ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και. Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του. Πανεπιστηµίου Πατρών

Transcript

1 ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών Ανδρέα Ρεκατσίνα του Γεωργίου Α.Μ «Προσοµοίωση και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως προερχόµενης από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε εναλλασσόµενη» Ν ο 323 Επιβλέπων: ρ.-μηχ. Επαµεινώνδας Μητρονίκας, Λέκτορας (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή ρ.-μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Πάτρα, εκέµβριος

2 2

3 ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών Ανδρέα Ρεκατσίνα του Γεωργίου Α.Μ «Προσοµοίωση και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως προερχόµενης από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε εναλλασσόµενη» Επιβλέπων: ρ.-μηχ. Επαµεινώνδας Μητρονίκας, Λέκτορας (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή ρ.-μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ:. /2010 Πάτρα, εκέµβριος

4 4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωµατική εργασία µε θέµα: «Προσοµοίωση και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως προερχόµενης από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε εναλλασσόµενη» του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών Ανδρέα Ρεκατσίνα του Γεωργίου Α.Μ παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών την ευτέρα 13 εκεµβρίου 2010 Ο Επιβλέπων Ο ιευθυντής του Τοµέα ρ.-μηχ. Επαµεινώνδας Μητρονίκας, Λέκτορας Καθηγητής ρ.-μηχ. Αντώνιος Αλεξανδρίδης 5

6 6

7 ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: /2010 ΤΙΤΛΟΣ: «Προσοµοίωση και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως προερχόµενης από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε εναλλασσόµενη» ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Ανδρέας Ρεκατσίνας ρ.-μηχ. Επαµεινώνδας Μητρονίκας, Λέκτορας (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή ρ.-μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) 7

8 8

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής της Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών στα πλαίσια της διπλωµατικής εργασίας του φοιτητή Ανδρέα Ρεκατσίνα, υπό την επίβλεψη του Καθηγητή ρ.-μηχ. Αθανασίου Σαφάκα. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η µελέτη, εξοµοίωση και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού τριφασικού αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος µετατρέπει µια σταθερή συνεχή τάση σε τριφασική εναλλασσόµενη, µέσω της οποίας ελέγχεται ένας τριφασικός σύγχρονος κινητήρας µόνιµου µαγνήτη (Brushless DC, BLDC). Η συνεχής αυτή τάση προέρχεται από έναν ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, ο οποίος ανυψώνει και σταθεροποιηθεί στα 50 V την τάση, η οποία παράγεται από µία πηγή κυψελών καυσίµου (Fuel Cells). Αρχικά έγινε ενδελεχής µελέτη διαφόρων τριφασικών αντιστροφέων µε σκοπό την εµβάθυνση στη δοµή και λειτουργία τους, ώστε να διευκολυνθούµε στο σχεδιασµό και κατασκευή του αντιστροφέα για τη συγκριµένη εφαρµογή και τελικά επιλέχτηκε να σχεδιαστεί, να εξοµοιωθεί και να κατασκευαστεί ένας ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος έξι παλµών τετραγωνικής κυµατοµορφής εξόδου, όπου το πλάτος και η συχνότητα της εναλλασσόµενης τάσης εξόδου ελέγχεται µέσω της τεχνικής διαµόρφωσης του εύρους των παλµών (PWM) των ηµιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Τα ηµιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος του αντιστροφέα επιλέχθηκαν να είναι MOSFET, αφού ύστερα από υπολογισµούς και συγκρίσεις των διαφόρων ηµιαγωγικών στοιχείων µεταξύ τους αυτά κρίθηκαν ως τα πιο κατάλληλα. Έπειτα έγινε εξοµοίωση του συστήµατος µετατροπέα-κινητήρα µέσω του προγράµµατος Matlab/Simulink προκειµένου να βρεθεί η καταλληλότερη µέθοδος παλµοδότησης των έξι ηµιαγωγικών στοιχείων ισχύος και να εξετασθούν διάφορα µεγέθη απαραίτητα για την σχεδίαση του αντιστροφέα. Ακολούθησε η σχεδίαση του τυπωµένου κυκλώµατος του µετατροπέα καθώς και του κυκλώµατος ελέγχου σε κοινή πλακέτα µέσω του προγράµµατος Kicad, το οποίο έπειτα συναρµολογήθηκε και προγραµµατίστηκε στο Εργαστήριο. Για τη σωστή λειτουργία του κινητήρα απαιτείται η συγχρονισµένη και διαδοχική τροφοδότηση των τριών τυλιγµάτων του στάτη του κινητήρα, έτσι ώστε να µην υπάρξει αποσυγχρονισµός. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται τρεις αισθητήρες Hall, οι οποίοι είναι ενσωµατωµένοι στη µηχανή και τοποθετηµένοι σε γωνία 120 ο ηλεκτρικών µοιρών µεταξύ τους (οι 120 ο ηλεκτρικές µοίρες αντιστοιχούν σε 30 ο χωρικές µοίρες για έναν οχταπολικό κινητήρα). Τα σήµατα που παράγουν οι αισθητήρες Hall χρησιµοποιούνται για να ορίσουν τη θέση του δροµέα και οδηγούνται στη βαθµίδα, η οποία καλείται «ελεγκτής καταστάσεων µετάβασης» (commutation logic block) και ελέγχει την παλµοδότηση των έξι ηµιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Ο κινητήρας λόγω της χρήσης της παραπάνω λογικής στην τροφοδότησή του αδυνατεί να αποσυγχρονιστεί, διότι ο ελεγκτής καταστάσεων µετάβασης δεν επιτρέπει λανθασµένη τροφοδοσία τυλίγµατος. Έτσι, η ηλεκτρική συχνότητα ισούται πάντα µε τη συχνότητα περιστροφής του άξονα επί 4, δεδοµένου ότι η µηχανή έχει τέσσερα ζεύγη πόλων. Ο έλεγχος του ρεύµατος γίνεται µέσω του λόγου κατάτµησης (duty cycle) των 9

10 διακοπτών. Σε λειτουργία κλειστού βρόχου το αποτέλεσµα της σύγκρισης του ρεύµατος αναφοράς και του ρεύµατος ανάδρασης οδηγείται σε έναν ελεγκτή PI και στη συνέχεια µε τεχνική PWM ελέγχεται η κατάσταση των ηµιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων. Τέλος στο προαναφερθέν σύστηµα προστέθηκε µία γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος µόνιµου µαγνήτη ως φορτίο και πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές δοκιµές για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας της διάταξης. Μετρήσεις έγιναν για τις φασικές και πολικές τάσεις του κινητήρα καθώς και για τα ρεύµατα αυτού για 1500min -1 και για 3000 min -1 (ονοµαστικός αριθµός στροφών) µε αφόρτιστη τη γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος. 10

11 11

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΥ Εισαγωγή Κυψέλες καυσίµου (Fuel cells) Εισαγωγή στις κυψέλες καυσίµου Αρχή λειτουργίας κυψέλης καυσίµου Τύποι κυψελών καυσίµου Χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος της κυψέλης καυσίµου Πλεονεκτήµατα και Εφαρµογές Μετατροπέας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης πηγής Εισαγωγή στον απλό µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης Περιγραφή του απλού µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή Ανάλυση του ηλεκτρονικού µετατροπέα ανύψωσης τάσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων (interleaved boost converter) Συσσωρευτές Μετατροπέας οδήγησης σύγχρονου κινητήρα 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 2.1 Εισαγωγή Θεµελιώδεις έννοιες του µαγνητικού πεδίου Ορισµοί χαρακτηριστικών µεγεθών του µαγνήτη Βρόχος υστέρησης µαγνητικού υλικού Επίδραση της θερµοκρασίας στη λειτουργία των µαγνητών Υλικά και ιδιότητες µόνιµων µαγνητών Μαγνήτες Alnico Κεραµικοί µαγνήτες (ή αλλιώς φερρίτες) 44 12

13 2.6.3 Μαγνήτες σπάνιων γαιών..44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΙΝΗΤΡΕΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ Εισαγωγή Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και αρχή λειτουργίας Στάτης ροµέας Αισθητήρες Hall - Φαινόµενο Hall Λειτουργία της σύγχρονης µηχανής µόνιµου µαγνήτη Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της σύγχρονης µηχανής µόνιµου µαγνήτη Τυπικές εφαρµογές των σύγχρονων κινητήρων µόνιµου µαγνήτη Εφαρµογές µε σταθερά φορτία Εφαρµογές µε µεταβλητά φορτία Εφαρµογές προσδιορισµού θέσης Κριτήρια επιλογής µηχανής σε ένα κινητήριο σύστηµα Μαγνητική επαγωγή διακένου και ισοδύναµο µαγνητικό κύκλωµα σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη Τάση εξ επαγωγής και ροπή στρέψης σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη Χαρακτηριστικά ροπής- ταχύτητας του σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη Κύκλωµα ελέγχου στροφών σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη Τάση εξ επαγωγής σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη Αυτεπαγωγή, σύγχρονη αντίδραση και ροπή σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη.76 13

14 3.14 Περιοχές λειτουργίας σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη Έλεγχος σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη..82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΚΑΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Εισαγωγή Μελέτη και λειτουργία τριφασικού αντιστροφέα τάσης Έλεγχος των ηµιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα Γραµµικά τροφοδοτικά συνεχούς τάσης..90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Εισαγωγή Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα µέσω του λογισµικού Matlab/Simulink Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα για κατάσταση ονοµαστικής λειτουργίας του κινητήρα Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα για ήπια εκκίνηση κινητήρα (Soft Start) Σχεδιασµός και κατασκευή κυκλώµατος ισχύος Επιλογή ηµιαγωγικού διακοπτικού στοιχείου ισχύος Επιλογή διόδου ισχύος Κατασκευή συστήµατος απαγωγής θερµότητας Επιλογή πυκνωτών εισόδου του αντιστροφέα

15 5.3.5 Επιλογή αντιστάσεων στην πύλη των MOSFET Σχεδιασµός και κατασκευή κυκλώµατος ελέγχου Ο µικροελεγκτής dspic30f Ο αντιστροφέας 74HCT Ο οπτοζεύκτης 6Ν Ο οδηγός παλµών IR Το µετρητικό τάσης LV 25-P και ο ενισχυτής AD Σχεδιασµός και κατασκευή γραµµικών τροφοδοτικών..117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ ΚΑΙ ΤΟΥ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΡΟΗΣ ΤΟΥ ΚΩ ΙΚΑ ΠΑΛΜΟ ΟΤΗΣΗΣ Εισαγωγή Γενικές έννοιες µικροεπεξεργαστών-συνοπτική περιγραφή του MPLAB Συνοπτική περιγραφή του dspic30f Τα αναπτυξιακά εργαλεία του dspic30f Περιφεριεκές µονάδες του dspic30f Θύρες εισόδου/εξόδου Μετατροπείς σήµατος από αναλογικό σε ψηφιακό Θύρα PWM ίαυλος CAN Το διάγραµµα ροής του κώδικα..142 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ - ΙΆΤΑΞΗ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 7.1 Φορτίο µηχανής

16 7.1.1 Σύζευξη µηχανής µε φορτίο Γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος Ωµική αντίσταση ως φορτίο γεννήτριας συνεχούς ρεύµατος Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Κυµατοµορφές παλµογραφηµάτων για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας Κυµατοµορφές για λειτουργία στις 550 στροφές ανά λεπτό εν κενώ Κυµατοµορφές για λειτουργία στις 1500 στροφές ανά λεπτό εν κενώ Κυµατοµορφές για λειτουργία στις 3000 στροφές ανά λεπτό εν κενώ Σχόλια- Παρατηρήσεις.165 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α..171 ΟΙ ΚΩ ΙΚΕΣ ΤΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β..179 ΤΟ ΤΥΠΩΜΕΝΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΤΕΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ ΤΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ..185 ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑ ΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ ΚΑΙ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ ΤΩΝ ΜΕΡΩΝ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ 16

17 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε κατά το ακαδηµαϊκό έτος στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Αντικείµενο της εργασίας είναι η µελέτη, εξοµοίωση και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού τριφασικού αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος µετατρέπει µια σταθερή συνεχή τάση σε τριφασική εναλλασσόµενη, µέσω της οποίας ελέγχεται ένας τριφασικός σύγχρονος κινητήρας µόνιµου µαγνήτη (Brushless DC, BLDC). Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται το ολοκληρωµένο ηλεκτροκινητήριο σύστηµα µέρος του οποίου αποτελεί η παρούσα διπλωµατική εργασία καθώς επίσης γίνεται και µία σύντοµη περιγραφή των υπολοίπων επιµέρους µερών του (fuel cells, µετατροπέας σταθεροποίησης τάσης, συσσωρευτές). Στο κεφάλαιο 2 αναλύονται κάποια θεµελιώδη µεγέθη του µαγνητικού πεδίου καθώς και οι βασικές ιδιότητες των µαγνητικών υλικών απαραίτητες για την κατανόηση της δοµής και της λειτουργίας του κινητήρα. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται περιγραφή της δοµής και της λειτουργίας ενός σύγχρονου κινητήρα µόνιµου µαγνήτη, που είναι γνωστός και ως κινητήρας Brushless DC. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται µια θεωρητική ανάλυση του απλού (εξαπαλµικού) ηλεκτρονικού τριφασικού αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος µετατρέπει µια σταθερή συνεχή τάση σε τριφασική εναλλασσόµενη µεταβλητής τάσης και συχνότητας. Στο κεφάλαιο 5 αναλύεται η εξοµοίωση του µετατροπέα και τα αποτελέσµατα που προέκυψαν από αυτή στο πρόγραµµα MATLAB και παρουσιάζεται αναλυτικά ο τρόπος κατασκευής του µετατροπέα καθώς και όλων των βοηθητικών κυκλωµάτων του, µε ταυτόχρονη παράθεση εικόνων. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται ο βιοµηχανικός µικροελεγκτής (Microchip dspic30f4011) που χρησιµοποιήθηκε στο κύκλωµα ελέγχου καθώς και το διάγραµµα ροής του κώδικα παλµοδότησης. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η πειραµατική διάταξη και επίσης παραθέτονται και σχολιάζονται οι κυµατοµορφές που προέκυψαν από τα παλµογραφήµατα στα κυκλώµατα του τριφασικού αντιστροφέα, κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον επιβλέποντα της διπλωµατικής µου εργασίας, Καθηγητή κ. Αθανάσιο Σαφάκα, για την ανάθεση αυτού του ενδιαφέροντος θέµατος, την επίβλεψη και την υποστήριξή του στα ζητήµατα που προέκυψαν. 17

18 Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή καθηγητή κ. Εµµανουήλ Τατάκη και το Λέκτορα κ. Επαµεινώνδα Μητρονίκα, για την υποστήριξη και τις πολύτιµες συµβουλές τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Σάββα Τσοτουλίδη, ο οποίος βοήθησε στη µελέτη αυτής της εργασίας µε τις γνώσεις του και τις πολύτιµες συµβουλές του, καθώς και όλους τους Μεταπτυχιακούς Φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών για τη συνεργασία τους και τις συµβουλές τους σε διάφορα ζητήµατα. 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΥ 1.1 Εισαγωγή Η παρούσα διπλωµατική εργασία είχε ως αντικείµενο ένα ηλεκτροκινητήριο σύστηµα,το οποίο σχεδιάστηκε, εξοµοιώθηκε και κατασκευάστηκε µε σκοπό να αποτελέσει υποσύστηµα ενός µεγαλύτερου ηλεκτροκινητήριου συστήµατος (Σχέδιο1.1). Τα µέρη του ηλεκτροκινητήριου αυτού συστήµατος είναι, συνοπτικά, τα παρακάτω και θα αναλυθούν σύντοµα στα επόµενα υποκεφάλαια. 1. Κυψέλες καυσίµου (Fuel cells) 2. Μετατροπέας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης 3. Συσσωρευτές 4. Μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε τριφασική εναλλασσόµενη για την οδήγηση ενός σύγχρονου κινητήρα και σύγχρονος κινητήρας Σχήµα 1.1 Το ολοκληρωµένο ηλεκτροκινητήριο σύστηµα. 1.2 Κυψέλες καυσίµου (Fuel cells) [34] Εισαγωγή στις κυψέλες καυσίµου[23] Η ανάγκη απεξάρτησης από τα συµβατικά καύσιµα οδήγησε τους επιστήµονες στη µελέτη σύγχρονων εναλλακτικών τρόπων µετασχηµατισµού άλλων µορφών ενέργειας σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούν σήµερα µία ελκυστική δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, κυρίως από υδρογόνο και συγκαταλέγονται µεταξύ των πιο ελπιδοφόρων τεχνολογιών του µέλλοντος για την αντικατάσταση των γνωστών συσσωρευτών. Η λειτουργία τους στηρίζεται σε απευθείας µετατροπή της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική. 19

20 Οι κυψέλες καυσίµου προσφέρουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς εκποµπή ρύπων, µε υψηλό βαθµό απόδοσης και µεγάλη βιωσιµότητα. Οι λόγοι αυτοί οδήγησαν στη λεπτοµερή µελέτη εκ µέρους των επιστηµονικών κοινοτήτων της νέας αυτής τεχνολογίας, η οποία αντιµετωπίζεται πλέον ως µία ελπιδοφόρα δυνατότητα παραγωγής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίµου µπορούν να καλύψουν ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών, από τις ανάγκες ηλεκτροδότησης ενός σπιτιού έως τα συστήµατα ηλεκτροκίνησης που παρουσιάζουν άµεσο ενδιαφέρον, όπως η εφαρµογή σε ηλεκτρικά και υβριδικά οχήµατα. Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούν ένα µηχανισµό για την ηλεκτροχηµική µετατροπή της ενέργειας µετατρέποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα µε τη διαδικασία αυτή ηλεκτρισµό και θερµότητα. Ο ηλεκτρισµός παράγεται µε τη µορφή συνεχούς ρεύµατος. Οι κυψέλες καυσίµου µπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήµατος το οποίο χρησιµοποιεί το υδρογόνο ως καύσιµο. Είναι αυτές οι οποίες αναλαµβάνουν τη µετατροπή του καυσίµου σε χρήσιµη ηλεκτρική ενέργεια Αρχή λειτουργίας κυψέλης καυσίµου [25],[26],[27],[28] Οι κυψέλες καυσίµου είναι συσκευές ηλεκτροχηµικής µετατροπής της ενέργειας. Ενώνουν ηλεκτροχηµικά ένα καύσιµο, που κατά κανόνα είναι υδρογόνο, µε ένα οξειδωτικό. Η χηµική αντίδραση που πραγµατοποιείται µέσα στην κυψέλη οδηγεί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε ταυτόχρονη παραγωγή νερού και έκλυση θερµότητας, καθώς αντιδρά το καύσιµο µε το οξυγόνο. Η συνεχής εισροή του καυσίµου είναι αναγκαία για τη λειτουργία της κυψέλης καυσίµου. Οι κυψέλες καυσίµου ως πηγές ενέργειας πλεονεκτούν έναντι των µηχανών εσωτερικής καύσης και των µπαταριών σε πολλά σηµεία. Η παραγωγή µηχανικής ενέργειας στις µηχανές εσωτερικής καύσης πραγµατοποιείται µε τη µετατροπή της χηµικής ενέργειας του καυσίµου σε θερµική, αναµιγνύοντας το καύσιµο µε το οξυγόνο σε υψηλές θερµοκρασίες. Η παραγόµενη θερµική ενέργεια µετατρέπεται σε µηχανική µε αρκετές όµως απώλειες λόγω του περιορισµού του κύκλου Carnot. Η απουσία του περιορισµού αυτού είναι και το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα των κυψελών καυσίµου λόγω της απευθείας µετατροπής της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική και εποµένως του µεγαλύτερου βαθµού απόδοσης. Ένα άλλο πλεονέκτηµα των κυψελών είναι οι χαµηλές εκποµπές ρύπων, ειδικά στην περίπτωση των κυψέλων καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, όπου το προϊόν της χηµικής αντίδρασης, όπως θα δούµε παρακάτω, είναι το νερό που συνοδεύεται από ταυτόχρονη έκλυση θερµότητας. 20

21 Οι µπαταρίες από την άλλη πλευρά, είναι και αυτές ηλεκτροχηµικές συσκευές που µετατρέπουν τη χηµική ενέργεια άµεσα σε ηλεκτρική. Η κύρια διαφορά τους µε τις κυψέλες εντοπίζεται στο γεγονός ότι η µπαταρία περιέχει τα αντιδρώντα στο εσωτερικό της συνεπώς όταν εκφορτιστεί πρέπει να αντικατασταθεί ή να φορτιστεί εκ νέου. Σε αντιδιαστολή µε την µπαταρία, τα αντιδρώντα στην κυψέλη καυσίµου είναι αποθηκευµένα εξωτερικά και πρέπει να υπάρχει συνεχής τροφοδότησή τους για την εύρυθµη λειτουργία της. Τα αντιδρώντα της κυψέλης καυσίµου που είναι συνήθως υδρογόνο και ατµοσφαιρικός αέρας είναι αποθηκευµένα σε δεξαµενές υψηλής πίεσης οι οποίες επιτρέπουν την εύκολη αντικατάστασή τους. Εποµένως, τα πλεονεκτήµατα της κυψέλης καυσίµου σε σχέση µε τις παραπάνω µεθόδους συνοπτικά είναι τα εξής: Πλεονεκτήµατα έναντι των µηχανών εσωτερικής καύσης Αποτελούν πιο καθαρή πηγή ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίµου παράγουν µόνο ηλεκτρική ενέργεια, θερµότητα και νερό. Το υδρογόνο όµως δεν απαντάται µόνο του στη φύση, οπότε πρέπει να παραχθεί. Η παραγωγή υδρογόνου γίνεται βασικά µε τρεις τρόπους: µε τη χρήση ορυκτών καυσίµων, µε τη βοήθεια ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, όπως η φωτοβολταϊκή, η αιολική, η γεωθερµική και η βιοµάζα, οι οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για ηλεκτρόλυση και γενικά µε ηλεκτρόλυση. Επικρατέστερη µέθοδος παραγωγής υδρογόνου αυτή τη στιγµή είναι η αναµόρφωση του φυσικού αερίου. Ακόµα πάντως και σε αυτή την περίπτωση, που το υδρογόνο παράγεται από ορυκτό καύσιµο, η ρύπανση που προκαλείται είναι αρκετά µικρότερη σε σύγκριση µε τις µηχανές που λειτουργούν µε ορυκτά καύσιµα. Έχουν µεγαλύτερη απόδοση. Οι κυψέλες καυσίµου δεν λειτουργούν σε θερµοδυναµικό κύκλο, εποµένως δεν έχουν το αντίστοιχο αυστηρό όριο για την απόδοση, αλλά ισχύει για αυτές το όριο απόδοσης της χηµικής αντίδρασης, το οποίο όµως είναι υψηλότερο. Ακόµα, τα µηχανικά µέρη που χρειάζονται, για παράδειγµα οι αντλίες, έχουν πολύ λιγότερες απώλειες από τα κινούµενα µέρη µιας µηχανής. Με συµπαραγωγή ηλεκτρισµού και θερµότητας, η απόδοση µπορεί να ξεπεράσει το 90%. Είναι πολύ πιο αθόρυβες, καθώς τα κινούµενα µηχανικά µέρη είναι ελάχιστα. Είναι πιο αξιόπιστες, για τον ίδιο λόγο. Η συντήρησή τους είναι ευκολότερη. Λειτουργούν σε χαµηλότερες θερµοκρασίες. Ανταποκρίνονται πιο γρήγορα στις µεταβολές του φορτίου. Ευνοούν την κατανεµηµένη παραγωγή ενέργειας. 21

22 Πλεονεκτήµατα έναντι των συσσωρευτών Οι κυψέλες καυσίµου παράγουν ενέργεια όσο τροφοδοτούνται µε υδρογόνο και οξυγόνο. Αντίθετα οι συσσωρευτές χρειάζονται φόρτιση (αποθηκευτές ηλεκτρικής ενέργειας). Τα συστήµατα κυψελών καυσίµου είναι ελαφρύτερα σε σχέση µε τα αντίστοιχα συστήµατα µε µπαταρίες. Οι κυψέλες υδρογόνου είναι πιο αξιόπιστες, χρειάζονται λιγότερο τακτικά συντήρηση και έχουν µεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μειονεκτήµατα των κυψελών καυσίµου Το κόστος των κυψελών καυσίµου είναι ακόµα πολύ υψηλό. Η παραγωγή, η µεταφορά, η διανοµή και η αποθήκευση του υδρογόνου παρουσιάζουν πολλές δυσκολίες. Ακόµα, η δηµιουργία των κατάλληλων υποδοµών για το δίκτυο µεταφοράς και διανοµής του υδρογόνου απαιτεί τεράστια κεφάλαια. Το αέριο υδρογόνο έχει πολύ µεγάλο όγκο και αποθηκεύεται δύσκολα. Ακόµα και το υγροποιηµένο υδρογόνο έχει πολύ µεγαλύτερο όγκο από ποσότητα πετρελαίου που αποδίδει την ίδια ποσότητα ενέργειας. Συνυπολογίζοντας όλο τον εξοπλισµό που χρειάζονται για τη λειτουργία τους, τα συστήµατα κυψελών καυσίµου είναι βαρύτερα και πιο ογκώδη από µηχανές εσωτερικής καύσης, που είναι ικανές να παράγουν αντίστοιχη ποσότητα ενέργειας. Ως προς τη δοµή, η κυψέλη καυσίµου αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια ( άνοδο και κάθοδο ), τα οποία χωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη (σχήµα 1.2). Το στρώµα της ανόδου και της καθόδου αποτελείται από το στρώµα διάχυσης αερίων, που είναι υπεύθυνο για την οµοιόµορφη κατανοµή των αερίων στην επιφάνεια του καταλύτη. Οι αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται στην κυψέλη καυσίµου συµβαίνουν στην επιφάνεια πριν τον ηλεκτρολύτη, η οποία είναι εµπλουτισµένη µε έναν καταλύτη συνήθως λευκόχρυσος ή παλλάδιο. 22

23 Σχήµα 1.2 Βασική δοµή και λειτουργία της κυψέλης καυσίµου [22] Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση του οξυγόνου µε το καύσιµο (υδρογόνο, µεθάνιο, µεθανόλη) µετατρέπεται σε ηλεκτρική. Για την ακρίβεια η απόσπαση των ηλεκτρονίων από τα µόρια του καυσίµου οδηγούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωµα, παράγοντας µε αυτόν τον τρόπο ηλεκτρικό ρεύµα. Η θεωρητική τιµή της τάσεως για κυψέλες καυσίµου υδρογόνου κυµαίνεται στα 1.23V για θερµοκρασία 25 C. Στην πράξη όµως το φάσµα των τιµών της τάσεως είναι περίπου 0.5-1V. Για την επίτευξη µεγαλύτερης τάσεως συνδέονται πολλές κυψέλες µαζί, δηµιουργώντας µια συστοιχία κυψελών καυσίµου (stack) Τύποι κυψελών καυσίµου Οι κυψέλες καυσίµου διακρίνονται σε πέντε κύριους τύπους. Τα ονόµατα των κυψελών προσδιορίζουν το είδος του µεταφερόµενου ιόντος που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη. Η βασική δοµή των κυψελών αυτών είναι όµοια, διαφοροποιούνται όµως ως προς το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιµοποιούν, τη θερµοκρασία λειτουργίας, τους καταλύτες, την καθαρότητα των αντιδρώντων και τις επιµέρους χηµικές αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται. Οι κύριοι τύποι κυψελών καυσίµου είναι: Αλκαλική κυψέλη καυσίµου (Alkaline Fuel Cell-AFC) Κυψέλη καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange 23

24 Membrane-PEΜFC) Κυψέλη καυσίµου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell-PAFC) Κυψέλη καυσίµου τήγµατος ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cell-MCFC) Κυψέλη καυσίµου στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cell-SOFC) Για την εµπορική χρήση σε επίπεδο χαµηλής θερµοκρασιακής λειτουργίας έχει προταθεί η κυψέλη καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC), ενώ σε υψηλή θερµοκρασιακή λειτουργία η κυψέλη καυσίµου τήγµατος ανθρακικών αλάτων (MCFC) και η στερεών οξειδίων (SOFC). Σχήµα 1.3 H δοµή των διαφόρων τύπων κυψελών καυσίµου [29] Πίνακας 1.1 Αντιδράσεις ανόδου και καθόδου [30] 24

25 1.2.4 Χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος της κυψέλης καυσίµου [22],[31] Η χαρακτηριστική της κυψέλης καυσίµου χωρίζεται σε τρεις περιοχές. Στις χαµηλές πυκνότητες ρεύµατος επικρατούν οι απώλειες ενεργοποίησης που οδηγούν σε απότοµη πτώση της τάσεως. Στη δεύτερη περιοχή, που περιλαµβάνει τις πυκνότητες ρεύµατος µεταξύ ma/cm 2, επικρατούν οι ωµικές απώλειες. Σε αυτήν την περιοχή παρατηρείται γραµµική πτώση της τάσης και χαρακτηρίζει την περιοχή λειτουργίας της κυψέλης. Στην τρίτη περιοχή, από 600 ma/cm 2 και πάνω, υπερισχύουν οι απώλειες συγκέντρωσης. Αυτές οι µη γραµµικές απώλειες προκαλούν ραγδαία πτώση της τάσεως καθώς προσεγγίζεται το όριο της πυκνότητας ρεύµατος. Το όριο αυτό της πυκνότητας ρεύµατος (j L ) παρουσιάζει και το ρεύµα βραχυκύκλωσης της κυψέλης. Πρέπει να σηµειωθεί και να τονιστεί το γεγονός ότι και οι τρεις µηχανισµοί απωλειών λειτουργούν ταυτόχρονα σε όλο το φάσµα της πυκνότητας ρεύµατος της κυψέλης. Λαµβάνοντας υπόψη τα παραπάνω µπορεί να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος της κυψέλης (polarization curve). Συνεπώς, η τάση της κυψέλης θα ισούται µε: (1.1) Στο σχήµα 1.4 παρουσιάζεται µία χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος για µία µεµονωµένη κυψέλη καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Παράλληλα αποτυπώνονται και οι µηχανισµοί που προκαλούν πτώση τάσεως καθώς και οι περιοχές στις οποίες παρουσιάζονται. Σχήµα 1.4: Χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος µεµονωµένης κυψέλης [31] 25

26 1.2.5 Πλεονεκτήµατα και Εφαρµογές [22] Το κυριότερο µειονέκτηµα όλων των τύπων κελιών καυσίµου είναι το κόστος. Παρόλα αυτά υπάρχουν διάφορα πλεονεκτήµατα, που διαφέρουν ανάλογα µε τον τύπο του κελιού. Αυτά αφορούν τα επόµενα : Απόδοση : Τα κελιά καυσίµου (ή κυψέλες καυσίµου) είναι γενικά περισσότερο αποδοτικά από τις µηχανές καύσης είτε αυτές χρησιµοποιούν έµβολα, είτε τουρµπίνες. Ακόµα, είτε είναι µικρό το σύστηµα των κελιών καυσίµου είτε είναι µεγάλο είναι εξίσου αποδοτικό. Αυτό είναι εξαιρετικά σηµαντικό στα συστήµατα συνδυασµένης παραγωγής για µικρές εφαρµογές, όπως για οικιακή χρήση. Απλότητα : Τα απαραίτητα και ζωτικά στοιχεία για ένα κελί είναι ιδιαίτερα απλά, µε ελάχιστα ή καθόλου κινούµενα µέρη. Αυτό µπορεί να οδηγήσει σε εξαιρετικής διάρκειας ζωής και αξιοπιστίας συστήµατα. Μικρές Εκποµπές Ρύπων : Το προϊόν της κύριας αντίδρασης ενός κελιού καυσίµου, όταν το καύσιµο είναι υδρογόνο, είναι καθαρό νερό, το οποίο σηµαίνει ότι το κελί καυσίµου µπορεί να θεωρηθεί ως µια µηχανή µηδενικών εκποµπών ρύπων. Αυτό είναι και το κύριο πλεονέκτηµά τους όταν χρησιµοποιηθούν στην αυτοκίνηση, καθώς η χρήση τους µπορεί να εξαλείψει τους ρύπους που δηµιουργούνται στις πόλεις. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η παραγωγή υδρογόνου για να χρησιµοποιηθεί ως καύσιµο απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα. Θόρυβος : Τα κελιά καυσίµου είναι ιδιαίτερα αθόρυβα, ακόµα και αυτά που χρησιµοποιούν ειδικές διατάξεις για την παροχή και επεξεργασία του καύσιµου. Αυτό είναι πολύ σηµαντικό σε εφαρµογές που απαιτούν φορητότητα καθώς και σε µικρά συστήµατα συνδυασµένης παραγωγής. Το γεγονός ότι το υδρογόνο είναι το προτιµώµενο καύσιµο είναι από τα κύρια µειονεκτήµατα των κελιών καυσίµου. Παρόλα αυτά είναι πολοί που θεωρούν ότι αυτό είναι ένα από τα κύρια πλεονεκτήµατα. Προβλέπεται ότι τα ορυκτά καύσιµα θα τελειώσουν σε µερικές δεκαετίες, και ότι το υδρογόνο θα γίνει το κύριο καύσιµο του πλανήτη και ο κύριος ενεργειακός παράγοντας. Η παραγωγή του θα γίνεται από µεγάλες συστοιχίες ηλιακών συλλεκτών που θα ηλεκτρολύουν το νερό. Τα κελιά καυσίµου καθιστούν εύκολη τη δηµιουργία συστηµάτων συνδυασµένης παραγωγής (τόσο σε µεγάλη όσο και σε µικρή κλίµακα) και φυσικά τη δηµιουργία συστηµάτων για φορητές εφαρµογές, ιδιαίτερα στα οχήµατα και σε ηλεκτρονικό εξοπλισµό όπως είναι οι φορητοί υπολογιστές, τα κινητά τηλέφωνα και στρατιωτικό εξοπλισµό επικοινωνιών, εν ολίγοις θα είναι ένας καλός αντικαταστάτης σε εφαρµογές που µέχρι σήµερα χρησιµοποιούν 26

27 µπαταρίες. Αυτά είναι τα κύρια πεδία στα οποία χρησιµοποιούνται σήµερα τα κελιά καυσίµου. Η κυψέλη καυσίµου, όπως εξηγήθηκε, παράγει συνεχές ρεύµα και τάση. Συνεπώς, για τη σύνδεση της σε ένα φορτίο απαιτείται η παρεµβολή ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. Συγκεκριµένα στην έξοδο της κυψέλης συνδέεται ένας µετατροπέας ανύψωσης που σκοπεύει να αυξήσει και να σταθεροποιήσει τη συνεχή τάση εξόδου της κυψέλης καυσίµου στην επιθυµητή τιµή. Ανάλογα µε την εφαρµογή, συνδέεται και ένας αντιστροφέας που µετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόµενη. Για εφαρµογές ηλεκτροκίνησης, εκτός από τον κινητήρα που µετατρέπει την ηλεκτρική ισχύ σε µηχανική, πρέπει να προστεθούν και συσσωρευτές ώστε να αποθηκεύεται η απαιτούµενη ισχύς που παρουσιάζεται στις γρήγορες µεταβολές του φορτίου. 1.3 Μετατροπέας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης πηγής[34] Εισαγωγή στον απλό µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης Όπως έγινε ήδη σαφές από τη χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος κυψέλης που παρουσιάστηκε παραπάνω, η τάση εξόδου της πηγής κυψελών καυσίµου δεν είναι σταθερή αλλά µεταβάλλεται από 24 έως 48 Volt σύµφωνα µε το φορτίο. Ένα άλλο σοβαρό πρόβληµα µε τη πηγή κυψελών καυσίµου «Nexa Power Module» που χρησιµοποιήθηκε στο ηλεκτροκινητήριο σύστηµα του σχήµατος 1.1 ήταν ότι η τάση εξόδου αυτής (24 έως 48 Volt) δεν επαρκούσε για την τροφοδότηση του επόµενου σταδίου του συστήµατος δηλαδή του µετατροπέα αντιστροφής τάσης που θα οδηγούσε τον κινητήρα. Έτσι έπρεπε να παρεµβληθεί µεταξύ φορτίου και αντιστροφέα ένας άλλος µετατροπέας που θα ανύψωνε και θα σταθεροποιούσε την τάση. Αυτός ο µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή αποτέλεσε το αντικείµενο της διπλωµατικής εργασίας ενός άλλου φοιτητική του Τµήµατος. Για τον µετατροπέα αυτόν θα γίνει εδώ µία σύντοµη περιγραφή της δοµής του και των βασικών αρχών λειτουργίας του Περιγραφή του απλού µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή (Boost converter) έχει τάση εξόδου µεγαλύτερη (ή ίση) από την τάση της εισόδου του. 27

28 Σχήµα 1.5 Κύκλωµα απλού µετατροπέα ανύψωσης τάσης (Boost Converter) Όπως φαίνεται στο σχήµα 1.5, η διάταξη αποτελείται από µία πηγή συνεχούς τάσης, ένα πηνίο, έναν ηµιαγωγικό διακόπτη, µία δίοδο ισχύος κι έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή στην έξοδο παράλληλα µε το φορτίο. Η λειτουργία του χωρίζεται σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση ο ηµιαγωγικός διακόπτης άγει ενώ στη δεύτερη δεν άγει. Κατά την πρώτη φάση (σχήµα 1.6) ρέει ρεύµα από την πηγή τάσης στο πηνίο και στο διακόπτη και επιστρέφει στην πηγή. Η δίοδος πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει, αποµονώνοντας τη βαθµίδα εξόδου. Ταυτόχρονα υπάρχει και δεύτερος βρόχος, όπου ο πυκνωτής εκφορτίζεται µερικώς στο φορτίο. Εποµένως στην είσοδο έχουµε µεταφορά ενέργειας από την πηγή στο πηνίο ενώ στην έξοδο η ενέργεια παρέχεται στο φορτίο αποκλειστικά από τον πυκνωτή. Σχήµα 1.6 Πρώτη φάση λειτουργίας απλού µετατροπέα ανύψωσης τάσης (Boost Converter) [7] Στη δεύτερη φάση (σχήµα 1.7) ο διακόπτης σταµατά να άγει µε αποτέλεσµα το ρεύµα του πηνίου να τείνει να διακοπεί. Έτσι το πηνίο αντιδρά επάγοντας µία αντίθετης πολικότητας τάση στα άκρα του και δρα σαν πηγή ρεύµατος. Η τάση αυτή προστίθεται στην τάση της πηγής µε αποτέλεσµα η δίοδος να πολωθεί ορθά και τελικά το πηνίο να αποµαγνητίζεται υπό την τάση της εισόδου µείον της εξόδου. Εποµένως, όταν ο διακόπτης δεν άγει η ενέργεια µεταφέρεται από το πηνίο και την πηγή προς το φορτίο και τον πυκνωτή εξόδου ο οποίος σε αυτή τη φάση φορτίζεται. 28

29 Σχήµα 1.7 εύτερη φάση λειτουργίας του απλού µετατροπέα ανύψωσης τάσης (Boost Converter) [7] Η λειτουργία των µετατροπέων που ελέγχονται µε την τεχνική της διαµόρφωσης εύρους παλµών (P.W.M.) µπορεί να είναι είτε στην περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύµατος, είτε στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής ρεύµατος. Ο µετατροπέας boost χαρακτηρίζεται από παλµικό ρεύµ µα στην έξοδό του και τριγωνικό συνεχές ρεύµα στην είσοδό του, όπως φαίνεται στο σχήµα 1.8. Σχήµα 1.8 Τα ρεύµατα εισόδου και εξόδου του απλού µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης [32] 29

30 1.3.3 Ανάλυση του ηλεκτρονικού µετατροπέα ανύψωσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων (interleaved boost converter) Σε εφαρµογές χαµηλής τάσης και υψηλού ρεύµατος, όπως η παρούσα εφαρµογή, η χρήση ενός απλού (ενός κλάδου) µετατροπέα θα παρουσίαζε τα εξής χαρακτηριστικά: Το τριγωνικό ρεύµα της εισόδου θα είχε µεγάλη κυµάτωση, εκτός αν κατασκευάζαµε πηνία πολύ µεγάλης επαγωγής ή αν αυξάναµε πολύ τη διακοπτική συχνότητα του µετατροπέα (η συχνότητα του τριγωνικού ρεύµατος είναι ίση µε τη διακοπτική). Το πηνίο θα έπρεπε, εκτός της µεγάλης επαγωγής, να κατασκευαστεί και για µεγάλο ρεύµα, αφού όλο το ρεύµα εισόδου του µετατροπέα θα διέρρεε αυτό το πηνίο. Τα παλµικά ρεύµατα των ηµιαγωγικών στοιχείων ισχύος (MOSFET και δίοδος) θα καταπονούσαν τα στοιχεία λόγω των µεγάλων και απότοµων µεταβολών των ρευµάτων τους. Για τον ίδιο λόγο θα αυξάνονταν οι διακοπτικές απώλειες και θα παρουσιάζονταν, σε συνδυασµό µε τις παρασιτικές επαγωγές του κυκλώµατος, υπερτάσεις και ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές (EMI) στο ίδιο το κύκλωµα ή στα γειτονικά κυκλώµατα, όπως το κύκλωµα ελέγχου. Tο παλµικό ρεύµα υψηλής τιµής στην έξοδο του µετατροπέα για να εξοµαλυνθεί θα απαιτούσε µία τεράστια συστοιχία παράλληλων πυκνωτών. Πρώτον, για να καταµεριστεί το µεγάλο ρεύµα που χρειάζεται το φορτίο, δεύτερον, για να προκύψει η απαραίτητη τιµή χωρητικότητας και τρίτον, για να µειωθεί, λόγω του παραλληλισµού των παρασιτικών αντιστάσεων των πυκνωτών (ESR), η συνολική ισοδύναµη εν σειρά ωµική αντίσταση της συστοιχίας µε σκοπό τη µείωση της κυµάτωσης της τάσης εξόδου. Τα φυσικά µεγέθη της εισόδου και της εξόδου έχουν συχνότητα ίση µε τη διακοπτική συχνότητα του µετατροπέα, σε αντίθεση µε έναν µετατροπέα interleaved όπου είναι πολλαπλάσια. Άρα τα φίλτρα εισόδου και εξόδου θα έπρεπε να σχεδιαστούν µε βάση τη διακοπτική συχνότητα η οποία όσο πιο µικρή είναι τόσο οδηγεί στην κατασκευή µεγάλων σε µέγεθος φίλτρων. Αυτές οι αδυναµίες µπορούν να ξεπεραστούν µε την παράλληλη σύνδεση δύο ή περισσότερων µετατροπέων οι οποίοι θα λειτουργούν διαδοχικά µε συγκεκριµένη χρονική καθυστέρηση (interleaved converter) και θα µοιράζονται τη συνολική ισχύ που µεταφέρει ο µετατροπέας. Έτσι ο µετατροπέας ανύψωσης της συνεχής τάσης σε συνεχή ήταν ένας ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης τάσεως µε διαδοχική αγωγή παράλληλων κλάδων (interleaved boost converter). Το κύκλωµα φαίνεται στο σχήµα

31 Σχήµα 1.9 Το κύκλωµα του µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής N παράλληλων κλάδων [33] Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων αποτελείται από µερικούς ταυτόσηµους µετατροπείς ανύψωσης τάσης συνδεδεµένους παράλληλα. Οι µετατροπείς ελέγχονται µέσω των σηµάτων παλµοδότησης των ηµιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων, τα οποία σήµατα έχουν την ίδια συχνότητα (διακοπτική συχνότητα) και την ίδια µετατόπιση φάσης ο κάθε κλάδος από τον προηγούµενο (360º / Ν). Ως αποτέλεσµα αυτής της διαδοχικής αγωγής των παράλληλων κλάδων, ο µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων παρουσιάζει µικρότερη κυµάτωση ρεύµατος τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο. Έτσι το µέγεθος και οι απώλειες των φίλτρων µπορούν να µειωθούν. Επίσης οι διακοπτικές απώλειες και οι απώλειες αγωγής (P c1 / Ν) αλλά και το επίπεδο των ηλεκτροµαγνητικών παρεµβολών (EMI) µπορούν να περιοριστούν σηµαντικά. Η ουσία της τεχνικής της διαδοχικής αγωγής των παράλληλων κλάδων, είναι όπως έχει λεχθεί, η αύξηση της συχνότητας λειτουργίας του µετατροπέα (Ν f sw ), δηλαδή της συχνότητας των µεγεθών που εµφανίζονται στην είσοδο και στην έξοδο του µετατροπέα. Όσο αυξάνει ο αριθµός των παράλληλων κλάδων τόσο βελτιώνονται κάποια χαρακτηριστικά όπως η κυµάτωση του ρεύµατος εισόδου, η κυµάτωση της τάσης εξόδου και άλλα, από την άλλη µεριά όµως αυξάνεται ο αριθµός των στοιχείων (πηνία, διακοπτικά στοιχεία, δίοδοι) και µεγαλώνει ο όγκος της κατασκευής, δυσκολεύει ο έλεγχός της και µειώνεται η αξιοπιστία της. Στο σχήµα 1.10, φαίνεται ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής δύο παράλληλων κλάδων (Ν=2). Η διαφορά φάσης µεταξύ των δύο κλάδων είναι 360º / 2 = 180º και ο λόγος κατάτµησης είναι δ=0,65. Όπως θα δούµε στα επόµενα διαγράµµατα οι κυµατώσεις στην είσοδο και στην έξοδο εξαρτώνται από τον αριθµό των κλάδων αλλά και από το λόγο κατάτµησης. 31

32 Σχήµα 1.10 Ο interleaved boost µετατροπέας δύο παράλληλων κλάδων (Ν=2), για δ=0,65. Ρεύµατα εισόδου και εξόδου [32] 32

33 Σχήµα 1.11 Σχετική κυµάτωση της τάσης εξόδου συναρτήσει του λόγου κατάτµησης, µε παράµετρο τον αριθµό των παράλληλων κλάδων [33] Σχήµα 1.12 Κυµάτωση του ρεύµατος εισόδου συναρτήσει του λόγου κατάτµησης, µε παράµετρο τον αριθµό των παράλληλων κλάδων [33] Παρατηρούµε ότι έχοντας ζυγό αριθµό καναλιών (2, 4), η κυµάτωση της τάσης εξόδου και του ρεύµατος εισόδου είναι πολύ µικρή κοντά στο δ=0.5, που είναι η κατάσταση ονοµαστικής λειτουργίας της εφαρµογής µας. 33

34 1.4 Συσσωρευτές Σε κάθε σχεδόν ηλεκτροκινητήριο σύστηµα υπάρχουν στιγµές που το φορτίο ζητά περισσότερη ενέργεια από την ονοµαστική (παραδείγµατος χάρη σε εκκίνηση υπό φορτίο). Έτσι λοιπόν σε αυτό το σύστηµα µπορεί να προστεθεί µία συστοιχία συσσωρευτών η οποία θα προσφέρει ενέργεια στο φορτίο τις χρονικές περιόδους που αυτό ξεπερνάει την ονοµαστική κατανάλωση λόγω υπερφόρτωσης. Σε τέτοιες περιπτώσεις η πηγή κυψελών καυσίµου από µόνη της θα αδυνατούσε να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις ισχύος του κινητήρα. 1.5 Μετατροπέας οδήγησης σύγχρονου κινητήρα Ο µετατροπέας οδήγησης του σύγχρονου κινητήρα αποτελεί το αντικείµενο της παρούσας διπλωµατικής εργασίας και θα αναλυθεί αναλυτικά στα επόµενα κεφάλαια. Η µελέτη θα αρχίσει από τον κινητήρα η λειτουργία του οποίου άλλωστε αποτελεί και τον απώτερο στόχο της εργασίας αυτής. Για τη σωστή κατανόηση της δοµής και της λειτουργίας του σύγχρονου κινητήρα µόνιµου µαγνήτη θα ήταν σκόπιµο από το επόµενο κιόλας κεφάλαιο να ξεκινήσουµε µε κάποιες εισαγωγικές έννοιες και επεξηγήσεις για τα µαγνητικά υλικά και τις ιδιότητές τους. 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ [35] 2.1 Εισαγωγή Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατεύεται τη µελέτη, εξοµοίωση και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού τριφασικού αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος µετατρέπει µια σταθερή συνεχή τάση σε τριφασική εναλλασσόµενη, µέσω της οποίας ελέγχεται ένας τριφασικός σύγχρονος κινητήρας µόνιµου µαγνήτη (Brushless DC, BLDC). Ο κινητήρας αυτός είναι µόνιµου µαγνήτη, εποµένως πριν προχωρήσουµε στη λεπτοµερή ανάλυση της δοµής και της λειτουργίας του κρίνεται σκόπιµο να αναφερθούµε σε κάποια θεµελιώδη µεγέθη του µαγνητικού πεδίου καθώς και στις βασικές ιδιότητες των µαγνητικών υλικών. 2.2 Θεµελιώδεις έννοιες του µαγνητικού πεδίου Μαγνητικό πεδίο ονοµάζεται ο χώρος µέσα στον οποίο αναπτύσσονται µαγνητικές δυνάµεις και παρατηρούνται ηλεκτρικά φαινόµενα. Ο χώρος αυτός κατά την αντίληψη του Faraday είναι γεµάτος µε δυναµικές γραµµές, οι οποίες όπως και στο ηλεκτρικό πεδίο αποτελούν µέσο απεικόνισης. Το σύνολο των δυναµικών αυτών γραµµών ονοµάζεται µαγνητική ροή Φ [Tm2]. Η ποσότητα των γραµµών που διαπερνούν τη µονάδα της επιφάνειας λέγεται επαγωγή Β r [T] ή πυκνότητα µαγνητικής ροής. Η ροή Φ είναι µονόµετρο µέγεθος, ενώ η επαγωγή είναι διανυσµατικό και συνδέονται µε τη εξής σχέση: r r Φ= ΒdΑ r Α (2.1) όπου Α είναι το εµβαδό της η επιφάνειας κάθετης στο µαγνητικό πεδίο. 35

36 uur Κάθε σηµείο του µαγνητικού πεδίου χαρακτηρίζεται από την ένταση H [A/m] η οποία συνδέεται µε την επαγωγή µε την εξής σχέση: r r Β= µ Η (2.2) όπου µ είναι η απόλυτη µαγνητική διαπερατότητα του µαγνητικού χώρου και εκφράζει τη δυνατότητα να περάσει η ροή µέσα από ένα µέσο. Ισχύει η σχέση µ = µ µ ο r (2.3) όπου µ = π ο H / cm σχετική διαπερατότητα του µέσου. είναι η διαπερατότητα του κενού, ενώ µ r η 2.3 Ορισµοί χαρακτηριστικών µεγεθών του µαγνήτη. Τα µαγνητικά υλικά µπορούν να παράγουν µαγνητικό πεδίο χωρίς να υπάρχει κίνηση ηλεκτρικών φορτίων και συνεπώς χωρίς να καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ιδιότητα των µαγνητών µπορεί να ερµηνευθεί θεωρώντας ότι η µάζα ενός µαγνήτη αποτελείται από άπειρης ποσότητας µαγνητικά δίπολα (στοιχειώδεις µαγνήτες) που παίζουν τον ίδιο ρόλο όπως τα ηλεκτρικά φορτία στο ηλεκτροστατικό πεδίο. Για τη θεωρία των ηλεκτρικών µηχανών, οι µαγνήτες αποτελούν πηγή διέγερσης µαγνητικού πεδίου λόγω των ικανοτήτων τους να διατηρούν παραµένοντα µαγνητισµό και έτσι θα αντιµετωπιστούν στη συνέχεια. 36

37 είναι Η σχέση που συνδέει τα χαρακτηριστικά µεγέθη ενός µόνιµου µαγνήτη J = µ M (2.4) 0 όπου J η µαγνητική πόλωση και Μ η µαγνήτιση. Η µαγνητική πόλωση ορίζεται ως η ποσότητα διπολικής µαγνητικής ροπής ανά µονάδα όγκου και µαζί µε τη µαγνήτιση Μ είναι δύο µεγέθη που αναφέρονται στα φυσικά χαρακτηριστικά του µαγνήτη και υπάρχουν ανεξάρτητα από τη δράση εξωτερικών πεδίων. Η µαγνητική πόλωση πολλές φορές συµβολίζεται και ως Βi και µετριέται σε µονάδες Tesla (T), ενώ η µαγνήτιση Μ έχει τις ίδιες µονάδες πόλωσης µε την πεδιακή ένταση Η και µετριέται σε Α/m. Η έννοια της µαγνητικής διπολικής ροπής είναι αντίστοιχη της ροπής του ηλεκτρικού διπόλου όπως επίσης αντίστοιχος είναι ο ρόλος των µαγνητικών πόλων µε το ρόλο των ηλεκτρικών φορτίων. 2.4 Βρόχος υστέρησης µαγνητικού υλικού Οι µαγνητικές ιδιότητες των υλικών χαρακτηρίζονται από το βρόχο υστέρησης. Ο βρόχος υστέρησης είναι η χαρακτηριστική καµπύλη της µαγνήτισης του υλικού συναρτήσει της έντασης του µαγνητικού πεδίου Β=f(H), όπως φαίνεται στο σχήµα

38 Σχήµα 2.1 Τυπικό διάγραµµα βρόχου υστέρησης Εάν µαγνητίσουµε ένα υλικό, δηλαδή εάν µεταβάλλουµε το ηλεκτρικό ρεύµα, και κατά συνέπεια την ένταση του µαγνητικού πεδίου Η σε µια τιµή, έστω H 1 (η οποία αντιστοιχεί στην τιµή B s ), κατόπιν αν µειώνουµε την ένταση ως το - H 1 (η οποία αντιστοιχεί στο σηµείο β) και τέλος αυξήσουµε πάλι ως την H 1, προκύπτει ο βρόχος υστέρησης που βλέπουµε στο παραπάνω σχήµα. Ένας µη µαγνητισµένος πυρήνας έχει Β=Η=0, οπότε βρισκόµαστε στην αρχή των αξόνων 0. Εάν στη συνέχεια τεθεί υπό ένα µαγνητικό πεδίο, τότε τα Β, Η στον πυρήνα θα ακολουθήσουν την καµπύλη από το 0 στο B s, η οποία ονοµάζεται καµπύλη πρώτης µαγνήτισης. Στο σηµείο αυτό έχουµε τον µαγνητικό κορεσµό του υλικού, δηλαδή τη µέγιστη τιµή της µαγνητικής επαγωγής B s. 38

39 Αν η αιτία δηµιουργίας του Η εκλείψει, τότε η ένταση του µαγνητικού πεδίου µειώνεται και η καµπύλη πηγαίνει από το ενώ το Bsστο B r. Το Η µηδενίζεται B r ονοµάζεται παραµένων µαγνητισµός, είναι δηλαδή η µέγιστη µαγνητική επαγωγή που µπορεί να συγκρατήσει ο µαγνήτης σε µία συγκεκριµένη θερµοκρασία, µετά το µαγνητικό κορεσµό του. Αν στη συνέχεια αντιστραφεί η διεύθυνση του εξωτερικού πεδίου, τότε το σηµείο λειτουργίας πηγαίνει από το B r στο β, µέσα από το δεύτερο τεταρτηµόριο του βρόχου, φτάνει δηλαδή στο αρνητικό του µέγιστο - B. Το ενδιάµεσο σηµείο - H ονοµάζεται αποµαγνητίζον πεδίο, αποτελεί δηλαδή την c αναγκαία µαγνητική ένταση για να µειωθεί ο παραµένων µαγνητισµός από το B r στο µηδέν (πλήρης αποµαγνήτιση του υλικού). s Παροµοίως, αν µειωθεί η αντίθετης κατεύθυνσης ένταση του εξωτερικού πεδίου µέχρι µηδενισµού, ο µαγνήτης χαλαρώνει από το β στο - B. Εκεί είναι µαγνητισµένος στην αντίθετη κατεύθυνση και η µέγιστη πυκνότητα ροής είναι αντίστοιχα - B. Αντιστοίχως, για να µειωθεί ο αρνητικός παραµένων r r µαγνητισµός από το - B στο 0, χρειάζεται κατασταλτικό πεδίο έντασης (σηµείο γ). r H c Ο βρόχος είναι συνήθως συµµετρικός και µπορεί να µετρηθεί µε ειδικά όργανα. Κάθε σηµείο λειτουργίας (Η,Β) εξαρτάται από το σχήµα του µαγνήτη, καθώς και από τη διαπερατότητα του περιβάλλοντος κυκλώµατος. Ο παραµένων µαγνητισµός B r και το πεδίο H c συγχωνεύονται κατά κάποιο τρόπο, σε µια παράµετρο γνωστή ως µέγιστο ενεργειακό γινόµενο ή αλλιώς µέγιστο ενεργειακό προϊόν, το οποίο δίνει ένα µέτρο της ισχύος του µαγνήτη εν γένει και παραπέρα, πόσο αντιστέκεται στην αποµαγνήτιση. Το ( BH ) max υπολογίζεται στο δεύτερο τεταρτηµόριο του βρόχου. Γραφικά, είναι το ορθογώνιο µε το µεγαλύτερο εµβαδόν που µπορεί κανείς να σχηµατίσει στο τεταρτηµόριο αυτό, όπως φαίνεται στον βρόχο υστέρησης του παρακάτω σχήµατος. 39

40 Σχήµα 2.2 Βρόχος υστέρησης, όπου διακρίνεται το ενεργειακό γινόµενο ( BH ) max [35] Η καµπύλη που εµφανίζεται στο δεύτερο τεταρτηµόριο, ονοµάζεται καµπύλη αποµαγνήτισης. Όσο πιο έντονες είναι οι µαγνητικές ιδιότητες, η καµπύλη αποµαγνήτισης τείνει να γίνει ευθεία (µπλε καµπύλη). Αντίθετα, όσο πιο «αδύναµο» είναι το υλικό, παρουσιάζεται ένα «γόνατο» στο δεύτερο τεταρτηµόριο (µαύρη καµπύλη). Ένα υλικό µόνιµου µαγνήτη ονοµάζεται «σκληρό», όταν διατηρεί τον παραµένοντα µαγνητισµό του ακόµη κι αν δεν υπάρχει κανένα εξωτερικό µαγνητικό πεδίο, ενώ το αποµαγνητίζον πεδίο H c µπορεί να πάρει µεγάλη (απόλυτη) τιµή. Η καµπύλη αποµαγνήτισης του είναι ευθεία. Πρόκειται για χαρακτηριστικό των φερριτών, των σπάνιων γαιών και των ενώσεων NdFeB (Σχήµα 2.3). 40

41 Σχήµα 2.3 Καµπύλες αποµαγνήτισης ορισµένων υλικών Αντίθετα, υλικά όπως το Alnico,ονοµάζονται «µαλακά», και απαιτούν εξωτερικό πεδίο προκειµένου να επιδείξουν χρήσιµες µαγνητικές ιδιότητες, ενώ το αποµαγνητίζον πεδίο παίρνει µικρές τιµές. Γραφικά παρουσιάζουν γόνατο στο δεύτερο τεταρτηµόριο. Προφανώς η σκληρότητα αναφέρεται σε µαγνητικά χαρακτηριστικά και συγκεκριµένα εννοεί την αντοχή του υλικού στο πεδίο αποµαγνήτισης. 2.5 Επίδραση της θερµοκρασίας στη λειτουργία των µαγνητών Εκτός από τις µεταβολές του πεδίου αποµαγνήτισης, υπάρχουν διάφοροι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τις µαγνητικές ιδιότητες του µαγνήτη όπως θερµοκρασία, µηχανικές καταπονήσεις, οξείδωση και ακτινοβολία. Ορισµένες από τις µεταβολές αυτές είναι αντιστρεπτές, ενώ άλλες είναι µη αντιστρεπτές και προκαλούν µόνιµες αλλοιώσεις στη συµπεριφορά του µαγνήτη. Ωστόσο, δεν είναι πάντοτε δυνατό να επανέλθει στην αρχική µαγνητική του κατάσταση γιατί πολλές από τις αλλαγές προκαλούν 41

42 µεταλλουργικές µεταβολές ή µεταβολές στη χηµική δοµή του υλικού που δεν µπορούν να αποκατασταθούν µε απλή επαναµαγνήτισή του. Η επίδραση της θερµοκρασίας είναι ο παράγοντας που κυρίως επηρεάζει τη λειτουργία του µαγνήτη κατά τη χρησιµοποίηση του ως πηγή διέγερσης ροής στις στρεφόµενες ηλεκτρικές µηχανές. Η ακριβής γνώση των µαγνητικών µεταβολών που προκαλεί η αύξηση της θερµοκρασίας είναι σηµαντική, ώστε να έχουµε αξιόπιστο σχεδιασµό της ηλεκτρικής µηχανής και ακριβέστερη µοντελοποίηση και ανάλυση της λειτουργίας της. Συνήθως οι µαγνητικές µεταβολές µέχρι ένα ορισµένο όριο θερµοκρασίας είναι αντιστρεπτές. Αν η θερµοκρασία ξεπεράσει µία χαρακτηριστική τιµή για κάθε µαγνητικό υλικό γνωστή ως θερµοκρασία Curie τότε χάνονται πλήρως οι µαγνητικές ιδιότητες του υλικού. Στην περίπτωση αυτή πρέπει το υλικό να µαγνητιστεί ξανά από την αρχή. Επειδή οι αλλαγές στη συµπεριφορά των µαγνητών αρχίζουν να παρατηρούνται σε θερµοκρασίες αρκετά µικρότερες της θερµοκρασίας Curie, ορίζονται ως ανώτερες θερµοκρασίες λειτουργίας σηµαντικά µικρότερες θερµοκρασίες. 2.6 Υλικά και ιδιότητες µόνιµων µαγνητών Οι βασικότεροι τύποι µόνιµων µαγνητών που συνήθως χρησιµοποιούνται στις ηλεκτρικές µηχανές είναι Alnico Κεραµικοί µαγνήτες ή φερρίτες και Μαγνήτες σπάνιων γαιών Κάποιες από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των παραπάνω υλικών δίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. 42

43 Πίνακας 2.1 Χαρακτηριστικές ιδιότητες των µαγνητικών υλικών [1] Μαγνήτες Alnico Οι µαγνήτες Alnico πρωτοπαρουσιάστηκαν το 1931 και τα σηµαντικά τους πλεονεκτήµατα είναι ο µεγάλος παραµένων µαγνητισµός, η αντοχή σε υψηλές θερµοκρασίες και η µικρή µεταβολή της καµπύλης αποµαγνήτισης λόγω θερµοκρασίας. Συνεπώς οι ηλεκτρικές µηχανές µε µαγνήτες Alnico παρουσιάζουν µεγάλη µαγνητική επαγωγή στο διάκενο και επιτρέπουν υψηλές θερµοκρασίες λειτουργίας. Ωστόσο οι µαγνήτες αυτοί όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα έχουν πολύ µικρή αντοχή σε εξωτερικά πεδία αποµαγνήτισης (µαλακοι). Οι µαγνήτες Alnico κυριαρχούσαν στη βιοµηχανία µόνιµων µαγνητών µέχρι το 1970, όταν άρχισαν να προτιµούνται στις διάφορες εφαρµογές οι πολύ πιο οικονοµικοί κεραµικοί µαγνήτες (φερρίτες). 43

44 2.6.2 Κεραµικοί µαγνήτες (ή αλλιώς φερρίτες) Οι κεραµικοί µαγνήτες ή φερρίτες πρωτοεµφανίστηκαν γύρω στο Οι µαγνήτες αυτοί παρουσιάζουν πολύ µεγαλύτερη αντοχή σε πεδία αποµαγνήτισης σε σύγκριση µε τους Alnico αλλά έχουν µικρότερη τιµή παραµένοντα µαγνητισµού. Η µέγιστη επιτρεπτή θερµοκρασία λειτουργίας είναι υψηλή ωστόσο είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες οι µαγνητικές τους ιδιότητες σε µεταβολές της θερµοκρασίας. Τα σηµαντικά πλεονεκτήµατα των κεραµικών µαγνητών είναι το πολύ χαµηλό κόστος ανά µονάδα ενέργειας και η µεγάλη ηλεκτρική αντίσταση µε αποτέλεσµα οι απώλειες δινορρευµάτων στο εσωτερικό τους να είναι σχεδόν αµελητέες. Η χρήση κεραµικών µαγνητών σε ηλεκτρικές µηχανές οδηγεί σε οικονοµικότερες κατασκευές σε σύγκριση µε τους µαγνήτες Alnico και κυρίως χρησιµοποιούνται σε µηχανές µικρής ισχύος (µέχρι περίπου της τάξης των 7kW) Μαγνήτες σπάνιων γαιών Οι µαγνήτες σπάνιων γαιών είναι οι µαγνήτες της τελευταίας γενιάς και παρουσιάζουν πολύ καλύτερα µαγνητικά χαρακτηριστικά σε σύγκριση µε τους κεραµικούς και τους Alnico. Ωστόσο σηµαντικό τους µειονέκτηµα είναι το υψηλό κόστος. Στην κατηγορία των µαγνητών των σπάνιων γαιών ανήκουν κράµατα µετάλλων µε βάση το σαµάριο Sm (SmCo) και το νεοδήµιο Nd (NdFeΒ). Οι µαγνήτες SmCo πρωτοεµφανίστηκαν γύρω στο 1960 ενώ οι µαγνήτες NdFeΒ στις αρχές του Τα χαρακτηριστικά των µαγνητών αυτών είναι οι µεγάλες τιµές του παραµένοντα µαγνητισµού και του πεδίου αποµαγνήτισης καθώς και η ικανοποιητικά µεγάλη τιµή της ενέργειας (ΒΗ)max. Συγκεκριµένα η καµπύλη αποµαγνήτισής των µαγνητών αυτών είναι σχεδόν ευθεία. 44

45 Οι µόνιµοι µαγνήτες σπάνιων γαιών χρησιµοποιούνται σε ηλεκτρικές µηχανές από µερικά Watt µέχρι και πολλά kw, σε µεγάλο εύρος εφαρµογών και τύπων µηχανών. Κυρίως προτιµούνται εκεί όπου απαιτούνται υψηλοί δείκτες λειτουργίας: ισχύς/όγκο, βαθµός απόδοσης και δυναµική συµπεριφορά. 45

46 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ [34] 3.1 Εισαγωγή Τώρα που έχουµε αποκτήσει µια εξοικείωση µε τις έννοιες του µαγνητικού πεδίου και µε τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των µόνιµων µαγνητών µπορούµε να προχωρήσουµε στην περιγραφή της δοµής και της λειτουργίας του Σύγχρονου Κινητήρα Μόνιµου Μαγνήτη που είναι γνωστός και ως «Κινητήρας DC Brushless». Ο σύγχρονος κινητήρας µόνιµου µαγνήτη αποτελεί έναν τύπο µηχανής που αναπτύσσεται ευρέως στις µέρες µας. Ο δροµέας αποτελείται από µόνιµους µαγνήτες ενώ τα τυλίγµατα των φάσεων είναι τοποθετηµένα στο στάτη. Ο όρος brushless φανερώνει ότι ο κινητήρας αυτός δεν έχει ψήκτρες και έτσι η µετάβαση του ρεύµατος γίνεται ηλεκτρονικά. Η µηχανή χαρακτηρίζεται ως «σύγχρονη» πράγµα που σηµαίνει ότι ο δροµέας περιστρέφεται µε την ίδια ταχύτητα, σύγχρονα µε το στρεφόµενο µαγνητικό πεδίο του διακένου. 3.2 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και αρχή λειτουργίας Οι σύγχρονες µηχανές µε µόνιµο µαγνήτη µπορεί να είναι µονοφασικές, δύο φάσεων ή τριφασικές. Η πιο διαδεδοµένη και κοινή στη χρήση είναι η τριφασική. Το τύλιγµα κάθε φάσης µπορεί να αποτελείται από ένα ή περισσότερα υποτυλίγµατα (περιελίξεις ή πυρήνες), που τοποθετούνται στις αυλακώσεις του στάτη (Σχήµα 3.1) όπως θα δούµε παρακάτω. 47

48 Σχήµα 3.1 BLDC µηχανές διαφόρων τύπων. Η µηχανή (α) έχει δύο οµάδες τυλιγµάτων, δηλαδή το τύλιγµα κάθε φάσης αποτελείται από δύο υποτυλίγµατα (περιελίξεις ή πυρήνες) και τέσσερις µαγνητικούς πόλους, δηλαδή ο δροµέας καλύπτεται από δύο ζεύγη µαγνητικών πόλων, αντίθετης µαγνητικής πολικότητας. Έτσι η (b) έχει τρεις οµάδες τυλιγµάτων και οχτώ µαγνητικούς πόλους, ενώ η (c) έχει τέσσερις οµάδες τυλιγµάτων και οχτώ µαγνητικούς πόλους [12] Στάτης [4] Ο στάτης µιας µηχανής τύπου «brushless» αποτελείται από ατσάλινα ελάσµατα πάχους mm. Είναι ελασµατοποιηµένος προκειµένου να ελαχιστοποιηθούν τα δινορρεύµατα. Τα τυλίγµατα τοποθετούνται σε αυλακώσεις που είναι κοµµένες αξονικά κατά µήκος της εσωτερικής περιφέρειας του στάτη (Σχήµα 3.2). Οι αυλακώσεις τείνουν να διασπάσουν την οµοιοµορφία της ροής, γι αυτό και πρέπει να τοποθετούνται οµοιόµορφα γύρω από τον στάτη όπως φαίνεται στο σχήµα 3.2. Οι περισσότερες BLDC µηχανές έχουν τρία τυλίγµατα στο στάτη, τα οποία συνδέονται σε αστέρα. Καθένα από αυτά τα τυλίγµατα αποτελείται από µικρότερες περιελίξεις, οι οποίες ενώνονται για να αποτελέσουν το τύλιγµα. Οι εγκοπές γεµίζουν µε µία ή περισσότερες περιελίξεις (Σχήµα 3.1). Κάθε τύλιγµα µοιράζεται στην περιφέρεια του στάτη για να δηµιουργήσει ζυγό αριθµό πόλων. Λόγω των δονήσεων κατά τη λειτουργία της µηχανής, τα τυλίγµατα είναι δυνατό να προκαλέσουν θόρυβο. Τότε, χρησιµοποιείται εναλλακτική κατασκευή µε καλούπι γύρω από τον στάτη, η οποία αποτρέπει αυτές τις δονήσεις και εποµένως µειώνει τον θόρυβο. 48

49 Σχήµα 3.2 Στάτης σύγχρονης µηχανής, όπου φαίνονται οι εγκοπές στην εσωτερική περιφέρεια του στάτη, οι πυρήνες και τα τυλίγµατα.[12] Ανάλογα µε το πως συνδέονται οι περιελίξεις µεταξύ τους και κατ επέκταση τα τυλίγµατα, έχουµε δύο διαφορετικούς τύπους µηχανής brushless. Στον ένα τύπο τα τυλίγµατα είναι τραπεζοειδώς κατανεµηµένα στην περιφέρεια του στάτη και στον άλλον ηµιτονοειδώς (παράδειγµα σύγχρονης µηχανής µε ηµιτονοειδώς κατανεµηµένα τυλίγµατα στον στάτη φαίνεται στο σχήµα 3.16). Η διαφορετική κατανοµή επιτυγχάνεται πυκνώνοντας ή αραιώνοντας τα τυλίγµατα σε συγκεκριµένα σηµεία του στάτη έτσι ώστε να προκύψει η αντίστοιχη µορφή της τάσης εξ επαγωγής (ηλεκτρεγερτικής δύναµης) που µπορεί να είναι τραπεζοειδής ή ηµιτονοειδής αντίστοιχα. Επιπλέον της τάσης εξ επαγωγής, το ρεύµα κάθε φάσης έχει και αυτό αντίστοιχη µορφή µε τον τύπο της µηχανής. Σε ότι αφορά την ηλεκτροµαγνητική ροπή, η ηµιτονοειδής µηχανή έχει σταθερότερη ηλεκτροµαγνητική ροπή αν και απαιτεί επιπλέον κόστος εξαιτίας της περίπλοκης διασύνδεσης των περιελίξεων. 49

50 Σχήµα 3.3 Τραπεζοειδής και ηµιτονοειδής τάση εξ επαγωγής ροµέας Ο δροµέας είναι κατασκευασµένος από ατσάλι και είναι συµπαγής. Πάνω στην επιφάνειά του τοποθετούνται οι µόνιµοι µαγνήτες, µε τρόπο που αναφέρεται παρακάτω, οι οποίοι ποικίλουν µεταξύ δύο και οχτώ ζευγών πόλων µε αντίθετη µαγνητική πολικότητα. Ο πυρήνας πάνω στον οποίον τοποθετούνται οι µόνιµοι µαγνήτες είναι κυλινδρικός και η θέση των µαγνητών 50

51 ποικίλει επίσης. Μπορεί να βρίσκονται πάνω στην περιφέρεια του δροµέα µε κενά ανάµεσα τους, ή µπορεί να είναι ορθογώνιοι και να σφηνώνονται κάτω από την επιφάνεια είτε οριζόντια, είτε κάθετα (σχήµα 3.4). Ανάλογα µε το πόσο δυνατό θέλουµε να είναι το µαγνητικό πεδίο, το υλικό των µαγνητών αλλάζει. Ο φερρίτης είναι το παραδοσιακό και πιο φτηνό υλικό. Πλέον, µε την ανάπτυξη της τεχνολογίας κερδίζουν έδαφος οι µαγνήτες από κράµατα σπάνιων γαιών. Οι µαγνήτες από φερρίτη ενώ είναι οι φτηνότεροι, έχουν το σηµαντικό µειονέκτηµα της χαµηλής πυκνότητας ροής για συγκεκριµένο όγκο. Αντίθετα τα κράµατα έχουν µεγάλη πυκνότητα ροής άνα όγκο κι έτσι επιτρέπουν τη µείωση του όγκου του δροµέα για ίδια τιµή ηλεκτροµαγνητικής ροπής. Τέλος, επειδή βελτιώνεται η αναλογία µέγεθος προς βάρος του δροµέα, δίδεται εν τέλει µεγαλύτερη ηλεκτροµαγνητική ροπή συγκριτικά µε τους µαγνήτες από φερρίτη. Το νεοδήµιο (Nd), η ένωση σαµαρίου-κοβαλτίου (SmCo) και το κράµα νεοδηµίου-φερρίτη-βορίου (NdFeB) είναι µερικά παραδείγµατα υλικών που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή µόνιµων µαγνητών. Οι υψηλές ταχύτητες αποτελούν πρόβληµα για τους µαγνήτες, όταν αυτοί βρίσκονται στην επιφάνεια του δροµέα. Η επιτάχυνση, αλλά και η επιβράδυνση, δηµιουργούν ακτινωτές δυνάµεις οι οποίες πρέπει να αντιµετωπιστούν. Οι µαγνήτες επικολλούνται γερά στην επιφάνεια, λαµβάνοντας υπ όψη η µηχανική και θερµική διαστολή της συγκολλητικής ουσίας να είναι ίδια µε αυτή του µαγνήτη. Επιπλέον στις µεγαλύτερες ταχύτητες είναι απαραίτητο ένα περίβληµα συγκράτησης από ανθρακονήµατα ή άβαφο ατσάλι. 51

52 Σχήµα3.4 ιαφορετικές τοποθετήσεις µαγνητών πάνω στον δροµέα. Στον πρώτο δροµέα οι µαγνήτες τοποθετούνται πάνω στην περιφέρεια, στον δεύτερο δροµέα οι ορθογώνιοι µαγνήτες τοποθετούνται οριζόντια κάτω από την περιφέρεια, ενώ στον τρίτο δροµέα τοποθετούνται κάθετα[12] 3.3 Αισθητήρες Hall - Φαινόµενο Hall [12] Όταν ένας αγωγός ρεύµατος βρίσκεται µέσα σε µαγνητικό πεδίο, τότε η επαγωγή Β r ασκεί εγκάρσια δύναµη στους φορείς ρεύµατος και τους ωθεί στη µία πλευρά του αγωγού. Το παραπάνω φαινόµενο είναι γνωστό ως φαινόµενο Hall. Λόγω απουσίας ψηκτρών, η µετάβαση του ρεύµατος στο κύκλωµα ελέγχου µιας µηχανής «brushless» γίνεται ηλεκτρονικά, οπότε σε κάθε χρονική στιγµή πρέπει να γνωρίζουµε τη θέση του δροµέα. Για να περιστραφεί ο δροµέας, πρέπει να περάσει ρεύµα από τα τυλίγµατα του στάτη µε µια συγκεκριµένη σειρά. Είναι απαραίτητο να γνωρίζουµε τη θέση του δροµέα, προκειµένου να καταλάβουµε ποιο τύλιγµα πρέπει να διαρρέεται από ρεύµα κάθε φορά. Η θέση του δροµέα γίνεται αισθητή αν χρησιµοποιήσουµε αισθητήρες Hall, οι οποίοι τοποθετούνται µέσα στο στάτη µε τρόπο που περιγράφεται παρακάτω. Οι περισσότερες σύγχρονες µηχανές µόνιµου µαγνήτη έχουν τρεις αισθητήρες εκ των οποίων ένας (υποχρεωτικά) ή δύο µπορούν να ενεργοποιούνται ταυτόχρονα σε κάθε χρονική στιγµή. Κάθε φορά που ένας µαγνητικός πόλος του δροµέα περνά κοντά από τους αισθητήρες, δίνει ένα υψηλό ή ένα χαµηλό σήµα που υποδηλώνει αν είναι θετικός ή αρνητικός. Με αυτό τον τρόπο µπορούµε να γνωρίζουµε σε ποία από τις έξι τελικά θέσεις µέσα στην περιφέρεια του κύκλου βρίσκεται ο 52

53 δροµέας. Ο συνδυασµός των σηµάτων των τριών αισθητήρων καθορίζει την ακριβή σειρά της µετάβασης. Οι αισθητήρες Hall τοποθετούνται στο ακίνητο µέρος της µηχανής, στον στάτη (σχήµα 3.5) µετατοπισµένοι µεταξύ τους ανά 60 ο ή 120 ο µοίρες που είναι και το πιο σύνηθες. Η τοποθέτησή τους είναι µια δύσκολη διαδικασία, διότι και η παραµικρή απόκλισή τους θα επιφέρει λανθασµένο σήµα και εποµένως λανθασµένη πληροφορία για τη θέση του δροµέα. Μια δεύτερη περίπτωση είναι η εξής αν και δε συνηθίζεται: oι αισθητήρες Hall είναι συνδεδεµένοι µε τρεις µαγνήτες. Οι µαγνήτες αυτοί τοποθετούνται στο δροµέα, έτσι ώστε όταν αυτός περιστρέφεται οι µαγνήτες Hall δίνουν το ίδιο αποτέλεσµα µε τους µαγνήτες του δροµέα (σχήµα 3.6) Τέλος, όσον αφορά την παροχή, για τις περισσότερες µηχανές του εµπορίου οι αισθητήρες απαιτούν τάση τροφοδοσίας µεταξύ 4 και 24 V και ρεύµα από 5 εώς 15 ma, ενώ τα σήµατα εξόδου τους είναι τετραγωνικοί παλµοί τάσης. Εδώ πρέπει να διευκρινιστεί ότι λέγοντας αισθητήρας Hall εννοούµε ένα ολοκληρωµένο που εκµεταλλεύεται το φαινόµενο Hall, και όταν αυτό εµφανισθεί το ενισχύει και το δίνει στην έξοδό του µε µορφή τάσης. Σχήµα 3.5 Φαίνονται χωριστά ο δροµέας µε µόνιµο µαγνήτη, ο στάτης µε τις εγκοπές και τα τυλίγµατα, οι αισθητήρες hall επάνω στο στάτη [17] 53

54 Σχήµα 3.6 Οι αισθητήρες Hall συνδέονται µε τρεις µαγνήτες και τοποθετούνται στο δροµέα[12] Σχήµα 3.7 Αισθητήρες Hall ενσωµατωµένοι στον στάτη της µηχανής 3.4 Λειτουργία της σύγχρονης µηχανής µόνιµου µαγνήτη Κάθε σειρά µεταβάσεων, απαιτεί ένα τύλιγµα που να εισέρχεται το ρεύµα, ένα που να εξέρχεται και το τρίτο χωρίς ρεύµα. Η ροπή παράγεται εξαιτίας της αλληλεπίδρασης των µαγνητικών πεδίων του στάτη και του δροµέα. Για την υλοποίηση του ελέγχου απαιτείται η γνώση της θέσης του δροµέα σε διακριτές θέσεις 60 ο µοιρών. Όπως βλέπουµε στο παράδειγµα του Σχήµατος 3.8 κάθε 60 ο ηλεκτρικές µοίρες περιστροφής, ένας από τους αισθητήρες hall δίνει σήµα. Αυτό επαναλαµβάνεται έξι φορές προκειµένου να ολοκληρωθεί ένας ηλεκτρικός κύκλος. Ωστόσο ένας ηλεκτρικός κύκλος δεν ταυτίζεται µε ένα µηχανικό κύκλο του δροµέα. Ο αριθµός των ηλεκτρικών κύκλων προκειµένου να συµπληρωθεί ένας µηχανικός κύκλος, εξαρτάται από τα ζεύγη πόλων του δροµέα. Για κάθε ζεύγος πόλων πραγµατοποιείται ένας ηλεκτρικός κύκλος. Οι αριθµοί 1-6 του παραδείγµατος του Σχήµατος 8 54

55 αναφέρονται στις καταστάσεις µετάβασης του ρεύµατος από τη µία φάση στην επόµενη όπως βλέπουµε στο Σχήµα 3.9. Η επιλογή των ηµιαγωγικών στοιχείων, γίνεται ανάλογα µε την τάση της µηχανής και τα ρεύµατα που απαιτούνται. Έτσι, µπορούν να χρησιµοποιηθούν MOSFET, IGBT ή απλά διπολικά transistor. Για να είναι εφικτή η αλλαγή της ταχύτητας της µηχανής, χρησιµοποιούµε PWM µε συχνότητα πολύ µεγαλύτερη της συχνότητας της µηχανής (τουλάχιστον δέκα φορές µεγαλύτερη). Εδώ πρέπει να πούµε ότι σε κάποιες εφαρµογές µε µικρότερες αξιώσεις ελέγχου είναι δυνατόν να χρησιµοποιήσουµε τις τρείς φασικές επαγόµενες ηλεκτρεγερτικές δυνάµεις για να υπολογίσουµε τις χρονικές στιγµές µετάβασης του ρεύµατος και να περιορίσουµε έτσι την ανάγκη για οποιοδήποτε αισθητήριο µέτρησης της θέσης του δροµέα. Σχήµα 3.8 Αισθητήρες Hall, ΗΕ, φασικά ρεύµατα και ροπή εξόδου ενός BLDC κινητήρα.[12] 55

56 Σχήµα 3.9 Καταστάσεις µετάβασης του ρεύµατος στη µηχανή του παραδείγµατος του σχήµατος 3.8[12] 56

57 3.5 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της σύγχρονης µηχανής µόνιµου µαγνήτη [1] Η προφανής διαφορά ανάµεσα στη σύγχρονη µηχανή µόνιµου µαγνήτη και στη σύγχρονη µηχανή χωρίς µόνιµο µαγνήτη, είναι η απουσία ψηκτρών. Έτσι αυξάνεται και η διάρκεια ζωής της µηχανής αφού δεν απαιτείται πλέον η συντήρηση τους και τα προβλήµατα που συνδέονται µε αυτές ελαχιστοποιούνται. Οι ψήκτρες είναι δυνατό να προκαλέσουν σπινθήρες µε κίνδυνο ανάφλεξης σε εύφλεκτα περιβάλλοντα. Επίσης χωρίς αυτές η µηχανή λειτουργεί πιο αθόρυβα. Επιπλέον, η συσσώρευση θραυσµάτων των ψηκτρών ή σκόνης αποτελεί πρόβληµα, ιδίως αν µπαίνουν µέσα στα ρουλεµάν ή αν σχηµατίζουν αγώγιµο δρόµο που µπορεί να οδηγήσει σε ηλεκτρικό τόξο. Η λειτουργία και διάρκεια ζωής των ψηκτρών εξαρτάται από τις ατµοσφαιρικές συνθήκες, γεγονός που απαιτεί την εναλλαγή του τύπου των ψηκτρών για τον ίδιο κινητήρα ανάλογα µε το περιβάλλον λειτουργίας και το κλίµα. Η απουσία ψηκτρών αφήνει περισσότερο χώρο για τα τυλίγµατα του στάτη, ενώ ταυτόχρονα η απαγωγή της θερµότητας βελτιώνεται. Τα παραπάνω σε συνδυασµό µε την απουσία της τριβής των ψηκτρών οδηγούν σε υπολογίσιµη αύξηση του φορτίου, καθώς και της ροπής. Η απουσία του συλλέκτη και του άξονα των ψηκτρών έχουν ως αποτέλεσµα να µειώνεται το µήκος της µηχανής. Επίσης η απουσία του συλλέκτη µειώνει την αδράνεια του δροµέα µε αποτέλεσµα ο λόγος ροπής προς αδράνεια να αυξάνεται που είναι και το ζητούµενο. Υπάρχουν βέβαια και ορισµένα µειονεκτήµατα. Πλέον οι ψήκτρες απουσιάζουν, οπότε χρειαζόµαστε αισθητήρες προκειµένου να γνωρίζουµε τη θέση του άξονα σε κάθε χρονική στιγµή. Το γεγονός αυτό αυξάνει και την πολυπλοκότητα του ηλεκτρονικού ελέγχου. Επιπλέον, το κόστος είναι µεγαλύτερο από τις κλασσικές µηχανές εξ αιτίας του µεγάλου κόστους των µονίµων µαγνητών. Η µέγιστη ταχύτητα της µηχανής «brushless» περιορίζεται 57

58 εξαιτίας της συγκράτησης των µαγνητών ενάντια στη φυγόκεντρο δύναµη. Σε µικρές µηχανές µε χαµηλές ταχύτητες, οι µαγνήτες συγκολλούνται πάνω στον συµπαγή πυρήνα. Είναι προφανές ότι η συγκολλητική ταινία πρέπει να έχει αντοχή στη θερµοκρασία και τον χρόνο. Η δοµή συγκράτησης µπορεί να απαιτεί την αύξηση του διακένου µεταξύ στάτη και δροµέα, αλλά σε αντίθεση µε τις κλασσικές µηχανές, αυτό δεν αποτελεί σοβαρό πρόβληµα στην απόδοση της µηχανής brushless. Μάλιστα το διάκενο µπορεί να είναι ως και δύο φορές µεγαλύτερο. Συγκρίνοντας την σύγχρονη µηχανή µόνιµου µαγνήτη µε την ασύγχρονη µηχανή η οποία δεν έχει µεν ψήκτρες, αλλά δεν έχει και µόνιµους µαγνήτες, διαπιστώνουµε τα εξής: για ίδιο µέγεθος κι υπό ίδιες συνθήκες λειτουργίας η πρώτη είναι πιο αποδοτική και έχει καλύτερο συντελεστή ισχύος από τη δεύτερη. Αυτό συνεπάγεται την αύξηση της ισχύος εξόδου κατά 20%-50%, ποσοστό καθόλου αµελητέο. Ο αντιστροφέας που χρησιµοποιείται είναι της ίδιας τεχνολογίας µε τους αντιστροφείς που χρησιµοποιούνται για τις ασύγχρονες µηχανές, ωστόσο η απόδοσή της είναι πάντα κατώτερη από αυτή της brushless µε µόνιµους µαγνήτες, όσον αφορά την απόδοση, τη σταθερότητα, την απόκριση και την ταχύτητα ελέγχου. Όσον αφορά τους µόνιµους µαγνήτες, η χρήση τους είναι δυνατή µόνο για µικρές µηχανές της τάξης των 20 kw (κι εξαρτάται βέβαια από την ταχύτητα, όπως προαναφέρθηκε), διότι έπειτα το βάρος και το κόστος των µαγνητών και της µηχανής ολόκληρης αυξάνονται. Σε αντίθεση, η ηλεκτροµαγνητική διέγερση τόσο της κλασικής σύγχρονης µηχανής όσο και της επαγωγικής, είναι λιγότερο δαπανηρή. Στους πίνακες 3.1 και 3.2 φαίνεται µια αναλυτική σύγκριση ανάµεσα σε µία BLDC µηχανή και δύο άλλους τύπους µηχανών. 58

59 Πίνακας 3.1 Σύγκριση µιας BLDC µηχανής µε µία µηχανή συνεχούς ρεύµατος µε ψήκτρες [12] Πίνακας 3.2 Σύγκριση µιας BLDC µηχανής µε µία ασύγχρονη µηχανή [12] 59

60 3.6 Τυπικές εφαρµογές των σύγχρονων κινητήρων µόνιµου µαγνήτη Οι µηχανές τύπου «brushless» βρίσκουν εφαρµογή σε κάθε περιοχή όπου απαιτείται η χρήση ηλεκτρικής µηχανής. H αυτοκίνηση, οι οικιακές συσκευές, ο βιοµηχανικός έλεγχος, οι αυτοµατισµοί, η αεροναυπηγική κλπ. είναι κάποια από τα πεδία στα οποία χρησιµοποιούνται ευρέως. Έτσι µπορούµε να κατηγοριοποιήσουµε τον τρόπο ελέγχου του BLDC κινητήρα ανάλογα µε τρείς βασικούς τύπους εφαρµογών. Εφαρµογές σταθερού φορτίου Εφαρµογές µεταβλητών φορτίων Εφαρµογές προσδιορισµού θέσης Εφαρµογές µε σταθερά φορτία Σε αυτές τις εφαρµογές είναι σηµαντικό η ταχύτητα του κινητήρα να µπορεί να µεταβάλλεται. Επιπροσθέτως, ο ρυθµός της επιτάχυνσης και της επιβράδυνσης δεν αλλάζει δυναµικά. Σε αυτούς τους τύπους εφαρµογών το φορτίο βρίσκεται σε άµεση σύζευξη στον άξονα της µηχανής. Παραδείγµατα τέτοιων εφαρµογών είναι οι ανεµιστήρες και οι αντλίες που απαιτούν χαµηλού κόστους ελεγκτές, ως επί τω πλείστον σε λειτουργία ανοιχτού βρόγχου Εφαρµογές µε µεταβλητά φορτία Πρόκειται για τύπους εφαρµογών όπου το φορτίο του κινητήρα µεταβάλλεται µέσα σε µία κλίµακα ταχύτητας. Αυτές οι εφαρµογές απαιτούν ακρίβεια ελέγχου υψηλής ταχύτητας και καλές δυναµικές αποκρίσεις. Στις οικιακές συσκευές αντιπροσωπευτικά παραδείγµατα τέτοιων εφαρµογών είναι πλυντήρια και στεγνωτήρια. Αντίστοιχα παραδείγµατα στον τοµέα της αυτοκίνησης είναι ο έλεγχος αντλίας καυσίµων, ο έλεγχος εναλλακτήρων και ο 60

61 έλεγχος ηλεκτρικού οχήµατος. Στην αεροδιαστηµική συναντάµε πληθώρα τέτοιου τύπου εφαρµογών όπως φυγοκεντρητές, αντλίες, έλεγχος ροµποτικού βραχίονα και έλεγχος γυροσκοπίων. Σε αυτές τις εφαρµογές χρησιµοποιείται βρόγχος ανατροφοδότησης της ταχύτητας και τρέχουν σε ηµι-κλειστό ή κλειστό βρόγχο. Χρησιµοποιούνται ακόµα προχωρηµένοι αλγόριθµοι ελέγχου γεγονός που περιπλέκει τον έλεγχο της µηχανής brushless και αυξάνει το κόστος του συνολικού συστήµατος Εφαρµογές προσδιορισµού θέσης Οι περισσότερες εφαρµογές στη βιοµηχανία και στους αυτοµατισµούς εντάσσονται σε αυτή την κατηγορία. Η δυναµική απόκριση της ροπής και της ταχύτητας είναι σηµαντικές και παρουσιάζονται συχνές αλλαγές στη φορά της περιστροφής. Ένας τυπικός κύκλος περιλαµβάνει στάδιο επιτάχυνσης, στάδιο που η ταχύτητα παραµένει σταθερή και στάδιο επιβράδυνσης. Το φορτίο στον κινητήρα µπορεί να µεταβάλλεται κατά τη διάρκεια αυτών των σταδίων περιπλέκοντας έτσι τον έλεγχο του κινητήρα BLDC. Τα συστήµατα αυτά λειτουργούν µε κλειστό βρόγχο ελέγχου όπου τρέχουν ταυτόχρονα τρείς βρόγχοι ελέγχου: ροπής, ταχύτητας και θέσης. Ως παράδειγµα µπορούµε να αναφέρουµε τα Μηχανήµατα Ψηφιακής Καθοδήγησης (CNC machines) που χρησιµοποιούνται στη βιοµηχανία. 3.7 Κριτήρια επιλογής µηχανής σε ένα κινητήριο σύστηµα Η επιλογή της µηχανής εξαρτάται από την εφαρµογή για την οποία προορίζεται. Ανάλογα µε το φορτίο, οι παράµετροι αλλάζουν. Οι πιο σηµαντικές είναι οι εξής: Η µέγιστη ροπή που απαιτείται στην εφαρµογή. 61

62 Η της ροπής. Η ταχύτητα λειτουργίας. 3.8 Μαγνητική επαγωγή διακένου και ισοδύναµο µαγνητικό κύκλωµα σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη [3] Όπως βλέπουµε στο Σχήµα 3.10 η ροή διακένου Φg περνά το διάκενο και εµπλέκεται µε τα τυλίγµατα του στάτη ενώ η ροή σκεδάσεως δεν εµπλέκεται µε τα τυλίγµατα του στάτη και οι δυναµικές γραµµές κλείνουν µέσα από το διάκενο και τον πυρήνα του δροµέα. Η ροή διακένου Φg είναι το µεγαλύτερο µέρος της συνολικής ροής διέγερσης και ισχύει Φ m=φ g+φ l (3.1) Το ισοδύναµο µαγνητικό κύκλωµα για έναν πόλο της µηχανής παρουσιάζεται στο Σχήµα Θεωρούµε ότι η µαγνητική διαπερατότητα των πυρήνων του στάτη και του δροµέα είναι πολύ µεγάλη και συνεπώς η µαγνητική τους αντίσταση είναι αµελητέα. Η µαγνητική αντίσταση διακένου είναι R g 1 l ' g = µ 0 Ag (3.2) όπου Α g= rl το µέσο εµβαδό της επιφάνειας του διακένου ενός πολικού βήµατος, lτο αξονικό µήκος των πυρήνων και l ' g= kclgτο ισοδύναµο µήκος διακένου και k c ο συντελεστής Carter ο οποίος λαµβάνει υπόψη του την επίδραση των δοντιών-αυλακίων στον υπολογισµό της µαγνητικής αντίστασης διακένου. Από την κυκλωµατική ανάλυση του Σχήµατος προκύπτει 1 Φ g=φ0 1 + ( P 0+ l) P R g, (3.3) όπου Φ 0 η ροή του παραµένοντα µαγνητισµού, P =µ µ 0 0 rrec A l m m (3.4) 62

63 η µαγνητική αγωγιµότητα του µαγνήτη, Pl= 1/ Rl η αγωγιµότητα σκεδάσεως και Αm η επιφάνεια του µαγνήτη ενός πολικού βήµατος. Σχήµα 3.10 ιπολική brushless dc µηχανή και µαγνητικές ροές [3] Σχήµα 3.11 Ισοδύναµο µαγνητικό κύκλωµα [3] Ο παράγοντας συγκέντρωσης ροής ισούται µε C Φ Α = A m g (3.5) και από τις εξισώσεις (3.2) και (3.5) προκύπτει B g = B C + + P R Φ 0 1 ( P0 l) g (3.6) Επίσης αν αγνοήσουµε τη σκέδαση και χρησιµοποιήσουµε τις εξισώσεις (3.2 ) και (3.4) η εξίσωση της µαγνητικής επαγωγής (3.6) γίνεται 63

64 B g = B C Φ 0 1+ rreccφ µ l ' l m g (3.7) 3.9 Τάση εξ επαγωγής και ροπή στρέψης σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη [3] Στη συνέχεια θα µελετήσουµε τη µηχανή µε συνδεσµολογία αστέρα και πολικό τόξο µαγνήτη ίσο µε 180 ο. Θα θεωρήσουµε την περίπτωση µίας διπολικής µηχανής για στάτη µε 12 αυλακώσεις στην περιφέρεια του. Επειδή έχει τριφασική περιέλιξη αντιστοιχούν 2 αυλακώσεις ανά πόλο και φάση. Το τύλιγµα κάθε αυλάκωσης αποτελείται από Ν 1 σπείρες σε απλή στρώση. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζονται οι κυµατοµορφές της µαγνητικής επαγωγής, πεπλεγµένης ροής, ηλεκτρεγερτικής δύναµης και ρευµάτων διέγερσης όταν διεγείρονται τα τυλίγµατα της φάσης +U. Θεωρούµε ότι η µαγνητική επαγωγή του πεδίου που παράγουν οι µαγνήτες στο διάκενο είναι σταθερή κατά µήκος του πολικού βήµατος του µαγνήτη. 64

65 Σχήµα 3.12 Κυµατοµορφές της µαγνητικής επαγωγής, πεπλεγµένης ροής, ηλεκτρεγερτικής δύναµης και ρευµάτων διέγερσης σε διπολική brushless dc µηχανή µε πολικό τόξο µαγνήτη 180 ο [3] Ο δροµέας στρέφεται αριστερόστροφα και η πεπλεγµένη ροή που εµπλέκεται µε το τύλιγµα U 1 u 1 του στάτη υπολογίζεται µε το ολοκλήρωµα της µαγνητικής επαγωγής κατά µήκος του διακένου σε κάθε θέση θ του δροµέα, π / Ρ θ U 1( ) =Ν1 Βg( ) rld λ θ θ θ θ (3.8) 65

66 όπου Ν 1 ο αριθµός των σπειρών του πηνίου κάθε αυλάκωσης, r η ακτίνα του κύκλου στο µέσο του διακένου και l το µήκος του πυρήνα. Συνεπώς, η µεταβολή της ροής καθώς ο δροµέας στρέφεται από 0 ο έως 180 ο δίνεται από τη σχέση 1θ λ ( θ ) = (1 ) λ π U 1 1 max (3.9) όπου λ = N Bπ rl (3.10) 1 max 1 g και Β g η µέγιστη τιµή της µαγνητικής επαγωγής διακένου του πεδίου που παράγουν οι µαγνήτες. Η πεπλεγµένη ροή που εµπλέκεται µε το τύλιγµα U 1 u 1 γίνεται µέγιστη στη θέση θ=0 ο και η µέγιστη αρνητική στη θέση θ=180 ο. Επίσης η πεπλεγµένη ροή µεταβάλλεται γραµµικά ως προς τη θέση του δροµέα, γιατί θεωρήσαµε ότι η µαγνητική επαγωγή του πεδίου των µαγνητών είναι σταθερή σε όλο το πολικό βήµα του δροµέα (αγνοήθηκε η παραµόρφωση που οφείλεται στο φαινόµενο άκρων). Η ηλεκτρεγερτική δύναµη που επάγεται στο τύλιγµα U 1 u 1 είναι e U 1 dλ dλ dθ dλ = = = ω dt dθ dt dθ U 1 U 1 U 1 r (3.11) και συνεπώς e 1 max 2N1Bgrlω r = (3.12) Η τάση εξ επαγωγής έχει τη µορφή τετραγωνικού παλµού δηλαδή αντίστοιχη µε την κυµατοµορφή της µαγνητικής επαγωγής διακένου των µαγνητών, αλλά µε διαφορά φάσης 90 ο ηλεκτρικές µοίρες. Η κυµατοµορφή της πεπλεγµένης ροής που εµπλέκεται µε το δεύτερο τύλιγµα της φάσης U (τύλιγµα U 2 u 2 ) είναι αντίστοιχη µε τη ροή τυλίγµατος U 1 u 1 αλλά καθυστερεί κατά 30 ο ηλεκτρικές µοίρες. Οµοίως η τάση εξ επαγωγής που επάγεται στο τύλιγµα U 2 u 2 καθυστερεί κατά 30 ο ηλεκτρικές µοίρες ως προς την τάση εξ επαγωγής του τυλίγµατος U 1 u 1. Επειδή τα δύο τυλίγµατα είναι συνδεδεµένα σε σειρά, η συνολική τάση είναι το άθροισµα των τάσεων των δύο τυλιγµάτων, eu = eu 1+ eu 2. Παρατηρούµε στο παραπάνω 66

67 σχήµα ότι η κυµατοµορφή της συνολικής τάσης είναι τετραγωνικός παλµός, όπου το εύρος της µέγιστης τιµής του είναι 150 ο. Μάλιστα το φαινόµενο των άκρων που αγνοήθηκε στην παραπάνω ανάλυση, έχει ως αποτέλεσµα ο παλµός αυτός να έχει στρογγυλεµένες τις γωνίες του αποκτώντας µια τραπεζοειδή µορφή και γι αυτό οι brushless dc µηχανές ονοµάζονται τραπεζοειδείς. Έτσι για µηχανή µε δύο αυλακώσεις στάτη ανά πόλο και φάση και πολικό τόξο µαγνήτη 180 ο η ιδανική ηλεκτρεγερτική δύναµη είναι παλµός µε εύρος µέγιστης τιµής 150 ο το οποίο µειώνεται στις 120 ο σε κανονικές συνθήκες λόγω του φαινοµένου των άκρων. Η µέγιστη τιµή της ηλεκτρεγερτικής δύναµης της φάσης U είναι e max= 2e1 max= 2NsBgrlω r (3.13) όπου Ns = 2N1 (3.14) ο συνολικός αριθµός των σπειρών των τυλιγµάτων σε σειρά ανά φάση. Στο παραπάνω σχήµα παρουσιάζονται επίσης οι κυµατοµορφές των φασικών ρευµάτων τροφοδοσίας. Η αγωγή κάθε φασικού ρεύµατος διαρκεί 120 ο και έχει τετραγωνική µορφή πλάτους Ι. Έτσι, τα τρία ρεύµατα συγκροτούν ένα συµµετρικό τριφασικό σύστηµα τετραγωνικών παλµών ρευµάτων µε διαφορά φάσης 120 ο µεταξύ τους και κάθε στιγµή άγουν ταυτόχρονα δύο φάσεις. Κατά τη διάρκεια του διαστήµατος 120 ο της αγωγής του ρεύµατος Ι, η στιγµιαία ισχύς που µετατρέπεται από ηλεκτρική σε µηχανική είναι = ω =, (3.15) P Te rm 2e max I αφού η µηχανή που εξετάζουµε είναι διπολική, η µηχανική ταχύτητα είναι ίση µε την ηλεκτρική ταχύτητα. (ω rm = ω r ). Ο όρος 2 στην παραπάνω εξίσωση οφείλεται στο γεγονός ότι άγουν ταυτόχρονα δύο φάσεις και συνεπώς η συνολική ισχύς είναι το άθροισµα της ισχύος κάθε φάσης. Αν αντικαταστήσουµε την εξίσωση (3.13) στην εξίσωση (3.15) προκύπτει η εξίσωση της ηλεκτροµαγνητικής ροπής Te= 4NSBgrlI (3.16) 67

68 Επειδή η µαγνητική ροή του πεδίου που παράγουν οι µαγνήτες είναι Φ g= Bgrlκαι αν ονοµάσουµε max γράφονται και όπου E c gωr E= 2e οι εξισώσεις (3.13) και (3.15) = Φ (3.17) Te c gi c = Φ (3.18) = 4NS (3.19) Παρατηρούµε ότι οι παραπάνω εξισώσεις της ηλεκτρεγερτικής δύναµης και ροπής της brushless dc µηχανής είναι αντίστοιχες των εξισώσεων της συµβατικής µηχανής συνεχούς ρεύµατος και το µόνο στο οποίο διαφέρουν είναι η σχέση που προσδιορίζει τη σταθερά c. Σε αυτή τη µηχανή ο αντιστροφέας τάσης παίζει το ρόλο του ηλεκτρονικού συστήµατος µετάβασης (το οποίο είναι αντίστοιχο µε το µηχανικό σύστηµα µετάβασης συλλέκτη ψηκτρών) ώστε η µηχανή να παράγει σταθερή ροπή. Φυσικά προϋπόθεση για να έχουµε σταθερή ροπή είναι να ισχύουν οι ιδανικές συνθήκες µετάβασης στα ρεύµατα αγωγής ως προς το πεδίο των µαγνητών, όπως περιγράφηκαν παραπάνω γιατί σε αντίθετη περίπτωση εµφανίζονται ταλαντώσεις ροπής Χαρακτηριστική ροπής - ταχύτητας του σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη [3] Η χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας του brushless dc κινητήρα προκύπτει από τις εξισώσεις της προηγούµενης ενότητας. Αν η µετάβαση του ρεύµατος είναι ιδανική, τα ρεύµατα των φάσεων είναι τετραγωνικοί παλµοί και η τάση τροφοδοσίας V είναι σταθερή συνεχής τάση τότε V= E+ IR (3.20) όπου R το άθροισµα των ωµικών αντιστάσεων δύο εν σειρά φάσεων και E το άθροισµα των ηλεκτρεγερτικών δυνάµεων δύο εν σειρά φάσεων. Αν 68

69 θεωρήσουµε ότι οι πτώσεις τάσης στους ηλεκτρονικούς διακόπτες είναι αµελητέες (όπως άλλωστε αγνοούνται οι πτώσεις τάσης στις ψήκτρες κατά την ανάλυση του κινητήρα συνεχούς ρεύµατος) και χρησιµοποιήσουµε τις εξισώσεις (3.17) και (3.18) προκύπτει ωr = V R T cφg c Φ 2 2 g e (3.21) ή ω ω Τ e r= 0 1 Τ εκ (3.22) όπου V ω 0= cφg (3.23) η ταχύτητα στη λειτουργία κενού (για Ι=0, δηλαδή η ταχύτητα βάσης) και Τ εκ= cφ giεκ (3.24) η ροπή εκκίνησης ( η ροπή για ω r= 0 ). Στην εκκίνηση η τάση εξ επαγωγής είναι µηδέν ( Ε εκ =0 ) και συνεπώς από την εξίσωση (3.20) προκύπτει ότι το ρεύµα εκκίνησης είναι V Iεκ= R. (3.25) Το διάγραµµα της χαρακτηριστικής ροπής ταχύτητας του brushless dc κινητήρα που προκύπτει από την εξίσωση (3.22) δίνεται στο παρακάτω σχήµα. Παρατηρούµε ότι η εξίσωση (3.21) και η µορφή της χαρακτηριστικής είναι παρόµοια µε των κινητήρων συνεχούς ρεύµατος ξένης διέγερσης. 69

70 Σχήµα 3.13 ιάγραµµα χαρακτηριστικής ροπής ταχύτητας brushless dc µηχανής.[3] 3.11 Κύκλωµα ελέγχου στροφών σύγχρονου τραπεζοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη [3] Στα σχήµατα 3.14 και 3.15 δίνονται δύο εναλλακτικοί τρόποι υλοποίησης συστηµάτων ελέγχου του brushless dc κινητήρα. Και στα δύο συστήµατα χρησιµοποιούνται τρεις αισθητήρες Hall, οι οποίοι είναι τοποθετηµένοι σε γωνία 120 o µεταξύ τους και τα σήµατα που παράγουν οδηγούνται στη βαθµίδα «ελεγκτής καταστάσεων µετάβασης» («commutation logic block»). Ανάλογα µε τη θέση του δροµέα, η βαθµίδα αυτή προσδιορίζει τους παλµούς ελέγχου των έξι διακοπτών. Στο σχήµα 3.14, ο έλεγχος του ρεύµατος γίνεται µέσω της διάρκειας αγωγής («duty cycle») του διακόπτη T c του συνεχούς ρεύµατος τροφοδοσίας του αντιστροφέα ισχύος (dc-dc µετατροπέα ισχύος υποβιβασµού τάσης). Το αποτέλεσµα της σύγκρισης του ρεύµατος αναφοράς και του ρεύµατος ανάδρασης οδηγείται σε έναν PI ελεγκτή και στη συνέχεια µε PWM τεχνική ελέγχεται η κατάσταση του διακόπτη T c. 70

71 Σχήµα 3.14 Αντιστροφέας ισχύος και κύκλωµα ελέγχου του brushless dc κινητήρα, χρησιµοποιώντας ένα µετατροπέα ισχύος συνεχούς σε συνεχή τάση [3] Σχήµα 3.15 Αντιστροφέας ισχύος και κύκλωµα ελέγχου του «brushless dc» κινητήρα, όταν ελέγχεται η χρονική διάρκεια λειτουργίας των τριών διακοπτών του κάτω τµήµατος του αντιστροφέα [3] Στο σχήµα 3.15 ο έλεγχος του ρεύµατος κάθε φάσης επιτυγχάνεται ελέγχοντας τη χρονική διάρκεια αγωγής των τριών διακοπτών του κάτω 71

72 τµήµατος του αντιστροφέα (διακόπτες T 4, T 5, T 6 ). Στην περίπτωση αυτή, σε κάθε διάστηµα 60 ο, µόνο οι τρεις κάτω διακόπτες του αντιστροφέα ανοιγοκλείνουν µε τη διακοπτική συχνότητα, ενώ οι τρεις πάνω διακόπτες είναι κλειστοί (on) ή ανοιχτοί (off) ανάλογα µε τη θέση του δροµέα. Και στα δύο συστήµατα, τα ρεύµατα τροφοδοσίας των φάσεων είναι παλµοί ρεύµατος διαρκείας 120 ο ανά φάση για κάθε ηµιπερίοδο Τάση εξ επαγωγής σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη. [3] Όπως και για τον τραπεζοειδή έτσι και για τον ηµιτονοειδή κινητήρα µόνιµου µαγνήτη η ηλεκτρεγερτική δύναµη είναι η τάση που επάγεται στα τυλίγµατα του στάτη από τους µαγνήτες λόγω της περιστροφής τους και υπολογίζεται από το νόµο Faraday dλ e= dt (3.27) όπου e και λ είναι η στιγµιαία ηλεκτρεγερτική δύναµη και η στιγµιαία πεπλεγµένη ροή αντίστοιχα. Στο σχήµα που ακολουθεί παρουσιάζεται το σχέδιο µίας διπολικής ηµιτονοειδούς σύγχρονης µηχανής µόνιµου µαγνήτη κυλινδρικών πόλων. Στο σχήµα αυτό φαίνονται τα τυλίγµατα µόνο µιας φάσης του στάτη τα οποία θεωρούµε ότι είναι ηµιτονοειδώς κατανεµηµένα (όπως εξηγήθηκε στη παράγραφο 3.2.1) στην εσωτερική επιφάνεια του στάτη. Έτσι η µαγνητεγερτική δύναµη µεταβάλλεται ηµιτονοειδώς κατά µήκος του διακένου. 72

73 Σχήµα 3.16 Ιδανική ηµιτονοειδής σύγχρονη µηχανή µόνιµου µαγνήτη µε τέλεια ηµιτονοειδώς κατανεµηµένα τυλίγµατα στάτη [3] Αν NSείναι ο συνολικός αριθµός σπειρών ανά φάση, ο αριθµός σπειρών σε ένα στοιχειώδες τόξο µήκους rdθ rm είναι N 2 S sin pθ rmdθ rm (3.28) και αντίστοιχα τα αµπερελίγµατα ανά φάση είναι NS is sin pθ rmdθ 2 rm (3.29) όπου θrmη µηχανική γωνία. Εξετάζουµε τη χειρότερη περίπτωση όπου η κατανοµή της µαγνητικής επαγωγής διακένου του πεδίου διέγερσης των µαγνητών έχει τη µορφή τετραγωνικού παλµού. Η µέγιστη τιµή της µαγνητικής επαγωγής προσδιορίζεται από την εξίσωση (3.6) και το πλάτος της θεµελιώδους αρµονικής της είναι (3.30) Η µαγνητική επαγωγή B g1 µπορεί να θεωρηθεί διάνυσµα χώρου κατά τη διεύθυνση του d-άξονα, το οποίο στρέφεται µε την ίδια ταχύτητα όπως το στρεφόµενο σύστηµα αξόνων αναφοράς του δροµέα. Έτσι 73

74 (3.31) και η χρονική συνάρτηση της µαγνητικής επαγωγής είναι (3.32) όπου γ η γωνία που σχηµατίζει ο d-άξονας ως προς τον οριζόντιο άξονα του συστήµατος αξόνων αναφοράς του δροµέα. Συνεπώς, καθώς περιστρέφεται ο δροµέας, περιστρέφονται µαζί του το πεδίο διέγερσης των µαγνητών και φυσικά το σύστηµα αξόνων αναφοράς. Στη µόνιµη κατάσταση ισορροπίας, η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής τους είναι ίση µε τη σύγχρονη ταχύτητα, ω e =pdθ rm /dt. Έτσι το διάνυσµα χώρου της µαγνητικής επαγωγής στο στάσιµο σύστηµα αναφοράς του στάτη είναι (3.33) και η αντίστοιχη χρονική συνάρτηση της µαγνητικής επαγωγής είναι (3.34) Η ροή διακένου στο στοιχειώδες τόξο rdθ rm είναι dϕg = B ( ) g1 θ rm rldθ rm (3.35) και συνεπώς η µεταβολή ως προς τη γωνία στροφής θ rm της συνολικής ροής διακένου είναι ή + θrm g ( rm) Bg1( rm) rld θ rm rm ϕ θ = θ θ (3.36) + θrm ( ) g rm = B g 1 cos( pθ rm ωet γ ) dθ θ rm rm ϕ θ (3.38) όπου προκύπτει l το αξονικό µήκος του πυρήνα. Από το παραπάνω ολοκλήρωµα όπου (3.39) 74

75 (3.40) Αν θεωρήσουµε ότι όλη η ροή του πεδίου διέγερσης εµπλέκεται µε τα τυλίγµατα του στάτη, η πεπλεγµένη ροή στο στοιχειώδες τόξο rdθ rm είναι NS dλfd = ϕ ( θrm) sin pθ dθ 2 g rm rm (3.41) Αντικαθιστώντας την εξίσωση (3.39) προκύπτει (3.42) Η συνολική πεπλεγµένη ροή για τα p ζεύγη πόλων είναι (3.43) ή (3.44) όπου (3.45) Από τις εξισώσεις (3.27) και (3.44) προκύπτει ότι η στιγµιαία ηλεκτρεγερτική δύναµη είναι και η φασική ενεργός τιµή της είναι (3.46) ή (3.47) (3.48) 75

76 3.13 Αυτεπαγωγή, σύγχρονη αντίδραση και ροπή σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη [3] Η αυτεπαγωγή των τυλιγµάτων είναι ο λόγος της πεπλεγµένης ροής προς το ρεύµα που παράγει η αντίστοιχη ροή L sm λ = i sm s (3.49) Εδώ πρέπει να γίνει σαφές ότι η πεπλεγµένη ροή τη εξίσωσης (3.44) αναφέρεται στη ροή που παράγουν οι µαγνήτες, ενώ η ροή της εξίσωσης (3.49) είναι η ροή που παράγουν τα τυλίγµατα του στάτη λόγω του ρεύµατος που τα διαρρέει. Το ρεύµα αυτό µπορεί ή να τροφοδοτείται από εξωτερική πηγή (λειτουργία κινητήρα) είτε να επάγεται λόγω του στρεφόµενου πεδίου των µαγνητών (λειτουργία γεννήτριας). Με άλλα λόγια στην εξίσωση (3.49) δε συµµετέχουν οι µαγνήτες στην παραγωγή της πεπλεγµένης ροής λ sm και συµπεριφέρονται ως σιδηροµαγνητικά υλικά των οποίων οι µαγνητικές ιδιότητες προσδιορίζονται από την Β-Η χαρακτηριστική τους. Σχήµα 3.17 Προσδιορισµός της αυτεπαγωγής των τυλιγµάτων του στάτη (λαµβάνεται υπόψη µόνο η ροή των τυλιγµάτων του στάτη και οι µαγνήτες συµπεριφέρονται ως σιδηροµαγνητικά υλικά των οποίων οι µαγνητικές ιδιότητες προσδιορίζονται από την χαρακτηριστική Β-Η τους [3] Αν θεωρήσουµε ότι οι σιδηροµαγνητικοί πυρήνες του στάτη και του δροµέα έχουν άπειρη µαγνητική διαπερατότητα τότε η ένταση του µαγνητικού πεδίου στους πυρήνες είναι αµελητέα. Έτσι αν εφαρµόσουµε το νόµο του 76

77 Ampere σε έναν κλειστό δρόµο ολοκλήρωσης (όπως στο παραπάνω σχήµα) και θεωρήσουµε ότι όλη η ροή του πεδίου του στάτη εµπλέκεται µε τους µαγνήτες, έχουµε και συνεπώς π / p θrm N H dl= i S S sin pθ rmdθ θrm 2 rm c (3.50) N H θ l + H θ l = i pθ (3.51) ' m( rm) m g( rm) g s cos 2 S rm p όπου l ' g = k l το ισοδύναµο µήκος διακένου g c g l το πραγµατικό µήκος διακένου και kcο συντελεστής Carter (επίδραση των αυλακώσεων του στάτη). Η χαρακτηριστική Β-Η των µαγνητών είναι η καµπύλη αποµαγνήτισης που προσδιορίζεται από το συντελεστή αντιστρεπτής µαγνητικής διαπερατότητας µ rec =µ 0 µ rrec, έτσι, H m B = m µ µ 0 rrec (3.52) Στις σύγχρονες ηµιτονοειδείς µηχανές µόνιµου µαγνήτη κυλινδρικών πόλων οι µαγνήτες είναι τοποθετηµένοι στην επιφάνεια του δροµέα και είτε καταλαµβάνουν όλο το µήκος του πολικού βήµατος, οπότε ο παράγοντας συγκέντρωσης ροής είναι C Φ =A m /A g =1, είτε η επιφάνεια του µαγνήτη καταλαµβάνει ένα µέρος του πολικού βήµατος (C Φ <1) και το υπόλοιπο τµήµα έχει µονωτικό υλικό. Έτσι η µαγνητική επαγωγή διακένου είναι B g = BmC Φ (3.53) Επειδή ο συντελεστής αντιστρεπτής µαγνητικής διαπερατότητας µ rrec =1~3.5 (µάλιστα στους µαγνήτες σπάνιων γαιών που κατά κύριο λόγο χρησιµοποιούνται στις ηλεκτρικές µηχανές είναι µ r rec =1~1.1) η µαγνητική συµπεριφορά τους ως προς τη διάχυση της ροής πλησιάζει προς τα χαρακτηριστικά του αέρα. Έτσι, µε ικανοποιητική προσέγγιση µπορούµε να 77

78 θεωρήσουµε ότι οι µαγνητικές επαγωγές διακένου και µαγνητών είναι ίσες ( B g Bm ) και συνεπώς από τις εξισώσεις (3.51) και (3.52) έχουµε B l N l is cos pθ µ µ g ' m S g + 0 r = 2p rec rm (3.54) Από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει µ N B i pθ ( ) 0 S g θ rm = s cos ' l l m 2 p g+ µ rrec rm (3.55) ή µ N Bg ( θ rm) = cos 2 S is pθ l p 0 '' g rm (3.56) όπου l '' g = l + ' g l µ m rrec (3.57) Το '' l g είναι το συνολικό ενεργό µήκος διακένου, δηλαδή είναι το άθροισµα του ισοδύναµου µήκους διακένου l ' g = kclg και του ορίου l / µ που m r rec οφείλεται στους µαγνήτες. Με άλλα λόγια οι µαγνήτες αυξάνουν το ενεργό µήκος διακένου. Από την εξίσωση (3.56) προκύπτει ότι η µαγνητική επαγωγή στο πεδίο του στάτη στη θέση θ rm είναι όπου (3.58) Η µαγνητική ροή διακένου είναι (3.59) 78

79 + θ rm ϕg ( θrm) = Bg ( θrm) rldθ θ rm rm (3.60) και συνεπώς g rm =Φ g p ϕ ( θ ) sin θ rm (3.61) όπου Χρησιµοποιώντας την εξίσωση (3.59), η εξίσωση (3.61) γράφεται (3.62) µ N rl ϕ ( θ ) = i sin p θ 0 S g rm '' 2 s lg p rm. (3.63) Η πεπλεγµένη ροή για τα p ζεύγη πόλων είναι (3.64) και συνεπώς (3.65) Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (3.59) και (3.62) στην εξίσωση (3.65) προκύπτει πµ 0 rln λ sm= i 4 p l S 2 '' g S (3.66) Από τις εξισώσεις (3.49) και (3.66) προσδιορίζεται η εξίσωση της αυτεπαγωγής του στάτη L sm πµ 0 rln = 4 p l 2 S 2 '' g (3.67) και συνεπώς η συνολική αυτεπαγωγή του τριφασικού τυλίγµατος είναι 79

80 L m 3 3πµ 0 rln = Lsm = 2 8 p l 2 S 2 '' g (3.68) Τέλος η σύγχρονη επαγωγική αντίσταση είναι X 3πµ rln 2 0 S m= Lmωe = ω 2 '' e 8 p lg (3.69) και η συνολική επαγωγική αντίσταση του τυλίγµατος του στάτη είναι X = X + X s sl m (3.70) όπου X sl η επαγωγική αντίσταση σκεδάσεως. Το τριφασικό τύλιγµα του στάτη δηµιουργεί ένα στρεφόµενο µαγνητικό πεδίο. Το ρεύµα που διαρρέει τα τυλίγµατα δηµιουργεί πτώσεις τάσης Is X και Is X m. Επειδή οι µαγνήτες είναι τοποθετηµένοι στην επιφάνεια του δροµέα, sl το συνολικό ενεργό µήκος διακένου '' l g, όπως προσδιορίζεται από την εξίσωση (3.57) έχει πάντοτε σταθερή τιµή σε κάθε σηµείο της περιφέρειας του δροµέα. Αυτό σηµαίνει ότι και η σύγχρονη επαγωγική αντίσταση του στάτη θα είναι σταθερή σε κάθε σηµείο της περιφέρειας του διακένου και συνεπώς η τιµή της επαγωγική αντίσταση στο διαµήκη d-άξονα και στον εγκάρσιο q-άξονα θα είναι ίδια. Εποµένως X = X = X s sd sq (3.71) Η περίπτωση αυτή είναι αντίστοιχη των συµβατικών σύγχρονων µηχανών κυλινδρικών πόλων µε τύλιγµα διέγερσης. Ωστόσο, επειδή l '' g > l, η αυτεπαγωγή και η σύγχρονη επαγωγική αντίσταση των σύγχρονων µηχανών µόνιµου µαγνήτη κυλινδρικών πόλων είναι µικρότερες των συµβατικών σύγχρονων µηχανών µε τύλιγµα διέγερσης. Αυτό σηµαίνει ότι θα είναι µικρότερη η πτώση τάσης στη σύγχρονη επαγωγική αντίσταση και συνεπώς για την ίδια τάση τροφοδοσίας θα υπάρχει η δυνατότητα στις σύγχρονες µηχανές µόνιµου µαγνήτη για παραγωγή µεγαλύτερης ηλεκτροµαγνητικής ροπής. ' g 80

81 Στη µόνιµη κατάσταση ισορροπίας που η ταχύτητα του δροµέα είναι ίση µε τη σύγχρονη µηχανική ταχύτητα ( ω rm = ωem ) προκύπτει για τη ροπή p Te = 3 EFd I ω r sq (3.72) Περιοχές λειτουργίας σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη. Οι εξισώσεις ρεύµατος και τάσης σύγχρονου κινητήρα µόνιµου µαγνήτη κυλινδρικών πόλων είναι και I = I + I s sd sq (3.73) I ( ) 2 Fd sd V = X + E + X I s sq s s (3.74) Η εξίσωση (3.74) επίσης γράφεται 2 2 Vs 2 EFd = Isq+ I sd + X s X s (3.75) Από τις παραπάνω σχέσεις ( ) και ανάλογα µε την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα διακρίνουµε τρεις περιοχές λειτουργίας: Περιοχή σταθερής ροπής για ταχύτητες περιστροφής µικρότερες της ονοµαστικής σύγχρονης ταχύτητας. Περιοχή ονοµαστικής τάσης για ταχύτητες περιστροφής µεγαλύτερες της ονοµαστικής σύγχρονης ταχύτητας. Περιοχή υψηλών ταχυτήτων για ταχύτητες περιστροφής πολύ µεγαλύτερες της ονοµαστικής σύγχρονης ταχύτητας. 81

82 3.15 Έλεγχος σύγχρονου ηµιτονοειδούς κινητήρα µόνιµου µαγνήτη. Όπως και οι τραπεζοειδείς έτσι και οι ηµιτονοειδείς σύγχρονοι κινητήρες µόνιµου µαγνήτη οδηγούνται ηλεκτρονικά µε αντιστροφέα τάσης. Οι τεχνικές που χρησιµοποιούνται για την υλοποίηση του ελέγχου είναι η τεχνική PWM µε έλεγχο ρεύµατος και η διαµόρφωση διανύσµατος χώρου. Στην πρώτη περίπτωση ο έλεγχος ρεύµατος γίνεται µέσω ενός συγκριτή ρεύµατος ο οποίος συγκρίνει το ρεύµα αναφοράς κάθε φάσης µε το αντίστοιχο φασικό ρεύµα του κινητήρα και προσδιορίζονται οι παλµοί ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιµοποιείται ένα σύστηµα ελεγκτών ρεύµατος το οποίο αποτελείται από δύο ελεγκτές PI για τον έλεγχο των δύο συνιστωσών του ρεύµατος του στάτη Isd και Isq. 82

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΚΑΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ 4.1 Εισαγωγή Όπως έχει ήδη αναφερθεί ο έλεγχος και η οδήγηση των σύγχρονων µηχανών µόνιµου µαγνήτη γίνεται µε αντιστροφέα που µετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόµενη. Πυρήνας λοιπόν της διάταξης της παρούσας διπλωµατικής εργασίας είναι ένας τριφασικός αντιστροφέας. Πριν όµως προχωρήσουµε στη λεπτοµερή ανάλυση της λειτουργίας ενός τριφασικού αντιστροφέα, θα ήταν σκόπιµο να αναφέρουµε κάποια στοιχεία σχετικά µε τους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος γενικότερα. Οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος είναι διατάξεις που χρησιµοποιούνται για τη µετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος από µια µορφή σε µια άλλη και για το σκοπό αυτό περιλαµβάνουν ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος, τα οποία ελέγχονται από αναλογικά ή ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώµατα χαµηλής ισχύος. Με τους µετατροπείς αυτούς µπορούµε να ελέγξουµε και να ρυθµίσουµε τη ροή ενέργειας µεταξύ διαφορετικών συστηµάτων. Σε σχέση µε τις ηλεκτροµηχανικές διατάξεις που χρησιµοποιούνταν παλιότερα, οι σύγχρονοι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος: Έχουν µικρότερο όγκο και βάρος Προσφέρουν µεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτερη απόκριση στη ρύθµιση των µεγεθών εξόδου. Έχουν υψηλότερο συντελεστή απόδοσης. Έχουν ελάχιστες ανάγκες συντήρησης και παρουσιάζουν αθόρυβη λειτουργία. 83

84 Μοναδικό, ίσως, µειονέκτηµα είναι η εµφάνιση ανώτερων αρµονικών στην πλευρά της τροφοδοσίας τους αλλά και στην πλευρά του φορτίου. Αν θέλαµε να κατηγοριοποιήσουµε τους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος µε βάση τη µορφή της µετατρεπόµενης και ανταλλασσόµενης ηλεκτρικής ενέργειας έχουµε τις εξής κατηγορίες. Μετατροπείς εναλλασσόµενης τάσης σε εναλλασσόµενη, οι οποίοι µετατρέπουν την εναλλασσόµενη τάση µιας ορισµένης τιµής, συχνότητας και αριθµού φάσεων σε εναλλασσόµενη τάση άλλης ενεργού τιµής, της ίδιας ή άλλης συχνότητας και ενδεχοµένως άλλου αριθµού φάσεων. Μετατροπείς εναλλασσόµενης τάσης σε συνεχή (Ανορθωτές), οι οποίοι µετατρέπουν την εναλλασσόµενη τάση σε συνεχή, ρυθµιζόµενου πλάτους. Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή, οι οποίοι µετατρέπουν τη συνεχή τάση ορισµένης τιµής και πολικότητας σε συνεχή τάση άλλης τιµής και ενίοτε άλλης πολικότητας. Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε εναλλασσόµενη τάση (Αντιστροφείς), οι οποίοι µετατρέπουν τη συνεχή τάση σε εναλλασσόµενη τάση, ρυθµιζόµενης συχνότητας και ενεργού τιµής. 4.2 Μελέτη και λειτουργία τριφασικού αντιστροφέα τάσης Λύση στο πρόβληµα της δηµιουργίας µιας πηγής εναλλασσόµενης τάσης µε µεταβλητή συχνότητα και πλάτος, αποτελεί η µετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόµενη µε τη βοήθεια των αντιστροφέων. Οι αντιστροφείς µπορούν να κατηγοριοποιηθούν µε βάση τον αριθµό των φάσεων σε: 84

85 Μονοφασικούς αντιστροφείς σε συνδεσµολογία γέφυρας µε δύο ελεγχόµενα ηµιαγωγικά στοιχεία ή σε συνδεσµολογία πλήρους ελεγχόµενης γέφυρας(µε τέσσερα ελεγχόµενα ηµιαγωγικά στοιχεία). Τριφασικούς αντιστροφείς (µε έξι ελεγχόµενα ηµιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία). Οι αντιστροφείς που συναντώνται συχνότερα σε εφαρµογές τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς τάσης, που προέρχεται από ανορθωτικό σύστηµα αποτελούµενο από διόδους ή από θυρίστορ. Ένας τέτοιος αντιστροφέας κατασκευάστηκε και στην παρούσα εργασία, και ονοµάζεται αντιστροφέας πηγής τάσης. Σχήµα 4.1 Γενική δοµή αντιστροφέα διακοπτικού τύπου σε κινητήριο σύστηµα εναλλασσόµενου ρεύµατος.[7] Οι αντιστροφείς διακοπτικού τύπου βρίσκουν εφαρµογή, όπως φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα, σε κινητήρια συστήµατα που περιέχουν µηχανές εναλλασσόµενου ρεύµατος (Ε.Ρ.), όπου ο αντικειµενικός στόχος είναι η παραγωγή µιας ηµιτονοειδούς εναλλασσόµενης τάσης εξόδου, µε ελεγχόµενα τόσο το πλάτος όσο και τη συχνότητά της για την οδήγηση του κινητήριου συστήµατος. Oι τριφασικοί αντιστροφείς πηγής τάσης µπορούν να χωριστούν στις παρακάτω δύο γενικές κατηγορίες: Αντιστροφείς µε τετραγωνική κυµατοµορφή, όπου το πλάτος της εναλλασσόµενης τάσης εξόδου ελέγχεται µέσω του πλάτους της 85

86 συνεχούς τάσης εισόδου, ο δε αντιστροφέας ελέγχει µόνο τη συχνότητα της τάσης εξόδου. Αντιστροφείς µε διαµόρφωση εύρους παλµών (PWM), όπου η συνεχής τάση εισόδου του αντιστροφέα έχει σταθερό πλάτος, ενώ το πλάτος και η συχνότητα της εναλλασσόµενης τάσης εξόδου ελέγχεται µε διαµόρφωση του εύρους των παλµών των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα. Γενικά, είναι δυνατόν για την τροφοδοσία ενός τριφασικού φορτίου αντί για έναν τριφασικό αντιστροφέα να χρησιµοποιηθούν τρείς µονοφασικοί αντιστροφείς, όπου ο κάθε αντιστροφέας παράγει µία έξοδο (µε θεµελιώδη συχνότητα) µετατοπισµένη κατά 120 ο σε σχέση µε τις άλλες. Ωστόσο αυτή η διάταξη δεν χρησιµοποιείται, καθώς απαιτεί δώδεκα διακοπτικά στοιχεία, και έναν τριφασικό µετασχηµατιστή εξόδου ή ξεχωριστές λήψεις για κάθε φάση του τριφασικού φορτίου. Η τυπική διάταξη τριφασικού αντιστροφέα που χρησιµοποιείται στην πράξη και στην παρούσα διπλωµατική εργασία επίσης, φαίνεται στο ακόλουθο σχήµα. Σχήµα 4.2 Τριφασικός αντιστροφέας[7] Όπως βλέπουµε αποτελείται από τρία σκέλη, ένα για κάθε φάση όπου υπάρχουν δύο διακοπτικά στοιχεία (συµβολίζονται ως διακόπτες στο σχέδιο). Η έξοδος του κάθε σκέλους για παράδειγµα η Vcn (όπου n το ουδέτερο 86

87 σηµείο του τριφασικού φορτίου) εξαρτάται µόνο από την DC τάση εισόδου Vd και από την κατάσταση των διακοπτών. Στους περισσότερους τριφασικούς αντιστροφείς αυτού του τύπου οι ηµιαγωγικοί διακόπτες κάθε σκέλους π.χ Τc+, Tc- λειτουργούν συµπληρωµατικά, δηλαδή όταν ο ένας διακόπτης είναι σε κατάσταση αγωγής, ο άλλος βρίσκεται σε αποκοπή και αντιστρόφως. ιαφορετικά, εάν και οι δύο διακόπτες του ιδίου κλάδου είναι σε κατάσταση αγωγής, τότε προκαλείται βραχυκύκλωµα της πηγής συνεχούς τάσης. Ούτε πάλι πρέπει οι διακόπτες του ιδίου κλάδου να είναι σε κατάσταση αποκοπής συγχρόνως, διότι τότε η πολικότητα της τάσης εξόδου καθορίζεται από τη δίοδο που άγει εκείνη τη στιγµή το ρεύµα φορτίου στην εξεταζόµενη φάση. Οι αντιπαράλληλες δίοδοι ελεύθερης διέλευσης (Dc+ και Dc-) εξασφαλίζουν εναλλακτικό δρόµο για τα ρεύµατα, όταν αυτά έχουν αρνητική φορά (από το φορτίο προς την πηγή). Όταν άγει ο διακόπτης Tc+ στην έξοδο συνδέεται ο θετικός πόλος του ζυγού DC bus Ενώ όταν άγει ο διακόπτης Τc- στην έξοδο συνδέεται ο αρνητικός πόλος του ζυγού DC bus. ίνοντας κατάλληλους παλµούς έναυσης και σβέσης στους διακόπτες, µέσω του κυκλώµατος ελέγχου, λαµβάνουµε στην έξοδο του αντιστροφέα κυµατοµορφή φασικής τάσης δύο επιπέδων και κυµατοµορφή πολικής τάσης τριών επιπέδων. Όπως βλέπουµε και στο σχήµα 4.3 Σχήµα 4.3 Φασική και πολική τάση στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα[7] η τάση εξόδου είναι ανεξάρτητη του ρεύµατος εξόδου, εφόσον σε κάθε χρονική στιγµή ένας από τους δύο διακόπτες κάθε σκέλους είναι πάντα 87

88 κλειστός (άγει). Επειδή οι διακόπτες σε πρακτικά κυκλώµατα δεν είναι ιδανικοί, απαιτείται να εισάγεται και κάποιος νεκρός χρόνος από τη στιγµή που σβήνει το ένα στοιχείο µέχρι τη στιγµή που ανάβει το άλλο στοιχείο του ίδιου σκέλους. Στο κεφάλαιο 6 θα δούµε τον τρόπο που εισάγεται αυτός ο νεκρός χρόνος µέσω του προγράµµατος του µικροελεγκτή. Μειονέκτηµα αποτελεί το γεγονός ότι λόγω της µορφής της η τάση εξόδου περιέχει πλήθος ανωτέρων αρµονικών, αποτέλεσµα των οποίων είναι η υπερθέρµανση των τυλιγµάτων και οι κυµατώσεις της ροπής του κινητήρα που οδηγεί ο αντιστροφέας. Στην ενότητα που ακολουθεί θα µιλήσουµε για τους τρόπους παλµοδότησης των ηµιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. 4.3 Έλεγχος των ηµιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα Στην αγορά διατείθενται σύγχρονοι κινητήρες µόνιµου µαγνήτη (brushless) είτε τραπεζοειδούς είτε ηµιτονοειδούς τροφοδοσίας. Όπως είναι λογικό οι πρώτοι οδηγούνται από αντιστοφείς τετραγωνικού παλµού όπου για τον έλεγχο του πλάτους της εναλλασσόµενης τάσης εξόδου ελέγχεται είτε το πλάτος της συνεχούς τάσης στην είσοδό τους είτε χρησιµοποείται η µέθοδος διαµόρφωσης εύρους παλµού (PWM). Ο αντιστροφέας µε τη βοήθεια µικροελεγκτή και κατάλληλου κυκλώµατος παλµοδότησης µπορεί να ελέγξει τη συχνότητα της τάσης εξόδου καθώς και το εύρος της. Η διαδικασία που ακολουθήσαµε για να παλµοδοτήσουµε τον κινητήρα της παρούσας διπλωµατικής εργασίας φαίνεται στο σχήµα 4.4 και 4.5. Στα άνω τρανζίστορ του κάθε κλάδου στέλνουµε µε τη βοήθεια µικροελεγκτή σταθερό παλµό έναυσης για 120 ο µοίρες στο κάθε ένα. Για τα κάτω τρανζίστορ του κάθε κλάδου ακολουθήσαµε τη µέθοδο PWM. ε χρειάζεται να χρησιµοποιήσουµε τη µέθοδο PWM και στα πάνω και στα κάτω τρανζίστορ διότι ούτως ή άλλος κάθε ζευγάρι αγωγής αποτελείται από ένα πάνω και ένα κάτω τρανζίστορ και αρκεί το ένα από αυτά να αναβοσβήνει µε υψηλή συχνότητα προκειµένου να ελέγχουµε την τάση εξόδου. Κατά τη 88

89 µέθοδο PWM συγκρίνεται µια σταθερή τάση µε µια τριγωνική κυµατοµορφή. Η σύγκριση αυτή καθορίζει τις χρονικές στιγµές µετάβασης και τα σήµατα ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων ισχύος. Η αλληλουχία της µετάβασης καθορίζεται από τους αισθητήρες Hall όπως φαίνεται και παραστατικά στο σχήµα 4.4. Σχήµα 4.4 ιάγραµµα παλµών των MOSFET σε σχέση µε τα σήµατα των αισθητήρων Hall καθώς και Τάσεις εξόδου του µετατροπέα. [19] Η λογική παλµοδότησης των MOSFET σε σχέση µε τα σήµατα των αισθητήρων Hall για τον συγκεκριµένο κινητήρα φαίνεται στο παραπάνω σχήµα και θα εξηγηθεί επιτόπου. Κάθε 120 ο ηλεκτρικές µοίρες έχουµε ενεργοποίηση ενός αισθητήρα Hall ο οποίος παραµένει ενεργοποιηµένος για 180 ο ηλεκτρικές µοίρες. Έτσι παρατηρούµε ότι αν χωρίσουµε το διάστηµα των 360 ο µοιρών σε υποδιαστήµατα των 60 ο, τότε έχουµε 6 υποδιαστήµατα καθένα εκ των οποίων χαρακτηρίζεται από ένα µοναδικό συνδυασµό των σηµάτων των αισθητήρων Hall (π.χ. για το διάστηµα 0 ο -60 ο Hall1 λογικό 1, Hall2 λογικό 0, Hall3 λογικό1). Με αυτόν τον τρόπο ο µικροεπεξεργαστής 89

90 προγραµµατίζεται ώστε να δίνει σε κάθε χρονική στιγµή τον σωστό παλµό στο σωστό MOSFET. Σχήµα 4.5 Παλµοδότηση τριφασικού αντιστροφέα[12] 4.4 Γραµµικά τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Πέραν του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που κατασκευάστηκε για την παραγωγή της τάσης τροφοδοσίας του κινητήρα µόνιµου µαγνήτη, είναι απαραίτητη και η κατασκευή τροφοδοτικών συνεχούς τάσης για την τροφοδοσία των διαφόρων ολοκληρωµένων που χρησιµοποιούνται στο κύκλωµα παλµοδότησης των MOSFET του αντιστροφέα. Στην δική µας περίπτωση χρησιµοποιούµε γραµµικά τροφοδοτικά. Σε αυτά η εναλλασσόµενη τάση εισόδου υποβιβάζεται µε χρήση ενός µετασχηµατιστή χαµηλών συχνοτήτων (50-60Hz). Ο µετασχηµατιστής είναι επίσης 90

91 απαραίτητος και για την ηλεκτρική αποµόνωση µεταξύ εισόδου και εξόδου, κάτι που επιβάλλεται από τους κανονισµούς που ισχύουν διεθνώς. Μετά τον µετασχηµατιστή ακολουθεί η ανορθωτική διάταξη, που συνήθως είναι µια ανορθωτική γέφυρα διόδων, η ανορθωµένη τάση εξοµαλύνεται µε χρήση ενός ηλεκτρολυτικού πυκνωτή γνωστού και ως «φίλτρο εισόδου». Ακολουθεί ένα ηµιαγωγικό στοιχείο, για την ακρίβεια ένα τρανζίστορ (σταθεροποιητής τάσης) που λειτουργεί στην ενεργό περιοχή, η διαφορά µεταξύ της τάσης εισόδου και της τάσης εξόδου εµφανίζεται ως απώλεια θερµότητας επί του στοιχείου. Αυτό αποτελεί και ένα µειονέκτηµα του τροφοδοτικού αυτού, έναντι των διακοπτικών τροφοδοτικών, καθώς οι υψηλές απώλειες αγωγής Vce, on Io, έχουν ως συνέπεια γενικά χαµηλό συντελεστή απόδοσης. Τα παραπάνω συνιστούν τη βαθµίδα εισόδου. Η βαθµίδα εξόδου ακολουθεί και αποτελείται από τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή «φίλτρο εξόδου» που αναλαµβάνει να καλύψει τις απότοµες µεταβολές στο φορτίο και να βελτιώσει την απόκριση του τροφοδοτικού, και συνήθως έναν πυκνωτή πολυπροπυλενίου ή κεραµικό παράλληλα προς τον πρώτο για να αποφευχθούν οι υπερτάσεις που µπορεί να εµφανιστούν εξ αιτίας διακοπτικών ρευµάτων. Σχήµα 4.6 οµικό διάγραµµα τροφοδοτικού συνεχούς τάσης.[7] 91

92 92

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 5.1 Εισαγωγή Στην παρούσα διπλωµατική εργασία σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ο αντιστροφέας συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόµενη που περιγράφτηκε στο υποκεφάλαιο 4.2 και η δοµή του απεικονίζεται στο σχήµα 4.2. Φυσικά η απεικόνιση που υπάρχει στο σχήµα 4.2 είναι µόνο το βασικό κυκλωµατικό διάγραµµα του κυκλώµατος ισχύος του αντιστροφέα, ο οποίος στη πραγµατικότητα αποτελείται από πληθώρα στοιχείων. Τα στοιχεία προέκυψαν ύστερα από ενδελεχή έρευνα µεταξύ πολλών παρόµοιων στοιχείων διαφόρων κατασκευαστών και έπρεπε να συνδυαστούν ώστε να λειτουργούν αρµονικά µεταξύ τους για να προκύψει το επιθυµητό αποτέλεσµα. Για να επιτευχθεί ο στόχος αυτός χρησιµοποιήθηκε η ήδη υπάρχουσα τεχνογνωσία του Εργαστηρίου του Πανεπιστηµίου καθώς και η πείρα από παλιότερες έρευνες, διπλωµατικές εργασίες αλλά και διδακτορικές διατριβές. Επίσης σηµαντική συµβολή στη σωστή µελέτη και σχεδιασµό του µετατροπέα έπαιξε η πρόσβαση στο λογισµικό εξοµοίωσης MATLAB/SIMULINK που παρείχε το πανεπιστήµιο. Όλα αυτά θα αναλυθούν αναλυτικά στα επόµενα κεφάλαια. 93

94 5.2 Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα µέσω του MATLAB SIMULINK Το πρώτο στάδιο της σχεδίασης ήταν η εξοµοίωση του συστήµατος µε τη βοήθεια του προγράµµατος MATLAB/SIMULINK. Η εξοµοίωση µας επιτρέπει να έχουµε µία άµεση εικόνα της µορφής και των τιµών όλων των φυσικών µεγεθών του κυκλώµατος. Επίσης, µας επιτρέπει να κάνουµε αλλαγές και πειραµατισµούς που οδηγούν σε χρήσιµα συµπεράσµατα. Το κύκλωµα µαζί µε τις διατάξεις µέτρησης και απεικόνισης των επιθυµητών µεγεθών είναι το παρακάτω: Σχήµα 5.1 Κύκλωµα εξοµοίωσης του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος µε τις διατάξεις µέτρησης και απεικόνισης Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα για κατάσταση ονοµαστικής λειτουργίας του κινητήρα. Στην ονοµαστική κατάσταση, οι παράµετροι που χρησιµοποιήθηκαν στο πρόγραµµα είναι οι εξής: Παραµετροποίηση στοιχείων µετατροπέα και πηγής εισόδου: f s PWM = 15kHz V in = 48V R ds,on = 0mΩ V f = 0V Παραµετροποίηση σύγχρονης µηχανής: [36] Back EMF waveform: «Trapezoidal» 94

95 Mechanical input: «Torque Tm» Stator phase resistance= 0.08 ohm Stator phase inductance= 0.15e-3 H Torque Constant 0.11 N.m/A_peak Back EMF flat area =60 degrees Ροπή άξονα=2.1 Nm Inertia = J(Kg.m^2) Pole pares= 4 Ακολουθούν τα αποτελέσµατα της εξοµοίωσης για την ονοµαστική κατάσταση του µετατροπέα. Σχήµα 5.2 Οι στροφές ανά λεπτό (min -1 ) του άξονα της µηχανής (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 95

96 Σχήµα 5.3 Η ροπή στον άξονα της µηχανής (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 5.4 Η ισχύς του άξονα της µηχανής (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 96

97 Σχήµα 5.5 Το σήµα του αισθητήρα Hall A (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 5.6 Το σήµα του αισθητήρα Hall B (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 97

98 Σχήµα 5.7 Το σήµα του αισθητήρα Hall C (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 5.8 Το ρεύµα της φάσης Α (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 98

99 Σχήµα 5.9 Η τάση εξ επαγωγής του δροµέα στο στάτη (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 5.10 Η τάση της φάσης Α (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 99

100 Σχήµα 5.11 Η πολική τάση ΑΒ (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 5.12 Το ρεύµα του MOSFET 1H (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 100

101 Σχήµα 5.13 Το ρεύµα µιας εκ των διόδων του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 5.14 Η τάση πάνω στο MOSFET 1Η (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 101

102 Σχήµα 5.15 Η τάση πάνω στη δίοδο 1Η (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα για ήπια εκκίνηση κινητήρα (Soft Start). Ακολουθούν τα αποτελέσµατα της εξοµοίωσης του µετατροπέα για ήπια εκκίνηση κινητήρα (Soft Start). Σχήµα 5.16 Το σήµα του αισθητήρα Hall A (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 102