RAPPORT FRA 5. SEMESTERS UNDERVISNINGSPROSJEKT HØSTEN 2006 Prosjekt elkraftteknikk EF Mekanisk batteri

Transkript

1 Avdeling for teknologiske fag Ingeniørutdanningen RAPPORT FRA 5. SEMESTERS UNDERVISNINGSPROSJEKT HØSTEN 2006 Prosjekt elkraftteknikk EF Mekanisk batteri Avdeling for teknologiske fag Adresse: Kjølnes ring 56, Pb 203, 3918 Porsgrunn, telefon , Ingeniørutdanning - Sivilingeniørutdanning Doktorgradsutdanning

2 Avdeling for teknologiske fag Ingeniørutdanningen RAPPORT FRA 5. SEMESTERS UNDERVISNINGSPROSJEKT H 2006 Tema: Prosjekt elkraftteknikk Tittel: Mekanisk batteri Prosjektgruppe: EF Tilgjengelighet: Åpen Gruppedeltakere: Karakter: Dato: Signatur hovedveileder/sensor: Morten Dalaker Ben Kristian Johansen Gunleik Minnesjord Stian Resaland Arnulv Steinholt Hovedveileder: Biveileder/sensor: John Langeland Jan Gunnar Lode Godkjent for arkivering: Dato: Sammendrag: Målet med prosjektet er å prosjektere et mekanisk batteri og nødvendig styring. Det mekaniske batteriet skal være en prinsipiell modell, der det er lagt vekt på virkemåte og prinsipper. Rapporten omhandler innføring i mekanisk batteri, teori om motor og generator, fysiske beregninger, styringsprinsipper og konstruksjon. Et mekanisk batteri består av et svinghjul for lagring av kinetisk energi, samt en eller flere elektriske maskiner. Den kinetiske energien i svinghjulet er beregnet til 0,068 kwh ved o/min. Som elektrisk maskin skal det benyttes en Bosch bildynamo. Maskinen skal benyttes i både motordrift og generatordrift. Til motordriften skal det lages en frekvensomformer som skal drive motoren til ønsket turtall. I generatordrift skal batteriet gi stabilt 12 VDC. Konstruksjonen skal ivareta sikkerheten under drift. Utførte laboratorietester er: magnetiseringsspenning i generatordrift, bestemmelse av R m og X m i motordrift og test av generator ved remanens. Verktøy benyttet til utarbeidelse av rapporten er: Word, Excel, Visio, Paint, MathType, Autocad og SolidWorks. Høgskolen tar ikke ansvar for denne studentrapportens resultater og konklusjoner. Avdeling for teknologiske fag

3 Forord FORORD Høsten 2006 har vi ingeniørstudentene ved 3. års Y-vei retning elkraft og automasjon gjennomført et forprosjekt. Formålet har vært å lære seg elementene som inngår i et mekanisk batteri til bruk i avbruddsfri strømforsyning. Arbeidet som er gjort i høst er å regne som et forprosjekt til hovedprosjektet våren Det kreves grunnleggende elektrokunnskaper innen motor/generator teori samt styringsprinsipper for å lese rapporten. Beregningene er hovedsakelig plassert i vedlegg med noen unntak. Det samme gjelder konstruksjonstegninger og figurer som viser den prinsipielle programutførelsen. Det er også laget en internettside som inngår i prosjektet. Gruppen vil gjerne takke følgende enkeltpersoner og firmaer for deres bidrag til dette prosjektet: Eivind Fjelddalen, overingeniør HiT Thor Otto Johansen, overingeniør HiT Arne Totland, førstelektor HiT Pål Fredriksen, Danfoss AS Tommy Fjeld, elektroingeniør Eramet Norway AS Vinitek Elektro Bosch Norge Norske Skog Union Eidanger Mek verksted Porsgrunn Morten Dalaker Ben Kristian Johansen Gunleik Minnesjord Stian Resaland Arnulv Steinholt EF

4 Innholdsfortegnelse INNHOLDSFORTEGNELSE Forord...3 Innholdsfortegnelse Innledning Mekanisk batteri Valg av elektrisk maskin Valg av Styringsmetode Teori Generatorteori Motorteori Bosch synkronmaskin Beregning av treghetsmoment Beregning av tyngdepunkt på opplagringspunkt Styring Mikrokontroller Styringsprinsipper Motordrift Generatordrift Laboratorietesting Bestemming av resistansen R m og induktansen L m i motoren Laboratorietesting av Bosch synkronmaskin i generatordrift Laboratorietesting av Bosch generator ved remanens Laboratorietesting av stjernekoblet synkronmaskin i motordrift Konstruksjon Konstruksjonsmessig tankegang Kjøling Valg av materiale diskusjon...44 Referanseliste...45 Vedleggsliste...47 EF

5 Innledning 1 INNLEDNING Ettersom behovet for avbruddsfri spenningstilførsel øker i verden, øker også kravet til utstyret som leverer avbruddsfri spenning. En grunn til at behovet øker er at dagens samfunn støtter seg mer på elektriske hjelpemidler enn før. Avbruddsfrie strømforsyninger har som regel vært basert på kjemisk-batteribaserte løsninger. En annen løsning er å lagre energien kinetisk i et mekanisk batteri. Oppgaven til gruppen er å prosjektere et mekanisk batteri som skal realiseres våren Et mekanisk batteri består av en motor/generator som driver et svinghjul opp i turtall for å lagre kinetisk energi. Batteriet i normaldrift blir drevet av en elektrisk motor for å opprettholde turtallet i svinghjulet. Ved behov blir den kinetiske energien hentet ut ved hjelp av en generator. Målet med dette forprosjektet er å prosjektere et mekanisk batteri, samt nødvendig styring. Dette skal være en prinsipiell modell, der det er lagt vekt på virkemåte og prinsipper. Styringen skal sørge for at utspenningen blir avbruddsfri. For å komme frem til målsetningen skal prosjektet inneholde: valg av komponenter planlegging og tilrettelegging for å bygge et mekanisk batteri i full skala prosjektert egnet styring konstruksjonstegninger målinger på motor/generator for å finne turtall, strømstyrke og belastninger teori o Fysiske beregninger o Styring o Generatorteori o Motorteori o Konstruksjon Avgrensing. Batteriet skal være en prinsipiell modell Det tas ikke hensyn til virkningsgrad Det tas ikke hensyn til levetiden på produktet Det legges ikke vekt på å optimalisere konstruksjonen EF

6 Mekanisk batteri 2 MEKANISK BATTERI Et mekanisk batteri (MB) er i prinsippet det samme som et batteri men i stedet for å lagre energien kjemisk, lagrer det kinetisk energi. Energien lagres ved å spinne et svinghjul opp i høyt turtall. I dette prosjektet er MB tenkt brukt i en UPS (Uninterruptible Power Supply). Figur 2-1 Prinsippskisse for MB [13] Figur 2-1 viser at MB ofte er kompakt der motoren også fungerer som generator. Ved bruk av både motor og generator ville kostnadene øke i tillegg til at det ble flere feilkilder i anlegget. Siden friksjonen i mekaniske lager vil øke proporsjonalt med turtallet blir det benyttet magnetiske lager på mer avanserte systemer. Dette gjør at turtallet kan økes slik at også den lagrede energien kan økes. Den kinetiske energien i et slikt anlegg øker kvadratisk med turtallet. I slike systemer er det normalt å bruke børsteløse permanentmagnetmotorer som når turtall i området o/min[17], der hele det roterende systemet er i vakuum for å minske friksjonen. Svinghjulet i slike systemer er ofte laget av karbonfiber eller andre sterke komposittmaterialer. Komposittmaterialer har den egenskapen at når sentrifugalkreftene blir så store at de overgår strekkbruddgrensen til materialet så sprenges stoffet opp til tynne fibrer og mister raskt sin kinetiske energi. Dette gjør det ikke ufarlig, men i forhold til et metallhjul som ville ha oppløst seg i tyngre fragmenter er det en hel del sikrere. EF

7 Mekanisk batteri Før havari Etter havari Figur 2-2 Svinghjul laget av komposittmaterialer [15] Figur 2-2 viser et svinghjul laget av komposittmaterialer før og etter et havari. Mekaniske batterier har mange bruksområder. De blir brukt i elektriske busser og trikker for å hindre at de trekker for stor strøm fra tilførselslinjen ved akselerasjon. De er også mye benyttet i UPS er i radarstasjoner og sykehus på grunn av høy driftsikkerhet. Det er også mulig å bruke et MB til å fasekompensere nettet, dersom motoren er en synkronmaskin. Når motoren er overmagnetisert leverer den induktiv reaktiv effekt til nettet, når den er undermagnetisert opptar den induktiv reaktiv effekt fra nettet [8]. En av de mer spesielle bruksområdene er laboratorier til testing av sikringer og andre typer vern. På grunn av høye strømmer ved testing av maksimal kortslutningsstrøm i vern 1, er ikke disse testene aktuelle å kjøre direkte fra nettet. Store MB blir da brukt til å drive disse eksperimentene. Ifølge en rapport utført av NASA er 98 % [11] av spenningsfallene i nettet mindre enn 10 sekunder. Det gjør at et MB passer veldig bra til å ta de kortvarige nettutfallene frem til en evt. dieselgenerator kobler inn for å ta de mer langvarige nettutfallene. Normal driftstid på et MB pleier ikke å være lenger enn sekunder. Euro-Diesel som er en produsent gjør det på en annen måte. De kobler sammen alle komponentene i en enhet der svinghjulet blir drevet av synkronmaskinen til nettspenningen faller. Da brukes den kinetiske energien til å både forsyne nettet via synkronmaskinen samtidig som elektroclutchen slår inn slik at svinghjulet også brukes til å hjelpe i gang dieselmotoren. Når så dieselmotoren er kommet opp i fart, er det den som driver synkronmaskinen A automatsikringer er ofte godkjent for 10 ka kortslutning EF

8 Mekanisk batteri Figur 2-3 Mekanisk batteri fra Euro-Diesel [5] Figur 2-3 viser hvordan Euro-Diesel bygger en avbruddsfri strømforsyning (UPS). MB har flere store fordeler i forhold til bruk av batteribanker som energikilde. Størrelse i forhold til vektforholdet er bedre enn for kjemiske batterier. Det samme kan sies om vekt til effekt forholdet. Siden det i avanserte systemer er praktisk talt ingen friksjon pga bruk av magnetiske lager og vakuum er virkningsgraden høy på slike anlegg, det er vanlig med virkningsgrad på 97 %, mens en batteridrevet UPS ligger på ca 93 % [4]. Siden friksjonskoeffisienten er lav er det og minimalt med slitasje slik at serviceintervallet kan utvides i forhold til batterier. Der batterier trenger syrepåfylling ved 3-6 måneders mellomrom og utbytte ved ca 3 års mellomrom kan et MB greie seg med et lagerskifte per 30 måneder og oljeskift en gang i året. Når levetiden på nye MB nærmer seg 20 år, betyr det også at det vil lønne seg økonomisk i forhold til bruk av batterier. Hovedgrunnen til at MB ikke blir brukt så ofte som kjemiske batterier i UPS er er at det innebærer en ganske stor engangsinvestering. Likevel vil lavere driftsutgifter gi bedre totaløkonomi enn en kjemisk-batteribasert løsning. Et annet aspekt er at det ikke blir avfall i form av miljøskadelige batterier som det vil bli ved bytte av batterier. Andre fordeler med MB er at de har kort oppladningstid, normalt rundt 2 minutter, og en har alltid kontroll over lagret energi, det er bare å måle hastigheten på svinghjulet. I teorien kan det lades ut et uendelig antall ganger mens levetiden til et kjemisk batteri alltid vil være begrenset av maksimalt antall utladninger. Sammenlikning av kjemisk-batteribasert UPS og mekanisk UPS fra produsenten Activepower [1] er vist i vedlegg 12. EF

9 Mekanisk batteri Den største bakdelen med mekaniske batterier er faren for overbelastning av svinghjulet. Den maksimale hastigheten, (og dermed maksimal energilagring) er begrenset av materialets strekkfasthet. Som følge av dette trenger en kraftige kapsler rundt svinghjulet for å unngå at fragmenter fra et havarert svinghjul trenger gjennom beskyttelseskammeret og skader omgivelsene. Mange som benytter MB plasserer de i egnede rom, ofte under bakken, for å begrense skadene ved evt. havari av svinghjulet. En annen bakdel er ved bruk i kjøretøy kan et hjul spunnet opp i høy hastighet virke som et gyroskop slik at det vil påvirke kjøreegenskapene til et kjøretøy når det svinger. Den letteste måten å komme rundt dette problemet er å bruke to mindre mekaniske batteri som roterer i motsatt retning av hverandre. Summen av to like store krefter som virker i hver sin retning er alltid null. Bruksområdet til det mekaniske batteriet i prosjektet. Det mekaniske batteriet er tenkt brukt sammen med egnet styring slik at resultatet blir en UPS. MB skal driftes av 230 VAC direkte fra nettet mens den avbruddsfrie spenningen skal være 12 VDC. 2.1 Valg av elektrisk maskin Det ble vurdert forskjellige elektriske maskiner for bruk i dette prosjektet. Alternativ 1 var å bruke separat motor og generator plassert på hver sin side av svinghjulet. Denne løsningen vil gi en enkel styringsløsning. Bakdelen er at det måtte ha blitt brukt flere lager for å få det stabilt noe som ville øke sannsynligheten for feil og i tillegg øke friksjonen i systemet. Alternativ 2 som ble testet og som fungerte fint i praksis var å bruke en universalmotor fra en vaskemaskin. Motoren ble kjørt som en DC seriemotor og hastigheten ble regulert ved hjelp av pulsbredde modulering. Ved bruk som generator ble det kjørt DC spenning på statoren og hentet ut spenning fra rotoren. Fordelen ved denne maskinen er at det er lett å få motoren opp i o/min som er ønsket turtall. Bakdelen er at spenningen ved generatordrift må tas ut fra kullbørstene fra rotoren noe som medfører stor slitasje på børstene. Alternativ 3 var å bruke en bildynamo som er en trefase synkron sleperingsmaskin. Maksimalturtallet til en slik maskin er normalt o/min. Maskinen kan også brukes som motor. Fordelen er at det er en robust konstruksjon samtidig som energien blir hentet ut av EF

10 Mekanisk batteri statoren ved generatordrift, slik at det blir mindre belastninger på kullbørstene. Bakdelen er at en synkronmaskin ikke har sakking som fører til en mer avansert oppstartsprosedyre. Løsningen med bildynamoen ble valgt på bakgrunn av at den er mer driftsikker enn universalmotoren og systemet får en mindre friksjonskoeffisient og blir litt mer elegant enn separat motor/generator kobling. Figur 2-4 Sprengbilde av en bildynamo[10] Figur 2-4 viser et sprengbilde av en bildynamo. I dette prosjektet er det kun benyttet statoren (merket 4) og rotoren (merket 3) uten bakre lager fra bildynamoen. Oppbyggingen er den samme for Bosch dynamoen brukt i dette prosjektet. 2.2 Valg av Styringsmetode Det er tenkt i dette prosjektet å benytte en frekvensomformer til å drive Bosch dynamoen som motor. Siden en vanlig industriell frekvensomformer ikke greier å gi den frekvensen som er nødvendig for å drive motoren til ønsket turtall, må det bygges en egen frekensomformer. For å få til dette blir det brukt en vekselretterbro fra en eksisterende frekvensomformer for deretter å bygge en egen styring til broen. I styringen til det MB er det valgt å bruke mikrokontrollere, dette fordi disse er raske nok til å lage de ønskede frekvensene. Mikrokontrollerne er også enkle å implementere i styringen. Styringen vil bestå av to mikrokontrollerer av typen Atmel. EF

11 teori 3 TEORI Kapittelet tar for seg grunnleggende teori om synkronmaskinen i generatordrift og motordrift. Kapittelet tar også for seg litt om konstruksjonen til valgt synkronmaskin og fysiske beregninger på det roterende systemet i batteriet, bestående av synkronmaskinens rotor og batteriets svinghjul. 3.1 Generatorteori Figur 3-1 illustrerer prinsippet for en 4-polet synkrongenerator med tilhørende feltlinjer (røde stiplede linjer). Feltviklingene er lagt slik at polene i rotoren (4) har vekslende polaritet. Feltviklinger (3) Rotor(4) -a 1 a 1 a 2 N-antall stator vindinger (1) -a 2 Stator (2) Figur 3-1 Prinsippskisse for en 4-polet synkrongenerator[19] I figur 3-1 består Statorviklingen (1) av 2 spoler a 1, -a 1 og a 2, -a 2 som er koblet i serie. Hver spole spenner over en halv fluksperiode. Når feltviklingene (3) blir tilført spenning og rotoren (4) roterer, induseres det en spenning E m i statoren. Siden statorspolene spenner over en halv fluksperiode, vil derfor den induserte spenningen få 2 sinusformede perioder for hver omdreining til rotoren. I figur 3-2 er rotorens omdreining kalt θ mekanisk vinkel (1), mens elektrisk vinkel er kalt θ indusert spenning (2). EF

12 teori Figur 3-2 viser en sammenligning mellom den induserte spenningens omløp med rotorens omløp. Den induserte spenningens frekvens f er to ganger rotorens omdreiningstall. θ, mekanisk vinkel (1) π π π 3π 2π 5π 3π 7π π 4π θ, indusert spenning (2) Figur 3-2 Prinsipp for flukstetthetens forløp i forhold til mekanisk vinkel [19] Synkrongeneratorens tomgangskarakteristikk Når synkrongeneratorens drivturtall holdes konstant kan den induserte spenningen (klemmespenningen) endres ved å endre magnetiseringsstrømmen i polhjulet. Figur 3-3 illustrerer tomgangsspenningen som funksjon av magnetiseringsstrømmen i en gitt synkrongenerator med konstant turtall. I dette tilfellet induserer generatoren en spenning selv ved en magnetiseringsstrøm I f = 0. Dette skyldes remanens i jernkjernen. Det vises i figuren at kurven flater ut når den passerer 450 V. Dette skyldes at jernkjernen går i metning og tomgangsspenningen endrer seg ikke nevneverdig selv om magnetiseringsstrømmen økes. Tomgangskarakteristikk 500 Tomgangsspenning [V] Magnetiseringsstrøm If [A] Figur 3-3 Plot av tomgangskarakteristikken til en synkrongenerator [10] EF

13 teori Synkrongeneratoren under belastning Effektivverdien av indusert spenning i generatoren er avhengig av den magnetiske flukstettheten B etter likning (3.1)[3]: E = 4, 44 f N B A[ V ] (3.1) m Der B er flukstetthet [T], N er antall vindinger, A er vindingstrådens tverrsnitt [mm 2 ], f er frekvensen. Sammenhengen mellom flukstettheten, B, og feltstyrken H er gitt ved likning (3.2)[2]: B = µ H [ T ] (3.2) Der µ er det magnetiske materialets permeabilitet [ Wb / A m] og H er magnetisk feltstyrke [At/m]. Den magnetiske feltstyrken, H, er proporsjonal med magnetiseringsstrømmen gitt ved likning (3.3)[2]: H i N l [ At / m] m = (3.3) Der i m er magnetiseringsstrøm [A], N er antall vindinger i spolen og l er gjennomsnittslengden på spolekjernen. Sammenhengen mellom likning (3.1) - (3.3) gir at ved økende magnetiseringsstrøm øker indusert spenning. Likningene sammensatt gir likning (3.4)[3]. 2 im N Em = 4, 44 f µ A[ V ] (3.4) l Ved økende belastning på generatoren reduseres vinkelhastigheten ω [rad/s] og indusert spenning reduseres. Dette kan kompenseres ved å øke magnetiseringsstrømmen. Denne egenskapen gjør at synkrongeneratorens klemmespenning kan opprettholdes uavhengig av belastningen. Bestemmelse av aktiv effekt i en generator Aktiv effekt i en synkrongenerator er avhengig av indusert spenning E m i statoren, fasespenningen U f, induktansen X s og polhjulsvinkelen β. Uttrykket for den aktive effekten, P, blir etter likning (3.5)[3]. Em U f P = sin β [ W ] (3.5) X s EF

14 teori Vinkelen β er polhjulsvinkelen i generatoren. Dette er vinkelen mellom indusert spenning i statoren E m og fasespenningen U f. Figur 3-4 viser pr. faseskjema for en stjernekoplet generator, hvor indusert spenning, induktansen Z s og fasespenningen er inntegnet. Normalt er Rs X s og kan derfor fjernes i beregninger. I Bosch maskinen brukt i dette prosjektet er statorens vindingstall få. R s vil da få en større betydning og må tas hensyn til i beregningene. Figur 3-4 Pr. faseskjema for en synkrongenerator Virkningsgraden, η, er gitt ved likning (3.6)[8]. P P Der P 2 er avgitt effekt og P 1 er tilført effekt. 2 η = (3.6) 1 Momentet T som tilføres akselen på en synkrongenerator er gitt ved likning (3.7)[8]. T 60 P 2π n 1 = [ Nm] (3.7) Der n er generatorturtallet. EF

15 teori 3.2 Motorteori Ved motordrift skifter den aktive effekten retning. Den leveres nå fra nettet til motoren. Polhjulsvinkelen β skifter retning slik at fasespenningen U f vil ligge vinkelen β foran den induserte spenningen E m. Synkronmotoren i drift kan brukes som fasekompensator. Figur 3-5 Oversikt over effektforholdene for synkronmaskiner.[3] Figur 3-5 illustrerer en oversikt over effektforholdene i en synkronmaskin i forhold til endringen av ankerstrømmen. Figuren gjelder for både generatordrift og motordrift. Når linjestrømmen I L sin vinkel ϕ < 180, leverer motoren induktiv reaktiv effekt til nettet. Se figur 3-5. Den er da overmagnetisert og har en kondensatorvirkning. Er linjestrømmens vinkel ϕ >180, opptar motoren reaktiv effekt fra nettet. Den er da undermagnetisert og har en spolevirkning. Synkrongeneratoren og motoren kan dermed både ta opp og levere reaktiv effekt til nettet ved å variere magnetiseringsstrømmen. EF

16 teori P P max -180 o -90 o 0 90 o 180 o β Ustabil Stabil Stabil Ustabil Motordrift Generatordrift Figur 3-6 Synkronmaskinens effekt ved forskjellig polhjulsvinkel[8] Figur 3-6 illustrerer synkronmaskinens effekt ved forskjellige polhjulsvinkler og når maskinen er stabil eller ustabil. Når polhjulsvinkelen er o 90 oppnås maksimal effekt og moment etter likning (3.5) og likning (3.7). Rotorpolene står da midt i mellom nord og sørpolene i stator, se figur 3-1. Når polhjulsvinkelen blir for stor ( β > 90 ), se figur 3-6, vil momentet falle og maskinen blir ustabil. I generatordrift ruser maskinen, mens i motordrift stopper maskinen. EF

17 teori 3.3 Bosch synkronmaskin Figur 3-7 viser konstruksjonen til Bosch maskinen som skal brukes i dette prosjektet. Maskinen er en trefase synkron sleperingsmaskin med merkespenning 14 VAC og merkestrøm 55 A. Rotoren har en kloformet utførelse med 12 tagger. Som vist i figuren danner disse 12 taggene rotorens sør og nord poler. Denne konstruksjonen har dermed 12 poler som vil si 6 polpar. Figur 3-7 Stator og rotor fra Bosch maskin Med 6 polpar vil Bosch maskinen rotere med 500 o/min ved 50 Hz i motordrift, se likning (3.8) [8]. Dette betyr at frekvensomformeren må ha et frekvensområde opp til 1500Hz for at maskinen skal drives opp til ønsket turtall. 60 f n = (3.8) P Der n er turtall, f er frekvens og P er polpar. Det er i vedlegg 16 vist et plot av laststrøm, effekt og effektfaktor i generatordrift. Dette plottet er fra produsenten og det eneste som er tilgjengelig av data. Plottet inneholder kurver for maskinen i kald tilstand og i driftstemperatur, uten regulering av magnetiseringsstrøm. Statorviklingene er bølgeviklinger[3] der hver fasevikling har antall bølger som svarer til antall poler i rotoren. Hver bølgevikling har 10 vindinger. Statorviklingene har en diameter på 1,6 mm (målt) som svarer til et tverrsnitt på 2,0 mm 2. Mekanisk er statoren konstruert med lamellert stål i stator, mens rotoren er konstruert i presstål. For å få flere data på denne maskinen er det utført laboratorietestinger. Disse er omtalt i kapittel 5. EF

18 teori 3.4 Beregning av treghetsmoment Kapittelet tar for seg maksimal energi, uten tap, på 8 forskjellige svinghjul. Det er ikke tatt hensyn til rotorens treghetsmoment. Formeler benyttet til utregningene går frem av likning (3.9)- (3.14). Beregningene er utført i Excel og resultatene vist i tabell 3-1. Formålet med beregningene er å vise hvordan svinghjulets radius, vekt og konstruksjon virker på den kinetiske energien og effekten. I beregningene av energien til svinghjulene er det benyttet formlene: Treghetsmoment for en homogen sylinder[12]: Treghetsmoment for en hul sylinder[12]: Kinetisk energi ved rotasjonsbevegelse[12]: 1 I mr kgm = (3.9) 1 I m( R1 R2 ) kgm = + (3.10) n Ek Iω I 2π J = = [ ] (3.11) Volumet av en sylinder[12]: V 2 3 = π R h m (3.12) Massetettheten til bløtstål[14]: ρ = 8, kg m 3 3 (3.13) Effekt i kwh omregnet fra energi i joule: E k kwh = 3, (3.14) EF

19 teori Figur 3-8 Snitt av svinghjul Figur 3-9 Svinghjulet i 3d Figur 3-8 viser snitt av svinghjulets oppdeling og figur 3-9 viser en 3d tegning av svinghjulet. Det er delt inn i tre forskjellige volumelementer. V 1 blir en hul sylinder og V 2 og V 3 blir sylindriske. Dette fordi svinghjulets konstruksjon gjør at det må beregnes treghetsmomentet til de forskjellige volumelementene. Tabell 3-1 Svinghjulenes dimensjoner Svinghjultype 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 3-1 viser dimensjonene til svinghjulene. EF

20 teori Tabell 3-2 Kinetisk energi og energi i kwh for de ulike svinghjulstypene ved o/min Svinghjul type Ek [J] kwh , , , , , , , ,049 Tabell 3-2 viser kinetisk energi og kwh til de forskjellige svinghjulene. Beregningene er uten tap. Av tabell 3-1 og 3-2 går det frem at den fysiske utformingen av svinghjulet har betydning for hvor mye energi det er mulig å hente ut. Det er svinghjul 4 som er valgt for videre konstruksjon av det mekaniske batteriet. Det er beregnet til å kunne gi 0,068 kwh ved o/min. Total beregning er vedlagt i vedlegg 10. Valget av svinghjulskonstruksjon er gjort ut i fra sikkerhetsmessige årsaker. I vedlegg 8 er det vist snittegninger av de ulike svinghjulene. 3.5 Beregning av tyngdepunkt på opplagringspunkt Kapittelet tar for seg beregninger av tyngdepunktet og kreftene på opplagringspunktene til den roterede delen på det mekanisk batteriet. Beregning av systemets tyngdepunkt Massene m 1, m 2 og m 3 svarer til massen i svinghjulet, se figur Svinghjulets totale masse er summen av hver masse. Massen m 4 svarer til rotorens og rotorakselens masse. Alle mål er hentet fra figur Det er tatt utgangspunkt i at stålet som skal benyttes har en massetetthet på 3 8,08 10 kg/m 3 [14]. EF

21 teori 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 3-10 Prinsippskisse for beregning av tyngdepunktet Figur 3-10 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. Beregner dermed systemets x-koordinat med ligning (3.15). Tyngdepunkt ved massesentersetningen[6]: m x + m x + m x + m x x x + x + x + x (3.15) Massesenterets tyngdepunkt, merket med rødt kryss på figur 3-11, blir 26,28 mm fra punktet A. Hele beregningen av tyngdepunktet er vist i vedlegg 11. EF

22 teori Figur 3-11 Prinsippskisse av det roterende systemet Figur 3-11 viser prinsippskisse av det roterende systemet, med inntegnet statiske krefter og massesenterets tyngdepunkt merket med rødt kryss. Beregning av statiske krefter Setter opp to likninger. Likning (3.16) tar utgangspunkt i Newtons 2. lov hvor summen av kreftene = 0 mtot g FA FB = 0 (3.16) Likning (3.17) tar utgangspunkt i Newtons 2. lov hvor summen av kraftmomentene = 0 Løser likning (3.16) og (3.17) med hensyn på F B F l m x = 0 (3.17) B tot FB 18,167 9,81 26,28 = = 35, 48 N 132 Setter in F B inn i likning (3.16) og finner F A FA = 18,167 9,81 35, 48 = 142, 74 N Kreftene som virker på systemet blir: F A =143N og F B =36N EF

23 Styring 4 STYRING Dette kapitelet tar for seg hvordan det mekaniske batteriet skal styres for å gi avbruddsfri utspenning. Kapittelet beskriver også hva en mikrokontroller er og hvordan styringen i batteriet skal fungere i både motor og generatordrift. Det er kun prinsippene som er beskrevet og det er ikke tatt med reguleringstekniske løsninger og programkoder. Dette vil bli nærmere utdypet i hovedprosjektet. 4.1 Mikrokontroller En mikrokontroller er en IC som kan programmeres til å gjøre forskjellige oppgaver. Det finnes mikrokontrollere i for eksempel mobiltelefoner, klokker, kalkulatorer, vaskemaskiner og biler. Figur 4-1 Blokkskjema over en mikrokontroller Figur 4-1 viser at en mikrokontroller innholder en mikroprosessor (CPU), minne, I/O enhet og et bussystem. CPU er hjernen i mikrokontrolleren hvor alle utregninger og kommandoer blir utført. Minnet er der hvor programmet og innhentet data blir lagret. I/O enheten er der man kobler fysisk til innganger og utgangene til mikrokontrolleren. Bussystemet innholder tre forskjellige busser; adressebuss, databuss og kontrollbuss. Adressebussen brukes av CPU til å sende spørsmål til minnet om å få dataene som ligger på en spesifikk adresse i minnet. Minnet svarer da med å sende data tilbake til CPU over databussen. Kontrollbussen brukes til å kontrollere trafikken mellom enhetene. EF

24 Styring 4.2 Styringsprinsipper Figur 4-2 viser virkemåten til det planlagte mekaniske batteriet. Figur 4-2 Blokkskjema for det mekaniske batteriet Til styringen er det brukt to mikrokontrollerer, AtMega16 og AtMega8 begge fra produsenten Atmel. AtMega16 har den overordnede kontrollen. Ved motordrift er det supplert 230 VAC fra nettet, faller denne spenningen bort vil AtMega16 umiddelbart registrere dette, og koble motoren over i generatordrift. Ved normal drift styres AtMega8 av AtMega16, og har som oppgave å lage styresignalene som trengs for å lage trefase sinusspenning til motoren. Styresignalene går fra AtMega8 til IR2130 som er en drivkrets for å tenne hver enkelt av transistorene i vekselretterbroen. EF

25 Styring Figur 4-3 Prinsippskisse vekselretterbro[8] Vekselretterbroen, vist i figur 4-3, har som oppgave å lage trefase vekselspenning av likespenning. Vekselretterbroen er tenkt styrt av pulsbredde modulering (PWM). Dette er nærmere forklart i vedlegg 13. Spenningsverdien til likespenningen bestemmer amplituden til vekselspenningen. For å opprettholde tilnærmet konstant effekt må spenningen endres når frekvensen endres, se likning (3.5). AtMega16 føler på strømmen gjennom viklingene og endrer spenningen inn på vekselretterbroen etter dette. Høy strøm fører til lavere spenning og motsatt. Målet er å kjøre motoren med en konstant belastningsstrøm opp til ønsket turtall. AtMega16 er også koblet opp mot et operatørpanel, der brukeren skal ha mulighet for å starte/stoppe, endre parameter samt hente ut data for eksempel, turtall og temperatur. Operatørpanelet skal bestå av et display samt betjeningsknapper. EF

26 Styring Motordrift Figur 4-4 viser et prinsipielt blokkskjema over den planlagte styringen i motordrift. Figur 4-4 Blokkskjema i motordrift Ved motordrift er batteriet supplert med 230 VAC. Spenningsregulatoren regulerer spenningen inn på likeretteren. Her blir så spenningen likerettet og filtrert før den blir sendt videre til vekselretteren. Grunnen til dette er for å kunne generere den ønskede sinusfrekvensen. Siden motorens turtall er frekvensavhengig, se likning (3.8), styres motorturtallet av frekvensen. Siden spenningen til vekselretterbroen må varieres for å opprettholde motorens dreiemoment, kan denne ikke brukes som utspenning. Spenningen ut kommer derfor fra en egen strømforsyning og er på 12 VDC. Den prinsipielle virkemåten til programmet er vist i vedlegg 14. EF

27 Styring Generatordrift Figur 4-5 viser et prinsipielt blokkskjema over det mekaniske batteriet sammen med styring for å sikre avbruddsfri utspenning i generatordrift. Figur 4-5 Prinsippskisse i generatordrift Ved nettutfall går batteriet over i generatordrift og henter energien fra svinghjulet, spenningen ut blir regulert ved å endre magnetiseringstrømmen inn på rotoren. Som figur 4-3 viser, ligger det beskyttelsesdioder over hver transistor. Dersom ingen av transistorene er tent, virker diodene som en trefase likeretterbro, og blir brukt for å likerette spenningen ut av generatoren. Det elektroniske vekselreleet kobler over og henter spenning fra vekselretterbroen. Ideelt skal overgangen fra motordrift til generatordrift skje momentant for å unngå fall i utspenningen, men i realiteten vil det bli et lite fall i spenningen. Spenningsfallet er et resultat av tregheten til elektronikken. Magnetiseringsspenningen er i både normaldrift og batteridrift supplert av utspenningen. Den prinsipielle virkemåten til programmet er vist i vedlegg 15. EF

28 Laboratorietesting 5 LABORATORIETESTING Dette kapittelet inneholder ulike laboratorietester på Bosch synkronmaskinen. Testene ble gjort på grunn av at det ikke var nok tilgjengelige data på denne maskintypen. 5.1 Bestemming av resistansen R m og induktansen L m i motoren. Figur 5-1 viser oppkoblingen for bestemmelse av R m og L m i statoren til Bosch maskinen. Strøm og spenning ble målt med 2 true rms-meter. Oscilloskopet ble brukt til å avlese tidsforskjellen mellom strøm og spenning. Tidsforskjellen mellom strømmen og spenningen ble brukt til å beregne vinkelen mellom dem. Figur 5-1 Kobling for å bestemme R m og L m For å begrense spenningen over statorviklingene ved tilkobling til 230 VAC 50 Hz, ble det koblet en begrensningsmotstand i serie med hver statorvikling. For å sette i gang motoren ble det brukt en drill for å drive rotoren opp til det synkrone turtallet ved 50 Hz som er 500 o/min. Det ble så avlest verdier. Formler benyttet i beregningene: Periodetid [2]: T 1 = (5.1) f Vinkel mellom spenning og strøm[2]: 360 ϕ = dx (5.2) T T er periodetiden og dx et tidsdifferansen mellom strøm og spenning. EF

29 Laboratorietesting Impedansen i statoren [2]: Z m U f, rms = (5.3) I f, rms U f, rms er fasespenningens rms verdi, f, rms Impedansen i statorspolen [2]: I er fasestrømmens rms verdi. L m X ω s = (5.4) ω er vinkelhastighet i rad/s og X s er impedansen i statoren Figur 5-2 viser skjermbilde av strøm og spenningskurvene tatt fra et optoisolert oscilloskop. Rød kurve er spenningskurven og grønn kurve er strømkurven. Differansen dx er tiden mellom blått og rosa aksekors som viser hvor kurven for spenning og strøm har sine nullpunkter. Det er dx som er grunnlaget for å beregne faseforskjellen mellom spenning og strøm samt beregne impedansen i statoren. Det er i vedlegg 18 vist 2 forskjellige plot for denne laboratorietesten. Figur 5-2 Plot fra optoisolert oscilloskop EF

30 Laboratorietesting Avleste verdier: U I f, rms f, rms = 3,61V = 2,92 A dx = 3,1696 ms Beregning for å finne R m og L m i motoren med likning (5.1)-(5.4): T 1 1 = = = 20 ms f ϕ = dx = 3 T f, rms f, rms 2,92 e 3 3, U 3,61 Z = m 1, 24 e 0, 67 j1.04 I = = = + Ω Det ble i denne testen kommet frem til at statorviklingens seriemotstand og seriereaktans er L m Rm = Re( Z) = 0,67 Ω = xm 1,04 3,3 mh ω = 100π = 5.2 Laboratorietesting av Bosch synkronmaskin i generatordrift. For å få et bilde av hvordan magnetiseringsspenningen skal reguleres ved forskjellig turtall og belastningsstrømmer. Ble det utført en laboratorietest på synkronmaskinen i generatordrift. For å få maskinen opp mot ønsket turtall o/min ble den drevet av en vaskemaskinmotor med merketurtall o/min. Vaskemaskinmotoren ble turtallsregulert av en selvbygd PWM styring. Figur 5-3 oppkobling av generatortesten EF

31 Laboratorietesting Figur 5-3 viser hvordan generatoren ble oppkoblet. De forskjellige belastningsmotstandene ble koblet i trekant. Magnetiseringsspenning og strøm ble målt og avlest. Tabell 1 til 4 i vedlegg 17 viser alle måledata avlest ved denne laboratorietesten som turtall, magnetiseringsspenning, magnetiseringsstrøm, lastmotstand, linjespenning og linjestrøm. Det er for det planlagte mekaniske batteriet ønskelig å ha konstant linjespenning i generatordrift. For å oppnå dette må synkronmaskinens magnetiseringsspenning reguleres slik at linjespenningen holdes konstant Spenning [V] Turtall [o/min] Ved linjestrøm 1,15[A] Ved linjestrøm 5,4[A] Ved linjestrøm 2,7[A] Ved linjestrøm 10,7[A] Figur 5-4 Magnetiseringsspenning som funksjon av turtall ved forskjellige linjestrømmer Figur 5-4 viser hvor stor magnetiseringsspenning som skal til ved økende turtall. Det er foretatt målinger ved 4 forskjellige belastninger (linjestrømmer). Målepunktene er avlest ved 14 VAC linjespenning. Kurvene har tilnærmet lik form ved forskjellig belastning. Det viste seg vanskelig å holde linjespenningen lik 14 VAC ved turtall < 2000 o/min. Ved turtall > 2000 o/min flater kurven ut som figuren viser. Dersom turtallsområdet holdes mellom 2000 til o/min skal det små endringer til i magnetiseringsspenningen for å kunne holde konstant linjespenning. EF

32 Laboratorietesting Laboratorietesten viser hvilket spenningsområde magnetiseringen må ligge i. Det konkluderes at ved turtall under 2000 o/min blir linjespenningen vanskelig å regulere og dermed ustabil. Det blir derfor satt som forutsetting for videre prosjektering at det mekaniske batteriets turtallsområde blir mellom 2000 til o/min. Det er ønskelig å kunne uttrykke magnetiseringsspenningen som funksjon av turtallet. Denne funksjonen vil kunne brukes som et grunnlag for regulering av magnetiseringsspenningen. Siden linjespenningen blir ustabil ved turtall lavere enn 2000 o/min, blir ikke de målte verdiene for dette turtallsområdet tatt med i bestemmelsen av funksjonen. Til kurvetilpassingen benyttes minste kvadraters metode på kurven i figur 5-3 ved linjestrøm 1,15 A. Dette er den målingen som ga det bredeste turtallsspekteret. Tabell 5-1 viser avleste verdier for magnetiseringsspenningen U m og turtallet n, ved linjestrøm b 1,15 A. Etter kurvenes form er det den geometriske funksjonen U ( n) = an [9], som gir best tilpasningen etter minste kvadraters metode. Kurvenes likhet i turtallsområdet 2000 til o/min, gir at det tilnærmet kan benyttes samme funksjon ganget med en faktor U ( n) = k an for kurvene ved belastninger høyere enn 1,15 A. I tabellen er det også innsatt logaritmeverdiene for hver avleste verdi. m mn b Tabell 5-1 Avleste verdier for U m og n samt logaritmen til disse n [o/min] Um [V] ln(n) ln(u m ) n U m1 3,87 n 1 7,609 U m1 1,353 n U m2 2,50 n 2 7,991 U m2 0,916 n U m3 1,76 n 3 8,289 U m3 0,565 n U m4 1,36 n 4 8,506 U m4 0,307 n U m5 1,08 n 5 8,701 U m5 0,077 n U m6 0,93 n 6 8,846 U m6-0,073 n U m7 0,76 n 7 8,978 U m7-0,274 n U m8 0,78 n 8 9,098 U m8-0,248 n U m9 0,68 n 9 9,207 U m9-0,386 n U m10 0,55 n 10 9,397 U m10-0,598 n U m11 0,51 n 11 9,457 U m11-0,673 EF

33 Laboratorietesting Benytter den geometriske funksjonen: b U ( n) = a n (5.5) m Lineær tilpasser funksjonen ved å ta logaritmen på begge sider av likhetstegnet. b ln( U ) = ln( a n ) m b ln( U ) = ln( a) + ln( n ) m ln( U ) = ln( a) + b ln( n) m ln( U ) = A + B ln( n) m 0 0 Det er da koeffisientene A 0 og B 0 som skal finnes ved minste kvadraters metode gitt ved matriseformaliseringen[9]: Y ln( U m1). =,. ln( U m11) 1 ln( n1 ).. A =.. 1 ln( n11 ) Ved å transponere matrisen A finnes koeffisientene ved å utføre regneoperasjonen[9]: 9,58 B 1,09 ( A A) ( A Y ) 1 A T T 0 0 Nå er funksjonens lineære koeffisienter kjent. Finner deretter koeffisientene a og b: ln( a) = A 0 A0 9,58 a e e = = b = B Funksjonen som gir best tilpassing til magnetiseringsspenningen ved 1,15 A linjestrøm blir: Um( n) n 1.09 Funksjonen viser hvordan magnetiseringsspenningen kan reguleres ved en belastningsstrøm på 1,15 A. EF

34 Laboratorietesting 4,5 4 3,5 3 Um [V] 2,5 2 1,5 1 0, Turtall [o/min] Tilpasset kurve Målte verdier Figur 5-5 Plot av målte verdier og kurvetilpasset funksjon Figur 5-5 viser plot av kurven for målte verdier og den tilpassede funksjonen. Figuren viser at funksjonen følger de målte verdiene innenfor ønsket turtallområde. Funksjonen kan benyttes i utformingen av styringsmodellen for Bosch maskinen i generatordrift. 5.3 Laboratorietesting av Bosch generator ved remanens Formålet med denne testen var å finne ut om generatoren induserte nok spenning ved remanens til å drive styringselektronikk og om remanensen i generatoren var nok til at generatoren induserer en økende spenning i statoren ved egenmagnetisering. Indusert spenning ved remanens Generatoren ble koblet opp som vist i figur 5-6 med en ytre drivkilde og et voltmeter mellom fase 1 og 2. Det ble ikke tilkoblet magnetiseringsspenning. EF

35 Laboratorietesting Figur 5-6 Blokkskjema av oppkoblingen For å få målt indusert spenning ved remanens ble generatoren fysisk koblet opp mot en ytre drivkilde i form av en universalmotor (vaskemaskinmotor). Generatoren ble drevet opp i forskjellige turtall og det ble avlest indusert spenning i statoren, turtallet ble avlest med et tacometer. Disse måleverdiene er lagt inn i tabell 5-2. Tabell 5-2 Avlest turtall og spenning ved remanens Turtall [o/min] Spenning [V] 0,70 0,85 1,09 1,32 1,57 1,89 2,12 2,38 2,61 2,83 3,01 3,24 3,44 3,51 For å se hvordan indusert spenning endrer seg med turtallet til generatoren, ble kurven til måleverdiene plottet i figur ,5 4,0 3,5 Spenning [V] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Turtall [o/min] Beregnet spenning [V] Målt spenning [V] Figur 5-7 Plot av spenning som funksjon av turtall ved remanens EF

36 Laboratorietesting Figur 5-7 viser kurven til likning (5.6) og kurven til de målte verdiene og at spenningen øker tilnærmet lineært med turtallet til generatoren. Kurven viser at ved remanens induseres det nok spenning til å drive styringselektronikken ved ønsket turtall o/min. Minste spenningen som skal til for å drive styringen er 3 V og er oppnådd ved turtall over o/min. Dette viser at det er mulig å kunne styre generatoren med indusert spenning ved remanens. Likning (5.6) er likningen for kurvetilpasset linje beregnet med minste kvadraters metode. U n V 4 e = 2, , 43[ ] (5.6) Der U e er indusert spenning ved remanens og n er turtallet i o/min. Med likning (5.6) beregnes indusert spenning ved turtall opp til o/min. Beregnede verdier er satt inn i tabell 5-3 Tabell 5-3 Beregnede verdier for spenning ved remanens Turtall [o/min] Spenning [V] 0,67 0,9 1,13 1,37 1,6 1,84 2,07 2,31 2,54 2,78 3,01 3,25 3,48 3,71 3,95 Test av generatoren med indusert spenning ved egenmagnetisering. Formålet med denne testen var å se om indusert spenning ved remanens var nok til å kunne egenmagnetisere generatoren og deretter indusere en økende spenning. Denne testen ble gjort ved å koble to av generatorens linjer til magnetiseringsspolen i rotoren via en likeretter som vist i figur 5-8. Figur 5-8 Koblingsskjema for testing av igangsetting ved remanens EF

37 Laboratorietesting Generatoren var i denne testen tilkoblet samme ytre drivkilde. Generatorens turtall ble økt og turtallet ble målt med tacometer og linjespenningen til generatoren ble målt med voltmeter. Ved 3500 o/min induserte generatoren spenning >15 VAC momentant og generatoren gikk i full brems. Dette forsøket ble utført gjentatte ganger for å se om generatoren bremset opp ved forskjellig turtall. Det viste seg at bremsingen oppsto ved ca 3500 o/min hver gang. Denne testen viser at egenmagnetiseringen ved remanens er nok til å få generatoren til å indusere økende spenning uten å måtte sette spenning på magnetiseringsspolen med en ytre spenningskilde. Dermed vil det mekaniske batteriet kunne indusere spenning kun ved hjelp av remanensen i rotoren når energien i svinghjulet skal hentes ut. Disse laboratorietestene kan gi et grunnlag for videre prosjektering av styringen til Bosch generatoren i generatordrift. 5.4 Laboratorietesting av stjernekoblet synkronmaskin i motordrift. I denne laboratorietesten ble maskinen drevet med en Siemens frekvensomformer på 1500W. For å kunne begrense linjespenningen ble det koblet inn en regulerbar motstand i serie med faseviklingene. Det ble i laboratorietesten fokusert på å holde linjestrømmen under 4 A. Grunnen til dette var for ikke å overbelaste seriemotstanden og frekvensomformeren. Det ble utført to forskjellige tester. Figur 5-9 viser hvordan testen ble oppkoblet. Figur 5-9 Koblingsskjema ved motortesten EF

38 Laboratorietesting Test 1 ble utført med konstant linjestrøm og magnetiseringsstrøm med økende motorturtall. Formålet med laboratorietesten var å finne ut hvordan spenningen over statorviklingen endret seg ved økende turtall. Test 2 ble utført med konstant turtall og magnetiseringsstrøm. I denne testen ble seriemotstanden justert slik at linjestrømmen endret seg. Formålet med denne laboratorietesten var å finne ut hvordan spenningen over statorspolen endret seg med konstant turtall og varierende linjestrøm. Med disse testene kan det påvises hvilken spenning som er nødvendig for å kunne opprettholde et tilnærmet konstant motormoment opp til ønsket turtall ved en gitt linjestrøm. Test 1 I tabell 5-4 er det ført inn spenningen over statorspolen ved forskjellig turtall. Disse spenningene og turtallene er plottet i en kurve vist i figur Tabell 5-4 Spenning over statorspole ved forskjellig turtall Turtall [o/min] Spenning [V] 3,6 4,2 5 5,6 6,4 7,3 8, Turtall [o/min] Spenning [V] 11 11,9 12,9 13,8 14,2 14, ,3 15,5 EF

39 Laboratorietesting Spenning (v) Turtall (o/min) Spenning over spolen ved 3 Amp Lineær (Spenning over spolen ved 3 Amp) Figur 5-10 Spenning over statorspolen som funksjon av turtall Figur 5-10 viser at spenningen over statorspolen endrer seg lineært ved økende turtall og konstant magnetiseringsstrøm. Med utgangspunkt i likning (5.7) [2] vil dette stemme med målingen gjort i denne laboratorietesten. U = Z I (5.7) Z er impedansen i statorspolen. Impedansen i statorspolen er frekvensavhengig etter likningene (5.8) [2] og (5.9) [2]. Z = R + jx (5.8) X = ωl (5.9) Hvor L er statorspolens induktans i Henry [H] og ω er vinkelhastigheten i [rad/s]. Siden I er konstant og Z øker med økende turtall vil dermed spenningen øke lineært etter likning (5.7). Det er i figur 5-10 foretatt en kurvetilpasning med minste kvadraters metode til de målte verdiene. Likning (5.10) uttrykker spenningen over statorspolen som funksjon av turtallet til motoren 3 f ( ) 3,5 10 1,33 Hvor U f er fasespenningen og n er motorturtallet [ ] U n = n + V (5.10) EF

40 Laboratorietesting Test 2 Tabell 5-5 viser målte spenninger over statorspolen ved konstant turtall og forskjellig linjestrømmer. Disse verdiene er plottet i figur Tabell 5-5 Spenning over statorspole ved forskjellig linjestrøm strøm [A] 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 spenning [V] 4,1 4,2 4,4 4,7 5 5,2 5,6 6 5,5 Spenning (V) 5 4,5 4 3,5 3 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 Strøm (A) Spenning over spolen ved forskjellig linjestrøm Lineær (Spenning over spolen ved forskjellig linjestrøm) Figur 5-11 Spenning over statorspole ved forskjellige linjestrømmer Figur 5-11 viser spenningen over statorspolen som funksjon av linjestrømmen. I figuren er det også foretatt en kurvetilpasning med minste kvadraters metode til de målte verdiene. Likning (5.11) uttrykker spenningen over statorspolen som funksjon av linjestrømmen. U ( I ) = 1,014 I + 1,95[ V ] (5.11) f Det mekaniske batteriet er planlagt å ha et arbeidsturtall på o/min ved normal drift. Det er derfor interessant å vite hvilke spenninger som skal til for å opprettholde motormomentet tilnærmet stabilt i hele turtallregister (fra start til o/min). EF

41 Laboratorietesting I likning (5.11) er fasespenningen en funksjon av linjestrøm ved konstant turtall 1000 o/min. I likning (5.10) er fasespenningen en funksjon av turtallet ved konstant strøm I 3[ A] =. Ønsker å finne fasespenningen som funksjon av turtall ved høyere linjestrømmer enn I 3[ A] Beregner derfor fasespenningen ved I 10[ A] = og n = 1000 o/min med likning (5.11): U (10 A) = 1, , 95 = 12, 09[ V ] f =. Deretter beregnes fasespenningen ved n = 1000 o/min med likning (5.10): 3 f (1000 / min) = 3, , 34 = 4,84 U o V [ ] Finner deretter forholdet mellom U f ( I ) og U f ( n ) U f ( I) 12,09 2,49 U ( n ) = 4,84 = f Ut fra dette forholdet kan U ( n) ved 10 [A] linjestrøm uttrykkes f U n n n 3 3 f,10 A( ) = 2, 49 (3, ,34) = 8, ,34 Setter inn o/min for å finne U (15000),10 ; U f A 3 f,10 A(15000) = 8, ,34 = 134 Ved 10 A linjestrøm og o/min må fasespenningen være 134 V for å kunne tilnærmet opprettholde samme motormoment. [ V ] EF

42 Konstruksjon 6 KONSTRUKSJON Kapittelet tar for seg den grunnleggende konstruksjonen til det planlagte mekaniske batteriet som skal realiseres i vårsemesteret Kapittelet inneholder konstruksjonsmessig tankegang med vinkling på sikkerheten under drift av batteriet. Fullstendige tegninger av den mekaniske konstruksjonen er vist i vedlegg 1 til 9. Figur 6-1 Sprengskisse av mekanisk batteri Figur 6-1 viser en prinsipiell sprengskisse av det mekaniske batteriet. Fra venstre, stativ, ytre lager, lokk 1, svinghjul, batterihus, stator, rotor, aksellager, lokk 2, ytre lager og til slutt stativ. Platen nederst i figuren er monteringsplaten med påmontert kjølerregister, pumpe og kjølerør. 6.1 Konstruksjonsmessig tankegang Konstruksjonsmåten er utformet med fokus på det sikkerhetsmessige. Det mekaniske batteriet inneholder tunge roterende elementer med stor kinetisk energi. Ved havari kan energien frigjøres og føre til fatale konsekvenser. Det mekaniske batteriet er tenkt innkapsel i et rør, hvor svinghjulet roterer inne i røret. Røret er konstruert slik at svinghjulet skal ha 2 mm klaring til røret. Denne klaringen gjør at svinghjulet får et lite område til å frigjøre den opplagrede energien ved et evt. havari. Batterihuset er opplagret i to stativ, se figur 6-1, som er ment å ta denne energien. Batterihuset vil ha mulighet til å rotere om sin sentralakse ved et havari. Dersom det oppstår et akselhavari i rotoren vil mye EF

43 Konstruksjon av energien til svinghjulet bli tatt opp i batterihuset, mens den resterende energien vil bli tatt opp i de ytre lagrene i stativet. Svinghjulet konstrueres slik at det sammenføyes med rotorens aksel og opplagringspunktene blir dermed rotorakselens endepunkter. Generatorens stator blir montert i selve batterihuset. børstene blir plassert i lokk Kjøling Det mekaniske batteriet vil i det meste av tiden gå i motordrift og det vil være nødvendig med kjøling for å ta opp varmeutviklingen. Som kjølemetode er det planlagt å vinde kobberrør utenpå batterihuset via en radiator med elektrisk kjølevifte og en pumpe som sirkulerer kjølemediet. Innfestingen til stator er tiltenkt å være laget av aluminium, siden dette er en god varmeleder. Varmen vil flukte ut og tas opp i kjølemediet via kobberrørene. Det vil bli brukt et varmeapparatsregister fra en bil, hvor da kjøleviften til varmeapparatsregisteret er tenkt å være tilsvarende pc-kjølevifte. 6.3 Valg av materiale Materialet i batterihuset vil være av stål bortsett fra den indre ringen for innfestingen av statoren. Dette på grunn av kjølingen til stator, samt at omliggende materiale rundt stator må være paramagnetisk. Svinghjulets materiale vil også bli laget i paramagnetisk stål. Dette for ikke å endre de elektriske egenskapene og feltlinjene i den elektriske maskinen nevneverdig. For øvrig vil resterende komponenter bli laget i stål. Det er gjort et overslag på batteriets totale vekt til å ligge mellom 75 og 80 kg. EF