Three phase rotary transformer for a rotor tied doubly fed induction Machine
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: With the rising demand for renewable energy sources, wind energy has emerged
as a very popular alternative to the use of fossil fuels. The growth in this sec tor has led to an increased emphasis on the reliability of the generating units.
The most widely used generator in wind turbines is the doubly fed induction
generator (DFIG). Its advantages such as variable speed makes it well suited.
The brushless doubly fed induction generator (BDFIG) offers superior reliabil ity due to the replacement of the slip ring assemblies from the standard DFIG.
The current employed BDFIG topology results in a more complex machine. In
order to retain the simplicity that the DFIG offers, other brushless topologies
have to be explored.
The rotor-tied, rotary transformer (RT) is one of the proposed alternative
topologies. It can be utilized with a standard DFIG and retain the simplicity
of the machine. The purpose of this study is to determine the effectiveness
of the topology when utilized with a rotor-tied DFIG (RDFIG). The study
aims to develop a design methodology that considers the unique layout of the
RT, while optimizing the RT for efficiency and minimizing size. An analytical
model is used in conjunction with finite element analysis (FEA) to improve on
the design while taking into account the non-idealistic nature of the RT.
A prototype RT is designed using the proposed analytical model, con structed and practically tested. The resultant efficiency is higher at a smaller
size a prototypes built with conventional transformer design. The RT is tested
and compares favorably against the FEA and analytical models. It is able
to exceed its design rating for short periods but cooling is a limiting factor.
The proposed RT is then tested rotor-tied to a RDFIG, and the RT enables
the RDFIG to operate without a slip ring and brush assembly. The proposed
RT-RDFIG was able to maintain high levels of efficiency and proves that the
solution could be viable.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Met die toenemende vraag na hernubare energiebronne, het windenergie na vore gekom as ’n baie gewilde alternatief vir die gebruik van fossielbrand stowwe. Die groei in hierdie sektor het gelei tot ’n groter klem op die be troubaarheid van die opwekkingseenhede. Die mees gebruikte kragopwekker in windturbines is die dubbel gevoede induksie generator (DGIG). Sy voordele soos veranderlike spoed maak dit goed geskik. Die borsellose dubbel gevoede induksie generator (BDGIG) bied hoer betroubaarheid as gevolg van die ver vanging van die sleepring en borsels van die standaard DGIG. Die huidige aangewende BDFIG-topologie lei tot ’n meer komplekse masjien. Om die een voud wat die DFIG bied te behou, moet ander borsellose topologieë ondersoek word. Die rotorgebonde roterende transformator (RT), is een van die voorgestelde alternatiewe topologie¨e. Dit kan met ’n standaard DGIG gebruik word en be hou die eenvoudigheid van die masjien. Die doel van hierdie studie is om die doeltreffendheid van die topologie te bepaal wanneer dit gebruik word met ’n rotor-gebinde DGIG (RDGIG). Die studie mik om ’n ontwerpmetodologie te ontwikkel wat die unieke uitleg van die RT in ag neem, terwyl die RT geopti maliseer word vir doeltreffendheid en om grootte te minimaliseer. ’n Analitiese model word saam met eindige element analise (EEA) gebruik om die ontwerp te verbeter terwyl die nie-idealistiese aard van die RT in ag geneem word. ’n Prototipe RT word ontwerp deur die voorgestelde analitiese model te gebruik, en is gebou en prakties getoets. Die gevolglike doeltreffendheid is hoër by ’n kleiner grootte as ’n prototipe wat met konvensionele transformator ontwerp gebou is. Die RT word getoets en vergelyk gunstig met die EEA en analitiese modelle. Dit is in staat om sy ontwerpgradering vir kort tydperke te oorskry, maar verkoeling is ’n beperkende faktor. Die voorgestelde RT word dan getoets rotor-gebind aan ’n RDGIG, en die RT stel die RDFIG in staat om sonder ’n sleepring en borsel samestelling te werk. Die voorgestelde RTRDGIG was in staat om hoë vlakke van doeltreffendheid te handhaaf en bewys dat die oplossing lewensvatbaar kan wees.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Met die toenemende vraag na hernubare energiebronne, het windenergie na vore gekom as ’n baie gewilde alternatief vir die gebruik van fossielbrand stowwe. Die groei in hierdie sektor het gelei tot ’n groter klem op die be troubaarheid van die opwekkingseenhede. Die mees gebruikte kragopwekker in windturbines is die dubbel gevoede induksie generator (DGIG). Sy voordele soos veranderlike spoed maak dit goed geskik. Die borsellose dubbel gevoede induksie generator (BDGIG) bied hoer betroubaarheid as gevolg van die ver vanging van die sleepring en borsels van die standaard DGIG. Die huidige aangewende BDFIG-topologie lei tot ’n meer komplekse masjien. Om die een voud wat die DFIG bied te behou, moet ander borsellose topologieë ondersoek word. Die rotorgebonde roterende transformator (RT), is een van die voorgestelde alternatiewe topologie¨e. Dit kan met ’n standaard DGIG gebruik word en be hou die eenvoudigheid van die masjien. Die doel van hierdie studie is om die doeltreffendheid van die topologie te bepaal wanneer dit gebruik word met ’n rotor-gebinde DGIG (RDGIG). Die studie mik om ’n ontwerpmetodologie te ontwikkel wat die unieke uitleg van die RT in ag neem, terwyl die RT geopti maliseer word vir doeltreffendheid en om grootte te minimaliseer. ’n Analitiese model word saam met eindige element analise (EEA) gebruik om die ontwerp te verbeter terwyl die nie-idealistiese aard van die RT in ag geneem word. ’n Prototipe RT word ontwerp deur die voorgestelde analitiese model te gebruik, en is gebou en prakties getoets. Die gevolglike doeltreffendheid is hoër by ’n kleiner grootte as ’n prototipe wat met konvensionele transformator ontwerp gebou is. Die RT word getoets en vergelyk gunstig met die EEA en analitiese modelle. Dit is in staat om sy ontwerpgradering vir kort tydperke te oorskry, maar verkoeling is ’n beperkende faktor. Die voorgestelde RT word dan getoets rotor-gebind aan ’n RDGIG, en die RT stel die RDFIG in staat om sonder ’n sleepring en borsel samestelling te werk. Die voorgestelde RTRDGIG was in staat om hoë vlakke van doeltreffendheid te handhaaf en bewys dat die oplossing lewensvatbaar kan wees.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Rotor tied doubly fed, UCTD, Rotary transformer, Induction Machine