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.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και το θέμα αφορά την μελέτη της σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους και τον υπολογισμό παραμέτρων της με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι ο υπολογισμός των επαγωγιμοτήτων της σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους. Πιο συγκεκριμένα θα υπολογίσουμε τις αυτεπαγωγιμότητες και τις αμοιβαίες επαγωγιμότητες του στάτη και του δρομέα. Για την σχεδίαση του μοντέλου της τριφασικής σύγχρονης μηχανής χρησιμοποιήθηκαν τα κατασκευαστικά στοιχεία μιας πραγματικής τριφασικής μηχανής που προορίζεται για λειτουργία σε υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας. 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 τέσσερα κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν την κατασκευή και λειτουργία των σύγχρονων μηχανών και ειδικότερα τις τριφασικές σύγχρονες μηχανές με έκτυπους πόλους. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρουμε την θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού πάνω στην οποία βασίζονται οι υπολογισμοί που υλοποιούμε με την χρήση του Opera 2d. Αναλύουμε την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούμε για να κάνουμε τους υπολογισμούς. Στο τρίτο κεφάλαιο κάνουμε μια σύντομη αναφορά στην θεωρία των σύγχρονων μηχανών για τις αμοιβαίες επαγωγιμότητες και αυτεπαγωγιμότητες του δρομέα και του στάτη. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα πειράματα που διεξήγαμε για να υπολογίσουμε τις επαγωγιμότητες του στάτη και του δρομέα της σύγχρονης μηχανής. Στην τελευταία παράγραφο υπολογίζουμε κάποιες επαγωγιμότητες και αντιστάσεις με την βοήθεια αναλυτικών τύπων που βασίζονται στην θεωρία των σύγχρονων μηχανών και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με αυτά του κατασκευαστή. / This thesis was produced in the department of Electrical Engineering and Computer Science at the University of Patrai and involves the study of synchronous machine with salient pole and with the help of finite element analysis. The aim of the thesis is to calculate inductances of synchronous machine with salient pole. We will calculate mutual and self inductances of stator and rotor. To design the motor, machine data of a real motor, used to pump a storage hydroelectric generator, were used. The software Opera-2d was used to create the model in two dimensions. The software uses the finite element method to simulate the operation of electric machines. To ensure the motor design is suitable for the aim of the thesis, a number of measurements and calculations were made from the machine data which are not included as they are beyond the scope of this thesis. Also, after completing the model, simulations were run in steady state to verify that the model was running according to designed parameters. The thesis is structured in four chapters. Chapter 1 introduces the literature review where there is the principles regarding the construction and operation of synchronous machines and in particular three-phase synchronous machines with salient poles. In chapter 2, we refer to the theory of electromagnetism based on the calculations that we implement using the Opera 2d.We analyze finite element method which we use for calculations. In chapter 3, we make a brief reference to theory of synchronous machine for mutual and self inductances of rotor and stator. In the last chapter we present experiments we had to compute inductances of stator and rotor of synchronous machine. In last paragraph we compute some inductances and resistances with analytical formulas based on the theory of synchronous machine and compare our results with those of the manufacturer.

Hydropower research is often perceived to be an old and exhausted field of study but with ageing equipment and the need for more intermittent operation caused by an increased share of other renewable energy sources new challenges lie ahead. The main focus of this dissertation are the electromagnetic forces resulting from nonuniform air gap flux, whether it be caused by rotor eccentricity or a faulty field winding. Results are predominantly obtained from measurements on an experimental generator and numerical simulations. With the computational capacity available today it is possible to numerically analyse physical phenomena that previously could only be studied with analytical tools. Numerical models can also be expanded to encompass more than one aspect of generator operation in coupled field-circuit models without model complexity surpassing computer capability. Three studies of unbalanced magnetic pull, UMP, in synchronous salient pole generators constitute the main part of this thesis. The first is a study of how parallel stator circuits affect the unbalanced magnetic pull caused by rotor eccentricity. Depending on the relationship between the geometry of the separate circuits and the direction of the eccentricity it was found that parallel circuits could reduce the UMP substantially. Secondly, an investigation of the effect of damper winding configuration on UMP was performed. The results showed that damper winding resistivity and the distance between the damper bars in a pole determine the effectiveness of the damper winding in reducing the UMP. Simulations of a production machine indicate that the reduction can be substantial from damper windings with low resistivity. The third study analyses the consequences of field winding interturn short circuits. Apart from a resulting rotating unbalanced magnetic pull it is found that the unaffected poles with the same polarity as the affected pole experience an increase in flux density. In a fourth article a new stand still frequency response, SSFR, test method including measurements of damper winding voltage and current is presented. It is found that the identified models are capable of predicting the stator to damper transfer function both with and without the damper winding measurements included.

Submitted by Liliane Ferreira (ljuvencia30@gmail.com) on 2018-09-14T11:19:37Z No. of bitstreams: 2 Tese - José Mário Menescal de Oliveira - 2018.pdf: 3555364 bytes, checksum: 7da381c5690449c518f20f2a3fd49fea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-09-17T10:48:33Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - José Mário Menescal de Oliveira - 2018.pdf: 3555364 bytes, checksum: 7da381c5690449c518f20f2a3fd49fea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-17T10:48:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - José Mário Menescal de Oliveira - 2018.pdf: 3555364 bytes, checksum: 7da381c5690449c518f20f2a3fd49fea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-07-13 / This thesis demonstrates the effects of harmonic pollution in a salient pole synchronous generator and an induction generator operating in parallel on an isolated system, supplying a non-linear load. The main contributions of this research-study consist of identifying and quantifying the oscillations that non-linear load cause on the electric variables of synchronous and induction generators, such as, the electromagnetic conjugate that presents oscillations of sixth harmonic due to the distorted currents. / Este trabalho mostra os efeitos da poluição harmônica em um gerador síncrono de polos salientes e um gerador de indução operando em paralelo em um sistema isolado suprindo carga não linear. As principais contribuições deste trabalho consistem em identificar e quantificar as oscilações que a carga não linear utilizada provoca nas variáveis elétricas dos geradores síncronos e dos geradores de indução, tal como, o conjugado eletromagnético que apresenta oscilações de sexto harmônico devido as correntes distorcidas.