SÄHKÖMOOTTORI JA PROPULSIOKÄYTTÖ

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "SÄHKÖMOOTTORI JA PROPULSIOKÄYTTÖ"

Helinä Juusonen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 SÄHKÖMOOTTORI JA PROPULSIOKÄYTTÖ Sähkökonetyyppien soveltuvuus pienitehoiseen propulsioon Metropolia Ammattikorkeakoulu 1

2 Sisältö Sähkökoneen funktio Sähkökonetyyppejä Lataavan propulsion vaatimuksia moottorille Johtopäätökset Metropolia Ammattikorkeakoulu 2

3 Sähkökoneen funktio

4 Sähkökoneen funktio Sama kone voi toimia sekä moottorina että generaattorina Moottorina tuottaa momenttia magneettikentän (magnetointi) ja virrallisen johtimen (ankkuri) välisen voimavaikutuksen avulla Paitsi reluktanssikone, joka perustuu magneettikentän ohjautumiseen pienimmän vastuksen reitille M I Moottorin tilavuus on verrannollinen tuotettuun momenttiin P=M n saman tehoisista koneista hitaammin pyörivä tuottaa suuremman momentin ja on siksi suurempi, painavampi ja kalliimpi Generaattorina muuntaa mekaanisen momentin sähkötehoksi Pyörivä magneettikenttä indusoi ankkurijohtimiin jännitteen Vaatii magnetoinnin ja mekaanisen voimanlähteen Metropolia Ammattikorkeakoulu 4

tuotettuun momenttiin P=M n saman tehoisista koneista hitaammin pyörivä tuottaa suuremman momentin ja on siksi suurempi, painavampi ja kalliimpi Generaattorina muuntaa

5 Sähkömoottorin teho ja hyötysuhde Moottorin akselilta saadaan tehoa, joka otetaan pätötehona sähkölähteestä, lähde syöttää myös häviöt Jos sähkölähteestä lisäksi magnetointiin tarvittava loisteho Ei tee mekaanista työtä, mutta on edellytys momentille Loisvirta synnyttää sähkölämpöhäviöitä Verrannollinen jännitteeseen ja taajuuteen, kuormituksen vaikutus vähäinen Hyötysuhde tuotetun mekaanisen tehon ja otetun pätötehon suhde = (M n) /(U I cos ) Loisvirran häviöt korostuvat pienellä kuormituksella sähköisesti magnetoitavan koneen hyötysuhde laskee osakuormilla Metropolia Ammattikorkeakoulu 5

Verrannollinen jännitteeseen ja taajuuteen, kuormituksen vaikutus vähäinen Hyötysuhde tuotetun mekaanisen tehon ja otetun pätötehon suhde = (M n) /(U I

6 Generaattorin teho ja hyötysuhde Voimakone syöttää generaattorin akselille tehoa, joka syötetään sähköverkkoon pätötehona, voimakone syöttää myös häviöt Generaattori vaatii magnetoinnin, jolla jännite syntyy Tarvittava magnetointi otetaan joko syötettävästä verkosta loistehona, erillisestä virtalähteestä tai kestomagneeteista Magnetointiteho verrannollinen jännitteeseen ja taajuuteen, kuormituksen vaikutus vähäinen Hyötysuhde tuotetun sähkötehon ja otetun mekaanisen tehon suhde = (U I cos ) / (M n) Sähköisen magnetoinnin häviöt korostuvat pienellä kuormituksella, hyötysuhde heikkenee Metropolia Ammattikorkeakoulu 6

kestomagneeteista Magnetointiteho verrannollinen jännitteeseen ja taajuuteen, kuormituksen vaikutus vähäinen Hyötysuhde tuotetun sähkötehon ja otetun

7 Sähkömoottorityyppejä

8 Oikosulkumoottori Yleisin moottorityyppi Yksinkertainen, kestävä, lähes huoltovapaa Magnetointi staattorivirralla, lisähäviöt Magnetoinnin indusoima roottorivirta kehittää momentin Magnetointi jännitteen mukaan osakuormilla hyötysuhde romahtaa Generaattori käyttöön ei vaadita lisälaitteita, jos syötetään invertterillä Vakiokäyttöjä hyllystä Metropolia Ammattikorkeakoulu 8

Magnetointi jännitteen mukaan osakuormilla hyötysuhde romahtaa Generaattori käyttöön ei vaadita

9 Tahtimoottori Staattorirakenne kuten oikosulkumoottorissa Magnetointi Harjoilla, huoltokohde Apukoneella, kallis Kestomagneeteilla (PMSM), kentänheikennys vaatii lisävirtaa Sopii generaattorikäyttöön (Lähes) samat käytöt kuin oikosulkukoneella Erilainen laskentamalli ohjelmistossa Magnetoinnin syöttö, ellei PMSM Metropolia Ammattikorkeakoulu 9

lisävirtaa Sopii generaattorikäyttöön (Lähes) samat käytöt kuin oikosulkukoneella

10 Reluktanssimoottori Erittäin yksinkertainen ja kestävä rakenne Haasteellinen säätö, ei ongelma propulsiossa Sopii heikommin generaattorikäyttöön, magnetointi ongelma Liikennevälineissä eräänlaisia PM-hybridejä PM magnetointi, jossa vuon ohjaus kuten reluktanssikoneissa Luokitellaan PMkoneiksi Metropolia Ammattikorkeakoulu 10

Liikennevälineissä eräänlaisia PM-hybridejä PM magnetointi, jossa vuon ohjaus kuten

11 Kestomagneettimoottori Perustyypiltään tahtikone Kaksi versiota Radiaalivuo (ylempi kuva) Aksiaalivuo (alempi kuva) Ei tarvita erillistä magnetointia Ei lämpenevää, häviöllistä magnetointikäämitystä Hyvä hyötysuhde myös osakuormilla Sopii generaattoriksi Aksiaalivuokoneet pienikokoisia Staattorikäämitykset kiinni rungossa, jäähdytys tehokasta Sopii säätökäyttöön DC-käytöt (servokäyttö) AC-käytöt (taajuusmuuttajat) Invertterit Kentänheikennys haastava Metropolia Ammattikorkeakoulu 11

generaattoriksi Aksiaalivuokoneet pienikokoisia Staattorikäämitykset kiinni rungossa, jäähdytys tehokasta Sopii

12 Propulsiokäytön vaatimukset

13 Propulsio sähkökäytön kannalta Kohderyhmälle yksinkertainen asennus ja käyttö tärkeitä ominaisuuksia mahdollisimman automaattinen, väyläliitynnät laitteiden välillä Vaativa ympäristö sähkölaitteille: kosteus, suola, tärinä, lämpötila Veneissä vähän tilaa laitteille Keveys on etu Jäähdytyksessä lämmön poisto myös laitetilasta varmistettava Akkukäytössä hyvä hyötysuhde kasvattaa toimintasädettä Potkurin kierroslukualue melko matala sähkömoottorien tyypillisiin nopeuksiin verrattuna, vaihteisto tarpeen Lataava propulsio on 4-kvadranttikäyttö, BMS ohjaa käyttöä Myös generaattoritoiminta hyvällä hyötysuhteella Metropolia Ammattikorkeakoulu 13

laitetilasta varmistettava Akkukäytössä hyvä hyötysuhde kasvattaa toimintasädettä Potkurin kierroslukualue melko matala sähkömoottorien tyypillisiin nopeuksiin

14 Propulsio sähkökäytön kannalta Kierroslukuun nähden neliöllinen momentti ja kuutiollinen teho Potkurikäyrät erilaiset avovedessä ja paaluvedossa (esim. vastatuuli) Tehontarve kasvaa reippaasti veneen nopeuden noustessa Mitoituspiste lähellä nimellisnopeutta, lyhyt kentänheikennysalue Lataustehon säädössä huomioitava potkurin ominaisuudet (vrt. ABS-jarrut) Moottorikäytössä nopeussäätö Veneen nopeus verrannollinen potkurin pyörimisnopeuteen (ruuvi) Veden joustavuuden takia dynamiikka helpohko Generaattorikäytössä periaatteeltaan momenttisäätö latausvirran mukaan BMS ohjaa momentti- tai nopeusohjetta akuston tarpeiden mukaan Metropolia Ammattikorkeakoulu 14

15 Mitoitus paalukäyrällä 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 % 140 % M avo M paalu M moott 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 % 140 % P avo P paalu P moott Nimellismomentti ja nimellisnopeus paalukäyrällä Ei tarvetta ylikuormitukseen normaalikäytössä Avovedessä täysi teho saavutetaan vasta kentänheikennysalueella PM koneen vuota rajoitettava vasta-magnetoinnilla, joka kasvattaa käytön ja moottorin häviöitä ja syö akkukapasiteettia Suurin osa käytöstä vajaalla kuormituksella Metropolia Ammattikorkeakoulu 15

ylikuormitukseen normaalikäytössä Avovedessä täysi teho saavutetaan vasta kentänheikennysalueella PM koneen vuota rajoitettava vasta-magnetoinnilla,

16 Mitoitus avovesikäyrällä 160 % 140 % 120 % 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 % 140 % M avo M paalu M moott M myli 160 % 140 % 120 % 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 % 140 % P avo P paalu P moott P myli Nimellismomentti ja nimellisnopeus avovesikäyrällä Ei tarvetta kentänheikennykseen Paalukäyrällä ei saavuteta nimellisnopeutta ilman ylikuormitusta Nimellisnopeus esim. vastatuulessa vain rajoitetun ajan ilman ylilämpöä Suurin osa käytöstä silti vajaalla kuormituksella Metropolia Ammattikorkeakoulu 16

nimellisnopeus avovesikäyrällä Ei tarvetta kentänheikennykseen Paalukäyrällä ei saavuteta nimellisnopeutta ilman ylikuormitusta Nimellisnopeus

17 Johtopäätökset

18 Moottorin valinta ja mitoitus Yleisten ominaisuuksiensa ansiosta aksiaalinen kestomagneettikone invertterillä syötettynä on Yksinkertainen, pieni ja kevyt Toimii sekä moottorina että generaattorina hyvällä hyötysuhteella ilman lisälaitteita Sopivin pieneen propulsiokäyttöön Vaatii hyvän jäähdytyksen, kestomagneettien vuo heikkenee, jos pitkäaikaisia korkeita lämpötiloja Mitoitus sopivasti paalu- ja avovesikäyrien välimaastoon Täysi nopeus raskaassa ajossa suhteellisen pienellä ylikuormalla lämpötilan mukaan rajoitettuna Avovedessä ei tarvetta voimakkaaseen kentänheikennykseen tai nopeuden rajoittamiseen

kestomagneettien vuo heikkenee, jos pitkäaikaisia korkeita lämpötiloja Mitoitus sopivasti paalu- ja avovesikäyrien välimaastoon Täysi nopeus raskaassa

Samankaltaiset tiedostot

Savolainen. Pienvoimalaitoksen käyttötekniikka

Savolainen. Pienvoimalaitoksen käyttötekniikka Tekijä: Markku Savolainen Pienvoimalaitoksen käyttötekniikka Sisältö Erilaiset generaattorityypit Sähköntuotannossa käytetyt generaattorityypit Verkkomagnetoitu epätahtigeneraattori Kondensaattorimagnetoitu