elektrischevoortstuwing2

Elektische voortstuwing

2002-2003

4MVC

Elektrische voortstuwing.Elektrische voortstuwing aan boord van schepen komt men steeds vaker tegen. Er zijn verschillende manieren om het schip elektrisch voort te stuwen (1). De reden om voor elektrische voortstuwing te kiezen kan zijn; de bouw van het schip, een sterk wisselende belasting, veel beschikbaar elektrisch vermogen van het hulpbedrijf en om lawaai en trilling te verminderen. Deze bovenstaande redenen zijn per type schip, met hun desbetreffende werkzaamheden, verschillend. In dit hoofdstuk zal een baggerschip nader bekeken worden met het oog op de voortstuwing (2). De verschillende toepasbare voortstuwingssystemen zullen met diens voor- en nadelen uitvoerig bekeken worden (3). Waarna we een conclusie kunnen trekken welk type en merk voortstuwing het beste geschikt is voor het baggerschip (4) en deze zal nader toegelicht worden (5).

1. Mogelijkheden van elektrische voortstuwing. Voor een elektrische aangedreven schip is veel elektrisch vermogen nodig. Dit vermogen wordt door diverse generatoren geleverd. Het schip wordt dan voort gestuwd door een enorme elektromotor die gekoppeld is aan een schroef. Hiervan zijn verschillende uitvoeringen: Een elektromotor via een tandwielkast gekoppeld aan een vaste schroefas met schroef. Dit systeem kan men zien als het voortstuwingssysteem van een conventioneel schip met dieselmotor. Echter deze dieselmotor is vervangen door een elektromotor. Dit type voortstuwing is geschikt voor grote vermogens. Door de aanwezige schroefas neemt deze manier van voortstuwen veel ruimte in beslag. Een DP systeem is bij deze wijze van voortstuwing niet mogelijk. De manoeuvreer eigenschappen zijn vergelijkbaar met een schip dat vaart met een conventioneel voortstuwingssysteem van het schip. Een elektrisch aangedreven roerpropeller (Fig 1). De elektromotor staat binnenboord. De schroef wordt mechanisch aangedreven. Dat kan zijn door een L-drive of een Zdrive. De gehele roerpropeller kan 360 draaien, waardoor de roerpropeller, zoals de naam al zegt, als roer functioneert. Hierdoor zal het schip zeer goed manoeuvreerbaar zijn. Deze roerpropeller zijn er als intrekbaar en als vast geplaatst type. Door de mechanische overbrenging zijn de vermogens beperkt. Deze roerpropellers zijn leverbaar tot een vermogen van 7500 kW. Bij deze manier van voortstuwen kan het schip met een DP en track control uitgevoerd worden. De roerpropeller levert minder trillingen en lawaai op in het schip. Door de betere aanstroom van water aan de schroef levert dit ook nog een brandstofbesparing op. Door het ontbreken van een schroefas levert dit een enorme ruimtewinst op in de machinekamer.

Fig 1. De roerpropeller.

Anton, Stefan & Stephan

4MVC

2


2002-2003

4MVC

De Pod voortstuwer is momenteel erg in opkomst (Fig 2.). Dit is als het ware een grote elektromotor die aan het vlak van het schip hangt, waardoor de Pod ook wat schade gevoeliger is. Pod voortstuwers zijn erg zwaar en dit zal dan ook een zware belasting zijn voor het achterschip, waarmee met nieuwbouw rekening gehouden moet worden. Door de plaatsing van de Pod onder aan het vlak spaart dit veel ruimte uit in de machinekamer. Pod voortstuwers worden meestal uitgevoerd met een trekschroef. De aanstroom van water naar de schroef is hierdoor optimaal. Dit zorgt voor een goed schroefrendement, wat ook weer terug te zien is in het brandstofverbruik. Pods veroorzaken minder trillingen en lawaai dan conventionele voortstuwingssystemen. Pods zijn 360 draaibaar, waardoor het schip erg goed manoeuvreerbaar is. Een DPsysteem en een track control systeem zijn zeer geschikt bij het gebruik van Pod voortstuwing. Echter pods zijn erg duur in aanschaf.

Fig. 2 Pod voortstuwer, Azipod

2. Randvoorwaarde elektrische voorstuwing bij baggerschepen. Een baggerschip zal tijdens baggerwerkzaamheden een lage diestsnelheid hebben. Dit betekent dus een laag voortstuwingsvermogen. Echter een volgeladen baggerschip onderweg naar de dumpplaats zal met een hoge dienstsnelheid varen, dat weer veel elektrisch vermogen vraagt, m.a.w. baggerschepen vragen qua voortstuwing uiteenlopende vermogens. Elektrische voorstuwing is hierbij dus goed toepasbaar. Het baggeren en storten geschied met behulp van een DP systeem. Hiermee kan op de meter nauwkeurig gebaggerd en gestort worden. Veel baggerschepen zijn voorzien van track control( fig 3.). Dit systeem zorgt ervoor dat het schip de uitgezette koers in de elektronische zeekaart zelf kan volgen. Het voortstuwingssysteem moet hiervoor geschikt zijn. Het vele elektrische voortstuwingsvermogen samen met het elektrische vermogen van de hulpsystemen zijn in vergelijking met een conventioneel schip erg hoog. Een systeem werkend met een goed rendement, wat voor brandstofbesparing geldt, bespaart kosten. Het schip moet worden uitgevoerd met twee Pod voortstuwers, dit komt de werking van het DP systeem ten goede. Elke Pod moet ongeveer een vermogen hebben van 14,7 MW.

Fig. 3. DP en track control consol


4MVC

3


2002-2003

4MVC

Vanwege het DP systeem is het elektrische voortstuwingssysteem met vaste schroefas geen optie. Door het grote benodigde voorstuwingsvermogen van 2 * 14,7 MW kan het schip niet uitgerust worden met roerpropellers. Het schip zal daarom worden gebouwd met twee Pod voortstuwers. Ook mede door brandstofbesparing en ruimtebesparing.

3. De beschikbare Pod voortstuwers met hun voor- en nadelen. Vandaag de dag zijn er vier leveranciers voor pod voortstuwers. Deze vier zijn: ABB / Kvaerner met de Azipod en Compact Azipod Kamewa / Alstom met de Mermaid John Crane-Lips / STN met de Dolphin Siemens / Schottel met de SSP Deze vier Pods met hun voor- en nadelen worden hieronder uitvoerig beschreven. De Azipod van ABB / Kvaerner is een synchrone draaistroommotor en kan uitgevoerd worden met enkele of dubbele windingen (Fig. 4). De Pod is voorzien met een trekschroef dat voor een hoog rendement zorgt. Ook is de Pod voorzien van luchtkoeling. De ventilatoren zijn boven het vlak geplaatst. De draaiing van de Pod wordt door een hydraulisch systeem mogelijk gemaakt. Ook dit systeem is boven het vlak geplaatst. De gehele installatie neemt veel ruimte in gebruik. De Pod is toegankelijk voor personen om reparaties te verrichten. De schroef kan door middel van een rem vast gezet worden. Verder is de Pod voorzien van een lenssysteem. Deze Pods zijn leverbaar van 1MW tot 25 MW.

Fig. 4. De Azipod


4MVC

4


2002-2003

4MVC

Er zijn nu plannen om de Azipod van ABB / Kvaerner samen met een conventioneel voorstuwingsysteem toe te passen op grote containerschepen met een capaciteit van meer dan 9000 TUE (Fig. 4.1). Er zijn voor deze grote schepen geen dieselmotoren die dit grote voorstuwingsvermogen kunnen leveren. De Azipod komt in lijn achter de convertionele schroef te staan en samen zullen zij het benodigde vermogen leveren om het schip voort te stuwen. Omdat de Azipod 360 braaibaar is, is een roer overbodig geworden.

Fig. 4.1. De Azipod in combinatie met conventioneel systeem.

De Compact Azipod van ABB / Kvaerner is een synchrone draaistroommotor met een permanente magneet (Fig. 5). Door het ontbreken van sleepringen treed er minder energie verlies op. De Compact Azipod is klein van formaat en kan daarom gemakkelijk zijn warmte afgeven aan het zeewater. Hierdoor is de luchtkoeling overbodig en dat bespaart ruimte in de machinekamer. Echter deze Pods zijn niet geschikt voor grote vermogens. De geleverde vermogens liggen tussen de 400KW en 5MW. Deze Compact Azipod is hierdoor niet geschikt voor het aandrijven van ons baggerschip.

Fig. 5. De Compact Azipod

De Pods van ABB / Kvaerner kunnen met een monitoring systeem vanaf de wal in de gaten gehouden worden. In geval van een aankomende storing of aankomend onderhoud kan het schip ingelicht worden.


4MVC

5


2002-2003

4MVC

De Mermaid van Kamewa / Alstom is een synchrone draaistroommotor voorzien van een trekschroef (Fig 6). De Mermaid is tevens voorzien van een lenssysteem net als de Azipod. De stator van de motor wordt gekoeld door het zeewater. De rotor daarentegen door geforceerde luchtkoeling. Dit houdt in dan de inbouwmaat van deze Pod groter is, dan Pods met een permanente Magneet. Uit verscheidene tests blijkt dat de mermaid minder corrosie ondervindt dan de andere Pods. Niet alleen een mindere maat van corrosie rond de schroef maar ook aan de gehele Pod, dit wordt veroorzaakt door de waterweerstand die de Pod ondervindt. De constructie, met name de ophanging is zo geconstueert dat de Pod minder fibraties ondervindt. Dit komt de gevoelige ophanging van de Pod ten goede. De mermaid heeft daarom minder onderhoud nodig dan de andere Pods. De Pods zijn verkrijgbaar tot 25MW.

Fig. 6. De Mermaid

De Dolphin van John Crane-lips / STN is ook een zes fase sychrone draaistroommotor maar met borstelloze bekrachtiging (Fig. 7). Door het ontbreken van sleepringen levert dit een rendementsverhoging op. De Pod is voorzien van een trekschroef. De Pod is luchtgekoeld, dat er weer voor zorgt voor een grote inbouwmaat door de benodigde luchtventilatie. De Pod kan over een draaihoek van 360 draaien. Het vermogensbereik ligt tussen de 3MW en de 19MW

Fig. 7. De Dolphin


4MVC

6


2002-2003

4MVC

Siemens / Schottel, die al jarenlange ervaring heeft in het ontwikkelen van roerpropellers, heeft nu Pod, de SSP op de markt gebracht. Dit is een synchrone draaistroommotor met permanente magneet (Fig. 8). Door het ontbreken van sleepringen levert dit een rendementsverhoging van 2% op. De Pod wordt geheel gekoeld door zeewater. De Pod is zeer klein en tevens de inbouwmaat is zeer klein door het ontbreken van de luchtkoeling.

Fig. 8. De SSP.

De SSP is uitgerust met een trekschroef en een duwschroef. Deze dubbele uitvoering levert een rendementsverhoging op van 10% ten opzichte van de andere Pods. Dit betere rendement is terug te zien in een lager brandstofverbruik. Voor een Optimale werking van de SSP kan de rompvorm aangepast worden (Fig. 8.1). De aanstroom van water naar de schroeven wordt hierdoor verbeterd. Deze Pods zijn leverbaar tussen de 3MW en 24MW.

Fig. 8.1. De aangepaste rompvorm voor de SSP


4MVC

7


2002-2003

4MVC

4. Conclusie. De Compact Azipod zou vanwege zijn kleine inbouwmaat geschikt zijn, is het niet dat deze Pod niet in deze vermogensrange leverbaar zijn. Onze keuze is gevallen op de SSP14 van Siemens en Schottel vanwege zijn kleine inbouw maat en zijn hoge rendement. Deze Pod levert de een vermogen tussen de 8MW en 17 MW met een rotatiesnelheid van tussen de 90 rpm 175 rpm. Deze Pod voldoet dus aan ons benodigde vermogen die we nodig hebben om het schip voort te stuwen (Fig. 9). We hebben bewust niet gekozen voor de SSP20, omdat dit het rendement in deellast bedrijf niet ten goede komt.

Fig. 9. Vermogensrange van de SSP


4MVC

8


2002-2003

4MVC

5. De SSP14 nader toegelicht. Door zijn kleine formaat, het ontbreken van sleepringen en de dubbele schroef is de SSP14 10% efficienter dan de andere Pods. Er bestaat de mogelijkheid om de Pod met een speciaal ontworpen dok te demonteren van het schip, terwijl het schip in het water kan blijven liggen. Bij schade aan de Pod is deze makkelijk te vervangen door een gereviseerde Pod zonder extra onkosten te moeten maken voor een dokking. De SSP14 maakt gebruik van zeewaterkoeling. Een geforceerde luchtkoeling wordt daarom niet toegepast. Dit maakt het systeem rondom de Pod eenvoudig, waardoor deze Pod minder onderhoud vergt en er minder storingen kunnen optreden. Door de kleine installatie blijft er meer ruimte over voor de lading. Zoals alle Pod voortstuwers wordt ook de SSP14 elektrisch aangedreven, waardoor de machinekamer zeer efficient kan worden ingedeeld. Dit komt ook weer ten goede aan de grote van de ladingruimte. De SSP14 levert een vermogen van 14000 kW bij 150 rpm. Hierbij heeft de SSP zijn optimale rendement. Boven dit toerental zal het rendement iets afnemen, maar dat zal voor ons voortstuwings vermogen van 14,7 MW niet schrikbarend zijn. (Verdere specificaties zie Fig. 10.)Unit SSP14

Propeller power Propeller speed Propeller torque Azimuth speed Weight (twin version) A = Propeller diameter B= Length propulsion module C= Mounting flange diameter D = Height support cone E= Height propulsion module* F= Installation height propulsion

Pp (kW) np (rpm) Mp (kNm) na (rpm) mssp (t) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)

14,000 150 891 2 230 5250 9260 4200

25003675 1760 Fig. 10. Specificaties van de SSP14

De Hoogte D en F in de inbouw hoogte. De hoogte boven het vlak van het schip bedraagt 4260 mm. Bovenop de SSP 14 Bevindt zich de hydraulische stuurinrichting (Fig.11). Deze maakt het mogelijk dat de Pod 360 kan draaien. De elektrische energievoorziening komt in dit onderdeel ook de Pod binnen.Anton, Stefan & Stephan 4MVC

9


2002-2003

4MVC

Fig. 11. De hydraulische stuurinrichting van de SSP14

De SSP14 is onder te verdelen in drie comparimenten (Fig. 12). Namelijk de Propulsor room, Azimuth module en de Propulsion module. In de Propulsor room bevindt zich de hydraulische stuurinstallatie (zie fig. 11). In de Azimuth module, dat zich nog boven het vlak bevindt, zit een sleepring om het mogelijk te maken dat de Pod 360 kan draaien. Verder bevindt er zich een seal voor de schroefasafdichting. Deze seal zit in een olieleiding en maakt het mogelijk de Pod te kunnen laten draaien zonder dat de olieleiding tordeerd. Een hydralisch systeem om de schroef te blokkeren tijdens werkzaamheden is ook aanwezig. En als laatste een monitoring systeem om de werking van de Pod in de gaten te houden. In de Propulsor module, dat zich onder water bevindt, ligt de elektromotor met een asafdichtingssysteem lagersysteem en blokkeersysteem. Tevens is er een noodafdichtsysteem en een lenssysteem aanwezig om overtollig water weg te voeren. In dit compartiment zijn verscheidene sensoren aanwezig op de elektromotor, lagers en afdichtingen die aangesloten zijn op het monitoringssysteem in de Azimuth module.


4MVC

10


2002-2003

4MVC


4MVC

11


2002-2003

4MVC

M

Hogere Zeevaartschool Maroff Verkort


4MVC

12


2002-2003

4MVC

Snelheidsregeling elektromotorenSnelheidsregeling van (grote) voortstuwingselektromotoren is in deze context het belangrijkste onderwerp. Om traploos de rotatiesnelheid van deze motoren te regelen zijn een aantal toepassingen mogelijk. Bij het regelen van het toerental van een elektromotor dient er onderscheid gemaakt te worden voor het geval er sprake is van een gelijkstroommotor of een draaistroommotor. Traditioneel werd voor deze toerenregeling de gelijkstroom motor gebruikt, waarbij alleen de ankerspanning geregeld behoeft te worden. Deze regeling is elektronisch relatief eenvoudig te realiseren. De gelijkstroommotor is zelf echter vrij kwetsbaar en veel duurder dan de draaistroom K.A.-motor. Ook is de gelijkstroommotor minder goed bestand tegen sterk wisselende belastingen. Het toepassingsgebied is daardoor beperkt gebleven. Bij de draaistroom K.A.-motor moet voor toerenregeling zowel de frequentie als de aangelegde spanning en/of stroom geregeld worden. Tegenwoordig is dit met vermogenselektronica zeer goed mogelijk en met een hoog rendement. De geregelde K.A.-motor kan bovendien ook goed in ongunstige omgevingscondities worden gebruikt, zoals chemisch agressieve milieus, explosiegevaarlijke situaties, bij sterk wisselende temperaturen met condensvorming, moeilijk bereikbare plaatsen (bijvoorbeeld onder water en bij bronpompen) en sterk trillende machines. De gelijkstroommotor wordt tengevolge van de vooruitgang in de elektronica daarom steeds meer verdrongen door de draaistroommotor met elektronische toerenregeling.

Toerenregeling van DraaistroommachinesBij een draaistroom K.A-motor wordt door de drie in fase verschoven stromen, geleverd door het voedende draaistroomnet, in de stator een draaiveld opgewekt. De rotor met kortgesloten wikkeling tracht dit draaiveld te volgen. Om dit te kunnen, moet in de rotorwikkeling een stroom lopen. Deze stroom ontstaat alleen als de rotor enigszins achterblijft bij het stator veld. Dit achterblijven noemt men de slip. Voor het toerental van de rotor (dus aandrijfas) geldt nu: n= (fx60/p) x (100-s)/100 waarbij n = omw/min; f = frequentie in Hz; p =aantal poolparen; s = de slip in % . Dus voor een 4-polige motor (p = 2) geldt bij 50 Hz en 4% slip, dat het toerental n= (50x60/2) x (100-4)/100 = 1440 omw/min. De slip is afhankelijk van het motorvermogen en de belasting en varieert tussen nullast en vollast doorgaans niet meer dan van 1 - 8%. Wordt slip buiten beschouwing gelaten, dan is bij aansluiting op het 50 Hz net voor een 2-polige motor (p = 1), het toerental n = 50x60/1 = 3000 omw/min. Dit noemt men het synchrone toerental. Uit het bovenstaande blijkt, dat regeling van het toerental voor een draaistroommotor mogelijk is op 3 manieren: - slipregeling; - poolomschakeling;Anton, Stefan & Stephan 4MVC

Formule (1)

13


2002-2003

4MVC

- frequentieregeling.


4MVC

14


2002-2003

4MVC

Slipregeling

De slipregeling is gebaseerd op het feit dat er bij de K.A.- motor een direct proportioneel verband is tussen het uitgaande koppel en de slip van de motor. Vergroting van de slip geeft echter een kwadratische toename van de rotor verliezen waardoor vooral bij grotere vermogens problemen met de warmte-afvoer optreden. Bij motoren met een lager vermogen dan 4 kW en een laag koppel bij lage toerentallen (bijvoorbeeld bij opwikkeltrommels) wordt soms nog slipregeling toegepast. Voor slipregeling is slechts een eenvoudige spanningsregeling nodig en blijven bij een laag koppel de verliezen beperkt.

PoolomschakelingUit formule (1) blijkt dat ook door verandering van het aantal polen toerenvariatie mogelijk is. Het aantal poolparen is voor een bepaalde motor een vast gegeven en is meestal 1 tot 4. Door een speciale statorwikkeling waarbij de spoelen van de K.A.-motor kunnen worden gesplitst in 2 delen en de stroom (door een andere wijze van aansluiten) in een deel om te keren ontstaat het dubbele aantal polen. Hiermee kan een halvering van het toerental worden bereikt. Deze schakeling staat bekend als de Dahlanderschakeling. Voor een andere toerenverhouding dan de halvering volgens de Dahlanderschakeling (bijvoorbeeld 3 : 1) of voor meer dan twee toerentallen moeten meerdere wikkelingen worden toegepast. Al deze wikkelingen moeten apart van spanning worden voorzien. Motor, schakelapparatuur en bekabeling worden daardoor duurder en complexer hetgeen de reden is dat zelden meer dan 3 toerentallen per motor worden toegepast. Poolomschakeling kan alleen in stappen en wordt steeds meer verdrongen door de moderne elektronische regelingen.

Frequentieregeling

Eveneens blijkt uit formule (1) dat het toerental van de K.A.- motor ook gevarieerd kan worden met de frequentie. Het te leveren vermogen is afhankelijk van het toerental en het over te brengen koppel volgens de formule: Pw =T x Waarin Pw = vermogen in Watt; T = koppel in Nm; = radialen / sec. Omdat = 2 n / 60 = n / 9,55 , waarin n = omw/min, is dus Pw = T x n/9,55 in Watt, of : PkW = T x n / 9550 in kW Voor de relatie koppel - vermogen geldt dus: T = 9550 PkW/n (2) Waarin: T = koppel in Nm; PkW = vermogen in kW; n = toerental in omw/min. Door op de motorwikkelingen een spanning aan te leggen gaat in de motor een stroom lopen. Met deze stroom wordt een roterend magnetisch veld opgewekt. De rotor tracht dit veld te volgen en kan daardoor een koppel T leveren. Bij benadering geldt dat voor een bepaald koppel de verhouding spanning/frequentie, ook wel de V/Hz-verhouding genoemd, constant moet zijn.


4MVC

15


2002-2003

4MVC

Een frequentieregelaar moet dus naast de frequentie ook de spanning en of de stroom kunnen regelen. Bij een elektronische frequentieregelaar wordt hiervoor eerst de netspanning gelijk gericht (diode brug) en daarna wordt deze gelijkspanning met schakelende vermogenshalfgeleiders omgezet in een 3 fasen uitgangssignaal met geregelde frequentie en spanning. Moderne elektronische regelaars( flux vector regelingen) gaan uit van een elektromagnetisch model van de motor. Zij regelen niet meer een vaste V/Hz-verhouding maar meten de actuele stromen en spanningen van de motor en vergelijken deze met het model. Op basis daarvan wordt nu vectoriel de uitgangsspanning en stroom gedoseerd. De uitgangsfrequentie is nu niet meer vast. Steeds wordt de juiste hoeveelheid energie in de motor gestuurd zodat het gewenste toerental gehandhaafd blijft. Deze regelaars zijn snel en geven een vrijwel constant koppel over een groot regelbereik (tot stilstand). Bij extreem lage toerentallen of hoog dynamische positioneer aandrijvingen zijn soms nog wel speciale motoren nodig. Bij lage toerentallen is de koeling door de motorventilator zo minimaal dat deze niet meer effectief is. Met een ventilator met een eigen, separaat gevoede, elektromotor kan de koeling worden verbeterd. Voor hoog dynamische aandrijvingen die in minder dan 0,1 seconde van nul op volle snelheid moeten komen, is het rotor massatraagheidsmoment van een standaard K.A.motor te groot. Met speciale K.A.-motoren, voorzien van een lange rotor met een relatief kleine diameter, kan het massatraagheidsmoment gereduceerd worden, zodat met minder energie snel opgetoerd of geremd kan worden.

Praktijkervaringen met frequentieregelingen

Met de huidige frequentieregelingen kan bij een goede dimensionering en correcte opstelling, zelfs bij continu bedrijf, n maal per 3 -10 jaar een storing verwacht worden en een levensduur van 10 tot 30 jaar. Grote revisies zijn daarbij niet nodig. In tegenstelling tot mechanische variatoren blijven de nauwkeurigheid en het regelgedrag gedurende de gehele levensduur constant. Belangrijk is dat de elektronische regelaar in een schone en droge omgeving met niet te hoge temperaturen staat opgesteld (bij voorkeur lager dan 35oC). Hierbij is te denken aan montage in een een goed geventileerde schakelkast of opstelling in een apart motor-control-centre (MCC). Vooral bij grotere vermogens, meerdere regelaars of dicht bij gevoelige elektronische apparatuur moet voldoende aandacht besteed worden aan de Elektro Magnetische Compatibiliteit (EMC). De EMC richtlijn is sinds 1991 wettelijk van kracht en is ondergebracht in de Wet op de Telecommunicatie Voorzieningen. Voor internationale normen zie de IEC 1000-reeks. Met CE gemarkeerde producten, die overeenkomstig de daarvoor geldende instructies werden genstalleerd, zijn meestal geen problemen te verwachten. Filters die tot doel hebben om aan de EMC-eisen te voldoen, reduceren de kans op motorschade door overspanningen (de motorwikkeling) of zwerfstromen (de lagers). Deze filters, die voornamelijk bestaan uit spoelen en condensatoren, filteren de ongewenste hogere harmonische stromen uit de ingangs,- en uit de uitgangsstroom van de regelaar, waardoor de stroom een meer sinusvormig karakter krijgt. Ook het motor geluidsniveau wordt met die filters gunstig benvloed. De nadelen van filters zijn de relatief hoge prijs en de benodigde ruimte. Filters die in de regelaars zijn gentegreerd, zijn vaak effectiever dan apart opgestelde filters en verminderen EMC problemen tengevolge van mogelijke installatiefouten. Voor motoren kleiner dan 7,5 kW, geplaatst in een gunstige omgeving, zijn nu ook aangebouwde frequentieregelaars verkrijgbaar. Hierdoor worden opstellingsruimte en warmteafvoer problemen sterk verminderd en de installatiekosten verlaagd. Bij een zeer laag toerental kan bij oudere typen frequentieregelaars een onregelmatige loop ontstaan door een niet constant magneetveld. De moderne vectorregelaars hebben deze problemen vrijwel niet meer. De aangedreven apparaten zijn niet altijd voor een variabel toerental ontworpen. Er kunnen resonanties optreden bij bedrijf in de buurt van het kritische toerental. Vaak kan de regelaar z geprogrammeerd worden dat het kritische toerengebied


4MVC

16


2002-2003

4MVC

snel wordt doorlopen waardoor toerenregeling toch toegepast kan worden. Nieuw aan te schaffen apparatuur moet bij voorkeur z gekozen worden dat de kritische toerentallen boven het werkgebied liggen.


4MVC

17


2002-2003

4MVC

Verschillende soorten frequentie omvormersWe maken onderscheid in; Directe frequentie omvormers Indirecte frequentie omvormers

Directe frequentie omzettersEen cyclo convertor is een directe frequentie omzetter welke bestaat uit drie convertors waarvan elke n fase van de motor voedt. Op het links onderstaande plaatje is goed te zien dat er aparte drie fasen bruggen zijn voor zowel de positieve als voor de negatieve stroom component.

Siemens en ABB zijn de twee leveranciers van frequentie omvormers die de markt domineren binnen de vermogensrange waarin we in deze opdracht in genteresseerd zijn. De convertors van Siemens kunnen uitgevoerd worden als bovenstaand 6-puls model of als 12puls systeem. ABB levert vijf verschillende uitvoeringen;


4MVC

18


2002-2003

4MVC

Principe van de Cyclo-convertor

De cyclo-convertor werkt zonder een gelijkstroom tussenkring. De netspanning wordt dan ook direct omgezet in een spanning met regelbare frequentie. Hiervoor maakt de convertor gebruik van 12 thyristoren per fase, opgesteld in brugschakelingen. Per fase snijdt de convertor de geschikte delen uit de sinusvorm van de voedingsspanning. Deze verschillende delen bij elkaar opgeteld geven een redelijk sinusvormige spanning.

Typische vorm van de spanningsoutput van de Cyclo-convertor.


4MVC

19


2002-2003

4MVC

Eigenschappen Cyclo-convertorfuit = max. 50% fin ( Let op!!) Zeer geschikt voor lage snelheden en hoge startkoppels. Veel halfgeleiders (minimaal 36) en speciale trafo nodig dus relatief duur 4 kwadranten* bedrijf mogelijk En of meerdere motoren Redelijke sinusvorm aan motorzijde Redelijk veel harmonische aan netzijde Werking onafhankelijk van motor * Met vier kwadranten bedrijf wordt de mogelijkheid bedoeld die de motor heeft om zowel bij linksom als rechtsom bedrijf, een positief of negatief koppel te leveren.

Indirecte frequentie omvormersIndirecte frequentie omvormers werken altijd middels een gelijkstroom tussenkring, de drie fasen wisselspanning wordt gelijk gericht in de gelijkrichter, afgevlakt en geregeld in de gelijkstroom tussenkring en omgezet in een regelbare wisselspanning in de invertor;

De gelijkrichter kan ongestuurd met diodes worden uitgerust of juist gestuurd d.m.v. thyristoren.

Gelijkrichter

Tussenkring


4MVC

20


2002-2003

4MVC

Invertoren kunnen we verdelen in; Puls Amplitude Modulatie (PAM) Puls Breedte Modulatie (PWM) Fluxvector modulatie Invertor

Principe van de invertor;Een invertor bestaat uit meerdere halfgeleiders als schakelaar (1 t/m 6), door op het juiste moment de schakelaars in en uit te laten schakelen ontstaat aan de secundaire kant een blokvormige wisselspanning. Over de wikkelingen van de motor komt dus een getrapte spanning te staan. Door nu de schakelaars per periode meerdere malen open en dicht te laten gaan wordt de uitgangsstroom mooier van vorm welke minder harmonische vervuiling geeft op het net.

Hogere schakelfrequentie = mooiere sinusvorm = minder harmonische = echter wel meer schakelverliezen.


4MVC

21


2002-2003

4MVC

Puls Amplitude ModulatieHet PAM principe wordt toegepast in de synchro convertor, er worden hierbij twee modulatie technieken toegepast, de 6 puls PAM en de 18 puls PAM, waarbij de 18 puls PAM de voorkeur heeft in verband met het de lagere harmonische verstoring. De synchro convertor is opgebouwd uit een gelijkrichter waarvan de uitgangsspanning regelbaar is. De gelijkrichter voedt via een gelijkstroom tussenkring de invertor. Doordat nu de gelijkrichter regelbaar is, is de grootte (amplitude) van de afgegeven gelijkspanning te regelen. Deze veranderd evenredig met de frequentie. Eigenschappen Synchro convertor; Minder componenten dan cyclo convertor dus goedkoper. Slechte sinusvorm aan motorzijde. Minder harmonische aan netzijde. Slechte arbeidsfactor aan netzijde Kan onbelast niet werken. Is afhankelijk van de motor. Kan maar n motor aandrijven.

nlijnig schema synchro convertor

Op onderstaande figuur is goed te zien dat de amplitude (hoogte) van de spanning varieert.

Puls Amplitude Modulatie


4MVC

22


2002-2003

4MVC

Pulse Breedte Modulatie (PWM)De Pulse Width Modulation convertor bestaat uit een gelijkrichter en een invertor. De gelijkspanning uit de tussenkring wordt in de invertor onderbroken met een steeds veranderende schakelfrequentie. Deze schakelfrequentie is hoger dan de frequentie na de invertor. Hierdoor wordt er met blokken, waarvan de breedte varieert, een wisselspanning gemaakt. De gemiddelde waarde van deze wisselspanning benaderd de sinusvorm.

In zowel de laag,- als de middelspanning uitvoering wordt gebruik gemaakt van de nieuwste technologie op het gebied van de semi-conductors. De IGBT thyristoren welke worden gebruikt in de SIMAR DRIVE PWM van Siemens kunnen elke keer dat er geschakeld wordt zowel het voltage als de stroom volledig controleren.

IGBT thyristor


4MVC

23


2002-2003

4MVC

Fluxvector modulatieDe moderne frequentie omvormers werken volgens het PWM of het fluxvector principe. Meestal kan in de parameter instellingen worden gekozen voor n van beide modulatie technieken. Bij fluxvector modulatie is spanning/frequentie niet constant, door de spanning te regelen kan de flux constant blijven bij elke snelheid en belasting. Groot voordeel van dit systeem is dat er een maximaal koppel kan worden gegeven bij praktisch iedere belasting en toerental. Door fluxvector modulatie in een frequentie omzetter worden motorstromen vrijwel sinusvormig. Hierdoor zal het draaiveld bij alle optredende belastingen en toerentallen de ideale cirkel vorm benaderen. Het koppel zal dan vrijwel zonder fluctuaties verlopen. De warmte verliezen van de motor zijn lager, omdat door de bijna zuivere sinusvorm van de motorstroom de invloed van de harmonische klein is. Vooral voor hijswerktuigen en hoog dynamische toepassingen is deze motor bij uitstek geschikt. In de parameters van de frequentie omvormer moeten de exacte eigenschappen van de motor geprogrammeerd worden. De stuurschakeling zal de volgende gegevens continue verwerken; Motorstroom I; Motorspanning U; Motorweerstand R; Motorreactantie X; Het toerental van de motor wordt door middel van een encoder gemeten die op de as van de motor is gemonteerd. De krachtige microprocessor van de omvormer zal tijdens bedrijf, continue de ideale snelheid, spanning en grootte van het draaiveld berekenen voor de motor bij elke belasting. Door het (her) programmeren van de EPROM (electronically programmable read only memory) in de microprocessor kunnen de eigenschappen van de regeling eenvoudig aangepast worden. De zuivere sinusvorm die fluxvector modulatie levert is ondermeer te danken aan de zr snel schakelende IGBTs (Insulated Gate Bipolair Transistor) en hun complexe schakelproces aangestuurd door de processor. Op onderstaande stuurschakeling kan worden gekozen voor rechtse en linkse draairichting. De volgende parameters kunnen op de stuurschakeling ingesteld worden; Acceleratie (ACC) Deceleratie (DEC) Startvrijgave (STA) Spanning/frequentie verhouding (U/f) Stroomwaarde (Ith)

Stuurschakeling fluxvector modulatie

De hoofdeigenschappen van de fluxvector spanning tussenkring omvormer zijn; Tussenkring met condensator, constante tussenkring spanning. Kan onbelast werken. Arbeidsfactor netzijde = 1 (DPF).


4MVC

24


2002-2003

4MVC

Omvormer onafhankelijk van motor.


4MVC

25


2002-2003

4MVC

Gecontroleerd versnellen en afremmen motorIn de karakteristiek van de elektro motor kan een vergelijking worden gemaakt met een centrifugaal pomp. Net als de pomp heeft de motor een werkpunt welke op de snijdingslijn ligt tussen de karakteristiek van de motor (pomp) en belasting. In het geval van onze frequentie omvormers worden deze lijnen gevormd door de motorkarakteristiek bij verschillende frequenties en de motorkarakteristiek. De laatste zal grotendeels afhankelijk zijn van de traagheid van aandrijfsysteem. Als we de frequentie te snel verhogen dan zal de motor in een instabiel spectrum komen waardoor het werkpunt niet over de lijn van A naar B en naar C zal gaan maar juist naar D en overbelast worden (zie onderstaande figuur).

De motor kan snel vertraagd worden door deze elektrisch af te remmen. Bij verlaging van de frequentie komt de motor in het generator gebied en zal deze energie terug leveren. Deze energie kan via vrijloop dioden vernietigd worden in een remweerstand die in de tussenkring is opgenomen. Als de frequentie omzetter is uitgevoerd met een active front end kan de energie aan het net teruggeleverd worden.

Afremmen inductiemotor in generatorbedrijf.


4MVC

26


2002-2003

4MVC

Toepassing van n gelijkrichter met meerdere inverters / motorenDe toepassing van n gelijkrichter met meerdere inverters wordt veelvuldig toegepast aan boord van schepen met hijsgerij. Een common DC bus wordt dan gebruikt om de gelijkgerichte spanning te transporteren naar de verschillende inverters welke op hun beurt ieder een aparte motor aandrijven. Groot voordeel van dit systeem is dat er slechts n relatief goedkope gelijkrichter nodig is. Als het systeem is uitgerust met inverters met een actieve ingangsbrug, bestaat te mogelijkheid om energie terug te leveren aan het net. Bij bijvoorbeeld een kraan schip kan het heel goed mogelijk zijn dat de ene motor energie opneemt uit het net, terwijl een andere energie toevoegt aan het net. Het kan natuurlijk voorkomen dat de terug geleverde energie hoeveelheid, groter is dan de gevraagde energie hoeveelheid. In dit geval zal de spanning op de common DC bus groter worden en zal een chopper in combinatie met dump weerstanden het teveel aan energie vernietigen.

Voorbeeld common DC bus

Eigenschappen; Thyristor B6 bruggen kunnen als gelijkrichter en als wisselrichter werken. Dus door de stuurhoek van de thyristoren te regelen is energie - teruglevering mogelijk zonder extra voorzieningen.


4MVC

27


2002-2003

4MVC

Koeling frequentie omvormersDe levensduur van elektronische componenten in de frequentie omvormer is sterk afhankelijk van de omgevingscondities. Tien graden temperatuursverhoging kan leiden tot 50% reductie van deze levensduur. Koeling is dus een belangrijk item. Het rendement van de gemiddelde frequentie omvormer is 97%. De verliezen die ontstaan door o.a. de koper,- en de schakel verliezen worden omgezet in warmte welke afgevoerd dient te worden. De hoeveelheid warmte die afgevoerd moet worden bij middelgrote tot zeer grote frequentie omzetters kan oplopen tot wel 1 MW. (bij toepassing van vermogens boven 33MW) In de conventionele luchtkoeling wordt gebruik gemaakt van immense ventilatoren om de luchtstroom naar de grote koelribben van de thyristoren te bewerkstelligen. Door steeds grotere vermogens door frequentie omvormers te laten leveren kwam de vraag naar steeds compactere systemen. Door waterkoeling toe te passen kan het volume van de frequentie omzetter aanzienlijk verkleint worden en de levensduur van de elektronische componenten verlengd. Gedemineraliseerd water wordt door het koelsysteem gepompt waarna dit op zijn beurt gekoeld wordt door een ander systeem. Voordelen van waterkoeling zijn; FO kleiner volume. Minder lawaai ventilatoren. Geen opwarming machinekamer. Geen problemen door vervuilde koellucht. Minder gevoelig voor hoge omgevingtemperatuur of temperatuursschommelingen. Hoge beschermingsgraad (IP65) van kast mogelijk.


4MVC

28


2002-2003

4MVC

Elektromagnetische CompatibiliteitIn toenemende mate wordt aan boord gebruik gemaakt van geavanceerde communicatie netwerken welke diverse processen aansturen. Dit heeft tot gevolg dat een steeds groter aantal apparaten relatief dicht op elkaar staat gepakt. De signalen in deze netwerken kunnen elkaar verstoren, er wordt dan gesproken over Elektro Magnetische Interferentie (EMI). De verstoring kan zodanig zijn dat de goede werking van verschillende systemen benvloed kan worden. Om dit te voorkomen moeten er passende maatregelen worden getroffen om dit probleem te elimineren of in ieder geval te beperken. In een richtlijn kan worden opgesteld in hoeverre een apparaat of systeem invloed mag uitoefenen op omliggende systemen, de mate van invloed wordt dan bepaald door de Elektro Magnetische Compatibiliteit (EMC) van dit systeem. EMC is n van de facetten waarbij bij de bouw van een schip rekening gehouden moet worden. Door het probleem in de ontwerpfase aan te pakken kunnen de kosten en eventuele vertragingen door modificatie beperkt worden.

Aanpakken van EMC in de bouwfase

Extra storing op communicatiebekabeling Stromen genereren magnetische velden die in nabij gelegen geleidende materialen stoorstromen en spanningen kunnen veroorzaken. De grootte van deze storingen hangt af van de amplitude en frequentie van de stroom en van de afstand tot deze stroom. In het algemeen geldt dat de stoorinvloed groter wordt naarmate de amplitude en frequentie van de stroom toenemen en de afstand tot de stroom kleiner wordt. Ook het in aparte metalen kabelgoten onderbrengen van energie en communicatie bekabeling kan de verstoring in de communicatie bekabeling verminderen.


4MVC

29


2002-2003

4MVC

Hogere HarmonischenAls er alleen lineaire belastingen op het net zouden zijn aangesloten, komen hogere harmonischen niet voor. Op de huidige (scheeps-) netten zijn echter een groot aantal niet-lineaire belastingen aangesloten. Bij niet-lineaire belastingen moet gedacht worden aan gelijkrichters, schakelende voedingen (computers), spaarlampen, assimilatieverlichting, regelbare aandrijvingen, etc. Deze niet-lineaire belastingen veroorzaken allerlei stroomvormen in het net, die als enig overeenkomend kenmerk hebben dat de grondgolf een frequentie heeft van 50Hz. Wiskundig kan bewezen worden dat al deze vormen opgebouwd zijn uit de som van een aantal sinus-vormige stromen met frequenties van n x 50Hz waarin n = 0, 1, 2, 3, etc. is. n is het rangtal van de harmonische (van 50Hz). In onderstaande figuren worden een tweetal stroomvormen getoond die zijn opgebouwd uit de 1e of grondharmonische (50Hz) en de 3e harmonische (150Hz).

De groene lijn is dus een sommatie van de 50Hz stroom (blauwe, gestreepte lijn) en de 150Hz stroom (paarse, gestreepte lijn). Als het aandeel harmonischen te hoog wordt, kan dit tot de volgende problemen leiden: Apparatuur werkt niet meer doordat de spanning teveel vervormd wordt; Extra storing op communicatiebekabeling (EMC); Extra warmte ontwikkeling in geleiders, motoren en transformatoren. Niet-lineaire belastingen veroorzaken hogere harmonische stromen. Deze hogere harmonische stromen storen in principe de andere belastingen in het net niet, omdat de werking van de belastingen van de netspanning afhangt en niet van de netstromen. De hogere harmonische stromen lopen echter wel door de bekabeling van het net terug naar de voedingstransformator. Deze bekabeling heeft weliswaar een relatief kleine impedantie, maar de impedantie is niet nul. Dit betekent dat hogere harmonische stromen dus ook hogere harmonische spanningen in het net introduceren waardoor de netspanning vervormt raakt.


4MVC

30


2002-2003

4MVC

Een bekend voorbeeld van bovenstaand effect is te vinden in kantooromgevingen met veel PCs. In deze omgevingen kan het zogenaamde flat-topping optreden waardoor PCs kunnen uitvallen. PCs en veel andere apparatuur met schakelende voedingen hebben als kenmerk dat het apparaat gevoed wordt uit een buffercondensator die wordt bijgeladen uit het net. Dit bijladen gebeurt echter alleen rond de top van de netspanning omdat daar de netspanning hoog genoeg is om de buffercondensator te kunnen bijladen. Het gevolg is dat er met name in kantooromgevingen, een sterke belastingspiek ontstaat rond de spanningstop van het net. Deze extra belastingspiek zorgt voor extra spanningsverlies rond de piek van de netspanning waardoor een afgeplatte sinus ontstaat.

Bovenstaand effect wordt sterker naarmate het kortsluitvermogen in het net ter plekke van de apparatuur lager is. Als het net zwak genoeg is, plat de sinus zover af dat de top van de netspanning te laag is voor het bijladen van de buffercondensatoren en werkt apparatuur zoals PCs niet meer. Verzwaring van het net (bijv. door het gebruik van bekabeling met een grotere doorsnede) of het plaatsen van filters voor hogere harmonischen is dan noodzakelijk voor het laten werken van de apparatuur. De Total Harmonic Distortion (THD) in procenten uitgedrukt, kan worden berekend met;

Waarin; n= rangtal harmonische N = hoogste harmonische, in principe oneindig maar in de praktijk is 40 vulling voldoende Un = amplitude ne harmonische U1 = amplitude 1e harmonische


4MVC

31


2002-2003

4MVC

De derde harmonische en veelvouden daarvan hebben een dusdanige hoekverschuiving in de verschillende fasen dat deze harmonische stromen optellen de nul. Indien er dus in elke fase een derde harmonische stroom met een amplitude van 1 A loopt, loopt er in de nul een derde harmonische stroom met een amplitude van 3 A. Indien de derde harmonische en veelvouden daarvan een redelijke amplitude hebben kan de nul niet langer op 50% uitgelegd worden.

voorbeeld optelling van 30% 3e harmonische stromen in de nul


4MVC

32


2002-2003

4MVC

Oververhitting van motoren en transformatorenMotoren en transformatoren kunnen oververhit raken en zelfs uitbranden als het aandeel harmonische stromen te hoog wordt. Deze oververhitting ontstaat door een tweetal en in het geval van transformatoren zelfs door een drietal effecten: Extra ijzerverliezen. De ijzerverliezen in motoren en transformatoren zijn evenredig met het kwadraat van de frequentie van de stromen. De derde harmonische genereert dus negen maal zoveel ijzerverliezen als de grondharmonische (mits de stromen even groot zijn natuurlijk). Minder effectieve veldopbouw of lokale verzadiging. Zowel motoren als transformatoren zijn voor het leveren van energie afhankelijk van hun interne magneetvelden. Doordat de hogere harmonische stromen de 50 Hz stromen versterken of verzwakken op verschillende momenten in de tijd is de veldopbouw in motoren en transformatoren minder effectief. Dit betekent dat het rendement van de motor en transformator omlaag gaat. De driehoekswikkeling in transformatoren raakt overbelast. Hieronder wordt uitgelegd dat de derde en veelvouden van de derde harmonische stroom optellen in de nul. Deze zogenaamde homopolaire stromen kunnen niet uit een driehoekswikkeling van een transformator ontsnappen en zullen dus de driehoekswikkeling extra zwaar belasten.


4MVC

33


2002-2003

4MVC

Oververhitting van geleiders ten gevolge van het skineffectTen gevolge van het magnetische veld dat een stroom zelf genereert, heeft de stroom de neiging aan de buitenkant van een geleider te gaan lopen. Dit zogenaamde skineffect heeft tot gevolg dat hogere harmonischen sterker de neiging hebben om aan de buitenkant van een geleider te gaan lopen dan 50 Hz stromen. Onderstaande figuur toont de stroomdichtheid verdeling in een cirkelvormige geleider voor de 1e harmonische (50 Hz), de derde harmonische (150 Hz) en de 13e harmonische (650 Hz). De diameter van de geleider is 40 mm (1257 mm2).

Stroomverdeling in een geleider t.g.v. het skin effect

Heel duidelijk is te zien dat hogere harmonische stromen minder effectief gebruik maken van de aanwezige geleider. Het skineffect leidt in de meeste installaties nooit tot problemen omdat dit effect pas merkbaar optreedt bij zeer hoge frequenties of zeer dikke geleiders. Aan boord van grote schepen kan dit probleem parten gaan spelen. Door de zogenaamde skindiepte uit te rekenen kan men zeer snel inschatten of het skineffect tot problemen kan leiden.

Indien de skindiepte significant kleiner is dan a en het aandeel van de desbetreffende harmonische aanzienlijk is t.o.v. de totale stroom, zal de stroombelastbaarheid van de geleider aangepast moeten worden.


4MVC

34


2002-2003

4MVC

-Anton Smit -Stephan Ripken -Stefan Abels Amsterdam 2003-01-14Anton, Stefan & Stephan

4MVC 35 4MVC


2002-2003

4MVC

1 GeneratorenOns schip is in de eerste plaats gebouwd voor baggeren van zand. De Vasco da gama behoort met zijn totale lengte van 230 m tot n van de grootste baggerschepen van de wereld. Zodra het schip op de baggerlocatie is aangekomen, worden de buizen aan stuurboord en bakboord in drie tot vijf minuten op werkdiepte gebracht. Op de handelsvaart is het gebruikelijk dat de energie voor de speciale boordvoorzieningen speciale hulpmotoren worden geplaatst. Voor de verschillende baggerpompen zou dit een enorme investering aan extra dieselmotoren betekenen. De energie berekening is echter heel anders dan bij de handelsvaart omdat in de handelsvaart men een veel constantere energie afname heeft. In de bagger is de berekening voor het vermogen enerzijds gebaseerd op de vaart bij volle snelheid en aan de andere kant op langzaam varen en baggeren. De dieselgenerator kunnen geplaatst worden daar waar men makkelijk onderhoud kan plegen. De motoren zelf werken in optimum conditie waardoor de onderhoudsbeurten langere intervals krijgen. De hulpsystemen (brandstof, smeerolie en koeling) worden simpeler en dus minder kwetsbaar.

Andere eigenschappen van schepen met diesel-elektrische voortstuwings installatieGeen omkeerkoppeling/omkeerinrichting nodig. Betere manoeuvreereigenschappen. Grootte mate van bedrijfszekerheid. Schip is flexibel in te delen, hierdoor ruimtewinst. Tijdens de vaart wordt het elektrisch vermogen gebruikt voor de voortstuwing en op de plaats van bestemming voor andere werkzaamheden (baggeren, ladingpompen, kranen). Schip is makkelijker modulair te bouwen. Korte bouwtijd en kostenbesparing.

Verschillende toestanden waarin het schip kan verkeren 1 2 3 Het schip is leeg en vaart naar de plek waar gebaggerd dient te worden; Het schip start met baggeren ruim is leeg, voortstuwingsvermogen stijgt naarmate het schip meer lading krijgt; Het schip is vol beladen en gaat naar de plek waar deze moet lossen.

In elk van deze drie toestanden is het elektrisch vermogen van voorstuwing en hulpbedrijf zeer verschillend


4MVC

36


2002-2003

4MVC

1.1 Opwekking elektriciteit Opwekking van elektriciteit kan op verschillende manieren gebeuren door middel van: Stoom / gasturbine generator Brandstofcel Dieselgenerator n van de grote nadelen van stoomturbines is het hoge brandstof verbruik. Een ander nadeel is dat het systeem onder druk staat en daar stoom sterk kan expanderen is er bij bezwijking explosiegevaar. Daarom worden er hoge sterkte eisen aan de installatie gesteld en is deze onderworpen aan periodieke keuring. Ook dient er hoog gekwalificeerd personeel aanwezig te zijn voor het onderhoud van het systeem. De brandstofcel is voor ons nog niet aan de orde omdat deze simpelweg nog niet ver genoeg is ontwikkeld voor scheepsgebruik en het vermogen dat nodig is voor het schip nog niet te leveren is. Voor de opwekking van elektriciteit is gekozen voor generatoren.figuur 1.1


4MVC

37


2002-2003

4MVC

1.2 Vermogen

Het grote voordeel van een powerplant concept (automatisch vermogensverdeling) is dat de keuze voor het type, grootte en aantal generatoren geheel naar eigen keuze is, uiteraard moeten de generatoren wel het gevraagde vermogen kunnen leveren dat nodig is.

Generatoren kunnen op verschillende manieren gekozen worden, belangrijk is dat de generatoren optimaal draaien in elke situatie. Met meerdere diesels met verschillende vermogens streeft men naar een situatie waar deze zo optimaal mogelijk draaien wat betekent brandstof besparing, echter het nadeel hiervan is dat met meerdere diesels men meer onderhoud moet plegen. Men dient dus een optimum hier in te vinden.Andere zaken die de keuze benvloeden zijn:

Investeringskosten; Brandstofverbruik en brandstof soort; Onderhoudskosten; Smeerolieverbruik; Totale gewicht en volume.

Naarmate het schip meer geladen heeft zal het vermogen toenemen, het is dus moeilijk hier een situatie te vinden waar de generator altijd optimaal draait. Het volle vermogen dat nodig tijden is 29,4 MW. Voor het aandrijven van de pompen tijdens het baggeren is een maximaal vermogen nodig van 20 MW als men op de maximale diepte baggert, ook hier is het vermogen varirend omdat niet altijd op de maximale diepte wordt gebaggerd.

Er is gekozen voor 3 generatoren van 7020 kW en 3 generatoren van 5240 kW hierbij komt het totaal op 36780 kW.

Hopper Capacity Length Overall Width Dredging Depth Draught Loaded Draught Unloaded Suction Pipe Diameter Discharge Pipe Diameter Dumping System

44,000 m Pumps (trailing) 230 m Pumps (pumping ashore) 36.20 m Extra pumps (trailing) 45/60/80/136m Total Installed Power 13 m Speed 6.50 m Complement 1,400 mm Built in 1,100 mm Bottomdoors (above bottomline)

2 x 4,500 kW 2 x 8,000 kW 2 x 5.500 kW 36780 kW 16.50 Kn. 40 persons 2000

Figuur 1.2


4MVC

38


2002-2003

4MVC

1.3 Het boordnetElektrische voortstuwing aan boord van grote schepen betekent dat het opgesteld elektrisch vermogen groot is. Bij gebruik van laagspanning (440 of 690 V) heeft dit als consequentie dat de bedrijfsstromen erg hoog worden. Deze hoge stromen leiden tot: Buitensporige koperdoorsneden van de kabels en zware uitvoeringen van de kabelrailsysteem; Grote spanningen- en koperverliezen; Kortsluitstromen die zo groot worden dat hiervoor geen beveiligingsapparatuur bestaat om bij kortsluiting snel genoeg af te schakelen. Dit maakt het nodig om gebruik te maken van een hoger spanningsniveau: de zogenaamde middenspanning van 3,3 of 6,6 kV bij 50 of 60 Hz. Het gebruik van middenspanning brengt speciale schakelapparatuur met zich mee, alsmede het moeten voldoen aan andere wettelijke eisen. Door een spanning niveau van 6.6 KV aan te houden kan men de lijnstroom (Il)veel lager houden, wat betekent dat de stroomkabels veel dunner uitgevoerd kunnen worden. Dit werkt kostenbesparend. Het verschil in Il kan bepaald worden door de formule: P = U x Il x cos x 3 Motorvermogen = 36.78 MW U = 6600 V Cos = 0.9 I = 3574.9 A


4MVC

39


2002-2003

4MVC

2

Powermanagement

Om de opwekking van elektriciteit in goede banen te leiden kan men gebruik maken van een powermanagementsysteem. Dit is een regelsysteem die het bedrijf op een gecontroleerde manier elektrisch vermogen laat leveren. Een powermanagementsysteem start en stopt automatisch de generatoren afhankelijk van het vermogen wat gevraagd wordt. Een powermanagementsysteem wordt vaak toegepast bij dieselelektrische schepen omdat hier veel wisselende belastingen plaatsvinden, een ander voordeel is dat hierdoor de dieselgeneratoren altijd zo optimaal mogelijk draaien waardoor de onderhoud intervals en levensduur verlengt worden. 2.1 Het doel van powermanagement Een regelsysteem is nodig om het parallel draaien tussen de verschillende generatoren goed te laten verlopen. Er zijn twee soorten bedrijven mogelijk landparallel bedrijf en eilandparallel bedrijf. Aan boord wordt alleen gebruik gemaakt van eilandparallel bedrijf dit betekent dat het bedrijf niet gekoppeld is aan een sterk net. Een eilandbedrijf is een individuele opstelling welke niets met andere netten te maken hebben. Het vermogen wat geleverd moet worden wordt bepaald door de gebruikers, de frequentie wordt bepaald door de paralleldraaiende generatoren. Als generatoren parallel draaien benvloeden deze elkaar en gaan zich anders gedragen. Het powermanagementsysteem zorgt ervoor dat alle generatoren die parallel draaien, ook optimaal draaien. Ook zorgt PWM dat het vermogen dat gevraagd wordt door de gebruikers gegeven kan worden, dat de generatoren op de juiste frequentie draaien en met de juiste spanning. Kortom powermanagement zorgt voor een stabiel bedrijf zonder invloed van mensen. De basis systemen voor powermanagement zijn: 1. Kortstondig parallel draaien om vermogen over te nemen. 2. Langdurig parallel draaien om een groter beschikbaar vermogen te hebben. 1) Kortstondig parallel draaien om vermogen over te nemen Dit systeem is voor ons niet van toepassing we zullen er dan ook niet te ver op ingaan. Dit systeem wordt toegepast voor schepen welke varen met een asgenerator. Als men van havenbedrijf, naar zeebedrijf over wil gaan. Dit betekent dat de asgenerator op het net geschakeld wordt en de elektrische energievoorziening over neemt van de hulpmotoren. Nu moet de asgenerator kortstondig parallel draaien met de hulpmotoren. De asgenerator kan niet langdurig parallel draaien omdat de massatraagheid van de hoofdmotor te groot is. 2) Langdurig parallel draaien Deze regeling wordt toegepast daar waar meerdere generatoren staan opgesteld welke met parallel draaien het benodigde vermogen langdurig moeten kunnen opwekken.


4MVC

40


2002-2003

4MVC

2.2 Vormen van Powermanagement De vormen van Powermanagement systemen zijn zeer verschillend, men kan kiezen voor een simpel systeem zoals het low base systeem (A), tot uitgebreide systemen zoals high base systeem(E). In 5 stappen gaat men van een low base systeem naar een high base systeem. Voordat de verschillende systemen uitgelegd worden zullen we het eerst hebben over hoe men tot een keuze komt welk powermanagement systeem men het best kan toepassen. De keuze voor de vorm wordt bepaald door de volgende factoren: 1. De wensen van de klant; 2. De kosten; 3. Kennis van het personeel; 4. Het scheepstypen; 5. Eisen klassebureau. 1. De wensen van een klant Een klant kan specifieke wensen hebben omdat deze bijvoorbeeld met de modernste installatie wil werken ( marine ), of omdat het personeel op deze manier meer tijd heeft voor ander werk. 2. De kosten De kosten van de systemen worden bepaald door de te installeren installatie. Is een installatie duur en niet echt noodzakelijk dan zal er niet direct voor worden gekozen. De kosten van een powermanagement systeem spelen voor de commercile doeleinden natuurlijk een belangrijke rol. Een high base systeem met meer functies is duurder in de aanschaf dan een low base systeem. Een low base systeem heeft meer fysieke handelingen nodig van het personeel. Het toepassen van een duurdere high base systeem kan indirect goedkoper zijn omdat men bespaart op personeels kosten en de levensduur van de generatoren langer zal worden. 3. Kennis van het personeel Wanneer er een high base systeem wordt toegepast dan is dit een complex systeem welke verschillende functies automatisch uitvoert. Het is voor het personeel wat hiermee moet werken noodzakelijk dat zij kennis hebben van het systeem, zodat men aan het systeem onderhoud kan plegen wanneer dit nodig wordt geacht. 4. Het scheepstype De vorm van PMS wordt voor een groot gedeelte bepaalt door de klant. Aan de hand van de wensen van de klant wordt een systeem samengesteld. Een baggerschip welke continue verschillende vermogens vraagt, waardoor vaak generatoren moeten worden gestart en gestopt kan men kiezen voor een high base systeem, waardoor de generatoren altijd in optimaal bedrijf zullen werken. Er is een systeem nodig welke het mogelijk maakt om de verschillende vermogens die gevraagd worden in korte tijd, zo optimaal mogelijk te verwerkelijken. Een reder welke een vrachtschip gaat bouwen die vaart tussen een lijndienst met een constante snelheid kan kiezen voor een low base systeem omdat men hier een regeling nodig heeft welke kort parallel bedrijf met de asgenerator mogelijk maakt en een regeling welke langdurig parallel bedrijf mogelijk maakt.


4MVC

41


2002-2003

4MVC

5. Eisen klassebureau Alle systemen moeten aan bepaalde eisen van het klasse bureau voldoen. Een schip welke door de aard van zijn werkzaamheden op zn positie moet blijven liggen ( dynamic position system ) krijgt afhankelijk van het gevaar van zn werk een DP notatie. DP systemen zijn ingedeeld in 4 klassen. Afhankelijk van deze klassen zijn er verschillende eisen en moet de vorm van het powermanagement systeem hierop worden aangepast.


4MVC

42


2002-2003

4MVC

Systeem AHet low base principe bestaat uit verschillende units die verschillende waarden meten. De volgende waarde worden gemeten: Spanning; Stroom; Cos ; Werkelijk vermogen; Blindvermogen; Frequentie controle.

Figuur 2.1


4MVC

43


2002-2003

4MVC

Systeem B

Figuur 2.2

In dit systeem zijn in de diesel generatorsets, units ingebouwd welke de generator automatisch aan het net kan synchroniseren. Op deze manier kunnen ook meerdere diesel generatorsets worden geplaatst. Ook de combinatie met een asgenerator is mogelijk. Toegepaste componenten: Automatic synchronizer-unit; Keuze schakelaar; Generator beveiliging unit. Generator beveiliging: Terug watt vermogen; Te hoge stoom; Te hoge spanning; Te lage / hoge frequentie; Over belasting; Ongelijke stormen; Ongelijke spanningen.


4MVC

44


2002-2003

4MVC

Systeem C

figuur 2.3

Diesel generatorsets met toepaste units welke de volgende functies hebben: Belasting afhankelijk opstarten en stoppen van generatoren; Automatisch synchroniseren aan het net; Parallel schakelen; Belasting verdelen. De functies: Synchroniseren; Uitgang voor regulateur; Spanning controle; Blindvermogen verdeling; Arbeidsfactor controle; Belasting afhankelijk starten en stoppen. Generator beveiligingen: Terug watt vermogen; Te hoge stroom; Te hoge / lage spanning; Te hoge / lage frequentie; Over belasting; A-symmetrische stromen; A-symmetrische spanningen.


4MVC

45


2002-2003

4MVC

Systeem D

Figuur 2.4 Diesel generatorsets met toegepaste units welke de volgende functie hebben: Belasting afhankelijk starten en stoppen van generatoren; Automatisch synchroniseren aan het net; Parallel schakelen; Belasting verdelen.

De functies: Synchroniseren; Belasting verdelen; Uitgang voor regulateur; Spanning controle; Blindvermogen verdeling; Arbeidsfactor controle; Belasting afhankelijk starten en stoppen. Terug watt vermogen; Te hoge stroom; Te hoge / lage spanning; Te hoge / lage frequentie; Over belasting; A-symmetrische stromen; A-symmetrische spanningen; Beveiligingen aan het net; Opstarten na black-out; Non-preferente groepen trip bij overbelasting; Frequentie controle; Belasting controle; Net controle.

Beveiligingen:

Systeem E


4MVC

46


2002-2003

4MVC

figuur 2.5 In dit systeem worden alle handelingen bestuurd door een PLC. De verschillende functies die in de voorgaande systemen door verschillende units verricht werden, worden in dit systeem door een PLC verricht. In deze PLC kunnen de gewenste functies worden geprogrammeerd, zodat alle handelingen vanuit n unit per generatorset bestuurd kunnen worden De extra functies ten opzichte van de voorgaande systemen welke hierin toegepast kunnen worden zijn: Automatische selectie van generatoren; A-symmetrische belasting verdeling; Controle van de netschakelaar; Controle van de belastingverdeling; Handmatige controle van de belasting en frequentie; Uren teller; Controle panelen; Uren teller; Testen van alarmen; Kortsluitbeveiligingen; Verschillende bedrijf mogelijkheden; Blokkeren van grote gebruikers; Automatisch, semi-automatisch beveiligd en schakelbord bedrijf; Synchroniseren met de wal. De verschillende systemen kunnen op verschillende manieren worden samengesteld. De systemen kunnen worden samengesteld door middel van: Losse componenten met elke hun eigen functie. Het gewenste systeem kan door het toepassen van verschillende componenten worden verkregen. PLC welke zo kunnen worden geprogrammeerd dat deze de gewenste functies van de klant hebben. Voorbeeld PLC systeem


4MVC

47


2002-2003

4MVC

Figuur 2.6 Alle systemen zijn nu besproken, er moet nu een systeem gekozen worden welke het best functioneert binnen ons diesel-elektrisch schip. Om te kijken welk systeem er nodig is gaan we kijken welke functies we nodig hebben, de functies die we nodig hebben zijn:

Metingen: Vermogen; Spanning; Stroom; Cos ; Werkelijk vermogen; Blindvermogen; Frequentie.

Functies: Frequentie controle; Spanningscontrole; Belasting controle; Motor controle; Net controle; A-symmetrische belastingsverdeling; Automatische load sharing; Automatische synchronizer; Elektronisch stuursignaal voor diesel; Belasting afhankelijk starten / stoppen; Opstarten na black-out; Inschakelen / afschakelen van circuit-breaker; Autoselectie generatoren; Controle netschakelaar; Automatische start volgorde; Handmatig controle van de belasting en frequentie; Communicatie met andere systemen (DP).

Beveiligingen: Te hoge stroom; Te hoge belasting;


4MVC

48


2002-2003

4MVC

Terug watt vermogen; Beveiliging tegen een scheve belasting; Motor beveiliging; Generator beveiliging; Non-preferente groepen bij overbelasting afschakelen.

Als we na al deze metingen, functies en beveiligingen kijken komen we op een systeem uit dat vergelijkbaar is met het D of E systeem. We kunnen nu nog kiezen dit systeem met PLC uit te voeren of met aparte units. Wij hebben er voor gekozen om het systeem met PLC uit te voeren, dit is de uitvoering met het minste onderhoud.


4MVC

49

elektrischevoortstuwing2

Documents

Transcript of elektrischevoortstuwing2