EXPERIMENTS ON THE TRANSIENT PERFORMANCE OF SUPERCONDUCTING EXCITED GENERATORS

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HAL Id: jpa-00223619

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Submitted on 1 Jan 1984

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EXPERIMENTS ON THE TRANSIENT PERFORMANCE OF SUPERCONDUCTING

EXCITED GENERATORS

H. Köfler, F. Zerobin

To cite this version:

H. Köfler, F. Zerobin. EXPERIMENTS ON THE TRANSIENT PERFORMANCE OF SUPERCON- DUCTING EXCITED GENERATORS. Journal de Physique Colloques, 1984, 45 (C1), pp.C1-721- C1-724. �10.1051/jphyscol:19841147�. �jpa-00223619�

(2)

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C l , supp16ment au no 1 , Tome 45, janvier 1984 page C1-721

EXPERIMENTS ON THE TRANSIENT PERFORMANCE OF SUPERCONDUCTING EXCITED GENERATORS

H. K i i f l e r and F. Z e r o b i n

I n s t i t u t e for EZectromagnetic Energy Conversion, TechnicaZ University Graz, Kopernikusgasse 2 4 , A-BOZO Graz, Austria

R e s u m e - C e t r a v a i l p r e s e n t e l e s r e s u l t a t s d e q u e l q u e s e x p 6 - r i e n c e s p e r m e t t a n t d e s a v o i r d a n s q u e l l e s l i m i t e s u n g e n e r a - t e u r s u p r a c o n d u c t e u r p e u t s u p p o r t e r d e s p e r t u r b a t i o n s e l e c t r i - q u e s .

A b s t r a c t - T h i s w o r k r e p o r t s t h e r e s u l t s o f s o m e e x p e r i m e n t s e x p l a i n i n g t h e c a p a b i l i t y o f f a u l t r e s i s t a n c e o f g e n e r a t o r s w i t h s u p e r c o n d u c t i n g r o t o r .

INTRODUCTION -

T h e r e a r e g o o d r e a s o n s f o r t h e i n t e r e s t i n c r y o g e n i c a l l y c o o l e d r o t o r s / I / . H o w e v e r , s t i l l p r o b l e m s a r e t o b e s o l v e d c o n c e r n i n g f u l l p o w e r t e s t s o r f a u l t t e s t s . D u r i n g f a u l t s a c o n v e n t i o n a l g e n e r a t o r i s s a i d t o w i t h s t a n d t h e e n h a n c e d c u r r e n t s , v o l t a g e s a n d f o r c e s i n t h e s t a t o r a s w e l l a s i n t h e r o t o r . T h e c r y o g e n i c a l l y c o o l e d r o t o r w i t h t h e S . C .

f i e l d w i n d i n g m u s t p e r f o r m a s w e l l . So d e t a i l e d s t u d i e s o n d a m p e r s y s t e m s i n s . c . r o t o r s h a v e b e e n c a r r i e d o u t . T h e y r e f e r r e d e i t h e r t o t y p i c a l d i s t u r b a n c e s i n t h e r a n g e o f a f e w H e r t z u p t o 1 0 0 Hz / 2 / o r t o s i m u l a t i o n o f t h e t o t a l m a c h i n e w i t h t h e a i d o f P a r k s e q u a t i o n s / 3 / . B o t h m e t h o d s g i v e v e r y u s e f u l r e s u l t s b u t n o c o n c l u s i v e o u t c o m e w i t h r e s p e c t t o t h e f a u l t p e r f o r m a n c e o f a s . c . r o t o r . S t a r t i n g f r o m t h i s p o i n t o f v i e w t h e a u t h o r s d i s a s s e m b l e d t h e r o t o r i n t o e s s e n t i a l c o m p o - n e n t s a n d t h e i r c o n t r i b u t i o n t o t h e t r a n s i e n t s d u r i n g t h e f a u l t . How- e v e r , t h i s d i s a s s e m b l y e n l a r g e d t h e s c o p e o f t h e w o r k d i s a d v a n t a g e o u s - l y s o i t w a s n e e d f u l t o c o n f i n e t o t y p i c a l f a u l t s . W i t h r e s p e c t t o t h e e f f e c t s n a m e l y w o r s t c a s e o f t o r q u e a n d c u r r e n t s t h e t w o p h a s e s u d d e n s h o r t c i r c u i t a t t h e t e r m i n a l s o f t h e m a c h i n e w a s c h o s e n a s a f i r s t r e f e r e n c e . T h i s f a u l t y i e l d s a n e l e v a t e d d . c . c u r r e n t v a l u e a n d a . c . - c u r r e n t s o f 5 0 a n d 1 0 0 Hz a n d c o n s e c u t i v e v a l u e s o f f r e q u e n c y i n t h e e x c i t e r l o o p . When n e c e s s a r y a l s o t h r e e p h a s e s h o r t c i r c u i t s h a v e b e e n c o n s i d e r e d .

THE EXPERIMENT

As m e n t i o n e d a l r e a d y i t h a v e b e e n t r i e d t o s e p e r a t e t h e d i f f e r e n t c o n t r i b u t i o n s o n t h e t r a n s i e n t s d u r i n g a f a u l t . C o n s e q u e n t l y t u r n e d o u t t h a t t h e e x p e r i m e n t a l m a c h i n e m e e t i n g t h i s d e m a n d c o u l d o n l y b e a s c a l e d m o d e l . I n a l a r g e r m a c h i n e t h e i n t e r c h a n g e o f d i f f e r e n t e x c i t e r w i n d i n g s a n d d i f f e r e n t d a m p e r s y s t e m s s e e m e d t o b e i m p o s s i b l e . T h e f i g . 1 s h o w s a p h o t o g r a p h o f t h e e x p e r i m e n t a l m a c h i n e a n d t a b l e 1 g i v e s t h e e s s e n t i a l p a r a m e t e r s o f t h e m o d e l .

T h e m a c h i n e s h o w n r e p r e s e n t s t h e p o s s i b i l i t i e s o f d i f f e r e n t e x c i t e r w i n d i n g s , d i f f e r e n t d a m p e r c y l i n d e r s a n d d i f f e r e n t o p e r a t i n g t e m p e r a - t u r e s t o o . H o w e v e r , i n t h i s p a p e r o n l y r e s u l t s c o n c e r n i n g t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t d a m p e r c y l i n d e r s a r e r e p o r t e d .

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19841147

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JOURNAL DE PHYSIQUE

T a b l e I S t a t o r c o r e :

i n n e r d i a m e t e r o u t e r d i a m e t e r l e n g t h

Armature windiiig ( s p i r a l pancake) :

mean d i a m e t e r 0,212 m

t o t a l l e n g t h ( = l S p ) 0 , 3 5 m

p i t c h 2 / 3

Damper-cylinder ( c o p p e r ) :

o u t e r d i a m e t e r 0,148 m

t h i c k n e s s 0,002 m

l e n g t h ( = l d ) 0 , 2 6 / 0 , 3 3 / 0 , 3 6 m F i e l d winding ( r a c e - t r a c k ) :

mean d i a m e t e r 0,084 m

s t r a i g h t l e n g t h 0,19 m

t o t a l l e n g t h 0,28 m

F i g . l : Photograph o f t h e model machine

T H E EXPERIMENTAL RESULTS

-

To e n s u r e t h a t t h e r e s u l t s o f t h e m o d e l a r e t r a n s f e r a b l e t o l a r g e r ma- c h i n e s i n a r e f e r e n c e c a s e t h e e x p e r i m e n t a l r e a d i n g s o f a l a r g e r ma- c h i n e / 4 / a n d t h a t o f t h e s c a l e d m o d e l h a v e b e e n c o m p a r e d a s s h o w n b e l o w ( F i g . 2 ) .

F i g . 2 : C o m p a r i s o n o f t h e t r a n s i e n t p a r t o f t h e f i e l d c u r r e n t d u r i n g s u d d e n 2 - s h o r t c i r c u i t . a ) m o d e l m a c h i n e , b ) l a r g e r m a c h i n e

T h e r e i s p r i n c i p l e a g r e e m e n ; b e t w e e n t h e r e s u l t s o f t h e t w o m a c h i n e s , i f o n e i s a w a r e o f t h e s h o r t e r t i m e c o n s t a n t s o f t h e m o d e l .

T h i s c o r r e s p o n d e n c e e s p e c i a l l y h o l d s i n t h e v e r y f i r s t i n s t a n t , when a m p l i t u d e s o f t h e c u r r e n t c h a n g e a r e m a i n l y g o v e r n e d b y r e a c t a n c e s . I n t h e f o l l o w i n g F i g . 3 t h e r e a d i n g s o f t h e t r a n s i e n t e x c i t e r c u r r e n t o f 2 a n d 3 p h a s e s h o r t c i r c u i t s w i t h a n d w i t h o u t d a m p e r c y l i n d e r a r e s h o w n . T h e 1 0 0 Hz c o m p o n e n t i n t h e s t a t i o n a r y s t a t e o f t h e t w o p h a s e s h o r t c i r c u i t w i t h r e s p e c t t o d a m p e r l e n g t h i s c o m p a r e d w i t h t h e r e - s u l t o f a t w o d i m e n s i o n a l s h i e l d i n g c a l c u l a t i o n i n F i g . 4 .

T h e n e x t g r a p h ( F i g . 5 ) s h o w s t h e e f f e c t , o b t a i n e d f r o m t h e e x p e r i m e n t , o f d i f f e r e n t f i e l d w i n d i n g t i m e c o n s t a n t s o n t h e f i r s t p e a k o f t h e f i e l d w i n d i n g c u r r e n t a t s u d d e n t h r e e p h a s e s h o r t c i r c u i t s a n d o n

(4)

n e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n ~ s i n t h e e x c i t e r l o o p . D u r i n g t h e e x p e r i m e n t t h e d a m p e r t i m e c o n s t a n t h a s b e e n h e l d c o n s t a n t .

F i g . 3

...- T r a n s i e n t p a r t o f t h e f i e l d c u r r e n t ( i = c o n s t . )

2 0

a ) s u d d e n 3- s h o r t c i r c u i t b ) s u d d e n 2- s h o r t c i r c u i t c ) o p e n i n g o f 3- s h o r t

c i r c u i t

c ) c * )

w i t h o u t d a m p e r u n s i g n e d

?---

w i t h d a m p e r .x

F i g 4 : N e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n t F i g . 5 : T r a n s i e n t p a r t o f f i e l d s h i e l d i n g S w i t h r e s p e c t c u r r e n t p e r u n i t o f i

t o d a m p e r l e n g t h w i t h r e s p e c t t o T ~ / T ~ ~ ~

T h e e x a m i n a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w s t h a t t h e e q u a t i o n s u s e d f o r c o n v e n t i o n a l m a c h i n e s / 5 / d e s c r i b e s u f f i c i e n t l y t h e t r a n s i e n t c o u r s e o f c u r r e n t s a n d v o l t a g e s o f s . c . m a c h i n e s . One t h i n g i s o f g r e a t i m p o r t a n c e t o g e t c o r r e c t r e s u l t s , t h i s i s t h e a c c u r a t e e v a l u a - t i o n o f t h e p a r a m e t e r s ( r e a c t a n c e s , r e s i s t a n c e s , t i m e c o n s t a n t s ) u s e d i n t h e e q u a t i o n s . I f o n e t a k e s t h e o u t c o m e o f t w o d i m e n s i o n a l a n a l y s i s o f t h e m a c h i n e t h e c a l c u l a t i o n may d i f f e r r e m a r k a b l e f r o m t h e e x p e r i - m e n t a l r e s u l t s . So t h e d i f f e r e n c e s h o w n i n F i g . 4 c a n b e a t t r i b u t e d t o f i n i t e l e n g t h e f f e c t s . A d i r e c t c o m p a r i s o n o f t h e i n f l u e n c e o f c o r r e c t p a r a m e t e r s i s g i v e n i n F i g . 6 . T h e r e s u l t s o f t h e c a l c u l a t i o n w i t h t h r e e d i m e n s i o n a l c o n s i d e r e d p a r a m e t e r s c o r r e s p o n d s f a v o u r a b l e w i t h t h e e x p e r i m e n t . A f u r t h e r f a c t n o t t o b e o m i t t e d i s t h e i n - f l u e n c e o f t h e e x t e r n a l e l e m e n t s o f t h e e x c i t e r l o o p . T h i s i s s h o w n i n F i g . 5 . T h i s i n f l u e n c e g e t s p a r t i c u l a r l y d i s t i n c t i n s . c . g e n e r a t o r s

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C1-724 JOURNAL DE PHYSIQUE

F i g . 6 : T r a n s i e n t p a r t o f t h e f i e l d c u r r e n t a ) m e a s u r e d , s u d d e n 3- s h o r t c i r c u i t b ) c a l c u l a t e d ( d a m p e r p a r a m e t e r s 2 - d i m . ) c ) c a l c u l a t e d ( d a m p e r p a r a m e t e r s 3 - d i m . )

b e c a u s e o f t h e i r l o w e x c i t e r w i n d i n g r e s i s t a n c e .

C o n c l u d i n g o n e c a n s e e f r o m t h e e x p e r i m e n t s t h a t o n e o f t h e m a i n p a r a m e t e r s g o v e r n i n g t r a n s i e n t e x c i t e r c u r r e n t s i s

Xd - Xd' X d ' ³

w h i c h l e a d s t o c o n f l i c t i n g d e s i g n c l a i m s . I f o n e t r i e s t o d i m i n i s h t h i s p a r a m e t e r t h e e x c i t e r w i n d i n g d i a m e t e r m u s t b e r e d u c e d w i t h r e s p e c t t o t h e s t a t o r w i n d i n g . C o n s e q u e n t l y t h e c u r r e n t d e n s i t y a n d t h e f l u x d e n s i t y w i t h i n t h e e x c i t e r w i n d i n g i s e n h a n c e d . T h e w i n d i n g g e t s m o r e s e n s i t i v e t o t r a n s i e n t s a n d t h e g a i n i n t h e p a r a m e t e r men- t i o n e d may b e c a n c e l e d . B e s i d e s o n e m u s t c o n s i d e r t h e f l u x d e n s i t y p e r t u r b a t i o n s ( B m a x , d B / d t ) a t t h e f i e l d w i n d i n g o r i g i n a t i n g f r o m a l l w i n d i n g s .

P r o g r e s s i n s u p e r c o n d u c t i v i t y l e a d i n g t o c o n d u c t o r s w i t h h i g h l e v e l o f a l l o w a b l e t r , a n s i e n t s w i l l f a c i l i t a t e t h i s c o n f l i c t .

ACKNOWLEDGMENT -

T h e a u t h o r s w a n t t o e x p r e s s t h e i r g r a t i t u d e t o ELIN a n d FFF s u p p o r t i n g t h i s w o r k a n d t o t h e w o r k s h o p o f ATF a n d EMEU f o r s k i l l e d a i d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t s a n d p e r f o r m i n g t h e s e v e r a l a l t e r a t i o n s o f t h e m a c h i n e .

REFERENCES

/ 1 / J . L . K i r t l e y J r . : S u p e r c o o l g e n e r a t i o n ; IEEE s p e c t r u m , A p r i l 1 9 8 3 / 2 / H . K G f l e r e t a l : T h e m a g n e t i c r e a c t i o n f i e l d i n t h e e n d r e g i o n o f

a s y c h r o n o u s m a c h i n e w i t h s u p e r c o n d u c t i n g f i e l d w i n d i n g ; I E E E , MAG-17-5, 1 9 8 1

/ 3 / T. O k a d a e t a l : T h e b a s i c t e s t o n t h e 2 0 kVA s u p e r c o n d u c t i n g s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ; I E E E , MAG-19-3, 1 9 8 3

/ 4 L E L I N : A n n u a l P r o g r e s s R e p o r t " S U S I " , 1 9 8 3 , I n t e r n e r B e r i c h t / 5 / K . P . K o v a c s : T r a n s i e - n t e V o r g a n g e i n W e c h s e l s t r o m m a s c h i n e n ; V e r l a g

d e r U n g a r i s c h e n A k a d e m i e d e r W i s s e n s c h a f t e n , 1 9 5 9