Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη μελέτη της συμπεριφοράς ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Brushless DC) στην υγιή του κατάσταση και σε διάφορα σφάλματα με σκοπό την εύρεση διαγνωστικών δεικτών για την αναγνώριση και τη διακριτοποίηση των σφαλμάτων. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Για τους σκοπούς της διπλωματικής εργασίας προσομοιώθηκε ένας κινητήρας τύπου BLDC στην υγιή κατάσταση και στα σφάλματα με σταθερό αριθμό στροφών. Τα σφάλματα που μελετήθηκαν είναι πλήρης απομαγνήτιση ολόκληρου μαγνήτη, πλήρης τοπική απομαγνήτιση των άκρων ενός μαγνήτη, στατική και δυναμική εκκεντρότητα. Οι κινητήρες BLDC κερδίζουν συνεχώς έδαφος στη βιομηχανική παραγωγή και σε άλλες εφαρμογές, εκτοπίζοντας σιγά σιγά τους κινητήρες Συνεχούς Ρεύματος και τους Επαγωγικούς κινητήρες. Καθώς διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην βιομηχανική παραγωγή, και όχι μόνο, είναι απαραίτητο να προλαμβάνονται όσο το δυνατόν νωρίτερα διάφορες βλάβες που μπορεί να συμβούν στους κινητήρες και δημιουργηθούν έτσι προβλήματα στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν τα φασικά ρεύματα και η ηλεκτρομαγνητική ροπή του κινητήρα ως τα υπό διερεύνηση μεγέθη, και αφού έγινε FFT ανάλυση στα παραπάνω μεγέθη συγκρίθηκαν τα φάσματά τους για να βρεθούν τυχών διαφορές και να χρησιμοποιηθούν ως διαγνωστικοί δείκτες. Η παραπάνω μέθοδος, δηλαδή η ανάλυση FFT κάποιων μεγεθών της μηχανής, είναι και η πιο ευρέως διαδεδομένη για παρόμοια χρήση, χωρίς αυτό να αποκλείει και άλλες μεθόδους. Ο κινητήρας BLDC που μελετήθηκε είναι ισχύος 660 W, τροφοδοσίας 48 V μέσω ενός αντιστροφέα (inverter), έχει ονομαστική ταχύτητα περιστροφής 3000 rpm και διαθέτει 8 μαγνητικούς πόλους στο δρομέα του. Για την προσομοίωση όλων των καταστάσεων χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Opera-2d της εταιρίας Vector Fields, ένα λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων. Για την ανάλυση FFT χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Matlab της εταιρίας Mathworks. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία αναφορά στα μαγνητικά υλικά, χρήσιμη διότι έχουμε να κάνουμε με έναν κινητήρα που διαθέτει μόνιμους μαγνήτες στο δρομέα του αντί για τυλίγματα και επίσης, θα μελετηθούν σφάλματα απομαγνήτισης. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται θεωρητικά η δομή, η λειτουργία και η συμπεριφορά των κινητήρων BLDC, καθώς και παραθέτονται μαθηματικά μοντέλα και κυκλωματικά ισοδύναμα για τη δυναμική και για τη μόνιμη κατάσταση της μηχανής. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται παρουσίαση των σφαλμάτων. Μελετούνται οι αιτίες που τα δημιουργούν και τα επιδεινώνουν, καθώς γίνεται και μία παρουσίαση των συμπερασμάτων από διάφορες εργασίες και άρθρα όπου μελετώνται παρόμοια σφάλματα σε σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των διαφόρων καταστάσεων. Αρχικά γίνεται μία παρουσίαση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Έπειτα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, και συγκεκριμένα η συμπεριφορά διαφόρων μεγεθών του κινητήρα. Αυτά τα μεγέθη είναι οι μαγνητικές γραμμές, το μέτρο του μαγνητικού πεδίου στο μέσω του διακένου, τα φασικά ρεύματα και η ηλεκτρομαγνητική ροπή, από τη μελέτη των οποίων βγαίνουν τα πρώτα συμπεράσματα για τη λειτουργία και την κατάσταση του κινητήρα. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται αρχικά η μέθοδος FFT και μετά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης στα φασικά ρεύματα και στη ροπή. Από τη σύγκριση των φασμάτων της υγιούς κατάστασης και των σφαλμάτων βρίσκονται οι διαγνωστικοί δείκτες για την κατάσταση της μηχανής. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε. / In this thesis for diploma a Brushless DC (BLDC) is studying at healthy condition and under different kinds of faults. The purpose of this thesis for diploma is the For the purposes of this thesis for diploma a BLDC motor was simulated for the healthy condition and the faults. The faults under study are the uniform and the partial demagnetization of one permanent magnet, static and dynamic eccentricity. The variables that are studying are the phase currents and the electromagnetic torque of the motor. First, the waveforms of those variables were studying for the finding of the first conclusions and for the study of the behavior of the motor for those conditions. Furthermore, those variables were analyzed with the use of Fast Fourier Transform (FFT). The amplitudes of the harmonics of the phase currents and of the electromagnetic torque for the different faults were compared with the healthy condition for the finding of diagnostic indicators for the different faults.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και προσομοίωση ενός τμήματος μιας ανεμογεννήτριας η οποία μελλοντικά θα συνδεθεί στο τριφασικό δίκτυο. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Συγκεκριμένα μελετήθηκε και προσομοιώθηκε μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, η οποία θα αποτελέσει τη γεννήτρια της διάταξης, η οποία συνδέεται στην έξοδο με έναν τριφασικό μετατροπέα. Σκοπός του μετατροπέα είναι η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης που δέχεται στην είσοδο του, και προέρχεται από την τάση εξ επαγωγής στο στάτη της μηχανής, σε μια συνεχή τάση στην έξοδο του μετατροπέα, δηλαδή πρόκειται για έναν ανορθωτή. Επιπλέον ο μετατροπέας αυτός είναι ένας μετατροπέας ανύψωσης της τάσης, δηλαδή ένας μετατροπέας τύπου boost. Η ανύψωση αυτή γίνεται έχοντας ως δεδομένο ότι ο απώτερος σκοπός μας είναι η σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο των 220 V. Συγκεκριμένα η συνεχής τάση που θα μας δώσει ο ανορθωτής προορίζεται να μετατραπεί εκ νέου σε εναλλασσόμενη, από μια διάταξη αντιστροφέα, ώστε τελικά να προκύψει μια κατάλληλη τάση για σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο. Ύστερα από μελέτη διαφόρων ανορθωτικών διατάξεων επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί στην προσομοίωσή ο τριφασικός ανορθωτής ανύψωσης ενός διακοπτικού στοιχείου. Ο διακόπτης του ανορθωτή παλμοδοτήθηκε με την τεχνική της Διαμόρφωσης Εύρους των Παλμών (Pulse Width Modulation-P.W.M) ενώ ένας PI ελεγκτής χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να προσαρμοστεί η συνεχής τάση εξόδου του μετατροπέα στις απαιτήσεις του δικτύου. Η μηχανή που μελετήθηκε είναι μια σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη οχτώ πόλων, ονομαστικής ισχύος 660 W, ονομαστικής τάσης 48 V και ονομαστικής ταχύτητας 3000 rpm. Για την εξομοίωσή της χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Οpera σε δύο διαστάσεις (2d). Στο περιβάλλον σχεδίασης κυκλωμάτων του ίδιου προγράμματος σχεδιάστηκε σε πρώτη φάση ο τριφασικός ανορθωτής και έτσι έγινε εξαγωγή των αποτελεσμάτων για το σύστημα ανοιχτού βρόχου. Στη συνέχεια έγινε διασύνδεση του λογισμικού Opera με το Simulink του Matlab ώστε να επιτευχθεί έλεγχος κλειστού βρόχου αλλά και εκ νέου εξαγωγή των αποτελεσμάτων ανοιχτού βρόχου, ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε εξομοίωση του συστήματος μηχανής μετατροπέα εξ ολοκλήρου στο Simulink του Matlab με σκοπό την επιλογή των βέλτιστων παραμέτρων του PI ελεγκτή. / This thesis deals with the design and simulation of a section of a wind turbine which will in future be connected to the three-phase network. The thesis was accomplished in Electromechanical Energy Conversion Laboratory , Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. Specifically, it was studied and simulated a permanent magnet synchronous machine , which is connected to the output with a three-phase converter. The purpose of the converter is to convert the alternating voltage it receives at its entrance, and it comes from the induced voltage in the stator of the machine , into a constant output voltage. Furthermore, the converter’s purpose is to elevate the voltage as it is a boost converter. The voltage should be elevated because the ultimate goal is to connect the wind turbine to the grid of 220 V. Specifically, the dc output voltage of the rectifier, is intended to be converted back into the appropriate ac voltage in order to connect the wind turbine to the grid. Having studying various rectifier’s topologies, it had been chosen the three-phase single switch boost rectifier. The Pulse Width Modulation (PWM) was chosen for the rectifier’s switch and a PI controller was used to adjust the DC output voltage of the converter to the grid . The studied machine is a permanent magnet synchronous generator with eight poles , rated power 660 W, 48 V nominal voltage and rated speed of 3000 rpm. For the simulation, it was used Opera F.E.M. software in two dimensions (2d). In the same program’s design environment was designed the three-phase rectifier and the results for the open loop system were taken. Then, in order to achieve closed – loop control, the rectifier model was created in the “Matlab/Simulink” environment and the machine F.E.M. model was created in “Opera-2D” environment and they were combined into a composite model. By using this interface we managed to re export also results for the open loop system in order to compare the new results with the ones when only the Opera (machine-rectifier) model was used. Finally, the system machine – rectifier was simulated entirely in Simulink of Matlab in order to select the optimum parameters of the PI controller.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή κυκλώματος οδήγησης κινητήρα τύπου DC Brushless. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η οδήγηση του κινητήρα τύπου DC Brushless γίνεται ηλεκτρονικά με τη χρήση τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η κατασκευή του παραπάνω κυκλώματος. Ο κινητήρας τύπου DC Brushless είναι Σύγχρονος Κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη, επομένως το πρώτο που πραγματεύεται η διπλωματική εργασία είναι ο ορισμός κάποιων θεμελιωδών ιδιοτήτων του μαγνητικού πεδίου, και η μελέτη των χαρακτηριστικών των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτού του τύπου τις μηχανές. Στη συνέχεια μελετώνται οι Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη τραπεζοειδούς και ημιτονοειδούς παλμού ως προς τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά και την αρχή λειτουργίας τους. Παρατίθενται επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους σε σχέση με άλλους τύπους μηχανών και αναφέρονται κάποια πεδία στα οποία οι κινητήρες αυτοί βρίσκουν εφαρμογές. Ακόμα καταγράφονται λεπτομερώς οι μαθηματικές εξισώσεις λειτουργίας τους καθώς και η χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας. Στο επόμενο βήμα γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του μετατροπέα που κατασκευάστηκε καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων και στοιχείων που είναι αναγκαία για την λειτουργία του. Επιπροσθέτως, αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα, που είναι η Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM) και κατόπιν περιγράφεται αναλυτικά η κατασκευή και η υλοποίηση των παραπάνω κυκλωμάτων. Η παρούσα διπλωματική εργασία προχωράει με την περιγραφή των ιδιοτήτων του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε και την ανάλυση της παλμοδότησης του αντιστροφέα. Τέλος, ολοκληρώνεται με την παράθεση και το σχολιασμό των παλμογραφημάτων που προέκυψαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής . / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a converter topology for a DC Brushless motor drives. The project was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineerings, of University of Patras. Three-Phase DC Brushless motors are known to be controlled electronically using three-phase voltage inverter. Therefore, the aim of this paper is to construct this circuit. DC Brushless motors are Synchronous Permanent Magnet Motors so that the first thing we deal with in this diploma thesis is the definition of some fundamental properties of the magnetic field and the study of the characteristics of magnetic materials used in this type of motors. Then we examine the synchronous permanent magnet motors with trapezoidal and sinusoidal supply on the construction characteristics and the principle of operation. We also list some of their the advantages and disadvantages compared with other types of motors and mention some areas where these motors are finding application. We also record in detail the mathematical equations of operation and the torque-speed characteristics. The next step is a theoretical analysis of the circuit of the converter that was constructed and of all the other circuits and components necessary for its operation. Furthermore, we describe the method of pulse generation which is Pulse Width Modulation (PWM) and then we describe in detail the construction and implementation of these circuits. This essay goes on to analyze the properties of the microcontroller used and finally, it concludes with oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction.

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη, εξομοίωση και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού τριφασικού αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος μετατρέπει μια σταθερή συνεχή τάση σε τριφασική εναλλασσόμενη , μέσω της οποίας ελέγχεται ένας τριφασικός σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (Brushless DC, BLDC). Η συνεχής αυτή τάση προέρχεται από έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, ο οποίος ανυψώνει και σταθεροποιηθεί στα 50 V την τάση, η οποία παράγεται από μία πηγή κυψελών καυσίμου (Fuel Cells). Αρχικά έγινε ενδελεχής μελέτη διαφόρων τριφασικών αντιστροφέων με σκοπό την εμβάθυνση στη δομή και λειτουργία τους, ώστε να διευκολυνθούμε στο σχεδιασμό και κατασκευή του αντιστροφέα για τη συγκριμένη εφαρμογή και τελικά επιλέχτηκε να σχεδιαστεί, να εξομοιωθεί και να κατασκευαστεί ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος έξι παλμών τετραγωνικής κυματομορφής εξόδου, όπου το πλάτος και η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου ελέγχεται μέσω της τεχνικής διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM) των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Τα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος του αντιστροφέα επιλέχθηκαν να είναι MOSFET, αφού ύστερα από υπολογισμούς και συγκρίσεις των διαφόρων ημιαγωγικών στοιχείων μεταξύ τους αυτά κρίθηκαν ως τα πιο κατάλληλα. Έπειτα έγινε εξομοίωση του συστήματος μετατροπέα-κινητήρα μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink προκειμένου να βρεθεί η καταλληλότερη μέθοδος παλμοδότησης των έξι ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και να εξετασθούν διάφορα μεγέθη απαραίτητα για την σχεδίαση του αντιστροφέα. Ακολούθησε η σχεδίαση του τυπωμένου κυκλώματος του μετατροπέα καθώς και του κυκλώματος ελέγχου σε κοινή πλακέτα μέσω του προγράμματος Kicad, το οποίο έπειτα συναρμολογήθηκε και προγραμματίστηκε στο Εργαστήριο. Για τη σωστή λειτουργία του κινητήρα απαιτείται η συγχρονισμένη και διαδοχική τροφοδότηση των τριών τυλιγμάτων του στάτη του κινητήρα, έτσι ώστε να μην υπάρξει αποσυγχρονισμός. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τρεις αισθητήρες Hall, οι οποίοι είναι ενσωματωμένοι στη μηχανή και τοποθετημένοι σε γωνία 120ο ηλεκτρικών μοιρών μεταξύ τους (οι 120ο ηλεκτρικές μοίρες αντιστοιχούν σε 30ο χωρικές μοίρες για έναν οχταπολικό κινητήρα). Τα σήματα που παράγουν οι αισθητήρες Hall χρησιμοποιούνται για να ορίσουν τη θέση του δρομέα και οδηγούνται στη βαθμίδα, η οποία καλείται «ελεγκτής καταστάσεων μετάβασης» (commutation logic block) και ελέγχει την παλμοδότηση των έξι ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Ο κινητήρας λόγω της χρήσης της παραπάνω λογικής στην τροφοδότησή του αδυνατεί να αποσυγχρονιστεί, διότι ο ελεγκτής καταστάσεων μετάβασης δεν επιτρέπει λανθασμένη τροφοδοσία τυλίγματος. Έτσι, η ηλεκτρική συχνότητα ισούται πάντα με τη συχνότητα περιστροφής του άξονα επί 4, δεδομένου ότι η μηχανή έχει τέσσερα ζεύγη πόλων. Ο έλεγχος του ρεύματος γίνεται μέσω του λόγου κατάτμησης (duty cycle) των διακοπτών. Σε λειτουργία κλειστού βρόχου το αποτέλεσμα της σύγκρισης του ρεύματος αναφοράς και του ρεύματος ανάδρασης οδηγείται σε έναν ελεγκτή PI και στη συνέχεια με τεχνική PWM ελέγχεται η κατάσταση των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων. Τέλος στο προαναφερθέν σύστημα προστέθηκε μία γεννήτρια συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη ως φορτίο και πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας της διάταξης. Μετρήσεις έγιναν για τις φασικές και πολικές τάσεις του κινητήρα καθώς και για τα ρεύματα αυτού για 1500min-1 και για 3000 min-1 (ονομαστικός αριθμός στροφών) με αφόρτιστη τη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. / This thesis deals with the study, design and construction of a converter topology for a DC Brushless motor drives. Three-Phase DC Brushless motors are known to be controlled electronically using a three-phase voltage inverter. Therefore, the aim of this paper is to construct this circuit. This circuit converts a 50 V DC voltage which comes from fuel cells source and has already been stabilized with a power electronic boost converter to a three-phase voltage which drives the motor. Firstly a deep study was done between many different kinds of three-phase voltage inverter in order to find the most appropriate for this job. Finally it was chosen to be studied, designed and constructed a six pulse power converter producing a square waveform output. The amplitude and the frequency of the AC square output voltage is controlled by the method of pulse generation which is Pulse Width Modulation (PWM). The power electronic components were chosen to be MOSFET because after some calculations and comparison between the different types of power electronic switches these (MOSFET) where consider to be the most appropriate. Afterwards the system ’’power converter-motor’’ was simulated trough the Matlab/Simulink program in order to find the best pulse generation method for the six power components and observe some current and voltage figures essential for the further design of the inverter. For the right function of the motor is required the synchronous and succession feed of its stator windings so as not to be unsynchronized. For this purpose three hall sensors are used. These sensors are an integral part of the motor and have 120 electrical degrees distance between each other. Those three hall signals are used to define rotor’s position and are driven to commutation logic block which controls the six pulses of the six MOSFETS. Due to the fact of the upper logic for giving pulses, the motor can’t be unsynchronized because the commutation logic block doesn’t allow a wrong winding to be fed. So electrical frequency is every time four times bigger than the mechanical (rotor) frequency (this BLDC motor has eight poles). Current control is possible via duty cycle control. In close loop operation, the result of the comparison between reference current and feedback current is driven to a PI controller which controls the output via duty cycle control. Finally a DC permanent magnet generation has been added to the upper system and several experimental tests took place in lab. Measurements were done at 1500 and 3000rpm (nominal rotation number) for BLDC motor’s voltages and motor’s currents while there was no load to the generator at that time.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την εξομοίωση ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Brushless DC) οδηγούμενο από τριφασικό αντιστροφέα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στις μέρες μας, η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας, ευνοεί την αντικατάσταση σε πολλές εφαρμογές των κλασικών σύγχρονων και ασύγχρονων μηχανών από μηχανές νέας τεχνολογίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα, του νέου αυτού τύπου μηχανών, είναι και η Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη . Η ευκολία στον έλεγχο, η απουσία ψηκτρών και των προβλημάτων που αυτές δημιουργούν, ο μεγάλος βαθμός απόδοσης, καθώς και η υψηλή πυκνότητα ισχύος, την έχουν καταστήσει ιδανική επιλογή για μεγάλο πλήθος εφαρμογών. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση ενός συγκεκριμένου 8πολικού κινητήρα τύπου Brushless DC, ονομαστικής ισχύος 660 W , ονομαστικής τάσης 48 V, και ονομαστικής ταχύτητας 3000 rpm, μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με τη βοήθεια του λογισμικού Opera σε δύο διαστάσεις (2d). Στο περιβάλλον σχεδίασης κυκλωμάτων του ίδιου προγράμματος, σχεδιάσθηκε και ο τριφασικός αντιστροφέας ισχύος, για την οδήγηση του κινητήρα. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε, στην εξομοίωση του τρόπου λειτουργίας των αισθητήρων Hall, μέσω των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα, τα οποία ρυθμίστηκαν για να λειτουργούν σε κατάλληλες, για την υπό μελέτη μηχανή, χρονικές περιόδους. Κρίσιμη ήταν επίσης, η επιλογή της αρχικής θέσης του δρομέα, ώστε να παραχθεί η μέγιστη δυνατή ροπή με τη μικρότερη δυνατή ταλάντωση. / In this dissertation, the design and simulation of a permanent magnet synchronous motor (Brushless DC) with trapezoidal Back-Electromotive Force, driven by a three-phase inverter, is presented. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. Nowadays, due to the rapid evolution of technology, classical synchronous and asynchronous machines are being replaced in many applications, by modern types of machine. An example of these modern types of machine is the Permanent Magnet Synchronous Machine. The ease in control, the absence of brushes and of the consequent problems, as also, the high efficiency and the high power density, are some of the characteristics that have made Brushless DC an ideal choice for a wide range of applications. The purpose of the present dissertation is the analysis and simulation of a specific Brushless DC motor, with a nominal power of 660 W, a nominal voltage of 48 V, and a nominal speed of 3000 rpm, using the Opera software in two dimensions (2d), which bases its analysis on the Finite Element Method (FEM). In the Circuit Editor environment of the same software, a three-phase inverter for driving the motor was designed. Special attention was given to the operation of the switching components of the inverter. Critical was also, the choice of the initial position of the rotor, so that the production of maximum torque with minimum ripple could be achieved.

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.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της σύγχρονης μηχανής αξονικής ροής με μόνιμους μαγνήτες, που προορίζεται να λειτουργήσει σε ανεμογεννήτρια, μέσω της δημιουργίας του αντίστοιχου τρισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της εργασίας είναι η σχεδίαση και η εξομοίωση του μοντέλου στις τρεις διαστάσεις μέσω του λογισμικού της OPERA 3D. Τα δεδομένα, προκειμένου να επιτευχθεί η σχεδίαση της μηχανής, προέκυψαν έπειτα από ακριβή διαδικασία διαστασιολόγησής της αξιοποιώντας τις θεωρητικές σχέσεις που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, περιγράφουν τη λειτουργία της. Η δομή της διπλωματικής εργασίας διαρθρώνεται ως εξής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στο θέμα της αιολικής ενέργειας σε σχέση με την αξιοποίησή της τόσο σε εγχώριο όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο, καθώς επίσης και μια παράθεση στοιχείων που αφορούν τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διερεύνηση της βέλτιστης τοπολογίας σύγχρονης μηχανής αξονικής ροής που φέρει μόνιμους μαγνήτες για χρήση σε ανεμογεννήτρια. Η διερεύνηση γίνεται ως προς τη διάταξη δρομέα – στάτη, το τύλιγμα και τους μαγνήτες της μηχανής. Συνεχίζοντας, στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση της συγκεκριμένης μηχανής και η βήμα προς βήμα διαδικασία της διαστασιολόγησής της. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να διευκρινιστεί ότι το περιεχόμενο αυτού του κεφαλαίου είναι αποτέλεσμα συνεργασίας με τη φοιτήτρια του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών Αγγελίνα Ιωάννου, της οποίας η Διπλωματική Εργασία είναι παρόμοιου θέματος με αυτό της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη θεωρητική προσέγγιση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων και μια εισαγωγή στον τρόπο λειτουργίας του λογισμικού της OPERA 3D. Στο πέμπτο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο που σχεδιάστηκε το μοντέλο στην OPERA 3D. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις εξομοιώσεις του μοντέλου στην OPERA 3D οι οποίες περιλαμβάνουν: • Στατική γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη • Στατική μη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη • Στατική γραμμική ανάλυση της τοπολογίας μονού δρομέα – μονού στάτη • Στρεφόμενη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη εν κενώ • Στρεφόμενη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη για διάφορα φορτία / The subject of this thesis is the research of a permanent magnet axial flux synchronous machine, which is intended to operate in a wind turbine, through finite element analysis. The purpose of this thesis is the design and the simulation of the model in three dimensions using the software OPERA 3D. The data we needed, in order to achieve the design of the machine, were results of a detailed process of sizing with the use of all the theoretical relationships that, according to the literature, describe machine’s operation. This thesis is structured as follows. The first chapter is a brief reference to the issue of wind energy in relation to its use both in Greece and abroad, as well as a quote data concerning the characteristics and operation of wind turbines. The second chapter presents the investigation of the optimal topology of a permanent magnet axial flux synchronous machine used in wind turbines. The investigation includes the rotor – stator order, the winding and the magnets of the machine. Continuing, the third chapter presents the theoretical analysis of this machine and the step by step process of sizing. It should be noted that the content of this chapter is the result of cooperation with the student of the Department of Electrical and Computer Engineering in the University of Patras, Aggelina Ioannou whose thesis subject is similar to that of this thesis. The fourth chapter is a brief theoretical approach to the finite element method and an introduction to the way the software OPERA 3D operates. The fifth chapter provides basic information about how the model was designed to OPERA 3D. Finally, the sixth chapter presents the results obtained from simulations of the model in OPERA 3D which include: • Static linear analysis of the double rotor – single stator topology • Static non linear analysis of the double rotor – single stator topology • Static linear analysis of the single rotor – single stator topology • RΜ linear no load analysis of the double rotor – single stator topology • RΜ linear load analysis of the double rotor – single stator topology

Η διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, στους καιρούς μας, σε συνδυασμό με τη ραγδαία κλιματική αλλαγή, οδηγούν στην ανάγκη αναζήτησης οικονομικών, άφθονων και καθαρών πηγών για την παραγωγή της. Συνεπώς η αιολική ενέργεια κερδίζει έδαφος στις επιλογές των κρατών ανά τον κόσμο. Στην παρούσα διπλωματική θα αναλυθεί μια διάταξη ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και ένα φίλτρο RL από την πλευρά του δικτύου. Με την επιλογή μας να χρησιμοποιήσουμε σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη κερδίζουμε σε αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Σκοπός την εργασίας αυτής είναι αφενός η μελέτη και η ανάλυση του πλήρους συστήματος στο d-q στρεφόμενο σύστημα καθέτων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και αφετέρου η εφαρμογή του κατάλληλου σχεδιασμού ελέγχου, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη απομάστευευση ισχύος από τον άνεμο. Αυτό θα πραγματοποιηθεί λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς που θέτουν τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας και οι απαιτήσεις του δικτύου. Η προσομοίωση του συνολικού συστήματος θα γίνει στο περιβάλλον του Matlab/Simulink. Μέσω της προσομοίωσης αυτής θα προκύψουν οι αποκρίσεις των βασικών μεγεθών του συστήματος, από τα οποία θα εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητα των επιλογών μας. / The increasing demand for electricity, in our times, combined with the rapid climate change, leads to the need of economical, abundant and clean sources of production. Therefore, wind energy is gaining ground around the world. In this thesis a wind turbine topology will modeled and analyzed. It consists of a permanent magnet synchronous generator (PMSG), a frequency back-to-back converter and an RL filter from the network side. By using a permanent magnet synchronous generator the model becomes efficient and reliable. The initial purpose is studying an analyzing the complete system, using d-q rotating vertical shaft system with Park transformation. Implementation of the appropriate control design will follow, in order to achieve maximum wind power extraction. Constrains, which are posed by the generator contraction characteristics and network requirements, must and will be considered. The simulation of the complete system will take place in Matlab/Simulink computing environment. The responses of the fundamental units will be presented and valuated, in order to extract conclusions regarding the quality of different control methods.

H αυξανόμενη ανάγκη για στροφή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε βιώσιμες και ανανεώσιμες πηγές έχει οδηγήσει στη ραγδαία ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας και στη διείσδυσή της στην αγορά ενέργειας. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται ένα αιολικό σύστημα παραγωγής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Η συγκεκριμένη μηχανή αποτελεί τη νέα τάση στην αγορά εξ’ αιτίας των σημαντικών πλεονεκτημάτων που προσφέρει, ιδίως αυτό της δυνατότητας για απουσία κιβωτίου ταχυτήτων που οδηγεί το σύστημα σε αυξημένη απόδοση. Στην εργασία αυτή, θα γίνει μια παρουσίαση των χαρακτηριστικών των σύγχρονων αιολικών συστημάτων, θα γίνει η μοντελοποίηση της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη και θα αναλυθεί η λογική του ελέγχου που ακολουθείται και στηρίζεται στο διανυσματικό έλεγχο προσανατολισμού σε πεδίο. Τέλος, θα γίνει η παρουσίαση και ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων του μοντέλου, που αναπτύχθηκε σε περιβάλλον Matlab/Simulink, με την παράλληλη εξαγωγή συμπερασμάτων για την απόκρισή του. / The ongoing increase in electric power demand and the need for sustainable and renewable energy has led wind energy into high rates of growth and penetration to the energy markets. This thesis deals with a permanent magnet synchronous generator based wind power system. This type of machine has become a trend for the markets, due to its specific benefits and, especially, for the absence of gearbox that leads the whole system to higher efficiency. In this thesis, we will discuss the characteristics of a modern wind power system, then, the permanent magnet synchronous generator will be modelled, and the field oriented vector control strategy will be analyzed. Finally, we will present and discuss the outcome of the model that was built in the Matlab/Simulink programme, and we will come into certain conclusions about its response.

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.