Υπολογισμός ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών και πρόβλεψη συμπεριφοράς μιας σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους σε περιπτώσεις σφαλμάτων με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

This thesis deals with the functional behavior of a salient pole synchronous generator during two kinds of short-circuits. In particular, we studied the case of short circuit in the supply of the excitation winding of the synchronous machine when it is connected to an infinite bus and either the rotor speed was absolutely constant, or a simple PI- Controller maintained the synchronous speed equal to the synchronous. Additionally, the case of an internal fault in the stator winding for the two cases mentioned above was investigated. The electromagnetic torque and the magnetic flux density in each case were calculated and studied, as well as the stator and rotor currents, including the damper cage, and the short-circuit current in the faulty loop of the stator winding. Firstly, it is described in detail the way in which the salient pole synchronous generator was modeled and it is analyzed the method by which the faults are modeled in both stator and rotor and the way these faults were simulated, in the finite element program. Additionally, it is presented the way in how the areas of the model are defined, the equations that were solved through finite element software, in order to extract the results, the definition of the boundary conditions and finally it is described the finite element method, which was applied to this specific model. The case of a short circuit in the supply of the field winding while the stator of the synchronous machine is connected to the grid and the rotor speed is held constant and equal to the synchronous one, is examined. During this fault the magnetic flux, the electromagnetic torque and all the stator and rotor currents are measured in detail. Useful conclusions about the behavior of the machine throughout this kind of short-circuit were derived, all the electromagnetic magnitudes were recorded and an assessment of the generator behavior during this transient phenomenon is made. Similarly, the same type of fault is analyzed, but the speed of the rotor is maintained constant through a speed controller. It is observed that the behavior of the machine and all the electromagnetic magnitudes are quite different compared to the previous case. In this dissertation is examined the behavior of the hydrogenerator in the case of an inter-turn short circuit in the stator winding, while it is connected to the grid with a constant rotor speed. Specifically, it is examined the currents in the rotor and the stator winding for a short circuit between turns that belong to the same or to different phases. The short circuit current is calculated and it is presented the way that it affects quantitative and qualitative the stator phase currents. It is also analyzed the damper currents and it is studied their behavior during the short circuit. The speed controller alters the behavior of the synchronous generator and all the electromagnetic magnitudes of this machine are analytically calculated, resulting significant conclusions on how the faulty loop affects these quantities, while it is set out the role of the participating phases in this short-circuit. Finally, a brief comparison of the way that the number of the shorted turns affects the behavior of the simulated machine in the case of an inter-turn stator fault, while it is connected to the grid with a fixed number of the rotor revolutions. Specifically, it is analyzed the stator and rotor currents and the electromagnetic torque, for the cases that the short-circuited turns belong either to the same or to different phases, but with different number of shorted turns. It is concluded that a key role in determining the electromagnetic magnitudes during this fault has the number of the short-circuited turns and not the number of the phases that are involved in the short circuit.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη λειτουργική συμπεριφορά μιας σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους κατά τη διάρκεια δύο ειδών σφαλμάτων, τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω, για τις δύο συνθήκες σύνδεσης μίας σύγχρονης γεννήτριας με το δίκτυο. Ειδικότερα, μελετήθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης της σύγχρονης μηχανής όταν είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο και είτε ο αριθμός στροφών αυτής διατηρείται απόλυτα σταθερός, είτε ένας ελεγκτής τη συγκρατεί στο σύγχρονο αριθμό στροφών. Ακόμη διερευνήθηκε η περίπτωση εσωτερικού σφάλματος στο τύλιγμα του στάτη για τις δύο προαναφερθείσες περιπτώσεις. Υπολογίστηκαν και μελετήθηκαν η ηλεκτρομαγνητική ροπή και η μαγνητική επαγωγή κατά τη διάρκεια κάθε φαινομένου, καθώς επίσης τα ρεύματα σε δρομέα και στάτη συμπεριλαμβανομένων των ρευμάτων στον κλωβό απόσβεσης και του ρεύματος βραχυκύκλωσης σε τμήματα του τυλίγματος του στάτη. Αρχικά, περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο μοντελοποιήθηκε η σύγχρονη γεννήτρια με έκτυπους πόλους, ενώ παράλληλα αναλύεται η μέθοδος με την οποία μοντελοποιήθηκαν τα σφάλματα σε στάτη και δρομέα και ο τρόπος με τον οποίο προσομοιώθηκε στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ο παραλληλισμός της μηχανής στο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον τρόπο με τον οποίο ορίζονται οι περιοχές του μοντέλου, οι εξισώσεις που επιλύει το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων, ο ορισμός των οριακών συνθηκών και τέλος περιγράφεται η εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων που εφαρμόσθηκε στο συγκεκριμένο μοντέλο. Έπειτα προσομοιώθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης, καθώς ο στάτης της σύγχρονης μηχανής είναι συνδεδεμένος σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος πραγματοποιείται λεπτομερής καταγραφή της μαγνητικής επαγωγής και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής, καθώς και όλων των ρευμάτων στο τύλιγμα στάτη και δρομέα. Προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για τη συμπεριφορά της μηχανής σε όλη τη διάρκεια του σφάλματος και καταγράφονται τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και γίνεται αξιολόγηση της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια αυτού του μεταβατικού φαινομένου. Ακόμη, εξετάζεται η ίδια περίπτωση σφάλματος στο τύλιγμα διέγερσης, αλλά ο αριθμός στροφών του δρομέα διατηρείται σταθερός μέσω ενός ελεγκτή στροφών. Παρατηρείται ότι η συμπεριφορά της μηχανής αλλά και όλα τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη αυτής είναι τελείως διαφορετικά συγκρινόμενα με την προηγούμενη περίπτωση. Στη συνέχεια αυτής της διδακτορικής διατριβής εξετάζεται η συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση εσωτερικού βραχυκυκλώματος στο τύλιγμα του στάτη, καθώς είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Αναλυτικότερα, μελετώνται τα ρεύματα στο τύλιγμα του δρομέα καθώς και στο τύλιγμα του στάτη για βραχυκύκλωμα μεταξύ σπειρών που ανήκουν σε ίδια ή διαφορετική φάση. Υπολογίζεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης και μελετάται ο τρόπος που επηρεάζει τα φασικά ρεύματα του στάτη τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά. Επίσης, αναλύονται τα ρεύματα στον κλωβό απόσβεσης και μελετάται η συμπεριφορά τους κατά τη διάρκεια του βραχυκυκλώματος. Η εισαγωγή ελέγχου στροφών μεταβάλει τη συμπεριφορά της σύγχρονης γεννήτριας και υπολογίζονται αναλυτικά τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη της σύγχρονης μηχανής προκύπτοντας συμπεράσματα για τον τρόπο με τον οποίο το βραχυκυκλωμένο τύλιγμα επηρεάζει τα μεγέθη αυτά, ενώ παράλληλα καθορίζεται ο ρόλος που έχουν οι φάσεις που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα. Τέλος, γίνεται μια σύντομη σύγκριση για το πόσο επηρεάζει ο αριθμός σπειρών τη συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση σφάλματος στο στάτη κατά την περίπτωση κατά την οποία η μηχανή είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με σταθερό τον αριθμό στροφών του δρομέα. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται τα ρεύματα σε στάτη και δρομέα καθώς και η ηλεκτρομαγνητική ροπή, για τις περιπτώσεις που οι βραχυκυκλωμένες σπείρες ανήκουν στην ίδια και διαφορετική φάση αλλά με διαφορετικό αριθμό βραχυκυκλωμένων σπειρών για κάθε περίπτωση. Προκύπτει το συμπέρασμα ότι καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών κατά τη διάρκεια του σφάλματος έχει ο αριθμός των βραχυκυκλωμένων σπειρών, ανεξάρτητα από τον αριθμό των φάσεων που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα.