ECE6230 Μετρήσεις, Έλεγχος και Ηλεκτρονικά Ισχύος

• 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.

1. 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.

2. 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).