Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τη μελέτη σφάλματος στο δρομέα τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με τη δημιουργία δισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων και σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με βραχυκυκλωμένο δρομέα, με και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης καθώς και ανίχνευση του σφάλματος. Με εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis» ή «ΜCSA» είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε την ύπαρξη κάποιου σφάλματος στο κινητήρα. Η μέθοδος «ΜCSA» χρησιμοποιεί αισθητήρες οι οποίοι δεν διεισδύον στο εσωτερικό της μηχανής και η λειτουργία της βασίζεται στην ανάλυση του φάσματος του ρεύματος του στάτη (ρεύματος τροφοδοσίας) μίας ασύγχρονης μηχανής, με σκοπό να εντοπιστεί ένα σφάλμα εν τη γένεση του στον κινητήρα. Η ύπαρξη κάποιου σφάλματος προκαλεί την εμφάνιση αρμονικών συνιστωσών χαρακτηριστικών του συγκεκριμένου σφάλματος. Πραγματοποιήθηκε σχεδίαση μοντέλου τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα στις δύο διαστάσεις με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων «Opera – 2d» για να μελετηθεί η λειτουργία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με σφάλμα και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης, καθώς και για εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis». Με εξομοίωση του κινητήρα παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη και της ροπής για εφαρμογή της μεθόδου «MCSA». Στη συνέχεια με υλοποίηση πειραματικής διάταξης πραγματοποιήθηκε μελέτη της συμπεριφοράς τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα με βραχυκυκλωμένο δρομέα, με και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Από την πειραματική διάταξη παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη για εφαρμογή της μεθόδου «MCSA». Τέλος έγιναν οι απαραίτητες συγκρίσεις ανάμεσα στα αποτελέσματα του κινητήρα με σφάλμα και χωρίς σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης καθώς και ανάμεσα στα αποτελέσματα της εξομοίωσης και των πειραματικών αποτελεσμάτων. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 6 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια περιληπτική αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν την κατασκευή και την λειτουργία της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Επίσης γίνεται αναφορά στα τυλίγματα των ασύγχρονων μηχανών καθώς και στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την εκκίνηση των τριφασικών ασύγχρονων κινητήρων. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται παρουσίαση της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis» η οποία χρησιμοποιείται για την ανίχνευση σφαλμάτων καθώς και για την επιτήρηση της λειτουργίας τριφασικών ασύγχρονων μηχανών. Παρουσιάζονται οι λόγοι για τους οποίους είναι χρήσιμο ένα τέτοιο διαγνωστικό σύστημα, η διάταξη υλοποίησης, τι πρέπει να προσέχουμε κατά την εφαρμογή του και πως εφαρμόζεται σε πολύπλοκα συστήματα. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής εργασίας. Γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης που υλοποιείται στο εργαστήριο για εφαρμογή της μεθόδου «Motor Current Signature Analysis». Από δύο όμοιους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες, ένα με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και ένα χωρίς σφάλμα παίρνουμε τις κυματομορφές του ρεύματος στάτη στις οποίες θα γίνει ανάλυση FFΤ έτσι ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης. Στο κεφάλαιο 4 βλέπουμε τη σχεδίαση και εξομοίωση των δύο κινητήρων που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη, με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων «Opera–2d». Παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδίασης των δύο κινητήρων καθώς και κάποια βήματα τα οποία προηγούνται της ανάλυσης. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε δυναμική ανάλυση στα δύο μοντέλα του κινητήρα με δύο διαφορετικές μεθόδους : i) υπό σταθερό αριθμό στροφών ανά λεπτό του δρομέα και ii) υπό σταθερό φορτίο στο κινητήρα. Επίσης πραγματοποιήθηκε ανάλυση κατά την εκκίνηση των δύο κινητήρων καθώς και υπό φορτίο. Για το κινητήρα με σφάλμα πραγματοποιήσαμε και μη γραμμική ανάλυση υπό φορτίο. Τέλος στο κεφάλαιο 6 πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων καθώς και των αποτελεσμάτων τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε ανάλυση FFT στις κυματομορφές του ρεύματος στάτη καθώς και της ροπής για τους δύο κινητήρες. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν εξάγαμε σημαντικά συμπεράσματα όσο αφορά τη λειτουργία των δύο κινητήρων. Επίσης έγινε και μια σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της βελτιστοποίησης της σχεδίασης μιας ασύγχρονης μηχανής. Αρχικά έγινε o σχεδιασμός ενός μοντέλου ασύγχρονης μηχανής με τη χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design. Το μοντέλο σχεδιάστηκε με βάση τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός τετραπολικού τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα κλωβού, ισχύος 4 KW, με 36 αυλακώσεις στο δρομέα και 28 στο στάτη. Η σχεδίαση του μοντέλου έγινε με χρήση κώδικα, ούτως ώστε το μοντέλο να είναι παραμετροποιημένο. Αυτό μας επιτρέπει να έχουμε τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής σαν μεταβλητές, το οποίο είναι απαραίτητο για να εφαρμοστεί η διαδικασία της βελτιστοποίησης. Στην συνέχεια προχωρήσαμε στη διαδικασία της βελτιστοποίησης. Η εύρεση του βέλτιστου μοντέλου δεν είναι μοναδική, αλλά εξαρτάται κάθε φορά από τα κριτήρια που έχουμε θέσει. Για παράδειγμα μπορούμε να επιτύχουμε βελτιστοποίηση ως προς το κόστος κατασκευής του κινητήρα, ως προς τη ροπή εκκίνησης, ως προς το συντελεστή ισχύος, ως προς το βαθμό απόδοσης κ.ο.κ. Βλέπουμε επομένως, ότι ο στόχος σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, δηλαδή η αντικειμενική συνάρτηση, δεν είναι μοναδικός αλλά εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την μηχανή μας. Κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήσαμε πέντε διαφορετικές βελτιστοποιήσεις, χρησιμοποιώντας κάθε φορά διαφορετική αντικειμενική συνάρτηση και διαφορετικές σχεδιαστικές μεταβλητές (παραμέτρους). Για τις βελτιστοποιήσεις χρησιμοποιήσαμε τον Optimizer της Όπερα. Στις δύο πρώτες βελτιστοποιήσεις που κάναμε είχαμε σαν παράμετρο μόνο το βάθος της μπάρας του δρομέα. Αυτό το κάναμε διότι θέλαμε να μελετήσουμε την επίδραση του βάθους της μπάρας στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη συμπεριφορά της μηχανής. Στην πρώτη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή εκκίνησης, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί, ενώ στη δεύτερη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης της μηχανής στις ονομαστικές στροφές, τον οποίο ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στις επόμενες βελτιστοποιήσεις είχαμε σαν παραμέτρους όλα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μπάρας του δρομέα και κάθε φορά αλλάζαμε την αντικειμενική συνάρτηση του προβλήματος. Αρχικά ζητήσαμε να μας μεγιστοποιήσει τη ροπή εκκίνησης. Στη συνέχεια είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή που αποδίδει το μοντέλο στις ονομαστικές στροφές, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στην τελευταία βελτιστοποίηση που κάναμε είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης του μοντέλου στις ονομαστικές στροφές και ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Σε κάθε μία από τις βελτιστοποιήσεις που έγιναν, προέκυψε ένα βέλτιστο μοντέλο το οποίο αναλύσαμε και συγκρίναμε με το αρχικό μοντέλο. / We made an optimization of an asynchronous motor. First we design the motor in the programma Opera. The model of the motor is a 4-pole, asynchronous motor, 4 KW with 28 rotor slots and 36 stator slots. Then we madw the optimization using the Optimizer of Opera vectorfields. We made 5 types of optimizations, each time using different objective function and design variables. The best models each time analized and compares to the first one.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της μελέτης και διάγνωσης σφαλμάτων στάτη μιας ασύγχρονης μηχανής. Μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα κλωβού, σε υγιή κατάσταση αλλά και υπό συνθήκες σφάλματος. Πιο συγκεκριμένα, με τη χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων σε δυο διαστάσεις εξομοιώθηκαν πιθανά σφάλματα στο στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποιες βασικές αρχές λειτουργίας των ασύγχρονων μηχανών, μελετώνται τα κυριότερα σφάλματα που συναντώνται σε αυτές τις μηχανές και παρουσιάζονται οι γνωστότερες διαγνωστικές μέθοδοι σφαλμάτων που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Κυρίως αναλύεται η μέθοδος διάγνωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιεί την ανάλυση στο πεδίο της συχνότητας του ρεύματος στάτη (MCSA) η οποία και χρησιμοποιείται τελικά για τη διάγνωση των συγκεκριμένων σφαλμάτων. Ειδικότερα, μελετήθηκαν δυο ειδών σφάλματα στάτη, τα οποία είναι πιθανόν να συμβούν σε αυτήν τη μηχανή, το βραχυκύκλωμα κάποιων σπειρών εντός της ίδιας αυλάκωσης μιας φάσης και το βραχυκύκλωμα σπειρών σε δυο γειτονικές αυλακώσεις της ίδιας πάλι φάσης του στάτη τα οποία και μελετώνται αναλυτικά παρακάτω. Στο επόμενο κεφάλαιο εξομοιώθηκαν τα δύο μοντέλα με σφάλμα, όπως προαναφέρθηκε με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων κάνοντας όλες τις απαραίτητες τροποποιήσεις στις παραμέτρους των αρχικών μοντέλων ώστε να απεικονιστούν στα μοντέλα τα σφάλματα που επιθυμούμε. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται όλες οι γραφικές παραστάσεις των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών για όλες τις περιπτώσεις όπως αυτές προέκυψαν από την ανάλυση με το πρόγραμμα της Opera -2d. Συγκεκριμένα, τα μοντέλα αναλύθηκαν με έναν επιλυτή που λαμβάνει υπ’ όψιν και την κίνηση του δρομέα (RM solver), όπου ενώ η μηχανή στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών στην ονομαστική κατάσταση βλέπουμε τη συμπεριφορά της με και χωρίς τα σφάλματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο χρησιμοποιούνται οι διαγνωστικές μέθοδοι για την ανίχνευση των σφαλμάτων και παρατίθενται τα αποτελέσματά τους. Πιο συγκεκριμένα, αναλύθηκε το φάσμα συχνοτήτων των κυματομορφών του ρεύματος στάτη και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής (FFΤ), ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος. Επίσης μελετήθηκε η μορφή της χρονικής συνάρτησης του μαγνητικού πεδίου σε ορισμένα χαρακτηριστικά σημεία της μηχανής. Τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα , μαζί με την συνεισφορά της εργασίας καθώς και θέματα για διερεύνηση. / In this paper we dealt with the topic of the study and diagnosis of errors stator asynchronous machine. Modeled and analyzed the function of a three-phase asynchronous motor cage, but in a healthy state and under fault conditions.

Les pertes supplémentaires en charge dans les machines électriques représentent une contribution non-négligeable aux pertes totales. Elles constituent un point clé pour une évaluation exacte de l’efficacité énergétique des moteurs. L’objectif de ce travail a donc été d’investiguer les pertes supplémentaires, de déterminer et de quantifier leurs origines tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le modèle de calcul des pertes supplémentaires, développé dans la thèse, est basé sur l’essai normalisé de bilan de puissances. L’utilisation de ce dernier nécessite des modèles de calcul des pertes fer et des pertes par courants induits harmoniques. Le choix s’est porté sur des modèles de calcul des pertes en post-traitement d’un code par éléments finis. Ces modèles ont été testés dans un premier temps sur une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) où l’influence des harmoniques de découpage a été étudiée. Ensuite, les pertes supplémentaires ont été calculées pour un moteur de 500 kW et deux moteurs de 6 kW à barres droites et inclinées. Plusieurs études ont été effectuées sur les origines des pertes supplémentaires, comme les flux de fuite d’extrémités, les flux de fuite zig-zag ainsi que les flux de fuite d’inclinaison, et leurs contributions ont été quantifiées. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais effectués sur la MSAP et sur les deux maquettes montre une bonne concordance. Ces résultats démontrent la capacité des modèles proposés à estimer les pertes fer, les pertes par courants induits et les pertes supplémentaires avec une bonne précision pour différents types de machines électriques et différents points de fonctionnements. / The stray load losses (SLL) in electrical machines represent a non-negligible contribution to the total losses and are a key point for an accurate evaluation of the energy efficiency of the considered device. The aim of this work is to investigate the SLL, to determine and quantify their origins using precise models of the studied motors. The SLL model calculation, developed in this thesis, is based on the normalized Input-Output test. This later requires models for the core and harmonic eddy current losses. The choice has been made for calculating the losses in the post- processing step of a finite element code. These models were tested, first, on a permanent magnet synchronous machine (PMSM), where the influence of the carrier harmonics is studied. Then, the SLL were calculated for a 500 kW induction motor and for two 6 kW motors with skewed and non-skewed rotor bars. Several studies have been performed to study the origins of the SLL such as the end-region leakage fluxes, the zig-zag leakage fluxes and the skew leakage fluxes, and quantify their contributions. The comparison, between the simulation results and those measured on the PMSM and both 6 kW motors, shows a good agreement. This demonstrates the ability of an accurate estimation of the core, eddy currents and SLL losses using the proposed post-processing calculation method, for different types of electrical machines under different operating conditions.

Le travail de recherche présenté dans cette thèse concerne le diagnostic des défauts rotoriques et mécaniques de la machine asynchrone. En premier lieu, est proposée une synthèse des méthodes de diagnostic appuyées par des expérimentations avec des défauts créés au rotor et au stator de la machine asynchrone alimentée à partir du réseau. Et dans le même sillage, une étude expérimentale sur la comparaison en amplitude et en phase des signatures de défauts de barres dans les spectres du courant statorique et de la tension entre neutres a été abordée. Dans un deuxième temps, la machine asynchrone est alimentée par un convertisseur faisant corps avec celle-ci. On a introduit une nouvelle technique de diagnostic, basée sur l'analyse spectrale des courants du réseau (en amont de l'ensemble convertisseur-machine). Finalement, et afin de simuler le comportement de la machine, il était nécessaire de développer un modèle précis prenant en compte les harmoniques d'espace, et la tension entre neutres, pour corroborer les fréquences induites par les défauts rotoriques dans la tension entre neutres, une étude théorique a été présentée qui a donné des résultats intéressants / The research presented in this thesis concerns the diagnosis of rotor and mechanical defaults of the induction machine. First, there is provided a summary of the diagnostic methods supported by experiments with defects created in the rotor and stator of the asynchronous machine fed from the network. And in the same vein, an experimental study on the comparison in amplitude and phase signatures of defects in bar in the spectra between the stator current and neutral voltage was discussed. In a second step, the induction motor is fed by a converter mounted directly onto the motor. We introduced a new diagnostic technique based on spectral analysis of the currents of the network (upstream of the converter-machine). Finally, in order to simulate the behavior of the machine, it was necessary to develop an accurate model taking into account the space harmonics, and neutral voltage. To corroborate the frequency induced by rotor defects in the neutral voltage, a theoretical study was presented which gave interesting results

Στις ηλεκτρικές μηχανές η θερμική ανάλυση είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, διότι η θέρμανση μίας μηχανής είναι αυτή που τελικά οριοθετεί την ονομαστική ισχύ της. Ακριβής θερμική μοντελοποίηση της μηχανής απαιτείται για την επίτευξη υψηλής απόδοσης, την ορθή σχεδίαση, την επιλογή των υλικών και του τρόπου ψύξης και τη βελτιστοποίηση κόστους. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των απωλειών, ο υπολογισμός της παραγόμενης θερμότητας και η εύρεση της κατανομής θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. / Thermal analysis of electrical machines is as important as electromagnetic analysis, since the machine heating actually determines the nominal power of the machine. Accurate thermal modelling is necessary in order to achieve high performance, proper design, cost optimization and selection of the most suitable materials and cooling method. The goal of this project is the study of power losses and the calculation of the produced heat and temperature distribution inside an induction motor, which operates at steady state, using the finite element method.

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.

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.

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.

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. / --