Ανάλυση σφαλμάτων σε μηχανές μόνιμων μαγνητών αξονικής ροής για εφαρμογές ανεμογεννητριών με τη χρήση της τρισδιάστατης μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

The greatest part of the electricity is generated from the fossil fuels. However, their excessive use can lead to their exhaustion and environmental burden. For this reason, the scientific community turned to alternative ways of generating electricity, in order to cover part of the production in an efficient and environmentally sustainable way. A very popular way to generate electricity is by the wind, using wind turbines. Until recently, the wind energy conversion systems consisted mainly of asynchronous machines. However, the evolution in the field of permanent magnets and power electronics, leaded to the increment of the use of the permanent magnet synchronous machines in wind power applications. The latest development, in the field of electric machines, which are used as wind turbines, are the axial flux permanent magnet synchronous machines. These machines are characterized by compact and robust structure, relatively small size and simple construction. In addition, they have high efficiency, high torque to weight ratio, while they have a shorter axial length compared to the radial flux permanent magnet synchronous machines. The main purpose of this PhD dissertation is to study and analyze the axial flux permanent magnet synchronous (AFPMS) machine for wind power applications. The study is performed both in the healthy condition and under faulty conditions, using the three-dimensional finite element method, in Opera-3D software. At the same time, experimental tests were performed in the AFPMS Machine in the laboratory in order to verify the 3D model used in the finite element method, while analytical equations are also exported for further validation of the findings. In detail, firstly the healthy condition of the machine is studied, the three-dimensional model is validated using experimental results and the analytical equations of the magnetic flux density of the machine are exported. For comparison purposes both single stator-single rotor and single stator-double rotor topologies are studied. Then, various faulty cases, which can often occur in the machine, such as the demagnetization, the eccentricity and their combination, are studied. The aim is to obtain fault signatures, in the under-study spectra, capable of diagnosing each faulty condition and separating the faults from each other. In the case of demagnetization fault, the EMF voltage spectrum and the stator current spectrum are used for fault indication. The demagnetization fault analysis is realized through the three-dimensional finite element method, while, concurrently in the case of the total demagnetization, experiments are performed on the real machine which has been constructed in the laboratory. In addition, for the case of total demagnetization, novel, analytical equations of the magnetic flux density are exported, and the resulting assumptions are extended to most cases of partial demagnetization. Moreover, the partial demagnetization of the magnet ends is studied. Additionally, the static eccentricity, both angular and axial, is studied using the three-dimensional finite element method. In this case the EMF voltage spectrum, the stator current spectrum and the phase EMF Voltage Sum spectrum are used as fault identification means. Afterwards, the combined partial demagnetization and static angular eccentricity fault, as well as the combined partial demagnetization and static axial eccentricity fault are investigated, using the phase EMF spectrum as fault identification mean. Furthermore, a study and an analysis of the radial flux permanent magnet synchronous (RFPMS) machine connected to the three-phase single switch boost rectifier is achieved, through the two-dimensional finite element method. In this specific system, open and closed loop control is applied, while in each case the losses and the electromagnetic behavior of the machine are studied. The generator-converter system is designed and fully simulated in Opera 2D software, which enables a better electromagnetic insight of the machine, contrary to the majority existing papers on this topic which use simulation tools that usually simulate in detail the electric circuits but not the machine.

Το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από τα ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο η αλόγιστη χρήση τους μπορεί να οδηγήσει στην εξάντληση τους και σε περιβαλλοντική επιβάρυνση. Για αυτό το λόγο η επιστημονική κοινότητα στράφηκε σε εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, προκειμένου να καλυφθεί μέρος της παραγωγής με αποδοτικό και περιβαλλοντικά βιώσιμο τρόπο. Ένας πολύ δημοφιλής τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι από τον άνεμο, με τη χρήση ανεμογεννητριών. Μέχρι πρότινος τα συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας απαρτίζονταν κυρίως με ασύγχρονες μηχανές. Ωστόσο η εξέλιξη στον τομέα των μόνιμων μαγνητών και των ηλεκτρονικών ισχύος, έδωσε ώθηση στη χρήση σύγχρονων μηχανών μόνιμων μαγνητών για εφαρμογές ως ανεμογεννήτριες. Η τελευταία εξέλιξη στον τομέα των ηλεκτρικών μηχανών ως ανεμογεννήτριες είναι οι σύγχρονες μηχανές μόνιμων μαγνητών αξονικής ροής. Οι μηχανές αυτές χαρακτηρίζονται από συμπαγή και στιβαρή δομή, σχετικά μικρό μέγεθος και απλή κατασκευή. Επιπλέον έχουν υψηλή απόδοση, υψηλό λόγο ροπής προς βάρος, ενώ παρουσιάζουν μικρότερο αξονικό μήκος σε σχέση με τη σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών ακτινικής ροής. Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και ανάλυση της σύγχρονης μηχανής μόνιμων μαγνητών αξονικής ροής για εφαρμογές ανεμογεννητριών. Η μελέτη γίνεται τόσο στην υγιή κατάσταση όσο και υπό καταστάσεις σφάλματος, με τη χρήση της τρισδιάστατης μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, στο λογισμικό Opera-3D. Παράλληλα πραγματοποιήθηκαν και πειραματικές δοκιμές στο εργαστήριο με σκοπό την επαλήθευση των αποτελεσμάτων που μας έδωσαν τα πεπερασμένα στοιχεία, καθώς και εξαγωγή αναλυτικών εξισώσεων για περαιτέρω επικύρωση των ευρημάτων. Πιο αναλυτικά αρχικά μελετάται η υγιής κατάσταση της μηχανής, το τρισδιάστατο μοντέλο επικυρώνεται με πειραματικά αποτελέσματα και εξάγονται οι αναλυτικές εξισώσεις του μαγνητικού πεδίου της μηχανής. Για λόγους σύγκρισης μελετήθηκε τόσο η τοπολογία μονού στάτη-μονού δρομέα όσο και η τοπολογία μονού στάτη-διπλού δρομέα. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν διάφορες εσφαλμένες καταστάσεις που μπορεί συχνά να συμβούν στη μηχανή όπως η απομαγνήτιση, η εκκεντρότητα, αλλά και ο συνδυασμός τους. Στόχος είναι να προκύψουν υπογραφές σφάλματος, στα υπό μελέτη φάσματα, ικανές να διαγνώσουν την εκάστοτε εσφαλμένη κατάσταση και να διαχωρίσουν τα σφάλματα μεταξύ τους. Για την περίπτωση της απομαγνήτισης ως διαγνωστικά μέσα χρησιμοποιήθηκαν τα φάσματα της τάσης εξ επαγωγής και του ρεύματος στάτη της μηχανής. Η ανάλυση του σφάλματος απομαγνήτισης έγινε μέσω της τρισδιάστατης μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, ενώ παράλληλα για την περίπτωση της ολικής απομαγνήτισης, πραγματοποιήθηκαν και δοκιμές στην πραγματική μηχανή που έχει κατασκευασθεί στο εργαστήριο. Επιπλέον εξήχθησαν καινοτόμες αναλυτικές εξισώσεις ικανές να περιγράψουν το μαγνητικό πεδίο της μηχανής για τις υπό μελέτη εσφαλμένες καταστάσεις ολικής απομαγνήτισης και τα συμπεράσματα που προέκυψαν επεκτάθηκαν στις περισσότερες των περιπτώσεων μερικής απομαγνήτισης. Επιπροσθέτως μελετήθηκε η απομαγνήτιση των άκρων του μαγνήτη της μηχανής. Επιπλέον μελετήθηκε το σφάλμα στατικής εκκεντρότητας, τόσο γωνιακής όσο και αξονικής, επίσης με τη χρήση της τρισδιάστατης μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Σε αυτή την περίπτωση ως διαγνωστικά μέσα χρησιμοποιήθηκαν το φάσμα της τάσης εξ επαγωγής, το φάσμα του ρεύματος του στάτη και το φάσμα του αθροίσματος των τάσεων εξ επαγωγής των τριών φάσεων της μηχανής. Κατόπιν εξετάστηκαν τα συνδυασμένα σφάλματα μερικής απομαγνήτισης και στατικής γωνιακής εκκεντρότητας, όπως και μερικής απομαγνήτισης και στατικής αξονικής εκκεντρότητας με τη χρήση του φάσματος της τάσης εξ επαγωγής ως διαγνωστικό μέσο. Επίσης πραγματοποιήθηκε μελέτη και ανάλυση για σύγχρονη μηχανή ακτινικής ροής που συνδέεται σε τριφασικό ανορθωτή ανύψωσης ενός ελεγχόμενου διακοπτικού στοιχείου, με τη χρήση της δισδιάστατης μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Στο συγκεκριμένο σύστημα εφαρμόστηκε έλεγχος ανοιχτού και κλειστού βρόχου, ενώ για κάθε περίπτωση μελετήθηκαν οι απώλειες και η ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά της μηχανής. Μάλιστα το σύστημα γεννήτριας-μετατροπέα σχεδιάστηκε και εξομοιώθηκε εξ ολοκλήρου στο λογισμικό Opera 2D, γεγονός που έδωσε τη δυνατότητα καλύτερης ηλεκτρομαγνητικής θεώρησης της μηχανής σε αντίθεση με την πλειοψηφία των ερευνητικών μελετών που χρησιμοποιούν σε αυτές τις τοπολογίες λογισμικά μελέτης ηλεκτρικών κυκλωμάτων και συνεπώς εστιάζουν μόνο στα ηλεκτρονικά ισχύος και όχι στη μηχανή.