CC BY
35
УДК 621.313
ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЖВИТКОВОГО ЗАМЫКАНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
Д.Ю. Гулов
Рассматривается влияния межвиткового короткого замыкания на работу вентильного синхронного генератора. Межвитковое замыкание одной фазы обмотки якоря является распространённой неисправностью. Оно приводит к недопустимому перегреву обмотки выходу генератора из строя. Исследование проводилась для генератора с постоянными магнитами с радиальными полюсами. Для анализа электромагнитного состояния использовался программный комплекс Ansys Electronics Desktop. Межвитковое короткое замыкание имитировалось путем замыкания несколько витков катушки одной фазы статора. Данная модель не выявила существенных изменений в выходных характеристиках генератора. Для диагностики аварийного состояния был предпринят следующий шаг. Цифровая модель была передана в программу Ansys Icepak для анализа теплового состояния генератора и якорной обмотки. Таким образом, решалась связанная электродинамическая и термодинамическая задача. Этот анализ выявил аварийное состояние обмотки по перегреву. Практическим результатом исследования явилась рекомендация контроля температуры лобовых частей фаз с помощью температурных датчиков.
Ключевые слова: синхронный генератор, постоянный магнит, межвитковое короткое замыкание, тепловой расчет, Ansys Electronics Desktop, Ansys Icepak.
В последнее время большое внимание уделяется разработке и внедрению в реальную практику вентильных генераторов. Эту тенденцию можно объяснить развитием силовой электроники и увеличением производства мощных высококоэрцитивных постоянных магнитов. Интерес к этому классу электрических машин определяется их лучшими массоэнергетическими показателями, малыми габаритами, высокой надежности, большим сроком службы, способностью работать при высоких частотах вращения и тяжелых условиях эксплуатации [1-7]. Поэтому, именно этот тип генераторов широко применяется в качестве источника электрической энергии для электростанций при освоении гидроресурсов малых и средних рек. Выберем его в качестве базового для разработки гидрогенераторов этого типа ГЭС.
Конструктивно синхронный генератор с постоянными магнитами состоит из двух основных частей: статора и ротора. Важно отметить, что существует много видов конструкции ротора с постоянными магнитами. Среди них можно выделить радиальную, аксиальную конструкцию, конструкцию с когтеобразными полюсами. В данной работе рассматривается синхронный генератор с радиальной магнитной системой (см. рис.1). Проведем исследования для конкретной конструкции, которая имеет следующие основные параметры и размеры. Высота магнита была принята равной 10 мм. Постоянные магниты выполнены из сплава самарий-кобальт с параметрами: Br=1,07 Тл, HcB=780 кА/м, максимальная рабочая температура 350°С. С одной стороны, это обеспечивает достаточный магнитный поток в зазоре машины при приемлемых размерах магнитной системы, с другой стороны этой высоты достаточно для подавления реакции якоря при всех токовых нагрузках якорной обмотки. Материал сердечника ротора сталь 10. Для сердечника статора выбран материал сталь 2412, толщина листа 0,35 мм.
Данный класс электрических машин работает достаточно надежно. Практика их эксплуатации показывает, что повреждение ротора, выход из строя подшипников, размагничивание постоянных магнитов от действия реакции якоря являются маловероятными. Основным источником неисправности является якорная обмотка, которая из-за старения изоляции или превышения допустимого предела по перегреву может выйти из
391
строя. Межвитковое короткое замыкание обмотки якоря является одной из важных причин неисправностей синхронного генератора. Наиболее типичные короткие замыканиями обмотки статора можно разделить на три типа:
межвитковое короткое замыкание секции якорной обмотки; межфазовое короткое замыкание; замыкание фазы на корпус.
Рис.1. Модель синхронного генератора с радиальной магнитной системой: 1 — статор; 2 — ротор; 3 - постоянные магниты; 4 — обмотка
Среди выше приведённых типов коротких неисправностей межвитковое короткое замыкание секции якорной обмотки является наиболее распространённым. Оно вызывает чрезмерное увеличение температуры в обмотке якоря, что ведет к нарушению изоляции всей обмотки и разрушению генератора.
Целью данной статьи является изучение данной аварийной ситуации на цифровом двойнике и диагностика ее для проведения ремонтных работ.
Постановка задачи. В настоящее время существует большое количество методов диагностики короткого замыкания обмотки генератора. Большинство из них основано на анализе сигналов обратной ЭДС, тока, магнитного потока и крутящего момента [10-19]. Исследования характеристик синхронного генератора с постоянными магнитами при коротком замыкании обмотки якоря методом имитационном моделирования являются новым подходом при анализе неисправностей.
В нашем исследовании для анализа выбрана модель синхронного генератора с постоянными магнитами мощностью 100 кВт с выше определёнными размерами. Модель неисправности синхронного генератора создана в программном комплексе Ansys Electronics Desktop. Эта программа позволяет сделать цифровой аналог генератора в плоском или трехмерном формате и сделать модель короткого замыкания. Предлагаемый вариант позволяет эмитировать любые варианты межвитковых коротких замыканий. Такой подход, с применением метода конечных элементов позволяет нам диагностировать неисправности генератора при нормальных условиях и различных степенях неисправности.
Построение модели анализа синхронного генератора с постоянными магнитами. В настоящее время существует множество программных продуктов для осуществления электромагнитного анализа на основе метода конечных элементов, которые существенно упрощают расчета электрических машин. Одним из пакетов, предназначенных для решения полевых задач методом конечных элементов применительно к электрическим машинам, является программный комплекс ANSYS Electronics Desktop и входящий в него модуль ANSYS Maxwell. Этот комплекс можно использовать для моделирования электромагнитных процессов в рассматриваемой электрической машине [8-12].
Решение поставленной задачи проводилось в следующей последовательности:
построение геометрической модели синхронного генератора;
разделение несколько витков для имитирования межвиткового короткого замыкания;
разбиение области решения на конечные элементы; задание параметров материалов и постоянного магнита задание граничных условий; решение полевой задачи; обработка результатов решения.
Расчетная модель синхронного генератора, построенная в двумерной и трехмерной плоскости представлена на рис. 2, а, б.
Рис. 2. Расчётная модель синхронного генератора: а — 2D; б — 3D
Осевая симметрия электрической машины позволила упростить модель и рассматривать только одну восьмую ее часть, что существенно сократило время расчета. Тип решаемой задачи Transient, нестационарное магнитное поле с учетом движения частей модели.
При построении расчетной модели, предположим, что фаза А поврежденная
(рис.3).
LMD*V*nmlar 14882
ЬаЬоЮ-Г1/агг«су14в70
LAdD- Штав 14873
Laao D- Г.'агг-сжг 14874
LaMD-VAmmee 14877
-VW-
Laao О-Narr.aa 14875 (V / LabrtD^VAmmaltr 14878 Ov
L_l'Tr?rv_
QTvtxZ
L-t/TRP^
-A/W-
-ЛЛ/V-
-лл/v-
■ЛАЛг
-ЛЛЛ-
-VW-
-ЛЛЛ-
Inrs^l
PhA&2
ITraxZ
PhA1Q2 PW
IPwZ
PhA27 PhM7
-ЛЛЛг-
-Wr-
-Wv-
-ЛЛЛ/-
-AMr
-ЛЛАг-
-wv
Ph«3 PhAK)
-tn^rr—
PhAKO PM8 >лга
Рис. 3. Имитирование межвиткового замыкания в фазе А якорной обмотке
В цепь замыкания установлены измерительные приборы амперметры для определения тока межвиткового короткого замыкания. Кроме этого, для наблюдения изменения тока и напряжения на выходе генератора установлены амперметры и вольтметры, чтобы по их показаниям диагностировать аварийное повреждение.
Влияние межвиткового короткого замыкания на производительности генератора. Исследуем работу генератора в нормальном безаварийном режиме и во время межвиткового короткого замыкания. Как было показано выше, в качестве аварийной ситуации выбираем короткое замыкание 5 витков фазы А (см. рис. 3). Чтобы сравнить влияние различной степени межвиткового короткого замыкания на отклонение трехфазного тока каждой обмотки статора, в данной статье используется показатель превышения трехфазного тока при коротком замыкании по сравнению с нормальным режимом:
8 = 1тах~'™п * Ю0%, (1)
1тах
где 8 - степень дисбаланса трехфазного ТОКа, 1тах ~ амплитуда тока фазы при коротком замыкании; 1тт - амплитуда тока фазы в нормальном режиме.
На рис. 4 приведены зависимости токов для фазы А в нормальном и аварийном режимах работы.
Из рисунка видно, что амперметры 2331 и 2340, которые установлены до и после короткого замыкания 5 витков показывают значения тока 70 А. При этом амперметр 2337, который установлен в контуре короткого замыкания 5 витков показывает 1000 А. Показатель превышения аварийного значения тока над нормальным значением составило 5 = 14.3, что является недопустимым режимом работы.
Приведем основные характеристики генератора во время короткого замыкания, которые характеризуют его нормальную работу и аварийное состояние. На рис. 5 показаны значения тока в фазах в нормальном состоянии, на рис. 6 значения этих токов в аварийном состоянии короткого замыкания 5 витков.
ВгапспСиггегн Р сЛ 3
Рис. 4 Ток замыкания в фазе А
ВгапсИСиггеп! Ркй 1
75 00
Рис. 5. Ток фаз якоря в нормальном режиме работы
394
Рис. 6. Ток фаз якоря во время замыкания
Сравнение кривых токов для двух режимов не позволяет выявить различия между ними, которые можно было бы использовать для диагностики аварийного состояния. Кривые практически совпадают.
По аналогии с током, был проведен сравнительный анализ для других основных характеристик генератора. Это индуцируемая в фазах ЭДС, значение электромагнитного момента, мгновенные значения потерь в стали и электрических потерь. На рис. 7-10 изображены эти кривые для нормального режима. Они практически совпали с кривыми для режима 5 виткового короткого замыкания.
Рис. 7. ЭДС фаз якоря
Рис. 8. Электромагнитный момент
395
Loss Plot 1
450.00 400.00 350.00 „300.00 | 250.00 8 200.00 ° 150.00 100.00 50.00
~— CoreLo55(Sta1or) Setupl : Transient
20.00 Time [ms]
Рис. 9. Кривая потерь в стали
Time [ms]
Рис. 10. Потери в генераторе
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы. Создание цифрового двойника с применением метода конечных элементов позволяет выявить аварийные значения токов в замкнутом контуре короткозамкнутых витков. Эти токи превышают номинальные значения в более чем в 14 раз и являются критичными для нормальной работы обмотки. Но на внешние основные параметры и характеристики аварийный режим замыкания 5 витков не сказывается. Следовательно, проводить диагностику по замеру ЭДС, моментов и потерь будет не эффективным, так как явные изменения на выходе генератора не наблюдаются. Поэтому, для анализа аварийной ситуации воспользуемся другим методом, а именно определением температурного перегрева короткозамкнутых витков. Для этого используем программу расчета температурных полей с использованием метода конечных элементов Ansys Icepak.
Решим связанную задачу электродинамики и теплодинамики. Передадим трехмерную геометрию и все рассчитанные в Ansys Electronics Desctop потери через программную оболочку Workbench в программу Ansys Icepack [12-17]. После настройки параметров тепловой модели, включая задание теплодинамических свойств материалов, разбиение на конечные элементы, задание условий схода тепла с поверхности и граничных элементов, получим расчет теплового поля в каждом элементе модели.
Следует отметить, что для анализа решалась достаточно сложная задача динамического нагрева, то есть определялось изменение температуры лобовых частей и обмотки, находящейся в пазу в зависимости от времени. Результаты анализа приведены на рис. 11, 12.
На рис. 11 показана картина теплового поля после 15 секунд работы генератора в аварийном режиме. На рисунке отчетливо видна пораженная коротким замыканием секция. Ее температура за 15 секунд составила 180 С, что превышает заложенный в генератор класс изоляции Б.
Рис. 11. Распределения температур в генераторе
На рис. 12 показана динамика изменения температуры в лобовых частях и в пазе якоря с короткозамкнутыми витками.
3 1 1*4**1« [С!
63 -
/
:: - /
*
Е- *
• V: и 4 1 •ч; и
а б
Рис. 12. Распространения тепла вовремя виткового замыкания: а — в лобовых частях в зависимости от времени; б — в пазу якоря зависимости от времени
Данные зависимости показывают, что критические значения температур достигаются в аварийном режиме достаточно быстро.
С другой стороны, Этот тепловой эффект является хорошо определяемым, и его можно использовать для аварийного отключения генератора с целью последующего ремонта. Для этого в лобовые части необходимо установить термопары в каждую фазу, в качестве индикаторов для контроля температуры.
Дальнейшее направления исследования будут связаны с проведением натурных испытаний на натурном образце для определения точности созданного цифрового двойника реальному объекту.
Заключение. Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы. Разработанная цифровая модель на основе электродинамических расчетов магнитного поля с применением метода конечных элементов не позволила выявить неисправность при виковых замыканиях фазы по выходным параметрам генератора. Данная модель была использована для решения связанной магнитодинамической и электродинамической задачи. Результаты расчета потерь были переданы в цифровую модель теплового расчета. Определение теплового состояния в аварийном режиме поз-
волило выявить неисправность по картине поля температур в объеме генератора. На практике это означает, что размещение датчиков температуры в лобовых частях в каждой фазе позволит иметь достоверную информацию о нормальной работе и аварийном режиме генератора с точки зрения витковых коротких замыканий. Разработанные цифровые модели решения связанной задачи представляют собой практическую ценность, поскольку экономят время и финансовые ресурсы для анализа аварийного состояния по сравнению с натурными испытаниями.
Список литература
1. Wang H., Tang S., Qu Z., Pang M. Analysis and Optimization of Hybrid Excitation Permanent Magnet Synchronous Generator for Stand-alone Power System // Journal of Magnetism and Magnetic. Materials, 2017. V. 436. P. 117 - 125.
2. Gandzha S.A. Modelling of Permanent Magnet Direct Current Motor with Electromagnetic Reduction // Collection of papers of Software Users Sixth Conference CAD_FEMGmbH. Moscow, 2006. P. 358-360.
3. Zhengqiang S., Zhijian H., Chuanwen J., Xuehao W. Sensorless control of surface permanent magnet synchronous motor using a new method. Energy Convers Manage, 2006. P. 3570 - 3575.
4. Naoe N., Fukami T. Trial production of a hybrid excitation type synchronous machine. Proceedings of IEMDC'2001 // France. International Academic Publishers, 2001. P. 545-7.
5. Sugii Y., Yada M., Koga S. Applicability of various to electric vehicle (EV) // The 13th International Electric Vehicle Symposium. Osaka, Japan, 1996. P. 757-64.
6. Spooner E., Khatab S.A. W., Nicolaou N.G. Hybrid excitation of AC and DC machine // Proc. Int. Conf. Electrical Machines and Drives. London, U.K., 1989. P. 48-52.
7. Amara Y., Lucidarme J. [et al]. A new topology of hybrid synchronous machine. IEEE Trans. IA. 2001.
8. Zhang Z.R., Yan Y.G., Yang S.S., Zhou B. Principle of operation and feature investigation of a new topology of hybrid excitation synchronous machine // IEEE Trans. Magn., 2008.
9. Yang C.F., Lin H.Y., Guo J., Zhu Z.Q. Design and analysis of a novel hybrid excitation synchronous machine with asymmetrically stagger permanent magnet // IEEE Trans. Magn., 2008.
10. Gandzha S.A. Analysis of the magnetic field of the starter-generator of combined excitation // Electromechanical and electromagnetic energy converters and controlled Electromechanical systems: Tr. III international. scientific.- tech. conf // Ural. state tech. UN-t-UPI. Ekaterinburg, 2007. P. 73-76.
11. Xiaoyong Z., Ming C., Wenxiang Z., Chunhua L., Chau K.T. A new cosimula-tion approach to performance analysis of a hybrid excited doubly salient motor considering indirect field-circuit coupling // IEEE Trans. Magn., 2007.
12. Ganzha S.A. Optimization of parameters of brushless electric machines of a direct current with an axial air gap // State and prospects of development of Electrotechnology (XII Benardos readings): TEZ. Doc. International. scientific.- tech. Conf. Ivan. state energy. Univ. of Illinois. Ivanovo, 2005. Vol. 2. P. 82.
13. Gandzha S.A. Optimal designing of electric drives on the basis of brushless electric machines with axial gap // Bulletin of the South Ural. state UN-TA. Series "Energy". 2009. Issue.12. No. 34. P. 68-72.
14. Gandzha S.A., Aminov D.S., Kosimov B.I. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms // International Ural Conference on Green Energy (UralCon), 2018. P. 282-287.
15. Gandzha S.A., Sogrin A.I., Kiessh I.E. The Comparative Analysis of Permanent Magnet Electric Machines with Integer and Fractional Number of Slots per Pole and Phase // Procedia Engineering. 2015. Vol. 129. P. 408-414
17. Gandzha S., Dilshod Aminov, Kiessh I. The development of an engineering technique for calculating magnet systems with permanent magnets // 2018 International Conference on Industrial Engineering. Applications and Manufacturing (ICIEAM) Chelyabinsk, Russia, 2018.
18. Gandzha S., Dilshod Aminov, Bakhtiyor Kosimov. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms // Proceedings -2018 International Ural Conference on Green Energy, UralCon. Chelyabinsk, 2018. P. 282287.
Гулов Диловар Юсуфович, аспирант, gdy_02@mail. ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет
RESEARCH OF INTER-TURN CIRCUIT OF A SYNCHRONOUS GENERATOR WITH PERMANENT MAGNETS
D.Yu. Gulov
The influence of an inter-turn short circuit on the operation of a valve synchronous generator is considered. Inter-turn closure of one phase of the armature winding is a common fault. It leads to unacceptable overheating of the winding and generator failure. The study was conducted for a generator with permanent magnets with radial poles. The Ansys Electronics Desktop software package was used to analyze the electromagnetic state. An inter-turn short circuit was simulated by closing several turns of the coil of a single stator phase. This model did not reveal significant changes in the output characteristics of the generator. The next step was taken to diagnose the emergency condition. The digital model was transferred to the Ansys Icepak program to analyze the thermal state of the generator and the armature winding. Thus, a related electrodynamic and thermodynamic problem was solved. This analysis revealed an abnormal state of the winding due to overheating. The practical result of the study was the recommendation to control the temperature of the frontal parts of the phases using temperature sensors.
Key words: synchronous generator, permanent magnet, inter-turn short circuit, thermal calculation, ANSYS Electronics Desktop, ANSYS Icepak.
Gulov Dilovar Yusufovich, postgraduate, gdy_02@mail. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University
