End-region losses in large hydropower generators

Abstract

Store generatorer kan oppleve delvis eller fullstendig oppheting i generatorens endeområde under visse forhold. Lekkfluks i generatorens endeområde kan inneha en betydelig aksiell komponent som trenger gjennom endedelen av statorblikkpakken, og kan dermed skape høye virvelstrømstap. Ved normal drift varierer fluksen fra statorens endeviklinger for ulike driftspunkter, og den totale fluksen er følgelig avhengig av generatorbelastningen. Å beregne den kombinerte enderegionfluksen er et komplekst tredimensjonalt problem som kan løses ved hjelp av finite element method (FEM) modellering. Denne oppgaven har som overordnet mål å regne ut den magnetiske flukstettheten i enderegionen til en utvalgt generator, og regne ut tapene i enderegionen ved utvalgte driftspunkter. Disse er henholdsvis undermagnetisert drift, resistiv last og overmagnetisert drift. Til dette formål lages en 3D FEM modell basert på en 100kVA synkrongenerator.

Den foreslåtte 3D FEM-modellen er en virtuell generatormodell med et økt antall spor. Denne forenklingen reduserer kompleksiteten til modelleringsprosessen. Enda viktigere er at den foreslåtte modellen drastisk reduserer den nødvendige beregningskraften som er nødvendig for å oppnå resultater innenfor en rimelig tidsramme. Anisotrop permeabilitet er inkludert i 3D-modellen av statorblikkpakken. I tillegg brukes en forbedret B-H-kurve ved modellering av statorblikket. Simuleringsresultater viser at virvelstrømtapene i generatorens pressfingre og pressplate er opptil tre ganger høyere når generatoren er i undermagnetisert drift enn når generatoren er i henholdsvis overmagnetisert drift og ved resistiv belastning. Lignende konklusjoner trekkes for undersøkelser av tap i enderegionen av statorblikkpakken. Simuleringsresultater viser at den aksielle komponenten av den magnetiske flukstettheten i endeområdet er betydelig høyere ved ledende effektfaktor sammenlignet med andre lastsituasjoner.

Et tapsmålingsapparat er konstruert for eksperimentelle undersøkelser av effekten av lekkfluks i endeområdet. En Epstein-ramme magnetiseres først ut fra egen strømforsyning. Deretter magnetiseres en C-formet kjerne separat slik at denne kan etterlikne lekkfluks i enderegionen. Med C-kjernen plassert normalt på rammen, utføres en kunstig lekkflukstest. Rustfrie stålplater av varierende tykkelse plasseres i luftgapet for å etterligne pressfingrene og pressplaten i endeområdet til synkrongeneratoren. Inkrementelle tap måles ved økende faseforskyvning mellom hovedfluksen i rammen og lekkfluksen fra C-kjernen. Resultatene viser at de inkrementelle tapene er sensitive for variasjoner i vinkel mellom lekkfluks og hovedfluks.

Large generators have reportedly experienced partial overheating in the generator end region under certain operating conditions. Leakage flux in the generator end region can contain a significant axial component that penetrates the end part of the stator, thus creating high eddy current losses. Under loaded operation, the armature flux varies for different generator operation points, and the total flux is consequently dependent on the generator loading. Calculating the combined end region flux is a complex three-dimensional problem that can be solved using finite element method (FEM) modeling. This thesis aims to obtain the end region magnetic flux distribution and the end region power loss at selected operating points corresponding to leading, unity, and lagging power factor. For this purpose, a 3D FEM model is created based on a 100kVA synchronous generator.

The proposed 3D FEM model is a virtual generator model with an increased number of slots, thus reducing the complexity of the overall modeling process. More importantly, the proposed model drastically reduces the required computational power for obtaining results within a reasonable time frame. Anisotropic permeability is included in the 3D model of the lamination stack. Additionally, an improved B-H curve is used in modeling the stator iron. Simulation results show that the eddy current losses in the end region pressing structure are up to three times higher when the generator is under-excited than when the generator is loaded at unity power factor or at over-excitation operation. Similar conclusions are drawn for losses in the stator iron end region. Simulation results show that the axial component of the magnetic flux density in the end region is considerably higher at leading power factor compared to unity and lagging power factor for the same output power.

A loss measurement apparatus is constructed for experimental investigation on the effect of end region leakage flux. An Epstein frame with excitation controlled by a power supply is initially magnetized. A C-shaped core is then magnetized separately. With the C-core placed normal to the main field in the Epstein frame core, an Artificial Leakage Flux test is conducted. Stainless steel plates of varying thickness are placed in the airgap, emulating the press fingers and clamping plate found in the end region of synchronous generators. Incremental losses are obtained at increasing phase shifts between the main flux and leakage flux. The results show that the incremental losses are sensitive to variations in the angle between leakage flux and main flux.