Steuerung von zwei Francis Turbinen (Wasserkraftwerk)

Hallo,

wie der Titel schon vermuten lässt, möchte ich die hydraulische Steuerung meiner Francis Turbinen (Baujahr um 1960) auf eine elektronische umstellen. Dafür müsste ich den arduino mit der Wasserhöhe im Einlaufbecken, der Drehzahl der jeweiligen Turbiene und dem produzierten Strom füttern. Die Messung der Wasserhöhe und der Drehzahl funktioniert bereits. Was die Messung des produzierten Stroms betrifft, hab ich leider nichts passendes gefunden. Bei den Generatoren handelt es sich um asynchrone Drehstrommaschinen die maximal 61 bzw 110 A bei 400 V und 50 Hz liefern. Die Messung muss die Stromrichtung, also ob die Maschine als Generator oder Motor läuft, und die Stromstärke beinhalten. Dem arduino müsste man das dann als Analogwert mit Offset (0-2,4 V -> negativer Strom, 2,5 V -> Maschine abgeschaltet, 2,6 - 5 V positiver Strom) übergeben?! Hat da evt Jemand eine andere/ bessere Idee und was für Komponenten benötige ich dafür?

Was die mechanische Steuerung angeht, müsste eine Welle mit Exzenter und darüber ein Drehkranz, über den die Leitbleche, die die Durchflussmenge steuern, gedreht werden. Der maximale Drehwinkel liegt bei 40-45°. Ich wollte das mittels Servomotor lösen. Wie dimensioniere ich den nun am bessten? Die zum Drehen der Welle benötigte Kraft schwankt stark. Wenn die Mechanik regelmäßig bewegt wird, reicht ein kleiner Hebel (30-40 cm) um die Welle per Hand zu drehen, wenn nicht braucht man deutlich mehr Kraft bzw Hebel. Die Welle hat einen Durchmesser von etwa 7 cm (geschätzt). Sonst darf der Servo nicht zu schnell drehen und möglichst einen programmierbaren 0 punkt haben, an den der Servo zurückfährt, wenn der arduino kein Signal mehr liefert (aus welchem Grund auch immer).

Als ich nach Servos geschaut habe, war immer von pulse train als Steuersignal die Rede. Ist das PWM oder was anderes?

Ich hoffe, dass mir Jemand mit Ideen, Anregungen und Tipps helfen kann und bedanke mich schonmal für Antworten.

mfg Christian

Hallo,

für die Messung der Ströme wären passende Messumformer wohl das beste Mittel. Der liefert auch gleich die Stromrichtung mit. Für die Strompfade müssten dann passende Stromwandler (100/1A oder 150/1A) verbaut werden. Die Offsetgeschichte müsste man dann nochmal getrennt betrachten. Es gibt aber auch programmierbare Leistungsmessumformer die man dann vermutlich auch auf 0...2,5...5V einstellen kann.

Gruß Peter

Muellerch: ... Ich hoffe, dass mir Jemand mit Ideen, Anregungen und Tipps helfen kann und bedanke mich schonmal für Antworten. ...

Bist Du versichert, wenn Dir die Turbinen um die Ohren fliegen?

Meinjanur ...

Gregor

Bist Du sicher, daß Du einen Ansynchrongenerator hast?? Arbeitest Du im Inselbetrieb oder speist Du die Leistung ins Netz?

Grüße Uwe

Schonmal danke für den Tipp mit dem Messumformer, werd ich mir morgen mal anschauen.

Ja, ich bin mir ziemlich sicher, dass es sich um asynchrone Drehstrommaschinen handelt. Zumindest enspricht das, was ich über die Dinger weiß, dem was ich auf Wikipedia dazu gefunden habe (hält bei jeder Last die Drehzahl - 1000 rpm, verliert die Bremswirkung, wenn vom Netzt getrennt, spannungsloser Läufer). Und ich speise die Leistung ins Netz.

Was ich unteranderem durch den Umbau erreichen möchte, ist eine höhere Betriebssicherheit. Es ist schon mehrfach vorgekommen, dass die Turbine "durchgegangen" ist, weil unter anderem bei Gewitter eine Sicherung geflogen ist, eon uns zu lange vom Netz genommen hat usw. Die hydraulische steuerung regelt die Turbine bei zu hoher Drehzahl nicht (mehr - es weiß leider niemand ob sie das je getan hat) zurück und es ist nicht lustig das per Hand zu machen, wärend das ganze Gebäude vibriert und der Putz von der Decke rieselt.

Vergiß es mit Arduino zu machen. Bei den Schäden die auftreten können laß es von einem professionellen Hersteller machen.

Es ist ziemlich sicher ein Synchrongenerator. Ein Asynchrongenerator hat Schlupf und ist nicht leicht auf der richtigen Drehzahl für die abgegebene Leistung zu halten. bei einem Synchrogenerator muß nur die Drehzahl und Erregung stimmen.

Grüße Uwe

Muellerch: Was ich unteranderem durch den Umbau erreichen möchte, ist eine höhere Betriebssicherheit. Es ist schon mehrfach vorgekommen, dass die Turbine "durchgegangen" ist, weil unter anderem bei Gewitter eine Sicherung geflogen ist, eon uns zu lange vom Netz genommen hat usw. Die hydraulische steuerung regelt die Turbine bei zu hoher Drehzahl nicht (mehr - es weiß leider niemand ob sie das je getan hat) zurück und es ist nicht lustig das per Hand zu machen, wärend das ganze Gebäude vibriert und der Putz von der Decke rieselt.

Was du selber machen kannst, ist eine Störungsüberwachung. Entweder benachrichtig der Arduino dich oder es gibt eine einfache, sichere Eingriffsmöglichkeit in die Hydraulik. Bei der Regelung selbst würde ich nach einer professionellen Lösung suchen. Insbesondere bei den Servos würde ich schauen, was in vergleichbaren Anlagen eingesetzt wird.

Was die Betriebssicherheit anbegeht: Wenn bei Gewitter die Sicherungen fliegen, wer garantiert dir, dass durch die Spannungsstöße nicht auch dein Arduino gekillt wird oder die Versorgung der Regelung ausfällt.

Es ist ziemlich sicher ein Synchrongenerator. Ein Asynchrongenerator hat Schlupf und ist nicht leicht auf der richtigen Drehzahl für die abgegebene Leistung zu halten. bei einem Synchrogenerator muß nur die Drehzahl und Erregung stimmen.

Das ist so nicht ganz Richtig. Man kann auch jeden Asynchron Motor als Generator nutzen (machen wir bei unserem Wickelmaschinen). Du schaltest die Asynchronmotoren ans Netz dann wollen sie mit Nenndrehzahl (je nach Polzahl 2800,1400,720 U/Min)drehen. Versuchst du nun die Motoren über die Nenndrehzahl zu beschleunigen mit Wasserkraft dann speisen sie zurück(arbeiten als Generator). Hier muss aber drauf achten nicht über den Nennstrom im Generatorischen Betrieb zu steuern da die Motoren nur ein bestimmten Moment verkraften im Magnetfeld, Überlastest du die Motoren dann "fallen sie aus dem Feld" und der Strom steigt überpropotional an und die Motoren erwärmen sich über normal. Mann muss hier also auf die Drehzahl der Motoren und auf den Strom achten. Es ist also auch mit Asynchronmotoren zu machen, Das Prinzip hatten wir in meiner "alten" Firma also zu Betreuendes Prestige Objekt, der Wirkungsgrad ist schlechter als bei Synchrongeneratoren aber funktioniert. Noch einfacher ist es mit Frequenzumrichtern mit Rückspeisefähigkeit. Die Fu´s können den Motor fangen und dann mit Variabler Drehzahl den optimalen Rückspiesepunkt bzw Drehzahl fahren da aus dem Gleichstromzwischenkreis Rückgespeist wird.

Gruß DerDani

Hallo DerDani

Ich kenne mich mit Asynchronmotoren aus.

Ein Asynchronmotor kann als Generator verwendet werden, braucht aber kapazitive Blindleistung und ist viel schwieriger zu regeln. Die Angabe 1000U/min läßt auch an einer Asynchronmaschine zweifeln.

Bei einem Gererator sind aber gewisse Parameter zwingend notwendig: Frequenz der erzeugten Netzspannung, Spannung; Ein Asynchrongenerator gegenüber einem Synchrongenerator hat diesbezüglich viel schlechtere Eingriffsmöglichkeiten. Bein Synchrongenerator regelt man die Frequenz mittels Drehzahl und die Spannung mittels Erregung.

Grüße Uwe

Ich würde die Anlage gerne professionell Generalüberholen lassen, aber das geht momentan nicht. Die hydraulische Steuerung hat mal anhand des Wasserstandes geregelt, was aber solange ich die Anlage betreibe nicht funktioniert hat. Momentan stelle ich über die Position der Leitbleche rein mechanisch vor Ort ein und diese Mechanik soll von einem Servo betieben werden und die Turbine so wieder automatisiert regelbar machen, womit die ohnehin defekte hydraulik überflüssig wäre. Ich kann es in meinem Fall nicht schlimmer machen, denn die Handsteuerung, die ich momentan verwende, bliebe erhalten.

Was Stromausfälle und co betrifft, wollte ich den Arduino und die Servos bei Stromausfall über Akkus betreiben. Die Servos brauchen ja nur genug Energie um auf den 0 Punkt zurück zu fahren und können sich dann abschalten. Sollte das, aus welchen Gründen auch immer, nicht funktionieren, wäre ich in der gleichen Situation, in der ich seit 10 Jahren bin.

Ist es für meine Leistungsmessung relevant, ob es sich um a- bzw synchronmaschinen handelt?

Grüße Christian

Ist es für meine Leistungsmessung relevant, ob es sich um a- bzw synchronmaschinen handelt?

Nein ist in beiden Fällen gleiche Problematik. Die Drehzahlregelung des Generators ist anders. Grüße Uwe

Hallo nochmal,

ich bin leider wieder auf ein Problem gestoßen, über das ich mir bisher keine Gedanken gemacht habe. Und zwar muss ich das Siganl von meinem Ultraschallsensor (DYP-ME007Y) über etwa 100m zu meinem Arduino bekommen. Ich habe die Serielle Variante des Sensors, womit die Trigger bzw RX Leitung wegfällt, da ich nicht wüsste wie und vor allem was ich dem Sensor schicken wollen würde. Der Sensor liefert etwa alle 100ms 4 byte mit 9600 Bd. Wie stelle ich das am bessten an? Funk wird wegen einiger recht massiver Mauern eher schwierig und ein Kabel würde neben einem Starkstromkabel verlaufen. Ist es darüber hinaus noch möglich den Sensor über das gleiche Kabel mit Strom zu versorgen oder ist es sinvoller da ein seperates Netzteil zu verwenden?

Schonmal vielen dank für die Hilfe. Grüße Christian

Muellerch: Funk wird wegen einiger recht massiver Mauern eher schwierig und ein Kabel würde neben einem Starkstromkabel verlaufen.

Bei elektromagnetisch verseuchter Umgebung fällt mir paarweise verdrilltes abgeschirmtes Kabel mit Differenzsignalen wie bei RS485 ein. Auch eine Spannungerhöhung des digitalen Signals kann helfen. Die Energieversorgung hängt von der benötigten Leistung ab. Da aber auch diese Leitungen verseucht werden, muß die Spannung entseucht werden, mindestens mit einem Kondensator. Da kann man auch eine höhere Spannung übertragen und mit einem StepDown auf 5 V gehen. Oder man verwendet halt ein Netzteil.

Noch eine abgedrehte Idee: Ein ProMini am Sensor wertet die Daten aus und verschickt sie einschließlich Checksumme, so daß über redundante Daten die ursprünglichen Werte rekonstruiert werden können.