studerende på 4. semester. Rpporten indeholder relevnte spekter i udviklingssen en genertorstyring. Ved projektets slutning er der remstillet en styring, der muliggør, t genertoren kn køre i ø- drit og indkobles på nettet. I rpporten er delene til konstruering en genertorstyring dokumenteret. Dette gælder orsyning eektelektronik, selve eektelektronikken, progrmmering DSP smt simulering systemet. Derudover er der gået i dybden med teori omkring DC motor og genertor. Rpporten er skrevet således, t hvert snit indeholder en indledning, hvor idéer og ormål med snittet er skrevet, en hoveddel der går i dybden med teori og beregninger smt en konklusion, der opsummerer vigtige spekter i snittet. For t gøre læsningen rpporten så lydende som mulig er der dog i selve hovedteksten ikke lvet mnge udledninger ormler eller vist beregninger. Er læseren interesseret i en udledning en given ormel eller en bestemt beregning, er dette muligt, d der bgerst i rpporten er plceret ppendiks, der uddyber ormler, beregninger og diverse orsøgsopstillinger. Der er nturligvis henvist til ppendiks i hovedteksten, hvor det er skønnet belejligt or læseren t gå i dybden med det skrevne. Til denne rpport er der vedlgt en CD-rom med relevnt mterile, som er brugt i udrbejdelsen denne rpport. En oversigt, hvd der oreindes på denne CD-rom, er plceret bgerst i rpporten. Fr gruppens side skl der lyde en tk til vejleder Mikel Ø. Jensen, lektor Kurt B. Jessen, lektor Mogens Crlsen, lektor John Hnsen og civilingeniør Lsse Grønbech. II

3 Indholdsortegnelse 1 Indledning Problemnlyse 1 1. Målormulering Krvspeciiktion Projektgrænsning 3 Spændingsorsyning 4.1 Trnsormeren 4 3 Ensretterkredsløb Thyristorkredsløb 5 3. Diodekredsløb Beregning spændinger Kondenstor 7 4 Styring servomotorer Konvertertyper 9 4. H-broen Bipolr / Unipolr junction 1 5 Styring konverteren Glvnisk dskillelse Forstærkere Moset driver Spændingsregultorer Test og ejlinding 13 6 DC drivmotor Modellering DC motor 15 7 DC servomotorer Modellering servomotorene 18 8 Synkrongenertoren Modellering synkrongenertoren 9 Indkobling og dritsmetoder genertoren 9.1 Ø-drit III

4 9. Prllel drit 9.3 Indkobling på nettet 3 1 Simulering reguleringssystem Simulering i Mtlb 4 11 Trnsducer 6 1 DSP Test inreguleringssløjen Diskussion Konklusion Perspektivering Symbolliste Litterturliste Tidspln 4 19 Appendiks A -Kontrol ensretter B -Bipolr kontr unipolr junction C Forstærker D -Optokobler E Elektronik digrmmer F DC motor G DC drivmotorens konstnter H -Synkrongenertoren I -Synkrongenertorens synkronrektns J -Synkronoskop K -Måleenheder L Potentiometer or inregulering M -Sekvensdigrm 7 CD -rom indholdsortegnelse 71 1 Projektoplæg 7 IV

5 1 Indledning 1.1 Problemnlyse Dette projekt omhndler et komplet genertornlæg. Det vil sige styring, regulering smt overvågning (SRO) nlægget. Anlægget skl bestå to kompoundmotorer og to genertorer. Det skl være muligt t køre prlleldrit de to genertorer eller en gngen, ved henholdsvis ø-drit eller ved en kobling til det eksisterende el-orsyningsnet. Kompoundmotorerne skl ungere som primær drivkrt til den enkelte genertor, hvilket vil sige, t genertorernes rekvens hænger kompoundmotorernes hstighed, mens spændingsmplituderne kontrolleres med mgnetiseringsspændingernes størrelser. I et belstningsområde mellem tomgng og uldlst (P -P mx ) skl nlægget ved ø - og prlleldrit kunne levere en konstnt spænding og rekvens. Ved en kobling til et stit net skl nlægget kunne levere mksiml eekt, ktiv som rektiv Der skl tges højde or, t belstningen ved prlleldrit skl ordeles jævnt. Til styring ovennævnte skl der opbygges en styring bseret på en digitl signlprocessor (DSP). Processoren skl opsmle og behndle måledt. Reguleringen spænding og rekvens sker på bggrund behndlede måledt i orm output til DC servomotorer, der vi potentiometre regulerer henholdsvis mgnetiseringsspænding og nkerstrøm på kompoundmotorerne. Forsyningen til styrekredsen skl bestå en treset trnsormer, som eterølgende skl ensrettes. Eektkredsløbet i reguleringsdelen skl designes og dimensioneres. Der bør endvidere blive set på, hvilken type beskyttelse der er nødvendig or t sikre en orsvrlig drit et komplet genertornlæg. Der ønskes desuden udørt en simulering nlægget i progrmmet Mtlb/Simulink. For en visuel oversigt over nlægget henvises til Figur Målormulering Formålet med projektet er t udøre og orstå spekter ved opbygning, simulering og indkøring et genertornlæg i de tre nævnte tilstnde. I det komplette nlæg kommer desuden orståelse or nvendelse eektelektronik til motorstyring. Prllelt ønskes der t opnå viden om eventuelle problemstillinger ved spændingstrnsormering og ensretning et treset net. Det er deror nødvendigt t nvende relevnt teori r de oregående semesterkurser smt kurserne r 4. semester. Dette vil nturligvis dnne grundlg or bedre orståelse or de enkelte g. 1.3 Krvspeciiktion Projektet er delt op i em hovedsnit: Målinger og målekredse Ensretning treset vekselstrøm Eektelektronik DSP Dritsegenskber or motor og genertor, herunder også dimensionering beskyttelsesudstyr. 1

6 Simulering WUHIDVHW WUDQVIRUPHU (QVUH WHU $&' & +RYHGVWU P GULIW ' 63 HU 6W\UHVLJQDOVWU P Q (IIHNWHOHNWURQLN Q Q Q 6\QNURQRVNRS Omskiter nolqjdi $PS 9ROW nolqjdi $PS 9ROW (QNRGHU.RPSRXQG PRWRU *HQHUDWRU (QNRGHU.RPSRXQG PRWRU *HQHUDWRU 1HW )\QVY UNHẂ 6HUYR $ 6HUYR $ 6HUYR $ 6HUYR % 6HUYR % 6HUYR % Figur 1: Oversigtstegning det komplette system med to genertornlæg. Ved projektets slutning orventes det t kunne levere en ærdig testopstilling med ølgende speciiktioner. Målinger og målekredse: Målekredse skl være opbygget or t udlæse de nødvendige værdier i korrekt orm til DSP en. Måling strøm og spænding på genertorens udgngsklemmer vil blive målt ved hjælp en strøm - og en spændingstrnsducer. Desuden skl målekredsen sikre, t der er glvnisk dskillelse imellem hovedstrøm og styrestrøm. D der orudsættes symmetrisk belstning vil der kun blive målt på én se. Udgngssignlet r trnsducerne skl være inden or A/D-konverterens reerencespændinger, ltså - V til V. Ensretning treset vekselstrøm: Ensretningen den tresede vekselstrøm er en nødvendighed or driten servomotorene. Der skl leveres en spænding på 4 VDC med en rippel på mksimlt 1 %. Kredsløbet skl dimensioneres til et pssende eektniveu, svrende til eektelektronikkens orbrug. Eektelektronik: Eektelektronikken skl være i stnd til t styre servomotorene til regulering hstigheden på kompoundmotor smt reguleringen mgnetiseringsstrømmen på genertoren. Der stilles krv til glvnisk dskillelse imellem DSP og den nloge kreds. DSP: DSP en skl være i stnd til t opsmle og behndle lle nødvendige dt smt stå or den overordnede styring nlægget. Eter vlg dritsorm vil styringen ungere uldutomtisk, kun et ønsket dritsstop eller skit dritsorm vil kræve en mnuel betjening. Under en given dritsorm vil det være muligt t skite til en nden dritsorm uden, t systemet på noget

7 tidspunkt skl stndses. Selve indreguleringen genertoren eller skit dritsorm kn oretges inden or ét minut. Dritsegenskber or motor og genertor: Ved udvikling genertornlæg er der to vigtige spekter, der skl overholdes. Det ørste er leveringssikkerhed, det ndet er spændingskvlitet. I dette tilælde er leveringssikkerhed et meget hypotetisk emne t behndle, etersom genertornlægget næppe vil komme til t ungere i en egentlig kontinuerlig drit. Det er deror bestemt udelukkende t okusere på problemstillingerne vedrørende spændingskvlitet. Der er vlgt tre punkter i punkt 4 i DEFU s Rekommndtion 1. Konkret betyder det, t der til genertornlægget tilstræbes ølgende: netrekvensen er 5 Hz ± 1 %, og leveringsspændingen er U N + 6 % - 1 %. Det er også et krv, t nlægget kn regere så hurtigt, t kortvrige spændingsændringer ikke vil å U N til t lde til under 85 %. Det er ligeledes et krv, t systemet i ø - og prlleldrit utomtisk vil være i stnd til t opretholde konstnt spænding og rekvens. Ved drit på net skl genertoren levere mksiml eekt. Simulering: Der ønskes en uldstændig simulering genertornlægget. 1.4 Projektgrænsning Hovedpunkterne i krvspeciiktionen hr i strten hver især dnnet grundlg or løsningsmodeller og givet nledning til grænsning. Det er målet t levere en styring, der smmen med nødvendige kredse er i stnd til t vretge regulering én genertor, som kn nvendes i dritsormerne: Ø-drit og generering til stit net. Styringen er ærdiggjort i en sådn grd, t den i de to prioriterede dritsormer overholder de i krvspeciiktionen stillede krv. Det er vlgt t nedprioritere prlleldrit situtionen. Dette gøres til dels på bggrund, t en sådn sitution vil kræve to DSP er i smspil. Det orudses t være en meget tidskrævende opgve, og deror er det nedprioriteret til ordel or singulær drit. Dimensioneringen beskyttelsesudstyr til nlægget vil blive reduceret til en miniml orsvrlig udørelse med den begrundelse, t skl der opstilles de helt korrekte beskyttelsesmetoder or nlægget, vil det kræve dybdegående undersøgelser blndt ndet koblingsudstyr med mere. De stillede krv til spænding og rekvens er blot tre 1 underpunkter i punkt 4 (Anbelinger) i DEFU s Rekommndtion. Det er selvølgelig en ret hård grænsning, men ved gennemlæsning punkterne står det klrt, t det vil være omttende t udøre de kontrolmålinger og beregninger, der skl ligge til grund or, t de resterende punkter er opyldt. I tilælde overskydende tid ved projektets slutning er prlleldrit, dimensionering beskyttelsesudstyr smt en undersøgelse de resterende punkter i DEFU s Rekommndtion mulige opprioriteringer. 1 Se litt. liste bog 4 3

8 Spændingsorsyning Indledning: For t kunne levere den nødvendige spænding til eektkredsløbet, konstrueres en ensretter. Jævnspændingen skl være på 4 V iølge krvspeciiktionen. Til rembringelse denne spænding skl der benyttes en trnsormer og et ensretterkredsløb. Primærsiden trnsormeren skl orsynes en vriotrnsormer, der leverer en treset vekselspænding, og spændingen på sekundærsiden trnsormeren ensrettes. Figur viser et oversigtsbillede problemstillingen Figur : Oversigt over spændingsorsyningsdelen. D spændingen på primærsiden er mulig t justere, er systemet dimensioneret med udgngspunkt i sekundærspændingen på 4 V. Der skl ltså en konstrueres en ensretter smt beregnes værdier or sekundær - og primærspændinger på trnsormeren..1 Trnsormeren Den benyttede trnsormer er en treset trnsormer med et sæt primærviklinger og to sæt sekundærviklinger, således diverse koblinger og dermed orskellige sekundærspændinger kn opnås. Det er vlgt t koble trnsormeren i stjerne/stjerne (Y-y). Dette er vlgt, d spændingen ensrettes, og her er deror udelukkende tle om symmetrisk belstning. Figur 3 viser den vlgte trnsormerkobling: Den benyttede trnsormer hr omsætningsorholdet n mellem primær- og sekundærspænding, og indes ved brug ormel (-1). U sekundær n (-1) U primær Figur 3: Den vlgte trnsormerkobling. Trnsormerens mærkeplde hr ølgende dt: U primær = 3 38 V og,6 A, U sekundær = 3 11 V og 4,5 A. Men d der er to sæt 3 11V V udtg, der bliver koblet i serie, bliver omsætningsorholdet: n, V Der er dog lvet orsøg med den vlgte trnsormer, hvor det viser sig, t omsætningsorholdet er,56, se CD-rom (3-set trnsormerrpport). Det er deror denne værdi, som vil blive brugt i diverse beregninger. 3 Ensretterkredsløb Der er lere måder t lve et ensretterkredsløb på. Der kn nvendes dioder eller thyristorer. Begge ideer er overvejet, og der vil her være en beskrivelse thyristor - og diodekobling. Fordele og ulemper ved de to koblinger vil blive nævnt. 4

9 3.1 Thyristorkredsløb Når thyristorer benyttes til et ensretterkredsløb, kn der opbygges et såkldt uldstyret treset dobbelt ensretterkredsløb. Dette kredsløb kn ses på Figur 4. Når der kommer et styreimpuls på gte-terminlen, vil thyristoren lede, hvis spændingen på noden er større end på ktoden. D her er tle om treset vekselspænding, vil spændingen på ktoden blive højere end på noden i /3 en periode, hvilket betyder, t den enkelte thyristor er orspændt i spærreretningen i dette tidsrum. For t lede igen skl der så komme en ny styreimpuls på gten, og igen skl spændingen på noden være højere end på ktoden. Fordelen ved en thyristorkobling rem or en diodekobling er, t det er muligt t styre impulserne og dermed bestemme, om L3 den skl lede eller ej, derved opnås en mulighed or vribel udgngsspænding. Ulempen er, t der skl være et ekstr styrekredsløb til styreimpulserne. Styreimpulserne og styringen disse er hovedårsgen til, t der er vlgt en diodekobling. 3. Diodekredsløb Det er vlgt t benytte en treset brokobling, også kldet uldbro diodeensretter. Den består seks ens dioder og en kondenstor til t udgltte den rippelspænding, der remkommer ved ensretningen. Denne kobling er vlgt, d den er simpel og ønsket er en konstnt spænding. L1 L T1 T4 Figur 4: Digrm over thyristorstyret ensretter. T T5 T3 T6 I d i i b C 1 V AB i c I d Figur 5: Den vlgte diodekobling. Figur 5 viser et digrm en treset ensretter med orsyning r trnsormerens sekundærside. Når diode D1 hr større potentile på dens node end på dens ktode, vil dioden lede, og dermed er dioderne D og D3 orspændt i spærreretning og ikke ledende. Smme princip gælder, når diode D eller diode D3 hr større potentile på noden end på ktoden. Spændingerne U d + og U d -, som er illustreret på Figur 6, vil være henholdsvis positiv og negtiv spænding mellem broens to ben. De to spændingers pekværdier vil være lig med 5

10 U, sek se. Disse to spændinger vil derudover, når U d - trækkes r U d +, dnne en spænding, der i pekværdi er lig med 6 U sek, se. Denne spænding kn ses på Figur 6. D det som skrevet er ønsket 4 V jævnspænding, er det nu interessnt t inde middelværdien 6. Hvis der kigges på det tidsintervl, som det vrer, indtil de tre ser hver især U sek, se hr ht en periode på Figur 6, vil det vise sig, t dette intervl tger tiden p. I dette intervl er der seks toppe på kurven or U ens, så den smlede ensrettede spænding kn bestemmes ved ormlen: 6 6 Når der skl dimensioneres trnsormerens primær - og sekundærspændinger, vil ovenstående ormel kunne benyttes. De vlgte dioder er typen 1N544, d disse kn tåle en spænding på 4 V og smtidig kn lede op til 3 A, se CD-rom. Dette skulle være rigeligt, d der eter vurdering belstningen, som ensretterkredsløbet skl orsyne, højest vil løbe en strøm på 1, A. Smmenlgt vil strtstrømmen hos motorerne være under,5 A jævnør dtblde, så dette regnes ikke or noget problem. Iølge dtbld vil disse dioder, når de skl lede en 3 U ens U sek, se, 34 U sek, se strøm på 1, A, hve et spændingsld på,9 V. Dette spændingsld skl bruges, når den primære spænding skl regnes ud. 3.3 Beregning spændinger Det er nu muligt t udregne spændingen på sekundærsiden trnsormeren og dermed også på primærsiden. Den benyttede ensretter dnner en jævnspænding, der kn beregnes ved hjælp ormlen:,34 se snit 3.. U ens U sek, se U ens er kendetegnet ved de 4 V. Spændingsldet over de benyttede dioder skl lægges til U ens. Det ønskes t inde RMS værdien sekundærspændingen (U sek,rms,se ) på 5,8 trnsormeren: U sek, RMS, se 11,3V U sek, pek, se 15, 59V (3-),34 D der ønskes linjespændinger, ås nu, t U U d U sek U, pek d U sek, pek (3-1) 3 11,3 19, V. Som skrevet er sek, RMS, linje 1 omsætningsorholdet n or trnsormeren,56, hvilket betyder: U ens U d U d 6 U sek, pek Figur 6: De ensrettede spændinger U d + og U d - smt spændingen U ens. U sek, RMS, linje 19,1 U pri, RMS, linje 34, 1V (3-3) n,56 Hvis det benyttede ensretterkredsløb skl levere 4 VDC, skl vriotrnsormeren indstilles på en linjespænding på 34,1 VAC. Se litt. liste bog 1 side 4 3 Se litt. liste bog 1 side 41 6

11 3.4 Kondenstor Ved brug uldbro-ensretteren vil der remkomme en rippelspænding, der i % er udtrykt ved: U rippel,% (1 cos ) 1% 4. (3-4) p D p repræsenterer ntl pulser per periode, og p er lig 18 º or en uldbro-ensretter, vil 18 rippelen blive: U rippel,% (1 cos ) 1% 13,4%. Dette betyder, t størrelsen rippelen 6 på den ensrettede spænding, hr værdien: U U U 19,1 13,4% 3, V (3-5) rippel, sek sek, pek, linje rippel,% 6 For t etervise denne rippel, er der konstrueret et ensretterkredsløb i progrmmet P-Spice. Kredsløbet og digrmmet med de tre sekundærspændinger og deres rippel eter ensretningen kn ses på nedenstående igurer: 3V R 1u L3 Outplus 5V V FREQ = 5 VAMPL = PHASE = 1 V1 D1 D1N544 D D1N544 D3 D1N544 15V 1V R1 1u V3 L1 FREQ = 5 VAMPL = PHASE = nul V D4 D1N544 D5 D1N544 D6 D1N544 5V V -5V R3 1u L FREQ = 5 VAMPL = PHASE = 4 Outminus -1V -15V -V s 5ms 1ms 15ms ms V(L1) V(L) V(L3) V(OUTPLUS)- V(OUTMINUS) Time Figur 7: Til venstre ses det benyttede kredsløb ved simulering. Modstnden R4 og induktnsen L1 repræsenterer den belstning, som ensretteren skl levere spænding og strøm til. Modstndene på 1 µo orn spændingskilderne er indst, d progrmmet P-Spice ellers ikke kn simulere et treset kredsløb. Til højre ses de simulerede spændinger. Rippelen i simuleringen er tæt på de beregnede 3,6 V. Dette er or stor en rippel, og d krvspeciiktion lyder på mksimlt 1 % rippel, vælges det t indsætte en kondenstor i kredsløbet. Det er nu ønsket t inde en størrelse or denne kondenstor. Det vurderes ud r optgne strømme i motorerne og ud r strømmene i eektkredsløbene, t der mksimlt vil blive optget 1, A Nu kn belstningen R L indes: U sek, pek, linje 19,1 R L, 51. (3-6) I nslået 1, Det er vlgt, t rippelen mksimlt må være 7,5 %. Dette er lig 1,8 V. Ved t benytte Figur 8 5. ses det, t produktet R L C 1 hr værdien 9 ved en rippel på 7,5 %. Dette betyder, t størrelsen kondenstoren C 1 skl hve værdien: 9 R L C1 9 C1 1, 7mF. (3-7) 5,51 4 Se litt. liste bog 7 side Se litt. liste bog 7 side 31. 7

12 I prksis benyttes en kondenstor på 1,5 mf. Der lves nu en ny simulering i P-Spice og hvor værdien or beregnet belstning og benyttet kondenstor bruges. Kredsløb og digrm ses på Figur 9: På Figur 9 ses det, t der er remkommet en rippelspænding, der er under 1,8 V. Dette betyder, t den indstte kondenstor hr den ønskede virkning. Dog kn det ses, t spændingen vil ligge lidt over de ønskede 4 V. FREQ = 5 VAMPL = PHASE = 1 R 1u L3 V1 D1 D1N544 D D1N544 D3 D1N544 Outplus Figur 8: Gren viser procent rippel i orhold til produktet R L C 1 R1 1u V3 L1 FREQ = 5 VAMPL = PHASE = nul V D4 D1N544 D5 D1N544 D6 D1N544 C1 15u RL.51 3V 5V V R3 1u L FREQ = 5 VAMPL = PHASE = 4 Outminus 15V 1V 5V Figur 9: Til venstre ses det simulerede kredsløb med den nvendte kondenstor. Til højre ses de simulerede spændinger. V -5V -1V -15V -V s 5ms 1ms 15ms ms V(L1) V(L) V(L3) V(OUTPLUS)- V(OUTMINUS) Time For t veriicere det beregnede og det simulerede er der oretget et lbortorieorsøg, der skl dokumentere, t rippelspændingen rent ktisk er under 1,8 V. Forsøget er oretget med et digitlt oscilloskop. Se snit Med instrumentet er det muligt t trække kurverne or U d + og U d - r hinnden og dermed å rippelen vist og optget. Se snit Den optgne rippel hr størrelsen,8 V. Konklusion: Simulering og lbortorieorsøg hr vist, t diodebroen med kondenstor leverer spændingen med en rippel, der ligger under de ststte værdier i krvspeciiktionen. Spændingen er dog en smule højere end de ønskede 4 V. Dette kn skyldes, t den nslåede værdi or belstningsstrømmen er orkert, hvilket kn bevirke, t dioderne år et lvere ledespændingsld. Den remkomne rippel er som skrevet under krvspeciiktionen, men der er en orskel i størrelsen denne, hvis simulering og lbortorieorsøg smmenlignes. Simuleringen giver en værdi på 1,6 V, hvorimod lbortorieorsøget giver,8 V. Forskellen kn skyldes tolerncer i benyttede komponenter, og selvølgelig kn ejlmåling i orbindelse med lbortorieorsøget hve indlydelse. Derudover er de beregnede spændinger or trnsormeren meget tæt på de værdier, som kn måles, når broen benyttes med den nslåede strømværdi. Spændingen på primærsiden trnsormeren er beregnet til 34,1 V, og den målte værdi er på 36 V, se snit Det kn deror konkluderes, t ensretterkredsløbet virker eter hensigten. 8

13 Indledning: Til regulering servomotorerne skl der dimensioneres et eektkredsløb. Krvene er, t motorerne skl kunne køre begge veje og være trinløs i hstighedsreguleringen. Det vil sige en irkvdrnt styring. På DSP en er der en PWM udgng (Puls Width Modultion). Dette signl kn nvendes som styresignl til en switchmode konverter. I det ølgende er elektronikken delt op i to hovedsnit. Det ørste omhndler selve powerdelen, som består en switchmode konverter. Det ndet belyser styrekredsen, der kontrollerer eektelektronikken Se Figur 1. 4 Styring servomotorer Figur 1: Blokdigrm over elektronikken 4.1 Konvertertyper I opstrtssen vr der to idéer til konvertertype. Begge med irkvdrnt styringsegenskber. Konverteren kn være en one-leg med to switche se Figur 11, der kræver en ± orsyning. Eller det kn være en two-leg med ire switche, også kldet en H-bro se Figur 1. 9W 7 7 $ % 5D /D 7 7 (D Figur 11: One-leg konverter, med ± orsyning. Ved switcnhing med T1 kører motoren den ene vej og med T den nden vej. Figur 1: Two-leg konverter med en orsyning. T1, T4 og T, T3 switcher henholdsvis smmen, dog modst hinnden. Punkterne A og B udgør broens udgng. Ved vlg type er det vurderet, t two-leg broen er den bedste til ormålet. A ordele kn det nævnes, t spændingen over et leg er dobbelt så stor som ved one-leg opstillingen. Det bevirker, t systemet kn håndtere en større eekt. Derudover er det i mnge situtioner også en ordel, t der kun skl én orsyningsspænding til. A ulemper er der ved tiløjelse et ekstr leg nturligvis nogle ting, der bør vurderes. Det ekstr leg betyder selvølgelig en udvidet styring switchene, men det er vurderet, t det ikke vil være særligt tidskrævende, d det blot vil være en kopi noget, der i orvejen er nødvendigt. Med hensyn til den ekstr udgit ved køb ekstr switche og styring smme er det vurderet, t de ekstr udgiter er minimle i orhold til ordelene. A disse årsger er two-leg H-broen vlgt som konvertertype. 9

14 4. H-broen H-broen ungerer ved, t T1, T4 og T, T3 switcher på smme tid, dog modst hinnden. Når T1 og T4 er on, løber strømmen den ene vej i motoren, og omvendt når T og T3 er on. Se igur H-bro. Ved t regulere dutycyclen (D) på switchene kn hstighed og omløbsretning reguleres. Ved en dutycycle på 5 %, ligger der V over broens udgng. Hæves eller sænkes dutycyclen, kn motorens hstighed reguleres trinløst i begge retninger respektivt. Signlet (V out ) på udgngen broen bliver således et irkntet signl. Se eksempel på Figur 13. Figur 13: T er periode tiden, Turn on og turn o er tiden, hvor et switchprrene er on og o. henholdsvis. Figur 14: H-broen i principdigrm. Udgngen er visuliseret med A og B. HI og LO reererer til Highside og Lowside switch. Turnon Dutycycle: D (4-1) T DC spændingen på udgngen (V out ) kn beregnes som middelintegrlet over en periode (T) spændingen v out. V 1 T T v out out ( t) dt Til t udgøre switchene i H-broen er der vlgt mosets. Mosets er som bekendt en hlvleder komponent, der er designet til t switche store strømme hurtigt. Til projektet er der vlgt en moset typen IRF51. Det er en powermoset, der er udviklet specielt til switching konverterer, motordrives og lignende. 4.3 Bipolr / Unipolr junction Med H-broen er det muligt t switche bipolr eller unipolr. Bipolr vil sige, t de to sider broen switcher på smme tid. Det betyder t T 1 og T 4 er on på smme tid, mens T og T 3 er o og vice vers. Ved unipolr drit hr hver leg i konverteren sin egen udgng og switcher uhængigt hinnden. I orhold til bipolr junction giver unipolr junction en bedre kurveorm på udgngsspændingen, ordi den eektive switchrekvens er ordoblet, og rippelkomponenten er orbedret. Uddybende teori indes i snit 19.. (4-) 1

15 5 Styring konverteren Til projektet er det nødvendigt med tre servomotorer til regulering hvert genertornlæg. Motor A1 til drivmotorens nkerspænding, motor A til eltregulering og motor A3 til mgnetisering genertor. DSP en hr 3 PWM udgnge, og styringen til hver servomotor er identisk. Der er dimensioneret og udviklet et digrm til styring en servomotor. Digrmmet indeholder både styring og eektkredse. Ud r dette digrm er der remstillet printlyout. Der er monteret et print til hver motor, det vil sige tre print. For t lette overskueligheden er ølgende deinitioner vlgt: HI og LO reererer til Highside og Lowside switch, mens Hi og Lo reererer til logisk high (5 V) og logisk low ( V). Som nævnt kommer styresignlet r DSP ens PWM udgng, hvor D kn styres. Der er dog lere ktorer, der skl tges hensyn til or t kontrollere konverteren. Blndt ndet kn nævnes en moset driver. Driveren styrer HI - og LO-delen et konverterleg, det vil sige Gte/Source spændingen på begge mosets. Der er dog enkelte problemstillinger i orbindelse med nvendelsen. De vlgte løsningsmodeller er listet nedenor i hver sit snit i kronologisk rækkeølge. 5.1 Glvnisk dskillelse Det digitle 5 V signl r DSP kittet hr digitl ground (DGND) som reerence punkt. D det kn være et ndet nulpotentile end det nloge, er det en god ide t dskille de to signler glvnisk. Derudover hr det også den eekt, t DSP kittet er dskilt r power-delen, hvilket kn begrænse ødelæggelserne ved en eventuel kortslutning eller lignende. Den glvniske dskillelse er udørt med en optokobler. Der er vlgt en billig og simpel model typen PC817, se Figur 15 og eventuelt CD-rom. Det hr ved orsøg vist sig, t PC817 ikke giver den optimle signloverørsel ved høje rekvenser. Rise time r LO til HI er ikke hurtig nok, men kn dog reguleres ved t ændre R1. Måletest og smmenligning med dtbld hr veriiceret, t det med de viste modstndsværdier og en switchrekvens på 5 khz er muligt t opnå en hstighed, der er cceptbel til ormålet. (Se snit 19.4). Signlet inverteres i optokobleren, og en senere sedrejning er nødvendig. Hvis et ønske om en switchrekvens højere end 5 khz eksisterer, er det nødvendigt med en nden optokobler, der er konstrueret til højere rekvenser. PC817 hr vist sig unktionsdygtig til projektets ormål ved en switchrekvens på 5 khz og er deror vlgt. In R 1 DGND +5V R1 3 ISO1 PC817 Figur 15: PC817 optokobler. Inverterer Hi/Lo indgngssignlet. R1 og R er eksterne komponenter, der kn regulere responstid og udgngsspænding. 4 3 Out 11

16 5. Forstærkere D det indtil næste snit ikke remgår klrt, hvd orstærkernes unktion er, ridses ormålet op her. De vlgte moset drivere optter en indgngsspænding som LO, hvis den er under 6, V og som HI, hvis den er over 9,5 V. D udgngen r DSP en ikke overstiger 5 V, er det nødvendigt t hæve signlstørrelsen. Desuden er signlet r optokoblerne som nævnt sedrejet 18 i orhold til DSP udgngen. Deror skl orstærker kredsen være inverterende. Der er dimensioneret en simpel orstærkerkobling med en BC547 trnsistor virkende som switch, se Figur V D spændingsniveuet som nævnt skl over 9,5 V, er orsyningen vlgt til 15V. Ved Lo udgng r DSP en (Hi eter optokobler) skl R1 trnsistoren drives helt i mætning or, t udgngen bliver Lo 1k ( V). Ved Hi udgng r DSP en (Lo eter optokobler) skl Out trnsistoren lukke, så udgngen bliver Hi (15 V). Ved dimensionering kredsen er R1 vlgt til 1 ko or t hve en st værdi t gå ud r. Hereter er R beregnet. (Se snit 19.3) Den viste orstærkerkreds er simuleret og undet uldt unktionsdygtig In R Q BC547A Modstnd Værdi [ko] R1 1 R 8,4 Tbel 1 Under snit 19.3 indes lle dimensionerings- detljer og simuleringsresultter. 5.3 Moset driver D der på H-broen er vrible Gte/Source spændinger, og det netop er disse spændinger, der styrer moset en, er det nødvendig med en kreds, der kn tge hensyn hertil. Til dette ormål kn der nvendes en High - nd Lowside driver. Til kontrol konverterswitchene er der vlgt en IR11 driver r IRF. Den er vlgt ud en serie orskellige driver typer r smme producent. Den væsentligste orskel på driverne er de spændingsniveuer, de kn håndtere. 11 eren er den billigste og kn håndtere spændingsniveuer r - 5 V, hvilket dækker de 4 V, der er over broen i dette projekt. Driveren kn styre ét konverter leg, og der er behov or nogle å komponenter jævnør. dtbld se Figur 17. Desuden hr IR11 eren en shutdown indgng, der kn nvendes til t stoppe driveren or eksempel, hvis der ønskes et motorstop. Ved logisk Hi på shutdown indgngen lukkes driveren ned, og udgngen r broen til motoren bliver V. F Figur 16: BC547 i en inverterende orstærkerkobling. Modstndene er bestemt i ppendiks orstærker. +4V +15V +15V + C VDD HIN SHDN VSS COM LO IR11 HO VB VS LIN VCC C C3 Rg Rg M-HI IRF51 M_LO IRF51 + C4 Figur 17: IRF11 Driverkreds. Driveren er implementeret i en 14 pin IC. HI og LO input signlerne tilsluttes ben 1 og 1 henholdsvis. 1

17 De to gtemodstnde (Rg) hr en strømbegrænsende unktion. Kondenstorerne (C og C 3 ) på driverens udgngsside skl være en hurtig type or t kunne nå t lde op mellem hver switching. Kondenstoren (C ) på HI side ldes op gennem dioden, når den nederste switch (T ) er on. Deror skl dioden også være hurtig. Der er vlgt ilmkondenstorer på 47 nf og en schottky diode, der hr den ordel, t den kn switche r on til o og omvendt meget hurtigere end lmindelige dioder. C 1 ungerer som kobling på orsyningen driveren, mens C 4 skl holde spændingen over broen. De to elektrolytter C 1 og C er dimensioneret til henholdsvis 47 µf og 1 µf (Se snit 19.5 Figur 5). Alle komponenterne er dimensioneret eter dtbldsoplysninger. 5.4 Spændingsregultorer Forsyningen til eektelektronikken er vlgt til t være 4 VDC. Over selve H-broen ligger der 4 V, men til de ndre delkredse er det nødvendigt med ndre stbile spændingsniveuer. Der er mnge orskellige måder t sænke spændingen på, men en hurtig og sikker måde er t nvende nogle stndrd spændingsregultorer. Til orsyning udgngen på optokoblerne skl der bruges en spænding på 5 V, se Figur 15. Til dette ormål er der nvendt en spændingsregultor typen LM785, mens der til orstærkerorsyningens 15 V er brugt en type LM317. Begge spændingsregultorer hr den ordel, t de er stbile og simple t koble op. Begge regultorer kræver kun nogle å komponenter (modstnde og kondenstorer), som lle er dimensionerede i de respektive dtblde. LM317 er en vribel spændingsregultor. 5.5 Test og ejlinding Ved en unktionstest eter montge hr der været å ejl, der lle er rettet. Et problem hr været, t elektrolytkondenstorerne over et konverter leg i begyndelsen vr dimensioneret til en mærkespænding på 5 V, d orsyningen r ensretteren er på 4 V. Problemet gv sig til udtryk ved, t konverterbroen ikke virkede korrekt. Ved orsøg med en kondenstor med en mærkespænding på 4 V er problemet løst, og det kn konkluderes, t 1 V i orskel ikke er tolernce nok. Ved en kort systemtest med målekredse og DSP eter montge vr opttelsen, t lle 3 print vr uldt unktionsdygtige. I projektets sluttende se er der dog ved en længerevrende test konstteret en krtig vrmeudvikling i H-broen, der styrer servomotoren til mgnetiseringsstrømmen. Det hr på grund tidsmngel ikke været muligt t rette ejlen i prksis, men en mulig teori er remst og beskrives i det ølgende. Servomotoren til mgnetiseringsstrømmen er ligesom den til regulering nkersspændingen den store model. Forskellen på de to er, t mgnetiseringen skl regulere rem og tilbge hele tiden, hvorimod reguleringen nkerspændingen kun kører ved opstrt systemet. Dette kn orklre, t problemet kun opstår ved mgnetiseringsreguleringen. Der er en mistnke til, t selve problemet kn være en rippelstrøm på motorudgngen. I og med der køres med bipolr drit, er der en orholdsvis stor rippelstrøm på konverterudgngen. Ud over t rippelstrømmen giver nledning til opvrmning i motornkeret, kræver den også større mærkeværdier til mksiml pek strøm i switchene. D induktnsen i A1 og A3 er meget lille (1,7 mh), år rippelen netop mest betydning her, hvilket ses ølgende ligninger, hvor det ntges, t motoren kører med konstnt hstighed, og den inducerede spænding deror er E. 13

18 Ankerspænding (v t (t)) og strøm (i (t)) består en DC og en rippelkomposnt. v ( t) V v ( t) (5-1) I ( t) I i ( t) t t r (5-) dir ( t) Vt vr ( t) E R ( I ir ( t)) L (5-3) dt hvor dir ( t) vr ( t) Rir ( t) L (5-4) dt R kn negligeres, d rippelen primært er bestemt induktnsen 6 : dir ( t) vr ( t) L (5-5) dt Ved bipolr switching er rippelen størst ved en dutycycle på 5 % og dermed en V out = VDC(se snit 19.). Med dette i mente og ved hjælp Figur 18, kn i p-p RMS indes ved t isolere di r (t) og integrere over i pek pek, RMS en hlv periode. V r i p prms (5-6) L s r Hereter ses det tydeligt, t jo mindre induktns i nkeret (L ), jo større pek-pek værdi i strømmen, hvilket øger vrmesætningen i switchene. Figur 18: Rippelspænding og strøm i nkerkreds. Konklusion: Som nævnt er der monteret tre ens print, der lle hr været testet uldt unktionsdygtige, men kræver en optimering i tilældet kontinuerlig drit på grund vrmesætning i H-broen. En mulig løsning til problemet med vrmesætning i broen kn være t montere en induktns i serie med servomotoren eller skite til unipolr switchning or derved t minimere rippelstrømmen. En nden metode kn være t hæve switchrekvensen, men dette vil give ndre problemer med blndt ndet optokoblerne. På printene er lle ire indgnge ørt ud til et stik, der orbindes til DSP en. Dette er gjort or t kunne køre både bipolr og unipolr dritmode. Grundet tidsmngel ved projektets slutning er der vlgt t køre bipolr, d unipolr drit vil kræve ekstr rbejde sotwremæssigt. Ved t lede vrmen væk r broen med orceret køling og køleplder, er det lykkedes t gennemøre lle test og optge de nødvendige målinger på selve genertornlægget. Det er dog nturligvis nødvendigt med en permnent løsning på problemet, inden eektelektronikken kn nses som værende dimensioneret ærdigt. A hensyn til den smlede slutningstest er der monteret bnnstiksbøsninger til orsyning og udgng. Dette letter rbejdsgngen ved til - og rkobling måleudstyr med mere, d der på denne måde kn nvendes prøveledninger. 6 Se litt. liste bog 16 side

19 6 DC drivmotor Indledning: I det ølgende snit vil grundlæggende egenskber og virkemåder or DC drivmotoren blive gennemgået. For motoren gør det sig gældende, t det er en given komponent i projektoplægget. Opgven hr i dette tilælde været en nlyse motoren, d der ikke oreligger nogen dtblde. Dette er gjort or t kortlægge motorens konstnter, der skl nvendes ved en simulering. Motoren er typen Thrige Titn r 1967, det er en kompoundmotor på 3 kw- V / 17 A ved 15 omdr/min, men som det senere vil remgå, nvendes den som remmedmgnetiseret. 6.1 Modellering DC motor Modeldnnelse en motor skl lede rem til en mtemtisk remstilling smmenhæng mellem kslens omdrejningshstighed og terminlspændinger. Strømmen igennem nkeret og strømmen igennem eltet er gørende or kslens omdrejningshstighed. En eventuel belstning kslen kn sænke hstigheden, hvilket kn modvirkes ved t øge strømmen igennem nkeret eller sænke strømmen igennem eltet. Denne smmenhæng kn beskrives ved t smmenkæde en elektrisk model nkerstrømmene og eltstrømme smt et ritlegememodel kslens kinemtik. Driten en DC motor kn udøres på lere orskellige måder, men skl der opnås en mulighed or en mere præcis regulering hstigheden, er det vlgt t køre motoren som remmedmgnetiseret. Køres motoren som remmedmgnetiseret, betyder det, t modelleringen skl kunne repræsentere et system, der modtger to inputs henholdsvis U og U, or dereter t levere hstigheden på motoren. Et system med to input og et output er svært t opstille på trditionel mtemtisk vis. Der er deror opstillet mtemtiske ligninger or de to inputs, hvoreter de er orenet med det mekniske systems ligning, der gør, t hstigheden opnås som output. Den smlede ligning or systemet vil deror kun blive repræsenteret ved hjælp blokdigrm til slut i snittet. Det hr været en nødvendighed or netop t å rektionen r eltviklingen ind i systemet t opstille ligningerne meget detljeret, men ved kortlægning konstnterne er der ote nvendt de lngt mere simple udtryk, d det nses i lere tilælde t hve miniml betydning. Motorens elektriske remstilling: Som nævnt i indledningen vil ækvivlentet or en remmedmgnetiseret motor indeholde to kredse: nker - og eltkreds. Der er i det ølgende vlgt t nvende de uldt beskrivende ligninger, d de ligger til grund or den egentlige simuleringsblok. Figur 19 viser, hvorledes motoren i orm digrm er ækvivleret. 15

20 Figur 19: Elektrisk ækvivlentdigrm or DC drivmotor. For motorens nkerkreds opstilles der ved hjælp Kirchos spændingslov og Figur 19, en ligning or den elektriske kreds: di U L i ri L (6-1) dt For t beskrive eltkredsen kn der eter smme princip opstilles ølgende ligning: di U r i L dt (6-) Motorens mekniske remstilling: Beskrivelsen kslens bevægelse gøres ved brug Newtons. lov or cirkulære bevægelser i en dimension: J d J dt (6-3) 5RWRU H $NVHO / YLVN LQ Figur : Drivmotorens ksel vist med de påvirkende momenter i virkende retning. viser omdr. retning. t in: Repræsenterer den bremsende virkning i orm inerti og dermed er unktion ccelertionen. t visk: Repræsenterer riktionen i motoren. Som udgngspunkt bør den indeholde to led, et der betegnes tørriktion, smt et ndet der kldes den viskose riktion og benævnes b. Den viskose dæmpning er en unktion hstigheden. Det er vlgt t se bort r tørriktionen, d det er en meget lille værdi den smlede riktion. Den hænger, hvilke typer lejer og ophæng motoren består. t L: Angiver belstningen motoren er påtrykt. t e: Momentet her ngiver motorens udviklede moment, der er positivt virkende, d det skl overvinde de ndre momenter. Det er nu muligt t opskrive et udtryk or de påvirkende momenter på kslen, hvoreter 16

21 motorens komplette ritlegeme nlyse vil se ud som ølger: d d e in visk L (6-4) L ii J b L (6-5) dt dt Elektriske og meknisk Der er nu opstillet tilstndsligninger or motorens tre påvirkende dele, og det er nu muligt t inde smmenhængen imellem systemerne. Først isoleres de ledte i de tre ligninger, og det d vides, t ( t). For rmtur, elt og ksel ølger: dt di r L i i 1 di r 1 U (6-6) i U (6-7) dt L L L dt L L d L b ii 1 L (6-8) dt J J J Ligningerne Lplcetrnsormeres nu, så de kn nvendes til implementtion ved simulering: L 1 L S I r I L I U (6-9) I i U (6-1) LS r LS r 1 L S I r I U (6-1) I U (6-13) l S r L 1 JS L I I b TL (6-11) I I TL (6-14) JS b JS b Der er nu opstillet tre ligninger, der tilsmmen beskriver en remmedmgnetiseret DC motor. Implementeres de i en blokdigrm, vil det se ud som ølger: (S) U (S) (S) U 1 L S r Figur 1: Blokskem or simuleringsproil en remmedmgnetiseret DC motor. Det ses desuden, t det er nødvendigt t inde konstnter til t relisere simuleringen med det remkomne blokdigrm. Følgende konstnter er undet ved hjælp orsøg, se snit 19.7 or udledning konstnter. Med de undne konstnter er det nu muligt t simulere systemet. Konklusion: Ved simulering (se kpitel 1) ses det, t hstigheden ikke stemmer helt overens med den ønskede værdi. Det er vurderet, t det er den gensidige induktns, der er den mest usikre konstnt på bggrund, t der ses bort r tb i luxkoblingen imellem sttor og rotor. Ved mnipulering med den gensidige induktns i simuleringen indes det, t den orventede hstighed på kslen remkommer, hvis den gensidige induktns L -sim sættes til 1,36 H. Det er bestemt t nvende denne værdi til videre nvendelse i det ølgende orløb simuleringen. Konstnt Værdi r 843,75 mo L 16,1 mh r 11,54 O L 18,37 H L 1,33 H J m,4976 Kgm b,965 Nm/(rd/s) L -sim 1,36 H Tbel 17

22 7 DC servomotorer Indledning: Foruden drivmotoren er der til styring nlægget brugt tre servomotorer til t styre potentiometrene, der regulerer henholdsvis elt - og rmturspænding på drivmotoren og ikke mindst mgnetisering på genertoren. For disse motorer er der ligeledes undet konstnter til simuleringen. For lle tre motorer, hvor de to desuden er ens, gør det sig gældende, t de er med permnente mgneter, hvilket orenkler modelleringen meget. Desuden hr det or motorerne været muligt t remske dtblde, som hr ligget til grund or læsning de nødvendige konstnter, og hvor det er nødvendigt, er mnglende dt beregnet på bggrund dtbldsoplysninger. Servomotor A1, A og A3: Servo A1er til drivmotorens nkerspænding, A til drivmotorens eltregulering og A3 til mgnetisering genertor. Servo A1 og A3 er smme type og er belstningsmæssige årsger vlgt lidt større. De vil deror remstå med identiske konstnter. 7.1 Modellering servomotorene Servomotorerne skl modelleres med smme henblik som drivmotoren, nemlig t kunne remstille et mtemtisk udtryk til repræsenttion motorens output, hstighed, som unktion motorens input, spændingen. For de to typer motorer gælder ens remgngsmåde, der vil lede rem til et identisk blokdigrm or lle tre motorer. I det ølgende vil blive opstillet ligninger til dokumenttion or modelleringen de tre servomotorer. Som nævnt er der i modsætning til drivmotoren en permnent mgnet i sttoren, hvilket gør, t luxen kn ntges konstnt i eltet og dermed se bort r den gensidige induktns. Motorens elektriske remstilling: Ækvivlentet or den elektriske del motoren kn nu reduceres til kun t omhndle rmturet, d eltets indvirkning ntges konstnt i orm K t. Følgende digrm viser den orenklede udgve servomotoren, der ligger til grund or ligningerne. Figur : Elektrisk ækvivlentdigrm or en DC servomotor. På bggrund Figur opskrives ligningen or rmturet: di U Kti ri L (7-1) dt Motorens mekniske remstilling: Til remstillingen motorens mekniske ligning opskrives ligning (7-). For bgvedliggende teori henvises til snittet vedrørende drivmotoren. ½ 18

23 d d J b L dt dt K i t (7-) De to beskrivende ligninger kn nu skrives op, de ledte isoleres, og der Lplcetrnsormeres: di r Kt i 1 U (7-3) L S I r I Kt U (7-5) dt L L L d Kt b i 1 L (7-4) JS Kt I b TL (7-6) dt J J J Ligningerne isoleres så de kn nvendes til implementering ved simulering. Kt 1 Kt 1 I U (7-7) I TL (7-8) LS r LS r JS b JS b Dette er de uldt beskrivende ligninger or systemet. Ud r overøringsunktionerne kn blokdigrmmet udormes: (S) U 1 L S r K t 1 (S) JS b K t Figur 3: Blokskem or simuleringsproil en DC servomotor. T L viser motorens påtrykte belstning. Konklusion: Der henvises til vedlgte CD-rom indeholdende dtblde or servomotorer. Nedenstående tbeller indeholder konstnter undet ved brug de remstillede ligninger or de to motor typer. Servomotor A1 & A3 Konstnt Værdi r 1,4 O L 1,7 mh J m, Kgm b 7, Nm/(rd/s) K t,77 Nm/A Tbel 3 Servomotor A Konstnt Værdi r 88 O L 73 mh J m 5, 1-9 Kgm b 1, Nm/(rd/s) K t,35785 Nm/A Tbel 4 8 Synkrongenertoren Indledning: I det ølgende snit beskrives, hvordn synkrongenertoren i projektet er blevet behndlet. Det vr r strt meningen, t genertoren skulle beskrives i en sådn grd, t det vr muligt t simulere den uldstændig i lle tilstnde. Det er dog måtte sndes, t genertoren er mere kompleks end ntget. Aslutningen på snittet vil give et mere uddybende indsigt i de 19

24 negligerede ktorer. Det er deror vlgt t se genertoren udelukkende som en meknisk belstning på drivmotoren. Der er deror, ørst or en simpliiceret model, opstillet ligninger or den inducerede spænding smt moment. Forsøg med genertoren hvor moment er som unktion givet eekt, hr dnnet grundlg or en unktion, der kn implementeres i simuleringen. Det er nu muligt t se, hvordn systemet vil regulere ind i orhold til et ønske om ktiv eller rektiv eekt. På trods den orenklede genertormodel dnner det et billede virkelig genertordrit til net, d det typisk er en orudbestemt mængde eekt, der ønskes leveret. Synkrongenertoren, der nvendes, er typen AEG og er på 3,8 kva. Genertorens synkrone omdrejningstl er 15 omdr/min (4 polet) og hr en nominel cos() = 1. Den kn levere 3,35 A / 66 V ved Y-kobling og 5,8 A / 38 V ved D-kobling. Mgnetiseringsviklingen kn orsynes med op til V. Det hr ikke været muligt t nske dtblde på genertoren, så orsøg hr været udørt or t inde mnglende værdier til løsning ønskede dt. 8.1 Modellering synkrongenertoren Genertorens inducerede spænding: En synkrongenertors inducerede spænding er bestemt genertorens inducerede spænding E, men belstes genertoren, vil der være et spændingsld over viklingens ohmske modstnd smt et spændingsld bestemt ved genertorens smlede induktns, der betegnes synkronrektnsen X s. For detljeret udledning den inducerede spænding henvises til snit Smlet kn den inducerede spænding i en se bestemmes som: V E jx I R I s A A A (8-1) Genertorens moment: Fr snit kendes udtrykket or genertorens udviklede eekt. Motorens elektriske udviklede moment er per deinition t G. Det smlede udtryk or genertorens moment bliver P 3V G E sin( ) derved: G (8-) G (8-3) G G X s På bggrund de undne ligninger er der optget et orsøg, hvor momentet som unktion den tgne eekt, ktiv som rektiv, er blevet beregnet. Resulttet er tegnet ind i nedenstående gr. Det er nu muligt ud r de tegnede kurver t bestemme ligninger, der kn bestemme drivmotorens påtrykte lstmoment som unktion tget eekt. 5 y =,64x -,69 15 Te [Nm] 1 y =,37x +, P [W], Q [VAR] Figur 4: Genertorens elektriske moment som unktion tget eekt med tilhørende tendensligning. Sort (ktiv). pink (rektiv). Den rektive kurve er begrænset genertorens mærkestrøm. Se beregningsdokument på vedlgte CD-rom.

25 Det påvirkende moment på motoren er dog ikke kun bestemt ved det elektriske moment. Anlogt til DC motoren påvirkes systemet genertorens og koblingens inerti (J K, J G ) smt genertorens viskose dæmpning b G. Følgende ligning er beskrivende or det uldstændige system: (8-4) L ing ink viskg G L J G d dt J K d dt b G d 3V dt E sin( ) (8-5) G X s Forsøgene er lvet ved konstnt hstighed, der ses deror bort r inerti i genertor og kobling. Følgende udtryk kn som eksempel udtrykke drivmotorens påtrykte moment som unktion tget ktiv eekt. b,64 P,69 (8-6) L G G Konklusion: Når en synkrongenertor skl beskrives, er der hængig ækvivlentets detljeringsgrd, mnge måder t vælge. Der er som udgngspunkt vlgt en beskrivelse med det kendskb til synkrongenertoren, gruppen hr tilegnet sig i det dette semester. Det skl dog nævnes, t gruppen er opmærksom på, t specielt en genertor med udprægede poler stiller større krv til udledningen de ekskte værdier or spænding og eekt og som ølge der moment. Udprægede poler hr den egenskb, t d de er boltet på rotoren med en lille stnd imellem dem, vil der være en vrition i lutspltens størrelse imellem sttor og rotor. Ændringen i lutsplten giver nledning til en vribel rmtur rektionslux. For t beskrive det nøjgtigt kræves det, t rektionsluxen deles op i to vektorielle bidrg, som dderes til læk-rektnsen. Synkronrektnsen vil nu remstå som to bidrg. Bidrget r de to vektorer vil være hængig belstningsstrømmen i genertoren og benævnes q og d. Det er vlgt t se bort r denne vrition i synkronrektnsen og derved ntge en konstnt synkronrektns. Det skl dog bemærkes, t rektnsen i d-ksen er konstnt under normldrit. Kortslutning genertoren er en ktor, der hr stor indvirkning på genertorens under simulering. Følgende teori smt ntgelsen konstnt synkronrektns dnner bsis, hvoror der ikke er lvet en komplet simuleringsmodel synkrongenertoren. En kortslutning kn både ntges som indkobling en stor lst eller en direkte boltet kortslutning. Det er selvølgelig en størrelsesmæssig stor orskel, men gældende or dem begge er t genertoren vil regere med en øget rmturstrøm. For en synkrongenertor er strømorløbet under kortslutning delt op i tre perioder: Den subtrnsiente, den trnsiente og slutteligt en stedy stte periode. I hver de perioder vil indvirkningen r den ideelle vektoropdelte synkronrektns hve sin virkning. Perioderne dnner bsis or en tidskonstnt i de to ørste orløb. Alt i lt betyder det, t der i de to ørste perioder vil være en meknisk rektion på kslen, som vil henøres til drivmskinen. Skl genertoren simuleres præcist, kræver det en meget kompleks udledning, hvor ørst rmturrektionen opløses, og hereter indregnes rektionerne i strømmens trnsiente orløb. Er det udtryk opstillet, er det mulig t å et uldstændig billede, hvordn en synkrongenertor opører sig såvel meknisk som elektrisk under kortslutning. 1

26 9 Indkobling og dritsmetoder genertoren Der er tre dritsmetoder en synkrongenertor: Ø-drit, prlleldrit og generering til stit net. Krvene er de smme or de tre dritsormer. Spændingen og rekvensen skl holdes stbil. DEFU's Rekommndtion er udgngspunktet i lle tre metoder, så skl spændingen være U N + 6 % eller - 1 %, og rekvensen skl være 5 Hz og stbil med ± 1 %. 9.1 Ø-drit Figur 5: En enkelt genertor orsyner en belstning. Ø-drit kldes det, når en enkelt genertor orsyner en given belstning. Det er den mest enkle dritsmetode genertorer. Drivmskinen køres op til genertorens synkrone hstighed, og mgnetiseringsstrømmen indreguleres på genertorens eltviklinger. Mgnetiseringsstrømmen inducerer spændingen (E ) i rmturviklingen. Når spændingen og rekvensen er kommet op på nominelle værdier, kn belstningen kobles ind på genertoren. Udkobling genertoren skl gennemøres, når belstningsstrømmen er mindst. Otest er ø-drit ikke en stbil orsyningskilde. Indkobling store belstninger påvirker systemet så meget, t rekvens og spænding lder. De leste steder i dg orekommer ø-drit, som brug nødgenertorer. 9. Prllel drit Figur 6: To eller lere genertorer orsyner smme belstning Der bruges ote to eller lere genertorer til orsyning belstninger. Dette kldes prlleldrit (se Figur 6). Der er lere ordele ved t køre genertorer i prlleldrit: 1. Flere genertorer kn orsyne større belstninger.. Flere genertorer, der kører i et smlet system, sørger or, t systemet kører, selvom der indes ejl i en mskinerne, og melder deror ikke en uldstændig systemejl. 3. Flere genertorer, der kører i et smlet system giver mulighed or t koble en mskine ud til reprtion eller vedligeholdelse, mens systemet stdig kører. 4. Det er kostbrt og ineektivt t køre en stor genertor i nærheden stor belstning, hvorimod nogle mindre genertorer kn gøre systemet billigere og mere eektivt. Antl indkoblede genertorer er i orhold til belstningens størrelse. For beskrivelse prlleldrit er udgngspunktet en genertor (G1 på Figur 6), som orsyner en belstning. Denne genertor er tidligere kørt op til ø-drit. Hvis belstningen overstiger den belstning, som genertoren kn levere, så kobles den nden genertor ind (G på Figur 6).