Σχεδιασμός και μελέτη μεταβατικής συμπεριφοράς αξονικής γεννήτριας πλοίου

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς μιας αξονικής γεννήτριας πλοίου. Σχεδιάστηκε μια σύγχρονη γεννήτρια, με τεχνικά χαρακτηριστικά κατάλληλα ώστε να προσλαμβάνει κινητήρια ισχύ απευθείας από τον άξονα πρόωσης πλοίου. Αρχικά, παρουσιάστηκαν τα συστήματα ηλεκτροπρόωσης, οι εφαρμογές τους, καθώς και η δυνατότητα χρησιμοποίησης γεννητριών οι οποίες προσλαμβάνουν κινητήρια ισχύ από τον άξονα πρόωσης πλοίων. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκε αξονική σύγχρονη γεννήτρια με τη χρήση προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων. Ακολούθησε ο προσδιορισμός των παραμέτρων του δυναμικού μοντέλου της. Επιπλέον, μελετήθηκε σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας η μεταβολή της ηλεκτρομαγνητικής ροπής συναρτήσει της εσωτερικής γωνίας ροπής και υπολογίσθηκε η επαγόμενη ΗΕΔ στα τυλίγματα του στάτη κατά τη λειτουργία της. Οι προαναφερθείσες αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν με ευρείας διάδοσης λογισμικά που χρησιμοποιούν την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την ανάλυση του μαγνητικού πεδίου διατάξεων και την αριθμητική ολοκλήρωση διαφορικών εξισώσεων για την μοντελοποίηση δυναμικών συστημάτων (FEMM και Matlab/Simulink, αντίστοιχα). Στη συνέχεια, μελετήθηκε η συμπεριφορά της γεννήτριας σε περιπτώσεις τριφασικού βραχυκυκλώματος και απότομης μεταβολής της μηχανικής ροπής. Τέλος, εξετάσθηκε η δυναμική συμπεριφορά της αξονικής γεννήτριας σε περιπτώσεις λειτουργίας της ως ηλεκτρικού κινητήρα πρόωσης περιορισμένης ισχύος για τη πρόωση του σκάφους σε έκτακτες περιπτώσεις βλάβης της κινητήριας μηχανής.

The present diploma thesis undertakes the design and transient analysis of a ship’s shaft generator. A synchronous generator has been designed, based on specifications and standards permitting to be directly driven from the ship’s shaft. An introduction of the electric propulsion systems and their applications has been presented along with the possibility of driving directly a synchronous generator. In a first step a shaft generator has been designed by using a software based on the finite element method. In a second step the dynamic model parameters of the generator have been determined. In addition, the steady state behavior of the generator has been analysed by calculating the electromagnetic torque variation with the generator internal angle as well as the induced EMF in stator windings. The above mentioned analyses were carried out by using popular packages based on the finite element method for the magnetic field analysis and numerical time integration methodologies for differential equations solution and dynamic systems simulation (FEMM and Matlab/Simulink software, respectively). Moreover, the dynamic generator response has been modeled in cases of three phase short-circuit and mechanical torque variations. Finally, the dynamic response of the shaft generator has been examined ensuring electric propulsion under limited power motor operation in cases of emergency due to important failure in the main propulsion engine.