Comparison of high-speed electrical machines

Abstract

Multi-megawatt electric machines are used in various industries, such as mining, petro-chemical and marine. Some future scenarios assume an important role of high-speed machine in high-power heat pump applications. Aforementioned applications demand high power density and high reliability with minimal use of materials, low volume and high efficiency. Even though multi-megawatt high-speed electric machines have been used for a certain time already, their characteristics, designs, advantages and disadvantages can be still further studied and compared to distinguish their most suitable applicability in certain applications.

In this thesis high-speed multi-megawatt electrical machines will be reviewed considering the following most common types of electric machines; Permanent Magnet (PM), Induction Machine (IM) and Synchronous Reluctance Machine (SynRM) and their design variables. This thesis includes basics of electric machines, alternating current (AC) and direct current (DC) machines and their speed control, comparison of PM, IM and SynRM machines and finally a conclusion of the comparison. On the basis of this comparison the following machine characteristics are considered: power rating of two mega-watts (2 MW) and speed of 15,000 revolution per minute (rpm).

Monen megawatin sähkökoneita käytetään useilla teollisuudenaloilla, jotka vaativat suurta tehoa ja korkeaa luotettavuutta. Samalla tavoitteena on alhainen materiaalien määrä, pieni tilavuus ja suuri hyötysuhde. Tulevaisuuden skenaarioissa oletetaan, että suurnopeus sähkökoneilla on tärkeä rooli suuritehoisissa lämpöpumppusovelluksissa. Vaikka usean megawatin sähkökoneita käytetään yleisesti, niiden ominaisuuksia, rakenteita, etuja ja haittoja ei aina tunneta perusteellisesti.

Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan usean megawatin suurnopeus sähkökoneita. Tarkastelun painopiste on seuraavissa yleisimmissä moottorityypeissä; Kestomagneettimoottori (PM), induktiomoottori (IM) ja synkronireluktanssimoottori (SynRM). Tämä opinnäytetyö sisältää perusteet sähkömoottoreista, vaihtovirta- (AC) ja tasavirta (DC) moottoreista sekä niiden nopeudensäädöstä. PM-, IM- ja SynRM-koneiden vertailusta ja lopuksi vertailun johtopäätöksen. Tämän vertailun perustana käytämme kahden megawatin (MW) tehoa ja nopeutta 15 000 kierrosta minuutissa (rpm).