Στην παρούσα διπλωματική εργασία περιγράφεται η εφαρμογή μη γραμμικών μεθόδων ελέγχου στους Boost και Buck Boost DC-DC μετατροπείς που χρησιμοποιούν την τεχνική PWM. Συγκεκριμένα αναφερόμαστε στην μέθοδο ελέγχου βασισμένη σε παθητική σχεδίαση (PBC) καθώς και στην βασισμένη σε παθητική σχεδίαση μέθοδο ορισμού εσωτερικής ζεύξης και απόζευξης (IDA-PBC) και παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων μέσω του προγράμματος Matlab-Simulink. Τέλος παρουσιάζεται ένας νέος μη γραμμικός-δυναμικός ελεγκτής, ικανός να διαμορφώσει την τάση εξόδου ανεξάρτητα από τον τύπο του φορτίου για τον DC-DC boost μετατροπέα. / The current diploma thesis discusses the application of nonlinear control methods for Boost and Buck Boost DC-DC converters using Pulse-Width-Modulation technique. Specifically we refer to the Passivity Based Control (PBC) as well as the Interconnection and Damping Assignment-Passivity Based Control (IDA-PBC) and Matlab-Simulink’s simulation results are presented. Finally, a new nonlinear dynamic control scheme suitable for DC-DC boost converter is introduced, capable of regulating the converter output at the desired level independently from the kind of the load.

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.

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. / --

Depuis les dix dernières années, dans les domaines liés aux transports (automobile, avionique, ferroviaire, naval), les technologies thermiques et hydrauliques tendent à laisser de plus en plus de place aux systèmes électriques. L’intérêt et le dynamisme de la Recherche en électronique de puissance se justifient par le rôle déterminant que la discipline joue au sein du développement des systèmes embarqués "plus électriques". Ce mémoire de thèse s’intéresse à l’étude de convertisseurs d’électronique de puissance, les onduleurs à source impédante, en tant que topologies alternatives aux architectures existantes au sein des systèmes de traction électrique. Plusieurs études sont établies suivant différents critères, qui, au delà d’une simple comparaison avec les architectures conventionnelles, proposent des solutions et des améliorations intervenant aussi bien dans le contrôle du système que dans sa topologie initiale. Ces études sont toutes appliquées à un système de traction électrique muni d’une machine synchrone à aimants et d’un onduleur à source impédante alimentée par une source de tension continue. Les résultats qui en découlent ont montré de larges intérêts de ces topologies concernant la maîtrise de la qualité du courant de batterie (annulation de ses ondulations hautes fréquences) mais aussi la maîtrise de certaines contraintes liées aux vieillissement des machines (possibilité de maîtriser les dv/dt). Certains inconvénients sont néanmoins établis comme le fait que la topologie n’offre guère d’amélioration du rendement (en comparaison avec les structures classiques) ou comme le fait que l’architecture rende dépendantes les commandes de l’onduleur à source impédante (côté DC) et de la machine (côté AC) / Over the past ten years, hydraulic and thermal technologies tend to make room for electrical system. Fields related to transportation (automotive, avionics, railway or naval) are directly impacted. The interest and dynamism in power electronics Research are justified by the impact of such a field in the development of embedded systems. This thesis focuses on the study of impedance-source inverters as possible topologies to replace conventional ones. Several studies are conducted according to different criteria and do not aim at only comparing the topologies. It proposes solutions and improvements in the control system as well as in its basis architecture. These studies are all applied to an electric traction system composed of an synchronous machine fed by an impedance-source inverter. It is showed that large interests come out of the obtained results. For instance, the cancellation of the high-frequency current ripples allows mastering the quality of the battery current. Moreover, some constraints as regards machine ageing can be reduced by mastering the slew rates dv/dt. Some drawbacks are nevertheless pointed out. There is no need in using such a topology to improve efficiency that is above the same as conventional structures. Moreover, controls of DC-side AC-side of the system are dependent due to the fact that inverter’s control is used to step up the DC-bus voltage