| dc.description.abstract | The energy market of the world is in continuous development. For energy transmission, high voltage is now being used more frequently for long transmission distances. Especially between countries, both onshore and offshore. Where HVDC has been more used for longer distances in the recent years. However, most of the energy production finds place on AC. Leading to costly conversion steps between the generation and the transmission. So, what if energy could be generated directly at HVDC? This is the goal for the ModHVDC project lead by NTNU.
In the ModHVDC project, a new type of generator is developed. Called the Modular HVDC generator. The ModHVDC generator has a new modular design that can deliver energy directly on HVDC and thereby cutting the costs of the conversion steps. This is done while keeping the machine as a high power density machine with a high efficiency. During the past years, the ModHVDC project has been worked on by several students at NTNU. In addition, other universities and representatives from the energy industry have joined the project.
The ModHVDC machine is a high voltage machine with high power density. This in itself indicates that the machine may generate significant heat. In addition, the ModHVDC concept introduces an insulation layer around the stator that may be seen as a large thermal resistance. The main goal for this Master’s thesis is therefore to make a thermal model of the ModHVDC machine, both analytically and as a numerical FEM model, that can be used to investigate different cooling methods. In doing so, answering the question ”Is the ModHVDC concept possible to realize, with regard to thermal management?”.
From the results, it was found that no single cooling method yielded sufficient cooling for the machine. However, by combining different cooling techniques, suitable solutions were found. This means that the concept is indeed possible to realize, with regard to thermal management. The most efficient cooling solution was a combination of forced air through the air gap, combined with a concentric duct between the stator surface and the machine frame. This cooling solution was also taken one step further, when waved cooling fins were made on the stator surface. Leading to a max temperature of 125◦C in the machine.
The results also show a good coherence between the analytical thermal equivalent circuit and the numerical FEM model. With a maximum difference of only 2.58◦C for the most complex cooling solution. Verifying the methods used.
A recommendation for further work is to make a complete 3D model of the machine. In doing so, CFD simulations can be done. When utilizing CFD simulations, more reliable heat transfer coefficients can be found, and a more realistic design may be done. A complete 3D model is also needed for the complete design of the thermal management system. | |
| dc.description.abstract | Verdens energimarked blir kontinuerlig utviklet. Når det gjelder selve energioverføringen, brukes det mer og mer høyspenning for lange transmisjonslinjer. Spesielt mellom forskjellige land, både til havs og på fastlandet. For de lengste overføringsetappene har HVDC blitt mest brukt i de senere årene. Samtidig blir energien produsert på AC, i de fleste tilfeller. Dette fører til dyre konverteringer mellom energiproduksjonen og transmisjonen. Derfor kan spørsmålet ”Hva om energiproduksjonen kunne skje direkte på HVDC?” stilles. Det er dette som er hovedmålet til ModHVDC prosjektet som blir ledet av NTNU.
ModHVDC prosjektet går ut på å designe en ny type generator, som blir kalt en Modulær HVDC generator. Generatoren har et nytt segmentert design, som gjør at den kan levere direkte på HVDC. Dette kutter kostnadene ved konvertering, samtidig som maskinen beholder status som en effektiv maskin med høy effekttetthet. I de siste årene har mange studenter jobbet med ModHVDC prosjektet, samtidig som flere universiteter og representanter fra energisektoren har blitt med på utviklingen.
ModHVDC maskinen er en høyspenntmaskin med en høy effekttetthet. Det vil si at det også blir generert mye varme i maskinen. I tillegg innfører konseptet en isolerende kappe rundt statoren i maskinen. Denne kappen blir sett på som en stor termisk motstand. Hovedoppgaven i denne Masteroppgaven er derfor å lage en termisk modell av maskinen. Både analytisk og numerisk ved bruk av FEM modeller. Disse modellene skal kunne brukes til å teste forskjellige kjølemetoder for maskinen og samtidig svare på spørsmålet ”Er ModHVDC konseptet mulig å realisere, med tanke på termiske begrensninger?”. Resultatene viser at det ikke ble funnet `en kjølemetode som ga god nok kjøling til maskinen. Derfor ble løsningen å kombinere flere metoder. Ved å kombinere flere metoder ble det funnet flere løsninger som gir akseptabel kjøling. Det betyr at ModHVDC konseptet er fullt mulig å realisere, med tanke på termiske begrensninger. Den beste kjølemetoden viste seg å være en kombinasjon av kjøling i luftgapet og en konsentrisk sylinder mellom statoren og rammen til maskinen. Denne metoden ble videreutviklet ved å lage bølgete kjøleribber på statoroverflaten. Dette førte til at den høyeste temperaturen i maskinen ble 125◦C.
Det ble i tillegg observert veldig god sammenheng mellom de analytiske modellene og de numeriske FEM modellene. Den største forskjellen mellom modellene ble 2.58◦C, for den mest komplekse kjølemetoden. Dette indikerer at metodene som blir brukt, fungerer bra.
En anbefaling for videre utvikling, er å lage en komplett 3D modell av maskinen. Gjør man det, kan man kjøre CFD simuleringer. CFD simuleringer vil gi mer nøyaktige varmeoverføringskoeffesienter og et mer realistisk design kan dermed bli laget. En komplett 3D modell trengs også for å kunne designe et fullstendig kjølesystem for maskinen. | |
