Use of FEM in design program for hydropower generators

Abstract

Design av vannkraftgeneratorer er et vanskelig optimaliseringsproblem. Generatorer konstrueres normalt ved hjelp av et beregningsprogram. Designeren gir alle geometriske og fysiske parametere til maskinen, og deretter beregner programmet ytelsen og maskinparametrene. For det meste må dimensjonene gjettes og justeres til en analyse gir ønsket resultat. Bedrifter som har mye erfaring med generatordesign, utvikler ofte en såkalt "hemmelige" formler som brukes for å lette designprosedyren.

Ved vår avdeling utvikler vi et program av denne typen basert på åpne og gratis kilder kalt GenProg. Kjerneskriptet som ble utviklet for nesten 10 år siden er basert på en designprosedyre for en typisk fremtredende polgenerator som strekker seg fra 10 til 50 MVA. GenProg bruker flere nøkkelparametere hentet fra kundens behov for å returnere hver parameter som beskriver en komplett generator.

Dette prosjektet vil utvide nøyaktigheten og kvaliteten på programmet. Hovedmålet er å inkludere COMSOL for mer nøyaktige beregninger av parametere og økt forståelse av designprosessen. Det er gjort en betydelig innsats for å forstå kjerneskriptet for å tilpasse og lage COMSOL-modellene som er integrert i programmet. Programmet planlegges å brukes på ulike kurs i elektriske maskiner og også offentliggjøres som en del av resultatene fra forskningssenteret Hydrogen.

Den nyeste versjonen av GenProg løser numerisk for betingelser; dynamisk og statisk. Den dynamiske tilstanden er tidsavhengig og simulerer en roterende maskin som resulterer i en studie av flukstetthet og spenninger. Den statiske tilstanden simulerer for to tidsforekomster, maksimert MMF i d-aksen og q-aksen. Dette resulterer i en studie av flukstetthet og synkrone reaktanser for både d-aksen og q-aksens strøm.

GenProg skaper et brukervennlig læringsmiljø med visuelle interaksjoner som kreves for denne prøve- og feilanalysen som er nødvendig for å oppnå ønskede resultater. De numeriske løsningene beregnet fra COMSOL er mer detaljerte og nøyaktige enn den analytiske delen av GenProg. Fluktetthetsverdier er ganske like, men det visuelle kartet over flukstetthet fra COMSOL tilbyr langt mer informasjon for brukeren. Forenklinger i GenProg-skriptet skaper store forskjeller i reaktansverdier, og indikerer dermed mer nøyaktig verdi fra COMSOL. Det er fortsatt flere analytiske parametere å beregne numerisk med COMSOL, men med COMSOL-modellene som grunnarbeid er det ganske enkelt nødvendig med tid før flere implementeres

Design of hydropower generators is a difficult optimization problem. Generators are normally designed using a calculation program. The designer gives all geometrical and physical parameters of the machine, and then the program calculates the performance and machine parameters. For the most part, the dimensions have to be guessed and adjusted until an analysis gives the desired result. Companies that have a lot of experience with generator design often develop a so called in-house manufactures "secret" formulas used to ease the design procedure.

At our department, we are developing a program of this kind based on open and free sources called GenProg. The core script first developed almost 10 years ago is based on a design procedure of a typical salient pole generator ranging from 10 to 50 MVA. GenProg uses several key parameters obtained from the customer needs to return every parameter describing a complete generator.

This project will expand the accuracy and quality of the program. The main goal is to include COMSOL for more accurate calculations of parameters and increased understanding of the design process. A considerable effort has been made to understand the core script in order to adapt and create the COMSOL models incorporated with the program. The program is planned to be used in various courses in electric machines and also to be made public as part of the results from the research center Hydrogen.

The newest version of GenProg numerically solves for to conditions, Dynamic and Static. The Dynamic condition is time dependent and simulates a rotating machine that results in a study of flux density and voltages. The Static condition simulates for two time instances, maximised MMF in d-axis and q-axis. This results in a study of flux density and synchronous reactances for both d-axis and q-axis current.

GenProg creates a user friendly learning environment with visual interactions required for this trial and error analysis that is needed in order to achieve desired results. The numeric solutions calculated from COMSOL are more detailed and accurate than the analytical part of GenProg. Flux density values are quite similar, but the visual map of flux density from COMSOL offers far more information for the user. Simplifications in the GenProg script creates a big differences in reactance values, thus indicating more accurate value from COMSOL. There are still several analytical parameters to numerically calculate with COMSOL, however with the COMSOL models as groundwork simply time is needed before more are implemented.