Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δυναμική εξομοίωση ενός τριφασικού μετασχηματιστή τύπου πυρήνα με συνδεσμολογία τυλιγμάτων Αστέρα(Υ)-Αστέρα(Υ) σε συνθήκες συμμετρικής και ασύμμετρης φόρτισης. Η διαδικασία της εξομοίωσης περιλαμβάνει την κατάστρωση των διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν την λειτουργία του τριφασικού μετασχηματιστή, την ομαδοποίηση τους σε Πίνακες και την ενσωμάτωσή τους στον κώδικα εξομοίωσης. Αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού πάνω στους οποίους βασίζεται η λειτουργία των μετασχηματιστών ενώ παρουσιάζονται όλα εκείνα τα μαγνητικά μεγέθη τα οποία θα μας χρησιμεύσουν στην συνέχεια της διπλωματικής.. Στη συνέχεια, και αφού παρατεθεί το αναγκαίο θεωρητικό υπόβαθρο, πραγματοποιείται η ανάλυση του μονοφασικού μετασχηματιστή και αναλύεται λεπτομερώς η λειτουργία του. Πολύτιμη βοήθεια στην ανάλυση αυτή προσφέρεται και από την ανάλυση των μαγνητικών κυκλωμάτων. Το επόμενο βήμα είναι η ανάλυση του τριφασικού μετασχηματιστή μέσω της οποίας εξάγονται οι σχέσεις που περιγράφουν την λειτουργία του. Προσδιορίζεται ο πίνακας Ld ενώ καταστρώνονται οι καταστατικές εξισώσεις και ομαδοποιούνται σε πίνακες. Τέλος, πραγματοποιείται η εξομοίωση του τριφασικού μετασχηματιστή μέσω της οποίας προκύπτουν παρατηρήσεις και συμπεράσματα για την λειτουργία του. / First of all, there is an introduction in the basic principles of electromagnetism. Then, the analysis of the single-phase and three-phase transformer which can help us to derive the state equations. From the analysis of the magnetic core circuit, we can calculate the incremental matrix Ld. The matrix Ld depends on the topology of the magnetic core. Finally, simulation results and conclusions are presented for the three-phase transformer.

Η τριφασική σύγχρονη γεννήτρια αποτελεί βασική συνιστώσα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μεταβατικά φαινόμενα στις γεννήτριες συνήθως προκαλούνται από εξωτερικές αιτίες, κεραυνούς, βροχές και δυνατό αέρα. Σύμφωνα με τις στατιστικές το 70% των διαταραχών στις σύγχρονες γεννήτριες είναι βραχυκυκλώματα μιας φάσης με το έδαφος και μόνο 5% των βραχυκυκλωμάτων είναι τριφασικά. Η μελέτη των βραχυκυκλωμάτων σύγχρονης γεννήτριας είναι βασικό εργαλείο για το σχεδιασμό των συστημάτων ενέργειας, καθώς βοηθάει να σχεδιαστεί ο κατάλληλος εξοπλισμός προστασίας, ώστε να απομονωθεί από το υπόλοιπο σύστημα η βραχυκυκλωμένη γεννήτρια, την κατάλληλη στιγμή. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι αφ’ενός η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης γεννήτριας κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων, αναλύοντας τα είδη των σύγχρονων παραμέτρων και των σταθερών χρόνου και αφετέρου η κατανόηση της χρήσεως του πλήρους και των απλοποιημένων μοντέλων που να μπορούν να περιγράψουν με ακρίβεια τη δυναμική κατάσταση της γεννήτριας, κατά περίπτωση. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση, ώστε να δημιουργηθεί το απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο για την κατανόηση των μετέπειτα εννοιών ,ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο κάνουμε μια συνοπτική περιγραφή των διάφορων ειδών βραχυκυκλωμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το πλήρες μοντέλο της γεννήτριας για την περιγραφή της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια τριφασικών, διφασικών και μονοφασικών με το έδαφος βραχυκυκλωμάτων.Αυτό το μοντέλο προκύπτει αντικαθιστώντας τις συνθήκες των βραχυκυκλωμάτων στις εξισώσεις του γενικευμένου d-q-o μαθηματικού μοντέλου της σύγχρονης γεννήτριας. Τέλος μελετάμε τις κυματοσυναρτήσεις του ρεύματος διέγερσης και των ρευμάτων του στάτη που προκύπτουν για εφαρμογή του βραχυκυκλώματος τρεις διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλα τα είδη βραχυκυκλωμάτων και καταλήγουμε σε κάποια συμπεράσματα. Για να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη των συστημάτων ενέργειας, οι εξισώσεις της γεννήτριας πρέπει να ενσωματωθούν στις εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα μεταφοράς ενέργειας έτσι σε πολλές μελέτες συστημάτων ενέργειας είναι δυνατό και επιθυμητό να απλοποιήσουμε τις εξισώσεις της γεννήτριας ώστε να ενσωματωθούν πιο εύκολα στο δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσουμε 5 απλοποιημένα μοντέλα της σύγχρονης γεννήτριας, για τριφασικό συμμετρικό βραχυκύκλωμα, για αρχικά αφόρτιστη μηχανή .Πρωτού μελετήσουμε πως μπορούν να γίνουν αυτές οι απλοποιήσεις, αναπτύσουμε τα ισοδύναμα κυκλώματα για τη μόνιμη, μεταβατική και υπομεταβατική κατάσταση, καθορίζουμε τις επαγωγικές αντιδράσεις και τις σταθερές χρόνου και τέλος καταλήγουμε στα απλοποιημένα μοντέλα. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετάμε το ποιοτικό μοντέλο της γεννήτριας κατά το οποίο γίνεται αναπαράσταση της γεννήτριας για καθε μια από τις 3 καταστάσεις με ένα ισοδύναμο κύκλωμα μετασχηματιστή. / --

Υλοποίηση ενός επεξεργαστή διακριτών ηχητικών σημάτων, με χρήση μεθόδων STFT. Ο επεξεργαστής έχει την ικανότητα να διαχωρίζει τα μεταβατικά φαινόμενα και εφαρμόζει διαφορετικού τύπου επεξεργασία σε αυτά, από ότι στον υπόλοιπο όγκο του σήματος εισόδου. / Implementation of a processor of discrete audio signals, using STFT (overlap-add) methods. This processor can successfully detect transients in the input signal and apply a separate filter to them.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε και προσομοιώθηκε η επίδραση των μεταβατικών φαινομένων σε μεταλλικές κατασκευές. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι επιπτώσεις της πτώσης ενός κεραυνού σε ένα πλοίο. Για την πραγματοποίηση αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα προσομοίωσης emp3 , το οποίο έχει κατασκευασθεί από την εταιρία field precision και είναι κατάλληλο για τη μελέτη τέτοιων φαινομένων. Το emp3 στηρίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων στο πεδίο του χρόνου (FETD-FINITE-ELEMENT-TIME-DOMAIN) και καταλήγει σε συμπεράσματα με πλήρη επίλυση των εξισώσεων του Maxwell χρησιμοποιώντας μια ψευδογλώσσα επιπέδου assembly .Στο υποπρόγραμμα mesh.exe σχεδιάστηκε ένα πλοίο και το περιβάλλον του και στη συνέχεια δημιουργήθηκε το αρχείο .ein στο οποίο χωρίστηκε η διάταξη σε διάφορες περιοχές ανάλογα με τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες της καθεμίας, με σκοπό να παρατηρήσουμε τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που δημιουργεί το μεταβατικό φαινόμενο (κεραυνικό πλήγμα) στις τρείς διαστάσεις. Τέλος, τρέξαμε το αρχείο .ein στο emp3.exe και παραθέσαμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που προέκυψαν τόσο από το υποπρόγραμμα vemp3.exe όσο από το υποπρόγραμμα probe.exe και εξαγάγαμε κάποια συνολικά συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στο φυσικό φαινόμενο του κεραυνού και συγκεκριμένα στους τρόπους δημιουργίας του,στις παραμέτρους του καθώς και στους παράγοντες που τον επηρεάζουν. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει ανάλυση των διεργασιών που ακολουθούν την πτώση ενός κεραυνού σε ένα πλοίο και συγκεκριμένα στις επαγόμενες τάσεις και στα παραγόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία καθώς και στις βλάβες που προκαλούνται τόσο στο πλοίο όσο και στα εξαρτήματα του. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει ανάλυση του προγράμματος προσομοίωσης emp3 ,της μεθόδου στην οποία στηρίζεται ,της ψευδογλώσσας που χρησιμοποιεί και του έτοιμου παραδείγματος bdeflect με σκοπό την κατανόηση της διαδικασίας προσομοίωσης και των αποτελεσμάτων. Στο τέταρτο Κεφάλαιο θα γίνει η παρουσίαση της διαδικασίας προσομοίωσης και των αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα παρατείθεται η κατασκευή της γεωμετρίας του πλοίου και του περιβάλλοντος του,ο χωρισμός της συνολικής διάταξης σε περιοχές με διαφορετικά ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά, η εισαγωγή του κώδικα στο emp3.exe τα αποτελέσματα που εξήχθησαν στα vemp3.exe και probe.exe καθώς και ορισμένα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διεξαγωγή της παρούσας διπλωματικής εργασίας. / In this dissertation the effect of the transient phenomena in metallic structures was studied and simulated.Specifically. were studied the effects of a lighting stroke on a ship. In order to carry out this study,was used the simulation program emp3, which is manufactured by the company field precision and is suitable for the study of such phenomena. The emp3 program is based on the method FETD-FINITE-ELEMENT-TIME-DOMAIN and concludes with complete resolution of Maxwell's equations using a pseudocode level assembly.In the subprogram mesh.exe was designed the ship and its environment and then was created the .ein file, in which the construction was divided in different regions depending on the electromagnetic characteristics of each area, in order to observe the fields that were created by the transient phenomenon (lighting stroke), in three dimensions. Finally, we ran the file .ein in emp3.exe and presented the simulation results, which were obtained from both the subprogram vemp3.exe and the subprogram probe.exe and drew some overall conclusions. In the first chapter there will be a reference to the natural phenomenon of lightning strike and specifically to the ways of it's creation, its parameters and the factors that influence it.Ιn the second chapter there is the analysis of the processes, which follow the fall of a lightning stroke on a ship and specifically the induced voltages generated electromagnetic fields and also the harms caused both to the ship and it's components. In the third chapter there is the analysis of the simulation program emp3, the method which it is based on, the pseudocode which is used and the already existed example bdeflect in order to understande the process simulation and results.In the fourth chapter the simulation process and the results are given. Specifically, the construction of the geometry of the ship and its environment, the separation of the total provision in areas with different magnetic characteristics, the insertion of the code in emp3.exe,the results exported to vemp3.exe and probe.exe and some conclusions drawn during this thesis are presented.

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 πεπερασμένου 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. / 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.