Sviluppo di un modello Fem per un caso studio
2.1
Capitolo 2
Sviluppo di un modello Fem per un caso studio
Lo sviluppo del modello FEM per lo studio della macchina ha richiesto un notevole dispendio di tempo. Il modello è stato implementato partendo dal disegno cad bidimensionale. Lo sviluppo di tale modello è stato effettuato in MagNet v7, ambiente software per l’analisi elettromagnetica in bassa frequenza di dispositivi elettromeccanici basato sul metodo Fem e prodotto da Infolytica.
Figura 1-logo di Magnet
2.1
C
ASO STUDIO
Il caso studio è basato su un turboalternatore di produzione Ansaldo Energia SPA con i seguenti dati di targa: Vn=18 kV In=10.6 kA S=330 MVA P= 280 MW Cos(fi)=0.85
Il modello della macchina è strutturalmente diviso in 4 parti:
Statore
Rotore
Traferro principale interposto tra rotore e statore
Sviluppo di un modello Fem per un caso studio
2.2
2.2
I
MPLEMENTAZIONE DELLO STATORE
Lo statore nel modello è composto essenzialmente da 3 materiali ovvero:
M27: USS Motor -- 26 Gage (Ferro)
Air
Rame
I materiali sono stati scelti opportunamente per le loro caratteristiche elettromagnetiche:
Il M27: USS Motor 26 Gage perché è un ferro non conduttivo in quanto lo statore presenta una struttura laminata, composta da lamierini molto sottili che presentano perdite per effetto Ohmico praticamente nulle. La caratteristica magnetica del USS Motor 26 Gageè prossima a quella del ferro utilizzato in macchina
Figura 2-caratteristica B-H del uss motor 26
Air è stata scelta per approssimare gli isolanti in quanto è non conduttore, come l’isolante e ha la permettività prossima a quella dell’aria.
Il rame è stato scelto in quanto gli avvolgimenti statorici sono realizzati in piattine di rame. La parte in ferro è stata suddivisa in due parti, una più interna e una più esterna per consentire una più agevole differenziazione della dimensione degli elementi di mesh nella due zone. La zona più interna assume infatti una maggior importanza dal punto di vista della variabilità dei campi in relazione alla posizione e dell’ampiezza degli stessi.
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2.3
Figura 3-sezione di macchina Ansaldo Energia SPA
Sviluppo di un modello Fem per un caso studio
2.4
Figura 5- Evidenziazione della parte interna del nucleo di statore
I conduttori sono posti nelle cave e sono circondati da uno strato di isolante che è stato modellato come aria, visibile in figura 6.
Figura 6-immagine della barra circondata da aria e inserita nella cava
Nella macchina sono presenti 72 cave. Ogni cava ospita al suo interno due lati attivi dell’avvolgimento disposti in doppio strato con allineamento radiale: il numero totale di lati attivi risulta quindi pari a 144. Il sincrono ha quindi 1443 = 48 lati attivi per fase. Sono presenti 3 sezioni in parallelo per fase, quindi ognuna ha 483 = 16 lati attivi, che danno luogo a 8 spire. Nelle immagini sottostanti è evidenziata la suddivisione in sezioni per ogni fase.
Sviluppo di un modello Fem per un caso studio
2.5
Figura 7-immagine con evidenziata la fase U
Le sezioni di ogni fase sono state collegate in parallelo attraverso la pagina “new Circuit Windows” presente in Magnet e così sono state create le fasi U,V,Z.
Figura 8-conessioni in parallelo delle varie sezioni
Le zeppe statoriche sono state approssimate con aria in quanto hanno caratteristiche elettromagnetiche pari ad essa.
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2.6
2.3
I
MPLEMENTAZIONE DEL ROTORE
Il rotore è una struttura meccanicamente indipendente dallo statore avente un unico grado di libertà ovvero quello della rotazione attorno all’asse di macchina.
Il rotore è composto essenzialmente da 3 materiali ovvero:
P83
Air
Rame
I materiali sono stati scelti opportunamente per le loro caratteristiche elettromagnetiche ovvero
P83 è un ferro conduttivo e avente caratteristica magnetica del ferro utilizzato in macchina, in quanto questo materiale è user-defined, la caratteristica di magnetizzazione e le proprietà elettriche sono state fornite da Ansaldo Energia; purtroppo il numero di punti disponibili per la descrizione della curva di magnetizzazione è piuttosto limitato e sarebbe opportuno che venisse incrementato se si dovesse procedere nuovamente all’utilizzo del modello per ottenere risultati di maggior accuratezza.
Figura 9-caratteristica di magnetizzazione del P83
Figura 10-andamento delle perdite nel ferro attraverso la formula di Steinmetz nel P83
Air è stata scelta per approssimare gli isolanti in quanto è non conduttore e ha permettività prossima a quella dell’aria.
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2.7
Il rame è stato scelto in quanto gli avvolgimenti rotorici e la gabbia smorzatrice sono realizzati con conduttori in rame.
Figura 11-immagine della struttura rotorica
Il ferro rotorico è stato suddiviso in più parti per ottenere una mesh con finitura graduale a seconda delle necessità e si è diviso:
1. Parte interna di rotore 2. Parte esterna di rotore 3. Guscio di rotore 4. Teste dei denti rotorici 5. Denti rotorici
Sviluppo di un modello Fem per un caso studio
2.8
Figura 12-evidenziazione la parte interna di rotore
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2.9
Figura 14- evidenziazione il "guscio" di rotore
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2.10
Figura 16-evidenziazione dei denti di rotore
Struttura delle parti in rame
Le parti in rame in macchina sono essenzialmente 2:
Gabbia smorzatrice
Avvolgimento di eccitazione
L’avvolgimento di eccitazione è stato suddiviso in 2 parti in quanto ogni cava contiene in un caso 11 spire e in un caso e 9 spire nell’altro, le spire sono state modellate come “Stranded” ovvero è imposta una densità di corrente constante sulla spira. I due avvolgimenti sono posti in serie nel modello, in quanto percorsi dalla stessa corrente.
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2.11
Figura 17-evidenziazione delle cave rotoriche in cui sono presenti 11 spire
Figura 18- evidenziazione delle cave rotoriche in cui sono presenti 9 spire
La gabbia smorzatrice ha anche una funzione meccanica, ovvero funziona da zeppa per le cave rotoriche. Quindi è presente solo dove ci sono le cave dell’avvolgimento di eccitazione.
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2.12
Figura 19- evidenziazione della gabbia smorzatrice
Figura 20-collegamento di alcune barre della gabbia in parallelo tra esse
Le barre della gabbia smorzatrice che nella realtà sono collegate tramite anelli alle testate sono state modellate come collegate direttamente tra di loro, trascurando pertanto l’influenza degli stessi.
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2.13
2.4
T
RAFERRO PRINCIPALE INTERPOSTO TRA ROTORE E STATORE
Il traferro principale di macchina, interposto tra rotore e statore e stato modellato come una successione radiale di strati di ariavirtuale-aria-aria-aria virtuale. Questa configurazione permette un buon calcolo dei campi in quanto ci sono strati che hanno la possibiità di ruotare uno rispetto all’altro, dovuto alla velocità meccanica nulla dello statore e alla velocità meccanica ω del rotore.
Figura 21-evidenziazione della "virtual air di statore"
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2.14
Figura 23- evidenziazione del “air gap down"
Figura 24- evidenziazione della " virtual air di rotore"
2.5
P
ORZIONE DI SPAZIO CIRCOSTANTE LA MACCHINA
Il modello della macchina è stato circondato da uno strato cospicuo di aria denominata “normal air stator”, tale cerchio ha un raggio esterno di circa 1.7 metri, questa soluzione approssima che i campi elettromagnetici siano presenti entro tale confine.
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2.15
