- / -

Στην παρούσα εργασία δημιουργήθηκε μια βιβλιοθήκη παραμετροποιημένων μοντέλων Ασύγχρονων Τριφασικών Μηχανών κλωβού σε δύο διαστάσεις, σύμφωνα με τα πρότυπα που απαιτεί η ΝΕΜΑ, δηλαδή το διαχωρισμό των τεσσάρων κλάσεων σχεδίασης του δρομέα. Στη συνέχεια, με τη χρήση αυτών των μοντέλων, έγινε Ηλεκτρομαγνητική Aνάλυση με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και μελετήθηκε η επίδραση που έχει το Σχήμα των αυλακώσεων του δρομέα στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη λειτουργική συμπεριφορά της Ασύγχρονης Μηχανής. Επίσης μελετήθηκαν οι επιδράσεις που επιφέρει το κλείσιμο του στομίου των αυλακώσεων του στάτη και του δρομέα στο πεδίο και στις χαρακτηριστικές της Ασύγχρονης Μηχανής. Ο σχεδιασμός των μηχανών πραγματοποιήθηκε με χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design. Έγινε αξιοποίηση των γεωμετρικών και ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός συγκεκριμένου τετραπολικού κινητήρα κλωβού, ισχύος 5kW, με 48 αυλακώσεις στο δρομέα και 36 στο στάτη. Τα παραμετροποιημένα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων δημιουργήθηκαν ακολουθώντας τη μέθοδο σχεδιασμού με εντολές κώδικα αντί της μεθόδου, που συνήθως χρησιμοποιείται, με χρήση των έτοιμων σχεδιαστικών εργαλείων στην επιφάνεια εργασίας του προγράμματος. Αυτό γιατί τα μοντέλα μας , επιθυμούσαμε να είναι εύπλαστα από γεωμετρικής άποψης, πράγμα που δεν μας έδινε ο δεύτερος τρόπος σχεδιασμού, αν και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος. Αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία μιας βιβλιοθήκης παραμετροποιημένων μοντέλων μηχανών, η οποία υπακούει στις σχεδιαστικές προδιαγραφές που επιβάλει η ΝΕΜΑ. Τα μοντέλα αυτά έπρεπε να είναι παραμετροποιημένα λόγω του ότι σκοπός μας είναι να συγκρίνουμε τη λειτουργία Ασύγχρονων Μηχανων με διαφορετικό σχήμα των αυλακώσεων του δρομέα. Έτσι, είναι φανερό ότι με την επιλογή αυτή δημιουργούμε ένα μειονέκτημα και ταυτόχρονα τρία πλεονεκτήματα. Το μειονέκτημα είναι ότι η σχεδίαση με τη χρήση των εντολών του προγράμματος δεν είχε εκπονηθεί από κάποιον στο παρελθόν στο εργαστήριο, πράγμα το οποίο κόστισε σε χρόνο περισσότερο από ό,τι θα κόστιζε η συμβατική μέθοδος και υπήρξε εξαιρετικά επίπονη έρευνα. Τα πλεονεκτήματά μας από την άλλη ήταν: α) Το γεγονός ότι δεν χρειάστηκε να σχεδιασθεί από την αρχή κάθε μοντέλο που θέλαμε να μελετήσουμε, β) Ο εύκολος και γρήγορος σχεδιασμός ενός κινητήρα κλωβού από οποιονδήποτε χρήστη, ακόμα και κάποιου που δεν έχει μελετήσει το πρόγραμμα σχεδίασης που χρησιμοποιούμε και γ) Η δημιουργία ενός πολύ χρήσιμου εργαλείου για περαιτέρω χρησιμοποίηση και έρευνα στον τομέα του σχεδιασμού ηλεκτρικών μηχανών. Στη συνέχεια, επεκτείναμε την έρευνα σε μοντέλα, θεωρώντας γραμμική και μη γραμμική χαρακτηριστική του σιδηρομαγνητικού υλικού της μηχανής, για την περίπτωση των κλειστών αυλακώσεων είτε του δρομέα, είτε του στάτη με σφήνες, είτε και των δύο περιπτώσεων ταυτόχρονα. Για το κλείσιμο των αυλακώσεων χρησιμοποιήσαμε υλικά διαφορετικής μαγνητικής διαπερατότητας και μελετήσαμε τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη για τα μοντέλα που προέκυψαν. Η διπλωματική αυτή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. / -

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.

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

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο ελέγχου συστημάτων ισχύος και ειδικότερα στην εφαρμογή προηγμένων μεθόδων στην ανάλυση και τον έλεγχο στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών οδηγούμενων από ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος. Ειδικότερα, λαμβάνοντας υπόψη τα ακριβή μη γραμμικά μοντέλα των μετατροπέων ισχύος και των ηλεκτρικών μηχανών, αναλύεται η μορφή και η συμπεριφορά των ολοκληρωμένων συστημάτων που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση των μηχανών και αποδεικνύεται ότι τα μοντέλα αυτά μπορούν να περιγραφούν με τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που μελετώνται είναι ο μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης και ο τριφασικός μετατροπέας σε λειτουργία ανορθωτή και μετατροπέα, ενώ επίσης μελετώνται οι μηχανές ΣΡ ξένης διέγερσης και με διέγερση σε σειρά καθώς επίσης και η τριφασική επαγωγική μηχανή. Έχοντας αναπτύξει τα πλήρη μοντέλα, προτείνεται ένας νέος μη γραμμικός νόμος ελέγχου κατάλληλος για τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή των συστημάτων τα οποία περιλαμβάνουν διακοπτικούς μετατροπείς ισχύος. Μια εκτενής μη γραμμική μαθηματική ανάλυση αποδεικνύει ότι ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου εγγυάται ευστάθεια και σύγκλιση στο επιθυμητό σημείο ισορροπίας για το σύστημα κλειστού βρόχου. Ο έλεγχος αυτός εφαρμόζεται για τον έλεγχο κινητήρων ΣΡ οδηγούμενων από μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης καθώς και στην τριφασική επαγωγική μηχανή. Η ανάλυση και η εφαρμογή του ελέγχου οδηγεί στην ανάγκη για επεκτάσεις στη μορφή του ώστε να αυξηθεί η σθεναρότητά του ως προς τις αρχικές συνθήκες, να βελτιωθεί η μεταβατική του συμπεριφορά και να εφαρμοστεί κατάλληλα σε τριφασικούς μετατροπείς ισχύος ώστε να εγγυάται συγκεκριμένες λειτουργίες όπως γραμμική διαμόρφωση. Με την εφαρμογή του ελέγχου στην επαγωγική μηχανή, προτείνεται μια πλήρης σχεδίαση που λειτουργεί είτε βασιζόμενη στη λογική του προσανατολισμένου πεδίου, είτε πλήρως ανεξάρτητα από αυτή, ενώ μελετάται και η συμπεριφορά του σε καταστάσεις εξασθένησης πεδίου. Τέλος, η λογική του ελέγχου επιβεβαιώνεται σε ένα σύστημα ανεμογεννήτριας συνδεδεμένης στο δίκτυο μέσω πλήρους συστήματος μετατροπέων ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος. Σε όλες τις περιπτώσεις παρουσιάζονται προσομοιώσεις και κατά το δυνατό πειραματικά αποτελέσματα μέσω κατάλληλων εργαστηριακών διατάξεων. / The present PhD dissertation is addressed in the research field of control of power systems and more precisely in providing advanced methods for the analysis and control of electrical machines driven by power devices. Particularly, taking into account the accurate nonlinear models of the power converters and the electrical machines, the structure and the behavior of the complete models used for machine driving are analyzed based on the generalized Hamiltonian-passive form. The power converters discussed are the DC/DC boost converter and the three-phase power converter used as a rectifier or an inverter, while the separately-excited and the series-connected DC motors along with the three-phase induction machine are studied as well. After providing the complete dynamic models, a new nonlinear control scheme suitable for the generalized Hamiltonian-passive systems with switching devices is proposed. Using an extended mathematical analysis, it is proven that the proposed controller guarantees stability and convergence to the desired equilibrium for the closed-loop system. The proposed control application is tested for DC drive systems fed by DC/DC boost converters as well as for induction motor systems fed by AC/DC/AC converters. The control analysis and application leads to the extension of the control structure in order to increase the robustness with respect to the initial conditions, to improve the transient performance and to be suitably applied in three-phase power converter systems, guaranteeing simultaneously certain operating constraints such as linear modulation. For the case of the induction motor control, a complete form of the controller is proposed that acts either in the frame of field-orientation or independently from it, while the controller is also studied in field-weakening conditions. Finally, the controller performance is studied in a wind generating system connected to the grid through a full-scale power converter. In all cases, simulation results are presented while experimental results are provided where possible by using suitable laboratory testbeds.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος ενός ηλεκτροκίνητου σκάφους. Πραγματοποιήθηκαν μία σειρά από τεχνικές επεμβάσεις ώστε να μετατραπεί ένα απλό σκάφος σε ηλεκτροκίνητο. Στην εποχή μας τα ηλεκτροκίνητα σκάφη και η ηλεκτρική πρόωση αποτελούν τμήμα των ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Τα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς αποτελούν πιθανή λύση στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση στον τομέα των μεταφορών καθώς και στα ενεργειακά και περιβαλλοντικά προβλήματα που αυτή προκαλεί. Ο υψηλός βαθμός απόδοσης των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, το υψηλό επίπεδο ελέγχου μέσω των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που προσφέρει ευκινησία σε ένα σκάφος, η έλλειψη θορύβου-διαταραχών και η απουσία ρύπανσης μας οδηγούν στη χρήση των ηλεκτροκίνητων σκαφών και της ηλεκτρικής πρόωσης όλο και περισσότερο στις μέρες μας. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή για πρακτικούς λόγους αλλά και για λόγους ασφάλειας οδηγηθήκαμε στην επιλογή κινητήρα συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) μονίμου μαγνήτη χαμηλής τάσης 24V. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλή τιμή ρεύματος για την επίτευξη της απαιτούμενης ισχύος 1,5 kW . Για αυτό το λόγο σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ο ηλεκτρονικός μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων, ο οποίος έχει τη δυνατότητα διαχείρισης υψηλών τιμών ρεύματος και είναι ιδανικός για τέτοιου είδους εφαρμογές. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας αποτελείται από 4 παράλληλους κλάδους, λειτουργεί στην συνεχή αγωγή και υποβιβάζει την τάση των 36V σε 0-24V για τον έλεγχο των στροφών του κινητήρα, ο οποίος έχει ονομαστικό ρεύμα 78A. Ο μετατροπέας εξετάστηκε αρχικά μέσω της εξομοίωσης χρησιμοποιώντας το λογισμικό PSpice και στη συνέχεια πειραματικά πραγματοποιώντας μία σειρά από δοκιμές και μετρήσεις. Από τις δοκιμές, παρατηρούμε ότι ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα διαδοχικής αγωγής που κατασκευάστηκε, κυμαίνεται γύρω στο 95%, άρα είναι μια καλή λύση στην οδήγηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) χαμηλής τάσης (υψηλού ρεύματος). Τέτοιοι κινητήρες χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Η καθέλκυση του ηλεκτροκίνητου σκάφους και οι δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στη θάλασσα, δίνουν σαφή εικόνα των πλεονεκτημάτων της ηλεκτρικής πρόωσης. / The object of this diploma thesis is the designing and the construction of an electric drive system for an electric boat. A number of technical interventions were made to transform a simple boat to an electrically driven boat. In our days the electric boats and the electric propulsion in general constitute a part of the electric transportation. The electric transportation may be a possible solution in the continuously increasing demand in the sector of transports as well as in energy and environmental problems that this causes. The high efficient electric machines and power electronic converters, the high control level of power electronics that offers manoeuvrability in a ship, the lack of noise - disturbance and the absence of pollution lead us to use electric boats and electric propulsion more and more in our days. In our application for practical and safety reasons we were led to the choice of a low voltage permanent magnet direct current (DC) motor. This is resulting to a high value of current to get the nominal power of 1.5 kW. For this reason an interleaved four – channel dc/dc converter was designed and constructed which has the ability to control high currents and is ideal for such type applications. The particular converter is constituted by 4 parallel channels, it is working in the continuous conduction mode (CCM) and it degrades the voltage of 36V to 0-24V for the control of the rpm of the dc propulsion motor which its full load current is 78A. Firstly a number of simulations made via PSpice program and also a number of experiments to see how the converter is working. The experiments shows that the efficiency of the interleaved converter of the application is about 95%, so it is a good solution for driving low voltage – high current dc motors. Such types of electric motors are used in many electric transportation applications. The launching of the boat and a number of sea tests shows us the advantages electric propulsion has.