Diesel-elektrische voortstuwing

Diesel-elektrischs voonstuwing

TEJ Delft

Technischeillniversiteit Delft /1'2

/"./

LAile,

Lit

48 jaars scriptie

J.W. de Wit

ivakgroep OEMO

faculteit WBMT

TU Delft

rapportnr: IOEMO 95/29 11995/februari 1996, juli

Inhoudsopgave

pag Symbolenlijst i1 Gebruikte afkortingen 12 lnleiding i3 1 Elektrische machines 1 1.1 Doer 1 1.2 E-motoren 1 1.3 Evaluatie E-motoren 7 1.4 Generatoren 9 2 Elektrische omzetters 15 2.1 Doe! 15 2.2 Roterende omzetters 15 2.3 Statische omzetters 16 2.3.1 Gelijkrichters 16 2.3.2 Inverters 20 2.3.3 Frequentieomzetters 20

2.4 Toerenregeling van een AC-motor 26

2.5 Koeling van frequentieomzetters en halfgeleiders 29

2.6 Evaluatie van frequentieomzetters 30

3 Elektrische scheepsnetten 33

3.1 Doe! 33

3.2 Componenten van een scheepsnet 33

3.3 Netstoring 35

4 Diesel-elektrische voortstuwings varianten 41

4.1 Doe! 41

4.2 Voortstuwings-configuraties 41

4.3 DE-voortstuwing van RoRo's en veerboten 51

4.4 Gebruik van CPP/FPP bij DE-voortstuwing 55

4.5 Classificatie voorschriften voor DE-voortstuwing 57

4.6 Motivatie tot keuze voor DE-voortstuwing 57

5 Afmetingen, gewichten en kosten van DE systemen 63

5.1 Doe! 63

5.2 Afmetingen en gewichten van voortstuwingscomponenten 63

5.3 Kosten van voortstuwingscomponenten 70

6 Conclusies en aanbevelingen 71

6.1 Doe! 71

6.2 Samenvatting 71

6.3 Evaluatie t.a.v. DE-RoRo's en veerboten 75

6.4 Conciusie 76

6.5 Aanbevelingen 76

Inhoud bijlagen

089'

Bijlage,1:11 PraktijkvoOrbeelden van DE-voortstuwingsconfiguraties 79

Bijlage 2:^ 0Mschrijving van opdracht voor iiteratuurstudie .89

Bipage. 3Tt Classificatie voorschriften t.a:v..DE-voortstuwing '911

IBijlage 4:, GebouwdelDM RORo-schepery 1:03

Symbolenlijst

Eu la Ielf I Iiin la ns Pigen PEM Pgentot Pk

a

R

U, Ue" Ukin tia Xa Xs REM Rfomz 'igen Rthrus Rtran.s. nfrstr ct)

geInduceerde emk _[Volt]

= netfrequentie [Hz]

lijn/netstroom [A]

= stator/ankerstroom [A]

= effectieve stroom [A]

= lijn/netstroom [A]

= rotorstroom [Al

= reactieve component van de statorstroom [A]

= watt/actieve component van de statorstroom [Al

= aantal hoofdgeneratoren

= zelfinductie van statorwikkelingen [H]

= toerental [1/min]

= synchrone toerental _[1/min]

= aantal poolparen

= actief/werkzaam vermogen _[kW]

= vermogen van 1 hoofdgenerator _[kW]

Vermogen aan elektrische hoofdvoortstuwers _[kW]

= Totaal geInstalleerd hoofdgeneratorvermogen [kW]

= nuttig vermogen geleverd door generator [kW]

= reactief vermogen [kW]

= rotorweerstand [ohm]

= schijnbaar vermogen [kW]

lijn/netspanning _[Volt]

effectieve spanning [Volt]

[Volt]

lijn/netspanning

= rotorspanning _[Volt]

= fictieve reactantie [ohm]

= synchrone reactantie _[ohm]

= rendement van E-motor

= rendement van frequentie omzetter

-= rendement van generator = thruster rendement = transmissie rendement

-= transformator rendement

-faseverschuiving tussen stroom en spanning [rad]

= magnetische flux [T]

[rad/s]

hoeksnelheid van generator

ml = f g in P = = = = =

Gebruikte afkortingen

AC Alternating Current (wissel stroom)

bel.f Belastings factor

CPP Controllable Pitch Propeller (schroef met variabele spoed)

DC Direct Current (gelijk stroom)

DD Diesel Direct

DE Diesel Elektrisch

DM Diesel Mechanisch

DP Dynamic Positioning (dynamische positionering)

E-balans = Elektrische balans

E-motor Elektro motor

E-vermogen Elektrisch vermogen

EM Elektro motor

emk = Elektromagnetische kracht

FPP Fixed Pitch Propeller (schroef met vaste spoed)

LV Low Voltage (laagspanning)

MV = Medium Voltage (middenspanning)

rpm = Rotations Per Minute (omwentelingen per minuut)

twk

= TandWielKast = = = = = = = = I' = =

lnleiding

De behoefte aan een Diesel-Elektrische(DE) voortstuwing is ontstaan bij ijsbrekers.

Hierbij vereisen de hoofdvoortstuwers, i.g.v. ijsgang, een hoog aanloopkoppel. Een conventionele diesel-directe aandrijving blijkt hier niet goed aan te kunnen voldoen.

De introductie van DE-voortstuwing, zo'n vijftig jaar geleden, bleek een passende oplossing; het eerste systeem bestond uit een gelijkstroommotor gekoppeld aan een gelijkstroom dieselgenerator. Al hoewel draaistroom technologie aan het eind van de jaren vijftig geIntroduceerd vverd, bleven thyristor gestuurde DC-systemen het meest

toegepast tot in de jaren tachtig. Ook werd toerenregeling d.m.v. roterende omzetters

veelvuldig toegepast.

Pas toen er vergaande ontwikkelingen op het gebied van de vermogenselektronica

plaatsgevonden hadden, is er een ommezwaai gekomen naar draaistroommotoren.

Hoewel DC-machines goed bestand zijn tegen stootbelasting en varierende koppels, blijkt het vereiste onderhoud een beweegreden te zijn am over te stappen op

draai-stroommotoren. Deze machines hebben een grotere bedrijfszekerheid en het totaal

systeem (inclusief omzetter) heeft een hoger rendement. Om het toerental van deze machines te regelen wordt er gebruik gemaakt van statische omvormers; deze bestaan uit brugschakelingen van half-geleiders. Deze omzetters hebben een hoog rendement en zijn in staat am grate vermogens am te zetten.

Toepassing heeft bij bepaalde categorieen (zoals bij cruise-liners) binnen de scheepvaart

een vlucht genomen; redenen am over te stappen van diesel-directe voortstuwing op

DE-voortstuwing zijn ondermeer:

Vermogensaandeel van avenge elektrische gebruikers (niet hoofdvoortstuwers) is groat.

Vaarpatroon bestaat uit korte trajecten.

- Afhankelijk van het type elektro-motor kan 100% koppel beschikbaar zijn over het

hele werkgebied.

- Vergroting van lading-ruimte door meer optimale benutting van de machinekamer. Brandstofkosten kunnen lager zijn.

Onderhoudskosten kunnen lager zijn.

Grotere redundantie, bedrijfszekerheid dan een DM-voortstuwing.

Het doel van deze vierde jaars opdracht is am op basis van literatuur gegevens tot een technische beschrijving van een aantal Diesel-Elektrische voortstuwingsvarianten te

komen. Oak zal het toepassingsgebied van de verschillende DE-systemen toegelicht warden.

Hoofdstuk 1 tot en met 3 geeft een beschrijving van elektrische componenten gebruikt in DE voortstuwingssystemen. In hoofdstuk 4 wordt er ingegaan op de verschillende DE

voortstuwingsvarianten alsmede de factoren die de keuze voor DE-voortstuwing

bepalen. In het 5e hoofdstuk warden de dimensies en kosten van DE-systemen vergele-ken met die van conventionele. Conclusies en aanbevelingen zullen dit rapport afsluiten.

is

-1 Elektrische machines

1.1 Doel

Een elektrische machine kan men zowel als generator (wekt E-vermogen op) als E-(elek-tro) motor tegenkomen. In dit hoofdstuk worden zowel de verschillende typen motoren

als generatoren beschreven.

1.2 E-motoren

In voortstuwingsinstallaties wordt er gebruik gemaakt van de volgende typen elektri-sche motoren:

Gelijkstroom (DC) motoren Synchrone (AC) motoren Asynchrone (AC) motoren

add 1 Gelijkstroom motoren

Algemene kenmerken van gelijkstroommotoren: [FlameIs]

De gelijkstroom wordt d.m.v. borstels via de commutator aan het anker

toegevoerd. De commutator is een cilinder-vormig lichaam waarop geIsoleerde lamellen zijn aangebracht, het bewerkstelligt het omschakelen (commuteren) van het ankerveld.

Het bekrachtigingsveld bevindt zich in het huis of magneetjuk, dit

kan zowel een vaste als een elektromagneet zijn. Bij de wat grotere motoren worth voornamelijk elektrische bekrachtiging toegepast.

Motor kan variabele koppel-belasting goad doorstaan. Hierdoor vindt de motor een goede toepassingen bij walsen en kranen.

Koppel

= T =c1 xMx It

[Nm]

Klemspanning

= U = c2x

x n [Volt]

Vermogen

=P=Txnx 2/7160 [W]

c1,c2 = constantes = magnetische flux [T]

= stroomsterkte [Al U = voedingsspanning [V]

= vermogen [WI n = toerental [1/min]

De commutator geeft de DC-motor een vermogensbegrenzing. Hiervoor wordt de volgende vuistreoel gehanteerd [Borman, 19931:

Uxnx P

1000 x 1000 x 1000 [V2x kA/min]

De lamellen van de commutator die als schakelaar functioneren kennen een constructieve begrenzing voor schakelsnelheid (n < 1000 rpm), spanning (U< 1000 V), en doorgevoerd vermogen (P < 1000 kW).

Uit het bovenstaande verband is af te leiden dat hoog-vermogens gelijkstroom-machines (P > 1000 kW) aan een laag toerental gebonden zijn.

-De volgende typen DC-motoren zijn te onderscheiden [HameIs, 1991],[-Deleroi, 1990]: a. Onafhankeliik bekrachtipde motor

Hierbij zijn de bekrachtigingsspoelen aangesloten op een extern& voedingsbron. Het toerental is op de volgende manieren te regelen:

regeling van spanning U over het anker (ankerklemspanning) regeling van ankerweerstand R

regeling van de magnetische flux, dus van de veldstroom.

Vooral voor grotere vermogens is dit een veel toegepast type motor, de bekrachtiging van deze machines wordt betrokken uit:

- een onafhankelijke bron

- een aparte bekrachtigingsgenerator

b. Shunt-motor

Hierbij is de veld-(bekrachtigings) wikkeling parallel geschakeld aan de ankerwikkeling. Men kan het toerental op 3 manieren regelen:

regeling van de klemspanning U over de motor

regeling van de ankerweerstand Ra

regeling van de magnetische flux, dus van de veldstroom. c. Serie-motor

In dit geval zijn de veldwikkelingen in serie geplaatst met de ankerwikkelingen. Toeren regeling kan maar op een manier pleats vinden:

regeling van de klemspanning U over de motor d. Compound-motor

Hierbij worden 2 veldwikkelingen toegepast; een sene- en een shunt-wikkeling. Deze zijn zo geschakeld dat ze elkaars werking versterken. Afhankelijk van de verhouding tussen serieveld- en shuntveld-bekrachtiging zal de koppel-toeren karakteristiek van de

compound-motor een mengvorm van die van de serie- en shunt-motor zijn.

Figuur 1.1 Schematisehe voomtelling van de verschfilende types DC-motoren; a.Onafhankelijk bekrachogde motor, b. Shunt-motor. a. Sent-motor, d.Compound-moror

Koppel-toeren karakteristiek van een DC-motor

DC-motoren hebben een hoog aanloopkoppel (1.5-2 maal Zonder belasting

2 -mom).

kunnen de motoren zeer hoge toerentallen bereiken (serie-motor). Ten gevolge van hoge

centrifugaalkrachten kan dit leiden tot beschadiging van de ankerwikkeling of de

commutator. Oak treedt er een verhoogde slijtage van de borstels op.

SHUN TMO TOP

COmPOuN0m0 TOR MET OvERwE GE ND

SHUNT KARM(T ER

COMPOUNDMOTOP MET

OVER-wE GEN() SERIEKARAK TER

---,....SERIE HOTOR

-...

--,_

Pigmy. 1.2 Koppel-toeren karaAtenstieken van de shunt-, sene-, en compound-motor

In moderne voortstuwingsinstallaties vindt toepassing van DC-motoren nog maar zelden

plaats, redenen hiervoor zijn de vermogensbeperking en het intensieve onderhoud _aan de machine. Er zal in deze vierde jaars opdracht verder geen aandacht besteed worden

a an DC-motoren.

ad.2 Synchrone motoren

Algemene kenmerk en van synchrone motoren:

- Er wordt onderscheid gemaakt tussen 2 typen synchrone E-motoren:

- Draaistroomwikkeling (arbeidswikkeling) bevindt zich op de stator. Met behulp van gelijkstroom wordt op de rotor een magneetveld (bekrachti-ging) opgewekt. De rotor draait synchroon met het draaiveld van de

stator mee. Zie ad.2.A

- Draaistroomwikkeling bevindt zich op de rotor die evenredig met de voedingsfrequentie draait. De gelijkstroom bekrachtigingswikkeling bevindt zich op de stator. Zie ad.2.B

Toerental = n, = f x 60/p [1 /min] _{0 < ns< WOO rpm (in DE-voortstuwing)}

: voedingsfrequentie van draaistroom : aantal poolparen van de bekrachtiging

Er wordt onderscheid gemaakt tussen E-motoren die direct- (tot ± 200 rpm) en indirect-(tot 1000 rpm) de hoofdvoortstuwers aandrijven. De eerste zijn qua afmetingen een stuk groter dan de midden-toerigen.

Zonder frequentieomzetter moet de motor asynchroon aanlopen d.m.v. een demperkooi.

Polen; dit zijn bewikkelde ijzerkernen die door een gelijkstroombron bekrach-tigd warden.

Sleepringen, borstels en bekrachtigingswikkelingen op de rotor maakt de motor duurder dan de kortsluitanker motor. Tegenwoordig worden oak wel _borstelloze motoren toegepast, deze moeten echter asynchroon aanlopen.

Het magnetisch veld wordt ontwikkeld in de luchtspleet tussen rotor en stator.

-Rendement: 96-97% (P > 1000 kW)

Vereist onderhoud aan sleepringen en borstels

De volgende types synchrone motoren zijn te onderscheiden (FlameIs, 19911: ad.2.A Draaistroomwikkelinq op stator

Bijna alle (99%) synchrone motoren zijn op deze wijze uitgevoerd, het bekrachtigings-veld bevindt zich op de rotor en bestaat uit een aantal (2-30) elektrische poolparen. Alqemene kenmerken van synchrone E-motoren met rotorbekrachtiqinq:

-2 sleepringen voor het toevoeren van het bekrachtigingsvermogen (gelijkstroom) aan de rotor; hierdoor gaat maar een fractie (ca. 2%) van het totaal vermogen. Veel toegepast in industrie (grotere vermogens).

Synchrone motoren voor een toerental zijn vaak borstelloos uitgevoerd; aanlo-pen gebeurt d.m.v. asynchrone kortsluitwikkelingen (demperkooi) en een bijzon-dere schakeling om bij het nominale toerental de bekrachtiging in te schakelen. Voor de rotor ziin er 2 verschillende constructies moqeliik:

-Rotor met uitgebouwde polen

&gum- 1.3 Synchrone motor met utrgebouwde paten

Bij deze rotor bevinden de poollichamen zich both recht op de rotorcilinder, daaromheen zijn de be-krachtigingsspoel gewikkeld. Het aantal polen en de draaistroomfrequentie zijn bepalend voor het

toeren-tall van deze motor. Kenmerken:

Langzaam (n<200 rpm) draaiende motoren voor

directe aandrijving.

-Sneller lopende motoren (n <1000 rpm) komen in industrieel gebruik regelmatig voor, toepassing bij DE komt echter in de literatuur weinig voor.

Centrifugele kracht op de rotorwikkelingen kan een begrenzing voor het ontwerp vormen.

-Cilinderrotor

De rotor is een cilindervormig lichaam met gleuven, waarin de spoelen gewikkeld zijn.

Figuur 1.4 Synchrone motor met cilinderrotor

4

Kenmerken:

Rotor bestaat uit gefreeste cilinderkern of

ijzerla-mellen op as.

Uitgevoerd met 2 tot 8 poolparen.

Voornamelijk toepassing als snellopende (n<3600 rpm) machine voor elektriciteitsopwekking tot 500 MW (zgn.turbo generatoren). Ook voor lager-ver-mogen industrieel gebruik komt men oak wet moto-ren van het cilinderrotor-type tegen.

-ktguur L5 Koppel-toeren karakteristiek van een synch/one motor

Koppel-toeren karakteristiek van een synchro-ne motor

Een synchrone motor kent zonder frequentie

omzetter maar een toerental;

namelijk het synchrone toerental. Op dit toerental kan de belasting varieren van flu) tot maximaal, de

koppel-toeren karakteristiek is _{een verticale} rechte. Door een frequentie omzetter toe te passen kan deze rechte (synchrone toerental) langs het toerengebied verplaatst warden. De synchrone motoren toegepast in DE-voort-stuwings installaties zijn in het algemeen van het type met de draaistroom wikkeling op de stator en uitgebouwde polen op de rotor.

ad.2.B draaistroomwikkelinq op rotor

Hierbij bevindt het bekrachtigingsveld zich op de stator. Bekrachtiging kan voor kleine motoren bestaan uit permanente magneten, terwijI deze voor wat groter motoren uit electro magneten bestaat. Vaak bestaat de bekrachtiging uit meer dan 1 poolpaar. Kenmerk: - 3 Sleepringen (toevoeren van draaistroom aan de rotor) met borstels

- Aileen toepasbaar voor kleine machines; vermogens overdracht d.m.v.

sleepringen kent een vermogens begrenzingen, zie ook DC-machines. Nadeel: - Fractie draaistroomvermogen veel is grater dan die van het

bekrach-tigingsveld, de sleepring-verliezen zijn aanzienlijk.

DR type motor wordt niet toegepast binnen de DE-voortstuwing en wordt dus niet

verder behandeld.

ad.3 Asynchrone motoren

Algemene kenmerken van asynchrone motoren:

Oak wel inductie- of kortsluitanker-motor genoemd

Rotor: kortgesloten kooi of een naar buiten gevoerde draaistroom-wikkeling

(d.m.v. sleepringen)

Slip: voor het induceren van spanning in de rotor is het noodzakelijk dat de geleiders van de kooi een snelheid hebben t.o.v. het draaiveld, dit wordt oak wet slip genoemd. De slip(s) zal tussen de 1 en 6% bedragen. Ten gevolge _van slip zal het toerental van een asynchrone machine zijn:

nm < ns, _{sli Pmotor} = (ns-n)/ns

n > ns,SlPgeneratOri =(ns-ng)/ns (negatieve slip)

ns = synchrone toerental [1 /min]

n,

= toerental van asynchrone motor [1 /min] ng = toerental van asynchrone generator [1/min]

Machine kan geen inductie spanning leveren zonder op een voedingsspanning aangesloten te staan.

Toerental = = (1-s) x f x 60/p [1 /min] 0< n<1000 rpm (DE)

-= voedingsfrequentie [Hz] = aantal poolparen It ns

-- Kooianker/inductie motor De rotor bestaat uit een aantal

kortgesloten

wikkelingen

(opgesloten in het

rotorijzer-pakket)

waarin ten gevolge

van het magnetische

lucht-spleetveld en slip een

induc-tiestroom wordt opgewekt.

Daardoor ondervinden ze

t.g.v. het magnetische veld

een Lorentzkracht die

aan-grijpt op de staven van de

kooi, gezamelijk levert dit het motorkoppel. De motor wordt

ook wel een kortsluitanker (k.s.a) motor genoemd.

6

=slip

De hoeveelheid poolparen (en dus ook het toerental) wordt bepaald door het aantal "paren" draaistroomwikkelingen op de stator.

Kleine luchtspleet toy. synchrone motor Rendement: 95-96% (P > 1000 kW)

Vermogens tot 35 MW, in DE-voortstuwing tot 8 MW

De volgende type asynchrone motoren zijn te onderscheiden [FlameIs, 19911:

Figour 1.6 kleine asynchrone kooiankennotor

Voordelen van kooianker motor:

- onderhoudsvriendelijk door ontbreken van sleepringen en borstels relatief goedkoop (t.o.v. synchrone motor) t.g.v. eenvoudig principe

- compacte motor, hoge vermogensdichtheid (voornamelijk bij hogere toerental-len)

in combinatie met een frequentieomzetter heeft de motor een hoog aanloop-koppel, het kipkoppel (zie figuur 1.7) is naar 0 rpm terug te brengen

Nadelen van kooianker motor:

- zonder frequentie omzetter: matig aanloopkoppel hogere aanloopstromen (tot 6 maal nominaal) - Sleepring motor

Het principe is vergelijkbaar met dat van de kooianker motor. Net kooianker is echter vervangen door 3-fase rotorwikkelingen die d.m.v. sleepringen buiten de motor gevoerd worden, waar ze in serie staan met regelbare weerstanden. In normaal bedrijf zullen deze weerstanden kortgesloten zijn en zal de motor zich gedragen als een kortsluitanker motor. De inductiestromen in de rotor kunnen gevarieerd worden d.m.v. van de regel-bare weerstanden, hierdoor verandert het ook motorkoppel. Er kan een hoog

aanloop-koppel gecreerd worden voor de aandrijving van bijv. lieren en kranen.

Kenmerken:

sleepringen die de inductiestromen, opgewekt in de rotor, naar buiten voeren.

- regelbare weerstanden waarmee de inductiestromen beperkt kunnen worden

zijn buiten de motor geplaatst

-voordelen van asvnchronei sleeprinq motor:

- inductiestromen worden beperkt door weerstanden die buiten de motor geplaatst zijn

- zonder frequentie omzetter kan afhankelijk van de belasting het toerental ge.re-'geld worden tussen de 50-100%

nadelen van esynchrone sleeprinq motor:

- rotorwikkelingen en sleepringen maken het een duurdere motor - ondershouds gevoelig: slijtage van sleepringen, borstels

Koppel-toeren karakteristiek van asynchrone motoreni

Een asynchrone motor zall aanlopen tot toerental n, dit ligt _{vanwege de slip een paar}

procent lager dan het synchrone toerental n3. Dit synchrone toerental is te varieren door toepassing van een frequentie omzetter. Hierdoor is ook het kipkoppel naar 0 rpm. terug

te brengen waardoor een hoog aanloopkoppel te bereiken is. De aanloopstromeni

moeten dan wel beheerst warden,

REGULTER2NOE"

FKIPKOPPEL,AANORI JFKARAKTERISITIE ( KO OIANKERMOTOR

,iDEM NET GROTERE R

ns n.

WIIIEKEWRIG VOORGEELD VAN LAS TKARAKTERIGTIEK

,.figuttr Vs? Koppel-toenen *aryl:ensue* wan een asynchrone motor

De asynchrone motoren die toegepast worden in _{'DE-voortstuwings iristallaties zijp}

het algemeen van het kortsluitanker-type.,

1.2.4 Evaluatie elektromototen

In tabell 1.1 warden een aantal eigenschappen van synchrone- en asynchrone-motoren W > 1000 kW) vergeleken. [Flame1st

1.toepassingsgebied + type binnen de DE-voortstuwing 2.rendement

3.aanloopgedrag;

zonder frequentieomzetter met frequentieomzetter

4.toerental, toegesplitst op DE voortstuWing 5.onderhoud

6.afmetingen: Volume/MW,, massa/MW (zie bijrage 5q

7.prijs/kW (zie ook § 5.3) B.opmerkingen

label 1.1

Uit tabel 1.1 is het volgende samen te vatten: Asynchrone motor:

DE-voortstuwing: voornamelijk toepassing van k.s.a. motoren

motor kent een eenvoudig principe; dit resulteert in een hoge betrouwbaarheid en een relatief lage kostprijs/kW

onderhoudsvriendelijk door ontbreken van sleepringen (niet bij alle typen) compacte en lichte motor (midden toerig)

Synchrone motor:

Toepassing:

1. Voor directe aandriivinq: laag toerental ( ± 200 rpm) - lage vermogensdichtheid

hoge kostprijs/kW

- toepassing toe hoge vermogens: ca. 40 MW 2. Voor indirecte aandriivino d.m.v. tandwielkast:

- midden toerig ( ± 1000 rpm)

- hoge vermogensdichtheid

relatief lage kostprijs/kW

- weinig voorkomende configuratie

duurdere motor dan k.s.a.motor.

-onderhoudsintensief door gebruik van sleepringen en borstels

(#): Het toepassingsgebied van de asynchrone E-motor wordt begrenst bij 8 MW: Dit wordt bepaald door de aansturing van doze motor, hierop wordt in hoofdstuk 2 verder op ingegaan.

(*): Zie haalbaarheidsonderzoek naar DE-voortstuwing bij RoRo-schepen

8

asynchrone-motor synchrone-motor

1 PF.,,,,,,, < 8 MW (#1

type: k.s.a. motor

PE.,,o,o, < 44 MW (QE2) type: uitgebouvvde polen

2 0.95 < n < 0.96 0.96< ri < 0.97

3a matig aanloopkoppel zonder freq. omz: asynchroon aanlopen, dus

matig aanloopkoppel

3b

aanloopkoppel is hoog, kipkoppel is naar 0 rpm to brengen

bewegingssensor op de rotor is vereist om de motor synchroon aan to laten lopen

4 0 < rpm < 1000 0 < rpm < 200 (direct aangedreven)

0 < rpm < 1000 (indirect aangedreven)

5 weinig onderhoud:

lagers

onderhoud:

lagers, sleepringen, borstels

6 Kortsluitanker-type, ± 1000 rpm: volume: 5 m3/MW () massa: 2.9 ton/MW VI Uitgebouwd pool-type, ± 200 rpm: volume: 22 m3/MW () massa: 15 ton/MW (") ± 1000 rpm: zie k.s.a. motor

7 1000 rpm: Fill 150,-/kW I *1 200 rpm: Hfl 350,-1kW (")

1000 rpm: Hfl 200,-1kW (ill

8 vaak toepassing van midden toerige E-motor in

combinatie met tandwielkast

vaak direct gekoppeld, toepassing hiervan bij grote vermogens: P > 8 MW

-1.3 Generatoren

Len generator is een spanningsbron waarbij het aanbod van stroom op de vraag wordt afgestemd. In deze paragraaf wordt voornamelijk ingegaan op synchrone generatoren, het afstemmen van het vermogen op de gebruiker en de interactie tussen gebruiker en generator.

De voorkeur van een synchrone generator boven een asynchrone- of een gelijkstroom-generator berust op de volgende feiten:

draaistroom is gemakkelijk te transformeren naar een gewenste spanning synchroon; dus de uitgangsfrequentie is evenredig met het aandrijf-toerental van de generator

Vroeger werden ook wel DC-generatoren toegepast, deze voedden op ijsbrekers vaak DC-motoren. Overeenkomstig met synchrone machines werden deze ook door een externe bron bekrachtigd. Gezien de geringe toepassing van DC-generatoren in moderne DE-voortstuwings installaties, wordt op dit type generator niet verder ingegaan.

Wil een asynchrone generator vermogen leveren, dan moet deze aangesloten staan op een spanningsbron (bijv. lichtnet) die een draaiveld op de stator creert. Hierdoor wordt een inductiespanning op de rotor gegenereerd. De inductie spanning resulteert t.g.v. de rotorweerstand in een rotorstroom die in combinatie met het draaiveld een koppel vraagt aan bijv. een dieselmotor.

Een toepassing van asynchrone generatoren vindt pleats in windturbines, daarnaast komt toepassing als energievoorziener weinig voor.

1.3.1 Synchrone generator

De werking van een synchrone generator berust op het zelfde principe als dat van de

synchrone motor; een bekrachtigde rotor en een 3-fase stator die een 3-fase stroom

(evert. Om het onderhoud van een synchrone generator te beperken wordt voornamelijk het borstelloze type toegepast. Bij een borstelloze generator wordt de rotor bekrachtigd door een tweede (opwekker)-generator (ca. 2% van totaal generatorvermogen); deze

levert _{een wisselstroom die vervolgens gelijkgericht wordt. Deze gelijkrichter is}

opgenomen in de as van de rotor.

Om de invloed van elektrische belasting op een synchrone generator te onderzoeken,

vvordt er ingegaan op volgende facetten:

faseverschuiving tussen stroom en spanning belasting van de generator

uitgangsfrequentie

ad.1 Faseverschuiving tussen stroom en spanning [Zaken, van der, 1991]

Elektrische apparatuur als elektrische machines, transformatoren en spoelen, heeft naast ohmse weerstand ook meestal een inductiviteit. Hierdoor wordt _{een magnetische} veld opgewekt die op zijn beurt een inductiespanning veroorzaakt. Dit gebeurt op grond van de wet van Faraday en kan als volgt beschreven worden:

-(1.2)

Figuur LB eenvoudig elelansch circuit

Lima,

10

Z = R2 +(27,1)2xL2 (1.4)

= hoek tussen impedantie Zen weerstand R = hoek tussen stroom en spanning = impedantie (ohm]

Uit de voorgaande vergelijkingen blijkt dat; de stroom(i) door spoel(L), graden achter loopt op de spanning(u) over de spoel. De spanningsbron waarop de spoel aangesloten

is dan inductief belast.

De cos(); dus de cosinus van de hoek tussen stroom en spanning, wordt de

arbeids-factor genoemd.

Het totals vermogen, ook wel schijnbaar vermogen (S) genoemd kan als volgt beschre-ven worden voor een 3-fase net:

Figuur 1.9 lase verschuiving tussen spanning en stroom

Als voor u geldt: u = Umaxsin(2/Tft) dan is de bovenstaande differentiaal op te lossen tot: Umax - x sin(2rrft-4)) (1.3) 032 +(2/02xL2 U= d (I)

- ixR

+d Li

d t

d t stel L = constant

di

U = ixR + Lx d t = stroom door spoel

= spanning over spoel = zelfinductie

= magnetische flux

-Fleur 1:90

= 3' x Ut x

i= A x

u,

= 111,11r, = lijn- of net-spanning = fasespanning

= I

= lijn- of netrstroom

vcorstelling van lose-en len

spanning

Fiver IM aerie! vermogen Pen 'racier' vennogen 0 als fondle van cP en her schenbare vennogen $

De stroorn1, kan opgedeeld warden in een watt- of actief-component(c) en rn een

wattloze- of reactieve-component(1,), zie figuur 1.11. De vermogens overeenkomend

met deze stromen warden actief(P)- en respectievelijk reactief(0)-vermogen genoemd. De hoek 0 is oak terug te vinden tussen het schijnbare vermogen en het actieve vermo-gen, hieruit volgt dat de watt-component van de stroom altijd in fase is met de span--; ning. Van wege de induct/eve belasting van net moeten de wikkelingen van een genera-tor gedimensioneerd worden op het schijnbare vermogen

,ad.2 Retesting van de generator Actief- of werkzaam-vermogen

Dit is mechanisch vermogen dat een dieselmotor aan ten generator moet Ileveren

_on

aan de stroomvraag te kunnen voldoen.

P

A

xU1 x

_A

x uo< cs<

cos(0

(1.6)

10- = actief of werkzaam vermogen

= actieve component van de Ilijnstroom,, 1,, is altijd' In ifase met de geinduceerde emk (Ed..

Het actieve vermogen wordt bepaald door 'de mate van ibelasting; als een elektrische

verbruiker wordt bijgeschakeld zal de dieselmotor meer vermogen en dus een grater koppel (bij constante toeren) aan de rotor moeten leveren. Dit is eenvoudig uit de volgende formules af te

Pdn,dti vermogen dieselmotor

cv = hoeksnelheid van dieselmotor, generator

Hoewel de dieselmotor op een constant toerentall ingesteld is, zalr er altijd enig verloop optreden door het bijschakelen van relatief grate vermogens. Binnen de netfrequentie,

Pdm% = P'

P = a x

x _Pdmat T x w (1.7)

=

S (1.5)

= =

die direct aan het dieselmotor-toerental gekoppeld is, wordt een variatie tussen de 95 en 105 `)/0 t.o.v. de nominate frequentie geaccepteerd [bran: DNV].

Reactief- of blind-vermogen

Dit is het vermogen dat watt-loos uit het net betrokken wordt, het vergt geen mecha-nisch vermogen van de dieselmotor. Het leidt echter wet tot een vergroting van de netstroom waardoor de joule-verliezen inwendige weerstand) oak toenemen. De reactieve stroom(1,) loopt voor (capacitief belast) of achter (inductief belast) op de

geInduceerde emk(Eg).

= x

x 4 -

x

x 4 x sin()

(1.8)

= reactief vermogen

Ir = reactieve component van de lijnstroom

Het reactieve vermogen vvordt eveneens bepaald door de mate van belasting; een voorbeeld hiervan is het aanlopen van een E-motor.

Ten gevolge van reactieve belasting ontstaat een dating in de generator klemspanning die gecorrigeerd wordt door een zgn. spanningsregelaar (zie figuur 1.12). Deze kan gezien warden als een regelbare vveerstand die de opwekkerstroom naar de veldwikke-ling (of naar de veldwikkeveldwikke-ling van de opwekgenerator) regelt. Variatie van de klemspan-ning is ook waarneembaar bij een actieve belasting, echter in veel mindere mate.

In gangbare elektrische netten ligt de arbeidsfactor tussen de 0.7 en 0.8 . De dimensio-nering van de wikkelingen van een generator moet betrokken warden op het schijnbare vermogen. Een hoge arbeidsfactor biedt dus het voordeel van een "licht" uitgevoerde

generator terwijI bij lagere arbeidsfactoren zvvaarder-uitgevoerde stator-en

rotor-wikkelingen vereist vvorden. Het rendement van de synchrone generator ligt tussen de 96 en 97% (P> 1000 kW).

HooRDwiKKELINGEN vELDwiKKELING

opwEKKERGENERATOR, ROTOR is EEN GEHEEL MET mOOFDRoToR

II I

TR4SO-GELI (RICHTER

sRANNINGS-RE GE LAA R

2vELDwIKKELING OPwEKKERGEN

RATGR OR STATOR

12

Figuur 1.12 borstelloze generator met spanningsregelaar

ad.3 tlitgangsfrequentie

De uitgangsfrequentre van een generator mag niet meer dan 5 tot 10 procent varieren lie pagina 35. Door het aan-of af-schakelen van elektrische verbruikers zal de generator zwaarder of minder zwaar belast Worden. Dit resulteert in toerenvariaties van de dieselmotor (of andere aandrijver) en vervolgens in varieties van de netfrequentie. In deze vierde-jaars opdracht wordt enkel in gegaan op de dieselgenerator, stoom- en gas-turbine generatoren 'linden geen of weinig toepassing in DE voortstuwing.

Dieselmotoren

Om een idee te krijgen, over de belasting van een Dieselmotor in, generatorbedsijik vvorden hierenkele karakteristieken besproken [Klein Woud, 19891c.

Constant toerentall

Door middel van een regulateur ken een dieselgenerator op een constant toerental gehouden worden. In DE-voortstuwing worden over het algemeen worden middentoeri-ge dieselmiddentoeri-generatoren toemiddentoeri-gepast: het toerental ligt tussen de 600 en 900 rpm.

taagtoerige dieselgeneratoren hebben een te Ilage vermogensdichtheid (kW/m3)

waardoor de afmetingen en massa te grote waarden aannemen (dit geldt zowel voor dieselmotoren als voor de E-opwekkers)

Hoog-toerige dieselgeneratoren Woven 1000 rpm) zijn vaak enket geschikt voor MDO

(Marine Diesel Oil) terwijI machines tot 1000 rpm vaak HFO (Heavy Fuel Oil) als

brandstof gebruiken. Dit is met het oogi op de brandstofkosten aantrekkelijk p+ deb meesten DM-RoRo's verbruiken HF0).

HFO-gestookte machines zijn rechter wel onderhouds gevoeliger

Ideale belastinq

Een dieselmotor heeft een ideale belastingstoestand bij zo'n 70 tot 80 % MCR

mum Continuous Rating = 100%). In dit gebied is de drukvulgroep uitgelegd en kent een dieselmotor een minimaal specifiek brandstofverbruik. Afstelling op deze belasting-stoestand kan door het aantal operationele generatorsets at te stemmen op de vermo-gensvraag. Dit geeft een DE-voortstuwing een grotere mate van "flexibiliteit" dan een DD-aandrijving; bij een niet maximale vermogensbehoefte ikunnen dieselgenenratoreni afgeschakeld worden.

Een dieselmotor heeft onder ideale belasting een maximaal rendement en dus een laag specifiek brandstofverbruik. In combinatie met constante toeren zal de motor ook een gunstig onderhoudsgedrag hebben. Bovendien zal de uitstoot van schadelijke gassen (110x, S0x) in de ideale belastingstoestand lager zijn..

Gunstio onderhoudsorofiel [Hackman, 1"g93[

Ten gevolge van het "niet-continuldeellast) in 'bedrijf zijn van alle dieselgeneratoren hebben dieselgeneratoren gemiddeld minder draaiuren dan hoofddieselmotoren van een DD-aandrijving (bij vergelijkbaar vaarpatroon). Aangezien onderhoudskosten afhankelijk zijn van het geinstalleerde dieselmotorvermogen, motorbelasting en het aantal draaiuren kan er een besparing van deze kosten t.o.v. DD gevonden worden. Tevens draagt de ideale,motorbelasting van een dieselgenerator bij tot een gunstig ,onderhoudsprofiel.,

(Maxi-2 Elektrische Omzetters

2.1 Doel

Het doel van dit hoofdstuk is inzicht krijgen in de werking van elektrische omzetters. De systeemfuncties zijn:

- Het door een voeding beschikbaar gestelde vermogen omzetten in een vorm die bruikbaar is voor een elektrische machine.

Aanpassing van dit vermogen aan het werkpunt van de elektrische machine, het toerental regelen.

Er is onderscheid te maken tussen de volgende soorten elektrische omzetters:

Roterende omzetters

- Statische omzetters

2.2 Roterende omzetters

Een roterende omzetter bestaat uit een elektro motor en generator. Deze zijn gekoppeld door een as of bevinden zich op dezelfde as. Elektrisch gezien bestaan er de volgende configuraties (uitgaande van een 3 fase voedingsbron):

Ward-leonard schakeling: 3 fase draaistroommotor direct gekoppeld aan een DC-generator. Deze generator voedt een DC motor waarvan de snelheidsregeling pleats vindt pleats door variatie van het bekrachtigingsveld van de generator (zie Figuur 2.1).

vTh

Figuur 2.1 Principeschema van eon wardleonard schakeang met eon hulpgeneratortG21 voor de voeding van de bekrachugmgs wikkelingen

Een gelijkrichter voedt een DC-motor die direct gekoppeld is aan een synchrone generator. Door de uitgangsspanning van de gelijkrichter te regelen varieert de

snelheid van de DC motor en dus de uitgangsfrequentie van de draaistroom generator. Deze generator voedt vervolgens een draaistroommotor (zie figuur 2.2).

Toepassing van dit speciale type roterende omzetter vindt plaats in mijnen, waar gasexplosies kunnen ontstaan t.g.v. vonken ( = commutator + borstels). De gelijkrich-ter + DC-motor bevinden zich dan buiten de mijn. Het is echgelijkrich-ter een verouderd

principe dat niet meer wordt toegepast.

15

Figuor 2.2 Principeschema van eon gecombineerde statische/roterende omzetter bestaande Eat: vanabele toeren DC-motor en een asvnchrone

&TOW

Gezien de extra 2 elektrische machines is de roterende omzetter een duur alternatief.

Ook laat het rendement (maximaal 75%) te wensen over en

is het ruimtebeslag aanzienlijk. Gezien de ontwikkeling op het gebied van statische omzetters worden roterende omzetters clan ook nog maar zelden toegepast. Als netfilter/omzetter voor gevoelige apparatuur wordt een roterende omzetter nog wel regelmatig toegepast. Er zal in deze vierde jaars opdracht niet verder ingegaan worden op dit type omzetter

gezien het gebruik van deze omzetter voor regeling van het hoofdvoortstuwings

vermogen nog maar zelden toegepast wordt.

2.3 Statische omzetters

Er Ikan onderscheid gemaakt worden tussen de volgende statische omzetters:

gelijkstroomomzetter (DC-.DC)

gelijkrichters (AC--.DC)

inverters (DC-.AC)

frequentie omzetters (AC--.AC)

De gelijkstroom-omzetter wordt niet toegepast in DE-voortstuwings installaties en zal dus verder niet besproken worden.

2.3.1 Gelijkrichters

Door de snelle ontwikkeling op het gebied van de halfgeleiders heeft het gebruik van statische omzetters een vlucht genomen. Zowel de afmetingen fen dus massa) als de elektrische verliezen zijn drastisch afgenomen. Voordat er verder ingegaan wordt op de

werking van de gelijkrichter worden eerst

hieronder de verschillende halfgeleider

corhponenten besproken. Een eigenschap van een halfgeleider is dat het element

stroom geleidt als er een positieve spanning over de polen staat. Het moment van stroom-geleiding is bij bepaalde typen halfgeleiders instelbaar, dit wordt de

antsteek-hoek a genoemd. Door a groter te maken dan 00 kan het moment van geleiden

uitgesteld worden t.o.v. het tijdstip dat er een positieve spanning over de halfgeleider

aangebracht was.

Verschillende types halfgeleiders zijn:

- Diode

Deze halfgeleider komt in geleiding zodra de anode een positieve potentiaal krijgt t.o.v. de kathode. De geleiding vindt pleats van anode naar kathode en wordt pas verbroken

als de polariteit van de spanning over de diode omgekeerd wordt.

Ontsteekhoek = a = 0'

-Thyristor

Deze kan vergeleken worden met een diode. De thyristor gaat echter _{pas geleiden als er} een stuurstroom op de stuurelektrode of gate gezet wordt. De thyristor wordt d.m.v. deze stuurpuls "ontstoken" en blijft geleiden totdat de stroom door de thyristor voor enige microseconden null _{is bijvoorbeeld doordat een thyristor uit een andere tak de}

stroom overneemt. Dit wordt ook vvel natuurlijke commutatie genoemd. 90% van de

thyristoren maken gebruik van natuurlijke commutatie, de rest vvordt kracht- of

geforceerd-gecommuteerd waarbij een doof circuit nodig is. Ontsteekhoek = a = instelbaar van 0° tot 180°

Transistor

Dit zijn eveneens halfgeleidercomponenten met drie aansluitingen. Vaak worden ze toegepast als versterkend element. Een stroom wordt tussen de collector en emittter doorgelaten en deze staat tot de zelfde verhouding als het stuursignaal dat _{op de derde} aansluiting, de basis, wordt aangeboden. In frequentieomzetters worden echter alleen

schakelende transistoren (basisstroom is maximaal) toegepast. Een voordeel

_{toy. de}

thyristor is dat als de stuurstroom in een transistor null gesteld wordt er geen geleiding

meer pleats vindt. Er is geen doofcicuit nodig.

Geleiding en doof-tijdstip zijn over de gehele periode instelbaar. Gebruik tot 200 kW,

GTO thyristor

Een GTO thyristor heeft eveneens de mogelijkheid tot doyen. De gate-turn-off thyristor wordt echter pas gedoofd als de polariteit van het stuursignaal wordt _omgekeerd.

Ontsteekhoek en dooftijdstip zijn over de gehele spannings periode instelbaar.

In de aandrijftechniek worden veer gelijkrichters toegepast; voor industrieel gebruik gaat

het meestal om brugschakelingen die gevoed worden uit het _{drie-fasenet. Voor een}

enkel-fasenet (en lege vermogens) bestaan er ook brugschakeling-gelijkrichters.

Dit rapport zal zich beperken tot de drie-fase gelijkrichters gezien er geen gebruik gemaakt wordt van enkelfase stroom bij voortstuwingsinstallaties,

Een drie-fase gelijkrichter bestaat uit 6 elementen, _{er zijn verschillende configuraties}

mogelijk (zie figuur 2.2):

6 thyristoren voor een "volgestuurde" gelijkrichter

3 diodes en 3 thyristoren voor een "halfgestuurde" gelijkrichter C) 6 diodes voor een ongestuurde gelijkrichter.

Figuur 2.2 3-fose gelgkrichter in brugschakeling gevoed via eon transformator en met ids belasting eon combinotie van eon weerstand en eon

zeltinductie. alongestuurd, b)halfgestuurci, clvolgesruuni

17

-7 Werking gelijkrichter1lleleroi,.1990] 711 0 -R 0-5 OT

Figuur 2.3 Verfoop van de spanning en strewn in een volledig gestuurde brugschakeling 22. a: Ontstekew met vertraagd. a a 0. b:Ontsteking is verrtaagd met 30

Als !ten

gelijkrichter aangesloten op een

be-lasting

met een grote

zelfinductie, dan za]

binnen een periode van

de netspanning, de

stroomsterkte in de ge-lijkstroomketen weinig

of niet veranderen

(in-ductief element in keten:

stroom blijft constant).

Enerzijds wordt de

stroom constant gesteld terwijI anderzijds ervan uitgegaan wordt dat de

stroom "oneindig snel"

van den halfgeleider kan

commuteren naar een

ander.

Bij een ongestuurde ge-lijkrichter (diodes) treedt

commutatie op zodra

een fase in de netspan-ning een hogere potentiaal heeft dan een !ander. De gemiddelde potentiaal over de gelijkstroombrug zal dan Ud bedragen (zie figuur 2.2). Hierop zal dan nog een rimper

gesuperponeerd worden met een frequentie van: Limp& = fne,

x 6. Dit is te wijten aad

het felt dat het gelijkgericht signaal bestaat uit de som van de absolute waarden van

een 3-fase signaal, hierbij wordt 6 maal gecommuteerd (zie figuur 2.3).

Bij een volgestuurde gelijkrichter wordt er gebruik gemaakt van thyristored, hierbij is het

moment van commutatie (oak wel ontsteking genoemd) in te stellen. Hierdoor zal een

thyristor de stroom bijv. pas 300 later overnemen. Dit wordt ook wel de ontstekings

hoek a genoemd. Door ihet vergroten van de ontsteek hoek neemt de gemiddelde klemspanning Ud

af, zie figuur 2.3. Uit dit figuur blijkt tevens dat de storingsrimpe

toeneemt.

Door bij een volgestuurde gelijkrichter de ontsteekhoek groter dan 900 te maken wordt de gemiddelde spanning over de DC-brug zelfs negatief, zie figuur 2.4. Hierdoor is

men in staat om een DC-motor te

laten remmen: de

motor behoudt zijn draairichting, maar krijgt een remend

koppel. Dit is te bewerkstelligen door bijv. het ompolen van het anker (stroomrichting door DC-brug blijft

behou-den, de motor levert energie) en het omkeren van de

potententiaal over de DC-brug (draairichring blijft

behou-den, spanning over anker behoudt zijn richting) Hierbij

iwordt uitgegaan van een constant bekrachtigingsveld.

In figuur 2.5 blijkt dat een volgestuurde gelijkrichter, in Figuur 2.4 spanning over de DC-brug tas

uncue van de ontsteekhoek van de

thyristo-combinatie met een ompoolbaar anker, alle vier kwadran- en 'in de gelijkrichter

ten van de koppel/toeren-karakteristiek van een DC-motor Ikan bestrijicen [Lisser, 1976].

'-r.r. u I, U 71717. 71 Iti I I I '-,

' r

.i

rri

r i I I F 12_ ' I I I I I r r i I . i j I i

II

IL,

IIi

ill

_4__i_st.11 r

r L_

I

IIOW:

i

I-I I ' I ji 1 Ii":2"2. CC,'

=.

....:Lj

!"::,F2tu:!7t

r."--ri

r _1_ : ! ' r

_LL

r

! i

ll

' . I i 1 i -.1___ 1 I

-1 I I-4 ,

HI*

1 i t wt WI 1 ( 0 0 o -0 AO] If 1 4 r 0 0 0 0 0 0-5 0 -T 0 2r S+ is ; 0 0 0 Ti- ₀ p -0-R -0

Figuur 2.5 Vier kwadranten van de koppeltoemn karektenstiek, van een DC motor met volgeatuurde gellikriChter ill versnellend vomit. 2

remmend VOOIllit. 3) versnellend achtenit. 4) remmend echtermit

Essentiele verschillen tussen een vol-, half -gestuurde en ongestuurdeigelijIcrichters iijn; Vollediq qestuurde qeliikrichter (zie ook figuur 2.4):

- Brug bestaat uit 6 thyristoren, de klemspanning varieert t.g,:v. variatie van de ont-,steekhoek (0 < a < 2n) tussen positieve- en negatieve-waarden ,1-11 < cosa < 111.

3 r 6

3 ir 2

Ud= x U; x .COStc0 -

,xU1 ccps(4

1(2.11)

Lid = Iklernspanning

U, = effectieve waarde van, fasespanning aarn netzijde = netspanning [Volt)

a = ontsteekhoek

- In combinatie met een ompoolbaar anker of bekrachtigingsveld zijn age 4 kwadranteh van het koppel/toeren karakteristiek van een 1DC-motor te bestrijken.

Haliciestuurde oeliikrichter:

- Brug bestaat uit 3 diodes en 3 thyristoren, de klemspanning varieert t.g.v. deze schakeling tussen 0 en positieve waarden (0 < 1 +cosa < 2).

Ud = X If X j( + COS(CCDr +

3 /-2

x UT X I( 1 _{+ COS(CED} u(2.2)

2 n 4

2,t

T9h [Volt]

[Volt]

- combinatie met een ompoolbaar anker of bekrachtigingsveld zijn slechts 2 kwadran-ten van het koppel/toeren karakteristiek van een DC-motor te bestrijken ft en 3, zie figuur 2.5).

Onqestuurde qeliikrichter:.

- Brug bestaat uit 6 diodes, de klemspanning is constant: a = 00,. Dit komt overeen met Lid = 3 x 2%/rr x U, [Volt].

- Zonder variatie van het bekrachtigingsveld is er geen toerenregeling imogelijk. Door ompoling van het anker van een DC-motor zi]in er 2 bedrijfspunten in het eerste en ,derde kwadrant te vinden.

2.3.2 Inverters

Door de ontstekingshoek van de thyrrstoren in een volgestuurde gelijkrichter groter dan 200 te maken, kan de potentiaal over de DC-brug omgekeerd worden terwijI de stroom-richting behouden wordt (zie kwadrant 2 en 4, figuur 2.5). In deze toestand !evert de DC-motor vermogen terug aan het draaistroom net, de DC-spanning wordt omgezet in een wisselstroom. De gelijkrichter werkt dan in omkeerbedrijf als "wisselrichrer" i.p.v. gelijkrichter. Een brugschakeling die van een gelijk-stroom of -spanning een wissel-of

draai-spanning maakt wordt oak wel een inverter genoemd. [Flame's, 1991]

2.3.3 Frequentie-omzetters

Om het toerental van een draaistroommotor te kunnen regelen moet een variabele voedings frequentie(f,c) aangeboden warden, zie ook hoofdstuk 1.

Aan de hand van een frequentieomzetter kan de netfrequentie omgezet warden in de

lbruikbare ftc BU statische omzetters kan er het volgende onderscheid qemaakt warden: Frequentieomzetters zonder gelijkstroomtussenkring.

Frequentieomzetters met gelijkstroomtussenkring.

,2.3.3.a 0-requentieomzetterszonder gelijkstroomtussenkringr [Delem4., 1 9901

Een frequentieomzetter zonder tussenkring bestaat uit twee anti-parallel geschakelde

gelijkrichters (brug 1 en 2, zie figuur 2.6) waarmee in twee richtingen stroom door een

motorwikkeling gestuurd kan warden. Men kan de stroom periodiek van richting laten

wisselen door brug-1 (A) of brug-2 (13) in geleiding te laten zijn, hierdoor ontstaat een wisselstroom. Het overschakelen van brug-1 naar brug-2 duurt i.v.m. kortsluiting een bepaalde periode. Deze periode, ook wel "deadtime" genoemd duurt ongeveer 10 ms. Door de ontsteek-tijdstippen van de thyristoren in de 2 antiparallele gelijkrichters

zodanig in te stellen, kan zowel de uitgangsspanning als de uitgangsfrequentie

geva-rieerd warden (zie oak figuur 2.13).

De gewenste uitgangsspanning van de omzetter wordt verkregen door het cyclisch ontsteken van de thyristoren (met een ,bepaalde ontsteekhoek] in de igelijkrichter, vandaar de naam: Cyclo-converter.

De gewenste uitgangsfrequentie wordt verkregen door de frequentie waarrnee er al/ brug-1 near brug-2 (en terug) wordt overgeschakeld.

,Door gebruik te maken van 3 x 2 anti-parallelle (zie figuur 2.8) gelijkrichters kunnen de drie wisselstroom-wikkelingen van een draaistroom-motor gevoeth warden.

broil

brue 2 bruu 1

bru 2

It

"trait

OMEN

MEMO

Wirt

_abkin

flatter 2.5 Door .2 volgestuurde gelifkrichters (erupt 1 + 2). aminarallel .to tschakelera limn door teen motorwikkeling op twee maneren stroom

goatuota woraen M. De gearceerde bete is geleidt riles

Eent aantaikenmerkerr van de cycloconverter zijn:

PHA 2

0,16Hz

- De uitgangsfrequentie ligt altijd aanzienlijk lager dan die van de voeding: (0.4 x f). Dit is te verklaren door het felt dat de cyclocon-verter een nieuw sinus-vormig signaall "hakt" (commuteert) uit de net-draaistroom. Een 6, puts cyclo converter commuteert 6 maal per cyclus (= 1 periode); van de draaistroom terwip een 12-puls converter dit 112 (12 x 6), maal doet.

- Thepassing

combi-natie met langzaam lopende synchrone motoren, dit is _{een vereiste gezien de lage} uitgangsfrequentie van de cyclo converter (max 20 Hz).

-_-Een 6 puts Cyclo converter kent de voloende varianten:

-Voeding van een stergeschakelde synchrone motor d.rni.v. een 6 puts

laagspanning omzetter met transformatoren (Figuur 2.7)

Bijd een laagspanning cycloconverter wordt er gebruik gemaakt van de

eigen-schap dat transformatoren een "galvanische scheiding" creeren tussen de fasen. Hierdoor kan de motor ster-geschakeld zijn zonder dat de fase-takken kortslui-ting maken. De transformator dient ook als demper voor "snelle verschijnse-lien" (storingsrimpels t.g.v. commutatie) in het voedingsnet.

Voeding van aparte fasewikkelingen van een synchrone motor, elke wikkeling heeft een eigen omzetter om kortsluiting te voorkomen. Dit _{gebeurt een} 6 puts middenspanning omzetter zonder transformator. (Figuur 2.8)1

ten middenspanning tycloconverter maakt ,geen gebruik van transformatoren,

Figuur 2.7 schernatische voorstelling van een 6 puts laagspanning cycloconverter

(A + PHASE 6 kV in d.m.v. 21

de fase-wikkelingen van de motor kunnen dus niet ster-geschakeld zijn. Voor de omzetter zijn wet spoelen opgenomen om de "hogerharmonische" te dempen. Dit zijn storingen die naar het net doorgevoerd worden, ze ontstaan t.g.v. commutatie. Afhankelijk van het benodigde vermogen (stroombegrenzing door schake(aars) kan verkozen worden voor midden-spanning. Afgezien van de besparing op de transformatoren is het een dure omzetter.

Voor een 12-puls omzetter; bestaande uit twee laagspanning 6-puls omzetters, zijn transformatoren vereist, hiermee kan een faseverschuiving gegenereerd warden die nodig is om 12 maal per cyclus te commuteren (Figuur 2.11).

Storingsrimpel in de netspanning t.g.v. commutatie stijgt met toename van de uit-gangsfrequentie van de cyclo converter.

Het grate aantal thyristoren (6-puts: 36, 12-puls: 72) en het ingewikkelde ontstekings-patroon maken het een dure omzetter. Reele toepassing vindt alleen plaats bii vermo-gens groter dan 2 MW.

Ondanks de grate hoeveelheid thyristoren toch een goede bedrijfszekerheid. Het minimale toerental is goed te regelen [ABB marine, al door middel van terug koppeling van de as-hoek, koppel, stroom en spanning.

Uitgangsstroom is si-nusvormig met daarop een kleine storingsrim-pel die veroorzaakt wordt door de "deadti-me" die nodig is om kortsluiting te voorko-men bij het overscha-kelen van de ie naar de 2 brug (zie figuur 2.5) van de omzetter. Dit overschakelen is flood-zakelijk om de polariteit van de uitgangsspan-ning am te keren. Op lage uitstuurfre-quenties heeft de om-zetter een lage arbeids-factor (power arbeids-factor),

deze stijgt wet bij toename van het toerental tot maximaal 0.75

Hoog rendement(0.995) door het ontbreken van een DC tussenkring en inductieve/ca-pacitieve-componenten.

2.3.2.b Frequentieomzetters met gelijkstroomtussenkring

Doze frequentieomzetter bestaat tevens uit 2 anti-parallel geschakelde brugschakelin-gen: een gelijkrichter en een inverter. De verbinding tussen de 2 brugschakelingen wordt "tussenkring" genoemd en hierin kunnen een of meerdere elektrische componen-ten

in opgenomen zijn. Met het oog op de gelijkrichter

zijn in de tussenkring de

volgende spanning/stroom configuraties mogelijk:

-De spanning is constant en de energie stroom loopt van bran naar motor, er goon mogelijkheid am energie terug te voeren. Een ongestuurde gelijkrichter is

hier toereikend.

-De spanning of stroom in de kring zijn variabel en de motor moet in staat kun-nen zijn om energie terug to leveren aan de Non, dan is een volgestuurde

Pippo,' 2.8 schemaosche voorstelhng van een 6 puts middenspanning cycloconverter

-gelijkrichter een vereiste.

De volqende type omzetters maken gebruik van een tussenkrinq: stroombron-omzetter

spanningsbron-omzetter

ad.1 Stroombron-omzetter (zie figuur 2.9)

Er is sprake van een stroombron-omzetter als er een inductief element in de tussenkring is opgenomen. Hierdoor loopt in de kring nu een constante gelijkstroom. De gelijkspan-ning is variabel en instelbaar door verandering van de ontsteekhoek van de thyristoren in de gelijkrichter.

Eigenschappen van een stroombroninverter zijn:

- Taak: de stroom cyclisch aan de 3 fasen van de belasting te voeren

Fasestromen in de belasting !open t.g.v. de tussenkring-gelijkstroom blokvormig, het koppel zal schokkend verloop hebben. Vooral bij lage toeren kan dit een rol spelen. - Fasespanningen zijn afhankelijk van belastingseigenschappen en zijn vaak grillig van

VOMI.

Kenmerken van de stroombron-omzetter ziin:

Om de thyristoren in de inverter te doyen moet de aangesloten motor een

induktie-spanning kunnen leveren. Deze induktie-spanning is nodig om aan de inverter-zijde de belas-tingsstroom op natuurlijke wijze te laten commuteren van de ene tak naar de andere. De inverter loopt als het ware synchroon met de motor, hierdoor wordt deze frequen-tie omzetter oak vvel de Synchro-converter genoemd.

Een asynchrone motor is niet in staat am zonder capacitieve elernenten ( _{= extra} spanning induceren) deze spanning te leveren. Zander extra voorzieningen am de

halfgeleiders in de inverter te doyen, kunnen er this alleen synchrone motoren op de

synchro-converter aangesloten warden.

De amplitude van spanning over klemmen van onbelaste de motor is evenredig met het toerental, bij een constante ontsteekhoek (a > 90°) van de thyristoren in de inverter is het toerental dus oak evenredig met de tussenkringspanning. Deze spanning wordt kan men instellen (motortoerental wordt teruggekoppeld) door de ontsteekhoek van de thyristoren in de gelijkrichter te veranderen.

De statorwikkelingen van de motor zijn ster-geschakeld, van de drie wikkelingen zijn er telkens maar twee in geleiding (in de inverter geleiden 2 thyristoren de stroom).

Bij het omkeren van de draairichting van de E-motor warden 2 van de 3 draaistroom-wikkelingen omgepoold.

- Door de ontsteekhoek van de thyristoren in de gelijkrichter grater te maken dan 90° kan de polariteit van de spanning over de tussenkring omgekeerd warden en kan er oak vermogen teruggeleverd vvorden aan het net. De ontsteekhoek van de thyristoren in de inverter is dan kleiner dan 90°. De statorwikkelingen moeten tevens omgepoold worden, zie voorgaand punt.

Dankzij de smoorspoel in tussenkring is deze converter kortsluit-vast.

Commutatietijd (1 ms) van de thyristoren is bepalend voor de hoogte van de uit-gangsfrequentie. Doordat er 6 maal per periode gecommuteerd moet warden zal de uitgangsfrequentie beperkt warden tot 100 Hz. Dit is noodzakelijk am zowel net- als omzetteruitgangs-storingen (in de spanning) t.g.v. commutatie tot een minimum te

beperken.

Zoals eerder vermeld vertoont het koppel bij lage toeren een schokkend verloop, rand het 0 Hz punt werkt deze converter dan oak niet goed. Het goed _regelbare toerenge-bied ligt tussen de 10 % en 100 % van het maximale toerental.

23

-Bij lage uitstuurfrequenties heeft de omzetter een gage arbeidsf actor, deze stijgt wel bij toename van het toerental tot maximaal 0.8

Minder componenten dan de cyclo converter, dit maakt de stroombron-omzetter een betrouwbare en een financieel aantrekkelijke omzetter.

In synchro converters warden thyristoren zowel serie- als parallel-geschakeld. Dit gebeurt enerzijds om grotere vermogens om te zetten, anderzijds wordt de betrouw-baarheid van de omzetter hierdoor vergroot.

Ak

figuur 2.9 schematiscn voorstelling van een synchro converter

ad.2 Spanningsbron-omzetter

Er is sprake van een spanningsbron-omzetter als in de tussenkring een capacitief

element is opgenomen. Hierdoor ontstaat een constante, doch instelbare (i.g.v. gebruik van thyristor gelijkrichter) gelijkspanning. De stroom is variabel en wordt bepaald door

de belasting.

Eigenschappen van de spanningsbron-omzetter:

Fase spanningen zijn blokfunkties in de tijd.

Verloop fase stromen wordt bepaald door motor eigenschappen, dit leven t grillig beeld op. Ook voor deze omzetter geldt dat het motorkoppel een schokkend verloop

vertoont bij lage toeren.

De beperkende factor voor de hoogte van de uitgangsfrequentie is het commutatiever-lies. Bij een thyristorinverter zijn dit voornamelijk de verliezen in de doofketens wear-door de uitgangsfrequenties tot 100 Hz beperkt warden.

De kenmerken van een spanningsbron-omzetter ziin:

Thyristoren in de gelijkrichter, hierdoor is de gelijkspanning over tussenkring instel-bear.

Met thryristoren in de inverter kan de omzetter alleen synchrone motoren voeden. - Een asynchrone motor kan alleen gevoed worden indien de half geleiders in de inverter

geforceerd gedoofd worden. Dit kan door middel van: thyristor met doofketen, GTO thyristor of transistor (laag vermogen).

Rand 0 Hz werkt de frequentie omzetter niet goed.

Voor een nauwkeurig en egaal toerenverloop van een E-motor wordt vaak een speciaal

type spanningsbron omzetter toegepast; PBM (pulsbreedte-modulatie of PWM) omzet-ter.

Kenmerken van de PWM (Pulse Width Modulated) omzetter ziin:

De gelijkrichter bevat alleen dioden. De tussenkringspanning is hierdoor constant (en

V V A A A

-niet instelbaar) en er kan geen vermogen teruggeleverd worden aan het net. Een diodebrug is "netvriendelijker" qua storing dan een gestuurde thyristorenbrug.

Halfgeleiders in de inverter warden geforceerd gedoofd om een asynchrone motor te kunnen aansturen. In de PWM-omzetter worden G.T.O. thyristoren toegepast, deze hebben echter een vermogensgrens (t.g.v. schakelen van hoge stromen: ca. 600 A) De vermogens beperking van de PWM omzetter ligt dus bij de inverter en is ongeveer 5 MVA, 4MW. Door meerdere PWM omzetters te koppelen is een grater vermogen te bereiken. De volgende configuraties zijn mogelijk per schroefas:

2 x 6 puts: 2 omzetters + 2 motoren gekoppeld door een twk op een as 2 x 6 puls: 2 omzetters + 2 motoren op eon as

12-puls: 2 transformatoren + 2 omzetters + 1 motor (dubbel gewikkeld)

Op het gebruik van transformatoren wordt in hoofdstuk 3 teruggekomen. Er zijn zowel 6- als 1 2-puts PWM-omzetters: zie § 2.4 ad.3.

A.C. SUPPLY

Figguur 2.10 Scheinatische voorstelling van eon PWM-omzerter 'Mawr: transistoren in inverter; uttgangsvermogen tot 200 kW)

- De inverter sluit elke fase niet 1 maal per halve periode op de constante kringspanning aan, maar sluit en verbreekt de verbinding tussen fasewikkeling en tussen kring een aantal malen met een bepaald patroon. Het patroon is afhankelijk van de

uitgangsfre-quentie.

- Uitgangsspanning is blok- of puls-vormig (vandaar naam), de hoeveelheid pulsen neemt relatief toe bij at name van uitgangsfrequentie. Het maximale aantal schakelin-gen per tijdsperiode (schakel frequentie) van een halfgeleider is beperkt.

Hierdoor zullen bij toenemende uitgangsfrequenties er per cyclus minder schakelingen plaats vinden. De toerenregeling bij lage toerentallen kan nauwkeurig en zonder

koppelpulsaties verlopen.

- ULtgangsstroom is sinus-vormig, hierdoor is zelfs bij lage toeren een egaal koppel verloop te krijgen.

Arbeidsfactor van de netstroom blijft rond het hele frequentie gebied constant. Er worden dus kW's afgenomen in pleats van kVA's.

Frequentie is uitstekend regelbaar van 0 tot 200 Hz. De maximale uitgangsfrequentie bij een GTO-thyristor inverter wordt bepaald door de verliezen die voornamelijk te vinden zijn in de stuurstroomketens van de G.T.O.

- Elektrische rem is noodzakelijk wil de motor kunnen afremmen. Deze kan bestaan uit: - reminverter: halfgeleiderbrug die vermogen(1-2%) naar het net kan terugvoeren - remmen m.b.v. remweerstanden: vermogen t.b.v. remmen wordt gedissipeerd

door weerstanden die in de tussenkring opgenomen zijn - Zonder transformatoren is de inputspanning vaak 3.3 kV.

Rendement rond 99 %.

Voorbeeld: ABB 's Sami Star PWM-converter, hier kunnen meerdere inverters aangeslo-TRANSISTOR INVERTER RECTIFIER

-ten worden op

1 "DC-ilink"(tussenkring)I. Er

is dus maar 1 gelijkrichter,

_{terwij1F er}

verschillende inverters + gebruikers op de tussenkring staan aangesloten. Aan _de

tussenkring kan oak vermogen teruggeleverd warden, mits andere verbruikers

_{dit op}

rkunnen nemen (het kan immers inlet aan het draaistroomnet teruggevoerd worden).

Verschillen tussen spanningsbron-omzetter met- en zonder- puls breedte modulatiev - Gebruik van dioden in de gelijkrichter van een PWM converter, hierdoor heerst er eeni

"niet instelbare" gelijkspanning in de tussenkring. De uitgangsspanning wordt befmald door de "instelbare breedte" van de pulsen (zie figuur 2.15), door deze te middelen ontstaat een sinus met een instelbare amplitude. Door de hoge commutatie frequentie van de GTO thyristoren in de inverter vertoont de uitgangsstroom een veel minder grillig beeld dan zonder PWM. In een spanningsbron-omzetter zonder PWM vindt _men thyristoren in de gelijkrichter, hierdoor is een constante, doch instelbare gelijkspanning

Fin de tussenkring te creeren. De uitgangsspanning wordt 'bepaeld door de hoogte van

'de "spanningsblokken".

-1Gebruik van GTO-thyristoren in de invertertrap van de PWM converter, in een

omzetter zonder PWM warden thyristoren (eventueel met met doofcircuits) toegepast. - De PWM converter heeft een veel hogere schakelfrequentie (mogelijk door GTO's) dan een spanningsomzetter zonder PWM, hierdoor worden storende "slingerkoppels" rand het 0 rpm punt vermeden. Slingerkoppels kunnen warden gezien als varieties in her motorkoppel t.g.v. rimpels (voornamelijke bij lage uitgangsfrequenties) in de uitgangs-stroom van een spanningsbron omzetters.

, Deze slingerkoppels zorgen voor extra inwendigi verlies in de motor.

2.4 Toeranregeling van eerie AC-motor

Om de toeren van een AC-motor te kunnen regelen is een statische frequentieomzetter een voor de hand liggende optie. De verschillende soorten frequentieomzetters genoemd in de vorige paragraaf hebben elk hun eigen uitgangs-karakteristieken die invloed hebben op het gedrag van een draaistroommotor. Van de volgende frequentie omzetters worden hun specifieke uitgangs-karakteristieken besproken:

cyclo converter synchro converter PWM converter

ad.a. Cyclo converter (Borman, 1993]i Deze omzetter stuurt elke fasewikkeling

onafhankelijk aan. Het magnetische

luchtspleetveld is de vectoriele som van de 3 velden die gecreeerd wordt door de fasewikkelingen.

Vaak wordt een cyclo converter aangff-stuurd door een "12 puls aansturing", dit is eigenlijk een dubbele 6-puls aansturing met een dubbel gewikkelde stator. Met 6 puts aansturing wordt bedoeld dat er per cvclus zes maal gecommuteerd wordt.

puts aansturing gebeurt d.m.v. 2

transformatoren en 2

frequentieomzet-ters, Amu), 2. II 12-puls aanstunng d.m.v. 2 tycloconvertem

12 puls cyclo-converter figuur 2.11)t Transformatoren Ti bieden een spanning aani

frequentieomzetter Fl aan, die in fase is met de net-spanning _{(d.m.v een}

driehoek-driehoek transformator). Transformatoren 12 bieden een spanning aan frequentieomzet-ter F2 aan die een fase verschil van 30 graden heeft met de netspanning _{(driehoek-ster} transformator). Door de statorwikkelingen aangesloten op frequentieomzetter F2, 30

graden te verschuiven t.o.v. de statorwikkelingen (van Fl) _{ontstaat een dubbel 3-fase}

systeem, waarbij er totaall 12 maal per gehele netspanningsperiode geschakeld

_wordt.

Voordelen van de 12-puls aansturinq boven het 6-puls svsteem ziin:

-Minder netstoring dan het 6-puls systeem door "egaler _{afnamepatroon"... Er}

wordt elke 2,7112 periode van de voedingsspanning gecommuteerd.

-:Redundantie: transformator, omzetter, stator wikkeling zijn allemaal

dubbel uitgevoerd. Bij schade aan omzetter of 1 statorwikkeling functioneert de motor ook goed op de .6 puls aansturing (_{-= 50% beschikbaarheid). In dit geval} zal de helft van de statorwikkeling het magnetischi veld creeren. De stroom per wikkeling zal constant blijven waardoor maximaal 50% van totale motor

vermogen behouden wordt.

Figuur 2.12 eerste en rweede limy man een cyclo-corwerrer die een tasewrkkefing ivoedr

van de uitgangsfrequentie wordt bepaald door de

signaal, hieraan is niet aan te voldoen als de "hakfrequentie" per cyclus te hoog wordt. Duidelijk is de "deadtime" in de uitgangsspanning te zien, deze is noodzakelijk om kort-sluiting tussen de eerste- en tweede-brug, die antiparallel gekoppeld zijn, te voorkomen.. Het omschakelen van _{eerste- naar tweede-brug (figuur 2.12) is noodzakelijk om ook}

''negatieve" stromen en spanningen te creeren. Het deadtime-interval kan zoin 10 us

bedragen en veroorzaakt extra harmonische _{vervormingen in de netspanning.}

Figuur 2.13 _{-hakken- van een nieuw sinusvormig signaal( spanning + stream) door een cycloconverier}

air draaistroorn. signaal voed !OP, lasewikkeling op een statorwikkeling.

Door de

sinusvormige uitgangs-stroom en -spanning van een

cyclo-converter heeft een E-motor eehi

egaai koppelverloop (zelfs bij lage toeren). In

figuur 2.13 is de

uit-gangsspanning uitgezet tegen de tijd. Door de thyristoren op verschil-lende ontsteekhoeken te

commute-ren kan een sinusvormig signaal'

met een willekeurige

uitgangsfre-quentie

< 0.4 x

ingangsfre-quentie) dit het ingangssignaal

"'gehakt" Worden. De bovengrens "nauwkeurigheid" van het

uitgangs-27

u

WA

1AILAS

vgavavawfi

re veseavaw

A A

1

'WWI iffeWVOW

AAA /LUAU

I.

at% ri

rya roans

av

w

---

-(f

AIM

ME

MINIM

1

Figuur 2.14

Figuur 2.75

uttgangs-stroom en spanning van een synchro converter

uirgangs-stroom en spanning van een PW114 converter

ad.b. Synchrone converter

Bij een synchrone omzetter wordt er gebruik gemaakt van een stergeschakelde stator-wikkeling. In tegenstelling tot de cyclo converter worden van de 3 spoelen in de stator er maar telkens 2 bekrachtigd. De sterschakeling leent zich hier goed voor, 2 spoelen warden serie geschakeld d.m.v. 2 thyristoren. Het magnetisch luchtspleetveld is dus

telkens een vectoriele som van 2 velden. Doordat men op 3 manieren 2 uit 3 spoelen

kan bekrachtigen en dat wel in 2 richtingen, ontstaan er 6 "posities" waarover het draaiveld zich kan verplaatsen.

Er ontstaat nu een draaiend veld

dat 6 verschillende posities kan aannemen (per polenpaar). Gezien de blokvormige uitgangs-stroom zal

duidelijk zijn dat

de motor een

schokvormig koppelverloop heeft.

Aansturing beneden 10 % van het maximale toerental !evert hierdoor

problemen op. Door een 12-puls

omzetter (zie ook cyclo converter) kan het draaiveld 12 verschillende posities aannemen en ontstaat dus een egaler koppelverloop. De uit-gangsspanning van de synchrone

converter is t.g.v. van de karakteristieken van een E-motor sinusvormig.

ad.c. PWM omzetter

Evenals de synchrone omzetter is dit een omzetter met een tussenkring. In tegenstelling tot deze omzetter genereert de PWM converter echter een ware 3-fase draaistroom d.m.v. 6 G.T.O. thyristoren in de inverter.

De 3 fasewikkelingen in de sta-tor worden alien aangestuurd en het statorveld is een vectoriele

som van 3 velden. De

wikke-lingen kunnen zowel ster als driehoek geschakeld zijn. De

uitgangs-spanning is pulsvormig,

de gemiddelde spanning van

deze pulsen benadert een sinus. Ook- is de uitgangs-stroom sinus-vormig waardoor een egaal kop-pel/toeren verloop ontstaat. Ten

gevolge van de hoog-frequente pulsvorming in de inverter en het capacitieve vermogen van de DC-tussenkring warden er weinig harmonische vervormingen t.g.v. de commuta-tie in de inverter terug gevoerd naar het net. Net filters zijn dan ook geen vereiste. Er bestaat naast de 6 puls omzetter (dioden commuteren 6 maal per net-spanningsperi-ode) ook een 12-puls PWM omzetter. Hiervoor zijn, vergelijkbaar met de Cyclo conver-ter, transformatoren nodig am een fase verschil in de netspanning te creeren. Ook is de motor uitgevoerd met dubbele draaistroom wikkelingen (30° t.o.v. elkaar verschoven). Deze uitvoering dient niet alleen am de netstoring te minimaliseren, maar genereert tevens de mogelijkheid am het vermogen van een E-motor, die aangesloten is op een PWM omzetter, te verhogen van 4 MW naar 8MW. [ABB marine, c]

1111