Het gebruik van de power take in als power take out op de Holland klasse schepen

Transcriptie

1 Nederlandse Defensie Academie Ministerie van Defensie Het gebruik van de power take in als power take out op de Holland klasse schepen J.H. Engelbrecht Luitenant ter zee der derde klasse technische dienst 13 maart 2015

2

3 Het gebruik van de power take in als power take out op de Holland klasse schepen Militaire Systemen en Technologie Auteur: LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 13 maart 2015 Voorzitter scriptiecommissie: prof. dr. ir. P.J. Oonincx Begeleider: LTZ1(TD) R.D. Geertsma, MSc Externe begeleider: ir. E. van Dijk Versie 3 Nederlandse Defensie Academie Koninklijk Instituut voor de Marine Den Helder

4

5 Summary The centre of this thesis is the fuel consumption of the ocean going patrol vessel (OPV). The OPV uses diesel electric propulsion for speeds below 10 knots, and two main diesel engines for speeds between 10 and 21 knots. All electric power of the OPV is provided by two of the three generator sets. Due to the large size of the main diesel engines, the specific fuel consumption is less in comparison to the smaller generator sets. The purpose of this study is to investigate whether increasing the diesel load with a view to drive the electric motor, functioning as generator, will decrease the fuel consumption. The power take out (PTO) concept is modelled by the five main systems of the OPV: the propeller, the gearbox, the main diesel engine, the electric motor and the generator sets. The propeller was modelled using the Wageningen B series. The gearbox is approximated using a second order fit curve based upon data provided by the manufacturer. The losses of the electric motor are modelled using two sorts of tests: the locked rotor test and the no load test. The main diesel engine and the generator sets are modelled using a second order fit curve based upon measured data by TNO. Simulations are done using MATLAB, at four different speed rates. These speed rates are 13, 16, 18 and 21 knots and are based upon the operation profile. According to simulations of the PTO model, the fuel consumption will decrease for 13 and 16 knots and increase for 16 and 21 knots. At 13 knots the fuel consumption will be 1.18% less compared to the current situation. At 16 knots the fuel consumption will be 0.01% less. At 18 knots the fuel consumption increases with an amount of 0.36% and a 21 knots an increase of 1.09% compared to the current situation. Concluding, the proposed PTO concept will not cause a large reduction of the fuel consumption. For speeds above 16 knots it will cause an increase. This poor efficiency of the PTO concept is mainly caused by the speed rate of the electromotor. The electromotor will reach 2.5 times its nominal speed, and will cause up to 3.8 times the nominal gearbox loss. Further research should investigate if it is more efficient to use a different electromotor. This motor could be a low speed motor, or another type of electromotor. The losses inside the gearbox should also be measured. i

6 ii

7 Samenvatting Centraal in dit onderzoek staat het brandstofverbruik van het ocean going patrol vessel (OPV). Het OPV is een schip dat voor langzame vaart gebruikt maakt van twee elektromotoren en voor hoge vaart twee dieselmotoren. Alle elektrische energie komt uit drie dieselgeneratoren waarvan er twee nodig zijn. De voortstuwingsdiesel is over het algemeen zuiniger dan een kleinere dieselgenerator. Het doel van dit onderzoek is om vast te stellen of het efficiënt is om de hoofdvaartdiesel van het OPV zwaarder te belasten, teneinde de elektromotor aan te drijven als generator. Van de vijf deelsystemen die een rol spelen, zijn er drie onderzocht. Dit zijn de schroef, de tandwielkast en de elektromotor. De hoofdvaartdieselmotor en de dieselgenerator zijn gemodelleerd aan de hand van een tweede machts fit kromme. Deze kromme is voor een quasi statisch model, en opgesteld door de TU Delft na analyses van TNO. Een benadering van de schroef is gemodelleerd aan de hand van de Wageningen B series. De tandwielkast is benaderd aan de hand van een kwadratische fit kromme. De fit is gedaan op leveranciersdata van de verliezen in de tandwielkast. De elektromotor is gemodelleerd via twee type tests, de locked rotor test, en de no load test. De deelsystemen zijn gemodelleerd met MATLAB. De simulaties zijn gedaan voor vier snelheden, welke gebaseerd zijn op het operatieprofiel. De snelheden zijn 13, 16, 18 en 21 knopen. Het blijkt dat er in de huidige configuratie aan boord een kleine winst te behalen valt. Bij 13 knopen is er 1.18% brandstofbesparing, bij 16 knopen is deze besparing 0.01%. Bij 18 knopen is er een verlies van 0.36% en bij 21 knopen is er een verlies van 1.09%. De beste resultaten worden verkregen wanneer het power take out concept maar op 1 as wordt toegepast. Hierdoor kan 1 dieselgenerator afgezet worden, en werkt de overgebleven dieselgenerator en de hoofdvaartdieselmotor dichter bij het optimale werkpunt. De belangrijkste oorzaak voor dit verlies is de elektromotor met zijn boven nominale toerental. Hierdoor treden in de tandwielkast verliezen op tot 7.2% van het ingaande vermogen. Dit komt omdat er een extra rondsel gekoppeld wordt voor de elektromotor / generator. De verliezen in de tandwielkast gaan naar 3.8x nominaal. De voornaamste verliezen die optreden zijn de wervelverliezen en hangen onder andere af van het toerental tot de derde macht. iii

8 iv

9 Voorwoord Voor u ligt mijn scriptieverslag geschreven als afstudeeropdracht voor de bachelor Militaire Systemen en Technologie, profilering werktuigbouwkunde. Deze studie heb ik gevolgd aan de Nederlandse Defensie Academie (NLDA), te Den Helder. Het onderzoek richt zich op een zuiniger brandstofgebruik. In de huidige maatschappij is er veel te doen omtrent het gebruik van fossiele brandstoffen. Zo heeft ook de Nederlandse defensie afgesproken om duurzaam te gaan werken, en uitstoot van emissies omlaag te brengen. Wanneer het brandstofverbruik verminderd kan worden, worden automatisch de emissies ook lager. Dit onderzoek is uitgevoerd in opdracht van de NLDA en de defensie materieel organisatie (DMO). Resultaten van het onderzoek dienen als basis voor vervolgonderzoeken. Deze vervolgonderzoeken kunnen dan adviezen uitbrengen voor nieuwe hybride schepen, of dit PTO concept implementeren aan boord van de huidige OPV s. Het onderzoek is grotendeels uitgevoerd met gegevens verkregen van DMO. DMO is voor mij een redelijk doolhof van informatie. De juiste informatie verzamelen vond ik dan ook een hele uitdaging. Ik ben het personeel bij DMO dan ook dankbaar voor de hulp die ze mij daar geboden hebben. In het bijzonder wil ik mijn begeleider ir. Edwin van Dijk bedanken. Wanneer ik problemen had op intranet, of gewoon iets niet begreep kon ik bij hem langskomen voor hulp. Tevens wil ik mijn NLDA begeleider, LTZ1(TD) Rinze Geertsma bedanken voor het kritische commentaar op mijn werk. Ondanks dat hij één dag per week in Den Helder aanwezig was, kon ik hem altijd bereiken met vragen. Verder heeft hij ook altijd de mogelijkheid geboden om bij de TU Delft langs komen. Zijn commentaar en advies motiveerde mij elke week weer om verder te zoeken naar gegevens en andere opties te beschouwen. Tot slot wil ik twee docenten van de NLDA bedanken voor hun hulp. Dit zijn LTZ1(TD) Joos Bongartz en dr. ir. Arthur Vermeulen. Voor directe vragen kon ik bij hen terecht, en zij stonden altijd open om mijn vraag te beantwoorden mee te denken met mijn probleem. Jan Hugo Engelbrecht Luitenant ter zee der derde klasse technische dienst Den Helder, maart 2015 v

10 vi

11 Inhoudsopgave Lijst van figuren Lijst van tabellen Lijst van afkortingen Lijst van symbolen xi xiii xv xvii 1 Inleiding 1 2 Literatuuronderzoek Elektromotor Elektromotor als generator Generatorverliezen Variable Speed Drive Tandwielkast Configuratie Verliezen Schroef Geometrie Wageningen B Dieselmotoren Modellering van deelsystemen Elektromotor Modelvorming Beperkingen Tandwielkast Modelvorming Verificatie Beperkingen vii

12 INHOUDSOPGAVE 3.3 Schroef Modelvorming Beperkingen Hoofdvaartdiesel Modelvorming Beperkingen Dieselgenerator Modelvorming Beperkingen Operatieprofiel Prestatie eisen OPV Engine margin Dieselgenerator Meetpunten Praktijk Simulatie Huidige brandstofverbruik knopen knopen knopen knopen Praktijk Verliesoverzicht Conclusie en aanbevelingen 55 Bibliografie 58 A PEM functie 59 B PEM driverfile 63 C TWK PEM 67 D K T functie 73 E K Q functie 77 F Schroefcurves 81 G Schroefcurves driverfile 93 H Hoofdvaartdieselmotor 99 LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht viii

13 INHOUDSOPGAVE I Dieselgenerator 111 LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht ix

14 INHOUDSOPGAVE LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht x

15 Lijst van figuren 1.1 Energie flow diagram van de hybride configuratie Schematische weergave van de werking van een DC motor[1] Schematische weergave van een kortsluitankermotor [2][3] Equivalente schema van kortsluitanker generator [4] Grafische weergave van hysterese verliezen [5] Schematische weergave van de VSD [6] Versimpelde schematische weergave van een active front end Schematische weergave van het dubbele helix systeem op tandwielen Schematische weergave van de configuratie in de TWK Weergave van open water krommes voor P/D=1.1, Ae/Ao=0.75 en z= Efficiëntie krommes Vermogenskrommes Genormaliseerde output van vermogensverliezen van TWK op PEM modus Absoluut vermogensverlies van TWK op PEM modus Efficiëntie van van TWK op PEM modus Metingen van de verliezen van de TWK op PEM modus Modellering van de verliezen van de TWK op PEM modus Benadering van K T, K Q en rendementscurve voor schroef Holland klasse Brandstofverbruik per omwenteling Specifiek brandstofverbruik Specifiek brandstofverbruik Efficiëntie van de HVD Brandstofverbruik van de DG Brandstofverbruik van de DG xi

16 LIJST VAN FIGUREN LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht xii

17 Lijst van tabellen 2.1 Uniforme waardes voor coëfficiënten in fit functie TWK Voorbeeld van uitvoer van schroef driverfile Operatieprofiel OPV Elektrische vermogensvraag bij verschillende vaarmodi Huidig brandstofverbruik van de DG s Huidig brandstofverbruik van één HVD Totale huidige brandstofverbruik Vermogens overzicht off design situatie bij 13 knopen Brandstof overzicht off design situatie bij 13 knopen Overzicht van brandstofverbruik bij 13 knopen Vermogens overzicht off design situatie bij 16 knopen Brandstof overzicht off design situatie bij 16 knopen Overzicht van brandstofverbruik bij 16 knopen Vermogens overzicht off design situatie bij 18 knopen Brandstof overzicht off design situatie bij 18 knopen Overzicht van brandstofverbruik bij 18 knopen Vermogens overzicht off design situatie bij 21 knopen Brandstof overzicht off design situatie bij 21 knopen Overzicht van brandstofverbruik bij 21 knopen Overzicht van het brandstofverbruik uit het praktijk probleem Overzicht van de verliezen in de verschillende componenten xiii

18 LIJST VAN TABELLEN LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht xiv

19 Lijst van afkortingen AC CODLOD CPP DC DG DMO FC FK HVD MARIN MDO OPV PEM PTI PTO PWM SCHRAS SFC TWK VSD Wisselstroom Combined diesel elctric or diesel Cotrollable Pitch Propeller Gelijkstroom Dieselgenerator Defensie materieel organisatie Brandstofverbruik Frictie koppeling Hoofdvaartdieselmotor Maritime Reasearch Institute Netherlands Marine diesel oil Ocean going patrol vessel Patrouille elektromotor Power take in Power take out Pulse-width modulation Schroefas Specifiek brandstofverbruik Tandwielkast Variable speed drive xv

20 LIJST VAN AFKORTINGEN LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht xvi

21 Lijst van symbolen Latijnse symbolen Ae Expanded blade area - Ao Swepped blade area - B Magnetische fluxdichtheid T c 7 Constante - D Diameter schroef m d Magnetische kerndikte mm f Frequentie Hz I AC Netstroom A I DC Gelijkstroom A I LR Locked rotor stroom A I NL No load stroom A I gen Generatorstroom A I nom Nominale stroom A I 1 Stator stroom A I 2 Rotor stroom A i Overbrengverhouding - i HV D Overbrengverhouding hoofdvaartdiesel - i HV D PEM Overbrengverhouding hoofdvaartdiesel naar elektromotor - i PEM Overbrengverhouding elektromotor - J Advance ratio - K b Parameter van gewicht rotor en diameter as - xvii

22 lijst van symbolen K w Parameter van rotorvorm en lengte - K Q Torque coefficient - K T Thrust coefficient - K Tschip Scheepskromme - k p Aantal aangedreven assen - M Koppel nm M loss Verlies koppel nm N Rotor toerental RPM N s Synchroon toerental RPM n Toerental rev/s n secundary Toerental aandrijvende as RPM n primary Toerental aangedreven as RPM P Werkzaam vermogen W P Spoed P LR Locked rotor vermogen W P NL No load vermogen W P O Open water schroef vermogen W P P Schroef vermogen W P S Asvermogen W P f + P v Verzamelterm voor mechanische en ijzerverliezen W P gen Generator vermogen W P loss Verliesvermogen W P lossact Actueel cerliesvermogen W P losslager Verlies tgv lagering in de tandwielkast W P losstand Verlies tgv tandwieloverdracht W P losswervel Verlies tgv het draaien van een rondsel door het oliebad W P mech Mechanisch vermogen aan generator as W P nom Nominaal vermogen W P useful Elektrisch geleverd generator vermogen ew p Aantal polen - Q Blind vermogen var Q LR Locked rotor blind vermogen var Q NL No load blind vermogen var LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht xviii

23 lijst van symbolen R Weerstand N R ll Lijnweerstand ohm r Straal m r m Iron loss resistance ohm r 1 Stator weerstand ohm r 2 Rotor weerstand ohm S gen Schijnbaar generatorvermogen W S NL No load schijnbaar vermogen W s Slip - T Stuwkracht N t Thrust deduction factor - V AC Netspanning V V DC Gelijkspanning V V NL No load spanning V V a Instroom snelheid medium m/s V s Scheepssnelheid m/s V stator Statorspanning V w Wake coefficient - w cop Koperverliezen W w b Wrijvingsverliezen W w f IJzerverliezen W w m Luchtweerstandsverliezen W w s Strooiverliezen W x m Magnetische reactantie ohm x 1 Stator leakage reactance ohm x 2 Rotor leakage reactance ohm Z Impedantie ohm z Aantal bladen - Griekse Symbolen η o Open water rendement - ρ Dichtheid kg/m 3 LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht xix

24 lijst van symbolen σ H Hysterese verlies coëfficiënt - σ E Wervelstroom verlies coëfficiënt - φ Arbeidsfactor rad ω Hoeksnelheid rad/s LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht xx

25 1 Inleiding D e Europese Unie, en daarmee Nederland, heeft afgesproken om in % minder CO2 uit te stoten dan in 1990 [7]. Dit is niet direct in de Nederlandse Defensie Duurzaamheidsnota opgenomen, maar wel is de doelstelling aangenomen om bij de verwerving van wapensystemen de efficiëntie zwaar te laten wegen. Uit de marinestudie van 2005 werd geconcludeerd dat er behoefte was voor patrouilleschepen die gedurende lange tijd op zee konden blijven. Deze patrouilleschepen werden de Ocean Going Patrol Vessels, OPV s. Door de eis om de uitstoot te verlagen wordt dit type schip aangedreven door een hybride configuratie. Dit betekent dat de schroefas aangedreven wordt door een patrouille elektromotor (PEM) voor de lage vaart, en door een hoofdvaartdieselmotor (HVD) voor de hoge vaart. De PEM wordt gevoed door het elektrisch net van het schip, wat weer gevoed wordt door dieselgeneratoren (DG). Deze configuratie wordt ook wel COmbined Diesel electric Or Diesel, (CODLOD) genoemd. Het energy flow diagram van deze situatie is weergegeven in 1.1. Hierin is duidelijk te zien dat de tandwielkast door de hoofdvaartdieselmotor als wel door de elektromotor aangedreven kan worden. Tevens zijn de dieselgeneratoren zichtbaar, waarvan het patrouilleschip er drie stuks heeft staan. Figuur 1.1: Energie flow diagram van de hybride configuratie 1

26 HOOFDSTUK 1. INLEIDING De snelheid op alleen de elektromotoren is maximaal 10 knopen, terwijl de snelheid op hoofdvaartdieselmotoren maximaal 21 knopen is. De Koninklijke Marine heeft voor deze combinatie gekozen omdat het schip 30% van de tijd langzaam een patrouille zal uitvoeren. Voor deze patrouille is dan de lage, economische, vaart geschikt. Deze economische vaart moet vervolgens resulteren in een lagere emissie uitstoot, en een betere onderhoudscyclus van de dieselgeneratoren. Misschien is het mogelijk om de uitstoot van de patrouilleschepen nog verder omlaag te brengen door de elektromotor, na een aanpassing in de regelelektronica, te gebruiken als generator. Deze generator wordt dan aangedreven door de hoofdvaartdieselmotor via de tandwielkast. Dit principe wordt power take off, PTO genoemd. Omgekeerd, wanneer de PEM de tandwielkast aandrijft, wordt het power take in, PTI genoemd. De hoofdvaartdieselmotor is een efficiëntere motor dan de dieselgenerator. Door de elektromotor in generatorbedrijf te koppelen aan de tandwielkast terwijl de hoofdvaartdieselmotor niet zijn volle vermogen hoeft te benutten voor de voortstuwing, is het mogelijk om elektriciteit op te wekken. De onderzoeksvragen die in dit onderzoek centraal staan zijn dan ook: Kan de elektromotor van een hybride aandrijving zoals op het patrouilleschip als generator gebruikt worden bij aandrijving op hoofdmotoren en wat is dan de energiebesparing? Welke deelsystemen spelen een rol bij de energie besparing van deze bedrijfsvoering met gecombineerde elektromotor / generator en welke invloed zou dit hebben op toekomstige fregatten met een mogelijk gelijke hybride aandrijving? Deze vragen zullen worden beantwoord middels een literatuurstudie naar de verliezen in de deelsystemen in hoofdstuk twee. In hoofdstuk drie zullen deze deelsystemen vervolgens gemodelleerd worden. In hoofdstuk vier wordt het operatieprofiel van het patrouilleschip opgesteld. Hoofdstuk vijf simuleert het alledaagse bedrijf aan boord. Deze simulaties bepalen het brandstofverbruik en berekenen dus of er daadwerkelijk een winst te behalen is. Hieruit worden vervolgens conclusies getrokken en aanbevelingen gedaan voor mogelijke toekomstige schepen. LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 2

27 2 Literatuuronderzoek I n dit hoofdstuk wordt aandacht geschonken aan het literatuuronderzoek dat gedaan is naar de verschillende componenten aan boord die te maken hebben met de voortstuwing. Zo zal eerst de elektromotor onderzocht worden. De eerste paragraaf verklaart waarom een asynchrone elektromotor ook als generator kan werken. Vervolgens bespreekt de tweede paragraaf de tandwielkast. Deze paragraaf gaat in op de verschillen tussen de PEM en de HVD modus. De derde paragraaf bespreekt het verschil van een hoger toerental op de schroef. Tot slot beschrijft de laatste paragraaf de dieselgeneratoren en de kruisvaartdiesel. 2.1 Elektromotor De elektromotor die in de huidige OPV s geïmplementeerd is, is een 400 kw kortsluitankermotor. Deze motor zelf is geschikt om als generator te gebruiken, alleen de elektrische aansturing niet. De aansturing van deze motor gebeurt door een Variable Speed Drive, VSD. Deze VSD is niet geschikt om energie op te nemen uit de elektromotor, en terug te leveren aan het elektrisch boordnet. Dit komt namelijk door een diodebrug in deze VSD waar subparagraaf verder op in gaat. Deze paragraaf legt kort uit hoe een elektromotor werkt, vervolgens welke verliezen optreden wanneer de kortsluitankermotor als generator werkt. Tot slot worden de verliezen in de VSD behandeld Elektromotor als generator Een elektromotor is een motor die wordt aangedreven door de lorentzkracht die onstaat wanneer een stroom loopt in een magnetisch veld. De component van de stroom loodrecht op het magnetisch veld wekt dan een kracht op. Wanneer een gelijkspanningsbron, een DC bron, en een permanente magneet gebruikt worden, wordt de meest eenvoudige configuratie van een elektromotor bereikt. Deze configuratie staat weergegeven in afbeelding

28 2.1. ELEKTROMOTOR HOOFDSTUK 2. LITERATUURONDERZOEK Figuur 2.1: Schematische weergave van de werking van een DC motor[1] In de afbeelding valt ook duidelijk te zien dat na een halve omwenteling de stroomrichting in de spoel omdraait. De spoel (rotor) draait in deze afbeelding met de wijzers van de klok mee. De magneet waartussen de rotor zich bevindt, wordt de stator genoemd. In de huidige afbeelding wordt een permanente magneet als stator gebruikt. Veelgebruikt is echter ook een spoel die een elektrisch veld opwekt. De elektromotor in de OPV is een driefase kortsluitankermotor. Dit betekent dat de rotor een kooi is. Deze kooi valt het best te vergelijken met een wiel waar knaagdieren in kunnen rennen. Dit heeft als voordeel dat de gehele omwenteling door, de waarde van de lorentzkracht verschilt per staaf. Hierdoor wordt een grote resulterende kracht opgewekt, wat een krachtigere motor geeft dan als er maar één rotorwinding gebruikt wordt zoals in figuur 2.1. Tevens is een kooirotormotor veel robuuster dan een wound rotor. Laatstgenoemde heeft namelijk koolstofborstels nodig op de rotor om het elektrisch veld in stand te houden, en deze borstels zijn erg onderhoudsgevoelig. Tevens is de permanente magneet vervangen voor spoelen. Deze spoelen worden driefasig gevoed, wat maakt dat ze om de beurt het maximale magnetisch veld hebben. Waneer de spoelen in een 120 verschil ten opzichte van de rotoras geplaatst staan, wordt steeds op een ander punt aan de staven van de kooi getrokken, wat ook weer leidt tot een krachtigere motor [3]. De kooirotor motor is schematisch weergegeven in afbeelding 2.2. LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 4

29 2.1. ELEKTROMOTOR HOOFDSTUK 2. LITERATUURONDERZOEK Figuur 2.2: Schematische weergave van een kortsluitankermotor [2][3] De elektromotor geïnstalleerd in het OPV is tot slot een asynchroonmotor. Dit betekent dat de rotor niet synchroon draait met de draaiing van het elektrisch veld in de stator. Het verschil tussen de rotor en de stator wordt de slip genoemd. Deze slip is juist nodig voor het roteren van de rotor. Het geïnduceerde magnetisch veld van de rotor, veroorzaakt door het magnetische veld in de spoelen van de stator, wekt namelijk een stroom op in de kooistaven van de rotor volgens de wet van Faraday. Op deze geïnduceerde stroom werkt vervolgens weer de lorentzkracht. Als de rotor achterloopt op de stator, wordt gesproken van positieve slip. Van negatieve slip wordt gesproken als de rotor voorloopt op de stator. Dit is in motorbedrijf echter onmogelijk, en gebeurt dus alleen in generatorbedrijf. De formule voor de slip is weergegeven in vergelijking 2.1. De vergelijking voor de statorsnelheid, oftewel de synchroonsnelheid is weergegeven in vergelijking 2.2. s = N s N N s (2.1) N s = 120 f p (2.2) met: s Slip - N s Synchroon snelheid, de snelheid van het draaiveld RPM N De snelheid van de rotor RPM f Statorfrequentie Hz p Aantal polen - Uit hierbovenstaande formule valt op te maken dat elke asynchrone elektromotor als generator kan functioneren, zolang er maar een negatieve slip is. Deze scriptie behandelt de LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 5

30 2.1. ELEKTROMOTOR HOOFDSTUK 2. LITERATUURONDERZOEK elektromotor voornamelijk als generator, waarbij de rotor mechanisch aangedreven zal worden via de tandwielkast door de HVD. Wanneer de rotor mechanisch aangedreven wordt, gaat deze dus werkzaam vermogen P leveren aan het net. Het magnetisch veld in de stator komt tot stant door blind vermogen Q. De generator vraagt het gekoppelde elektrisch net om dit blind vermogen [8]. Omdat het magnetisch veld tot stand moet komen, moet de generator bekrachtigd zijn Generatorverliezen De energie aan de generator wordt mechanisch geleverd. Als de generator ideaal werkt, wordt dit totale vermogen in zijn geheel omgezet in elektrisch vermogen volgens vergelijking 2.3. P = M ω (2.3) met: P vermogen W M koppel nm ω hoeksnelheid rad/s Een ideale generator bestaat echter niet, en daarom moet er een opsomming gemaakt worden van alle verliezen die optreden in een generator, wat maakt dat vergelijking 2.3 omgeschreven kan worden naar vergelijking 2.4. P = M ω P loss (2.4) Aangezien bij windmolens ook een mechanisch aangedreven as een generator voedt, wordt een analogie gemaakt naar deze generatoren. Het enige verschil met een windmolen is dat de generator daar aangedreven wordt door een propeller via de wind, in plaats van via een dieselmotor. Tevens zit in elke windmolen een tandwielkast, dus wordt deze in de literatuur daarvan meegenomen. In deze scriptie wordt de tandwielkast als een los deelsysteem behandeld. Volgens Tamura [4] treden er in een asynchrone kooirotor generator vier type verliezen op, te weten: mechanische verliezen; Dit zijn twee type verliezen, namelijk wrijvingsverliezen in de kogellagers en de luchtweerstand van de rotor. koper verliezen; Deze verliezen treden op in de koperen windingen van de spoelen van de stator, en in de koperen kooi van de rotor. ijzer verliezen; Dit zijn verliezen in de ijzeren kern van de spoelen. Hierin treden wervelstroom en hysterese verliezen op. LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 6

31 2.1. ELEKTROMOTOR HOOFDSTUK 2. LITERATUURONDERZOEK strooiverliezen. Dit zijn verliezen die optreden doordat niet het volledige magnetische veld opgevangen wordt door de rotor. Om deze verliezen echter te kwantificeren dient eerst een equivalent schema gemaakt te worden van de generator. In dit schema staan weerstanden en de reactanties van de stator en rotor, waardoor de stroom in het circuit berekend kan worden. Het equivalente stroom schema is weergegeven in afbeelding 2.3. Figuur 2.3: Equivalente schema van kortsluitanker generator [4] met: r 1 stator weerstand ohm r 2 rotor weerstand ohm x 1 Stator leakage reactance ohm x 2 Rotor leakage reactance ohm r m Iron loss resistance ohm x m Magnetische reactantie ohm I 1 Stator stroom A I 2 Rotor stroom A Wanneer de weerstanden en reactanties bekend zijn, en er een statorspanning op het schema gezet wordt, valt via een stelsel van vergelijkingen de stroom in de rotor en in de stator te berekenen, zie vergelijking 2.5. De stroom is een functie van de slip, en daarmee een functie van het toerental van de rotor volgens vergelijking 2.1. ( V 1 = 0 = jr mx m r m jx m I 1 + r 1 + jx 1 + jr mx m r m jx m ) I 1 + jr mx m r m jx m I 2 ( jrm x m r m jx m + r 2 s + jx 2 ) I 2 Omdat in het elektrische schema nu alles bekend is, is het mogelijk om formules op te stellen van de verliezen. Zo eerst de mechanische verliezen, welke opgedeeld worden in twee typen. Het wrijvingsverlies in de kogellagers staat weergegeven in vergelijking 2.6, en het verlies als gevolg van de luchtweerstand staat in vergelijking 2.7. LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 7 (2.5)

32 2.1. ELEKTROMOTOR HOOFDSTUK 2. LITERATUURONDERZOEK w b = K b ω (2.6) w m = K w ω 2 (2.7) met: w b Wrijvingsverliezen W w m Luchtweerstandsverliezen W K b Parameter van gewicht rotor en diameter as - K w Parameter van rotorvorm en lengte - De koper verliezen hangen af van de weerstand van de spoelen van zowel de stator als de rotor, en de stroom die hier doorheen loopt. In vergelijking 2.8 staat de formule van de verliezen als functie van de stroom. w cop = r 1 I r 2 I2 2 (2.8) met: w cop Koperverliezen W In de ijzeren kern van de spoelen in de stator ontstaan ijzerverliezen. Dit zijn twee type verliezen, namelijk wervelstroomverliezen en hysterese verliezen. Hysterese is het achterblijven van het ijzer ten opzichte van het magnetisch veld, waardoor de ijzeren kern niet volledig gemagnetiseerd wordt. Afbeelding 2.4 geeft een schematische weergave van het hysterese verlies. De breedte van de lus hangt af van het type materiaal. Een materiaal met een groot hysterese verlies zal een bredere lus hebben dan materiaal met een klein hysterese verlies. Figuur 2.4: Grafische weergave van hysterese verliezen [5] LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 8

33 2.1. ELEKTROMOTOR HOOFDSTUK 2. LITERATUURONDERZOEK De wervelstroom verliezen worden geminimaliseerd door de ijzeren kern in kleine platen op te knippen, zodat de wervels die dan kunnen ontstaan zo klein mogelijk zijn. Deze kleine wervels hebben dan een minimum aan warmte opbrengst, en dus een minimum verlies van energie. Vergelijking 2.9 geeft de ijzerverliezen als functie van de frequentie en het magnetisch veld. Dit geeft een constant verlies, omdat beide constant zijn, en onafhankelijk van de rotorsnelheid [4]. Deze constante waarde wordt anders wanneer een verandering in de frequentie, of de fluxdichtheid optreedt. ( ) ) w f = B (σ 2 f f 2 H σ E d 2 (2.9) 100 met: w f IJzerverliezen W B Fluxdichtheid T σ H Hyserese verlies coëfficiënt - σ E Wervelstroom verlies coëfficiënt - f Frequentie Hz d Dikte van de ijzeren kern mm De laatste verliesfactor in de generator es het strooiverlies. Deze verliezen ontstaan doordat het magnetisch veld geïnduceerd door de stator niet in zijn geheel door de rotor gaat. Deze verliezen worden gekwantificeerd via vergelijking w s = P2 P nom (2.10) met: w s Strooiverliezen W P nom Nominaal vermogen W Variable Speed Drive Om de snelheid van de elektromotor te regelen, zit in de huidige configuratie van het OPV een Variable Speed Drive. Dit is een omvormer die eerst de wisselspanning omzet naar gelijkspanning, en vervolgens van de gelijkspanning een frequentie geregelde wisselspanning maakt, zie afbeelding 2.5. De frequentie van deze spanning bepaalt vervolgens het toerental van de elektromotor. LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 9

34 2.1. ELEKTROMOTOR HOOFDSTUK 2. LITERATUURONDERZOEK Figuur 2.5: Schematische weergave van de VSD [6] Het eerste element in de VSD is een gelijkrichter. De meest gebruikte gelijkrichter voor drie fase stromen is een drie fase volledige golf gelijkrichter, oftewel een Graetz brug [9]. Dit levert gelijk het probleem waarom deze VSD niet gebruikt kan worden om de opgewekte stroom terug te leveren aan het boord elektrisch net van het schip. De stroom kan namelijk niet terug door de diodebrug. Een VSD die het generatorbedrijf wel aan kan zal ook een gelijkrichter moeten hebben. Echter deze gelijkrichter moet dan wel van gelijkspanning ook wisselspanning kunnen maken oftewel, het moet een active front end rectifier zijn. Dit lijkt heel erg op de frequentieregelaar zoals die nu in de VSD zit, maar de gelijkrichter is ook vervangen voor een frequentieregelaar. Deze laatste frequentieregelaar zorgt er dan voor dat de opgewekte stroom ook met de juiste frequentie teruggeleverd wordt aan het boord elektrisch net. Voor de efficiëntie van deze active front end recitifier wordt aangenomen dat hier dezelfde efficiëntie van de huidige (passive front end) VSD geldt. Door schakelverliezen in de thyristoren zal deze aanname te gunstig uitpakken. Figuur 2.6: Versimpelde schematische weergave van een active front end Afbeelding 2.6 geeft een schematische weergave van een vereist active front end dat geïnstaleerd moet worden. Doordat de diodes vervangen zijn voor thyristoren, zie inverter A figuur 2.6, is het mogelijk geworden om ook wisselspanning terug te leveren aan het elektrisch boord net. Wanneer de motor echter in generator bedrijf is, zal inverter B, figuur 2.6, gelijkstroom moeten creëren, waardoor deze als een schakelende Graetz brug zal werken. Hierbij wordt aangenomen dat de efficiëntie niet verandert ten opzichte van de huidige VSD, terwijl in werkelijkheid de efficiëntie zal verminderen. Om de gewenste frequentie te LTZ3(TD) J.H. Engelbrecht 10