Masterproef Opbouw didactische proefstand synchrone generator

Masterproef Opbouw didactische proefstand synchrone generator Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Academiejaar 2010-2011 Mathias Verhaeghe Academische bachelor- en masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk

Voorwoord Een belangrijk onderdeel van de opleiding Master Elektromechanica is het maken van een masterproef met hierbijhorend een thesistekst. Door het maken van deze masterproef kan alle kennis die tijdens de opleiding bijgebracht werd, in de realiteit toegepast worden. Daarom wil ik alle docenten die mij deze kennis hebben bijgebracht bedanken. Het uitvoeren van de masterproef verloopt natuurlijk niet altijd van een leien dakje en moest er hier en daar wat bijgestuurd worden door de promotoren. Daarom wil ik Steve Dereyne (interne promotor) en Jos Knockaert (co-promotor) bedanken voor hun raadgeving en bijdrage bij de uitvoering van deze masterproef. Hierdoor werd alles in goede banen geleid wat noodzakelijk is om het geheel tot een goed eindresultaat te laten verlopen. Ook wil ik hen nog bedanken voor de verbetering van mijn thesistekst. Verder wil ik nog mijn ouders bedanken voor hun steun tijdens deze masterproef en omdat ze mij de mogelijkheid gegeven hebben om deze opleiding te volgen. Ook mijn familie en vrienden wil ik nog bedanken voor hun steun. Mathias Verhaeghe Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 I

Inhoudsopgave VOORWOORD... I INHOUDSOPGAVE... II ABSTRACT... V GEBRUIKTE SYMBOLEN EN AFKORTINGEN... VI LIJST VAN FIGUREN... VIII LIJST VAN TABELLEN... X LIJST VAN GRAFIEKEN... XI 1 INLEIDING... 1 1.1. SITUERING VAN HET PROJECT... 1 1.2. DOELSTELLINGEN... 1 1.3. ANALYSE VAN HET PROJECT... 2 1.3.1. Theoretisch... 2 1.3.2. Praktisch... 2 2 SYNCHRONE GENERATOR... 3 2.1. PRINCIPE GENERATOR... 3 2.2. OPBOUW EN WERKING SYNCHRONE GENERATOR... 3 3 DIDACTISCHE OPSTELLING... 5 3.1. ONDERDELEN VAN DE DIDACTISCHE OPSTELLING... 5 3.1.1. Elektrische motor... 5 3.1.2. Koppeling... 6 3.1.3. Synchrone generator... 7 3.1.4. Drive... 10 3.1.5. Schakelkast... 10 3.2. TESTEN VAN DE ONDERDELEN... 11 3.2.1. Bijgeleverde regelaars... 11 3.2.1.1. R438 A.V.R.... 11 3.2.1.2. Module R726... 11 3.2.2. Uitvoering... 12 3.3. BESLUIT TESTOPSTELLING... 14 4 UITWERKING DIDACTISCHE OPSTELLING... 15 4.1. THEORETISCHE UITWERKING... 15 4.1.1. Synchronisatievoorwaarden controleren... 15 4.1.2. Regelen van de frequentie en de spanning... 16 4.1.2.1. Frequentie... 16 4.1.2.2. Spanning... 17 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 II

4.1.3. Koppelingen... 17 4.1.3.1. Manuele koppeling... 18 4.1.3.2. Automatische netkoppeling... 18 4.1.3.3. Manuele netkoppeling met ondersteuning van automatische... 18 4.1.4. Aansluitingen... 19 4.1.5. Elektrische schema s... 19 4.1.5.1. Vermogenkring... 20 4.1.5.2. Stuurkring... 21 4.1.6. Ontwerp schakelkast... 23 4.1.6.1. Voorkant... 23 4.1.6.2. Zijkant links... 24 4.1.6.3. Zijkant rechts... 25 4.2. PRAKTISCHE UITWERKING... 26 4.2.1. Paneelmeters... 26 4.2.2. Drukknoppen en aansluitbussen... 26 4.2.3. Bekabelen schakelkast... 27 4.2.4. Uittesten didactische opstelling... 28 5 OPMETEN EQUIVALENT SCHEMA VAN DE SYNCHRONE GENERATOR... 30 5.1. DOEL OPMETEN EQUIVALENT SCHEMA... 30 5.1.1. Subtransiënte reactantie... 31 5.1.2. Transiënte reactantie... 31 5.1.3. Synchrone reactantie... 32 5.1.4. Inverse reactantie... 34 5.1.5. Homopolaire reactantie... 34 5.2. IEC 60034: NORMEN VOOR ROTERENDE ELEKTRISCHE MACHINES... 35 5.3. PER UNIT REKENING... 37 5.3.1.1. Basiswaarden... 37 5.4. LANGSREACTANTIE X D... 38 5.4.1. Nullastproef... 38 5.4.1.1. Uitvoering... 38 5.4.1.2. Meetwaarden... 39 5.4.2. Kortsluitproef... 40 5.4.2.1. Uitvoering... 40 5.4.2.2. Meetwaarden... 40 5.4.3. Bepaling van X d uit nullastproef en kortsluitproef... 41 5.5. DWARSREACTANTIE X Q... 44 5.5.1. Asynchrone nullastproef... 44 5.5.1.1. Uitvoering... 44 5.5.1.2. Meetwaarden... 44 5.5.2. Bepaling van X q uit asynchrone nullastproef... 47 5.6. INVERSE REACTANTIE X I... 48 5.6.1. Proef met opgelegd invers spanningssysteem... 48 5.6.1.1. Uitvoering... 48 5.6.1.2. Meetwaarden... 48 5.6.2. Bepaling van X i uit proef met opgelegd invers spanningssysteem... 49 5.6.3. Tweefasige kortsluitproef... 50 5.6.3.1. Uitvoering... 50 5.6.3.2. Meetwaarden... 51 5.6.4. Bepaling van X i uit tweefasige kortsluitproef... 51 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 III

5.7. HOMOPOLAIRE REACTANTIE X H... 52 5.7.1. Proef met drie fasen in parallel op eenfasig net... 52 5.7.1.1. Uitvoering... 52 5.7.1.2. Meetwaarden... 52 5.7.2. Bepaling van X h uit proef met drie fasen in parallel op eenfasig net... 53 5.8. TRANSIËNTE LANGSREACTANTIE X D EN SUBTRANSIËNTE LANGSREACTANTIE X D... 54 5.8.1. Stootkortsluitproef... 54 5.8.1.1. Uitvoering... 54 5.8.1.2. Meetwaarden... 54 5.8.2. Bepaling van X d en X d uit stootkortsluitproef... 58 5.9. BESLUIT OPMETEN EQUIVALENT SCHEMA... 71 6 OPMETEN BELASTINGSKARAKTERISTIEKEN... 72 6.1. IN ALLEENSTAAND BEDRIJF... 72 6.1.1. Resistieve belasting... 74 6.2. AAN STAR NET... 75 6.2.1. V-curves... 75 6.2.2. P-Q curven... 77 7 ALGEMEEN BESLUIT... 80 8 LITERATUURLIJST... 81 8.1. BOEKEN EN CURSUSSEN... 81 8.2. NORMEN... 81 8.3. WEBPAGINA'S... 81 9 BIJLAGEN... 83 9.1. SAMENSTELLINGSTEKENING GENERATOR... 84 9.2. DATASHEET GENERATOR... 85 9.3. SCHAKELSCHEMA MODULES... 86 9.4. SYNCHRONISING CHECK... 87 9.5. ELEKTRISCHE SCHEMA S... 88 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 IV

Abstract This school year, a new synchronous generator was purchased to create a new test setup for students. This was done because the old setup had to be renewed and it existed of an old generator from which none of the parameters were known. Because of this, measurements could not be checked if they were right or wrong. With this new test setup these problems should be solved and the students learn to work with a machine made with the latest technology. The purpose of this project was to make a new test setup on which tests and measurements can be done by students. To achieve this, a theoretical study had to be made about the new synchronous generator. With this data, tests could be created which then can be applied on the generator. The created tests had to be performed on the new test setup so the data obtained from the measurements could be compared to the given parameters from the datasheet of the new generator. If the parameters matched, there could be concluded the tests were performed correctly and they can be used during lessons in which the students can perform the tests by themselves. For the practical side of the project, all the electrical parts of the test setup had to be connected. This was done by placing all the analog measuring devices, push-buttons, connectors and wires in an electrical control cabinet. By doing this, everything is installed and there are no electrical wires lying around openly in the test setup. Once all of this was done, the new test setup had to be tested to make sure everything is working properly and that it is safe to be used by students. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 V

Gebruikte symbolen en afkortingen A.V.R. BIN BOP IEC = Automatic Voltage Regulator = Belgisch Instituut voor Normalisatie = Basic Operator Panel = International Electrotechnical Commission Hoofdletters vb. X Kleine letters vb. x = Absolute waarde = Per unit waarde I k I" k I k Φ q cos φ I ac I b I b,nom onbelast I b0 I basis I bk I bl I k I k0 I k I l I l,max I l,min I lk I nom n P P basis P tot P 3 fasig R h R i S basis U b U basis U l U l,max U l,min U nom U rs = Transiënte kortsluitstroomcomponente = Subtransiënte kortsluitstroomcomponente = Kortsluitstroom = Dwarsflux = Arbeidsfactor = Totale periodieke stroom = Bekrachtigingsstroom = Bekrachtigingsstroom wanneer generator onbelast draait bij nominale klemspanning = Bekrachtigingsstroom bij nullast = Basisstroom of nominale stroom van de generator = Bekrachtigingsstroom bij kortsluiting = Bekrachtigingsstroom rekening houdende met de luchtspleetlijn = Stationaire kortsluitstroom = Kortsluitstroom bij nullast = Stationaire kortsluitstroom = Lijnstroom van de generator = Maximum lijnstroom van de generator = Minimum lijnstroom van de generator = Kortsluitstroom = Nominale stroom = Toerental = Vermogen = Basisvermogen of nominale vermogen van de generator = Totaal vermogen = Driefasig ingaan vermogen = Homopolaire component van de weerstand = Inverse component van de weerstand = Basis schijnbaar vermogen of nominaal schijnbaar vermogen van de generator = Bekrachtigingsspanning = Basisspanning of nominale spanning van de generator = Lijnspanning van de generator = Maximum lijnspanning van de generator = Minimum lijnspanning van de generator = Nominale spanning van de generator = Spanning tussen kortsluitpunt en het uiteinde van de open fase Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 VI

X d X d,onverz X d,verz X d X d,verz X" d X" d,verz X h X h,onverz X i X i,verz X q X q,onverz X" q Z basis Z h Z i = Langsreactantie = Onverzadigde langsreactantie = Verzadigde langsreactantie = Transiënte langsreactantie = Verzadigde transiënte langsreactantie = Subtransiënte langsreactantie = Verzadigde subtransiënte langsreactantie = Homopolaire reactantie = Onverzadigde homopolaire reactantie = Inverse reactantie = Verzadigde inverse reactantie = Dwarsreactantie = Onverzadigde dwarsreactantie = Subtransiënte dwarsreactantie = Basisimpedantie of nominale impedantie van de generator = Homopolaire component van de impedantie = Inverse component van de impedantie Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 VII

Lijst van figuren Figuur 2.1: Werking synchrone generator... 3 Figuur 3.1: Didactische opstelling... 5 Figuur 3.2: Elektrische motor... 6 Figuur 3.3: Klauwkoppeling... 6 Figuur 3.4: Afscherming klauwkoppeling... 7 Figuur 3.5: Exploded view van de generator... 7 Figuur 3.6: AREP-systeem... 8 Figuur 3.7: Synchrone generator... 9 Figuur 3.8: Drive... 10 Figuur 3.9: Schakelkast... 10 Figuur 3.10: R438-module... 11 Figuur 3.11: R726-module... 11 Figuur 3.12: Testopstelling... 12 Figuur 3.13: Testopstelling met modules... 12 Figuur 3.14: Modules... 12 Figuur 3.15: Bekrachtiging generator (onbelast)... 13 Figuur 4.1: Draaiveldaanwijzer... 15 Figuur 4.2: Dubbele frequentiemeter... 15 Figuur 4.3: Dubbele voltmeter... 16 Figuur 4.4: Synchronoscoop... 16 Figuur 4.5: Bekrachtiging generator (belast)... 17 Figuur 4.6: Gelijkspanningsbron... 17 Figuur 4.7: Synchronising check... 18 Figuur 4.8: Aansluitbussen... 19 Figuur 4.9: Vermogenkring... 20 Figuur 4.10: Stuurkring... 21 Figuur 4.11: Voorkant schakelkast... 23 Figuur 4.12: Zijkant links schakelkast... 24 Figuur 4.13: Zijkant rechts schakelkast... 25 Figuur 4.14: Gaten voor paneelmeters... 26 Figuur 4.15: Paneelmeters gemonteerd... 26 Figuur 4.16: Gaten voor aansluitbussen... 26 Figuur 4.17: Aansluitbussen gemonteerd... 26 Figuur 4.18: Gaten bedieningsknoppen... 27 Figuur 4.19: Bedieningsknoppen gemonteerd... 27 Figuur 4.20: Grondplaat schakelkast... 27 Figuur 4.21: Grondplaat bekabeld... 28 Figuur 4.22: Paneelmeters bekabeld... 28 Figuur 4.23: Uittesten didactische opstelling... 28 Figuur 5.1: Subtransiënte fase... 31 Figuur 5.2: Transiënte fase... 32 Figuur 5.3: Stationaire fase... 33 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 VIII

Figuur 5.4: Langs- en dwarsas... 33 Figuur 5.5: Meetopstelling nullastproef... 38 Figuur 5.6: Meetopstelling kortsluitproef... 40 Figuur 5.7: Meetopstelling asynchrone nullastproef... 44 Figuur 5.8: Spanning bij asynchrone nullastproef (25 ms)... 45 Figuur 5.9: Spanning bij asynchrone nullastproef (50 ms)... 45 Figuur 5.10: Stroom bij asynchrone nullastproef... 46 Figuur 5.11: Minimumstroom bij asynchrone nullastproef... 46 Figuur 5.12: Maximumstroom bij asynchrone nullastproef... 47 Figuur 5.13: Meetopstelling proef met opgelegd invers spanningssysteem... 48 Figuur 5.14: Schakeling om inverse reactantie te bepalen... 50 Figuur 5.15: Meetopstelling tweefasige kortsluitproef... 50 Figuur 5.16: Meetopstelling proef met drie fasen in parallel op eenfasig net... 52 Figuur 5.17: Meetopstelling stootkortsluitproef... 54 Figuur 5.18: Scoopbeeld stootkortsluitproef bij 39 V... 55 Figuur 5.19: Scoopbeeld stootkortsluitproef bij 62 V... 55 Figuur 5.20: Scoopbeeld stootkortsluitproef bij 82 V... 56 Figuur 5.21: Scoopbeeld stootkortsluitproef bij 105 V... 56 Figuur 5.22: Scoopbeeld stootkortsluitproef bij 125 V... 57 Figuur 6.1: Belastingskarakteristieken... 72 Figuur 6.2: Vereenvoudigde vectordiagrammen belastingen... 73 Figuur 6.3: Constante lijnen... 78 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 IX

Lijst van tabellen Tabel 3.1: Kenplaatgegevens motor... 5 Tabel 3.2: Kenplaatgegevens generator (a)... 9 Tabel 3.3: Kenplaatgegevens generator (b)... 9 Tabel 3.4: Meetresultaten opwekkerstator... 13 Tabel 5.1: IEC 60034-normen... 35 Tabel 5.2: Meetwaarden nullastproef... 39 Tabel 5.3: Meetwaarden kortsluitproef... 40 Tabel 5.4: Transiënte en subtransiënte reactanties... 69 Tabel 5.5: Vergelijken reactanties... 71 Tabel 6.1: Meetwaarden resistieve belasting... 74 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 X

Lijst van grafieken Grafiek 5.1: Nullastkarakteristiek... 39 Grafiek 5.2: Kortsluitkarakteristiek... 41 Grafiek 5.3: Nullastkarakteristiek... 42 Grafiek 5.4: Bepalen van I bl uit gecorrigeerde nullastkarakteristiek... 43 Grafiek 5.5: Stootkortsluitstroom bij 32 V... 58 Grafiek 5.6: Periodisch gedeelte stootkortsluitstroom bij 32 V (a)... 59 Grafiek 5.7: Periodisch gedeelte stootkortsluitstroom bij 32 V (b)... 60 Grafiek 5.8: Stootkortsluitstroom bij 62 V... 61 Grafiek 5.9: Periodisch gedeelte stootkortsluitstroom bij 62 V... 62 Grafiek 5.10: Stootkortsluitstroom bij 82 V... 63 Grafiek 5.11: Periodisch gedeelte stootkortsluitstroom bij 82 V... 64 Grafiek 5.12: Stootkortsluitstroom bij 105 V... 65 Grafiek 5.13: Periodisch gedeelte stootkortsluitstroom bij 105 V... 66 Grafiek 5.14: Stootkortsluitstroom bij 125 V... 67 Grafiek 5.15: Periodisch gedeelte stootkortsluitstroom bij 125 V... 68 Grafiek 5.16: Transiënte en subtransiënte reactanties... 69 Grafiek 5.17: Bepalen verzadigde transiënte en subtransiënte reactantie... 70 Grafiek 6.1: Karakteristiek resistieve belasting... 74 Grafiek 6.2: V-curves... 75 Grafiek 6.3: Uitleg V-curves... 76 Grafiek 6.4: P-Q-curve bij bekrachtiging van 0,6 A... 77 Grafiek 6.5: P-Q-curve bij bekrachtiging van 2,0 A... 78 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 XI

1 Inleiding 1.1. Situering van het project Het project wordt uitgevoerd in Howest Kortrijk Campus Graaf Karel de Goedelaan, een sterk groeiende hogeschool met 22 bacheloropleidingen en 7 masteropleidingen. De uitwerking van het project vindt plaats in het labo elektrische machines en aandrijvingen. In dit labo vind je alles terug wat te maken heeft met de hedendaagse technieken die gebruikt worden voor aandrijvingen in de machinebouw zoals het aansturen van elektromotoren via een drive, energieopwekking via generatoren, energie-efficiëntie van elektrische aandrijfsystemen,.op deze manier kunnen de studenten hun theoretische kennis omzetten in praktische ervaring om zo toch al wat vertrouwd te raken met de verschillende technieken voor ze in het bedrijfsleven stappen. 1.2. Doelstellingen Om de studenten die een opleiding in de industriële wetenschappen volgen meer op de hoogte te houden van de laatste ontwikkelingen naar elektriciteitsopwekking toe, werd dit jaar een nieuwe synchrone generator aangekocht in het labo elektrische machines en aandrijvingen. De bedoeling is om met deze generator een nieuwe didactische testopstelling uit te bouwen doordat de huidige testopstelling aan vernieuwing toe is. Ook zijn de machineparameters van de huidige machine niet gekend waardoor het niet mogelijk is om een echte controle te doen op de metingen. Met de nieuwe synchrone generator kunnen deze problemen opgelost worden. Eens de didactische opstelling gemaakt is, zullen de studenten, nadat de didactische proeven uitgevoerd zijn, de mogelijkheid hebben om hun resultaten te vergelijken met de gekende machineparameters en hieruit kunnen dan besluiten getrokken worden zoals of de proeven wel correct uitgevoerd geweest zijn, wat de invloed is van de parameters die ze juist opgemeten hebben, Om dit doel te bereiken moet er eerst een theoretische studie gemaakt worden van de aangekochte synchrone generator, zodat aan de hand van deze gegevens een gepaste didactische opstelling kan uitgewerkt en opgebouwd worden en ook de didactische proeven kunnen opgesteld worden. Het doel van de didactische proeven zijn: Werking van de synchrone generator en zijn regeling aantonen Opmeten van de machineparameters met verificatie van de kenplaatgegevens Eilandwerking en netgekoppelde werking met hun specifieke regeling aantonen Mogelijke synchronisaties aantonen o Manuele synchronisatie o Automatische synchronisatie o Manuele synchronisatie met assistentie van automatische module indien de synchronisatievoorwaarden manueel niet voldaan zijn Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 1

1.3. Analyse van het project Het project bestaat uit een theoretisch gedeelte en een praktisch gedeelte. 1.3.1. Theoretisch Als eerste wordt een algemene theoretische studie gemaakt over het principe en de werking van een synchrone generator. Eens dit gekend wordt bekeken volgens welk principe de aangekochte generator werkt. Met deze gegevens kunnen dan testmetingen gedaan worden zodat de berekende parameters vergeleken kunnen worden met de opgegeven parameters in de datasheet. Indien de parameters overeenkomen kunnen vanuit deze testmetingen didactische proeven opgesteld worden die door de studenten kunnen uitgevoerd worden. Een ander onderdeel van het theoretisch gedeelte is het uitwerken en tekenen van elektrische schema s voor het bekabelen van de schakelkast. Hierdoor zijn dan de onderdelen gekend die nodig zijn om de schakelkast op een correcte manier te bekabelen. 1.3.2. Praktisch Het praktisch gedeelte bestaat uit het uitvoeren van testmetingen en het bekabelen van de schakelkast. Het uitvoeren van de testmetingen is nodig zodat dan a.d.h.v. berekeningen de parameters van de machine gekend zijn. Bij het bekabelen van de schakelkast worden de paneelmeters, schakelaars en aansluitbussen voor banaanstekkers op de schakelkast geplaatst en wordt de schakelkast van de nodige bedrading voorzien. Eens dit alles gedaan is, zal de didactische opstelling uitgetest worden zodat een correcte werking ervan gegarandeerd kan worden. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 2

2 Synchrone generator 2.1. Principe generator Het doel van een generator is om mechanische energie om te zetten naar elektrische energie, wat eigenlijk de omgekeerde werking is van een elektromotor. Deze mechanische energie kan afkomstig zijn van bv. een dieselmotor, een turbine, De bedoeling van deze mechanische energie is om hiermee een generator aan te drijven, namelijk de rotor van de generator. Deze rotor is het gedeelte van de generator dat ronddraait in de stator welke vast is. Hierdoor wordt er in de wikkelingen van de stator elektrische energie opgewekt. Er bestaan twee manier om de elektrische energie op te wekken nl. asynchrone generatie en synchrone generatie. Op beide manieren wordt een wisselspanning opgewekt maar de manier waarop dit gebeurt is verschillend. Doordat er in de didactische opstelling gebruik gemaakt wordt van een synchrone generator zal de werking ervan in het volgend hoofdstuk nader toegelicht worden. 2.2. Opbouw en werking synchrone generator Bij een synchrone generator wordt er een gelijkstroom geplaatst op de wikkelingen in de rotor. Dit in combinatie met de rotor die ronddraait resulteert in het ontstaan van een magnetisch veld [8]. Doordat het magnetisch veld ronddraait, verandert ook de magnetische flux. Hierdoor wordt een inductiespanning opgewekt in de stator. Deze spanning kan dan afgetakt worden om elektrische machines aan te drijven of om op het net te injecteren. Figuur 2.1: Werking synchrone generator De reden waarom dit een synchrone generator genoemd wordt is omdat de frequentie van de opgewekte statorspanning gelijk is ( synchroon ) aan het toerental van de rotor. Er is dus alleen continue vermogensoverdracht als het rotor- en statordraaiveld even snel draaien. Wanneer de synchrone generator gekoppeld wordt aan het elektriciteitsnet, dan wordt het statordraaiveld opgelegd door het net en ligt hiermee het toerental van de rotor vast. De magnetische flux kan bij synchrone generatoren van zeer klein vermogen opgewekt worden door permanente magneten [2]. Praktisch wordt de flux meestal opgewekt door middel van elektromagneten waarvan de wikkelingen bekrachtigd worden door een gelijkstroom. Deze gelijkstroom kan komen van een dynamo die zich ofwel op de as van de synchrone generator bevindt ofwel gekoppeld is via een reductor. Tegenwoordig is de dynamo veelal vervangen door een generator die een wisselspanning opwekt en die zich binnenin de synchrone generator bevindt. Deze wisselspanning wordt dan gelijkgericht door een gelijkrichter Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 3

die zich buiten de generator bevindt of door een gelijkrichter die in de rotor is aangebracht zodat er geen sleepringen en borstels meer nodig zijn (borstelloze uitvoering). Er zijn twee soorten synchrone generatoren namelijk de binnenpoolmachine en de buitenpoolmachine. Bij een binnenpoolmachine draaien de polen rond in een stilstaande statorwikkeling en bij een buitenpoolmachine draaien de wikkelingen rond tussen stilstaande polen. Een binnenpoolmachine moet dus gebruik maken van sleepringen en borstels (behalve in de borstelloze uitvoering) om de gelijkstroom naar de poolwikkelingen te sturen. Binnenpoolmachines worden praktisch altijd toegepast bij grotere vermogens, buitenpoolmachines bij kleinere vermogens. Er bestaan twee hoofduitvoeringen van de rotor van een binnenpoolmachine namelijk [2]: Rotor met uitspringende polen (ook wel poolradalternator of vliegwielgenerator genoemd) - Bij aandrijving door een stoom- of gasturbine is de rotor 4-polig uitgevoerd en draait hij met een snelheid van 1500 tr/min - Bij aandrijving door waterkrachtturbine (hydro-generator) (grote vermogens) o Korte rotor (meestal 6 maal kleiner dan de diameter van de rotor) o Grote diameter van de rotor o Groot aantal uitspringende polen (soms meer dan 100) o Lage draaisnelheid (50 tot 150 tr/min) o Kleine luchtspleet tussen stator en rotor (2 tot 3 cm bij hele grote machines) o Zware rotor dient ook als vliegwiel waardoor bij een onregelmatig aandrijvend koppel toch een soepele gang van de machine bekomen wordt Gladde of cilindrische rotor (ook wel turbo-generator genoemd) - Aangedreven door stoom- of gasturbines o Lange rotor o Kleine diameter van de rotor o Klein aantal polen o Hoge draaisnelheid (3000 tr/min) o Grotere luchtspleet dan hydro-generator Een synchrone generator kan gebruikt worden in eilandbedrijf of voor koppeling aan het net. In eilandbedrijf levert de generator elektrische energie voor allerlei machines die niet verbonden zijn met het net. Een voorbeeld van een generator in eilandbedrijf is bv. een noodaggregaat in een ziekenhuis. Hierbij moet dus de spanning en de frequentie steeds constant blijven bij alle soorten belastingen. Er wordt dan een regelaar geplaatst op de generator die ervoor zorgt dat als de belasting verandert het toerental van de aandrijving ook verandert zodat de frequentie hetzelfde blijft. Hetzelfde wordt dan gedaan voor de spanning. Een synchrone generator kan ook gekoppeld worden aan het net. Een synchrone generator heeft 4 werkingsgebieden bij netkoppeling [2] [12]. - Als de generator actief vermogen afgeeft, dan werkt hij als generator - Als de generator actief vermogen opneemt, dan werkt hij als motor - Wanneer hij overbekrachtigd is, dan zal hij reactief vermogen afgeven en gedraagt hij zich als een condensator - Wanneer hij onderbekrachtigd is, dan neemt hij reactief vermogen op en gedraagt hij zich als een spoel Wanneer de generator reactief vermogen afgeeft, dan spreekt men van een synchrone compensator. Dit wil zeggen dat de cos φ hiermee kan verbeterd worden (cos φ compensatie). Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 4

3 Didactische opstelling 3.1. Onderdelen van de didactische opstelling De didactische opstelling is opgebouwd uit verschillende onderdelen: 1) Elektrische motor 2) Koppeling 3) Synchrone generator 4) Drive 5) Schakelkast Figuur 3.1: Didactische opstelling 3.1.1. Elektrische motor In de industrie wordt een synchrone generator aangedreven door dieselmotoren, stoom-, gas-, of waterturbines of door de wieken van windmolens. Doordat het onmogelijk is om een dergelijke aandrijving te gebruiken in het labo wegens de omvang ervan en de lawaaihinder, wordt er in de didactische opstelling een elektrische motor gebruikt. Hierdoor is de benodigde ruimte in het lokaal kleiner en is het lawaai tot een minimum beperkt. Als motor werd een motor van een Belgische leverancier gekozen namelijk EMI. Het betreft een 15 kw motor. In Tabel 4.1 zijn de kenplaatgegevens van de motor terug te vinden. Tabel 3.1: Kenplaatgegevens motor EMI tel: +3256420225 www.emi.be Serial n : W882051 Type: Y2-160I-4R3 IP55 ins cl. F S1 V Δ/Y Hz kw rpm A Δ/Y Cos Φ 400/690 50 15 1460 28,9/16,7 0,85 440/760 60 18 1750 26,3/15,17 0,85 Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 5

Figuur 3.2: Elektrische motor 3.1.2. Koppeling Om de elektrische motor met de synchrone generator te verbinden, wordt er gebruik gemaakt van een klauwkoppeling. De klauwkoppeling is van het merk KTR en van het type ROTEX GS-38. De twee klauwen zijn gemaakt uit aluminium en de spider is gemaakt van polyurethaan. Hierdoor is de klauwkoppeling backlash-vrij en worden trillingen gereduceerd. Figuur 3.3: Klauwkoppeling Op vlak van veiligheid is dit een onderdeel die een risico vormt voor de studenten. Daarom werd er een afscherming voorzien die de klauwkoppeling onbereikbaar maakt voor handen en vingers. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 6

Figuur 3.4: Afscherming klauwkoppeling 3.1.3. Synchrone generator De aangekocht synchrone generator is een Leroy-Somer van het type LSA 42.2 en is dubbelgelagerd (nummer 60 en 70 op figuur 3.5). Het betreft hier een vierpolige binnenpoolmachine (dit is te zien op figuur 3.5 bij nummer 4) waardoor de synchrone snelheid 1500 rpm bedraagt zodat een spanning met een frequentie van 50 Hz kan opgewerkt worden. Figuur 3.5: Exploded view van de generator Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 7

Doordat het een binnenpoolmachine is kan de bekrachtiging uitgevoerd worden via sleepringen en borstels ofwel borstelloos. Deze machine werkt volgens het borstelloze principe en is daarom uitgevoerd met het AREP bekrachtigingsysteem. Bij dit systeem wordt er gewerkt met een meedraaiende diodenbrug op de rotor (nummer 343 en 344 op figuur 3.5). Dit alles wordt geregeld door een elektronische regelaar namelijk de R438- module (nummer 198 op figuur 3.5). Deze regelaar wordt gevoed door twee hulpwikkelingen die onafhankelijk van het spanningsdetectiesyteem werken (figuur 3.6). De eerste wikkeling heeft een spanning proportioneel aan die van de generator (Shunt eigenschap) en de tweede heeft een spanning proportioneel aan de statorstroom (compound eigenschap: Booster effect). De voedingsspanning wordt gelijkgericht en gefilterd vooraleer ze door de controletransistor van de regelaar wordt gebruikt. Dit principe maakt de regeling ongevoelig voor vervormingen die door de belasting teweeg gebracht worden. Deze gelijkgerichte voedingsspanning wordt naar de opwekkerstator (nummer 90 op figuur 3.5) gestuurd die op zijn beurt een wisselspanning opwekt in de opwekkerrotor (nummer 100 op figuur 3.5). Deze wisselspanning wordt dan opnieuw gelijkgericht door de meedraaiende diodenbrug en zo wordt een gelijkspanning op de bekrachtigingswikkeling geplaatst. Hierdoor wordt dan een wisselspanning (3x400 V) met een frequentie van 50 Hz gegenereerd in de hoofdwikkelingen. Ook is te zien in figuur 3.6 dat er een varistor geplaatst is parallel met de bekrachtigingswikkeling. Een Varistor is een spanningsafhankelijke weerstand, dit wil zeggen dat de weerstand van de varistor afhankelijk is van de aangelegde spanning. Bij een lage spanning is de weerstandswaarde zeer groot en bij een hoge spanning neemt deze weerstandswaarde zeer snel af. De varistor wordt hier in dit geval gebruikt als overspanningsbeveiliging en om gevaarlijke spanningspieken op te vangen zodat de diodenbrug niet beschadigd raakt indien de toegelaten spanningen overschreden worden. Figuur 3.6: AREP-systeem Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 8

In Tabel 4.2 en Tabel 4.3 zijn de kenplaatgegevens van de generator terug te vinden. Tabel 3.2: Kenplaatgegevens generator (a) LSA 42.2S4 C 6/4 Date 09/52 N 244519 / 1 50 Hz Min -1 /R.P.M. 1500 Protection IP23 Cos Φ/P.F. 0,80 Cl.ther./Th.Class H Regulateur/A.V.R. R438/C + R726 AREP Altit. < 1000m Masse/Weight 120 Kg Rlt AV/D.E. bearing 6309 2RS Rlt AR/N.D.E bearing 6305 2RS Graisse/Grease Esso UNIREX H3 Valeurs excif/excif Values en charge / full load 13,00 V / 2,03 A à vide / at no load 0,86 Tabel 3.3: Kenplaatgegevens generator (b) Puissance / Rating Tension / Voltage 400 V Phase 3 Conn. D Const. 17,5 kva Base 14 KW 40 C 25 A Secours 21 kva Std by 16 KW 27 C 38,4 A Figuur 3.7: Synchrone generator Een samenstellingstekening van de synchrone generator met de benaming van alle onderdelen is terug te vinden in Bijlage 1. Een datasheet van de generator met alle machineparameters is terug te vinden in Bijlage 2. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 9

3.1.4. Drive De aandrijving van de elektrische motor gebeurt via een drive. De drive die gebruikt wordt is een Siemens Micromaster 440. Via het BOP (Basic Operator Panel) kan de motor gestart worden en het toerental geregeld worden zodat de generator op synchrone snelheid kan draaien (1500rpm). Figuur 3.8: Drive 3.1.5. Schakelkast Om alle elektrische onderdelen zoals meettoestellen, aansluitingen, drukknoppen, een plaats te geven zal een oude schakelkast gebruikt worden. Hierdoor kan alles op een ordelijke manier opgebouwd worden en zal alle bedrading netjes weggewerkt zijn in de kast. Figuur 3.9: Schakelkast Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 10

3.2. Testen van de onderdelen 3.2.1. Bijgeleverde regelaars Bij de aankoop van de synchrone generator werden 2 modules bijgeleverd namelijk de R438-module en de R726-module. Deze modules zijn hulpmiddelen bij het synchroniseren en het koppelen aan het net. 3.2.1.1. R438 A.V.R. A.V.R. staat voor Automatic Voltage Regulator. Deze module zorgt ervoor dat de uitgangsspanning van de generator steeds op dezelfde, ingestelde waarde blijft. De module meet steeds de uitgangspanning en -stroom van de generator op en zal naargelang deze waarde hoger of lager moet zijn, meer of minder bekrachtigingstroom naar de opwekker sturen. De regelaar wordt gevoed door de twee hulpwikkelingen die ingebouwd zijn in de generator. 3.2.1.2. Module R726 Figuur 3.10: R438-module Deze module moet gekoppeld worden aan de R438-module zodat hij ook de uitgangsspanning van de generator kan regelen (1 ste functie). Met deze module kan ook de cos φ geregeld worden (van 0,95 inductief tot 0,65 capacitief) wanneer de generator gekoppeld wordt aan het net (2 de functie). De derde functie is het gelijkzetten van de generatorspanning en netspanning tot op een spanningsverschil van 10% voordat de netkoppeling gebeurt. Dit gebeurt door de A.V.R. aan te sturen. Een 4 de functie is het parallel werken met andere generatoren die ook uitgerust zijn met de R726-module. Kort samengevat is deze module eigenlijk een hulpmiddel bij het synchroniseren en het koppelen aan het net. Figuur 3.11: R726-module Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 11

3.2.2. Uitvoering Om de werking van alle onderdelen te proberen, werd een testopstelling gemaakt. Hierbij werd een andere drive gebruikt dan de Micromaster 440 die in de uiteindelijke opstelling moet komen doordat er een slecht contact is tussen het BOP en de drive. Als drive werd nu een WEG CFW11 gebruikt. Alle parameters van de elektrische motor werden ingesteld zodat deze correct aangestuurd wordt. Het toerental van de motor werd ingesteld op de synchrone snelheid van de generator namelijk op 1500 rpm. Figuur 3.12: Testopstelling Vervolgens werden de modules aangesloten volgens het schema dat terug te vinden is in Bijlage 3. Figuur 3.13: Testopstelling met modules Figuur 3.14: Modules Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 12

Eens alles aangesloten was, werd de aandrijvende motor gestart. De uitgangsspanning van de generator werd dan gemeten en ingesteld op 400 V via de bijhorende potentiometer op de R438-module. Ook werd er een meting gedaan van de spanning en de stroom die naar de opwekkerstator gaat als de generator in onbelaste toestand werkt. De bekomen resultaten zijn terug te vinden in Tabel 4.4. Tabel 3.4: Meetresultaten opwekkerstator Opwekkerstator Spanning (V DC) Stroom (A DC) 5,8 0,85 In de datasheet van de generator werd teruggevonden dat de gemeten waarde van de stroom een correcte waarde is. Figuur 3.15: Bekrachtiging generator (onbelast) Hierna werd dan het commando gegeven om de generatorspanning gelijk te zetten met de netspanning maar dit was het geval niet. De generatorspanning moest opnieuw ingesteld worden op 400 V via een potentiometer op de R726-module. Hieruit werd de conclusie getrokken dat de R726 toch niet automatisch de spanningen regelt en dus hetzelfde doet als de R438-module. Het enige wat de R726-module meer kan dan de R438- module is dat de cos φ geregeld kan worden en dat de generator parallel kan werken met een ander generator die ook uitgerust is met een R726-module. Aangezien er geen tweede generator aanwezig is in het labo heeft deze laatste functie ook geen nut. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 13

3.3. Besluit testopstelling Omdat deze modules niet echt een meerwaarde hebben naar het didactische toe werd er beslist om in de didactische opstelling alles manueel te regelen. Doordat de bekrachtiging van de generator dan ook manueel zal gebeuren, zal het mogelijk zijn om meer didactische proeven te doen met de opstelling dan wanneer de bekrachtiging automatisch zou gebeuren. Een ander punt is dat wanneer er gebruik gemaakt wordt van een externe potentiometer op de modules, de spanning maar met ±10% kan geregeld worden. Indien er dan didactische proeven moeten uitgevoerd worden waarbij de spanning vanaf nul geleidelijk aan opgebouwd moet worden of omgekeerd, dan is dit al niet meer mogelijk. Ofwel moet dit dan geregeld worden met de potentiometer op de module zelf, maar als de module ingebouwd word in de generator of in de schakelkast dan is deze niet meer bereikbaar. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 14

4 Uitwerking didactische opstelling 4.1. Theoretische uitwerking 4.1.1. Synchronisatievoorwaarden controleren Om een generator te koppelen aan het net moeten volgende synchronisatievoorwaarden eerst voldaan zijn: - Gelijke fasevolgorde: o De fasen van de generator en het net dienen overeenstemmend te zijn o Hiervoor worden draaiveldaanwijzers gebruikt Figuur 4.1: Draaiveldaanwijzer - Gelijke frequentie: o De frequentie van de generator en het net moet 50 Hz zijn o Hiervoor wordt een dubbele frequentiemeter gebruikt Figuur 4.2: Dubbele frequentiemeter Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 15

- Gelijke spanning: o De spanning van de generator moet gelijk zijn aan die van het net (± 400 V) o Hiervoor wordt een dubbele voltmeter gebruikt Figuur 4.3: Dubbele voltmeter - Gelijke fase: o De spanning van de generator dient in fase te zijn met de spanning van het net. Hierdoor treedt een minimale stroomtransiënt respectievelijk koppelstoot op bij het synchroniseren op het net o Hiervoor wordt een synchronoscoop gebruikt Figuur 4.4: Synchronoscoop 4.1.2. Regelen van de frequentie en de spanning 4.1.2.1. Frequentie Het regelen van de frequentie van de spanning en stroom zal gebeuren door het toerental van de elektrische motor aan te passen. Het toerental kan eenvoudig geregeld worden via de drive die de elektrische motor aanstuurt. In plaats van via de drive te werken kan er eventueel ook via een potentiometer in de schakelkast gewerkt worden die dan verbonden is met de drive, maar het toerental zal nauwkeuriger in te stellen zijn via de drive zelf. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 16

4.1.2.2. Spanning Om de spanning die de generator opwekt te regelen, moet er meer of minder gelijkstroom naar de bekrachtiging gestuurd worden. Hiervoor zal gebruik gemaakt worden van een DC-spanningsbron. Deze bron moet een gelijkstroom van maximum 2,1 A en een gelijkspanning van maximum 13 V kunnen leveren. Dit is de stroom en de spanning die de bekrachtiging nodig heeft als de generator maximaal belast is. Deze waarden kunnen teruggevonden worden in de datasheet van de generator. Figuur 4.5: Bekrachtiging generator (belast) De spanningsbron die zal gebruikt worden kan een maximumgelijkspanning van 15 V leveren en een maximumgelijkstroom van 3 A wat voldoende is om de bekrachtiging te kunnen regelen. Deze bron is van het merk HQ Power en van het type PS1503SB. Figuur 4.6: Gelijkspanningsbron 4.1.3. Koppelingen Met de didactische opstelling moet een keuze kunnen worden gemaakt uit volgende koppelingen: - Manuele koppeling o Netkoppeling o Eilandbedrijf - Automatische netkoppeling - Manuele netkoppeling met ondersteunende controle van automatische koppelapparatuur Om deze keuze te kunnen maken zal een nokkenschakelaar met 3 standen worden gebruikt. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 17

4.1.3.1. Manuele koppeling 4.1.3.1.1. Netkoppeling Alle synchronisatievoorwaarden moeten manueel voldaan worden. Het is dan aan de student(en) om te controleren of alle voorwaarden correct zijn alvorens de generator te koppelen aan het net. Wanneer de voorwaarden voldaan zijn, kan de generator gekoppeld worden aan het net via de drukknop voor manuele koppeling. 4.1.3.1.2. Eilandbedrijf Als er een last aangesloten wordt aan de schakelkast, dan moet eerst de spanning en frequentie geregeld worden tot op de waarden waarbij deze last moet werken. Eens deze ingesteld zijn dan kan de last gekoppeld worden aan de generator via de drukknop voor manuele koppeling. Op deze manier kunnen verschillende soorten belastingen op de generator geplaatst worden zoals resistieve, capacitieve of inductieve belasting. Met deze manier van schakelen kunnen ook belastingsstoten worden gesimuleerd of kortsluitsituaties. 4.1.3.2. Automatische netkoppeling Voor de automatische koppeling met het net zal er gebruik gemaakt worden van een Synchronising Checkmodule. Deze module controleert of dat de spanning, frequentie en de fase van de netspanning en van de generator gelijk zijn (enkel de fasevolgorde dient nog handmatig gecontroleerd te worden). Eens deze voorwaarden voldaan zijn, dan wordt het relais van de module bekrachtigd. Hierdoor wordt een contact gesloten (gedurende 500 ms) dat het commando geeft aan de contactor dat de verbinding tussen het net en de generator gesloten mag worden. Eens dit gebeurd, is de generator gekoppeld aan het net. Er kan ingesteld worden vanaf welke spanning de Synchronising Check het relais bekrachtigd. De verschilspanning tussen de netspanning en de generator kan geregeld worden van 10 tot 30%. In Bijlage 4 zijn de gegevens van de Synchronising Check-module terug te vinden. Figuur 4.7: Synchronising check 4.1.3.3. Manuele netkoppeling met ondersteuning van automatische Hier kan er manueel gekoppeld worden met het net maar wordt er toch nog een controle uitgevoerd door de Synchronising Check-module of de synchronisatievoorwaarden wel voldaan zijn. Deze redundantie zorgt er voor dat de gebruiker nooit op een verkeerd moment kan inschakelen. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 18

4.1.4. Aansluitingen Door gebruik te maken van aansluitbussen zal het mogelijk zijn om digitale spannings-, stroom-, of vermogenmeters aan te sluiten aan de schakelkast. Deze meettoestellen zijn nodig bij het uitvoeren van de didactische proeven zodat de gegevens die nodig zijn voor de berekeningen nauwkeurig opgemeten kunnen worden. Figuur 4.8: Aansluitbussen 4.1.5. Elektrische schema s Om te weten hoe alles bekabeld moet worden om de generator te kunnen koppelen aan het net of aan een last werden er elektrische schema s getekend. Een eerste schema dat getekend werd, is de vermogenkring van de installatie. Eens deze volledig opgesteld was dan werd de stuurkring getekend. De schema s zijn in groot formaat terug te vinden in Bijlage 5 alsook de klemmenaansluitschema s. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 19

4.1.5.1. Vermogenkring Figuur 4.9: Vermogenkring 1) Zoals eerder vermeld wordt de synchrone generator aangedreven door een asynchrone motor. Deze asynchrone motor wordt aangestuurd door een drive die aangesloten is op de netspanning en die door een netschakelaar kan ingeschakeld worden. 2) Bij de aansluitingen van de drive wordt een spanning van 230 V AC afgetakt die de stuurkring in de schakelkast van spanning zal voorzien. 3) In de vermogenkring zijn er allerlei paneelmeters aanwezig. De dubbele voltmeter met de spanning van het net en van de generator. De dubbele frequentiemeter meet dan de frequentie van de netspanning en van de opgewekte spanning. 4) De synchrone generator. 5) Dit is de module die zorgt voor de automatische koppeling nl. de Synchronising Check-module. Hierop zijn twee lijndraden van zowel de netspanning als van de opgewekte spanning aangesloten. 6) Zowel aan de netzijde als aan de generatorzijde bevindt zich een draaiveldaanwijzer waarop de fasevolgorde van de spanning kan afgelezen worden. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 20

7) De synchronoscoop is verbonden met de netspanning en de generator door middel van resistor boxes. Deze weerstandsblokken zorgen ervoor dat er een spanning van 400V op de synchronoscoop kan geplaatst worden zonder dat de toegelaten stroom op de synchronoscoop overschreden wordt. Op de synchronoscoop is het inschakelogenblik te zien zodat op het juiste moment de koppeling tussen het net en de opgewekte spanning kan gemaakt worden. 8) Dit is de hoofdcontactor die zorgt voor de koppeling tussen de opgewekte spanning van de generator en het net of tussen de opgewekte spanning en een last. Indien men een last in eilandbedrijf wil koppelen met de generator dan moet de netspanning wel afgekoppeld worden. Indien dit niet gedaan wordt dan kan er een gevaarlijke situatie ontstaan als de netspanning nog verbonden is met de schakelkast en men wil de koppeling maken tussen de generator en de last dan zal ook het net met generator gekoppeld worden zonder dat de synchronisatievoorwaarden voldaan zijn. Hierdoor zal er een zeer grote vereffeningsstroom vloeien die de generator kan beschadigen. Indien dit zou gebeuren dan zal deze vereffeningsstroom opgevangen worden door de installatieautomaten aan de netzijde. Deze zullen de netspanning onderbreken waardoor de vereffeningsstroom niet tot bij de generator kan komen. De hoofdcontactor is te zien op figuur 4.20 op pagina 27. 9) Op de cos φ-meter is af te lezen of de generator reactief vermogen levert aan het net of of de generator reactief vermogen opneemt vanuit het net. 4.1.5.2. Stuurkring Figuur 4.10: Stuurkring Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 21

1) Een eerste NC-contact van de noodstop zorgt ervoor dat de volledige stuurkring onderbroken wordt wanneer de noodstop ingedrukt wordt. Hierdoor wordt de koppeling tussen de opgewekte spanning van de generator en het net of een last verbroken. Een tweede NC-contact is verbonden met de drive die de motor aanstuurt. Wanneer dit contact geopend wordt dan zal de drive de motor zo snel mogelijk afremmen zodat alles tot stilstand komt. 2) Deze schakelaar ontkoppelt de generator van het net of een last. 3) Met de nokkenschakelaar kan een keuze gemaakt worden uit 3 verschillende standen: o Automatische koppeling (4) o Handmatige koppeling (5) o Handmatige koppeling met ondersteuning van automatische module (6) 4) Met behulp van een potentiometer is het mogelijk de frequentie van de spanning te regelen door het toerental van de aandrijfmotor te wijzigen via de drive. 5) De automatische koppeling maakt gebruik van een contact van de automatische module die gesloten wordt wanneer de synchronisatievoorwaarden voldaan zijn. Enkel de fasevolgorde dient nog manueel gecontroleerd te worden. Om dit te kunnen doen moet eerst de knop om te ontkoppelen op stand 1 (ontkoppeld) gezet worden, daarna de fasevolgorde van de netspanning en de generatorspanning controleren en eens deze gelijk zijn dan mag de knop om te ontkoppelen op stand 0 gezet worden (koppeling is dan toegestaan). Als de andere synchronisatievoorwaarden dan voldaan zijn, dan wordt de generator gekoppeld met het net. Wanneer dit gebeurd is dan zal er een overneemcontact aangetrokken worden waardoor de kring steeds gesloten blijft totdat er ontkoppeld wordt. Ook zal er steeds een lampje branden die aangeeft dat er in automatische mode gewerkt wordt. 6) Bij de handmatige koppeling moet de synchronisatievoorwaarden allemaal handmatig gecontroleerd worden. Eens de fasevolgorde, spanning en frequentie gelijk zijn dan moet er op de synchronoscoop gekeken worden en wanneer deze aangeeft dat de fasen van de twee spanningen gelijk zijn dan mag er op de knop gedrukt worden om de generator met het net te koppelen. Opnieuw zorgt een overneemcontact ervoor dat de kring gesloten blijft. 7) De derde stand van de keuzeschakelaar is een combinatie van de twee voorgaande standen. De bedoeling is dat alles synchronisatievoorwaarden nog handmatig gecontroleerd worden. De automatische module zorgt er dan voor dat er niet handmatig kan gekoppeld worden wanneer er een voorwaarde niet voldaan is zoals bv. het inschakelmoment: wanneer iemand zou proberen om de generator met het net te koppelen voordat de fasen gelijk zijn, dan verhindert de automatische module dit. Ook hier is er terug een overneemcontact aanwezig 8) Wanneer één van de drie voorgaande kringen gesloten zijn, dan zal het relais van deze contactor aangetrokken worden waardoor het volledige circuit gesloten is. Deze contactor zorgt er dan voor dat de alle overneemcontacten gesloten worden waardoor de kring steeds gesloten blijft. Enkel via de knop om te ontkoppelen of de noodstop kan deze kring nog onderbreken. 9) Eens het hulpcontact in deze kring gesloten is dan zal de hoofdcontactor aangetrokken worden waardoor de generator gekoppeld wordt met het net of een last. Wanneer de koppeling gebeurd is, dan zal er een lampje branden om dit aan te geven. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 22

4.1.6. Ontwerp schakelkast Nu alle elektrische schema s getekend zijn, is gekend welke onderdelen er allemaal nodig zijn om de didactische opstelling te doen werken. Om al deze onderdelen zoals meters, aansluitbussen, schakelaars, een overzichtelijke plaats te geven op de schakelkast wordt er een ontwerp gemaakt van hoe alles geplaatst moet worden. 4.1.6.1. Voorkant Op de voorkant van de schakelkast worden alle benodigde paneelmeters geplaatst om te synchroniseren met het net. Ook is er een potentiometer aanwezig om het toerental waarmee de generator draait in te stellen en zo de frequentie van de spanning geregeld wordt. Er is ook een lampje aanwezig om aan te geven of de generator gekoppeld is met het net of met een last. 1. Draaiveldaanwijzer voor netspanning 2. Draaiveldaanwijzer voor generatorspanning 3. Dubbele frequentiemeter 4. Potentiometer om toerental in te stellen (regelen van de frequentie) 5. Dubbele voltmeter 6. Synchronoscoop 7. cos φ meter 8. Lampje om aan te geven of generator gekoppeld is Figuur 4.11: Voorkant schakelkast Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 23

4.1.6.2. Zijkant links Aan de linkerkant van de schakelkast bevinden zich alle aansluitbussen om het net of een last aan te sluiten en om de spanningen, stromen en het vermogen die de generator levert te kunnen meten. Ook is er een aansluitbus voor de aarding van de schakelkast. Bovenaan de schakelkast zorgt een noodstop aanwezig voor de veiligheid. 1. Noodstop 2. Aansluitbussen voor netspannng 3. Aansluitbussen die dienen als uitgangsbussen van de generator 4. Aansluitbussen om generator met net of last te koppelen 5. Aansluitbussen om een last aan te sluiten (vb. lampenbord) 6. Aansluitbussen voor bekrachtiging 7. Aansluitbus voor de aarding van de schakelkast Figuur 4.12: Zijkant links schakelkast De aansluitbussen zullen ingebouwd worden in de plaat van de schakelkast. Indien er niets gemeten wordt van de generator dan moet er een verbindingsbrug geplaatst worden (of m.b.v. kabels) tussen de uitgangsbussen van de generator en de aansluitbussen die dienen om de generator met het net of een last te koppelen. Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 24

4.1.6.3. Zijkant rechts Aan de rechterkant van de schakelkast wordt een nokkenschakelaar geplaatst waarbij een keuze kan gemaakt worden uit 3 standen: - Manuele netkoppeling - Automatische netkoppeling - Manuele netkoppeling met ondersteuning van automatische Er zal een lampje aanwezig zijn om aan te geven dat de generator automatisch netgekoppeld werd als de keuzeschakelaar op automatisch staat. Daarnaast zal er ook een drukknop aanwezig zijn met een LED voor manuele netkoppeling of koppeling met een last. De LED zal dan branden als de generator gekoppeld is om te tonen dat dit manueel gebeurd is. Ook zal er een schakelaar aanwezig zijn om de generator te ontkoppelen van het net of een last. 1. Nokkenschakelaar met 3 standen 2. Lampje voor automatische netkoppeling 3. Drukknop voor manuele koppeling 4. Schakelaar voor ontkoppeling Figuur 4.13: Zijkant rechts schakelkast Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 25

4.2. Praktische uitwerking Nadat de schakelkast volledig theoretisch was uitgewerkt, moest dit allemaal praktisch uitgevoerd worden. 4.2.1. Paneelmeters Om de paneelmeters op de schakelkast te kunnen monteren moest er eerst uitgetekend worden op de deur van de schakelkast waar deze zich precies zouden bevinden. Eens dit gebeurd was moesten alle gaten uitgeslepen worden d.m.v. een slijpschijf. Daarna konden de paneelmeters in deze gaten gemonteerd worden. Figuur 4.14: Gaten voor paneelmeters Figuur 4.15: Paneelmeters gemonteerd 4.2.2. Drukknoppen en aansluitbussen Ook werd de schakelkast aan de linkerkant en de rechterkant van de nodige gaten voorzien zodat de aansluitbussen konden geplaatst worden op de linkerkant en de drukknoppen en lampjes op de rechterkant. Figuur 4.16: Gaten voor aansluitbussen Figuur 4.17: Aansluitbussen gemonteerd Mathias Verhaeghe Academiejaar 2010-2011 26