Στην παρούσα διπλωματική εργασία μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία και η συμπεριφορά ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα τροφοδοτούμενου μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα τόσο στην περίπτωση της «υγιούς» μηχανής, όσο και στην περίπτωση μηχανής η οποία παρουσίαζε σφάλματα στον κλωβό. Πιο συγκεκριμένα, με την βοήθεια προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων και ειδικότερα πραγματοποιώντας ανάλυση στις δύο διαστάσεις, προσομοιώσαμε την τάση εξόδου ενός αντιστροφέα πηγής τάσης με λειτουργία διαμόρφωσης εύρους παλμών μέσω κώδικα που σχεδιάσαμε, και στην συνέχεια τροφοδοτήσαμε με τους παλμούς που παρήχθησαν τα τυλίγματα του στάτη της ασύγχρονης υπό μελέτη μηχανής. Ακολούθως με την χρήση του προαναφερθέντος προγράμματος έγινε ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, της μηχανής. Παρήχθησαν οι κυματομορφές των βασικότερων μεγεθών της μηχανής και πραγματοποιήσαμε με την βοήθεια του προγράμματος MATLAB/SIMULINK(R2008A) , αναλύσεις fourier στα φασικά ρεύματα και στις φασικές τάσεις του στάτη, τόσο για το μοντέλο της ασύγχρονης μηχανής χωρίς σφάλματα του δρομέα όσο και για το μοντέλο με σφάλματα. Για την διάγνωση του σφάλματος χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος MCSA(motor current signature analysis) καθώς και η ανάλυση των αρμονικών στο φάσμα της ροπής. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά καθώς και στις βασικές μεθόδους λειτουργίας της ασύγχρονής μηχανής, ενώ γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στον έλεγχο κινητήρων γενικότερα όπως επίσης και στην λειτουργία αυτών σε περίπτωση σφαλμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για συστήματα οδήγησης ασύγχρονων κινητήρων. Ειδικότερα, παρουσιάζεται συνοπτικά η λειτουργία του τριφασικού ανορθωτή, ενώ ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στον τριφασικό αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα κατασκευαστικά και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα πηγής τάσης, γίνεται εκτενής αναφορά στην λειτουργία του με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM mode of operation) ενώ κυρίως αναλύεται η συμπεριφορά του στην γραμμική περιοχή λειτουργίας του(0<modulation index<0.907), όπου και μας ενδιαφέρει. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης του ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα, με και χωρίς σφάλμα στον δρομέα όπως αυτά προέκυψαν από την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων. Παράλληλα δίνεται ανάλυση του κώδικα που σχεδιάστηκε για την προσομοίωση της τάσης εξόδου ενός τριφασικού αντιστροφέα με λειτουργία PWM για την τροφοδοσία των τυλιγμάτων της μηχανής μας, γεγονός το οποίο και αποτελεί κυρίαρχο περιεχόμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής εργασίας. Περιγράφεται δηλαδή η πειραματική διάταξη που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας δύο όμοιους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες κλωβού, ένα με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και ένα χωρίς σφάλμα, ενώ ταυτόχρονα παρατίθενται οι κυματομορφές του ρεύματος στάτη στις οποίες έγινε ανάλυση FFΤ έτσι ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και να γίνει έτσι η διάγνωση του σφάλματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούμε επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων καθώς και των αποτελεσμάτων τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων από το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων OPERA- 2D. Συγκεκριμένα πραγματοποιούμε ανάλυση FFT μέσω του προγράμματος MATLAB/SIMULINK(R2008A) στις κυματομορφές του ρεύματος στάτη και των τάσεων αυτού καθώς και της ροπής για τους δύο κινητήρες τόσο στην περίπτωση ημιτονοειδούς τροφοδοσίας τους, όσο και στην περίπτωση που τροφοδοτούνται με την τάση εξόδου ενός inverter με pwm διαμόρφωση. Από τα αποτελέσματα που προκύπτουν εξάγουμε σημαντικά συμπεράσματα όσο αφορά τη λειτουργία των δύο κινητήρων ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνεται και μια σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί και το παράρτημα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, δίνεται η μοντελοποίηση μέσω του SIMULINK του αντιστροφέα πηγής τάσης με λειτουργία PWM, ενώ παράλληλα γίνεται αναφορά στις διακοπτικές απώλειες των ασύγχρονων κινητήρων όταν αυτοί τροφοδοτούνται με την τάση εξόδου ενός inverter με pwm διαμόρφωση, αλλά και των αντιστροφέων πηγής τάσης, οι οποίοι αποτέλεσαν και κυρίαρχο αντικείμενο μελέτης . / This diploma thesis forms a study on modeling an analyzing an induction motor by using a faulty detection. These motors are often used in industrial applications thanks to their usability and their robustness. However, nowadays optimisation of production becomes so critical that the conceptual reliability of the motor is not suffcient anymore. In this thesis different implementations of control algorithm were examined along with the most important PWM modulation techniques. The cage induction motor is modeled with the space and time discretized finite element analysis using the program OPERA and developing an appropriate model for the motor in 2 dimensions. The fft analysis was performed by developing an appropriate algorithm for the system at the Matlab Tests have been conducted on an experimental construction in order to confirm the theoretically expected operational characteristics of the system.

Η σύγχρονη γεννήτρια, ή αλλιώς εναλλακτήρας, είναι σύγχρονη μηχανή η οποία μετατρέπει μηχανική ενέργεια σε εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Η σύγχρονη μηχανή, χρησιμοποιούμενη ως γεννήτρια, είναι η σπουδαιότερη μηχανή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αποτελεί το επίκεντρο κάθε σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αναλύοντας τα είδη των σύγχρονων παραμέτρων που προκύπτουν, καθώς επίσης και η μελέτη και ο προσδιορισμός των απωλειών στην ονομαστική κατάσταση λειτουργίας. / The synchronous generator is a type of synchronous machine, which converts mechanical energy into alternating electrical energy. When the synchronous machine is used as a generator, it is the most important machine for the production of electrical energy and it constitutes the epicentre for each station which produces electrical energy. The scope of this present thesis is the study of the behavior of synchronous machine in the steady-state of operation analyzing the types of synchronous parameters and synchronous quantities, as well as the study and determination of losses in the nominal situation of operation. The steady-state tests suggested in this thesis are required for analyzing the performance of a synchronous machine under normal operating conditions.

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και τον έλεγχο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής (DFIG) που χρησιμοποιείται σε συστήματα ανεμογεννητριών. Στα πρώτα κεφάλαια θα αναφερθούν κάποια στοιχεία απαραίτητα για την κατανόηση του αντικειμένου και των προβλημάτων του και ακολουθεί η ενασχόληση με την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Αφού αναλυθεί η μηχανή εξάγονται οι εξισώσεις λειτουργίας αυτής και του μετατροπέα και, τέλος, εφαρμόζονται οι απαραίτητοι έλεγχοι για την επίτευξη της επιθυμητής συμπεριφοράς της μηχανής σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. / The present thesis is about analysis and control of a double-fed generator for wind generators.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε ένας τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα, ισχύος 4 kW, συνδεσμολογίας αστέρα. Η προσομοίωση έγινε με τη χρήση του προγράμματος Opera 2-D της εταιρείας Vector Fields, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την επίλυση των μερικών διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη λειτουργία της μηχανής. Σκοπός της διπλωματικής αυτής ήταν η βέλτιστη προσομοίωση του κινητήρα μέσω του προαναφερθέντος προγράμματος, ώστε να συμπίπτουν τα πειραματικά αποτελέσματα με τα υπολογισθέντα και η απόδειξη ότι η τεχνική κατασκευής των αυλακώσεων δρομέα υπό κλίση επιφέρει μείωση των ανώτερων αρμονικών στα ηλεκτρικά μεγέθη του κινητήρα. Στην αρχή σχεδιάστηκε η τομή του ασύγχρονου κινητήρα στις δύο διαστάσεις έτσι ώστε να αναπαρασταθούν όσο το δυνατόν καλύτερα τα κατασκευαστικά μέρη του κινητήρα (στάτης, δρομέας, διάκενο) και με όσο το δυνατόν λιγότερα (τριγωνικά) στοιχεία προς επίλυση. Η προσομοίωση έγινε για διάφορες τιμές σταθερών στροφών της ταχύτητας του δρομέα. Εξετάσθηκαν υγιή μοντέλα του κινητήρα αλλά και μοντέλα με σφάλμα, όπως με σπασμένη τη μία μπάρα του δρομέα. Παρουσιάσθηκαν γραφικά διάφορα μεγέθη όπως η τάση τροφοδοσίας, τα ρεύματα στάτη αλλά και δρομέα, η ροπή εξόδου, η ταχύτητα περιστροφής και τέλος η ηλεκτρική γωνία. Μέσω των μεγεθών αυτών, επιβεβαιώσαμε τις πειραματικές μετρήσεις που πήραμε στο εργαστήριο. Τέλος, μέσω της ανάλυσης Fourier, επιβεβαιώσαμε την επιθυμητή μείωση στις ανώτερες αρμονικές σε ροπή και ρεύματα όταν οι αυλακώσεις του δρομέα κατασκευάζονται υπό κλίση σε σχέση με αυτές του στάτη. / In this diplomatic work a trifasic asynchronous star connected motor with power of 4kW was simulated. The simulation was accomplished by use of the Opera 2-D program developed by (the company) vector Fields. The program uses the method of finite elements to solve the partial differential equations that describe the function of the machine. The purpose of this project was to optimize the simulation of the engine (by means of the abovementioned program), so as to coincide the experimental results with the calculated ones and to prove that the technical construction of skewing the slots of the rotor entails a reduction of the higher harmonics of the electrical values of the engine. At the beginning the intersection of the asynchronous motor was designed in two dimensions so that it best represents the components of the engine (stator, rotor, gap) with the less possible (triangular) elements to be solved. Then the simulation was done for various values of constant rotor speed. Healthy models of the motor were examined but also models with errors, such as with a broken rotor bar. Various values were presented graphically, such as supply voltage, stator and rotor currents, output torque, rotational speed and finally electrical angle. Through these values, the experimental measurements, that were done in the laboratory, were confirmed. Finally, using the analysis Fourier, it was confirmed that the higher harmonics of torque and currents are reduced when the rotor slots are skewed compared to those of the stator.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικής σύγχρονης γεννήτριας εκτύπων πόλων κατά την εκκίνηση, καθώς και την ηλεκτρομαγνητική μελέτη ενός συστήματος δύο βαθμών ελευθερίας (στρόβιλος-γεννήτρια). Τέλος, θα γίνει σχολιασμός των αποτελεσμάτων. / The aim of the thesis is to study and analyze the operation of three phase synchronous generators with salient poles at startup, and electromechanical advancement of a system of two degrees of freedom (turbinegenerator) which is oscillated. Comments of the findings will follow in the last chapter. The thesis is structured in five chapters. Chapter 1 introduces the literature review where there is a general description of the basics of electric energy and the principles regarding the construction and operation of synchronous machines and in particular three-phase synchronous machines with salient poles. In chapter 2, a comprehensive analysis of oscillating systems is made of one and two degrees of freedom. A comparison is then made between linear and rotary motion. In the end the mathematical model of a rotating part with two degrees of freedom and the constant of twisted spring is presented. Chapter 3 shows the main steps followed during the design stage of the model and it includes images of the main parts of the generator and the control windows of the software Opera-2d. In Chapter 4 we make a reference to the PI-controller which was used to control the speed of the generator. Then we give the parameters of analysis. In Chapter 5 shows the presentation of the simulation results during the startup of the synchronous generator until the steady state.

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.

Αντικείμενο της εργασίας είναι η μελέτη και κατασκευή διάταξης μετατροπής συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο σύγχρονης μηχανής με μόνιμο μαγνήτη. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε μια μηχανή «brushless» με μόνιμο μαγνήτη ως κινητήρας και ως φορτίο αυτής μια δεύτερη μηχανή, συνεχούς ρεύματος με μόνιμο μαγνήτη, που λειτούργησε ως γεννήτρια. Ο έλεγχος της πρώτης μηχανής πραγματοποιήθηκε με έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στους μόνιμους μαγνήτες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μηχανών «brushless». Αναλύονται θεμελιώδεις μαγνητικές έννοιες και μαγνητικές ιδιότητες των υλικών. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενής περιγραφή της λειτουργίας μιας μηχανής «brushless» με μόνιμο μαγνήτη. Αναλύονται τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της, οι διαφορές της από άλλες κλασσικές μηχανές, καθώς και η αρχή λειτουργίας της. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται το μαθηματικό μοντέλο που διέπει τη λειτουργία της μηχανής: τα μαγνητικά πεδία της, οι σκεδάσεις, οι τάσεις εξ’επαγωγής και οι ηλεκτρομαγνητικές ροπές. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται το σύστημα τροφοδοσίας και ελέγχου της μηχανής. Στο κεφάλαιο 5 προσομοιώνεται το υπό μελέτη σύστημα μέσω του προγράμματος simulink. Αρχικά προσομοιώνεται η απόκριση της μηχανής «brushless» υπό διαφορετικές ροπές φορτίου και εν τέλει γίνεται προσομοίωση του συστήματος που περιλαμβάνει αντιστροφέα με διαμόρφωση παλμών PWM και τη μηχανή. Στο κεφάλαιο 6 αναλύεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση των μετρήσεων και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις. Κυρίως παρουσιάζονται τα παλμογραφήματα τα οποία προέκυψαν κατά τη λειτουργία του συστήματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των μηχανών που χρησιμοποιήθηκαν για τη συγκρότηση του υπό μελέτη πειραματικού συστήματος. / -

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 και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η εργασία 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 μελέτη και η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος θα αποτελέσει μέρος ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος με πηγή ενέργειας μία συσκευή κυψελών καυσίμου (fuel cells). Συγκεκριμένα πρόκειται για ένα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, με διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων (2-channel interleaved boost converter). Η είσοδος του μετατροπέα συνδέεται στην πηγή των κυψελών καυσίμου με σκοπό να ανυψώσει τη συνεχή αλλά μεταβλητή τάση που παράγει αυτή και να τη σταθεροποιήσει στα 50V. Στην έξοδο αυτού του μετατροπέα πρόκειται να συνδεθεί ένας αντιστροφέας για την οδήγηση τριφασικού σύγχρονου κινητήρα με μόνιμους μαγνήτες (BLDC), ο οποίος αποτελεί αντικείμενο άλλης διπλωματικής εργασίας, που εκπονείται στο Εργαστήριο. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού χρειάστηκε θεωρητική μελέτη των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς τάσης αλλά και της πηγής κυψελών καυσίμου. Στη μελέτη βοήθησε το πρόγραμμα εξομοίωσης, με το οποίο εξομοιώθηκαν εκτός από το προαναφερθέν τελικό σύστημα και διάφορα άλλα συστήματα που αποτέλεσαν ιδέες για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Έπειτα ακολούθησε η κατασκευή της διάταξης και η διεξαγωγή πλήθους πειραματικών δοκιμών. / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a power electronic boost converter. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineering of University of Patras. The main purpose of this work is the analysis and construction of a power electronic converter that will be part of an electric propulsion system which has a fuel cell stack as an electrical power source. Particularly, this power electronic converter is a two channel interleaved boost converter. This converter is connected to the fuel cells in order to boost and stabilize the unregulated voltage which they produce. At the output of this converter it will be connected an electronic power inverter which will drive a brushless DC motor (BLDC). For the accomplishment of this purpose, the study of both switching power supplies and fuel cells was needed. At this analysis the system was designed at a simulation program which gave useful information about the system operation. After the system simulation the converter was constructed and the entire system was set up in order to carry out the required experiments and measurements.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται μια εκτενής αναφορά στον τρόπο σχεδιασμού μιας ασύγχρονης τριφασικής μηχανής με το υπολογιστικό εργαλείο Autocad. Συγκεκριμένα αναλύουμε τον τρόπο σχεδιασμού του στάτη, του δρομέα, του διπλού μοντέλου στάτη δρομέα καθώς και της μηχανής σε πλάγια όψη, πρόσοψη και τομή. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στη θεωρία των ασύγχρονων μηχανών. Αναλύουμε τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους, περιγράφουμε την αρχή λειτουργίας τους και τέλος αναφέρουμε τις βασικές εφαρμογές τους. Στη συνέχεια κάνουμε μια εισαγωγή στο πρόγραμμα σχεδιασμού Autocad. Περιγράφουμε το περιβάλλον εργασίας του, επεξηγούμε τα βασικά εργαλεία σχεδιασμού του, που θα χρησιμεύσουν στην δημιουργία των σχεδίων της μηχανής μας, καθώς και τον τρόπο σχεδίασης βασικών αντικειμένων που είναι χρήσιμα στην πλειοψηφία των εφαρμογών. Όλα αυτά τα εργαλεία θα μας φανούν χρήσιμα στην εργασία μας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο υπό μελέτη κινητήρας μαζί με τα κατασκευαστικά και τεχνικά χαρακτηριστικά του και επεξηγείται η διαδικασία σχεδιασμού του στάτη και του δρομέα. Αρχικά σχεδιάζουμε τα δόντια τους και μέσω αυτών κατασκευάζουμε και ολόκληρα τα σχέδιά τους αντίστοιχα. Τέλος περιγράφουμε και τη διαδικασία σχεδιασμού του διπλού μοντέλου. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια πιο αναλυτική παρουσίαση των τελικών σχεδίων του τρίτου κεφαλαίου με όλες τις διαστάσεις τους. Αναλύουμε επίσης τον τρόπο σχεδιασμού της πλάγιας όψης, της πρόσοψης καθώς και της τομής του υπό μελέτη κινητήρα. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζουμε και τα αντίστοιχα ολοκληρωμένα σχέδια με τις διαστάσεις του κατασκευαστή του. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο αναλύουμε τη διαδικασία εισαγωγής στο πρόγραμμα Οpera, των σχεδίων που κατασκευάσαμε στο Αutocad στα προηγούμενα κεφάλαια (δόντια στάτη και δρομέα, στάτης, δρομέας, διπλό μοντέλο). Περιγράφουμε επίσης και τον τρόπο δημιουργίας των νέων σχεδίων στο Opera, μιας και αυτό αναγνωρίζει όλες τις γραμμές του Autocad (Lines, Polylines) σαν βοηθητικές γραμμές (Construction Lines), γραμμές δηλαδή που χρησιμοποιούμε ως οδηγούς ώστε να κατασκευάσουμε το πραγματικό σχέδιο. Το νέο αυτό σχέδιο είναι στην ουσία το ίδιο με αυτό που κατασκευάσαμε και στο Αutocad, αλλά αυτή τη φορά με γραμμές του Opera. Tέλος στο παράρτημα της εργασίας παρουσιάζουμε όλα τα σχέδια του κινητήρα σε μεγέθυνση, ώστε να φαίνονται όλα τα μέρη από τα οποία αποτελούνται, ειδικά στην πλάγια όψη και στην τομή που είναι σχέδια με περισσότερη λεπτομέρεια. / --