Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και τον έλεγχο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής (DFIG) που χρησιμοποιείται σε συστήματα ανεμογεννητριών. Στα πρώτα κεφάλαια θα αναφερθούν κάποια στοιχεία απαραίτητα για την κατανόηση του αντικειμένου και των προβλημάτων του και ακολουθεί η ενασχόληση με την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Αφού αναλυθεί η μηχανή εξάγονται οι εξισώσεις λειτουργίας αυτής και του μετατροπέα και, τέλος, εφαρμόζονται οι απαραίτητοι έλεγχοι για την επίτευξη της επιθυμητής συμπεριφοράς της μηχανής σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. / The present thesis is about analysis and control of a double-fed generator for wind generators.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την παθητικότητα και τον έλεγχο ηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στον επαγωγικό κινητήρα και τους ελέγχους που μπορεί να εφαρμοστούν σε αυτόν. Η επαγωγική μηχανή χρησιμοποιείται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών στο πεδίο μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανικό έργο. Οι αιτίες για αυτήν την προτίμηση είναι πολλές. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγονται το φτηνό κόστος και η εύκολη συντήρηση. Για πιο απαιτητικές εφαρμογές όμως η επαγωγική μηχανή απαιτεί πολύπλοκα συστήματα τροφοδοσίας και ελέγχου. Χρησιμοποιούνται πηγές τάσης (ή ρεύματος) βασισμένες σε τοπολογίες που περιλαμβάνουν διατάξεις με ηλεκτρονικά ισχύος όπως μετατροπείς ac/dc με IGBT διακοπτικά στοιχεία ισχύος. Ο έλεγχος επίσης μπορεί να βασίζεται είτε σε απλές βαθμωτές λογικές ή σε πιο προχωρημένα συστήματα σε λογικές διανυσματικού ελέγχου. Στις περιπτώσεις αυτές μπορούμε να επιτύχουμε εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά όπως ρύθμιση στροφών ή θέσης με υψηλή ακρίβεια αλλά με κόστος την πολυπλοκότητα στην δομή του συστήματος ισχύος και αυτομάτου ελέγχου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αρχικά μελετάμε τη δυναμική συμπεριφορά τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με χρήση του αναλυτικού μη γραμμικού μοντέλου της. Συγκεκριμένα, για την μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς χρησιμοποιούμε το μετασχηματισμένο μοντέλο της μηχανής στο σύστημα κάθετων αξόνων d-q. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση του μετασχηματισμού Park, στο τριφασικό αρχικό μοντέλο της μηχανής. Η επιλογή του συστήματος κάθετων αξόνων γίνεται στο στρεφόμενο με σύγχρονη ταχύτητα σύστημα αναφοράς. Στο σύστημα αυτό οι ημιτονοειδείς ποσότητες των μεταβλητών στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας μετατρέπονται σε συνεχείς (dc) μεταβλητές, πράγμα που διευκολύνει την ανάλυση και σχεδίαση του ελέγχου. Με στόχο την εφαρμογή απλών σχημάτων ελέγχου στην επαγωγική μηχανή που να μπορούν να οδηγούν σε λειτουργία υπό επιθυμητό αριθμό στροφών ανεξάρτητα προς το εμφανιζόμενο στην έξοδο μηχανικό φορτίο, χρησιμοποιούμε το μοντέλο αυτό στην ανάλυσή μας και αποδεικνύουμε ότι η επαγωγική μηχανή έχει την σημαντική ιδιότητα των Euler-Lagrange ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, την παθητικότητα. Αυτό σημαίνει ότι μετά από κάποια διαταραχή, το σύστημά μας έχει απόσβεση τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μηχανικό του μέρος. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι η ιδιότητα αυτή παραμένει ισχύουσα ανεξάρτητα με το όποιο σχήμα μη δυναμικού ελέγχου μπορούμε να εφαρμόσουμε. Έτσι, στην παρούσα διπλωματική εργασία εφαρμόζουμε απλούς PI ελεγκτές με σταθερά χρόνου πολύ μεγαλύτερη από αυτήν που εμφανίζει το αρχικό σύστημα, ούτως ώστε η δυναμική των PI ελεγκτών πρακτικά να μην εμπλέκεται με την δυναμική του συστήματος. Έτσι, το σύστημα παραμένει ουσιαστικά στην αρχική δυναμική του κατάσταση με την ιδιότητα της παθητικότητας ισχύουσα για τον προτεινόμενο έλεγχο που από την πλευρά της μηχανής φαίνεται πρακτικά στατικός. Εν συνεχεία, προσομοιώνουμε το σύστημα και επιβεβαιώνουμε ότι οι προτεινόμενοι απλοί PI ελεγκτές μπορούν να οδηγήσουν το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας με επιθυμητό αριθμό στροφών. / This diploma thesis forms a study on passivity and control of electromechanical systems. We focus on induction machine and the methods we use to control it. Induction machine is used in a large range of applications especially in the field of energy conversion to mechanical work. There are many causes for this preference such as low cost and easy to preserve. For more demanding applications induction machine needs complicated supply sources and control systems. Voltage (or current) sources are used based on power electronics such as ac/dc converters with IGBT switching elements. The control used can be scalar in simple applications or vector control in advanced applications. By using vector control, we can achieve exceptional operational characteristics on velocity or position regulation with high precision but with huge complexity in the structure of the power system and the automatic control scheme. In this thesis, at first we study the dynamic performance of the 3-phase induction machine by using the precise non-linear model. Specifically. we use the transformed model of the induction machine on the dq axes system to study its dynamical performance. This can be achieved by using Park transformation on the initial 3-phase model of the machine. The choice we make on the dq axis is based on the synchronously rotating reference frame. In this system the sinusoidal quantities of the variables in steady state are converted to dc, helping us on the analysis and the design of the control. Our goal is the application of simple control shapes on the induction machine that can drive our system to the desirable velocity regardless the output of the mechanical load. To this end, in our analysis we first prove that the induction machine has the significant property of passivity, a fundamental property of Euler-Lagrange systems. This means that after a disturbance, our system has damping in both the mechanical and the electrical part. Moreover, it is proved that passivity is maintained regardless from the form of any non dynamic control scheme we may apply. So, in this thesis we use simple PI controllers with large time constant in order to avoid any influence between the dynamics of the PI controllers and the dynamic of our system. So the system maintains its initial dynamic property of passivity under the control we use. Afterwards, we simulate the system and we confirm that the PI controllers we use can drive the system to the desirable operational mode.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μιας διάταξης ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού η οποία συνδέεται μέσω dc διασύνδεσης με το δίκτυο. Τη dc διασύνδεση τη δημιουργεί ένας dc πυκνωτής και από την πλευρά της μηχανής υπάρχει ένας ac/dc πλήρως ελεγχόμενος ανορθωτής ισχύος ενώ από την πλευρά του δικτύου βρίσκεται ένας dc/ac πλήρως ελεγχόμενος αντιστροφέας ισχύος. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετήσουμε θεωρητικά το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια προχωρούμε στον υπολογισμό των εξισώσεων στο χώρο κατάστασης και τέλικά προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού Matlab και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. / The present thesis deals with the study of provision of wind generator with inductive machine of which is connected via dc interconnection with the network. A dc capacitor creates the dc interconnection with the network.The aim of this work is initially to study theoretically the total system of wind generator using the transformation Park for its modelling in the d-q frame of report. Afterwards we advance in the calculation of equations in the space of situation and finally we propose a system of control which is based on PI controllers. Finally, we simulate the system with the help of the Simulink application of Matlab and studying the results, we export the proportional conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας η οποία συνδέεται στο στάτη απευθείας με το δίκτυο και στο δρομέα μέσω ενός back to back μετατροπέα και η συνεχής λειτουργίας της μηχανής σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο δίκτυο. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετηθεί το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας θεωρητικά χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του συστήματος στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια παρατέθηκαν οι εξισώσεις στο χώρο κατάστασης που περιγράφουν το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος, το επόμενο βήμα ήταν να περιγραφεί ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές επιλέγοντας τα κατάλληλα κέρδη. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού MATLAB και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. / The present thesis deals with the study of the wind turbine doubly-fed induction generator (DFIG), in which the stator is connected immediately to the grid and the rotor is connected to the grid with a back-to-back converter and the continuous operation of the machine in case of network errors. This thesis will initially consider the overall system of wind turbine theoretically using the Park transformation to model the system in the d-q synchronous rotating reference frame. The following goal was to quote in the state space equations that describe the mathematical model of the system, the next step was to describe a control system based on PI controllers selecting the appropriate profits. Finally, the above system was simulated by using the Simulink of MATLAB and studying the results were exported the appropriate conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το θέμα που πραγματεύεται είναι η μελέτη των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Τα κύρια αντικείμενα που ερευνώνται είναι δύο. Το πρώτο είναι η ανάλυση και η κατανόηση της ηλεκτρομαγνητικής συμπεριφοράς κινητήρων διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Το δεύτερο είναι η μελέτη σφαλμάτων δρομέα σε μηχανές διπλού κλωβού και οι μέθοδοι διάγνωσης αυτών. / This thesis was carried out at the Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The subject matter is the study of three-phase Asynchronous Double Cage Induction Motors with Different Rotor Bar Materials (motor double cage with different materials in the slots of the rotor). The main objects that are being investigated are two. The first is the analysis and understanding of the electromagnetic behaviour of double cage motors with different materials in the slots of the rotor. The second is the study of faults in the rotor in machines dual cage and the diagnostic methods.

Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται χαρακτηριστικά της αιολικής ενέργειας. Μελετάται η ισχύς του ανέμου όπου βλέπουμε στοιχεία όπως τον τρόπο που σχηματίζονται οι άνεμοι, και περιγράφονται τα στοιχεία τη ανεμογεννήτριας και τα χαρακτηριστικά της αιολικής απόδοσης. Παρουσιάζονται τέλος, συνοπτικά, μερικά εισαγωγικά στοιχεία για τις κατανεμημένες παραγωγές, για τις κατανεμημένες πηγές ενέργειας και τον τρόπο που διανέμεται η παραγωγή της ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας γίνεται περιγραφή των φορτίων που υπάρχουν στα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα. Μελετάμε τη δομή αυτών και τα κατηγοριοποιούμε με κριτήριο τη ροπή τους. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάμε το τριφασικό βραχυκύκλωμα και τον τριφασικό διακόπτη. Αναφέρουμε τις παραμέτρους που παίζουν ρόλο στο βραχυκύκλωμα, τον τρόπο που συμπεριφέρεται μία μηχανή σε αυτό και τις συνιστώσες συνεχούς μεταβαλλόμενου ρεύματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφουμε τον τριφασικό μετασχηματιστή. Μελετάμε τις συνθήκες σύνδεσης αυτών και τον τρόπο που συνδέονται. Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετάμε τις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας, τον έλεγχο που γίνεται στον ανεμοκινητήρα για την ισχύ , τα κατάλληλα ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούμε στις ανεμογεννήτριες, τους μετατροπείς συχνότητας και τα είδη γεννητριών. Αναφέρονται οι συνδεσμολογίες τους και ο τρόπος που ελέγχουμε τάσεις, ενεργό και άεργο ισχύ μέσω συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση του αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών , όπου βλέπουμε τον μετασχηματισμό Park για τη μετατροπή συστήματος αξόνων, αναλύουμε το μοντέλο της μηχανής σε άλλο πλαίσιο αναφοράς (d – q) και εφαρμόζουμε διανυσματικό έλεγχο. Στο έβδομο κεφάλαιο σχεδιάζουμε το σύστημα που μελετάμε με το πρόγραμμα MATLAB / Simulink, Γίνεται μία αναφορά στους ελέγχους που μελετήθηκαν στο πέμπτο κεφάλαιο, χρησιμοποιώντας τους για την εξομοίωση. Αναλύουμε τον τρόπο που αρχικοποιούμε το σύστημά μας και εξομοιώνουμε το σύστημα με τις ανεμογεννήτριες παραθέτοντας τις απαραίτητες κυματομορφές. / The first chapter indicates characteristics of wind energy. Studied the wind power, where we see how winds are formed, and we describe the elements of wind and the characteristics of wind performance. Presented finally, briefly, a few introductory information on distributed generation for distributed energy sources. In the second chapter, there is a description of the electric motor systems loads. We study their structure and categorize them according to their torque. In the third chapter we study the three-phase fault and three phase switch. We report the parameters that play a role in short and how it behaves a machine on it. The fourth chapter describes the three-phase transformer. We study the association of these conditions and it is connected. In the fifth chapter we study the variable wind speed control, in Wind Turbines, the power, electronics that we use, frequency inverters and types of generators. We specify the connections and the way we control voltages, active and reactive power through control systems. The sixth chapter is an analysis of the variable wind speed system, where we see Park transformation to convert the axis system, we analyze the model of the machine in another frame of reference (d - q) and apply vector control. In the seventh chapter we design the system with the program MATLAB / Simulink, simulating the system. We analyze the way that we do the initialization of our system in order to simulate in several wind speeds, giving the necessary waveforms.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και ανάλυση ενός υψηλής τάξης μοντέλου διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, κατάλληλο για μελέτες μεταβατικής κατάστασης αιολικών συστημάτων. Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με ιδιαίτερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Κατόπιν, περιγράφονται οι διάφοροι τρόποι ταξινόμησης των ανεμογεννητριών που υπάρχουν σήμερα, τα δομικά στοιχεία αυτών, καθώς και η αεροδυναμική τους μετατροπή. Ακολουθεί η γενική παρουσίαση μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας. Προκειμένου να γίνει μελέτη των μεταβατικών καταστάσεων, παρουσιάζεται το δυναμικό μοντέλο και ο διανυσματικός έλεγχος μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας υψηλής τάξης. Εν συνεχεία, αναλύεται -βάσει εξισώσεων- η συμπεριφορά της εν λόγω γεννήτριας σε τριφασικές και ασύμμετρες βυθίσεις τάσεων, που είναι αποτέλεσμα διαφόρων μεταβατικών καταστάσεων. Τέλος, γίνεται η προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου, που περιλαμβάνει ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου και μελετώνται διάφορες διαταραχές στο σύστημα, όπως: συμμετρικά και ασύμμετρα βραχυκυκλώματα, απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, απώλεια και μεταβολή φορτίου. Η προσομοίωση πραγματοποιείται με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB/Simulink, έκδοση 7.6. / The subject of this thesis is the study and analysis of a high-order model of a doubly-fed induction machine (DFIM), suitable for unbalanced condition studies on a wind farm. At first, an introduction is made of the renewable energy sources, with special mention of the wind energy. Then, there is the description of the different types of wind turbines than exist nowadays, their components and their aerodynamic conversion. A general presentation of a doubly-fed induction generator (DFIG) is made and after that, for the study of disturbances, the dynamic model and the vector control of a high-order model of a doubly-fed induction generator are presented. Through mathematical equations, the performance of this generator under voltage dips is then described, result of various transition phenomena. Finally, the simulation of a wind farm that includes wind turbines of this type, is made and several disturbances on the grid, such as: symmetrical and asymmetrical faults, sudden changes of the wind speed, loss and change of the load. Simulation is made with the use of the software MATLAB/Simulink, version 7.6.