Η τριφασική σύγχρονη γεννήτρια αποτελεί βασική συνιστώσα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μεταβατικά φαινόμενα στις γεννήτριες συνήθως προκαλούνται από εξωτερικές αιτίες, κεραυνούς, βροχές και δυνατό αέρα. Σύμφωνα με τις στατιστικές το 70% των διαταραχών στις σύγχρονες γεννήτριες είναι βραχυκυκλώματα μιας φάσης με το έδαφος και μόνο 5% των βραχυκυκλωμάτων είναι τριφασικά. Η μελέτη των βραχυκυκλωμάτων σύγχρονης γεννήτριας είναι βασικό εργαλείο για το σχεδιασμό των συστημάτων ενέργειας, καθώς βοηθάει να σχεδιαστεί ο κατάλληλος εξοπλισμός προστασίας, ώστε να απομονωθεί από το υπόλοιπο σύστημα η βραχυκυκλωμένη γεννήτρια, την κατάλληλη στιγμή. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι αφ’ενός η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης γεννήτριας κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων, αναλύοντας τα είδη των σύγχρονων παραμέτρων και των σταθερών χρόνου και αφετέρου η κατανόηση της χρήσεως του πλήρους και των απλοποιημένων μοντέλων που να μπορούν να περιγράψουν με ακρίβεια τη δυναμική κατάσταση της γεννήτριας, κατά περίπτωση. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση, ώστε να δημιουργηθεί το απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο για την κατανόηση των μετέπειτα εννοιών ,ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο κάνουμε μια συνοπτική περιγραφή των διάφορων ειδών βραχυκυκλωμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το πλήρες μοντέλο της γεννήτριας για την περιγραφή της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια τριφασικών, διφασικών και μονοφασικών με το έδαφος βραχυκυκλωμάτων.Αυτό το μοντέλο προκύπτει αντικαθιστώντας τις συνθήκες των βραχυκυκλωμάτων στις εξισώσεις του γενικευμένου d-q-o μαθηματικού μοντέλου της σύγχρονης γεννήτριας. Τέλος μελετάμε τις κυματοσυναρτήσεις του ρεύματος διέγερσης και των ρευμάτων του στάτη που προκύπτουν για εφαρμογή του βραχυκυκλώματος τρεις διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλα τα είδη βραχυκυκλωμάτων και καταλήγουμε σε κάποια συμπεράσματα. Για να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη των συστημάτων ενέργειας, οι εξισώσεις της γεννήτριας πρέπει να ενσωματωθούν στις εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα μεταφοράς ενέργειας έτσι σε πολλές μελέτες συστημάτων ενέργειας είναι δυνατό και επιθυμητό να απλοποιήσουμε τις εξισώσεις της γεννήτριας ώστε να ενσωματωθούν πιο εύκολα στο δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσουμε 5 απλοποιημένα μοντέλα της σύγχρονης γεννήτριας, για τριφασικό συμμετρικό βραχυκύκλωμα, για αρχικά αφόρτιστη μηχανή .Πρωτού μελετήσουμε πως μπορούν να γίνουν αυτές οι απλοποιήσεις, αναπτύσουμε τα ισοδύναμα κυκλώματα για τη μόνιμη, μεταβατική και υπομεταβατική κατάσταση, καθορίζουμε τις επαγωγικές αντιδράσεις και τις σταθερές χρόνου και τέλος καταλήγουμε στα απλοποιημένα μοντέλα. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετάμε το ποιοτικό μοντέλο της γεννήτριας κατά το οποίο γίνεται αναπαράσταση της γεννήτριας για καθε μια από τις 3 καταστάσεις με ένα ισοδύναμο κύκλωμα μετασχηματιστή. / --

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την ανάλυση της λειτουργίας ενός ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, αποτελούμενου από μηχανή Diesel και Σύγχρονη Γεννήτρια έκτυπων πόλων, το οποίο αποτελεί εφεδρική τροφοδοσία για φορτίο ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο βασικό δίκτυο. Στα πρώτα κεφάλαια της εργασίας παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση των μηχανών του παραπάνω συστήματος, και το μαθηματικό υπόβαθρο που τις περιγράφει. Η ανάλυση αυτή χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την εκτεταμένη παρουσίαση του τρόπου προσομοίωσής τους στο περιβάλλον Simulink του προγράμματος Matlab της εταιρίας Mathworks. Μετά την περιγραφή και τη δημιουργία του μοντέλου του συστήματος στο Simulink, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για διαφορετικές περιπτώσεις σφαλμάτων. Αναλύονται και παρουσιάζονται γραφικά οι επιπτώσεις του εκάστοτε σφάλματος στο σύστημα, καθώς επίσης και η δράση των διάφορων μηχανισμών που θα επαναφέρουν το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας. / The purpose of this diploma thesis is to analyze the operation of a genset consisting of a diesel engine and a synchronous generator, which provides backup supply for an asynchronous motor load when a fault occurs in the main grid. The first chapters of this thesis include the theoretical analysis of the system’s machines and the mathematical functions describing them. This analysis is then used to extensively describe the way these machines are simulated in the Simulink environment of the program Matlab. The simulation model of the whole system is then described and developed. Furthermore, simulation results of the model are presented for different types of faults in the main grid. The effects of these faults on the system are graphically analyzed, and so is the action of the regulators that will restore the system in the desired state of operation.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάλυση της λειτουργίας της ασύγχρονης τριφασικής μηχανής, την εφαρμογή σε αυτή μη γραμμικού σχήματος ελέγχου που περιλαμβάνει PI ελεγκτές, καθώς και τη μελέτη της ευστάθειάς της. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των σημαντικότερων στοιχείων μιας ασύγχρονης τριφασικής μηχανής όπως τα κατασκευαστικά στοιχεία και ο τρόπος παραγωγής των διαφόρων πεδίων που οδηγούν στην περιστροφή της. Εν συνεχεία, εισάγεται και μελετάται το ισοδύναμο κύκλωμα της ασύγχρονης μηχανής κατά τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας της, ενώ προτείνονται και τέσσερα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν την λειτουργία της κατά την μεταβατική κατάσταση. Από τα μοντέλα αυτά τα δύο προσιδιάζουν στη λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) αντίστοιχα. Μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές των ασύγχρονων τριφασικών μηχανών είναι η χρήση τους για την πλαισίωση συστημάτων εκμετάλλευσης αιολικής ενέργειας. Στα επόμενα λοιπόν κεφάλαια λαμβάνει χώρα η μελέτη των σημαντικότερων παραγόντων που επηρεάζουν το αιολικό δυναμικό μιας περιοχής, καθώς και αναλύεται η μοντελοποίηση του ανέμου με τη χρήση της κατανομής Weibull. Ακόμη γίνεται λόγος για την εξέλιξη των ανεμογεννητριών, τους διαφόρους τύπους ανεμογεννητριών που κυκλοφορούν στις μέρες μας, καθώς και υπολογίζεται ο μέγιστος συντελεστής απόδοσης αυτών. Έχοντας ολοκληρώσει την ανάλυση των στοιχείων του ανέμου που θα μας βοηθήσουν στο σχεδιασμό του ελέγχου , προχωράμε στην απόδειξη μιας πολύ σημαντικής για τα συστήματα ιδιότητας την παθητικότητα , που κάτω από προϋποθέσεις συνεπάγεται ευστάθεια του συστήματος που την έχει. Η ιδιότητα αυτή αποδεικνύεται με δύο τρόπους και για τους δυο τύπους μηχανών που αναφέρθηκαν παραπάνω. Στο πέμπτο και ουσιαστικά τελευταίο κεφάλαιο αυτής της εργασίας αφού γίνει ανάλυση των βασικών αρχών του διανυσματικού ελέγχου προσανατολισμένου πεδίου περιγράφεται η κατασκευή μη γραμμικού σχήματος ελέγχου , για καθένα από τα δύο μοντέλα ,βασισμένο στα παραπάνω και με κύριο στόχο τη μεγιστοποίηση της παραγωγής ενεργού ισχύος. Περιλαμβάνεται επίσης προσομοίωση των παραπάνω σχημάτων ελέγχου και λήψη των αποκρίσεων αυτών. Τέλος , παρατίθενται και οι αποδείξεις παθητικότητας των κλειστών συστημάτων που προκύπτουν από τον έλεγχο , καθώς και απόδειξη για την ευστάθεια των αντίστοιχων συστημάτων ελλείψει διέγερσης. Η εργασία ολοκληρώνεται με την εξαγωγή κάποιων χρήσιμων συμπερασμάτων. / In this diploma thesis the operation of a three phase asynchronous machine is analyzed and a nonlinear control scheme, which includes PI controllers, is applied. Additionally, a study of asynchronous machine’s stability analysis is conducted. The basic components of a three phase asynchronous machine are extensively referred at the first chapter of this thesis, such as construction characteristics and data about the magnetic field which causes machine’s rotation. The equivalent circuit of the asynchronous machine’s steady state is introduced and studied. What is more four mathematical models that best describe asynchronous machine operation during the transition, are also proposed. Two of these models approximate the operation of doubly fed induction machine (DFIG) and squirrel cage induction machine (SCIG) respectively. One of the most important use of induction machines is the exploitation of wind energy. Thus, next chapters are referred to the factors that affect a region’s wind profile and is approximated by Weibull’s distribution. Furthermore, wind turbines are classified and their evolution is analyzed. Their maximum efficiency factor is also calculated. Having completed the analysis of wind data, used in control design, a very important property of systems, called passitivity, is proved. Under appropriate conditions, passitivity guarantees system’s stability. Two different ways are used in order to prove this property for the two types of induction machine mentioned above. The fifth and last chapter of this thesis is an introduction to the basic principles of vector field oriented control. The design of a nonlinear control scheme is implemented as well, based on field oriented control and active power production’s maximization. Simulations of these control schemes and their responses are also included. Last but not least, closed loop systems’ passivity is being proved and the stability of the corresponding systems, in the absence of stimulation, is proved as well. At the end of this thesis some useful conclusions are drawn.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και το σχεδιασμό μιας τριφασικής ανορθωτικής διάταξης με την οποία επιτυγχάνεται διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός μετατροπέα ανόρθωσης ανύψωσης ο οποίος λειτουργεί σε ασυνεχή αγωγή και μπορεί να τοποθετηθεί στην έξοδο μιας ανεμογεννήτριας σαν πρώτο στάδιο σύνδεσης με το δίκτυο. Απώτερος σκοπός είναι η πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας καθώς και του μηχανισμού με τον οποίο επιτυγχάνεται η διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Αρχικά γίνεται μια γενική αναφορά στην έννοια της ποιότητας ισχύος, τα χαρακτηριστικά της μεγέθη, το συντελεστή ισχύος και τις ανώτερες αρμονικές. Επίσης αναφέρονται βασικές τριφασικές ανορθωτικές διατάξεις με διορθωμένο συντελεστή ισχύος ενώ γίνεται και μια γενική αναφορά στα αιολικά συστήματα, τον τρόπο λειτουργίας τους και την σύνδεση τους με το δίκτυο. Στη συνέχεια, αναλύεται η λειτουργία του μετατροπέα που κατασκευάστηκε κατά την διάρκεια αυτής της διπλωματικής εργασίας, δηλαδή τριφασικής διάταξης ανόρθωσης-ανύψωσης με ένα διακοπτικό στοιχείο, που λειτουργεί στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM). Ο μετατροπέας αυτός θα δέχεται πολική τάση στην είσοδο του 40-100V, ανυψώνοντας την στα 350V στην έξοδο. Παράλληλα το ρεύμα εισόδου έχει μικρό αρμονικό περιεχόμενο επιτυγχάνοντας έναν υψηλό συντελεστή ισχύος. Το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση και η προσομοίωση του μετατροπέα σε περιβάλλον Matlab/Simulink έτσι ώστε να εξακριβωθεί η ορθή λειτουργία του σύμφωνα με τη θεωρητική ανάλυση. Τέλος, μελετάται και κατασκευάζεται στο εργαστήριο η πειραματική διάταξη με την οποία διεξάγονται μετρήσεις για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης. / In this diploma thesis the analysis and design of a three phase rectifier achieving high power factor are presented. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of the Polytechnic School, University of Patras, Greece. The main purpose of this diploma thesis is the implementation of a Power Factor Correction Three Phase Rectifier operated in Discontinuous Current Mode (DCM) which can be used as a first stage for the connection of a small wind turbine to the grid. Through this work, the theoretical analysis and the mechanism that achieves the high power factor are verified through the implementation of a laboratory prototype. Initially, the concepts of power quality, power factor and high order harmonics are explained. Furthermore, some common power factor correction rectifier topologies are reported as well as a reference on wind turbines, their operation and their connection to the grid. Secondly, the working principle of the Single Switch Power Factor Correction DCM Boost Rectifier is presented. This converter is designed to rectify and boost the voltage of a small wind turbine, varying between 40 and 100V line to line rms, to 350Vdc. In addition the converter’s input current presents low harmonic distortion which results in a high power factor. The following step is to model and simulate the converter in Matlab/Simulink in order to verify its operation based on the theoretical analysis. Finally, a laboratory prototype is designed and implemented, on which experiments are conducted, in order to verify and evaluate the theoretical study.

Στην παρούσα εργασία δημιουργήθηκε μια βιβλιοθήκη παραμετροποιημένων μοντέλων Ασύγχρονων Τριφασικών Μηχανών κλωβού σε δύο διαστάσεις, σύμφωνα με τα πρότυπα που απαιτεί η ΝΕΜΑ, δηλαδή το διαχωρισμό των τεσσάρων κλάσεων σχεδίασης του δρομέα. Στη συνέχεια, με τη χρήση αυτών των μοντέλων, έγινε Ηλεκτρομαγνητική Aνάλυση με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και μελετήθηκε η επίδραση που έχει το Σχήμα των αυλακώσεων του δρομέα στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη λειτουργική συμπεριφορά της Ασύγχρονης Μηχανής. Επίσης μελετήθηκαν οι επιδράσεις που επιφέρει το κλείσιμο του στομίου των αυλακώσεων του στάτη και του δρομέα στο πεδίο και στις χαρακτηριστικές της Ασύγχρονης Μηχανής. Ο σχεδιασμός των μηχανών πραγματοποιήθηκε με χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design. Έγινε αξιοποίηση των γεωμετρικών και ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός συγκεκριμένου τετραπολικού κινητήρα κλωβού, ισχύος 5kW, με 48 αυλακώσεις στο δρομέα και 36 στο στάτη. Τα παραμετροποιημένα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων δημιουργήθηκαν ακολουθώντας τη μέθοδο σχεδιασμού με εντολές κώδικα αντί της μεθόδου, που συνήθως χρησιμοποιείται, με χρήση των έτοιμων σχεδιαστικών εργαλείων στην επιφάνεια εργασίας του προγράμματος. Αυτό γιατί τα μοντέλα μας , επιθυμούσαμε να είναι εύπλαστα από γεωμετρικής άποψης, πράγμα που δεν μας έδινε ο δεύτερος τρόπος σχεδιασμού, αν και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος. Αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία μιας βιβλιοθήκης παραμετροποιημένων μοντέλων μηχανών, η οποία υπακούει στις σχεδιαστικές προδιαγραφές που επιβάλει η ΝΕΜΑ. Τα μοντέλα αυτά έπρεπε να είναι παραμετροποιημένα λόγω του ότι σκοπός μας είναι να συγκρίνουμε τη λειτουργία Ασύγχρονων Μηχανων με διαφορετικό σχήμα των αυλακώσεων του δρομέα. Έτσι, είναι φανερό ότι με την επιλογή αυτή δημιουργούμε ένα μειονέκτημα και ταυτόχρονα τρία πλεονεκτήματα. Το μειονέκτημα είναι ότι η σχεδίαση με τη χρήση των εντολών του προγράμματος δεν είχε εκπονηθεί από κάποιον στο παρελθόν στο εργαστήριο, πράγμα το οποίο κόστισε σε χρόνο περισσότερο από ό,τι θα κόστιζε η συμβατική μέθοδος και υπήρξε εξαιρετικά επίπονη έρευνα. Τα πλεονεκτήματά μας από την άλλη ήταν: α) Το γεγονός ότι δεν χρειάστηκε να σχεδιασθεί από την αρχή κάθε μοντέλο που θέλαμε να μελετήσουμε, β) Ο εύκολος και γρήγορος σχεδιασμός ενός κινητήρα κλωβού από οποιονδήποτε χρήστη, ακόμα και κάποιου που δεν έχει μελετήσει το πρόγραμμα σχεδίασης που χρησιμοποιούμε και γ) Η δημιουργία ενός πολύ χρήσιμου εργαλείου για περαιτέρω χρησιμοποίηση και έρευνα στον τομέα του σχεδιασμού ηλεκτρικών μηχανών. Στη συνέχεια, επεκτείναμε την έρευνα σε μοντέλα, θεωρώντας γραμμική και μη γραμμική χαρακτηριστική του σιδηρομαγνητικού υλικού της μηχανής, για την περίπτωση των κλειστών αυλακώσεων είτε του δρομέα, είτε του στάτη με σφήνες, είτε και των δύο περιπτώσεων ταυτόχρονα. Για το κλείσιμο των αυλακώσεων χρησιμοποιήσαμε υλικά διαφορετικής μαγνητικής διαπερατότητας και μελετήσαμε τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη για τα μοντέλα που προέκυψαν. Η διπλωματική αυτή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. / -

Η δυναμική ανάλυση των ηλεκτρικών μηχανών αποτελεί ένα πολύ σημαντικό πεδίο της μελέτης των ηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Στην παρούσα διπλωματική θα ασχοληθούμε με τη δυναμική ανάλυση της σύγχρονης μηχανής που συναντάμε στην μετατροπή μεγάλης ποσότητας μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης μηχανής σε περίπτωση μεταβατικών φαινόμενων, καθώς, επίσης, ο προσδιορισμός των μεγεθών, των παραμέτρων και των σταθερών χρόνου της μηχανής, που καθορίζουν τη συμπεριφορά της, στην περίπτωση τέτοιων φαινομένων. Οι χαρακτηριστικές παράμετροι των μεταβατικών και υπομεταβατικών αντιδράσεων και των σταθερών χρόνου της σύγχρονης μηχανής που επιχειρήθηκαν να προσδιοριστούν, χρησιμοποιούνται εδώ και 75 χρόνια, ώστε να δίνουν μια πρώτη προσέγγιση του μεγέθους των ρευμάτων βραχυκυκλώματος καθώς και το ρυθμό με τον οποίο αυτά μειώνονται. Επιπροσθέτως, η γνώση των μεγεθών αυτών δίνει τη δυνατότητα υπολογισμού των μηχανικών καταπονήσεων των τυλιγμάτων του στάτη που είναι αποτέλεσμα των υπερβολικών ρευμάτων που διαρρέουν τη μηχανή κατά τη διάρκεια ηλεκτρικών διαταραχών που υφίστανται οι ακροδέκτες της. / The dynamic analysis of electrical machines constitutes a very important field of the study of electromechanical systems. In the present project we will deal with the dynamic analysis of synchronous machine that we meet in the transformation of mechanical energy into electrical. The goal of present thesis is the study of the behavior of synchronous machine in case of transient phenomena and the determination of the parameters and time constants that determine its operation in such phenomena. The characteristic parameter of transient and subtransient reactances and time constants of synchronous machines that we tried to determine, have been used about 75 years, and for many purposes. Initially, such reactances and time constants were calculated to give both machine designers, and users, of synchronous machines a first-hand knowledge of-short-circuit current magnitudes and their rate of change. Such magnitudes are important in establishing switchgear fault rating. This knowledge also enables mechanical stresses to be calculated between armature winding resulting from excessive currents that occur during electrical disturbances at or near the synchronous machines terminals. In addition, protective schemes could be devised so that relays could be correctly calibrated to trip armature or field circuit breakers, and thus remove faulted machines from the power systems.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Πραγματεύεται τη βελτιστοποίηση των σχεδιαστικών παραμέτρων της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με στόχο την επίτευξη μεγιστοποίησης της ροπής εκκίνησης και ελαχιστοποίησης του ρεύματος εκκίνησης. Μελετήθηκε η σχέση που υπάρχει ανάμεσα στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (διαστάσεις) και στις επιδόσεις και τη γενικότερη λειτουργία της μηχανής. Η σχεδίαση και η παραμετροποίηση του τριφασικού επαγωγικού κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού που μελετήθηκε, έγινε μέσω του προγράμματος «Opera» της Vector Fields, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Όσον αφορά τη διαδικασία της εύρεσης του βέλτιστου μοντέλου, αυτή πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του εργαλείου Optimizer που παρέχεται από το πρόγραμμα «Opera». Στη συνέχεια μελετήθηκε και αξιολογήθηκε το αρχικό και το βέλτιστο μοντέλο ώστε να αποκτηθεί σαφής εικόνα για τη λειτουργία τους καθώς επίσης και για τις διαφορές που παρουσιάζουν. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βελτιστοποίηση σαν έννοια αρχικά και στη συνέχεια περιγράφονται τα βήματα που ακολουθούνται για το σωστό ορισμό ενός προβλήματος βελτιστοποίησης. Γίνεται μια ταξινόμηση των προβλημάτων σύμφωνα με την πολυπλοκότητα, το μέγεθος και την ταχύτητα εύρεσης της λύσης. Επιπλέον, αναφέρονται και αναλύονται οι κυριότερες μέθοδοι βελτιστοποίησης και όσες χρησιμοποιούνται περισσότερο με βάση τη βιβλιογραφία. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές κατασκευής και λειτουργίας της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Μέσα από αυτή την ανάλυση προκύπτουν συμπεράσματα για τα πιθανά πεδία λειτουργίας της Α.Μ. στα οποία μπορεί να υπεισέλεθει ζήτημα βελτιστοποίησης. Αναφέρονται και σχολιάζονται για κάθε πεδίο τα μεγέθη και τα φυσικά φαινόμενα που συμμετέχουν. Επίσης, μελετώνται οι σχεδιαστικές παράμετροι του στάτη και του δρομέα που καθορίζουν τη χαρακτηριστική ροπής-στροφών και την απόδοση της μηχανής και οι οποίες στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν στο δικό μας πρόβλημα. Το τρίτο καφάλαιο, περιγράφει τη διαδικασία παραμετροποίησης του μοντέλου του προς μελέτη τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού στο πρόγραμμα Opera. Εξηγείται η πορεία σχεδίασης για κάθε «κομμάτι» της μηχανής ξεχωριστά ξεκινώντας από το στάτη, συνεχίζοντας με το δρομέα και τέλος με την εισαγωγή του διακένου. Υπάρχουν επίσης αναφορές σχετικές με την ανάλυση και μετ-επεξεργασία του μοντέλου. Ακόμη, δίνεται ένα τμήμα του αρχείου στο οποίο υπάρχει το παραμετροποιημένο μοντέλο σαν μια πρώτη εικόνα για το πώς αυτό δημιουργήθηκε. Η παραμετροποίηση έγινε κατά το μεγαλύτερο μέρος της στο περιβάλλον εργασίας του Pre and Post Processor του Opera-2D και κατά ένα μικρότερο μέρος γράφτηκε κώδικας. Στο τέταρτο κεφάλαιο καθορίζεται και διατυπώνεται πλέον το πρόβλημα που θα μας απασχολήσει στην παρούσα εργασία. Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί έναν πλήρη «οδηγό χρήσης» του εργαλείου Optimizer που χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση του βέλτιστου μοντέλου στην περίπτωση που αυτό είναι σχεδιασμένο στις δύο διαστάσεις με τη βοήθεια του προγράμματος Opera-2D. Αναφέρονται με κάθε λεπτομέρεια τα βήματα που ακολουθούνται ώστε να μπορέσει ένα οποιοδήποτε μοντέλο να δοθεί για βελτιστοποίηση στο συγκεκριμένο πρόγραμμα όπως επίσης και τα βήματα για τον ορισμό των αντικειμενικών συναρτήσεων, των σχεδιαστικών παραμέτρων και των περιορισμών στον Optimizer. Υπάρχουν επισημάνσεις και παρατηρήσεις στα σημεία που αντιμετωπίστηκαν οι περισσότερες δυσκολίες και καθυστερήσεις κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσμα της βελτιστοποίησης, αναλύεται το αρχικό και το βέλτιστο μοντέλο, γίνεται αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων, πραγματοποιείται σύγκριση των δύο μοντέλων και τελικά διατυπώνονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών του πανεπιστημίου Πατρών και το θέμα της αφορά τη μελέτη σφαλμάτων στο δρομέα τριφασικής σύγχρονης μηχανής έκτυπων πόλων με τη δημιουργία δισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικού σύγχρονου κινητήρα έκτυπων πόλων κατά την ασύγχρονη εκκίνηση του σε τρείς περιπτώσεις, με σφάλμα σε μία μπάρα ενός έκτυπου πόλου, στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και χωρίς κανένα σφάλμα και σύγκριση των αποτελεσμάτων. Για την σχεδίαση του μοντέλου του τριφασικού κινητήρα χρησιμοποιήθηκαν τα κατασκευαστικά στοιχεία μιας πραγματικής τριφασικής μηχανής πού προορίζεται για λειτουργία σε υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας με τη δυνατότητα λειτουργίας σαν αντλία. Για την κατασκευή και εξομοίωση του μοντέλου στις δύο διαστάσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Opera-2d, το οποίο χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μια αριθμητική μέθοδο για να προσομοιώσει τη φυσική λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών. Για την επιτυχία του μοντέλου χρειάστηκαν αρκετές μετρήσεις και υπολογισμοί από τα δεδομένα που είχαμε τα οποία δεν παραθέτονται. Με την περάτωση του μοντέλου εξομοιώθηκαν διαφορετικές λειτουργίες στη μόνιμη κατάσταση για εξακρίβωση της ακρίβειας του μοντέλου που κατασκευάσαμε. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια, όπου αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική περιγραφή των βασικών εννοιών της ηλεκτρικής ενέργειας και των βασικών αρχών που διέπουν την κατασκευή και λειτουργία των σύγχρονων μηχανών και γενικότερα των τριφασικών σύγχρονων μηχανών έκτυπων πόλων. Στο κεφάλαιο 2 εξηγείται πιο αναλυτικά η λειτουργία του τριφασικού σύγχρονου κινητήρα και οι μέθοδοι της εκκίνησης του με έμφαση στην ασύγχρονη εκκίνηση. Επίσης παρουσιάζονται μερικά δεδομένα γενικά γύρω από τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 3 δίνονται επιγραμματικά τα κυρίως βήματα που ακολουθήσαμε κατά την σχεδίαση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων μαζί με τα σχέδια των τμημάτων του κινητήρα και τα κυριότερα παράθυρα ελέγχου του λογισμικού Opera-2d. Στο κεφάλαιο 4 δίνονται τα βήματα και τα παράθυρα ελέγχου για τις παραμέτρους της ανάλυσης και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που για τις τρείς περιπτώσεις τους υγιούς μοντέλου, του μοντέλου με σπασμένη μπάρα και το μοντέλο με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Στο τέλος του κεφαλαίου 4 εξάγονται τα συμπεράσματα μας για την ασύγχρονη εκκίνηση του σύγχρονου κινητήρα και πως αυτή επηρεάζεται από τα σφάλματα σε μία μπάρα βραχυκύκλωσης και στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. / This thesis was produced in the department of Electrical Engineering and Computer Science at the University of Patras and involves the study of rotor errors in a three phase synchronous motor with salient poles with the help of finite element analysis. The purpose of this thesis is the monitoring of a three-phase synchronous motor with salient poles during asynchronous starting, with one broken bar, broken ring and in a healthy state for comparing the results. For the design of the motor we used the machine data of a real motor which is used in a pumped storage hydroelectric generator. For the creation of the model in two dimensions we used the software Opera-2d, which uses the finite element method to simulate the operation of electric machines. For the success of the design, a number of measurements and calculations was taken from the machine data which are not included in the thesis. Also, after the completion of the model, we run simulations in steady state to verify that the model was running according to designer parameters. The thesis is divided in five chapters. In the first chapter there is a general description of the basic knowledge 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 there is a more detailed description of the operating characteristics of a three-phased synchronous motor and the starting methods, with emphasis at asynchronous starting. Additionally, there is some information regarding hydro-generator stations. Chapter 3 shows the main steps followed during the design stage of the model and it includes images of the main parts of the motor and the control windows of the software Opera-2d. Chapter 4 starts by showing the main steps and control windows for the analysis parameters and this is followed by the results of the simulations for the three cases: healthy motor, with broken bar and with broken ring. Finally the conclusions for the asynchronous starting of a synchronous motor and how it is affected by a broken bar and a broken ring at the rotor, are presented at the end of chapter 4.

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 παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό, την πρσοομοίωση και την κατασκευή κυκλώματος για την οδήγηση και τον έλεγχο στροφών κινητήρα τύπου DC Brushless.Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και η κατασκευή κυκλώματος τριφασικού αντιστροφέα ισχύος για να επιτύχουμε οδήγηση και έλεγχο κινητήρα τύπου DC Brushless. Ο κινητήρας αυτού του τύπου είναι Σύγχρονος κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη. Για το λόγο αυτό το πρώτο πράγμα που μελετήθηκε στην παρούσα εργασία είναι κάποιες θεμελιώδεις ιδιότητες του μαγνητικού πεδίου, καθώς και τα χαρακτηριστικά των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε τέτοιους τύπους κινητήρων. Στην συνέχεια αναλύονται οι κινητήρων Brushless DC ως προς την κατασκευή τους καθώς και τη λειτουργία τους. Παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους και οι χαρακτηριστικές ροπής-ταχύτητας και επιπλέον γίνεται σύγκριση αυτών με κινητήρες άλλων τύπων. Ακολουθεί η περιγραφή της προσομοίωσης του συστήματος η οποία πραγματοποιήθηκε στο πρόγραμμα προσομοίωσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων Simulink του Matlab. Αναλύεται η λογική στην οποία βασιστήκαμε για την προσομοίωση και παρατίθενται οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος σε διάφορα σημεία του κυκλώματος. Έπειτα γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε καθώς και όλων των άλλων κυκλωμάτων και στοιχείων που απαιτήθηκαν για τη λειτουργία της διάταξης. Επιπλέον περιγράφεται η μέθοδος παλμοδότησης που χρησιμοποιήθηκε για την έναυση/σβέση των διακοπτικών στοιχείων ισχύος. Τέλος γίνεται αναλυτική παράθεση του τελικού κυκλώματος που κατασκευάστηκε. Προχωράμε με την περιγραφή των ιδιοτήτων και δυνατοτήτων του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε στην πλακέτα μας, καθώς επίσης και με τη λογική που ακολουθήθηκε κατά τον προγραμματισμό του. Τέλος παραθέτονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων και τα παλμογραφήματα που ελήφθησαν κατά τη διεξαγωγή τους. Γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων αυτών και αξιολόγηση της κατασκευής. / This thesis is focused in the study and development of a Drive System for a DC Brushless motor. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, at the department of Electrical and Computer Engineering, in the University of Patras, Greece. DC Brushless motors, have been used in the last years they are used in a number of applications. They combine all the benefits of a DC motor, such as their operation simplicity and their linear characteristics, avoiding the brushes and the necessary excitation of DC motors, making them a suitable choice for low and medium power applications. The main purpose of this project is the Study and Construction of a Three-Phase Voltage Source Inverter for the control of the performance of a DC Brushless Motor by the implementation of a Scalar control. This thesis began with the simulation of the motor, since it is necessary for the understanding of its dynamic behavior. Then an analysis on the design and construction of the required circuit boards is done. Finally the used microcontroller (dsPIC family) was studied thoroughly, before writing the necessary code(C & assembly) for open and closed loop control. Finally, measurements were taken for the open loop control system. Conclusions were made as far as the behavior of the motor and ways to optimize the control were discussed.