Ανάλυση σφαλμάτων σε μηχανές μόνιμων μαγνητών αξονικής ροής για εφαρμογές ανεμογεννητριών με τη χρήση της τρισδιάστατης μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων
Authors: Μπαρμπατζά Αλεξάνδρα 
Published: November 2021

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.