Multi-MW elektrische systemen voor windturbines getest in klimaatkamer OWI-Lab

Vorig jaar werd nogmaals geïnvesteerd in de testinfrastructuur van het OWI-Lab, om zo de windindustrie te ondersteunen met functionele testmogelijkheden voor elektrische machines, alsof deze in een bestaande windturbine waren geïnstalleerd. CG Power Systems was een van de eersten om er testen uit te voeren. 

Sirris biedt onderdak aan een van de grootste klimaattestkamers in Europa, die wordt gebruikt om onderzoeks-, test- en valdatieprojecten te ondersteunen met betrekking tot klimaatbestendigheid van zware en grote elektromechanische machines. Met zijn unieke grote klimaatkamer kan het steun bieden aan functionele klimaattestcampagnes voor zowel koude, hete als tropische klimaatomstandigheden voor machines tot wel 150 ton zwaar. 

Het departement voor R&D in windenergie OWI-Lab gebruikt deze voorziening om multi-MW elektrische machines en vermogenselektronica te testen die gebruikt worden in onshore en offshore windturbines. Het labo is in staat dergelijke machines tot 10 MW voor zowel 50 Hz als 60Hz te testen in omstandigheden met elektrisch vermogen en dit in de meest strenge en moeilijke klimaatomstandigheden op aarde. Vorig jaar deed de faciliteit een nieuwe investering om zijn klanten te ondersteunen bij de functionele testen van transformatoren, alsof ze in een bestaande windturbine geïnstalleerd waren.

Case 'testen van KDAF-transformer'

In consumentenelektronica zoals tablets en smartphones gaat heel wat aandacht naar een lichter gewicht en kleinere afmetingen van de toestellen. Zulke systemen vragen echter ook om een langere levensduur van de batterij en meer rekenkracht, wat uitdagingen stelt aan het ontwerp van dergelijke gebruikstoestellen op het vlak van warmtebeheer, energieverbruik en efficiëntie.

Vergelijkbare uitdagingen en trends duiken op in de windindustrie voor leveranciers van elektrische componenten. Allereerst moeten elektrische machines zo compact mogelijk zijn met een hoge vermogensdichtheid, om de benodigde ruimte in de windturbine te verminderen. Als tweede punt is gewichtsreductie belangrijk, omdat deze een impact heeft op de installatiekost. Aangezien deze elektrische machines met hoog vermogen compacter worden, en ze bovendien moeten werken in verschillende uitdagende klimaatomstandigheden over de hele wereld, tussen -40 °C en +50 °C, moet het restwarmtebeheer goed ontworpen en gevalideerd zijn alvorens ze in het veld ingezet worden. 

Bovendien zijn windturbines geneigd een hogere vermogenscapaciteit te hebben, de huidige state-of-the-art windturbine beschikt momenteel over een maximaal geleverd vermogen van 8 MW. Om tegen de genereerde warmte bestand te zijn, worden heel wat van de compacte elektrische vermogenssystemen uitgerust met een vloeibare koeling en externe warmtewisselaars of radiatoren om in alle omgevingscondities te kunnen werken. Verschillende koelingstypes kunnen gebruikt worden voor transformatoren. Onderstaande figuur geeft een overzicht van de koelmedia en circulatiemethode voor een transformator en type KDAF als een voorbeeld. Ook transformatoren met een traditionele natuurlijke koeling worden nog altijd gebruikt in de windindustrie.

 

CG Power Systems, een toonaangevende leverancier van windturbinetransformatoren, volgt ook deze trends op en voert klimaat gebonden testen op zijn ontwerpen uit in de klimaatkamer van het OWI-Lab, om zeker te zijn dat deze, behalve te werken in een simulatieomgeving, ook hun waarde bewijzen in realistische omstandigheden. "Testen in een klimaatkamer helpt ons met de validatie van ons prototype in realistische omgevingen onder gecontroleerde omstandigheden, wat leidt tot een kortere time to market," zegt Bart Cloet, R & D team leader bij CG Power Systems. Een transformer van het KDAF-type werd eind 2015 getest om de sturing van de pomp en ventilator van het transformatorprototype te optimaliseren. Het gedrag van het toestel in zowel woestijnhitte als koude start in extreem koude omstandigheden werden gevalideerd. 

Pieter Jan Jordaens van het OWI-Lab stelt: "Om de pomp en ventilator van dit prototype te beheersen, gebruikten we onze nieuwe mobiele omvormer, die ook gebruikt wordt om wind turbine tandwielkasten en hun hulpapparatuur voor smering en koeling te testen. Aangezien we testen uitvoeren voor geografisch verschillende markten, is het vaak nodig de hulpapparatuur van de prototypes aan 60 Hz of 690 V aan te drijven, in plaats van de 50 Hz die we in Europa gewoon zijn. Met onze recent gekochte mobiele omvormer zijn we flexibel om ook functionele testen van de hulpapparatuur op te nemen in ons aanbod naar de klant.”

Case ‘back-to-back testen’

Terwijl we in de meeste klimaatkamertesten gebruik maken van een kortsluiting aan de lage-voltagezijde (meer details zijn te vinden in de paper 'Cold start of a 5.5 MVA offshore transformer') geeft dit alle benodigde informatie om het functioneren van de transformator in alle werkingsvoorwaarden te valideren. Om de transformator onder omstandigheden van volledige belasting en nominaal vermogen te testen met een minimum aan energieverbruik is het nodig een gesloten kring te creëren met twee transformatoren. Op die manier moeten alleen de warmteverliezen door de elektrische kring worden voorzien. Samen met de partners van het testlabo werd deze unieke testopstelling gedemonstreerd en gebruikt voor functionele testen aan het einde van het jaar, tijdens een klimaattestcampagne.

Voordelen van een grote klimaattestruimte

Een bijkomend voordeel van de grote klimaatkamer is de mogelijkheid om meerdere testobjecten te testen in één testcampagne en om meervoudige systemen in één keer aan dezelfde testvoorwaarden bloot te stellen. Simultaan testen kan interessant zijn om bijvoorbeeld resultaten van verandering in een ontwerp te vergelijken met verschillende productversies van machines in dezelfde klimaatomstandigheden. Ook verlaagt het de kost van prototypetesten indien meerdere systemen in één keer getest kunnen worden. 

Meer info over de klimaattestvoorziening is te vinden op de website van OWI-Lab