Embed Size (px)
Citation preview
Med vindens kraft Konstruktion av vindkraftsmodell och mätsystem för Göteborgs
Vetenskapsfestivals skolprogram
Helena Ahlstrand
Oskar Lingnert
Henrik Nilsson
Institutionen för Energi och Miljö
Avdelningen för Elteknik
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Göteborg, Sverige 2010
Projektkod: ENMX02-10-06
Sammanfattning
"Med vindens kraft" är en experimentstation på Göteborgs Vetenskapsfestival som är riktad till skolelever. Den består av två vindkraftverksmodeller som skoleleverna får tillverka egna rotorblad till och sedan studera hur väl de fungerar med hjälp av en stor fläkt. En av dessa modeller har konstruerats om och ett mät- och styrsystem utformas till de båda modellerna. Den modell som konstruerats har en likströmsgenerator och den modell som har använts tidigare år har en växelströmsgenerator. Mät- och styrsystemet byggdes så att spänning, ström, varvtal och vindhastighet kan studeras på en datorskärm. Systemet ger även möjlighet att styra vilka laster modellerna skall driva. Som länk mellan dessa och datorn användes en datainsamlingsenhet (DAQ) av modell USB-6009 från National Instruments. Signalerna från modellerna anpassades till datainsamlingsenheten i en mätlåda med tillhörande kretskort. Programmet Labview2009 användess för att skapa ett program för att behandla signalerna från datainsamlingsenheten samt för att skapa användargränsnittet till datorn på stationen. Slutsatsen är att eleverna som använde stationen framförallt var intresserad av varvtalet. Förslag ges för att öka elevernas intresse för stationens övriga funktioner, samt för att förbättra robustheten på den konstruerade modellen.
Abstract
At Gothenburg Science Festival there is an opportunity for school children to try different experiments, one of those experiments is called "The power of wind". The experiment consists of two wind turbine models for which the pupils may manufactor their own blades and then study how well they work with a large fan. This report covers our project which aim was to construct a model of a wind turbine and create a measurement and control systems for both models. The model constructed, is equipped with a DC generator and the existing model is equipped with a AC generator. The report describes in detail how the wind turbine is designed. The measurement and control system is constructed to allow the voltage, current, rotations per minut and wind speed to be studied on a computer screen. The system also provides the possibility to control at which loads the models will operate. A Data Aqusition system (DAQ) of the model USB-6009 from National Instruments is used as a link between the models and the computer. A box with associated circuit boards is constructed in order to adapt the signals from the models to the DAQ. Labview2009 is used to create the program which processes the signals from the DAQ and to create the user interface to the computer at the station. The conclusion of this bachelor thesis is that the pupils were more interested in monitoring rotations per minute and were less interested in the other functions. Some proposals of improvements are given in order to make the pupils aware of the other functions.
Innehållsförteckning
1 Inledning ...................................................................................................................................... 1 1.1 Bakgrund ................................................................................................................................. 1 1.2 Syfte ......................................................................................................................................... 1 1.3 Metod ...................................................................................................................................... 1 1.4 Avgränsningar .......................................................................................................................... 2
2 Omvandling från vind- till elenergi .............................................................................................. 2 2.1 Energin i vinden ....................................................................................................................... 2 2.2 Turbinen .................................................................................................................................. 3 2.3 Permanentmagnetiserad växelströmsgenerator .................................................................... 4 2.4 Permanentmagnetiserad likströmsgenerator ......................................................................... 5 2.5 Mätteknik ................................................................................................................................ 7
3 Stationens utrustning .................................................................................................................. 8 3.1 Lilla vindkraftverket ................................................................................................................. 8 3.2 Stora vindkraftverket ............................................................................................................... 9 3.3 Vindmätaren, smurfhuset och fläkten .................................................................................. 10 3.4 Mätlådan ............................................................................................................................... 11 3.5 Dator med mät- och styrprogram ......................................................................................... 12 3.6 Kringmaterial ......................................................................................................................... 12
4 Stationen på Vetenskapsfestivalen ........................................................................................... 13 4.1 Stationens användningsmöjligheter ...................................................................................... 13 4.2 Manual ................................................................................................................................... 13
5 Konstruktion av lilla vindkraftverket ......................................................................................... 13 5.1 Framtagning av koncept ........................................................................................................ 13 5.2 Konstruktionsmaterial ........................................................................................................... 13 5.3 Tillverkningsprocessen .......................................................................................................... 13
6 Uppbyggnad av mät- och styrsystem ........................................................................................ 14 6.1 Datainsamlingsenhet från National Instruments .................................................................. 14 6.2 Kretskortet ............................................................................................................................. 14 6.3 Mätsystemet.......................................................................................................................... 14 6.4 Styrsystemet .......................................................................................................................... 16 6.5 Mätlådan ............................................................................................................................... 17 6.6 Programmering i Labview2009 .............................................................................................. 17 6.7 Användargränssnitt ............................................................................................................... 18
7 Resultat ...................................................................................................................................... 19 8 Diskussion .................................................................................................................................. 20 9 Slutsats ...................................................................................................................................... 21 10 Källförteckning ........................................................................................................................... 23 11 Appendix .................................................................................................................................... 24
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Sedan 1997 har Göteborgs vetenskapsfestival anordnats. En del av festivalen riktar sig till skolklasser med elever i åldrarna 6 till 13 år. Dit kommer eleverna för att få intressant information om forskning och vetenskap. En aktivitet på vetenskapsfestivalen är Experimentverkstaden där eleverna får genomföra experiment vid olika stationer.
En station på Experimentverkstaden heter "Med vindens kraft!" och har anordnats av Chalmers Tekniska Högskola sedan 2005. Stationen avser att väcka elevernas intresse för teknik och förnyelsebara energikällor. Den innehåller två vindkraftverksmodeller varav den större modellen riktar sig till äldre barn medan den mindre modellen riktar sig till yngre barn. Eleverna tillverkar rotorblad och turbiner som kan fästas på dessa modeller och efter detta testar de dessa med hjälp av en kraftig fläkt. På båda vindkraftverksmodellerna kan man avläsa varvtal och vindhastighet och på den större även spänning och ström.
Då ett stort antal elever ska handskas med utrustningen ställs det krav på robustheten på konstruktionen. Den mindre modellen är en provisorisk konstruktion av trä som under förra året gick sönder vid ett flertal tillfällen. Den större modellen är stabilare och mer avancerad. Tidigare år har varvtalet mätts med en enkel cykeldator. Ström och spänning har visats på multimetrar och vindhastigheten på en analog visare. Siffrorna på flera av dessa displayer är väldigt små, vilket kan vara otydligt framförallt för de yngre eleverna.
Att övervaka system och presentera resultaten på ett överskådligt sätt är något som kan vara viktigt på flera håll i samhället, oavsett om det handlar om att presentera mätdata från vindkraftverk för elever eller banktransaktioner på internet för pensionärer. För att mottagarna skall få bästa förståelse för det de presenteras för är det viktigt att informationen anpassas för mottagaren på ett riktigt sätt. Erfarenheter inom detta område kan därför vara till nytta även i andra sammanhang.
1.2 Syfte
Syftet med projektet är att förbättra stationen ”Med vindens kraft” på Göteborgs Vetenskapsfestivals Skolprogram, samt att stödja handledarna på stationen. Av de två befintliga vindkraftverksmodellerna skall konstruktionen på den mindre, som riktas till de yngre barnen, göras mer robust och estetiskt tilltalande. Varvtal, ström, spänning och vindhastighet kommer inte att som tidigare visas på separata visare utan istället överföras till en dator. På datorskärmen skall mätdatan presenteras på ett överskådligt och pedagogiskt sätt.
1.3 Metod
Deluppgifterna i projektet delas upp med hänsyn till projektmedlemmarnas varierande kompetens. Information som behövs för projektet inhämtas genom mindre litteraturstudier, datablad för komponenter samt genom samtal med handledare och elever som medverkar i Vetenskapsfestivalen. Tillverkningen av den lilla vindkraftverksmodellen sker på Chalmers prototypverkstad samt verkstaden tillhörande Energi och Miljö, avdelningen för Elteknik. Modellens konstruktion kontrolleras kontinuerligt genom experiment för att säkerställa modellens kompabilitet med mät- och styrsystemet. Det kretskort som ingår i mät- och styrsystemet konstrueras i elsystemlaboratoriet tillhörande Institutionen för Energi och Miljö, avdelning Elteknik. Programmeringen utförs i LabVIEW2009 från National Instruments.
2
1.4 Avgränsningar
Datorprogrammet skall utformas med hjälp av litteratur för användargränssnitt, men någon hänsyn till elevernas olika åldrar kommer inte att tas. Detta eftersom det skulle krävas en omfattande informationssökning inom detta ämne, vilken inte vore tidsmässigt försvarbart då denna punkt inte anses tillräckligt kritisk för elevernas förståelse.
På stationen finns ett antal affischer med information om vindkraft och förnyelsebar energi, samt tävlingsformulär med frågor vars svar går att hitta på nämnda affischer. Någon förändring eller utökning av den här typen av information på stationen kommer inte att ske då detta skulle kräva kunskap i barnpedagogik som det på grund av projektets tidsram inte finns utrymme att inhämta.
Det har inte lagts stor vikt vid mätosäkerheten i detta arbete, detta beror på att det inte var en del av syftet att mätlådan skulle erhålla en hög mätnoggrannhet. Det viktiga är med andra ord att förändringarna kan ses då eleven ändrar konstruktionen på vingarna och inte vad den exakta spänningen eller strömmen är. Sämre mätnoggrannhet skulle inte vara avgörande för barnens upplevelse på stationen.
2 Omvandling från vind- till elenergi
Vindkraften omfattar många skilda teknikområden. För att ge en bra grundläggande förståelse behandlas rörelseenergin i vinden, turbinen och generatorn. Turbinavsnittet finns med för att ge en förståelse för hur rörelseenergin i vinden omvandlas till mekanisk energi. Generatoravsnittet behandlar generatorns funktion som består av att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi. Till sist finns ett mättekniksavsnitt som ger grunden för mät- och styrsystemet.
2.1 Energin i vinden
Ett vindkraftverk får sin energi från vinden som blåser mot vindkraftverkets turbin. Hur mycket energi som vindkraftverket kan plocka ut från vinden beror bland annat på vindens massa och vindens energi. Vindens massa per sekund beskrivs med
[kg/s] (1)
där m = massa, ρ = densiteten på luften [kg/m3], A = svept turbin area [m2], v = vindens hastighet [m/s].
Vindens energi kan skrivas som
[W] (2)
där Pkin = energin i luften per sekund [W]. Som ses i ekvation är effekten proportionell mot luftens densitet och proportionell mot kubiken av vindhastigheten. Effekten är även proportionell mot den svepta arean vilket medför kvadratisk proportionell med turbinens diameter. Då vindhastigheten ökar med höjden blir det förståligt att nya vindkraftverk blir högre och får större turbindiameter.
Vindturbinen tar energi från vinden genom att sänka vindens hastighet. Vinden bakom turbinen får då lägre hastighet jämfört med vinden framför. Om man tar ut för mycket energi från vinden skulle detta göra att vindhastigheten minskar för mycket. Bromsningen av vinden skulle verka negativ på
3
turbinen då ny vind skulle passera runt turbinen på grund av den långsamma luften bakom turbinen. Albert Betz visade att det maximala energiinnehåll som kan tas ut från vinden är 16/27 (=59 %) vilket är då vindens hastighet bakom turbinen minskar till 1/3 av den ursprungliga vindhastigheten.1
2.2 Turbinen
Turbinen är en viktig del av ett vindkraftverk. Turbinen omvandlar rörelseenergin i vinden till mekanisk energi i axeln som går vidare till vindkraftverkets torn. I tornet sitter generatorn som sedan omvandlar den mekaniska energin till elektrisk energi. Generatorns teori tas upp under avsnitt 2.3 och 2.4,
Antal blad
Antalet blad på turbinen har varierat genom åren. På marknaden för större vindkraftverk dominerar de trebladiga. Skulle man minska antalet blad på dessa vindkraftverk till två sjunker normalt energiproduktionen med cirka 5 %. Den maximala verkningsgraden uppnås även vid högre varvtal med mindre antal vingar. Trebladiga vindkraftverk har något lägre vibrationer i tornet på grund av tornskuggans inverkan. Dock ökar de horisontella påfrestningarna med fler blad då vinden bromsas mer mot bladen.1
Vingprofil
Tunn vingprofil ger lägre luftmotstånd men bladen måste då byggas väldigt breda på grund av hållfasthetsskäl. En tjockare profil används därför oftast med en bredd som motsvara cirka 20 % av vingens längd. Aerodynamiskt bör bladen vara avsmalnande med hyperbelformade fram- och bakkanter vilket kan ses i figur 1. Formen kan approximeras med en dubbeltrapetsform, se figur 2. Dubbeltrapetsformen är även lämplig ur hållfasthetssynpunkt då det tjockare och mer utsatta partiet nära navet får ökat tvärsnitt. Om den enklare helt rektangulära formen som ses i figur 3 används sjunker varvtalet med cirka 30 % i jämförelse med dubbeltrapetsformade vingar, men energiproduktionen minskar endast måttligt. Den rektangulära formen kräver mer material vilket ökar tyngden på vingen. Den ökade tyngden gör att tyngdkraften blir den dimensionerande faktorn för utmattning redan vid små vingstorlekar. Förhållandet mellan längd och bredd på vingen inverkar så att smalare vingar ökar vinghastigheten markant men minskar energiutbytet mellan vinden och vingen något . I praktiken byggs bladen så smala som hållfastheten tillåter. Här finns dock problematiken med vingspetshastigheten och en vingspetshastighet över 100 m/s rekommenderas inte då detta skapar en besvärande ljudnivå och påfrestningar på materialet.1
Figur 1 Ideal vingprofil.
4
Figur 2 Dubbeltrapetsformad vingprofil.
Figur 3 Rektangulär vingprofil.
2.3 Permanentmagnetiserad växelströmsgenerator
En permanentmagnetiserad växelströmsgenerator omvandlar mekanisk energi på axeln till elektrisk energi i form av växelström. Generatorn består i huvudsak av en stator och en rotor och kan utformas så att permanentmagneterna antingen sitter i rotorn eller i statorn. En exempelskiss på en växelströmsgenerator med permanentmagnet i rotorn ses i figur 4. En bild på utformningen av den permanentmagnetsgenerator som användes på stationen visas i figur 5.2
I figur 4 skapar rotorns permanentmagneter ett roterande magnetiskt flöde. Det roterande magnetiska flödet inducerar en elektrisk växelström i ledningarna. Växelströmmens frekvens beror på rotationshastigheten på rotorn.2
5
Figur 4 Exempelbild av en växelströmsgenerator med roterande magneter. Författare: Egmason
Figur 5 Växelströmsgenerator på den stora vindkraftverksmodellen.
2.4 Permanentmagnetiserad likströmsgenerator
En permanentmagnetiserad likströmsgenerator omvandlar mekanisk energi på axeln till elektrisk energi i form av likström. Generatorn innehåller liksom växelströmsgeneratorn en stator och en rotor. Rotorn som även kallas ankare kan tillsammans med statorn ses i figur 6. Statorn består av två permanentmagneter som skapar det magnetiska flödet som rotorn roterar i. Rotorn befinner sig innanför statorn och består av ankarplåt, ankarlindning, kommutator och kolborstar. Ankarplåten är det grå ankaret som ankarlindningen är virad runt i figur 6. Ankarplåten är laminerad då det går en växelström i ankarlindningen. Ankarlindningen, de blå och röda kablarna, är sedan kopplad till kommutatorn. Kommutatorn är tvådelad och av ledande material så att kolborstarna får bra överföringsförmåga. Kommutatorn roterar med rotorn. Kolborstarna som sitter utanför kommutatorn överför ankarströmmen från kommutatorn till de fasta anslutningsklämmorna.2
Statorns permanentmagneter skapar ett konstant magnetisk flöde genom rotorn. När mekanisk energi tillsätts på axeln där rotorn sitter börjar den att rotera. Då en trådslinga roterar i ett magnetiskt fält induceras en spänning i trådslingan. För att inducera en likström fungerar likströmgeneratorn som så att de olika ankarlindningarna får olika polaritet och den tvådelade
6
kommutatorn byter sen kontakt till den andra lindningen då lindningarna byter polaritet. Detta gör att ena sidan av kommutatorn alltid har positiv polaritet och andra negativ. Början av förloppet kan ses i figur 6. Därefter befinner sig rotorn i position 2 vilket kan ses i figur 7. När rotorn fortsätter att rotera kommer lindningen snart över till andra statorsidan, ses i figur 8. Nu byter kommutatorn lindningarnas polaritet och sedan är rotorn tillbaka som i figur 6.2
Figur 6 Likströmgenerator i position 1.
Figur 7 Likströmgenerator i position 2.
7
Figur 8 Likströmgenerator i position 3.
2.5 Mätteknik
Mätteknikområdet är ett brett och omfattande område med mycket teori. Avsnittet omfattar den viktigaste teorin som rapporten bygger på. Mätteorin kommer in i programmeringen av mätprogrammet och konstruktionen av mätlådan. Den teorin innefattar i stora delar mätning av egenskaperna på en sinussignal.
En sinusvåg innehåller flera egenskaper. Två av dessa är sinusvågens effektivvärde och dess topp-till-topp-värde. Topp-till-topp-värdet beskriver avståndet mellan sinusvågens två toppar i samma period. Detta är ett mått på amplituden som är vanligt i matematiska sammanhang men mindre vanligt i konstruktionssammanhang. I dagligt tal används oftare effektivvärdet än topp-till-topp-värdet. Den svarta pilen i figur 9 illustrerar topp-till-topp-värdet för sinusfunktionen. Topp-till-topp-värdet för figur 9 skulle vara 1-(-1)=2 i detta exempel.3
Figur 9 Graf av sinus- och cosinusfunktion.
Effektivvärdet är ett populärt mått på signalens amplitud och används i många sammanhang. När ett värde för en växelspänning nämns är det nästan alltid effektivvärdet som menas. En signals effektivvärde kallas även RMS-värde. RMS är en akronym för root, mean och square vilka syftar på ekvationens innehåll. Den matematiska definitionen för effektivvärdet för en periodisk signal med perioden T är
8
(3)
och som kan ses i ekvationen så består effektivvärdet av medelvärdet av den kvadratiska signalen som sedan tas roten ur. Effektivvärdet av signalen beskriver dess effektinnehåll. Om funktionen u(t) skulle bytas ut mot sinusfunktionen A*sin(t) skulle ekvation 9 förenklas till
(4)
där A är amplituden och ω är vinkelhastigheten på sinusfunktionen.3
3 Stationens utrustning
Stationen "Med vindens kraft" består av ett antal olika delar. Flera av dessa har sett likadana ut sedan 2005, medan delar av utrustningen antingen har gjorts om eller nytillverkats under detta projekt. I figur 10 visas en systemskiss över stationen.
Figur 10 Översikt på stationens utrustning.
3.1 Lilla vindkraftverket
Den lilla vindkraftverksmodellen bestod tidigare av ett torn i trä se figur 11, där en gängad stång genom ett stålrör fungerade som axel. På ena sidan axeln satt ett trähjul som drev en generator i tornet med hjälp av ett gummiband, och på andra sidan skruvades elevernas turbiner på. I år har den här konstruktionen bytts ut och en ny modell, se figur 12, i stål och aluminium har byggts se kapitel 5.2. Den nya modellen består av ett torn, ett axelhus, en axel, en remskiva och en generator. Generatorn sitter i tornet och drivs av en remskiva placerat rakt ovanför via ett gummiband. Remskivan i sin tur är fäst i ena sidan av axeln. I remskivan finns även en magnet infälld som sveper över en tungelementsensor i axelhuset. Axeln går igenom axelhuset och två kullager. Andra änden av axeln är gängad för att eleverna skall kunna skruva på sina turbiner där på samma sätt som föregående år.
9
Figur 11 Tidigare lilla vindkraftverksmodellen med turbin.
Figur 12 Lilla vinkraftverksmodellen med turbin.
3.2 Stora vindkraftverket
Inga förändringar av den stora modellen har gjorts under detta projekt. Den modell som finns består av en axel upplagd på två stöd med kullager. På ena sidan finns en permanentmagnetgenerator konstruerad av en cirkelskiva med 20 magneter som sveper förbi åtta stycken spolar lindade av 400 varv emaljerad koppartråd (referens, wind power is a breeze). Endast sex spolar är inkopplade i nuläget. Magneterna har polerna omvänt föregående magnet på skivan och spolarna är grupperade två och två i serie. De tre grupperna med spolar är i sin tur
10
parallellkopplade. Denna konstruktion ger en sinusformad ström och spänning. Rotorbladen monteras en och en på ett nav i andra änden på axeln. I detta nav finns sex stycken separata hål för rotorbladen där de kan dras fast med vingmuttrar.
Figur 13 Stora vindkraftverksmodellen med varvtalsdisplay.
3.3 Vindmätaren, smurfhuset och fläkten
För att driva vindkraftverksmodellerna används en 3900 W centrifugalfläkt med justerbart varvtal4 som kan ses i figur 16. För att göra vinden mindre turbulent är det monterat en matris av pappersrullar i fläktens mynning. Det variabla varvtalet gör det möjligt att studera olika vindhastigheters inverkan på modellerna. Vindmätningen görs med en skålkorsanemometer, ses i figur 14, som placeras i närheten av modellerna. Till det lilla vindkraftverket används tre lampor som last, dessa lampor sitter i ett litet hus där eleverna kan titta in för att se om det lyser på smurfarna i huset som kan ses i figur 15.
Figur 14 Vindhastighetsmätare.
11
Figur 15 Smurfhuset som utgör lasten till lilla vindkraftverksmodellen.
Figur 16 Fläkten som skapar luftflödet på stationen.
3.4 Mätlådan
Varvtalen har tidigare visats på en cykeldator, ström och spänning på multimetrar och vindhastigheten på en analog visare. När dessa värden skall redovisas på en datorskärm behöver de först samlas ihop, förstärkas och digitaliseras, vilket görs i mätlådan. I mätlådan, som kan ses i figur 17 och figur 18, finns även komponenter som används för att styra vilka laster modellerna skall driva.
Figur 17 Mätlådan med lock.
12
Figur 18 Mätlådan utan lock.
3.5 Dator med mät- och styrprogram
Kopplad till mätlådan sitter en dator som innehåller det mät- och styrprogram som presenterar varvtal, vindhastighet, spänning och ström. Genom reglagen i programmet kan även lasterna till vindkraftverksmodellerna styras. Lasterna består av lampor som sitter antingen på mätlådan eller i smurfhuset. Programmet kan styras av såväl elever som handledare på stationen.
3.6 Kringmaterial
Med kringmaterial avses det material som eleverna använder för att tillverka sina egna turbiner och rotorblad. Till sitt förfogande har de kartong, limpistoler, trähjul, sugrör, saxar, sågar och träpinnar i olika storlekar. Trähjulen används till den lilla vindkraftverksmodellen åt vilket eleverna tillverkar hela turbinen, det vill säga de fäster sina rotorblad på ett trähjul som sedan skruvas på modellens axel. Exempel på elevernas turbinkonstruktioner ses i figur 19. Till den större modellen tillverkar eleverna vingar som fästs en och en och de använder därför de större träpinnarna då dessa passar till hålen på navet.
Figur 19 Turbiner konstruerade av elever.
13
4 Stationen på Vetenskapsfestivalen
4.1 Stationens användningsmöjligheter
Eleverna kan tillverka rotorblad och turbiner till de två vindkraftverksmodeller som finns på stationen. De kan med hjälp av datorprogrammet se vilken spänning och ström som genereras samt varvtal och vindhastighet. Eleverna kan även styra vilken last som modellerna skall driva, tre lampor kan användas som last för vardera modellen. Den lilla modellen kan även kortslutas från datorn. Med den lilla modellen kan eleverna experimentera med olika utväxling mellan remskivan och generatorn och därigenom undersöka vad som händer med spänning, ström och varvtal då denna ändras. Liknande experiment kan göras genom att variera lasten eller vindhastigheten.
4.2 Manual
Manualen skall vara ett stöd för de handledare som befinner sig på stationen. Manualen innehåller instruktioner till mätlådan och programmet samt en felsökningsguide. Instruktionerna till mätlådan förklarar uppstartsprocessen för mätlådan och datorn. Instruktionerna till programmet innefattar en förklaring till programmets grafiska gränsnittet och dess möjligheter. Felsökningsguiden innehåller de vanligaste förekommande felen på stationen samt lösningar till dessa. Manualen i sin helhet återfinns i appendix 5.
5 Konstruktion av lilla vindkraftverket
5.1 Framtagning av koncept
Inledningsvis studerades modellen från tidigare år för att kartlägga problemen i konstruktionen samt möjliga förbättringar. De största problemen ansågs vara friktionen i axeln, estetiken samt att gummibandet ofta gick sönder. Då detta föreföll svårt att åtgärda på den befintliga konstruktionen togs ett beslut att konstruera en helt ny modell. Den generator som använts tidigare gick dock att återanvända. Vidare skapades ett antal skisser på möjliga konstruktioner. Dessa diskuterades med avseende på ett antal kriterier. Modellen fick till exempel inte vara för komplicerad att tillverka och då Chalmers prototypverkstad fanns nära till hands så föredrogs det att kunna tillverka alla ingående detaljer där. Det ansågs också viktigt att modellen hade så mycket likheter som möjligt med ett riktigt vindkraftverk eftersom detta skulle vara mest pedagogiskt. Med detta som bakgrund uteslöts de olika koncepten efter hand tills endast ett återstod.
5.2 Konstruktionsmaterial
De flesta delarna i modellen är gjorda i aluminium för att få en lätt och samtidigt stabil konstruktion. Aluminium är även ganska mjukt och därmed enkelt att bearbeta i både svarv och fräs. Till axeln valdes dock stål. Detta eftersom axeln har en ganska liten diameter och dessutom utsätts för större påfrestningar än övriga delar. Den gängade delen på axeln skall även klara av att flera tusen trähjul skruvas på och av utan att gängorna riskerar att slitas ut. Uppgiften för tornets innanmäte är att stadga upp generatorn och axelhuset. Genom att använda trä till den här delen krävdes inte ett gängat hål för fästningskruven, vilket skulle varit fallet om den var gjord i metall.
De elektriska komponeneter som använts till modellen är en 4,5 V permanentmagnetiserad likströmsmotor samt en tungelementsensor från en cykeldator. Tungelementsensorn fungerar tillsammans med en magnet i remskivan som varvtalsmätare.
5.3 Tillverkningsprocessen
Modellen tillverkades under handledning i Chalmers prototypverkstad. Då modellen bestod av framförallt cylindriska geometrier så utnyttjades verkstadens svarv- och fräsmaskiner flitigast, men
14
även borrmaskin, cirkelsåg och ett antal handverktyg användes. Under tillverkningens gång testades generatorns och varvtalsmätarens funktion i konstruktionen kontinuerligt. Detta för att säkerställa att eventuella fel upptäcktes i ett tidigt skede och därigenom undveks extraarbete. Bland annat undersöktes huruvida de virvelströmmar som uppstod då remskivan roterade utanför axelhuset riskerade att bromsa rotationen. Det var även viktigt att veta på vilket avstånd tungelementsensorn reagerade på magneten för att avgöra hur båda dessa skulle placeras.
Ritningar samt en mer utförlig beskrivning av tillvägagångssättet vid tillverkningen av modellen hittas i Appendix 4.
6 Uppbyggnad av mät- och styrsystem
Mätlådan som konstruerats används som länk mellan mätobjekten och datorn. Den innehåller en datainsamlingsenhet, två kretskort, samt en 24V spänningsaggregat. Varje del av mätsystemet och styrsystemet redovisas nedan.
6.1 Datainsamlingsenhet från National Instruments
Datainsamlingsenheten(DAQen) är av modell USB 6009 från tillverkaren National Instruments. DAQen klarar endast av att utföra spänningsmätningar i intervallet -10V till +10V. För att mäta de olika storheterna byggdes ett system för att anpassa signalerna in till DAQen till detta intervall. DAQen används även för att styra vilken last vindkraftverksmodellerna skall driva, men kan även användas för att styra fläkten. DAQen har 12 digitala utgångar, vilka ger antingen 5 eller 0V. Utgångarna används för att styra reläer kopplade till lasterna och kan även användas för avstängning av fläkten. Det finns även två analoga utgångar som kan ge en utsignal mellan 0 och 5 Volt, en sådan utgång kan användas för att styra fläktens styrka.
6.2 Kretskortet
Kretskortet omvandlar signalerna från modellerna och styr dess laster. Signalomvandlingen krävs då flera av signalerna från mätobjekten ligger utanför DAQens mätområde. De signalomvandlings- och styrkretsar som beskrivs i kapitlen 6.3 och 6.4 nedan sitter på kretskortet. Kretskortets fullständiga konstruktion återfinns i appendix 6.
6.3 Mätsystemet
Mätsystemet mäter varvtal, vindhastighet, spänning och ström och digitaliserar signalerna. Mätsystemet består av de båda vindkraftverksmodellerna, mätlådan, vindmätaren, smurfhuset och datorn. Insamlad mätdata presenteras på datorn.
Spänningsmätning
Den lilla vindkraftverksmodellen har en likströmsgenerator med märkspänningen 4,5 V. För att mäta spänningen på den lilla modellen kopplas DAQen direkt över generatorn då spänningen alltid kommer ligga inom DAQens mätintervall. Den växelspänning som stora modellen genererar kan ha toppvärde större en 10 V, vilket innebär att en spänningsdelning krävs för att anpassa signalen till DAQens mätintervall. Uppkopplingen som gjordes ses i figur 20. Motstånden är 4,3 kΩ och valda så att de är mindre än DAQens inimpedans men inte för små då detta skulle leda till för stora strömmar.
15
Figur 20 Spänningsmätning för stora vindkraftverksmodellen.
Strömmätning
Strömmätningen mäts på identiskt vis för det stora och lilla vindkraftverket. Genom att använda en liten resistans och sätta denna i serie med lasterna uppkommer ett litet spänningsfall över detta motstånd. Spänningsfallet är proportionellt mot strömmen som går genom motståndet. Motståndet är litet, 0,1 Ω, detta för att så lite effekt som möjligt skall förbrukas i det. På grund av att motståndet är så litet kommer spänningen över motståndet också att vara litet. Spänningen förstärks därför med en instrumentförstärkarkrets, se figur 21. Denna spänning mäts sedan med hjälp av DAQen. Anledningen till att signalen förstärks är att det är eftersträvansvärt att mäta alla olika signaler i ungefär samma område så att DAQen inte behöver använda sin interna omkopplare mellan olika mätintervall.
Figur 21 Strömmätning på vindkraftverksmodellerna.
Instrumentförstärkarkrets
Instrumentförstärkarkretsen är uppbyggd som visas i figur 22. Den instrumentförstärkare som används är en AD620 från Analog Devices, anledningen till att denna valdes var att det är enkelt att justera förstärkningen och kretsen blir relativt enkel. Dioderna är till för att skydda instrumentförstärkaren från statisk elektricitet och motståndet mellan ben 8 och 1 justerar förstärkningen.
16
Figur 22 Instrumentförstärkarkrets.
Vindmätning
Vindmätaren behöver en matningsspänning för att fungera och utsignalen från vindmätaren är pulser. Frekvensen på dessa pulser omvandlas i ett kretskort till en likspänning. Detta kretskort har använts på Vetenskapsfestivalen tidigare år för att kunna presentera vindhastigheten på en analog voltmeter där 1 V motsvarar 1m/s. Då utsignalen från kretskortet redan ligger inom området som DAQen kan mäta behövs ingen anpassning av signalen.
Varvtalsmätning
Mätmetoden för varvtalsmätning skiljer sig åt för den stora och den lilla vindkraftverksmodellen. För att mäta varvtalet på den stora modellen uttnytjas det faktum att spänningen som genereras är växelspänning, varvtalsmätningen sker på spänningssignalen i det datorprogram som skapats i Labview.
Det lilla vindkraftverket genererar en likström vilket betyder att ovanstående metod inte fungerar, istället har en tungelementsensor integrerats i axelhuset och en kraftig magnet fällts in i remskivan. Detta gör att tungelementet sluts varje gång magneten sveper förbi. På kretskortet har en koppling enligt figur 23 gjorts, detta medför att en fyrkantsvåg mellan 5 och 0 Volt skapas, vars frekvens varierar med varvtalet. Signalen ligger inom DAQens mätintervall och analyseras sedan av Labviewprogrammet.
Figur 23 Varvtalsgivaren på lilla vindkraftverksmodellen.
6.4 Styrsystemet
Vindkraftverksmodellernas laster kan styras från mätlådan eller datorn. Som laster används tre lampor för vardera modell. För den lilla vindkraftverksmodellen kan generatorn även kortslutas. Det är även förberett för att fläkten skall kunna styras med hjälp av datorn.
17
Styrning av lampor
Varje lampa samt kortslutningen är kopplad till respektive relä som styrs med en relädrivarkrets vilken i sin tur styrs av DAQens digitala utgångar. Det är viktigt att dessa använder samma "språk", i det här fallet TTL. Reläerna behöver 24 V matning och för detta används ett späningsaggregat. Det fanns redan 12 V matning ut från kretskortet som använts till vindmätning men pga att 12V reläer skulle kräva större strömmar och 12 volts aggregat inte skulle kunna leverera detta, bestämdes det att 24 volts relä skulle användas istället.
Förberedelse för styrning av fläkt
För på- och avstängning av fläkt används samma typ av uppkoppling med relä som nämns under rubriken "Styrning av lampor". För justering av varvtalet på fläkten kräver dess styrbox 0 till 10V, DAQens analoga utgång kan endast variera mellan 0 och 5 V. Därför har en instrumentförstärkarkoppling av samma typ som beskrivits under rubriken "Instrumentförstärkarkrets" ovan konstruerats. Denna har drygt 2 gångers förstärkning för att kunna tillgodose styrboxens specifikation.
6.5 Mätlådan
Mätlådan har konstruerats utifrån fyra specifikationer; det skall gå att utföra experiment även utan dator, det skall finnas viss frihetsgrad i hur experimentet kan utföras, det skall vara lätt att koppla upp experimentet och komponenterna skall var synliga för användaren. Till mätlådan valdes en plastlåda med transparent lock för att komponenterna i mätlådan skall synas. I lådans lock sitter strömbrytare, laboratoriekontakter och lampor. Strömbrytarna är till för att kunna styra lasten även utan dator inkopplad, laberatoriekontakterna är inkopplade så att även mätningar med hjälp av multimetrar skall kunna genomföras utan dator. På baksidan av lådan sitter tre XLR-kontakter där vindmätare, varvräknare och fläktstyrning kopplas in. De har olika antal stift och är färgkodade för att minimera risken för felkoppling. På baksidan sitter även ett USB-uttag för inkoppling av datorn. På sidan av lådan sitter en kombinerad apparatkontakt, strömbrytare och säkringen. Alla kopplingspunkter har en laboratoriekontakt, detta för att skapa en frihet i hur experimentet kan kopplas upp.
6.6 Programmering i Labview2009
Ett mät- och styrprogram har skapats för att användaren av stationen ska kunna läsa av mätvärden samt styra lasterna och fläkten. Programmet är skapat i LabVIEW2009 av National Instruments. Detta program valdes på grund av att även DAQen kommer från National Instruments och dessa därför är kompatibla med varandra. LabVIEW2009 har ett visuellt programmeringsspråk och är även utvecklat för att genomföra mätningar. Hela programmet som behandlar insignalerna samt skapar utsignalerna från DAQen kan ses i figur 24. För en mer detaljerad beskrivning av hur programmet är uppbyggt se Appendix 1.
18
Figur 24 Översiktsbild på mät- och styrprogrammet.
6.7 Användargränssnitt
En viktig del i att skapa ett användargränssnitt är att avgöra vilken information som är relevant för användaren5 , det vill säga, vad skall synas och vad skall döljas. I det här fallet är användarna elever som testar hur bra deras egna konstruktioner fungerar. Fokus lades på att presentera ström, spänning och varvtal tydligt. Även vindhastighetsvisaren hade en central funktion då denna inverkade direkt på de övriga mätresultaten. För de äldre eleverna ansågs det vara intressant med ytterligare information, därför plottades grafer för ström och spänning. Dessa presenterades dock under en annan flik, detta för att kunna dölja informationen för de yngre eleverna och därigenom undvika att deras uppmärksamhet drogs från de relevanta uppgifterna.
Ytterligare ett sätt att underlätta för användaren är att använda objekt från verkligheten5 när man presenterar information. Varvtal och vindhastighet presenteras därför på analoga displayer och ström och spänning i staplar som blir högre när respektive storhet ökar. De analoga displayerna kan liknas vid en varvtalsmätare i en bil eller avläsningen på en köksvåg och staplarna vid en vanlig termometer. För att tända och släcka lamporna används reglage som ser ut som strömbrytare.
Figur 25 Användargränssnitt med varvtal, spänning och ström.
19
Figur 26 Användargränssnitt med spänning- och strömgraf.
7 Resultat
Den mindre modellen från tidigare år skrotades i sin helhet sånär på generatorn. Den nya modellen är en konstruktion av cylindriska geometrier i stål och aluminium som mäter cirka 65 cm och ses i figur 27. På generatorns axel finns tre spår i olika nivåer och för att kunna variera utväxlingen finns även tre spår på den drivande remskivan att växla mellan. Varvtalet mäts genom att magneten som syns i figur 27 sveper över en tungelementsensor infälld i axelhuset och därigenom öppnas och sluts en strömbrytare.
Figur 27 Lilla vindkraftverksmodellens ingående delar.
En mätlåda har konstruerats innehållande vindmätarkretskortet, signalomvandlingskretskortet, DAQen och 24V spänningsaggregatet. I mätlådan kopplas vindkraftverksmodellerna, vindmätare och smurfhus ihop. Den är konstruerad så att experimentet skall kunna utföras både med och utan dator. Signalomvandlingskretskortet omvandlar signalerna från mätobjekten till signaler som passar DAQens mätområde. Kretskortet innehåller förstärkarkretsar och ett antal andra signalomvandlingskretsar. Det innehåller även reläer och en relädrivarkrets för styrning av laster.
Ett datorprogram har skapats där eleven kan läsa av ström, spänning, varvtal och vindhastighet då de testar sina rotorblad och turbiner. De kan även styra vilken last som vindkraftverket ska driva. Gränsnittet visas nedan i figur 28.
20
Figur 28 Användargränssnittet för lilla vindkraftverksmodellen.
Stationen "Med vindens kraft" medverkade som en del av en lyckad Vetenskapsfestival. Experimentverkstaden besöktes av cirka 10 000 skolelever och vuxna6. Vid de korta intervjuer som genomfördes med närvarande elever framkom det att eleverna uppskattade stationen och visade intresse att bygga rotorblad och turbiner till vindkraftverksmodellerna. Flera av eleverna förbättrade även sina konstruktioner efter det att de hade testat dem. Detta visar att det har skapat ett intresse vilket eftersträvats. De intervjuade handledarna instämde i att stationen var lyckad och att den var uppskattad av eleverna.
8 Diskussion
Den nya vindraftverksmodellen är byggd i stål och aluminium. Detta är mer robust än trä, vilket var det huvudsakliga materialet i den gamla konstruktionen. Ett av problemen med den tidigare modellen var att gummibandet som drev generatorn tenderade att gå sönder. Detta problem kvarstår dessvärre fortfarande. Ett sätt att undvika detta skulle kunna vara att byta ut gummibandet mot en rem, vilket dock kräver en modifiering eller ett utbyte av remskivan samt generatorns axel. Då alla ritningar med mått samt instruktioner för tillvägagångssätt vid tillverkningen finns att tillgå i Appendix 2,3 och 4 så bör en modifiering eller ett nybygge av remskivan kunna göras relativt enkelt. En nackdel med att byta ut gummibandet mot en rem är att möjligheten att variera utväxlingen genom att växla mellan olika spår försvinner.
Ytterligare ett problem med konstruktionen har varit att trähjulen, det vill säga navet till elevernas turbiner, har varit tröga att skruva på axeln. Detta har under Vetenskapsfestivalen lösts genom att handledarna gröpt ur trähjulen genom att tälja bort lite trä med en sax, men för att komma ifrån detta extra moment vid tillverkningen av turbinerna så är det möjligt att fasa ner axeln en aning. Som en följd av att trähjulen varit tröga att skruva på så har remskivan vid några tillfällen lossat eftersom handledarna då använt denna för att hålla emot. Detta problem försvinner troligen om axeln fasas ner och remskivan därför inte utsätts för lika mycket roterande kraft. Ett annat sätt att undvika att remskivan lossnar skulle kunna vara att göra ytan på axeln där remskivan fästskruv dras fast platt.
Estetiken på den nya modellen har fler likheter med ett riktigt vindkraftverk än den tidigare, bland annat på grund av det höga cylindriska tornet. Även det faktum att modellen är konstruerad i metall istället för trä bidrar till att göra denna mer verklighetstrogen. Vidare så är alla kablar dolda inuti tornet, vilket även har en positiv inverkan på robustheten då de är mer skyddade mot omgivningen. Foten som vindkraftverket är fäst i är grönmålad och en liten plastko är ditklistrad, även detta för att barnen skall kunna relatera till ett riktigt vindkraftverk som de sett i naturen. För att ytterligare öka likheten med ett riktigt vindkraftverk så kan tornet och axelhuset målas vita. Detta bör dock göra med försiktighet så att mått eller ytjämnhet på kritiska ytor, till exempel där kullagren sitter, inte påverkas.
21
Under Vetenskapsfestivalen intervjuades handledarna och det framkom att elevernas fokus låg på att åstadkomma ett så högt varvtal som möjligt. Detta tros bero på det tydliga tävlingsmoment som uppkommer då olika elever jämför varandras varvtal. Stationens övriga funktioner beskrivna under kapitel 4.1 användes mer sällan. Det är eftersträvansvärt att få eleverna att även uppmärksamma spänning och ström. Nedan följer ett antal förslag som skulle kunna verka för detta.
Genom att utbilda handledarna på ett bättre sätt skulle rätt frågor kunna ställas för att få eleverna att tänka i nya banor. Detta upptäcktes under festivalen då instruktioner gavs till elever på ett sätt som fick dem att gå tillbaka och utveckla sina rotorblad för att få lamporna att lysa bättre. Manualen som är skriven till handledarna skulle kunna innehålla några enkla experiment som utförs tillsammans med eleverna.
Ett annat sätt att få eleverna mer intresserade av de andra funktionerna är att koppla in fläktstyrning från datorn. Det skulle då bli mer naturligt för eleverna att gå och sätta sig vid datorn och börja utforska programmet, detta eftersom programmet skulle fungera mer som en kontrollpanel.
Ytterligare ett sätt att få elevernas uppmärksamhet att dras till annat än varvtalen kan vara att göra lite förändringar av designen på programmet. För att göra lamporna mer intressanta kan man till exempel ha symboler för lampor som tänds och släcks när man klickar på strömbrytarna. Jämte staplarna för ström och spänning kan olika bilder på saker tagna från verkligheten illustrera hur effektiva rotorbladen är.
Genom att visa hur spänning, ström, varvtal och vindhastighet förändras över tiden skulle tydligheten ökas för hur dessa faktorer samverkar. Även vindhastighetens samband med vindkraftmodellernas varvtal skulle bli tydligare.
Experimentet kan till viss del utföras även utan datorn. Två multimetrar kopplas då till mätlådan för att visa ström och spänning, lasterna styrs med hjälp av strömbrytarna på locket. För varvräkningen sitter en cykeldator på den stora modellen. Vindhastigheten kan dock inte ses utan dator för tillfället. Genom att integrera en display i locket som visar vindhastigheten skulle hela experimentet kunna köras utan dator.
Kretskortet är förberett för att möjliggöra fläktstyrning. Det innehåller ett relä för på och avstängning och en förstärkarkrets för att kunna leverera 0-10 V till fläktens styrlåda. En kontakt är även monterad i mätlådan för att kunna koppla ihop mellan mätlåda och fläkt, men vissa justeringar måste fortfarande göras i fläktens styrlåda för att styrningen skall fungera. Det kommer även att krävas en del programmering eftersom risken för att en säkring i fläkten går är stor då på grund av den höga startströmmen.
Arbetet med att konstruera mät- och styrsystemet har fungerat bra mycket tack vare att det har gått att konstruera allt på Chalmersområdet och därmed har varit möjligt att direkt pröva så att konstruktionen fungerar. Genom att ha delat upp arbetet med hänsyn till kompetenser har arbetet blivit effektivt.
9 Slutsats
Stationen Med vindens kraft har varit en lyckad del av Göteborgs Vetenskapsfestivals Skolprogram. Många elever ville förbättra sina turbiner vilket visar på intresse, engagemang och förståelse, något som Vetenskapsfestivalen verkar för. Eleverna fokus låg främst på vindkraftsmodellernas varvtal. Ett antal åtgärder bör vidtas för att eleverna ska använda sig av fler delar av programmet. De åtgärder som rekommenderas är att utbilda stationens handledare bättre, lägga till ett antal experiment i manualen, inkludera fläktstyrning i programmet samt att förbättra användargränssnittet.
22
Den lilla vindkraftverksmodellen blev robust i och med valet av konstruktion och konstruktionsmaterial. Problemet med att gummibandet i generatordrivningen går sönder bör åtgärdas genom att det byts mot en rem samt att remskiva och generatorns axel modifieras. Axeln bör fasas ner något för att minska svårigheten att fästa på elevernas turbiner. Remskivans infästning i axeln bör förstärkas då remskivan hade tendens att lossna.
Mät- och styrsystemet inklusive dess komponenter har fungerat väl och fyllt sin uppgift. Systemet är flexibelt och kan vidareutvecklas.
23
10 Källförteckning
1. Carlson, O. (2002) Vind- Sol och Vågkraftverk. Göteborg: Chalmers tekniska högskola (Institutionen för elteknik)
2. Institutionen för Elteknik. ELTEKNIK. Chalmers tekniska högskola. 3. Elgered, G. Mätteknik. Chalmers Tekniska Högskola 4. Emma Rova, Jorun Wedlund, Magnus Ellsén (2009) Wind Power is a Breeze Göteborg:
Chalmers Tekniska Högskola (Department of Energy and environment, Division of Electric Power Engineering)
5. Jessica Hellström, Maria D. Nilsson (1999) Riktlinjer vid design av användargränssnitt Göteborg: Handelshögskolan vid Göteborgs universitet. (Examensarbete inom Institutionen för Informatik)
6. Göteborg & Co (2010) Göteborgs Vetenskapsfestival www.goteborg.com/vetenskapsfestivalen (14 maj 2010)
Bilderna är tagna från Wikimedia Commons(wikipedia) som har en öppen licens för bilderna.
Figur 4 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Alternator_1.svg
Figur 6 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Electric_motor_cycle_1.png
Figur 7 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/04/Electric_motor_cycle_2.png
Figur 8 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/Electric_motor_cycle_3.png
Figur 9 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Sine_and_Cosine.svg
24
11 Appendix
Appendix 1 – Programmering i detalj
Insignaler - Mätningar
Stora vindkraftverkets spänning
Det är störningar på signalen då vindkraftverket står stilla, för att inte dessa skall presenteras på skärmen i form av fladdrande siffror så filtreras alla spänningar vars absolutbelopp är mindre än 60mV bort. Se Bild appendix 1 – 1 för programmeringen. Detta görs genom att ta absolutbeloppet på insignalen med hjälp av modulen ”Absolute Value” och kontrollera om denna är större än 0,06 med hjälp av modulen ”Greater?”. Utsignalen från ”Greater?” är en boolean, så om insignalen är större än 0,06 är utsignalen true och om den är lika med eller mindre än 0,06 så är utsignalen false. Utsignalen från ”Greater?” används sedan som styrsignal till modulen ”Select”, om styrsignalen är false så blir utsignalen på ”Select” konstanten 0 men om styrsignalen är true så skickas utsignalen från DAQen vidare.
Bild appendix 1 - 1: Programmeringen för att behandla spänningssignalen och varvtalet för stora vindkraftverket.
Spänningen som mätts på det stora vindkraftverket är mätt över en spänningsdelning med två lika stora motstånd. I teorin skulle insignalen multipliceras med 2 för att få spänningen som vindkraftverket genererar. Men i verkligheten är inte motstånden identiska därför har en laboration genomförts för att kalibrera mot en multimeter1. Mätresultaten presenteras i Tabell appendix 1 - 1, medelvärdet av skillnaden är 2,088, utsignalen från ”Select” multipliceras med detta, resulterande signal presenteras med modulen ” Waveform Graph”, detta för att man skall kunna se spänningens sinusform.
Utöver detta så presenteras spänningens RMS värde både i siffror och som stapel. För att kunna göra detta används modulen "Amplitud and Level Measurment", denna modul tar in en insignal och gör mätningar på den, i detta fall väljs RMS som utsignal. Utsignal visas sedan med hjälp av modulerna "Vertical Graduated Bar" och "Numeric Indicatior"
Spänning Stora (V)
1 CALTEK INSTRUMENT CM1703
25
Multimeter Labview Multimetervärde/Labviewvär
de
2,525 1,214 2,079
3,77 1,78 2,118
4,04 1,93 2,09
1,418 0,6863 2,066
medel: 2,088
Tabell appendix 1 - 1: Mätvärden från kalibrering av stora vindkraftverkets spänning mätprogrammet.
Stora vindkraftverkets varvtal
Programmeringen för stora vindkraftverkets varvtal visas i Bild appendix 1 - 1. För att kunna presentera varvtalet används modulen "Tone Measurments" och som utsignal väljs frekvens. Detta görs på samma signal som presenteras på ”Waveform Graph” ovan. Den frekvens (Hz) som mäts är frekvensen för hur ofta ett magnetpar sveper förbi spolarna, för att göra om detta till varv per sekund delas frekvenssignalen med 10 med modulen ”Divide”. Detta görs för att det är 10 magnetpar på generatorn. Efter detta multipliceras signalen med hjälp av modulen ”Multiply” med 60 för att få varv per minut. Denna signal presenteras med modulerna "numeric indicator" och "Gauge".
Stora vindkraftverkets ström
Programmeringen presenteras i Bild appendix 1 - 2. Störningar på insignalen filtreras bort på samma vis som för spänningsmätningen med skillnaden att gränsen för bortfiltrering går vid 20 mA. Genom att jämföra den förstärkta spänningen över motståndet med strömmen genom kretsen mätt med en multimeter2 har en faktor beräknats. Mätvärdena för experimentet redovisas i Tabell appendix 1 - 2.
Ström Stora (mA)
1001 9,76 102,56
812 7,92 102,52
698 6,85 101,89
468 4,62 101,29
medel: 102,065
Tabell appendix 1 - 2: Mätvärden från kalibrering av lilla vindkraftverkets ström i mätprogrammet.
Medelvärdet av dessa mätvärden är 102,065 denna faktor multipliceras med signalen, och därefter visas signalen på modulen ”Waveform Graph”. Efter detta används modulen ”Amplitud and Level Measurments” där utsignalen är satt till RMS värdet på signalen vilket sedan presentera med modulerna "Vertical Graduated Bar" och "Numeric Indicatior".
2 CALTEK INSTRUMENT CM1703
26
Bild appendix 1 - 2: Programmeringen för att behandla strömsignalen från stora vindkraftverket.
Lilla vindkraftverkets spänning
Programmeringen presenteras i Bild appendix 1 - 3 För att filtrera bort störningar för lilla vindkraftverket används samma metod som nämnts ovan, men för denna spänning filtreras signaler mindre en ±30mV bort. Därefter kalibreras signalen mot en multimeter3. Efter mätningar presenterade i Tabell appendix 1 - 3 togs en faktor på 1,054 fram vilket multipliceras med modulen ”Multiply”. Signalen presenteras sedan med modulerna "Waveform Graph", "vertical graduated bar" och "numeric indicatior".
Bild appendix 1 - 3: Programmeringen för att behandla spänningssignalen från lilla vindkraftverket.
3 CALTEK INSTRUMENT CM1703
27
Spänning Lilla (V)
4,12 3,91 1,054
3,09 2,93 1,054
2,302 2,18 1,056
1,016 0,966 1,051
medel: 1,054
Tabell appendix 1 - 3: Mätvärden från kalibrering av lilla vindkraftverkets spänning i mätprogrammet.
Lilla vindkraftverkets ström
Programmeringen för lilla vindkraftverkets ström presenteras i Bild appendix 1 - 4. För att filtrera bort störningar för lilla vindkraftverket används samma metod som tidigare, för denna spänning filtreras signaler mindre en ±20mV bort. Därefter multipliceras, med hjälp av modulen ”multiply”, signalen med 107,475. Denna konstant är framtagen vid mätningar med en multimeter4 vars värde jämfördes med programmets enligt Tabell appendix 1 - 4. Sedan presenteras signalen med modulerna "Waveform Graph", "Vertical Graduated Bar" och "Numeric Indicatior".
Bild appendix 1 - 4: Programmeringen för att behandla strömsignalen från lilla vindkraftverket.
4 CALTEK INSTRUMENT CM1703
28
Ström Lilla (mA)
299 2,79 107,2
411 3,83 107,3
514 4,77 107,7
590 5,48 107,7
medel: 107,475
Tabell appendix 1 - 4: Mätvärden från kalibrering av lilla vindkraftverkets ström i mätprogrammet.
Lilla vindkraftverkets varvräknare
Programmeringen presenteras i Bild appendix 1 - 5 Insignalen kontrolleras med modulen "Tone Measurements" denna är inställd på att ge amplituden på signalen som utsignal. I modulen "Greater?" kontrolleras sedan om amplituden är större än 2, modulen "Greater?" ger en boolean som utsignal. Denna boolean används sedan som styrsignal i modulen "Select" som om styrsignalen är false ger konstanten 0 som utsignal. Om däremot styrsignalen är true så blir frekvensen utsignal till modulen "Select". Frekvensen fås genom att använda modulen "Tone Measurments" med frekvens som utsignal, insignalen är signalen från DAQen. Därefter multipliceras signalen med 60 för att få RPM istället för Hz. Denna signal presenteras på modulerna "Numeric Indicatior" och "Gauge".
Bild appendix 1 - 5: Programmeringen för att behandla varvräkningssignalen från lilla vindkraftverket.
Vindhastigheten
Signalen från Vindmätaren är redan sedan tidigare anpassad på kretskortet så att 1V är lika med 1m/s detta betyder att insignalen endast behöver presenteras detta är gjort med modulen "Meter".
29
Utsignaler – Styrning av last och fläkt
Styrning av last
För att kunna bestämma vilka laster vindkraftverken skall ha används DAQens digitala utgångar för att styra reläer. Det finns ett färdigt exempel i LABVIEW2009 på hur de digitala utgångarna kan styras, detta exempel användes som grund och har modifierats för att fungera i programmet. I Bild appendix 1 - 6 presenteras hur programmeringen är gjord för det ena vindkraftverket, för det andra vindkraftverket ser det identiskt ut.
Bild appendix 1 - 6: Programmeringen för styrning av last.
Följande beskrivning behandlar programmeringen för ett av vindkraftverken. Med hjälp av virtuella instrumentet ”DAQmx Create Channel”, inställd på Digital Output, skapas en kanal för att styra DAQen. Med modulen ”Lines” styrs hur många och vilka utgångar på DAQen som skall användas. Därefter används virtuella instrumentet ”DAQmx Start Task” för att starta uppgiften. Nästa steg är virtuella instrumentet ”DAQmx Write” som är inställd på ”Digital/Singel Channel/Single Sample/1D Boolean”. Denna är inne i en While loop som pågår så länge som ingen felsignal skapas. While loopen uppdateras med 100ms mellanrum med modulen ”Wait Until Next ms Mutiple”.
Förberett för Styrning av fläkt
På och avstängning är tänkt att göras med ett relä, så då fungerar samma programmering som under rubriken ”styrning av last”. För att kunna styra fläktens styrka behöver DAQen styras så att den ger ut en varierbar spänning mellan 0 och 5V. Detta kan göras med programmering enligt Bild appendix 1 - 7. Här har modulen ”Knob” för att ge en insignal till ”DAQ Assistant” som är inställd på analog utgång.
Bild appendix 1 - 7: Programmering för styrning av fläktens styrka.
30
Appendix 2 Ritningar lilla vindkraftverksmodellen
Axelhus
Axel
Svänghjul
31
Appendix 3 Ritningar på lilla vindkraverksmodellen
32
Appendix 4 Tillvägagångssätt för lilla vindkraftverksmodellen
AXELHUS För att underlätta i beskrivningen så refereras det
här till sidan mot rotorbladen som högersidan och sidan mot remskivan som vänstersidan.
Material: Aluminium Verktyg: Svarv, Fräs, Borr
Inledningsvis svarvades en cylindrisk spillbit till diametern 40 mm och längden 56mm. Efter detta svarvades ett hål i mitten med diametern 15 mm, vilket var ytterdiametern på de kullager som senare skulle passas in här.
För att minimera risken att rotorbladen kunde ta i huset så fasades högersidan ner. Då huset skulle fästas vid ett torn med diametern 31 mm fick fasningen inte börja närmare vänsterkanten än så. Då diametern på cylindern var 40 mm så inleddes fasningen på samma avstånd från vänster. Flänsarna på kullagren har diametern 20 mm, varför diametern på högersidan inte fick vara mindre än så, något direkt övre begränsning fanns inte. Fasningsvinkeln valdes till 30° och vänstersidan fick då diametern 21,69 mm.
Då planen var att fästa huset vid tornet med en träskruv så borrades en nedsänkning i huset med en diameter på 10 mm. Detta för att få plats med skruvhuvudet och för att komma åt att dra fast skruven med en mejsel.
För att skruven sedan skulle kunna löpa fritt men samtidigt hålla huset på plats utan att riskera något glapp så borrades den sista biten rakt igenom huset med ett 5 mm-borr. Träskruven har en ytterdiameter på 5 mm.
Sensorn till varvtalsmätaren mätte ca 6,3 x 20 mm. För att fälla in denna i huset så borrades ett hål på 6,3 mm. Detta placerades så långt ner på huset som möjligt utan att riskera att det korsade hålet för träskruven, närmare bestämt 13 mm till höger och 3
33
mm nedanför centrum. Borrdjupet sattes till 40 mm.
Med ögonmått frästes sedan ett hål med diameter 10 mm från den punkt på undersidan av cylindern där kablarna skulle gå upp till hålet för sensorn. Därigenom skulle kablarna från sensorn senare dras.
AXEL Liksom i fallet med axelhuset så benämns i
beskrivningen sidan mot remskivan vänstersidan och sidan mot rotorbladen högersidan.
Material: Stål Verktyg: Såg, Svarv och M5-gängsnitt
En cylindrisk stång med diametern 12 mm kapades med såg till 99,5 mm. För att få fina snittytor så svarvades längden ner till 99,2 mm.
På axelns västersida svarvades sedan 16 mm ner till diametern 5 mm, dvs samma diameter som hålet i remskivan.
Vidare från vänster så svarvades 58 mm ner till diametern 10 mm. Då kullagren behövde passas perfekt på den här delen av axeln mättes diametern kontinuerligt med en precision på hundradels millimeter under sista millimetern av svarvningnen.
Slutligen så svarvades 18 mm av högersidan ner till 5 mm som sedan gängades till M5. 7,2 mm närmast huset lämnades kvar på diametern 12 mm, dvs samma mått som den delen på svänghjulet som skulle sitta närmst in mot axelhuset.
34
TORN
Av utrymmesskäl så har ritningarna vridits 90° medurs. Axelhuset skall alltså fästas till höger på ritningarna i denna beskrivning.
Meterial: Trä, Aluminium Verktyg: Fräs, Svarv, Sandpapper, Epoxylim
En träbit svarvades till längden 100 mm och diametern 28 mm, dvs samma som aluminiumrörets innerdiameter. För att den lätt skulle passas i röret så sandpapprades biten även något i svarven.
För att kablarna från sensorn och generatorn skulle kunna dras igenom träbiten så sågades ett spår till med ögonmått. Spåret mätte ca 5,7 mm i bredd och 4,7 mm i djup.
Vidare så limmades träbiten med epoxylim i ett 640 mm långt aluminiumrör med ytterdiameter 31 mm.
För att passa in axelhuset på tornet så frästet en nedsänkning med diameter 40 mm enligt bild.
Slutligen så frästes ett hål för generatorn med diameter 24 mm och djup 21,2 mm.. Avståndet (enligt bild) baserades främst på drivremmens längd samt att träskruven precis skulle nå ner till hålet, den behövde alltså sedan bara slipas till lite för att fungera både som fäste för axelhuset och som låsning för generatorn.
35
REMSKIVA
Innersidan på remskivan, alltså den som är in mot axelhuset, benämns här som högersidan och yttersidan benämns som vänstersidan.
Material: Aluminium Verktyg: Svarv, fräs, borr och gängtapp
Till att börja med svarvades en cylindrisk spillbit till diametern 50 mm och bredden 15,2 mm. Det senare måttet baserades på att yttre delen av skivan behövde hamna minst så långt ut att det placerades precis över yttre delen på generatorns drivskiva, då generatorn endast kan justeras för att hanma längre ut ifrån röret.
7,2 mm av högersidan svarvades sedan ner till diametern 12 mm. Denna högra sidan tillsammans med 12 mm-klacken på axeln skulle alltså fungera som låsningar på varsida om axelhuset och kullagren så att axeln inte kan förflytta sig i sidled.
I centrum av remskivan borrades ett hål med diameter 5 mm, dvs samma diameter som högersidan av axeln.
För varje spår på generatorns drivskiva så svarvades ett spår på remskivan. Detta för att drivskivans spår har olika diametern och man genom att flytta drivremmen mellan dessa då kan variera utväxlingen. Remskivans spår fick djupet 1 mm och ett avstånd mellan dem på 2 mm.
36
För att fästa remskivan vid axeln så borrades och gängades ett M3-hål på den högra sidan, se bild. Remskivan kunde sedan dras fast med en insexskruv.
Slutligen så frästes ett hål för magneten med diametern 10 mm och djupet 5 mm. Centrum på hålet placerades 13,75 mm från remskivans centrum, endast 0,4 mm längre ut än sensorn. Anledningen till att det inte placerades närmre mitten var för att undvika att den känsliga sensorn kände av magneten även när den var på motsatt sida av axeln.
37
Appendix 5 Manual
12 Instruktioner till mätlådan, dator och program
Vid start
1. Koppla strömsladden till mätlådan.
2. Kontrollera att strömbrytaren på grenkontakten är påslagen. Kontrollera att strömbrytaren
på mätlådan är påslagen (Dessa knappar lyser då de är påslagna.).
3. Kontrollera att alla strömbrytare på mätlådan pekar neråt (off).
4. Sätt upp datorn. Koppla in strömsladd till datorn. Koppla in musen till datorn. (USB uttagen på datorn sitter bredvid strömuttaget)
5. Koppla in USB-kabeln från mätlådan till datorn. 6. Starta datorn och vänta på inloggningskärm. 7. Tryck ner Ctrl, Alt och del (delete) knapparna samtidigt. 8. Användarnamn: Laptop
Lösenord: G36dk&CR (Dessa står på nedre vänster kant på skärmen.)
9. Klicka på ikonen ”Med vindens kraft” som befinner sig mitt på skärmen. Programmet startar upp. Datorn är långsam så ha tålamod.
10. Klicka på ”run” (den vita pilen som pekar åt höger, uppe till vänster i programmet) för att starta mätningarna.
11. Kontrollera att ”strömbrytarna” under fliken ”Litet” och ”Stort” i programmet(uppe till vänster) pekar neråt. Om inte, klicka på brytarna så de pekar neråt.
Fel 1
Programmet står helt still. Vindkraftverken snurrar men programmet visar ingen spänning och vindhastighetsmätaren står still.
Åtgärd
Kontrollera att knappen ”stop” (den röda ringen, uppe till vänster i programmet) inte är intryckt. Om detta är fallet tryck på följ steg 10 i ”Vid start”. Om detta inte hjälper kan någon ha ändrat i programmet. Gör då följande: Stäng av programmet. Välj ”Don’t save” om en förfrågan att ”Spara”/”Save” kommer upp. Följ sedan steg 9 och 10 i ”Vid start”.
Fel 2
Det lilla vindkraftverket snurrar men programmet visar inte någon spänning eller ström. Varvmätaren för vindkraftverket fungerar.
Åtgärd
Kontrollera att fliken ”Litet” är i programmet är vald. Om inte, välj flik ”Litet”.
Kontrollera att gummibandet(mellan drivning och generator) på lilla vindkraftverket är helt och är korrekt placerat.
38
Fel 3
Datorn har hängt sig. Ingenting fungerar.
Åtgärd
Starta om datorn och följ stegen 6 - 11 i Vid Start.
39
Instruktioner för programmet ”Med vindens kraft”
Position på skärmen:
Upp till vänster (Lampstyrning)
Under fliken ”Litet” styrs lamporna till det lilla vindkraftverket med strömbrytarna som illustreras i fönstret. Här finns det fyra stycken strömbrytare var av de tre första styr en varsin lampa i ”smurfhuset”. Den fjärde med namn ”kortslutning” kortsluter lamporna så all ström går genom kortslutingen.
Ingen lampa lyser då ”kortslutningen” är påslagen. Spänningen kommer vara 0 men strömmen max. Vindkraftverket kommer snurra som långsammast pga. den stora strömmen den levererar.
Alla strömbrytare i OFF-läge gör att spänningen kommer vara maximal men det kommer inte gå någon ström. Vindkraftverket snurrar som snabbast.
Under fliken ”Stora” styrs lamporna till det stora vindkraftverket med strömbrytarna som illustreras i fönstret. Här finns det tre stycken strömbrytare som styr de tre lampor som sitter på mätlådan.
Alla strömbrytare påslagna(alla lampor lyser om det snurrar tillräckligt snabbt), stor ström levereras från vindkraftverket, det kommer snurra långsamt.
Alla strömbrytare av(ingen lampa lyser), stor spänning men ingen ström. Vindkraftverket snurrar maximalt snabbt.
Upp till höger (Vindhastighet)
Här visas vindhastigheten i meter per sekund [m/s]. Denna beror på hur mycket ni har vridit upp fläkten.
Nere (Spänning, ström och grafer)
På den undre delen av skärmen finns fyra flikar, Litet, Stort, Graf Litet och Graf Stort.
Under fliken ”Litet” visas spänningen, strömmen och varvtalet för det lilla vindkraftverket. Till vänster i fliken den blå stapel visas spänningen. I mitten den röda stapeln visas strömmen. Till höger i den vita mätaren visas varvtalet. Dessa visas i enheten volt för spänningen, milliampere för strömmen och varv/minut för varvtalet.
Under fliken ”Stort” visas spänningen, strömmen och varvtalet för det stora vindkraftverket. Till vänster i fliken den blå stapel visas spänningen. I mitten den röda stapeln visas strömmen. Till höger i den vita mätaren visas varvtalet. Dessa visas i enheten volt för spänningen, milliampere för strömmen och varv/minut för varvtalet.
Under fliken ”Graf Litet” visas på den övre delen kurvformen för strömmen från det lilla vindkraftverket. Formen kommer vara ett ”rakt” sträck som antingen ligger ovanför nollnivån eller under nollnivån beroende på åt vilket håll turbinen på vindkraftverket snurrar. Om ingen
40
strömbrytare är påslagen kommer det inte gå någon ström. Formen är ett ”rakt” streck eftersom det lilla vindkraftverket är utrustat med en likspänningsgenerator.
På den undre delen visas kurvformen för spänningen från det lilla vindkraftverket. Formen kommer vara ett ”rakt” sträck som antingen ligger ovanför nollnivån eller under nollnivån beroende på åt vilket håll turbinen på vindkraftverket snurrar. Nivån beror på hur snabbt turbinen snurrar och hur många lampor som generatorn driver. Formen är ett ”rakt” streck eftersom det lilla vindkraftverket är utrustat med en likspänningsgenerator.
Under fliken ”Graf Stort” visas på den övre delen kurvformen för strömmen från det stora vindkraftverket. Formen kommer vara en våg. När det stora vindkraftverket snurrar snabbare kommer amplituden och frekvensen att öka vilket gör att vågorna kommer tätare och blir högre. Amplituden på vågorna beror på hur snabbt turbinen snurrar och hur många lampor som generatorn driver. Om ingen strömbrytare är påslagen kommer det inte gå någon ström.
På den undre delen visas kurvformen för spänningen från det stora vindkraftverket. Amplituden på vågorna beror på hur snabbt turbinen snurrar och hur många lampor som generatorn driver. Frekvensen beror på hur snabbt det stora vindkraftverket snurrar.
41
Appendix 6 Utformning av mätlådan och kretskortet
Figur 27 Utformning av mätlådan.
42
Figur 28 Kontakterna till mätlådan.
43
Figur 29 Kretskortets utformning.
