Η σύγχρονη γεννήτρια, ή αλλιώς εναλλακτήρας, είναι σύγχρονη μηχανή η οποία μετατρέπει μηχανική ενέργεια σε εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Η σύγχρονη μηχανή, χρησιμοποιούμενη ως γεννήτρια, είναι η σπουδαιότερη μηχανή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αποτελεί το επίκεντρο κάθε σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αναλύοντας τα είδη των σύγχρονων παραμέτρων που προκύπτουν, καθώς επίσης και η μελέτη και ο προσδιορισμός των απωλειών στην ονομαστική κατάσταση λειτουργίας. / The synchronous generator is a type of synchronous machine, which converts mechanical energy into alternating electrical energy. When the synchronous machine is used as a generator, it is the most important machine for the production of electrical energy and it constitutes the epicentre for each station which produces electrical energy. The scope of this present thesis is the study of the behavior of synchronous machine in the steady-state of operation analyzing the types of synchronous parameters and synchronous quantities, as well as the study and determination of losses in the nominal situation of operation. The steady-state tests suggested in this thesis are required for analyzing the performance of a synchronous machine under normal operating conditions.

Η τριφασική σύγχρονη γεννήτρια αποτελεί βασική συνιστώσα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μεταβατικά φαινόμενα στις γεννήτριες συνήθως προκαλούνται από εξωτερικές αιτίες, κεραυνούς, βροχές και δυνατό αέρα. Σύμφωνα με τις στατιστικές το 70% των διαταραχών στις σύγχρονες γεννήτριες είναι βραχυκυκλώματα μιας φάσης με το έδαφος και μόνο 5% των βραχυκυκλωμάτων είναι τριφασικά. Η μελέτη των βραχυκυκλωμάτων σύγχρονης γεννήτριας είναι βασικό εργαλείο για το σχεδιασμό των συστημάτων ενέργειας, καθώς βοηθάει να σχεδιαστεί ο κατάλληλος εξοπλισμός προστασίας, ώστε να απομονωθεί από το υπόλοιπο σύστημα η βραχυκυκλωμένη γεννήτρια, την κατάλληλη στιγμή. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι αφ’ενός η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης γεννήτριας κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων, αναλύοντας τα είδη των σύγχρονων παραμέτρων και των σταθερών χρόνου και αφετέρου η κατανόηση της χρήσεως του πλήρους και των απλοποιημένων μοντέλων που να μπορούν να περιγράψουν με ακρίβεια τη δυναμική κατάσταση της γεννήτριας, κατά περίπτωση. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση, ώστε να δημιουργηθεί το απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο για την κατανόηση των μετέπειτα εννοιών ,ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο κάνουμε μια συνοπτική περιγραφή των διάφορων ειδών βραχυκυκλωμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το πλήρες μοντέλο της γεννήτριας για την περιγραφή της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια τριφασικών, διφασικών και μονοφασικών με το έδαφος βραχυκυκλωμάτων.Αυτό το μοντέλο προκύπτει αντικαθιστώντας τις συνθήκες των βραχυκυκλωμάτων στις εξισώσεις του γενικευμένου d-q-o μαθηματικού μοντέλου της σύγχρονης γεννήτριας. Τέλος μελετάμε τις κυματοσυναρτήσεις του ρεύματος διέγερσης και των ρευμάτων του στάτη που προκύπτουν για εφαρμογή του βραχυκυκλώματος τρεις διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλα τα είδη βραχυκυκλωμάτων και καταλήγουμε σε κάποια συμπεράσματα. Για να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη των συστημάτων ενέργειας, οι εξισώσεις της γεννήτριας πρέπει να ενσωματωθούν στις εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα μεταφοράς ενέργειας έτσι σε πολλές μελέτες συστημάτων ενέργειας είναι δυνατό και επιθυμητό να απλοποιήσουμε τις εξισώσεις της γεννήτριας ώστε να ενσωματωθούν πιο εύκολα στο δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσουμε 5 απλοποιημένα μοντέλα της σύγχρονης γεννήτριας, για τριφασικό συμμετρικό βραχυκύκλωμα, για αρχικά αφόρτιστη μηχανή .Πρωτού μελετήσουμε πως μπορούν να γίνουν αυτές οι απλοποιήσεις, αναπτύσουμε τα ισοδύναμα κυκλώματα για τη μόνιμη, μεταβατική και υπομεταβατική κατάσταση, καθορίζουμε τις επαγωγικές αντιδράσεις και τις σταθερές χρόνου και τέλος καταλήγουμε στα απλοποιημένα μοντέλα. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετάμε το ποιοτικό μοντέλο της γεννήτριας κατά το οποίο γίνεται αναπαράσταση της γεννήτριας για καθε μια από τις 3 καταστάσεις με ένα ισοδύναμο κύκλωμα μετασχηματιστή. / --

Οι σύγχρονες αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις καθώς και η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που κάνουν τα αιολικά συστήματα να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά συστήματα αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ανάλογα με την τεχνολογία που εφαρμόζουν χωρίζονται σε επιμέρους κατηγορίες. Στη παρούσα εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Η απήχηση της ΣΜΜΜ στα αιολικά συστήματα διαρκώς αυξάνει. Αυτό οφείλεται κυρίως στην απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, δακτυλιοφόρου δρομέα και εξωτερικής διεγέρσεως, που προσφέρουν οι μηχανές αυτές. Πράγμα που σημαίνει αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση. Στην εργασία αυτή θα μοντελοποιήσουμε και θα προσομοιώσουμε, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, το αιολικό σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Στο σύστημα αυτό θα εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου που μεγιστοποιεί την παραγόμενη ενέργεια ρυθμίζοντας κατάλληλα τις στροφές της μηχανής. Τέλος, θα παραθέσουμε τα αποτελέσματα μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και θα εξάγουμε ορισμένα συμπεράσματα. / Today’s increased energy needs and the increasing environmental pollution are the main reasons which make wind systems more usable in electric energy production. Wind systems use the kinetic energy of the wind. Depending on the technology they apply, they are divided into certain categories. In the present project we will study a varying speed wind system which uses a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The popularity of the PMSG in wind systems is continuously increasing. This is mainly due to the absence of gear box, wound rotor and external excitation which offer such machines. This means increased reliability and efficiency. In this project we will model and simulate, in Matlab/Simulink environment, the wind system described above. In this system we will apply a control strategy which maximizes the produced energy by regulating appropriately the speed of the machine. Finally, we will demonstrate the results among with a brief comment and we will extract some conclusions.

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια από τη μια, και η ραγδαία κλιματική αλλαγή από την άλλη οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ενέργειας χαμηλού κόστους, περιβαλλοντικά φιλική και υψηλής ποιότητας, η οποία μπορεί να επιτευχτεί με κατανεμημένα συστήματα παραγωγής. Έτσι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν μεγάλο ενδιαφέρον για τον στόχο αυτό, αλλάζοντας τόσο ευρωπαϊκό όσο και τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει πολλές επιλογές για μας επιτρέπει την αντικατάσταση των κλασικών επαγωγικών μηχανών, σύγχρονων και ασύγχρονων, με μηχανές νέας τεχνολογίας. Μια τέτοια μηχανή είναι η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, όπως υψηλή πυκνότητα ισχύος, υψηλή ροπή, ευκολία στον έλεγχο, με σχετικά χαμηλό κόστος, μικρότερο μέγεθος και αρκετά άλλα, τις έκαναν να χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές προσελκύοντας πολύ το ενδιαφέρον των ερευνητών και της βιομηχανίας. Έτσι στη συγκεκριμένη εργασία ασχολούμαστε με τη μη γραμμική ανάλυση και τη δυναμική συμπεριφορά σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη. Ξεκινώντας από λεπτομερή, μη γραμμικά μοντέλα για την ΣΜΜΜ, και με τη χρήση του μετασχηματισμού Παρκ, την αναλύσαμε στο στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων d-q. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας την κατάλληλη μέθοδο ελέγχου, ελέγξαμε ρεύματα, ροπή, ταχύτητα. Τέλος, από τις προσομοιώσεις του μοντέλου που σχεδιάσαμε στο Simulink του Matlab, εξάγαμε συμπεράσματα. / The ongoing increase in electric power demand from one, and the rapid climate change on the other, lead to the need for low-cost energy production, environmentally friendly and high quality, which can attain with distributed generation systems. So, Renewable Energy Sources acquire great interest for this objective, changing both the European and the global energy map. The rapid evolution of technology gives us many options allows us to replace the classical induction machines, synchronous and asynchronous, with new technology engines. Such a machine is the permanent magnet synchronous machine. The advantages that afford, such as high power density, high torque, easy control, with relatively low cost, smaller size and several others, made them used in many applications attracting much interest among researchers and industry. So, at this thesis we deal with the non-linear analysis and dynamics permanent magnet synchronous machine. Starting from detailed, non-linear models for PMSM, and using the Park transformation, we analyse it at a rotating system with vertical axes dq. Then, applying the appropriate control method, we tested currents, torque, speed. Finally, from the simulations of the model that was built at Simulink of Matlab, we draw conclusions.

Η δυναμική ανάλυση των ηλεκτρικών μηχανών αποτελεί ένα πολύ σημαντικό πεδίο της μελέτης των ηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Στην παρούσα διπλωματική θα ασχοληθούμε με τη δυναμική ανάλυση της σύγχρονης μηχανής που συναντάμε στην μετατροπή μεγάλης ποσότητας μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης μηχανής σε περίπτωση μεταβατικών φαινόμενων, καθώς, επίσης, ο προσδιορισμός των μεγεθών, των παραμέτρων και των σταθερών χρόνου της μηχανής, που καθορίζουν τη συμπεριφορά της, στην περίπτωση τέτοιων φαινομένων. Οι χαρακτηριστικές παράμετροι των μεταβατικών και υπομεταβατικών αντιδράσεων και των σταθερών χρόνου της σύγχρονης μηχανής που επιχειρήθηκαν να προσδιοριστούν, χρησιμοποιούνται εδώ και 75 χρόνια, ώστε να δίνουν μια πρώτη προσέγγιση του μεγέθους των ρευμάτων βραχυκυκλώματος καθώς και το ρυθμό με τον οποίο αυτά μειώνονται. Επιπροσθέτως, η γνώση των μεγεθών αυτών δίνει τη δυνατότητα υπολογισμού των μηχανικών καταπονήσεων των τυλιγμάτων του στάτη που είναι αποτέλεσμα των υπερβολικών ρευμάτων που διαρρέουν τη μηχανή κατά τη διάρκεια ηλεκτρικών διαταραχών που υφίστανται οι ακροδέκτες της. / The dynamic analysis of electrical machines constitutes a very important field of the study of electromechanical systems. In the present project we will deal with the dynamic analysis of synchronous machine that we meet in the transformation of mechanical energy into electrical. The goal of present thesis is the study of the behavior of synchronous machine in case of transient phenomena and the determination of the parameters and time constants that determine its operation in such phenomena. The characteristic parameter of transient and subtransient reactances and time constants of synchronous machines that we tried to determine, have been used about 75 years, and for many purposes. Initially, such reactances and time constants were calculated to give both machine designers, and users, of synchronous machines a first-hand knowledge of-short-circuit current magnitudes and their rate of change. Such magnitudes are important in establishing switchgear fault rating. This knowledge also enables mechanical stresses to be calculated between armature winding resulting from excessive currents that occur during electrical disturbances at or near the synchronous machines terminals. In addition, protective schemes could be devised so that relays could be correctly calibrated to trip armature or field circuit breakers, and thus remove faulted machines from the power systems.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών του πανεπιστημίου Πατρών και το θέμα της αφορά τη μελέτη σφαλμάτων στο δρομέα τριφασικής σύγχρονης μηχανής έκτυπων πόλων με τη δημιουργία δισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικού σύγχρονου κινητήρα έκτυπων πόλων κατά την ασύγχρονη εκκίνηση του σε τρείς περιπτώσεις, με σφάλμα σε μία μπάρα ενός έκτυπου πόλου, στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και χωρίς κανένα σφάλμα και σύγκριση των αποτελεσμάτων. Για την σχεδίαση του μοντέλου του τριφασικού κινητήρα χρησιμοποιήθηκαν τα κατασκευαστικά στοιχεία μιας πραγματικής τριφασικής μηχανής πού προορίζεται για λειτουργία σε υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας με τη δυνατότητα λειτουργίας σαν αντλία. Για την κατασκευή και εξομοίωση του μοντέλου στις δύο διαστάσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Opera-2d, το οποίο χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μια αριθμητική μέθοδο για να προσομοιώσει τη φυσική λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών. Για την επιτυχία του μοντέλου χρειάστηκαν αρκετές μετρήσεις και υπολογισμοί από τα δεδομένα που είχαμε τα οποία δεν παραθέτονται. Με την περάτωση του μοντέλου εξομοιώθηκαν διαφορετικές λειτουργίες στη μόνιμη κατάσταση για εξακρίβωση της ακρίβειας του μοντέλου που κατασκευάσαμε. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια, όπου αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική περιγραφή των βασικών εννοιών της ηλεκτρικής ενέργειας και των βασικών αρχών που διέπουν την κατασκευή και λειτουργία των σύγχρονων μηχανών και γενικότερα των τριφασικών σύγχρονων μηχανών έκτυπων πόλων. Στο κεφάλαιο 2 εξηγείται πιο αναλυτικά η λειτουργία του τριφασικού σύγχρονου κινητήρα και οι μέθοδοι της εκκίνησης του με έμφαση στην ασύγχρονη εκκίνηση. Επίσης παρουσιάζονται μερικά δεδομένα γενικά γύρω από τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 3 δίνονται επιγραμματικά τα κυρίως βήματα που ακολουθήσαμε κατά την σχεδίαση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων μαζί με τα σχέδια των τμημάτων του κινητήρα και τα κυριότερα παράθυρα ελέγχου του λογισμικού Opera-2d. Στο κεφάλαιο 4 δίνονται τα βήματα και τα παράθυρα ελέγχου για τις παραμέτρους της ανάλυσης και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που για τις τρείς περιπτώσεις τους υγιούς μοντέλου, του μοντέλου με σπασμένη μπάρα και το μοντέλο με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Στο τέλος του κεφαλαίου 4 εξάγονται τα συμπεράσματα μας για την ασύγχρονη εκκίνηση του σύγχρονου κινητήρα και πως αυτή επηρεάζεται από τα σφάλματα σε μία μπάρα βραχυκύκλωσης και στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. / This thesis was produced in the department of Electrical Engineering and Computer Science at the University of Patras and involves the study of rotor errors in a three phase synchronous motor with salient poles with the help of finite element analysis. The purpose of this thesis is the monitoring of a three-phase synchronous motor with salient poles during asynchronous starting, with one broken bar, broken ring and in a healthy state for comparing the results. For the design of the motor we used the machine data of a real motor which is used in a pumped storage hydroelectric generator. For the creation of the model in two dimensions we used the software Opera-2d, which uses the finite element method to simulate the operation of electric machines. For the success of the design, a number of measurements and calculations was taken from the machine data which are not included in the thesis. Also, after the completion of the model, we run simulations in steady state to verify that the model was running according to designer parameters. The thesis is divided in five chapters. In the first chapter there is a general description of the basic knowledge of electric energy and the principles regarding the construction and operation of synchronous machines and in particular three-phase synchronous machines with salient poles. In chapter 2 there is a more detailed description of the operating characteristics of a three-phased synchronous motor and the starting methods, with emphasis at asynchronous starting. Additionally, there is some information regarding hydro-generator stations. Chapter 3 shows the main steps followed during the design stage of the model and it includes images of the main parts of the motor and the control windows of the software Opera-2d. Chapter 4 starts by showing the main steps and control windows for the analysis parameters and this is followed by the results of the simulations for the three cases: healthy motor, with broken bar and with broken ring. Finally the conclusions for the asynchronous starting of a synchronous motor and how it is affected by a broken bar and a broken ring at the rotor, are presented at the end of chapter 4.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και το θέμα αφορά την μελέτη της σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους και τον υπολογισμό παραμέτρων της με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι ο υπολογισμός των επαγωγιμοτήτων της σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους. Πιο συγκεκριμένα θα υπολογίσουμε τις αυτεπαγωγιμότητες και τις αμοιβαίες επαγωγιμότητες του στάτη και του δρομέα. Για την σχεδίαση του μοντέλου της τριφασικής σύγχρονης μηχανής χρησιμοποιήθηκαν τα κατασκευαστικά στοιχεία μιας πραγματικής τριφασικής μηχανής που προορίζεται για λειτουργία σε υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας. Για την κατασκευή και εξομοίωση του μοντέλου στις δύο διαστάσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Opera-2d, το οποίο χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μια αριθμητική μέθοδο για να προσομοιώσει τη φυσική λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών. Για την επιτυχία του μοντέλου χρειάστηκαν αρκετές μετρήσεις και υπολογισμοί από τα δεδομένα που είχαμε τα οποία δεν παραθέτονται. Με την περάτωση του μοντέλου εξομοιώθηκαν διαφορετικές λειτουργίες στη μόνιμη κατάσταση για εξακρίβωση της ακρίβειας του μοντέλου που κατασκευάσαμε. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε τέσσερα κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν την κατασκευή και λειτουργία των σύγχρονων μηχανών και ειδικότερα τις τριφασικές σύγχρονες μηχανές με έκτυπους πόλους. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρουμε την θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού πάνω στην οποία βασίζονται οι υπολογισμοί που υλοποιούμε με την χρήση του Opera 2d. Αναλύουμε την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούμε για να κάνουμε τους υπολογισμούς. Στο τρίτο κεφάλαιο κάνουμε μια σύντομη αναφορά στην θεωρία των σύγχρονων μηχανών για τις αμοιβαίες επαγωγιμότητες και αυτεπαγωγιμότητες του δρομέα και του στάτη. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα πειράματα που διεξήγαμε για να υπολογίσουμε τις επαγωγιμότητες του στάτη και του δρομέα της σύγχρονης μηχανής. Στην τελευταία παράγραφο υπολογίζουμε κάποιες επαγωγιμότητες και αντιστάσεις με την βοήθεια αναλυτικών τύπων που βασίζονται στην θεωρία των σύγχρονων μηχανών και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με αυτά του κατασκευαστή. / This thesis was produced in the department of Electrical Engineering and Computer Science at the University of Patrai and involves the study of synchronous machine with salient pole and with the help of finite element analysis. The aim of the thesis is to calculate inductances of synchronous machine with salient pole. We will calculate mutual and self inductances of stator and rotor. To design the motor, machine data of a real motor, used to pump a storage hydroelectric generator, were used. The software Opera-2d was used to create the model in two dimensions. The software uses the finite element method to simulate the operation of electric machines. To ensure the motor design is suitable for the aim of the thesis, a number of measurements and calculations were made from the machine data which are not included as they are beyond the scope of this thesis. Also, after completing the model, simulations were run in steady state to verify that the model was running according to designed parameters. The thesis is structured in four chapters. Chapter 1 introduces the literature review where there is the principles regarding the construction and operation of synchronous machines and in particular three-phase synchronous machines with salient poles. In chapter 2, we refer to the theory of electromagnetism based on the calculations that we implement using the Opera 2d.We analyze finite element method which we use for calculations. In chapter 3, we make a brief reference to theory of synchronous machine for mutual and self inductances of rotor and stator. In the last chapter we present experiments we had to compute inductances of stator and rotor of synchronous machine. In last paragraph we compute some inductances and resistances with analytical formulas based on the theory of synchronous machine and compare our results with those of the manufacturer.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μιας διάταξης ανεμογεννήτριας με σύγχρονη μηχανή με μόνιμους μαγνήτες 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 τελικά 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. / This thesis deals with the study of a wind turbine device with a permanent magnet synchronous machine which is connected with the grid side via a dc interconnection. The dc link is created by a dc capacitor and on the machine side there is an ac / dc power converter while on the grid side there is a dc / ac power converter, both of which are totally controlled. Aim of this thesis is to study the complete wind turbine system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation. Then we calculate the state space equations and propose a control system based on PI controllers. Finally, we simulate the complete system with the MATLAB Simulink and having studied the results, we draw conclusions.

Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις της σύγχρονης κοινωνίας σε συνδυασμό με τις ραγδαίες κλιματικές αλλαγές μας οδηγούν στην ανάγκη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατό πιο οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Έτσι, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερο μερίδιο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλάζοντας συνεχώς τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Τα αιολικά συστήματα, τα οποία αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου, είναι ένα είδος ΑΠΕ. Στην παρούσα εργασία μελετάμε ένα αιολικό σύστημα, το οποίο αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, έναν μετατροπέα πηγής τάσης, ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου και μία γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους. Η αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση της ΣΜΜΜ την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Στην εργασία αυτή προσομοιώνουμε σε περιβάλλον Matlab/Simulink το σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Εφαρμόζοντας τις κατάλληλες τεχνικές ελέγχου από την πλευρά της μηχανής προσπαθούμε να πετύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, ενώ στην πλευρά του δικτύου προσπαθούμε μέσω άμεσου ελέγχου ροής ισχύος να πετύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης. Στη συνέχεια, μέσω ενός πρόσθετου ελέγχου προσπαθούμε να κρατήσουμε την τάση στην έξοδο του φίλτρου σταθερή, κατά τη διάρκεια πτώσης της τάσης του δικτύου. Τέλος, παραθέτουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με έναν σύντομο σχολιασμό και τα συμπεράσματα. / The continuously increasing energy requirements of modern society combined with the rapid climate changes lead us to the need to produce electrical energy in a more economic and environmentally friendly way. Thus, the Renewable Energy Sources gain an increasing share of electrical energy production, constantly changing the global energy map. Wind power systems, which utilize the kinetic energy of the wind, are a kind of RES. In this thesis we study a wind power system, which comprises a variable speed wind turbine, which uses a permanent magnet synchronous machine, a voltage source converter, an R-L filter in the grid side and a short transmission line. The increased reliability and performance of PMSG make it particularly attractive solution for wind power systems. In this thesis we simulate in Matlab/Simulink environment the system described above. Applying appropriate control techniques on the machine side we try to achieve maximum power harvesting from the wind, while on the grid side we try through direct power flow control to achieve unit power factor with simultaneous control of the dc link voltage. Then, using an additional control we try to keep constant the voltage at the end of the R-L filter during a grid voltage drop. Finally, we present the simulation results along with a brief commentary and the conclusions.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη προγράμματος ελέγχου του συστήματος ηλεκτρικών παροχών του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, με τη χρήση Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή. Συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής αυτής εργασίας, αναπτύχθηκε πρόγραμμα ελέγχου ομαλής εκκίνησης ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα, με τη βοήθεια ενός ηλεκτρομηχανικού ζεύγους αποτελούμενου από μηχανή συνεχούς ρεύματος, συνδεδεμένης σε κοινό άξονα με σύγχρονη μηχανή. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα αυτοματοποιημένο πρόγραμμα ελέγχου της ισχύος της σύγχρονης μηχανής του Εργαστηρίου, καθώς και ένα πρόγραμμα για βελτίωση του συντελεστή ισχύος της εγκατάστασης, λειτουργώντας τη σύγχρονη μηχανή, είτε ως γεννήτρια παραλληλισμένη στο δίκτυο, είτε ως κινητήρα εν κενώ. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς δοκιμές στα δύο αυτά προγράμματα και γενικότερα στο σύστημα παροχής τάσεων του Εργαστηρίου, με σκοπό την πλήρη ετοιμότητα του για τους εκπαιδευτικούς και εργαστηριακούς σκοπούς για τους οποίους απευθύνεται. / The purpose of this thesis is to design and develop a control system of the Electromechanical Energy Conversion Laboratory, using a Programmable Logic Controller. Specifically, during the preparation of this thesis, a control program three phase asynchronous motor soft-starter has been developed, using a electromechanical couple consisting of machine dc coupled to a common shaft with a sychronous machine. Additionally, an automated program to control power of modern machine workshop as well as a program to improve the power factor of the installation has been developed, using a modern machine, either as a generator , either as a motor.Finally, there have been extensive tests on these two programs and generally in the supply system of the laboratory, in order to the system be totally ready for use.