Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη ενός υβριδικού συστήματος που περιλαμβάνει έναν HVDC μετατροπέα (με θυρίστορ μεταγωγής γραμμής) και ένα στατικό αντισταθμιστή και χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ενέργειας σε δίκτυα που δε διαθέτουν σύγχρονη παραγωγή. Η μελέτη θα περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη διασύνδεση σε ένα κεντρικό δίκτυο. Το προτεινόμενο σύστημα συνδυάζει καλή απόδοση, χαμηλό κόστος και μικρή απώλεια ισχύος από τον HVDC μετατροπέα με τη γρήγορη δυναμική απόδοση ενός συστήματος μεταφοράς στηριζόμενο σε VSC (μετατροπέας πηγής τάσης). Η μελέτη περιγράφει τις αρχές και τις στρατηγικές ελέγχου του προτεινόμενου συστήματος. Επίσης παρουσιάζονται προσομοιώσεις στο πρόγραμμα PSCAD που καταδεικνύουν τη δυναμική συμπεριφορά και αξιολογούν το προτεινόμενο σύστημα κάτω από διάφορες συνθήκες λειτουργίας, όπως ψυχρή εκκίνηση, αυξομειώσεις φορτίου ή παραγωγής και συνθήκες ac σφαλμάτων. / The current diploma thesis deals with the development of a hybrid system comprising an HVDC converter (line commutated thyristor) and a STATCOM which is proposed for the connection of networks with no synchronous generation to a main grid. The proposed system combines the robust performance and low capital cost and power loss of a line-commutated HVDC converter, with the fast dynamic performance of a VSC system. The thesis describes the principles and control strategies of the proposed system. PSCAD/EMTDC simulations are presented to demonstrate the robust performance and to validate the proposed system during various operating conditions such as black-start, variations of load or generation and ac fault conditions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, τον σχεδιασμό και την κατασκευή ενός ηλεκτρονικά ελεγχόμενου μηχανικού φορτίου. 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 δημιουργία ενός μηχανικού φορτίου του οποίου το προφίλ μπορεί να ελέγχεται με την χρήση ψηφιακού μικροελεγκτή. Αρχικά, εξετάζεται η θέση που κατέχει το μηχανικό φορτίο σε ένα ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα και παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες των διάφορων τύπων μηχανικών φορτίων. Στη συνέχεια, μελετώνται η βασική αρχή λειτουργίας, οι μαθηματικές εξισώσεις καθώς και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των μηχανών συνεχούς ρεύματος αλλά και της μηχανής που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή. Στο επόμενο βήμα, γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος της πλήρους γέφυρας που κατασκευάστηκε καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων και στοιχείων που είναι αναγκαία για την λειτουργία της. Επιπροσθέτως, αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα, που είναι η Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM) καθώς και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του μικροελεγτή που χρησιμοποιήθηκε. Για το συνολικό σύστημα, αποτελούμενο από την μηχανή συνεχούς ρεύματος και τον μετατροπέα τύπου πλήρους γέφυρας, δημιουργήθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο στο περιβάλλον Simulink για να ελεγχθεί η συμπεριφορά του. Τέλος, αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν και παρατίθενται τα παλμογραφήματα που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. / This thesis deals with the study, design and construction of an electronically controlled mechanical load. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The aim is to create a mechanical load whose profile can be controlled using digital microcontroller. First, was considered the position of the mechanical load in an electric driving system and shows the characteristic curves of various types of mechanical loads. Then was studied the basic principle of operation, mathematical equations and the construction of DC machines and the machine used in construction. The next step is a theoretical analysis of the full bridge circuit that is constructed and all other circuits and components necessary for its operation. In addition, explains the method of interrupted pulses data converter, which is shaping pulse width (PWM) and the characteristics of icroconroler which is used. For the total system, consisting of the DC machine and type full bridge converter, a mathematical model in Simulink environment to verify its behavior. Finally, analyzing the technical characteristics of all circuits built out and the curves obtained from experiments carried out after the completion of construction.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση, το σχεδιασμό και την κατασκευή διάταξης τροφοδοσίας του τυλίγματος διέγερσης της μηχανής συνεχούς ρεύματος με τη χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Ο μετατροπέας αυτός είναι ισχύος 250Watt και πρέπει να μεταβάλλεται η έξοδος του από 20 σε 250Volt και το ρεύμα να κυμαίνεται από 0.02 Α έως 1.1 Α. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η πραγματοποίηση των σωστών βημάτων για την εκπόνηση ενός σωστού σχεδιασμού, την καλή εκτίμηση των παραμέτρων και των απαιτήσεων της εφαρμογής τόσο σε μόνιμη όσο και σε μεταβατική κατάσταση λειτουργίας του συστήματος και τέλος την ορθή υλοποίηση της διάταξης. Επίσης η επιλογή των σωστών στοιχείων που βελτιστοποιούν κόστος και αποδοτικότερη λειτουργία είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό που προσδιορίζει ένα σωστό σχεδιασμό. Αρχικά μελετήθηκαν διαφορετικές ηλεκτρονικές αλλά είδη υπάρχουσες διατάξεις μετατροπέων που εξυπηρετούν τις απαιτήσεις της συγκεκριμένης εφαρμογής. Από αυτές επιλέχτηκε εκείνη που είναι η πιο κατάλληλη και προσφέρει τα περισσότερα πλεονεκτήματα σε σχέση με τις άλλες. Τέτοια στοιχεία σύγκρισης για παράδειγμα είναι ο βαθμός απόδοσης, η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού, το κόστος, η απλότητα και ευελιξία του ελέγχου καθώς επίσης και η πρακτικότητα υλοποίησης της κατασκευής στο εργαστήριο. Η τελική επιλογή αφορούσε την κατασκευή ενός μετατροπέα τύπου forward με δυο ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. Στη συνέχεια αναλύθηκε και προσομοιώθηκε η συγκεκριμένη διάταξη, σχεδιάστηκε με λεπτομέρεια και επιλέχτηκαν τα στοιχεία ένα προς ένα που θα εξασφάλιζαν την αποδοτικότερη και ασφαλέστερη λειτουργία. Σχεδιάστηκε η βέλτιστη αρχιτεκτονική πλακέτας και κατασκευάστηκε στο εργαστήριο . Το επόμενο βήμα αφορά τον έλεγχο της διάταξης. Μελετήθηκαν και αναλύθηκαν διάφορες στρατηγικές ελέγχου και επιλέχτηκε η πιο κατάλληλη για τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Επιλέχτηκε ο πιο κατάλληλος μικροεπεξεργαστής και σχεδιάστηκε ο πιο βέλτιστος κώδικας για τον έλεγχο του. Στη συνέχεια κατασκευάστηκε η πλακέτα ελέγχου στο εργαστήριο. Η στρατηγική ελέγχου που επιλέχτηκε αφορούσε τον έλεγχο μέσης τιμής ρεύματος και χρησιμοποιήθηκε ο βιομηχανικός επεξεργαστής dspic30f4011 Τέλος ολόκληρη η κατασκευή (πλακέτα ισχύος και πλακέτα ελέγχου) λειτούργησαν ενιαία, λήφθηκαν μετρήσεις και σχεδιάστηκαν τα πειραματικά διαγράμματα λειτουργίας τα οποία συγκρίθηκαν με τα θεωρητικά. Μετρήθηκε ο βαθμός απόδοσης και αξιολογήθηκε ο μετατροπέας στο σύνολο του. / --

Η επεξεργασία των νικελιούχων λατεριτικών μεταλλευμάτων της χώρας μας για την παραγωγή σιδηρονικέλιου στη Λάρυμνα συνοδεύεται με την εκπομπή 200000t/y λεπτομερούς σκόνης που συλλέγεται στα συστήματα αντιρρύπανσης των περιστροφικών κάμινων (Π/Κ), μέσης περιεκτικότητας 1.2-1.5% σε Ni και 4-5% σε C. Η διατριβή αυτή συνέβαλε στην ανάπτυξη μεθόδου ανακύκλωσης της σκόνης αυτής με απευθείας αναγωγική της τήξη σε ηλεκτρική κάμινο συννεχούς ρεύματος (DC-HEP) με εμφυσησή της μέσω του κεντρικού διάτρητου γραφιτικού ηλκετρόδιου. Την προκαταρκτική θεωρητική διερεύνηση και τις εργαστηριακές προδοκιμές ακολούθησαν βιομηχανικές δοκιμές στην κάμινο 125t DC-HEP στη χαλυβουργία Georgsmarienhutte της Γερμανίας, όπου έλαβε χώρα τήξη 70t σκόνης και 2.5t φιλομερούς μεταλλεύματος.Η ανάκτηση Ni ήταν πολύ υψηλή 93-99%. Παρήχθησαν χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης σε σε Ni καθώς και ποικίλοι τύποι σκωρίας προς διερεύνηση της χρήσης τους στην παραγωγή σύνθετων τσιμέντων Portland και σκωριωτσιμέντων. Πραγματοποιήθηκε μεταλλουργική αξιολόγηση των δοκιμών και αναπτύχθηκε μοντέλο προσομοίωσης της αναγωγικής τήξης της σκόνης. / The tratment of the laterite nickel ferrous ores in Hellas for the production of ferronickel at Larymna is associated with the emission of 200000t/y of fine dust collected in the gas cleaning systems of the rotary kilns (R/Ks), with 1.2-1.5% and 4-5% . Average Ni and C contents respectively . This thesis contributed to the development of a method for the recycling of this dust by means of its direct reduction smelting in a DC-HEP furnace (Direct Current-Hollow Electrode Powder) by its injection through the central hollow graphite electrode. The preliminary theoretical study and the laboratory trials were followed by industrial heat campaigns in the 12st DC-HEP furnace at georgsmarienhutte steelwork in Germany, where around 70t of dust and 2.5t of ore fines were smelted. The Ni-recovery was very high 93-99.9%. Low Nickel alloyed steel grades were produced and various slag types for the investigation of their utilization for the production of composite-portland cements and slag cements. The metallurgical evaluation of the trials was performed and model for the dust reduction smelting process was developed.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη των βασικών τμημάτων που απαρτίζουν ένα ηλεκτρικό όχημα, με άμεσο στόχο τη μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας. Προς την κατεύθυνση αυτή μελετάται αρχικά η βαθμίδα φόρτισης των συσσωρευτών. Παρουσιάζονται οι προδιαγραφές και προτείνεται ως βέλτιστη τοπολογία αυτή του Flyback η οποία αντιμετωπίζει λειτουργικές δυσκολίες. Έτσι προτείνεται μια ειδική μεθοδολογία σχεδιασμού βασιζόμενη στην επιλογή του λόγου του Μ/Τ. Επίσης προτείνεται ένα νέο κύκλωμα καταστολής των υπερτάσεων λόγω σκέδασης. Η αποτελεσματική λειτουργία επιβεβαιώνεται μέσω εξομοιώσεων και πειραματικών δοκιμών. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται ένα νέο κύκλωμα τροφοδοσίας. Πρόκειται για μετατροπέα μονής βαθμίδας με ένα τρανζίστορ κα αποτελεσματική καταστολή υπερτάσεων. Παράλληλα πραγματοποιεί βελτίωση του συντελεστή ισχύος του κυκλώματος. Στο τρίτο μέρος μελετάται το κινητήριο σύστημα και προτείνεται μια μέθοδος ελέγχου της μαγνητικής ροής και του λόγου μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων ώστε να επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή ενεργειακή κατανάλωση του οχήματος. Τα αποτελέσματα εξομοίωσης επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου. / Basic aim of the present work is the analytical study of the basic part of an EV, in order to be obtained a good energy saving. For this purpose the charging unit of an EV is studied. The specifications which must fulfill this device are exhibited and the Flyback topology is suggested as the optimal. However it appears some important problems. For this purpose, a new strategy of design based on the transformer.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος ενός ηλεκτροκίνητου σκάφους. Πραγματοποιήθηκαν μία σειρά από τεχνικές επεμβάσεις ώστε να μετατραπεί ένα απλό σκάφος σε ηλεκτροκίνητο. Στην εποχή μας τα ηλεκτροκίνητα σκάφη και η ηλεκτρική πρόωση αποτελούν τμήμα των ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Τα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς αποτελούν πιθανή λύση στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση στον τομέα των μεταφορών καθώς και στα ενεργειακά και περιβαλλοντικά προβλήματα που αυτή προκαλεί. Ο υψηλός βαθμός απόδοσης των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, το υψηλό επίπεδο ελέγχου μέσω των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που προσφέρει ευκινησία σε ένα σκάφος, η έλλειψη θορύβου-διαταραχών και η απουσία ρύπανσης μας οδηγούν στη χρήση των ηλεκτροκίνητων σκαφών και της ηλεκτρικής πρόωσης όλο και περισσότερο στις μέρες μας. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή για πρακτικούς λόγους αλλά και για λόγους ασφάλειας οδηγηθήκαμε στην επιλογή κινητήρα συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) μονίμου μαγνήτη χαμηλής τάσης 24V. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλή τιμή ρεύματος για την επίτευξη της απαιτούμενης ισχύος 1,5 kW . Για αυτό το λόγο σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ο ηλεκτρονικός μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων, ο οποίος έχει τη δυνατότητα διαχείρισης υψηλών τιμών ρεύματος και είναι ιδανικός για τέτοιου είδους εφαρμογές. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας αποτελείται από 4 παράλληλους κλάδους, λειτουργεί στην συνεχή αγωγή και υποβιβάζει την τάση των 36V σε 0-24V για τον έλεγχο των στροφών του κινητήρα, ο οποίος έχει ονομαστικό ρεύμα 78A. Ο μετατροπέας εξετάστηκε αρχικά μέσω της εξομοίωσης χρησιμοποιώντας το λογισμικό PSpice και στη συνέχεια πειραματικά πραγματοποιώντας μία σειρά από δοκιμές και μετρήσεις. Από τις δοκιμές, παρατηρούμε ότι ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα διαδοχικής αγωγής που κατασκευάστηκε, κυμαίνεται γύρω στο 95%, άρα είναι μια καλή λύση στην οδήγηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) χαμηλής τάσης (υψηλού ρεύματος). Τέτοιοι κινητήρες χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Η καθέλκυση του ηλεκτροκίνητου σκάφους και οι δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στη θάλασσα, δίνουν σαφή εικόνα των πλεονεκτημάτων της ηλεκτρικής πρόωσης. / The object of this diploma thesis is the designing and the construction of an electric drive system for an electric boat. A number of technical interventions were made to transform a simple boat to an electrically driven boat. In our days the electric boats and the electric propulsion in general constitute a part of the electric transportation. The electric transportation may be a possible solution in the continuously increasing demand in the sector of transports as well as in energy and environmental problems that this causes. The high efficient electric machines and power electronic converters, the high control level of power electronics that offers manoeuvrability in a ship, the lack of noise - disturbance and the absence of pollution lead us to use electric boats and electric propulsion more and more in our days. In our application for practical and safety reasons we were led to the choice of a low voltage permanent magnet direct current (DC) motor. This is resulting to a high value of current to get the nominal power of 1.5 kW. For this reason an interleaved four – channel dc/dc converter was designed and constructed which has the ability to control high currents and is ideal for such type applications. The particular converter is constituted by 4 parallel channels, it is working in the continuous conduction mode (CCM) and it degrades the voltage of 36V to 0-24V for the control of the rpm of the dc propulsion motor which its full load current is 78A. Firstly a number of simulations made via PSpice program and also a number of experiments to see how the converter is working. The experiments shows that the efficiency of the interleaved converter of the application is about 95%, so it is a good solution for driving low voltage – high current dc motors. Such types of electric motors are used in many electric transportation applications. The launching of the boat and a number of sea tests shows us the advantages electric propulsion has.