Τα κινητήρια συστήματα των χαρτοποιητικών μηχανών που παράγουν τα λεπτά χαρτιά (tissue), σύμφωνα με τα εμπειρικά στοιχεία, παρουσιάζουν διάφορα ηλεκτρικά και μηχανικά προβλήματα, τα οποία μπορούν να αποδοθούν στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για το μέχρι τώρα σχεδιασμό τους. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην επίλυση των προβλημάτων αυτών. Τα προβλήματα αυτά είναι η άνιση κατανομή του μηχανικού φορτίου μεταξύ των δύο κινητήρων του ιδίου τμήματος, η υπερφόρτωση του ενός εκ των δύο κυρίων τμημάτων της χαρτοποιητικής μηχανής και η πλήρης διακοπή της λειτουργίας της, και η εμφάνιση φαινομένων μηχανικού συντονισμού ή ενίσχυσης των ροπών των αξόνων που οδηγούν στην καταστροφή του πολυκινητηρίου συστήματος. Για την επίτευξη του στόχου γίνεται ανάλυση των σημερινών δομών των πολυκινητηρίων συστημάτων των χαρτοποιητικών μηχανών λεπτών χαρτιών και αναδεικνύονται τα προβλήματα των. Προτείνεται η αλλαγή της δομής και νέος σχεδιασμός του πολυκινητήριου συστήματος των χαρτοποιητικών μηχανών λεπτών. Γίνεται ανάλυση του κινητηρίου συστήματος του στεγνωτικού τυμπάνου με δύο κινητήρες συνεχούς ρεύματος με κοινό μηχανικό φορτίο και εξομοίωση με MATLAB/SIMULINK χωρίς ελαστικούς άξονες. Εξετάζεται η συμπεριφορά του συστήματος αυτού με ελαστικούς άξονες μέσω εξομοίωσης. Προτείνεται μία μέθοδος ελέγχου για την κατανομή του συνολικού φορτίου στο πολυκινητήριο σύστημα και γίνεται ανάλυση της στατικής και της δυναμικής συμπεριφοράς μέσω εξομοίωσης. Επίσης εξετάζεται η ορθότητα της μεθόδου ελέγχου στην περίπτωση σφαλμάτων σε μία γέφυρα τροφοδοσίας. Για την αντιμετώπιση των μηχανικών προβλημάτων που ανακύπτουν γίνεται διεξοδική ανάλυση ταλαντώσεων. Χρησιμοποιώντας τον προτεινόμενο σχεδιασμό και τις προτεινόμενες μεθόδους ελέγχου επιτυγχάνεται κατανομή του μηχανικού φορτίου σύμφωνα με την ονομαστική ισχύ των κινητήρων μέσα στο ίδιο τμήμα και αντιμετωπίζεται πλήρως η υπερφόρτιση του ενός από τα δύο κύρια τμήματα της μηχανής και έτσι αποφεύγεται η πλήρης διακοπή της λειτουργίας της. Από την ανάλυση των ταλαντώσεων προκύπτει η δυνατότητα να δίνονται κατευθυντήριες γραμμές για την επιλογή των καταλλήλων κινητήρων και των καταλλήλων αξόνων, δηλ. τη σωστή διαστασιολόγιση του συστήματος. / The drive systems of tissue paper machines present various electrical and mechanical problems according to empirical data, which can be attributed to the used design methods. The present thesis aims at solving of such problems. The problems are: the partial treatment of the load sharing in sections, where two motors drive the same mechanical load, the overloading of one of the two main sections of the machine and the interruption of its operation when these sections are mechanically engaged. Concerning the mechanical part of the drive, problems arise due to torsional oscillations created by the resonance phenomena or the shafts torque amplification. In order to achieve the aim, an analysis is carried out of the current structure of the drive systems and the problems due to this structure are brought out. A modified structure and a new design of the drive system are proposed. A control method is proposed to share the load between the two DC motors of the same section and investigation, analysis and simulation of a drive are carried out. The behavior of the drive with elastic shafts is examined. In order to face the overloading of one of the two main sections of the paper machine, a control method is proposed to share the total load to the two main sections of the machine and an analysis of the steady state and dynamic behavior through simulation is carried out. The correctness of this control method is examined in the case of typical faults in one of the power converters. In order to face the mechanical problems an exhaustive analysis is carried out concerning torsional oscillations. Using the proposed design and control methods, the load sharing, according to the nominal power of the motors, is assured for the sections where two motors drive the same mechanical load. The overloading of one of the two sections is completely faced and the interruption of the machine operation is avoided. Torsional oscillations analysis emerges that guidelines can be given for the selection of suitable shafts and motors, namely the correct dimensioning of the system.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται περιγραφή του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος της Πατραϊκής Χαρτοποιίας αποτελούμενο από κινητήρες συνεχούς ρεύματος για την παραγωγή χαρτιού "tissue". Επίσης παρουσιάζεται η σχεδίαση συστήματος καταγραφής βλαβών σε περιστρεφόμενες μηχανές μέσω της ανάλυσης φάσματος κραδασμών στο πλαίσιο της εφαρμοσμένης μεθόδου παρακολούθησης κραδασμών της προβλεπτικής συντήρησης. / In the current diploma thesis takes place a description of the electric motor drive system of Patraikh Xartopoiia which consist of direct current machines for the production of tissue type paper. Furthermore the design of damage recording system in rotating motors through vibration analysis is presented in the line of vibration monitoring applied method.

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.

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.