Ανάλυση Βραχυκυκλωμάτων Μηχανής Εσωτερικών Μόνιμων Μαγνητών για Εφαρμογές Ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα εργασία μελετά την επίδραση βραχυκυκλωμάτων στη λειτουργία ενός σύγχρονου ηλεκτρικού κινητήρα μόνιμων μαγνητών. Στις εφαρμογές ηλεκτροκίνησης οι επιπτώσεις των σφαλμάτων στον κινητήρα, στις υπόλοιπες συνιστώσες του συστήματος κίνησης αλλά και στην οδηγική συμπεριφορά του οχήματος είναι σοβαρής σημασίας. Ο κινητήρας που μελετάται είναι ο ηλεκτρικός κινητήρας ενός επιβατηγού υβριδικού οχήματος, το οποίο παράγεται σε ευρεία κλίμακα εδώ και δύο δεκαετίες από γνωστή αυτοκινητοβιομηχανία. Αρχικά, επιχειρείται μία σύντομη επισκόπηση των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης και παρουσιάζονται τα διάφορα είδη των ηλεκτρικών μηχανών. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται και αξιολογούνται τα κυριότερα είδη ηλεκτρικών κινητήρων που βρίσκουν εφαρμογή στον τομέα της ηλεκτροκίνησης. Εξετάζεται η πλειονότητα των τοπολογιών σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών και γίνεται η ανάλυση των εξισώσεων λειτουργίας τους. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μία πρώτη θεωρητική μελέτη του βραχυκυκλώματος. Σε ένα πρώτο βήμα πραγματοποιείται η ανάλυση του βραχυκυκλώματος σε μία σύγχρονη μηχανή, η οποία λειτουργούσε σε κενό φορτίο και σε δεύτερο βήμα σε μηχανή που λειτουργούσε υπό φορτίο. Εξάγονται οι σχέσεις που περιγράφουν τα ρεύματα στάτη μετά από τριφασικό και διφασικό βραχυκύκλωμα. Αναλύονται, επίσης, τα διαγράμματα ταλάντωσης και ο τρόπος αξιοποίησής τους στην περίπτωση βραχυκυκλώματος. Ακολούθως, επεξηγείται η διαδικασία που ακολουθείται κατά τη σχεδίαση ενός ηλεκτρικού κινητήρα και παρατίθενται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κινητήρα, που εξετάζεται στη συνέχεια. Περιγράφεται ο τρόπος επίλυσης των μαγνητοστατικών προβλημάτων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και υπολογίζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας του κινητήρα, ώστε ο αναγνώστης να κατανοήσει καλύτερα τη λειτουργία του. Κατόπιν, πραγματοποιείται η μελέτη βραχυκυκλώματος στον υπό μελέτη κινητήρα. Για το σκοπό αυτό υλοποιείται, αρχικά, το δυναμικό μοντέλο του κινητήρα σύμφωνα με τις εξισώσεις λειτουργίας του και αναλύεται η περίπτωση τριφασικού βραχυκυκλώματος. Για μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα της προσομοίωσης δημιουργείται ένα συζευγμένο κυκλωματικό-πεδιακό μοντέλο του κινητήρα. Για τη δημιουργία του συγκεκριμένου μοντέλου είναι απαραίτητη η αξιοποίηση μοντέλου που επιτρέπει πλήρη πεδιακή ανάλυση του κινητήρα. Μετά την υλοποίηση του συζευγμένου μοντέλου προσομοιώνεται η λειτουργία της μηχανής υπό τριφασικό και διφασικό βραχυκύκλωμα. Τέλος, προσομοιώνεται η λειτουργία του κινητήρα υπό την επίδραση μερικού βραχυκυκλώματος στα τυλίγματα του στάτη. Για την υλοποίησή του μειώνεται ο αριθμός των σπειρών του τυλίγματος σε δύο διαδοχικές αύλακες του στάτη της ίδιας φάσης. Το συγκεκριμένο σφάλμα είναι το συνηθέστερο που συμβαίνει κατά τη λειτουργία της μηχανής, λόγω φθοράς των μονώσεων των αγωγών σε περιπτώσεις υπερφόρτισης οπότε αυξάνεται η θερμοκρασία της μηχανής. Για αυτό, εξετάζονται τα πλήρη λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα σε αυτή την περίπτωση σφάλματος. Στις αναλύσεις χρησιμοποιούνται το λογισμικό MatLab-Simulink σε συνδυασμό με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων FEMM και στη συνέχεια το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Ansys.