Konstruktion av modulär turbinstyrning i hydroelektrisk kraftproduktion

Konstruktion av modulär

turbinstyrning i hydroelektrisk kraftproduktion

Construction of Modular Turbine Control Unit for Applications in Hydroelectric Power

Production

Christoffer Danielsson

Examensarbete vid Mekatronikingenjörsprogrammet

vt 2012

Konstruktion av modulär

turbinstyrning i hydroelektrisk kraftproduktion

Construction of Modular Turbine Control Unit for Applications in Hydroelectric Power Production

Christoffer Danielsson

Examensarbete

Degree Project

Mekatronikingenjörsprogrammet

vt 2012

Handledare: Mats Johansson, Batec AB Tryggve Grahn, Karlstads universitet

Detta examensarbete omfattar 22,5 hp och ingår i Mekatronikingenjörsprogrammet, 180 hp,

Christoffer Danielsson

---

Rapporten godkänd,

datum Handledare: Tryggve Grahn

Examinator: Arild Moldsvor

Förord

Detta examensarbete har genomförts som en del i högskoleingenjörsutbildningen i mekatronik (22,5 hp) vid Karlstads universitet. Projektet har utförts på uppdrag av företaget Batec AB i Säe. Arbetet var intressant och givande, och har givit en god inblick i arbetet som involverar styrteknik inom vattenkraft. Projektets bredd och spännvidd över ett ertal teknikområden har gett en god bild av en mekatronikingenjörs arbetsuppgifter.

Jag vill rikta ett stort tack Batec AB som givit mig möjligheten att jobba med detta intressanta projekt. Jag vill specikt tacka Mats Johansson på Batec som bistått med värdefull kunskap och varit ett bollplank för idéer och funderingar.

Ett tack riktas även till min handledare på Karlstads universitet, Tryggve Grahn.

lokala förutsättningarna (så som turbintyp eller generatorantal) kan skilja sig mel- lan kraftstationer, och enheten måste således designas för att vara så kompatibel och allsidig som möjligt.

Styrenheten skall kunna kontrollera turbinens ledskenepådrag, och bladvinkel i stationer med Kaplanturbin. Enheten skall designas för att fungera som en fri- stående enhet, såväl som en del i ett nätverk av kontrollenheter. Konstruktionen måste vara säker, inom vattenkraftssammanhang sätts stora krafter i rörelse och nödvändiga åtgärder för att garantera säkerheten måste därför vidtas.

Det övergripande målet är att konstruera en billig, mångsidig produkt för vat- tenturbinstyrning som kan användas under så många olika förutsättningar som möjligt.

Projektet delas upp i tre olika delar, Design, Hydraulikkonstruktion och Styr- program. Mycket av konstruktions- och designarbetet följer samma mönster; Ett antal specikationer och krav ställs upp. Därefter utvärderas olika lösningar och utformningar som tagits fram, och efter ytterligare arbete tas ritningar och styr- program fram. I projektet ingår även dimensionering och val av komponenter.

Projektet har resulterats i en planritning för hur en turbinstyrenhet skall kon-

strueras. Konceptet har bland annat funktionalitet för PID-regulatorer, och styr-

funktioner för turbinpådraget. Resultatet presenteras i mekaniska och hydrauliska

CAD-ritningar, och i form av ett styrprogram för PLC. I resultatet ingår även

komponentlistor och en ekonomisk utvärdering.

Abstract

The purpose of this degree project is to design a modular turbine control unit for applications in hydroelectric power production. Normally, the control units are custom made for each new customer, this method is however quite expensive and time-consuming. The local conditions (such as turbine type or number of genera- tors) can vary greatly between hydro power plants, and the unit must therefore be designed to be as compatible and allround as possible.

The control unit is required to manage the control of the wicket gates of the turbine and, where it is needed, the propeller angle of a Kaplan turbine. The unit should be designed to work as a stand-alone unit, as well as a part of a network of control units. The construction has to be safe. Powerful forces are in motion when dealing with hydroelectric power production, thus necessary arrangements are required to be made to guarantee personal and material safety.

The overall goal is to construct a cheap, versatile product for water turbine control that can be used under as many dierent conditions as possible.

The project is split into three dierent parts, Design, Hydraulic Construction and Control Program. A lot of the construction and design work follows the same pattern: A set of specications and requirements are dened. Dierent solu- tions and designs are then constructed and evaluated. After some work, a drawing (or program) will emerge. The project also includes dimensioning and choosing the components that are used.

The project resulted in blueprints for a turbine control unit concept. The design

concept features a system that is compatible with PID controllers, it has the neces-

sary functions to control the water turbine, and it is built to guarantee mechanical

as well as personal safety. The result is presented as a number of mechanical and

hydraulic CAD drawings, and a control program made for use in a PLC. A list of

all the components needed, and an economical evaluation is also presented as a

part of the result.

Nomenklatur 1

1. Inledning 3

1.1. Bakgrund . . . . 3

1.2. Mål . . . . 3

2. Teori 5 2.1. Vattenkraft i Sverige . . . . 5

2.2. Kraftverkets uppbyggnad . . . . 5

2.2.1. Vattenturbintyper . . . . 6

2.2.1.1. Kaplanturbin . . . . 6

2.2.1.2. Francisturbin . . . . 8

2.3. Hydraulik i vattenkraft . . . . 9

2.3.1. Hydrauliskt pådrag, grundteori . . . . 9

2.3.2. Typer av hydraulsystem . . . . 9

2.4. PLC-system . . . 10

3. Förstudie 11 3.1. Hydraulik . . . 12

3.2. Styrprogram . . . 12

4. Problem 13 4.1. Problemuppställning . . . 13

4.1.1. Krav . . . 13

4.2. Förutsättningar . . . 14

4.3. Tillvägagångssätt . . . 14

4.4. Avgränsningar . . . 15

4.5. Metodval . . . 15

5. Genomförande 17 5.1. Design . . . 17

5.1.1. Grundidé . . . 17

5.1.2. Ritning . . . 19

5.1.2.1. Valda komponenter . . . 19

5.1.2.2. Nytillverkade komponenter . . . 19

5.2. Hydraulik . . . 20

5.2.1. Grundidé för turbinpådrag . . . 20

5.2.2. Ritning över turbinpådrag . . . 21

5.2.2.1. Skiss . . . 21

5.2.2.2. Hydraulik-CAD . . . 23

5.2.3. Komponentval och dimensionering för hydrauliksystem . . . 23

5.2.3.1. Hydraulkolv för turbinpådrag . . . 23

5.2.3.2. Motor och pump för turbinpådrag . . . 24

5.2.3.3. Tryckackumulator för turbinpådrag . . . 25

5.2.3.4. Elektronisk tryckvakt . . . 26

5.2.3.5. Motor och pump för bladvinkelreglering . . . 26

5.2.3.6. Oljetankstorlek . . . 27

5.3. Styrprogram . . . 28

5.3.1. Input/Output, kommunikation . . . 28

5.3.2. Programfunktioner . . . 29

5.3.3. Grak . . . 30

5.4. Ekonomi . . . 32

5.4.1. Kostnadskalkyl . . . 32

5.4.2. Kundunderlag . . . 32

6. Resultat 33 7. Diskussion 36 8. Slutsats 38 Referenser 38 Litteraturtips 40 Bilagor 42 A. Beräkningar 42 A.1. Hydraulik . . . 42

A.1.1. Hydraulkolv . . . 42

A.1.2. Tryckackumulator . . . 43

A.1.3. Dimensionering av hydrauloljetank . . . 44

B. CE-märkning 45 B.1. Maskindirektivet  2006/42/EG . . . 45

B.2. Lågspänning  2006/95/EG . . . 46

B.3. Tryckbärande anordningar  97/23/EG . . . 46

C. CAD-ritningar 47

Nomenklatur

A ⁺ _K Tryckyta hydraulkolv i positiv riktning A ⁻ _K Tryckyta hydraulkolv i negativ riktning D + Diameter hydraulkolv positiv riktning D − Diameter hydraulkolv negativ riktning E Materialspecik elasticitetsmodul F _kritisk Kritisk knäckkraft

I Yttröghetsmoment

l inf astning Hydraulkolvens infästningsavstånd l _slag Hydraulkolvens slaglängd

n Polytropexponenten

p ₀ Tryckackumulatorns förladdningstryck p ₁ Systemets minsta arbetstryck

p 2 Systemets högsta arbetstryck Q _bladvinkel Oljeöde hydraulpump bladvinkel Q _max Maximalt oljeöde

Q _padrag Oljeöde hydraulpump turbinpådrag r _kolv Hydraulkolvens radie

S _k Hydraulkolvens knäckningslängd

t _{f yllning} Tid för oljefyllning av tryckackumulator V ₀ Beräknad tryckackumulatorstorlek

V 1 − V 2 Utnyttjad hydrauloljevolym i arbetsprocessen

V _ack Vald tryckackumulatorstorlek

V _K ⁺ Volym hydraulkolv i positiv riktning V _K ⁻ Volym hydraulkolv i negativ riktning V _oljetank Hydrauloljetankstorlek

V _rek Rekommenderad hydrauloljetanksvolym

1. Inledning

1.1. Bakgrund

Uppdragsgivaren Batec AB är ett teknikföretag med inriktning mot elektrome- kanik. Batec verkar inom ett ertal branscher, men den mest framträdande är småskalig vattenkraft. Arbetsuppgifterna sträcker sig från nyproduktion och re- novering av mekaniska komponenter, till automatisering av gamla kraftstationer.

Detta arbete kommer att fokusera på styrutrustning för vattenturbinstyrning, som är en relativt vanlig produkt i Batecs verksamhet.

På grund av att de lokala förutsättningarna, så som vattendragets karakteristik eller generatoruppsättningar, är olika hos varje kund så måste varje arbetsuppdrag specialanpassas till kunden. Denna arbetsmetod är kostsam och tidskrävande, och Batec AB ¹ vill undersöka möjligheten att utforma en styrenhet för turbinkontroll som är så allsidig och kompatibel som möjligt.

1.2. Mål

Målet är att ta fram en produkt som kan hantera allt som har med turbinstyr- ningen i vattenkraftverket att göra. Styrenheten skall fungera såväl fristående som i ett nätverk med eventuell övrig styrutrustning i kraftverket.

Ett koncept som går att applicera på olika typer av kraftverk är åtråvärt, då detta sparar tid och pengar. Ett annat mål att sträva emot är att det platsför- lagda arbetet, så som installation och kongurering skall minskas eller elimineras helt. Produkten skall byggas kostnadseektivt, där fokus skall ligga på att minska arbetstiden per uppdrag i så stor utsträckning som möjligt.

1 Kommer hädanefter att refereras till som Uppdragsgivare

Ledord att arbeta mot i designprocessen skall vara:

• Allsidig

• Modierbar

• Prisvärd

• Estetiskt tilltalande

2. Teori

2.1. Vattenkraft i Sverige

Sverige är ett land med många sjöar och vattendrag, och länge har energi utvunnits ur vattnet. Förr i tiden kunde denna energi användas för att till exempel driva sågverk och kvarnar. När människan så småningom lärde sig att utvinna elenergi ur vattnet så byggdes elkraftverk, och enligt Svensk Vattenkraftförening[1] så fanns det på 1950-talet ca 4000 småskaliga vattenkraftverk i Sverige. Idag är denna sira betydligt mindre, enligt Svensk Vattenkraftförening nns det idag 1894 småskaliga vattenkraftverk i drift. Denitionen för småskalig vattenkraft inom EU är kraftverk med en produktionskapacitet på maximalt 10MW[2].

2.2. Kraftverkets uppbyggnad

Ett vattenkraftverk nyttjar det naturliga kretslopp som vatten genomgår (vatten- ånga dunstar från hav och sjöar och transporteras till högre belägna områden som nederbörd) för att utvinna energi.

Vatten i en sjö eller ett vattendrag däms upp, leds genom en tunnel, eller tub,

fram till en turbin. Genom att öppna eller stänga ett turbinpådrag så ändras den

vattenmängd som strömmar igenom turbinen. Turbinen påverkar i sin tur en ge-

nerator som alstrar 50 Hz växelström som sedan leds ut på elnätet. Se gur 2.1

för en beskrivande bild över ett typiskt vattenkraftverk.

Figur 2.1.: Teoretiskt uppbyggnad av ett vattenkraftverk[3]

2.2.1. Vattenturbintyper

I denna rapport kommer två typer av reaktionsturbiner att undersökas, nämligen Kaplanturbinen och Francisturbinen. En reaktionsturbin, eller övertrycksturbin, utnyttjar Newtons tredje lag ² för att sätta en generatoraxel i rotation. Vattnets tryck ändras när det passerar genom turbinen, och på grund av denna tryckskill- nad skapas ett lodrätt drag i vattenmassan, och detta genererar en reaktionskraft mot turbinskovlarna som ger ett vridmoment runt axeln[4].

Man kan förenklat tänka sig reaktionsturbinen som en bakvänd båtpropeller, där propellern med hjälp av vattnets tyngd drar runt en belastad motor, en gene- rator.

2.2.1.1. Kaplanturbin

I sin utformning påminner Kaplanturbinen om en klassisk båtpropeller, där propel- lerbladens vinklar är ställbara (detta gäller inte semi Kaplanturbiner som har fast bladvinkel). Kaplanturbinen används normalt vid fallhöjder upp till 70 meter[5].

2 Två kroppar påverkar alltid varandra med lika stora men motriktade krafter. "Actioni contrariam

semper et æqualem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse

æquales et in partes contrarias dirigi"

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 7(74)

Vattenödet genom turbinen regleras genom att ändra ledskenornas öppningsvin- kel, detta illustreras i gur 2.2.

Figur 2.2.: Kaplanturbinens principiella uppbyggnad[6]

Genom att reglera bladvinkeln i relation till ledskenornas öppningsgrad kan verk-

ningsgraden maximeras. Sambandet mellan bästa bladvinkel i förhållande till på-

dragsöppning är desvärre inte lätt att ställa upp en matematisk funktion för. Vid

verkningsgradsoptimering används istället ofta en plottad kurva, där bästa verk-

ningsgrad vid olika bladvinklar och pådrag mätts upp.

2.2.1.2. Francisturbin

Francisturbinen används vid stora fallhöjder, upp till 450 meter[5] (vid extrema fallhöjder används dock oftast impulsturbiner, såsom Peltonturbinen[5]). Francis- turbinen, som kan ses i gur 2.3, fungerar på det viset att vatten leds genom turbinens löphjul (sett i rött på bilden), och vattenödet regleras genom att ändra ledskenornas öppningsgrad (gula på bilden).

Figur 2.3.: Francisturbinens principiella uppbyggnad[7]

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 9(74)

2.3. Hydraulik i vattenkraft

Hydraulik, med sina egenskaper att kunna leverera god och omedelbar kraft, läm- par sig bra för att reglera pådragssystemen i vattenturbiner.

2.3.1. Hydrauliskt pådrag, grundteori

Ett hydraulaggregat driver en hydraulcylinder som öppnar eller stänger turbinen.

Kolven är kopplad till en mekanisk arm, som vrider en pådragsaxel, och denna axel påverkar i sin tur ledskenornas öppningsgrad. I kraftverk med full Kaplanturbin regleras även bladvinkeln med hjälp av hydraulik (se kapitel 2.2.1.1 på sidan 6). I

gur 2.4 ses en bild av en hydraulisk pådragsstyrning som uppdragsgivaren tidi- gare tillverkat.

Figur 2.4.: Hydraulcylinder kopplad till turbinpådragsarm

Då det är absolut kritiskt att generatorn kopplas ut från nätet vid strömavbrott så måste hydrauliken byggas på ett sådant sätt att turbinens pådrag stängs när hydraulpumpen är strömlös. För att se till att detta är möjligt används en tryc- kackumulator i hydraulsystemet, dimensionerad för att kunna manövrera hydraul- cylindern även i de fall då systemet är strömlöst. Systemets ventilsystem måste även byggas så att turbinpådraget alltid stängs då ventilerna är strömlösa.

2.3.2. Typer av hydraulsystem

I stora drag kan man säga att två typer av hydraulsystem används:

Passivt hydraulsystem.

I ett passivt system körs hydraulpumpen enbart när hydraulcylindern körs ut. En

tryckackumulator ligger som motvikt i systemet, och när hydraulkolven skall köras

in görs detta med hjälp av olja från tryckackumulatorn, en typ av passiv stäng-

ning (därav namnet passivt system). Det är alltså endast tryckackumulatorn som

klassas som passiv. Detta system har fördelar i form av att det är enkelt och

billigt, då få komponenter används. En nackdel är att systemet inte lämpar sig

för avancerade reglerfunktioner, då oljeödet är svårt att styra. Passiva system lämpar sig bäst i mycket små kraftverk (<50kW) på grund av sin enkelhet.

Aktivt hydraulsystem.

Aktiva system bygger på att ett systemtryck upprättas och hålls uppe med hjälp av en tryckackumulator och en så kallad tryckvakt. En tryckvakt är en elektro- hydraulisk komponent som omvandlar hydraultryck till elektriska signaler, och kan således styra pumpen om trycket blir för lågt. Manövrering av hydraulkolven sker enbart med olja från tryckackumulatorn. Ett aktivt system är lite dyrare och mer komplext att bygga, men ger samtidigt möjlighet till att bygga mer avancerade reglerfunktioner. Denna typ av system lämpar sig för kraftverk i alla storlekar.

2.4. PLC-system

Innan datorernas intrång i teknikvärlden användes komplicerade reläsystem för att bygga upp logiska funktioner för styrning av det mesta inom industrin. 1969 intro- ducerades dock programmerbara logiska styrdatorer, kallade PLC på marknaden[8].

Till en början användes dessa datorer enbart inom bilindustrin, men de spred sig snabbt till andra branscher då tekniken visade sig ha många användningsområden.

Dessa styrdatorer gör allt som ett traditionellt reläsystem kan, och lite till. PLC-

systemen är även mycket praktiska då de är kompakta i sitt format. PLC-datorer

används inom vattenkraften för att sköta styrning och reglering, larmhantering

och kommunikation. Programmen byggs upp av enkla logiska och matematiska

funktioner, räknare och tidtagare för att bilda ett komplext styrsystem. Idag är

det vanligt att dessa styrdatorer manövreras med pekskärmar, där operatören kan

kontrollera och ändra systemets parametrar.

3. Förstudie

Uppdragsgivarens nuvarande designmodell kan principiellt visas på följande sätt i

gur 3.1;

Figur 3.1.: Schematisk bild över styrsystemets nuvarande uppbyggnad

Som guren visar så är många olika typer av utrustning monterat i ett och samma

skåp. Kraftverkets styrutrustning blir inte tydligt uppdelad, något som är önskvärt

för att göra en så modulbaserad och allsidig systemdesign som möjligt.

3.1. Hydraulik

Det hydrauliksystem som används idag är av typen passivt system. Som tidigare nämnts (kapitel 2.3.2 på sidan 9) så är denna typ av system endast lämplig för mycket små kraftverk. Hydraulpump, lter och ventilpaket byggs på ett stativ som står placerat i närheten av hydraulkolven och turbinens pådragsarm, som kan ses i gur 3.2.

Figur 3.2.: Stativmonterat hydraulaggregat med tryckackumulator

Detta system må vara enkelt att konstruera, men resultatet blir inte särskilt este- tiskt tilltalande.

3.2. Styrprogram

Ett PLC-system från den amerikanska tillverkaren Horner-APG används för närva-

rande inom företaget och detta vill uppdragsgivaren fortsätta med. Alla styrfunk-

tioner i kraftverket styrs från en styrdator, vilket resulterar i ett stort och mycket

omfattande styrprogram. Programmets omfattning och funktioner kan skilja sig

mycket mellan olika uppdrag, och programmeringsarbetet blir därför tidskrävan-

de.

4. Problem

4.1. Problemuppställning

En styrenhet för styrning och reglering av turbinpådrag skall tas fram. Uppdrags- givaren har ett fungerande hydraulikkoncept för bladvinkelreglering, och detta skall kunna implementeras i designen. Enheten skall fungera som en fristående enhet, men också kommunicera med eventuella övriga enheter i stationen, såsom huvudstyrenhet, starkströmsutrustning med mera (detta illustreras i gur 4.1).

Kommunikationen med dessa enheter skall ske med något av de gränssnitt som PLC-enheten hanterar, och olika lösningar skall undersökas.

Figur 4.1.: Schematisk bild av layouten för det nya styrsystemet

4.1.1. Krav

Krav på kontrollenheten:

• Enheten skall med hjälp av en hydraulkolv öppna och stänga ett turbinpå- drag av Francis- eller Kaplantyp

• Enheten skall med en regulator kunna styra bladvinkeln i en Kaplanturbin

för att optimera verkningsgraden

• Hydraulsystemet skall kunna reglera generatorn för att driva ett eget elnät, styrprogrammet skall förberedas för att göra detta

• Enheten skall göras väl fungerande dels som en fristående enhet, dels som en del i ett större nätverk av styrenheter. Systemets esentiella funktioner skall kunna styras från en fjärransluten enhet om det är aktuellt

• Enheten skall stänga turbinpådraget om kraftverket drabbas av strömav- brott. Vid strömavbrott så kopplas generatorn ut från nätet, och om inte turbinpådraget stängs så kommer generatorn att rusa (då inget magnetfält håller generatorn i fas). Denna funktion är mycket viktig för kraftverkets säkerhet

• Enheten skall i övrigt vara person- och miljösäker. Slutprodukten skall byggas på ett sådant sätt att den kan CE-märkas (se kapitel B på sidan 45)

4.2. Förutsättningar

Uppdragsgivaren har vissa önskemål på leverantörer av materiel, och komponentval skall därför göras i samråd med denne ³ .

4.3. Tillvägagångssätt

Problemet delas upp i tre huvudområden.

• Design av kontrollenheten:

→ Förslag på design av styrenheten. Enheten skall innehålla elektriskt styr- skåp och hydraulikutrustning.

• Hydraulikkonstruktion:

→ Ett nytt hydrauliksystem skall tas fram. Systemet skall vara säkert och fungera väl med de mål som satts upp.

• Framtagning av styrprogram:

→ Ett nytt styrprogram skall tas fram. Systemet skall fungera väl med de mål som satts upp.

I projektet ingår även en övergripande ekonomisk analys.

3 Dessa restriktioner kommer att presenteras i samband med att de uppkommer i rapporten

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 15(74)

4.4. Avgränsningar

Projektet innefattar:

• Marknadsundersökning ⁴

• Konstruktion av hydraulsystem

• Konstruktion av styrprogram

• Designförslag på styrenhet Projektet innefattar ej:

• Beställning av komponenter

• Tillverkning

• Testning

• Val av elektriska komponenter

4.5. Metodval

I examensarbetet används ett ertal arbetsmetoder för att åstadkomma önskat resultat ⁵ .

Litteraturstudie I alla delar av konstruktionsprocessen så har litteraturstudier förekommit. Studielitteratur från tidigare kurser har använts till viss del, men den mesta kunskapen har hämtats från diverse kunskapskällor på internet.

Mycket information har hämtats från komponentleverantörers hemsidor och produktblad.

Top-down I designen av styrprogrammet så har Top-down-principen använts.

Principen går ut på att programmets huvudfunktioner denieras innan dess sub-funktioner programmeras[9]. Denna metod har fördelar i att slutresul- tatet ofta kommer mycket nära den ursprungliga planen. Styrprogrammet har strukturerats upp med papper och penna för att sedan programmeras i programmeringsverktyget Horner CsCape.

4 Kortfattad lönsamhetsanalys, analys av kundunderlag

5 Se Litteraturtips för mer information om nedan nämnda dataprogram

Modularisering Styrprogrammet har programmerats så modulbaserat som möj-

ligt, för att öka kompatibiliteten med olika typer av generator+turbin-uppsättningar.

Funktioner skall lätt kunna läggas till eller väljas bort med minimal arbetsin- sats.

CAD I designen av styrenheten så har CAD använts. En grundläggande design har skissats upp på papper, därefter har valda komponenter, så som elekt- ronikskåp och hydraulikkomponenter ritats i CAD-programmet Autodesk Inventor Professional 2009. Dessa parter har sedan satts samman i en as- sembly och anpassats för att tillgodose de mål och krav som satts upp för designen.

Hydraulikkonstruktion Under konstruktionen av hydrauliksystemet har vissa krav om funktionalitet satts upp, för att därefter skissas med papper och penna.

När ett väl fungerande system skissats upp, och komponenter valts, ritas det

upp med hjälp av hydraulik-CAD i dataprogrammet PK Data EASYEL.

5. Genomförande

Projektets genomförande har nedan delats in i fyra underkapitel (Design, Hyd- raulik, Styrprogram, Ekonomi). Denna indelning har gjorts för att rapporten skall bli mer tydligt indelad, men i verkligheten har många av delmomenten vävts in i varandra, då alla områden på något sätt varit beroende av varandra.

5.1. Design

Designförslag på styrenheten, där elektrisk styrenhet och hydraulisk utrustning byggs samman till en modul.

5.1.1. Grundidé

Kontrollenhetens design tog form genom ett ertal skisser där olika koncept vägdes

mot varandra. En grunddesign tog form, där all den hydrauliska utrustningen byggs

in i en låda som placeras intill styrskåpet för den elektriska utrustningen, se gur

5.1. Detta koncept gav möjlighet till en snygg (ingen synlig hydraulikutrustning)

och lättransporterad (all utrustning är ihopmonterad) enhet.

Figur 5.1.: Skiss, hydrauliklåda Följande egenskaper fastställdes:

• Gemensam bottenplatta för elskåp och hydraulikutrustning. Denna botten- platta har en upphöjd kant runt om för att förhindra oljespill, och monta- geöglor för fastbultning i maskinhallsgolv, se skiss i gur 5.2.

• Egentillverkad oljetank för hydraulolja

• Hydraulkomponenter monterade på oljetankens lock

• Täckkåpa över hydraulikutrustning, med slanggenomföring för hydraulkopp- lingar

Figur 5.2.: Skiss, bottenplatta

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 19(74)

5.1.2. Ritning

Efter att den grundläggande designen bestämts ritades komponenter upp som part-

ler med hjälp av CAD.

5.1.2.1. Valda komponenter

Lämpligt styrskåp valdes, ett Rittal 2695.500. Detta val motiveras med att Rittal 2695.500 är stort nog att rymma alla nödvändiga elektriska komponenter, och dess storlek och utformning ger en användarvänlig enhet med PLC monterad i en ergo- nomisk arbetshöjd. Hydraulikkomponenter valdes enligt kapitel 5.2.3 på sidan 23.

De komponenter som valts och ritades med CAD, enligt tillverkares ritningar var, enligt tabell 5.1;

Tabell 5.1.: Förteckning, uppritade CAD-modeller av utvalda komponenter

Modellnamn Typ

Hydronit E110AC342S3 Elmotor hydraulpump Rittal 2695.500 Styrskåp elektronik

Fox HTR6.5 Tryckackumulator hydraulik

Hydronit manifold UB Montageblock hydraulik

Cetop 3 NG6 Hydraulventil

CSPC15 Hydraulventil

Cartridge Valve Hydraulventil

5.1.2.2. Nytillverkade komponenter

De komponenter som uppdragsgivaren kommer att nytillverka ritades med hjälp av CAD;

• Bottenplatta

• Hydraultank

• Täckkåpa

• Gasackumulatorfäste

En assembly av alla parter gjordes, denna modell presenteras i kapitel 6 på sidan 33,

Resultat.

5.2. Hydraulik

Hydraulisk styrning av turbinpådrag. Systemet konstrueras för att vara kompati- belt med uppdragsgivarens utrustning för bladvinkelreglering ⁶ .

5.2.1. Grundidé för turbinpådrag

Vid projektstart bestämdes specikationer för turbinpådragets hydraulsystem, näm- ligen;

1. Systemet skall använda en tryckackumulator vars tryck regleras med hjälp av en elektronisk tryckvakt. Denna tryckackumulator skall dimensioneras för att alltid kunna leverera tillräckligt tryck och oljeöde för att kunna stänga turbinpådraget. Detta är viktigt till exempel vid strömavbrott, då pumpen ej kan köras. Tryckackumulatorn fungerar då som kraftreserv.

2. Systemets elventiler skall väljas och kopplas på ett sådant sätt att de i sitt strömlösa tillstånd, som vid ett strömavbrott, leder oljeödet till att stänga hydraulkolven och därmed turbinpådraget. Detta är en säkerhetsanordning som är av yttersta vikt för person- och materielsäkerhet (kapitel 4.1.1 på sidan 13).

3. Systemet skall byggas så att det kan regleras med en PID-regulator ⁷ . Följande lösningar på dessa problem bestämdes;

1. Lämplig tryckvakt och hydraultrycksackumulator valdes, detta behandlas i kapitel 5.2.3 på sidan 23.

2. Noggrant genomtänkta komponentval och kopplingsscheman, se kapitel 5.2.2 på följande sida.

3. För att klara av PID-reglering så måste turbinregleringen styras med nå- gon form av analog styrsignal. Två typer av proportionalventiler ⁸ för detta ändamål undersöktes;

a) Proportional riktningsventil. En proportional riktningsventil styr ödets riktning och storlek.

6 Se bilaga D på sidan 53 för ritning och komponentlista för bladvinkelreglering

7 PID-regulator är en typ av regulator som reglerar med hjälp av en proportionerlig, en integrerande och en deriverande funktion

8 Proportionalventil är en ventil där en analog elektrisk insignal omvandlas till en analog utsignal

i form av öde, tryck eller läge[10]

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 21(74)

b) Proportional ödesventil. Flödesriktningen styrs med hjälp av normala solenoidventiler ⁹ , medan ödets storlek styrs av en proportional ödes- ventil.

Det andra alternativet valdes för denna applikation. Detta val motiveras med att en proportional riktningsventil inte skulle fungera så väl i den tänkta konstruktionen. En konstruktion med proportional ödesventil ansågs mer stabil och robust, då styrning av riktning och öde delas upp var för sig.

Valet motiveras även med att uppdragsgivaren i så stor utsträckning som möjligt vill köpa komponenter från tillverkaren Hydronit, och de säljer en- dast proportionella ödesventiler, inte riktningsventiler.

Ett annat krav för att PID-reglering skall vara möjlig är att information om turbinpådragets öppningsgrad kan mätas och hanteras i styrprogrammet.

Vissa givare måste implementeras, mer om detta i kapitel 5.2.3 på sidan 23.

5.2.2. Ritning över turbinpådrag

Ritning av system som uppfyller de specikationer som ställts upp.

5.2.2.1. Skiss

Hydraulsystemet skissades upp på papper, i olika steg.

Figur 5.3.: Skiss 1, hydraulsystem Figur 5.4.: Skiss 2, hydraulsystem Den första designidén ses i gur 5.3. Idén var att använda en 4/3-solenoidventil för att bestämma hydraulkolvens riktning, denna idé visade sig dock ha säkerhetspro- blem. Neutralläget, där alla portar är blockerade är nödvändigt för att upprätthålla hydraultrycket i tryckackumulatorn, samt att hålla hydraulkolven i låst läge.

9 Solenoidventil är en ventil vars läge styrs av elektromagneter. Solenoidventilers beteckning anger

antalet portar samt antalet lägen i ventilen (en 4/3-ventil har fyra portar och tre lägen)

Emellertid, om man föreställer sig en situation där systemet blir strömlöst, måste hydraulkolven köras in och stänga turbinpådraget på grund av säkerhetskäl (se ka- pitel 4.1.1 på sidan 13). Detta sker inte med systemet i gur 5.3, då hydraulkolven blir låst.

I nästa skiss, gur 5.4 så testas användandet av två stycken 4/2-solenoidventiler för att bestämma ödesriktningen. I detta system styrs ödesriktningen av den första ventilen. Den andra ventilen kommer att hållas i sitt blockerade läge i alla situationer förutom då kolven öppnar eller stänger turbinpådraget.

Denna design ser till att kolven körs in när systemet är strömlöst, och konstruk- tionen är därmed säker. Designen i skiss 2, gur 5.4, fungerar principiellt, men en analog ödesstyrning måste implementeras för att en PID-reglering skall vara möjlig.

Figur 5.5.: Skiss 3, hydraulsystem

I skiss 3 (gur 5.5) har ett antal ändringar gjorts. En tryckregulator ¹⁰ har place- rats innan riktningsventilerna för att styra kraften som hydraulkolven kan leverera.

Systemet har utrustats med funktioner för turbinstängning, en reglerbar funk- tion som använder en proportional ödesventil, och en snabbstängning. För nor- mal reglering av turbinpådrag kommer stäng- och öppningshastigheten att styras med den proportionala ödesventilen. Enbart vid speciella situationer, som vid nödstopp eller strömavbrott kommer stängningen ske genom att snabbstängnings- ventilen släpper igenom oljeöde, med en betydligt högre hastighet än vid normal

10 En tryckregulator är en komponent som reglerar systemtrycket. Överödig olja dräneras till

tankreturledningen

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 23(74)

reglering.

4/2-solenoidventilerna har i denna skiss bytt plats med varandra. Denna änd- ring gjordes för att minimera oljeläckage. En ventil som ligger under tryck har ett visst läckage, och genom att placera ventilerna på detta vis så kommer inte riktningsventilen ligga under tryck när blockeringsventilen är stängd.

5.2.2.2. Hydraulik-CAD

Den slutgiltiga konstruktionsdesignen, gur 5.5, ritades in i CAD-programmet PK Data EASYEL. Detta program används av uppdragsgivaren och en kort grundkurs i programmets funktioner genomfördes, vartefter hydraulkonstruktionen kunde ri- tas upp. I detta program gjordes även en komponentförteckning. Ritningen kan ses i bilaga D på sidan 53.

5.2.3. Komponentval och dimensionering för hydrauliksystem

Efter att ritningen fastställts så valdes lämpliga komponenter. Leverantörer valdes efter uppdragsgivarens önskemål, och komponenter valdes ur deras sortiment.

5.2.3.1. Hydraulkolv för turbinpådrag

Då systemet är tänkt att passa era olika storlekar och typer av pådrag så nns det ingen generell, korrekt, cylinderstorlek. En passande hydraulkolv valdes, till- sammans med uppdragsgivaren, till att vara bas för alla beräkningar. Vi räknar med att turbinpådragets hydraulkolv har följande data, enligt tabell 5.2;

Tabell 5.2.: Data: Hydraulkolv turbinpådrag

Typ Hyband AGB250

Slaglängd, l slag [m] 0.400 Tryckarea, A ⁺ _K [m ² ] 3.12 · 10 ⁻³ Dragarea, A ⁻ K [m ² ] 2.31 · 10 ⁻³ Tryckvolym, V _K ⁺ [m ³ ] 1.25 · 10 ⁻³ Dragvolym, V _K ⁻ [m ³ ] 0.925 · 10 ⁻³ Kritisk knäckkraft, F kritisk [N ] 102 · 10 ³

Där hydraulkolvens mått var givna från datablad och tabellvärden räknades ut, se

bilaga A.1.1 på sidan 42.

För att tillåta PID-reglering så måste styrdatorn få information om kolvens läge.

Olika typer av lägesgivare för hydraulkolvar nns på marknaden, där två vanliga typer är:

• Interna givare  En beröringsfri magnetostriktiv lägesgivare monteras in- ternt i hydraulkolven. Denna typ av givare är kostsam, men givaren är skyd- dad för yttre påverkan. Detta gör att denna givartyp lämpar sig för använd- ning i entliga arbetsmiljöer.

• Externa givare  En extern lägesgivare, till exempel vajergivare eller linjär- givare, monteras på hydraulkolven. Denna typ av givare är enkel att montera och lämpar sig bäst i torra och rena miljöer.

Vilken givare som lämpar sig bäst får utvärderas och väljas från fall till fall. Gemen- samt för båda alternativen är dock att mätsignalen kopplas in på en analogingång på styrdatorns I/O-enhet och behandlas i styrprogrammet.

5.2.3.2. Motor och pump för turbinpådrag

Hydraulpumpen i systemet drivs av en trefas elmotor, och båda dessa komponenter (pump och elmotor) levereras av tillverkaren Hydronit. Detta val motiveras med att uppdragsgivaren tidigare använt denna typ av aggregat och dess egenskaper har visat sig goda. Motor och pump dimensionerades för att erhålla lämpligt tryck och öde i systemet, med viss marginal. Den valda motor+pump-kongurationen klarar av att snabbt fylla upp tryckackumulatorn, men den klarar även av att driva hydraulkolven om tryckackumulatorn skulle fela. Följande motor och hydraulpump valdes, enligt tabell 5.3 och 5.4:

Tabell 5.3.: Data: Elmotor turbinpådrag

Modell Hydronit E110AC342S3

Motortyp AC, 3-fas, 4-polig

Spänning, [V ] ²²⁰ / 380

Varvtal, [rpm @ 50 Hz] ∼ 1450

Eekt, [kW ] 1.1

Vridmoment, [Nm] 7.2

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 25(74)

Tabell 5.4.: Data: Hydraulpump turbinpådrag

Modell Hydronit K1,6

Pumptyp Kugghjulspump

Varvdeplacement V [ ^{cm 3} / varv ] 1.66 Radiandeplacement

V _ϕ [ ^{cm 3} / rad ]

0.264 Flöde Q p˚ adrag [ ^l / min @ 1450 rpm] 2.4

5.2.3.3. Tryckackumulator för turbinpådrag

Hydraulsystemets tryckackumulator valdes till en av gasblåsetyp. Denna typ av ackumulator är snabb att leverera tryck och öde i systemet, och dess egenskaper lämpar sig för applikationer inom vattenkraft. För att beräkna nödvändig acku- mulatorstorlek så måste ett antal olika faktorer tas i beaktning. De kriterier som sattes upp var att;

• Urladdningen är förhållandevis snabb, och därför av adiabatisk ¹¹ typ. Poly- tropexponenten sattes till 1.4, detta för att systemet bör överdimensioneras något och 1.4 är en förhållandevis hög sira på polytropexponenten.

• Systemets maximala arbetstryck antas vara p 2 = 100 bar

• Systemets minimala arbetstryck antas vara p 1 = 50 bar

• Ackumulatorns förladdningstryck = 90% av systemets minimala arbetstryck, p ₀ = 45 bar

• Dimensioneringen görs på ett sådant sätt att systemet skall klara av att stänga turbinpådraget (fylla hydraulkolven helt), och efter detta hålla ett tryck på 50 bar för att hålla pådraget stängt. Denna dimensionering görs för att systemet alltid skall kunna stänga turbinpådraget om motor och ven- tilpaket blir strömlösa.

Ur ekvationer i bilaga A.1.2 på sidan 43 fås att gasackumulatorns volym bör över- stiga 3.455 liter. En ackumulator från den italienska tillverkaren Fox med följande data valdes, enligt tabell 5.5:

11 En termodynamisk process där ingen värme tillförs eller bortförs från en uid

Tabell 5.5.: Data: Tryckackumulator turbinpådrag

Typ Fox HTR6.5

Ackumulatorvolym, V ack [l] 6.5 Maximala öde, Q max [ ^l / minut ] 350 Maximalt tryck, p max [bar] 210 Maximalt förladdningstryck,

p _ackmax [bar]

150

5.2.3.4. Elektronisk tryckvakt

En elektronisk tryckvakt används i systemet för att reglera systemtrycket. Tryck tas in i enheten vid tryckackumulatorn (avbildad som en manometer i gur 5.5), och elektriska signaler kopplas till styrdatorns I/O-enhet. För denna applikation krävs det att tryckvakten kan indikera tre olika trycknivåer, samt klara av tryck upp till 100 bar. Efter produktsök online valdes en tryckvakt från Tecsis, då denna uppfyller kraven samt har ett rimligt pris. Denna tryckvakt har data som visas i tabell 5.6.

Tabell 5.6.: Data: Elektronisk tryckvakt

Modell Tecsis S2400B082403

Programmerbar Ja

Arbetsområde, [bar] 0 → 160

Digitala utgångar 2

Analoga utgångar, [4 − 20 mA]

1

5.2.3.5. Motor och pump för bladvinkelreglering

Systemets oljetank, och den fysiska designen skall dimensioneras för att eventuell

bladvinkelreglerutrustning skall kunna implementeras, och därför måste vissa data

kännas till. Existerande data, från uppdragsgivaren enligt tabell 5.7 och 5.8;

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 27(74)

Tabell 5.7.: Data: Elmotor bladvinkelreglering

Modell Hydronit E075AC341S3

Motortyp AC, 3-fas, 4-polig

Spänning, [V ] ²²⁰ / 380

Varvtal, [rpm @ 50 Hz] ∼ 1450

Eekt, [kW ] 0.37

Vridmoment, [Nm] 2.4

Tabell 5.8.: Data: Hydraulpump bladvinkelreglering

Modell Hydronit K2,1

Pumptyp Kugghjulspump

Varvdeplacement V [ ^{cm 3} / varv ] 2.1 Radiandeplacement

V _ϕ [ ^{cm 3} / rad ]

0.334 Flöde

Q _bladvinkel [ ^l / min @ 1450 rpm]

3.05

5.2.3.6. Oljetankstorlek

Enligt dimensioneringsrekommendationer från tidsskriften Machinery Lubrication bör tanken dimensioneras till att vara 58 gånger pumpödet per minut[11]. För denna applikation kommer både turbinpådrags- och bladvinkelreglerutrustning va- ra monterat till samma oljetank, och tanken skall således dimensioneras för att tillgodose deras oljebehov.

I detta fall blir den rekommenderade tankstorleken enligt ekvationer A.14 och

A.15 i bilaga A på sidan 42. Oljetanken byggs av uppdragsgivaren och därigenom

nås en större frihet gällande utformning av denna. På grund av den fysiska kon-

struktionen som valts är tanken i bredd och längd 600 mm. Detta beror på att det

elektriska styrskåpet är 600 mm brett, och tanklocket skall vara tillräckligt stort

för att rymma alla hydraulkomponenter. Höjden valdes till 200 mm då detta an-

sågs lämpligt. Oljetankstorleken som kommer att användas blir då således, enligt

ekvation A.16, beräknad till 72 liter. Detta är större än den erforderliga oljevoly-

men, men då tanken skall ha kapacitet att hålla oljan även när alla komponenter

i systemet är tömda så anses storleken ändå vara rimlig.

5.3. Styrprogram

Programmeringen av styrprogrammet gjordes med hjälp av Horner CsCape. Cs- Cape är ett programmeringsverktyg som tillhandahålls av PLC-tillverkaren Horner- APG. En fördelaktig egenskap hos detta verktyg är att ett och samma styrprogram kommer att fungera i alla Horners PLC, endast graska justeringar (beroende på styrpanelens storlek) kommer vara nödvändiga. I detta projekt så är detta mycket användbart, då samma styrprogram kommer att användas även om PLC-modellen varierar, allt beroende på kunds önskemål.

I programmeringsverktyget kan ett antal olika programmeringsspråk användas:

• IEC Function Block Diagram

• IEC Structured Text

• IEC Instruction List

• IEC Ladder Logic

• IEC Sequential Function Chart

För detta styrprogram valdes Ladder Logic ¹² , då det är det språk som jag har mest erfarenhet av och kunskap om.

5.3.1. Input/Output, kommunikation

Det första som gjordes i programmeringsprocessen var att nedteckna alla in- och utsignaler för att få en grundbild av de parametrar som programmet kan arbeta med. Dessa digitala och analoga in- och utgångar kan ses i en registerlista i bila- ga E.1 på sidan 73.

Programmet skall fungera i ett nätverk, och därför har olika kommunikations- lösningar som styrdatorn hanterar undersökts:

Digitala ingångar Digitala ingångar för att öppna/stänga turbinpådrag, samt att öka/minska bladvinkel används. Dessa ingångar kan antingen kopplas till tryckknappar som monteras någonstans i stationen, eller till digitala utgång- ar på en annan PLC i stationen. Denna kommunikationsmetod har fördel i att vara enkel, och mycket kompatibel med övriga datasystem. Dock, så leder

12 Se http://www.plctutor.com/index.php?page=relay-ladder-logic för mer information om Ladder

Logic

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 29(74)

denna metod till mycket kablage då en kabel måste dras för varje signal som skall överföras.

Modbus Modbus ¹³ är ett kommunikationsprotokoll som är förhållandevis vanligt bland PLC-system och denna kommunikation sker med gränssnittet RS-485.

I en Modbus-kommunikation, PLC-system emellan, kan register delas och styras sinsemellan, och all kommunikation sker genom en enda datakabel. Då denna standard är förhållandevis välanvänd anses denna lösning kompatibel med de esta PLC-system på marknaden.

CsCAN CsCAN är Horner-APG:s egen variant av det välkända CAN-gränssnittet ¹⁴ . På grund av att det är en tillverkarspecik standard så fungerar denna lös- ning bäst i ett nätverk med andra Horner-datorer, vilket är ett sannolikt scenario om uppdragsgivaren till exempel genomför totalrenovering av en kraftstation. Detta innebär samtidigt en begränsning om övriga styrdatorer är av annat fabrikat. Däremot, i ett nätverk med Horner-datorer, fungerar denna kommunikationsmetod utmärkt. Kommunikationen är snabb, och re- gister kan styras och kontrolleras mellan noder i nätverket.

Alla dessa gränssnitt är implementerade i styrprogrammet och färdiga att användas för kommunikation.

5.3.2. Programfunktioner

Styrprogrammets har ett ertal funktionsblock som kommer att beskrivas nedan.

Funktionsblocken har programmerats så att funktioner lätt kan läggas till eller tas bort. Rent praktiskt så har detta åstadkommits genom att hålla alla programbitar tydligt uppdelade. Under hela programmeringsprocessen har konsekvenserna av att en ny funktion skulle läggas till, eller att en gammal skulle tas bort, varit i åtanke. Den här rapporten kommer inte att gå in i djupet på programkoden i sig, men denna kan hittas i bilaga E på sidan 58 för den intresserade.

Hydraultryckreglering Programmet styr den hydrauliska tryckregleringen i syste- met. Tryckindikationer, som digitala gränsvärdessignaler eller som en analog tryckindikation läses av. När trycket i systemet understiger ett inställt värde sätts en boolsk hållbit 'TRUE' i programmet, när systemtrycket sedan når en övre nivå så blir denna hållbit 'FALSE'. Denna hållbit är direktkopplad till elmotorn som driver hydraulpumpen, när biten är till aktiveras elmotorns kontaktor (via en digital utgång på styrdatorn).

13 Se http://www.modbus.org/ för mer information om Modbus

14 Se http://www.can-cia.de/index.php?id=161 för mer information om CAN

Turbinpådragsstyrning Styrprogrammets egentliga huvudfunktion, pådragsstyr- ningen, består av två delar. En del som styr den proportionala ödesventilen.

Denna styrning består av ett 32-bits REAL-register, som innehåller ett vär- de mellan 0 och 100 som beskriver ödesventilens öppningsgrad. Detta värde omvandlas sen, i en annan del av programmet, till en 0-10V-signal som nns på en analog utgång från styrdatorn.

Den andra delen av pådragsstyrningen är ventilstyrningen. Denna program- del ser till att de hydrauliska riktningsventilerna hamnar i korrekt läge, så att hydraulkolven går åt det håll som operatören eller reglerfunktioner begärt.

Bladvinkelreglering Bladvinkeln kan styras på två olika sätt, dels genom en ma- nuell styrning (bladvinkeln begärs att öka eller minska), dels genom en auto- matisk bladvinkelregleringsfunktion. Programmets bladvinkelreglering pro- grammeras för att fungera med en verkningsgradskurva, som nämnts tidiga- re (i kapitel 2.2.1.1 på sidan 6). Ett antal pådragsintervall har ställts in, för vart intervall nns en optimal bladvinkel. För att exempliera;

Turbinpådrag inom intervall 0-9%?

Om 'JA' -> Sätt 'Börvärde bladvinkel'=10%

Om 'NEJ' -> Gör ingenting

Bladvinkelns börvärde används därefter för att reglera bladvinkeln i en annan del av programmet.

Larm Styrprogrammet hanterar vissa larm för att skydda utrustning, dessa larm kan ses i bilaga E.2 på sidan 74. Larmen delas in i två grupper; Larm som inte påverkar kraftverkets drift och Larm som påverkar kraftver- kets drift. Larmen från båda larmgrupperna hamnar i en lista som kan läsas av och sparas i styrdatorn, men endast den senare larmgruppen påver- kar systemets drift. Om ett larm som påverkar kraftverkets drift uppkommer, så stängs turbinpådraget och generatorn kopplas ut från nätet. När larmor- saken åtgärdats och en operatör nollställt larmet via operatörspanelen, kan normal drift återupptas.

5.3.3. Grak

Ett graskt gränssnitt programmerades. Som tidigare nämnts kommer graken

att behöva ändras beroende på vilken PLC-modell som används. För detta grund-

program valdes mellan-modellen Horner XLt, då den troligen kommer användas

mest frekvent i denna applikation i framtiden. XLt har en 4 tum stor monokrom

touch-display.

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 31(74)

Det graska gränssnittet är utformat på ett så enkelt och användarvänligt sätt som möjligt, men det nns fortfarande möjlighet för stor kontroll över systempa- rametrar. Operatören kan;

• Styra turbinpådrag och bladvinkel manuellt

• Ändra bladvinkelregleringens intervall

• Ändra hydraulkolvens hastighet

• Ändra vissa larmnivåer

• Kontrollera och nollställa larm

5.4. Ekonomi

5.4.1. Kostnadskalkyl

Tanken med designkonceptet var att genom en liten ökning i materialpriser, alltså genom att bygga ett dyrare och mer kompatibelt system, kunna minska arbetstiden lagd på varje projekt. I det nya konceptet har hydraulsystemet konstruerats om, och en jämförelsekalkyl mellan materialpriser för det gamla och det nya hydraul- systemet ställdes upp. Kalkylen visar att materialkostnaden för hydraulsystemet ökat något. Inga siror kommer att presenteras i rapporten, men uppdragsgivaren kommer att ta del av denna information och utvärdera om prisökningen kan mot- verkas genom mindre spenderad arbetstid.

Prisökningen förklaras med att er komponenter används i det nykonstruerade systemet. Detta system använder också dyrare, mer avancerade, elektrohydraulis- ka komponenter.

5.4.2. Kundunderlag

Bland potentiella framtida kunder för det utvecklade designkonceptet ses vatten- kraftverksägare med ett föråldrat eller obentligt styrsystem. Småskaliga vatten- kraftverk nns i så gott som varje by i Sverige, och mer än hälften av dessa är i behov av renovering[1]. Vattenkraft räknas som en typ av förnybar energikälla, och omfattas därför av Energimyndighetens elcertikatssystem ¹⁵ , ett bidragssy- stem som ger producenten ett litet bidrag för varje producerad kWh. Dessa fak- torer tillsammans bäddar för en mycket god framtidsutsikt inom branschen, och många kraftverksägare kommer troligen vilja rusta upp sina kraftverk i framtiden.

Konceptet är framtaget med målet att tillgodose så många kundbehov som möj- ligt, och detta bäddar för en eftertraktad produkt. Ägare av mindre vattenkrafts- tationer är ofta privatpersoner eller föreningar, och dessa har inte den nansiella stöttning som de större kraftbolagen. En billig, enkel lösning är sannolikt intres- sant för denna kundgrupp.

En ny försäljningskanal öppnar sig i och med det framtagna konceptet. En kom- plett, färdig produkt kan säljas av externa återförsäljare, och detta alternativ skall undersökas av uppdragsgivaren när det blir aktuellt.

15 Se http://www.energimyndigheten.se/Foretag/Elcertikat för mer information om elcertikat

6. Resultat

Ett designkoncept till en turbinstyrenhet har tagits fram i detta projekt. Vid pro- jektets avslut har inte en första prototyp ännu byggts, testning och veriering av funktionalitet har således varit omöjlig. Projektet har trots detta resulterat i ett

ertal ritningar och en beskrivning av hur styrenheten ser ut, vilket presenteras nedan.

Arbetet resulterade i ett koncept med följande egenskaper:

Kompatibilitet:

• Turbintyper  Francis och Kaplan

• Generatorstorlek  upp till ∼ 1.5 MW

• Generatorantal  1

Styrenheten är kompatibel med turbiner av Francis- och Kaplantyp. Tanken är att varje styrenhet skall kontrollera en turbin, och i en station med era generatorer kommer en enhet per turbin att krävas. Dessa styrenheter kan, om kunden så öns- kar, kopplas samman i ett nätverk för att samköras.

Egenskaper:

• Turbinpådragsstyrning (med hjälp av pådragsarm fäst på axel)

• PID-reglering av turbinpådrag

• Hydraulisk styrning av bladvinkel

• Larmhantering

• Generatorvarvtalsmätning

• Styrning med tryckknappar, eller via ett pekskärmsgränssnitt

• Enheten kan verka i ett nätverk av styrutrustning

I gurer (gur 6.1 på nästa sida och 6.2 på sidan 35) presenteras CAD-modeller

av styrenheten. Ritningar och komponentlistor nns att beskåda i bilaga C och D

på sida 47 respektive 53.

Figur 6.1.: CAD-modell av styrenhet

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 35(74)

Figur 6.2.: CAD-modell av hydraulikutrustning i styrenhet

där många applikationer specialbyggs. Genom att skapa en produkt som till stor del kan serietillverkas kommer mycket tid och pengar att sparas. Denna typ av produkt, en billig och kompatibel turbinstyrenhet, är inte vanlig på marknaden trots en till synes stor kundpotential. Konceptet som tagits fram, om det kan säl- jas till ett bra pris, skulle leda till att er kraftverksägare får råd att rusta upp sitt kraftverk, och mer miljövänlig energi kommer att produceras.

Projektets fortlöpande. Projektet har i det stora hela utit på mycket bra. En bra dialog har hållits mellan mig och uppdragsgivaren; idéer, funktioner och ändringar av specikationer har kommunicerats direkt, vilket har lett till ett bra arbetsöde. Frågetecken som uppkommit har tack vare detta snabbt rätats ut.

Svårigheter. Den största svårigheten i projektet har varit att organisera arbe- tet. De tre stora konstruktionsbitarna (Design, Hydraulik, Styrprogram) har varit beroende av varandra, och det har ibland varit svårt att få arbetet att yta.

Detta har till exempel blivit tydligt när CAD-modellen av enheten skulle ritas upp, och information om vilka hydraulkomponenter som skulle nnas i den inte ännu specicerats. Arbetet har inte riktigt varit möjligt att genomföra strikt uppordnat (till exempel: Först görs all hydraulikkonstruktion, sedan all programmering), ut- an ett visst växlande mellan arbetsuppgifter har krävts. Detta har dock inte varit ett större problem, eftersom jag genom projektet försökt hålla god planering och arbetsordning.

Ej uppnådda mål. Ett av önskemålen i rapporten var att konstruera en 50 Hz-regulator. Tanken med denna regulator var att låta kraftverksägaren reglera och driva ett eget elnät, men implementering av denna funktion har tyvärr inte hunnits med. Hydraulsystemet är kompatibelt med regulatorer, men funktionen måste adderas till styrprogrammet. För att korrekt kunna reglera frekvensen så måste även nätinformation behandlas i styrprogrammet, så någon typ av nätana- lysinstrument måste installeras.

förbättringar. Önskvärt för projektet hade varit om det funnits tid och möj- lighet till att bygga en första prototyp. Vid ett prototypbygge hade funktioner kunnat testats och verierats. Slutsater hade också kunnat dras kring enhetens konstruktionstid och produktionskostnad, och en mer ingående lönsamhetsanalys

36

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 37(74)

hade kunnat genomföras. De val och dimensioneringar som gjorts i projektet har

utförts för att de bedömts vara mest optimala med hänsyn till de förutsättningar

och villkor som funnits. Först efter ett prototyptest kan vidare slutsatser kring

förbättringar dras.

vattenkraft. Konceptet innehåller ett ertal nya och användbara funktioner som troligen kommer att generera en attraktiv produkt. Designkonceptet uppfyller de krav som specicerats innan projektstart, och därför får arbetets mål anses som uppfyllt.

Vad gäller kontrollenheten så har denna ännu inte byggts, och därför är det svårt att dra några slutsatser kring dess funktion. Efter projektets slut skall uppdragsgi- varen utvärdera om designkonceptet skall byggas i sin nuvarande form, modieras, eller inte byggas alls. Om en prototyp byggs kommer jag att vara delaktig i pro- jektet och bistå med konsultation. Det framtagna konceptet kommer dock med stor sannolikhet att få fortsatt liv i någon form. Flera användbara idéer har fram- kommit ur processen, idéer som kan nna användningsområden i ett ertal av uppdragsgivarens produkter;

Regulator-kompatibelt hydraulsystem Ett hydraulsystem som är kompatibelt med regulatorer är användbart i ett ertal applikationer. Exempelvis kan denna teknik användas för vattennivåreglering, en typ av reglering där tur- binpådrag styrs för att hålla dammreserven i en fast nivå.

Tekniken kommer även användas i en annan av uppdragsgivarens produkter, nämligen rensare för intagsgaller i vattenkraftverk (denna gallerrensare utför krattrörelser med hjälp av hydraulcylindrar). Den nuvarande konstruktionen för gallerrensare kommer troligen att uppdateras till en version av det hyd- raulsystem som konstruerats i detta projekt. Denna uppdatering kommer att ge större kontroll över gallerrensarens rörelser, och därmed resultera i en bättre produkt.

Aktiv hydraulik Denna teknik är användbar i styrsystem för generatorer större än ∼ 50 kW , och kommer därför sannolikt att användas i någon form i uppdragsgivarens styrsystem i framtiden.

Design En design där hydraulikkomponenter döljs av en täckkåpa kommer tro- ligen att användas av uppdragsgivaren i er applikationer. Denna design skyddar komponenterna och ger ett snyggt, enhetligt intryck.

38

Referenser

[1] Svensk Vattenkraftförening. [Electronic]

http://www.svenskvattenkraft.se/doc.asp?m=100000571&d=600002031&l=se, 16 Feb 2012.

[2] European Commission. [Electronic]

http://ec.europa.eu/research/energy/eu/research/hydropower/index_en.htm, 16 Feb 2012.

[3] United States Tennessee Valley Authority. [Electronic]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/81/Hydroelectric_dam.png, 17 Apr 2012.

[4] Nationalencyklopedin. [Electronic]

http://www.ne.se/reaktionsturbin, 16 Maj 2012.

[5] Vattenkraft.info. [Electronic]

http://vattenkraft.info/?page=teori/turbiner, 17 Apr 2012.

[6] U.S Army Corps of Engineers. [Electronic]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Water_turbine- sv.jpg,

17 Apr 2012.

[7] Wikipedia.de user:Stahlkocher. [Electronic]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d1/Francis_Turbine_High_flow.jpg, 17 Apr 2012.

[8] Lars Alm. Styrteknik. Studentlitteratur, 1991.

[9] John E. Howland. [Electronic]

http://www.cs.trinity.edu/About/The_Courses/cs301/07.programming.methodology/, 3 Maj 2012.

[10] Ove Isaksson. Grundläggande Hydraulik. Luleå Tekniska Universitet, 1999.

[11] Machinery Lubrication. [Electronic]

http://www.machinerylubrication.com/read/22923, 4 Apr 2012.

Styrdator. Horner-APG. http://www.horner-apg.com/

CAD. Autodesk. http://www.autodesk.se Hydraulik. PK Data. http://www.pkdata.se

Ladder Logic PLCtutor.com. http://www.plctutor.com/index.php?page=relay-ladder- logic

Modbus Modbus Organization. http://www.modbus.org/

CAN CAN in Automation. http://www.can-cia.de/index.php?id=161 CE Enterprise Europe.

www.enterpriseeurope.se/radgivningochinformation/cemarkningproduktsakerhet/cemarkning/cemarkningdirektiv

40

Bilagor

A.1.1. Hydraulkolv

Kolvarea

A ⁺ _K =  D ₊ 2

 2

· π =  63 · 10 ⁻³ 2

 2

· π = 3.12 · 10 ⁻³ m ² 

(A.1)

A ⁻ _K =  D ₊ 2

 2

−  D ₋ 2

 2 !

·π =  63 · 10 ⁻³ 2

 2

−  32 · 10 ⁻³ 2

 2 !

·π = 2.31·10 ⁻³ m ²  (A.2)

Kolvvolymer

V _K ⁺ = A ⁺ _K · l slag = 3.12 · 10 ⁻³ · 400 · 10 ⁻³ = 1.25 · 10 ⁻³ m ³ 

(A.3)

V _K ⁻ = A ⁻ _K · l _slag = 2.31 · 10 ⁻³ · 400 · 10 ⁻³ = 0.925 · 10 ⁻³ m ³ 

(A.4)

Kritisk knäckkraft i hydraulkolv: Slank sträva → Eulers knäckningsfall[10] (där I = yttr¨ oghetsmomentet , E = elasticitetsmodul, S k = kn¨ ackningsl¨ angd )

F _kritisk = π ² · I · E

S _k (A.5)

där

I = π · r _kolv ⁴

4 =

π · 

32·10 ⁻³ 2

 4

4 = 5.147 · 10 ⁻⁸ m ⁴ 

(A.6)

och

S _k = l _{inf ¨ astning} + l _slag = (600 + 400) · 10 ⁻³ = 1 [m] (A.7)

42

Christoer Danielsson

Karlstads universitet Sida 43(74)

vilket ger:

F _kritisk = π ² · 5.147 · 10 ⁻⁸ · 200 · 10 ⁹

1 = 102 · 10 ³ [N ] (A.8)

A.1.2. Tryckackumulator

Dimensionering av tryckackumulator

Gaslagen vid adiabatiskt förlopp, där p 0 = f ¨ orladdningstryck , V 0 = ackumulatorstorlek , p ₁ = min. arbetstryck , V 1 −V ₂ = Anv¨ and hydraulv¨ atskevolym , p 2 = max. arbetstryck , n = polytropexponenten

p ₀ · V ₀ ⁿ = p ₁ · V ₁ ⁿ = p ₂ · V ₂ ⁿ (A.9) Använd hydraulvätskevolym vid en full stängning:

V ₁ − V ₂ = V _K ⁺ = 1.25 [l] (A.10) Ur gaslagen fås:

V ₁ V 2

=  p ₂ p 1

 ¹ / n

=  100 50

 ¹ / 1.4

= 1.64 (A.11)

V ₂ + (V ₁ − V ₂ )

V ₂ = 1.64 ⇒ V 2 = (V ₁ − V ₂ )

1.64 − 1 = 1.25

0.64 = 1.953 [l] (A.12) Gaslagens p 0 · V ₀ ⁿ = p ₂ · V ₂ ⁿ ⇒

V ₀ =  p ₂ p 0

 ¹ / n

· V ₂ =  100 45

 ¹ / 1.4

· 1.953 = 3.455 [l] (A.13) Fylltid tryckackumulator

t _{f yllning} = V _ack

Q _{p˚ adrag} = 6.5

2.4 = 2.7 [min]

t _{f yllning} = 2.7 · 60 = 162 [s]

A.1.3. Dimensionering av hydrauloljetank

Med hjälp av data från tabell 5.4 och 5.8. Minsta rekommenderade tankstorlek bör vara från:

V _rek = Q _max ·5 = (Q _bladvinkel + Q _{p˚ adrag} )·5 = (3.05 + 2.4)·5 = 27.25 [l] (A.14)

till

V _rek = Q _max · 8 = (Q _bladvinkel + Q _{p˚ adrag} ) · 8 = (3.05 + 2.4) · 8 = 43.6 [l] (A.15)

Faktisk oljetankstorlek

V _oljetank = l _bredd · l _{l¨ angd} · l _{h¨ ojd} = 0.6 · 0.6 · 0.2 = 0.072 m ³ 

(A.16)

Vilket ger:

V _oljetank = 72 [l]

B. CE-märkning

Tillverkaren skall kunna bevisa att erfoderliga direktiv uppfylls ¹⁶ . Tillverkaren behöver inte lämna några särskilda intyg till kund, mer än en synlig CE-logga, antingen på produkt eller i dokument. Tillverkaren är skyldig att uppvisa bevis på att respektive direktiv uppfylls vid kontroll av ansvarigt organ. De direktiv som rörs i detta projekt:

B.1. Maskindirektivet  2006/42/EG

Tillverkaren skall kunna uppvisa:

• Sammanställningsritningar

• Konstruktionsunderlag i form av eventuella beräkningar, provningsresultat med mera, som krävs för kontroll av om maskinen uppfyller säkerhetskraven

• Riskanalys i form av en beskrivning av de metoder som tillämpats för att undanröja riskerna som maskinen medför. Riskanalysen bör vara kopplad till en förteckning över:

 De grundläggande hälso- och säkerhetskraven i direktivet

 Standarder

 Andra tekniska specikationer som använts vid konstruktion av maski- nen

• Bruksanvisning inklusive säkerhetsanvisningar för maskinen

• EG-försäkran om överensstämmelse

• I vissa fall tekniska rapporter eller intyg från ett anmält organ

16 För en lista över de direktiv som rörs av CE-märkning, se Litteraturtips