Optimering af diesel elektriske anlæg Bachelorprojekt af Brian Riis Nekola Oktober 2012 Århus Maskinmesterskole 1
Titel: Optimering af Diesel Elektriske Anlæg Forfatter: Brian Riis Nekola Placering i Uddannelses forløb: Afsluttende Bachelor Projekt Uddannelses sted: Århus Maskinmester skole Vejleder: Poul Høgh, lektor Aams Dato for aflevering: 5. oktober 2012 Antal Normalsider: 43,26 normalsider af 2400 anslag, med mellemrum Krav til normalsider er mellem 25 og 50 Omslagsbillede fra Siemens Bilag 34, Siemens Blue drive C, Sendt af Kim Strate Kiegstad 2
Resume Denne rapport gennemgår de tekniske komplikationer, der er forbundet med Engineering og drift, af Diesel elektrisk skibsfremdrift. Der bliver fokuseret på tab i diesel elektrisk fremdrift, derfor indleder rapporten med en historisk gennemgang, af udviklingen inden for området. Denne gennemgang opridser problematikken med tab, der er relateret til de forskellige energikonverterings processer, som er en uundgåelig del, af denne fremdrivningsform. Hensigten med dette er at vise, at selvom udviklingen er gået stærkt på området, og ny teknologi er implementeret, så er tabene stadig relativt store, og der skal tages hensyn til dette under de overvejelser der gøres, ved dimensioneringen af anlægget. Dette leder frem til en redegørelse for den beslutningsproces som rederiet Esvagt A/S gennemgik, på vejen mod at bygge diesel elektriske skibe, denne redegørelse bygger på et interview med fleet Group manager i Esvagt, Bjørn Viig. Der indsættes nu en teoridel der gennemgår opbygningen af frekvensomformeren, som er en central del af et diesel elektrisk anlæg, dette efterfølges af en teoridel omkring de tab der opstår, i denne anlægstype. Teoridelen omkring tab, er en af de centrale dele af rapporten, idet det vil være et krav at forstå de konsekvenser, der er ved tab i forskelige dele af processen, for at kunne gennemskue konklusionen. Den centrale del af rapporten, er driftsanalyserne på Esvagt Cassiopeia, her laves der forskellige relevante målinger på det diesel elektriske anlæg, ved 5 repræsentative belastninger på skibet. Disse målinger bruges efterfølgende som et værktøj til at konstruere skibets driftsprofil som ERRV, denne konstruktion basseres også på kaptajnens mangeårige erfaring, som skipper i rederiet. Analyserne og driftsprofilen forelægges Siemens Marine og Stadt, og det vurderes om en løsning fra et af disse 2 firmaer, vil resultere i lavere driftstab, konklusionen er at anlæg fra begge firmaer, vil kunne give betydelige tabsbesparelser, men et egentlig klart valg mellem de to firmaers systemer er ikke muligt, idet de tilgængelige oplysninger er tilgængelige. Det konkluderes også at det indledende arbejde hen mod fastlæggelse af skibets brugsmønster er yderst vigtigt, dette arbejde sikrer at der kan udføres en korrekt Engineering, der sikrer den korrekte sammensætning af komponenter. 3
Abstract This report reviews the technical complications associated with engineering and operation of Diesel electric ship propulsion. The report has focus on losses in diesel electric propulsion, and therefore starts with a historical review of developments in the field. This review outlines the problems with losses that are related to the different energy transforming processes that are an inevitable part of this propulsion system. The purpose of this is to show that although progress has been rapid in this area and new technology is implemented, the losses are still relatively large and must be taken into account during the deliberations made during the design of the system. This leads to an explanation of the decision-making process in the company Esvagt a/s to achieve their goal to build diesel-electric ships this is based on an interview with Fleet Group Manager in Esvagt, Bjørn Viig. There is now inserted a theoretical part undergoing construction of the VFD, which is a central part of a diesel electric plant this is followed by a theoretical part about the losses that arise in this type of plant. The theoretical part undergoing the losses is one of the key parts of the report as it will be vital to understand the impact that the losses have on the involved parts of the process to be able to understand the report conclusions. The central part of the report is technical analyses on the Esvagt Cassiopeia in operation. Various relevant measurements are taken on the diesel electric plant at 5 representative loads on the ships propulsion system. These measurements are subsequently used as a tool to construct the ship's operating profile as an ERRV this profile is also based on the captain's long experience as a skipper in the company. The analysing results and operational profile is evaluated by Siemens Marine and Stadt, and the assessment from those two companies form the base that will lead to a result in choosing an alternative solution for a diesel electric plant. The conclusion is that both companies will be able to provide solutions with significant loss savings, but a really clear choice between the two companies' systems is not possible because the available information is insufficient. It is also concluded that preliminary work towards the establishment of the ship's operating profile is extremely important, to secure a correct engineering of the system and following the right composition of components. 4
Indholdsfortegnelse Resume... 3 Abstract... 4 Nomenklaturliste... 7 Forord... 7 Indledning til Rapport... 8 Læsevejledning... 9 Diesel-elektrisk fremdrift, historisk overblik.... 10 Diesel elektriske anlæg i Esvagt... 14 Historien bag... 14 Valg af diesel elektrisk set-up til C klasse skibe... 15 Problematisering... 16 Emneproblem formulering... 18 Afgrænsning... 18 Metode... 18 Teorifelt... 19 Grundprincipper for frekvenskontrol... 19 Frekvensomformere... 22 Ensrettere... 22 Mellemkreds... 26 Vekselrettere... 27 Teorifelt for tab... 28 Tab i diesel elektriske anlæg... 29 Specifikt olieforbrug på dieselmotor (SFOC)... 30 Generator... 31 Variabel frekvens drive... 31 Transformer... 36 Elmotor... 36 Total Harmonic Distortion... 36 5
Reduktion af THD... 42 DC Grid- overvejelser... 44 Delkonklusion Tab... 45 Driftsanalyse på Esvagt Cassiopeia... 47 System oversigt på Esvagt Cassiopeia... 47 Driftssituationer og tab Esvagt Cassiopeia... 49 Havnedrift... 50 Standby uden fremdrivning, indkoblet konverter... 52 Langsom Standby... 54 Standby i dårligt vejr... 56 Fuld kraft frem... 58 Nøgletal Driftssituationer... 60 Tabsanalyse, Esvagt Cassiopeia... 60 Driftsprofil... 62 Delkonklusion driftsprofiler og tab... 63 Krav til diesel elektrisk fremdrivnings system, på Esvagt Cassiopeia... 65 Diesel elektriske løsninger fra Siemens... 65 Siemens Blue Drive C... 67 Konklusion Siemens... 68 Diesel Elektriske løsninger fra Stadt... 70 Fordele ved Stadt Stascho... 71 Konklusion Stadt Stascho... 72 Endelig Konklusion... 72 Efterskrift... 77 Anvendt udstyr til test på Esvagt Cassiopeia... 78 Bilagsliste udskrevet i Rapport... 78 Bilagsliste på CD-ROM... 79 Bilags liste oversigt... 80 Udskrevne Bilag... 82 6
Nomenklaturliste D.E [Diesel Elektrisk Anlæg] VSD [Variable Speed Drive] VSI [Voltage Source Inverter ] SCI [Current Source Inverter] SCR [Silicon Controlled Rectifier ] THD [Total Harmonic Distortion ] AFE [Active Front End Drive ] DFE [Direct Front End Drive] PFE [Passive Front End Drive] PWM [Pulse Wide Modulation ] WSPF [Wide Spectrum Passive Filter] IGBT [Insulated Gate Bipolare Transistors] ERRV [Emergency Response And Rescue Vessel] THD i [Current unharmonics] THD u [Voltage unharmonics] SFOC [Specifik Fuel Oil Consumption] Forord Ideen til denne rapport er opstået i forbindelse med mit tidligere arbejde som maskinist på mindre diesel elektriske skibe, hvor arbejdet med fremdrivningssystemet var en udfordring, med den teoretiske baggrund jeg var i besiddelse af. Efter som undervisningen på maskinmesterskolen skred frem, begyndte der at opstå nogle teoretiske forståelser, som kunne henføres til det praktiske arbejde på de diesel elektriske anlæg, ud af denne forståelse opstod en ide om at lave et bachelor projekt der undersøgte mulighederne for opdateringer til eksisterende anlæg, eller alternativt, søgte bedre løsningsmuligheder. Esvagt A/S har været behjælpelig med at denne rapport kunne laves, uden denne hjælp ville rapporten ikke have fået tyngde, idet en stor del af rapporten er koncentreret omkring analyser af det diesel elektriske anlæg på m/v Esvagt Cassiopeia. Jeg vil rette en stor tak til Key Account Manager ved Siemens Marine, Kim Strate Kiegstad, samt daglig leder ved Stadt Marine, Hallvard L Slettevoll. 7
De har været en uvurderlig hjælp, og støtte i arbejdet mod at udarbejde rapporten. Ydermere vil jeg takke min vejleder ved Aams, Lektor, Poul Høgh, hans kritiske blik har hvilet over projektet, og de input der er kommet fra ham har været til stor hjælp. Indledning til Rapport Formålet med denne rapport er at klarlægge muligheden, for at optimere en eksisterende diesel elektrisk anlæg på Esvagt Cassiopeia, der er en af en række ens ERRV skibe i Esvagt flåden, der er bygget fra omkring 2005 til nu. Rapporten starter med en historisk gennemgang af udviklingen indenfor diesel-elektrisk fremdrivning, meningen med dette, er at holde fokus på problematikken der altid har fulgt i kølvandet på denne teknologi, nemlig de tab der er forbundet med transmissionen af energi fra generator, til elmotor. Det har altid været en proces der har været forbundet, med betydelige tab, og dog har man fundet det attraktivt at anvende diesel elektrisk fremdrift, på grund af de åbenlyse fordele der er med denne fremdrivningstype, især for special skibe. Der er altid lavet overvejelser om optimeringer, for at undgå, eller minimere de tab der er i et D.E. skib, og i dag er situationen den samme som i 1903 hvor det første skib med D.E. fremdrivning kom på markedet, man forsøger at optimere og udvikle ny teknologi, for at forbedre effektiviteten. Den problematik man står overfor i dag har bare ændret karakter, idet brugen af ny reguleringsteknik har skabt andre problemer, der også giver tab. Udviklingen i dag er meget innovativ, og nye metoder kombineret med gammelkendt teknologi tages i brug, i jagten på den tabsfrie regulering af det D.E. skib, denne problemstilling vil rapporten belyse, ved hjælp af praktiske analyser. For at få valide data fra forskellige belastningssituationer, samt forbrugsmålinger i de varierende driftssituationer, bygger rapporten på en måneds analyse arbejde på Esvagt Cassiopeia, hvor der er indsamlet, og behandlet data fra skibets power management system. Der er indgået en aftale, med Key Account Manager ved Siemens Marine, Kim Strate Kiegstad, som vil komme med forslag til tabsreducerende optimeringer på Esvagt Cassiopeia, samt søsterskibe. Yderligere medvirker Product Manager, Ole-Ivar Guleng, ved Norwegian Electric Systems, N.E.S, der har leveret AFE drives til skibene. Ole-Ivar Guleng vil tilsende relevante data, om de eksisterende anlæg, med vægt på THD målinger, samt konverter tab ved forskelige belastninger. 8
Siemens Marine vil komme med forslag til forbedringer, på basis af de målinger der tages på skibet, og de driftssituationer hvor der er markante tab vil blive fundet, for at komme frem til metoder der kan reducere disse. For beskrivelse af den proces der ledte Esvagt hen, mod brugen af D.E. fremdrivning i deres skibe, har et interview med Fleet Group Manager ved Esvagt været en del af rapportens forundersøgelser, Bjørn Viig har fortalt om de procedurer der lagde grunden for beslutning, og projektering. Ydermere har Bjørn Viig redegjort for rederiets arbejde, frem mod effektiviseringer på anlæggene ude i skibene, samt de besværligheder der har været forbundet, med den første type af konverter med passive ensrettere. For at komme med alternative løsninger, er der indgået en aftale med det Norske firma Stadt, hvor daglig leder Hallvard. L. Slettevoll har indvilget i at være sparringspartner på projektet, og komme med relevante oplysninger om Stadts nye D.E. system, Stadt anvender et andet reguleringsprincip end det Siemens har valgt. Under interview med Technical manager i Esvagt, Bjørn Viig, blev det nævnt at rederiet har sat fokus på den daglige brug af fremdrivningsmaskineriet, idet der ligger besparelser på dette område, ved manuelt at tilpasse fremdrivningskraften til den aktuelle situation. Dette område vil ikke blive behandlet i rapporten, da fokus vil ligge på de tekniske muligheder der er for optimering. Hydrodynamiske ændringer er også et område, hvor der vil kunne optimeres og hentes besparelser, dette område vil heller ikke blive behandlet, i denne rapport. Læsevejledning Rapporten er opbygget i afsnit, der indledes med en historisk gennemgang af den diesel elektriske udvikling, helt tilbage fra det første skib der gjorde brug af diesel elektrisk fremdrift. Den første historiske del af rapporten skal ses som en oplysende del, der anskueliggør at selvom der har været kæmpe udvikling på området, så står man i dag overfor nogle af de samme problemstillinger, nemlig forsøget på at reducere de tab der er forbundet med denne fremdrivningsform. Derefter følger nogle betragtninger, over de hændelser og beslutninger der førte til at Esvagt besluttede sig for at bygge diesel elektriske skibe. For at klæde læseren på til hoveddelen af rapporten, er der et teorifelt der behandler teorien omkring frekvensomformere. 9
Tabene behandles derefter også teoretisk, og deles op med tabsbeskrivelse på de forskellige komponenter, således at det klarlægges at tabsreducerende tiltag godt kan behandles komponent for komponent, men alligevel være forbundet med hinanden. Rapportens konklusion opbygges over et feltstudie på Esvagt Cassiopeia, hvor skibets driftsøkonomi forsøges belyst ved en række målinger, ved forskellige belastninger på skibet. Der laves en tabsanalyse, som kan danne grundlag for de tiltag der kan gøres for at forbedre økonomien på anlægget. Forbedringer eller alternative løsninger tages ud fra en længere kommunikation omkring emnet med de 2 firmaer Siemens og Stadt, der er førende på området. Bilag er delt op i tre afsnit, hvor første afsnit er de bilag der er udskrevet og lagt i rapporten. Andet afsnit er de bilag der er udskrevet på CD-Rom og vedlagt rapporten. Tredje afsnit er den fuldstændige oversigt over alle bilag. Grunden til denne opdeling, er nødvendigheden af et omfattende bilagsbibliotek, for at belyse dette fagområde. Der findes ikke fagbøger der omhandler diesel elektriske anlæg og de problemstillinger der ligger her, derfor har det været nødvendigt at søge bredt for at finde information og teori. Diesel-elektrisk fremdrift, historisk overblik. Diesel-elektrisk fremdrift har været i anvendelse i snart 100 år, men oprindeligt blev det opfundet fordi der ikke var lavet en konstruktion der gjorde det muligt at reversere dieselmotorer. Dette gjorde at man var afholdende fra at forsøge sig med at installere dieselmotorer i skibe, selvom det tidligt var tydeligt at der ville være store besparelser på olien. Det viste sig at være svært at konstruere en motor der var reverserbar, hvilket gjorde at det varede en del år inden en marine dieselmotor var klar. I 1899 fik Franskmanden Frederic Dyckhoff [1, p. 3] patent på en reverserbar metode, basseret på 2 knastaksler, men under forsøg med maskinen fandt man ud af at konstruktionen ikke var holdbar. I 1902 forsøgte Maschinenfabrik Augsburg [1, p. 4] (MAN) sig med en konstruktion, hvor man anvendte en gearkasse med en transmissionsaksel der forbandt camakslen med krumtapakslen, men dette viste sig også at være kompliceret og ustabilt til marinebrug og slog aldrig igennem. 10
Til at løse problematikken med at reversere dieselmotoren fik man tidligt hjælp fra en Italiensk elektriker Del Proposto, Han udviklede et nyt fremdrivningssystem, der vel i princippet kan betragtes som den første Diesel-elektriske hybrid. Del Proposto fik Bl.a. et tysk patent No.147927 [1, p. 4] på sit system, gyldig fra 4. april 1903. Kilde: [1, p. 16] Fremdrivningssystemet var beregnet på at kunne omstyre en dieselmotor Motoren A var forbundet til skrueakslen, med en aksel der gennemløb en jævnstrømsgenerator B, samt en jævnstrømsmotor C. De 3 maskiner kunne adskilles af 3 elektromagnetiske koblinger M1, M2 og M3 Ved opstart af motoren udkobles M1 og derved kunne motoren startes ude at generator og elmotor drejer med rundt. Når skibet skal bakke, så udkobles M2 og skibet kan bakke på elmotoren, jævnstrømsgeneratoren leverer strøm til motoren og elmotoren omdrejningsreguleres ved at ændre omdrejningerne på dieselmotoren idet generatorens afgivne klemspænding er afhængig af omdrejningstallet. [1, pp. 4-5] Idet der ikke er tilgængelige tekniske oplysninger til rådighed for anlægget, forudsættes det at både generator og elmotor er shuntmagnetiseret. 11
Kilde: [2, p. 121] Generator [2, pp. 129-130] E k n Og U E ( R R ) I U a v a b Elmotor [2, p. 264] E U R I U n k k a a b Det ses af formlen for elmotoren at omdrejningstallet kan ændres ved at ændre spændingen til motoren, hvilket gøres ved at dieselmotoren ændrer omdrejningerne på generatoren. Et andet system blev leveret til det første diesel elektrisk drevet skib, det Russisk byggede skib VANDAL. Vandal havde 3 uafhængige skruer, der blev trukket af hver sin direkte tilkoblede elmotor. Elmotorerne fik strøm fra hver sin generator der blev trukket af en dieselmotor. Systemet var selvmagnetiserende, idet der var koblet en magnetiseringsgenerator på samme aksel som hovedgeneratoren. 12
Kilde: [3, p. 8] Dette gjorde at generator og elmotor virker efter princippet fremmedmagnetiseret motor og generator [2, pp. 118-121 og 129-133] Dieselmotoren kører med samme omdrejningstal hele tiden, og omdrejningsreguleringen af elmotoren, sker ved at man ændrer magnetiseringen til generatoren hvorved generatorens klempændingen til elmotoren ændres. E n k Da feltet til elmotoren er konstant, idet magnetiseringsgeneratoren kører med konstant omdrejningstal, så er ses det af ovenstående formel at det er klemspændingen på motoren, der er bestemmende for motorens omløbstal. Elmotorens omdrejningsretning kan ændres, ved at ændre polariteten på magnetiseringskredsen, hvorved feltet ændrer retning [2, p. 137]. For Vandals vedkommende, sad der en justerbar modstand på broen hvormed feltstyrken på generatoren kunne ændres, denne modstand kunne justere motorens omdrejninger fra max til nul omdrejninger. Når motoren var i nul omdrejninger kunne man bruge en omskifter, så feltets polaritet blev vendt og skibet kunne derved bakke. [3, pp. 7-9] Den første motivation for at udvikle diesel elektriske anlæg, var drevet af behovet for bedre manøvredygtighed, idet de første dieselmotorer ikke kunne bakke. Selvom tabet på Vandal var 20 % [3, p. 8], så kunne man fint leve med dette tab, idet alternativet med manglende bak evne eller et endnu dyrere dampanlæg ikke var acceptable. I 1906 blev de første pålidelige reverserbare dieselmotorer sat i produktion og man mistede incitamentet til at bygge diesel elektriske marine anlæg, idet tabene var for store, og de vedligeholdsmæssige omkostninger til at holde skibene i drift, alt for store. 13
I slutningen af 1920erne og i begyndelsen af 1930erne begyndte man igen at interessere sig for diesel elektrisk fremdrift, især for isbrydere, men også andre skibstyper med et stort effektbehov. På dette tidspunkt var dieselmotorerne endnu ikke særligt kraftige, hvorimod der var bygget elektromotorer med betydeligt højere akseleffekt end den de største dieselmotorer kunne give. Eksempelvis blev den Franske luksus liner S/S Normandie, fra 20erne, bygget med elektrisk fremdrivning, har brugte man dampturbiner til at drive generatorer, der leverede vekselspænding til at drive 4 stk. 29 MW synkrone elmotorer, der trak på hver skrue [3, p. 9]. Omdrejningerne på skruerne blev styret ved at ændre frekvensen på generatoren. Men efterhånden som dieselmotorerne blev større og mere driftssikre, så forsvandt interessen for elektrisk fremdrift, især på grund af de store tab der var forbundet med at omdanne dieselmotorens effekt til fremdrivningseffekt, gennem generator og elmotor. Diesel elektrisk fremdrift forsvandt herefter stort set fra markedet, indtil 1980 erne hvor opfindelsen af effekt elektronik igen gjorde denne form for fremdrivning interessant. Diesel elektriske anlæg i Esvagt Historien bag Esvagt A/S har opbygget sin virksomhed med specialskibe til standby tjeneste for olieindustrien, primær på Nordsøen. De første enheder der tilgik Esvagt, var gamle ståltrawlere der blev ombygget, således at de kunne opfylde kravene til redning og sikkerhed. Et meget centralt krav for et standby skib, er kravet om 2 uafhængige fremdrivningssystemer [4, pp. 11,stk.1], her har Esvagt valgt at installere et Azimuth fremdrivningssystem i de ombyggede trawlere. Dvs. at man har beholdt trawlerens hovedmotor som det ene fremdrivningssystem, og har Azimuth som nummer 2 fremdrivningssystem. Derudover er der installeret 2 hjælpemotorer, til strømproduktion. Opsætningen på de første Esvagt skib gjorde, at man var nødt til at køre med minimum 2 dieselmotorer, for at drive skibet. Ved Standby drift indenfor boreplatformenes 500 meter zone, skal begge fremdrivningssystemer være klar, hvilket gør at der bruger 3 dieselmotorer til skibets drift. 14
Det faktum, at rederiets eksisterende skibe skulle bruge 2 3 dieselmotorer til opretholdelse af den normale drift, var et af de parametre der gjorde at man begyndte at tænke på diesel elektrisk fremdrivning, ved projektering af en ny skibsserie i begyndelsen af år 2000. En anden faktor der spillede ind, var skibenes driftskarakteristik, idet ERRV skibe har et relativt lavt fremdrivningsbehov, en stor del af tiden. Dette skyldes de specielle forhold der gør sig gældende for Standby skibe, idet skibet arbejder ved en borerig, og derfor bliver på samme position i skibets normale tjeneste. Under normale forhold, vil en ERRV derfor kunne opereres på en dieselmotor, forudsat at der vælges et diesel elektrisk set-up. [5] Valg af diesel elektrisk set-up til C klasse skibe Da det blev besluttet, at rederiets nye skibstype skulle have et diesel elektrisk set-up, gik rederiet i gang med at klarlægge de tekniske muligheder der var på markedet. Dette skete efter at skibenes driftsmønster var blevet klarlagt. Teknisk manager ved Esvagt, Bjørn Viig, mener dog at den proces rederiet var igennem i starten af 2001, ville være blevet udført mere professionelt i dag, idet Esvagt er blevet meget mere erfarent med nybygning af skibe Pga. et omfattende nybygningsprogram, gennem de sidste år. Esvagt har bygget en serie ERRV skibe, der i Esvagt går under betegnelsen C typen. De første 2 af denne type blev bygget med en lidt anden diesel elektrisk set-up end de efterfølgende, idet man udnyttede de indhøstede erfaringer, fra de 2 første, til at forbedre de tekniske installationer. De 2 første C type skibe blev bygget med en Konverter der er udstyret med 6 pulse ensretter [6, p. 61], hvilket gav store udfordringer for hele det elektriske system på skibet, idet der var betydelige forstyrrelser i form af uharmoniske svingninger, kaldet THD. [6, p. 60] Esvagt har ikke fået lavet eksakte målinger af størrelsen og sammensætningen af de uharmoniske svingninger, men de var af en størrelse, der forårsagede hyppige Black outs, og andre lignende forstyrrelser i det elektriske beskyttelses udstyr. Ydermere var der forstyrrelser af kommunikationsanlæg, og WHF kanaler. De efterfølgende skibe blev valgt med en anden Set-up, hvor der blev valgt en konverter fra det Norske Scandinavian Electric Systems. [7] Denne konverter er bygget op med en Active Front End [8, p. 7] og der er betydelige forbedringer i størrelsen af de uharmoniske forstyrrelser i forhold til de 2 første skibe. [5] 15
Problematisering Først i 1990 erne blev diesel elektrisk fremdrift igen interessant, med udviklingen af AC/AC konvertere. Det drejer sig stadigvæk om at omdanne dieselmotorens effekt til elektrisk fremdrivningseffekt. Dieselmotoren driver en generator, der gennem hovedtavlen leverer strøm til en transformer, som forsyner frekvensomformeren, der leverer effekt til drivmotoren. Kraft elektronikken i frekvensomformeren gør det muligt at regulere drivmotorens omdrejningstal helt præcis, ved at styre den frekvens på spændingen, som motoren får leveret. Præcis som ved det første system på Vandal i 1903, drejer det sig i dag om effektiviteten på anlægget, og det er vigtigt at lokalisere og optimere på de tab der uundgåeligt er ved krafttransformationsprocesserne. Kilde: [6, p. 7] Der er mange problemstillinger forbundet med installation og drift af diesel elektrisk fremdrivning, og selvom udviklingen er gået stærk indenfor området, så er der stadig store udfordringer med reduktionen af de tab der opstår ved drift af et diesel elektrisk anlæg. Tabene ligger på forskellige niveauer. I flow diagrammet ovenfor, vises de elektriske tab, men der er også tab i begge ender af diagrammet. Dieselmotorens tab ændrer sig normalt ved driftsændringer, således at tabene bliver større, ved lavere belastning, dette betyder at dieselmotoren har et optimalt driftspunkt, det er derfor vigtigt at dimensionere motorstørrelsen således at driften er tæt på det optimale økonomiske driftspunkt, en stor del af tiden. 16
Generatoren, der trækkes af dieselmotoren, har også et optimalt driftspunkt hvor virkningsgraden er bedst. Derfor er udfordringen at matche generatoren med dieselmotoren, så de begge kører økonomisk mest optimalt ved samme belastning. I den anden ende af flowdiagrammet befinder elmotoren sig. El motoren er mere problematisk i denne forbindelse, idet det er svært at finde tilgængeligt materiale, der belyser driftseffektiviteten på elmotorer, når de trækkes af en VFD. Dette er fordi at VFD benytter sig af momenttilpasning, og derfor sjældent overmagnetiserer. Fabrikanterne opgiver tekniske detaljer for udviklingen af tab, ved forskellige belastninger, disse er opgivet ved nominel frekvens, og spænding, derfor vil denne rapport ikke beskæftige sig med Elmotoren. Inde i VFD én foregår frekvensomformningen, således at fremdrivningseffekten kan reguleres, ved hjælp af omdrejningerne på fremdrivningsmotoren, denne proces frembringer uharmoniske svingninger, i det elektriske forsyningsnet, betegnet THD. THD er en meget vigtig faktor når tabene forsøges fastlagt og reduceret, og forsøgene der er udført i forbindelse med udarbejdelsen af denne rapport, viser at lav belastning på VFD én, er tæt forbundet med stor forekomst af uharmoniske svingninger. Store uharmoniske svingninger giver store tab i hele det elektriske anlæg på skibet, i form af varme tab, modmoment i motorer, yderligere generator tab, osv. Fabrikanterne opgiver gerne THD ved nominel effekt [7, p. 4] og dette kan give misvisende faktuelle tal, ligesom at, der ikke skelnes mellem THD u og THD i når størrelsen på THD opgives. Derfor er det vigtigt at tage højde for det mest sandsynlige driftsområde som VFD én skal arbejde ved, når anlægget dimensioneres. I virkelighedens verden, vil det være umuligt at lave et diesel elektrisk set up der er optimalt ved alle driftspunkter, derfor vil det være af største vigtighed at klarlægge den mest sandsynlige brug af skibet i faldende orden, dette betyder at en diesel elektrisk installation altid være et kompromis. Det gælder om at foretage undersøgelser der klarlægger de mest sandsynlige driftssituationer for skibet, for at finde de mest kvalificerede kompromiser, grundigheden i disse indledende undersøgelser vil, i sig selv, være tabsreducerende. 17
Emneproblem formulering Med udgangspunkt i de målinger der er tilvejebragt ved 1 måneds undersøgelses arbejde på det Diesel Elektriske anlæg på Esvagt Cassiopeia, samt ved konsultation med Siemens Marine og STADT, omkring tilgængelig teknologi på området, vil rapporten forsøge at belyse følgende hovedspørgsmål. 1. Hvor stor betydning har fastlæggelsen af en korrekt driftsprofil.? 2. Hvilke muligheder er der for at driftsoptimere det eksisterende Diesel Elektriske anlæg på Esvagt Cassiopeia.? 3. Hvilken løsning ville være mest optimal i dag, med den nuværende teknologi tilgængelig på markedet? Afgrænsning Rapporten vil ikke beskæftige sig med hydrodynamiske spørgsmål, men vil holde sig indenfor de muligheder der ligger i valg af dieselmotor og generator, samt valg af variabel frekvens drive. Rapporten vil kun tage højde for de løsningsforslag og den teknologi der kan tilbydes fra de 2 firmaer Siemens og Stadt, der findes mange andre muligheder på markedet, men disse vil blive udeladt. Der udføres ikke egentlig fejlfinding i forbindelse med analysearbejdet ombord, derfor vil rapporten ikke tage stilling til fejlkilder, eller muligheder for fejlfindingsarbejder. Metode Rapporten vil blive lavet på grundlag af et felt studie på skibet Esvagt Cassiopeia. Her vil en analyse af driften, ved forskellige belastningssituationer, danne rammen om en vurdering af det Diesel Elektriske fremdrivningsanlæg, For at redegøre for tabsproblematikken, gøres der brug af teori, og oplysninger fra Siemens, ABB, STADT samt forskellige afhandlinger fundet på internettet. Rapporten skal belyse området, således at det er muligt at fremkomme med en konklusion, på tabsproblematikken. For at belyse dette område er det nødvendigt at adskille de forskellige processer og se på dem isoleret, ved en teorigennemgang, der tydeligt viser de tab der opstår i de forskellige trin 18
Rapporten skal belyse den nødvendige beslutningsproces, der er yderst vigtig for valg af det rigtige fremdrivningsudstyr, dette gøres ved et interview af Fleet Group manageren i Esvagt. For at klarlægge effekten af THD, behandles dette område med teori og praktisk analyse, hvor tab afledt af THD, forsøges fastlagt, og senere indgå i konklusionen. Udarbejdelse af forslag til optimeringer, laves i samarbejde med Siemens Marine, og Stadt i Norge. Teorifelt Til den læser af rapporten der ønsker at få et indblik i den teori der ligger bag de udregninger og konklusioner der kommer senere i rapporten, er der efterfølgende et teorifelt, der gennemgår de grundlæggende principper for frekvensomformere til skibsfremdrift. Grundprincipper for frekvenskontrol AC/AC eller VSI, konvertere får konstant spænding og frekvens ved tilgangen og kan omforme denne til en variabel spænding og frekvens ved afgangen [6, pp. 46-47] Teknologien bygger på de grundlæggende principper for ændring af omdrejningstallet for asynkrone motorer. f 60 N1 [2, p. 267] p Tabellen nedenunder viser de muligheder der er for at omdrejnings styre en synkronmotor, her vil rapporten kun behandle teorien for frekvensregulering. Kilde: [9, p. 29] Styringen og omdrejningstallet i alle AC/AC diesel elektriske anlæg i dag gør brug af frekvensændring, når den elektriske drivmotors omdrejningstal skal ændres. 19
For at kunne frekvensregulere en asynkronmotor er der nogle specielle forhold der skal tages hensyn til. En asynkronmotor er konstrueret til et nominelt drejningsmoment der er afhængig af U/f forholdet og dette forhold er nødt til at være konstant ved ændring af frekvensen, Dvs. at en frekvensændring også vil kræve en ændring af klemspændingen på motoren. Kilde: [2, p. 192] Strømmen der løber i rotorlederen er afhængig af rotorlederens modstand, samt den elektromotoriske kraft e. d e [2, p. 192] dt Dvs. at den elektromotoriske kraft er afhængig af rotorfrekvensen samt feltstyrken. Størrelsen af kraften F, der virker på rotorlederne er proportional med det indre moment, som er det moment rotoren påvirkes med. Det indre moment kan beskrives som. M k I Cos [2, p. 193] i res rotor rotor Af denne formel ses det at momentet i asynkronmotoren er feltafhængig og derved afhængig af magnetiseringsstrømstyrken. 20
Kilde: [2, p. 195] For at forklare magnetiseringsstrømstyrkens betydning kan man kikke på asynkronmotorens ækvivalentskema. Spændingsfaldet over de 2 modstande R fe og X h kaldes induktionsspændingen og størrelsen på induktionsspændingen er afhængig af størrelsen på strømstyrken. Modstandene X 1 og X h er frekvensafhængige idet. Xl 2 f l Dette betyder at hvis frekvensen ændres uden at spændingen U 1 ændres, så vil størrelsen af strømmen ikke passe til den magnetisering motoren er konstrueret til. Ved overmagnetisering så vil den ekstra magnetiseringsstrøm afgive varme i rotoren og kan beskadige denne. Derudover vil overmagnetisering betyde ekstra tab. [9, pp. 25-28] Undermagnetisering vil betyde at det ønskede moment ikke er til stede i motoren. Ved frekvensstyring er motorens moment derved afhængig af følgende forhold. [10] U M k I f Kilde: [9, p. 33] Momentet er også afhængigt af spændingen i 2 potens. M k U 2 Kilde: [9, p. 30] Dette giver en række problemer for drift med frekvensomformere, idet der genereres THD (Total Harmonic Distortion). 21
Problemerne opstår fordi at momentet vil pulsere idet THD er årsag til en pulserende spænding og ikke en sinusformet spænding. Dette behandles i efterfølgende afsnit. Frekvensomformere Frekvensomformere med styret elektronik, varierer i opbygning fra fabrikat til fabrikat, men er typisk opbygget efter samme princip som nedenstående illustration fra Danfoss viser. Kilde: [9, p. 52] Ensrettere Første trin i frekvensomformeren er ensretteren. Ensretteren er koblet på nettet og benævnes også som konverterens Front end [8, p. 1] Ensretteren er en meget vigtig komponent i forhold til forsyningsnettets stabilitet, på et D.E. fremdrevet skib og et område der kontinuerligt forsøges forbedret, for at optimere drift og økonomi på anlægget. Den typiske førstegenerations ensretter er ustyret og består af en diode kobling som vist nedenunder dette kaldes også en passive front end. Nedenunder vises en 6 puls ustyret ensretter som kan være problematisk at bruge på skibe i dag, idet denne ensretter type ikke trækker en sinusformet strøm fra nettet og derved skaber harmoniske forstyrrelser. 22
Kilde: [6, p. 61] Det er muligt at forbedre de forstyrrelser som ensretteren sender tilbage i forsyningsnettet ved at bruge en 12 pulse ensretter. Kilde: [6, p. 61] Denne 12 pulse ensretter har elimineret de værste forstyrrelser i nettet som 6 pulse ensretteren forårsagede, men i dag vil det ikke være nok at bruge en 12 pulse ensretter alene uden filtre på indgangssiden, som retter de uharmoniske forstyrrelser ud. Kilde: [6, p. 49] 23
Ved at serieforbinde ensretter ledende som i illustrationen øverst til venstre får man en 3 trins inverter, der giver en højere DC spænding end den parallelforbundne ensretter til højre. Den serieforbundne ensretter bruges i mellemspændings anlæg idet den højere jævnspænding gør at afgangsspændingen fra inverteren kan være højere end indgangsspændingen, uden brug af transformer. 6 og 12 pulse ensrettere bruges i anlæg med transformer mellem system og konverter, disse systemer kan udvides helt op til 48 pulse anlæg. En anden type ensretter er en AFE (Active Front End). En AFE er ikke en passiv ensretter, men en styret ensretter, med IGBT transistorer i stedet for dioder. Kilde: [8, p. 4] På billedet ses en 2 trins AFE, normalt er denne type ensrette udstyret med et L-C-L filter der hjælper til med at skabe en næsten sinusformet indgangsspænding og reducerer de uharmoniske forstyrrelser væsentligt. I mellemspændings området, leveres ensretter og inverter i en 3 trins udgave der gør at DC spændingen kan komme op på 690 volt. 24
Kilde: [10, p. 4] Kilde: [8, p. 4] Det ses at spændingen på indgangssiden af AFE begynder at ligne en sinusformet spænding, men der er stadig tydelige forstyrrelser. En AFE er både 6 og 12 pulse ensrettere langt overlegne, når det gælder reduceringen af THD og har længe været anset som den bedste løsning for D.E. anlæg på skibe. Dog har der været intensiv forskning på området og flere firmaer er kommet med løsninger hvor den D.E. fremdrift ikke skaber forstyrrelser i skibets forsyningsnet, eller i hvert fald er disse forstyrrelser reduceret kraftigt. I denne rapport er det især løsninger fra Siemens der vil blive behandlet, men også det Norske firma STADT har et anlæg der tilbyder betydelige forbedringer i forhold til eksisterende anlæg. Disse løsninger bliver behandlet senere i rapporten. 25
Ulemper ved AFE. [8] 1. Øget EMI (electromagnetic interference) Det er ikke muligt at filtrerer for dette pga. skibet er forsynet gennem IT system 2. Kondensatorer i L-C-L filter skal måske tilpasses eller justeres til anlægget, hvilket kan resulterer i mindre effektivitet mod forstyrrelser. Mellemkreds Kilde: [9, p. 59] I de traditionelle puls konvertere bruges mellemkredsen til at udglatte den pulserende jævnspænding der er et resultat af ensretterens virkemåde. Mellemkredsløbet bruger induktive og kapacitive enheder til at udglatte den pulserende jævnspænding og her udnyttes spolens modstand mod forandring i størrelsen af spændingen samt kondensatorens opladning ved stigende spænding, der vil forsøge at holde spændingsniveau ved afladning. Mellemkredsens principper er i dag kopieret til forskellige typer af filtrer der bruges i kombination med både puls og AFE konvertere, dette behandles senere [9, pp. 59-61] 26
Vekselrettere Kilde: [9, p. 64] Vekselretteren er det sidste led i en VFD, og den leverer en tilpasset frekvens og spænding til fremdrivningsmotoren der er tilpasset således at magnetisering passer til driftspunktet, dette gøres ved at vekselretteren holder u/f forholdet konstant, altså nedreguleres frekvensen, så nedreguleres spændingen også. (er omtalt under principper). De første vekselrettere havde tyristorer, men disse er i dag erstattet af Insulated Gate Bipolar Transistors. (IGBT), so også sidder i ensretteren på en AFE. Dvs. at en VFD der er lavet som AFE, bruger IGBT transistorer både i ensretter og vekselretter. Fordelen ved IGBT transistoren fremfor tyristoren er en højere skiftefrekvens for IGBT, som er oppe på omkring 20 KHz, hvor tyristoren ligger på omkring 2 KHz. Dette gør at IGBT enheden næsten eliminerer uharmoniske svingninger af laverer orden, men som bekendt er der ingen træer der vokser i himlen, Så ved en IGBT enhed vil uharmoniske svingninger af højere orden, især over den 67 uharmoniske orden, blive højere og dette giver nogle andre udfordringer der behandles senere. [8] De IGBT transistorer der bruges i dag har en Switch frekvens på flere hundrede KHz og det gør selvfølgelig at moderne vekselrettere skaber en næsten sinusformet vekselspænding til drivmotoren med en meget forbedret drift og mindre slidtage til følge Nedenfor er vist eksempler på forbedringer af sinuskurven som et resultat af højere switch frekvens i vekselretteren. [9, pp. 62-67] De forstyrrelser der er for drivmotoren i eksempelvis en AFE drive, er minimale i forhold til de forstyrrelser som ensretteren laver på forsyningsnettet, idet at der er mange flere elementer i forsyningsnettet der påvirkes af de uharmoniske svingninger, frembragt af IGBT transistorer. 27
Kilde: [9, p. 66] Teorifelt for tab I det foregående teorifelt, blev den grundlæggende teori for frekvensomformere gennemgået. Da rapporten vil analysere de driftstab, der opstår på Esvagt Cassiopeia i forskellige belastningssituationer, vil det være nødvendigt med et teorifelt omkring de tab der er relevante for denne rapport Det efterfølgende afsnit vil afdække disse relevante tab, og teorien omkring disse. Ved en vurdering af et sådan anlæg, skal der ikke kun tages højde for de elektriske tab, der vil også være tab der relaterer til dieselmotoren og SFOC. I den teoretiske gennemgang af VFD, medtages der nogle forklarende eksempler fra Analyse arbejdet på Esvagt Cassiopeia, rapportskriveren er af den opfattelse at dette vil hjælpe til at bibringe en forståelse for det store problem, frembringelse af THD udgør. 28
Tab i diesel elektriske anlæg Siden at det første diesel elektriske anlæg blev taget i brug og til i dag, har der været en rød tråd, hvor problematikken, er de tab der er forbundet med overførslen af dieselmotorens kraft, til den elektromotor der driver skibets propeller. Nedenunder er der en principskitse der viser forløbet i en traditionel D.E. set-up. I nyere anlæg med AFE bruges der ikke transformer, så tabet der relaterer til transformatoren er væk her, som det ses i det efterfølgende kan det så diskuteres om det er en fordel at fjerne en stor induktator på forsyningssiden, idet der opstår andre ulemper. Under skitsen er opgivet gennemsnitlige værdier for tab i de respektive komponenter og som det senere vil vise sig, så er størrelsen af tabet i komponenterne ikke kun bestemt af kvalitet og udførelse, men også af driftssituationen. Dieselmotoren fremgår ikke af skitsen, men den er en betydelig komponent, når der snakkes om økonomi i anlægget, dette omhandles længere nede. Kilde: [11, p. 11] 29
Specifikt olieforbrug på dieselmotor (SFOC) De første tab der opstår i et D.E. anlæg ligger i selve dieselmotoren og har som sådan ikke noget med det elektriske anlæg at gøre. Tab i dieselmotoren kan ikke undgås Pga. varmestråling, tab med kølevand Osv. Og dette emne vil rapporten ikke beskæftige sig med. Set fra et D.E. synspunkt er det interessant at kikke på motorens mest økonomiske driftspunkt, altså der hvor det koster mindst brændstof at producere 1 KWh elektrisk energi. Motorens specifikke forbrug, C b måles i gr/kwh og er individuel fra motortype til motortype, men generelt så vil motoren have et belastningsområde hvor den producerer energi mest økonomisk. Eksemplet nedenunder er taget fra Cummins KTA 19 D motorer og her ses det at den højeste effektivitet ligger fra 110 % belastning ned til 75 % belastning, den variation der er her imellem er så lille at den er uden betydning. Under 75 % begynder det at blive dyrere at producerer el og under 50 % belastning koster en KWh 10 % mere. Ved 25 % belastning koster en KWh 30 % mere at producere, så hvis der bruges Cummins motorer gælder det om at vælge et set-up hvor motorerne ikke kører under 70 75 % belastet på noget tidspunkt, derved sikres den mest økonomiske driftsform. Kilde: [12] 30
Generator Generatoren har, ligesom dieselmotoren tab, der er belastningsafhængige. Derudover er der andre tab i generatoren, som ikke vil blive behandlet her, idet det er de belastningsafhængige tab der er interessante fra et optimeringsmæssigt syn på et eksisterende anlæg. [13] [14] [15]Bilag [16] Virkningsgraden på generatoren er også afhængig af anlæggets effektfaktor, så det er vigtigt for driftsøkonomien at anlæggets konverter kan styre magnetiseringen af fremdrivningsmotorerne ret præcist, idet en lav effektfaktor giver dårligere virkningsgrad. Ligesom ved dieselmotoren ses det at når belastningen på generatoren kommer under 50 % så begynder tabet at stige og derved vil hver producerede KWh blive dyrere. Som det ses af kurven for denne generator gælder det om at belastningen kan holdes mellem 60 100 %, så også her er valg af størrelse i forhold til driftsprofil vigtig. Variabel frekvens drive Tabene der relaterer til VFD én, er meget afhængig af type, og brug, disse tab kan være svære at fastlægge i de forskellige driftssituationer. Dette skyldes at fabrikanterne ikke opgiver detaljerede oplysninger om tabene, men gerne nøjes med at oplyse en virkningsgrad, ved nominel belastning. Det kan også være farligt at se på drivens virkningsgrad isoleret, idet en VFD med høj THD, vil give en dårlig total anlægsvirkningsgrad, selvom fabrikanten egentlig oplyser en god virkningsgrad på selve VFD én. ABB og brugte rapporter, oplyser at de typiske virkningsgrader for en VFD ligger på 93 97 % [11, p. 11] [6, p. 7] og for det specifikke anlæg der er installeret på Esvagt Cassiopeia, opgives en virkningsgrad på 98 % [7]. 31
Ved de senere målinger i denne rapport, viser det sig at netop disse angivelser af virkningsgrader, skal anskues meget kritisk, det er muligt at virkningsgraden på N.E.S. anlægget på Esvagt Cassiopeia har en virkningsgrad på 98 %, men det er ved nominel belastning, når belastningen på fremdrivningsanlægget falder, så falder virkningsgraden betydeligt hvilket efterprøves ved analyse, på Esvagt Cassiopeia. En vigtig faktor for størrelsen af det totale tab, er størrelsen af THD. I en mail, oplyser N.E.S, at en fejlfri funktion af L-C-L filtret er en forudsætning for at THD holdes nede på det lovede niveau (Ved nominel drift) [17] Efter 2 års erfaring på denne skibstype med jævne udskiftninger af kondensator elementer, samt en udvidelse af vedligeholdsprocedurer fra fabrikanten, så har rapportskriveren erfaring med at filtret ikke virker optimalt. Klassifikationsselskaber har stillet krav til spændingskvalitet [18] hvor der tillades en maks. THD u på 5 %. Her forholder klassifikationsselskaberne sig kun til spændings kvaliteten, men man undlader at forholde sig, til de uharmoniske strømme THD i. Grunden til dette er at Klasse selskaberne er mest koncentrerede om det faktum at THD u forstyrrer sikkerhedsudstyr. [19, p. 8] I det efterfølgende afsnit bliver denne problemtik behandlet og her vil teorien vise at uharmoniske strømme af forskelig ordensnummer genererer tab og andre forstyrrelser. [8, p. 2] Den største kilde til uharmoniske strømme er ikke lineære belastninger, på skibe med D.E. fremdrift, er det især er VFD én der genererer de generende uharmoniske strømme, [19, p. 6] VFD én forsyner de elektriske fremdrivningsmotorer, og er derved den største forbruger. Nedenfor ses en skitse af en diesel elektrisk opsætning, her ses det at frekvens konverterne til fremdrivningen er koblet på hovedtavlen, hvilket bevirker at de uharmoniske forstyrrelser sendes bagud i nettet og skaber problemer i andet opkoblet udstyr. 32
Kilde: [19, p. 3] ABB opgiver størrelsen af THD i som nedenstående Kilde. [19, p. 24] Her opgiver ABB dog ikke ved hvilken driftssituation disse værdier fremkommer. Som det ses af de efterfølgende screen dumps der er taget ved forsøg på Esvagt Cassiopeia, så fremgår det at ved lav belastning og manøvre situationer, er det betydeligt stører værdier af THD i Som det ses af det første billede, af en situation med lav fremdrivningsbelastning, så er THD i helt oppe på 25,5 %. 33
Kilde: [20] På det efterfølgende screen dump, ses en situation, hor skibet ligger i en manøvre situation ved en borerig. Sådan en manøvre situationer kan vare i timer og det ses at THD i er helt oppe på en værdi på 82,7 %. Det må formodes at tabene, der relaterer til VFD én, er betydelige i disse situationer. Bilag: [21] Problemer med THD behandles teoretisk senere, men det ses, at der er stor andel af uharmoniske svingninger af 5 og 7 orden, hvor 5 ordens svingninger giver modmoment og 7 orden giver varmetab. 34
Kilde: [19, p. 7] Ovenstående udpluk fra ABB, [19] [20] viser også at THD ikke kan bevirker moment, og varmetab, hele anlæggets totale effektfaktor forringes også med størrelsen af THD. Et andet problem med tabsbestemmelsens, og manglende oplysninger, eksempelvis på et skib som Esvagt Cassiopeia, er tomgangstabene i VFD én. Bilag: [22] Som det ses af ovenstående screen dump fra konverterens kontrolpanel, er der et forbrug til konverteren, også når der ikke er krav om fremdrivningseffekt. Dette tomgangstab gør at konverterens virkningsgrad vil falde betydeligt, jo lavere belastet konverteren er. Da det er svært at fremskaffe teori om dette område, findes det relevant at medbringe disse forsøg i teorifeltet, da det underbygger tabsproblematikken. 35
Transformer Transformertab bliver ikke behandlet i denne rapport, idet tabene er små og i nyere anlæg er man gået bort fra at bruge transformere. Dog har undersøgelser vist at brugen af en Induktor på forsyningssiden af en VFD, kan være en udglattende faktor på forstyrrelser i spændingskvaliteten, derfor kan brug af transformer stadig være interessant. Elmotor Begrænsningen af tab i elmotoren på et D.E. anlæg vil være meget afhængig af konverterens evne til at tilpasse U/f forholdet, idet en sænkning af frekvensen, uden en sænkning af klemspændingen vil føre til overmagnetisering af motoren og dermed forøgede tab i form af varmetab i motoren. [9, p. 33] Hvis man kikker på tabeller over virkningsgrader for en asynkronmotor vil det være angivet at eksempelvis 25 % belastning vil give en lav Cos Φ og altså dermed en stor faseforskydningsvinkel for motoren. [23, p. 17] Men idet en Konverter laver momenttilpasning ved at holde en konstant U/f forhold vil Cos Φ kunne holdes konstant. Total Harmonic Distortion THD opstår i D.E. anlæg Pga. ensretteren i frekvensomformeren ikke optager en sinusformet spænding fra nettet, og derved sender konverteren forstyrrende signaler tilbage i forsyningsnettet hvilket har en række uheldige konsekvenser. Nogle af de ulemper som uharmoniske strømme kan give er: [6, p. 60] [19, pp. 10-11] Øget nedbrydning af isoleringsmateriale. Øgede tab i udstyr forbundet til nettet som. o Motorer. o Transformatorer. o Kabler. o Generatorer. Overbelastning af udstyr der er designet til forsyning af sinusformet spænding. Fejludkoblinger i beskyttelses udstyr. Et lavere power factor, resulterende i lavere system virkningsgrad. Problemer med spændingsregulering. 36
Den største enkeltbelastning i et diesel elektrisk skib kommer fra fremdrivningen, så det kan derfor forventes at THD spiller en væsentlig rolle, i skibets forsyningsanlæg. [19, p. 6] Det er derfor vigtigt at overveje, hvilke midler der skal tages i brug, for at reducere % delen af THD. 6 pulse ensrettere genererer meget store uharmoniske forstyrrelser, i dag bruges denne type konverter kun i forbindelse med avancerede filteranlæg, idet komplikationerne er for store uden. Under afsnittet for vekselrettere blev det nævnt at et anlæg kan opbygges som et 6 pulse, 12 pulse, 18 puls osv. Helt op til et 48 pulse anlæg. Fordelen ved et højere pulstal er at de uharmoniske svingninger af lavere orden reduceres Dette kan anskueliggøres med følgende simple ligning. h p n / 1 [6, pp. 61-63] [19, p. 4] [24, p. 39] Hvor: h= Nummeret på den uharmoniske svingning p= Anlæggets pulstal. n= et heltal (1,2,3,4,5,6 osv.) For et 6 pulse anlæg giver dette uharmoniske svingninger i følgende orden: h 6 1 / 1 5og7 Ved at fortsætte udregningerne og ændre n, med 2,3,4 osv. Giver dette følgende svingninger for 6 pulse anlæg. h 6,pulse = 5,7,11,13,17,19,23,25,29,31,35,37 etc. For et 12 pulse anlæg giver det svingninger af følgende orden. h 12,pulse = 11,13,23,25,35,37 Udregningerne kan så fortsættes med 18,24 osv. Pulse anlæg Dette kan vises som på nedenstående billede, der er et typisk eksempel på størrelsen af de uharmoniske strømme på et D.E. skib, med enten 6 eller 12 pulse ensretter. 37