Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα και το συγχρονισμό-σύνδεση αυτού με το τριφασικό δίκτυο. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα, ο οποίος θα συνδεθεί με το τριφασικό δίκτυο και θα αποτελέσει μέρος ενός συστήματος με πηγή ενέργειας μία συστοιχία κυψελών καυσίμου (fuel cells) και ενός μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, με διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων (interleaved boost converter). Η είσοδος του τριφασικού αντιστροφέα συνδέεται στην έξοδο του μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, με διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων, ο οποίος τροφοδοτεί τον αντιστροφέα με σταθερή τάση 80 V. Στην έξοδο του αντιστροφέα πρόκειται να συνδεθεί ένα φίλτρο LC για την αποκοπή των υψίσυχνων σημάτων της τάσης και στη συνέχεια ένας τριφασικός μετασχηματιστής, ο οποίος προσφέρει γαλβανική απομόνωση και ανυψώνει την τάση στην επιθυμητή τιμή, που είναι και η τιμή της τάσης του δικτύου. Καταρχάς έγινε θεωρητική μελέτη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, του τριφασικού αντιστροφέα, του φίλτρου LC, του τριφασικού μετασχηματιστή, καθώς και μεθόδων συγχρονισμού με το δίκτυο. Επίσης έγινε μελέτη με το πρόγραμμα εξομοίωσης MATLAB/Simulink της διασύνδεσης του αντιστροφέα με το δίκτυο. Τέλος ακολούθησε η κατασκευή της διάταξης και η διεξαγωγή πλήθους πειραματικών δοκιμών. / The present diploma thesis deals with the design and manufacture of a three-phase inverter to synchronize and connect to the three-phase grid. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of the School of Engineering in the University of Patras, Greece. The purpose of this thesis is the design and manufacture of a three-phase inverter, which will be connected to the three-phase grid and will be part of a system with source of energy a fuel cell stack and an interleaved boost converter, with two parallel branches. The input of the three-phase inverter is connected to the output of the interleaved boost converter with two parallel branches, which feeds the inverter with a dc voltage of 80 V. The output of the inverter is connected to an LC filter, in order to cut off the high frequency voltage signals and subsequently a three-phase transformer, which provides galvanic isolation and lifts the voltage to the appropriate value, which is the voltage value of the grid. At first a theoretical study of the renewable sources of energy, the three-phase inverter, the LC filter, the three-phase transformer, as well as the methods of synchronization with the grid was made. Study was also made with the simulation program MATLAB/Simulink at the interface of the inverter to the grid. Finally the construction of the device followed and numerous experimental trials were conducted.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την κατασκευή ενός μονοφασικού αντιστροφέα Η5, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως σε τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι να καταστεί σαφής η λειτουργία του αντιστροφέα Η5 μέσω της θεωρητικής ανάλυσής του. Ακόμη, σκοπός της εργασίας αυτής είναι να γίνει κατανοητός ο λόγος για τον οποίο ο αντιστροφέας Η5 βρίσκει μεγάλη εφαρμογή και προτιμάται έναντι άλλων τοπολογιών αντιστροφέων στα φωτοβολταϊκά συστήματα ισχύος της τάξης των 5-20 kW. Αρχικά, παρουσιάζεται η ανάγκη εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας και περιγράφονται εν συντομία τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που αποτελούν καθοριστικό ρόλο στον τομέα αυτό. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα φωτοβολταϊκά συστήματα, οι τρόποι διασύνδεσής τους με το δίκτυο χαμηλής τάσης καθώς και οι τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή. Ακολούθως, παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και η προσομοίωση του αντιστροφέα Η5 καθώς και η σύγκρισή του με την τοπολογία πλήρους γέφυρας. Τέλος, αναλύεται η διαδικασία υλοποίησης κάθε σταδίου του μονοφασικού αντιστροφέα τύπου Η5 και παρατίθενται παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / This thesis deals with the design and construction of a single-phase H5 inverter, which is widely used in transformerless inverter topologies to interconnect PV modules to the low voltage grid. The study was prepared in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The aim of this thesis is to clarify the operation of the H5 inverter through theoretical analysis. Moreover, the aim of this work is to illustrate the reason why the H5 inverter finds wide application and is preferred over other transformerless inverter topologies in photovoltaic power systems in the range of 5-20 kW. Initially, is presented the need to exploit solar energy and are described shortly PV modules which form a key role in this area. Then, takes place a description of photovoltaic systems, the interconnection ways to the low voltage grid as well different transformerless topologies. Thereafter,is presented the theoretical analysis and simulation of H5 inverter and its comparison with the full-bridge topology. Finally, is analyzed the implementation process of every step of the single-phase H5 inverter,while some graphs and measurements obtained from the experiments carried out after the copletion of H5 inverter's construction in a lab environment are cited.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό, την πρσοομοίωση και την κατασκευή κυκλώματος για την οδήγηση και τον έλεγχο στροφών κινητήρα τύπου DC Brushless.Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και η κατασκευή κυκλώματος τριφασικού αντιστροφέα ισχύος για να επιτύχουμε οδήγηση και έλεγχο κινητήρα τύπου DC Brushless. Ο κινητήρας αυτού του τύπου είναι Σύγχρονος κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη. Για το λόγο αυτό το πρώτο πράγμα που μελετήθηκε στην παρούσα εργασία είναι κάποιες θεμελιώδεις ιδιότητες του μαγνητικού πεδίου, καθώς και τα χαρακτηριστικά των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε τέτοιους τύπους κινητήρων. Στην συνέχεια αναλύονται οι κινητήρων Brushless DC ως προς την κατασκευή τους καθώς και τη λειτουργία τους. Παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους και οι χαρακτηριστικές ροπής-ταχύτητας και επιπλέον γίνεται σύγκριση αυτών με κινητήρες άλλων τύπων. Ακολουθεί η περιγραφή της προσομοίωσης του συστήματος η οποία πραγματοποιήθηκε στο πρόγραμμα προσομοίωσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων Simulink του Matlab. Αναλύεται η λογική στην οποία βασιστήκαμε για την προσομοίωση και παρατίθενται οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος σε διάφορα σημεία του κυκλώματος. Έπειτα γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε καθώς και όλων των άλλων κυκλωμάτων και στοιχείων που απαιτήθηκαν για τη λειτουργία της διάταξης. Επιπλέον περιγράφεται η μέθοδος παλμοδότησης που χρησιμοποιήθηκε για την έναυση/σβέση των διακοπτικών στοιχείων ισχύος. Τέλος γίνεται αναλυτική παράθεση του τελικού κυκλώματος που κατασκευάστηκε. Προχωράμε με την περιγραφή των ιδιοτήτων και δυνατοτήτων του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε στην πλακέτα μας, καθώς επίσης και με τη λογική που ακολουθήθηκε κατά τον προγραμματισμό του. Τέλος παραθέτονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων και τα παλμογραφήματα που ελήφθησαν κατά τη διεξαγωγή τους. Γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων αυτών και αξιολόγηση της κατασκευής. / This thesis is focused in the study and development of a Drive System for a DC Brushless motor. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, at the department of Electrical and Computer Engineering, in the University of Patras, Greece. DC Brushless motors, have been used in the last years they are used in a number of applications. They combine all the benefits of a DC motor, such as their operation simplicity and their linear characteristics, avoiding the brushes and the necessary excitation of DC motors, making them a suitable choice for low and medium power applications. The main purpose of this project is the Study and Construction of a Three-Phase Voltage Source Inverter for the control of the performance of a DC Brushless Motor by the implementation of a Scalar control. This thesis began with the simulation of the motor, since it is necessary for the understanding of its dynamic behavior. Then an analysis on the design and construction of the required circuit boards is done. Finally the used microcontroller (dsPIC family) was studied thoroughly, before writing the necessary code(C & assembly) for open and closed loop control. Finally, measurements were taken for the open loop control system. Conclusions were made as far as the behavior of the motor and ways to optimize the control were discussed.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και κατασκευή ενός συστήματος ελέγχου για έναν κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης (Reluctance). Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών της πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής, είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης, ο οποίος θα επιτρέπει την υλοποίηση βαθμωτού και διανυσματικού ελέγχου για έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη. Ο σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, όπως και οποιοσδήποτε άλλος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης, βασίζει τη λειτουργία του στη ροπή αντίδρασης, γεγονός από το οποίο προέρχεται και η ονομασία των κινητήρων αυτού του είδους (ReluctanceMotors). Το κύριο χαρακτηριστικό των κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης είναι η έλλειψη οποιασδήποτε πηγής διέγερσης στο δρομέα. Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σχετικά με τη βελτιστοποίηση της κατασκευής των σύγχρονων κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, καθώς και των μεθόδων ελέγχου, που μπορούν να εφαρμοστούν για βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους. Αρχικά μελετήθηκαν οι βασικές αρχές λειτουργίας των μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος και η ανάλυση επικεντρώθηκε στο σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης. Μελετήθηκαν τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, το μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τη λειτουργία του, συγκρίθηκε με άλλους τύπους κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος και παρουσιάστηκαν οι μέθοδοι ελέγχου που μπορούν να εφαρμοστούν σε έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη. Επιπλέον μελετήθηκε ο τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης, ο οποίος είναι απαραίτητος για την οδήγηση ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης, καθώς και διάφορες τεχνικές για την παλμοδότησή του. Τέλος προσομοιώθηκε ο σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης με το πρόγραμμα προσομοίωσης Matlab/Simulink για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας του, και ακολούθησε η κατασκευή του τριφασικού αντιστροφέα για την πειραματική διερεύνηση και επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. / The present diploma thesis deals with the design and manufacture of a control system for a Reluctance Motor. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of the School of Engineering in the University of Patras, Greece. The purpose of this thesis is the design and manufacture of a three-phase voltage source inverter for the control of the performance of a Synchronous Reluctance Motor by the implementation of Scalar and Vector control. The operation of Synchronous Reluctance Motor, like any other type of Reluctance Motors, is based on reluctance torque. The main characteristic of Reluctance Motors is that the rotor does not have any field winding. During the last years, a great interest has emerged around the Synchronous Reluctance Motor, which mainly focuses on the optimization of its construction and control. At first, an introduction to the operation principles of the AC motor is done, while the main interest is focused on Synchronous Reluctance Motor. The analysis of Synchronous Reluctance Motor covers many aspects, such as its construction characteristics, its dynamic model, its control strategies, as well as a comparison with other AC motors. Furthermore the three phase inverter is studied and its modulation techniques, since it is used for the driving of the motor. Finally the Synchronous Reluctance Motor is simulated in Matlab/Simulink for some operating conditions, and a three phase voltage source inverter is constructed for the experimental investigation and to see the relationship between the results of the simulation and the experiment.

Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις της σύγχρονης κοινωνίας σε συνδυασμό με τις ραγδαίες κλιματικές αλλαγές μας οδηγούν στην ανάγκη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατό πιο οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Έτσι, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερο μερίδιο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλάζοντας συνεχώς τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Τα αιολικά συστήματα, τα οποία αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου, είναι ένα είδος ΑΠΕ. Στην παρούσα εργασία μελετάμε ένα αιολικό σύστημα, το οποίο αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, έναν μετατροπέα πηγής τάσης, ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου και μία γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους. Η αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση της ΣΜΜΜ την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Στην εργασία αυτή προσομοιώνουμε σε περιβάλλον Matlab/Simulink το σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Εφαρμόζοντας τις κατάλληλες τεχνικές ελέγχου από την πλευρά της μηχανής προσπαθούμε να πετύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, ενώ στην πλευρά του δικτύου προσπαθούμε μέσω άμεσου ελέγχου ροής ισχύος να πετύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης. Στη συνέχεια, μέσω ενός πρόσθετου ελέγχου προσπαθούμε να κρατήσουμε την τάση στην έξοδο του φίλτρου σταθερή, κατά τη διάρκεια πτώσης της τάσης του δικτύου. Τέλος, παραθέτουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με έναν σύντομο σχολιασμό και τα συμπεράσματα. / The continuously increasing energy requirements of modern society combined with the rapid climate changes lead us to the need to produce electrical energy in a more economic and environmentally friendly way. Thus, the Renewable Energy Sources gain an increasing share of electrical energy production, constantly changing the global energy map. Wind power systems, which utilize the kinetic energy of the wind, are a kind of RES. In this thesis we study a wind power system, which comprises a variable speed wind turbine, which uses a permanent magnet synchronous machine, a voltage source converter, an R-L filter in the grid side and a short transmission line. The increased reliability and performance of PMSG make it particularly attractive solution for wind power systems. In this thesis we simulate in Matlab/Simulink environment the system described above. Applying appropriate control techniques on the machine side we try to achieve maximum power harvesting from the wind, while on the grid side we try through direct power flow control to achieve unit power factor with simultaneous control of the dc link voltage. Then, using an additional control we try to keep constant the voltage at the end of the R-L filter during a grid voltage drop. Finally, we present the simulation results along with a brief commentary and the conclusions.

Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η εξομοίωση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος διασυνδεδεμένου στο τριφασικό δίκτυο με σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας του και του καλύτερου σχεδιασμού του. Το σύστημα περιλαμβάνει τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ένα φίλτρο διασύνδεσης της γεννήτριας με τον αντιστροφέα και ένα απλοποιημένο μοντέλο του τριφασικού συστήματος. Για την εξομοίωση του κυκλώματος το οποίο είναι χρονικά μεταβαλλόμενο λόγω της διακοπτικής λειτουργίας του μετατροπέα αναπτύσσεται μια συστηματική και αποτελεσματική μέθοδος για την ανάλυση κυκλωμάτων που περιέχουν e-R-L, C κλάδους και ιδανικούς διακόπτες. Χρησιμοποιώντας την τοπολογία του κυκλώματος και κατάλληλες μήτρες μετασχηματισμού οι εξισώσεις που περιγράφουν το αγώγιμο και μη αγώγιμο τμήμα του κυκλώματος προκύπτουν αυτόματα. Οι χρησιμοποιούμενες μήτρες μετασχηματισμού προκύπτουν με απλό και συστηματικό τρόπο από τις θεμελιώδης μήτρες του κυκλώματος. Σε κάθε βήμα προκύπτουν τα ρεύματα όλων των κλάδων του κυκλώματος από την επίλυση του αγώγιμου τμήματος αυτού και οι τάσεις των βαλβίδων που δεν άγουν από την επίλυση του μη αγώγιμου τμήματός του. Η μέθοδος είναι γενική και μπορεί να εφαρμοστεί για την μελέτη τυχόντων σφαλμάτων σε οποιοδήποτε τμήμα του κυκλώματος. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για λειτουργία του μετατροπέα ως ανορθωτή, ως αντιστροφέα, ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και με ανιχνευτή σημείου μέγιστης ισχύος. Το χρησιμοποιηθέν μοντέλο θα μπορούσε να βελτιωθεί αν στην θέση του τριφασικού συστήματος χρησιμοποιηθεί ακριβέστερη αναπαράσταση του τριφασικού δικτύου στην οποία να περιλαμβάνεται και ο τριφασικός μετασχηματιστής ισχύος που διασυνδέει το φωτοβολταϊκό σύστημα με το AC δίκτυο. / The objective of this “Diploma Thesis” is the simulation of a grid connected photovoltaic (PV) system and the study of its operation. The system consists of a PV generator, a DC filter and a simplified model of the three-phase system. The method which was used for the simulation of the circuit (which is a varying topology circuit due to the switching operation of the converter) is a systematic, efficient and conceptually simple method for the analysis of circuits consisting of linear e, R, L, C elements and ideal switches. On the basis of well known network topological concepts a suitable transformation tensor is constructed at every step. This tensor constitutes a flexible and powerful tool to assemble automatically the necessary on-switch current and off-switch voltage equations required for any conduction pattern. The method is general and can be applied for the study of any random faults in any part of the circuit. Results of the simulation for operation of the converter as rectifier, as inverter with battery, as inverter with PV generator and as inverter with PV generator and with MPPT are presented. The used model could be improved if the three-phase system is more precisely represented by a power three-phase transformer which connects the PV system with the AC network.

Η θεματολογία της εργασίας αυτής περιλαμβάνει την υβριδική τεχνολογία στην αυτοκίνηση. Γίνεται μία εκτεταμένη ανάλυση των υβριδικών οχημάτων, αρχικά κάνοντας αναφορά στην ιστορία των υβριδικών και μη οχημάτων και έπειτα στα περιβαλλοντικά θεμάτα που τα έφεραν στο προσκήνιο. Η ανάλυση περιλαμβάνει επίσης την μελέτη των διαφόρων κατηγοριών υβριδικών οχημάτων, την εξέταση των κατασκευαστικών μερών τους και κλείνει με την παρουσίαση κάποιων χαρακτηριστικών οχημάτων που βγήκαν στην παραγωγή. Στη συνέχεια, η εργασία περνά στο πειραματικό της στάδιο, που περιλαμβάνει τη μελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος για εφαρμογή σε πειραματικό όχημα. Το όχημα μετά τις επεμβάσεις θα είναι υβριδικό, κάνοντας χρήση δύο πηγών ενέργειας, ορυκτά καύσιμα και ηλεκτρισμό. Έγινε η προμήθεια του οχήματος και των απαραίτητων μερών του συστήματος δηλαδή ενός ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα και των μπαταριών, που είναι τύπου οξέος-μολύβδου. Ακολούθησαν μηχανολογικές μετατροπές στο αμάξωμα ώστε να δεχθεί το πρόσθετο σύστημα μετάδοσης κίνησης, οι οποίες και αναλύονται. Παράλληλα βρίσκονταν σε εξέλιξη οι μετατροπείς ισχύος που απαιτούνται στο σύστημα ηλεκτρικής κίνησης για να προσαρμόσουν τα ηλεκτρικά μεγέθη κατάλληλα ώστε να επιτρέψουν την ροή ισχύος από τις μπαταρίες προς τον κινητήρα, κατά την επιτάχυνση του οχήματος, και την επιστροφή ενέργειας στις μπαταρίες από τη μηχανή, που λειτουργεί ως γεννήτρια λαμβάνοντας ενέργεια από την κινητική του οχήματος. Οι απαιτούμενοι μετατροπείς είναι ένας αμφικατευθυντήριος μετατροπέας ανύψωσης – υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή και ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη, ή πιο απλά τριφασικός αντιστροφέας. Ο δεύτερος μετατροπέας πραγματοποιεί και τον έλεγχο της ροπής που παράγει σε κάθε στιγμή ο κινητήρας μέσω της μεθόδου του Άμεσου Έλεγχου Ροπής (DTC). Περιγράφονται οι μεθοδολογίες ελέγχου των τριφασικών ασύγχρονων κινητήρων και γίνεται λεπτομερής ανάλυση της χρησιμοποιούμενης μεθόδου. Στο τελευταίο τμήμα περιγράφονται οι πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν με το σύστημα που κατασκευάστηκε, στον εργαστηριακό πάγκο και επί του οχήματος της εφαρμογής. Τέλος, γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. / The subject of this work includes the use of hybrid technology in automotive. An extensive analysis of hybrid vehicles is carried out, referring to the history of hybrid and other vehicles and then to the environmental matters that brought hybrids to the fore. The analysis also includes the study of different types of hybrid vehicles, examining their components and ends with the presentation of some remarkable vehicles that have been produced. The work then passes into the experimental phase, involving the design and construction of an electric system to be applied in a conventional vehicle. The vehicle is meant to function as a hybrid, using two energy sources, fossil fuels and electricity. For the reason, a vehicle has been supplied along with the necessary parts of the system, which consist of an asynchronous electric motor and lead acid batteries. Mechanical modifications that were made to the chassis to accept the additional drivetrain are discussed in detail. The construction of the necessary power converters is carried out in parallel. Their purpose is to adjust the electrical values in order to allow the flow of power from the batteries to the engine during acceleration of the vehicle and return energy to the batteries from the electrical machine, which acts as generator powered from the vehicle’s wheels.. The required converters are: a bi-directional buck/boost DC to DC converter and a three-phase DC to AC converter, which is simply described as inverter. The second converter also performs the control of the torque produced at any time from the engine, using Direct Torque Control (DTC). Alternate methodologies are also described, while the used technique is fully analyzed. The final section describes the experimental procedures performed to the constructed systems. At first they are tested in the laboratory and afterwards they are applied on the vehicle. Finally, an analysis of the results is performed.

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.