Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη συστήματος βασισμένου σε DSP για τη λήψη και επεξεργασία εικόνας υψηλής ανάλυσης με δυνατότητα ρύθμισης της γωνίας λήψης μέσα στο χώρο μέσω πρωτότυπου μηχανισμού που κινείται με τη βοήθεια δύο βηματικών κινητήρων και ελέγχου της διάταξης από απόσταση μέσω σύνδεσης δικτύου με το πρωτόκολλο TCP. Η δικτυακή επικοινωνία, επεξεργασία, μεταφορά και αποθήκευση των δεδομένων εικόνας στηρίζονται στην κάρτα DSK TMS320C6416, που βασίζεται στον DSP 6416 της Texas Instruments, ενώ ο έλεγχος της κάμερας και η οδήγηση των βηματικών κινητήρων επιτυγχάνονται με τη χρήση της θυγατρικής κάρτας DSK-EYE Gigabit, πυρήνα της οποίας αποτελεί ένα FPGA της οικογένειας Cyclone II της ALTERA και περιλαμβάνει τον OV5610 αισθητήρα εικόνας 5.2 Megapixel. Ένα γραφικό περιβάλλον επιτρέπει στο χρήστη της εφαρμογής τον έλεγχο της διάταξης και τη ρύθμιση των παραμέτρων για τη λήψη και επεξεργασία εικόνας ανάμεσα στις οποίες είναι η ρύθμιση φωτεινότητας, κέρδους, ανάλυσης της εικόνας, κατεύθυνσης και γωνίας κίνησηςγια κάθε κινητήρα ξεχωριστά και επιλογή του αλγορίθμου επεξεργασίας της αρχικής εικόνας. / A remote controlled DSP-based system for high resolution image capturing and processing, featuring 2-axis rotational motion was developed using the TMS320C6416 DSK board, which is based on TMS320C6416T DSP. A prototype device holding a pair of bipolar stepper motors and a gear set providing proper gear ratio and holding torque, is used for motion transmission to the 5.2 Megapixel Omnivision OV5610 camera module, connected to the Bitec DSK-EYE Gigabit daughtercard, which is built around a FPGA of the ALTERA Cyclone II family. The remote operation of the whole system is carried out over a network connection via the dedicated Ethernet adapter of the DSK-EYE board, using the TCP/IP protocol. The device is controlled by means of a Graphical User Interface (GUI) which grants access to some key parameters of the image sensoring process, allowing for easy adjustment of gain and exposure values, stepper motor control and image processing algorithm selection

Η παρούσα διπλωματική εργασία, η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, πραγματεύεται την κατασκευή ενός επιβατηγού ανελκυστήρα σε μικρή κλίμακα. Σκοπός είναι η μελέτη και η κατασκευή της μικρογραφίας ενός ανελκυστήρα για την μεταφορά προσώπων, του οποίου η λειτουργία θα ελέγχεται μέσω τυπωμένου κυκλώματος. Αρχικά παρατίθεται μια σύντομη ανάλυση της ιστορίας των ανελκυστήρων, τα κυριότερα μέρη τους, των διαφόρων κατηγοριών που υπάρχουν αλλά και κάποιων βασικών στοιχείων τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται η αρχή λειτουργίας των ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων και παρουσιάζονται τα βασικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τα είδη αυτών. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή του μικροεπεξεργαστή που χρησιμοποιήθηκε, καθώς και των δυνατοτήτων που προσφέρει. Το επόμενο βήμα είναι η ανάλυση της λογικής που θα ακολουθεί ο ανελκυστήρας κατά την λειτουργία του, η περιγραφή των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση της παραπάνω λογικής αλλά και του τρόπου σύνδεση τους με τους ακροδέκτες των δυο μικροελεγκτών. Για την ευκολότερη υλοποίηση της λογικής που υιοθετήθηκε, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν δύο τυπωμένα κυκλώματα. Το πρώτο ελέγχει όλα τα στοιχεία που υπάρχουν στο εσωτερικό του θαλάμου, ενώ το δεύτερο όσα βρίσκονται εξωτερικά και συγκεκριμένα τα μπουτόν κλήσης των ορόφων, τους αισθητήρες προσέγγισης και τα ρελέ που οδηγούν τον κινητήρα. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στο δίκτυο CAN το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την επικοινωνία των τυπωμένων κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν. Επίσης, παρατίθονται τα πλήρη διαγράμματα ροής του κώδικα και τα σχέδια των τυπωμένων κυκλωμάτων. Τέλος, ακολουθούν τα συμπεράσματα από την λειτουργία της κατασκευής και τα σχόλια για μελλοντικές βελτιώσεις. / The purpose of this thesis is the construction of a passenger elevator in a small scale. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering at University of Patras. The main aim is the study and the construction of the miniature of an elevator for transporting persons, whose function will be controlled through printed circuit boards. Initially, there is a brief overview of the history and the main parts of elevators, along with the various categories in which they are divided. Secondly, the construction of three-phase asynchronous motors, their types and the principle of their operation are described. In addition, there is a short description of the microprocessor which is used and its capabilities, in order to facilitate the study and design of the structure. Furthermore, the logic of the elevator, the elements which are necessary to implement the above logic and how to connect them to the pins of the two microcontrollers are given. For easier implementation of the logic which was adopted, two printed circuits were designed and manufactured. The first circuit controls all the elements that exist inside the cabin, and the second controls the call buttons on every floor, the proximity sensors and the relays which drive the motor. Moreover, there is a brief reference to the CAN network which is used for the communication of the microcontrollers. The full flow chart of the code and the schematics of the printed-circuit boards are also provided. Finally, the conclusions that derive from the construction and the operation of the elevator are presented and future improvements concerning the construction are proposed.

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.

Στην παρουσα διπλωματική εργασιά μοντελοποιήθηκε και εξομοιώθηκε η λειτουργία ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος που αποτελείται από μία τριφασική ασύγχρονη μηχανή και έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος τοπολογίας “Matrix” με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή, χρησιμοποιώντας το περιβάλλον Simulink του λογισμικού Matlab και το πρόγραμμα Vector Fields Opera που χρησιμοποιείται για ανάλυση με μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η διερεύνηση και αξιοποίηση της δυνατότητας «συνεργασίας» μεταξύ των δύο αυτών προγραμμάτων. Συγκεκριμένα εξομοιώθηκε η λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής της οποίας το μοντέλο είχε δημιουργηθεί στο περιβάλλον του Opera, κατά την τροφοδοσία της μέσω του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος τύπου “Matrix”, το μοντέλο του οποίου είχε δημιουργηθεί στο Simulink του Matlab. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται τα σημαντικότερα σημεία της τεχνολογίας των τριφασικών ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας “Matrix” και οι βασικές τεχνικές και μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο τρόπος λειτουργίας του, ενώ στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι βασικές αρχές λειτουργίας της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Στα κεφάλαια 3 και 4 παρουσιάζονται το μοντέλο της μηχανής και του μετατροπέα, όπως δημιουργήθηκαν στα αντίστοιχα προγράμματα και παρουσιάζεται η εξομοίωση της μεμονωμένης λειτουργίας τους. Συγκεκριμένα στο κεφάλαιο 3, μετά την παρουσίαση του μοντέλου της μηχανής, εξομοιώνεται η λειτουργία της στο πρόγραμμα Opera με ημιτονοειδή τάση τροφοδοσίας και στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η εξομοίωση της λειτουργίας του μετατροπέα με ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται η «σύνδεση» των δύο μοντέλων και εξομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις. Πρώτα για σταθερή σε μέτρο και συχνότητα τάση εξόδου του μετατροπέα με την οποία τροφοδοτείται η ασύγχρονη μηχανή (κινητήρας) της οποίας μεταβάλλουμε το μηχανικό φορτίο και στη συνέχεια για λειτουργία του κινητήρα υπό σταθερό φορτίο και μεταβολή της συχνότητας και του μέτρου της τάσεως εξόδου του μετατροπέα. Τέλος στα κεφάλαια 6 και 7 εξετάζεται η λειτουργία της μηχανής όταν σε αυτήν παρουσιάζεται ένα βραχυκύκλωμα μεταξύ κάποιων σπειρών του τυλίγματος μίας φάσης του στάτη και εξομοιώνεται η λειτουργία της μηχανής με ημιτονοειδή τάση τροφοδοσίας (κεφάλαιο 6) καθώς και όταν τροφοδοτείται μέσω του μετατροπέα, τόσο εν κενώ όσο και με μηχανικό φορτίο (κεφάλαιο 7). / In this degree thesis a model of an electromotion system consisting of an asynchronous machine and a power electronic Matrix topology converter was created and then simulated with the help of an electronic computer, using the software of Matlab Simulink and Vector fields Opera software which makes use of the finite elements method. The main objective of this work was the examination and the utilization of the interaction capability between these two software. Particularly, it is simulated the behavior of the asynchronous machine, the model of which was designed in the Opera environment, fed by the Matrix converter which its model was designed in Simulink. In the first chapter there are presented the most important parts of the three-phase power electronic Matrix topology converter and the basic techniques and methods that are used for the control of the converter in order to understand its function, while in the second chapter the fundamentals of the asynchronous machine are mentioned. In chapters 3 and 4, the models of the asynchronous machine and of the Matrix converter are presented as they were designed in Opera and Simulink and also there are presented the simulations of these two models separately. in addition, in the third chapter, after the presentation of the machine’s model, it’s function is simulated with the use of software Opera for sinusoidal power supply and in chapter 4 it is given a simulation of the function of the Matrix converter for a R-L load. In the fifth chapter we have the “connection” of the two models and the simulation of the function of the “whole” system in two different cases. First the simulation is carried out for a stable in amplitude and frequency output voltage supply of the Matrix converter with which the asynchronous machine (induction motor) is supplied while the mechanical load connected to the motor is modified and secondly it is presented the simulation of the system for a stable, during the simulation time, mechanical load but with modification of the amplitude and frequency of the converter’s output voltage with which the motor is supplied. Concluding, in chapters 6 and 7, the function of the motor is examined in the case that there is a stator inter turn short circuit in a phase winding and in chapter 6 a simulation of the function of the motor with this fault is carried out for sinusoidal supply, while in chapter 7 there are presented simulations of the same model of the motor with the fault, being supplied by the matrix converter in the cases that the motor is rotating with load torque and without any mechanical load.

Η παρούσα διπλωματική εργασία, η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, πραγματεύεται την κατασκευή ενός ηλεκτρικού δικύκλου. Σκοπός είναι η κατασκευή και ο έλεγχος ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου και συγκεκριμένα ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση ενός κατάλληλου ηλεκτροκινητήριου συστήματος σε ένα συμβατικό ποδήλατο. Αρχικά γίνεται μια σύντομη περιγραφή των συμβατικών και των ηλεκτρικών ποδηλάτων, η οποία περιλαμβάνει την ιστορική εξέλιξή τους, τα μέρη από τα οποία αποτελούνται, τους τύπους στους οποίους διακρίνονται και τα νομικά πλαίσια που διέπουν τη λειτουργία τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα, το οποίο εγκαταστάθηκε στο πλαίσιο του ποδηλάτου που παραχωρήθηκε για το σκοπό αυτό από την εταιρεία Ideal Bikes Μανιατόπουλος Α.Ε., τα κριτήρια επιλογής του κινητήρα, των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και των επιμέρους στοιχείων που το απαρτίζουν. Ακολουθεί η ανάλυση των Brushless μηχανών, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και η αρχή λειτουργίας τους. Το επόμενο βήμα είναι η θεωρητική μελέτη του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που απαιτείται για την οδήγηση του κινητήρα. Παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτροκινητήριου συστήματος μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink. Κατόπιν, περιγράφεται η κατασκευή του τριφασικού αντιστροφέα τάσης, τα στοιχεία που τον απαρτίζουν και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν. Δίνεται μια σύντομη περιγραφή του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε, των δυνατοτήτων που παρέχει αλλά και η λογική του ελέγχου που υλοποιεί. Τέλος, ακολουθούν οι πειραματικές μετρήσεις και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη λειτουργία της κατασκευής. / The purpose of this thesis is the construction of an electric two-wheeled vehicle. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering at University of Patras. The main aim is the study, the construction and the control of an electric bike. In order to achieve this, it is necessary to design and install a suitable electric motor system to a conventional bicycle. Initially, there is a brief overview of the conventional and the electric bicycles, along with their history, their main parts, the types in which they are divided and the legal frameworks that govern their operation. Secondly, the electric motor system, which was installed in the bicycle frame granted for this purpose by the company Ideal Bikes, Nikos Maniatopoulos S.A., the criteria for the selection of the motor and the batteries are described. In addition, there is a short description of Brushless motors, their types and the principle of their operation. Furthermore, the theoretical study of the three phase inverter required for driving the motor is given. Moreover, the results obtained from the simulation of the operation of the motor system through the Matlab / Simulink are provided. The construction of the three phase inverter, the constituent elements and the reason for their selection are also analyzed. Last but not least, there is a short description of the microcontroller which is used and its capabilities, in order to facilitate the study and design of the structure. Finally, the experimental measurements and the conclusions that derive from the construction and the operation of the electric bike are presented and future improvements concerning the construction are proposed.

Η μόλυνση του περιβάλλοντος από τα μέσα μεταφοράς και η συνεχής μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων αποτελούν τους δύο κύριους λόγους για τη στροφή των τμημάτων έρευνας της παγκόσμιας αυτοκινητοβιομηχανίας στην επινόηση οικολογικότερων μέσων μετακίνησης. Από αυτή την προσπάθεια προέκυψαν τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα, τα οποία περιορίζουν την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπες ρύπων συγκριτικά με συμβατικά οχήματα παραπλήσιων τεχνικών χαρακτηριστικών. Τα υβριδικά οχήματα είναι, ουσιαστικά, ο προάγγελος και το πεδίο δοκιμής και εξέλιξης της αμιγούς ηλεκτροκίνησης. Ο κοινός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας και άλλων δύο διπλωματικών εργασιών, οι οποίες εκπονήθηκαν παράλληλα με αυτή, είναι η μετατροπή ενός συμβατικού βενζινοκίνητου αυτοκινήτου σε ηλεκτρικό υβριδικό όχημα. Το αρχικό μέλημα υπήρξε η εύρεση του κατάλληλου οχήματος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Την προμήθεια του οχήματος ακολούθησε η έρευνα της αγοράς για την εύρεση του κατάλληλου ηλεκτρικού κινητήρα. Ο κινητήρας, ο οποίος επιλέχθηκε, είναι τριφασικός ασύγχρονος. Εν συνεχεία, αγοράστηκαν συσσωρευτές οξέος μολύβδου ως εναλλακτική πηγή ενέργειας του οχήματος. Ακολούθησε εμπεριστατωμένη μελέτη για τη μηχανολογική προσαρμογή του ηλεκτρικού κινητήρα και των συσσωρευτών στο όχημα και πραγματοποιήθηκε αυτή η εργασία. O ηλεκτρικός κινητήρας τοποθετήθηκε επί του διαφορικού, ενώ κατασκευάστηκε ειδική βάση για τους συσσωρευτές. Υπολογίστηκε και κατασκευάστηκε κατάλληλο σύστημα μετάδοσης για τη μεταφορά της κίνησης από τον κινητήρα στον άξονα μετάδοσης της κίνησης του οχήματος, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες κίνησης του. Το γεγονός ότι ο κινητήρας χρειάζεται σύστημα υδρόψυξης για την ασφαλή και αποδοτική λειτουργία του είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή κατάλληλης διάταξης. Το δεδομένο ότι οι συσσωρευτές παράγουν συνεχές ρεύμα, ενώ ο κινητήρας απαιτεί τροφοδοσία με εναλλασσόμενο ρεύμα οδήγησε στην κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Ο αντιστροφέας αποτελεί μια ηλεκτρική διάταξη, η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Το απαιτούμενο επίπεδο τάσης εξόδου του αντιστροφέα για την τροφοδοσία του κινητήρα προϋποθέτει συγκεκριμένο επίπεδο τάσης στην είσοδο του μετατροπέα, το οποίο είναι υψηλότερο από την τάση εξόδου της συστοιχίας των συσσωρευτών. Επιχειρήθηκε, λοιπόν, η εξομοίωση και η κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η ιδιότητα του είναι η ανύψωση του επιπέδου τάσης των συσσωρευτών κατά τη φάση της τροφοδότησης του κινητήρα αλλά και ο υποβιβασμός της τάσης για τη φόρτιση των συσσωρευτών κατά την επιστροφή ενέργειας από τη λειτουργία του κινητήρα ως γεννήτρια, τη λεγόμενη διαδικασία της αναγεννητικής πέδησης. Ο έλεγχος του ηλεκτρικού κινητήρα πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής του άμεσου ελέγχου ροπής (DTC), ενός είδους άμεσου διανυσματικού ελέγχου. / The environmental pollution caused by all means of transport and the continued reduction of stocks of fossil fuels are the two main reasons, which directed the global automotive research in developing “greener” means of transport. From this effort emerged hybrid electric vehicles, which reduce fuel consumption and emissions compared to conventional vehicles with similar technical characteristics. Hybrid vehicles are essentially the precursor and the field for testing and developing pure electric traction. The common objective of this and two other diploma theses, which were prepared in parallel with it, is to convert a conventional gasoline car to a hybrid electric one. The initial concern was to find a suitable vehicle for this application. The supply of the vehicle was followed by the market research to find a suitable motor. The selected motor is a three-phase asynchronous motor. Subsequently, lead acid batteries were purchased as an alternative energy source for the vehicle. This was followed by a thorough study of the mechanical adjustment of the electric motor and battery in the vehicle and the planned work was performed. The electric motor is adapted on the differential and a base was constructed to fit the batteries. A suitable transmission system was built to transmit motion from the electric motor to the transmission axle of the vehicle to meet the needs of the driving conditions. The fact that the motor needs a water cooling system for its safe and efficient operation resulted in the construction of an adequate array. Taking into account that the batteries produce direct current, while the motor requires the supply of alternating current led to the design and construction of a three-phase power inverter at the laboratory. The inverter is an electrical device that converts direct current to alternating current. The demanded level of voltage in the inverter’s output to power the motor requires a specific voltage level at the input of the converter, which is higher than the output voltage of the battery pack. Therefore, the simulation and the construction of a bidirectional DC to DC voltage converter was attempted at the laboratory. The aim is to raise the level of battery voltage during the phase of the electric machine functioning as a motor and to reduce the voltage level to charge the batteries during the phase that the electric machine functions as a generator, a process called regenerative braking. The control of the electric motor was achieved by the technique of direct torque control (DTC), a kind of direct vector control.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μετατροπή ενός συμβατικού αυτοκινήτου σε υβριδικό ηλεκτρικό όχημα. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετάται και κατασκευάζεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα του οχήματος, το οποίο έχει τοπολογία παράλληλης διάταξης. Τα υποσυστήματα που το συνθέτουν είναι ένας τριφασικός ασύγχρονος ηλεκτρικός κινητήρας, μία συστοιχία ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και οι απαραίτητοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Το υβριδικό όχημα διαθέτει τη δυνατότητα επιστροφής ενέργειας κατά την επιβράδυνση, φορτίζοντας τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές (αναγεννητική πέδηση). Για την προσαρμογή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος στο υπάρχον συμβατικό κινητήριο σύστημα του αυτοκινήτου έλαβαν χώρα ορισμένες μηχανολογικές μετατροπές και κατασκευάστηκε ένα σύστημα υδρόψυξης για τον ηλεκτροκινητήρα. Για τη ενεργειακή διαχείριση του όλου συστήματος έγινε εμπεριστατωμένη ηλεκτρολογική μελέτη. Για την τροφοδοσία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση (τριφασικός αντιστροφέας). Για τη λειτουργία του τριφασικού κινητήρα σε επίπεδα ονομαστικής ισχύος απαιτήθηκε η ανύψωση της συνεχούς τάσης των μπαταριών και για αυτό το λόγο έγινε σχεδιασμός, προσομοίωση και κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου ηλεκτρονικού μετατροπέα ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση. Ο έλεγχος της ηλεκτρικής μηχανής υλοποιείται από την μέθοδο Αμέσου Ελέγχου Ροπής (DTC), η οποία αποτελεί ένα είδος αμέσου διανυσματικού ελέγχου. Παράλληλα με αυτή τη διπλωματική εργασία, εκπονήθηκαν δύο ακόμα διπλωματικές εργασίες πάνω στο θέμα του υβριδικού οχήματος. / The present diploma thesis deals with the conversion of a conventional car to a hybrid electric vehicle (HEV). To this direction, the powertrain of the vehicle is designed and constructed, composing a parallel hybrid topology. The subsystems of the electric propulsion system are a three-phase asynchronous electric motor, an electrochemical battery pack and the necessary power electronic converters. The hybrid electric vehicle has the ability to return energy and charge the batteries during deceleration (regenerative braking). In order to adapt the electrical compounds to the existing conventional propulsion system, some mechanical modifications had to be made. Furthermore, a water cooling system was designed and constructed in order to cool the electric motor. The energy management of the electrical system is analysed. The power of the three-phase asynchronous motor is controlled by a three-phase DC to AC inverter. The operation of the motor at its nominal power requires the boost of the battery voltage level. For this reason, a bidirectional DC to DC boost / buck converter was firstly simulated to ensure its proper operation. The above power converters were designed and constructed at the laboratory. The control of the electric motor is implemented by the Direct Torque Control method (DTC), which is a kind of direct vector control. In parallel with this work, two more diploma theses were prepared on the project of the hybrid electric vehicle.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα για την οδήγηση ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τη λειτουργία και τον έλεγχο των στροφών ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Αρχικά μελετάται η βασική αρχή λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα και αναλύονται οι τεχνικές εκκίνησης που χρησιμοποιούνται για σύνδεση του κινητήρα απευθείας στο δίκτυο. Ακόμα παρουσιάζονται τα ισοδύναμα κυκλώματα λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα, η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής του και προσομοιώνεται η λειτουργία του για τη μελέτη της στατικής συμπεριφοράς του. Στη συνέχεια γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που κατασκευάστηκε, καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων που είναι αναγκαία για τη λειτουργία του. Επιπροσθέτως αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα τάσης, που είναι η "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών" (SPWM). Στο επόμενο βήμα αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν, και περιγράφεται ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή, που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των παλμών. Τέλος, παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. / This diploma thesis discourse the analysis and construction of a converter topology for single phase induction motor drives. The project was based in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the department of Electrical and Computer Engineering of School Engineering of University of Patras. The objective of this project is the analysis and construction of a three phase voltage inverter to control the speed of a single phase induction motor. The first stage of this work is the study of the basic principle of operation of the single phase induction motor and the analysis of the starting techniques, used for the direct connection to the power grid. The equivalent circuits of the running single phase induction motor and the equation of the electromagnetic torque are also presented in this project. Following, there is a theoretical analysis of the three phase voltage inverter circuit, as well of all the remaining circuit, necessary for its function. Moreover the method of pulse generation for the switching elements of the voltage inverter is analyzed, which is the “Sinusoidal Pulse Width Modulation”. The next step is the analysis of the technical characteristics all of the circuits developed, as well the description of the program code for the microcontroller, used to produce the pulses. Finally oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction, are adduced.

Η θερμική ανάλυση είναι μια σημαντική περιοχή μελέτης και γίνεται περισσότερο σημαντική για την σχεδίαση ηλεκτρικών μηχανών εξαιτίας της ανάγκης για μείωση του όγκου των υλικών και του κόστους κατασκευής τους καθώς και για την αύξηση της απόδοσής τους. Είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση μιας και η θέρμανση της μηχανής θα οριοθετήσει την ονομαστική της ισχύ καθώς και την διάρκεια ζωής της μόνωσης. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση της κατανομής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των συγκεντρωμένων παραμέτρων. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται βασικές έννοιες της θερμοδυναμικής. Γίνεται αναφορά σε διάφορους συντελεστές, παρουσιάζονται οι θερμοδυναμικοί νόμοι και γίνεται σύντομη αναφορά στους μηχανισμούς μετάδοσης θερμότητας. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνεται η αναλυτική περιγραφή των μηχανισμών μετάδοσης θερμότητας και παρουσιάζεται ένα απλό δίκτυο μοντελοποίησης με ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται σύντομα η δομή, η αρχή λειτουργίας και οι τύποι μιας ασύγχρονης μηχανής. Εδώ επίσης αναφέρονται και οι διάφορες μορφές απωλειών ενέργειας κατά την λειτουργία μιας τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Παρουσιάζεται ακόμη ο υπό μελέτη κινητήρας και αναφέρονται τα θερμοστοιχεία που χρησιμοποιούνται στην πειραματική διαδικασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος θερμικής ανάλυσης με χρήση ισοδυνάμου κυκλώματος θερμικών αντιστάσεων για την μόνιμη κατάσταση. Στη συνέχεια δίνεται το προτεινόμενο κύκλωμα και παρουσιάζονται αναλυτικά οι ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις του μοντέλου. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης, γίνεται σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα θερμοκρασιακών τιμών που πάρθηκαν από τα θερμοστοιχεία και ακολουθεί η διαδικασία της παραμετροποίησης στους διάφορους συντελεστές που χρησιμοποιήθηκαν είτε υπολογίστηκαν κατά την ανάλυση. / Thermal analysis is an important design area and becoming more important part of the electric motor design process due to the push for reduced weights and costs and increased efficiency. Thermal analysis is of equal importance as the electromagnetic design of the machine, because the temperature rise of the machine eventually determines the maximum output power. The purpose of this study is to record the temperature distribution of the internal parts of an induction motor at steady state using an equivalent thermal circuit with lumped parameters. The first chapter is an introduction of the thermodynamic theory. The laws of thermodynamics are described and there is a brief report of heat transfer mechanisms. The second chapter describes analytically the heat transfer mechanisms. Also, an example of modelling using thermal equivalent resistances is given. The third chapter introduces shortly the operational principles of an induction machine. Here are also referred the various losses that occur during the rotation of an induction motor. The studied induction motor, with the modified stator winding to include thermocouples, is shown. The fourth chapter introduces the method of thermal analysis using thermal equivalent circuit with lumped parameters. The proposed model is given and its components are described in particular. At last, in the fifth chapter the results of temperature distribution are given and compared with experimental data of temperature values that are acquired using the thermocouples. Here also takes apart the parameterising of the various coefficients that were used or calculated during this study.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος οδήγησης ενός Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος Τριφασικού Αντιστροφέα Πηγής Τάσης, ο οποίος θα επιτρέπει την υλοποίηση βαθμωτού και διανυσματικού ελέγχου της λειτουργίας του Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία υλοποιήθηκε βαθμωτός έλεγχος της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του δρομέα (με σταθερό λόγο V/f), ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Όσον αφορά το Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σχετικά με τη βελτιστοποίηση της κατασκευής του, καθώς και του ελέγχου της λειτουργίας του μέσω διαφόρων μεθόδων ελέγχου. Το κυριότερο χαρακτηριστικό του συγκεκριμένου κινητήρα αποτελεί η έλλειψη οποιασδήποτε μορφής διέγερσης στον δρομέα. Επομένως, η δημιουργούμενη ροπή οφείλεται αποκλειστικά στη λεγόμενη ροπή μαγνητικής αντίδρασης, από την οποία προέρχεται και η ονομασία του κινητήρα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται μια εισαγωγή στους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος, ενώ η ανάλυση επικεντρώνεται στον προαναφερθέντα κινητήρα, προσεγγίζοντάς τον από διάφορες πλευρές (κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, μαθηματικό μοντέλο, σύγκριση με άλλους τύπους κινητήρων). Επιπλέον γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του Τριφασικού Αντιστροφέα Πηγής Τάσης, ο οποίος χρησιμοποιείται για την οδήγηση του κινητήρα, καθώς και της τεχνικής Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών, η οποία χρησιμοποιείται για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Η προσομοίωση του κινητήρα ήταν το επόμενο βήμα για την καλύτερη κατανόηση της δυναμικής απόκρισης του κινητήρα. Η παρούσα διπλωματική εργασία συνεχίζεται με την αναφορά στο σχεδιασμό και την κατασκευή των απαραίτητων κυκλωμάτων, ενώ ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στο μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε στην υπάρχουσα εργασία, καθώς και στο πρόγραμμα που δημιουργήθηκε για τις λειτουργίες ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Τέλος, η ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας έρχεται μέσω της παρουσίασης των πειραματικών αποτελεσμάτων, στα οποία έγινε χρήση των κατασκευασθέντων κυκλωμάτων. / This Thesis is focused on the study and development of a Drive System for the Synchronous Reluctance Motor. This work was conducted in the laboratory of Electromechanical Energy Conversion, at the department of Electrical and Computer Engineering, in the University of Patras, Greece. The main purpose of this project was the study and construction 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. In this thesis, a scalar V/f control scheme was applied, both open and closed loop, for the control of the rotational speed of the rotor. As far as the Synchronous Reluctance Motor is concerned, in the latest years a great interest has emerged around this motor, which mainly focuses in the optimization of its construction and control. The main feature of this motor is that the rotor does not have any field winding. By this way, the output torque is produced only by the so called reluctance torque. In this work, an introduction on the AC motor is done, while the main interest is focused on the already mentioned motors. The analysis of this motor covers many aspects, such as the construction characteristics, the mathematical model of the motor, as well as a comparison with other popular motors. Moreover, the three Phase Inverter is studied, since it is used for the control of the motor. Also, there is an extended reference on the Pulse Width Modulation technique, which is used for the control of power devices. In the next chapters, the simulation of this motor is presented, since it is necessary fot the understanding of its dynamic behavior. In the following, an analysis on the design and construction of the required printed circuit boards is done, while the microcontroller which was used is presented in a more detailed way. The flowacharts of the open and closed loop control methods of the rotational speed are also given. Finally, the experimental results for both cases are presented and analysed.