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Arbeit - Siemens Schweiz AG

1. Die folgende Grafik zeigt die einzelnen Jahresproduktionen auf Jahresproduktionen 180000 175000 170000 5 165000 160000 155000 150000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Abbildung 43 Jahresproduktionen Die Tiefs in den Jahren 2003 und 2005 sind auf extreme Wetterverh ltnisse zur ckzuf hren Im Jahr 2003 war im Sommer extreme D rre und 2005 musste wegen Hochwasser der Be trieb der Anlage eine Zeit lang eingestellt werden Die Mittlere Jahres Energieproduktion betr gt 174 337 kWh respektive 174 3 MWh Tobias Burch Silvan Gisler 46 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 7 2 Von der produzierten Energie wird zwar alles ins Netz des EWO eingespeist aber die S ge rei Gebr der Robert und Josef Burch ben tigt selbst auch noch elektrische Energie um ihre Maschinen zu betreiben Fur die Differenz erh lt die S gerei 16 Rp kWh vom EWO Die Zahlen sind in kWh angegeben in rob aor mai sm om p Tow 10 280 7 300 87 600 FE 7720 6260 7420 7560 9220 8300 8680 10 570 13310 10 438 6396 7282 103156 2006 8108 5910 6798 7292 8132 8706 10 112 11 490 8918 E e ES 97 252
2. Guala 19 ADDIIGUNG 20 SICUGIUING 20 Abbildung 21 Verdrahtung Gchaltschrank 20 Abbildung 22 Bestimmung der Bruttobohe 21 Abbildung 23 Volumen des Entsanders nennen onen 22 Abbildung 24 Kennlinie Drucktransmitter 24 ele Helle Le 25 Fl ke 495 ae He u 26 Abbildung 26 Anzeigen am Fluke 435 26 ADIGUNG 27 VE E e E RE 26 Abbildung 28 Messaufbau ohne Ber cksichtigung der Blindleistungskompensation 27 Abbildung 29 Messaufbau mit Ber cksichtigung der Blindleistungskompensation 28 Abbildung 30 Peltonturbine hier mit 2 Dusen 32 Abbildung 31 Vollst ndiges T Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 34 Abbildung 32 T Ersatzschaltbild bei 0 35 Abbildung 33 Vereinfachtes T Ersatzechaltbud 36 Abbildung 34 T Ersatzschaltbild bei s 200 39 Abbildung 35 Typische Verluste in einem Wasserkraftwerk 40 Abbildung 36 Gesamtwirkungsgrad in Abh ngigkeit der Wirkleistung 41 Abbildung 37 Wirkungsgrad der Druckleitung in Abh ngigkeit der Wirkleistung 41 Abbildung 38 Wirkungsgrad von Turbine und Generator in Abh ngigkeit der Wirkleistung 42 Abbildung
3. ma Be 15 0 50 d O O OO X50 7 9 2 4 2 d 14 11 14 1 11 1 Aal G ns Tachogenerator aa 1 ee a Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch SE EE CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA a e sd Steuerung 5 14 9 24 18 0 16 2 16 6 Ee E E CR eT X30 X30 8 9 SEENEN Ke 13 1551 o 1556 Endschalter Endschalter Referenzschalter i D se offen D se zu D se a 7 s N et es 2 2 eg d Zeen ee _ Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch T e 0 6062 Wilen _ GES Endschalter D se E e 16 58 006 1542 14 9 40 06 EE 16 2 SR oan eee Pwr_Gnd Oo rest oo 5 Vcc MAXON EPOS P D GND ws Ea a DigIn 6 Digln 5 4 Digln DigIn 2 DigIn 1 V DigOut 4 DigOut 3 DigOut 2 DigOut 1 A_GND 2 1 10vt 11gu pk 1 2rt bu 13ws gn 14bn gn 15 16gb bn m EPR Referenzieren Positionieren Error Referenzieren Referenziert Error Positionieren Positioniert A_GND
4. eins 21 6 1 1 S elei 21 6 1 2 Durchflussmessung Druckletung 22 6 1 2 1 B schiGb ngu ee 22 6 1 2 2 Daten E 22 6 1 3 us 23 62 VON COR DING uuu u 24 Tobias Burch Silvan Gisler 2 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 2 1 Druckmessung vor TURDING u a 24 6 2 1 1 BESCHIEIDUNG 24 6 2 1 2 Blue Eegenen Le EE 25 6 3 Messung der elektrischen Lestungsaboabe nennen nennen 26 6 3 1 ee ee 26 6 3 2 NESSAUIDAl 26 6 3 3 Probleme mit dem Messger t nenn anno ann nnn ann nnn nennen 29 f ee ee 29 6 5 Resultate der ae 30 6 5 1 Messung am Generator ohne Blindleistungs Kompensation 30 6 5 2 Messung am Generator mit Blindleistungs Kompensation 30 6 5 3 Durchfluss Druck und Geschwindigkeit des Wassers 31 6 5 4 Leis
5. Abbildung 2 10 Leistungsfaktor der Anlage Abbildung 2 11 Kraftwerk Stockenmatt Abbildung 2 12 Kraftwerk Stockenmatt Generator und Turbine Abbildung 3 1 Morphologischer Kasten Abbildung 3 2 Gesamtsystem Steuerung und Regelung Abbildung 3 3 Schutzsystem Abbildung 3 4 Inbetriebnahmesystem Abbildung 3 5 Grundprinzip der Pegelstandsregelung Abbildung 4 1 Morphologischer Kasten mit Gesamtkonzepten Abbildung 5 1 bersicht ADDIIGUAG 5 22 SPS OMON au nee u Abbildung 5 3 Touchscreen Abbildung 5 4 Multifunktions Anzeigeinstrument Abbildung 5 5 Maxon EPOS P ADDIIGUNG 5 62 SCAU sen een ADBIIAUNG 9 7 Relais zum sus Abbildung 5 8 Ubenwachungsrelais aa Abbildung 5 9 Drucksensor Abbildung
6. 35 IA 36 3 2 1 y OI 37 3 2 2 Inbetiebnahmesystem E 37 3 2 8 REGEL VS EE 38 3 3 Erkenntnisse und AUSDICK ee en 38 A E un E Te EE 40 Ali sGESAMEKOMZS OC 41 4 1 1 Morphologischer Kasten mit Gesamtkonzepten nennen 41 4 1 2 suu u A 42 4 1 3 OTU WEEN 43 4 1 4 Bewertung Gesamtkonzepte 44 ANS WahlGesamik ngepli uuu uuu A 44 42 Erkenntnisse und Ausblick a 45 5 R alisier hgsSph sS eege l aa ner 47 5 1 bersicht Steuerungs und Regelungssystem aa 48 5 2 Wahl und Beschreibung der Komponenten 49 Tobias Burch Silvan Gisler Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 2 1 5 2 2 5 2 3 5 2 4 5 2 5 5 2 6 5 2 7 5 2 8 5 2 9 5 2 10 5 4 1 5 4 2 5 6 1 5 6 2 5 6 3 5 6 4 5 6 5 9 8 1 9 8 2 5 8 3 5 8 4 5 8 5 5 8 6 5 8 7 5 9 1 Ubersicht des Regelsystems 5 9 2 Regelkreisstruktur 5 9 3 Berechnung der Ist Hohe 5 9 4 Messung des Drucksensor Signals 5 9 5 Messzeitpunkte 5 9 6 Totzone f r d
7. oo gt co co oN ow 9 0 80 96 PUN SHWT 82 Tobias Burch Silvan Gisler Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 865 912 999 1 1258 1359 1079 1079 2906 1453 1453 L 1153 1153 3248 1624 1624 1289 1289 576 645 1 76 1470 1412 A601d in m N N LO gt ro e Lei Sa N Ww Wi gt Oe W i Sie 8 gt Le N N 865 912 999 H601d 576 645 763 1779 HE E 12 812 812 890 890 961 2656 1027 1027 ol og 1704 1352 1352 1412 1470 37 1090 1090 84 mS ES H901d Ei RAS PU d gt Shaka 5 SER RSS TI E E D E E EL ELE B E sie ala N cle cle CH 901 ele el ei e EE EE EG EN olan i 3 5 ERR 51898269599 JLE A601d NEM vi E s S SE ste 8 2 D Hold 5
8. 89 SPUNGA O 90 ellen ee EE 93 IVIOIOFENNAllerUNg au a a A 94 Komponenten Zur D senverstellung 95 a A 97 F uinkiojisleeslu y u y uu supa a 99 Maschinenraum nach dem Umbau 101 Tobias Burch Silvan Gisler 7 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Tabellen Tabelle 4 1 Kosten bersicht Konzept rot 2 42 Tabelle 4 2 Kosten bersicht Konzept gr n 43 Tabelle 4 3 Bewertung Gesamtkonzepte 44 Tabelle 5 1 DC Motor d ae a ee 51 Tabelle 5 2 Planetengetriebe GP 26 B uuu u u u u u un usu aoe NATA TTA 51 Tabelle 3 3 GEE DCA DG a1 sun Ra Sa bba detected 51 Tabelle 5 4 Material und Kostenzusammenstellung 56 Tabelle 7 1 Speicherung Tageswerte 115 Tabelle 7 2 Speicherung 116 Tobias Burch Silvan Gisler 8 HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Kapitel 1 Projekteinstieg Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Bac
9. BACK HEAT PRIHT Fe i BACK ngezeigte Messwerte Handrechnung unabh ngig S U 1 3 0 1 3 4230VA d Handrechnung mit angezeigten Werten S U I 43 U 1 3 226V 6 3A 3 4270VA U3 V Tobias Burch Silvan Gisler 6 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur Messung mit Schema 30 IT Sternschaltung ohne Neutralleiter SETUP FLUKE 435 002 04 IEC 000 4 30 Class Compliant January 03 2008 Date Time 10 55 54 Config Hz 398 U FHS0160 Freq Unom Limits Clamp Heutral 10 HEAT 49 96 Hz 01703708 10 57 23 BACK ngezeigte Messwerte 0 66 A Range U Ratio 10 an 1 1 3980 tz 38 IT HEAT 11 L3 Arms B P Ratio Lie Urms 390 33 01703703 10 56 07 BACK 3905y E Ui fung 225 7 Hz 49 97 Hi funa Ho uo 41 41 D ag 161 DH Ae 282 PRIHT 1703708 10 57 39 BACK 0160 Handrechnung unabh ngig S U I N3 U 1 3 4230VA Handrechnung mit angezeigten Werten S U 1 3 391V 64A V3 4330VA 6 3 6 5 23 L31 391 88 392 03 3980 tz 38 IT HEAT FH50150 3980 tz 38 IT 1 Tobias Burch Silvan Gisler e Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Auswertung Die Wirkleistung un
10. Referenz ierungsfahrt durchf hren Set Reset Fehler Reseten Freigabe SPS Meldung Strahlablenker anheben Min Drehzahl erreicht Meldung Fehler Generatorsch tz angezogen nei Generatorsch tz ja Zeitverz gerung starten erz gerungszei abgelaufen ja Meldung Fehler ondensatorsch nei angezogen Kondensatorschutz ja Abbildung 5 21 Programmstruktur Inbetriebnahme Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Technik amp Architektur Zum Programmteil Berechnung gt 73 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 8 3 Berechnung Vom Programmteil Berechnung Variable InPosition gesetzt Impulsgeber 0 1sek starten Druck messen Counter Counter 1 User Zeitspanne Counter einstellen SA eingestellte Zeit Touchscreen Counter 0 Druck berechnen mitteln Druckverlust berechnen Ist H he berechnen Durchfluss berechnen Variable setzen Regeln erlauben Zum Programmteil Steuerung Abbildung 5 22 Programmstruktur Berechnungen Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Technik amp Architektur 74 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 8 4 Steuerung Referen
11. H rao an Daum _ Burch Maschinentechnik Kleinwasserkraftwerk ee nie 1 SS REES 6062 Wilen besen EE an Klemmenplan X00 7 6 16 3 20 2 Maschinenhaus Maschinenhaus BivonAnz 2128 von Anz 21 28 11111044 2468 REA 2 _ J Ta 149 1 74 1 32 13 RPS 2 _ 14 B2 44 182 1111101 ee 5 C _ J 532 4 05 6 jf C C _ 183 3 7 4 43 A y C r r r yii _ J j j C OC 111124 82 113202 EEE hb Burch atu CS aers Burch Maschinentechnik Gamer _ Kleinwasserkraftwerk Gebr Burch EE E CH 202 Wilen s Zustand nderung Datum name nom Klemmenplan 0 Bivon Anz 2228 _ J 43 J4Gw 43 B 46 111143 as 4 pot J fea st 4 82 _ fet 4 6 84 _ 4 7 186868 16 _ CRE e r _ J J43 14030 74 1 482 73 T Burch Maschinentechnik SE SE SS c y Sagenstrasse a Wilen es TY ER en s Zustand nderung ee ee ep rm Ee 11114 5 4 1 S _ J91 2
12. zg d mash Hydraulische Verluste Turbinenverluste Generatorverluste Transformatoren in der Zuleitung verluste Abbildung 35 Typische Verluste in einem Wasserkraftwerk Bei voll geoffneter D se hat die Anlage folgende Leistungen Hydraulische Bruttoleistung Phya 33 577 W Hydraulische Nettoleistung Leistung vor der Turbine Phya n 30 210 W Mechanische Leistung Pech 22 500 W Elektrische Leistung 21 200 W Daraus folgen nachstehende Verluste Hydraulische Verluste Pv nya 37367 W Turbinenverluste Py 710 W Generatorverluste Py 1 300 W Gesamtverluste Py 12 377 W Tobias Burch Silvan Gisler 40 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 9 Wirkungsgrade 6 9 1 Gesamtwirkungsgrad Die Anlage hat ihren maximalen Wirkungsgrad bei etwa 15 kW Wirkleistung am Generator Er betragt in diesem Punkt ungefahr 69 Bei 21 2 KW Betragt der Wirkungsgrad noch 63 Gesamtwirkungsgrad der Anlage 1 00 0 90 0 80 0 70 B ee 0 50 S 0 40 2 0 30 0 20 0 10 0 00 O 5000 10000 15000 20000 25000 Wirkleistung W Abbildung 36 Gesamtwirkungsgrad in Abh ngigkeit der Wirkleistung 6 9 2 Wirkungsgrad der Druckleitung Der Wirkungsgrad der Druckleitung nimmt mit steigender Wirkleistung immer mehr ab Bei geringerem Durchfluss bewegt er sich immer mehr gegen 100 zu da die Reibungsverluste i
13. Druck bar a 2 s D 40 50 60 70 80 90 100 D sen ffnung c 2 Abbildung 5 33 Berechnung des Druckverlustes Der Druckverlust berechnet sich somit folgendermassen Ap x Po H Der Druck p0 wurde mit 12 899 bar gemessen Alles eingesetzt ergibt somit die Ist H he in Abh ngigkeit der D sen ffnung x und des gemessenen Drucks p p 12 899 1 842 10 x 6 084 10 x 5 604 10 x 4 965 10 x 12 902 OS h x p Tobias Burch Silvan Gisler 84 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 9 4 Messung des Drucksensor Signals Der folgende Gafik zeigt einen beliebigen Verlauf einer Druckkurve d ai al o Zeitraum fur n chste Regelaktivitat und Aktualisierung auf dem Bildschirm Hier Alle 105 Abbildung 5 34 Abtastung des Drucksensorsignals Die Aktualisierung auf dem Touchscreen erfolgt jeweils nach der eingestellten Zeit Hier 10 5 Der Wert des Drucksensors wird wahrend der ganzen Zeit alle 10 ms gemessen Danach wird aus allen Werten der lineare Mittelwert gebildet und auf dem Touchscreen angezeigt Mit der Mittelung von vielen Messwerten werden die kleinen Druckschwankungen geglattet Die Werte auf dem Display beschreiben fur den Betrachte
14. N x 00 N x N N x Ne N x LO N 3 x N x m N 3 x N N x N x oO N x x 00 x N x O x LO x H x m x N gt 7 11712 41222 KEREN D gt 5 2 O Sicherheitsvorschriften Steuerungssystem Regelungssystem Schutzfunktionen Datenerfassung Produktanforderungen erstellen Meilenstein Dokumentation bereit zur Korrektur Meilenstein Steuerung und Regelung eingebaut Dokumentation berarbeiten Softwareerstellung Steuerung und Regelung Meilenstein Initialiserungsphase beendet Testkonzept erstellen Funktionstests Steuerung und Regelung Anlagendokumente erstellen Montage vor Ort 7 Pr sentationen Abgabetermin Dokumentation Realisierungsphase Dokumentation Initialisierungsphase Dokumentation Testphase Meilenstein Konzeptphase beendet Bewertung der Gesamtkonzepte Meilenstein Gesamtkonzept gew hlt Evaluation Funktionskomponenten Materialliste erstellen Vormontage Steuerung und Regelung Meilenstein bergabe der Anlage Dokumentation Konzeptphase Dokumentation Systementwurf Wahl Gesamtkonzept Meilenstein Materialbestellung 1 Initialisierungsphase Recherche und Analyse Aufteilung Teilsysteme Funktionsstruktur Morphologisch
15. RAT Aen chreiber Le air SR 721 80 LB II 259 und IV 249 SR 923 0 XV 261 LB XV 266 LB XIII 347 M amp W N E D Tobias Burch Silvan Gisler 7 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Die Gebriider Josef und Robert Burch Wilen erkldren hiermit die Annahme der Konzession Wilen _ 7 Sep 1984 Die Konzession re GEBRUDER BURCH SAGERE U HOLZHANDLUNG HET Ne A eg Vorliegende Konzession wurde f nf Exemplaren ausgefertigt und wie folgt verteilt 1 Exemplar Konzession re 2 Exemplare Baudepartement Obwalden 1 Exemplar Staatskasse 1 Exemplar Staatskanzlei Tobias Burch Silvan Gisler 74 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 3 Messbericht Fluke 435 Messort Hochschule Luzern Technik amp Architektur Raum Elektrolabor C332 Messgerate Universal Power Analyzer PM3000 Inv Nr 11 102 Fluke 435 Power Quality Analyzer Inv Nr 31 202 Stromzangen PR 430 Inv Nr 11 541 11 543 11 544 El Versorgungsnetz 400V 50HZ 3LNPE Beschreibung Versuchsaufbau Eine Drehstrom Asynchronmaschine wird als Motor betrieben Die mechanische Last ist konstant Mit zwei Leistungsmessgeraten werden Wirkleistung Scheinleistung Blindleistung und der Leistungsfaktor erfasst Zudem werden alle 3 Phasenstrome und Phasenspannun
16. berlauf Maschinenhaus Druckleitung Abfluss Abbildung 5 27 Ubersicht Regelsystem Die Soll H he ist gerade die H hendifferenz von der D se bis unterhalb des Uberlaufs und wird direkt dem Regler als digitaler Wert vorgegeben Die Ist Hohe wird mittels des Drucksensorsignals in der SPS berechnet und mit der Soll H he verglichen Besteht zwischen den beiden Gr ssen ein Unterschied so verstellt der Regler dementsprechend die Position der Nadel und somit die ffnung der D se Man k nnte auch sagen dass der Regler daf r sorgt dass zwischen der zufliessenden und der abfliessenden Wassermenge keine Differenz entsteht Tobias Burch Silvan Gisler 79 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 9 2 Regelkreisstruktur Ein Standard Regelkreis hat die folgende Struktur Messein richtung eem w s ee lt s ee m m Regeleinrichtung Abbildung 5 28 Struktur eines Standard Regelkreises Dabei sind W vorgegebener Soll Wert X Ist Wert xa Regeldifferenz Yr Stellsignal Stellgrosse 2 Storgrosse In Fall des untersuchten Wasserkraftwerks bedeutet dies folgendes w Vorgegebene Soll Hohe des Pegelstandes Digitaler Wert Ist Hohe des Pegelstandes Differenz zwischen Soll und Ist H he ya Berechneter Dre
17. 5 2 4 Antriebssystem fur D senverstellung Damit die mechanischen Anderungen an der Anlage gering gehalten werden wird soviel wie moglich belassen Somit erfolgt die Verstellung der Nadel noch immer uber dieselbe Trapezspindel wie dies beim Handradbetrieb moglich war Die Aufgabe ans Antriebssystem besteht nun darin dass die Spindel kontrolliert in Drehbewegung verseizt wird Als Grundlage fur die Auslegung des Antriebssystems muss vorerst das benotigende Drehmoment bestimmt werden Dazu wird am Handrad der Dusenverstellung ein Stab in Radialrichtung zur Welle befestigt Mit einer am Stab befestigten Federwaage wird die Welle in Drehbewegung versetzt Die gemessene Kraft wird uber den Angriffsounkt am Stab in ein Drehmoment umgerechnet Das notwendige Drehmoment betr gt 0 7 Nm Mit einer zus tzlichen Reserve wird das ben tigte Drehmoment auf 1 Nm festgelegt Die maximal zu fahrende Drehzahl betr gt 15 U min An das Antriebssystem werden keine hochdynamischen Anspr che gestellt Mit diesen Eckdaten kann die Antriebseinheit nun ausgelegt werden Tabelle 5 1 DC Motor RE25 DC Motor RE 25 Edelmetallb rsten CLL 10 W Bestellnummer 118 746 1 Nennspannung 24 Leerlaufdrehzahl 5 190 Nenndrehzahl 47150 U min Tabelle 5 3 Getriebeabgang Getriebeabgang Leerlaufdrehzahl max Nenndrehzahl Nennmoment theoretisch Strombegrenzung 202 0 Drehmoment mit Strombegrenzung Tobias Burch Silvan Gisler 51 Diplom
18. 9M1 Elektromagnet Strahlablenker QQ L 9H6 X Blitzleuchte Wassermangel Maschinenhaus aussen Maschinenhaus aussen Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk ce ln CH 6062 Wilen Kraftwerk ANERDA C Elektromagnet Meldeleuchte SK230 Kunde Gebr Burch SKN PE E ee 10 0 wKw wien WKW_Wilen Ort 9 Nr Bl von Anz 9 28 7 9 X004 aus 20 0 11 1051 Gxt 12 Ooa ES EC Not Aus Netzspannung 19 1 1 BO JL 002 JL Om Druckschalter Druckl Netzfrequenz OK 11 0 EEA ___ BR EEN ui 20 6 20 1 2 Jee 4 12 14 1052 i Druckschalter Druckleitung H Ki SSES E u Be Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch T ej eee CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA ge o Steuerung 1 11 21 berdrehzahl C Unterdrehzahl 14 4 12 22 24 19A1 A2 201 _ Minimaldrehzahl erreicht Ss Uberdrehzahl Freigabe SPS 11 5 A 11K7 I Strahlablenker Elektromagnet Generator 16 8 Y DC ONDO oh 114 6 11 14 6 Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch SSE
19. Vorbedingungen Funktionstest Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Anlage lauft in Volllastbetrieb Anlage ausschalten Strahlablenker fallt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Duse fahrt zur Ausschaltposition Touchscreen Kraftwerk nicht in Betrieb Maschinenwelle steht still 6 2 4 Dusenverstellung zu Vorbedingungen Funktionstest Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Anlage lauft in Volllastbetrieb Regelung aus Dusenoffnung von 0 eingeben Strahlablenker fallt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Ruckleistung Maschinenwelle steht still 6 2 5 Dusenverstellung 50 Vorbedingungen Funktionstest Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Anlage l uft in Volllastbetrieb Regelung aus D sen ffnung von 50 eingeben D se schliesst auf 50 ffnung Anlage l uft mit D sen ffnung 50 6 2 6 D senverstellung auf Vorbedingungen Funktionstest Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Tobias Burch Silvan Gisler Anlage l uft im Teillastbetrieb Regelung aus D sen ffnung von 100 eingeben D se ffnet auf 100 ffnung Anlage l uft mit D sen ffnung 100 Volllastbetrieb 109 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 2 7 Regelung 1 Vorbedingungen Anlage l uft im Volllastbetrieb Regelung ein Funktionstest Plattenschieber be
20. essesjsuabes USHAY MONA yamg 1959 puny MAM EBU11 L19S011 3 43 014 YIUYQOSJUBUIYOSe WY yang Cep br r ie a pp sel d we 074 MSN aueuwmuf zy 15 Se ar Swe Ly Ly MSN 6 B i 9 F LS 1 zy Weg SCH LY __ eee j j 66 A sz L T J MSN zuanbal4 LWP MSN GE Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung i 8 F 0 Bunuana s See ECH Ge 3 GNIVd NY USIIM 909 HO SSSEISUSBES ee mm sel young qe epuny MYM Bweyoso 49 3 REI WULIBJUSUIYISe YING woz oo umeog es d ac T je 8 99 2 1 L EL GA 1 395 L I ei Soe EZI el er GA st j ad N 5 3d 2 OO iy T LLX Y Yox ws s r G zem 5 s ws mm TEPE ie MSN MSN gt Jojelsuss 7 6 LV Bunysenuagn gg x GEI IR 54 LAr 56 pz 85 Fl L Er Lag Eyt 45 EL MSN ASN H i 9 G F gt 0 67 4
21. kann abgelesen werden welches Datum und welche Uhrzeit in der SPS eingestellt sind 5 Durch dr cken auf eines der Eingabefelder Tag Stunde Monat usw ffnet sich eine Bild schirmtastatur Mit dieser kann der ent er FF Je FR Fr ie sprechende Wert eingegeben werden den man m chte Durch dr cken auf Enter wird der Je Wert bernommen Monat FF Minute FF 6 Wenn alle Werte eingegeben wurden k nnen Ate EE Sie mit Speichern in die SPS geschrieben werden Speichern Schliessen a Es m ssen immer alle Werte angepasst werden da beim dr cken auf Speichern gleich alle Werte in die SPS geschrieben werden gt Das Datum und die Uhrzeit wird dadurch nur auf der SPS ge ndert Das Datum und die Uhrzeit auf dem Bildschirm ndern sich dadurch nicht Tobias Burch Silvan Gisler Seite 20 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 12 Pflege und Wartung 12 1 Mechanik gt Es ist immer darauf zu achten dass die Lager der Welle genugend geschmiert sind Dazu sind an den Lager Schmiernippel vorgesehen Die Gewindestange welche vom Stellmotor angetrieben wird muss ebenfalls von Zeit zu Zeit wieder ge lt werden Ansonsten kann es sein dass der Stellmotor zuwenig Kraft aufbringen kann um die D se zu verstellen Einmal pro Jahr ist der gesamte Entsander zu entleeren und den abgelagerten Schmutz zu entfernen Zudem ist regelm ssig die gesamte Installation zu berpr fen und
22. 50 u v 4G3 30 kW 61 Asynchron Generator ee ee _ Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch x T esj SE EE CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA Se usp 000001 Generator L Ds Ba a 4 7 4 7 CL2 4 7 1 5 1 16 2 4 6 1 13 5 8K3 8 3 2 6 X1 5 6 7 8 5C1 7 5 kvar 3Ph Kondensator 08 07 2008 puc Datum 09 06 2008 e Oo rest oo 504 2 kvar 3Ph Kondensator Burch Maschinentechnik Projekt eee CH 6062 Wilen Kraftwerk Kleinwasserkraftwerk ANr BDA Blindleistungs Kompensation Kunde Gebr Burch PE EE 6 0 Anlage WKW_Wilen Ort was Blatt Nr 5 Nr sonar as von Anz 5 28 ome gt 4 9 4 9 age L3 13 9 g 6F1 6A SK230 7 0 RN 7 0 004 615 7 0 X006 X008 16 2 N PE 20 0 6K1 aie 5 X0 d 1 2 Ja Is Je 7 Is berwachung Hz berwachung 1Ph50Hz E 6S4 Spannung Frequenz S 3 A2 24VDC geg oO OVDE 11 0 EHER E nen E EE ne 10 A 10 u IN 6M5 L fter L Teks Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch x L T E Ei Re CH 6062 Wilen Kraftwerk ANF BDA Uberwachung
23. 86 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Zubehor Aufpreis f r Strahlablenkereinbau ohne Stellmotor PT 06 1 09 1 EUR 2 170 Aufpreis f r elektrischen Stellmotor zur Strahlablenkerregulierung PT 06 1 09 1 EUR 2140 Aufpreis f r elektrischen Stellmotor zur D senregulerung angesteuert durch Wasser stands oder Drehzahlregler pro D se PT 06 1 09 1 EUR 1630 Aufpreis f r Lastwiderstande per kW Generatorleistung PT 06 1 09 1 EUR 92 Aufpreis f r Absperrschieber DN 80 DN 100 inkl Handrad PT 06 1 09 1 EUR 250 EUR 310 Aufpreis f r Einlauttrichter mit Sieb PT 06 1 09 1 Freis auf Anfrage Bei Bestellungen unter 5 St ck wird ein Mindermengenzuschlag von 750 verrechnet Preise Ab Werk unverpackt unverzollt unversteuert stand 30 11 2005 Technische und preisliche nderungen vorbehalten GLOBAL HYDRO ENERGY GMBH 4085 NIEDERRANNA 41 AUSTRIA Tel 43 0 7285 514 Fax 43 0 7285 514 20 E Mail info hydro energy com Internet www hydro energy com Tobias Burch Silvan Gisler 87 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 10 Referenzanlage Blue Water Power AG Blue Water Power Energie aus Trink und Abwasser Blue Water Power AG E e Erlenweg 13 Postfach 32 PT Bauertgemeinde Darstetten CH 5503 Schafisheim Tel 41 0 62 891 09 20 Fax 41 0 62 891 09
24. Auftragsnummer Leiterfarbe Kraftwerk Gebr Burch Kleinwasserkraftwerk BDA Leistung Steuerung Stromwandler schwarz 230 400 violett 24 VDC rot 5A hellblau N weiss 0 VDC gelb gr n PE gelb gr n PE gelb gr n PE 3 0 L2 3 0 a 3 0 3 0 PE PEN SER ay Ve p gt 3 0 Energiezahler Hauptschalter Leistungsanzeige gelb rot XX IPE 5 Ausserhalb Schaltschrank Einspeisung EWO hh Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch eee CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA Cr usp Cd Einspeisung EWO 2 9 4 0 2 9 Le e 4 0 2 9 L3 N 4 0 2 9 N 6 0 PE Tai S nn 40 Einspeisung Schaltschrank Schutzleiteranschlussplatte Druckleitung Druckabnahme HAK Wohnhaus Energiez hler 1P4 EE Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch Bearb Burch SSES eee CH 6062 Kraftwerk ANr BDA Einspeisung Schaltschrank 3 9 L2 L2 3 9 e soa Ze 60 1 13 8 1 2 4 6 CL1 Ro ES CLS 5 0 315 1S he SN d 4 6 O TI3 7 6 x Ins 17 6 UU gt 72 m WV 72 UW a PE Boa sn au ua et On ee jp gt
25. Massnahmen e Installationsanleitung integriert in der Betriebsanleitung e Elektrische Ausr stung der Maschine nach dem Stand der Technik Aderendh lsen Tobias Burch Silvan Gisler Seite 13 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 4 Die elektrischen Betriebsmittel sind so konzipiert und beschaffen dass bei bestimmungsm ssiger Verwendung und ordnungsm ssiger Unterhaltung der Schutz vor den in den Nummern 2 und 3 aufgef hrten Gefahren gew hrleistet ist Massnahmen e Umfangreiche Gef hrdungsanalyse Risikobeurteilung und Schutzmassnahmen nach Stand der Technik e Definition der bestimmungsgemassen Verwendung in der Betriebsanleitung Tobias Burch Silvan Gisler Seite 14 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 4 2 2 Schutz vor Gefahren die von elektrischen Betriebsmitteln ausgehen konnen 5 Menschen und Nutztiere angemessen vor den Gefahren einer Verletzung oder anderen Sch den gesch tzt sind die durch direkte oder indirekte Ber hrung verursacht werden k nnen Massnahmen Schutzmassnahmen gegen elektrischen Schlag 6 Keine Temperaturen Lichtbogen oder Strahlungen entstehen aus denen sich Gefahren ergeben k nnen Massnahmen Sicherheitskonzept mit Stand der Technik e Elektrische Ausr stung ausgef hrt nach EN 60204 1 7 Menschen Nutztiere und Sachen angemessen vor nicht elektrischen Gefahren gesch tzt werden die erfahrungsgem ss von elektrischen Betriebsmitteln ausgehen Massnahm
26. 0 wird Der Generator arbeitet somit im Leerlauf Dadurch wird R Be oc 8 Tobias Burch Silvan Gisler 34 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Das Ersatzschaltbild sieht dann folgendermassen aus l Loi Un Uy Abbilduna 32 T Ersatzschaltbild bei s 0 In diesem Betriebspunkt wird eine Leistung P 410 W ein Strom 1 14 4 A und eine Span nung U 391 V gemessen Die Wirkleistung P kann nur in den Widerstanden und Rre entstehen Die Leistung in betr gt somit P R If 3 0 330 14 4 3 205 3W Es wird mit 3 multipliziert weil das Ganze 3 phasig ist Die gesamte restliche Wirkleistung muss Ree entstehen Popp 410W 205 3W 204 7W Die Leistung ber dem Eisenwiderstand ist nur sehr gering vom Betriebspunkt der Maschine abh ngig Sie bleibt also mehr oder weniger konstant Zur Vereinfachung kann der Widerstand Rre in Zukunft weggelassen werden da er keinen besonders grossen Einfluss auf den Rest der Schaltung hat Die Induktivit t L4 berechnet sich folgendermassen UFER a 391V 0 33Q 14 4 A ee Ou o I o I 2 7 f 14 4A Die Hauptinduktivit t wird als viel gr sser angenommen als die Streuinduktivit ten Der be rechnete Wert f r L stimmt ziemlich genau mit Werten berein welche f r Labormaschinen im Modul Elektrische Antriebstechnik ermittelt werden konnten
27. 2 E a E _ 4 4 4 3k TF toa 7 _ ee pee JI Aaa fes 8 kB B L _ 7 9 o _ _ J es 4 58 8400 LI 64 _ J 165 4 5 65 51 62 _ J es 65 es 22 _ mn 9 1 8 6 4 3 9 4 10 3 6 4 6 3 5 2 _ e Burch Maschinentechnik Kleinwasserkraftwerk Cebi Burch aschinenhaus EE 1 Sagenstrasse CH 6062 Wilen_ 6062 Wilen _ or nina Angern Daum wane L som sam Klemmenplan X10 _ J to aoszi2 noz EELER _ J 1022 054 __ Oc fekis 706 _ J 7 4 xoa 97 _ eai 2503 5 aatas LS 11114 25 4 gt 6 23 _ gt EN 22 7 9 42 11 x _ C j j j _ Oto 0 1 hb Burch atu CS aers Burch Maschinentechnik Gamer _ Kleinwasserkraftwerk Gebr Burch E CH a Wilen Sege oF __ sch Zustand nderung Daum Name Nom aa Klemmenplan X20 a _ J si 1155114 52 2 _ PE gt 13 111144 4503 154 14 111114 5 4 asa 5 6 X50 4 16A3 2 _ J n54 O PE 54 _ 1456 nse JI nse 484 A56 16A3 5gu 18 1 _ AT 4 14 4 16 3 16 3 18 1 Anlage WKW_Wilen Or Maschinemnaus
28. A901d gt wo D N 5 9014 N o 2 N SE S S FU d N ei 9 9 8 8 wo O B of N x 2014 vote I N N el 0 ol 9 wo 5 2 0 8 ol N A601d A 5 8 8 8 Si e e NEO N 9 sl Of O el 00 Ez e N 21818 N oO N oo Sch 2 8 gig SE A901d ch iD o wi O 2 2 0 218 5 CR NI Cl Ww o E O B d Si SE FOLA N ol o Zold w w oO s 8 288 Ww E M RE lt oke m m w Ts 9 2 epa lt Q a Ss 5 819 P m 6014 o Alda 9014 5 1 gt rd NA o 4 d A vi 88955088348 185778 42 4 1453 1624 9 2 4228 8482 958 21969 1421 186 13119 Reeg W D se 1017 1421 1311 02 6830 2415 11371 11371 2212 22812 722
29. Aber auch er ist der Auffassung dass dies realisierbar ist da vor allem bei lteren elektri schen Maschinen bei der Konstruktion nicht gespart worden ist Unterlagen betreffend Asyn chronmaschinen best tigen dies Tobias Burch Silvan Gisler 54 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 11 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 3 1 3 2 3 3 5 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 9 Wirtschaftlichkeit Investitionskosten Revision Revision Wasserfassung Revision Druckleitung Erneuerung Peltonrad Revision Generator Erneuerung Steuerung Neuinstallation Pegelstand Regelung Total Investitionskosten Revision Elektrische Energieproduktion nach Revision pro Jahr J hrliche el Energieproduktion vor Revision pro Jahr Steigerung durch neue Steuerung Regelung Ausfallstunden pro Jahr total 314 Stunden H lfte der Ausfallstunden unter Volllastbetrieb 21 2 kW Steigerung Gesamtproduktion durch neues Peltonrad von 5 El Energieproduktions Steigerung ber 1 Jahr J hrliche el Energieproduktion nach Revision pro Jahr R cklieferungs Einnahmen pro Jahr Jahreseinnahmen vor Revision 16 Rp kWh Jahreseinnahmen nach Revision 16 Rp kWh Mehreinnahmen pro Jahr Amortisation Revision Investitionskosten Revision von j hrlichen Mehreinnahmen gedeckt nach Betriebs und Unterhaltskosten Versicherung Kraftwerksanlage Unt
30. Anln 1 15 6 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 0 KS 18 0 aQ Encoder f r Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk eee ee 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA Sr Kunde Gebr Burch Blatt Nr 460000 Nr BI von Anz 16 28 Referenzieren Positionieren Error Referenzieren Referenziert Error Positionieren Positioniert 18A5 A2 T sms Daum Pe le al j 0 1 Stellsignal EPOS 2011 1 24 06 2008 2 Referenzieren WE E A2 19A1 a fed In Position Burch Maschinentechnik Sagenstrasse CH 6062 Wilen 3 4 19A6 Positionieren 5 0 11 Projekt Kraftwerk 5 B2 Error Positionieren Kleinwasserkraftwerk ANr BDA Ansteuerung EPOS Tom ZZ Referenzpunkt OK 19A1 Kunde Gebr Burch 6 Ton a Error Referenzieren wKw wien WKW_Wilen Ort Maschinenhaus 8 Blatt Nr 17 Anz 17 28 von Anz 17 28 9 15 9 24 PC 12254 DC 000 18A1 SYSMAC CJ1M 18 5 I Analoge Ein und Ausg nge MAD42 2011 Stellsignal EPOS 2015 Drucksensor ADDRESS PE 16 9 ee a 19 0 O E Se Z a u E E ge m
31. Auswerten Analysep Meilenstein Dokumentation bereit zur Korrektur 5 Kompetenznachweis Meilenstein Dokumentation 6 Arbeitsort HSLU Technik amp Architektur Vor Ort Kraftwerk Wilen Hochschule Luzern Technik amp Architektur Meilenstein Legende Gesamtvorgang 93
32. Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 8 7 Signalisierung Vom Programmteil Datenaufzeichnung Not Aus bet tigt 7 nein Druckschalter nein Fehler elzspannung nein Fehler Netzirequenz gt nein Fehler Uberdrehzahl nein Fehler Maotorschutz schalter Fehler beim Pasitionieren nein Fehler beim Referenzieren 7 nein Fehler nterdrehzahl nein nein Ausgang f r Blitzleuchte ausschalten Zum Programmieil sicherheitskreis Hochschule Luzern Jeweilige Variable setzen f r Anzeige auf Bildschirm AAAAAA AA ehlerunter gt dr ckung aktiviert 7 nein ja Fehler Quittiert 7 nein Ausgang f r Blitzleuchte einschalten Abbildung 5 26 Programmstruktur Signalisierung Tobias Burch Silvan Gisler Technik amp Architektur 78 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 9 Regelung In diesem Kapitel wird die Art und Struktur der Regelung bestimmt und die Regelstrecke untersucht 5 9 1 bersicht des Regelsystems Auf dem folgenden Bild sind alle f r die Regelung wichtigen Komponenten zu sehen Zufluss Entsander Soll H he FT
33. GUGLER HYDRO ENERGY GMBH 4085 NIEDERRANNA 41 AUSTRIA Tel 43 0 7285 514 Fax 43 0 7285 514 20 info hydro energy com www hydro energy com Tobias Burch Silvan Gisler 85 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 9 Preisliste Global Hydro Energy GHE HY DROENERGY a PREISLISTE Kleinwasserkraftwerke GHE PT 06 H 1 und PT 09 H 1 Kompakte VVasserturbinenaggregate zum mobilen oder station ren Einsatz mit Pelton Turbine und Generator Turbine Pelton Laufrad eine requlierbare D se mit Handrad Laufrad Druck manometer Geh useteille und D senkr mmer aus 5 5 ge meinsamer Grundrahmen f r Turbine und Generator abgestimmte Riemen bersetzung Strahlablenkereinbau auf Wunsch mit Gewinde f r den Einbau von Lastwiderst nden und Druckmanometer Generator Wahlweise ein oder dreiphasig ausgew hlt nach Leistungserfordernis wahlweise 50 Hz oder 60 Hz 115 230 oder 230 400 V gem den lokalen Erfordernissen Preise in EURO f r anschlussfertige Komplette Turbine mit Generator bis PT 06 H 1 PT 09 H 1 3 kW 10 280 10 820 5 kW 10 600 11 150 8 kW 10 820 11 360 10 kW 11 360 11 900 15 kW 11 900 12 660 20 kW 12 980 13 740 30 kW 14 610 15 360 Aufpreis f r Laufrad aus Chrom Nickelstahl anstatt aus Aluminiumlegierung PT 06 1 FUR T60 PT 09 1 FUR 930 Tobias Burch Silvan Gisler
34. L1 12 13 Abbildung 26 Anzeigen am Fluke 435 6 3 2 Messaufbau Links ist ein Bild vom Messaufbau im Maschinen raum zu sehen Die Messungen wurden bei den verschiedenen Ausgangs Wirkleistungen zweimal durchgefuhrt Dabei sind jeweils die Stromzangen so in den Stromkreis geschalten worden dass die Wirkung der Blindleistungskompensations Kondensatoren nicht berucksichtigt resp beruck sichtigt worden sind Die folgenden Messschemas gew hren einen guten berblick wie das Leistungsmessger t je weils in den Stromkreis geschalten wurde Abbildung 27 Messaufbau Tobias Burch Silvan Gisler 26 Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung Joyesuspuoy ude 10 MA 06 Z Jeny gid DC 622 90 9 2 Lei LAGS S ef 1 AL IL II Bi zueuuo1s 9 27 ele N __ EI E Abbildung 28 Messaufbau ohne Berucksichtigung der Blindleistungskompensation LOT Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung l 1 JoJeIOU9H 1ojesu puoy ucE Z Jeny gi 622 Zoe e ser JANTA Bi zueuuions 9 T CL Abbildung 29 Messaufbau mit Berucksichtigung der Blindleistungskompensation 28
35. Spannungen von ber 30 VDC zerst rt werden Beim Ausschalten des Relais wird die in die Relaisspule induzierte Spannung ber der Diode kurzgeschlossen Somit liegt beim Ausschaltvorgang am Digitalausgang der SPS nie eine hohe R ckspannung an Tobias Burch Silvan Gisler 53 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 2 9 Uberwachungsrelais N Fr SAN KE Abbildung 5 8 Uberwachungsrelais Besonders grosse Beachtung muss bei der Auswahl der Uberwachungsrelais gelegt werden Diese ubernehmen eine sehr wichtige Aufgabe am gesamten Steuerungskonzept Spricht eines der Uberwachungsrelais an so muss die Kraftwerkanlage sofort ausschalten Hierbei ist zu beachten dass die Relais in spannungslosem Zustand einen Fehler signalisieren Ansonsten wird bei Ausfall eines Uberwachungsrelais kein Fehler detektiert und die Anlage lauft in fehlernaftem Zustand weiter Grosse Beachtung muss nicht nur bei der Wahl der Relais geschenkt werden sondern auch beim zeichnen des Schemas Wenn die Uberwachungsrelais nicht korrekt verdrahtet werden so k nnen diese ihrer Funktion nicht getreu werden Des Weiteren muss darauf geachtet werden wie gross die Ansprechschwellen der Relais sind Die Ansprechschwellen bei Abweichung vom eingestellten Sollwert durfen nicht grosser sein als der maximal zul ssige Betriebspunkt der
36. Tobias Burch Silvan Gisler Gere iniat qui ttieren schliessen Seite 25 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 14 Technische Daten Lange der Druckleitung H hendifferenz Bruttoh he Statischer Druck bei voll ge ffneter D se Typ des Generators Nennleistung des Generators Nenndrehzahl des Generators Polpaarzahl Nenndrehzahl im Generatorbetrieb Typ der Turbine Strahlkreisdurchmesser Becherbreite Strahldurchmesser Brutto Nennleistung der Anlage Hydraulische Nennleistung Mechanische Nennleistung Nennleistung Generator Blindleistung ohne Kompensation Scheinleistung ohne Kompensation Blindleistung mit Kompensation Scheinleistung mit Kompensation Kompensationsleistung kapazitiv Nennspannung Nennstrom Absicherung Leistungsfaktor ohne Kompensation Leistungsfaktor mit Kompensation Wirkungsgrad der Druckleitung Wirkungsgrad der Turbine Wirkungsgrad des Generators Gesamtwirkungsgrad der Anlage Durchschnittliche Energieproduktion Verg tung durch EWO Tobias Burch Silvan Gisler 986 m 131m 11 52 bar Kurzschlussl ufer Asynchron Motor 30 kW 960 U min 3 ca 1 020 U min Pelton 430 mm 85 mm ca 26 8 mm 33600 W 30200 W 22 500 W 21200 W 247100 var 32 100 VA 14 100 var 25 500 VA 10000 var 3 400 VAC 3LNPE 63 A 0 66 0 83 90 0 74 5 93 9 63 1 174000 kWh Jahr 0 16 Fr kWh 26 Projekt Kunde Projekt Titel
37. Tobias Burch Silvan Gisler Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 3 3 Probleme mit dem Messgerat Wahrend den Messungen ist uns aufgefallen dass ein Teil der angezeigten Messwerte nicht stimmen kann Die Scheinleistung stimmte nicht mit den Werten berein welche aus dem angezeigten Strom und der Spannung berechnet werden konnten Nach diversen Abklarungen unter anderem auch mit Fluke Schweiz konnte schliesslich herausgefunden werden dass die unkorrekten Anzeigen auf falsche Einstellungen am Messgerat zuruckzufuhren sind Der detaillierte Messbericht ist im Anhang Messbericht Leistungsmessung mit Fluke 435 beigelegt Damit zukunftig nicht die gleichen Probleme mit diesem Messgerat auftauchen wurde eine kurze selbstverfasste Bedienungsanleitung dem Messger t beigelegt Diese ist auch im Anhang Kurzanleitung zu FLUKE 435 Power Quality Analyzer beigef gt 6 4 Drehzahl Zur Messung der Drehzahl wird von der Schule das Drehzahlmessger t Testo 470 ausge liehen Dieses Messger t erlaubt eine optische Drehzahlmessung Ein Reflexionsklebstreifen wird auf das Schwungrad geklebt So kann bei jeder Leistung die Drehzahl gemessen wer den Dazu muss mit dem optischen Sensor des Messger tes auf den Klebstreifen gezielt werden Tobias Burch Silvan Gisler 29 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 5 Resulta
38. Tobias Burch Silvan Gisler 8 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 4 Ausgangslage 41 Standort Das zu untersuchende Kleinwasserkraftwerk liegt im Kanton Obwalden bei der 5 Gebruder Robert und Josef Burch in 6062 Wilen roter Kreis Abbildung 1 Standort der Anlage Abbildung 2 Einzugsgebiet Das Kraftwerk bezieht seine Energie aus dem Gerisbach welcher in den Sarnersee fliesst Der Gerisbach ist ein Wildbach der nach starken Regenfallen regelmassig Geroll mit sich schleppt Das Einzugsgebiet des Bachs ist auf der Karte schwierig abzuschatzen da ober halb von Oberwilen im Bereich der Schwander Allmend viele Sumpfe vorhanden sind Grundsatzlich kann gesagt werden dass der Bach bisher immer eine ausreichende Was sermenge lieferte Einschrankungen im Betrieb entstanden fast nie durch eine zu geringe Wassermenge im Bach sondern nur durch leichte Verstopfungen an der Wasserfassung welche auf Laub oder Vereisung in kalten Jahreszeiten zuruckzufuhren sind Eine Einschrankung der nutzbaren Wassermenge ist der Konzession nicht zu entnehmen Tobias Burch Silvan Gisler 9 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 4 2 Aus der Geschichte Die Firma Burch erhielt im Jahre 1915 eine Konzession zur Nutzung des Wassers vom Ge risbach Urspr nglich diente die Anlage zum direkten Antrieb der S gerei und Schreinerei
39. anzufahrenden Stelle von 0 bis 27 Umdrehungen gt entsprechen 0 Umdrehungen bzw voll geschlossene D se gt DV entsprechen 27 Umdrehungen bzw voll ge ffnete D se Ob der Motor fahren soll oder nicht wird ber ein digitales Signal bekannt gegeben dem Positioning Signal Ist es auf TRUE Logisch 1 darf der Motor an die vom analogen Signal vorgegebene Stelle drehen Wird das Signal auf FALSE gesetzt muss der Motor sofort stehen bleiben auch wenn er noch nicht an seiner Zielposition angekommen ist Wenn der Motor seine Zielposition erreicht hat wird dies ber ein digitales Signal angezeigt PositioningDone Ist das Signal TRUE hat der Motor ohne Fehler seine Zielposition erreicht und das Positioning Signal kann von der SPS wieder auf FALSE gesetzt werden Erreicht der Motor aus irgendeinem Grund seine Zielposition nicht wird dies mit dem PositioningError Signal angezeigt Wenn der Motor nicht referenziert ist kann ber das Homing Signal eine Referenzierung gestartet werden Es wird dann eine so genannte Homing Prozedur durchgf hrt Wenn der Motor referenziert ist wird dies ber das Signal HomingDone der SPS bekannt gegeben 5 4 2 Signalschnittstellen Damit die Komponenten untereinander auf die jeweiligen Signalzust nde reagieren m ssen zum Teil Anpassschaltungen realisiert werden So wurde dies bei den Digitalausg ngen des Motortreibers EPOS P notwendig An der SPS muss f r die Erkennung eine
40. gen aufgenommen Das Ziel dieser Messungen ist es angezeigten Werte der beiden Messger te zu verglei chen und zu verifizieren Messung mit PM3000 Parallel zu den beiden Messungen mit Fluke 435 wurde mit dem fest installierten Leistungs messger t PM3000 eine Vergleichsmessung durchgef hrt Bei beiden Messungen wurden mit dem PM3000 folgende Werte gemessen Angezeigte Messwerte andrechnung unabh ngig S U 1 43 U 1 3 4230VA Messung mit Fluke 435 Es wurden zwei verschiedene Messungen durchgef hrt wobei jeweils ein anderes Mess schema unter SETUP Config gew hlt wurde An der Verdrahtung wurde nichts ver ndert Tobias Burch Silvan Gisler 75 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Messung mit Schema 30 WYE Sternschaltung mit Neutralleiter FLUKE 435 102 04 amp Energy FULL d 0 07 02 1 08 1 1 1 1 44 1 4 3 0 95 0 8 0 73 0 7 0 IEC 61000 4 30 Class 4 Compliant kl January 03 2008 11 1 zu GHD KVAR D H PF D 12 Cosi D L3 Rrms 8 8 4 0 73 74 3 6 5 LI Le L3 Urms 226 75 00757 227390 01703708 11 05 43 2300 50 WYE 50160 BACK HEAT H A 9 B 02590 f BCA Ui fung 225 8 Hz 49 98 Ai funa Ho um 41 4 D ag DH Ae 01703708 11 06 09 0300 SOHZ3B WUYE EHS0160 01 13 08 11 06 14 SOHZ WUYE
41. uft in Volllastbetrieb Phase 11 f llt aus an Spannungs berwachungsrelais L1 unterbrechen Strahlablenker f llt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Netzspannung Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben Anlage l uft in Volllastbetrieb Phase L2 f llt aus an Spannungs berwachungsrelais L2 unterbrechen Strahlablenker f llt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Netzspannung Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben Anlage l uft in Volllastbetrieb Phase L3 f llt aus an Spannungsuberwachungsrelais L3 unterbrechen Strahlablenker f llt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Netzspannung Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben 105 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 1 6 Netzfrequenz Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen 6 1 7 berdrehzahl Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen 6 1 8 Motorschutzschalter Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Tobias Burch Silvan Gisler Anlage lauft in Volllastbetrieb Speisespannung Frequenzrelais unterbrechen Strahlablenker fallt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Netzfrequenz Anlage nich
42. 11 J O lb A u uya a a 13 kA NCI OS SO ig tiara tactics tress 14 2 Ia d EEN En e CN 16 2 1 Erwartungen 16 22 Pflichtenheft nach 17 2 2 1 Steuerung und 5 17 2 2 2 Pegelstandregelung E 17 2 2 3 BEIENEE Le ne WEE 18 2 01 Recherche UNG ANANS G 19 2 3 1 Sicherheitsvorschriften und Schutzfunktionen ern en0 19 2 3 2 LS MISE ln Te 21 228 ATNZONGS UNS EU OTN ee See 22 2 3 4 REGEN mu 24 2 3 5 25 2 93 6 Wasserstand ermitteln u u u u U ea 26 2 3 7 DatenaufzeichNUNG te 27 2 3 8 Energie Ee aig EE 28 2 3 9 Art der Pegelstandregelung 29 2 32 10 ees 30 2 4 Besichtigung Trinkwasserkraftwerk Stockenmatt 31 2 9 _ EIKENNIMISSE UNG AUSBIICK u uy k 32 3 anna ae EE 34 3 1 WOK MOIOGISGMOT K sten uuu uuu
43. 186 382 kWh erh ht Dies entspricht einer Steigerung von 6 9 Tobias Burch Silvan Gisler Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 3 Aufgabenstellung 3 1 Projektbeschrieb Ein bestehendes Kleinwasserkraftwerk welches seit 1985 in Wilen im Kanton Obwalden in Betrieb ist soll bez glich Druckleitung Turbine und Generator auf dessen Wirkungsgrad untersucht werden Aufbauend auf den Ergebnissen baut der zweite Projektteil auf Dieser beinhaltet die Projektierung von Verbesserungsvorschl gen und ein allf lliger Kraftwerkum bau 3 2 Teilaufgabe 1 Nach Analyse der bestehenden Kraftwerksanlage soll der Wirkungsgrad der einzelnen Kom ponenten durch verschiedene Messungen und Berechnungen ermittelt werden Es ist zu untersuchen ob mit dem Einsatz von moderneren technischen Komponenten ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden kann Da die Anlage ziemlich alte Komponenten enth lt wird Verbesserungspotential vermutet 3 3 Teilaufgabe 2 Anhand der erfassten Informationen sollen Verbesserungsvorschlage erarbeitet und die Wirtschaftlichkeit eines allfalligen Kraftwerkumbaus bestimmt werden 3 4 Besonderes Aufbauend auf den gewonnenen Ergebnissen aus dem Industrieprojekt ist es durchaus denkbar dass das Projekt in Form einer Bachelor Diplomarbeit weitergefuhrt wird Diese wurde dann die Detailplanung des allfalligen Kraftwerksumbaus und deren Realisation bein halten
44. 2007 6416 7 396 7566 7720 8466 7658 9362 7928 697728 rm 5 715 6 776 7 023 7 379 7 593 8 047 Fre 86 728 Diese Werte ergeben folgende mittlere Energieabgabe der letzten sieben Jahre auf die ein zelnen Monate aufgeteilt Mittelwert der Energieabgabe 12000 Feb Apr Mei Jun Jul Aug Sep Ot Nov Abbildung 44 Mittlere Energieabgabe der einzelnen Monate 10000 8000 co Die hohe Menge an abgegebener Energie im August ist auf Betriebsferien der Sagerei zu ruckzufuhren Tobias Burch Silvan Gisler 47 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Uber die letzten 6 Jahre hinweg konnte jeweils die folgende Menge an elektrischer Energie an das EWO abgegeben werden Abgaben der letzten Jahre 120000 100000 80000 5 lt 60000 40000 20000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Abbildung 45 Energieabgaben der einzelnen Jahre Die hohe Energieabgabe an das EWO im Jahr 2005 ist ebenfalls auf das Hochwasser im August 2005 zur ck zuf hren Durch das Wasser haben viele Maschinen der Sagerei gros sen Schaden erlitten und konnten dadurch nicht mehr betrieben werden Deshalb sank der Eigenverbrauch an Energie und somit wurde mehr E
45. 21 Bauherr Bauertgemeinde Berg Reichenbach Hasli 3763 Darstetten Inbetriebnahme Juni 2006 Anlagen Typ eindusige Peltontrubine VT 700 1 Strahl Fabrikat Sigrist Steuerung Kobel Elektroapparatebau Wassermenge 1200 I min oder 20 0 I sek bei Qmax Referenzblatt Hohe netto 145 bei Qmax ETA Turbine 84 3 PWelle 24 0 kW PNetz 21 8 kW Laufzeit ganzes Jahr info biue water power ch www blue water power ch Tobias Burch Silvan Gisler 88 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 11 Bauplan Maschinenhaus 6 36 2 00 436 150 GARAGEN 3600 2 000 47470 M M KLEINKRAFTWERK 12 00 2 Tobias Burch Silvan Gisler 89 Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung FH 6597 0 HL WNLWELIHDUV w NIN AND HIATIT LUNH SS V2 OMI DLINHN O 77 SONHNHUNNDHIMZ VSN NEU ZIO CAINS HOANI AT Sa nn mene me iin inne cams name 90 Tobias Burch Silvan Gisler Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 12 Bilder Laufrad Peltonturbine D e e 9 2 de ng Foto von 1984 Foto vom 31 08 2007 Tobias Burch Silvan Gisler 91 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Arch
46. 39 Druck in Abh ngigkeit des UDurchilusses 43 Tobias Burch Silvan Gisler 5 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur Abbildung 40 Durchfluss in Abh ngigkeit der Wrklestung 44 Abbildung 41 Blockschema Energezahier 45 Abbildung 42 Energie Mittelwerte der einzelnen 46 AbDBIIAung 43 Jan tespredukli on6rtu ae 46 Abbildung 44 Mittlere Energieabgabe der einzelnen Monate 47 Abbildung 45 Energieabgaben der einzelnen Jahre 48 Abbildung 46 Ausfallstunden der einzelnen 49 Abbildung 47 Wirkungsgrade verschiedener Turbinenarten 51 Abbildung 48 Wirkungsgrad verschiedener Asynchronmotor Klassen 52 Abbildung 49 Wirkungsgrad einer 45 kW ASM in Abh ngigkeit der Auslastung 52 Abbildung 50 Wahl des 53 Tobias Burch Silvan Gisler 6 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 2 Abstract Als Teil des 5 Semesters besuchen die Studierenden der Hochschule Luzern Technik und Architektur das Modul Industrieprojekt Zwecks dieses Moduls werden von der Hochschule verschiedene Projekte zur Verfugung gestellt Da auch eigene Proj
47. 4 ISBN 3 905232 54 5 Kleinwasserkraftwerke Wahl Dimensionierung und Abnahme einer Kleinturbine ISBN 3 905232 57 X Kleinwasserkraftwerke Generatoren und elektrische Installationen ISBN 3 905232 70 7 Wasserkraftanlagen Planung Bau und Betrieb ISBN 3 540 60993 8 Kleinwasserkraftwerke Turbinenregelung und Schutzmassnahmen ISBN 3 905232 70 7 Internet www bfe admin ch www blue water power ch www hydro energy com www kleinwasserkraft ch Skripte Fach EAT EAT 2 Drehfeldantriebe von Dr Adrian Omlin Fach EEV Wasserkraftwerke von Hanspeter Wyss Zeitschritt Das Kleinkraftwerk Ausgabe Nr 8 9 86 Herausgeber Interesseverband Schweizerischer Kleinkraftwerk Besitzer ISKB Tobias Burch Silvan Gisler 60 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 15 Anhang Anhang 1 Elektroschema Kraftwerkssteuerung 62 Annand 2 KONZESSION u uyum aysa er 69 Anhang 3 Messberncht Fluke E 15 Anhang 4 Kurzanleitung ZU FLUKE 435 19 Anhang 5 Anfrage bei Global Hydro Energy 80 Anhang 6 Anfrage bei Global Hydro Energy 81 Anhang 7 Produktliste Global Hydro 82 Anhang 8 Kleinwasserkraftwerk Global Hydro 84 Anhang 9 P
48. 5 10 Schnittstellen der SPS Abbildung 5 11 Signalschnittstelle Maxon Abbildung 5 12 Programmstruktur EPOS Abbildung 5 13 Funktionsblock M U_GetAllDigitallnputs Abbildung 5 14 Funktionsblock Abbildung 5 15 Funktionsblock MU_GetAnalogiInput Abbildung 5 16 Funktionsblock M _MoveAbsolute Abbildung 5 17 Funktionsblock MU_SetAllDigitalOutputs Abbildung 5 18 Verdrahtung der Maxon EPOS P Abbildung 5 19 Ein und Ausg nge der Maxon EPOS Abbildung 5 20 Programmstruktur Sicherheitskreis Abbildung 5 21 Programmstruktur Inbetriebnahme Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Technik amp Architektur Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Abbildung 5 22 Abbildung 5 23 Abbildung 5 24 Abbildung 5 25 Abbildung 5 26 Abbildung 5 27 Abbildung 5 28 Abbildung 5 29 Abbildung 5 30 Abbildung 5 31 Abbildung 5 32 Abbildung 5 33 Abbildung 5 34 Abbildung 5 35 Abbildung 5 36 Abbi
49. Anlage es erlaubt Tobias Burch Silvan Gisler 54 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 2 10 Drucksensor Abbildung 5 9 Drucksensor Der Drucksensor SEN 3376 085 von Kobold arbeitet mittels der Zweileitertechnik Das heisst ber die Spannungsversorgungsanschl sse erfolgt zugleich die Ausgabe des gemessenen Druckes in Form eines Stromssignals von 4 bis 20 mA Diese Technik ist m glich da der Sensor zur Selbstversorgung einen Strom von weniger als 4 mA ben tigt Das gute am Stromsignal ist dass der Spannungsabfall der Signal respektive Speiseleitung keine St rgr sse darstellt Dieser Sensor weisst eine ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit von 0 05 auf Sensoren anderer Hersteller weisen in dieser Genauigkeitsklass von 0 5 meistens eine Wiederholgenauigkeit von 0 1 auf F r das Druckmessproblem bei Wasserkraftwerkanlage ist es sehr wichtig eine sehr gute Reproduzierbarkeit zu haben Nur so kann der Wasserstand im Entsander gen gend genau ermittelt werden Es ist grunds tzlich nicht wichtig zu wissen ob der Druck 13 0 bar oder 12 9 bar betr gt Der Druckwert ist beim Einbau des Sensors mit der Anlage abgeglichen worden Was jetzt z hlt ist die Detektierung der Druck nderung respektive der nderung des Wasserstandes im Entsander Dank der guten Wiederholgenauigkeit kann eine Ver nderung des Pegelstandes
50. Anlagen Es hat jederzeit das Recht diejenigen Massnahmen und Erg nzungs arbeiten vorzuschreiben oder auf Kosten der Konzession re aus f hren zu lassen die sich sp ter im Interesse der ffentlichen Sicherheit oder in flusspolizeilicher Hinsicht als notwendig erweisen sollten Art EE Zuerite Die Konzession re sind verpflichtet den mit der staatlichen Auf sicht betrauten Beamten jederzeit den Zutritt zu s mtlichen Pl tzen und Anlageteilen zu gestatten Art 12 Haftpflicht 1 Die Konzession re haften f r alle Sch den welche infolge Be trieb oder Umbau der Anlage an Personen oder an privatem oder ffentlichem Eigentum entstehen sollten Die Konzession re haben eine Haftpflichtversicherung mit unbeschr nkter Deckungsh he abzuschliessen Der Ausweis ber den Versicherungsabschluss ist dem Baudepartement innerhalb von 30 Tagen seit Zustellung der Konzessionsurkunde zu erbringen 2 Die besonderen Bedingungen m ssen den Text enthalten Die Ver sicherungsnehmerin erm chtigt den Versicherer jede Aenderung der Versicherung dem kantonalen Baudepartement mitzuteilen Art 13 Bachkorrektion Sollten bei Bachverbauungs oder Unterhaltsarbeiten infolge der Kraftwerkanlage zus tzliche Kosten entstehen so haben die Konzes sion re daf r voll aufzukommen Art 14 Natur und Heimatschutz 1 Die Konzession re sind gehalten im Bereich ihrer Anlage stets f r gute Ordnung zu sorgen Tobias Burch Silvan
51. Anlagen im Einsatz stehen Ausblickend ist zu erw hnen dass aufgrund der erhaltenen Erkenntnisse eine bersicht der untersuchten Teilsysteme zu erstellen ist Zudem ist die allgemeine Systemstruktur der Steuerung und Regelung in schematischer Art darzustellen damit die grundlegende Struktur ersichtlich wird Tobias Burch Silvan Gisler 32 HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Kapitel 3 Konzeptphase Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 3 Konzeptphase In der Konzeptphase werden die m glichen L sungsvarianten aus der Recherche zu einem Morphologischen Kasten zusammengefasst Anschliessend werden die Strukturen einzelner Teilsysteme analysiert Dies ist sehr hilfreich um sp ter sinnvolle Kombinationen f r Gesamtkonzepte machen zu k nnen Die allgemeine Systemstruktur wird erstellt damit das Grundkonzept der Steuerung und Regelung schnell ersichtlich wird Tobias Burch Silvan Gisler 34 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 3 1 Teilproblem Steuerung Anzeigeinstrumente Regelung Nadel verstellen Wasserstand ermitteln Datenaufzeichnung Energie zuf hren Abbildung 3 1 Morphologischer Kasten Digitale Anzelgeinstrumente DC Motor Drucksensor im VWlaschinenra
52. Auf der Startseite des Touchscreens werden die wichtigsten Daten ber den Zustand des Kraftwerks aufgezeigt Hier ist eine kurze Beschreibung der Angezeigten Daten Zeigt die berechnete H he Pegelstandes Ass Drucks in der Druckleitung im Maschinen haus Druck Zeigt den 99 99 ba berechneten Durchfluss an Ist Hahe 999 4 m Warnhinweis dass das Kraftwerk nicht in Betrieb ist Verschwindet Durcht luss sobald das oe eingeschaltet Bedienung ird 5 n E Einstel lungen D se 992 4 Anzeige der aktuellen Dusenoffnung Anzeige der abgegebenen Leistung Tasten mit denen man zu den jeweiligen Menus Warnhinweis dass Fehleranzeige gelangt deaktiviert ist Verschwindet wenn Fehleranzeige wieder aktiviert wird Tobias Burch Silvan Gisler Seite 10 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 3 2 Das im Uberblick Ist H he Druck g Seite 1 Kraftwerk ein aueschal ten Wasserzulaut gereinigt Fehler Bedienung Fehleraufzeichnung aufzeichnung Referenzieren D sen ffnung Startseite 999 9 m Einstellungen mean Datur Zeit t Regelaktivitat 90800 Fehler EROS date fehler ER Kp Regler TC unterdrticken unterdr cken Ausschaltpos 000 Datum Zeit Startseite gt Startseite Datum Zeit laufendes Jahr Jahr letztes Jahr wahlen vor letztes Jahr Produktion heute M laufender M
53. Datenzusammentfassung T 50 9 stand der TECHNIK kuu uu a ua i u y a ku a mua saq sasa 51 9 1 DEUCKIEIIUNG EE 51 9 2 TUDING anna tad ce asi 51 Ee EE 52 10 Beurteilung der Kraftwerksanlag e 53 10 1 DLEUCKIENUNG EE 53 102 TUDNO EE 53 Tobias Burch Silvan Gisler 3 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 10 2 Gonar 54 104 Gesprache mit EXberlen 2 54 10941 Wasserpag nal TUDING z uuu u n inne 54 1042 Ee ET Oryx o Zulu umn una u oa 54 11 MWipiSenafiliiechK 8 IDuu uuu k l 55 12 Empfehlungen f rs weitere Vorgehen J 57 13 SchluUssdisk ssion u ea ae ae re En nen een 58 14 Quellenangaben nee 60 BUCHE EE 60 14 2 IMENE ee ee 60 14 3 OKIPE ee 60 14 4 OILS CPIM ee 60 15 ANNANG ee a 61 T
54. Deshalb wird auch die Ver teilung von Haupt und Streuinduktivit t als etwa gleich wie bei diesen Maschinen ange nommen L 5 4mH und L 81mH Werte gesch tzt Tobias Burch Silvan Gisler 35 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Zur Vereinfachung wird oft angenommen dass die Rotor Streuinduktivitat gleich der Stator Streuinduktivitat ist 5 4mH Wert gesch tzt 6 7 2 Berechnungen mit Schlupf 2 Als n chstes wird die D se wieder voll ge ffnet damit am Ausgang des Generators wieder die 21 2kW gemessen werden k nnen In diesem Betriebspunkt betr gt die Drehzahl 1020 U min Somit wird der Schlupf s 2 Zur weiteren Vereinfachung werden R gt und R zu einem Widerstand R2 s zusammenge fasst Daraus ergibt sich das folgende Ersatzschaltbild Abbildung 33 Vereinfachtes T Ersatzschaltbild Mit 0 33 Lot 5 4 mH Li 81 mH Pere 204 7 W Loo 5 4 mH Wird von links in die Schaltung geschaut sieht man einen Widerstand Z dessen Betrag wie folgt berechnet werden kann JI 26 564 Z uj _ asy _ 15 174 Q Und j o L j L R s Z R j o La J L R ls Tobias Burch Silvan Gisler 36 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Diese beiden Gleichungen k nnen gleichgesetzt und nach R s aufgel st werden Somit er h lt man R
55. Farbcodierung LC Zugang zum Ausschalten Stillsetzen LC Leiter Kabel und Leitungen Aderquerschnitte nach EN 60204 1 LC Querschnitt und Farbe von Schutzleiter nach 60204 1 LO Verdrahtungstechnik und Verdrahtungskontrolle Verdrahtung Steuerstromkreis Durchgangsprufung LC Isolation und Schutzleiterprufung lsolationswiderstandprufung I LC Schutzleiterpr fung LC Tobias Burch Silvan Gisler Seite 16 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis Funktionskontrolle Uberstromschutz vorhanden eingestellt LO Steuerspannung kontrolliert LC Funktionskontrolle durchgef hrt LC Betriebsmittelkennzeichnung und Warnschilder Betriebsmittelkennzeichnung vorhanden LC Warnschilder angebracht LC Betriebsanleitung und technische Dokumentation vorhanden LC Datum Prufer Tobias Burch Silvan Gisler Seite 17 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 6 Qualitatssicherung der Schutzmassnahmen Themenpunkt Qualitatssicherung der Schutzmassnahmen beinhaltet eine Checkliste der erarbeiteten Schutzmassnahmen Beschreibung Status Erl uterung NIO Wartungsplan vorhanden Betriebsanleitungen vorhanden Elektroschema vorhanden Beschriftungen angebracht Typenschild Schaltschrank Herstellererkl rungen vorhanden Konformitatserklarung vorhanden Lose Kabel befestigt Anlagenbetreuer Anlagenbediener Umrusten an Anlagenb
56. Freude ist der weitere Betrieb der Anlage mit der von uns geplanten und realisierten Steuerung und Regelung Der Anlagenbesitzer ist sichtlich stolz auf die neue Errungenschaft Er ist wohl einer der wenigen Kleinwasserkraftwerkbesitzer mit einer sehr modernen Steuerung Unsere Bemuhungen werden dem Anlagenbesitzer noch viele Jahre Freude bereiten An dieser Stelle mochten wir uns nicht uber die vielen Arbeitsstunden beklagen aber dennoch erw hnen dass sich die investierten Arbeitsstunden auf ber 800 aufsummiert haben Motivationsprobleme kamen trotz problembehafteter Phasen nie auf Das Ziel im Juli eine neue Steuerung und Regelung dem Anlagenbesitzer zu bergeben stand uns immer vor Augen Wenn wir die investierten Arbeitsstunden nebst den Materialkosten verrechnen d rften so wird sofort ersichtlich dass nicht einmal bei einem bescheidenen Ingenieuransatz eine solche Investition f r einen Kleinkraftwerkbesitzer rentabel ist Selbstverst ndlich sind von der investierten Zeit noch einige Stunden der Erstellung der ausf hrlichen Dokumentation gutzuschreiben Aber trotz allem eine Kleinwasserkraftwerkanlage ist und bleibt ein interessantes und ausgesprochen n tzliches Hobby Objekt W hrend der intensiven Erarbeitung der Diplomarbeit kamen leider die Familie Freundin Freunde und unsere Hobbys etwas zu kurz Wir m chten uns f r das entgegengebrachte Verst ndnis bedanken und werden sp testens im September wieder vermehrt Zeit mit euch
57. Gisler 72 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 2 Rechengut sowie Ablagerungs und Schwimmstoffe aus den Becken diirfen nicht mehr in den Bach zurtickgegeben werden sondern sind abzuf hren oder an geeigneter Stelle schadlos zu deponieren Art 15 Gesetzgebung 1 Soweit das Konzessionsverh ltnis durch diese Konzession nicht geregelt ist sind die Bestimmungen des Bundesgesetzes ber die Nutzbarmachung der Wasserkr fte vom 22 Dezember 19161 und des kantonalen Gesetzes tiber die Wasserbaupolizei Wasserrecht und Gew sserkorrektionen vom 9 April 1877 28 April 19072 das Bundesgesetz tiber die Fischerei vom 14 Dezember 19733 das kantonale Gesetz tiber die Fischerei vom 7 Dezember 19754 die Fischereiverordnung vom 29 Januar 1976 sowie das kantonale Baugesetz vom 4 Juni 19726 anwendbar 2 Zwingende neue Bestimmungen der k nftigen eidgen ssischen und kantonalen Gesetzgebung bleiben vorbehalten Art 16 Streitigkeiten Alle Streitigkeiten die aus dieser Vereinbarung zwischen dem Kanton und den Konzession ren entstehen werden nach Art 71 des Bundesgesetzes ber die Nutzbarmachung der Wasserkr fte vom 22 Dezember 1916 entschieden Art 17 Inkrafttreten Diese Konzession tritt r ckwirkend auf den 1 Januar 1984 in Kraft nachdem die Konzession re ihre Annahme erkl rt haben Sarnen 28 August 1984 IM NAMEN DES REGIERUNGSRATES Der Landammann
58. Lifter Netzteil L 68 5 230 16 8 X004 7P6 UW Strom Spannung 4 7 UV Generator 4 7 14 7 q N WM14 96 Leistungsanalysator 2 4 6 7 6A 1 5 mt 6 82 oe ee EEE aa 14 2 4 2 43 12 aq 14 5411 4 5415 en Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk T ce 5 eee CH 6062 Wilen Kraftwerk no us 220 Leistungsanalysator E ran BE 8 9 SK230 8 0 004 10 0 JE 14 6 mp 14 6 SKN Kunde Gebr Burch Blatt Nr 7 Nr na nn von Anz 7 28 0 1 2 3 4 5 7 9 SK230 SK230 9 0 11 11 11K7 13K3 11 7 13 3 14 14 95 13 AE 8K1 4 3 1 96 14 8P6 8K1 Betriebsstundenz hler h Generator Kondensator SKN SKN 7 9 T 9 0 ee ET eee _ 9 0 III dE See Se AE 43 er 13 14 12 3 has 12 7 13 14 Ts T Dame T Burch Maschinentechnik Projekt Bee EECH Ej r SE eg enstrasse CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA ee __ S ej Gepr Seen R _ Blatt Nr na un von Anz 8 28 Sch tz Betriebsstundenz hler 89 5 230 11 11 11 11 5 13 5 13K7 11 5 13 5 13 7 14 14 P 89 SKN 2 9 q E _ ee ee EE a a a a a G s ee neh X10 J X10 X10 12 B BE ne nee eae ae F Z s ea a
59. Masch h Blatt Nr el Burch Maschinentechnik w s Kleinwasserkraftwerk Gane Burch c y Sagenstrasse CH LL Wilen P BEER esa Klemmenplan X30 Blvon Anz 26 28 EISE aa 17 ta 14 HE WEN j ac 14 4 _ AE 3 RF _ _ L031 5 1490 25 _ J 4 6 4 2 AER O l Ma 442 1 42 7 42 1111 14 427 8 _ 2 K207 112 2 U G _ C j j j jj 14 _ j j j j j j j C j s Burch e atu CS aers Burch Maschinentechnik Gamer _ Kleinwasserkraftwerk Gebr Burch EE E CH 202 Wilen s Zustand nderung Datum name nom 7 Klemmenplan X50 Bivon Anz 27280 _ 1 4 L mm j 2 1 Anlage WKW_Wilen Or Maschnemaus hinenh Blatt Nr em an Sagenstasse C u d 6062 Wilen Version 0 0 Awa Dam nom __ Klemmenplan XX derun Blvon Anz 28 28 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis nach EG Maschinenrichtlinie 98 37 EG Anhang V fur folgendes Produkt Kleinwasserkraftwerk bei Gebr Burch 6062 Wilen Autoren Tobias Burch Sagenstrasse 10 6062 Wilen S
60. Nun werden die gew hlten Produkte kurz bez glich ihrer wichtigen Eckpunkte und Einsatzart umschrieben Datenbl tter und Bedienungsanleitungen zu den jeweiligen Komponenten befinden sich auf der beigelegten CD Es werden lediglich die Produkte erw hnt welche schaltende oder anzeigende Funktionen aufweisen Auf den Beschrieb von Komponenten wie z B Schaltschrank Verbindungsklemmen Leitungsschutzschalter etc wird verzichtet 5 2 1 SPS Omron Abbildung 5 2 SPS Omron Die SPS CJ1M von Omron ist eine speicherprogrammierbare Steuerung welche modular aufgebaut ist Verschiedenste Ein und Ausgangsbaugruppen k nnen beliebig aneinandergereiht werden Die digitalen Ein und Ausg nge arbeiten mit einer Spannung von 24 VDC Die Ausgangsbaugruppe besitzt als Ausgangsstufen Transistoren Deshalb muss bei der Ansteuerung von induktiven Lasten darauf geachtet werden dass diese entst rt sind Nur so kann eine lange Lebensdauer der Ausgangsstufen bewerkstelligt werden Nebst den digitalen Ein und Ausg nge wird eine analoge Baugruppe verwendet damit das Drucksensorsignal eingelesen und das Stellsignal f r die Motorsteuerung ausgegeben werden kann Tobias Burch Silvan Gisler 49 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Bezuglich den Kommunikationsschnittstellen weisst die SPS diverse auf Nebst der Programmierschnittstelle besitzt d
61. Seite 1 zu gelangen 3 Dr cken sie die Taste Kraftwerk ein ausschalten 4 Ein neues Fenster wird ge ffnet Dr cken Sie nun die Taste Kraftwerk einschalten wenn sie das Kraftwerk ein Kraftwerk ausschalten schalten m chten 5 Eine Referenzierungsfahrt wird nun durchgef hrt wenn der Stellantrieb noch nicht referenziert ist Dazu ffnet sich schliessen die Duse auf etwa 90 Bis der Referenzierungsschalter bet tigt wird Gleichzeitig ffnet sich ein neues Fenster welches besagt dass Sie den Strahlablenker anheben m ssen Kraftwerk einschalten 6 Heben Sie nun den Strahlablenker bis zum Elektromagneten hoch so dass er oben bleibt Dazu m ssen sie nicht warten bis die Referenzfahrt fertig ist 7 Die Drehzahl der Maschinenwelle f hrt nun schnell hoch 8 Wenn die minimal n tige Drehzahl er reicht ist wird der Generator automatisch ans Netz geschaltet und die Kompensations Kondensatoren dazugeschaltet Nachdem der Strahlablenker angehoben wurde beginnt die Maschinenwelle und damit auch das Schwungrad sofort zu drehen Niemals irgendwelche AN K rperteile oder Gegenst nde in die N he dieser rotierenden Teile halten Es besteht sehr grosse Verletzungsgefahr Wenn die Anlage nicht in Betrieb ist oder durch irgendeinen Effekt ausgeschaltet wurde so wird dies auf der Startseite angezeigt Kraftwerk nicht in Betrieb Tobias Burch Silvan Gisler Seite 14 Bedienungsanleitung Kle
62. Spg berwachung L 230V 15 Spg berwachung L3 230V 15 Frequenz berwachung 50 Hz 1 Hz Generator Sternpunkt R ckwatt nicht angeschlossen berwachung Abbildung 2 1 Schema einer Schaltanlage f r Asynchrongenerator Quelle http www kobel info Produkte Anlagen Netzparallel asynchron pdf 17 03 2008 Tobias Burch Silvan Gisler 20 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 2 Steuerung Grunds tzlich ist bei der Steuerung an erster Stelle grossen Wert auf die Schutzfunktionen zu legen Nur mit geeigneten berwachungs und Schutzger ten kann ein sicherer Betrieb der Anlage gew hrleistet werden Im Folgenden sind die Erw gungen in Bezug auf die installierte Leistung von 21 kW gemacht Allgemein muss f r die Wahl und Dimensionierung der Komponenten darauf geachtet werden dass diese 24 Stunden am Tag im Einsatz stehen M gliche L sungen f r die Steuerung der Anlage Relais Computer i was Abbildung 2 2 Mogliche Losung Steuerung 2 3 2 1 Relais Die Relais Steuerung wird in der heutigen Zeit nur noch bei sehr kleinen und einfachen Steuerungsaufgaben verwendet Die kompakten programmierbaren Steuerungen haben die Relais Steuerung stark verdrangt Bereits bei Verwendung von zwei bis drei Zeitrelais macht sich der Einsatz einer programmierbaren Steuerung bezahlt F
63. Strasser Sekretariat Secretary GLOBAL HYDRO ENERGY GmbH 4085 Niederranna 41 Austria Tel 43 7285 514 10 Fax 43 7285 514 20 E mail m strasser hydro energy com Internet http www hydro energy com Tobias Burch Silvan Gisler 80 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur Anhang 6 Anfrage bei Global Hydro Energy Beschrieb Datum der Anfrage Firma Name Vorname Strasse Postleitzahl Land Telefon Telefax E Mail Anlagestandort Hohen Fallhohe brutto Fallhohe netto Aufstellhohe uber Meer Wassermengen Maximal Anzahl Turbinen Leistung Gesamtanlage Wasserbau Generator Spannung Frequenz Betriebsart Beschrieb 14 Dezember 2007 Burch Robert amp Josef Gebruder Burch Tobias Sagenstrasse 8 6062 Wilen Schweiz 0041 79 641 74 60 0041 41 660 84 92 tobias burch bluewin ch dito 130 m 120 m 475 m u M 261 5 Ganzes Jahr 1 21 kW Abgabe Generator ist vorhanden 400 VAC 50 Hz Parallelbetrieb Wir haben bei uns eine Peltonturbine installiert welche das Wasser von einem Wildbach nutzt Die Anlage ist sehr alt und hat einen Wirkungsgrad von 70 Generator Turbine Ihre Klein Wasserkraftwerke haben uns sehr angesprochen Wir w rden gerne wissen mit was f r einem Wirkungsgrad wir mit einem von Ihnen hergestellten Kraftwerk rechnen k n nen Zudem interessieren wir uns auch f r deren Kosten um die Rentabilit t d
64. Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 Realisierungsphase Bei der Realisierungsphase wird nun das beim Systementwurf gewahlte Gesamtkonzept realisiert werden vorerst geeignete Komponenten gew hlt und dementsprechend die detaillierten Schemas und Pl ne erstellt Des Weiteren m ssen Schnittstellenprobleme zwischen den einzelnen Komponenten gel st werden In einer weiteren Stufe wird das Material beschafft und anschliessend anhand der erstellten Pl ne der Schaltschrank zusammengebaut Parallel dazu wird die Software f r die verschiedenen programmierbaren Komponenten implementiert W hrend dem die ersten Tests der Steuerung durchgef hrt werden wird das Montagematerial zusammengestellt Sobald alle Tests positiv abgeschlossen sind wird der Einbau der neuen Steuerung und Regelung vor Ort vorgenommen Als letztes der Realisierungsphase findet die Inbetriebsetzung statt Tobias Burch Silvan Gisler 47 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 1 bersicht Steuerungs und Regelungssystem DC Motor Not Aus Netzschutz Druckschalter Drucksensor Kondensatoren Magnet Strahlablenker Tachogenerator Signallampe USW Abbildung 5 1 bersicht Gesamtsystem Eine Beschreibung der einzelnen Komponenten folgt im n ch
65. Verlauf des Leistungsfaktors der Anlage folgendermassen aus Leistungsfaktor der Anlage 1 00 e Leistungsfaktor mit Kompensation 0 10 Leistungsfaktor ohne Kompensation 5000 10 000 15 000 20 000 25 000 Abbildung 2 10 Leistungsfaktor der Anlage Unterhalb einer Leistung von ca 6 kW wird der Leistungsfaktor kleiner als 0 5 Der kleinste Betriebspunkt in dem das Kraftwerk laut Pflichtenheft noch arbeiten muss ist 4 kW Wenn davon ausgegangen wird dass dieser Betriebpunkt nur selten oder zumindest nur f r kurze Zeit eintrifft ist es kein Problem im Mittel einen Leistungsfaktor von 0 5 zu erreichen Tobias Burch Silvan Gisler 30 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 4 Besichtigung Trinkwasserkraftwerk Stockenmatt 1 22205 OOECE Abbildung 2 11 Kraftwerk Stockenmatt Steuerschrank Das Trinkwasserkraftwerk Stockenmatt der Gemeinde Sarnen besitzt eine Pegelstand regelung Der Wasserpegel wird ber einen Drucksensor in der Wasserfassung erfasst Dadurch ist es m glich den Pegel sehr genau zu regeln Da nebst der Druckleitung ein Leerrohr beim Bau eingelegt wurde konnte das Signalkabel des Drucksensors mit geringem Aufwand von der Wasserfassung zum Maschinenhaus verlegt werden Zur Anzeige von Gen
66. a gt gt 20 0 L Tue Tee Lecker Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch asp e 5 2 CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA Se usp SPS Analoge E A Baugruppe 18 9 24VDC 19A1 Digitale Eingange ID211 18 9020 08 07 2008 T Burch Datum 09 06 2008 I Pre B8 Netzspannung OK Netzfrequenz OK Druckschalter Druckl Not Aus Minimaldrehzahl erreicht berdrehzahl Generatorsch tz Ein Motorschutzschalter Strahlablenker Turbine In Position Referenzpunkt OK Error Positionieren Error Referenzieren Impuls P Impuls Q Kondensatorsch tz Ein A8 19A6 B8 Digitale Ausg nge OD212 Burch Maschinentechnik Projekt 7 Sagenstrasse CH 6062 Wilen Kraftwerk 2 0 1 2 3 4 5 Freigabe SPS Kompensation Blitzleuchte Wassermangel Referenzieren Positionieren Kleinwasserkraftwerk ANr BDA Digitale E A Baugruppe Kunde Gebr Burch 24VDC OVDC Anlage WKW_Wilen Ort el Blatt Nr 19 Nr SE von Anz 19 28 OMRON NS5 Touchpanel Port A Port B Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch eee CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA 2 Se Ce Display _ les 4 5 EEE SEET EE 111 1 4 5 _ 1 7 4 gt 111 1 7 6 9 8 _
67. des Algorithmus wo der Einfluss der aktuellen Dusenoffnung verstarkt miteinbezogen wurde sind neue Versuche gestartet worden Diese ergaben eine kleine Verbesserung des Regelvorgangs Das hin und herpendeln der Dusenoffnungsstellung betragt nun rund 60 Die Regelung verhindert ein Ausschalten der Anlage und erfullt somit gemass der Aufgabenstellung die erforderliche Funktion Es sind noch weitere Optimierungen bez glich des Regelalgorithmus vorzunehmen um das Pendeln der D sen ffnung m glichst klein zu halten 7 2 3 Datensicherung Die Werte der monatlichen elektrischen Wirkenergieproduktion werden im Speicher der SPS f r maximal 3 Jahre festgehalten Damit die Werte f r l ngere Zeit auf einem anderen Speichermedium festgehalten werden k nnen m ssen die Daten am Display abgelesen und notiert werden Eine weitere M glichkeit besteht darin die Daten direkt von der SPS auf einen Computer zu bertragen Mittels des seriellen Programmierkabels kann von der SPS Programmiersoftware aus die Kommunikation zwischen SPS und Computer hergestellt werden Per Copy Paste Funktion k nnen die Werte in eine Excel Tabelle kopiert werden Die Werte sind im SPS Speicher bereits so eingetragen dass sie der t glichen Energieproduktion untereinander angeordnet sind Somit lassen sich die Daten in Excel ohne umzuschreiben gut verarbeiten Die Daten der t glichen elektrischen Energieproduktion sind wie folgt im Speicher der SPS angeordnet Tabelle 7
68. erfolgreichen abschliessen dieser Tests erfolgt nun der Funktionstest der Steuerung Wahrend den Tests wird auch die Bedienbarkeit der Anlage untersucht denn der Anlagenbesitzer erwartet eine einfach zu bedienende Anlage Auf dem Display werden die aufgetreten Fehler angezeigt Somit ist fur den Anlagenbetreiber die Art des Fehlers sofort feststellbar Das folgende Bild zeigt den Funktionstest welcher im Labor aufgebaut wurde Abbildung 5 44 Funktionstest Tobias Burch Silvan Gisler 99 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 13 Einbau der neuen Steuerung 5 13 1 Montage Bei der Montage der neuen Steuerung wird grossen Wert auf eine moglichst kurze Betriebsunterbrechung der Kraftwerkanlage gelegt Zu diesem Zweck ist eine gute Vorbereitung der Montage grundlegend Vorgehen Montage 1 Tag 1 Werkzeug und Montagematerial bereitlegen 2 Material auf Vollstandigkeit Uberprufen 3 Kraftwerkanlage abschalten 4 Hauptschalter ausschalten 5 Gegen Wiedereinschalten sichern 6 Spannungsfreiheit berpr fen 7 Phasenfolge Generator Netz festhalten 8 Demontage alter Steuerschrank und Kabelkanal 9 Demontage Elektromagnet und Endschalter Strahlablenker 10 Montage neuer Schaltschrank und Kabelkanal 11 Montage Support Rohr 12 Montage Elektromagnet und Endschalter Strahlablenker 13 Kabel verlegen und aufschalten 14 V
69. rm zu einem grossen Teil vermindert werden S mtliche Kanten sind entgratet oder gerundet Ergonomische Sicherheitsabst nde gegen Einklemm und Quetschgefahr f r K rperteile soweit m glich 3 1 2 Stillsetzen im Notfall Not Aus S mtliche gefahrbringenden Bewegungen und Energien werden beim Dr cken des Not Aus Schalters so schnell als n tig stillgesetzt Energien werden getrennt und abgebaut Die Notabschaltung entspricht der Stopp Funktion Kategorie 0 nach EN 60204 1 1997 9 2 2 Sofortiges Stillsetzen durch sofortiges Abschalten der Energie zu den Maschinen Antriebselementen Die R cksetzung der Notabschaltung wird von der Steuerung aus bet tigt Die R cksetzung kann nur erfolgen wenn die Vor Ort Entriegelung des Not Aus Schalters erfolgt ist 3 1 3 Steuerung Sicherheitsfunktionen Folgende Sicherheitsfunktionen sind ausgef hrt e Hauptschalter gelb rot extern links von Steuerschrank e Stillsetzen der ganzen Anlage im Notfall Not Aus 3 1 4 Schutz gegen elektrischen Schlag im Schaltschrank und Verdrahtung Folgende Massnahmen wurden erarbeitet e Warnschild angebracht e Schaltschrank T r verriegelt e Erdverbindungen Tobias Burch Silvan Gisler Seite 12 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 4 Sicherheitsbetrachtung 4 1 Sicherheitsbetrachtungen gem ss Maschinenrichtlinie 98 37 EG Die nachfolgende Auflistung zeigt die Sicherheitsfunktionen und deren Wirkung Hauptschalter Wirkung a
70. s 17 444 Q Damit wird R R s s 0 3490 Und 1 s R 17 0950 A Da nun alle Komponenten der T Ersatzschaltung bekannt sind kann Z auch komplex be stimmt werden j L j L R s Z R j Lat i Jo L Jj oL R s 15 175 242 5 Damit kann auch der Strom komplex bestimmt werden U 1 26 562 42 5 A Z 15 175442 5 Q Der Strom L berechnet sich mit U UO eR n 1 eee l 20 9457 4 26 A j L HRIS 4 1 R 15 Mit diesen Angaben kann nun die mechanische Leistung welche im Widerstand R entsteht berechnet werden Diese muss gr sser sein als die elektrische Leistung welche der Genera tor abgibt P mech 3 R L 3 17 095 0 20 945 A 22 5KW Tobias Burch Silvan Gisler 37 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Die Verluste entstehen den Widerst nden R2 und Rre Die Verlustleistung l sst sich somit folgendermassen berechnen Inf Rs 1 36 kW Die mechanische Leistung minus die Verlustleistung m sste nun die elektrische Leistung ergeben welche dem Generator entnommen werden kann P P P 22 5kW 1 36kW 21 14 kW Fe m Die mit dem Leistungsmessger t Fluke 435 gemessene Wirkleistung betr gt 21 2 KW Dar aus kann geschlossen werden dass die Berechnungen recht genau sind Der Wir
71. sehr gut ermittelt werden Tobias Burch Silvan Gisler 55 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 3 Materialkosten Der Anlagenbesitzer ist bez glich den Investitionskosten eingeschr nkt Damit die Kosten bei der Realisation der neuen Steuerung und Regelung nicht aus dem Ruder laufen wird nachfolgend das zu benotigende Material und die dazugehorigen Kosten aufgelistet Kleinere Kostenpunkte wie z B Aderendh lsen Schrauben etc sind als Sammelbetrag zusammengefasst notiert Die erbrachten Arbeitsstunden sind nicht erfasst jedoch sind die Kosten des Rohmaterials festgehalten Tabelle 5 4 Material und Kostenzusammenstellung 20 26 30 I 1 70 1 DPB01CM48 127 60 80 3 TAmini50 5 12200 7500 _90 1 u7KN 62230 Sch tz 62A 230V Spule 158 25 158 25 CJ1W MAD42 SL Analog 4E 2A 442 50 442 50 CJ1M CPU11 ETN CPU 160E A 32kW 311 25 311 25 180 NS5 TQ00 V2 HMI NS5 892 50 892 50 S8VS 06024 Netzteil 60W 24VDC 2 5A 105 00 105 00 K8AB VW2 24VDC Spannungsw chter 96 75 96 75 2101 e MY2N D224VDC S Relais 24VDC Spule Diode 11 15 66 90 2201 6 PYFO8S Socket fiir MY2 37 20 230 6 088 2 70 Tobias Burch Silvan Gisler 56 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wi
72. sehr schwierig ist je nach zu berpr fender Funktion vollst ndige Tests zu machen wie dies z B bei der Datenaufzeichnung der Fall war Andere Tests wiederum fallen um einiges leichter Werden in Zukunft Arbeiten an der Anlage ausgef hrt so muss nach deren Beendigung die Testphase nochmals vollst ndig und erfolgreich durchgearbeitet werden Nur so kann gew hrleistet werden dass die Anlage einwandfrei funktioniert Die Anlage ist nun soweit getestet und kann sicher betrieben werden Sofern alle notwendigen Anlagendokumente erstellt worden sind kann die Anlage dem Kunden bergeben werden Tobias Burch Silvan Gisler 111 Lucerne University of Applied Sciences and Arts HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Kapitel 7 Projektabschluss Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 7 Projektabschluss 7 4 Anlagendokumente und bergabe In diesem Kapitel werden kurz die ausgelieferten Anlagendokumente und die bergabe der Anlage an den Besitzer beschrieben Die vollst ndigen Anlagendokumente befinden sich in den Anh ngen 1 2 und und auf der beiliegenden CD unter Dokumentation 7 11 Anlagendokumente Um die Kraftwerkanlage nach den g ltigen Gesetzen und Richtlinien auszuliefern sind einige Dokumente zu erstellen Eines der wichtigsten Dokumente ist die
73. verbringen d rfen Das Projekt hat viele fachspezifische Segmente angeschnitten So war nicht nur elektro und programmiertechnisches Wissen gefragt sondern auch mechanisches Verst ndnis Es ist deshalb verst ndlich dass die erfolgreiche Fertigstellung dieser Diplomarbeit ohne Mithilfe von diversen anderen Personen nicht m glich gewesen w re Einen besonderen Dank m chten wir hiermit folgenden Personen aussprechen e Herr Werner Birrer technischer Angestellter Maschinentechnik an der Hochschule Luzern Technik amp Architektur F r die Druckmessung an der Druckleitung stellte er uns den einzubauenden Drucksensor mit den passenden Armaturen bereit e Herr Hans Burch Verkauf Schweiz bei Maxon Motor AG Er half uns bei der Beschaffung der geeigneten Antriebseinheit und der Motorsteuerung f r die D senregulierung e Herr Mathias Burch Konstrukteur bei Rosen Technologies Bei der Erstellung der CAD Zeichnungen f r die Motorenhalterung hat er sein K nnen als Konstrukteur unter Beweis gestellt Tobias Burch Silvan Gisler 117 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur e Herr Patrick Degelo Projektleiter und Maschinensicherheitsbeauftragter bei Komax AG Rund um die Fragen zur Maschinensicherheit und den erforderlichen Anlagendokumenten half er uns stets und kompetent weiter e Herr Bruno Fleischli technischer Angestellter E
74. zur heutigen Kraftwerkstechnik hat sich ausser einer kleinen Wirkungsgradsteigerung nicht viel verandert Die gesamte Arbeit am Industrieprojekt erforderte vielseitige Kenntnisse aus verschiedenen Fachgebieten Nebst dem elektrotechnischen Wissen waren auch mechanische Kenntnisse notwendig Trotz dem bereits Uber zweijahrigen Studium konnten wir nicht alle Fragen selbst beantworten An dieser Stelle mochten wir uns bei allen bedanken die uns in irgendeiner Form bei der Bearbeitung des Industrieprojekts unterstutzt haben Ein spezieller Dank geht an folgende Personen e Herr Dr Adrian Omlin hauptamtlicher Dozent Elektrotechnik an der Hochschule Lu Zem Technik amp Architektur Er unterst tzte uns bei den Messungen und Berechnun gen zum Generator e Herr Prof Dr Thomas Staubli Leiter Fluidmechanik amp Hydromaschinen und hauptamtlicher Dozent Maschinentechnik an der Hochschule Luzern Technik amp Ar chitektur Bei Fragen zum Wasserbau und zur Turbine bekamen wir bei die suchten Antworten dazu e Herr Hanspeter Wyss Leiter eigene Kraftwerke bei CKW und nebenamtlicher Dozent Hochschule Luzern Technik amp Architektur Von Ihm wurden wir bei allgemeinen Fra gen rund um den Kraftwerksbetrieb unterst tzt e Herr Werner Birrer technischer Angestellter Maschinentechnik an der Hochschule Luzern Technik amp Architektur F r die Druckmessung an der Druckleitung stellte er uns einen Drucksensor mit passende
75. zus tzlich ein Kegelrollenlager montiert Die Wellenverbindung zwischen Generator und Turbine erfolgt mittels einer Flanschkupp lung Die Turbine wurde von der Firma Theodor Bell amp Cie gefertigt Leider sind keine Spezi fikationsangaben bez glich der Turbine vor handen Unter dem Turbinenradgeh use befindet sich ein Peltonrad mit Durchmesser 430 mm Damit sich kurzzeitige Lastschwankungen nicht zu stark auf die Drehzahl der Turbi nenwelle auswirken ist auf der Welle ein Schwungrad montiert Das Baujahr der Turbine ist nicht genau bekannt Nach Sch tzungen der Betreiber der Anlage etwa um 1920 Tobias Burch Silvan Gisler 19 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 5 4 8 Steuerung Abbildung 21 Verdrahtung Schaltschrank Seit der Installation der Kraftwerksanlage in Wilen mussten an der Steuerung nur ge ringf gige nderungen vorgenommen wer den Jedoch war der Leistungskreis der An lage im Schaltschrank von Anfang an zu schwach ausgelegt Die einzelnen Leiter erw rmten sich zu stark und mussten des halb durch Leiter mit gr sserem Querschnitt ersetzt werden Die Anzeigeinstrumente sind zum Teil nicht mehr angeschlossen oder defekt Links vom Schaltschrank befindet sich ein elektrischer Energiez hler mit integrierter Leistungsanzeige Um die Anlage ganz vom elektrischen Ver sorgungsnetz zu trennen ist ein Hauptschal ter angebrach
76. 0 Verlauf der Drack etung 5 3 1 Daten Druckleitung e Ab Entsander 226 Gussrohr dinnen 160 mm e Ab Gussrohr 550 Kunststoffrohr dinnen 195 mm e Ab Kunststoffrohr bis Maschinenhaus 210 m Kunststoffrohr dinnen 130 mm Tobias Burch Silvan Gisler 15 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 5 4 Maschinenhaus Die mechanischen Komponenten im Maschinenhaus wurden von den Besitzern der Anlage sehr gut gewar tet und sind deshalb immer noch in einem sehr guten Zustand Abbildung 11 Maschinenhaus 5 4 1 bersichtsschema Maschinenhaus Absperrschieber L schwasseranschluss Drucksensor Steuerkasten El Energiez hler Druckleitung Schwungrad D se _ _rStrahlablenker Hauptschalter 4 Turbine ES SE EES ee Drehzahlsensor ee ee Generator e a Radiallager x Wellenkupplung Abbildung 12 bersichtsschema Maschinenhaus Tobias Burch Silvan Gisler 16 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 5 4 2 Ab L w d 4 Abbildung 13 Schieber vor Maschinenhaus 5 4 3 Druckmessung Abbildung 14 Manometer und Druckschalter Unmittelbar bevor die Druckleitung durch die Maschinenhauswand
77. 08 Time 14 50 24 LI Config AL Fred 50 Hz H Unom 230 U GHO Limits 50160 Clamp Heutral 1430flex 3000 A VERSION FUNCTION USER LANGUAGE PREF PREF Tobias Burch Silvan Gisler 79 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 5 Anfrage bei Global Hydro Energy Email Von tobias burch bluewin ch Datum 14 12 2007 11 13 An lt info hydro energy com gt Betreff Anfrage Sehr geehrte Damen und Herren Wir haben Ihnen eine Anfrage im Anhang beigelegt Besten dank fur Ihre Bem hungen Mit freundlichen Gr ssen Tobias Burch Burch Robert amp Josef Gebr der Tobias Burch Sagenstrasse 8 6062 Wilen Telefon 0041 79 641 74 60 Telefax 0041 41 660 84 92 E Mail tobias burch bluewin ch Von info hydro energy com Datum 10 01 2008 09 15 An lt tobias burch bluewin ch gt Betreff Ihre Anfrage Sehr geehrter Herr Burch Vielen Dank f r Ihr Mail und f r Ihr Interesse an unseren Produkten Gerne haben wir Ihre Anfrage bearbeitet Aufgrund der von Ihnen angegebenen Daten k nnen wir Ihnen unsere Pelton Turbine GHE PT 09 H1 anbieten Der Wirkungsgrad liegt bei 82 In der Anlage senden wir Ihnen dazu technische Unterlagen sowie die Preisliste F r weitere Fragen stehen wir Ihnen jederzeit gerne zur Verf gung Wir freuen uns auf Ihre Antwort und verbleiben in der Zwischenzeit mit freundlichen Gr en Kind regards Michaela
78. 1 Speicherung Tageswerte Aktueller Monat Vorheriger Monat Vorletzter Monat 1 2 3 Tobias Burch Silvan Gisler 115 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Ebenfalls liegen die Daten der monatlichen elektrischen Energieproduktion bereits geordnet wie folgt vor Tabelle 7 2 Speicherung Monatswerte Monat Aktuelles Jahr Vorheriges Jahr Vorletztes Jahr Um die Daten noch komfortabler auszulesen kann auf die in der SPS gespeicherten Daten per Ethernet Schnittstelle zugriffen werden Damit die Kommunikation mit der SPS aufgebaut werden kann muss ein spezielles FINS Kommunikationsprotokoll angewendet werden Das heisst f r den Computer muss eine entsprechende Software implementiert werden die das FINS Protokoll anwendet Es gibt auch die M glichkeit sich eine Software vom SPS Hersteller zu beschaffen mit welcher auf die Daten im SPS Speicher zugegriffen werden kann Eine komfortable Weiterreichung der Daten in eine Excel Tabelle muss aber auch hier noch implementiert werden Tobias Burch Silvan Gisler 116 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 7 3 Schlusswort Nach rund 18 Wochen intensiver Projektarbeit durfen wir mit Stolz die Modernisierung eines Kleinwasserkraftwerks abschliessen Von ganz besonderer
79. 100 Xmin ISt die minimale Dusenoffnung in Prozent Tobias Burch Silvan Gisler 91 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Diese Stellgrosse soll bei einer Regeldifferenz von 1 5 m erreicht werden Wird nun diese Gleichung beim Regelalgorithmus eingesetzt folgt daraus X nin 5000 mV 100 Diese Gleichung kann nach Kr aufgel st werden und ergibt 5000 mV K 1 5m AR E m min Somit lautet der gesamte Regelalgorithmus in Abhangigkeit der Regeldifferenz und der einstellbaren minimalen D sen ffnung mV mV A nin m y 5000 mV 3333 3 93 3 Eine Kontrolle bestatigt die Richtigkeit des Regelalgorithmus Wird eine minimale D sen ffnung von 10 ein zehntel der m glichen D sen ffnung eingestellt soll sich bei einer Regeldifferenz von 1 5 m das Stellsignal von 5000 mV auf 500 mV verkleinern y 5000 mV 3333 3 E J 15 500 mV Tobias Burch Silvan Gisler 92 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 10 Mechanik Die mechanischen Probleme befassen sich vor allem mit der Verstellung der Duse Ausserdem sind montagetechnische Aspekte zu berucksichtigen damit die verschiedenen Komponenten fachmannisch montiert werden kon
80. 1932 9097 9097 ungeeignete Betriebsdrehzahl Tobias Burch Silvan Gisler 83 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 8 Kleinwasserkraftwerk Global Hydro Energy GUGLER HY DROENERGY Sea Klein Wasserkraftwerk GUGLER PT 06 H 1 und PT 09 H 1 Kompaktes Wasserturbinenaggregat zum mobilen oder stationaren Einsatz mit ein d siger Pelton Turbine und Synchrongenerator Einsetzbar f r folgende Bereiche 20 200 1 40 1 5 35 1 0 30 290 2300 920 4140 1500 3000 Nettofallh he Ausbaudurchfluss Turbinen Nennleistung Generator Leistung Turbinen Drehzahl Durchgangsdrehzahl Generator Drehzahl Tobias Burch Silvan Gisler 84 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Technische Beschreibung Turbinengeh use Sph roguss EN GJS 600 3 bestehend aus zweiteiligem Geh use beiderseitigen Wellendurchf hrungs ffnungen mit Labyrinthkammern und Ablaufkan len alle An schluss und Dichtstellen werden mechanisch bearbeitet Grundrahmen Stahl S235JRG2 geschwei t feuerverzinkt gemeinsamer Fundamentrahmen zur Aufnahme des Turbinengeh uses und des Generators Turbinenwelle Rostfreier Stahl 1 4301 Turbinenwellenlagerung Gut dimensionierte Pendelrollenlager in Stehlagergeh usen f r Fettschmierung vorbereitet Wellenabdichtung Labyrinthdichtung und Spritzringe auf der Turbin
81. Analogsignal aus Dieses ist im Gegensatz zum Tachogenerator aber ein Stromsignal Der Strom welcher vom Sensor ausgeben wird fliesst direkt ber den Analogeingang der SPS Tobias Burch Silvan Gisler 61 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 5 Elektroschema Um eine Steuerung aufzubauen ist ein korrekt und sauber erstelltes Elektroschema wichtig Besonders zu einem sp teren Zeitpunkt entpuppt sich ein Schema als sehr n tzliches Dokument Eine St rungssuche ist ohne Elektroschema sehr aufw ndig und kaum vorstellbar Bereits beim Erstellen des Schemas ist auf einen logischen Aufbau zu achten Es ist sehr hilfreich wenn grunds tzlich Leistungs und Steuerkomponenten separiert sind Diese Unterscheidung zieht sich hindurch bis zur Wahl der Leiterfarbe So ist auch im verdrahteten Zustand schnell ersichtlich was sich auf den Leistungs und was auf den Steuerkreis bezieht Bei der Erstellung des Elektroschemas wird auf die Komponentenwahl zur ckgegriffen Die Ausgew hlten Komponenten werden mittels Datenbl tter unersucht und im Elektroschema eingezeichnet Die Verdrahtung der einzelnen Komponenten und die Funktionseinstellungen der Uberwachungsrelais sind f r die Programmierung der SPS wichtig Ansonsten wird bei der Programmerstellung von falschen logischen Zust nden ausgegangen Das erstellte Schema befindet sich im Anha
82. Arbeitspunkt weiter l uft bis sie durch eine Schutzfunktion oder von Hand ausgeschaltet wird 2 2 2 Pegelstandregelung Die Aufgabe der Pegelstandregelung ist es den Wasserdurchfluss so zu regeln dass der Pegelstand des Wassers in der Druckleitung und im Entsander konstant bleibt Wenn Wassermangel herrscht soll die D se soweit geschlossen werden dass der Pegelstand in der Druckleitung konstant bleibt Sobald die Anlage aber in einen solchen Betriebszustand kommt also in Teillast betrieben wird soll dies mit einer Signallampe ausserhalb des Maschinenhauses angezeigt werden So wird erm glicht dass der Wassereinlauf gereinigt werden kann bevor die bergeordnete Steuerung infolge Wassermangels das Kraftwerk abschaltet Wenn nach dem Reinigen des Wassereinlaufs der Pegel ansteigt soll die D se wieder so weit wie m glich ge ffnet werden Das Kraftwerk l uft somit wieder in Volllast und die Wassermangel Signallampe l scht Erst wenn die elektrische Leistung unter 4 kW sinkt wird die D se nicht mehr weiter geschlossen So wird erreicht dass immer ein wenig Wasser durch die Druckleitung fliesst und das Wasser nicht in der Druckleitung gefriert wenn es kalt ist Da die Regelung der Steuerung untergeordnet ist wird sie sofort abgeschaltet wenn eine Schutzfunktion der Steuerung anspricht Tobias Burch Silvan Gisler 17 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in
83. Bedienungsanleitung Sie enth lt Warnhinweise Bedienungsanweisungen Fehlerbeschreibungen und Wartungsanweisungen Das Dokument Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis beinhaltet die Punkte Risikobeurteilung Schutzmassnahmen Sicherheitsbetrachtung Pr fprotokoll und Qualit ts sicherung Schutzmassnahmen Darin integriert befindet sich die CE Konformit tserkl rung Dieses Dokument macht es erst m glich die Steuerung von Gesetzeswegen ausliefern zu d rfen Des Weiteren geh rt auch das Schema zu den wichtigen Anlagendokumenten Vor allem f r zuk nftige Wartungen Erweiterungen oder Reparaturen ist es ein sehr n tzliches Dokument 7 1 2 bergabe Die Anlage wurde in der letzten Phase des Projekts ausgiebig getestet Mit den nun erstellten Anlagendokumenten kann der Kunde bez glich der Bedienung und Wartung der modernisierten Kraftwerksanlage instruiert werden Bei der Instruktion werden besonders die sicherheitsrelevanten Aspekte ausf hrlich erw hnt Falls der Kunde nach der bergabe der Anlage noch Unklarheiten bez glich der Bedienung hat so hat er die M glichkeit in der Bedienungsanleitung auf diese Fragen eine Antwort zu finden Von nun an ist der Anlagenbesitzer f r den sicheren Betrieb des Kleinwasserkraftwerks ver antwortlich Fallen ihm Unregelm ssigkeiten auf so hat er die Verpflichtung dem entsprechend zu handeln Tobias Burch Silvan Gisler 113 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Ste
84. HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Betreuer Prof Dr Dominique Salathe Experte Hansjorg Riesen 25 Juli 2008 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Abstract This documentation is about a project of upgrading a micro hydro power plant It gives you detailed information of a particular project in Wilen Switzerland This power plant is equipped with a pelton turbine The mechanical power drives a 3 phase asynchronous generator The main subject of this documentation is the realisation of a new control system with water level regulation At the beginning the law about electrical power generation is analysed and the owner of the plant is interviewed The control system project is based on this basic information and the results of an industry project After the stage of research and analysis of different subjects follows the elaboration of different sub systems These little sub systems are grouped to two stand alone solutions to fulfil the requirements of the control system Both solutions are evaluated concerning safety ease of use functionality and many other criteria Depending on the evaluation results is chosen the control system which is going to be realised at t
85. Kurzanleitung zu FLUKE 435 Einstellung Unter SETUP Config ist fur Messungen am elektrischen Versorgungsnetz der Schweiz im mer folgendes Netzschema zu w hlen lastunabhangig 30 WYE Sternschaltung mit Neutralleiter GETUP FLUKE 435 102 04 3 PHASE UNE FLUKE 435 102 04 e 11 6100 4 30 Class Compliant Data January 09 2008 11 Time 14 49 39 GHD Config EE as H Freg 50 Hz Unom 230 U Limits 50160 Clamp A Range U Ratio A Ratio Le L3 VERSION FUNCTION USER LANGUAGE CAL PREF PREF Unabh ngig von der Last Diese Einstellung ist immer Versorgungsnetz orientiert vorzuneh men Nur so werden z B bei der Leistungsmessung die richtigen Werte angezeigt Messger te Anschluss Um korrekte Messergebnisse zu erzielen muss der Schutzleiter GND immer angeschlos sen werden Wenn die zu messende Schaltung kein Neutralleiteranschluss hat kann auf dessen Anschluss verzichtet werden Die Einstellungen aber unver ndert belassen 1 phasige Messung Grunds tzlich reicht obige Einstellung fur alle durchzuf hrenden Messungen Auch 1 phasige Messungen k nnen mit obiger Einstellung durchgef hrt werden Die Werte f r Pha se 2 und 3 sind in diesem Fall zu ignorieren M chte man die Anzeigen der nicht ben tigten Phasen ausblenden so ist folgende Einstel lung vorzunehmen 1 L1 N FLUKE 435 102 04 PHASE HEUTRAL FLUKE 435 102 04 1000 4 30 Class Compliant Date January 09 20
86. M und fur die Hohe der Wasser fassung 605 65 m u M angegeben Aus den erhaltenen Baupl nen k nnen allerdings ge nauere Angaben gewonnen werden h1 474 0 m M H he der Turbine 3 h2 604 6 m M H he des Wasser spiegels im Entsan der Das ergibt eine Bruttoh he von h h2 hl 604 6 m 474 130 6 m Abbildung 22 Bestimmung der Bruttoh he Tobias Burch Silvan Gisler 21 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 1 2 Durchflussmessung Druckleitung 6 1 2 1 Beschreibung Als erstes wird die Hohendifferenz vom Wasserspiegel im Entsander zur Oberkante des Be ckens gemessen Anschliessend wird der Schieber in der Zuleitung zum Entsander ge schlossen Nach Ablauf der Zeit t wird die Hohendifferenz nochmals gemessen Da der Schieber allerdings nicht ganz abdichtet muss das immer noch in den Entsander einflies sende Wasser ebenfalls berucksichtigt werden So kann anschliessend berechnet werden welches Wasservolumen wahrend der Zeit t durch die Druckleitung fliesst Damit kann auf den Volumenstrom m s oder 1 5 geschlossen werden 6 1 2 2 Daten 4 54 m Lange des Entsanders b 2 02 Breite des Entsanders h1 0 23m Wasserh he mit offenem Schieber h2 Wasserhohe nach der Zeit t Vz Volumen welches bei geschlossenem Schieber noch in den Entsander fliesst t Messzeit Schieber geschlossen Abbildung 23 Volumen des Entsan
87. Rohr Das Rohr hat an der Messstelle einen Durchmesser von 18 cm Daraus folgt ein Querschnitt von 2 A en 0 02545 unddamit v L _ 3888 2 0 02545 Somit kann die Leistung wie folgt berechnet werden 2 15 8 4 10 Tobias Burch Silvan Gisler 25 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 3 Messung der elektrischen Leistungsabgabe 6 3 1 Messmittel Die Hochschule Luzern Technik und Architektur besitzt das mobile Leistungsmessger t Fluke 435 Power Quality Analyzer Inventarnummer 31 202 Dieses Messger t wurde f r Mes sungen auf der Anlage verwendet Mit diesem Ger t kann unter anderem die Wirkleistung Blindleistung Scheinleistung und der Leistungsfaktor genau bestimmt werden Zudem stellt es direkt die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in einem Zeigerdiagramm grafisch dar Am Leistungsmessger t Fluke 435 werden zur Strommessung drei Stromzangen vom Typ PR 430 angeschlossen Inventar Abbildung 25 Fluke 435 nummer 11 541 11 543 11 544 Unten sind zwei Abbildungen vom Display des Fluke 435 zu sehen Leistung und Energie Uy Fund 231 0 Vo runa 231 1 Us Fund 231 1 Hz 50 03 OU ae 0 Arms 45 6 Hoe 120 1 OU Ap 240 Urms 23180 231 13 12720707 20 30 32 2300 50Hz38 WYE 50160 12210207 13 50 37 3980 50Hz38 DELTA 50160 BACK
88. S ce 5 T CH 6062 Wilen BDA Steuerung 2 Te N Wu SQ co 24VDC 24VDC 6 8 14 0 13 97 13 8K1 4F3 8K3 8 1 4 3 8 3 14 98 14 19 1 19 1 19 1 88 19 1 Br Strahlablenker Turbine Generatorsch tz Ein Motorschutzschalter Kondensatorsch tz Ein WIENER __ ay 4251 o Positionsschalter Strahlablenker 14 5 a asa Fass Burch Maschinentechnik Projekt Ree SE ECK eater T c E 5 2 CH 6062 Wilen Kraftwer ANr BDA SES Steuerung 3 19 6 19 6 19 6 19 6 Freigabe SPS Blitzleuchte 13K1 13K3 A 13K5 A 13K7 A SPS Freigabe Kompensation Blitzleuchte Wassermangel 12 9 95 14 0 129 14 0 l Fuss Te 9 e a ee Burch Maschinentechnik Projekt Kleinwasserkraftwerk Kunde Gebr Burch T eee CH 6062 Wilen Kraftwerk ANr BDA Blatt Nr usp Cid Steuerung 4 12 9 weg NL 24VDC 450 7 8 18 5 7 8 ee ER Drucksensor A1 14K4 Uberwachung Wellendrehzahl 19A1 2e Ar Impuls P Impuls Q _ 13 9 ae 16 0 ee ge
89. Salathe bedanken Immer wieder bekamen wir hilfreiche Tipps um das Projekt voranzutreiben Bei allen erw hnten Personen und all denjenigen die nicht explizit erw hnt wurden welche aber in irgendeiner Weise zum gelingen unserer Diplomarbeit beigetragen haben m chten wir uns herzlichst bedanken Unsere Freude ber das gelungene Projekt ist sehr gross Wir haben wohl eine der am meisten benutzten Diplomarbeiten erstellt Denn die Kraftwerkanlage ist im Normalfall 24 Stunden am Tag in Betrieb und dies das ganze Jahr ber Tobias Burch Silvan Gisler Tobias Burch Silvan Gisler 118 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 8 Literatur 8 1 Bucher Wahl Dimensionierung und Abnahme einer Kleinturbine M Roth PACER Bundesamt fur Konjunkturfragen ISBN 3 905232 72 3 Generatoren und elektrische Installationen R Widmer PACER Bundesamt f r Konjunkturfragen ISBN 3 905232 70 7 Wasserturbinen R Widmer und H Kaspar PACER Bundesamt f r Konjunkturfragen ISBN 3 905232 54 5 Turbinenregelung und Schutzmassnahmen R Widmer und U Meier PACER Bundesamt f r Konjunkturfragen ISBN 3 905232 71 5 Technische Normen EG Maschinenrichtlinie 98 37 EG Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis Taschenbuch der Regelungstechnik H Lutz und W Wendt ISBN 978 3 8171 1807 6 8 2 Internet Kobel Steuer und Regeltechn
90. Steuerschrank Datenaufzeichnung Tobias Burch Silvan Gisler Seite 5 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 2 Risikobeurteilung Die Risikobeurteilung erfolgt nach den Schritten der Europ ischen Norm 1050 1996 Bild 1 in einem iterativen Prozess zum Erreichen der Sicherheit Bestimmung der Grenzen der Maschine Risikobeurteilung Risikoanalyse Identifizierung der Gef hrdungen Risikobewertung Ist die Maschine sicher i Risikoeinsch tzung Abbildung 1 Risikobeurteilung EN 1050 1996 Bild 1 Tobias Burch Silvan Gisler Seite 6 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 2 1 2 1 1 Steuerungstechnik Elektrische Gefahrdung durch direkte Beruhrung von Personen mit unter Spannung stehenden Teilen Gegenmassnahmen Schaltschrank abgeschlossen gt Offnen des Schaltschrankes nur spannungslos und von instruiertem Fachpersonal Restrisiko sehr klein Akzeptiert JA Ber hrung von Personen mit Teilen die durch Fehlzust nde spannungsf hrend geworden sind Gegenmassnahmen Schaltschrank abgeschlossen gt Erdung Leistungsschutzschalter Restrisiko sehr klein Akzeptiert JA Unerwarteter Anlauf durch Wiederherstellung der Energiezuf hrung nach einer Unterbrechung Gegenmassnahmen Manueller Neustart der gesamten Anlage Restrisiko sehr klein Akzeptiert JA Bedienungsfehler Gegenmassnahmen Schulung des Bedienpersonals Nur eine Fachkraft darf die Anlage bedienen Weite
91. Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung ra k 2909 ssensu Bes YIULPSJUSUIYOSe Y YING r Buni nals 3 ONIVd INY MAM 5 a uassne SNeYUSUIyose Fl Jayus gejyens Bunvayyonig ayua geiyeng So 9H9 1 lleuSssuonisoq J yuopwopnuq i T 59 159 819 gu ei L at al L s a r s j een MEN zx gemag X JH LX FL r Zb z CAF MS 6 H i 9 9 F 0 68 Tobias Burch Silvan Gisler Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 2 Konzession KONZESSION ZUR AUSNUETZUNG DER WASSERKRAFT DES GERISBACHES GEMEINDE SARNEN vom 28 August 1984 Der Regierungsrat des Kantons Obwalden gestiitzt auf Artikel 76 Absatz 2 Ziffer 6 der Kantonsverfassung vom 19 Mai 19681 in Anwendung von Artikel 38 ff des Bundesgesetzes ber die Nutz barmachung der Wasserkr fte vom 22 Dezember 19167 und Artikel 37 ff des kantonalen Gesetzes ber Wasserbaupolizei Wasserrechte und Gew sserkorrektionen vom 9 April 1877 28 April 19073 verleiht den Gebr
92. Tobias Burch Silvan Gisler Seite 22 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 13 2 Netzspannungsfehler Dieser Fehler tritt auf wenn keine richtige Spannungs versorgung an der Anlage anliegt bzw wenn die Anlage nicht richtig am Netz ist Es kann sein dass an einem einzelnen oder mehreren Polleiter keine oder unzureichend Spannung anliegt oder dass Die Drehrichtung des Drehfeldes falsch ist berpr fen Sie in diesem Fall ob alle Sicherungen in Ordnung sind oder der Fehler m glicherweise vom Netzbetreiber verursacht wird 13 3 Netzfrequenzfehler Dieser Fehler signalisiert einen Fehler der Netzfrequenz Da die gesamte Anlage parallel zum Netz betrieben wird kann es sich hierbei fast nur um einen Fehler vom Netzbetreiber handeln Warten Sie deshalb bis der Fehler behoben ist und ver suchen Sie dann die Anlage neu zu starten 13 4 Drehzahlfehler Dieser Fehler besagt dass die Drehzahl der Turbine bzw des Generators h her oder tiefer war als zul ssig Dazu kann es kommen wenn der Generator nicht richtig am Netz angeschlossen ist oder gar durch etwas blockiert wird berpr fen Sie auf jeden Fall gr ndlich die Anlage bevor Sie einen Neustart versuchen 13 5 Fehler Druckschalter Wenn dieser Fehler auftritt so bedeutet dies dass sich in folge von Wassermangel die Druckleitung geleert hat Dadurch ist der Druck in der Druckleitung zu weit abge sunken Reinigen Sie den Wasserzufluss und den Einlaufr
93. Wilen OW Technik amp Architektur 2 2 3 Datenaufzeichnung Bisher wurde von den Betreibern der Anlage selbst Statistik daruber gefuhrt wie viel Wirkenergie das Kraftwerk produziert hat Zuk nftig soll diese Datenaufzeichnung automatisch erfolgen Der Betrag an produzierter elektrischer Wirkenergie muss f r einzelne Tage und Monate abgespeichert und visualisiert werden Die Datenaufzeichnung ist ebenfalls der Steuerung untergeordnet Sie soll aber noch funktionieren wenn die Pegelstandsregelung inaktiv ist Tobias Burch Silvan Gisler 18 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 Recherche und Analyse 2 3 1 Sicherheitsvorschriften und Schutzfunktionen Laut Herr Schadler vom EWO gibt es vom Elektrizit tswerk keine bestimmten Vorschriften welche beachtet werden m ssen Wenn die zuk nftige Installation die gleichen Sicherheitskomponenten enthalte gen ge dies Es m ssen aber grunds tzlich die geltenden Vorschriften des ESTI NIN usw eingehalten werden In den Dokumentationen vom Impulsprogramm PACER ber erneuerbare Energien des Bundesamtes f r Konjunkturfragen wird eine Zusammenstellung von erforderlichen Schutzmassnahmen dargelegt Das Dokument Dimensionierung Kleinwasserkraftwerke Generatoren und elektrische Installationen von PACER befindet sich auf der beigelegten CD unter Dokumentation Dokumentationsdeta
94. allf llige M ngel oder Defekte sofort von einem Fachmann beheben zu lassen N Wenn M ngel oder Defekte gefunden werden darf die Anlage nicht wieder in Betrieb genommen werden bis die Anlage wieder in einwandfreiem Zustand ist 12 2 Elektrische Installationen gt Der Schaltschrank ist regelm ssig von Schmutz und anderen Gegenst nden zu befreien Um den Schaltschrank zu reinigen ist die Gesamte Anlage vom Netz zu A trennen Schalten die dazu den Anlagenhauptschalter aus gt Die Not Aus Funktion der Anlage ist mindestens einmal pro Jahr zu berpr fen gt Defekte Anlageteile sind sofort von einem Fachmann ersetzen zu lassen Bei Fehl funktionen irgendwelcher Art ist die Anlage sofort vom Netz zu trennen Die Anlage darf dann nicht mehr in Betrieb genommen werden bis ein sicherer Betrieb gew hr leistet werden kann Tobias Burch Silvan Gisler Seite 21 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 13 Fehlermeldungen Fehlerbehebungen Alle Fehlermeldungen die auftreten werden in einer Fehlertabelle mit Uhrzeit und Datum gespeichert Um die aufgetretenen Fehler anzusehen gehen Sie folgendermassen vor 1 Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird drucken Sie die Taste Bedienung 2 Drucken Sie nun die Taste gt gt gt um auf die Seite i S 1772008 03 04 50 PM Bedienung Seite 2 zu gelangen 93 94 59 DM 3 Dr cken Sie die Taste Fehleraufzeichnung um d
95. an Gisler 42 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 10 Druck in Abhangigkeit der Wirkleistung Deutlich zu erkennen ist in der unteren Abbildung wie der Druck quadratisch mit dem Durch fluss abnimmt Der Druckverlust in der Leitung berechnet sich mit Mit oz Dichte in kg m v mittlere Fliessgeschwindigkeit in m s Rohrreibungszahl dimensionslos Lange der Rohrleitung in m d Durchmesser der Rohrleitungin m Widerstandszahl dimensionslos Wobei die Geschwindigkeit v linear mit dem Durchfluss zunimmt Q v Druck Abh ngigkeit des Durchflusses 13 00 Druck vor Turbine bar Polynomisch Druck vor Turbine bar 11 80 11 60 11 40 11 20 0 0017 2 0 0028x 12 772 11 00 5 10 25 15 Durchfluss I S Abbildung 39 Druck in Abhangigkeit des Durchflusses Tobias Burch Silvan Gisler 43 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 11 Durchfluss in Abhangigkeit der Wirkleistung Theoretisch musste die Kurve mit steigender Leistung eher abflachen da sich die Leistung nach Bernoulli folgendermassen verh lt 6 y P m e p Q 3 gt Die Leistung aus der Geschwindigkeit m sste also quadratisch mit der Fliessgeschwindigkeit zunehmen wenn der statisc
96. ann vor Ort mittels eines Drucksensors oder mit einem Distanzsensor erfasst werden Einen Sensor beim Entsander zu montieren ist kein Problem Aber damit das Messsignal zur Steuerung im Maschinenraum bermittelt werden kann sind gr ssere zus tzliche Massnahmen notwendig Bei der Wasserfassung ist kein elektrischer Energieanschluss vorhanden Zudem f hrt kein Leerrohr vom Maschinenhaus zur Wasserfassung Um den Sensorwert auf irgendeine Art und Weise vom Entsander ins Maschinenhaus zu bermitteln ist grosser Installations respektive Kostenaufwand notwendig Tobias Burch Silvan Gisler 26 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 7 Datenaufzeichnung Bei der Datenaufzeichnung wird davon ausgegangen dass ein anderes Betriebsmittel pro kWh ein Signalimpuls ausgibt und dieser vom Datenaufzeichnungssystem erfasst wird M gliche L sungen zur Datenaufzeichnung Computer Abbildung 2 7 M gliche L sungen zur Datenaufzeichnung 2 3 7 1 Computer Die Datenaufzeichnung ist mit einem PC und der entsprechenden Peripherie einfach zu realisieren Eine Software l uft auf dem Rechner und zeichnet die ber die digitale Schnittstelle eingelesenen Impulse eines Energiez hlers ber die Peripherieschnittstelle auf Die gez hlten Impulse werden auf dem Computer in einer Datenbank gespeichert 2 3 7 2 Laptop Bei dieser Variante
97. arbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Die Strombegrenzung des Motors muss auf 202 gesetzt werden da das Nenndrehmoment des Motors gr sser ist als fur die Anwendung zul ssig ist 5 2 5 Maxon EPOS P Abbildung 5 5 Maxon EPOS P Die Motorsteuerung EPOS von Maxon ist ein vollumf nglicher Motorkontroller mit diversen Schnittstellen Die Schnittstellen umfassen digitale und analoge Ein und Ausg nge und zudem eine CAN Bus Schnittstelle Der Motorkontroller weisst verschiedenste bereits vordefinierte Betriebsmodi auf Somit l sst sich ein dazu passender Motor mit relativ wenig Aufwand sicher und optimal betreiben Als weiteren sehr grossen Vorteil besitzt die Motorsteuerung einen PLC Programmable Logical Unit Dieser kann mittels einer Programmiersoftware individuell programmiert werden Somit lassen sich z B anhand von verschiedenen Signalzust nden an den Ein und Ausg ngen des Kontrollers diverse Positionierungen vornehmen 5 2 6 Maxon DC Motor F r die Verstellung der Trapezspindel respektive der Nadel wird ein DC Motor von Maxon eingesetzt Der RE 25 Motor mit einer Leistung von 10 W besitzt am Wellenabgang ein dreistufiges Planetengetriebe vom Typ GP 26 B mit einer gesamthaften Untersetzung von 231 1 Da der DC Motor ein f r das Getriebe zu hohes Drehmoment aufweisst muss der Motorenstrom begrenzt werden Die Auslegung des Getr
98. assung nur schwer zu realisieren ist 5 Die Wasserkonzession l uft per 31 Dezember 2009 ab Es wird empfohlen sich mit der Erneuerung der Konzession ab Anfang des Jahres 2009 zu befassen und die n tigen Schritte einzuleiten um die Konzession zu erneuern Eine allf llige Weiterverfolgung des Projekts als Bachelor Diplomarbeit im Bereich Elektro technik wird empfohlen Das Schwergewicht ist auf die Punkte 2 und 3 zu legen da die rest lichen Punkte keine elektrotechnischen Probleme sind Um den Punkt 1 zu erf llen kann mit der Firma Sigrist AG in Sachseln Kontakt aufgenom men werden Bei dieser wurde im November 2007 bereits eine m ndliche Offerte eingeholt Der Peis ist dem Kapitel 11 zu entnehmen Tobias Burch Silvan Gisler 57 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 13 Schlussdiskussion Trotz anfanglicher Erkenntnis dass zum Wasserkraftwerk ausser der Wasserkonzession und den Bauwerkplanen keinerlei Dokumente existieren konnte die gesamte Anlage sehr gut analysiert und dokumentiert werden Damit dies ausfuhrlich und moglichst genau gemacht werden konnte waren diverse Messungen an der Anlage erforderlich Anhand der erfassten Daten wurden die daraus resultierenden Schlusse gezogen Hierbei wurde schon bald er sichtlich dass die gesamte Kraftwerksanlage trotz der sehr alten Turbine und dem zu gross ausgelegten Generator einen relativ guten Wirkungsgrad hat Im Vergleich
99. aus Manometer Druckschalter x Lo Druckleitung Turbine Absperrschieber 2 Sarnersee Abbildung 3 Hydraulikschema Tobias Burch Silvan Gisler 11 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 5 2 Wasserfassung 5 2 1 Bauplan von 1984 Einlaufrechen Neung der Bachspenne EN 2 00 5 eil Entsanger fur KW KEE Fae Einlauf vem Gerishoch Bestehens Bachsperre iri ufer Bestehende Bochsperre Nr f 5 Abbildung 5 Bauplan Wasserfassung Grundriss Tobias Burch Silvan Gisler 12 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 5 2 2 Wassereinlauf lo 4 Abbildung 6 Wassereinlauf 5 2 3 Entsander Abbildung 8 Uberlauf Vom Wassereinlauf wird das Wasser direkt in den Entsander geleitet Hinter diesem ersten Treibgut rechen befindet sich ein Schieber mit welchem der Zufluss zum Entsander gestoppt werden kann Wenn die Turbine infolge von zu geringer Was sermenge nicht voll belastet werden konnte so lag das bisher fast immer daran dass dieser Rechen durch Laubansammlung oder Eisbildung teilweise verstopft war Der Entsander ist ein 4 5 m x 2 m x 2 25 m grosses Auffangbecken welches in der Mitte durch eine durchlassige Bretterwand
100. ber nicht zu untersch tzen Es m ssen diverse Parameter berwacht und anhand von diesen reagiert werden damit ein sicherer Betrieb gew hrleistet werden kann Tobias Burch Silvan Gisler 24 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 5 Nadel verstellen Um die Nadel der Duse zu verstellen bestehen diverse Moglichkeiten Damit an der bestehenden Anlage nicht zu grosse Anderungen gemacht werden mussen wird bevorzugt die Nadelverstellung Uber die bereits montierte Spindel zu bewerkstelligen Somit muss lediglich ein Antrieb angebracht werden welcher die Spindel in beide Richtungen drehen kann Mogliche Losungen fur das Teilproblem Nadel verstellen DC Motor AC Motor Computer Abbildung 2 5 Mogliche Losungen Motor Nadelverstellung 2 3 5 1 DC Motor DC Motoren sind gut anzusteuern und regelbar Fur die optimale Ansteuerung werden exakt auf den Motor abgestimmte Motorkontroller angeboten Der Motor hat ein sehr hohes Anfahrmoment und je nach Bauart eine Abtriebsdrehzahl von einigen bis mehreren tausend Umdrehungen pro Minute Somit muss f r dessen Einsatz ein Getriebe mit entsprechender Untersetzung angebracht werden DC Getriebemotoren Einheiten sind auf dem Markt weit verbreitet und praktisch in jeder Baugr sse gut zu beschaffen Je nach Qualit t der Kohleb rsten macht sich deren Verschleiss fr her oder sp ter beme
101. betrieb eignet Nach R cksprache mit dem Lieferant wurde ersichtlich dass die Abkl rungen bei der Bestellung von Seite des Lieferanten nicht gen gend waren Deshalb wurde anerboten ein geeignetes Ger t vom Typ EM26 mit denselben Montagemassen im Austauschverfahren auszuliefern Da diese Austauschlieferung keine Kostenfolge f r uns als Kunden mit sich zog wurde dieses Angebot dankend angenommen Doch leider stellte sich auch beim neu zugesandten Ger t heraus dass noch immer ein kleiner Wunsch nicht abgedeckt werden konnte Die elektrische Wirk und Blindenergie wird vom Ger t korrekt erfasst Jedoch wird nur die Wirkenergie an den Impulsausg ngen ausgegeben Gefordert w re auch die Impulsausgabe der Blindenergie Die SPS kann somit die vom Generator verursachte Blindenergie nicht erfassen Diese Funktion ist f r den Betrieb des Kraftwerks aber nicht unbedingt notwendig Bei der Datenaufzeichnung h tte so aber auch die Blindenergie erfasst werden k nnen Die Wirkenergie wird korrekt gez hlt und in der Datenaufzeichnung gespeichert Weitere Abkl rungen betreffend der Impulsausgabe von Blindenergie laufen Tobias Burch Silvan Gisler 114 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 7 2 2 Regelung Die Regelung erwies sich bei der Inbetriebnahme mit dem erstimplementierten Regelalgorithmus als nicht optimal Nach ein paar Anderungen
102. ch Resirisiko vorhanden Akzeptiert JA 2 2 4 Gefahrdung durch Flussigkeiten unter Druck Druckleitung Gegenmassnahmen Str mungs nderungen werden langsam vorgenommen Restrisiko gering Akzeptiert JA Tobias Burch Silvan Gisler Seite 10 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 2 3 Bedienpersonal In der folgenden Tabelle werden Personen und Tatigkeiten an der Kraftwerkanlage aufgelistet Bezeichnung Anlagenbetreuer Anlagenbediener Betriebselektriker mit Unterweisung Hilfskraft Betriebsmechaniker 3 mit Unterweisung Bemerkung Uberwachen der Maschine und Durchfuhren von leichteren Wartungsarbeiten Selbst ndiges Bedienen der Maschine Eingewiesen durch ausgebildetes Personal Wartung und Unterhalt an der Maschine nach Absprache mit Vorgesetzten und eingewiesen durch ausgebildetes Personal Vorrichtung und Unterhalt an Maschine nach Absprache mit Vorgesetzten und eingewiesen durch ausgebildetes Personal F hrt indirekte nicht produktive Arbeiten an der Anlage unter Immer unter Aufsicht Aufsicht aus Nicht aufgef hrtes Personal darf an der Kraftwerkanlage nicht arbeiten Tobias Burch Silvan Gisler Seite 11 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 3 Schutzmassnahmen 3 1 Konstruktive Schutzmassnahmen 3 1 1 Bei der konstruktiven Auslegung der Installation wurde Wert gelegt auf Sehr stabile Konstruktion Damit k nnen Vibrationen und L
103. chitektur werden Zudem mussen digitale Instrumente fur dessen Betrieb separat mit Spannung versorgt werden Der Nachteil der digitalen Anzeigeinstrumente ist dass nicht auf Anhieb erkenntlich ist in welchem Bereich der Messbereichsspanne sich der momentan gemessene Wert befindet 2 3 3 2 Analoge Anzeigeinstrumente Die analogen Anzeigeinstrumente werden nicht mehr haufig eingesetzt da diese jeweils im unteren Messbereich ungenau werden Zudem geschehen bei der Ablesung Fehler welche wegen des Parallaxefehlers hervorgerufen werden Durch den relativ aufw ndigen mechanischen Aufbau des Instruments ist dieses teuerer als ein digitales Anzeigeinstrument Der Vorteil des analogen Messinstruments liegt darin dass dieses keine separate Spannungsversorgung ben tigt und der Messbereich sofort ersichtlich ist 2 3 3 3 Multifunktionsmessger t Multifunktionsmessger te weisen einen sehr kompakten und funktionellen Aufbau auf Dank der Kombination dass Strom und Spannung erfasst werden besitzen diese Messinstrumente Funktionen um Wirk und Scheinleistung anzuzeigen Dar ber hinaus dienen diese Instrumente auch als Energiez hler Der gemessene Energiefluss wird nach Bedarf auf der Anzeige angezeigt Zudem weisen einige Ger te die Funktion auf dass diese kWh Impulse ausgeben k nnen Diese Impulse sind unter Umst nden f r andere Steuerungskomponenten oder zur Datenaufzeichnung sehr n tzlich Tobias Burch Silvan Gisler 23 Bachelor Di
104. chmesser _ 2 68cm 0 0621 Strahlkreisdurchmesser 43 14 cm Sollte laut dem Buch Kleinwasserkraftwerke Wasserturbinen zwischen 1 7 und 1 30 liegen Ist somit in Ordnung Strahlkreisdurchmesser _ 43 14 _507 Becherbreite 8 5 cm Sollte laut Herr Prof Dr Thomas Staubli vom CC Fluidmechanik amp Hydromaschinen etwa 3 ergeben Ist also leicht daneben Tobias Burch Silvan Gisler 33 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 7 Generator In den folgenden Berechnungen sollen alle Komponenten des Asynchron Generators be stimmt werden Das vollstandige einphasige T Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine sieht wie folgt aus R Ls Reg Uy Abbildung 31 Vollst ndiges T Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine Statorwiderstand verursacht Verluste Lot Stator Streuinduktivitat Lh Hauptinduktivitat R Eisenwiderstand verursacht Verluste Lo Rotor Streuinduktivit t Ro Rotorwiderstand auf Statorseite transformiert verursacht Verluste Rs In diesem Widerstand entsteht die mechanische Leistung Der Widerstand R1 kann mit einem einfachen Ohmmeter gemessen werden Da man sich bei L und bei Lp einen Kurzschluss denken kann wird so nur noch angezeigt 0 330 6 7 1 mit Schlupf 0 Als nachstes wird bei Duse genau so viel Wasser auf die Turbine gelassen dass der Schlupf s
105. d Ausgange der Maxon EPOS P Tobias Burch Silvan Gisler 69 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Pin 7 DigIn 2 Pin 8 DigIn 1 Pin 10 DigOut 4 Pin 11 DigOut 3 Pin 12 DigOut 2 Pin 13 DigOut 1 Pin 16 Anin 1 HomingSignal Gibt an ob die 5 eine Referenzierungsfahrt ausfuhren soll oder nicht PositioningSignal Gibt an ob die EPOS P eine Positionierung vornehmen darf oder nicht HomingError Gibt an ob wahrend der Referenzierungsfahrt ein Fehler aufgetreten ist HomingDone Gibt an ob die Referenzierungsfahrt erfolgreich war PositioningError Gibt an w hrend der Positionierungsfahrt ein Fehler aufgetreten ist PositioningDone Gibt an ob die Positionierung erfolgreich war AnalogValue Mit 0 V bis 5 V am Eingang wird absolut die Position der D se vorgegeben 5 V D se voll ge ffnet 100 ffnung 0 V D se voll geschlossen 0 ffnung Tobias Burch Silvan Gisler 70 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 8 Programm auf der SPS Das Programm auf der SPS beinhaltet die gesamte Intelligenz der Anlage und wird somit recht komplex Deshalb wurde das Programm folgendermassen aufgeteilt Sicherheitskreis Inbetrieb
106. d die Str me stimmen bei allen 3 Messungen berein Die Spannungs werte stimmen ebenfalls berein Zu beachten ist lediglich dass das Messger t Fluke 435 bei den jeweiligen Messschemas die Spannungen verschieden darstellt resp berechnet Strangspannung oder verkettete Spannung Berechnet man anhand der gewonnen Mess werte die Scheinleistung aus Spannung und Strom so erh lt man die Scheinleistung wie sie beim PM3000 und Fluke 435 mit Messschema mit Neutralleiter angegeben werden Bei der Messung mit Fluke 435 mit Messschema ohne Neutralleiter zeigt das Messger t einen ande ren Wert an Abweichungen sind auch bei der Blindleistungsanzeige ersichtlich Obwohl bei beiden Messungen mit Fluke 435 dieselbe Messschaltung verwendet wurde und an der zu Messenden Schaltung nichts ver ndert wurde werden bei den beiden Scope Bildschirmen unterschiedliche Phasenverschiebungen zwischen Spannung und Strom dar gestellt Abkl rung mit Fluke Schweiz Da die unterschiedlichen Messwerte der beiden Messungen mit Fluke 435 nach mehreren Abkl rungen und Vergleichsmessungen nicht nachvollzogen werden konnten kontaktierten wir Herr Markus Treichler der Firma Fluke Switzerland GmbH Die L sung fur unser Problem war schnell gefunden Unter den Einstellungen des Fluke 435 Setup Config muss nicht das sogenannte Messschema anhand der Last gew hlt wer den sondern nach der Art des elektrischen Versorgungsnetzes Das heisst f r die Anwen dung in de
107. den Fehlersimulation und Funktionstests gewissenhaft durchzufuhren Die Anlage darf erst an den Besitzer bergeben werden wenn alle Testfalle durchgef hrt werden konnten und jeweils die erwarteten Ergebnisse erreicht wurden 6 1 Fehlersimulation 6 1 1 Not Aus Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen 6 1 2 Druckschalter Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Tobias Burch Silvan Gisler Anlage l uft in Volllastbetrieb Not Aus Taste bet tigen Strahlablenker f llt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Not Aus Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben Anlage l uft in Volllastbetrieb Druckschalter l st aus Druckabfall in Druckmessleitung verursachen Strahlablenker f llt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Druckschalter Anlage nicht einschaltbar bis der Fehler behoben ist 104 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 1 3 Phasenausfall L1 Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen 6 1 4 Phasenausfall L2 Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen 6 1 5 Phasenausfall L3 Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Tobias Burch Silvan Gisler Anlage l
108. dern Josef und Robert Burch S gerei Wilen das Recht die Wasserkraft des Gerisbaches zur Erzeugung elektrischer Energie gem ss den nachstehenden Bestimmungen zu nutzen Art 1 Gegenstand und Umfang 1 Die vorliegende Konzession umfasst das Recht aus dem Geris bach Wasser zu entnehmen und dieses in der S gerei in Oberwilen zur Erzeugung elektrischer Energie oder als L schwasser zu verwen den 2 Die technischen Daten der Anlage lauten Wasserfassung Kote 605 65 Wasserr ckgabe Sarnersee Kote 469 40 Mittelwasserstand mittleres Bruttogef lle 136 25 m Lage Pelton Turbine Kote 475 00 m Druckleitung Durchmesser 130 160 mm L nge ca 1000 00 m Wassermenge max 16 70 1 s Bruttoleistung 30 00 PS t XII 1 2 SR 721 80 LB 259 und IV 249 Tobias Burch Silvan Gier _ 69 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 3 Folgende Akten und technische Unterlagen bilden integrierende Bestandteile dieser Konzession Technischer Bericht vom 12 M rz 1984 Situation Maschinenhaus 1 500 vom 2 Februar 1984 3 Situationen Druckleitung 1 2000 Plan Wasserfassung 1 50 vom 1 M rz 1984 Plan Maschinenhaus 1 20 vom 1 M rz 1984 Art 2 Dauer Die Konzession wird r ckwirkend auf den 1 Januar 1984 erteilt und dauert 25 Jahre also bis 31 Dezember 2009 Art 3 Beendigung 1 Die Konzession erlischt a wenn die Konzession re darauf verzichten b nac
109. ders Ah h2 hl Draus folgt ein Volumen von V a b Ah V Mit der Zeitt kann nun der Volumenstrom berechnet werden V a b Ah V Tobias Burch Silvan Gisler 22 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 1 3 Leistungsberechnung Die Formel zur Berechnung der Brutto Energie potentielle Energie lautet E m g h Brutto Leistung ist Energie pro Zeit Deshalb kann anstelle der Masse m der Massenstrom mit der Einheit kg s eingesetzt werden Dies ergibt folgende Formel 07 m g hp mit Das Wasser ist auch warmen Jahreszeiten ziemlich kalt so dass es idealisiert als 4 C angenommen werden kann Die Dichte p betr gt somit 1000 kg m Daraus folgt V a b Ah V Fuss og Da TE Or Ehe Tobias Burch Silvan Gisler 23 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 2 Leistung vor der Turbine Wenn die Leistung vor der Turbine bekannt ist so kann anschliessend berechnet werden wie gross der Leistungsverlust in der Druckleitung ist Somit kann auch der Wirkungsgrad der Druckleitung bestimmt werden 6 2 1 Druckmessung vor Turbine 6 2 1 1 Beschreibung Der Entsander und die Druckleitung werden vollkommen entleert Anschliessend kann neben dem bereits bestehenden Manometer ein pr ziserer Differenz Drucksensor angebracht und ein digitales Anzeigeger t angesc
110. die SET nlc cheer IDLE a aes TONAT A laufender Monat kWh A Daten gerne hatten Es wird ein Fenster ge ffnet in welchem Sie f r jeden einzelnen Tag im gew hlten Monat die Produktionsmenge ablesen k nnen Durch dr cken auf die Taste Produktion gelangt 21 9 12 1999 1999 24 1999 16 1999 26 1999 17 1889 18 1999 19 1999 17 1999 11 7999 12 999 1 1999 14 1999 15 7999 16 7999 17 1899 18 1999 19 7999 20 1399 21 189 221929 23 1909 24 1009 25 1999 26 1999 27 1999 28 1999 29 589 1999 31 1999 man zur ck zum Bildschirm Produktion Produktion 7 Wenn Sie eine Auflistung der Produktion f r einzelne Monate sehen m chten so dr cken Sie die Taste Monatsauflistung ansonsten gehen Sie bitte zu Schritt 11 8 Nun k nnen Sie das Jahr w hlen von dem Sie die Daten m chten 9 Es wird ein Fenster ge ffnet in welchem Sie f r jeden einzelnen Monat im gew hlten Jahr die Produktionsmenge ablesen k nnen 10 Durch dr cken auf die Taste Produktion gelangt man zur ck zum Bildschirm Produktion 00599 kWh August 59099 Ruh September 92092 kWh 99999 KWA Oktober 00000 kWh 00999 Kuh November 99999 kWh 190999 kWh Dezember 66699 kWh Produktion Tobias Burch Silvan Gisler Seite 16 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 11 Durch drucken der Taste Jahresverlauf gelangt zu einer grafischen bersicht welche He
111. die Seite Bedienung Seite 1 zu gelangen 2 Dr cken Sie auf das Eingabefeld D sen ffnung 9097 3 Es ffnet sich nun eine Bildschirm Tastatur Mit Hilfe Tastatur k nnen Sie die gew nschte D sen ffnung in Prozent 0 100 eingeben 4 Best tigen Sie Ihre Eingabe durch Dr cken auf Enter 5 Wenn sich der eingegebene Wert vom vorherigen Wert unterscheidet so bewegt der Stellmotor nun die Nadel an die gew hlte Position Wenn ein neuer Wert f r die D sen ffnung eingegeben wird so beginnt der AN Stellmotor zu drehen Niemals die H nde in die N he des Stellmotors den Zahnriemen oder die Spindel halten besonders dann nicht wenn der Stellmotor sich dreht Wenn das Eingabefeld D sen ffnung nicht sichtbar ist so m ssen sie wahr CS 2 2 gcheinlich die Regelung deaktivieren Das vorgehen dazu finden sie im Kapitel Aktivieren und Deaktivieren der Regelung Wenn der Motor nicht die richtige Position anf hrt so ist er m glicherweise CS nicht richtig referenziert Starten Sie in diesem Fall eine neue Referenzierung gem ss Kapitel Referenzierung des Stellmotors Tobias Burch Silvan Gisler Seite 13 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 6 Inbetriebnahme der Anlage Wenn keine Fehler anliegen kann die Anlage folgendermassen in Betrieb genommen werden 1 Auf dem Touchscreen wird die Startseite angezeigt 2 Dr cken sie die Taste Bedienung um auf die Seite Bedienung
112. dringt ist ein Absperr schieber montiert Nach dem Absperrschie ber befindet sich nur noch ein kurzes Rohr stuck von ca 1 m Lange welches das Was ser zur Duse leitet Zur Anzeige des aktuellen Drucks in der Druckleitung ist am Druckleitungsrohr ein Manometer angebracht Zudem ist unmittel bar daneben ein Druckschalter angebracht Dieser ist auf einen Schwellwert von ca 10 bar eingestellt Sobald nicht mehr gen gend Wasser beim Wassereinlauf durch fliesst senkt sich der Wasserspiegel im Ent sander und anschliessend in der Drucklei tung ab Wird der eingestellte Schwellwert unterschritten so wird der Generator vom Netz getrennt und der Strahlablenker in Arbeitstellung gebracht Tobias Burch Silvan Gisler 17 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 5 4 4 Strahlablenker Abbildung 15 Handrad und Strahlablenker 5 4 5 Duse Abbildung 17 Peltonlaufrad Strahlablenker Mundst ck und Nadel vlnr Damit die Turbine bei einem Lastabfall nicht durchgeht ist nach der Duse ein Strahl ablenker angebracht Dieser wird bei Normalbetrieb der Turbine von einem Elek tromagneten festgehalten Die Konstruktion respektive das Eigengewicht des Strahl ablenkers ist so ausgelegt dass dieser bei spannungslosem Elektromagneten durch die Erdanziehungskraft in Arbeitstellung bewegt wird Nach einem Ausfall der Anlage muss der Strahlablenker von Hand wieder
113. duzieren Dazu kann es kommen wenn zu wenig Wasser in der Druckleitung ist aber die Drehzahl immer noch so Hoch ist so dass die Drehzahl berwachung nicht ausl st Unter Umst nden kann auch die D se verstopft sein Tobias Burch Silvan Gisler Seite 24 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 13 10 Referenzierungsfehler Ein solcher Fehler tritt auf wenn der Stellantrieb nicht richtig referenziert ist Dazu kann es kommen wenn die EPOS eine Zeit lang keine Spannungsversorgung mehr hat und dadurch Ihre aktuelle Position verliert Starten Sie in diesem Fall eine neue Referenzierung gem ss dem Kapitel Referenzierung des Stellmotors 13 11 Positionierungsfehler Dieser Fehler besagt dass es w hrend dem Verstellen der D se zu einem Fehler kam Dazu kann es kommen wenn der Stellmotor sich nicht frei drehen kann Aufgrund dieses Fehlers wird die Anlage aber nicht aus geschaltet sondern l uft mit der aktuellen D sen ffnung weiter berpr fen Sie ob der Stellmotor sich drehen kann oder ob er durch etwas blockiert wird 13 12 Warnung Teillastbetrieb Diese Warnmeldung tritt auf wenn die Regelung ein geschaltet ist und die Anlage im Teillastbetrieb arbeitet Es kann sein dass der Wasserzulauf verstopft oder ver schmutzt ist Reinigen Sie in diesem Fall den Wasserzulauf Danach sollte sich die D se wieder langsam ffnen Um ein sofortiges ffnen zu bewirken dr cken Sie die Taste Gereinigt
114. e aufzeigt wie die letzten drei Jahre verlaufen sind moe F 7 S Jan Marz Mai Juli Sap Nov Startseite Produktion 0 Die Tagesauflistung wird nur fur drei Monate gespeichert danach wird immer der jeweils alteste Monat geloscht Die Monatsauflistung wird fur drei Jahre Le gespeichert danach wird immer das jeweils lteste Jahr gel scht Werden die Daten l nger ben tigt sollten Sie unbedingt vorher abgeschrieben oder rauskopiert werden 9 Anzeigen von Anlagenparameter Die wichtigsten Anlagenparameter k nnen vom Multifunktions Anzeigegerat welches im Schaltschrank eingebaut ist abgelesen werden Es handelt sich um einen 3 Phasen Leistungs Analysator Das Ger t hat sehr viele Funktionen und wird hier deshalb nicht detailliert beschrieben Wenn weitere Funktionen ben tigt werden die hier nicht beschrieben sind so lesen Sie bitte die Bedienungsanleitung dieses Ger ts Sie befindet sich bei den brigen Anlagendokumenten Das Ger t hat auf der linken Seite einen Wahlschalter roter Pfeil Auf die Positionen des Wahlschalters k nnen beliebige Anzeigen zugeordnet werden Im Moment sind folgende Anzeigen zugeordnet Position 1 Leistung L1 L2 L3 Position 2 Spannungen Position 3 Phasenstr me L1 L2 L3 Das Ger t weist sehr viele Funktionen auf Wenn Sie weitere Funktionen ben tigen oder die Gerateeinstellungen ndern m chte
115. e D se noch haben muss bei aktivierter Regelung Tobias Burch Silvan Gisler a Dee Ee NEE 1 Cl Gol Husterase t Kompensat ion L Regelaktivi tat Regler Ausschaltpos Startseite 39 09 99 n 889 x Wms 999 999 999 Min Regel ffnung Fehler EPOS unterdr cken Startseite brige Fehler unterdr cken Datum Zeit 55 18 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 10 2 Fehler unterdrucken Mit den beiden Tasten Fehler EPOS unterdr cken und brige Fehler unterdr cken wird erreicht dass ausserhalb des Maschinenraumes keine Fehler mehr mit den Signallampen angezeigt werden Die Fehler k nnen deshalb aber trotzdem noch auftreten und der sichere Betrieb ist ebenfalls gew hrleistet Auf der Startseite wird eine Warnmeldung angezeigt wenn die Fehler anzeige deaktiviert ist 11 Datum und Uhrzeit des Touchscreens einstellen Damit die Datenaufzeichnung und die Fehlerauflistung richtig funktionieren ist es wichtig dass Datum und Uhrzeit richtig eingestellt sind Um diese richtig einzustellen muss folgendermassen vorgegangen werden 11 1 Datum und Uhrzeit des Touchscreen einstellen Um das Datum und die Uhrzeit des Touchscreens zu verandern muss folgendermassen vor gegangen werden 1 Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird drucken sie die Taste Einstellungen um auf die Seite Ein
116. e Revision sinnvoll Zudem ist die Peltonturbinen Technologie ausgereift und ndert sich schon seit vielen Jah ren praktisch nicht mehr Bis anhin wurden keine R ckstellungen f r allf llige Revisionen oder Erneuerungen ge macht Dies sollte unbedingt gemacht werden denn eine Revision oder eine Neuinstallation an einem Wasserkraftwerk kostet schnell mehrere zehntausend Franken Auch eine grosse Reparatur entspricht einer Revision So kann dann f r deren Bezahlung von den R ckstel lungen gebrauch gemacht werden Das Kraftwerk ist dank dem relativ hohen Energier cknahmetarif von 16 Rp kWh f r die Kraftwerksbesitzer rentabel Laut dem bis ins Jahr 2035 g ltigen Bundesgesetz m ssen 15 Rp kWh verg tet werden Das Elektrizit tswerk Obwalden EWO bezahlt also pro kWh 1 Rp mehr als gesetzlich gefordert Laut dem EWO ndert sich am R cknahmetarif vorl ufig nichts Im schlechtesten Fall k nnte der Tarif auf 15 Rp kWh angepasst werden Die Stromgestehungskosten sind im Vergleich mit grossen Kraftwerken sehr hoch Nur dank dem Bundesgesetz ber den speziellen Energier cknahmetarif ist dieses Kleinkraftwerk rentabel Tobias Burch Silvan Gisler 56 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 12 Empfehlungen furs weitere Vorgehen Nach Gr ndlicher Analyse der Kraftwerksanlage wird empfohlen das Projekt WKWO weiter zu verfolgen Bei diversen elektrischen und mechanischen Kompon
117. e untersuchte Anlage aber eine Turbine mit nur einer Duse hat Zr Schaufelzahl Laufrad Becherschaufel Abbildung 30 Peltonturbine hier mit 2 D sen Der Durchmesser des Wasserstrahls der auf die Becher der Turbine auftritt berechnet sich wie folgt 1 2 1 2 D 0545 2 x H N Die Nettohohe bei Volllast kann aus dem gemessenen Druck bei Volllast berechnet werden _ Pvollast _ ll52ba 0 117 43 N kg m 2 S 058 1000 981 Tobias Burch Silvan Gisler 32 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Damit wird der Strahldurchmesser 1 2 Q 0 545 3 1 2 we D 0 545 545 0 0268 m 2 68 117 43 Der Bezugsdurchmesser Wirkungsdurchmesser oder auch Strahlkreisdurchmesser D be rechnet sich mit D u De H 37 41 n u4 liegt zwischen 0 44 und 0 48 nist die Drehzahl des Rotors bzw der Turbine Wird fur u 0 48 eingesetzt so ergibt sich folgender Strahlkreisdurchmesser D S I De H 048 2 98127 11743m 0 4314m 43 14 cm i Gp 60 Dieses Ergebnis stimmt ziemlich genau mit der Angabe auf einem Notizblatt uberein wel ches bei der Anlage gefunden wurde Die Becherbreite der Turbine ist auf diesem Notizblatt mit B2 8 5 cm angegeben Mit diesen Werten konnen dann wichtige Erfahrungswerte berechnet werden Strahldur
118. eb arbeiten muss wird dies Uber die gelbe Signallampe Wassermangel ausser halb des Maschinenhauses angezeigt So hat man noch gen gend Zeit den Wasserzulauf zu reinigen bevor das Kraftwerk wegen Wassermangel abschaltet Tobias Burch Silvan Gisler Seite 15 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 8 Ablesen der Produzierten Energie Die gesamte vom Kraftwerk produzierte Wirkenergie wird von der SPS aufgezeichnet und gespeichert Eine Aufzeichnung fur einen einzelnen Tag wird fur 3 Monate gesichert Danach werden immer die jeweils altesten Daten verworfen Die Speicherung fur einen einzelnen Monat wird fur 3 Jahre gesichert Danach werden die Daten f r das jeweils lteste Jahr verworfen und k nnen nicht mehr abgelesen werden Die Daten k nnen folgendermassen abgerufen werden 1 Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird dr cken Sie die Taste Produktion um auf die Seite Produktion zu gelangen 2 Es wird nun eine Zusammenfassung der wichtigsten Aufzeichnungen angezeigt Produktion heute 999999 kWh 999999 kWh Produktion diesen Monat Produktion dieses Jahr 9999 999 Muh Durchschn Leistungstak 9 999 Tagesaut Tistung Nonatsauflistung Jahresver lauf 3 Wenn Sie eine Auflistung der Aufzeichnungen f r jeden einzelnen Tag sehen m chten so dr cken die die Taste Tagesauflistung Ansonsten gehen Sie bitte zu Schritt 7 A Nun k nnen Sie den Monat w hlen von dem Sie
119. ebnahme Regelung a a 102 514 Erkenntnisse Und a een 102 NCSU MN ASC E EAA Aa EEEE 104 6 1 ENEE EE 104 6 1 1 104 6 1 2 Druckscenalle spa 104 6 1 3 105 6 1 4 PhasenaustallE EE 105 6 1 5 a O 105 6 1 6 Ne II Gr DG02Z u 106 6 1 7 Uberdrebzahl 106 6 1 8 IVIOLOFSCHUIZSENAller 106 6 1 9 C OneratorSs NEE 107 6 1 10 Kondensatorsch 1 z 107 82 FEDVOKRHOrISI SL uy u uu EE 108 6 2 1 Einschaltdrehzahl Unterdrehzahl 108 622 Anlage een CIE 108 0 22 55 109 6 2 4 Dusenverstelling ZU EE 109 6 2 5 D senverstell ng 30 z222 22222 ren 109 6 2 6 109 6 2 7 REGGONO WEE 110 6 2 8 110 6 2 9 Datenautzechnung nano nenne nenn nnnnennnenen
120. echen dass sich die Druckleitung wieder auff llt Versuchen Sie danach die Anlage normal in Betrieb zu nehmen Ein Abschalten des Kraftwerks kann unter Umst nden durch Aktivierung der Pegelstandsregelung verhindert oder verz gert werden da genug fr h gewarnt wird dass zu wenig Wasser in den Entsander fliesst Tobias Burch Silvan Gisler Seite 23 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 13 6 Fehler Motorschutzschalter Dieser Fehler zeigt einen zu hohen Generatorstrom bzw eine thermische Uberlast an Wenn dieser Fehler auftritt lassen Sie die Anlage auf jeden Fall von einem Fachmann uberprufen 13 7 Fehler Generatorschutz Zu diesem Fehler kommt es wenn der Generatorsch tz nicht in der vorgegebenen Zeit die Anlage ans Netz geschaltet hat Trennen Sie in diesem Fall die Anlage mit dem Haupt schalter vom Netz und berpr fen Sie den Generatorsch tz Er ist m glicherweise blockiert oder defekt an 13 8 Fehler Kondensatorsch tz Zu diesem Fehler kommt es wenn der Kondensatorsch tz nicht in der vorgegebenen Zeit die Kondensatoren dazu schaltet Trennen Sie in diesem Fall die Anlage mit dem Haupt schalter vom Netz und berpr fen Sie den Kompensations sch tz Er ist m glicherweise blockiert oder defekt _cuittieren_ schliessen 13 9 Fehler R ckleistung Dieser Fehler tritt auf wenn der Generator im Motorbetrieb gearbeitet hat und somit elektrische Energie verbraucht hat anstatt zu pro
121. ehenden Anlage 11 5 1 11 9 2 E 12 9 2 1 Bauplan Von ee 12 9 22 VWASSCRC iad auqa 13 5 2 3 EFS AAG OM a 13 DDOS nt 13 92 250 ILEIDQUIFECHEN ee ee hawa SS 14 9 8 DRUCKIEIIUNG a So 15 9 3 1 LATS Vibe Bier AT ne uu toate eek 15 9 4 IMascrii eh tu u ee eee ceed 16 5 4 1 Ubersichtsschema Maschinenbaus aa 16 94 2 een 17 5 4 3 DIUCKMESSUNg EE 17 94 4 a 18 5 4 5 DUSO oe 18 5 4 6 Generalo ces 19 54 TUDING 19 940 20 6 Messungen und Berechnungen 21 6 1 BLEUHGIEISIUNG
122. ektvorschlage eingebracht werden konnen nutzten wir die Gelegenheit um dieses Projekt einzureichen Nachdem wir erfahren haben dass die Arbeit durchgef hrt werden kann war unser Industrieprojekt gebo ren Es tr gt den Namen WKWO Wasserkraftwerk Optimierung Nach gr ndlichem Beschrieb des bestehenden Kraftwerks wurden diverse Messungen an der Anlage und Berechnungen von Komponenten durchgef hrt Die erhaltenen Resultate wurden mit Zahlen des heutigen Standes der Technik verglichen Als weiteres wurde die bisherige Energieproduktion erfasst Somit konnte die Anlage genau beurteilt und Verbesse rungsvorschl ge unter Ber cksichtigung einer guten Wirtschaftlichkeit erarbeitet werden Der Bericht kommt zum Schluss dass bei diversen Komponenten Verbesserungspotential vorhanden ist Die eingesetzte Peltonturbine hat einen Wirkungsgrad von nur 74 5 Mit moderneren Turbinen k nnte der Wirkungsgrad problemlos um 5 erh ht werden was ei nen direkten Anstieg der elektrischen Energieproduktion mit sich ziehen wird Zudem sollte die eingesetzte Steuerung welche sehr un bersichtlich gestaltet ist auf dem Stand der heu tigen Sicherheitsvorschriften erneuert oder gar ersetzt werden Zur Verringerung der Ausfall stunden wird zudem empfohlen eine Pegelstandsregelung einzusetzen was ebenfalls eine Steigerung der elektrischen Energieproduktion zur Folge haben wird Mit den empfohlenen Erneuerungen wird die Jahresproduktion um 12045 kWh auf
123. elais den Betriebszustand der Kraftwerkanlage und greift bei unzul ssigen Betriebszust nden sofort ein Auf dem Display werden die Prozessdaten des Kraftwerks wie Drehzahl Druck etc dargestellt Spannung und Strom des Generators werden auf einem Multifunktionsger t angezeigt da das Einlesen der Werte in die SPS zu viele Signalkonverter ben tigt und somit die Kosten unn tig in die H he treiben w rde Das Multifunktionsger t gibt bei elektrischem Energiefluss pro kWh Impulse aus Diese Impulse werden von der SPS erfasst und abgespeichert Die gemessenen Energiewerte werden von der SPS verwaltet und auf dem Display angezeigt Die Regelungslogik wird in der SPS umgesetzt Die Steuerung liest ber die Analogbaugruppe den aktuellen Druck in der Druckleitung ein und bergibt je nach Bedarf die Stellbefehle an die Motorsteuerung Der DC Motor positioniert die Nadel der D se auf die gew nschte Position Das ffentliche elektrische Verbundnetz wird zum Betreiben der Kraftwerkanlage ben tigt Bei der Inbetriebnahme der Anlage wird vorerst f r den Betrieb der Steuerung Energie aus dem Netz bezogen Sobald der Betriebspunkt f r die Leistungsabgabe erreicht ist wird der Generator ans Verbundnetz gekoppelt nderungen und Erweiterungen der Steuerung und Regelung k nnen nachtr glich angebracht werden Unter Umst nden reicht es sogar nur die Software der SPS zu ndern um die gew nschte Funktions nderung vorzunehmen Eine Verdrahtungs nder
124. elor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 Initialisierungsphase Die Initialisierungsphase legt den Grundstein der gesamten Diplomarbeit Es ist besonders wichtig hier ein sehr gutes Fundament zu legen auf welchem die nachfolgenden Arbeiten solide aufbauen k nnen Bereits hier ist es wichtig die Rahmenbedingung des Gesamtprojekts immer vor Augen zu haben damit das Projekt nicht in eine falsche Richtung gelangt Jedoch darf wiederum das Ziel nicht zu direkt anvisiert werden da sonst eventuelle Realisierungsm glichkeiten missachtet werden Damit nicht von Anfang an neben dem Ziel vorbeigesteuert wird werden zuerst die Erwartungen des Anlagenbesitzers aufgenommen Anschliessend wird das Pflichtenheft anhand der Aufgabenstellung unter Miteinbezug der Erwartungen des Kraftwerkbesitzers erstellt Basierend auf diesen Informationen werden anschliessend Recherchen und dazugeh rige Analysen f r m gliche Teilsysteme gemacht Damit der Bezug zur Realit t nicht ausser Acht ger t wird ein _ installiertes Wasserkraftwerk derselben Leistungsklasse besichtigt und dessen Funktionssystem n her untersucht 2 1 Erwartungen Anlagenbesitzer Der Anlagenbesitzer hat nicht technisch tiefgr ndige Kenntnisse bez glich der Steuerung und Regelung von Kraftwerkanlagen Dem Besitzer ist grundlegend wichtig dass ein sicherer Betrieb der Anlage gew hrleist
125. en e Hinweisschilder auf Restgef hrdungen an der Maschine e Umfangreiche Sicherheitskonzept in allen Betriebsarten gegen nicht elektrische Gef hrdungen siehe Kapitel 2 3 4 und 5 8 Die Isolierung den vorgesehenen Beanspruchungen angemessen ist Massnahmen e Elektrische Ausr stung nach Stand der Technik ausgef hrt 4 2 3 Schutz vor Gefahren die durch ussere Einwirkung auf elektrische Betriebsmittel entstehen k nnen 9 den vorgesehenen mechanischen Beanspruchungen so weit standhalten dass Menschen Nutztiere oder Sachen nicht gef hrdet werden Massnahmen Umfangreiches Sicherheitskonzept 10 unter den vorgesehenen Umgebungsbedingungen den nicht mechanischen Einwirkungen so weit standhalten dass Menschen Nutztiere oder Sachen nicht gef hrdet werden Massnahmen e Umfangreiches Sicherheitskonzept 11 beiden vorgesehenen Uberlastungen Menschen Nutztiere oder Sachen in keiner Weise gef hrden Massnahmen e Prinzipiell sind keine berlastungen vorgesehen e Schutzmassnahmen im elektrischen Bereich nach Stand der Technik Tobias Burch Silvan Gisler Seite 15 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 5 Pr fprotokoll 5 1 Pr fprotokoll EN 60204 1 Allgemeine Themenpunkte Alle Risiken und Restrisiken sind durch die Risikoanalyse akzeptiert LC Schutz gegen elektrischen Schlag Potentialausgleich Alle notwendigen Erdverbindungen vorhanden LC Bedienerschnittstelle Richtige Auswahl der
126. en OW Technik amp Architektur Der blau markierte interne Regelkreis ist bereits in der EPOS P integriert Das heisst die EPOS P sorgt selbst dafur dass die vorgegebene Position angefahren wird Dank dem muss die Position nicht mehr uberpruft werden Alles grun markierte wie A D oder D A Wandler und die gesamten Berechnungen werden mit der SPS gemacht Die Konvertierungszeiten von A D und D A Wandler sind mit 1 ms so viel schneller als die Zeitkonstanten der Regelstrecke dass diese vernachlassigt werden k nnen Somit kann der gr n markierte Bereich zu einem Block vereinfacht werden Wenn die Stelleinrichtung auch als Teil der Regelstrecke betrachtet wird dann bildet der gesamte rot markierte Bereich die Regelstrecke Da nur das Verhalten der gesamten Regelstrecke interessiert kann dieser gesamte Bereich als so genannte Blackbox betrachtet werden Damit vereinfacht sich der Regelkreis zu folgender Struktur Abbildung 5 31 Vereinfachte Regelkreisstruktur Tobias Burch Silvan Gisler Isoll Vergleicher Regler ae 0 5V Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 9 3 Berechnung der Ist Hohe Wie bereits erwahnt kann aufgrund des Druckverlustes in der Druckleitung nicht aus dem statischen Druck alleine die Ist Hohe ermittelt werden Deshalb muss zum statischen Druck noch der Druckverlust berechnet und dazugez hlt w
127. enten gibt es Verbesse rungspotential 1 An der eingesetzten Peltonturbine geht einiges an Leistung verloren Es wird empfoh len das Peltonrad komplett zu ersetzen was eine Steigerung der elektrischen Energie produktion mit sich ziehen wird 2 Die Steuerung ist durch diverse nderungen sehr un bersichtlich gestaltet Es wird empfohlen die gesamte Steuerung auf dem Stand der heutigen Sicherheitsvorschriften zu erneuern Eine n tzliche Erg nzung w re zudem eine automatische Produktionsdaten Aufzeichnung 3 Durch eine Verringerung der Ausfallstunden kann die elektrische Energieproduktion gesteigert werden Meistens schaltete die Anlage wegen einer Teil Verstopfung an der Wasserfassung aus Es wurden Versuche durchgef hrt bei welchen festgestellt wer den konnte dass die Anlage auch im Teillastbetrieb also nicht ganz ge ffneter D se gut arbeiten kann Durch eine automatische Pegelstandsregelung kann eine Entleerung der Druckleitung und somit eine Ausschaltung der Anlage verhindert werden Dadurch kann zus tzliche elektrische Energie produziert werden Durch diese Regelung kann auch automatisch eine Benachrichtigung f r eine empfohlene Rechenreinigung erfol gen 4 Eine weitere M glichkeit w re eine automatische Kraftwerkssteuerung welche die An lage nach einem Ausfall wieder selbstst ndig in Betrieb nimmt Dies w rde aber nur in Zusammenhang mit einer automatischen Rechenreinigungsanlage Sinn machen wel che an der Wasserf
128. enwelle montiert Laufrad Vollguss aus Aluminium oder verschlei festem Chrom Nickel Stahlguss G X5CrNi 13 4 feinbearbeitet Laufrad dynamisch gewuchtet und mittels Passfeder auf der Turbinenwelle montiert D senkr mmer Sph roguss EN GJS 600 3 Anschluss und Dichtstellen mechanisch bearbeitet einseitig angeordnete L ngsf hrung der D sennadelstange daher keine Verstop fungsm glichkeit gepr ft auf 1 5 fachen Nenndruck einschl Druckmanometer 1 4 50 mm D senmundst ck Chrom Nickel Stahl 1 4021 geh rtet auswechselbar D sennadel Chrom Nickel Stahl 1 4021 geh rtet auswechselbar D sennadelstange Rost und s urebest ndiger Stahl 1 4301 zweifach mittels Dichtringe abgedichtet gelagert in wartungsfreien Gleitlagerbuchsen D sennadelregulierung Gewindespindel mit Handrad Stellungsanzeige mit Skala in mm und Zeiger Optional Elektromechanischer Stellantrieb mit Gleich oder Wechselstrommotor Strahlablenker Optional Riementrieb Riemenscheibe aus Aluminium langlebigem Kunststoff Flachriemen mit Lederlauf fl che und Riemenschutz aus Polyester Verbindungselemente Alle Verbindungs und Befestigungselemente sind aus rostfreiem Material Korrosionsschutz Wasserber hrte Fl chen kein Korrosionsschutz da aus rostfreiem Stahl luftbe r hrte Fl chen 1 Grundanstrich Friazink R 40 my 1 Deckanstrich 40 my einzube tonierende Fl chen keine Behandlung Wir behalten uns technische nderungen vor
129. er 30 Januar 2008 4 Aufgabenstellung F r das Kraftwerk ist eine neue Steuerung nach den aktuell geltenden Sicherheits vorschriften zu entwerfen und zu realisieren Speziell zu beachten sind die Schutz funktionen welche unzul ssige Betriebszust nde f r die Maschinengruppe verhindern Damit die elektrische Energieproduktion automatisch erfasst werden kann ist eine entsprechende Einrichtung zur Datenerfassung einzuplanen Die Steuerung soll mit einer Regelung des Pegelstandes in der Druckleitung aus ger stet werden Dies erm glicht einen Teillastbetrieb der Anlage und verringert die Ausfallstunden der Produktion Da die Besitzer des Kleinwasserkraftwerks keine grossen Investitionen t tigen k nnen ist Wert auf ein kosteng nstiges Konzept zu legen Tobias Burch Silvan Gisler 11 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 Durchfuhrung der Arbeit Termine Start der Arbeit Dienstag den 25 Marz 2008 08 30 Uhr Raum C300 Zwischenprasentation Mittwoch den 18 Juni 2008 Zeit abmachen Abgabe Schlussbericht Freitag den 25 Juli 2008 16 30 Uhr Abschlussprasentation Mittwoch den 27 August 2008 Zeit abmachen Abgabe Poster wird bekannt gegeben ffentliche Diplomausstellung 4 bis 6 September Der Schlussbericht muss im Sekretariat Diplomausbildung abgegeben werden Die termingerechte Abgabe wird mit e
130. er Steuerung f hren k nnte Die einzelnen Testf lle sind detailliert in der Testphase beschrieben Tobias Burch Silvan Gisler 101 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Da bei den Fehlersimulations Tests die Anlage in Volllastbetrieb sein muss wird als erstes der Funktionstest Einschaltdrehzahl durchgef hrt So wird sichergestellt dass der Generator genau bei der synchronen Drehzahl ans Netz geschaltet wird Des Weiteren werden anschliessend an die Inbetriebnahme die verbleibenden Funktions und Fehlersimulationstests gem ss dem Kapitel 6 durchgef hrt Da alle Tests erfolgreich abgeschlossen sind kann die Anlage nun mit der neuen Steuerung sicher betrieben werden 5 13 3 Inbetriebnahme Regelung Die Regelung wird auf dem Display aktiviert Nun wird beim Wassereinlauf der Plattenschieber auf Stellung 2 gesetzt Der verminderte Wassereinlauf verursacht eine Pegelabsenkung des Wassers im Entsander Die Regelung greift somit ein und schliesst die D se Nach einigen Versuchen mit verschiedenen Regelparametern wird ersichtlich dass die D se bei Unterschreitung des Sollwertes auf die Stellung der minimalen ffnung schliesst Steigt der Wasserpegel wegen dem verminderten Abfluss ber die Sollh he so ffnet die D se wieder auf 100 Grunds tzlich kann gesagt werden dass das Ziel erreicht wurde Die Regelung hat ein Abschalte
131. er muss aber noch die Nummer des Analogeingangs vorgegeben werden in unserem Fall ist dies der Analogeingang 1 Wurde der Funktionsblock erfolgreich beendet erh lt man am Ausgang Done ein TRUE und der Wert des Analogsignals steht direkt am Ausgang Value des Bausteins in mV zur Verf gung Tobias Burch Silvan Gisler 66 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 6 4 Absolut Positionierung durchfuhren Da in unserem Fall die Eingangsspannung des Analogsignals direkt der Position entspricht wird der Funktionsblock MC_MoveAbsolute fur das Positionieren verwendet 33 MoveAbsolute Deceleratian Abbildung 5 16 Funktionsblock MU_MoveAbsolute Solange am Eingang Execute ein TRUE anliegt wird eine Positionierung an die von Position vorgegebene Stelle durchgef hrt Bei diesem Funktionsblock muss zudem noch die Geschwindigkeit die Beschleunigung und die Verz gerung vorgegeben werden Wurde eine Positionierung erfolgreich durchgef hrt wird dies mit einem TRUE am Ausgang Done signalisiert 5 6 4 1 Berechnung der Drehgeschwindigkeit Um grosse Druckst sse zu vermeiden darf das Handrad bzw die Spindel nicht zu schnell gedreht werden Laut Erfahrungen der Betreiber der Anlage sollte eine Winkelgeschwindigkeit von ca 360 in vier Sekunden nicht berschritten werden Daraus
132. er Investition zu berechnen Grunds tzlich m chten wir die bestehende Anlage durch eine mit gleicher Leistung ersetzen Wir spielen jedoch auch mit dem Gedanken die Leistung auf 30 KW zu erh hen sofern wir die Konzession f r diese Leistung bek men Wir w rden es sehr sch tzen wenn Sie uns beide Varianten offerieren k nnten F r Ihre Bem hungen danken wir Ihnen Mit freundlichen Gr ssen Tobias Burch Tobias Burch Silvan Gisler 81 Hochschule Luzern Technik amp Architektur Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Produktliste Global Hydro Energy Anhang 7 1 6 peBsBunylIAA e Au _ 8 o o yam sqs ndu E 1 JassawyanpsiaJyyens tq 5 p a 14 PA uEzuj IDI01E1 ul rc Jyezysipusugun ku Bunjsisllojelauss Id uasng yezuyf ld ausw nyyang H 60 90 70 c0Ld Sy a neg USUIAINIUOYOA IN gt AD YANAOUGAH 1912 q 3 u Be u up iD gt 69 cO o o D D Ze CW eo LC CM ca QO u c s6 80 Du j m Ir
133. er Kasten Gesamtkonzepte erstellen 4 Realisierungsphase Schema und Pl ne erstellen Ausarbeitung Regelungssystem Sicherheitsfunktionen Instruktion Kraftwerkbesitzer Dokumentation fertiggestellt Zwischenpr sentation Abgabe Schlussbericht Abschlusspr sentation Vorbereitung Diplomausstellung ffentliche Diplomausstellung HSLU Technik amp Architektur Vor Ort Kraftwerk Wilen Bedienung Regelung 6 Dokumentation 1 3 Zeitplan Zeitplanung 2 Konzeptphase 3 Systementwurf 5 Testphase 6 Arbeitsort Tobias Burch Silvan Gisler Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 1 4 Adressen 1 Verfasser Tobias Burch Sagenstrasse 10 6062 Wilen Silvan Gisler Oberfeld 6404 Greppen 2 Besitzer Kraftwerkanlage Gebr Burch Sagerei und Holzhandlung Sagenstrasse 10 6062 Wilen 3 Betreuer Diplomarbeit Prof Dr Dominique Salathe 4 Experte Hansjorg Riesen Tobias Burch Silvan Gisler Tel 079 641 74 60 E mail tobias burch stud hslu ch Tel 078 691 10 58 E mail silvan gisler stud hslu ch Tel 041 660 14 82 Fax 041 660 84 92 Tel 041 349 33 08 E mail dominique salathe hslu ch Tel 041 349 33 92 E mail hansjoerg riesen hslu ch 14 HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Kapitel 2 Initialisierungsphase Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Bach
134. eratorstrom Generatorspannung Wirkleistung usw dienen analoge Anzeigeinstrumente am Schaltschrank Die gesamte Anlage kann durch die integrierte SPS ber einen Computer fern berwacht und bequem ferngesteuert werden Auch die Visualisierung der Produktionsdaten erfolgt direkt auf dem PC Die berwachung der erforderlichen Gr ssen wie Netzspannung ber und Unterfrequenz R ckspeisung usw erfolgt ber separate Relais Tobias Burch Silvan Gisler 31 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 3 D vil A e Se Ki x Stellantrieb RG Abbildung 2 12 Kraftwerk Stockenmatt Generator und Turbine Die Nadel der Duse wird uber einen Hebel verstellt welcher von einem Stellantrieb bedient wird 2 5 Erkenntnisse und Ausblick Die Initialisierungsphase hat auf breiter Basis ein gutes Fundament gelegt Der Anlagenbesitzer hat die Rahmenbedingungen aus seiner Sicht festgelegt Zusammen mit der Aufgabenstellung und den gesetzlichen Bestimmungen inklusive Sicherheitsfunktionen ist der Handlungsspielraum des Projekts festgelegt Bereits jetzt ist anhand der Recherche und Analyse ersichtlich welche Teilsysteme f r die Kraftwerkanlage geeignet sind Die Besichtigung des Trinkwasserkraftwerks Stockenmatt hat zudem gezeigt dass sich die Recherchearbeit mit Teilsystemen besch ftigt hat welche bei bereits erstellten
135. erden Dazu wurde durch Messungen ein Druckverlauf in Abh ngigkeit der D sen ffnung ermittelt Druck in Abh ngigkeit der D sen ffnung 13 12 8 12 6 N Druck bar 12 11 8 11 6 1 1 4 I 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dusenoffnung Abbildung 5 32 Druck in Abhangigkeit der D senoffnung Wird eine Trendlinie vierter Ordnung angelegt man f r diese Kurve die folgende Gleichung 1 8421 10 x 6 0843 10 x 5 6038 10 x 4 9647 10 x 12 9016 Wobei p der Druck in bar und x die Dusenoffnung in Prozent sind Die H he einer stehenden Wassers ule kann wie folgt berechnet werden Dabei ist der Druck bei einer stehenden Wassers ule ist die Dichte des Wassers und g die Erdbeschleunigung Tobias Burch Silvan Gisler 83 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Da im untersuchten Fall bei ge ffneter D se keine stehende Wassersaule vorhanden ist kommt zu dem mit dem Drucksensor gemessenen statischen Druck noch der Druckabfall Ap hinzu A p PAP Der Druckabfall Ap kann aus der ermittelten Druckkurve berechnet werden EES wem 9 N CO an T
136. erdrahtung auf Richtigkeit und festen Sitz berpr fen 15 Phasenfolge Generator Netz berpr fen 16 Anlage in Betrieb nehmen 17 Sicherheitsrelevante Tests durchf hren 2 Tag 1 Werkzeug und Montagematerial bereitlegen Kraftwerkanlage abschalten Hauptschalter ausschalten Gegen Wiedereinschalten sichern Spannungsfreiheit berpr fen Montage D senhebel Verl ngerung und Endschalter D senregulierung Montage Antriebseinheit f r Regelung Montage Signallampen 9 Kabel verlegen und aufschalten 10 Verdrahtung auf Richtigkeit und festen Sitz berpr fen 11 Anlage in Betrieb nehmen 12 Sicherheitsrelevante Tests durchf hren REED Tobias Burch Silvan Gisler 100 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Nach 15 Stunden Montagearbeit pro Person ist die Anlage fur die detaillierten Tests gemass Kapitel 6 bereit Das Folgende Bild zeigt den Maschinenraum nach der Installation der neuen Komponenten Abbildung 5 45 Maschinenraum nach dem Umbau 5 13 2 Inbetriebnahme Steuerung Vor der ersten Inbetriebnahme der Anlage werden die Sicherheitsfunktionen auf ihre korrekte Funktion uberpruft Obwohl bei den Vortests die Steuerung ausgiebig getestet wurde werden dieselben Tests nochmals auf der Anlage durchgef hrt Dies ist notwendig da ein fehlerhafter Anschluss an den Klemmen des Schaltschranks zu einem Fehlverhalten d
137. ereits untersucht Gesamiwirkungsgrad der Anlage 1 00 0 90 0 80 2 77 B Wirkungsgrad 8 0 20 0 10 0 00 5000 10 000 15000 20000 25000 Wirkleistung W Abbildung 2 9 Gesamtwirkungsgrad der Anlage Es ist zu erkennen dass die Anlage ein sehr gutes Teillastverhalten aufweist Sogar bei 7 kW also bei weniger als 35 Auslastung ist der Wirkungsgrad noch gleich gut wie Volllastbetrieb Bei einem Teillastbetriebspunkt mit ber 7 kW Wirkleistungsabgabe ist der Wirkungsgrad sogar besser als im Volllastbetrieb Es ist deshalb besser die Anlage in Teillast zu betreiben anstatt sie ganz abzuschalten Als weiteres kommt hinzu dass f r eine automatische Wiederinbetriebnahme ein zus tzlicher Antrieb ben tigt w rde damit der Strahlablenker angehoben werden kann Zudem ist die Wasserspeicher Kapazit t in der Druckleitung und im Entsander sehr gering was dazu f hren w rde dass die Anlage sehr oft ein und ausschaltet Tobias Burch Silvan Gisler 29 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 10 Leistungsfaktor Nach angaben des EWO muss der Leistungsfaktor im Monats Mittel mindestens 0 5 betragen Laut Messungen aus dem Modul l ndustrieprojekt sieht der
138. erhaltskosten Bauwerke Reparaturen Mechanik Reparaturen Elektrotechnische Komponenten Reinigen Wassereinlauf Entsander Wartung Turbine Administration und Buchhaltung Kraftwerkeigent mer R ckstellungen f r Revisionen Erneuerungen Total Betriebs und Unterhaltskosten pro Jahr 0 0 18 000 0 5000 37500 26 500 174 337 3 328 8717 12 045 186 382 277894 29 821 1 927 14 1 100 1 200 1 000 1 000 3000 500 500 12 000 20 300 CHF CHF CHF CHF CHF CHF CHF kWh kWh kWh kWh kWh CHF CHF CHF Jahre CHF CHF CHF CHF CHF CHF CHF CHF CHF Tobias Burch Silvan Gisler 55 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 Gewinn pro Jahr 6 1 Gewinn pro Jahr vor Revision 7504 6 2 Gewinn pro Jahr nach Revision 9 521 7 Stromgestehungskosten 7 1 Stromgestehungskosten pro kWh vor Revision 0 116 CHF 7 2 Stromgestehungskosten pro kWh nach Revision 0 109 CHF Die eingesetzten Werte beziehen sich auf Durchschnittswerte Mit j hrlichen Abweichungen ist somit zu rechnen Die Erneuerung des Peltonrades der Steuerung und die Neuinstallation einer Pegelregelung bewirken eine Steigerung der elektrischen Energieproduktion Die Revisionsinvestition w re dank den j hrlichen Mehreinnahmen innerhalb von 14 Jahren gedeckt Da Wasserkraftwerk anlagen ber viele Jahrzehnte betrieben werden ist eine Investition in ein
139. es an Verbes serungspotential vorhanden 10 3 Generator Der Typ des Generators ist fur diese Leistung und Parallelbetrieb am Netz richtig gew hlt Auch die Leistung des Generators ist grunds tzlich richtig dimensioniert Der Wirkungsgrad von 93 9 ist f r diese Leistungsklasse sicherlich uberdurchschnittlich gut aber nicht unrealistisch Aus dem Kapitel Stand der Technik geht hervor dass ein sol cher Wirkungsgrad in dieser Leistungsklasse durchaus realisierbar ist 10 4 Gespr che mit Experten 10 4 1 Wasserbau und Turbine Zur Beurteilung des Wasserbaus und der Turbine wurde Herr Prof Dr Thomas Staubli vom CC Fluidmechanik amp Hydromaschinen befragt Laut seinen Erfahrungen ist der Wasserbau wie blich ausgef hrt Die Verluste in der Druck leitung sind mit anderen Anlagen vergleichbar F r das hohe Alter der Turbine weist die Turbine einen relativ guten Wirkungsgrad auf Die Turbinenbauart ist gut und weist keinerlei Verbesserungspotenzial auf Jedoch sind die Schaufeln des Peltonrads stark abgenutzt Eine Erneuerung des Laufrads wird laut Herr Staubli eine Wirkungsgradsteigerung von mindestens 5 ausmachen 10 4 2 Generator Zu den gewonnenen Resultaten aus den Berechnungen des Generators wurde Herr Dr Adrian Omlin befragt Er ist hauptamtlicher Dozent f r Elektrotechnik an der Hochschule Luzern Technik amp Architektur Laut seiner Erfahrung ist der berechnete Wirkungsgrad des Asynchrongenerators sehr gut
140. et ist Ein anderer wichtiger Punkt ist die Anlagenbedienung Es ist grossen Wert auf ein bedienerfreundliches Konzept zu legen welches eine m glichst einfache Bedienung der Anlage erm glicht Damit die Investitionen f r die neue Steuerung und Regelung nicht das Budget des Kraftwerkbesitzers bersteigen ist f r die Modernisierung der Anlage ein maximaler Betrag von SFr 10 000 festgelegt worden Selbstverst ndlich wird vom Anlagenbesitzer zudem erwartet dass der Kontakt zu ihm stets aufrecht erhalten bleibt und bei wichtigen und grundlegenden Entscheidungen R cksprache gehalten wird Tobias Burch Silvan Gisler 16 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 2 Pflichtenheft nach Aufgabenstellung 2 2 1 Steuerung und Schutzfunktionen Die neu installierte Anlage soll so konstruiert sein dass diese auch dann noch funktioniert und s mtliche Schutzfunktionen erf llt sind wenn die Regelung und die Datenaufzeichnung inaktiv sind Man kann also sagen dass die neue Steuerung welche mindestens die gleichen Schutzfunktionen erf llen muss wie die bestehende Anlage der Regelung und der Datenaufzeichnung berlagert ist Die Regelung muss am Steuerungskasten ein und ausgeschaltet werden k nnen Ist die Regelung ausgeschaltet muss die Anlage genau so funktionieren wie bisher Das heisst dass die Anlage im aktuell eingestellten
141. etreuer Instruktion im Sonderbetrieb St rungssuche und behebung an Anlagenbetreuer Betriebsmechaniker Instruktion im Sonderbetrieb X Wartung Unterhalt an Anlagenbetreuer Betriebsmechaniker Betriebselektriker Keine direkte Ber hrung mit von unter Spannung stehenden Teilen Hauptschalter vorhanden Not Aus vorhanden und getestet X 0000000 EN 60204 1 durchgefuhrt und orotokolliert a 2 angebracht berpr fung der X Fehlersimulation etc x x x e x Pep i Tobias Burch Silvan Gisler Seite 18 Lucerne University of Applied Sciences and Arts HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Industrieprojekt WKWO Wasserkraftwerk Optimierung Autoren Tobias Burch Silvan Gisler Betreuer Prof Dr D Salathe 30 Januar 2008 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Inhaltsverzeichnis 1 ADDIIGUNGSVEFZEICIIIS a 5 2 e d 7 3 Aufgabenstellung DE 8 3 1 PIOJCKIDESCHN ED nee 8 32 KE tee EE 8 99 amunta 8 8 4 Ee ANC SIAC Hi zus kn ke a a ee 9 Sando ee Ene el 9 4 4 ZAUSGER GESEHICHIE EE 10 5 Beschrieb der best
142. folgt 90 CARTEA s 2 Ss min Da der Stellmotor ein Getriebe mit einer Untersetzung von 231 1 hat ergibt das fur den Motor eine maximale Drehgeschwindigkeit von 231 15 3465 min min Beim Funktionsblock wird deshalb eine Geschwindigkeit von 3000 U min vorgegeben um nicht ans Limit zu gelangen Tobias Burch Silvan Gisler 67 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 6 4 2 Berechnung der anzufahrenden Position Wie bereits erwahnt werden am Handrad 26 75 Umdrehungen benotigt um von einem Anschlag zum anderen zu kommen Dies entspricht 26 75 Umdr 500 4 T 231 12 358 500 mdr Es m ssen also mit dem Stellsignal von 0 mV bis 5000 mV alle Positionen von 0 qc bis 12 358 500 qc angefahren werden konnen Daraus folgt 0 gc 12 358 500 entspr 0 mV 5000 mV 12358500 5000 mV gt x 2472 Die als mV eingelesene Spannung muss somit mit 2472 multipliziert werden um die anzufahrende Position in Quad Counts Zu erhalten 5 6 5 Digitale Ausgange schreiben Um auf die digitalen Ausg nge zu schreiben wird der Baustein MU_SetAllDigitalOutputs verwendet CS SetAllDigitalOutputs BOOL BOOL Abbildung 5 17 Funktionsblock MU_SetAllDigitalOutputs Die Ausf hrung erfolgt gleich wie beim Funktionsblock MU_GetAl
143. gebnisse besser zu verstehen Wahrend der Erarbeitung dieser Diplomarbeit sind einige Dokumente erstellt worden Die wichtigsten zum Kraftwerk geh renden Anlagendokumente sind im Anhang beigelegt S mtliche selbst erstellten Dokumente Bedienungshandb cher und Datenbl tter der an der Anlage eingesetzten Komponenten befinden sich auf der beigelegten CD Tobias Burch Silvan Gisler 10 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 1 2 Aufgabenstellung Diplomarbeit im Fachbereich elektrische Energietechnik Aufgabe f r die Herren Tobias Burch und Silvan Gisler 1 Arbeitstitel Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 2 Fachliche Schwerpunkte Elektrische Energiewandler Steuerung und Regelung 3 Einleitung Im Rahmen des Industrieprojekts vom Wintersemester 07 08 haben Herr Burch und Herr Gisler das bestehende Kleinwasserkraftwerk am Gerisbach in Wilen OW untersucht Die Aufgabe bestand darin s mtliche Komponenten des Kraftwerks auf deren Tauglichkeit und Effizienz zu pr fen Als Resultat der Arbeit wurde empfohlen die Peltonturbine zu ersetzen die Steuerung zu erneuern und eine Regelung des Pegelstandes in der Druck leitung zu realisieren Eine Zusammenstellung der Resultate befindet sich im Schlussbericht des Industrieprojekts WKWO Wasserkraftwerk Optimierung Tobias Burch und Silvan Gisl
144. getrennt ist Dadurch bleiben Sand und andere Gegenstande hauptsach lich im ersten Teil des Beckens und gelangen gar nicht bis zum zweiten Treibgutrechen welcher sich unmittelbar vor dem Druckrohr befindet Der zweite Treibgutrechen befindet sich unter der gr nen Ab deckplane Der berlauf besteht aus einem Holzkanal wel cher das bersch ssige Wasser wieder in den Ge risbach zur ckleitet Tobias Burch Silvan Gisler 13 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 5 2 5 Treibgutrechen Ve Tat a Abbildung 9 Teibgutrechen Dieser zweite Treibgutrechen befindet sich unmit telbar vor der Druckleitung zur Turbine Er kann durch Bedienen der Kurbel ges ubert werden Der angesammelte Schmutz wird dadurch oberhalb des Entsanders ber die Kante gestossen Tobias Burch Silvan Gisler 14 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 5 3 Druckleitung Die Druckleitung verlauft relativ geradlinig vom Entsander zur Turbine Sie hat eine Lange von 986 m Die Wasserfassung befindet sich laut Konzession auf 605 65 m u M Aus dem Bauplan kann allerdings entnommen werden dass sich der Wasserpegel im Entsander auf 604 6 m u M befindet Die Turbine befindet sich laut Bauplanen auf 474 0 m u M Das ergibt einen nutzbaren Hohenunterschied von 130 6 m Fe 685 RS HOSEN F d G en Abbildung 1
145. gew hlt und weiter ausgearbeitet Tobias Burch Silvan Gisler 40 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 4 1 Gesamtkonzepte 4 1 1 Morphologischer Kasten mit Gesamtkonzepten Teilproblem Teill sungen Computer Steuerung Digitale und Dig Anzelgeinstrumente Anzelgeinstrumente Anzeigeinstrimeangte Anzeigeinstrumente E kombiniert Regelung Nadel verstellen Sensor beim Entsander Wasserstand ermitteln Datenaufzeichnung ffentliches erbundne Energie zuf hren Abbildung 4 1 Morphologischer Kasten mit Gesamtkonzepten Tobias Burch Silvan Gisler 41 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 4 1 2 Konzept rot Das Konzept rot sticht besonders durch die sehr gute Bedienbarkeit und die grosse Funktionalitat hervor Nachteilig hingegen ist der grossere Aufwand Durch die Programmierbarkeit der SPS zieht dies ein gr sserer zeitlicher Aufwand mit sich da die Funktionalitat per Software erstellt werden muss Zudem ist fur die Visualisierung auf dem Display weiterer Programmieraufwand n tig Jedoch berwiegen durch die erh hte Funktionalit t die sicherheitstechnischen Aspekte was ein Mehraufwand rechtfertigt Die SPS berwacht zus tzlich zu den Sicherheitsr
146. gt wird Danach weiss die Logik dass der Stellmotor sich an der am Eingang vorgegebenen Stelle Position befindet Abbildung 5 14 Funktionsblock MC_Home Die Ausf hrung erfolgt gleich wie beim Funktionsblock MU_GetAllDigitallnputs Hier muss aber als Eingang die Position angegeben werden welche der Motor bei Bet tigung des Referenzschalters hat In unserem Fall wurde diese Position folgendermassen ermittelt Wenn der Endschalter vom D senhebel bet tigt wird k nnen bis zum Anschlag noch 4 Umdrehungen gemacht werden Das entspricht 4 500 4 H 231 1 848 000 ac Quad Counts Umdr Wobei von einem Anschlag zum anderen gesamthaft 26 75 Umdrehungen gemacht werden k nnen Also l sst sich die Referenzposition folgendermassen berechnen Position 26 75 500 4 231 11848 000 qc 10510500 Umdr Tobias Burch Silvan Gisler 65 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 6 3 Analog Eingang Einlesen Das Analogsignal durch welches direkt die Position des Stellantriebs vorgegeben wird kann mit dem Funktionsblock MU_GetAnalogiInput eingelesen werden CS AS FEI USIMT Abbildung 5 15 Funktionsblock Der Aufruf des Funktionsblocks erfolgt wie beim Funktionsblock MU_GetAllDigitallnputs Hi
147. h 4 1 5 Wahl Gesamtkonzept Von den zwei erstellten Gesamtkonzepten wird nun das besser geeignete ausgew hlt Die Bewertung der Gesamtkonzepte dr ckt bereits zahlenm ssig aus dass ber alles hinweg gesehen das Konzept rot die Favoritenrolle bernommen hat Betrachtet man die Vor und Nachteile der einzelnen Konzepte so wird ersichtlich dass f r den Bediener der Anlage die Variante rot viel bedienerfreundlicher ist Dies beruht darauf dass die SPS in Verbindung mit einem Display sehr grosse Funktionalit t aufweist Diese Funktionalit t zieht einen gr sseren zeitlichen und technischen Aufwand mit sich Betrachtet man zus tzlich den Sicherheitsaspekt so rechtfertigt sich dieser Mehraufwand denn die SPS bringt durch die berwachungsm jglichkeit mehr Sicherheit mit ein Durch das dass beim Konzept gr n nur gerade das Regelungssystem eine Softwarekomponente aufweist ist dieses einfacher wartbar Ein m glicher Defekt ist somit praktisch immer auf einen Hardwaredefekt zur ckzuf hren Bei der anderen Variante ist ein m glicher Softwarefehler ebenfalls zu ber cksichtigen Das rote Gesamtkonzept bekommt zu den fest verdrahteten Funktionen hin noch zus tzlich durch die Software mehrere Funktionen hinzugef gt Eine Erweiterung der Steuerung oder Regelung kann somit je nach Situation mit einer Hardware nderung in Kombination mit einer Software nderung leicht erstellt werden Tobias Burch Silvan Gisler 44 Bachelor Diplomarbe
148. h Ablauf der Dauer c wenn ein h heres ffentliches Interesse einer Weiternutzung des Wassers gem ss Art 1 Abs 1 entgegensteht z B bei einer Ausn tzung der westlichen Sarnerseewildb che durch das Elektrizit tswerk Obwalden EWO Die Konzession wird verwirkt a wenn die Konzession re wichtige Pflichten trotz Mahnung gr b lich verletzen b wenn die Anlage w hrend zwei Jahren ununterbrochen nicht be trieben wird 3 Beim Erl schen oder Verwirken der Konzession sind die Konzes sion re verpflichtet auf Verlangen den urspr nglichen Zustand entsch digungslos wieder herzustellen soweit Gr nde der Sicher heit oder des Natur und Heimatschutzes dies erfordern Art 4 Verl ngerung Die Konzession kann verl ngert werden wenn ein Jahr vor Ablauf ein entsprechendes Gesuch gestellt wird Art 5 Uebertrag Jede Uebertragung der Konzession auf einen Rechtsnachfolger oder einen Dritten bedarf der Zustimmung des Regierungsrates Tobias Burch Silvan Gisler 70 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Art 6 Energieverwertung 1 Die erzeugte Energie ist im Betrieb der Konzession re zu ver werten Es wird den Konzession ren gestattet im Austauschver fahren dem EWO Strom abzugeben 2 Im Falle eines Parallelbetriebes mit dem EWO Netz sind die entsprechenden Betriebs und Sicherheitsvorschriften des EWO einzuhalten Art 7 Geb hren und Was
149. he next project stage The realisation needs know how in many different subjects At the stage realisation first are chose several electrical and mechanical components These components are drawn in plans The different components for the control system are put in a control enclosure Software is implemented for the programmable components After the finished work of building the control system and implementing the software it is made a first function test The preparation for the installation of the new control system is started in consideration of the positive test results When the well prepared installation is finished the hydro power plant is ready for the first commissioning with the new control system The test stage is the last and most important part of the upgrading project Every part of the system works properly except the level regulation The function of the regulation works but due to the water level oscillation the regulator should be improved After the positive test result there are instructions and documents given to the owner of the micro hydro power plant Tobias Burch Silvan Gisler 2 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Hochschule Luzern Technik amp Architektur Inhalt 1 Pro jekteinslieg E 10 10 1 2
150. he Druck konstant bleiben w rde In unserem Fall nimmt allerdings der statische Druck in der Druckleitung wegen Reibungs verlusten viel st rker ab als der Anteil der Fliessgeschwindigkeit zunimmt Denn im Ver gleich zum Druckanteil macht der Geschwindigkeitsanteil nur sehr wenig aus Deshalb braucht es bei h heren Leistungen noch viel mehr Wasser um ein wenig mehr Leistung am Ausgang des Generators zu erhalten Durchfluss in Abh ngigkeit der Wirkleistung 30 0 Durchfluss l s a O y 2 193 08 2 6 400E 04x 2 664E 00 5 0 Durchfluss kgs Vs Polynomisch Durchfluss kg s I s 5000 10000 15000 20000 25000 Wirkleistung W Abbildung 40 Durchfluss in Abhangigkeit der Wirkleistung Tobias Burch Silvan Gisler 44 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 7 Bisherige Energieproduktion Zur Messung der Energie durch das Elektrizitatswerk Obwalden EWO und die Betreiber sind insgesamt drei Z hler installiert Diese sind gem ss folgendem Blockschaltbild montiert Z hler Maschinenraum Generator Gesamtproduktion Verbundnetz EWO Sagereibetrieb Z hler f r Bezug von EWO Z hler f r Abgaben an EWO Abbildung 41 Blockschema Energiez hler Der Z hler im Maschinenraum geh rt den Eigent mern der Anlage und dient nur zur eigenen Kontrolle Er wird nie vom EWO abgelesen Die a
151. helor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 1 Projekteinstieg 11 Einleitung Das Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung ist die Grundlage f r die Erarbeitung dieser Diplomarbeit Vieles baut auf den bereits gesammelten Erkenntnissen auf Einige wichtige Erkenntnisse sind in dieser Arbeit nochmals abgedruckt Trotzdem ist es von grossem Vorteil wenn man vor dem Lesen dieser Diplomarbeit bereits die Dokumentation des Industrieprojekts angeschaut hat Auf den folgenden Seiten wird aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Industrieprojekt die Modernisierung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach beschrieben Eine neue Steuerung und Regelung f r das untersuchte Kleinwasserkraftwerk zu realisieren ist sehr umfangreich Das Projekt umfasst von der Analyse gesetzlicher Grundlagen bis hin zur Testphase des modernisierten Kraftwerks viele Fachgebiete F r den Erfolg solch einer umfangreichen Arbeit ist ein gutes Projektmanagement unumg nglich Um eine gute bersicht zu haben ist die gesamte Diplomarbeit in sieben verschiedene Hauptteile unterteilt Diese sind folgendermassen benannt Projekteinstieg Initialisierungsphase Konzeptphase Systementwurf Realisierungsphase Testphase Projektabschluss Dies ermoglicht es den ganzen Projektablauf besser nachzuvollziehen und so getroffene Entscheidungen und Er
152. hlossen werden Danach wird die Druckleitung wieder ge f llt Am Druckmessger t kann nun der statische Druck abgelesen werden Der Differenz Drucksensor wird von der Hochschule Luzern Technik und Architektur zur Verf gung gestellt und kalibriert Der Drucksensor misst die Differenz zwischen atmosph rischem Druck und dem Druck in der Druckleitung Somit wird die f r die Leistungsberechnung massgebende Gr sse ange zeigt Der Drucksensor hat ein Ausgangsignal von 4 bis 20 mA bei einem Messbereich von bis 15 bar Die Umrechnung von mA in bar erfolgt mit folgender Formel 15 bar I 4 mA Pos Ips 1 mA Der Differenzdrucksensor wurde vor der Messung mit einer Versuchanordnung auf deren Funktion berpr ft Aus der folgenden Grafik ist ersichtlich dass dieser einwandfrei gem ss Spezifikation funktioniert Kennlinie Drucktransmitter Siemens 7MF13 Ausgangssignal in mA N O 8 10 12 14 16 Druck in bar Abbildung 24 Kennlinie Drucktransmitter Tobias Burch Silvan Gisler 24 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 2 1 2 Leistungsberechnung Die gesamte Leistung die vor der Turbine zur Verfugung steht berechnet sich laut Bernoulli mit 2 Turbine 0 gt mit m Q p Zur Berechnung der gesamten Leistung vor der Turbine benotigt man noch die Geschwin digkeit des Wassers an dieser Stelle im
153. hwinkel fur Stellantrieb Drehwinkel um Nadel in Position zu fahren 2 Zufluss in den Entsander Q Tobias Burch Silvan Gisler 80 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Der Regelkreis sieht also folgendermassen aus Druckleitung Entsander Nadel D se Qab Ist H he Berechnung pin EPOS integierte Regelung Pist_el Pist_dig Drucksensor Abbildung 5 29 unvollstandige Regelkreisstruktur Pist_mess Der mittels Drucksensor gemessene Druck sagt alleine aber noch nicht aus wie hoch der Wasserpegel wirklich ist Denn je nach Durchflussmenge entsteht in der Druckleitung ein unterschiedlicher Druckabfall verursacht durch Reibungsverluste und Viskosit t Wassers Dieser Druckabfall muss zum gemessenen Druck addiert werden damit man Information uber die tatsachliche Hohe des Wasserpegels erhalt Der Druckabfall kann Beispiel in Abhangigkeit der Dusenoffnung berechnet werden Der komplette Regelkreis sieht damit folgendermassen aus des eine zum Abbildung 5 30 Vollst ndige Regelkreisstruktur Tobias Burch Silvan Gisler 81 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wil
154. i Wassereinlauf auf Stellung 2 stellen Erwartete Ergebnisse D se schliesst und ffnet automatisch Im Teillastbetrieb schaltet die Signallampe Wassermangel ein Nachbedingungen Anlage l uft im Teillastbetrieb 6 2 8 Regelung 2 Vorbedingungen Anlage l uft im Teillastbetrieb Regelung ein Signallampe Wassermangel leuchtet Funktionstest Plattenschieber wird voll ge ffnet Erwartete Ergebnisse D se ffnet sich automatisch Bei Volllastbetrieb schaltet die Signallampe Wassermangel aus Nachbedingungen Anlage l uft im Volllastbetrieb 6 2 9 Datenaufzeichnung Die Datenaufzeichnung ist schwierig zu berpr fen da es sich um eine Langzeitaufzeichnung der Daten handelt Daten werden f r Tage Monate und Jahre erfasst F r ein paar Versuche wird der Tag gewechselt ein anderer Monat oder ein anderes Jahr gew hlt Der Wert der produzierten elektrischen Wirkenergie muss im Speicher des jeweilig gew hlten Tages abgelegt werden Am Ende eines Monats m ssen die Tageswerte des Monats addiert werden und unter dem Entsprechenden Jahr und Monat abgelegt werden Anhand von ein paar solchen erfolgreich ausgef hrten Tests wird die Funktion der Datenaufzeichnung als korrekt angenommen Tobias Burch Silvan Gisler 110 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 3 Erkenntnisse und Ausblick Es hat sich gezeigt dass es zum Teil
155. ie Bh Ae 08 51 25 E AWS 03 24 52 PM Fehlertabelle anzuzeigen 18 94 a7 17 2008 03 04 50 PM 4 Um zu sehen um was fur eine Art von Fehler es sich 17 208 03 24 52 PM dabei jeweils handelte dr cken Sie auf die jeweilige Bedienung Alarm qittieren Zeile m 5 Es ffnet sich nun ein kleines Fenster in welchem zu sehen ist um was f r einen Fehler es sich handelte Wenn irgendein Fehler auftritt so erscheint auf dem Touchscreen ein Fenster welches besagt um was f r einen Fehler es sich handelt Bei allen Fehlermeldungsfenstern hat man die M glichkeit den Fehler zu quittieren und das Fenster zu schliessen Durch dr cken auf Quittieren wird die Warnlampe ausserhalb des Maschinenraums abgeschaltet nicht aber der Fehler zur ckgesetzt Ein Fehler wird entweder durch ein erfolgreiches Wiedereinschalten zur ckgesetzt oder durch Dr cken der Taste Fehler Reset auf der Seite Bedienung Seite 21 Falls ein Fehler mit den hier beschriebenen Methoden nicht behoben werden AN kann oder irgendwelche Zweifel an der richtigen Funktion der Anlage besteht ist in jedem Fall ein Fachmann herbei zu holen Im Allgemeinen konnen folgende Fehler auftreten 13 1 Not Aus betatigt Zu dieser Meldung kommt es wenn der Not Aus Schalter betatigt wurde Wenn keine Gefahr mehr besteht kann der Not Aus Schalter durch herausziehen entriegelt werden Danach kann die Anlage wieder normal in Betrieb ge
156. ie Regeldifferenz 5 9 7 Das Verhalten der Regelstrecke 5 9 8 Kn UE 5 10 Mechanik SUPPO RON ee 5 10 2 Dusenverstellung 5 11 Schaltschrank Montageposition Schaltschrank 5 11 2 Komponentenanordnung lu EE D ln e l Du u uuu u aa 5 11 4 Verdrahtungsprufung 5 11 1 5 11 3 SPO OMO oira 26 Verbrauchsmesser und Leistungsanalysator Antriebssystem fur Dusenverstellung Maxon EPOS P Maxon DC Motor Uberwachungsrelais Drucksensor 5 3 Materialkosten 5 4 Schnittstellen Verbindung zu EPOS P Signalschnittstellen 5 5 Elektroschema 5 6 Programm auf Maxon EPOSP Digitale Eing nge einlesen Referenzfahrt durchf hren Analog Eingang Einlesen Absolut Positionierung durchf hren Digitale Ausg nge schreiben 5 7 Anschl sse Maxon EPOS P 5 8 Programm auf der SPS Sicherheitskreis Inbetriebnahme BerechnlUng ans Regeling mins Datenaufzeichnung Signalisierung 5 9 Regelung 5 12 Erster Funktionstest 5 13 Einbau der neuen Steuerung Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Technik amp Architektur Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 13 ein e 100 519 2 inbetriebnahme Ste erung a es 101 5 13 3 Inbetri
157. ie SPS eine weitere Schnittstelle welche zur Anbindung des Touchscreens dient Ebenfalls ist eine Ethernet Schnittstelle vorhanden Diese kann zum direkten Adresszugriff verwendet werden Von der Seite des Computers muss jedoch ein spezielles FINS Protokoll implementiert sein um mit der SPS kommunizieren zu k nnen 5 2 2 Touchscreen Abbildung 5 3 Touchscreen Der Touchscreen bildet das zentrale Objekt f r die Bedienung der Anlage Hier k nnen alle wichtigen Informationen zum Zustand der Anlage abgelesen diverse Parameter ver ndert und das Kraftwerk gesteuert werden Der Touchscreen selbst besitzt aber keine eigentliche Intelligenz Es visualisiert lediglich die Daten welche in der SPS verarbeitet werden Mit Eingaben k nnen Parameter welche im Speicher der SPS vorhanden sind ver ndert werden Die Verbindung zur SPS geschieht ber ein Bussystem 5 2 3 EM26 Verbrauchsmesser und Leistungsanalysator Abbildung 5 4 Multifunktions Anzeigeinstrument Das EM26 Power Analyzer von Carlo Cavazzi ist ein Multifunktions Anzeigeinstrument Es zeigt Phasenstrom Spannung Wirk Blind und Scheinleistung an Zudem gibt dieses Ger t pro kWh eine bestimmte Anzahl Impulse aus Dies erm glicht auf einfache Weise die produzierte elektrische Energie zu erfassen Tobias Burch Silvan Gisler 50 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur
158. ieb nicht geeignet Die Anlage muss an 3 x 400 VAC 3LNPE angeschlossen werden Dieses Dokument gilt f r den Stand der Anlage am 25 Juli 2008 Alle nach diesem Datum vorgenommenen nderungen f hren zu einem Erl schen der G ltigkeit dieses Dokuments Tobias Burch Silvan Gisler Seite 2 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk Inhalt T SICherneillShi wWeis xuu u uuu y 4 1 1 Sicherheitstechnische 4 2 Beschreibung Anlage und Komponenten 6 2 1 a 9 3 Navigieren Im Menu 10 3 1 EE MEA 10 327 Das Men mm EE 11 4 2 a nn ee Ma aua aa 12 4 1 Starten einer Referenzierungsfahrt ohne Einschalten der Anlage 12 4 2 Starten einer Referenzierungsfahrt mit gleichzeitigem Einschalten der Anlage 12 5 Einste llenderDus nolffRUng 13 6 Inbetriebnahme der Anlage 14 7 Aktivieren und Deaktivieren der Regelung 15 8 Ablesen der Produzierten Energie 16 9 Anze
159. iebemotors kann aus dem Anhang entnommen werden Tobias Burch Silvan Gisler 52 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 2 7 Schutz Abbildung 5 6 Schutz Bei der Auswahl des Leistungsschutz fur die Kopplung des Generators ans elektrische Energieversorgungsnetz muss der 24 Stundenbetrieb mitberucksichtigt werden Das heisst die Komponenten mussen fur eine grossere Leistung ausgelegt werden als in Realitat notwendig ist Deshalb wird der Koppelschutz mit einem Nennstrom pro Kontakt von 62 A gew hlt Wenn das Kraftwerk im Volllastbetrieb arbeitet so betr gt der Strom 37 A pro Polleiter Der Sch tz ist somit weniger als zweidrittel ausgelastet Fur die Zuschaltung der Dreiphasenkondensatoren zur Blindleistungskompensation wird von denselben Kriterien ausgegangen wie dies bei der Wahl des Koppelsch tz der Fall war Der Strom bei den Dreiphasenkondensatoren mit einer Blindleistung von gesamthaft 10 kvar betr gt 14 4 A pro Polleiter Zur Zuschaltung der Kondensatoren wird ein Sch tz mit einem Nennstrom pro Kontakt von 24 A gew hlt 5 2 8 Relais Abbildung 5 7 Relais Die Relais f r das Schalten von Sch tz und Signalleuchte haben bereits eine L schdiode integriert Diese ist notwendig da die Relais direkt von der SPS Ausgangsbaugruppe geschalten werden Die SPS Ausg nge sind mit Transistorstufen aufgebaut welche bei
160. igen von Anlagenparameter 17 10 ndern der Anlageneinstellungen u u 18 10 1 Elnstelibare Parameter EN 18 10 2 EE tele e EE 19 11 Datum und Uhrzeit des Touchscreens 19 111 Datum und Uhrzeit des Touchscreen einstellen 19 11 2 Datum und Uhrzeit der SPS einstellen 20 12 Pilege Und Wartung 21 MECHANIK sten na Bine en Te 21 12 2 El ktische e EL AE 21 13 Fehlermeldungen Fehlerbehebungen 22 eine tds 22 1932 INGIZSHANNUNOSICMION uyu E 23 13 3 2 uyu ae 23 152 Drenzanliehler esse 23 139 elek EE eier 23 13 0 EE 24 13 7 Fehler General rsch lz ee ee 24 13 8 Fehler elle deier EE 24 13 9 UNG ern 24 13 10 Referenzierungsfehler 25 13 11 sOSITIONICIUNOSICNICr nenne 25 13 12 Warung T eillasIb lriebyu u
161. ik f r die Energieerzeugung www kobel info Tobias Burch Silvan Gisler 119 Verfasser Tobias Burch Sagenstrasse 10 6062 Wilen Silvan Gisler Oberfeld 6404 Greppen Selbststandigkeitserklarung erklaren wir dass wir die vorliegende Arbeit selbststandig angefertigt und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet haben Samtliche verwendeten Textausschnitte Zitate oder Inhalte anderer Verfasser wurden ausdrucklich als solche gekennzeichnet Horw 25 Juli 2008 Tobias Burch Silvan Gisler Bedienungsanleitung fur das Kleinwasserkaftwerk bei Gebr Burch 6062 Wilen Autoren Tobias Burch Sagenstrasse 10 6062 Wilen Silvan Gisler Oberfeld 6404 Greppen Dokumentversion 1 1 Luzern 25 Juli 2008 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk Einfuhrung Dieses Dokument beschreibt den korrekten und fehlerfreien Betrieb des Kleinwasserkraft werks welches bei Gebr Burch in 6062 Wilen installiert ist Verwendete Symbole AN Warnhinweise Kennzeichnet alle f r die Sicherheit wichtigen Anweisungen A Nichtbeachtung kann zu schweren Verletzungen Schaden an der Anlage oder an der Einrichtung fuhren Anwenderhinweise CS Kennzeichnet nutzliche Anwenderhinweise welche bei der Bedienung der Anlage hilfreich sein k nnen Geltungsbereich und Einsatzbereich Die Anlage ist f r Parallelbetrieb am Netz des Elektrizit tswerk Obwalden erbaut worden und ist f r Inselbetr
162. ils F r das Kraftwerk sind gem ss PACER folgende Punkte zu erf llen Not Aus Bedingungen Bedingungen f r einen sofortigen Not Aus bzw f r eine Abschaltung der Anlage sind folgende Handausl sung Uberdrehzahl e Kein Wasser Uberlast bertemperatur In e Uberstrom Icc Dauerkurzschlussstrom e Uber Unterspannung e min Impedanz Schutzrelais Um die erw hnten Not Aus Bedingungen zu erf llen m ssen im Schaltschrank folgende Schutzrelais vorgesehen werden e Uberlast li mit W rmepaket Uberstrom e Uber Unterspannung e _ Uber Unterfrequenz R ckleistung e Min Impedanz Tobias Burch Silvan Gisler 19 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Es ist allerdings nicht unbedingt notig dass fur jede Schutzfunktion ein separates Relais verwendet wird Es gibt auch Relais welche gleich mehrere Schutzfunktionen in einem erfullen Anzeigeinstrumente Zudem gibt es einige Gr ssen welche direkt am Schaltschrank der Anlage sichtbar angezeigt werden m ssen Generatorstrom Generatorspannung e Wirkenergie kWh Das Schema f r die untersuchte Anlage k nnte somit folgendermassen aussehen Kuppelsch tz E 4 Gen schutz Kompensation Sicherung Netz Steuerung Kond sch tz Steuerung Netz 10A und berwachung I Spg Uberwachung Li 230V 15 Kompen sation
163. ilvan Gisler Oberfeld 6404 Greppen Dokumentversion 1 1 Luzern 25 Juli 2008 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis Inhalt 1 BTR UUM 3 1 1 id gto te 3 1 2 Geltungsbereich und Emmsatzberech nenne reae EEN 3 1 3 Liste der verwendeten EG Richtlinien und EN Nommen 4 1 4 RONIOMILAISsEerKl ar Unger 5 2 RISIKODEUrIEIlUNg re EEN 6 2 1 STEUSLUNGSIEEHNIK 7 2 1 1 Elektrische Gef hrdung 7 2 1 2 Bin ere EE E 2 1 3 Fehlende M glichkeit zum 5 8 2 1 4 Unzureichende Anweisungen 8 2 2 MECHANIK 9 2 2 1 Gerahrdung durch Quetschen EE 9 2 2 2 Gef hrdung durch Erfassen oder Aufwickeln 9 2 2 3 Gef hrdung durch kinetische Energien 10 2 2 4 Gef hrdung durch Fl ssigkeiten unter Druck 10 2 3 BEGIENDELSONAl see 11 3 SCHUIZIMASSNH AMMEN E 12 3 1 K nstr ktive Sch tzmassnahmen a ae aaa 12 3 1 1 Bei der konstruktiven Auslegung der Installation wurde Wert gelegt auf 12 312 Een Bian Reng UR Ar Tei RE 12 3 1 3 Steuerung Gicherbetstunktonen 12 3 1 4 Schutz gegen elektrischen Schlag im Schaltschrank und Verdrahtung 12 4 elle E EE edu dE ue BE 13 4 1 Sicherheitsbet
164. inem Stempel best tigt 6 Dokumentation Der Schlussbericht ist in 3 facher Ausf hrung zu erstellen Der Schlussbericht enth lt zudem zwingend die folgende Selbstst ndigkeitserkl rung auf der R ckseite des Titelblattes Hiermit erkl re ich dass ich die vorliegende Arbeit selbstst ndig angefertigt und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe S mtliche verwendeten Text ausschnitte Zitate oder Inhalte anderer Verfasser wurden ausdr cklich als solche gekennzeichnet Horw Datum eigenh ndige Unterschrift einen englischen Abstract mit maximal 2000 Zeichen Zus tzlich muss dem betreuenden Dozenten eine CD mit dem Bericht inkl Anh nge mit den Pr sentationen Messdaten Programmen Auswertungen usw abgegeben werden F r die ffentliche Diplomausstellung ist ein Poster gem ss den Layout Vorgaben zu erstellen 7 Fachliteratur Web Links Hilfsmittel Nichts Besonderes 8 Verantwortlicher Dozent Prof Dr Dominique Salathe 9 Experte Herr Hansj rg Riesen Hochschule Luzern Technik amp Architektur Prof Dr Dominique Salathe Tobias Burch Silvan Gisler 12 30 06 08 25 07 08 4 2 5 IL z IL gt gt gt gt gt gt gt 2 2 2 O m x x m x
165. ing nge einlesen Die digitalen Eing nge k nnen mit dem von Maxon vordefinierten Funktionsblock MU GetAllDigitallnputs eingelesen werden Wie in der oberen Programmstruktur zu sehen war wird dieser Funktionsblock alle 200 ms ausgef hrt MU _GetAllDigitallnputs AXIS _ REF BOCH BOCH DINT dan urp BOCH GenPurpe BOCH BOCH BOCH BOCH BOCH Heat jee Salah BOCH Fos Lim BOCH eech BOCH Ori we blg BOCH Abbildung 5 13 Funktionsblock GetAllDigitallnputs Um den Funktionsblock auszuf hren wird auf den Eingang Axis die Achsennummer und auf den Eingang Enable ein TRUE Logisch 1 geschrieben Wurde der Funktionsbock erfolgreich beendet liegt Ausgang Done ein TRUE an Dann k nnen uber die Variablen GenPurpA GenPurpB usw die einzelnen Eing nge gelesen werden Die Namen GenPurp bedeuten General Purpose und stehen zur freien Verf gung Die anderen Eing nge sind bereits belegt Tobias Burch Silvan Gisler 64 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 6 2 Referenzfahrt durchfuhren Um eine Referenzfahrt durchzufuhren wird der Funktionsblock MC_Home verwendet Ein Aufruf dieses Funktionsblocks fuhrt dazu dass der Motor sich in eine vordefinierte Richtung dreht bis der Referenzierungsschalter betati
166. inwasserkraftwerk 7 Aktivieren und Deaktivieren der Regelung Die Regelung kann vor oder nach der Inbetriebnahme der Anlage ein oder ausgeschaltet werden Es handelt sich um eine Pegelstandsregelung welche daf r sorgt dass der Wasserpegel im Entsander immer gleich hoch ist bzw daf r sorgt dass die Druckleitung immer gef llt bleibt 1 Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird dr cken Sie die Taste Bedienung um auf die Seite Bedienung Seite 1 zu gelangen 2 Dr cken Sie nun die Taste Regelung ein ausschalten 3 Ein neues Fenster wird ge ffnet Dr cken Sie die Taste Regelung einschalten wenn sie die Regelung aktivieren wollen bzw Regelung ausschalten wenn Sie die Regelung deaktivieren wollen 4 Schliessen Sie das Fenster durch Dr cken auf Schliessen 5 Die Regelung ist nun aktiviert bzw deaktiviert Regelung einschalten schliessen Wenn die Regelung aktiviert ist kann der Stellmotor automatisch und ohne AN Vorwarnung zu drehen beginnen Niemals die H nde in die Nahe des Stellmotors den Zahnriemen oder die Spindel halten besonders dann nicht wenn der Stellmotor sich dreht _ Wenn die in den Entsander zufliessende Wassermenge so klein ist dass sie CS nicht mehr f r mindestens 4 kW Abgabeleistung gen gt so schaltet die Anlage automatisch ab Wenn bei aktivierter Regelung so wenig Wasser in den Entsander fliesst dass die Anlage im Teillastbetri
167. inwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 9 8 Regler Da das Verhalten der Regelstrecke nicht exakt ermittelt werden konnte wird auf eine exakte mathematische Herleitung der Regler Parameter verzichtet Stattdessen wird der Regler auf die nachfolgend beschriebene Art ermittelt Wie im vorherigen Kapitel festgestellt werden konnte hat die Regelstrecke integrierendes Verhalten Deshalb wird auf einen I Anteil beim Regler verzichtet Dieser w rde den Regelkreis nur unn tig instabil machen Da wegen der sehr tr gen Regelstrecke kein schnelles reagieren des Reglers gefragt ist wird auch auf einen D Anteil verzichtet Somit wird ein einfacher P Regler eingesetzt Der P Regler soll um den Arbeitspunk regeln Da bei der Untersuchten Anlage im Normalfall die D se ganz ge ffnet ist wird dies auch als Arbeitspunkt gew hlt Der Regler hat somit 5000 mV am Ausgang wenn die Regeldifferenz null ist Der Regelalgorithmus lautet dann folgendermassen 5000 mV Wobei y der Stellbefehl Kr die Reglerverst rkung und e die Regeldifferenz sind Die Reglerverst rkung soll gen gend gross gew hlt werden dass sich die D se so schliesst dass der Entsander nicht ganz entleert wird Am tiefsten Punkt im Entsander ist eine Regeldifferenz von 1 5 m erreicht Dann soll die D se auf die minimal zul ssige ffnung Xmin geschlossen haben Das Stellsignal hat dann noch folgende Gr sse Zeen 5000 mV Y min
168. inwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Die Gesamtkosten des Materials belaufen sich auf rund CHF 6 500 Dieser Betrag liegt laut der in Kapitel 4 1 2 berechneten Kostenubersicht rund CHF 1 200 darunter Dies ist deswegen da die Hersteller zum Teil grosszugigen Rabatt fur Produkte gewahren welche fur Diplomarbeiten eingesetzt werden Tobias Burch Silvan Gisler 58 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 4 Schnittstellen Die SPS bildet das zentrale Objekt des gew hlten L sungskonzepts S mtliche Signale werden von der SPS empfangen verarbeitet und ausgegeben PosiionmnaDon Min Drehzahl erreicht Not Aus Schalter Endschalter Strahlablenker Netzsch tz angezogen Komp Sch tz angezogen Druckschalter Motorschutz berdrehzahl Kondensatorsch tz Betrieb erm glichen kWhSignal 249 Ze sei PAPA Hs Wassermangel Abbildung 5 10 Schnittstellen der SPS Tobias Burch Silvan Gisler 59 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 4 1 Verbindung zu EPOS P Die Epos P bekommt von der SPS ein analoges Stellsignal Da die Berechnung des Regelalgorithmus in der SPS erfolgt entspricht das Signal von 0 bis 5V direkt der
169. inzelnen Komponenten sich durch die neuen Erkenntnisse nicht gross ver ndern Zudem kann damit nur gesagt werden wie gross beide Streuinduktivit ten zusammen sind aber nicht wie gross jede einzelne ist 6 7 4 Wirkungsgradberechnung mit Drehmoment Um den Wirkungsgrad ganz genau bestimmen zu k nnen muss das auf den Generator bertragene Drehmoment und die Drehzahl gemessen werden la mech d el M o Um einen Drehmomentsensor einzubauen m ssen relativ grosse Anpassungen an der Wel le zwischen Schwungrad und Generator gemacht werden Zudem ben tigt ein Drehmoment sensor ungef hr einen halben Meter Platz Der Generator muss also verschoben werden was einen sehr grossen Aufwand bedeutet Auf eine Drehmoment Messung wurde deshalb verzichtet Tobias Burch Silvan Gisler 39 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 8 Zusammenfassung der Verluste Die folgende Grafik zeigt typische Verluste auf welche in einem Wasserkraftwerk auftreten Die Transformatorenverluste k nnen bei der untersuchten Anlage weggelassen werden da der Generator nicht uber einen Transformator sondern direkt am Netz angeschlossen ist Zuleitung Turbine Welle Generator Transformator Kupplung Hydraulische Hydraulische Mechanische Elektrische Elektrische Bruttoleistung Nettoleistung Leistung Leistung Nettoleistung P 9 0 H 4 Fach 1
170. ist erfolgt als n chstes die Verdrahtungspr fung Mit einem Durchgangspr fer wird anhand des Elektroschemas jede Verbindung berpr ft Wichtig ist dass diese Pr fung nicht diejenige Person macht welche den Schaltschrank verdrahtet hat Nach erfolgreich beendeter Durchgangspr fung werden die Leiter auf festen Sitz berpr ft Die anschliessend durchgef hrte Isolationsmessung ergab Isolationswiderst nde gt 1 GQ Nun kann der Schaltschrank an den Einspeiseklemmen mit Spannung beaufschlagt werden Die schaltschrankinternen Sicherungen werden sukzessive eingeschaltet Die Status LEDs von Anzeigeger te SPS und berwachungsrelais leuchten bei Spannungsbeaufschlagung Der Schaltschrank kann jetzt bez glich seiner Funktion gepr ft werden Tobias Burch Silvan Gisler 98 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 12 Erster Funktionstest Ein erster Funktionstest der zusammengebauten Steuerung und Regelung wird vor dem Einbau durchgefuhrt Vorerst muss die Software auf die SPS und die EPOS P geladen werden Digitale und analoge Signale der Kraftwerkanlage werden fur den Vortest simuliert Die verschiedenen Tests sind in Kapitel 6 naher erlautert Als erstes werden die Sicherheitsrelevanten Funktionen uberpruft Das heisst es werden zuerst die Fehlersimulationen wie Druckschalter Phasenausfall etc durchgefuhrt Nach dem
171. it 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Die Kosten der neuen Steuerung und Regelung liegen bei beiden Konzepten im budgetierten Rahmen Betrachtet man die wichtigen Vorteile wie Sicherheit Bedienerfreundlichkeit und Erweiterbarkeit der Variante rot so ist die Wahl des Gesamtkonzeptes fur diese Variante gut nachvollziehbar Der Anlagenbesitzer bevorzugt ebenfalls diese Variante da er besonders grossen Wert auf die Sicherheit und Bedienbarkeit legt 4 2 Erkenntnisse und Ausblick Aufgrund der Analyse der Teill sungen konnten aus dem morphologischen Kasten zwei gut zur Kraftwerkanlage passende Konzepte zusammengestellt und beschrieben werden Die anschliessende Bewertung hat gezeigt dass ber Alles hinweg gesehen das rote Konzept berwiegt Das Konzept gr n ist betreffend den Kosten g nstiger Jedoch wird bei dieser Variante nicht dieselbe Sicherheit wie beim Konzept rot erreicht Aufgrund der Sicherheits und Bedienkomfortanspr chen wird vom Anlagenbesitzer trotz der h heren Kosten eine Ausarbeitung des roten Konzepts gew nscht Die Entscheidung fur das Steuerungs und Regelungskonzept ist nun gefallen Im Folgenden muss die Detailausarbeitung der einzelnen Teill sungen bis hin zu deren Integration ins Gesamtsystem erfolgen Tobias Burch Silvan Gisler 45 HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Kapitel 5 Realisierungsphase
172. itektur Anhang 13 Bilder Maschinenhaus und Gerisbach Foto vom Neubau des Maschinenhauses 1985 Dag FRESH W Act a e h 4 TWN AY ci A Lag rer gt L OIA Foto vom Gerisbach bei der Wasserfassung vom 17 08 07 Tobias Burch Silvan Gisler 92 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Anhang 14 Zeitplan 2 m lt st Ti u EI T Wi ri Wi 9 u e gt u st gt Wi Fr pol Fr Do Fr Fr pol Fr po Fr Fr Do Do Fr Fri rr Fr Fr L le 8 el jolt gt vele OH gt HEHE al edd Bd ce SUE 2 a 4 g 2 55 25 S gt 93 aj N e 5 i mluiluil Tobias Burch Silvan Gisler Messunqen installierter eschlossen Meilenstein Analysephase aba 2 Analysep Wasserbau Generator Steuerung 3 Auswerten der Analysep Verbesserungsvorschl ge erarbeiten Dringend notwendige Massnahmen erfassen Meilenstein Auswertung beendet 4 Dokumentationen Dokumentation Beschaffung Dokumentation Analysephase Dokumentation
173. k ein schalten wenn sie das Kraftwerk einschalten m chten 5 Eine Referenzierungsfahrt wird nun durchgef hrt Dazu ffnet sich die D se auf etwa 90 Bis der Referenzierungsschalter bet tigt wird 6 Das weitere Vorgehen um die Anlage in Betrieb zu nehmen ist im Kapitel Inbetriebnahme beschrieben Wenn die Taste Referenzieren gedr ckt wird so beginnt der Stellmotor AN sofort zu drehen Niemals die Hande in die Nahe des Stellmotors den Zahn riemen oder die Spindel halten besonders dann nicht wenn der Stellmotor sich dreht Sollten einmal Probleme mit der Positionierung der D se auftreten so Zu empfiehlt sich eine neue Referenzierungsfahrt durchzuf hren Evtl kann das Problem dadurch beseitigt werden Kontrollieren Sie auch ob der Zahnriemen gen gend gespannt ist Nach der Referenzierung f hrt der Stellmotor automatisch die zuletzt einge CS stellte Position an Wenn Sie diese Position ndern m chten gehen Sie bitte gem ss Kapitel Einstellen der D den ffnung vor Tobias Burch Silvan Gisler Seite 12 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 5 Einstellen der Dusenoffnung Die D sen ffnung kann auch verstellt werden wenn die Anlage nicht in Betrieb ist Dazu muss aber die Regelung deaktiviert sein da bei aktivierter Regelung automatisch die richtige D senstellung angefahren wird 1 Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird dr cken sie die Taste Bedienung um auf
174. kungsgrad des Generators betr gt in diesem Arbeitspunkt folglich _ 21 14 kW 22 5 kW 7 0 939 93 9 Alle berechneten Komponenten der Asynchronmaschine gelten fur Dreieckschaltung des Generators Als weiteres wurden Lp und L gesch tzt und L angenommen Tobias Burch Silvan Gisler 38 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 7 3 Berechnung mit Schlupf 200 Fur diese Messung ist die Statorwicklung des Generators mit einer viel kleineren Spannung als die Nennspannung zu beaufschlagen Zudem ist die Drehrichtung des Drehfeldes in die entgegengesetzte Laufrichtung der Turbine zu setzen Die Turbine wird anschliessend mit Nenndrehzahl und normaler Drehrichtung betrieben Da der Widerstand R s in diesem Betriebspunkt einen sehr viel kleineren Wert aufweist kann die Hauptinduktivitat L praktisch vernachl ssigt werden Die sich in diesem Betriebs punkt einstellende Blindleistung wird somit nur von den Streuinduktivit ten und Lo2 verur sacht Wie gross die einzelnen Streuinduktivit ten sind kann allerdings auch mit dieser Mes sung nicht gesagt werden da die genaue Aufteilung der Blindleistung zwischen L und La nicht bekannt ist Abbildung 34 T Ersatzschaltbild bei s 200 Die Messung am Kraftwerksgenerator mit Schlupf s 200 wurde nicht durchgef hrt Es ist zu erwarten dass die bereits berechneten Werte der e
175. lDigitallnputs Hier m ssen allerdings noch die in den Ausgang zu schreibenden Variablen angegeben werden Wurden die Daten erfolgreich geschrieben erh lt man am Ausgang Done ein TRUE Tobias Burch Silvan Gisler 68 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 7 Anschl sse Maxon EPOS P Der Motorencontroller Maxon EPOS muss gem ss folgender Abbildung angeschlossen werden nite tor wow Motor sive glac Abbildung 5 18 Verdrahtung der Maxon EPOS P Die Ein und Ausg nge der EPOS P werden folgendermassen genutzt Figure 20 EPOS signal cable head Figure 21 Pin assignment EPOS signal cable head A The used Molex Micro Fit 3 0 connector fits to EPOS 24 5 connector J5 Signal Digital signal ground Digital signal ground Digital input 5 positive limit switch na IB anaes Red 1 7 1 general purpose 8 Auxillary SUpply voltage Outpu 9 Black ien 424 VDC 2 Logic supply voltage Input ee DigOUT 4 Digital output 4 Brake DigOUT 3 Digital output 3 general purpose Red Blue DigOUT 2 Digital output 2 general purpose DigOUT 1 Digital output 1 general purpose Analogue signal ground ei AINE R AA a it 2 _ _ 16 Abbildung 5 19 Ein un
176. ldung 5 37 Abbildung 5 38 Abbildung 5 39 Abbildung 5 40 Abbildung 5 41 Abbildung 5 42 Abbildung 5 43 Abbildung 5 44 Abbildung 5 45 Programmstruktur Berechnungen 14 Programmstruktur 75 Programmstrukt urRegel ng 76 Programmstruktur Datenautzechnung nennen 77 Programmstruktur 78 bersicht Regelsystem 79 Struktur eines Standard Hegelkreses nenn ernennen 80 unvollst ndige Regelkreisstruktur 81 Vollst ndige Regelkreisstruktur 81 Vereinfachte Regelkreisstruktur 82 Druck in Abh ngigkeit der D senoffnung 83 Berechnung des Druckverlustes 84 Abtastung des Drucksensorsignals 85 Probleme bei falschen Messzeitpunkten 86 TOONE TUPGEN Regler essen 87 D sen ffnung in Abh ngigkeit der Zeit 88 Durchfluss in Abh ngigkeit der D sen ffnung
177. lektrotechnik an der Hochschule Luzern Technik amp Architektur Er unterst tzte uns in jeder Weise bei mechanischen und elektrotechnischen Fertigungsproblemen e Herr Prof J rg Habegger hauptamtlicher Dozent Maschinentechnik an der Hochschule Luzern Technik amp Architektur Bei Fragen zur Motorsteuerung EPOS war er uns jederzeit behilflich e Herr Beat Manser Schaltanlagenmonteur bei BSR Eltec AG Betreffend Fragen zur Schaltschrankfertigung half er uns mit Tipps und Werkzeugen weiter e Herr Willy Schilling Produktverantwortlicher bei CARLO CAVAZZI AG Bei der Probleml sung der Leistungs und Energiemessung bem hte er sich in ausgesprochen kulanter Weise e Herr Stefan Schraven Lehrmeister bei V ZUG AG Er konnte innert k rze eine Motorenhalterung f r die D senverstellung anfertigen e Herr Markus Zimmermann technischer Angestellter f r elektrotechnischen Gebaudeunterhalt an der Hochschule Luzern Technik amp Architektur Er war uns eine grosse Unterst tzung bei der Beschaffung des Materials f r die Fertigung und Montage des Schaltschranks Des Weiteren geht ein Dank an den Kraftwerkbesitzer denn ohne sein Einverst ndnis und Investitionsengagement w re diese Diplomarbeit nicht zustande gekommen Wir w nschen dem Kraftwerkbesitzer und den Anlagenbediener viel Freude mit der neuen Steuerung und Regelung In ganz besonderer Weise m chten wir uns auch bei unserem Betreuer der Diplomarbeit Herr Prof Dr Dominique
178. len OW Technik amp Architektur E N63X Troller AG Neutralleitertrenner 63A 495 990 E 316CX Troller AG LS Schalter 3x16A tr ge 29 00 29 00 E 306CX Troller AG LS Schalter 3x6A tr ge 33 45 66 90 E 363CX Troller AG LS Schalter 3x63A tr ge 71 00 71 00 350 A K10 Troller AG Kontaktelement Schliesser A K01 Troller AG Kontaktelement Offner Troller Befestigungsadapter Front 3276 085 Kobold 332 00 332 00 17113400 HTD Zahnriemen 312mm 17024400 Zahnscheibe 3M 25 70 51 40 1 V ZUG AG Motorsupport 175 00 175 00 904 IVZUGAG Deckel 11000 110 00 4801717 zm 750 450 1 118746 maxon RE25 10W 112 00 112 00 470 1 144046 maxon GP26B 231 1 265 00 265 00 490 4 3004388 Phoenix UK 5 N BU 1 50 6 00 910 6 3006043 Phoenix UK 16 N 3 15 18 90 530 4 0443023 Phoenix USLKG 16 N 6 80 27 20 50 17 Kabel 420 00 120 00 7018 C Schiene 12 00 so i ef pk 1500 150 soo 1 L t Kabelverschraubung 22 001 2200 60 1 inhouse c Schene 1200 1200 620 1 Support Rohr 4500 4500 eso 1 inHouse __ Endschalterplatte 2400 2400 60 1 inHouse 18 00 1800 peso 1 Sef 71190 1190 66 1 inHouse Diverse Schrauben 3700 3700 60 1 Kabel 8500 8500 017 inttouse Diverses 777 30000 30000 6504 35 Tobias Burch Silvan Gisler 57 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kle
179. lich die folgenden rechtlich unverbindlichen europ ischen Normen zu Rate gezogen EN 1050 Sicherheit von Maschinen Leits tze zur Risikobeurteilung EN 60204 1 Sicherheit von Maschinen Elektrische Ausr stung von Maschinen Teil 1 Allgemeine Anforderungen Tobias Burch Silvan Gisler Seite 4 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 1 4 Konformitatserklarung 4 Hiermit erklaren wir dass die nachfolgend bezeichnete Anlage aufgrund ihrer Konzipierung und Bauart sowie der von uns in Verkehr gebrachten Ausf hrung den einschl gigen grundlegenden Sicherheits und Gesundheitsanforderungen der relevanten EG Richtlinien entsprechen Bei einer nicht mit uns abgestimmten nderung der Anlage nach ihrer bergabe an den Benutzer verliert diese Erkl rung ihre G ltigkeit Konformit tserkl rung Bezeichnung der Maschine Kleinwasserkraftwerk Artikel Nr 08 001 Index 01 Einschl gige EG Richtlinien EG Maschinenrichtlinie 98 37 EG EG Niederspannungsrichtlinie 73 23 EWG EG Richtlinie Elektromagnetische Vertraglichkeit 89 336 EWG mit den Anderungen 91 263 EWG und 92 31 EWG Angewandte harmonisierte Normen insbesondere EN 1050 EN 60204 1 Ort Datum Wilen Freitag 25 Juli 2008 Bevollm chtigter Unterschrift Name des Unterzeichneten Tobias Burch Silvan Gisler Stellung des Unterzeichneten Engineering Engineering Steuerung und Steuerung und Regelung Regelung Fertigung
180. llpoliges Trennen der elektrischen Energie lt 63 A 43 kW Stillsetzen im Notfall Not Aus Wirkung Stillsetzen durch sofortiges Abschalten der Energie EN 60204 1 1997 Ziffer 9 2 2 Kategorie 0 4 2 Sicherheitsbetrachtungen gem ss Niederspannungsrichtlinie 73 23 EWG Die Verifikation wird mit den 11 Sicherheitszielen aus dem Anhang Wichtigste Angaben ber die Sicherheitsziele f r elektrische Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen 4 2 1 Allgemeine Bedingungen 1 Die wesentlichen Merkmale von deren Kenntnis und Beachtung eine bestimmungs m ssige und gefahrlose Verwendung abh ngt sind auf den elektrischen Betriebsmitteln oder falls dies nicht m glich ist auf einem beigegebenen Hinweis angegeben Massnahmen e Sicherheitskonzept gem ss Risiko und Stand der Technik mit Schwerpunkten auf technischen Schutzmassnahmen e Hinweisschilder auf Restgef hrdungen an der Maschine e Betriebsanleitung wird jeder Lieferung beigelegt 2 Das Herstellerzeichen oder die Handelsmarke ist deutlich auf den elektrischen Betriebsmitteln oder wenn dies nicht m glich ist auf der Verpackung angebracht Massnahmen Typenschild mit allen notwendigen Angaben angebracht an der Maschine e Schaltschrankkennzeichnung EN 60204 1 1997 Kapitel 17 4 3 Die elektrischen Betriebsmittel sowie ihre Bestandteile sind so beschaffen dass sie sicher und ordnungsgem ss verbunden oder angeschlossen werden k nnen
181. m Rohr immer kleiner werden Wirkungsgrad der Druckleitung 1 00 0 95 O 5000 10000 15000 20000 25000 Wirkleistung W Abbildung 37 Wirkungsgrad der Druckleitung in Abh ngigkeit der Wirkleistung Tobias Burch Silvan Gisler 41 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 9 3 Wirkungsgrad von Generator mit Turbine Der maximale Wirkungsgrad vom Generator zusammen mit der Turbine betragt etwa 72 Dieser wird bei einer Wirkleistung von etwa 17 KW erreicht Wirkungsgrad von Generator mit Turbine 1 00 0 90 0 80 0 70 279 ee Ka 20 030 0 20 0 10 0 00 0 5000 10000 15000 20000 25000 Wirkleistung W Abbildung 38 Wirkungsgrad von Turbine und Generator in Abh ngigkeit der Wirkleistung 6 9 4 Wirkungsgrad Turbine F r den Wirkungsgrad der Turbine konnte kein separater Kurvenverlauf aufgezeichnet wer den Er kann aber aus den gemachten Berechnungen f r die voll ge ffnete D se also f r den Normal Betriebsfall bestimmt werden P I 745 E 30210W 6 9 5 Wirkungsgrad Generator Auch fur den Wirkungsgrad des Generators konnte kein separater Kurvenverlauf aufge zeichnet werden Der Wirkungsgrad wurde aber fur die voll ge ffnete D se also fur den Normal Betriebsfall bereits berechnet 1 Generator 0 939 93 9 Tobias Burch Silv
182. maschinen Die Anlage bestand unter anderem aus einer Peltonturbine mit einer Leistung von etwa 14 PS Von 1956 bis 1980 wurde die Turbine nur noch f r die Seilwinde des Holz einzugs genutzt Da immer mehr alternative Energiequellen gefragt waren beschlossen die Gebr der Josef und Robert Burch im Jahr 1984 die Konzession zur Wassernutzung des Gerisbachs zu er neuern Am 29 November 1985 wurde eine Occasion Maschinengruppe in einem neu er stellten Maschinenhaus in Betrieb genommen Bei der Erstellung ging man davon aus dass die Abgabeleistung des Generators zwischen 16 und 17 kW liegen wird Somit wurde ein 18 kW Asynchrongenerator der Gebr der Meier AG aus Z rich installiert Doch w hrend des Betriebs stellte sich heraus dass die Anlage mehr als 18 kW liefert Da durch wurde der Generator berlastet und verursachte starke L rmemissionen durch Vibrationen Im Jahre 1986 wurde die Druckleitung erneuert und um 60 m verl ngert Zudem wurde der 18 kW Generator durch einen 30 kW Asynchrongenerator ersetzt Dieser ist bis heute in Betrieb Tobias Burch Silvan Gisler 10 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 5 Beschrieb der bestehenden Anlage 5 1 Hydraulikschema Wassereinlauf Entsander Plattenschieber 1 Ka jp Treibgutrechen Absperrschieber 1 gt lt Gerisbach V Plattenschieber 3 Plattenschieber 2 y A A Maschinenh
183. mmen werden gt Defekte oder fehlende Schutzvorrichtungen m ssen instand gesetzt oder erneuert werden bevor die Maschine in Betrieb genommen wird Vor der Inbetriebsetzung der Anlage ist die Betriebsanleitung genau durchzulesen Die gesamte NOT Aus Einrichtung muss dem Bedienpersonal bekannt sein Bei laufender Maschine keine Wartungs oder Reparaturarbeiten durchf hren Schutz und Sicherheitseinrichtungen d rfen nie verstellt werden Man darf der Anlage nicht freie Flammen n hern Achtung Niemals mit den H nden in die N he des Gefahrenbereichs fassen Es darf nie die Anlage gestartet oder Teile davon in Betrieb genommen werden wenn sich jemand in der N he des Gefahrenbereichs befindet oder wenn nicht alle Schutzeinrichtungen montiert sind gt W hrend Wartungs und Instandhaltungsarbeiten darf nie die Anlage oder Teile davon in Betrieb genommen werden gt Bei Wartungs und Instandhaltungsarbeiten ist die Anlage gegen Wiedereinschalten zu sichern und vom Netz zu trennen V V V V V V V V V V V V V V V Tobias Burch Silvan Gisler Seite 4 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk gt Es durfen nur Bedienungs und Handhabungsschritte vorgenommen werden welche in dieser Bedienungsanleitung explizit beschrieben sind gt Die in der Bedienungsanleitung vorgegebene Reihenfolge muss befolgt werden Anschlusskontakte und eingebaute Komponenten nicht ber hren solange die Einheit unter Spannung steht Andernfalls ka
184. n so lesen Sie bitte die Bedienungsanleitung dieses Gerats Tobias Burch Silvan Gisler Seite 17 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 10 Andern der Anlageneinstellungen Von der Anlage k nnen diverse Parameter welche fur ein korrektes Funktionieren ben tigt werden verstellt werden A f hren Ohne gen gend Kenntnis ber die Anlage d rfen diese Parameter nicht ver stellt werden Ein Verstellen der Parameter kann zu Fehlverhalten der Anlage Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird die Taste Einstellungen dr cken um auf die Seite Einstellungen Seite 1 zu gelangen Mit der Taste gt gt gt gelangt man zur Seite Einstellungen Seite 2 10 1 Einstellbare Parameter Soll H he Gibt an auf welche H he der Regler aus regeln soll Von Vorteil gibt man hier die H he zum Entsander an damit die Druckleitung immer gef llt bleibt Hysterese Gibt an ab welcher Regeldifferenz der Regler zu arbeiten beginnt Totzone T Kompensation Verz gerungszeit mit welcher der Kompensationsschutz die Kompensationskondensatoren dazuschalten soll T Regelaktivitat Abtastzeit f r den Regler Gibt an wie oft die Ist H he mit der Soll H he verglichen wird Kp Regler Proportionalit tsfaktor f r den P Regler Ausschaltpos Gibt an an welche Position der Stell motor fahren soll wenn die Anlage von Hand ausge schaltet wird Min Regel ffnung Minimale ffnung die di
185. n Anschl ssen bereit e Herr Markus Treichler Support Fluke Industrial von der Firma Fluke Schweiz GmbH Er konnte uns das messtechnische Problem bei der Leistungsmessung am Generator l sen Ein grosser Dank gilt auch den Kraftwerksbesitzern welche bei allgemeinen Fragen betref fend der Kraftwerksanlage stets zur Verf gung standen Tobias Burch Silvan Gisler 58 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Die ausserst abwechslungsreichen Arbeiten bei der Bearbeitung dieses Industrieprojekts waren sehr motivierend Es kamen dauernd neue Erkenntnisse dazu welche wieder andere Betrachtungsweisen hervorgerufen haben Wir haben an der Schule einiges gelernt doch tauchten immer wieder Fragen auf welche wir nicht auf Anhieb beantworten konnten Gera de diese noch nie da gewesenen Fragen gaben den Ansporn intensiv nach Losungen zu suchen Fur die stets sehr gute und effiziente Zusammenarbeit mochten wir uns hiermit bei unserem Industrieprojekt Betreuer Herr Prof Dr Dominique Salathe bedanken Er vermochte uns mit seiner Kompetenz stets die richtigen Hinweise zu geben und verhalf uns dadurch diese Ar beit voranzutreiben Tobias Burch Silvan Gisler Tobias Burch Silvan Gisler 59 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 14 Quellenangaben 14 1 B cher Kleinwasserkraftwerke Wasserturbinen 14 2 14 3 14
186. n abbrechen 1 gereinigt Warnmeldung anzeigen nein Warnleuchte Wassermangel einschalten Arbeit im Teillastbetrieb Warnleuchte Wassermangel ausschalten Ist Hohe ausserhalb der d Hysterese eingeben Touchscreen Stellsignal Regeldifferenz berechnen D se voll ffnen Stellsignal berechnen Stellsignal ausgeben Positionieren erlauben Zum Programmteil Datenaufzeichnung Abbildung 5 24 Programmstruktur Regelung Tobias Burch Silvan Gisler 76 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 8 6 Datenaufzeichnung Vom Programmteil Regelung Freigabe SPS Datum und Zeit erfassen Impuls von Multifunktions messger t Impuls nei anliegend Counter Counter 1 kWhHeute 1 kWhDiesenMonat 1 kWhDiesesJahr 1 kWhHeute beim nei Tag vorbei ja aktuellen Datum kWhHeute 0 abspeichern kWhDiesenMonat abspeichern Alteste Monatsdaten Jahr vorbei ia kWhDiesesJahr 0 l schen Daten schieben nein Zum Programmteil Signalisierung Abbildung 5 25 Programmstruktur Datenaufzeichnung Tobias Burch Silvan Gisler Monat vorbei ja beim aktuellen Monat kWhDiesenMonat 0 Hochschule Luzern Technik amp Architektur lteste Tagesdaten l schen Daten schieben
187. n der synchronen Drehzahl schaltet die Anlage kurz ein danach sofort wieder aus Touchscreen Fehler Kondensatorschutz Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben 107 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 2 Funktionstest 6 2 1 Einschaltdrehzahl Unterdrehzahl Vorbedingungen Funktionstest Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen 6 2 2 Anlage einschalten Vorbedingungen Funktionstest Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Tobias Burch Silvan Gisler Hauptschalter eingeschaltet Anlage ausgeschaltet Koppelschutz gegen einschalten gesichert Strahlablenker in Arbeitsstellung Maschinenwelle steht still Strahlablenker anheben bis max 1 100 U min erreicht sind Relais Unterdrehzahl schaltet bei 1 000 U min Hauptschalter eingeschaltet Anlage ausgeschaltet Strahlablenker in Arbeitsstellung Maschinenwelle steht still Anlage einschalten Fehler Strahlablenker anheben schliessen Strahlablenker anheben Maschinenwelle dreht Koppelsch tz schaltet bei 1 000 U min ein Kompensation schaltet nach Koppelsch tz mit der eingestellten Zeitverz gerung ein Touchscreen Keine Fehlermeldung Anlage l uft in Volllastbetrieb 108 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 2 3 Anlage ausschalten
188. n des Kraftwerks verhindert Jedoch ist eine Verbesserung der Regelung anzustreben denn die D sen ffnung sollte je nach Wassermenge die in den Entsander einl uft auf einem bestimmten Wert verharren und nicht zwischen voll offen und minimaler ffnung hin und her pendeln Da die Regelstrecke extrem tr ge ist verbleibt die D sen ffnung in den jeweiligen Endpositionen f r fast 10 Minuten Der Stellmotor f r die D senverstellung wird somit nicht berbeansprucht 5 14 Erkenntnisse und Ausblick Die Realisierungsphase hat gezeigt dass nicht immer alles so funktioniert wie es zuvor geplant war Jedoch verlief die Phase trotz einigen Schwierigkeiten gut Die sehr schwierig zu beschreibende Regelstrecke ist wegen der grossen Totzeit auch schwierig zu kontrollieren Weitere Bem hungen sind deswegen noch bez glich der Anpassung des Regelalgorithmus zu machen In erster Linie ist die n chste Phase zu erarbeiten Diese besch ftigt sich mit den diversen Funktions und Fehlersimulationstest Tobias Burch Silvan Gisler 102 Lucerne University of Applied Sciences and Arts HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Kapitel 6 Testphase Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 Testphase Es ist sehr wichtig der Testphase grosse Beachtung zu schenken und die bevorstehen
189. nahme Berechnung Steuerung Regelung Datenaufzeichnung Signalisierung V V V V V V V Diese Programmteile werden alle sequentiell in der aufgelisteten Reihenfolge abgearbeitet und immer wiederholt Sie sind alle mit strukturiertem Text oder Kontaktplan geschrieben Im Folgenden werden anhand von Funktionsdiagrammen die einzelnen Teilprogramme erlautert Der komplette Sourcecode und die Kontaktplane befinden sich auf der beigelegten CD unter Omron_SPS Programm Tobias Burch Silvan Gisler 71 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 8 1 Sicherheitskreis Vom Programmteil Signalisierung ja Druckschalter i O ja Netzspannung ja nei Netzfrequenz 1 Motorschutz schalter i O Variable setzen Sicherheitskreis i O Zum Programmteil Inbetriebnahme Abbildung 5 20 Programmstruktur Sicherheitskreis Tobias Burch Silvan Gisler Variablen setzen f r Signalisierung der Hochschule Luzern Technik amp Architektur Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW 5 8 2 Inbetriebnahme Vom Programmteil Sicherheitskreis nei Variable setzen eferenzierungs nei Error Referenziert RefEror Variable KW einschalten gesetzt User Variable setzen Touchscreen
190. nd Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 3 2 1 Schutzsystem Not Aus ja Druckschalter Spannung j betatigt betatigt Frequenz nein Ja Gen Strom ja Temperatur ja R ckleistung ja 10 2 iO nein nein nein Drehzahl Netztrennung Anlage ausschalten Abbildung 3 3 Schutzsystem Diese Schlaufe ist allen Funktionen des Kraftwerks uberlagert Sobald eine dieser Funktionen anspricht wird die Anlage ausgeschaltet egal ob sich das Kraftwerk im Hand oder Regelbetrieb befindet Diese Schlaufe darf aber nicht als zeitlicher Ablauf interpretiert werden Die einzelnen Bl cke k nnen als abgeschlaufte Relais angesehen werden Sobald eines dieser Relais anspricht wird die Schlaufe unterbrochen 3 2 2 Inbetriebnahmesystem Um die Anlage nach einer Abschaltung neu in Betrieb zu nehmen wird folgendes Vorgehen verlangt Strahlablenker D se langsam anheben ffnen Blindleistungs Min Drehzahl ja Generator ans AT erreicht Netz koppeln EEN ein nein Abbildung 3 4 Inbetriebnahmesystem Tobias Burch Silvan Gisler 37 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Dem Startvorgang ist die Schutzschlaufe berlagert Sie kann zu jedem Zeitpu
191. nden Peripherie Baugruppe und ber Signalkonverter l sst sich der PC an die Signale des Kraftwerks anbinden Grunds tzlich ist es nicht sinnvoll f r solch eine Steuerungsaufgabe einen handels blichen Rechner dauernd laufen zu lassen Es gibt f r kleinere und nicht rechenleistungsintensive Anwendungen intelligente Pocket PC s Jedoch muss ein solcher PC die n tigen Schnittstellen f r die Peripherieanbindung aufweisen und ist dementsprechend im oberen Preissegment angeordnet 2 3 3 Anzeigeinstrumente Mogliche Anzeigeinstrumente Digitale Analoge Analoge und Digitale Multifunktionsger t Anzeigeinstrumente Anzeigeinstrumente Anzeigeinstrumente kombiniert Abbildung 2 3 M gliche Anzeigeinstrumente 2 3 3 1 Digitale Anzeigeinstrumente Die digitalen Anzeigeinstrumente sind weit verbreitet und in diversen Variationen erh ltlich Eine Elektronik stellt die gemessene Gr sse auf einer 7 LED Anzeige oder auf einem LC Display dar Letzteres Anzeigesystem weist eine kleinere durchschnittliche Lebensdauer auf da die Fl ssigkristallanzeigen mit einem Alter von ber 10 Jahren auslaufen k nnen Damit die zu messende Gr sse vom Anzeigeinstrument erfasst werden kann muss je nach Messgr sse das Anzeigeinstrument ber einen Wandler angeschlossen Tobias Burch Silvan Gisler 22 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Ar
192. nderen beiden Z hler geh ren dem EWO und messen die abgegebene und die bezogene Energie 7 1 Gesamtenergieproduktion Aus den vergangenen Jahren konnten Daten zur bisherigen Energieproduktion beschafft werden Diese wurden digitalisiert und als Grafiken dargestellt Die Zahlen sind in kWh an gegeben Fee Aor aun ow ESCHER 2002 rasoo 1450 020 15099 2960 320 15409 12910 19970 em 15510 175700 2009 aoro zeo 18200 ven 2990 uam 15200 12200 19150 wasn 14 670 12700 14 680 14710 15 040 14400 14920 14910 14680 14970 14 400 14 830 1747910 2007 14 040 13 710 14 890 14 690 15 010 14 590 14 400 13 700 14 520 129550 KEE Tobias Burch Silvan Gisler 45 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Diese Werte ergeben folgende mittlere Energieproduktion der letzten sieben Jahre auf die einzelnen Monate aufgeteilt Jun Sep Okt Nov Dez Jul Aug Das Tief im Februar ist vor allem auf Vereisung am Wassereinlauf zur ckzuf hren jenes im November auf Verstopfung des Einlaufs durch Laub Mittelwerte der letzten 7 Jahre 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Jan Feb Mz Apr Mei Abbildung 42 Energie Mittelwerte der einzelnen Monate
193. nen 5 10 1 Support Rohr Fur die Montage von elektromechanischen Komponenten und die Verlegung der dazugeh rigen Signal und Leistungskabel ist ein Support Rohr erstellt worden Dieses Vierkantrohr verl uft parallel ber der Druckleitung Die verschiedenen Komponenten sind direkt am Support Rohr angebracht So bleibt die Druckleitungen f r Wartungsarbeiten zug nglich Die Signal und Leistungskabel f r die Komponentenverdrahtung werden im Rohr gef hrt Der Schutz der Kabel ist dadurch gew hrleistet und ein zus tzlicher Kabelkanal wird somit nicht ben tigt Abbildung 5 40 Support Rohr Tobias Burch Silvan Gisler 93 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 10 2 Dusenverstellung Da sich die Spindel je nach Position des Dusenhebels nach unten oder oben neigt muss die Motorenhalterung so angebracht sein dass diese bei jeder D senstellung immer parallel zur Spindel steht Die Motorenhalterung ist deshalb direkt auf der Spindelhalterung montiert welche sich uber dem Turbinengehause befindet Fur die Fertigung der Motorenhalterung sind CAD Zeichnungen erstellt worden welche auf der beiliegenden CD unter Dokumentation Dokumentationsdetails zu finden sind Eine bersicht der Einzelteile der Motorenhalterung ist unten dargestellt gt Y Abbildung 5 41 Motorenhalterung Das Drehmoment des Getriebemotors
194. nergie ans EWO abgegeben Die mittlere Energieabgabe pro Jahr an das EWO betr gt 86 728 kWh respektive 86 7 MWh Tobias Burch Silvan Gisler 48 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 7 3 Ausfallstunden In den letzten sieben Jahren gab es pro Jahr zwischen 206 und 380 Ausfallstunden Im Mittel waren es 314 4 Ausfallstunden Meistens schaltete die Anlage aus weil sich infolge Verstop fung oder Vereisung langsam der Pegel in der Druckleitung senkte Dadurch senkte sich auch der statische Druck wodurch das Kraftwerk durch Ansprechen des Druckschalters aus geschaltet wurde Ausfallstunden 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Abbildung 46 Ausfallstunden der einzelnen Jahre Diese durchschnittliche Ausfallszeit entspricht mehr als 13 Tagen pro Jahr Das heisst im Durchschnitt wird jedes Jahr uber 13 Tage hinweg uberhaupt keine elektrische Energie er zeugt Tobias Burch Silvan Gisler 49 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 8 Datenzusammenfassung Alle Angaben beziehen sich auf den Normalbetriebsfall also voll geoffnete Duse Lange der Druckleitung Hohendifferenz Bruttohohe Statischer Druck bei der Duse Nettohohe Typ des Generators Nennleistung des Generators Nenndrehzahl des Generators Polpaarzahl Drehzahl im Generatorbetrieb Typ des Turbinenrads S
195. ng 3 und auf der beigelegten CD unter Dokumentation Tobias Burch Silvan Gisler 62 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 6 Programm auf Maxon EPOS P Die Programmierung auf dem Motortreiber EPOS erfolgt nach der Norm IEC 61131 als Strukturierter Text ST Die nachfolgende Abbildung zeigt die Struktur des Programms Die Prozesse Eing nge lesen Referenzierung Positionierung und Ausg nge schreiben werden parallel abgearbeitet und immer wiederholt Parallele Prozesse waren Digitale hed Ausg nge ja schreiben Heforenzleren Digitais Eing nge nein Eingang gelesen ja ja RefError FALSE RefError TRUE Referenzierung beenden PosError FALSE ja PosError TRUE Absolut Positioning beenden Abbildung 5 12 Programmstruktur EPOS P Tobias Burch Silvan Gisler 63 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Anschliessend werden die Funktionen der verwendeten Funktionsblocke erlautert Der gesamte Source Code sowie die detaillierte Beschreibung der verwendeten Funktionsblocke befinden sich auf der beigelegten CD unter Maxon_EPOS_P Programm 5 6 1 Digitale E
196. nkt eingreifen und somit den Inbetriebnahmevorgang unterbrechen 3 2 3 Regelsystem Das Grundprinzip der Pegelstandsregelung sieht stark vereinfacht also folgendermassen aus Entsander Druckleitung Turbine Abbildung 3 5 Grundprinzip der Pegelstandsregelung Sinkt im Entsander der Wasserpegel so muss die Duse so weit geschlossen werden dass der Pegel wieder dem Soll Wert nahert Dies kann zum Beispiel durch Antreiben des bereits bestehenden Handrades geschehen 3 3 Erkenntnisse und Ausblick Die im morphologischen Kasten stehenden Teillosungen gew hren einen sehr guten berblick der m glichen L sungsvarianten Die Systemstruktur gibt des Weiteren den n tigen Einblick in die grundlegende Funktionsweise der Steuerung und Reglung Tobias Burch Silvan Gisler 38 HOCHSCHULE LUZERN Engineering amp Architecture Kapitel 4 Systementwurf Verfasser Tobias Burch Silvan Gisler Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 4 Systementwurf In diesem Kapitel werden aus dem Morphologischen Kasten mogliche Gesamtkonzepte erstellt Es ist besonders darauf zu achten dass dabei die einzelnen Teilsysteme dabei auch gut zusammenspielen und somit sinnvolle Kombinationen bilden Anschliessend werden die Gesamtkonzepte kurz erl utert und bewertet Schlussendlich wird das f r die Anlage am besten passende Konzept aus
197. nn es zu Funktionsst rungen oder Besch digungen kommen und es besteht Stromschlaggefahr Vor ffnen des Schaltschranks immer den Anlagenhauptschalter ausschalten gt Es muss wirksam verhindert werden dass Fremdkorper irgendwelcher Art in die Nahe der Anlage gelangen welche diese besch digen k nnen gt Regelm ssige Inspektionen sind durchzuf hren um einen einwandfreien Betrieb sicherzustellen gt Nach nderungen an der Anlage muss unbedingt berpr ft werden ob alle Schutzfunktionen welche einen sicheren Betrieb der Anlage gew hrleisten noch korrekt funktionieren nderungen an der Anlage irgendwelcher Art f hren aber zur sofortigen Aufhebung der Garantie f r einen sicherheitsgew hrleistenden Betrieb der Anlage von Seiten der Hersteller Tobias Burch Silvan Gisler Seite 5 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 2 Beschreibung Anlage und Komponenten 8 7 14 K 15 18 Tobias Burch Silvan Gisler Seite 6 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk Tobias Burch Silvan Gisler Seite 7 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 24 27 25 21 52 19 22 E _ I 5 u ae BER 56556525 emp Be un r Ka Amana ep e l j DE 1 D j 8 reg a Tobias Burch Silvan Gisler Seite 8 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 2 1 Die Anlage verfugt uber folgende Sicherheitseinrichtungen gt V V V V V
198. nnnnnen nen 110 6 3 Erkenntnisse und Ausblick rs ee 111 f Ge En Ee UE 113 741 Anlagendokumente und bergabe nn raasa 113 7 1 1 Anlagenaokumente eege EE 113 PAZ Uberaba dace psec 113 1 2 OHNE ADEO ienr eE a 114 1 2 1 Multtunktons Anzegeinstrument 114 7 2 2 REGEIUNG RE 115 1 2 8 Bee de ne ra ee ea 115 f CII S SW 117 o EIER ACU uuu uu uyu uuu EEN 119 8 1 BC C 119 8 2 HMO u Suni am a bee 119 Tobias Burch Silvan Gisler 5 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Abbildungen Abbildung 2 1 Schema einer Schaltanlage fur Asynchrongenerator Abbildung 2 2 M gliche L sung Steuerung een Abbildung 2 3 M gliche Anzeigeinstrumente Abbildung 2 4 M gliche Realisierungsvarianten Regelung Abbildung 2 5 M gliche L sungen Motor Nadelverstellung Abbildung 2 6 M glichkeiten der Wasserstandermittlung Abbildung 2 7 M gliche L sungen zur Datenaufzeichnung Abbildung 2 8 M gliche Varianten f r Energiezuf hrung Abbildung 2 9 Gesamtwirkungsgrad der
199. obias Burch Silvan Gisler 4 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 1 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 E TE ADDIIGUNG Z3EINZU9SGEDIEL 4 naar 9 ADBIAUNG 9 TAY CFAUIKSCNE Ma sea 11 Abbildung 4 Bauplan Wasserfassung Getenansacht nenne nennen 12 Abbildung 5 Bauplan Wasserfassung 55 12 Abpildung h kuona tuntu leise 13 ADDIGUAG Dre ie ll 13 elei Tee EE DE uuu a unu au au ae 13 ADBIGUAG E EE le e 14 Abbildung 10 Verlauf der 15 Abbildung 11 elle CT 16 Abbildung 12 Ubersichtsschema Maschinenbaus I aa 16 Abbildung 13 Schieber vor Maschinenhaus nenn ennne nennen 17 Abbildung 14 Manometer und Druckschalter 17 Abbildung 15 Handrad und Strahlablenker 18 Abbildung 16 D se mit Nadel ai saka aha u aqa 18 Abbildung 17 Peltonlaufrad Strahlablenker Mundst ck und Nadel v l n r 18 Abbildu ng 18 Motor I VOCNSCAIIG EE 19 19
200. onat Produktion diesen Monat 009999 Monat Produktior Seilen disses jar auflistung letzter Nonat w hlen mg AA aktuelles Jahr letzes Jahr 277725 7 ot Z Wy N N N y D 2 nn m Jan M rz Mai Juli Se Nov Tobias Burch Silvan Gisler Seite 11 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 4 Referenzieren des Stellmotors Wenn die Anlage neu ans Netz angeschlossen wird der Netzschalter zwischenzeitlich aus geschaltet wurde oder die Maxon EPOS P aus irgend einem Grund kurzzeitig keine Versorgungsspannung mehr hatte so muss der Stellmotor neu referenziert werden 4 1 Starten einer Referenzierungsfahrt ohne Einschalten der Anlage 1 Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird drucken sie die Taste Bedienung 2 Drucken sie die Taste gt gt gt um auf die Seite Bedienung Seite 2 zu gelangen 3 Dr cken Sie die Taste Referenzieren 4 Eine Referenzierungsfahrt wird nun durchgef hrt Dabei ffnet sich die D se auf etwa 90 Bis der Referenzierungsschalter bet tigt wird 4 2 Starten einer Referenzierungsfahrt mit gleichzeitigem Einschalten der Anlage 1 Auf dem Touchscreen wird die Startseite angezeigt 2 Dr cken sie die Taste Bedienung um auf die Seite Bedienung Seite 1 zu gelangen 3 Dr cken sie die Taste Kraftwerk ein ausschalten 4 Ein neues Fenster wird ge ffnet Dr cken Sie nun die Taste Kraftwer
201. ossem Stromfluss die einzelnen Leiter und Kontaktelemente ebenfalls eine gewisse Verlustleistung auf was sich wiederum als Warmeentwicklung widerspiegelt Des Weiteren muss die Umgebungstemperatur ber cksichtigt werden denn nur anhand von dieser und der im Schrank anfallenden W rmeenergie kann die Klimatisierungsart festgelegt werden Nebst der Klimatisierungsart und der gesamten Abw rme der Komponenten ist auch die Anordnung der Elemente im Schaltschrank von Bedeutung Da der Netz Koppelsch tz die gr sste W rmeentwicklung im Schaltschrank verursacht ist dieser unmittelbar in der N he des Luftaustrittsfilters montiert Die Steuerungskomponenten sind auf der rechten Seite im Schaltschrank montiert Die Luft wird rechts unten angesaugt und links oben ausgeblasen Dies wurde so gew hlt weil die w rmere Luft nach oben steigt und sich die k hle Druckleitung auf der rechten Seite befindet Der L fter muss arbeiten wenn die Temperatur im Schaltschrank ber 30 C betr gt Liegt die Lufttemperatur darunter so ist kein Luftaustausch notwendig und der Ventilator kann Tobias Burch Silvan Gisler 97 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur abgeschaltet werden Zu diesem Zweck befindet sich oben rechts im Schaltschrank ein Temperaturschalter 5 11 4 Verdrahtungspr fung Nachdem der Schaltschrank fertig zusammengebaut und verdrahtet
202. ot oe t ee e sch sch ech D Schaltschrank Touchscreen Multifunktions Anzeige Not Aus Schalter Anlagen Hauptschalter Kondensatoren Stellmotor Zahnriemen Referenzschalter Endschalter Strahlablenker Schalter Elektromagnet Strahlablenker Strahlablenker Spindel Nadel Generator Turbinengeh use Schwungmasse Sicherheitseinrichtungen Not Aus Schalter Frequenz berwachungsrelais Spannungs berwachungsrelais Drehzahluberwachungsrelais Druckschalter Kontrolle von Netzschutz und Kompensationsschutz Ruckleistungsuberwachung Tobias Burch Silvan Gisler 19 20 21 22 23 24 20 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Thermostat fur Schaltschrankluftung Sicherungen SPS Maxon EPOS P Netzuberwachungsrelais Generatorschutz Kondensatorschutz Schaltschranklufter Stromwandler Drehzahluberwachungsrelais 24 VDC Netzteil Druckschalter Drucksensor Manometer Signallampe Fehler Blitzleuchte Signallampe Wassermangel Seite 9 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 3 Navigieren im Men Die Bedienung der Anlage erfolgt haupts chlich ber das im Schaltschrank eingebaute Touchscreen Wird der Anlagen Hauptschalter eingeschaltet so erscheint auf dem Bild schirm die Startseite Die Navigation zwischen den einzelnen Anzeigefenstern erfolgt durch dr cken der Tasten mit dem Finger auf den Touchscreen gem ss untenstehendem Schema 3 1 Startseite
203. plomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 4 Regelung Mogliche Realisierungsvarianten der Regelung Computer Motorcontroller Elektronik Eigenbau Abbildung 2 4 Mogliche Realisierungsvarianten Regelung 2 3 4 1 SPS Regelungssysteme konnen mit einer SPS realisiert werden sofern nicht extrem schnelle Vorgange geregelt werden mussen Die Pegelregelung in diesem Falle besitzt keine hochdynamischen Anspruche Somit kann der Einsatz einer SPS durchaus Sinn machen 2 3 4 2 Computer PC Systeme weisen in den meisten Fallen hohe Rechenleistungen auf Deshalb ist eine Pegelregelung fur einen Computer ohne Probleme zu realisieren sofern die entsprechende Peripherie vorliegt 2 3 4 3 Motorkontroller Motorkontroller mit dem entsprechenden Motor sind intelligente Antriebssysteme Die Kontroller neuster Generation haben sehr umfangreiche Funktionen Einige besitzen eine integrierte Logik welche es erm glicht eine Antriebssteuerung im Stand Alone Betrieb zu erstellen Solche intelligente Motorsteuerungen besitzen analoge und digitale Ein und Ausg nge welche in den Funktionsablauf der Logik miteinbezogen werden k nnen Die Stellbefehle k nnen somit anhand von externen Signalen erfolgen 2 3 4 4 Elektronik Eigenbau Je nach Motorentyp ist eine Ansteuerelektronik mehr oder weniger aufw ndig Der zeitliche Aufwand f r solch eine Elektronik ist a
204. r Hohendifferenz des Wasserstandes 3 l b 454 2 02 Tobias Burch Silvan Gisler 89 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Bei voll ge ffneter D se bzw nach der ffnungszeit fliessen nach angaben aus dem Industrieprojekt konstant 26 1 6 durch die D se Bis ein Pegelstand von 130 m erreicht ist wird noch folgende Zeit ben tigt Se Ah hanen b _ 131m 130 m 0 24m 4 54 m 2 02 m s r EECH Q 0 026 Fur die Absenkung um einen Meter von 131m auf 130m werden gesamthaft also 2685 124 7 s 392 7 s ben tigt Mit der folgenden Abbildung ist zu erkennen dass sich die Regelstrecke innerhalb des Entsanders wie ein Integrator mit Verz gerung verh lt 268 5 Sprungantwort 131 Abbildung 5 39 Sprungantwort Diese Angaben entsprechen dem tatsachlichen Verlauf der Hohe wie sie im Entsander beobachtet werden kann Da in unserem Fall die Hohe aber mit einem Drucksensor gemessen wird kommen noch sehr grosse Totzeiten und Druckschwingungen hinzu Vor allem die Totzeiten fuhren dazu dass die Regelstrecke sehr schwierig zu regeln und vor allem sehr schwierig zu berechnen ist Tobias Burch Silvan Gisler 90 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kle
205. r Schweiz wird wohl zu 99 das Schema 30 WYE Sternschaltung mit Neutrallei ter verwendet Das Messger t ist f r den weltweiten Einsatz entwickelt worden und enth lt deshalb sehr viele zus tzliche Funktionen resp Einstellm glichkeiten um das Messger t auf die verschiedensten weltweit vorhandenen Versorgungsnetze einzustellen Herr Treichler gestand er hatte bei den ersten Messungen genau das gleiche Problem gehabt Nach R cksprache mit der Entwicklungsabteilung konnte er schlussendlich die Logik des Messger tes nachvollziehen Fazit Wenn das Messger t Fluke 435 auf das Schema 30 WYE Sternschaltung mit Neutralleiter eingestellt wird dann stimmen die gemessenen Werte auch mit den am PM3000 gemesse nen Werten berein Es ist essentiell wichtig dass das Messger t Fluke 435 nach dem elekt rischen Versorgungsnetz orientiert konfiguriert wird Eine entsprechende Kurzanleitung wur de erstellt und im Koffer des Messger tes platziert Es ist sehr schade steht dies nicht explizit im zum Messger t mitgelieferten Getting Startet Buch Wir sind nicht die ersten welche wegen diesem Problem R cksprache mit Fluke gehalten haben F r Messungen Verantwortlich Burch Tobias tobias burch stud hslu ch Gisler Silvan silvan gisler stud hslu ch Datum 03 01 2008 Zeit 11 00 Uhr Tobias Burch Silvan Gisler 8 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 4
206. r die Sicherheitsfunktionen der Kraftwerksteuerung ist der Einsatz von Relais unabdingbar 2 3 2 2 SPS Eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS findet in vielen Bereichen Anwendung Als Ein und Ausgangsbaugruppen stehen diverse Module mit den in der Industrie blich eingesetzten Spannungssignalen zur Verf gung Damit die Funktionen einer SPS basierten Steuerung wie gew nscht ausgef hrt werden muss diese programmiert werden Eine Standard SPS darf aufgrund dessen nicht als einziges Glied der Steuerung f r sicherheitsrelevante Aufgaben eingesetzt werden Bei Ansprechen einer Sicherheitsfunktion muss die Abschaltung wenn nicht schon durch die SPS geschehen direkt von einem Relais vollzogen werden Tobias Burch Silvan Gisler 21 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Bei Einsatz eines Displays in Verbindung mit der SPS k nnen aktuelle Prozessdaten darauf abgebildet werden Jedoch k nnen die aktuellen Generatorspannungs und Generatorstromwerte nur mit Hilfe von diversen Signalkonvertern in die SPS eingelesen und auf dem Display angezeigt werden 2 3 2 3 Computer Eine von einem Personal Computer PC gef hrte Steuerung ist mit dem Steuerungssystem einer SPS zu vergleichen Auch hier k nnen keine sicherheitsrelevanten Funktionen bernommen werden Die PC Steuerung besteht aus Rechner und Bildschirm Mit einer entspreche
207. r geforderten Reihenfolge Konstruktive Schutzmassnahmen Zus tzliche Schutzmassnahmen Warnung vor Restgefahren mit geforderten Verhalten ber alle Sicherheitsaspekte wird die technische Dokumentation erstellt MRL Anhang V Die Auslieferung erfolgt mit der EG Konformitatserklarung MRL Anhang V Ander Installation wird die CE Konformitatskennzeichnung angebracht MRL Anhang V 1 2 Geltungsbereich und Einsatzbereich Einsatzauftrag Elektrische Energieproduktion durch Wasserkraft Allgemeine Angaben Umgebungstemperatur 15 40 C Temperatur Maschinenraum 5 40 C Luftfeuchte lt 90 Aufstellhohe lt 1000 m Meer Wichtigste Technische Daten Elektrischer Anschluss 3x400VAC 50Hz 3LNPE Steuerspannung 24 VDC Tobias Burch Silvan Gisler Seite 3 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis HINWEIS Bei samtlichen zusatzlichen Stoffen und Komponenten welche mit der Kraftwerksanlage in Verbindung gebracht werden mussen die jeweiligen Herstellerangaben in Betracht gezogen werden Diesbezuglich sind auch die Sicherheits Handhabungs und Entsorgungsanweisungen zu befolgen 1 3 Liste der verwendeten EG Richtlinien und EN Normen 98 37 EG Maschinenrichtlinie mit der Anderung 98 79 EG 89 336 EWG EMV Richtlinie mit den Anderungen 91 263 EWG und 92 31 EWG 73 23 EWG Niederspannungsrichtlinie mit der nderung 93 68 EWG Bei der Ausarbeitung des Sicherheitskonzeptes wurden zus tz
208. r somit nicht eine zeit und wertkontinuierliche Kurve schwarz sondern eine digitalisierte zeit und wertdiskrete Kurve gr n Der Zeitraum f r eine Regelaktivit t bzw die Abtastzeit TO des Reglers entspricht auch gleich der Aktualisierungszeit auf dem Display Auf dem obigen Bild betr gt sie 10 s Der Regler liesst zu den Zeitpunkten TO 0 1 0 2 TO n jeweils den gemittelten Wert ein der gerade auf dem Touchscreen angezeigt wird Tobias Burch Silvan Gisler 85 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 9 5 Messzeitpunkte Bei einer neuen Positionierung wird der Druckverlust Ap uber die anzufahrende Zielposition ausgerechnet Der Druck wird aber immer bei der aktuellen D senposition gemessen Das Problem das dabei entsteht soll durch die nachfolgende Abbildung welche ein Schliessen der Duse aufzeigt visualisiert werden 13 9 p T So Druck bar ech oO gt ts No LA AQ 50 60 70 80 90 100 D sen ffnung Abbildung 5 35 Probleme bei falschen Messzeitpunkten Wenn bei aktivierter Regelung eine zu kleine Ist Hohe gemessen bzw berechnet wird so schliesst die Duse auf die neu berechnete Position Nun wird wahrend dem Positionieren aus der neuen D sen ffnung und dem ak
209. r ver ndert hierzu die Position der Nadel in der D se Um die Energieproduktions Daten aufzuzeichnen wird eine Elektronik eingebaut welche mit einem Laptop ber die serielle Schnittstelle kommunizieren kann Die Daten werden nach Bedarf auf den Laptop bertragen und abgespeichert Die f r die Inbetriebsetzung der Anlage ben tigende elektrische Energie wird aus dem ffentlichen Verbundnetz entnommen Die Energieabgabe des Generators erfolgt ins Verbundnetz Werden bei diesem Konzept nachtr glich nderungen oder Erweiterungen angebracht so ist eine Verdrahtungs nderung fast unumg nglich H chstens eine Regelungsanpassung kann mittels Software nderung der Motorsteuerung vorgenommen werden Jedoch muss bei einer Erweiterung praktisch nur der Hardware und kein Softwareaspekt mitber cksichtigt werden Eine detaillierte Kosten bersicht befindet sich auf der CD unter Dokumentation Dokumentationsdetails Unten ist eine Kurz bersicht der Kosten aufgef hrt Die Gesamtkosten liegen im Rahmen des Budgets Tabelle 4 2 Kosten bersicht Konzept gr n Kosten bersicht Konzept gr n CHF Regelung 1910 00 4965 00 Total Konzept gr n 6875 00 Tobias Burch Silvan Gisler 43 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 4 1 4 Bewertung Gesamtkonzepte Tabelle 4 3 Bewertung Gesamtkonzepte Sicherheit Anderbarkeit technisc
210. rachtungen gem ss Maschinenrichtlinie 98 37 EG 13 4 2 Sicherheitsbetrachtungen gem ss Niederspannungsrichtlinie 73 23 EWG 13 4 2 1 Algemene Bedingunge EE 13 4 2 2 Schutz vor Gefahren die von elektrischen Betriebsmitteln ausgehen 15 4 2 3 Schutz vor Gefahren die durch ussere Einwirkung auf elektrische Betriebsmittel EE 15 5 Share ul i ae ee 16 5 1 PLUIBFOLOKON EN RRE ee 16 6 Qualitatssicherung der Schutzmassnahmoern 18 Tobias Burch Silvan Gisler Seite 2 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 1 Einleitung Die folgende technische Dokumentation beschreibt die Funktionalit t und den Sicherheitsnachweis der Kraftwerksanlage bei Gebr Burch in 6062 Wilen 1 1 Grundlage Die Ausarbeitung dieser Dokumentation basiert auf der EG Maschinenrichtlinie 98 37 EG der EMV Richtlinie 89 336 EWG der Niederspannungsrichtliniie 73 23 EWG und damit der Gesetzgebung in der EU dem EWR und der Schweiz Eine detailliertere Erarbeitung der Sicherheitsaspekte erfolgt ber die Anforderungen der EG Maschinenrichtlinie mit Ausarbeitung der Gefahrdungsanalyse f r alle vorkommenden Betriebsarten Gefahrenquellen und betroffenen Personen Ergreifen von Schutzmassnahmen gem ss Risiko und Stand der Technik Wahl der Schutzmassnahmen in de
211. re Personen m ssen sich ausserhalb des Maschinenraums befinden Restrisiko vorhanden Akzeptiert JA Tobias Burch Silvan Gisler Seite 7 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 2 1 3 Fehlende M glichkeit zum Stillstand NOT Aus Schalter Gegenmassnahmen NOT Aus Schalter beim Steuerschrank Restrisiko klein Akzeptiert JA 2 1 4 Unzureichende Anweisungen kein Unfallprotokoll Gegenmassnahmen Die Dokumentation der Unfallereignisse wird dem Kunden berlassen Restrisiko sehr klein Akzeptiert JA Tobias Burch Silvan Gisler Seite 8 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 2 2 Mechanik 2 2 1 2 2 2 Gefahrdung durch Quetschen Strahlablenker Gegenmassnahmen Nur von instruiertem Personal zuganglich Restrisiko vorhanden Akzeptiert JA Turbinenwelle und Schwungrad Gegenmassnahmen Nur von instruiertem Personal zuganglich Restrisiko vorhanden Akzeptiert JA Gefahrdung durch Erfassen oder Aufwickeln Strahlablenker Gegenmassnahmen Nur von instruiertem Personal zuganglich Restrisiko klein Akzeptiert JA Turbinenwelle und Schwungrad Gegenmassnahmen Nur von instruiertem Personal zuganglich Restrisiko vorhanden Akzeptiert JA Tobias Burch Silvan Gisler Seite 9 Technische Dokumentation und Sicherheitsnachweis 2 2 3 Gefahrdung durch kinetische Energien Masse Schwungrad Generatorrotor Turbinenrad Gegenmassnahmen Nur von instruiertem Personal zugangli
212. reisliste Global Hydro 86 Anhang 10 Referenzanlage Blue Water Power 88 Anhang 11 Bauplan Maschnenhaus 89 Anhang 12 Bilder Laufrad Peltonturbine 91 Anhang 13 Bilder Maschinenhaus und Gerisbach 92 PAM ANG VA ZC MDA ns er ee 93 Tobias Burch Silvan Gisler 61 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Anhang 1 Elektroschema Kraftwerkssteuerung Projekt WKWO Kunde Gebr Burch Projekt Titel Elektroschema WKW Auftragsnummer PAIND E Tobias Burch Silvan Gisler 62 Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung Hr SNEWUEURSSEN UO AAA een NY yuesyosyeyas geylassny u Ap 3 er 0 omm USM 2909 19 essensus es Young Bunsi dsui3 S 39 Needed L LA O OO GO LG IOL O1ISb sbiszuesbun s g7 JayWeyosjdnepy Jaiyezadlsug Fdl KI g 63 Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung 6 H PE Bunisi 1 rn EEE sum uno BE BE i S ONIVd NY omami Z909 HD s
213. rk mit dessen Hilfsenergie in Betrieb zu setzen da die Kraftwerkanlage sowieso zur Leistungsabgabe an das elektrische Verbundnetz angeschlossen ist 2 3 8 2 Akkumulator Mit Akkumulatoren kann der Betrieb der Kraftwerksteuerung und Regelung auch bei Ausfall des ffentlichen Versorgungsnetzes aufrechterhalten werden Jedoch darf der Generator nicht mehr ans ffentliche Verbundnetz gekoppelt sein Da die Anlage keine Einrichtung f r den Inselbetrieb besitzt und die M glichkeit dieser Betriebsart nicht erforderlich ist macht der Einsatz von Akkumulatoren nur f r Ger te der Datensicherung sinn Dabei ist zu beachten dass je nach Akkumulator j hrliche Wartungsarbeiten notwendig sind Akkumulatoren altern schneller als andere elektrische Komponenten und sind daher nach einigen Jahren Einsatzdauer zu ersetzen Tobias Burch Silvan Gisler 28 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 9 Art der Pegelstandregelung Grunds tzlich kommen zwei Arten von Regelungen in Frage Die eine Variante besteht darin bei Verringerung der Nettofallh he die D se teilweise zu schliessen und somit den Durchfluss zu regulieren Bei der zweiten Variante wird die D se ganz geschlossen das Kraftwerk abgeschaltet und erst wieder eingeschaltet wenn der Entsander gef llt ist Im Modul Industrieprojekt wurde das Teillastverhalten der Anlage b
214. rkbar 2 3 5 2 AC Motor Wechselstrommotoren werden in einem grossen Leistungssegment angeboten Bei gr sseren Leistungen werden vorwiegend Drehstrommotoren eingesetzt Auch bei dieser Motorart muss zu deren Drehzahluntersetzung ein Getriebe vorgeschaltet werden Die Motoren sind sehr robust und praktisch wartungsfrei Zur Ansteuerung dieser Motoren stehen verschiedenste Motorenkontroller zur Verf gung Tobias Burch Silvan Gisler 25 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 5 3 Schrittmotor Schrittmotore sind mit einem passenden Motorkontroller einfach zu betreiben Damit das benotigte Drehmoment aufgebracht werden kann muss auch hier zusatzlich ein Getriebe zum Einsatz kommen Die Schrittmotortechnik ist ausgereift und wird in vielen Geraten eingesetzt 2 3 6 Wasserstand ermitteln M glichkeiten um den Wasserstand zu ermitteln Drucksensor im Maschinenraum Sensor beim Entsander J VW SE Abbildung 2 6 M glichkeiten der Wasserstandermittlung 2 3 6 1 Drucksensor im Maschinenraum Eine preiswerte Variante den Wasserstand zu ermitteln besteht darin dass ein Drucksensor an der Druckleitung im Maschinenraum angebracht wird Der gemessene Druck stimmt proportional mit der aktuellen H he des Wassers in der Druckleitung respektive im Entsander berein 2 3 6 2 Sensor beim Entsander Der Wasserstand im Entsander k
215. rung in Abh ngigkeit der Zeit 124 7 5 ffnen der D se von 0 auf 100 100 90 80 70 60 50 q 5 AO 30 20 10 O Abbildung 5 37 Dusenoffnung in Abhangigkeit der Zeit Tobias Burch Silvan Gisler 88 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Die Durchflussmenge verh lt sich w hrend dem ffnen in Abh ngigkeit der D sen ffnung wie folgt Durchfluss in Abh ngigkeit der D sen ffnung 30 0 25 0 N 9 O Durchfluss Vs O 5 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dusenoffnung Abbildung 5 38 Durchfluss in Abhangigkeit der Dusenoffnung Durch Anlegen einer Trendlinie vierter Ordnung erhalt man fur diese Kurve folgende Gleichung Q x 3 8179 107 x 9 6941 10 x 1 1194 107 x 8 2362 107 x 4 1970 Wobei Q der Durchfluss und x die Dusenoffnung ist Wenn nun anstelle der linear zunehmenden D sen ffnung von 0 bis 100 die oben ermittelte Zeit von 0 5 bis 124 7 5 gesetzt wird so kann man diese Gleichung nach der Zeit integrieren und man erh lt die Menge an Wasser die w hrend dem ffnen herausgeflossen ist 124 78 Vv Q x ax Io 22031 2 203 Os Das entspricht mit den Grossenangaben des Entsanders aus dem Industrieprojekt folgende
216. s High Flags logisch 1 am Digitaleingang mindestens eine Spannung von 8 8 VDC anliegen und ein Strom von 3 mA fliessen Die EPOS jedoch kann nur ein 5 VDC Signal ausgeben Deshalb m ssen die Ausg nge der Motorensteuerung in Sink Schaltung betrieben werden und die Eing nge der SPS ber Pull Up Widerst nde auf 24 VDC gelegt werden Vout max 30V external E I x iy max 100 mA Abbildung 5 11 Signalschnittstelle Maxon EPOS P Tobias Burch Silvan Gisler 60 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Wenn die Motorensteuerung den Ausgang nicht aktiviert hat liegt am Eingang der SPS 24 VDC an Sobald der Ausgang der Motorensteuerung aktiviert ist wird die Soannung am SPS Eingang auf 0 VDC gezogen und die SPS erhalt ein Low Flag logisch 0 Die Logik zwischen Motorensteuerung und SPS ist somit invertiert Leitungen mit Analogwert Signalen sind mit abgeschirmten Kabeln realisiert Das zu bertragende Analogsignal ist somit besser vor St rsignaleinkopplungen gesch tzt Der Tachogenerator welcher die Drehzahl der Maschinenwelle misst gibt eine DC Spannung in Abh ngigkeit der Drehzahl aus Die Schwellenwerte f r das Ansprechen von ber resp Unterdrehzahl m ssen eingestellt und somit das gesamte Drehzahl berwachungssystem abgestimmt werden Der Drucksensor gibt ebenfalls ein
217. s relativen Wirkungsgrades von verschiedenen Turbinentypen Die Kurve 1 zeigt den Verlauf einer typischen Peltonturbine Sie hat ihren maximalen Wirkungsgrad bei etwa 60 70 ihres maximalen Schluckverm gens Der maximale Wirkungsgrad einer 0 4 modernen Peltonturbine liegt bei 84 90 wobei dieser stark von der Gr sse bzw von der Leistung 0 2 der Turbine abh ngt In der Gr s 0 9 0 8 0 7 Relativer Turbinenwirkungsgrad n nmax 0 3 0 1 senordnung der untersuchten Tur bine k nnen Wirkungsgrade von 0 84 erreicht werden O 10 20 30 40 5 60 70 80 9 100 Dies wurde auch durch eine An relative Durchflussmenge frage bei einem Turbinenhersteller Grossenordnung des maximalen Wirkungsgrades best tigt welcher uns einen Wir Kurve 1 Peltonturbine Tmax 84 90 kungsgrad von 82 mit ihrer Pel Durchstromturbine zweizellig Timex 78 84 d tonturbine 09 H1 versprach Kurve 2 Kaplanturbine 84 90 iehe Anhan Pr ktli 3 Francisturbine Tmax 84 90 siehe ang Produktliste Globa Durchstr mturbine einzellig 78 84 Hydro Energy Kurve 4 Pumpen im Turbinenbetrieb Timex 75 90 Bei der Referenzanlage ist ein Wirkungsgrad von 84 3 ange Abbildung 47 Wirkungsgrade verschiedener geben siehe Anhang Referenz anlage Blue Water Power Tobias Burch Silvan Gisler 51 Industrieprojekt Hochschule Lu
218. sensu bes MAM ewayosonyag 44 f01d Yy uyosjusuysseyy yang 5 E eg JOJEJSUSE JOJESUSPUOY UdE MA DE JOJESUSPUOY Ug puoy ud re Ge JBAY Z G f abiazuewoays 9d OE DE L DE zu D E LI 6 8 1 5 D 2 0 64 Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung ZU UA jg 6 8 SNE YUSUEDSE WO USI MAM yang qe apura L L USIIM 2909 ssensu pes Buni nals 3 ONIVd INY MAM 5 yluyosjuau yoseyy Young tdl Jajyezaduaug HYH awuyeugeyarug Bunlajsarnuq eg aye dssnjyosuesayia zjnyos H EE S E AE EN ea nenn ER Ze 347 59 ET IL A ablazuesbunuueds abiazuesbunjsiay dE 9d en 0 9 2 ZH OSE ale FYE CSE Bunsanals Jose 8 OF MSN vol vg SR 24 lt sl el EE Sp C 771 m ER 2 io mez G F 65 Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Industrieprojekt Technik amp Architektur Wasserkraftwerk Optimierung F L z Buni n ls anp wa sum ANN Z909 HD
219. serzins 1 Die Konzession re haben dem Staat Obwalden eine einmalige Behandlungsgeb hr von Fr 200 zu entrichten f llig nach er folgter Unterzeichnung der Konzession 2 Der j hrliche Wasserzins errechnet sich wie folgt Ausbauwassermenge 16 70 ifs Bruttogef lle 136 25 m Bruttoleistung 0 0167 x 136 25 x 30 PS Br Wasserzinsansatz 2 2 Fr 12 50 Wasserzins 30 x 12 50 Fr 375 Bei Aenderung des nach Bundesrecht zul ssigen maximalen Wasser zinses wird obiger Ansatz entsprechend angepasst 3 Auf die Erhebung einer Fischereigeb hr wird verzichtet 4 Die Zahlung des Wasserzinses hat jeweils im Monat Dezember unaufgefordert an die Staatskasse Obwalden zu erfolgen Art Drittmannsrechte Alle Rechte Dritter und des Staates werden ausdr cklich vorbe halten Art 9 Bauliche Ver nderungen Projekte f r Erg nzungen und Aenderungen an Bauten und Anlagen sind von den Konzession ren dem Baudepartement zur Genehmigung vorzulegen und d rfen erst nach erfolgter Genehmigung ausgef hrt werden Tobias Burch Silvan Gisler 71 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Art 10 Unterhaltspflicht 1 Die Konzession re haben s mtliche Anlageteile stets sorgf ltig zu beaufsichtigen und in gutem Zustand zu erhalten 2 Das kantonale Baudepartement berwacht die Aufrechterhaltung des konzessionsm ssigen Zustandes der Bauten und
220. stellungen Seite 1 zu gelangen 2 Dr cken Sie die Taste gt gt gt um auf die Seite Einstellungen Seite 2 zu gelangen und anschliessend die Taste 3 Sie gelangen nun auf die Seite Datum und Datum und Uhrzeit Uhrzeit Touchscreen Zeit 4 Dr cken Sie auf das Eingabefeld Datum wenn 15 87 2088 17 54 40 Sie das Datum ndern m chten bzw auf das Eingabefeld Zeit wenn sie die Uhrzeit ndern wollen 5 Es erscheint nun eine Bildschirmtastatur mit Schliessen welcher Sie die entsprechenden Daten eingeben k nnen 6 Mit dr cken auf Enter k nnen Sie die eingegebenen Werte speichern Das Datum und die Uhrzeit wird dadurch nur auf dem Touchscreen geandert gt Das Datum und die Uhrzeit auf der SPS andern sich dadurch nicht Tobias Burch Silvan Gisler Seite 19 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 11 2 Datum und Uhrzeit der SPS einstellen Auf dem Touchscreen kann das Datum und die Uhreit der SPS eingestellt werden Dazu muss folgendermassen vorgegangen werden 1 Wenn auf dem Touchscreen die Startseite angezeigt wird drucken sie die Taste Einstellungen um auf die Seite Einstellungen Seite 1 zu gelangen 2 Dr cken Sie die Taste gt gt gt um auf die Seite Einstellungen Seite 2 zu gelangen und anschliessend die Taste Datum Zeit SPS 3 Sie gelangen nun auf die Seite Datum und Zeit der SPS 4 In den Anzeigefelder Datum und Zeit
221. sten Kapitel Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Technik amp Architektur A P nn _ d A I PC optional Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 2 Wahl und Beschreibung der Komponenten Das Konzept fur die Steuerung und Regelung ist festgelegt Die Komponenten die fur die Umsetzung des Konzepts benotigt werden stehen bei vielen Herstellern im Angebot Bei der Wahl der Komponenten respektive des Herstellers spielen bereits gesammelte Erfahrungen eine Rolle Selbstverstandlich steht aber die Qualitat und Funktion der Komponenten bei der Wahl stets im Vordergrund Da es viele Hersteller mit praktisch identischen Produkten gibt konnten diverse Anfragen gestartet werden Der Aufwand hierfur ist zu gross Die Preise der verschiedenen Hersteller liegen bei den Industrieprodukten fast immer in derselben Grossenordnung Deshalb erfolgt die Wahl der Produkte aufgrund von gesammelten Erfahrungen Gerade bei der Beschaffung einer SPS spielt dieser Punkt eine essentielle Rolle denn eine erneute Anschaffung einer Programmiersoftware entf llt somit Aufgrund der zahlreichen Angebote auf dem Markt entf llt ein grosser Vergleich verschiedener Produkte Im Folgenden ist die Wahl des Herstellers bereits getroffen und die einzusetzende Komponente bereits bestimmt
222. t Gegensatz dazu bereitet die Ersetzung der Signal und Leistungskabel fur Endschalter Strahlablenker Elektromagnet etc weniger Muhe 5 11 2 Komponentenanordnung Nach der festgelegten Montageposition des Schaltschranks wird nun weiter die Anordnung der Klemmen bestimmt Da bestimmte Kabel wieder verwendet werden sollen richtet sich die Anordnung stark an diese bereits installierten Kabel Trotz den vorgegebenen Bedingungen wird darauf geachtet dass stets Leistungskreis und Steuerkreisklemmen separiert angeordnet sind Die Komponenten sind ebenfalls so anzuordnen dass Leistungs und Steuerkreise moglichst separiert sind Es wird angestrebt moglichst wenige Leiter der beiden Kreise parallel zu verlegen Die auf der nachsten Seite folgende Abbildung zeigt die Anordnung der Komponenten im Schaltsschrank Tobias Burch Silvan Gisler 96 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur Austrittsfilter Temperaturschalter Kenia Leistungskreis 12 Steuerkreis Abbildung 5 43 Komponentenanordnung 5 11 3 Klimatisierung Ein haufig missachtetes Thema ist die Schaltschrankklimatisierung Vielfach wird nicht im Voraus erkannt wie viel Warmeenergie einzelne Komponenten im Schaltschrank abgeben Ohne Herstellerangaben was oft der Fall ist kann dies ohne Erfahrung nur schwer abgesch tzt werden Zudem weisen bei gr
223. t ganz links in Abbildung 20 Auf der rechten Seite des Schaltschranks befinden sich zwei Dreiphasenkondensato ren Diese sind montiert um die vom Asyn chrongenerator verursachte Blindleistung 2 kompensieren Vom installierten Schaltschrank existierte anf nglich kein Elektroschema Es sind auch keine Betriebmittelkennzeichnungen angebracht Die Verdrahtung ist sehr un bersichtlich ausgef hrt Damit die Anlage vollst ndig dokumentiert ist wurde ein Elektroschema erstellt wel ches im Anhang beigelegt ist Tobias Burch Silvan Gisler 20 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 Messungen und Berechnungen Anschliessend werden die Messungen beschrieben welche an der Anlage durchgef hrt wur den Alle Messungen sind bei sechs verschiedenen Ausgangs Wirkleistungen durchgef hrt worden bei 4 000 W 10 000 W 15000 W 17 500 W 20 000 W und bei Volllast also 21 200 W Alle Berechnungen erfolgten mittels Microsoft Excel Die Resultate der Messungen sind in Kapitel 6 5 in Tabellen aufgelistet Wichtige Resultate sind in Kapitel 6 9 grafisch dargestellt 6 1 Bruttoleistung In der Bruttoleistung sind keinerlei Verluste der Anlage ber cksichtigt Sie gibt an wie viel Leistung die Anlage liefern k nnte wenn alle Bestandteile ideal w ren und somit keine Ver luste verursachen wurden 6 1 1 Bruttohohe In der Konzession sind fur die Hohe der Turbine 474 0 m u
224. t einschaltbar bis Fehler behoben Hauptschalter eingeschaltet Anlage ausgeschaltet Koppelschutz gegen Einschalten gesichert Strahlablenker in Arbeitsstellung Maschinenwelle steht still Strahlablenker anheben bis max 1 100 U min erreicht sind Relais berdrehzahl schaltet bei 1 050 U min Touchscreen Fehler berdrehzahl Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben Anlage l uft in Volllastbetrieb Am Motorschutzschalter die Test Taste dr cken Strahlablenker f llt in Arbeitsstellung Generator wird vom Netz getrennt Touchscreen Fehler Motorschutzschalter Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben 106 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 6 1 9 Generatorschutz Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen 6 1 10 Kondensatorschutz Vorbedingungen Fehlersimulation Erwartete Ergebnisse Nachbedingungen Tobias Burch Silvan Gisler Schliesserkontakt fur Generatorschutzkontrolle entfernen Hauptschalter eingeschaltet Anlage einschalten Strahlablenker anheben Nach erreichen der synchronen Drehzahl schaltet die Anlage sofort wieder aus Touchscreen Fehler Generatorschutz Anlage nicht einschaltbar bis Fehler behoben Schliesserkontakt fur Kondensatorschutzkontrolle entfernen Hauptschalter eingeschaltet Anlage einschalten Strahlablenker anheben Nach erreiche
225. t schon bei der kleinsten Abweichung zu arbeiten beginnen wurde In der folgenden Abbildung zeigt die rote Kurve einen moglichen Verlauf der Ist Hohe Die gr ne Linie ist die Eingestellte Soll H he und die gelben Linien zeigen die Totzone fur den Regler 140 135 H he m 110 105 100 0 10 20 Zeit s 30 40 50 Abbildung 5 36 Totzone fur den Regler In dieser Abbildung betr gt Totzone um den Soll Wert zum Beispiel 0 5m Das heisst erst wenn die Differenz zwischen Soll und Ist H he gr sser als 0 5 m wird beginnt der Regler bzw der Stellmotor aktiv zu wirken Tobias Burch Silvan Gisler 87 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 0 7 Das Verhalten der Regelstrecke 5 9 7 1 F hrungsverhalten Annahme Zufluss 0 1 5 Abfluss 0 1 5 D sen ffnung 0 entspr 0 mV Stellsignal Pegelstand 131 m Somit bleibt die Wasserh he in der Druckleitung bzw im Entsander konstant Es wird nun ein Sprung von 0 mV auf 5000 mV auf das Stellsignal gegeben Das bedeutet dass sich die D se ganz ffnet Mit einer Drehgeschwindigkeit von 3000 U min einer Untersetzung von 231 1 und unter Vernachl ssigung von Beschleunigung und Verz gerung dauert eine solche Positionierung 27U 60 _ 231 _ min Ee ffnen U 3000 Die Folgende Abbildung zeigt die Positionie
226. te der Messungen 6 5 1 Messung am Generator ohne Blindleistungs Kompensation Wirkleistung Spannung Spannung Spannung Strom Strom Strom W VA var Faktor U min 6 5 2 Messung am Generator mit Blindleistungs Kompensation Wirkleistung Spannung Spannung Spannung Strom Strom Strom 396 1 397 3 397 5 399 6 Wirkleistung Scheinleistung Blindleistung Leistungs Drehzahl W VA var faktor U min Tobias Burch Silvan Gisler 30 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 5 3 Durchfluss Druck und Geschwindigkeit des Wassers Wirkleistung Entsander Messzeit fur Durchfluss Durchfluss Geschw vor W Ah m Abfluss s m3 s kg s l s mA bar Turbine m s 20000 0555 240 002431 2431 1647 11490 096 6 5 4 Leistung und Wirkungsgrad Wirkleistung Leistung vor Bruttoleistung Gesamt Wirkungsgrad Wirkungsgrad W Turbine W W wirkungsgrad Turbine Generator Druckleitung 4 000 6 954 7 013 0 570 0 575 0 992 10 000 14 471 14 812 0 675 0 691 0 977 30 210 33 577 Tobias Burch Silvan Gisler 31 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 6 6 Turbine Fur die folgenden Berechnungen werden die gleichen Bezeichnungen genommen wie in Abbildung 30 Es ist aber zu bemerken dass diese Abbildung eine Peltonturbine mit 2 Dusen zeigt di
227. tnisse Uber das weitere Vorgehen zu erhalten wird der derzeitige Stand der Technik mit der installierten Anlage verglichen 10 1 Druckleitung Aus Gesprachen mit Experten geht hervor dass der Wirkungsgrad der Druckleitung von ca 90 dem durchschnittlichen Wert von Anlagen dieser Grossenordnung entspricht Die Druckleitung weist somit kein Verbesserungspotential auf 10 2 Turbine Aus der nebenstehenden Ab bildung kann entnommen wer den dass f r die Anlage der richtige Turbinentyp gew hlt wurde F r den Betriebspunkt der Anlage roter Punkt kommt nur eine Peltonturbine in Frage Nettofallh he Hn m Grunds tzlich ist die Turbinen bauart hervorragend Die Gleit lager der Turbine sind nicht direkt an das Turbinenradge h use angeflanscht sondern sind separat auf zwei Lagerb cken angebracht Somit kann sich im Lagergeh use kein Kondenswasser bilden Die Gleitlagerlauffl chen welche aus Bronze gefertigt sind sind noch heute in gutem Zustand Aus den Berechnungen gehen keine sehr grossen Abwei 0 10 lo 30 loo chungen bei wichtigen Abbildung 50 Wahl des Turbinentyps Tobias Burch Silvan Gisler 53 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur Kennwerten hervor Daraus kann geschlossen werden dass die Turbine richtig Dimensio niert ist Der Wirkungsgrad der Turbine ist mit 74 5 eher schlecht Hier ist also einig
228. trahlkreisdurchmesser Becherbreite Strahldurchmesser Bruttoleistung der Anlage Hydraulische Leistung Mechanische Leistung Abgabeleistung Generator Blindleistung ohne Kompensation Scheinleistung ohne Kompensation Blindleistung mit Kompensation Scheinleistung mit Kompensation Leistungsfaktor ohne Kompensation Leistungsfaktor mit Kompensation Wirkungsgrad der Druckleitung Wirkungsgrad der Turbine Wirkungsgrad des Generators Gesamtwirkungsgrad der Anlage Durchschnittliche Energieproduktion Durchschnittliche Energieabgabe an EWO Verg tung durch EWO 986 m 130 6 11 52 bar 117 4 m Kurzschlussl ufer Asynchron Motor 30 kW 960 U min 3 1 020 U min Pelton 430 mm 85 mm 26 8 mm 33577 W 30210 W 22 500 W 21 200 W 247090 var 32 090 14 115 var 25 469 0 661 0 832 90 0 74 5 93 9 63 1 1747337 kWh Jahr 86728 kWh Jahr 0 16 Fr kWh Tobias Burch Silvan Gisler 50 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 9 Stand der Technik Anhand des derzeitigen Standes der Technik soll ermittelt werden in welchem Zustand sich das Wasserkraftwerk bezuglich Druckleitung Turbine und Generator befindet 9 1 Druckleitung Der Stand der Technik hat sich bei den Druckleitungen seit der Installation der neuen Druck rohre im Jahr 1986 kaum oder gar nicht verandert 9 2 Turbine Die Grafik rechts zeigt den Verlauf de
229. tuellen Druck bereits wieder die Ist H he berechnet A p PAP 0 8 Das Problem das dabei entsteht ist klar ersichtlich Der nun berechnete Druckverlust ist bereits von der Zielposition der gemessene Druckp aber ist von der aktuellen Dusenoffnung Als Folge davon wird eine zu geringe Ist Hohe berechet Dadurch schliesst sich die D se noch weiter Dieses Szenario setzt sich so fort bis die D se an den eingestellten Anschlag gelangt Beim ffnen der D se spielt sich das gleiche ab aber in umgekehrter Richtung F r dieses Problem kommt nur eine L sung in Frage Die Messung und Berechnung ist w hrend dem Positionieren zu unterlassen Erst wenn die neue Position erreicht ist soll die Ist Hohe wieder berechnet werden Das f hrt aber dazu dass w hrend dieser Zeit die Anzeige auf dem Display nicht aktualisiert wird Tobias Burch Silvan Gisler 86 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 9 6 Totzone fur die Regeldifferenz Der Stellmotor soll nicht bereits bei der geringsten Differenz vom Ist Werte zum Soll Wert beginnen auszuregeln sondern erst ab einer gewissen Abweichung Diese Abweichung kann im Display eingestellt werden Eine solche Totzone muss gebildet werden weil alleine durch das Quantisierungsrauschen des A D Wandlers und des Drucksensors die Regeldifferenz verfalscht werden kann und der Regler somi
230. tung und Wirkungsgrad uu ea a 31 See ee ee nee 32 O7 ide eee 34 6 7 1 Berechnungen mit Schlupf 0 34 6 7 2 Berechnungen mit Schlupf 2 6 36 67 3 Berechnung mit Schlupt 200 22 2 39 6 7 4 Wirkungsgradberechnung mit Drehmoment nennen 39 6 8 Zusammenfassung der Verluste 40 SG MG Ale le Le E PAC ee nee 41 6 9 1 GeSaIMWINKUNOGS OFAC nalen 41 6 9 2 Wirkungsgrad der Druckleitung anno ann nnnn nenn nenn nennen 41 6 9 3 Wirkungsgrad von Generator mit Turbune 42 8 94 Wirk gsgrad Turbine 42 6 9 5 Wirkungsgrad 42 6 10 Druck in Abh ngigkeit der Wirkleistung 43 6 11 Durchfluss in Abh ngigkeit der Wirkleistung 44 7 Bisherige Energieproduktion J 45 7 1 45 7 2 u 47 7 3 AUSA SUNEN Su p 49 8
231. uerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 7 2 Offene Arbeiten 7 2 1 Multifunktions Anzeigeinstrument Die Wahl f r das Multifunktions Anzeigeinstrument fiel auf den Hersteller Optec Dieser hat uns ein kosteng nstiges Ger t empfohlen welches unseren Bed rfnissen entsprach Doch bei der Programmierung dieses Ger ts kamen viele Unklarheiten zum Vorschein Dies war besonders deswegen da die Menustruktur der Bedienungsanleitung nicht mit der des Multifunktionsger ts bereinstimmte Schliesslich wurde klar dass das Ger t die von uns geforderten Funktionen nicht wie versprochen erf llt Da sich der technische Support des Herstellers als mangelhaft herausstellte wurde das bestellte Ger t in gegenseitigem Einvernehmen zur ckgesandt Bez glich der schlechten Erfahrung mit der Firma Optec musste ein anderer Hersteller gefunden werden Schnell wurde ersichtlich dass der Hersteller Carlo Cavazzi der die Netzspannungs berwachungsrelais liefert ebenfalls solche Anzeigeinstrumente anbietet Anhand von bereits get tigten R ckfragen erwies sich der Support von Seite Carlo Cavazzi als ausgezeichnet Keine M he wurde gescheut und deshalb sogar mit dem Herstellerwerk in Italien telefoniert um die Fragen unsererseits m glichst schnell zu beantworten Leider musste festgestellt werden dass sich das bestellte Ger t WM14 nicht f r die Erfassung der elektrischen Blindenergie f r Generatoren
232. um ffentliches verbundretz Tobias Burch Silvan Gisler Morphologischer Kasten Teillosungen Analoge Anzelgeinstrumente AL Motor Sensor beim Entsander Computer Analoge und Digitale Anzeigeinstrumente kombiniert pi Mlotorkontroller Schrittrnotor 2 4 3 4 Hochschule Luzern Technik amp Architektur Multifunktionsger t Elektronik Eigenbau 35 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 3 2 Systemstruktur Das folgende Bild zeigt wie das Gesamtsystem der Steuerung und Regelung prinzipiell aufgebaut sein soll Schutzsystem Inbetriebnahme system Regelsystem Datenauf zeichnungssystem Abbildung 3 2 Gesamtsystem Steuerung und Regelung Das Schutzsystem ist allen anderen Funktionen berlagert Nur wenn bei diesem alles in Ordnung ist kann die Anlage in Betrieb genommen und optional das Regelsystem aktiviert werden Auch das Datenaufzeichnungssystem funktioniert nur wenn das Schutzsystem die Freigabe daf r gibt Die Steuerung der D se muss auch bei einer Fehlerausl sung betrieben werden k nnen sofern es sich nicht um einen Not Aus oder Netzspannungsfehler handelt Nachfolgend sind die einzelnen Teilsysteme kurz erkl rt und deren Funktion visualisiert Tobias Burch Silvan Gisler 36 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung u
233. ung wird somit nicht zur Notwendigkeit Die Steuerung kann so programmiert werden dass bestimmte Einstellwerte mittels Touch Screen des Displays ver ndert werden k nnen Betreffend den Kosten liegt dieses Konzept im Budget des Anlagenbesitzers Eine vollst ndige Kosten bersicht befindet sich auf der CD unter Dokumentation Dokumentationsdetails Im Folgenden ist eine Zusammenstellung der Kosten aufgef hrt Tabelle 4 1 Kosten bersicht Konzept rot Kosten bersicht Konzept rot SPS Display O Baugruppen 2585 00 Regelung 1640 00 3530 00 Total Konzept rot 7755 00 Tobias Burch Silvan Gisler 42 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 4 1 3 Konzept grun Dieses Konzept besteht grundsatzlich auf der Basis einer Relaissteuerung Die Anlage wird anhand von diversen Relais uberwacht und bei gultigem Betriebszustand zum Betrieb freigegeben Das Multifunktionsgerat zeigt die aktuellen Spannungs und Stromwerte des Generators an Nebst diesem Ger t signalisieren diverse Leuchten den aktuellen Betriebszustand der Anlage Ein intelligenter Motorkontroller mit digitalen und analogen Schnittstellen wird f r die Regelung im Stand Alone Betrieb verwendet Der aktuelle Druck in der Druckleitung wird ber die Analogeingangsschnittstelle eingelesen Je nach Messwert wird die Wasser Durchflussmenge erh ht oder verringert Ein DC Moto
234. uu 25 14 Technische Daleu uuu u ee 26 Tobias Burch Silvan Gisler Seite 3 Bedienungsanleitung Kleinwasserkraftwerk 1 Sicherheitshinweise Vor Inbetriebnahme ist die Bedienungsanleitung vollst ndig zu lesen und zu AN verstehen Die Anlage darf nur von instruiertem Fachpersonal betrieben werden Bei jeglichen Unklarheiten und nicht beschriebenen Bedienungsf llen ist in jedem Fall sofort der Hersteller zu kontaktieren 1 1 Sicherheitstechnische Grundregeln gt Beachten Sie neben den Hinweisen in der Bedienungsanleitung die allgemein g ltigen Sicherheits und Unfallverh tungsvorschriften Die Anlage darf nur von instruiertem Fachpersonal betrieben werden Der Benutzer ist gegen ber Dritten im Maschinenraum verantwortlich Der Aufenthalt im Gefahrenbereich der Anlage ist verboten Jede Person im Maschinenraum muss auf eng anliegende Kleidung achten Der Maschinenraum darf nur von instruiertem Personal betreten werden Machen Sie sich vor dem Arbeiten mit der Funktionsweise der Maschine vertraut Zur Vermeidung von Brandgefahr oder mechanischen Sch den ist die Anlage sauber halten Unmittelbar nach dem Verlassen des Maschinenraums ist dieser abzuschliessen gt Der Schl ssel f r den Maschinenraum darf nur instruiertem Personal ausgeh ndigt werden gt Wartungs und Reinigungsarbeiten sowie das Abnehmen oder Abklappen der Schutzeinrichtungen d rfen nur bei stillgesetzter Anlage vorgeno
235. wird die produzierte elektrische Energie mit Hilfe einer im Steuerschrank eingebauten Elektronik erfasst Von Zeit zu Zeit kann ein Laptop ber die serielle Schnittstelle mit der Aufzeichnungs Elektronik verbunden und die Daten bertragen werden 2 3 7 3 SPS Die von der SPS erfassten Daten k nnen ber ein Display angezeigt werden Die SPS hat nur beschr nkt Speicherplatz zur Verf gung Um die Daten ber mehrere Jahre hinweg zu speichern m ssten diese zum Beispiel auf einen PC bertragen werden Diese Art der Datenaufzeichnung macht nur Sinn wenn sowieso eine SPS f r Steuerungsaufgaben eingesetzt wird da sonst die Kosten zu gross werden Tobias Burch Silvan Gisler 27 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 2 3 4 PDA Mit einem Personal Digital Assistant PDA kann eine Datenaufzeichnung nur mit zus tzlicher Peripherie realisiert werden Uber ein USB Board ist es m glich digitale Impulse zu erfassen Es muss jedoch darauf geachtet werden dass nicht alle PDA s eine USB Schnittstelle fur Hostbetrieb besitzen 2 3 8 Energie zufuhren Mogliche Varianten um Energie zuzufuhren Offentliches Verbundnetz Akkumulator Abbildung 2 8 Mogliche Varianten fur Energiezufuhrung 2 3 8 1 ffentliches Verbundnetz Der elektrische Energiebezug vom ffentlichen Verbundnetz stellt die einfachste Art dar das Kraftwe
236. wird mittels zwei Zahnriemenrader und Zahnriemen auf die Spindel bertragen Damit das Radialmoment auf die Getriebemotorwelle m glichst klein gehalten wird ist das Zahnriemenrad mit der Lauffl che zum Getriebemotor hin montiert Damit die Referenzposition und die beiden Endpositionen des D senhebels erkannt werden k nnen sind auf dem neu erstellten Support Rohr die entsprechenden Endschalter befestigt Dank der Montage mittels einer C Schiene und Nutensteinen k nnen die Endschalter beliebig justiert werden Die nachfolgende Abbildung soll dies veranschaulichen Tobias Burch Silvan Gisler 94 Bachelor Diplomarbeit 2008 Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Endschalter gt e 4 ae lt Abbildung 5 42 Komponenten zur Dusenverstellung Tobias Burch Silvan Gisler Hochschule Luzern Technik amp Architektur Motorenhalterung 95 Bachelor Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 11 Schaltschrank 5 11 1 Montageposition Schaltschrank Bei der Festlegung der Montageposition des neuen Schaltschranks wird darauf geachtet dass die bereits vorhandenen und angeschlossenen Kabel weiterhin verwendet werden k nnen Besonders die Kabel zum Generator sind nur mit gr sserem Aufwand zu ersetzen Diese sind namlich im Boden und durch den Generatorsockel gefuhr
237. zern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 93 Generator Asynchronmaschinen erreichen je nach Motorengr sse bzw Motorenleistung sehr unterschiedliche Wirkungsgrade Ob eine Asynchronmaschine als Generator oder als Motor betrieben wird ndert am Wirkungs grad nichts Im Leistungsbereich des unter suchten Generators 30 kW k nnen mit i modernen Maschinen Wirkungsgrade zwi en ER ses 2 ener schen ca 91 und 94 realisiert werden ee Wobei ein Wirkungsgrad von 94 wirklich 1 Stern als sehr gut bezeichnet werden kann Der 70 7 2122 ee ren Asynchrongenerator der Referenzanlage hat einen Wirkungsgrad von 90 8 und ist damit auch recht gut siehe Anhang Refe M Boppelbauer renzanlage Blue Water Power AG Abbildung 48 Wirkungsgrad verschiedener Asynchronmotor Klassen Motorengr sse kW Der Wirkungsgrad ist aber nicht nur von der Leistung sondern auch von der jeweiligen Aus lastung abh ngig Um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen sollte eine Asynchronma schine mit mindestens 50 Auslastung betrieben werden CS CH D E i a k Auslastung Abbildung 49 Wirkungsgrad einer 45 kW ASM in Abhangigkeit der Auslastung Tobias Burch Silvan Gisler 52 Industrieprojekt Hochschule Luzern Wasserkraftwerk Optimierung Technik amp Architektur 10 Beurteilung der Kraftwerksanlage Um Erkenn
238. ziert nei Sicherheitskreis i 0 ja nein nei Regelung deaktiviert Positionierung Set a beendet Stellsignal unterdr cken Neue Einschaltung Positionieren abbrechen geschehen nein Neue Ausschaltung geschehen nein nderung der D sen ffnung verlangt nein Zum Programmteil Regelung Abbildung 5 23 Programmstruktur Steuerung Tobias Burch Silvan Gisler Positionierungs Error Set Reset Vom Programmteil Berechnung User Regelung deaktivieren Touchscreen D sen ffnung letzteD senposition D sen ffnung Ausschaltposition D sen ffnung Neue Position Stellsignal ausgeben Positionieren erlauben Ausschaltposition Touchscreen Touchscreen Hochschule Luzern Technik amp Architektur 75 Diplomarbeit 2008 Hochschule Luzern Steuerung und Regelung des Kleinwasserkraftwerks am Gerisbach in Wilen OW Technik amp Architektur 5 8 5 Regelung Vom Programmteil steuerung nei Referenziert icherheitskreis LO Positionierungs Error nein User nein Regelung Regelung aktiviert aktivieren Touchscreen ja Regelaktion nei erlaubt User Gereinigt Taste dr cken Touchscreen Stellsignal unterdr cken Wasserzulauf Positioniere
239. zum Elektromagneten angehoben werden um die Anlage in Betrieb zu nehmen Die Nadel in der D se kann mit einem Hand rad welches in Abbildung 15 zu sehen ist verstellt werden Der aus der D se austretende Wasserstrahl trifft auf das Laufrad der Turbine sofern der Strahlablenker nicht in Arbeitsstellung ist Im Falle eines Druckabfalls Spannungsausfalls oder Unstimmigkeit bei der Drehzahl wird der Elektromagnet ausgeschaltet Der Strahlablenker f llt in Arbeitsstellung und lenkt den Wasserstrahl vom Peltonrad weg Tobias Burch Silvan Gisler 18 Industrieprojekt Wasserkraftwerk Optimierung Hochschule Luzern Technik amp Architektur 5 4 6 Generator Abbildung 18 Motor Typenschild 5 4 7 Turbine Ss KA N E Abbildung 19 Fabrikat Turbine Der auf der Anlage montierte Generator ist laut Typenschild als Asynchronmotor spezi fiziert Er hat 3 Polpaare und eine Nennleis tung von 30 kW Dieser Motor wird als Ge nerator betrieben Die Drehzahl der Welle wird mittels eines an der Generatorwelle angebrachten Tachogenerators erfasst Das Baujahr des Generators ist nicht Bekannt Daten der Asynchronmaschine Hersteller Brown Boveri Typ Q 200 L6 Nennfrequenz 50 Hz Nennspannung 380 V verkettet Nennstrom 61A Nennleistung 30 kW Nenndrehzahl 960 U min Das Laufrad der Turbine ist beidseitig mit freistehenden Gleitlagerlagerbocken gela gert Zur Abst tzung des Schwungrades ist

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