Contribution to the characterization and 3D modeling of the anisotropy of grain-oriented electrical steels for the calculation of losses at the end-regions of turbo-generators. Contribution à la caractérisation et à la modélisation 3D de l'anisotropie des aciers électriques à grains orientés en vue du calcul des pertes aux extrémités des turbo-alternateurs

Archive ouverte : Thèse

Millan Mirabal, Leysmir Adriana

Edité par HAL CCSD

Recently, network and transmission system operators like the European Network of Transmission System Operators of Electricity (ENTSO-E) have started to create regulations to extend the range of operation of the equipment connected to the electrical grid. The main purposes of these changes are: to increase the flexibility of the grid by making it able to withstand variations of frequency and voltage (due to alterations in the active and reactive power balance), and to ease the integration of renewable energy generation. However, many of the installed equipment connected to the grid have not been conceived to be exploited in these operating ranges and their use under these conditions will have a negative impact, especially on the turbo-generators life cycle.Large turbo-generators, used for the generation of electricity in nuclear and hydroelectric power plants, are affected by these new regulations. This impact is especially evident at end-regions of these electrical machines, where the iron losses are likely to increase significantly. These losses can lead to overheating, in particular hot points which can lead to the melting of the insulation layers between the lamination of the stator core, causing short-circuits and irreversible damage to the equipment. To be able to analyze and limit the impact of the involved physical mechanisms, the EDF Company works with tridimensional numerical simulations of the electrical machine to calculate the losses under different regimes of operation.Part of this work has already been realized in the L2EP laboratory, where the finite element analysis software code_Carmel have been adapted for the calculation of core losses and joule losses in tridimensional models. However, the physical complexity of the magnetic circuit properties at the end-regions of turbo-generators must be accounted for, in order to have reliable results. Indeed, considering the tridimensional pattern of the magnetic flux path and the strongly anisotropic properties of the magnetic circuit made from grain oriented electrical steel (GOES), the description of the iron losses requires accurate anisotropic magnetic material models combined with an efficient numerical modelling.In the framework of this PhD work, anisotropic GOES models, related to the behavior law and iron losses, have been studied and successfully implemented in a finite element method (FEM) simulation environment within the software code_Carmel. The implementation has been validated against experimental data achieved on an industrial conventional GO grade typically used in turbogenerators. Also, an experimental demonstrator has been developed to investigate more closely the magnetic behavior of a lamination stack made of GOES under non-conventional 3D magnetic flux excitations. A numerical model of the experimental demonstrator has been developed and studied with the implemented material models by comparing the global behavior of GOES as well as the iron losses in the sample of interest.The results show that under non-conventional magnetic flux attack configurations, especially with a magnetic flux attack normal to the lamination plane, the anisotropic characteristics of the GOES can influence the magnetic flux distribution within the lamination stack and the associated iron losses. In particular, the classical eddy current losses constitute, as expected, the most significant contribution of the total iron losses in the GOES laminations. . Récemment, les gestionnaires de réseau et de système de transmission, comme le Réseau européen des gestionnaires de réseau de transport d'électricité (ENTSO-E), mettent en place des réglementations pour étendre la plage de fonctionnement des équipements connectés au réseau électrique. Les principaux objectifs de ces modifications sont : d'augmenter la flexibilité du réseau en le rendant capable de supporter des variations de fréquence et de tension (dues aux modifications de l'équilibre des puissances active et réactive) et de faciliter l'intégration et la production d'énergie renouvelable. Cependant, de nombreux équipements installés et raccordés au réseau n'ont pas été conçus pour être exploités dans ces plages de fonctionnement et leur utilisation dans ces conditions peut avoir un impact négatif sur le cycle de vie des équipements, en particulier dans les turbo-alternateurs.Les grands turbo-alternateurs, utilisés pour la production d'électricité dans les centrales nucléaires et hydroélectriques, sont impactés par ces nouvelles réglementations. Cet impact est particulièrement observé aux extrémités de ces machines électriques où les pertes fer sont susceptibles d'augmenter significativement. Ces pertes peuvent entraîner des échauffements, notamment des points chauds, qui peuvent conduire à la fusion de l’isolation entre les tôles du noyau du stator, provoquant ainsi des courts-circuits et des dommages irréversibles à l'équipement. Afin de pouvoir analyser et limiter l'impact des mécanismes physiques mis en jeu, la société EDF s’appuie sur des simulations numériques tridimensionnelles de la machine électrique pour calculer les pertes pour différents régimes de fonctionnement.Une partie de ce travail a déjà été réalisée au laboratoire L2EP, où le logiciel d'analyse par éléments finis code_Carmel a été adapté pour le calcul des pertes dans le noyau du stator et des pertes joule dans les modèles tridimensionnels. Cependant, la complexité physique des propriétés des circuits magnétiques aux extrémités des turbo-alternateurs doit être prise en compte pour obtenir des résultats fiables. En effet, compte tenu du schéma tridimensionnel du chemin du flux magnétique et des propriétés fortement anisotropes du circuit magnétique en acier électrique à grains orientés (GO), la description des pertes fer nécessite des modèles de matériaux magnétiques anisotropes précis combinés à une modélisation numérique efficace.Dans le cadre de ce travail de thèse, des modèles anisotropes dédiés aux aciers GO, notamment pour décrire la loi de comportement et les pertes fer, ont été étudiés puis implémentés dans un environnement de simulation par éléments finis (FEM) au sein du logiciel code_Carmel. La mise en œuvre a été validée par rapport à des données expérimentales obtenues sur un acier GO de qualité industrielle conventionnelle généralement utilisée dans les turbo-alternateurs. De plus, un démonstrateur expérimental a été développé pour étudier plus finement le comportement magnétique d'un empilement de tôles GO soumis à des excitations de flux magnétique 3D non conventionnelles. Un modèle numérique du démonstrateur expérimental a été développé et étudié, incluant les modèles de matériaux anisotropes, en comparant le comportement global du matériau GO ainsi que les pertes de fer dans l'échantillon d'intérêt.Les résultats montrent que, dans des configurations d'attaque de flux magnétique non conventionnelles, en particulier avec une attaque de flux magnétique normale au plan de laminage, les caractéristiques anisotropes de l’acier GO peuvent influencer la distribution du flux magnétique dans l'empilement de tôles étudié ainsi que les pertes de fer associées. Notamment, et comme attendu, les pertes par courants de Foucault classiques constituent la contribution majeure aux pertes fer dans l’empilement de tôles étudiées.

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