Prosjektrapport Bergen 26. april 2005

Avdeling for ingeniørutdanning Tekniske og økonomiske fag Besøksadresse: Nygårdsgaten 112, 5020 Bergen Postadresse: Postboks 7030, 5020 Bergen Telefon: 55 58 75 00 Faks: 55 58 77 90 E-post: post@hib.no Prosjektrapport Bergen 26. april 2005 Prosjektkategori Semesteroppgave i Elektriske maskiner SOE120 Prosjekttittel Moderne synkronmaskiner - Permanentmagnetiserte og høyspente synkronmaskiner Prosjektbeskrivelse Arbeidet skal foregå i uke 14, 15 og 16 og skal avsluttes med innlevering av rapport som dokumenterer arbeidet som er gjennomført. Semesteroppgaven skal karaktervurderes på grunnlag av innlevert rapport og den teller 30 % av totalkarakteren i faget SOE120 Elektriske maskiner. Rapporten skal følge vanlig rapportstandard. Synkronmotordrifter er i de senere år blitt konkurrenter til asynkronmotordrifter i mange industrielle applikasjoner. De er generelt dyrere enn asynkronmotordrifter, men har en høyere virkningsgrad noe som på lang sikt er med på å jevne ut de totale kostnadene. Synkronmaskiner med viklede rotorsystem er benyttet på de største driftene (generatorsystem og motorer i noen hundre kw klassen), mens for de mindre motordriftene har det den senere tid kommet permanentmagnetiserte synkronmotordrifter. (PMSM) I denne semesteroppgaven skal det fokuseres på følgende moment: -Permanentmagnetiserte synkronmotorer -Høyspente synkronmotorer Det skal gjennomføres et informasjonssøk, en beskrivelse og en presentasjon i rapportform av moderne applikasjoner innenfor synkronmaskiner. Forfattere Hans Lavoll Halvorson Sven-Erik Åkerman Stein Atle Henriksen Glenn Øyvind Knive Odd Fridtjof Dahl Veileder Lasse Sivertsen Avdeling Avdeling for ingeniørutdanning - Institutt for elektrofag - Elkraftteknikk Side 2

Innhold Tittel Prosjektrapport... 2 Introduksjon... 4 Generell virkemåte til synkronmotor og synkrongenerator...5 -Generell virkemåte til synkronmotor og synkrongenerator -Fasekompensering ved hjelp av synkronmotor Oppbygging av Permanent Magnet Synkron Motor...6 -Nedfelte magneter -Styring av PMSM Elektronikken i PMSM-styringen...7 Styring av PMSM... 8 Momentstyring av PMSM...9 Bruksområder for PMSM... 10 -Toyota Prius PMSM som generator...11 Høyspent synkronmotor... 12 Høyspent synkronmotor i bruk - Statoil Troll A... 15 Synkronmotor - regneeksempel...16 Konklusjon...22 Referanser... 22 Forkortelser...22 Side Forside: Startknappen i en Toyota Prius Foto: Toyota. Side 3

Introduksjon I denne rapporten tar vi for oss forskjellige sider ved permanentmagnetiserte synkronmaskiner og høyspente synkronmaskiner. Det første hovedtemaet er permanentmagnetiserte synkronmaskiner (heretter PMSM). Slike maskiner har vært i bruk i over 100 år, men det er ikke før de siste 20 årene at teknologien er blitt så billig og god at den er blitt svært konkuransedyktig og anvendelig i mange områder. [1] Flere bedrifter og universiteter driver mye forskning på feltet og har utviklet nye metoder, design og bruksområder. PMSM har fått en stor utbredelse i industri, som framdrift, i robotindustri og på kraftproduksjonssiden på grunn av dens egenskaper. Lavt turtall, høyt moment, høy virkningsgrad, svært lave driftsog vedlikeholdskostnader samt stor rotorpresisjon er noen av fordelene. I dagens samfunn der fokuset på bærekraftig utvikling og miljø er sentralt, blir miljøvennlige, utslippsfrie og effektive elektromotorer attraktivt. I rapporten ser vi nærmere på anvendelse og bruksområder for PMSM og fordeler/ulemper ved PMSM. I det ene eksempelet for bruksområder har vi tatt med hybridbilen Toyota Prius som har en PMSM som en av drivkraftene. Styring av maskinen er også et område som stadig utvikler seg og som vi skal se på. Høyspente synkronmotorer er det andre hovedtemaet i denne rapporten. ABB er langt fremme i utviklingen av disse og leverer en mengde forskjellige motorer med spenninger opp mot hele 70kV. Motorformer kalles disse motorene som kobles direkte på høyspenningsnettet uten transformator. Motorformer har en spesiell oppbygging som blir forklart nærmere. Bruksområder er prosesser som er energikrevende, for eksempel kompressorer på olje- og gassplattformer. Høy virkningsgrad og miljøbesparelser er viktige aspekter ved utviklingen. I rapporten har vi sett på Troll A plattformens anvendelse av denne teknologien. Vi går også inn på startforløpet, drift og styring av den høyspente synkronmotoren. Produksjon av ABB s Motorformer Foto: ABB Side 4

Generell virkemåte Generell virkemåte til synkronmotor og synkrongenerator Synkrongenerator er brukt i alle vannkraftverkene i Norge, men som motor er utbredelsen liten. Synkronmotoren kan også levere reaktiv effekt, det vil si at den kan fungere som et kondensatorbatteri. Synkronmotor og synkrongenerator går med et bestemt turtall n (synkront) som er bestemt av antall polpar i rotor (p) og nettfrekvensen (f). Motoren kan dermed dra laster som trenger et synkront turtall. Oppbygningen til en motor og en generator er lik, men virkemåten er forskjellig. [4] Ut fra figur 1 og 2 ser vi at cos þ er vinkelen mellom U f og I a. I de fleste tilfeller kan vi sløyfe R a (figur 3 og 4) siden denne er ubetydelig. Momentet i denne type motor er bestemt ut fra formelen: Figur 1: Viserdiagram for en motor Figur 2: Viserdiagram for en generator Figur 3: Ekvivalentskjema for motor Figur 4: Ekvivalentskjema for generator Fasekompensering ved hjelp av synkronmotor. Når vi skal oppnå en lavere cos þ i et produksjonsanlegg kan vi kjøre en synkronmotor parallelt med lasten som har en høy cos þ. Da oppnår vi at motoren trekker noe av den reaktive effekten ut fra lasten. Effektdiagrammene under viser hvordan effektene til lasten og motoren er i forhold til hverandre. Når disse effektene er summert vektorielt oppnår vi en lavere cos þ og dermed blir den reaktive effekten redusert. [4] Figur 5: Last Figur 6: Motor Figur 7: Etter fasekompensering Side 5

Oppbygging av Permanent Magnet Synkron Motor - PMSM PMSM motoren er ganske lik hvilken som helst synkron eller asynkronmaskin bortsett fra at den er børstefri. Stator er bygget opp med elektromagneter der man påfører en vekselspenning med en viss frekvens. Ankerstrømmen som oppstår vil skape et roterende magnetfelt inni motorhuset der rotoren ligger. Magnetfeltet roterer med like stor frekvens som frekvensen til den påtrykte spenningen. Rotoren har påmontert faste magneter (PM) som blir dratt rundt. Hvor fort rotoren roterer er avhengig av hvor mange pol-par den har, men den roterer fast i forhold til påtrykket frekvens. Flere pol-par fører til lavere hastighet. Siden det er faste magneter som sørger for magnetfeltet til rotor, trenger man ikke overføre magnetiseringsstrøm via børster til sleperingene. Man har da ingen slitedeler i maskinen bortsett fra lageret til rotoren. Dette fører til svært lite vedlikehold av maskinen, noe som er praktisk og billig. Det finnes ulike måter å montere PM'ene på med ulike resultat. [2] Man kan montere magnetene slik at fluksen går parallelt (radialt) eller vinkelrett (axialt) på aksen til rotoren (figur 8). Den parallelle er mest vanlig og magnetene kan være både overflatemontert eller nedfelt. Fordelen med axial flux permanent magnet (AFPM) i forhold til radial flux permanent magnet (RFPM) er at volumet av maskinen blir mer effektivt utnyttet. Man får mer effekt pr m 3. AFPM magneter blir ofte montert på runde skiver. En rotor kan ha flere skiver i serie. Radialt Axialt Rotorakse Figur 8 Nedfelte magneter Fordelen ved å ha nedfelte magneter i forhold til overflatemonterte er at magnetene er mer beskyttet mot avmagnetisering, fluxtettheten kan bli større og designen er som regel mekansisk sterkere. V-monterte magneter kan ha større lekk-reaktans. V-designet er heller ikke egnet for mange pol-par da tettheten vil føre til en lavere vinkel mellom magnetene som fører til magnetisk metning. Det er selvsagt også mer kostbart å ha dobbelt så mange magneter slik V-designen krever. Stator Rotor Permanentmagnet Magnetiseringsretning Design 5 har veldig lav lekkreaktans, men er vanskelig å 1: Overflatemontert PM bygge opp pga. mange 4: V-formet skjult PM 2: Innlagt stykke magneter og jernbiter som skal 5: Tangentiellt magnetisert PM 3: Overflatemontert PM med ytre rotor monteres sammen. Det er essensielt at rotoren blir godt balansert for å hindre vibrasjoner når turtallet stiger. Slik sett er høy presisjon viktig. [2] og [3] Figur 9 Styring av PMSM Det er generelt tre sider ved en motor man er interresert i å styre: Hastighet, moment og cos þ. Hastigheten er som sagt avhengig av frekvensen til den påtrykte spenningen. Metoden for å styre hastigheten er da å bruke en frekvensomformer som kan gi den frekvensen som er ønsket. (Figur 10). ning med ønsket frekvens. Moment og felt blir styrt av en strøm, Ia. Metoden er å dekomponere Ia i en q og en d akse der Iq styrer momentet og Id styrer cos þ. For å gjøre dette kreves gode elektroniske løsninger som ikke har blitt utviklet før i de siste 10-15 årene. Frekvensomformeren likeretter nettspenningen og lager en ny AC spen- Likeretter Vekselretter Figur 10 Side 6

Elektronikken i PMSM-styringen PMSM inneholder mye elektronisk styring for at den skal kunne virke og for å oppnå de fordelene som den har. Motoren inneholder fire integrerte teknologier som vist i figur 11: Kontroll systemer (matriser) Dette er en del som inneholder matematiske modeller som forteller hvordan motoren skal kontrolleres i en gitt situasjon ved å regulere f.eks. fluks og indusert spenning. Delen kontrollerer elektronikken slik at motoren ikke overbelastes eller skades. Kraftelektronikk omformer Kraft-transistorer benyttes i momentstyringen. Det benyttes MOSFET i motorer med lave effekter, mens IGBT (tåler høyere effekter enn MOSFET) benyttes i motorer med høye effekter. Denne delen omformer de tre fasestrømmene (i a, i b og i c ) til to strømmer (i q og i d ). Figur 11: Oppbyggingen av styringselektronikken til PMSM. Kontroll elektronikk Denne elektronikken bruker programmer for å kontrollere hastigheten eller momentet. Den styrer kraft elektronikken med hensyn fra programmet og inngangssignalene. CPU, minne og andre komponenter kommuniserer med omliggende systemer. Fart og posisjon Kontrollelektronikken er avhenglig av statusen til PMSM for å kunne regulere elektronikken slik at vi oppnår ønsket funksjon. [5] Dq-aksesystem PMSM har et veldig komplisert elektronisk system for å kontrollere maskinen, momentet og cos þ. I forbindelse med denne type motor brukes det et dq-aksesystem som kontrollerer alle deler av motoren. I forhold til en vanlig synkronmotor som har I m og I a, har PMSM bare èn ankerstrøm. Siden I a i en PMSM er delt opp i en i q og i d, kan du styre vinkelen til I a, og dermed har du samme regulering som ved en vanlig synkronmotor. (Figur 13). [6] Rotor/dq-system med permanentmagnet Ankerviklinger Ut fra bildet ser vi at dq-systemet roterer sammen med permanentmagneten, mens ankerviklingene står i ro. Figur 13: Ved å regulere i q og i d kan du styre vinkelen til i a. Side 7

Styring av PMSM Rotorfluks Flukslinjene som genereres av permanentmagneten. Statorfluks Flukslinjene som genereres av statorviklingene. Statorviklingene Viklingene hvor ankerstrømmen går. Permanentmagnet rotor Roterende aksel. Figur 14: Flukslinjene i en PMSM. Aksesystem Når vi skal regne ut I d, I q, U d og U q må vi ta hensyn til to aksesystem for å kunne regne ut disse verdiene. Vi ser på figur 15 at det er et dq- og et xy- aksesystem. Det er en vinkel mellom disse aksesystemene. Tidligere har vi fortalt at det er dq- aksesystemet som roterer med permanentmagneten, mens xy- aksesystemet står i ro sammen med stator. Figur 15 Formler for å regne ut Id, Iq, Ud og Uq Vi ser ut fra disse formlene at i a, i b, u d og u q, blir bestemt ut fra vinkelen mellom disse aksesystemene og inngangssignalene ( i a, i b, i c, u a, u b, u c ). i a, i b, i c,i d og i q blir oppgitt i toppverdi [A] u a, u b, u c, u d og u q blir oppgitt i toppverdi [V] Side 8

Momentstyring av PMSM Forklaring av Ld og Lq i en sylindermotor Gruppen har prøvd å forklare grunnteoriene siden dette er en teori som omfatter mange formler. Vi ser på figur 16 hvordan permanentmagnetene er plassert i rotor. På figur 17 ser vi hvordan flukslinjene går i en magnet og hvordan dq-aksesystemet passer sammen med magneten. Hvis alle magnetene har en bestemt avstand fra hverandre kan vi si at L d =L q. De punktene på aksene er med samme avstand fra sentrum på magneten. I denne type rotor ser vi da at flukstettheten er like store i d- og q- aksen, derfor blir L d =L q. Stator Rotor Figur 16: Sylinderrotor Følgene formel brukes for å regne ut det elektromagnetiske momentet: Vi ser ut i fra denne formelen at det elektromagnetiske momentet blir regulert ved å forandre på i q. Fluksstyrke Figur 17: Flukslinjer i en magnet for montering i en sylinderrotor. (Se pil) Forklaring av Ld og Lq i en motor med fremtredene poler Figur 5 viser en magnet med fremtredene poler. Når denne magnettypen benyttes blir ikke flukstettheten like store i d- og q-aksen, derfor blir L d ikke lik L q. Følgene formel brukes for å regne ut det elektromagnetiske momentet: Fluksstyrke I denne type motor ser vi at det er i q og i d som reguleres for å regulere det elektromekaniske momentet. Ved å ha plassert magnetene på denne måten vil vi kunne utvikle mer elektromagnetisk moment enn magneter som er plassert i en sylindrisk rotor. Ut i fra formelen ser vi at dersom i d har en negativ verdi vil det siste leddet i ligningen bli positivt, dermed større moment. Figur 18: Flukslinjer i en magnet med fremtredende poler. Momentkurve for en synkronmotor der L q =L d. Side 9

Bruksområder for PMSM Store PMSM motorer defineres som motorer med effekt >1MW og små PMSM motorer med effekt <1MW. Bruksområdene er alt fra store generatorer i vindmøller til små motorer i servosystemer. De finnes også i utstyr som papirmaskiner, elbiler, heiser, båter, boreutstyr og rullestoler. PMSM i bruk til papirproduksjon Ved bruk av PMSM i papirmaskiner kan man ta i bruk direkte overføring (direct drive) fra motoren. Papirindustrien krever et stort antall meget pålitelige lavhastighets drivsystemer. Dette medfører at en fordyrende girboks kan elimineres. ABB sin første girløse PMSM ble montert i en papirmaskin i Finland 1999 med maskinkraft på 90 KW med 234 rpm. Den mekaniske giroverføringen ble erstattet med en virtuell digital girboks (se fig?). Drivsystemet er basert på en frekvensomformer direkte forbundet til en papirvalse uten gearboks eller tachometer. Dette gjør at papirmaskindriften kan kjøres uten et pulstachometer fordi PMSM tillater eksakt kontroll uten tilbakemeldingssløyfe. Nøyaktigheten er like god som for turtallsregulerte induksjonsmotorer med pulstachometer. [7] og [8] a) 600 rpm 1 500 rpm Gir b) 600 rpm 600 rpm Figur 19: Drivkonfigurasjoner med: a) konvensjonell induksjonsmotor, gir og mellomaksel. b) betydelig vektreduksjon med direkte overføring. En giret motor i tradisjonell papirmaskin-drift vil ha et turtallsområde rundt 1500/1800 rpm. (50/60Hz). Hastigheten til papirmaskinen blir da bestemt av giroverføringen. Tilsvarende turtallsområde for en direktekoblet PMSM vil ligge rundt 300 til 600 rpm. som samsvarer med turtallet som blir brukt i denne produksjonssammenhengen. En videre økning i lastevne kan oppnås ved bruk av vannkjøling av stator der mesteparten av tapene blir produsert. Hovedfordelene ved bruk av PMSM uten gir overføring: Mindre maskinpark og lavere installasjonskostnader på grunn av færre mekaniske overføringskomponenter. Bedre papirmaskinstabilitet på grunn av synkron drivkraft og minimal akselresonans samt ingen gir overføring. Bedre tilgjengelighet til papirmaskinen på grunn av færre mekaniske komponenter og ingen impuls omkoder. Lavere vedlikeholdskostnader som et resultat av enklere system med færre komponenter og mindre produksjonslokale. Fjerning av girboksen og børstene reduserer også energiforbruket. Grunnet forholdsvis høye materialkostnader, er innvesteringen av en "direct drive"- løsning på likt nivå med en med tradisjonell løsning med girboks. Når det blir mer vanlig å bruke PMSM, vil også prisen på det magnetiske materialet synke. Dette vil føre til at denne motortypen blir en enda mer "seriøs" utfordrer til dagens drivsystemer. [7] Side 10

Bruksområder for PMSM - Toyota Prius Toyota Hybrid System (THS) Toyota hybridsystem (THS) er en miljøvennlig teknologi som kombinerer en spesialkonstruert 1.5 l VVTi bensinmotor med en utslippsfri elektromotor. Motorene kontrolleres via en datastyring som sørger for at du hele tiden får den motorkraften du trenger. Når du starter, senker farten eller kjører sakte i kø, sørger datastyringen for at den utslippsfrie elektromotoren alene driver bilen fremover. Når du trenger rask akselerasjon, kobles også bensinmotoren inn. I tillegg til fremdrift, sørger bensinmotoren for å drive generatoren som leverer strøm til elektromotoren og lader batteripakken. Samspillet mellom motorene og fordelingen av kraften styres av elektronikken slik at energien utnyttes best mulig hele tiden. Når du reduserer hastigheten eller bremser, omdannes bevegelsesenergien til elektrisk kraft som lader batteriene igjen. Prius er prisbelønt og er tilnærmet utslippsfri i bytrafikk. Prius har et snittforbruk (blandet syklus) som er så lavt som 0,51 pr/mil. Utslippene av skadelige hydrokarboner, karbonoksyd og nitrogenoksyd er opptil 70% lavere enn i konvensjonelle PMSM som generator Toyota Prius bruker en PMSM som drivkraft. biler. Utslippene av karbondioksyd som man snakker om i forbindelse med drivhuseffekt og global oppvarming, ligger på ca. halvparten av nivåene fra konvensjonelle biler. [14] Elektrisk styring, elektrisk drevet datastyrt klimaanlegg, elektronisk styrte bremser, batterispenning transformert opp til 500 volt, og elektronisk styrte bremser som lader batteriet. Bilen er med andre ord verdens første "drive-by-wire". Dessuten kan du i byen kjøre den inntil to kilometer utelukkende på batteriet, altså som elbil. Batteriet kan bare lades via bensinmotoren om bord, som driver en generator. Foto: Toyota Permanent magnet synkronmotoren på 50 kw/68 hk drar bilen fra starten av, en stund senere starter den 50 kw sterke bensinmotoren og gjør mer og mer av jobben jo fortere du kjører, helt opp til 170 km/t. Toyota hevder at de har hentet det beste ut av de to systemene - elektromotorens robuste drag fra starten av og bensinmotorens evne til å nå høy hastighet. [13] Foto: Toyota Høyhastighetsgenerator Ved den Kungliga Tekniska högskulan (KTH) i Stockholm har de utviklet en høyhastighets PM-generator for distribusjon av energi i samarbeid med ABB. [1] Høyhastighetsgeneratorer opererer i et hastighetsområde fra 30.000 rpm til 70.000 rpm og genererer en spenning med en frekvens på opptil 2.4 khz. Generatoren kan også brukes til å starte gassturbiner, men da i motordrift. Kalkulasjoner og målinger av tapene, både som generator og som omformer motor gir en virkningsgraden for generator på 97 % og for motor 96 %. Dette er helt klart ikke en lavhastighets motor med høyt moment, men det beviser at bruken av permanent magnet teknologien brer seg over et bredt spekter. Utfordringene her ligger i at permanentmagneter er skjøre og svake i forhold til å rotere ved veldig høye hastigheter [3]. Rotoren er avhengig av å rotere vibrasjonsfritt og tåle høye temperaturer. Fordeler og ulemper Artikler om PMSM gir et entydig positivt bilde av bruksområde og av motorens spesifikasjoner. [1] og [8] I det følgende skal vi se på fordeler og ulemper med bruk av denne typen motor. Fordelene ved bruk av PMSM maskinen er at den er børsteløs og har ikke kommutatorer, av den grunn trenger den lite eller ingen vedlikehold. [6] PMSM egner seg svært godt til applikasjoner som stiller høye krav til små posisjonsutslag, fordi en unngår friksjon ved små vinkelendringer pga PMSM ikke har børster. Dette kan være vesentlig for valget av motor i kritiske applikasjoner. PMSM har i tillegg meget god virkningsgrad og høy energitetthet som gjør det mulig å gå ned på størrelsen, og likevel få samme ytelse som for en likestrømsmotor. Mange pol par gir motoren et lavt turtall med høyt moment, noe som igjen er en fordel da for eksempel giroverføringer mellom motor og utstyr kan sløyfes. Bruken av PMSM blir en teknologi som kommer mer og mer dette til tross for en større kompleksitet, mer avansert kraftelektronikk som krever mer regnekraft. Dette medfører til dyrere motorer, men med dagens regnekraft og raske elektronikkkomponenter gjør det derfor mulig å lage trefasestyringer som utkonkurrerer bruken av dc motoren. En av ulempene er at den fremdeles er dyr i innkjøp. Side 11

Høyspent synkronmotor Industrien begynner for alvor å få opp øynene for synkronmaskinen som motor. De er i utgangspunktet dyrere i innkjøp, men lavere strømforbruk på grunn av høy virkningsgrad og redusert vedlikeholdskostnad gjør at de blir av stor interesse. En annen fordel er at man kan ha varierende last ved konstant hastighet, noe som er aktuelt i f.eks. papirindustrien. Det er mange produsenter innen motorer og vi har valgt å se på hvilket utvalg ABB kan tilby. ABB synkronmotorer ABB s produktspekter for variabel hastighet og fast hastighet (lite vindu). Illustrasjon: ABB ABB leverer høyspenningssynkronmotorer i et vidt spekter: 1kV-70kV (Teoretisk opptil 150kV) 1 MW - 60MW. 2-44 poler. Fast eller variabel hastighet. De har delt synkronmotorene inn i tre produktområder: Direkte koblet, fast hastighet. VSD hastighetsregulering. (VSD = Variable Speed Drive) VHV synkronmotor. (VHV = Very High Voltage) Generell oppbygning av ABB s synkronmotorer Viklingene er isolert med glassfiberforsterket glimmertape som blir påført ved hjelp av spesielle maskiner som ivaretar kvaliteten. I tillegg blir alle viklingene spenningstestet. Stator er bygget opp av laminerte stålark som er isolert med et varmebestandig belegg. Videre blir motorene belagt med et isolasjonssystem de kaller Micadur- Compact Industry (MCI). Dette blir benyttet ved alle ABB s synkronmotorer, bortsett fra Motorformer. I MCI systemet inngår en metode for impregnering kalt VPI; Vacuum Pressure Impregnation. Altså vakuum-trykk-impregnering. Etter at stator og rotor har blitt viklet blir de tørket grundig for å fjerne alle løsemidler og annen fuktighet. Videre blir de utsatt for et vakuum slik at all luft og gjenværende fuktighet blir fjernet fra porene i isolasjonen. Neste skritt er å nedsenke viklingene i tyntflytende plastharpiks (Epoxy). Videre blir stator og rotor satt under høyt trykk i en tank for at epoxyen skal trekke godt inn i materialet. Siste skritt i prosessen er å herde epoxyen i en ovn slik at den forblir en høykvalitetsisolasjon. Med denne typen isolasjonsmetode er motorene godkjent i isolasjonsklasse F som har en maksimal berøringstemperatur på 150 C. Det er tre typer kjølingssystem som er mest brukt; Luftkjøling (figur 10), luft-til-vann kjøling og luft-til-luft kjøling (figur 11). Luftkjøling fungerer best der det er relativt ren luft og god sirkulasjon og hvor det er montert filter i motoren for å hindre at uren luft kommer inn i maskinen. Luft-til-vann og luft-til-luft kjøling blir brukt der miljøet forhindrer Figur 10: Luftavkjøling motoren fri tilgang til ren luft. Kjølingen skjer da indirekte og det blir brukt vifter for å fjerne varmegangen i materialet. Denne typen kan fåes helt mekanisk lukket og kan derfor brukes i for eksempel EXområder. Kapslingsgradene varierer fra IP 21 til IP 55. [9] Figur 11: Luft-til-luft/vann avkjøling Side 12

Høyspent synkronmotor Magnetisering Rotor kan få tilført magnetiseringsstrøm ved to forskjellige metoder, børster eller feltgenerator (børsteløst). Når den blir magnetisert ved hjelp av børster og sleperinger får den DC-spenning fra en ekstern kilde, mens ved bruk av feltgenerator (exciter) blir magnetiseringsstrømmen i viklingen styrt av magnetiseringsstrømmen til feltgeneratoren (figur 12). Fordelen med feltgeneratoren er at man ikke har det samme behovet for vedlikehold som ved børstedrift. Forenklet ekvivalentskjema for feltgenerator (exciter) I mf I af I m I a Magnetiseringsstrøm som styrer feltet til generatoren AC/DC Likeretter Stator, feltgenerator Rotor, synkronmotor Stator, synkronmotor Man magnetiserer stator i feltgeneratoren, dermed blir det indusert en 3-fase AC-spenning i rotor. Videre blir den likerettet og det blir tilført magnetiseringsstrøm til høyspenningsmotorens rotorkrets. Regulering av motoren ABB har utviklet noe de kaller AVR, Automatic Voltage Regulator. Dens formål er å holde spenningen eller effektfaktoren konstant ved variabel last. Det finnes både digitale og analoge spenningskontrollere. Andre kontrollorgan som kan monteres er vannkjølingskontroll, hastighetsmåling ved hjelp av tachometer og elementer for temperaturmåling (Pt-100). Videre kan man få skive-bremser for rask stopp, vibrasjonsdetektorer og posisjonsindikatorer. Bruksområder Synkronmotorer har mange bruksområder. Vi kan finne de i fremdriftsmotorer i båter, kompressorer i oljeindustrien, motorer i papirindustri, steinknusere ved gruvedrift, i prosessindustrien og i spesielle applikasjoner som f.eks. vindtunneler. Man kan konkludere med at synkronmotorer kan brukes til mange formål i industrien. Very High Voltage synkronmotor Motorformer Vi vil i det følgende se på konstruksjonen og bruksområdene til VHVsynkronmotoren. ABB har utviklet en type synkronmotorer som er teoretisk beregnet for et spenningsområde fra 20kV til 150kV, men i praksis har de produsert motorer opptil 70kV. Det er viktig å utdype at denne type motorer ikke blir masseprodusert, men blir bestilt etter særegne kriterier hver gang. Behovet for denne typen motorer finner vi i pumper og kompressor anlegg der man trenger mye effekt - fra 1MW-50MW. Siden man tidligere bare kunne få motorer opp til 15kV måtte man transformere spenningen ned ved hjelp av en transformator. Med denne nye teknologien kan man i dag sløyfe transformatoren og koble motoren direkte til nettet. ABB var de første på markedet med denne type teknologi og de har kalt den for Motorformer. Konstruksjonen bygger mye på vanlig synkronmotor teori, med utpregede poler og samme typer magnetiseringssystem. Det revolusjonerende med ABBs Motorformer er formen på lederne i stator. Mens ordinære statorer har rektangulære ledere, har Motorformer runde. I følge ABB fører dette til et homogent magnetfelt rundt lederne og man kan dermed føre høyere spenninger på grunn av denne konstruksjonen. På disse lederne bruker de en isolasjonstype kalt XLPE. Ved kontakt med ABB fikk vi vite at resten av teorien rundt konstruksjonen av Motorformer er en bedriftshemmelighet med rundt 200 patenter som de vil forståelig nok holde for seg selv. De fikk i januar 2005 en utmerkelse for konstruksjonen av Motorformer av Control Engineering i det årlige Editors' Choice Award, der den ble omtalt som meget innovativ. De mest vanlige startmetodene for store synkronmotorer Det er påvist at jo større motoren er, desto høyere vil spenningsfallet på tilførselen bli ved oppstart. Derfor er man nødt til å bruke alternative startmetoder. Den mest brukte startmetoden er frekvensomformer, også kalt soft starter. Dette gjør at man kan starte motoren ved et høyt moment og unngå vesentlige spenningsfall på nettet. Motoren er i startforløpet ikke koblet direkte til nettet, den blir kun styrt av omformeren. Når den kommer opp i synkronhastighet vil omformeren bli koblet ut og motoren er koblet direkte mot nettet. [9] Side 13

Figuren viser de mest vanlige startmetodene for store synkronmotorer. Illustrasjon: ABB Motorformer kan, som ved Troll A, bli startet ved hjelp av frekvensomformer, men det kan også brukes direktestart eller reaktorstart. Man bruker også omformeren til å regulere hastigheten under drift, men i de tilfellene man skal gjøre det vil det føre til høyere kostnader i form av at man må ha en annen type frekvensomformer. Ved generell bruk av frekvensomformer vil man også ha den fordelen at den reduserer inrush-strømmene og vi kan dermed ta i bruk en mindre motor. [9] Motorhavari som følge av motorstyringer I vår søken etter informasjon fant en interessant artikkel på Teknisk Ukeblad sine nettsider. Det er utenfor vårt område i gruppeoppgaven, men vi synes det er av interesse å fortelle litt om problemet. Nye undersøkelser av puls-breddemodulerte frekvensomformere viser at denne typen omformere sliter betraktelig mer på motorlager enn ved installasjoner som har vanlige sinusspenninger. Det ble gjort en forundersøkelse i regi av Statsbygg i samarbeid med rådgivende ingeniører, brukere og leverandører. Utredningen bekrefter et fysisk fenomen hvor motorakselen får oppbygd høyfrekvente overspennningspulser som risikerer å bli ladet ut som overslag i lageret gjennom punkteringer i oljefilmen. Et annet fenomen for større motorer skyldes ofte sirkulerende elektriske strømmer som går igjennom kulelagrene mot jord. Lagerstrømmene ved begge fenomener skapes av de raske svitsjetransistorene i de pulsbreddemodulerte omformerne. En gnist kan lage et krater i yterringen på lageret. Symptomet på at noe er galt er at lageret går varmt, og at man får en unormal lyd fra lageret. Gruppen i regi av Statsbygg ville sette i gang et forskningsprosjekt som belyser problematikken i samarbeid med NTNU og SINTEF, men det ble ikke bevilget penger til dette. Ved at det bare er foretatt forundersøkelser kan man ikke trekke en bastant konklusjon, men man får klare indisier angående problemet. [10] Heldigvis finnes det frekvensomformere på markedet som lager rene sinusformete spenninger, som f. eks. Stadt NFO Sinus frekvensomformer. Produsenten av omformeren (Stadt) er så sikre på den teknologiske for delen at de gir 5 års garanti på lagrene i motoren. [11] Den røde kurven viser normal feilstatistikk for installasjoner som har sinusspenning til elektromotorene, mens den blå kurven viser motorer som blir matet fra pulsbreddemodulerte frekvensomformere. Illustrasjon: SKF SKADET: Ytre ringen til et kulelager som er skadet på grunn av sirkulerende elektrisk strøm skapt av en rask pulsbreddemodulert frekvensomformer. Bildetekst: Teknisk Ukeblad Foto: STADT Side 14

Høyspent synkronmotor i bruk - Statoil Troll A På en produksjons-plattform med kompressorer, motorer og store elektriske systemer forbrukes det mange titalls megawatt med effekt. For å produsere slike mengder energi brukes det i dag store gassturbiner og dieselgeneratorer på plattformene. Med slike offshoreinstallasjoner klarer man ikke å oppnå mer en ca. 25% virkningsgrad, selv med ideelle omgivelser. Denne ineffktiviteten er ikke bare kostbar med tanke på drivstoff. CO 2 - og No x - utslipp på norsk sokkel er avgiftsbelagt og har ført til høye kostnader i form av miljøavgifter. Hvis energien til plattformene kan bli forsynt fra landbaserte anlegg så eliminerer man store mengder utslipp fra offshore anlegg, noe som igjen fører til mindre miljøavgifter og store økonomiske besparelser. Med landbaserte anlegg kan man oppnå en virkningsgrad på 75-80% fordi man blant annet kan utnytte overskuddsvarmen fra gassturbiner og dieselgeneratorer til f.eks. fjernvarmeanlegg. En annen viktig fordel ved landbaserte forsyningsanlegg er at man forenkler vedlikehold og øker tilgjengelighet og levetid på anlegget. [9] Troll A Troll A er den største gassproduksjons-plattformen på norsk sokkel. Troll A kan produsere opp til 100 mill. m 3 gass per dag. For at man skal kunne transportere gassen effektivt i rørledninger er man avhenging av et visst trykk. Trykket fra reservoaret driver idag gassen til prosessanlegget på Kollsnes. Når gassen blir tatt ut fra reservoaret synker trykket. For å opprettholde produksjonskapasiteten må man prekomprimere gassen før den kan sendes videre. Dette er en energikrevende prosess som i dag skjer ved hjelp av gass- og dieselturbiner som forsyner kompressorene med energi. Dette fører som nevnt til store CO 2 -utslipp. For å eliminere et årlig utslipp fra Statoils Troll A plattform på 230.000 tonn CO 2 og 230 tonn No x satte de i gang et prekompresjons-prosjekt. ABB fikk to kontrakter. En for prekompresjons-utstyr og en for det elektriske systemet til kompressorene. De var på henholdsvis 185 og 85 millioner USD. ABBs Motorformer som er montert på Troll A. Foto: ABB For dette prosjektet utviklet ABB i samarbeid med Statoil et system for offshoreinstallasjon basert på to teknologier, HVDC Light og Motorformer. Disse systemene har vært suksessfullt i bruk på land siden respektive 1997 og 1998, men aldri på en offshore-installasjon eller sammen som et drivsystem. Systemet bruker energi fra nettet på fastlandet for å drive kompressorene på Troll A. Dette ble installert våren 2004 men er pr. april 2005 ennå ikke satt i kommersiell drift fordi systemet må testes ut. Idriftsettelsen forventes å skje høsten 2005. HVDC Light HVDC (High Voltage Direct Current) brukes til å distribuere store energimengder over store avstander. HVDC Light er ny transmisjonsteknologi utviklet av ABB basert på spenningsomforming som utnytter det økonomiske effektområdet til HVDC-overføringer ned til noen få megawatt. Med HVDC Light kan man også kompensere reaktiv effekt. Vi har valgt å ikke gå mer i detaljer om dette systemet her i dette prosjektet. Mer info om HVDC Light finner du på www.abb.com. Motorformer På Troll A er det installert to Motorformere på 40MW/56kV som driver hver sin kompressor. Disse blir forsynt fra forsyningsnettet på land med HVDC Light teknologien. Mellom likerettingen på Kollsnes og motorene på plattformen finnes ingen transformatorer. Hver motor blir matet via to fysisk adskilte 300 mm 2 undersjøiske kopperkabler som sørger for stor driftssikkerhet i systemet. Lengden på disse undersjøiske kablene er hele 70 km. På plattformen blir så likestrømmen vekselrettet med HVDC Light -inverteren og koplet direkte til Motorformerne. [9] Linjeskjema for HVDC Light og Motorformer slik det er satt sammen i drivsystemet på Troll A. Illustr.: ABB Side 15

Synkronmotor - regneeksempel Dette regneeksempelet har vi mottatt fra sivilingeniør Roger Berntsen som jobber i Esko Graphics Kongsberg AS. Vi har valgt å ta dette med for og belyse teorien med et regnestykke og resultater fra en simulering. Vi skal her se på et kombinert eksempel, med både beregninger og simuleringer. Motoren som skal analyseres har følgende data: R S = 0.505 Ω L S = 0.33 mh Viskøs dempning, B = 0.0000135 Nm s/rad Treghetsmoment, J = 0.00001 kgm 2 Antall poler, P = 8 (antall polpar er 4) Nettfrekvens, f = 50 Hz Merkeeffekt, P N = 1.2 kw U S = 28 V (fasespenning, effektivverdi) Ser bort fra jerntap, virvelstrømstap og ventilasjonstap. Motoren kjøres først uten belastning og så settes det på en last etter 0.2 sek. Alle verdier skal regnes ut etter at lasten er slått på. Den induserte spenningen etter lastpåslaget er: V ind = (3.489 j8.275) V Stasjonære motormodellen er som vist i figur 1. R s L s I s V s VEMF ω r Figur 1 Pr.fase ekvivalentskjema for asynkronmotoren Beregn følgende: a) Synkronhastigheten n S og ω S for motoren. b) Statorstrømmen I S og Cos(ϕ). c) Tilført effekt (P in ). d) Statortapet, Ps e) Hvor stort er det elektromekanske momentet i motoren? Side 16

Synkronmotor - regneeksempel [12] Beregnet løsning: a) 120 f 120 50 n 750omdr S = = = P 8 min n S 2 π ω rad S = = 78. 54 60 s b) U s U ind 19.799 (3.489 j8.275) I S = = = 34.2193+ j9. 3616A R + jω L 0.505+ j314.1593* 0.00033 s s s ϕ = 9. 3616 arctan = 34.2193 15.3 deg cos( ϕ ) = 0.9646 c) Pin = 3 U S I S Cos( ϕ ) = 2032. 5W d) P s 3I 2 R = 1906.8 W = s s e) T em = P in P ω r s = 1.6 Nm Side 17

Synkronmotor - regneeksempel [12] Simulert løsning a) Vi ser her turtallet på motoren. Etter at alle transienter har dødd ut, vil turtallet stabilisere seg. Så ser vi at turtallet går litt ned ved lastpåslaget. Dette er i overenstemmelse med beregningene. 300 Turtallet på motoren 200 100 Turtall (rad/s) 0-100 -200-300 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Tid (sek) Figur 2 Turtallet på motoren b) Figur 3 viser strømmene i den en statorfasen. Som vi ser er det høyere startstrømmer i det transiente området for turtallet. Side 18

Synkronmotor - regneeksempel [12] 45 Effektivverdien av fasestrømmen, is 40 35 30 Strøm (A) 25 20 15 10 5 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Tid (sek) Figur 3 Strømmen i en av statorfasene Figur 4 viser at cos( ϕ)-verdien blir ca. 0.96, etter at lasten er hengt på. Simuleringen stemmer altså bra overens med det vi fikk i beregningene. 1 Cosinus fi 0.98 0.96 Verdi mellom 0 og 1 0.94 0.92 0.9 0.88 0.86 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Tid (sek) Figur 4 Cosinus ϕ Side 19

Synkronmotor - regneeksempel [12] c) 2500 Tilført effekt, Pin 2000 Effekt (W) 1500 1000 500 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Tid (sek) Figur 5 Tilført effekt til motoren Vi skulle i tillegg beregne tilført effekt. Som vi ser av figur 5 er veriden ca.2050w. Stemmer bra med beregningene. d) Ingen kurve. e) Figur 6 viser det elektromekaniske momentet i motoren. Etter lastpåslag har vi et moment på ca.1.6 Nm. Side 20

Synkronmotor - regneeksempel [12] 3 Motormoment, Tem 2 1 Moment (Nm) 0-1 -2-3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Tid (sek) Figur 6 Elektromekanisk moment, T em Side 21

Konklusjon Vi har sett en utrolig utvikling de siste årene både på forskning og utvikling av synkronmotorer og styring av disse. Høyspentmotorer har blitt kraftigere og permanentmagnetmotorer har blitt regulerbare. Referanser Motorene har vunnet plass på mange nye områder og i mange teknologier. Teknologien har hjulpet menneskeheten et riktig skritt på veien mot et mer bærekraftig samfunn sett fra et økonomisk og miljømessig standpunkt. Det kommer også frem av rapporten at tiden fra utvkling til kommersialisering kan ta lang tid, noe som gir oss mer håp for fremtiden. Det virker som om utviklingen ennå vil gå videre. [1] Krøvel, Nilssen, Nysveen (Trondheim) A Study of the Research Activity in the Nordic Countries on Large Permanent Magnet Synchronous Machines. NTNU [2] Libert, Soulard (Stockholm) Design Study of Different Direct-Driven Permanent Magnet Motors for a Low Speed Application. Royal Institute of Technology [3] Tsao, Senesky, Sanders (Berkeley) A synchronous Homopolar Machine for High-Speed Applications. University of California [4] Bua, Dalva, Thorsen (1980) Roterende elektriske maskiner. Universitetsforlaget [5] www.smartmotor.no [6] Berntsen (Trondheim 2002) Servosystemer med permanentmagnet synkronmotor. Bruk av dq-akseteori. Tapir Akademiske Forlag [7] Welin, Friman (Helsinki) New Direct Drive system opens a new era for paper machines. Paper and Timber. Vol.83 - No 5 2001 [8] ABB-tidsskrift. Løsninger nr.1 2003 [9] www.abb.no [10] www.tu.no/nyheter/produksjon/article33342.ece [11] www.stadt.no/download/brosjyrer/frekvensomformere/stadt%20nfo%20sinus%20garanti.pdf [12] Roger Berntsen (Siv.Ing) - Esko Graphics Kongsberg AS. [13] www.tu.no/nyheter/samferdsel/article25421.ece [14] www.toyota.no Forkortelser Control Engineering er en nordamerikansk publikasjon med informasjon om teknologi, produkter, nyheter og trender i styrings-, instrumenterings- og automasjonsmarkedet. CPU Central Prosessing Unit Drive-by-wire Forbindelsen mellom fører og de mekaniske aktivitetene blir styrt via ledninger. HVDC High Voltage Direct Current Hybrid Noe som er framkommet ved krysning eller sammensetning av flere elementer. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors MCI Micadur Compact Industry MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor PM Permanentmagnet PMSM Permanent Magnet Synkron Motor RPM Round Per Minute - omdreininger per minutt Synkron -samtidig -som har samme svingetall VHV Very High Voltage VSD Vvariable Speed Drive VPI Vacuum Pressure Impregnation VVT-i Variable Valve Timing with Intelligence XLPE Cross-linked Polyethylene (tverrbundet polyetylen) Side 22