Optimering af El-nettet på Esvagt Bergen

Transkript

1 Anslag: Fredericia Maskinmester Skole Bachelor opgave

2 Titel: Optimering af El-nettet på Esvagt Bergen Problemformulering: Er det muligt at ændre hovedskinnen i det elektriske kredsløb ombord på Esvagt Bergen fra vekselspænding til jævnspænding? Forfatter: Christian Keller Nielsen Studienummer: E Antal sider: 24,7 Normal sider Afleveringsdato: Uddannelsesinstitution: Fredericia Maskinmester Skole Projekttype: Bachelorprojekt Vejleder: Claus Pedersen - FMS, Lektor, cp@fms.dk Ulla Skov Jensen - FMS, Lektor, uj@fms.dk Kontaktperson Esvagt: Hans Jørgen Kahr - Maskinchef Esvagt Bergen, hansjorgenkahr@hotmail.com Underskrift: Christian Keller Nielsen 1

3 Abstract This report is about changing the main switchboard onboard Esvagt Bergen from 690VAC to 1000VDC. The reason for examining this issue is that there are many benefits by using DC instead of AC onboard a ship. One of the benefits are the reduction of fuel consumption and less problems whit harmonic distortion. Therefore, this project is about the possibility of changing the main switchboard and the complications of making this. The main purpose of this task is to examine which problems there will be by having a DC main switchboard onboard Esvagt Bergen in this context switches, copper rails, converters, classification and cables. To solve the questions about these components there are used data from ABB, Danfoss, Elektroteknik, Analog- og digitalteknik and the internet. In the report, the specific difference between using the components in AC or DC described. In addition, there have been physical collected data from the vessel to ensure the correct information. The result of this task is that it is possible to change the ships head rail to DC but there are some complications of this. Some of the old material can be for reuse; however, it is necessary to invest in new equipment in the form of switches, frequency converter and copper rails. The reduction of the loss in the electrical circuit has not been significantly. Therefore, the optimization of the fuel economy should be found in the feed circuit and not in DC-head rail. 2

4 Indholdsfortegnelse Abstract... 2 Projektskabelon... 5 Indledning... 8 Intro... 9 Læsevejledning Beskrivelse af det nuværende anlæg Frekvensomformer Ensretteren Mellemkredsløbet Vekselretteren Styrekredsløbet Filter Ændring af det elektriske kredsløb ombord Busbar Busbar Vekselretter til 690VAC Reduceret tab i 690VAC skinne Opsummering Afbrydere Installationskabler Diskussion Kildekritik Onboard DC Grid. The newest design for marine power and propulsion ABB DNV Rules for classification of ships Dynamic Positioning System DNV Rules for classification of ships Electrical Installations Værd at vide om frekvensomformer Tegninger fra skibet Mail korrespondance fra Vacon Analog og Digital teknik af Kurt Bodi Meeting Harmonic Limits on Marine vessel Guide harmonic detection and filtering ABB technical guide nr Billeder af belastninger ombord på skibet

5 12. Elektroteknik ABB circuit breakers for direct current applications NKT cables mail korrespondance Vacon-NX-Filters-User-Manual-DPD01571A-UK Elektroteknik Vacon NXP liquid cooled powerdrives for extreme conditions Mærkestrømværdier for E-Cu skinner (DIN ) Konklusion Litteratur Nomenklatur Bilag Bilag

6 Projektskabelon Emne Optimering af det elektriske kredsløb ombord på Esvagt Bergen Skribent Christian Keller Nielsen, E , Vejleder Claus Pedersen - FMS, Lektor, cp@fms.dk Ulla Skov Jensen - FMS, Lektor, uj@fms.dk Kontaktperson Hans Jørgen Kahr - Maskinchef Esvagt Bergen, hansjorgenkahr@hotmail.com Problemstilling Er det muligt at optimere det elektriske kredsløb ombord på Esvagt Bergen, ved at ændre hovedskinnen til jævnspænding, frem for vekselspænding. Der er nogle komplikationer ved at lave dette kredsløb om; afbryderne skal undersøges ift. om de kan genanvendes, frekvensomformerne placeret foran thrusterne skal ændres og kablerne skal dimensioneres anderledes. Det er et krav fra skibet af, at det skal bibeholde deres DPS2 certificering og take me home system. Ved at ændre kredsløbet kan brændstofforbruget ombord på skibet formentlig reduceres. Der er stadig nogle store forbrugere på 690VAC skinnen, så det er nødvendigt at have en sådan skinne, men ikke i samme størrelsesorden som tidligere. Problemformulering Er det muligt at ændre hovedskinnen i det elektriske kredsløb ombord på Esvagt Bergen, fra vekselspænding til jævnspænding? Hypotese - Det forventes, at det er muligt at ændre 690VAC skinnen til en 1000VDC, i forhold til kravene fra DNV, om DPS2 systemet. - Det forventes, at de gamle afbrydere, der sidder placeret i 690VAC kredsløbet, kan genanvendes. - Det forventes, at tabet i 690VAC skinnen reduceres betydeligt, da store forbrugere bliver fjernet. I stedet opstår der tab i den nye jævnspændingsskinne. - Ved at ændre hovedskinnen, forventes der besparelser i brændstofforbruget på skibet. 5

7 - 690VAC skinnen forventes at kunne bruges til en ny 1000VDC hovedskinne. En investering til en mindre 690VAC skinne bliver derved nødvendig. - Ved at ændre frekvensomformerne, forventes det yderligt at reducere tabet i det elektriske kredsløb. - Kablerne ud til thrusterne skal undersøges ift. størrelse og strømværdi, for at fastlægge om de kan genanvendes. Metode - Ved at bruge Rules of Classification fra DNV, vil kravene til at være DPS2 certificeret blive undersøgt, for at overholde disse. - For at undersøge om de gamle afbrydere kan anvendes, vil ABB og Elektroteknik 8 blive anvendt, for at finde forskellen på jævnstrømsafbryder og vekselstrømafbryder. - Elektroteknik 6 vil blive anvendt, til at undersøge tabene i den gamle 690VAC skinne og den nye 1000VDV skinne. - Ved at studere data fra Diana Star, vil en mulig besparelse af brændstofforbruget blive undersøgt. - Ved at anvende data fra skibet, vil der blive undersøgt om det er muligt at anvende de gamle skinner og kabler til jævnspænding. En ny skinne vil blive dimensioneret, efter IEC standarten for kobberskinner. - Frekvensomformerne bliver undersøgt ved hjælp af Værd at vide om frekvensomformer og dialog med Vacon Danmark. Ved at anvende disse dokumenter, bliver det muligt at gøre rede for harmoniske forstyrrelser, samt tab i filter og anvendelsen af frekvensomformerne. - Kablerne til thrusterne vil blive undersøgt fysisk ombord på skibet, samt gennem rådgivning fra NKT cables. Projektets delopgaver - Få en komplet forståelse af skibet elektriske kredsløb - Undersøge kravene fra DNV 6

8 - Undersøge hvilket afbrydere der sidder monteret på den gamle 690VAC skinne - Finde størrelsen på Skinner og kabler til hovedkredsløb på Esvagt Bergen - Undersøge frekvensomformerne der sidder placeret foran thrusterne angående størrelse, filtre, ensretter, vekselretter og styrekredsløb. - Tages kontakt til Vacon for at få de specifikke oplysninger om de frekvensomformer der er placeret ombord - Den samlede belastning på 690VAC skinnen skal findes 7

9 Indledning Valget af emnet i denne opgave, opstod efter, at Esvagt fik indviet et nyt skib, Esvagt Fraude, som har en DC hovedskinne. Efter en dialog med maskinchefen ombord på Esvagt Bergen, opstod interessen for at undersøge, om dette kunne lade sig gøre på Esvagt Bergen. Ved at lave det elektriske kredsløb om og derved have en DC hovedskinne, kan brændstofforbruget sandsynligvis reduceres når skibet sejler i DP-mode eller kun med azimuth. Denne opgave undersøger muligheden, for at ændre skibets hovedskinne, fra den nuværende 690VAC skinne til 1000VDC. Generatorer/forsyningen af jævnspænding til den nye hovedskinne, bliver ikke undersøgt i denne opgave. Grunden dertil er, at det først er nødvendigt at finde ud af om det kan lade sig gøre at ændre det elektriske kredsløb. Efterfølgende skal der tages stilling til, hvordan forsyningen af denne skinne skal foregå. Kravet fra Esvagt Bergen er, at den stadig skal kunne blive DPS2 certificeret, og bibeholde sit take me home system. Ved at have et elektrisk kredsløb af jævnspænding, vil der være færre problemer med harmoniske forstyrrelser og det komplette tab i det elektriske kredsløb på skibet mindskes. Tidligere har der været problemer med at afbryde jævnspændingen, da afbryderne har skulle være større og mere komplekse end ved vekselspænding, men ABB har fundet en løsning på dette. Ved at anvende jævnspænding, er det muligt at fjerne afbryderne foran de enkelte thrustere. Der bliver anvendt en ny beskyttelses filosofi, hvor hver kreds bliver beskyttet, ved hver vekselretter. Dette vil, med henblik på DPS systemet, være en fordel, da de forbrugere, der ikke er ramt af en fejl, stadig kan fungere, selvom der er fejl på en af de andre thrustere. Når Esvagt Bergen sejler i DP-mode, kører dens to hovedmotorer med maksimale omdrejninger, for at opretholde de 60Hz på akselgeneratoren. Ved at have et jævnspændingskredsløb, er det muligt at sænke omdrejningerne, for derved at have en bedre brændstoføkonomi. Ved at lave et elektrisk kredsløb af jævnspænding, kan ensretterne i frekvensomformerne fjernes, dette er med til at fjerne de harmoniske forstyrrelser ombord på skibet. Disse ensrettere kunne eventuelt genanvendes til forsyningen af hovedskinnen, men dette bliver ikke undersøgt i denne opgave. [1] Ved at ændre hovedskinnen til en jævnspændingsskinne, skal der undersøges hvilke af de store forbrugere, der kan kobles på skinnen. Der skal tages højde for om afbrydere, kabler og kobber- 8

10 skinner kan genanvendes og hvilke komplikationer dette kan give. Kravet fra DNV, omkring opbygningen af det elektriske kredsløb, skal undersøges og overholdes. Det elektriske kredsløb skal undersøges ved thrusterne, da det er her muligheden for ændringer ligger. Ud fra ovenstående betragtninger, har nærværende opgave opstillet følgende problemformulering: Er det muligt at ændre det elektriske kredsløb fra vekselspænding til jævnspænding? Denne opgave vil forsøge at svare på problemformuleringen, ved at undersøge de komponenter, der skal bruges for at ændre Esvagt Bergens hovedskinne til en jævnspændingsskinne. Ved hjælp af disse nye komponenter, forventes det at ændringen af skinnen er en mulighed. Yderligere forventes der, at tabet i det elektriske kredsløb, bliver mindre og at de harmoniske forstyrrelser fra frekvensomformere også delvist forsvinder. Der vil blive anvendt el-teori fra Elektroteknikbøgerne, Analog- og digitalteknik og tekniske rapporter fra ABB og Danfoss. Dertil er der taget kontakt til Vacon og NKT cables, for at undersøge anvendelse af frekvensomformere, afbrydere, kobberskinner og kabler ved jævnspænding. Til at undersøge hvorledes hovedskinnen skal opbygges, bliver der anvendt maritime erfaringer, kombineret med regler fra DNV. Først i opgaven vil det nuværende kredsløb blive beskrevet, med henblik på hvilke ulemper, der opstår ved at have en 690VAC skinne. Dette gøres ved at undersøge de frekvensomformere, der sidder placeret foran thrusterne, den støj de laver og om det er muligt at undlade ensretteren i frekvensomformerene. Derefter vil der blive beskrevet en mulig løsning, for et jævnspændingskredsløb ombord på Esvagt Bergen og hvilke tab, der vil være i kredsløbet, i forhold til den gamle 690VAC skinne. Derefter vil problematikken, ved at afbryde en jævnstrøm, blive beskrevet, samt hvordan dette er muligt at løse. Til sidst vil muligheden for at bevare tilgangskablerne til thrusterne blive undersøgt. Intro Skibet indgår i en kontrakt med Statoil, som løber til år 2020, hvor skibet skal fungere som et multirole vessel ved Sleipner feltet, i den sydvestlige del af den Norske Nordsø. Skibet bliver primært brugt som ERRV og supply skib, men har også mange andre funktioner. 9

11 De elektriske diagrammer ombord på skibet afbilleder ikke 100% den reelle konstruktion, der er af skibet, på grund af problemer i konstruktionsfasen på værftet. Dette er med til at besværliggøre udførelsen af projektet, da overblikket over systemet ikke kan dannes ud fra diagrammerne. Ved at være ombord på Esvagt Bergen, har det været muligt at undersøge hvorledes skibets elektriske kredsløb er opbygget. Dette er blevet gjort ved fysiske undersøgelser, hvilket har givet en forståelse for opbygningen af kredsløbet ombord. Dette sammenholdt med diagrammerne fra værftet, har givet den fulde forståelse. Den fysiske tilgang var en nødvendighed, da diagrammerne til tider ikke var fyldestgørende. Cheif Engineer Hans Jørgen Kahr har været meget behjælpelig, med at finde sammenhængen mellem de mindre præcise diagrammer, og de fysiske komponenter. Når Esvagt Bergen bliver brugt som supply skib, er det mellem de tre platforme (Inspirer, Bravo og Sleipner A), der ligger på feltet. At blive anvendt som supply, vil sige, at der bliver kranet containere o. lign. til og fra dækket. For at kunne gøre dette, anvendes DP-systemet, som bruger alle skibets propeller (fire thrustere, en azimuth, to hovedmaskinepropeller), til at holde skibets position under kranen. Skibet er DPS2 certificeret fra DNV, hvilket den skal blive ved med efter denne ombygning. Belastningen på thrusterne afhænger af søen, men oftest er de højt belastede, da søen sjældent er stille ved feltet. Esvagt Bergen bliver også brugt som ERRV, når den ikke bliver anvendt som supply. Dette betyder, at den skal ligge standby i nærheden af de tre platforme. Oftest behøver skibet kun azimuth en til at holde sin position. Hovedmaskinerne er ikke nødvendige så længe vindhastigheden er under ca. 20 m/s. Læsevejledning Det nuværende anlæg bliver beskrevet først, for at få en forståelse af hvorledes Esvagt Bergens elektriske kredsløb er opbygget og behovet for at for at ændre hovedskinnen. Derefter vil frekvensomformerens opbygning blive beskrevet, for at belyse hvilke harmoniske forstyrrelser den laver, samt hvor stort tabet er i de enkelte filtre, der sidder for at fjerne disse forstyrrelser. Når disse ting er blevet beskrevet, vil der komme et eksempel på hvorledes en mulig opbygning af kredsløbet kunne se ud, hvor kravene fra DNV, angående DPS2, er overholdt. Belastningerne vil findes på den nye jævnspændingsskinne, samt den gamle 690VAC skinne. Dette gøres for at finde tabene i disse skinner, samt størrelsen til en eventuelt afbryder. 10

12 Der vil så blive undersøgt hvilken type afbrydere, der skal sidde i jævnspændingsskinnen, hvor problematikken med at bryde jævnspænding kontra vekselspænding bliver beskrevet. Yderligere undersøges det hvilken størrelse ensretter, der skal sidde fra 1000VDC skinnen til den nye 690VAC skinne. Muligheden for at genanvende de gamle kabler, der er trukket til thrusterne, vil blive undersøgt ift. om de er store nok, til at føre den jævnspændingsstrøm der vil løbe. Til sidst vil der være en konklusion og perspektivering. Kildehenvisning vil foregå på den måde, at der står et nr., der beskriver hvilken kilde, der er brugt. Dette vil være indrammet i en firkantet parentes. Et eksempel kunne være. [4 s.10] ved s.10 henvises der til side 10 i kilden. De kilder, der er henvist til, som er udleveret fra skibet eller fra producenter, er vedlagt på USB. Beskrivelse af det nuværende anlæg Ombord på Esvagt Bergen er det elektriske kredsløb opbygget, ved at have en 690V hovedskinne, der er delt op i tre, hvor det er muligt, via afbrydere, at lave det til en samlet skinne. Grunden til, at hovedskinnen er opbygget i tre sektioner er, for at have en driftssikker forsyning, hvis der skulle opstå eventuelle nedbrud eller lignende. Opdelingen er gjort for at overholde kravene fra DNV, angående DPS2 certificering. Kravene er lavet for at sikre sig, at der er redundans, når skibet sejler i DP-mode. På selve hovedskinnen er de store hovedforbrugere koblet på, herunder thrusterne. Thrusterne er opdelt således, at på Busbar 1 er der koblet henholdsvis en Bow thruster og en Stern thruster på, ligeledes er der koblet en af hver på Busbar 2. Dette er gjort i tilfælde af, at der skulle være en fejl på den ene Busbar, hvormed man stadig har muligheden for at anvende de to andre thrustere. På Busbar 3 er den eneste forbruger azimuth en. Denne er lavet i tilfælde af eventuelle fejl på de to andre Busbar, og er således en del af Take me home systemet ombord. Samme princip er anvendt til 440V og 230V skinnerne, hvor der er dubleret transformere fra Busbar 1 og Busbar 2. På figur 1 ses power management single line fra skibet, som viser hvorledes systemet er opbygget. Som det kan ses er der også andre forbrugere, end thrusterne, på Busbar 1 og 2 (consumers i hver side af figur 1). Blandt disse forbrugere er de største hydraulik power pack og 11

13 Dæks kranen. Grunden til, at de enkelte forbrugere ikke er vist på skinnen, men under en samlet betegnelse som forbrugere, er at de ikke har samme størrelse som thrusterne. Nødtavlen er koblet til 230V og 440V skinnerne, da de vigtige forbrugere, der skal forsynes fra tavlen, er placeret i disse kredsløb. Der er ingen forbrugere på hovedskinnen, der skal kobles på nødtavlen, så denne opgave berører ikke nødtavlen. Grunden til, at nødtavlen kort er beskrevet i denne sammenhæng er, at det er en vigtig del af skibet, som altid skal fungere. Figur 1 [11] Når Esvagt Bergen bliver anvendt i DP-mode, er der nogle krav, der skal overholdes. Dette ses på hovedskinnen, hvor de to afbrydere, der adskiller skinnen, skal være åbne. Grunden til, at disse skal være åbne er, at hvis der sker en evt. fejl på en af skinnerne, og den kobler ud, så har man stadig manøvrebilitet på de to thrustere, der er koblet til den anden Busbar. [2 s.10-11] De fem thrustere er de store forbrugere ombord på skibet, så derfor er disse blevet undersøgt. Herunder er der vist et billede af hovedstrømsskemaet, over forbindelsen til thrusterne. Figur 2 viser diagrammet til Azimuth en. Diagrammet til de andre thrustere er ens med denne, og man kan derfor tage udgangspunkt i denne tegning. Tegningen viser, hvorledes kredsløbet ser ud. Der er sikringer foran LCL-filteret, og efter filteret sidder henholdsvis ensretter og vekselretter, hvorefter til sidst motoren er placeret. 12

14 Figur 2 [5] Frekvensomformer For at undersøge det elektriske kredsløb til thrusterne, blev el-diagram fra Scandinavian electric system benyttet, til at skabe en forståelse af hvordan frekvensomformerne, til thrusterne, er opbygget. Tegningerne viser i hovedtræk, hvordan selve frekvensomformerne, til thrusterne, er opbygget, men for at have forståelse for disse tegninger, bliver frekvensomformerprincipperne først beskrevet. En frekvensomformer består af fire hovedkomponenter, som er vist på figur 3: ensretter, mellemkredsløb, vekselretter og styringskredsløb. Opbygningen af de forskellige hovedkomponenter, bliver kort beskrevet herunder, hvorefter de bliver kædet sammen med de frekvensomformere, der er ombord på Esvagt Bergen. [4 s.52] Figur 3 [4 s.52] Ensretteren Den første del af en frekvensomformer er ensretteren. Denne består af enten dioder, tyristorer, eller en kombination af disse. Derfor kan ensretteren opdeles i to forskellige hovedgrupper, som 13

15 kaldes Styret eller Ustyret ensretter. Den styrede ensretter består af tyristorer/transistor hvor det er muligt at kontrollere, hvornår disse skal åbne og i nogle tilfælde lukke. Det er ikke muligt for en tyristor selv at lukke, men det kan en transistor. [7 s. 101] Den Ustyrede ensretter består af dioder, som kun åbner når sinuskurven er positiv, hvorved der vil blive skabt en pulserende jævnspænding. [7 s.107] Ensretterens primære opgave er at forsyne mellemkredsløbet med en jævnspænding. Alt efter hvorledes den er opbygget, vil der være fordele og ulemper. Ustyret Den ustyrede ensretter består som sagt af dioder, og kan kobles efter mange forskellige metoder. De to primære metoder er henholdsvis 6 og 12 puls, men i visse tilfælde kan det blive til endnu flere pulse. Forskellen på disse to metoder er, at ved at bruge en 12 puls frem for en 6 puls, bliver den pulserende jævnspænding mere jævn. De harmoniske forstyrrelser, som dioderne laver ved at åbne og lukke, bliver en anelse anderledes. Ved 6 puls ensretteren vil de største forstyrrelser være af den femte og syvende orden. Ved 12 puls vil det i stedet være ellevte og trettende ordens forstyrrelser. [9 s.22] Forstyrrelserne ved en 12 puls vil være nemmere at fjerne ved filtre, da sinuskurven på forstyrrelserne ikke vil være så høje. På figur 4 herunder er der vist henholdsvis 6, 12 og 24 puls ensrettere, med deres tilhørende optagne sinuskurve. Figur 4 [9 s.21] Styret Den styrede ensretter består at enten tyristorer eller transistorer, hvor det mest gængse er blevet transistorer med tiden. Den type ensrettere, der anvender transistorer, kaldes en ensretter med AFE. AFE ensretterne er ofte udstyret med et LCL lavpas filter, som er med til at fjerne de harmoniske forstyrrelser, som transistorerne laver. Ensretteren ombord på Esvagt Bergen består af en 12- puls AFE, med dertilhørende LCL filter. På figuren herunder er der vist hvordan en 6-puls AFE ensretter ser ud med LCL filter. [6] 14

16 Figur 5 [8 s.118] Ensretteren består af IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) transistorer, som har en høj skiftefrekvens, hvilket gør at de harmoniske strømme, af den lavere orden, ikke opstår. Skiftefrekvensen på denne type ensretter er typisk imellem 2-3,5 khz. [8 s.4] Ensretteren ombord på Esvagt Bergen, har en skiftefrekvens på 3,6 khz, jævnfør Vacon. Transistoren bliver styret fra en PLC control unit, som vil blive beskrevet senere på s.17. Ved at ensretteren er opbygget på denne måde, optager den en renere sinuskurve fra skibets elnet. Der vil være begrænsede harmoniske forstyrrelser af den lavere orden, når denne type ensretter anvendes. Der vil i stedet være harmoniske forstyrrelser af en højere orden end halvtredsende, på grund af den høje skiftefrekvens i transistoren. [8 s.118] For at fjerne de harmoniske strømme over den halvtredsende orden, sidder der placeret et LCL-lavpas filter foran ensretteren. For at opretholde de krav, der er stillet fra DNV omkring støj i skibe, er det nødvendigt at installere denne type filter. Derved er det muligt at sikre, at den elektromagnetisk støj ikke overskrider 5%. [3 s.17]. På figur 6 herunder ses forskellen på den optagne sinuskurve fra en 6 puls til IGBT transistor. Figur 6 [9 s.23] Grunden til at kravet fra klassifikationsselskabet er så højt, skyldes de ulemper, der er forbundet med harmoniske strømme ombord. De største ulemper er beskrevet herunder. [3 s.17-18] 15

17 Øget nedbrydning af isolationsmateriel Øget effekttab i udstyr, der er tilsluttet netværket Reduceret levetid i udstyr, der er tilsluttet netværket Overbelastning af elektronisk udstyr, der er lavet til ren sinuskurve Forvrængede og fejlagtige målesignaler fra følere osv. Fejludkoblinger i beskyttelsesudstyr Disse ting bliver hurtigt et problem ombord på skibet, da mange af systemerne er styret med en frekvensomformer eller lignende. Dette bevirker, at der kan forekomme meget støj ombord, hvis man ikke sørger for at begrænse det. Der er på Esvagt Bergen anvendt LCL filtre og IGBT transistorer i ensretteren, for at sikre at den elektromagnetiske støj ikke overskrider kravende fra DNV. Mellemkredsløbet Mellemkredsløbet kan opbygges efter tre forskellige principper, alt efter hvilken ensretter og vekselretter frekvensomformeren består af. De tre forskellige principper bliver henholdsvis kaldt I- omformere, U-omformere og Mellemkredsløb med variabel jævnspænding. [4 s.59] I-omformere består af en stor spole, der sidder placeret efter ensretteren. Den anvendes kun med styrede ensrettere, hvor spolen omdanner den pulserende variabel spænding, fra ensretteren til en variabel jævnstrøm. I-omformeren vises herunder, på figur 7. Figur 7 [4 s.59] U-omformere består af både en spole og kondensator, som fungerer både til styrede og ustyrede ensrettere. Forskellen består i, at ved en styret ensretter er det muligt at have en variabel jævnspænding, hvor den ustyrede altid vil have den samme jævnspænding. U-omformeren vises herunder, på figur 8. Figur 8 [4 s.59] 16

18 Mellemkredsløbet med variabel jævnspænding anvendes ikke med styrede transistorer. Kredsløbet består af en chopper. Chopperen består af en transistor og en sikkerhedsdiode. Chopperen kan afbryde og slutte den ensrettede spænding, således at der er en variabel jævnspænding, selvom ensretteren ikke er styret. Chopperen styres ved at sammenligne signalet efter chopperen, med indgangssignalet. På figur 9 herunder ses et mellemkredsløb med variabel spænding. Figur 9 [4 s.60] Ombord på Esvagt Bergen er mellemkredsløbet opbygget, således at der kun sidder en kondensator. Kondensatoren sidder for at optage eventuelle spændingsspidser, der vil kunne opstå under drift. Jævnspændingen er leveret af en AFE, således at jævnspændingen er stabil og konstant. Derfor er det ikke behov for at have monteret med en spole. [6] Vekselretteren Vekselretteren er den sidste del af frekvensomformeren. Afhængigt af hvordan ensretteren og mellemkredsløbet er opbygget, skal den fungere på forskellige måder. Vekselretterens opgave er at levere den rette frekvens og spænding til motoren. Vekselretteren tilpasser udgangsspændingen til belastningsforholdene, for derved at opretholde motorens magnetisering. Vekselretterens hovedkomponenter består altid af styrede halvledere. Før i tiden blev der oftest anvendt tyristorer, hvor det nu er almindeligt at anvende transistorer. Grunden til, at IGBT transistoren bliver anvendt er, at de har en højere skiftefrekvens, som cirka er på 20 khz, hvor tyristoren ligger på 2 khz. Tyristorerne er ofte blevet anvendt i ældre frekvensomformere, men for at undgå de harmoniske strømme af lavere orden, som thyristerne laver, bliver der anvendt IGBT transistor i stedet for. Ombord på Esvagt Bergen består vekselretteren af IGBT transistorer, som også sidder i ensretteren. Skiftefrekvensen på transistorerne er anderledes i forhold til ensretteren, og ligger mellem 1,5 til 6 khz i vekselretteren. [6] IGBT transistoren genererer harmoniske strømme af en højre orden. Dette er ikke problematisk da disse strømme er forholdsvis simple at bortfiltrere ved 17

19 hjælp af filtre. Derfor er der også placeret et Du/Dt filter på afgangssiden af vekselretteren, til at fjerne de harmoniske forstyrrelser, der vil opstå. Ved at anvende IGBT transistorer bliver sinuskurven til motoren mere jævn, i forhold til hvis det havde været med tyristorer. De harmoniske forstyrrelser vil igen medføre de ulemper, som er beskrevet tidligere i teksten s.16. Figur 10 herunder viser hvordan sinuskurven ser ud, ved en skiftefrekvens på 1,5 khz til en transistor med en skiftefrekvens på 12 khz. [6][4 s.62-65] Figur 10 [4 s.66] Styrekredsløbet For at styre IGBT transistorerne og skabe den trefasede spænding, med den tilhørende frekvens, anvender styrekredsløbet PWM (Puls-Bredde-Modulation). Princippet i at anvende PWM, virker på den måde, at man har en mikroprocessor, der styrer hvornår transistorerne skal åbne og lukke. Når der bliver anvendt PMW, er det muligt at styre spændingen på langs af tidsaksen, som vist herunder, på figur 11. [4 s.70] Figur 11 [4 s.65] 18

20 For at mikroprocessoren skal kunne styre IGBT transistorerne, bruges en sinusformet kurve som reference. Resultatet af at anvende referencen er vist på figur 12 herunder. IGBT transistorerne ombord på Esvagt Bergen, har en skiftefrekvens på mellem 1,5-6 khz. Dette gør, at søjlerne er skubbet mere sammen, jævnfør figuren, og man opnår dermed en mere jævn sinuskurve. [6] Figur 12 [4 s.71] Filter På Esvagt Bergen er der et LCL filter og Du/Dt filter. Disse skal undersøges, for at finde tabet i dem. LCL filteret, der er placeret foran ensretteren, fungerer som et lavpas filter. LCL filteret skal fjerne de høj frekvente harmoniske forstyrrelser, som AFE ensretteren laver. AFE laver ikke lav frekvente forstyrrelser, på grund af den høje skiftefrekvens. Dermed er der et behov for et lavpas filter. LCL filteret gør, at de harmoniske forstyrrelser kommer under de 5%, som kravet er fra DNV [3 s.17]. LCL filteret består af to sæt spoler og et sæt kondensatorer. Effekttabet i disse er oplyst af Vacon til 1,2 kw. [6] Efter vekselretteren sidder der et Du/Dt filter, til at fjerne eventuelle peak spændinger, der vil kunne opstå fra vekselretteren. Filteret består af en spole, der gennemløbes af fuldlaststrømmen, og derfor vil der være et tab i denne. [6] Tabet i dette filter er på 1,2 kw jævnfør Vacon. [15 s.2-3] Ændring af det elektriske kredsløb ombord For at lave om på det elektriske kredsløb ombord på skibet, skal der tages højde for indretningen af kredsløbet. Skibet skal stadig kunne fungere i DP-mode, på trods af uagtede fejl på en af hovedskinnerne eller thrusterne. Esvagt Bergen er certificeret DPS2, hvilket den stadig skal være efter en eventuel ombygning. Ligeledes skal Take me home systemet også fungere efter en ombygning. Dette stiller krav til det elektriske kredsløb, der skal være opbygget således, at der er redundans i systemet. [2 s.8] Kravet går hovedsageligt ud på, at skibet skal fungere i DP-mode, selvom der er en fejl på en skinne og denne er nød til at blive afbrudt. 19

21 Der er blevet udarbejdet et forslag til en mulig løsning, hvor der er taget højde for at overholde kravene fra DNV om DPS2. Løsningen er vist på figur 13 nedenfor. Inden i den stiplede kasse vises den gamle 690VAC skinne, hvor thrusterne er blevet fjernet. Den gamle 690VAC skinne skal bibeholdes, da der stadig er enkelte store forbrugere på denne. Dette gøres ved at installere to vekselrettere, der skal kobles på den nye jævnspændingsskinne. Nødvendigheden af at installere to vekselrettere, er til stede, for at sikre sig at have en forsyning til skinnen, hvis den ene skulle gå i stykker. Opgaven omhandler ikke forsyningen af jævnspændingsskinnen, men der skal minimum være tre forskellige forsyningskilder, der virker uafhængigt af hinanden, for at overholde kravet fra DNV. Derudover er det muligt at dele DC-skinnen i tre, via de to afbrydere kaldet ABB1 og ABB2. Grunden hertil er igen, at hvis der skulle ske en fejl på den ene skinne, så kan driften fortsætte på de andre. Dette er blevet lavet, for at overholde kravene fra DNV til DPS2 systemet. Hvilken type afbryder, der skal monteres, bliver beskrevet længere fremme i teksten på s.30. Azimuth en beholder sin egen skinne, for at Esvagt Bergen kan bibeholde sit Take me home system. Ellers havde det kun været nødvendig at dele skinnen i to, for at leve op til kravene. Som det kan ses på figur 13, er der placeret vekselrettere foran alle fem thrustere. Vekselretterne er de samme, som der var placeret foran de enkelte thrustere før ombygningen. Yderligere er der placeret to vekselrettere, til den gamle 690VAC skinne, som vises på figur 14 nedenfor. Thrusterne er blevet fjernet fra skinnen i det nye system. Som nævnt i indledningen, er der blevet lavet en ny beskyttelsesfilosofi fra ABB, hvor det ikke er nødvendigt at have en afbryder foran hver afgrening til thrusterne. Systemet går ud på, at hvis der sker er en fejl på en af thrusterne, sidder beskyttelsesudstyret i selve vekselretteren. Vekselretteren kan stoppe transistorerne hurtigere end en normal afbryder, ved hjælp fra styrekredsløbet. Styrekredsløbet kan nå at udkoble vekselretterne på mellem ms, hvor der før kunne gå helt op til 1 s. Systemet er blevet gennemgået af DNV og er blevet godkendt. Dette gør, at systemet er i stand til at reagere hurtigere end kravene, specificeret fra DPS2 certificeringen. Hvis en enkelt thruster får en fejl, fungerer de fire andre stadig. [1] Der skal stadig være afbrydere monteret, til at koble selve jævnspændingsskinnen ud, hvis der skulle opstå en fejl på en af dem. Afbryderne ABB1 og ABB2 skal være åbne når skibet sejler i DP- 20

22 mode. For at kunne dimensionere afbryderne, er det nødvendigt at have udregnet kortslutningsstrømmen. Dette er ikke muligt i denne opgave, da opgaven ikke omfatter generator/forsyning af jævnspændingsskinnen. Figur 13 Figur 14 Derfor vil et eventuelt indkøb til det nye system bestå af en ny 690VAC skinne, to jævnspændingsafbrydere, to vekselrettere og kabler fra hovedskinnen til de enkelte thrustere. Det vil blive undersøgt længere fremme i teksten, om nogle af de gamle afbrydere, kabler og hovedskinner kan genanvendes fra det gamle system. Ved at thrusterne er koblet på jævnspændingsskinnen, betyder det, at ensrettere og lavpas filtere kan fjernes. Der vil være et nyt tab i Du/Dt filterne, der sidder placeret efter de nye vekselrettere. Regnestykket herunder viser, hvor stort et reduceret tab, der vil være ved at fjerne ensretterne. P P LCL Du / Dt 5* P P P 1,2kW LCL lclfilter P 5*1,2 6kW Du / Dt 6 1,2 4,8kW Grunden til, at PDu/Dt ikke er ganget med to er, fordi det kun er en af gangen, der vil blive belastet. Ud fra dette regnestykke kan det ses, at tabet bliver reduceret med 4,8 kw. Ved at fjerne ensretterne, vil der ikke være så mange harmoniske forstyrrelser, ombord på skibet. Et nyt indkøb på to vekselrettere er nødvendigt, for at have en forsyningskilde til 690VAC skinnen. De to vekselrettere skal dimensioneres efter, at de hver især skal kunne holde til at blive belastet med fuldlaststrømmen fra 690VAC skinnen. Man vil kun anvende den ene af vekselretterne, og 21

23 den anden vil således være monteret som backup, i tilfælde af fejl. For at finde fuldlaststrømmen, er overvågningspanelet taget i brug. Alle belastninger på 690VAC skinnen er vist på dette panel, og derfor bliver denne anvendt til at finde belastningsstrømmen. På figur 15 herunder er der vist, hvilke forbrugere, der er på skinnen, samt hvor store de er. Dertil skal thrusterne fjernes, da de ikke længere er en del af 690VAC skinnen. Figur 15 [11] Den nye belastning af skinnen kan derefter udregnes. Denne er noget mindre end den gamle belastning, da de store forbrugere på skinnerne er thrusterne. Den gamle Busbar 3, hvor azimuth en var koblet på, skal der ikke tages højde for efter ombygningen, da der ikke længere er nogen forbrugere på denne. Slutresultatet af belastningen på de to skinner, hvor thrusterne er blevet trukket fra, bliver således: Busbar 1: 1000KVA/463KW Busbar 2: 1000KVA/402KW Grunden til, at der er oplyst KVA og KW er den manglende dokumentation ombord på skibet. Mange af forbrugerne sidder placeret, hvor det ikke er muligt at komme til at aflæse mærkepladen, uden at skulle demontere dele af anden installation, ombord på skibet. Derfor er informationerne blevet aflæst på de forbrugere det har været muligt, som vist på figur 16. De steder hvor det ikke har været muligt at aflæse, er der fundet tilsvarende motorer, af samme størrelse. Data fra disse er blevet anvendt til at finde belastningsstrømmen. Derudover var det heller ikke mulig, at 22

24 aflæse data fra transformerne, til henholdsvis 440VAC og 230V skinnerne. Deres mærkeplade er skrevet med tusch, hvilket med tiden er blevet udvisket. Samtidigt med, at der ikke er blevet leveret en teknisk dokumentation fra værftet af transformerne, er der blevet anvendt El-teori til at beregne fuldlaststrømmen. [12 s.51] Busbar 1 Fuldlaststrømmen til henholdsvis 440VAC trafo og 230VAC trafo: I 3 S N 800 *10 669A V U * * 3 1/ I 3 S N 200 *10 167A V U * * 3 1/ Strømforbruget fra hydraulic power pack er fundet, ved hjælp af datapladen. Ved at finde datapladen, er der fundet en fejl i dokumentation på kontrolpanelet. Der står, at motorerne optager 155 kw, hvilket ikke er rigtig. Det er i stedet blevet aflæst på mærkepladen til 171 kw. Fejlen består i, at der er blevet aflæst ved 50 Hz frem for 60 Hz. Mærkepladen ses herunder, på figur 16, hvor fuldlaststrømmen også er blevet aflæst til 167 A. Figur 16 [5] Derudover er der nogle mindre motorer, hvor det ikke har været muligt at aflæse fuldlaststrømmen. For at finde fuldlaststrømmen på motorerne, er der blevet fundet nogle tilsvarende hvor cosφ er oplyst. Fuldlaststrømmen er derefter blevet udregnet efter følgende formel: 23

25 I 1/1 P U *cos * 3 Samlet belastning på Busbar 1 bliver således: Busbar 1 Effekt Strøm (A) Transformer 690V/440V 800kVa 669 Transformer 690V/230V 200kVa 167 Hydraulic Power Pack nr.1 171kW 167 Hydraulic Power Pack nr.2 171kW 167 Hydraulic Power Pack Servo pump 8kW 7,9 Coolng water BT1 3kW 2,9 Charger Pump 56kW 55,7 Tank Washing System 86kW 85,6 1322,1 Busbar 2 Der er lidt andre belastninger på denne Busbar, men princippet i at udregne fuldlaststrømmen fra de forskellige forbrugere er den samme. Dækskranens fuldlaststrøm er fundet ved hjælp af tegninger over denne, som er vist på bilag 1. Tegningen viser, at der skal tages højde for de to varmelegemer, der er monteret. Disse to bevirker, at den samlede cosφ fra kranen er højere end hvis varmelegemerne ikke havde været der. Den samlede belastning vil derfor se således ud: 24

26 Busbar 2 Effekt Strøm (A) Transformer 690V/440V 800kVA 669 Transformer 690V/230V 200kVa 167 Hydraulic Power Pack nr kW 167 Deck Crane 169kW 179 Windlass Winch 28kW 27,8 Cooling Water BT2 3kW 2,9 Draining Stern Ramp 22kW 21,9 General service pump 25kW 24,9 1259,5 Vekselretter til 690VAC Efter fuldlaststrømmen fra begge Busbar er blevet udregnet, er det nu muligt at finde en vekselretter, der har den passende størrelse. Der skal tages højde for redundansen, hvilket vil sige, at hver af de to vekselrettere, skal kunne trække den samlede fuldlaststrøm, fra begge Busbar. Der skal dog tages højde for en samtidighedsfaktor, da sandsynligheden for, at alle forbrugere trækker en fuldlaststrøm, er meget lille. Ved at analysere driftsanalysen, som er vist på bilag 2, er der udregnet en strøm på 777,75 A, ved den størst mulige belastning. Denne strøm er udregnet længere fremme i teksten, på s.27. Belastningsstrømmen er for lille til at dimensionere vekselretterne efter, da der skal være en margen og plads til eventuelle andre driftstilstande, hvor forbruget kan være større. Vurderingen af en dimensioneringsstrøm er blevet mindre end de 2581,6 A, da alle fire transformere ikke er belastet på samme tid. Dækskranen kører ikke samtidig med hydraulic power pack, og derfor er der udregnet en dimensioneringsstrøm på ca A. Ud fra disse betragtninger, er det muligt at finde størrelsen på vekselretterne. Efter kontakt med Vacon er de specifikke vekselrettere fundet, en NXP1300_6 er blevet valgt, da denne kan trække en belastningsstrøm på 1300 A. [17 s.7] Reduceret tab i 690VAC skinne For at undersøge det reducerede tab i 690VAC skinnen, efter at thrusterne er blevet fjernet, er det nødvendigt at kortlægge tabet i selve skinnen, under den gamle driftssituation. Ved at analysere 25

27 diagrammet over de forskellige lastsituationer på bilag 2, bliver der taget udgangspunkt i driftssituationen DP M.WIND >12 m/s. Grunden til, at denne driftssituation er valgt, er, at det er der hvor den største belastning er på skinnen: Busbar 1 = 2121,11 kw Busbar 2 = 2184,35 kw Busbar 3 = 881,17 kw Ud fra disse tal kan det umildbart være svært at se hvor stor en strøm, der løber i skinnen, men der er blevet udregnet en fuldlaststrøm ud fra formlen P U * I * Cos * 3, hvor Cos er sat til 0,84. For at fastsætte Cos er der vurderet hvilke forbrugere, der er på skinnen. Da det primært er motorer, der er koblet på skinnen, er Cos blevet sat lavt. Når fuldlaststrømmen bliver fundet, skal strømmene fra de enkelte forbrugere lægges vektorielt sammen, hvilket gør at Cos bliver lavere, end hvis det havde været blandede forbruger. Dette resulterer i en strøm på: I I I Bus1 Bus 2 Bus ,11* ,8 A 690 * 0,84 * ,35 * ,87A 690 * 0,84 * ,17 * ,75A 690 * 0,84 * 3 I I I I 2112,8 2175,87 877, ,5A Bus1 Bus 2 Bus3 Ved at have udregnet denne belastningsstrøm, er det muligt at finde tabet i selve 690VAC skinnen. Ved fysiske undersøgelser, er skinnen blevet undersøgt og den består af 3x(2X(100X10)). For at finde kobbermodstanden i skinnen, er Mærkestrømværdier for E-Cu skinner (DIN ) blevet anvendt. Ud fra målinger ombord på skibet, er længden af 690VAC skinnen blevet målet til 21 m. Der skal tages højde for, at skinnen er udført af 2x(100X10). Dette resulterer i, at den resistive modstand i skinnen bliver halveret. Modstanden i den ene fase er blevet udregnet til: 26

28 R100 X10 0,024 R * l * 21 0, 252m 2 2 Dertil skal der også tages højde for temperaturen. Skinnetemperaturen er blevet målt med infrarødmåler, ombord på Esvagt Bergen, til ca. 52 Grader: R52 R*(1 a* t) 0,252*(1 0,004*(65 52)) 0, 265m Grunden til, at den induktive modstand ikke bliver regnet med i dette, er at den er så lille i forhold til den resistive modstand, og den vil derfor have en minimal indflydelse. Tabet bliver derefter regnet ud: P 3*( I * R) 3*(5166,5 *0,265*10 ) 21220,7 21, 2kW Dette er tabet i 690VAC skinnen, når de fem thrustere er koblet ind og skibet sejler i DP M.WIND >12m/s. Ved at udregne en ny belastningsstrøm uden thrusterne, kan tabet i den nye 690 VAC skinne findes. Dette gøres ved at fratrække den strøm, de fem thrustere belastede den gamle skinne med. Grunden til, at det bliver IBus3*5, er, at den eneste belastning, der er på Bus 3, er azimuth en, og at de resterende fire thrustere trækker den samme strøm. I I ( Ibus3 *5) 5166,5 (877,75*5) Ny 777, 748A Herefter kan et nyt tab i skinnen udregnes: P ny 3*( I * R) 3*(777,748 *0,265*10 ) 480,9 0, 48kW Der kan konkluderes, at tabet i skinnen er blevet betydeligt reduceret, men at der vil være et tab i jævnspændingsskinnen i stedet. Hvis skinnen skal bibeholdes som 690 VAC skinne, er den voldsomt overdimensioneret. Forskellen på strømmene i de to situationer er 5166 A-777 A. Dette betyder at man eventuelt, kunne anvende den gamle 690 VAC skinne som en ny DC-skinne. En ny

29 VAC skinne skal derfor dimensioneres, efter at kunne trække en fuldlaststrøm, der svarer til størrelsen af vekselretteren. Fuldlaststrømmen på DC-skinnen skal derfor udregnes. For at kunne omregne strømmen til en jævnspændingsstrøm, er det nødvendigt at finde de forskellige effekter, fra de forskellige forbrugere. For at finde det maksimale effektforbrug på 690 VAC skinnen, er følgende formel blevet brugt: P U * I * Cos * 3 690*1300*0,84* , kw nyvekselretter 1 Effekten fra thrusterne er allerede kendt fra tidligere i teksten, til 880 kw, og derfor kan strømmen i den nye DC hovedskinne udregnes som følgende: I I I nyvekselretter Thruster samlet 3 P 1305,1* ,1 A U P 880*5* A U 1000 I I 1305, ,1A nyvekselretter Thruster For at finde ud af hvor mange af skinnerne, der skal bruges som en ny hovedskinne, er strømværdien for 100X10 skinnen fundet. Strømværdien er aflæst til 1600 A, ved en jævnspænding, der ikke overskrider 16 Hz. [15 s.1] Strømværdien på skinnen er opgivet ved en temperatur på 65 Grader, hvilket ikke er tilfældet ombord på Esvagt Bergen. Der er ca. 52 grader på skinnerne, og derfor skal strømværdien korrigeres for temperaturen, som resulterer i følgende: I I k , Dim 100 X10 5 jævn t 0,71 Derefter kan antallet af skinner, til den nye jævnspænding, findes således: A Antal I I samlet 100 X10 Jævn 5705,1 2, ,5 28

30 Regnestykket viser, at der som minimum skal anvendes en 2X(3X(100X10)) hovedskinne. Dette betyder, at man kan genanvende den gamle hovedskinne, til en ny DC skinne. Den gamle skinne består af 3X(2X(100X10)), som så skal monteres anderledes for at blive til 2X(3X(100X10)). Resultatet af dette betyder, at der skal købes nogle flere kobberskinner, til den nye 690VAC skinne. For at regne ud hvor mange nye skinner der er behov for, skal dimensioneringsstrømmen findes. Dette gøres ved at korrigere strømmen, som vekselretteren kan trække for temperaturen, hvorefter, der kan findes en passende ny skinne: I I * k 1300*0,71 vekselreter korigeret vekselretter t 923 A Ud fra denne strøm er der fundet en 60X10 skinne. Denne skinne har en strømværdi på 985 A.[18 s.1] For at sammenligne tabet i den gamle skinne med det nye tab, skal tabet i de to nye skinner udregnes. Den resistive modstand for begge skinner er udregnet herunder: r 60 X 10 r 100 X 10 R R 52 r 52 jævn 60 X X r 52 * (1 a * t) 0,037 * (1 0,004 * (65 52)) 0,0389m / m 65 jævn r r 60 X X 10 * (1 a * t) 0,021* (1 0,004 * (65 52)) 0,022m / m 52 * l 0,0389 * 21 0,817m 52 * l 0,0022 * 21 0,464m Det er nu muligt at regne det nye tab ud for 60X10 skinnen: P 2*( I * R ) 2*(1300 *0,0389*10 ) 131, W X10 60 X Da hovedskinnen består af tre parallelle skinner, skal modstanden i denne lægges reciprok sammen: 1 1 R 10 DC ( R100 X10 R100 X X X R ) (0,464 0,464 0,464 ) 0, 155m 29

31 Det er nu muligt at regne tabet ud i den nye hovedskinne: PDC 2*( I * R100 X10 DC ) 2*(5705,1 *0,155*10 ) 10066, 8W Den gamle 690 VAC skinne kan benyttes som en ny 1000 VDC hovedskinne, men der skal samtidigt investeres i en ny skinne til 690 VAC. Størrelsen på denne skal være 60X10, og den skal være lige så lang som den gamle skinne, på 21 m. Tabet ved de to forskellige systemer, kan ses herunder. Nyt system: Skinne Tab i kw 60X10 21m 690VAC skinne 0, X10 21m 1000VDC skinne 10,07 Sum 10,201 Gammelt system: Skinne Tab i kw 100X10 21m 690VAC skinne 21,2 Sum 21,2 Opsummering Ændringen af hovedskinnen er muligt. Der skal dog investeres i en ny 60X10 skinne, samt to nye vekselrettere. Ved at fjerne thrusterne fra 690 VAC skinnen, er det nu muligt at fjerne ensretterne og lavpass filteret. Ved at fjerne filterne og ensretterne bliver tabet i kredsløbet reduceret yderligere. Dette skal sammenholdes med det reducerede tab i skinnerne. Der vil dog opstå et tab, ved de to nye vekselrettere i Du/Dt filteret, der skal modregnes. Når alt dette sættes sammen, bliver det reducerede tab ikke stort. Beregningerne er lavet ud fra en driftssituation hvor systemet er fuldt belastet, hvilket vil sige, at i den daglige drift, vil det reducerede tab ikke være så stort. Afbrydere Ved at lave en ny DC hovedskinne er det nødvendigt at undersøge, om de gamle afbrydere, der var monteret i 690 VAC skinnen kan genanvendes. 690 VAC skinnen skal stadigvæk kunne deles i to, så 30

32 der skal investeres i en ny afbryder til denne skinne, hvis de to andre afbrydere skal buges i hovedskinnen. For at have den komplette forståelse af problematikken, omkring at anvende en AC afbryder som DC afbryder, bliver de to forskellige situationer beskrevet herunder. Der bliver gået i dybden med lysbuen, da den væsentlige forskel ligger deri. Når en afbryder sluttes gennem sit kontaktsæt, stiger strømmen ikke momentant. Strømmen kontaktsættet gennemløbes af, har et indsvingningsforløb afhængig af kredsløbet. Når kredsløbet derefter skal afbrydes igen, vil der opstå en lysbue, hvor kontaktsættene brydes. Lysbuens størrelse vil afhænge af strømmens størrelse, som gennemløber kontaktsættet, og hvilken effektfaktor strømmen har. Jo højere temperaturen bliver på lysbuen, desto mindre bliver resistansen i denne. Resistansen er også afhængig af lysbuens længde. Da spændingen over lysbuen er et produkt af strømmen og modstanden i lysbuen, vil spændingens størrelse være afhængig af lysbuens længde. Modstanden vil blive højere, jo længere lysbuen bliver, og en højere spænding vil være krævet for at opretholde lysbuen. [16 s.119] Ved vekselstrøm kan lysbuen slukkes, ved strømmens nulgennemgang, hvilket er 120 gange i sekundet ved 60 Hz. Herunder, på figur 17, er der vist en sinuskurve ved 50 Hz, hvor strømmens nul gennemgang er vist. [13 s.12] Figur 17 [13 s.12] Når spændingen derefter stiger igen, i modsat retning, med en for stor ladning, medfører dette en risiko for at generere en ny lysbue. Dette kan undgås ved at have en så stor afstand mellem kontakterne, at spændingen, der skal starte lysbuen igen, er større end den spænding, der kan forekomme. Størrelsen af spændingen, der skal til for at tænde lysbuen igen, skal udregnes i henhold til modstanden i lysbuen, som er beskrevet i teksten over figur 17. For at hæve den resistive mod- 31

33 stand, er det en mulighed at montere horn på kontaktfladerne og derved hæve modstanden i lysbuen, til et niveau hvor det ikke er muligt for spændingen at opretholde en lysbue. Opbygningsprincippet af afbrydere med horn, er vist på figur 18, herunder. For at gøre slukningen af lysbuen endnu mere effektiv, er afbryderne lavet med slukkekamre, der optager strømmen i lysbuen. [16 s.120] Figur 18 [16 s.120] Ved jævnstrømsafbrydere er problematikken med lysbuen større. Grunden til dette er, at strømmen ikke har nogen nulgennemgang, som tydeligt ses på figur 19, herunder. Ved at der ikke er nogen nulgennemgang, bevirker dette at lysbuen vil have svære ved at slukke. Lysbuen vil blive længere og eksistere i længere tid, da spændingen ikke har nogen nulgennemgang. Lysbuen vil først slukke når den er blevet så lang, at modstanden er blevet så stor, at spændingen ikke længere er stor nok til, at lysbuen kan eksistere. Dette gør at den almindelige afbryder skal anvendes anderledes, hvis den skal kunne holde til at bryde en jævnstrøm, frem for en vekselstrøm. [13 s.12] Figur 19 [13 s.12] Der er blevet lavet kortslutningsforsøg med et jævnstrømskredsløb, hvor et oscilloskop har været monteret. Forsøget er lavet for at observere hvordan strømmen gennem afbryderen reagerer, samt lysbuens spænding i forhold til hinanden. 32

34 Figur 20 [13 s.13] På figur 20, herover, ses resultatet af disse undersøgelser. ts er tidspunktet hvor afbryderen begynder at bryde strømmen Icn. Strømmen bliver ved med at stige indtil spændingen over lysbuen er etableret, derefter begynder den at falde til den når punktet ta. Grunden til, at spændingen stiger, er at når jævnstrømskredsen bliver afbrudt, vil induktans modstanden fra kredsen forsøge at opretholde spændingen. Induktansen gør, at der vil opstå en peak spænding, der er større end den nominelle spænding Va. Tiden, der går fra at afbryderen bryder, til at lysbuen slukker, er afhængig af hvor stor en induktansmodstand der er, i forhold til den resistive modstand i kredsløbet. Den induktive modstand vil forsøge at opretholde spændingen, hvorved peak spændingen opstår. Hvis den resistive modstand er meget større end den induktive, vil peak spændingen blive mindre, så lysbuen hurtigere kan slukke. [13 s.13] Forsøget underbygger teorien, og viser nødvendigheden af så stor en afstand som muligt mellem kontaktfladerne, da lysbuen dermed vil slukke hurtigere. Ved hjælp af nye forsøg med den beregnede spænding, er det muligt at fastslå afstanden, der er nødvendig, for at sikre en afbrydelse, der er acceptabel. En løsning på at anvende AC afbrydere som DC afbrydere, er ved at lave afstanden fra kontaktfladerne, i bryderen, større. Det kan gøres ved at anvende en 3-polet AC afbryder, hvor de tre poler bliver monteret i serie. Dette bevirker, at der kommer en større samlet afstand mellem kontaktfladerne, og lysbuen kræver en større spænding, for ikke at slukke. Hvis jævnspændingen er tilpas lav, kan vekselstrømsafbryderne stadig anvendes, uden at det er nødvendig at koble dem anderledes, men strømmen de kan bryde bliver væsentlig lavere. [13 s.25] Størrelsen af jævnspændingen afgør derfor, hvor stor afstanden mellem kontaktfladerne skal være. Samtidig har strømmen, der løber gennem kontaktsættet, når den er sluttet, også indflydelse. Der er lavet undersøgelser om hvorledes afbryderene skal kobles, og hvilken jævnstrøm de 33