ΓΗΠΛΧΜΑΣΗΚΖ ΔΡΓΑΗΑ. ηεο θνηηήηξηαο ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ

Transcript

1 ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΖΜΑ ΖΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΖΥΑΝΗΚΧΝ ΚΑΗ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΤΠΟΛΟΓΗΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΖΜΑΣΧΝ ΖΛΔΚΣΡΗΚΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΖΛΔΚΣΡΟΜΖΥΑΝΗΚΖ ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΓΙΔΤΘΤΝΣΗ : Καζεγεηήο Α.Ν.αθάθαο ΓΗΠΛΧΜΑΣΗΚΖ ΔΡΓΑΗΑ ηεο θνηηήηξηαο ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΑΛΔΞΑΝΓΡΑ ΦΧΣΗΟΤ ΑΝΣΧΝΑΚΟΤ Α.Μ «Μειέηε θαη θαηαζθεπή θπθιώκαηνο νδήγεζεο θηλεηήξα ηύπνπ DC Brushless ρξεζηκνπνηώληαο ζηνηρεία FPGA ή βηνκεραληθό κηθξνειεγθηή» Ν ν 307 Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δπακεηλψλδαο Μεηξνλίθαο, Λέθηνξαο Πάηξα, Ινχιηνο, 2010

2

3 ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΖΜΑ ΖΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΖΥΑΝΗΚΧΝ ΚΑΗ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΤΠΟΛΟΓΗΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΖΜΑΣΧΝ ΖΛΔΚΣΡΗΚΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΖΛΔΚΣΡΟΜΖΥΑΝΗΚΖ ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΓΙΔΤΘΤΝΣΗ : Καζεγεηήο Α.Ν.αθάθαο ΓΗΠΛΧΜΑΣΗΚΖ ΔΡΓΑΗΑ ηεο θνηηήηξηαο ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΑΛΔΞΑΝΓΡΑ ΦΧΣΗΟΤ ΑΝΣΧΝΑΚΟΤ Α.Μ «Μειέηε θαη θαηαζθεπή θπθιώκαηνο νδήγεζεο θηλεηήξα ηύπνπ DC Brushless ρξεζηκνπνηώληαο ζηνηρεία FPGA ή βηνκεραληθό κηθξνειεγθηή» Ν ν 307/2010 Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δπακεηλψλδαο Μεηξνλίθαο, Λέθηνξαο Πάηξα, Ινχιηνο, 2010

4

5 ΠΗΣΟΠΟΗΖΖ Πηζηνπνηείηαη φηη ε Γηπισκαηηθή Δξγαζία κε ζέκα «Μειέηε θαη θαηαζθεπή θπθιώκαηνο νδήγεζεο θηλεηήξα ηύπνπ DC Brushless ρξεζηκνπνηώληαο ζηνηρεία FPGA ή βηνκεραληθό κηθξνειεγθηή» ηεο θνηηήηξηαο ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ΑΛΔΞΑΝΓΡΑ ΦΧΣΗΟΤ ΑΝΣΧΝΑΚΟΤ Α.Μ.5585 παξνπζηάζηεθε δεκφζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Σκήκα Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηελ Παξαζθεπή 9 Ινπιίνπ 2010 Ο Δπηβιέπσλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Σνκέα Δπακεηλψλδαο Μεηξνλίθαο Λέθηνξαο Αληψληνο Αιεμαλδξίδεο Καζεγεηήο

6

7 ΑΡΗΘΜΟ ΓΗΠΛΧΜΑΣΗΚΖ ΔΡΓΑΗΑ: 307 /2010 ΣΙΣΛΟ: Μειέηε θαη θαηαζθεπή θπθιώκαηνο νδήγεζεο θηλεηήξα ηύπνπ DC Brushless ρξεζηκνπνηώληαο ζηνηρεία FPGA ή βηνκεραληθό κηθξνειεγθηή ΦΟΙΣΗΣΡΙΑ: Αλησλάθνπ Αιεμάλδξα ηνπ Φσηίνπ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Γξ.-Μερ. Δπακεηλψλδαο Μεηξνλίθαο, Λέθηνξαο ΠΔΡΗΛΖΦΖ Η παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία πξαγκαηεχεηαη ηελ κειέηε, ην ζρεδηαζκφ θαη ηελ θαηαζθεπή θπθιψκαηνο νδήγεζεο θηλεηήξα ηχπνπ DC Brushless. Η εξγαζία απηή εθπνλήζεθε ζην Δξγαζηήξην Ηιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ. Η νδήγεζε ηνπ θηλεηήξα ηχπνπ DC Brushless γίλεηαη ειεθηξνληθά κε ηε ρξήζε ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα ηζρχνο. θνπφο ινηπφλ ηεο παξνχζαο εξγαζίαο είλαη ε θαηαζθεπή ηνπ παξαπάλσ θπθιψκαηνο. Ο θηλεηήξαο ηχπνπ DC Brushless είλαη χγρξνλνο Κηλεηήξαο Μφληκνπ Μαγλήηε, επνκέλσο ην πξψην πνπ πξαγκαηεχεηαη ε δηπισκαηηθή εξγαζία είλαη ν νξηζκφο θάπνησλ ζεκειησδψλ ηδηνηήησλ ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ, θαη ε κειέηε ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ ησλ καγλεηηθψλ πιηθψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε απηνχ ηνπ ηχπνπ ηηο κεραλέο. ηε ζπλέρεηα κειεηψληαη νη χγρξνλνη Κηλεηήξεο Μφληκνπ Μαγλήηε ηξαπεδνεηδνχο θαη εκηηνλνεηδνχο παικνχ σο πξνο ηα θαηαζθεπαζηηθά ηνπο ραξαθηεξηζηηθά θαη ηελ αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπο. Παξαηίζεληαη επίζεο ηα πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηά ηνπο ζε ζρέζε κε άιινπο ηχπνπο κεραλψλ θαη αλαθέξνληαη θάπνηα πεδία ζηα νπνία νη θηλεηήξεο απηνί βξίζθνπλ εθαξκνγέο. Αθφκα θαηαγξάθνληαη ιεπηνκεξψο νη καζεκαηηθέο εμηζψζεηο ιεηηνπξγίαο ηνπο θαζψο θαη ε ραξαθηεξηζηηθή ξνπήο ηαρχηεηαο. ην επφκελν βήκα γίλεηαη κηα ζεσξεηηθή αλάιπζε ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ κεηαηξνπέα πνπ θαηαζθεπάζηεθε θαζψο θαη φισλ ησλ ππφινηπσλ θπθισκάησλ θαη

8 ζηνηρείσλ πνπ είλαη αλαγθαία γηα ηελ ιεηηνπξγία ηνπ. Δπηπξνζζέησο, αλαιχεηαη ε κέζνδνο παικνδφηεζεο ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ κεηαηξνπέα, πνπ είλαη ε Γηακφξθσζε Δχξνπο Παικψλ (PWM) θαη θαηφπηλ πεξηγξάθεηαη αλαιπηηθά ε θαηαζθεπή θαη ε πινπνίεζε ησλ παξαπάλσ θπθισκάησλ. Η παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία πξνρσξάεη κε ηελ πεξηγξαθή ησλ ηδηνηήησλ ηνπ κηθξνειεγθηή πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε θαη ηελ αλάιπζε ηεο παικνδφηεζεο ηνπ αληηζηξνθέα. Σέινο, νινθιεξψλεηαη κε ηελ παξάζεζε θαη ην ζρνιηαζκφ ησλ παικνγξαθεκάησλ πνπ πξνέθπςαλ κεηά ηελ νινθιήξσζε ηεο θαηαζθέπήο

9 ΠΡΟΛΟΓΟ Η δηπισκαηηθή απηή εξγαζία εθπνλήζεθε ζην Δξγαζηήξην Ηιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ. Αληηθείκελν ηεο εξγαζίαο είλαη ε θαηαζθεπή θπθιψκαηνο νδήγεζεο θηλεηήξα ηχπνπ DC Brushless κε ηελ ρξήζε ςεθηαθνχ κηθξνειεγθηή. πγθεθξηκέλα, γηα ηνλ έιεγρν θαηαζθεπάζηεθε ηξηθαζηθφο αληηζηξνθέαο ηζρχνο. Πην ηδηαίηεξα, ρξεζηκνπνηήζεθαλ IGBT σο δηαθνπηηθά ζηνηρεία ηζρχνο, ελψ γηα ηελ παξαγσγή παικψλ ρξεζηκνπνηήζεθε ν κηθξνειεγθηήο ηεο εηαηξίαο Microchip, dspιc30f4011. Αλαιπηηθά, ζην θεθάιαην 1 κειεηνχληαη ηα ζεκειηψδε κεγέζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ θαζψο θαη νη ηδηφηεηεο ησλ κφληκσλ καγλεηψλ. ην θεθάιαην 2 κειεηψληαη ε βαζηθά αξρή ιεηηνπξγίαο, νη καζεκαηηθέο εμηζψζεηο θαη ηα θαηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ χγρξνλσλ Κηλεηήξσλ Μφληκνπ Μαγλήηε ηξαπεδνεηδνχο θαη εκηηνλνεηδνχο παικνχ ην θεθάιαην 3 γίλεηαη κηα ζεσξεηηθή αλάιπζε ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα πνπ θαηαζθεπάζηεθε θαη ησλ ππνινίπσλ επί κέξνπο θπθισκάησλ πνπ πεξηιακβάλεη ε δηάηαμε. ην θεθάιαην 4 παξνπζηάδεηαη ν ηξφπνο θαηαζθεπήο ησλ θπθισκάησλ ηζρχνο θαη πεξηγξάθεηαη αλαιπηηθά ε ιεηηνπξγία ησλ νινθιεξσκέλσλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ. Δπηπιένλ, πεξηγξάθεθε πνπ βαζίζηεθε ε επηινγή ηνπ IGBT σο δηαθνπηηθνχ ζηνηρείνπ ηζρχνο θαζψο θαη ε επηινγή ηνπ ςπθηηθνχ κέζνπ. ην θεθάιαην 5 γίλεηαη πεξηγξαθή ηνπ κηθξνειεγθηή ηεο Microchip, dspic30f4011, πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηελ παικνδφηεζε ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο ηνπ κεηαηξνπέα. Ιδηαίηεξε έκθαζε δίλεηαη ζηηο κνλάδεο παξαγσγήο παικψλ, κεηαηξνπήο ζήκαηνο απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ θαη ζε άιιεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ. I

10 ην θεθάιαην 6 παξαηίζεληαη ηα παικνγξαθήκαηα πνπ πξνέθπςαλ απφ ηα πεηξάκαηα πνπ δηελεξγήζεθαλ κεηά ηελ νινθιήξσζε ηεο θαηαζθεπήο. Σέινο, θαηαγξάθεηαη ε βηβιηνγξαθία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε θαη ζηα παξαξηήκαηα ελζσκαηψλνληαη ζρέδηα θαη θσηνγξαθίεο ηεο θαηαζθεπήο θαζψο θαη ηα θπιιάδηα ησλ θαηαζθεπαζηψλ ησλ ζηνηρείσλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ. ην ζεκείν απηφ ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηνλ Λέθηνξα θ. Δπακεηλψλδα Μεηξνλίθα, επηβιέπνληα ηεο δηπισκαηηθήο κνπ εξγαζίαο γηα ην ζπλερέο ελδηαθέξνλ θαη ηηο εχζηνρεο παξαηεξήζεηο θαζ φιε ηελ δηάξθεηα εθπφλεζεο ηεο εξγαζίαο απηήο. Δπίζεο, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ φινπο ηνπο ππνςήθηνπο δηδάθηνξεο ηνπ εξγαζηεξίνπ θαη ηδηαίηεξα ηνλ άββα Σζνηνπιίδε γηα ηελ άςνγε ζπλεξγαζία θαη ηελ πνιχηηκε θαζνδήγεζή ηνπ ζε φια ηα ζηάδηα ηεο θαηαζθεπήο. Αθφκα επραξηζηψ ζεξκά θαη φινπο ηνπο πξνπηπρηαθνχο θνηηεηέο ηνπ εξγαζηεξίνπ γηα ηελ εζηθή ππνζηήξημε θαη ην επράξηζην θιίκα θαηά ηε δηάξθεηα ησλ σξψλ εξγαζίαο ζην ρψξν ηνπ εξγαζηεξίνπ. Σέινο, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνπο θίινπο κνπ αιιά θπξίσο ηελ νηθνγέλεηα κνπ γηα ηελ θαηαλφεζε, ηελ ππνκνλή θαη ηελ ζπκπαξάζηαζή ηνπο θαζ φιε ηε δηάξθεηα ησλ ζπνπδψλ κνπ. II

11 ΚΔΦΑΛΑΗΟ ΜΑΓΝΖΣΗΚΑ ΤΛΗΚΑ Δηζαγσγή Θεκειηψδεηο έλλνηεο ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ Οξηζκνί ραξαθηεξηζηηθψλ κεγεζψλ ηνπ καγλήηε Βξφρνο πζηέξεζεο καγλεηηθνχ πιηθνχ Δπίδξαζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ζηε ιεηηνπξγία ησλ καγλεηψλ Τιηθά θαη ηδηφηεηεο κφληκσλ καγλεηψλ Μαγλήηεο Alnico Κεξακηθνί Μαγλήηεο Μαγλήηεο ζπάλησλ γαηψλ ΚΔΦΑΛΑΗΟ ΎΓΥΡΟΝΟΗ ΚΗΝΖΣΖΡΔ ΜΟΝΗΜΟΤ ΜΑΓΝΖΣΖ Δηζαγσγή Καηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά θαη αξρή ιεηηνπξγίαο ηάηεο Γξνκέαο Αηζζεηήξεο Hall - Φαηλφκελν Hall Λεηηνπξγία ηεο ζχγρξνλεο κεραλήο κφληκνπ καγλήηε Πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα ηεο ζχγρξνλεο κεραλήο κφληκνπ καγλήηε Σππηθέο εθαξκνγέο ησλ ζχγρξνλσλ θηλεηήξσλ κφληκνπ καγλήηε Δθαξκνγέο κε ζηαζεξά θνξηία Δθαξκνγέο κε κεηαβιεηά θνξηία Δθαξκνγέο πξνζδηνξηζκνχ ζέζεο Κξηηήξηα επηινγήο κεραλήο ζε έλα θηλεηήξην ζχζηεκα Μαγλεηηθή επαγσγή δηαθέλνπ θαη ηζνδχλακν καγλεηηθφ θχθισκα ζχγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε Ηιεθηξεγεξηηθή δχλακε θαη ξνπή ζηξέςεο ζχγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε Υαξαθηεξηζηηθή ξνπήο - ηαρχηεηαο ηνπ ζχγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε III

12 2.11. Κχθισκα ειέγρνπ ζηξνθψλ ζχγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε Ηιεθηξεγεξηηθή δχλακε ζχγρξνλνπ εκηηνλνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε Απηεπαγσγή, ζχγρξνλε αληίδξαζε θαη ξνπή ζχγρξνλνπ εκηηνλνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε Πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο ζχγρξνλνπ εκηηνλνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε Έιεγρνο ζχγρξνλνπ εκηηνλνεηδνχο θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε ΚΔΦΑΛΑΗΟ ΑΝΑΛΤΖ ΣΖ ΛΔΗΣΟΤΡΓΗΑ ΣΟΤ ΚΤΚΛΧΜΑΣΟ ΗΥΤΟ ΣΖ ΓΗΑΣΑΞΖ Δηζαγσγή Μειέηε θαη ιεηηνπξγία ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα ηάζεο Δπηινγή ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα Έιεγρνο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα Γξακκηθά ηξνθνδνηηθά ζπλερνχο ηάζεο ΚΔΦΑΛΑΗΟ ΚΑΣΑΚΔΤΖ ΣΖ ΓΗΑΣΑΞΖ ΓΗΑ ΣΖΝ ΟΓΖΓΖΖ ΣΟΤ ΚΗΝΖΣΖΡΑ Δηζαγσγή Κχθισκα παικνδφηεζεο ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα Μηθξνεπεμεξγαζηήο θαη πεξηθεξεηαθά Δλίζρπζε ησλ παικψλ θαη απνκφλσζε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ απφ ην θχθισκα ηζρχνο Οδήγεζε ηεο πχιεο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο Καηαζθεπή ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα Γηαθνπηηθά εκηαγσγηθά ζηνηρεία, IGBT Γίνδνη ηζρχνο ειεχζεξεο δηέιεπζεο Aληηζηάζεηο ζηελ πχιε ησλ IGBT Ππθλσηέο ζηελ είζνδν ηνπ αληηζηξνθέα Δπηινγή ησλ θαηάιιεισλ απαγσγψλ ζεξκφηεηαο Δπηινγή θαηάιιεισλ κεηξεηηθψλ Καηαζθεπή ηξνθνδνηηθψλ ζπλερνχο ηάζεο ΚΔΦΑΛΑΗΟ IV

13 ΑΝΑΛΤΖ ΚΑΗ ΥΔΓΗΑΜΟ ΣΖ ΠΑΛΜΟΓΟΣΖΖ Δηζαγσγή Γεληθέο έλλνηεο κηθξνεπεμεξγαζηψλ - πλνπηηθή πεξηγξαθή ηνπ MPLAB πλνπηηθή πεξηγξαθή ηνπ dspic30f Σα αλαπηπμηαθά εξγαιεία ηνπ dspic30f Πεξηθεξεηαθέο κνλάδεο ηνπ dspic30f Θχξεο Δηζφδνπ/ Δμφδνπ Μεηαηξνπείο ζήκαηνο απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ Θχξα PWM Γίαπινο CAN Σν δηάγξακκα ξνήο ηoπ πιήξνπο θψδηθα ΚΔΦΑΛΑΗΟ ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΖΜΑΣΑ ΜΔΣΡΖΔΗ Δηζαγσγή Παικνγξαθήκαηα πχιεο πεγήο θαη ζπιιέθηε - πεγήο Ρεχκαηα θαη ηάζεηο θηλεηήξα ΒΗΒΛΗΟΓΡΑΦΗΑ ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ Α ΦΧΣΟΓΡΑΦΗΔ ΚΑΗ ΥΔΓΗΑ ΣΖ ΚΑΣΑΚΔΤΖ ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ Β ΣΔΥΝΗΚΑ ΦΤΛΛΑΓΗΑ ΚΑΣΑΚΔΤΑΣΧΝ ΣΧΝ ΣΟΗΥΔΗΧΝ ΠΟΤ ΥΡΖΗΜΟΠΟΗΖΘΖΚΑΝ ΣΖΝ ΚΑΣΑΚΔΤΖ... ΦΑΛΜΑ! ΓΔΝ ΔΥΔΙ ΟΡΙΣΔΙ ΔΛΙΓΟΓΔΙΚΣΗ. V

14 VI

15 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 1 ΜΑΓΝΖΣΗΚΑ ΤΛΗΚΑ 1.1. Δηζαγσγή Η παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία πξαγκαηεχεηαη ηε κειέηε θαη ηελ νδήγεζε ελφο θηλεηήξα ηχπνπ DC Brushless. Ο θηλεηήξαο απηφο είλαη κφληκνπ καγλήηε επνκέλσο πξηλ πξνρσξήζνπκε ζηε ιεπηνκεξή αλάιπζε ηεο δνκήο θαη ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ θξίλεηαη ζθφπηκν λα αλαθεξζνχκε ζε θάπνηα ζεκειηψδε κεγέζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ θαζψο θαη ζηηο βαζηθέο ηδηφηεηεο ησλ καγλεηηθψλ πιηθψλ Θεκειηώδεηο έλλνηεο ηνπ καγλεηηθνύ πεδίνπ Μαγλεηηθφ πεδίν νλνκάδεηαη ν ρψξνο κέζα ζηνλ νπνίν αλαπηχζζνληαη καγλεηηθέο δπλάκεηο θαη παξαηεξνχληαη ειεθηξηθά θαηλφκελα. Ο ρψξνο απηφο θαηά ηελ αληίιεςε ηνπ Faraday είλαη γεκάηνο κε δπλακηθέο γξακκέο, νη νπνίεο φπσο θαη ζην ειεθηξηθφ πεδίν απνηεινχλ κέζν απεηθφληζεο. Σν ζχλνιν ησλ δπλακηθψλ απηψλ γξακκψλ νλνκάδεηαη μαγνηηική ροή [Tm 2 ]. Η πνζφηεηα ησλ γξακκψλ πνπ δηαπεξλνχλ ηε κνλάδα ηεο επηθάλεηαο ιέγεηαη επαγφγή [T] ή ππθλφηεηα καγλεηηθήο ξνήο. Η ξνή είλαη κνλφκεηξν κέγεζνο, ελψ ε επαγσγή είλαη δηαλπζκαηηθφ θαη ζπλδένληαη κε ηε εμήο ζρέζε: d (1.1) φπνπ Α είλαη ην εκβαδφ ηεο ε επηθάλεηαο θάζεηεο ζην καγλεηηθφ πεδίν

16 Κάζε ζεκείν ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ ραξαθηεξίδεηαη απφ ηελ ένηαζη H [A/m] ε νπνία ζπλδέεηαη κε ηελ επαγσγή κε ηελ εμήο ζρέζε: (1.2) φπνπ κ είλαη ε απφιπηε μαγνηηική διαπεραηόηηηα ηνπ καγλεηηθνχ ρψξνπ θαη εθθξάδεη ηε δπλαηφηεηα λα πεξάζεη ε ξνή κέζα απφ έλα κέζν. Ιζρχεη ε ζρέζε (1.3) r 8 φπνπ H / cm είλαη ε δηαπεξαηφηεηα ηνπ θελνχ, ελψ r ε ζρεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηνπ κέζνπ. Οπνηαδήπνηε θπζηθή δχλακε ε νπνία παξάγεη καγλεηηθή ξνή, νλνκάδεηαη μαγνηηοκινηηική δύναμη (F=mmf, magnetomotive force). Αλ γηα παξάδεηγκα έρνπκε Ν ζπείξεο πνπ δηαξξένληαη απφ ξεχκα Ι, ε καγλεηνθηλεηηθή δχλακε ηζνχηαη κε F mmf NI (1.4) θαη κεηξηέηαη ζε ακπεξειίγκαηα (At) Οξηζκνί ραξαθηεξηζηηθώλ κεγεζώλ ηνπ καγλήηε. Σα καγλεηηθά πιηθά κπνξνχλ λα παξάγνπλ καγλεηηθφ πεδίν ρσξίο λα ππάξρεη θίλεζε ειεθηξηθψλ θνξηίσλ θαη ζπλεπψο ρσξίο λα θαηαλαιψλνπλ ειεθηξηθή ελέξγεηα. Απηή ε ηδηφηεηα ησλ καγλεηψλ κπνξεί λα εξκελεπζεί ζεσξψληαο φηη ε κάδα ελφο καγλήηε απνηειείηαη απφ άπεηξεο πνζφηεηαο καγλεηηθά δίπνια (ζηνηρεηψδεηο καγλήηεο) πνπ παίδνπλ ηνλ ίδην ξφιν φπσο ηα ειεθηξηθά θνξηία ζην ειεθηξνζηαηηθφ πεδίν. Γηα ηε ζεσξία ησλ ειεθηξηθψλ κεραλψλ, νη καγλήηεο απνηεινχλ πεγή καγλεηηθνχ πεδίνπ δηέγεξζεο ιφγσ ησλ ηθαλνηήησλ ηνπο λα δηαηεξνχλ παξακέλνληα καγλεηηζκφ θαη έηζη ζα αληηκεησπηζηνχλ ζηε ζπλέρεηα. Η ζρέζε πνπ ζπλδέεη ηα ραξαθηεξηζηηθά κεγέζε ελφο κφληκνπ καγλήηε είλαη J M (1.5) 0-2 -

17 φπνπ J ε μαγνηηική πόλφζη θαη Μ ε μαγνήηιζη. Η καγλεηηθή πφισζε νξίδεηαη σο ε πνζφηεηα δηπνιηθήο καγλεηηθήο ξνπήο αλά κνλάδα φγθνπ θαη καδί κε ηε καγλήηηζε Μ είλαη δχν κεγέζε πνπ αλαθέξνληαη ζηα θπζηθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ καγλήηε θαη ππάξρνπλ αλεμάξηεηα απφ ηε δξάζε εμσηεξηθψλ πεδίσλ. Η καγλεηηθή πφισζε πνιιέο θνξέο ζπκβνιίδεηαη θαη σο Β i θαη κεηξηέηαη ζε κνλάδεο Tesla (T) ελψ ε καγλήηηζε Μ έρεη ηηο ίδηεο κνλάδεο πφισζεο κε ηελ πεδηαθή έληαζε Η θαη κεηξηέηαη ζε Α/m. Η έλλνηα ηεο καγλεηηθήο δηπνιηθήο ξνπήο είλαη αληίζηνηρε ηεο ξνπήο ηνπ ειεθηξηθνχ δηπφινπ φπσο επίζεο αληίζηνηρνο είλαη ν ξφινο ησλ καγλεηηθψλ πφισλ κε ην ξφιν ησλ ειεθηξηθψλ θνξηίσλ Βξόρνο πζηέξεζεο καγλεηηθνύ πιηθνύ Οη καγλεηηθέο ηδηφηεηεο ησλ πιηθψλ ραξαθηεξίδνληαη απφ ην βξφρν πζηέξεζεο. Ο βξφρνο πζηέξεζεο είλαη ε ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε ηεο καγλήηηζεο ηνπ πιηθνχ ζπλαξηήζεη ηεο έληαζεο ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ Β=f(H), φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα

18 ρ.1.1 Σππηθφ δηάγξακκα βξφρνπ πζηέξεζεο Δάλ καγλεηίζνπκε έλα πιηθφ, δειαδή εάλ κεηαβάιινπκε ην ειεθηξηθφ ξεχκα, θαη θαηά ζπλέπεηα ηελ έληαζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ Η ζε κηα ηηκή, έζησ H 1(ε νπνία αληηζηνηρεί ζηελ ηηκή B s ), θαηφπηλ αλ κεηψλνπκε ηελ έληαζε σο ην - H 1(ε νπνία αληηζηνηρεί ζην ζεκείν β) θαη ηέινο απμήζνπκε πάιη σο ηελ H 1 πξνθχπηεη ν βξφρνο πζηέξεζεο πνπ βιέπνπκε ζην παξαπάλσ ζρήκα. Έλαο κε καγλεηηζκέλνο ππξήλαο έρεη Β=Η=0, νπφηε βξηζθφκαζηε ζηελ αξρή ησλ αμφλσλ 0. Δάλ ζηε ζπλέρεηα ηεζεί ππφ έλα καγλεηηθνχ πεδίνπ, ηφηε ηα Β, Η ζηνλ ππξήλα ζα αθνινπζήζνπλ ηελ θακπχιε απφ ην 0 ζην B s, ε νπνία νλνκάδεηαη καμπύλη πρώηης μαγνήηιζης. ην ζεκείν απηφ έρνπκε ηνλ μαγνηηικό κορεζμό ηνπ πιηθνχ, δειαδή ηε κέγηζηε ηηκή ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο Αλ ε αηηία δεκηνπξγίαο ηνπ Η εθιείςεη, ηφηε ε έληαζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ B s. κεηψλεηαη θαη ε θακπχιε πεγαίλεη απφ ην Bs ζην B r. Σν Η κεδελίδεηαη ελψ ην B r - 4 -

19 νλνκάδεηαη παραμένφν μαγνηηιζμός, είλαη δειαδή ε κέγηζηε καγλεηηθή επαγσγή πνπ κπνξεί λα ζπγθξαηήζεη ν καγλήηεο ζε κία ζπγθεθξηκέλε ζεξκνθξαζία, κεηά ην καγλεηηθφ θνξεζκφ ηνπ. Αλ ζηε ζπλέρεηα αληηζηξαθεί ε δηεχζπλζε ηνπ εμσηεξηθνχ πεδίνπ, ηφηε ην ζεκείν ιεηηνπξγίαο πεγαίλεη απφ ην B r ζην β, κέζα απφ ην δεχηεξν ηεηαξηεκφξην ηνπ βξφρνπ, θηάλεη δειαδή ζην αξλεηηθφ ηνπ κέγηζην -B. Σν ελδηάκεζν ζεκείν - H νλνκάδεηαη απομαγνηηίζον πεδίο, απνηειεί δειαδή ηελ αλαγθαία καγλεηηθή έληαζε γηα λα κεησζεί ν παξακέλσλ καγλεηηζκφο απφ ην απνκαγλήηηζε ηνπ πιηθνχ). s B r ζην κεδέλ (πιήξεο Παξνκνίσο, αλ κεησζεί ε αληίζεηεο θαηεχζπλζεο έληαζε ηνπ εμσηεξηθνχ πεδίνπ κέρξη κεδεληζκνχ ν καγλήηεο ραιαξψλεη απφ ην β ζην - B. Δθεί είλαη καγλεηηζκέλνο ζηελ αληίζεηε θαηεχζπλζε θαη ε κέγηζηε ππθλφηεηα ξνήο είλαη αληίζηνηρα - B r. Αληηζηνίρσο, γηα λα κεησζεί ν αξλεηηθφο παξακέλσλ καγλεηηζκφο απφ ην - B r ζην 0, ρξεηάδεηαη θαηαζηαιηηθφ πεδίν έληαζεο H c (ζεκείν γ). r c Ο βξφρνο είλαη ζπλήζσο ζπκκεηξηθφο θαη κπνξεί λα κεηξεζεί κε εηδηθά φξγαλα. Κάζε ζεκείν ιεηηνπξγίαο (Η,Β) εμαξηάηαη απφ ην ζρήκα ηνπ καγλήηε, θαζψο θαη απφ ηε δηαπεξαηφηεηα ηνπ πεξηβάιινληνο θπθιψκαηνο. Ο παξακέλσλ καγλεηηζκφο ην πεδίν B r θαη H c ζπγρσλεχνληαη θαηά θάπνην ηξφπν, ζε κηα παξάκεηξν γλσζηή σο κέγηζην ελεξγεηαθφ γηλφκελν ή αιιηψο κέγηζην ελεξγεηαθφ πξντφλ ην νπνίν δίλεη έλα κέηξν ηεο ηζρχνο ηνπ καγλήηε ελ γέλεη θαη παξαπέξα, πφζν αληηζηέθεηαη ζηελ απνκαγλήηηζε. Σν ( BH) max ππνινγίδεηαη ζην δεχηεξν ηεηαξηεκφξην ηνπ βξφρνπ. Γξαθηθά, είλαη ην νξζνγψλην κε ην κεγαιχηεξν εκβαδφλ πνπ κπνξεί θαλείο λα ζρεκαηίζεη ζην ηεηαξηεκφξην απηφ, φπσο θαίλεηαη ζηνλ βξφρν πζηέξεζεο ηνπ παξαθάησ ζρήκαηνο

20 ρ. 1.2 Βξφρνο πζηέξεζεο, φπνπ δηαθξίλεηαη ην ελεξγεηαθφ γηλφκελν ( BH) max Η θακπχιε πνπ εκθαλίδεηαη ζην δεχηεξν ηεηαξηεκφξην, νλνκάδεηαη θακπχιε απνκαγλήηηζεο. Όζν πην έληνλεο είλαη νη καγλεηηθέο ηδηφηεηεο, ε θακπχιε απνκαγλήηηζεο ηείλεη λα γίλεη επζεία (κπιε θακπχιε). Αληίζεηα, φζν πην «αδχλακν» είλαη ην πιηθφ, παξνπζηάδεηαη έλα «γφλαην» ζην δεχηεξν ηεηαξηεκφξην (καχξε θακπχιε). Έλα πιηθφ κφληκνπ καγλήηε νλνκάδεηαη «ζθιεξφ», φηαλ δηαηεξεί ηνλ παξακέλνληα καγλεηηζκφ ηνπ αθφκε θη αλ δελ ππάξρεη θαλέλα εμσηεξηθφ καγλεηηθφ πεδίν, ελψ ην απνκαγλεηίδσλ πεδίν H κπνξεί λα πάξεη κεγάιε (απφιπηε) ηηκή. Η c θακπχιε απνκαγλήηηζεο ηνπ είλαη επζεία. Πξφθεηηαη γηα ραξαθηεξηζηηθφ ησλ θεξξηηψλ, ησλ ζπάλησλ γαηψλ θαη ησλ ελψζεσλ NdFeB (ρήκα 1.3)

21 ρ. 1.3 Κακπχιεο απνκαγλήηηζεο νξηζκέλσλ πιηθψλ[1] Αληίζεηα, πιηθά φπσο ην Alnico,νλνκάδνληαη «καιαθά», θαη απαηηνχλ εμσηεξηθφ πεδίν πξνθεηκέλνπ λα επηδείμνπλ ρξήζηκεο καγλεηηθέο ηδηφηεηεο, ελψ ην απνκαγλεηίδνλ πεδίν παίξλεη κηθξέο ηηκέο. Γξαθηθά παξνπζηάδνπλ γφλαην ζην δεχηεξν ηεηαξηεκφξην. Πξνθαλψο ε ζθιεξφηεηα αλαθέξεηαη ζε καγλεηηθά ραξαθηεξηζηηθά θαη ζπγθεθξηκέλα ελλνεί ηελ αληνρή ηνπ πιηθνχ ζην πεδίν απνκαγλήηηζεο Δπίδξαζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ζηε ιεηηνπξγία ησλ καγλεηώλ Δθηφο απφ ηηο κεηαβνιέο ηνπ πεδίνπ απνκαγλήηηζεο, ππάξρνπλ δηάθνξνη άιινη παξάγνληεο πνπ επεξεάδνπλ ηηο καγλεηηθέο ηδηφηεηεο ηνπ καγλήηε φπσο ζεξκνθξαζία, κεραληθέο θαηαπνλήζεηο, νμείδσζε θαη αθηηλνβνιία. Οξηζκέλεο απφ ηηο κεηαβνιέο απηέο είλαη αληηζηξεπηέο ελψ άιιεο είλαη κε αληηζηξεπηέο θαη πξνθαινχλ κφληκεο αιινηψζεηο ζηε ζπκπεξηθνξά ηνπ καγλήηε. Χζηφζν, δελ είλαη πάληνηε δπλαηφ λα επαλέιζεη ζηελ αξρηθή καγλεηηθή ηνπ θαηάζηαζε γηαηί πνιιέο απφ ηηο αιιαγέο πξνθαινχλ κεηαιινπξγηθέο κεηαβνιέο ή κεηαβνιέο ζηε ρεκηθή δνκή ηνπ πιηθνχ πνπ δελ κπνξνχλ λα απνθαηαζηαζνχλ κε απιή επαλακαγλήηηζή ηνπ

22 Η επίδξαζε ηεο ζεξκνθξαζίαο είλαη ν παξάγνληαο πνπ θπξίσο επεξεάδεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ καγλήηε θαηά ηε ρξεζηκνπνίεζε ηνπ σο πεγή ξνήο δηέγεξζεο ζηηο ζηξεθφκελεο ειεθηξηθέο κεραλέο. Η αθξηβήο γλψζε ησλ καγλεηηθψλ κεηαβνιψλ πνπ πξνθαιεί ε αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο είλαη ζεκαληηθή ψζηε λα έρνπκε αμηφπηζην ζρεδηαζκφ ηεο ειεθηξηθήο κεραλήο θαη αθξηβέζηεξε κνληεινπνίεζε θαη αλάιπζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηεο. πλήζσο νη καγλεηηθέο κεηαβνιέο κέρξη έλα νξηζκέλν φξην ζεξκνθξαζίαο είλαη αληηζηξεπηέο. Αλ ε ζεξκνθξαζία μεπεξάζεη κία ραξαθηεξηζηηθή ηηκή γηα θάζε καγλεηηθφ πιηθφ γλσζηή σο ζεξκνθξαζία Curie ηφηε ράλνληαη πιήξσο νη καγλεηηθέο ηδηφηεηεο ηνπ πιηθνχ. ηελ πεξίπησζε απηή ην πιηθφ λα καγλεηηζηεί μαλά απφ ηελ αξρή. Δπεηδή νη αιιαγέο ζηε ζπκπεξηθνξά ησλ καγλεηψλ αξρίδνπλ λα παξαηεξνχληαη ζε ζεξκνθξαζίεο αξθεηά κηθξφηεξεο ηεο ζεξκνθξαζίαο Curie, νξίδνληαη σο αλψηεξεο ζεξκνθξαζίεο ιεηηνπξγίαο ζεκαληηθά κηθξφηεξεο ζεξκνθξαζίεο Τιηθά θαη ηδηόηεηεο κόληκσλ καγλεηώλ Οη βαζηθφηεξνη ηχπνη κφληκσλ καγλεηψλ πνπ ζπλήζσο ρξεζηκνπνηνχληαη ζηηο ειεθηξηθέο κεραλέο είλαη Alnico Κεξακηθνί καγλήηεο ή θεξξίηεο θαη Μαγλήηεο ζπάλησλ γαηψλ Κάπνηεο απφ ηηο ραξαθηεξηζηηθέο ηδηφηεηεο ησλ παξαπάλσ πιηθψλ δίλνληαη ζηνλ πίλαθα πνπ αθνινπζεί

23 Πίλαθαο 1.1. Υαξαθηεξηζηηθέο ηδηφηεηεο ησλ καγλεηηθψλ πιηθψλ[1] Μαγλήηεο Alnico Οη καγλήηεο Alnico πξσηνπαξνπζηάζηεθαλ ην 1931 θαη ηα ζεκαληηθά ηνπο πιενλεθηήκαηα είλαη ν κεγάινο παξακέλσλ καγλεηηζκφο, ε αληνρή ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο θαη ε κηθξή κεηαβνιή ηεο θακπχιεο απνκαγλήηηζεο ιφγσ ζεξκνθξαζίαο. πλεπψο νη ειεθηξηθέο κεραλέο κε καγλήηεο Alnico παξνπζηάδνπλ κεγάιε καγλεηηθή επαγσγή ζην δηάθελν θαη επηηξέπνπλ πςειέο ζεξκνθξαζίεο ιεηηνπξγίαο. Χζηφζν νη καγλήηεο απηνί φπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα έρνπλ πνιχ κηθξή αληνρή ζε εμσηεξηθά πεδία απνκαγλήηηζεο (καιαθνη). Οη καγλήηεο Alnico θπξηαξρνχζαλ ζηε βηνκεραλία κφληκσλ καγλεηψλ κέρξη ην 1970 φηαλ άξρηζαλ λα πξνηηκνχληαη ζηηο δηάθνξεο εθαξκνγέο νη πνιχ πην νηθνλνκηθνί θεξακηθνί καγλήηεο (θεξξίηεο) Κεξακηθνί Μαγλήηεο Οη θεξακηθνί καγλήηεο ή θεξξίηεο πξσηνεκθαλίζηεθαλ γχξσ ζην Οη καγλήηεο απηνί παξνπζηάδνπλ πνιχ κεγαιχηεξε αληνρή ζε πεδία απνκαγλήηηζεο ζε ζχγθξηζε κε ηνπο Alnico αιιά έρνπλ κηθξφηεξε ηηκή παξακέλνληα καγλεηηζκνχ. Η - 9 -

24 κέγηζηε επηηξεπηε ζεξκνθξαζία ιεηηνπξγίαο είλαη πςειή σζηφζν είλαη ηδηαίηεξα επαίζζεηεο νη καγλεηηθέο ηνπο ηδηφηεηεο ζε κεηαβνιέο ηεο ζεξκνθξαζίαο. Σα ζεκαληηθά πιενλεθηήκαηα ησλ θεξακηθψλ καγλεηψλ είλαη ην πνιχ ρακειφ θφζηνο αλά κνλάδα ελέξγεηαο θαη ε κεγάιε ειεθηξηθή αληίζηαζε κε απνηέιεζκα νη απψιεηεο δηλνξξεπκάησλ ζην εζσηεξηθφ ηνπο λα είλαη ζρεδφλ ακειεηέεο. Η ρξήζε θεξακηθψλ καγλεηψλ ζε ειεθηξηθέο κεραλέο νδεγεί ζε νηθνλνκηθφηεξεο θαηαζθεπέο ζε ζχγθξηζε κε ηνπο καγλήηεο Alnico θαη θπξίσο ρξεζηκνπνηνχληαη ζε κεραλέο κηθξήο ηζρχνο (κέρξη πεξίπνπ ηεο ηάμεο ησλ 7kW) Μαγλήηεο ζπάλησλ γαηώλ Οη καγλήηεο ζπάλησλ γαηψλ είλαη νη καγλήηεο ηεο ηειεπηαίαο γεληάο θαη παξνπζηάδνπλ πνιχ θαιχηεξα καγλεηηθά ραξαθηεξηζηηθά ζε ζχγθξηζε κε ηνπο θεξακηθνχο θαη ηνπο Alnico. Χζηφζν ζεκαληηθφ ηνπο κεηνλέθηεκα είλαη ην πςειφ θφζηνο. ηελ θαηεγνξία ησλ καγλεηψλ ησλ ζπάλησλ γαηψλ αλήθνπλ θξάκαηα κεηάιισλ κε βάζε ην ζακάξην Sm (SmCo) θαη ην λενδήκην Nd (NdFeΒ). Οη καγλήηεο SmCo πξσηνεκθαλίζηεθαλ γχξσ ζην 1960 ελψ νη καγλήηεο NdFeΒ ζηηο αξρέο ηνπ Σα ραξαθηεξηζηηθά ησλ καγλεηψλ απηψλ είλαη νη κεγάιεο ηηκέο ηνπ παξακέλνληα καγλεηηζκνχ θαη ηνπ πεδίνπ απνκαγλήηηζεο θαζψο θαη ε ηθαλνπνηεηηθά κεγάιε ηηκή ηεο ελέξγεηαο (ΒΗ) max. Η θακπχιε απνκαγλήηηζήο ηνπο είλαη ζρεδφλ επζεία θαη ε αληηζηξεπηή καγλεηηθή ηνπο δηαπεξαηφηεηα θπκαίλεηαη κεηαμχ 1-1,1 δειαδή πεξίπνπ φζε ε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηνπ θαηλνχ. Οη κφληκνη καγλήηεο ζπάλησλ γαηψλ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε ειεθηξηθέο κεραλέο απφ κεξηθά Watt κέρξη θαη πνιιά kw, ζε κεγάιν εχξνο εθαξκνγψλ θαη ηχπσλ κεραλψλ. Κπξίσο πξνηηκνχληαη εθεί φπνπ απαηηνχληαη πςεινί δείθηεο ιεηηνπξγίαο: ηζρχο/φγθν, βαζκφο απφδνζεο θαη δπλακηθή ζπκπεξηθνξά

25 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 2 ΎΓΥΡΟΝΟΗ ΚΗΝΖΣΖΡΔ ΜΟΝΗΜΟΤ ΜΑΓΝΖΣΖ 2.1. Δηζαγσγή Σψξα πνπ έρνπκε απνθηήζεη κηα εμνηθείσζε κε ηηο έλλνηεο ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ θαη κε ηηο ραξαθηεξηζηηθέο ηδηφηεηεο ησλ κφληκσλ καγλεηψλ κπνξνχκε λα πξνρσξήζνπκε ζηελ πεξηγξαθή ηεο δνκήο θαη ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ ύγρξνλνπ Κηλεηήξα Μόληκνπ Μαγλήηε πνπ είλαη γλσζηφο θαη σο Κηλεηήξαο Brushless. Ο ζχγρξνλνο θηλεηήξαο κφληκνπ καγλήηε απνηειεί έλαλ ηχπν κεραλήο πνπ αλαπηχζζεηαη επξέσο ζηηο κέξεο καο. Ο δξνκέαο απνηειείηαη απφ κφληκνπο καγλήηεο ελψ ηα ηπιίγκαηα ησλ θάζεσλ είλαη ηνπνζεηεκέλα ζην ζηάηε. Ο φξνο brushless θαλεξψλεη φηη ν θηλεηήξαο απηφο δελ έρεη ςήθηξεο θαη έηζη ε κεηάβαζε ηνπ ξεχκαηνο γίλεηαη ειεθηξνληθά. Η κεραλή ραξαθηεξίδεηαη σο «ζχγρξνλε» πξάγκα πνπ ζεκαίλεη φηη ν δξνκέαο πεξηζηξέθεηαη κε ηελ ίδηα ηαρχηεηα, ζχγρξνλα κε ην ζηξεθφκελν καγλεηηθφ πεδίν ηνπ δηαθέλνπ Καηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά θαη αξρή ιεηηνπξγίαο Οη ζχγρξνλεο κεραλέο κε κφληκν καγλήηε κπνξεί λα είλαη κνλνθαζηθέο, δχν θάζεσλ ή ηξηθαζηθέο. Η πην δηαδεδνκέλε θαη θνηλή ζηε ρξήζε είλαη ε ηξηθαζηθή. Σν ηχιηγκα θάζε θάζεο κπνξεί λα απνηειείηαη απφ έλα ή πεξηζζφηεξα ππνηπιίγκαηα (πεξηειίμεηο ή ππξήλεο) πνπ ηνπνζεηνχληαη ζηηο απιαθψζεηο ηνπ ζηάηε (ρήκα 2.1) φπσο ζα δνχκε παξαθάησ

26 ρ.2.1 BLDC κεραλέο δηαθφξσλ ηχπσλ. Η κεραλή (α) έρεη δχν νκάδεο ηπιηγκάησλ, δειαδή ην ηχιηγκα θάζε θάζεο απνηειείηαη απφ δχν ππνηπιίγκαηα (πεξηειίμεηο ή ππξήλεο) θαη ηέζζεξηο καγλεηηθνχο πφινπο, δειαδή ν δξνκέαο θαιχπηεηαη απφ δχν δεχγε καγλεηηθψλ πφισλ, αληίζεηεο καγλεηηθήο πνιηθφηεηαο. Έηζη ε (b) έρεη ηξεηο νκάδεο ηπιηγκάησλ θαη νρηψ καγλεηηθνχο πφινπο, ελψ ε (c) έρεη ηέζζεξηο νκάδεο ηπιηγκάησλ θαη νρηψ καγλεηηθνχο πφινπο [12] ηάηεο Ο ζηάηεο κηαο κεραλήο ηχπνπ «brushless» απνηειείηαη απφ αηζάιηλα ειάζκαηα πάρνπο mm. Δίλαη ειαζκαηνπνηεκέλνο πξνθεηκέλνπ λα ειαρηζηνπνηεζνχλ ηα δηλνξξεχκαηα. Σα ηπιίγκαηα ηνπνζεηνχληαη ζε εγθνπέο (απιαθψζεηο) πνπ είλαη θνκκέλεο αθηηλσηά θαηά κήθνο ηεο εζσηεξηθήο πεξηθέξεηαο ηνπ ζηάηε (ρήκα 2.2). Οη εγθνπέο ηείλνπλ λα δηαζπάζνπλ ηελ νκνηνκνξθία ηεο ξνήο, γη απηφ θαη πξέπεη λα ηνπνζεηνχληαη νκνηφκνξθα γχξσ απφ ηνλ ζηάηε. Οη πεξηζζφηεξεο BLDC κεραλέο έρνπλ ηξία ηπιίγκαηα ζην ζηάηε ηα νπνία ζπλδένληαη ζε αζηέξα. Καζέλα απφ απηά ηα ηπιίγκαηα απνηειείηαη απφ κηθξφηεξεο πεξηειίμεηο, νη νπνίεο ελψλνληαη γηα λα απνηειέζνπλ ην ηχιηγκα. Οη εγθνπέο γεκίδνπλ κε κία ή πεξηζζφηεξεο πεξηειίμεηο (ρήκα 2.1). Κάζε ηχιηγκα κνηξάδεηαη ζηελ πεξηθέξεηα ηνπ ζηάηε γηα λα δεκηνπξγήζεη δπγφ αξηζκφ πφισλ. Λφγσ ησλ δνλήζεσλ θαηά ηε ιεηηνπξγία ηεο κεραλήο, ηα ηπιίγκαηα είλαη δπλαηφ λα πξνθαιέζνπλ ζφξπβν. Σφηε, ρξεζηκνπνηείηαη ελαιιαθηηθή θαηαζθεπή κε θαινχπη γχξσ απφ ηνλ ζηάηε, ε νπνία απνηξέπεη απηέο ηηο δνλήζεηο θαη επνκέλσο κεηψλεη ηνλ ζφξπβν. [4]

27 ρ.2.2 ηάηεο κεραλήο brushless, φπνπ θαίλνληαη νη εγθνπέο ζηελ εζσηεξηθή πεξηθέξεηα ηνπ ζηάηε, νη ππξήλεο θαη ηα ηπιίγκαηα.[12] Αλάινγα κε ην πσο ζπλδένληαη νη πεξηειίμεηο κεηαμχ ηνπο θαη θαη επέθηαζε ηα ηπιίγκαηα, έρνπκε δχν δηαθνξεηηθνχο ηχπνπο κεραλήο brushless. ηνλ έλα ηχπν ηα ηπιίγκαηα είλαη ηξαπεδνεηδψο θαηαλεκεκέλα ζηελ πεξηθέξεηα ηνπ ζηάηε θαη ζηνλ άιινλ εκηηνλνεηδψο. Σα νλφκαηα απηά θαλεξψλνπλ θαη ηε κνξθή ηεο ειεθηξεγεξηηθήο δχλακεο (ηάζεο εμ επαγσγήο) πνπ κπνξεί λα είλαη ηξαπεδνεηδήο ή εκηηνλνεηδήο αληίζηνηρα. Δπηπιένλ ηεο ηάζεο εμ επαγσγήο, ην ξεχκα θάζε θάζεο έρεη θαη απηφ αληίζηνηρε κνξθή κε ηνλ ηχπν ηεο κεραλήο. ε φηη αθνξά ηελ ειεθηξνκαγλεηηθή ξνπή ε εκηηνλνεηδήο κεραλή έρεη ζηαζεξφηεξε ειεθηξνκαγλεηηθή ξνπή αλ θαη απαηηεί επηπιένλ θφζηνο εμαηηίαο ηεο πεξίπινθεο δηαζχλδεζεο ησλ πεξηειίμεσλ

28 ρ.2.3 Σξαπεδνεηδήο θαη εκηηνλνεηδήο ηάζε εμ επαγσγήο Γξνκέαο Ο δξνκέαο είλαη θαηαζθεπαζκέλνο απφ αηζάιη θαη είλαη ζπκπαγήο. Πάλσ ζηελ επηθάλεηά ηνπ ηνπνζεηνχληαη νη κφληκνη καγλήηεο, νη νπνίνη πνηθίινπλ κεηαμχ δχν θαη νρηψ δεπγψλ πφισλ κε αληίζεηε καγλεηηθή πνιηθφηεηα. Ο ππξήλαο είλαη θπιηλδξηθφο θαη ε ζέζε ησλ καγλεηψλ πνίθηιεη επίζεο. Μπνξεί λα βξίζθνληαη πάλσ ζηελ πεξηθέξεηα ηνπ δξνκέα κε θελά αλάκεζα ηνπο, ή κπνξεί λα είλαη νξζνγψληνη θαη λα ζθελψλνληαη θάησ απφ ηελ επηθάλεηα είηε νξηδφληηα, είηε θάζεηα (ζρήκα 2.4)

29 Αλάινγα κε ην πφζν δπλαηφ ζέινπκε λα είλαη ην καγλεηηθφ πεδίν, ην πιηθφ ησλ καγλεηψλ αιιάδεη. Ο θεξξίηεο είλαη ην παξαδνζηαθφ θαη πην θηελφ πιηθφ. Πιένλ, κε ηελ αλάπηπμε ηεο ηερλνινγίαο θεξδίδνπλ έδαθνο νη καγλήηεο απφ θξάκαηα ζπάλησλ γαηψλ. Οη καγλήηεο απφ θεξξίηε ελψ είλαη νη θηελφηεξνη, έρνπλ ην ζεκαληηθφ κεηνλέθηεκα ηεο ρακειήο ππθλφηεηαο ξνήο γηα ζπγθεθξηκέλν φγθν. Αληίζεηα ηα θξάκαηα έρνπλ κεγάιε ππθλφηεηα ξνήο άλα φγθν θη έηζη επηηξέπνπλ ηε κείσζε ηνπ φγθνπ ηνπ δξνκέα γηα ίδηα ηηκή ειεθηξνκαγλεηηθήο ξνπήο. Σέινο επεηδή βειηηψλεηαη ε αλαινγία κέγεζνο πξνο βάξνο ηνπ δξνκέα, δίδεηαη ελ ηέιεη κεγαιχηεξε ειεθηξνκαγλεηηθή ξνπή ζπγθξηηηθά κε ηνπο καγλήηεο απφ θεξξίηε. Σν λενδήκην (Nd), ε έλσζε ζακαξίνπ-θνβαιηίνπ (SmCo) θαη ην θξάκα λενδεκίνπ-θεξξίηε-βνξίνπ (NdFeB) είλαη κεξηθά παξαδείγκαηα πιηθψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ θαηαζθεπή κφληκσλ καγλεηψλ. Οη πςειέο ηαρχηεηεο απνηεινχλ πξφβιεκα γηα ηνπο καγλήηεο, φηαλ απηνί βξίζθνληαη ζηελ επηθάλεηα ηνπ δξνκέα. Η επηηάρπλζε, αιιά θαη ε επηβξάδπλζε, δεκηνπξγνχλ αθηηλσηέο δπλάκεηο νη νπνίεο πξέπεη λα αληηκεησπηζηνχλ. Οη καγλήηεο επηθνιινχληαη γεξά ζηελ επηθάλεηα, ιακβάλνληαο ππ φςε ε κεραληθή θαη ζεξκηθή δηαζηνιή ηεο ζπγθνιιεηηθήο νπζίαο λα είλαη ίδηα κε απηή ηνπ καγλήηε. Δπηπιένλ ζηηο κεγαιχηεξεο ηαρχηεηεο είλαη έλα απαξαίηεην έλα πεξίβιεκα ζπγθξάηεζεο απφ αλζξαθνλήκαηα ή άβαθν αηζάιη. ρ.2.4 Γηαθνξεηηθέο ηνπνζεηήζεηο καγλεηψλ πάλσ ζηνλ δξνκέα. ηνλ πξψην δξνκέα νη καγλήηεο ηνπνζεηνχληαη πάλσ ζηελ πεξηθέξεηα, ζηνλ δεχηεξν δξνκέα νη νξζνγψληνη καγλήηεο ηνπνζέηνπληαη νξηδφληηα θάησ απφ ηελ πεξηθέξεηα, ελψ ζηνλ ηξίην δξνκέα ηνπνζεηνχληαη θάζεηα[12]

30 2.3 Αηζζεηήξεο Hall - Φαηλόκελν Hall Όηαλ έλαο αγσγφο ξεχκαηνο βξίζθεηαη κέζα ζε καγλεηηθφ πεδίν, ηφηε ε επαγσγή αζθεί εγθάξζηα δχλακε ζηνπο θνξείο ξεχκαηνο θαη ηνπο σζεί ζηε κία πιεπξά ηνπ αγσγνχ. Σν παξαπάλσ θαηλφκελν είλαη γλσζηφ σο θαηλφκελν Hall. Λφγσ απνπζίαο ςεθηξψλ, ε κεηάβαζε ηνπ ξεχκαηνο ζην θχθισκα ειέγρνπ κηαο κεραλήο «brushless» γίλεηαη ειεθηξνληθά, νπφηε θάζε ρξνληθή ζηηγκή πξέπεη λα γλσξίδνπκε ηε ζέζε ηνπ δξνκέα. Γηα λα πεξηζηξαθεί ν δξνκέαο, πξέπεη λα πεξάζεη ξεχκα απφ ηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε κε κηα ζπγθεθξηκέλε ζεηξά. Δίλαη απαξαίηεην λα γλσξίδνπκε ηε ζέζε ηνπ δξνκέα, πξνθεηκέλνπ λα θαηαιάβνπκε πνην ηχιηγκα πξέπεη λα δηαξξέεηαη απφ ξεχκα θάζε θνξά. Η ζέζε ηνπ δξνκέα γίλεηαη αηζζεηή αλ ρξεζηκνπνηήζνπκε αηζζεηήξεο Hall, νη νπνίνη ηνπνζεηνχληαη κέζα ζηνλ ζηάηε. Οη πεξηζζφηεξεο ζχγρξνλεο κεραλέο κφληκνπ καγλήηε έρνπλ ηξεηο αηζζεηήξεο εθ ησλ νπνίσλ έλαο (ππνρξεσηηθά) ή δχν κπνξνχλ λα ελεξγνπνηνχληαη ηαπηφρξνλα ζε θάζε ρξνληθή ζηηγκή. Κάζε θνξά πνπ έλαο καγλεηηθφο πφινο ηνπ δξνκέα πεξλά θνληά απφ ηνπο αηζζεηήξεο, δίλεη έλα πςειφ ή έλα ρακειφ ζήκα πνπ ππνδειψλεη αλ είλαη ζεηηθφο ή αξλεηηθφο. Με απηφ ηνλ ηξφπν κπνξνχκε λα γλσξίδνπκε ζε πνία απφ ηηο έμη ηειηθά ζέζεηο κέζα ζηελ πεξηθέξεηα ηνπ θχθινπ βξίζθεηαη ν δξνκέαο. Ο ζπλδπαζκφο ησλ ζεκάησλ ησλ ηξηψλ αηζζεηήξσλ θαζνξίδεη ηελ αθξηβή ζεηξά ηεο κεηάβαζεο. Οη αηζζεηήξεο Hall ηνπνζεηνχληαη ζην αθίλεην κέξνο ηεο κεραλήο, ζηνλ ζηάηε (ζρήκα 2.5) κεηαηνπηζκέλνη κεηαμχ ηνπο αλά 60 ή 120 κνίξεο πνπ είλαη θαη ην πην ζχλεζεο. Η ηνπνζέηεζε ηνπο είλαη κηα δχζθνιε δηαδηθαζία, δηφηη θαη ε παξακηθξή απφθιηζή ηνπο ζα επηθέξεη ιαλζαζκέλν ζήκα θαη επνκέλσο ιαλζαζκέλε πιεξνθνξία γηα ηε ζέζε ηνπ δξνκέα. Μηα δεχηεξε πεξίπησζε είλαη ε εμήο αλ θαη δε ζπλεζίδεηαη: oη αηζζεηήξεο Hall είλαη ζπλδεδεκέλνη κε ηξεηο καγλήηεο. Οη καγλήηεο απηνί ηνπνζεηνχληαη ζηνλ δξνκέα, έηζη ψζηε φηαλ απηφο πεξηζηξέθεηαη νη καγλήηεο Hall δίλνπλ ην ίδην απνηέιεζκα κε ηνπο καγλήηεο ηνπ δξνκέα (ζρήκα 2.6)

31 Σέινο, φζνλ αθνξά ηελ παξνρή, γηα ηηο πεξηζζφηεξεο κεραλέο ηνπ εκπνξίνπ νη αηζζεηήξεο απαηηνχλ ηάζε κεηαμχ 4 θαη 24 V θαη ξεχκα απφ 5 εψο 15 ma.[12] ρ.2.5 Φαίλνληαη ρσξηζηά ν δξνκέαο κε κφληκν καγλήηε, ν ζηάηεο κε ηηο εγθνπέο θαη ηα ηπιίγκαηα, νη αηζζεηήξεο hall επάλσ ζην ζηάηε [17] ρ. 2.6 Οη αηζζεηήξεο Hall ζπλδένληαη κε ηξεηο καγλήηεο θαη ηνπνζεηνχληαη ζην δξνκέα [12]

32 2.4 Λεηηνπξγία ηεο ζύγρξνλεο κεραλήο κόληκνπ καγλήηε Κάζε ζεηξά κεηαβάζεσλ, απαηηεί έλα ηχιηγκα πνπ λα εηζέξρεηαη ην ξεχκα (ζεηηθή ηζρχο), έλα πνπ λα εμέξρεηαη (αξλεηηθή ηζρχο) θαη ην ηξίην ρσξίο ξεχκα. Η ξνπή παξάγεηαη εμαηηίαο ηεο αιιειεπίδξαζεο ησλ καγλεηηθψλ πεδίσλ ηνπ ζηάηε θαη ηνπ δξνκέα. Γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ ειέγρνπ απαηηείηαη ε ζέζε ηνπ δξνκέα ζε δηαθξηηέο ζέζεηο 60 ν κνηξψλ. Όπσο βιέπνπκε ζην παξάδεηγκα ηνπ ρήκαηνο 2.7 θάζε 60 ειεθηξηθέο κνίξεο πεξηζηξνθήο, έλαο απφ ηνπο αηζζεηήξεο hall δίλεη ζήκα. Απηφ επαλαιακβάλεηαη έμη θνξέο πξνθεηκέλνπ λα νινθιεξσζεί έλαο ειεθηξηθφο θχθινο. Χζηφζν έλαο ειεθηξηθφο θχθινο δελ ηαπηίδεηαη κε έλα κεραληθφ θχθιν ηνπ δξνκέα. Ο αξηζκφο ησλ ειεθηξηθψλ θχθισλ πξνθεηκέλνπ λα ζπκπιεξσζεί έλαο κεραληθφο θχθινο, εμαξηάηαη απφ ηα δεχγε πφισλ ηνπ δξνκέα. Γηα θάζε δεχγνο πφισλ πξαγκαηνπνηείηαη έλαο ειεθηξηθφο θχθινο. Οη αξηζκνί 1-6 ηνπ παξαδείγκαηνο ηνπ ρήκαηνο 7 αλαθέξνληαη ζηηο θαηαζηάζεηο κεηάβαζεο ηνπ ξεχκαηνο απφ ηε κία θάζε ζηελ επφκελε φπσο βιέπνπκε ζην ρήκα 2.8. Δδψ πξέπεη λα πνχκε φηη ζε θάπνηεο εθαξκνγέο κε κηθξφηεξεο αμηψζεηο ειέγρνπ είλαη δπλαηφλ λα ρξεζηκνπνηήζνπκε ηηο ηξείο θαζηθέο επαγφκελεο ειεθηξεγεξηηθέο δπλάκεηο γηα λα ππνινγίζνπκε ηηο ρξνληθέο ζηηγκέο κεηάβαζεο ηνπ ξεχκαηνο θαη λα πεξηνξίζνπκε έηζη ηελ αλάγθε γηα νπνηνδήπνηε αηζζεηήξην κέηξεζεο ηεο ζέζεο ηνπ δξνκέα

33 ρ.2.7 Αηζζεηήξεο Hall, ΗΔΓ, θαζηθά ξεχκαηα θαη ξνπή εμφδνπ ελφο BLDC θηλεηήξα.[12]

34 ρ.2.8 Καηαζηάζεηο κεηάβαζεο ηνπ ξεχκαηνο ζηε κεραλή ηνπ παξαδείγκαηνο ηνπ ζρήκαηνο 2.7[12] 2.5. Πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα ηεο ζύγρξνλεο κεραλήο κόληκνπ καγλήηε Η πξνθαλήο δηαθνξά αλάκεζα ζηελ κεραλή κφληκνπ καγλήηε θαη ηηο ππφινηπεο κεραλέο, είλαη ε απνπζία ςεθηξψλ. Έηζη απμάλεηαη θαη ε δηάξθεηα δσήο ηεο κεραλήο αθνχ δελ απαηηείηαη πιένλ ε ζπληήξεζε ηνπο θαη ηα πξνβιήκαηα πνπ ζπλδένληαη κε απηέο ειαρηζηνπνηνχληαη

35 Οη ςήθηξεο παξάγνπλ ειεθηξνκαγλεηηθά παξάζηηα ηα νπνία κε ηε ζεηξά ηνπο πξνθαινχλ ζπηλζήξεο κε θίλδπλν αλάθιεμεο ζε εχθιεθηα πεξηβάιινληα. Δπίζεο ρσξίο απηέο ε κεραλή δνπιεχεη πην αζφξπβα. Δπηπιένλ, ε ζπζζψξεπζε ζξαπζκάησλ ησλ ςεθηξψλ ή ζθφλεο απνηειεί πξφβιεκα, ηδίσο αλ κπαίλνπλ κέζα ζηα ξνπιεκάλ ή αλ ζρεκαηίδνπλ αγψγηκν δξφκν πνπ κπνξεί λα νδεγήζεη ζε ειεθηξηθφ ηφμν. Η ιεηηνπξγία θαη δηάξθεηα δσήο ησλ ςεθηξψλ εμαξηάηαη απφ ηηο αηκνζθαηξηθέο ζπλζήθεο, γεγνλφο πνπ απαηηεί ηελ ελαιιαγή ηνπ ηχπνπ ησλ ςεθηξψλ γηα ηνλ ίδην θηλεηήξα αλάινγα κε ην πεξηβάιινλ ιεηηνπξγίαο θαη ην θιίκα. Η απνπζία ςεθηξψλ αθήλεη πεξηζζφηεξν ρψξν γηα ηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε, ελψ ηαπηφρξνλα ε αγσγή ηεο ζεξκφηεηαο βειηηψλεηαη. Σα παξαπάλσ ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ απνπζία ηεο ηξηβήο ησλ ςεθηξψλ νδεγνχλ ζε ππνινγίζηκε αχμεζε ηνπ ειεθηξηθνχ θνξηίνπ, θαζψο θαη ηεο ξνπήο. Η απνπζία ηνπ ζπιιέθηε θαη ηνπ άμνλα ησλ ςεθηξψλ έρνπλ σο απνηέιεζκα λα κεηψλεηαη ην κήθνο ηεο κεραλήο. Δπίζεο ε απνπζία ηνπ ζπιιέθηε κεηψλεη ηελ αδξάλεηα ηνπ δξνκέα κε απνηέιεζκα ν ιφγνο ξνπήο πξνο αδξάλεηα λα απμάλεηαη πνπ είλαη θαη ην δεηνχκελν. Τπάξρνπλ βέβαηα θαη νξηζκέλα κεηνλεθηήκαηα. Πιένλ νη ςήθηξεο απνπζηάδνπλ, νπφηε ρξεηαδφκαζηε αηζζεηήξεο πξνθεηκέλνπ λα γλσξίδνπκε ηε ζέζε ηνπ άμνλα ζε θάζε ρξνληθή ζηηγκή. Σν γεγνλφο απηφ απμάλεη θαη ηελ πνιππινθφηεηα ηνπ ειεθηξνληθνχ ειέγρνπ. Δπηπιένλ, ην θφζηνο είλαη κεγαιχηεξν απφ ηηο θιαζζηθέο κεραλέο εμ αηηίαο ηνπ κεγάινπ θφζηνπο ησλ κφληκσλ καγλεηψλ. Η κέγηζηε ηαρχηεηα ηεο κεραλήο brushless πεξηνξίδεηαη εμαηηίαο ηεο ζπγθξάηεζεο ησλ καγλεηψλ ελάληηα ζηε θπγφθεληξν δχλακε. ε κηθξέο κεραλέο κε ρακειέο ηαρχηεηεο, νη καγλήηεο ζπγθνιινχληαη πάλσ ζηνλ ζπκπαγή ππξήλα. Δίλαη πξνθαλέο φηη ε ζπγθνιιεηηθή ηαηλία πξέπεη λα έρεη αληνρή ζηε ζεξκνθξαζία θαη ηνλ ρξφλν. Η δνκή ζπγθξάηεζεο κπνξεί λα απαηηεί ηελ αχμεζε ηνπ δηαθέλνπ κεηαμχ ζηάηε θαη δξνκέα, κα ζε αληίζεζε κε ηηο θιαζζηθέο κεραλέο, απηφ δελ απνηειεί ζνβαξφ πξφβιεκα ζηελ απφδνζε ηεο κεραλήο brushless. Μάιηζηα ην δηάθελν κπνξεί λα είλαη σο θαη δχν θνξέο κεγαιχηεξν. πγθξίλνληαο ηελ ζχγρξνλε κεραλή κφληκνπ καγλήηε κε ηελ επαγσγηθή κεραλή ε νπνία δελ έρεη κελ ςήθηξεο, αιιά δελ έρεη θαη κφληκνπο καγλήηεο, δηαπηζηψλνπκε

36 ηα εμήο: γηα ίδην κέγεζνο θη ππφ ίδηεο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο ε πξψηε είλαη πην απνδνηηθή θαη έρεη θαιχηεξν ζπληειεζηή ηζρχνο απφ ηε δεχηεξε. Απηφ ζπλεπάγεηαη ηελ αχμεζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ θαηά 20%-50%, πνζνζηφ θαζφινπ ακειεηέν.[1] Ο αληηζηξνθέαο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη είλαη ηεο ίδηαο ηερλνινγίαο κε ηνπο αληηζηξνθείο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηηο επαγσγηθέο κεραλέο, σζηφζν ε απφδνζή ηεο είλαη πάληα θαηψηεξε απφ απηή ηεο brushless κε κφληκνπο καγλήηεο, φζνλ αθνξά ηελ απφδνζε, ηε ζηαζεξφηεηα, ηελ απφθξηζε θαη ηελ ηαρχηεηα ειέγρνπ. Όζνλ αθνξά ηνπο κφληκνπο καγλήηεο, ε ρξήζε ηνπο είλαη δπλαηή κφλν γηα κηθξέο κεραλέο ηεο ηάμεο ησλ 20 kw (θη εμαξηάηαη βέβαηα απφ ηελ ηαρχηεηα, φπσο πξναλαθέξζεθε), δηφηη έπεηηα ην βάξνο θαη ην θφζηνο ησλ καγλεηψλ θαη ηεο κεραλήο νιφθιεξεο απμάλνληαη.[1] ε αληίζεζε, ε ειεθηξνκαγλεηηθή δηέγεξζε ηφζν ηεο θιαζηθήο ζχγρξνλεο κεραλήο φζν θαη ηεο επαγσγηθήο, είλαη ιηγφηεξν δαπαλεξή. ηνπο πίλαθεο πνπ αθνινπζνχλ γίλεηαη κία πεξηγξαθή ηνπ θηλεηήξα ηχπνπ brushless κε δχν άιινπο ηχπνπο θηλεηήξσλ. Πίλαθαο 2.1. χγθξηζε κεηαμχ κηαο BLDC κεραλήο κε κία επαγσγηθή κεραλή[12] ΥΑΡΑΚΣΖΡΗΣΗΚΟ ΚΗΝΖΣΖΡΑ ΣΤΠΟΤ BLDC ΔΝΑΛΛΑΟΜΔΝΟ Υαξαθηεξηζηηθή Ρνπήο/Σαρύηεηαο Ηζρύο Δμόδνπ/Μέγεζνο Αδξάλεηα Γξνκέα Ρεύκα εθθίλεζεο Απαηηήζεηο Διέγρνπ Οιίζζεζε Δπίπεδε- Δπηηξέπεη ηε ιεηηνπξγία ζε φιεο ηηο ηαρχηεηεο κε νλνκαζηηθφ θνξηίν. Τςειή- Αθνχ νη καγλήηεο είλαη ζην δξνκέα κπνξεί λα επηηεπρζεί κηθξφηεξν κέγεζνο γηα δεδνκέλε ηζρχ εμφδνπ. Υακειή ιφγσ ησλ κφληκσλ καγλεηψλ ηνπ δξνκέα. Απμεκέλε δπλακηθή απφθξηζε. Ολνκαζηηθφ- Γελ απαηηείηαη μερσξηζηφ θχθισκα γηα ηελ εθθίλεζε. Απαηηείηαη πάληα ειεγθηήο γηα ηελ πεξηζηξνθή ηνπ θηλεηήξα. Ο ίδηνο ειεγθηήο ρξεζηκνπνηείηαη θαη γηα έιεγρν ηαρχηεηαο. Γελ παξαηεξείηαη νιίζζεζε κεηαμχ ησλ ζπρλνηήησλ ηνπ δξνκέα θαη ηνπ ζηάηε. ΔΠΑΓΧΓΗΚΟ ΚΗΝΖΣΖΡΑ Με γξακκηθή- Υακειφηεξε ξνπή ζε ρακειφηεξεο ηαρχηεηεο. Μέηξηα- Αθνχ θαη ν δξνκέαο θαη ν ζηάηεο έρνπλ ηπιίγκαηα ν ιφγνο ηζρχνο εμφδνπ/κέγεζνο είλαη κηθξφηεξνο απφ απηφλ ηνπ θηλεηήξα BLDC Τςειή Πεξηνξηζκέλα δπλακηθά ραξαθηεξηζηηθά. Πεξίπνπ 7 θνξέο ηνπ νλνκαζηηθνχ. Η δηαβάζκηζε ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ εθθηλεηή επηιέγεηαη πξνζεθηηθά. πλήζσο ρξεζηκνπνηείηαη εθθηλεηήο αζηέξα-ηξηγψλνπ. Γελ ρξεηάδεηαη ειεγθηήο γηα θαζνξηζκέλε ηαρχηεηα. Υξεηάδεηαη κφλν φηαλ είλαη απαηηείηαη κεηαβαιιφκελε ηαρχηεηα. Η ζπρλφηεηα πεξηζηξνθήο ηνπ δξνκέα είλαη κηθξφηεξε απφ ηε ζπρλφηεηα ηνπ πεδίνπ ηνπ ζηάηε ιφγσ νιίζζεζεο ε νπνία απμάλεηαη κε θνξηίν ζηνλ θηλεηήξα

37 Πίλαθαο 2.2. χγθξηζε κεηαμχ κηαο BLDC κεραλήο κε κία κεραλή ζπλερνχο ξεχκαηνο κε ςήθηξεο[12] ΥΑΡΑΚΣΖΡΗΣΗΚΟ ΚΗΝΖΣΖΡΑ ΣΤΠΟΤ BLDC ΚΗΝΖΣΖΡΑ ΤΝΔΥΟΤ ΡΔΤΜΑΣΟ ΜΔ ΦΖΚΣΡΔ Μεηάβαζε Ηιεθηξνληθή νδήγεζε βαζηζκέλε Οδήγεζε κε ςήθηξεο ζε αηζζεηήξεο Hall πληήξεζε Ληγφηεξε απαηηνχκελε ιφγσ απνπζίαο ςεθηξψλ Απαξαίηεηε αλά ηαθηέο ρξνληθέο πεξηφδνπο Γηάξθεηα Εσήο Μεγαιχηεξε Μηθξφηεξε Υαξαθηεξηζηηθή Ρνπήο/Σαρύηεηαο Απνδνηηθόηεηα Ηζρύο Δμόδνπ/Μέγεζνο Αδξάλεηα Γξνκέα Δύξνο Σαρπηήησλ Δπίπεδε- Δπηηξέπεη ηε ιεηηνπξγία ζε φιεο ηηο ηαρχηεηεο κε νλνκαζηηθφ θνξηίν Τςειή-Μεδεληθή πηψζε ηάζεο ζηηο ςήθηξεο Τςειή- Μεησκέλν κέγεζνο ιφγσ θαιχηεξσλ ζεξκηθψλ ραξαθηεξηζηηθψλ. Ο θηλεηήξαο ηχπνπ BLDC έρεη ηα ηπιίγκαηα ζην ζηάηε πνπ είλαη ζπλδεδεκέλνο κε ην πεξίβιεκα θαη ε απαγσγή ζεξκφηεηαο είλαη θαιχηεξε. Υακειή ιφγσ ησλ κφληκσλ καγλεηψλ ηνπ δξνκέα. Απμεκέλε δπλακηθή απφθξηζε. Τςειφ- Καλέλαο κεραληθφο πεξηνξηζκφο απφ ςήθηξεο/ζπιιέθηε Μεηξίσο επίπεδε- ε πςειφηεξεο ηαρχηεηεο ε ζξαχζε ησλ ςεθηξψλ απμάλεηαη κεηψλνληαο ηε ξνπή. Πεξηνξηζκέλε Μέηξηα/Υακειή- Η ζεξκφηεηα πνπ παξάγεηαη ζηα ηπιίγκαηα δηαρέεηαη ζην δηάθελν θαη έηζη απμάλεηαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ δηαθέλνπ κεηψλνληαο ηηο πξνδηαγξαθέο ηζρχνο/κέγεζνο. Τςειή αδξάλεηα δξνκέα πνπ κεηψλεη ηα δπλακηθά ραξαθηεξηζηηθά. Υακειφ- Μεραληθνί πεξηνξηζκνί απφ ςήθηξεο. Ζιεθηξηθόο Θόξπβνο Υακειφο. Οη ςήθηξεο δεκηνπξγνχλ ειεθηξνκαγλεηηθέο παξεκβνιέο (ΔΜΙ) πνπ πξνθαινχλ ζφξπβν. Κόζηνο Καηαζθεπήο Τςειφ- Σν θφζηνο ησλ κφληκσλ Υακειφ καγλεηψλ είλαη πςειφηεξν. Έιεγρνο Πεξίπινθνο θαη αθξηβφο. Απιφο θαη νηθνλνκηθφο. Απαηηήζεηο Διέγρνπ Απαηηείηαη πάληα ειεγθηήο γηα ηελ πεξηζηξνθή ηνπ θηλεηήξα. Ο ίδηνο ειεγθηήο ρξεζηκνπνηείηαη θαη γηα έιεγρν ηαρχηεηαο. Γελ ρξεηάδεηαη ειεγθηήο γηα θαζνξηζκέλε ηαρχηεηα. Υξεηάδεηαη κφλν φηαλ είλαη απαηηείηαη κεηαβαιιφκελε ηαρχηεηα Σππηθέο εθαξκνγέο ησλ ζύγρξνλσλ θηλεηήξσλ κόληκνπ καγλήηε Οη κεραλέο ηχπνπ brushless βξίζθνπλ εθαξκνγή ζε θάζε ηκήκα ηεο αγνξάο. H απηνθίλεζε, νη νηθηαθέο ζπζθεπέο, ν βηνκεραληθφο έιεγρνο, νη απηνκαηηζκνί, ε αεξνλαππεγηθή θιπ. είλαη θάπνηα απφ ηα πεδία ζηα νπνία ρξεζηκνπνηνχληαη επξέσο. Έηζη κπνξνχκε λα θαηεγνξηνπνηήζνπκε ηνλ ηξφπν ειέγρνπ ηνπ BLDC θηλεηήξα αλάινγα κε ηξείο βαζηθνχο ηχπνπο εθαξκνγψλ. Δθαξκνγέο ζηαζεξνχ θνξηίνπ

38 Δθαξκνγέο κεηαβιεηψλ θνξηίσλ Δθαξκνγέο πξνζδηνξηζκνχ ζέζεο Δθαξκνγέο κε ζηαζεξά θνξηία ε απηέο ηηο εθαξκνγέο ε είλαη ζεκαληηθφ ηαρχηεηα ηνπ θηλεηήξα λα κπνξεί λα κεηαβάιιεηαη. Δπηπξνζζέησο, ν ξπζκφο ηεο επηηάρπλζεο θαη ηεο επηβξάδπλζεο δελ αιιάδεη δπλακηθά. ε απηνχο ηνπο ηχπνπο εθαξκνγψλ ην θνξηίν βξίζθεηαη ζε άκεζε ζχδεπμε ζηνλ άμνλα ηεο κεραλήο. Παξαδείγκαηα ηέηνησλ εθαξκνγψλ είλαη νη αλεκηζηήξεο θαη νη αληιίεο πνπ απαηηνχλ ρακεινχ θφζηνπο ειεγθηέο σο επί ησ πιείζηνλ ζε ιεηηνπξγία αλνηρηνχ βξφγρνπ Δθαξκνγέο κε κεηαβιεηά θνξηία Πξφθεηηαη γηα ηχπνπο εθαξκνγψλ φπνπ ην θνξηίν ηνπ θηλεηήξα κεηαβάιιεηαη κέζα ζε κία θιίκαθα ηαρχηεηαο. Απηέο νη εθαξκνγέο απαηηνχλ αθξίβεηα ειέγρνπ πςειήο ηαρχηεηαο θαη θαιέο δπλακηθέο απνθξίζεηο. ηηο νηθηαθέο ζπζθεπέο αληηπξνζσπεπηηθά παξαδείγκαηα ηέηνησλ εθαξκνγψλ είλαη πιπληήξηα θαη ζηεγλσηήξηα. Αληίζηνηρα παξαδείγκαηα ζηνλ ηνκέα ηεο απηνθίλεζεο είλαη ν έιεγρνο αληιίαο θαπζίκσλ, ν έιεγρνο ελαιιαθηήξσλ θαη ν έιεγρνο ειεθηξηθνχ νρήκαηνο. ηελ αεξνδηαζηεκηθή ζπλαληάκε πιεζψξα ηέηνηνπ ηχπνπ εθαξκνγψλ φπσο θπγνθεληξεηέο, αληιίεο, έιεγρνο ξνκπνηηθνχ βξαρίνλα θαη έιεγρνο γπξνζθνπίσλ. ε απηέο ηηο εθαξκνγέο ρξεζηκνπνηείηαη βξφγρνο αλαηξνθνδφηεζεο ηεο ηαρχηεηαο θαη ηξέρνπλ ζε εκη-θιεηζηφ ή θιεηζηφ βξφγρν. Υξεζηκνπνηνχληαη αθφκα πξνρσξεκέλνη αιγφξηζκνη ειέγρνπ γεγνλφο πνπ πεξηπιέθεη ηνλ έιεγρν ηεο κεραλήο brushless θαη απμάλεη ην θφζηνο ηνπ ζπλνιηθνχ ζπζηήκαηνο Δθαξκνγέο πξνζδηνξηζκνύ ζέζεο Οη πεξηζζφηεξεο εθαξκνγέο ζηε βηνκεραλία θαη ζηνπο απηνκαηηζκνχο εληάζζνληαη ζε απηή ηελ θαηεγνξία. Η δπλακηθή απφθξηζε ηεο ξνπήο θαη ηεο ηαρχηεηαο είλαη ζεκαληηθέο θαη παξνπζηάδνληαη ζπρλέο αιιαγέο ζηε θνξά ηεο

39 πεξηζηξνθήο. Έλαο ηππηθφο θχθινο πεξηιακβάλεη ζηάδην επηηάρπλζεο, ζηάδην πνπ ε ηαρχηεηα παξακέλεη ζηαζεξή θαη ζηάδην επηβξάδπλζεο. Σν θνξηίν ζηνλ θηλεηήξα κπνξεί λα κεηαβάιιεηαη θαηά ηε δηάξθεηα απηψλ ησλ ζηαδίσλ πεξηπιέθνληαο έηζη ηνλ έιεγρν ηνπ BLDC θηλεηήξα. Σα ζπζηήκαηα απηά ιεηηνπξγνχλ ζε θιεηζηφ βξφγρν φπνπ ηξέρνπλ ηαπηφρξνλα ηξείο βξφγρνη ειέγρνπ: ξνπήο, ηαρχηεηαο θαη ζέζεο. Χο παξάδεηγκα κπνξνχκε λα αλαθέξνπκε ηα Μεραλήκαηα Φεθηαθήο Καζνδήγεζεο (CNC machines) πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηε βηνκεραλία. 2.7 Κξηηήξηα επηινγήο κεραλήο ζε έλα θηλεηήξην ζύζηεκα Η επηινγή ηεο κεραλήο εμαξηάηαη απφ ηελ εθαξκνγή γηα ηελ νπνία πξννξίδεηαη. Αλάινγα κε ην θνξηίν, νη παξάκεηξνη αιιάδνπλ. Οη πην ζεκαληηθέο είλαη νη εμήο: Η κέγηζηε ξνπή πνπ απαηηείηαη ζηελ εθαξκνγή. Η ελεξγφο ηηκή ηεο ξνπήο. Η ηαρχηεηα ιεηηνπξγίαο Μαγλεηηθή επαγσγή δηαθέλνπ θαη ηζνδύλακν καγλεηηθό θύθισκα ζύγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε [3] Όπσο βιέπνπκε ζην ρήκα 2.9 ε ξνή δηαθέλνπ Φ g πεξλά ην δηάθελν θαη εκπιέθεηαη κε ηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε ελψ ε ξνή ζθεδάζεσο Φ l δελ εκπιέθεηαη κε ηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε θαη νη δπλακηθέο γξακκέο θιείλνπλ κέζα απφ ην δηάθελν θαη ηνλ ππξήλα ηνπ δξνκέα. Η ξνή δηαθέλνπ Φ είλαη ην κεγαιχηεξν κέξνο ηεο ζπλνιηθήο ξνήο δηέγεξζεο θαη ηζρχεη m g l (2.1) Σν ηζνδχλακν καγλεηηθφ θχθισκα γηα έλαλ πφιν ηεο κεραλήο παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα Θεσξνχκε φηη ε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ησλ ππξήλσλ ηνπ ζηάηε

40 θαη ηνπ δξνκέα είλαη πνιχ κεγάιε θαη ζπλεπψο ε καγλεηηθή ηνπο αληίζηαζε είλαη ακειεηέα. Η καγλεηηθή αληίζηαζε δηαθέλνπ είλαη R g 1 l 'g 0 Ag (2.2) φπνπ g rl ην κέζν εκβαδφ ηεο επηθάλεηαο ηνπ δηαθέλνπ ελφο πνιηθνχ βήκαηνο, l ην αμνληθφ κήθνο ησλ ππξήλσλ θαη l ' g k l ζπληειεζηήο Carter c g ην ηζνδχλακν κήθνο δηαθέλνπ θαη k c ν ν νπνίνο ιακβάλεη ππφςε ηνπ ηελ επίδξαζε ησλ δνληηψλαπιαθίσλ ζηνλ ππνινγηζκφ ηεο καγλεηηθήο αληίζηαζεο δηαθέλνπ. Απφ ηελ θπθισκαηηθή αλάιπζε ηνπ ρήκαηνο πξνθχπηεη 1 P R g 0 1 ( P0 l) g (2.3) φπνπ Φ 0 ε ξνή ηνπ παξακέλνληα καγλεηηζκνχ, P 0 0 rrec A l m m (2.4) ε καγλεηηθή αγσγηκφηεηα ηνπ καγλήηε, Pl 1/ Rl ε αγσγηκφηεηα ζθεδάζεσο θαη Αm ε επηθάλεηα ηνπ καγλήηε ελφο πνιηθνχ βήκαηνο. ρ.2.9 Γηπνιηθή brushless dc κεραλήο θαη καγλεηηθέο ξνέο [3]

41 ρ.2.10 Ιζνδχλακν καγλεηηθφ θχθισκα Ο παξάγνληαο ζπγθέληξσζεο ξνήο ηζνχηαη κε C A m g (2.5) θαη απφ ηηο εμηζψζεηο (2.2) θαη (2.5) πξνθχπηεη B g B C 0 1 ( P0 l) P R g (2.6) Δπίζεο αλ αγλνήζνπκε ηε ζθέδαζε θαη ρξεζηκνπνηήζνπκε ηηο εμηζψζεηο (2.2 ) θαη (2.4) ε εμίζσζε ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο (2.6) γίλεηαη B g B C 0 1 rrecc l ' l m g (2.7) 2.9. Ζιεθηξεγεξηηθή δύλακε θαη ξνπή ζηξέςεο ζύγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε [3] ηε ζπλέρεηα ζα κειεηήζνπκε ηε κεραλή κε ζπλδεζκνινγία αζηέξα θαη πνιηθφ ηφμν καγλήηε κε ηφμν 180 ν. Θα ζεσξήζνπκε ηελ πεξίπησζε κίαο δηπνιηθήο κεραλήο γηα ζηάηε κε 12 απιαθψζεηο ζηελ πεξηθέξεηα ηνπ. Δπεηδή έρεη ηξηθαζηθή πεξηέιημε αληηζηνηρνχλ 2 απιαθψζεηο αλά πφιν θαη θάζε. Σν ηχιηγκα θάζε απιάθσζεο απνηειείηαη απφ Ν 1 ζπέηξεο ζε απιή ζηξψζε. ην παξαθάησ ζρήκα παξνπζηάδνληαη νη θπκαηνκνξθέο ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο, πεπιεγκέλεο ξνήο, ειεθηξεγεξηηθήο δχλακεο θαη ξεπκάησλ δηέγεξζεο φηαλ δηεγείξνληαη ηα ηπιίγκαηα ηεο θάζεο +U

42 Θεσξνχκε φηη ε καγλεηηθή επαγσγή ηνπ πεδίνπ πνπ παξάγνπλ νη καγλήηεο ζην δηάθελν είλαη ζηαζεξή θαηά κήθνο ηνπ πνιηθνχ βήκαηνο ηνπ καγλήηε. ρ.2.11 Κπκαηνκνξθέο ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο, πεπιεγκέλεο ξνήο, ειεθηξεγεξηηθήο δχλακεο θαη ξεπκάησλ δηέγεξζεο ζε δηπνιηθή brushless dc κεραλή κε πνιηθφ ηφμν καγλήηε 180 ν

43 Ο δξνκέαο ζηξέθεηαη αξηζηεξφζηξνθα θαη ε πεπιεγκέλε ξνή πνπ εκπιέθεηαη κε ην ηχιηγκα U 1 u 1 ηνπ ζηάηε ππνινγίδεηαη κε ην νινθιήξσκα ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο θαηά κήθνο ηνπ δηαθέλνπ ζε θάζε ζέζε ζ ηνπ δξνκέα, / U1( ) 1 g( ) rld (2.8) φπνπ Ν 1 ν αξηζκφο ησλ ζπεηξψλ ηνπ πελίνπ θάζε απιάθσζεο, r ε αθηίλα ηνπ θχθινπ ζην κέζν ηνπ δηαθέλνπ θαη l ην κήθνο ηνπ ππξήλα. πλεπψο, ε κεηαβνιή ηεο ξνήο θαζψο ν δξνκέαο ζηξέθεηαη απφ 0 ν έσο 180 ν δίλεηαη απφ ηη ζρέζε 1 ( ) (1 ) U1 1 max (2.9) φπνπ N B rl (2.10) 1max 1 g θαη Β g ε κέγηζηε ηηκή ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο δηαθέλνπ ηνπ πεδίνπ πνπ παξάγνπλ νη καγλήηεο. Η πεπιεγκέλε ξνή πνπ εκπιέθεηαη κε ην ηχιηγκα U 1 u 1 γίλεηαη κέγηζηε ζηε ζέζε 0 ν θαη ε κέγηζηε αξλεηηθή ζηε ζέζε 180 ν. Δπίζεο ε πεπιεγκέλε ξνή κεηαβάιιεηαη γξακκηθά σο πξνο ηε ζέζε ηνπ δξνκέα, γηαηί ζεσξήζακε φηη ε καγλεηηθή επαγσγή ηνπ πεδίνπ ησλ καγλεηψλ είλαη ζηαζεξή ζε φιν ην πνιηθφ βήκα ηνπ δξνκέα (αγλνήζεθε ε παξακφξθσζε πνπ νθείιεηαη ζην θαηλφκελν άθξσλ). Η ειεθηξεγεξηηθή δχλακε πνπ επάγεηαη ζην ηχιηγκα U 1 u 1 είλαη e U 1 d d d d dt d dt d U1 U1 U1 r (2.11) θαη ζπλεπψο e 1 max 2N1Bgrl r (2.12) Η ειεθηξεγεξηηθή δχλακε έρεη ηε κνξθή ηεηξαγσληθνχ παικνχ δειαδή αληίζηνηρε κε ηελ θπκαηνκνξθή ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο δηαθέλνπ ησλ καγλεηψλ, αιιά κε δηαθνξά θάζεο 90 ν ειεθηξηθέο κνίξεο. Η θπκαηνκνξθή ηεο πεπιεγκέλεο ξνήο πνπ εκπιέθεηαη κε ην δεχηεξν ηχιηγκα ηεο θάζεο U (ηχιηγκα U 2 u 2 ) είλαη αληίζηνηρε κε ηε ξνή ηπιίγκαηνο U 1 u 1 αιιά θαζπζηεξεί θαηά 30 ν ειεθηξηθέο κνίξεο. Οκνίσο ε ειεθηξεγεξηηθή δχλακε πνπ επάγεηαη ζην

44 ηχιηγκα U 2 u 2 θαζπζηεξεί θαηά 30 ν ειεθηξηθέο κνίξεο σο πξνο ηελ ειεθηξεγεξηηθή δχλακε ηνπ ηπιίγκαηνο U 1 u 1. Δπεηδή ηα δχν ηπιίγκαηα είλαη ζπλδεδεκέλα ζε ζεηξά, ε ζπλνιηθή ηάζε είλαη ην άζξνηζκα ησλ ηάζεσλ ησλ δχν ηπιηγκάησλ, eu eu 1 eu 2. Παξαηεξνχκε ζην παξαπάλσ ζρήκα φηη ε θπκαηνκνξθή ηεο ζπλνιηθήο ηάζεο είλαη ηεηξαγσληθφο παικφο, φπνπ ην εχξνο ηεο κέγηζηεο ηηκήο ηνπ είλαη 150 ν. Μάιηζηα ην θαηλφκελν ησλ άθξσλ πνπ αγλνήζεθε ζηελ παξαπάλσ αλάιπζε, έρεη σο απνηέιεζκα ν παικφο απηφο λα έρεη ζηξνγγπιεκέλεο ηηο γσλίεο ηνπ απνθηψληαο κηα ηξαπεδνεηδή κνξθή θαη γη απηφ νη brushless dc κεραλέο νλνκάδνληαη ηξαπεδνεηδείο. Έηζη γηα κεραλή κε δχν απιαθψζεηο ζηάηε αλά πφιν θαη θάζε θαη πνιηθφ ηφμν καγλήηε 180 ν ε ηδαληθή ειεθηξεγεξηηθή δχλακε είλαη παικφο κε εχξνο κέγηζηεο ηηκήο 150 ν ην νπνίν κεηψλεηαη ζηηο 120 ν ζε θαλνληθέο ζπλζήθεο ιφγσ ηνπ θαηλνκέλνπ ησλ άθξσλ. Η κέγηζηε ηηκή ηεο ειεθηξεγεξηηθήο δχλακεο ηεο θάζεο U είλαη e max 2e1 max 2NsBgrl r (2.13) φπνπ Ns 2N1 (2.14) ν ζπλνιηθφο αξηζκφο ησλ ζπεηξψλ ησλ ηπιηγκάησλ ζε ζεηξά αλά θάζε. ην παξαπάλσ ζρήκα παξνπζηάδνληαη επίζεο νη θπκαηνκνξθέο ησλ θαζηθψλ ξεπκάησλ ηξνθνδνζίαο. Η αγσγή θάζε θαζηθνχ ξεχκαηνο δηαξθεί 120 ν θαη έρεη ηεηξαγσληθή κνξθή πιάηνπο Ι. Έηζη, ηα ηξία ξεχκαηα ζπγθξνηνχλ έλα ζπκκεηξηθφ ηξηθαζηθφ ζχζηεκα ηεηξαγσληθψλ παικψλ ξεπκάησλ κε δηαθνξά θάζεο 120 ν κεηαμχ ηνπο θαη θάζε ζηηγκή άγνπλ ηαπηφρξνλα δχν θάζεηο. Καηά ηε δηάξθεηα ηνπ δηαζηήκαηνο 120 ν ηεο αγσγήο ηνπ ξεχκαηνο Ι, ε ζηηγκηαία ηζρχο πνπ κεηαηξέπεηαη απφ ειεθηξηθή ζε κεραληθή είλαη P Te rm 2e max I (2.15) αθνχ ε κεραλή πνπ εμεηάδνπκε είλαη δηπνιηθή, ε κεραληθή ηαρχηεηα είλαη ίζε κε ηελ ειεθηξηθή ηαρχηεηα. (σ rm = σ r ). Ο φξνο 2 ζηελ παξαπάλσ εμίζσζε νθείιεηαη ζην γεγνλφο φηη άγνπλ ηαπηφρξνλα δχν θάζεηο θαη ζπλεπψο ε ζπλνιηθή ηζρχο είλαη ην άζξνηζκα ηεο ηζρχνο θάζε θάζεο. Αλ αληηθαηαζηήζνπκε ηελ εμίζσζε (2.13) ζηελ εμίζσζε (2.15) πξνθχπηεη ε εμίζσζε ηεο ειεθηξνκαγλεηηθήο ξνπήο Te 4NSBgrlI (2.16)

45 Δπεηδή ε καγλεηηθή ξνή ηνπ πεδίνπ πνπ παξάγνπλ νη καγλήηεο είλαη B g grl θαη αλ νλνκάζνπκε E c g r E 2emax νη εμηζψζεηο (2.13) θαη (2.15) γξάθνληαη (2.17) θαη φπνπ Te c gi c (2.18) 4NS (2.19) Παξαηεξνχκε φηη νη παξαπάλσ εμηζψζεηο ηεο ειεθηξεγεξηηθήο δχλακεο θαη ξνπήο ηεο brushless dc κεραλήο είλαη αληίζηνηρεο ησλ εμηζψζεσλ ηεο ζπκβαηηθήο κεραλήο ζπλερνχο ξεχκαηνο θαη ην κφλν ζην νπνίν δηαθέξνπλ είλαη ε ζρέζε πνπ πξνζδηνξίδεη ηε ζηαζεξά c. ε απηή ηε κεραλή ν αληηζηξνθέαο ηάζεο παίδεη ην ξφιν ηνπ ειεθηξνληθνχ ζπζηήκαηνο κεηάβαζεο (ην νπνίν είλαη αληίζηνηρν κε ην κεραληθφ ζχζηεκα κεηάβαζεο ζπιιέθηε ςεθηξψλ) ψζηε ε κεραλή λα παξάγεη ζηαζεξή ξνπή. Φπζηθά πξνυπφζεζε γηα λα έρνπκε ζηαζεξή ξνπή είλαη λα ηζρχνπλ νη ηδαληθέο ζπλζήθεο κεηάβαζεο ζηα ξεχκαηα αγσγήο σο πξνο ην πεδίν ησλ καγλεηψλ, φπσο πεξηγξάθεθαλ παξαπάλσ γηαηί ζε αληίζεηε πεξίπησζε εκθαλίδνληαη ηαιαληψζεηο ξνπήο Υαξαθηεξηζηηθή ξνπήο - ηαρύηεηαο ηνπ ζύγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε [3] Η ραξαθηεξηζηηθή ξνπήο ηαρχηεηαο ηνπ brushless dc θηλεηήξα πξνθχπηεη απφ ηηο εμηζψζεηο ηεο πξνεγνχκελεο ελφηεηαο. Αλ ε κεηάβαζε ηνπ ξεχκαηνο είλαη ηδαληθή, ηα ξεχκαηα ησλ θάζεσλ είλαη ηεηξαγσληθνί παικνί θαη ε ηάζε ηξνθνδνζίαο V είλαη ζηαζεξή ζπλερήο ηάζε ηφηε V E IR (2.20) φπνπ R ην άζξνηζκα ησλ σκηθψλ αληηζηάζεσλ δχν ελ ζεηξά θάζεσλ θαη E ην άζξνηζκα ησλ ειεθηξεγεξηηθψλ δπλάκεσλ δχν ελ ζεηξά θάζεσλ. Αλ ζεσξήζνπκε φηη νη πηψζεηο ηάζεο ζηνπο ειεθηξνληθνχο δηαθφπηεο είλαη ακειεηέεο (φπσο άιισζηε

46 αγλνήζεθαλ νη πηψζεηο ηάζεο ζηηο ςήθηξεο θαηά ηελ αλάιπζε ηνπ θηλεηήξα ζπλερνχο ξεχκαηνο) θαη ρξεζηκνπνηήζνπκε ηηο εμηζψζεηο (2.17) θαη (2.18) πξνθχπηεη r V R T c g c 2 2 g e (2.21) ή (2.22) e r 0 1 φπνπ V 0 c g (2.23) ε ηαρχηεηα ζηε ιεηηνπξγία θελνχ (γηα Ι=0, δειαδή ε ηαρχηεηα βάζεο) θαη c gi (2.24) ε ξνπή εθθίλεζεο ( ε ξνπή γηα r 0 ). ηελ εθθίλεζε ε ειεθηξεγεξηηθή δχλακε είλαη κεδέλ ( Δ εθ =0 ) θαη ζπλεπψο απφ ηελ εμίζσζε (2.20) πξνθχπηεη φηη ην ξεχκα εθθίλεζεο είλαη V I R (2.25) Σν δηάγξακκα ηεο ραξαθηεξηζηηθήο ξνπήο ηαρχηεηαο ηνπ brushless dc θηλεηήξα πνπ πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε (2.22) δίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα. Παξαηεξνχκε φηη ε εμίζσζε (2.21) θαη ε κνξθή ηεο ραξαθηεξηζηηθήο είλαη παξφκνηα κε ησλ θηλεηήξσλ ζπλερνχο ξεχκαηνο μέλεο δηέγεξζεο

47 ρ.2.12 Γηάγξακκα ραξαθηεξηζηηθήο ξνπήο ηαρχηεηαο brushless dc κεραλήο.[3] Κύθισκα ειέγρνπ ζηξνθώλ ζύγρξνλνπ ηξαπεδνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε[3] ηα ζρήκαηα 2.13 θαη 2.14 δίλνληαη δχν ελαιιαθηηθνί ηξφπνη πινπνίεζεο ζπζηεκάησλ ειέγρνπ ηνπ brushless dc θηλεηήξα. Καη ζηα δχν ζπζηήκαηα ρξεζηκνπνηνχληαη ηξεηο αηζζεηήξεο hall νη νπνίνη είλαη ηνπνζεηεκέλνη ζε γσλία 120 o κεηαμχ ηνπο θαη ηα ζήκαηα πνπ παξάγνπλ νδεγνχληαη ζηε βαζκίδα «ειεγθηήο θαηαζηάζεσλ κεηάβαζεο». Αλάινγα κε ηε ζέζε ηνπ δξνκέα, ε βαζκίδα απηή πξνζδηνξίδεη ηνπο παικνχο ειέγρνπ ησλ έμη δηαθνπηψλ. ην ζρήκα 2.13, ν έιεγρνο ηνπ ξεχκαηνο γίλεηαη κέζσ ηεο δηάξθεηαο αγσγήο («duty cycle») ηνπ δηαθφπηε T ηνπ ζπλερνχο ξεχκαηνο ηξνθνδνζίαο ηνπ c αληηζηξνθέα ηζρχνο (dc-dc κεηαηξνπέα ηζρχνο ππνβηβαζκνχ ηάζεο). Σν απνηέιεζκα ηεο ζχγθξηζεο ηνπ ξεχκαηνο αλαθνξάο θαη ηνπ ξεχκαηνο αλάδξαζεο νδεγείηαη ζε έλαλ PI ειεγθηή θαη ζηε ζπλέρεηα κε PWM ηερληθή ειέγρεηαη ε θαηάζηαζε ηνπ δηαθφπηε T. c

48 ρ.2.13 Αληηζηξνθέαο ηζρχνο θαη θχθισκα ειέγρνπ ηνπ brushless dc θηλεηήξα, ρξεζηκνπνηψληαο έλαλ κεηαηξνπέα ηζρχνο ζπλερνπο ζε ζπλερή ηάζε [3] ρ.2.14 Αληηζηξνθέαο ηζρχνο θαη θχθισκα ειέγρνπ ηνπ «brushless dc» θηλεηήξα, φηαλ ειέγρεηαη ε ρξνληθή δηάξθεηα ιεηηνπξγίαο ησλ ηξηψλ δηαθνπηψλ ηνπ θάησ ηκήκαηνο ηνπ αληηζηξνθέα [3] ην ζρήκα 2.14 ν έιεγρνο ηνπ ξεχκαηνο θάζε θάζεο επηηπγράλεηαη ειέγρνληαο ηε ρξνληθή δηάξθεα αγσγήο ησλ ηξηψλ δηαθνπηψλ ηνπ θάησ ηκήκαηνο ηνπ αληηζηξνθέα

49 (δηαθφπηεο T, 4 T, 5 T ). ηελ πεξίπησζε απηή, ζε θάζε δηάζηεκα 60 ν, κφλν νη ηξεηο 6 θάησ δηαθφπηεο ηνπ αληηζηξνθέα αλνηγνθιείλνπλ κε ηε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα, ελψ νη ηξεηο πάλσ δηαθφπηεο είλαη θιεηζηνί (on) ή αλνηρηνί (off) αλάινγα κε ηε ζέζε ηνπ δξνκέα. Καη ζηα δχν ζπζηήκαηα, ηα ξεχκαηα ηξνθνδνζίαο ησλ θάζεσλ είλαη παικνί ξεχκαηνο δηαξθείαο 120 ν αλά θάζε γηα θάζε εκηπεξίνδν Ζιεθηξεγεξηηθή δύλακε ζύγρξνλνπ εκηηνλνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε[3] Όπσο θαη γηα ηνλ ηξαπεδνεηδή έηζη θαη γηα ηνλ εκηηνλνεηδή θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε ε ειεθηξεγεξηηθή δχλακε είλαη ε ηάζε πνπ επάγεηαη ζηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε απφ ηνπο καγλήηεο ιφγσ ηεο πεξηζηξνθήο ηνπο θαη ππνινγίδεηαη απφ ην λφκν Faraday d e dt (2.27) φπνπ e θαη ι είλαη ε ζηηγκηαία ειεθηξεγεξηηθή δχλακε θαη ε ζηηγκηαία πεπιεγκέλε ξνή αληίζηνηρα. ην ζρήκα πνπ αθνινπζεί παξνπζηάδεηαη ην ζρέδην κίαο δηπνιηθήο εκηηνλνεηδνχο ζχγρξνλεο κεραλήο κφληκνπ καγλήηε θπιηλδξηθψλ πφισλ. ην ζρήκα απηφ θαίλνληαη ηα ηπιίγκαηα κφλν κηαο θάζεο ηνπ ζηάηε ηα νπνία ζεσξνχκε φηη είλαη εκηηνλνεηδψο θαηαλεκεκέλα ζηελ εζσηεξηθή επηθάλεηα ηνπ ζηάηε. Έηζη ε καγλεηεγεξηηθή δχλακε κεηαβάιιεηαη εκηηνλνεηδψο θαηά κήθνο ηνπ δηαθέλνπ

50 ρ.2.15 Ιδαληθή εκηηνλνεηδήο ζχγρξνλε κεραλή κφληκνπ καγλήηε κε ηέιεηα εκηηνλνεηδψο θαηαλεκεκέλα ηπιίγκαηα ζηάηε.[3] Αλ N είλαη ν ζπλνιηθφο αξηζκφο ζπεηξψλ αλά θάζε, ν αξηζκφο ζπεηξψλ ζε έλα S ζηνηρεηψδεο ηφμν κήθνπο rd rm είλαη N sin p d 2 S rm rm (2.28) θαη αληίζηνηρα ηα ακπεξειίγκαηα αλά θάζε είλαη N i sin p d S 2 S rm rm (2.29) φπνπ rm ε κεραληθή γσλία. Δμεηάδνπκε ηε ρεηξφηεξε πεξίπησζε φπνπ ε θαηαλνκή ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο δηαθέλνπ ηνπ πεδίνπ δηέγεξζεο ησλ καγλεηψλ έρεη ηε κνξθή ηεηξαγσληθνχ παικνχ. Η κέγηζηε ηηκή ηεο καγλήηηθήο επαγσγήο πξνζδηνξίδεηαη απφ ηελ εμίζσζε (2.6) θαη ην πιάηνο ηεο ζεκειηψδνπο αξκνληθήο ηεο είλαη 4 Bg1 g (2.30) Η καγλεηηθή επαγσγή B g1 κπνξεί λα ζεσξεζεί δηάλπζκα ρψξνπ θαηά ηε δηεχζπλζε ηνπ d-άμνλα, ην νπνίν ζηξέθεηαη κε ηελ ίδηα ηαρχηεηα φπσο ην ζηξεθφκελν ζχζηεκα αμφλσλ αλαθνξάο ηνπ δξνκέα. Έηζη B r j g1 Bg1e (2.31)

51 θαη ε ρξνληθή ζπλάξηεζε ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο είλαη g B p ( 1 rm ) g 1 cos( rm ) (2.32) φπνπ γ ε γσλία πνπ ζρεκαηίδεη ν d-άμνλαο σο πξνο ηνλ νξηδφληην άμνλα ηνπ ζπζηήκαηνο αμφλσλ αλαθνξάο ηνπ δξνκέα. πλεπψο, θαζψο πεξηζηξέθεηαη ν δξνκέαο, πεξηζηξέθνληαη καδί ηνπ ην πεδίν δηέγεξζεο ησλ καγλεηψλ θαη θπζηθά ην ζχζηεκα αμφλσλ αλαθνξάο. ηε κφληκε θαηάζηαζε ηζνξξνπίαο, ε γσληαθή ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ηνπο είλαη είλαη ίζε κε ηε ζχγρξνλε ηαρχηεηα, σ e =pdζ rm /dt. Έηζη ην δηάλπζκα ρψξνπ ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο ζην ζηάζηκν ζχζηεκα αλαθνξάο ηνπ ζηάηε είλαη s jp rm g1 Bg1e (2.33) θαη ε αληίζηνηρε ρξνληθή ζπλάξηεζε ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο είλαη B B p t ( 1 rm ) g 1 cos( rm e ) g (2.34) Η ξνή δηαθέλνπ ζην ζηνηρεηψδεο ηφμν rdζ rm είλαη d g B ( ) g1 rm rld rm (2.35) θαη ζπλεπψο ε κεηαβνιή σο πξνο ηε γσλία ζηξνθήο ζ rm ηεο ζπλνιηθήο ξνήο δηαθέλνπ είλαη rm g( rm) Bg 1( rm) rld rm rm (2.36) ή rm g( rm) Bg1cos( p rm et ) d rm rm (2.38) φπνπ l ην αμνληθφ κήθνο ηνπ ππξήλα. Απφ ην παξαπάλσ νινθιήξσκα πξνθχπηεη ( ) g sin p rmcos( t ) g rm e (2.39) φπνπ B rl p g 2 g1 (2.40)

52 Αλ ζεσξήζνπκε φηη φιε ε ξνή ηνπ πεδίνπ δηέγεξζεο εκπιέθεηαη κε ηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε, ε πεπιεγκέλε ξνή ζην ζηνηρεηψδεο ηφμν rdζ rm είλαη N d ( ) sin p d Fd g rm 2 S rm rm (2.41) Αληηθαζηζηψληαο ηελ εμίζσζε (2.39) πξνθχπηεη N d g cos( t ) sin 2 p d Fd 2 S e rm rm (2.42) Η ζπλνιηθή πεπιεγκέλε ξνή γηα ηα p δεχγε πφισλ είλαη /2p NS 2 Fd g cos( ) sin rm /2p et p d 2 rm (2.43) ή Fd cos( t ) Fd e (2.44) φπνπ Fd NS 4 g (2.45) Απφ ηηο εμηζψζεηο (2.27) θαη (2.44) πξνθχπηεη φηη ε ζηηγκηαία ειεθηξεγεξηηθή δχλακε είλαη e Fd d Fd e Fd sin( et ) dt (2.46) θαη ε θαζηθή ελεξγφο ηηκή ηεο είλαη E Fd e 2 mfd (2.47) ή E Fd 2 2 B rl N p g1 e S (2.48)

53 2.13. Απηεπαγσγή, ζύγρξνλε αληίδξαζε θαη ξνπή ζύγρξνλνπ εκηηνλνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε[3] Η απηεπαγσγή ησλ ηπιηγκάησλ είλαη ν ιφγνο ηεο πεπιεγκέλεο ξνήο πξνο ην ξεχκα πνπ παξάγεη ε αληίζηνηρε ξνή L sm i sm s (2.49) Δδψ πξέπεη λα γίλεη ζαθέο φηη ε πεπιεγκέλε ξνή ηε εμίζσζεο (2.44) αλαθέξεηαη ζηε ξνή πνπ παξάγνπλ νη καγλήηεο, ελψ ε ξνή ηεο εμίζσζεο (2.49) είλαη ε ξνή πνπ παξάγνπλ ηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε ιφγσ ηνπ ξεχκαηνο πνπ ηα δηαξξέεη. Σν ξεχκα απηφ κπνξεί ή λα ηξνθνδνηείηαη απφ εμσηεξηθή πεγή (ιεηηνπξγία θηλεηήξα) είηε λα επάγεηαη ιφγσ ηνπ ζηξεθφκελνπ πεδίνπ ησλ καγλεηψλ (ιεηηνπξγία γελλήηξηαο). Με άιια ιφγηα ζηελ εμίζσζε (2.49) δε ζπκκεηέρνπλ νη καγλήηεο ζηελ παξαγσγή ηεο πεπιεγκέλεο ξνήο ι sm θαη ζπκπεξηθέξνληαη σο ζηδεξνκαγλεηηθά πιηθά ησλ νπνίσλ νη καγλεηηθέο ηδηφηεηεο πξνζδηνξίδνληαη απφ ηελ Β-Η ραξαθηεξηζηηθή ηνπο. ρ.2.16 Πξνζδηνξηζκφο ηεο απηεπαγσγήο ησλ ηπιηγκάησλ ηνπ ζηάηε (ιακβάλεηαη ππφςε κφλν ε ξνή ησλ ηπιηγκάησλ ηνπ ζηάηε θαη νη καγλήηεο ζπκπεξηθέξνληαη σο ζηδεξνκαγλεηηθά πιηθά ησλ νπνίσλ νη καγλεηηθέο ηδηφηεηεο πξνζδηνξίδνληαη απφ ηελ Β-Η ραξαθηεξηζηηθή ηνπο.[3] Αλ ζεσξήζνπκε φηη νη ζηδεξνκαγλεηηθνί ππξήλεο ηνπ ζηάηε θαη ηνπ δξνκέα έρνπλ άπεηξε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηφηε ε έληαζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ ζηνπο ππξήλεο είλαη ακειεηέα. Έηζη αλ εθαξκφζνπκε ην λφκν ηνπ Ampere ζε έλαλ θιεηζηφ δξφκν νινθιήξσζεο (φπσο ζην παξαπάλσ ζρήκα) θαη ζεσξήζνπκε φηη φιε ε ξνή ηνπ πεδίνπ ηνπ ζηάηε εκπιέθεηαη κε ηνπο καγλήηεο, έρνπκε

54 θαη ζπλεπψο / p rm N H dl i S S sin p rmd rm 2 rm c (2.50) N H l H l i p (2.51) ' m( rm) m g( rm) g s cos 2 S rm p φπνπ l ' g k l ην ηζνδχλακν κήθνο δηαθέλνπ g c g l ην πξαγκαηηθφ κήθνο δηαθέλνπ θαη kc ν ζπληειεζηήο Carter (επίδξαζε ησλ απιαθψζεσλ ηνπ ζηάηε). Η ραξαθηεξηζηηθή Β-Η ησλ καγλεηψλ είλαη ε θακπχιε απνκαγλήηηζεο πνπ πξνζδηνξίδεηαη απφ ην ζπληειεζηή αληηζηξεπηήο καγλεηηθήο δηαπεξαηφηεηαο κ rec =κ 0 κ rrec, έηζη, H m B m 0 rrec (2.52) ηηο ζχγρξνλεο εκηηνλνεηδείο κεραλέο κφληκνπ καγλήηε θπιηλδξηθψλ πφισλ νη καγλήηεο είλαη ηνπνζεηεκέλνη ζηελ επηθάλεηα ηνπ δξνκέα θαη είηε θαηαιακβάλνπλ φιν ην κήθνο ηνπ πνιηθνχ βήκαηνο, νπφηε ν παξάγνληαο ζπγθέληξσζεο ξνήο είλαη C Φ =A m /A g =1 είηε ε επηθάλεηα ηνπ καγλήηε θαηαιακβάλεη έλα κέξνο ηνπ πνιηθνχ βήκαηνο (C Φ <1) θαη ην ππφινηπν ηκήκα έρεη κνλσηηθφ πιηθφ. Έηζη ε καγλεηηθή επαγσγή δηαθέλνπ είλαη B g BmC (2.53) Δπεηδή ν ζπληειεζηήο καγλεηηθήο δηαπεξαηφηεηαο r rec =1~3.5 (κάιηζηα ζηνπο καγλήηεο ζπάλησλ γαηψλ πνπ θαηά θχξην ιφγν ρξεζηκνπνηνχληαη ζηηο ειεθηξηθέο κεραλέο είλαη r rec =1~1.1) ε καγλεηηθή ζπκπεξηθνξά ηνπο σο πξνο ηε δηάρπζε ηεο ξνήο πιεζηάδεη πξνο ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ αέξα. Έηζη, κε ηθαλνπνηεηηθή πξνζέγγηζε κπνξνχκε λα ζεσξήζνπκε φηη νη καγλεηηθέο επαγσγέο δηαθέλνπ θαη καγλεηψλ είλαη ίζεο ( Bg Bm) θαη ζπλεπψο απφ ηηο εμηζψζεηο (2.51) θαη (2.52) έρνπκε B l N l i cos p g ' m S g s 0 r 2p rec rm (2.54)

55 Απφ ηελ παξαπάλσ εμίζσζε πξνθχπηεη N B i p ( ) 0 S g rm scos ' l l m 2p g r rec rm (2.55) ή N Bg( rm) cos 2 S is p l p 0 '' g rm (2.56) φπνπ l '' g l ' g l m rrec (2.57) Σν '' l g είλαη ην ζπλνιηθφ ελεξγφ κήθνο δηαθέλνπ, δειαδή είλαη ην άζξνηζκα ηνπ ηζνδχλακνπ κήθνπο δηαθέλνπ l ' g kclg θαη ηνπ νξίνπ / l πνπ νθείιεηαη ζηνπο m r rec καγλήηεο. Με άιια ιφγηα νη καγλήηεο απμάλνπλ ην ελεξγφ κήθνο δηαθέλνπ. Απφ ηελ εμίζσζε (2.56) πξνθχπηεη φηη ε καγλεηηθή επαγσγή ζην πεδίν ηνπ ζηάηε ζηε ζέζε rm είλαη B ( ) cos p g rm Bg rm (2.58) φπνπ B g N i l 0 S '' g 2p s (2.59) Η καγλεηηθή ξνή δηαθέλνπ είλαη θαη ζπλεπψο rm g( rm) Bg ( rm) rld rm rm (2.60) ( ) g sin rm g rm p (2.61) φπνπ

56 B rl p g 2 g (2.62) Υξεζηκνπνηψληαο ηελ εμίζσζε (2.59) ε εμίζσζε (2.61) γξάθεηαη N rl ( ) i sin p 0 S g rm '' 2 s lg p rm (2.63) Η πεπιεγκέλε ξνή γηα ηα p δεχγε πφισλ είλαη N 2 /2p S sm p sin g p sin /2p rm p rmd rm (2.64) θαη ζπλεπψο sm N S 4 g (2.65) Αληηθαζηζηψληαο ηηο εμηζψζεηο (2.59) θαη (2.62) ζηελ εμίζσζε (2.65) πξνθχπηεη sm 0 rln i 4 pl S 2 '' g S (2.66) Απφ ηηο εμηζψζεηο (2.49) θαη (2.66) πξνζδηνξίδεηαη ε εμίζσζε ηεο απηεπαγσγήο ηνπ ζηάηε L sm 0 rln 4 pl 2 S 2 '' g (2.67) θαη ζπλεπψο ε ζπλνιηθή απηεπαγσγή ηνπ ηξηθαζηθνχ ηπιίγκαηνο είλαη L m rln Lsm 2 8 pl 2 S 2 '' g (2.68) Σέινο ε ζχγρξνλε αληίδξαζε είλαη X 3 rln 2 0 S m Lm e 2 '' e 8 plg (2.69) θαη ε ζπλνιηθή αληίδξαζε ηνπ ηπιίγκαηνο ηνπ ζηάηε είλαη X X X s sl m (2.70)

57 φπνπ X ε αληίδξαζε ζθεδάζεσο. sl Σν ηξηθαζηθφ ηχιηγκα ηνπ ζηάηε δεκηνπξγεί έλα ζηξεθφκελν καγλεηηθφ πεδίν. Σν ξεχκα πνπ δηαξξέεη ηα ηπιίγκαηα δεκηνπξγεί πηψζεηο ηάζεο IX s sl θαη IX s m. Δπεηδή νη καγλήηεο είλαη ηνπνζεηεκέλνη επηθάλεηα ηνπ δξνκέα, ην ζπλνιηθφ ελεξγφ κήθνο '' δηαθέλνπ l g, φπσο πξνζδηνξίδεηαη απφ ηελ εμίζσζε (2.57) έρεη πάληνηε ζηαζεξή ηηκή ζε θάζε ζεκείν ηεο πεξηθέξεηαο ηνπ δξνκέα. Απηφ ζεκαίλεη φηη θαη ε ζχγρξνλε αληίδξαζε ηνπ ζηάηε ζα είλαη ζηαζεξή ζε θάζε ζεκείν ηεο πεξηθέξεηαο ηνπ δηαθέλνπ θαη ζπλεπψο ε ηηκή ηεο αληίδξαζεο ζην δηακήθε d-άμνλα θαη ζηνλ εγθάξζην q-άμνλα ζα είλαη ίδηα. Δπνκέλσο X X X s sd sq (2.71) Η πεξίπησζε απηή είλαη αληίζηνηρε ησλ ζπκβαηηθψλ ζχγρξνλσλ κεραλψλ '' θπιηλδξηθψλ πφισλ κε ηχιηγκα δηέγεξζεο. Χζηφζν, επεηδή l g l ' g, ε απηεπαγσγή θαη ε ζχγρξνλε αληίδξαζε ησλ ζχγρξνλσλ κεραλψλ κφληκνπ καγλήηε θπιηλδξηθψλ πφισλ είλαη κηθξφηεξεο ησλ ζπκβαηηθψλ ζχγρξνλσλ κεραλψλ κε ηχιηγκα δηέγεξζεο. Απηφ ζεκαίλεη φηη ζα είλαη κηθξφηεξε ε πηψζε ηάζεο ζηε ζχγρξνλε αληίδξαζε θαη ζπλεπψο γηα ηελ ίδηα ηάζε ηξνθνδνζίαο ζα ππάξρεη ε δπλαηφηεηα ζηηο ζχγρξνλεο κεραλέο κφληκνπ καγλήηε γηα παξαγσγή κεγαιχηεξεο ξνπήο ζηξέςεο. ηε κφληκε θαηάζηαζε ηζνξξνπίαο πνπ ε ηαρχηεηα ηνπ δξνκέα είλαη ίζε κε ηε ζχγρξνλε κεραληθή ηαρχηεηα ( rm em ) πξνθχπηεη γηα ηε ξνπή ζηξέςεσο p Te 3 EFd I r sq (2.72) Πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο ζύγρξνλνπ εκηηνλνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε. Οη εμηζψζεηο ξεχκαηνο θαη ηάζεο ζχγρξνλνπ θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε θπιηλδξηθψλ πφισλ είλαη I I I s sd sq (2.73)

58 θαη I 2 Fd sd V X E X I s sq s s (2.74) Η εμίζσζε (2.74) επίζεο γξάθεηαη 2 2 Vs 2 EFd I sq I sd X s X s (2.75) Απφ ηελ παξαπάλσ ζρέζε θαη αλάινγα κε ηελ ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ηνπ θηλεηήξα δηαθξίλνπκε ηξεηο πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο: Περιοτή ζηαθερής ροπής γηα ηαρχηεηεο πεξηζηξνθήο κηθξφηεξεο ηεο νλνκαζηηθήο ζχγρξνλεο ηαρχηεηαο. Περιοτή ονομαζηικής ηάζης γηα ηαρχηεηεο πεξηζηξνθήο κεγαιχηεξεο ηεο νλνκαζηηθήο ζχγρξνλεο ηαρχηεηαο. Περιοτή συηλών ηατσηήηφν γηα ηαρχηεηεο πεξηζηξνθήο πνιχ κεγαιχηεξεο ηεο νλνκαζηηθήο ζχγρξνλεο ηαρχηεηαο Έιεγρνο ζύγρξνλνπ εκηηνλνεηδνύο θηλεηήξα κόληκνπ καγλήηε. Όπσο θαη νη ηξαπεδνεηδείο έηζη θαη νη εκηηνλνεηδείο ζχγρξνλνη θηλεηήξεο κφληκνπ καγλήηε νδεγνχληαη ειεθηξνληθά κε αληηζηξνθέα ηάζεο. Οη ηερληθέο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ ειέγρνπ είλαη ε PWM κε έιεγρν ξεχκαηνο θαη ε δηακφξθσζε δηαλπζκαηηθνχ ρψξνπ. ηελ πξψηε πεξίπησζε ν έιεγρνο ξεχκαηνο γίλεηαη κέζσ ελφο ζπγθξηηή ξεχκαηνο ν νπνίνο ζπγθξίλεη ην ξεχκα αλαθνξάο θάζε θάζεο κε ην αληίζηνηρν ξεχκα αλάδξαζεο ηνπ θηλεηήξα θαη πξνζδηνξίδνληαη νη παικνί ειέγρνπ ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα. ηε δεχηεξε πεξίπησζε ρξεζηκνπνηείηαη έλα ζχζηεκα ειεγθηψλ ξεχκαηνο ην νπνίν απνηειείηαη απφ δχν ειεγθηέο PI γηα ηνλ έιεγρν ησλ δχν ζπληζησζψλ ηνπ ξεχκαηνο ηνπ ζηάηε

59 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 3 ΑΝΑΛΤΖ ΣΖ ΛΔΗΣΟΤΡΓΗΑ ΣΟΤ ΚΤΚΛΧΜΑΣΟ ΗΥΤΟ ΣΖ ΓΗΑΣΑΞΖ 3.1 Δηζαγσγή Όπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί ν έιεγρνο θαη ε νδήγεζε ησλ ζχγρξνλσλ κεραλψλ κφληκνπ καγλήηε γίλεηαη κε αληηζηξνθέα πνπ κεηαηξέπεη ηε ζπλερή ηάζε ζε ελαιιαζζφκελε. Ππξήλαο ινηπφλ ηεο δηάηαμεο ηεο παξνχζαο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη έλαο ηξηθαζηθφο αληηζηξνθέαο. Πξηλ φκσο πξνρσξήζνπκε ζηελ ιεπηνκεξή αλάιπζε ηεο ιεηηνπξγίαο ελφο ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα θαιφ ζα ήηαλ λα αλαθέξνπκε θάπνηα ζηνηρεία ζρεηηθά κε ηνπο ειεθηξνληθνχο κεηαηξνπείο ηζρχνο γεληθφηεξα. Οη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο ηζρχνο είλαη δηαηάμεηο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε κεηαηξνπή ηεο ειεθηξηθήο ηζρχνο απφ κηα κνξθή ζε κηα άιιε θαη γηα ην ζθνπφ απηφ πεξηιακβάλνπλ ειεθηξνληθά ζηνηρεία ηζρχνο, ηα νπνία ειέγρνληαη απφ αλαινγηθά ή ςεθηαθά ειεθηξνληθά θπθιψκαηα ρακειήο ηζρχνο. Με ηνπο κεηαηξνπείο απηνχο κπνξνχκε λα ειέγμνπκε θαη λα ξπζκίζνπκε ηε ξνή ελέξγεηαο κεηαμχ δηαθνξεηηθψλ ζπζηεκάησλ. ε ζρέζε κε ηηο ειεθηξνκεραληθέο δηαηάμεηο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαλ παιηφηεξα, νη ζχγρξνλνη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο ηζρχνο: Έρνπλ κηθξφηεξν φγθν θαη βάξνο Πξνζθέξνπλ κεγαιχηεξε αθξίβεηα θαη ηαρχηεξε απφθξηζε ζηε ξχζκηζε ησλ κεγεζψλ εμφδνπ. Έρνπλ πςειφηεξν ζπληειεζηή απφδνζεο. Έρνπλ ειάρηζηεο αλάγθεο ζπληήξεζεο θαη παξνπζηάδνπλ αζφξπβε ιεηηνπξγία

60 Μνλαδηθφ, ίζσο, κεηνλέθηεκα είλαη ε εκθάληζε αλψηεξσλ αξκνληθψλ ζηελ πιεπξά ηεο ηξνθνδνζίαο ηνπο αιιά θαη ζηελ πιεπξά ηνπ θνξηίνπ. Αλ ζέιακε λα θαηεγνξηνπνηήζνπκε ηνπο ειεθηξνληθνχο κεηαηξνπείο ηζρχνο κε βάζε ηε κνξθή ηεο κεηαηξεπφκελεο θαη αληαιιαζζφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο έρνπκε ηηο εμήο θαηεγνξίεο. Μεηαηξνπείο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο ζε ελαιιαζζφκελε, νη νπνίνη κεηαηξέπνπλ ηελ ελαιιαζζφκελε ηάζε κηαο νξηζκέλεο ηηκήο, ζπρλφηεηαο θαη αξηζκνχ θάζεσλ ζε ελαιιαζζφκελε ηάζε άιιεο ελεξγνχ ηηκήο, ηεο ίδηαο ή άιιεο ζπρλφηεηαο θαη ελδερνκέλσο άιινπ αξηζκνχ θάζεσλ. Μεηαηξνπείο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο ζε ζπλερή (Αλνξζσηέο), νη νπνίνη κεηαηξέπνπλ ηελ ελαιιαζζφκελε ηάζε ζε ζπλερή, ξπζκηδφκελνπ πιάηνπο. Μεηαηξνπείο ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή, νη νπνίνη κεηαηξέπνπλ ηε ζπλερή ηάζε νξηζκέλεο ηηκήο θαη πνιηθφηεηαο ζε ζπλερή ηάζε άιιεο ηηκήο θαη ελίνηε άιιεο πνιηθφηεηαο. Μεηαηξνπείο ζπλερνχο ηάζεο ζε ελαιιαζζφκελε ηάζε (Αληηζηξνθείο), νη νπνίνη κεηαηξέπνπλ ηε ζπλερή ηάζε ζε ελαιιαζζφκελε ηάζε, ξπζκηδφκελεο ζπρλφηεηαο θαη ελεξγνχ ηηκήο. 3.2 Μειέηε θαη ιεηηνπξγία ηξηθαζηθνύ αληηζηξνθέα ηάζεο Λχζε ζην πξφβιεκα ηεο δεκηνπξγίαο κηαο πεγήο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο κε κεηαβιεηή ζπρλφηεηα θαη πιάηνο, απνηειεί ε κεηαηξνπή ηεο ζπλερνχο ηάζεο ζε ελαιιαζζφκελε κε ηε βνήζεηα ησλ αληηζηξνθέσλ. Οη αληηζηξνθείο κπνξνχλ λα θαηεγνξηνπνηεζνχλ κε βάζε ηνλ αξηζκφ ησλ θάζεσλ ζε: Μνλνθαζηθνχο αληηζηξνθείο ζε ζπλδεζκνινγία εκηγέθπξαο (κε δχν ειεγρφκελα εκηαγσγηθά ζηνηρεία) ή ζε ζπλδεζκνινγία πιήξνπο γέθπξαο(κε ηέζζεξα ειεγρφκελα εκηαγσγηθά ζηνηρεία)

61 Σξηθαζηθνχο αληηζηξνθείο (κε έμη ειεγρφκελα εκηαγσγηθά δηαθνπηηθά ζηνηρεία). Οη αληηζηξνθείο πνπ ζπλαληψληαη ζπρλφηεξα ζε εθαξκνγέο ηξνθνδνηνχληαη απφ πεγήζπλερνχο ηάζεο, πνπ πξνέξρεηαη απφ αλνξζσηηθφ ζχζηεκα απνηεινχκελν απφ δηφδνπο ή απφ ζπξίζηνξ. Έλαο ηέηνηνο αληηζηξνθέαο θαηαζθεπάζηεθε θαη ζηελ παξνχζα εξγαζία, θαη νλνκάδεηαη αληηζηξνθέαο πεγήο ηάζεο (VSI, voltage source inverters). ρ.3.1. Αληηζηξνθέαο δηαθνπηηθνχ ηχπνπ ζε θηλεηήξην ζχζηεκα ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο.[7] Οη αληηζηξνθείο δηαθνπηηθνχ ηχπνπ βξίζθνπλ εθαξκνγή, φπσο θαίλεηαη θαη ζηελ παξαπάλσ εηθφλα, ζε θηλεηήξηα ζπζηήκαηα νδεγνχκελα απφ κεραλέο ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (Δ.Ρ.), φπνπ ν αληηθεηκεληθφο ζηφρνο είλαη ε παξαγσγή κηαο εκηηνλνεηδνχο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο εμφδνπ, κε ειεγρφκελα ηφζν ην πιάηνο φζν θαη ηε ζπρλφηεηά ηεο γηα ηελ ηξνθνδνζία ηνπ θηλεηήξηνπ ζπζηήκαηνο. Oη ηξηθαζηθνί αληηζηξνθείο πεγήο ηάζεο κπνξνχλ ρσξηζηνχλ ζηηο παξαθάησ δχν γεληθέο θαηεγνξίεο: Αληηζηξνθείο κε ηεηξαγσληθή θπκαηνκνξθή, φπνπ ην πιάηνο ηεο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο εμφδνπ ειέγρεηαη κέζσ ηνπ πιάηνπο ηεο ζπλερνχο ηάζεο εηζφδνπ, ν δε αληηζηξνθέαο ειέγρεη κφλν ηε ζπρλφηεηα ηεο ηάζεο εμφδνπ

62 Αληηζηξνθείο κε δηακφξθσζε εχξνπο παικψλ (PWM), φπνπ ε ζπλερήο ηάζε εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα έρεη ζηαζεξφ πιάηνο, ελψ ην πιάηνο θαη ε ζπρλφηεηα ηεο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο εμφδνπ ειέγρεηαη κε δηακφξθσζε ηνπ εχξνπο ησλ παικψλ ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα. Γεληθά είλαη δπλαηφλ γηα ηελ ηξνθνδνζία ελφο ηξηθαζηθνχ θνξηίνπ αληί γηα έλαλ ηξηθαζηθφ αληηζηξνθέα λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ηξείο κνλνθαζηθνί αληηζηξνθείο, φπνπ ν θάζε αληηζηξνθέαο παξάγεη κία έμνδν (ζηε ζεκειηψδε ζπρλφηεηα) κεηαηνπηζκέλε θαηά 120 ν ζε ζρέζε κε ηηο άιιεο. Χζηφζν απηή ε δηάηαμε δελ ρξεζηκνπνηείηαη θαζψο απαηηεί δψδεθα δηαθνπηηθά ζηνηρεία, θαη έλαλ ηξηθαζηθφ κεηαζρεκαηηζηή εμφδνπ. Η ηππηθή δηάηαμε ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζηελ πξάμε θαη ζηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία επίζεο θαίλεηαη ζην αθφινπζν ζρήκα. ρ.3.2. Σξηθαζηθφο αληηζηνθέαο.[7] Όπσο βιέπνπκε απνηειείηαη απφ ηξία ζθέιε, έλα γηα θάζε θάζε φπνπ ππάξρνπλ δχν δηαθνπηηθά ζηνηρεία (ζπκβνιίδνληαη σο δηαθφπηεο ζην ζρέδην). Η έμνδνο ηνπ θάζε ζθέινπο γηα παξάδεηγκα ε Vcn εμαξηάηαη κφλν απφ ηελ DC ηάζε εηζφδνπ Vd θαη απφ ηελ θαηάζηαζε ησλ δηαθνπηψλ. Οη εµηαγσγηθνί δηαθφπηεο θάζε ζθέινπο π.ρ Σc+, Tc- ιεηηνπξγνχλ ζπµπιεξσµαηηθά, δειαδή φηαλ ν έλαο δηαθφπηεο είλαη ζε θαηάζηαζε αγσγήο (on), ν άιινο βξίζθεηαη ζε απνθνπή (off) θαη αληηζηξφθσο. ηαθνξεηηθά, εάλ θαη νη δχν δηαθφπηεο ηνπ ηδίνπ θιάδνπ είλαη ζε θαηάζηαζε on, ηφηε πξνθαιείηαη βξαρπθχθισµα ηεο πεγήο ζπλερνχο ηάζεο. Οχηε πάιη πξέπεη νη δηαθφπηεο ηνπ ηδίνπ θιάδνπ λα είλαη ζε θαηάζηαζε off ζπγρξφλσο, δηφηη ηφηε ε

63 πνιηθφηεηα ηεο ηάζεο εμφδνπ θαζνξίδεηαη απφ ηε δίνδν πνπ άγεη εθείλε ηε ζηηγµή ην ξεχµα θνξηίνπ ζηελ εμεηαδφµελε θάζε. Οη αληηπαξάιιειεο δίνδνη ειεχζεξεο δηέιεπζεο (Dc+ θαη Dc-) εμαζθαιίδνπλ ελαιιαθηηθφ δξφµν γηα ηα ξεχµαηα, φηαλ απηά έρνπλ αξλεηηθή θνξά (απφ ην θνξηίν πξνο ηελ πεγή). Όηαλ άγεη ν δηαθφπηεο Tc+ ζηελ έμνδν ζπλδέεηαη ν ζεηηθφο πφινο ηνπ δπγνχ DC bus Δλψ φηαλ άγεη ν δηαθφπηεο Σc- ζηελ έμνδν ζπλδέεηαη ν αξλεηηθφο πφινο ηνπ δπγνχ DC bus. ίλνληαο θαηάιιεινπο παιµνχο έλαπζεο θαη ζβέζεο ζηνπο δηαθφπηεο, µέζσ ηνπ θπθιψµαηνο ειέγρνπ, ιαµβάλνπµε ζηελ έμνδν ηνπ αληηζηξνθέα θπµαηνµνξθή θαζηθήο ηάζεο δχν επηπέδσλ θαη θπµαηνµνξθή πνιηθήο ηάζεο ηξηψλ επηπέδσλ. Όπσο βιέπνπκε θαη ζηελ εηθφλα πνπ αθνινπζεί. ρ.3.3. Φαζηθή θαη πνιηθή ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα[7] Η ηάζε εμφδνπ είλαη αλεμάξηεηε ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ, εθφζνλ ζε θάζε ρξνληθή ζηηγκή έλαο απφ ηνπο δχν δηαθφπηεο θάζε ζθέινπο είλαη πάληα θιεηζηφο (άγεη). Δπεηδή νη δηαθφπηεο ζε πξαθηηθά θπθιψκαηα δελ είλαη ηδαληθνί απαηηείηαη λα εηζάγεηαη θαη θάπνηνο λεθξφο ρξφλνο απφ ηε ζηηγκή πνπ ζβήλεη ην έλα ζηνηρείν κέρξη ηε ζηηγκή πνπ αλάβεη ην άιιν ζηνηρείν ηνπ ίδηνπ ζθέινπο, ζην θεθάιαην 5 ζα δνχκε ηνλ ηξφπν πνπ εηζάγεηαη απηφο ν λεθξφο ρξφλνο κέζσ ηνπ πξνγξάκκαηνο ηνπ κηθξνειεγθηή. Μεηνλέθηεκα απνηειεί ην γεγνλφο φηη ιφγσ ηεο κνξθήο ηεο ε ηάζε εμφδνπ πεξηέρεη πιήζνο αλσηέξσλ αξκνληθψλ, απνηέιεζκα ησλ νπνίσλ είλαη ε ππεξζέξκαλζε ησλ ηπιηγκάησλ θαη νη θπκαηψζεηο ηεο ξνπήο ηνπ θηλεηήξα πνπ νδεγεί ν αληηζηξνθέαο

64 3.3 Δπηινγή ησλ δηαθνπηηθώλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα Όπσο είδακε ν ηξηθαζηθφο αληηζηξνθέαο απνηειείηαη απφ έμη δηαθνπηηθά εκηαγσγηθά ζηνηρεία ειεγρφκελα απφ ηάζε. Γεληθά ε επηινγή ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ γηα έλαλ ειεθηξνληθφ κεηαηξνπέα ηζρχνο θαζνξίδεηαη απφ: Σελ ηζρχ ηνπ κεηαηξνπέα, δειαδή ηελ ηάζε θαη ην ξεχκα πνπ πξέπεη λα δηαρεηξίδεηαη ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν Σελ ηάζε θαη ηελ αληίζηαζε αγσγήο ηνπ ζηνηρείνπ πνπ θαζνξίδνπλ ηηο απψιεηεο αγσγήο θαη ηελ απαηηνχκελε ςχμε. Σνπο ρξφλνπο κεηάβαζεο πνπ θαζνξίδνπλ ηηο δηαθνπηηθέο απψιεηεο θαη επνκέλσο ηελ απαηηνχκελε ςχμε θαη ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηεο δηάηαμεο. Σν θφζηνο ηνπ ζηνηρείνπ θαη ηε δηαζεζηκφηεηά ηνπ ζηελ αγνξά. Σελ επθνιία θαηαζθεπήο ηνπ θπθιψκαηνο παικνδφηεζεο ηνπ ζηνηρείνπ. Οη εκηαγσγηθνί δηαθφπηεο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζήκεξα είλαη δηαθφπηεο ππξηηίνπ (Si) θαη δηαθξίλνληαη ζε δηφδνπο, ηξαλδίζηνξο θαη ζπξίζηνξο. Η ηζρχο ελφο εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε νξίδεηαη απφ ηε ζρέζε S Vs Is φπνπ Vs είλαη ε νλνκαζηηθή ελεξγφο ηηκή ηεο ηάζεο (απνθνπήο) ηνπ δηαθφπηε θαη Is ε ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ δηαθφπηε ζε θαηάζηαζε αγσγήο. ηελ εηθφλα πνπ αθνινπζεί θαίλνληαη νη θπξηφηεξνη εκηαγσγηθνί δηαθφπηεο θαηά ζεηξά εμέιημεο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηνπο ειεθηξνληθνχο κεηαηξνπείο ηζρχνο

65 ρ.3.4. Καηάηαμε εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ [18] Γηα ηε δηθή καο εθαξκνγή επηιέμακε ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία IGBT. Σν IGBT πξνέθπςε σο έλαο ζπλδπαζκφο πάλσ ζηελ ίδηα βάζε ππξηηίνπ (wafer) ελφο δηπνιηθνχ ηξαλδίζηνξ BJT θαη ελφο MOSFET, ζπλδπάδνληαο ηε ρακειή αληίζηαζε αγσγήο ηνπ πξψηνπ κε ηελ πςειή εκπέδεζε εηζφδνπ ηνπ δεχηεξνπ θαζψο επίζεο θαη άιια ραξαθηεξηζηηθά φπσο είλαη ε επθνιία ζηελ νδήγεζε, ε επξχηεηα ηεο πεξηνρήο αζθαινχο ιεηηνπξγίαο, ε δπλαηφηεηα ππεξθφξηηζεο ζε ξεχκα θαη ε ζηνηβαξφηεηα. Απηέο νη ηδηφηεηεο έρνπλ θαηαζηήζεη ηα IGBT θαηάιιεια γηα πνιιέο εθαξκνγέο, φπσο: ε παικνηξνθνδνηηθά ε ζπζηήκαηα αδηάιεηπηεο παξνρήο ηξνθνδνζίαο ε δηαηάμεηο αληηζηάζκηζεο αέξγνπ ηζρχνο θαη αλψηεξσλ αξκνληθψλ ε δηαηάμεηο νδήγεζεο θηλεηήξσλ ζπλερνχο θαη ελαιιαζζνκέλνπ ξεχκαηνο

66 Σα θπξηφηεξα κεγέζε πνπ ραξαθηεξίδνπλ έλα IGBT θαη δίλνπλ νη θαηαζθεπαζηέο ζηα ηερληθά ηνπο θπιιάδηα είλαη: Η κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο Vce πνπ αληέρεη ην ζηνηρείν θαη ζήκεξα θηάλεη έσο ηα 1500V H κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο Ic, ε νπνία θηάλεη ζήκεξα σο ηα 300Α Ο ρξφλνο ζβέζεο t f, κε ηηο ηηκέο πνπ έρνπλ επηηεπρζεί λα είλαη ηεο ηάμεο ησλ ns. Πέξα απφ απηά ηα κεγέζε ππάξρνπλ θαη άιια ζεκαληηθά φπσο είλαη ε πηψζε ηάζεο κεηαμχ ζπιιέθηε θαη εθπνκπνχ θαηά ηελ αγσγή Vce(on), ε κέγηζηε ηάζε κεηαμχ πχιεο θαη εθπνκπνχ Vge(max), νη κέγηζηεο απψιεηεο Pc πνπ αληέρεη ην dic dvce ζηνηρείν αιιά θαη νη ξπζκνί κεηαβνιήο ξεχκαηνο θαη ηάζεο, dt dt πνπ δελ πξέπεη λα μεπεξαζηνχλ θαηά ηε δπλακηθή θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ηνπ ζηνηρείνπ (έλαπζε θαη ζβέζε) ψζηε λα κελ θαηαζηξαθεί απφ ηνπηθή ππεξζέξκαλζε. ην παξαθάησ ζρήκα θαίλεηαη ν πξννπηηθφο ζρεδηαζκφο ελφο ζηνηρείνπ IGBT. ρ.3.5. Πξννπηηθφο ζρεδηαζκφο ελφο IGBT κε θαλάιη ηχπνπ Ν[2]

67 Απνηειείηαη απφ ηελ πχιε (Gate), ηνλ ζπιιέθηε (Collector) θαη ηνλ εθπνκπφ (Emitter). H πεξηνρή ηεο βάζεο ή ηνπ ζψκαηνο είλαη ε πεξηνρή ηχπνπ Ρ πνπ βξίζθεηαη πάλσ απφ ηελ επηηαμηαθή ζηξψζε Ν-. ε απηήλ δεκηνπξγείηαη ην θαλάιη ξνήο ησλ ειεθηξνλίσλ απφ ηνλ εθπνκπφ ζηνλ ζπιιέθηε (ή ηνπ ξεχκαηνο απφ ηνλ ζπιιέθηε ζηνλ εθπνκπφ), ην θαλάιη απηφ αλαπηχζζεηαη απφ ειεθηξφληα ηα νπνία επάγνληαη φηαλ εθαξκφδεηαη ζηελ πχιε ζεηηθή ηάζε ζε ζρέζε κε ηνλ εθπνκπφ, θαη κάιηζηα φηαλ μεπεξάζεη κηα ηηκή γλσζηή σο ηάζε θαησθιίνπ Vge(th). H ζεηηθή απηή ηάζε δεκηνπξγεί έλα ειεθηξηθφ πεδίν κε θαηεχζπλζε θάζεηε ζην θαλάιη, ην νπνίν θαηαιήγεη ζηα επαγφκελα αξλεηηθά θνξηία. Η ζπκπεξηθνξά απηή είλαη αλάινγε ελφο ππθλσηή, πνπ ζρεκαηίδεηαη απφ ην πνιπθξπζηαιιηθφ ππξίηην ηεο πχιεο κε ην κνλσηηθφ ζηξψκα νμεηδίνπ (SiO2) θαη ην θαλάιη ηνπ εκηαγσγνχ. Απηφ ην κνλσηηθφ ζηξψκα είλαη ππεχζπλν θαη γηα ην φηη ην IGBT θαιείηαη απνκνλσκέλεο πχιεο (Ιnsulated Gate Bipolar Transistor). ηελ πξάμε έλα IGBT απνηειείηαη απφ πνιιέο ζηνηρεηψδεηο θπςέιεο ηνπνζεηεκέλεο ζε έλα θνηλφ ππφβαζξν φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 3.5. Ο ιφγνο απηνχ ηνπ ηξφπνπ θαηαζθεπήο έρεη λα θάλεη κε ηελ απμεκέλε δπλαηφηεηα αγσγήο, δεκηνπξγνχληαη πεξηζζφηεξνη δξφκνη ξνήο θνξέσλ θαη ην ζηνηρείν απνθηά ηελ ηθαλφηεηα λα δηαξξέεηαη απφ κεγαιχηεξα ξεχκαηα. ην ζρήκα θαίλεηαη ην θπθισκαηηθφ ζχκβνιν ηνπ IGBT θαη νη ραξαθηεξηζηηθέο θακπχιεο V-I. ρ.3.6. Κπθισκαηηθφ ζχκβνιν IGBT θαη V-I ραξαθηεηηζηηθέο[2] ηελ ελφηεηα πνπ αθνινπζεί ζα κηιήζνπκε γηα ηνλ ηξφπν παικνδφηεζεο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα γηα ηνλ έιεγρν ηεο ηνπ θηλεηήξα ηεο εθαξκνγήο καο

68 3.4 Έιεγρνο ησλ εκηαγσγηθώλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα Όπσο αλαθέξακε θαη ζηελ αξρή ηνπ θεθαιαηνπ ππαξρνπλ δηάθνξεο κέζνδνη ειέγρνπ ησλ ζηνηρεηψλ ηζρχνο ηνπ αληηζηξνθέα ηάζεο. Η πίν γλσζηε θαη ζπλήζεο είλαη ε κέζνδνο δηακφξθνζεο εχξνπο παικνχ (PWM). Η δηαδηθαζία πνπ αθνινπζήζακε γηα λα παικνδνηήζνπκε ηνλ θηλεηήξα ηεο παξνχζαο δηπινκαηηθήο εξγαζίαο θαηλεηαη ζην ζρήκα 3.7. ηα θάησ ηξαλδίζηνξ ηνπ θάζε θιάδνπ ζηειλνπκε κε ηε βνήζεηα κηθξνειεγθηή ζηαζεξφ παικφ έλαπζεο γηα 120 ν κνίξεο ζην θάζε έλα. Γηα ηα επάλσ ηξαλδίζηνξ ηνπ θάζε θιάδνπ αθνινπζήζακε ηε κέζνδν PWM. Καηά ηε κέζνδν PWM ζπγθξηλεηαη κηα ζηαζεξή ηάζε κε κηα ηξηγσληθή θπκαηνκνξθή. Η ζχγθξηζε απηή θαζνξίδεη ηηο ρξνληθέο ζηηγκέο κεηάβαζεο θαη ηα ζήκαηα ειέγρνπ ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο. Η αιιεινπρία ηεο κεηάβαζεο θαζνξίδεηαη απφ ηνπο αηζζεηήξεο Hall. ρ.3.7 Παικνδφηεζε ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα[12] 3.5. Γξακκηθά ηξνθνδνηηθά ζπλερνύο ηάζεο Πέξαλ ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα ηάζεο πνπ θαηαζθεπάζηεθε γηα ηελ παξαγσγή ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο ηνπ θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε, είλαη απαξαίηεηε θαη ε

69 θαηαζθεπή ηξνθνδνηηθψλ ζπλερνχο ηάζεο γηα ηελ ηξνθνδνζία ησλ δηαθφξσλ νινθιεξσκέλσλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζην θχθισκα παικνδφηεζεο ησλ IGBT ηνπ αληηζηξνθέα. ηελ δηθή καο πεξίπησζε ρξεζηκνπνηνχκε γξακκηθά ηξνθνδνηηθά. ε απηά ε ελαιιαζζφκελε ηάζε εηζφδνπ ππνβηβάδεηαη κε ρξήζε ελφο κεηαζρεκαηηζηή ρακειψλ ζπρλνηήησλ (50-60Hz). Ο κεηαζρεκαηηζηήο είλαη επίζεο απαξαίηεηνο θαη γηα ηελ ειεθηξηθή απνκφλσζε κεηαμχ εηζφδνπ θαη εμφδνπ, θάηη πνπ επηβάιιεηαη απφ ηνπο θαλνληζκνχο πνπ ηζρχνπλ δηεζλψο. Μεηά ηνλ κεηαζρεκαηηζηή αθνινπζεί ε αλνξζσηηθή δηάηαμε, πνπ ζπλήζσο είλαη κηα αλνξζσηηθή γέθπξα δηφδσλ, ε αλνξζσκέλε ηάζε εμνκαιχλεηαη κε ρξήζε ελφο ειεθηξνιπηηθνχ ππθλσηή γλσζηνχ θαη σο «θίιηξν εηζφδνπ». Αθνινπζεί έλα εκηαγσγηθφ ζηνηρείν, γηα ηελ αθξίβεηα έλα ηξαλδίζηνξ (ζηαζεξνπνηεηήο ηάζεο) πνπ ιεηηνπξγεί ζηελ ελεξγφ πεξηνρή, ε δηαθνξά κεηαμχ ηεο ηάζεο εηζφδνπ θαη ηεο ηάζεο εμφδνπ εκθαλίδεηαη σο απψιεηα ζεξκφηεηαο επί ηνπ ζηνηρείνπ. Απηφ απνηειεί θαη έλα κεηνλέθηεκα ηνπ ηξνθνδνηηθνχ απηνχ θαζψο νη πςειέο απψιεηεο αγσγήο Vce, on Io, έρνπλ σο ζπλέπεηα γεληθά ρακειφ ζπληειεζηή απφδνζεο. Σα παξαπάλσ ζπληζηνχλ ηε βαζκίδα εηζφδνπ. Η βαζκίδα εμφδνπ αθνινπζεί θαη απνηειείηαη απφ ηνλ ειεθηξνιπηηθφ ππθλσηή «θίιηξν εμφδνπ» πνπ αλαιακβάλεη λα θαιχςεη ηηο απφηνκεο κεηαβνιέο ζην θνξηίν θαη λα βειηηψζεη ηελ απφθξηζε ηνπ ηξνθνδνηηθνχ, θαη ζπλήζσο έλαλ ππθλσηή πνιππξνππιελίνπ ή θεξακηθφ παξάιιεια πξνο ηνλ πξψην γηα λα απνθεπρζνχλ νη ππεξηάζεηο πνπ κπνξεί λα εκθαληζηνχλ εμ αηηίαο δηαθνπηηθψλ ξεπκάησλ. ρ.3.8. Γνκηθφ δηάγξακκα ηξνθνδνηηθνχ ζπλερνχο ηάζεο.[7]

70 - 56 -

71 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 4 ΚΑΣΑΚΔΤΖ ΣΖ ΓΗΑΣΑΞΖ ΓΗΑ ΣΖΝ ΟΓΖΓΖΖ ΣΟΤ ΚΗΝΖΣΖΡΑ 4.1. Δηζαγσγή Γηα ηηο αλάγθεο ηεο δηπισκαηηθήο, θαηαζθεπάζηεθαλ ζην εξγαζηήξην δχν πιαθέηεο. Γηα ην ζρεδηαζκφ ρξεζηκνπνηήζακε ην γξαθηθφ πεξηβάιινλ ζρεδηαζκνχ πιαθεηψλ Protel. Η δηαδηθαζία θαηαζθεπήο πνπ αθνινπζήζακε ήηαλ ε ζπλήζεο, δειαδή αλαπηχμακε πξψηα ην ζρεκαηηθφ δηάγξακκα ηεο πιαθέηαο, ζηε ζπλέρεηα ζρεδηάζακε ην PCB, βάζεη ηνπ ζρεκαηηθνχ θαη ζην ηέινο ηππψζακε ηελ πιαθέηα θαη θνιιήζακε ηα ζηνηρεία. ην θεθάιαην απηφ ζα αλαιπζεί ν ζρεδηαζκφο θαη ε δηαδηθαζία ηεο θαηαζθεπήο απηψλ Κύθισκα παικνδόηεζεο ηνπ ηξηθαζηθνύ αληηζηξνθέα Αλ πξνζπαζήζνπκε λα πεξηγξάςνπκε απιά ηελ πνξεία ηεο παικνδφηεζεο ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα ζα κπνξνχζακε λα πνχκε ηα παξαθάησ: νη παικνί πνπ πξνέξρνληαη απφ ην κηθξνεπεμεξγαζηή θαηεπζχλνληαη ζηηο εηζφδνπο κηαο πχιεο ΝΟΣ. Δμέξρνληαη απφ ηηο εμφδνπο ηεο θαη νδεγνχληαη κέζσ αληίζηαζεο ζηνπο Optocouplers θαη απφ ηνπο Optocouplers πάιη κέζσ αληίζηαζεο νδεγνχληαη ζηηο εηζφδνπο ησλ Drivers. Απφ ηηο εμφδνπο ησλ Drivers εμέξρνληαη θαη νδεγνχληαη κέζσ ηεο αληίζηαζεο πχιεο ζηελ πχιε ησλ ηξαλδίζηνξ. ην παξαθάησ ζρήκα απεηθνλίδεηαη ε πνξεία ηεο παικνδφηεζεο ηεο κηαο θάζεο ηνπ αληηζηξνθέα αθνχ ν παικφο έρεη εμέιζεη απφ ηνλ επεμεξγαζηή θαη κέρξη λα θηάζεη ζηελ πχιε ησλ ηξαλδίζηνξ

72 ρ.4.1. Παικνδφηεζε κηαο θάζεο ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα Μηθξνεπεμεξγαζηήο θαη πεξηθεξεηαθά ηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία γηα ηελ παξαγσγή ησλ παικψλ ρξεζηκνπνηήζεθε ν κηθξνεπεμεξγαζηήο dspic30f4011 ηεο εηαηξίαο Microchip ηνπ νπνίνπ ε ιεπηνκεξήο πεξηγξαθή θαη αλάιπζε ηεο ιεηηνπξγίαο ζα γίλεη ζην επφκελν θεθάιαην. ε ζχλδεζε κε ην νινθιεξσκέλν ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή βξίζθνληαη ηα αθφινπζα νινθιεξσκέλα: MCP2551 ςυνδεδεμζνο με ακροδζκτθ για τθν υλοποίθςθ του φυςικοφ επιπζδου του διαφλου επικοινωνίασ CAN που επιτρζπει τθ διαςφνδεςθ του μικροεπεξεργαςτι με άλλουσ μικροεπεξεργαςτζσ. MAX232 ζπλδεδεκέλν κε έλαλ αθξνδέθηε ηχπνπ RS232 γηα ηε ζχλδεζε ηεο πιαθέηαο κε ππνινγηζηή κέζσ ζεηξηαθήο ζχξαο. 74HC04 πνπ ν ξφινο ηνπ πεξηγξάθεηαη ζηελ παξάγξαθν πνπ αθνινπζεί. Με ηνλ κηθξνεπεμεξγαζηή επίζεο ζπλδένληαη: Γχν trimmers, γηα ηελ ξνπή αλαθνξάο θαη ηηο ζηξνθέο αλαθνξάο, Γχν κπνπηφλ, έλα γηα λα θάλνπκε reset ζηνλ επεμεξγαζηή καο παηψληαο ην κπνπηφλ επαλεθίλεζεο, θαη έλα άιιν γηα λα δψζνπκε ηελ εληνιε εθθίλεζεοδηαθνπήο ιεηηνξπγίαο ηεο ηεο κεραλήο. Έλαο αθξνδέθηεο γηα ηε ζχλδεζε κε ην αλαπηπμηαθφ ICD2 ηεο Olimex

73 Γχν αθξνδέθηεο ηξνθνδνζίαο Αληηζηάζεηο θαη ππθλσηέο Δλίζρπζε ησλ παικώλ θαη απνκόλσζε ηνπ θπθιώκαηνο ειέγρνπ από ην θύθισκα ηζρύνο. Σα ζήκαηα ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηχπνπ IGBT παξάγνληαη απφ ηνλ κηθξνειεγθηή ππφ κνξθή παικψλ ηάζεο, επηπέδνπ 0-5 V. Οη παικνί απηνί έπεηηα νδεγνχληαη ζηo θχθισκα ηζρχνο ηνπ αληηζηξνθέα κέζσ αγψγηκσλ δξφκσλ. Με ην νινθιεξσκέλν Hex Inverter MC74HCT04AN (ρήκα 4.2) εληζρχνληαη νη παικνί πνπ νδεγνχληαη ζηελ είζνδν ησλ Optocouplers, ψζηε λα εμαζθαιηζηεί φηη δελ ζα μεπεξαζηεί ε νδεγεηηθή ηθαλφηεηα (fanout) ηνπ κηθξνειεγθηή επίζεο κε ηνλ Hex Inverter (πύιε ΝΟΣ) νη παικνί αληηζηξέθνληαη θαη έηζη αληηζηαζκίδεηαη ε αληηζηξνθή πνπ πξνθαιείηαη απφ ηνπο Optocouplers φπσο ζα δνχκε ζηε ζπλέρεηα. ρ.4.2. Σν νινθιεξσκέλν Hex Inverter, ην ινγηθφ δηάγξακκα ιεηηνπξγίαο ηνπ δηάγξακκά ηνπ. θαη ην pin out

74 Με ηνλ νπηνδεχθηε 6N137 επηηπγράλνπκε γαιβαληθή απνκφλσζε ηνπ θπθιψκαηνο παξαγσγήο ησλ παικψλ απφ ην θχθισκα ηζρχνο. Ο νπηνδεχθηεο απνηειείηαη απφ κία πεγή θσηφο (θσηνδίνδν) θαη έλα θσηνεπαίζζεην δέθηε αληηθξηζηά ηνπνζεηεκέλα, ελψ αλάκεζά ηνπο ππάξρεη έλα δηάθελν απνκφλσζεο. Απφ ην δηάθελν απηφ δελ κπνξεί λα δηέιζεη θαλέλα ξεχκα παξά κφλν παικνί θσηφο, έηζη έρνπκε δηαρσξηζκφ ησλ δπλακηθψλ ηεο γεο ησλ δχν θπθισκάησλ. Σν θχθισκα ηνπ κηθξνειεγθηή είλαη ηψξα πξνζηαηεπκέλν, ζε πεξίπησζε πνπ ππήξρε δηαθνξά ζην δπλακηθφ ηεο γεο ηνπ απφ ην δπλακηθφ ηεο γεο ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο, απφ κηα ελδερφκελε ξνή ξεχκαηνο δηακέζνπ ησλ γξακκψλ δεδνκέλσλ. Μηα αληηπξνζσπεπηηθή εηθφλα ηνπ νινθιεξσκέλνπ θαίλεηαη ζην ρήκα 4.3 ελψ ζην ρήκα 4.4 παξνπζηάδνληαη ε εζσηεξηθή δνκή ηνπ θαη ην ινγηθφ δηάγξακκα ιεηηνπξγίαο ηνπ. ρ.4.3. Σν νινθιεξσκέλν 6N137 ρ.4.4 Δζσηεξηθή δνκή θαη ινγηθφ δηάγξακκα ιεηηνπξγίαο 6N

75 ην ζεκείν απηφ πξέπεη λα θάλνπκε θάπνηεο παξαηεξήζεηο: 1. Καη ηα δχν παξαπάλσ νινθιεξσκέλα ρξεηάδνληαη ηξνθνδνζία 5 V, σζηφζν απηή πξέπεη λα πξνέξρεηαη απφ δχν μερσξηζηά ηξνθνδνηηθά, δηαθνξεηηθά δελ ζα ππήξρε απνκφλσζε ησλ θπθισκάησλ. 2. Μεηαμχ ησλ εηζφδσλ ηνπ Hex Inverter θαη ηεο γεο ηνπ έρνπλ ηνπνζεηεζεί αληηζηάζεηο (pull down), R1=100 KΧ, ψζηε ζε πεξίπησζε πνπ ν αθξνδέθηεο βξεζεί ζηνλ αέξα γηα νπνηνλδήπνηε ιφγν, νη είζνδνη λα είλαη κφληκα ζε θαηάζηαζε ινγηθνχ κεδελφο. ε δηαθνξεηηθή πεξίπησζε είλαη δπλαηφ λα ηεζνχλ ζε αγσγή εκηαγσγηθά ζηνηρεία ηνπ ίδηνπ θιάδνπ κε απνηέιεζκα ην βξαρπθχθισκα ηνπ θιάδνπ ζπλερνχο ηάζεο θαη ηελ θαηαζηξνθή ησλ ζηνηρείσλ. 3. Μεηαμχ ησλ εμφδσλ ηνπ Hex Inverter θαη ηεο εηζφδνπ ησλ νπηνδεπθηψλ έρνπλ ηνπνζεηεζεί αληηζηάζεηο ζε ζεηξά, R2=240 Χ, γηα ηνλ πεξηνξηζκφ ηνπ ξεχκαηνο, φηαλ δηέξρεηαη παικφο, πεξί ηα 20 ma πεξίπνπ. 4. Μεηαμχ εμφδνπ ησλ νπηνδεπθηψλ θαη ηεο ηξνθνδνζίαο 5 V έρνπλ ηνπνζεηεζεί αληηζηάζεηο (pull up), R3=330 Χ. Όηαλ έξρεηαη παικφο ζηελ είζνδν ηνπ Optocoupler ην ηξαλδίζηνξ ζηελ έμνδν ηνπ ιεηηνπξγεί ζηνλ θφξν (Vo=Low) θαη ε αληίζηαζε R3 επηιέγεηαη έηζη ψζηε ην ξεχκα ηνπ ζπιιέθηε λα κελ μεπεξλά κηα νξηζκέλε ηηκή (δίλεηαη ζηα θπιιάδηα ηνπ θαηαζθεπαζηή). Δλψ φηαλ δελ ππάξρεη παικφο ζηελ είζνδν, ην ηξαλδίζηνξ είλαη ζε απνθνπή θαη ην δπλακηθφ ηεο εμφδνπ δηαηεξείηαη πςειφ (Vo=High). 5. Γηα ηνλ πεξηνξηζκφ ηνπ ζνξχβνπ ζηηο γξακκέο ηξνθνδνζίαο ζπλδένληαη ζηνπο αθξνδέθηεο ηξνθνδνζίαο (Vcc θαη Gnd) ηνπ θάζε νινθιεξσκέλνπ ππθλσηέο

76 απφδεπμεο (bypass capacitors), πνπ είλαη ππθλσηέο πνιπεζηέξα. Με ηε ρξήζε ησλ ππθλσηψλ απνζχδεπμεο ηα ελαιιαζζφκελα πςίζπρλα ξεχκαηα ξένπλ κέζσ απηψλ θαη δελ εηζέξρνληαη ζηηο γξακκέο ηξνθνδνζίαο Οδήγεζε ηεο πύιεο ησλ εκηαγσγηθώλ ζηνηρείσλ ηζρύνο Οη απαηηήζεηο γηα ηελ νδήγεζε ηεο πχιεο ησλ IGBT πνπ είλαη ηνπνζεηεκέλα ζε δηάηαμε ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα είλαη: Η ηάζε ζηελ πχιε πξέπεη λα ειέγρεηαη απφ ινγηθά ζήκαηα ηάζεο 5 V σο πξνο ηε γε. Σν θχθισκα νδήγεζεο πξέπεη λα παξέρεη επαξθή ηζρχ ψζηε λα εμαζθαιίδεηαη ε έλαπζε θαη αγσγή ηνπ ζηνηρείνπ. ρ.4.5. Σν νινθιεξσκέλν IR2213 Με ην νινθιεξσκέλν IR2213 πνπ θαίλεηαη ζην παξαπάλσ ζρήκα ηθαλνπνηνχληαη νη απαηηήζεηο απηέο γηα ηελ νδήγεζε ηεο πχιεο ηνπ εκαηγσγηθνχ ζηνηρείνπ ηζρπνο

77 Σν IR2213 δέρεηαη δχν ηξνθνδνζίεο, κηα ησλ 5 V, πνπ πξνέξρεηαη απφ ην ηξνθνδνηηθφ ησλ νπηνδεπθηψλ, ζηνπο αθξνδέθηεο V DD θαη V SS θαη κηα ησλ 15 V, απφ δηαθνξεηηθφ ηξνθνδνηηθφ, ζηνπο αθξνδέθηεο Vcc θαη COM. Έηζη έρεη ηε δπλαηφηεηα λα εληζρχεη ηα ζήκαηα ειέγρνπ ζην επίπεδν πνπ απαηηείηαη γηα ηελ νδήγεζε ησλ IGBT. Σα ζήκαηα ειέγρνπ επηπέδνπ ηάζεο 5 V πνπ εηζέξρνληαη ζηνπο αθξνδέθηεο HIN (γηα ην επάλσ IGBT) θαη LIN (γηα ην θάησ IGBT) εμέξρνληαη απφ ηνπο αθξνδέθηεο HO θαη LO αληίζηνηρα ζην επίπεδν ηάζεο ησλ 15 V. ην θάησ IGBT ε πεγή είλαη κφληκα ζην επίπεδν ηεο γείσζεο (Com), επνκέλσο θάζε θνξά πνπ έξρεηαη παικφο ζηελ είζνδν LIN, ε έμνδνο LO ζπλδέεηαη κε ηελ ηξνθνδνζία Vcc ησλ 15 V. Χζηφζν γηα ην επάλσ IGBT ε ηάζε ηεο πεγήο ηνπ, V S, είλαη κεηαβιεηή. Όηαλ απηφ βξίζθεηαη ζε θαηάζηαζε αγσγήο V S = V DCbus, ελψ φηαλ άγεη ην θάησ IGBT V S = 0 V. Δπεηδή θάζε θνξά πνπ έξρεηαη παικφο ζηελ είζνδν HIN ε έμνδνο HO ζπλδέεηαη κε ηε V B, ζα πξέπεη θαη απηή λα είλαη κεηαβιεηή ψζηε V BS =V GS = 15V. Απηφ επηηπγράλεηαη κε ηελ ηξνθνδνζία Bootstrap ε νπνία απνηειείηαη απφ ηνλ ζπλδπαζκφ κηαο δηφδνπ θαη ελφο ππθλσηή φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 4.6. ρ.4.6. Bootstrap ηξνθνδνζία ηνπ επάλσ IGBT Η ιεηηνπξγία ηνπ θπθιψκαηνο είλαη ε εμήο. Όηαλ ε V S απνθηά ην δπλακηθφ ηεο γεο, θαζψο άγεη ην θάησ IGBT, ν bootstrap ππθλσηήο (C BS ) θνξηίδεηαη κέζσ ηεο

78 bootstrap δηφδνπ (D BS ) απφ ηελ ηξνθνδνζία ησλ 15 V. Δπνκέλσο ε V BS ζα είλαη ιίγν κηθξφηεξε απφ 15 V αθνχ ηζρχεη φηη: VBS VB V S (VCC V F) VDSon (4.1) φπνπ V F θαη V DSon νη πηψζεηο ηάζεο θαηά ηελ αγσγή, ζηε δίνδν D BS θαη ην θάησ IGBT αληίζηνηρα. ε ζρέζε κε ηε δίνδν bootstrap πξέπεη λα γίλνπλ θάπνηεο παξαηεξήζεηο: 1. ηελ απνθνπή (φηαλ άγεη ην επάλσ IGBT) λα αληέρεη ηελ ηάζε V DC. 2. Να έρεη κηθξφ ρξφλν αλάζηξνθεο αλάθηεζεο (trr), ψζηε λα ειαρηζηνπνηείηαη ην θνξηίν πνπ επηζηξέθεη ζηελ ηξνθνδνζία απφ ηνλ bootstrap ππθλσηή. 3. Να αληέρεη ην απαξαίηεην ξεχκα γηα ηελ θφξηηζε ηνπ ππθλσηή bootstrap. Η δίνδνο BYM26E πνπ επηιέμακε ηθαλνπνηεί ηα παξαπάλσ. Ο ππθλσηήο bootstrap πξέπεη λα έρεη ηέηνηα ρσξεηηθφηεηα (πεξίπνπ 4κF) ψζηε λα παξέρεη ην απαξαίηεην θνξηίν γηα ηελ έλαπζε ηνπ IGBT θαη λα δηαηεξεί ηελ ηάζε ηνπ θαηά ηελ αγσγή. Δπηπιένλ πξέπεη λα έρεη κηθξφ ξεχκα δηαξξνήο. Γηα ηνπο ιφγνπο απηνχο επηιέμακε ππθλσηέο ηαληαιίνπ νη νπνίνη έρνπλ κεγάιε ρσξεηηθφηεηα ζε ζρέζε κε ηνπο ππθλσηέο πνιππξνππιελίνπ ή ηνπο θεξακηθνχο θαη κεδεληθφ ξεχκα δηαξξνήο ζε ζρέζε κε ηνπο ειεθηξνιπηηθνχο ππθλσηέο. 4.3 Καηαζθεπή ηνπ ηξηθαζηθνύ αληηζηξνθέα Ο ηξηθαζηθφο αληηζηξνθέαο ηεο δηάηαμεο πνπ θαηαζθεπάζακε απνηειείηαη απφ έμη εκηαγσγηθά δηαθνπηηθά ζηνηρεία (IGBT), απφ έμη δηφδνπο ηζρχνο πνπ ηνπνζεηνχληαη αληηπαξάιιεια πξνο ηα δηαθνπηηθά ζηνηρεία θαη απφ ππθλσηέο πνπ ιεηηνπξγνχλ σο θίιηξα ζηελ είζνδν ηνπ

79 4.3.1 Γηαθνπηηθά εκηαγσγηθά ζηνηρεία, IGBT Όπσο έρνπκε πξναλαθέξεη ηα ζηνηρεία πνπ ρξεζηκνπνηήζακε ζηελ εθαξκνγή καο είλαη IGBT. Δίλαη ζηνηρεία πιήξσο ειεγρφκελα απφ ηάζε θαη δελ έρνπλ αλάγθε πνιχπινθσλ θπθισκάησλ παικνδφηεζεο φπσο είλαη ηα θπθιψκαηα ζβέζεο πνπ απαηηνχλ άιια εκηαγσγηθά ζηνηρεία, αιιά νχηε θαη ηδηαίηεξεο ζπλζήθεο γηα ηελ έλαπζε θαη ηε ζβέζε ηνπο. Η επηινγή ησλ θαηάιιεισλ IGBT γίλεηαη κε βάζε ηε κέγηζηε ηάζε πνπ εθαξκφδεηαη ζηα άθξα ηνπο, ηελ ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ ηα δηαξξέεη θαη θπζηθά ηελ δηαζεζηκφηεηα ησλ ζηνηρείσλ ζηελ αγνξά. ε απηή ηελ εθαξκνγή ν θηλεηήξαο πνπ ζέινπκε λα νδεγήζνπκε ιεηηνπξγεί ππφ νλνκαζηηθή ηάζε 240V. ζηνηρεία καο πξέπεη λα αληέρνπλ ηάζε Δπνκέλσο ηα =589V ζηα άθξα ηνπο. Αθφκα ην νλνκαζηηθφ ξεχκα ηνπ θηλεηήξα είλαη 1.47Α. Σα κεγέζε απηά καο νδεγνχλ ζηελ επηινγή ηνπ ζηνηρείνπ IRG4BH20K-L ηεο εηαηξίαο International Rectifier (ρήκα 4.7) ηα νπνία αληέρνπλ ηάζε V CE =1200V θαη ξεχκα I CE =5A ζηνπο 125 C. πλδπάδνπλ ρακειέο απψιεηεο αγσγήο κε πςειέο δηαθνπηηθέο ηαρχηεηεο. ηε δηθή καο εθαξκνγή ιεηηνπξγνχκε ηα ζηνηρεία κε f =20kHz. ρ.4.7. Κπθισκαηηθφ ζχκβνιν IGBT θαη εμσηεξηθή φςε Σα ζηνηρεία απηά θαιχπηνπλ πιήξσο ηηο αλάγθεο καο ελψ έρνπκε θάλεη θαη κηα ππεξδηαζηαζηνιφγεζε θπξίσο γηα ιφγνπο αζθαιείαο. Σα νλνκαζηηθά κεγέζε ηνπ θηλεηήξα καο δειαδή θπκαίλνληαη πεξίπνπ ζην κηζφ απφ ηα αληίζηνηρα κεγέζε ησλ ηξαλδίζηνξ γηα λα απνθχγνπκε έηζη ηελ πηζαλή θαηαζηξνθή ηνπο απφ ελδερφκελεο ππεξηάζεηο ή ππεξξεχκαηα ζην θχθισκα. ην ζεκείν απηφ αμίδεη λα ζεκεησζεί φηη

80 κεηαμχ πχιεο θαη εθπνκπνχ (G-E) θάζε ζηνηρείνπ IGBT ζπλδένπκε κία δίνδν Zener 18 V ε νπνία είλαη αλαγθαία γηα ηελ πξνζηαζία ηνπ IGBT, θαζψο αλ γηα νπνηνδήπνηε ιφγν ε ηάζε κεηαμχ πχιεο εθπνκπνχ (V GE ) γίλεη κεγαιχηεξε απφ 18V, ε δίνδνο ζα πνισζεί ζεηηθά θαη ε ηάζε V GE ζα πεξηνξηζηεί ζηα 18V εκπνδίδνληαο έηζη ηελ θαηαζηξνθή ηνπ IGBT Γίνδνη ηζρύνο ειεύζεξεο δηέιεπζεο Η δίνδνο ηζρχνο είλαη έλα εκηαγσγηθφ ζηνηρείν θαη άγεη φηαλ είλαη νξζά πνισκέλε εκθαλίδνληαο κία κηθξή πηψζε ηάζε ζηα άθξα ηεο. Όπσο θαη γηα ηα ζηνηρεία IGBT ε επηινγή ησλ δηφδσλ γίλεηαη κε βάζε ηε κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο (αλάζηξνθε) πνπ κπνξεί λα εθαξκνζηεί ζηα άθξα ηεο, αιιά θαη ην κέγηζην ξεχκα πνπ κπνξεί λα ηελ δηαξξέεη. ηε δηθή καο πεξίπησζε, έρνπκε έμη δηφδνπο ηζρχνο ηνπνζεηεκέλεο παξάιιεια αληίζηνηρα ζηα έμη IGBT. Οη δίνδνη απηέο είλαη δίνδνη ειεχζεξεο δηέιεπζεο θαη εμαζθαιίδνπλ ελαιιαθηηθφ δξφκν γηα ην ξεχκα φηαλ απηφ έρεη θνξά απφ ην θνξηίν πξνο ηελ πεγή. ηνλ ηξηθαζηθφ αληηζηξνθέα πνπ θαηαζθεπάζακε σο κέγηζηε αλάζηξνθε ηάζε ζεσξείηαη ε ζπλερήο ηάζε ησλ 589 V, αλ επίζεο ιάβνπκε ππ φςηλ καο θαη ην νλνκαζηηθφ ξεχκα θάζε θάζεο ηνπ θηλεηήξα πνπ είλαη 1.47Α, νδεγνχκαζηε ζηελ επηινγή ησλ δηφδσλ ηζρχνο MUR8100E ηεο εηαηξείαο On Semiconductor πνπ έρνπλ κηθξνχο δηαθνπηηθνχο ρξφλνπο θαη κηθξή πηψζε ηάζεο θαηά ηελ αγσγή ηνπο, επίζεο αληέρνπλ ηάζε 1000V θαη ξεχκα 8A ζηνπο 150 ν C θαιχπηνληαο πιήξσο ηηο αλάγθεο καο

81 ρ.4.8 Δμσηεξηθή φςε θαη θπθισκαηηθφ ζχκβνιν ηεο δηφδνπ ηζρχνο Aληηζηάζεηο ζηελ πύιε ησλ IGBT Η ηαρχηεηα κε ηελ νπνία αλάβεη θαη ζβήλεη ην IGBT κπνξεί λα ειεγρζεί κε θαηάιιειε επηινγή ησλ αληηζηάζεσλ πνπ ζπλδένληαη ζε ζεηξά κε ηελ πχιε θαη ξπζκίδνπλ ην ξεχκα έλαπζεο θαη ζβέζεο αληίζηνηρα. Παξάγνληεο πνπ πξέπεη λα ιεθζνχλ ππ φςηλ είλαη ην θνξηίν ηεο πχιεο Qg, νη ρξφλνη έλαπζεο θαη ζβέζεο, ε ηάζε V GE, θαη νη ξπζκνί κεηαβνιήο ηεο ηάζεο θα ηνπ ξεχκαηνο θαηά ηε δπλακηθή πεξίνδν ιεηηνπξγίαο ηνπ ζηνηρείνπ. Έπεηηα απφ ππνινγηζκνχο θαη δνθηκέο επηιέμακε R=20Χ Ππθλσηέο ζηελ είζνδν ηνπ αληηζηξνθέα ηελ είζνδν ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα ρξεζηκνπνηνχκε ειεθηξνιπηηθνχο ππθλσηέο πνπ ιεηηνπξγνχλ σο θίιηξα εηζφδνπ, θαη ε επηινγή ηνπο γίλεηαη κε βάζε ηε ρσξεηηθφηεηά ηνπο θαη ηελ κέγηζηε ηάζε πνπ αληέρνπλ ζηα άθξα ηνπο. Γηα ηε δηθή καο εθαξκνγή ρξεζηκνπνηνχκε δχν ππθλσηέο πνπ ζπλδένληαη ζε ζεηξά θαη ν θαζέλαο έρεη ρσξεηηθφηεηα 1000κF ελψ αληέρεη ηάζε 400V άθξα ηνπ

82 4.3.5 Δπηινγή ησλ θαηάιιεισλ απαγσγώλ ζεξκόηεηαο Γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηνπ θαηάιιεινπ ςπθηηθνχ γηα ηελ απαγσγή ζεξκφηεηαο απφ ηα ζηνηρεία ηζρχνο, πξέπεη λα γλσξίδνπκε ηηο απψιεηεο αγσγήο θαη ηηο δηαθνπηηθέο απψιεηεο ησλ IGBT θαη ησλ δηφδσλ. Οη ζπλνιηθέο απψιεηεο Q γηα θάζε ζηνηρείν δίλνληαη απφ ηνλ παξαθάησ ηχπν: VIC Q V I ( t t ) f 2 CE C on off s (4.2) Όπνπ: V CE = Πηψζε ηάζεο θαηά ηελ αγσγή ηνπ ζηνηρείνπ ( ην δίλεη ν θαηαζθεπαζηήο ) I C = Μέγηζην ξεχκα ζηνηρείνπ V = Σάζε ζηνηρείνπ φηαλ δελ άγεη t on = Υξφλνο έλαπζεο ζηνηρείνπ ( ην δίλεη ν θαηαζθεπαζηήο ) t off = Υξφλνο ζβέζεο ζηνηρείνπ ( ην δίλεη ν θαηαζθεπαζηήο ) f s = Γηαθνπηηθή ζπρλφηεηα Οπζηαζηηθά νη απψιεηεο ηνπ δηαθνπηηθνχ ζηνηρείνπ ηζρχνο είλαη ην άζξνηζκα ησλ απσιεηψλ αγσγήο θαη ησλ απσιεηψλ κεηάβαζεο. Απφ ην παξαθάησ ζρήκα ηνπ θαηαζθεπαζηή βξίζθνπκε φηη γηα ην ξεχκα ηεο εθαξκνγήο καο ηεο ηάμεσο ηνπ 2.5Α αληηζηνηρεί V CE =1.5V πεξίπνπ

83 ρ.4.9 Σάζε αγσγήο ζε ζρέζε κε ην ξεχκα αγσγήο γηα ην IGBT θαη απφ ηνπο πίλαθεο ηνπ θαηαζθεπαζηή πνπ παξέρνληαη ζην datasheet ηνπ ζηνηρείνπ βξίζθνπκε: t on =23ns, t off =140ns Έηζη γηα δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα fs=20khz ππνινγίδνπκε ηηο ζπλνιηθέο απψιεηεο ηνπ IGBT πεξίπνπ ίζεο κε 4.5W. ηε ζπλέρεηα ππνινγίδνπκε ηε ζεξκηθή αληίζηαζε ςπθηηθνχ Θ sa απφ ηνλ ηχπν: Tj -Ta Θ sa = -(Θ jc +Θ cs ) Q (4.3) φπνπ: Θ sa = Θεξκηθή αληίζηαζε ςπθηηθνχ ( C /W ) T j = Μέγηζηε επηηξεπφκελε ζεξκνθξαζία ζηνηρείνπ ( C) T a = Θεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο ( C)

84 Θ jc = Θεξκηθή αληίζηαζε ζηνηρείνπ ( C /W ) Θ cs = Θεξκηθή αληίζηαζε πεξηβιήκαηνο απαγσγνχ ( C /W ) Όπνπ Q βάδνπκε ην ζχλνιν ησλ απσιεηψλ πνπ είλαη 4.5W. Ο ζπληειεζηήο Θ jc δίλεηαη απφ ηνλ θαηαζθεπαζηή ησλ ζηνηρείσλ θαη είλαη Θ j c= 2.1 C /W γηα ην IGBT. Δπίζεο ν Θ cs είλαη έλαο ζπληειεζηήο ν νπνίνο εμαξηάηαη απφ ην πιηθφ πνπ παξεκβάιιεηαη αλάκεζα ζην ζηνηρείν ηζρχνο θαη ζην ςπθηηθφ κέζν. ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή Θ cs = 0.24 C /W. Σέινο, ε κέγηζηε επηηξεπφκελε ζεξκνθξαζία ζηα ζηνηρεία επηιέμακε λα είλαη T j = 125 C θαη ε ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο T a = 45 C Έηζη ε εμίζσζε 4.2 δίλεη: Θ sa =15.4 C /W. Σψξα πξέπεη λα επηιέμνπκε έλα ςπθηηθφ κε ζεξκηθή αληίζηαζε Θ sa < 15.4 C /W. Σν ςπθηηθφ πνπ επηιέμακε έρεη ηηκή ζεξκηθήο αληίζηαζεο Θ sa = 2.3 C /W. Με ηνλ ίδην ηξφπν επηιέγνπκε ην θαηάιιειν ςπθηηθφ κέζν γηα ηηο δηφδνπο ηζρχνο. Απφ ην παξαθάησ δίαγξακκα πνπ παξέρεη ν θαηαζθεπαζηήο ηνπο βξίζθνπκε φηη γηα ξεχκα ηεο ηάμεσο ηνπ 1.5Α ε κέζε απψιεηα ηζρχνο είλαη πεξίπνπ 1.5W

85 ρ.4.10 Μέζε απψιεηα ηζρχνο ζε ζρέζε κε ην κέζν ξεχκα αγσγήο γηα ηε δίνδν ηζρχνο. Δπνκέλσο γηα: T j =175 C T a = 45 C Θ jc = 2 C /W Θ cs =0.24 C /W Τπνινγίζακε φηη ε ζεξκηθή αληίζηαζε ηνπ ςπθηηθνχ κέζνπ ηθαλνχ λα αληηζηαζκίζεη ηηο ζεξκηθέο απψιεηεο ηεο κηα δηφδνπ πξέπεη λα είλαη <84.43 C /W. ην πην θάησ ζρήκα θαίλνληαη ηα ςπθηηθά πνπ επηιέμακε γηα ην IGBT θαη ηε δίνδν. Οη ηηκέο ησλ ζεξκηθψλ ηνπο αληηζηάζεσλ είλαη πνιχ κηθξφηεξεο απφ ηηο κέγηζηεο επηηξεπφκελεο φκσο ηα επηιέμακε ιφγσ ηεο δηαζεζηκφηεηαο ηνπο ζηελ αγνξά θαη ηεο εχθνιεο εθαξκνγήο ηνπο ζηελ πιαθέηα ηνπ αληηζηξνθέα

86 ρ.4.11 Φπθηηθά πνπ ρξεζηκνπνηήζακε ζηελ θαηαζθεπή 4.4 Δπηινγή θαηάιιεισλ κεηξεηηθώλ Πάλσ ζηελ πιαθέηα ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ αληηζηξνθέα πεξηιακβάλνληαη θαη ηα απαξαίηεηα κεηξεηηθά γηα ηελ κέηξεζε δηάθνξσλ κεγεζψλ. Σα ζήκαηα πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηα κεηξεηηθά, δηακνξθψλνληαη θαη εληζρχνληαη έηζη ψζηε λα είλαη θαηάιιεια γηα επεμεξγαζία απφ ηνλ κηθξνεπεμεξγαζηή. πγθεθξηκέλα, γηα ηελ εθαξκνγή καο κεηξάκε ην ξεχκα θαη ηελ ηάζε ζηελ είζνδν ηνπ αληηζηξνθέα. Σα κεηξεηηθά πνπ επηιέρζεθαλ είλαη ηα εμήο: Μέηξεζε ηάζεο: Σν κεηξεηηθφ ηάζεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε είλαη ην LV 25-P ηεο LEM, ην νπνίν ηξνθνδνηείηαη κε δηπιή ηάζε +/-15V. Οπζηαζηηθά, πξφθεηηαη γηα έλαλ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο, φπνπ ζηελ είζνδφ ηνπ εθαξκφδεηαη έλα νλνκαζηηθφ ξεχκα θαη ζηελ έμνδφ ηνπ παξάγεη έλα ζήκα ξεχκαηνο αλάινγν κε ην ξεχκα εηζφδνπ. ηελ είζνδν, γηα λα γίλεη ζσζηή κέηξεζε κέρξη κηα ζπγθεθξηκέλε ηηκή ηάζεο, πξέπεη ην ξεχκα εηζφδνπ λα έρεη κέγηζηε ηηκή 14mA. Γηα λα ην πεηχρνπκε απηφ πξέπεη λα επηιέμνπκε ηνλ θαηάιιειν ζπλδπαζκφ αληηζηάζεσλ. ηελ εθαξκνγή καο ε κέγηζηε ηάζε είλαη 588V, άξα επηιέγσ ηηκή αληίζηαζεο 51ΚΧ ηέηνηα ψζηε I=V/R=11.5mA. Γηα αληηζηάζεηο ηζρχνο 0.6W βξίζθνπκε ην κέγηζην ξεχκα πνπ αληέρεη ε θάζε αληίζηαζε ίζν κε 3.4mA. Απηφ καο νδήγεζε ζην λα ρξεζηκνπνηήζνπκε κία ζπζηνηρία

87 αληηζηάζεσλ θαη ζπγθεθξηκέλα 16 αληηζηάζεηο 51kΧ ζπλδεδεκέλεο παξάιιεια ζε νκάδεο ησλ ηεζζάξσλ. Έηζη, πεηπραίλνπκε ζπλνιηθή ηζνδχλακε αληίζηαζε 51kΧ, ελψ ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη θάζε κία απφ απηέο είλαη εληφο ησλ νξίσλ αληνρήο ηνπο. Σν ζήκα απηφ νδεγείηαη ζε έλαλ εληζρπηή ζήκαηνο θαη ζπγθεθξηκέλα ζην νινθιεξσκέλν AD622, κε ηξνθνδνζία +/-15V. ηελ έμνδν ηνπ εληζρπηή ηνπνζεηείηαη παξάιιεια κία δίνδνο Zener, ε νπνία απνθφπηεη νπνηαδήπνηε ηάζε ππεξβεί ηα 5V, γηα λα κελ μεπεξαζηεί ην φξην ηεο αλαινγηθήο εηζφδνπ ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή. Δπεηδή φκσο ν επεμεξγαζηήο ζε θαλνληθή ιεηηνπξγία κπνξεί λα δερζεί κφλν ζπλερή αλαινγηθά ζήκαηα, δίλνπκε ζηνλ εληζρπηή κία ηάζε αλαθνξάο (offset) ηέηνηα ψζηε ην ζήκα πνπ νδεγείηαη ζηνλ κηθξνεπεμεξγαζηή λα είλαη κνλίκσο ζεηηθφ. Η ηάζε απηή ζα πξέπεη λα είλαη 2,5V θαη παξέρεηαη απφ ην νινθιεξσκέλν AD580, ην νπνίν ρξεηάδεηαη ηξνθνδνζία 15V. Μέηξεζε ξεύκαηνο: Γηα λα έρνπκε κηα αίζζεζε γηα ην ξεχκα ηεο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα επηιέγνπκε λα κεηξήζνπκε ηελ πηψζε ηάζεο πάλσ ζε κηα αληίζηαζε πνπ ζπλδένπκε θαηά κήθνο ηεο ηάζεο V DC, Bus-. Η αληίζηαζε απηή είλαη ηχπνπ SMD Low Ohmic Current Sense Resistors ηεο εηαηξίαο MEC CGS. ην ζεκείν απηφ πξέπεη λα αλαθεξζεί φηη ζηελ αγνξά δελ ππήξρε κεγάιε δηαζεζηκφηεηα ζε ηέηνηεο αληηζηάζεηο κέηξεζεο ξέπκαηνο θαη ε ζπγθεθξηκέλε ήηαλ εθείλε πνπ πιεξνχζε ζην κεγαιχηεξν πνζνζηφ ηηο αλάγθεο ηεο εθαξκνγήο καο. Έρεη σκηθή αληίζηαζε 0.25Χ θαη κέγηζηε ηζρχ 1W άξα ππνινγίδνπκε φηη ην κέγηζην ξεχκα πνπ αληέρεη είλαη 2Α. Δκείο έρνπκε ζπλδέζεη δχν ίδηεο ηέηνηεο αληηζηάζεηο παξάιιεια γηα λα κπνξεί λα πεξλάεη απφ ην ζπλδπαζκφ ηνπο παξαπάλσ ξεχκα. Η πηψζε ηάζεο ζηηο αληηζηάζεηο κέηξεζεο ξεχκαηνο εληζρχεηαη πάιη κε AD622 ζηνλ νπνίν δίλνπκε αλαθνξά ζηα 2.5V απφ ηνλ AD Καηαζθεπή ηξνθνδνηηθώλ ζπλερνύο ηάζεο Όπσο είδακε φια ηα νινθιεξσκέλα (dspic30f4011, MCP2551, MAX232, 74HCT04, 6N137, IR2213, AD622, AD580 ) αιιά θαη ην κεηξεηηθφ ηάζεο ρξεηάδνληαη ηξνθνδνζία ζπλερνχο ηάζεο γηα λα ιεηηνπξγήζνπλ. Έηζη θαηαζθεπάζακε

88 επηπιένλ ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα: έλα ηξνθνδνηηθφ ζπλερνχο ηάζεο κε έμνδν +5V, έλα κε εμφδνπο +15V, +5V θαη έλα κε εμφδνπο +15V, -15V. Tα ηξνθνδνηηθά κεηαηξέπνπλ ηελ κνλνθαζηθή ελαιιαζζφκελε ηάζε ηνπ δηθηχνπ (220V) ζε ζπλερή ηάζε. Όπσο αλαιχζακε ζην πξνεγνχκελν θεθάιαην θαηαζθεπάζακε γξακκηθά ηξνθνδνηηθά, φπνπ έλαο κεηαζρεκαηηζηήο ρξεζηκνπνηείηαη γηα ππνβηβαζκφ ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ, κία αλνξζσηηθή γέθπξα κεηαηξέπεη ηελ ηάζε ζε ζπλερή, έλα ζηαζεξνπνηεηηθφ ηάζεο (7805, 7815, 7915) δίλεη ηελ επηζπκεηή ηάζε εμφδνπ (+5V, +15V, -15V ) ελψ ρξεζηκνπνηνχκε θαη ππθλσηέο πνπ ιεηηνπξγνχλ σο θίιηξα πξηλ θαη κεηά ην ζηαζεξνπνηεηηθφ ηάζεο. Να ζεκεηψζνπκε φηη ε ηάζε εηζφδνπ ηνπ ζηαζεξνπνηεηηθνχ ηάζεο πξέπεη λα είλαη κεγαιχηεξε απφ ηελ επηζπκεηή ηάζε εμφδνπ, αιιά φρη πνιχ κεγαιχηεξε γηαηί ε δηαθνξά ησλ δχν ηάζεσλ κεηαηξέπεηαη ζε ζεξκηθέο απψιεηεο επί ηνπ ζηνηρείνπ, πνχ είλαη θπζηθφ λα ζέινπκε λα είλαη θαηά ην δπλαηφλ ρακειέο. Σξνθνδνηηθό +5V Γηα ην ηξνθνδνηηθά ζπλερνχο ηάζεο +5V, ρξεζηκνπνηνχκε κεηαζρεκαηηζηέο 220/6 V, ε αλνξζσηηθή γέθπξα αλνξζψλεη ηα 6V ζηα 8.5 V ζπλερνχο ηάζεο, αθνινπζεί έλαο ππθλσηήο 2200κF ζηα 16V θαη ν ζηαζεξνπνηεηήο ηάζεο LM7805 πνπ παξάγεη ηάζε εμφδνπ ζηαζεξή ζηα +5 V, αθνινπζνχλ δχν ππθλσηέο παξάιιεια ζπλδεδεκέλνη, έλαο ειεθηξνιπηηθφο 2220 κf ζηα 16 V θαη έλαο ηχπνπ ΜΚΣ κε ρσξεηηθφηεηα 100nF, ηέινο ρξεζηκνπνηνχκε έλα LED γηα νπηηθή έλδεημε ιεηηνπξγίαο ηνπ θπθιψκαηνο θαζψο αθξνδέθηεο γηα ζχλδεζε ηνπ ηξνθνδνηηθνχ κε ηελ πιαθέηα φπνπ βξίζθνληαη ηα νινθιεξσκέλα αιιά θαη ην δίθηπν ελαιιαζζφκελεο ηάζεο. Σξνθνδνηηθό +5V, +15V Γηα ην ηξνθνδνηηθφ ζπλερνχο ηάζεο +15V, ρξεζηκνπνηνχκε κεηαζρεκαηηζηή 220/15V, ε αλνξζσηηθή γέθπξα αλνξζψλεη ηα 15V ζηα 21.2V ζπλερνχο ηάζεο,

89 αθνινπζεί έλαο ππθλσηήο 2200κF ζηα 30V θαη ν ζηαζεξνπνηεηήο ηάζεο LM7815 πνπ παξάγεη ηάζε εμφδνπ ζηαζεξή ζηα +15V, αθνινπζνχλ δχν ππθλσηέο παξάιιεια ζπλδεδεκέλνη, έλαο ειεθηξνιπηηθφο 2220 κf ζηα 30V θαη έλαο ηχπνπ ΜΚΣ κε ρσξεηηθφηεηα 100nF, θαη ηέινο ην LED. Καηφπηλ γηα λα έρνπκε έμνδν +5V απφ ηα +15V αθνινπζεί ζηαζεξνπνηεηήο ηάζεο LM7805 πνπ ζπλνδεχεηαη απφ ππθλσηέο ειεθηξνιπηηθφ θαη ΜΚΣ θαη LED. Σξνθνδνηηθό -15V, +15V Παξαπάλσ εμεγήζακε ηνλ ηξφπν κε ηνλ νπνίν δεκηνπξγνχκε +15V ζπλερή ηάζε απφ ηα 220 ελαιιαζζφκελε. Με ηνλ ίδην ηξφπν δεκηνπξγνχκε θαη ηε -15V ρξεζηκνπνηψληαο ηψξα ηνλ ζηαζεξνπνηεηή ηάζεο LM7915. ηελ πιαθέηα ησλ ηξνθνδνηηθψλ επίζεο ρξεζηκνπνηνχκε αθξνδέθηεο γηα ηε ζχλδεζε ηεο κε ηελ πιαθέηα ηζρχνο θαη παικνδφηεζεο αιιά θαη κε ην δίθηπν ησλ 220V θαζψο θαη αζθάιεηα γηα ηελ πξνζηαζία ηνπ ζπλνιηθνχ θπθιψκαηνο. Δπίζεο επηιέγνπκε κεηαζρεκαηηζηή έηζη ψζηε ε ηζρχο πνπ δίλεη λα είλαη κεγαιχηεξε απφ εθείλε πνπ θαηαλαιψλνπλ ηα νινθιεξσκέλα πνπ ηξνθνδνηεί. Σέινο ζηνπο ζηαζεξνπνηεηέο ηάζεο ηνπνζεηνχκε ςπθηηθά γηα λα απνθχγνπκε ηελ θαηαζηξνθή ηνπο απφ θάπνηα ππεξζέξκαλζε. ην ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α ππάξρνπλ θσηνγξαθίεο θαη ζρέδηα ηεο θαηαζθεπήο ζε κνξθή ζρεκαηηθψλ θαη ζε κνξθή pcb

90 - 76 -

91 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 5 ΑΝΑΛΤΖ ΚΑΗ ΥΔΓΗΑΜΟ ΣΖ ΠΑΛΜΟΓΟΣΖΖ 5.1. Δηζαγσγή ηα πιαίζηα ηεο παξνχζαο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο θαηαζθεπάζηεθε ειεθηξνληθφ θχθισκα ην νπνίν πινπνηεί ην θχθισκα παικνδφηεζεο ηνπ κεηαηξνπέα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε. Γηα ηνλ ζθνπφ απηφ θαηαθχγακε ζηελ ρξήζε ελφο κηθξνεπεμεξγαζηή. Η ρξήζε ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή ζε παξφκνηεο εθαξκνγέο είλαη επξέσο δηαδεδνκέλε ζήκεξα. Παξέρεη κεγάιε αμηνπηζηία έλαληη δηαθνπηηθψλ ζνξχβσλ ιφγσ ησλ ςεθηαθψλ θπθισκάησλ ηνπ, κπνξεί λα πξνγξακκαηηζηεί, λα κεηαβάιιεη ηα κεγέζε πνπ ειέγρεη εχθνια θαη απιά, λα απηνκαηνπνηήζεη ηελ δηαδηθαζία ή λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηνλ έιεγρν δηάθνξσλ θπθισκάησλ θαη ζπλδεζκνινγηψλ. Ο πξνγξακκαηηζκφο ηνπ γίλεηαη είηε ζηε γιψζζα ρακεινχ επηπέδνπ assembly, είηε ζηε γιψζζα C. ην θεθάιαην απηφ γίλεηαη αξρηθά κηα ζχληνκε πεξηγξαθή ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή dspic30f4011 ηεο Microchip, πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, θαζψο θαη ησλ δπλαηνηήησλ ηνπ Γεληθέο έλλνηεο κηθξνεπεμεξγαζηώλ - πλνπηηθή πεξηγξαθή ηνπ MPLAB Η δηαδηθαζία αλάπηπμεο κηαο εθαξκνγήο ζε κηθξνεπεμεξγαζηή ζπρλά πεξηγξάθεηαη κε ηνλ φξν θχθινο ζάξσζεο. Γξάθεηαη ν θψδηθαο, ειέγρεηαη θαη κεηά ηξνπνπνηείηαη ψζηε λα δεκηνπξγεζεί κηα εθαξκνγή πνπ λα ιεηηνπξγεί ζσζηά. Η δηαδηθαζία απηή παξηζηάλεηαη κε κνξθή δηαγξάκκαηνο ζην ζρήκα

92 ρ Απεηθφληζε θχθινπ ζάξσζεο[11] Σν MPLAB IDE είλαη έλα ιεηηνπξγηθφ πξφγξακκα πνπ ηξέρεη ζε ππνινγηζηή κε ζθνπφ ηελ αλάπηπμε εθαξκνγψλ γηα ηνπο κηθξνειεγθηέο ηεο Microchip. Λέγεηαη θαη Οινθιεξσκέλν Πεξηβάιινλ Αλάπηπμεο (Integrated Development Environment IDE) γηαηί παξέρεη έλα απιφ νινθιεξσκέλν πεξηβάιινλ γηα ηελ αλάπηπμε θψδηθα ζε ελζσκαησκέλνπο κηθξνειεγθηέο. Σν IDE είλαη έλα πεξηβάιινλ πνπ ζπληάζζεη φια ηα εξγαιεία ππφ κηα απιή γξαθηθή δηεπαθή ρξήζηε. Όηαλ γξαθηεί κηα θνξά ν θψδηθαο ηνπ πξνγξάκκαηνο, κπνξεί κα κεηαηξαπεί ζε εθηειέζηκεο νδεγίεο θαη λα «θνξησζεί» ζε έλα κηθξνειεγθηή γηα ηνλ έιεγρν ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ. ε απηή ηε δηαδηθαζία απαηηνχληαη πνιιαπιά εξγαιεία: Έλαο editor γηα εγγξαθή θψδηθα Έλαο project manager γηα ηελ νξγάλσζε αξρείσλ θαη ξπζκίζεηο

93 Έλαο compiler ή assembler γηα ηε κεηαηξνπή ηνπ πεγαίνπ θψδηθα ζε θψδηθα κεραλήο. Κάπνηα είδε hardware ή software πνπ ή ζπλδένληαη ζε ηεξκαηηθφ κηθξνεπεμεξγαζηή ή εμνκνηψλνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπ πλνπηηθή πεξηγξαθή ηνπ dspic30f4011 Απφ ηελ ζεηξά επεμεξγαζηψλ ηεο Microchip o κηθξνεπεμεξγαζηήο dspic30f4011 είλαη έλα νινθιεξσκέλν κε 40 pins φπσο απεηθνλίδεηαη ζην επφκελν ζρήκα. ρ.5.2. Σν νινθιεξσκέλν dspic30f4011[11] ηα παξαθάησ ζρήκαηα βιέπνπκε κία πεξηγξαθή ησλ αθξνδεθηψλ ηνπ φπσο απηή δίλεηαη απφ ηνλ θαηαζθεπαζηή

94 ρ.5.3. Πεξηγξαθή ησλ αθξνδεθηψλ ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή[11]

95 ρ.5.4. Πεξηγξαθή ησλ αθξνδεθηψλ ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή (ζπλέρεηα)[11] Η θεληξηθή κνλάδα επεμεξγαζίαο ηνπ dspic30f4011 είλαη 16- bit θαη δηακνξθσκέλε ζχκθσλα κε ηελ αξρηηεθηνληθή Harvard κε βειηησκέλν παθέην εληνιψλ, πεξηιακβάλνληαο ππνζηήξημε ζε DSP ιεηηνπξγίεο. Η CPU έρεη εληνιέο ησλ 24bit κε κεηαβιεηφ κήθνο ηνπ θψδηθα ιεηηνπξγίαο. Ο απαξηζκεηήο πξνγξάκκαηνο έρεη κήθνο 24 bit θαη δηεπζπλζηνδνηεί κέρξη θαη 4Μ x 24bit κλήκεο γηα ην πξφγξακκα ρξήζηε. Έλαο ελζσκαησκέλνο κεραληζκφο πξνθφξησζεο (prefetch) πνπ εθηειείηαη ζε έλα κφλν θχθιν απμάλεη ηελ απφδνζε πξνζδίδνληαο πξνβιέςηκε εθηέιεζε. Όιεο νη εληνιέο εθηεινχληαη ζε έλα θχθιν, εθηφο απφ ηηο εληνιέο πνπ αιιάδνπλ ηε ξνή ηνπ πξνγξάκκαηνο, ηηο κεηαθηλήζεηο ιέμεσλ δηπιήο αθξίβεηαο θαη ηηο εληνιέο πηλάθσλ. Τπνζηεξίδνληαη επίζεο νη εληνιέο βξφρνπ DO θαη REPEAT πνπ κπνξνχλ λα δηαθνπνχλ ζε νπνηνδήπνηε ζεκείν ηνπ θψδηθα. Ο dspic30f4011 δηαζέηεη

96 δεθαέμη 16bit θαηαρσξεηέο εξγαζίαο (Working registers) ζην κνληέιν πξνγξακκαηηζκνχ. Κάζε έλαο απφ ηνπο θαηαρσξεηέο εξγαζίαο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ζαλ δεδνκέλν, ζαλ δηεχζπλζε ή ζαλ θαηαρσξεηήο κεηαηφπηζεο δηεχζπλζεο. Ο 16 νο θαηαρσξεηήο εξγαζίαο (W15) ιεηηνπξγεί σο έλαο δείθηεο ζηνίβαο (stack pointer) γηα δηαθνπέο θαη αλαθιήζεηο ππνξνπηηλψλ. Σν παθέην εληνιψλ ηνπ dspic30f4011 δηαζέηεη δπν είδε εληνιψλ: ηνλ ηχπν MCU εληνιψλ θαη ηνλ ηχπν DSP εληνιψλ. Απηά ηα δπν είδε εληνιψλ είλαη ελζσκαησκέλα ζηελ αξρηηεθηνληθή θαη εθηεινχληαη απφ κηα κνλάδα εθηέιεζεο. Σν παθέην εληνιψλ πεξηιακβάλεη πνιινχο ηξφπνπο δηεπζπλζηνδφηεζεο θαη είλαη ζρεδηαζκέλν γηα ηε βέιηηζηε απνηειεζκαηηθφηεηα ηνπ C compiler. Η κλήκε ηνπ επεμεξγαζηή θαη φινη νη θαηαρσξεηέο είλαη νξγαλσκέλνη ζε κήθνο ησλ 16bit. Η κλήκε δεδνκέλσλ κπνξεί λα δηεπζπλζηνδνηεζεί κε 32Κwords ή 64Kbytes θαη είλαη ρσξηζκέλε ζε δπν κπινθ πνπ αλαθέξνληαη ζαλ Υ θαη Τ κλήκε δεδνκέλσλ. Κάζε κπινθ κλήκεο έρεη ηε δηθή ηνπ αλεμάξηεηε κνλάδα παξαγσγήο κλήκεο (AGU). Οη MCU εληνιέο ιεηηνπξγνχλ απνθιεηζηηθά δηακέζνπ ηεο Υ κλήκεο AGU. Κάπνηεο DSP εληνιέο ιεηηνπξγνχλ κέζα θαη απφ ηελ Υ θαη απφ ηελ Τ κλήκε AGU γηα λα ππνζηεξίδνπλ αλαγλψζεηο δηπιψλ ηειεζηψλ πνπ ρσξίδεη ηα δεδνκέλα ηεο δηεχζπλζεο ζε δπν κέξε. Η κλήκε δεδνκέλσλ πξνζπειαχλεηαη ρξεζηκνπνηψληαο δχν κνλάδεο παξαγσγήο δηεπζχλζεσλ (AGU) θαη δηαθνξεηηθνχο δξφκνπο δεδνκέλσλ. Η κλήκε RAM κπνξεί λα ζπλδεζεί κέζσ δηαχινπ πξνγξάκκαηνο κλήκεο ζε ζπζθεπέο κε έλα εμσηεξηθφ δίαπιν θαη λα ρξεζηκνπνηείηαη ψζηε λα επεθηείλεη ηελ εζσηεξηθή RAM. Tα ραξαθηεξηζηηθά ηεο θεληξηθήο κνλάδαο επεμεξγαζίαο ηνπ dspic30f4011 είλαη: 83 βαζηθέο εληνιέο. Δληνιέο ησλ 24bit κε 16bit κνλνπάηη (path) δεδνκέλσλ. 48Kbytes ελζσκαησκέλεο Flash κλήκεο πξνγξάκκαηνο. 2Kbytes ελζσκαησκέλεο κλήκεο δενκέλσλ RAM

97 1Kbyte κλήκεο EEPROM Λεηηνπξγία ππφ 30MIPS: Έσο 40MHz εμσηεξηθφ ξνιφη 4MHz έσο 10MHz ηαιαλησηήο κε ελεξγφ PLL (4x,8x,16x) 30 πεγέο δηαθνπψλ 3 εμσηεξηθέο πεγέο δηαθνπήο επίπεδα πξνηεξαηφηεηαο γηα θάζε πεγή δηαθνπήο 4 δηαθνπέο Trap ζηνλ επεμεξγαζηή Πίλαθαο 16x16 θαηαρσξεηψλ εξγαζίαο. O ζπγθεθξηκέλνο κηθξνειεγθηήο έρεη ηε δπλαηφηεηα ηεο DSP ιεηηνπξγίαο. Σα πιενλεθηήκαηα πνπ παξέρνληαη απφ ηε ιεηηνπξγία απηή είλαη : Σαπηφρξνλε δηπιή εηζαγσγή δεδνκέλσλ ( dual data fetch) Γχν ζπζζσξεπηέο ησλ 40bit κε πξναηξεηηθή ινγηθή θνξεζκνχ. 17bit x 17bit κνλνχ θχθινπ πνιιαπιαζηαζηή αθεξαίσλ ή δεθαδηθψλ. Όιεο νη DSP εληνιέο είλαη κνλνχ θχθινπ. 16bit δεμηά ή αξηζηεξή κεηαηφπηζε (shift) κνλνχ θχθινπ

98 5.4. Σα αλαπηπμηαθά εξγαιεία ηνπ dspic30f4011 εκαληηθή βνήζεηα ζηελ αλάπηπμε εθαξκνγψλ πξνζθέξεη ην παθέην αλαπηπμηαθψλ εξγαιείσλ ηεο Microchip. Σελ πην ζεκαληηθή ζέζε ζηα αλαπηπμηαθά εξγαιεία θαηέρεη ην MPLAB Integrated Development Environment (IDE). Σν εξγαιείν απηφ ηξέρεη ζε Windows, είλαη πνιχ εχθνιν ζηε ρξήζε θαη πεξηιακβάλεη βηβιηνζήθεο κε έηνηκεο ξνπηίλεο γηα γξήγνξε αλάπηπμε εθαξκνγψλ θαη ηαρχηαηε εχξεζε ζθαικάησλ (debugging). Δπίζεο πξνζθέξεη έλα γξαθηθφ πεξηβάιινλ γηα ην ρξήζηε πνπ ελνπνηεί ηε ρξήζε ινγηζκηθψλ θαη πιηθψλ εξγαιείσλ ηεο Microchip αιιά θαη ηξίησλ θαηαζθεπαζηψλ. Σέινο, παξέρεη επθνιία ζηελ ελαιιαγή εξγαιείσλ, ζηε ρξήζε πξνζνκνησηή γηα ηνλ εθάζηνηε κηθξνεπεμεξγαζηή θαη ζηνλ πξαγκαηηθφ πξνγξακκαηηζκφ θαη εχξεζε ζθαικάησλ φια απηά κέζα απφ κία θνλζφια ιεηηνπξγηψλ. Γηα ηνλ πξνγξακκαηηζκφ αιιά θαη γηα ηελ απνζθαικάησζε είλαη δηαζέζηκν ην ICD2, ην νπνίν είλαη έλαο debugger θαη programmer πξαγκαηηθνχ ρξφλνπ θαη ρακεινχ θφζηνπο, γηα φινπο ηνπο PIC MCUs θαη dspic DSCs ην νπνίν θαη ρξεζηκνπνηήζεθε ζηελ παξνχζα εξγαζία. 5.5 Πεξηθεξεηαθέο κνλάδεο ηνπ dspic30f4011 Ο ζπγθεθξηκέλνο κηθξνεπεμεξγαζηήο δηαζέηεη επίζεο πιήζνο πεξηθεξεηαθψλ, ηα νπνία είλαη ηδηαίηεξα ρξήζηκα ζηηο δηάθνξεο εθαξκνγέο. Απηά είλαη: Φεθηαθέο ζχξεο εηζφδνπ εμφδνπ 2 ρξνληζηέο (Timers) Μνλάδα εχξεζεο θαη απνηχπσζεο ρξνληθήο ζηηγκήο ζπκβάληνο.( Input capture module.)

99 Output compare module Quadrature Encoder Interface 10bit κεηαηξνπέα απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ ζήκα. Θχξα αζχγρξνλεο επηθνηλσλίαο RS-232 UART. 3 Γελλήηξηεο PWM. Μνλάδεο ζεηξηαθήο επηθνηλσλίαο βαζηζκέλε ζηα πξσηφθνιια SPI θαη I2C. Μνλάδα CAN. Όπσο θαίλεηαη θαη απφ ην ζρήκα 5.2 ν αξηζκφο ησλ αθίδσλ ηνπ επεμεξγαζηή είλαη πεξηνξηζκέλνο γηα απηφ έρεη γίλεη πνιχπιεμε ησλ ζεκάησλ ησλ πεξηθεξεηαθψλ κεηαμχ ηνπο. Η ελεξγνπνίεζε ηεο θάζε αθίδαο γίλεηαη απφ ηνλ θψδηθα κέζσ νξηζκέλσλ θαηαρσξεηψλ εηδηθήο ιεηηνπξγίαο (SFR). Ο κηθξνειεγθηήο δηαζέηεη πέληε ςεθηαθέο ζχξεο εηζφδνπ-εμφδνπ ζπγθεθξηκέλνπ αξηζκνχ αθίδσλ. Όπνηα αθίδα δελ ρξεζηκνπνηείηαη απφ θάπνην άιιν πεξηθεξεηαθφ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί σο ζχξα εηζφζνπ ή εμφδνπ. Παξαθάησ πεξηγξάθνληαη θάπνηα απφ ηα ζπνπδαηφηεξα πεξηθεξεηαθά πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ζηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία Θύξεο Δηζόδνπ/ Δμόδνπ Όηαλ έλα πεξηθεξεηαθφ είλαη ελεξγνπνηεκέλν θαη νδεγεί ηνλ αληίζηνηρν αθξνδέθηε, ε ρξήζε απηνχ σο αθξνδέθηε γεληθνχ ζθνπνχ απελεξγνπνηείηαη. Ο

100 αθξνδέθηεο απηφο κπνξεί ηφηε λα αλαγλσζζεί, αιιά ν ειεγθηήο εμφδνπ ζα απελεξγνπνηεζεί. Αλ ην πεξηθεξεηαθφ είλαη ελεξγνπνηεκέλν, αιιά δελ νδεγεί ηνλ αληίζηνηρν αθξνδέθηε, ηφηε απηφο ν αθξνδέθηεο κπνξεί λα νδεγεζεί απφ κηα ζχξα. Όινη νη αθξνδέθηεο έρνπλ ηξεηο θαηαρσξεηέο ακέζσο ζπζρεηηδφκελνπο κε ηε ιεηηνπξγία ηνπο. Ο θαηαρσξεηήο θαηεχζπλζεο δεδνκέλσλ (TRISx) θαζνξίδεη αλ ε ζχξα είλαη εηζφδνπ ή εμφδνπ. Αλ ην bit θαηεχζπλζεο δεδνκέλσλ είλαη ινγηθφ 1 ηφηε ν αθξνδέθηεο είλαη είζνδνο. Όινη νη αθξνδέθηεο ζπξψλ θαζνξίδνληαη σο είζνδνη κεηά απφ κηα επαλεθθίλεζε. Οη αλαγλψζεηο απφ ην καλδαισηή, δηαβάδνπλ ηνλ θαηαρσξεηή (LATx). Δγγξαθέο ζην καλδαισηή, εγγξάθνπλ ζηνλ θαηαρσξεηή (LATx). Αλαγλψζεηο απφ ην θαηαρσξεηή (PORTx) δηαβάδνπλ ηνπο αθξνδέθηεο, θαη εγγξαθέο ζηνπο αθξνδέθηεο, εγγξάθνπλ ηνλ θαηαρσξεηή (LATx). Οπνηνδήπνηε ςεθίν θαη ηα αληίζηνηρα δεδνκέλα ηνπ θαη θαηαρσξεηέο ηνπ, δελ είλαη έγθπξα γηα κηα ζπγθεθξηκέλε ζπζθεπή ζα απελεξγνπνηεζνχλ. Απηφ ζεκαίλεη φηη ν αληίζηνηρνη θαηαρσξεηέο LATx θαη TRISx θαη ν αθξνδέθηεο ζα αλαγλσζζνχλ σο κεδέλ. Όηαλ έλαο αθξνδέθηεο κνηξάδεηαη κε κηα άιιε ζπζθεπή ή ιεηηνπξγία πνπ έρεη νξηζζεί κφλνλ σο είζνδνο, ηφηε απηφο ζεσξείηαη σο απνθιεηζηηθή ζχξα, επεηδή δελ ππάξρεη άιιε αληαγσληζηηθή πεγή εμφδσλ. Ο θαηαρσξεηήο TRISx ειέγρεη ηε δηεχζπλζε ησλ αθξνδεθηψλ. Ο θαηαρσξεηήο LATx παξέρεη ηα δεδνκέλα ζηηο εμφδνπο θαη έρεη ηε δπλαηφηεηα εγγξαθήο/αλάγλσζεο. Η αλάγλσζε ηνπ θαηαρσξεηή PORTx δηεγείξεη ηελ θαηάζηαζε ησλ αθξνδεθηψλ εηζφδνπ, ελψ ε εγγξαθή ηνπ θαηαρσξεηή απηνχ ηξνπνπνηεί ηα πεξηερφκελα ηνπ θαηαρσξεηή LATx. Μηα παξάιιειε ζχξα πνπ κνηξάδεηαη έλαλ αθξνδέθηε κε έλα πεξηθεξεηαθφ είλαη γεληθά ππάθνπε ζην πεξηθεξεηαθφ. Σα δεδνκέλα ηνπ απνκνλσηή εμφδνπ ηνπ πεξηθεξεηαθνχ θαη ηα ζήκαηα ειέγρνπ νδεγνχληαη ζε έλα δεπγάξη πνιππιεθηψλ. Οη πνιππιέθηεο απηνί επηιέγνπλ ην αλ ην πεξηθεξεηαθφ ή ε αληίζηνηρε ζχξα έρεη θπξηφηεηα ησλ δεδνκέλσλ εμφδνπ θαη ησλ ζεκάησλ ειέγρνπ ηνπ. Η ρξήζε ησλ θαηαρσξεηψλ ADPCFG θαη TRIS ειέγρεη ηε ιεηηνπξγία ησλ αθξνδεθηψλ δεηγκαηνιεςίαο. Οη αθξνδέθηεο ζπξψλ πνπ επηζπκνχκε λα είλαη αλαινγηθέο είζνδνη πξέπεη λα έρνπλ ην αληίζηνηρν ςεθίν ελεξγνπνηεκέλν(ινγηθφ1)

101 Όηαλ δηαβάδεηαη ν θαηαρσξεηήο PORT, φινη νη αθξνδέθηεο πνπ έρνπλ θαζνξηζζεί σο αλαινγηθέο είζνδνη ζα δηαβάδνληαη σο 0 (ρακειφ θαηψθιη). Αθξνδέθηεο επηιεγκέλνη σο ςεθηαθέο είζνδνη δε ζα κεηαηξέπνπλ έλα αλαινγηθφ ζήκα. Αλαινγηθά επίπεδα ζε νπνηνδήπνηε αθξνδέθηε πνπ έρεη θαζνξηζζεί σο ςεθηαθή είζνδνο (ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ θαη ησλ αθξνδεθηψλ ΑΝx) κπνξεί λα νδεγήζνπλ ηνλ απνκνλσηή λα θαηαλαιψζεη ξεχκα πέξαλ ησλ πξνδηαγξαθψλ ηεο ζπζθεπήο. Έλαο θχθινο κηαο εληνιήο απαηηείηαη κεηαμχ ηεο αιιαγήο ηεο θαηεχζπλζεο ηεο ζχξαο ή ηεο ιεηηνπξγίαο εγγξαθήο ηεο θαη ηεο αλάγλσζεο ηεο. Σππηθά κηα ηέηνηα εληνιή είλαη έλα NOP. Η θεληξηή κνλάδα επεμεξγαζίαο ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή έρεη κλήκε πξνγξάκκαηνο γηα ην firmware ή θσδηθνπνηεκέλεο εληνιέο γηα λα ηξέμεη έλα πξφγξακκα. Δπίζεο έρεη κλήκε θαηαρσξεηψλ γηα απνζήθεπζε κεηαβιεηψλ ηηο νπνίεο ρξεηάδεηαη ην πξφγξακκα γηα ππνινγηζκνχο ή γηα πξνζσξηλή απνζήθεπζε. Έρεη αθφκε έλαλ αξηζκφ πεξηθεξεηαθψλ θπθισκάησλ ζην ίδην νινθιεξσκέλν θχθισκα. Μεξηθέο πεξηθεξεηαθέο ζπζθεπέο απνθαινχληαη ζχξεο εηζφδνπ/ εμφδνπ. Απηέο νη ζχξεο είλαη αθξνδέθηεο ζηνλ κηθξνειεγθηή πνπ κπνξνχλ λα νδεγεζνχλ ζε ςειφ ή ρακειφ δπλακηθφ, λα αλαβνζβήλνπλ, λα ζηέιλνπλ ζήκαηα θαη ελ γέλεη φηη κπνξεί λα νδεγεζεί κέζα απφ θαιψδην. πρλά απηνί νη αθξνδέθηεο είλαη δηθαηεπζπληήξηνη θαη κπνξνχλ αθφκε λα ξπζκηζηνχλ σο είζνδνη, επηηξέπνληαο ζην πξφγξακκα λα απαληά ζε έλα εμσηεξηθφ δηαθφπηε, αηζζεηήξα ή λα επηθνηλσλεί κε κεξηθέο εμσηεξηθέο ζπζθεπέο. Γηα λα ζρεδηαζηεί έλα ηέηνην ζχζηεκα είλαη απαξαίηεην λα απνθαζηζηεί πνηα πεξηθεξεηαθά ρξεηάδεηαη κηα εθαξκνγή. Οη κεηαηξνπείο αλαινγηθνχ ζήκαηνο ζε ςεθηαθνχ επηηξέπνπλ ζε κηθξνειεγθηέο λα ζπλδένληαη κε αηζζεηήξεο θαη λα δηαβάδνπλ θπκαηλφκελα επίπεδα ηάζεο. Σα πεξηθεξεηαθά ζεηξηαθήο επηθνηλσλίαο επηηξέπνπλ ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ κέζσ κεξηθψλ θαισδίσλ ζε έλα άιινλ κηθξνειεγθηή, ζε έλα ηνπηθφ δίθηπν ή ζην ίληεξλεη. Σα πεξηθεξεηαθά ζηελ MCU πνπ θαινχληαη ρξνληζηέο κεηξνχλ κε αθξίβεηα ζήκαηα θαη δεκηνπξγνχλ θαη ζπιιακβάλνπλ ζήκαηα επηθνηλσλίαο, παξάγνπλ επαθξηβείο θπκαηνκνξθέο, ελψ δχλαληαη αθφκε θαη λα επαλεθθηλήζνπλ ηνλ κηθξνειεγθηή αλ απηφο δηαθφςεη ηελ επηθνηλσλία εμαηηίαο κηαο δηαηαξαρήο ξεχκαηνο ή θπθισκαηηθήο δπζιεηηνπξγίαο. Άιια πεξηθεξεηαθά κπνξνχλ λα αλαγλσξίδνπλ αλ ε εμσηεξηθή παξνρή πέθηεη θάησ απφ επηθίλδπλα επίπεδα έηζη

102 ψζηε ν κηθξνειεγθηήο λα απνζεθεχζεη θξίζηκεο πιεξνθνξίεο θαη κε αζθάιεηα λα ηεξκαηίζεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ πξηλ θνπεί ηειείσο ε παξνρή ελέξγεηαο Μεηαηξνπείο ζήκαηνο από αλαινγηθό ζε ςεθηαθό Η κνλάδα κεηαηξνπήο απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ ζήκα δηαζέηεη 9 θαλάιηα εηζφδνπ. Σα 9 απηά θαλάιηα ζπλδένληαη ζε 4 κνλάδεο δεηγκαηνιεςίαο θαη απνζήθεπζεο (S/H). Η δεηγκαηνιεςία ησλ ζεκάησλ κπνξεί λα είλαη ζεηξηαθή ή παξάιιειε ελψ ε κεηαηξνπή ζε ςεθηαθφ ζήκα είλαη ζεηξηαθή. Ο κέγηζηνο δπλαηφο ξπζκφο δεηγκαηνιεςίαο κπνξεί λα θηάζεη ην 1Msps γηα δεηγκαηνιεςία ελφο κφλν θαλαιηνχ ρξεζηκνπνηψληαο δχν S/H γηα ην ίδην ζήκα. Αλ ηα ππφ δεηγκαηνιεςία ζήκαηα είλαη πεξηζζφηεξα ν ξπζκφο δεηγκαηνιεςίαο κεηψλεηαη αλάινγα. Η ADC κνλάδα κεηαηξέπεη νπνηνδήπνηε αλαινγηθφ ζήκα απφ 0-5V ζε ςεθηαθφ εχξνπο 10bit

103 ρ.5.5. Μνλάδα κεηαηξνπήο ζήκαηνο απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ[11] Η αξρηθνπνίεζε θαη ν πξνγξακκαηηζκφο ηεο κνλάδαο κεηαηξνπήο ζήκαηνο απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ γίλεηαη κέζσ ησλ θαηαρσξεηψλ εηδηθνχ ζθνπνχ: ADCON1: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ιεηηνπξγίαο. ADCON2: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ιεηηνπξγίαο. ADCON3: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ιεηηνπξγίαο

104 ADCHS: πλδέεη ηηο επηζπκεηέο εηζφδνπο ζηα θαλάιηα δεηγκαηνιεςίαο θαη απνζήθεπζεο (S/H). ADPCFG: Δπηιέγεη αλ νη αθίδεο ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζαλ αλαινγηθέο είζνδνη ή ζαλ ςεθηαθέο είζνδνη/έμνδνη γεληθνχ ζθνπνχ. ADCSSL: Δπηιέγεη ζε πνηεο εηζφδνπο ζα γίλεη αθνινπζηαθή δεηγκαηνιεςία. Μέζσ ησλ παξαπάλσ θαηαρσξεηψλ κπνξεί λα γίλεη δηαθνξηθή κέηξεζε α) κεηαμχ ζεκάησλ, β) κεηαμχ ζεκάησλ θαη γήο θαη γ) κεηαμχ ζήκαηνο θαη κίαο αθίδαο αλαθνξάο. Η A/D κνλάδα έρεη έλα κέγηζην ξπζκφ πξαγκαηνπνίεζεο κεηαηξνπψλ. Έλα εηδηθφ ξνιφη ΣAD ειέγρεη ηνλ ρξνληζκφ ησλ κεηαηξνπψλ. Η θάζε κεηαηξνπή απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ απαηηεί 12 θχθινπο ηνπ εηδηθνχ ξνινγηνχ 12 ΣAD. Ο ρξφλνο ΣAD επηιέγεηαη απφ ην πξφγξακκα κέζσ ελφο 6-bit κεηξεηή. Τπάξρνπλ 64 πηζαλέο επηινγέο γηα ηνλ ρξφλν ΣAD, νη νπνίεο πξνζδηνξίδνληαη απφ ηα ADCS<5:0> θαη ADCON3<5:0>. Με ηελ εμίζσζε 4.1 ππνινγίδεηαη ν ρξφλνο ΣAD σο ζπλάξηεζε ηνπ ADCS θαη ηεο πεξηφδνπ ηνπ ξνινγηνχ ηνπ επεμεξγαζηή TCY. Δμίζσζε 5.1: Πεξίνδνο ξνινγηνχ γηα ηελ κεηαηξνπή ζήκαηνο απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ[11] Θύξα PWM Ο κηθξνεπεμεξγαζηήο dspic30f4011 ηεο Microchip δηαζέηεη 3 γελλήηξηεο PWM. Με ηηο νπνίεο κπνξνχκε λα παξάγνπκε πνιιαπινχο ζπγρξνληζκέλνπο παικνχο εμφδνπ δηακνξθσκέλνπο θαηά πιάηνο. Οη ηξεηο απηέο γελλήηξηεο παξάγνπλ δχν ζήκαηα ε θάζε κία, ην ζήκα High θαη ην ζήκα Low ηα νπνία είλαη ζπκπιεξσκαηηθά

105 Δπηπιένλ ε κνλάδα PWM έρεη ηε δπλαηφηεηα εηζαγσγήο λεθξνχ ρξφλνπ θαζψο θαη ηε δπλαηφηεηα γηα έιεγρν κέζσ ξάκπαο ή ηξηγσληθήο θπκαηνκνξθήο. Η αλάιπζε θηάλεη ηα 16bit ελψ επηηξέπνληαη νπνηαδήπνηε ρξνληθή ζηηγκή νη αιιαγέο ζην ιφγν θαηάηκεζεο. ρ.5.6. ρεκαηηθφ δηάγξακκα ηεο κνλάδαο PWM[11]

106 Ο έιεγρνο ηνπ πεξηθεξεηαθνχ παξαγσγήο παικψλ PWM γίλεηαη κέζσ 5 θαηαρσξεηψλ εηδηθήο ιεηηνπξγίαο, πνπ είλαη: PTCON: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ρξνληζκνχ. PTMR: Καηαρσξεηήο ρξνληζκνχ. PTPER: Καηαρσξεηήο ξχζκηζεο πεξηφδνπ. PWMCON1: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ηεο PWM. PWMCON2: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ηεο PWM. DTCON1: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ λεθξνχ ρξφλνπ. DTCON2: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ λεθξνχ ρξφλνπ. PDC1: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο ηεο 1 εο PWM. PDC2: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο ηεο 2 εο PWM. PDC3: Καηαρσξεηήο ειέγρνπ ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο ηεο 3 εο PWM. ηελ νπζία νη παικνί PWM παξάγνληαη κεηά απφ ηε ζχγθξηζε ηνπ κεηξεηή PTMR κε ηνλ θαηαρσξεηή PDCx. Όηαλ νη δχν απηνί θαηαρσξεηέο είλαη ίζνη παξάγεηαη παικφο ζηελ έμνδν κέρξη ν κεηξεηήο PTMR λα γίλεη ίζνο κε ηνλ θαηαρσξεηή ειέγρνπ ηεο πεξηφδνπ PTPER

107 Η ρξνληθή βάζε ηνπ PWM παξέρεηαη απφ έλαλ ρξνληζηή ησλ 15-bit καδί κε έλαλ prescaler θαη postscaler. Η ρξνληθή βάζε ηεο PWM είλαη πξνζπειάζηκε κέζσ ηνπ PTMR. Ο θαηαρσξεηήο PTPER ζέηεη ηελ πεξίνδν κέηξεζεο ηνπ PTMR. Ο ρξήζηεο πξέπεη λα ηνπνζεηήζεη κία 15-bit ηηκή ζηνλ PTPER<14:0>. Όηαλ ε ηηκή ηνπ PTMR<14:0> γίλεη ίζε κε ηνλ PTPER<14:0>, ηφηε ε ρξνληθή βάζε αξρηθνπνηείηαη ζην 0 θαη αξρίδεη λα κεηξάεη πξνο ηελ αληίζεηε θαηεχζπλζε. Όζνλ αθνξά ζην πνηα δξάζε ζα ιεθζεί θαζνξίδεηαη απφ ηνλ επηιεγκέλν ηξφπν ιεηηνπξγίαο. Τπάξρνπλ 4 δηαθνξεηηθνί ηξφπνη ιεηηνπξγίαο νη νπνίνη επηιέγνληαη απφ ηα PTMOD<1:0> ηνπ θαηαρσξεηή PTCON θαη είλαη νη εμήο: Free-running mode: Γεκηνπξγία PWM κέζσ ξάκπαο. Single-Shot mode: Παξαγσγή ελφο κφλν παικνχ. Continuous Up/Down mode: Γεκηνπξγία PWM κέζσ ηξηγψλνπ. Continuous Up/Down mode with interrupts for double updates: Γεκηνπξγία PWM κέζσ ηξηγψλνπ θαη επηηξέπεηαη ε αιιαγή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο 2 θνξέο κέζα ζε κία πεξίνδν. ηελ ιεηηνπξγία Continuous Up/Down mode πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ παξαγσγή ησλ παικψλ ζε απηή ηε δηπισκαηηθή εξγαζία, ε ηηκή ηνπ ρξνληζηή απμάλεηαη ζε θάζε πεξίνδν ηνπ ξνινγηνχ (ΣCY) κέρξη λα γίλεη ίζε κε ηελ ηηκή ηνπ θαηαρσξεηή PTPER, ελψ έπεηηα κεηψλεηαη κέρξη λα μαλαγίλεη κεδέλ. Γειαδή επηιέγνληαο ηελ ηηκή ηνπ θαηαρσξεηή PTPER ξπζκίδνπκε ηελ πεξίνδν ηνπ PTMR (ζρήκα 5.7), ε νπνία είλαη θαη ε πεξίνδνο ησλ παικψλ πνπ ζα πξνθχςνπλ. Σειηθά ε ηηκή ηνπ θαηαρσξεηή PTPER είλαη απηή πνπ ζα θαζνξίζεη ηελ δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ηνπ αληηζηξνθέα

108 ρ.5.7. Γεκηνπξγία PWM κέζσ ηξηγψλνπ[11] Γηα ηελ εχξεζε ηνπ PTPER (αθέξαηνο) ρξεζηκνπνηείηαη ε εμίζσζε 5.2. Σν ΣCY είλαη ε πεξίνδνο ηνπ ξνινγηνχ ηνπ επεμεξγαζηή ελψ PTMR Prescale value είλαη ν πνιιαπιαζηαζηήο ηνπ ρξνληζηή ηεο PWM. Οη ηηκέο ηνπ prescaler κπνξεί λα είλαη (1:1, 1:4, 1:16 ή 1:64). Δμίζσζε 5.2: Τπνινγηζκφο ρξνληθήο πεξηφδνπ ηεο PWM[11] Η εηζαγσγή λεθξνχ ρξφλνπ ζηελ PWM πξαγκαηνπνηείηαη έπεηηα απφ ηελ δεκηνπξγία ησλ PWM παικψλ. Όπσο αλαθέξζεθε θαη παξαπάλσ, δχν είλαη νη θαηαρσξεηέο ειέγρνπ ηνπ λεθξνχ ρξφλνπ, νη DTCON1 θαη DTCON2. ην ζρήκα 5.8 παξνπζηάδεηαη ε έμνδνο ηνπ κηθξνειεγθηή κεηά ηελ εηζαγσγή λεθξνχ ρξφλνπ

109 ρ.5.8. Δηζαγσγή λεθξνχ ρξφλνπ ζηνπο παικνχο PWM[11] Ο λεθξφο ρξφλνο εηζάγεηαη ζην πξφγξακκα απφ ηνλ ρξήζηε κέζσ ελφο 6- bit θαηαρσξεηή. Μπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ 2 δηαθνξεηηθνί ρξφλνη εηζάγνληαο ηελ θαηάιιειε ηηκή ζηα DTCON1<13:8> ή DTCON1<5:0>. Γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηνπ λεθξνχ ρξφλνπ ρξεζηκνπνηείηαη ε εμίζσζε 5.3. Η ηηκή prescale είλαη έλαο πνιιαπιαζηαζηήο ηεο ρξνληθήο πεξηφδνπ ηνπ επεμεξγαζηή. Οπνηνζδήπνηε απφ ηνπο παξαπάλσ ρξφλνπο κπνξεί λα εηζαρζεί είηε ζην low είηε ζην high. Απηφ επηηπγράλεηαη κε ηελ θαηάιιειε ξχζκηζε ηνπ θαηαρσξεηή DTCON2. Δμίζσζε5.3: Τπνινγηζκφο λεθξνχ ρξφλνπ[11]

110 Γίαπινο CAN Όπσο αλαθέξζεθε θαη πξνεγνπκέλσο νη κηθξνεπεμεξγαζηέο ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ πινπνίεζε ελφο αιγφξηζκνπ. Μεηά ηελ εθηέιεζε ηνπ αιγνξίζκνπ πξνθχπηνπλ νη ηηκέο γηα ηηο εμφδνπο. Η βέιηηζηε επηινγή γηα ηε κεηάδνζε ησλ δεδνκέλσλ εμφδνπ απφ έλαλ κηθξνεπεμεξγαζηή κέζα ζε έλα πεξηβάιινλ ζνξχβσλ, πνπ κπνξεί λα αιινηψζνπλ ηηο ηηκέο ησλ εμφδσλ, είλαη έλα δίθηπν CAN(Controlled Area Network). ρ.5.9. Γίθηπν CAN[11] Ο κηθξνεπεμεξγαζηήο dspic30f4011 ηεο Microchip δηαζέηεη κία κνλάδα CAN, ε νπνία είλαη ζηελ νπζία κηα ζεηξηαθή δηεπαθή κε ζθνπφ ηελ επηθνηλσλία κε άιια πεξηθεξεηαθά ή άιινπο κηθξνεπεμεξγαζηέο. Γηα ηελ δηαζχλδεζε ηεο κνλάδαο CAN ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή κε ην θπζηθφ δίαπιν επηθνηλσλίαο ρξεζηκνπνηείηαη ην νινθιεξσκέλν MCP2551. Σν νινθιεξσκέλν απηφ παξέρεη ηε δπλαηφηεηα δηαθνξηθήο εθπνκπήο θαη ιήςεο ζηε κνλάδα CAN ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή θαη είλαη πιήξσο ζπκβαηφ κε ηελ ηππνπνίεζε ISO Πξέπεη αθφκε λα αλαθεξζεί φηη ιεηηνπξγεί ζε ηαρχηεηεο έσο 1Mb/s. Σππηθά θάζε θφκβνο ελφο δηθηχνπ CAN πξέπεη λα έρεη κία ζπζθεπή, ε νπνία ζα κεηαηξέπεη ηα ςεθηαθά ζήκαηα πνπ παξάγνληαη απφ ηε κνλάδα CAN ηνπ κηθξνεπεμεξγαζηή ζε ζήκαηα

111 θαηάιιεια γηα ηε κεηάδνζε δηακέζνπ ηνπ θπζηθνχ δίαπινπ επηθνηλσλίαο, δειαδή ηεο θαισδίσζεο Σν δηάγξακκα ξνήο ηoπ πιήξνπο θώδηθα ηελ ελφηεηα απηή παξνπζηάδεηαη ην δηάγξακκα ξνήο ηνπ πιήξνπο θψδηθα. ρ.5.10 Γηάγξακκα ξνήο ηνπ θψδηθα αλνηθηνχ βξφγρν

112 - 98 -

113 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 6 ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΖΜΑΣΑ ΜΔΣΡΖΔΗ 6.1. Δηζαγσγή ην θεθάιαην απηφ παξαζέηνπκε ηα παικνγξαθήκαηα πνπ πξνέθπςαλ απφ κεηξήζεηο ζην θχθισκα ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα θαη ζηα ηπιίγκαηα ηνπ θηλεηήξα DC Brushless θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ. ηα παικνγξαθήκαηα απηά απεηθνλίδνληαη νη ηάζεηο πχιεο πεγήο θαη ζπιιέθηε - πεγήο ηνπ IGBT νη πνιηθέο ηάζεηο ηνπ ηξηθαζηθνχ αληηζηξνθέα θαη ηα ξεχκαηα ησλ ηπιηγκάησλ ηνπ θηλεηήξα Παικνγξαθήκαηα πύιεο πεγήο θαη ζπιιέθηε - πεγήο ηελ ελφηεηα απηή παξνπζηάδνληαη ηα παικνγξαθήκαηα πχιεο πεγήο θαη ζπιιέθηε πεγήο ησλ IGBT ηνπ ηξίηνπ θιάδνπ ηνπ αληηζηξνθέα. Σα παικνγξαθήκαηα απηά ειήθζεζαλ γηα ζπλερή ηάζε εηζφδνπ ζηνλ αληηζηξνθέα γηα 105V ξπζκίδνληαο ην ιφγν θαηάηκεζεο ηεο PWM ζην 25% θαη ζην 17.5%

114 ρ.6.1 G-S ζην low γηα duty cycle 25% ρ.6.2 G-S ζην high γηα duty cycle 25%

115 ρ. 6.3 D-S ζην low γηα duty cycle 25% ρ. 6.4 D-S ζην high γηα duty cycle 25%

116 ρ.6.5 G-S ζην low γηα duty cycle 25% ρ.6.6 G-S ζην high γηα duty cycle 25%

117 ρ.6.7 D-S ζην low γηα duty cycle 17.5% ρ.6.5 D-S ζην high γηα duty cycle 17.5% ηα παικνγξαθήκαηα πχιεο πεγήο κπνξνχκε λα δνχκε μεθάζαξα φηη ε παικνδφηεζε ησλ ζηνηρείσλ γίλεηαη φπσο πεξηγξάςακε ζηελ παξάγξαθν 3.4. Σν θάησ ζηνηρείν ηνπ θάζε θιάδνπ ηνπ αληηζηξνθέα δέρεηαη ζηαζεξφ παικφ έλαπζεο δηάξθεηαο 120 ειεθηξηθψλ κνηξψλ ελψ ε αγσγή ησλ επάλσ ζηνηρείσλ ξπζκίδεηαη κε PWM

118 ηα παικνγξαθήκαηα ζπιιέθηε - πεγήο ησλ ζηνηρείσλ κπνξνχκε λα δηαθξίλνπκε ηα ρξνληθά δηαζηήκαηα ηεο έλαπζεο θαη ηεο ζβέζεο ησλ ζηνηρείσλ (ηα νπνία δηαξθνχλ θαηά ην αλακελφκελν) θαζψο θαη ην ρξνληθφ δηάζηεκα ηεο κεηάβαζεο απφ αγσγή ζε απνθνπή θαη αληίζηξνθα Ρεύκαηα θαη ηάζεηο θηλεηήξα. Παξαθάησ ζα δνχκε ηηο πνιηθέο ηάζεηο θαη ηα ξεχκαηα ζηα ηπιίγκαηα ηνπ θηλεηήξα θαη ηηο ηάζεηο θαη ηα ξεχκαηα εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πνπ απηά αληηζηνηρνχλ. ρ. 6.9 Σάζε θαη ξεχκα ζηελ είζνδν ηνπ αληηζηξνθέα

119 ρ.6.10 Ρεχκα ηπιίγκαηνο U γηα ηελ είζνδν ηνπ ζρ. 6.9 ρ.6.11 πνιηθή ηάζε

120 ρ.6.12 Σάζε θαη ξεχκα εηζφδνπ αληηζηξνθέα ρ Ρεχκα ηπιίγκαηνο U γηα ηελ είζνδν ηνπ ζρ

121 ρ.6.14 πνιηθή ηάζε Όπσο παξαηεξνχκε ηα ξέπκαηα θαη νη ηάζεηο ηνπ θηλεηήξα δελ ερνπλ ηξαπεδνεηδή κνξθή φπσο ζα ήηαλ θαη ην αλακελφκελν. Η αηηία είλαη φηη δελ ππήξρε δηαζέζηκνο θηλεηήξαο Brushless DC ζην εξγαζηήξην ην ρξνληθφ δηάζηεκα ιήςεο ησλ κεηξήζεσλ θαζψο ε παξαγθειία θαζπζηέξεζε πεξηζζφηεξν απφ ην αλακελφκελν. Έηζη νη κεηξήζεηο ιήθζεθαλ ζε ζχγρξνλν θηλεηήξα κφληκνπ καγλήηε εκηηνλνεηδνχο ηξνθνδνζίαο πνπ έρεη γεληθά παξφκνηα ζπκπεξηθνξά κε ηνλ Brushless DC

122

123 ΒΗΒΛΗΟΓΡΑΦΗΑ [1] T.J.E.Miller, Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives, Oxford science publications, 1989 [2] Mohan,Undeland, Robbins Ηλεκτρονικά Ιςχφοσ Εκδόςεισ Τηιόλα Θεςςαλονίκθ 1996 [3] Χ. Μαδεμλθσ, Σερβοκινθτιρια Συςτιματα Εκδόςεισ Τηιόλα [4] P. Moreton, Industrial Brushless Servomotors Newnes Power Engineering Series [5] Α.Ν.Σαφάκασ, Ηλεκτρικζσ Μθχανζσ Α, Πανεπιςτιμιο Πατρών [6] Α.Ν.Σαφάκασ, Ηλεκτρικζσ Μθχανζσ Β, Πανεπιςτιμιο Πατρών [7] Ε.Κ. Τατάκθσ, Ηλεκτρονικά Στοιχεία Ιςχφοσ και Βιομθχανικζσ Εφαρμογζσ Πάτρα 2003 [8] Ε.Κ. Τατάκθσ, Σθμειώςεισ Εργαςτθρίου Ηλεκτρονικών Ιςχφοσ ΙΙ, Πάτρα 2009 [9] Α.Ν Σαφάκασ, Ηλεκτρονικά Ιςχφοσ Εκδόςεισ Πανεπιςτθμίου Πατρών 2006 [10] Α.Σαφάκασ, Ε. Μθτρονίκασ, Κινθτιρεσ Μικρισ Ιςχφοσ, Δομι και Λειτουργία, Σθμειώςεισ Μεταπτυχιακοφ Μακιματοσ, Πάτρα 2005 [11] dspic30f4011/4012 Data Sheet, Microchip [12] AN885, Brushless DC Motor Fundamentals, Microchip [13] AN957, Sensored BLDC motor control Using dspic30f4011, Microchip [14] Εμμανουιλ Κ. Τατάκθσ, Αντιςτροφείσ τάςθσ και μζκοδοι ελζγχου, Πανεπιςτιμιο Πατρών, 2006 [15] Microchip, dspic30f4011, Section 17, 10-bit A/D Converter [16] Microchip, dspic30f4011, Section 15, Motor Control PWM [17] T.Kenjo, Permanent Magnet and Brushless DC Motors, Oxford, 1985 [18] Γ.Σ. Περαντηάκθσ, Ανάλυςθ και Σχεδίαςθ μιασ Νζασ Τοπολογίασ Υβριδικοφ Αντιςτροφζα Πολλαπλών Επιπζδων με Πθγι Τάςθσ Διδακτορικι Διατριβι, ΕΜΠ Ακινα,

124

125 ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ Α ΦΧΣΟΓΡΑΦΗΔ ΚΑΗ ΥΔΓΗΑ ΣΖ ΚΑΣΑΚΔΤΖ

126

127

128

129