Aggregaatin testaus Tekijät: Jukka Leino. Valtteri Meriruoko. Juha Mämmi. Ohjaaja: Risto Rissanen

Transkriptio

1 Aggregaatin testaus Tekijät: Jukka Leino Valtteri Meriruoko Juha Mämmi Ohjaaja: Risto Rissanen

2 2 / 21 Sisältö 1 Johdanto Tutkittava aggregaatti Mittausjärjestely Energiatehokkuus Sähkönlaatu Jännitteelle ja taajuudelle asetetut vaatimukset Yliaallot Aggregaatti tyhjäkäynnissä Kuormituskoe Hitsauksen vaikutukset Ylikuormittaminen Kuormitustehon vaikutus Turvallisuus Ylikuormitussuojaus Vikasuojaus Yhteenveto... 21

3 3 / 21 1 Johdanto Olemme viime vuosina tulleet entistä riippuvaisemmaksi sähköstä. Eriasteiset myrskyt ja muut katkokset ovat nostattaneet esille varavoiman tarpeen, kun kotitaloudet ovat joutuneet olemaan ilman sähköä pahimmillaan useita päiviä. Varavoimaa käytetään Suomessa lähinnä teollisuuslaitoksissa ja sairaaloissa. Maaseudulla monilla maatiloilla on jo pitkään ollut käytössä varavoimageneraattoreita, joilla voidaan turvata karjatalouden vaatimukset sähkökatkojen ajaksi. Nämä eivät kuitenkaan ole aivan sovellettavissa kotitalouskäyttöön, koska ne ovat suurempitehoisia ja kiinteästi asennettuja normaalisyötyön rinnalle. Tässä työssä on tutkittu Handain 5,0 kw tehoista aggregaattia, joka edustaa keskihintaista, -luokkaista ja -tehoista aggregaattia. Yleisesti ajatellaan, että aggregaatit ovat hyvä vaihtoehto kiinteälle sähköverkolle, mutta etenkin sähköalan ammattilaiselle ne herättävät useita kysymyksiä mm. turvallisuuteen ja sähkönlaatuun liittyen. Aggregaattia on siksi pyritty testaamaan monella eri menetelmillä ottaen huomioon turvallisuus, määräykset, laatusuureet sekä energiatehokkuus.

4 4 / 21 2 Tutkittava aggregaatti Taulukko 1. Aggregaatin tekniset tiedot HANDAI aggregaatti 5000/5500W, sähkökäynnistys Jatkuva teho 5000 W Max. Teho 5500 W Moottori 4-tahtinen, 1-sylinterinen Teho 13hp/3600 rpm Iskutilavuus 389 cc Polttoainesäiliö 25l Jatkuva käyttö 9 tuntia Polttoaineenkulutus 3,12 l/h Jännitteensäätö AVR/kondensaattori Polttoaine 98-oktaaninen Öljy Synteettinen moottoriöljy Öljysäiliön koko 1,1 l Sytytysjärjestelmä T.C.I. Käynnistystavat Käsi- ja sähkökäynnistys Äänentaso käytettäessä 67 db (A) (7 m) Ulkomitat 700x525x580 (mm) Kokonaispaino 80 kg Nettopaino 76 kg Kotelointiluokka (IP) IP21 Teknisistä tiedoista tulee huomioida kotelointiluokitus IP21. Tämä tarkoittaa, että sähkölaite on suojattu tavallisella kosketussuojalla ja on tippuvedenpitävä. Aggregaatti ei siis ole tarkoitettu käytettäväksi kosteissa olosuhteissa. Koska jännitteensäätö perustuu kondensaattorimagnetointiin, ei aggregaattia voi käyttää hyvin induktiivisen kuorman kanssa. Induktiivinen kuorma tarkoittaa sähkömagneettiseen induktioon perustuvia sähkölaitteita, kuten esimerkiksi sähkömoottoreja. Sähkömoottorin ottaman virran suuruus ja induktiivisuus vaihtelee suuresti moottorin kuormituksesta riippuen, mikä voi aiheuttaa jännitteensäätöön ongelmia. Tätä ei valitettavasti päästy testaamaan.

5 5 / 21 3 Mittausjärjestely Aggregaattia koskevat mittaukset tehtiin Savonia-ammattikorkeakoulun tekniikan yksikön tiloissa ja testausaika oli n. 4h. Koska aggregaattia ei pakokaasujen takia saa käyttää sisätiloissa, testaustilaksi valittiin rakennustekniikan laboratorio, jolloin itse aggregaatti voidaan sijoittaa ulos. Testausta varten rakennettiin järjestelmä, johon aggregaattia kuormittavat kuormat oli helppoa kytkeä. Kytkentä oli rakennettu niin, että se mahdollisti sähköisten suureiden mittaamisen nykyaikaisin menetelmin. Kytkentä suojattiin vikavirtasuojakytkimellä sekä kytkentään kytkettävät kuormat suojattiin erikseen työmaakeskuksessa olevilla välisulakkeilla. Mittauksessa käytettiin mittausanalysaattoria, joka tallensi koko testauksen ajalta halutut sähköiset suureet ja näitä mittaustuloksia pystyi jälkikäteen tarkastelemaan tietokoneella. Analysaattorin lisäksi mittauksessa käytettiin oskilloskooppia eli mittalaitetta, joka piirtää mitattavan signaalin kuvaajan näytölle. Oskilloskooppi mahdollisti sähkövirran ja jännitteen aaltomuodon tarkastelun mittauksen aikana. Mittauksessa oli myös käytössä kwh-mittari, jolla saatiin selville mittauksen aikana kulutettu sähköenergia. Aggregaattia pyrittiin kuormittamaan juuri sellaisilla sähköisillä kuormilla, mihin sitä kotitalouskäytössä mahdollisesti käytettäisiin. Pohjakuormitus saatiin oppilaitoksen opetuskäytössä käytettävillä sähkövastuksilla, mitkä vastaavat käytännön sähkölaitteissa esimerkiksi lämmittimiä. Pohjakuormaan lisättiin myös induktiivista kuormitusta, joka käytännön sähkölaitteissa vastaa kaikkea sähkömagneettista induktiota hyödyntäviä sähkölaitteita kuten sähkömoottoreita ja muuntajia. Hetkellisesti aggregaattia kuormitettiin myös hitsausinvertterillä, porakoneella sekä PC:llä. Näiden laitteiden epäiltiin epälineaarisuutensa takia aiheuttavan sähkönlaatua huonontavia harmonisia yliaaltoja.

6 6 / 21 4 Energiatehokkuus Mittauksessa selvitettiin aggregaatin energiatehokkuutta ja mittauksesta saatuja tuloksia verrattiin teknisiin tietoihin. Polttoaineen tiedot, mitatut ja lasketut suureet ovat alla olevassa taulukossa. Taulukko 2. Energiatehokkuuteen liittyvät mittaukset ja laskelmat Kulutus 9,5 l Polttoaineen energia 9 kwh/l Tuotettu energia 85,5 kwh Mitattu sähköenergia 13,99 kwh Hyötysuhde 16 % Bensiinin 98E hinta 1,77 /l Kulutetun bensiinin hinta 16,85 Tuotetun sähkön hinta 1,20 /kwh Mittauksen aikainen polttoaineen kulutus oli n. 2,3 l/h, mikä on hieman alhaisempi mitä valmistaja lupaa teknisissä tiedoissa. Valmistajan arvio vastaa aggregaatin käyttöä jatkuvassa nimelliskuormituksessa, kun taas tässä mittauksessa kuormitus vaihteli. Tästä voidaan päätellä, että valmistajan antama arvio pitää paikkaansa. Aggregaatin hyötysuhde oli meidän mittauksen perusteella n. 16 %, mikä ei vaikuta kovin vakuuttavalta maallikon silmissä. Aggregaatin hyötysuhteeksi tämä on ihan hyväksyttävä, koska polttomoottoreilla ei kyetä hyviin hyötysuhteisiin. Esimerkiksi bensa-auton moottorin hyötysuhde on yleensä %. Alhaisesta hyötysuhteesta johtuen aggregaatin käyttö on ostetun sähkön hintaan verrattuna kallis. n. 4 tunnin testaus maksoi n. 17. Kun mietitään energian hintoja, tämä vaikuttaa todella kalliilta. Saman energian ostaminen Savon Voiman yleissähköhinnoilla maksaisi vain n. 2,0. Aggregaatin ollessa varavoimakäytössä, on ilmeisestä, ettei sille energialle voi määritellä mitään hintaa. Sen sijaan jos aggregaattia pyrkii käyttämään muuhun kuin varavoimakäyttöön, tulee kannattavuutta miettiä.

7 7 / 21 5 Sähkönlaatu Sähkönlaatua voidaan arvioida monilla erilaisilla suureilla. Yleisesti sähkönlaatua määritellään jakelujännitteeseen liittyvinä ominaisuuksina, kuten jännitteen suuruus, taajuus, aaltomuoto, symmetria, nopeat jännitemuutokset, keskeytykset sekä erilaiset häiriöt. Sähkönlaadun mittaukset liittyvät yleensä joko jännitteen laadun toteamiseen tai erilaisten häiriöiden selvittämiseen. Vuonna 2000 voimaan astunut standardi SFS-EN Yleisen jakeluverkon jakelujännitteen ominaisuudet käsittelee jakelujännitteen ominaisuuksia sähkönkäyttäjän liittämiskohdassa. Standardi määrittelee rajat tai arvot, joiden sisällä asiakas voi olettaa liittämiskohdan jännitteen ominaisuuksien pysyvän. 5.1 Jännitteelle ja taajuudelle asetetut vaatimukset Standardin SFS-EN mukaan sähköasiakkaan liittymispisteen jännite on oltava yleensä välillä 230V ±10 %. Kaiken kaikkiaan jännite saa olla korkeintaan 230V +10 % ja pienimmillään 230V 15 %. Suurin vaihteluväli on näin ollen V. Taajuuden on oltava normaalissa verkossa yleensä 50 Hz±1 % eli välillä 49,5 50,5 Hz, mutta sen on aina pysyttävä välillä 50 Hz+4 %/-6 % eli välillä Hz. Erillisverkoissa taajuuden on yleensä oltava 50 Hz ±2 % eli Hz ja aina 50 Hz ±15 % eli 42,5 57,5 Hz. Aggregaattia käytettiin tilapäiseen varavoiman tuotantoon muusta verkosta erillään, joten voitaneen käyttää väljimpiä määräyksiä eli jännitteen on pysyttävä välillä V ja taajuuden on oltava 42,5 57,5 Hz. 5.2 Yliaallot Sähkölaitteet on suunniteltu toimimaan sinimuotoisella vaihtojännitteellä. Nykyään yhä useampi laite vaatii toimiakseen moitteettomasti puhdasta, virheetöntä jännitettä. Sähkön käytön kasvaessa on myös häiriöitä sähköverkkoon aiheuttavien laitteiden määrä kasvanut jatkuvasti. Eräs sähkönlaatua merkittävästi huonontava tekijä on yliaallot. Yliaaltoja aiheuttavat muun muassa tasa- ja vaihtosuuntaajakäytöt, hakkuriteholähteet, energiansäästölamput, purkauslamput sekä kodin elektroniikka. Harmoninen yliaalto on sinimuotoinen jännite, jonka taajuus on perustaajuisen jännitteen taajuus kokonaisluvulla kerrottuna. Harmoniset yliaallot voidaan jakaa parittomiin ja parillisiin. Parittomat yliaallot voidaan jakaa vielä kolmella jaollisiin ja jaottomiin. Kolmivaihejärjestelmässä etenkin kolmella jaolliset yliaallot ovat erityisen ongelmallisia. Normaaleissa käyttöolosuhteissa, kunkin viikon pituisen mittausjakson aikana, 95 % jakelujännitteen kunkin yksittäisen harmonisen yliaaltojännitteen 10 minuutin keskimääräisistä tehollisarvoista tulee olla pienempi tai yhtä suuri kuin taulukossa 1 annettu arvo. Lisäksi jakelujännitteen

8 8 / 21 kokonaissärökertoimen, THD (mukaan lukien kaikki harmoniset yliaallot järjestysluvultaan 40 saakka) tulee olla pienempi tai yhtä suuri kuin 8 %. Taulukko 3. Harmonisten yliaaltojännitteiden sallitut arvot liittämiskohdassa järjestyslukuun 25 saakka prosentteina perustaajuisesta jännitteestä. Parittomat yliaallot Kolmella jaottomat Järjestysluku Suhteellinen h jännite (Uh) Kolmella jaolliset Järjestysluku Suhteellinen h jännite (Uh) Parilliset yliaallot Järjestysluku h 5 6,0 % 3 5,0 % 2 2,0 % 7 5,0 % 9 1,5 % 4 1,0 % 11 3,5 % 15 0,5 % ,5 % 13 3,0 % 21 0,5 % 17 2,0 % 19 1,5 % 23 1,5 % 25 1,5 % Suhteellinen jännite (Uh) HUOM. Järjestysluvultaan yli 25 harmonisille ei anneta arvoja, koska ne ovat tavallisesti hyvin pieniä ja hyvin arvaamattomia resonanssitilanteiden vuoksi. 5.3 Aggregaatti tyhjäkäynnissä Testaus aloitettiin mittaamalla jännitteen suuruus, taajuus sekä aaltomuoto aggregaatin ollessa tyhjäkäynnissä. Aggregaattia ajettiin tyhjäkäynnissä noin 5 minuuttia, jotta saatiin keskimääräiset arvot selville. Tyhjäkäynnissä aggregaatin jännite oli 234 V, joten jännite pysyy hyvin lähellä nimellisjännitettä 230 V. Taajuus tyhjäkäynnillä on 52,5 Hz eli taajuus on nimellistaajuutta 50 Hz hieman korkeampi.

9 9 / 21 Kuva 1. Jännitteen aaltomuoto tyhjäkäynnissä Kuvassa 1 on jännitteen aaltomuoto aggregaatin ollessa tyhjäkäynnissä. Kuvassa näkyy lisäksi sinisellä virran aaltomuoto, joka tyhjäkäynnissä oli nolla. Silmämääräisesti tarkasteltuna jännitteen aaltomuoto on hyvin lähellä ideaalista sinikäyrää. Jännite ei ole kuitenkaan aivan puhdasta, sillä jännitteen kokonaissärökertoimeksi eli THD:ksi mitattiin tyhjäkäynnissä 5 %. 5.4 Kuormituskoe Aggregaatin testaus nimelliskuormalla tehtiin kytkemällä kuormaksi resistiivistä vastuskuormaa, joka mallintaa lämmittimiä sekä induktiivista kuormaa, joka mallintaa erilaisia pyöriviä sähkökoneita. Lisäksi kuormaksi kytkettiin tietokone, joka mallintaa epälineaarista kuormaa. Jännitteen, virran ja taajuuden arvot nimelliskuormalla selviävät kuvista 2, 3 ja 4. Aggregaattia kuormitettiin noin 10 A virralla kello Aggregaatin napajännite pysyy hyvin 234 voltissa sekä taajuus 52,5 Hz. Puolikuormalla aggregaattia kuormitettiin lisäksi kello Hiltin 500Wiskuporakoneella. Vaikka iskuporakone ottaa käynnistyksessä suurehkon virran, se ei vaikuta juurikaan aggregaatin napajännitteeseen tai taajuuteen. Kuorman ottamaa virtaa nostettiin kello asteittain 22 A asti. Virran kasvaessa 10 A reiluun 20 A, aggregaatin jännitesäädin nostaa hieman napajännitettä. Taajuus tosin putoaa 52,7 Hz 51, 3 Hz, kun kuormittava virta kasvaa nimellisvirtaan. Nimelliskuormalla aggregaatin jännite ja taajuus noudattavat SFS- EN standardia.

10 10:18:14 10:18:34 10:18:54 10:19:14 10:19:34 10:19:54 10:20:14 10:20:34 10:20:54 10:21:14 10:21:34 10:21:54 10:22:14 10:22:34 10:22:54 10:23:14 10:23:34 10:23:54 10:24:14 10:24:34 10:24:54 10:25:14 10:25:34 10:25:54 Taajuus (Hz) 10:18 10:18 10:18 10:19 10:19 10:19 10:20 10:20 10:20 10:21 10:21 10:21 10:22 10:22 10:22 10:23 10:23 10:23 10:24 10:24 10:24 10:25 10:25 10:25 Virta (A) 10:18:14 10:18:34 10:18:54 10:19:14 10:19:34 10:19:54 10:20:14 10:20:34 10:20:54 10:21:14 10:21:34 10:21:54 10:22:14 10:22:34 10:22:54 10:23:14 10:23:34 10:23:54 10:24:14 10:24:34 10:24:54 10:25:14 10:25:34 10:25:54 Jännite (V) 10 / 21 Jännite (V) Kuva 2. Jännite kuormituskokeen aikana Virta (A) Kuva 3. Virta kuormituskokeen aikana Taajuus (Hz) Kuva 4. Taajuus kuormituskokeen aikana

11 10:18:14 10:18:34 10:18:54 10:19:14 10:19:34 10:19:54 10:20:14 10:20:34 10:20:54 10:21:14 10:21:34 10:21:54 10:22:14 10:22:34 10:22:54 10:23:14 10:23:34 10:23:54 10:24:14 10:24:34 10:24:54 10:25:14 10:25:34 10:25:54 THD (%) 11 / 21 Jännitteen ja virran kokonaissäröt ovat kuvassa 5. Kuormittavan virran ollessa noin puolet nimellisvirrasta, jännitteen särö on noin 17 % ja nimellisvirralla noin 20 %. Kuormituksen suuruus ei näytä vaikuttavan jännitesärön suuruuteen. Standardin SFS-EN mukaan jännitesärö saa enintään olla 8 %, joten jännitteen yliaaltopitoisuusvaatimus täyttyy ainoastaan tyhjäkäynnillä. Virtasärö on 10 A virralla noin 10 % ja nimellisvirralla noin 15 %. Virtasärö riippuu kuitenkin kuormituksen tyypistä, joten edellä esitetyt virtasärön arvot edustavat testin aikana tietyssä kuormitustilanteessa esiintyneitä arvoja. Kuitenkin virtasärön kuvaajasta voidaan havaita, että virtasärö kasvaa kuormituksen kasvaessa Kokonaissärö THD Jännitesärö THD Virtasärö THD Kuva 5. Kokonaissärö nimelliskuormalla Kuva 6. Aaltomuodot induktiivisella kuormalla

12 Jännite (V) 12 / 21 Jännitteen- ja virran aaltomuodot ovat kuvassa 6 aggregaatin ollessa nimelliskuormassa. Kuvassa on keltaisella jännitteen aaltomuoto ja sinisellä virran aaltomuoto. Jännitteen aaltomuoto on jonkin verran vääristynyt, koska jännitesärö nimelliskuormalla on 20 %. Kuitenkin aaltomuodon voidaan sanoa noudattavan jaksollista sinikäyrää. Kuvasta nähdään lisäksi, että taajuus on ollut 52 Hz, sekä kuorma lievästi induktiivinen, koska virta on jännitettä jäljessä. 5.5 Hitsauksen vaikutukset Aggregaatin soveltuvuutta hitsaukseen tutkittiin Kempin hitsausinvertterin avulla. Ennen hitsausta kuorman virta pudotettiin noin 6,5 A, jotta aggregaatti ei ylikuormitu. Hitsauksen vaikutukset nähdään selvästi kuvista Hitsauksen aikana kello 10.57, ja jännite putoaa ainoastaan hieman alle nimellisjännitteen vaikka kuorman virta kasvaa yli nimellisvirran eli aggregaatti on lievästi ylikuormassa. Kuvan 9 mukaisesti taajuus putoaa hitsauksen aikana vajaasta 53 Hz:stä 51,5 Hz:iin. Hitsauksesta johtunut ylikuormitus ei siten vaikuttanut merkittävästi taajuuteen, koska taajuus oli hitsauksen aikana silti yli nimellistaajuuden Jännite (V) Kuva 7. Jännite hitsauksen aikana

13 Taajuus (Hz) Virta (A) 13 / 21 Virta (A) Kuva 8. Virta hitsauksen aikana Taajuus (Hz) Kuva 9. Taajuus hitsauksen aikana Hitsauksen vaikutukset jännitteen- ja virran säröön ovat sen sijaan huomattavia. Jännitesärö ennen hitsausta oli noin 20 %, joka siis johtui 6,5 ampeerin peruskuormituksesta. Hitsauksen aikana jännitesärö nousee noin 25 %:iin, joten hitsaus nostaa jonkin verran aggregaatin jännitesäröä. Virtasärö oli ennen hitsausta myös 20 % ja se nousee hitsauksen aikana jopa 50 %:iin. Virtasärön suuren kasvun selittää se, että hitsausinvertterin säätö on toteutettu tehoelektroniikalla, jonka ottama virta ei ole sinimuotoista vaan se koostuu virtapulsseista.

14 THD (%) 14 / Kokonaissärö THD Jännitesärö THD Virtasärö THD Kuva 10. Jännite- ja virta THD hitsauksen aikana Hitsauksen vaikutukset aaltomuotoihin nähdään selvästi kuvasta 11. Kuvan mukaisesti jännitteen ja virran aaltomuodot ovat huomattavan säröytyneitä ja ne eivät paljoakaan muistuta puhdasta siniaaltoa. Kuva 11. Aaltomuodot hitsauksen aikana

15 11:52:14 11:52:34 11:52:54 11:53:14 11:53:34 11:53:54 11:54:14 11:54:34 11:54:54 11:55:14 11:55:34 11:55:54 11:56:14 11:56:34 11:56:54 11:57:14 11:57:34 11:57:54 11:58:14 11:58:34 11:58:54 11:59:14 11:59:34 11:59:54 12:00:14 Jännite (V) 15 / Ylikuormittaminen Mittausten lopussa aggregaatille tehtiin ylikuormitustesti, jolla tutkittiin aggregaatin käyttäytymistä ylikuormassa sekä suojauksen toimivuutta. Aggregaatti saatiin ylikuormaan kytkemällä peruskuorman rinnalle kolme lisävastusta. Ylikuormitustesti aloitettiin kello ja lopetettiin eli aggregaattia ajettiin ylikuormassa 5 minuutin ajan. Kuvissa 12 ja 13 on jännitteen ja virran kuvaajat aggregaatin ollessa ylikuormassa. Ylikuormitustestin alkaessa jännite putoaa 180 V, jossa se pysyi koko ylikuormitustestin ajan. Jännitteen putoamisen aiheutti virran kasvu 30 A eli toisin sanoen aggregaatin nimellisteho tuli vastaan Jännite (V) Kuva 12. Jännite ylikuormituksen aikana

16 11:52:14 11:52:34 11:52:54 11:53:14 11:53:34 11:53:54 11:54:14 11:54:34 11:54:54 11:55:14 11:55:34 11:55:54 11:56:14 11:56:34 11:56:54 11:57:14 11:57:34 11:57:54 11:58:14 11:58:34 11:58:54 11:59:14 11:59:34 11:59:54 12:00:14 Taajuus (Hz) 11:52:14 11:52:34 11:52:54 11:53:14 11:53:34 11:53:54 11:54:14 11:54:34 11:54:54 11:55:14 11:55:34 11:55:54 11:56:14 11:56:34 11:56:54 11:57:14 11:57:34 11:57:54 11:58:14 11:58:34 11:58:54 11:59:14 11:59:34 11:59:54 12:00:14 Virta (A) 16 / Virta (A) Kuva 13. Virta ylikuormituksen aikana Aggregaatin taajuus putosi kuvan 14 mukaisesti ylikuormitustestin alkaessa noin 44 Hz. Testin aikana jännitteen säätäjä alkoi nostaa taajuutta, jolloin taajuus testin lopussa oli noussut 46 Hz. Mikäli ylikuormitustestiä olisi jatkettu pidempään, taajuus olisi saattanut nousta jopa nimellistaajuuteen asti. Taajuuden kasvun teki mahdolliseksi se, että ylikuormitustestin aikana pätöteho pysyi nimellisenä, joten aggregaatti ei ollut ylikuormassa sen tuottaman pätötehon puolesta Taajuus (Hz) Kuva 14. Taajuus ylikuormitustestin aikana

17 Taajuus (Hz) Jännite (V) 17 / Kuormitustehon vaikutus Koko mittauksen tuloksista piirrettiin kuvaajat 15 ja 16, joista voidaan päätellä, kuinka aggregaatti reagoi kuormitukseen. Kuvaajissa esiintyvä hajonta johtuu generaattorin jännitteensäätimen toiminnasta ja jonkin verran siitä, että mittaustulokset perustuvat keskiarvoihin. Kuvasta 15 nähdään generaattorin tuottaman jännitteen riippuvuus pätötehosta. Alle nimellistehon (5 kw) jännite pysyy hyvin 230 V lähistöllä, mutta heti nimellistehon ylityttyä jännite alkaa pudota. Teknisten tietojen mukaan aggregaatti pystyy syöttämään hetkellisesti 5,5 kw tehon, mikä näkyy pistejoukkona 5500 W ja 235 V risteyskohdassa. Pidemmässä kuormituksessa jännite kuitenkin alkaa pudota, mikä vastaavasti saa pätötehon putoamaan nimellisen lähistölle Pätöteho (W) Kuva 15. Jännitteen riippuvuus pätötehosta Kuvasta 16 nähdään taajuuden riippuvuus kuormituksen pätötehosta. Tyhjäkäynnillä taajuus on 53 Hz, joka laskee nimelliskuormalla n. 51 Hz:iin. Nimelliskuormaa suuremmilla tehoilla taajuus putoaa rajusti ja lisäksi siinä on paljon hajontaa. Aggregaatin kuormitus voidaan päätellä sen käyntiäänestä, koska kuormituksen kasvaessa taajuus putoaa ja moottorin kierrosnopeus pienenee Pätöteho (W) Kuva 16. Taajuuden riippuvuus pätötehosta

18 18 / 21 6 Turvallisuus 6.1 Ylikuormitussuojaus Mittauksen lopussa tehtiin ylikuormitusmittaus, jolla tutkittiin generaattorin suojausta ylikuumentumista vastaan. Sen aikana aggregaattia kuormitettiin 31 A virralla, joka on 140 % nimellisvirtaan nähden. Kokeen aikana jännite putosi 180 V:iin ja taajuus 43 Hz:iin. Näin suuri jännitteen lasku saattaa aiheuttaa toimintahäiriöitä tai vaurioita sähkölaitteisiin, kuten sähkömoottoreihin tai elektroniikkalaitteisiin. Tämän takia ylikuormitustilanteen pitäisi olla lyhyt ja pitkittyessään se pitäisi katkaista esimerkiksi alijännitelaukaisulla. Esimerkiksi jännitteen laskiessa moottori ottaa enemmän virtaa, koska se yrittää edelleen tuottaa yhtä paljon mekaanista tehoa akselille kuin ennen jännitteen putoamista. Virran kasvu lämmittää moottoria normaalia enemmän, minkä lisäksi taajuuden lasku pudottaa moottorin nopeutta huonontaen jäähdytystä. Ylikuormituskoetta jatkettiin viiden minuutin ajan, jonka jälkeen todettiin, ettei generaattorin suojaus laukea. Aggregaattia suojaa 25 A C-palamiskäyrän automaattisulake, joka on riittävän suuri aggregaatin 22 A nimellisvirtaan nähden. Automaattisulakkeen C-käyrä tarkoittaa sitä, ettei se laukea pienten induktiivisten kuormien, kuten moottoreiden ja pistorasioiden, aiheuttamista käynnistysvirtapiikeistä. Ylivirtasuojilla, kuten tulppa- ja automaattisulakkeilla, on ns. alempi ja ylempi toimintarajakäyrä. Alempi rajakäyrä kertoo arvon, jota pienemmällä virralla suoja ei toimi ja ylempi rajakäyrä virran, jolla suoja toimii riittävän nopeasti. Käytetyllä C25A -automaattisulakkeella alempi rajavirta on 28 A ja ylempi 36 A. Suoja ei siis laukea alle 28 A virralla, vaikka kuormitusta jatkettaisiin kuinka kauan. Toisaalta taas suoja toimii alle tunnissa, jos virta on yli 36 A. Suoja toimii sitä nopeammin, mitä suurempi virta on. Ylikuormitussuoja pitää valita siten, että se toimii ennen kuin suojattava laite ylikuumenee. Yleensä tulppasulakkeita ja automaattisulakkeita käytetään kaapeleiden suojaamiseen, mutta ne eivät välttämättä toimi riittävän nopeasti sähkömoottoreiden ja generaattoreiden suojana. Generaattorin ylikuormituskestävyydestä ei ole tietoa, joten asiaa ei voitu tarkastella. Ylikuormitussuojan perusteella voidaan valita pienin poikkipinta johdolle, jolla kuormitus kytketään aggregaattiin ilman, että kyseinen johto ylikuumenee. Automaattisulakkeita käytettäessä sulakkeen nimellisvirta kertoo suoraan jatkuvan kuormitettavuuden, joka johdolla on oltava. Kokeessa käytettiin 6 mm 2 kumikaapelia, jonka jatkuva kuormitettavuus pinnalle asennettuna (esim. seinän tai lattian pinnalla ilman suojaputkea) on 52 A. Periaatteessa 2,5 mm 2 kumikaapelin 31 A kuormitettavuus riittäisi, mutta on suositeltavaa käyttää paksumpaa poikkipintaa, koska johtimet lämpenevät kuitenkin 90 C lämpötilaan. Lisäksi paksummilla johtimilla tapahtuu vähemmän jännitteenalenemaa, joten käytettävät laitteet saavat korkeampaa jännitettä, vaikka johto olisi pidempi.

19 19 / 21 Lisäksi on muistettava, että aggregaatin normaali yksivaihepistorasia on suunniteltu vain 16 A virralle, eikä sitä ole suojattu ylikuumentumiselta. Suuremmat kuormat on kytkettävä 32 A yksivaiheisen "karavaanarirasian" kautta. 6.2 Vikasuojaus Vikasuojauksen ensisijaisena tehtävänä on suojata käyttäjä sähköiskuilta ja toissijaisena tehtävänä on tulipalojen estäminen. Vian voi aiheuttaa esimerkiksi kaapelin katkaiseminen kulmahiomakoneella tai laite, jonka vaihejohto osuu sen metallirunkoon. Yleensä tällainen vika aiheuttaa vaihejohtimeen oikosulkuvirran, jonka suuruus riippuu generaattorista sekä kaapeleiden paksuuksista ja pituuksista. Virran paluureitti riippuu tilanteesta, esim. kaapelin katkaiseminen lapiolla oikosulkee todennäköisesti vaihejohtimen sekä nollaan että maahan, mutta vaihejohtimen osuminen maadoitetun metallilaitteen runkoon oikosulkee vain vaihejohtimen maadoitukseen. Vikasuojauksen toteutukseen vaikuttaa generaattorin maadoitustapa: generaattori voidaan maadoittaa, jolloin suojaus toimii tavallisen omakotitalon tapaan (TN-järjestelmä). Käytettävän maadoitusjohtimen on oltava 16 mm 2 kuparia, ja se on kytkettävä mahdollisimman hyvään maadoituselektrodiin. Toisaalta generaattori voidaan jättää maadoittamatta, jolloin se katsotaan maasta erotetuksi järjestelmäksi. Mittausten perusteella tutkitun generaattorin nollaa ei ole kytketty maadoitukseen, joten se toimii maasta erotettuna järjestelmänä, vaikka aggregaattiin olisikin kytketty maadoituselektrodi. Normaalissa TN-järjestelmässä oikosulun aikana metallisosassa on verkkojännite, minkä takia suojalaitteen on toimittava riittävän nopeasti. Standardin SFS mukaan enintään 32 A ryhmäjohdoilla suojalaitteen on toimittava 0,4 sekunnissa, mutta pääjohdoilla ja 32 A suuremmilla virroilla sallitaan 5 sekunnin poiskytkentäaika. Lisäksi standardin SFS mukaan siirrettävien generaattoreiden suojauksessa on käytettävä 30 ma vikavirtasuojaa. Sähköasennustesterillä mitattiin, että aggregaatti pystyy, ainakin hetkellisesti, antamaan 244 A oikosulkuvirran. C25A-automaattisulake laukeaa tällä virralla vasta 5 sekunnin kuluttua, joten suojaus toimii pääjohdon suojana, mutta on liian hidas ryhmäjohdon suojaamiseen. Testatun aggregaatin generaattoria ei ole kuitenkaan maadoitettu, joten laukaisuajalla on merkitystä lähinnä tulipalosuojauksessa. Maasta erotetussa (IT-)järjestelmässä generaattorin nollapistettä ei ole kytketty maahan eikä maan päällä kävelevä ihminen saa sähköiskua, vaikka koskisi jännitteistä vaihejohdinta. Tämä johtuu siitä, ettei ihmisen läpi synny virtapiiriä, koska virta ei pääse mitään kautta takaisin generaattorin nollapisteeseen. Tällaisessa tilanteessa vikavirtasuojakytkinkään ei laukea. Järjestelmä on turvallinen vain, jos ei synny maasulkua eli järjestelmä pysyy erillään maasta, joten ei ole suositeltavaa tahallaan koskettaa jännitteisiä osia. Standardin SFS-6000 mukaan yleensä on käytettävä maasulun valvontajärjestelmää, mutta esimerkiksi rakennustyömaiden tilapäisissä kannettavissa varavoimakoneissa maasulkua ei tarvitse valvoa. Mittauksessa maasulkua ei valvottu.

20 20 / 21 IT-järjestelmän käytöstä huolimatta aggregaatti pitäisi maadoittaa, koska kosketeltavissa olevissa osissa voi olla jokin maan potentiaalista poikkeava jännite, vaikkei järjestelmässä olisikaan vikaa. Aggregaatin maadoittaminen tarkoittaa siis eri asiaa kuin generaattorin maadoittaminen. TNjärjestelmässä maadoittaminen on tärkeämpää, koska suojaus sähköiskulta perustuu toimivaan maadoitukseen. Maadoituksiin liittyviä asioita voi tiedustella paikalliselta sähköyhtiöltä. Yhteenvetona voidaan sanoa, että on turvallisinta käyttää 30mA vikavirtasuojakytkimellä sekä sopivilla automaattisulakkeilla varustettua työmaakeskusta, joka liitetään aggregaatin karavaanipistorasiaan sopivalla kaapelilla tai adapterilla. Automaattisulakkeet korjaavat ylikuormitus- ja vikasuojauksen puutteita ja vikavirtasuojakytkin antaa lisäsuojaa, jos generaattori maadoitetaan tarkoituksella tai vahingossa. Mikään suojalaite ei kuitenkaan estä käyttäjää koskettamasta yhtä aikaa vaihetta sekä nollaa ja saamasta sähköiskua.

21 21 / 21 7 Yhteenveto Tässä työssä tutkittiin Handain valmistamaan 5 kw aggregaattia. Aggregaatille tehtiin mittauksia, joiden tarkoituksena oli selvittää aggregaatin energiatehokkuus, sähkönlaatu, kuormitettavuus ja turvallisuus. Testauksen tarkoituksena oli selvittää aggregaatin käyttöä varavoimana kotitalous- ja kesämökkikäytössä. Mittauksesta saatiin riittävästi tietoa näiden arvioimiseen. Aggregaatin energiatehokkuus on aggregaatiksi keskiverto. Polttoainekäyttöinen energiantuotanto on useimmiten huomattavasti kalliimpaa verrattuna sähköyhtiöltä ostettuun sähköenergiaan. Aggregaatin ollessa varavoimakäytössä energialle ei voida määritellä mitään hintaa. Sen sijaan aggregaatin käyttöä muuhun tulee harkita. Aggregaatin sähkönlaatu ei ole mitenkään verrattavissa sähköverkon laatuun. Jo pelkässä tyhjäkäyntikuormituksessa aggregaatin säröprosentti oli 5 %, mikä vielä täyttäisi juuri ja juuri riittävän laadukkaan sähkön määritelmän. Aggregaatin kuormittaminen nostaa särökertoimen 20 %, eikä tällaista sähköä voida enää sanoa laadukkaaksi. Aggregaatin kuormittaminen hitsausinvertterillä, minkä tiedetään huonontavan sähkön laatua, saa sähkön muistuttamaan etäisesti siniaaltoa. Testauksen perusteella aggregaatti näytti toimivan valmistajan lupaamalla käyttöalueella kohtalaisesti. Normaalikuormituksessa aggregaatin jännite ja taajuus pysyivät riittävässä hallinnassa eivätkä aiheuttaneet merkittäviä ongelmia. Sen sijaan jos aggregaattia kuormitetaan yli nimelliskuormituksen, se ei enää kykene pitämään jännitettä ja taajuutta haluttuina, vaan niissä on suurta hajontaa. On siis tärkeää noudattaa valmistajan ilmoittamaa tehoa eikä ylikuormittaa aggregaattia. Testauksen perusteella suojaus ei ole aivan ihanteellinen. Mittauksen alussa oletettiin, että suojaus laukeaisi mittauksen aikana tahattomasti. Näin ei kuitenkaan tapahtunut ja itse asiassa ylikuormitustestissäkään ei saatu suojausta toimimaan. Tämä olisi vaatinut suuremman virran, mitä ei saatavilla olevilla kuormilla pystytty tuottamaan. Aggregaattia saattaa siis tahattomasti ylikuormittaa, eikä ylikuormitussuoja laukea nopeasti, mikä voi aiheuttaa laitteiden rikkoutumista. Asennustesterillä mitattu oikosulkuvirta on liian pieni pistorasiaryhmien suojaukseen. Oikosulun sattuessa aggregaatin suojaus ei siis toimi tarpeeksi nopeasti. Aggregaatin suojauksissa on siis puutteita ja käyttöä tulisi tämänkin takia harkita. Kyseinen aggregaatti toimi tämän hintaiseksi aggregaatiksi yllättävän hyvin. Normaalikuluttajilla voi kuitenkin olla aggregaateista liian suuret odotukset. Aggregaatti on varmasti käyttökelpoinen varavoima kohtuudella käytettynä myrskyn tai vastaavan sattuessa. Käyttäjän tulee kuitenkin ymmärtää, että aggregaattien sähkönlaatu sekä turvallisuus eivät vastaa normaalin sähköverkon tasoa.