Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός μετατροπέα ανόρθωσης και υποβιβασμού τάσης, με διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η χρήση αυτού του μετατροπέα προορίζεται για τη φόρτιση των μπαταριών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή μιας τριφασικής ανορθωτικής διάταξης υποβιβασμού τάσης η οποία θα πληρεί τις προδιαγραφές περί αρμονικών που θεσπίζονται από τους διεθνείς κανονισμούς. Η δυνατότητα λειτουργίας υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος πηγάζει από τη μεθοδολογία ελέγχου του μετατροπέα ο οποίος παράλληλα θα πρέπει να επιτελεί το έργο ενός φορτιστή μπαταριών προσφέροντας τη δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος και της τάσης εξόδου και προσαρμόζοντας τη λειτουργία του στο εκάστοτε προφίλ φόρτισης των μπαταριών τις οποίες διαχειρίζεται. Αρχικά αναλύεται η σημασία της διόρθωσης του συντελεστή ισχύος στα σύγχρονα ηλεκτρικά συστήματα και παρουσιάζονται τόσο μεθοδολογίες ελέγχου όσο και ανορθωτικές διατάξεις για λειτουργία υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Στη συνέχεια γίνεται μια σύντομη αναφορά στις μπαταρίες ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας, παρουσιάζονται μέθοδοι και διατάξεις φόρτισης συσσωρευτών ενώ παράλληλα αναλύονται θέματα που αφορούν την ταχύτητα φόρτισης και την διάρκεια ζωής των μπαταριών με τελικό στάδιο την παρουσίαση των μπαταριών του ηλεκτροκίνητου οχήματος του εργαστηρίου και την επιλογή του κατάλληλου προφίλ φόρτισής με βάση τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τις προδιαγραφές τους από τον κατασκευαστή. Το επόμενο βήμα είναι η παρουσίαση του τριφασικού μετατροπέα, που θα υλοποιεί το προφίλ φόρτισης που έχει επιλεγεί, αλλά και της μεθοδολογίας ελέγχου για επίτευξη ημιτονοειδούς ρεύματος εισόδου. Τόσο ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος ως φορτιστής μπαταριών όσο και το κύκλωμα ελέγχου κλειστού βρόχου προσομοιώνονται στο λογισμικό Simulink του Matlab. Επίσης περιγράφονται η ανάλυση, ο σχεδιασμός και η κατασκευή όλων των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που απαιτούνται για την ορθή λειτουργία του μετατροπέα και παρουσιάζεται η λογική λειτουργίας του μικροϋπολογιστικού συστήματος που συντονίζει τον έλεγχο. Τέλος πραγματοποιούνται οι πειραματικές δοκιμές προκειμένου να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία του συνολικού συστήματος που κατασκευάστηκε αλλά και για να διαπιστωθούν τυχούσες αποκλίσεις μεταξύ θεωρίας και πράξης. / This diploma thesis deals with the design and construction of a buck type, unity power factor rectifier intended for electric vehicle battery charging. The work was conducted in the Electromechanical Energy Conversion Laboratory, placed at the Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. The main purpose of this thesis is to construct a three-phase buck-type rectifier which meets with the requirements for low input current harmonics established by international regulations. The ability to operate under unity power factor derives from the control method of the converter. The converter will be also performing the task of a battery charger. Therefore, the overall system should be able to provide control of the output voltage and current and adjust its operation to the charging profile and the type of the battery used. Initially, the significance of power factor correction in modern electrical systems is mentioned and control methods as well as the most commonly used rectifiers for unity power factor operation are presented. Then, a brief reference to the batteries as energy storage means is made and charging methods and devices are presented. Certain issues related to charging speed and battery life are approached. The final stage is the presentation of the batteries installed in the electric vehicle of the Laboratory and the selection of the appropriate charging profile based on the technical specifications of the manufacturer. The next step is the presentation of the three-phase rectifier which realizes the selected charging profile and the control method in order to achieve sinusoidal input currents .Both the electronic power converter as a battery charger and the closed-loop control circuit are simulated using Simulink of Matlab .The analysis, design and the construction of all electrical and electronic circuits required for the proper operation of the converter is described and the programming logic of the microcontroller that coordinates the control is presented. Finally, experimental tests are performed in order to check the proper functioning of the overall constructed system and detect any deviations between theory and practice.

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.