Aaltovoimalaitteiston PM generaattorin ja tasasuuntauksen mallintaminen ja testaus
Toijala, Henri (2011)
Toijala, Henri
Tampereen ammattikorkeakoulu
2011
All rights reserved
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201105107033
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201105107033
Tiivistelmä
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia kestomagneettigeneraattorin toimintaa aaltovoima-tuotannossa. Aaltovoimassa ongelmana sähköntuotannon kannalta on alati muuttuva generaattorin kierrosnopeus, joka aiheuttaa jatkuvan jännitteen, virran, taajuuden ja te-hon muuttumisen. Työssä oli tarkoitus tutkia erään generaattorin kuormitettavuutta ja tehontuottoa eri kierrosnopeuksilla sekä pyrkiä määrittämään yhtälöt kuorman optimoi-miseksi maksimaalisen tehotuoton saavuttamiseksi.
Aluksi oli suunniteltava ja toteutettava mekaaninen kytkentä generaattorin ja aaltovoi-malan toimintaa mallintavan servomoottorikäytön välille laboratoriotutkimuksia varten. Työssä valittiin käyttöön sopiva alennusvaihde sekä suunniteltiin vaihteen ja generaatto-rin kiinnittämiseen vaaditut tuet sekä valittiin kytkimet komponenttien välille.
Kun laboratoriokytkentä oli valmis, aloitettiin kuormitusmittausten tekeminen eri kier-rosnopeuksilla. Kuormina käytettiin puhdasta resistiivistä kuormaa, tasasuunnattua re-sistiivistä kuormaa sekä molempia edellä mainittuja kytkentöjä kondensaattorit kuorman rinnalle lisättynä. Tuloksena syntyivät tehokäyrät generaattorin vaihejännitteen sekä kuormitusresistanssin funktiona. Näitä käyriä verrattiin valmistajan ilmoittamiin tietoi-hin ja todettiin tulosten poikkeavan toisistaan. Syytä tiedusteltiin valmistajalta ja kävi ilmi, että generaattori oli räätälöity tiettyä käyttötarkoitusta varten, mistä johtuen arvot poikkesivat ilmoitetuista.
Eri kierrosnopeuksilla suoritettujen tehokäyrämittausten perusteella määritettiin optimi-kuormitukset kierrosnopeuden funktiona maksimaalisen tehon tuottamiseksi kaikilla kierrosnopeuksilla. Tuloksena syntyivät lineaariset yhtälöt eri tutkimuskytkentöjä var-ten. Tämän jälkeen suoritettiin puhtaasti resistiivisellä kuormalla mittaukset muuttuvaa kierrosnopeutta käyttäen kahdella erilaisella aaltoprofiililla.
Kaikkien mittausten rinnalla suoritettiin samat asiat simulaatiomallilla, jonka parametrit määritettiin mitattujen arvojen ja eri arvojen kokeilun avulla. Simulaatiomallin paramet-rit poikkesivat todellisista, koska malli ei osannut huomioida kaikkia generaattorin to-dellisia ominaisuuksia. Tärkeintä oli kuitenkin se, että mallin toiminta saatiin vastaa-maan todellisen piirin toimintaa. The purpose of this thesis was to research how permanent magnet generator works in wave energy production. The problem in wave energy from electrical production point of view is the changing rotation speed of the generator caused by constantly changing waves. Voltages, currents, frequency and power are changing all time because of that. One of the main goals was to investigate the loadability and power production of spe-cific generator with different rotation speeds and to determine the formulas for the op-timal load resistance to generate the maximum power at any rotation speed.
The project began with designing of the mechanical connection between the generator and the servo drive simulating wave energy converter. The gear between generator and servo drive was chosen together with axle connectors. Also the supports for generator and gear were designed.
When the mechanical construction was ready began the making of measurements with different rotation speeds. Used loads were pure resistive load, rectified resistive load and both previous connections with capacitance added parallel to load. As a result the power curves in function of phase voltage and load resistance were born. These curves were compared to information given by manufacturer and there were notable differ-ences. Manufacturer was contacted according to differences and the reason seemed to be that generator was tailored for a specific use with internal values differing from the ones manufacturer gave.
Based on the measurements with different rotation speeds the optimal loads were de-termined in function of rotation speed to get the maximal output power at any speed. As a result linear functions for different connections were born. Next thing was to do measurements with two different wave profiles using pure resistive load.
Along with all the measurements same things were done in simulation model which parameters were determined by using some measured values and some values that were found simply by testing. Simulation parameters were different from the measured values because the model was not able to simulate all the internal functions of generator. At the end most important thing was that model was acting like a real generator.
Aluksi oli suunniteltava ja toteutettava mekaaninen kytkentä generaattorin ja aaltovoi-malan toimintaa mallintavan servomoottorikäytön välille laboratoriotutkimuksia varten. Työssä valittiin käyttöön sopiva alennusvaihde sekä suunniteltiin vaihteen ja generaatto-rin kiinnittämiseen vaaditut tuet sekä valittiin kytkimet komponenttien välille.
Kun laboratoriokytkentä oli valmis, aloitettiin kuormitusmittausten tekeminen eri kier-rosnopeuksilla. Kuormina käytettiin puhdasta resistiivistä kuormaa, tasasuunnattua re-sistiivistä kuormaa sekä molempia edellä mainittuja kytkentöjä kondensaattorit kuorman rinnalle lisättynä. Tuloksena syntyivät tehokäyrät generaattorin vaihejännitteen sekä kuormitusresistanssin funktiona. Näitä käyriä verrattiin valmistajan ilmoittamiin tietoi-hin ja todettiin tulosten poikkeavan toisistaan. Syytä tiedusteltiin valmistajalta ja kävi ilmi, että generaattori oli räätälöity tiettyä käyttötarkoitusta varten, mistä johtuen arvot poikkesivat ilmoitetuista.
Eri kierrosnopeuksilla suoritettujen tehokäyrämittausten perusteella määritettiin optimi-kuormitukset kierrosnopeuden funktiona maksimaalisen tehon tuottamiseksi kaikilla kierrosnopeuksilla. Tuloksena syntyivät lineaariset yhtälöt eri tutkimuskytkentöjä var-ten. Tämän jälkeen suoritettiin puhtaasti resistiivisellä kuormalla mittaukset muuttuvaa kierrosnopeutta käyttäen kahdella erilaisella aaltoprofiililla.
Kaikkien mittausten rinnalla suoritettiin samat asiat simulaatiomallilla, jonka parametrit määritettiin mitattujen arvojen ja eri arvojen kokeilun avulla. Simulaatiomallin paramet-rit poikkesivat todellisista, koska malli ei osannut huomioida kaikkia generaattorin to-dellisia ominaisuuksia. Tärkeintä oli kuitenkin se, että mallin toiminta saatiin vastaa-maan todellisen piirin toimintaa.
The project began with designing of the mechanical connection between the generator and the servo drive simulating wave energy converter. The gear between generator and servo drive was chosen together with axle connectors. Also the supports for generator and gear were designed.
When the mechanical construction was ready began the making of measurements with different rotation speeds. Used loads were pure resistive load, rectified resistive load and both previous connections with capacitance added parallel to load. As a result the power curves in function of phase voltage and load resistance were born. These curves were compared to information given by manufacturer and there were notable differ-ences. Manufacturer was contacted according to differences and the reason seemed to be that generator was tailored for a specific use with internal values differing from the ones manufacturer gave.
Based on the measurements with different rotation speeds the optimal loads were de-termined in function of rotation speed to get the maximal output power at any speed. As a result linear functions for different connections were born. Next thing was to do measurements with two different wave profiles using pure resistive load.
Along with all the measurements same things were done in simulation model which parameters were determined by using some measured values and some values that were found simply by testing. Simulation parameters were different from the measured values because the model was not able to simulate all the internal functions of generator. At the end most important thing was that model was acting like a real generator.