Sähköisen potkurikäytön ohjaus ja säätö

Abstract

Tässä insinöörityössä on esitelty sähköisen potkurikäytön kuormanvaihteluiden hallintaan liittyviä ongelmia ja ratkaisuja sekä taajuusmuuttajan säätöön ja ohjaamiseen liittyviä seikkoja. Testauslaitteisto, jolla sähköistä potkurikäyttöä kuvattiin, rakennettiin Metropolia Ammattikorkeakoulun laboratoriotiloihin Edec Oy:n tilauksesta. Työhön kuuluu laitteiston ja siihen liittyvän teorian esittely sekä kuormanvaihteluissa esiintyvien ongelmien ratkaisu tuloksineen. Tuloksia ja tietoja hankittiin laitteistovalmistajilta, alan kirjallisuudesta, käyttöohjeista, käytännön testituloksista sekä kokeista.

Aluksi on esitelty työn kannalta tärkeä teoria niin testilaitteiston kuin laivan sähköverkon osalta. Testilaitteisto koostuu taajuusmuuttajista ja sähkömoottoreista. Taajuusmuuttajasta on kerrottu laajasti laitteen ohjaus- ja ohjelmointipuolta silmälläpitäen. Laivan sähköverkosta on kerrottu melko pelkistetysti, lähinnä työhön liittyvistä seikoista ja ilmiöistä. Myös laivan sähköisen potkurikäytön peruskäyttäytyminen ja ongelmat on esitelty. Kokeista ja testiajoista on esitetty koejärjestelyt sekä tulokset. Tuloksista on tehty yhteenveto, jossa on arvioitu tulosten järkevyyttä ja soveltuvuutta käytännön tilanteisiin.

Testiajojen peruslähtökohtana on kuvata moottorin kuorman hetkellistä kevenemistä. Tämä tarkoittaa potkurikäytössä käytännössä sitä, että laivan potkuri nousee ilmaan tai potkuri haukkaa ilmaa pinnalta aallokon seurauksena. Tästä seuraa kiihdyttävä voima moottorilta, joka aiheuttaa potkurin nopean kiihtymisen. Testilaitteiston ideana on kaksi vastakkain asennettua, yhteen akseleilta kytkettyä moottoria, joita ohjataan taajuusmuuttajilla. Näin saadaan toista moottoria säätämällä aikaan kuormanvaihtelua. Tämän ilmiön seurauksia mitattiin ja pyrittiin rajoittamaan toiselta taajuusmuuttajalta käsin. Lähtökohtana on säädöstä saada aikaan mahdollisimman hyvä nopeudennousun rajoitus äkillisissä muutostilanteissa.

The purpose of this graduate project is to examine control problems occurring with electrical propulsion when the propeller load is changing. A Frequency converter is used to control the propulsion. A testing system, which is used to represent a ship´s electrical propulsion, was built on the Metropolia University of Applied Sciences laboratory premises by Edec Ltd. The aim of this graduate project is to introduce the test system and describe the problems encountered as well as provide solutions. This study is based on information obtained from hardware and software manufacturers, instruction manuals, professional literature and from test drives.

First, the essential theory regarding the testing system and a ship’s power grid is introduced. The testing system consists of motors and frequency converters. The theory regarding frequency converters is widely discussed including theory about device control and programming. The theory about a ship’s power grid is more universal and is discussed in short. It concentrates mainly on the facts important for this project. Also, the basic behaviour and most common problems of ships’ electrical propellers are described. The tests and test drive arrangements along with the results are also presented. The results have been summarized including the assessment of the results’ soundness and usability in real situations.

The starting point with the test drives is to replicate the momentary change in the motor load. Basically this means that the ship’s propeller is taking air from the surface or is fully in the air because of rough seas. Due to the decreased drag of the propeller, the propeller starts to rotate faster. The basic idea of the testing system is two motors, which are connected from their shafts. Both motors are controlled with a frequency converter. By adjusting the other motor, the change of the load is replicated to the other motor. This is how the tests were made and results were gathered. The central idea was to achieve good control over the rotating speed of the propeller and to restrict the increase in the rotating speed.