Høgskolen i Telemark Vedlegg 10

Transkript

1 Høgskolen i Telemark Vedlegg 10 VEDLEGG 10 Beregning av kinetisk energi i svinghjulene: Beregningene nedenfor er gjort på svinghjulet 4, som skal benyttes videre i prosjektet. Tilsvarende beregning er gjort for alle svinghjulstypene og ført inn i tabell 1 til 4. Tabell 4 viser hvordan energien endrer seg avhengig av svinghjulstype. Snittegninger av de ulike svinghjulstypene er vist i vedlegg 8 Volum: ( ) π ( ) V1 = π R1 R2 h1 = 0,150 0, 079 0, 032 = 1, m V2 = π R2 h2 = π 0,079 0,020 = 4,0 10 m V3 = π R3 h3 = π 0,037 0,005 = 2,0 10 m Masse: m V kg 3 1 = ρ 1 = ,63 10 = 13,04 m = ρ V = = kg ,0 10 3,17 m = ρ V = = kg ,0 10 0,17 mtot = m1 + m2 + m3 = 13, ,17 + 0,17 = 16,38 kg Treghetsmomentet: 1 1 IV = m ( R + R ) = ( ) 1 13,04 0, ,079 = 0,19 kgm IV = m R = 2 3,17 0,079 = 0,01 kgm IV = m R = 3 0,17 0,037 = 1,1 10 kgm I = I + I + I = 0,19 + 0, 01+ 1,1 10 = 0, 20kgm Tot V1 V2 V3 4 2

2 Høgskolen i Telemark Vedlegg 10 Kinetiske energien ved turtall = o/min: Ek = ITot ω = 0, 20 2π = J Kinetiske energien omregnet fra joule til kwh: E k kwh = = = 0, ,6 10 3,6 10 Eksempelet er beregnet med 3 gjeldene siffer og gir at det er mulig å hente ut 0,069 kwh av svinghjulet uten tap. Den avgitte effekten vil bli mindre pga. tap. Tabell 1 Svinghjulenes dimensjoner Svinghjul type R 1 [m] R 2 [m] R 3 [m] h 1 [m] h 2 [m] h 3 [m] 1 0,150 0,079 0,037 0,064 0,020 0, ,150 0,079 0,037 0,054 0,020 0, ,150 0,079 0,037 0,039 0,015 0, ,150 0,079 0,037 0,032 0,020 0, ,150 0,079 0,037 0,027 0,015 0, ,125 0,079 0,037 0,064 0,020 0, ,125 0,079 0,037 0,059 0,015 0, ,125 0,079 0,037 0,054 0,010 0,005 Tabell 2 Svinghjulenes volum og masseelementer Svinghjul type V 1 [m3] V 2 [m 3 ] V 3 [m 3 ] m 1 [kg] m 2 [kg] m 3 [kg] 1 3,26E-03 3,96E-04 2,10E-05 26,08 3,17 0,17 2 2,75E-03 3,96E-04 2,10E-05 22,00 3,17 0,17 3 1,98E-03 2,97E-04 2,10E-05 15,89 2,38 0,17 4 1,63E-03 3,96E-04 2,10E-05 13,04 3,17 0,17 5 1,37E-03 2,97E-04 2,10E-05 11,00 2,38 0,17 6 1,87E-03 3,96E-04 2,10E-05 15,01 3,17 0,17 7 1,73E-03 2,97E-04 2,10E-05 13,83 2,38 0,17 8 1,58E-03 1,98E-04 2,10E-05 12,66 1,59 0,17

3 Høgskolen i Telemark Vedlegg 10 Tabell 3 Svinghjulenes totale masse, treghetsmoment og kinetiske energi Svinghjul type m Tot [kg] IV 1 [kgm 2 ] IV 2 [kgm 2 ] IV 3 [kgm 2 ] I Tot [kgm 2 ] E k [J] 1 29,42 0,38 1,00E-02 1,13E-04 0, ,34 0,32 1,00E-02 1,13E-04 0, ,44 0,23 7,50E-03 1,13E-04 0, ,38 0,19 1,00E-02 1,13E-04 0, ,55 0,16 7,50E-03 1,13E-04 0, ,35 0,16 1,00E-02 1,13E-04 0, ,38 0,15 7,50E-03 1,13E-04 0, ,42 0,14 5,00E-03 1,13E-04 0, Tabell 4 Svinghjulenes energi Svinghjul type kwh 1 0, , , , , , , ,049 Verdiene i tabell 1 til 4 er beregnet i Excel med flere desimaler enn i eksempelet ovenfor. Excel avrunder ikke mellomregninger og vil derfor avvike noe fra eksempelet. Det er i rapporten valgt å benytte svarene fra beregningene i Excel.

4 Høgskolen i Telemark Vedlegg 11 VEDLEGG 11 Beregning av tyngdepunktets massesenter til det roterende systemet i det mekaniske batteriet. Beregning av systemets tyngdepunkt Massene m 1, m 2 og m 3 svarer til massen i svinghjulet, se figur 1. Svinghjulets totale masse er summen av disse. Massen m 4 svarer til rotorens og rotorakselens masse, målt med vekt. Alle mål er hentet fra figur 1. Det er tatt utgangspunkt i at stålet som skal benyttes har en massetetthet på 3 8,08 10 kg/m 3 [14]. y m 2 m 1 m 3 m 4 x x 1 x 3 x 2 x 4 m = 11,31 kg m m m = 4,89 kg = 0,17 kg = 1,81 kg x = 10mm x x x = 20,6 mm = 22,5 mm = 43,5 mm Figur 1 Prinsippskisse for beregning av tyngdepunktet Figur 1 viser det roterende systemet plassert i et koordinatsystem. x-aksen går gjennom rotasjonsakselen. y-aksen er plassert vertikalt langs svinghjulet. På grunn av symmetri om x- aksen vil massesenterets y-koordinat bli null. Massesenteret vil da ligge langs x-aksen.

5 Høgskolen i Telemark Vedlegg 11 Systemets masse: ρ 3 2 m1 = V1 = 8, ,15 0,02 = 11,31 kg ( ) = ρ = π = m2 V2 8, ,15 0, , 012 4,89kg ρ 3 2 m3 = V3 = 8, , , 005 = 0,17 kg m = ρv = 1.81 kg ( målt med vekt) 4 4 π π Systemets totale masse: m = 11,31 + 4,89 + 0,17 + 1,81 = 18,17 kg Beregner dermed systemets x-koordinat med ligning (1.1). Tyngdepunkt ved massesentersetningen: m x + m x + m x + m x x x + x + x + x (1.1) Innsatt verdier i likning (1.1) 11, ,6 + 0,17 22,5 + 1,81 43,5 x = 16,78 mm 11, 31+ 4,89 + 0,17 + 1,81 xc = 16, ,5 = 26, 28mm Legger til 9,5 mm for å kompensere for avstanden fra y-aksen til lagerets senter. Massesenterets tyngdepunkt blir da 26,28 mm fra punktet A (midt på venstre lager) merket med rødt kryss på figur 2..

6 Høgskolen i Telemark Vedlegg 11 Figur 2 Prinsippskisse av roterende systemet Figur 2 viser prinsippskisse av det roterende systemet i batteriet, med inntegnet statiske krefter og massesenterets tyngdepunkt merket med rødt kryss. Beregning av statiske krefter Setter opp kraftbalansene ( ) 1 m g F F = 0 ( ) tot A B 2 F l m x = 0 B tot F B 18,17 9,81 26,28 = = 35, 48 N 132 F = m g F F A tot B A = 18,17 9,81 35, 48 = 142, 74 N Kreftene som virker på systemet blir: F A =143N og F B =36N

7 Høgskolen i Telemark Vedlegg 12 VEDLEGG 12 Tabell 1 viser en sammenlikning mellom kjemisk-batteribasert UPS og mekanisk UPS fra produsenten Avtivepower[1]. Tabell 1 Sammenlikning mellom kjemisk-batteribasert UPS og mekanisk UPS Comparison Matrix Flywheel Technology VRLA (10year) Battery-based Alternatives VRLA (20year) Flooded (20year) Life Span Design: 20+ Operational: since 1997 Design: 10 in float service Operational: 3 to 6, typical Design: 20 in float service Operational: 10 to 15, typical Design: 20 in float service Operational: 10 to 18, typical Discharge Cycles Unlimited for product life span shallow deep shallow deep shallow deep Maintenance Air filters: as req. Oil Change: 12 mos. Bearings: 30 mos. Preventative maintenance: 3 to 6 mos. Jar replacements: as req. Preventative maintenance: 3 to 6 mos. Jar replacements: as req. Preventative maintenance: 3 mos. Jar replacements: as req. "Green" Technology No environmental hazards HazMat disposal issues Spill containment Personnel safety EPA regulations HazMat disposal issues Spill containment Personnel safety EPA regulations HazMat disposal issues Spill containment Personnel safety EPA regulations HVAC requirements VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid) betyr ventil regulert bly batteri. Ventilen fungerer kun som en sikkerhetsventil og batteriet skal ikke påfylles væske. Flooded er basert på metallstaver i en elektrolyttvæske. Det trengs vedlikehold i form av påfyll av destillert vann.

8 Høgskolen i Telemark Vedlegg 13 VEDLEGG 13 PWM (Pulse Width Modulation). Pulsbreddemodulering kan brukes til å digitalt fremstille et analogt signal. Det blir brukt firkant puls der driftssyklusen (også kalt duty cycle) varierer. Dette fører til at gjennomsnittsverdien av signalet endres. Figur 1 viser at PWM signalet i et hvilket som helst tidspunkt er enten høyt eller lavt. Figur 1 PWM prinsippskisse Likning (1.1) er for beregning av PWM frekvensen.. f PWM 1 = (1.1) T Likning (1.2) er for beregning av driftssyklus. Likning (1.3) er for beregning av middelverdien til signalet D U τ = (1.2) T Mid = D U (1.3) Inn

9 Høgskolen i Telemark Vedlegg 13 Der f PWM er frekvensen til pulsbredde moduleringen, T er periodetiden., D er driftssyklusen, τ er tiden signalet er aktivt, innspenningen. U Mid er den gjennomsnittlige verdien av signalet og U Inn er I trege systemer er periodetiden lang, og i raske systemer er den kort. I varmekabelregulatorer er periodetiden i minutter, mens i frekvensomformere er periodetiden mikrosekunder (f.eks. f PWM =16kHz). Periodetiden må altså bestemmes etter hva utstyr som skal styres. PWM signalet genereres ofte i en mikrokontroller, og går derfra til en transistor. Denne virker som en bryter og slår spenningen av og på. I tregere system blir det noen ganger brukt releer i stedet for transistorer. Digitale kretser er ofte mindre og rimeligere en tilsvarende analoge kretser, men har en ulempe, de lager mye støy. Bakdelen med analoge kretser er at de ofte blir varme, siden effektutviklingen i kretsen er proporsjonal med spenningen over det aktive elementet ganget med strømmen gjennom elementet. [18] SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) Figur 2 Spwm prinsippskisse Sinusformet pulsbredde modulering er en måte å digitalt fremstille et sinusformet signal på. Det blir gjort ved å variere driftssyklusen til PWM signalet over en sinus kurve. Figur 2 viser at gjennomsnittet til PWM signalet vil være en sinuskurve.

10 Høgskolen i Telemark Vedlegg 13 Figur 3 Sinustabell prinsippskisse Programmessig blir en rekke verdier lastet inn i en tabell, se figur 3. De tre PWM verdiene hentes ut av tabellen med en avstand mellom dem som tilsvarer faseforskjellen mellom sinusspenningene i et trefasesystem. Antall verdier i tabellen blir bestemt etter hvor nøyaktig kurven skal være og hvor raskt mikrokontrolleren greier å oppdatere PWM utgangen. Mikrokontrollen som styrer PWM signalene i dette prosjektet er en Atmel Mega8 og har tre PWM utganger. Hver utgang styrer en fase. PWM kanalene er 8-bit, noe som gir en oppløsning på 256 verdier. Blir PWM-verdien satt til 128 blir driftssyklusen (D) lik 50 %. Sinustabellen er satt opp med 30 verdier for å lage en halvperiode. Det hadde vært ønskelig med flere, men å laste verdiene er ressurskrevende og mikrokontrolleren klarer ikke flere og samtidig opprettholde hastigheten. For å få en hel sinuskurve må PWM verdiene oppdateres 60 ganger. Ved denne oppdateringsfrekvensen greier mikrokontrolleren maksimalt å gi ut en sinusfrekvens på 2,2kHz 1, som er høyere enn den ønskede frekvensen på 1,5kHz. 1 Dette er utført ved testing av tidsbruken til programmet.

11 Høgskolen i Telemark Vedlegg 13 Figur 4 Prinsippskisse vekselretterbro For å lage trefase av likespenning brukes seks transistorer, koblet slik figur 4 viser blir det en vekselretterbro. Diodene brukes til å beskytte transistorene mot transienter. Figuren viser at transistor A og B styrer polariteten til utgangen U. Legges SPWM signal 1 inn på inngang A vil utgangen U bli en positiv halvperiode. Ved å bytte mellom A og B hver gang sinustabellen kommer til toppen vil resultatet bli en fullstendig sinus. Dette gjentas for SPWM signal 2 og 3 som styrer henholdsvis C,D og E,F. Resultatet vises i figur 5. Figur 5 Plot av trefase Figur 5 viser de tre fasespenningene som genereres av PWM verdiene.

12 Høgskolen i Telemark Vedlegg 14 VEDLEGG 14 Prinsippskjema for styring i motordrift Figur 1 viser prinsippskjema til programmet i mikrokontrolleren og de andre styrings komponentene i motordrift. Programmet begynner på toppen ved start og følger pilene nedover. I programmet er det noen steder lagt inn betingelser som må oppfylles før programmet går videre. Rektanglene beskriver en handling inne i programmet og parallellogrammene beskriver en inngang eller en utgang. Start ATMEGA16 Står svinghjulet i ro? Nei Skriver Vent til display Ja Setter startfrekvens, startspenning og magn.spenning Skriver Oppstart til display Sender magn. spenning Sender valgt spenning Sender valgt frekvens Øker frekvensen og spenning Lager valgt spenning Magn. Drivkrets Lager valgt spenning Triac Lager valgt frekvens LTC6903 Er dette maks spenning og frekvens? Nei Ja Sender spenning til rotorviklingen Sender spenning til transistorbrua Lager PWM ATMEGA8 Sender PWM til transistorbrua Skriver Oppladet til display Figur 1 prinsipiell virkemåte til styringen av Bosch maskinen i motordrift

13 Høgskolen i Telemark Vedlegg 15 VEDLEGG 15 Prinsippskjema for styring i generatordrift Figur 1 viser et prinsippskjema for programmet i mikrokontrolleren og de andre styrings komponentene i generatordrift. Programmet begynner på toppen ved start og følger pilene nedover. I programmet er det noen steder lagt inn betingelser som må oppfylles før programmet går videre. Rektanglene beskriver en handling inne i programmet og parallellogrammene beskriver en inngang eller en utgang. Figur 1 prinsipiell virkemåte til styringen av Bosch maskinen i generatordrift

14 Høgskolen i Telemark Vedlegg 16 VEDLEGG 16 Plot av Bosch generator fra produsenten Figur 1 viser et plot for Bosch dynamo typenummer Figuren viser laststrømmen I L, tilført effekt P1 og virkningsgraden η som funksjoner av turtall. Generatoren har en merkespenning på 14 V og en merkestrøm på 55 A Figur 1 Plot for Bosch Generator [7]

15 Høgskolen i Telemark Vedlegg 16 Tabell 1 inneholder en oversetting av den viktigste teksten i plotet fra tysk til norsk Tabell 1 Oversetting av de viktigste dataene fra grafen Tysk tekst i plot Kennlinien bei Enderwärmung Norsk oversetting Karakteristikk varm generator --- Kennlinien des kalten Generators Karakteristikk kald generator P 1 =Antriebsleistung einschließlich Lüfter η =Wirkungsgrad einschließlich Lüfter T U =Umgebungstemperatur T L =Luftansaugtemperatur 5% der Generatoren können die kennlinie an jedem Punkt bis zu 3% vom Nennstrom unterschreiten. * Anstelle Transistorregler U = 15V im Erregerkreis I P f n ; ; ( ) L 1 η = Bei U Gen = 14 Vconst [Maßung ohne Regler]* Drivkraft medregnet vifte Virkningsgrad medregnet vifte Omgivelsestemperatur Lufttilførselsestemperatur 5 % av generatorene kan i hvert punkt ha et avvik på inntil 3 % av merkestrømmen *I stedet for transistorregulatoren er det satt U = 15V i magnetiseringskretsen I ; ; L P1 η er funksjoner av turtallet ved generatorspenning U Gen = 14 Vkonst. [Målt uten Regulator]*

16 Høgskolen i Telemark Vedlegg 17 VEDLEGG 17 Måleresultater fra målinger gjort på Bosch maskinen i generatordrift Alle målinger gjort i denne laboratorietesten er tallverdier, siden vinklene til strøm og spenning ikke er tatt hensyn til i denne laboratorietesten. Tabell 1 viser måleresultater fra måling 1. målingen ble gjort med lastmotstand 13,3 Ohm og en linjestrøm på 1,1-1,2 A. I tabellen er det ført turtall [o/min], magnetiseringsspenning [V] og magnetiseringsstrøm [A] Tabell 1 Måleresultater fra måling 1 Måling 1 Turtall [o/min]magn. spenning [V]Magn. Strøm [A]Lastmotstand [Ohm]Linjespenning [V] Linjestrøm [A] 1030,00 17,40 5,30 13,30 14,00 1, ,00 11,78 3,70 13,30 14,00 1, ,00 7,76 3,38 13,30 14,00 1, ,00 5,89 2,10 13,30 14,00 1, ,00 5,04 1,60 13,30 14,00 1, ,00 4,35 1,45 13,30 14,00 1, ,00 4,05 1,19 13,30 14,00 1, ,00 3,87 1,22 13,30 14,00 1, ,00 2,50 0,79 13,30 14,00 1, ,00 1,76 0,56 13,30 14,00 1, ,00 1,36 0,44 13,30 14,00 1, ,00 1,08 0,35 13,30 14,00 1, ,00 0,93 0,31 13,30 14,00 1, ,00 0,76 0,36 13,30 14,00 1, ,00 0,78 0,27 13,30 14,00 1, ,00 0,68 0,23 13,30 14,00 1, ,00 0,55 0,19 13,30 14,00 1, ,00 0,51 0,17 13,30 14,00 1,13

17 Høgskolen i Telemark Vedlegg 17 Tabell 2 viser måleresultater fra måling 2 målingen ble gjort med lastmotstand 6, Ohm og en linjestrøm på 2,56-2,75 A. I Tabellen er det ført turtall [o/min], magnetiseringsspenning [V] og magnetiseringsstrøm [A] Tabell 2 Måleresultater fra måling 2 Måling 2 Turtall [o/min]magn. spenning [V]Magn. Strøm [A]Lastmotstand [Ohm]Linjespenning [V] Linjestrøm [A] 1150,00 17,07 5,05 6,30 14,00 2, ,00 11,94 3,36 6,30 14,00 2, ,00 7,07 2,07 6,30 14,00 2, ,00 5,65 1,68 6,30 14,00 2, ,00 4,80 1,44 6,30 14,00 2, ,00 4,31 1,31 6,30 14,00 2, ,00 2,64 0,81 6,30 14,00 2, ,00 1,93 0,61 6,30 14,00 2, ,00 1,48 0,50 6,30 14,00 2, ,00 1,26 0,43 6,30 14,00 2, ,00 1,08 0,37 6,30 14,00 2, ,00 0,97 0,33 6,30 14,00 2, ,00 0,89 0,30 6,30 14,00 2, ,00 0,82 0,27 6,30 14,00 2, ,00 0,79 0,26 6,30 14,00 2, ,00 0,76 0,25 6,30 14,00 2, ,00 0,76 0,25 6,30 14,00 2,62

18 Høgskolen i Telemark Vedlegg 17 Tabell 3 viser måleresultater fra måling 3. målingen ble gjort med lastmotstand 3,3 Ohm og en linjestrøm på 5,32-5,47 A. I tabellen er det ført turtall [o/min], magnetiseringsspenning [V] og magnetiseringsstrøm [A] Tabell 3 Måleresultater fra måling 3 Måling 3 Turtall [o/min]magn spenning [V]Magn. Strøm [A]Lastmotstand [Ohm]Linjespenning [V] Linjestrøm [A] 1177,00 17,45 5,00 3,30 14,00 5, ,00 13,10 4,05 3,30 14,00 5, ,00 8,29 2,72 3,30 14,00 5, ,00 7,36 2,20 3,30 14,00 5, ,00 6,19 1,88 3,30 14,00 5, ,00 5,25 1,61 3,30 14,00 5, ,00 4,70 1,44 3,30 14,00 5, ,00 3,15 0,98 3,30 14,00 5, ,00 2,49 0,79 3,30 14,00 5, ,00 2,13 0,68 3,30 14,00 5, ,00 1,87 0,60 3,30 14,00 5, ,00 1,76 0,57 3,30 14,00 5, ,00 1,65 0,54 3,30 14,00 5, ,00 1,57 0,52 3,30 14,00 5, ,00 1,51 0,49 3,30 14,00 5, ,00 1,46 0,48 3,30 14,00 5, ,00 1,43 0,48 3,30 14,00 5,39

19 Høgskolen i Telemark Vedlegg 17 Tabell 4 viser måleresultater fra måling 4. målingen ble gjort med lastmotstand 1,2 Ohm og en linjestrøm på 10,66-10,93 A. I tabellen er det ført turtall [o/min], magnetiseringsspenning [V] og magnetiseringsstrøm [A] Tabell 4 Måleresultater fra måling 4 Måling 4 Turtall [o/min]magn spenning [V]Magn. Strøm [A]Lastmotstand [Ohm]Linjespenning [V] Linjestrøm [A] 1330,00 14,70 4,13 1,20 14,00 10, ,00 9,25 2,80 1,20 14,00 10, ,00 7,87 2,41 1,20 14,00 10, ,00 7,05 2,16 1,20 14,00 10, ,00 6,03 1,87 1,20 14,00 10, ,00 5,41 1,66 1,20 14,00 10, ,00 4,05 1,26 1,20 14,00 10, ,00 3,43 1,08 1,20 14,00 10, ,00 3,12 0,99 1,20 14,00 10, ,00 2,89 0,92 1,20 14,00 10, ,00 2,78 0,89 1,20 14,00 10, ,00 2,70 0,87 1,20 14,00 10, ,00 2,60 0,84 1,20 14,00 10, ,00 2,60 0,86 1,20 14,00 10,90 Av tabell 1 til 4 er det målingen i tabell 1 som ga flest måleresultater. Grunnen til dette er at drivmotorens maksimalturtall redusertes ved økende belastning. Dermed benyttes det måleresultater fra tabell 1 til å kurvetilpasse en funksjon med minste kvadraters metode. For å se hvordan linjespenningen til generatoren ser ut, ble spenningskurvene i generatordrift plottet med oscilloskop. Plottet er vist i figur 1. Det ble tilkoblet en ren Ohmsk trekantkoblet belastning. Hver belastningsmotstand var på 38,2 Ohm. Generatorturtallet var på 5100 o/min, magnetiseringsspenning U m = 1,35 V og magnetiseringsstrøm i m = 0,44 A.

20 Høgskolen i Telemark Vedlegg 17 Figur 1 spenningskurve med amplitudeverdi Figur 1 viser linjespenningen til generatoren under belastning der Cursor 2 viser amplitudeverdien.

21 Høgskolen i Telemark Vedlegg 18 VEDLEGG 18 Måleresultater fra målinger gjort på Bosch maskinen i motordrift. Formålet med denne målingen var å finne vinkelen mellom strøm og spenning i motordrift ved frekvensen 50 Hz. Fasestrømmen ble satt til I, = 2,92 A og fasespenningen til U, = 3,61 A. Figur 1 viser f rms kurven til mororens fasespenning som rød kurve og motorens linjestrøm som grønn kurve. f rms Figur 1 plot av spenning (rød) og strøm (grønn)

22 Høgskolen i Telemark Vedlegg 18 Figur 2 viser motorens fasespenning som rød kurve og motorens linjestrøm som grønn kurve. I denne plotten er det innsatt markeringer for kurvenes nullpunkter (blå linje og lilla linje). Disse markeringene indikerer tidsforskjellen mellom strøm og spenning. Datavinduet i figuren viser tidsforskjellen som dx = 3,5587 ms. Figur 2 plot av spenning (rød) og strøm (grønn) med tidsforskjellen mellom disse