Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και την υλοποίηση του διανυσματικού ελέγχου ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός μας είναι η μελέτη, η επιλογή και τελικά η υλοποίηση ενός συγκεκριμένου είδους διανυσματικού ελέγχου ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα μέσω της χρήσης ψηφιακού μικροελεγκτή . Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στα κινητήρια συστήματα και στην σημασία των ασύγχρονων κινητήρων σε ένα ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα καθώς και στον έλεγχο αυτών και δη το διανυσματικό. Στη συνέχεια, μελετώνται η βασική αρχή λειτουργίας, οι μαθηματικές εξισώσεις, τα μοντέλα λειτουργίας καθώς και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των ασύγχρονων μηχανών αλλά και της μηχανής που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική μας διάταξη. Στο επόμενο βήμα, γίνεται μια πολύ σύντομη ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη του διανυσματικού ελέγχου , εισαγωγή και θεωρητική ανάλυση σε βάθος των αρχών αυτού και αναλυτική παρουσίαση όλων των ειδών του. Τέλος, καταλήγουμε στην επιλογή της μεθόδου που θα χρησιμοποιήσουμε. Συνεχίζοντας, κάνουμε μια εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος και αναλύουμε τον τριφασικό αντιστροφέα τάσης που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία. Επόμενο βήμα είναι η παρουσίαση και η περιγραφή του μικροεπεξεργαστή dsPIC30F4011 της εταιρίας Microchip ενώ περιγράφεται αναλυτικά και η διαδικασία ανάπτυξης του προγράμματος για την υλοποίηση του διανυσματικού ελέγχου. Τέλος, παρατίθενται οι κυματομορφές που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση του προγράμματος και του ελέγχου του. / This diploma thesis addresses the design and implementation of vector control of a three-phase asynchronous motor. The project was based at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. Our objective is the study, the choice and ultimately the implement of a specific type of vector controlfor a three-phase asynchronous motor using digital microcontroller. Initially, there is a reference to the electric drive systems and to the importance of an asynchronous motor in an electric drive system and to its control, especially the vector control. Following there is a theoretical analysis of the basic principle of operation,the mathematical equations, the models of operation and the construction of an asynchronous machine. The next step is a very brief historical reference to the development of vector control.There is also a theoretical analysis of the principles of this and detailed presentation of all the species. Finally, we conclude to the method we used. Our next step is to present the electronic power converters and to analyze the three-phase inverter which was used in this diploma thesis. Following, there is a presentation and description of the microprocessor dsPIC30F4011(Microchip).Just after that,we describe the process of program development for the implementation of vector control in a detailed analysis . Finally, we present the waveforms coming up from the experiments that we carried out after the completion of the process of vector control.

Στις ηλεκτρικές μηχανές η θερμική ανάλυση είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, διότι η θέρμανση μίας μηχανής είναι αυτή που τελικά οριοθετεί την ονομαστική ισχύ της. Ακριβής θερμική μοντελοποίηση της μηχανής απαιτείται για την επίτευξη υψηλής απόδοσης, την ορθή σχεδίαση, την επιλογή των υλικών και του τρόπου ψύξης και τη βελτιστοποίηση κόστους. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των απωλειών, ο υπολογισμός της παραγόμενης θερμότητας και η εύρεση της κατανομής θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. / Thermal analysis of electrical machines is as important as electromagnetic analysis, since the machine heating actually determines the nominal power of the machine. Accurate thermal modelling is necessary in order to achieve high performance, proper design, cost optimization and selection of the most suitable materials and cooling method. The goal of this project is the study of power losses and the calculation of the produced heat and temperature distribution inside an induction motor, which operates at steady state, using the finite element method.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια μελέτη επί του ελέγχου των κινητήρων επαγωγής που στόχο έχει τη διερεύνηση της επίδασης των διαφορετικών σημάτων ανάδρασης (ανάλογο στροφών και ανάλογο του τετραγώνου στοφών) στην απόκριση του συστήματος κίνησης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ενδελεχώς η σχετική θεωρία, μελετήθηκε η παθητικότητα ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, χρησιμοποιήθηκε συγκεκριμένος ηλεκτρονικός μετατροπέας και κατασκευάστηκε μετατροπέας σήματος συνεχούς ρεύματος ανάλογος του αριθμού των στροφών και του τετραγώνου του. Στα πλαίσια της εργασίας εξετάστηκε PI έλεγχος βασισμένος στον βαθμωτό (Scalar V/f) έλεγχο, με σήμα αρνητικής ανάδρασης ρεύμα ανάλογο του αριθμού και του τετραγώνου του αριθμού των στροφών. Μελετήθηκε η απόκριση του κινητήρα και για τους δύο ελέγχους για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων KP και KI, και διερευνήθηκε ποιες είναι αυτές ώστε να έχουμε βέλτιστη απόκριση. Συγκεκριμένα ποιες παρουσιάζουν την μικρότερη υπερύψωση, τον μικρότερο χρόνο αποκατάστασης, το μικρότερο σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Επίσης εξετάστηκε η επίδραση της κάθε παραμέτρου στην διαμόρφωση της εσωτερικής ενέργειας του κινητήρα. / This diploma thesis forms a study on control techniques of induction motors which comes with the intention to explore the effets of different signals of feedback (proportional to the number of revolutions and to the square of the number of revolutions) on the output of the motor. For this purpose sedulous analysis of relevant theory was carried out, passivity of electromechanical systems was studied, a specific electronic commutator was used and a converter of constant current signal proportional to the number of revolutionsand to the square of the number of revolutions was developed. In this thesis a PI controller based on the Scalar V/f control with a signal of current of negative feedback was examined. The output of the motor for both the controls aid for different values of the parameters KP and KI was examined, and it was investigated which of them lead to an optimal output of the motor. It was studied more specifically which of them result in the optimal overshoot, settling time and the error of the permanent mode. Furthermore, it was inquired the impact of its parameter on the modulation of the intrinsic power of the motor.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελείται από δυο μέρη. Στο πρώτο μέρος πραγματοποιήθηκε μεταβατική θερμική ανάλυση σε μια υγιή μηχανή και σε μια μηχανή με σπασμένη μπάρα και ακολούθησε σύγκριση των αποτελεσμάτων των δυο αναλύσεων. Στο δεύτερο μέρος έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων μιας μεταβατικής θερμικής ανάλυσης υγιούς μηχανής με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. / Transient thermal analysis for healthy asychronous motor and for motor with broken bar to the motor.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε ένας τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα, ισχύος 4 kW, συνδεσμολογίας αστέρα. Η προσομοίωση 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 λειτουργία της μηχανής. Σκοπός της διπλωματικής αυτής ήταν η βέλτιστη προσομοίωση του κινητήρα μέσω του προαναφερθέντος προγράμματος, ώστε να συμπίπτουν τα πειραματικά αποτελέσματα με τα υπολογισθέντα και η απόδειξη ότι η τεχνική κατασκευής των αυλακώσεων δρομέα υπό κλίση επιφέρει μείωση των ανώτερων αρμονικών στα ηλεκτρικά μεγέθη του κινητήρα. Στην αρχή σχεδιάστηκε η τομή του ασύγχρονου κινητήρα στις δύο διαστάσεις έτσι ώστε να αναπαρασταθούν όσο το δυνατόν καλύτερα τα κατασκευαστικά μέρη του κινητήρα (στάτης, δρομέας, διάκενο) και με όσο το δυνατόν λιγότερα (τριγωνικά) στοιχεία προς επίλυση. Η προσομοίωση έγινε για διάφορες τιμές σταθερών στροφών της ταχύτητας του δρομέα. Εξετάσθηκαν υγιή μοντέλα του κινητήρα αλλά και μοντέλα με σφάλμα, όπως με σπασμένη τη μία μπάρα του δρομέα. Παρουσιάσθηκαν γραφικά διάφορα μεγέθη όπως η τάση τροφοδοσίας, τα ρεύματα στάτη αλλά και δρομέα, η ροπή εξόδου, η ταχύτητα περιστροφής και τέλος η ηλεκτρική γωνία. Μέσω των μεγεθών αυτών, επιβεβαιώσαμε τις πειραματικές μετρήσεις που πήραμε στο εργαστήριο. Τέλος, μέσω της ανάλυσης Fourier, επιβεβαιώσαμε την επιθυμητή μείωση στις ανώτερες αρμονικές σε ροπή και ρεύματα όταν οι αυλακώσεις του δρομέα κατασκευάζονται υπό κλίση σε σχέση με αυτές του στάτη. / In this diplomatic work a trifasic asynchronous star connected motor with power of 4kW was simulated. The simulation was accomplished by use of the Opera 2-D program developed by (the company) vector Fields. The program uses the method of finite elements to solve the partial differential equations that describe the function of the machine. The purpose of this project was to optimize the simulation of the engine (by means of the abovementioned program), so as to coincide the experimental results with the calculated ones and to prove that the technical construction of skewing the slots of the rotor entails a reduction of the higher harmonics of the electrical values of the engine. At the beginning the intersection of the asynchronous motor was designed in two dimensions so that it best represents the components of the engine (stator, rotor, gap) with the less possible (triangular) elements to be solved. Then the simulation was done for various values of constant rotor speed. Healthy models of the motor were examined but also models with errors, such as with a broken rotor bar. Various values were presented graphically, such as supply voltage, stator and rotor currents, output torque, rotational speed and finally electrical angle. Through these values, the experimental measurements, that were done in the laboratory, were confirmed. Finally, using the analysis Fourier, it was confirmed that the higher harmonics of torque and currents are reduced when the rotor slots are skewed compared to those of the stator.

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

Η παρούσα διπλωματική εργασία, η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, πραγματεύεται την κατασκευή ενός επιβατηγού ανελκυστήρα σε μικρή κλίμακα. Σκοπός είναι η μελέτη και η κατασκευή της μικρογραφίας ενός ανελκυστήρα για την μεταφορά προσώπων, του οποίου η λειτουργία θα ελέγχεται μέσω τυπωμένου κυκλώματος. Αρχικά παρατίθεται μια σύντομη ανάλυση της ιστορίας των ανελκυστήρων, τα κυριότερα μέρη τους, των διαφόρων κατηγοριών που υπάρχουν αλλά και κάποιων βασικών στοιχείων τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται η αρχή λειτουργίας των ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων και παρουσιάζονται τα βασικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τα είδη αυτών. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή του μικροεπεξεργαστή που χρησιμοποιήθηκε, καθώς και των δυνατοτήτων που προσφέρει. Το επόμενο βήμα είναι η ανάλυση της λογικής που θα ακολουθεί ο ανελκυστήρας κατά την λειτουργία του, η περιγραφή των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση της παραπάνω λογικής αλλά και του τρόπου σύνδεση τους με τους ακροδέκτες των δυο μικροελεγκτών. Για την ευκολότερη υλοποίηση της λογικής που υιοθετήθηκε, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν δύο τυπωμένα κυκλώματα. Το πρώτο ελέγχει όλα τα στοιχεία που υπάρχουν στο εσωτερικό του θαλάμου, ενώ το δεύτερο όσα βρίσκονται εξωτερικά και συγκεκριμένα τα μπουτόν κλήσης των ορόφων, τους αισθητήρες προσέγγισης και τα ρελέ που οδηγούν τον κινητήρα. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στο δίκτυο CAN το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την επικοινωνία των τυπωμένων κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν. Επίσης, παρατίθονται τα πλήρη διαγράμματα ροής του κώδικα και τα σχέδια των τυπωμένων κυκλωμάτων. Τέλος, ακολουθούν τα συμπεράσματα από την λειτουργία της κατασκευής και τα σχόλια για μελλοντικές βελτιώσεις. / The purpose of this thesis is the construction of a passenger elevator in a small scale. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering at University of Patras. The main aim is the study and the construction of the miniature of an elevator for transporting persons, whose function will be controlled through printed circuit boards. Initially, there is a brief overview of the history and the main parts of elevators, along with the various categories in which they are divided. Secondly, the construction of three-phase asynchronous motors, their types and the principle of their operation are described. In addition, there is a short description of the microprocessor which is used and its capabilities, in order to facilitate the study and design of the structure. Furthermore, the logic of the elevator, the elements which are necessary to implement the above logic and how to connect them to the pins of the two microcontrollers are given. For easier implementation of the logic which was adopted, two printed circuits were designed and manufactured. The first circuit controls all the elements that exist inside the cabin, and the second controls the call buttons on every floor, the proximity sensors and the relays which drive the motor. Moreover, there is a brief reference to the CAN network which is used for the communication of the microcontrollers. The full flow chart of the code and the schematics of the printed-circuit boards are also provided. Finally, the conclusions that derive from the construction and the operation of the elevator are presented and future improvements concerning the construction are proposed.

Στην παρουσα διπλωματική εργασιά μοντελοποιήθηκε και εξομοιώθηκε η λειτουργία ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος που αποτελείται από μία τριφασική ασύγχρονη μηχανή και έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος τοπολογίας “Matrix” με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή, χρησιμοποιώντας το περιβάλλον Simulink του λογισμικού Matlab και το πρόγραμμα Vector Fields Opera που χρησιμοποιείται για ανάλυση με μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η διερεύνηση και αξιοποίηση της δυνατότητας «συνεργασίας» μεταξύ των δύο αυτών προγραμμάτων. Συγκεκριμένα εξομοιώθηκε η λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής της οποίας το μοντέλο είχε δημιουργηθεί στο περιβάλλον του Opera, κατά την τροφοδοσία της μέσω του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος τύπου “Matrix”, το μοντέλο του οποίου είχε δημιουργηθεί στο Simulink του Matlab. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται τα σημαντικότερα σημεία της τεχνολογίας των τριφασικών ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας “Matrix” και οι βασικές τεχνικές και μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο τρόπος λειτουργίας του, ενώ στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι βασικές αρχές λειτουργίας της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Στα κεφάλαια 3 και 4 παρουσιάζονται το μοντέλο της μηχανής και του μετατροπέα, όπως δημιουργήθηκαν στα αντίστοιχα προγράμματα και παρουσιάζεται η εξομοίωση της μεμονωμένης λειτουργίας τους. Συγκεκριμένα στο κεφάλαιο 3, μετά την παρουσίαση του μοντέλου της μηχανής, εξομοιώνεται η λειτουργία της στο πρόγραμμα Opera με ημιτονοειδή τάση τροφοδοσίας και στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η εξομοίωση της λειτουργίας του μετατροπέα με ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται η «σύνδεση» των δύο μοντέλων και εξομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις. Πρώτα για σταθερή σε μέτρο και συχνότητα τάση εξόδου του μετατροπέα με την οποία τροφοδοτείται η ασύγχρονη μηχανή (κινητήρας) της οποίας μεταβάλλουμε το μηχανικό φορτίο και στη συνέχεια για λειτουργία του κινητήρα υπό σταθερό φορτίο και μεταβολή της συχνότητας και του μέτρου της τάσεως εξόδου του μετατροπέα. Τέλος στα κεφάλαια 6 και 7 εξετάζεται η λειτουργία της μηχανής όταν σε αυτήν παρουσιάζεται ένα βραχυκύκλωμα μεταξύ κάποιων σπειρών του τυλίγματος μίας φάσης του στάτη και εξομοιώνεται η λειτουργία της μηχανής με ημιτονοειδή τάση τροφοδοσίας (κεφάλαιο 6) καθώς και όταν τροφοδοτείται μέσω του μετατροπέα, τόσο εν κενώ όσο και με μηχανικό φορτίο (κεφάλαιο 7). / In this degree thesis a model of an electromotion system consisting of an asynchronous machine and a power electronic Matrix topology converter was created and then simulated with the help of an electronic computer, using the software of Matlab Simulink and Vector fields Opera software which makes use of the finite elements method. The main objective of this work was the examination and the utilization of the interaction capability between these two software. Particularly, it is simulated the behavior of the asynchronous machine, the model of which was designed in the Opera environment, fed by the Matrix converter which its model was designed in Simulink. In the first chapter there are presented the most important parts of the three-phase power electronic Matrix topology converter and the basic techniques and methods that are used for the control of the converter in order to understand its function, while in the second chapter the fundamentals of the asynchronous machine are mentioned. In chapters 3 and 4, the models of the asynchronous machine and of the Matrix converter are presented as they were designed in Opera and Simulink and also there are presented the simulations of these two models separately. in addition, in the third chapter, after the presentation of the machine’s model, it’s function is simulated with the use of software Opera for sinusoidal power supply and in chapter 4 it is given a simulation of the function of the Matrix converter for a R-L load. In the fifth chapter we have the “connection” of the two models and the simulation of the function of the “whole” system in two different cases. First the simulation is carried out for a stable in amplitude and frequency output voltage supply of the Matrix converter with which the asynchronous machine (induction motor) is supplied while the mechanical load connected to the motor is modified and secondly it is presented the simulation of the system for a stable, during the simulation time, mechanical load but with modification of the amplitude and frequency of the converter’s output voltage with which the motor is supplied. Concluding, in chapters 6 and 7, the function of the motor is examined in the case that there is a stator inter turn short circuit in a phase winding and in chapter 6 a simulation of the function of the motor with this fault is carried out for sinusoidal supply, while in chapter 7 there are presented simulations of the same model of the motor with the fault, being supplied by the matrix converter in the cases that the motor is rotating with load torque and without any mechanical load.

Η μόλυνση του περιβάλλοντος από τα μέσα μεταφοράς και η συνεχής μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων αποτελούν τους δύο κύριους λόγους για τη στροφή των τμημάτων έρευνας της παγκόσμιας αυτοκινητοβιομηχανίας στην επινόηση οικολογικότερων μέσων μετακίνησης. Από αυτή την προσπάθεια προέκυψαν τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα, τα οποία περιορίζουν την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπες ρύπων συγκριτικά με συμβατικά οχήματα παραπλήσιων τεχνικών χαρακτηριστικών. Τα υβριδικά οχήματα είναι, ουσιαστικά, ο προάγγελος και το πεδίο δοκιμής και εξέλιξης της αμιγούς ηλεκτροκίνησης. Ο κοινός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας και άλλων δύο διπλωματικών εργασιών, οι οποίες εκπονήθηκαν παράλληλα με αυτή, είναι η μετατροπή ενός συμβατικού βενζινοκίνητου αυτοκινήτου σε ηλεκτρικό υβριδικό όχημα. Το αρχικό μέλημα υπήρξε η εύρεση του κατάλληλου οχήματος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Την προμήθεια του οχήματος ακολούθησε η έρευνα της αγοράς για την εύρεση του κατάλληλου ηλεκτρικού κινητήρα. Ο κινητήρας, ο οποίος επιλέχθηκε, είναι τριφασικός ασύγχρονος. Εν συνεχεία, αγοράστηκαν συσσωρευτές οξέος μολύβδου ως εναλλακτική πηγή ενέργειας του οχήματος. Ακολούθησε εμπεριστατωμένη μελέτη για τη μηχανολογική προσαρμογή του ηλεκτρικού κινητήρα και των συσσωρευτών στο όχημα και πραγματοποιήθηκε αυτή η εργασία. O ηλεκτρικός κινητήρας τοποθετήθηκε επί του διαφορικού, ενώ κατασκευάστηκε ειδική βάση για τους συσσωρευτές. Υπολογίστηκε και κατασκευάστηκε κατάλληλο σύστημα μετάδοσης για τη μεταφορά της κίνησης από τον κινητήρα στον άξονα μετάδοσης της κίνησης του οχήματος, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες κίνησης του. Το γεγονός ότι ο κινητήρας χρειάζεται σύστημα υδρόψυξης για την ασφαλή και αποδοτική λειτουργία του είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή κατάλληλης διάταξης. Το δεδομένο ότι οι συσσωρευτές παράγουν συνεχές ρεύμα, ενώ ο κινητήρας απαιτεί τροφοδοσία με εναλλασσόμενο ρεύμα οδήγησε στην κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Ο αντιστροφέας αποτελεί μια ηλεκτρική διάταξη, η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Το απαιτούμενο επίπεδο τάσης εξόδου του αντιστροφέα για την τροφοδοσία του κινητήρα προϋποθέτει συγκεκριμένο επίπεδο τάσης στην είσοδο του μετατροπέα, το οποίο είναι υψηλότερο από την τάση εξόδου της συστοιχίας των συσσωρευτών. Επιχειρήθηκε, λοιπόν, η εξομοίωση και η κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η ιδιότητα του είναι η ανύψωση του επιπέδου τάσης των συσσωρευτών κατά τη φάση της τροφοδότησης του κινητήρα αλλά και ο υποβιβασμός της τάσης για τη φόρτιση των συσσωρευτών κατά την επιστροφή ενέργειας από τη λειτουργία του κινητήρα ως γεννήτρια, τη λεγόμενη διαδικασία της αναγεννητικής πέδησης. Ο έλεγχος του ηλεκτρικού κινητήρα πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής του άμεσου ελέγχου ροπής (DTC), ενός είδους άμεσου διανυσματικού ελέγχου. / The environmental pollution caused by all means of transport and the continued reduction of stocks of fossil fuels are the two main reasons, which directed the global automotive research in developing “greener” means of transport. From this effort emerged hybrid electric vehicles, which reduce fuel consumption and emissions compared to conventional vehicles with similar technical characteristics. Hybrid vehicles are essentially the precursor and the field for testing and developing pure electric traction. The common objective of this and two other diploma theses, which were prepared in parallel with it, is to convert a conventional gasoline car to a hybrid electric one. The initial concern was to find a suitable vehicle for this application. The supply of the vehicle was followed by the market research to find a suitable motor. The selected motor is a three-phase asynchronous motor. Subsequently, lead acid batteries were purchased as an alternative energy source for the vehicle. This was followed by a thorough study of the mechanical adjustment of the electric motor and battery in the vehicle and the planned work was performed. The electric motor is adapted on the differential and a base was constructed to fit the batteries. A suitable transmission system was built to transmit motion from the electric motor to the transmission axle of the vehicle to meet the needs of the driving conditions. The fact that the motor needs a water cooling system for its safe and efficient operation resulted in the construction of an adequate array. Taking into account that the batteries produce direct current, while the motor requires the supply of alternating current led to the design and construction of a three-phase power inverter at the laboratory. The inverter is an electrical device that converts direct current to alternating current. The demanded level of voltage in the inverter’s output to power the motor requires a specific voltage level at the input of the converter, which is higher than the output voltage of the battery pack. Therefore, the simulation and the construction of a bidirectional DC to DC voltage converter was attempted at the laboratory. The aim is to raise the level of battery voltage during the phase of the electric machine functioning as a motor and to reduce the voltage level to charge the batteries during the phase that the electric machine functions as a generator, a process called regenerative braking. The control of the electric motor was achieved by the technique of direct torque control (DTC), a kind of direct vector control.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μετατροπή ενός συμβατικού αυτοκινήτου σε υβριδικό ηλεκτρικό όχημα. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετάται και κατασκευάζεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα του οχήματος, το οποίο έχει τοπολογία παράλληλης διάταξης. Τα υποσυστήματα που το συνθέτουν είναι ένας τριφασικός ασύγχρονος ηλεκτρικός κινητήρας, μία συστοιχία ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και οι απαραίτητοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Το υβριδικό όχημα διαθέτει τη δυνατότητα επιστροφής ενέργειας κατά την επιβράδυνση, φορτίζοντας τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές (αναγεννητική πέδηση). Για την προσαρμογή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος στο υπάρχον συμβατικό κινητήριο σύστημα του αυτοκινήτου έλαβαν χώρα ορισμένες μηχανολογικές μετατροπές και κατασκευάστηκε ένα σύστημα υδρόψυξης για τον ηλεκτροκινητήρα. Για τη ενεργειακή διαχείριση του όλου συστήματος έγινε εμπεριστατωμένη ηλεκτρολογική μελέτη. Για την τροφοδοσία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση (τριφασικός αντιστροφέας). Για τη λειτουργία του τριφασικού κινητήρα σε επίπεδα ονομαστικής ισχύος απαιτήθηκε η ανύψωση της συνεχούς τάσης των μπαταριών και για αυτό το λόγο έγινε σχεδιασμός, προσομοίωση και κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου ηλεκτρονικού μετατροπέα ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση. Ο έλεγχος της ηλεκτρικής μηχανής υλοποιείται από την μέθοδο Αμέσου Ελέγχου Ροπής (DTC), η οποία αποτελεί ένα είδος αμέσου διανυσματικού ελέγχου. Παράλληλα με αυτή τη διπλωματική εργασία, εκπονήθηκαν δύο ακόμα διπλωματικές εργασίες πάνω στο θέμα του υβριδικού οχήματος. / The present diploma thesis deals with the conversion of a conventional car to a hybrid electric vehicle (HEV). To this direction, the powertrain of the vehicle is designed and constructed, composing a parallel hybrid topology. The subsystems of the electric propulsion system are a three-phase asynchronous electric motor, an electrochemical battery pack and the necessary power electronic converters. The hybrid electric vehicle has the ability to return energy and charge the batteries during deceleration (regenerative braking). In order to adapt the electrical compounds to the existing conventional propulsion system, some mechanical modifications had to be made. Furthermore, a water cooling system was designed and constructed in order to cool the electric motor. The energy management of the electrical system is analysed. The power of the three-phase asynchronous motor is controlled by a three-phase DC to AC inverter. The operation of the motor at its nominal power requires the boost of the battery voltage level. For this reason, a bidirectional DC to DC boost / buck converter was firstly simulated to ensure its proper operation. The above power converters were designed and constructed at the laboratory. The control of the electric motor is implemented by the Direct Torque Control method (DTC), which is a kind of direct vector control. In parallel with this work, two more diploma theses were prepared on the project of the hybrid electric vehicle.