a1-03 izvedba sinkronog cijevnog · pdf filejedini sinkroni generator isporučen je još...

12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A1-03

1

IZVEDBA SINKRONOG CIJEVNOG GENERATORA MALE SNAGE

Hrvoje Vidović

Končar Generatori i Motori d.d. [email protected]

Branko Tomičić

Končar Generatori i Motori d.d. [email protected]

Siniša Đaković

Končar Generatori i motori d.d. [email protected]

Miroslav Petrinić

Končar Institut za elektrotehniku d.d. [email protected]

Siniša Majer

Končar Institut za elektrotehniku d.d. [email protected]

Sažetak:

U radu je opisana izvedba cijevnog sinkronog generatora male snage. Opisana je konstrukcija generatora i rezultati elektromagnetskog proračuna. Prikazan je sustav hlađenja i način optimiranja zazora između paketa i kućišta. Uspoređen je valni oblik napona dobiven simulacijom i mjerenjem. Zaključno su prikazani rezultati ispitivanja u tvornici i na terenu. Ključne riječi: cijevni generator, elektromagnetski proračun, proračun zagrijavanja, valni oblik napona, ispitivanje

DESIGN OF SMALL SYNCHRONOUS BULB GENERATOR

Astract:

The paper describes the concept of a small power bulb type synchronous generator. Design of generator and results of electromagnetic calculations are given in the paper. Cooling system of the generator and optimization of gap between core and housing are described. Comparison of voltage waveform obtained by simulations and measurements is also given in the paper. In the conclusion, the testing results at the factory and in the plant are presented.

Key words: bulb type generator, electromagnetic calculation, cooling calculation, voltage waveform, testing


2

UVOD

Cijevni generatori se koriste već dugi niz godina u protočnim hidroelektranama srednjih i velikih snaga.

Kako su vodotokovi većih rijeka uglavnom iskorišteni, može se očekivati sve veće iskorištavanje potencijala manjih rijeka za stvaranje električne energije. Jedna od takvih elektrana nalazi se u Finskoj. U njoj se nalazi jedan cijevni generator proizveden u tvornici Končar Generatori i motori. Elektrana je puštena u rad 2012. godine.

Do danas su u tvornici Končar Generatori i motori proizvedena ukupno 4 cijevna generatora male snage, od toga su 3 bila asinkrona. Jedini sinkroni generator isporučen je još davne 1974. godine, stoga je izgradnja generatora za ovu elektranu predstavljala u potpunosti razvoj novoga proizvoda.

I. OSNOVNI TEHNIČKI PODACI

Sinkroni cijevni generator je niskonaponski, izveden kao 32 polni s cilindričnim rotorom. Uzbuda

generatora je beskontaktna s napajanjem uzbude uzbudnika iz regulatora napona. Nazivni podatci generatora dani su u tablici I.

Tablica I. Nazivni podaci generatora

Veličina Vrijednost

Tipna oznaka 6SBO1 1120-32 Nazivna snaga 1890 kVA Nazivni napon 690 V Nazivna frekvencija 50 Hz Nazivna struja 1581 A Nazivni faktor snage 0,9 Nazivna brzina vrtnje 187 min-1 Brzina pobjega 550 min-1

II. KONSTRUKCIJA GENERATORA

Sinkroni generator se nalazi u sklopu agregata koji se, osim generatorske grupe, sastoji još od uzvodne i

nizvodne kape te Kaplan turbine. Generatorska grupa prikazana je na slici 1, a sastoji se od statora generatora, statora uzbudnika, rotora generatora i rotora uzbudnika.

Slika 1 Generatorska grupa s uzvodnom kapom


3

Segmentni limovi statorskog paketa slagani su direktno u kućište na trapezne letve. Kućište je

cilindričnog oblika i ima prirubnice na obje strane za spoj s uzvodnom, odnosno nizvodnom kapom. Statorski namot je dvoslojni petljasti načinjen od svitaka. Svitci su uloženi u ravne poluotvorene utore. Svi izvodi statorskog namota dovedeni su na priključnu ploču koja se nalazi na uzvodnoj strani, a zvjezdište se zatvara u glavnoj rasklopnoj ploči u elektrani.

Rotor je izveden kao cilindrični s paketom od čeličnih limova. Na krajevima paketa su čelične tlačne ploče koje su međusobno povezane svornjacima. Rotorski namot je izveden kao jednoslojni s koncentričnim svicima. Ukupno je namotano 2/3 opsega rotora. Na glave namota stavljena je bandaža od staklene trake koja osigurava namot od oštećenja kod maksimalne brzine pobjega. Na rotorskom paketu isječena su dva reda okruglih rupa za hlađenje. Paket s namotom je navučen na nastavak vratila, koji s jedne strane ima prirubnicu za spoj s turbinskim vratilom, a s druge strane je rukavac na koji se montira rotor uzbudnika.

Stator uzbudnika sastoji se od statorskog paketa s namotom, te nosača statora uzbudnika. Zajedno čine zaseban sklop koji se prigrađuje prirubnici kućišta generatora na uzvodnoj strani. Rotor uzbudnika navučen je na nastavak vratila prema uzvodnoj strani.

Uzbudni sustav generatora je beskontaktni. Sustav se sastoji od uzbudnika, ispravljačkog sklopa i regulatora napona. Rotirajući ispravljački sklop sastoji se od diodnog mosta i nelinearnih otpornika koji služe za prenaponsku zaštitu. Automatski regulator napona smješten je u glavnom razvodnom ormaru u elektrani.

III. ELEKTROMAGNETSKI PRORAČUN GENERATORA

Elektromagnetski proračun stroja načinjen je analitičkom metodom opisanom u [1]. Dodatno je načinjen kontrolni proračun točke praznoga hoda primjenom metode konačnih elemenata (MKE) s 2D modelom kako bi se provjerila magnetska opterećenja, uzbudna struja i valni oblik napona te gubitci u prigušnom namotu kod nazivnog napona. Također je napravljen proračun MKE za nazivni rad generatora, kojim je izračunata nazivna uzbudna struja te gubitci u prigušnom namotu. Za provedbu MKE proračuna korišten je program MagNet [2]. Radi smanjenja računske zahtjevnosti MKE proračuna, modelom su obuhvaćena dva pola generatora, koji predstavljaju prapol, odnosno najmanji karakteristični cirkularni segment stroja, čija se elektromagnetska slika višekratno ponavlja po obodu. Modelom je uzet u obzir poprečni presjek aktivnog dijela stroja koji odgovara u potpunosti izvedenom stanju. Kako 2D model stroja ne obuhvaća čeone dijelove armaturnog i prigušnog namota generatora, njihov električni utjecaj uzet je u obzir dodavanjem odgovarajućih impedancija u električni strujni krug modela. Impedancije namota u čeonom dijelu dobivene su analitičkim proračunom.

Da bi se postigla zadovoljavajuća točnost rezultata, svakoj komponenti modela zasebno je definirana gustoća mreže konačnih elemenata. Statorskom limu generatora dodijeljena je najveća duljina stranica trokutastih elemenata od 10 mm, čime su zadana barem 4 čvora po širini zuba statora. Najveća gustoća mreže definirana je za područje zračnog raspora, gdje je duljina stranica trokutastih elemenata ograničena na maksimalni iznos od 1 mm. Takvim odabirom zadano je 400 računskih točaka duž sredine zračnog raspora pa je time omogućeno određivanje valnog oblika magnetske indukcije za prvih 200 harmonika. Harmonici do 40. određeni su uz minimalno 10 točaka po periodi čime je postignuta zadovoljavajuća točnost proračuna.

Parametri modela za simulaciju praznog hoda MKE proračunom uz nazivni napon i brzinu vrtnje određeni su upotrebom iterativnog postupka opisanog u [3]. Simulacija praznog hoda provedena je upotrebom magnetodinamičnog MKE proračuna uz gibanje rotora. Simulirano je stacionirano radno stanje u vremenu od 30 ms, uz vremensku rezoluciju simulacijskog koraka od 800 točaka po periodi.

Magnetsko polje stroja u praznom hodu prikazano je slikom 2. Iznosi magnetskih indukcija su prema mjerilu na istoj slici, a strelice prikazuju smjer polja. U tablici II usporedno su prikazani rezultati magnetskih indukcija dobiveni analitičkim proračunom te MKE proračunom.

Tablica II. Usporedba magnetskih indukcija u praznom hodu dobivenih analitičkim proračunom i MKE

Karakteristični presjek Vrijednost

Odstupanje Analitički MKE

Maksimalno opterećeni presjek jarma statora 0,84 T 0,72 T - 16,6 % Zub statora u zoni klina 1,71 T 1,46 T - 17,1 % Korjen širokog zuba 1,40 T 1,34 T - 4,5 % Korjen najopterećenijeg malog zuba 1,09 T 1,04 T -4,8 %


4

Razlike u indukcijama iznose do 17,1 %. Uzbudna struja u praznom hodu dobivena analitičkom metodom iznosi 114 A, prema MKE proračunu ona iznosi 115 A, dok je mjerenjem dobivena vrijednost od 97,5 A.

Elektromagnetskim MKE proračunom izračunat je i valni oblik armaturnog napona u praznom hodu, a rezultati su prikazani usporedno s mjerenim valnim oblikom na slici 7. Na slici 8 prikazani su rezultati harmoničke analize računatog i izmjerenog valnog oblika napona u praznome hodu. Ukupna računata harmonička distorzija (THD) iznosi 2,8 %, što je manje od dopuštenog iznosa koji prema IEC 60034-1 iznosi 5 %. Rezultat je potvrdio mogućnost izvedbe statora bez skošenja utora.

Slika 2 Magnetsko polje u praznom hodu

Na slici 3 prikazan je valni oblik struja štapova prigušnog namota u praznom hodu. Zbog odnosa broja statorskih utora i utora prigušnog namota, koji iznosi 0,75, prigušni namot aktivno sudjeluje u gušenju viših harmonika protjecanja. Najveće struje u praznom hodu javljaju se u štapovima širokog zuba, dok kroz štapove u uskim zubima teku struje do 40 % manjeg iznosa. Prosječna gustoća struje u štapovima iznosi 5,95 A/mm2. MKE proračunom određen je i ukupni iznos gubitaka u štapovima prigušnog namota koji za ovaj generator iznose 2,3 kW u praznom hodu.

Slika 3 Struje štapova prigušnog namota u praznom hodu

Slika 4 Struje štapova prigušnog namota u nazivnoj točki

Izvršen je i MKE proračun točke nazivnog rada generatora, u kojem su dobivene struje u prigušnom namotu i prikazane na slici 4. Ukupni gubitci u prigušnom namotu iznose 3,9 kW, a prosječna gustoća struje u štapovima je 7,65 A/mm2.

Nazivna uzbudna struja prema MKE proračunu iznosi 233 A. Analitičkim proračunom se dobiva iznos od 224 A. Dobiveno odstupanje je minimalno i iznosi 3,9 %.


5

IV. VENTILACIJA I ZAGRIJAVANJE

Općenito

Sustav hlađenja generatora detaljno je razrađen tijekom projektiranja i konstruiranja generatora. Prilikom osmišljavanja sustava hlađenja nastojalo se maksimalno iskoristiti činjenicu da se cijevni generator nalazi u struji hladne riječne vode temperature do 20 °C.

Hlađenje generatora može se podijeliti na dva gotovo nezavisna sustava. Jednim sustavom se toplina

nastala gubitcima u statoru odvodi direktno preko kućišta statora na okolnu riječnu vodu, a drugi sustav odvodi gubitke nastale u rotoru i djelomično statorskim glavama na izmjenjivač topline zrak/voda.

Hlađenje statora Statorski paket je ugrađen direktno u cilindrično kućište paketiranjem na letve oblika lastinog repa. To omogućuje da se gubitci iz statorskog namota i paketa izravno konvekcijom odvode preko kućišta na riječnu vodu. Jedan od najvećih izazova tijekom projektiranja i konstruiranja generatora bilo je definiranje zazora između paketa i kućišta. Sa stanovišta hlađenja on je štetan jer izolacijsko djelovanje zraka sprječava efikasno odvođenje topline. Međutim, određeni zazor je potreban kako kućište ne bi pritisnulo i deformiralo paket uslijed vlastite težine statora, hidrostatskog tlaka vode i stezanja odnosno širenja dijelova zbog promjene temperature. Određeni zazor je također neminovan i zbog tehnoloških razloga.

Radi odabira odgovarajuće širine zazora izrađen je niz računalnih simulacija zagrijavanja statorskog paketa i posljedično njegovog širenja, odnosno skupljanja kućišta zbog hlađenja okolnom vodom. Provedene su simulacije za više početnih vrijednosti zazora. S većim početnim zazorom temperature u aktivnim dijelovima statora stagnirale su na višim vrijednostima i obrnuto. Nakon detaljne analize odabran je početni zazor od 0,5 mm, a za taj slučaj su porast temperature paketa i promjena zazora tijekom vremena prikazani slikom 5. Iz slike je vidljivo kako se zazor s početnih 0,5 mm smanjio na 0,1 mm, a srednja nadtemperatura statorskog paketa je stagnirala na 46 K u odnosu na temperaturu vode.

Slika 5 Simulacija širenja paketa usljed zagrijavanja

Proračunskim modelom obuhvaćen je i sloj boje debljine 0,4 mm zbog antikorozivne zaštite na površini kućišta. Rezutati provedenih proračuna pokazali su da će se tako projektiranim generatorom ostvariti ugovorni zahtjev za zagrijavanjem namota u B klasi.

Hlađenje rotora Gubitke s rotora je nemoguće odvesti direktno na okolnu vodu pa je za njegovo hlađenje odabran drugačiji sustav. S obzirom da statorski paket nema radijalne kanale, jedino rješenje za rotor je prisilna aksijalna ventilacija, budući da zbog male brzine vrtnje bilo kakav ventilator prigrađen na vratilo ne bi ostvario potrebni prirast tlaka koji bi osigurao dovoljan protok zraka. Rotorski paket je izveden s dva reda aksijalnih rupa u području jarma, preko kojih se odvodi toplina s rotora. Odabrani broj i promjer rashladnih rupa osigurava dovoljan svijetli presjek za prolaz zraka, kao i ukupnu rashladnu površinu.


6

Strujanje zraka je osigurano vanjskim aksijalnim ventilatorom ugrađenim u uzvodnu kapu. Zrak iz

ventilatora prolazi u generatorski prostor kroz nosač statora uzbudnika i rupe u jarmu rotora uzbudnika. U generatorskom prostoru zrak prolazi između ruku vratila te se zatim vraća kroz aksijalne rupe u jarmu rotora, a djelomično i kroz zračni raspor širine 4 mm. Na taj način zrak hladi rotorski paket i posredno uzbudni namot, a strujanje zraka direktno hladi i glave statorskog i rotorskog namota. Nakon što zrak prođe kroz rotor generatora i preuzme na sebe njegovu toplinu, ulazi u dvostruku stijenku uzvodne kape. Na tom putu zrak se djelomično hladi jer je uzvodna kapa u struji hladne riječne vode. Budući da taj efekt nije dovoljan za hlađenje zraka, prije samog ventilatora zrak prolazi i kroz ugrađeni izmjenjivač topline zrak/voda. Opisani način strujanja zraka označen je strelicama na slici 1.

Prema izvršenom numeričkom proračunu uz korištenje literature [4], [5], [6] i [7] srednja

nadtemperatura rotorskog paketa iznosi 49,7 K u odnosu na rashladni zrak temperature 40 °C, a srednja nadtemperatura uzbudnog namota iznosi 58,5 K.

V. ISPITIVANJE GENERATORA U TVORNICI

Generator je kompletno proizveden u tvornici, a zatim ispitan prema ugovornom planu kvalitete. Za provedbu ispitivanja izrađene su naprave u obliku PS i SS štitova s osloncima. Vrtnja generatora bila je omogućena ugradnjom pomoćnih ležajeva i kardanskim spojem s ispitnim motorom, što je prikazano slikom 6.

Slika 6 Ispitivanje generatora u tvornici

Provedena su završna ispitivanja pred kupcem, koja su uključivala mjerenja karakteristika praznog hoda i kratkog spoja, određivanje gubitaka, pokus vitlanja na brzini pobjega i završni visokonaponski test. Sva ispitivanja su provedena prema međunarodnim normama IEC 60034.

Slika 7 Usporedba valnih oblika napona dobivenih MKE proračunom i mjerenjem


7

Tijekom pokusa praznog hoda izmjeren je valni oblik napona. Usporedba izračunatog i izmjerenog valnog oblika napona prikazana je slikom 7, a slikom 8 dana je usporedba pripadajućih harmoničkih članova.

Izmjerena ukupna harmonička distorzija (THD) napona iznosi 1,95 %, što je 28 % niža vrijednost od dobivene MKE proračunom. Odstupanje se može objasniti utjecajima vrtložnih struja u željezu rotora koje prigušuju više harmonike polja, a korištenim MKE proračunom nisu uzete u obzir.

Usporednim prikazom računatog i mjerenog harmonijskog sastava linijskog napona uočava se slaganje rezultata. Na temelju slike 8 može se uočiti kako su istaknuti 17., 19., 35. i 37. harmonik, koji spadaju u statorske utorske harmonike. Osim spomenutih istaknuti su 5., 7., 13., 23. i 25. harmonik, koji su posljedica oblika rotorskog protjecanja i zračnog raspora te djelovanja prigušnog namota. Međusobnom usporedbom vidljivo je kako istaknuti harmonici mjerenog valnog oblika imaju 9 % do 43 % manje amplitude od računatog.

Slika 8 Harmonički sastav napona dobiven MKE proračunom i mjerenjem u zoni do 50 V Usporedba proračunskih i izmjerenih vrijednosti gubitaka prikazana je u tablici III. Izmjereni gubitci praznog hoda i kratkog spoja su veći od računskih, dok su izmjereni uzbudni gubitci manji od računskih. Ukupni gubitci su 6,8 kW veći od računatih. Gubitci trenja i ventilacije, kod ove izvedbe generatora, nisu uzeti u obzir zbog konstrukcije bez ležajeva.

Tablica III. Usporedba računskih i mjerenih gubitaka generatora


Odstupanje Računski Izmjereni

Gubitci u željezu u praznom hodu (osnovni i dodatni) 17,1 kW 20,2 kW 15,3 %

Gubitci u kratkog spoja 33,6 kW 45,7 kW 26,5 % Gubitci uzbudnog kruga u nazivnom radu 24,9 kW 16,5 kW - 38,8 % Ukupni gubitci 75,6 kW 82,4 kW 8,3 %

U sklopu ispitivanja u tvornici izmjerene su i reaktancije generatora u uzdužnoj osi, a usporedba rezultata mjerenja s računskim vrijednostima prikazana je tablicom IV.

Tablica IV. Usporedba računskih i mjerenih reaktancija generatora u nezasićenom stanju


Odstupanje Računski Izmjereni

Sinkrona reaktancija Xd 1,28 1,33 - 3,8 % Prijelazna reaktancija X'd 0,286 0,281 1,8 % Početna reaktancija X''d 0,234 0,240 - 2,5 % Nulta reaktancija X0 0,124 0,183 -32,2 % Inverzna reaktancija X2 0,225 0,254 -11,4 %


8

VI. ISPITIVANJE NA TERENU

Na terenu je dodatno provjereno zagrijavanje generatora pod teretom. Generator je ispitan u skladu s hidrološkim i mrežnim uvjetima pa je test zagrijavanja proveden pri 1500 kVA uz nazivni napon i cos φ = 1. Temperatura riječne vode tijekom ispitivanja iznosila je 10 °C. U toj radnoj točki zabilježena su sljedeća pokazivanja ugrađenih termometara:

- u statorskom namotu: 69,8 °C, 71,4 °C i 74,0 °C, - u struji hladnog zraka: 35,5 °C, - u struji toplog zraka: 58,2 °C.

Naknadnim preračunavanjem na nazivnu radnu točku pomoću numeričkog proračuna dobiveno je

maksimalno zagrijanje statorskog namota od 75 K u odnosu na riječnu vodu. Dobiveni rezultat potvrđuje zagrijanje u klasi izolacije B.

VII. ZAKLJUČAK

Proizvodnja malog cijevnog generatora je izazov u koji se upušta vrlo malo proizvođača električnih strojeva. Male dimenzije agregata, zahtjevne su u pogledu smještaja opreme, terenske montaže i održavanja. Suvremene metode elektromagnetskog, ventilacijskog i toplinskog proračuna uključuju uporabu MKE. Provedeni proračuni MKE omogućili su odabir najpovoljnije varijante projekta obzirom na valni oblik napona i gubitke u prigušnom namotu. Korištenjem MKE za ventilacijski i toplinski proračun omogućen je izbor zazora između paketa i kućišta koji zadovoljava tehnološke zahtjeve i osigurava dostatan odvod topline. Postignuto je zagrijavanje u granicama ugovorenih vrijednosti. Usporedba rezultata proračuna i ispitivanja gubitaka pokazala je veća odstupanja pojedinačnih od ukupnih gubitaka. Izmjereni stupanj korisnog djelovanja zadovoljava zahtjev iz ugovora. Projekt je uspješno realiziran te generator radi bez ikakvih problema i reklamacija. Razvoj ovoga stroja dobro je poslužio za razvoj drugih sličnih strojeva čija izvedba je u tijeku.

REFERENCE

[1] M. Petrinić, Z. Čulig, „Elektromagnetski proračun sinkronih strojeva s cilindričnim rotorom i armaturom na statoru za područje malih i srednjih snaga“, elaborat Končar IET-a, Zagreb, 23.10.2002.

[2] MagNet Version 7.1. "Tutorials", Infolytica Corporation 2010. [3] M. Petrinić, S.Car, A.Elez: "Iterative Procedure dor Determination of Synchronous Generator Load

Point Using Finite Element Method“, Electrical Machines (ICEM) 20. konferencija, 2-5 rujan 2012, Print ISBN: 978-1-4673-0143-5, 1987.

[4] Baehr, Stephan, "Heat and Mass Transfer“, 2nd Edition, Springer, Berlin-Hedielberg, Germany, 2006. [5] Cebeci, „Convective Heat Transfer“, 2nd Edition, Springer, Berlin-Hedielberg, Germany, 2002. [6] VDI Heat Atlas, 2nd English edition, Darmstadt, 2010. [7] Galović, „Odabrana poglavlja iz kondukcije“ - skripta za poslijediplomsku nastavu, Fakultet strojarstva

i brodogradnje, Zagreb, 2003.

a1-03 izvedba sinkronog cijevnog · pdf filejedini sinkroni generator isporučen je još...

Documents