Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή διάταξης φόρτισης ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στα πλαίσια του θεσμού της πρακτικής άσκησης του τμήματος, ένα τμήμα της εργασίας αυτής εκπονήθηκε στο τεχνικό γραφείο ΛΙΑΣΚΟΣ Ο.Ε. Σκοπός είναι η κατασκευή ενός μετατροπέα πλήρους γέφυρας, που θα ελέγχει κατάλληλα μια μηχανή ξένης διέγερσης, η οποία συνδέεται μέσω ενός συστήματος μετάδοσης μ’ έναν κινητήρα με τελικό σκοπό την φόρτιση του κινητήρα με επιθυμητές ροπές για μελέτη της λειτουργικής συμπεριφοράς του. Αρχικά αναλύθηκε ένα ηλεκτροκινητήριο σύστημα και μελετήσαμε τα επιμέρους τμήματα που το αποτελούν. Παρουσιάζονται διάφορα είδη φορτίων με τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές ροπής-στροφών καθώς και εφαρμογές που χρησιμοποιούνται. Επίσης αναλύθηκε συνοπτικά η μηχανή συνεχούς ρεύματος. Στη συνέχεια αναλύθηκε ο μετατροπέας πλήρους γέφυρας, οι τρόποι λειτουργίας του, με τους οποίους μπορεί να ελέγξει τη μηχανή συνεχούς ρεύματος ώστε να λειτουργεί στα τέσσερα τεταρτημόρια, ενώ ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην ανάλυση των μεθόδων κατάλληλης παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων. Στο επόμενο βήμα πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση τόσο των επιμέρους συστημάτων όσο και του ολικού συστήματος, με σκοπό να εξακριβωθεί η ορθή λειτουργία του πριν την κατασκευή. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με την βοήθεια του λογισμικού Simulink του Matlab . Τέλος κατασκευάζεται η πειραματική διάταξη για να ληφθούν τα πειραματικά αποτελέσματα και να συγκριθούν με τα θεωρητικά, ώστε να εντοπιστούν και να δικαιολογηθούν τυχόν διαφορές μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και των μετρήσεων στην πραγματική διάταξη, καθώς και για να εκτιμηθεί η απόδοση του συστήματος. / This thesis deals with the design and construction of a torque simulator device for an electrcic drive system. The thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. The aim is to build a full-bridge converter, which will properly control a separately fed dc-machine, which is connected via a transmission system with a motor. The final goal is to load the engine with the desirable torque, in order to study it’s functional behavior. Initially we analyzed an electric drive system and studied the individual parts that make it up. We presented various kinds of loads with their corresponding torque-speed characteristic and applications in which they are used. We also analyzed, succinctly, the functional behavior of a DC machine. Then we analyzed the full-bridge inverter and it’s modes of operation, through which the DC machine can be controlled and operate in all four quadrants. Afterwards, methods for the proper pulse-control strategy of switching elements were studied. The next step was the simulation of both, subsystems as long as the overall system, in order to check the proper operation before construction. The simulations were performed using the software Simulink of Matlab. Finally the experimental setup was constructed, in order to obtain the experimental results and to compare them with the theoretical, to identify and justify any differences between the theoretical analysis and measurements on the real device, and to evaluate the system performance.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, η προσομοίωση και η κατασκευή ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, για τη διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο, πηγών ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχονται από ανανεώσιμες μορφές, συγκεκριμένα από την ανεμογεννήτρια και το φωτοβολταϊκό σύστημα που είναι εγκατεστημένα στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (Ε.Η.Μ.Ε). / This paper is about study, simulation, design and constraction electronic power converter to connect with the electric grid, sourses of electricity generated by renewable energy, specifically from wind and solar.

Η μελέτη ενός πειράματος μικρής πιλοτικής κλίμακας, με δύο παράλληλα συστήματα ρηχών λεκανών (ύψους 0.35m), η μία λεκάνη με φύτευση του είδους Typha Latifolia και η άλλη χωρίς φύτευση, διεξάχθηκε για τον σχεδιασμό ελεύθερης επιφανειακής ροής (FWS) τεχνητού υγροτόπου. Οι δύο λεκάνες τροφοδοτήθηκαν με πραγματικά αστικά λύματα όπου οι χρόνοι παραμονής κυμάνθηκαν από 27,6 έως 38,0 ημέρες. Η μεταβολή του όγκου κάθε λεκάνης παρακολουθήθηκε για 2 συνεχή έτη και ταυτόχρονα υπολογίστηκαν οι ρυθμοί βροχόπτωσης και εξάτμισης. Η διαφορά του όγκου μεταξύ των δύο λεκανών οφειλόταν στην πρόσληψη νερού από τα φυτά, η οποία συγκρίθηκε με τις προβλέψεις της εξατμισοδιαπνοής παρόμοιων φυτών με την χρήση του υπολογιστικού προγράμματος REF-ET. Η συγκομιδή των φυτών πραγματοποιήθηκε τρείς φορές στην διάρκεια του 1ου έτους του πειράματος, ώστε να εκτιμηθεί ο ρυθμός πρόσληψης αζώτου από τα φυτά. Η σημαντικότερη διαφορά των δύο συστημάτων ήταν η αφαίρεση νερού μέσω της εξατμισοδιαπνοής των φυτών. Η πιλοτική μονάδα λειτούργησε έτσι ώστε να επιτευχθεί και απομάκρυνση της οργανικής ύλης (BOD5) και του ολικού αζώτου (TN) από τα λύματα. Ο σχεδιασμός της διευκόλυνε την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου, ακολουθώντας το πλαίσιο του μοντέλου της ενεργής ιλύος (ASM). Αρχικά το μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε για τις δύο λεκάνες με τις μικροβιακές διεργασίες που επικράτησαν στο εσωτερικό τους, ώστε να περιγραφεί πλήρως η συμπεριφορά τους. Η προσομοίωση και η εκτίμηση των παραμέτρων του μοντέλου επιτεύχθηκε με την χρήση του υπολογιστικού περιβάλλοντος του AQUASIM. Οι κύριες διεργασίες που ελήφθησαν υπόψη για την μοντελοποίηση ήταν η αμμωνιοποίηση, η αερόβια ετεροτροφική ανάπτυξη, η νιτροποίηση και η ανάπτυξη φυκών. Μια ισχυρή εποχική εξάρτηση παρατηρήθηκε για την συμπεριφορά κάθε λεκάνης όταν το μοντέλο εφαρμόστηκε για το 1ο έτος του πειράματος. Αυτό το μοντέλο επαληθεύτηκε ικανοποιητικά με τα πειραματικά δεδομένα του 2ου έτους. Η παρατηρούμενη μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης του BOD5 και του TN ήταν 60% και 69%, αντίστοιχα για την λεκάνη χωρίς φυτά και 83% και 75%, αντίστοιχα για την λεκάνη με φυτά. Το μοντέλο προέβλεψε μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης 82% για το BOD5 και 65% για το TN στην λεκάνη με φυτά, ικανοποιώντας τα κριτήρια για τον σχεδιασμό πλήρους κλίμακας τεχνητού υγροτόπου . Η ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει όχι μόνο την απομάκρυνση της οργανικής ύλης αλλά και του ολικού αζώτου, θεωρήθηκε επαρκής όταν δοκιμάστηκε με έναν ελεύθερης επιφανειακής ροής τεχνητό υγρότοπο με 400 ισοδύναμο πληθυσμό, με μοναδική τροποποίηση τον συνυπολογισμό του περιορισμού του οξυγόνου στον ρυθμό της διεργασίας της νιτροποίησης. Επομένως, το δυναμικό μοντέλο διαμορφώθηκε με την ενσωμάτωση της πρόβλεψης του ρυθμού της εξατμισοδιαπνοής των φυτών και χρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό περίπτωσης μελέτης τεχνητού υγροτόπου πλήρους κλίμακας. Τα στοιχεία που απαιτούνται για αυτό τον σχεδιασμό περιλάμβαναν την παροχή εισόδου και κλιματολογικά στοιχεία (θερμοκρασίας και βροχόπτωσης) για την περιοχή του σχεδιασμού, καθώς και οι απαιτήσεις της ποιότητας εκροής. Η περίπτωση μελέτης για 4000 ισοδύναμο πληθυσμό όπου η ποιότητα εκροής ήταν σε μέσες ετήσιες τιμές BOD5=25mg/L και TN=15mg/L, χρειάστηκε μία συνολική επιφάνεια υγροτόπου 11 εκταρίων. Εάν χρησιμοποιηθούν δύο λεκάνες σε σειρά, η 1η με φυτά και η 2η χωρίς, τότε η συνολική επιφάνεια μειώνεται κατά περίπου 27%, ελέγχοντας μόνο την αρχική μέγιστη φύτευση της πρώτης λεκάνης του υγροτόπου. / The study at pilot-scale of two parallel systems with shallow basins (height h=0.35m), one planted with Typha Latiofolia and the other without vegetation, was conducted for the modeling of free water surface (FWS) constructed wetland systems. The basins were fed with real sewage at retention times ranging from 27.6 to 38.0 days. The variation of the volume in each basin was monitored for two consecutive years and simultaneously, rainfall and evaporation rates were calculated. The difference of the volume between the basins was due to the water absorption by the plants and was compared with the predictions of evapotranspiration rates of similar plants using the REF-ET calculation software. The harvesting of the plants was performed three times during the first year, in order to estimate the nitrogen uptake by the plants. The main difference in the two systems was the water removal through plant evapotranspiration. The pilot unit was operated so as to achieve the removal of both organic matter (BOD5) and total nitrogen (TN) from the sewage. Its design enabled the development of a mathematical model, following the framework of the activated sludge model (ASM). The simulation and the parameter estimation were achieved using the AQUASIM framework. The mathematical model describes the microbial processes, which dominated within the basins describing satisfactorily their behavior. The key processes accounted for in the modeling were ammonification, aerobic heterotrophic growth, nitrification and algal growth. A strong seasonal dependence was observed for each basin. The model was satisfactorily validated with the data of the second year. An observed average annual removal efficiency of BOD5 and TN were 60% and 69%, respectively for the basin without plants and 83% and 75%, respectively for the basin with plants. The model predicted average annual removal efficiency 82% for BOD5 and 65% for TN in the basin with plants, satisfying the design criteria of a full-scale constructed wetland. The ability of the model to predict not only the removal of organic matter but also total nitrogen removal, was considered sufficient as tested with a real free water surface constructed wetland of 400 population equivalent, with the sole modification being the inclusion of oxygen limitation in the nitrification rate. The dynamic model was amended with the direct incorporation of the plant evapotranspiration rate and it was used to design a full-scale constructed wetland. The required elements for this design included the inflow rate and climatic data (temperature and rainfall) for the design region, as well as the effluent quality requirements. In the case study of 4000 population equivalent, the effluent quality requirement was: average annual values for BOD5=25mg/L and for TN=15mg/L. The model was used to determine a total wetland surface requirement of 11ha. If two sequential basins are used, the first with plants and the second without, then the total wetland surface could be reduced by approximately 27%, controlling only the maximum initial vegetation in the first wetland basin.

The olive oil extraction industry represents a substantial share of the economies of Mediterranean countries but leads to serious environmental problems by producing huge amounts of wastes (by-products) within a short production period. The production rate of olive oil is about 1.4-1.8 million tonnes per year in the Mediterranean, resulting in 30 million m3 of by-products and 20 million tonnes of olive pomace. A small portion of these wastes can be used as raw materials in different industries as they contain valuable natural resources. Greece has about 2300 small-scale, rural, agro-industrial units that extract olive oil. These are generally three-phase systems and their by-products include olive mill residual solids (olive pomace and leaves) and olive mill waste water. Olive mills produce significant quantities of solid wastes with outputs of 0.35 tonnes of olive pomace and 0.05 tonnes of leaves per tonne of olives. The huge quantities of olive pomace and olive leaves produced within the short oil extraction season cause serious management problems in terms of volume and space. The solid wastes (olive pomace and olive leaves) that are produced contain almost 95% organic matter and although they could be highly beneficial to agricultural soils, it has been shown that they also contain toxic compounds and lipid which increase soil hydrophobicity and decrease water retention and infiltration rate. The soils of most Mediterranean countries have low organic matter contents (<1%) which has negative impacts on agriculture. Frequent application of composted organic residues increases soil fertility, mainly by improving aggregate stability and decreasing soil bulk density. Organic amendments play a positive role in climate change abatement by soil carbon sequestration. Recurrent use of composted materials enhances soil organic nitrogen content by up to 90%. To replenish soil organic matter content and promote eco-friendly crop production, the application of olive pomace compost could be a good solution. To examine olive mill solid waste composting, four pilot-scale experiments were carried out to produce good quality compost using three phase olive mill solid waste (olive pomace, OP) and different bulking agents such as rice husk (RH), olive leaves (OL) sawdust (SD), wood shavings (WS), and chromium treated reed plants (RP). A series of parallel experiments was carried out to examine the effect final compost quality of: (a) initial moisture content, (b) water addition during the composting process, and (c) material ratios, and to also determine the toxicity level in plants and human blood lymphocytes (genotoxicity and cytotoxicity). For each experiment, six trapezoidal bins were used with dimensions 1.26 m long, 0.68 m wide and 0.73 m deep, and a total volume of 0.62 m3. The study was carried out in the facilities of the Department of Environmental and Natural Resources Management, University of Patras, Agrinio, in a closed area to maintain controlled temperature conditions. To monitor the composting process and evaluate compost quality, physicochemical parameters (temperature, moisture content, pH, electrical conductivity, organic matter, volatile solids, total organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, potassium, sodium, and water soluble phenols) were measured at different phases. The respirometric test (O2 uptake) was performed to determine compost stability. Experimental results showed that even after short composting periods, the quality of the final product remained high. The final product had excellent physicochemical characteristics (C/N: 12.1–17.5, germination index (GI): 88.32–164.43%, Cr: 8–10 mg/kg dry mass, that fulfill1 EU requirements and can be used as a fertilizer in organic farming. To achieve higher quality of the final product, Olive pomace should be used in higher ratios than the other materials (OL, RH, WS, SD and RP). The amount (volume of humidifying agents) and time (frequency) of moisture addition also played an important role during composting. Based on the experimental results, olive mill wastes can produce a high quality soil amendment which has no phytotoxic, genotoxic or cytotoxic effects. Nevertheless, composting duration and bulking agents and their ratios are crucial factors that determine the quality of the final product. Finally, the revision of EU regulations is proposed to include genotoxic and cytotoxic evaluation of composts that enter the human food chain. A full-scale compost unit was designed based on the experimental results. For a typical small-sized olive mill, processing 30 tonnes of olives per day for a 100-day operation period, a total area of about 850 m2 is needed to compost the mill’s entire annual waste production. / Η βιομηχανία παραγωγής ελαιόλαδου αποτελεί ένα σημαντικό κομμάτι της οικονομίας στις χώρες της Μεσογείου, προκαλώντας ταυτόχρονα σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα, λόγω της παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων αποβλήτων κατά τη σύντομη περίοδο λειτουργίας των ελαιοτριβείων. Η μέση ετήσια παραγωγή ελαιολάδου στην Μεσόγειο κυμαίνεται στους 1.4-1.8 χιλιάδες τόνους, ενώ παράγονται επίσης περίπου 30 χιλιάδες m3 παραπροϊόντων και 20 χιλιάδες τόνους ελαιοπυρήνα. Μόνο ένα μικρό μέρος αυτών των παραπροϊόντων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη σε διάφορες βιομηχανίες. Η Ελλάδα έχει περίπου 2300 ελαιοτριβεία μικρής κλίμακας διασπαρμένα στην ύπαιθρο. Τα ελαιοτριβεία αυτά είναι κυρίως τριφασικά και τα παραπροϊόντα τους συμπεριλαμβάνουν στερεά υπολείμματα (ελαιουρήνας και φύλλα) και υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου. Τα ελαιοτριβεία παράγουν σημαντικές ποσότητες στερεών υπολειμμάτων παρέχοντας περίπου 0.35 τόνους ελαιοπυρήνα και 0.05 τόνους φύλλων ανά τόνο ελαιοκάρπου, παρακαλώντας σημαντικά προβλήματα στη διαχείρισης τους. Τα στερεά υπολείμματα (ελαιοπυρήνας και φύλλα) περιέχουν 95% οργανική ύλη, καθιστώντας τα δυνητικά κατάλληλα ως εδαφοβελτιωτικά, καθώς τα εδάφη των περισσότερων Μεσογειακών χωρών έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε οργανική ύλη (<1%) επηρεάζοντας αρνητικά την γεωργία. Τα υπολλείματα αυτά περιέχουν ωστόσο τοξικές ουσίες και έλαια, τα οποία αυξάνουν την υδροφοβικότητα του εδάφους και μειώνουν την κατακράτηση του νερού και την ρυθμό διήθησης. Έχει αποδειχθεί ότι συχνές εφαρμογές κομποστοποιημένων οργανικών υπολειμμάτων αυξάνουν την γονιμότητα του εδάφους, αυξάνοντας κυρίως τη συνολική σταθερότητα και την πυκνότητα του εδάφους. Η συχνή χρήση κομποστοποιημένων υλικών βελτιώνει την περιεκτικότητα των εδαφών σε οργανικό άζωτο του εδάφους έως και 90%. Η κομποστοποίηση ελαιοπυρήνα θα μπορούσε να αποτελέσει μια πιθανή λύση για την αναπλήρωση του περιεχομένου σε οργανική υλη των εδαφών και για την προώθηση μιας οίκοφιλικής αγροτικής παραγωγής. Για να εξεταστεί η κομποστοποιήση στερεών υπολειμμάτων ελαιοτριβείων, διεξήχθησαν 4 πειράματα πιλοτικής κλίμακας για την παραγωγή κομποστ, χρησιμοποιώντας στερεά υπολείμματα τριφασικών ελαιοτριβείων (ελαιοπυρήνας) και διαφόρους διογκωτικούς παράγοντες, όπως φλοιό ρυζιού, φύλλα ελιάς, πριονίδια, ροκανίδια, και καλάμια με υψηλή περιεκτικότητα σε χρώμιο. Σκοπός των παράλληλων πειραμάτων ήταν η εξέταση της επίδρασης στην ποιότητα του τελικού κομπόστ των: (α) αρχικού περιεχόμενου υγρασίας, (β) της προσθήκης νερού κατά την διάρκεια της κομποστοποιήσης, (γ) των ποσοστών ανάμιξης των υλικών, καθώς επίσης και ο προσδιορισμός της φυτοτοξικότητας και της γενοτοξικότητας των τελικών κομπόστ. Σε κάθε πείραμα χρησιμοποιήθηκαν 6 τραπεζοειδή πλαστικά δοχεία διαστάσεων 1.26 m σε μήκος, 0.68 m σε πλάτος και 0.73 m σε ύψος, με ολικό όγκο 0.62 m3. Οι πιλοτικές μονάδες ήταν τοποθετημένες σε κλειστό χώρο του Τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Πανεπιστημίου Πατρών στο Αγρίνιο, ώστε να επικρατούν σταθερές συνθήκες θερμοκρασίας. Η παρακολούθηση της κομποστοποίησης και η εκτίμηση της ποιότητας του κομπόστ, έγινε μέσω του προσδιορισμού διαφόρων φυσικοχημικών παραμέτρων (θερμοκρασία, περιεχόμενο υγρασίας, pH, ηλεκτρική αγωγιμότητα, περιεχόμενη οργανική ύλη, πτητικά στέρεα, ολικός οργανικός άνθρακας, ολικό άζωτο, ολικό φώσφορος, κάλιο, νάτριο, και ολικές φαινόλες). Για την εκτίμηση της ποιότητας του κομποστ πραγματοποιήθηκαν επίσης ρεσπιρομετρικά τεστ (κατανάλωση O2). Τα πειραματικά αποτελέσματα απέδειξαν ότι ακόμα και μετά από σύντομες περιόδους κομποστοποιήσης η ποιότητα του τελικού κομπόστ παρέμενε υψηλή. Το τελικό προϊόν είχε εξαιρετικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (C/N: 12.1–17.5, δείκτης βλαστικότητας (GI): 88.32–164.43%, Cr: 8–10 mg/kg ξηρής μάζας), τα οποία είναι εντός των νομοθετικών ορίων της ΕΕ για την χρήση λιπασμάτων σε βιολογικές καλλιέργειες. Για την παραγωγή υψηλής ποιότητας κομπόστ ο ελαιοπυρήνας πρέπει να χρησιμοποιείτε σε μεγαλύτερη αναλόγια σε σχέση με τα υπόλοιπα υλικά. Η ποσότητα και η συχνότητα προσθήκης νερού παίζει επίσης σημαντικό ρόλο κατά τη κομοστοποιήση. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα αποδείχθηκε ότι τα στερεά υπολείμματα ελαιοτριβείων μπορούν να παράξουν ένα υψηλής ποιότητας εδαφοβελτιωτικό, το οποίο δεν εμφανίζει φυτοτοξικότητα, γενοτοξικότητα και κυτταροτοξικότητα. Παρόλο αυτά η διάρκεια της κομποστοποίησης, οι διογκωτικοί παράγοντες και τα ποσοστά ανάμιξης των υλικών είναι κρίσιμοι παράγοντες, που επηρεάζουν την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Επίσης αναφέρουμε ότι η νομοθεσία της ΕΕ θα πρέπει να αναθεωρηθεί συμπεριλαμβάνοντας τόσο τη γενοτοξική και την κυτταρτοξική εκτίμηση του κομπόστ πριν χρησιμοποιηθεί για βρώσιμες καλλιέργειες. Τέλος με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα διαστασιολοήθηκε μια μονάδα πλήρους κλίμακας για την κομποστοποίηση στερεών υπολειμμάτων ελαιοτριβείου. Έτσι για ένα τυπικό μικρής κλίμακας ελαιοτριβείο, που επεξεργάζεται ημερησίως 30 τόνους ελιών και για περίοδο κομποστοποίησης 100 ημερών, χρειάζεται μια συνολική έκταση περίπου 850 m2 για τη κομπστοποίηση όλης της ετησίας ποσότητας του ελαιοπυρήνα.