This work demonstrates the design and implementation of a digitally encoded Sinusoidal Pulse Width Modulation strategy for the switching of bi-directional secondary side power switches of an AC-link. Through this method, high frequency (200 kHz) half sinusoid or haversine voltage pulses produced by the Parallel Loaded Resonant converter working in discontinuous mode at primary side are converted to low frequency (400/60/50 Hz) waveforms at the output. This control strategy allows the converter to operate at high power density, as soft switching (ZCS/ZVS) is possible at both the turn-on and turn-off of switches. Also through this strategy the output waveform at load will have low Total Harmonic Distortion (THD).

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η τροφοδοσία ενός μεταβαλλόμενου RL φορτίου από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, επιδιώκοντας η τάση σε αυτό να είναι σταθερή κατά μέτρο και συχνότητα. Η επίτευξη του στόχου προϋποθέτει την χρήση μιας σειράς διατάξεων, προκειμένου να δημιουργήσουμε ένα πειραματικό σύστημα πάνω στο οποίο θα αναπτύξουμε την εφαρμογή μας. Έτσι η πειραματική μας διάταξη εκτός από την πηγή (φωτοβολταϊκή γεννήτρια) και το φορτίο αποτελείται και απο έναν τριφασικό αντιστροφέα πηγής τάσης, έναν τριφασικό μετασχηματιστή, ένα βαθυπερατό φίλτρο LC, μια συσκευή βηματικής μεταβολής του φορτίου και έναν μικροεπεξεργαστή με την βοήθεια του οποίου θα υλοποιήσουμε τους απαραίτητους ελέγχους. Το πρώτο επίπεδο ελέγχου αφορά τον τριφασικό αντιστροφέα και συγκεκριμένα την παλμοδότηση την διακοπτικών του στοιχείων. Με την βοήθεια του μικροεπεξεργαστή πετυχαίνουμε την υλοποίηση του κυκλώματος παλμοδότησης εφαρμόζοντας την μέθοδο της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM). Σε δεύτερο επίπεδο ελέγχου υλοποιούμε έναν PI ελεγκτή ο οποίος σε συνεργασία με το κύκλωμα παλμοδότησης εξασφαλίζει την σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο, συνεπώς και την αδιάλειπτη τροφοδοσία του. Πραγματοποιώντας βηματικές αλλαγές στο φορτίο, καταγράφουμε τις μεταβολές στα μεγέθη εκείνα που επιβεβαιώνουν την λειτουργία και αποδοτικότητα του συνολικού συστήματος ελέγχου. Ιδιαίτερη αξία έχει ο τρόπος με τον οποίο παράγουμε τον κώδικα που υλοποιεί, μέσω του μικροεπεξεργαστή, το κύκλωμα ελέγχου. Η διαδικασία περιλαμβάνει αρχικά την μοντελοποίηση του κυκλώματος στο Simulink και στην συνέχεια την χρήση των κατάλληλων εργαλείων, οπότε μέσω μιας αυτόματης διαδικασίας παράγεται ο επιθυμητός κώδικας. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη αναφορά στον σημαντικό ρόλο που καλούνται να διαδραματίσουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στις σημερινές και μελλοντικές ανάγκες του τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας. Ακολουθεί μια συνοπτική παρουσίαση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας και του τρόπου αξιοποίησής της. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται η πλήρης ανάπτυξη της μεθόδου ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών για την αξιοποίησή της σε μετατροπέα DC/AC (αντιστροφέα), ενός σκέλους και τριφασικού. Παρουσιάζονται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά της μεθόδου και ο τρόπος εφαρμογής της σε ψηφιακά συστήματα. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η περιγραφή και ανάλυση της πειραματικής μας διάταξης. Διαχωρίζοντας το συνολικό σύστημα στα επιμέρους κυκλώματα ισχύος και ελέγχου, περιγράφουμε την κάθε διάταξη ξεχωριστά, αναλύοντας το αντίστοιχο θεωρητικό υπόβαθρο. Ιδιαίτερα, όσον αφορά το κύκλωμα ελέγχου, αναπτύσσουμε συνοπτικά την θεωρία του PI ελέγχου, στον βαθμό που κρίνεται απαραίτητο για την εφαρμογή μας. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται το σύστημα eZdspTM F28335. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει τον επεξεργαστή ψηφιακού σήματος F28335, με την βοήθεια του οποίου υλοποιούμε το κύκλωμα ελέγχου. Γίνεται αναφορά στις δυνατότητες του συστήματος και περιγράφονται τα περιφερειακά του που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εφαρμογή. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται η ανάλυση του μοντέλου Simulink που υλοποιεί το κύκλωμα ελέγχου. Αρχικά, παρουσιάζεται συνοπτικά η διαδικασία ταχείας προτυποποίησης και ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνουμε την αυτόματη παραγωγή κώδικα μέσω των μοντέλων του Simulink. Στη συνέχεια περιγράφουμε αναλυτικά τα μπλόκ που συνιστούν το μοντέλο της εφαρμογής μας. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν κατά την διάρκεια των μετρήσεων. Συγκεκριμένα παρατίθενται μετρήσεις και γραφήματα που έχουν στόχο να αναδείξουν την λειτουργία του ελέγχου και τον τρόπο με τον οποίο επιδρά στο σύστημά μας. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα και οι πιθανές μελλοντικές προοπτικές της εφαρμογής. / The objective of this thesis is the power supply of a variable RL load, by the use of a photovoltaic generator as our energy source, aiming to a load voltage with constant rms value and frequency. To achieve this objective, involves the use of several devices, in order to create an experimental system on which we will develop our application. Thus, our total system, other than the source (photovoltaic generator) and the load, is composed of a three-phase voltage source inverter (VSI), a three-phase transformer, a low pass LC filter, a device that electronically chooses the value of the load and a microprocessor which implements the necessary control system. The first part of the control system refers to the generation of the signals that control the switching elements of the three-phase voltage source inverter. With the help of the microprocessor we achieve the implementation of the appropriate pulse generator circuit using a method called sinusoidal pulse width modulation (SPWM). In the second part of the control system we implement a PI controller which, in collaboration with the above circuit, ensures the stabilization of the voltage on the load, therefore the uninterrupted power supply. Making step load changes, we record the variation of those parameters that confirm the operation and efficiency of the entire control system. Of great importance is the way we produce the code that implements the control circuit, when executed by the microprocessor. The procedure begins with the modeling of the circuit in Simulink, followed by the use of the appropriate development tools that result in an automatic process of production of the desired code. The thesis is organized in the following way: In Chapter 1 we give a brief reference to the importance of the renewable energy sources, regarding the present and future needs of the electricity sector. We continue with a summary of the photovoltaic technology and it’s means of exploitation. In Chapter 2 we make a thorough description of the method called sinusoidal pulse width modulation and we discuss it’s use for the DC/AC converter (inverter), both single-leg and three-phase. We give a full presentation on the characteristics of the method and the manner to be implemented in digital systems. In Chapter 3 we make the description and analysis of our experimental system. By separating the overall system to two individual parts, the power circuit and the control circuit, we describe each device separately and analyze the relevant theory. In particular, with respect to the control circuit, we summarize the theory of PI controller, to the necessary extent for our application. In Chapter 4 we introduce the system eZdspTM F28335. This system includes the digital signal processor F28335, which undertakes the implementation of the control circuit. Reference is made to the overall capabilities of the system and especially to the peripherals used in this application. In Chapter 5 we give the analysis of the Simulink model which implements the control circuit. Initially, we outline the procedure of rapid prototyping and describe the way in which we achieve the automatic production of our executable code through the Simulink models. Then we describe in detail the blocks that form the model of our application. In Chapter 6 we present the results obtained during the experimental phase. In particular there are listed measurements and graphs that aim to highlight the function of the control system and the manner in which it influences our system. In Chapter 7 we present our final conclusions and possible future prospects of the application.

The design and implementation of the digital signal processing (DSP) based on a brushless DC (BLDC) motor sensorless driver with Sine PWM. Because of dispensable power consumption problems generated by closed-loop speed control methods with speed estimation signal feedback are adopted for improvement. In addition, current feedback is added to the driver for the sake of increasing efficiency. Then, sine wave closes 30¢X, 15¢X, and 8¢X to comparing the improvements for efficiency. Experimental results from a laboratory prototype are shown to verify the feasibility of the proposed scheme. The laboratory results show that current feedback and sine wave closed 8¢X have high efficiency.

Power inverters, used to convert DC power to AC, are often used in e.g. solar power applications. However, they tend to be impractically large and expensive; as such, power miniaturization is an active research area. In this thesis, several classes of modern power inverters are evaluated and compared with regards to size, efficiency and output quality in order to identify areas of potential improvement. Methods for estimation of THD, power losses and input ripple are created and verified against a simulation of a five-level neutral-point-clamped inverter with SPWM control. Finally, this design is implemented physically and is found to achieve 94.5% efficiency and 7% THD under low voltage laboratory conditions, while remaining smaller than an average textbook.

A single-phase grid connected transformerless photovoltaic (PV) inverter for residential application is presented. The inverter is derived from a boost cascaded with buck converter along with a line frequency unfolding circuit. Due to its novel operating modes, high efficiency can be achieved because there is only one switch operating at high frequency at a time, and the converter allows the use of power MOSFET and ultra-fast reverse recovery diode. This dissertation begins with theoretical analysis and modeling of this boost-buck converter based inverter. And the model indicates small boost inductance will leads to increase the resonant pole frequency and decrease the peak of Q, which help the system be controlled easier and more stable. Thus, interleaved multiple phases structure is proposed to have small equivalent inductance, meanwhile the ripple can be decreased, and the inductor size can be reduced as well. A two-phase interleaved inverter is then designed accordingly. The double-carrier modulation method is proposed based on the inverter's operation mode. The duty cycle for buck switch is always one if the inverter is running in boost mode. And the duty cycle for boost switches are always zero if the inverter is running in buck mode. Because of this, the carrier for boost mode is stacked on the top of the carrier for buck mode, as a result, there is no need to compare the input and output voltage to decide which mode the inverter should operate in. And the inverter operates smoothly between these two modes. Based on similar concept, three advanced modulation methods are proposed. One of them can help further improve the efficiency, and one of them can help increase the bandwidth and gain, and the last one takes the advantage of both. Based on similar concept, another three dual-mode double-carrier based SPWM inverters are proposed. With both step-up and step-down functions, this type of inverter can achieve high efficiency in a wide range because only one switch operates at the PWM frequency at a time. Finally, the simulation and experiment results are shown to verify the concept and the tested CEC (California Energy Commission) efficiency is 97.4%. It performs up to 2% more efficiently better than the conventional solution. / Ph. D.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα για την οδήγηση ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τη λειτουργία και τον έλεγχο των στροφών ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Αρχικά μελετάται η βασική αρχή λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα και αναλύονται οι τεχνικές εκκίνησης που χρησιμοποιούνται για σύνδεση του κινητήρα απευθείας στο δίκτυο. Ακόμα παρουσιάζονται τα ισοδύναμα κυκλώματα λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα, η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής του και προσομοιώνεται η λειτουργία του για τη μελέτη της στατικής συμπεριφοράς του. Στη συνέχεια γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που κατασκευάστηκε, καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων που είναι αναγκαία για τη λειτουργία του. Επιπροσθέτως αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα τάσης, που είναι η "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών" (SPWM). Στο επόμενο βήμα αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν, και περιγράφεται ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή, που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των παλμών. Τέλος, παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. / This diploma thesis discourse the analysis and construction of a converter topology for single phase induction motor drives. The project was based in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the department of Electrical and Computer Engineering of School Engineering of University of Patras. The objective of this project is the analysis and construction of a three phase voltage inverter to control the speed of a single phase induction motor. The first stage of this work is the study of the basic principle of operation of the single phase induction motor and the analysis of the starting techniques, used for the direct connection to the power grid. The equivalent circuits of the running single phase induction motor and the equation of the electromagnetic torque are also presented in this project. Following, there is a theoretical analysis of the three phase voltage inverter circuit, as well of all the remaining circuit, necessary for its function. Moreover the method of pulse generation for the switching elements of the voltage inverter is analyzed, which is the “Sinusoidal Pulse Width Modulation”. The next step is the analysis of the technical characteristics all of the circuits developed, as well the description of the program code for the microcontroller, used to produce the pulses. Finally oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction, are adduced.

Increased government funding and incentives in recent years has led to an increase in the number of grid-tied renewable energy sources as their economic benefits become more renowned. Unfortunately, the outputs of these renewable resources are often highly variable, resulting in undesirable voltage disruptions that are harmful to sensitive loads. In addition to the energy variability of renewable energy sources, random voltage sags, swells and disruptions are already a major issue in power systems. Recent advances in power electronic devices have provided a platform for new solutions to the voltage support problem in power systems. One promising solution is the Dynamic Voltage Regulator (DVR), a series compensating device used to protect a sensitive load that is connected downstream from voltage sag or swell. For this thesis, the design, modeling, and analysis of a DVR system were performed using PSCAD software. Results from simulation demonstrate the DVR’s effectiveness in protecting a sensitive load from load and source side voltage disturbances as well as regulate the load bus voltage to its rated value.

Three novel single-stage electronic ballasts with the advantages of high-power-factor, low current harmonic, high efficiency, and low cost are proposed for rapid-start fluorescent lamps. Included are (1) single-stage high-power-factor electronic ballast with asymmetrical topology, (2) single-stage high- power-factor electronic ballast with symmetrical topology, and (3) single-stage single-switch high-power-factor electronic ballast. The circuit configurations are obtained by integrating the buck-boost power-factor-correction converter into the Class D or the Class E resonant inverter. With simple circuit configuration and less component count, desired circuit performances of high-power-factor and high efficiency are realized. The control methods of pulse-width-modulation (PWM) with asymmetrical and symmetrical approaches are utilized for the three presented ballasts. The buck-boost conversion stage is operated at discontinuous current mode (DCM) to achieve nearly unity power factor at a fixed switching frequency. With carefully designed circuit parameters, the power switches can exhibit either zero-voltage switching-on (ZVS) or zero-current switching-on (ZCS). As a result, high circuit efficiency can be ensured. Design equations are derived and computer analyses are performed based on the lamp¡¦s equivalent resistance model and fundamental approximation. Accordingly, design guidelines for determining circuit parameters are provided. Prototypes of the three proposed circuits designed for a T8-36W lamp, two series-connected T9-40W lamps and a PL-27W lamp are built and tested to verify the computer simulations and analytical predictions.

Abstract: This paper presents the results of an experimental investigation into the application of inverter-based variable speed drives to positive displacement rotary compressors. Designs and implements a DSP-microprocessor based of an inverter drive for high-efficiency compressor used in air conditioner. We control the compressor with sine PWM and V/F scheme. Permanent magnet synchronous motor has potential for energy saving in general applications on compressor drives. Permanent magnet synchronous motor drives are used for applications like compressors¡Awhere high dynamic performance is not a demand¡Asimple V/F control strategies may be sufficient to obtain the required control performance. For energy saving to find the best control strategy for an inverter drive for high efficiency compressor used in air conditioner.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσόμενου ρεύματος (AC-PV module) και τη σύνδεση αυτής στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου (Φ/Β) με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης του Φ/Β πλαισίου και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντίστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε συγκρίνουμε τις τεχνολογίες διασύνδεσης Φ/Β στο δίκτυο χαμηλής τάσης στοχεύοντας στο να εντάξουμε ομαλά τον αναγνώστη στην υπό μελέτη τοπολογία. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης των φωτοβολταικών χαρακτηριστικών, συγκρίνουμε και προσομοιώνουμε δύο τοπολογίες μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή (boost και flyback). Επιπρόσθετα μελετούμε και προσομοιώνουμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών" (sPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η λεπτομερής διαστασιολόγηση ολόκληρου τού υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση της κάθε μονάδας του ξεχωριστά. Αφού διασφαλίσουμε ότι οι αυτοτελείς μοντελοποιημένες μονάδες λειτουργούν με επιτυχία προχωρούμε στην προσομοίωση της πλήρους διάταξης τόσο απουσία κλειστού βρόχου ελέγχου όσο και παρουσία αυτού. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται. και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / Analysis and practical implementation of a two stage topology for connection between PV modules and the common grid.