Reglering av turbins ledskenor i vattenkraftverk knik med ...537704/FULLTEXT01.pdf · counterweight issued to turn the vanes if the hydraulic system loses pressure. ... Vattenkraftens

Reglering av turbins ledskenor i vattenkraftverk

med hjälp av elektriska ställdon

Rapport för Högskoleingenjörsexamen

IDE 1210, Maj 2012

Elektroteknik

H

ög

sko

lein

ge

njö

rse

xa

me

n

S

ektio

ne

n f

ör

info

rma

tio

nsve

tenska

p, d

ata

- och

ele

ktr

ote

kn

ik

Samir Hadzic & Jakub Luszczynski


med hjälp av elektriska ställdon

Högskoleingenjörsuppsats

2012 maj

Författare: Samir Hadzic, Jakub Luszczynski

Handledare: Tommy Salomonsson

Examinator: Kenneth Nilsson

Sektionen för informationsvetenskap, data- och elektroteknik Högskolan i Halmstad Box 823, 301 18 HALMSTAD

I

© Copyright Samir Hadzic, Jakub Luszczynski, 2012. All rights reserved. Högskoleingenjörsuppsats Rapport, IDE1210 Sektionen för informationsvetenskap, data- och elektroteknik Högskolan i Halmstad

II

Förord

Detta examensarbete om 15 hp har utförts åt Statkraft Sverige AB i samverkan med

sektion för informationsvetenskap, data- och elektroteknik vid Högskolan i

Halmstad som avslutning på Elektroingenjör programmet.

Vi vill börja med att ge vår djupaste uppskattning till Gabriel Waaranperä som gav

oss möjlighet att genomföra examensarbete.

Vidare vill vi ge vår uppskattning till våra handledare Tommy Salomonsson för den

obegränsade tid, stöd, idéer och vägledning under arbetets gång samt praktiska råd

vid rapport skrivning.

Tack också till våra externa handledare Åke Nilsson och Ferenc Dali från Statkraft i

Laholm för vägledning, hjälp, och trevligt bemötande.

Vi vill också tacka involverad personalen från SKF för bra samarbete och utlåning av utställningsmaterial.

http://hh.se/sitevision/proxy/utbildning/hittautbildning/sokprogrameftersektion.3401.html/svid12_70cf2e49129168da015800078845/752680950/se_proxy/utb_program.asp?PtKod=TGELT12h#Elektroingenjör+180+hp

III

IV

Abstract Hydropower is the largest renewable energy source available in today's society.

Operation and production is handled by high-tech electronics. This thesis is done on

behalf of Statkraft Sweden AB who wants to explore the possibility of replacing the

hydraulic cylinder with an electric actuator, generally as well as a case of a small

power station on the river Nissan. Whether it is the chaplain or francis turbine

vanes are actuated by hydraulic cylinders. Because of Gustavsberg hydropower is

inconstant operation, this report is based on power calculations, which are read and

computed according to the available hydraulic diagram. With the system operating

pressure of 100 bars determined that the hydraulic cylinder on Gustavsberg power

stations is sized for a force of 143kN. Based on this force, it has committed to fit a

suitable modular actuator from SKF.

Electric motor is determined according to actuator screw parameters which are

implemented in MATLAB to find out which torque is needed to power the actuator.

Two options are suitable for the application. One is the complete drive packages

from SKF with AC servo motor and controller to this, the other is asynchronous

motor from the appropriate manufacturer such as ABB, together with drives from

the same manufacturer.

Since the actuator will not work more than twice an hour, there will be needed

holding torque for the actuator to maintain its position. Holding torque is achieved

easiest with an inverse function of the mechanical disc brake. This can be applied

both during operation of the servo motor or asynchronous motor.

Security is key in a hydroelectric power station thereof demands on the components

involved in the closure of the turbine. In the current situation the power station is

equipped with two independent systems to shut off the turbine at degraded

situations as power failure or fire. The first system consists of the UPS device, the

other is a counterweight at 2600 kg. This thesis makes the assumption that the UPS

system has fallen away and the only thing that remains is the counterweight. The

counterweight issued to turn the vanes if the hydraulic system loses pressure.

In degraded situations problems occur with actuator when the actuator backwards

runs due to the influence of guide rails and counterweights force. To solve this

problem it has been developed three solutions suggested methods. Regenerative

braking is most appropriate when the actuator is driven by servomotor. Industrial

damper or modification of the actuator is possible to implement regardless of the

operation of the servo motor or asynchronous motor.

V

VI

Sammanfattning

Vattenkraft är en den största förnyelsebara energikällan som finns i dagens

samhälle. Drift och produktion sköts idag av högteknologiska elektroniska system.

Detta examensarbete görs på uppdrag av Statkraft Sverige AB som vill undersöka

möjligheten att byta ut hydraulcylindern till ett elektriskt ställdon, generellt samt

som ett case på ett mindre kraftverk på Nissan. Oavsett om det är kaplan eller

francis turbinen manövreras ledskovlar med hjälp av hydrauliska cylindrar. På

grund av Gustavsbergs vattenkraft är i konstant drift, bygger denna rapport på

kraftberäkningar vilka är lästa och beräknade enligt tillgänglig hydraulisk schema.

Med systemarbetstryck på 100 bar bestämmas att hydraulcylinder på Gustavsbergs

kraftverk är dimensionerad för en kraft på 143kN. Utifrån denna kraft har det

utgåtts för att anpassa en lämplig modulär aktuator från SKF.

Motorn bestäms enligt aktuatorskruvens parametrar vilka implementeras i

MATLAB för att ta fram vilket moment som behövs för att driva aktuatorn. Två olika

alternativ är lämpliga för applikationen. Den ena är ett färdigt drivpaket från SKF

med AC servomotor samt styrenhet till denna, den andra är en asynkronmaskin från

lämplig tillverkare t.ex. ABB tillsammans med frekvensomriktare från samma

fabrikat.

Eftersom ställdonet inte kommer att arbeta mer än två gånger i timman så kommer

det behövas ett hållmoment för att ställdonet skall behålla sin position. Hållmoment

åstadkoms smidigast med en inverterad funktion på mekaniskt skivbroms. Detta går

att tillämpa både vid drift med servomotor eller asynkronmotor.

Säkerheten är viktigt i en vattenkraftstation där av höga krav på komponenterna

som är involverade i stängning av turbinen. I dagsläget så är kraftstationen utrustat

med två av varandra oberoende system för att stänga turbinen vid störd drift ex.

spänningsbortfall eller brand. Det ena systemet består utav UPS enheter, den andra

är en motvikt på 2600 kilo. I detta examensarbete görs antagandet att UPS systemet

har fallit bort och det enda som återstår är motvikten. Motvikten är till för att stänga

ledskenorna ifall hydraulsystemet tappar trycket. Vid störd drift med ställdon

uppstår problem då ställdonet bakåtdriver under kraftpåverkan från ledskenorna

och motvikten. För att lösa detta problem har det tagits fram tre lösningsförslag på

metoder. Regenerativbromsning lämpar sig bäst då aktuatorn skall drivas med

servomotor. Industridämpare eller modifiering av aktuator är möjligt att

implementera oavsett vilket drift med servomotor eller asynkronmotor.

VII

VIII

Innehåll

1 Inledning ............................................................................................................................... 1 1.1 Problemformulering ........................................................................................................... 1 1.2 Syfte ........................................................................................................................................... 1 1.3 Mål ............................................................................................................................................. 1 1.4 Kravspecifikation ................................................................................................................. 2 1.5 Avgränsningar ....................................................................................................................... 2

2 Bakgrund .............................................................................................................................. 3 2.1 Vattenkraft .............................................................................................................................. 3

2.1.1 Drift & utförande ................................................................................................................ 3 2.1.2 Turbin typer ......................................................................................................................... 5 2.1.3 Löphjul och pådrag ............................................................................................................. 8

2.2 Gustavsbergs vattenkraft i Nissan .................................................................................. 9 2.2.1 Hydrauliskt system ............................................................................................................ 9 2.2.2 Elektronisk styrning ........................................................................................................ 12 2.2.3 Nuvarande säkerhetssystem .......................................................................................... 13

2.3 Elektriska maskiner ......................................................................................................... 13 2.3.1Asynkronmaskin .................................................................................................................... 13 2.3.2 Synkronmaskin- AC Servo .................................................................................................. 15 2.3.3 Newtons ekvationer ............................................................................................................. 15

2.4 Motordrivsystem .............................................................................................................. 16 2.4.1 Frekvensomriktare .............................................................................................................. 17 2.4.2 AC servons kontrollenhet ................................................................................................... 17 2.4.3 Bromsning .............................................................................................................................. 17

2.5 Rullskruv teknik ............................................................................................................................. 17 2.6 Linjära aktuatorer ............................................................................................................. 19

2.6.1 Kompakta cylindrar (CEMC) .............................................................................................. 19 2.6.2 Modulära cylindrar (SRSA) ................................................................................................ 19 2.6.3 Skruvdomkraft (RSJA) ......................................................................................................... 20

3 Metoder .............................................................................................................................. 23 3.1 Hydraulisk systemanalys ............................................................................................... 23 3.2 Förflyttning med rullskruv ............................................................................................ 23 3.3 Drivning av aktuator ........................................................................................................ 23 3.4 SimElectronics .................................................................................................................... 24 3.5 DriveSize ............................................................................................................................... 25 3.6 EasyEL .................................................................................................................................... 25

4 Resultat .............................................................................................................................. 27 4.1 Aktuator .............................................................................................................................................. 27

4.1.1 Dimensionering av aktuator .............................................................................................. 27 4.1.2 Livslängden för aktuator .................................................................................................... 28

4.2 Dimensionering av motor .............................................................................................. 29 4.2.1 Simulering av asynkronmotor med frekvernsomriktare ........................................... 31

4.3 Systemersättning ............................................................................................................... 32

5 Slutsatser ........................................................................................................................... 35

Referenser ................................................................................................................................ 37

IX

Bilagor ....................................................................................................................................... 39 Bilaga 9 60


1

1 Inledning

1.1 Problemformulering

Ersättning av hydrauliskt servon som reglerar ledskenor i en vattenkraftturbiner,

mot elektriskt ställdon för samma uppgift. Samt att behålla samma säkerhets

funktioner vid störd drift, spänningsbortfall samt brand.

1.2 Syfte

Göra vattenkraftverket mer miljövänligare, genom att ersätta hydraulsystem och

därmed läckage utav hydrauloljan ut i vattnet, samt att öka både tekniska och

ekonomiska livslängden genom att man får fram ett system med mindre antal

rörliga komponenter.

1.3 Mål

Undersöka möjligheten att använda elektriska ställdon istället för hydraulservon.

Teoretiskt ta fram svar till frågorna som har ställts av uppdragsgivaren och kunna

redovisa en grund hur man går tillväga för att utföra en uppgradering utav systemet

för reglering av ledskenor. Frågorna som skall besvaras i detta examensarbete är:

Vilka krafter måste ställdonen kunna hantera? I förlängningen leder denna

fråga till vilka storlekar på turbiner som kan vara möjliga/lämpliga att

använda elektriska ställdon istället för traditionell hydraulik.

Hur ska dessa regleras (styras), vilken teknik skall användas?

Hur säkerställa funktionen vid störd drift? Så att turbinen skall stängas av på

ett säkert sätt vid brand, elbortfall m.m. Denna rapport skall besvara dessa

frågor generellt men även som ett case på ett mindre kraftverk på Nissan.


2

1.4 Kravspecifikation

Elektrisk aktuator skall motsvara funktionsmässigt nuvarande hydraulsystem.

Behålla samma regleringsprecision.

Ta fram en lösning för att bibehålla samma säkerhet.

Nödstängning vid störd drift, t.ex. vid brand eller elbortfall skall turbinen stängas av

på maximum 8 sekunder).

1.5 Avgränsningar

Denna rapport avser endast regleringen av ledskenorna i en kaplan turbiner.

Detta examensarbete är huvudsakligen en teoretisk undersökning, p.g.a. den stora

omfattningen det skulle innebära att utföra detta praktiskt med avseende att

kraftverket är i konstant drift.


3

2 Bakgrund

2.1 Vattenkraft

Vid begynnelsen av elektrisk produktion har vattenkraft alltid varit den främsta

förnybara energikällan, samtidigt som det har det minsta specifika bidraget till

växthuseffekten. Den ökande omsorgen om miljön leder till framsteg och teknisk

utveckling. Dessutom kan renovering och ersättning med ny utrustning förbättra

energieffektiviteten i befintliga vattenkraftsanläggningar.

Norge och Sverige förbrukar och producerar mest vattenkraft i världen, 119TWh

respektive 65 TWh. I Sverige finns cirka 1800 vattenkraftverk, enligt EU standard är

200 av dem större kraftverk d.v.s. att de har en effekt på 10 MW eller mer [1].

Indelningen görs efter fallhöjd för småskalig vattenkraft [2]:

– Hög fallhöjd: över 50 m

– Medelhög fallhöjd: 15-50 m

– Låg fallhöjd: 2-15 m

2.1.1 Drift & utförande

Vattenkraftens viktigaste komponent är byggnaden vilket tjänar till fördämningar.

Exempel på byggnad som används för fördämningen är damm eller dammbyggnad

vars mål är att skapa reservoarer. Dammar kan vara indelade, beroende på

utformning och byggnadsmaterial, för sten -, jordfyllnings- och betongdammar.

Det andra grundläggande elementet är vattenturbinen som kommer att beskrivas i

de följande kapitlen.


4

Nedanstående bild, se figur 2.1 visar en konstruktion av vattenkraft och ingående

huvuddelar: A – damm (övre vattenmagasin), B – kraftstation, C – turbin, D –

generator, E – intagsgrind/intagslucka, F – tilloppstub, G – transformator, H –

sugrör/avlopp.

Figur 2.1. Uppbyggnad av vattenkraft

Drift av vattenkraftverk är ganska enkel. Vattnet från åarna/älvarna flyter från

ovanliggande områden som berg eller högländer till reservoar som ligger i låglandet.

Vattenflödet i tillopptstuben (F) induceras p.g.a. skillnad av potentiell energi mellan

den övre och nedre floden. Den potentiella energin förändras till kinetisk energi av

strömmande vattnet. Denna företeelse används i vattenkraften och uppstår när

strömmande vatten passerar vattenturbiner.

Innan vattendraget når vattenmagasinet så rensas vattnet av skräp som den har

tagit med sig från källflödet så som trä, löv, papper o.s.v. I övre vattenmagasin (A)

måste vattnet stabilisera sig d.v.s. alla mindre orenheter och sand som inte togs bort

vid vattenintaget, sjunker till botten. Denna process liknar en sedimenterings

förlopp. Vattenmagasinet (A) rengörs då och då från fyllningsmaterial som har


5

samlats på bottnen. Det övre vattenmagasinet andra uppgift är att lagra energi

genom att dämma vattnet. Detta tillåter vattenkraften att arbeta utan en ständig

vattenström under en period, vilket också är beroende av den installerade

kapaciteten och storleken på tanken.

Efter det kommer vattnet vidare via tilloppstub (F), vilken är ofta grävd under

jorden längs floden, till kraftstation (B). Turbiner och generatorer finns vanligtvis

under marknivå. Turbinen omvandlar vattnets lägesenergi och rörelseenergi till

mekanisk energi d.v.s. vattenflödet driver turbinbladet, vilket i sin tur driver en

generator som alstrar elektrisk energi [3]. Efter denna process faller vattnet till

mynning.

2.1.2 Turbin typer

I vattenturbiner används lägesenergi och rörelseenergi. Beroende på i vilken form

energi tillförs till rotor är turbinerna uppdelad i två typer, se figur 2.2

– aktionsturbiner (Pelton, Banki - Michela), där vatten matas till rotorn vid

atmosfärstryck. Denna typ av turbin utnyttjar rörelseenergi.

– reaktionsturbiner (Francis, Kaplan), där vatten matas till rotorn under ett tryck

som är högre än atmosfärstrycket. Dessa turbiner utnyttjar läges och rörelseenergi.


6

Figur 2.2 Olika typer av turbiner beroende på varvtal (eng. specific speed) a) Peltonturbin b-d)

Francisturbin ef) Kaplanturbin

Detta examensarbete tar endast upp reaktionsturbinerna och därför kommer inte

aktionsturbinerna att beskrivas.


7

Francis turbin

Vattenturbinen som utvecklades av James Francis har använts i nästan hundra år.

Den är mest lämplig för fallhöjder mellan cirka 30 och upp till 700 meter.

Konstruktionslösningarna är jämförbara med kaplanturbinens konstruktion, den

huvudsakliga skillnaden gäller form och byggstruktur hos rotorn, se figur 2.3. Till

skillnad från kaplanturbinen sitter rotorbladen fast hos Francis turbin, medan ledskenorna

är rörliga i båda turbinerna.

Figur 2.3 a) Rotor i Francisturbin b) Francisturbin

Kaplanturbin

Kaplanturbinen konstruerades av den österrikiska ingenjören Viktor Kaplan år

1921. Turbinen är dimensionerad för att jobba med givet flöde och fallhöjd, vanligt

mellan 2 och 80m, för att ge en maximal verkningsgrad. Därför är den konstruerade

turbinen som en propellerturbin med inställbara, vinkelreglerade rotorblad s.k.

löphjul. Bladen är monterade på lager som är inbyggda i turbinens axel, se figur

2.4b. Ledskenorna är också vinkeljusterbara för att styra vattenflödet. Den

mekanism som ansvarar för inställning av rotorbladet är kopplad med en annan

mekanism som styr ledskenorna. Kopplingen mellan mekanismerna möjliggör att

uppnå den högsta möjliga effektivitet under de rådande förhållandena.

http://sv.wikipedia.org/wiki/Kaplanturbin




8

Figur 2.4a visar en principskiss av en kaplanturbin.

Figur 2.4 a) System för ledskenornas vinkelstyrning i Kaplanturbin 1. ledskenor 2. vev 3. länk 4.

pådragsring 5. hydrauliskt ställdon b) System för rotorbladens vinkelstyrning i Kaplanturbin 1.axel

2. vändkors 3. länk 4. vev 5. tapp 6. blad

2.1.3 Löphjul och pådrag

Turbinens löphjul har vanligen från fyra till åtta stycken vridbara skovlar, se figur

2.4b, vilka med en optimal vinkel reglerar hur stort vattenflöde ska släppas för att

uppnå bästa möjliga verkningsgrad för turbinen.


9

Figur 2.5 Ledkransens uppbyggnad

Ledskenor, som också kallas för ledskovlar, är vanligtvist 20 eller 24 stycken. Alla

ledskenor är sammankopplade via ett mekaniskt länksystem, se figur 2.5.

Hydraulcylindern är kopplad till pådragsringen och därmed styrs alla ledskenorna

samtidigt.

2.2 Gustavsbergs vattenkraft i Nissan

Nissan är en av södra Sveriges längsta åar med en längd på nästan 200km. Floden

passerar västliga Småland och rinner ut i Kattegatt vid Halmstad. Statkraft [4] äger

fem kraftverk i Nissan, varav Gustavsbergs kraftverk är utrustad med vertikal

kaplanturbin, med märkeffekt på 0,9MW och en maximal fallhöjd på 11,5m är det

äldsta kraftverket på Nissan (1918). Inom ramen för examensarbetet kommer

undersökningen att genomföras för ovanstående vattenkraft.

2.2.1 Hydrauliskt system

Hydrauliken består av ett gemensamt hydraulaggregat för pådrag, löphjul och

broms enligt hydraulschema 1-1269A (Bilaga 1) och stycklista 4-1269A (Bilaga 2).


10

Tanken position 1 försedd med avtappningskran, termostat, nivåvakt, luftfilter och

returoljefilter pos. 2-6.

Pådrag

Pump - elmotorenheten pos. 9-12 förser pådraget med olja. Med pump – elmotor

igång och riktningsventil pos. 26 strömlös går oljan från pumpen över tryckfilter

pos. 17, P till A genom riktningsventil pos. 26 och tillbaka till tanken över

returoljefilter pos. 6.

Maximalt systemtryck 100 bar inställs med tryckbegränsningsventilen pos. 17.

Nålventilen pos. 29 stängs, riktningsventilen pos. 26 manövreras manuellt eller

med ström, så att oljan från pumpen går från P till B genom ventilen, över

backventilen pos. 28 till pådragscylindern. När cylindern maximalt har gått ut mot

mekaniskt stopp kan tryckinställningen göras på ventil pos. 27. Trycket avläses med

manometer pos. 40 som är ansluten med manometerslang pos. 38 till mättuttag pos.

31.

Pådrag reglering

För att öppna/öka och stänga/minska regleringen av pådraget används

riktningsventilerna pos. 24 och 26, då måste riktningsventilerna pos. 19 och 20 vara

strömlösa och kulventiler pos. 23 måste vara stängda.

Pådraget öppnas och ökas tack vare ström på riktningsventilen pos. 26.

Hastighetens ökning kan regleras med strypventilen pos.29 som avleder en del av

pumpflödet tillbaka till tanken (shuntreglering) beroende på hur mycket ventilen

öppnas. När ventilen pos. 26 är strömlös står pådraget kvar i inställt läge mot

stängda ventiler.

Pådraget stängs och minskas tack vare ström på riktningsventilen pos. 24 som

öppnar och släpper olja från cylindern till tank. Hastighetens minskning kan

regleras med stryp – backventilen pos 25. När ventil pos. 24 är strömlös står

pådraget kvar i inställt läge.

Snabbstängning av pådraget sker med ström på riktningsventilerna pos. 19 och 20

som leder styrolja till de pilotstyrda backventilerna pos. 21 och 22. Backventilerna


11

öppnar och släpper oljan genom pådragscylindern direkt till tank.

Snabbstängningshastigheten ställs in med stryp – backventilen pos. 32. Manuell

snabbstängning kan göras genom att kulventilen pos. 23 öppnas. Stryp –

backventilen pos. 32 reglerar stängningshastigheten.

Löphjul

Pump – elmotorenheten pos. 13 och 16 förser löphjulsystemet och bromssystemet

med olja.

Broms

Pump – elmotorenheten pos. 13 och 16 förser bromssystem med olja över

tryckfiltret pos. 43 och backventilen pos. 35.

Driftsäkerhet och livslängd

Driftsäkerhet och lång livslängd är beroende av att hydrauloljan hålls fri från

föroreningar, på rätt temperatur och att anläggningen i övrigt sköts väl.

I anläggningen finns en installerad tryckfilter pos. 17 och 43. Byte av filterelement

skall göras så snart indikatorn ger signal. Dock minst 2ggr/år.

På tanken är monterad ett returoljefilter pos. 6. Byte av elementet genomförs så

snart visaren på färgskala indikatorn når det gula fältet. Dock minst 2ggr/år.

Tanken är vidare försedd med ett luftfilter pos. 5 som bör bytas minst 1 gång per år.

Underhåll

1. Filterelement byts när indikator visar, dock minst 2ggr/år.

2. Oljebyte görs ca vartannat år och även noggrann rengöring av tank utförs

3. Nivåvaktens funktion kontrolleras årligen. Fastskruvarna skall lossas i locket

och nivåvakten lyfts upp för att få signal.


12

4. Termostaten kontrolleras årligen. Inställningsratten skall justera ner till

lägre värde och signal skall erhållas.

5. Oljetemperatur kontrolleras tillsammans med rumstemperatur ca 4 ggr/år.

Temperaturen bör ej överstiga 55°C.

6. Förladdningstryck i ackumulator kontrolleras 2ggr/år. Oljan tömmes via

avstängningsventilen pos. 34 därefter gastrycket mäts på ackumulatorns

ovansida med speciell mätklocka.

– Endast kvävgas N2 får användas

– Vid service på hydraulsystem skall alltid avstängningsventilen pos. 34

öppnas

7. Rutinmässigt kontrolleras

– Filterindikator

– Ljudnivå pump –motor

– Eventuellt läckage i rör och kopplingar

2.2.2 Elektronisk styrning

I dagsläget styrs hydraulsystemet av en trestegs regulator.

Regulatorn jobbar med tre stycken parametrar. Dessa är vattennivån i floden,

position på ledskenorna samt ett börvärde som är vattenflödet [m3/s] som passerar

genom turbinen.

Vattennivån mäts med hjälp av en trycksensor och dess utsignal konverteras i en

mätvärdesomvandlare innan den når regulatorn.

Positionens mätning utgörs av en analog potentiometer. Dess utsignal går också till

en mätvärdesomvandlare innan den når regulatorn. Mätvärdesomvandlare är av

typen spännings - ström omvandlare.

Regulatorns utsignaler är manöversignaler på 110 V likspänning som styr direkt

spolen på riktningsventilerna (Bilaga 3).

Riktningsventilerna kan också styras manuellt från tryckknappar öka/minska som

sitter på elskåpet.


13

2.2.3 Nuvarande säkerhetssystem

Säkerheten på kraftverket i Gustavsberg består utav två stycken oberoende av

varandra system, ett elektriskt och ett mekaniskt.

Det elektriska systemet består utav ett avbrottsfritt kraftförsörjningssystem s.k. UPS

(Uninterruptible Power Supply).

UPS består av DC batterier och växelriktare.

Mekaniska systemet består utav en motvikt som är kopplad i serie med

hydraulcylindern som styr ledskenorna. Motviktens uppgift är att stänga av

ledskenorna vid oljetryckbortfall i hydrauliken inom max. 8 sekunder.

2.3 Elektriska maskiner

Begrepp elektriska maskiner används för att varje maskin kan användas både som

motor och generator [5]. Största indelningen görs mellan likspänningsmaskiner och

växelspänningsmaskiner. Det finns en stor variation på olika konstruktioner inom

båda maskinerna. Följande rubriker kommer att beskriva de maskiner som är

relevanta för detta examensarbete.

2.3.1 Asynkronmaskin

Asynkronmaskinen är den vanligast förekommande trefas motorn och finns i

storlekar från 0.05kW upptill flera MW. Indelningen kan göras i

lågspänningsmaskiner (<1000V) som finns både i enfas och i trefas utförande, samt

högspänningsmaskiner (>1000V) som är enbart trefasmaskiner. Maskinens

popularitet grundar sig på att den är enkel i sin konstruktion och därmed på hög

driftsäkerhet, samt att den är relativt billig jämfört med andra trefasiga maskiner.

Asynkronmaskinen [5] är uppbyggd av en fast del - stator och en roterande del -

rotor. Statorn byggs upp av laminerat plåtpaket som sätts fast i en stålkonstruktion.

Antalet grupper med lindningar i statorn ger maskinens poltal. Rotorn hos en

asynkronmaskin kan vara i två olika utförande: kortsluten rotor där rotorlindningar

inte är åtkomliga och en släpringad rotor där det är möjligt att komma åt

lindingarna utifrån. Som namnet "asynkronmaskin" tyder på så är inte


14

rotorvarvtalet synkront med det elektromagnetiska fältet som avges ifrån

lindningarna i statorn. Rotorn har ingen fysisk kontakt med statorn utan det

elektromagnetiska momentet överförs induktivt mellan dem.

Eftersläpningen (s) räknas fram enligt formeln

där Ns är maskinens synkrona varvtal och n är maskinens asynkrona varvtal.

Asynkrona varvtalet (n) beräknas fram från

ekv.(1)

Där f är frekvensen och p är motorns poltal. Synkrona varvtalet för motorn bestäms

efter poltalet som statorn är lindad med. Vanligast förkommande är 2, 4, 6, och 8-

poliga maskiner, se tabell 1. Det synkrona varvtalet Ns räknas fram enligt följande

ekv.(2)

Poltal Ns för 50Hz nätspänning Ns för 60Hz nätspänning

2 3000 rpm 3600 rpm

4 1500 rpm 1800 rpm

6 1000 rpm 1200 rpm

8 750 rpm 900 rpm

Tabell 1. Synkrona varvtalet för olika poltal hos elmaskiner. Gäller för 50 och 60 Hz

nätspänning

Maskinens märkmoment Mn räknas fram enligt formeln


15

ekv.(3)

där Pmekaniskt =

är maskinens verkningsgrad

och ω= 2π*f

2.3.2 Synkronmaskin- AC Servo

En borstlös elektrisk AC motorn (BLAC) [5] är en elektrisk motor driven av en

elektrisk AC-insignal, vilkens konstruktion saknar kommutatorn eller släpring.

Motorlindningen lindas till statorn och permanentmagneter är fastsatta på rotorn.

Inga borstar tillhandahåller minimalt underhåll. AC servo är utformat för

högprestation, det ger mycket hög acceleration, hög och konstant vridmoment över

ett brett utbud av hastighet, hög nominell hastighet, exakt hastighet och/eller

positionsreglering.

2.3.3 Newtons ekvationer

För att bestämma tröghetsmoment J och totalt motormomentet M används Newtons

lagar vilka framträder i nedanstående ekvationer [6]:

Där

Mmotor - motorns egenbehov vid start [Nm]

ekv.(7)

tstart – starttid [sek], Δn - varvtalsändring [rpm]

Mf – lastens momentbehov vid start, Mt – moment från en kraft F på lasten

ekv.(8)

F – tillsatskraft [N], μ – friktionskoefficient, h-stigning[mm], m - lastens massa [kg]


16

Mskruv – skruvens egenbehov vid start [Nm]

ekv.(9)

där

ekv.(10)

Jskruv – skruvens tröghetsmoment [kgm2], l – skruvlängden [m], d – skruvdiameter

[m], ρ – densitet [kg/m3]

Ms – lastens startmoment [Nm]

ekv.(11)

där

ekv.(12)

Jlast - lastens tröghetsmoment [kgm2], η – skruvens verkningsgrad

För att förenkla beräkningen har tröghetsmomentet undantagits och motorns egen

friktion mellan skruv och motor. Vanlig värdet för rullskruvars verkningsgrad η är

0.2 för.

För små laster gäller kort starttid och motor med litet tröghetsmoment Jmotor vilken

vid rätt anpassad stigning skulle ge bäst tröghetsförhållande så att Jyttre/Jmotor <5-8.

Där ekv.(13)

Det optimala förhållandet är ca 1:1, men för stor last, stor stigning och måttlig

starttid kan en motor med förhöjt Jmotor vara en lämplig lösning.

2.4 Motordrivsystem


17

2.4.1 Frekvensomriktare

Frekvensomriktare [5] omvandlar en växelspänning från en frekvens till en annan.

Huvudsyfte är att använda dessa för varvtalreglering av AC motorer.

DTC (Direct Torque Control) gör en skattning av motorns magnetiska flöde och

moment baserat på U och I hos motorn. Metoden karakteriserar mycket låga

övertoner och snabbhet.

2.4.2 AC servons kontrollenhet

Styrning för AC servo [5] är integrerad i en kompakt kontrollenhet och utrustad med

varvtalsregulator, manöverkontroll, PLC samt kraftfulla CANopen eller numerisk

kontroll Profibus.

2.4.3 Bromsning

Elmaskiner används både för drivning samt för generering av elektrisk energi. I detta fall skall maskinen användas för en högdynamisk drift och då genererar maskinen elektrisk energi så att den kan utnyttjas för reostatisk (regenerativ) bromsning [5]. Vid bromsning är vridmoment och rotationsriktning motriktade. Användning av en bromschopper vid alternativet med en servomotor skulle leda till att den stora kraften som uppstår i slutskedet vid en spänningslös stängning skall kunna bromsas ned med rätt dimensionerad bromsmotstånd s.k. bromschopper (Bilaga 7).

2.5 Rullskruv teknik

Uppdragsgivarens önskemål är att undersöka om det är möjligt att implementera en

lösning med en aktuator från SKF [7]. Företaget har i sitt utbud tre olika slags

ställdon, dess konstruktion är baserad på rullskruv teknik (eng.”roller screw”), se

figur 2.6.


18

Fig.2.6 Rullskruvs uppbyggnad

Gängans konstruktion av rullarna och muttern eliminerar bakdrivning av

rullningslager och tillåter planetarisk rotation hos rullarna. De tre grundläggande

elementer skruv, rullar och mutter är konstruerade på sådant sätt att om rullarna

roterar fritt inne i muttern så följs dem av en planetarisk rotation, inte axiellt som i

standard skruv. Skruvgängorna ligger vinkelrätt mot muttern vilket optimerar

skjuvhållfasthet. Gängans profil hos rullarna är formad på sådant sätt att den skulle

ge en ekvivalent stor kuldiameter med mycket flera kontaktpunkter än en

konventionell kulskruv. Formen och antalet kontaktpunkter ger en hög lastbärande

kapacitet, vilken är tre gånger högre än den genomsnittliga kulskruvens kapacitet.

Rullskruvar är styva och glappfria vilket bidrar till en exaktare positionering. Varje

skruv har ett antal parameter som tillsammans med anpassat motorvarvtal kan ge

rätt hastighet på förflyttning.


19

2.6 Linjära aktuatorer

2.6.1 Kompakta cylindrar (CEMC)

Compact Electro-Mechanical Cylinders [7] (se figur 2.7) används huvudsakligen när

belastning och slaglängd är begränsad och där hög dynamisk prestanda krävs.

Cylindern är tillämplig för fasta och rörliga applikationer.

Figur 2.7 CEMC Cylinder

2.6.2 Modulära cylindrar (SRSA)

Den elektromekaniska cylindern [7] (se figur 2.8) består av planetskruv och drivs

i standardversion genom direkt kopplad borstlös motor s.k. AC servo. I vissa

konfigurationer kan planetväxellådan vara inbyggd. Rullskruven omvandlar

rotationsrörelse till linjär rörelse d.v.s. när skruven roterar, rör sig muttern längst

ned rullskruven och beroende på rullskruvens rotation så bestäms kolvens

riktning. Rullskruven hålls av en kombination av vinkelkontaktkullager som

medger hög hastighet, styvhet och hållfasthet. Vid längre slaglängd är den fria

änden av axeln uppburen och styrd inne i kolven för att förhindra vibrationer.


20

Kolven och muttern styrs i cylindern, vilket ger ett axiellt och radiellt styvt

system. Denna konstruktion ger en mycket hög vridstyvhet och hållbarhet. Två

interna stötdämpare säkrar mekanismen under justerings fasen.

Figur 2.8 SRSA cylinder

2.6.3 Skruvdomkraft (RSJA)

RSJA cylindern [7] (se figur 2.9) använder ett sfärisk rullager som stödjer rullskruvs

mutter. Rullar som rullelementen skapar ett system vilket tillåter sänkning och

höjning av tunga laster med hög effektivitet och hög tillförlitlighet. Det ger en total


21

verkningsgrad så hög som 70 % beroende på förhållandet mellan snäckdrevets

uppsättning. Utformningen av skruvdomkraften är baserad på en roterande mutter,

vilken är driven genom snäckväxel. Bärförmågan beror på storleken av skruvens

rulle (diameter från 75 till 180 mm).

Figur 2.9 RSJA cylinder


22


23

3 Metoder

3.1 Hydraulisk systemanalys

Baserat på Hydraulik 1 [8] genomfördes det en analys av det befintliga hydrauliska

systemet. Den nuvarande hydrauliska cylinder har en diameter på 135mm och

systemarbetstryck är på maximalt 100bar vilket är lika med 10N/mm² (Bilaga 1).

Från dessa uppgifter bestäms att hydraulcylindern på Gustavsbergs kraftverk är

dimensionerad för en kraft på 143kN. Nedanstående uträkning bevisar den

verkande kraften

ekv.(14)

3.2 Förflyttning med rullskruv

Vid kort förflyttning och hög positioneringsnoggrannhet används rullskruven för att

utföra en linjär rörelse. Skruvar finns i olika längder, stigningar och diametrar

medan motorer finns med olika kombinationer av drivmoment och hastighet. För

matematiska och tekniska uträkningar används ett verktyg och

programmeringsmiljö – MATLAB. Genom användning av skript kan beräkningarna

utföras enklare (Bilaga 5).

3.3 Drivning av aktuator

För att driva ställdonet finns det olika möjligheter. En av dem är permanent

magnetiserad Ac motor (AC-servo), med kontrollenhet från SKF (Siemens). Denna

kombination ger dubbla positionsåterkopplingar, en digital från encodern som är

monterad på motorn samt en analog från de inbyggda givarna på ställdonet.

Ställdonets position är bibehållen med hjälp av kontrollenheten. Den digitala

återkopplingen från encodern i en AC servomotor ger en positionsåterkoppling. Vid

ett spänningsbortfall blir encodern nollställd och därmed tappas den momentana

http://sv.wikipedia.org/wiki/Matematik


24

positionen. För att åstadkomma ett högt hållmoment, vilket kan krävas i denna

applikation, så lämpar sig en mekanisk hållbroms i inverterad funktion som det

bästa alternativet. Dessutom kan servomotorer skapa sitt eget hållmoment med

hjälp av dess styrenhet som skickar ut likspänning till två av statorlidningar med

likström. Detta moment i servomotorer kan uppskattas till maximalt 110 % av

motorns märkmoment.

Alternativet är asynkronmotor med frekvensomriktare och mekanisk hållbroms

monterad på elmotorns axel. Drivningen av denna typ är enkel och beprövad, men

digital återkoppling förloras vid ovanstående alternativ. Frekvensomriktare

möjliggör att förskjuta motorns momentkarakteristik så att det blir högt

startmoment och då dimensioneras den mekaniska bromsens hållkraft efter motorn.

I driftalternativet med frekvensomriktare och asynkronmotor krävs kondensatorer

(att åstadkomma magnetiseringsström i rotorn) vilka kopplas in samtidigt med

bromsmotstånd för att åstadkomma samma funktion som vid servodrift.

Bromsmotstånd i drift med frekvensomriktare bidrar till finare reglering av

positionering vilket leder till att för slitning på mekaniska kopplingar och maskinens

komponenter skulle då undvikas.

3.4 SimElectronics

SimElectronics [10] är en toolbox till Simulink och innehåller ett bibliotek med

elkraftkomponenter som olika slags motorer, frekvensomriktare, transformatorer,

drivenheter och m.m. För att ange realistiska parametervärden används olika

parametriserings metoder för många komponenter. Parametervärdena är avlästa

direkt från komponents datablad och sätts i den skapade modellen.

För att simulera ett steg i frekvensomriktare med funktionen DTC (Direct torque

control) användes demonstrations modell ac4_example. Spänningskällan,

asynkronmotor, rotor hastighet och vridmoment parametrar sätt till enligt Bilaga 8.


25

3.5 DriveSize

DriveSize [9] innehåller aktuella versioner av ABB motorer och frekvensomriktare.

Med hjälp av detta verktyg kan de optimala komponenterna för applikationen väljas

och simuleras.

3.6 EasyEL

EasyEL är svenskt el-cad program som innehåller symbolbibliotek för

enlinjeschema, elmotorer, huvudledningsschema, larm och brand och m.m. [11]


26


27

4 Resultat

Här klargörs en undersökning för att ersätta hydraulcylindern mot en elektrisk aktuator, samt system för drivning. Första steget är att räkna fram momentet som behövs tillföras till aktuatorn. I nästa steg skall en lämplig motor och drivenhet i form av frekvensomriktre väljas vilket görs med programvaran DriveSize [9]. Insättningen av beräkningarna av momentbehovet gav resultatet att mest lämpade komponenterna blir en sexpolig 22kW asynkronmotor samt en frekvensomriktare av typen ACS550 från ABB [9]. Asynkronmotorns parametrar, önskade varvtalet samt momentbelastningen som aktuatorn utgör under full belastning sätts in i en simulering av systemet där frekvensomriktaren parametrar skall motsvara inställningen för DTC (direkt moment kontroll) mode. Simuleringen i SimElectronics är till för att påvisa förhållanden i varvtal/momentet mot tiden. Valet av denna typ av drivnig till aktuatorn görs efter de följande beräkningar vilket påvisar det momentbehov som behövs för att åstadkomma den önskade kapaciteten på 143 kN vilket aktuatorn skall uppnå.

4.1 Aktuator

Aktuatorn har undersökts efter de kravspecifikationer som ställs på den vid utbyte

av hydraulcylindern. Ett av kriterierna för att implementeras är att den har en god

livslängd vilket påvisas i underrubriken 4.1.2 livslängd för aktuator. Valet föll på

typen SRSA ställdon eftersom den har låg friktion både vid tryck och vid drag.

Dessutom ger det möjligheten att kunna använda motvikten och dess nuvarande

funktion, d.v.s. att ledskenorna skall kunna stängas vid spänningsbortfall och bortfall

från UPS – systemet.

4.1.1 Dimensionering av aktuator

Vid dimensionering av aktuatorn utgås det ifrån att nuvarande hydraulsystem

arbetar med maxtrycket på 100 bar. Enligt ritningen för den nuvarande hydrauliska

cylindern med en diameter på 135mm och ett systemarbetstryck är på maximalt

100bar (Bilaga 1). Från dessa uppgifter bestäms det att hydraulcylindern på

Gustavsbergs kraftverk är dimensionerad för en kraft på 143kN. Nedanstående

uträkning visar den verkande kraften.


28

4.1.2 Livslängden för aktuator

Livslängden för den modulära cylindern SRSA6020 [7] bestäms enligt nedanstående

diagrammet, se figur 4.1. Ur diagrammet Basic life rating, se figur 4.1 avläses

200×10^6mm för en kraft på ca 143kN, vilket leder vidare till livslängden:

Figur 4.1 Livslängden för SRSA60. Mn =142.7kN, Mmax =251.9kN, v = 86.7mm/s, och l =

500mm.


29

Cylindern skall arbeta 2 gånger i timme

Vilket ger

Ur diagrammet Basic life rating, se figur 4.1 avläses 200× mm för en kraft på ca

143kN, vilket leder vidare till livslängden:

Beräkningen utfördes under antagandet för maximal belastning under ständigt 24

timmars drift.

4.2 Dimensionering av motor

Den aktuella längden l= 500mm för den hydrauliska cylindern måste bevaras för att

hålla verkande krafter i systemet på 143kN, samma gäller för stängning av turbinen

vid störd drift (ex. brand, elbortfall) vilken skulle genomföras i en tidsram mellan 6-

8 sekunder. Från dessa data är det känt att motvikt som väger 2600kg skall

förflyttas med en hastighet v = 62mm/s som enligt beräkning:

Skruvens varvtal Δn omvandlas till rpm:


30

Därefter bestäms Mf + Mt, d.v.s. lastens momentbehov p.g.a. friktion respektive

moment från en kraft F på lasten, i detta fall vatten trycket på ledskenorna. När

ställdonet är stängt skulle motviktens massa m, vattentrycket på ledskenornas yttre

sida samt friktionen vara resterande F = 11,4kN. Dessa ger slutligen, enligt ekvation

(8):

Från ekvation (5) och (7) skruvens egenbehov beräknas vid start Mskruv och lastens

startmoment Ms.

ekv.(17)

EMC datablad [7] ger skruvens parametrar: diameter d=60mm, stigning

h=20mm/varv, verkningsgrad η= ,2. Friktionskoefficient μ uppskattar till 0,05. Stål

densitet ρ = 78 kg/m3 vilket leder till skruvens tröghetsmoment Jskruv kan

beräknas ut från ekvation (10)

Sedan från ekvation (11)

där lastens tröghetsmoment Jlast beräknas från ekvation (12)

Från ekvation (6) beräknas Mlast


31

AC servo motor CN H160 IP54 från ABB [9] med momentet 367 Nm, märkvarvtal

4000 rpm och tröghetsmoment 0.4 kgm2.

Startmoment Mmotor och totala moment M beräknas från ekvationer (7) och (5)

Och slutligen tröghetsförhållandet enligt ekvation (13)

4.2.1 Simulering av asynkronmotor med frekvernsomriktare

I figur 4.2 ses en simulering av 22kW asynkronmotor med direct torque control

(DTC) som är en funktion som finns i ovannämnda frekvensomriktaren. Parametern

för önskade konstata varvtalet som i detta fall är 207 rpm sätts in i ”speed

reference” . Belastningsmomentet som motorn skall belastas med är 388 Nm och

insätts i rutan ”Load torque”. I denna simulation finns också en spänningskälla

vilken är satt enligt svenskt nätstandard för lågspänningsnät d.v.s. 400V och 50Hz. I

rutan med beteckningen AC4 finns parametrar som sätts in (Bilaga 8) för

asynkronmotorn samt frekvensomriktaren.


32

Figur 4.2 Simulering av asynkronmotor samt frekvensomriktare DTC funktion i SimElectronic

miljö

De ovanstående beräkningarna bekräftas i simulationen (se figur 4.3) av

asynkronmotor och DTC kontrollenhet i SimElectronics. Översta kurvan i figur 4.3

visar på hur strömmen i statorn ser ut, kurvan i mitten visar att det önskade

varvtalet på 207 rpm uppnås på en tidsperiod på 0.25 sek samt att det hålls

konstant. Sista kurvan visat på att vridmomentet är förstärkt under tiden motorn

kommer upp till valt motorvarvtal vilket i ovanståendet simulering motsvarar

0.25sek. Momentet hamnar därefter i sitt börvärde och ligger konstant under drift.

Det höga startmomentet är önskat p.g.a. friktionen som ligger i ledkransen då de är i

stängt läge.

Figur 4.3Resultat av SimElectronics simulation av asynkronmaskin med DTC.

4.3 Systemersättning

Från vattenkraftstationens elektriska schema framhålls att utsignalerna från

regulatorn styr magnetventilerna till hydraulcylindern. Detta gör att den nuvarande

trestegsregulatorn kan behållas. Vid alternativ att ha en asynkronmaskin

tillsammans med frekvensomriktare som drivning till aktuatorn innebär detta att

regulatorns utsignaler kommer att användas som fram/bak signaler till

frekvensomriktaren (Bilaga 6.5). De elektriska komponenterna som är för att

övervaka hydraulsystemet för pådrag blir överflödiga då hydraulsystemet tas ur

bruk. Den elektromagnetiska spolen på hållbromsen (Bilaga 6.1) drivs av


33

växelström. Kontaktorer till mekaniska hållbromsen sätts efter villkor för inverterad

bromsfunktion (Bilaga 6.2), detta krävs i denna applikation för att bromsen skall

vara frisläppt då matningsspänningen försvinner. För att uppnå bästa prestanda

från driften av asynkronmotorn och frekvensomriktaren skall kopplingen och

inställningarna i omriktaren göras med inställningen ”momentreglering”.

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

ovannämnda moder.

En ersättning med elektriskt aktuator leder till att övervakningen av

hydraulsystemet blir överflödigt. Det innebär att det som är relaterat med

hydraulsystemets övervakning t.ex. hydrauloljans temperatur, nivå i oljetanken och

oljetrycket i systemet kan tas bort från kraftverkets elektriska schema för styrning

och reglering av pådraget/ledskenorna. I fallet med en drivning av en servo motor så

är det lämpligast att använda leverantörens egen styrenhet. Drift med servomotor

och regenerativ broms som kortslutningsmotstånd utav två faser (Bilaga 7) leder till

att ett tröghetsmoment skapas då motorn utsätts för rotation i spänningslöst

tillstånd. Detta är önskvärt för att minska hastigheten då ställdonet bakåtdriver i ett

spänningslöst tillstånd. Innan regenerativa bromsen kopplas in så är det några

villkor som skall uppfyllas d.v.s. huvudströmbrytaren till, spänningstrafo relä till,

samt frekvensomriktaren får inte skicka fram, bak eller fel signal (Bilaga 6.2).


34


35

5 Slutsatser

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

Kostnader för underhåll och service bör vara lägre eftersom antalet komponenter

reduceras.

I detta examensarbete är alla beräkningar gjorda efter antagandet att nuvarande

cylinder i Gustavsberg kraftstation arbetar med ett tryck på 100 bar vilket är det

maximala trycket. Första steget vid övervägande att byta ut hydraulsystemet bör

vara att mäta det verkliga trycket som hydraulcylindern arbetar med.

Linjär aktuator SRSA 6020 från SKF har kapacitet att hantera driv- och dragkrafter

som nuvarande hydraulcylinder i Gustavbergs vattenkraft är maximalt

dimensionerad för d.v.s. 143kN. Problemet i denna applikation uppstår när

ställdonet skall bakdrivas i ett spänningslöst tillstånd vid exempelvis nödstängning.

Rullskruven i aktuatorn kan komma upp i höga hastigheter i slutskedet av

stängningen då kraftpåverkan på donet är störst. I detta examensarbete föreslås

olika metoder för att lösa problemet. En metod som inte har tagits med men som är

värt att nämna är lösning med hjälp av s.k. industridämpare. Anledningen till att

industridämpare inte tags med i förstahandsval är förekommandet av olja i dess

konstruktion. Vid drift med asynkronmotor då regenerativ bromsning vid

kortslutning inte går att tillämpa så återstår alternativet att modifiera ställdonet

med regleringsventil för lufttrycket inne i ställdonet (Bilaga 9) eller att tillämpa

industridämpare.

I standardutförande finns linjära aktuatorer som klarar driva krafter upp till 250kN

som skulle kunna användas istället för traditionell hydraulik i

vattenkraftanläggningar upp till ca 2MW. Uppskattning av storlekar på

vattenkraftverken bör behandlas separat för varje fall beroende på turbintyp,

krafter i hydrauliksystem m.m.

Att ta ett kraftverk ur drift innebär att servicearbeten och ombyggnationer bör

planeras utförligt innan något påbörjas. Vid gamla kraftverk, sådana som

Gustavsberg, där det var brist eller ett dåligt skick på dokument p.g.a. ålder, kan det

uppstå svårigheter vid planering om ersättning av regulatorn. Det som efterstävas

är att återskapning av en effekt/vattenflöde kurvan för turbinen skall vara minst

lika bra som nuvarande. Det är efter dessa parametrar, återkopplingssignaler från

positionsgivarna och vattennivågivaren som regulatorn arbetar med. I detta

examensarbete har vi utgått ifrån att stationens befintliga regulator behålls.


36

För att uppnå hög driftsäkerhet som är ekonomiskt försvarbar i ett system och som

kräver precision i reglering bör första valet falla på asynkron maskin med

frekvensomriktare med avseende på att dessa komponenter är vanligt

förekommande. Hög regleringsprecision ställer höga krav på frekvensomriktare,

vilket innebär att den bör väljas med omsorg till applikationen. En bra

frekvensomriktare bör ha DTC utrustning, automatiskt lastreglering, PID - regulator

samt ett antal olika makron för lämpad applikation. Det som ger driftsäkerheten är

antalet komponenter som är i serie med varandra samt hur de enkla

komponenterna är i sin konstruktion.

Med en servomotor kan det vara ganska lätt att göra små regelförändringar till en

steglängd uppskattningsvis upp till 0.5mm i ställdonet. Resten är beroende på hur

hela kopplingen är styv ända fram till ledskenorna. När det gäller hållmoment så är

det smidigast och även ekonomisk att använda sig utav en mekanisk skivbroms även

i en applikation med servomotor, för att undvika att dimensionera upp motorn.

Ett riktpris för ställdon i aktuell storlek hamnar på ca hundra till tvåhundra tusen

svenska kronor beroende på utrustningsnivå. I en applikation där det ställs höga

krav på driftsäkerhet och precisions skall aktuatorn vara utrustat med elektroniskt

övervaknig av kullager samt analoga positionsgivare. SKF kan vid önskemål utrusta

aktuatorn med automatisk smörjning av kullager.

Ett java skript med manual som underlättar dimensionering av motor enligt (Bilaga

5) kommer att levereras till uppdragsgivaren.

37

Referenser

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

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

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

Publishers, Boca Raton, 1994

[4] http://www.statkraft.se

[5] Elmaskiner Liber 2012

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

[7] http://www.skf.com/portal/skf_mec/home?lang=en&site=MEC

[8] Hydraulik 1 Haugnes, Steinar Stockholm (1995), Liber

[9] www.abb.com

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

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

http://www.svenskenergi.se/

http://www.statkraft.se/

http://www.skf.com/portal/skf_mec/home?lang=en&site=MEC

http://www.mathworks.se/products/simelectronics/

http://www.mathworks.se/products/simulink/

http://www.pkdata.se/

38

39

Bilagor

Bilaga 1

40

Bilaga 2

41

42

Bilaga 3

43

Bilaga 4

44

Bilaga 5

% Lasten 2 600 kg skall förflyttas med en hastighet v 0.0625 m/s

(62.5mm/s) % med startid Tst 0.5s Friktionskoefficetet u uppskattar till 0.05. % Tillsatskraft Mt=11,4kN clear clc

v = 0.0625; % [m/s] frikt = 0.05; % friktionskoefficetet m = 2600; % m-lastensmass, motvikt 2600kg Mt = 0:2000:114000; % moment från F en kraft F på lasten

d.v.s..vatten g = 9.82; % gravitaion [m/s^2] Tst = .5; % Starttid 0.5s

% skruvens data l = 0.500; % längden [m](500mm) d = 0.060; % diameter [m](60mm) h = 0.020; % stigning [m/varv](20mm) verk = 0.2; % verkningsgrad för rullskruv p = 7800; % densitet på stål [kg/m^2]

% skruvens varvtal n_skruv = v/h [rpm] n_skruv = (v/h)*60;

% lastens momentbehov Mf [Nm] pga friktion lng = length(Mt); k = 1; while lng > 0 Mf(k) = (m*g*frikt+Mt(lng))*(h/(2*pi)); lng = lng - 1; MtMt(k) = Mt(lng+1); k = k +1; end

% skruvens troghetsmoment Jskruv [kgm^2] Jskruv = (1/32)*pi*l*p*d^4;

% skruvens egenbehov vid start Mskruv [Nm] Mskruv = Jskruv * n_skruv*((2*pi)/60)*(1/Tst);

% lastens troghetsmoment Jlast [kgm^2] Jlast = m*((h/(2*pi))^2)*((v*60)/n_skruv)^2;

% Lastens startmoment Ms [Nm] Ms = Jlast *n_skruv *((2*pi)/(60)) *(1/Tst) *(1/verk);

45

% Lastens moment [Nm] Mlast = Ms+Mf+Mskruv;

format ShortG disp('------------------------------------------------------------------

------'); fprintf('| skruv.troghmom\t skruv egen behov vid start \n'); fprintf('| Jskruv[kgm^2]\t Mskruv[kgm^2]\n'); disp('------------------------------------------------------------------

------'); disp([Jskruv',Mskruv']) disp(' '); disp('------------------------------------------------------------------

------');

disp('------------------------------------------------------------------

------'); fprintf('| mass\t last.momentbehov last.moment \n'); fprintf('| m[kg]\t Mf[Nm] Mlast[Nm] \n'); disp('------------------------------------------------------------------

------'); disp([MtMt', Mf', Mlast']) disp(' '); disp('------------------------------------------------------------------

------');

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

tröghetsmomentet Jmotor Jmotor=input('Välj en motor med läpmlig moment för ovanstående moment,

och slå in motors tröghetsmomentet\n');

% Motor start moment Mmotor [Nm] Mmotor = Jmotor *n_skruv *((2*pi)/(60)) *(1/Tst); fprintf('Motor start moment\n'); disp (Mmotor)

% Totala moment M [Nm] M = Mlast + Mmotor;

%forhallandet= Jyttre/Jmotor= (Jskruv+Jlast)/Jmotor forhallandet =(Jskruv+Jlast)/Jmotor; fprintf('Förhållandet Jyttre/Jmotor \n'); disp(forhallandet)

%dynamiska moment Dyn_mom = Mmotor + Ms + Mskruv

disp('------------------------------------------------------------------

------'); fprintf('| mass\t last.momentbehov last.moment total moment \n'); fprintf('| m[kg]\t Mf[Nm] Mlast[Nm] M\n'); disp('------------------------------------------------------------------

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

46

disp(' '); disp('------------------------------------------------------------------

------');

47

Bilaga 6.1

48

Bilaga 6.2

49

Bilaga 6.3

50

Bilaga 6.4

51

Bilaga 6.5

52

Bilaga 7

53

Bilaga 8

Motorn effekt, poltal, stator och rotor resistens och induktans ställs enligt nedan. Data är taget från Simulinks data för asynkronmotor. Val av antal poler är satt till 6 stycken p.g.a. det större momentet som är tillgängligt i en 6 polig maskin jämfört med en 4 polig.

54

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

55

Bilaga 9

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

Documents

Reglering av turbins ledskenor i vattenkraftverk knik med ...537704/FULLTEXT01.pdf · counterweight issued to turn the vanes if the hydraulic system loses pressure. ... Vattenkraftens