Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εργαστηριακή εξομοίωση της μηχανικής ροπής που εμφανίζεται στο δρομέα μιας πραγματικής ανεμογεννήτριας με τη μέθοδο της ταχείας προτυποποίησης. Η μέθοδος αυτή παρέχει τη δυνατότητα εξομοίωσης του προς μελέτη αντικειμένου, στην προκειμένη περίπτωση της ανεμογεννήτριας, χωρίς να είναι απαραίτητες οι δοκιμές σε πραγματικό εξοπλισμό, διευκολύνει τη μελέτη της ανεμογεννήτριας σε διάφορες συνθήκες και με διαφορετικές κάθε φορά παραμέτρους, χωρίς να είναι απαραίτητη η αναμονή προκειμένου ο άνεμος να είναι κατάλληλος ώστε να κάνουμε δοκιμές στο πραγματικό σύστημα και τέλος δίνει το πλεονέκτημα της αποφυγής βλαβών του πραγματικού εξοπλισμού. Απαραίτητα στοιχεία για να επιτευχθεί ο στόχος της εργασίας είναι μια πειραματική διάταξη, στην οποία θα πραγματοποιηθούν οι δοκιμές και οι μετρήσεις, καθώς επίσης κάποια ανεμολογικά δεδομένα σε συνδυασμό με τα χαρακτηριστικά της πραγματικής ανεμογεννήτριας της οποίας τη ροπή θα εξομοιώσουμε υπό κλίμακα. Η πειραματική διάταξη μπορεί να περιγραφεί συνοπτικά από το σχήμα της Εικ.1. Χρησιμοποιώντας τα ανεμολογικά δεδομένα υπολογίστηκε η ροπή στον δρομέα της πραγματικής ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου. Αυτή την ροπή την παρήγαμε υπό κλίμακα στο εργαστήριο, στον άξονα ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα, εφαρμόζοντας έλεγχο ροπής. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε περιλαμβάνει μια ασύγχρονη μηχανή, μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, ένα μονοφασικό ωμικό φορτίο, έναν τριφασικό αντιστροφέα πηγής τάσης και έναν μικροεπεξεργαστή με τον οποίο υλοποιείται η διαδικασία του ελέγχου. Ο έλεγχος της ασύγχρονης μηχανής γίνεται ρυθμίζοντας την τάση εξόδου του αντιστροφέα κατά πλάτος και συχνότητα, παλμοδοτώντας κατάλληλα τα διακοπτικά στοιχεία του. Το κύκλωμα παλμοδότησης υλοποιείται μέσω του μικροεπεξεργαστή, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM). Ανάλογα με την τιμή του σφάλματος της ροπής ρυθμίζονται κατάλληλα οι παράμετροι της παλμοδότησης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του ασαφούς ελέγχου (Fuzzy Control). Για τη μέτρηση της ροπής στον άξονα του ασύγχρονου κινητήρα, που αποτελεί το σήμα ανάδρασης του ελέγχου, χρησιμοποιήθηκε ένα ροπόμετρο. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η παραγωγή του κώδικα με τον οποίο γίνεται η εξομοίωση και ο έλεγχος. Αρχικά γίνεται μοντελοποίηση του κυκλώματος στο περιβάλλον Simulink και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα εργαλεία, ακολουθείται μια αυτόματη διαδικασία παραγωγής του κώδικα και εκτέλεσή του από τον μικροεπεξεργαστή (DSP). Η χρήση του μικροεπεξεργαστή προσέφερε επίσης αρκετά πλεονεκτήματα και διευκόλυνε την πειραματική διαδικασία. Χρησιμοποιώντας τον μικροεπεξεργαστή για τη διεξαγωγή του ελέγχου, αποφεύχθηκε η χρήση επιπλέον διατάξεων ελέγχου. Επίσης, οι περιφερειακές μονάδες του ήταν ιδιαίτερα χρήσιμες κατά τη δειγματοληψία των μεταβλητών ανάδρασης, κατά την παραγωγή των παλμών της SPWM αλλά και κατά την καταγραφή των δεδομένων. / The main objective of this thesis is the implementation of the mechanical torque that appears on the rotor of a real wind turbine, using the method of rapid prototyping. That method has many advantages. The main advantage is that the use of a real wind turbine was avoided and that minimized the cost of research. A second advantage is that it was not necessary to wait for convenient weather conditions in order to carry out the experiments. In addition, damages of equipment were avoided using the method of rapid prototyping In order to accomplice this objective it is necessary to have an experimental construction, which will be used for tests and measurements, as well as the use of wind speed data and the characteristics of a real wind turbine, which will be used to calculate in scale the real torque that appears on the rotor. The experimental construction is shown in Pic.2. The torque on the rotor of the real wind turbine was calculated as a function of wind speed. That torque was implemented in scale using torque control of an induction motor in the laboratory. The experimental construction includes an induction machine, a constant current machine, a single-phase resistive load, a three-phase voltage source inverter and a digital signal processor, which is used to accomplice the control procedure. The torque control of the induction machine is achieved by regulating the amplitude and the frequency of the output voltage of the inverter, using the appropriate pulses to drive the IGBTs. The microprocessor produces the pulses using the method of Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). The parameters of the pulses are proportional to the torque error and are appropriately calculated using the method of Fuzzy Control. A torque meter was used in order to measure the torque on the shaft of the induction motor, which was the feedback signal for the control procedure. The code generation is achieved using a microprocessor (DSP). Initially, a simulation model is made using the program Simulink and then, using the right tools, the code is generated and run using the microprocessor. Using the microprocessor had many advantages and made the experiment procedure easier. Initially, additional control devices were not necessary during the experiments. Also, the microprocessor peripherals were useful during the sampling of feedback signals, during the calculation of SPWM pulses and during data recording.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της λειτουργίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας μήτρας (matrix converters) και, ειδικότερα, των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας με τρία σκέλη αποτελείται από 18 τρανζίστορ ισχύος και 18 διόδους ισχύος και χρησιμοποιείται για τη μετατροπή μίας τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδό του, με δυνατότητες ρύθμισης του πλάτους και της συχνότητας της τάσης εξόδου, διαμόρφωσης του ρεύματος εισόδου, ρύθμισης του συντελεστή ισχύος στην είσοδο και αμφίδρομης ροής ισχύος. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε ένα στάδιο, χωρίς ενδιάμεσο στάδιο συνεχούς τάσης (ή συνεχούς ρεύματος), με αποτέλεσμα την αποφυγή χρήσης πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας και πηνίων μεγάλης επαγωγιμότητας. Οι μετατροπείς τοπολογίας μήτρας χαρακτηρίζονται από υψηλούς βαθμούς απόδοσης, υψηλές πυκνότητες ισχύος και πολύ μεγάλους λόγους ισχύος προς μάζα, ενώ το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου και του ρεύματος εισόδου αυτών είναι μικρό. Η πολυπλοκότητα αυτών των μετατροπέων είναι υψηλή και η δυσκολία υλοποίησής τους σημαντική. Η διερεύνηση των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας στα πλαίσια της παρούσας διατριβής εστιάστηκε κυρίως στην ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος που συμβαίνουν στο μετατροπέα, καθώς και στην ανάπτυξη μεθόδων παλμοδότησης αυτών που βασίζονται στη χρήση φορέα για την κανονική και επανορθωτική τους λειτουργία. Η διατριβή αυτή περιλαμβάνει οκτώ κεφάλαια, το περιεχόμενο των οποίων περιγράφεται ακολούθως. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή στους στόχους και τη διάρθρωση της παρούσας διατριβής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μία εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή και η σύγκριση διαφόρων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας, καθώς και η περιγραφή των συμβατικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για την ίδια μετατροπή τάσης και η σύγκριση τους με τις δύο βασικότερες παραλλαγές των μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι μέθοδοι που εφαρμόζονται για τον έλεγχο του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Συγκεκριμένα, περιγράφονται και συγκρίνονται διάφορες μέθοδοι παλμοδότησης που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους μετατροπείς, καθώς και οι βασικότερες μέθοδοι μετάβασης του ρεύματος. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή μίας νέας μεθόδου παλμοδότησης με τη χρήση φορέα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και οδηγεί σε μειωμένες διακοπτικές απώλειες για χρήση στην περίπτωση που ο επιθυμητός λόγος μεταφοράς τάσης είναι μικρότερος ή ίσος του 50%. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας που σχεδιάσθηκε και κατασκευάσθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και τα υπόλοιπα στοιχεία της πειραματικής διάταξης. Επιπρόσθετα, παρατίθενται ορισμένα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών που αφορούν τη λειτουργία επιμέρους τμημάτων του μετατροπέα. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικώς, γίνεται μία σύντομη περιγραφή του μοντέλου του υπό μελέτη συστήματος στο περιβάλλον του λογισμικού Matlab/Simulink, παρατίθενται οι τιμές διαφόρων παραμέτρων αυτού και παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Επιπρόσθετα, περιγράφεται μία μέθοδος διανυσματικού ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής μίας ασύγχρονης μηχανής τροφοδοτούμενης από άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζονται τα πιθανά σφάλματα στον άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αναλυτικά οι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος και εντοπισμού ανοικτοκυκλωμένων τρανζίστορ σε αυτόν το μετατροπέα που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Περιγράφονται, επίσης, ορισμένες τεχνικές επεξεργασίας σήματος και στοιχεία της θεωρίας των ασαφών έμπειρων συστημάτων, τα οποία χρησιμοποιούνται στις μεθόδους διάγνωσης που προτάθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφονται τοπολογίες και μέθοδοι παλμοδότησης για την επανορθωτική λειτουργία κινητηρίων συστημάτων με άμεσους μετατροπείς τοπολογίας μήτρας μετά την εμφάνιση σφαλμάτων στο μετατροπέα. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή δύο μεθόδων παλμοδότησης με χρήση φορέα για την επανορθωτική λειτουργία του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας μετά από ένα σφάλμα ανοικτοκυκλώματος, μία για το μετατροπέα με πρόσθετο (τέταρτο) σκέλος και μία για το μετατροπέα χωρίς πρόσθετα στοιχεία, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 επισημαίνεται η συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην έρευνα σχετικά με τους Μ.Τ.Μ., ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα αυτής και αναφέρονται σημεία που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιστημονικής έρευνας στο μέλλον. / This thesis was focused on the research in the matrix converters domain and, particularly, in direct matrix converters. The 3-leg direct matrix converter consists of 18 power transistors and 18 power diodes and is used for the conversion of a three-phase AC voltage to a three-phase AC voltage of variable amplitude and variable frequency. This topology is also capable of modulating the input current and adjusting the input power factor, whereas bidirectional power flow is allowed. This conversion is achieved in one stage with the direct connection of the input phases with the output phases, without using an intermediate DC link stage, resulting in elimination of the use of large capacitors and large inductors. The use of the matrix topology in power converters results in high efficiency, high power density and very high power-to-mass ratio, whereas the harmonic distortion of the output voltage and the input current is low. The complexity of the matrix converters is high resulting in significant implementation effort. In this thesis, the research in direct matrix converters was focused mainly on the development of diagnosis methods for open-circuit faults that arise in the matrix topology, as well as the development of carrier-based modulation methods for the normal and remedial operation of these converters. This thesis contains eight chapters, the content of which is described below. In Chapter 1 an introduction and a brief description of the aims and the structure of this thesis are provided. In Chapter 2 an introduction to the AC-AC power converters used for the modulation of an output voltage of variable amplitude and variable frequency is provided. A description and a comparison of various matrix converter topologies, a description of the conventional topologies used for the same voltage conversion and a comparison of the latter with the two most popular matrix topologies are included in this chapter. In Chapter 3 the methods required for the control of the direct matrix converter are presented. In detail, various modulation methods are described and compared and the most significant commutation methods are presented. In this chapter a novel carrier-based modulation method that was proposed in this work is also described which results in reduced switching losses for use in cases that the required voltage transfer ratio is up to 50%. In Chapter 4 the direct matrix converter that was designed and constructed in this work is presented and other parts of the experimental setup are described. Additionally, some experimental results related to the operation of matrix converter parts are provided. In Chapter 5 a brief description of the studied system’s model that was created using the Matlab/Simulink software is provided, the value of various parameters of this model is given and simulation results of the normal (healthy) operation of the matrix converter are presented and commented. Additionally, a vector control method for the speed control of an induction machine fed by a matrix converter is described and simulation results of its operation are demonstrated. Finally, experimental results of the normal operation of the matrix converter are presented and commented. In Chapter 6 the possible faults in direct matrix converters are studied and the methods to detect open-circuit faults and the open-circuited transistors localization method that were developed in this work are presented. Additionally, a description of signal processing methods and the basic theory of fuzzy inference systems, which are used by the proposed diagnosis methods, are included. In Chapter 7 topologies and modulation methods used for the remedial operation of the direct matrix converter after the occurrence of a fault are presented. In this chapter two carrier-based modulation methods for the remedial operation of the direct matrix converter after an open-circuit fault occurrence that were developed in this work are also described, one for the case of using a redundant (fourth) leg and one for the case of not using any redundant switches. In Chapter 8 the contribution of this thesis to the research in the matrix converters domain is highlighted, its additional results are noted and subjects of possible future work are provided.