Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και την υλοποίηση του διανυσματικού ελέγχου ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός μας είναι η μελέτη, η επιλογή και τελικά η υλοποίηση ενός συγκεκριμένου είδους διανυσματικού ελέγχου ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα μέσω της χρήσης ψηφιακού μικροελεγκτή . Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στα κινητήρια συστήματα και στην σημασία των ασύγχρονων κινητήρων σε ένα ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα καθώς και στον έλεγχο αυτών και δη το διανυσματικό. Στη συνέχεια, μελετώνται η βασική αρχή λειτουργίας, οι μαθηματικές εξισώσεις, τα μοντέλα λειτουργίας καθώς και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των ασύγχρονων μηχανών αλλά και της μηχανής που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική μας διάταξη. Στο επόμενο βήμα, γίνεται μια πολύ σύντομη ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη του διανυσματικού ελέγχου , εισαγωγή και θεωρητική ανάλυση σε βάθος των αρχών αυτού και αναλυτική παρουσίαση όλων των ειδών του. Τέλος, καταλήγουμε στην επιλογή της μεθόδου που θα χρησιμοποιήσουμε. Συνεχίζοντας, κάνουμε μια εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος και αναλύουμε τον τριφασικό αντιστροφέα τάσης που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία. Επόμενο βήμα είναι η παρουσίαση και η περιγραφή του μικροεπεξεργαστή dsPIC30F4011 της εταιρίας Microchip ενώ περιγράφεται αναλυτικά και η διαδικασία ανάπτυξης του προγράμματος για την υλοποίηση του διανυσματικού ελέγχου. Τέλος, παρατίθενται οι κυματομορφές που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση του προγράμματος και του ελέγχου του. / This diploma thesis addresses the design and implementation of vector control of a three-phase asynchronous motor. The project was based at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. Our objective is the study, the choice and ultimately the implement of a specific type of vector controlfor a three-phase asynchronous motor using digital microcontroller. Initially, there is a reference to the electric drive systems and to the importance of an asynchronous motor in an electric drive system and to its control, especially the vector control. Following there is a theoretical analysis of the basic principle of operation,the mathematical equations, the models of operation and the construction of an asynchronous machine. The next step is a very brief historical reference to the development of vector control.There is also a theoretical analysis of the principles of this and detailed presentation of all the species. Finally, we conclude to the method we used. Our next step is to present the electronic power converters and to analyze the three-phase inverter which was used in this diploma thesis. Following, there is a presentation and description of the microprocessor dsPIC30F4011(Microchip).Just after that,we describe the process of program development for the implementation of vector control in a detailed analysis . Finally, we present the waveforms coming up from the experiments that we carried out after the completion of the process of vector control.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της βελτιστοποίησης της σχεδίασης μιας ασύγχρονης μηχανής. Αρχικά έγινε o σχεδιασμός ενός μοντέλου ασύγχρονης μηχανής με τη χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design. Το μοντέλο σχεδιάστηκε με βάση τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός τετραπολικού τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα κλωβού, ισχύος 4 KW, με 36 αυλακώσεις στο δρομέα και 28 στο στάτη. Η σχεδίαση του μοντέλου έγινε με χρήση κώδικα, ούτως ώστε το μοντέλο να είναι παραμετροποιημένο. Αυτό μας επιτρέπει να έχουμε τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής σαν μεταβλητές, το οποίο είναι απαραίτητο για να εφαρμοστεί η διαδικασία της βελτιστοποίησης. Στην συνέχεια προχωρήσαμε στη διαδικασία της βελτιστοποίησης. Η εύρεση του βέλτιστου μοντέλου δεν είναι μοναδική, αλλά εξαρτάται κάθε φορά από τα κριτήρια που έχουμε θέσει. Για παράδειγμα μπορούμε να επιτύχουμε βελτιστοποίηση ως προς το κόστος κατασκευής του κινητήρα, ως προς τη ροπή εκκίνησης, ως προς το συντελεστή ισχύος, ως προς το βαθμό απόδοσης κ.ο.κ. Βλέπουμε επομένως, ότι ο στόχος σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, δηλαδή η αντικειμενική συνάρτηση, δεν είναι μοναδικός αλλά εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την μηχανή μας. Κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήσαμε πέντε διαφορετικές βελτιστοποιήσεις, χρησιμοποιώντας κάθε φορά διαφορετική αντικειμενική συνάρτηση και διαφορετικές σχεδιαστικές μεταβλητές (παραμέτρους). Για τις βελτιστοποιήσεις χρησιμοποιήσαμε τον Optimizer της Όπερα. Στις δύο πρώτες βελτιστοποιήσεις που κάναμε είχαμε σαν παράμετρο μόνο το βάθος της μπάρας του δρομέα. Αυτό το κάναμε διότι θέλαμε να μελετήσουμε την επίδραση του βάθους της μπάρας στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη συμπεριφορά της μηχανής. Στην πρώτη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή εκκίνησης, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί, ενώ στη δεύτερη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης της μηχανής στις ονομαστικές στροφές, τον οποίο ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στις επόμενες βελτιστοποιήσεις είχαμε σαν παραμέτρους όλα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μπάρας του δρομέα και κάθε φορά αλλάζαμε την αντικειμενική συνάρτηση του προβλήματος. Αρχικά ζητήσαμε να μας μεγιστοποιήσει τη ροπή εκκίνησης. Στη συνέχεια είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή που αποδίδει το μοντέλο στις ονομαστικές στροφές, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στην τελευταία βελτιστοποίηση που κάναμε είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης του μοντέλου στις ονομαστικές στροφές και ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Σε κάθε μία από τις βελτιστοποιήσεις που έγιναν, προέκυψε ένα βέλτιστο μοντέλο το οποίο αναλύσαμε και συγκρίναμε με το αρχικό μοντέλο. / We made an optimization of an asynchronous motor. First we design the motor in the programma Opera. The model of the motor is a 4-pole, asynchronous motor, 4 KW with 28 rotor slots and 36 stator slots. Then we madw the optimization using the Optimizer of Opera vectorfields. We made 5 types of optimizations, each time using different objective function and design variables. The best models each time analized and compares to the first one.

Apesar do grande interesse no comportamento dinâmico das cargas, existe uma lacuna em investigações considerando o seu desempenho transitório, quando alimentadas por linhas de transmissão e a rejeição de carga ocorre com a abertura dos disjuntores do lado fonte, causando sobretensões temporárias. Este trabalho analisa as sobretensões temporárias causadas por este evento em uma carga de grande porte, constituída por motores síncronos e assíncronos, que pode operar parte do tempo somente com motores assíncronos. Para tanto, foi desenvolvido um modelo de motor de indução, segundo uma trnsformaçãoos eixos direto e de quadratura, com a finalidade de validar e efetuar comparações com o modelo existente no programa ATP. Dos vários testes de validação realizados e de posse de modelos confiáveis de máquinas, principalmente para os motores de indução, foram examinadas diversas situações operativas, com o programa ATP, procurando investigar as solicitações dielétricas em equipamentos e sobre-excitação de transformadores, quando a linha de transmissão opera com e sem compensação reativa. Dessa análise pode-se obter um panorama do risco operativo em diferentes cenários, verificando-se a necessidade de compensação reativa da linha. / In spite of the great interest in the dynamic behavior of loads, there is a gap in investigations considering their transient performance, when they are fed by transmission lines and a load rejection occurs with the tripping of the breakers of the source side, causing temporary overvoltages. This paper analyzes the temporary overvoltages caused by this event in a large load, constituted by synchronous and asynchronous motors, that can operate part of the time only with asynchronous motors. Therefore, a model of induction motor was developed, according to the direct and quadrature axes transformation, with the purpose to validate and make comparisons with the existent model in the ATP program. From several validation tests and using reliable machine models, mainly for the induction motors, some operative conditions were examined with the ATP program, trying to investigate equipment dielectric stresses and over-excitation of transformers, when the transmission line operates with and without reactive compensation. From this analysis it can be obtained an overview of the operative risk in different sceneries, being verified the need of reactivate compensation of the line.

Apesar do grande interesse no comportamento dinâmico das cargas, existe uma lacuna em investigações considerando o seu desempenho transitório, quando alimentadas por linhas de transmissão e a rejeição de carga ocorre com a abertura dos disjuntores do lado fonte, causando sobretensões temporárias. Este trabalho analisa as sobretensões temporárias causadas por este evento em uma carga de grande porte, constituída por motores síncronos e assíncronos, que pode operar parte do tempo somente com motores assíncronos. Para tanto, foi desenvolvido um modelo de motor de indução, segundo uma trnsformaçãoos eixos direto e de quadratura, com a finalidade de validar e efetuar comparações com o modelo existente no programa ATP. Dos vários testes de validação realizados e de posse de modelos confiáveis de máquinas, principalmente para os motores de indução, foram examinadas diversas situações operativas, com o programa ATP, procurando investigar as solicitações dielétricas em equipamentos e sobre-excitação de transformadores, quando a linha de transmissão opera com e sem compensação reativa. Dessa análise pode-se obter um panorama do risco operativo em diferentes cenários, verificando-se a necessidade de compensação reativa da linha. / In spite of the great interest in the dynamic behavior of loads, there is a gap in investigations considering their transient performance, when they are fed by transmission lines and a load rejection occurs with the tripping of the breakers of the source side, causing temporary overvoltages. This paper analyzes the temporary overvoltages caused by this event in a large load, constituted by synchronous and asynchronous motors, that can operate part of the time only with asynchronous motors. Therefore, a model of induction motor was developed, according to the direct and quadrature axes transformation, with the purpose to validate and make comparisons with the existent model in the ATP program. From several validation tests and using reliable machine models, mainly for the induction motors, some operative conditions were examined with the ATP program, trying to investigate equipment dielectric stresses and over-excitation of transformers, when the transmission line operates with and without reactive compensation. From this analysis it can be obtained an overview of the operative risk in different sceneries, being verified the need of reactivate compensation of the line.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελείται από δυο μέρη. Στο πρώτο μέρος πραγματοποιήθηκε μεταβατική θερμική ανάλυση σε μια υγιή μηχανή και σε μια μηχανή με σπασμένη μπάρα και ακολούθησε σύγκριση των αποτελεσμάτων των δυο αναλύσεων. Στο δεύτερο μέρος έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων μιας μεταβατικής θερμικής ανάλυσης υγιούς μηχανής με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. / Transient thermal analysis for healthy asychronous motor and for motor with broken bar to the motor.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε μια αναλυτική αναφορά στα διάφορα θερμικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα μέσα στον κινητήρα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του. Προσομοιώθηκε ένας ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα σε περίπτωση υγιούς κατάστασης λειτουργίας και σε περίπτωση σφάλματος μιας σπασμένης μπάρας του δρομέα. Επίσης πάρθηκαν μετρήσεις από αισθητήρες θερμοκρασίας που τοποθετήθηκαν στο στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Η ασύγχρονη μηχανή αποσυναρμολογήθηκε και τοποθετήθηκε νέο τύλιγμα στο στάτη αφού αφαιρέθηκε το αρχικό εργοστασιακό. Αυτό έγινε για μπορέσουμε να τοποθετήσουμε αισθητήρες (θερμοστοιχεία) στο νέο τύλιγμα για να διαπιστώσουμε με πειραματικό τρόπο την θερμοκρασιακή κατανομή του στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Στη συνέχεια επιχειρήθηκε η θερμική ανάλυση στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του ασύγχρονου κινητήρα σε περίπτωση υγιούς κατάστασης και σε περίπτωση μιας σπασμένης μπάρας του δρομέα. Η θερμική ανάλυση έγινε μέσω της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων, σε δισδιάστατη γεωμετρία, μέθοδος η οποία είναι πολύ ακριβής με λεπτομερειακά αποτελέσματα. Με τη μέθοδο αυτή αναλύονται με μαθηματικές εξισώσεις το φαινόμενο της μετάδοσης θερμότητας χρησιμοποιώντας κατάλληλες οριακές συνθήκες, η γεωμετρία και τα θερμικά χαρακτηριστικά των υλικών, οι πηγές θερμότητας και, αφού το πρόγραμμα επεξεργάζεται τα δεδομένα, καταλήγει στην κατανομή της θερμοκρασίας με μεγάλη ακρίβεια. Για να γίνει η ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία χρειάστηκε να επιλυθούν διαφορικές εξισώσεις με μερικές παραγώγους προκειμένου να καταλήξουμε στο αποτέλεσμα. Τέλος τα αποτέλεσμα της θερμικής ανάλυσης μέσω της εξομοίωσης συγκρίνονται με αυτά της πειραματικής και διαπιστώνεται η συμφωνία της πειραματικής και της θεωρητικής προσέγγισης του θερμικού προβλήματος της μηχανής. / Thermal analysis of elecrical rotors.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται μια εκτενής αναφορά στον τρόπο σχεδιασμού μιας ασύγχρονης τριφασικής μηχανής με το υπολογιστικό εργαλείο Autocad. Συγκεκριμένα αναλύουμε τον τρόπο σχεδιασμού του στάτη, του δρομέα, του διπλού μοντέλου στάτη δρομέα καθώς και της μηχανής σε πλάγια όψη, πρόσοψη και τομή. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στη θεωρία των ασύγχρονων μηχανών. Αναλύουμε τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους, περιγράφουμε την αρχή λειτουργίας τους και τέλος αναφέρουμε τις βασικές εφαρμογές τους. Στη συνέχεια κάνουμε μια εισαγωγή στο πρόγραμμα σχεδιασμού Autocad. Περιγράφουμε το περιβάλλον εργασίας του, επεξηγούμε τα βασικά εργαλεία σχεδιασμού του, που θα χρησιμεύσουν στην δημιουργία των σχεδίων της μηχανής μας, καθώς και τον τρόπο σχεδίασης βασικών αντικειμένων που είναι χρήσιμα στην πλειοψηφία των εφαρμογών. Όλα αυτά τα εργαλεία θα μας φανούν χρήσιμα στην εργασία μας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο υπό μελέτη κινητήρας μαζί με τα κατασκευαστικά και τεχνικά χαρακτηριστικά του και επεξηγείται η διαδικασία σχεδιασμού του στάτη και του δρομέα. Αρχικά σχεδιάζουμε τα δόντια τους και μέσω αυτών κατασκευάζουμε και ολόκληρα τα σχέδιά τους αντίστοιχα. Τέλος περιγράφουμε και τη διαδικασία σχεδιασμού του διπλού μοντέλου. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια πιο αναλυτική παρουσίαση των τελικών σχεδίων του τρίτου κεφαλαίου με όλες τις διαστάσεις τους. Αναλύουμε επίσης τον τρόπο σχεδιασμού της πλάγιας όψης, της πρόσοψης καθώς και της τομής του υπό μελέτη κινητήρα. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζουμε και τα αντίστοιχα ολοκληρωμένα σχέδια με τις διαστάσεις του κατασκευαστή του. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο αναλύουμε τη διαδικασία εισαγωγής στο πρόγραμμα Οpera, των σχεδίων που κατασκευάσαμε στο Αutocad στα προηγούμενα κεφάλαια (δόντια στάτη και δρομέα, στάτης, δρομέας, διπλό μοντέλο). Περιγράφουμε επίσης και τον τρόπο δημιουργίας των νέων σχεδίων στο Opera, μιας και αυτό αναγνωρίζει όλες τις γραμμές του Autocad (Lines, Polylines) σαν βοηθητικές γραμμές (Construction Lines), γραμμές δηλαδή που χρησιμοποιούμε ως οδηγούς ώστε να κατασκευάσουμε το πραγματικό σχέδιο. Το νέο αυτό σχέδιο είναι στην ουσία το ίδιο με αυτό που κατασκευάσαμε και στο Αutocad, αλλά αυτή τη φορά με γραμμές του Opera. Tέλος στο παράρτημα της εργασίας παρουσιάζουμε όλα τα σχέδια του κινητήρα σε μεγέθυνση, ώστε να φαίνονται όλα τα μέρη από τα οποία αποτελούνται, ειδικά στην πλάγια όψη και στην τομή που είναι σχέδια με περισσότερη λεπτομέρεια. / --

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την ανάλυση της λειτουργίας ενός ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, αποτελούμενου από μηχανή Diesel και Σύγχρονη Γεννήτρια έκτυπων πόλων, το οποίο αποτελεί εφεδρική τροφοδοσία για φορτίο ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο βασικό δίκτυο. Στα πρώτα κεφάλαια της εργασίας παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση των μηχανών του παραπάνω συστήματος, και το μαθηματικό υπόβαθρο που τις περιγράφει. Η ανάλυση αυτή χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την εκτεταμένη παρουσίαση του τρόπου προσομοίωσής τους στο περιβάλλον Simulink του προγράμματος Matlab της εταιρίας Mathworks. Μετά την περιγραφή και τη δημιουργία του μοντέλου του συστήματος στο Simulink, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για διαφορετικές περιπτώσεις σφαλμάτων. Αναλύονται και παρουσιάζονται γραφικά οι επιπτώσεις του εκάστοτε σφάλματος στο σύστημα, καθώς επίσης και η δράση των διάφορων μηχανισμών που θα επαναφέρουν το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας. / The purpose of this diploma thesis is to analyze the operation of a genset consisting of a diesel engine and a synchronous generator, which provides backup supply for an asynchronous motor load when a fault occurs in the main grid. The first chapters of this thesis include the theoretical analysis of the system’s machines and the mathematical functions describing them. This analysis is then used to extensively describe the way these machines are simulated in the Simulink environment of the program Matlab. The simulation model of the whole system is then described and developed. Furthermore, simulation results of the model are presented for different types of faults in the main grid. The effects of these faults on the system are graphically analyzed, and so is the action of the regulators that will restore the system in the desired state of operation.

Η μόλυνση του περιβάλλοντος από τα μέσα μεταφοράς και η συνεχής μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων αποτελούν τους δύο κύριους λόγους για τη στροφή των τμημάτων έρευνας της παγκόσμιας αυτοκινητοβιομηχανίας στην επινόηση οικολογικότερων μέσων μετακίνησης. Από αυτή την προσπάθεια προέκυψαν τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα, τα οποία περιορίζουν την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπες ρύπων συγκριτικά με συμβατικά οχήματα παραπλήσιων τεχνικών χαρακτηριστικών. Τα υβριδικά οχήματα είναι, ουσιαστικά, ο προάγγελος και το πεδίο δοκιμής και εξέλιξης της αμιγούς ηλεκτροκίνησης. Ο κοινός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας και άλλων δύο διπλωματικών εργασιών, οι οποίες εκπονήθηκαν παράλληλα με αυτή, είναι η μετατροπή ενός συμβατικού βενζινοκίνητου αυτοκινήτου σε ηλεκτρικό υβριδικό όχημα. Το αρχικό μέλημα υπήρξε η εύρεση του κατάλληλου οχήματος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Την προμήθεια του οχήματος ακολούθησε η έρευνα της αγοράς για την εύρεση του κατάλληλου ηλεκτρικού κινητήρα. Ο κινητήρας, ο οποίος επιλέχθηκε, είναι τριφασικός ασύγχρονος. Εν συνεχεία, αγοράστηκαν συσσωρευτές οξέος μολύβδου ως εναλλακτική πηγή ενέργειας του οχήματος. Ακολούθησε εμπεριστατωμένη μελέτη για τη μηχανολογική προσαρμογή του ηλεκτρικού κινητήρα και των συσσωρευτών στο όχημα και πραγματοποιήθηκε αυτή η εργασία. O ηλεκτρικός κινητήρας τοποθετήθηκε επί του διαφορικού, ενώ κατασκευάστηκε ειδική βάση για τους συσσωρευτές. Υπολογίστηκε και κατασκευάστηκε κατάλληλο σύστημα μετάδοσης για τη μεταφορά της κίνησης από τον κινητήρα στον άξονα μετάδοσης της κίνησης του οχήματος, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες κίνησης του. Το γεγονός ότι ο κινητήρας χρειάζεται σύστημα υδρόψυξης για την ασφαλή και αποδοτική λειτουργία του είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή κατάλληλης διάταξης. Το δεδομένο ότι οι συσσωρευτές παράγουν συνεχές ρεύμα, ενώ ο κινητήρας απαιτεί τροφοδοσία με εναλλασσόμενο ρεύμα οδήγησε στην κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Ο αντιστροφέας αποτελεί μια ηλεκτρική διάταξη, η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Το απαιτούμενο επίπεδο τάσης εξόδου του αντιστροφέα για την τροφοδοσία του κινητήρα προϋποθέτει συγκεκριμένο επίπεδο τάσης στην είσοδο του μετατροπέα, το οποίο είναι υψηλότερο από την τάση εξόδου της συστοιχίας των συσσωρευτών. Επιχειρήθηκε, λοιπόν, η εξομοίωση και η κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η ιδιότητα του είναι η ανύψωση του επιπέδου τάσης των συσσωρευτών κατά τη φάση της τροφοδότησης του κινητήρα αλλά και ο υποβιβασμός της τάσης για τη φόρτιση των συσσωρευτών κατά την επιστροφή ενέργειας από τη λειτουργία του κινητήρα ως γεννήτρια, τη λεγόμενη διαδικασία της αναγεννητικής πέδησης. Ο έλεγχος του ηλεκτρικού κινητήρα πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής του άμεσου ελέγχου ροπής (DTC), ενός είδους άμεσου διανυσματικού ελέγχου. / The environmental pollution caused by all means of transport and the continued reduction of stocks of fossil fuels are the two main reasons, which directed the global automotive research in developing “greener” means of transport. From this effort emerged hybrid electric vehicles, which reduce fuel consumption and emissions compared to conventional vehicles with similar technical characteristics. Hybrid vehicles are essentially the precursor and the field for testing and developing pure electric traction. The common objective of this and two other diploma theses, which were prepared in parallel with it, is to convert a conventional gasoline car to a hybrid electric one. The initial concern was to find a suitable vehicle for this application. The supply of the vehicle was followed by the market research to find a suitable motor. The selected motor is a three-phase asynchronous motor. Subsequently, lead acid batteries were purchased as an alternative energy source for the vehicle. This was followed by a thorough study of the mechanical adjustment of the electric motor and battery in the vehicle and the planned work was performed. The electric motor is adapted on the differential and a base was constructed to fit the batteries. A suitable transmission system was built to transmit motion from the electric motor to the transmission axle of the vehicle to meet the needs of the driving conditions. The fact that the motor needs a water cooling system for its safe and efficient operation resulted in the construction of an adequate array. Taking into account that the batteries produce direct current, while the motor requires the supply of alternating current led to the design and construction of a three-phase power inverter at the laboratory. The inverter is an electrical device that converts direct current to alternating current. The demanded level of voltage in the inverter’s output to power the motor requires a specific voltage level at the input of the converter, which is higher than the output voltage of the battery pack. Therefore, the simulation and the construction of a bidirectional DC to DC voltage converter was attempted at the laboratory. The aim is to raise the level of battery voltage during the phase of the electric machine functioning as a motor and to reduce the voltage level to charge the batteries during the phase that the electric machine functions as a generator, a process called regenerative braking. The control of the electric motor was achieved by the technique of direct torque control (DTC), a kind of direct vector control.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μετατροπή ενός συμβατικού αυτοκινήτου σε υβριδικό ηλεκτρικό όχημα. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετάται και κατασκευάζεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα του οχήματος, το οποίο έχει τοπολογία παράλληλης διάταξης. Τα υποσυστήματα που το συνθέτουν είναι ένας τριφασικός ασύγχρονος ηλεκτρικός κινητήρας, μία συστοιχία ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και οι απαραίτητοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Το υβριδικό όχημα διαθέτει τη δυνατότητα επιστροφής ενέργειας κατά την επιβράδυνση, φορτίζοντας τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές (αναγεννητική πέδηση). Για την προσαρμογή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος στο υπάρχον συμβατικό κινητήριο σύστημα του αυτοκινήτου έλαβαν χώρα ορισμένες μηχανολογικές μετατροπές και κατασκευάστηκε ένα σύστημα υδρόψυξης για τον ηλεκτροκινητήρα. Για τη ενεργειακή διαχείριση του όλου συστήματος έγινε εμπεριστατωμένη ηλεκτρολογική μελέτη. Για την τροφοδοσία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση (τριφασικός αντιστροφέας). Για τη λειτουργία του τριφασικού κινητήρα σε επίπεδα ονομαστικής ισχύος απαιτήθηκε η ανύψωση της συνεχούς τάσης των μπαταριών και για αυτό το λόγο έγινε σχεδιασμός, προσομοίωση και κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου ηλεκτρονικού μετατροπέα ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση. Ο έλεγχος της ηλεκτρικής μηχανής υλοποιείται από την μέθοδο Αμέσου Ελέγχου Ροπής (DTC), η οποία αποτελεί ένα είδος αμέσου διανυσματικού ελέγχου. Παράλληλα με αυτή τη διπλωματική εργασία, εκπονήθηκαν δύο ακόμα διπλωματικές εργασίες πάνω στο θέμα του υβριδικού οχήματος. / The present diploma thesis deals with the conversion of a conventional car to a hybrid electric vehicle (HEV). To this direction, the powertrain of the vehicle is designed and constructed, composing a parallel hybrid topology. The subsystems of the electric propulsion system are a three-phase asynchronous electric motor, an electrochemical battery pack and the necessary power electronic converters. The hybrid electric vehicle has the ability to return energy and charge the batteries during deceleration (regenerative braking). In order to adapt the electrical compounds to the existing conventional propulsion system, some mechanical modifications had to be made. Furthermore, a water cooling system was designed and constructed in order to cool the electric motor. The energy management of the electrical system is analysed. The power of the three-phase asynchronous motor is controlled by a three-phase DC to AC inverter. The operation of the motor at its nominal power requires the boost of the battery voltage level. For this reason, a bidirectional DC to DC boost / buck converter was firstly simulated to ensure its proper operation. The above power converters were designed and constructed at the laboratory. The control of the electric motor is implemented by the Direct Torque Control method (DTC), which is a kind of direct vector control. In parallel with this work, two more diploma theses were prepared on the project of the hybrid electric vehicle.