FEM-modellering og analyse av magnetfeltet i endeområdet til store synkrongeneratorer

Abstract

Denne oppgaven er en videreføring av prosjektoppgaven skrevet av undertegnede høsten 2015. Under prosjektoppgaven ble det implementert en modell av en generator i analyseprogrammet Ansys Maxwell. Dette er et feltberegningsprogram som gjør feltberegninger ved hjelp av \textit{finite element metoden} (FEM). Modellen ble utviklet med utgangspunkt i en av Statkraft sine generatorer. Det ble implementert både en 2D- og en 3D-modell av generatoren. Videre i prosjektoppgaven ble modellen verifisert for tomgangskjøring. Både den induserte spenningen, magnetfeltet i generatoren og tapssimuleringer ble gjennomført og sammenlignet med reelle verdier fra Statkraft.

Resultatet fra prosjektoppgaven var altså en modell av en generator som var verifisert i tomgang. I denne oppgaven ble modellen testet for ulike driftssituasjoner. Dette medførte at fasestrømmen i statorviklingene måtte implementeres. To forskjellige metoder ble utprøvd før det ble bestemt å tilknytte generatormodellen til en ekstern krets.

Underveis i arbeidet med oppgaven ble det aksille feltet som penetrerer overflaten av stator analysert for forskjellige driftssituasjoner. Driftssituasjonene som ble valgt ut var: tomgang, undermagnetisert og overmagnetisert drift av generatoren. Gjennom simuleringsresultatene ble det konkludert med at det høyeste aksielle feltet oppstår når generatoren opererer i undermagnetisert tilstand. I simuleringene ble det plassert et målepunkt 30 mm fra luftgapet på statoroverflaten, her ble RMS-verdien til feltet målt for en periode. Her ble det målt et aksielt felt på 180-190 mT for undermagnetisert, 90-100 mT for overmagnetisert, mens feltet for tomgangskjørin var i området 80-90 mT.

Disse analysene viste at det aksielle feltet, altså lekkfluksen, er størst når generatoren opererer undermagnetisert. Grunnen til dette er at magnetfeltene fra rotor og stator ved overmagnetisert kjøring av generatoren til en viss grad nøytraliserer hverandre. Denne nøytraliseringen er mye lavere ved undermagnetisert kjørin av generatoren.

Videre ble det gjort 2D-simuleringer for et lite utsnitt av enderegionen til generatoren. Her ble det konkludert med at lamineringen i stator fører til at lekkfluksen kun går i de øverste statorlagene, noe som gjør at dette området er særlig utsatt for virvelstrømstap. Virvelstrømmene som oppstår i enderegionen kan føre til termsike skader på generatoren.