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. / --

Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάστηκε με χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design ένας Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας κλωβού σε δύο διαστάσεις και μελετήθηκε η συμπεριφορά αυτού και των χαρακτηριστικών ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών του κατά την τοποθέτηση ημιμαγνητικών σφηνών στις αυλακώσεις του στάτη. Έγινε χρήση σφηνών διαφορετικού μεγέθους και κατασκευασμένων από ημιμαγνητικά υλικά. Έτσι, προέκυψαν τρεις (3) νέοι κινητήρες που στην έκταση της παρούσας εργασίας καλούνται ΄΄μοντέλα΄΄. Στη συνέχεια, με τη χρήση αυτών των μοντέλων έγινε Ηλεκτρομαγνητική Ανάλυση με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM-Finite Element Method or FEA-Finite Element Analysis) που χρησιμοποιεί το λογισμικό OPERA. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση που έχει το σχήμα και το υλικό κατασκευής των σφηνών στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα. Τέλος, εξετάστηκαν οι επιδράσεις που επιφέρει το κλείσιμο του ανοίγματος των αυλακώσεων –συναρτήσει, πάντα, του μεγέθους/σχήματος των σφηνών- στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και στις χαρακτηριστικές του Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα. Εξετάστηκαν τόσο τα χωρικά και χρονικά μεγέθη, όσο και η συμπεριφορά αυτών στο πεδίο της συχνότητας (αρμονική ανάλυση – αρμονικό περιεχόμενο). Έγινε αξιοποίηση των γεωμετρικών και ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός συγκεκριμένου τετραπολικού κινητήρα κλωβού, ισχύος 4kW, με 28 αυλακώσεις στο δρομέα και 36 αυλακώσεις στο στάτη. Ο σχεδιασμός των κινητήρων έγινε με τη συμβατική μέθοδο, ήτοι με χρήση των σχεδιαστικών εργαλείων που προσφέρονται μέσω της επιφάνειας εργασίας του προγράμματος και όχι με χρήση κώδικα. Πλεονέκτημα της μεθόδου αποτελεί το γεγονός ότι για τους τρεις κινητήρες που προέκυψαν με την τοποθέτηση των διαφόρων σφηνών δεν απαιτήθηκε εκ νέου σχεδιασμός, αλλά προσαρμογή της εκάστοτε χρησιμοποιηθείσας σφήνας στο αρχικό μοντέλο κινητήρα. Κατά τη μελέτη όλων των μοντέλων λάβαμε υπόψιν τόσο τη γραμμική όσο και τη μη γραμμική Β-Η χαρακτηριστική του σιδηρομαγνητικού υλικού. Η ανάλυση οδήγησε στο συμπέρασμα ότι με τη χρήση των κατάλληλων σφηνών μπορούμε να επιτύχουμε εξομάλυνση των κυματομορφών του ρεύματος και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής και μείωση των ανώτερων αρμονικών. Όλα αυτά οδηγούν σε βελτίωση του βαθμού απόδοσης του κινητήρα. / The influence of semi-magnetic wedges on the electromagnetic variables and the harmonic content in 3-phase squirrel cage induction motors.