Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός πλήρους αυτοματοποιημένου συστήματος παραγωγής και παροχής ηλεκτρικών τάσεων με τη χρήση Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή (PLC) και συστήματος εποπτικού ελέγχου και συλλογής πληροφοριών (SCADA). Το σύστημα βρίσκεται στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Ο αρχικός σχεδιασμός και υλοποίηση του συστήματος έγινε το 1987 από την εταιρία ΑSEA BROWN BOVERI (ABB). Με την πάροδο του χρόνου εμφανίστηκαν βασικά λειτουργικά προβλήματα τα οποία σε συνδυασμό με την ανύπαρκτη τεχνική υποστήριξη οδήγησαν στην προβληματική λειτουργία και σταδιακά στην κατάρρευση του συστήματος. Στην πορεία λειτούργησαν κάποιες παροχές (Ε1 και Ε3) μέσω κονσόλας κλασικού αυτοματισμού με μπουτόν. Έτσι, με την πρωτοβουλία του Καθηγητή Δρ. -Μηχανικού κου Αθανασίου Ν. Σαφάκα ανατέθηκαν 7 διπλωματικές εργασίες σε φοιτητές του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, οι οποίες είχαν ως στόχο την επαναλειτουργία του αρχικά αυτοματοποιημένου συστήματος, με χρήση Προγραμματιζόμενων Λογικών Ελεγκτών τελευταίας γενιάς. Για την πραγματοποίηση του έργου αυτού, το σύστημα μελετήθηκε εκτενώς, καταγράφηκαν όλα τα στοιχεία του και επαναλειτούργησε, σταδιακά, σε τρεις φάσεις ανάθεσης διπλωματικών εργασιών. Συγκεκριμένα πρόκειται για την παραγωγή 10 διαφορετικών τύπων τάσεων σε 12 εργαστηριακές θέσεις. Στην 3η φάση υλοποίησης και ολοκλήρωσης του έργου, όπου εντάσσεται και αυτή η διπλωματική, υλοποιήθηκαν οι εξής παροχές: • Ε6 = 0V…230V DC • Ε7 = 0V…230V DC • Ε8 = 0V…500V DC • Ε9 = 149V…450V DC • Ε10 = 150V…500V AC, 15…100Hz Πρόκειται για μεταβλητές τάσεις που παράγονται από ζεύγη ηλεκτρικών μηχανών. Οι μηχανές αυτές βρίσκονται στο υπόγειο του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και ο χειρισμός τους γίνεται από ένα φιλικό ως προς το χρήστη περιβάλλον μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή (σύστημα SCADA). Ο χειριστής δεν χρειάζεται να έχει ιδιαίτερες γνώσεις για να λειτουργήσει το όλο σύστημα διότι δεν έρχεται σε άμεση επαφή με τον Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) , ο οποίος είναι υπεύθυνος για την σωστή λειτουργία του συστήματος. Ο χειριστής έρχεται μόνο σε επαφή με το σύστημα SCADA , το οποίο βασίζεται στο πρόγραμμα του PLC για να λειτουργήσει. Έτσι το σύστημα που υλοποιήθηκε παρέχει ασφαλιστικές δικλείδες για την αυτόματη αντιμετώπιση οποιουδήποτε είδους σφάλματος παρουσιαστεί (υλικού αλλά και χειρισμού) , προειδοποιητικά μηνύματα και καταγραφή ιστορικού βλαβών. Ουσιαστικά προλαμβάνει και αντιμετωπίζει το σφάλμα αλλά και το λάθος του χειριστή αυτόματα και ταχύτατα. Κάποια μέρη της εργασίας με ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι: για την διεκπεραίωση της παροχής Ε9 γίνεται παραλληλισμός σύγχρονης γεννήτριας στο δίκτυο αυτόματα μέσω του Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή. Επίσης δημιουργήθηκε ένας ομαλός εκκινητής (soft starter) για έλεγχο ασύγχρονης μηχανής εκμεταλλευόμενοι την παροχή Ε10. Όλες οι παροχές μπορούν να δοθούν στους εργαστηριακούς πάγκους για εκπαιδευτικούς αλλά και ερευνητικούς σκοπούς. Στην διπλωματική γίνεται εκτενή αναφορά στις παραπάνω παροχές ,στις συνδεσμολογίες που κάναμε ,στον προγραμματισμό του PLC καθώς και στο σύστημα SCADA που έρχεται σε επαφή ο χειριστής. / This diploma thesis’ objective was to create a fully automated electrical voltage production and supply system using Programmable Logical Controller (PLC) and Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA). This system is located in the Electromechanical Energy Conversion Laboratory of Electrical and Computer Engineering Department. The initial design and implementation of the system was in 1987 by ΑSEA BROWN BOVERI (ABB). The basic operational problems combined with little technical support led to the insufficient operation and gradually to the collapse of the system. Some supplies (E1 and E3) operated later on, using typical automation control with button console. So, Professor Dr.-Ing. Athanasios N. Safacas initiated the reoperation of the automated system with the use of new PLCs. For this purpose he assigned seven diploma thesis to the students of Electrical and Computer Engineering Department. To complete the project, the system had to be fully analyzed and its components fully registered. The project was finalized after three phases. The system includes 10 different types of electrical voltage in 12 different laboratory locations. During the third phase, that this diploma thesis is part of, the following supplies needed to be implemented : • Ε6 = 0V…230V DC • Ε7 = 0V…230V DC • Ε8 = 0V…500V DC • Ε9 = 149V…450V DC • Ε10 = 150V…500V AC, 15…100Hz These are variable voltage that are produced by electrical machine pairs. The machine are located at the basement of Electromechanical Energy Conversion Laboratory and they are operated by SCADA. The system is operated exclusively by SCADA ,so the operator doesn’t need to have special knowledge of the whole system. The system is secured against any error (hardware or operation) and offers warning messaging and saves error history. Some sections of great interest are: • The E9 supply operates through parallelism of synchronous generator with the energy network. This is achieved auto by the Programmable Logical Controller. • The E10 supply was used to provide a soft starter simulation in order to control the speed of asynchronous machine. In the diploma thesis includes all the information about the power supplies, the connections that were made, the PLC programming and the making of the SCADA system.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικής σύγχρονης γεννήτριας εκτύπων πόλων κατά την εκκίνηση, καθώς και την ηλεκτρομαγνητική μελέτη ενός συστήματος δύο βαθμών ελευθερίας (στρόβιλος-γεννήτρια). Τέλος, θα γίνει σχολιασμός των αποτελεσμάτων. / The aim of the thesis is to study and analyze the operation of three phase synchronous generators with salient poles at startup, and electromechanical advancement of a system of two degrees of freedom (turbinegenerator) which is oscillated. Comments of the findings will follow in the last chapter. The thesis is structured in five chapters. Chapter 1 introduces the literature review where there is a general description of the basics of electric energy and the principles regarding the construction and operation of synchronous machines and in particular three-phase synchronous machines with salient poles. In chapter 2, a comprehensive analysis of oscillating systems is made of one and two degrees of freedom. A comparison is then made between linear and rotary motion. In the end the mathematical model of a rotating part with two degrees of freedom and the constant of twisted spring is presented. Chapter 3 shows the main steps followed during the design stage of the model and it includes images of the main parts of the generator and the control windows of the software Opera-2d. In Chapter 4 we make a reference to the PI-controller which was used to control the speed of the generator. Then we give the parameters of analysis. In Chapter 5 shows the presentation of the simulation results during the startup of the synchronous generator until the steady state.

Η τριφασική σύγχρονη γεννήτρια αποτελεί βασική συνιστώσα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μεταβατικά φαινόμενα στις γεννήτριες συνήθως προκαλούνται από εξωτερικές αιτίες, κεραυνούς, βροχές και δυνατό αέρα. Σύμφωνα με τις στατιστικές το 70% των διαταραχών στις σύγχρονες γεννήτριες είναι βραχυκυκλώματα μιας φάσης με το έδαφος και μόνο 5% των βραχυκυκλωμάτων είναι τριφασικά. Η μελέτη των βραχυκυκλωμάτων σύγχρονης γεννήτριας είναι βασικό εργαλείο για το σχεδιασμό των συστημάτων ενέργειας, καθώς βοηθάει να σχεδιαστεί ο κατάλληλος εξοπλισμός προστασίας, ώστε να απομονωθεί από το υπόλοιπο σύστημα η βραχυκυκλωμένη γεννήτρια, την κατάλληλη στιγμή. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι αφ’ενός η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης γεννήτριας κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων, αναλύοντας τα είδη των σύγχρονων παραμέτρων και των σταθερών χρόνου και αφετέρου η κατανόηση της χρήσεως του πλήρους και των απλοποιημένων μοντέλων που να μπορούν να περιγράψουν με ακρίβεια τη δυναμική κατάσταση της γεννήτριας, κατά περίπτωση. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση, ώστε να δημιουργηθεί το απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο για την κατανόηση των μετέπειτα εννοιών ,ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο κάνουμε μια συνοπτική περιγραφή των διάφορων ειδών βραχυκυκλωμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το πλήρες μοντέλο της γεννήτριας για την περιγραφή της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια τριφασικών, διφασικών και μονοφασικών με το έδαφος βραχυκυκλωμάτων.Αυτό το μοντέλο προκύπτει αντικαθιστώντας τις συνθήκες των βραχυκυκλωμάτων στις εξισώσεις του γενικευμένου d-q-o μαθηματικού μοντέλου της σύγχρονης γεννήτριας. Τέλος μελετάμε τις κυματοσυναρτήσεις του ρεύματος διέγερσης και των ρευμάτων του στάτη που προκύπτουν για εφαρμογή του βραχυκυκλώματος τρεις διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλα τα είδη βραχυκυκλωμάτων και καταλήγουμε σε κάποια συμπεράσματα. Για να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη των συστημάτων ενέργειας, οι εξισώσεις της γεννήτριας πρέπει να ενσωματωθούν στις εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα μεταφοράς ενέργειας έτσι σε πολλές μελέτες συστημάτων ενέργειας είναι δυνατό και επιθυμητό να απλοποιήσουμε τις εξισώσεις της γεννήτριας ώστε να ενσωματωθούν πιο εύκολα στο δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσουμε 5 απλοποιημένα μοντέλα της σύγχρονης γεννήτριας, για τριφασικό συμμετρικό βραχυκύκλωμα, για αρχικά αφόρτιστη μηχανή .Πρωτού μελετήσουμε πως μπορούν να γίνουν αυτές οι απλοποιήσεις, αναπτύσουμε τα ισοδύναμα κυκλώματα για τη μόνιμη, μεταβατική και υπομεταβατική κατάσταση, καθορίζουμε τις επαγωγικές αντιδράσεις και τις σταθερές χρόνου και τέλος καταλήγουμε στα απλοποιημένα μοντέλα. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετάμε το ποιοτικό μοντέλο της γεννήτριας κατά το οποίο γίνεται αναπαράσταση της γεννήτριας για καθε μια από τις 3 καταστάσεις με ένα ισοδύναμο κύκλωμα μετασχηματιστή. / --

Οι σύγχρονες αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις καθώς και η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που κάνουν τα αιολικά συστήματα να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά συστήματα αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ανάλογα με την τεχνολογία που εφαρμόζουν χωρίζονται σε επιμέρους κατηγορίες. Στη παρούσα εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Η απήχηση της ΣΜΜΜ στα αιολικά συστήματα διαρκώς αυξάνει. Αυτό οφείλεται κυρίως στην απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, δακτυλιοφόρου δρομέα και εξωτερικής διεγέρσεως, που προσφέρουν οι μηχανές αυτές. Πράγμα που σημαίνει αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση. Στην εργασία αυτή θα μοντελοποιήσουμε και θα προσομοιώσουμε, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, το αιολικό σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Στο σύστημα αυτό θα εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου που μεγιστοποιεί την παραγόμενη ενέργεια ρυθμίζοντας κατάλληλα τις στροφές της μηχανής. Τέλος, θα παραθέσουμε τα αποτελέσματα μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και θα εξάγουμε ορισμένα συμπεράσματα. / Today’s increased energy needs and the increasing environmental pollution are the main reasons which make wind systems more usable in electric energy production. Wind systems use the kinetic energy of the wind. Depending on the technology they apply, they are divided into certain categories. In the present project we will study a varying speed wind system which uses a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The popularity of the PMSG in wind systems is continuously increasing. This is mainly due to the absence of gear box, wound rotor and external excitation which offer such machines. This means increased reliability and efficiency. In this project we will model and simulate, in Matlab/Simulink environment, the wind system described above. In this system we will apply a control strategy which maximizes the produced energy by regulating appropriately the speed of the machine. Finally, we will demonstrate the results among with a brief comment and we will extract some conclusions.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την ανάλυση της λειτουργίας ενός ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, αποτελούμενου από μηχανή Diesel και Σύγχρονη Γεννήτρια έκτυπων πόλων, το οποίο αποτελεί εφεδρική τροφοδοσία για φορτίο ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο βασικό δίκτυο. Στα πρώτα κεφάλαια της εργασίας παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση των μηχανών του παραπάνω συστήματος, και το μαθηματικό υπόβαθρο που τις περιγράφει. Η ανάλυση αυτή χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την εκτεταμένη παρουσίαση του τρόπου προσομοίωσής τους στο περιβάλλον Simulink του προγράμματος Matlab της εταιρίας Mathworks. Μετά την περιγραφή και τη δημιουργία του μοντέλου του συστήματος στο Simulink, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για διαφορετικές περιπτώσεις σφαλμάτων. Αναλύονται και παρουσιάζονται γραφικά οι επιπτώσεις του εκάστοτε σφάλματος στο σύστημα, καθώς επίσης και η δράση των διάφορων μηχανισμών που θα επαναφέρουν το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας. / The purpose of this diploma thesis is to analyze the operation of a genset consisting of a diesel engine and a synchronous generator, which provides backup supply for an asynchronous motor load when a fault occurs in the main grid. The first chapters of this thesis include the theoretical analysis of the system’s machines and the mathematical functions describing them. This analysis is then used to extensively describe the way these machines are simulated in the Simulink environment of the program Matlab. The simulation model of the whole system is then described and developed. Furthermore, simulation results of the model are presented for different types of faults in the main grid. The effects of these faults on the system are graphically analyzed, and so is the action of the regulators that will restore the system in the desired state of operation.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το διάστημα 11/2011-9/2012 στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλου. Σκοπός της εργασίας είναι η σύγκριση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συμβατικού σύγχρονου αντισταθμιστή και ενός εγκάρσιου στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) σε ένα εγκατεστημένο ηλεκτρικό δίκτυο, προσομοιώνοντας διαφορετικές περιπτώσεις που επηρεάζουν την διαδικασία αντιστάθμισης αέργου ισχύος και υποστήριξης τάσης σε ζυγούς του δικτύου. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται το μαθηματικό μοντέλο του σύγχρονου αντισταθμιστή, οι επαγωγικές παράμετροι που το χαρακτηρίζουν, τα διαφορετικά μοντέλα συστημάτων διέγερσης που χρησιμοποιούνται και ο Μετασχηματισμός Park. Όσον αφορά τον εγκάρσιο στατικό αντισταθμιστή (SVC) παρουσιάζονται οι βασικές αρχές ελέγχου των TCR και TSC που διαθέτει, η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος και γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των συνιστωσών του συστήματος ελέγχου του, όπως ο ρυθμιστής τάσης, το σύστημα συγχρονισμού και η γεννήτρια παραγωγής παλμών. Τέλος, για την μοντελοποίηση και την προσομοίωση των αντισταθμιστών και του ηλεκτρικού δικτύου χρησιμοποιείται το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC λόγω της αξιοπιστίας και της ευχρηστίας του σε μεγάλος εύρος ενεργειακών μελετών. / The current thesis was held during the period 11/2011-9/2012 within the research activities of the Generation, Transmission, Distribution and Utilization of Electric Energy Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Professor Gabriel B. Giannakopoulos. The purpose of this study is to compare the dynamic performance of a conventional synchronous condenser and a static reactive power compensator (SVC) on an installed electrical grid, simulating different cases affecting the process of reactive power compensation and voltage support at the network’s load buses. This thesis includes representation of the mathematical model of the conventional synchronous condenser and the inductive parameters that characterize it, the different excitation system models used and the Park Transformation. Regarding the static VAR compensator (SVC), this thesis also refers to the fundamentals of TCR and TSC control, the explanation of the current-voltage characteristic and the analytic description of the control system’s components, such as the voltage regulator, the synchronization system and the gate-pulse generator. Lastly, for the modeling and simulation of both compensators and the installed electrical grid, the simulation program used is PSCAD / EMTDC because of its usability and reliability on a wide range of energy projects.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της σύγχρονης μηχανής αξονικής ροής με μόνιμους μαγνήτες, που προορίζεται να λειτουργήσει σε ανεμογεννήτρια, μέσω της δημιουργίας του αντίστοιχου τρισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της εργασίας είναι η σχεδίαση και η εξομοίωση του μοντέλου στις τρεις διαστάσεις μέσω του λογισμικού της OPERA 3D. Τα δεδομένα, προκειμένου να επιτευχθεί η σχεδίαση της μηχανής, προέκυψαν έπειτα από ακριβή διαδικασία διαστασιολόγησής της αξιοποιώντας τις θεωρητικές σχέσεις που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, περιγράφουν τη λειτουργία της. Η δομή της διπλωματικής εργασίας διαρθρώνεται ως εξής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στο θέμα της αιολικής ενέργειας σε σχέση με την αξιοποίησή της τόσο σε εγχώριο όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο, καθώς επίσης και μια παράθεση στοιχείων που αφορούν τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διερεύνηση της βέλτιστης τοπολογίας σύγχρονης μηχανής αξονικής ροής που φέρει μόνιμους μαγνήτες για χρήση σε ανεμογεννήτρια. Η διερεύνηση γίνεται ως προς τη διάταξη δρομέα – στάτη, το τύλιγμα και τους μαγνήτες της μηχανής. Συνεχίζοντας, στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση της συγκεκριμένης μηχανής και η βήμα προς βήμα διαδικασία της διαστασιολόγησής της. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να διευκρινιστεί ότι το περιεχόμενο αυτού του κεφαλαίου είναι αποτέλεσμα συνεργασίας με τη φοιτήτρια του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών Αγγελίνα Ιωάννου, της οποίας η Διπλωματική Εργασία είναι παρόμοιου θέματος με αυτό της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη θεωρητική προσέγγιση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων και μια εισαγωγή στον τρόπο λειτουργίας του λογισμικού της OPERA 3D. Στο πέμπτο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο που σχεδιάστηκε το μοντέλο στην OPERA 3D. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις εξομοιώσεις του μοντέλου στην OPERA 3D οι οποίες περιλαμβάνουν: • Στατική γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη • Στατική μη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη • Στατική γραμμική ανάλυση της τοπολογίας μονού δρομέα – μονού στάτη • Στρεφόμενη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη εν κενώ • Στρεφόμενη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη για διάφορα φορτία / The subject of this thesis is the research of a permanent magnet axial flux synchronous machine, which is intended to operate in a wind turbine, through finite element analysis. The purpose of this thesis is the design and the simulation of the model in three dimensions using the software OPERA 3D. The data we needed, in order to achieve the design of the machine, were results of a detailed process of sizing with the use of all the theoretical relationships that, according to the literature, describe machine’s operation. This thesis is structured as follows. The first chapter is a brief reference to the issue of wind energy in relation to its use both in Greece and abroad, as well as a quote data concerning the characteristics and operation of wind turbines. The second chapter presents the investigation of the optimal topology of a permanent magnet axial flux synchronous machine used in wind turbines. The investigation includes the rotor – stator order, the winding and the magnets of the machine. Continuing, the third chapter presents the theoretical analysis of this machine and the step by step process of sizing. It should be noted that the content of this chapter is the result of cooperation with the student of the Department of Electrical and Computer Engineering in the University of Patras, Aggelina Ioannou whose thesis subject is similar to that of this thesis. The fourth chapter is a brief theoretical approach to the finite element method and an introduction to the way the software OPERA 3D operates. The fifth chapter provides basic information about how the model was designed to OPERA 3D. Finally, the sixth chapter presents the results obtained from simulations of the model in OPERA 3D which include: • Static linear analysis of the double rotor – single stator topology • Static non linear analysis of the double rotor – single stator topology • Static linear analysis of the single rotor – single stator topology • RΜ linear no load analysis of the double rotor – single stator topology • RΜ linear load analysis of the double rotor – single stator topology

Thesis (MEng)--University of Stellenbosch, 2000. / ENGLISH ABSTRACT: This thesis deals with different design aspects of the multi-flux barrier rotor of the reluctance synchronous machine (RSM). The effect of the different designs on the performance of the RSM is investigated by means of two-dimensional finite element analysis. The finite element analysis is also directly used in the optimum design of the rotor of the RSM. The importance of the use of the finite element analysis in the design and performance calculations of the RSM is illustrated in this thesis. The design aspects of the RSM which are focussed on in this thesis are, amongst other things, the chording of the stator winding, the skewing of the rotor and the ratio of the number of rotor flux barriers to the number of stator slots of the RSM. The effects of these design aspects on the average torque and torque ripple of the RSM are investigated and general design directives are given. The occurrence of flux pulsations in the stator teeth and rotor iron segments of the RSM are also studied to some extent. The finite element optimum design of a4-pole RSM-rotor with a high number of flux barriers is described in the thesis. This optimum designed rotor is built and the RSM with this rotor is tested in the laboratory. Its calculated and measured performances are studied and compared with a conventional, low number rotor flux barrier RSM. It is found, amongst other things, that the RSM with the high number of rotor flux barriers has a slightly higher average torque with a significantly lower torque ripple. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis handeloor verskillende ontwerp-aspekte van die reluktansie sinchroonmasjien (RSM) met 'n multi-vloedversperringsrotor. Die effek van die verskillende ontwerpe op die vermoë van die RSM is met behulp van twee-dimensionele eindige element analise ondersoek. Die eindige element analise is ook direk in die optimum ontwerp van die rotor van die RSM gebruik. Die belangrikheid van die gebruik van die eindige element analise in die ontwerp en vermoë-berekening van die RSM word in die tesis geïllustreer. Die ontwerp-aspekte van die RSM waarop in hierdie tesis gefokus word, is onder andere die spoelsteekverkorting van die statorwikkeling, die skuinsing van die rotor en die verhouding van die getal rotor-vloedverperrings tot die getal statorgIeuwe van die RSM. Die effek van hierdie ontwerpaspekte op die gemiddelde draaimoment en draaimoment-rimpel van die RSM word ondersoek en algemene riglyne vir die ontwerp van die RSM word gegee. Die voorkoms van vloedpulsasies in die statortande en rotor yster segmente van die RSM word ook deels ondersoek. Die eindige element optimum ontwerp van 'n 4-pool RSM-rotor met 'n hoe getal vloedversperrings word in die tesis beskryf. Hierdie optimum ontwerpte rotor is gebou en die RSM met hierdie rotor is in die laboratorium getoets. Die berekende en gemete vermoë is bestudeer en vergelyk met die vermoë van 'n RSM met 'n konvensionele, lae getal vloedversperrings rotor. Dit is onder andere gevind dat die RSM met die hoë getal rotor-vloedversperrings 'n effens hoër gemiddelde draaimoment het met 'n behuidende laer draaimoment-rimpel.

Les langages synchrones ont été fondés pour modéliser et implémenter les systèmes réactifs temps-réels critiques. Avec la complexité toujours croissante des systèmes contrôlés, la vitesse d'exécution devient un critère important. Nous sommes donc à la recherche d'une exécution parallèle, combinant efficacité et sûreté.Les langages synchrones ont toujours intégré la notion de parallélisme, mais ce, pour l'expressivité de la modélisation. Leurs compilations visent principalement les circuits ou la génération de code séquentiel. Tous ont une sémantique formelle, qui rend possible la distribution correcte du code. Mais la préservation de cette sémantique peut être un obstacle à l'efficacité du code généré, particulièrement s'il est nécessaire de préserver une notion d'instant global au système.Le modèle sémantique qui nous intéresse est celui des réseaux de Kahn. Ces réseaux modélisent des calculateurs distribués, communiquant au travers de files de taille non bornée. Dans ce cadre, la distribution ne demande aucune communication ni synchronisation supplémentaire. En considérant l'histoire des files de communication, la sémantique de Kahn permet de s'abstraire de l'exécution effective, tout en garantissant le déterminisme du calcul. Pour cela, chaque nœud du réseau doit avoir une sémantique fonctionnelle continue.Le langage que nous développons est Heptagon, un langage synchrone fonctionnel du premier ordre, déscendant de Lustre. Son compilateur est un prototype universitaire, apparenté à l'outil industriel Scade. Grâce à sa sémantique de Kahn, la distribution d'un programme Heptagon ne pose pas de question, son efficacité beaucoup plus.L'efficacité requiert de minimiser les synchronisations. Cela revêt deux aspects non indépendants. Avoir un découplage suffisant des calculs : il y a des délais dans les dépendances entre calculs. Avoir une granularité importante des calculs : un fort ratio temps de calcul sur fréquence de communication. Or la sémantique synchrone et les horloges d'un programme Heptagon reflètent exactement l'inverse. Elles permettent au programmeur de se contenter d'un découplage d'un instant et à chaque instant, au maximum une valeur est calculée. De plus, les instants sont typiquement courts, pour assurer que le système réagit rapidement.Des précédents travaux sur le sujet, nous tirons deux constats.Le premier est que nous souhaitons le contrôle du parallélisme par le programmeur, directement dans le code source. Il doit pouvoir maîtriser à quels instants il y a communication ou synchronisation. La solution que nous proposons dans ce manuscrit est l'utilisation des futures dans Heptagon. Ils fournissent ce pouvoir au programmeur, tout en restant des annotations qui peuvent être supprimées sans changer la sémantique dénotationnelle du programme.Le deuxième constat est que la question de la granularité des calculs est une question profonde, touchant en particulier aux questions de dépendance de données, de choix des horloges et de compilation modulaire. Heptagon, comme ses parents, restreint les réseaux de Kahn qui peuvent être écrits, de telle sorte que ces trois questions se traitent séparément. Pour mieux comprendre le lien entre ces éléments, nous revenons aux réseaux de Kahn. Notre principal résultat est la définition de la sous-classe des réseaux ordonnés réactifs. Ceux-ci sont les seuls pour lesquels nous pouvons décrire modulairement le comportement avec des horloges, sans restreindre les contextes d'appels. Ces réseaux ont une signature d'horloge en forme normale, qui maximise la granularité. Pour l'exprimer, nous introduisons les horloges entières, décrivant la communication de plusieurs valeurs en un seul instant. Nous appliquons ensuite nos résultats pour voir sous un nouveau jour Heptagon, Signal, les politiques des objets de Lucid Synchrone, mais aussi proposer une analyse pleinement modulaire de Lucy-n langage synchrone le plus fidèle aux réseaux de Kahn. / Synchronous languages are used to program critical reactive systems. Today, systems require to find a way to execute them safely and in parallel. Parallelism has always been part of synchronous langages, but for modeling purpose. Their formal semantics allow to distribute them, but preserving the semantics may be ressource costly and prevent good parallel execution.The Kahn networks model is of great interest. It models distributed computers, communicating through unbounded FIFOs, ensuring that the computed values are deterministic, without any need of added synchronization.We develop the langage Heptagon, a first order functional synchronous son of Lustre.The compiler is an academic prototype of the industrial tool Scade. Thanks to its Kahn semantics, it can be distributed. In order to be efficient, one need to maximize the decoupling of computations and maximize the computation granularity. However, synchronous langages allow for very tight computation coupling and usually require thin computation granularity to ensure reactivity of the system.We opt for two research directions. The first one is to give the control of the execution parallelism to the programer. To this mean, we add futures to the source langage Heptagon. They provide control over starting and end of parallel computations, while preserving the functional semantics. Moreover, we provide a compilation for embedded systems, using statically allocated memory. The second one is to study Kahn synchronous semantics to understand data dependencies and maximize granularity of the computations. This touches deeply to the synchronous languages, mixing the usually separated questions of causality and clock calculus. We define the class of reactive ordered Kahn networks. They are the one which may be modularly compiled and whose behavior may be expressed with a clock signature. Moreover, we show that their is a normal form for this signature, maximizing the granularity of the network. To express it, we extend clocks to integer clocks. Then we come back to the synchronous languages we know to understand how to use it. The result is fully used and explained on Lucy-n, the synchronous language closest to Kahn networks.

L’enjeu de la thèse concerne la modélisation électromagnétique des machines synchrones à réluctance, avec comme objectif final : obtenir un modèle suffisamment précis et rapide pour, d’une part, être capable de calculer les ondulations de couple et d’autre part servir pour de l’optimisation dimensionnelle et pouvoir être couplé à un logiciel de type circuit pour tester une loi de commande. Un modèle du type schéma réluctant a été mis en place petit à petit avec validations à chaque étape. La modélisation des échanges dans l’entrefer utilise en final une fonction originale (intégrale de Fermi-Dirac) qui a entièrement été paramétrée avec les dimensions caractéristiques de la machine.Ce modèle de la machine, piloté par les courant, a ensuite été couplé avec un circuit électrique grâce à une interface de transformation tension-courant. Les optimisations réalisées avec ce modèle ont permis de mettre en évidence certains manques dans les contraintes dimensionnelles initiales et, celles-ci corrigées, de montrer que ce modèle était parfaitement utilisable pour cette démarche d’optimisation. / This thesis aims the electromagnetic modeling of synchronous reluctance machines, with a final goal: to obtain a fast and sufficiently accurate model, able to calculate the torque ripple and to be used for optimal machine design and also capable to be coupled to circuit software to test control techniques.A MEC (magnetic equivalent circuit) model was created step-by-step and validated at each step. Final model of the air-gap is based on a function (Fermi-Dirac integral), which has been completely parameterized by machine dimensions. This model of the machine is driven by current; afterwards it was coupled with an electric circuit thanks to a voltage-current transformation interface. The optimizations made with the model allowed to highlight some deficiencies in the initial dimensional constraints. After corrections the model could be efficiently used in an optimization process.