Dynamic Stability Analysis of a Hydropower Unit

Abstract

Unbalanced magnetic pull in electrical machines is due to unevenly distributed magnetic field in the air-gap between the stator and the rotor, which direction is towards the shortest air-gap. Parallel paths in winding are for long known to mitigate the influence of unbalanced magnetic pull, which may be caused for several reasons. The unbalanced magnetic pull excites mechanical vibration of the generator and the whole powertrain in electricity production unit, that might lead to their instability.

In this thesis, the stability analysis of a hydropower unit is conducted. For this purpose the Campbell diagram is constructed and the stability is examined in selected operating points using the parameters of two different stators, which have different number of parallel paths in their winding.

The computation of electromagnetic forces of the generators, rotordynamic analysis and vibration analysis are conducted using finite element method-based programs. The result of the analysis shows no clear indication that the parallel stator paths mitigate the influence of the unbalanced magnetic pull. The compared generators have different power output, which might explain these results. In the rotordynamic analysis the critical speeds are identified and they are located outside of the operation speed range. The vibration analysis shows that the response of the hydropower unit is stable when the examined shape deviation of the lowest eccentricity values are applied.

Epätasaisesti jakautunut magneettikenttä staattorin ja roottorin välisessä ilmavälissä aiheuttaa magneettisen vedon, jonka suunta on kohti ilmavälin kapeinta kohtaa. Käämityksen rinnakkaisten haarojen on pitkään tiedetty heikentävän epätasaisen sähkömagneettisen vedon suuruutta, mikä voi olla seurausta monesta eri syistä.

Tässä diplomityössä tutkittiin vesivoimalaitoksen turbiini-generaattoriakselin stabiiliutta generaattorin eri toimintapisteissä käyttäen kahden eri staattorin lähtötietoja ja tehtiin turbiini-generaattoriakselin roottoridynamiikka analyysi. Työn tavoitteena oli selvittää, pienentääkö turbiini-generaattoriakselin staattorin käämityksen rinnakkaiset haarat sähkömagneettisen vedon voimakkuutta.

Generaattorin ilmavälin sähkömagneettisten voimien laskenta ja vesivoimalaitosyksikön ominaisarvo- sekä värähtelylaskenta suoritettiin käyttämällä elementtimenetelmään perustuvia ohjelmistoja. Suoritetun analyysin perusteella ei voitu osoittaa, että staattorin rinnakkaiset haarat pienentävät sähkömagneettista vetoa. Vertaillut generaattorit olivat lähtötehoiltaan erilaiset, mikä voi selittää tutkimustulosta. Roottoridynamiikka analyysissa turbiini-generaattoriakselin kriittiset nopeudet todettiin sijaitsevan riittävän kaukana käyttönopeusalueesta. Värähtely analyysissa vaste arvioitiin stabiiliksi tutkittujen muotopoikkeamien ja vain pienten suhteellisten eksentrisyys arvojen osalta.