Modélisation dans le domaine du temps d'une excitatrice synchrone à diodes tournantes et analyses des modes de défaillances

L'objectif de ce mémoire est la modélisation du système d'excitation avec redresseur à diodes tournantes TKJ 166-38 pour l'étude des phénomènes transitoires électromagnétiques (EMT) et son intégration dans un modèle EMT d'une unité qui consiste en une génératrice principale, d'un arbre moteur représenté par un modèle multi-masses et d'un modèle détaillé du gouverneur des turbines. TKJ 166-38 est le système d'excitation d'une génératrice synchrone de 1650MVA. Son armature AC ainsi que les diodes du redresseur tournent avec l'inducteur de cette génératrice. Pour cette étude, une petite machine synchrone à aimant permanant est utilisée comme pilote de l'excitatrice. Le rotor de celle-ci est également solidaire de l'arbre des deux autres. La sortie AC de cette machine pilote, après rectification, fournit un courant continu au champ stationnaire de l'excitatrice. Un régulateur automatique de tension (AVR) commande le champ de la TKJ 166-38 et donc, indirectement le champ de la génératrice principale. La protection du système d'excitation contre les défauts internes et de diodes est réalisée par des fusibles situés à la borne de sortie de l'excitateur à courant alternatif. Dans le modèle EMT de la TKJ 166-38 proposé ici, l'excitatrice AC et le redresseur à diodes tournantes sont modélisés par un circuit électrique détaillé alors que l'excitatrice pilote et son redresseur sont représentés par un schéma block. La génératrice principale est modélisée avec une connexion électrique à la bobine de champ de manière à connecter directement cette dernière au modèle EMT de la TKJ 166-38. Le modèle EMT développé simule des fautes internes et sur les diodes de la TKJ 166-38. Dans ce mémoire, la TKJ 166-38 et la génératrice principale sont modélisées dans le domaine des phases (PD) par un modèle de machine synchrone à n-phases et utilisent la formulation de l'Analyse-Nodale-Modifiée-Augmentée (ANMA) qui rend possible la connexion électrique des bobines de champ de ces machines. L'approche de modélisation PD rend également possible l'étude des harmoniques et des saturations tout en conservant une représentation fidèle de la machine. Deux différentes options de saturation sont implémentées en fonction de la construction du rotor. Dans le cas des rotors à pôles saillants, le taux de saturation est fonction de la reluctance du chemin principal emprunté par le flux qui est calculé à partir de la géométrie interne de la machine et de la longueur de l'entrefer de chaque pôle. D'un autre côté, pour les rotors cylindriques, la variation de la reluctance est indépendante du chemin emprunté par le flux.

Abstract

The objective of this thesis is the establishment of an electromagnetic transient (EMT) model of the brushless excitation system TKJ 166-38 and its integration to the EMT model of the unit that consists of the main generator, lumped-mass model of the shaft system and detailed turbine-governor model. TKJ 166-38 is the excitation system of a 1650 MW synchronous generator where the armature of the AC exciter and the diode rectifier rotate with the main generator field. A small permanent magnet synchronous machine is used as a pilot exciter. The permanent magnet rotor of the pilot exciter also rotates with the AC exciter armature and the diode rectifier. The rectified output of the pilot exciter stator is used to supply the DC current to the stationary field of the AC exciter. The automatic voltage regulator (AVR) controls the AC exciter field, which in turn controls the field of the main generator. The protection of the excitation system against internal faults and diode failures is achieved by the fuses located at the output terminal of the AC exciter. TKJ 166-38 is not equipped with any device that provides direct exciter diode monitoring or direct measurement of main generator field voltage or current. In the EMT model of TKJ 166-38, the AC exciter and the diode rectifier, i.e. the rotating parts, are modeled as actual electrical circuits, whereas the pilot exciter and its controlled rectifier are modeled using control block diagrams. The main generator is modeled with field winding electrical connection in order to achieve direct electrical connection to the EMT model of TKJ 166-38. The developed EMT model is able to simulate the system for internal faults and diode failure conditions in TKJ 166-38, for studying the transient performance of TKJ 166-38. In this thesis, both the ac exciter of TKJ 166-38 and the main generator are simulated using an n-phase phase-domain (PD) synchronous machine model and a Modified-Augmented-Nodal-Analysis (MANA) formulation that enables synchronous machine field winding electrical connection. The PD modeling approach also enables accounting for space harmonics and inclusion of magnetic saturation while retaining the physical picture of the actual machine. Two different saturation options are implemented considering two different rotor constructions. In salient pole rotor case, the saturation function accounts for the reluctance of the main magnetic flux path considering the internal machine geometry. On the other hand, in cylindrical rotor case, the variation of the reluctance is independent from the main magnetic flux path. Hence, the magnetic saturation is represented by using the traditional piecewise-linear approximation.