No description available.

Mikronät är ett självförsörjande elnät och används bland annat då elektriskaprodukter kräver en AC-spänning men inte har tillgång till huvudnätet. Målet idetta projekt är att dimensionera och analysera de olika delarna som ett mikronätbestår av, för att sedan konstruera och testa ifall den uppfyller kraven utifrånvissa specifikationer.Metoderna som används för att dimensionera och analysera mikronätet bestårfrämst av beräkningar och simuleringar samt konstruktion av enstaka kretsar.Mikronätet består av en AC-drive, ett lågpassfilter och trefastransformator.Mikronätet konstrueras med en varierbar frekvens mellan 45 och 65 Hz, samtomvandling av 540 VDC till 400 VAC.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent la modélisation et l’optimisation d’un ensemble Convertisseur-Machine devant fonctionner à haute vitesse. La première partie établit un état de l’art des méthodologies de conception relatives au dimensionnement optimal de systèmes d’entrainement et analyse les particularités du fonctionnement à haute vitesse. Puis, une modélisation analytique multiphysique des éléments du système est réalisée. Afin de mener une conception globalement optimale, les interactions significatives entre les éléments du système doivent être modélisées. Cela est effectué à l’aide d’une modélisation électrique fine – qui est le cœur de la caractérisation des interactions – mettant en œuvre une approche harmonique originale. Il en découle alors une modélisation des interdépendances entre onduleur et machine au niveau des pertes dans le système et de la qualité du couple. La modélisation est ensuite couplée à un algorithme génétique selon une méthodologie de conception hybride faisant intervenir des modèles analytiques puis par éléments finis. Enfin, cette démarche est appliquée au dimensionnement de deux systèmes d’entrainement dont le moteur est une MSAP à aimantation orthoradiale. Ces deux cas d’application ont été traités avec succès et ont mis en avant l’intérêt d’une approche « Système » dans la conception de systèmes d’entrainement. Par ailleurs nous avons analysé les morphologies des machines en fonction de la vitesse de rotation. Ceci a fait ressortir des capacités intéressantes de ce type de machines – pour la haute vitesse – d’un point de vue magnétique, mécanique, et des pertes au rotor. / The work presented in this thesis aims at the modelling and optimisation of a set Converter-Machine that is intended to run at high speeds. The first part is a state of the art of the conception methodologies related to the optimal design of drives and investigates the particularities of high speed operations. Then, an analytic and multiphysic modelling of the elements of the system is performed. But, in order to carry out a global optimal conception, the significant interactions between the various elements of the system must be modelled. This is achieved through a precise electrical model – that is the core of the characterization of the interactions – involving an original harmonic approach. From this follows a modelling of the interdependences between inverter and machine in the system losses and in the torque quality. The models are then associated with a genetic algorithm according to a hybrid methodology of conception involving analytical and finite-element models. Finally, this procedure is applied to the design of two drives of which the motor is a PMSM with circumferentially magnetised magnets. These two cases have been successfully handled and clearly show the assets of a “System” approach for the design of drives. In addition, the morphologies of the optimal machines are analysed according to their rotation speed. This analysis highlights some interesting abilities of this kind of machines – in high speed – regarding the magnetic and mechanical behaviours, and the rotor losses.

At present, one of the main issues in electric power networks is the reduction in conventional generation and its replacement by low inertia renewable energy generation. The balance between generation and demand has a direct impact on the system frequency and system inertia limits the frequency rate of change until compensation action can be undertaken. Traditionally generation managed frequency. In future, loads may be required to do more than just be able to be switched off during severe under frequency events. This thesis focuses on the development and practical implementation of the control structure of a smart adaptive load for network power-frequency support applications. The control structure developed makes use of advanced demand side management of fan loads (powered by AC drives) used in heating, ventilation, and air conditioning systems; where a change in power at rated load has little effect on their speed due to the cubic relationship between speed and power. The AC drive implemented in this thesis is based on an induction motor and a two level voltage source converter. To achieve the smart adaptive load functionality, first a power-frequency multi-slope droop control structure (feedforward control) is developed; relating the frequency limits imposed by the network supplier and the fan power-speed profile (Chapter 2, Fig 2.19). Secondly, this control structure is combined with the control developed, in Chapter 3, for the AC drive powering the fan load. The full development of the control structure of the AC drive, its tuning process and its practical implementation is given; an equation is developed to find suitable tuning parameters for the speed control of the nonlinear load (fan load), i.e. Eq. (3.59).The analysis and simulation results provided in Chapter 4 conclude that a fast control of the active power drawn by the AC drive is possible by controlling the electromagnetic torque (hence current) of the induction motor without disturbing the fan load overly. To achieve this, changes between closed loop speed control and open loop torque control (power control) are performed when needed. Two main issues were addressed before the hardware implementation of the smart adaptive load: the estimation of the network frequency under distorted voltage conditions, and the recovery period of the network frequency. In this thesis two slew rate limiters were implemented to deal with such situations. Other possible solutions are also outlined. Finally, experimental results in Chapter 5 support results given in Chapter 4. A full power-frequency response is achieved by the smart adaptive load within 3s.

Το κεφάλαιο 1 αποτελεί εισαγωγή του αναγνώστη σε θέματα που αφορούν τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα. Αρχικά πραγματοποιείται μια σύντομη ιστορική αναδρομή και περιγραφή της εξέλιξης αυτών, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι θεματικές ενότητες που αποτελούν τη συμβολή της παρούσας διατριβής όπως ο έλεγχος των κινητήριων συστημάτων και η διάγνωση σφαλμάτων σε αυτά. Τέλος, υπογραμμίζονται οι στόχοι που ορίστηκαν και εκπληρώνονται στο πλαίσιο της εργασίας αυτής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια γενική περιγραφή των σταδίων παραγωγής τσιμέντου, παρουσιάζεται η χαρακτηριστική ροπής-στροφών του κλιβάνου με βάση τη διαθέσιμη βιβλιογραφία, αναλύονται λεπτομερώς οι τοπολογίες συστημάτων μετάδοσης που εγκαθίστανται σε κλιβάνους μικρής και μεγάλης παραγωγικής δύναμης, αναδεικνύονται οι προδιαγραφές που υφίστανται κατά την επιλογή των ηλεκτρικών κινητήριων μηχανών και τέλος τονίζονται οι απαιτήσεις του ελέγχου των κινητήριων μηχανών, έτσι όπως τίθενται από τη βιομηχανία τσιμέντου. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος και το οποίο απαρτίζεται από τα επιμέρους μοντέλα του κλιβάνου, του συστήματος μετάδοσης της κίνησης, των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών, των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος καθώς και του ελέγχου των κινητήριων μηχανών. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται τα υποσυστήματα του υπό κλίμακα συστήματος με σκοπό την εξομοίωση, που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο με στόχο την επαλήθευση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται λεπτομερής αναφορά στις υφιστάμενες τεχνικές ελέγχου των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών και στις εφαρμογές αυτών σε μονά και διπλά κινητήρια συστήματα. Στη συνέχεια πραγματοποιείται σύγκριση δύο εκ των επικρατέστερων μεθόδων ελέγχου διπλών κινητήριων συστημάτων και παρουσιάζονται ενδεχόμενες δυσλειτουργίες αυτών λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση του συστήματος και τα οποία πιστοποιούνται μέσω της πειραματικής διαδικασίας αλλά και της διαθέσιμης βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια προτείνεται ένας καινοτόμος υβριδικός έλεγχος που, όπως αποδεικνύεται μέσω προσομοίωσης αλλά και πειραματικών αποτελεσμάτων, αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τις προαναφερθείσες δυσλειτουργίες οδηγώντας σε ομαλή λειτουργία του συστήματος. Στο κεφάλαιο 6 προτείνεται, αντί των υφιστάμενων μεθόδων που περιλαμβάνουν την εγκατάσταση επιταχυνσιομέτρων, τη χρήση ακουστικών σημάτων και άλλων παρόμοιων μεθόδων, η χρήση της ηλεκτρικής κινητήριας μηχανής (τριφασικής ασύγχρονης μηχανής στην προκειμένη περίπτωση) ως αισθητήριο μέσο για τη διάγνωση μηχανολογικών σφαλμάτων στις οδοντώσεις γραναζιών. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η επίδραση των εν λόγω σφαλμάτων στο φάσμα συχνοτήτων του φασικού ρεύματος και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής, αποδεικνύεται η δυνατότητα διάγνωσης του σφάλματος ανιχνεύοντας την ύπαρξη πολλαπλών αρμονικών στο φάσμα τόσο του φασικού ρεύματος όσο και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Στο κεφάλαιο 7 γίνεται μια εκτίμηση σε ό,τι αφορά τη συμβολή της διδακτορικής διατριβής, το κεφάλαιο 8 περιλαμβάνει μία ανά κεφάλαιο περίληψη της παρούσας διατριβής ενώ το κεφάλαιο 9 περιέχει τη διαθέσιμη βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία κατά τη σειρά αναφοράς της στο κείμενο. / This thesis deals with the modeling, the control and the diagnosis of mechanical faults in a dual ac drive with common mechanical load. Chapter 1 constitutes an introduction of the reader to the electrical drive systems. Initially, a short historical retrospection of these systems is realized, while afterwards the thematic units that constitute the contributions of the present thesis, which can be summarized as the control of a dual cement kiln drive and the diagnosis of mechanical gear faults using the ac motor as a sensor, are presented. In chapter 2 the specifications and the operational characteristics of the kiln drive system are presented based on the industrial requirements and the existing references. Particularly the torque – speed characteristic load curve of the kiln, the advantages of upgrading the dc drives with ac ones, the parameters which determine the decision of installing a single or a dual transmission system and the need of uninterrupted operation of the kiln drive are underlined. In addition the step by step development of a simulating model of the under study system in the Matlab/Simulink environment is presented in chapter 3. Particularly the equations of motion for the kiln and the transmission system, the dynamic model equations of the asynchronous motor, the power electronics converters and the control strategy based on the Direct Torque Control have been incorporated in the Matlab/Simulink environment through which a theoretical investigation is realized. Moreover, the design and the development of an under scale laboratory simulating system of the kiln drive has been realized and the characteristics of the design specifications of the laboratory system are presented in chapter 4. Using the theoretical model developed in the Matlab/Simulink environment and the laboratory simulating system, a comparison of the existing control methods used for the electric drive systems (speed control and torque control) is being presented (chapter 5), focusing at specific malfunctions which can be caused by the application of these controls at a dual cement kiln drive. Taking into account these malfunctions, a novel hybrid control method is being presented whose operation is based on the application of a parallel-hybrid speed and torque control, simultaneously at both electric motors. In this way an equal load distribution can be achieved, obviating at the same the appearance of mechanical malfunctions. In chapter 6, the fault diagnosis of electromechanical drives is referenced, focusing on the identification of mechanical faults appeared in the pinion/girth gear coupling using the ac motor as a sensor. The proposed diagnostic method is based on the detection of multiples of the defective frequency at both phase current and electromagnetic torque frequency spectrum. The effectiveness of the proposed method is verified using experimental results from the laboratory simulating system, operating as a single drive. Finally, chapter 7, 8 and 9 include an estimation of the thesis contribution, a summary and the reference part respectively.