With the advent of power electronics, inverter-driven induction motor are finding increased use in industries because of applications that demand variable speed operations and because of the potential savings in energy usage. However, these drives sometimes produce unacceptably high levels in vibration and acoustic noise. A literature survey has revealed that while there has been intensive research on the design of inverters to minimize acoustic noise radiation from these drives, the vibro-acoustic behaviour of an induction motor structure has received relatively little attention. The primary objective of this research project, therefore, is to develop a general strategy/algorithm for estimating the acoustic noise radiated from inverter-driven induction motors. By using a three-phase, 2.2 kW induction motor, the vibration modes due to various structural components (such as the rotor, the stator/casing, the endshields and the base plate) of the motor structure were analysed by experimental modal testing. Results indicate that the vibration modes due to the rotor are only important at low frequencies. It has been found that the power injection method gives more accurate measurement of the damping of a motor structure than the modal testing and the time decay methods. If a point force excitation is used, then it is more accurate to measure the sound radiation efficiency than the power conversion efficiency for motor structures. The effect of three different inverter designs (an ideal ???almost sinusoidal??? controller and two commercially available PWM inverters) on the radiated acoustic power were assessed for both no-load and load conditions using sound intensity measurements conducted in an anechoic room. The results indicate that although the sound power level due to aerodynamic and mechanical noise increases at a rate of 12 dB per doubling of the motor speed, the electromagnetic noise dominates at low motor speeds and is still a significant noise source even at high motor speeds. For inverters with low switching frequencies, the radiated sound power level is almost 15 dB higher than the ideal case at low speeds and is relatively insensitive to the motor speed. For inverters that implement the random modulation technique, the change in the total sound power level with the level of the random modulation is very small but the tonal nature of the noise is greatly reduced. The vibration behaviour of a motor structure was modeled using the finite element method (FEM) and validated using the experimental modal testing results. It has been found that it is essential to model the laminated stator as an orthotropic structure. While the details of other structural components (such as the endshields, the teeth in the stator and the windings) are not so important, it is essential that they are incorporated into the structural model as simplified structures to account for their mass, stiffness and boundary conditions imposed on the motor structure. Based on this structural model, the radiated acoustic power for various operating conditions has been predicated using the boundary element (BEM) and the electromagnetic force calculated from an electromagnetic finite element model. The predicted results agree reasonably well with experimental measurements. Despite the success of the FEM/BEM approaches, they can be prohibitively expensive (in terms of computer resources required) to apply to large motors and high frequencies. Thus the feasibility of using a statistical method, namely, the statistical energy analysis (SEA), to estimate the radiated acoustic sound power from an inverter-driven induction motor has been examined. In order to carry out this analysis, analytical expressions for calculating the natural frequencies and radiation efficiency of finite length circular cylindrical shells (which are simplified models of the stator and casing of a motor structure) were firstly derived. The internal loss factors and coupling loss factors of the motor structure were determined experimentally using the power injection method. Then by introducing an equivalent surface mobility of circular cylindrical shells for the electromagnetic force, the vibration response and the acoustic noise radiated from each part of the motor structure were estimated. Results indicate that SEA method is potentially an efficient and effective tool in estimating the noise radiated from inverter-driven induction motors.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005. / Title from first page of PDF file. Document formatted into pages; contains xvi, 209 p.; also includes graphics. Includes bibliographical references (p. 202-209). Available online via OhioLINK's ETD Center

Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. Department of Electrical and Computer Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005. / Available online via OhioLINK's ETD Center; full text release delayed at author's request until 2006 Aug 15.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η προσομοίωση και κατακευή ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος για τη σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο του υβριδικού συστήματος της ανεμογεννήτριας και των φωτοβολταϊκών πλαισίων που είναι εγκατεστημένα στο εργαστηρίο Ε.Η.Μ.Ε. / This study is about simulation and constraction of a grid connected converter which connects a photovoltaic panel and a wind turbine into the electric grid.

Στην περιγραφόμενη διπλωματική εργασία μελετώνται τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα και γίνεται η μελέτη για την τροφοδότηση μιας αγροικίας στην περιοχή της Πάτρας. Τέτοια συστήματα αποτελούνται από φωτοβολταϊκά πλαίσια, συσσωρευτές και ηλεκτρονικές διατάξεις. Τα πλαίσια είναι αυτά που συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και μέσω ενός μηχανισμού, που λέγεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο, την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι συσσωρευτές αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια, την οποία εκμεταλλευόμαστε όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις, δηλαδή ο μετατροπέας τάσης και ο ελεγκτής φόρτισης, ευθύνονται για την μετατροπή της συνεχούς ισχύος σε εναλλασσόμενη καθώς, επίσης, και για την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Αφού γίνει παρουσίαση όλης της θεωρίας και των μαθηματικών τύπων που απαιτούνται, γίνεται εφαρμογή τους μέσω του σχεδιασμού του κατάλληλου φωτοβολταϊκού συστήματος για την τροφοδότηση της αγροικίας. / The subject of this diploma thesis is the study of stand-alone photovoltaic systems. Such systems include photovoltaic modules, batteries, inverters and charge controllers as well. The photovoltaic modules collect solar energy and transform it into electrical energy via a mechanism that is called photovoltaic effect. Batteries storage electrical energy and are used when the electrical demand is greater than the energy generated by the modules. Inverters are used to convert DC power into AC power and charge controllers connect or disconnect the batteries from the system, as needed. After presenting the theory data required, a stand-alone photovoltaic system is designed so as to supply a country house.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε και συγκρίνουμε τις τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης της ανεμογεννήτριας, παραθέτουμε στοιχεία για τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος κατασκευάστηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Κ.Περάκη, καθώς και μελετούμε τον μονοφασικό αντιστροφέα. Επιπρόσθετα, μελετούμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM) τόσο με μονοπολική όσο και με διπολική τάση εξόδου. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη διερεύνηση μεθόδου εξοικονόμησης ενέργειας σε ηλεκτροκίνητο όχημα, μέσω ελέγχου του κινηητήρα για την ελαχιστοποίηση των απωλειών του ηλεκτροκινητήριου συστήματος. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, το ηλεκτροκινητήριο σύστημα αποτελείται από ασύγχρονο τριφασικό κινητήρα οδηγούμενο. από αντιστροφέα τάσης, ο οποίος τροφοδοτείται από συσσωρευτές. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η ανάπτυξη της μεθόδου εξοικονόμησης ενέργειας σε ηλεκτροκίνητο όχημα, μέσω ελαχιστοποίησης των απωλειών του συστήματος. Η ελαχιστοποίηση των απωλειών υλοποιείται μεταβάλλοντας τη μαγνητική ροή διακένου του ασύγχρονου κινητήρα και το λόγο μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων. Απώτερος στόχος είναι η επέκταση της μεθόδου ελαχιστοποίησης των απωλειών του ηλεκτροκινητήριου συστήματος που αναπτύχθηκε στη διδακτορική διατριβή του Ε.Ρίκου, "Μέθοδοι Εξοικονόμησης Ενέργειας σε Ηλεκτροκίνητα Οχήματα". Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2005, στην περίπτωση κινητήριου συστήματος με ασύγχρονο τριφασικό κινητήρα και αντιστροφέα και επιβεβαίωση της αποτελεσματικότητάς της σε θεωρητικό επίπεδο, επίπεδο προσομοίωσης και πειραματικό. Αρχικά, εξετάζονται οι σχέσεις που περιγράφουν τις απώλειες ισχύος που παράγονται κατά τη λειτουργία του ηλεκτροκίνητου οχήματος, καθώς και η εξάρτησή τους από τη μαγνητική ροή διακένου και το λόγο μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων. Στη συνέχεια, δείχνεται με γραφικό τρόπο η δυνατότητα ελαχιστοποίησης των απωλειών του συστήματος με τη μεταβολή της μαγνητικής ροής διακένου και του λόγου μετάδοσης για δεδομένες μόνιμες καταστάσης λειτουργίας (ταχύτητα και δύναμη στους τροχούς του οχήματος). Το επόμενο βήμα είναι η επιβεβαίωση της θεωρητικής μελέτης μέσω προσομοίωσης η οποία γίνεται σε περιβάλλον Matlab/ Simulink. Τέλος, κατασκευάζονται στο εργαστήριο πειραματική διάταξη με χρήση της οποίας διεξάγονται μετρήσεις για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης. / This diploma thesis discourses the analysis of an energy saving method in an electrically powered vehicle by control of the electric motor for the loss minimization of the electromotion system. In this case, the electromotion system consists of an induction motor, driven by a voltage inverter which is fed by batteries. This project was based in the Laboratory of Electromechanincal Energy Conversion of School of Engineering of University of Patras. The objective of this project is the development of the method for energy saving in an electrically powered vehicle, through system losses minimization. The loss minimization is carried out by controlling motor air-gap magnetic flux and gear ratio. The aim of the project is the extension of the electromotion system loss minimization method which was developed in the doctoral thesis of Evangelos Rikos, "Methods of energy saving in electric vehicles", University of Patras, department of Electrical and Computer Engineering, Patras 2005 for the case of a three phase induction motor and inverter electric drive, as well as the confirmation of its effectiveness in theoretical level, simulation and experimental level. At first, an analysis of the equations that describe the losses of the electric vehicle is performed as well as their dependence from the air-gap flux and gear ratio. Following, is graphically demonstrated the ability to minimize the losses of the electromotion system by controlling the air-gap flux and the gear ratio for certain steady states (values of force and velocity at the vehicle's wheels). The next step is the confirmation of the theoretical analysis by simulation which is carried out in Matlab/Simulink environment. Finally, a three phase inverter is constructed with the use of which, the experiment is carried out on order to confirm the efficiency and evaluate the accuracy of the theoretical analysis

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνώνται οι προδιαγραφές για την εγκατάσταση και τη διασύνδεση με το δίκτυο διανομής ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Ο όρος «οικιακό» αναφέρεται σε φωτοβολταϊκά συστήματα μικρής ισχύος, έως 10 kWp, τα οποία τοποθετούνται πάνω σε κτίρια ή ενσωματώνονται σε αυτά ενώ παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο μέσω της ίδιας παροχής του κτιρίου. Τα οικιακά φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα ώστε να αποτελέσουν πόλο έλξης για τους μελλοντικούς παραγωγούς όπως θερμική μόνωση, ηχομόνωση, ηλιο-προστασία, δεν απαιτούν επιπλέον χώρο για την εγκατάσταση τους, συνεισφέρουν στην κάλυψη του φορτίου αιχμής, δε περιλαμβάνουν κινητά μέρη, προσφέρουν έναν ελκυστικό σχεδιασμό κτιρίου και αντικαθιστούν συμβατικά κατασκευαστικά υλικά. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια θεωρητική ανασκόπηση της φύσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή του ηλιακού κυττάρου, των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των αρχών λειτουργίας τους, καθώς και παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και οι παράγοντες που τα επηρεάζουν. Εν συνεχεία, στο τρίτο κεφάλαιο μπορούμε να δούμε τα κριτήρια με τα οποία επιλέγεται ο τόπος και ο τρόπος εγκατάστασης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, και παρουσιάζονται οι αρχές σχεδιασμού του συστήματος ξεκινώντας από την επιλογή του αντιστροφέα μέχρι τα μέσα προστασίας και την καλωδίωση. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι απαιτήσεις που πρέπει να τηρούνται ώστε να καθίσταται εφικτή η διασύνδεση με το δίκτυο ΧΤ μιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζονται τα κριτήρια τήρησης των ανωτέρω απαιτήσεων, όπως η επάρκεια του δικτύου, η διαμόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης, οι μεταβολές της τάσης, το φαινόμενο flicker, η έγχυση αρμονικών, η νησιδοποίηση και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. Εν τέλει, στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για την μελέτη των παραπάνω προδιαγραφών σε δύο διατάξεις που εξομοιώθηκαν με το πρόγραμμα PSCAD. Η μια διάταξη περιλαμβάνει μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ισχύος 9.6 kWp, έναν μετατροπέα υποβιβασμού τάσης ο οποίος κάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος, έναν τριφασικό αντιστροφέα με παλμοδότηση SPWM, το φίλτρο LC για τη μείωση του αρμονικού περιεχομένου, έναν μετασχηματιστή απομόνωσης και ανύψωσης τάσης 150V/400V, το δίκτυο ΧΤ και το οικιακό φορτίο. Η δεύτερη διάταξη διαφοροποιείται από την πρώτη στο ότι δεν περιλαμβάνει μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, έτσι ο αντιστροφέας αναλαμβάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος. Αρχικά παρουσιάζεται η απόκριση των συστημάτων σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας και μέση φόρτιση, ενώ εξετάζεται και η επίδραση των τιμών των ελεγκτών στην απόκριση τους. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη αρμονικών και η διερεύνηση της επίδρασης της ακτινοβολίας στους συντελεστές ολικής αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος και τάσης, και στο συντελεστή ισχύος. Έπειτα εξετάζεται η απόκριση των συστημάτων σε απότομες μεταβολές της ακτινοβολίας και του φορτίου. Τέλος διερευνώνται οι διακυμάνσεις της τάσης που εμφανίζονται σε οριακές καταστάσεις λειτουργίας του φωτοβολταϊκού και φόρτισης του δικτύου ενώ εξετάζονται και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. / The aim of the present thesis is the study of the installation and grid-interconnection requirements and specifications of a domestic photovoltaic system. The term “domestic” refers to low power photovoltaic systems (up to 10 kWp), installed or integrated into buildings while providing electric power to the grid through the buildings main power connection. Domestic photovoltaic systems have a number of advantages, such as thermal / sound insulation, solar protection, they do not require extra space in order to be installed, they can contribute in the case of high power demand, they do not require any moving parts, they can prove attractive in terms of building design and even eventually substitute conventional building materials. These advantages are bound to put them in the center of electric power producers’ attention in the immediate future. In the first chapter a theoretic overview of the nature of solar radiation is presented. In the second chapter, photovoltaic cells and panels as well as their function and electrical properties are briefly analyzed. In the third chapter, the criteria of the photovoltaic system’s installation location and method – from the selection of a proper inverter to the system’s electrical protection equipment and wiring. In the fourth chapter the requirements that must be met in order to establish a connection with the power distribution grid are being presented. The relevant criteria such as: a) power grid adequacy, b) proper design and configuration of the grid connection protection equipment, c) voltage variations, d) flickering, e) voltage/current harmonics, f) islanding, and g) effects on 175Hz remote-operation systems are being studied. Finally, in the fifth chapter, PSCAD-realized simulations with two configurations are presented. The first configuration consists of a 9.6kWp photovoltaic array, a dc-to-dc buck converter which implements a maximum-power-point-tracking algorithm, a SPWM-pulsed three-phase inverter, a LC harmonic filter, an isolating 150V/400Vvoltage transformer, the low-voltage grid and a domestic electric load. The second configuration does not include a buck converter and thus, the maximum-power-point-tracking algorithm is implemented on the inverter. The systems’ response in normal operating conditions and with a medium load as well as the effect of different controller gains in the aforementioned response are initially presented. Afterwards, the system’s voltage/current harmonics and the effect of solar radiation in the Total Harmonic Distortion and Power factors are being studied. In continuation the system’s response in rapid change of solar irradiance / electrical load is presented. Finally, voltage variations which appear in boundary operating conditions of the grid and photovoltaic system, as well as the impact on 175Hz remote-operation systems are studied.

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να γίνει μια εκτενής καταγραφή και παρουσίαση των ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε) στο δίκτυο. Αφού γίνεται αρχικά μια αναφορά στις Α.Π.Ε και στα Ηλεκτρονικά Ισχύος, στη συνέχεια παρουσιάζονται οι διαφορετικές τοπολογίες των ηλεκτρονικών μετατροπέων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάθε εφαρμογή. Για τους μετατροπείς, εξηγείται πρώτα η λειτουργία τους και στη συνέχεια αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε τοπολογίας προκειμένου να παρέχεται στον αναγνώστη η δυνατότητα γρήγορης, εύκολης και άμεσης σύγκρισης. Επίσης, παρουσιάζονται κατάλληλα συστήματα για την αποθήκευση της ενέργειας προερχόμενη από Α.Π.Ε. Τέλος, προσομοιώνεται το ίδιο φωτοβολταϊκό σύστημα χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικούς μετατροπείς, διαφορετικής τοπολογίας ο κάθε ένας, προκειμένου να συγκριθούν και να αναλυθούν τα αποτελέσματα με βάση τη θεωρητική ανάλυση που έχει προηγηθεί. / The aim of this dissertation was to present the power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources. Once both the renewable energy sources and the power electronics are discussed, different topologies of power converters that can be used in such systems are presented. Converters’ operation is firstly explained, followed by a list of advantages and disadvantages of them so as the reader can make an easy, fast and direct comparison. Storage systems appropriate for renewable energy sources systems are also shown. At the end, a simulation of a photovoltaic system with three different kinds of inverter is performed in order to compare and analyze the results based on the theoretical analysis previously presented.