Finlaysonin vesivoimalaitoksen generaattoriuusinnat

Transkriptio

1 Tampereen ammattikorkeakoulu Sähkötekniikan koulutusohjelma Sähkövoimatekniikka Marko Räty Opinnäytetyö Finlaysonin vesivoimalaitoksen generaattoriuusinnat Työn ohjaaja Työn tilaaja Koulutusalapäällikkö, diplomi-insinööri Jarkko Lehtonen Tampereen Energiantuotanto Oy, ohjaajana suunnittelupäällikkö insinööri Esko Lehtonen Tampere 3/2010 Marko Räty

2 Tampereen ammattikorkeakoulu Sähkötekniikan koulutusohjelma, Sähkövoimatekniikka Työn tekijä Marko Räty Työn nimi Finlaysonin vesivoimalaitoksen generaattoriuusinnat Sivumäärä 85 Valmistunut 3 / 2010 Työn ohjaaja Koulutusalapäällikkö diplomi-insinööri Jarkko Lehtonen Työn Tilaaja Tampereen energiantuotanto, suunnittelupäällikkö insinööri. Esko Lehtonen TIIVISTELMÄ Tämän työn tarkoituksena oli tutkia erilaisia generaattorivaihtoehtoja Finlaysonin vesivoimalaitokseen. Generaattorivaihtoehdoissa keskityttiin lähinnä vaihteettomiin ratkaisuihin. Vaihteettomiin ratkaisuihin päätyminen, johtui lähinnä nykyisen ylennysvaihteen huonosta hyötysuhteesta ja huonosta käyttövarmuudesta. Myös vanhojen generaattorien käyttötunnit alkoivat olla täynnä. Vaihteettomia generaattoriratkaisuja silmällä pitäen, tutkimuksessa tutustuttiin taajuusmuuttajakäyttöisiin kestomagneettigeneraattoreihin ja suoraan verkkoon kytkettäviin kestomagneettigeneraattoreihin. Kestomagneettigeneraattoriin päädyttiin sen hyvän hyötysuhteen, hyvän tehokertoimen, huollon vähyyden ja toimintavarmuuden vuoksi. Työssä tutustuttiin kestomagneettigeneraattoreiden rakenteeseen ja peruslaatuiseen toimintaan. Taajuusmuuttajan komponenttien soveltuvuus generaattorikäyttöön tutkittiin. Samoin selvitettiin, mitä lisälaitteita suoraan verkkoon liitettävään generaattoriin pitäisi hankkia, jotta verkkoon voisi liittyä. Työ sisältää vesivoimalaitoksen nykyisen kokoonpanon määrityksen ja tämän hetkisen energian tuotantokyvyn. Vertailua suoritettiin esimerkiksi vanhan ja vaihtoehtoisten uusien kokoonpanojen hyötysuhteiden ja energian tuotantokykyjen välillä. Työn tulosten pohjalta voidaan määrittää taloudellisin, yksinkertaisin ja huolettomin ratkaisu sekä laatia yksilöity tarjouspyyntö. Avainsanat generaattori, kestomagneettigeneraattori, tahtigeneraattori, taajuusmuuttaja, Finlayson, opinnäytetyö

3 TAMK University of Applied Sciences, Bachelor s Degree Department of Electrical Engineering, Power electricity Writer Marko Räty Thesis Finlayson s Waterpowerplant Generator Modernising Pages 85 Graduation time 3/2010 Thesis supervisor Head of Electrical Engineering Programme Jarkko Lehtonen Co-operating company Tampereen Energiantuotanto Oy, Designer manager Esko Lehtonen (Engineer) ABSTRACT Meaning of this job was to examine different kind of generator options for Finlayson s waterpower plant. The main concentration was focused to gearless generator options. End up to gearless solution was result of old generator application s noisy, low efficient and unstable uplifting gear. The examination was based on direct online permanent magnet generators and generators which are using frequency converter. End up to permanent magnet technology was result of good efficiency, power factor and low maintenance requirements. Frequency converter was examined for use with generator and components for direct online usage were examined as well. This thesis includes also the report of Finlayson s waterpower plant present state and comparison between old and new generator solutions. Keywords generator, permanent-magnet generator, synchronous generator, PMG, frequency converter, Finlayson

4 Alkusanat Tampereen Sähkölaitos -yhtiöt ovat olleet opiskelujeni ohella suurena apuna tärkeän työkokemuksen kartuttamisessa. Vuosina 2008 ja 2009 Tampereen Energiantuotanto Oy:ssa olen päässyt työskentelemään Naistenlahden ja Lielahden voimalaitosten käyttöja kunnossapitotehtävissä. Naistenlahden yksikössä tehtäviin kuului myös Finlaysonin, Tampellan ja Keskikosken voimalaitosten käyttö- sekä kunnossapitotehtävät. Olen työskennellyt myös Kaukolämpö Oy:ssa vuosina , joten Tampereen Sähkölaitos on tullut tutuksi vuosien saatossa. Haluan kiittää Tampereen Energiantuotanto Oy:n suunnittelupäällikkö Esko Lehtosta työn mahdollistamisesta. Haluan kiittää sähköasentaja Pauli Hiltusta ja sähkömestari Matti Valkeista, koska he ovat mahdollistaneet Finlaysonilla käynnit työsuhteen ulkopuolella ja kertoneet tarvittaessa voimalaitoksen tekniikkaan liittyvää tietoutta. Kiitän myös asiantuntija Martti Valkeisahoa vesivoimalaitosten kokemusperäisestä tietoudesta. Axco Motors Oy:n toimitusjohtajaa Asko Parviaista kiitän kestomagneettigeneraattoreita koskevan materiaalin toimituksesta. Haluan kiittää myös ohjaavaa opettajaa Jarkko Lehtosta. Tampereella maaliskuussa 2010 Marko Räty

5 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO TAHTIGENERAATTOREIDEN TOIMINTAPERIAATTEET Pyörimisnopeus ja rakenne Magnetoimismenetelmät Harjaton magnetointi Magnetoinninsäätö käynnistyksessä ja tyhjäkäynnissä Magnetoinninsäätö kuormitettuna Tahtigeneraattorin tehot Pätöteho Loisteho Tahtigeneraattorin sijaiskytkentä Tahtigeneraattorin jännite ja virta TAMPEREEN VESIVOIMALAITOKSET Keskikoski Tampella FINLAYSONIN VOIMALAITOS Toiminnan perusteet Turbiinit ja niiden säätö Vaihde Sähköinen yleiskaavio Generaattorit Generaattoreiden suojaus ja valvonta Jännitteensäätö Omakäyttökeskus Koskesta saatavan tehon osatekijät Rakennusaste Säännöstely Generaattorin ja vaihteen hyötysuhde Turbiinien hyötysuhteet Kokonaishyötysuhde ja -teho Vuosienergia Kokemusperäinen huipputeho Generaattorin toiminta nimellistä suuremmalla pätöteholla Generaattorin loistehon syöttökyky GENERAATTORIVAIHTOEHTOJEN KARTOITUS Epätahtigeneraattori Erillismagnetoitu tahtikone Kestomagnetoitu tahtikone Kompensointi Taajuusmuuttaja Tasasuuntaus DC-Välipiiri Vaihtosuuntaaja sekä ohjaus- ja säätöpiirit Generaattorin ja taajuusmuuttajan suojaus Vaikutus verkon suojaukseen Verkkotahdistus Loistehon säätö Verkostovaikutukset TAAJUUSMUUTTAJAKÄYTTÖISET GENERAATTORIT Turbiinien nimellisvääntömomentit Nykyisille generaattoreille välittyvä vääntömomentti Generaattorit 1 ja Tekniset tiedot Rakenne Tehtaan testaukset... 62

6 6.4 Taajuusmuuttajakäyttöinen generaattori Taajuusmuuttajan valinnan perusteet Taajuusmuuttajamallin määritys Taajuusmuuttajan mitoitus generaattoreille 1 ja Taajuusmuuttajan mitoitus generaattorille Saavutetut edut Hyötysuhde käytöille 1 ja Sähköteho käytöille 1 ja Hyötysuhde käytölle Sähköteho käytölle Energiantuotto Yhteenveto parantuneista hyötysuhteista ja energiantuotosta SUORAAN VERKKOON KYTKETTÄVÄT GENERAATTORIT (DOL) Generaattorit 1, 2 ja Tekniset tiedot ja kuvaajat Rakenne Verkkoonliityntä laitteet Generaattorikatkaisijat Verkkotahdistus Saavutetut edut Hyötysuhde käytöille 1 ja Sähköteho käytöille 1 ja Hyötysuhde käytölle Sähköteho käytölle Energiantuotto Yhteenveto hyötysuhteista ja energiantuotosta LOPPUSANAT LÄHDELUETTELO... 83

7 Lyhenteet ja symbolit TKF Finlaysonin voimalaitos TKT Tampellan voimalaitos TKK Keskikosken voimalaitos ET Energiantuotanto Oy f k Φ m N E m, E mv, U f U s, U g I m käämityskerroin magneettivuo staattorin vaihekäämin johdinkierrokset päälähdejännite, V liitin- napajännite, V magnetointivirta, A β,φ napakulma/tehokulma, X d X m X σ ΔU I s Q h η tahtireaktanssi, Ω magnetointireaktanssi, Ω hajareaktanssi, Ω jännite-ero, V staattorivirta, A virtaus/loisteho, m 3 /s /Var putouskorkeus, m hyötysuhde g putoamiskiihtyvyys, m/s 2 ρ tiheys, kg/m 3 P p P s P mek R potentiaaliteho, W sähköteho, W mekaaninen teho, W rakennusaste/resistanssi, Ω RQ rakennevirtaus, m 3 /s MQ keskivirtaus, m 3 /s E energia, MWh t käyttöaika, h i muuntosuhde T vääntömomentti, Nm

8 1 Johdanto Tampereen Energiantuotanto Oy käsittää Naistenlahden- ja Lielahden päävoimalaitokset sekä niiden lisäksi Tampellan, Keskikosken ja Finlaysonin vesivoimalaitokset. Näiden yhteistuotannollinen sähköteho on noin 14 MW, mikä on suhteellisen pieni verrattuna päävoimalaitosten 336 MW:n sähkötehoon. Tammerkosken vesivoimaloilla on kuitenkin suuri imagollinen ja historiallinen merkitys kaupungille, yhä enemmän suosiotaan kasvattavassa uusiutuvien energiamuotojen käytössä. Tämän työn tarkoituksena on tutkia taajuusmuuttajakäyttöisen kestomagneettigeneraattorin ja suoraan verkkoon kytkettävän kestomagneettigeneraattorin soveltumista Finlaysonin vesivoimalaitokseen. Työ sisältää generaattoreiden, taajuusmuuttajien ja muiden välttämättömien verkkoonliityntälaitteiden tutkintaa ja toiminnan selvittämistä. Lisäksi työhön kuuluu generaattoriuusinnoista saavutettavien teknisten ja käyttöä yksinkertaistavien etujen vertailu ja myös energiantuotannollisten saavutusten vertailu. Taajuusmuuttajan avulla voitaisiin korvata turbiinin ja generaattorin välinen mekaaninen vaihde, joka on ollut ongelmallinen kyseisessä kohteessa melunsa ja epävarmuutensa vuoksi. Tehoelektroniikan kehittyessä taajuusmuuttajakäytöt ovat yleistyneet ja alkaneet korvata perinteisiä mekaanisia vaihteita lähinnä tuulivoimaloissa niiden vähäisen huollon sekä hyvän hyötysuhteen takia. Lisäksi taajuusmuuttaja mahdollistaa muuttuvatehoisen käytön. Työssä on mielenkiintoista soveltaa tällaista järjestelmää vesivoimalaitokseen, mikä on vielä suhteellisen harvinaista. Huomioiden kohteen turbiinityypin ja vedenjuoksutus periaatteet, tulevat kysymykseen myös suoraan verkkoon kytkettävät generaattorit. Suoralla verkkokytkennällä saavutetaan tiettyjä etuja verrattuna taajuusmuuttajakäyttöön. Pääasiallisena etuna mainittakoon hyötysuhteen hyvyys.

9 8 (86) 2 Tahtigeneraattoreiden toimintaperiaatteet Tässä luvussa käsitellään tahtigeneraattoreiden perustoimintoja. Rajataan käsittely tätä työtä paremmin palvelevaan erillis- ja kestomagnetoituun tahtigeneraattorityyppiin ja perehdytään generaattoreiden toimintaan käyttämällä tunnetumman erillismagnetoidun generaattorin esimerkkejä. 2.1 Pyörimisnopeus ja rakenne Tahtikoneen nimitys tulee siitä, että sen roottori pyörii tahdissa staattorin ja samalla verkon kanssa. Tahtigeneraattorin muodostama taajuus on riippuvainen sen pyörimisnopeudesta ja napapariluvusta seuraavan yhtälön mukaisesti. f n (1) p jossa n on pyörimisnopeus [rps] f on taajuus [Hz] p on napapariluku Napaluvun mukaan tahtigeneraattorit on jaettu umpi- ja avonapakoneisiin. Umpinapakoneiden napaluku on pienempi ja niiden 50 Hz:ä vastaava pyörimisnopeus on suurempi kuin avonapaisten. Umpinapageneraattoreita käytetään yleensä vesivoimalaitoksissa ja suuritehoisissa sovelluksissa. Tyypillisesti voimalaitosmaailmassa umpinapakoneet pyörivät 3000 rpm ja niiden voimakoneet ovat hyöry- tai kaasuturbiineita (Aura & Tonteri 1996, 215). Avo- eli varsinapakoneet ovat tyypillisesti käytettyjä tilanteissa, joissa voimakone pyörii hitaammilla nopeuksilla. Vesivoimaloiden turbiinit pyörivät yleensä rpm. Pienen pyörimisnopeuden vuoksi käyttöön valitaan yleisesti avonapainen generaattori, koska sen napaluku on suurempi. Napaluvun suurentuessa verkon 50 Hz:n pyörimisnopeus saavutetaan pienemmillä käyntikierroksilla. Napaluvun suurentuessa myös koneen halkaisija eli fyysinen koko suurenee. Alla olevassa kenttäkuvassa on esitetty

10 9 (86) 2-napaisen umpinaparoottorin ja 4-napaisen avonaparoottori rakenne (Aura & Tonteri 1996, 215). Kuva 1:a) Umpinaparoottori b) Avonaparoottori (Korpinen 1998). 1 Avonaparoottorissa on koneen akselille sijoitettu napaluvun mukainen määrä magneettinapoja ja staattorikäämitys on aina tehty samalle napaluvulle kuin roottori. Jokaisella navalla on omat magnetointikääminsä, jotka on kytketty sarjaan siten että ne magnetoituvat vuorotellen. Koska navat magnetoidaan tasavirralla, niiden vuo ei vaihtele ja siksi niissä ei synny rautahäviöitä. Tämän vuoksi ne on valmistettu massiivisesta teräksestä. Navan päässä on napakenkä, joka on muotoiltu siten, että vuon jakaantuminen olisi mahdollisimman sinimuotoinen napakengän ja staattorikehän välissä. Tästä syystä generaattorin ilmaväli ei ole vakio, vaan suurenee kohti reunoja. Umpinaparoottorissa käämitys on sijoitettu roottorin akselin suuntaisiin uriin. Uria ei ole sijoitettu tasaisesti, vaan niiden välissä on myös urattomia alueita, eli magneettinapoja (Korpinen 1998, 2 ). Kestomagneettigeneraattorit voidaan jakaa niiden magnetoimissuunnan mukaan radiaalisesti, tangentiaalisesti, tai aksiaalisesti magnetoituihin koneisiin. Magneetit voivat sijaita joko roottorin pinnalla tai roottoriin upotettuna. Koneen käyttötarkoitus ratkaisee sen, millaista generaattoria käytetään. Kestomagneettigeneraattorin käytössä saavutetaan tiettyjä eroja, verrattuna erillismagnetoituun generaattorin. Magnetointikäämityksen puuttuessa ja täten magnetoimishäviöiden puuttuessa koneen hyötysuhde paranee (Seppä 1998, 25). Kestomagneettigeneraattorin vääntömomentti ja tehotiheys roottoritilavuutta kohti ovat parempia kuin erillismagnetoidulla generaattorilla, joten sen avulla saadaan suuri vääntömomentti jo pienillä pyörintäkierroksilla. Rakenne varsinkin pintamagnetoidussa

11 10 (86) generaattorissa on yksinkertaisempi kuin erillismagnetoidun koneen tapauksessa. Kestomagnetoitu generaattori voidaan suunnitella hitaasti pyöriväksi, jolloin turbiinin ja generaattorin välinen vaihde voidaan jättää pois. Lisäksi napajako saadaan pieneksi, jolloin voidaan tehdä moninapaisia koneita (Seppä 1998, 25). 1 Alkuperäinen lähde: Match L., Morgan J.; Electromagnetic and Electromechanical Machines.; John Wiley & Sons 1987, Magnetoimismenetelmät Erillismagnetoidun tahtikoneen magnetoinnin tarkoituksena on synnyttää magneettikenttä eli päävuo tasavirralla. Magnetoinnin tehtävänä on muodostaa ja säätää verkosta ja kuormituksesta riippuvainen jännite generaattorin navoille. Erillismagnetoidussa tahtikoneessa magnetointi on yleensä toteutettu joku harjallisena tai harjattomana. Harjallinen magnetointi on vanhempi menetelmä ja siinä tasavirta johdetaan generaattorin napapyörään liukurenkaiden ja hiiliharjojen avulla. Magnetointivirran synnyttävän laitteiston ei täten tarvitse olla generaattorin välittömässä läheisyydessä (Aura & Tonteri 1997, 215). Kestomagneettigeneraattori ei sisällä erillistä magnetointikäämitystä, vaan magnetointiteho on riippuvainen kestomagneettien ominaisuuksista. Täten staattoriin indusoituneen jännitteen suuruus on riippuvainen roottorin pyörimisnopeudesta Harjaton magnetointi Finlaysonin nykyisissä generaattoreissa magnetointi on toteutettu harjattomalla periaatteella. Harjattomassa menetelmässä generaattorin napapyörälle on sijoitettu erillinen kolmivaiheinen magnetointigeneraattori, jonka roottori on seisoja ja staattori pyörijä. Ensin magnetoidaan magnetointikoneen roottori tasavirralla, jonka virran suuruutta säädetään tyristorisillalla. Roottoriin johdetun tasavirran suuruus määrää magnetointikoneen staattoriin indusoituneen sinimuotoisen jännitteen suuruuden. Staattori on yhteydessä erilliseen tai sen mukana pyörivään 6-10 diodin diodisiltaan. Diodisilta tasasuuntaa magnetointikoneen sinimuotoisen virran tasavirraksi, joka johdetaan itse päägeneraattorin napapyörään (Aura & Tonteri 1996, 218)

12 11 (86) Finlaysonin koneiden magnetointi on toteutettu harjattomalla menetelmällä, koneiden alaosaan sijoitetulla kolmivaiheisella magnetointigeneraattorilla sekä pyörivällä diodisillalla. Magnetointigeneraattorin magnetointijännite johdetaan päägeneraattorin omasta kiskostosta kaksivaiheisella 5000 V / 110 V:n välimuuntajalla. Tämän jälkeen jännitteen suuruus säädetään halutuksi tyristorisillalla. Tyristoreiden ohjauskulmaa säätämällä, voidaan vaikuttaa magnetointikoneen roottoriin syötetyn tasavirran suuruuteen, joka vaikuttaa magnetointikoneen pyörivään staattoriin indusoituneen jännitteen suuruuteen. Magnetointikoneen staattoriin muodostunut tasajännite tasasuunnataan pyörivän diodisillan kautta pääkoneen napapyörään. Napapyörän magnetointikäämitykseen muodostuneen tasavirran suuruus vaikuttaa generaattorin napoihin indusoituvan jännitteen suuruuteen. Magnetointivirran suuruutta ohjataan erillisellä jännitteensäätäjällä Magnetoinninsäätö käynnistyksessä ja tyhjäkäynnissä Tahtigeneraattorin herätemagnetointiteho otetaan verkosta tai erillisestä PMG-koneesta (Permanent Magnet Generator). PMG-kone on erillinen kestomagneettigeneraattori, joka on sijoitettu päägeneraattorin akselille tai sen välittömään läheisyyteen, itse magnetointikoneen lisäksi. Se kumpaa menetelmää käytetään, riippuu generaattorin käyttöympäristöstä. Varavoimakäytössä, jossa generaattori on saatava toimintaan ilman ulkoista verkkoa, tuotetaan alkumagnetointi PMG-generaattorilla. Vastaavasti tilanteissa, joissa ulkopuolinen verkko on käytettävissä, voidaan herätemagnetointi johtaa sieltä. Magnetoinnin herätyksen jälkeen magnetointivirtaa säädetään siten, että generaattorin navoille indusoituu sama jännitetaso kuin verkossa. Tätä magnetointia kutsutaan tyhjäkäyntimagnetoinniksi tai generaattorin perusmagnetoinniksi. Nimellisnopeudellaan käyvän generaattorin magnetointivirran suuruudesta riippuva päälähdejännite E m, voidaan laskea seuraavasta kaavasta (Aura & Tonteri 1996, 217).

13 12 (86) E m 2 2 f k fn m (2) jossa f k on käämityskerroin f on taajuus [Hz] N on staattorin vaihekäämin johdinkierrokset Φ m on yhden magneettinavan päävuo Magneettivuon Φ m suuruutta voidaan säätää suurentamalla magnetointivirtaa I m lähes lineaarisesti, aina käämityksen kyllästymispisteeseen asti. Kyllästymispisteen saavutettua, magnetointivirtaa ei juurikaan voida enää suurentaa. Teoriassa kyllästymispisteen jälkeen, tarvitaan suhteessa huomattavasti suurempi virta, jotta saataisiin indusoitua vielä suurempi jännite koneen navoille (Aura & Tonteri 1996, 216). Mikäli magnetointivirtaa nostetaan yli magnetointikäämityksen nimellisvirran tai kyllästymispisteen, on uhkana käämityksen palaminen. Jos magnetointia ei kytkettäisi lainkaan, muodostaisi indusoituneen napajännitteen vain mahdollinen remanenssivuo eli jäännösmagnetismi. Magnetointivirran suuruutta suhteessa napajännitteeseen selventää kuva 2, josta voidaan Huomata, että kyllästymispisteen jälkeen lineaarisuus katoaa. Kuvaajassa U s on napajännite, I m on magnetointivirta ja Φ on muodostunut magneettivuo, joka noudattaa samaa käyrämuotoa kuin napajännite U s (Aura & Tonteri 1996, 216). Kuva 2: Napajännite magnetointivirran funktiona (Aura & Tonteri 1996, 216).

14 13 (86) Magnetoinninsäätö kuormitettuna Koneen kytkeydyttyä verkkoon ja verkon ollessa jäykkä ei magnetointivirtaa nostamalla voida enää vaikuttaa koneen napajännitteeseen. Kuormitetun koneen magnetointivirtaa säädetään kuormitustyypin ja koneen sisäisen jännitehäviön mukaisesti ja jokaiselle kuormitushetkelle on oma virta-arvonsa. Säätäjän tulee olla kykenevä lisäämään tai vähentämään virtaa sen mukaan, onko kuormitus induktiivinen vai kapasitiivinen (Aura & Tonteri 1996, 238). Jäykässä verkossa käyvän koneen magnetoinnin avulla voidaan säätää koneen verkkoon syöttämän tai verkosta ottaman loistehon määrää. Mikäli generaattori on alimagnetoitu, ottaa se verkosta induktiivista loisvirtaa ja syöttää verkkoon kapasitiivista virtaa, eli generaattori kompensoi verkon loistehoa. Ylimagnetoinnissa tilanne on päinvastainen: generaattorin syöttää verkkoon induktiivista loisvirtaa ja ottaa kapasitiivista loisvirtaa. (Aura & Tonteri 1996, 238) 2.3 Tahtigeneraattorin tehot Koneen tahdistuttua verkkoon, pätötehoa nostetaan kasvattamalla voimakoneen vääntömomenttia. Finlaysonin vesivoimalassa avataan tällöin turbiinin johtosiipiä. Vääntömomentin suurentuessa myös generaattorin napakulma suurenee. Napakulman suurentuminen tarkoittaa sisäisen lähdejännitteen E m ja generaattorin napa- eli staattorijännitteen U g välisen kulman kasvua turbiinin väännön suuretessa (Korpinen 1998, 6) Pätöteho Kuvasta 3 on luettavissa staattorin ja napapyörän magneettikenttien välinen kytkentä. Tyhjäkäynnissä napapyörä ja staattori ovat kohtisuorassa toisiaan vasten (kuva a). Voimakoneen vääntöä lisätessä, napapyörä siirtyy kulman β verran staattoria edelle (kuva b).

15 14 (86) Teoriassa napa- eli tehokulman noustessa yli 90 o -astetta kone putoaa tahdista. Tahdista putoaminen tekee koneesta epästabiilin, jolloin se käy välillä verkosta tehoa ottavana moottorina ja välillä tehoa luovuttavana generaattorina. Käytännössä nimelliskuormallaan käyvän koneen napakulma on noin 45 o (Korpinen 1998, 6).. Kuva 3: Napapyörän ja staattorin välinen sähköinen kytkentä (Korpinen 1998) 2. Pätötehon suuruus on riippuvainen generaattorin napakulmasta, lähde- ja liitinjännitteen tulosta ja koneen tahtireaktanssista kaavan 3 mukaisesti. EmU g P 3 sin (3) X d jossa P on pätöteho [W] E m on sisäinen lähdejännite [V] U g on napajännite [V] X d on koneen tahtireaktanssi [Ω] φ on napakulma [ ] Loisteho Jäykkään verkkoon kytketyn tahtigeneraattorin tuottaman loistehon suuntaa ja suuruutta voidaan säätää generaattorin magnetointia muuttamalla. Umpinapaisen tahtigeneraattorin verkkoon syöttämä loisteho voidaan laskea seuraavalla kavalla (4) 2 Alkuperäinen lähde: Nousiainen K; Sähköenergiatekniikka; luentomoniste TTKK 1994

16 15 (86) 2.4 Tahtigeneraattorin sijaiskytkentä Erillismagnetoidusta tahtigeneraattorista voidaan muodostaa seuraava yksivaiheinen sijaiskytkentä. Magnetointireaktanssi X m [Ω] ja hajareaktanssi X σ [Ω] voidaan yhdistää tahtireaktanssiksi X d [Ω]. Koneen resistanssia kuvataan vastuksella R [Ω], joka voidaan suuritehoisissa koneissa jättää huomioimatta sen pienuuden takia. I [A] on koneen staattorivirta, E mv [V] on lähdejännite ja U s [V] on liitinjännite (Korpinen 1998, 5). Kuva 4: Tahtikoneen yksivaiheinen sijaiskytkentä Kuvasta 4 voidaan kirjoittaa seuraava jänniteyhtälö, joka pätee umpinapaiselle koneelle. Avonapaisen koneen epälineaarisuuden takia yhtälöistä muodostuisi turhan monimutkaisia (Korpinen 1998, 5). U ( I (5) s Em R jx d) s Yhtälön 2 mukaisesti magnetointivirran nosto aiheuttaa sisäisen lähdejännitteen ja myös napajännitteen nousun. Jäykässä verkossa napajännite kuitenkin pysyy vakiona, vaikka magnetointivirtaa nostettaisiin, täten virran nosto aiheuttaa vain sisäisen lähdejännitteen suurentumisen. Generaattoria kuormittaessa ja staattorivirran kasvaessa, kasvaa sisäistä lähdejännitettä pienentävä jännitehäviö tahtireaktanssin ja resistanssin takia yhtälön 4 mukaisesti. Halutessa tuottaa puhdasta pätötehoa on siis magnetointivirtaa nostettava hieman, jotta sisäinen jännitehäviö kumoutuisi. Mikäli magnetointivirtaa ei kasvateta ja generaattorista halutaan enemmän pätötehoa, ei loistehotasapaino säily ja kone joutuu ottamaan loisvirtaa verkosta (Korpinen 1998, 5).

17 16 (86) Kestomagneettigeneraattorin tapauksessa magnetointia ei voida kasvattaa. Sisäisen jännitehäviön ja rakenteensa ansiosta kone jää toimimaan alimagnetoituna nimellispisteessään. Alimagnetoituna generaattori ottaa loistehoa verkosta tehokertoimensa edestä aiheuttaen verkolle ylimääräisiä rasituksia. 2.5 Tahtigeneraattorin jännite ja virta Tahtigeneraattorin jännitteiden ja virtojen käyttäytymistä kuormitettuna todellisessa verkossa voidaan tutkia kuvan 5 mukaisella PQ-kuvaajalla. Kuvaajassa on esillä ylimagnetoitu kone punaisilla vektoreilla ja alimagnetoitu kone sinisillä vektoreilla. Molemmissa tilanteissa napajännite U s pysyy vakiona, koska generaattori on kytketty jäykkään verkkoon. Suurennettaessa voimakoneen vääntömomenttia, generaattori alkaa tuottaan pätötehoa ja samalla koneen napakulma β, eli napajännitteen U s ja sisäisen lähdejännitteen U f välinen kulma alkaa suurentua. Napakulman suurentuminen johtaa myös jänniteerovektorin ΔU suurenemiseen. Jännite-erovektorin suureneminen ja verkon reaktanssi johtaa virran nousuun koneen staattorissa. Mikäli jännite-erovektori ΔU olisi yhden suuntainen P-akselin kanssa, syntyisi ΔU:n ja Q-akselin välille 90 o -asteen kulma ja täten kone tuottaisi puhdasta pätötehoa. Pelkän pätötehon tuotossa generaattorin virta olisi puhtaasti pätövirtaa I R P-akselin suuntaisesti. Ylimagnetoitu tilanne on kuvassa merkitty punaisilla vektoreilla. Tälläisessa tilanteessa lähdejännitevektori U f1 on pidempi kuin napajännitevektori U s, minkä seurauksena syntyy niiden välille kaavan 5 mukainen jännitehäviö, jota kuvaa jännite-erovektori ΔU 1. U s :n ja ΔU 1 :nvälisen kulman ollessa Q-akseliin nähden 0 o - 90 o asteen kulmassa, kone syöttää verkkoon loistehoa kaavan 4 mukaan ja staattorin virta on induktiivista kaavan 6 mukaisesti. Loistehotasapainon saavuttamiseksi olisi magnetointivirtaa pienennettävä sen verran, että kulma φ 1 olisi 90 o ja täten koneen tehokerroin cosφ = 1.

18 17 (86) Alimagnetoitu tilanne on kuvassa merkitty sinisillä vektoreilla. Vektori U f2 on lyhyempi kuin vektori U s, eli jännitehäviö ΔU 2 on negatiivinen. U s ja ΔU 2 :n välisen kulman ollessa Q-akseliin nähden 90 o o, kone ottaa loistehoa verkosta ja täten staattorin virta on kapasitiivinen. Loistehotasapainon saavuttamiseksi, olisi magnetointi virtaa suurennettava sen verran, että kulma φ 2 olisi 90 o -astetta P-akselin suuntaisesti. Kuva 5: Tahtikoneen PQ-diagrammi Jännite-eron suuretessa, joko tehokulman tai sisäisen lähdejännitteen muutoksen myötä, myös staattorivirta I s suurenee. Yhtälössä 6 on ideaalitapaus, jossa kone ei ota eikä syötä loistehoa (cosφ = 1). Siinä ei myöskään huomioida koneen sisäistä jännitteen alenemaa ja verkko oletetaan puhtaasti reaktiiviseksi, joten virta on puhtaasti pätövirtaa. U 90 I s 0 (6) X 90 v jossa I s on staattorivirta [A] ΔU on jännite-ero [V] X v on verkon reaktanssi [Ω]

19 18 (86) 3 Tampereen vesivoimalaitokset Tampereen teollisuus syntyi 1700-luvun lopulla ja keskittyi pääosin Tammerkosken rannoille luvun puolivälin jälkeen alkoi vesivoiman kehitys ja 1870 rakennettiin ensimmäisimpiä patoja teollisuuden käyttöön. Aluksi sähköntuotanto oli erilaisten myllyjen varassa, mutta myöhemmin myllyt korvattiin erilaisilla turbiiniratkaisuilla. Keskiuoman yläpäähän rakennettiin 1930 ja 1940 luvuilla pääpato käyttäen puuparruja. Rakennustavastaan nimetty neulapato, kunnostettiin 1970-luvulla ja seuraava kunnostus on juuri työn alla. Padon kunnostamisen lisäksi padon päälle rakennetaan kevyenliikenteen ylikulkusilta (palatsinraitti 2009). Tammerkoskesta ammentaa voimansa nykyään neljä voimalaitosta: yläjuoksulla Finlayson ja Tampella, keskikoskella Keskikosken voimalaitos ja alajuoksulla Alakoski Oy:n omistama voimalaitos. Tampereen Energiantuotanto Oy omistaa yläkosken ja keskikosken voimalaitokset. Sähköntuotanto perustuu Näsijärven ja Pyhäjärven 18 metrin korkeuseroon. Virtauksien suuruus riippuu lähinnä Näsijärven pinnankorkeuden säännöstelystä virkistystoiminnan takia. Yläkosken ja keskikosken yhdistetty energiantuotanto oli 99 GWh vuonna 2008, mikä on Tammerkosken kautta aikojen paras tulos. (TSL vuosiraportti 2008). 3.1 Keskikoski Keskikosken voimalaitos on tekniikaltaan uusinta verrattuna muihin Tammerkosken vesivoimalaitoksiin. Keskikosken voimalaitos (TKK) valmistui vuonna 1932 ja sen sähkölaitteistoja on uusittu -80 luvun alkupuolella sekä vuonna TKK:n täydellinen koneistoremontti tehtiin vuonna 1992, jolloin uusittiin vaihteet, generaattorit, turbiinit, automaatiojärjestelmät ja 5 kv:n kojeistot. TKK on myös kosken tehokkain vesivoimalaitos, sillä sen kahden generaattorin yhteinen näennäisteho on 11,1 MVA (Tihinen 2006).

20 19 (86) 3.2 Tampella Tampellan voimalaitos perustettiin 1916 ja modernisointia tehtiin koneiden sekä kojeistojen osalta vuonna Tampellan voimalaitos on kokonaisteholtaan 3,34 MVA ja on näistä kolmesta vesivoimalaitoksesta pienin. Se käsittää kolme nimellisteholtaan 1 MVA ja napajännitteeltään 5 kv:n tahtigeneraattoria ja yhden 0,34 MVA ja 400 V:n oikosulkugeneraattorin. Turbiineina toimivat vaakamalliset Francisturbiinit. Generaattorit ovat rakenteeltaan moninapaisia ja hitaasti pyöriviä, joten vaihdetta ei ole käytetty lainkaan. Magnetointitehonsäätö on toteutettu puoliksi ohjatulla tyristorisillalla (Tihinen 2006).

21 20 (86) 4 Finlaysonin voimalaitos Finlaysonin voimalaitos edustaa pohjoismaista klassismia (Jarl Eklund 1926). Kuvassa 6 on nähtävissä Finlaysonin vesivoimalaitoksen edusta. Vedenpinta on normaalia alempana johtuen neulapadon korjausprojektista. Kuva 6: Finlaysonin voimalaitoksen edusta 10/ Toiminnan perusteet Finlaysonin voimalaitos jakaa Näsijärven tulovirtaaman Tampellan vesivoimalaitoksen kanssa kutakuinkin kahtia. Vesi virtaa kanavaa pitkin laitoksen suulle, jossa se jakaantuu kolmeen eri lohkoon. Kaksi lohkoista on yhtä suuria ja kolmas hieman pienempi. Lohkojen koko vaikuttaa suoraan turbiineille menevän virtauksen suuruuteen ja täten myös konekohtaisesti tuotettavaan sähkötehoon. Alla oleva yksinkertaistettu periaatekuva 7 selventää laitoksen toimintaa. Ensimmäisenä voimalaitoksen suulla sijaitsee välppä (1), joka estää suurimpien roskien tai muiden veteen päätyneiden jätteiden pääsyn turbiiniin. Tämän jälkeen voimalaitoksen sisäpuolella on patoluukut ja tiheämpi lisävälppä (2), joka suodattaa pienemmätkin

22 21 (86) jätteet. Seuraavaksi vesi virtaa turbiinikammioon (3) ja täten turbiini alkaa pyöriä. Turbiini pyörittää sen akselin päässä olevaa generaattoria (4). Turbiinin läpi virrannut vesi virtaa poistoputken (5) kautta alajuoksulle. Kuva 7: Voimalaitoksen periaatekuva (Reunanen 1997). 4.2 Turbiinit ja niiden säätö Voimalaitos käsittää kolme pystymallista turbiinia, joista kaksi ovat kiinteällä lapakulmalla varustettuja potkurityyppisiä. Yksi turbiini on säädettävät lapakulmat omaava kaplan-tyyppinen, jonka säätö on mahdollista vain turbiinin seisoessa. Turbiineissa on johtosiivet, joiden avulla voidaan säätää virtauksen suuruutta generaattorin eri käyttövaiheissa. Tahdistusvaiheessa johtosiipiä avataan sen verran, että kone pyörii tahtinopeuttaan. Tahdistuksen jälkeen ja koneen ollessa verkossa avataan johtosiipiä enemmän. Suurempi läpivirtaus kasvattaa turbiinin vääntömomenttia ja näin ollen myös generaattorista saatavan sähkötehon suuruutta. Koneiden alasajon yhteydessä johtosiipiä suljetaan hallitusti siten, että koneen syöttämä pätöteho laskee nollaan. Alasajon yhteydessä on kiinnitettävä huomiota, että

23 22 (86) generaattori ei mene takateholle. Vasta staattorivirran ollessa nollan tuntumassa voidaan verkkokatkaisija avata. Alla olevassa taulukossa 1 on esitetty voimalaitoksen kolmen turbiinin tekniset tiedot. Taulukko 1: Turbiinien kilpitiedot. Turbiini Valmistaja Dumont S.A Dumont S.A Dumont S.A Tyyppi Pystypotkuri Pystypotkuri Pysty-Kaplan Valmistusvuosi Nimellisteho [kw] Pyörimisnop. [rpm] Juoksup.halkaisija. [mm] Tilavuusvirtaus[m 3 /s] 26,5 26,5 15 Putouskorkeus [m] 7,8 7,8 7,8 4.3 Vaihde Turbiinin ja generaattorin välissä on ylennysvaihde, jonka avulla generaattorin pyörimisnopeus nostetaan verkkotaajuutta vastaavaksi tahtinopeudeksi. Kaplanturbiineita varten vaihteessa tulee olla ensiöakselin läpi menevä poraus ja juoksupyörän ohjauslaitteen kiinnitysmahdollisuus. Generaattori kytketään vaihteen toisioakseliin hammaskytkimellä. Vaihde on muodostunut ongelmaksi sen epävarmuuden ja suuren melun takia. Taulukossa 2 on esitetty vaihteen kilpitiedot (Jussila 1978, 175). Taulukko 2: Vaihteiden kilpitiedot Vaihde Valmistaja Valmet Valmet Valmet Valmistusvuosi Tyyppi SIG630-TV SIG630-TV SIG450-TV Nimellisteho [kw] Muuntosuhde 1:5,5714 1:5,5714 1:4, Sähköinen yleiskaavio Finlaysonin voimalaitos sisältää kolme generaattoria, 5 kv:n kojeiston, 400 V:n omakäyttömuuntajan, 400 V:n omakäyttökeskuksen sekä 400 V ja 5 kv:n kaapeliyhteydet keskikosken voimalaitokselle. Keskikosken kautta on yhteys Tampellan

24 23 (86) voimalaitokseen, jonka kautta toteutuu 5 kv:n jakelu. Tämän johdosta Finlaysonilta on mahdollista syöttää energiaa Tampellan kautta 5 kv:n jakelualueelle tai Keskikosken kautta 20 kv:n jakelualueelle. Kuva 8: Finlaysonin sähköinen yleiskaavio. 4.5 Generaattorit Finlaysonin voimalaitos sisältää kolme tähteen kytkettyä harjattomalla magnetointikoneella varustettua umpinapaista tahtigeneraattoria. Viimeisin generaattoriuudistus suoritettiin vuonna 1990 ja viimeisin laaja perushuolto sekä tarkastus vuonna Generaattorin ja turbiinin välissä on ylennysvaihde, jonka avulla saadaan turbiinin pyörimisnopeus vastaamaan generaattorin tahtinopeutta.

25 24 (86) Kuva 9: Nimellisteholtaan suurimmat koneet 1 ja 2. Alla olevassa taulukossa on koneiden kilpitietoihin perustuvat tekniset tiedot. Kolmas kone on turbiinin pienuuden vuoksi luonnollisesti pienempi tehoinen. Taulukko 3: Generaattoreiden kilpitiedot Kone U n [kv] P ns [MW] I n [A] cosφ n s [rpm] U m [V] I m [A] , , , , , , , Generaattoreiden suojaus ja valvonta Jokaisella generaattorilla on oma ohjauskaappinsa, jossa sijaitsee generaattorikohtainen suojareleistys ja mittaristo. Koneet on suojattu ylivirta-, ylijännite-, ja takatehoreleillä ja maasulkusuojauksesta vastaa summavirta ja nollajännite suojareleistys. Kiskostossa on mittamuuntajat, joiden toisiossa on suojareleiden lisäksi pätötehö-, loisteho-, virta-, ja energiamittarit. Analogisesta hälytyskeskuksesta on luettavissa

26 25 (86) käämilämpötilat sekä ylä- ja alapäälaakereiden lämpötilat. Lämpötiloille on asetettu hälytys- ja laukaisurajat, joilla koneet tulevat alas verkosta. Kaikki hälytykset on ohjattu Keskikosken ja Naistenlahden valvomoihin. Suojareleille on suoritettu Tampereen Sähköverkko Oy:n toimesta testaukset ja kuntokartoitus vuonna Jännitteensäätö Pääkoneen magnetoinnin- eli jännitteensäätö on toteutettu harjattomalla periaatteella. Magnetointigeneraattorin staattorin jännitteensäätö on toteutettu tyristorisillalla, jonka ohjauskulmasäädön avulla voidaan säätää sen roottoriin indusoituneen jännitteen suuruuteen. On huomattava, että napapyörä on tässä magnetointigeneraattorissa seisoja ja roottori pyörijä. Mitä suuremmalla ohjauskulmalla tyristoreja ohjataan, sitä suurempi jännite indusoituu magnetointigeneraattorin staattoriin. Staattorissa on kuusi diodia, mitkä tasasuuntaavat jännitteen päägeneraattorin napapyörälle. Päägeneraattoriin indusoitunut jännitteen suuruus noudattaa yhtälöä 2. Itse jännitteensäätäjänä toimii Shunttisäätäjä RBS 6000 mallinen jännitteensäädin ja se vastaa jännitteensäädöstä eri kuormitus- ja vikatilanteissa. Shunttisäätäjän periaateena on ottaa magnetoimistehonsa generaattorin kiskojännitteestä. Tästä syystä säätäjä ei voi antaa oikeata magnetointitehoa, jos koneen napajännite heikkenee tai häviää kokonaan (oikosulku). Tämän takia säätäjään on lisätty erillinen oikosulun korjaaja, joka koostuu pääasiallisesti kolmeen vaiheeseen asennetuista kyllästyvistä virtamuuntajista ja tasasuuntaussillasta. Oikosulkukorjaajan tarkoitus on antaa magnetoinnille virta, joka on suhteellinen generaattorin staattorivirran suhteen. Virtaa voidaan säätää lähtöjen avulla, joilla saadaan tarvittava oikosulkuvirta suojalaitteiden toimivuuden takaamiseksi. Alla olevassa periaatekuvassa on havaittavissa jännitteensäätöprosessi (RBS 6000 manual).

27 26 (86) Kuva 10: Jännitteensäädön periaatekuva (ABB 2001). 4.6 Omakäyttökeskus Finlaysonin voimalaitoksessa on 400 V:n omakäyttökeskus, jota syöttää 315 kva:n muuntaja voimalaitoksen 5 kv:n pääkiskostosta. Syöttö keskukselle vikatapauksissa tai muista syistä on saatavilla 400 V:n kaapeliyhteydellä Keskikosken voimalaitokselta, mutta vaihto varayhteydelle täytyy tehdä käsin. Keskukselta on syötöt kaikille laitoksen apulaitteille kuten ilmastoinnille, turbiinin ja vaihteen vaatimille hydrauli-pumpuille. Laitoksen valaisinsyötöt ovat myös kyseisessä keskuksessa. Voimalaitos käsittää myös 24 V ja 110 V:n akustot, joilla tärkeimmät automaatio- ja säätölaitteet pysyvät toiminnassa äkillisen sähkökatkoksen sattuessa. 4.7 Koskesta saatavan tehon osatekijät Vesivoimalaitoksen ideana on muuttaa vesimassojen potentiaalienergia ensin turbiinin liike-energiaksi ja tämän jälkeen sähköiseksi energiaksi generaattorin avulla. Prosessi potentiaalienergiasta sähköiseksi energiaksi sisältää kuitenkin erilaisia häviöitä, joita voidaan kuvata eri toimilaitteiden hyötysuhteilla (Vesivoimalaitokset 1978).

28 27 (86) Vesivoimalaitosten hyötysuhde on yleensä hyvä vaihdellen 70% - 90% välillä riippuen turbiinityypistä, ohijuoksutuksesta, vaihteesta ja generaattorista. Teoreettinen sähköteho riippuu veden virtauksesta, tiheydestä, putouskorkeudesta, putoamiskiihtyvyydestä ja kokonaishyötysuhteesta noudattaen seuraavaa kaavaa 7. (Korpinen 1998, 4). P Qh g (7) jossa Q on virtausnopeus [m 3 /s] h on putouskorkeus [m] η on kokonaishyötysuhde g on putoamiskiihtyvyys [m/s 2 ] ρ on veden tiheys [kg/m 3 ] Lasketaan kosken potentiaalinen teho yhden suuremman turbiinin (T1 tai T2) osalta soveltamalla kaavaa 7, kun jätetään huomioimatta hyötysuhteet. Virtaamana käytetään turbiinien 1 tai 2 rakennevirtausta 26,5 m 3 /s ja putouskorkeutena maksimia 7,8 m. P p1 Qh g 26,5m 3 /s 7,8m 1 9,81m/s kg/m 3 2,03MW Potentiaaliteho P p12 turbiineille 1 ja 2 yhteensä P P 2,03MW 2 4,06MW (8) p12 p12 Potentiaaliteho P p3 pienemmän kolmannen turbiinin osalta, kun rakennevirtaus on 15 m 3 /s ja putouskorkeus 7,8 m. P p3 Qh g 15m 3 /s 7,8m 1 9,81m/s kg/m 3 1,15MW Potentiaaliteho yhteensä koko voimalaitoksen osalta on turbiinien 1, 2 ja 3 summa seuraavasti P pkok P p12 P p3 4,06 MW 1,15MW 5,21MW

29 28 (86) Rakennusaste Voimalaitoksen käyttöperiaatteeseen vaikuttaa suuresti laitoksen rakennusvirtaama. Kirjallisuudessa käytetään yleensä käsitettä rakennusaste, joka on rakennusvirtaaman ja keskivirtaaman suhde. Rakennusaste vaihtelee suuresti eri voimalaitostyypeillä ja niiden rakennusvirtaaman valintaan käytetään erilaisia kriteereitä, jotka tulee ottaa huomioon voimalaitoksen suunnitteluvaiheessa. Selvityksen kohteena on oltava ainakin virtaaman pysyvyyskäyrä, järvien säännösteltävyys, voimalaitoksen säännöstelyallas ja voimalaitoksen käyttö erillisenä tai ketjuna. Kirjallisuudessa esitetään jokivoimalaitoksen rakennusasteeksi yleensä 1,5 1,8 ja säännöstelyvoimalaitoksen 2,5 3. Lasketaan Finlaysonin rakennusaste, kun tiedetään rakennusvirtaama ja keskivirtaama. Tammerkosken keskivirtaama on 30 vuoden tarkastelujaksolla noin 71 m 3 /s (Veijalainen, Syke), joka jakaantuu Tampellan ja Finlaysonin voimalaitosten kesken. Tampellan rakennusvirtaama on 62 m 3 /s ja Finlaysonin 68 m 3 /s, joten Finlaysoniin vaikuttava keskivirtaama on 39 m 3 /s. 3 RQ 68m /s R 1,74 1,7 3 (9) MQ 39m /s jossa RQ on rakennusvirtaama [m 3 /s] MQ on keskivirtaama [m 3 /s] Voimalaitoksen koneiden lukumäärään ei ole erityisiä suosituksia, mutta käytön kannalta on eräitä tilanteita joilla koneiden lukumäärää voi arvioida. Näitä ovat koneiden huoltotoimenpiteet ja etenkin vauriotilanteet. Suositusta koneiden määrälle annettaessa voidaan käyttää sääntöä, jonka mukaan rakennusasteen tulisi olla 1 1,2, jos yksi kone on poissa käytöstä. Näin monessa tilanteessa säästyttäisiin energian menetyksiltä, vaikka osa säännöstelyhyötyä menetettäisiinkin. Finlaysonin osalta yhden suuremman rakennusvirtaaman 26,5 m 3 /s omaavan koneen vaurioituminen johtaisi rakennusasteeseen R = 1,15. (Koskinen, Määttänen ym. 1978, 108)

30 29 (86) Säännöstely Tärkeän osatekijän vesivoimalaitoksen käyttöperiaatteisiin muodostavat erilaiset säännöstelymahdollisuudet, joiden ideana on käyttää allasvaraston vettä normaalin tulovirtaaman lisänä. Vuorokausisäännöstely hoidetaan yleisesti voimalaitoksen lähialtailla ja voimalaitoksen lupapäätöksessä on annettu säännöstelyä varten altaan rajakorkeudet (Koskinen, Määttänen ym. 1978, 108). Säännöstelymahdollisuuksia voidaan mitata paitsi rakennusasteella myös altaan energiasisällöllä verrattuna voimalaitoksen keskituotantoon. Usein varsin tärkeän tekijän muodostaa virtaamamuunnoksista johtuva veden korkeuden vaihtelujen rannoille, ranta-asukkaille ja teollisuuden vesihuollolle aiheuttama haitta. Viikkosäännöstelyssä tarvitaan yleensä järvialtaita, ja tällöin tuleekin jo kysymykseen eri voimalaitosten etujen yhteen sovittaminen. Yleisesti ne kuitenkin ovat samansuuntaisina helposti soviteltavissa Yleensä säännöstelytarpeesta antavat kuvan valtakunnalliset vuorokauden kuormituskäyrät ja koko vuoden kuormituskäyrät. Lisäksi laitoksen käyttöaikaan vaikuttaa myös tulovirtaama ja markkinahinnan hyvyys (Koskinen, Määttänen ym. 1978, 112). Näsijärven säännöstelystä vastaa Tampereen Energiantuotanto Oy Finlaysonin ja Tampellan voimalaitosten kautta. Säännöstelyluvan haltija on Näsijärven säännöstelyyhtiö ja alkuperäinen säännöstelyn tarkoitus on ollut vesivoiman tuotto ja tulvasuojelu (Pirkanmaan ympäristökeskus 2010). Kuvasta 11 on nähtävissä Näsijärven säännöstelyn ylä- ja alarajat. Suurin säännöstelyväli on 1,49 m ja suurin säännöstelytilavuus 385 miljoonaa kuutiota, mutta säännöstelyä ei kuitenkaan toteuteta niin suurena, kuin lupaehdot antaisivat myöten (Pirkanmaan ympäristökeskus 2010).

31 30 (86) Kuva 11: Näsijärven säännöstely (Pirkanmaan ympäristökeskus 2010) Säännöstelyn vaikutuksesta talvinen ja keväinen vedenpinnan lasku on suurentunut ja parantanut veden kesäistä virkistyskäyttöä pienentämällä vedenkorkeuden vaihteluväliä. Säännösteltynä aikana veden korkeusvaihtelu on ollut vain 20cm verrattuna luonnontilaiseen 75 cm vaihteluväliin (Pirkanmaan ympäristökeskus 2010). Tammerkoskelle laaditaan viikoittain vedenjuoksutusennuste, jossa on laskettu kullekin päivälle keskivirtaamaennuste, jonka mukaan koskea juoksutetaan. Virtaamaennusteen mukaan päiville on laskettu kellonajat, joina koneikkoja käytetään parhaan tehon, hyötysuhteen ja etenkin rahallisen tuoton saavuttamiseksi.

32 31 (86) Kuva 12: Viikko 32/2009 Tammerkosken vedenjuoksutussuunnitelma (TSK OY / energiatalous 2009) Generaattorin ja vaihteen hyötysuhde Generaattorin hyötysuhde η g muodostuu sen pyörittämiseen tarvittavan mekaanisen tehon ja generaattorista ulos otettavan sähkötehon suhteesta. Erillismagnetoidun tahtigeneraattorin hyötysuhteeseen vaikuttavat magnetoinnin sekä mekaanisen liikkeen aiheuttamat häviöt. Mekaanisiin häviöihin voidaan lukea laakerihäviöt. Generaattorin ja turbiinin välissä oleva vaihde aiheuttaa mekaanisesta toiminnastaan johtuen häviöitä jopa 1-1,5 %:a porrasta kohden. Häviöt saattavat nousta vaihteen iän myötä aina viiteen prosenttiin asti(lähde). Generaattorin ja vaihteen hyötysuhde on laskettavissa tiedettäessä generaattorin nimellispisteessään tuottama pätöteho ja turbiiniin leimattu huipputeho. Pns kW η gv % (10) P 1700 kw T12 jossa η gv 12 on generaattorin ja vaihteen hyötysuhde P T12 turbiinin mekaaninen huipputeho teho[w] P ns12 on generaattorin nimellinen sähköteho [W]

33 32 (86) Vastaavasti pienemmälle 3. generaattorille η gv3 P P ns3 T kW 986 kw % Turbiinien hyötysuhteet Kaplan-turbiinin hyötysuhde pysyy hyvänä eri virtauksilla lapakulmien säädön vuoksi. Finlaysonin turbiinit 1 ja 2 ovat potkurimallisia ja kolmas turbiini on Kapan-mallinen, mutta lapakulmien säätömahdollisuus käynnin aikana on poistunut kappaleessa 4.2 esitetyistä syistä, joten kaikki turbiinit ovat kiinteälapaisia ja noudattavat potkuriturbiinin hyötysuhdekäyrää. Alla olevasta kuvaajasta 13 on luettavissa kaplan- ja potkuriturbiinien hyötysuhteet tehojen, eli erisuuruisten virtauksien funktiona. Kaplan-turbiinin hyötysuhde pysyy vaihteluvälillä % ajettaessa %:n tehoilla ja vastaavasti potkuriturbiinilla saavutetaan 90 %:n hyötysuhde vain optimilla 100 %:n teholla. Tehon eli virtauksen laskiessa puoleen laskee potkuriturbiinin hyötysuhdekin puoleen. Kuvaajassa on vertailun vuoksi myös kaksi muuta turbiinityyppiä, esimerkiksi Tampellan käyttämä Francis-turbiini. Kuva 13: Hyötysuhteiden kuvaaja (Korpinen 1998).

34 33 (86) Lasketaan turbiinien 1 ja 2 teoreettinen hyötysuhde η T12 turbiinien kilpiarvoihin perustuvassa maksimitehopisteessä, kun tiedetään niiden maksimiteho P T12 ja aikaisemmin laskettu potentiaaliteho P 12. PT kw η T % (11) P 2027 kw 12 Vastaavasti pienemmälle 3. turbiinille η T3 P P T kW 1150 kw % Kokonaishyötysuhde ja -teho Kokonaishyötysuhdetta laskiessa on huomioitava edellä käsiteltyjen hyötysuhteiden lisäksi putouskorkeuden käyttöaste η P, joka riippuu ohijuoksutuksista ja mahdollisista patovuodoista (Koskinen, Määttänen ym. 1978, 103). Kokonaishyötysuhde on kaikkien edellä mainittujen hyötysuhteiden tulo kaavan 12 mukaisesti. Lasketaan käyttöjen 1 ja 2 kokonaishyötysuhde, kun putouskorkeuden käyttöasteeksi oletetaan 1. η η η 0,84 0,92 1 0,77 (12) 12 T12 gv12ηp jossa η T12 on turbiinien 1 ja 2 hyötysuhde η gv12 on generaattoreiden ja vaihteiden hyötysuhde η p on putouskorkeuden käyttöaste Vastaavasti 3. pienemmän koneikon kokonaishyötysuhde kaavan 12 mukaisesti. η 3 ηt3ηgv3ηp 0,86 0,93 1 0,80

35 34 (86) Lasketaan koneikkojen 1 ja 2 tuottama sähköteho kaavan 6 mukaisesti huomioiden kokonaishyötysuhde. Turbiinien kilpiarvoihin perustuva rakennevirtaus Q on 26,5 m 3 /s ja putouskorkeus h on 7,8 m. P S12 2Qh g 2 (26,5 m 3 / s 7,8m 0,77 9,81m/s kg/m ) 3,12MW Lasketaan koneikon 3 tuottama sähköteho kaavan 6 mukaisesti huomioiden kokonaishyötysuhde. Turbiinin kilpiarvoihin perustuva rakennevirtaus Q on 15 m 3 /s ja putouskorkeus h on 7,8 m. P S3 Qh g (15m 3 / s 7,8m 0,79 9,81m/s kg/m ) 0,916MW Todellinen generaattoreiden nimellisteholla verkkoon tuotettu kokonaissähköteho P skok on seuraavan kaavan mukainen. P skok P s12 P s3 3,12MW 0,916MW 4,04MW Johtopäätöksenä todetaan hyötysuhteiden olevan vesivoimalaitokselle tyypillisen 80 %:n tuntumassa. Finlaysonin tapauksessa hyötysuhdetta alentaa vaihteen aiheuttamat häviöt. Todelliset hyötysuhteet saattavat olla ikääntymisen myötä huonommat varsinkin vaihteen osalta. Turbiinien hyötysuhteisiin ei tämän työn puitteissa pystytä vaikuttaan, mutta ylennysvaihteen korvaaminen tai poisjättäminen parantaisi kokonaishyötysuhdetta Vuosienergia Voimalaitoksen vuosienergiaan vaikuttavat käyttötunnit, jotka määräytyvät pinnankorkeuden ja virtausten suuruuksien mukaisesti. Käyttötunteihin vaikuttavat myös käyttökatkokset ja Näsijärven pinnankorkeuden säännöstelyyn vaikuttavat seikat. Seuraavassa yhtälössä 13 on laskettu laitoksen nimellistehollaan tuottama vuosienergia,

36 35 (86) jossa on oletettu laitoksen käyvän täydellä tehollaan vuoden jokaisen tunnin ajan (Puusaari 2005). E P skok t 4,04 MW 8760 h 35,4 GWh (13) jossa t on käyttöaika [h] Todellisuudessa vuosienergia jää huomattavasti pienemmäksi johtuen laitoksen käyttötunneista. Vuonna 1999 tehdyn selvityksen mukaan vuosienergia oli 16 GWh, (TSL) joten huipunkäyttöaika nimellisteholla on 3959 h/a, eli noin puolet vuoden tunneista. 4.8 Kokemusperäinen huipputeho Kokemusperäisten tehomittausten mukaan suurempien koneiden osalta on mitattu 1700 kw:n sähköteho (Valkeisaho 2010), mikä on mahdollista virtausten ollessa turbiinin leimattuja arvoja suuremmat. Tilanne on mahdollinen esimerkiksi keväällä, kun lumet sulavat ja vedenpinnat nousevat. Tahtigeneraattorista on saatavilla sen koko näennäistehon suuruinen (2011 kva) määrä tehoa pätötehona mikäli virtausten suurentuessa turbiinin vääntöominaisuudet sen sallivat. Pätötehon kasvun osuus näennäistehosta rajoittaa generaattorin loistehon syöttökykyä tehokertoimen lähestyessä ykköstä. Mikäli nimellispistettä suuremman pätötehon jälkeen loistehoa tuotettaisiin generaattorin nimellistehokertoimen (cosφ n = 0,8) mukainen määrä, nostaisi se koneen virran yli nimellisvirran. Liiallinen virran nousu aiheuttaisi käämitysten turhaa lämpiämistä tai jopa palamista. Seuraavassa kuvaajassa 14 on esitetty jokaisesta generaattorista kuukausittain mitattu pätöteho vuonna 2008 ja näiden yhteinen kokonaisteho. Kuvaajasta on huomattavissa generaattori 3:n toiminta alle nimellisellä pätötehollaan ja generaattoreiden 1 ja 2 toiminta keskiarvollisesti nimellistä suuremmalla pätötehollaan. Mittausarvot perustuvat ET:n suorittamiin kirjanpitoihin vuodelta 2008 (Valkeisaho 2010).

37 36 (86) P s [kw] G1 G2 G3 Gkok kuukausi Kuva 14: Mittauksiin perustuva sähköteho vuonna Todelliset sähköiseen tehoon perustuvat tehomittaukset viittaavat siihen, että kaksi suurempaa turbiinia pystyvät tuottamaan 1700 kw:n mekaanista maksimitehoaan suuremman tehomäärän. Tämä tulee huomioida uusien generaattoreiden mitoituksessa, jotta tehon syöttökyky voidaan maksimoida Generaattorin toiminta nimellistä suuremmalla pätöteholla Seuraavassa kuvaajassa (Kuva 15) on esitetty jäykkään verkkoon kytketyn generaattorin jännitteiden käyttäytyminen sähköisen pätötehon nimellispisteessä P 1 (1,56 MW) ja normaalia suurempien virtausten sallimassa pätötehopisteessä P 2 (1.7 MW). Generaattorin tehokulma β 1 kasvaa turbiinin väännön funktiona, jonka seurauksena lähdejännitteen E mv1 ja napajännitteen U g välille muodostuu jännite-ero ΔU 1. Jänniteeron kasvaessa generaattorin staattorivirta alkaa kasvaa yhtälön 5 mukaisesti. Kasvanut staattorivirta aiheuttaa sisäistä jännitehäviötä generaattorissa yhtälön 4 mukaisesti, jonka takia generaattori jää toimimaan alimagnetoituna, mikäli magnetointi pidetään vakiona (cosφ 1 = kap.). Magnetointia suurennettaessa kasvaa lähdejännite E mv1 lähdejännitteen E mv2 suuruiseksi, jolloin myös jännite-erovektori ΔU 1 tulee P-akseli 1:n

38 37 (86) kanssa yhdensuuntaiseksi ja tehokerroin nousee arvoon cosφ 1 = 1. Saavutettuaan loistehotasapainon voidaan magnetointia kasvattaa aina nimelliseen cosφ 1 = 0,8 ind. asti. Nimellisellä tehokertoimella generaattori toimii ylimagnetoituna syöttäen induktiivista loistehoa verkkoon. Tilanteissa joissa kosken virtaukset ovat turbiiniin leimattuja maksimitehoja vastaavia virtauksia suuremmat, saadaan generaattorista turbiinin ominaisuuksien salliessa enemmän pätötehoa. Seuraavassa kuvaajassa (kuva 14) on merkitty tätä tilannetta teholla P 2 (1.7 MW). Turbiinin kasvaneen väännön funktiona generaattorin tehokulma kasvaa β 2 verran. Nimellistilannetta suurempi tehokulma pidentää jännite-erovektoria ΔU 2 ja koneen staattorivirta alkaa kasvaa yhtälön 5 mukaisesti. Kasvanut staattorivirta pienentää entisestään koneen sisäistä lähdejännitettä E mv3 yhtälön 4 mukaisesti, mikäli magnetointivirta pidetään vakiona. Generaattori jää toimimaan entistä alimagnetoituneempana (cosφ 2 = kap.) verrattuna nimellispisteen (P 1 = 1,56 MW) toimintaan, joten tarvitaan enemmän magnetointivirtaa, jotta lähdejännite E mv3 saadaan kasvatettua E mv4 :n tasolle. Magnetointivirran noston seurauksena jännite-erovektori ΔU 2 tulee P-akseli 2:n kanssa yhdensuuntaiseksi ja generaattorin tehokerroin nousee arvoon cosφ 2 = 1. Magnetointivirran nosto lisää hyötysuhteeseen vaikuttavia magnetoimishäviöitä verrattuna nimellistilanteeseen. Toimittaessa nimellistä suuremmalla pätöteholla tehokertoimen säätö nimelliseen cosφ 2 = 0,8 ind. ei ole enää mahdollista, koska se nostaisi generaattorin kokonaisvirtaa liiaksi. P-akseli 2 E mv4 E mv2 E mv3 E mv1 ΔU 2 ΔU 1 kap. β 2 β 1 cosφ 1 cosφ 2 Q-akseli ind. P 1 P 2 P-akseli 1 Kuva 15: Generaattorin jännitteiden käyttäytyminen kahdella eri pätötehoalueella.

39 38 (86) Generaattorin loistehon syöttökyky Kuvaajassa 16 on nähtävissä generaattorin nimellistilannetta vastaava tehon syöttökyky ja tehokerroin. S 1 =1950 kva Q 1 =1170 kvar cosφ 1 =0,8 P 1 =1560 kw Kuva 15: Generaattorin nimellistehot. Nimellistä suuremmalla pätöteholla ajo vaikuttaa generaattorin loistehon syöttökykyyn seuraavan kuvan 17 mukaisesti. Pätötehon suuretessa loistehonsäätö heikkenee, koska näennäisteho pysyy vakiona. S 2 =1950 kva cosφ 2 =0,5 P 2 =1700 kw Q 2 =955 kvar Kuva 16: Generaattorin tehot nimellistä suuremmalla pätöteholla.

40 39 (86) 5 Generaattorivaihtoehtojen kartoitus Finlaysonin voimalaitos edustaa teholuokkaa, joka mahdollistaa monien erilaisten generaattorimallien käytön. Teholuokassa MW on mahdollista käyttää epätahtigeneraattoria, perinteistä erillismagnetoitua tahtigeneraattoria ja kestomagneettitahtigeneraattoria. Tässä luvussa tutkitaan edellä mainittujen generaattoreiden ominaisuuksia ja verkkoon liittymisen mahdollistavia apulaitteiden tarvetta ja toimintaa. 5.1 Epätahtigeneraattori Epätahtigeneraattori on yleisesti käytetty malli alle 1 MW:n pienvesivoimaloissa. Sen toiminta perustuu roottorin pyörintään epätahdissa staattoriin nähden, kuten moottorikäytössäkin. Epätahtigeneraattori vaatii magnetointitehonsa, joka voidaan ottaa sähköverkosta tai erillisistä magnetointikondensaattoreista. Mikäli kondensaattoreita ei käytetä, generaattori ottaa nimellispisteessä tehokertoimensa edestä induktiivista loistehoa verkosta aiheuttaen ylimääräisiä rasituksia sähköverkkoon. (Aura & Tonteri 1997, 177) Epätahtigeneraattorit ovat tyypillisesti neljä- tai kuusinapaisia, jolloin niiden tahtinopeus on rpm. Generaattorin roottorin tulee pyöriä hieman yli tahtinopeuden, jotta tehon siirto verkkoon olisi mahdollista (Aura & Tonteri 1997, 177). Finlaysonin suurempien turbiinien hidas alle 200 rpm:n pyörimisnopeus vaatisi nykyisen kaltaisen ylennysvaihteen, jotta generaattori saataisiin pyörimään 1000 rpm:n tahtinopeutta. Vaihteesta koituisi turhia lisähäviöitä, huoltokustannuksia ja korkea hankintahinta. Taajuusmuuttajakäytön avulla koneen tuottama taajuus saadaan vastaamaan verkon taajuutta. Kuitenkin generaattorin pyöriessä reilusti alle tahtinopeuttaan sen staattoriin indusoitunut jännite jäisi liian pieneksi tai se joutuisi ottamaan kohtuuttoman suuren magnetointitehon verkosta. Jännitteen pienuuden vuoksi koneen antoteho jäisi reilusti alle nimellistehon.

41 40 (86) Etuna pidetään tahdistuksen yksinkertaisuutta, joka tapahtuu pyörimisnopeuden tarkkailulla. Generaattorin magneettivuon ollessa nolla generaattori ottaa moninkertaisen nimellisvirtansa verkkoon kytkentävaiheessa, mikä aiheuttaa jännitteen alenemista verkossa. Generaattori on kytkettävä verkkoon mahdollisimman lähellä tahtinopeuttaan, jotta käynnistysvirran suuruus minimoituisi. Yleisesti käytetään erillistä pehmokäynnistintä, joka asteittain nostaa generaattorin yli olevaa jännitettä. Epätahtigeneraattori on hinnaltaan edullinen, rakenteeltaan luja ja vähäistä huoltoa vaativa (Aura & Tonteri 1997, 177). Seuraavassa kuvassa 18 on esitetty tyypillinen epätahtigeneraattoriratkaisu ja siihen tarvittavat komponentit. Kuva 17: epätahtigeneraattori apulaitteineen (Hansen 2001). Epätahtigeneraattorin edut: - Yksinkertainen ja luja rakenne, ei vaadi juurikaan huoltoa - Yksinkertainen tahdistuslaitteisto - Halpa hankintahinta. Epätahtigeneraattorin haitat: - Tarvitsee vaihteiston - Tarvitsee erillisen kompensointiyksikön - Tarvitsee pehmokäynnistimen - Ei loistehon säätömahdollisuutta.

42 41 (86) 5.2 Erillismagnetoitu tahtikone Erillismagnetoitu tahtigeneraattori edustaa Finlaysonin nykyistä ratkaisua (Kuva 19). Ylennysvaihteen ansiosta generaattorin napaluku on saatu pysymään pienenä, mikä on vaikuttanut koneen fyysisen koon pienuuteen. Vaihteesta on koitunut ongelmia melun, käyttövarmuuden, öljysumun ja kappaleessa lasketun heikon hyötysuhteen vuoksi. Vaihteetonta ratkaisua ajatellen (Kuva 20) generaattorin koko suurenisi huomattavasti napamäärän noustessa nykyisestä kuudesta navasta 34:een napaan. Finlaysonin turbiinin hitaammasta pyörimisnopeudesta johtuen koneiden fyysinen koko tulisi olemaan suurempi kuin Tampellan koneilla. Fyysisen koon suurentuminen vaikuttaa suoraan koneen hankintahintaan ja asettaa rajoituksia tilankäytön suhteen. Erillismagnetoidun generaattorin hyvinä puolina mainittakoon jännitteensäätö mahdollisuuden luoma tasainen napajännite kuormitusten vaihdellessa, loistehon säätö mahdollisuus ja perinteisen generaattorin kokemusperäinen toimintavarmuus. Erona epätahtigeneraattoriin tahtikone voi toimia itsenäisesti verkkosähköstä riippumattomana, mikäli se on varustettu PMG-herätekoneella. Herätyksen jälkeen koneen staattoriin indusoituva jännite johdetaan jännitemuuntajien kautta magnetointipiiriin. Tahtikone tarvitsee aina erillisen tahdistuslaitteiston, jonka tehtävänä on saada generaattorin taajuus, jännite ja vaihekulma verkkoa vastaaviksi. Tahdistusehtojen täytyttyä verkkokatkaisija kytkee generaattorin verkkoon (Aura & Tonteri 1997, 234). Finlaysonin generaattorikatkaisijat alkavat olla vanhoja, joten niiden uusiminen tulisi myös huomioida. Katkaisijoiden uusiminen on kuitenkin välttämätöntä generaattoreiden jännitetason ja nimellisvirtojen muuttuessa. Seuraavassa mallikuvassa 19 on esitetty perinteinen verkkomagnetoitu generaattoriratkaisu. Kuvassa 20 on esitetty moninapainen suoraan verkkoon kytkettävä pmg-herättimellä varustettu generaattori. Kuviin on lisätty käytön vaatimat välttämättömät apulaitteet kuten tahdistin, suojareleistys ja generaattorikatkaisija.

43 42 (86) Kuva 18: Erillismagnetoitu tahtigeneraattori vaihteistolla. Kuva 19: Erillismagnetoitu moninapainen tahtigeneraattori ilman vaihteistoa. Erillismagnetoidun tahtigeneraattorikäytön edut: - Loisteho- ja jännitteensäätömahdollisuus - Parempi hyötysuhde kuin epätahtigeneraattorissa - Itsenäinen toiminta - Vaihteisto voidaan jättää pois (moninapainen). Erillismagnetoidun tahtigeneraattorikäytön haitat: - Generaattorin fyysinen koko ja hinta (moninapainen) - Tarvitaan vaihteisto (pieninapainen) - Tarvitsee erillisen tahdistuslaitteiston ja suojareleistyksen - Magnetointikäämityksestä johtuvat häviöt (vrt. PMG) - Enemmän vikaantuvia osia (vrt. PMG).

44 43 (86) 5.3 Kestomagnetoitu tahtikone Kestomagnetoitu tahtikone edustaa uudempaa tekniikkaa verrattuna edellä mainittuihin generaattorityyppeihin. Erona erillismagnetoituun tahtikoneeseen pidetään magnetointilaitteiston tarpeettomuutta, mikä yksinkertaistaa koneen rakennetta ja hyötysuhde paranee magnetointikäämityksen häviöiden puuttuessa. Kestomagneettien avulla saadaan staattoriin monta napaparia kompaktiin tilaan, minkä takia kestomagneettigeneraattori toimii perinteistä paremmalla momentilla. Momentin paraneminen johtaa korkeaan tehomäärään pienilläkin kierroksilla (ABB Partanen 7/2008). Kestomagneettigeneraattori voidaan kytkeä verkkoon joko suorasti tai epäsuorasti taajuusmuuttajan kautta. Suorassa verkkokytkennässä generaattorin tulee olla siihen erikseen suunniteltu. Suorakytkentäisen koneen fyysinen koko kasvaa, kuten erillismagnetoidun vaihteettoman koneen tapauksessa. Moninapaisen kestomagneettigeneraattorin fyysinen koko ei ole suoraan verrattavissa moninapaiseen erillismagnetoituun generaattoriin, koska kestomagneettiteknologian ansiosta navat saadaan pienempään tilaan (Axco Motors 2009). Magnetointimahdollisuuden puuttuminen edellyttää erillisten kompensaatiokondensaattoreiden tarvetta, jotta koneen tehokerroin saataisiin nostettua verkon haltijan vaatimalle tasolle. Mikäli kondensaattoreita ei käytetä, kone ottaa tarvitsemansa loistehon verkosta aiheuttaen verkolle ylimääräisiä rasituksia. Suora verkkokäyttö vaatii erilliset tahdistus- ja suojalaitteistot. Kuvassa 20 on esitetty suoran verkkokäytön mallikuva. Kuva 20: Moninapainen suoraan verkkoonkytketty kestomagneettigeneraattori (kondensaattori ei välttämätön).

45 44 (86) Suoran kestomagneettigeneraattorikäytön edut: - Paras hyötysuhde kaikista vaihtoehdoista (ei tehoelektroniikkaa, ei vaihdetta) - Yksinkertainen ja luja rakenne - Ei tarvitse vaihdetta (moninapaisuus) - Soveltuu vakiotehokäyttöön Suoran kestomagneettigeneraattorikäytön haitat: - Generaattorin kalliimpi hankintahinta (moninapaisuus) - Tarvitsee erillisen kompensointiyksikön (riippuen mallista) - Tarvitsee tahdistuksen ja suojareleistyksen erillisinä järjestelminä - Ei loistehon- ja jännitteensäädön mahdollisuutta Taajuusmuuttajan kautta verkkoonkytketyn kestomagneettigeneraattorin fyysistä kokoa voidaan pienentää. Laitevalmistajilta on saatavissa generaattoreita, joiden nimellisjännitettä vastaava taajuus on jopa alle puolet 50 Hz:n verkkotaajuudesta. Näin hitaasti pyörivästä koneesta saadaan nimellisjännite pienellä napamäärällä. Taajuusmuuttajan tehtävänä on moduloida generaattorin nimellisjännitettä vastaava taajuus verkkotaajuutta vastaavaksi. Taajuusmuuttajakäyttö mahdollistaa muuttuvatehoisen käytön ja sen avulla voidaan toteuttaa generaattorin suojaus, tahdistus ja loistehon säätö, myös seisovalla koneella. Taajuusmuuttaja kytkee generaattorin pehmeästi verkkoon ja tehon syöttö voidaan aloittaa heti käynnistysvaiheessa ja alasajovaiheessa jarrutusenergia voidaan syöttää verkkoon. Kaikki perinteisesti erillisjärjestelmän vaatineet apulaitteet voidaan sisällyttää taajuusmuuttajaan, mikä yksinkertaistaa huomattavasti laitoksen sähköjärjestelmää (ABB 2007). Haittoina pidetään taajuusmuuttajan kallista hankintahintaa ja erikoisosaamista vaativaa huoltoa. Kuvassa 22 on esitetty taajuusmuuttajan kautta verkkoonkytketyn kestomagneettigeneraattorin mallikuva. Kuva 21: Kestomagneettigeneraattori ja taajuusmuuttaja.

46 45 (86) Kestomagneettigeneraattorin ja taajuusmuuttajan edut: - Generaattorin fyysinen koko pienempi, halvempi hinta (vrt. moninapa PMG) - Taajuusmuuttaja sisältää generaattorisuojat, tahdistuksen, loistehonsäädön - Generaattorikatkaisijaa ei tarvita - Yksinkertaistunut laitoksen sähköjärjestelmä. Kestomagneettigeneraattorin ja taajuusmuuttajan haitat: - Taajuusmuuttajan hinta - Erikoisosaamista vaativa huolto - (Potkuriturbiinin hyötysuhdekäyrästä johtuva turbiinin osatehoilla ajamisen kannattamattomuus). 5.4 Kompensointi Epätahtigeneraattori ja suoraan verkkoonkytketty kestomagneettigeneraattori saattavat vaatia erillistä kompensointilaitteistoa, jotta tehokerroin saataisiin mahdollisimman lähelle Tampereen Sähköverkko Oy:n määräämiä verkkoonliityntävaatimuksia. TSV ei veloita loistehosta, mikäli liittymäsulake on alle 100 A tai loistehon määrä on alle 20 % tuotetusta pätötehosta (JLeh 2009). Edellä mainitun ohjeen mukaan voimalaitoksen kokonaistehokerroin kolmen koneen osalta tulisi olla vähintään 0,98 ind. Kestomagneettigeneraattorin tarkastelu palvelee tämän työn tarkoitusta enemmän, joten tarkastellaan kompensointia sen osalta. Magnetoinnin puuttuessa loistehon suhteeseen näennäistehosta ei voida vaikuttaa. Pätötehon kasvaessa koneen verkosta ottama loisteho kasvaa tehokertoimen mukaisesti. Mallista riippuen kestomagneettigeneraattorin tehokerroin nimellisteholla on suhteellisen hyvä 0,93-0,98 teholuokassa 1-1,7 MW (ABB performance data). Kompensointilaitteisto voidaan toteuttaa konekohtaisesti tai keskitetysti. Perusratkaisuna on käytetty estokelaparistoa, joka tarkkailee kiskoston loistehoa ja kytkee tarvittaessa porrasmaisesti kondensaattoreita rinnalle. Kompensointilaitteiston tavoittelema tehokerroin voidaan asetella cosφ = 0,995 (käytännössä 10% loistehosisältö), jota kompensointilaitteiston automatiikka pyrkii ylläpitämään portaiden päälle ja pois kytkemisellä (JLeh 2009, 3).

47 46 (86) Kompensaatiolaitteisto mitoitetaan generaattoreiden yhteisen loistehosumman perusteella, joten esimerkiksi kahden koneen tarvitsema loisteho on pienempi kuin kolmen koneen. Kytkettäessä kolmas generaattori verkkoon, pyrkii kompensaatiolaite mukautumaan suurentuneeseen loistehomäärään kytkemällä lisää kondensaattoreita rinnalle. TSV:n säännösten mukaan uusien rinnakkaiskondensaattorien verkkoon liittäminen ei ole enää sallittua, joten kompensointi täytyy toteuttaa estokelaparistolla. Estokelapariston etuna verrattuna normaaliin rinnakkaiskondensaattoriin on, että se ei aiheuta resonanssitilanteita verkon induktanssien kanssa. Estokelapariston jokainen porras koostuu induktanssin ja kondensaattorin sarjakytkennästä, jotka muodostavat sarjaresonanssipiirin. Resonanssipiiri on viritetty alemmalle taajuudelle kuin mikä on verkossa esiintyvä pienin harmoninen yliaaltotaajuus (Nokia Capacitors estokelaparisto 2006). 5.5 Taajuusmuuttaja Seuraavassa kuvassa 23 on nähtävissä generaattorikäyttöön soveltuvan taajuusmuuttajan periaatekuva. Pääpiirit ovat generaattorisuuntaaja, jännitevälipiiri, verkkovaihtosuuntaaja, verkkosuodatin ja näiden ohjauksesta vastaava ohjauselektroniikka. Kuvasta puuttuu lähinnä optiona oleva generaattorin ja generaattorisuuntaajan välinen suodatin. Seuraavissa luvuissa käsitellään kuvan piirejä ja niiden periaatteellista toimintaa. Kuva 22: Taajuusmuuttajan periaatekuva (Andrey 2008, 31).

48 47 (86) Tasasuuntaus Jännitevälipiirilliset taajuusmuuttajat koostuvat 6-pulssisesta diodi-, tyristori- tai IGBTtehotransistorisillasta, jolla sisään tuleva kolmivaiheinen vaihtosähkö tasasuunnataan sykkiväksi tasasähköksi. Sykkeen suuruuteen vaikuttaa em. puolijohdekomponenttien määrä, jonka mukaan määräytyy myös pulssiluku. Esimerkiksi 6-pulssisella sillalla jännitesyke on suurempi kuin 12-pulssisella. Diodisilta 6-pulssisilta on yleisin kolmivaiheisen sähkön tasasuuntausmuoto. Diodi on verkkokommutoitava, eli se mukailee automaattisesti generaattorin pyörimisnopeuden vaihtelua. Diodeilla toteutetussa sillassa ei sisään tulevan jännitteen suuruutta pystytä säätämään, joka tarkoittaa, että tasajännite on vakio ja sen suuruuden määrää generaattorin staattorijännite (VTT 2009, 49). Kestomagnetoidun tahtikoneen tapauksessa diodisilta on sopiva tasasuuntausmuoto, koska kestomagneettien ansiosta generaattori ei tarvitse erillistä magnetointivirtaa muuttajalta. Diodisilta on täten halvempi vaihtoehto taajuusmuuttajan tasasuuntaajaksi verrattuna aktiiviseen myöhemmin käsiteltävään IGBT-siltaan (VTT 2009, 49). Diodi syttyy johtavaan tilaan, kun sen anodilta katodille vaikuttaa positiivinen potentiaali ja sammuu, kun potentiaali muuttuu negatiiviseksi. Diodisilta on ns. verkkokommutoituva, joka tarkoittaa, että virran siirto diodilta toiselle tapahtuu verkkojännitteen pakottamana. Kuvassa 24 kolme ylimmäistä diodia on kiinnitetty positiiviseen dc-kiskoon. Diodi, jonka vaihejännite on positiivisin, on johtovuorossa. Vastaavasti negatiivisessa dc-kiskossa johtaa se diodi, jonka vaihejännite on negatiivisin. Diodisilta ei kuluta ohjausloistehoa kuten tyristori, mutta kuluttaa kommutointiloistehoa (VTT 2009, 42).

49 48 (86) Kuva 23: Kuusipulssi diodisillan sijaiskytkentä (Ikonen 2004). IGBT-silta IGBT-tehotransistorisilta on täysin ohjattu ja sitä käytetään tasasuuntauksessa varsinkin kun halutaan muuttaa jännitteen ja virran suuntaa. IGBT-sillan ansiosta myös virran ja jännitteen välisen vaihekulman muuttaminen on mahdollista ohjaamalla puolijohdekytkimien syttymis- ja sammumisajankohtia (VTT 2009, 50). Erona verkkokommutoituun diodisiltaan IGBT-silta on hilakommutoitu, eli pakkoohjattu. Hilakommutoinnissa johtavan IGBT-transistorin virta voidaan katkaista hilalle tuotavalla negatiivisella jännitepulssilla ja varaustenpoistoajan jälkeen virta katkeaa. Syttyminen voidaan toteuttaa haluttuna ajankohtana, kun anodi-katodipotentiaali (drain source) on positiivinen. Sammuminen on ohjattavissa haluttuna ajankohtana, vaikka anodi-katodipotentiaali olisi positiivinen (ABB 17, 24). IGBT-transistori on jänniteohjattu, joten sen ohjaustehon tarve on pienempi kuin esim. hilakommutoivalla GTO-tyristorilla. IGBT-sillan muodostamat yliaallot ovat pienemmät kuin muilla komponenteilla toteutetuissa silloissa, mikä pienentää generaattorin ja tasasuuntaussillan välisen suodattimen vaatimuksia (ABB 17, 24).

50 49 (86) Kuva 24: IGBT-tasasuuntaussilta DC-Välipiiri Taajuusmuuttajan voidaan jakaa välipiirin perusteella virta- ja jännitevälipiirillisiin taajuusmuuttajiin. Rajataan käsittely työtä paremmin palvelevaan jännitevälipiirilliseen taajuusmuuttajaan. Jännitevälipiiri koostuu: energiavarastona toimivasta kondensaattorista, mahdollisesta kuristimesta ja jarrukatkojasta ja tähän liitettävästä vastuksesta. Kondensaattorin tehtävänä on vakavoittaa tasasuuntauksen jälkeinen jännitesyke. Mikäli kondensaattori on mitoitettu riittävän suureksi, niin muuttaja käyttäytyy syöttöverkon suuntaan vakiojännitelähteen tavoin (VTT 2009, 40). Generaattorin jarruttaminen voidaan toteuttaa syöttämällä jarruenergia verkkoon tai jarrukatkojan avulla erillisiin vastuksiin. Jarrukatkojan tehtävänä on estää välipiirin jännitteen liiallinen nousu. Liiallinen jännitteennousu on mahdollinen, kun tasajännitevälipiiri syöttää enemmän tehoa taajuusmuuttajaan päin kuin vaihtosuuntaaja syöttää verkkoon päin. Ylimääräinen teho ohjataan jarrukatkojan yhteydessä olevaan vastukseen esimerkiksi verkon lyhytaikaisissa vikatilanteissa tai sähkökatkoksissa. Seuraavassa kuvassa 26 on esitetty DC-välipiirin periaatekuva (VTT 2009, 48).

51 50 (86) Kuva 25: DC-jännitevälipiiri jarrukatkojalla Vaihtosuuntaaja sekä ohjaus- ja säätöpiirit Vaihtosuuntauksen tarkoituksena on muodostaa välipiirin tasajännitteestä halutun taajuista ja amplitudista vaihtojännitettä. Taajuutta ja amplitudia voidaan säätää erikseen tai kumpaakin yhtä aikaa. Vaihtosähköpiirin reaktanssit ovat riippuvaisia taajuudesta, joten taajuuden ja amplitudin yhteissäätö on tämän takia suotavaa (ABB 17, 14). Vaihtosuuntaus voidaan periaatteessa toteuttaa tyristoreilla, mutta käytännössä se tehdään IGBT-komponenteilla. Pienjännite taajuusmuuttajat voidaan jakaa käytettyjen tasajännitetasojen lukumäärän mukaan ja kaksitasoinen topologia on yleisesti käytetty pienjännitemuuntajissa. Tasojen lukumäärä muodostuu vaihtosuuntauksessa käytettyjen tasajännitepotentiaalien lukumäärän mukaisesti. Pienjännitemuuttajat ovat yleisesti kaksitasoisia ja suurjännitemuuttajat kolmetasoisia. Kolmetasoisen invertterin etuina pidetään pienempiä kytkentähäviöitä ja yliaaltoja. Haittana voidaan mainita monimutkaistunut kytkentä ja komponenttien suuri määrä (VTT 2009, 40). Kaksitasoisessa taajuusmuuttajassa kytketään kytkinkomponentteja vuoroin +U dc ja U dc Hz taajuudella riippuen kytkinkomponentista. Kolmitasoisessa taajuusmuuttajassa käytetään positiivisen ja negatiivisen potentiaalin lisäksi nollapotentiaalia. Kytkinten ohjaustaajuutta nimitetään kytkentätaajuudeksi. Antamalla pulssisuhteelle erilaisia arvoja voidaan lähtöjännitteen suuruutta asetella. Normaalisti

52 51 (86) pulssisuhdetta moduloidaan halutulla lähtötaajuudella. Kytkentätaajuus ei ole vakio, vaan se määräytyy häviöiden ja tuotettavan sähkön laadun mukaisesti (VTT 2009, 44). Vaihtosuuntaaja voi koostua tyristoreista tai tehotransistoreista. Hilakommutoitujen komponenttien avulla voidaan tehon syöttö sallia kumpaankin suuntaan ja myös loistehon syöttö ja vastaanotto on mahdollista. Kuvassa 27 on esitetty yksinkertainen kaksitasoisen vaihtosuuntaajan kytkinmalli. (VTT 2009, 47) Kuva 26: Yksinkertaistettu kaksitasoinen kytkinmalli (ABB 16). Vaihtosuuntaaja toimii ohjaus- ja säätöpiirin käskyjen mukaisesti. Ohjauspiiri huolehtii aseteltujen raja-arvojen ja muiden parametrejen toteuttamisesta, muita taajuusmuuttajan osia säätelemällä. Seuraavaksi on esitelty tyypillisimmät ohjaus- ja säätömenetelmät sekä niiden hyviä ja huonoja puolia. Skalaarisäätö Skalaarisäätö käyttää hyväkseen PWM-säätömenetelmää (Pulse Width Modulation), jota käsiteltiin hieman vaihtosuuntauksen yhteydessä. Säätösuureina käytetään taajuutta ja jännitettä, jotka syötetään staattorin käämiin. Skalaarisäädössä ei huomioida roottorin tilaa, joten nopeus ja asentotietoja ei takaisinkytketä. Takaisinkytkemättömyyttä pidetään etuna, mutta se vaikuttaa negatiivisesti momentin tarkkaan säätöön (ABB , 9-10)..

53 52 (86) Skalaarisäätö sopii hyvin sovelluksiin, jotka eivät vaadi tarkkaa säätöä. Etuna takaisinkytkemättömyyden lisäksi pidetään halpaa hintaa. Haittoina pidetään PWMmoduloinnista johtuva hidas reagointi, moottorin tilan huomioimattomuus ja momentin säätämättömyys (ABB , 9-10). Vuovektorisäätö Vuovektorisäätö käyttää myös PWM-tekniikkaa ja se on takaisinkytketty toisin kuin skalaarisäätö. Takaisinkytkentä mahdollistaa roottorivuon asematiedon ja tämä antaa mahdollisuuden kentän säädölle. Vuovektorisäädön elektroninen säädin luo sähköisiä suureita kuten virta, jännite ja taajuus, joita käytetään säätösuureina. Suureet syötetään käyttökohteeseen modulaattorin kautta, joten momentin säätö tapahtuu epäsuorasti. Roottorin tilatiedot saadaan käyttämällä pulssianturia. Anturi antaa käyttökohteen roottorin nopeus- ja asentotiedot suhteessa staattorin kenttään. Anturin vikaantumismahdollisuus on yksi vuovektorisäädön haittapuolista. Muina haittoina voidaan pitää edelleen modulaattorin aiheuttamaa hidasta reagointia ja kalleutta. Etuina pidetään tarkkaa momenttivastetta, tarkkaa nopeussäätöä ja täyden momentin saavuttaminen nollanopeudesta (ABB , 10-11). DTC-säätö Verrattuna aikaisempiin säätötapoihin ABB:n kehittelemä DTC-säätö ei tarvitse takaisinkytkentää vuovektorisäädön toteuttamiseen tai hidastavaa modulaattoria, vaan momentin laskenta suoritetaan suoraan matemaattisten mallien avulla. Käytössä on nopeimmat digitaaliset signaalinkäsittelylaitteet, joten momenttivaste on jopa kymmenen kertaa nopeampi ja nopeustarkkuus kahdeksan kertaa suurempi kuin muissa takaisinkytkemättömissä vaihtovirtakäytöissä. Säätösuureina käytetään käytön momenttia ja magneettivuota. DTC-säätö tulee kysymykseen generaattorikäytössä sen tarkan nopeussäädön ja nopean momenttisäädön takia. Nopea momenttivaste pienentää nopeuden muutoksia kuormitusten muuttuessa. DTC-tekniikan ansiosta taajuusmuuttajan tulosiltana voidaan käyttää IGBTtransistoreista koostuvaa säädettävää siltaa, mikä pienentää huomattavasti generaattoriin

54 53 (86) kohdistuvia yliaaltoja vähentäen generaattorin ja taajuusmuuttajan välille sijoitettavan suodattimen tarvetta. Kokoonpano myös halpenee ja käyttövarmuus paranee, kun ei tarvita erillistä asentoanturointia (ABB , 12) Generaattorin ja taajuusmuuttajan suojaus Generaattorin suojaukseen on perinteisesti käytetty erillisiä suojareleitä, jotka valvovat virtojen ja jännitteiden perusteella generaattorin tilaa. Vian tai vahingollisen kuormitustilanteen sattuessa ne irrottavat generaattorin automaattisesti verkosta ja tekevät sen jännitteettömäksi. Suojauksen laajuus riippuu lähinnä generaattorin kokoluokasta; mitä suuremmista tehoista on kyse, sitä laajempi suojauksen tulee olla. Seuraavassa taulukossa on esitetty teholuokan 0 4 MVA generaattoreiden suojausvaatimukset, jotka pätevät Finlaysonille tulevien generaattoreiden kanssa (Määttänen, Koskinen ym.1978, 180). Taulukko 4: Generaattorisuojat. ylivirta yli/alijännite yli/alitaajuus takateho maasulku välttämätön välttämätön suositellaan välttämätön välttämätön Nykypäivän taajuusmuuttajalla voidaan toteuttaa taulukossa 4 esiintyviä generaattorin suojauksia, joihin kuuluvat ylivirrat generaattorissa tai syöttöpisteessä, verkkojännitteiden muutokset, epäsymmetria-, takateho- ja ylijännitesuojaus. Muuttajan omien komponenttien suojauksiin kuuluvat kytkinkomponenttien ylikuormitus- ja ylivirtasuojaus välipiirissä (Mäki 2004, 16). Taajuusmuuttajan yksittäisten komponenttien sulakesuojauksesta on luovuttu ja siirrytty kauko-ohjattavaan suojaukseen. Aikaisemmin oikosulkutapauksissa sulakkeen tuhoutuminen on aiheuttanut käyttökatkoksen ja käynnin laitoksella. Kauko-ohjattava suojaus on mahdollista, kun puolijohdekytkinkomponentit ovat erittäin nopeasti syttyviä ja sammuvia ja jotka eivät (ainakaan kaikki) tuhoudu vikatilanteessa (VTT 2009, 61). Kytkimet voidaan ohjata halutusti ja oikeassa järjestyksessä johtavaan tilaan tai

55 54 (86) estotilaan riippuen suojaustavasta, edellyttäen että puolijohdekomponenttien valinnassa on huolehdittu virta- ja jännitekestoisuuksista, mukaan lukien virta- ja jännitesuureiden muutosnopeuksien hallinta. Edellä mainittu selvitys edellyttää luotettavaa ja tarkkaa siltojen tuntemusta ja paikallisia mittaus- ja oikosulkutietoja. Taajuusmuuttajan molemmat sillat saadaan erotettua myös katkaisijalla, mutta sen reagoiminen vikatilanteissa on hitaampi (VTT 2009, 61). Ylivirtasuojaus Ylivirtasuojauksessa seurataan verkon kolmen vaiheen virtaa ja välipiirin tasavirtaa. Näistä voidaan muodostaa yksi signaali, mikä lähetetään komparaattorille, joka vertaa saatua signaalia sille asetettuun ylivirtarajaan. Ylivirtarajan ylittyessä kaikki muuttajan kytkinkomponentin ohjataan hilapulssin avulla ei-johtavaan tilaan. Ennen laukaisua komponentteihin varastoitunut energia voidaan ohjata ja kuluttaa sille varatussa varistorissa (Mäki 2004, 16). 4 Yli- ja alijännitesuojaus Jännitemuutossuojauksen toteutuksessa tarkastellaan verkon syöttöpisteen jännitettä. Syöttöpisteen jännite tasasuunnattaan kolmivaiheisesti ja sen suuruutta tarkkaillaan. Jännitemuutokset verkossa muuttavat myös tasajännitettä ja sen ylittäessä asetellun rajaarvon turbiini pysähtyy (Mäki 2004, 16-17). 4 Takatehosuojaus Takatehosuojaus, eli generaattorin toiminta moottorina on myös toteutettavissa, mikäli taajuusmuuttaja asetellaan mittaamaan verkkorajapinnan yli siirtyvää tehoa. Mikäli muuttajan suorittama taajuuden säätö ei muuta tehon suuntaa, taajuusmuuttaja lopettaa moduloinnin (Mäki 2004, 28). Epäsymmetriasuojaus Toteutuu yksinkertaisesti nollajännitteen tarkkailulla (Mäki 2004, 16-17). 4 Komponenttien ylikuormitus Komponenttien ylikuormitussuojaus voidaan toteuttaa jäähdytysprofiilin lämpötilaa tarkkailevalla anturoinnilla (Mäki 2004, 17). 4

56 55 (86) Taajuusmuuttajan ylijännitesuojaus Taajuusmuuttaja on varustettava ylijännitesuojalla, koska komponentteihin varastoitunut energia voi aiheuttaa suuria jännitepiikkejä eri kytkentätilanteissa. Suojaus toteutetaan esimerkiksi kytkemällä invertterisillan vaiheet diodisillan kautta ylijännitesuojassa sijaitsevaan kondensaattoriin. Yhden vaiheen jännitteen noustessa yli kondensaattorin jännitteen, jännitepiikin energia purkautuu ylijännitesuojan varistorin kautta (Mäki 2004, 17) Vaikutus verkon suojaukseen Verkon suojauksen kannalta taajuusmuuttajalla on pienentävä vaikutus vikavirran syöttökykyyn. Vikavirtaan vaikuttaa taajuusmuuttajan tekninen toteutus ja laitteiston sisäinen suojaus, joka katkaisee virran vikatilanteessa hyvinkin nopeasti. Virran suuruuteen vaikuttaa lähinnä suuntaajasilta ja sen virtarajan ylittyessä koko muuttaja siirtyy johtamattomaan tilaan, joten muuttajalla ei ole enää vaikutusta verkon suojauksen kannalta. Toisinsanoen muutosoikosulkuvirtaan taajuusmuuttajalla ei ole vaikutusta. Häiritsevä vaikutus verkon suojauksiin on voimassa vain alkuoikosulkuvirran ajan. Virran rajoittamisen takia häiritsevyys ilmenee suojauksen toiminnan noin 0,05 s pidentymisenä, joka on otettava sen pienuudesta huolimatta huomioon johdinten ja komponenttien oikosulkukestoisuuksia arvioidessa (Mäki 2004, 17). 4 4 Alkuperäinen lähde: Nousiainen, K. & Kannus, K., Keskijänniteverkkojen suurjännitekomponentteihin kohdistuvat rasitukset ja sovellettavissa olevat kunnonvalvontamenetelmät, TESLA raportti, Tampereen teknillinen korkeakoulu, Sähkövoimatekniikka, 11/99, 59 s.

57 56 (86) Verkkotahdistus Taajuusmuuttajan vuoksi generaattori syöttää jatkuvasti verkon näkökulmasta 50 Hz taajuutta riippumatta generaattorin todellisesta pyörimisnopeudesta. Tämä tarkoittaa sitä, että generaattori voidaan kytkeä verkkoon heti käynnistysvaiheessa. Sama tilanne pätee myös generaattorin alasajovaiheessa, jolloin jarrutusenergia pystytään syöttämään verkkoon tai jarruvastukseen. Kytkentä tapahtuu puolijohdinkomponenttien ansioista joten perinteistä generaattori katkaisijaa ja tahdistuslaitteistoa ei enää tarvita (ABB Energia 2006) Loistehon säätö Täysin ohjattujen puolijohdekomponenttien (IGBT) ansiosta loistehon suuruutta ja suuntaa voidaan vaihdella, minkä mahdollistaa puolijohdekytkinten syttymis- ja sammumisajankohtien ohjaaminen (VTT 2009, 42). Kestomagneettigeneraattorikäytössä loistehonsäädön ja jännitestabiilisuden hoitaa taajuusmuuttaja, koska erillistä magnetointimahdollisuutta ei ole. Kuormitusten muuttuessa loistehonsäädön tarvitsee olla aktiivinen. Esimerkiksi loistevalaisin- ja induktiomoottorikuormien lisääntyminen verkossa aiheuttaa induktiivista loistehoa verkkoon. Myös induktiivisen loistehon syöttö onnistuu ja tätä käytetään lähinnä kompensoimaan pitkien maakaapeleiden aiheuttamaa kapasitiivista kulutusta. Loistehon säätö tulee kysymykseen todellisessa verkossa esimerkiksi koneen pätötehon kasvatuksen yhteydessä. Tehokulman ja tämän seurauksena staattorivirran kasvaessa koneen sisäisen lähdejännitteen jännitehäviö alkaa suureta kaavan 4 mukaisesti. Perinteisessä erillismagnetoidussa generaattorissa jännitehäviö voidaan kompensoida lisäämällä sisäistä lähdejännitettä kasvattavaa magnetointivirtaa. Kestomagneettigeneraattorissa magnetoinninsäätö ei ole mahdollista ja sisäisen lähdejännitteen jännitehäviö tekee koneesta alimagnetoidun. Alimagnetoidussa tilassa generaattori käyttäytyy kuin kondensaattori ja joutuu ottamaan tarvittavan magnetointitehon verkosta, mikä aiheuttaa verkolle ylimääräisiä rasituksia.

58 57 (86) Taajuusmuuttaja huomioi nämä tilanteen ja pyrkii ylläpitämään loistehon suunnan ja tason sille asetetuissa rajoissa. Generaattorin jännitteiden ja virtojen käyttäytymistä ali- ja ylimagnetointitilanteissa on käsitelty enemmän kappaleessa Verkostovaikutukset Taajuusmuuttajan vaihtosuuntaaja toimii jopa tuhansien hertsien kytkentätaajuudella, mutta tästä huolimatta ulostulojännite ei ole täysin sinimuotoista. Vaihtosuuntaus aiheuttaa verkkoon virran ja jännitteen yliaaltoja, joita voidaan suodattaa LC- ja LCLsuodattimilla. Suodattimen mitoitukseen vaikuttavat taajuusmuuttajan säätömenetelmä ja vaihtosuuntaajan kytkentätaajuus. Laitevalmistajilta on saatavilla taajuusmuuttajamalleja, jotka sisältävät invertterisillan ja verkon välisen suodattimen (VTT 2009, 69).

59 58 (86) 6 Taajuusmuuttajakäyttöiset generaattorit Nykyinen turbiini määrää hyvin pitkälti generaattorin koon. Mitoituksessa täytyy huomioida mahdollisen vaihteen muunto- ja hyötysuhde. Uudessa kestomagneettiratkaisussa ei vaihdetta käytetä, koska kytkentä turbiinin tapahtuu suoravetoisena. Vaihteen pois jättäminen parantaa käytön hyötysuhdetta ja vanha 1.56 MW generaattori jää liian pieneksi verrattuna turbiinin 1,7 MW tehoon. Yleisesti generaattori mitoitetaan noin 10 % turbiinin tehoa suuremmaksi, (Parviainen 2010) silmälläpitäen tilanteita jolloin tuloaltaan täyttöaste on normaalia suurempi. 6.1Turbiinien nimellisvääntömomentit Aloitetaan laskemalla kahden suuremman turbiinin vääntömomentit. Yhtälössä käytetyt turbiinin suoritearvot löytyvät kappaleesta 4.2 taulukosta 1. Pn 1700 kw T T Nm (14) nn 179 rpm s 60 s jossa T T12 on turbiinin vääntömomentti [Nm] n n on turbiinin pyörimisnopeus [rpm] P n on turbiinin teho [Nm] vastaavasti pienemmälle 3. turbiinille T T3 Pn n 60 s 2 n 2 986kW 247 rpm 60 s Nm

60 59 (86) 6.2 Nykyisille generaattoreille välittyvä vääntömomentti Lasketaan nykyisille kahdelle suuremmalle generaattorille välittyvä vääntömomentti, kun huomioidaan ylennysvaihde ja kappaleessa laskettu vaihteen hyötysuhde. Vaihteen muuntosuhde on taulukosta T g12 TT12 ηv 90691Nm 0, Nm (15) i 5,5714 v jossa T g12 on generaattorin vääntömomentti [Nm] T T12 on turbiinin vääntömomentti [Nm] η v on vaihteen hyötysuhde i v on vaihteen muuntosuhde ja vastaavasti pienemmälle 3. turbiinille 1 1 Tg3 TT3 g 38120Nm 0, Nm (16) i 4,045 V Generaattoreille välittyvät vääntömomentit ovat hyvin lähellä aikaisemmin laskettuja generaattoreiden omia nimellisvääntömomentteja T GN12 = Nm ja T GN3 = 8785 Nm. Tämä tarkoittaa, että generaattorit pystyvät tuottamaan nimellistehonsa turbiiniin leimatulla maksimivirtauksella. 6.3 Generaattorit 1 ja 2 Uusien generaattoreiden valinnan kriteereinä olivat kestomagneettiteknologiaa hyväksikäyttävät nimellistehoiltaan 1,7 MW ja 1 MW olevat tahtikoneet. Pyörimisnopeusvaatimuksina ovat turbiinien maksimitehoa vastaavat pyörimisnopeudet 170 rpm ja 247 rpm. Kyselyssä mainittiin myös, että koneet tultaisiin liittämään verkkoon taajuusmuuttajaa hyväksikäyttäen. Suoraan verkkoon (DOL) liitettävän generaattorin rakenne on hieman kestävämpi (vaimennuskäämitykset) verrattuna pehmeästi taajuusmuuttajan kautta liittyvään. Käsitellään DOL-koneita myöhemmin.

61 60 (86) Tekniset tiedot Laitevalmistaja toimitti esimerkkinä taulukon 5 mukaisen 1.52 MW generaattorin tekniset tiedot. Esimerkkigeneraattorin teho verrattuna turbiinien 1 ja 2 tehoihin (1,7 MW) on liian pieni, mutta muut sähköiset toiminta-arvot ovat vastaavia suurempien generaattoreiden kanssa. Taulukko 5: 1.52 MW tekniset tiedot. P mek [MW] 1.52 Un [V] 400 In [A] 2419 f [Hz] 14,6 cosφ 0,935 n [rpm] 125 n over [rpm] 280 η 0,97/100% load Generaattori on suunniteltu taajuusmuuttajakäyttöä varten. Generaattorin nimellispyörimisnopeudella 125 rpm ja nimellisjännitteellä 400 V koneen taajuus on vain 14,6 Hz. Pieni taajuus nimellisarvoilla vaikuttaa pienentävänä tekijänä koneen fyysisen koon kannalta, johtuen napojen pienestä määrästä. Lasketaan napapariluku kaavaa 1 käyttäen. p f n 14,6 Hz 125 rpm 60s 7 Napojen määrä on , joka on puolet enemmän kuin alkuperäisissä generaattoreissa, mutta vain viidesosa nimellistaajuudeltaan 50 Hz:a vastaavan generaattorin navoista. Generaattorin korkeus on 4,1 m ja leveys 2,4 m kytkentäkoteloineen. Generaattorin tuottama sähköteho on laskettavissa akselitehon ja hyötysuhteen avulla seuraavan kaavan mukaisesti. Arvot ovat taulukosta 5. P P η 1,52 MW 0,97 1,47MW (17) gs mek g

62 61 (86) jossa P gs on generaattorin sähköteho [MW] P mek on generaattorin mekaaninen teho [MW] η g on generaattorin hyötysuhde Rakenne Staattorin ulkokuori on hitsattu teräksestä ja itse staattori on rakennettu ohuista teräslaminaateista, jotka ovat eristettyjä lämmönkestävällä epäorgaanisella hartsilla. Säteittäiset jäähdytyskanavat staattorissa takaavat yhtenäisen ja tehokkaan jäähdytyksen. Roottori koostuu akselista, jonka päälle roottorin ydin on kiinnitetty. Kestomagneetit ovat sijoitettu roottorin ytimeen. Akseli on valmistettu karkaistusta teräksestä ja koneistettu tarkalleen vaadittuihin mittoihin. Roottorin ydin on valmistettu prässätyistä metallilaminaattipinoista. Terästangot kulkevat pituussuunnassa laminaattien läpi, joiden avulla laminaatit on puristettu tiukasti toisiaan vasten ja näin ytimestä muodostuu mahdollisimman luja. Magnetointiteho muodostuu kestomagneeteissa, joten erillistä magnetointia ei tarvita. Kestomagneettimateriaalin valinnassa on täytetty mekaanisten, magneettisten, lämpötilan ja korroosion asettamat vaatimukset. Kaikki käämitykset on tyhjiöprässätty ja kyllästetty korkealaatuisella epoksihartsilla. Käämitykset ovat myös vahvistettu siten, että ne kestävät kaikki odotetut mekaaniset ja sähköiset iskut ja tärinät. Jäähdytysyksikkö on asennettu koneen päälle ja se toimii ilmasta veteen periaatteella. Sisäinen ilmankierto on toteutettu erillisillä puhallinjäähdyttimillä. Taajuusmuuttajakäyttöä ajatellen N-pään laakeri on eristetty suuritaajuisten laakerivirtojen- ja jännitteiden takia.

63 62 (86) Tehtaan testaukset Kaikille koneille suoritetaan rutiinitestit ennen markkinoille laittoa. Testaukset perustuvat IEC -vaatimuksiin. Rutiinitesteihin kuuluvat silmämääräinen tarkastus, ilmavälin ja laakerivälyksen mittaus, eristysvastuksen mittaus, käämitysten resistanssien mittaukset, lämpötila-antureiden tarkastukset, napamerkinnät ja pyörimissuunta, laakereiden pyörintä, tärinämittaus ja ylijännitetestit. Lisäksi suoritetaan yksi tyyppitesti per konetyyppi, mihin kuuluu V-kurvi, äkkinäinen oikosulkutesti, pysyvä oikosulkutesti, lämmönkestävyystesti (lämmönnostotesti) ja häviöt sekä hyötysuhteen laskenta. Koneet ovat perusteellisesti testattuja, joten käyttövarmuus on huipussaan. 6.4 Taajuusmuuttajakäyttöinen generaattori 3 Kolmannen turbiinin pienemmästä tehosta johtuen myös kolmas generaattori on pienempi. Valintakriteereinä käytettiin samoja tietoja, kuin isommissa koneissa. Laitevalmistaja toimitti 1 MW, n s = 234 rpm koneen tekniset tiedot. Kyseessä on vaakamallin generaattori, mutta teknisiltä tiedoiltaan lähes vastaava pystymallin kanssa ja rakenne on vastaava kuin edellä mainitussa suuremmassa generaattorissa. Pystymallin generaattorin korkeus on 3,4 m ja halkaisija 2 m kytkentäkoteloineen. Taulukko 6: 1 MW tekniset tiedot. P mek [MW] 1 U n [V] 400 I n [A] 1714 f [Hz] 19,5 cosφ 0,94 n [rpm] 234 n over [rpm] 580 η 0,97/100% load Generaattorin tuottamaa nimellistehoa ei voida hyödyntää, koska se on suurempi kuin turbiinin tuottama maksimiteho. Generaattorin tuottamaksi tehoksi muodostuu kilpiarvoihin perustuva turbiinin maksimiteho, josta poistetaan generaattorin hyötysuhteen mukainen tehohäviö. Käytännössä turbiinia voidaan ajaa hieman

64 63 (86) rakennevirtaamaa isommilla tehoilla, mikäli virtaukset sen sallivat. Tällöin voidaan hyödyntää generaattorin nimellisteho. P gs P T3 η g 986kW 0,97 956kW 6.5 Taajuusmuuttajan valinnan perusteet Taajuusmuuttajan tärkein valintakriteeri on sen läpi virtaavan tehon suuruus. Generaattorin puoleisen tasasuuntaussillan tulee olla kykenevä ottamaan vastaan generaattorin maksimiteho niin kauan kun se sitä syöttää. Mitoitustehona voidaan käyttää generaattorin akselitehoa, mikäli tehokerroin on yksi. Taajuusmuuttajan tulee olla kykenevä siirtämään verkkoon generaattorin näennäistehon suuruinen tehomäärä, joten tehokerroin on huomioitava. Teho muodostuu jännitteen ja virran tulona, joten taajuusmuuttajat mitoitetaan virta- ja jännitekestoisuuksien mukaisesti (VTT 2009, 15). Generaattorin ylikuormitustilanteet on tunnettava tarkoin, sillä taajuusmuuttajan puolijohdekomponentit eivät kestä suurta ylikuormitusta. Normaalisti taajuusmuuttajan ylikuormitusmahdollisuus on pientä, noin 10 % nimellisvirrasta yhden minuutin ajan, kymmenen minuutin välein. Ylikuormitustilanteissa ja jatkuvuustilassa puolijohteiden liitoslämpötila ei saa nousta yli sallitun lämpötilan, esim C (VTT 2009, 14). Kestomagneettigeneraattorin tapauksessa tasasuuntaajaksi sopisi diodisilta, kuten kappaleessa todettiin. Kestomagneettien ansiosta generaattori ei tarvitse erillistä magnetointivirtaa muuttajalta, joten yhteen suuntaan virtaava diodisilta on halvempi vaihtoehto täysin ohjatulle IGBT-sillalle. Käyttämällä täysin ohjattua IGBT-siltaa, voidaan generaattori suunnitella alimagnetoiduksi, mikä pienentää koneen kokoa ja vähentää magneettisen materiaalin tarvetta. IGBT -sillalla saavutetaan myös pienemmät virran ja vääntömomentin yliaallot kuin diodisillalla (VTT 2009, 49). Sähkön laadun kannalta taajuusmuuttajan tulee sisältää verkonpuoleisen sillan sinisuodatin, jotta jännitteen aaltomuoto olisi mahdollisimman puhdasta siniaaltoa. Generaattorin puoleisen sillan yliaaltosuodatin on myös tarpeen, jotta tasasuuntauksesta aiheutuva jännitesärö ei aiheuta ylimääräisiä haittatilanteita ja häviöitä generaattorille.

65 64 (86) Taajuusmuuttajamallin määritys Kuten generaattoreiden teknisistä tiedoista voidaan todeta, ne ovat suunniteltu käytettäväksi ACS-800- sarjan taajuusmuuttajien kanssa. ACS-800- sarja on suunniteltu erilaisten teollisuudenalojen, kuten energia-alan vaativiin käyttöihin. Suunnittelussa on otettu huomioon pitkän käyttöiän mahdollistaminen. Kuluvat osat, kuten puhaltimet ja kondensaattorit ovat valittu huolella. Kestävyytensä ja monipuolisten suojausominaisuuksiensa nämä mallit ovat luotettava valinta haasteellisilla teollisuuslaitteiden markkinoilla (ACS ). ACS-800 käyttää aikaisemmin käsiteltyä DTC-säätöä, joka takaa erinomaisen suorituskyvyn. Etuina voidaan mainita tarkka staattinen ja dynaaminen nopeus- ja momenttisäätö, suuri käynnistysmomentti ja pitkän kaapeloinnin mahdollistaminen. Asennusta ja käyttöönottoa silmälläpitäen taajuusmuuttajat sisältävät sisäänrakennettuja lisävarusteita, kuten verkko- ja generaattorisuodattimet. Generaattorin puoleinen suodatin ei ole kuitenkaan välttämätön, mikäli generaattori on suunniteltu varta vasten taajuusmuuttajakäyttöä varten. Tarkempaa mallia määrittäessä kysymykseen tulee ACS verkkoon jarruttava taajuusmuuttaja. 17-sarjan taajuusmuuttaja sisältää kaikki verkkojarrutuksessa tarvittavat ominaisuudet, verkkosuodin mukaan lukien. Generaattoripuolen suodatin ei ole vakiona, vaan se on hankittavissa lisävarusteena. Suotimen tarve on kuitenkin vähäinen, huomioiden IGBT-tasasuuntaus ja taajuusmuuttajakäyttöä varten suunniteltu generaattori. Aktiivinen syöttöyksikkö mahdollistaa täyden tehon siirron molempiin suuntiin. 17- sarjan taajuusmuuttaja on jarrutusmenetelmältään kaikista energiatehokkain. Se ei käytä erillistä jarruvastusta, vaan energian syöttö verkkoon on mahdollista myös jarrutusvaiheissa. Seuraavassa kuvassa 28 on esitelty saatavat lisävarusteet (ACS , 28).

66 65 (86) Kuva 27: ACS lisävarusteet (ABB ACS ,.28) Taajuusmuuttajan mitoitus generaattoreille 1 ja 2 Kuten edellä olevassa kappaleessa 7.1 on mainittu, taajuusmuuttajan mitoitus voidaan tehdä joko tehon tai virran mukaan. Taulukosta 5 on nähtävissä suuremman esimerkkigeneraattorin nimellisvirta 2419 A. Virta-arvossa on huomioitu generaattorin tehokerroin, joten se on parempi mitoituskriteeri kuin generaattorin mekaaninen teho. Valitaan alla oleva taajuusmuuttaja jatkuvan nimellisvirran I cont.max = 2610 A ja nimellisjännitteen 400 V perusteella. Jatkuva nimellisvirta pätee ilman ylikuormitusta 40 C lämpötilassa. Kuva 29: Taajuusmuuttajan tekniset tiedot (ABB ACS ). Lasketaan kyseisen taajuusmuuttajan soveltuminen virran perusteella mekaaniselta teholtaan 1700 kw, hyötysuhteeltaan 97 % ja nimellisjännitteeltään 400 V generaattorille.

67 66 (86) I N P 3U cos W 0, V cos 0, A Generaattorin nimellisvirta 2532 A on pienempi kuin taajuusmuuttajan I cont.max arvo. Johtopäätöksenä todetaan, että taajuusmuuttajamalli soveltuu esimerkkigeneraattorille ja Finlaysoniin räätälöidylle todelliselle 1700 kw generaattorille Taajuusmuuttajan mitoitus generaattorille 3 Valitaan 17-sarjan taajuusmuuttaja pienemmälle 1000 kw generaattorille. Valinnan perusteina käytetään samoja periaatteita kuin suuremmalle (1.52 MW) esimerkkigeneraattorille. Taulukosta 6 on nähtävissä 1000 kw generaattorin nimellisvirta, joka on 1714 A. Taajuusmuuttaja valitaan tämän virta-arvon perusteella. Kuva 30: ABB ACS (ABB ACS800 data). ACS on yhtä kokoluokkaa pienempi kuin suuremmalle esimerkkigeneraattorille valittu taajuusmuuttaja. Runkokoko on yhden kaappilohkon verran pienempi. 6.6 Saavutetut edut Kestomagneettigeneraattorin ja taajuusmuuttajan pääasiallisina etuina voidaan pitää hyötysuhteen paranemista, sähköjärjestelmän yksinkertaistumista ja käyttövarmuuden paranemista. Voimalaitoksen nykyisen äärimmäisen kovaäänisen vaihteen poistaminen parantaa laitoksen huoltoystävällisyyttä ja ympäristön melusaasteen vähentymistä. Vaihteesta koituu myös öljyvuotoja, jotka saattavat olla veteen päästyään haitallisia ympäristölle. Vaihteen korvaus taajuusmuuttajalla pienentää generaattorin kokoa, yksinkertaistaa rakennetta (ei vaimennuskäämityksiä) ja näin ollen myös hankintahintaa.

68 67 (86) Taajuusmuuttajan ominaisuuksien ansiosta Finlaysonin vanhoista generaattorikatkaisijoista, tahdistuslaitteistosta ja generaattoreiden suojareleistyksistä voidaan luopua. Taajuusmuuttajan huollon tarve on vähäistä ja nykyisillä puolijohdekomponenteilla on pitkä elinkaari. Vikatapauksissa taajuusmuuttajan huolto ei tapahdu komponenttitasolla, vaan kokonaisen moduulin vaihtamisella, mikä nopeuttaa ja helpottaa laitteen huoltoa. Kestomagneettigeneraattorin huollon tarve on hyvin vähäistä ja ainoaksi huoltokohteeksi muodostuu laakereiden pitkänaikavälin huolto Hyötysuhde käytöille 1 ja 2 Vanhan järjestelmän kokonaishyötysuhde 77 % käytöille 1 ja 2 on laskettu kappaleessa Turbiinien 1 ja 2 hyötysuhde 84 % maksimiteholla on laskettu kappaleessa Esimerkkikoneen (1.52 MW) hyötysuhde nimellisteholla on 97 %. Samaa hyötysuhdetta voidaan käyttää myös tulevan 1,7 MW koneen osalla, koska yleisesti hyötysuhde hieman paranee generaattorikoon kasvaessa, mutta tehoerojen ollessa näin pienet käytetään samaa hyötysuhdearvoa. ACS mallin taajuusmuuttajan hyötysuhde on teknisten tietojen perusteella 97 % (ABB ACS-800, 12). Lasketaan kestomagneettigeneraattori- ja taajuusmuuttajakäytön kokonaishyötysuhde η kok12 η T12 η η g tm 0,84 0,97 0,97 0,79 79% jossa ηkok12 on käyttöjen 1 ja 2 kokonaishyötysuhde η T12 on turbiinien 1 ja 2 hyötysuhde η g on kestomagneettigeneraattorin hyötysuhde η tm on taajuusmuuttajan hyötysuhde

69 68 (86) Sähköteho käytöille 1 ja 2 Lasketaan koskesta saatava sähköteho käyttöjen 1 ja 2 osalta, huomioiden muuttunut hyötysuhde. Kappaleessa on laskettu vanhan kokoonpanon tuottama sähköteho 3,12 MW. P S12 2( Qhg η kok12 ) 2 (26,5m 3 /s 7,8m 9,81m/s kg/m 3 0,79) 3,2MW Hyötysuhde käytölle 3 Lasketaan hyötysuhteen muutos pienemmälle 3. käytölle. Vanhan kokoonpanon kokonaishyötysuhde 79 % on laskettu kappaleessa Turbiinin hyötysuhde 86 % on laskettu kappaleessa MW esimerkkikoneen hyötysuhde 97 % on luettavissa taulukosta 6. ACS mallin taajuusmuuttajan hyötysuhde on teknisten tietojen perusteella 97 % (ABB ACS-800, 12). Lasketaan kestomagneettigeneraattori- ja taajuusmuuttajakäytön kokonaishyötysuhde η kok3 η T3 η η g tm 0,86 0,97 0,97 0,81 81% jossa ηkok3 on käytön 3 kokonaishyötysuhde η T3 on turbiinin 3 hyötysuhde η g on kestomagneettigeneraattorin hyötysuhde η tm on taajuusmuuttajan hyötysuhde

70 69 (86) Sähköteho käytölle 3 Lasketaan koskesta saatava sähköteho käytön 3 osalta, huomioiden muuttunut hyötysuhde. Kappaleessa on laskettu vanhan kokoonpanon tuottama sähköteho 0,916 MW. P S3 Qhg η kok3 (15m 3 / s 7,8m 9,81m/s kg/m 3 0,81) 0,93MW Energiantuotto Kasvanut hyötysuhde parantaa voimalaitoksen vuotuista energiantuotantomäärää. Kappaleessa todettu voimalaitoksen tuottama vuotuinen sähköenergian määrä huipunkäyttöajalla 3959 h/a on 16 GWh. Lasketaan vanhalla kokoonpanolla saavutettu vuotuinen rahallinen tuotto, kun oletetaan megawattitunnin hinnan olevan tyypillinen / MWh. 16 GWh /MWh Uuden kokoonpanon tuottama vuotuinen energiamäärä em. huipunkäyttöajalla. Sovelletaan kaavaa 12. E ( P P ) s3 t s12 (3,2 MW 0,93MW) 4098h 16,4GWh Uuden kokoonpanon rahallinen tuotto 16,4GWh /MWh Yhteenveto parantuneista hyötysuhteista ja energiantuotosta Hyötysuhdelaskelmista todetaan hyötysuhteiden kasvaneen noin 2 % käytön 1 ja 2 osalta sekä noin 2 % käytön 3 osalta. Laitoksen kokonaishyötysuhde nousee yhteensä 4 %. Verrattaessa vanhan ja uuden kokoonpanon vuotuista rahallista tuottoa uudella kokoonpanolla saavutetaan :n vuotuinen lisä.

71 70 (86) Taulukko 7: Yhteenveto tuotannollisista saavutuksista Koneikko 1 ja 2 3 Hyötysuhde ennen [%] Hyötysuhde muutos [%] Hyötysuhde jälkeen [%] Teho ennen [MW] 3,12 0,916 Tehomuutos [MW] +0,08 +0,014 Teho jälkeen [MW] 3,20 0,93 Vuosituotto ennen [ ] Vuosituotto muutos [ ] Vuosituotto jälkeen [ ]

72 71 (86) 7 Suoraan verkkoon kytkettävät generaattorit (DOL) Taajuusmuuttaja- ja kestomagneettigeneraattorikäytön vaihtoehtona on suoraan verkkoon kytketty ketomagneettigeneraattori. Etuna taajuusmuuttajakäyttöön verrattuna pidetään entistä paremman hyötysuhteen saavuttamista, koska tehoelektroniikan aiheuttamat häviöt ovat minimissään. Taajuusmuuttaja on myös mahdollisesti vikaantuva yksikkö, jonka huolto saattaa olla kallista (Axco Motors Oy 2010). Taajuusmuuttajan pois jättäminen suurentaa koneen napalukua, koska generaattorin tulee pyöriä verkkotaajuutta vastaavalla pyörimisnopeudella, turbiinin pienellä 179 rpm pyörimisnopeudella. Napojen lisääntyminen vaikuttaa generaattorin fyysisen koon kasvuun ja täten myös hankintahintaan. Suoraan verkkoon kytketyn generaattorin rakenteen tulee olla kestävämpi (vaimennuskäämitys), koska taajuusmuuttaja ei ole suodattamassa generaattoriin kohdistuvia transienttitilanteita. Taajuusmuuttajan pois jättäminen edellyttää Finlaysonin tapauksessa myös tahdistuslaitteiston, generaattorikatkaisijoiden ja suojareleistyksen uusinnan harkintaa. 7.1 Generaattorit 1, 2 ja 3 Generaattoreiden kysely alkoi kestomagneettiteknologiaan erikoistuneelta Axco Motors Oy:ltä. Mitoituskriteereinä pidetään turbiinin maksimitehoa 1700 kw ja sitä vastaavaa pyörimisnopeutta 179 rpm. Yleensä generaattorin teho mitoitetaan 10 % yli turbiinin tehon, johtuen tilanteista jolloin tuloaltaassa on runsaasti vettä (Parviainen 2010) Tekniset tiedot ja kuvaajat Axco Motors Oy toimitti 600 kw esimerkkikoneen tekniset tiedot ja eräitä toimintaa esittäviä kuvaajia. Teknisistä tiedoista ja kuvaajista luettavissa olevat suoritearvot vastaavat myös todellisia Finlaysonille kaavailtuja 1700 kw ja 1000 kw generaattoreiden arvoja.

73 72 (86) Kuva 31: Dol-generaattorin tekniset tiedot (Axco Motors Oy 2010). Kestomagneettigeneraattorin napajännite määräytyy yksinomaan pyörimisnopeuden funktiona, koska magnetointitehoon ei pystytä vaikuttamaan. Teknisistä tiedoista (kuva 31) on luettavissa koneen nimellisjännite 400 V ja tyhjänä käyvän generaattorin nimellispyörimisnopeutta 300 rpm vastaava napajännite 425 V. Tämä napajännitteen 9,4 %:n (25V) vaihteluväli takaa pysyvämpää suorituskykyä eri kuormilla toimittaessa ja antaa liikkumavaraa tahdistuksen vaatimalle jännitetasolle. Verkkoon liitynnässä sallitaan standardin mukaan ± 10 % jännitevaihtelu, joten generaattorin pyörimisnopeudesta riippuvainen napajännitteen vaihtelu mahtuu näihin rajoihin (Parviainen 2010). Kappaleessa 5.4 on käsitelty TSV:n kompensointivaatimukset verkkoon liitynnän kannalta. Generaattorin tehokerroin on nimellisteholla 0.98 ind, joten erillistä loistehonkompensointia ei tarvita. Tämä on yksi etu verrattuna perinteiseen induktiogeneraattoriin, kuten oikosulkugeneraattoriin (Axco Motors Oy 2010). Alla olevasta kuvaajasta 32 on nähtävissä pätö- ja loistehon suhde verkkojännitteen funktiona. Nimellisjännitekäyrää (U N ) seuratessa huomataan, että generaattori toimii ylimagnetoituna puolentehon pisteeseen asti, josta seuraa, että generaattori syöttää induktiivista loistehoa verkkoon ajettaessa alle puolella teholla. Puolentehon pisteen jälkeen loistehon suunta muuttuu ja generaattori syöttää verkkoon kapasitiivista loistehoa. Nimellispisteessä verkkoon syötetyn kapasitiivisen loistehon määrä on tehokertoimen 0,98 määräämä 135 kvar (Parviainen 2010).

74 73 (86) Kuva 32: Tehokertoimen määräytyminen verkkojännitteen funktiona (Axco Motors Oy 2010). Seuraavassa kuvaajassa 33 on nähtävissä vaihevirran käyrämuoto pätötehon ja napajännitteen funktiona. Kuva 33: Vaihevirran määräytyminen pätötehon ja jännitteen funktiona (Axco Motors Oy 2010).

75 74 (86) Rakenne Generaattorit edustavat radiaalivuotekniikkaa. Staattori koostuu perinteisestä kolmivaiheisesta käämityksestä. Roottori on valmistettu sähköjohtavista yhteen prässätyistä teräslevyistä. Kestomagneetit on laminoitu roottoriin sisälle. Laminaatti antaa suojaa magneeteille ja ehkäisee magneettien vaurioitumista asennus- sekä huoltotoimenpiteissä (Axco Motors Oy 2010). Kestomagneetit ovat valmistettu korkean suorituskyvyn omaavasta neodyyni-teräsboori (NdFeB) materiaalista. Magnetointiaste on valittu silmälläpitäen korkeaa lämpötilan kestoa (aina 200 C asti) ja korkeaa luontaista koersiivisuutta (magneettinen pehmeys), mikä takaa magneettien turvallisen toiminnan myös generaattorin transienttitiloissa, kuten momentin heilahteluissa. Vaimennuskäämitys on toteutettu samoin tavoin kuin perinteisessä erillismagnetoidussa tahtigeneraattorissakin. Generaattoreiden fyysinen halkaisija on 1,6 m 2 m ja korkeus 1,6 m (Axco Motors Oy 2010). 7.2 Verkkoonliityntä laitteet DOL-generaattorit vaativat tiettyjä verkkoonliityntä laitteita verrattuna taajuusmuuttajan kautta liitettävään generaattoriin. Pääasiallisina liityntälaitteina mainittakoon tahdistin, katkaisija ja suojareleistys. Kestomagnetoitutahtigeneraattori tulee tahdistaa sähköverkkoon kuten erillismagnetoitu generaattori ja oikean tahdistushetken vallitessa generaattorikatkaisija kytkee sen verkkoon. Suojareleistyksen tulee olla kykenevä irrottamaan kone verkosta erilaisten vikatilanteiden vallitessa Generaattorikatkaisijat Generaattorikatkaisijat ovat kytkinlaitteita suurvirtaliittymissä sijoitettuna generaattorin ja päämuuntajan väliin. Generaattorikatkaisijan on noudatettava tiukempia sähköisiä vaatimuksia kuin päämuuntajan takana olevan katkaisijan. Tahdistuksessa generaattorikatkaisija kytkee generaattorin verkkoon tahdistusehtojen täyttyessä. Katkaisijan auki kytkentä tapahtuu tiettyjen katkaisijalle asetettujen raja-arvojen ylittyessä (ABB TTT ,5).

76 75 (86) Katkaisija voidaan mitoittaa generaattorin nimellisvirran mukaan. Lasketaan generaattorin nimellisvirta, kun oletetaan generaattorin nimellisjännitteeksi 400 V, tehoksi 1700 kw, hyötysuhteeksi 0,97 ja tehokertoimeksi 0,98. I n12 P 3U mek n η cos kw 0,97 400V 0, A ja vastaavasti sähköteholtaan 1000 kw generaattorille (3. kone). I n3 P 3U mek n η cos kw 0,97 400V 0, A ABB SACE sarjan kompaktikatkaisijat voisivat soveltua Finlaysonin ahtaisiin tiloihin. katkaisijasarjan suurin katkaisukyky Icu 380 /415 V jännitteellä on 16 ka 200 ka. Seuraavat katkaisijat voisivat soveltua Finlaysonin generaattorikatkaisijoiksi (ABB kompaktikatkaisijat ). Taulukko 7: ABB kompaktikatkaisijoiden tekniset tiedot (ABB kompaktikatkaisijat). Tyyppi I n [A] I V [ka] U n [V] ABB Tmax T ABB Isomax S Tmax T7 on pienemmälle kolmannelle käytölle. T7 mitat ovat: leveys 210 mm, syvyys 139 mm ja korkeus 406 mm. Suuremman Isomax S8 mitat ovat: leveys 406 mm, syvyys 242 mm ja korkeus 400 mm. Mitat saattavat hieman muuttua riippuen katkaisijoiden napaluvusta. (ABB kompaktikatkaisijat 2010) Verkkotahdistus Finlaysonin tahdistuslaite tulee uusittavaksi generaattoreiden, katkaisijoiden ja suojareleiestyksien yhteydessä, koska kokonaisuuksien uusinnalla saavutetaan parempi käyttövarmuus.

77 76 (86) Finlaysonilla tahdistus tapahtuu yhdellä tahdistuslaitteella, joka tahdistaa generaattorit vuorotellen verkkoon. Kestomagneettigeneraattorin tahdistus voidaan toteuttaa samalla periaatteella kuin perinteisen tahtikoneen tahdistus. Tahdistusehtoina voidaan pitää kolmea seuraavaa ehtoa: 1. Tahdistuskatkaisijan molemmin puolin on jännitteiden itseisarvojen oltava lähes yhtä suuret. 2. Jännitteiden vaihekulmien on oltava yhtä suuret, eli jännitteiden on oltava ajallisesti samanvaiheiset. 3. Jännitteiden taajuuksien on oltava yhtä suuret (Aura Tonteri 1996, 234). Lisäksi keskenään tahdistettavien generaattoreiden vaihejärjestyksen tulee olla sama, mikä täytyy huomioida generaattoreiden asennusvaiheessa. Seuraava kuva 34 selventää tarkemmin tahdistusehtojen toteutumista. Oletetaan vektorin U v kuvaavan verkkojännitettä ja vektorin U g generaattorin liitinjännitettä. Verkkojännitevektorin taajuudesta riippuvaista kulmapyörimisnopeutta kuvataan suureella ω v. Vastaavasti generaattorin liitinjännitevektorin taajuudesta riippuvaista kulmapyörimisnopeutta kuvataan suureella ω g. Verkko- ja napajännitteiden välistä jännite-eroa kuvataan vektorilla ΔU. Oikeana tahdistushetkenä pidetään tilannetta, jolloin vektorit U v ja U g ovat päällekkäin. Vektorien pituuksien tulee olla yhtä suuret, jolloin verkko- ja liitinjännitteiden suuruudet katkaisijan molemminpuolin ovat yhtä suuret. Ylläpitääkseen jännitevektoreiden päällekkyyttä ajan suhteen, tulee näiden vektoreiden kulmapyörimisnopeuksien olla yhtä suuret. Kulmapyörimisnopeuksien ollessa yhtenevät myös generaattorin- ja liitinjännitteiden taajuudet ovat yhtä suuret, jolloin verkon ja generaattorin jännitteiden välille ei muodostu jännite-eroa ja kytkentävirtasysäys on minimissään.

78 77 (86) Kuva 34: Tahdistuksen vektorimalli. Seuraavassa kuvassa 35 on esitetty tahdistuslaitteen periaatteellinen toiminta. Jännitemuuntajat antavat tiedon tahdistuslaitteelle generaattorin liitinjännitteestä U 2 ja verkon jännitteestä U 1. Jännitteensäätäjä AVR säätää näiden jännitetietojen perusteella generaattorin jännitteen vastaamaan verkkojännitettä. Turbiinisäätäjä TR ohjaa turbiinin pyörimisnopeuden vastaamaan generaattorin verkkotaajuutta vastaavaa pyörimisnopeutta. Oikean hetken saavuttua tahdistuslaitteisto antaa käskyn generaattorikatkaisijan kelalle ja katkaisija (CB) sulkeutuu. Kuva 35: Tahdistuslaitteen toiminta (ABB ). 7.3 Saavutetut edut DOL-käytön etuna verrattuna taajuusmuuttajakäyttöön voidaan pitää parantunutta hyötysuhdetta. Lisäksi mahdollisesti vikaantuvan ja kalliin taajuusmuuttajan pois jättäminen parantaa käyttövarmuutta. Taajuusmuuttajan mahdollistamasta muuttuvatehoisesta käytöstä ei Finlaysonin potkuriturbiinien kannalta ole hyötyä.