Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της βελτιστοποίησης της σχεδίασης μιας ασύγχρονης μηχανής. Αρχικά έγινε o σχεδιασμός ενός μοντέλου ασύγχρονης μηχανής με τη χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design. Το μοντέλο σχεδιάστηκε με βάση τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός τετραπολικού τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα κλωβού, ισχύος 4 KW, με 36 αυλακώσεις στο δρομέα και 28 στο στάτη. Η σχεδίαση του μοντέλου έγινε με χρήση κώδικα, ούτως ώστε το μοντέλο να είναι παραμετροποιημένο. Αυτό μας επιτρέπει να έχουμε τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής σαν μεταβλητές, το οποίο είναι απαραίτητο για να εφαρμοστεί η διαδικασία της βελτιστοποίησης. Στην συνέχεια προχωρήσαμε στη διαδικασία της βελτιστοποίησης. Η εύρεση του βέλτιστου μοντέλου δεν είναι μοναδική, αλλά εξαρτάται κάθε φορά από τα κριτήρια που έχουμε θέσει. Για παράδειγμα μπορούμε να επιτύχουμε βελτιστοποίηση ως προς το κόστος κατασκευής του κινητήρα, ως προς τη ροπή εκκίνησης, ως προς το συντελεστή ισχύος, ως προς το βαθμό απόδοσης κ.ο.κ. Βλέπουμε επομένως, ότι ο στόχος σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, δηλαδή η αντικειμενική συνάρτηση, δεν είναι μοναδικός αλλά εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την μηχανή μας. Κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήσαμε πέντε διαφορετικές βελτιστοποιήσεις, χρησιμοποιώντας κάθε φορά διαφορετική αντικειμενική συνάρτηση και διαφορετικές σχεδιαστικές μεταβλητές (παραμέτρους). Για τις βελτιστοποιήσεις χρησιμοποιήσαμε τον Optimizer της Όπερα. Στις δύο πρώτες βελτιστοποιήσεις που κάναμε είχαμε σαν παράμετρο μόνο το βάθος της μπάρας του δρομέα. Αυτό το κάναμε διότι θέλαμε να μελετήσουμε την επίδραση του βάθους της μπάρας στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη συμπεριφορά της μηχανής. Στην πρώτη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή εκκίνησης, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί, ενώ στη δεύτερη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης της μηχανής στις ονομαστικές στροφές, τον οποίο ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στις επόμενες βελτιστοποιήσεις είχαμε σαν παραμέτρους όλα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μπάρας του δρομέα και κάθε φορά αλλάζαμε την αντικειμενική συνάρτηση του προβλήματος. Αρχικά ζητήσαμε να μας μεγιστοποιήσει τη ροπή εκκίνησης. Στη συνέχεια είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή που αποδίδει το μοντέλο στις ονομαστικές στροφές, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στην τελευταία βελτιστοποίηση που κάναμε είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης του μοντέλου στις ονομαστικές στροφές και ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Σε κάθε μία από τις βελτιστοποιήσεις που έγιναν, προέκυψε ένα βέλτιστο μοντέλο το οποίο αναλύσαμε και συγκρίναμε με το αρχικό μοντέλο. / We made an optimization of an asynchronous motor. First we design the motor in the programma Opera. The model of the motor is a 4-pole, asynchronous motor, 4 KW with 28 rotor slots and 36 stator slots. Then we madw the optimization using the Optimizer of Opera vectorfields. We made 5 types of optimizations, each time using different objective function and design variables. The best models each time analized and compares to the first one.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της μελέτης και διάγνωσης σφαλμάτων στάτη μιας ασύγχρονης μηχανής. Μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα κλωβού, σε υγιή κατάσταση αλλά και υπό συνθήκες σφάλματος. Πιο συγκεκριμένα, με τη χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων σε δυο διαστάσεις εξομοιώθηκαν πιθανά σφάλματα στο στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποιες βασικές αρχές λειτουργίας των ασύγχρονων μηχανών, μελετώνται τα κυριότερα σφάλματα που συναντώνται σε αυτές τις μηχανές και παρουσιάζονται οι γνωστότερες διαγνωστικές μέθοδοι σφαλμάτων που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Κυρίως αναλύεται η μέθοδος διάγνωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιεί την ανάλυση στο πεδίο της συχνότητας του ρεύματος στάτη (MCSA) η οποία και χρησιμοποιείται τελικά για τη διάγνωση των συγκεκριμένων σφαλμάτων. Ειδικότερα, μελετήθηκαν δυο ειδών σφάλματα στάτη, τα οποία είναι πιθανόν να συμβούν σε αυτήν τη μηχανή, το βραχυκύκλωμα κάποιων σπειρών εντός της ίδιας αυλάκωσης μιας φάσης και το βραχυκύκλωμα σπειρών σε δυο γειτονικές αυλακώσεις της ίδιας πάλι φάσης του στάτη τα οποία και μελετώνται αναλυτικά παρακάτω. Στο επόμενο κεφάλαιο εξομοιώθηκαν τα δύο μοντέλα με σφάλμα, όπως προαναφέρθηκε με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων κάνοντας όλες τις απαραίτητες τροποποιήσεις στις παραμέτρους των αρχικών μοντέλων ώστε να απεικονιστούν στα μοντέλα τα σφάλματα που επιθυμούμε. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται όλες οι γραφικές παραστάσεις των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών για όλες τις περιπτώσεις όπως αυτές προέκυψαν από την ανάλυση με το πρόγραμμα της Opera -2d. Συγκεκριμένα, τα μοντέλα αναλύθηκαν με έναν επιλυτή που λαμβάνει υπ’ όψιν και την κίνηση του δρομέα (RM solver), όπου ενώ η μηχανή στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών στην ονομαστική κατάσταση βλέπουμε τη συμπεριφορά της με και χωρίς τα σφάλματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο χρησιμοποιούνται οι διαγνωστικές μέθοδοι για την ανίχνευση των σφαλμάτων και παρατίθενται τα αποτελέσματά τους. Πιο συγκεκριμένα, αναλύθηκε το φάσμα συχνοτήτων των κυματομορφών του ρεύματος στάτη και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής (FFΤ), ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος. Επίσης μελετήθηκε η μορφή της χρονικής συνάρτησης του μαγνητικού πεδίου σε ορισμένα χαρακτηριστικά σημεία της μηχανής. Τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα , μαζί με την συνεισφορά της εργασίας καθώς και θέματα για διερεύνηση. / In this paper we dealt with the topic of the study and diagnosis of errors stator asynchronous machine. Modeled and analyzed the function of a three-phase asynchronous motor cage, but in a healthy state and under fault conditions.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της μελέτης και διάγνωσης σφαλμάτων λόγω δυναμικής εκκεντρότητας σε Ασύγχρονη Μηχανή. Μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία ενός τριφασικού ασύγχρονου τετραπολικού κινητήρα κλωβού, ισχύος 4 kW με 36 αυλακώσεις στο στάτη και 28 αυλακώσεις στο δρομέα, τόσο σε υγιή κατάσταση όσο και υπό συνθήκες σφάλματος. Πιο συγκεκριμένα, με χρήση της μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων σε δύο διαστάσεις μέσω του προγράμματος Opera, προσομοιώθηκε η λειτουργία του κινητήρα μας υπό δύο διαφορετικά ποσοστά σφάλματος, για 20% και για 40% και εφαρμόστηκε η μέθοδος της “Motor Current Signature Analysis - MCSA” για τη διάγνωση του σφάλματος αυτού υπό διαφορετικά επίπεδα φορτίου. / In this paper we addressed the issue of diagnostic research due to dynamic eccentricity related faults in Induction Machines. We modeled and analyzed the function of a three-phase quadrupole induction motor with a cage rotor with 36 stator slots and 28 rotor slots, both in healthy condition and under fault conditions. More specifically, using the finite element method in two dimensions through the "Opera" software, we simulated our motor operation under our two different error rates for 20% and 40% and subsequently we used the "Motor Current Signature Analysis - MCSA" diagnostic method for the diagnosis of this error under different load levels.

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.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε μια αναλυτική αναφορά στα διάφορα θερμικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα μέσα στον κινητήρα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του. Προσομοιώθηκε ένας ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα σε περίπτωση υγιούς κατάστασης λειτουργίας και σε περίπτωση σφάλματος μιας σπασμένης μπάρας του δρομέα. Επίσης πάρθηκαν μετρήσεις από αισθητήρες θερμοκρασίας που τοποθετήθηκαν στο στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Η ασύγχρονη μηχανή αποσυναρμολογήθηκε και τοποθετήθηκε νέο τύλιγμα στο στάτη αφού αφαιρέθηκε το αρχικό εργοστασιακό. Αυτό έγινε για μπορέσουμε να τοποθετήσουμε αισθητήρες (θερμοστοιχεία) στο νέο τύλιγμα για να διαπιστώσουμε με πειραματικό τρόπο την θερμοκρασιακή κατανομή του στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Στη συνέχεια επιχειρήθηκε η θερμική ανάλυση στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του ασύγχρονου κινητήρα σε περίπτωση υγιούς κατάστασης και σε περίπτωση μιας σπασμένης μπάρας του δρομέα. Η θερμική ανάλυση έγινε μέσω της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων, σε δισδιάστατη γεωμετρία, μέθοδος η οποία είναι πολύ ακριβής με λεπτομερειακά αποτελέσματα. Με τη μέθοδο αυτή αναλύονται με μαθηματικές εξισώσεις το φαινόμενο της μετάδοσης θερμότητας χρησιμοποιώντας κατάλληλες οριακές συνθήκες, η γεωμετρία και τα θερμικά χαρακτηριστικά των υλικών, οι πηγές θερμότητας και, αφού το πρόγραμμα επεξεργάζεται τα δεδομένα, καταλήγει στην κατανομή της θερμοκρασίας με μεγάλη ακρίβεια. Για να γίνει η ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία χρειάστηκε να επιλυθούν διαφορικές εξισώσεις με μερικές παραγώγους προκειμένου να καταλήξουμε στο αποτέλεσμα. Τέλος τα αποτέλεσμα της θερμικής ανάλυσης μέσω της εξομοίωσης συγκρίνονται με αυτά της πειραματικής και διαπιστώνεται η συμφωνία της πειραματικής και της θεωρητικής προσέγγισης του θερμικού προβλήματος της μηχανής. / Thermal analysis of elecrical rotors.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων σε ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα που αποτελούνται από ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος στο στάτη αυτής. Εστιάστηκε κυρίως στον εντοπισμό των σφαλμάτων του δρομέα της ασύγχρονης μηχανής μέσω της ανάλυσης των ρευμάτων του αντιστροφέα σε μόνιμες και μεταβατικές καταστάσεις του κινητηρίου συστήματος. Προτάθηκε μέθοδος εντοπισμού των σφαλμάτων αναλύοντας το ρεύμα του στάτη της μηχανής χρησιμοποιώντας το Συνεχή Μετασχηματισμό με κυματίδια για μεταβαλλόμενες τιμές του μηχανικού φορτίου ή της συχνότητας λειτουργίας του αντιστροφέα. Μελετήθηκε το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος στον κλάδο συνεχούς ρεύματος του αντιστροφέα για αρμονικές συνιστώσες λόγω σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή και προτάθηκε μέθοδος ανίχνευσης σφαλμάτων με ανάλυση του ρεύματος αυτού. Επιπλέον, προτάθηκε άλλη μια μέθοδος διάγνωσης των σφαλμάτων που βασίζεται στη διαμόρφωση κατά πλάτος των ρευμάτων του στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του κινητηρίου συστήματος και των πειραμάτων στο Εργαστήριο επιβεβαιώνουν την ικανότητα των προτεινόμενων μεθόδων ως προς τη διάγνωση των σφαλμάτων. / This thesis deals with the development of novel methods for fault diagnosis in electric drive systems consisting of squirrel cage asynchronous motor and power electronic converters. It is focused mainly on identifying faults in the asynchronous machine by analyzing the currents of the inverter in steady state and transient operation. The Continuous Wavelet Transform (CWT) of motor stator current has been proposed for successful motor fault diagnosis during changing values of the mechanical load or the operating frequency of the voltage source inverter. Furthermore, the harmonic content of the inverter dc link current has been studied for harmonic components due to faults in the asynchronous machine and a novel diagnostic method has been proposed. In addition, another method based on the amplitude modulation of the stator currents has been investigated. The proposed methods have been validated by simulation and experimental results.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάλυση της λειτουργίας της ασύγχρονης τριφασικής μηχανής, την εφαρμογή σε αυτή μη γραμμικού σχήματος ελέγχου που περιλαμβάνει PI ελεγκτές, καθώς και τη μελέτη της ευστάθειάς της. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των σημαντικότερων στοιχείων μιας ασύγχρονης τριφασικής μηχανής όπως τα κατασκευαστικά στοιχεία και ο τρόπος παραγωγής των διαφόρων πεδίων που οδηγούν στην περιστροφή της. Εν συνεχεία, εισάγεται και μελετάται το ισοδύναμο κύκλωμα της ασύγχρονης μηχανής κατά τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας της, ενώ προτείνονται και τέσσερα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν την λειτουργία της κατά την μεταβατική κατάσταση. Από τα μοντέλα αυτά τα δύο προσιδιάζουν στη λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) αντίστοιχα. Μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές των ασύγχρονων τριφασικών μηχανών είναι η χρήση τους για την πλαισίωση συστημάτων εκμετάλλευσης αιολικής ενέργειας. Στα επόμενα λοιπόν κεφάλαια λαμβάνει χώρα η μελέτη των σημαντικότερων παραγόντων που επηρεάζουν το αιολικό δυναμικό μιας περιοχής, καθώς και αναλύεται η μοντελοποίηση του ανέμου με τη χρήση της κατανομής Weibull. Ακόμη γίνεται λόγος για την εξέλιξη των ανεμογεννητριών, τους διαφόρους τύπους ανεμογεννητριών που κυκλοφορούν στις μέρες μας, καθώς και υπολογίζεται ο μέγιστος συντελεστής απόδοσης αυτών. Έχοντας ολοκληρώσει την ανάλυση των στοιχείων του ανέμου που θα μας βοηθήσουν στο σχεδιασμό του ελέγχου , προχωράμε στην απόδειξη μιας πολύ σημαντικής για τα συστήματα ιδιότητας την παθητικότητα , που κάτω από προϋποθέσεις συνεπάγεται ευστάθεια του συστήματος που την έχει. Η ιδιότητα αυτή αποδεικνύεται με δύο τρόπους και για τους δυο τύπους μηχανών που αναφέρθηκαν παραπάνω. Στο πέμπτο και ουσιαστικά τελευταίο κεφάλαιο αυτής της εργασίας αφού γίνει ανάλυση των βασικών αρχών του διανυσματικού ελέγχου προσανατολισμένου πεδίου περιγράφεται η κατασκευή μη γραμμικού σχήματος ελέγχου , για καθένα από τα δύο μοντέλα ,βασισμένο στα παραπάνω και με κύριο στόχο τη μεγιστοποίηση της παραγωγής ενεργού ισχύος. Περιλαμβάνεται επίσης προσομοίωση των παραπάνω σχημάτων ελέγχου και λήψη των αποκρίσεων αυτών. Τέλος , παρατίθενται και οι αποδείξεις παθητικότητας των κλειστών συστημάτων που προκύπτουν από τον έλεγχο , καθώς και απόδειξη για την ευστάθεια των αντίστοιχων συστημάτων ελλείψει διέγερσης. Η εργασία ολοκληρώνεται με την εξαγωγή κάποιων χρήσιμων συμπερασμάτων. / In this diploma thesis the operation of a three phase asynchronous machine is analyzed and a nonlinear control scheme, which includes PI controllers, is applied. Additionally, a study of asynchronous machine’s stability analysis is conducted. The basic components of a three phase asynchronous machine are extensively referred at the first chapter of this thesis, such as construction characteristics and data about the magnetic field which causes machine’s rotation. The equivalent circuit of the asynchronous machine’s steady state is introduced and studied. What is more four mathematical models that best describe asynchronous machine operation during the transition, are also proposed. Two of these models approximate the operation of doubly fed induction machine (DFIG) and squirrel cage induction machine (SCIG) respectively. One of the most important use of induction machines is the exploitation of wind energy. Thus, next chapters are referred to the factors that affect a region’s wind profile and is approximated by Weibull’s distribution. Furthermore, wind turbines are classified and their evolution is analyzed. Their maximum efficiency factor is also calculated. Having completed the analysis of wind data, used in control design, a very important property of systems, called passitivity, is proved. Under appropriate conditions, passitivity guarantees system’s stability. Two different ways are used in order to prove this property for the two types of induction machine mentioned above. The fifth and last chapter of this thesis is an introduction to the basic principles of vector field oriented control. The design of a nonlinear control scheme is implemented as well, based on field oriented control and active power production’s maximization. Simulations of these control schemes and their responses are also included. Last but not least, closed loop systems’ passivity is being proved and the stability of the corresponding systems, in the absence of stimulation, is proved as well. At the end of this thesis some useful conclusions are drawn.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Πραγματεύεται τη βελτιστοποίηση των σχεδιαστικών παραμέτρων της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με στόχο την επίτευξη μεγιστοποίησης της ροπής εκκίνησης και ελαχιστοποίησης του ρεύματος εκκίνησης. Μελετήθηκε η σχέση που υπάρχει ανάμεσα στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (διαστάσεις) και στις επιδόσεις και τη γενικότερη λειτουργία της μηχανής. Η σχεδίαση και η παραμετροποίηση του τριφασικού επαγωγικού κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού που μελετήθηκε, έγινε μέσω του προγράμματος «Opera» της Vector Fields, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Όσον αφορά τη διαδικασία της εύρεσης του βέλτιστου μοντέλου, αυτή πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του εργαλείου Optimizer που παρέχεται από το πρόγραμμα «Opera». Στη συνέχεια μελετήθηκε και αξιολογήθηκε το αρχικό και το βέλτιστο μοντέλο ώστε να αποκτηθεί σαφής εικόνα για τη λειτουργία τους καθώς επίσης και για τις διαφορές που παρουσιάζουν. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βελτιστοποίηση σαν έννοια αρχικά και στη συνέχεια περιγράφονται τα βήματα που ακολουθούνται για το σωστό ορισμό ενός προβλήματος βελτιστοποίησης. Γίνεται μια ταξινόμηση των προβλημάτων σύμφωνα με την πολυπλοκότητα, το μέγεθος και την ταχύτητα εύρεσης της λύσης. Επιπλέον, αναφέρονται και αναλύονται οι κυριότερες μέθοδοι βελτιστοποίησης και όσες χρησιμοποιούνται περισσότερο με βάση τη βιβλιογραφία. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές κατασκευής και λειτουργίας της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Μέσα από αυτή την ανάλυση προκύπτουν συμπεράσματα για τα πιθανά πεδία λειτουργίας της Α.Μ. στα οποία μπορεί να υπεισέλεθει ζήτημα βελτιστοποίησης. Αναφέρονται και σχολιάζονται για κάθε πεδίο τα μεγέθη και τα φυσικά φαινόμενα που συμμετέχουν. Επίσης, μελετώνται οι σχεδιαστικές παράμετροι του στάτη και του δρομέα που καθορίζουν τη χαρακτηριστική ροπής-στροφών και την απόδοση της μηχανής και οι οποίες στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν στο δικό μας πρόβλημα. Το τρίτο καφάλαιο, περιγράφει τη διαδικασία παραμετροποίησης του μοντέλου του προς μελέτη τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού στο πρόγραμμα Opera. Εξηγείται η πορεία σχεδίασης για κάθε «κομμάτι» της μηχανής ξεχωριστά ξεκινώντας από το στάτη, συνεχίζοντας με το δρομέα και τέλος με την εισαγωγή του διακένου. Υπάρχουν επίσης αναφορές σχετικές με την ανάλυση και μετ-επεξεργασία του μοντέλου. Ακόμη, δίνεται ένα τμήμα του αρχείου στο οποίο υπάρχει το παραμετροποιημένο μοντέλο σαν μια πρώτη εικόνα για το πώς αυτό δημιουργήθηκε. Η παραμετροποίηση έγινε κατά το μεγαλύτερο μέρος της στο περιβάλλον εργασίας του Pre and Post Processor του Opera-2D και κατά ένα μικρότερο μέρος γράφτηκε κώδικας. Στο τέταρτο κεφάλαιο καθορίζεται και διατυπώνεται πλέον το πρόβλημα που θα μας απασχολήσει στην παρούσα εργασία. Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί έναν πλήρη «οδηγό χρήσης» του εργαλείου Optimizer που χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση του βέλτιστου μοντέλου στην περίπτωση που αυτό είναι σχεδιασμένο στις δύο διαστάσεις με τη βοήθεια του προγράμματος Opera-2D. Αναφέρονται με κάθε λεπτομέρεια τα βήματα που ακολουθούνται ώστε να μπορέσει ένα οποιοδήποτε μοντέλο να δοθεί για βελτιστοποίηση στο συγκεκριμένο πρόγραμμα όπως επίσης και τα βήματα για τον ορισμό των αντικειμενικών συναρτήσεων, των σχεδιαστικών παραμέτρων και των περιορισμών στον Optimizer. Υπάρχουν επισημάνσεις και παρατηρήσεις στα σημεία που αντιμετωπίστηκαν οι περισσότερες δυσκολίες και καθυστερήσεις κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσμα της βελτιστοποίησης, αναλύεται το αρχικό και το βέλτιστο μοντέλο, γίνεται αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων, πραγματοποιείται σύγκριση των δύο μοντέλων και τελικά διατυπώνονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάστηκε με χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design ένας Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας κλωβού σε δύο διαστάσεις και μελετήθηκε η συμπεριφορά αυτού και των χαρακτηριστικών ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών του κατά την τοποθέτηση ημιμαγνητικών σφηνών στις αυλακώσεις του στάτη. Έγινε χρήση σφηνών διαφορετικού μεγέθους και κατασκευασμένων από ημιμαγνητικά υλικά. Έτσι, προέκυψαν τρεις (3) νέοι κινητήρες που στην έκταση της παρούσας εργασίας καλούνται ΄΄μοντέλα΄΄. Στη συνέχεια, με τη χρήση αυτών των μοντέλων έγινε Ηλεκτρομαγνητική Ανάλυση με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM-Finite Element Method or FEA-Finite Element Analysis) που χρησιμοποιεί το λογισμικό OPERA. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση που έχει το σχήμα και το υλικό κατασκευής των σφηνών στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα. Τέλος, εξετάστηκαν οι επιδράσεις που επιφέρει το κλείσιμο του ανοίγματος των αυλακώσεων –συναρτήσει, πάντα, του μεγέθους/σχήματος των σφηνών- στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και στις χαρακτηριστικές του Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα. Εξετάστηκαν τόσο τα χωρικά και χρονικά μεγέθη, όσο και η συμπεριφορά αυτών στο πεδίο της συχνότητας (αρμονική ανάλυση – αρμονικό περιεχόμενο). Έγινε αξιοποίηση των γεωμετρικών και ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός συγκεκριμένου τετραπολικού κινητήρα κλωβού, ισχύος 4kW, με 28 αυλακώσεις στο δρομέα και 36 αυλακώσεις στο στάτη. Ο σχεδιασμός των κινητήρων έγινε με τη συμβατική μέθοδο, ήτοι με χρήση των σχεδιαστικών εργαλείων που προσφέρονται μέσω της επιφάνειας εργασίας του προγράμματος και όχι με χρήση κώδικα. Πλεονέκτημα της μεθόδου αποτελεί το γεγονός ότι για τους τρεις κινητήρες που προέκυψαν με την τοποθέτηση των διαφόρων σφηνών δεν απαιτήθηκε εκ νέου σχεδιασμός, αλλά προσαρμογή της εκάστοτε χρησιμοποιηθείσας σφήνας στο αρχικό μοντέλο κινητήρα. Κατά τη μελέτη όλων των μοντέλων λάβαμε υπόψιν τόσο τη γραμμική όσο και τη μη γραμμική Β-Η χαρακτηριστική του σιδηρομαγνητικού υλικού. Η ανάλυση οδήγησε στο συμπέρασμα ότι με τη χρήση των κατάλληλων σφηνών μπορούμε να επιτύχουμε εξομάλυνση των κυματομορφών του ρεύματος και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής και μείωση των ανώτερων αρμονικών. Όλα αυτά οδηγούν σε βελτίωση του βαθμού απόδοσης του κινητήρα. / The influence of semi-magnetic wedges on the electromagnetic variables and the harmonic content in 3-phase squirrel cage induction motors.

Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που δημιουργούνται μέσα σε μια ασύγχρονη ηλεκτρική μηχανή, ειδικότερα των ακτινικών δυνάμεων, καθώς και η μηχανική συμπεριφορά της μηχανής λόγω των δυνάμεων αυτών. Χρησιμοποιήθηκε ένας τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα, ισχύος 4 kW, συνδεσμολογίας τριγώνου. Η προσομοίωση και η μελέτη έγινε με τη χρήση του προγράμματος Opera 2-D της εταιρείας Vector Fields, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την επίλυση των μερικών διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη ηλεκτρομαγνητική λειτουργία της μηχανής. Πρώτα γίνεται η ηλεκτρομαγνητική ανάλυση των μοντέλων της μηχανής στη μόνιμη κατάσταση. Μετά χρησιμοποιώντας τα μοντέλα αυτά, υπολογίστηκαν οι ηλεκτρομαγνητικές πιέσεις που ασκούνται σε δόντια του δρομέα και του στάτη και η συνολική ακτινική και εφαπτομενική δύναμη που ασκείται πάνω στον δρομέα. Όταν οι ιδιοσυχνότητες ταλάντωσης της μηχανής είναι κοντά στις συχνότητες που υπάρχουν στο φάσμα συχνοτήτων της ακτινικής δύναμης, δημιουργείται συντονισμός και προκαλεί θορύβους και ταλαντώσεις στη μηχανή. Για να αποφευχθούν τέτοιου είδους θόρυβοι και ταλαντώσεις υπολογίζονται τα πλάτη και οι συχνότητες της ακτινικής δύναμης καθώς και οι ιδιοσυχνότητες της μηχανής. Οι ίδιες μετρήσεις έγιναν και σε μοντέλο μηχανής με μια σπασμένη μπάρα του κλωβού. Απεικονίσθηκαν οι ακτινικές δυνάμεις και συγκρίθηκαν με αυτές του υγιούς μοντέλου στο πεδίο του χώρου, του χρόνου και της συχνότητας. Επίσης παρουσιάζεται μια μέθοδος για την ανίχνευση «υπογραφών» ηλεκτρικών σφαλμάτων, μέσω ανάλυσης Fourier της ακτινικής ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και πίεσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι μια καλή παράμετρος με τη χρήση της οποίας μπορεί να ανιχνευτεί το σφάλμα της σπασμένης μπάρας. / The aim of this thesis was to study the electromagnetic forces generated in an asynchronous electric machine, especially the radial forces and the mechanical behavior of the machine due to these forces. A three-phase squirrel cage asynchronous motor, 4 kW power, was used. The simulation and the study was performed using the program Opera 2-D of Vector Fields, which uses the finite element method to solve partial differential equations describing the operation of the electromagnetic machine. First of all, the electromagnetic analysis of models of the machine in steady state was performed. Using these models, the electromagnetic pressure on teeth of the rotor and stator was calculated and the total radial and tangential force exerted on the rotor was estimated. When the natural frequencies of oscillation of the machine are close to the frequencies of the radial force, coordination is generated and causes noise and vibrations in the machine. To avoid such noises and vibrations, the amplitudes and frequencies of the radial force and the natural frequencies of the machine must be calculated. The same measurements were made on a model engine with a broken bar. The radial forces were plotted and compared with those of the healthy model, in the field of space, time and frequency. Also, a method for the detection of "signatures" electrical fault, through Fourier analysis of the radial electromagnetic force and pressure is disclosed. The results showed that the electromagnetic force is a good parameter to use for the detection of the broken bar fault.