ECE6230 Μετρήσεις, Έλεγχος και Ηλεκτρονικά Ισχύος

Επιστ. Υπεύθυνος	Σταμούλης Γεώργιος, Καθηγητής E-mail: georges@uth.gr
Συμμετέχοντα Μέλη ΔΕΠ	Σωτηρίου Χρήστος, Καθηγητής E-mail: chsotiriou@uth.gr
Τίτλος	Hellenic Chips Competence Centre (HCCC)
Φορέας Χρηματοδότησης	Το HCCC υποστηρίζεται από το Chips JU και τα μέλη του, και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση και την Ελληνική Κυβέρνηση μέσω του προγράμματος “Ανταγωνιστικότητα”
Προϋπολογισμός	326.350,00
Διάρκεια	01/06/2025 – 31/05/2029
Ιστοσελίδα	http://www.hccc.org.gr/

Επιστ. Υπεύθυνος	Πλέσσας Φώτιος, Καθηγητής E-mail: fplessas@uth.gr
Τίτλος	Αναλογικός Σχεδιασμός, Δοκιμές και Επαλήθευση
Φορέας Χρηματοδότησης	NanoZeta Technologies ltd.
Προϋπολογισμός	271.400,00
Διάρκεια	26/01/2021 – 25/01/2028

Επιστ. Υπεύθυνος	Κοράκης Αθανάσιος, Καθηγητής E-mail: korakis@uth.gr
Τίτλος	DIGITAfrica: Towards a comprehensive pan-African research infrastructure in Digital Sciences
Φορέας Χρηματοδότησης	ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ
Προϋπολογισμός	123.125,00
Διάρκεια	16/12/2024 – 31/12/2027

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών
Σέκερη και Χέυδεν Πεδίον Άρεως, κτίριο ΤμΗΜΜΥ ΤΚ 383 34, Βόλος
Τηλ.	+30 24210 74967, +30 24210 74934
e-mail	gece ΑΤ uth.gr
Τηλ. Π.Μ.Σ.	+30 24210 74933
e-mail Π.Μ.Σ.	pgsec ΑΤ uth.gr
Ιστοσελίδα	https://www.e-ce.uth.gr/contact-info/

Π.Μ.Σ.	Ευφυή Δίκτυα Ηλεκτρικής Ενέργειας
Εξάμηνο	Εξάμηνο 2 – Εαρινό
Τύπος Μαθήματος	Επιλογής
Μονάδες ECTS	7,5
Εβδομαδιαίες Ώρες Διδασκαλίας	3
Συνιστώμενα	Σ. Ι. Λουτρίδης, Τεχνολογία Μετρήσεων και Αισθητήρων, Εκδόσεις ΣΤΕΛΛΑ ΠΑΡΙΚΟΥ & ΣΙΑ ΟΕ, 2018. Κ. Καλοβρέκτης, Αισθητήρες Μέτρησης & Ελέγχου, Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2018 Σ. Ι. Λουτρίδης, Μετρήσεις σε Ηλεκτρικά και Ηλεκτρονικά Κυκλώματα, ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε, 2018. Ν. Mohan, Τ. Α. Undeland, W. P. Robins, Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος: Ανάλυση, σχεδίαση και εφαρμογές των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε., 2010. Rashid Mohammad, “Power Electronics: Devices, Circuits and Applications”, 4th edition, Pearson Education, 2017.
Σελίδα Μαθήματος	https://www.e-ce.uth.gr/studies/postgraduate/smart-grid-energy-systems/courses/ece6230/
Επιστημονικός Υπεύθυνος	Πλέσσας Φώτιος, Καθηγητής E-mail: fplessas@uth.gr
Συγγράμματα	Σ. Ι. Λουτρίδης, Τεχνολογία Μετρήσεων και Αισθητήρων, Εκδόσεις ΣΤΕΛΛΑ ΠΑΡΙΚΟΥ & ΣΙΑ ΟΕ, 2018. John P. Bentley , Συστήματα Μετρήσεων, Βασικές Αρχές, , Εκδόσεις ΙΩΝ, ΑΘΗΝΑ 2009 Κ. Καλοβρέκτης, Αισθητήρες Μέτρησης & Ελέγχου, Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2018 Σ. Ι. Λουτρίδης, Μετρήσεις σε Ηλεκτρικά και Ηλεκτρονικά Κυκλώματα, ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε, 2018. K. Καλαϊτζάκη, Ε. Κουτρούλη, Ηλεκτρικές μετρήσεις και αισθητήρες, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 2010. Ν. Mohan, Τ. Α. Undeland, W. P. Robins, Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος: Ανάλυση, σχεδίαση και εφαρμογές των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε., 2010. Κιοσκερίδης Ιορδάνης, Ηλεκτρονικά Ισχύος, 2008, Εκδόσεις Τζιόλα. Rashid Mohammad (2017), “Power Electronics: Devices, Circuits and Applications”, 4th edition, Pearson Education. Λουτρίδης Σ., Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά, Έκδοση: 2η/2017, ISBN: 978-960-418-668-6, Διαθέτης (Εκδότης): ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε, Κωδικός Βιβλίου στον Εύδοξο: 68369742.

Περιγραφή
Μαθησιακά Αποτελέσματα
Αξιολόγηση Φοιτητών
Κατανομή ύλης

Εισαγωγή στους αισθητήρες και τα συστήματα μετρήσεων.
Σφάλματα και αβεβαιότητα.
Μέτρηση τάσης, ρεύματος και αντίσταστης.
Μέτρηση γωνίας μετατόπισης και ταχύτητας.
Μέτρηση πίεσης και θερμοκρασίας.
Συστήματα προσαρμογής (τελεστικός ενισχυτής, πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες, μετατροπείς 4-20mA, μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης, κτλ).
Μετατροπή Α/D και D/A.
Εισαγωγή στους προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (PLC).
Η δομή ενός PLC.
Αρχές λειτουργίας των PLC.
Προγραμματισμός ενός PLC.
Ανάπτυξη προγράμματος σε γλώσσα ladder.
Ανάπτυξη προγράμματος γλώσσα λίστα εντολών.
Ανάπτυξη προγράμματος γλώσσα λογικών γραφικών.
Ανάπτυξη προγραμμάτων με χρονικές λειτουργίες.
Παρουσίαση και χρήση λογισμικών προγραμματισμού PLC (π.χ. Siemens Logo Comfort , Schneider Electric ZelioSoft).
Παραδείγματα προγραμματισμού PLC με χρήση εμπορικού λογισμικού.
Εισαγωγή́ στα συστήματα SCADA.
Βασικές αρχές σχεδιασμού και λειτουργίας των συστημάτων SCADA.
Η δομή ενός συστήματος SCADA.
Συλλογή δεδομένων, επικοινωνία και παρουσίαση.
Σύγκριση SCADA και Distributed Control Systems (DCS).
Εφαρμογές των συστημάτων SCADA στη βιομηχανία.
Ασφάλεια και ευπάθεια των συστημάτων SCADA.
Εισαγωγή στους ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος.
Ιδιότητες, δομή και λειτουργικά χαρακτηριστικά βασικών διακοπτών ισχύος από ημιαγωγούς .
Σύγκριση ελεγχόμενων ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος.
Εισαγωγή στις έννοιες της συχνότητας μετάβασης και σχετικής διάρκειας αγωγής.
Έλεγχος με σταθερή συχνότητα μετάβασης (Διαμόρφωση εύρους παλμών, PWM).
Έλεγχος με μεταβλητή συχνότητα μετάβασης.
Κυκλώματα παραγωγής σημάτων ελέγχου.
Εισαγωγή στον έλεγχο των μετατροπέων dc-dc
Μετατροπέας dc-dc υποβιβασμού της τάσης (step-down ή buck dc-dc converter)
Μετατροπέας dc-dc ανύψωσης της τάσης (step-up ή boost dc-dc converter)
Μικτός μετατροπέας dc-dc (buck-boost dc-dc converter)
Μετατροπέας dc-dc πλήρους γέφυρας
Σύγκριση dc-dc μετατροπέων
Παρουσίαση των βασικών παραμέτρων που επιδρούν στην κυμάτωση της τάσης εξόδου.
Λειτουργία με συνεχή και ασυνεχή αγωγή ρεύματος
Αξιοποίηση διακοπτών στους dc-dc μετατροπείς
Μετατροπείς με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM).
Υπερδιαμόρφωση και μετατροπείς με τετραγωνική κυματομορφή.
Εισαγωγή στις έννοιες του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους (m_a) και διαμόρφωσης συχνότητας (m_f).
Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (SPWM).
Σχεδίαση και έλεγχος σε μονοφασικούς dc-ac μετατροπείς.
Μονοφασικός dc-ac μετατροπέας μισής γέφυρας.
Μονοφασικός dc-ac μετατροπέας με πλήρη γέφυρα.
Διαμόρφωση PWM με διπολική τάση εξόδου.
Διαμόρφωση PWM με μονοπολική τάση εξόδου.
Λειτουργία τετραγωνικής κυματομορφής.
Αξιοποίηση διακοπτών σε dc-ac μετατροπέα με πλήρη γέφυρα.
Κυμάτωση της τάσης εξόδου ενός μονοφασικού dc-ac μετατροπέα.
Έλεγχος ρεύματος (με ζώνη υστέρησης) σε dc-ac μετατροπείς.
Παρουσίαση της τοπολογίας ενός τριφασικού dc-ac μετατροπέα.
Ανάλυση της λειτουργίας ενός τριφασικού dc-ac μετατροπέα.
Διαμόρφωση PWM σε τριφασικούς dc-ac μετατροπείς.
Γραμμική διαμόρφωση και υπερδιαμόρφωση.
Λειτουργία τετραγωνικής κυματομορφής.
Αξιοποίηση διακοπτών σε τριφασικούς dc-ac μετατροπείς.
Κυμάτωση της τάσης εξόδου ενός τριφασικού dc-ac μετατροπέα.
Αγωγή διακοπτών σε τριφασικούς dc-ac μετατροπείς.
Έλεγχος σε dc κινητήρια συστήματα με dc-dc μετατροπέα ισχύος.
Έλεγχος ταχύτητας σε επαγωγικούς κινητήρες με dc-ac μετατροπέα ισχύος.
Soft-starter για επαγωγικούς κινητήρες.
Έλεγχος του dc-dc μετατροπέα σε dc διακοπτικά τροφοδοτικά.
Ρυθμιστές ισχύος και συστήματα αδιάληπτης τροφοδοσίας (UPS).
Παρουσίαση και χρήση λογισμικού σχεδίασης/προσομοίωσης μετατροπέων με ηλεκτρονικά ισχύος (π.χ. Matlab Simulink, PowerSim).

Το αντικείμενο του μαθήματος χωρίζεται σε δύο βασικές θεματικές ενότητες: α) Μετρήσεις και έλεγχος, όπου βασικό αντικείμενο αποτελεί η εισαγωγή στα συστήματα μετρήσεων, τους αισθητήρες και το βιομηχανικό έλεγχο και β) Ηλεκτρονικά ισχύος με έμφαση στους μετατροπείς dc-dc και dc-ac και τις εφαρμογές τους στον έλεγχο κινητήρων, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και τη βελτίωση της ποιότητας της ισχύος.

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές θα είναι σε θέση:

Να κατανοούν τις φυσικές αρχές λειτουργίας των διαφόρων αισθητήρων και τη σημασία των μετρήσεων στο βιομηχανικό έλεγχο.
Να επιλέγουν το καταλληλότερο αισθητήριο και μέθοδο μέτρησης για κάθε φυσική παράμετρο.
Να εντοπίζουν πιθανές παρεμβολές σε περιβάλλον μετρήσεων και να προτείνουν τεχνικές περιορισμού́ τους.
Να σχεδιάζουν ένα σύστημα μέτρησης που βασίζεται στη μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό.
Να κατανοούν και να επιλέγουν τα κατάλληλα κυκλώματα προσαρμογής με σκοπό́ την μέτρηση φυσικών και άλλων μεγεθών μεσώ αισθητήρων.
Να μετρούν βασικά φυσικά ηλεκτρικά μεγέθη, τη θερμοκρασία, τη γωνία μετατόπισης και τη ταχύτητα.
Να κατανοούν τις αρχές λειτουργίας και τη δομή ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή.
Να αναπτύσσουν ολοκληρωμένα προγράμματα για προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές χρησιμοποιώντας κατάλληλα λογισμικά.
Να κατανοούν την αρχιτεκτονική και τις αρχές λειτουργίας ενός συστήματος SCADA.
Να κατανοούν τη δομή και λειτουργία των βασικών στοιχείων ισχύος (δίοδοι ισχύος, Thyristor, Transistor ισχύος, κ.λπ.) που χρησιμοποιούνται σε διατάξεις ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος.
Να αναγνωρίζουν και να κατανοούν τις βασικές αρχές σχεδιασμού και λειτουργίας μετατροπέων ac-dc, dc-dc και dc-ac.
Να κατανοούν και να επιλέγουν την κατάλληλη τεχνική διαμόρφωσης για έναν μετατροπέα με ηλεκτρονικά ισχύος ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής.
Να σχεδιάζουν ένα ολοκληρωμένο συστήματος δύο ή περισσότερων μετατροπέων.
Να ελέγχουν την ταχύτητα ενός dc κινητήρα με χρήση διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος.
Να ελέγχουν την ταχύτητα ενός επαγωγικού κινητήρα με χρήση διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος.
Να κατανοούν τη λειτουργία των dc διακοπτικών τροφοδοτικών και των UPS.

Ατομικές εργασίες (70%) που περιλαμβάνουν:

Την ανάπτυξη και προσομοίωση ενός ολοκληρωμένου συστήματος ελέγχου με χρήση προγραμματιζόμενου λογική ελεγκτή και αισθητήρων.
Την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος ελέγχου ενός μετατροπέα με ηλεκτρονικά ισχύος και χρήση λογισμικού προσομοίωσης.

Γραπτή τελική εξέταση (30%) που περιλαμβάνει:

Ερωτήσεις θεωρία επί του περιεχομένου του μαθήματος.
Επίλυση προβλημάτων-ασκήσεων.

Εβδομάδα 1-2:

Εισαγωγή στους αισθητήρες και τα συστήματα μετρήσεων.
Σφάλματα και αβεβαιότητα.
Μέτρηση τάσης, ρεύματος και αντίσταστης.
Μέτρηση γωνίας μετατόπισης και ταχύτητας.
Μέτρηση πίεσης και θερμοκρασίας.
Συστήματα προσαρμογής (τελεστικός ενισχυτής, πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες, μετατροπείς 4-20mA, μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης, κτλ).
Μετατροπή Α/D και D/A.

Εβδομάδα 3:

Εισαγωγή στους προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (PLC).
Η δομή ενός PLC.
Αρχές λειτουργίας των PLC.
Προγραμματισμός ενός PLC.
Ανάπτυξη προγράμματος σε γλώσσα ladder.
Ανάπτυξη προγράμματος γλώσσα λίστα εντολών.
Ανάπτυξη προγράμματος γλώσσα λογικών γραφικών.
Ανάπτυξη προγραμμάτων με χρονικές λειτουργίες.

Εβδομάδα 4:

Παρουσίαση και χρήση λογισμικών προγραμματισμού PLC (π.χ. Siemens Logo Comfort , Schneider Electric ZelioSoft).
Παραδείγματα προγραμματισμού PLC με χρήση εμπορικού λογισμικού.

Εβδομάδα 5:

Εισαγωγή́ στα συστήματα SCADA.
Βασικές αρχές σχεδιασμού και λειτουργίας των συστημάτων SCADA.
Η δομή ενός συστήματος SCADA.
Συλλογή δεδομένων, επικοινωνία και παρουσίαση.
Σύγκριση SCADA και Distributed Control Systems (DCS).
Εφαρμογές των συστημάτων SCADA στη βιομηχανία.
Ασφάλεια και ευπάθεια των συστημάτων SCADA.

Εβδομάδα 6:

Εισαγωγή στους ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος.
Ιδιότητες, δομή και λειτουργικά χαρακτηριστικά βασικών διακοπτών ισχύος από ημιαγωγούς .
Σύγκριση ελεγχόμενων ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος.
Εισαγωγή στις έννοιες της συχνότητας μετάβασης και σχετικής διάρκειας αγωγής.
Έλεγχος με σταθερή συχνότητα μετάβασης (Διαμόρφωση εύρους παλμών, PWM).
Έλεγχος με μεταβλητή συχνότητα μετάβασης.
Κυκλώματα παραγωγής σημάτων ελέγχου.

Εβδομάδα 7-8

Εισαγωγή στον έλεγχο των μετατροπέων dc-dc
Μετατροπέας dc-dc υποβιβασμού της τάσης (step-down ή buck dc-dc converter)
Μετατροπέας dc-dc ανύψωσης της τάσης (step-up ή boost dc-dc converter)
Μικτός μετατροπέας dc-dc (buck-boost dc-dc converter)
Μετατροπέας dc-dc πλήρους γέφυρας
Σύγκριση dc-dc μετατροπέων
Παρουσίαση των βασικών παραμέτρων που επιδρούν στην κυμάτωση της τάσης εξόδου.
Λειτουργία με συνεχή και ασυνεχή αγωγή ρεύματος
Αξιοποίηση διακοπτών στους dc-dc μετατροπείς

Εβδομάδα 9:

Μετατροπείς με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM).
Υπερδιαμόρφωση και μετατροπείς με τετραγωνική κυματομορφή.
Εισαγωγή στις έννοιες του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους (m_a) και διαμόρφωσης συχνότητας (m_f).
Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (SPWM).

Εβδομάδα 10:

Σχεδίαση και έλεγχος σε μονοφασικούς dc-ac μετατροπείς.
Μονοφασικός dc-ac μετατροπέας μισής γέφυρας.
Μονοφασικός dc-ac μετατροπέας με πλήρη γέφυρα.
Διαμόρφωση PWM με διπολική τάση εξόδου.
Διαμόρφωση PWM με μονοπολική τάση εξόδου.
Λειτουργία τετραγωνικής κυματομορφής.
Αξιοποίηση διακοπτών σε dc-ac μετατροπέα με πλήρη γέφυρα.
Κυμάτωση της τάσης εξόδου ενός μονοφασικού dc-ac μετατροπέα.
Έλεγχος ρεύματος (με ζώνη υστέρησης) σε dc-ac μετατροπείς.

Εβδομάδα 11:

Παρουσίαση της τοπολογίας ενός τριφασικού dc-ac μετατροπέα.
Ανάλυση της λειτουργίας ενός τριφασικού dc-ac μετατροπέα.
Διαμόρφωση PWM σε τριφασικούς dc-ac μετατροπείς.
Γραμμική διαμόρφωση και υπερδιαμόρφωση.
Λειτουργία τετραγωνικής κυματομορφής.
Αξιοποίηση διακοπτών σε τριφασικούς dc-ac μετατροπείς.
Κυμάτωση της τάσης εξόδου ενός τριφασικού dc-ac μετατροπέα.
Αγωγή διακοπτών σε τριφασικούς dc-ac μετατροπείς.

Εβδομάδα 12:

Έλεγχος σε dc κινητήρια συστήματα με dc-dc μετατροπέα ισχύος.
Έλεγχος ταχύτητας σε επαγωγικούς κινητήρες με dc-ac μετατροπέα ισχύος.
Soft-starter για επαγωγικούς κινητήρες.
Έλεγχος του dc-dc μετατροπέα σε dc διακοπτικά τροφοδοτικά.
Ρυθμιστές ισχύος και συστήματα αδιάληπτης τροφοδοσίας (UPS).

Εβδομάδα 13:

Παρουσίαση και χρήση λογισμικού σχεδίασης/προσομοίωσης μετατροπέων με ηλεκτρονικά ισχύος (π.χ. Matlab Simulink, PowerSim).

Ερευνητικά Έργα σε Εξέλιξη

Hellenic Chips Competence Centre (HCCC)

Αναλογικός Σχεδιασμός, Δοκιμές και Επαλήθευση

DIGITAfrica: Towards a comprehensive pan-African research infrastructure in Digital Sciences

Πρόσφατες Ανακοινώσεις

Πρόσφατες Ανακοινώσεις

e-Yπηρεσίες