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Contribution à la compréhension de la dynamique des rotors des alternateurs hydroélectriques

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Chit Dirani, Hind (2019). Contribution à la compréhension de la dynamique des rotors des alternateurs hydroélectriques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans les centrales hydrauliques, les groupes turbines-alternateurs sont soumis à plusieurs forces et couples dynamiques qui, sous certaines conditions, peuvent engendrer des bruits, des vibrations et des problèmes d’interactions avec le réseau, voire même des bris d’équipement. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle d’alternateur hydroélectrique afin d’étudier les effets de la non-uniformité de l’entrefer et du défaut de court-circuit entre spires au rotor sur le comportement dynamique des groupes turbines-alternateurs. Les alternateurs hydroélectriques présentent toujours des entrefers non-uniformes. Ainsi, l’étude cherche à développer un modèle en utilisant la méthode des éléments finis et une mesure précise de l’entrefer sur un alternateur en en opération afin d’étudier les forces électromagnétiques qui pourraient exciter sa structure. Puisque l’entrefer est affecté par la dilatation thermique, les formes du stator et du rotor et le mouvement du rotor, cette modélisation numérique est nécessaire pour l’obtention d’un modèle réaliste du comportement du générateur. D’autre part, parmi les défauts les plus communs qui peuvent apparaître au rotor d’un alternateur hydroélectrique figure le défaut de court-circuit entre spires. Les courts-circuits d’enroulements de pôles amènent une augmentation significative des vibrations. Ces deux défauts jouent un rôle important dans le calcul des forces électromagnétiques. Le modèle permet d’étudier et d’évaluer plus précisément l’impact de ces défauts sur les forces électromagnétiques transmises à l’arbre. La présente thèse s’intéresse aussi aux modes et aux fréquences susceptibles d’entraîner des vibrations de la structure du stator à cause des excitations électromagnétiques résultantes des défauts mentionnés. Les transformées de Fourier rapides de la densité de force électromagnétique et de la force résultante totale révèlent l’existence des composants sous-harmoniques absents dans d’autres types de machines électriques. Ces sous-harmoniques causent des vibrations importantes sur l’arbre du groupe turbine-alternateur, ainsi que sur le stator et le rotor de l’alternateur. Les résultats expérimentaux confirment les résultats numériques et analytiques dans l’identification des spectres des forces. Dans le présent travail, l’analyse numérique apporte une contribution à l’étude du comportement dynamique des lignes d’arbres de groupes de production hydroélectriques, qui consiste en l’identification des harmoniques des défauts mentionnés, dans le cadre du projet SAMH (Simulations numériques appliquées aux machines hydrauliques) de l’Institut de recherche d’Hydro-Québec.

Titre traduit

Contribution to the rotors dynamic of hydroelectric generators

Résumé traduit

In hydropower plants, turbine-generator units are subject to multiple dynamic forces and torques that under certain conditions can generate noise, vibration and network interaction problems, even equipment failures. The objective of this thesis is to develop and study the model of the hydro-generator in the presence of eccentricities, non-uniformity of the measured air gap and the inter-turns short-circuit in rotor winding, in order to contribute to a better understanding of the dynamic behavior of turbine-generator groups. Hydro-generators always have non-uniform air gaps. Thus, the study stretches to develop the model of the alternator using finite element and the accurate measurement of the real air gap of an existing hydro-generator to study and determine the electromagnetic forces that might excite its structure. Since the air gap is affected by thermal expansion, stator and rotor shapes, and rotor motion this numerical modeling is necessary to render the generator behavior very close to reality. On the other hand, among the most common defects that can appear in the rotor of a hydro-generator is the rotor inter-turns short-circuit. The inter turn short-circuit bring a significant increase in vibrations. These two faults play an important role in the calculation of electromagnetic forces. Depending on the intensity of the fault, rotor movement and electromagnetic force can be significant. The model makes it possible to study and evaluate, more precisely, the impact of these defects on the electromagnetic forces of the hydro-generator. In addition, the present study is also interested in modes and frequencies that are likely to generate vibrations of the stator structure following electromagnetic excitations. The Fast Fourier Transform of the electromagnetic force density and the total resultant force show the existence of subharmonic components that have not exhibited in other types of electrical machines. These subharmonics cause significant vibrations on the shaft of the turbine-generator unit, as well as on the stator and rotor of the generator. Experimental results also support numerical and analytical results in the identification of force spectra. In this work, the numerical analysis has contributed to the study of the dynamic behavior of shafts of hydroelectric turbine-generator units as part of the project SAMH (Numerical Simulations Applied to Hydraulic Machines) of the research institute of Hydro-Québec.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 185-197).
Mots-clés libres: alternateur hydroélectrique, court-circuit entre spires au rotor, analyse modale, entrefer, excentricité, forces électromagnétiques, méthode des éléments finis, mesure de flux magnétique, mesures de l’entrefer
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Al-Haddad, Kamal
Codirecteur:
Codirecteur
Merkhouf, Arezki
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 26 mars 2019 19:05
Dernière modification: 26 mars 2019 19:05
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2238

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