EEN INVENTARISATIE VAN COMPONENTEN, SYSTEMEN EN REGELGEVING MET BETREKKING TOT ELEKTRISCHE VOORTSTUWINGSINSTALLATIES
J. van den Hul Groningen, 1995
Rapportnr. OEMO 95/01
INHOUDSOPGAVE
INLEIDING 5
DELL EEN: EIGENSCHAPPEN VAN ELEKTRISCHE COMPONENTEN EN SYSTEMEN, TE GEBRUIKEN AAN BOORD VAN SCHEPEN 7
1 EEN ELEKTRISCH NET
8 1.1 VERMOGENS IN EEN ELEKTRISCH NET
8 1.2 NETVERVUILING 10 2 DRAAISTROOMMOTOREN 12 2.1.1 DE SYNCHRONE MOTOR 12
2.1.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE
SYNCHRONE MOTOR 13 2.2 DE ASYNCHRONE MOTOR 14 2.2.1 DE KOOIANKER MOTOR 15 2.2.2 DE ONDERSYNCHRONE CASCADE REGELING 17 3 FREQUENTIE OMVORMERS 18 3.1 HALFGELEIDERS 18 3.1.1 DE DIODE 19 3.1.2 DE THYRISTOR. 19 3.1.3 DE TRANSISTOR 20
3.1.4 WELKE HALFGELEIDER WORDT WANNEER
TOEGEPAST 21
3.2.1 PULSBREEDTEMODULATIE
21
3.2.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE
PULSBREEDTE MODULATOR 23
3.3.1 DE SYNCHRO -CONVERTOR 24
3.3.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE
SYNCHRO -CONVERTOR 26
3.4.1 DE CYCLO CONVERTOR
26 3.4.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE
CYCLO-CONVERTOR 28
4 REMMEN EN VAART MINDEREN MET EEN ELEKTRISCHE VOORTSTUWING
29
4.1 REM-ENERGIE IN COMBINATIE MET EEN CYCLO-CONVERTOR
30
4.2 REM-ENERGIE IN COMBINATIE MET EEN
SYNCHRO-CONVERTER 31 4.3 REM-ENERGIE IN COMBINATIE MET PULSBREEDTE MODULATIE 31 . . .
...
......
6
FREQUENTIES, SPANNING EN.AARDING.4.-.
5..,1 DE FREQUENTIE VAN HET BOORDNET 32
5.2 DE SPANNING EN AARDING VAN HET BOORDNET . . 3,2
DE GENERATOREN. a,.
.
.366,.1 DE SYNCHRONE GENERATOR.. 4. , 37
6.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE SYNCHRONE
GENERATOR 38
7
DC AANDRIjVINGEN___
*1.7.1 DE DCPIOTOR. . .
.41
B
'ENKELE PRAICT I SCHE AS PECTEN. sh ,. .43DEEL TWEE: REGELGEVING EN CLASSIFICATIE, VAN INVLOED
ZIJNDE OP ELERTRISCHE VOORTSTUWINGSINSTALLATIES 46
9 CONSEQUENTIES VAN DE REGELGEVING.. . . 47
9.1 SOLAS EN SI...
9.2 IECPUBLICATION 92-501 ... ., .48
9.3 KLASSEBUREAU DET NORSKE VERITAS 50
9.4 KLASSEBUREAU BUREAU
9.5 KLASSEBUREAU LLOYDS REGISTER OF SHIPP ING_ . 52
10
10.1 SAMENSTELLING VAN DE EMISSIES...,. 10.2.1 DE PRESENTATIE VAN GEMETEN
EMISSIES 54
101.2Y2 HET VERMINDEREN VAN SCHADELIJKE
EMISSIES 55
10.3 EMI SS IE E I,SEN DOOR IMO, 55
10-.4 EMISSIES VAN EEN DIESELELEKTRISCHE: INSTALLATIE 11
CONCLUSIESENAANBEVELINGEN. .----59
11.1 CONCLUSIES...I
.59 11.2 AANBEVELINGEM,...,... .61
JI 5 32 39 39 7.2 GELIJKRICHTERS 47 VERITAS 51 EMISSIES 53 53 57aW4K6V
-tITERATUURLIJSTENINFORMATIEBRONNEN .. ... .62 BI iTLAGEN.
..*.* .mm*.***..**,* fot eVM wo45
BIJLAGE II, HOOFDSTUK C, BOUW EN UITVOERING VAN WERKTUIGLIJKE INSTALLATIES EN DE INRICHTING DER
RUIMTEN WAARIN ZIJ ZIJN GEPLAATST ARTIKEL 26, ALGEMEEN
ARTIKEL 27, BEVEILIGING VAN NERKTUIGEN ARTIKEL 28, ACHTERUITVERMOGEN
HOOFDSTUK D, ELEKTRISCHEINSTALLATIES
ARTIKEL 40, ALGEMEEN
ARTIKEL 41, ELEKTRISCHE HOOFDKRACHTBRONNEN' EN VERLICHTINGSINSTALLATIES ARTIKEL 43, ELEKTRISCHE NOODKRACHTBRON AAN
BOORD VAN VRACHTSCHEPEN VAN 500 TON OF MEER
ARTIKEL 45, VOORZORGSMAATREGELEN TEGEN GEVAREN VAN ELEKTRISCHE
OORS PRONG
ARTIKEL 45a, LID 3, ELEKTRISCHE AANZET INRICHTINGEN VOOR VOORT-STUWINGSMOTOREN
HOOFDSTUK E, AANVULLENDE VOORZIENINGEN VOOR TIJDELIJK ONBEMANDE MACHINEKAMER
ARTIKEL 53, BIJZONDERE VOORZIENINGEN VOOR WERKTUIGEN, KETELS EN
ELEKTRISCHE INSTALLATIES
INTRODUCTION
SECTION ONE - GENERAL CONSIDERATIONS SECTION TWO - GENERATORS, MOTORS, SEMI-.
CONDUCTOR CONVERTORS AND ELECTRIC SLIP-COUPLINGS
SECTION THREE
SECTION FOUR - CABLES AND WIRING
SECTION FIVE - MAIN AND CONTROL CIRCUITS SECTION SIX - PROTECTION OF THE SYSTEM SECTION SEVEN TESTING
III ICLASSEBUREAU DET NORSICE VERITAS
, . .9 6
PART 4, CHAPTER 4, SECTION
la:
ELECTRIC PROPULSIONA GENERAL REQUIREMENTS DESIGN PRINCIPLES
C ELECTRICAL SYSTEM DESIGN CONTROL SYSTEM DESIGN TESTS
65 I SOLASENSI
II IEC-PUBLICATION 92-501
PART 4, CHAPTER 1, SECTION 3: DESIGN PRINCIPLES CONSTRUCTION AND FUNCTION (RELIABILITY) RELIABILITY AND AVAILABILITY (REDUNDANCY) PART 5, CHAPTER 3: OIL TANKERS, SECTION 8: ELECTRICAL INSTALLATIONS
BASIC REQUIREMENTS
PART 6, CHAPTER 2, ELECTRIC PROPULSION REDUNDANT
IV KLASSEBUREAUBUREAUVERITAS 110
PART III, CHAPTER 18: ELECTRICAL INSTALLATIONS, SECTION 13: ELECTRIC PROPULSION PLANTS
GENERAL WORKING CONDITIONS
PRIME MOVERS
GENERATORS AND ELEKTRIC MOTORS SEMICONDUCTOR CONVERTORS
CONTROL CONSOLES AND EQUIPMENT
CONTROL, MANOEUVRING AND PROTECTION DEVICES
TESTING
'ART III, CHAPTER 18, SECTION 14: SHIPS CARRYING INFLAMMABLE LIQUEFIED GASES OR LIQUID CARGOES IN BULK
18-141 COMMON REQUIREMENTS
V KLASSEBUREAU LLOYDS REGISTER OF SHIPPING 118 PART 6, CHAPTER 2-2, SECTION 13: SPECIAL
REQUIREMENTS FOR ELECTRIC PROPULSION 13.1 GENERAL
13.2 EXCITATION
13.3 MANOEUVRING CONTROLS 13.4 CABLES
13.5 OVERLOAD AND SHORT-CIRCUITPROTECTION
13.6 EARTH LEAKAGE DETECTION
13.7 DISCHARGE PROTECTION
13.8 SAFETY DEVICES 13.9 ALARMS
13.10 IDENTIFICATION
PART 6, CHAPTER 2-2, SECTION 9: SPECIAL
REQUIREMENTS FOR TANKERS INTENDED FOR THE CARRIAGE IN BULK OF OIL, LIQUEFIED GASES AND OTHER HAZARDOUS LIQUIDS
9.3 SYSTEMS OF SUPPLY 9.4 DISTRIBUTION
VI EMISSIE BEREKENING VOOR HET VOORBEELD
VAN BLZ 58 123 C . 18-131 18-132 18-133 18-134 18-135 18-136 18-137
INLEIDING
flit rapport is geschreven als
eerste gedeelte van de
afstudeeropdracht: gecombineerde elektrische aandrijving van voortstuwing en hulpwerktuigen. Het principe van een
elektrische aandrijving voor hulpwerktuigen is niet nieuw, bijvoorbeeld pompen en lieren. Ook elektrische voortstuwing is niet nieuw. Het streven naar een minimaal geinstalleerd vermogen door combineren van hulp- en
voortstuwings-vermogen, gesplitst in, op het operationele
scenario afgestemde eenheden, is op zijn minst vernieuwend.
Een groot nadeel van elektrische voortstuwing is dat er
door twee extra energie-conversies, bij vollast een rendements-verlies ten opzichte van de diesel-directe
situatie optreedt.
Er zijn echter ook nogal wat voordelen op te noemen die in
een aantal gevallen het toepassen
van een elektrische
voortstuwing rechtvaardigen:
fysieke scheiding tussen voortstuwing en energie-opwekking,
flexibel en economisch toepassen van verschillende vermogensniveaus,
de mogelijkheid am voortstuwings- en hulpvermogen te
combineren,
grotere keuzevrijheid met betrekking tot de
diesel-motoren,
makkelijk en betrouwbaar achteruitslaan, toerenregeling van nul tot ± max,
hoge vermogensdichtheid en kleine, makkelijk te vervangen componenten,
stille en rustige bedrijfsvoering, hoge betrouwbaarheid en redundantie,
groat onderhoud aan dieselmotoren hoeft niet ten koste van al het beschikbaar vermogen te gaan,
hoge koppels bij lage toeren.
Een aantal van deze voordelen heeft er toe geleid dat veel cruise-schepen en onderzoeksvaartuigen en bijna alle schepen met een dynamisch positioneer inrichting en
ijsbrekers diesel-elektrisch zijn uitgevoerd. Echter de
voordelen 1, 2, 9 en 10 kunnen in een aantal gevallen oak
voor andere scheepstypen economische voordelen met zich
meebrengen.
Wanneer het vermogen tijdens havenbedrijf en
manoeuvreren een aanzienlijk percentage is van het hoofdvermogen, kan
door een handige splitsing altijd op een optimale belasting gedraaid warden. flit zou het rendementsverlies op
dienst-snelheid gedeeltelijk kunnen compenseren. Het plegen van onderhoud terwijl er op een lager vermogensniveau
door gefunctioneerd kan warden geeft wellicht een hogere bezettingsgraad. Door middel van een elektrische
voortstuwing is een hoge mate van redundantie makkelijker
te realiseren dan met een diesel-directe voortstuwing.
2:-Om deze voordelen optimaal te benutten, is het van belang
om naast de operationele scenario's en bijbehorende
vermogens
ook op
de hoogte te zijn vande mogelijke
uitvoeringsvormen van een elektrische voortstuwings-installatie en de van invloed zijnde regelgeving. Daartoe
is de rapportage betreffende de opdracht in tweeen
gesplitst. Een gedeelte dat tot een model moet komen op basis waarvan een uitspraak gedaan kan worden of voor een
bepaald schip met een bepaald scenario een
diesel-elektrische installatie zinvol is, en een gedeelte waarin
de mogelijke uitvoeringsvormen van een elektrische
voortstuwings-installatie alsmede de van invloed zijnde
regelgeving behandeld wordt.
Voornoemde laatste gedeelte wordt in dit rapport behandeld. Om een en ander overzichtelijk te houden is dit rapport ook weer in twee delen gesplitst en wel als volgt:
DEEL EEN: EIGENSCHAPPEN VAN ELEKTRISCHE COMPONENTEN EN
SYSTEMEN, TE GEBRUIKEN PAN BOORD VAN SCHEPEN.
DEEL TWEE: REGELGEVING EN CLASSIFICATIE VAN INVLOED ZIJNDE OP ELEKTRISCHE VOORTSTUWINGSINSTALLATIES.
Deel een is gestructureerd in een aantal hoofdstukken die
ieder een aantal componenten en hun eigenschappen
beschouwen. Er wordt bij de verschillende componenten tevens behandeld wat voor invloed deze eigenschappen op het te vormen systeem kunnen hebben. Dit deel wordt afgesloten
met een hoofdstuk waarin een aantal praktische aspecten
staan vermeld.
Het gaat hierbij om informatie die niet
altijd direct uit de tekst is af te leiden maar die wel de moeite van het vermelden waard is.In deel twee wordt aandacht geschonken aan de regelgeving.
Na enig wikken en wegen is er voor gekozen om door losse commentaren een zeer globale indruk te geven van wat de regelgevers eisen.
De letterlijke teksten staan in een
bijlage zodat er altijd opgezocht kan
worden wat
er specifiek geeist wordt. De problematiek rond de normen voor emissies komt in dit gedeelte ook aan bod.Het rapport wordt afgesloten met conclusies en aanbevelingen.
DEEL EEN: EIGENSCHAPPEN VAN ELEKTRISCHE COMPONENTEN EN
SYSTEMEN, TE GEBRUIKEN AAN BOORD VAN SCHEPEN.
In dit onderdeel wordt gekeken wat voor componenten er
momenteel beschikbaar zijn om een elektrische voortstuwings installatie voor een schip samen te stellen. Er is hierbij
rekening gehouden met het felt dat vanaf het begin van de
jaren negentig hoofdzakelijk gewerkt wordt met draaistroom-draaistroom systemen, een enkele uitzondering zoals onderzeeers daargelaten. Dit heeft erin geresulteerd dat er van draaistroom (AC) systemen op component niveau
beschrijvingen warden gegeven
en van gelijkstroom
(DC)systemen slechts enkele aspecten behandeld warden.
De keuze voor AC-systemen in plaats van de in het verleden toegepaste DC-systemen is een gevolg van twee factoren:
1 de ontwikkelingen op het gebied van de vermogens elektronica,
2 de toename van het gewenste vermogen.
Er is altijd gebruik gemaakt van DC-motoren vanwege het makkelijk te realiseren, nauwkeurige regelgedrag.
AC-motoren zijn veel moeilijker te regelen namelijk
door middel van frequentie variatie. Met de komst van
steeds krachtiger en betrouwbaarder half-geleiders
is het mogelijk am voldoende nauwkeurige en
bedrijfszekere frequentie omvormers te maken zodat het regelgedrag van een DC-motor nu met een AC-motor gerealiseerd kan warden.
Het maximale vermogen dat door middel van een DC-motor geleverd kan warden is begrensd tot:
output(kw) x omw/min < 1,6E6 [Borman en Sharman, 1994]. Deze begrenzing wordt veroorzaakt door het felt dat bij de gelijkstroommotor de rotorstroom per omwenteling een aantal maal van richting moet
veranderen, commuteren, zie hiervoor 7.1 DE DC-MOTOR.
Dit is voor de in het verleden vereiste vermogens geen bezwaar geweest echter met het toenemen van
afmetingen in de scheepvaart zijn oak de
vermogensbehoeften toegenomen en daarmee is de geschiktheid van de DC-motor voor een groot aantal
toepassingen afgenomen. Een bijkomend nadeel van de
DC-motor is dat door de commutatie de motor meer aan slijtage onderhevig is dan een AC-motor.
Resumerend kan er gesteld warden dat wanneer men
voor een
AC-systeem kiest in plaats van een DC-systeem er voor een
prijs in dezelfde orde grootte een toerenregeling verkregen
kan warden van een vergelijkbare
nauwkeurigheid maar met
een onderhoudsvriendelijkere motor die in grotere vermogens beschikbaar is.
ad 1t
a
EEN ELEKTRISCH NET'Omdat er voor de opwekking van elektrische energie meerdere generatoren gebruikt worden en er ook meerdere consumenten
gevoed worden is er feitelijk sprake van een elektrisch
net.
Er zal hier echter geen complete beschrijving van
elektrische netten gegeven worden, er zullen enkele
ynderwerpen belicht worden die voor de elektrische
voort-stuwingsinstallatie van belang zijn.
Er zal slechts gekeken worden naar driefasen draaistroom-metten. De eerste vraag die daarbij opkomt is of het net geaard wordt of niet? Het doel van aarden is te voorkomen
dat een fout tussen een fase en aarde escaleert in een fout
tussen twee fasen [Peters en van Zeyl, 1989]. In principe wordt een niet geaard net alleen toegepast wanneer er als
gevolg van asymmetrische belasting geen hogere capacitieve
stromen gaan lopen dan 5 ampere, [Hensler, 1989]. In de praktijk betekent dit dat systemen boven 660 volt vrijwel
altijd geaard zijn. De wijze van aarden is afhankelijk van
de gebruikte spanning en van de voor bepaalde schepen
geldende regels met betrekking tot stromen door de scheeps-constructie. Bij de behandeling van de spanning en aarding van het boordnet en bij de behandeling van regelgeving meet hier over.
De vermogens in een elektrisch net zijn mede afhankelijk
van het fase verschil tussen spanning en stroom. De stromen
zijn niet altijd exact sinusvormig, er kan vervuiling van het net optreden. Beide aspecten zullen in het navolgende
behandeld worden.
1.1 VERMOGENS IN EEN ELEKTRISCH NET
Het vermogen in een net, spanning x stroom, is eigenlijk
een schijmvermogen en kan gesplitst worden in twee
componenten een actief deel en een reactief deel. Wanneer
de stroom in het net in fase achterloopt op de spanning, is
de stroom te ontbinden in een component evenwijdig aan de spanning en een component loodrecht op de spanning, zie
figuur 1.1. De evenwijdige componenten vormen na vermenig-vuldiging het actieve vermogen, de twee loodrechte componenten vormen na vermenigvuldiging het reactieve
vermogen. Het actieve vermogen is in staat om arbeid te
verrichten, het reactieve vermogen is a.a.
nodig voor
magnetiseringsstromen.
In de praktijk wordt de fasehoek tussen spanning en stroom phi genoemd en wordt cos.phi vaak de arbeidsf actor genoemd.
Het actieve en het reactieve vermogen vectorieel opgeteld
vormen dan weer het schijnvermogen (sin20+cos20=1).
Het actieve vermogen wordt
in de vorm van mechanische
energie aan de generator geleverd en het reactieve vermogen moet in de vorm van elektrische energie aan de bekrachtigingswikkeling van de (synchrone) generator worden bijgeregeld (Hame1s,1992).
Hierin ligt ook de keuze voor synchrone generatoren voor een elektrische voortstuwingsinstallatie, een asynchrone generator kan zonder hulpmiddelen geen reactief vermogen
leveren. Bij de behandeling van generatoren meer hier over.
figuur 1.1 fase achterstand
van de stroom.
Ter verhoging van het inzicht in de invloed die de
basis
elementen hebben op de faseverschillen tussen stroom en spanning volgen hier de relaties voor de weerstand R, de
inductie L en de capaciteit C.
Een weerstand waarover een wisselspanning staat:
t=RI ( t)
_T( t) - 'sinCI t
Er is dus geen faseverschil
tussen spanning en stroom. Een inductie waarover een wisseispanning staat:
Un.sina t-L ( t)
dt
Ld_z-( t) =Umax(sin0 t) dt
x
Elm
- - ax cosD t- 'sin Cat- *
La
De term LQ heeft de dimensie van een weerstand, er ontstaat
een fase-achterstand van de stroom ten opzichte van de
spanning, er wordt reactief vermogen gevraagd. De term LQ
wordt reactantie genoemd.
Een capaciteit waarover een wisselipanning istaat2
UmasinQt=11/(t)dt
dU sinOt
"dt
=C1CU cosa t =Oar sin(Q )
De term QC heeft de dimensie van een geleiding, er ontstaat
een fase voorsprong van de stroom ten opzichte van
despanning, er kan reactief vermogen geleverd worden.
Het reactieve vermogen vergt geen mechanisch vermogen maar
leidt wel tot een vergroting van de netstromen en dus van
de verliezen in het net [Hamels, 1992]. Bij het dimensioneren van generatoren en omvormers moet niet alleen
naar het actieve maar ook naar het schijnvermogen gekeken
worden, dit kan in sommige gevallen maatgevend zijn.
1.2 NETVERVUILING
In het net lopen in principe sinusvormige stromen met een
bepaalde frequentie, in de praktijk zal dit niet altijd het geval zijn en dan spreekt men van netvervuiling. Netvervuiling kan op drie manieren voorkomen,
er lopen ook stromen met een afwijkende frequentie, er lopen stromen met een van de sinus afwijkende vorm,
op een bepaald punt wijkt het verloop af van een
sinusvorm.
--figuur 1.2 twee vormen van netvervuiling
2,er /open
stromen met een van een sinus
afwijkende
vorm 3,op eenbepaald
punt wijkt het verloop at van een sinus.t)
1(t)-C
tabel 1.1 invloed van harmonischen op de netvervuiling van
het
voedende
net.Ook het door de omvormer gevoede net wordt vervuild door de, omvormer, bij de behandeling van de verschillende omvormers zal daar aandacht aan besteed worden.
harmonisch orde getal
invloed van harmonische 6 puls
00
12 puls (%) 5 ;18 3 , 7 1,11 , 2 ill , 1 4,5 4,5 1 13 '2,9 2,9 1 17 1 1,5_ 0,2 19 11,0
,0,1
r 23 , 0,9 0,9 25 0,8 , 0,8Een statische omvormer zal door zijn werkingsprincipe
altijd stromen, met frequenties die hoger liggen dan de
voedingsfrequentie, injecteren
in het net waaruit
hijgevoed wordt. Dit noemt men vervuiling met harmonischen,
deze harmonische stromen zullen door de inwendige
impedantie van het net merkbaar zijn als spanningen. Deze
spanningen kunnen andere gebruikers van het net storen en
storende capacitieve stromen opwekken in kabels die niet
tot het net zelf behoren maar wel door hetzelfde pad lopen.
Op deze manier kunnen er storingen in onder meet
besturingen en communicatie ontstaan en kunnen generatoren en motoren een grotere temperatuurstijging ondergaan.
De frequentle van de harmonischen wordt bepaald door het
aantal direct met het net
in verbinding staandehalf-geleiders van de omvormer. Hier zal van het algemene geval
uitgegaan worden dat er zes halfgeleiders zijn (6 puls), voor het verband tussen de harmonische frequenties en de
net frequentie geldt clan de volgende formule: le
harm= (6n±1) ft
In deze formule is n
een geheel positief getal. Om de
invloed van harmonischen te verminderen kan ook van een met
twaalf halfgeleiders uitgeruste gelijk/wisselrichter (12
puls) gebruik gemaakt worden [Mijnarends, 1994].
Het veelvoud dat de harmonische is van de netfrequentie noemt men het orde getal. De invloed ten opzichte van het
onvervuilde net neemt af met het toenemen van het orde
Ii
2 DRAAISTROOM-MOTOREN
Er zijn verschillende soorten draaistroom-motoren
i(AC-motoren) op de markt. Hier zullen slechts de twee
basisvormen besproken worden die voor de toepassing aan
boord van schepen van belang zijn. Deze motoren hebben drie wikkelingsfasen op de stator die, wanneer het driefasen net daarop aangesloten wordt, een symmetrisch draaiveld ontwikkelen. De rotorspoelen kunnen bekrachtigt zijn, een
synchrone motor, of kortgesloten, een asynchrone motor. Bij een verandering van het toerental, door wijzigen van de
frequentie of door
een verandering van
de belasting,verandert ook de rotorstroom. De hierdoor opgewekte flux,
ankerreactie,
verstoort de flux van het
statorveld endaarmee het geleverde koppel.
Bij een DC-motor met een
stilstaand statorveld kan dit opgelost worden door het
toepassen van compensatiewikkelingen. Bij een AC-motor met
een draaiend statorveld is dat niet mogelijk. Er kan voor
AC-motoren gebruik gemaakt worden van de .2ogenaamde vectorregeling.
Vectorregeling komt nu hierop neer, dat de hiervoor
bedoelde componenten, de statorstroom en daarmee de flux,
en de arbeidsstroom in de rotor, onafhankelijk van elkaar worden beheerst. Het gaat daarbij on het beheersen van twee
patronen waarvan de onderlinge positie afhankelijk is van de belastingstoestand. Dit is niet mogelijk door met vast ingestelde regelaars de drie fasenstromen in de stator te
regelen.
Voor de praktische realisatie is het nodig dat een besturingsschakeling beschikt over motorparameters en
gegevens over de toestand van de motor, toerental en de verandering daarvan. Aan de hand van deze gegevens is het mogelijk om wenswaarden van de stromen te berekenen en te vergelijken met werkelijke waarden.
Op basis van deze
vergelij king wordt de frequentie omvormer zodanig
aangestuurd dat bij
een bepaalde frequentie de
juiste stromen lopen om een optimale flux te garanderend.Met behulp van vectorregeling ontstaat bij de AC-motor dus een regelgedrag dat gelijk is aan dat van de DC-motor. Het principe van vectorregeling kan ongeacht het type frequentie omvormer of het type motor worden toegepast.
Z-1-1 DE SYNCHRONE' MOTOR
Zoals vermeld heeft de synchrone motor een stator met drie wikkelingsfasen,
tezamen noemt men dat de
draaistroom-wikkeling. Een rotor met een noord- en een zuidpool zal, ingebracht in het draaiveld,
ontwikkeld door de
draai-stroomwikkeling, dit draaiveld gaan volgen.
Een preciezer voorstelling van zaken is te stellen dat de
rotor per periode van de draaistroom - positieve stroom en negatieve stroom - twee polen - noord en zuid - verdraaid.
r
rotor en kunnen er meerdere draaistroomwikkelingen op de.
stator voorkomen (redundantie).
De rotorpolen worden tot stand gebracht door bekrachtiging
met gelijkstroom. Omdat de polen niet van teken wijzigen vindt de bekrachtiging plaats door middel van sleepringen
die, omdat er geen richtingsverandering van stroom
plaatsvindt, lang niet 204n beperkende factor zijn als de commutator in een DC-motor. Net vermogen dat aan de rotor wordt toegevoerd wordt omgezet in warmte en is this op te
vatten als verlies, dit is een
van de redenen dat bij
grotere vermogens de draaistroomwikkeling
altijd op de
stator zit. De andere reden is dat het vermogen dat viasleepringen toegevoerd moet worden liefst zo klein mogelijk
is
De synchrone motor kan alleen in synchronisme een constant koppel ontwikkelen en heeft derhalve een koppeltoerenkromme
die bijna loodrecht op de toeren-as staat ter plekke van het synchrone toerental.
Dit betekent dat de
synchrone motor die direct uit een draaistroomnet gevoed wordt niet geschikt is voor sterk wisselende belastingen, een sterke daling van het toerental betekent dat de motor uit de pasvalt en geen koppel meer levert.
Een synchrone motor kan niet
uit zichzelf aanlopen erzullen aparte voorzieningen getroffen moeten worden. Deze
voorzieningen betekenen in de praktijk dat met een
hulpmotor, die in de synchrone machine ingebouwd kan zijn,
de motor op gang geholpen wordt of dat er met behulp van een frequentie omvormer vanaf 0 Hz opgestart wordt.
De toerenregeling van een synchrone motor kan wanneer er
slechts enkele toerentallen gewenst zijn gebeuren door
aan-en uitschakelbare rotorpolaan-en te gebruikaan-en. Wanneer er eaan-en continu variabele toerenregeling nodig is. moet er gebruik
gemaakt worden van een frequentie omvormer. In de praktijk
worden hiervoor, met name de laatste jaren, bijna alleen
Tiaar statische omvormers gebruikt.
2.1.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE SYNCHRONE MOTOR
Er zijn synchrone motoren voor veel doelen en toepassingeh
te verkrijgen, aan boord van
schepen worden ze
hoofdzakelijk gebruikt als voortstuwingsmotor.
Voor de
aandrijving van pompen en andere werktuigen gebruikt menliever asynchrone (kooianker) motoren vanwege het robuuste karakter daarvan.
De afmetingen van synchrone motoren die hier volgen hebben betrekking op motoren die in een vermogensrange vallen die
voor de voortstuwing van
schepen interessant is. De
koelvoorzieningen zijn in de afmetingen meegenomen, bij, inbouw moet nog wel rekening gehouden worden
met aansluit
mogelijkheden hiervan. In de meeste gevallen is er sprake
van interne luchtkoeling, op de motor is dan
wisselaar gemonteerd die de koellucht met behulp van water koelt,
er zal
dus een koelwater systeem geinstalleerd
moeten worden.tabel 2.1 afmetingen van synchrone motoren voor 1500/3300
volt en een toerenbereik tot 100/150 omw/min.
Synchrone motoren zijn in principe niet erg onderhoudsgevoelig, de enige bewegende delen zijn de
rotorlagers en de sleepringen. Deze onderdelen worden al sinds een groot aantal jaren toegepast en er zijn dan ook
betrouwbare gegevens over slijtage en faalgedrag. Hierdoor is het mogelijk om goede levensduur voorspellingen te doen
an de hand van draaiuren en belastingen, dit
wil nietzeggen dat fabrikanten deze gegevens voor algemene
doeleinden beschikbaar stellen.
Het onderhoud kan dus
beperkt blijven tot controle en eventueel vervanging van
sleepringen en lagers.
Het rendement van een synchrone motor in de vermogensklasse
van duizend kilowatt en meer ligt in de orde van 94-96% .
De arbeidsf actor is afhankelijk van de bekrachtiging en kan
gevarieerd worden als dat wenselijk is. Bij een normaal gebruik zal het echter niet voorkomen dat de rotorstromen erg veel vergroot worden, de arbeidsfactor zal meestal zo
rond de 0,8
liggen-2,2 DE ASYNCHRONE, MOTOR
De werking van een asynchrone machine is gebaseerd op een
rotor met kortgesloten wikkelingen die in een draaistroom-wikkeling, zoals ook in de synchrone motor toegepast, wordt
blootgesteld aan een draaiveld.
Zoals bij de synchrone
motor aangetoond is wisselt de stroom door de
stator-windingen per periode twee keer van richting. De aldus
gerealiseerde flux veranderingen kunnen in de rotorspoelen stromen induceren omdat de rotorspoelen zijn kortgesloten.
"Door deze stromen ontstaan er
krach
ten op de spoelen die een koppel vormen dat de rotor als het ware hetdraaiveld
van de stator wil doen inhalen, conform het principe vanLenz voor inductie verschijnselen" [Hamels, 1992].
Het toerental dat de rotor tracht te bereiken wordt op
dezelfde manier bepaald als het synchrone toerental van de
synchrone motor. Wanneer dit toerental bereikt zou wordEn
asvermogen (kW) LxBxH (mm) massa (kg) 1000 600x800x800 2500 5000 3000x1600x2100 56000 7500 10000 4400x6000x4200
wlymi!.44:7g..V9,;4
levert de asynchrone motor geen koppel meer, in de praktijk
zal de motor dit toerental dus nooit bereiken vandaar de
naam asynchrone motor.
Er bestaan twee hoofduitvoeringen van de asynchrone motor
namelijk de kooiankermotor waar de rotorspoelen zijn vervangen door verbonden staven, en de sleepringankermotor
waar de rotorspoelen via sleepringen near buiten gevoerd worden alwaar de spoelen in serie met weerstand, dan wel
direct kortgesloten kunnen worden. De kooiankermotor heeft bij een bepaalde ingangsspanning en frequentie een vaststaande bedrijfskarakteristiek, de
bedrijfs-karakteristiek van de sleepringankermotor
ken door het
wijzigen van de weerstand of door het terugvoeren van de rotorstroom near het net nog belnvloed worden. De eerste mogelijkheid levert door extra warmte ontwikkeling in deweerstanden rendementsverlies op en is minder geschikt voor continubedrijf. De tweede mogelijkheid levert
door het
terugvoeden van de rotorstroom een hoog rendement en is dus wel geschikt voor continubedrijf.Laatst genoemde manier besturen van een sleepringankermotor
berust op het regelen van het rotorslip-vermogen en staat
bekend onder de naam ondersynchrone cascade regeling.
Vanwege het robuustere karakter van de kooiankermotorwordt er naar gestreefd deze verreweg het meest te gebruiken voor
de aandrijving van pompen, ventilatoren enz. Het principe
van toerenregeling door terugvoeden aan het net is echter een energetisch interessant principe, daarom zal naast de kooiankermotor ook de ondersynchrone cascade regeling van sleepringankermotoren behandeld worden.
2.2.1 DE KOOIANKER MOTOR
Bij een kooiankermotor zijn de rotorspoelen vervangen door
staven die aan hun uiteinden
verbonden zijn door twee
ringen. flit levert een robuuste
constructie die in verschillende uitvoeringen mogelijk is. Er zijn motoren met
een dubbele kooi of met ronde staven of met smalle hoge geleiders, die ieder hun eigen karakteristiek hebben, zie
figuur 2.1.
Zoals uit het werkingsprincipe blijkt is de kooiankermotor een onderhoudsvriendelijke motor, de enige bewegende delen
zijn de aslagers. De toepassingsgebieden
van de motor
kunnen wel eisen stellen aan de afdichting en dat ken weer aanleiding zijn voor extra aan slijtage onderhevige
onderdelen. Hierbij moet bijvoorbeeld gedacht worden aan
asafdichtingen van onderwater motoren.
De warmte die ontstaat tijdens het aanlopen van de
kooiankermotor is gelijk aan het verschil in kinetische
energie tussen begin- en eindsituatie [Hamels, 1992]. Deze
warmte ontstaat in de
rotorstaven en iseen beperkende
Het rendement van een kooiankermotor ligt in de orde van circa 95% voor een 500kW motor tot 97% voor een 10000kW
motor,
verschillende
figuur 2.1 koppeltoerenkrommen van
rotorvormen:
1,dubbe1kooi
2,hoogkantstaven 3,ci1indrische staven 4,s1eepringanker.Omdat de kooianker motor zijn werking ontleent aan inductie
zal er altijd een achterstand van de stroom optreden ten
opzichte van de
spanning. De arbeidsfactor is daarbijafhankelijk van de belasting, zie figuur 2.2. Een hoge belastingsgraad geeft dus een klein reactief vermogen en daarmee weinig 'nutteloze' stromen.
0#
cosy
06az
0
-al age as 0.0 tofiguur 2.2
de arbeidsfactor
vanfunctie van
de
be1asting.De nu volgende tabellen geven
eeh
indicatie van de afmetingen van motoren die in een vermogensrange liggen die hier van belang is.116
een kooiankermotor all
7; 100--P/p /Z. 0 50 0 100
tabel 2.2 afmetingen van kooianker motoren voor 660 volt en een toerenbereik tot circa 1200 omw/min.
tabe1 2.3 afmetingen van kooianker motoren voor 1700-3300
volt en een toerenbereik tot circa 900 omw/min.
2.2.2 DE ONDERSYNCHRONE CASCADE REGELING
Zoals bij asynchrone motoren is aangetoond, ontstaat er bij deze motoren een koppel door de geinduceerde rotorstromen.
Door deze rotorstromen gedeeltelijk 'af te tappen' wordt het koppel kleiner, daardoor de slip
groter en dus het
toerental lager.
De ondersynchrone cascade regeling voert een gedeelte van
de rotorstroom via een omvormer terug near het net, figuur
2.3. Op deze manier is het mogelijk om door variatie van het teruggevoerde vermogen het toerental te varieren. Er
ontstaat slechts extra verlies door het rondlopen van deze
stromen, dit is een veel kleiner verlies dan wanneer deze
stromen door externe weerstanden gevoerd zouden worden. Dit is de reden waarom een cascade regeling voor continubedrijf veel gunstiger is dan het toepassen van externe weerstanden.
Als een motor wordt ingeschakeld dan zal er een
inschakel-stroom lopen die 4 tot 10 keer groter is dan de nominale
stroom [Hamels, 1992].
Dit kan op een aantal
manierenbeperkt worden, twee veel gebruikte mogelijkheden zijn: de vermogens elektronica voorzien van een soft-start,
met behulp van aanloopweerstanden de impedantie van de
rotorketen verhogen. asvermogen (kW) LxHxB (mm) massa (kg) 500 500x500x500 150 750 1250 2500 2600x2400x2100 9100 asvermogen (kW) LxHxB (mm) massa (kg) 1500 2400x2000x1450 7500 3000 2800x2400x2000 9000 5000 3000x3000x2500 15000 7500
Zit
Wanneer de motor gevoed wordt door een frequentie omvormer
dan wordt
er van een
soft-start gebruik gemaakt. Bijondersynchrone cascade regeling wordt de motor direct uit het net gevoed,
er wordt dan ook gebruik gemaakt van
aanloopweerstanden, zie figuur 2.3.
figuur 2.3 ondersynchroae cascade regeling.
Een nadeel van de ondersynchrone cascade regeling is dat er
een beperkt regelgebied bestreken wordt, 60-100% van het
toerental.
S FREQUENTIS OMVORMERS
Aan boord van de elektrisch Voortgestuwde schepen
uitgerust zijn met een AC-installatie worden drie soorten frequentie omvormers toegepast. De keuze voor een bepaald type omvormer wordt bepaald door de eigenschappen van de
omvormer en de voorkeur en ervaring van de bouwer en reder.
Om die reden is
ervoor gekozen cm van alle drie de
omvormers het werkingsprincipe te beschrijven, en aandacht te besteden aan aspecten als rendementen en afmetingen.
Aangezien er bier sprake is van statische omvormers die gebruik maken van halfgeleiders
zal er eerst aandacht
besteed worden aan de verschillende soorten halfgeleiders.
Er zal gekeken worden naar mogelijkheden van de
half-geleiders, voor de werkingsprincipes wordt verwezen naar de betreffende literatuur zoals Woudstra [1993].
3.1 'HALFGELEIDERS
Halfgeleiders 2ijn elementen die zijn opgebouwd
materiaal dat van zichzelf slecht geleidt. Door het
inbrengen van vervuiling op atoomniveau kan de ge1eidin4
die
E"
beinvloed worden.
Wanneer er laagjes met verschillende
soorten vervuiling op elkaar gelegd warden ontstaan er elementen die door het aanbrengen van spanningen gemanipuleerd kunnen worden voor wat betreft hun geleidbaarheid.
Er ontstaan op deze manier schakelaars
zonder bewegende delen waarmee vrij grote stromen aan en
uit geschakeld kunnen worden, zie figuur 3.1.
Momenteel zijn er drie verschillende soorten halfgeleiders
algemeen toepasbaar zij het dat er van iedere soort weer een aantal varianten zijn. In de hier van belang zijnde
frequentie omvormers worden alle drie de soorten
half-geleiders gebruikt vandaar dat aan zowel de thyristor, de transistor als de diode een paragraaf gewijd is. In het
algemeen kan
nog gesteld worden dat het
tegenwoordigmogelijk is om de halfgeleiders in watergekoelde vorm toe.
te passen.
3.1.,1 DE DIODE'
De diode is een halfgeleider die opgebouwd is uit
dridlagen en twee elektrische aansluitingen heeft, zie figuur
3.1.
Deze aansluitingen, de anode en de kathode warden
aangesloten in een circuit waar de stroom maar een kant op mag lopen. Wanneer de anode een positieve potentiaal heeft ten opzichte van de kathode komt de diode in geleiding, de
doorlaatrichting is
van anode naar
kathode. Keert despanning over de diode van polariteit on dan houdt de diode
op te geleiden. De werking van de diode is het
best tevergelijken met een ventiel.
Wanneer de diode in geleiding is staat er, ongeacht de stroom die er loopt, circa 0,5V tot 1,2V over de diode. De
stroom die door de diode loopt levert voor dit voltage
verlies op dat in warmte wordt
omgezet. Wanneer het ongrote stromen gaat moet nagegaan worden of de warmte die op deze manier ontstaat wel door de diode aan de omgeving kan
worden afgegeven. In geval van oververhitting raakt een
diode onherstelbaar beschadigd, er zal dus gekeken moeten worden hoe de diode gekoeld moet worden.
3.1-2 DE THYRISTOR
De thyristor is een uit vier lagen opgebouwde halfgeleider met drie elektrische aansluitingen, een anode een kathode en een stuur- of poortelektrode (gate), zie figuur 3.1. De doelstelling van de thyristor is dezelfde als van de diode echter de thyristor is 'bestuurbaar'. Wanneer de anode en
kathode aangesloten zijn dan zal de thyristor pas gaan geleiden als er op de gate een kortstondige spanning is gezet, een stuurpuls. Pas als de stroom door de thyristor
tijdelijk vrijwel opgeheven is, bijvoorbeeld de nuldoorgang
van een wisselstroom of doordat een hulpketen, het doof-circuit, de stroom uit de thyristor 'wegzuigt' stopt de
Er zijn ook thyristoren op de markt die zowel aan ale uit gestuurd kunnen worden, de zogenaamde 'gate-turn-off (GTO)
thyristoren, deze maken een nauwkeuriger besturing mogelijk dan gewone thyristoren. Nadelen zijn dat er een vrij grote
stuurstroom nodig is om de GTO-thyristor te cloven, circa
20% van de te onderbreken stroom, en dat de stuurstroom een nauwkeurig omschreven verloop in de tijd moet hebben.
Thyristoren worden in de praktijk meestal door een 'programmeble-logic-circuit' (PLC) ontstoken. Voor het cloven wordt soms gebruik gemaakt van de 'back-EMF' die de
te voeden motor opwekt zie hiervoor de synchro-convertor. De spanning die over een geleidende thyristor staat bedraagt 1V tot 2V en deze spanningsval wordt in combinatie
met de stroom door de thyristor omgezet in verlieswarmte. Evenals bij de diode moet aandacht besteed worden aan te
verwachten warmte ontwikkeling en methode van koeling.
3.1.3 DE TRANSISTOR
Transistoren zijn halfgeleider elementen die reeds lang in
gebruik zijn als versterkers. Ook bij een transistor zijn er drie aansluitpunten,
de collector de emitter en de
basis, zie figuur 3.1. In een aangepaste uitvoering Ran men de transistor ook als schakelend element gebruiken [Hamels,
1992]. De collector en de emitter zijn dan te beschouwen als de aansluitingen van de schakelaar en de basis is de besturingsaansluiting. De transistor gaat geleiden als er een stuurstroom wordt aangeboden aan de basis en blijft
slechts dan geleiden als deze stuurstroom aangeboden blijft.
Gedurende de tijd dat de stroom loopt staat er over
detransistor slechts enkele tienden volt waardoor de verliezen niet al te groot zijn. Desalniettemin zal ook bij
de transistor
de ontwikkelde warmte op
afdoende wijze afgevoerd moeten worden ten einde beschadiging tevoor-komen.
De laatste jaren is er een nieuw soort transistor op de
markt de Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT). Met de
IGBT is
het mogelijke om sneller te schakelen dan met
conventionele transistoren terwijl het stuurstroom circuit
een kleiner vermogen vergt. Het maximale vermogen waarbij
de IGBT toegepast Ran warden ligt lager dan dat van de GTO-thyristor ANODE A TO DE thyristor E_d B Transistor
figuur 3.1 schematische voorstelling van halfge1eiders.
kdiode
N
tabe1 3.1 parameters van vee1 gebrulkte halfge1eiders. De keuze van een halfgeleider is dus mede afhankelijk van de toepassing. Globaal kan men
stellen dat voor hoge
frequenties en niet al te grote vermogens de transistor of
de IGBT de voorkeur geniet, wanneer de vermogens groter worden is men gebonden te kiezen voor de GTO-thyristor.
Voor de aller grootste vermogens rest dan de thyristor. De
diode wordt eigenlijk alleen gebruikt voor gelijkrichters die een constante spanning moeten aanbieden en vormen qua vermogen geen belemmering [symposium vermogenselektronica,
1994].
3.2.1 PULSBREEDTE MODULATIE
De frequentie omvormers die volgens het pulsbreedte modulatie principe werken zijn gelijkstroomtussenkring omvormers. flit wil zeggen dat de omvormer opgebouwd is uit een gelijkrichter en daarop aangesloten een wisselrichter. Wanneer men tussen de positieve en de negatieve tak van een
gelijkrichter een grote capaciteit aansluit ontstaat een
spanningsbron met een constante spanning, deze spanning is
-eNFT.,Meolt2e#4.
3.1.4 WELKE HALFGELEIDER wORDT WANNEER TOEGEPAST
Bij de keuze van de halfgeleiders zijn er twee criteria die
een rol spelen namelijk het doel van de schakeling en het
te beheersen vermogen.
Het doel van de schakeling is een criterium dat soms een vrije keuze laat, voor een ongestuurde gelijkrichter kan men volstaan met diodes, voor een volgestuurde
wissel-richter kan het heel aantrekkelijk zijn om snelle makkelijk te besturen transistoren te gebruiken.
Het te beheersen vermogen is een bindend criterium dat voorgeschreven wordt door de maximaal toelaatbare stromen door de halfgeleiders, de doorlaatstromen en de maximaal
toelaatbare spanningen over de niet geleidende half-geleiders, de sperspanningen.
Om een indicatie te geven volgen hier enige richtwaarden
van de sperspanningen en doorlaatstromen van moderne half-geleiders, met name de IGBT is nog in ontwikkeling en vormt een steeds geduchtere concurrent voor de GTO-thyristor.
halfgeleider sperspanning(V) stroom(A)
diode 6600 4000 thyristor 6600 4000 GTO-thyristor 4500 4000 IGBT 2000 1200 transistor 500 500
--instelbaar (nul-ingangsspanning) of niet, afhankelijk van
de gebruikte gelijkrichter. Een parallel aan deze
capaciteit aangesloten wisselrichter kan door een juiste
aansturing, door een PLC, deze gelijkspanning in pulsen van varierende breedte en wisselende polariteit aanbieden. Door nu afwisselend positieve en negatieve series van
spannings-pulsen, met een varierende breedte, te genereren is het mogelijk een stroom te laten lopen die een sinusvorm benaderd, zie figuur 3.2.
Men noemt deze omzetter oak wel een spanningsbron omzetter.
Airlit
I
Ii h
J
[
RECTIFIER TRANSISTOR INVERTER
.T...Z...
..-,,, ...
,
figuur 3.2 het principe van pulsbreedte modulatie.
De nauwkeurigheid waarmee de sinusvorm
door de stroom
benaderd wordt hangt af van de schakelfrequentie van de
wisselrichter, hoe hoger het aantal pulsen per periode aan
de uitgang hoe mooier de sinus. Dit is de reden waarom er
tegenwoordig voor de wisselrichter bij voorkeur transistoren of IGBT's gebruikt worden, voor grotere vermogens gebruikt men GTO-thyristoren.
De netvervuiling die een pulsbreedte modulatie omvormer genereert in
het net waar hij
uit gevoed wordt is
de standaard netvervuiling die door een gelijkrichtergegenereerd wordt, tabel 1.1. De frequenties van de harmonischen die gegenereerd worden in het net dat door de
omvormer gevoed wordt zijn moeilijk
in een formule te
vatten, er is een afhankelijkheid van de netfrequentie, de
uitgangsfrequentie en de pulsfrequentie. Het gaat dan om
harmonische spanningen die stromen doen lopen, deze stromen zijn nauwelijks te detecteren [Hensler, 1989].
,1 ^
-4,NbnareW
W4S4*.a,-.44
3.2.2
FYSIEKE E1GENSCHAPPEN VAN DE PULSSREEDTE MODULATORDe pulsbreedte modulator is een veel toegepaste vorm van toerenregelaar voor draaistroommotoren. Door de algemene toepassing is er een grote varieteit aan regelaars op de
markt. De hier gegeven afmetingen en gewichten zijn dan oak richtwaarden en kunnen niet zomaar gebruikt warden voor een correcte vergelijking tussen een elektrische aandrijving en
een ander alternatief. Ook wordt hier niet geprobeerd een
compleet overzicht te geven van de in de handel zijnde
omvormers. Er wordt van een aantal omvormers, die in een vermogensrange vallen die voor dit onderzoek interessant
kan zijn, de hoofdafmetingen gegeven.
tabel 3.3 afmetingen van de 660/850 volt uitvoerince (uitgangsspanning tOt
1700 volt mogelijk mbv.
step-up trafo's).tabel 3.4 afmetingen van de 3000/3300 volt uitvoering. Voor alle voltages geldt een nauwkeurigheid van ±10%,
voor
de ingangsfrequenties, 50 Hz voor de380
en660
volt units
en 50 of 60
Hz voor de
3000/3300
volt units geldt eennauwkeurigheid van ±3%. De omvormers kunnen een rendement
bereiken van
98-99%
wanneer ze op hun nominalevermogen belast warden.. De arbeidsfactor varieert van 011.05
bij vermogen (kVA) 1HxDxB (mm) Massa (kg)
125
2250x750x900
1550200
2250x750x1200
500
300
2250x750x15001
1650500
2250x750x1900
750
800
2000x1000x2400
1000
1800.2000x1000x3000
2500
2500
2000x1000x4600.
2500
3000
p2000x1000x4600
2500
vermogen (kVA) HxDx13 (mm) massa (kg)
1250/2000
3000x1250x1700
2500
1250/2000
i2500x1250x2250
130001250/2000/2800
42250x1250x3550
3500
3150/5000
12250x1250x4100
4500
6300
12250x1250x6850
16500,10000
250x1250x8150
esoo
Iuitgangsfrequentie nul tot circa 0.85 bij nominale
uigangs-frequentie voor een omvormer met een gestuurde
gelijk-richter.
De omvormer met een ongestuurde gelijkrichter
heeft een constante arbeidsf actor in de orde van grootte van 0.95 [Rautelin, 1990], zie oak '7.1 GELIJKRICHTERS'. Voor de koeling van de vermogenselektronica in de omvormers
wordt in de meeste gevallen gebruik gemaakt van
waterkoeling. De maximale temperatuur in de kast is voor 100% belasting 40°C bij toenemende temperatuur geldt een afnemende belastbaarheid met ongeveer 5% per 1°C. Wanneer de omgevingslucht gebruikt wordt voor koeling moet deze
schoon zijn of gefilterd worden waarbij tevens de relatieve vochtigheid zodanig laag moet zijn
dat onder gegeven
condities geen condensatie optreedt.
emdat er in het hele omvormingproces geen bewegende delen
zitten hoeft er nagenoeg geen onderhoud gepleegd te worden. 1
In feite behoeven alleen de filters en/of waterkoeling
onderhoud, natuurlijk verdient het wel aanbeveling om de elektronica regelmatig te inspecteren.
Met name
grotecondensatoren waar hoge spanningen over staan hebben een
niet zeker te voorspellen verouderingsgedrag en dienen dus volgens een
in overleg met
de leverancier te bepalen. routine gecontroleerd te warden.De meeste omvormers hebben vrij uitgebreide diagnose systemen. Dit in combinatie met
een modulaire opbouw
waarbij de verschillende onderdelen op standaardkaarten in
een frame of kast geschoven of geschroefd kunnen worden
resulteert in een korte mean time to repair.
Een voordeel
van de pulsbreedte modulator is dat ermeerdere motorenr parallel geschakeld, tegelijk bestuurd
kunnen warden.
343.1 DE SYNCHRO-CONVERTER.
De synchro-converter is evenals de pulsbreedte modulator een gelijkstroomtussenkring omvormer. De gelijkstroom-tussenkring is bier echter voorzien van een zware
smoor-spoel waardoor het karakter van een stroombron ontstaat. De op deze stroombron aangesloten wisselrichterwordt gestuurd door de last die gevoed wordt, hetgeen in het geval van een
motor een synchrone motor moet zijn. Deze wekt namelijk,
omdat de
rotor bekrachtigd is,op de stator reactief
vermogen op.
"Als de rotor draait, wordt in de
stator-spoelen oak een spanning opgewekt. In principe werkt deze
spanning de voedingsspanning tegen." [Hamels, 1991].
Volgens dit principe wordt de statorspanning in de
verschillende wikkelingen steeds even naar nul gedrukt als
er een rotorpool 'voorbij komt'. Een zogenaamd "voltage
clocking computer circuit" i(VCCC) zorgt op dat moment voor
het ontsteken van de volgende thyristor. Deze volgende
overnemen, zie figuur 3.3. Motor en omvormer moeten voor
een goede werking nauwkeurig op elkaar afgestemd zijn.
Wanneer de motor aan moet 1open of hele lage toerentallen moet draaien, <10% van het nominale toerental, levert de motor niet genoeg reactief vermogen om de thyristoren te
cloven.
Een veel gebruikte oplossing is dan het zogenaamde pulsen,
de gelijkrichter zo sturen dat de gelijkstroomtussenkring
'nuldoorgangen heeft zodat het eerder genoemde VCCC de
motor en de wisselrichter op kan starten, zie figuur 3.4.
figuur 3.3 principe werking van de synchro-converter, de
zwarte delen zijn in geleiding.
figuur 3.4 toerental, tussenkringstroom en
uitgangsstroom,
gebied I pulsen, gebied II motor gestuurde commutatie.
n ' '
1
t
U
Ii"lHalta, Plar 1
1.14rik WOMAINIANNOWNMONIS1 L;'11111111 I
iliVil
i it, II!. 0 1 0 0: !!i
i.i 11
I Miii
I II,..,': I!.IL
'i II 1 ri II i ' I i il i° .1° 11.11 i %#N if
001
If rill
IHet toerental dat de synchrone motor bereikt is bepaald
door de lastkarakteristiek van het aangedreven werktuig en
het koppel dat de motor bij
de ingestelde stroom kan
leveren. Mocht door een plotselinge belastingstoename het
toerental opeens sterk dalen dan bestaat er geen gevaar dat de motor 'uit de pas valt de voedingsfrequentie wordt
immers bepaald door het toerental.
De netvervuiling die een synchro-converter genereert is in
het voedende net gelijk aan die in het gevoede net, het
gaat dan om de standaard zespulsvervuiling, zie tabel 1.1 (uiteraard geldt dit voor een zespuls omvormer).
3.3.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE SYNCHRO-CONVERTER De synchro-converter is in de vermogens range van klein tot
groot beschikbaar enkele kW tot 11000kW aan boord van de
QE2. Er wordt aan de gelijkrichterbrug gecommuteerd doordat
de wisselstroom steeds nuldoorgangen heeft en aan de
wisselrichterbrug wordt gecommuteerd door de motor en een eenvoudig circuit. Dit maakt de synchro-converter een storingsongevoelige frequentie omvormer.
Het onderhoud zal dan ook geconcentreerd zijn op
de koeling die afhankelijk van het vermogen lucht,
lucht-water of water-water is. De converters
zijn over het
algemeen modulair van opbouw due in geval van een defect is er makkelijk een gedeelte te vervangen.De synchro-converter heeft een arbeidsfactor van circa 0.05 voor uitgangsfrequentie nul tot circa 0.85 voor nominale uitgangsfrequentie [Peters en van Zeyl, 1989].
3.4.1 DE CYCLO-CONVERTER
De cyclo-converter (CCV) is een frequentie omvormer zonder tussenkring die gebruik maakt van de techniek van bestuur-bare gelijkrichters. Met een volgestuurde gelijkrichter is
het mogelijk om van een ingangsspanning met een constante
frequentie en een constante maximum spanning een
uitgangs-spanning te maken die varieert tussen nul en nagenoeg de ingangs spanning.
Deze variatie
kan door
eenjuiste aansturing van
de halfgeleiders de vorm aannemen van een halve sinusperiode.Wanneer op deze gelijkrichter een
tweede gelijkrichterantiparallel wordt aangesloten, figuur 3.5, is het mogelijk om achter eerder genoemde halve sinusperiode een tweede
halve sinusperiode van tegengestelde polariteit te plakken. Deze twee halve sinusperioden vormen samen een hele
sinusperiode, het
blijven herhalen van deze handeling
levert een (benaderde) wisselspanning.Met behulp van drie zulke schakelingen die 120 graden in
face zijn verschoven
ten opzichte van
elkaar is hetmogelijk om een driefasen net
te maken. Deontstekings-tijdstippen en geleidingsduur
van de thyristoren en
is hier, net als bij de pulsbreedte modulator, onafhankelijkvan de belasting en door een PLC gestuurd. Het is dan ook
mogelijk om met de CCV zowel
synchrone ale asynchronemotoren te voeden.
De werking van de CCV berust op het gelijkrichten van een driefasen net, de op deze manier verkregen gelijkstroom bevat altijd een rimpel die bepaald is door de voedings-frequentie. De met behulp van deze gelijkstroom gemaakte
wisselstroom bevat die rimpel dus ook, figuur 3.6, en wordt daardoor beperkt in de maximaal te bereiken frequentie. Dit heeft als consequentie dat de uitgangsfrequentie van de CCV niet hoger mag worden dan eenderde van de ingangs-frequentie. In de praktijk zal die situatie weinig
voorkomen, er wordt bijvoorbeeld in geval van een voeding
van 60 Hz niet hoger gegaan dan een uitgang van 18 Hz. Doordat bij een CCV de drie takken parallel zijn geschakeld bestaat het gevaar dat er over die takken kringstromen gaan
lopen. Om dit te voorkomen moeten de drie takken aan de ingang of aan de uitgang galvanisch gescheiden zijn. flit
betekent dat er twee soorten
CCV's zijn,een met een
galvanische scheiding aan de ingang, door middel van
transformatoren, en een met een galvanische scheiding aan
de uitgang, door iedere brug op een losse statorwinding aan te sluiten.
Zoals uit de figuren blijkt is het bij de rechter CCV
mogelijk dat er kringstromen gaan lopen en bij de linker niet. De CCV met galvanische scheiding op de motor wordt
dan ook een CCV met kringstroom genoemd, de andere
uiteraard een CCV zonder kringstroom. De CCV met kring-stroom vergt vanwege de kringstromen veel nauwkeuriger en tegelijkertijd robuuster besturingselektronica en
smoor-spoelen om pieken in de kringstromen at te vlakken. bit
maakt de CCV zonder kringstroom verreweg de meest toegepaste CCV.
Wanneer er aan de uitgang slechts een beperkt aantal
frequenties nodig is, is het mogelijk am de ontsteking van de thyristoren synchroon met de voedingsfrequentie te laten
lopen. Op deze manier ontstaan trapeziumvormige golven, de
zo gegenereerde spanning en stroom zijn niet zo mooi maar
de besturing is aanmerkelijk simpeler, deze besturing wordt ook wel aangeduid als synchrone CCV.
Omdat de CCV bestaat uit een combinatie van gelijkrichters is de netvervuiling die in het net waaruit hi] gevoed wordt gelijk aan de vervuiling zoals genoemd op blz 5 tabel 1.1. De vervuiling die de CCV genereert in het net dat hi] voedt wordt bepaald de ingangs-en de uitgangsfrequentie:
f uit
f harm -5net [6/2±(2m+1)7,;]
Hierin zijn n en m gehele positieve getallen. De
harmonischen zijn in het geval van de CCV spanningen die
stromen doen lopen. Deze stromen zijn echter nauwelijks te detecteren, [Hensler, 1989].
3.4.2 FYSIEKE EIGENSCHAPPEN VAN DE CYCLO-CONVERTER
De CCV bevat door
zijn werkwijze minimaal zesendertighalfgeleiders hetgeen aanzienlijk meer is dan de twaalf van de eerder genoemde frequentie omvormers. Hierdoor is de CCV
relatief duur, daar komt bij dat de CCV een wat lagere
maximale arbeidsfactor heeft dan de
gelijkstroom-tussenkring omvormers, circa 0,7 [ABB Rotterdam] bij een rendement van circa 97% flit zijn redenen waarom de CCV
eigenlijk alleen gebruikt wordt als er grate vermogens
nodig zijn bij niet al te hoge frequenties [Hamels, 1992].
tabel 3.5 afmetingen van cyclo-convertors, spanningen van
1000 tot 10000 volt zijn
mogelijk.
vermogen (kVA) HxDx13 (mm) massa (kg)
7000 2300x1200x8500 6600
11000 2300x1200x10800 9500
-4trx,%Nm-.7.711:
var.
rfiglittentani4014141013:07111011
PIITASSIVASA
(4701141)1(1/1
tiaatreffaiso
tat .11.,figuur 3.6 uitgangsspanning van een
cyclo-converter
a,synchroon b,met kringstroom d,zonder kringstroom.
De
CCV wordt vanwege de
grote vermogens hoofdzakelijk
gebruikt in de besturing vanuit 3300 volt en hoger netten. Dit maakt met de eerder genoemde lage arbeidsf actor dat de
CCV eigenlijk alleen daar wordt toegepast waar vanwege de grote vermogens een gelijkstroomtussenkring
omvormer niet meer gebruikt kan worden. Daarmee wordt voor de schepen waar dit onderzoek op van toepassing is de CCV
een wat minder voor de hand liggende oplossing.
4 REMMEN EN VAART MINDEREN MET EEN ELEKTRISCHE VOORTSTUWING
Er bestaan twee manieren om een driefasen draaistroommotor te laten remmen:
gelijkspanning op de statorwikkelingen aanbrengen, van de drie fasen omdraaien, waardoor de draai-richting van het statorveld omdraaid.
Bij de eerste methode komt de rotor van een synchrone motor
tot stilstand en blijtt daarna vaststaan zolang de motor
a
bekrachtigd is.
De rotor van een asynchrone motor zal
gezien de werking pas tot stilstand komen als het schipstilligt.
Bij de tweede methode zal de rotor het omgekeerde
draaiveld willen volgen. De rotor komt dus tot stilstand om
vervolgens in tegengestelde richting aan te lopen. Deze
methode is geschikt om de draairichting van de schroef snel
om te keren. Wanneer de schroef
slechts tot stilstandgebracht moet worden is bij deze methode een mechanische
rem nodig.
Bij deze beide methoden komt de warmte die onstaat
door het afnemen van de kinetische energie vrij
in de
rotorketen. In dit geval heeft een sleepringankermotor het
voordeel dat een gedeelte van deze energie in de
weer-standen buiten de motor, dus makkelijk te koelen, vrijkomt.
Bij
een synchrone motor
kan het mogelijk
zijn om de
bekrachtiging van de sleepringen af te halen en de rotor
kort te sluiten met dissipatie-weerstanden.
In de hiervoor beschreven situaties is er steeds sprake van
een energiestroom van de omvormer naar de voortstuwings-motor. Laten we echter een elektrisch voortgestuwd schip
vaart minderen door slechts het voortstuwingsvermogen te
reduceren dan zal de energierichting omdraaien en de voortstuwingsmotor energie leveren aan de omvormer.
4.1 REM-ENERGIE IN COMBINATIE MET EEN CYCLO-CONVERTER
De werking van de CCV berust op de werking van volgestuurde gelijkrichters. Het
is mogelijk om deze gelijkrichters
zodanig aan te sturen dat ze over gaan tot wisselrichter
bedrijf, zie 7.2 GELIJKRICHTERS. Op deze manier kan er over
de 'gelijkrichters waar de CCV uit is opgebouwd energie
aan het net worden teruggeleverd.
De aan het net teruggeleverde energie kan op twee manieren 'verdwijnen':
er is sprake van een groot nevenverbruik en de teruggeleverde energie wordt geconsumeerd;
de generatoren gaan als motor werken en de energie
wordt in de dieselmotoren gedissipeerd.
De eerste mogelijkheid is in werkelijkheid niet zo mooi als
ze klinkt. Beschikbare rem-energie vormt maar een klein deel van de totale energie behoefte en manifesteerd zich in pieken.
Het consumeren wordt dan ook vooral vanuit een
praktisch oogpunt gedaan en niet vanuit rendements-overwegingen.Wanneer de rem-energie teruggevoerd wordt naar de diesels
moet het net hierop berekend zijn. Het verminderen van het generatorvermogen en vervolgens het voeden van de
generatoren door de omgekeerd werkende omvormers mag de
figuur 4.1 spanningsbron
omzetter (pulsbreedte modulator)
met
vrijloopdiodes
en dissipatie-weerstand._
fthotsiv INt
Een derde mogelijkheid is de elektrische energie direkt in
weerstanden dissiperen. Dit is technisch gezien de
makkelijkste oplossing maar vergt wel
extra ruimte en
massa.
4;2 REM-ENERGIE IN COMBINATIE MET EEN
SYNCHRO-CONVERTER 'De synchro-converter heeft in zijn gelijkstroomtussenkring
een voorgeschreven stroomrichting en een door middel van de ontsteekhoek van de gelijkrichter vrij te kiezen polariteit [Hamels, 1992]. Een synchro-converter kan dus met de
'gelijkrichter in wisselrichterbedrijf'
en de synchrone
motor extern aangedreven, energie terugleveren aan het net. Voor de aan de synchro-converter teruggevoerde elektrische
energie gelden dezelfde beschouwingen als voor de aan de
CCV teruggevoerde elektrische energie.
4.3 REM-ENERGIE IN COMBINATIE MET PULSBREEDTE
MODULATIE' Bij een spanningsbron omzetter zijn de stroomrichting en de
polariteit in de gelijkstroomtussenkring voorgeschreven THamels, 1992]. Het is daardoor niet mogelijk om zonder
extra aanpassingen energie terug te voeren over de pulsbreedte modulator.
Ook bij de spanningsbron omzetter geldt dat het dissiperen
van de
rem-energie in weerstanden technischgezien de
makkelijkste oplossing biedt. Om de energie van de drie fasen symetrisch op te nemen en te dissiperen wordt deze
eerst door vrijloopdiodes in de wisselrichter
gelijkgericht. Vervolgens is het mogelijk om in de gelijkstroom-tussenkring tussen twee thyristoren een
dissipatie-weerstand te plaatsen, zie figuur 4.1, het is
ook mogelijkheid de dissipatie-weerstand via een chopper te voeden.
Wanneer de rem-energie aan het net terug geleverd moet
warden moet er een extra wisselrichter anti-parallel aan de
reeds aanwezige gelijkrichter geschakeld worden, of er moeten in plaats van diodes thyristoren gebruikt warden, de arbeidsfactor zal dan variabel warden. De hoeveelheid
energie die op deze manier terugkomt en nuttig gebruikt kan warden zal meestal niet voldoende zijn am de extra
investering te rechtvaardigen.
In de praktijk zal rem-energie bij
toepassing van een
spanningsbron omzetter vrijwel altijd in weerstanden
gedissipeerd worden.
5 FREQUENTIES, SPANNING EN AARDING
In dit hoofdstuk zal aandacht besteed warden aan de keuze
van de frequentie alsmede de spanning en daarmee in
samenhang het aarden of niet. Dit is vooral een keuze van praktische aard die per schip bekeken moet warden. Hier
zullen alleen algemene richtlijnen gegeven warden en zullen enkele aandachtspunten belicht warden. Met name aarden van het boordnet is al jaren een discussie punt, in '8 ENKELE
PRAKTISCHE ASPECTEN zijn de voor- en nadelen van aarden
ter verduidelijking nog eens opgesomd.
5.1 DE FREQUENTIE VAN HET BOORDNET
De keuze van de frequentie is
er een die vooral wordt
bepaald door de reder aangezien de meeste systemen in zowel
60Hz als 50Hz uit te voeren zijn.
In Europa hebben de
meeste landen een 50Hz net, dus als er alleen in Europa gevaren wordt is het praktisch am aan board oak 50Hz te
gebruiken. Buiten Europa is de gebruikelijke netfrequentie
veelal 60Hz zodat het praktisch is de boordfrequentie ook 60Hz te kiezen. Op deze manier is het mogelijk am zonder
problemen van een walstroomaansluiting gebruik te maken. In geval van intercontinentale reizen is de keuze voor een
60Hz boordnet de meest voor de hand liggende omdat veelal
de grote 60Hz verbruikers ook wel functioneren op 50Hz. Er
zijn dan maar kleine aanpassingen nodig am de gevoelige
apparatuur van een
juiste frequentie te voorzien. Hetgeschikt maken van een 50Hz net voor een 60Hz voeding is in
praktische zin niet mogelijk. De intercontinentale reizen vallen echter buiten de operationele scenario's van dit
rapport.
5.2 DE SPANNING EN AARDING VAN HET BOORDNET
In principe is het niet juist am aan board van een
diesel-elektrisch schip te spreken van 'de spanning' omdat het
zelden voorkomt dat alle verbruikers van eenzelfde
spanningsniveau zijn. In grate lijnen kan men stellen dat
itattiwOw4Ilt,w-functioneert en dat er spanningsniveaus
zijn waarop de
avenge gebruikers functioneren.Deze overige gebruikers, verlichting, kombuis, navigatie en dergelijke zijn op een diesel-elektrisch schip niet anders dan op een conventioneel schip. Wanneer er hier gesproken wordt over de spanning van het net, heeft dit betrekking op
de spanning in het net dat gebruikt wordt voor het voeden
van de voortstuwing.
De spanningen die aan boord van schepen gebruikt worden
voor de voortstuwing zijn 400V/440V, 660V/690V, 3000V/3300V, 6000V/6600V, 10000V/11000V [IEC 92-201]. De
eerste twee komen alleen voor bij kleine vermogens, tot 500kW, en de laatste twee komen alleen in aanmerking voor
zeer grote vermogens, bijvoorbeeld de Queen Elizabeth 2 met 2x44MW heeft een 10000V 60Hz net. Verder zij opgemerkt dat 690V een 'toekomst aanbeveling' is, tegenwoordig wordt nog 660V toegepast, bijvoorbeeld het onderzoeksvaartuig Zirfaea van rijks-waterstaat.
Wat opvalt bij het bekijken van spanningen en frequenties is dat bij 3000V en 6000V meestal een frequentie van 50Hz
gebruikt wordt, en bij 3300V en 6600V meestal een frequentie van 60Hz gebruikt wordt.
Bij de bepaling van de te gebruiken spanning zijn er een
aantal beperkende factoren. Allereerst zijn dat de
kart-sluitstroom en het kortsluitvermogen. De kortsluitstroom moet door een beveiliging onderbroken kunnen worden, is
voor een generator circa 8 keer de nominale stroom (aanname) [Bolt, 1985] en mag maximaal circa 75kA bij 660V bedragen.
"Het kortsluitvermogen is
gedefinieerd als het
driefasenvermogen dat men berekent uit de (stationaire)
kortsluitstroom en de nominale (gekoppelde) spanning in het desbetreffende punt van het net; in formule:
Pk.s1.=0-
UnIk.s.z."Het is echter een rekengrootheid en niet het vermogen dat,
als ergens een kortsluiting is ontstaan, werkelijk wordt toegevoerd aan de pleats
waar dat is gebeurd, omdat de
kortsluitst room en de nominale spanning daar nooit tegelijkertijd optreden." [Hamels, 1992].
Dit levert voor een 660V systeem een kortsluitvermogen van circa 85,7MVA en, onder de aanname van een kortsluitstroom van 8 keer de nominale stroom, een maximaal geinstalleerd generator vermogen van 10,7W/A.
Deze waarden zijn indicatief, de maximale kortsluitstroom
is een ervaringsgegeven en zal
in overleg met de
installateur bepaald warden. Vaak wordt er een behoorlijke veiligheidsmarge in acht genomen, en gaat men uit van een
