Systemersättning

Från vattenkraftstationens elektriska schema framhålls att utsignalerna från regulatorn styr magnetventilerna till hydraulcylindern. Detta gör att den nuvarande trestegsregulatorn kan behållas. Vid alternativ att ha en asynkronmaskin tillsammans med frekvensomriktare som drivning till aktuatorn innebär detta att regulatorns utsignaler kommer att användas som fram/bak signaler till frekvensomriktaren (Bilaga 6.5). De elektriska komponenterna som är för att övervaka hydraulsystemet för pådrag blir överflödiga då hydraulsystemet tas ur bruk. Den elektromagnetiska spolen på hållbromsen (Bilaga 6.1) drivs av

33

växelström. Kontaktorer till mekaniska hållbromsen sätts efter villkor för inverterad bromsfunktion (Bilaga 6.2), detta krävs i denna applikation för att bromsen skall vara frisläppt då matningsspänningen försvinner. För att uppnå bästa prestanda från driften av asynkronmotorn och frekvensomriktaren skall kopplingen och inställningarna i omriktaren göras med inställningen ”momentreglering”.

De relevanta utgångarna (Bilaga 6.5) på frekvensomriktaren gäller endast för ovannämnda moder.

En ersättning med elektriskt aktuator leder till att övervakningen av hydraulsystemet blir överflödigt. Det innebär att det som är relaterat med hydraulsystemets övervakning t.ex. hydrauloljans temperatur, nivå i oljetanken och oljetrycket i systemet kan tas bort från kraftverkets elektriska schema för styrning och reglering av pådraget/ledskenorna. I fallet med en drivning av en servo motor så är det lämpligast att använda leverantörens egen styrenhet. Drift med servomotor och regenerativ broms som kortslutningsmotstånd utav två faser (Bilaga 7) leder till att ett tröghetsmoment skapas då motorn utsätts för rotation i spänningslöst tillstånd. Detta är önskvärt för att minska hastigheten då ställdonet bakåtdriver i ett spänningslöst tillstånd. Innan regenerativa bromsen kopplas in så är det några villkor som skall uppfyllas d.v.s. huvudströmbrytaren till, spänningstrafo relä till, samt frekvensomriktaren får inte skicka fram, bak eller fel signal (Bilaga 6.2).

34

35

5 Slutsatser

Det är ostridigt att utbytet av hydraulsystemet eliminerar oljans påverkan på miljö.

Kostnader för underhåll och service bör vara lägre eftersom antalet komponenter reduceras.

I detta examensarbete är alla beräkningar gjorda efter antagandet att nuvarande cylinder i Gustavsberg kraftstation arbetar med ett tryck på 100 bar vilket är det maximala trycket. Första steget vid övervägande att byta ut hydraulsystemet bör vara att mäta det verkliga trycket som hydraulcylindern arbetar med.

Linjär aktuator SRSA 6020 från SKF har kapacitet att hantera driv- och dragkrafter som nuvarande hydraulcylinder i Gustavbergs vattenkraft är maximalt dimensionerad för d.v.s. 143kN. Problemet i denna applikation uppstår när ställdonet skall bakdrivas i ett spänningslöst tillstånd vid exempelvis nödstängning.

Rullskruven i aktuatorn kan komma upp i höga hastigheter i slutskedet av stängningen då kraftpåverkan på donet är störst. I detta examensarbete föreslås olika metoder för att lösa problemet. En metod som inte har tagits med men som är värt att nämna är lösning med hjälp av s.k. industridämpare. Anledningen till att industridämpare inte tags med i förstahandsval är förekommandet av olja i dess konstruktion. Vid drift med asynkronmotor då regenerativ bromsning vid kortslutning inte går att tillämpa så återstår alternativet att modifiera ställdonet med regleringsventil för lufttrycket inne i ställdonet (Bilaga 9) eller att tillämpa industridämpare.

I standardutförande finns linjära aktuatorer som klarar driva krafter upp till 250kN som skulle kunna användas istället för traditionell hydraulik i vattenkraftanläggningar upp till ca 2MW. Uppskattning av storlekar på vattenkraftverken bör behandlas separat för varje fall beroende på turbintyp, krafter i hydrauliksystem m.m.

Att ta ett kraftverk ur drift innebär att servicearbeten och ombyggnationer bör planeras utförligt innan något påbörjas. Vid gamla kraftverk, sådana som Gustavsberg, där det var brist eller ett dåligt skick på dokument p.g.a. ålder, kan det uppstå svårigheter vid planering om ersättning av regulatorn. Det som efterstävas är att återskapning av en effekt/vattenflöde kurvan för turbinen skall vara minst lika bra som nuvarande. Det är efter dessa parametrar, återkopplingssignaler från positionsgivarna och vattennivågivaren som regulatorn arbetar med. I detta examensarbete har vi utgått ifrån att stationens befintliga regulator behålls.

36

För att uppnå hög driftsäkerhet som är ekonomiskt försvarbar i ett system och som kräver precision i reglering bör första valet falla på asynkron maskin med frekvensomriktare med avseende på att dessa komponenter är vanligt förekommande. Hög regleringsprecision ställer höga krav på frekvensomriktare, vilket innebär att den bör väljas med omsorg till applikationen. En bra frekvensomriktare bör ha DTC utrustning, automatiskt lastreglering, PID - regulator samt ett antal olika makron för lämpad applikation. Det som ger driftsäkerheten är antalet komponenter som är i serie med varandra samt hur de enkla komponenterna är i sin konstruktion.

Med en servomotor kan det vara ganska lätt att göra små regelförändringar till en steglängd uppskattningsvis upp till 0.5mm i ställdonet. Resten är beroende på hur hela kopplingen är styv ända fram till ledskenorna. När det gäller hållmoment så är det smidigast och även ekonomisk att använda sig utav en mekanisk skivbroms även i en applikation med servomotor, för att undvika att dimensionera upp motorn.

Ett riktpris för ställdon i aktuell storlek hamnar på ca hundra till tvåhundra tusen svenska kronor beroende på utrustningsnivå. I en applikation där det ställs höga krav på driftsäkerhet och precisions skall aktuatorn vara utrustat med elektroniskt övervaknig av kullager samt analoga positionsgivare. SKF kan vid önskemål utrusta aktuatorn med automatisk smörjning av kullager.

Ett java skript med manual som underlättar dimensionering av motor enligt (Bilaga 5) kommer att levereras till uppdragsgivaren.

37

Referenser

[1] http://www.svenskenergi.se 2012.04.12

[2] Små vattenkraftverk – En handbok Svensk utgåva av Guide on how to develop a small hydro site Celso Penche et al, Översatt och anpassad av Jonas Rundqvist, Christer Söderberg och Bo Bergander. ESHA (2004)

[3] De svenska vattenkraftverken – Teknik under hundra år. Spade, Bengt (1999), Publishers, Boca Raton, 1994

[4] http://www.statkraft.se [5] Elmaskiner Liber 2012

[6] För planering av servodrift www.crm-systems.se

[7] http://www.skf.com/portal/skf_mec/home?lang=en&site=MEC [8] Hydraulik 1 Haugnes, Steinar Stockholm (1995), Liber

[9] www.abb.com

[10] http://www.mathworks.se/products/simulink/

[11] http://www.pkdata.se 2012-05-06

38

39

Bilagor

Bilaga 1

40

Bilaga 2

41

42

Bilaga 3

43

Bilaga 4

44

Bilaga 5

% Lasten 2 600 kg skall förflyttas med en hastighet v 0.0625 m/s (62.5mm/s)

% med startid Tst 0.5s Friktionskoefficetet u uppskattar till 0.05.

% Tillsatskraft Mt=11,4kN

% skruvens varvtal n_skruv = v/h [rpm]

n_skruv = (v/h)*60;

% lastens momentbehov Mf [Nm] pga friktion lng = length(Mt);

% skruvens egenbehov vid start Mskruv [Nm]

Mskruv = Jskruv * n_skruv*((2*pi)/60)*(1/Tst);

% lastens troghetsmoment Jlast [kgm^2]

Jlast = m*((h/(2*pi))^2)*((v*60)/n_skruv)^2;

% Lastens startmoment Ms [Nm]

Ms = Jlast *n_skruv *((2*pi)/(60)) *(1/Tst) *(1/verk);

45

fprintf('| Jskruv[kgm^2]\t Mskruv[kgm^2]\n');

fprintf('| mass\t last.momentbehov last.moment \n');

fprintf('| m[kg]\t Mf[Nm] Mlast[Nm] \n');

% Väljer en motor från katolof med momentet Mm [Nm], varvtal n [rpm] och tröghetsmomentet Jmotor

Jmotor=input('Välj en motor med läpmlig moment för ovanstående moment, och slå in motors tröghetsmomentet\n');

Dyn_mom = Mmotor + Ms + Mskruv

disp('---');

fprintf('| mass\t last.momentbehov last.moment total moment \n');

fprintf('| m[kg]\t Mf[Nm] Mlast[Nm] M\n');

disp('---');

disp([MtMt', Mf', Mlast',M'])

46

disp(' ');

disp('---');

47

Bilaga 6.1

48

Bilaga 6.2

49

Bilaga 6.3

50

Bilaga 6.4

51

Bilaga 6.5

52

Bilaga 7

53

Bilaga 8

Motorn effekt, poltal, stator och rotor resistens och induktans ställs enligt nedan.

Data är taget från Simulinks data för asynkronmotor. Val av antal poler är satt till 6 stycken p.g.a. det större momentet som är tillgängligt i en 6 polig maskin jämfört med en 4 polig.

54

Nedan visas parametrarna för DTC enheten. Där den proportionella förstärkningen är satt till 30 samt integrerings förstärkningen till 200 i PI-regulatorn.

55

Bilaga 9

Ett förslag på modifiering av aktuatorn ges i beskrivningen nedan. De rödmarkerade sträcken i figuren visar på hur det är tänkt att täta mellan aktuatorns yttervägg och mutter. En reglerventil för luftryck har till uppgiften att kunna justera in luftflödet i det tätade utrymmet, så att endast då aktuatorn bakdriver i snabb hastighet skall det uppstå aerodynamisk kraft på rullskruven.