Δυναμική ανάλυση σύγχρονης γεννήτριας

Abstract

Οι σύγχρονες γεννήτριες είναι μία κατηγορία ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος. Χαρακτηριστικό τους είναι ότι ο δρομέας τους περιστρέφεται με την σύγχρονη ταχύτητα στην μόνιμη κατάσταση, δηλαδή με την ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου στο διάκενό τους. Ως γεννήτριες, έχουν το χαρακτηριστικό ότι δέχονται μηχανική ενέργεια στην είσοδο και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια στην έξοδο. Χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, όπου απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια, όπως σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και σε κτιριακές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Τα βασικά τους τυλίγματα είναι το τύλιγμα τυμπάνου στον στάτη-ένα τριφασικό διανεμημένο τύλιγμα-και το τύλιγμα διέγερσης στον δρομέα-ένα συγκεντρωμένο τύλιγμα συνεχούς ρεύματος. Ανάλογα με την κατασκευή του δρομέα τους, διακρίνονται σε κυλινδρικού δρομέα και εκτύπων πόλων. Το ισοδύναμό τους κύκλωμα στην μόνιμη κατάσταση εξαρτάται από το είδος τους αυτό και καθορίζει την μορφή του, αλλά και την μεθοδολογία μελέτης του. Οι παράμετροι του ισοδυνάμου κυκλώματός τους είναι, αφού περιέχουν τυλίγματα, ωμικές αντιστάσεις, αυτεπαγωγές των τυλιγμάτων και αλληλεπαγωγές μεταξύ των τυλιγμάτων. Τα ηλεκτρικά μεγέθη που τις περιγράφουν είναι, μεταξύ άλλων, τάσεις και ρεύματα στο τύλιγμα διέγερσης και στο τύλιγμα τυμπάνου, αλλά και πεπλεγμένες ροές, αφού εκτυλίσονται ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα σε αυτές. Η δυναμική ανάλυσή τους, δηλαδή η ανάλυσή τους στην μεταβατική κατάσταση, είναι περισσότερο εκτενής από αυτήν στην μόνιμη κατάσταση, καθώς περιλαμβάνει κατάστρωση πολλών διαφορικών εξισώσεων, οι οποίες απαιτείται να μετασχηματισθούν, μέσω του μετασχηματισμού Park, σε εξισώσεις με νέες μεταβλητές, σταθερού μέτρου, ώστε να μπορούν να είναι ευχέρως επεξεργάσιμες. Τα μοντέλα, τα οποία μπορούν να εξαχθούν από αυτή την διαδικασία είναι αυτό των ρευμάτων ως μεταβλητών κατάστασης και αυτό των πεπλεγμένων ροών ως μεταβλητών κατάστασης. Στην παρούσα εργασία αξιοποιείται, εν τέλει, το μοντέλο των πεπλεγμένων ροών, το οποίο, με την σειρά του, μετατρέπεται σε ένα μοντέλο ενός ανά μονάδα συστήματος, όπου η περιπλοκότητα των εξισώσεων δεν υπάρχει πλέον και το μοντέλο μπορεί να υλοποιηθεί σε περιβάλλον προσομοίωσης. Το πρόγραμμα προσομοίωσης που χρησιμοποιείται είναι το Simulink του MATLAB. Σε αυτό πραγματοποιούμε 5 διαφορετικές εφαρμογές στο μοντέλο, μεταξύ αυτών μεταβολές στην κινούσα μηχανική ροπή, στην τάση διέγερσης και ένα σενάριο τριφασικού βραχυκυκλώματος στους ακροδέκτες της γεννήτριας. Όλες οι εφαρμογές είναι διαφωτιστικές, καθώς αναδεικνύουν την σχέση μεταξύ των δυναμικών εξισώσεων και των εξισώσεων μόνιμης κατάστασης, αλλά και τις αδυναμίες της γεννήτριας, οι οποίες, χάρη στην προσομοίωση, μπρούν να αποτραπούν σε πραγματικά σενάρια.