Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την μελέτη ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Το αιολικό σύστημα συγκροτείται από μία σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών και διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που μετατρέπουν αρχικά την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και στη συνέχεια τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη συχνότητας 50Hz για τη σύνδεση με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κατά σειρά μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους για την ανόρθωση της τάσης, ένας μετατροπέας για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης τύπου Boost και τέλος ένας μονοφασικός αντιστροφέας με MOSFET. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη, η προσομοίωση στον υπολογιστή καθώς και η κατασκευή της τελευταίας βαθμίδας σύνδεσης με το δίκτυο, δηλαδή του μονοφασικού αντιστροφέα. / This project deals with the study of a wind power system of production of electric energy which is connected in the low voltage network. This wind power system is constituted by a synchronous generator of permanent magnets and also by power electronics that convert the alternating voltage (A/C), which is produced by the generator, to continuous voltage (D/C) and back again to alternating voltage of 50Hz frequency in order to establish a connection with the network. In particular, we used a non controlled rectifier with diodes for the rectification of the voltage, a Boost converter for the elevation and the stabilisation of the voltage, a single-phase inverter with MOSFETs and finally a single-phase transformer. The goal of this project is the study, the simulation as well as the manufacture of the last part of the previous wind power system that is the single-phase inverter.

Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι ο σχεδιασμός των μονάδων που αποτελούν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης καθώς και η εξομοίωση του συστήματος αυτού χρησιμοποιώντας ως εργαλείο το πρόγραμμα MATLAB/Simulink. Το πρώτο βασικότερο στοιχείο του συστήματος είναι η φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Αναλύεται διεξοδικά η λειτουργία της μέσα από τη θεωρία, και ο σχεδιασμός της μέσα από μια σειρά υπολογισμών των σε σειρά και παράλληλων κλάδων κυττάρων που την αποτελούν. Η δημιουργία του μοντέλου της στο Simulink περιγράφεται λεπτομερώς και η ορθή λειτουργία της επιβεβαιώνεται από τις κυματομορφές εξόδου του μοντέλου αυτού. Το δεύτερο βασικό στοιχείο που επίσης αναλύεται διεξοδικά τόσο μέσω της θεωρίας όσο και μέσω της δημιουργίας του μοντέλου του στο πρόγραμμα, είναι ο μονοφασικός αντιστροφέας. Το σύστημα περιλαμβάνει επίσης τον dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα το παθητικό φίλτρο L-C στην έξοδο αυτού και πριν την σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης, ένα φορτίο R-L. Μετά την ολοκλήρωση της θεωρητικής ανάλυσης του σχεδιασμού και της δημιουργίας των μοντέλων εξομοίωσης των επιμέρους στοιχείων του συστήματος, διερευνάται η λειτουργία του στην μόνιμη κατάσταση όπου απεικονίζονται οι κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων σε διάφορα σημεία του συστήματος καθώς και το αρμονικό περιεχόμενό τους. Ο στόχος ήταν η φωτοβολταϊκή γεννήτρια να παράγει την μέγιστη δυνατή ισχύ, δηλαδή η dc τάση στα άκρα του πυκνωτή (τάση στην είσοδο του αντιστροφέα), να αντιστοιχεί σ’ αυτήν του σημείου μέγιστης ισχύος, χωρίς το αρμονικό περιεχόμενο των τάσεων και των ρευμάτων εξόδου να ξεπερνά τα επιτρεπτά όρια. / The purpose of this thesis is to design all units that constitute a photovoltaic system connected to low voltage grid, and also to run the simulation of this system using the program MATLAB/ Simulink. The first key element is the photovoltaic generator whose operation is discussed in detail through theory. In addition, the design of the photovoltaic generator takes place through calculations of the series and the parallel branches of cells that constitute it. The model of the generator is created in Simulink and its correct operation is confirmed by the characteristic waveforms of the model. The second key factor, which is also analyzed in greater length both through theory and through the creation of the model in the program, is the single-phase inverter. Moreover, the system includes a dc capacitor connected at the input of the inverter, a passive LC filter at the output of the same and an RL load, before the whole system is connected to the grid. After the theoretical analysis, the design and creation of simulation models of every component individually, the complete photovoltaic system is simulated in order to investigate its function in the steady state. During simulation voltages and currents in different parts of the system are measured, and their harmonic content is graphed. The goal was the photovoltaic generator to produce the maximum power, which means that the dc voltage across the capacitor (input voltage of the inverter) should correspond to that of the maximum power point, without the harmonic content of voltages and output currents to exceed the allowable limits.

Τα τελευταία 35 χρόνια έχει προκύψει ένα ενεργειακό πρόβλημα το οποίο μας επιβάλει να αλλάξουμε την ενεργειακή μας αντίληψη. Το πετρέλαιο αλλά και άλλα ορυκτά καύσιμα έχουν πεπερασμένα αποθέματα και η χρήση τους επιβαρύνει το περιβάλλον. Επίσης γεωπολιτικά συμφέροντα δεν επιτρέπουν την ανεμπόδιστη διανομή του. Μέσα σε αυτό το κλίμα της ενεργειακής απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια τα υβριδικά οχήματα. Τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα είναι ένα μεταβατικό στάδιο από την πετρελαιοκίνηση στην εξ’ ολοκλήρου κίνηση μέσω ηλεκτρισμού από ενεργειακές κυψέλες. Αποτελούνται από έναν συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης και μια ηλεκτρική μηχανή, η οποία τροφοδοτείται από συσσωρευτές. Τα υβριδικά οχήματα χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τις τεχνολογίες υβριδοποίησης που διαθέτουν και την διάταξη του ηλεκτρομηχανολογικού τους συστήματος. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας (η οποία είναι η συνέχεια δυο προηγούμενων) είναι η προσπάθεια κατασκευής ενός υβριδικού αυτοκινήτου. Για να γίνει αυτό εφικτό απαιτούνται, ένα όχημα το οποίο να μπορεί να δεχθεί εύκολα μηχανολογικές μετατροπές, ένας ηλεκτρικός κινητήρας και συσσωρευτές. Ο ηλεκτρικός κινητήρας ελέγχεται από έναν αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας είναι μια ηλεκτρική συσκευή η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενο. Βασικό κομμάτι του αντιστροφέα είναι η λογική παλμοδότησής του. Ο αντιστροφέας που κατασκευάστηκε χρησιμοποιεί τον άμεσο έλεγχο ροπής, ο οποίος είναι ένα είδος άμεσου διανυσματικού ελέγχου που χρησιμοποιεί τον μετασχηματισμό Park. / Τα τελευταία 35 χρόνια έχει προκύψει ένα ενεργειακό πρόβλημα το οποίο μας επιβάλει να αλλάξουμε την ενεργειακή μας αντίληψη. Το πετρέλαιο αλλά και άλλα ορυκτά καύσιμα έχουν πεπερασμένα αποθέματα και η χρήση τους επιβαρύνει το περιβάλλον. Επίσης γεωπολιτικά συμφέροντα δεν επιτρέπουν την ανεμπόδιστη διανομή του. Μέσα σε αυτό το κλίμα της ενεργειακής απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια τα υβριδικά οχήματα. Τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα είναι ένα μεταβατικό στάδιο από την πετρελαιοκίνηση στην εξ’ ολοκλήρου κίνηση μέσω ηλεκτρισμού από ενεργειακές κυψέλες. Αποτελούνται από έναν συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης και μια ηλεκτρική μηχανή, η οποία τροφοδοτείται από συσσωρευτές. Τα υβριδικά οχήματα χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τις τεχνολογίες υβριδοποίησης που διαθέτουν και την διάταξη του ηλεκτρομηχανολογικού τους συστήματος. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας (η οποία είναι η συνέχεια δυο προηγούμενων) είναι η προσπάθεια κατασκευής ενός υβριδικού αυτοκινήτου. Για να γίνει αυτό εφικτό απαιτούνται, ένα όχημα το οποίο να μπορεί να δεχθεί εύκολα μηχανολογικές μετατροπές, ένας ηλεκτρικός κινητήρας και συσσωρευτές. Ο ηλεκτρικός κινητήρας ελέγχεται από έναν αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας είναι μια ηλεκτρική συσκευή η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενο. Βασικό κομμάτι του αντιστροφέα είναι η λογική παλμοδότησής του. Ο αντιστροφέας που κατασκευάστηκε χρησιμοποιεί τον άμεσο έλεγχο ροπής, ο οποίος είναι ένα είδος άμεσου διανυσματικού ελέγχου που χρησιμοποιεί τον μετασχηματισμό Park.

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.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) που προορίζεται για τη σύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά, παρουσιάζονται, συνοπτικά, πληροφορίες για τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία και για τους τρόπους διασύνδεσής τους με την κατανάλωση ή το δίκτυο. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον αντιστροφέα της διπλωματικής εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται ένας διαφορικός αντιστροφέας τύπου boost, ένα χαρακτηρισμό που τον οφείλει στην δυνατότητα, να επιτευχθεί μέσω αυτού εναλλασσόμενη τάση εξόδου με ενεργό τιμή μεγαλύτερη της συνεχούς τάσης εισόδου. Ο μετατροπέας αυτός αποτελείται στην ουσία από δύο επιμέρους μετατροπείς dc-dc τύπου boost, με τη συνδυασμένη λειτουργία των οποίων επιτυγχάνεται η επιθυμητή μετατροπή. Η ονομαστική ισχύς για την οποία πραγματοποιείται ο σχεδιασμός του μετατροπέα είναι ίση με 250W. Με δεδομένα τα μεγέθη ρευμάτων και τάσεων, καθώς και των κυματώσεων στα ρεύματα των πηνίων και στις τάσεις των πυκνωτών, υπολογίστηκαν οι τιμές των στοιχείων, βάσει των οποίων έγιναν οι προσομοιώσεις. Κατόπιν, δοκιμάστηκαν σε προσομοίωση διάφορες μορφές ελέγχου του αντιστροφέα, με μόνη ικανοποιητική αυτή του έλεγχου με ολίσθηση στο πεδίο καταστάσεων. Αυτός ήταν και ο έλεγχος που τελικά επιλέχθηκε για τη διάταξη που μελετήθηκε, γι’ αυτό και γίνεται αναλυτική περιγραφή του ελέγχου αυτού. Λόγω των απαιτήσεών του αποφασίστηκε ο έλεγχος να υλοποιηθεί χωρίς χρήση μικροελεγκτή, αλλά με χρήση αποκλειστικά ολοκληρωμένων αναλογικών κυκλωμάτων. Ακολουθεί η περιγραφή της διαδικασίας σχεδίασης και κατασκευής του μετατροπέα που έγινε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και παρουσιάζονται τα επιμέρους στοιχεία και οι συνδεσμολογίες που χρησιμοποιήθηκαν. Τέλος, περιγράφονται τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν και παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν, αποδεικνύοντας την ορθή λειτουργία της διάταξης. Επίσης, εξάγονται τα ανάλογα συμπεράσματα. / In this diploma thesis, a Power Inverter in order to connect an Alternating Current-Photovoltaic (AC-PV module) to the low voltage grid is analyzed, designed and manufactured. The work was carried out in the Laboratory of Electrical and Mechanical Energy Conversion at the Department of Electrical and Computer Engineering of the Polytechnic School, University of Patras, Greece. At first, some data and information concerning the photovoltaic technology are presented as well as the connection modes of a PV system or module. Secondly, the operation and structure of the inverter is described. Specifically, a differential output boost inverter is examined, the title of which is derived from its ability to produce an output voltage larger than the input voltage. In fact, this converter consists of two boost dc-dc converters, the combined operation of which achieves the desirable operation of the inverter. The nominal power of the inverter is chosen to be equal to 250W. Depending on the expected values of the currents and voltages, as well as on the ripple voltages of the capacitors and the ripple currents of the inductors, the component values were calculated. The following step was to simulate the operation of the converter under different control techniques. The only control method with satisfying results which was eventually applied to the inverter was the sliding mode control, so it is extensively described. Due to its requirements, this control technique was implemented without using a microcontroller, but only using analog integrated circuits. The design and implementation of the inverter is then described along with the selected components and some individual circuits. Finally, the results of the conducted experiments are presented, the good operation of the setup is confirmed and the related conclusions are derived.

H παρούσα διπλωματική εργασία μελέτα τις τεχνικές ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Point Tracking, MPPT) φωτοβολταϊκής συστοιχίας και την προσομοίωση μιας εξ αυτών (Διαταραχής και Παρατήρησης, P&O) για μεταβαλλόμενη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και μεταβαλλόμενο φορτίο. Η προσομοίωση έγινε με το πρόγραμμα MATLAB/SIMULINK. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις μορφές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα και οι οποίες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τις συμβατικές και τις ανανεώσιμες. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η φωτοβολταϊκή τεχνολογία, παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και οι ενεργειακές καταστάσεις του φωτοβολταϊκού στοιχείου και δίνεται ο ορισμός του Σημείου Μέγιστης Ισχύος (Maximun Power Point, MPP), του Συντελεστή Πλήρωσης (Fill Factor, FF) και του Συντελεστή Απόδοσης (Performance Ratio, PR). Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση των μετατροπέων DC/DC διακοπτικού τρόπου λειτουργίας που χρησιμοποιούνται στα συστήματα MPPT και αναλύονται οι βασικές τοπολογίες τους. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στους μονοφασικούς αντιστροφείς και αναλύεται η ημιτονοειδή PWM τεχνική ελέγχου των αντιστροφέων. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση των σημαντικότερων τεχνικών MPPT. Η κάθε τεχνική έχει ως στόχο την συνεχή ταύτιση του σημείου λειτουργίας με το εκάστοτε σημείο μέγιστης ισχύος. Αναφέρονται τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου ξεχωριστά, δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στην τεχνική «Διαταραχής και Παρατήρησης» (P&O) που θεωρείται η πιο διαδεδομένη και εύχρηστη λόγω της απλότητας στην υλοποίησή της. Στο έκτο κεφάλαιο αναλύεται ξεχωριστά ο τρόπος που υλοποιήθηκε το κάθε υποσύστημα που συνθέτει το συνολικό υπό εξέταση σύστημα και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του συστήματος. Τέλος οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι ο αλγόριθμος επιτυγχάνει την απορρόφηση της διαθέσιμης ισχύος της φωτοβολταϊκής λειτουργίας αλλά παρουσιάζει δυσλειτουργία κάτω από μεταβολές της ακτινοβολίας. / This diploma thesis examines the Maximum Power Point Tracking (MPPT) techniques for photovoltaic array and the simulation one of them (Perturb and Observe, P&O) for changing level of solar irradiation and changing load. Simulation was made with MATLAB/SIMULINK. Τhe first chapter is an introduction to the types of energy used today and which are divided into two categories, conventional and renewable. The second chapter analyzes the photovoltaic technology, presents the electrical characteristics and the energy states of the photovoltaic element and we define the Maximun Power Point (MPP), the Fill Factor (FF) and Performance Ratio (PR). The third chapter is a presentation of switch mode DC / DC converters used in MPPT systems and analyze the basic topologies. The fourth chapter deals with single-phase inverters and analyzed the sinusoidal PWM control technique of inverters. In the fifth chapter we present the most important technical MPPT. We indicate the main advantages and disadvantages of each method separately, paying special attention to the technique “Perturb and Observe” (P&O), which is considered the most popular and easy to use because of its simplicity in implementation. The sixth chapter the simulation of the whole MPPT system is discussed. We present the modeling of each system separately and we show the results. Finally the study comes to conclusion that the algorithm achieves the enhancement of the available power of the photovoltaic array but it has erratic behaviour under changes of irradiation.

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 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 μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αυτός ο αντιστροφέας αποτελεί και ένα το κύριο αντικείμενο μελέτης και κατασκευής της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, αναλύονται οι προοπτικές σήμερα, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι 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 θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μονοφασικού αντιστροφέα και κυρίως στη μέθοδο παλμοδότησης, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη διαφόρων μεθόδων ελέγχου της ροής ισχύος του αντιστροφέα και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα και των μεθόδων ελέγχου που μελετήθηκαν. 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. / This diploma thesis has to do with the study and the construction of a single phase inverter for the interconnection of a 1kW wind power generator with the low voltage grid. This research was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering, of the University of Patras. The ultimate aim of this work is the construction of an inverter in order to interconnect the wind turbine with the low voltage power grid with control of active power injected into the grid and generating current, in phase to the grid voltage (unity power factor). Initially, the advantages and challenges in exploiting the renewable energy sources, especially wind power, are analyzed; and today’s perspectives are seen as well. We also present technologies of interconnecting wind turbine technologies to the high, medium and low voltage grid, aiming to provide a complete presentation of the studied subject. We then present a theoretical analysis of all the topology units involved. Particular emphasis is given on the analysis of the inverter operation and especially on the single-phase pulse width modulation method, also known as SPWM. The next step was the sizing of the entire system, the study of different methods to control the flow of the inverter’s power and the subsequent simulation of the single-phase inverter and the control methods that were studied. We conclude by analyzing the technical characteristics of the inverter constructed, and the circuits that consist it and describe the logic of the flowchart of the microcontroller programming code and the techniques used to set the pulses. The final stage is the conduction of experiments with the construction in the lab and the writing of the results.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία και η συμπεριφορά ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα τροφοδοτούμενου μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα τόσο στην περίπτωση της «υγιούς» μηχανής, όσο και στην περίπτωση μηχανής η οποία παρουσίαζε σφάλματα στον κλωβό. Πιο συγκεκριμένα, με την βοήθεια προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων και ειδικότερα πραγματοποιώντας ανάλυση στις δύο διαστάσεις, προσομοιώσαμε την τάση εξόδου ενός αντιστροφέα πηγής τάσης με λειτουργία διαμόρφωσης εύρους παλμών μέσω κώδικα που σχεδιάσαμε, και στην συνέχεια τροφοδοτήσαμε με τους παλμούς που παρήχθησαν τα τυλίγματα του στάτη της ασύγχρονης υπό μελέτη μηχανής. Ακολούθως με την χρήση του προαναφερθέντος προγράμματος έγινε ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, της μηχανής. Παρήχθησαν οι κυματομορφές των βασικότερων μεγεθών της μηχανής και πραγματοποιήσαμε με την βοήθεια του προγράμματος MATLAB/SIMULINK(R2008A) , αναλύσεις fourier στα φασικά ρεύματα και στις φασικές τάσεις του στάτη, τόσο για το μοντέλο της ασύγχρονης μηχανής χωρίς σφάλματα του δρομέα όσο και για το μοντέλο με σφάλματα. Για την διάγνωση του σφάλματος χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος MCSA(motor current signature analysis) καθώς και η ανάλυση των αρμονικών στο φάσμα της ροπής. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά καθώς και στις βασικές μεθόδους λειτουργίας της ασύγχρονής μηχανής, ενώ γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στον έλεγχο κινητήρων γενικότερα όπως επίσης και στην λειτουργία αυτών σε περίπτωση σφαλμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για συστήματα οδήγησης ασύγχρονων κινητήρων. Ειδικότερα, παρουσιάζεται συνοπτικά η λειτουργία του τριφασικού ανορθωτή, ενώ ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στον τριφασικό αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα κατασκευαστικά και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα πηγής τάσης, γίνεται εκτενής αναφορά στην λειτουργία του με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM mode of operation) ενώ κυρίως αναλύεται η συμπεριφορά του στην γραμμική περιοχή λειτουργίας του(0<modulation index<0.907), όπου και μας ενδιαφέρει. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης του ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα, με και χωρίς σφάλμα στον δρομέα όπως αυτά προέκυψαν από την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων. Παράλληλα δίνεται ανάλυση του κώδικα που σχεδιάστηκε για την προσομοίωση της τάσης εξόδου ενός τριφασικού αντιστροφέα με λειτουργία PWM για την τροφοδοσία των τυλιγμάτων της μηχανής μας, γεγονός το οποίο και αποτελεί κυρίαρχο περιεχόμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής εργασίας. Περιγράφεται δηλαδή η πειραματική διάταξη που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας δύο όμοιους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες κλωβού, ένα με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και ένα χωρίς σφάλμα, ενώ ταυτόχρονα παρατίθενται οι κυματομορφές του ρεύματος στάτη στις οποίες έγινε ανάλυση FFΤ έτσι ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και να γίνει έτσι η διάγνωση του σφάλματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούμε επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων καθώς και των αποτελεσμάτων τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων από το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων OPERA- 2D. Συγκεκριμένα πραγματοποιούμε ανάλυση FFT μέσω του προγράμματος MATLAB/SIMULINK(R2008A) στις κυματομορφές του ρεύματος στάτη και των τάσεων αυτού καθώς και της ροπής για τους δύο κινητήρες τόσο στην περίπτωση ημιτονοειδούς τροφοδοσίας τους, όσο και στην περίπτωση που τροφοδοτούνται με την τάση εξόδου ενός inverter με pwm διαμόρφωση. Από τα αποτελέσματα που προκύπτουν εξάγουμε σημαντικά συμπεράσματα όσο αφορά τη λειτουργία των δύο κινητήρων ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνεται και μια σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί και το παράρτημα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, δίνεται η μοντελοποίηση μέσω του SIMULINK του αντιστροφέα πηγής τάσης με λειτουργία PWM, ενώ παράλληλα γίνεται αναφορά στις διακοπτικές απώλειες των ασύγχρονων κινητήρων όταν αυτοί τροφοδοτούνται με την τάση εξόδου ενός inverter με pwm διαμόρφωση, αλλά και των αντιστροφέων πηγής τάσης, οι οποίοι αποτέλεσαν και κυρίαρχο αντικείμενο μελέτης . / This diploma thesis forms a study on modeling an analyzing an induction motor by using a faulty detection. These motors are often used in industrial applications thanks to their usability and their robustness. However, nowadays optimisation of production becomes so critical that the conceptual reliability of the motor is not suffcient anymore. In this thesis different implementations of control algorithm were examined along with the most important PWM modulation techniques. The cage induction motor is modeled with the space and time discretized finite element analysis using the program OPERA and developing an appropriate model for the motor in 2 dimensions. The fft analysis was performed by developing an appropriate algorithm for the system at the Matlab Tests have been conducted on an experimental construction in order to confirm the theoretically expected operational characteristics of the system.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος για την οδήγηση ενός κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τηνλειτουργία και τον έλεγχο των στροφών ενός κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης. Αν θέλαμε νακάνουμε μια περιγραφή του κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης και να δώσουμε έναν ορισμό,θα μπορούσαμε να πούμε ότι: «Ο κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης βασίζει τη λειτουργίατου στη ροπή αντίδρασης (reluctance torque), ροπή αντίδρασης ονομάζεται η ροπή που επάγεται σε ένα σιδερένιο αντικείμενο όταν κάποιο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αναγκάζει το αντικείμενο αυτό να ευθυγραμμιστεί με το πεδίο. Αυτή η ροπή αναπτύσσεται επειδή το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο επάγει ένα πεδίο στο σίδηρο του αντικειμένου, το οποίο τείνει ναευθυγραμμιστεί με το μαγνητικό πεδίο που το προκάλεσε.» Αρχικά μελετώνται οι βασικές αρχές λειτουργίας του κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης. Αναλύεται τομαθηματικό μοντέλο που διέπει τη λειτουργία του και γίνεται αναφορά στη μορφή και τα βασικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του. Επίσης γίνεται μια σύντομη αναδρομή στην ιστορία των κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης καθώς και μία σύγκριση αυτού του είδους κινητήρα με άλλουςκινητήρες εναλλασσομένου ρεύματος. Και αναλύονται τα πλεονεκτήματά του που τον καθιστούνανταγωνιστικό προς αυτούς. Στη συνέχεια γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέα τάσηςπου κατασκευάσαμε, καθώς και όλων των υπολοίπων κυκλωμάτων που είναι αναγκαία για τηλειτουργία του. Επιπροσθέτως αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων τουαντιστροφέα τάσης που χρησιμοποιήσαμε , και είναι η «Ημιτονοειδής Διαμόρφωση Εύρους Παλμών» Στο επόμενο βήμα αναλύουμε τον τρόπο κατασκευής του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέατάσης που ακολουθήσαμε καθώς και του πλήρους κυκλώματος παλμοδότησης του. Ενώ γίνεται καιαναλυτική περιγραφή του βιομηχανικού μικροελεγκτή πουχρησιμοποιήσαμε για την παραγωγή τωνπαλμών , με τη μέθοδο της «Ημιτονοειδούς Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών» Τέλος παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα πουδιενεργήθηκαν αφότου κατασκευάσαμε το κύκλωμα οδήγησης του κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης. / The purpose of this thesis is the analysis and construction of a three phase reluctance motor drive system. At first the special characteristics of the syncronous reluctance motors are analyzed. After that there is a theoretical analysis of the three phase inverter circuit, and finally is described the construction of the drive system

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των βασικών διατάξεων από τις οποίες αποτελείται ένα μονοφασικό φωτοβολταϊκό σύστημα που συνδέεται στο δίκτυο, ο σχεδιασμός του καθώς επίσης και η εξομοίωσή του με χρήση του πακέτου MATLAB/SIMULINK. Το σύστημα περιλαμβάνει την φωτοβολταϊκή γεννήτρια, τον μονοφασικό αντιστροφέα, τον dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα, ένα L-C φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα καθώς επίσης και φορτίο, το οποίο μεσολαβεί μεταξύ φίλτρου και δικτύου. Ο σχεδιασμός ενός συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος περιλαμβάνει: τον προσδιορισμό του αριθμού των κυττάρων ή πλαισίων που θα συνδεθούν σε σειρά και παράλληλα, της χωρητικότητας του dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα και του μεγέθους του L-C φίλτρου. Η εξομοίωση στο γραφικό περιβάλλον SIMULINK είχε σαν στόχο την απεικόνιση των κυματομορφών ρεύματος και τάσης σε διάφορα σημεία του κυκλώματος καθώς επίσης και την καταγραφή των αρμονικών μέχρι και 49ης τάξης της τάσης στο φορτίο και του ρεύματος στον κλάδο πριν το φορτίο. Οι συνθήκες που έπρεπε να πληρούνται κατά την εξομοίωση ήταν: 1) η dc τάση στην είσοδο του αντιστροφέα να κυμαίνεται κοντά στην τιμή της τάσης που αντιστοιχούσε στο σημείο μέγιστης ισχύος 2) η διαφορά φάσης μεταξύ τάσης στο φορτίο και ρεύματος στον κλάδο πριν το φορτίο να είναι σχεδόν μηδενική. / -