This study presents an electromagnetic model for predicting shaft voltages in a 2-pole field-excited synchronous generator. After the first observations on shaft voltages were made more than a century ago, extensive work has been conducted on eliminating, mitigating, and integrating the aforementioned phenomena. Given that emphasis has been placed on modeling shaft- and bearing-induced voltages in AC motors driven by variable frequency drives, similar efforts toward a model that is dedicated to generators are insubstantial. This work endeavors to improve current physical interpretation and prediction methods for shaft-induced voltages in generators through semi-analytical derivation. Aside from the experimental validation of the model, investigations regarding the behavior of shaft voltages under varying machine complexities and operating conditions clarify previous uncertainties regarding these phenomena. The performance of the numerical method is also assessed for application in eccentricity fault diagnosis.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.64
no.9
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pp.1269-1275
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2015
Turbine-generator torsional response is caused by interaction between electrical transient air-gap torque and mechanical characteristics of turbine-generator shafts. There are various factors that affects torsional interaction such as fault, circuit breaker switching and generator mal-synchronizing, etc. Fortunately, we can easily simulate above torsional interaction phenomena by using ElectroMagnetic Transient Program (EMTP). However, conventional EMTP shows the incomplete response of super- synchronous torsional mode since it does not consider turbine blade section. Therefore, in this paper, we introduced mechanical-electrical analogy for detailed modeling of turbine-generator shaft system including low pressure turbine blade section. In addition, we derived the natural frequencies of modeled turbine-generator shaft system including turbine blade section and analyzed the characteristics of mechanical torque response at shaft coupling and turbine blade root area according to power system balanced/unbalanced faults.
In this paper a new dc-link type wind turbine generator system using a shaft generator system, which is widely used for power sources in a ship, is proposed. The basic configuration of the proposed wind turbine generating system is first explained. And the equations expressing the system are derived. Then the steady-state characteristics of the generating system are discussed. We use an experimental system that can simulate the characteristics of a wind turbine in this study, because it is hard to operate an actual wind turbine in a laboratory. In addition, the transient responses of this system are investigated when the velocity of the wind is changed. It is shown that experimental results were very close to the simulated ones, supporting the usefulness of the theory.
Kim, Byung-Ok;Choi, Bum-Seog;Kim, Jeong-Man;Cho, Han-Wook
Journal of Electrical Engineering and Technology
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v.10
no.3
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pp.1002-1006
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2015
In this paper, design and analysis of permanent magnet synchronous generator for ocean thermal energy conversion (OTEC) considering magnetically coupled turbine-rotor system is discussed. In particular, the rotor dynamics considering bearing span and journal shaft diameter is highlighted. The two topologies of permanent magnet synchronous generator with magnetic coupling are employed for comparison of computed rotor dynamics and generating characteristics. The analysis results show that the critical speed of the turbine-rotor system is higher when the rotor is coupled by magnetically coupling. Finally, the experimental results confirmed the validity of the proposed design and analysis scheme and successful development.
In this paper, a novel quasi-direct power control (Q-DPC) scheme based on a resonant frequency adaptive proportional-resonant (PR) current controller with a variable frequency resonant phase locked loop (RPLL) is proposed, which can achieve a fast power response with a unity power factor. It can also adapt to variations of the generator frequency in T-type Three-level shaft synchronous generator (SSG) converters. The PR controller under the static α-β frame is designed to track ac signals and to avert the strong cross coupling under the rotating d-q frame. The fundamental frequency can be precisely acquired by a RPLL from the generator terminal voltage which is distorted by harmonics. Thus, the resonant frequency of the PR controller can be confirmed exactly with optimized performance. Based on an instantaneous power balance, the load power feed-forward is added to the power command to improve the anti-disturbance performance of the dc-link. Simulations based on MATLAB/Simulink and experimental results obtained from a 75kW prototype validate the correctness and effectiveness of the proposed control scheme.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.31
no.8
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pp.998-1004
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2007
Connecting a synchronous generator to a power system is a dynamic process, requiring the coordinated operation of many components and systems. The goal is to connect the oncoming generator to the system smoothly i.e without causing any significant bumps, surges, or power swings, by closing the ACB when the oncoming generator matches the power system in voltage magnitude, phase angle, and frequency. If oncoming generator voltage is not matched to the power system voltage, reactive power will flow either into or out of the system at the instant of ACB closure. If this voltage difference is too great, the reactive power flow may result in high transient stresses that could damage the windings of the generator. Also, if oncoming generator frequency is not matched to the power system frequency, transient power will flow between generator and power system. If the frequency difference is too great, the transient power flow is reflected into the prime mover shaft, and this may result in excessive shaft or coupling stress. This paper tries to prove the necessity of correct synchronization for ship generators through a transient phenomenon analysis.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.18
no.3
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pp.211-216
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2013
A wind generator system model includes wind model, rotor dynamics, synchronous generator, power converter, distribution line and infinite bus. This paper investigates the low-Voltage Ride-Through capability of PMSG wind turbine in a variable speed. The drive train of a wind turbine on 2-mass modeling can observe the shaft torsional vibration when the low-voltage occur. To reduce the torsional vibration when the low-voltage occur, this paper designs suppression control algorithm of the torsional vibration and implements simulation. The simulation based on MATLAB/SIMULINK has validated at the transient state of the PMSG and an experiment using 3kW simulator has validated the LVRT control.
Journal of international Conference on Electrical Machines and Systems
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v.2
no.4
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pp.478-485
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2013
This paper focuses on the design and control of a new concept for wind turbines with a planetary gearbox to realize a power split. This concept, where the generated wind power is split into two parts, is to increase the utilization of the wind power and may be particularly suitable for large scale off-shore wind turbines. In order to reduce the cost of the power electronic devices, a synchronous generator, which is driven by the planetary gear, is directly connected to the power grid without electronic converter. A servo drive, which functions as the control actuator, is connected to the power grid by a power electronic converter. With small scale power electronic device, the current harmonics can also be reduced. The speed of the main shaft is controlled to track the optimal tip speed ratio. Meanwhile the speed of the synchronous generator is controlled to stay at the synchronous speed. The minimum rated power of the servo motor and the converter, is studied and discussed in this paper. Different variants of the wind turbine with a planetary gear are also compared. The controller for optimal tip speed ratio and synchronous speed tracking is given.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers A
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v.48
no.10
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pp.1239-1246
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1999
This paper presents a new algorithm to construct the modular network model for SSR analysis by simply applying KCL to each node and KVL to all branches connected to the node sequentially. This method has advantages that the model can be derived directly from the system data for transient stability study and turbine/generator shaft model, the resulted model in the form of augmented state matrix is very sparse, and thus efficient SSR study of a large scale system becomes possible. The proposed algorithm is verified with the IEEE First and Second Benchmark models.
This paper proposes the use of fuzzy applications to a 4-machine and 10-bus system to check stability in open conditions. Fuzzy controllers and the excitation of a synchronous generator are added. Power system stabilizers (PSSs) are added to the excitation system to enhance damping during low frequency oscillations. A fuzzy logic power system stabilizer (PSS) for stability enhancement of a multi-machine power system is also presented. To attain stability enhancement, speed deviation ($\Delta\omega$) and acceleration ($\Delta\varpi$) of the Kota Thermal synchronous generator rotor are taken as inputs to the fuzzy logic controller. These variables have significant effects on the damping of generator shaft mechanical oscillations. The stabilizing signals are computed using fuzzy membership functions that are dependent on these variables. The performance of the fuzzy logic PSS is compared with the open power system, after which the simulations are tested under different operating conditions and changes in reference voltage. The simulation results are quite encouraging and satisfactory. Similarly, the system is tested for the different defuzzification methods, and based on the results, the centroid method elicits the best possible system response.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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