Relatie tussen stoom turbine RPM, voltage en counter torque

Beste forumleden,

Even voor de duidelijkheid, ik ben een werktuigbouwkundige, dus aub geen jargon.

Ik ben bezig om een turbine te maken die een generator aan gaat drijven en zit met een probleem dat ik niet goed uit kan rekenen waar mijn toerental van mijn turbine naar toe zal gaan. Even uitleggen: Met het traagheidsmoment, kan je bepalen wat het maximale toerental zal worden, zonder tegen koppel te geven aan de turbine. De turbine gaat dan naar zijn maximale toerental, waarbij het overgedragen koppel 0 is en dus geen vermogen meer levert. Als ik er een generator achter zet (wat de bedoeling is) zal deze een tegenkoppel geven en dus de turbine 'tegenhouden', wat goed is, want dan krijg je koppel x hoeksnelheid = vermogen. Om de goeie lagers te kiezen, wil ik weten waar mijn toerental naar toe gaat als de generator er achter hangt. Qua generator zit ik aan een 1 fase generator te denken, een Sincro EK03KVA. Naar mijn weten zit er op deze generator een spanningsregelaar.

Wat zou helpen is als ik weet wat de relatie (formule) is tussen toerental van de generator en het tegen koppel, of tussen stroomsterkte (I=V/R) en tegen koppel. Als iets onduidelijk is, let me know.

volgens mij draait de generator gewoon 3000 rpm, zie spec-blad. en dus draait de turbine ook 3000 rpm, tenzij er een kast tussen zit.

daarna moet je de generator wel belasten, dus onder verwaarlozing van wrijving en andere verliezen is het mogelijk om bij 3000 rpm exact 0 kW op te wekken.

mogelijk dat je je aandacht op een constant toerenegeling moet leggen

bij dit alles ga ik er even vanuit dat je gewoon 50 Hz wil leveren.

maartenbakker

Golden Member

De generator is bestemd om 3000rpm te draaien. Dat is niet optioneel maar verplicht. Misschien gaat hij bij 3600rpm (gangbaar voor 60Hz netten) nog niet stuk, maar dat staat al niet meer in de specificatie.

Je zult de hoeveelheid stoom naar je turbine dus zo moeten regelen dat de generator ongeacht de belasting op 3000rpm blijft. Eventueel met een reductiekast ertussen.

Edit: anne2 was me al voor. Dat dus.

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."
fripster

Golden Member

hoi,

EDIT: Onderstaande is voor gelijkstroom!

De totale spanning over een generator is een optelsom van twee dingen:

- De spanning over de wikkelingen als gevolg van de stroom door de wikkelingen als gevolg van het koppel wat wordt geleverd

- De spanning over de wikkelingen als gevolg van het toerental door de opgewekte tegen-EMK.

Beide hebben constanten die generator specifiek zijn:

- Koppelconstante. Kt: Het koppel is de stroom maal de koppelconstante.

- Tegen-EMK constante Kv: De het tegen EMK 'voltage' is het toerental maal de tegen-EMK constante

Dus:

Umotor = I * Kt + N * Kv

Waar N het toerental is. (let even op de eenheden!)

Hope this helps.

Eens een wirehead,altijd een wirehead.... gopher://fripster.ydns.eu

Je bent met het kiezen van de lagers niet alleen afhankelijk van het toerental maar ook van de temperatuur aan de uitlaat zijde.
Bovendien moet je je houden aan het toerental van de generator 1500 of 3000 rpm zodat deze 50 hz afgeeft.
Ik neem aan dat het een diesel turbine betreft, of het kan een windturbine of gasturbine zijn?

[Bericht gewijzigd door Hunebedbouwer op vrijdag 29 juni 2018 15:59:43 (17%)

De spanning is te snijden, welke mes moet ik daarvoor gebruiken?

Je bent toch in staat om het vermogen aan de as te berekenen? Dat is , afgezien van een paar procent aan verliezen, gelijk aan het elektrisch vermogen dat de generator afgeeft.
Als het generatorvermogen nul is heb je kans dat de boel op hol slaat, dus je hebt ook een toerenregeling nodig om dat te voorkomen.

@fripster: een motor/generator heeft geen aparte koppel- en tegen-EMK constanten, dit is één constante; een hogere spanning bij een gegeven toerental, geeft je ook meer koppel bij een gegeven stroom.

Die spanningsregelaar zal naar alle waarschijnlijkheid de veldstroom van de generator regelen om de uitgangsspanning op de juiste waarde te houden. Dit betekend dus dat die spanning constant is (mits het toerental hoog genoeg is), en het koppel vervolgens wordt bepaald door het afgenomen elektrische vermogen. In principe moet je het toerental rond de 3000rpm houden om op 50Hz te blijven, maar dat is eigenlijk alleen vereist voor asynchrone motoren en 50Hz transformators. Veel moderne apparaten hebben schakelende voedingen (computers, laptops, alle moderne (lichtere) adapters, etc.), en sommige apparaten zoals stofzuigers hebben universeel motoren; deze zijn allemaal niet kritisch op de frequentie. Andere apparaten, zoals koelkasten, vriezers, wasmachines, etc. hebben vaak nog asynchrone motoren, en daarvoor is het dus wel belangrijk dat de frequentie ongeveer klopt.

Als dat toerental een probleem is, kun je ook een generator gebruiken waar je DC uit krijgt (bijvoorbeeld een asynchrone motor met een goede frequentiedrive, of simpelweg een gestuurde generator met een gelijkrichter), en van daaruit met een inverter naar een nette 50Hz sinus gaan. Dit is waarschijnlijk een behoorlijk kostbare oplossing, en technisch niet echt eenvoudig als het niet je vak is, maar dan ben je wel vrij in het toerental, en dat mag zelfs behoorlijk variëren zonder dat de gebruikers daar iets van merken.

Je zult hoe dan ook de turbine moeten regelen zodat deze niet faalt als de mechanische belasting wegvalt; je kunt immers niet garanderen dat je dat vermogen kunt afvoeren.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Sine

Moderator

Op 29 juni 2018 13:43:07 schreef maartenbakker:
De generator is bestemd om 3000rpm te draaien. Dat is niet optioneel maar verplicht.

Of het is 1500 voor grote laag toeren turbines (bv kerncentrales)

fripster

Golden Member

@Sparky: Weer wat geleerd....

Eens een wirehead,altijd een wirehead.... gopher://fripster.ydns.eu
maartenbakker

Golden Member

Op 29 juni 2018 15:41:18 schreef Sine:
[...]

Of het is 1500 voor grote laag toeren turbines (bv kerncentrales)

Een mobiele APU met een 20V149 motortje zal ook wel op 1500 of 1800 toeren lopen inderdaad. Ik bedoelde hier specifiek het gelinkte 3kVA generatortje. Bij wat kleinere verbrandingsmotoren zoals vaak voor de aandriving ervan gebruikt zullen worden, is 3000rpm qua vermogen en rendement meestal ook beter dan 1500.

Op 29 juni 2018 15:18:42 schreef SparkyGSX:
apparaten zoals stofzuigers hebben universeel motoren; deze zijn allemaal niet kritisch op de frequentie.

Niet zo kritisch, maar zou een universeelmotor bij enkele honderden hertzen niet al last van toenemende blikverliezen hebben?

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."

Dan zit je al een factor 4 of 5 boven het nominale toerental. Lijkt me een beetje veel voor een generator.

Op 29 juni 2018 13:40:00 schreef anne2:
volgens mij draait de generator gewoon 3000 rpm, zie spec-blad. en dus draait de turbine ook 3000 rpm, tenzij er een kast tussen zit.

daarna moet je de generator wel belasten, dus onder verwaarlozing van wrijving en andere verliezen is het mogelijk om bij 3000 rpm exact 0 kW op te wekken.

mogelijk dat je je aandacht op een constant toerenegeling moet leggen

bij dit alles ga ik er even vanuit dat je gewoon 50 Hz wil leveren.

Daar hebben de stoomjongens toch een regulateur voor?

[Bericht gewijzigd door ohm pi op vrijdag 29 juni 2018 23:40:48 (75%)

Shiptronic

Overleden

inverter erachter, dan maakt het toerental niet uit, of ten minste kan je dan op het hoogste rendement gaan zitten.

Wie de vraag stelt, zal met het antwoord moeten leren leven.

Een paar honderd Hertz is natuurlijk wel een beetje ruig, maar dan heeft die generator het zelf ook al zwaar.

@fripster: een tegen-EMK constante van 10 rad/sec/V geeft je een koppel contante van 1/10=0.1Nm/A. Immers, als we uitgaan van een verliesloze motor moet het mechanische vermogen (toerental in rad/sec keer koppel in Nm) gelijk zijn aan het elektrische vermogen. Een echte motor heeft natuurlijk wel verliezen, maar de mechanische verliezen (wrijving in lagers e.d.) zorgen er simpelweg voor dat niet al het opgewekte koppel door de as naar buiten komt, en de weerstand van het koper betekend dat je een spanning moet aanleggen die groter is dan de tegen-EMK om de stroom erdoor te krijgen.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

1500rpm is idd normaal voor grote opwekkers, heb zelf de stoomturbine in de amer centrale zien draaien, dat voel je al als je de vloer oploopt, dendert goed door. als zo'n ding vast zou lopen ramt ie zo uit de lagerschalen en rolt t pand uit. iets van dat gewicht op 3000 rpm betekent alleen maar meer slijtage, trilling en verliezen, terwijl een poolpaar extra 1x extra kosten zijn.

waar rook was, werkt nu iets niet meer

Op 30 juni 2018 01:51:28 schreef SparkyGSX:
Een echte motor heeft natuurlijk wel verliezen, maar de mechanische verliezen (wrijving in lagers e.d.) zorgen er simpelweg voor dat niet al het opgewekte koppel door de as naar buiten komt, en de weerstand van het koper betekend dat je een spanning moet aanleggen die groter is dan de tegen-EMK om de stroom erdoor te krijgen.

Precies! Als je de mechanische wrijving als belasting beschouwt en de koperverliezen als een Ri van je bron of zo, dan hou je een behoorlijk ideale motor(/generator) over.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 30 juni 2018 07:40:02 schreef testman:
1500rpm is idd normaal voor grote opwekkers,

Ik heb alle machines in de centrales in Zeeland gekend en die draai(d)en allemaal 3000 rpm.

Even terug naar het probleem van de TS. Een synchrone of asynchrone motor met twee inverters, een DC tussenkring, en een pakket spoelen en condensators achter de tweede inverter lijkt me veel te complex en kostbaar voor het gegeven probleem. De generator die de TS zelf aandraagt, lijkt me prima geschikt, en elke soortgelijke generator gaat een redelijk constant toerental vereisen.

Nu heb ik aangenomen dat deze generator niet aan een bestaand lichtnet gekoppeld gaat worden, klopt dat? Als dat namelijk wel zo is, veranderd alles, want het lichtnet legt je keihard een frequentie en daarmee een toerental op. Ik zou dat ook niet de voorgestelde generator gebruiken, maar een asynchrone motor, die gaat eerst (als motor) iets onder de 1500 of 3000rpm draaien (afhankelijk van het aantal poolparen), en zodra je koppel gaat leveren, gaat hij net voorbij dat toerental, en vermogen terug het lichtnet in leveren.

Echter, als dit een stand-alone generatorset moet worden, gaat dat allemaal niet op; gebruik dan de generator die je zelf voorstelt (of soortgelijk), en dan zul je dus zelf het toerental van de turbine moeten regelen. Dit zou je met zo'n mechanische governor kunnen doen, maar het kan ook elektronisch.

Je kunt het met een microcontroller doen, met een modelbouwservo of zo op een soort gasklep, maar misschien kan het ook wel analoog, dus zonder software.

@TS: het onderstaande verhaal kun je wellicht nog niet helemaal volgen; ik heb dit bedoeld als voorstel waar de andere forumleden op kunnen schieten, als dit een goed idee lijkt, kunnen we je helpen om het concreet uit te werken.

Een modelbouwservo wordt gewoonlijk aangestuurd met een signaal van 1-2ms; dat wil zeggen, als je hem een pulsje geeft van 1ms lang draait hij helemaal naar links, met een pulsje van 1.5ms staat hij in het midden, en met 2ms gaat hij helemaal naar rechts (met een totale slag van ongeveer 270 graden). Stel nou dat je de uitgaande wisselspanning van de generator omvormt tot een blokgolf voor de regeling, die heeft, als het toerental klopt, een frequentie van 50Hz, dus die blokgolf is 10ms hoog en 10ms laag. Stel nou dat je zelf een pulsje maakt van 8.5ms, die tegelijk begint met de eerder gemaakte blokgolf. Vervolgens maak je met een paar logische poortjes een signaal dat actief wordt als die 8.5ms puls is afgelopen, totdat het signaal van de generator (ideaal 10ms) ook laag is. Deze lengte is dus het verschil in lengte van de andere 2 pulsjes. Als de generator te langzaam draait, is die puls langer dan 10ms, waardoor de puls naar de servo ook langer wordt, en deze verder naar rechts draait, en daarmee de gasklep verder open zet om meer stoom te geven. Draait de generator te snel, dan zal de puls daarvan korter worden, waardoor de servo de gasklep een stukje dicht trekt.

Nu gaat zo'n servo niet bewegen als de puls langer is dan 2ms of korter dan 1ms, dus er zal nog iets bij moeten om de pulslengte te beperken tot die waarden, en voor het opstarten vanuit stilstand heb je ook nog iets nodig. Daarbij zie ik niet echt een mogelijkheid om de gain van zo'n regelaar te veranderen, behalve het aanpassen van de overbrenging naar de gasklep.

Het is ook mogelijk om de uitgaande frequentie om te vormen naar een spanning (door er een kort pulsje van te maken en die te filteren tot een gelijkspanning bijvoorbeeld), vanaf daar met een opamp (elektronische versterker) een simpele regelkring te maken, en een motortje aan te sturen dat de gasklep bedient. Je kunt die gasklep van met een lichte veer dicht drukken, waarbij het motortje tegen die veer in drukt om hem open te maken; bij het uitvallen van het systeem gaat dan de klep dicht en blijft alles heel.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Lambiek

Special Member

Op 30 juni 2018 10:42:40 schreef SparkyGSX:
@TS: het onderstaande verhaal kun je wellicht nog niet helemaal volgen; ik heb dit bedoeld als voorstel waar de andere forumleden op kunnen schieten, als dit een goed idee lijkt, kunnen we je helpen om het concreet uit te werken.

Een modelbouwservo wordt gewoonlijk aangestuurd met een signaal van 1-2ms; dat wil zeggen, als je hem een pulsje geeft van 1ms lang draait hij helemaal naar links, met een pulsje van 1.5ms staat hij in het midden, en met 2ms gaat hij helemaal naar rechts (met een totale slag van ongeveer 270 graden)..........

Een vervolg op het verhaal van SparkyGSX.
https://www.circuitsonline.net/artikelen/view/48

Als je haar maar goed zit, GROETEN LAMBIEK.

Op 30 juni 2018 10:56:10 schreef Lambiek:
[...]

Een vervolg op het verhaal van SparkyGSX.
https://www.circuitsonline.net/artikelen/view/48

Sorry als de quotes niet kloppen, maar ben redelijk nieuw hiero en bedankt voor je reactie.

Anyway, ik ben van plan om de regeling van de frequentie voor het off-grid net met een UPS. Dan maakt de ingangsfrequentie (binnen een range) niet meer uit. En sla ik energie op, voor als de toevoer energie te laag is, dus de stoomproductie te laag (het is een rookgasgenerator uit eindelijk). Het gaat mij voornamelijk om de mechanisch elektronische relatie tussen tegenkoppel en toerental. Dan kan ik namelijk uitrekenen wat mijn eindtoerental is, bij inschakelen van verschillende stoomtoevoer nozzles (toerental x koppel = vermogen; koppel = koppel_turbine,geleverd - tegenkoppel_generator) zo iets zoek ik, en dan dus afhankelijk van het toerental, want ik neem aan dat het geleverde vermogen (bij off-grid situaties) in de generator, mede afhankelijk is van het toerental. Bovendien wil ik zowel mijn turbine als mijn generator niet kapot laten draaien vanwege te hoge toeren, dus moet ik van te voren bepalen waar die naar toe gaat.

Nogmaals bedankt voor je antwoord. en nogmaals, die 50 Hz los ik anders op, maar wil mijn generator en turbine niet slopen. Hoop dat het duidelijk is en alvast bedankt!!

Lambiek

Special Member

Op 2 juli 2018 10:02:27 schreef FransvD:
(het is een rookgasgenerator uit eindelijk).

En wat moeten we ons hier bij voorstellen, om wat voor rookgas gaat het hier? Dat kan van alles zijn. Volgens je topic titel gaat het om stoom, maar is dat ook zo? En om wat voor vermogen gaat het hier?

...., maar wil mijn generator en turbine niet slopen. Hoop dat het duidelijk is en alvast bedankt!!

Ik denk dat je een paar dingen moet gaan meten. Je moet het toerental van je turbine gaan meten "om je turbine te beschermen tegen over toeren" en je moet het geleverde vermogen gaan meten. Als je die data hebt kun je, je turbine bij gaan regelen naar het gewenste toerental.

Als je haar maar goed zit, GROETEN LAMBIEK.

Op 2 juli 2018 10:24:42 schreef Lambiek:
[...]
En wat moeten we ons hier bij voorstellen, om wat voor rookgas gaat het hier? Dat kan van alles zijn.

[...]
Ik denk dat je een paar dingen moet gaan meten. Je moet het toerental van je turbine gaan meten "om je turbine te beschermen tegen over toeren" en je moet het geleverde vermogen gaan meten. Als je die data hebt kun je, je turbine bij gaan regelen naar het gewenste toerental.

Het zijn inderdaad verschillende rookgassen (300 C+), maar het gaat hier niet om het rookgasdeel. Ik heb dat er even bij vermeld om aan te geven dat stoomflow regelen niet de beste oplossing is in deze situatie, omdat de bron niet te regelen is (is afhankelijk van de massastroom en temperatuur in de rookgassen, wat weer afhankelijk is van het gevraagde vermogen van de hoofdmotor).

Dat is inderdaad een methode. Ik heb echter al uitgerekend wat de (verwachte) koppelkromme is van mijn turbine afhankelijk van het toerental van de turbine. Meest efficiente is om bovenaan die koppelkromme te zitten, daar zit namelijk ook het hoogste vermogen bij gegeven stoomflow. Mijn overbrenging moet dus zo zijn, dat mijn generator een tegenkoppel geeft, dat de turbine as frequentie (toerental) precies op de top van de turbine's koppelkromme uitkomt. Ik hoop dat het nog duidelijk is en dat het duidelijk is wat mijn probleem is.

Nogmaals, het gaat mij om een wiskundige formule die aangeeft wat de tegenkracht is van de generator (mechanisch) als functie van het toerental (en nog een hoop andere parameters, maar daar vraag ik dus om)

Lambiek

Special Member

Op 2 juli 2018 10:37:57 schreef FransvD:
Het zijn inderdaad verschillende rookgassen (300 C+),....

Dan is dat in ieder geval duidelijk.

Ik heb dat er even bij vermeld om aan te geven dat stoomflow regelen niet de beste oplossing is in deze situatie, omdat de bron niet te regelen is

Maar je kunt de rookgassen naar je turbine wel gaan regelen natuurlijk.

Meest efficiente is om bovenaan die koppelkromme te zitten, daar zit namelijk ook het hoogste vermogen bij gegeven stoomflow.

Dat is toch uit te rekenen, en daar zal je ook je overbrengverhouding van turbine naar je generator mee moeten bepalen.

En als beveiliging zou ik toch je toeren meten en daarop je toevoer van rookgas naar je turbine regelen, maar ik kan er helemaal naast zitten hoor.

Je kunt ook je overschot aan elektrisch vermogen ergens in dumpen om je generator extra te belasten "dus dan zakt je toerental ook" dus als je nog warm water nodig hebt is dat ook nog een methode.

Als je haar maar goed zit, GROETEN LAMBIEK.

bizar verhaal, optimaal uitgelegde turbine moet gekoppeld worden aan een optimaal uitgelegde generator, 3KVA (waar hebben we het over). een niet regelbare bron in stoom en/of rookgassen afhankelijk van de belasting van de hoofdmotor. off-grid met een ups

als wtb'er met electrokennis kan ik hier geen chocola van maken.

wat ik denk, maar dat is gokken:

er staat ergens een aandrijving met een variabele belasting en een nageschakelde afgasketel. TS wil een turbogenerator die electrisch vermogen levert met wat er aan stoom en/of afgassen over is. (dat is er vrijwel altijd)

de makkelijkste klap is een kleine stoomturbine, vertragingskast en generator en deze op 3000 rpm afregelen. aangezien de bron altijd overbemeten is maakt het niet uit wat je dumpt

Lambiek

Special Member

Ja, misschien is het al een overschot uit een total energie installatie.

Als je haar maar goed zit, GROETEN LAMBIEK.
maartenbakker

Golden Member

Op 2 juli 2018 10:37:57 schreef FransvD:
[...]

Nogmaals, het gaat mij om een wiskundige formule die aangeeft wat de tegenkracht is van de generator (mechanisch) als functie van het toerental (en nog een hoop andere parameters, maar daar vraag ik dus om)

Als je de antwoorden gelezen hebt, zou je inmiddels moeten vermoeden dat het niet verstandig is om je op die vraag blind te staren. Het toerental is voor de door jou gekozen generator immers een gegeven en de tegenkracht (mechanisch) is afhankelijk van de belasting (electrisch). Ook als je een generator zou nemen met een groter toerenbereik (gelijkspanning of draaistroom) en daar een converter achter hangt, blijft de tegenkracht hoofdzakelijk afhankelijk van de belasting en varieert veel minder met het toerental.

[Bericht gewijzigd door maartenbakker op maandag 2 juli 2018 12:32:31 (20%)

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."