Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια μελέτη επί του ελέγχου των κινητήρων επαγωγής που στόχο έχει τη διερεύνηση της επίδασης των διαφορετικών σημάτων ανάδρασης (ανάλογο στροφών και ανάλογο του τετραγώνου στοφών) στην απόκριση του συστήματος κίνησης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ενδελεχώς η σχετική θεωρία, μελετήθηκε η παθητικότητα ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, χρησιμοποιήθηκε συγκεκριμένος ηλεκτρονικός μετατροπέας και κατασκευάστηκε μετατροπέας σήματος συνεχούς ρεύματος ανάλογος του αριθμού των στροφών και του τετραγώνου του. Στα πλαίσια της εργασίας εξετάστηκε PI έλεγχος βασισμένος στον βαθμωτό (Scalar V/f) έλεγχο, με σήμα αρνητικής ανάδρασης ρεύμα ανάλογο του αριθμού και του τετραγώνου του αριθμού των στροφών. Μελετήθηκε η απόκριση του κινητήρα και για τους δύο ελέγχους για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων KP και KI, και διερευνήθηκε ποιες είναι αυτές ώστε να έχουμε βέλτιστη απόκριση. Συγκεκριμένα ποιες παρουσιάζουν την μικρότερη υπερύψωση, τον μικρότερο χρόνο αποκατάστασης, το μικρότερο σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Επίσης εξετάστηκε η επίδραση της κάθε παραμέτρου στην διαμόρφωση της εσωτερικής ενέργειας του κινητήρα. / This diploma thesis forms a study on control techniques of induction motors which comes with the intention to explore the effets of different signals of feedback (proportional to the number of revolutions and to the square of the number of revolutions) on the output of the motor. For this purpose sedulous analysis of relevant theory was carried out, passivity of electromechanical systems was studied, a specific electronic commutator was used and a converter of constant current signal proportional to the number of revolutionsand to the square of the number of revolutions was developed. In this thesis a PI controller based on the Scalar V/f control with a signal of current of negative feedback was examined. The output of the motor for both the controls aid for different values of the parameters KP and KI was examined, and it was investigated which of them lead to an optimal output of the motor. It was studied more specifically which of them result in the optimal overshoot, settling time and the error of the permanent mode. Furthermore, it was inquired the impact of its parameter on the modulation of the intrinsic power of the motor.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την παθητικότητα και τον έλεγχο ηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στον επαγωγικό κινητήρα και τους ελέγχους που μπορεί να εφαρμοστούν σε αυτόν. Η επαγωγική μηχανή χρησιμοποιείται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών στο πεδίο μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανικό έργο. Οι αιτίες για αυτήν την προτίμηση είναι πολλές. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγονται το φτηνό κόστος και η εύκολη συντήρηση. Για πιο απαιτητικές εφαρμογές όμως η επαγωγική μηχανή απαιτεί πολύπλοκα συστήματα τροφοδοσίας και ελέγχου. Χρησιμοποιούνται πηγές τάσης (ή ρεύματος) βασισμένες σε τοπολογίες που περιλαμβάνουν διατάξεις με ηλεκτρονικά ισχύος όπως μετατροπείς ac/dc με IGBT διακοπτικά στοιχεία ισχύος. Ο έλεγχος επίσης μπορεί να βασίζεται είτε σε απλές βαθμωτές λογικές ή σε πιο προχωρημένα συστήματα σε λογικές διανυσματικού ελέγχου. Στις περιπτώσεις αυτές μπορούμε να επιτύχουμε εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά όπως ρύθμιση στροφών ή θέσης με υψηλή ακρίβεια αλλά με κόστος την πολυπλοκότητα στην δομή του συστήματος ισχύος και αυτομάτου ελέγχου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αρχικά μελετάμε τη δυναμική συμπεριφορά τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με χρήση του αναλυτικού μη γραμμικού μοντέλου της. Συγκεκριμένα, για την μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς χρησιμοποιούμε το μετασχηματισμένο μοντέλο της μηχανής στο σύστημα κάθετων αξόνων d-q. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση του μετασχηματισμού Park, στο τριφασικό αρχικό μοντέλο της μηχανής. Η επιλογή του συστήματος κάθετων αξόνων γίνεται στο στρεφόμενο με σύγχρονη ταχύτητα σύστημα αναφοράς. Στο σύστημα αυτό οι ημιτονοειδείς ποσότητες των μεταβλητών στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας μετατρέπονται σε συνεχείς (dc) μεταβλητές, πράγμα που διευκολύνει την ανάλυση και σχεδίαση του ελέγχου. Με στόχο την εφαρμογή απλών σχημάτων ελέγχου στην επαγωγική μηχανή που να μπορούν να οδηγούν σε λειτουργία υπό επιθυμητό αριθμό στροφών ανεξάρτητα προς το εμφανιζόμενο στην έξοδο μηχανικό φορτίο, χρησιμοποιούμε το μοντέλο αυτό στην ανάλυσή μας και αποδεικνύουμε ότι η επαγωγική μηχανή έχει την σημαντική ιδιότητα των Euler-Lagrange ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, την παθητικότητα. Αυτό σημαίνει ότι μετά από κάποια διαταραχή, το σύστημά μας έχει απόσβεση τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μηχανικό του μέρος. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι η ιδιότητα αυτή παραμένει ισχύουσα ανεξάρτητα με το όποιο σχήμα μη δυναμικού ελέγχου μπορούμε να εφαρμόσουμε. Έτσι, στην παρούσα διπλωματική εργασία εφαρμόζουμε απλούς PI ελεγκτές με σταθερά χρόνου πολύ μεγαλύτερη από αυτήν που εμφανίζει το αρχικό σύστημα, ούτως ώστε η δυναμική των PI ελεγκτών πρακτικά να μην εμπλέκεται με την δυναμική του συστήματος. Έτσι, το σύστημα παραμένει ουσιαστικά στην αρχική δυναμική του κατάσταση με την ιδιότητα της παθητικότητας ισχύουσα για τον προτεινόμενο έλεγχο που από την πλευρά της μηχανής φαίνεται πρακτικά στατικός. Εν συνεχεία, προσομοιώνουμε το σύστημα και επιβεβαιώνουμε ότι οι προτεινόμενοι απλοί PI ελεγκτές μπορούν να οδηγήσουν το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας με επιθυμητό αριθμό στροφών. / This diploma thesis forms a study on passivity and control of electromechanical systems. We focus on induction machine and the methods we use to control it. Induction machine is used in a large range of applications especially in the field of energy conversion to mechanical work. There are many causes for this preference such as low cost and easy to preserve. For more demanding applications induction machine needs complicated supply sources and control systems. Voltage (or current) sources are used based on power electronics such as ac/dc converters with IGBT switching elements. The control used can be scalar in simple applications or vector control in advanced applications. By using vector control, we can achieve exceptional operational characteristics on velocity or position regulation with high precision but with huge complexity in the structure of the power system and the automatic control scheme. In this thesis, at first we study the dynamic performance of the 3-phase induction machine by using the precise non-linear model. Specifically. we use the transformed model of the induction machine on the dq axes system to study its dynamical performance. This can be achieved by using Park transformation on the initial 3-phase model of the machine. The choice we make on the dq axis is based on the synchronously rotating reference frame. In this system the sinusoidal quantities of the variables in steady state are converted to dc, helping us on the analysis and the design of the control. Our goal is the application of simple control shapes on the induction machine that can drive our system to the desirable velocity regardless the output of the mechanical load. To this end, in our analysis we first prove that the induction machine has the significant property of passivity, a fundamental property of Euler-Lagrange systems. This means that after a disturbance, our system has damping in both the mechanical and the electrical part. Moreover, it is proved that passivity is maintained regardless from the form of any non dynamic control scheme we may apply. So, in this thesis we use simple PI controllers with large time constant in order to avoid any influence between the dynamics of the PI controllers and the dynamic of our system. So the system maintains its initial dynamic property of passivity under the control we use. Afterwards, we simulate the system and we confirm that the PI controllers we use can drive the system to the desirable operational mode.

Σήμερα η ανάγκη για δημιουργία ποιοτικών και φθίνων και ανταγωνιστικών βιομηχανικών προϊόντων έχει σαν αποτέλεσμα να χρειαζόμαστε αυτοματισμούς και αυτόματο έλεγχο ηλεκτρικών μηχανών με μεγάλη ακρίβεια και αδιάλειπτη λειτουργία απο διαταραχές του περιβάλλοντος . Επιπλέον το ενεργειακό πρόβλημα που είναι από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη και του ανθρώπου σήμερα οδηγούν στην ανάγκη ελαχιστοποίησης των ενεργειακών απωλειών με αποτέλεσμα συνήθως να επιθυμούμε λειτουργία των ηλεκτρομηχανικών συστημάτων με μηδενική κατανάλωση/ παραγωγή άεργου ισχύος . Η Ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος με διέγερση σε σειρά χρησιμοποιείται λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της σε πολλές εφαρμογές που χρειάζονται υψηλή ροπή εκκίνησης όπως ανυψωτικά μηχανήματα, σιδηροδρομικά οχήματα. Οι ανορθωτές με ελεγχόμενη έναυση αλλά και σβέση κατά PWM προτιμούνται έναντι των διόδων και των θυρίστορς γιατί μας δίνουν περισσότερες δυνατότητες ελέγχου . Η Μοντελοποίηση , σχεδιασμός συστήματος ελέγχου, ευστάθειας του συστήματος για την μηχανή συνεχούς ρεύματος οδηγούμενης από τριφασικό ανορθωτή ερευνάται. Γίνεται εξαγωγή του μοντέλου, στο τριφασικό σύστημα και στο πλαίσιο park, με βάση την δυναμική ανάλυση Εuler -Lagrange . Για την εξαγωγή του μοντέλου γίνεται ακόμα χρήση του Averaging Analysis . Ανάλυση που βασίζεται στην παθητικότητα μάς δείχνει ότι το σύστημα είναι ευσταθές πεπερασμένης εισόδου-πεπερασμένης κατάστασης. Οι ελεγκτές που αναπτύσσονται σε αυτή τη εργασία είναι ο ασαφής ελεγκτής, ο νευροασαφής που χρησιμοποιούνται ευρέως σε μη γραμμικά συστήματα στην βιομηχανία, ο PI σειριακός (cascade) ελεγκτής που συνηθίζεται στις ηλεκτρικές μηχανές. Τέλος επιχειρείται ο σχεδιασμός ενός PI ελεγκτή με υπολογισμό κερδών από νευροασαφή εκτιμητή. Ο ασαφής ελεγκτής σχεδιάζεται με πρόβλεψη σφάλματος και επιτυγχάνει πολύ καλή ρύθμιση των στροφών και καλό έλεγχο στης αέργου ισχύος, εξομοιώσεις επιβεβαιώνουν την απόδοση του ελεγκτή. Ομοίως ισχύουν για τον νευροασαφή ελεγκτή με το πλεονέκτημα μικρότερου υπολογιστικού χρόνου αλλά μειονεκτεί μεγαλύτερης εμφάνισης ενός μόνιμου σφάλματος. Ο PI σειριακός (cascade) επιτυγχάνει άριστη ρύθμιση αέργου ισχύος και καλή ρύθμιση στροφών ενώ ο PI casacde- Anfis μας δίνει ελαφριά καλύτερα αποτελέσματα αλλά αφήνει αρκετές δυνατότητες για περαιτέρω σχεδιασμό και έρευνα. Επίσης γίνεται κάποια ανάλυση για εξαγωγή συμπερασμάτων ευστάθειας και σύγκλισης για τα σύστημα κλειστού βρόχου. Τα αποτελέσματα τα επιβεβαιώνουμε και τα συγκρίνουμε μέσω εξομοιώσεων. / Nowadays , the demand for precise control in industrial applications require the design and development of advanced controllers. Also the energy problem which is one of the most important global problems lead to the need of high energy efficient systems. In industrial applications in most cases ,due to the energy problem , we desire operation with unity power factor. The dc series connected motor is preferred in many application such as railway and levitating systems due to its high starting torque. We choose the 3 -phase pulse width modulation rectifier because of its many capabilities comparison with thyristor rectifiers. Modeling, control design and stability analysis of series connected dc motor fed by three-phase PWM ac/dc voltage converter are investigated. The designed controllers are fuzzy , neuro fuzzy, PI cascade and Anfis- pi cascade controller. The model is obtained via Euler -Lagrange dynamic analysis. Also we used the averaging analysis in order to determine the dynamic model of the system in a-b-c frame and d-q park's frame. We prove the ISS stability of the open loop system based on passivity analysis. The fuzzy use a predictive logic based on the acceleration of the motor, we result excellent precise control of angular velocity and a satisfied control of reactive power. Neuro Fuzzy controller has the same effectiveness with less computational effort but has a possibility to occur a small permanent error in angular velocity. PI cascade controller has as a result a excellent response at reactive power and good response in angular velocity with more less computational effort. ANFIS -PI cascade controller have a bit better results from PI-cascade controllers but it leaves hopes for more optimum designs in feature. Furthermore there are some stability and convergence analysis for the closed loop system. Simulation results verify the effectiveness of each controller for comparison.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε, μέσω του προγράμματος Matlab και συγκεκριμένα μέσω της εργαλειοθήκης Simulink, ένα υβριδικό μικροδίκτυο το οποίο αποτελούνταν από μια φωτοβολταϊκή διάταξη των 85W, ένα συσσωρευτή ιόντων-λιθίου (Liion battery), δυο DC-DC μετατροπείς και ένα R-L φορτίο. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν 4 διαφορετικές τεχνικές ελέγχου σε 2 σημεία, έναν στην πλευρά του φωτοβολταϊκού και έναν στην πλευρά της μπαταρίας. Ο έλεγχος στην πλευρά του φωτοβολταϊκού στόχευε το ρεύμα του φωτοβολταϊκού κάθε χρονική στιγμή να έχει την κατάλληλη τιμή προκειμένου να επιτυγχάνεται η μέγιστη ισχύς μέσω σημείου απόδοσης της μέγιστης ισχύος (MPPT). Ο έλεγχος στην πλευρά της μπαταρίας έχει ως σκοπό την διατήρηση της τάσης του φορτίου στα 100 V.(Vload_reference=100V). Οι έλεγχοι που πραγματοποιήθηκαν ήταν με χρήση PI ελεγκτών, έλεγχοι εκμεταλλευόμενοι την παθητικότητα του Euler-Lagrange συστήματος (PBC), με χρήση ασαφών (fuzzy) ελεγκτών και με χρήση νευρο-ασαφών (neuro-fuzzy) ελεγκτών. / In this diploma thesis a DC hybrid microgrid was simulated by using the program Matlab and specifically the toolbox Simulink. The microgrid consists of a photovoltaic array, a Li-ion battery storage, two DC-DC converters and an R-L load. Four different control methods were then applied to our system in 2 places, one on the photovoltaic array and one on the battery. The one on the photovoltaic array aimed that the PV current would be such that every time the maximum power from the PV would be achieved through a maximum power point tracker. The one on the battery has the purpose of maintaining the load voltage at 100 Volts. The control methods which were implied were PI controllers, passivity based control, fuzzy controllers and neuro-fuzzy controllers.