No description available.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο 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 της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε και συγκρίνουμε τις τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης της ανεμογεννήτριας, παραθέτουμε στοιχεία για τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος κατασκευάστηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Κ.Περάκη, καθώς και μελετούμε τον μονοφασικό αντιστροφέα. Επιπρόσθετα, μελετούμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM) τόσο με μονοπολική όσο και με διπολική τάση εξόδου. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα. 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 καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον / -

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.

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.

Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί περιγράφει την διαδικασία που εφαρμόσθηκε ώστε να κατασταθεί δυνατή η τροφοδοσία ενός RL φορτίου με τάση σταθερή σε μέτρο και σε συχνότητα, από μια συστοιχία κυττάρων καυσίμου. Η πειραματική διάταξη, που κατασκευάσθηκε ώστε να πραγματοποιηθεί αυτός ο στόχος, εκτός από την πηγή (κύτταρο καυσίμου) και το φορτίο αποτελείται και από έναν ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης, έναν αντιστροφέα πηγής τάσης, έναν τριφασικό μετασχηματιστή, ένα φίλτρο LC, μια συσκευή επιλογής φορτίου και τέλος την ψηφιακή κάρτα με την οποία εκτελούνται οι απαραίτητοι έλεγχοι. Όταν αναφερόμαστε σε τεχνικές ελέγχου εννοούμε αρχικά τόσο την παραγωγή παλμών με την τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation-SPWM) για την τροφοδότηση του αντιστροφέα πηγής τάσης όσο και παλμών με την τεχνική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation – PWM) για τον έλεγχο του ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Οι παλμοί αυτοί παράγονται μέσω προγράμματος που αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα του Labview. Σε δεύτερο επίπεδο εφαρμόζεται με την βοήθεια της ψηφιακής κάρτας και του μοντέλου ο ασαφής έλεγχος που έχει ως σκοπό την σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο. Για να διαπιστώσουμε ότι έχουμε εξασφαλίσει απρόσκοπτη τροφοδοσία του τριφασικού φορτίου από την ενέργεια του κυττάρου καυσίμου με μια τάση με μειωμένο αρμονικό περιεχόμενο και σταθερό πλάτος και συχνότητα, πραγματοποιήσαμε βηματική αλλαγή της τιμής του φορτίου και αλλαγή της τάσης εξόδου του κυττάρου καυσίμου ώστε να διαπιστώσουμε αν όντως ο ασαφής έλεγχος αναλαμβάνει να επαναφέρει τις επιθυμητές τιμές της τάσης στο φορτίο. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1 επιχειρούμε μια σύντομη περιγραφή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που κυριαρχούν στον Ελλαδικό χώρο (ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική, γεωθερμική και ενέργεια από βιομάζα) ενώ αναφερόμαστε εκτενώς στην τεχνολογία των κυττάρων καυσίμου. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενής περιγραφή των συσκευών που αποτελούν το κύκλωμα ισχύος της πειραματικής διάταξης. Το κύκλωμα ισχύος αποτελείται αρχικά από το κύτταρο καυσίμου που αποτελεί την πηγή ενέργειας, τον ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέα ανύψωσης τάσης και τον αντιστροφέα πηγής τάσης. Σε δεύτερο επίπεδο υπάρχει το LC φίλτρο προς περιορισμό των αρμονικών και ο τριφασικός μετασχηματιστής που ανυψώνει το επίπεδο τάσης στο επιθυμητό επίπεδο. Τέλος, υπάρχει ο τριφασικός ζυγός στον οποίο συνδέεται το φορτίο που αποτελεί και την τερματική συσκευή της πειραματικής διάταξης. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια σύγκριση των διαθέσιμων ψηφιακών μεθόδων για την υλοποίηση των απαραίτητων ελέγχων ενώ έπειτα παρουσιάζονται θεωρητικά αυτοί οι έλεγχοι. Οι διαθέσιμες ψηφιακές μέθοδοι για την πραγματοποίηση των ελέγχων είναι ο μικροεπεξεργαστής ψηφιακού σήματος (Digital Signal Processor-DSP) και οι ψηφιακές κάρτες της εταιρίας Νational Ιnstruments οι οποίες και τελικά επιλέχθηκαν. Οι απαιτούμενοι έλεγχοι που πρέπει να εφαρμοσθούν στην πειραματική μας διάταξη είναι όπως ήδη αναφέραμε η παραγωγή παλμών με τις τεχνικές της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM) και διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) όπως και ο ασαφής έλεγχος. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται αναλυτικά όλες οι συσκευές της πειραματικής μας διάταξης με ιδιαίτερη αναφορά σε όσες κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο (όπως ο ΣΡ/ΣΡ (dc/dc) μετατροπέας ανύψωσης τάσης ) ενώ γίνεται και επεξήγηση διάφορων πρακτικών προβλημάτων που ανέκυψαν κατά την χρησιμοποίηση τους (για παράδειγμα με τον τριφασικό μετασχηματιστή). Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η διαδικασία ανάπτυξης στην πλατφόρμα του Labview του προγράμματος που υλοποιεί τους απαιτούμενους ελέγχους. Πραγματοποιείται λοιπόν μια αναλυτική παρουσίαση όλων των εργαλείων και των ρυθμίσεων τους που μας επέτρεψαν να φθάσουμε στο επιθυμητό αποτέλεσμα. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και παραθέτουμε τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Πιο αναλυτικά υπάρχει παράθεση γραφημάτων και μετρήσεων για το σύνολο της πειραματικής διάταξης ενώ δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην ανάδειξη της λειτουργίας του ελέγχου και του τρόπου που επιδρά στην διάταξη μας. Τέλος, γίνεται μια καταγραφή πιθανών επεκτάσεων αυτής της διπλωματικής εργασίας. / The thesis that follows, describes the procedure which we followed in order to be able to supply a RL load with the power produced by a fuel cell. The load’s voltage should have constant value and frequency. The experimental configuration which was constructed to help us fulfill our goal further from the fuel cell and the RL load, includes a dc dc boost converter, a voltage source inverter, a 3phase transformer, a LC filter, a device that electronically chooses the value of the load and finally the digital card which executes all the necessary controls. When we talk about controls, we refer firstly to the production of SPWM pulses which are used in order to control the voltage source inverter and to the production of PWM pulses which are needed by the dc dc boost converter. These pulses are produced with the aid of a model developed with Labview. In addition, with the use of our digital card and the model which we developed, we are capable of applying the fuzzy logic to our experimental configuration in order to stabilize the load’s voltage. To be certain that we have ensured the smooth supply of the RL load with the power produced by the fuel cell and a voltage signal of constant value and frequency and low harmonic content, we made step changes to the load’s value and alterations to the fuel cell’s output, in order to assure that the fuzzy logic takes charge of the duty to restore the desired voltage signal to the load. The thesis is organized in the following way: In chapter 1 we make a brief description of the renewable energy sources which dominate Greece (solar, wind, hydroelectric, geothermal and biomass energy) and we present extensively the applications of fuel cells. In chapter 2 we describe on a great scale all the devices which consist the power circuit of the experimental configuration . So, the power circuit consists of the fuel cell, which is our energy source, the dc dc boost converter and the voltage source inverter. Furthermore, we have a LC filter in order to limit the total harmonic distortion and a 3 phase transformer which increase the voltage to the desired level. Finally, we have a 3 phase load which is the terminal device of the experimental configuration. In chapter 3 we compare the available digital methods for performing the desired controls and afterwards we present them theoretically. The available digital methods, in order to accomplish the controls, are the Digital Signal Processor (DSP) and the digital cards constructed by National Instruments (is our final choice). The required controls that must be performed include, as we have already mentioned, the SPWM and PWM pulses and of course the fuzzy control. In chapter 4 we present extensively all the devices of our experimental configuration with a special reference to all the devices which were constructed in our lab (like the dc dc boost converter). We make also special reference to some practical problems that we encountered when we used the previous devices (par example with the 3 phase transformer). In chapter 5 we present the procedure in order to develop the Labview model which contains all the necessary controls. Thus, we make a detailed presentation of all the tools and the settings which allowed to us to fulfill our goal. In chapter 6 we present all the experimental results and the conclusions we drew. More specifically, we present graphs and measurements for every part of the experimental configuration and we give special attention in order to give prominence to the fuzzy controller’s impact. Finally, some possible extensions of this thesis are underlined.

Neutral-point-clamped (NPC) three-level inverter is capable of handling higher dc bus voltage and producing output waveform of better quality than a conventional two-level inverter. The main objective of the present work is to analyze the existing PWM schemes for two-level and three-level inverters in terms of line current ripple, and to design new PWM techniques for the NPC inverter to reduce line current distortion. Various discontinuous PWM or bus-clamping PWM (BCPWM) methods for a two-level voltage source inverter are analyzed in terms of rms line current ripple, which is evaluated by integrating the error voltage (i.e. error between the applied and reference voltages). The BCPWM schemes can be broadly classified into continual-clamp PWM (CCPWM) and split-clamp PWM (SCPWM). It is shown that split-clamp PWM scheme leads to lower harmonic distortion than CCPWM scheme. Further, advanced bus-clamping PWM (ABCPWM) methods for a two-level inverter are also studied. These methods clamp each phase to the positive and negative DC terminals over certain intervals as in BCPWM schemes, and also switch each phase at double the nominal frequency in certain other intervals unlike in BCPWM. Analytical closed-form expressions are derived for the total rms harmonic distortion due to SCPWM, CCPWM and ABCPWM schemes. Existing sinusoidal and bus-clamping PWM schemes for three-level NPC inverters are also analyzed in the space vector domain. These methods are compared in terms of line current ripple analytically as well as experimentally. As earlier, closed-form expressions are derived for the harmonic distortion factors corresponding to centered space vector PWM (CSVPWM) and the various BCPWM methods. A three-level inverter can be viewed as an equivalent two-level inverter in each sixth of the fundamental cycle or hextant. This is widely used to simplify the control of an NPC inverter. Further, this approach makes it simple to extend the BCPWM and ABCPWM methods for two-level inverters to three-level inverters. Furthermore, the method of analysis of line current ripple for the two-level inverter can also be easily extended to the three-level case. The pivot vector, which is half the length of the longest voltage vectors produced by the NPC inverter, acts as an equivalent null vector for the conceptual two-level inverter. Each pivot vector can be produced by two inverter states termed as “pivot states”. Typically, in continuous modulation methods for NPC inverter such as sinusoidal PWM and centered space vector PWM, the switching sequence (i.e. the sequence in which the voltage vectors are applied) begins and ends with the same pivot vector in each subcycle, which is equivalent to a half-carrier cycle. To be more precise, the switching sequence starts with one pivot state and ends with the other in each subcycle. However, in case of BCPWM schemes, only one pivot state is used in a subcycle. The choice of pivot state results in a variety of BCPWM schemes for an NPC inverter. Different BCPWM schemes are evaluated in terms of rms line current ripple. The optimal BCPWM, which minimizes the rms current ripple, is determined for an NPC inverter, controlled as an equivalent two-level inverter. Further, four new switching sequences are proposed here for a three-level inverter, controlled as a conceptual two-level inverter. These sequences apply the pivot vector only once, but employ one of the other two vectors twice within the subcycle. These four switching sequences are termed as “ABCPWM sequences” for three-level inverter. These sequences exploit the flexibility available in the space vector approach to PWM to switch a phase more than once in a subcycle, which results in the application of an active vector twice within the subcycle. Influence of the proposed ABCPWM sequences on the line current ripple over a subcycle is studied. The various sequences are compared in terms of rms line current ripple over a subcycle. An analytical closed-form expression for rms line current ripple over a subcycle is derived in terms of reference magnitude, angle of reference voltage vector, and subcycle duration for each of the sequences. Further, closed-form expressions are also derived for the rms current ripple over a line cycle in terms of modulation index and subcycle duration, corresponding to the various sequences. The four proposed ABCPWM sequences for the NPC inverter can be grouped into two pairs of sequences. Each pair of sequences is shown to perform better than the individual sequences, if the two sequences are employed in appropriate spatial regions. Hence, with these two pairs of sequences, two hybrid PWM schemes are proposed. Finally, a hybrid PWM technique is proposed which employs all five sequences (conventional and proposed four sequences) in spatial regions where each performs the best. This is termed as “five-zone hybrid PWM”. The total harmonic distortion (THD) in the motor current, pertaining to all the proposed schemes, is studied theoretically over the entire range of linear modulation. The theoretical investigations are validated experimentally on a 2.2 kW, 415V, 4.9A, 50 Hz induction motor drive. The no-load current THD is measured over a range of fundamental frequency from 10 Hz to 50 Hz in steps of 2 Hz for the various PWM methods. Theoretical and experimental results bring out the reduction in current THD due to the proposed BCPWM schemes at fundamental frequencies of 45 Hz and above, compared to CSVPWM. The ABCPWM methods improve the performance at higher as well as lower modulation indices. Further improvement is achieved with the proposed five-zone hybrid PWM. At the rated frequency (50 Hz) of the drive, the improvement in line current distortion is around 36% with this hybrid PWM scheme over CSVPWM. The reduction in THD is also experimentally verified at different loads on the motor. The difference between the top and bottom capacitor voltages is measured at various operating conditions, corresponding to CSVPWM and the proposed schemes. No significant difference is observed in the dc neutral voltage shifts with the different proposed schemes and CSVPWM method. Thus, the proposed methods improve the THD at low and high speed ranges without appreciable worsening of the dc voltage unbalance.

No description available.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ενός συστήματος διασύνδεσης μιας ανεμογεννήτριας ονομαστικής ισχύος 1kW με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπλέον, πραγματεύεται τη σχεδίαση, κατασκευή και έλεγχο ενός τριφασικού αντιστροφέα που αποτελεί την τελευταία βαθμίδα πριν τη σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. 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 διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης μέσω δύο βαθμίδων: ενός μετατροπέα ανύψωσης τάσης και ενός τριφασικού αντιστροφέα. Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης αποτελεί αντικείμενο μελέτης της διπλωματικής εργασίας του συνάδελφου Ιωάννη Γκαρτζώνη, ενώ στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται και σχεδιάζεται ο τριφασικός αντιστροφέας. Αμφότερες οι διατάξεις περιλαμβάνουν ελέγχους κλειστού βρόχου, μέσω των οποίων απομαστεύεται η μέγιστη ισχύς από την ανεμογεννήτρια (έλεγχος μετατροπέα ανύψωσης) και διατηρείται σταθερή η τάση μεταξύ των δύο βαθμίδων, παρέχοντας ενεργό ισχύ στο δίκτυο υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος (έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα). Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο η αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στους τύπους των ανεμογεννητριών, καθώς και στους τρόπους λειτουργίας τους ως προς τη διασύνδεση με το δίκτυο. Στη συνέχεια γίνεται θεωρητική ανάλυση για κάθε βαθμίδα του συνολικού συστήματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη λειτουργία του τριφασικού αντιστροφέα και στην τεχνική παλμοδότησής του που ονομάζεται Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM). Επίσης, εξάγονται σχέσεις βάσει των οποίων είναι δυνατό να παραμετροποιηθεί ο τριφασικός μετασχηματιστής με μεγάλη επαγωγή μαγνήτισης που έπεται του τριφασικού αντιστροφέα. Το επόμενο βήμα αποτελεί η προσομοίωση στο λογισμικό προσομοίωσης κυκλωμάτων Simulink του Matlab τόσο του τριφασικού αντιστροφέα σε ανοιχτό και σε κλειστό βρόχο, όσο και ολόκληρου του συστήματος διασύνδεσης. Ο κλειστός βρόχος αποτελεί ένα νέο και άμεσο έλεγχο της ισχύος που παρέχεται στο δίκτυο. Επιπρόσθετα, περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή όλων των κυκλωμάτων που απαιτούνται για τον τριφασικό αντιστροφέα, το φίλτρο και το μετασχηματιστή. Τέλος πραγματοποιούνται πειραματικές δοκιμές για να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία των βαθμίδων που κατασκευάστηκαν, να εντοπιστούν και δικαιολογηθούν τυχόν διαφορές μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και των μετρήσεων στην πραγματική διάταξη, καθώς και για να εκτιμηθεί η απόδοση του συστήματος. / The present diploma thesis deals with the interconnection of 1kW wind generator to the low voltage grid. A three phase inverter is the last stage of the interconnection system. The design, construction and control of the three phase inverter is studied. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Conversion Energy at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of Polytechnic School in the University of Patras, Greece. The purpose of this thesis is the connection of the wind generator with the low voltage grid through two stages: a boost converter and a three phase inverter. Both stages are closed loop controlled and in this way the maximum power of the wind generator is supplied (control of the boost converter) and the voltage between the two stages remains constant, providing active power to the grid with unity power factor (control of the three phase inverter). Initially, the advantages and disadvantages of the use of wind generator are presented and the way that the wind energy is converted to mechanical energy and finally to electrical energy is analyzed. Moreover, it is given a short reference in the types of the wind generators used for connection to the grid. In addition, every stage of the whole system is analyzed. Especially, the function of the three phase inverter and the Sinusoidal Pulse Width Modulation-sPWM are studied. The three phase transformer, that follows the three phase inverter stage, is parameterized through equations that are described in this work. The next step in this thesis is the simulation with Simulink of Matlab. The three phase inverter is simulated in open and closed loop as well as the whole connection system of the wind generator to the low voltage grid. The closed loop control is a new and direct control of active and reactive power that are supplied to the grid. Furthermore, it is described the design and construction of all the circuits for the three phase inverter, the filter and the transformer. Finally, experiments are conducted in order to confirm the proper function of the stages that are constructed, to find differences between theory and reality and to estimate the efficiency factor of the system.