Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται αφ’ ενός μεν τη μελέτη και προσομοίωση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης, αφ’ ετέρου δε την υλοποίηση του βρόχου ελέγχου ενός τμήματος του συστήματος αυτού. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη ενός αιολικού συστήματος το οποίο συγκροτείται από μια ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών, στην έξοδο της οποίας συνδέονται κατά σειρά μια μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους, ένας μετατροπέας τύπου Boost για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης, ένας μονοφασικός αντιστροφέας με ένα φίλτρο στην έξοδό του και ένας μονοφασικός μετασχηματιστής για την κατάλληλη ανύψωση της τάσης και τη σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη μελέτη και λειτουργία κλειστού βρόχου του μετατροπέα Boost. Αρχικά, γίνεται μία γενική αναφορά πάνω στις εφαρμογές των αιολικών συστημάτων και την προβλεπόμενη εισχώρησή τους στο ενεργειακό ισοζύγιο, ενώ παρουσιάζονται και οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, οι οποίες είναι η λειτουργία σταθερών στροφών-σταθερής συχνότητας και η λειτουργία μεταβλητών στροφών-σταθερής συχνότητας Στη συνέχεια, αναλύεται η λειτουργία του απλού μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τύπου Boost. Μελετάται η λειτουργική συμπεριφορά του τόσο στη περιοχή Συνεχούς Αγωγής (CCM) όσο και στη περιοχή Ασυνεχούς Αγωγής (DCM), καθώς και στην οριακή περιοχή μεταξύ των δύο. Ο μετατροπέας θα δέχεται μια τάση εσόδου 40-100V και η τάση στην έξοδό του θα διατηρείται σταθερή στα 120V. Το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση και προσομοίωση με τη χρήση του λογισμικού Matlab/Simulink των επιμέρους τμημάτων του αιολικού συστήματος, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στον μετατροπέα ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης. Ακολούθως τα επιμέρους μοντέλα συνενώνονται ώστε να προσομοιωθεί το σύστημα στο σύνολό του, να εξακριβωθεί η σωστή λειτουργία του και να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα. Τέλος, σχεδιάζεται ο βρόχος ελέγχου του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη λειτουργία του μικροελεγκτή dsPIC30F4011 που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση του. Παρουσιάζονται τα προγράμματα ανοιχτού και κλειστού βρόχου, ενώ παρατίθενται και οι πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν στο μετατροπέα για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης. / ---

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την προσομοίωση και την κατασκευή ενός αντιστροφέα για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης της εξόδου ενός φωτοβολταϊκού σε εναλλασσόμενη τάση, ενεργού τιμής και συχνότητας ίδιας με αυτή του δικτύου χαμηλής τάσης. Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας είναι ένας νέος τύπος μετατροπέα που συνδυάζει στοιχεία διάφορων ήδη υπάρχοντων μετατροπέων, όπως του μετατροπέα Boost-Flyback με ένα διακοπτικό στοιχείο και του αντιστροφέα Flyback. Η ιδέα είναι να ανυψώσουμε την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού μέσω του μετατροπέα Boost ανύψωσης τάσης και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί η αντιστροφή της και η περαιτέρω ανύψωσή της μέσω του Flyback. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Από την αναλυτική διερεύνηση της λειτουργίας των δύο μετατροπέων επιλέχθηκε η κατάσταση στην οποία θα λειτουργεί ο αντιστροφέας Boost-Flyback. Προσαρμόζοντας τις ήδη γνωστές εξισώσεις στην περίπτωσή μας εξήχθησαν οι εξισώσεις του αντιστροφέα Boost- Flyback. Με βάση τις εξισώσεις αυτές επιλέχθησαν οι τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιήσαμε αρχικά στις προσομοιώσεις και στη συνέχεια στην κατασκευή της διάταξης. Οι προσομοιώσεις, που έγιναν με το πρόγραμμα PSpice αλλά και η συνολική λειτουργία του προτεινόμενου αντιστροφέα επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργική συμπεριφορά ημιαγωγικών στοιχείων από καρβίδιο πυριτίου (SiC). Συγκεκριμένα, σε μια πρώτη φάση πραγματοποιείται διεξοδική βιβλιογραφική μελέτη των άρθρων που σχετίζονται με το ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος SiC JFET και ειδικότερα η διερεύνηση των ιδιοτήτων του εκείνων που το καθιστούν ανώτερο σε σχέση με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος από πυρίτιο (Si) ή από SiC, για διακοπτικές εφαρμογές μεγάλης ισχύος και θερμοκρασιών, σύμφωνα με τις τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις. Σε μια δεύτερη φάση, η διπλωματική εργασία αυτή πραγματεύεται την κατασκευή δύο μετατροπέων ανύψωσης τάσης τύπου boost: ο ένας κατασκευάζεται για βέλτιστη λειτουργία με συμβατικά ημιαγωγικά στοιχεία από πυρίτιο (Si MOSFET και Si pn δίοδος), ενώ ο δεύτερος είναι πανομοιότυπος με τον πρώτο με την ουσιαστική διαφορά ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι από καρβίδιο πυριτίου. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται ένα SiC JFET και μία SiC δίοδος Schottky. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά γίνεται μια μικρή εισαγωγή στις ιδιότητες του SiC ως υλικού προς χρήση για κατασκευή ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και συγκρίνεται με το Si. Επίσης εξάγονται οι λόγοι εκείνοι που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφική μελέτη, καθιστούν το JFET ισχύος ως το καταλληλότερο για να κατασκευαστεί από SiC. Στη συνέχεια γίνεται εμβάθυνση στη λειτουργική συμπεριφορά του SiC JFET, δηλαδή μελετώνται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αγωγή, την αποκοπή και τη μεταβατική του λειτουργία, όπως και η σημασία άλλων ιδιαιτεροτήτων της δομής του που επιδρούν σε αυτήν. Ακολούθως, αποτυπώνονται και μελετώνται 3 βασικές δομές SiC JFET, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά τους και επισημαίνονται οι διαφορές τους. Έπειτα, γίνεται αναφορά στην ιδιαιτερότητα των SiC JFET να βρίσκονται σε κατάσταση αγωγής όταν δεν παλμοδοτούνται (normally-on), όπως και στους διακόπτες συνδεσμολογίας σε σειρά (cascode). Στη συνέχεια, καταγράφονται εφαρμογές ισχύος στις οποίες τα SiC JFET βρίσκουν χρήση. Το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή των δύο μετατροπέων boost. Πιο συγκεκριμένα τίθενται οι συνθήκες λειτουργίας που καλούνται να εκπληρώσουν, διαστασιολογούνται τα παθητικά στοιχεία τους και σχεδιάζονται τα κυκλώματα ελέγχου και παλμοδότησης της πύλης. Τέλος, γίνονται μετρήσεις στους δύο μετατροπείς και λαμβάνονται αποτελέσματα που αφορούν τις απώλειες και το βαθμό απόδοσης, απ’ τα οποία εξάγονται χαρακτηριστικές καμπύλες για τον κάθε μετατροπέα. / In this diploma thesis, a bibliographical study of the Silicon Carbide (SiC) power JFET's operational behaviour is conducted. The SiC JFET exhibits such operational properties that help to establish it as an advanced power device, in comparison to other Silicon (Si) and SiC power devices. The SiC JFET is a favorable option for high voltage, high power and high temperature switching applications. Once the bibliographical part is conducted, the design and implementation of a 500 W dc/dc boost converter is discussed and analyzed, that employs a SiC VJFET and a SiC Schottky Barrier Diode (SBD. This converter is compared with an identical, more conventional boost converter that uses a Si MOSFET and a Si pn diode, in terms of efficiency and voltage step-up ratio.