ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΑΥΡΤΛΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ: ΜΑΛΕΣΙΟΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΠΑΠΑΛΟΠΟΥΛΟΣ ΜΙΧΑΗΛ ΚΑΒΑΛΑ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 6 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1Ο ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΡΟΣΦΑΤΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΑ ΗΛΕΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΔΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ Αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων Εφαρμογή των διατάξεων SPD για την προστασία βιομηχανικών συστημάτων ελέγχου στροφών ηλεκτροκινητήρων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2Ο ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Γενικά ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΣΕ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών Ανεμογεννήτριες μεταβλητών στοφών Ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού Ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα Σύγχρονη γεννήτρια

3 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ ΣΤΡΟΦΗ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ευρεία εφαρμογή της αιολικής ενέργειας Αιολική ενέργεια στην Ελλάδα - Υφιστάμενη κατάσταση ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΣΩ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Διασύνδεση αιολικών πάρκων μεγάλης ισχύος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3Ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Γενικά ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Τεχνολογίες οικιακών φωτοβολταΐκών συστημάτων ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ Σύστημα ελέγχου του μετατροπέα ΣΦΑΙΡΙΚΟΤΕΡΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΟΥ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΕΝΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΣΤΑ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4Ο ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Γενικά ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΛΗΡΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Κύκλωμα Ισχύος Κύκλωμα μέτρησης ρευμάτων Κύκλωμα μέτρησης τάσεων Κύκλωμα μέτρησης στροφών

4 4.2.5 Κύκλωμα διαμόρφωσης Κύκλωμα κύριου μικροεπεξεργαστή Κύκλωμα ενίσχυσης παλμών Κύκλωμα απομακρυσμένης λειτουργίας Κύκλωμα τροφοδοτικών ΕΛ ΕΓΧΟΥ ΤΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜ ΕΝΗΣ ΔΙΑ ΤΑ ΞΗ Σ Φιλοσοφία της τεχνικής μέτρησης της τάσης στην έξοδο της σύγχρονης γεννήτριας Φιλοσοφία της τεχνικής ελέγχου του κυκλώματος ισχύος Φιλοσοφία υπολογισμού του επιθυμητού ρεύματος διέγερσης Επικοινωνία με το κέντρο ελέγχου Πλήρες διάγραμμα ροής της τεχνικής ελέγχου...84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5Ο ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Γ ενικά Μ ΕΤΑΤΡΟΠΗ AC ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ D C Ιδανική λειτουργία της Ανορθωτικής Διάταξης ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΟΡΘ Ω ΤΙΚΩΝ Δ ΙΑ Τ Α Ξ Ε Ω Ν Μονοπολική διασύνδεση Ομοπολική διασύνδεση Σταθμοί μετατροπής ΕΡ /ΣΡ /ΕΡ Διασυνδέσεις με πολλούς σταθμούς μετατροπής Μικρές ενδιάμεσες λήψεις Μ Η ΙΔΑΝΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΑΝΟΡΘΩΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ (ΦΑΙΝΟΜ ΕΝΟ Μ ΕΤΑ ΒΑΣΗ Σ)

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΗΓΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΟ ΔΙΚΤΥΟ Γενικά ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΠΗΓΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΒΡΟΧΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα ηλεκτρονικά ισχύος είναι μια ιδιαίτερη κατηγορία ηλεκτρονικών διατάξεων, οι οποίες χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία τον έλεγχο και τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας. Μια διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος αναφέρεται και ως μετατροπέας ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανάγκη για την επεξεργασία της ηλεκτρικής ενέργειας προκύπτει από το γεγονός ότι η ηλεκτρική ισχύς παρέχεται με σταθερά χαρακτηριστικά. Συνήθως η διαθέσιμη πηγή ισχύος (δίκτυο ισχύος), είναι μια τριφασική πηγή σταθερής τάσης και συχνότητας. Όταν οι απαιτήσεις του φορτίου δεν είναι συμβατές με τα χαρακτηριστικά του διαθέσιμου δικτύου, είναι αναγκαία η χρήση ενός μετατροπέα ηλεκτρικής ενέργειας (Μ.Η.Ε.). Στο Σχ.1 παρουσιάζεται το γενικό λειτουργικό διάγραμμα του Μ.Η.Ε. Η διάταξη ισχύος μορφοποιεί κατάλληλα τις παραμέτρους εξόδου (τάση, ένταση, συχνότητα), έτσι ώστε να ικανοποιούν τις απαιτήσεις του φορτίου. Από τη συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια σε εναλλασσόμενη μορφή, ένα ποσοστό της τάξης από 30% ως 40% το οποίο αυξάνεται συνεχώς, υφίσταται κάποιου είδους μετατροπή ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ κ u r \.1f Ισχύς Εισόδουυ1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΙΣΧΥΟΣ) Ισχύς Εξόδου) ΦΟΡΤΙΟ (αποτελούμενος από 1 / ημιαγωγούς διακόπτες) / Σή ματα-αναφο ράς ΕΛΕΓΚΤΗΣ (α\'α}.ογικός-ψηφιακόςμικροεπεςεργαστής) Σχ. 1 Γενικό λειτουργικό διάγραμμα των μετατροπέων ηλεκτρικής ενέργειας ϊ 6

7 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιήθηκαν αρχικά (πριν από το 1900) ηλεκτρομηχανικοί μετατροπείς, οι οποίοι ονομάζονται και στρεφόμενοι μετατροπείς. Οι στρεφόμενοι μετατροπείς υλοποιούνται με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρικών μηχανών, οι οποίες λειτουργούν ως γεννήτριες ή κινητήρες. Ειδικότερα, ο στρεφόμενος μετατροπέας που εξασφαλίζει τη μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή, αποτελείται από μια μηχανή συνεχούς ρεύματος (dc) και μια μηχανή εναλλασσόμενου ρεύματος (ac). Η διάταξη του στρεφόμενου μετατροπέα παρουσιάζεται στο Σχ.2. Η μηχανή εναλλασσομένου ρεύματος τροφοδοτείται από το διαθέσιμο ac δίκτυο και λειτουργεί ως κινητήρας. Ο κινητήρας εξαναγκάζει σε περιστροφή τη μηχανή συνεχούς ρεύματος, η οποία λειτουργεί ως γεννήτρια. Ο μετατροπέας του Σχ.2 μπορεί να λειτουργήσει και αντίστροφα, για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Τότε, η μηχανή συνεχούς ρεύματος λειτουργεί ως κινητήρας και η μηχανή εναλλασσομένου ρεύματος ως γεννήτρια. Οι στρεφόμενοι μετατροπείς αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές πολύ μεγάλης ισχύος, παρουσιάζουν πολλά μειονεκτήματα, τα κυριότερα από τα οποία είναι: - Έχουν μεγάλο όγκο και βάρος, επομένως απαιτούν μεγάλο χώρο για την εγκατάστασή τους. - Προκαλούν θορύβους και ταλαντώσεις στις επιφάνειες στήριξης. - Απαιτούν, εξαιτίας των κινούμενων μερών τους, συντήρηση. - Κατά τη μετατροπή της ενέργειας υπάρχουν μεγάλες απώλειες ισχύος, με αποτέλεσμα ο βαθμός απόδοσης να είναι μικρός. - Ο ολικός βαθμός απόδοσης του στρεφόμενου μετατροπέα προκύπτει από το γινόμενο του βαθμού απόδοσης της κάθε ηλεκτρικής μηχανής. - Εξαιτίας της αδράνειας των στρεφόμενων μαζών τους, δεν παρουσιάζουν καλή δυναμική συμπεριφορά. Η δυναμική συμπεριφορά αναφέρεται στη διαταραχή της τάσης εξόδου του μετατροπέα, εξαιτίας μιας ισχυρής και απότομης μεταβολής κάποιας παραμέτρου, όπως η τάση εισόδου ή το φορτίο. Τα μειονεκτήματα των στρεφόμενων μετατροπέων υπερνικήθηκαν με την ανάπτυξη των στατών μετατροπέων, δηλαδή μετατροπέων χωρίς κινούμενα μέρη. Στους στατούς μετατροπείς η επεξεργασία της ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται με τη χρήση διακοπτών. 7

8 Ο διακόπτης που χρησιμοποιήθηκε στους πρώτους στατούς μετατροπείς ήταν ο διακόπτης υδραργύρου. Ο διακόπτης υδραργύρου αποτελείται από ένα κατάλληλο δοχείο, γυάλινο ή μεταλλικό, το οποίο περιέχει υγρό υδράργυρο. Ο υδράργυρος θερμαίνεται και παράγει ατμό. Σχ. 2 Στρεφόμενος μετατροπέας της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή Με τη βοήθεια ηλεκτροδίων έναυσης επιτυγχάνεται η ελεγχόμενη ροή του ρεύματος μεταξύ των ηλεκτροδίων της καθόδου και της ανόδου του διακόπτη. Οι διακόπτες υδραργύρου μπορούν να ελέγξουν ισχυρά ρεύματα, ως 8000Α και τάσεις ως 20000V. Οι μετατροπείς με διακόπτες υδραργύρου, όπως και οι στρεφόμενοι, παρουσιάζουν κακή δυναμική συμπεριφορά, μικρή αξιοπιστία και μικρό σχετικά βαθμό απόδοσης. Ο μικρός βαθμός απόδοσης οφείλεται στη μεγάλη πτώση τάσης στα άκρα του διακόπτη, περίπου 20V. Η μεγάλη ανάπτυξη των στατών μετατροπέων ισχύος σημειώθηκε μετά το έτος Το 1958 κατασκευάστηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες από την General Electric, ο ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου (SCR), ο οποίος αναφέρεται καταχρηστικά και ως thyristor. Ο SCR προκάλεσε στην τεχνική των ηλεκτρονικών ισχύος την επανάσταση που επέφερε το transistor 8 χρόνια νωρίτερα στα ηλεκτρονικά ελέγχου. Έτσι, ο SCR κυριάρχησε στους μετατροπείς ηλεκτρικής ενέργειας, εκτοπίζοντας τους στρεφόμενους μετατροπείς και τους διακόπτες υδραργύρου. Η πρόοδος που σημειώνεται τα τελευταία χρόνια στην ανάπτυξη νέων ημιαγωγών διακοπτών ισχύος, έχει οδηγήσει σε μεγάλη ανάπτυξη τον τομέα των συστημάτων ισχύος, ανοίγοντας νέα πεδία εφαρμογών. Οι νέες τεχνολογίες κατασκευής των ημιαγωγών διακοπών, προσφέρουν σήμερα στοιχεία ικανά να χειρισθούν υψηλές τάσεις και ρεύματα σε 8

9 μεγάλες ταχύτητες και ταυτόχρονα με απλό τρόπο ελέγχου. Οι διακόπτες αυτοί, κυρίως ειδικοί τύποι transistors, έχουν εκτοπίσει τον SCR από τις εφαρμογές χαμηλής και μέσης ισχύος. Στην ανάπτυξη των συστημάτων ισχύος έχει συμβάλει ιδιαίτερα και η πρόοδος της μικροηλεκτρονικής, η οποία έχει επιτρέψει την υλοποίηση εξαιρετικά ισχυρών ελεγκτών. Παλαιότερα η σχεδίαση της διάταξης ελέγχου (Σχ.1), βασίζονταν σε αναλογικά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Σήμερα μια μεγάλη ποικιλία μικροεπεξεργαστών, ειδικά σχεδιασμένων για εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος, είναι διαθέσιμη από πολλούς κατασκευαστές. Με τη χρήση των μικροεπεξεργαστών η υλοποίηση του ελεγκτή απλοποιείται σημαντικά. Ταυτόχρονα είναι δυνατή η εκτέλεση πολύπλοκων τεχνικών ελέγχου, με παράλληλη αύξηση της αξιοπιστίας και ελαχιστοποίηση των διαστάσεων της διάταξης. Έτσι, οι σύγχρονες διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος με ημιαγωγούς διακόπτες προσφέρουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα: - Μικρό όγκο και βάρος. - Μικρές απώλειες, επομένως υψηλό βαθμό απόδοσης. - Υψηλή αξιοπιστία. - Πολύ καλή δυναμική συμπεριφορά. Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Ισχύος - Διακοπτικά τροφοδοτικά (dc) σε υπολογιστές, και συσκευές γραφείου - Συστήματα αδιάλειπτης παροχής (UPS) - Συστήματα ελέγχου κινητήρων dc, επαγωγικών, σύγχρονων, κλπ - Ρομποτική, Εργαλειομηχανές και κινητήρια συστήματα ακριβείας στην βιομηχανία - Φωτισμός (ηλεκτρονικά ballasts) - Επαγωγική θέρμανση στην βιομηχανία - Συγκολλήσεις, επιμεταλλώσεις - Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (μετατροπείς ac-dc και dc-ac) - Έλεγχος άεργης ισχύος σε ac συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας - Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (φωτοβολταϊκά, αιολικά συστήματα) - Φόρτιση μπαταριών (από mw μέχρι kw) - Ηλεκτρικά αυτοκίνητα - Ηλεκτρικά τρένα - Τροφοδοσία τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, δορυφορικών συστημάτων και αεροσκαφών. 9

10 Μέλλον των ηλεκτρονικών ισχύος Τα ηλεκτρονικά ισχύος υλοποιούν τον έλεγχο της ροής ηλεκτρικής ενέργειας. Σήμερα μόνο το 25% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας ελέγχεται αποτελεσματικά Η διαχείριση της ενέργειας εκτιμάται ότι μπορεί να αποφέρει οικονομικά οφέλη > 400 δισ. ετησίως ΕΙΔΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι μετατροπείς ηλεκτρικής ενέργειας (ισχύος) διακρίνονται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες, ανάλογα με τη μορφή της ισχύος εισόδου και εξόδου. Αυτές είναι: - Μετατροπείς ac-dc ή ανορθωτές (Rectifiers). - Μετατροπείς dc-ac ή Αντιστροφείς (Inverters). - Μετατροπείς συνεχούς ρεύματος (dc-dc converters, choppers). - Μετατροπείς εναλλασσομένου ρεύματος ή Κυκλομετατροπείς (Cycloconverters). σε εφαρμογές πολύ μεγάλης ισχύος. Μια ειδική κατηγορία των μετατροπέων εναλλασσομένου ρεύματος είναι οι ρυθμιστές εναλλασσόμενης τάσης (ac voltage controllers). Οι ρυθμιστές εναλλασσόμενης τάσης παρέχουν στην έξοδό τους μια τάση μεταβαλλόμενου πλάτους, η συχνότητα της οποίας είναι σταθερή και ίση με τη συχνότητα της ac πηγής εισόδου. Οι μετατροπείς ισχύος διακρίνονται ακόμη σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο μετάβασης των διακοπτικών στοιχείων τους: - Μετατροπείς με φυσική μετάβαση (natural, line, load commutated ή phase controlled converters). - Μετατροπείς με εξαναγκασμένη μετάβαση (force commutated ή switch-mode converters). - Μετατροπείς συντονισμού (resonant converters). *(Αναλυτικά θα αναφέρουμε τις κατηγορίες στο επόμενο κεφάλαιο.) 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1o ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ 1.1 ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Πριν από οποιαδήποτε αναφορά στην επιστήμη και την τεχνολογία των Ηλεκτρονικών Ισχύος είναι σκόπιμο να διευκρινισθούν ορισμένες θεμελειακές έννοιες. Γενικά με τον όρο «ηλεκτρονικά» εννοούμε τα ηλεκτρονικά δομικά στοιχεία και τις συσκευές που στηρίζονται στις ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών, τα οποία, από την άποψη των δυνατοτήτων δημιουργίας ηλεκτρικού ρεύματος, βρίσκονται μεταξύ των μεταλλικών αγωγών και των μονωτικών υλικών. Οι ημιαγωγοί διακρίνονται από τα αγώγιμα μέταλλα ως προς την ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία είναι πολύ μικρότερη εκείνης των μετάλλων, καθώς και ως προς τη χαρακτηριστική ιδιότητα ότι διαθέτουν φορείς αρνητικού και θετικού φορτίου, αλλά και τη δυνατότητα επηρεασμού της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Η τιμή της αγωγιμότητας μπορεί να μεταβάλλεται εντός μίας ευρείας περιοχής. Με βάση αυτή τη δυνατότητα επιτυγχάνεται ο μηδενισμός του ρεύματος που ρέει μέσα στα ημιαγωγικά στοιχεία καθώς και η επιλογή ρεύματος μιας επιθυμητής τιμής, φθάνοντας μέχρι μία ανώτατη επιτρεπόμενη τιμή. Η ελεγξιμότητα της ροής του ρεύματος με μεγάλη ταχύτητα και ακρίβεια αποτέλεσε την ιδιότητα κλειδί για την «επαναστατική» ηλεκτρονική τεχνολογία των τελευταίων δεκαετιών. Η συνολική περιοχή των ηλεκτρονικών μπορεί να θεωρηθεί ως σύνθεση δύο μεγάλων υποπεριοχών, δηλ. της περιοχής των ηλεκτρονικών για την επεξεργασία πληροφοριών, όπου κυριαρχεί η απαίτηση να μην υπάρχουν απώλειες πληροφοριών, και της περιοχής των ηλεκτρονικών ισχύος για το μετασχηματισμό και τον έλεγχο της ροής της ηλεκτρικής ενέργειας. Στη δεύτερη περιοχή κυρίαρχη απαίτηση είναι η ελαχιστοποίηση των απωλειών ενέργειας και έτσι η επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης, παρέχοντας με αξιοπιστία την 11

12 εκάστοτε επιθυμητή ποσότητα ενέργειας. Η κατάταξη αυτή φαίνεται παραστατικά στο διάγραμμα του σχήματος 1.1, όπου διακρίνονται οι κατηγορίες των ιδιαίτερων γνωστικών περιοχών και αντικειμένων έρευνας και ανάπτυξης, που σχετίζονται με τα Ηλεκτρονικά Ισχύος. Σχ Σχηματική παράσταση των περιοχών επιστήμης και τεχνολογίας 12

13 Σκοπός των Ηλεκτρονικών Ισχύος είναι ο μετασχηματισμός των κυματομορφών των ηλεκτρικών μεγεθών, όπως είναι η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή, ή αντίστροφα η μετατροπή συνεχούς τάσεως σε εναλλασσόμενη, μεταβάλλοντας τη συχνότητα και την ενεργό τιμή αυτής. Μέσω αυτών των μετατροπών επιτυγχάνεται η τροφοδοσία των διαφόρων ηλεκτρικών φορτιών π.χ. μηχανών συνεχούς ρεύματος, μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος κ.λ.π., όπου ιδιαίτερη σημασία έχει ο έλεγχος της ποσότητας ισχύος σε κάθε χρονική στιγμή ικανοποιώντας τις απαιτήσεις του χρήστη, οι οποίες συνήθως είναι αρκετά πολύπλοκες. Επιπλέον, οι διαδικασίες μετατροπής των ηλεκτρικών μεγεθών με ταυτόχρονη μετατροπή της ενέργειας, π. χ. από ηλεκτρική σε μηχανική, πρέπει να διεκπεραιώνεται γρήγορα, αξιόπιστα, με υψηλές τιμές του βαθμού απόδοσης και του συντελεστή ισχύος, καθώς και με μικρό κόστος. Στις εφαρμογές τα συστήματα με ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος εκτείνονται από την περιοχή των μικρών μεγεθών ισχύος (mw) μέχρι πολύ μεγάλες τιμές (τάξεως εκατοντάδων MW). Πρέπει να επισημανθεί με ιδιαίτερη έμφαση, ότι οι διαδικασίες μετατροπών ενέργειας διεκπεραιώνονται από τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος με τη βοήθεια ηλεκτρονικών διατάξεων χαμηλής ισχύος, κυρίως δε μέσω μικροεπεξεργαστών και γενικά της ψηφιακής τεχνολογίας. Αυτό είναι αναγκαίο, διότι τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος στην ουσία είναι διακοπτικές μονάδες, των οποίων η διακοπτική λειτουργία διεκπεραιώνεται με εντολές προερχόμενες από ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώματα κατάλληλα προγραμματισμένα σύμφωνα με τις εκάστοτε απαιτήσεις των φορτίων. Συνεπώς, η πρόοδος της επιστήμης και της τεχνολογίας των Ηλεκτρονικών Ισχύος καθορίζεται αφενός από τα επιτεύγματα στη δημιουργία νέων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος αφετέρου και από τις εξελίξεις στα ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος, π. χ. στη μικροηλεκτρονική. 13

14 1.2 ΠΡΟΣΦΑΤΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ Το ξεκίνημα της τεχνολογίας των Ηλεκτρονικών Ισχύος χρονολογείται από το 1882, τότε που άρχισε για πρώτη φορά η μελέτη του φωτεινού τόξου Hg και επικράτησε η σκέψη για χρήση του σε ανορθωτικές διατάξεις. Τελικά το έτος 1902 κατασκευάσθηκε ο πρώτος ανορθωτής Hg για τεχνικές εφαρμογές (Cooper-Hewitt Electric Co). Στη συνέχεια οι εξελίξεις υπήρξαν θεαματικές και φθάσαμε στο έτος 1948, κατά το οποίο έγινε η εφεύρεση του τρανζίστορ από τους Bardeen, Brattain και Shockley στο ερευνητικό κέντρο "Bell Laboratories" στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, στους οποίους λίγο αργότερα δόθηκε το βραβείο Νόμπελ. Η εφεύρεση αυτή σήμανε την έναρξη της πρώτης «επανάστασης» των ηλεκτρονικών, διότι ξεκίνησε η αλματώδης ανάπτυξη της ηλεκτρονικής τεχνολογίας, που οδήγησε στη δημιουργία των ηλεκτρονικών υπολογιστών και των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η κατασκευή του τρανζίστορ έδωσε ώθηση για την εφεύρεση ενός άλλου ημιαγωγικού στοιχείου, του θυρίστορ, κατά το 1958 από την εταιρεία General Electric Company στις Η.Π.Α. Η εφεύρεση αυτή σήμανε την έναρξη της δεύτερης «επανάστασης» στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία, αλλά αυτή τη φορά στόχος ήταν κυρίως η ενεργειακή τεχνολογία. Δημιουργήθηκαν ημιαγωγικά στοιχεία για μεγάλα ρεύματα και μεγάλες τάσεις, σε αντίθεση με το τρανζίστορ που κατ'εξοχήν λειτουργεί υπό μικρές τάσεις και ρεύματα και βρήκε εφαρμογές στην επεξεργασία της πληροφορίας. Το θυρίστορ είναι ένα ελεγχόμενο στοιχείο αλλά έχει μία ουσιώδη, δυσμενή, ιδιότητα που το διαφοροποιεί από το τρανζίστορ. Τίθεται σε κατάσταση αγωγής με παλμό «έναυσης» όταν μεταξύ ανόδου και καθόδου επικρατεί θετική τάση, αλλά δεν «σβήνει», δηλ. δεν διακόπτεται η ροή του ρεύματος διακόπτοντας την παλμοδότηση της πύλης (Gate), παρά μόνον όταν αντιστραφεί η τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου. Βεβαίως, λόγω της αντοχής του θυρίστορ σε υψηλές τιμές τάσεως και ρεύματος, αυτό αποτέλεσε και συνεχίζει να αποτελεί πολύτιμο διακοπτικό ημιαγωγικό στοιχείο για τον έλεγχο μεγάλων ποσοτήτων ισχύος. Όμως, αμέσως μετά τη δημιουργία του η έρευνα στράφηκε προς τη δημιουργία άλλων στοιχείων, τα οποία έπρεπε να είναι ικανά να «σβήνουν» με την κατάλληλη παλμοδότηση της πύλης. Έτσι, το έτος 1959 ανακαλύφθηκε το στοιχείο GTO (Gate Turn Off), το οποίο με έναν κατάλληλο παλμό σβέσεως μπορεί να τεθεί σε μη αγώγιμη κατάσταση. Ο παλμός αυτός, όμως, πρέπει να έχει πολύ μεγαλύτερη τιμή σε σύγκριση με τον παλμό έναυσης, κάτι που αποτελεί 14

15 μειονέκτημα. Γι' αυτό η έρευνα συνεχίσθηκε με εντατικούς ρυθμούς για τη δημιουργία στοιχείων, ικανών για μεγάλες τιμές τάσεων και ρευμάτων, αλλά να έχουν τη δυνατότητα σβέσης, όπως συμβαίνει στο τρανζίστορ. Αυτή η διαφορά στον τρόπο σβέσεως προσδίδει σημαντικές δυνατότητες σε ότι αφορά τον έλεγχο της διακοπτικής λειτουργίας και συνεπώς της ροής ισχύος διαμέσου του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Το έτος 1970 κατασκευάσθηκε το διπολικό τρανζίστορ ισχύος (Bipolar Transistor), αρχικά για τάσεις και ρεύματα της τάξεως των 500V και 20Α. Την ίδια χρονική περίοδο δημιουργήθηκε το τρανζίστορ ισχύος MOSFET, το οποίο διακρίνεται για την υψηλή διακοπτική συχνότητα λειτουργίας (π.χ. 100kHz). Πολύ σημαντική υπήρξε η δημιουργία του τρανζίστορ IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor), το έτος 1980, διότι πρόκειται για ένα ημιαγωγικό στοιχείο που συνδυάζει τη βασική ιδιότητα του τρανζίστορ και τα βασικά χαρακτηριστικά του θυρίστορ. Δηλαδή με την εφαρμογή μιας μικρής συνεχούς τάσεως στην πύλη το στοιχείο καθίσταται αγώγιμο, αλλά μόλις μηδενισθεί αυτή η τάση διακόπτεται η ροή του κύριου ρεύματος. Αυτή η διακοπτική διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί με συχνότητα της τάξεως 30kHz έως 50kHz (ανάλογα με τον τύπο του στοιχείου), χωρίς να αποκλείονται υψηλότερες συχνότητες λαμβάνοντας, όμως, υπόψη την αύξηση των διακοπτικών απωλειών. Επίσης, τα τρανζίστορ IGBT έχουν την ικανότητα να επιτρέπουν τη διέλευση υψηλών ρευμάτων και να αντέχουν υπό υψηλές τάσεις, δηλαδή έχουν χαρακτηριστικά όμοια με εκείνα των θυρίστορ. Επίσης την ίδια περίοδο δημιουργήθηκε το ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος MOS - Controlled Thyristor (MCT). Κατά το έτος 1990 δημιουργήθηκε το ημιαγωγικό στοιχείο IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως μία βελτιωμένη κατασκευή του θυρίστορ GTO, αποκτώντας καλύτερες διακοπτικές ιδιότητες. Το στοιχείο αυτό χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος πολύ μεγάλης ισχύος, της τάξεως των MW, λόγω των υψηλών τιμών ρεύματος και τάσεως και παρουσιάζει καλύτερα δυναμικά χαρακτηριστικά σε σχέση με το θυρίστορ GTO (πολύ μικρότερο χρόνο διακοπής του ρεύματος). Κατά το έτος 1998 προέκυψε ένα νέο ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος από μία ερευνητική ομάδα του πανεπιστημίου Virginia Tech των Η.Π.Α. με την επωνυμία ΕΤΟ (Emitter Turn-Off Thyristor). Η ίδια ομάδα δήλωσε ότι εργάζεται για την ανάπτυξη ενός άλλου στοιχείου με την ονομασία RGCT. Τα στοιχεία αυτά ακόμη δεν φαίνεται να είναι 15

16 διαθέσιμα στην αγορά. Ο οίκος ΑΒΒ, το 1999, εισήγαγε στην αγορά το ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος BCT (Bi-Directional Control Thyristor), το οποίο είναι ένα εξελιγμένο θυρίστορ ελέγχου φάσης και αποτελείται από δύο αντιπαράλληλα θυρίστορ ενσωματωμένα στην ίδια πλάκα πυριτίου, μπορεί δε να χρησιμοποιηθεί για τάσεις μέχρι 6,5kV και για ρεύματα μέχρι 3kA. Στην κατηγορία των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος POWER MOSFET ο Γερμανικός κατασκευαστικός οίκος INFINEON κατασκεύασε το έτος 1998 το βελτιωμένο στοιχείο COOLMOS, το οποίο έχει μειωμένη αντίσταση αγωγής και συνεπώς προκύπτει μείωση των απωλειών. Από την παραπάνω ιστορική αναφορά στις εξελίξεις γίνεται σαφές ότι η εφεύρεση νέων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος αποτελεί το κύριο επίπεδο καινοτομικής επιστημονικής δραστηριότητας στην περιοχή των Ηλεκτρονικών Ισχύος. Πρέπει, όμως, να επισημανθεί ότι διαθέτοντας εξελιγμένα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος μπορούν να κατασκευασθούν βελτιωμένοι μετατροπείς. Η βελτίωση εννοείται στην κατεύθυνση της αύξησης του βαθμού απόδοσης και του συντελεστή ισχύος, της μείωσης του όγκου και της αποτελεσματικότερης ψύξης. Ο συντελεστής ισχύος βελτιώνεται εάν αυξηθεί η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας των στοιχείων του μετατροπέα, διότι μειώνεται το περιεχόμενο των ανώτερων αρμονικών, οι οποίες συνοδεύουν τα ρεύματα και διαχέονται στο δίκτυο. Έτσι προκύπτει ποιοτικό όφελος για το συνολικό ενεργειακό σύστημα, που έχει ενσωματωμένους τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Επίσης πρέπει να επισημανθεί ότι, αν και οι δομές των ηλεκτρονικών μετατροπέων δεν αλλάζουν με ρυθμούς αντίστοιχους εκείνων των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος, εντούτοις γίνεται έρευνα για τη δημιουργία νέων τοπολογιών, αλλά κυρίως για βελτίωση των μεθόδων παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων (π.χ. διάφοροι μέθοδοι PWM). Με την κατάλληλη διακοπτική λειτουργία των στοιχείων βελτιώνονται οι κυματομορφές ρευμάτων και τάσεων και συνεπώς βελτιώνονται τα ποιοτικά και ποσοτικά στοιχεία των ενεργειακών μεγεθών. Καινοτομίες, επίσης, υπάρχουν σε ότι αφορά τη συγκρότηση και την κατασκευή των μετατροπέων και των ψυκτικών μέσων για την απομάκρυνση της θερμότητας. Αξιόλογη είναι η τάση να παράγονται ολοκληρωμένα στοιχεία ισχύος, όπως για παράδειγμα τα "module", όπου ενσωματώνονται δύο, τρία, έξι ή και περισσότερα 16

17 στοιχεία μέσα σε μία ενιαία μονάδα. Σύ. 1.2 Στοιχεία TGBT (του κατασκευαστή Semikron) υπό την μοοωή module και λοιπά Η σύντομη ανασκόπηση και θεώρηση της ανάπτυξης των Ηλεκτρονικών Ισχύος πείθει ότι πρόκειται για έντονα καινοτόμο επιστημονικό και τεχνολογικό κλάδο με τεράστια σημασία για την τεχνολογική και οικονομική ανάπτυξη της κοινωνίας. 17

18 1.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Τα ηλεκτρονικά ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπου η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλη μορφή ενέργειας, όπως είναι το μηχανικό έργο, η θερμότητα, ο φωτισμός κ.λ.π. Στη συνέχεια αναφέρονται οι πιο γνωστές αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις χρήσεως, όπου η παρεμβολή των ηλεκτρονικών ισχύος μεταξύ πηγής τροφοδοσίας και φορτίου είναι πλέον αναπόφευκτη. Ηλεκτροκίνηση στη βιομηχανία, όπου η κίνηση των διαφόρων μηχανών παραγωγής έργου γίνεται μέσω ηλεκτρικών κινητήρων συνεχούς ή εναλλασσομένου ρεύματος. Τα βιομηχανικά ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα είναι, σχεδόν πάντα, ελεγχόμενα δηλ. η ταχύτητα ή η ροπή και συνεπώς η παρεχόμενη ισχύς ως συνάρτηση του χρόνου πρέπει να ακολουθεί δεδομένο χρονοδιάγραμμα με ακρίβεια, ταχύτητα και αξιοπιστία. Οι απαιτήσεις αυτές αποθηκεύονται ως πληροφορία σε μικροϋπολογιστές και η απόκλιση της πραγματικής κατάστασης από την επιθυμητή δημιουργεί κατάλληλα σήματα, με βάση τα οποία οδηγείται ένας μετατροπέας παράγοντας τα αναγκαία ηλεκτρικά μεγέθη. Παραδείγματα: Τσιμεντοβιομηχανία, χαρτοποιία, μεταλλοβιομηχανία, κλωστοϋφαντουργία, βιομηχανίες τροφών και ποτών, αντλιοστάσια, εργαλειομηχανές για την επεξεργασία μετάλλου και άλλων υλικών, κ.λ.π. Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφορών, όπου οι ηλεκτρικοί κινητήρες παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των μηχανών εσωτερικής καύσεως. Η αντιμετώπιση δύο αρνητικών παραγόντων, η ρύπανση του περιβάλλοντος και η απεξάρτηση από τους υδρογονάνθρακες, επιτυγχάνεται κατά τον καλύτερο τρόπο χρησιμοποιώντας την ηλεκτροκίνηση. Λόγω της φύσεως των φορτίων πρέπει να ελέγχεται η ροή της ισχύος πολύ δραστικά, κάτι που εξασφαλίζεται με τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Παραδείγματα: Τρένο, μετρό, τρόλεϊ, αυτοκίνητα, υποβρύχια και άλλα πλωτά μεταφορικά μέσα. Παραγωγή και μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Στα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής χρειάζονται διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος για τον έλεγχο της διέγερσης των σύγχρονων γεννητριών και την οδήγηση πλήθους κινητήρων για βοηθητικές λειτουργίες και κυρίως για τη μεταφορά του λιγνίτη στους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Επίσης στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας υπό υψηλή συνεχή τάση για την αποφυγή των απωλειών και για την απλούστευση του συστήματος μεταφοράς χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικοί 18

19 μετατροπείς πολύ υψηλών τάσεων και πολύ υψηλής ισχύος. Εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, π.χ. μετατροπή της αιολικής ή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η φύση των ανεμογεννητριών και των φωτοβολταϊκών γεννητριών είναι τέτοια, ώστε να απαιτείται παρέμβαση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος μεταξύ πηγής και ηλεκτρικού δικτύου, για τη σταθεροποίηση της τάσης και της συχνότητας και για μετασχηματισμό των παραγόμενων ηλεκτρικών μεγεθών σε άλλα, που να είναι κατάλληλα τόσο για τον παραλληλισμό με το δίκτυο όσο και για τη δημιουργία μεμονωμένων πηγών τροφοδοσίας σε απομακρυσμένες περιοχές. Συστήματα αδιάλειπτης παροχής ηλεκτρικής ενέργειας για την εξασφάλιση τροφοδοσίας κρίσιμων ηλεκτρικών φορτίων σε περιπτώσεις διαταράξεων του ηλεκτρικού δικτύου. Παραδείγματα: Νοσοκομειακές χρήσεις, αεροδρόμια, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, στρατιωτικές εγκαταστάσεις, κ.λ.π. Ηλεκτρικές συσκευές και εργαλεία για οικιακές χρήσεις ή εργαστηριακές χρήσεις, όπου απαιτείται έλεγχος της ροής ισχύος. Παραδείγματα: Κλιματιστικά, πλυντικά, ηλεκτροσυγκολλήσεις, κ.λ.π. Ηλεκτροχημικές και ηλεκτρομεταλλουργικές διεργασίες, όπως είναι η ηλεκτρόλυση όπου απαιτείται χαμηλή συνεχής τάση και υψηλά συνεχή ρεύματα, ο γαλβανισμός, η τήξη των μετάλλων όπου απαιτείται εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο υψηλής συχνότητας, κ.λ.π. Φωτισμός, όπου απαιτείται αυτόματη ρύθμιση της φωτεινής έντασης, π.χ. ηχοφωτορυθμικές διατάξεις, κ.λ.π. Θερμότητα, όπου η θερμική ενέργεια που προέρχεται από μία ηλεκτρική πηγή πρέπει να ακολουθεί κάποιο επιθυμητό χρονοδιάγραμμα και συγκεκριμένες προδιαγραφές. Παραδείγματα: Επαγωγική θέρμανση, θερμική σκλήρυνση υλικών, θέρμανση ειδικών χώρων για διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας σε ορισμένο επίπεδο, κ.λ.π. Ανάλογα με την εκάστοτε περίπτωση εφαρμογών χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικοί μετατροπείς με θυρίστορ (μεγάλα φορτία υπό υψηλές τάσεις και μεγάλα ρεύματα) ή τρανζίστορ ισχύος με σπουδαιότερο εκπρόσωπο το IGBT (για μικρότερης κλίμακας ισχύ) κ.ο.κ. Ειδικά στις περιπτώσεις υψηλών συχνοτήτων λειτουργίας των μετατροπέων, π.χ. 500kHz, χρησιμοποιούνται τρανζίστορ MOSFET. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι μετατροπείς συντονισμού, οι οποίοι γενικά είναι μικρής ισχύος. Ακολουθούν μερικές εικόνες από τυπικές εφαρμογές των παραπάνω περιοχών. 19

20 .Σχ.1.3 Το μαγνητικό τρένο "Transrapid" στη Σαγκάη (Κίνα) το έτος 2003, 430 km/h, πρώτη εμπορική εφαρμογή στον κόσμο. Δεξιά φαίνεται το σύστημα των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για την τροφοδοσία των γραμμικών Σχ. 1.4 Μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή με στοιχεία IGBT για υπόγεια μεταφορά ισχύος υπό υψηλή κινηάήρων. 20

21 1.4 ΕΙΔΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι μετατροπείς ηλεκτρικής ενέργειας (ισχύος) διακρίνονται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες, ανάλογα με τη μορφή της ισχύος εισόδου και εξόδου. Αυτές είναι: Μετατροπείς ac-dc ή Ανορθωτές (Rectifiers). Ανορθωτές ονομάζονται οι διατάξεις ισχύος, οι οποίες μετατρέπουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές. Ανάλογα με τη μορφή της εναλλασσόμενης εισόδου οι ανορθωτές διακρίνονται σε μονοφασικούς και πολυφασικούς (διφασικούς, τριφασικούς, εξαφασικούς). Ακόμη διακρίνονται σε ελεγχόμενους και μη ελεγχόμενους, ανάλογα με το αν η τάση εξόδου είναι μεταβαλλόμενη ή σταθερή. Σχ. 1.4 Γενικό σύμβολο του αντιστροφέα Μετατροπείς dc-ac ή Αντιστροφείς (Inverters). Οι αντιστροφείς μετατρέπουν την ενέργεια συνεχούς μορφής σε εναλλασσόμενη. Η λειτουργία τους είναι δηλαδή αντίθετη από εκείνη των ανορθωτών. Η έξοδος των αντιστροφέων είναι μονοφασική είτε πολυφασική (συνήθως τριφασική). Επίσης, η συχνότητα και το πλάτος της τάσης ή του ρεύματος εξόδου είναι ελεγχόμενα. Το γενικό σύμβολο των αντιστροφέων εικονίζεται στο Σχ Μετατροπείς συνεχούς ρεύματος (dc-dc converters, choppers). Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος μετατρέπουν τη συνεχή τάση με ορισμένο πλάτος και πολικότητα σε συνεχή τάση με διαφορετικό πλάτος ή/και πολικότητα. Διακρίνονται σε μετατροπείς υποβιβασμού (step-down) και ανύψωσης (step-up) της τάσης, ανάλογα με το αν η τάση εξόδου είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη της τάσης εισόδου. Ακόμη, διακρίνονται σε μετατροπείς με απομόνωση και χωρίς απομόνωση της εξόδου από την είσοδό τους. Μετατροπείς εναλλασσομένου ρεύματος ή Κυκλομετατροπείς (Cycloconverters). Οι κυκλομετατροπείς μετατρέπουν απευθείας, την εναλλασσόμενη τάση σταθερού πλάτους και συχνότητας, σε εναλλασσόμενη τάση με ρυθμιζόμενο πλάτος και συχνότητα. Ο κυκλομετατροπέας ονομάζεται υποβιβασμού συχνότητας (step-down) όταν η συχνότητα εξόδου είναι μικρότερη της συχνότητας εισόδου. Διαφορετικά χαρακτηρίζεται ως ανύψωσης συχνότητας (step-up). Οι κυκλομετατροπείς χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές πολύ μεγάλης ισχύος. 21

22 Μια ειδική κατηγορία των μετατροπέων εναλλασσομένου ρεύματος είναι οι ρυθμιστές εναλλασσόμενης τάσης (ac voltage controllers). Οι ρυθμιστές εναλλασσόμενης τάσης παρέχουν στην έξοδό τους μια τάση μεταβαλλόμενου πλάτους, η συχνότητα της οποίας είναι σταθερή και ίση. Σχ. 1.5 Γενικό σύμβολο του μετατροπέα συνεχούς ρεύματος 22

23 Η παραπάνω διάκριση των μετατροπέων ισχύος δεν είναι απόλυτα ακριβής, καθώς προϋποθέτει ότι η ροή της ισχύος είναι μονόδρομη, από την είσοδο προς την έξοδο του μετατροπέα. Στην πραγματικότητα η ροή της ισχύος στους περισσότερους μετατροπείς είναι αμφίδρομη. Αυτό σημαίνει ότι η ισχύς μπορεί να ρέει και από την έξοδο του μετατροπέα προς την είσοδό του. Η αμφίδρομη ροή της ισχύος παριστάνεται στο Σχ. 1.5, στην περίπτωση του μετατροπέα που χαρακτηρίσαμε "ανορθωτή". Ο μετατροπέας αυτός λειτουργεί συμβατικά ως ανορθωτής, δηλαδή μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση εισόδου σε συνεχή τάση στην έξοδο. Στην περίπτωση αυτή η ροή της ισχύος είναι θετική, από την είσοδο στην έξοδο του μετατροπέα. Ο ίδιος μετατροπέας με κατάλληλο έλεγχο των διακοπτών του μπορεί να λειτουργήσει και ως αντιστροφέας, μεταφέροντας αρνητική ισχύ. Τότε, ο μετατροπέας μεταφέρει ισχύ συνεχούς μορφής από την έξοδό του, στο εναλλασσόμενο δίκτυο. Η αμφίδρομη ροή της ισχύος προϋποθέτει ότι ο μετατροπέας μπορεί να λειτουργήσει και στα τέσσερα τεταρτημόρια του επιπέδου io-uo όπου, io είναι το ρεύμα εξόδου και uo η τάση εξόδου του μετατροπέα. Σ' ένα μετατροπέα τεσσάρων τεταρτημορίων η φορά του ρεύματος io μπορεί να αντιστραφεί, ενώ η πολικότητα της uo μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ανεξάρτητα από τη φορά του ρεύματος. Ο συμβατικός ανορθωτής με SCR λειτουργεί μόνο στα δύο από τα τέσσερα τεταρτημόρια και ειδικότερα στο πρώτο και το δεύτερο. Ένας πρακτικός μετατροπέας ηλεκτρικής ενέργειας συχνά περιλαμβάνει περισσότερους από ένα στοιχειώδεις μετατροπείς ισχύος. Έτσι η συνεχής τάση εισόδου των αντιστροφέων παρέχεται συνήθως από ένα ανορθωτή, καθώς το διαθέσιμο δίκτυο ισχύος είναι εναλλασσόμενο (Σχ.1.6). Στην περίπτωση αυτή απαιτείται η αποσύζευξη των δύο μετατροπέων. Η αποσύζευξη εξασφαλίζει ότι η λειτουργία του κάθε μετατροπέα δεν επηρεάζει τους υπόλοιπους. Η αποσύζευξη επιτυγχάνεται με την προσθήκη μεταξύ των μετατροπέων στοιχείων αποθηκεύουν ενέργεια, δηλαδή πυκνωτών ή πηνίων. Οι μετατροπείς ισχύος διακρίνονται ακόμη σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο μετάβασης των διακοπτικών στοιχείων τους: 23

24 Σύνθετος Μετατροπέας ( \ AC % Πυκνωτής / ---- ή Πηνίο k ) Ανορθιυτής ---- / Αντιστροφέας AC Σχήμα 1.6 Λειτουργικό διάγραμμα ενός σύνθετου μετατροπέα, ο οποίος αποτελείται από ένα ανορθωτή και ένα αντιστροφέα. Αξιοσημείωτη είναι η παρουσία του στοιχείου που αποθηκεύει ενέργεια (πυκνωτής ή πηνίο), το οποίο πεμπλέκει τη λειτουργία των δύο μετατροπέων Μετατροπείς με φυσική μετάβαση (natural, line, load commutated ή phase controlled converters). Οι διακόπτες των μετατροπέων με φυσική μετάβαση ανοίγουν ή και κλείνουν με τη βοήθεια της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου (εισόδου), ή των συνθηκών που επιβάλει το φορτίο. Οι μετατροπείς με φυσική μετάβαση έχουν περιορισμένες δυνατότητες και χρήσεις. Η εξέλιξή τους έχει σημειωθεί άλλωστε πριν από αρκετές δεκαετίες, με την κατασκευή του SCR. Η τάση εξόδου των μετατροπέων με φυσική μετάβαση αποτελείται από τμήματα της τάσης εισόδου, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται ισχυρές αρμονικές συνιστώσες στην είσοδο και την έξοδο του μετατροπέα. Έτσι, ένας αντιστροφέας τάσης δεν μπορεί να ανήκει στην κατηγορία των μετατροπέων με φυσική μετάβαση. Αντίθετα, οι τυπικοί ανορθωτές με διόδους ή SCR και οι κυκλομετατροπείς υποβιβασμού της συχνότητας, είναι μετατροπείς με φυσική μετάβαση. 24

25 Μετατροπείς με εξαναγκασμένη μετάβαση (force commutated ή switch mode converters). Η κατάσταση των διακοπτών στους μετατροπείς με εξαναγκασμένη μετάβαση ορίζεται αποκλειστικά από τη μονάδα ελέγχου της διάταξης ισχύος. Οι διακόπτες των μετατροπέων αυτών λειτουργούν συνήθως σε υψηλές συχνότητες και έτσι μπορούν να θεωρηθούν ως διακοπτικοί ενισχυτές ισχύος με υψηλό κέρδος (switching-modepower amplifiers). Μετατροπείς συντονισμού (resonant converters). Η έναυση και η σβέση των διακοπτών στους μετατροπείς συντονισμού επιτελείται όταν η τάση στα άκρα τους, ή/και το ρεύμα που τους διαρρέει, είναι μηδέν. Επειδή οι περισσότερες τοπολογίες των μετατροπέων αυτών απαιτούν κάποιο κύκλωμα συντονισμού LC, επικράτησε να ονομάζονται μετατροπείς συντονισμού. Τα πλεονεκτήματα των μετατροπέων συντονισμού έναντι των δύο προηγούμενων τύπων είναι ότι περιορίζονται δραστικά οι μεταβατικές απώλειες ισχύος στους διακόπτες και η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή. 25

26 1.5 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΙΤΙΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ Οι κρουστικές υπερτάσεις δημιουργούνται στους αγωγούς τροφοδοσίας από την απότομη μεταβολή της ηλεκτρικής κατάστασης του κυκλώματος η οποία προκαλεί την έκλυση μεγάλου ποσού ενέργειας το οποίο βρίσκεται αποθηκευμένο στα επαγωγικά και χωρητικά στοιχεία του δικτύου τροφοδοσίας. Τα αίτια των υπερτάσεων μπορεί να οφείλονται σε παράγοντες έξω από την ηλεκτρική εγκατάσταση μιας μονάδας, όπως: - Κεραυνοί - Σύνδεση / αποσύνδεση πυκνωτών για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος - Διακοπή / επανασύνδεση ηλεκτρικής τροφοδοσίας - Σύνδεση / αποσύνδεση μετασχηματιστών διανομής Γενικά χαμηλή ποιότητα του δικτύου ηλεκτρικής διανομής Υπερτάσεις όμως δημιουργούνται και στο εσωτερικό της ηλεκτρικής εγκατάστασης από: - Τη λειτουργία ασφαλειών και αυτόματων διακοπτών (circuit breakers) - Τις ηλεκτρικές μηχανές ισχύος, π. χ. ανελκυστήρες - Τα κλιματιστικά μηχανήματα - Τα συστήματα ρύθμισης στροφών κινητήρων (Variable Speed Drives, VSD) ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ SPD ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΤΡΟΦΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ A. Προβλήματα με τη χρήση συμβατικής τεχνολογίας SPD βασισμένης στα παράλληλα MOV Στην ενότητα αυτή αναφέρουμε τα συμπεράσματα από την μελέτη προστασίας από κρουστικές υπερτάσεις των συστημάτων ελέγχου στροφών των ηλεκτροκινητήρων (Variable Speed Drive, VSD). Τα VSD χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στις κρουστικές υπερτάσεις λόγω των ημιαγωγών ισχύος που χρησιμοποιούν και αποτελούν τυπικό παράδειγμα εφαρμογής των διατάξεων προστασίας από υπερτάσεις. Τροφοδοτούνται συνήθως από τριφασική παροχή χαμηλής τάσης. Τα VSD καταστρέφονται 26

27 από υπερτάσεις οι οποίες οφείλονται είτε σε κεραυνοπτώσεις είτε σε προβλήματα του δικτύου παροχής, προκαλώντας σημαντική απώλεια εσόδων στην βιομηχανία σαν αποτέλεσμα της διακοπής της παραγωγικής διαδικασίας και του κόστους επισκευής των βλαβών. Στην προσπάθεια να προστατεύσουν τα VSD από τις κρουστικές υπερτάσεις οι χρήστες τους έχουν εγκαταστήσει διατάξεις SPD συμβατικής τεχνολογίας η οποία στηρίζεται στη χρήση παράλληλων βαρίστορ, τα προβλήματα των οποίων αναφέρθηκαν εκτενώς στην προηγούμενη ενότητα. Στο σχήμα 9 δίνεται το διάγραμμα διασύνδεσης της συμβατικής διάταξης προστασίας με την ηλεκτρική παροχή του VSD. Η διάταξη προστασίας τοποθετείται εξωτερικά από την καμπίνα του VSD και η διασύνδεσή της με τους αγωγούς τροφοδοσίας του VSD γίνεται μέσω πρόσθετων καλωδίων και ασφαλειών. Η προσπάθεια προστασίας των VSD με τη χρήση συμβατικών διατάξεων SPD παρουσίασε τα ακόλουθα προβλήματα: Οι συμβατικές διατάξεις χρησιμοποιούν ασφάλειες για την προστασία της διάταξης όταν δεχθούν εξαιρετικά ισχυρά κρουστικά ρεύματα και την αποφυγή πιθανής έκρηξης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το VSD να μένει απροστάτευτο όταν η συσκευή προστασίας τίθεται εκτός λειτουργίας από την ασφάλεια. Επαναλαμβανόμενα κρουστικά πλήγματα ή πλήγματα μεγάλης έντασης οδήγησαν στην καταστροφική αστοχία των διατάξεων αυτών. Στο σχήμα 10 δίνεται ένα παράδειγμα διάταξης SPD που εξερράγη. Οι συμβατικές διατάξεις απαιτούν τη χρήση πρόσθετων αγωγών καθώς και ασφαλειών για την παράλληλη διασύνδεσή τους με τους αγωγούς τροφοδοσίας του VSD. Η ύπαρξη όμως των ασφαλειών αλλά κυρίως η χρήση των πρόσθετων αγωγών, συμβάλει στην αύξηση της παραμένουσας τάσης σε περίπτωση κρουστικού ρεύματος μεγάλης έντασης, λόγω της αυτεπαγωγής των αγωγών αυτών. Σε πολλές περιπτώσεις η αύξηση της παραμένουσας τάσης είναι τόσο μεγάλη που υπερβαίνει την τάση αντοχής (immunity level) του VSD. Παρατηρήθηκαν περιπτώσεις βλαβών από κρουστικές υπερτάσεις σε VSD στα οποία ήταν εγκαταστημένες διατάξεις προστασίας, χωρίς οι διατάξεις αυτές να έχουν υποστεί καταστροφή. B. Η λύση: Διάταξη προστασίας με στοιχεία ενός βαρίστορ (single-mov) Η αντικατάσταση των διατάξεων προστασίας συμβατικού τύπου που προαναφέρθηκαν, από τις διατάξεις SPD που βασίζονται στην τεχνολογία του ενός βαρίστορ (single-mov Technology) αποδεικνύεται, τόσο εργαστηριακά όσο και στην πράξη, ότι 27

28 εξαλείφει τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν παρέχοντας συνεχή προστασία στον βιομηχανικό εξοπλισμό όπως για παράδειγμα τα VSD. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στη χρήση ενός δισκίου βαρίστορ το οποίο είναι ειδικά κατασκευασμένο για να αντέχει σε ιδιαίτερα υψηλά κρουστικά ρεύματα χωρίς να υφίσταται γήρανση, παρέχοντας ταυτόχρονα χαμηλό επίπεδο παραμένουσας τάσης. Η τεχνολογία αυτή έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για την προστασία πλήθος άλλων κρίσημων εφαρμογών, όπως για παράδειγμα οι σταθμοί βάσης κινητής τηλεφωνίας, εξοπλισμός μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, εξοπλισμός αεροδρομίων, σταθμοί μικροκυματικών ζεύξεων κλπ. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στη χρήση ενός βαρίστορ βιομηχανικού τύπου το οποίο περικλείεται σε στεγανό περίβλημα από αλουμίνιο το οποίο παρέχει προστατεύει το βαρίστορ από την υγρασία, ενώ παράλληλα προσφέρει μεγάλη μηχανική αντοχή. Το αλουμινένιο κέλυφος λειτουργεί ταυτόχρονα ως ψήκτρα για το βαρίστορ, κρατώντας τη θερμοκρασία του χαμηλή, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του και συμβάλλοντας στην αύξηση του μέγιστου πλάτους του κρουστικού ρεύματος που μπορεί να απορροφήσει χωρίς να καταστρέφεται. Η τεχνολογία αυτή είναι η μόνη η οποία πιστοποιείται από το UL χωρίς τη χρήση εσωτερικής ασφάλειας, εξασφαλίζοντας την συνεχή προστασία του εξοπλισμού. H στιβαρή κατασκευή του στοιχείου αυτού δίνει τη δυνατότητα να μπορεί να εγκατασταθεί στο εσωτερικό της καμπίνας του VSD και να συνδεθεί απευθείας στους αγωγούς τροφοδοσίας (Σχ.1.7), χωρίς να χρειάζονται επιπρόσθετα καλώδια και ασφάλειες. Η απευθείας (in-line) διασύνδεση τριών στοιχείων προστασίας (ένα για κάθε φάση) δίνεται στο διάγραμμα του Σχ.1.8. Σχ.1.7 στοιχεία Single-mov εγκατεστημένα απευθείας στους αγωγούς τροφοδοσίας στο εσωτερικό του VSD 28

29 29

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2o ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 2.1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η αιολική ενέργεια αποτελεί την κυριότερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και βρίσκεται σε μεγάλη άνθηση την τελευταία δεκαετία στην Ευρώπη αλλά και παγκόσμια. Η χώρα μας έδειξε έντονο ενδιαφέρον από το 2000 και έπειτα αποφασίζοντας να εκμεταλλευτεί το πλούσιο αιολικό δυναμικό και να δώσει ώθηση σε μεγάλες επενδύσεις προς αυτή την κατεύθυνση η οποίες θα εμφανίζουν συνεχώς αυξητικές τάσεις στο μέλλον λόγω της σχετικής Ευρωπαϊκής οδηγίας. Όλοι γνωρίζουμε ότι τα τελευταία χρόνια υπάρχει μία ραγδαία αύξηση στη ζήτηση «καθαρής» ενέργειας, ώστε να μειωθεί κατά το δυνατόν η επιβάρυνση στο περιβάλλον. Η στροφή προς τις ήπιες μορφές ενέργειας έδωσε ώθηση στην εξέλιξη των τεχνολογιών των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική και στην εμπορευματοποίηση των ανεμογεννητριών. Δημιουργήθηκε λοιπόν η ανάγκη εκπόνησης εκτεταμένων ερευνών για βελτιστοποίηση των συστημάτων αυτών. Η μελέτη τους οδήγησε σε σημαντική αύξηση της αξιοπιστίας τους, παράλληλα με την αύξηση του μεγέθους και της ενεργειακής τους απόδοσης. Η ονομαστική ισχύς των ανεμογεννητριών έχει ξεπεράσει ήδη τα 2 MW φτάνοντας μέχρι και τα 3 MW, ενώ σήμερα οι πιο εμπορικές μηχανές έχουν ισχύ της τάξεως των 500 με 1000 kw. Τα προβλήματα που εμφανίζονται γενικά σ' αυτά τα συστήματα σχετίζονται κυρίως με τη στοχαστική φύση της ενεργειακής πηγής τους που είναι ο άνεμος. Όπως είναι γνωστό ο άνεμος είναι μεταβαλλόμενος και φυσικά μη προβλέψιμος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα συνεχείς μεταβολές της παραγόμενης ισχύος των συστημάτων αυτών και συνεπώς συνεχείς διαταραχές στα ηλεκτρικά δίκτυα που συνδέονται, λόγω της συνεχούς διακύμανσης της τάσης και της συχνότητας, της απορρόφησης άεργου ισχύος και γενικότερα της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος. Εξαιτίας αυτών στόχος όλων των ερευνητικών δραστηριοτήτων που πραγματοποιούνται τις τελευταίες δεκαετίες, είναι εκτός της βέλτιστης εκμετάλλευσης του αιολικού δυναμικού, η παραγωγή ηλεκτρικής με τα καλύτερα κατά το δυνατόν χαρακτηριστικά για τα ηλεκτρικά δίκτυα. (Σχ.2.1). Η μέχρι σήμερα ερευνητική δραστηριότητα έδειξε ότι μόνο τα συστήματα μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας οδηγούν σε βέλτιστη αξιοποίηση του αιολικού δυναμικού. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν άλλα προβλήματα τα οποία σχετίζονται με το 30

31 Καμπύλη λειτουργίας Σχ.2.1 Καμπύλη ισχύος ανεμοκινητήρα σε σχέση με την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα για διαφορετικές ταχύτητες ανέμου και βέλτιστη καμπύλη λειτουργίας κόστος κατασκευής τους αλλά και με το φαινόμενο της έγχυσης αρμονικών στο δίκτυο λόγω της διακοπτικής λειτουργίας τους, αφού η εφαρμογή τους στηρίζεται στη χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. 2.2 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΣΕ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΤΑΘΕΡΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ Η χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος σε Α/Γ σταθερών στροφών περιορίζεται στη βελτίωση της λειτουργίας της γεννήτριας. Ο μετατροπείς αυτοί χρησιμοποιούνται για να γίνεται ομαλή εκκίνηση της γεννήτριας και σύνδεση με το δίκτυο και για να μειωθεί η τάση της γεννήτριας και οι μαγνητικές απώλειες σε χαμηλές ταχύτητες ανέμων. Οι μετατροπείς αυτοί μπορούν να δώσουν σημαντική βελτίωση στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των Α/Γ σταθερών στροφών. Οι γεννήτριες που χρησιμοποιούνται στα παραπάνω συστήματα μπορεί να είναι ασύγχρονες βραχυκυκλωμένου δρομέα ή και σύγχρονες. Η λειτουργία με σταθερό αριθμό στροφών αν τη δούμε σχηματικά σε ένα διάγραμμα ισχύος - ταχύτητας αντιστοιχεί σε μία ευθεία κάθετη στον άξονα των ταχυτήτων που τέμνει τις αεροδυναμικές καμπύλες της πτερωτής σε σημεία διαφορετικά από το μέγιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος (Σχ.2.1). Κατά την εκκίνηση της Α/Γ υπάρχουν υψηλά ρεύματα τα οποία δημιουργούν προβλήματα στα δίκτυα, αλλά και καταπόνηση του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού του συστήματος λόγω ταλαντώσεων. Με τη βοήθεια μετατροπέα Ε.Τ. που αποτελείται από τρία ζεύγη αντιπαράλληλων θυρίστορ ρυθμίζουμε την τάση της γεννήτριας με αποτέλεσμα την ομαλή 31

32 ένταξη στο δίκτυο ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ Αντίθετα με τις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών η χρήση γεννητριών μεταβλητών στροφών δίνει λύση σε αρκετά από τα προβλήματα που αναφέραμε παραπάνω. Αυτό που θέλουμε να πετύχουμε είναι η γεννήτρια να δουλεύει στη βέλτιστη καμπύλη λειτουργίας (σχ. 1). Προσπαθούμε δηλαδή να επιτύχουμε τη λειτουργία της γεννήτριας με τέτοιο τρόπο ώστε ο ρότορας να ακολουθεί τις μεταβολές του ανέμου, για να επιτύχουμε μέγιστο συντελεστή cp και συνεπώς βέλτιστο λόγο ακροπτερυγίου. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι η λειτουργία στη βέλτιστη αεροδυναμική καμπύλη περιορίζεται μέχρι κάποια συγκεκριμένη ταχύτητα πέρα από την οποία αρχίζουν να λειτουργούν παράλληλα και τα μηχανικά συστήματα ελέγχου (περιστροφή των πτερυγίων - pitch control) για το περιορισμό της ισχύος στο ονομαστικό όριο της ανεμογεννήτριας. Έτσι επιτυγχάνεται μείωση των καταπονήσεων στα μηχανικά μέρη της ανεμογεννήτριας με ταυτόχρονη μείωση του εκπεμπόμενου θορύβου, αλλά και βελτίωση της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος. Η απ' ευθείας σύνδεση όμως της γεννήτριας στο δίκτυο σημαίνει ότι η ταχύτητα του ρότορα καθορίζεται από τη σταθερή συχνότητα του δικτύου, άρα δεν είναι δυνατόν να ακολουθήσει η ταχύτητα του ρότορα την ταχύτητα του ανέμου. Θα πρέπει λοιπόν να απομονώσουμε τη γεννήτρια από το δίκτυο. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε όπως είπαμε και παραπάνω διάφορες τοπολογίες ηλεκτρονικών ισχύος. Μεταβάλλοντας τη γωνία έναυσης των ηλεκτρονικών στοιχείων των τοπολογιών που θα περιγράψουμε μπορούμε να ελέγξουμε τη μεταβολή του ηλεκτρικού φορτίου της γεννήτριας και άρα τη μέγιστη παραγωγή. Παρακάτω θα δούμε τους τύπους γεννητριών που χρησιμοποιούμε για λειτουργία με μεταβλητές στροφές και τις διάφορες τοπολογίες που χρησιμοποιούνται για κάθε μία από 32

33 αυτές, καθώς επίσης τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους. ΣΥΣΤΗΜΛ ΠΡΟΣΛΝ ΛΤΟΛΙΣΜΟ ϊ ΑΝΕΜΟ- ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΚΙΒΩΤΙΟ & ΣΥΜΠΛΕΚΤΗΣ ΙΙΛΕΚΤΡΙΚΙΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Ε.Ρ/Σ.Ρ. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΙΚΙΑ Ο ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ & ΜΗΧΑΝΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Σχ.2.3 Βασική δομή συστήματος μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας (Μ.Σ.Σ.Σ) ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΚΛΩΒΟΥ Οι ασύγχρονες γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού μπορούν να λειτουργήσουν με μεταβλητό αριθμό στροφών αν χρησιμοποιήσουμε μετατροπείς πηγής τάσης ή πηγής ρεύματος. Ο πιο απλός μετατροπέας που χρησιμοποιείται σε τέτοια συστήματα είναι ο μετατροπέας πηγής τάσης που αποτελείται από ένα απλό αντιστροφέα με θυρίστορ και μεταγωγή από την τάση του δικτύου και συνδέεται στην πλευρά του δικτύου, μαζί με ένα μη ελεγχόμενο ανορθωτή διόδων ή ένα μετατροπέα με φυσική μετάβαση στην πλευρά του στάτη (Σχ.2.4). Αυτός είναι ένας απλός μετατροπέας πηγής τάσης. Στις περισσότερες εφαρμογές η ασύγχρονη γεννήτρια πρέπει να έχει πυκνωτές. 33

34 Η τεχνική που χρησιμοποιείται στηρίζεται στη ρύθμιση της γωνίας έναυσης των θυρίστορ ώστε να αρχίζει η αγωγή τους όταν η γεννήτρια έχει επιταχυνθεί, αποκτώντας ταχύτητα τέτοια ώστε η τάση εξόδου του ανορθωτή να είναι μεγαλύτερη από τη τάση του δικτύου. Η ταχύτητα, το ρεύμα και η ισχύς αυξάνονται με σχεδόν σταθερό συντελεστή ισχύος καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου. Ο μετατροπέας αυτός μπορεί να αποτελείται από θυρίστορ GTO ώστε να μπορούν να λειτουργήσουν σε ισχύς της τάξεως των MW και τα οποία προοπτικά αντικαθίστανται με στοιχεία IGBT εξαιτίας της αύξησης της ονομαστικής τάσης και του ρεύματος αυτών. Η διάταξη αυτή παρουσιάζει προβλήματα λόγω της αυτοδιέγερσης των πυκνωτών και των ανεπιθύμητων συντονισμών ειδικά σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου όπου έχουμε σημαντικές μεταβολές της παραγόμενης ισχύος, ενώ ο έλεγχος της τάσης δεν είναι εύκολος με τους πυκνωτές σταθερού μεγέθους. Μια άλλη τοπολογία που χρησιμοποιείται συχνά, περιέχει δύο όμοιους μετατροπείς πηγής τάσης PWM (Σχ.2.5). Η χρήση του μετατροπέα αυτού στην έξοδο εξασφαλίζει δυνατότητα ροής ισχύος προς τις δύο κατευθύνσεις, ελαχιστοποιεί την αρμονική παραμόρφωση των ρευμάτων εξόδου και επιτρέπει τον έλεγχο της άεργου ισχύος του συστήματος. Ο μετατροπέας στην πλευρά της γεννήτριας περιορίζει τις αρμονικές των ρευμάτων και της ροπής της μηχανής και επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της δυναμικής απόκρισης της ανεμογεννήτριας. Ο μετατροπέας αυτός αποτελείται από θυρίστορ GTO για μεγάλες γεννήτριες της τάξεως των MW και τα οποία όπως και στον προηγούμενο μετατροπέα τείνουν να αντικατασταθούν με ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος IGBT. Το κόστος βέβαια αυτού του μετατροπέα παραμένει υψηλό και οριακά συμφέρον για τέτοιου είδους εφαρμογές. ΔΙΚΤΥΟ ΑΣΥΓΧ Σχ.2.5 Σύστημα με δύο μετατροπείς πηγής τάσης. 34

35 Μία άλλη συνδεσμολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού αποτελείται από έναν μετατροπέα πηγής ρεύματος που συνδέεται στην πλευρά της γεννήτριας, σε συνδυασμό με ένα μετατροπέα με μεταγωγή από την τάση του δικτύου στην πλευρά του δικτύου (Σχ.6). Χρησιμοποιείται ευρέως σε επαγωγικές μηχανές σε άλλες εφαρμογές (έλεγχος ηλεκτρικών κινητηρίων συστημάτων) αλλά δεν έχει εφαρμοσθεί ιδιαίτερα σε ανεμογεννήτριες. Είναι απλή κατασκευή, αξιόπιστη, χαμηλού κόστους και έχει τη δυνατότητα αντιστροφής της ροής ισχύος. Παρ' όλα αυτά δε δίνει λύση στα προβλήματα των υψηλών αρμονικών και των αιχμών των τάσεων της μηχανής λόγω των κυκλωμάτων μεταγωγής των θυρίστορ. Ο δε μετατροπέας εξόδου παρουσιάζει ανάλογα προβλήματα αρμονικών και απαιτεί μεγάλη κατανάλωση ισχύος, γεγονός το οποίο απαιτεί την εγκατάσταση φίλτρων αρμονικών και διόρθωσης του συντελεστού ισχύος. Αυτό καθιστά απαγορευτική την εγκατάσταση τέτοιων τοπολογιών σε ασθενή δίκτυα με μεγάλη διείσδυση ισχύος. Καλύτερα αποτελέσματα έχουμε με τη χρήση διπλών μετατροπέων πηγής ρεύματος PWM με ημιαγωγικά στοιχεία τύπου GTO, όπου έχουμε μείωση των αρμονικών των ρευμάτων και της ροπής της μηχανής, καθώς και έλεγχο της άεργου ισχύος 35