Projekt PMG kw Afsluttende rapport

Transkript

1 Projekt PMG kw Afsluttende rapport Effekt som funktion af strøm (45 rpm) Effekt [W] Målt kurve, uden kap Målt kurve, 200 uf Målt kurve, 400 uf Målt kurve, 600 uf Beregnet kurve, uden kap Beregnet kurve, 200 uf Beregnet kurve, 400 uf Beregnet kurve, 600 uf Strøm [A] A/S De Smithske, Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi Januar 2000 Projektet er udført med støtte fra Energistyrelsen under projekt ENS 51171/ ISBN

2 1 INDLEDNING PROJEKTDELTAGERE BESKRIVELSE AF GENERATOR HOVEDDATA Dimensioner Masser Materialevalg Elektriske data MÅLEOPSTILLING MEKANISK ELEKTRISK Måleapparatur og sensorer Termiske målinger DATAOPSAMLINGSSYSTEM Hardware Software MÅLERESULTATER VIKLINGSMODSTAND TOMGANGSTEST SPÆNDING SOM FUNKTION AF STRØM EFFEKT SOM FUNKTION AF STRØM VIRKNINGSGRAD SOM FUNKTION AF BELASTNING LANGTIDSTEST KORTSLUTNINGSTEST HARMONISK FORVRÆNGNING KONKLUSION PÅ MÅLINGERNE DRIFTSSTRATEGI GENERATORTILSLUTNING SAMMENLIGNING AF FORSKELLIGE MØLLE- OG GENERATORTYPER Stallreguleret mølle med PMG versus stallreguleret mølle med asynkrongenerator Stallreguleret mølle med PMG versus pitchreguleret mølle med PMG BEREGNINGER PÅ MØLLER MED PMG VED VARIABEL ARMATURDYBDE MODULARISERING MODULARISERINGS METODE MOMENT-SIKKERHEDSFAKTOR NOMINELLE EFFEKTER VINDMØLLESKALERING BEREGNINGER KONKLUSION DIVERSE EL-BEREGNINGER FORVENTNINGER TIL FREMTIDEN APPENDIKS BILLEDER KALIBRERINGSATTESTER Yokogawa WT2531 powermeter Temperatur transmittere Vejecelle...43 PMG kw Side 2

3 1 Indledning Dansk vindmølleindustri har baseret deres vindmøller på et koncept, hvor en 3-bladet rotor driver en asynkron generator gennem en gearkasse. En permanentmagnetgenerator giver mulighed for at konstruere en mølle uden gearkasse, som samtidig kan køre med variabelt omdrejningstal. En vindmølle uden gearkasse har færre bevæg-/sliddele (lejer og tandhjul) og kan udføres, så den har mindre støjniveau, har mindre energitab og kan opnå en højere virkningsgrad. Variabelt omdrejningstal evt. i kombination med pitchning af vinger giver mulighed for at opnå højere virkningsgrad med en sådan konstruktion sammenlignet med det traditionelle koncept. Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi testede i 1996 en 20 kw permanentmagnetiseret mangepolet generator, udviklet og produceret med tilskud fra Energistyrelen under projekt ENS 51171/ i et samarbejde mellem Nordvestjysk Folkecenter, A/S De Smithske og Berendsen System Teknik A/S. Efterfølgeren til 20 kw PMG (Permanent Magnet Generatoren) er den 100 kw PMG, som denne testrapport beskriver. Generatoren er designet elektrisk og magnetisk af Dr. Andrei Pinegin (Nordvestjysk Folkecenter) og mekanisk konstrueret og produceret af A/S De Smithske. Projektet har haft som målsætning at beregne, konstruere, producere og gennemføre testning af en funktionsmodel. I tillæg hertil er der gennemført beregninger på en modularisering således, at det nuværende effektområde kan udvides opad med henblik på kw vindmøller og ved videreudvikling op til megawattmøller. Udover testresultater giver rapporten også et bud på anvendelses- og driftstrategier for generatoren. Nærværende projekt er en direkte videreførelse af det arbejde, som blev udført i projektet ENS 51171/ , hvori der indgik støtte fra EU igennem JOULE projektet JOU2-CT Projektet ENS 51171/ modtog tilskud på 0,4 mio. kr. fra EU og 0,1 mio. kr. fra Energistyrelsen, før det blev afløst af nærværende projekt på baggrund af EUs udtræden af projektet. Projektet er i øvrigt udført med tilskud fra Energistyrelsen. A/S De Smithske er projekthavere med Nordvestjysk Folkecenter som samarbejdspartner (design og test) og Berendsen System Teknik A/S som underleverandør. Projektet er med denne rapport afsluttet. PMG kw Side 3

4 1.1 Projektdeltagere Projektgruppen har bestået af: Per Søtang A/S De Smithske Erling Eriksen A/S De Smithske Lars Chr. Christensen Nordvestjysk Folkecenter Karsten B. Gylling Nordvestjysk Folkecenter Andrei Pinegin Nordvestjysk Folkecenter Niels Vilsbøll Nordvestjysk Folkecenter (indtil april 1998) A/S De Smithske Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi Tagholm 1 Kammersgårdsvej 16, DK-9400 Nørresundby DK-7760 Hurup Thy Telefon Telefon PMG kw Side 4

5 2 Beskrivelse af generator 2.1 Hoveddata Dimensioner Ydre diameter Luftgab diameter (borediameter) Armaturdybde Luftgab Masser Generatormasse Masse af aktivt jern (stator plus rotor) Kobbermasse Magnetmasse 2500 mm 2000 mm 225 mm 1,7 mm 5700 kg 1250 kg 531 kg 53 kg Figur 1 - Principskitse af generatoren. PMG kw Side 5

6 2.1.3 Materialevalg. Ved valg af materialer, til funktionsmodellen, er der søgt anvendt kendte materialer i maximalt omfang, ligesom der er taget hensyn til at alle komponenter skulle være bearbejdningsvenlige. Materialer er valgt udfra en optimering i de elektriske og magnetiske beregninger. Til rotoren er der valgt en symmetrisk svejset pladekonstruktion i stålkvalitet st. 37. Rotorens yderring er valset med efterfølgende gennemsvejsning af samlingen. Inden bearbejdning af rotoren er denne afspændingsglødet, således at alle indre spændinger er fjernet. Statoren, er ligesom rotoren, valgt som en symmetrisk svejset pladekonstruktion i stålkvalitet st. 37. Statorens svøb er valset af plade med efterfølgende gennemsvejsning af samlingen. Som fundament er der valgt en svejset understøtning på hver side af statorhuset. Inden bearbejdningen er statoren afspændingsglødet, således at alle indre spændinger er fjernet. Til statorblik er der anvendt en tyndplade i materialet V470-50A. Akslens materiale, som er CrNi-stål, er valgt således at der opnås en optimal sejhed og styrke. Lejer er, i samråd med lejefabrikanter, valgt som sfæriske rullelejer, således at der sikres en problem- og servicefri drift. Ved en evt. senere serieproduktion vil udformning og materialerne blive optimeret. Efter en optimering skønnes det at generatorens totale egenvægt kan reduceres med 15-20% Elektriske data Nominel effekt 135 kw 1 Nominelt omdrejningstal 45 rpm Nominel frekvens 31,5 Hz Antal faser 3 Kobling Trekant Nominel tomgangsspænding fase midtpunkt (E) 266,4 V Nominel tomgangsspænding fase fase ( 3 E) 461,5 V Virkningsgrad ved nominel omdrejning og effekt 94,5 % Viklingsmodstand ved 45 C kobbertemperatur 0,1209 Ohm Viklingsmodstand i enfaset ækvivalentdiagram (R v ) 0,0403 Ohm 0,7745 Ohm Reaktans i enfaset ækvivalentdiagram (X d ) Tværsnitareal af effektiv leder 55,3 mm 2 Poltal 84 Antal noter 216 Isolationsklasse H 1 Afhænger af moment-sikkerhedsfaktor, se punkt 6.3. PMG kw Side 6

7 3 Måleopstilling Testbænken er opbygget hos Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi. Afprøvningen er foretaget i et industritelt placeret tæt på en af Thy Højspændings transformatorstationer, da de normale elinstallationer ikke er dimensioneret til den store effekt. 3.1 Mekanisk Testbænkens formål er at forsyne generatoren med energi og belaste generatoren samt at måle alle relevante data under testkørslerne. Permanentmagnetgeneratoren er testet i en opstilling med et gear (planetgear) og en 6/8-polet asynkronmotor (Figur 2). For at teste generatoren ved forskellige omdrejningstal, er motoren forbundet til en frekvensomformer. Frekvens-omformeren gør det muligt at variere omdrejningstallet på motoren og dermed også på generatoren. Generatoren er ophængt i akslen, og en vejecelle er eneste fastgørelsespunkt for generatorhus (Figur 3). Frekvensomformer: Fabrikat: ABB Type: ACS 607 Effekt: 2,5 250 kw Frekvens Hz Motor: Fabrikat: Type: Effekt: Brook LC315MD 135/28 987/740 rpm. 250/57 A, 400 V / Gear: Fabrikat: Valmet: Effekt: 150 kw Udveksling: 1:32,7 PMG kw Side 7

8 PMG Gear Frekvensomformer Asynkronmotor Varmeblæser El-skab Figur 2 Skitse af testopstilling. 3.2 Elektrisk Til belastning af generatoren er valgt en række 5 og 9 kw trefasede varmeblæsere samt nogle 500 W halogenlamper. Vi valgte de forskellige størrelser således, at vi med rimelig nøjagtighed kunne ramme en ønsket belastning. At vi valgte varmeblæsere begrundes med, at vi ønskede en ren ohmsk modstand, såvidt muligt. Motorerne på varmeblæserne er normalt parallelkoblet med varmeelementet. Vi har i denne opstilling koblet motorerne direkte til lysnettet, af to årsager: Varmelegemer: Halogenlamper: 1. Motorerne udgør en uønsket induktiv belastning. 2. Den afgivne spænding / frekvens fra generatoren afhængig af omdrejningstallet på generatoren. Ved lave omdrejninger (lav spænding og frekvens) stopper blæsermotorerne, og der vil ikke være køling af varmeelementerne. Effekt i alt: 155 kw (ved 400 V) 191 kw (ved 440 V) Effekt i alt: 3 kw (ved nominel spænding) Varmeblæsere og lamper er forbundet til et styreskab, der igen er forbundet til generatoren. I styreskabet kan man indkoble et antal varmeblæsere og/eller halogenlamper til at belaste generatoren med den ønskede effekt. Styreskabet er samtidig forsynet med en række trekantkoblede kondensatorbatterier. Kondensatorbatterierne er opdelt i grupper bestående af: PMG kw Side 8

9 1 stk. 25 µf, 440 V, 1 stk. 50 µf, 440 V, 2 stk. 100 µf, 440 V, 2 stk. 200 µf, 440 V, Inddelingen muliggør indkobling af kondensatorer fra 25 µf til 675 µf i spring af 25 µf. Styreskabet indeholder en række automatsikringer til at ind- og udkoble henholdsvis den Ohmskeog kapacitive belastning Måleapparatur og sensorer Generatorens karakteristik, det vil sige elektriske, mekaniske og termiske egenskaber, er bestemt ud fra måling af elektriske og mekaniske størrelser. I det følgende beskrives måleopstillingen Sensorer til måling af tilført mekanisk effekt Den tilførte mekaniske effekt er beregnet ud fra en måling af rotationshastigheden og en måling af det tilførte moment: P mek = 2 π n M 60 Ligning 3-1 P mek [W], tilført mekanisk effekt. n, generatorens omdrejningstal. M [Nm], det tilførte moment. Omdrejningstallet måles med namursensor og en F/I-konverter, PR2255 fra PR-Electronics. Sensoren er placeret således, at den tæller antal bolte på koblingen mellem generator og gearkasse. Frekvensen omdannes til et 4-20 ma signal. Det tilførte moment udregnes på baggrund af signalet fra en vejecelle, der måler kraften på generatorhuset i en kendt afstand fra centrum af generatoren (Figur 3). M = F l Ligning 3-2 F, [N] fra vejecelle. l, [m] længde fra centrum af generator til angrebspunkt for F. Kraften F er målt med en Cardinal ZX1000M vejecelle, som er forbundet til en Risø P2145a QUAD STRAIN GAUGE AMPLIFIER. Vejecelle og strain gauge forstærker er kalibreret som én enhed. F/I-konverteren og strain gauge forstærkeren er forbundet til dataopsamlingsystemet. PMG kw Side 9

10 Figur 3 - Skitse af måleopstilling med vejecelle Måling af elektriske størrelser Til måling af strøm, spænding og afledte heraf, er anvendt et Yokogawa WT2531 powermeter. Målekredsløbet er, for hver fase, forsynet med Garre strømtransformatorer 175/1 CL 0,1. Nedenstående figurer, Figur 4 og Figur 5 viser måleopstillingen. Figur 4 - Koblingsskema for strømtransformatorer og Yokogawa powermeter. Figur 5 - Diagram for målekredsløb. PMG kw Side 10

11 Måledata fra powermeteret er overført til dataopsamlingssystemet med GPIB. Powermeteret er kalibreret sammen med strømtransformatorerne. For hver fase overfører powermeteret måledata for: Spænding Strøm Aktiv effekt Tilsyneladende effekt Reaktiv effekt Power faktor Fasevinkel Peakspænding Peakstrøm [Vrms] [Arms] [W] [VA] [Var] [grader] [Vpk] [Apk] Desuden overføres gennemsnitsværdien af målingerne for de tre faser for følgende måledata: Spænding Strøm Aktiv effekt Tilsyneladende effekt Reaktiv effekt Power faktor Fasevinkel Frekvens [Vrms] [Arms] [W] [VA] [Var] [grader] [Hz] Der overføres i alt 35 parametre Termiske målinger Generatoren er forsynet med 18 temperatursensorer. 6 stk. er placeret i statorviklingerne, 7 stk. er placeret på rotoren, 5 stk. placeret på generatorhuset. Desuden er omgivelsestemperaturen målt Stator Statortemperaturen måles i toppen og i bunden af en not for fase R, S og T. Sensorerne er placeret længdemæssigt midt i en not. Målepunkterne for faserne er placeret med 120 graders indbyrdes forskydning som illustreret på nedenstående skitse (Figur 6). Fase R: følerpar 1A og 1B Fase S: følerpar 2A og 2B Fase T: følerpar 3A og 3B PMG kw Side 11

12 Figur 6 - Temperaturfølere i stator. De anvendte PT100 følere er forbundet til PR5114 R/I-konvertere, der igen er forbundet til dataopsamlingssystemet. Kalibrering af temperaturmålingen er foretaget med følerne monteret på konverterne. Følerne blev placeret i noterne, da generatoren blev viklet. Nummerering af følere og konvertere gjorde det muligt igen at sammensætte følere og konvertere korrekt ved opbygning af testopstillingen Rotor Rotoren er forsynet med 7 temperaturfølere, som hver er placeret længdemæssigt midt på rotoren og på siden af en magnet. Rotoren har 84 poler, der er således 12 magneter mellem hvert målepunkt. Temperatursensorerne er forbundet til 2 stk. 4-kanal dataloggere, der er fastgjort indvendigt i rotoren med velcrotape. Dataloggerne konfigureres v.h.a. en PC. Hver gang en datalogger tømmes eller konfigureres, synkroniseres det interne ur i dataloggeren med uret i PC en. De målte temperaturer gemmes med et tidsstempel, der igen kan synkroniseres med samhørende værdier fra dataopsamlingssystemet. Dataloggere med temperatursensorer er ikke kalibreret. De er testet mod de kalibrerede PT100 sensorer og afvigelsen lå indenfor ± 1 C. Figur 7 viser, hvordan temperatursensorerne er placeret. PMG kw Side 12

13 Figur 7 - Placering af temperatursensorer på rotor Generatorhustemperatur Til bestemmelse af temperaturen på ydersiden af generatoren samt på overfladen af lejeskålene har vi placeret 5 stk. thermocouple sensorer på generatorhuset. Tre af sensorerne er placeret 120 forskudt, midt på den cylindriske overflade. De to andre er placeret på overfladen af lejeskålene (Figur 8). For alle sensorerne gælder, at de er monteret i varmeledende pasta og med et isolerende dæklag. Sensorerne er forbundet til en PR5114 R/I-konverter, der igen er forbundet til dataopsamlingssystemet. Sensorer og konvertere er kalibreret sammen. Figur 8 - Placering af temperatursensorer på generatorhus. PMG kw Side 13

14 Omgivelsestemperatur Omgivelsestemperaturen er målt med 1 stk. thermocouple sensor forbundet til en PR5114 R/Ikonverter. Konverteren er forbundet til dataopsamlingssystemet. Sensor og konverter er kalibreret sammen. 3.3 Dataopsamlingssystem Dataopsamlingssystemet er baseret på en bærbar computer udstyret med et PCMCIA GPIBinterface og en PCMCIA A/D-konverter forbundet til en multiplexer. Dataopsamlingsprogrammet er skrevet i LabView Hardware Computer: Compaq armada 1750 Pentium II, 300MHz 32 Mb ram 4 Gb harddisk Styresystem: Windows 95 GPIB: National Instruments PCMCIA-GPIB Kompatibel med IEEE og IEEE 488.2, max. overførselshastighed 1,3 Mbytes/s HS488, max. overførselshastighed 2,2 Mbytes/s A/D-konverter: Multiplexer: DAQ-software: National Instruments DAQCard-AI-16XE bit opløsning 16 single-ended kanaler eller 8 differentiel 20 ks/s samplinghastighed ved multichannel, 200 ks/s ved single channel National Instruments AMUX-64T 64 single-ended/32 differentielle kanaler National Instruments LabView ver. 5.1 De anvendte kanaler på A/D-konverteren blev testet med en håndkalibrator, UNIGOR 750C, LEM. Håndkalibratoren er ikke kalibreret, men blev verificeret med Yokogawa WT2531 powermeteret Software Det PC-bacerede dataopsamlingsprogram er programmeret til denne måleopgave. Programmet er skrevet i LabView version 5.1. Programmet opsamler data fra A/D-konverteren og GPIB-interfacet, gemmer de to datastrenge som en række i en regnearksfil sammen med et tidsstempel og en kommentar. PMG kw Side 14

15 Ved opsamling af data fra A/D-konverteren kan de målte data behandles inden de gemmes. Softwaren giver mulighed for at indtaste en behandlingsalgoritme, eksempelvis kalibreringskonstanter, gain-faktorer og offsets. Data logget fra GPIB gemmes på disk uden yderligere behandling, idet disse data svarer til udlæsning på powermeteret og derfor ikke behøver yderligere behandling. Dataopsamlingsprogrammet kan sample data kontinuerligt eller sample enkelte punkter, manuelt aktiveret. PMG kw Side 15

16 4 Måleresultater 4.1 Viklingsmodstand Målingen er foretaget med en middel viklingstemperatur på 18,2 C. En strøm på 1,000 A er sendt gennem viklingerne, og spændingerne over viklingerne er målt. Strøm og spænding er målt med et Fluke 87 digitalmultimeter. R R = 0,1095 Ohm R S = 0,1099 Ohm R T = 0,1093 Ohm Middelviklingsmodstanden er R = 0,1096 Ohm. Der regnes med en viklingstemperatur på 45 C. De følgende målinger er foretaget ved en statortemperatur på ca. 45 C, hvis andet ikke er nævnt. R 45 = 0,1209 Ohm Fluke 87 er ikke kalibreret, men er verificeret med Yokogawa 2531 powermeteret, som er kalibreret. 4.2 Tomgangstest Tomgangsspændingen er målt ved omdrejninger imellem 15 rpm og 45 rpm. Figur 9. De afbillede punkter er korrigerede spændinger beregnet ud fra målte spændinger ved en belastning på 10 kw. Korrektionerne er små, og man får samme tomgangsspænding, hvis man korrigerer udfra målte spændinger ved større belastninger. Spændingerne på de tre faser er nøjagtig ens, og Figur 9 viser den forventede lineære sammenhæng imellem spænding og omdrejningstal. Figur 10 viser tomgangsspændingen som funktion af rotortemperaturen. De fire punkter, vi har på denne kurve, er målt under en langtidstest med en udgangseffekt på 135 kw ved 45 rpm. For at udføre målingen af tomgangsspændingen har vi, under langtidstesten, fjernet belastningen kortvarigt. Temperaturafhængigheden er lidt mindre end forventet. Magnetfabrikanten opgiver en temperaturkoefficient på -1 / C, hvor vi har målt ca. -0,8 / C. Figur 11 viser drivmomentet som funktion af omdrejningstallet med ubelastet generator (tomgang). Tendenslinien viser, at generatorens startmoment er ca. 350 Nm. Tomgangstabene er udregnede ved at gange de målte momenter med vinkelhastigheden og vist på Figur 12. Hvis vi antager, at de mekaniske tab er meget små, kan tabene betragtes som jerntab, der kan opdeles i hysteresetab og hvirvelstrømstab. Hysteresetabene er proportionale med frekvensen. De viste kurver Hysteresetab og Hvirvelstrømstab skal tages med et vist forbehold, idet der naturligvis også er mekaniske tab. PMG kw Side 16

17 Tomgangsspænding som funktion af rpm Spænding [V] Omdrejninger Figur 9 - Tomgangsspænding som funktion af rpm. Tomgangsspænding som funktion af rotortemperatur Spænding [V] Temperatur [C] Figur 10 - Tomgangsspænding som funktion af rotortemperatur. PMG kw Side 17

18 Moment som funktion af rpm Tendenslinie y = 3,2498x + 349, Moment [Nm] Omdrejninger [rpm.] Figur 11 - Drivmoment som funktion af rpm. Tomgangstab som funktion af rpm Total tab 2000 "Hysterese tab" Tomgangstab [W] "Hvirvelstrømstab" Omdrejninger [rpm] Figur 12 - Tomgangstab som funktion af rpm. PMG kw Side 18

19 4.3 Spænding som funktion af strøm. Figur 13 er målt ved 45 rpm. Der er målt med rent ohmsk belastning og med C = 200 uf, C = 400 uf og C = 600 uf trekantkoblet. Kurver beregnede ved hjælp af ækvivalentdiagrammet på Figur 27 er indtegnede. Spænding som funktion strøm ved 45 rpm Spænding [V] Målt kurve uden kap Målt kurve, 200 uf Målt kurve, 400 uf Målt kurve, 600 uf 100 Beregnet kurve, uden kap Beregnet kurve, 200 uf Beregnet kurve, 400 uf Beregnet kurve, 600 uf Strøm [A] Figur 13 - Spænding som funktion af 45 rpm. 4.4 Effekt som funktion af strøm. Figur 14 til Figur 16 er målt ved hastigheder fra 35 rpm til 45 rpm. Der er målt med rent ohmsk belastning og med C = 200 uf, C = 400 uf og C = 600 uf trekantkoblet. Kurver beregnede ved hjælp af ækvivalentdiagrammet Figur 27 er indtegnede. Det bemærkes, at der er god overensstemmelse imellem målte og beregnede kurver, men ved store kapacitetsværdier og store generatorstrømme ligger de beregnede kurver noget over de målte. Det bemærkes også, at kurverne har et maksimum, der øges med øget kapacitiv belastning. PMG kw Side 19

20 Effekt som funktion af strøm (35 rpm) Effekt [W] Målt kurve, uden kap Målt kurve, 200 uf Målt kurve, 400 uf Målt kurve, 600 uf Beregnet kurve, uden kap Beregnet kurve, 200 uf Beregnet kurve, 400 uf Beregnet kurve, 600 uf Strøm [A] Figur 14 - Effekt som funktion af 35 rpm. Effekt som funktion af strøm (40 rpm) Effekt [W] Målt kurve, uden kap Målt kurve, 200 uf Målt kurve, 400 uf Målt kurve, 600 uf Beregnet kurve, uden kap Beregnet kurve, 200 uf Beregnet kurve, 400 uf Beregnet kurve, 600 uf Strøm [A] Figur 15 - Effekt som funktion af 40 rpm. PMG kw Side 20

21 Effekt som funktion af strøm (45 rpm) Effekt [W] Målt kurve, uden kap Målt kurve, 200 uf Målt kurve, 400 uf Målt kurve, 600 uf Beregnet kurve, uden kap Beregnet kurve, 200 uf Beregnet kurve, 400 uf Beregnet kurve, 600 uf Strøm [A] Figur 16 - Effekt som funktion af 45 rpm. 4.5 Virkningsgrad som funktion af belastning Virkningsgraden er forholdet imellem den elektriske udgangseffekt og den mekanisk tilførte effekt. Den mekaniske effekt beregnes som produktet af det målte generatordrivmoment og generatorens vinkelhastighed. Generatorens vinkelhastighed ω beregnes udfra den målte frekvens f. Figur 17 viser virkningsgrad som funktion af belastning fra 15 til 45 rpm ved rent ohmsk belastning. Denne figur kan i samspil med vindmøllens virkningsgradskurve bruges til at fastlægge det optimale omdrejningstal ved lave effekter (lave vindhastigheder). Figur 18 til Figur 21 viser virkningsgrad som funktion af belastning ved omdrejningstal fra 30 rpm til 45 rpm ved rent ohmsk belastning og med kapacitiv last. Det ses, at der er målt høje maksimale virkningsgrader, også ved 30 rpm. Det ses desuden, at man kan øge virkningsgraden ved høje effekter, ved at operere med kapacitive strømme. Figur 22 viser optimal virkningsgrad, kapacitiv strøm og fasen imellem kapacitiv og aktiv strøm, som funktion af belastningen. Disse kurver er opnået ved beregninger på ækvivalentdiagrammet Figur 27, idet der ved beregning af virkningsgraden, er regnet med elektrisk effekt delt med elektrisk effekt plus tab. Til tabene er adderet det målte tomgangstab fra Figur 12. PMG kw Side 21

22 Virkningsgrad som funktion af belastning fra 15 til 45 rpm rpm. Virkningsgrad [%] rpm. 25 rpm. 30 rpm. 35 rpm. 40 rpm rpm Elektrisk effekt [W] Figur 17 - Virkningsgrad som funktion af belastning fra 15 til 45 rpm. Virkningsgrad som funktion af belastning (30 rpm.) uf Virkningsgrad [%] Uden kap Elektrisk effekt [w] Figur 18 - Virkningsgrad som funktion af 30 rpm. PMG kw Side 22

23 Virkningsgrad som funktion af belastning (35 rpm.) Virkningsgrad [%] Uden kap. 200 uf 400 uf uf Elektrisk effekt [W] Figur 19 - Virkningsgrad som funktion af 35 rpm. Virkningsgrad som funktion af belastning (40 rpm.) uf 400 uf 600 uf 92 Virkningsgrad [%] Uden Elektrisk effekt [W] Figur 20 - Virkningsgrad som funktion af 40 rpm. PMG kw Side 23

24 Virkningsgrad som funktion af belastning (45 rpm.) uf 400 uf 600 uf Uden kapacitet Virkningsgrad [%] Elektrisk effekt [W] Figur 21 - Virkningsgrad som funktion af 45 rpm. Beregnet optimal virkningsgrad Kapacitiv strøm Fasevinkel Virkningsgrad 98,00 96, ,00 Reaktiv strøm [A Fasevinkel [grad ,00 90,00 88,00 86,00 Virkningsgrad [ 40 84, , , Effekt[kW ] Figur 22 - Beregnet optimal virkningsgrad. PMG kw Side 24

25 4.6 Langtidstest Generatoren har kørt 24 timer med en belastning på 135 kw. Efterhånden som spændingen faldt p.g.a. generatorens egenopvarmning (tab), har vi løbende justeret belastningsmodstanden for at holde konstant effekt (135 kw). Der er målt temperaturer i statorviklingen (6 temperaturer) og temperaturer på rotoren (7 temperaturer). Desuden har vi målt temperaturer tre steder 120 forskudt på midten af den cylindriske yderflade af generatorhuset. Lufttemperaturen er også målt. Temperaturforholdene under langtidstesten svarer ikke til realistiske forhold for en vindmøllegenerator. I en vindmølle, der er designet fornuftigt i forhold til vindpassage, vil man have et meget kraftigere luftflow, end vi har kunnet opnå med generatoren placeret i et telt på jorden og uden nævneværdig vind. Under langtidstesten blev teltets sider åbnet for at øge luftgennemstrømningen. På Figur 23 er vist temperaturkurver som funktion af tiden. (Der er vist middelværdier for sensorerne i statoren, rotoren og på generatorhuset). Det skal tilføjes, at inspektionslugerne ikke har været åbnet under denne test eller nogen anden test. De første timer af testen havde vi ikke pålidelige målinger af temperaturen på generatorhuset, idet den termiske isolering af temperaturfølerne var gået løs. Der er kun vist den del af kurven, som vi kan stå inde for. De to hak på den første del af temperaturkurverne for stator og rotor skyldes, at vi kortvarigt afbrød testen for at måle tomgangsspænding versus temperatur. Det bemærkes, at forskellen imellem statortemperatur og generatorhustemperatur stabiliserer sig på knap 30 C. Temperaturforløb under langtidstest Statortemperatur Rotortemperatur Temperatur [C] Hustemperatur 40 Differenstemperatur (stator-rotor) 20 Omgivelsestemperatur 0 00:00:00 02:24:00 04:48:00 07:12:00 09:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 00:00:00 Relativ tidsakse [tt:mm:ss] Figur 23 - Temperaturførløb under langtidstest. PMG kw Side 25

26 4.7 Kortslutningstest På Figur 24 er vist kortslutningsstrømmen som funktion af omdrejningstallet. Det ses, at man har store strømme ved lave omdrejningstal, og at kortslutningsstrømmen nærmer sig en grænseværdi ved høje omdrejningstal. Den målte strøm ved 40 rpm er, sammen med målte værdier for tomgangsspænding og viklingsmodstand, benyttet til at bestemme X d i ækvivalentdiagrammet Figur 27. På Figur 25 er vist moment og tilført mekanisk effekt som funktion af omdrejningstallet. Det ses, at momentkurven har et stort maksimum (knap 30 knm) ved et lavt omdrejningstal (< 3 rpm). Kortslutningsstrøm som funktion af rpm Strøm [A] Omdrejninger [rpm.] Figur 24 - Kortslutningsstrøm som funktion af rpm. PMG kw Side 26

27 Kortslutningstest: Moment & effekt som funktion af rpm Effekt [knm] & [kw] Moment Omdrejninger [rpm.] Figur 25 - Moment og effekt som funktion af rpm. PMG kw Side 27

28 4.8 Harmonisk forvrængning På Figur 26 er vist indholdet af højere harmoniske på spændingen ved tomgang og 45 rpm. Det ses, at generatoren har lille harmonisk forvrængning. Klirrfaktor = 1,32%. Når generatoren er belastet, er forvrængningen langt mindre. Harmonisk forvrængning ved tomgang 5 4,5 4 3,5 1. Harmonisk = (100 %) Amplitude [%] 3 2,5 2 1,5 1 0, Orden Figur 26 - Harmonisk forvrængning ved tomgang. 4.9 Konklusion på målingerne Bortset fra en defekt temperatursensor på rotoren, har målingerne forløbet planmæssigt. Det ses, at der er meget lille spredning på målingerne, det er en indikation af stor målepræcision. Det er nødvendigt at måle præcist, hvis man skal have værdifulde målinger på en generator med stor virkningsgrad. (Tabene er små, sammenlignet med tilført og afgiven effekt). Det ses, at generatoren kan simuleres med ækvivalentdiagrammet Figur 27, idet man dog må regne med nogen fejl ved store generatorstrømme, samtidig med store kapacitive strømme. Den maksimalt målte belastning var 177,1 kw ved 45 rpm. Det er ikke et mål for den maksimale peakeffekt generatoren kan levere, den skønnes at være ca. 220 kw. PMG kw Side 28

29 R s jx d E R L -jx c Figur 27 - Ækvivalentdiagram. E = 5,92 n [V] Ligning 4-1 X d = 0,0172 n [ Ω] Ligning 4-2 R X R s c L = 0,0403 = variabel = variabel n = omdrejningstal [ Ω] [ Ω] [ Ω] [rpm] PMG kw Side 29

30 5 Driftsstrategi 5.1 Generatortilslutning Den bedste måde at tilslutte generatoren på er via en frekvensomformerkobling som vist på Figur 28. Med en sådan effektelektronikarkitektur, kan man opnå følgende egenskaber: Variabel rotorhastighed med optimal systemvirkningsgrad, ved lave vindhastigheder og ønsket nominel omdrejningstal ved høje vindhastigheder. Drift af PMG med meget lave harmoniske strømme og med optimal magnetisering ved hjælp af variabel cos(ϕ) kontrol. Mulighed for at motorstarte møllen og elektrodynamisk bremse møllen på en mekanisk skånsom måde. Levere højkvalitets el til nettet, med cos(ϕ) lig 1, med lav harmonisk forvrængning og kraftigt reduceret flicker sammenlignet med stift koblede generatorer. Figur 28 - Generatortilslutning. 5.2 Sammenligning af forskellige mølle- og generatortyper PMG en kan anvendes både i en stallreguleret mølle og en pitchreguleret mølle Stallreguleret mølle med PMG versus stallreguleret mølle med asynkrongenerator Eksempler på fordele ved PMG: Færre sliddele. Mindre mekanisk støj. PMG kw Side 30

31 Bedre produktion ved lave vindhastigheder, fordi PMG en har høj virkningsgrad ved små effekter, og fordi hastigheden kan tilpasses til optimal indfaldsvinkel. Samme stalleffekt uafhængig af temperaturen, ved at køre lidt langsommere når det er koldt. Mindre flicker. Lavere dynamiske laster. Eksempler på ulemper ved PMG: Dyrere møllestyring Stallreguleret mølle med PMG versus pitchreguleret mølle med PMG. Eksempler på fordele ved pitchregulering: Bedre økonomisk udnyttelse af PMG og effektelektronik. (Man kan have større nominel effekt med en given PMG/effektelektronik) Større energiproduktion ved optimering af både rpm og pitchvinkel. Mindre flicker ved maksimal produktion. Mindre ekstremlaster ved stilstand/friløb. (Der er mindre vindkræfter i orkan på en mølle, der er parkeret med kantstillede vinger). Eksempler på ulemper ved pitchregulering: Dyrere mekanisme. PMG kw Side 31

32 6 Beregninger på møller med PMG ved variabel armaturdybde 6.1 Modularisering Generatoren kan opskaleres i elektrisk effekt, uden at ændre produktionsværktøjet. De følgende afsnit angiver eksempler på modulariseringen. 6.2 Modulariserings metode. Vi har regnet på PMG en anvendt på forskellige møllefabrikater / -typer og med forskellige armaturdybder. Vi har modulariseret armaturdybden og regner med et armaturtal m, hvor m=1 svarer til den afprøvede generators armaturdybde på 225 mm. Ved beregning af virkningsgrader er benyttet ækvivalentdiagrammet Figur 27. I diagrammet benyttes værdier beregnet ud fra ligningerne Ligning 6-11 til Ligning Tomgangstab beregnet ud fra Ligning 6-14 adderes til de beregnede kobbertab. De beregnede værdier er anført i Tabel 1 og Tabel Moment-sikkerhedsfaktor Det, vi kalder moment-sikkerhedsfaktoren, er forholdet imellem PMG kipmoment og det nominelle moment. Det er måske forkert at kalde det en sikkerhedsfaktor, idet man ikke vil lade møllesikkerhed bero på denne faktor; men generatoren skal dimensioneres, således at den under alle driftssituationer kan holde møllen inden for det definerede driftsområde. Det skal beregningsmæssigt eftervises, at dette krav er opfyldt. Det er vanskeligt at fastsætte moment-sikkerhedsfaktoren, idet den afhænger af møllekonstruktionen, som f.eks. vingernes stallegenskaber. Vi regner med en moment-sikkerhedsfaktor på 1,75 for stallregulerede møller og 1,3 for pitchregulerede møller 6.4 Nominelle effekter Nominel effekt på stallreguleret mølle: 135 kw (med en moment-sikkerhedsfaktor på 1,75). Nominel effekt på pitchreguleret mølle: 180 kw (med en moment-sikkerhedsfaktor på 1,3). Ovennævnte er for n=45 rpm og en armaturdybde på 225mm, m = 1. Generelt haves: Stallreguleret mølle: Pitchreguleret mølle: n P = 135 m, 45 P = 3 n m kw] Ligning 6-1 n P = 180 m, 45 P = 4 n m kw] Ligning 6-2 Målingerne under langtidstesten viser, at stator og rotor ikke vil få for høje temperaturer hvis PMG en anvendes i en mølle ved 180 kw. (Under forudsætning af at PMG en er sikret god køling). PMG kw Side 32

33 6.5 Vindmølleskalering Som grundlag for modulariseringen/skaleringen af generatoren, har vi brugt data for eksisterende vindmøller. Vi har fastholdt den specifikke effekt og tiphastigheden, derefter skaleres omdrejningstallet, effekten samt diameteren. Disse data er skaleret på baggrund af følgende formler: 2 D 2 P = k Apropel = k π Ligning 6-3 P = nominel effekt [kw] k= Specifik effekt [kw/m 2 ] D= vindmøllens rotordiameter (propeldiameter) [m] n= møllens nominelle omdrejningstal v tip = nominel vingetiphastighed [m/s] v tip Ligning 6-3 og Ligning 6-4 er taget fra rapporten: k n = 60 Ligning 6-4 P 2 π Direkte drevet generator til gearløs vindmølle, Risø-R801(DA) Ved beregning for stallreguleret vindmølle har vi indsat data for en Bonus 300kW/33-2. Stallreguleret mølle: Ligning 6-1 og Ligning 6-5 løses sammen: 537 n = Ligning 6-5 P D = 1, 9295 P Ligning 6-6 n m 1 m 2 = 3 = 3 Ligning ,8 Ved beregning for pitchreguleret vindmølle har vi indsat data for en DeWind 46. Pitchreguleret mølle: Ligning 6-2 og Ligning 6-8 løses sammen: 715 n = Ligning 6-8 P D = 1, 878 P Ligning 6-9 PMG kw Side 33

34 n m 1 m 2 = 3 = 3 Ligning ,4 6.6 Beregninger Karakteristika i ækvivalentdiagrammet og tomgangstab er beregnet for m = 1 til 5. Følgende formel er brugt til beregning af tomgangstab: E = 5, 92 n Ligning m R S = 0, m Ligning 6-12 n X d = 0, 0172 m Ligning 6-13 P tomgang 2 ( 36,16 n + 0,3163 n ) = m [W] Ligning 6-14 m n [rpm] 2 P [kw] 3 D [m] 4 η 1/2 η 1/1 1 45,8 137,4 22,6 95,5% 95,8% 2 36,4 218,1 28,5 95,8% 96,1% 3 31,8 285,9 32,6 95,9% 96,1% 4 28,9 346,3 35,9 95,9% 96,0% 5 26,8 401,8 38,7 95,9% 96,0% Tabel 1 - Stallreguleret mølle. m n [rpm] 5 P [kw] 6 D [m] 7 η 1/2 η 1/1 1 50,4 201,5 26,7 96,0% 95,7% 2 40,0 319,8 33,6 96,2% 95,9% 3 34,9 419,1 38,4 96,3% 95,9% 4 31,7 507,7 42,3 96,3% 95,8% 5 29,5 589,5 45,6 96,3% 95,7% Tabel 2 - Pitchreguleret mølle η 1/2 og η 1/1 er optimale beregnede virkningsgrader ved halv og fuld nominel effekt. Virkningsgraderne er beregnede ved den kapacitive strøm, der giver bedst virkningsgrad. 2 Ligning Ligning Ligning Ligning Ligning Ligning 6-9 PMG kw Side 34

35 Det bemærkes, at virkningsgraden ved halv nominel effekt er fuldt på højde med virkningsgraden ved fuldlast. Alle de beregnede eksempler er med en strømtæthed ved fuldlast på 1,81A/mm 2 for de stallregulerede møller og med 2,43 A/mm 2 for de pitchregulerede. Det bemærkes, at PMG erne med stor armaturdybde er relativt tunge i forhold til effekten. Det kan derfor overraske, at de har ligeså stor virkningsgrad, som den korte PMG. Det skyldes, at de dybe PMG er har relativt korte spolehoveder i forhold til armaturdybden og derfor udnytter kobberet bedre. Tallene i Tabel 1 og Tabel 2 ville have set anderledes ud, hvis vi havde valgt andre vindmøller som model. PMG kw Side 35

36 7 Konklusion PMG en er velkonstrueret og velegnet til brug i en vindmølle. Diameteren på generatoren er stor i forhold til, at det er en 100 kw generator, men af hensyn til modularisering til større effekter, er denne diameter valgt. Den afprøvede generator er direkte anvendelig i vindmøller op til ca. 200 kw, og med større armaturdybder vil man kunne lave PMG er med samme diameter for møller op til kw. Valget af en lidt større diameter har vist sig at være rigtig. Egenvægten på funktionsmodellen er 5700 kg, ved en produktmodning vil denne vægt kunne reduceres til kg, hvilket er ca kg mere end vægten af gear og generator i en traditionel vindmølle, i samme effektområde. I alle tilfælde kan man opnå stor virkningsgrad ved både små og store effekter. PMG er med stor armaturdybde ( mm) vil være forholdsvis tunge, men hverken materialepris eller vægt vil være et problem. Det skal bemærkes, at vægten af generatoren ikke forøges proportionalt med armaturdybden. Testen af generatoren har bekræftet, at permanentmagnetgeneratorer kan konstrueres til en høj virkningsgrad. I dette tilfælde har vi opnået en virkningsgrad på op til 95 %. Ved langtidstest, hvor PMG'en har været belastet med 135 kw i 24 timer, har konstruktionen også vist sig at være termisk stabil. Langtidstesten kan dog ikke gøre det ud for langtidsafprøvning på en vindmølle. En sådan afprøvning forventes at indgå i en efterfølgende fase. Den lave harmoniske forvrængning er endnu et kvalitetstegn på generatorens konstruktion. En opsummering af nogle af fordelene og ulemperne ved PMG: Fordele: Ulemper: + Højere virkningsgrad end konventionel generator og gearkasse, specielt for dellast ved moderate vindhastigheder, hvor størstedelen af energiproduktionen foregår. + Mulighed for at køre kontinuert variabel hastighed, og derved opnå god systemvirkningsgrad også ved lave vindhastigheder + Enkel mekanisk konstruktion og dermed mulighed for at konstruere en mølle med lav vedligeholdelsesomkostninger samt lang levetid + Mulighed for at udnytte PMG en som elektrodynamisk bremse. + Lavt støjniveau Hele effekten overføres til elnettet via effektelektronik PMG en har relativ stor diameter PMG kw Side 36

37 7.1 Diverse el-beregninger Generatoren er gennemregnet detaljeret, og der er god overensstemmelse imellem målinger og beregninger. Der er dog en mindre forskel i viklingsmodstande, som skyldes, at beregningerne er udført for kortere spolehoveder end den faktiske udførelse Herunder er angivet beregninger af nogle af de vigtigste data: Nominel tomgangsspænding fase fase Viklingsmodstand ved 45 C kobbertemperatur Viklingsreaktans (3 X d ) 457 V (målt til 461,5V) 0,0904 Ohm (målt til 0,1209 Ohm) 2,0884 Ohm (målt til 2,3235 Ohm) 7.2 Forventninger til fremtiden Vindmøllemarkedet på land er for tiden domineret af møller i størrelsen kw, og møller i denne størrelse vil formentlig kunne fastholde en stor markedsandel en del år endnu. En stor del af det fremtidige marked vil givetvis være Offshore i MW-størrelser. Den aktuelle generator vil derfor ikke være anvendelig til Offshore-markedet på grund af størrelsen, men en opskaleret PMG vil have gode chancer på dette marked, også fordi det kan være mest økonomisk at overføre strømmen til land med højspændings DC, hvor PMG er og andre synkrongeneratorer har en fordel, hvad angår effektelektronik. PMG kw Side 37

38 8 Appendiks 8.1 Billeder Figur 29 - Testtelt. Figur 30 Belastning. Figur 31 Elskab. Figur 32 Indhold af elskab. PMG kw Side 38

39 Figur 33 Generator. Figur 34 Testleder ved generator. Figur 36 Vejecelle. Figur 35 Vejecelle. PMG kw Side 39

40 Figur 37 Motor, gear og generator. Figur 38 - Motor, gear og generator. Figur 39 - Motor, gear og generator. Figur 40 - Motor, gear og generator. Figur 41 - Motor, gear og generator. Figur 42 Frekvensomformer. PMG kw Side 40

41 8.2 Kalibreringsattester Yokogawa WT2531 powermeter Der er ikke inkluderet attester i denne version af rapporten PMG kw Side 41

42 8.2.2 Temperatur transmittere Der er ikke inkluderet attester i denne version af rapporten. PMG kw Side 42

43 8.2.3 Vejecelle Der er ikke inkluderet attester i denne version af rapporten. PMG kw Side 43