Nachhilfe Elektrische Maschinen

Ich habe Probleme mit ein Laborversuch (Untersuchungen im System Maschine-Umrichter). Das Modul heißt :Projektlabor zur Energietechnik II Ich kann Ihnen der PDF senden und Sie können mir sagen ob sie mir damit helfen können Untersuchungen im System Maschine-Umrichter 1 Einführung Dieser Versuch hat Phänomene zum Thema, die nichts mit der eigentlichen Funktion einer Maschine zu tun haben und genauso bei Asynchron-, Synchron- oder Gleichstrommaschinen auftreten. Sie werden durch schnell schaltende Stromrichter, wie sie häufig in Antriebssystemen verwendet werden, hervorgerufen und können zu beträchtlichen Schäden an den Maschinenlagern führen. 1.1 Maschine Bei der Speisung einer Maschine aus einem Drehstromnetz sinusförmiger Spannung ist die Summe der Augenblickwerte der Spannungen (unabhängig von Leiter- oder Strangspannungen) zu jedem Zeitpunkt gleich Null. Bei einem Spannungszwischenkreisumrichter gilt das für die meisten Zeitaugenblicke nicht mehr. Es gibt sehr häufig Zustände, in denen alle drei Motoranschlüsse gleichzeitig entweder auf dem positiven oder negativen Zwischenkreispotential liegen (man spricht von einem Nullzeiger). Die daraus resultierende Spannung wird Gleichtaktspannung oder Common-Mode-Spannung genannt, sie entspricht dem Nullsystem der Symmetrischen Komponenten. Die von der hohen Flankensteilheit verursachten Lagerströme sind in Abb. 1 visualisiert. Diese Umpolungen finden mit mindestens Taktfrequenz und hoher Flankensteilheit statt. Durch die Taktfrequenz des Umrichters verbunden mit der hohen Spannungssteilheit und der Art des Leistungshalbleiters ergibt sich ein relevanter Frequenzbereich, der in Abb. 2[1] dargestellt ist. 1 Projektlabor II Abb. 1: Visualisierung der Lagerströme Daher sind sonst nicht relevante Kapazitäten nicht mehr zu vernachlässigen. Es muss ein kapazitives Netzwerk betrachtet werden, das seinen Ausgangspunkt an der gesamten Ständerwicklung nimmt (Ströme von Strang zu Strang sind jetzt nicht relevant). Abb. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die Maschine mit den wichtigen Kapazitäten. Hieraus kann folgendes Ersatzschaltbild, Abb. 4 abgeleitet werden, wobei zusätzlich die Lager als weitere Kapazitäten hinzugefügt wurden. Ständerwicklung - Gehäuse: Cwf ist die Kapazität zwischen Ständerwicklung und geerdetem Blechpaket, die Hauptisolierung wirkt als Dielektrikum. Sie ist von allen Kapazitäten die größte. Ständerwicklung - Läufer: Cwr beschreibt die kapazitive Kopplung zwischen Ständerwicklung und Läufer, hier liefert die Kopplung zwischen Ständerwickelkopf und Kurzschlussring den Hauptanteil. Läufer - Gehäuse: Crf ist die Kapazität zwischen Läufer und Gehäuse, Hauptbestandteil ist der Luftspalt der Maschine. Lager: Die Lagerkapazität wird durch den Fettfilm gebildet, wenn die Drehzahl groß genug ist (n&100 min−1 ). Bei kleineren Drahzahlen existiert ein elektrischer Kontakt zwischen den Ringen und den Wälzkörpern, das Lager wirkt wie ein Widerstand. Die Versuchsmaschine wird in Stern geschaltet, so ist der Sternpunkt für die Messung der Gleichtaktspannung zugänglich. 2 Projektlabor II Abb. 2: Spektrum der Gleichtaktspannung Abb. 3: Kapazitäten zwischen den Bauteilen der Maschine 1.2 Lager Abb.5 zeigt das Innenleben eines Wälzlagers (ohne Fettfüllung), hier eines Rillenkugellagers (andere Wälzkörper: Nadeln, Zylinderrollen, Kegelrollen, Pendelrollen). Im Stillstand besteht ein galvanischer Kontakt zwischen Innen- und Außenring über die Wälzkörper. In diesem Zustand kann das Lager durch einen ohmschen Widerstand repräsentiert werden. Wenn die Drehzahl einen baugrößenabhängigen Wert überschritten hat, sind Innen- und Außenring durch den Fettfilm um die Wälzkörper herum gegeneinander isoliert. Jetzt wird das Lager durch einen Kondensator mit parallel geschalteter Reihenschaltung aus Widerstand und Funkenstrecke repräsentiert. Steht an dem Lager eine Spannung an, kann der Fettfilm durchschlagen werden. Es fließt ein hoher Strom mit einem Lichtbogen, der auf dem Wälzkörper und den Ringen entlangläuft und sie aufraut. Hierdurch wird das Lager beschädigt und versagt innerhalb kürzester Zeit. Als Sonderausführungen sind auch isolierte Lager verfügbar. Zum Einen können entweder Innenoder Außenring mit einer dünnen Isolierschicht (ca. 50 µm) gegen die Welle bzw. das Gehäuse isoliert werden, zum Anderen können keramische Wälzkörper eingesetzt werden. Die Lager der 3 Projektlabor II Abb. 4: Ersatzschaltbild des Problems Abb. 5: Rillenkugellager 4 Projektlabor II Versuchsmaschine sind isoliert neben der Maschine aufgestellt, die Isolierung kann durch einen Draht überbrückt werden. 1.3 Stromrichter Bei dem Umrichter handelt es sich um einen Sinamics V20 von Siemens. Der Stromrichter verfügt über eine B6-Diodenbrücke als netzseitigen SR, einen Gleichspannungszwischenkreis sowie eine B6c-IGBT-Brücke als maschinenseitigen SR. 2 Versuchsvorbereitung [2] gibt eine gute Einführung in das Thema. Bitte informieren Sie sich anhand der ersten drei Kapitel sowie Kapitel 7.3. Ferner schauen Sie bitte auch in andere einschlägige Literaturstellen. [1], Kap. 3 können Sie Informationen zum Pulsmuster entnehmen. Der folgende Teil muss bis zum genannten Termin in dem vorläufigen Protokoll (saubere Ausführung inkl. Gliederung) nach Moodle hochgeladen werden. Alle Teile müssen verständlich dokumentiert sein. Formeln, Messschaltungen und qualifizierte Geräteliste sind dem jeweiligen Gliederungspunkt zugeordnet. Geben Sie eine Literaturliste an. (a) Benennen Sie das Ziel eines Pulsmusters und beschreiben Sie übliche Verfahren zu deren Erzeugung. (b) Vervollständigen Sie die im Einführungsvortrag begonnene Tabelle der Schaltzustände des Umrichters und geben Sie für jeden Schaltzustand die Lage des Raumzeigers der Außenleiterspannungen auf der Gaussschen Zahlenebene an. Unterstellen Sie hierfür die übliche Zwischenkreisspannung bei einem 400 V-Netz. (c) Erstellen Sie eine Liste der nötigen, geeigneten Messgeräte inklusive Auswahlbegründung. Die Versuchsschaltungen müssen auf diese Liste referenzieren. (d) Zugeordnet zu jedem Versuchsteil planen Sie die Versuchsschaltungen und geben die später benötigten Formeln an. Die verwendeten Messmittel müssen auf die zuvor erstellte Geräteliste referenziert werden. (e) Berechnen Sie die Kapazitäten Cwf der Ständerwicklung gegen Erde, Crf des Läufers gegen das Blechpaket sowie Cwr der Wicklung gegen den Läufer. Abb. 6 zeigt den Querschnitt des Ständerblechs. Betrachten Sie die Anordnung Wicklung-geerdetes Blechpaket als Plattenkondensator. Die Blechpaketlänge beträgt 105 mm, die Dicke der Hauptisolation 0.5 mm und der Luftspalt 0.25 mm. (f) Berechnen Sie das Lagerspannungsverhältnis BVR. Die Lagerkapazität beträgt Cbrg ≈ 40 pF. Bereiten Sie ebenfalls eine Präsentation vor, mit der Sie Ihre Versuchsvorbereitungen am Beginn des Versuchstag erklären und begründen. Diese Präsentation laden Sie bis zu genannten Termin in den entsprechenden Moodle-Kurs hoch. 5 Projektlabor II 3 Versuchsdurchführung Tab. 1: Zu untersuchende Konfigurationen Erdung E1.1 Motor/Gehäuse über PE des ungeschirmten Kabels geerdet E1.2 Motor/Gehäuse über Schirm des Kabels geerdet E2.1 Motor/Gehäuse geerdet über mehradrige Leitung H07VK E2.2 Motor/Gehäuse geerdet über EMV-Litze E3 Motor/Gehäuse über Kabelschirm und EMV-Litze geerdet E4.1 Maschinenbett mit 2.5 mm2 massiv, Welle mit EMV-Litze E4.2 Maschinenbett mit 2.5 mm2 feindrähtig, Welle mit EMV-Litze E4.3 Maschinenbett und Welle mit EMV-Litze E4.4 Gehäuse mit Leitungsschirm, Maschinenbett und Welle mit EMV-Litze Lager L0 ohne Lagerisolierung L1 DE- und NDE-Lager isoliert L2 NDE-Lager isoliert, DE-Lagerisolierung überbrückt, Welle geerdet Es ist unbedingt sicherzustellen, dass mindestens entweder Motor oder Maschinenbett geerdet ist! Ansonsten besteht Lebensgefahr. 3.1 Messung der Kapazitäten Messen Sie die Kapazitäten entspr. Abb. 3 sowie die Kapazität Cph zwischen 2 Wicklungssträngen. 3.2 Untersuchung der Gleichtaktspannung Konfiguration: E1.1, L0 Messen Sie die Spannungen uU−f , uV −f und uW−f sowie uN−f bei den Frequenzen 10 Hz und 25 Hz (Index f: Frame, Gehäuse). Nehmen Sie jeweils ein Oszillogramm über eine Periode der Grundschwingung sowie über einigen wenige Pulsperioden auf. 3.3 Untersuchung der Außenleiterspannungen und des Pulsmusters Konfiguration: E1.1, L0 Oszillographieren Sie die drei Außenleiterspannungen bei einer Frequenz im Bereich 10 Hz...30 Hz über eine Periode der Grundschwingung. 3.4 BVR Konfiguration: E1.1, L0 Oszillographieren Sie die Gleichtaktspannung uN−f und die Lagerspannung bei 5 Hz und 25 Hz. 6 Projektlabor II 3.5 Untersuchung des Gehäusepotentials Konfiguration: L0, (E1, E2, E3) Messen Sie Gleichtaktspannung, -strom sowie die Spannung zwischen dem Maschinengehäuse und der Erdklemme des Stromrichters bei der Frequenz 25 Hz für die fünf Konfigurationen. 3.6 Untersuchung der Rotorerdströme Konfiguration: L0, E4 Messen Sie ucm, icm, iRotor, iP E bei der Frequenz 25 Hz. Achten Sie bitte darauf, dass bei allen Aufzeichnungen die Anstiege der Gleichtaktspannung ungefähr gleich groß sind, damit auch die daraus resultierenden Ströme vergleichbar sind. 3.7 Untersuchung der EDM-Ströme Konfiguration: L0, E3 Messen Sie ucm, icm, uBrgA, iBrgA bei verschiedenen Frequenzen. Ziel ist es, Ereignisse mit einem hohen Lagerstrom aufzuzeichnen. 4 Versuchsauswertung Alle(!) Auswertungen müssen Messschaltungen und Reflexionen enthalten, die auf die bisherigen Inhalte Ihres Studiums und die angegebenen Literaturstellen Bezug nehmen. Das Protokoll enthält ein abschließendes Fazit sowie eine Liste der Oszilloskop-Dateien. 4.1 Messung der Kapazitäten Stellen Sie die gemessenen Kapazitäten den vorausberechneten Werten in einer Tabelle gegenüber und begründen und bewerten Sie die auftretenden Abweichungen. 4.2 Untersuchung der Gleichtaktspannung (a) Ermitteln Sie aus den drei Spannungen Außenleiter gegen Gehäuse den Zeitverlauf der Gleichtaktspannung und weisen Sie durch einen Plot nach, dass dieser Zeitverlauf identisch mit der gemessenen Spannung uN−f ist. (b) Geben Sie die Frequenz der Gleichtaktspannung im Verhältnis zur Taktfrequenz des Stromrichters an. 4.3 Untersuchung der Außenleiterspannungen und des Pulsmusters (a) Stellen Sie den Raumzeiger der Außenleiterspannungen auf der Gaußschen Zahlenebene dar. (b) Beschreiben Sie für eine ausgewählte Pulsperiode, wie innerhalb dieser die Lage des resultierenden Raumzeigers der Spannung erzeugt wird und über welche Mechanismen Betrag und Winkel des Raumzeigers eingestellt werden. (c) Geben Sie begründet an, nach welchem Verfahren das Pulsmuster erzeugt wird. (d) Stellen Sie für die ausgewählte Pulsperiode die Raumzeiger einmal anhand der Messwerte und einmal anhand der idealen Verläufe dar und vergleichen Sie die beiden Darstellungen. 7 Projektlabor II (e) Berechnen Sie die erzeugte Winkellage innerhalb des Sektors sowie die Höhe der Strangspannung für die betrachtete Pulsperiode. 4.4 BVR Berechnen Sie aus den Messungen den BVR und vergleichen Sie den Wert mit den Vorausberechnungen. 4.5 Untersuchung des Gehäusepotentials (a) Stellen Sie die ermittelten Verläufe von Gleichtakt- und Gehäusespannung dar. (b) Bewerten Sie die verschiedenen Erdungskonfigurationen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit, insbesondere auch im Hinblick auf Hochspannungsumrichter. (c) Geben Sie eine sinnvolle Anschlussleitung für 10 mm2 Leiterquerschnitt sowie deren ungefähren Nettopreis für eine Länge von 100 m an. 4.6 Untersuchung der Rotorerdströme (a) Beschreiben Sie die Problematik der Rotorerdströme und die grundsätzlichen Einflüsse. Unterlegen Sie Ihre Argumentation mit einer aussagefähigen Skizze. (b) Stellen Sie in einem(!) Liniendiagramm die aufgezeichneten Größen dar. (c) Bewerten Sie die Ergebnisse. 4.7 Untersuchung der EDM-Ströme (a) Stellen Sie die aufgezeichneten Daten in Liniendiagrammen dar. (b) Beschreiben Sie den Mechanismus der EDM-Ströme, auch anhand von Ersatzschaltbildern. (c) Beschreiben Sie die Auswirkungen auf die Lagerlebensdauer. Literatur [1] Tischmacher, H.: Systemanalysen zur elektrischen Belastung von Wälzlagern bei umrichtergespeisten Elektromotoren, Diss., 2017. *ht* org/10. * ütze, A.: Bearing Currents in Inverter-Fed AC-Motors, Diss., 2004