Electromagnetic modeling of large hydro electrical generators using 2D finite element method

Martins Aguiar, Ana Beatriz (2014). Electromagnetic modeling of large hydro electrical generators using 2D finite element method. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With the ever increasing of the demand for electrical energy, the need for additional power has already become a reality in the energy supply market. In this context, increasing the power output of existing generators is considered as a promising and beneficial option. Unfortunately, the available methods today do not allow exploiting the full power potential of the existing generators with a precise evaluation of the impact of this increase on the residual lifetime. The challenge in uprating a large existing machine therefore is increasing the output power within the safety limits and without reducing the reliability of the system. One of the goals of Hydro-Québec is to develop new techniques which permit identification of units with potential for up rate. The understanding of the electromagnetic fields inside the generator and their implication in the losses is the first step to fulfil this goal. This thesis focuses on analyzing the electromagnetic field and establishing the magnetic core losses for different machine configurations and operating conditions. The electrical machine in question is a low-speed, salient poles synchronous generator. Initially, a literature review of the related subjects published in the last 20 years was investigated. Secondly, modelling analysis and simulation of large electrical machines using commercial software to compute the losses at the steady state was also done. Moreover, validation of this work and analysis is done using measurements of losses with emphasis on the core losses and magnetic flux density. The core loss matrix generated by FEM was also compared with the thermal calculation and measurements of the hotspots of the machine. The results from FEM simulation in comparison to the experimental measurements are presented for two machines (Manic 21 and Rapide-des-Quinze). The simulation and experimental results were in a good agreement.

Titre traduit

Modélisation électromagnétique des grands générateurs hydro électriques utilisant des éléments finis 2D

Résumé traduit

Avec l'augmentation de la demande d'énergie électrique, la nécessité de la disponibilité de la puissance supplémentaire est déjà devenue une réalité du marché de l'approvisionnement en énergie. Dans ce contexte, l’augmentation de la puissance de sortie des générateurs existants est considérée comme une option prometteuse et bénéfique. Malheureusement, les méthodes d'aujourd'hui disponibles ne permettent pas exploiter le plein potentiel des générateurs existants et l’augmentation de puissante de sortie peut accroître l'impact sur la durée de vie résiduelle. L'un des objectives d'Hydro-Québec est de développer de nouvelles techniques qui permettent d'identifier les unités avec le potentiel pour l’augmentation de puissance. La compréhension de la distribution des champs électromagnétiques à l'intérieur du générateur et son implication dans les pertes est la première étape pour atteindre cet objectif. Cette thèse consiste à analyser la distribution des champs électromagnétiques et d'établir les pertes correspondantes dans le noyau magnétique pour différentes conditions d'exploitation. Initialement, une revue de la littérature liée à ce sujet publié sur les 20 dernières années a été investiguée. Deuxièmement, la modélisation et la simulation des grandes machines électriques pour calculer les pertes à l'état d'équilibre ont également été analysées. En outre, pour des raisons de validation, les mesures portant sur les pertes fers et flux magnétique ont été effectuées. Par ailleurs, la matrice de perte dans le noyau calculée par FEM a été utilisée par le module de calcul, ainsi les températures prédites sont comparées aux mesures. Les résultats de la simulation FEM et la comparaison avec les mesures expérimentales sont présentées pour deux machines (Manic 21 et Rapide-des-Quinze). La simulation et les résultats expérimentaux sont en bon accord.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 245-260.
Mots-clés libres:	Générateurs hydroélectriques. Générateurs synchrones. Réseaux électriques (Énergie) Pertes d'énergie. Tores magnétiques. Générateurs hydroélectriques Modèles mathématiques. Méthode des éléments finis. Électricité Production Appareils et matériel. extrapolation de la puissance de sortie, bobine de stator coupés et contournés, générateur synchrone à pôle saillant
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Codirecteur:	Codirecteur Merkhouf, Arezki
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	02 mars 2018 21:02
Dernière modification:	10 sept. 2018 14:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1410

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