Αρχές σχεδίασης μετασχηματιστών ισχύος για εφαρμογές σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας πλοίων

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας αφορά τις αρχές διαστασιολόγησης μετασχηματιστή ισχύος με κλασικές μεθοδολογίες που καλύπτουν τόσο το ηλεκτρικό μέρος, όσο και το μηχανολογικό (μηχανική αντοχή, θερμική καταπόνηση), με σκοπό να αξιοποιηθεί σε σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας πλοίου ή λιμένος που διασυνδέεται με την τροφοδότηση του πλοίου από ξηρά. Περιλαμβάνει αντίστοιχη αριθμητική εφαρμογή και ανάπτυξη κώδικα σε προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, στα συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης των πλοίων, στη χρήση των μετασχηματιστών σε πλοία και λιμένες και αναφέρονται οι ιδιαιτερότητες των μετασχηματιστών σε τέτοιες εφαρμογές. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται η βασική θεωρία και οι αρχές λειτουργίας μονοφασικών και τριφασικών μετασχηματιστών. Πραγματοποιείται η ανάλυση του ισοδύναμου κυκλώματος ενός μετασχηματιστή μαζί με τον υπολογισμό των βασικών μεγεθών του. Παρουσιάζονται όλα τα σημαντικά χαρακτηριστικά που φέρει ένας μετασχηματιστής, επεξηγούνται οι διαφορετικοί τύποι μετασχηματιστών όπως επίσης και οι δοκιμές στις οποίες υπόκεινται αυτοί κατά την παραγωγή τους. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της κλασικής μεθόδου σχεδίασης του μετασχηματιστή. Επεξηγούνται όλα τα στάδια κατά το σχεδιασμό του και όλες οι παράμετροι που επηρεάζουν τη διαδικασία αυτή. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση σε κατασκευαστικά και ενεργειακά ζητήματα, όπως η διαμόρφωση των κύριων τμημάτων που απαρτίζουν το μετασχηματιστή, η θερμική μελέτη αυτού, οι αντοχές σε υπερτάσεις, η τεχνολογία των μονωτικών υλικών κα. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία από τις πολλαπλές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση ενός μετασχηματιστή. Συγκεκριμένα αναπτύσσονται βήμα βήμα όλα τα υπολογιστικά βήματα, επεξηγούνται όλοι οι παράμετροι οι οποίοι επηρεάζουν οποιαδήποτε υπολογιστική σχέση εντός της μεθόδου και επεξηγούνται όλοι οι πιθανοί περιορισμοί που πρέπει να ικανοποιούνται για την εύρεση εφικτής λύσης. Το πέμπτο κεφάλαιο αποτελείται από την ανάπτυξη κώδικα σε προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB της διαδικασίας βελτιστοποίησης που παρουσιάζεται στο τέταρτο κεφαλαίο. Πιο συγκεκριμένα με την επιλογή μόλις μερικών παραμέτρων και την εκτέλεση του, ο κώδικας δημιουργεί πίνακα αποτελεσμάτων, που εμπεριέχει σημαντικές παραμέτρους του μετασχηματιστή, με όλες τις εφικτές λύσεις ταξινομημένες κατά αύξουσα σειρά με γνώμονα το συνολικό κόστος κατοχής. Για την επίδειξη της ικανότητας του συγκεκριμένου κώδικα εκτελούνται τρία διαφορετικά παραδείγματα για τρεις διαφορετικές ομάδες παραμέτρων που αντιστοιχούν σε τρεις διαφορετικούς μετασχηματιστές και εμφανίζονται – σχολιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα τους. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση στα συμπεράσματα των προηγούμενων κεφαλαίων, παρουσιάζονται συνοπτικά νέες τεχνολογίες μετασχηματιστών και αναπτύσσονται περιοχές για περαιτέρω μελέτη – έρευνα πάνω στο θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τέλος η εργασία συμπληρώνεται με τη βιβλιογραφία και το παράρτημα το οποίο εμπεριέχει αναλυτικά τον αναπτυχθέντα κώδικα που χρησιμοποιήθηκε στο πέμπτο κεφάλαιο.