Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τη μελέτη σφάλματος στο δρομέα τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με τη δημιουργία δισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων και σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με βραχυκυκλωμένο δρομέα, με και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης καθώς και ανίχνευση του σφάλματος. Με εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis» ή «ΜCSA» είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε την ύπαρξη κάποιου σφάλματος στο κινητήρα. Η μέθοδος «ΜCSA» χρησιμοποιεί αισθητήρες οι οποίοι δεν διεισδύον στο εσωτερικό της μηχανής και η λειτουργία της βασίζεται στην ανάλυση του φάσματος του ρεύματος του στάτη (ρεύματος τροφοδοσίας) μίας ασύγχρονης μηχανής, με σκοπό να εντοπιστεί ένα σφάλμα εν τη γένεση του στον κινητήρα. Η ύπαρξη κάποιου σφάλματος προκαλεί την εμφάνιση αρμονικών συνιστωσών χαρακτηριστικών του συγκεκριμένου σφάλματος. Πραγματοποιήθηκε σχεδίαση μοντέλου τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα στις δύο διαστάσεις με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων «Opera – 2d» για να μελετηθεί η λειτουργία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με σφάλμα και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης, καθώς και για εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis». Με εξομοίωση του κινητήρα παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη και της ροπής για εφαρμογή της μεθόδου «MCSA». Στη συνέχεια με υλοποίηση πειραματικής διάταξης πραγματοποιήθηκε μελέτη της συμπεριφοράς τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με βραχυκυκλωμένο δρομέα, με και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Από την πειραματική διάταξη παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη για εφαρμογή της μεθόδου «MCSA». Τέλος έγιναν οι απαραίτητες συγκρίσεις ανάμεσα στα αποτελέσματα του κινητήρα με σφάλμα και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης καθώς και ανάμεσα στα αποτελέσματα της εξομοίωσης και των πειραματικών αποτελεσμάτων. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 6 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια περιληπτική αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν την κατασκευή και την λειτουργία της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Επίσης γίνεται αναφορά στα τυλίγματα των ασύγχρονων μηχανών καθώς και στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την εκκίνηση των τριφασικών ασύγχρονων κινητήρων. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται παρουσίαση της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis» η οποία χρησιμοποιείται για την ανίχνευση σφαλμάτων καθώς και για την επιτήρηση της λειτουργίας τριφασικών ασύγχρονων μηχανών. Παρουσιάζονται οι λόγοι για τους οποίους είναι χρήσιμο ένα τέτοιο διαγνωστικό σύστημα, η διάταξη υλοποίησης, τι πρέπει να προσέχουμε κατά την εφαρμογή του και πως εφαρμόζεται σε πολύπλοκα συστήματα. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής εργασίας. Γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης που υλοποιείται στο εργαστήριο για εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis». Από δύο όμοιους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες, ένα με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και ένα χωρίς σφάλμα παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη στις οποίες θα γίνει ανάλυση FFΤ έτσι ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Στο κεφάλαιο 4 βλέπουμε τη σχεδίαση και εξομοίωση των δύο κινητήρων που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη, με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων «Opera–2d». Παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδίασης των δύο κινητήρων καθώς και κάποια βήματα τα οποία προηγούνται της ανάλυσης. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε δυναμική ανάλυση στα δύο μοντέλα του κινητήρα με δύο διαφορετικές μεθόδους : i) υπό σταθερό αριθμό στροφών ανά λεπτό του δρομέα και ii) υπό σταθερό φορτίο στο κινητήρα. Επίσης πραγματοποιήθηκε ανάλυση κατά την εκκίνηση των δύο κινητήρων καθώς και υπό φορτίο. Για το κινητήρα με σφάλμα πραγματοποιήσαμε και μη γραμμική ανάλυση υπό φορτίο. Τέλος στο κεφάλαιο 6 πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων καθώς και των αποτελεσμάτων τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε ανάλυση FFT στις κυματομορφές του ρεύματος στάτη καθώς και της ροπής για τους δύο κινητήρες. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν εξάγαμε σημαντικά συμπεράσματα όσο αφορά τη λειτουργία των δύο κινητήρων. Επίσης έγινε και μια σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών του πανεπιστημίου Πατρών και το θέμα της αφορά τη μελέτη σφαλμάτων στο δρομέα τριφασικής σύγχρονης μηχανής έκτυπων πόλων με τη δημιουργία δισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικού σύγχρονου κινητήρα έκτυπων πόλων κατά την ασύγχρονη εκκίνηση του σε τρείς περιπτώσεις, με σφάλμα σε μία μπάρα ενός έκτυπου πόλου, στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και χωρίς κανένα σφάλμα και σύγκριση των αποτελεσμάτων. Για την σχεδίαση του μοντέλου του τριφασικού κινητήρα χρησιμοποιήθηκαν τα κατασκευαστικά στοιχεία μιας πραγματικής τριφασικής μηχανής πού προορίζεται για λειτουργία σε υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας με τη δυνατότητα λειτουργίας σαν αντλία. Για την κατασκευή και εξομοίωση του μοντέλου στις δύο διαστάσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Opera-2d, το οποίο χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μια αριθμητική μέθοδο για να προσομοιώσει τη φυσική λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών. Για την επιτυχία του μοντέλου χρειάστηκαν αρκετές μετρήσεις και υπολογισμοί από τα δεδομένα που είχαμε τα οποία δεν παραθέτονται. Με την περάτωση του μοντέλου εξομοιώθηκαν διαφορετικές λειτουργίες στη μόνιμη κατάσταση για εξακρίβωση της ακρίβειας του μοντέλου που κατασκευάσαμε. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια, όπου αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική περιγραφή των βασικών εννοιών της ηλεκτρικής ενέργειας και των βασικών αρχών που διέπουν την κατασκευή και λειτουργία των σύγχρονων μηχανών και γενικότερα των τριφασικών σύγχρονων μηχανών έκτυπων πόλων. Στο κεφάλαιο 2 εξηγείται πιο αναλυτικά η λειτουργία του τριφασικού σύγχρονου κινητήρα και οι μέθοδοι της εκκίνησης του με έμφαση στην ασύγχρονη εκκίνηση. Επίσης παρουσιάζονται μερικά δεδομένα γενικά γύρω από τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 3 δίνονται επιγραμματικά τα κυρίως βήματα που ακολουθήσαμε κατά την σχεδίαση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων μαζί με τα σχέδια των τμημάτων του κινητήρα και τα κυριότερα παράθυρα ελέγχου του λογισμικού Opera-2d. Στο κεφάλαιο 4 δίνονται τα βήματα και τα παράθυρα ελέγχου για τις παραμέτρους της ανάλυσης και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που για τις τρείς περιπτώσεις τους υγιούς μοντέλου, του μοντέλου με σπασμένη μπάρα και το μοντέλο με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Στο τέλος του κεφαλαίου 4 εξάγονται τα συμπεράσματα μας για την ασύγχρονη εκκίνηση του σύγχρονου κινητήρα και πως αυτή επηρεάζεται από τα σφάλματα σε μία μπάρα βραχυκύκλωσης και στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. / This thesis was produced in the department of Electrical Engineering and Computer Science at the University of Patras and involves the study of rotor errors in a three phase synchronous motor with salient poles with the help of finite element analysis. The purpose of this thesis is the monitoring of a three-phase synchronous motor with salient poles during asynchronous starting, with one broken bar, broken ring and in a healthy state for comparing the results. For the design of the motor we used the machine data of a real motor which is used in a pumped storage hydroelectric generator. For the creation of the model in two dimensions we used the software Opera-2d, which uses the finite element method to simulate the operation of electric machines. For the success of the design, a number of measurements and calculations was taken from the machine data which are not included in the thesis. Also, after the completion of the model, we run simulations in steady state to verify that the model was running according to designer parameters. The thesis is divided in five chapters. In the first chapter there is a general description of the basic knowledge of electric energy and the principles regarding the construction and operation of synchronous machines and in particular three-phase synchronous machines with salient poles. In chapter 2 there is a more detailed description of the operating characteristics of a three-phased synchronous motor and the starting methods, with emphasis at asynchronous starting. Additionally, there is some information regarding hydro-generator stations. Chapter 3 shows the main steps followed during the design stage of the model and it includes images of the main parts of the motor and the control windows of the software Opera-2d. Chapter 4 starts by showing the main steps and control windows for the analysis parameters and this is followed by the results of the simulations for the three cases: healthy motor, with broken bar and with broken ring. Finally the conclusions for the asynchronous starting of a synchronous motor and how it is affected by a broken bar and a broken ring at the rotor, are presented at the end of chapter 4.