modelowanie nierównomiernego nasycenia nabiegunnika
Transkrypt
modelowanie nierównomiernego nasycenia nabiegunnika
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 121 Filip Kutt, Michał Michna, Grzegorz Kostro, Mieczysław Ronkowski Politechnika Gdańska MODELOWANIE NIERÓWNOMIERNEGO NASYCENIA NABIEGUNNIKA GENERATORA SYNCHRONICZNEGO NON-UNIFORM SATURATION MODELLING OF SYNCHRONOUS GENERATOR POLE SHOES Streszczenie: W artykule przedstawiono koncepcję modelu obwodowego generatora synchronicznego (GS) w układzie współrzędnych naturalnych. W równaniach modelu uwzględniono zarówno niesinusoidalny rozkład uzwojeń, jak i nierównomierne nasycenie nabiegunników. Do wyznaczenia indukcyjności własnych i wzajemnych uzwojeń GS zastosowano zmodyfikowaną metodę funkcji opisujących rozłożenie przestrzenne uzwojeń. Nierównomierne nasycenie nabiegunników GS odwzorowano za pomocą funkcji opisującej geometrię (zastępczą grubość) szczeliny roboczej. Opracowany model obwodowy można zastosować do badań symulacyjnych GS zarówno z biegunami wydatnymi, jak i utajonymi. W celu weryfikacji przyjętych założeń do sformułowania modelu wykonano badania laboratoryjne. Model obwodowy GS można zastosować do analizy autonomicznych systemów elektroenergetycznych, w których parametry pojedynczego generatora mają decydujący wpływ na jakość energii elektrycznej. Abstract: This paper presents a concept of synchronous generator (SG) circuit model in terms of machine variables. In the model equations are taken into account both the non-sinusoidal distribution of the stator and rotor windings, and non-uniform saturation of the pole shoes. Winding function approach is used to define the self and mutual inductances which enable to take into account the non-sinusoidal distribution of stator and rotor windings. The non-uniform saturation of the SG pole shoes is modeled by a function describing the airgap geometry (equivalent lengths/thickness). The developed model is suitable for simulation of both salient and no-salient pole generators. Experimental tests were carried out to validate the used modeling method. The developed SG model can be used to analyze autonomous power systems, in which a single generator parameters has a significant impact on the power quality. Słowa kluczowe: generator synchroniczny, modelowanie, efekty nasycenia, symulacja Keywords: synchronous generator, modeling, saturation effects, simulation 1. Wstęp Postępy w rozwoju zawansowanej energoelektroniki stwarzają nowe możliwości dla bardziej różnorodnego wytwarzania i efektywnego użytkowania energii elektrycznej. Aktualnie, rezultatem tych nowych możliwości jest coraz powszechniejsze stosowanie zawansowanych autonomicznych systemów elektroenergetycznych (ASE) do rozproszonej generacji energii elektrycznej. Należy podkreślić, że w łańcuchu przemian energetycznych ASE jednym z kluczowych ogniw jest generator synchroniczny (GS), ponieważ ma on decydujący wpływ na jakość wytwarzanej energii elektrycznej. Obecnie najbardziej zaawansowane ASE instalowane są w transporcie powietrznym, w szczególności na pokładzie nowoczesnych samolotów pasażerskich. Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną przy jednoczesnym dążeniu do ograniczenia wagi i gabarytów ASE prowadzi do stosowania generatorów pracujących przy wysokich i zmiennych prędkościach obrotowych. Ich efektywna symulacja jest możliwa w oparciu o adekwatne modele elementów systemu, w tym modelu GS, którego właściwości statyczne i dynamiczne wpływają na parametry i stabilność ASE [2, 3, 4, 5, 10, 11, 12]. Opracowanie zarówno dokładnego jak i efektywnego obliczeniowo modelu symulacyjnego GS jest trudne z uwagi na złożoność zachodzących zjawisk fizycznych w maszynie, w szczególności zjawiska nasycenia obwodu magnetycznego i niesinusoidalnego rozkładu pola magnetycznego w szczelinie roboczej - koniecznych do wyznaczenia odkształconego przebiegu napięcia na zaciskach generatora. Głównym celem artykułu jest przedstawienie koncepcji uproszczonego modelu obwodowego GS, w którym uwzględniono zarówno Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 122 niesinusoidalny rozkład uzwojeń jak i zjawisko nierównomiernego nasycenie nabiegunników. W artykule zmodyfikowano model poliharmoniczny opracowany na bazie metody funkcji opisującej przestrzenne rozłożenie uzwojenia stojana i wirnika (winding function approach) [1, 6, 7, 11]. W wyniku modyfikacji modelu poliharmonicznego sformułowano funkcję opisującą przestrzenny rozkład uzwojeń, geometrię szczeliny roboczej oraz przestrzenny rozkład sił magnetomotorycznych uzwojeń stojana i wirnika. Sformułowana funkcja pozwala na wyznaczenie parametrów (indukcyjności) modelu obwodowego GS. Nierównomierne nasycenie nabiegunników GS zostało uwzględnione przez wprowadzenie do modelu zastępczej grubości szczeliny roboczej o geometrii opisanej w funkcji położenia kątowego wirnika i stopnia nasycenia obwodu magnetycznego. W celu weryfikacji koncepcji modelu (przyjętych założeń) przeprowadzono badania laboratoryjne. 2. Model generatora synchronicznego Model obwodowy generatora opracowano w naturalnym układzie współrzędnych – wielkości fazowych (zaciskowych). W budowie modelu uwzględniono poliharmoniczny rozkład przestrzenny pola w szczelinie roboczej generatora oraz nierównomierne nasycenie nabiegunnika. 2.1. Ogólna postać modelu Uproszczony dwubiegunowy model generatora synchronicznego przedstawiono schematycznie na rys.1. Stanowi on podstawę do sformułowania modelu GS w naturalnym układzie współrzędnych. Równania mechaniczne GS pominięto, gdyż analiza dotyczy stałego kąta obrotu wirnika θr =const. (rys.1). Ogólna struktura równań GS [6]: dλ abcs dt dλ qdr v abcs = −rs i abcs + v qdr = rr i qdr + dt (1) Macierz indukcyjności własnych i wzajemnych stojana Ls(θr): Lasas (θ r ) Lasbs (θ r ) Lascs (θ r ) L s = Lasbs (θ r ) Lbsbs (θ r ) Lbscs (θ r ) (4) Lascs (θ r ) Lbscs (θ r ) Lcsc s (θ r ) Macierze indukcyjności własnych i wzajemnych wirnika Lr w rów. (3), (5) i (6): Lkqkq L r = L fdkq Lkdkq Lkqfd L fdfd Lkdfd (2) L sr (θ r ) − i abcs (3) L r i qdr Lkqkd L fdkd Lkdkd (5) Macierz indukcyjności wzajemnych stojana: Laskq (θ r ) Lasfd (θ r ) Laskd (θ r ) L sr = Lbskq (θ r ) Lbsfd (θ r ) Lbskd (θ r ) (6) Lcskq (θ r ) Lcsfd (θ r ) Lcskd (θ r ) gdzie: θr jest kątem elektrycznym położenia wirnika, indeksy s, f i k oznaczają odpowiednio uzwojenie stojana (stator), wzbudzenia (field) oraz klatek tłumiących (damper cage). 2.2. Funkcja geometrii szczeliny roboczej Funkcję geometrii szczeliny roboczej sformułowano następująco [5, 6, 10]: δ(φ s − θ r , ρ, k sat (im ,ρ )) = Strumienie skojarzone stojana λabcs i wirnika λqdr w równaniach (1) i (2): λ abcs L s (θ r ) λ = T qdr (L sr (θ r )) Rys. 1. Schematyczna reprezentacja generatora synchronicznego w hybrydowym układzie współrzędnych: stojan – współrzędne as, bs i cs; wirnik – współrzędne q i d 1 ⋅ αd 1 k sat (im ,ρ )α'1 −α'2 cos(2(φ s − θ r + ρ )) (7) (α d (α'1 + α'2 ))−1 - minimalna grubość −1 - maksymalna szczeliny, (α d (α '1 −α '2 )) gdzie: Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) grubość szczeliny, ksat - współczynnik nasycenia. Pozostałe wielkości objaśniono na rys. 1 i rys. 2. Formułując funkcję geometrii szczeliny roboczej założono: • rów. (7) opisuje zarówno nierównomierną grubość szczeliny roboczej maszyn wydatnobiegunowych, jak i nierównomierne nasycenie nabiegunnika; • średnia grubość szczeliny roboczej α'1 zależy od współczynnika nasycenia ksat; 123 magnesującego im oraz składowej magnesującego iq w osi q[8]: ( ρ = arcsin iq im ) prądu (13) • położenie kątowe ρ wektora MMFm (magnesującej/wypadkowej) określa kąt początkowy ρ podstawowej harmonicznej geometrii szczeliny roboczej (rys.2c). Funkcję geometrii szczeliny roboczej (7) można rozwinąć w szereg Fouriera. Amplitudy poszczególnych harmonicznych odwzorowują zarówno profil grubości szczeliny, jak i ogólny poziom nasycenia maszyny. Kąty początkowe harmonicznych odwzorowują nierównomierny poziom nasycenia nabiegunników. Współczynnik nasycenia ksat(im,ρ) został zdefiniowany jako: (8) k sat (im , ρ ) = k sat1 (im )k sat 2 (ρ ) Współczynnik modelu nasycenia ksat1(im) wyznacza się na podstawie charakterystyki napięcia indukowanego w stanie jałowym vq0 w funkcji prądu wzbudzenia magnesującego im (w stanie jałowym prąd magnesujący jest równy prądowi wzbudzenia rozważanego GS). W modelu uwzględnia się również napięcie vq0rem indukowane przez strumień remanentu ψrem. Na podstawie równań (1) i (3) wyznacza się zależność opisującą napięcie indukowane dla stanu jałowego maszyny: vq 0 (im ) = Lsfd _ sat (im )imωr + vq 0 rem (9) gdzie, indukcyjność magnesowania Lsfd_sat(im) oraz współczynnik ksat1 (im) wyznaczono jako: ( Lsfd _ sat (im ) = vq 0 (im ) − vq 0 rem ) (ω i ) k sat1 (im ) = Lsfd _ sat (im ) Lsfd r m (10) (11) Współczynnik modelu nasycenia ksat2(ρ) jest wyznaczany z zależności: k sat 2 (ρ ) = 1 cos(ρ ) (12) Kąt początkowy podstawowej harmonicznej funkcji geometrii szczeliny roboczej na podstawie prądu wyznaczona się Rys. 2. Przekrój poprzeczny maszyny do uproszczonej analizy geometrii szczeliny roboczej opisanej rów. (7): a) i b) wykresy przestrzenne odpowiednio dla stanu jałowego i stanu obciążenia maszyny; c) wykres rozwinięty grubości szczeliny (składowej stałej i harmonicznej podstawowej) w funkcji kąta φr dla stanu jałowego i stanu obciążenia maszyny Współczynnik ksat2(ρ) wprowadzono w celu uniezależnienia wartości indukcyjności wzajemnej stojana i wirnika Lsfd_sat(im) od kąta początkowego podstawowej harmonicznej funkcji geometrii szczeliny powietrznej. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 124 W modelu przyjęto dwa istotne uproszenia: • założono, iż kąt początkowy podstawowej harmonicznej geometrii szczeliny roboczej jest równy co do wartości kątowi położenia wypadkowego przepływu; • zjawisko nasycenia obwodu magnetycznego nie ma wpływu na amplitudę podstawowej harmonicznej geometrii szczeliny powietrznej. Duży wpływ na pominięte zjawiska ma budowa maszyny (zwłaszcza kształt nabiegunników). W przypadku badanego wydatnobiegunowego generatora synchronicznego przedstawione podejście pozwala na uwzględnienie w modelu zjawiska niesymetrycznego nasycenia się nabiegunnika maszyny (rys. 3). Mała amplituda wektora indukcji magnetycznej Duża amplituda wektora indukcji magnetycznej Współczynniki A1′s oraz A3′ s są zdefiniowane jako A1′s = A1s A1s oraz A3′ s = A3 s A1s , gdzie A1s i A3s reprezentują wartości bezwzględne pierwszej i trzeciej harmonicznej siły magnetomotorycznej. Podobne zależności zostały wyprowadzone dla pozostałych faz uzwojenia stojana. Funkcję siły magnetomotorycznej uzwojenia wzbudzenia opisano następująco: MMFfd (φ r , t ) = −1 / 2 N ′fd i fd (t ) ⋅ (15) A1′ fd sin(φ r ) + A3′ fd sin(3φ r ) ( ) gdzie, N’fd - liczba zwojów zastępczego uzwojenia wzbudzenia, A1′ fd oraz A3′ fd współczynniki reprezentujące wartości względne amplitud kolejnych harmonicznych siły magnetomotorycznej uzwojenia wzbudzenia. Współczynniki A1′ fd oraz A3′ fd są zdefiniowane podobnie jak współczynniki uzwojenia twornika. Analogiczne funkcje sformułowano dla pozostałych uzwojeń wirnika. Zależności (14) i (15) są słuszne przy założeniu, że funkcje odpowiednich uzwojeń maszyny są zdefiniowane następująco: Rys. 3. Rozkład indukcji magnetycznej w GS dla stanu obciążenia (cosϕ=1) - wyznaczony metodą MES ilustruje zjawisko niesymetrycznego nasycenia nabiegunników 2.3. Funkcje sił magnetomotorycznych uzwojeń Indukcyjności własne i wzajemnie w rów. (4) i (6) wyznaczono na podstawie funkcji opisujących: rozkład uzwojeń, rozkład sił magnetomotorycznych oraz geometrię szczeliny roboczej. Funkcję siły magnetomotorycznej uzwojenia stojana fazy as opisano następująco: MMFas (φ s , t ) = (14) N s′ ias (t )( A1′s cos (φ s ) + A3′ s cos (3φ s )) 2 gdzie, N’s - liczba zwojów zastępczego uzwojenia twornika, oraz A1′s A3′ s współczynniki reprezentujące wartości względne amplitud kolejnych harmonicznych siły magnetomotorycznej uzwojenia twornika. N as (φ s ) = 1 d MMFas (φ s , t ) (16) ias (t ) d φ s N fd (φ r ) = 1 d MMF fd (φ r , t ) (17) i fd (t ) d φ r 2.4. Funkcje indukcyjności Funkcje indukcyjności własnych i wzajemnych wyznaczono w oparciu o zdefiniowane wcześniej funkcje uzwojeń, siły magnetomotorycznych i geometrii szczeliny roboczej. Ich zależności są następujące: Lasas (θ r ) = Lls + 1 ias (t ) ⋅ N as (φ s ) ⋅ φ s + π (18) MMFas (ξ, t )rl d φ s µ 0 d ξ π δ ( ξ − θ , ρ, i k ) r m sat φ s 2π ∫ ∫ Lasfd (θ r ) = 1 i fd (t ) ⋅ N as (φ s ) ⋅ (19) φ s + π MMF fd (ξ, t )rl d φ s µ 0 d ξ π δ ξ − θ , ρ , i , k ( ) r m sat φ s 2π ∫ ∫ Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) L fdfd = Llfd + 1 i fd (t ) ⋅ N fd (φr ) ⋅ φ + π (20) r MMFfd (ξ, t )rl d φr µ 0 d ξ π/2 φ r δ(ξ, ρ, im , ksat ) 3π / 2 ∫ ∫ gdzie, l - długość maszyny, r - odległość pomiędzy osią maszyny a środkiem szczeliny roboczej. Podobne zależności wyprowadzono dla pozostałych indukcyjności własnych - rów. (4), (5) i (6). W celu uproszczenia opisu wprowadzono następujące wielkości opisujące podstawowe harmoniczne indukcyjności własnych i 2 wzajemnych: Ls = ( N s′ / 2) Λ , ( ( ) Lsfd = ( N s′ / 2 ) N ′fd / 2 Λ , ) 2 L fd = N ′fd / 2 Λ , 125 Sn=10kVA; Usn=231V (Y); cosϕ=0,8; p=4; n=1500rpm; Ns=70 zwojów/fazę; Rs=0,33Ω; Nfd=177 zwojów/biegun; Rfd=2,25 Ω; Lmd=22mH; Lsfd=148mH; l=130mm; r=194,6mm. Rys. 4. Przebieg napięcia fazowego twornika w stanie jałowym GS: vas_sym - symulacja; vas_pom - pomiar Λ = rlπµ 0 α d współczynnik gdzie, przewodności magnetycznej szczeliny roboczej. Zatem funkcje indukcyjności własnych i wzajemnych przyjmują następującą postać: Lasas (θ r ) = Lls + ( ) A′ 2 + A3′2s α1′ − (21) Ls 1s (1 2 A1′s + A3′ s )α′2 A1′s cos(2(θ r − ρ )) L fdfd = Llfd + ( ) ( ) A1′ 2fd + A3′2fd α1′ + (22) L fd 1 / 2 − A3′ fd α′2 A1′ fd cos(2ρ ) Rys. 5. Przebieg napięcia fazowego twornika w stanie obciążenia GS przy Is=0,66 Isn oraz cosϕ=1: vas_sym - symulacja; vas_pom pomiar Lasfd (θ r ) = A1′ fd A1′s sin (θ r ) + α′ + 1 ′ ′ ( ) A A sin 3 θ r 3 fd 3 s (23) Lsfd A1′ fd A1′s sin (θ r − 2ρ ) − 1 α′2 A1′ fd A3′ s sin (3θ r − 2ρ ) − 2 ′ ′ A A sin ( θ + 2 ρ ) 3 fd 1 s r Podobne zależności wyprowadzono dla pozostałych indukcyjności modelu maszyny. 3. Wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych W celu weryfikacji założeń przyjętych do opracowania koncepcji modelu obwodowego GS wykonano badania symulacyjne oraz eksperymentalne. Obiektem badań był generator synchroniczny z biegunami wydatnymi produkcji ZOUE "ELMOR" typu GCe64a o następujących danych znamionowych i parametrach: Rys. 6. Przebieg prądu fazowego twornika w stanie obciążenia GS przy Is=0,66 Isn oraz cosϕ=1: ias_sym - symulacja; ias_pom pomiar Badania wykonano dla następujących stanów pracy generatora: stanu jałowego; stanu obciążenia przy Is=0,66 Isn oraz cosϕ=1. Opracowany model obwodowy GS implementowano w symulatorze Synopsys/Saber, wykorzystując język MAST [9, 12]. Przy badaniach symulacyjnych moment załączenia obciążenia jest synchronizowany z momentem załączenia obciążenia w czasie pomiarów. Porównanie wyników symulacji i wyników pomiarów przedstawiono na rysunkach 4 – 6. Zestawiono przebiegi napięcia 126 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) fazowego twornika dla stanu jałowego (rys. 4) i obciążenia (rys. 5) oraz prądu twornika dla stanu obciążenia (rys. 6). Porównując wyniki badań symulacyjnych i pomiarowych można przyjąć, że są one wystarczająco zbieżne. Zatem, potwierdza to poprawność przyjętych założeń do opracowanej koncepcji modelu obwodowego GS. 4. Wnioski W artykule przedstawiono koncepcję modelu obwodowego generatora synchronicznego (GS) w układzie współrzędnych naturalnych. W równaniach modelu uwzględniono zarówno niesinusoidalny rozkład uzwojeń, jak i nierównomierne nasycenie nabiegunników. Do wyznaczenia indukcyjności własnych i wzajemnych uzwojeń GS zastosowano zmodyfikowaną metodę funkcji opisujących rozłożenie przestrzenne uzwojeń. Nierównomierne nasycenie nabiegunników GS odwzorowano za pomocą funkcji opisującej geometrię (zastępczą grubość) szczeliny roboczej. Opracowany model obwodowy można zastosować do badań symulacyjnych GS zarówno z biegunami wydatnymi, jak i utajonymi. W celu weryfikacji przyjętych założeń do sformułowania modelu wykonano badania laboratoryjne. Głównymi zaletami przedstawionego sposobu modelowania GS są: • prosty zapis modelu ułatwia implementację w programach symulacyjnych; • krotki czas obliczeń w porównaniu do obliczeń metodą MES; • łatwość wyznaczanie parametrów modelu w oparciu o podstawowe dane konstrukcyjne i nawojowe maszyny; • zbieżność wyników pomiarów i symulacji. Opracowany model obwodowy GS można zastosować do analizy autonomicznych systemów elektroenergetycznych, w których parametry pojedynczego generatora mają decydujący wpływ na jakość energii elektrycznej. 5. Literatura [1]. Al-Nuaim N.A., Toliyat H.A.: A novel method for modeling dynamic air-gap eccentricity in synchronous machines based on modified winding function theory. IEEE Trans. on Energy Con., vol.13, no 2, 1998 [2]. Bruck F.M., Himmelstoss F.A.: Modelling and simulation of a synchronous machine. 6th Workshop on Computers in Power Electronics, 19-22 July, 1998 [3]. Eleschova Z., Belan A., Mucha M.: Harmonic distortion produced by synchronous generator in thermal -power plant, Proc. of the 6th WSEAS Inter. Conf. on Power Systems, 2006 [4]. Gieras J.F.: Advancements in Electric Machines. Springer Verlag 2008 [5]. Gordon C. Barton T.H.: Reluctance distribution modelling of saturated salient pole synchronous machines. IEEE Transactions on Energy Con., vol.9, no.2, 1994 [6]. Krause P. C.: Analysis of electric machinery. McGraw-Hill Book Company, 1986 [7]. Kutt F., Michna M., Ronkowski M. Chrzan P.J.: Polyharmonic model of synchronous generator for analysis of autonomous power generation systems. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, nr 92/2011 [8]. Michna M., Kutt F., Ronkowski M., Chrzan P.J.: Nonlinear model of a high speed multi-pole non-salient brushless synchronous generator for the analysis of more electric aircraft power systems. More Electric Aircrafts, MEA2012 Conf., 20-21 November, Bordeaux, France [9]. Michna M., Kutt F., Chrzan P.J., Ronkowski M.: Modeling and analysis of a synchronous generator in more electric aircraft power system using Synopsys/Saber simulator. Proc. Inter. XVI Sym. Micromachines & Servosystems, Gdańsk, 2008 [10]. Nică C., Enache M.A.: Magnetic field in the airgap of the three-phase synchronous generator connected on rectifiers. Annals of the University of Craiova, Electrical Engineering series, no. 30, 2006 [11]. Toliyat H.A., Al-Nuaim N.A.: Simulation and detection of dynamic air-gap eccentricity in salient-pole synchronous machines. IEEE Trans. on Industry Applications, January/February 1999 [12]. The Designer’s Guide to Analog & MixedSignal Modeling - Illustrated withVHDL-AMS and MAST. Version Z-2007.03-SP2, SYNOPSYS, August 2007 Autorzy dr inż. Filip Kutt, e-mail: [email protected] dr inż. Michał Michna, e-mail: [email protected] Grzegorz Kostro, e-mail: [email protected] dr hab. inż. Mieczysław Ronkowski, prof. PG, email: [email protected] Politechnika Gdańska.