2009lessen-2_ver2-1.0_023-127

Lesstof elektrotechniek / elektrische aandrijftechniek Voor werktuigbouwkunde 023-127

Niets uit dit dictaat mag worden gecopieerd / vermenigvuldigd / gedigitaliseerd zonder schriftelijke toestemming van Huppertz technical services b.v. Huppertz technical services b.v. is niet verantwoordelijk voor eventuele fouten in dit dictaat dan wel voor fouten die ontstaan door de inhoud van dit dictaat. lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

1

Elektrotechniek / elektrische aandrijftechniek Totaal 14 lesuren college

versie 30-9-09

Algemeen: De stof in dit dictaat is bedoeld als ondersteuning voor de hoorcolleges. In de colleges wordt de stof toegelicht met voorbeelden en details. Het aanwezig zijn bij de hoorcolleges wordt met klem aangeraden. Inhoudsopgave: 1. Elektrische schema’s 1.1. Inleiding 1.2.Basissymbolen 1.3.Voorbeelden stroomkringschema’s 1.4.Noodstoprelais

.

2.DC motoren 2.1. DC motoren zonder veldwikkeling 2.2.DC motoren met veldwikkeling 2.3.Regelen van toerental van deze motoren 2.4.Terugkoppeling met behulp van tacho of ankerstroomterugkoppeling 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11

AC motoren / draaistroommotoren De draaistroommotor Kenmerken van een draaistroommotor / ster – driehoek / typeplaatje/softstarter Toerentalregeling van een draaistroommotor Frequentiesturing / regeling Frequentieregelaars, typen en uitvoeringen. Gebruik van een frequentieregelaar. De werking van een frequentieregelaar. Bedienen /aansluiten van een frequentieregelaar Belangrijkste instellingen van een frequentieregelaar Storingen bij frequentieregelaars Opties / PI(D)-functie in frequentieregelaars / PI(D) regelaars algemeen

4.

PI(D) regeling

5. 5.1 5.2 5.3

Andere motoren servomotoren (AC servo / DC servo). stappenmotoren toepassingen zoals positioneringen / synchronisatie van assen

6. 6.1 6.2

Wisselspanning – cos phi Wisselspanning door een spoel en een condensator Vermogen bij gelijk- en wisselspanning / cos phi

7. 7.1 7.2 7.3 7.4

Logische besturingen / standaardsignalen / communicatie protocollen / bussystemen / displays digitale signalen / analoge signalen / potentiometers koppeling besturing / drives / displays / regelaars digitale schakelingen / geheugens / programmaopbouw

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

2

1

Elektrische schema’s

1.1

Inleiding

Bij bijna elke machine (met elektrische aandrijvingen en/of bediening) in een industriële omgeving hoort een elektrisch paneel. In dat paneel zijn alle benodigde elektrotechnische componenten opgenomen die nodig zijn om de machine te laten werken. In het paneel zijn alle componenten met draden verbonden zodat de besturing (het paneel) op zich een geheel wordt. In het paneel tref je verder meestal een hoofdschakelaar aan, de benodigde zekeringen, een noodstopcircuit, de benodigde motorbeveiligingsschakelaars, relais, eventueel de PLC en frequentieomvormers, meet- en regelapparatuur. Voor de stuurstroomspanning van 24 VDC is in het paneel een voeding (trafo) opgenomen. In het paneel zijn de componenten overzichtelijk opgebouwd op (Din)-rails en liggen de verbindingsdraden in kunststof kanalen. Verder is in het paneel een klemmenstrook voorzien waaraan alle in- en uitgaande kabels worden aangesloten. Dit zijn kabels van bijvoorbeeld de motoren, maar ook van schakelaars of sensoren in het “veld”. Op het electrische schema horen de klemnummers vermeld te zijn, zodat aan de hand van het schema de in- en afgaande bekabeling juist kan worden aangesloten. Het kan ook zijn dat er schakelaars en/of indicators zoals lampjes of meters op de voorzijde in het paneel zijn ingebouwd Bij installatie wordt het paneel voorzien van een voeding en wordt de veldbekabeling aangesloten. Voordat het paneel gebouwd kan worden wordt eerst de elektrotechnische engineering uitgevoerd, dit wil zeggen wordt het elektrische schema opgesteld en getekend. In dit schema zijn alle onderlinge verbindingen tussen de componenten en alle klemmen etc. getekend. Dit schema is ook nodig om later de veldbekabeling aan te kunnen sluiten of om een storing te kunnen zoeken. Het is heel belangrijk dat dit schema “as built” is en dat het schema goed toegankelijk (liefts in het paneel) wordt opgeborgen. Omdat een elektrisch schema uit meer bladzijden kan bestaan (bij grote installaties wel een paar honderd) is het belangrijk om te weten hoe een schema gelezen moet worden. In deze lesstof wordt vooral ingegaan op het lezen van een schema, niet op het engineeren hiervan. 1.2 Basissymbolen, schakelaar, spanningsbron, lamp / relaisspoel Om op overzichtelijke wijze weer te kunnen geven hoe een installatie opgebouwd (bedraad) is zijn er afspraken gemaakt met betrekking tot de te gebruiken symbolen. Een aantal symbolen is belangrijk voor het goed kunnen lezen van een schema. In onze lessen gaan we vooral uit van symbolen voor industriële installaties en niet voor huisinstallaties. Natuurlijk zijn er veel overeenkomsten in de gebruikte symbolen maar zijn er ook kleine verschillen (afhankelijk van het tekenpakket en/of de tekenaar) We noemen hier: 1.de spanningsbron 2.de lijnen voor draden, met hun aftakkingen 3.de afgeschermde kabel 4.de contactbus en contactpen 5.de weerstand en potentiometer 6.de motor (o.a. 3 fasen wissel) 7.de omvormer (trafo, maar ook bijv. p/u of f/i 8.de zekeringautomaat 9.diverse (relais)contacten 10.de “motorgroep” 11.diverse relais(spoelen) 12.diverse schakel- en bedienelementen 13.lampje, signaalhoorn, ventiel, benaderingschakelaar lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

3

Hieronder is een schmematische weergave van bovengoemde symbolen weergegeven.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

4

Note: relais en magneetschakelaars hebben in principe dezelfde werking. Het zijn, gezegd, schakelaars welke door een electromagneet worden gesloten. Met één electromagneet kunnen tegelijkertijd meer schakelaars worden bediend. Relais hebben derhalve meer dan één contact. De term magneetschakelaar wordt meestal gebruikt bij grotere vermogens. De werking is gelijk als bij een relaitje, echter de contacten zijn zwaarder uitgevoerd om grotere stromen (grotere vermogens) te kunnen schakelen. (In volgende lessen wordt verder op het relais ingegaan) Verder worden componenten in schema’s aangegeven met codes. Veel gebruikte codes zijn: F Q U S K H A

voor zekering (fuse) voor magneetschakelaar (vermogen schakelen) voor electronische componenten (computer / printplaten etc) voor schakelaar (switch) voor relais voor uitvoerende componenten (lampje, ventiel etc) voor frequentieomvormers

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

5

1.3

Voorbeelden van stroomkringschema’s (schema’s worden in de les behandeld) eenvoudige aan / uit schakeling (direct geschakeld)

aan / uit schakeling met relais (vermogens splitsen, stuurstroom) de volgende “schakelvoorbeelden” worden in de les behandeld •+ lijn aan de bovenzijde, - lijn aan de onderzijde, •lampje, brandt wanneer aangesloten tussen de + en de -. •vermogensdeel 3 fasen+N+PE getekend met daaronder motor, geschakeld door een “electromagneet” met 1 en daarna 3 contacten (relais dus), •in stuurstroom schakelaar met houdcontact + lampje en een relaisspoel; van hieruit dus een koppeling tussen stuurstroomdeel en vermogensdeel. •Extra contact t.b.v. extra lampje laten branden. •Drukker t.b.v. op meerdere plaatsen bedienen en t.b.v. bijvoorbeeld spanningsdip •Maker, verbreker, overnamecontact. •“fail-safe” uitvoering met verbreekcontacten. (waarom ??) Hierbij dus ook gelet op beveiliging tegen kabelbreuk. eenvoudige relaisbesturing, overnamecontact. (noodstop, veiligheid bij spanningsdip). voorbeelden worden in de les behandeld Het electrische schema van het “Hogeschool Zuyd, project demo E” ( zie de volgende pagina’s) wordt in de les uitgebreid behandeld. (note: het schema staat ook als ACAD file in de openbare map elektro 2) Extra te vermelden is het feit dat de “nul” belangrijk kan zijn bij industriële componenten die werken op 230 VAC en die de fase van verschillende fases uit het paneel krijgen. Bij het losraken / losmaken van de nuldraad kan het voorkomen dat er 400 VAC over die componenten komt te staan.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

6

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

7

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

8

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

9

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

10

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

11

Aan de hand van het hierna volgende schema betreffende molen 8-10-12 wordt het schema-lezen nogmaals herhaald. (schema staat als ACAD ook in openbare map elektro 2) Eveneens wordt in de les een voorbeeld besproken van het toepassen van een timer (tijdfunctie) met opkom- en afvalvertraging (3 draads dus)

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

12

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

13

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

14

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

15

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

16

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

17

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

18

1.4

Noodstoprelais

Vroeger bestond een veiligheidsschakeling slechts uit een door de elektrotechnicus zelfgemaakte veiligheidschakeling, bestaande uit een relais met verbreekcontact. In het verleden is vaker gebleken dat een normaal elektromechanisch hulprelais steeds de zwakste schakel in de veiligheidsvoorziening is. De nieuwe geharmoniseerde normen eisen nu dat schakelaars en sensoren welke op machines zijn gemonteerd en gebruikt worden in veiligheidsschakelingen gedwongen (mechanisch verbonden) contacten moeten hebben en besturingslogica moeten hebben met zelfcontrole. Een conventioneel relais heeft niet zulke veiligheidseigenschappen en faalt meestal in “gesloten” positie. Hiermee komt de integriteit van het gehele veiligheidscircuit in gevaar. Eind jaren 80 is er door de fa. Pilz (duitsland) een noodstoprelais ontwikkeld waarin de gestelde eisen van de voornoemde veiligheidsschakeling in een relaisbehuizing gestopt zijn. De introductie is een groot succes geweest en de naam Pilz of het type PNOZ staat nog steeds synoniem voor “noodstoprelais”. In de jaren daarna is het “veiligheidsrelais” steeds verder ontwikkeld en ook door andere fabrikanten op de markt gebracht. De electronica heeft in de relais inmiddels zijn intrede gedaan en zorgt voor de zelfcontrolerende functies. De interne schakeling van het veiligheidsrelais is redundant opgebouwd en biedt zelfcontrole waardoor een enkele fout niet tot verlies van de veiligheidsfunctie leidt. Of een noodstoprelais wordt ingezet is afhankelijk van de (veiligheids-)situatie en van de geldende normen. Tegenwoordig is het zo dat al bijna standaard in een (ook kleine) besturingskast een noodstoprelais wordt ingezet. Om te bepalen of en hoe een veiligheidcircuit moet worden uitgevoerd is er een graduatie in categoriën / klassen. In principe wordt een machine hoger ingedeeld als de kans op letsel groter is, de duur aan blootstelling groter is en/of de graad van letsel erger is. Ter informatie en als voorbeeld is hieronder een overzicht van de categoriën en van de eisen gesteld aan een besturingstaak met veiligheidsfunctie weergegeven.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

19

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

20

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

21

2.

DC motoren

.

In dit hoofdstuk wordt ingegaan op DC (gelijkstroom) motoren en snelheidsregelingen voor deze motoren. In de stof wordt de motor en de regelaar behandeld als een standaard koopdeel en wordt niet meer in detail ingegaan op de werkingsprincipes van de DC motoren. Dit is in het 1e blok aan de orde geweest. Ook bij de gelijkstroomregelaars wordt niet ingegaan op de werking van de electronica maar wordt ervan uitgegaan dat de regelaar als koopdeel wordt ingekocht. Wel wordt er in de les ingegaan op: 2.1 2.2 2.3 2.4

DC motoren zonder veldwikkeling DC motoren met veldwikkeling Regelen van toerental van deze motoren terugkoppeling met behulp van tacho of ankerstroomterugkoppeling.

2.1 DC motoren zonder veldwikkeling Bij een gelijkstroommotor zonder veldwikkeling zal het magnetische statorveld dus moeten worden opgebouwd met behulp van permanent magneten. Deze magneten, vervaardigd van onder andere ticonal of samarium-kobalt zijn bijzonder goed van kwaliteit en behouden hun eigenschappen, mits het magnetische circuit jniet wordt verbroken en geen grote stoorvelden (kortsluitstromen door ankerwikkelingen) aanwezig zijn, gedurende de mechanische levensduur van de motor. Voor wat betreft de eigenschappen is deze motor gelijk aan de shuntmotor, waarvan het magnetische veld bij konstante voedingsspanning immers ook constant is. Voor wat betreft het koppel van de shunt motor of permanent DC motor kan worden verwezen naar de onderstaande formules met hun afleiding en de grafiek (grafiek 1): We gaan uit van de betrekkingen

U = E + Ia R E = c ω Φmax Me = c Φmax Ia (flux klein  koppel klein)

De afleidingen van bovenstaande formules laten we hier achterwege. Substitutie van de 2e en de stroom uit de 3e formule in de 1e formule geeft: ω = U/cΦmax - R/(cΦmax)2 * Te en hieruit kunnen we afleiden dat: •De eerste term is een constante grootheid •De tweede term is relatief klein (bij een shunt motor is R geeft n>

U< geeft n<

Shuntmotor niet vreemd bekrachtigd (komt in industrie niet (meer) zo vaak voor. Bij een regeling van de voedingsspanning zal de spanning op zowel anker als veld variëren (dus bij lagere spanning ook lagere flux. Hierdoor zal het toerental nagenoeg gelijk blijven. (Let wel op, bij gelijkblijvend koppel zal de ankerstroom toenemen met het gevolg dat het anker te warm kan worden met verbranding tot gevolg. Shuntmotor

vreemd bekrachtigd. (Meestal toegepast in de industrie) Het toerental is evenredig met de voedings(anker)spanning.

Bij de shuntmotor kan de ankerspanning op verschillende manieren worden gestuurd, te weten 1.met een voorschakelweerstand in serie 2.met een regeltransformator 3.elektronisch lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

28

Anno 2004 wordt meestal gekozen voor elektronische regelapparatuur t.b.v. het sturen van de ankerspanning. . Dit kan natuurlijk eenvoudig met behulp van een regelbare voeding. Ietsjes uitgebreider voor wat betreft mogelijkheden zijn de zogenaamde DC motor snelheidsregelaars (speed regulators) welke in allerlei vormen en modellen leverbaar zijn. Bij selectie van de speedcontroller is het van belang om af te stemmen: •Maximale uitgangsspanning regelaar •Ingangsspanning van de regelaar (vaak heb je bij max. uitgangsspanning van 24 VDC een 24 VDC ingangsspanning nodig) •Maximale stroom welke geleverd moet kunnen worden •Moet de regelaar wel of niet voorzien zijn van aansluitingen voor een veldwikkeling •Moet de regelaar zijn voorzien van instellingen voor acceleratietijd, deceleratietijd, maximaal koppel, maximaal toerental •Moet de regelaar voorzien zijn van mogelijkheden voor tacho-terugkoppeling. •Moet 4Q bedrijf mogelijk zijn.

eenvoudige DC motor speed regulator

DC motor speed regulator met instellingen voor o.a. acceleratie en deceleratietijd.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

29

2.4

terugkoppeling met behulp van tacho of ankerstroomterugkoppeling.

Indien een toerental sturing niet nauwkeurig genoeg is moet worden overgestapt op een toerentalregeling. Hierbij dient er een terugkoppeling gerealiseerd te worden waarbij de toerentalafwijking (of een maat hiervoor) wordt teruggekoppeld naar de regelaar, zodat deze kan corrigeren voor de afwijking.

terugkoppeling SpeedController

Tacho o.i.d. DC motor

spanning + en - draad

Bij gelijkstroommotoren met “closed-loop” toepassingen wordt vaak gebruik gemaakt van zogenaamde tacho’s (een soort dynamo) welke een bepaalde DC spanning bij een bepaald toerental afgeven (bijvoorbeeld 20 VDC per 1000 rpm). Ook kan een digitale encoder worden toegepast. Op deze manier kan een bepaald gevraagd (ingesteld) toerental precies worden gehouden, ook bij belastingvariaties, bijvoorbeeld bij nauwkeurige (mini) extruders. We noemen de hier omschreven toepassing een toepassing met tachoterugkoppeling. (let op dat bij toepassingen waarbij een heel nauwkeurigen (lage) snelheid nodig is, er een tacho met borstels wordt toegepast in plaats van met een gelijkrichter. In een gelijkrichter is ca. 0,5 V verlies) Een andere mogelijkheid is om de ankerstroom te meten. De ankerstroom is immers een goede maat voor het koppel van de DC motor. Neemt de ankerstroom toe dan neemt dus de belasting toe en zal er positief gecorrigeerd moeten worden op het toerental van de motor. In moderne “speed-regulators” zijn de mogelijkheden voor ankerstroom-terugkoppeling meestal geïntegreerd. Met een dipswitch moet vaak de keuze gemaakt worden tussen ankerstroom- of tachoterugkoppeling.

Bij het regelen cq. sturen van DC motoren dient altijd rekening gehouden te worden met bepaalde beperkingen. Naast de limieten met betrekking tot mechanische en electrische grenzen van de motor dient er ook rekening gehouden te worden met mechanische beperkingen. Zo wordt het maximale toerental onder andere mede bepaald door: •Onbalans van het anker •Lagering •Krachten uitgeoefend op de rotor (wikkelingen) door de optredende middelpunt vliedende kracht. Tevens kunnen aan de uitgaande as gekoppeld overbrengingen, rotatiesnelheidsopnemers enz met hun eigen limieten het maximale toerental begrenzen.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

30

4.AC motoren / draaistroommotoren

3.1.

De draaistroommotor.

Een draaistroommotor is opgebouwd uit een stilstaande stator met wikkelingen en een draaiende rotor. In een 2 polige motor liggen drie gewikkelde “koperparen” (spoelen) in de stator. Elke spoel is op een netfase aangesloten. Omdat de stroom (spanning) uit het net sinusvormig is en de drie fasen steeds 120 graden verschoven liggen, heeft steeds een ander “koperpaar” de grootste stroom en wekt hiermee dus het grootste magnetische veld op. Hierdoor zal het magnetische veld (het draaiveld) in de stator als het ware gaan ronddraaien en wordt de (kortsluitanker)-rotor meegetrokken.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

31

Het koppel van de motor neemt toe naarmate de (kortsluitanker)-rotor verder achterblijft op het draaiveld. Door de “slip” ontstaat een wisselend magnetisch veld waardoor door de rotor een stroom gaat lopen. Deze stroom genereert wederom een kracht welke resulteert in koppel op de motoras. Hoe groter de slip in de motor is (door grotere mechanische belasting), des te groter is de stroom door de rotor en dus ook de resulterende kracht.

figuur – open achterzijde draaistroommotor Bij oudere motoren is de rotor nog wel eens voorzien van sleepringen waarop koolborstels lopen. Hiermee kan met behulp van externe weerstanden de stroom door de rotor worden beperkt waarmee ook de aanloopstroom beperkt wordt. Omdat tegenwoordig (2004) deze motoren niet meer in nieuwe installaties worden ingezet, wordt hier niet verder op ingegaan. Met het achterblijven van de stator is de elektrische slip van een draaistroommotor (asynchroonmotor) verklaard. Bij een nominaal toerental van bijvoorbeeld 1500 RPM draait de motor met belasting bijvoorbeeld maar 1440 RPM (de slip bedraagt tussen de 3 en 5 %).

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

32

(Een synchroon motor is voorzien van een permanent magneet rotor. Hier hoeft dus niet eerst slip te ontstaan om een magnetisch veld in de rotor op te wekken. Dit is het geval bij zogenaamde servomotoren. Deze hebben dus ook geen slip ten opzichte van het draaiveld.) Het “draaiveld-toerental” en dus hiermee het nominale toerental van de motor is afhankelijk van de frequentie en het aantal polen van de veldwikkelingen. Indien er meer polen in een motor gewikkeld zijn “duurt het langer voordat het draaiveld rond is”. Bij een draaistroommotor welke direct op het net geschakeld is bedraagt de frequentie 50 Hz (50 periodes per seconde, is dus 50 x 60 = 3000 periodes per minuut). Deze frequentie ligt vast met het toerental van de generator van het energiebedrijf. (n = fx60/p p=aantal poolparen) Het aantal polen in een motor is altijd een even getal (noord- en zuidpool). Zo bestaan er standaard onder andere 2-polige, 4-polige, 6 polige, 8-polige motoren. Een 2 polige motor (3 spoelen met 2 polen, een N en een Z pool dus) draait bij een frequentie van 50 Hz dus met een nominaal toerental van 3000 rpm. In het typenummer van een elektromotor staat meestal achter aan een code voor het aantal polen ( -2 of -4 etc). (n = f*60)/p met p = aantal poolparen. Vaak toegepast wordt een 4-polige motor, waarvan het nominale toerental dus 1500 rpm is. Met deze theorie ligt eveneens het maximale toerental vast van een draaistroommotor direct op het net. De snelst draaiende motor is minimaal 2 polig. Bij een frequentie van 50 Hz is het maximale toerental dus 3000 rpm. Bij toepassingen waarbij een hoger toerental noodzakelijk is, bijvoorbeeld in de houtbewerkingindustrie, is het gebruik van frequentieregelaars (bij AC motoren) noodzakelijk. Uitsturen van een frequentie van 400 Hz is zonder problemen mogelijk. Hierdoor kan een motor dus 8 * 3000 = 24000 toeren /min draaien. Dit kan uiteraard alleen met speciaal hiervoor ontwikkelde en gemaakt motoren. Standaard motoren kunnen deze toerentallen mechanisch niet aan en kunnen zelfs uit elkaar vliegen door de grote krachten op de rotor of door de hoge lagersnelheden. De beperkingen met betrekking tot maximaal toerental is afhankelijk van het type motor. Als richtlijn kan worden aangehouden dat in ieder geval motoren tot 160 kW standaard in 2-polige uitvoering leverbaar zijn. Een toerental van 3000 rpm is hierbij dus geen probleem. Afhankelijk van de motorgrootte wordt de toerentaloverschreiding boven deze 3000 rpm dus beperkt. Opgemerkt kan worden dat een kleine motor (bijv. 0,75 kW) eerder tot bijvoorbeeld 4000 rpm kan worden opgevoerd dan een grotere motor. lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

33

3.2.

Kenmerken van een draaistroommotor / ster - driehoek

Op bovenstaande typeplaatjes zijn de volgende motorkenmerken af te lezen: •Typenummer •Serienummer •Asvermogen •Cos phi •Nominale toerental, •Aansluitspanning •Frequentie •Nominale stroom

(vaak zit in dit nummer de bouwgrootte en pooltal opgesloten) (evt. van belang in verband met speciale uitvoeringen) (nominaal vermogen dat de motor aan de as kan leveren) (cos phi bij nominale belasting) (toerental bij nominale belasting) (hieruit kan de maximale spoelspanning worden bepaald.) (frequentie waarbij de spoel de maximale spanning aan kan) (nominale stroom door een spoel bij nominale belasting)

In de les zullen de betreffende kenmerken behandeld worden en zal worden ingegaan op het aansluiten van de motor in ster of in driehoek. Met behulp van een speciale schakelaar of met 3 relais en een timer kan een ster-driehoek schakeling worden gemaakt. Met een ster-driehoekschakeling wordt de aanloopstroom van een motor beperkt van 6 x Inominaal tot 3x Inominaal. Uiteraard is er, door de lagere spanning en stroom, een lager koppel beschikbaar. Het schema wordt in de les behandeld en opgetekend. Ook wordt in de les de werking en het gebruik van een softstarter behandeld. Een softstarter is een veredelde ster-driehoekschakelaar die electronisch de spanning aan de motorklemmen laat oplopen bij het starten. (Niet vergelijkbaar met een frequentieregelaar die de frequentie vanaf 0 verhoogd bij het starten). Door te starten met een lagere spanning is er een lagere aanloopstroom (3x Inominaal). De spanning wordt lineair in de tijd verhoogd.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

34

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

35

Andere “types”motoren zijn mogelijk conform onderstaande voorbeeld-klemmenborden.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

36

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

37

Eveneens besproken kenmerken aan de hand van “exploded view” Kolmer catalogus

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

38

Isolatieklasses Kolmer catalogus

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

39

Elektrische opties rem) Als voorbeeld:

Kolmer catalogus (PTC, stilstandverwarming, klixon, geforceerde koeling,

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

40

Beschermingsklassen motoren

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

41

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

42

3.3.

Toerentalregeling van een draaistroommotor.

Om het toerental van een draaistroommotor te regelen zijn er een aantal mogelijkheden: -Poolomschakelbare motoren. Door als het ware 2 motoren in hetzelfde huis te wikkelen kan het pooltal van een motor bijvoorbeeld met behulp van een schakelaar worden gewijzigd. We noemen dit pool-omschakelbare motoren. De volgende lijst kan worden aangehouden: 8 polen 6 polen 4 polen 2 polen

750 rpm 1000 rpm 1500 rpm 3000 rpm

-Spanningsregeling Dit principe kan voor de stator en voor de rotor gebruikt worden. In het geval van rotorspanningsregeling maakt met gebruik van sleepringankermotoren. De spanning kan geregeld worden met behulp van weerstanden, transformatoren of thyristorregelaars. Het rendement van toerenregeling door middel van spanningsregeling is erg laag. De warmteverliezen in de motor of de weerstanden bij toerentallen onder het nominale toerental zijn aanzienlijk. Veelal is de regeling alleen geschikt voor toepassingen bij lage koppels (bijvoorbeeld ventilatoren) -Frequentieregelaars Op toerentalregeling door middel van frequentieregelaars word verder in het verhaal ingegaan.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

43

3.4

Frequentiesturing / frequentieregelaar

In dit verhaal over frequentieregelaars bedoelen we met een frequentieregelaar een elektronisch apparaat met welk het mogelijk is het toerental van een draaistroommotor te regelen. Strikt genomen zou de term frequentiesturing in onze opvattingen beter zijn. In de praktijk stellen wij in de meeste gevallen een gewenste frequentie in en de elektronica zorgt ervoor dat de gevraagde frequentie naar de motor wordt gestuurd. Er is echter geen enkele controle of de motor daadwerkelijk draait en of de motor wel het juiste toerental draait. Hierbij komt ook dat we te maken hebben met een (onstabiele) slip in de elektromotor. Indien we bijvoorbeeld 25 Hz naar een 4 polige motor sturen zal deze niet 750 rpm draaien maar slechts 720 rpm. Om toch de 750 rpm te draaien moeten we een frequentieregelaar hoger instellen, bijvoorbeeld op 27 Hz. In het hierboven genoemde geval werken we met een zogenaamd “open loop” systeem. In tegenstelling tot het “open loop” systeem kan ook een “gesloten loop” (closed loop) systeem worden gemaakt. Hierbij wordt op de motoras met hulp van een encoder of een tacho de werkelijke snelheid gemeten en doorgegeven naar de regelaar. De regelaar corrigeert dan automatisch de uitgestuurde frequentie om zo een exact gewenst toerental te halen. Omdat in het dagelijkse spraakgebruik ook een eenvoudig gestuurd systeem “frequentieregelaar” genoemd wordt doen wij dit ook in het vervolg van dit verhaal.

Omron / yaskawa frequentieregelaars

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

44

3.5.

Frequentieregelaars, typen en uitvoeringen.

De hoofdkenmerken van een frequentieregelaar worden bepaald door de maximale stroom en de ingangspanning. Afhankelijk van de benodigde opties kan vaak een keuze uit diverse types en modellen worden gemaakt. Met de maximale stroom ligt het maximaal aan te sluiten motorvermogen vast. Meestal wordt ook de grootte van de frequentieregelaar aangegeven in kW en is er per motorgrootte een frequentieregelaar beschikbaar. Op een frequentieregelaar kan geen grotere motor worden aangesloten. Wel is aansluiten van een lichter motor mogelijk. Hierbij moeten dan de standaard ingestelde beveiligingsparameters worden aangepast. Uiteraard is dit ook aan ondergrenzen gebonden. Met de spanning van de frequentieregelaar wordt de aansluitspanning van de regelaar bedoeld. Standaard zijn regelaars verkrijgbaar voor een 1 fase voeding (230 V) en voor een 3 fase voeding (400 Volt). Bij 1 fase regelaars (230V) stuurt de regelaar toch 3 fasen uit, echter ook met een spanning gelijk aan de ingangsspanning (3 x 230 Volt dus). Op deze regelaars kunnen standaard motoren van het 230/400 Volt type zonder problemen worden aangesloten. Deze motoren dienen dan wel in driehoek te worden aangesloten. In verband met de gelijkrichting van slechts 1 fase, zijn 1 fase regelaars goedkoper dan 3 fasen regelaars. In verband met de 1 fasige voeding en afzekering adviseren wij deze regelaars toe te passen tot een vermogen van ca. 1,5 kW. Omdat frequentieregelaars in zijn algemeenheid steeds kleiner gebouwd kunnen worden, kunnen deze tegenwoordig op de motor gebouwd worden (als het ware in de klemmenkast). Ondanks de ogenschijnlijke voordelen van besparing van kastruimte etc. heeft dit nog altijd niet echt doorgezet. Nadeel is bijvoorbeeld dat er naast de vermogenskabel veelal weer een aparte stuurstroomkabel gelegd moet worden omdat vaak de besturing toch in een paneel gebouwd zit. Voor sommige “stand-alone” applicaties kan de ingebouwde frequentieregelaar natuurlijk handig zijn.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

45

3.6.

Gebruik van een frequentieregelaar.

koppelverloop / aanlopen Als een draaistroommotor op het net is geschakeld wordt het toerental bepaald door het aantal polen van de veldwikkelingen van de motor en de netfrequentie. De netfrequentie is vast (50 Hz). Bij toepassing van een frequentieregelaar kan de aangeboden frequentie gevarieerd worden waardoor het toerental van de motor kan worden gevarieerd. Bij het direct inschakelen van een motor op het net is het toerental van het draaiveld direct 50 Hz, terwijl de rotor nog stilstaat. Hierdoor is er een enorm hoge slip in de motor en neemt de motor een hoge stroom op. Deze stroom is normaal 5 tot 6 keer de nominale motorstroom. Het startkoppel is echter maar 2 maar het nominale koppel (de motor is zogenaamd in verzadiging). Met behulp van een frequentieregelaar kan, zoals de naam al zegt, de frequentie van de stroom gevarieerd worden. Bij het opstarten van de motor gebeurt dit altijd met een lage frequentie, welke (met instelbare hellingshoek) wordt opgeregeld naar het gewenste toerental. De motor blijft hierdoor altijd in het normale werkgebied met een lage slip en dus ook een relatief lage stroom. Ook bij het sturen van verschillende frequenties wordt de koppelkromme als het ware continu verschoven volgens de eerder getoonde afbeelding. Bij elke ingestelde frequentie bevindt de motor zich dus in het optimale werkgebied van de koppeltoerenkromme.

Voordelen van een frequentieregelaar zijn: •De aanloopstroom is nooit hoger dan 1,5 tot 2 maal de nominaalstroom terwijl toch een hoog startkoppel bereikt kan worden. •Doordat de aanloopstroom wordt beperkt kan de aandrijving vaak gestart worden zonder dat de motor warm loopt. •De motor loopt geleidelijk aan met instelbare aanlooptijd. •Door de geleidelijke aanloop zijn er geen schokkende belastingen in de aandrijving, waardoor de (mechanische) levensduur wordt verlengd. lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

46

•De motor loopt geleidelijk uit met instelbare uitlooptijd. Ook bij het uitlopen blijft de aandrijving gecontroleerd. •De motor kan bij zware aanloop niet in het zogenaamde zadelpunt blijven hangen. •Het toerental van de motor is traploos regelbaar. •Bij met name pompen en ventilatoren (exponentiele toeren-vermogen kromme) kan er een aanzienlijke energiebesparing verkregen worden door het regelen van het toerental. Spanning en frequentie. Het regelen van alleen de frequentie is niet genoeg om het toerental van een draaistroommotor te kunnen regelen. De statorwikkeling van een motor zijn op te vatten als een spoel met een weerstand (impedantie). De impedantie van een spoel is afhankelijk van de frequentie. Indien bij het verlagen van de frequentie de spanning gelijk blijft, zal er door de motor dus een steeds hogere stroom lopen, tot oneindig hoog bij 0 Hz. Om dit te voorkomen wordt de spanning in een frequentieregelaar geregeld evenredig met de uitgangsfrequentie. Men spreekt daarom ook wel van de Volt/Herz verhouding of V/Hz curve. In principe is het verband tussen frequentie en spanning lineair. Omdat een spoel is opgebouwd uit koperdraad hebben we ook ohmse weerstand. In verhouding is deze het grootste bij lage frequenties. (De ohmse weerstand is onafhankelijk van de frequentie.) Om de invloed van de ohmse koperweerstand bij lagere frequenties te compenseren, kan vaak de V/Hz verhouding aangepast worden. Voor diverse aandrijfapplicaties kan bijvoorbeeld ook een knikpunt in de curve worden geprogrammeerd.

Typepunt van de motor Het (in de frequentieregelaar in te stellen) type-punt wordt bepaald door de motor. Met het typepunt wordt een punt op de V-Hz curve vastgelegd, gedefinieerd door een frequentie en een spanning. Zo zal bij standaard motoren het typepunt vaak gedefinieerd zijn bij 50 Hz en 400 Volt. Dit wil dus zeggen dat de motor zo is geconstrueerd dat bij een frequentie van 50 Hz een spanning van 400 Volt op de motorklemmen mag staan. Afhankelijk van de soort wikkelingen moet de motor in ster of in driehoek worden aangesloten.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

47

De gegevens van frequentie en spanning (het typepunt dus) moeten altijd op het typeplaatje van de motor te vinden zijn. Bij speciale motoren kan het zijn dat deze zo gewikkeld zijn dat bijvoorbeeld een spanning van 380 Volt pas bij 200 Hz op de motor mag staan. Het typepunt ligt dan dus bij 200 Hz, 380 Volt (of ook 100 Hz, 190 Volt). Deze speciale motoren worden bijvoorbeeld toegepast bij hoogtoerige motoren voor de houtbewerkingindustrie. Fout instellen van het typepunt kan leiden tot voortijdig in storing geraken van de installatie of tot verbranden van de motor. Met name bij Japanse regelaars staat het typepunt niet goed ingesteld voor Europese waarden. (Standaard bijvoorbeeld op 60 Hz, 400 Volt). Indien we met de standaard instellingen een Europese motor bedrijven hebben we bij 50 Hz slechts een spanning van 340 Volt ipv 400 Volt op de motor. Bij hetzelfde vermogen is de stroom dus hoger en wordt de motor warmer. Regelen boven 50 Hz Tot 50 Hz wordt de spanning evenredig met de frequentie geregeld. De frequentieregelaar kan een frequentie genereren tot 400 Hz. De spanning kan echter niet boven de ingangsspanning uitkomen. De V/Hz curve zal dus boven de 50 Hz een horizontale lijn worden. Hierdoor zal het koppel (de sterkte) van de motor boven 50 Hz afnemen bij een nagenoeg gelijkblijvend vermogen. ( Tot 50 Hz zitten we in een constant koppelgebied, boven 50 Hz komen we in een constant vermogen gebied.)

Bij speciale motoren geld dit verhaal steeds uitgaande van het op het motorplaatje aangegeven typepunt van de motor. Het typepunt kan ook bijvoorbeeld op 200 Hz. Liggen. In de frequentieregelaar moet dit typepunt worden ingegeven om zo te realiseren dat de spanning op de motorklemmen juist is bij de genoemde frequentie. Regelbereik tot 87 Hz Zoals eerder besproken is bij een standaard motor, welke met een frequentieregelaar wordt bedreven het volle koppel aanwezig tot 50 Hz. Hierboven neemt het koppel af. Met de kennis over de V-Hz curve is het mogelijk bij sommige standaardmotoren het regelbereik te verhogen tot 87 Hz.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

48

Een en ander is met standaard motoren alleen mogelijk met zogenaamde 230/400 Volt motoren. Deze motoren dienen normaal bij een spanning van 400 Volt in ster te worden aangesloten, zodat de spanning over de spoel 230 V bedraagt. Door deze motoren in driehoek aan te sluiten en het typepunt in te stellen op 87 Hz, 400 Volt komt er dus bij 50 Hz slechts een spanning van 230 Volt op de spoelen van de motor. Bij deze configuratie houden we het volle koppel dus tot 87 Hz. Let wel op dat, doordat het vermogen stijgt tot 87 Hz, de frequentieregelaar voldoende stroom moet kunnen leveren. De frequentieregelaar dient dan ook geselecteerd te worden op motorstroom. Let op dat bij toepassen/instellen van het bovenstaande duidelijke waarschuwingen in de elektrokast en op de regelaar worden aangegeven. Bij verwisselen van de regelaar bijvoorbeeld is de kans op verbranden van de motor door niet goed instellen van het typepunt reëel aanwezig.

Regelen op laag toerental We kunnen de frequentie dus traploos instellen. In principe is de ondergrens 0 Hz. Zoals reeds eerder vermeld hebben we in een draaistroommotor echter een elektrische slip van ca. 4%. De motor levert pas het volle koppel indien we deze slip volledig aanwezig hebben. In de praktijk betekent dit dat we het volle koppel van de motor ter beschikking hebben vanaf ca. 4 Hz.

Indien er continu op een lage frequentie gewerkt wordt, met een redelijke belasting moet er gelet worden op de motorkoeling. Bij lage toerentallen produceert de waaier op de elektromotor te weinig koellucht. Als vuistregel kan worden aangehouden dat bij een continue frequentie kleiner dan 25 Hz, afhankelijk van de belasting, een vreemde (geforceerde) koeling moet worden ingezet.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

49

3.7.

De werking van een frequentieregelaar.

Aan de voedingszijde van een frequentieregelaar is een elektrische energiebron met een constante frequentie en een constante spanning gekoppeld. De uitgang van een frequentieregelaar kenmerkt zich door een variabele frequentie en een variabele spanning. Het omzetten van vaste frequentie en spanning naar variabele frequentie en spanning gebeurt in twee stappen: 1)De inkomende spanning wordt gelijkgericht en afgevlakt tot een spanning van √2 maal de ingangsspanning. 2)De gelijkspanning wordt omgezet in een drietal wisselspanningen met variabele frequentie en spanning.

In een frequentieregelaar kunnen we ruwweg drie delen onderscheiden: 1)vermogensdeel bestaande uit gelijkrichtbrug, condensatoren en wisselrichter (IGBT) 2)Gate drivers, spannings- en stroommetingen. We kunnen dit zien als een interface tussen de besturing- en vermogenselektronica. 3)Besturingsdeel met microcontroller en in- en uitgangen voor de anderen 2 delen alsmede de interface naar de gebruiker. We bedoelen dan de digitale inputs en outputs alsmede de digitale bedienmodule. Het gelijkrichten gebeurt met een gelijkrichtbrug waarna afvlakking geschiedt met hulp van een aantal condensatoren. Deze condensatorbatterij noemt men de tussenkring. Let op dat hier een hoge gelijkspanning aanwezig is (560 Volt bij een 3 fasen regelaar en 320 volt bij een 1 fase regelaar) Het omzetten van de gelijkspanning in een drietal wisselspanningen met onderling faseverschil van 120 graden vindt plaats in de wisselrichter. Deze wisselrichter is opgebouwd uit vermogenshalfgeleiders, de zogenaamde IGBT’s. Deze IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor) zijn op te vatten als (zeer snelle) schakelaars met 2 toestanden, aan of uit. De regelbare spanning (gewenste sinusvorm) wordt gemaakt door middel van puls-breedte-modulatie. Bij deze pulsbreedtemodulatie schakelt de spanning afwisselend tussen 0 en maximale waarde lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

50

waardoor de gemiddelde waarde lager is. Door de breedte (lengte) van de puls te beïnvloeden wordt een spanning gemaakt welke als gemiddelde een sinusvorm heeft. Deze techniek noemt met de Puls Width Modulation (PWM). Bij deze PWM wordt gewerkt met een hoge modulatiefrequentie. Deze varieert van 2 kHz tot zelfs 18 kHz. Bij een lage schakelfrequentie is een piep in de motor hoorbaar. Hoe hoger de schakelfrequentie, hoe stiller de aandrijving wordt. Nadeel van hoge schakelfrequenties is het grotere verliesvermogen en de toename van het aantal stoorpulsen. Bovendien wordt het bij grote vermogens moeilijk op meer IGBT’s met hoge schakelfrequenties parallel te schakelen.

V-Hz / Vector-bedrijf Zoals reeds eerder besproken stijgt de spanning aan de motorklemmen lineair met de frequentie. We noemen dit de Volt-Herz methode. Door steeds geavanceerdere technieken en krachtigere microprocessoren is met name de laatste jaren een andere werkingsmethodiek actueel geworden. We noemen dit de zogenaamde vectormethode. We zullen hier slechts kort op ingaan. Voltage Vector Control Door de interne weerstand van de halfgeleiders is er altijd een verlaging van het gemiddelde voltage aan de motorklemmen (ca. 85 %), met name als de stroom het grootst is (dus op de sinustop). Met hulp van een additionele blokspanning of een 3e harmonische sinusspanning wordt de spanning op de top van de sinus gecorrigeerd, waardoor aan de uitgang van de regelaar dezelfde gemiddelde spanning als aan de uitgang kan worden gegenereerd. Flux Vector Control Door exacte berekeningen aan hand van gemeten stroom, gecombineerd met motorgegevens en toerental is een nauwkeurige bepaling van de werkstroom-vector en de blindstroom-vector mogelijk. Hiermee is bij elke belasting optimale magnetisering van de motor mogelijk.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

51

Closed loop flux Vector Dit principe is gelijk aan het hierboven genoemde principe met toevoeging van een encoder op de motoras.

De montage van een encoder geschiedt meestal achter op de motor omdat we hier in het “hoge-toeren” deel zitten waarbij we dus de beste resolutie hebben. Let er op dat bij montage van een encoder zoals hieronder weergegeven de motor moet worden uitgevoerd met een geforceerde koeling.

Behalve digitale encoders bestaan er ook zogenaamde resolvers en tacho’s welke gemonteerd kunnen worden. Welk type gemonteerd kan worden wordt bepaald door ingangskaart van de betreffende regelaar. Tegenwoordig worden meestal digitale encoders met 2 kanalen en een nulkanaal gemonteerd. De meest gebruikte spanningen is de 5V encoder of de 24 VDC encoder. Het voordeel van de 5V encoders is dat ze iets storing-ongevoeliger zijn. Het pulskanaal en het “niet”pulskanaal worden “samen” bekeken (het ene moet hoog zijn en het andere laag) waardoor de kans op fouten door extra pulsen (door bijvoorbeeld) storingen van buitenaf, lager is. lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

52

Doordat de regelaar nu ook de exacte motorsnelheid kent is optimalisatie van stromen in grootte en richting mogelijk. Algemeen voordeel van fluxvector methodes is dat er altijd optimaal koppel aan de motoras wordt gegenereerd met hierbij horende (optimale) stromen. Het voordeel van een V-Hz methode is dat de instellingen van de regelaar onafhankelijk van het motortype kunnen geschieden. De interne motorwaarden (b.v. wikkelingweerstand) zijn niet nodig bij inbedrijfname. (stel bijvoorbeeld meer motoren achter 1 regelaar, let hierbij wel op dat de motoren apart thermisch beveiligd moeten worden). Motoren en regelaars kunnen zonder meer worden verwisseld. Bij fluxvector methodes is tuning wel aan te bevelen, bij closed loop systemen zelfs noodzakelijk.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

53

3.8. Bedienen /aansluiten van een frequentieregelaar Het is altijd belangrijk om voor het aansluiten van een regelaar eerst te kijken enkele belangrijke punten welke altijd gelden, te weten: Monteer de regelaars rechtop zodat koellucht verticaal langs het koellichaam kan stromen. Zorg dat er voldoende ruimte onder en boven de regelaars blijft. Bij kleine kasten of grote vermogens is kastventilatie of zelfs koeling van de kast noodzakelijk. Indien een warmteberekening gemaakt wordt kan gerekend worden met een maximaal verliesvermogen van ca. 3% van het vermogen van de regelaar.

Sluit de regelaar niet aan op een voedingsspanning hoger dan volgens de specificatie. (Met name dus opletten bij 1 fase regelaars). LET OP, sommige fabrikaten 1 fase regelaars hebben toch 3 ingangsklemmen, L1, L2 en L3. Bij een 1 fase regelaar hoeft dan alleen L1 en L2 bedraad te worden. lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

54

Sluit geen netspanning aan op de motorklemmen (U, V, W). Dit leidt tot onherroepelijke beschadiging van de regelaar. Sluit geen netspanning aan op de stuuraansluitingen. In verband met veiligheid en geldende normen mag ook geen hoge spanning (230 VAC) op de fout-meld-kontakten worden aangesloten. Let bij het aansluiten van digitale uitgangen op de maximale stroom. Vaak worden transistoruitgangen gebruikt met een maximale stroom van 40 mA. Bij twijfel is het raadzaam om een interfacerelaitje te plaatsen. Let op dat de motor goed is aangesloten. Een motor 230/400 Volt moet bij een 1 fase regelaar (230 V voeding) in driehoek worden aangesloten en bij een 3 fase regelaar (400 V voeding) in ster worden aangesloten. Let op de klemmen + en - (Uzk+ en Uzk-). Dit zijn de klemmen van de tussenkring condensatoren waarover een hoge gelijkspanning staat (Uin * √2). De spanning blijft ook na het uitschakelen van de regelaar nog enige tijd aanwezig en bouwt langzaam af. Vaak is er een Led-indicatie (charge) aanwezig. In verband met mogelijke storingen door hoog-frequent-signalen vanuit de regelaar is het raadzaam

zoveel mogelijk afgeschermde kabels te gebruiken. De afscherming dient aan beide zijden worden aangesloten, minimaal aan de “voedende” zijde. Montage van de afschermingen en aardingen dient conform de voorschriften in de handleiding te geschieden. Voor de afscherming is een “platte” aarding, rondom de kabel nodig. Gebruik voor het starten de F(orward) of R(everse) klemmen van de regelaar. Er kunnen potentiaalvrije kontakten worden gebruikt, in combinatie met een (DC)spanning vanuit de regelaar of er kan direct met een vreemde voeding (vanuit bijvoorbeeld een PLC) worden geschakeld. Let op of de werking van de stuurklemmen PNP of NPN is (kan bij diverse regelaars worden omgezet). Gebruik voor het starten en stoppen geen (magneet)schakelaar in de voedingsleiding van de regelaar of in de motorleiding. Frequent in en uitschakelen van de voedingsspanning kan tot defect van de regelaar leiden (shuntweerstand verbrand)

Bedienen van de frequentieregelaar lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

55

Een frequentieregelaar kan op diverse manieren worden bediend (worden aangestuurd). We bespreken hier: -bediening via operator -bediening via klemmenstrook -bediening via communicatiebus Hoe we willen bedienen dient in een parameter te worden aangegeven. Dit geldt zowel voor het starten en stoppen als voor de ingave van de gewenste snelheid. Indien gekozen is voor starten en stoppen via de klemmen (sequence over terminal) is er een klem gedefinieerd voor vooruit (Forward) draaien en een klem voor achteruit (Reverse) draaien van de motor. De klemmen kunnen bediend worden zonder dat deze onderling vergrendeld hoeven te zijn, d.w.z. dat als de motor vooruit draait, direct gewisseld kan worden naar de klem voor achteruit draaien. De regelaar verzorgt dan toch een ramp-down en vervolgens weer een ramp-up. Indien de ingave van gewenste snelheid ook via de klemmen gewenst is (reference over terminal) kan dit eveneens in een parameter worden ingesteld en kan de potentiometer direct op de hiervoor aangegeven klemmen worden aangesloten. Indien van een extern analoog signaal gebruik gemaakt wordt is het belangrijk om te weten of er middels een V-signaal of een mA-signaal gestuurd wordt. Er moet dan in de regel voor een andere klem gekozen worden of er moet een dipswitch worden omgezet op de stuurprint. In een parameter kan het bereik van het signaal worden gedefinieerd (bijvoorbeeld 0-20 mA of 4-20 mA). bediening via operator Wanneer de regelaar is voorzien van een bedieningseenheid (digital operator) kan deze ook gebruikt worden om de regelaar te bedienen. Via de operator kan dan worden gestart en gestopt, kan de draairichting worden omgekeerd en kan de gewenste frequentie worden ingesteld. Is bediening via de klemmenstrook geactiveerd, dan is het toch vaak mogelijk om de regelaar “tijdelijk” via de operator te bedienen. Hiertoe kan dan worden gewisseld van de “remote-mode” naar de “local-mode”. Dit kan vaak door omzetten van een parameter. Middels deze operator kunnen ook de parameters in de regelaar gewijzigd worden. Omdat dit echter niet altijd voor iedereen mogelijk moet zijn, is het in de regel mogelijk de parameters middels een password af te schermen. bediening via klemmenstrook In de meeste (geautomatiseerde) toepassingen worden de regelaars vandaag bediend middels de klemmenstrook. Op de klemmenstrook kan een start/stop, een draairichting, een reset, een vastesnelheid commando worden gegeven. De snelheid kan middels een analoog signaal of potentiometer worden ingesteld. Het is niet noodzakelijk bij deze bediening een operator op de regelaar te hebben.

Bediening via bussysteem

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

56

Tegenwoordig wordt toepassen van communicatiebussen steeds actueler. Derhalve zijn veel frequentieregelaars inmiddels voorzien van communicatiepoorten of zijn interface-printen leverbaar met diverse gewenste protocollen. Langs deze weg zijn alle parameters (ook de start en stop commando’s) bereikbaar. Via de communicatiebus is het ook mogelijk om de regelaars eenvoudig te parametreren middels een PC of om parameters te up- en downloaden. Hiermee is goede archivering van procesgegevens mogelijk. Veel tekstdiplays of touch-screens hebben drivers voor diverse frequentieregelaars aan boord, waardoor een flexibele en vrij programmeerbare interface naar de bediener mogelijk is. Door het toekennen van unieke adressen aan frequentieregelaars kan een netwerk van meer regelaars op een display worden opgebouwd. In dit verband wordt er vaak gesproken over RS232 of RS485 (RS422) communicatie. Dit heeft te maken met de manier van gegevensuitwisseling. Belangrijk is het om te weten dat RS232 een “point to point” verbinding is, bijvoorbeeld van een PC naar 1 frequentieomvormer. Bij een RS485 systeem is het mogelijk om meer deelnemers op een (2 of 4 draads) communicatiebus aan te sluiten. Elke deelnemer krijgt dan een apart adres. Een eis is natuurlijk dat elke deelnemer geschikt is voor het RS485 systeem en dat elke deelnemer van hetzelfde protocol uitgaat (dezelfde taal spreekt). De seriele poort van een lap-top of PC gaat uit van RS232. Om hiermee aan een bus deel te nemen moet er een omvormer van RS232 naar RS485 gebruikt worden. Veel regelaars hebben tegenwoordig een RS485 communicatiemodule standaard aan boord.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

57

3.9.

Belangrijkste instellingen

Onderstaande parameters zijn parameters welke bij de meeste inbedrijfnames gewijzigd of gecontroleerd moeten worden. Wijze van bedienen. In een tweetal parameters dient te worden gedefinieerd hoe we de regelaar willen starten en stoppen en hoe we de snelheidsreferentie willen ingeven. Hiervoor is dit punt al verder toegelicht. typepuntinstelling Om het juiste type-punt in te kunnen stellen zijn enkel gegevens van het motor-typeplaatje noodzakelijk, te weten de frequentie en bijhorende spanning. In de regel is dit 50 Hz, 380 Volt. Vaak is bij in europa gefabriceerde regelaars het typepunt op deze waarden ingesteld. V-Hz curve / motorparameters Het instellen van de V-Hz curve is van belang bij V-Hz bedrijf. Indien het typepunt juist is ingesteld staat de V-Hz curve meestal correct. Toch is het aan te bevelen (indien dit in de regelaar mogelijk is) het onderste punt van de V-Hz curve te controleren (met name bij aandrijvingen die regelmatig op lage toerentallen draaien). Bij “Japanse” regelaars staat de spanning bij 1,3 Hz vaak aan de hoge kant. (Advies van redactie 1,3 Hz 15 V, bij 380 V regelaars). Bij veel regelaars is het mogelijk om een niet-rechte V-Hz curve te definiëren. Hierdoor is het mogelijk om bijvoorbeeld bij zwaar-aanlopende machines meer spanning te genereren bij het aanlopen en daarna de spanning naar de oorspronkelijke lineaire curve terug te laten gaan. Het verhogen van de spanning wordt ook wel “boost” genoemd en kan in sommige regelaars automatisch geschieden (autoboost). Een voorbeeld instelling is 1,3 Hz 30 V; 5 Hz 40 V; 50 Hz 400 V.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

58

Bij Vectorbedrijf is het belangrijk om de juiste (exacte) motorparameters in te stellen en indien mogelijk een autotuning uit te voeren. Om de “thermische motor beveiligingsfunctie” van de regelaar goed te laten werken is het belangrijk dat in beide modi de juiste motorstroom (nominaalstroom of motor rated current) wordt ingesteld. Maximale / minimale frequentie Indien de frequentie analoog wordt ingesteld via een potentiometer of extern analoog signaal is het zinvol een minimale en maximale frequentiewaarde in te stellen bij minimaal en maximaal analoog signaal. Let op dat enkel de maximale frequentie wordt ingesteld en niet het type-punt.

Hiermee wordt het volle bereik van de potentiometer bereikt (is gemakkelijker voor de bediener) en wordt een betere resolutie op een analoog signaal bereikt. Het instellen geschiedt door het juist instellen van de maximale frequentie en met de offset waarde van het analoge signaal (bias). De maximale frequentie kan niet lager dan het type-punt worden ingesteld. Indien de maximale frequentie toch lager dient te liggen moet met de gain-factor worden gewerkt. Vaste frequenties. Indien enkel met vast ingestelde frequenties gewerkt moet worden dienen deze ingesteld te worden in de zogenaamde pre-set-speed parameters. Hiervoor dienen de programmeerbare ingangen op pre-set speed te worden ingesteld. Meestal staan al een of twee ingangen standaard hierop ingesteld. Aanlooptijd / uitlooptijd Met de aanloop- en uitlooptijd wordt de tijd bedoeld dat de frequentieregelaar de frequentie van minimale naar maximale frequentie brengt, respectievelijk van de maximale frequentie naar de minimale frequentie. Het is dus niet de tijd dat de aandrijving van stilstand naar de ingestelde waarde wordt gebracht omdat de ingestelde waarde niet gedefinieerd is. Deze tijd is wel te berekenen. Met de aanloop- en uitlooptijd wordt eigenlijk de hellingshoek van de aan- en uitloopcurve bedoeld.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

59

De insteluitersten zijn begrensd door de fysieke kenmerken van de aandrijving. Indien bij een zwaar aanlopende machine de tijd te kort wordt ingesteld zal de stroom hoger dan Inom. worden en kan de frequentieregelaar in storing OL (over-load) gaan. In dit geval dient de aanlooptijd te worden vergroot. Indien bij een machine met grote massatraagheid de uitlooptijd te kort wordt ingesteld zal de frequentieregelaar de regeneratorische energie niet verwerkt krijgen. Doordat de tussenkringspanning te hoog stijgt zal de regelaar in storing OU (over voltage) of OP (overpotential) gaan. In geval van OU storing bij remmen kan de stopmethode van de regelaar gewijzigd worden van “ramp to stop” in “coast to stop”. De motor loopt dan bij het stoppen vrij uit. Indien vrij uitlopen voor bijvoorbeeld het proces niet acceptabel is dient de uitlooptijd verlengt te worden. Ook is het mogelijk om op de tussenkring van de regelaar een remchopper (transistor) met remweerstand te monteren (bij diverse modellen is de chopper ingebouwd) en aan te sluiten op de tussenkring (klemmen + en -). Wanneer de tussenkringspanning boven het “openings-level” van de transistor komt, opent de transistor en wordt de regeneratorische energie in de weerstand omgezet in warmte. Tegenwoordig is het ook mogelijk om terugvoedunits te plaatsen welke de overtollige (rem)energie terugvoeden aan het net. Bij (hijs)applicaties is het mogelijk om de tussenkringen van de regelaars aan elkaar te koppelen, zodat er slechts een terugvoedunit of remweerstand nodig is, of zodat er “energie kan worden uitgewisseld”

3.10

Storingen

Frequentieregelaar zijn in het algemeen goed in staat te reageren op diverse abnormaliteiten. Indien er een fout ontstaat is middels een code in het display de oorzaak van de fout af te lezen. Meest voorkomende fouten zijn: OL of overload: Dit duidt op een te hoge belasting van de motor. We kunnen dit vergelijken met de conventionele thermische relais functie. Deze overload beveiliging is ook gerelateerd aan de eerder ingestelde nominale motorstroom.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

60

Omdat de regelaar de motorstroom ook kan afvlakken in een zogenaamde “stall-functie” kan het voorkomen dat een aandrijving met 1 defecte motorspoel blijft doordraaien en dat enkel deze functie regelmatig wordt aangesproken. Controleer dus als de belasting van de aandrijving niet de oorzaak kan zijn, ook de motor of motorkabel. Bij closed loop-systemen kan een defecte encoder of encoderkabel ook tot overmatige motorstromen leiden en dus tot OL storingen. (De regelaar immers probeert de motor aan te sturen terwijl er te weinig pulsen terugkomen). OC of overcurrent: Dit duidt op een te hoge (piek)stroom door de regelaar. Meestal is 200 % van de nominaal stroom bereikt. Het betreft hier een hardware beveiliging van de regelaar welke ook niet is in te stellen via de parameters. OV of overvoltage (ook wel ou) Dit duidt op een te hoge tussenkringspanning welke vaak ontstaat door te veel regeneratorische (rem)energie. Vrij uitlopen van de motor, verlengen van de deceleratietijd of toepassen van een remweerstand biedt hier een oplossing. Digitale uitgangen Meestal zijn er een of meer programmeerbare uitgangen ter beschikking. Standaard is er vaak een uitgang gebruikt voor foutmeldingen naar de rest van de besturing of naar bijvoorbeeld een centrale storingmelding. De functie van de anderen uitgangen is programmeerbaar. Zo noemen we als voorbeeld schakelen van een uitgang (contact) bij: -ingestelde frequentie = uitgestuurde frequentie -ingestelde frequentie < of > uitgestuurde frequentie -frequentie < of > dan ingesteld niveau -voor-melding voor overload -belasting boven ingesteld niveau. Als voorbeeld voor het toepassen van dit schakelcontact noemen we het schakelen van een rem op een frequentiegestuurde motor. Bij hijsaandrijvingen moet de rem pas gelicht worden indien er al koppel opgebouwd is. Bij het afremmen moet de motor gecontroleerd geremd worden en dient de rem slechts als houdrem. Door het contact bij een bepaald frequentieniveau te laten schakelen (bijvoorbeeld bij 3 Hz) kan de rem hiermee frequentieafhankelijk worden in- en uitgeschakeld. De rem dient enkel nog als houdrem en is ook nauwelijks aan slijtage onderhevig.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

61

4

Regelopties / PI(D)-functie / PI(D) regelaars

Moderne regelaars hebben vaak diverse opties aan boord zoals: PI(D) regelaarfuncies, voor het regelen van diverse processen. parametreerbare digitale en analoge uitgangen voor interfacing naar bestaande besturingen of aansturen van aparte applicaties. positioneerfuncties, voor het exact positioneren van motorassen synchroon- master-slave functies voor het (digitaal) koppelen van diverse assen met instelbare overbrengverhouding. digitale I/O, voor het opzetten van eenvoudige besturingsfuncties. timerfuncties hijsapplicatie-software “custom-made” software, naar wens van de gebruiker PI(D) functie Als voorbeeld bespreken we het regelen van een druk in een glazuurspuitsysteem. De druk in het systeem moet constant blijven, onafhankelijk van de afname. Voor dit regelproces is minimaal een pomp met elektromotor, een drukopnemer met analoog uitgangssignaal en een frequentieomvormer met PI(D) software nodig. De drukopnemer wordt rechtstreeks op een analoge ingang van de frequentieregelaar aangesloten. Op een tweede analoge ingang kan een potentiometer worden aangesloten waarmee de gevraagde druk kan worden ingesteld. Indien de PI(D) functie wordt geactiveerd en de parameters juist zijn ingesteld, zal de regelaar het toerental van de pomp verhogen bij dalende druk cq. verlagen bij stijgende druk. Hierbij is de gevraagde waarde steeds de referentiewaarde. De P, de I en evt. de D waarde zijn regelparameters waarmee de “felheid” van de regelaar en het regelgedrag kan worden beïnvloedt. Uiteraard kan een PI(D) regelaar ook als losse regelaar worden gemonteerd. In dat geval heeft zo’n regelaar veelal een analoge in- en uitgang alsmede enkele digitale ingangen voor het kiezen van parametersets. Enige uitleg over procesregelaars zal in de les worden gegeven. Met name is het belangrijk te weten dat de P-actie zorgt voor een directe actie na een gemeten afwijking en dat de I-actie “in de tijd” reageert na een gemeten afwijking. Verder is het belangrijk de 3 “kanalen” van een procesregelaar te kennen en te herkennen. Dit zijn: 1) input gewenste waarde 2) input teruggekoppelde waarde, de gemeten proceswaarde dus 3) output y, de gestuurde uitgangswaarde (naar bijvoorbeeld frequentieregelaar)

losse PI(D) regelaar lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

62

5.

Andere motoren

5.1

servomotoren

In principe wordt met een servomotor een motor bedoeld waarbij een “closed loop” systeem van toepassing is. Dit houdt dus in dat de motor is voorzien van een tacho, een encoder of een resolver. In de praktijk wordt met een servo-motor meestal een AC motor bedoeld met permanent magneet rotor. Ook wordt hierbij vaak de term “synchroon-servo” gebruikt omdat, door de permanent magneet rotor, er geen slip in de motor optreedt. Een groot voordeel van de synchrone AC servomotoren is de relatief kleine rotor waardoor er een kleine GD2 (kleine massatraagheid) is. Hierdoor is een grote dynamiek realiseerbaar. Een AC servomotor is meestal standaard voorzien van een encoder of tacho en van PTC’s . Verder kan een rem opgebouwd worden. Een geforceerde koeling is niet nodig omdat de motor minder warmte produceert en deze warmte middels “natuurlijke” convectie kwijt kan. Het oppervlakte van een servomotor mag wel veel warmer worden dan van een standaard asynchrone AC motor.

Vaak zijn de servomotoren voorzien van planetaire (speling-arme) tandwielkasten met ook een lage massatraagheid. Door het verschil in modulatie is het verwisselen van motor en drive afzonderlijk vaak moeilijker. Een servomotor en servodrive horen bij elkaar door de specifieke instellingen van motorparameters, sensoren en tuningparameters.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

63

5.2

stappenmotoren

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

64

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

65

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

66

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

67

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

68

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

69

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

70

Voorbeeld vorige pagina: Poolparen Motorfasen Aansturing

= = =

2 3 2 (halve stap)

Resolutie z

=

12

staphoek is 30 graden

Uiteraard is in de praktijk het aantal poolparen hoger (en/of het aantal fasen = 5) waarmee de staphoek kleiner wordt (bijv. bij 5 fasen, halve stap aansturing en 20 poolparen is de staphoek 1,8 graden)

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

71

5.3

toepassingen zoals positioneringen / synchronisatie van assen

Doordat bij closed loop systemen de motoras volledig gecontroleerd wordt is het tegenwoordig, in combinatie met de “snellere” processoren goed mogelijk om assen electronisch te positioneren en / of te synchroniseren. In het verleden was synchronisatie bijvoorbeeld alleen mogelijk langs mechanische weg. Bij bijvoorbeeld bedrukkingsmachines zie je nog vaak één centrale aandrijfmotor en een koppeling naar de vele afzonderlijke assen middels cardanassen. Indien een as ten opzichte van de andere as in toeren gevarieerd moest worden konden enkel ingewikkelde (dure) mechanische variatoren worden ingezet. Tegenwoordig kunnen de te synchroniseren assen worden voorzien van aparte aandrijfmotorn met encoders. Door de systemen aan een “masterdrive” of “master-encoder” te koppelen worden de assen vervolgens gesynchroniseerd, waarbij de overbrengingsverhoudingen electronisch kunnen worden ingesteld. (Voorbeeld lay-out van boormachine met 2 kolommen wordt in de les besproken) Hetzelfde geldt voor positionering-toepassingen. Omdat de motoras-positie exact bekend is kan de as naar een gewenste positie worden gestuurd. (Voorbeeld lay-out van slede t.b.v. stansen ladegeleider wordt in de les besproken) Tot voor enkele jaren (ca. 1995) werden synchronisatie- en positioneringen vooral uitgevoerd met de hulp van PLC’s met speciale positioneerkaarten waarop de encoders werden aangesloten. De laatste jaren is de software en electronica (micro-processoren) in de drives steeds verder geoptimaliseerd waardoor ingewikkelde positioneerprocessen en of synchroonsystemen zeer goed in de drive zelf kunnen worden geparametreerd.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

72

6. 6.1

Wisselspanning – cos phi Wisselspanning door een spoel en een condensator

Laten we door een spoel zonder ohmse weerstand, we noemen dit een zuivere zelfinductie, een stroom lopen, dan ontstaat er een magnetisch veld. Is de stroom een wisselstroom dan zal ook het opgewekte magnetische veld in grootte en richting veranderen. Dus bij een sinusvormige wisselspanning zal ook de stroom een sinusvormige wisselstroom zijn. Als we het verloop van spanning en stroom als functie van de tijd bekijken constateren we het volgende: 2Is de aangelegde spanning op de spoel een sinusvormige wisselspanning (de netspanning) dan is de stroom ook sinusvormig. 3De stroom ijlt 90o na op de spanning U

I stroom en spanningsverloop bij een spoel zonder weerstand

Naar analogie van de ohmse weerstand heeft de spoel een wisselstroomweerstand, de inductieve reactantie XL genaamd. Hierbij is XL = ω L waaruit dus is af te leiden dat de weerstand van de spoel afhankelijk is van frequentie. U Vectorieel kan spanning en stroom als volgt worden weergegeven:

I In de praktijk heeft een spoel behalve een zelfinductie ook ohmse weerstand (de spoel is immers van draad gemaakt). Deze ohmse weerstand kan beschouwd worden als staande in serie met de zelfinductie. Door beide componenten gaat dezelfde stroom. Voor het ohmse deel van de spoel geldt dat spanning en stroom in fase zijn. De totale spanning is de vectorsom van de spanningen over beide componenten. De totale weerstand van de spoel wordt aangeduidt met Z en dit noemt men de impedantie van de spoel. (U = I x Z) I

R, waarover spanning UR

L, waarover spanning UL

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

73

Vectoriëel kunnen we spanning en stroom als volgt tekenen: UL

U

φ UR

I

Stroom door een condensator: Een condensator bestaat uit "platen" welke een electrische lading kunnen hebben en hiermee een potentiaalverschil tussen de platen. Sluit men een condensator aan op een wisselspanning dan zal bij het toenemen van de spanning, de condensator geladen worden, terwijl bij afnemende spanning, de condensator zal ontladen. Als we het verloop van spanning en stroom als functie van de tijd bekijken constateren we het volgende: 4Is de aangelegde spanning op de condensator een sinusvormige wisselspanning (de netspanning) dan is de stroom ook sinusvormig. 5De stroom ijlt 90o voor op de spanning

I

U stroom en spanningsverloop bij een condensator

Vectorieel kan spanning en stroom als volgt worden weergegeven: lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

74

Bij een condensator ijlt de stroom voor op de spanning. U Vectorieel kan spanning en stroom hier als volgt worden weergegeven:

I De weerstand van de condensator is X=1/ωC In de praktijk heeft een condensator ook een ohmse weerstand. De invloed hiervan is meestal zo klein dat deze kan worden verwaarloosd. 6.2

Vermogen bij gelijkspanning en wisselspanning / blindstroom

In de gelijkstroomtechniek vinden we het elektrische vermogen it het product van spanning en stroom: P=UxI In de wisselstroomtechiek ligt dit iets moeilijker en moeten we de volgende onderscheiding maken: ohmse belasting - de stroom is in fase met de spanning (gloeilampen, elektrische kachels reactieve belasting - zuiver inductief, de stroom ijlt 90o na op de spanning - zuiver capacitief, de stroom ijlt 90o voor op de spanning. Bij ohmse belasting wordt de elektrische energie omgezet in een andere vorm van energie (bijvoorbeeld in warmte in een kachel). Spanning en stroom zijn in fase. Het elektrisch vermogen vinden we op gelijke wijze als bij de gelijkstroomtechniek, uit het product van spanning en stroom. Bij een reactieve belasting (bij een spoel zonder ohmse weerstand en bij een condensator) blijft de electrische energie in het electriciteitscircuit aanwezig en wordt niet omgezet in een andere vorm van energie. We spreken van blinde energie. In een vectordiagram staan spanning en stroom dus loodrecht op elkaar. In de wisselstroomtechniek is de belasting meestal noch zuiver ohms, noch zuiver reactief, maar de stroom zal bijvoorbeeld over een hoek φ naijlen op de spanning. De stroom I kan ontbonden worden in een component evenwijdig aan U een component loodrecht op U. De component I cosφ is in fase met U en het product van deze stroomcomponent met de spanning stelt het vermogen voor dat werkelijk wordt omgezet. U φ

I cos φ φ

I

I sin φ

Het vermogen, genoemd werkelijk vermogen of ook wel Wattvermogen wij wisselstroom door een spoel is dus: P = U I cos φ

In Watt

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

75

Werken we met een draaistroomnet dan hebben we dus 3 fasen ter beschikking en loopt de stroom door de 3 fasen. Zoals bekend zijn de 3 fasen in ons voedingsnet 120o verschoven. Dit houdt in dat we stromen vectoriëel bij elkaar moeten samenvoegen. Het vermogen uit een draaistroomnet wordt hiermee: P = U I √3 cos φ voorbeeld :

typeplaatgegevens:

P = 3 kW I = 6,4 A V = 400 V cosφ = 0,81

P opgenomen is 3587 Watt Het asvermogen is 3000 Watt het totale rendement van de motor is dus ca. 84%

spoel en condensator parallel Door de cos φ zal er fysiek dus meer stroom door de aders/kabels lopen dan nodig voor de (mechanische) energie. De “niet gebruikte” stroom wordt niet afgenomen en gaat als het ware weer retour. We noemen dit blindstroom. De klant betaalt niet voor deze stroom. Het nadeel voor met name de energieleverancier is dat er meer stroom getransporteerd moet worden dan wordt afgenomen. Hiervoor moet het leidingnet berekend en uitgelegd zijn. Om de klant te dwingen de cos phi zo hoog mogelijk te houden worden grote gebruikers door de energieleverancier aangeslagen met een zogenaamde cos φ belasting. De cos φ wordt gemeten en afhankelijk van de waarde moet dus een extra toeslag betaald worden. Schakelen we een condensator parallel aan een spoel met weerstand dan compenseert de verschuiving van de condensator dus de verschuiving van de spoel. Dit principe wordt toegepast bij cosφ verbeteringsprojecten in de industrie. Hierdoor kan de genoemde cos φ aanslag dus verlaagd worden. In de nabije toekomst kan het zijn dat een dergelijke belasting ook gaat ontstaan door hogere harmonische “trillingen” op de (oorspronkelijk) sinusvormige stroom in het net. Hogere harmonischen ontstaan met name door veelvuldig toepassen van “schakelende voedingen” zoals in LED verlichting, frequentieregelaars, PC voedingen etc. Het gevolg van deze hogere harmonische is ook een “blindstroom”die niet in fase staat met de spanning en niet kan worden omgezet in andere energie. We zullen hier in de lessen nog wat aandacht aan besteden.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

76

7.

Logische besturingen / standaardsignalen / communicatie

7.1 Protocollen / bussystemen / displays (electrische) besturingssystemen zijn, in het algemeen, voor de fabrikant een eindproduct. Voor de gebruiker echter moet de aandrijving en/of besturing een functie vervullen in een proces. Dit kan een eenvoudig proces tot een zeer komplex proces zijn in volledig geautomatiseerde productielijnen. De eisen die worden gesteld zijn dan niet alleen bestuurbaarheid van een bepaalde installatie maar er komen ook proceseisen bij. Er is behoefte aan apparatuur die het regel- en procesmechanisme kan besturen. De ontwikkeling van de technologie met microprocessoren en geheugens maakt het mogelijk ingewikkelde processen, waarin gegevens moeten worden verwerkt, op een gecontroleerde manier te kunnen afwikkelen. De apparatuur die het hele proces kan afwikkelen wordt van een systeembus of ook kortweg bus genoemd. De bus regelt, stuurt, beheert en controleert het hele proces van data-transport. Protocol De manier waarop de data transmissie plaatsvindt moet natuurlijk nauwkeurig vastliggen in een afspraken pakket. Dit noemen we het protocol. In een protocol is onder andere vastgelegd: •welke deelnemer is aan de beurt om te “spreken” (data te zenden) •worden data ontvangen of verzonden •met welke snelheid worden data ontvangen of verzonden (baud-rate) •naar welke deelnemer worden de data verzonden •wat is de betekenis van de data (in de tijd gezien komen alleen “nullen” en “enen” langs. Het zal duidelijk zijn dat een goed werkend bussysteem een intensieve samenwerking vraagt van meerdere partijen. In beginsel zijn nog protocollen ontwikkeld door de fabrikant van de componenten. Het grote nadeel hiervan is natuurlijk dat de gebruiker gedwongen is om componenten met hetzelfde protocol, dus van hetzelfde fabrikaat, aan elkaar te koppelen. Een van de wensen van de gebruiker is echter vrijheid in keuze van het fabrikaat. Bovendien zijn sommige fabrikanten sterker in het maken van vermogensdelen voor aandrijvingen (frequentieomvormers, servoregelaars etc) en andere weer sterker in het maken van besturingssystemen (PLC’s) of operator-interfaces (MMI’s ofwel displays). Dit houdt dus in dat de fabrikanten aan de wensen van de gebruiker tegemoet kunnen komen door de “uitgang” of “ingang” van zijn component te normaliseren aan een standaard bussysteem, of nog beter door zo universeel mogelijk te werken. Zodanig kunnen componenten van verschillende soort en fabrikaat door de bus worden bestuurd. Veel momenteel toegepaste bussystemen zijn de “profibus” (proces field bus) en de “modbus”. Ook komen steeds meer applicaties met een “ethernet” verbinding in de markt waarmee dus koppeling naar “hoger liggende systemen” steeds gemakkelijker wordt. Simpelweg bestaat een datastroom dus uit een aantal nullen en enen. We noemen de verbinding die we gebruiken een seriele verbinding omdat hierbij de “nullen” en “enen” na elkaar verstuurd worden. In principe zijn ook maar 2 draden nodig.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

77

Voorgesteld kan worden dat een “boodschap” altijd bestaat uit bijvoorbeeld 8 bitjes. Een teller telt voortdurend het aantal bits. Als nu afgesproken is dat de eerste twee bitjes “zeggen” welke waarde verandert moet worden en dat de volgende 4 bitjes de waarde zijn, dan kan nog met de laatste 2 bitjes het commando worden afgesloten. Dit zou kunnen bij een zogenaamde RS232 verbinding, een zogenaamde point-to-point verbinding. Er is hierbij geen adressering nodig. Een verbinding waarbij meer gebruikers op een lijn zitten is bijvoorbeeld een RS485 verbinding. Bij een dergelijke verbinding kan vanaf een master een aantal (gedifinieerd aantal) gebruikers worden bereikt. Uiteraard dient in het protocol de adressering te zijn afgesproken. (bijvoorbeeld de eerste bitjes geven het adres aan waar de volgende bitjes “naar toe moeten”. De gebruikers hebben op hun beurt uiteraard weer een uniek adres. Bij het programmeren van bijvoorbeeld PLC’s, procesregelaars, frequentieomvormers, motion controllers en vele andere apparatuur wordt vaak gebruik gemaakt van PC’s of lap-tops. Dit is dan meestal een RS232 verbinding. Er kan één apparaat tegelijk worden bereikt. Indien de apparatuur met elkaar verbonden is middels een communicatiebus hebben we het meestal over een (4-draads full duplex of 2 draads-halfduplex) RS485 verbinding. Doordat een RS 485 verbinding op basis van “stroompjes” werkt in plaats van “spanningjes” is de maximale lengte van de bus groter. De spannings- en stroomniveaus bij deze signalen is relatief laag (enkele Volts en/of enkele milliampères.) Het RS485 geeft in dit geval iets aan over het soort verbinding, nog niet over het protocol. Tegenwoordig worden in de industrie steeds vaker busssystemen toegepast. Enerzijds om een interfacing tussen operator en besturing te realiseren. Hiermee kan de operator allerlei procesparameters instellen en/of aflezen. Eis is natuurlijk dat alle aangesloten componenten hetzelfde protocol moeten hanteren. Meer uitgebreide (universele) displays hebben vaak een 2e aansluitpoort waarop dan een ander protocol gehanteerd kan worden. Hiermee kan dan op één display 2 (verschillende) bussen draaien. Doordat in het display ook nog een “pipe-line” functie is geïntegreerd kan het display de protocollen vertalen waarmee communicatie tussen de 2 bussen mogelijk wordt. Een voorbeeld is in het hieronder weergegeven artikel beschreven.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

78

Door displays te voorzien van geheugen en wederom iets meer intelligentie kunnen veel displays recepten opslaan zodat er “op knop druk” in één keer allerlei nieuwe procesparameters naar de aangesloten apparatuur worden verzonden. Het is hiermee dus niet perse nodig om (duurdere) uitgebreide besturingen toe te passen. Let wel op dat als er een apart display gebruikt wordt, dit apart van een voedingsspanning (meestal 24 VDC) moet zijn voorzien. Een tweede (steeds vaker voorkomende) toepassing van bussystemen zijn de zogenaamde veldbussystemen. Hierbij worden in “het veld” in de buurt van sensoren en/of ventielen bijvoorbeeld “eilandjes” gemonteerd vanwaar de ventielen worden aangestuurd of waar de signalen binnenkomen. Het vermogen wordt vanaf het eilandje geleverd. Voor de besturing is het eilandje aangesloten op de buskabel welke langs alle eilanden of separate units loopt. Bij motorgroepen kan in deze toepassing ook de “aan-uit”schakeling of frequentieomvormer bij of in de motor worden gemonteerd en wordt de unit besturingstechnisch op de buskabel aangesloten.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

79

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

80

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

81

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

82

7.2 digitale signalen / analoge signalen / potentiometers Eerder is kennis gemaakt met digitale signalen ten behoeve van bijvoorbeeld het hoog- en laag zetten van ingangen van een PLC of het uitsturen van een PLC. Digitale signalen zijn hoog (aan) of uit. We noemen een signaal laag als er geen spanning op een ingang staat (of als er dus geen spanning geschakeld is) en hoog als er spanning op de ingang wordt gezet of als er bij een uitgang spanning “doorgeschakeld” wordt. In het geval dat de + spanning wordt geschakeld noemen we dit PNP (positive) in- of uitgangen. De spanningsniveaus bepalen niet het principe. In PLC’s en andere industriële apparatuur (bijvoorbeeld frequentieregelaars, tellers, benaderingschakelaars) wordt meestal een spanningsniveau aangehouden van 24VDC. Note: Sommige, met name Japanse apparatuur werkt volgens het NPN principe (negative) waarbij er spanning staat op bijvoorbeeld alle ingangen en deze bij schakelen naar “0” worden gebracht. De “gemeenschappelijke” aansluiting is 0 V. Bij uitgangen zijn dan ook alle spoelen aan de + verbonden en wordt de “0” draad geschakeld. Ook bij benaderingsschakelaars wordt dit principe waarbij dus de “0” wordt geschakeld nog regelmatig toegepast. Let er dus in ieder geval op dat als er PNP ingangen ter beschikking zijn, er ook schakelapparatuur met PNP uitgangen gebruikt moeten worden als een en ander direct aan elkaar wordt gekoppeld. Behalve dat we met digitale signalen iets “aan” of “uit” zetten wordt er in de industrie natuurlijk ook veel gemeten (denk hierbij aan druk, snelheid, dikte, lengte etc.) of moeten wenswaardes naar apparatuur worden aangegeven. Om dit te kunnen verwezenlijken zijn PLC’s en andere regelapparatuur voorzien van analoge in- en uitgangen. Bij een analoge waarde loopt een spanning of stroom analoog op met det te meten of met de te sturen waarde. In de praktijk worden voor deze analoge meet- en stuursignalen een aantal standaard signalen gebruikt, te weten: 1.een spanning analoog oplopend van 0 .. 10 VDC 2.een stroom analoog oplopend van 0 .. 20 mA 3.(soms) een spanning analoog oplopend van 0 .. 5 VDC (wordt niet zo vaak toegepast in industriële omgeving) Als variant op 1 en 2 is er nog: 4.een spanning analoog oplopend van 1..10 VDC 5.een stroom analoog oplopend van 4..20 mA De laatste 2 varianten zijn “bedacht” om te kunnen werken met een zogenaamde “life zero”. Als de te meten waarde “0” is er altijd nog een signaal ( 1 VDC resp. 4 mA) waardoor ook gecontroleerd kan worden op kabelbreuk. Het meest toegepast in de praktijk is het 0..10 VDC of 4..20 mA signaal. Indien meer componenten van hetzelfde signaal gebruik moeten maken moeten de componenten dus bij een spanning-signaal parallel worden aangesloten, bij een mA signaal (stroom dus) in serie. Het voordeel van een mA signaal (stroom) is dat dit stabieler (minder gevoelig voor storingen) is en minder invloed heeft van verliezen door bijvoorbeeld langere leidingen. lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

83

De potentiometer Een potentiometer is een regelbare weerstand waarmee een spanning “gedeeld” kan worden.

Spanning +

loper

Spanning –

Met een potentiometer is het dus mogelijk om een analoog signaal (spanning) aan te bieden aan bijvoorbeeld de analoge ingang van een drive, een PLC of een andere regelaar. Hiermee kan dan een gewenste waarde worden ingesteld. In de praktijk is er meestal op de regelaar of drive een 10VDC (of 12 VDC ivm verliezen) aanwezig waarop de potentiometer kan worden aangesloten. De loper kan dan op de analoge ingang worden aangesloten. Ook kan op deze manier een positie worden gemeten (bijvoorbeeld “danserarm”)

7.3 koppeling besturing – drives – displays –(proces)regelaar Aan de hand van het op de volgende pagina bijgevoegd voorbeeld schema worden de diverse aspecten van de verschillende signalen en in- en outputs doorgenomen.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

84

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

85

7.4 digitale schakelingen / geheugens / programmaopbouw In een PLC vind een digitale “verknoping” plaats tussen de ingangen en de uitgangen. De “verknoping” noemen we het ladderdiagram. Indien een programma (ladderdiagram) geschreven wordt dient met een aantal zaken rekening gehouden te worden. - Allereerst bepaalt de uitvoering PLC met welke spanningen de ingangen “hoog” gezet kunnen worden. Tegenwoordig is dat meestal een 24 VDC spanning. - Verder moet worden bepaald welke uitgangen de PLC dient te hebben. Hier kan gekozen worden tussen relaisuitgangen of transistoruitgangen. Een voordeel van de transistoruitgangen is de mogelijke hoge schakelfrequentie en langere levensduur (op basis van aantal schakelingen). Een voordeel van de relaisuitgangen is de hogere (stroom)belasting. (bijvoorbeeld tot 2 A, in tegenstelling tot een transistor welke bijvoorbeeld maar tot 40 mA belast kan worden) -Indien er analoge signalen verwerkt moeten worden dienen er analoge kaarten voorzien te worden. De uitgangskaarten zijn vaak standaard uitgevoerd met 0..10 VDC of (0)4..20 mA uitgang. Bij de ingangskaarten moet vaak gekozen worden (bijvoorbeeld standaard spanning of stroom, maar ook PT100, thermokoppel etc.) -Voordat het programma geschreven gaat worden dient de programmeur te weten hoe de geheugengebieden van de PLC gedefiniëerd zijn. In bepaalde geheugengebieden bevinden zich de fysieke in- en uitgangen, bepaalde geheugengebieden zijn gereserveerd voor “merkers” en weer andere gebieden voor speciale merkers (bijvoorbeeld met “houd”functie etc.) (als voorbeeld ingangen woord 0 tot 5, uitgangen woord 100 tot 103, “houd”merkers woord 200 tot 220 etc. Indien een programma geschreven wordt is het belangrijk dat er een struktuur in het programma wordt aangehouden. Hierdoor is het ook voor andere programmeurs later goed mogelijk om een storing te zoeken of een aanpassing in het programma te doen. Een tip is bijvoorbeeld om fysieke uitgangen alleen aan het einde van het programma “aan te sturen”. Hier is dan bijvoorbeeld een goed startpunt bij het storingzoeken.

lessen electrotechniek / elektrische aandrijftechniek voor werktuigbouwkunde 023-127 ver. 2 Huppertz technical services b.v.

pagina

86