Reglering av turbins ledskenor i vattenkraftverk
med hjälp av elektriska ställdon
Rapport för Högskoleingenjörsexamen IDE 1210, Maj 2012
Elektroteknik
Högs kolei ng en jörsex amen Sektionen för inf o rmations ve te n skap, data - o ch ele ktro te knik
Samir Hadzic & Jakub Luszczynski
vattenkraftverk
med hjälp av elektriska ställdon
Högskoleingenjörsuppsats 2012 maj
Författare: Samir Hadzic, Jakub Luszczynski Handledare: Tommy Salomonsson
Examinator: Kenneth Nilsson
Sektionen för informationsvetenskap, data- och elektroteknik Högskolan i Halmstad
Box 823, 301 18 HALMSTAD
I
© Copyright Samir Hadzic, Jakub Luszczynski, 2012. All rights reserved.
Högskoleingenjörsuppsats Rapport, IDE1210
Sektionen för informationsvetenskap, data- och elektroteknik
Högskolan i Halmstad
II
Förord
Detta examensarbete om 15 hp har utförts åt Statkraft Sverige AB i samverkan med sektion för informationsvetenskap, data- och elektroteknik vid Högskolan i Halmstad som avslutning på Elektroingenjör programmet.
Vi vill börja med att ge vår djupaste uppskattning till Gabriel Waaranperä som gav oss möjlighet att genomföra examensarbete.
Vidare vill vi ge vår uppskattning till våra handledare Tommy Salomonsson för den obegränsade tid, stöd, idéer och vägledning under arbetets gång samt praktiska råd vid rapport skrivning.
Tack också till våra externa handledare Åke Nilsson och Ferenc Dali från Statkraft i Laholm för vägledning, hjälp, och trevligt bemötande.
Vi vill också tacka involverad personalen från SKF för bra samarbete och utlåning av utställningsmaterial.
III
IV
Abstract
Hydropower is the largest renewable energy source available in today's society.
Operation and production is handled by high-tech electronics. This thesis is done on behalf of Statkraft Sweden AB who wants to explore the possibility of replacing the hydraulic cylinder with an electric actuator, generally as well as a case of a small power station on the river Nissan. Whether it is the chaplain or francis turbine vanes are actuated by hydraulic cylinders. Because of Gustavsberg hydropower is inconstant operation, this report is based on power calculations, which are read and computed according to the available hydraulic diagram. With the system operating pressure of 100 bars determined that the hydraulic cylinder on Gustavsberg power stations is sized for a force of 143kN. Based on this force, it has committed to fit a suitable modular actuator from SKF.
Electric motor is determined according to actuator screw parameters which are implemented in MATLAB to find out which torque is needed to power the actuator.
Two options are suitable for the application. One is the complete drive packages from SKF with AC servo motor and controller to this, the other is asynchronous motor from the appropriate manufacturer such as ABB, together with drives from the same manufacturer.
Since the actuator will not work more than twice an hour, there will be needed holding torque for the actuator to maintain its position. Holding torque is achieved easiest with an inverse function of the mechanical disc brake. This can be applied both during operation of the servo motor or asynchronous motor.
Security is key in a hydroelectric power station thereof demands on the components involved in the closure of the turbine. In the current situation the power station is equipped with two independent systems to shut off the turbine at degraded situations as power failure or fire. The first system consists of the UPS device, the other is a counterweight at 2600 kg. This thesis makes the assumption that the UPS system has fallen away and the only thing that remains is the counterweight. The counterweight issued to turn the vanes if the hydraulic system loses pressure.
In degraded situations problems occur with actuator when the actuator backwards runs due to the influence of guide rails and counterweights force. To solve this problem it has been developed three solutions suggested methods. Regenerative braking is most appropriate when the actuator is driven by servomotor. Industrial damper or modification of the actuator is possible to implement regardless of the operation of the servo motor or asynchronous motor.
V
VI
Sammanfattning
Vattenkraft är en den största förnyelsebara energikällan som finns i dagens samhälle. Drift och produktion sköts idag av högteknologiska elektroniska system.
Detta examensarbete görs på uppdrag av Statkraft Sverige AB som vill undersöka möjligheten att byta ut hydraulcylindern till ett elektriskt ställdon, generellt samt som ett case på ett mindre kraftverk på Nissan. Oavsett om det är kaplan eller francis turbinen manövreras ledskovlar med hjälp av hydrauliska cylindrar. På grund av Gustavsbergs vattenkraft är i konstant drift, bygger denna rapport på kraftberäkningar vilka är lästa och beräknade enligt tillgänglig hydraulisk schema.
Med systemarbetstryck på 100 bar bestämmas att hydraulcylinder på Gustavsbergs kraftverk är dimensionerad för en kraft på 143kN. Utifrån denna kraft har det utgåtts för att anpassa en lämplig modulär aktuator från SKF.
Motorn bestäms enligt aktuatorskruvens parametrar vilka implementeras i MATLAB för att ta fram vilket moment som behövs för att driva aktuatorn. Två olika alternativ är lämpliga för applikationen. Den ena är ett färdigt drivpaket från SKF med AC servomotor samt styrenhet till denna, den andra är en asynkronmaskin från lämplig tillverkare t.ex. ABB tillsammans med frekvensomriktare från samma fabrikat.
Eftersom ställdonet inte kommer att arbeta mer än två gånger i timman så kommer det behövas ett hållmoment för att ställdonet skall behålla sin position. Hållmoment åstadkoms smidigast med en inverterad funktion på mekaniskt skivbroms. Detta går att tillämpa både vid drift med servomotor eller asynkronmotor.
Säkerheten är viktigt i en vattenkraftstation där av höga krav på komponenterna som är involverade i stängning av turbinen. I dagsläget så är kraftstationen utrustat med två av varandra oberoende system för att stänga turbinen vid störd drift ex.
spänningsbortfall eller brand. Det ena systemet består utav UPS enheter, den andra är en motvikt på 2600 kilo. I detta examensarbete görs antagandet att UPS systemet har fallit bort och det enda som återstår är motvikten. Motvikten är till för att stänga ledskenorna ifall hydraulsystemet tappar trycket. Vid störd drift med ställdon uppstår problem då ställdonet bakåtdriver under kraftpåverkan från ledskenorna och motvikten. För att lösa detta problem har det tagits fram tre lösningsförslag på metoder. Regenerativbromsning lämpar sig bäst då aktuatorn skall drivas med servomotor. Industridämpare eller modifiering av aktuator är möjligt att implementera oavsett vilket drift med servomotor eller asynkronmotor.
VII
VIII
Innehåll
1 Inledning ... 1
1.1 Problemformulering ... 1
1.2 Syfte ... 1
1.3 Mål ... 1
1.4 Kravspecifikation ... 2
1.5 Avgränsningar ... 2
2 Bakgrund ... 3
2.1 Vattenkraft ... 3
2.1.1 Drift & utförande ... 3
2.1.2 Turbin typer ... 5
2.1.3 Löphjul och pådrag ... 8
2.2 Gustavsbergs vattenkraft i Nissan ... 9
2.2.1 Hydrauliskt system ... 9
2.2.2 Elektronisk styrning ... 12
2.2.3 Nuvarande säkerhetssystem ... 13
2.3 Elektriska maskiner ... 13
2.3.1Asynkronmaskin ... 13
2.3.2 Synkronmaskin- AC Servo ... 15
2.3.3 Newtons ekvationer ... 15
2.4 Motordrivsystem ... 16
2.4.1 Frekvensomriktare ... 17
2.4.2 AC servons kontrollenhet ... 17
2.4.3 Bromsning ... 17
2.5 Rullskruv teknik ... 17
2.6 Linjära aktuatorer ... 19
2.6.1 Kompakta cylindrar (CEMC) ... 19
2.6.2 Modulära cylindrar (SRSA) ... 19
2.6.3 Skruvdomkraft (RSJA) ... 20
3 Metoder ... 23
3.1 Hydraulisk systemanalys ... 23
3.2 Förflyttning med rullskruv ... 23
3.3 Drivning av aktuator ... 23
3.4 SimElectronics ... 24
3.5 DriveSize ... 25
3.6 EasyEL ... 25
4 Resultat ... 27
4.1 Aktuator ... 27
4.1.1 Dimensionering av aktuator ... 27
4.1.2 Livslängden för aktuator ... 28
4.2 Dimensionering av motor ... 29
4.2.1 Simulering av asynkronmotor med frekvernsomriktare ... 31
4.3 Systemersättning ... 32
5 Slutsatser ... 35
Referenser ... 37
IX
Bilagor ... 39 Bilaga 9 60
1
1 Inledning
1.1 Problemformulering
Ersättning av hydrauliskt servon som reglerar ledskenor i en vattenkraftturbiner, mot elektriskt ställdon för samma uppgift. Samt att behålla samma säkerhets funktioner vid störd drift, spänningsbortfall samt brand.
1.2 Syfte
Göra vattenkraftverket mer miljövänligare, genom att ersätta hydraulsystem och därmed läckage utav hydrauloljan ut i vattnet, samt att öka både tekniska och ekonomiska livslängden genom att man får fram ett system med mindre antal rörliga komponenter.
1.3 Mål
Undersöka möjligheten att använda elektriska ställdon istället för hydraulservon.
Teoretiskt ta fram svar till frågorna som har ställts av uppdragsgivaren och kunna redovisa en grund hur man går tillväga för att utföra en uppgradering utav systemet för reglering av ledskenor. Frågorna som skall besvaras i detta examensarbete är:
Vilka krafter måste ställdonen kunna hantera? I förlängningen leder denna fråga till vilka storlekar på turbiner som kan vara möjliga/lämpliga att använda elektriska ställdon istället för traditionell hydraulik.
Hur ska dessa regleras (styras), vilken teknik skall användas?
Hur säkerställa funktionen vid störd drift? Så att turbinen skall stängas av på ett säkert sätt vid brand, elbortfall m.m. Denna rapport skall besvara dessa frågor generellt men även som ett case på ett mindre kraftverk på Nissan.
2
1.4 Kravspecifikation
Elektrisk aktuator skall motsvara funktionsmässigt nuvarande hydraulsystem.
Behålla samma regleringsprecision.
Ta fram en lösning för att bibehålla samma säkerhet.
Nödstängning vid störd drift, t.ex. vid brand eller elbortfall skall turbinen stängas av på maximum 8 sekunder).
1.5 Avgränsningar
Denna rapport avser endast regleringen av ledskenorna i en kaplan turbiner.
Detta examensarbete är huvudsakligen en teoretisk undersökning, p.g.a. den stora omfattningen det skulle innebära att utföra detta praktiskt med avseende att kraftverket är i konstant drift.
3
2 Bakgrund
2.1 Vattenkraft
Vid begynnelsen av elektrisk produktion har vattenkraft alltid varit den främsta förnybara energikällan, samtidigt som det har det minsta specifika bidraget till växthuseffekten. Den ökande omsorgen om miljön leder till framsteg och teknisk utveckling. Dessutom kan renovering och ersättning med ny utrustning förbättra energieffektiviteten i befintliga vattenkraftsanläggningar.
Norge och Sverige förbrukar och producerar mest vattenkraft i världen, 119TWh respektive 65 TWh. I Sverige finns cirka 1800 vattenkraftverk, enligt EU standard är 200 av dem större kraftverk d.v.s. att de har en effekt på 10 MW eller mer [1].
Indelningen görs efter fallhöjd för småskalig vattenkraft [2]:
– Hög fallhöjd: över 50 m – Medelhög fallhöjd: 15-50 m – Låg fallhöjd: 2-15 m
2.1.1 Drift & utförande
Vattenkraftens viktigaste komponent är byggnaden vilket tjänar till fördämningar.
Exempel på byggnad som används för fördämningen är damm eller dammbyggnad vars mål är att skapa reservoarer. Dammar kan vara indelade, beroende på utformning och byggnadsmaterial, för sten -, jordfyllnings- och betongdammar.
Det andra grundläggande elementet är vattenturbinen som kommer att beskrivas i de följande kapitlen.
4
Nedanstående bild, se figur 2.1 visar en konstruktion av vattenkraft och ingående huvuddelar: A – damm (övre vattenmagasin), B – kraftstation, C – turbin, D – generator, E – intagsgrind/intagslucka, F – tilloppstub, G – transformator, H – sugrör/avlopp.
Figur 2.1. Uppbyggnad av vattenkraft
Drift av vattenkraftverk är ganska enkel. Vattnet från åarna/älvarna flyter från ovanliggande områden som berg eller högländer till reservoar som ligger i låglandet.
Vattenflödet i tillopptstuben (F) induceras p.g.a. skillnad av potentiell energi mellan den övre och nedre floden. Den potentiella energin förändras till kinetisk energi av strömmande vattnet. Denna företeelse används i vattenkraften och uppstår när strömmande vatten passerar vattenturbiner.
Innan vattendraget når vattenmagasinet så rensas vattnet av skräp som den har tagit med sig från källflödet så som trä, löv, papper o.s.v. I övre vattenmagasin (A) måste vattnet stabilisera sig d.v.s. alla mindre orenheter och sand som inte togs bort vid vattenintaget, sjunker till botten. Denna process liknar en sedimenterings förlopp. Vattenmagasinet (A) rengörs då och då från fyllningsmaterial som har
5
samlats på bottnen. Det övre vattenmagasinet andra uppgift är att lagra energi genom att dämma vattnet. Detta tillåter vattenkraften att arbeta utan en ständig vattenström under en period, vilket också är beroende av den installerade kapaciteten och storleken på tanken.
Efter det kommer vattnet vidare via tilloppstub (F), vilken är ofta grävd under jorden längs floden, till kraftstation (B). Turbiner och generatorer finns vanligtvis under marknivå. Turbinen omvandlar vattnets lägesenergi och rörelseenergi till mekanisk energi d.v.s. vattenflödet driver turbinbladet, vilket i sin tur driver en generator som alstrar elektrisk energi [3]. Efter denna process faller vattnet till mynning.
2.1.2 Turbin typer
I vattenturbiner används lägesenergi och rörelseenergi. Beroende på i vilken form energi tillförs till rotor är turbinerna uppdelad i två typer, se figur 2.2
– aktionsturbiner (Pelton, Banki - Michela), där vatten matas till rotorn vid atmosfärstryck. Denna typ av turbin utnyttjar rörelseenergi.
– reaktionsturbiner (Francis, Kaplan), där vatten matas till rotorn under ett tryck som är högre än atmosfärstrycket. Dessa turbiner utnyttjar läges och rörelseenergi.
6
Figur 2.2 Olika typer av turbiner beroende på varvtal (eng. specific speed) a) Peltonturbin b-d)
Francisturbin ef) Kaplanturbin
Detta examensarbete tar endast upp reaktionsturbinerna och därför kommer inte aktionsturbinerna att beskrivas.
7 Francis turbin
Vattenturbinen som utvecklades av James Francis har använts i nästan hundra år.
Den är mest lämplig för fallhöjder mellan cirka 30 och upp till 700 meter.
Konstruktionslösningarna är jämförbara med kaplanturbinens konstruktion, den huvudsakliga skillnaden gäller form och byggstruktur hos rotorn, se figur 2.3. Till skillnad från kaplanturbinen sitter rotorbladen fast hos Francis turbin, medan ledskenorna är rörliga i båda turbinerna.
Figur 2.3 a) Rotor i Francisturbin b) Francisturbin
Kaplanturbin
Kaplanturbinen konstruerades av den österrikiska ingenjören Viktor Kaplan år 1921. Turbinen är dimensionerad för att jobba med givet flöde och fallhöjd, vanligt mellan 2 och 80m, för att ge en maximal verkningsgrad. Därför är den konstruerade turbinen som en propellerturbin med inställbara, vinkelreglerade rotorblad s.k.
löphjul. Bladen är monterade på lager som är inbyggda i turbinens axel, se figur 2.4b. Ledskenorna är också vinkeljusterbara för att styra vattenflödet. Den mekanism som ansvarar för inställning av rotorbladet är kopplad med en annan mekanism som styr ledskenorna. Kopplingen mellan mekanismerna möjliggör att uppnå den högsta möjliga effektivitet under de rådande förhållandena.
8
Figur 2.4a visar en principskiss av en kaplanturbin.
Figur 2.4 a) System för ledskenornas vinkelstyrning i Kaplanturbin 1. ledskenor 2. vev 3. länk 4.
pådragsring 5. hydrauliskt ställdon b) System för rotorbladens vinkelstyrning i Kaplanturbin 1.axel 2. vändkors 3. länk 4. vev 5. tapp 6. blad
2.1.3 Löphjul och pådrag
Turbinens löphjul har vanligen från fyra till åtta stycken vridbara skovlar, se figur 2.4b, vilka med en optimal vinkel reglerar hur stort vattenflöde ska släppas för att uppnå bästa möjliga verkningsgrad för turbinen.
9
Figur 2.5 Ledkransens uppbyggnad
Ledskenor, som också kallas för ledskovlar, är vanligtvist 20 eller 24 stycken. Alla ledskenor är sammankopplade via ett mekaniskt länksystem, se figur 2.5.
Hydraulcylindern är kopplad till pådragsringen och därmed styrs alla ledskenorna samtidigt.
2.2 Gustavsbergs vattenkraft i Nissan
Nissan är en av södra Sveriges längsta åar med en längd på nästan 200km. Floden passerar västliga Småland och rinner ut i Kattegatt vid Halmstad. Statkraft [4] äger fem kraftverk i Nissan, varav Gustavsbergs kraftverk är utrustad med vertikal kaplanturbin, med märkeffekt på 0,9MW och en maximal fallhöjd på 11,5m är det äldsta kraftverket på Nissan (1918). Inom ramen för examensarbetet kommer undersökningen att genomföras för ovanstående vattenkraft.
2.2.1 Hydrauliskt system
Hydrauliken består av ett gemensamt hydraulaggregat för pådrag, löphjul och broms enligt hydraulschema 1-1269A (Bilaga 1) och stycklista 4-1269A (Bilaga 2).
10
Tanken position 1 försedd med avtappningskran, termostat, nivåvakt, luftfilter och returoljefilter pos. 2-6.
Pådrag
Pump - elmotorenheten pos. 9-12 förser pådraget med olja. Med pump – elmotor igång och riktningsventil pos. 26 strömlös går oljan från pumpen över tryckfilter pos. 17, P till A genom riktningsventil pos. 26 och tillbaka till tanken över returoljefilter pos. 6.
Maximalt systemtryck 100 bar inställs med tryckbegränsningsventilen pos. 17.
Nålventilen pos. 29 stängs, riktningsventilen pos. 26 manövreras manuellt eller med ström, så att oljan från pumpen går från P till B genom ventilen, över backventilen pos. 28 till pådragscylindern. När cylindern maximalt har gått ut mot mekaniskt stopp kan tryckinställningen göras på ventil pos. 27. Trycket avläses med manometer pos. 40 som är ansluten med manometerslang pos. 38 till mättuttag pos.
31.
Pådrag reglering
För att öppna/öka och stänga/minska regleringen av pådraget används riktningsventilerna pos. 24 och 26, då måste riktningsventilerna pos. 19 och 20 vara strömlösa och kulventiler pos. 23 måste vara stängda.
Pådraget öppnas och ökas tack vare ström på riktningsventilen pos. 26.
Hastighetens ökning kan regleras med strypventilen pos.29 som avleder en del av pumpflödet tillbaka till tanken (shuntreglering) beroende på hur mycket ventilen öppnas. När ventilen pos. 26 är strömlös står pådraget kvar i inställt läge mot stängda ventiler.
Pådraget stängs och minskas tack vare ström på riktningsventilen pos. 24 som öppnar och släpper olja från cylindern till tank. Hastighetens minskning kan regleras med stryp – backventilen pos 25. När ventil pos. 24 är strömlös står pådraget kvar i inställt läge.
Snabbstängning av pådraget sker med ström på riktningsventilerna pos. 19 och 20 som leder styrolja till de pilotstyrda backventilerna pos. 21 och 22. Backventilerna
11
öppnar och släpper oljan genom pådragscylindern direkt till tank.
Snabbstängningshastigheten ställs in med stryp – backventilen pos. 32. Manuell snabbstängning kan göras genom att kulventilen pos. 23 öppnas. Stryp – backventilen pos. 32 reglerar stängningshastigheten.
Löphjul
Pump – elmotorenheten pos. 13 och 16 förser löphjulsystemet och bromssystemet med olja.
Broms
Pump – elmotorenheten pos. 13 och 16 förser bromssystem med olja över tryckfiltret pos. 43 och backventilen pos. 35.
Driftsäkerhet och livslängd
Driftsäkerhet och lång livslängd är beroende av att hydrauloljan hålls fri från föroreningar, på rätt temperatur och att anläggningen i övrigt sköts väl.
I anläggningen finns en installerad tryckfilter pos. 17 och 43. Byte av filterelement skall göras så snart indikatorn ger signal. Dock minst 2ggr/år.
På tanken är monterad ett returoljefilter pos. 6. Byte av elementet genomförs så snart visaren på färgskala indikatorn når det gula fältet. Dock minst 2ggr/år.
Tanken är vidare försedd med ett luftfilter pos. 5 som bör bytas minst 1 gång per år.
Underhåll
1. Filterelement byts när indikator visar, dock minst 2ggr/år.
2. Oljebyte görs ca vartannat år och även noggrann rengöring av tank utförs 3. Nivåvaktens funktion kontrolleras årligen. Fastskruvarna skall lossas i locket
och nivåvakten lyfts upp för att få signal.
12
4. Termostaten kontrolleras årligen. Inställningsratten skall justera ner till lägre värde och signal skall erhållas.
5. Oljetemperatur kontrolleras tillsammans med rumstemperatur ca 4 ggr/år.
Temperaturen bör ej överstiga 55°C.
6. Förladdningstryck i ackumulator kontrolleras 2ggr/år. Oljan tömmes via avstängningsventilen pos. 34 därefter gastrycket mäts på ackumulatorns ovansida med speciell mätklocka.
– Endast kvävgas N2 får användas
– Vid service på hydraulsystem skall alltid avstängningsventilen pos. 34 öppnas
7. Rutinmässigt kontrolleras – Filterindikator
– Ljudnivå pump –motor
– Eventuellt läckage i rör och kopplingar
2.2.2 Elektronisk styrning
I dagsläget styrs hydraulsystemet av en trestegs regulator.
Regulatorn jobbar med tre stycken parametrar. Dessa är vattennivån i floden, position på ledskenorna samt ett börvärde som är vattenflödet [m3/s] som passerar genom turbinen.
Vattennivån mäts med hjälp av en trycksensor och dess utsignal konverteras i en mätvärdesomvandlare innan den når regulatorn.
Positionens mätning utgörs av en analog potentiometer. Dess utsignal går också till en mätvärdesomvandlare innan den når regulatorn. Mätvärdesomvandlare är av typen spännings - ström omvandlare.
Regulatorns utsignaler är manöversignaler på 110 V likspänning som styr direkt spolen på riktningsventilerna (Bilaga 3).
Riktningsventilerna kan också styras manuellt från tryckknappar öka/minska som sitter på elskåpet.
13 2.2.3 Nuvarande säkerhetssystem
Säkerheten på kraftverket i Gustavsberg består utav två stycken oberoende av varandra system, ett elektriskt och ett mekaniskt.
Det elektriska systemet består utav ett avbrottsfritt kraftförsörjningssystem s.k. UPS (Uninterruptible Power Supply).
UPS består av DC batterier och växelriktare.
Mekaniska systemet består utav en motvikt som är kopplad i serie med hydraulcylindern som styr ledskenorna. Motviktens uppgift är att stänga av ledskenorna vid oljetryckbortfall i hydrauliken inom max. 8 sekunder.
2.3 Elektriska maskiner
Begrepp elektriska maskiner används för att varje maskin kan användas både som motor och generator [5]. Största indelningen görs mellan likspänningsmaskiner och växelspänningsmaskiner. Det finns en stor variation på olika konstruktioner inom båda maskinerna. Följande rubriker kommer att beskriva de maskiner som är relevanta för detta examensarbete.
2.3.1 Asynkronmaskin
Asynkronmaskinen är den vanligast förekommande trefas motorn och finns i storlekar från 0.05kW upptill flera MW. Indelningen kan göras i lågspänningsmaskiner (<1000V) som finns både i enfas och i trefas utförande, samt högspänningsmaskiner (>1000V) som är enbart trefasmaskiner. Maskinens popularitet grundar sig på att den är enkel i sin konstruktion och därmed på hög driftsäkerhet, samt att den är relativt billig jämfört med andra trefasiga maskiner.
Asynkronmaskinen [5] är uppbyggd av en fast del - stator och en roterande del - rotor. Statorn byggs upp av laminerat plåtpaket som sätts fast i en stålkonstruktion.
Antalet grupper med lindningar i statorn ger maskinens poltal. Rotorn hos en asynkronmaskin kan vara i två olika utförande: kortsluten rotor där rotorlindningar inte är åtkomliga och en släpringad rotor där det är möjligt att komma åt lindingarna utifrån. Som namnet "asynkronmaskin" tyder på så är inte
14
rotorvarvtalet synkront med det elektromagnetiska fältet som avges ifrån lindningarna i statorn. Rotorn har ingen fysisk kontakt med statorn utan det elektromagnetiska momentet överförs induktivt mellan dem.
Eftersläpningen (s) räknas fram enligt formeln
där Ns är maskinens synkrona varvtal och n är maskinens asynkrona varvtal.
Asynkrona varvtalet (n) beräknas fram från
ekv.(1)
Där f är frekvensen och p är motorns poltal. Synkrona varvtalet för motorn bestäms efter poltalet som statorn är lindad med. Vanligast förkommande är 2, 4, 6, och 8- poliga maskiner, se tabell 1. Det synkrona varvtalet Ns räknas fram enligt följande
ekv.(2)
Poltal Ns för 50Hz nätspänning Ns för 60Hz nätspänning
2 3000 rpm 3600 rpm
4 1500 rpm 1800 rpm
6 1000 rpm 1200 rpm
8 750 rpm 900 rpm
Tabell 1. Synkrona varvtalet för olika poltal hos elmaskiner. Gäller för 50 och 60 Hz nätspänning
Maskinens märkmoment Mn räknas fram enligt formeln
15
ekv.(3)
där Pmekaniskt =
är maskinens verkningsgrad och ω= 2π*f
2.3.2 Synkronmaskin- AC Servo
En borstlös elektrisk AC motorn (BLAC) [5] är en elektrisk motor driven av en elektrisk AC-insignal, vilkens konstruktion saknar kommutatorn eller släpring.
Motorlindningen lindas till statorn och permanentmagneter är fastsatta på rotorn.
Inga borstar tillhandahåller minimalt underhåll. AC servo är utformat för högprestation, det ger mycket hög acceleration, hög och konstant vridmoment över ett brett utbud av hastighet, hög nominell hastighet, exakt hastighet och/eller positionsreglering.
2.3.3 Newtons ekvationer
För att bestämma tröghetsmoment J och totalt motormomentet M används Newtons lagar vilka framträder i nedanstående ekvationer [6]:
Där
Mmotor - motorns egenbehov vid start [Nm]
ekv.(7) tstart – starttid [sek], Δn - varvtalsändring [rpm]
Mf – lastens momentbehov vid start, Mt – moment från en kraft F på lasten ekv.(8)
F – tillsatskraft [N], μ – friktionskoefficient, h-stigning[mm], m - lastens massa [kg]
16 Mskruv – skruvens egenbehov vid start [Nm]
ekv.(9) där ekv.(10)
Jskruv – skruvens tröghetsmoment [kgm2], l – skruvlängden [m], d – skruvdiameter [m], ρ – densitet [kg/m3]
Ms – lastens startmoment [Nm]
ekv.(11)
där ekv.(12) Jlast - lastens tröghetsmoment [kgm2], η – skruvens verkningsgrad
För att förenkla beräkningen har tröghetsmomentet undantagits och motorns egen friktion mellan skruv och motor. Vanlig värdet för rullskruvars verkningsgrad η är 0.2 för.
För små laster gäller kort starttid och motor med litet tröghetsmoment Jmotor vilken vid rätt anpassad stigning skulle ge bäst tröghetsförhållande så att Jyttre/Jmotor <5-8.
Där ekv.(13)
Det optimala förhållandet är ca 1:1, men för stor last, stor stigning och måttlig starttid kan en motor med förhöjt Jmotor vara en lämplig lösning.
2.4 Motordrivsystem
17 2.4.1 Frekvensomriktare
Frekvensomriktare [5] omvandlar en växelspänning från en frekvens till en annan.
Huvudsyfte är att använda dessa för varvtalreglering av AC motorer.
DTC (Direct Torque Control) gör en skattning av motorns magnetiska flöde och moment baserat på U och I hos motorn. Metoden karakteriserar mycket låga övertoner och snabbhet.
2.4.2 AC servons kontrollenhet
Styrning för AC servo [5] är integrerad i en kompakt kontrollenhet och utrustad med varvtalsregulator, manöverkontroll, PLC samt kraftfulla CANopen eller numerisk kontroll Profibus.
2.4.3 Bromsning
Elmaskiner används både för drivning samt för generering av elektrisk energi. I detta fall skall maskinen användas för en högdynamisk drift och då genererar maskinen elektrisk energi så att den kan utnyttjas för reostatisk (regenerativ) bromsning [5]. Vid bromsning är vridmoment och rotationsriktning motriktade.
Användning av en bromschopper vid alternativet med en servomotor skulle leda till att den stora kraften som uppstår i slutskedet vid en spänningslös stängning skall kunna bromsas ned med rätt dimensionerad bromsmotstånd s.k. bromschopper (Bilaga 7).
2.5 Rullskruv teknik
Uppdragsgivarens önskemål är att undersöka om det är möjligt att implementera en lösning med en aktuator från SKF [7]. Företaget har i sitt utbud tre olika slags ställdon, dess konstruktion är baserad på rullskruv teknik (eng.”roller screw”), se figur 2.6.
18
Fig.2.6 Rullskruvs uppbyggnad
Gängans konstruktion av rullarna och muttern eliminerar bakdrivning av rullningslager och tillåter planetarisk rotation hos rullarna. De tre grundläggande elementer skruv, rullar och mutter är konstruerade på sådant sätt att om rullarna roterar fritt inne i muttern så följs dem av en planetarisk rotation, inte axiellt som i standard skruv. Skruvgängorna ligger vinkelrätt mot muttern vilket optimerar skjuvhållfasthet. Gängans profil hos rullarna är formad på sådant sätt att den skulle ge en ekvivalent stor kuldiameter med mycket flera kontaktpunkter än en konventionell kulskruv. Formen och antalet kontaktpunkter ger en hög lastbärande kapacitet, vilken är tre gånger högre än den genomsnittliga kulskruvens kapacitet.
Rullskruvar är styva och glappfria vilket bidrar till en exaktare positionering. Varje skruv har ett antal parameter som tillsammans med anpassat motorvarvtal kan ge rätt hastighet på förflyttning.
19
2.6 Linjära aktuatorer
2.6.1 Kompakta cylindrar (CEMC)
Compact Electro-Mechanical Cylinders [7] (se figur 2.7) används huvudsakligen när belastning och slaglängd är begränsad och där hög dynamisk prestanda krävs.
Cylindern är tillämplig för fasta och rörliga applikationer.
Figur 2.7 CEMC Cylinder
2.6.2 Modulära cylindrar (SRSA)
Den elektromekaniska cylindern [7] (se figur 2.8) består av planetskruv och drivs i standardversion genom direkt kopplad borstlös motor s.k. AC servo. I vissa konfigurationer kan planetväxellådan vara inbyggd. Rullskruven omvandlar rotationsrörelse till linjär rörelse d.v.s. när skruven roterar, rör sig muttern längst ned rullskruven och beroende på rullskruvens rotation så bestäms kolvens
riktning. Rullskruven hålls av en kombination av vinkelkontaktkullager som medger hög hastighet, styvhet och hållfasthet. Vid längre slaglängd är den fria änden av axeln uppburen och styrd inne i kolven för att förhindra vibrationer.
20
Kolven och muttern styrs i cylindern, vilket ger ett axiellt och radiellt styvt system. Denna konstruktion ger en mycket hög vridstyvhet och hållbarhet. Två interna stötdämpare säkrar mekanismen under justerings fasen.
Figur 2.8 SRSA cylinder
2.6.3 Skruvdomkraft (RSJA)
RSJA cylindern [7] (se figur 2.9) använder ett sfärisk rullager som stödjer rullskruvs mutter. Rullar som rullelementen skapar ett system vilket tillåter sänkning och höjning av tunga laster med hög effektivitet och hög tillförlitlighet. Det ger en total
21
verkningsgrad så hög som 70 % beroende på förhållandet mellan snäckdrevets uppsättning. Utformningen av skruvdomkraften är baserad på en roterande mutter, vilken är driven genom snäckväxel. Bärförmågan beror på storleken av skruvens rulle (diameter från 75 till 180 mm).
Figur 2.9 RSJA cylinder
22
23
3 Metoder
3.1 Hydraulisk systemanalys
Baserat på Hydraulik 1 [8] genomfördes det en analys av det befintliga hydrauliska systemet. Den nuvarande hydrauliska cylinder har en diameter på 135mm och systemarbetstryck är på maximalt 100bar vilket är lika med 10N/mm² (Bilaga 1).
Från dessa uppgifter bestäms att hydraulcylindern på Gustavsbergs kraftverk är dimensionerad för en kraft på 143kN. Nedanstående uträkning bevisar den verkande kraften
ekv.(14)
3.2 Förflyttning med rullskruv
Vid kort förflyttning och hög positioneringsnoggrannhet används rullskruven för att utföra en linjär rörelse. Skruvar finns i olika längder, stigningar och diametrar medan motorer finns med olika kombinationer av drivmoment och hastighet. För matematiska och tekniska uträkningar används ett verktyg och programmeringsmiljö – MATLAB. Genom användning av skript kan beräkningarna utföras enklare (Bilaga 5).
3.3 Drivning av aktuator
För att driva ställdonet finns det olika möjligheter. En av dem är permanent magnetiserad Ac motor (AC-servo), med kontrollenhet från SKF (Siemens). Denna kombination ger dubbla positionsåterkopplingar, en digital från encodern som är monterad på motorn samt en analog från de inbyggda givarna på ställdonet.
Ställdonets position är bibehållen med hjälp av kontrollenheten. Den digitala återkopplingen från encodern i en AC servomotor ger en positionsåterkoppling. Vid ett spänningsbortfall blir encodern nollställd och därmed tappas den momentana
24
positionen. För att åstadkomma ett högt hållmoment, vilket kan krävas i denna applikation, så lämpar sig en mekanisk hållbroms i inverterad funktion som det bästa alternativet. Dessutom kan servomotorer skapa sitt eget hållmoment med hjälp av dess styrenhet som skickar ut likspänning till två av statorlidningar med likström. Detta moment i servomotorer kan uppskattas till maximalt 110 % av motorns märkmoment.
Alternativet är asynkronmotor med frekvensomriktare och mekanisk hållbroms monterad på elmotorns axel. Drivningen av denna typ är enkel och beprövad, men digital återkoppling förloras vid ovanstående alternativ. Frekvensomriktare möjliggör att förskjuta motorns momentkarakteristik så att det blir högt startmoment och då dimensioneras den mekaniska bromsens hållkraft efter motorn.
I driftalternativet med frekvensomriktare och asynkronmotor krävs kondensatorer (att åstadkomma magnetiseringsström i rotorn) vilka kopplas in samtidigt med bromsmotstånd för att åstadkomma samma funktion som vid servodrift.
Bromsmotstånd i drift med frekvensomriktare bidrar till finare reglering av positionering vilket leder till att för slitning på mekaniska kopplingar och maskinens komponenter skulle då undvikas.
3.4 SimElectronics
SimElectronics [10] är en toolbox till Simulink och innehåller ett bibliotek med elkraftkomponenter som olika slags motorer, frekvensomriktare, transformatorer, drivenheter och m.m. För att ange realistiska parametervärden används olika parametriserings metoder för många komponenter. Parametervärdena är avlästa direkt från komponents datablad och sätts i den skapade modellen.
För att simulera ett steg i frekvensomriktare med funktionen DTC (Direct torque control) användes demonstrations modell ac4_example. Spänningskällan, asynkronmotor, rotor hastighet och vridmoment parametrar sätt till enligt Bilaga 8.
25
3.5 DriveSize
DriveSize [9] innehåller aktuella versioner av ABB motorer och frekvensomriktare.
Med hjälp av detta verktyg kan de optimala komponenterna för applikationen väljas och simuleras.
3.6 EasyEL
EasyEL är svenskt el-cad program som innehåller symbolbibliotek för enlinjeschema, elmotorer, huvudledningsschema, larm och brand och m.m. [11]
26
27
4 Resultat
Här klargörs en undersökning för att ersätta hydraulcylindern mot en elektrisk aktuator, samt system för drivning. Första steget är att räkna fram momentet som behövs tillföras till aktuatorn. I nästa steg skall en lämplig motor och drivenhet i form av frekvensomriktre väljas vilket görs med programvaran DriveSize [9].
Insättningen av beräkningarna av momentbehovet gav resultatet att mest lämpade komponenterna blir en sexpolig 22kW asynkronmotor samt en frekvensomriktare av typen ACS550 från ABB [9]. Asynkronmotorns parametrar, önskade varvtalet samt momentbelastningen som aktuatorn utgör under full belastning sätts in i en simulering av systemet där frekvensomriktaren parametrar skall motsvara inställningen för DTC (direkt moment kontroll) mode. Simuleringen i SimElectronics är till för att påvisa förhållanden i varvtal/momentet mot tiden. Valet av denna typ av drivnig till aktuatorn görs efter de följande beräkningar vilket påvisar det momentbehov som behövs för att åstadkomma den önskade kapaciteten på 143 kN vilket aktuatorn skall uppnå.
4.1 Aktuator
Aktuatorn har undersökts efter de kravspecifikationer som ställs på den vid utbyte av hydraulcylindern. Ett av kriterierna för att implementeras är att den har en god livslängd vilket påvisas i underrubriken 4.1.2 livslängd för aktuator. Valet föll på typen SRSA ställdon eftersom den har låg friktion både vid tryck och vid drag.
Dessutom ger det möjligheten att kunna använda motvikten och dess nuvarande funktion, d.v.s. att ledskenorna skall kunna stängas vid spänningsbortfall och bortfall från UPS – systemet.
4.1.1 Dimensionering av aktuator
Vid dimensionering av aktuatorn utgås det ifrån att nuvarande hydraulsystem arbetar med maxtrycket på 100 bar. Enligt ritningen för den nuvarande hydrauliska cylindern med en diameter på 135mm och ett systemarbetstryck är på maximalt 100bar (Bilaga 1). Från dessa uppgifter bestäms det att hydraulcylindern på Gustavsbergs kraftverk är dimensionerad för en kraft på 143kN. Nedanstående uträkning visar den verkande kraften.
28
4.1.2 Livslängden för aktuator
Livslängden för den modulära cylindern SRSA6020 [7] bestäms enligt nedanstående diagrammet, se figur 4.1. Ur diagrammet Basic life rating, se figur 4.1 avläses 200×10^6mm för en kraft på ca 143kN, vilket leder vidare till livslängden:
Figur 4.1 Livslängden för SRSA60. Mn =142.7kN, Mmax =251.9kN, v = 86.7mm/s, och l = 500mm.
29 Cylindern skall arbeta 2 gånger i timme
Vilket ger
Ur diagrammet Basic life rating, se figur 4.1 avläses 200× mm för en kraft på ca 143kN, vilket leder vidare till livslängden:
Beräkningen utfördes under antagandet för maximal belastning under ständigt 24 timmars drift.
4.2 Dimensionering av motor
Den aktuella längden l= 500mm för den hydrauliska cylindern måste bevaras för att hålla verkande krafter i systemet på 143kN, samma gäller för stängning av turbinen vid störd drift (ex. brand, elbortfall) vilken skulle genomföras i en tidsram mellan 6- 8 sekunder. Från dessa data är det känt att motvikt som väger 2600kg skall förflyttas med en hastighet v = 62mm/s som enligt beräkning:
Skruvens varvtal Δn omvandlas till rpm:
30
Därefter bestäms Mf + Mt, d.v.s. lastens momentbehov p.g.a. friktion respektive moment från en kraft F på lasten, i detta fall vatten trycket på ledskenorna. När ställdonet är stängt skulle motviktens massa m, vattentrycket på ledskenornas yttre sida samt friktionen vara resterande F = 11,4kN. Dessa ger slutligen, enligt ekvation (8):
Från ekvation (5) och (7) skruvens egenbehov beräknas vid start Mskruv och lastens startmoment Ms.
ekv.(17)
EMC datablad [7] ger skruvens parametrar: diameter d=60mm, stigning h=20mm/varv, verkningsgrad η= ,2. Friktionskoefficient μ uppskattar till 0,05. Stål densitet ρ = 78 kg/m3 vilket leder till skruvens tröghetsmoment Jskruv kan beräknas ut från ekvation (10)
Sedan från ekvation (11)
där lastens tröghetsmoment Jlast beräknas från ekvation (12)
Från ekvation (6) beräknas Mlast
31
AC servo motor CN H160 IP54 från ABB [9] med momentet 367 Nm, märkvarvtal 4000 rpm och tröghetsmoment 0.4 kgm2.
Startmoment Mmotor och totala moment M beräknas från ekvationer (7) och (5)
Och slutligen tröghetsförhållandet enligt ekvation (13)
4.2.1 Simulering av asynkronmotor med frekvernsomriktare
I figur 4.2 ses en simulering av 22kW asynkronmotor med direct torque control (DTC) som är en funktion som finns i ovannämnda frekvensomriktaren. Parametern för önskade konstata varvtalet som i detta fall är 207 rpm sätts in i ”speed reference” . Belastningsmomentet som motorn skall belastas med är 388 Nm och insätts i rutan ”Load torque”. I denna simulation finns också en spänningskälla vilken är satt enligt svenskt nätstandard för lågspänningsnät d.v.s. 400V och 50Hz. I rutan med beteckningen AC4 finns parametrar som sätts in (Bilaga 8) för asynkronmotorn samt frekvensomriktaren.
32
Figur 4.2 Simulering av asynkronmotor samt frekvensomriktare DTC funktion i SimElectronic miljö
De ovanstående beräkningarna bekräftas i simulationen (se figur 4.3) av asynkronmotor och DTC kontrollenhet i SimElectronics. Översta kurvan i figur 4.3 visar på hur strömmen i statorn ser ut, kurvan i mitten visar att det önskade varvtalet på 207 rpm uppnås på en tidsperiod på 0.25 sek samt att det hålls konstant. Sista kurvan visat på att vridmomentet är förstärkt under tiden motorn kommer upp till valt motorvarvtal vilket i ovanståendet simulering motsvarar 0.25sek. Momentet hamnar därefter i sitt börvärde och ligger konstant under drift.
Det höga startmomentet är önskat p.g.a. friktionen som ligger i ledkransen då de är i stängt läge.
Figur 4.3Resultat av SimElectronics simulation av asynkronmaskin med DTC.
4.3 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 clear
clc
v = 0.0625; % [m/s]
frikt = 0.05; % friktionskoefficetet
m = 2600; % m-lastensmass, motvikt 2600kg
Mt = 0:2000:114000; % moment från F en kraft F på lasten d.v.s..vatten
g = 9.82; % gravitaion [m/s^2]
Tst = .5; % Starttid 0.5s
% skruvens data
l = 0.500; % längden [m](500mm) d = 0.060; % diameter [m](60mm) h = 0.020; % stigning [m/varv](20mm) verk = 0.2; % verkningsgrad för rullskruv p = 7800; % densitet på stål [kg/m^2]
% skruvens varvtal n_skruv = v/h [rpm]
n_skruv = (v/h)*60;
% lastens momentbehov Mf [Nm] pga friktion lng = length(Mt);
k = 1;
while lng > 0
Mf(k) = (m*g*frikt+Mt(lng))*(h/(2*pi));
lng = lng - 1;
MtMt(k) = Mt(lng+1);
k = k +1;
end
% skruvens troghetsmoment Jskruv [kgm^2]
Jskruv = (1/32)*pi*l*p*d^4;
% 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
Mlast = Ms+Mf+Mskruv;
format ShortG
disp('--- ---');
fprintf('| skruv.troghmom\t skruv egen behov vid start \n');
fprintf('| Jskruv[kgm^2]\t Mskruv[kgm^2]\n');
disp('--- ---');
disp([Jskruv',Mskruv']) disp(' ');
disp('--- ---');
disp('--- ---');
fprintf('| mass\t last.momentbehov last.moment \n');
fprintf('| m[kg]\t Mf[Nm] Mlast[Nm] \n');
disp('--- ---');
disp([MtMt', Mf', Mlast']) disp(' ');
disp('--- ---');
% 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');
% Motor start moment Mmotor [Nm]
Mmotor = Jmotor *n_skruv *((2*pi)/(60)) *(1/Tst);
fprintf('Motor start moment\n');
disp (Mmotor)
% Totala moment M [Nm]
M = Mlast + Mmotor;
%forhallandet= Jyttre/Jmotor= (Jskruv+Jlast)/Jmotor forhallandet =(Jskruv+Jlast)/Jmotor;
fprintf('Förhållandet Jyttre/Jmotor \n');
disp(forhallandet)
%dynamiska moment
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.
