title: Stator inter-turn faults impact and detection in permanent magnet generation for renewables
title: Επίδραση και διάγνωση εσωτερικών βραχυκυκλωμάτων στάτη σε γεννήτριες μόνιμων μαγνητών για ανανεώσιμες
Creators: name: Γκιολεκας Νικολαος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2025

description: Present-day climate change, driven by the increasing average global temperature, has prioritized the transition to energy sources with minimal environmental impact. One study claimed that, as of 2009, wind had the lowest relative greenhouse gas emissions compared to other energy sources(Photovoltaic, Hydroelectric, etc.)[1]. Wind turbines (W/T) are classified into onshore and offshore types, with offshore W/T offering the advantage of higher electricity production per installed capacity. Another promising energy source is tidal power, which harnesses tidal energy to generate electricity and boasts greater predictability than wind. Energy production by installing Offshore W/T or Tidal Power has two important drawbacks, with first being the cost of construction and installation and the second is the maintenance of the power units. Therefore low speed Permanent Magnet Synchronous Generators(PMSG) are proposed in which the gearbox is not necessary and in addition they do not have brushes on the rotor. 
This thesis focuses on the study and the diagnosis of the Inter Turn Short Circuit(ITSC) in a low speed dual rotr PMSG which has the particularity that the stator has no core. ITSC is a stator fault and it’s the most difficult fault to diagnose compare to rest of the faults of the machine. ITSC is also impossible to diagnose by a human during operation as it has a very fast evolution into a catastrophic fault. It’s therefore necessary a control system which aims to detect the internal short circuit and decide based on the severity of the fault. In this research, a numerical analysis of the currents and circulating currents of the stator windings is first carried out, as well as the analysis of the change of currents with the change of the severity of the fault. Then the least symmetric magnetic circuit and the magnetic flux in the airgap are calculated, as well as the analysis of the change of the magnetic flux in the airgap with the change of the severity of the fault. Finally based on mathematical models validated through simulations in Simcenter Magnet, two diagnostic techniques are proposed, with the first being the Zero Sequence Flux(ZSF) and the second being the Torque analysis.
description: Η κλιματική αλλαγή σήμερα έχει ως αποτέλεσμα την συνεχή υπερθέρμανση του πλανήτη. Για αυτό τον λόγο στόχος είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο μικρότερη επίπτωση στο περιβάλλον. Mια έρευνα το 2009 έδειξε ότι οι ανεμογεννήτριες(Α/Γ) έχουν χαμηλότερη εκπομπή αερίων που σχετίζονται με το φαινόμενο του θερμοκηπίου σε σύγκριση με άλλες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (Φωτοβολταϊκά, υδροηλεκτρικά, κτλ.)[1]. Οι Α/Γ χωρίζονται σε δύο κατηγορίες (παράκτιες, υπεράκτιες), με τις υπεράκτιες Α/Γ να έχουν το πλεονέκτημα παραγωγής περισσότερης ηλεκτρικής ενέργειας ανά ποσότητα εγκατεστημένης ισχύος. Επίσης υπάρχουν και οι μονάδες παραγωγής ενέργειας με την χρήση της παλίρροιας. Η παλίρροια σε σύγκριση με τον αέρα έχει το πλεονέκτημα ότι είναι προβλέψιμη. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με υπεράκτιες Α/Γ και με γεννήτριες που χρησιμοποιούν την παλίρροια έχουν δύο μεγάλα προβλήματα, το πρώτο είναι το κόστος κατασκευής και εγκατάστασης και το δεύτερο είναι η συντήρηση των μονάδων. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σύγχρονες γεννήτριες χαμηλής ταχύτητας με μόνιμους μαγνήτες στις οποίες δεν είναι αναγκαίο το κιβώτιο ταχυτήτων και επιπλέον δεν έχουν ψήκτρες στον δρομέα.
Αυτή η διπλωματική εργασία εστιάζει στην μελέτη και την διάγνωση των εσωτερικών βραχυκυκλωμάτων σε μια χαμηλών στροφών γεννήτρια μονίμων μαγνητών διπλού δρομέα η οποία έχει την ιδιαιτερότητα ότι ο στάτης δεν έχει πυρήνα. Το εσωτερικό βραχυκύκλωμα είναι σφάλμα του στάτη και είναι το δυσκολότερο στην διάγνωση του σε σύγκριση με τα υπόλοιπα σφάλματα της μηχανής. Το εσωτερικό βραχυκύκλωμα επιπλέον είναι αδύνατον να διαγνωσθεί από άνθρωπο εν ώρα λειτουργίας καθώς έχει πολύ γρήγορη εξέλιξη σε καταστροφικό σφάλμα. Είναι εμφανές ότι για την διάγνωση του εσωτερίκου βραχυκυκλώματος είναι απαραίτητο ένα σύστημα ελέγχου το οποίο έχει σκοπό τον εντοπισμό του εσωτερικού βραχυκυκλώματος και να αποφασίζει με βάση την σοβαρότητα του σφάλματος. Σε αυτή την έρευνα αρχικά γίνεται αριθμητική ανάλυση των ρευμάτων και των δινορευμάτων των τυλιγμάτων του στάτη όπως και η ανάλυση της μεταβολής των ρευμάτων με την μεταβολή της σοβαρότητας του σφάλματος. Στην συνέχεια υπολογίζεται το ελάχιστο συμμετρικό μαγνητικό κύκλωμα της γεννήτριας και γίνεται ο υπολογισμός της μαγνητικής ροής στο διάκενο και η μεταβολή της σε συναρτήση της μεταβολής της σοβαρότητας του σφάλματος. Τέλος με βάση τις μαθηματικές αναλύσεις οι οποίες επιβεβαιόνται από προσομοιώσεις που γίνονται με την βοήθεια του λογισμικού Simcenter Magnet εφαρμόζονται δύο διαγνωστικές τεχνικές, με την πρώτη να είναι η μαγνητική ροή μηδενικής ακολουθίας και η δεύτερη είναι η ανάλυση της Ροπής.