Tahtigeneraattorin magnetointikoneen sähköisten parametrien määrittäminen mallintamalla ja mittaamalla

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2013-06-10
Major/Subject
Sähkökäytöt
Mcode
S3016
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka
Language
fi
Pages
63
Series
Abstract
Tahtigeneraattorin magnetointikoneen sähköisten parametrien tarkka määrittäminen on tullut tarpeelliseksi Euroopassa jatkuvasti tiukentuvien verkkostandardien johdosta. Tähän saakka parametrit on tyypillisesti määritetty ABB Oy:ssä käyttäen analyyttistä laskentaohjelmaa. Tässä työssä magnetointikoneen parametreja pyritään määrittämään tarkemmin sekä FEM simulaatioilla että käytännön mittauksilla. Lisäksi tarkkaillaan magnetointikoneen kestomagneettinavan vaikutuksia saatuihin parametreihin. Simulaatioita varten magnetointikoneen poikkileikkaukselle rakennetaan geometria, jonka avulla mallinnetaan tahtikoneiden parametrien määrityksessä suoritettavia kokeita käyttäen elementtimenetelmään perustuvaa FCSMEK-ohjelmistoa. Käytännön mittauksia suunnitellessa valittiin koelaitteeksi yleisesti ABB:llä käytetty magnetointikone, jonka sähköisille parametreille oli valmis analyyttinen malli. Tarvittavien kokeiden suorittamiseksi magnetointikoneen kolmivaihekäämitys piti saada kytkettyä oikosulkuun. Tätä varten koneeseen suunniteltiin tyristorisilta, joka toimi roottorin oikosulkukytkimenä. Roottoriin piti lisäksi sovittaa tavallisesta magnetointikoneesta poiketen anturit roottorin virtamittauksille. Magnetointikoneiden mittauksissa ongelmana on niiden hankala sijainti generaattorien sisällä. Ratkaisimme ongelman käyttämällä mittauksissa erillistä pyörityslaitetta. Kone tilattiin ABB Oy:n Pitäjänmäen tehtaalle, jossa se valmisteltiin koestusta varten. Koneen asennus ja mittaukset suoritettiin ABB:n ammattilaisten avustuksella Pitäjänmäen äänilaboratoriossa. Parametrien määritys suoritetaan simulaatio- ja mittausdatasta IEC 60034-4 standardin mukaisesti. Lisäksi osa parametreista määritetään sysäysoikosulkukokeen vaihevirralle tehdyllä käyräsovituksella. Saatuja simulaatio- ja mittaustuloksia verrataan toisiinsa, sekä analyyttisen laskentaohjelman tuloksiin. Mittaus- ja simulaatiotulokset vastaavat hyvin toisiaan, sekä analyyttisiä tuloksia reaktanssien osalta. Analyyttisesti määritetyt aikavakiot osoittautuvat huomattavasti simulaatio- ja mittaustuloksia pienemmiksi. Kestomagneettinavan vaikutukset parametreihin jäävät pieniksi. Työn tulosten pohjalta esitetään käytetyn analyyttisen ohjelmiston aikavakioiden laskennan tarkistamista. Simulaatio- ja mittaustulosten yhteensopivuus puhuisi myös elementtimenetelmän käyttöön siirtymisen puolesta magnetointikoneen sähköisten parametrien määrityksessä.

Determining exact values for excitation machine parameters has become increasingly important due to continuously straining European grid standards. Thus far at ABB these parameters have been determined with analytical calculation software. In this work, excitation machine parameters are determined by finite element method simulation and measurements. Additionally effect of excitation machines permanent magnet pole on parameters is observed. Cross-sectional geometry of excitation machine is constructed for finite element method simulation program FCSMEK. FCSMEK is then used to simulate the tests needed to identify the electrical parameters for the excitation machine. The machine for the measurements was chosen as one of the standard models used at ABB. In order to carry out the chosen tests the excitation machines rotor had to have the ability for controlled switch between no-load and short-circuit states. To fulfill this requirement a thyristor bridge was designed for the rotor. Also current measurement probes were installed to rotor phases. Location of excitation machine in the generator makes it problematic to measure successfully. To work around this problem we installed the excitation machine’s rotor to a special rotating platform. The excitation machine was ordered from subcontractors to ABB Pitäjänmäki where it was prepared for the tests. The tests were performed at ABB’s anechoic chamber with the help of ABB employees. Electrical parameters are extracted from simulation and measurement data by IEC 60034-4 standards’ guidelines. Additionally some of the parameters are solved from sudden short-circuit test data with curve fitting method. The results from simulations and measurements are compared to each other and to the results of the analytical software. It is found, that the simulation and measurement results correlate well with each other. The analytical reactance values are also in line with previous. The analytical time constants, however, are much smaller than the measured and simulated values. Permanent magnet pole’s effect on the parameters is found to be minor. From the results of this work it is presented that the time constant calculation of the analytical software is inspected. Additionally calculating the electrical parameters using FEM simulation instead of analytical software is a possible option.
Description
Supervisor
Arkkio, Antero
Thesis advisor
Westerlund, Jan
Keywords
excitation machine, finite element method, reactance, time constant, FCSMEK, measurements, IEC 60030-4, curve fitting, magnetointikone, elementtimenetelmä, reaktanssi, aikavakio, FCSMEK, mittaus, IEC 60034-4, käyräsovitus
Other note
Citation