Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την εξομοίωση ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη οδηγούμενο από ελεγχόμενο τριφασικό αντιστροφέα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με τη βοήθεια του λογισμικού Opera σε δύο διαστάσεις (2d). Στο περιβάλλον σχεδίασης κυκλωμάτων του ίδιου προγράμματος, μοντελοποιήθηκε και ο τριφασικός αντιστροφέας ισχύος για την οδήγηση του κινητήρα. Στην συνέχεια, έγινε διασύνδεση του λογισμικού Opera με το πρόγραμμα Simulink του λογισμικού Matlab, με απώτερο σκοπό να επιτευχθεί έλεγχος κλειστού βρόχου της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη και προσομοίωση ενός συγκεκριμένου 8πολικού κινητήρα τύπου Brushless DC, ονομαστικής ισχύος 660 W, ονομαστικής τάσης 48 V, και ονομαστικής ταχύτητας 3000 rpm ο οποίος τροφοδοτήθηκε στην είσοδό του με τριφασικό αντιστροφέα. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε, στην εξομοίωση του τρόπου λειτουργίας των αισθητήρων Hall, μέσω των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα, τα οποία ρυθμίστηκαν για να λειτουργούν σε κατάλληλες, για την υπό μελέτη μηχανή, χρονικές περιόδους. Κρίσιμη ήταν επίσης, η διαδικασία εύρεσης των κατάλληλων κερδών των ελεγκτών PI, έτσι ώστε να βελτιωθεί η μεταβατική απόκριση του συστήματος κλειστού βρόχου και να μειωθεί το σφάλμα μόνιμης κατάστασης ταχύτητας. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στα θεμελιώδη μεγέθη του μαγνητικού πεδίου, καθώς και στις ιδιότητες των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη. Στο κεφάλαιο 2 αναλύονται οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη και γίνεται εκτενής αναφορά στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, στη βασική αρχή λειτουργίας και στις μαθηματικές εξισώσεις που τους περιγράφουν. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η διάταξη οδήγησης του κινητήρα και αναλύονται λεπτομερώς η λειτουργία και του αντιστροφέα και του κυκλώματος ελέγχου κλειστού βρόχου. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η διαδικασία διεξαγωγής μετρήσεων και σχεδιασμού του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων της μηχανής στο περιβάλλον του υπολογιστικού προγράμματος Opera-2d. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται η διαδικασία σχεδιασμού του τριφασικού αντιστροφέα και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα εξομοίωσης για το σύστημα ανοικτού βρόχου. Στο κεφάλαιο 6 εξηγείται η διαδικασία διασύνδεσης των δύο προγραμμάτων (Matlab-Opera) και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για το σύστημα ελέγχου κλειστού βρόχου. / In this dissertation, the design and simulation of a permanent magnet synchronous motor driven by a three-phase inverter, is presented. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The objective of this dissertation is the study and simulation of a permanent magnet synchronous motor employing the finite element method, with the help of Opera-2d simulation software. In the Circuit Editor environment of the same software, a three-phase inverter for driving the motor was designed, utilizing the PWM method and achieving open loop control of the motor rotation speed under constant loads. In addition, a closed loop control system was designed on Simulink user interface of Matlab software and making use of the interconnection capability of the two programs (Matlab-Opera) closed loop control of the motor rotation speed was achieved. Specifically, chapter 1 gives reference to fundamentals of the magnetic field and the magnetic properties of materials used in the construction of modern permanent magnet machines. Chapter 2 analyzes synchronous permanent magnet motors and makes an extensive reference to the constructional features, basic operation principle and the mathematical equations that describe them. Chapter 3 describes the motor driving converter and analyzes in detail the operation of the inverter and the closed loop control circuit. Chapter 4 describes the procedure for carrying out measurements and designing the finite element model of the machine in the environment of Opera-2d software. Chapter 5 describes the three-phase inverter design process and presents the simulation results for the open loop system. Chapter 6 explains the interconnection process of the two programs (Matlab-Opera) and presents the results of the simulation for the closed loop control system.

Σε αυτή τη διπλωματική εργασία γίνεται μελέτη του δικτύου διανομής και των σφαλμάτων που συμβαίνουν στις γραμμές μεταφοράς. Τα σφάλματα αναφέρονται σε ένα χρονικό διάστημα 15 ετών, από το 1989 ως το 2003 και καλύπτουν 35 γραμμές της Δυτικής Ελλάδας. Στη συνέχεια γίνεται επεξεργασία των δεδομένων και ταξινόμηση τους, ανάλογα με το έτος, την γραμμή μεταφοράς και το αίτιο που προκάλεσε το σφάλμα. Αναλυτικότερα, στο 1ο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας γίνεται: - γενική ανάλυση των στοιχείων μιας γραμμής μεταφοράς. - συνοπτική παρουσίαση των αγωγών, των μονωτήρων, των μετασχηματιστών και των πυλώνων που χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία μιας γραμμής μεταφοράς. - κατηγοριοποίηση των εναέριων γραμμών μεταφοράς ανάλογα με το μήκος τους. Επίσης, αναφέρονται οι απαιτήσεις των γραμμών μεταφοράς αλλά και οι τύποι που υπάρχουν. Τέλος, αναπτύσσεται διεξοδικότερα ο ρόλος που παίζει η διαδρομή της γραμμής στην αντικεραυνική συμπεριφορά. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται σύντομη αναφορά στο κλίμα της Ελλάδας, στην κεραυνική συχνότητα και σε βασικά χαρακτηριστικά των γραμμών και των πυλώνων στο υπό εξέταση δίκτυο. Στη συνέχεια, παρατίθενται κάποια τεχνικά στοιχεία του συστήματος μεταφοράς, όπως το πλήθος των εναέριων, υπόγειων και υποβρύχιων γραμμών μεταφοράς και κάποια βασικά μεγέθη του δικτύου ηλεκτρισμού. Τέλος τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι μια ευγενική παραχώρηση της Δ.Ε.Η. όπως βέβαια και όλα τα στοιχειά που εξετάζουμε. Το 3ο κεφάλαιο αναφέρεται στον εντοπισμό σφαλμάτων και αφιερώνεται σε μια γενική θεώρηση της λογική και της χρησιμότητας του εντοπισμού σφαλμάτων. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται: - ιστορική αναδρομή για τη συγκεκριμένη θεωρία και παρουσιάζονται συνοπτικά τα πλεονεκτήματα της. - μικρή αναφορά στα είδη σφαλμάτων που συμβαίνουν στους αγωγούς. - παρουσίαση πλεονεκτημάτων του “fault locator”. - αναφορά των μεθόδων εντοπισμού σφαλμάτων. Στο 4ο κεφάλαιο αναφέρονται τα είδη σφαλμάτων(χωρίζονται σε κατηγορίες με βάση τη χρονική τους διάρκεια και τις επιπτώσεις αυτών στο δίκτυο) που παρουσιάζονται στις γραμμές και γίνεται επεξεργασία αυτών. Οι κατηγορίες των σφαλμάτων είναι: - Παροδικά - Παραμένοντα - Μόνιμα Τα κριτήρια κατηγοριοποίησης είναι η διάρκεια των σφαλμάτων και το ύψος της ζημιάς που προκαλούν. Βέβαια οι δυο αυτές ποσότητες είναι αλληλένδετες και ανάλογες. Μια ζημιά που θα καταστρέψει παραδείγματος χάρη έναν πυλώνα θα διαρκέσει ως βλάβη, στην καλύτερη , περίπτωση μερικές μέρες. Έτσι τα παροδικά σφάλματα διαρκούν το πολύ μερικά δευτερόλεπτα και το δίκτυο στο οποίο εμφανίζεται το σφάλμα επανέρχεται σε λειτουργία από μόνο του, δίχως την ανάγκη παρέμβασης. Τα μόνιμα σφάλματα είναι τα σοβαρότερα και τα πλέον απευκταία. Απαιτούν την παρέμβαση συνεργείου της Δ.Ε.Η. στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων τους. Τα παροδικά είναι τα σφάλματα με χαρακτηριστικά κάπου ενδιάμεσα των δυο προηγούμενων κατηγοριών. Στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αιτία που προκαλούν τα σφάλματα στις γραμμές. Η πλειονότητα των σφαλμάτων προκαλείται εξαιτίας κακών ατμοσφαιρικών συνθηκών. Με τον όρο αυτό στη συγκεκριμένη περίπτωση εννοούμε κυρίως τα κεραυνικά πλήγματα πάνω σε μια γραμμή ή πολύ κοντά σε αυτή. Αρκετά πιο σπάνια μπορεί να προκαλέσει σοβαρό σφάλμα σε μια γραμμή ο δυνατός αέρας. Γίνεται, επίσης, ταξινόμηση σε πίνακες, ακολουθούμενα από διαγράμματα, των σφαλμάτων από το 1989 ως το 2003 ανάλογα με την γραμμή μεταφοράς και τον υποσταθμό που εμφανίστηκαν. Τέλος, στο 6ο κεφάλαιο γίνεται: - αναφορά της ανάγκης κατασκευής ενός ΣΑΠ (Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας) - αναφορά σε ορισμούς που αφορούν ένα ΣΑΠ - αναφορά στο σχεδιασμό ενός ΣΑΠ - παρουσίαση διάφορων μεθόδων προστασίας από κεραυνούς, που όπως αναλύθηκε είναι ένα από τα βασικότερα αίτια πρόκλησης σφαλμάτων - ανάλυση της συχνότητας των κεραυνών και πόσο συχνά πλήττουν τις γραμμές μεταφοράς - παρουσίαση μεθόδων υπολογισμού σφαλμάτων - θεωρητικός υπολογισμός σφαλμάτων για τις γραμμές R-11 και R-23. / This diploma thesis studies the transmission network and the faults that happened on the transmission lines. The faults referred to an interval of 15 years, between years 1989 and 2003 and they are about 35 transmission lines of Western Greece. Also, there is a treatment and a clarification of the data according to the year, the transmission line and the reason that caused the fault. Specifically, in the first chapter of the diplomatic there is: - a general analysis of the data transmission lines. - a summary of the actions of insulators, transformers and posts used in the operation of a transmission line. - a classification of overhead transmission lines according to their length. Also, there is a reference of the requirements of transmission lines and the types of them. Finally, is developed more extensively the role that has the path of the line (routing) in the protection of lines of high voltage. In the second chapter follows short report in the climate of Greece, in the thunder frequency and in basic characteristics of lines and pylons in the network under review. After that, there are the technical date of the transmission system, such as the amount of airspace, underground and underwater transmission lines and some key figures of electricity network. Finally the characteristics of network are a polite concession of Δ.Ε.Η. as of course and the data that we examine. The third chapter referred to debug devoted to an overview about the logic and usefulness of the fault location. In this chapter: - originally presented a history that had to accept the theory and summarizes the advantages - there is also a small reference to the types of faults that occur in the ducts - a summary of advantages of “fault locator” - reference to the methods of faults locating. In the fourth chapter are reported the types of faults (are separated in categories with base their time duration and the repercussions of these in the network) that are presented in the lines and takes place treatment of these. The categories of faults are: - Transitory - Remaining - Permanently The criteria of categorization are the duration of faults and the height of damage that they cause. Of course these two quantities are interrelated and proportional. A damage that will destroy for example pylon will last as damage, in better, case certain days. Thus the transitory faults lasts at maximum certain seconds and the network in which is presented the fault is back on line on his own, without the need of intervention. The permanent faults are most serious. They require the intervention of repair crew of Δ.Ε.Η. in the overwhelming majority of their cases. Transitory are the faults with characteristically somewhere in-between the two previous categories. In the fifth chapter is presented the reason that cause the faults in the lines. The majority of faults are caused because of the bad atmospheric conditions. With this term in the particular case we mainly mean the thunder strokes on a line or a lot near it. Enough more seldom it can cause serious fault in a line the strong air wind. There is, also, a clarification in tables (with the corresponding charts) of the faults between years 1989 and 2003 depending on the transmission line and the substation they took place. Finally, in the sixth chapter there is: - a reference to the construction need of lightning protection system (LPS) - a reference to definitions about the LPS - a reference to the designing of LPS - a presentation of several methods of protection from lightning, which is one of the main reasons faults. - an analysis of lightning frequency and how often they strike the transmission lines. - a presentation of methods of faults calculation - A theoretical calculation of faults in transmission lines R-11 and R-23.