ΜΕΛΕΤΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΥΝΙΣΤΩΣΩΝ ΣΤΗΝ ΕΞΟΔΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 1 ΜΕΛΕΤΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΥΝΙΣΤΩΣΩΝ ΣΤΗΝ ΕΞΟΔΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Θ. ΚΑΡΑΚΑΤΣΑΝΗΣ 1 ΚΑΙ Ν. ΗΛΙΟΠΟΥΛΟΣ 2 Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης 1 Δρ Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π., Επίκουρος Καθηγητής Δ.Π.Θ. smara@otenet.gr, 2 Διπλ. Μηχανικός Παραγωγής & Διοίκησης Δ.Π.Θ. Υπ. Διδάκτ. nikolaos1984@yahoo.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια, λόγω της ευρείας ανάπτυξης και διείσδυσης των ηλεκτρονικών διατάξεων οδήγησης κινητήρων σε ποικίλες εφαρμογές, τα δίκτυα του βιομηχανικού, κυρίως, αλλά και του αστικού περιβάλλοντος επιβαρύνονται συνεχώς με αυξανόμενα ποσοστά αρμονικού περιεχομένου. Ο έλεγχος και η θέσπιση νέων προτύπων για τον περιορισμό των αρμονικών είναι αντικείμενο σύγχρονης έρευνας. Στο άρθρο αυτό παρουσιάζεται μια μελέτη των αρμονικών συνιστωσών, που παράγονται από ηλεκτρονικές διατάξεις ρύθμισης στροφών επαγωγικού κινητήρα, καθώς και από αντίστοιχες διατάξεις σταθεροποίησης συχνότητας, που εφαρμόζονται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά και χρησιμοποιούν μετατροπείς συχνότητας τεχνολογίας διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Η μελέτη αυτή πραγματοποιείται με την υλοποίηση μιας πλήρους εργαστηριακής διάταξης που περιλαμβάνει ολοκληρωμένο σύστημα ρύθμισης στροφών, μέσω μετατροπέα συχνότητας, σε τριφασικό επαγωγικό κινητήρα, ο οποίος παρέχει κίνηση σε μια τριφασική γεννήτρια, η μεταβλητή έξοδος της οποίας σταθεροποιείται μέσω άλλου μετατροπέα συχνότητας, έτσι ώστε να τροφοδοτεί με σταθερή

2 2 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ συχνότητα κάποιο ηλεκτρικό φορτίο. Εξετάζεται η περιεκτικότητα της εξόδου των μετατροπέων συχνότητας σε αρμονικές συνιστώσες και καταγράφεται, τόσο η ημιτονοειδής παραμόρφωση του κύματος στο πεδίο του χρόνου με παλμογράφο, όσο και στο πεδίο της συχνότητας, μέσω θεωρητικής ανάλυσης Fourier και με χρήση φασματικού αναλυτή ενέργειας. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε συγκεκριμένα σημεία της διάταξης και για διαφορετικές συχνότητες λειτουργίας. Σκοπός αυτής της εφαρμογής είναι η μελέτη της μορφής και η μέτρηση εργαστηριακά της ποιότητας της τάσης και του ρεύματος τροφοδοσίας ενός φορτίου, μέσω μετατροπέων συχνότητας, καθώς και ο έλεγχος της πλήρους συμμόρφωσης των ηλεκτρονικών διατάξεων, σύμφωνα με τα διεθνή σχετικά πρότυπα. Από τη μελέτη αυτή προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με το μέγεθος του προβλήματος των αρμονικών, την αντιμετώπισή τους και την αξιολόγηση των τεχνικών προδιαγραφών των μετατροπέων συχνότητας. Λέξεις Κλειδιά: Αρμονικές Συνιστώσες, Μετατροπέας Συχνότητας, Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM), Ηλεκτρονικά Ισχύος, Συντελεστής Ολικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (THD). ΣΥΜΒΟΛΑ ΚΑΙ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ Αr Αc Fr Fc Tc Tr ΜΑ=Αr/Ac Πλάτος κυματομορφής του σήματος ελέγχου. Πλάτος κυματομορφής του σήματος αναφοράς. Συχνότητα κυματομορφής του σήματος ελέγχου (Hz). Συχνότητα κυματομορφής του σήματος αναφοράς (Hz). Περίοδος κυματομορφής του σήματος αναφοράς (1/Hz). Περίοδος κυματομορφής του σήματος έλεγχου (1/Hz). Συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους. Με αυτόν τον συντελεστή παρέχεται η δυνατότητα μεταβολής της τάσης εξόδου, μέσω της μεταβολής του πλάτους του σήματος ελέγχου. Καθορίζει τα σημεία τομής των δύο σημάτων άρα και τους παλμούς εξόδου και κατά συνέπεια το αρμονικό περιεχόμενο εξόδου.

3 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 3 Οι τιμές που παίρνει είναι <ΜΑ<1 στην περιοχή της υποδιαμόρφωσης. Ο συντελεστής αυτός μπορεί να πάρει τιμές μεγαλύτερες της μονάδας, στην περιοχή της υπερδιαμόρφωσης, όπου αλλάζει το αρμονικό περιεχόμενο και αξιοποιείται καλύτερα η θεμελιώδης συνιστώσα. ρ=fc/fr Συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας. Με τον συντελεστή αυτόν παρέχεται η δυνατότητα μεταβολής της συχνότητας εξόδου, μέσω της μεταβολής της συχνότητας του σήματος ελέγχου. Η τιμή του καθορίζει τον αριθμό των παλμών ανά ημιπερίοδο, κάτι το οποίο αποτελεί καταλυτικό παράγοντα για το αρμονικό περιεχόμενο εξόδου. Η σωστή επιλογή του μπορεί να ελαχιστοποιήσει το αρμονικό περιεχόμενο, όμως η λάθος επιλογή του μπορεί να αυξήσει τις απώλειες του φορτίου πάνω από τις ονομαστικές του. Οι τιμές, τις οποίες παίρνει, είναι μεγαλύτερες της μονάδας ρ>1. THD% Συντελεστής ολικής αρμονικής παραμόρφωσης. Αφορά στο τελικό σήμα εξόδου. Σύμφωνα με τον κανονισμό της IEEE Std , πρέπει THD < 5%. Όσο μικρότερος είναι ο συντελεστής αυτός, τόσο η μορφή της εξόδου του μετατροπέα τείνει να γίνει πλήρως ημιτονοειδής. Ισχύει THD%= [ Σ (V o,n ) 2 ] 1/2 x 1 / V,1 όπου n = 3,5,, D% Συντελεστής παραμόρφωσης. Αφορά κάθε αρμονική καμπύλη ξεχωριστά. Με αυτόν τον συντελεστή μπορεί να εκφραστεί η παραμόρφωση της κάθε αρμονικής ξεχωριστά, ώστε να εντοπιστεί η κυριαρχούσα ανώτερη αρμονική, που είναι η αρμονική με τον μεγαλύτερο συντελεστή παραμόρφωσης και η οποία καθορίζει τις απαιτήσεις για τον σχεδιασμό του κατάλληλου φίλτρου εξόδου. Ισχύει D n % = 1 x ( V o,n / n 2 ). HFn=V n /V 1 Αρμονικός συντελεστής. Αποτελεί το μέτρο της ατομικής αρμονικής συνεισφοράς. LOH Αρμονική μικρότερης τάξης. Είναι η αρμονική συνιστώσα, όπου η συχνότητά της είναι πλησιέστερα στη θεμελιώδη και το πλάτος της είναι μεγαλύτερο ή ίσο με το 3% της θεμελιώδους.

4 4 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο πιο κοινός τύπος κινητήρα, λόγω της απλής κατασκευής του και της ευκολίας που παρουσιάζει στη λειτουργία του, είναι ο επαγωγικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού. Τα πολλά πλεονεκτήματά του, όπως είναι η μη απαίτηση πρόσθετης διέγερσης, η πολλές φορές απευθείας σύνδεσή του στο δίκτυο, το μικρότερο μέγεθός του, η μεγάλη ροπή εκκίνησης, η πιο στιβαρή κατασκευή του, η μικρότερη απαίτηση για συντήρηση και το μικρότερο κόστος του, τον καθιστούν ιδανικό για οικιακές και βιομηχανικές εφαρμογές. Έτσι, σχεδόν το σύνολο (9%) των κινητήρων, που συναντώνται σήμερα στην παγκόσμια βιομηχανία, είναι επαγωγικοί.[1] Παρά την ευρεία διάδοσή τους, οι επαγωγικοί κινητήρες διαθέτουν και μερικά ουσιώδη μειονεκτήματα. Το βασικότερο από αυτά είναι η δυσκολία ελέγχου και μεταβολής της ταχύτητάς τους σε μια ευρεία κλίμακα και με αναλογικό τρόπο. Επίσης, κατά την εκκίνησή τους το ρεύμα που απαιτούν μπορεί να είναι πολύ υψηλό, μέχρι και 6 ή 7 φορές μεγαλύτερο από το ονομαστικό ρεύμα κανονικής λειτουργίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μεγάλη ενεργειακή κατανάλωσή τους, ιδιαίτερα για αυξημένο αριθμό εκκινήσεων και την πιθανή πρόκληση προβλημάτων βύθισης τάσης στο δίκτυο. Τα προβλήματα αυτά έχουν επιλυθεί τα τελευταία χρόνια με τη μεγάλη ανάπτυξη που βρίσκουν οι διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος στην οδήγηση των επαγωγικών κινητήρων.[1] Με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών μονάδων οδήγησης, που διαθέτουν μετατροπέα, είναι δυνατή η μετατροπή της εναλλασσόμενης ισχύος συγκεκριμένης συχνότητας σε εναλλασσόμενη ισχύ διαφορετικής συχνότητας. Με τους μετατροπείς είναι πλέον δυνατό να επιλυθεί οποιοδήποτε πρόβλημα ρύθμισης ισχύος. Έτσι, είναι δυνατή η λειτουργία κινητήρων συνεχούς ρεύματος με πηγές εναλλασσόμενης τάσης, αλλά και το αντίθετο, ή κινητήρων τριφασικών με πηγές μονοφασικής τάσης. Το κόστος των ηλεκτρονικών μονάδων οδήγησης έχει μειωθεί σημαντικά, ενώ η αξιοπιστία τους έχει βελτιωθεί. Οι πολλές δυνατότητές τους στον έλεγχο των επαγωγικών κινητήρων είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη πολλών νέων εφαρμογών, όχι μόνο τους κινητήρες εναλλασσομένου ρεύματος αλλά και σε οποιοδήποτε πρόβλημα ρύθμισης ή σταθεροποίησης ισχύος. Τέτοιες εφαρμογές συναντώνται σήμερα στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από εναλλακτικές πηγές,

5 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 5 όπως ανεμογεννήτριες ή φωτοβολταϊκά. Η ισχύς που παράγεται από μια ανεμογεννήτρια είναι μεταβαλλόμενης συχνότητας και οι μετατροπείς συμβάλλουν ως σταθεροποιητές τάσης και συχνότητας στην τροφοδοσία των φορτίων. Ομοίως, οι αντιστροφείς σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις μετατρέπουν την παραγόμενη συνεχή ισχύ σε εναλλασσόμενη κατάλληλης μορφής για το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι, μέσω των ηλεκτρονικών διατάξεων, ελέγχεται πάνω από το 6% του συνολικού φορτίου στα περισσότερα συστήματα ισχύος του ανεπτυγμένου κόσμου.[1, 2, 4, 5] Το βασικό πρόβλημα, που σχετίζεται με τα ηλεκτρονικά ισχύος, είναι οι αρμονικές συνιστώσες της τάσης και του ρεύματος που επάγονται στα συστήματα από τις διακοπτόμενες ταλαντώσεις στους ηλεκτρονικούς ελεγκτές ισχύος. Οι διάφοροι μετατροπείς διαθέτουν μη γραμμικά ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία, που, λόγω της λειτουργίας τους, παραμορφώνουν στην έξοδό τους την ημιτονοειδή μορφή της τάσης, παράγοντας έτσι αρμονικές συνιστώσες ανώτερης τάξης. Οι αρμονικές αυτές αυξάνουν τις συνολικές ροές ρεύματος στις γραμμές, ιδιαίτερα στην ουδέτερη συμμετρική κατάσταση ενός τριφασικού συστήματος ισχύος και προκαλούν σημαντικά προβλήματα τόσο στο δίκτυο, όσο και στα φορτία της γραμμής παραγωγής. Τα επιπλέον ρεύματα προκαλούν αυξημένες απώλειες και θέρμανση στα εξαρτήματα, θορύβους και κραδασμούς στη λειτουργία των κινητήρων και μείωση του συντελεστή ισχύος. Τα προβλήματα αυτά πολλαπλασιάζονται με τη συνεχώς αυξανόμενη διείσδυση των ηλεκτρονικών διατάξεων στα συστήματα ισχύος. Έτσι, έχουν δημιουργηθεί νέα πρότυπα για τον περιορισμό του πλήθους των αρμονικών, έχουν σχεδιαστεί νέοι ελεγκτές και έχουν προταθεί σύγχρονοι τρόποι αντιμετώπισης και μείωσης των παραγόμενων αρμονικών συνιστωσών στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας.[1, 2, 4, 6, 7] Για τη μελέτη των αρμονικών συνιστωσών και τη διερεύνηση του προβλήματος, που αναλύεται στο παρόν άρθρο, έχει υλοποιηθεί μια πλήρης εργαστηριακή διάταξη, που αποτελείται από ολοκληρωμένο σύστημα οδήγησης μεταβλητής τάσης μεταβλητής συχνότητας (VVVF) ενός ηλεκτρικού επαγωγικού κινητήρα, με σκοπό τη ρύθμιση των στροφών του. Στη διάταξη αυτή ο κινητήρας συνδέεται και παρέχει κίνηση σε μια τριφασική γεννήτρια, η έξοδος της οποίας σταθεροποιείται μέσω ενός μετατροπέα ρύθμισης της συχνότη-

6 6 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ τας, έτσι ώστε να τροφοδοτεί με σταθερή συχνότητα κάποιο ηλεκτρικό φορτίο. Το μοντέλο της διάταξης μπορεί να προσομοιάσει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτρια, (ο αέρας προσομοιώνεται με την κίνηση που παρέχει ο κινητήρας), όπου, λόγω της μεταβολής της ταχύτητας του ανέμου, παράγεται τάση με διαφορετική συχνότητα από την κανονική του δικτύου, ή ακόμα την παραγωγή ρεύματος από ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος μεταβλητού φορτίου. Έτσι, απαιτείται να παρεμβληθεί μια ηλεκτρονική διάταξη μετατροπής συχνότητας, με σκοπό τη διατήρηση σταθερής συχνότητας στην έξοδο της διάταξης. Σκοπός αυτής της εφαρμογής είναι να μελετηθεί και να μετρηθεί εργαστηριακά η ποιότητα της μορφής της τάσης και του ρεύματος που παρέχει ένας μετατροπέας συχνότητας (ο οποίος λειτουργεί ως ρυθμιστής στροφών ή ως σταθεροποιητής συχνοτήτων) στο φορτίο και να ερευνηθεί η πλήρης συμμόρφωση των ηλεκτρονικών διατάξεων, που παρέχουν τη μετατροπή συχνότητας, σύμφωνα με τα διεθνή αποδεκτά πρότυπα. Επίσης, στόχο αποτελεί και η έρευνα των χαρακτηριστικών και προδιαγραφών των μετατροπέων ισχύος για τη ρύθμιση στροφών επαγωγικών κινητήρων, ο εντοπισμός και η κατανόηση του μεγέθους των προβλημάτων που προκαλούνται από την παραμόρφωση της ημιτονοειδούς μορφής της τάσης και του ρεύματος τροφοδοσίας των κινητήρων μέσω διατάξεων ελέγχου οδήγησης. Αρχικά, παρουσιάζεται το θεωρητικό μαθηματικό μοντέλο μέσω της ανάλυσης Fourier που χρησιμοποιήθηκε για τη φασματική ανάλυση στο πεδίο της συχνότητας και στη συνέχεια αναλύονται οι σχετικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στην είσοδο και στην έξοδο του μετατροπέα του επαγωγικού κινητήρα, καθώς και στην είσοδο και στην έξοδο του μετατροπέα της γεννήτριας με παλμογράφο και αναλυτή ενέργειας. Από την κατάλληλη επεξεργασία των αποτελεσμάτων προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για το αρμονικό περιεχόμενο παρόμοιων διατάξεων σε βιομηχανικό περιβάλλον. 2. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ 2.1. Μετατροπείς συχνότητας διαμόρφωσης εύρους παλμού Ένας μετατροπέας αποτελείται από έναν ανορθωτή και έναν αντιστροφέα, συνδεδεμένους σε σειρά. Στον ανορθωτή η τάση από εναλλασσόμενη γίνεται συνεχής και στον

7 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 7 αντιστροφέα μετατρέπεται ξανά σε εναλλασσόμενη διαφορετικής συχνότητας από την αρχική. Στο σχήμα 1 φαίνεται η δομή ενός τριφασικού μετατροπέα ημιγέφυρας. Τα βασικά δομικά στοιχεία των μετατροπέων συχνότητας είναι ηλεκτρονικοί ημιαγώγιμοι διακόπτες ισχύος. Ο χρονισμός των διακοπτών αυτών ελέγχεται από τη μονάδα ελέγχου έτσι ώστε στην έξοδό του ο αντιστροφέας να παράγει μια σειρά παλμών με σταθερό ύψος και μεταβλητό πλάτος τέτοιο, ώστε η θεμελιώδης συχνότητα της παραγόμενης παλμοσειράς να αντιστοιχεί στην επιθυμητή.[1, 2, 5] Το είδος των ηλεκτρονικών στοιχείων, που χρησιμοποιούνται, εξαρτάται από την ισχύ την οποία καλούνται να μετάγουν και από την εγκατάσταση όπου θα εφαρμοστούν. Π.χ. τα θυρίστορ ή οι δίοδοι (Fast Recovery Diodes) παρέχουν τη δυνατότητα μεταγωγής μεγάλων ποσοτήτων ρεύματος, αλλά για μικρές φέρουσες συχνότητες της τάξης μερικών εκατοντάδων Ηz, (συνήθως μέχρι 5Hz), σε αντίθεση τα MOSFET και IGBT μετάγουν μικρότερες ποσότητες ρεύματος, αλλά σε μεγάλες φέρουσες συχνότητες της τάξης των khz (συνήθως μέχρι 2kHz). Για χαμηλή φέρουσα συχνότητα η ημιτονοειδής κυματομορφή της εναλλασσόμενης τάσης που παράγεται περιέχει έντονες αρμονικές που μπορεί να προκαλέσουν ποικίλες ανεπιθύμητες καταστάσεις.[1, 2, 4] Σχήμα 1. Τριφασικός μετατροπέας ημιγέφυρας.[2] Η διαμόρφωση εύρους παλμού (Pulse Width Modulation - PWM) είναι μια διαδικασία, στην οποία ρυθμίζεται το εύρος (η διάρκεια) των παλμών, ανάλογα με το πλάτος ενός σήματος ελέγχου. Οι παλμοί, που παράγονται στην έξοδο του μετατροπέα, είναι αποτέλεσμα της σύγκρισης δύο κυματομορφών. Τα σήματα, τα οποία συγκρίνονται, είναι το επιθυμητό ημιτονοειδές σήμα ελέγχου συγκεκριμένης συχνότητας με τα τριγωνικά σήματα

8 8 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ αναφοράς τα οποία παράγονται από ειδικές γεννήτριες (σχήμα 2(β)), και έχουν τη μορφή που φαίνεται στο σχήμα 2(α). Στους μονοφασικούς αντιστροφείς χρησιμοποιούνται ένα ημιτονοειδές σήμα ελέγχου και δύο τριγωνικά σήματα αναφοράς, ενώ στους τριφασικούς αντιστροφείς χρησιμοποιούνται τρία σήματα ελέγχου, όμοια ημίτονα με διαφορά φάσης 12 ο μεταξύ τους και ένα τριγωνικό σήμα αναφοράς. Τα σημεία τομής των δύο σημάτων αντιστοιχούν στα σήματα έναυσης και σβέσης των ηλεκτρονικών ισχύος ανά κλάδο, και έτσι οι παλμοί στην έξοδο του μετατροπέα είναι αποτέλεσμα αυτής της αγωγής. Σε κάθε κλάδο αντιστοιχεί ένας συγκριτής. Οι τάσεις ελέγχου, που τροφοδοτούν τα κυκλώματα των συγκριτών, συχνά υλοποιούνται ψηφιακά με τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή που τοποθετείται σε μια κάρτα στο εσωτερικό της μονάδας ελέγχου. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο αντιστροφέας PWM, παρόλο που έχει σταθερό ύψος παλμών στην έξοδό του, πετυχαίνει ταυτόχρονα τον έλεγχο της συχνότητας και της μέσης τιμής της τάσης τροφοδοσίας. Η τιμή της μέσης τάσης ελέγχεται μόνο από το εύρος των παλμών, ενώ η συχνότητα ελέγχεται μόνο από την αλλαγή της πολικότητας των παλμών. Έτσι, με αυτή τη μέθοδο παρέχεται η δυνατότητα ελέγχου ενός επαγωγικού κινητήρα μέσω: α) μόνο της μεταβολής της συχνότητας εξόδου, β) μόνο της μεταβολής της τάσης εξόδου ή γ) μέσω της μεταβολής τόσο της τάσης, όσο και της συχνότητας εξόδου ταυτόχρονα. Συχνά, είναι επιθυμητή η ταυτόχρονη σχεδόν γραμμική μεταβολή της εφαρμοζόμενης τάσης με τη μείωση της συχνότητας τροφοδοσίας κάτω από τη βασική, με σκοπό τη σταθερή διατήρηση του λόγου V/f και αντίστοιχα της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό του κινητήρα, για την αποφυγή έντονης μεταβολής της ροπής και υπερθέρμανσης, εξαιτίας της λειτουργίας του σε συνθήκες κορεσμού.[1, 4, 5] Σχήμα 2. Για μία φάση μετατροπέα γέφυρας (α) Το ημιτονοειδές σήμα ελέγχου και τα τριγωνικά σήματα αναφοράς των συγκριτών. (β) Οι Συγκριτές A και Β για τον έλεγχο των χρόνων αγωγής.[1]

9 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ Προβλήματα ύπαρξης αρμονικών Η έξοδος του μετατροπέα που τροφοδοτεί το φορτίο είναι επομένως μια περιοδική κυματομορφή παλμών με μορφή που δίνεται στο σχήμα 3. Η κυματομορφή αυτή των παλμών αντιστοιχεί και ισούται με την υπέρθεση άπειρου θεωρητικά αριθμού ημιτονοειδών κυματομορφών, με συχνότητα ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους και με πλάτη κατάλληλα διαμορφωμένα που αντιστοιχούν στη συνεισφορά της κάθε κυματομορφής στο συνολικό άθροισμα. Οι κυματομορφές αυτές αποτελούν τις λεγόμενες αρμονικές συνιστώσες ανώτερης τάξης της θεμελιώδους συχνότητας, όπως διακρίνεται στο σχήμα 3. Έτσι, αν η θεμελιώδης συνιστώσα είναι αυτή που διαθέτει την επιθυμητή συχνότητα των 5 Hz, που απαιτείται για την ομαλή τροφοδοσία του φορτίου, οι υπόλοιπες κυματομορφές, όπως π.χ. η 5 η αρμονική θα έχει συχνότητα 25 Hz, η 7 η αρμονική θα έχει συχνότητα 35 Hz, ενώ ενδέχεται να υπάρχουν και άλλες ανώτερες αρμονικές ή ακόμα και ενδιάμεσες ή κατώτερες αρμονικές συνιστώσες. Όλες οι αρμονικές συνιστώσες που παράγονται είναι υπεύθυνες για την παραμόρφωση ουσιαστικά της ημιτονοειδούς μορφής του κύματος. Έτσι, με τη χρήση κατάλληλων φίλτρων, γίνεται προσπάθεια να περιοριστεί ο αριθμός και το εύρος των ανώτερων αρμονικών συνιστωσών, που αποτελούν θόρυβο, ο οποίος μεταφέρεται στο φορτίο, με σκοπό την επίτευξη όσο το δυνατό πλήρους και καθαρής ημιτονοειδούς κυματομορφής.[4, 5, 6, 7] Σχήμα 3. Γραφική παράσταση εξόδου ενός μετατροπέα συχνότητας. Οι ανώτερες αρμονικές συνιστώσες σύμφωνα με τον κανονισμό της IEEE Std διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, α) στις χαρακτηριστικές και β) στις μη χαρακτηριστικές συνιστώσες. Οι ανώτερες αρμονικές χαρακτηριστικές είναι αυτές, οι οποίες παράγονται από τα ημιαγωγικά ηλεκτρονικά στοιχεία, κατά τη διάρκεια της κανονικής τους λειτουργί-

10 1 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ας και είναι αυτές, οι οποίες εξετάζονται στο άρθρο αυτό, ενώ οι ανώτερες αρμονικές μη χαρακτηριστικές είναι αυτές, οι οποίες προκύπτουν από κάποια ανωμαλία του ρεύματος, από ασύμμετρη γωνία καθυστέρησης κ.α.[7] Οι μη χαρακτηριστικές αρμονικές συνιστώσες είναι δύσκολο να εντοπιστούν άμεσα και να εξαλειφθούν, εξαιτίας του γεγονότος ότι οι αρμονικές αυτές δεν εμφανίζονται σε μόνιμη κατάσταση, αλλά παροδικά και κάτω από απρόσμενες, μη επιθυμητές καταστάσεις. Έτσι, οι αρμονικές αυτές δεν αποτελούν αντικείμενο του παρόντος άρθρου. Η ύπαρξη των ανώτερων αρμονικών συνιστωσών επιφέρει ποικίλα προβλήματα στα δίκτυα, στα εξαρτήματα, αλλά και στις συσκευές-φορτία, γιατί προκαλούν τα πιο κάτω αρνητικά αποτελέσματα: Αυξάνονται οι συνολικές ροές ρεύματος στις γραμμές. Εμφανίζονται μεγάλα ποσά ρεύματος στον ουδέτερο τριφασικών συμμετρικών συστημάτων. Αυξάνονται οι συνολικές απώλειες και μειώνεται αντίστοιχα ο βαθμός απόδοσης. Προκαλείται έντονη παραμόρφωση της τάσης τροφοδοσίας. Επηρεάζονται και άλλα φορτία που συνδέονται στην ίδια γραμμή. Παράγονται σήματα υψηλής συχνότητας που προκαλούν θόρυβο στα συστήματα τηλεπικοινωνίας και όχι μόνο. Επηρεάζεται αρνητικά ο συντελεστής ισχύος του συστήματος. Εμφανίζεται έντονα το επιδερμικό φαινόμενο. Τα επιπλέον ρεύματα προκαλούν αυξημένες απώλειες και θέρμανση στα εξαρτήματα του συστήματος ισχύος, απαιτώντας μεγαλύτερες συνιστώσες, ώστε να παρέχεται το ίδιο συνολικό φορτίο. Η αύξηση των απωλειών συνεπάγεται τη μείωση της απόδοσης του κινητήρα. Επίσης, η αύξηση της ενεργού τιμής του ρεύματος προκαλεί παραμόρφωση της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό του κινητήρα, με αντίστοιχη αύξηση των απωλειών σιδήρου και χαλκού, με αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση της απόδοσής του. Τέλος, οι αυξανόμενες συνολικές ροές του ρεύματος δημιουργούν θορύβους και κραδασμούς στο εσωτερικό του κινητήρα. Σε ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα οι ενεργές τιμές του ρεύματος στην κάθε φάση

11 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ είναι ίσες, με αποτέλεσμα το διανυσματικό άθροισμα των τριών ρευμάτων, που διαρρέουν τον κοινό ουδέτερο του συστήματος, να είναι μηδενικό. Όταν όμως τα ρεύματα των φάσεων προέρχονται από την έξοδο διάταξης PWM και περιέχουν ανώτερες αρμονικές συνιστώσες, παρόλο που μπορεί να έχουν τις ίδιες ενεργές τιμές, το διανυσματικό τους άθροισμα είναι μη μηδενικό, με αποτέλεσμα ο ουδέτερος να διαρρέεται πλέον από σημαντικά ρεύματα και να είναι ενεργός όσο και οι φάσεις ή ακόμα χειρότερα. Αυτά τα υψηλά ποσά ρεύματος στον ουδέτερο, εκτός από την αύξηση των απωλειών και της θερμοκρασίας, που προκαλούν, μπορούν να θέσουν σε άκαιρη λειτουργία ηλεκτρονόμους προστασίας (ρελέ διαρροής), επειδή το ρεύμα στον ουδέτερο εντοπίζεται ως διαρροή, και να διακόψουν τη λειτουργία σημαντικών τμημάτων του συστήματος ισχύος. Επειδή τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ισχύος ελέγχουν τόσο μεγάλο μέρος του συνολικού φορτίου στα σύγχρονα συστήματα, το υψηλό περιεχόμενό τους σε αρμονικές προκαλεί σημαντικά προβλήματα στο σύνολο του συστήματος ισχύος. Τα βιομηχανικά περιβάλλοντα είναι ήδη αρκετά επιβαρυμένα και επιβαρύνονται συνεχώς, ενώ και τα αστικά, λόγω της προβλεπόμενης αύξησης των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων, των σταθεροποιητών τάσης και συχνότητας και άλλων ηλεκτρονικών εφαρμογών ακολουθούν. Έτσι, οι προδιαγραφές των καλωδίων, των διακοπτών, των πυκνωτών, όλων των ηλεκτρονικών διατάξεων και του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού οφείλουν να ανταποκρίνονται στο ποσοστό των αρμονικών του περιβάλλοντος εγκατάστασης. Έχουν δημιουργηθεί νέα πρότυπα όπως IEC EMC: Μέρος 3, Ενότητα 2, για τον περιορισμό της εκπομπής ρεύματος αρμονικών, και πρότυπο ANSI/IEEE , για τις προτεινόμενες πρακτικές από την IEEE και απαιτήσεις για τον έλεγχο των αρμονικών στα συστήματα ισχύος, και έχουν σχεδιαστεί νέοι ελεγκτές με σύγχρονες τεχνικές για να περιορίσουν τις αρμονικές που παράγουν.[1, 2, 4, 5, 6, 7, 8] 3. ΜΕΛΕΤΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 3.1. Φασματική Ανάλυση Η έξοδος από ένα μετατροπέα συχνότητας αποτελεί μια συνεχή περιοδική συνάρτηση. Όπως είναι γνωστό, κάθε συνεχής περιοδική συνάρτηση μπορεί να εκφραστεί ως ένα

12 12 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ άπειρο άθροισμα ημιτονικών και συνημιτονικών όρων, όπου ο κάθε όρος έχει συχνότητα ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους. Μία τέτοια συνάρτηση αποτελεί τη συνάρτηση Fourier, η οποία δίνεται από τον τύπο (1).[3, 6] a f (t) (a n cos(n t) b n sin(n t)) (1) 2 n 1 t T 2 όπου a n f (t) cos( n t)dt, n,1,2,... T t b n 2 T t T t f ( t) sin( n t )dt, n,1,2,... Η έξοδος ενός μετατροπέα συχνότητας είναι περιττή με συμμετρία τετάρτου μήκους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μηδενίζεται ο συντελεστής α n (α n =), άρα η συνάρτηση Fourier αποτελείται μόνο από άθροισμα ημιτονικών όρων και δίνεται από τον τύπο (2). Το γεγονός αυτό παρέχει τη δυνατότητα να πραγματοποιηθεί η μελέτη για το φάσμα εξόδου του μετατροπέα μόνο στη μία ημιπερίοδο.[3, 4, 6] f (t) b n sin(n t)) (2) n 1 Με εφαρμογή της ανάλυσης Fourier μπορεί να υπολογιστεί το φάσμα εξόδου ενός μετατροπέα συχνότητας. Το φάσμα συχνοτήτων είναι ένα διάγραμμα, όπου στον οριζόντιο άξονα υπάρχουν οι συχνότητες και στον κάθετο άξονα η παραμόρφωση (D%) που προσφέρει ο κάθε όρος της συνάρτησης και αντιστοιχεί σε μία αρμονική συνιστώσα. Έτσι, ο κάθε όρος είναι μία κάθετη ευθεία στον οριζόντιο άξονα και παράλληλη στον κάθετο, στη θέση της αντίστοιχης συχνότητας. Για τον υπολογισμό του φάσματος εξόδου ενός μετατροπέα συχνότητας τεχνολογίας διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) απαιτείται να υπολογιστούν μόνο οι συχνότητες (n)ω=2π(n)f και οι αντίστοιχοι όροι b n. Οι συχνότητες αυτές αντιστοιχούν στα σημεία τομής του σήματος ελέγχου με το σήμα αναφοράς. Αυτό ισχύει, επειδή η τάση εξόδου λαμβάνει συνεχείς τιμές μεταξύ δύο διαδοχικών σημείων ±Vd, όπου Vd είναι η συνεχής

13 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ τάση εισόδου του inverter, που προκύπτει από τον ανορθωτή. Ο αριθμός των σημείων τομής για μια ημιπερίοδο είναι ρ+1, όμως, επειδή είναι γνωστά και πάντα σταθερά τα σημεία για ωt= και ωt=18, τα σημεία τομής που πρέπει να βρεθούν είναι ρ-1. Ο συνολικός αριθμός των σημείων τομής, άρα και ο αριθμός των ανώτερων αρμονικών, εξαρτάται από τη μεταβολή του συντελεστή διαμόρφωσης MA και του λόγου συχνοτήτων ρ. Τα σημεία τομής υπολογίζονται από τη μη γραμμική εξίσωση (3), η οποία απαιτείται να επιλυθεί επαναληπτικά ρ-1 φορές. Η εξίσωση αυτή λύνεται μόνο με μεθόδους αριθμητικής ανάλυσης, όπως η μέθοδος Newton-Raphson, Runge-Kutta ή Gauss Seidel και με χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή.[2, 3, 4, 6] i = 1,, -1 ai : MA sin t i 1 2 ( 1) t 2i (3) Αφού υπολογιστούν τα σημεία τομής αντικαθίστανται στην εξίσωση, (4) ώστε να υπολογισθούν τα πλάτη (rms τιμές) των αρμονικών συνιστωσών.[3, 6] 1 Vd n 1 i 1 V (n ) rms [( 1) 1] 2 ( 1) cos n i (V) (4) n 2 i Περιγραφή της Διάταξης Η εργαστηριακή διάταξη, που έχει υλοποιηθεί, με σκοπό τη μελέτη των αρμονικών συνιστωσών, παρουσιάζεται στο σχήμα 4 (α) σχηματικά και στο σχήμα 4 (β) εικονίζεται η πλήρης εγκατάσταση. Αποτελείται από ένα τριφασικό επαγωγικό κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού τετραπολικό συνδεσμολογίας αστέρα, της Siemens ισχύος 3kW [11], του οποίου οι στροφές ελέγχονται από ένα μετατροπέα συχνότητας της Siemens 3kW τύπου G11. Ο μετατροπέας δέχεται μονοφασική είσοδο 23V/5Hz και η έξοδός του είναι τριφασική 38V μεταβαλλόμενης συχνότητας που κυμαίνεται από έως 65Hz [9]. Ο μετατροπέας έχει παραμετροποιηθεί κατάλληλα για τον έλεγχο του συγκεκριμένου κινητήρα έτσι ώστε ως μέγιστη συχνότητα εξόδου του να είναι τα 75Hz, που αντιστοιχεί σε 1,5 φορές πάνω

14 14 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ από τις ονομαστικές στροφές του κινητήρα. Τα διακοπτικά στοιχεία, που χρησιμοποιεί ο μετατροπέας Siemens, είναι IGBT με διακοπτική συχνότητα από 2 έως 16 khz, ενώ η φέρουσα συχνότητα του συγκεκριμένου μετατροπέα έχει προγραμματιστεί στα 8 khz [9]. Τονίζεται ότι, όσο μεγαλύτερη είναι η φέρουσα συχνότητα των ηλεκτρονικών ισχύος, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των παλμών στην έξοδο του μετατροπέα ανά ημιπερίοδο και κατά συνέπεια το αρμονικό περιεχόμενο είναι ομαλότερο, αλλά αυξάνονται οι απώλειες του μετατροπέα [6]. Η λειτουργία του μετατροπέα διατηρεί τον λόγο V/f σταθερό, δηλαδή μεταβάλλοντας τη συχνότητα εξόδου μεταβάλλεται ταυτόχρονα και η τάση εξόδου (με δυνατότητα ρύθμισης από έως 4 V), έτσι ώστε η ροπή στον άξονα του κινητήρα να παραμένει σταθερή [9]. Στη συνέχεια, ο κινητήρας συνδέεται ομοαξονικά και μηχανικά (μέσω κομπλέρ) με μια τριφασική σύγχρονη γεννήτρια 3kW συνδεσμολογίας αστέρα. Η γεννήτρια έχει τη δυνατότητα να παράγει τάση από έως 5V [13], με ανάλογες στροφές του κινητήρα, που αντιστοιχούν στη ρύθμιση του μετατροπέα συχνοτήτων από έως τη μέγιστη 75Hz, σύμφωνα με τις προδιαγραφές περιστροφής της γεννήτριας και του κινητήρα. Η μεταβαλλόμενη τιμή (rms) και συχνότητα της τάσης, που παράγεται από τη συγκεκριμένη γεννήτρια, είναι αντίστοιχη της ταχύτητας περιστροφής της και μπορεί να θεωρηθεί ότι προσομοιάζει την τάση και τη συχνότητα παραγωγής από μια ανεμογεννήτρια, της οποίας η ταχύτητα περιστροφής εξαρτάται από την αντίστοιχη ταχύτητα του ανέμου. Έτσι, η έξοδος της γεννήτριας οφείλει να συνδεθεί σε ένα τριφασικό μετατροπέα συχνοτήτων για τη σταθεροποίησή της και την ομαλή τροφοδοσία του δικτύου και των φορτίων. Ο μετατροπέας συχνοτήτων Vacon ισχύος 3kW τύπου MF3 NXL 55 τριφασικής εισόδου και εξόδου συνδέεται για το σκοπό αυτό στην έξοδο της γεννήτριας. Οι προδιαγραφές αυτού του μετατροπέα παρέχουν δυνατότητα συχνότητας εισόδου 42 έως 66Hz και εξόδου από έως 32Hz, μεταβαλλόμενης τάσης με σταθερό λόγο V/f, ενώ έχει παραμετροποιηθεί κατάλληλα, ώστε να διατηρείται η συχνότητα εξόδου του σταθερή στα 5 Hz, με σκοπό την ομαλή τροφοδοσία του φορτίου. Τα διακοπτικά του στοιχεία είναι,

15 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ επίσης, IGBT με διακοπτική συχνότητα από έως 16kHz, ενώ η φέρουσα συχνότητά τους έχει προγραμματιστεί στα 6 khz [1] Τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού της Siemens. 2. Ομοαξονική σύνδεση του κινητήρα με τη γεννήτρια, μέσω κομπλέρ. 3. Φορτίο. Μικρός τριφασικός επαγωγικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού της Siemens. 4. Τριφασική σύγχρονη γεννήτρια. 5. Πίνακας Control. όπου είναι εγκατεστημένος ο ηλεκτρολογικός εξοπλισμός. Σχήμα 4. (α) Σχηματική διάταξη της εφαρμογής. (β) Φωτογραφία της εγκατάστασης Μετατροπέας της Siemens. Ρυθμιστής στροφών του κινητήρα. 2. Μετατροπέας της Vacon. Σταθεροποιητής συχνοτήτων για το φορτίο. 3. Θερμικός διακόπτης τροφοδοσίας του θερμίστορ. 4. Θερμίστορ του κινητήρα. 5. Κλέμες 1 ης περιοχής. 6. Κλέμες 2 ης περιοχής. 7. Θερμικός διακόπτης κεντρικής τροφοδοσίας. 8. Θερμικός διακόπτης τροφοδοσίας Vacon. 9. Θερμικός διακόπτης τροφοδοσίας φορτίου. Σχήμα 5. Πίνακας Control με τον απαιτούμενο ηλεκτρολογικό εξοπλισμό.

16 16 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ως φορτίο στη διάταξη θεωρείται ένας μικρός τριφασικός επαγωγικός κινητήρας της Siemens, ισχύος,18kw, σύνδεσης αστέρα [12]. Σκοπός της εφαρμογής είναι η μέτρηση και η ανάλυση του φάσματος συχνοτήτων των αρμονικών συνιστωσών της τάσης και του ρεύματος, πριν και μετά τους μετατροπείς συχνοτήτων, έτσι ώστε να γίνει εμφανής η επίδρασή τους στην ποιότητα και στη μορφή της τροφοδοσίας, τόσο του κινητήρα, κατά τη διαδικασία ρύθμισης των στροφών του, όσο και του φορτίου, κατά τη διαδικασία σταθεροποίησης της συχνότητας από την έξοδο της γεννήτριας. Έτσι, τα σημεία που λαμβάνονται οι μετρήσεις είναι τέσσερα και οι θέσεις τους διακρίνονται αντίστοιχα στο σχήμα 4 (α). Η τροφοδοσία της εφαρμογής απαιτεί μια μονοφασική πηγή χαμηλής τάσης 23V/ 5Hz με ασφάλεια 16 Α, άρα το καλώδιο τροφοδοσίας πρέπει να είναι τουλάχιστον 2,5mm 2. Η έξοδος προς τον καταναλωτή είναι ρεύμα συχνότητας 5Hz και τάση, η οποία καθορίζεται από τον μετατροπέα Vacon, ώστε το φορτίο να λειτουργεί στις ονομαστικές του τιμές. Όλη η εφαρμογή είναι ένα σύστημα των 3kW. Όταν το σύστημα λειτουργεί στα 75W, τότε η απόδοση των μετατροπέων είναι 9 με 94% και του συστήματος 87 με 9%. Όταν το σύστημα λειτουργεί στα 15W (δηλαδή στα μισά της προδιαγραφής του), τότε η απόδοση των μετατροπέων είναι 95 με 99% και η απόδοση του συστήματος 9 με 95%. Σε λειτουργία κάτω από 75W και πάνω από 1,5kW η απόδοση, τόσο του συστήματος, όσο και των μετατροπέων μειώνεται και μπορεί να φτάσει έως και 7%. Στο σχήμα 5 εικονίζεται η μορφή του πίνακα αυτοματισμού της διάταξης με τον απαιτούμενο ηλεκτρολογικό εξοπλισμό και τα μέσα προστασίας. Πρέπει να επισημανθεί ότι οι μετατροπείς, τόσο ο Siemens, όσο και ο Vacon δεν περιέχουν φίλτρα εισόδου και εξόδου [9, 1], κατά τη συνήθη πρακτική που εφαρμόζεται σε όλους τους μετατροπείς με ισχύ πάνω από 1kW που προορίζονται για το 2 ο περιβάλλον (βιομηχανικό). Υπάρχουν προαιρετικά φίλτρα με αρκετά υψηλό κόστος αγοράς, συντήρησης, και μεγάλο όγκο, που οι βιομηχανίες συνήθως δεν εγκαθιστούν είτε λόγω άγνοιας του προβλήματος των αρμονικών είτε λόγω υποτίμησης του φαινομένου, με αποτέλεσμα τα διάφορα προβλήματα που προκύπτουν (π.χ. καταστροφή ηλεκτρονόμων, ηλεκτρονικών ισχύος, πυκνωτών κ.α.) να τα αποδίδουν στην κακή ποιότητα των υλικών, ή στην

17 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ κακή ποιότητα του ρεύματος τροφοδοσίας. Οι μετατροπείς, που χρησιμοποιούνται στην εφαρμογή αυτή, όπως και όλοι με ισχύ μεγαλύτερη από 1kW, εμφανίζουν ολική αρμονική παραμόρφωση στην έξοδό τους μεγαλύτερη από 15% (THD>15%) και δεν πληρούν, επομένως, την προδιαγραφή της ΙΕΕΕ Std για μείωση των επιτρεπτών ορίων σε ποσοστό μικρότερο του 5% [7]. Οι προδιαγραφές των μετατροπέων αυτών πληρούν μόνο ορισμένους από τους κανονισμούς εκπομπής ακτινοβολίας EMC, μέσω συγκεκριμένων εργοστασιακών ρυθμίσεων, που είναι: (α) Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους MA ρυθμίζεται στην περιοχή της υποδιαμόρφωσης κοντά στη μονάδα. (β) Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας ρ παίρνει τιμές ακέραιες (ώστε να επιτυγχάνεται σύγχρονη PWM διαμόρφωση), περιττές (ώστε να μην εμφανίζονται οι άρτιες αρμονικές, λόγω της περιττής συμμετρίας) και πολλαπλάσιες του 3 ώστε να εμφανίζονται όσο το δυνατόν περισσότερες αρμονικές ως τριπλές και να μηδενίζονται (σύμφωνα με την εξίσωση 4). (γ) Η σχετική φάση μεταξύ του σήματος ελέγχου και του σήματος αναφοράς ρυθμίζεται στο μηδέν. (δ) Η διακοπτική συχνότητα των ηλεκτρονικών ισχύος ρυθμίζεται σε ενδιάμεση τιμή ώστε να περιορίζεται το αρμονικό περιεχόμενο χωρίς σημαντική αύξηση των απωλειών του μετατροπέα. Οι μετατροπείς ισχύος πάνω από 1kW, οι οποίοι προορίζονται για νοσοκομειακές εφαρμογές, περιέχουν όλα τα απαιτούμενα φίλτρα και η ολική αρμονική παραμόρφωση στην έξοδό τους είναι μικρότερη από 4% (THD<4%). Επίσης, οι μετατροπείς συχνότητας κάτω από 1kW, οι οποίοι προορίζονται για το 1 ο περιβάλλον (οικιακό) περιέχουν φίλτρα και πληρούν κατά μεγάλο ποσοστό όλους τους κανονισμούς. 4. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 4.1. Γραφική απεικόνιση και τεχνικά χαρακτηριστικά μετρήσεων Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στα τέσσερα διαφορετικά σημεία της διάταξης, που φαίνονται στο σχήμα 4 (α), δηλαδή πριν και μετά τους μετατροπείς συχνότητας και για τέσσερις διαφορετικές συχνότητες εξόδου του μετατροπέα Siemens, για f=38hz, f=42hz, f=5hz και f=54hz. Η ποιοτική μορφή των κυματομορφών των τάσεων καταγράφεται με τον παλμογράφο ATE 3I32. Ένα δείγμα των κυματομορφών των τάσεων

18 18 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ που προέκυψαν για ρύθμιση συχνότητας στην έξοδο του μετατροπέα στα 5Hz δίνονται στο ακόλουθο σχήμα 6. Η τροφοδοσία του δικτύου είναι ομαλή πλήρης ημιτονοειδής καμπύλη, σχήμα 6(α), όμως η έξοδος του μετατροπέα Siemens στη φάση είναι παραμορφωμένη, λόγω της ύπαρξης των αρμονικών συνιστωσών, σχήμα 6(β). Στον ουδέτερο της εξόδου του μετατροπέα Siemens και ενώ έπρεπε η τιμή της τάσης να είναι μηδενική (όπως ισχύει στα συμμετρικά τριφασικά συστήματα), υπάρχει μια αρκετά σημαντική διακύμανση τάσης, η οποία αποτελείται πλήρως από αρμονικές συνιστώσες, σχήμα 6(γ). Η έξοδος της γεννήτριας είναι μία ικανοποιητική ημιτονοειδής καμπύλη, που υπόκειται σε μικρές παραμορφώσεις, λόγω του μικρού ποσοστού αρμονικών, που περιέχει, κυρίως λόγω θορύβου, σχήμα 6(δ), ενώ η έξοδος του μετατροπέα Vacon υπόκειται σε σημαντική παραμόρφωση, λόγω των αρμονικών συνιστωσών, σχήμα 6(ε). Όπως γίνεται φανερό και από τα αντίστοιχα σχήματα, η έξοδος του μετατροπέα Siemens προκαλεί μικρότερες παραμορφώσεις από την έξοδο του μετατροπέα Vacon. Σχήμα 6. Γραφική απεικόνιση (α) Τροφοδοσίας δικτύου (β) Έξοδος μετατροπέα Siemens στη φάση (γ) Έξοδος μετατροπέα Siemens στον ουδέτερο (δ) Έξοδος γεννήτριας (ε) Έξοδος μετατροπέα Vacon Η ποσοτική προσέγγιση του προβλήματος της ύπαρξης αρμονικών συνιστωσών πραγματοποιήθηκε μέσα από τη φασματική ανάλυση των κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος. Η φασματική ανάλυση έγινε με τον αναλυτή ενέργειας Carlo Cavazzi και ένα δείγμα των μετρήσεων, για συχνότητα 5Hz, παρουσιάζεται στα ακόλουθα σχήματα 7 και 8, μαζί με τον αντίστοιχο υπολογισμό της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD%).

19 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ Σχήμα 7. Φασματική ανάλυση αρμονικών τάσης (α) Τροφοδοσία δικτύου. (β) Έξοδος μετατροπέα Siemens κατά τη λειτουργία του. (γ) Έξοδος μετατροπέα Siemens κατά τη διακοπή της λειτουργίας του. (δ) Έξοδος γεννήτριας. (ε) Έξοδος μετατροπέα Vacon. Σχήμα 8. Φασματική ανάλυση αρμονικών ρεύματος (α) Τροφοδοσία δικτύου. (β) Έξοδος μετατροπέα Siemens. (γ) Έξοδος γεννήτριας. (δ) Έξοδος μετατροπέα Vacon. Από τα πιο πάνω σχήματα 7 και 8 γίνεται φανερό ότι υπάρχουν αρμονικές συνιστώσες, τόσο τάσης, όσο και ρεύματος στην τροφοδοσία του μετατροπέα Siemens, οι οποίες επιστρέφουν από τον μετατροπέα στο δίκτυο. Όπως ήταν αναμενόμενο, στην έξοδο του μετατροπέα Siemens υπάρχει υψηλό ποσοστό αρμονικών ρεύματος, όμως, κατά τη λειτουργία του μετατροπέα δεν εμφανίζονται αρμονικές τάσης, ενώ αυτές εμφανίζονται και επιστρέφουν στο δίκτυο, όταν ο μετατροπέας διακόψει τη λειτουργία του. Στην έξοδο της γεννήτριας περιμέναμε ένα πολύ μικρό ποσοστό αρμονικών τάσης και ρεύματος, όμως η ολική αρμονική παραμόρφωση της εξόδου της γεννήτριας είναι αρκετά μεγάλη και οφείλεται στην υπέρθεση των αρμονικών συνιστωσών της γεννήτριας με αυτές που επιστρέφουν από τον μετατροπέα Vacon προς τη γεννήτρια. Στην έξοδο του μετατροπέα Vacon το ποσοστό των αρμονικών συνιστωσών, τόσο της τάσης, όσο και του ρεύματος είναι πολύ υψηλό. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά, που προέκυψαν από τις μετρήσεις στα διαφορετικά σημεία και για τις διαφορετικές συχνότητες, παρατίθενται στον πίνακα 1.

20 2 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Πίνακας 1. Τεχνικά χαρακτηριστικά μετρήσεων (α) f=38ηz. (β) f=42ηz. (γ) f=5ηz. (δ) f=54ηz (Hz) (V) (rpm) THD% THD% (Hz) (V) (A) (rpm) THD% THD% (Hz) (V) (A) (rpm) THD% THD% (Hz) (V) (rpm) THD% THD% Ανάλυση και επεξεργασία των αποτελεσμάτων Τα αποτελέσματα των μετρήσεων, που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση παλμογράφου, φασματικού αναλυτή και πολυμέτρων, επεξεργάζονται και αναλύονται στη συνέχεια. Οι γραφικές παραστάσεις, που ακολουθούν, παρουσιάζουν αντίστοιχα σε κάθε διαφορετικό σημείο μέτρησης τη μεταβολή της τιμής της τάσης, τη μεταβολή του ρεύματος, καθώς και τη μεταβολή του ολικού συντελεστή παραμόρφωσης THD% της τάσης και του ρεύματος, συναρτήσει της μεταβολής της συχνότητας στην έξοδο του μετατροπέα Siemens. Στο σχήμα 9, που αντιστοιχεί στην είσοδο του μετατροπέα Siemens, όπως γίνεται φανερό, το πλάτος της τάσης και η συχνότητα της μονοφασικής τροφοδοσίας από το δίκτυο δεν επηρεάζεται με την αλλαγή της συχνότητας εξόδου του μετατροπέα σχήμα 9(α), ενώ το ρεύμα, το οποίο απορροφάται από τον μετατροπέα Siemens, αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας εξόδου του σχήμα 9(β). Οι αρμονικές τάσης, οι οποίες επιστρέφουν στο δίκτυο από τον μετατροπέα Siemens, παραμένουν σταθερές κατά τη μεταβολή της συχνότητας εξόδου του, σχήμα 9(γ) και εμφανίζουν συντελεστή ολικής αρμονικής παραμόρφωσης THD=3,6%. Το αρμονικό τους περιεχόμενο αποτελείται εξολοκλήρου από περιττές αρμονικές, καθώς οι τριπλές μαζί με τις άρτιες απουσιάζουν. Η αρμονική, η οποία συνεισφέρει περισσότερο σε αυτό το αρμονικό περιεχόμενο, είναι η 5 η με 3,4%.

21 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ Οι αρμονικές ρεύματος, οι οποίες επιστρέφουν στο δίκτυο από τον μετατροπέα Siemens, μειώνονται με την αύξηση της συχνότητας εξόδου του, σχήμα 9(δ). Ο συντελεστής ολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD%) κυμαίνεται σε τιμές από 118,4% έως 13,8%. Στις αρμονικές ρευμάτων συνεισφέρουν, τόσο οι περιττές, όσο και οι άρτιες αρμονικές. Στη μέγιστη τιμή του συντελεστή THD% οι περιττές συνεισφέρουν κατά 11,9% και οι άρτιες κατά 6,1%. Στην ελάχιστη τιμή του συντελεστή THD% οι περιττές συνεισφέρουν κατά 98,8% και οι άρτιες κατά 4,2%. Η αρμονική ρεύματος με τη μεγαλύτερη συνεισφορά είναι η 3 η με ποσοστό 82,1%. Αντίστοιχες μεταβολές για την τάση και για τα ρεύματα παρατηρούνται και στον ουδέτερο.... ( V ) (I) 3 2,5 2 1,5 1, T H D % T H D % 112,% 11,% 18,% 16,% 14,% 12,% Σχήμα 9. Σημείο 1, Συσχέτιση της μεταβολής της συχνότητας του μετατροπέα Siemens (α) Με την τάση τροφοδοσίας, (β) Με το ρεύμα τροφοδοσίας, (γ) Με τις αρμονικές τάσης που επιστρέφουν στο δίκτυο (THD%), (δ) Με τις αρμονικές ρεύματος που επιστρέφουν στο δίκτυο (THD%). Στην έξοδο του μετατροπέα Siemens που αντιστοιχεί στο δεύτερο σημείο μέτρησης το πλάτος της φασικής τάσης μειώνεται ελάχιστα με την αύξηση της συχνότητας εξόδου του μετατροπέα Siemens, λόγω αύξησης αντίστοιχα του φορτίου και του ρεύματος, ενώ όταν η συχνότητα του μετατροπέα πέσει κάτω από 41Hz τότε παρατηρείται διακοπή της λειτουργίας του φορτίου της διάταξης και η τάση της φάσης εξόδου του μετατροπέα αυξάνει απότομα, όπως διακρίνεται στο σχήμα 1(α). Η τάση στην έξοδο του μετατροπέα ρυθμίζεται αυτόματα από τον μετατροπέα έτσι ώστε ο λόγος V/f (δηλαδή η ροπή στην έξοδο του κινητήρα) να είναι σταθερός. Στον ουδέτερο της εξόδου του μετατροπέα Siemens το πλάτος τάσης της κυματομορφής μεταβάλλεται ανάλογα με τη μεταβολή της συχνότητας εξόδου του και το ρεύμα ουδετέρου έχει σχεδόν ίδια rms τιμή με τη φασική, ενώ θα έπρεπε να είναι μηδενική. Η μεταβολή της τιμής των ρευμάτων εξόδου του μετατροπέα Siemens τόσο της φάσης, όσο και του ουδετέρου, αλλά και των στροφών του κινητήρα συναρτήσει της συχνότητας, απεικονίζονται στα σχήματα 1(β), (γ), και (δ) αντίστοιχα.

22 22 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Siemens Siemens (V) (I) 2 1,5 1, Siemens Siemens. Siemens (I) 2 1,5 1, (rp m ) T H D % Σχήμα 1. Σημείο 2, Συσχέτιση της μεταβολής της συχνότητας του μετατροπέα Siemens (α) Με την τάση εξόδου του, (β) Με τα ρεύματα φάσης του, (γ) Με τα ρεύματα ουδετέρου του, (δ) Με τις στροφές του κινητήρα, (ε) Με το αρμονικό περιεχόμενο ρεύματος στην έξοδό του (THD%). Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κινητήρα στη φάση της εξόδου του μετατροπέα Siemens δεν παράγονται αρμονικές τάσεις σε καμία συχνότητα. Όταν ο κινητήρας είναι σταματημένος, τότε από τον μετατροπέα Siemens παράγονται αρμονικές τάσης, οι οποίες επιστρέφουν στο δίκτυο. Αυτό το αρμονικό περιεχόμενο παρουσιάζει ολική αρμονική παραμόρφωση 24,7%. Οι περιττές αρμονικές συνεισφέρουν κατά 24,6%, ενώ εμφανίζεται μόνο ένα μικρό ποσοστό άρτιων αρμονικών, το οποίο συνεισφέρει κατά,1%. Η αρμονική συνιστώσα με τη μεγαλύτερη συνεισφορά είναι η 3 η, η οποία συμμετέχει κατά 24,2% του ολικού αρμονικού περιεχομένου. Το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα μέχρι τα 5Hz σχήμα 1(ε). Πάνω από τα 5Hz παρατηρείται αύξηση, αλλά με μικρές βηματικές μεταβολές. Το ολικό αρμονικό περιεχόμενο ρεύματος σε συχνότητες κάτω από 5Hz κυμαίνεται κατά μέση τιμή στο 19,8%, με συνεισφορά κατά 16,5% από τις περιττές αρμονικές και κατά 3,3% από τις άρτιες, με μεγαλύτερη συνεισφορά που προέρχεται από την 2 η αρμονική με THD% = 8,4%. Στα 5Hz το ολικό αρμονικό περιεχόμενο μειώνεται στο 9,5% με τις μονές αρμονικές να συνεισφέρουν κατά 6,99% και τις ζυγές κατά 3,6%. Η μεγαλύτερη συνεισφορά προέρχεται από την 5 η αρμονική με ποσοστό 5,5% της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης. Για συχνότητες πάνω από 5Hz το αρμονικό περιεχόμενο κυμαίνεται κατά μέση τιμή στο

23 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ ,3% με τις περιττές αρμονικές να συνεισφέρουν κατά 1% και τις άρτιες κατά 3,3%. Η αρμονική με τη μεγαλύτερη συνεισφορά είναι η 2 η με μέση τιμή 2,3% της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται και στις τρεις φάσεις της εξόδου του μετατροπέα Siemens. Για το τρίτο σημείο μέτρησης η μεταβολή των στροφών, της τάσης και του ρεύματος στην έξοδο της γεννήτριας σε σχέση με τη συχνότητα εξόδου του μετατροπέα Siemens απεικονίζεται στα σχήματα 11(α), (β) και (γ), αντίστοιχα. Όπως είναι αναμενόμενο, η συχνότητα της κυματομορφής εξόδου της γεννήτριας μεταβάλλεται ανάλογα με τη συχνότητα εξόδου του μετατροπέα Siemens. Το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας, σχήμα 11(δ). Σε συχνότητες κάτω από 5Hz το ολικό αρμονικό περιεχόμενο παίρνει μέση τιμή 8,2%, όπου οι περιττές αρμονικές συνεισφέρουν το 8% και οι άρτιες το,2%, ενώ σε συχνότητες πάνω από 5Hz το ολικό αρμονικό περιεχόμενο παίρνει τιμή 7,6%, όπου οι περιττές αρμονικές συνεισφέρουν κατά 7,3% και οι άρτιες,3%. Σε όλο το φάσμα συχνοτήτων για την έξοδο της γεννήτριας η αρμονική με τη μεγαλύτερη συνεισφορά είναι η 3 η με μέση τιμή 5,1%. Το ολικό αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος, επίσης, μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας και σε συχνότητες πάνω από 5Hz παραμένει σχεδόν σταθερό, όπως φαίνεται στο σχήμα 11(ε). Σε συχνότητες κάτω από 5Hz το ολικό αρμονικό περιεχόμενο παίρνει τιμές μέχρι και 2%, όπου οι μονές αρμονικές συνεισφέρουν κατά 132% και οι ζυγές κατά 68%. Η αρμονική συνιστώσα, η οποία συνεισφέρει περισσότερο είναι η 4 η με 92% του ολικού αρμονικού περιεχομένου. Σε συχνότητες από 5Hz και πάνω το ολικό αρμονικό περιεχόμενο σταθεροποιείται στο 6,9%, όπου οι μονές αρμονικές συνεισφέρουν κατά 46,3% και οι ζυγές κατά 14,6%. Η αρμονική με τη μεγαλύτερη συνεισφορά είναι η 5 η με μέση τιμή 36,4%. Η ίδια κατάσταση, τόσο για τα ρεύματα, όσο και για τις τάσεις ισχύει και στις τρεις φάσεις.

24 24 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ (rp m ) ( V ) (rpm) (I) 1,5 1, A. T H D % 8,4 8,2 8 7,8 7,6 7, THD% Σχήμα 11. Σημείο 3, Συσχέτιση της μεταβολής της συχνότητας του μετατροπέα Siemens (α) Με τις στροφές της γεννήτριας, (β) Με την τάση εξόδου της γεννήτριας, (γ) Με το ρεύμα της γεννήτριας, (δ) Με το αρμονικό περιεχόμενο τάσης στην έξοδο της (THD%), (ε) Με το αρμονικό περιεχόμενο ρεύματος στην έξοδο της (THD%). Στην έξοδο του μετατροπέα Vacon, που αντιστοιχεί στην τροφοδοσία του φορτίου και στο τέταρτο σημείο μετρήσεων, οι καταστάσεις είναι διαφορετικές από ό,τι στην έξοδο του μετατροπέα Siemens. Στο τμήμα αυτό της διάταξης σκοπός είναι ο μετατροπέας Vacon να δέχεται συνεχώς μεταβαλλόμενη είσοδο που καθορίζεται από τον μετατροπέα Siemens και η έξοδος του να παρέχει σταθερή συχνότητα, ώστε το φορτίο να λειτουργεί στα ονομαστικά του χαρακτηριστικά. Η μεταβολή της τάσης και του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα Vacon, σε σχέση με τη συχνότητα εξόδου του μετατροπέα Siemens, απεικονίζεται στα σχήματα 12(α) και (β), αντίστοιχα. Η τιμή (rms) της τάσης εξόδου του μετατροπέα Vacon αυξάνει μέχρι τα 5Hz, ενώ πάνω από τα 5Hz παραμένει σταθερή και ίση με 399,8V, όπως επίσης και το ρεύμα τροφοδοσίας του φορτίου αυξάνει μέχρι τα 5Hz και πάνω από τα 5Hz παραμένει σταθερό στα,518α, επειδή ο κινητήρας λειτουργεί χωρίς φορτίο. Για συχνότητα κάτω από 42Hz, τόσο η τάση, όσο και το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα Vacon μηδενίζονται, επειδή η συχνότητα αυτή είναι εκτός των ορίων, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του μετατροπέα. Επίσης, η έξοδος του μετατροπέα Vacon είναι τέτοια, ώστε ο λόγος V/f να παραμένει σταθερός, ενώ και οι στροφές του φορτίου (σχήμα 12(γ)) είναι σταθερές, όπως αναμενόταν, σύμφωνα με δική μας επιλογή. Οι τιμές, τις οποίες παίρνει το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης στην τροφοδοσία του φορτίου, μεταβάλλονται με πολύ γρήγορους ρυθμούς από 19% έως 2% σε όλες τις

25 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ συχνότητες, πρέπει να τονισθεί ότι εμπεριέχονται όλες οι αρμονικές συνιστώσες, δηλαδή περιττές, άρτιες και οι τριπλές. Όσον αφορά στο αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματοςσ το οποίο τροφοδοτεί το φορτίο, μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας, όπως φαίνεται στο σχήμα 12(δ). Σε συχνότητες κάτω από 5Hz η μέση τιμή της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης κυμαίνεται στο 2,3%. Οι μονές αρμονικές συνεισφέρουν κατά 11% και οι ζυγές κατά 8,7%. Η αρμονική συνιστώσα με τη μεγαλύτερη συνεισφορά είναι η 5 η με 9,7%. Σε συχνότητες από 5Hz και πάνω η μέση τιμή του ολικού αρμονικού περιεχομένου μειώνεται στο 18,1%, όπου οι μονές αρμονικές συνεισφέρουν κατά 6,9% και οι ζυγές κατά 12,2%. Σε αυτή την περιοχή συχνοτήτων, η αρμονική με τη μεγαλύτερη συνεισφορά είναι η 18 η με 1,8%. Η ίδια κατάσταση, τόσο για τα ρεύματα, όσο και για τις τάσεις ισχύει και στις τρεις φάσεις της διάταξης.. (V) (I),6,4, ( rp m ) T H D % Σχήμα 12. Σημείο 4, Συσχέτιση της μεταβολής της συχνότητας του μετατροπέα Siemens (α) Με την τάση εξόδου του μετατροπέα Vacon, (β) Με το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα Vacon, (γ) Με τις στροφές του φορτίου, (δ) Με το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος στην έξοδο του μετατροπέα Vacon (THD%). 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τη μελέτη αυτή προκύπτει ότι το αρμονικό περιεχόμενο των ηλεκτρονικών διατάξεων τεχνολογίας PWM, που χρησιμοποιούνται ως ρυθμιστές ταχύτητας ή ως σταθεροποιητές συχνότητας, είναι πλούσιο και η συνολική αρμονική παραμόρφωση THD% είναι συχνά πολύ μεγαλύτερη από την επιτρεπόμενη, σύμφωνα με τα νέα πρότυπα και τους κανονισμούς. Ενώ το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου των μετατροπέων αυτών περιορίζεται, λόγω των σχετικών ρυθμίσεών τους, αποκόπτοντας έτσι τις τριπλές αρμονικές μαζί με τις άρτιες, στο αντίστοιχο αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος συνυπάρχουν

26 26 ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ 28 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ οι περιττές με τις τριπλές και τις άρτιες αρμονικές, επιβαρύνοντας έτσι την τροφοδοσία των φορτίων και της γραμμής. Το φαινόμενο αυτό ενισχύεται, όταν οι κινητήρες λειτουργούν χωρίς φορτίο, όπου το αρμονικό περιεχόμενο, τόσο της τάσης (σε αυτή την περίπτωση εμφανίζονται οι άρτιες, οι περιττές, αλλά και οι τριπλές αρμονικές τάσης), όσο και του ρεύματος είναι το χειρότερο. Ο ουδέτερος αποτελείται εξολοκλήρου από αρμονικές συνιστώσες που είναι κυρίως τριπλές. Η αύξηση της συχνότητας εξόδου των μετατροπέων συχνότητας έχει ως αποτέλεσμα την ανάλογη αύξηση των αρμονικών συνιστωσών τάσης και ρεύματος (rms τιμές), που διαρρέουν τον ουδέτερο, με αποτέλεσμα την ανάλογη αύξηση των απωλειών του συστήματος και τον κίνδυνο να ενεργοποιηθούν οι ηλεκτρονόμοι διαρροής, επειδή το ρεύμα στον ουδέτερο το αντιλαμβάνονται ως διαρροή. Με την κατάλληλη παραμετροποίηση του μετατροπέα και εφόσον ο κινητήρας είναι συνδεμένος με φορτίο, οι αρμονικές τάσης κατά τη λειτουργία του κινητήρα μπορούν να απαλειφθούν. Κάτι τέτοιο δεν ισχύει για τις αρμονικές ρεύματος, οι οποίες συνεχίζουν να υπάρχουν. Στο ονομαστικό φορτίο του κινητήρα με τις κατάλληλες ρυθμίσεις και εφόσον σε αυτόν υπάρχει φορτίο, ομαλοποιείται το αρμονικό περιεχόμενο, τόσο της τάσης, όσο και του ρεύματος, ενώ, σε συνθήκες λειτουργίας πέραν των ονομαστικών, η επιβάρυνση του κινητήρα, λόγω και των αρμονικών συνιστωσών, είναι μεγαλύτερη. Παρά το γεγονός ότι σε μεγαλύτερες συχνότητες η φέρουσα συχνότητα αυξάνει και κανονικά ομαλοποιείται, το αρμονικό περιεχόμενο (μεγάλος αριθμός παλμών ανά ημιπερίοδο), ο τρόπος σύνδεσης του φορτίου στον άξονα του κινητήρα παίζει καταλυτικό ρόλο στη μεταβίβαση κραδασμών και στην αύξηση των απωλειών στις υψηλές ταχύτητες, με αντίστοιχη αύξηση του αρμονικού περιεχομένου. Το αρμονικό περιεχόμενο εξαρτάται άμεσα από τη συχνότητα εξόδου του μετατροπέα και από τον ρόλο που καλείται αυτός να παίξει (ρυθμιστής στροφών ή σταθεροποιητής συχνοτήτων). Στους ρυθμιστές στροφών το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος στην έξοδό τους είναι ομαλότερο από αυτό των σταθεροποιητών συχνότητας, όμως πρέπει να επισημανθεί ότι και η είσοδος των ρυθμιστών στροφών είναι ομαλότερη από την είσοδο

27 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ-ΑΠΡΙΛΙΟΣ των σταθεροποιητών. Η είσοδος των μετατροπέων συχνότητας, που αποτελεί, είτε την τροφοδοσία τους από το δίκτυο, είτε από την έξοδο κάποιας γεννήτριας, μπορεί να είναι πλούσια σε αρμονικές τάσης, λόγω της υπέρθεσης με τις αρμονικές συνιστώσες που επιστρέφουν από το φορτίο. Οι αρμονικές μικρής τάξης δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν άμεσα και εύκολα, σε αντίθεση με τις αρμονικές μεγάλης τάξης, που αντιστοιχούν σε μεγάλες συχνότητες, και μπορούν να εξαλειφτούν από την αντίδραση σκέδασης του κινητήρα. Η συνεισφορά επομένως της 3 ης και της 5 ης αρμονικής συνιστώσας είναι ιδιαίτερα σημαντική και οφείλει να καθορίζει τις προδιαγραφές για τον σχεδιασμό των κατάλληλων φίλτρων για την αποκοπή τους. Η μελέτη αυτή αναδεικνύει το πρόβλημα ύπαρξης των αρμονικών συνιστωσών και αποσκοπεί στον εντοπισμό των σημείων που επιβαρύνουν το δίκτυο μιας βιομηχανικής γραμμής παραγωγής. Η επιλογή ολόκληρου του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού, όπως καλώδια, πυκνωτές, ηλεκτρονικές διατάξεις, ρελέ, θερμικά και τόσα άλλα, οφείλει να γίνεται λαμβάνοντας υπόψη το ποσοστό της συνολικής επιβάρυνσης, αλλά και το είδος των ανώτερων αρμονικών συνιστωσών του συγκεκριμένου βιομηχανικού περιβάλλοντος εγκατάστασης. Πρωτίστως, όμως, οφείλει να γίνει σημαντική προσπάθεια περιορισμού των αρμονικών συνιστωσών, σύμφωνα με τα ισχύοντα διεθνή πρότυπα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ηλεκτρικές Μηχανές AC-DC. Stephen j. Chapman, 3 η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη. 2. Ηλεκτρονικά Ισχύος. Στέφανος Ν. Μανιάς Καθηγητής Ε.Μ.Π, Τόμος 1 ος - 5 η Έκδοση, Εκδόσεις ΙΟΝΟΣ. 3. Μαθηματικές Μέθοδοι Φυσικής Ανάλυσης Fourier. Στυλιανός Μάσεν, Εκδόσεις Α.Π.Θ Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη Υπολογισμός Απωλειών Ασύγχρονου Κινητήρα που τροφοδοτείται από Στατικό Μετατροπέα. Στεργιόπουλος Φ, Θεσσαλονίκη 1995.