Yuvarlak rotorlu senkron generatörlerde hava aralığı alan şeklinin iyileştirilmesine katkılar
Contributions to optimization of airgap magnetic field in turbogenerators
Yazar: AHMET KUBİLAY ATALAY
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Senkron jeneratör = Synchronous generator ; Turbo jeneratörler = Turbo generators

Özet:
Yüksek hızlı türbinler tarafından tahrik edilen yuvarlak rotorlu senkron generatörler, elektrik enerjisi üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır. Bir senkron generatörün güç kalitesi, uyarma alanı harmonikleri ile doğrudan ilişkilidir. En belirgin harmonikleri ortadan kaldırmanın geleneksel yöntemi, eş olukları rotor çevresinin 2/3'üne eşit oluk aralıkları ile dağıtıp, rotor çevresinin 1/3'ünü oluksuz bırakmaktır. Rotor üzerine yerleştirilmiş tüm oluklar aynı boyut ve sarım sayısına sahip olup, aynı uyarma akımını taşırlar. Bu geleneksel rotor sargı yayılımı, en belirgin harmonikleri, özellikle de 3. harmoniği, ortadan kaldırarak güç kalitesine etkin bir katkı sağlasa da, daha fazla harmoniğin yokedilmesi imkanı mevcuttur.
Bu tez çalışmasında, bir yuvarlak rotorlu senkron generatörde en belirgin harmonikleri ortadan kaldırmak için yeni oluk konumları ve oluklardaki yeni sarım sayıları Newton-Raphson algoritması kullanılarak hesaplanmıştır. Fiziksel olarak uygulanabilir en uygun çözüm belirlenmiş ve geleneksel bir generatörün rotoruna uygulanmıştır. Stator ve diğer rotor boyutlarında herhangi bir değişiklik uygulanmazken yalnızca oluk boyutları ve oluklardaki sarım sayıları gibi gerekli büyüklükler değiştirilmiştir. Sonrasında yeni tasarımın işletme başarımı geleneksel tasarımla elde  edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Toplam harmonik bozunumu, kullanılan malzeme miktarı ve toplam kayıpların azaldığı, verimde hafif bir artış ile güç kalitesi ve güç faktörünün iyileştiği izlenmiştir.
Çalışmanın ilk bölümünde geleneksel yuvarlak rotorlu senkron generatör imalat aşamaları verilmiştir. Literatürde farklı tasarım süreçleri ve örnekleri bulunurken, çalışma bunlardan biri olan ve saygın bir referanstan alınan bir örnek üzerinde yoğunlaşmıştır. Tasarım aşamaları doğrultusunda söz konusu geleneksel tasarımla ilişkili harmonik çeşitliliği ve sargı faktörleri incelenmiştir. Çeşitli rotor oluk sayıları için harmonik çeşitliliği ve sargı faktörleri verilmiş ve elde edilen sonuçlara göre problem, toplam harmonik bozunumunu azaltarak güç kalitesini arttırmak amacıyla uyarma alanındaki mevcut harmonikleri ortadan kaldırmak için uyarma alanında bir eniyileştirme gereksinimi olarak tanımlanmıştır. Elde edilensonuçlar, eniyileştirilmiş sonuçlarla karşılaştırma amacıyla kullanılmıştır.
Çalışmanın ikinci bölümünde, uyarma alanındaki mevcut harmonikleri mümkün olduğunca ortadan kaldırarak uyarma alanını eniyileştirmek için bir yöntem geliştirilmiştir. Bu amaçla Newton-Raphson algoritması kullanılmıştır. Bu algoritma sadece kolay ve güvenilir olduğu için değil, aynı zamanda hızlı olması nedeniyle çözümün tekilliğini kontrol etmek için de tercih edilmiştir. Bu noktada, uyarma alanının temel bileşeninde bir azalmayı önlemek için, uyarma sargısındaki toplam rotor oluk sayısı ve toplam sarım sayısının sabit tutulduğu belirtilmelidir. Öte yandan, rotor oluk konumları, rotor oluk boyutları ve her bir rotor oluğundaki sarım sayısı ayarlanarak daha üstün güç kalitesi sağlanmıştır. Rotor oluk sayısı ile temizlenecek harmonik adedi arasında bir ilişki olduğu izlenmiştir. Yöntem önceki bölümde bahsedilen rotor sargı şemalarına uygulanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin harmonikleri gidermede ve güç kalitesini artırmada geleneksel yönteme göre daha etkili olduğu ortaya konmuştur. Ortaya çıkan sonuçlar, belirli bir makineye uygulanarak çalışmanın bir sonraki aşamasına geçilmiştir.
Çalışmanın üçüncü bölümünde, bir önceki aşamada elde edilen çözümlerden biri, birinci bölümde bahsedilen geleneksel yöntemle tasarlanmış örnek bir yuvarlak rotorlu senkron generatöre uygulanmıştır. Bu aşamada, örnek yuvarlak rotorlu senkron generatörün rotor sargı şeması hem geleneksel hem de önerilen yöntem için tasarlanırken, stator boyutları, rotor çapı, rotor oluk sayısı ve uyarma sargısındaki toplam sarım sayısı değiştirilmemiştir. Daha sonra her iki tasarım da yüksüz ve tam yük koşulları için sonlu elemanlar tabanlı bir yazılım kullanılarak benzetilmiştir. Her durum için hava aralığı manyetik alanının radyal bileşeninin harmonik çeşitliliği ve sargı faktörleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Ayrıca her iki tasarım için başarım ve malzeme tüketimi karşılaştırması yapılmış ve sonuçlar sergilenmiştir.
Söz konusu problemle ilgili çok sayıda çalışma olmasına rağmen, yuvarlak rotorlu senkron generatörler için güç kalitesine güçlü katkı sağlayan yeni ve sıra dışı bir uyarma sargısı tasarım yöntemi ortaya çıkarılmıştır. Yöntemin etkinliği ve başarısı benzetim, çözümleme ve karşılaştırma adımları ile doğrulanmıştır. Çalışma, yuvarlak rotorlu senkron generatörlerde uyarma alanındaki harmoniklerin daha fazla ortadan kaldırılması için hala imkan bulunduğunu göstermektedir. 
Bu tez çalışması İTÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından 1424 proje numarasıya desteklenmiştir.

Abstract:
Power quality of a synchronous generator is directly associated with its excitation field harmonics. The harmonics exist in the excitation field are directly carried to terminal voltage and appear in the terminal voltage waveform. For this reason elimination of excitation field harmonics is an efficient method in contributing to power quality. 
Generally, synchronous generator types can be listed as salient pole, turbogenenator and permanent magnet.  As their construction methods are different from each other, required optimization method for each of them differs as well. 
Salient pole synchronous generator is the most common generator type used in electrical power generation. In order to eliminate the harmonics in excitation field in these generators, the pole foot of the generator is constructed in a sinusoidal shape providing the terminal voltage to be more sinusoidal.
Permanent magnet synchronous generators are commonly used in low power applications. Although excitation field is created by permanent magnet in these generators, it is still possible to optimize it by developing special permanent magnet arrangements.
Turbogenerators driven by high speed turbines are frequently used in electrical power generation.These generators are generally used by high speed gas turbines. The rotor of a turbogenerator is made up of cast steel in many cases and slots that accommodate the excitation windings are grooved along the surface of the rotor. Conventional method to eliminate the most prominent harmonics is to distribute slots to 2/3 of the rotor perimeter with equal slot pitches and identical slots while keeping 1/3 of the rotor perimeter without slots. All slots placed on the rotor have equal dimensions and identical numbers of turns that carry the same excitaton current. Although this traditional rotor winding arrangement provide a strong contribution to power quality by eliminating most prominent harmonics, especially the 3rd, there is still room for further elimination.   
In this thesis study, new slot positions and new numbers of conductors in slots for a turbogenerator were calculated by using Newton-Raphson algorithm to eliminate the most prominent harmonics. The physically applicable optimum solution was determined and implemented to a rotor of a conventional generator. Only necessary quantities like numbers of turns and slot dimensions were altered while no changes to the stator and other rotor dimensions applied. Operational performance of the novel design was then compared with that of the conventional one. It was traced that the total harmonic distortion, material consumption, and total losses were decreased while the power quality and power factor were improved with a slight increse in efficciency. 
In the first part of study traditional turbogenerator construction stages were given. While different design procedures and examples can be found in the literature, study was focused on one of them that was obtained from an esteemed reference. In line with design stages, harmonic spectrum and winding factors associated with mentioned conventional design was examined. Harmonic spectrum and winding factors for various number of rotor slots were given and according to acquired results the problem, which is the requirement of an optimization in excitation field in order to eliminate the existing harmonics in the excitation field in order to reduce the total harmonic distortion and increase the power quality, is defined. Gathered results were used for comparison of the optimized results.
In the second part of study, a method was developed for optimizing the excitation field by eliminating existing harmonics in the excitation field as much as possible. Newton-Raphson algorithm is used for this purpose. This algorithm was not only preferred for reliability and simplicity but also for checking singularity of the solution due to its fastness. At this point it should be mentioned that, total number of rotor slots and total number of turns in excitation winding kept constant in order to avoid a reduction in the fundamental component of excitation field. On the other hand, rotor slot positions, rotor slot dimensions and number of turns in each rotor slot were adjusted to provide a better power quality. It was traced that there was a relationship between number of rotor slots and number of harmonics that can be eliminated. The method is applied to rotor arrangements mentioned in previous part and results are compared. It was exhibited that, proposed method was more effective than conventional method in eliminating excitation field harmonics which was a strong indication of increasing power quality. Exposed results lead to next stage of study, which was the application to a specific machine. 
In the third part of study, one of the solutions gathered in previous stage was applied to a sample turbogenerator which was designed by the conventional procedure mentioned in the first part. The solution algorithm mentioned in previous stage was repeated with random starting points until 3 physical applicable solutions were gathered. In all trials the algorithm has calculated the same solution which indicates the singularity of the solution. In this stage, the sample turbogenerator's rotor winding scheme was designed for both conventional and proposed method, while keeping stator structure as well as rotor diameter, number of rotor slots and total number of turns in excitation winding unchanged. Afterwards both designs were simulated by using a finite element based software for no-load and full load conditions. Harmonic spectrum and winding factors of the radial component of the airgap magnetic field for each condition were given in comparison. In addition to that performance and material use comparison for both designs were achieved and results are exhibited. 
Although there are particular number of studies concerning the problem, a novel and extraordinary excitation winding arrangement method for turbogenerators that provides a strong contribution to power quality was revealed. In addition to that it provides a slight increase in efficiency. The efffectivity and success of the method was confirmed by simulation, analysis and comparison steps. The study indicates that, there is still room for further elimination of harmonics in excitation field of turbogenerators. 
Future studies can focus on few aspects. The solution for particular numbers of rotor slots can be obtained by using novel nature inspired algorithms such as particle swarm optimization, multi objective genetic algorithm or big bang big crunch optimization method. Such study can reveal a generalized set of solutions for turbogenerators as well as exhibiting power of these algorithms that can provide a contribution to the literature. In addition to that, a study can be achieved on further optimization that can be applied to the stator winding in association with this rotor winding optimization in the pursuit of a better operational performance. Optimized stator structure can be successfully used in salient pole generators which are more commonly used in hydroelectric power plants.  
This study is supported by Scientific Research Projects Unit of Istanbul Technical University with project ID 1424.