Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κουκιά Γεώργιου του Κων/νου Αριθμός Μητρώου: 6553 Θέμα «Διερεύνηση της λειτουργίας και σχεδίαση του συστήματος ελέγχου στατικού σειριακού αντισταθμιστή κατάλληλου για εξάλειψη ασύμμετρων βυθίσεων τάσης» Επιβλέπων Γαβριήλ Γιαννακόπουλος, καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 6553/2014 Πάτρα, (Σεπτέμβριος 2014)

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Διερεύνηση της λειτουργίας και σχεδίαση του συστήματος ελέγχου στατικού σειριακού αντισταθμιστή κατάλληλου για εξάλειψη ασύμμετρων βυθίσεων τάσης» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών (Κουκιά Γεώργιου του Κων/νου) Αριθμός Μητρώου:6553 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 16/09/2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος καθηγητής Αλεξανδρίδης Αντώνης καθηγητής ~ 2 ~

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:6553/2014 Θέμα: «Διερεύνηση της λειτουργίας και σχεδίαση του συστήματος ελέγχου στατικού σειριακού αντισταθμιστή κατάλληλου για εξάλειψη ασύμμετρων βυθίσεων τάσης» Φοιτητής: Κουκιάς Γεώργιος Επιβλέπων: Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε από 8/2013-9/2014 στο τμήμα ηλεκτρολόγων μηχανικών & τεχνολογίας υπολογιστών του πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γαβριήλ Γιαννακόπουλου. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η σχεδίαση και ο έλεγχος στατικού σειριακού αντισταθμιστή με στόχο την αντιστάθμιση συμμετρικών και ασύμμετρων βυθίσεων τάσης σε ευαίσθητα φορτία. Αρχικά γίνεται μια γενική αναφορά στην δομή των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας στην έννοια της ποιότητας ισχύος και στις διαταραχές που μπορούν να εμφανιστούν σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Έπειτα παρουσιάζονται μέθοδοι βελτίωσης της ποιότητας ισχύος και συγκεκριμένα των διαταραχών που οφείλονται σε βυθίσεις τάσεις. Κατόπιν περιγράφεται η δομή και ο τρόπος λειτουργίας της διάταξης που θα χρησιμοποιηθεί για την αντιστάθμιση της τάσης (Στατικός Σειριακός Αντισταθμιστής). Αναλύεται το σύστημα ελέγχου (Διπλός Διανυσματικός Ελεγκτής, Double Vector Controller) και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης διαφόρων τύπων βραχυκυκλωμάτων με την χρήση του Στατικού Σειριακού Αντισταθμιστή (Static Series Compensator). ~ 3 ~

4 ~ 4 ~

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου για την αμέριστη συμπαράσταση που μου πρόσφεραν σε όλο το διάστημα των σπουδών μου αλλά και για την οικονομική στήριξη που μου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Γαβριήλ Γιαννακόπουλο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντας μου την συγκεκριμένη εργασία. Γιώργος Κουκιάς Πάτρα Σεπτέμβριος 2014 ~ 5 ~

6 ~ 6 ~

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας 1.2 Ποιότητα ισχύος 1.3 Προβλήματα στην ποιότητα ισχύος Βύθιση τάσης (Voltage dips) Ανύψωση τάσης (Voltage swell) Μικρής διάρκειας διακοπή τάσης Μεγάλης διάρκειας μεταβολές τάσης Μεταβατικά φαινόμενα Ασυμμετρίες τάσης Παραμόρφωση τάσης Διακυμάνσεις συχνότητας Διακύμανση τάσης Κεφάλαιο 2 Ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος 2.1 Ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία Δίοδος Θυρίστορ Διπολικά τρανζίστορ επαφής (BJT) MOSFET Θυρίστορ με σβέση ελεγχόμενη από την πύλη (GTO) IGBT 2.2 Είδη μετατροπέων ηλεκτρικής ενέργειας Αντιστροφέας (Inverter) Μονοφασικοί Αντιστροφείς Μονοφασικός Αντιστροφέας ελεγχόμενος με Τετραγωνικούς παλμούς Τριφασικός Αντιστροφέας Έλεγχος τριφασικού Αντιστροφέα με Τετραγωνικούς Παλμούς Μονοφασικοί Αντιστροφείς ελεγχόμενοι με την Μέθοδο Διαμόρφωσης Παλμών (PWM) Μονοφασικοί Αντιστροφείς ελεγχόμενοι με την Μέθοδο Διαμόρφωσης Παλμών (PWM) Κεφάλαιο 3 Αντιστάθμιση βύθισης τάσης 3.1 Βελτίωση συστήματος ισχύος (Power System Improvements) 3.2 Ατρωσία φορτίου (Load immunity) 3.3 Συσκευές αντιστάθμισης Συμβατικές διατάξεις ~ 7 ~

8 3.3.2 Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς (Facts) Στατικός διακόπτης μεταφοράς (Static Transfer Switch) Αδιάλειπτη τροφοδοσία Ισχύος (UPS) Παράλληλα Συνδεδεμένος Μετατροπέας Τάσης(SVC) Στατικός Σειριακός Αντισταθμιστής (SSC) Κεφάλαιο 4 Ανάλυση Στατικού Σειριακού Αντισταθμιστή 4.1 Εισαγωγή 4.2 Περιγραφή συστήματος Αντιστροφέας τάσης (VSC) Έλεγχος των αντιστροφέων πηγής τάσης Τμήμα ελέγχου και διαμόρφωσης (modulation unit) Φίλτρο εξόδου (Output filter) Μετασχηματιστής έκχυσης τάσης (injection transformer) Αποθήκη ενέργειας (energy storage) Διακόπτης παράκαμψης (bypass switch) Τμήμα ανίχνευσης διαταραχών (disturbance identification) 4.3 Παρουσίαση ελέγχου DSC (Delayed signal cancellation) Λειτουργία της μεθόδου (DSC) σε αναλογικά σήματα Λειτουργία της μεθόδου (DSC) σε ψηφιακά-διακριτά σήματα Εξισώσεις ελέγχου Κεφάλαιο 5 Προσομοίωση Αποτελέσματα 5.1 Γραφικές παραστάσεις μονοφασικού βραχυκυκλώματος με γη 5.2 Γραφικές παραστάσεις τριφασικού βραχυκυκλώματος 5.3 Γραφικές παραστάσεις διφασικού βραχυκυκλώματος 5.4 Γραφικές παραστάσεις διφασικού βραχυκυκλώματος με γη 5.5 Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ~ 8 ~

9 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1. Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι το σύνολο των εγκαταστάσεων (γεννήτριες μετασχηματιστές, γραμμές μεταφοράς, διακόπτες διατάξεις αντιστάθμισης)που χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτηθεί με ηλεκτρική ενέργεια ένα σύνολο καταναλωτών. Για να φέρει σε πέρας αυτή την αποστολή το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας διαθέτει σταθμούς παραγωγής γραμμές μεταφοράς(για την μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής στα κέντρα κατανάλωσης), δίκτυα διανομής (για την διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στους επιμέρους καταναλωτές ώστε να χρησιμοποιηθεί από αυτούς μετατρεπόμενη σε άλλες μορφές όπως θερμότητα κίνηση ήχο φως κτλ).και το μικρότερο ΣΗΕ είναι ένα δίκτυο με πολύ μεγάλη πολυπλοκότητα. Ο παράγοντας που κυρίως καθορίζει την δομή του είναι το μέγεθος του. Δεν υπάρχουν γενικοί κανόνες όσον αφορά τον τρόπο δόμησης του συστήματος που να εφαρμόζονται σε όλα τα συστήματα. Το κάθε σύστημα δομείται με βάση τις ιδιαιτερότητες που καλείται να εξυπηρετήσει. Όλα τα συστήματα όμως παρουσιάζουν την εξής ομοιότητα. Εργάζονται σε διάφορα επίπεδα τάσης που χωρίζονται μεταξύ τους με μετασχηματιστές. Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας διαιρείται σε τρία υποσυστήματα. Ξεκινώντας από το χαμηλότερο επίπεδο τάσης διακρίνονται τα εξής υποσυστήματα. 1. Σύστημα διανομής 2. Σύστημα υπομεταφοράς. 3. Σύστημα μεταφοράς. ~ 9 ~

10 Στο σύστημα διανομής χρησιμοποιούνται δύο επίπεδα τάσης διανομής α)η τάση τροφοδοσίας (πχ 15 kv) που χαρακτηρίζεται και μέση τάση (ΜΤ) β)η τάση κατανάλωσης(πχ 220V) που χαρακτηρίζεται και χαμηλή τάση (ΧΤ) Το σύστημα υπομεταφοράς διανέμει ηλεκτρική ενέργεια σε έναν αριθμό υποσταθμών διανομής που βρίσκονται σε ένα επίπεδο τάσης που κυμαίνεται μεταξύ 23 KV και 150 KV. Αυτό δέχεται την ενέργεια είτε κατευθείαν από σταθμούς παραγωγής είτε από το σύστημα μεταφοράς μέσω υποσταθμών. Το σύστημα μεταφοράς διαφέρει και ως προς την λειτουργία και ως προς τα χαρακτηριστικά από τα συστήματα υπομεταφοράς και διανομής. Ενώ τα δύο τελευταία συστήματα μεταφέρουν ενέργεια από μία πηγή προς τα επιμέρους φορτία, το σύστημα μεταφοράς αφενός χειρίζεται μεγαλύτερα ποσά ισχύος αφετέρου διασυνδέει όλους τους σταθμούς παραγωγής και όλα τα σημεία μεγάλης κατανάλωσης του συστήματος. 1.2 Ποιότητα ισχύος Με τον όρο ποιότητα ισχύος ορίζεται ως η αδιάλειπτη λήψη ενέργειας που ζητάει ο καταναλωτής (το φορτίο) όπως επίσης και στην διατήρηση της ημιτονοειδούς μορφής της τάσης, του μέτρου της και της συχνότητας της. Επίσης ως ποιότητα ισχύος ορίζεται η ικανότητα µιας συσκευής να λειτουργεί ικανοποιητικά µέσα στο ηλεκτρομαγνητικό της περιβάλλον χωρίς να εισάγει µη ανεκτές ηλεκτρομαγνητικές παρενοχλήσεις στο περιβάλλον αυτό. Ένας άλλος ορισμός αναφέρει ότι ποιότητα ισχύος ορίζεται ως το άθροισμα της ποιότητας της τάσης και του ρεύματος. Ποιους αφορά και γιατί όμως η ποιότητα ισχύος; Η ποιότητα ισχύος αφορά: Τους Καταναλωτές Τις εταιρίες ηλεκτρισμού Τους κατασκευαστές ηλεκτρονικού/ηλεκτρολογικού εξοπλισμού Αφορά όλους τους παραπάνω γιατί: Οι συσκευές έχουν γίνει πιο ευαίσθητες σε διαταραχές Οι συσκευές προκαλούν διαταραχές στην τάση Οι εταιρίες ηλεκτρισμού θέλουν να παρέχουν ένα καλό προϊόν Η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας έχει γίνει πολύ καλή Η ποιότητα ισχύος μπορεί να μετρηθεί Από την στιγμή που θα παραχθεί η απαραίτητη ενέργεια για το φορτίο μέχρι να μεταφερθεί σε αυτό υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν αυτή την διαδικασία όπως οι διακυμάνσεις του καιρού (κεραυνικά πλήγματα) η συνολική ζήτηση για ενέργεια και αρκετοί άλλοι. Οι Σύγχρονες βιομηχανικές διαδικασίες βασίζονται σε μεγάλη ποσότητα σε ηλεκτρονικές συσκευές, συνεπώς τα βιομηχανικά φορτία γίνονται ολοένα και λιγότερα ~ 10 ~

11 ανεκτικά σε διαταραχές της τροφοδοσίας τους. Οι διαταραχές αυτές επηρεάζουν αρνητικά την ποιότητα ισχύος του συστήματος. Συνεπώς αποδεικνύεται ότι όσο η τεχνολογία και τα ηλεκτρονικά συστήματα εξελίσσονται τόσο πιο απαραίτητη γίνεται η ύπαρξη της ποιότητας ισχύος καθώς η οποιαδήποτε παρέκκλιση από τις ενδεδειγμένες τιμές (πχ τάσεως του φορτίου) ενδέχεται να προκαλέσουν σοβαρές και με υψηλό κόστος ζημιές( Διακοπή παραγωγικής διαδικασίας, αύξηση κόστους συντήρησης, φθορές σε ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές). 1.3 Προβλήματα στην ποιότητα ισχύος Τα βασικότερα προβλήματα στην ποιότητα ισχύος είναι τα εξής: Μικρής διάρκειας μεταβολές τάσεως Μεγάλης διάρκειας μεταβολές τάσεως Μεταβατικά φαινόμενα Ασσυμετριές της τάσεως Παραμόρφωση τάσεως Διακυμάνσεις της συχνότητας Διακυμάνσεις της τάσεως Βύθιση τάσης (Voltage dips) Μία βύθιση τάσης ή πτώση τάσης είναι μια μείωση στην RMS τάση κάτω από την ονομαστική τάση ή κάτω από μια τάση αναφοράς. Οι βυθίσεις τάσεως θεωρούνται οι πιο συνηθισμένες διαταραχές σε έναν βιομηχανικό εξοπλισμό και μπορούν να διαρκέσουν από δεκάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου μέχρι ένα δευτερόλεπτο ανάλογα με την περίπτωση. Συνεπώς είναι μια μικρής ~ 11 ~

12 διάρκειας μεταβολή της τάσεως. Οι συνέπειες μιας τέτοιας διαταραχής είναι πολύ σοβαρές,(μια βύθιση τάσης στο 75% της ονομαστικής τάσης αναφοράς με διάρκεια μικρότερη από 100ms θα έχει ως αποτέλεσμα απώλεια υλικού με κόστος χιλιάδων αμερικανικών δολαρίων στην βιομηχανία των ημιαγωγών). Αιτίες τέτοιων φαινομένων είναι συχνά παράγοντες που δεν μπορούν να προβλεφθούν όπως πτώσεις δέντρων κεραυνοί, διαταραχές στις γραμμές μεταφοράς κτλ. Στην παρούσα εργασία θα μελετηθούν οι βυθίσεις τάσεις που οφείλονται σε βραχυκυκλώματα. Μία βύθιση τάσης χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες παραμέτρους. Magnitude of sag (Το μέγεθος της βύθισης):η χαμηλότερη σε pu ενεργός τιμή της απομένουσας τάσης του φορτίου κατά την διάρκεια μιας βύθισης. Αυτό σημαίνει ότι μετά από μια βαθιά βύθιση τάσης η απομένουσα τάση έχει χαμηλό μέγεθος και αντίστοιχα μετά από μια ρηχή τάση η απομένουσα τάση του φορτίου έχει μεγάλο μέγεθος. Three phase unbalance: Ανάλογα με το είδος της βύθισης οι τρεις φάσεις της πηγής κατά την διάρκεια του βραχυκυκλώματος μπορεί να είναι συμμετρικές ή ασύμμετρες. Πχ για ένα τριφασικό βραχυκύκλωμα οι τρείς βυθίσεις των φάσεων θα έχουν ίδιο μέγεθος όποτε το βραχυκύκλωμα ονομάζεται συμμετρικό. Αν όμως το βραχυκύκλωμα συνέβαινε μεταξύ δύο φάσεων ή μεταξύ μιας φάσης και της γης το βραχυκύκλωμα επειδή οι βυθίσεις δεν θα είχαν το ίδιο μέγεθος για όλες της φάσης της πηγής χαρακτηρίζεται ασσύμετρο. Duration of fault (Διάρκεια βραχυκυκλώματος). Η διάρκεια της βύθισης της τάσης προσδιορίζεται από τον χρόνο που απαιτείται για να καθαριστεί το βραχυκύκλωμα Phase angle jump: Φανερώνει μια αλλαγή στην φάση της πηγής και οφείλεται στον λόγο X/R των γραμμών. Για την κατανόηση του τρόπου που επιδρά σε ένα ακτινικό σύστημα μια βύθιση τάσης θα μελετηθεί το μονοφασικό διάγραμμα του σχήματος 1.1 Σχήμα 1.1 Μονοφασικό διάγραμμα Στο σύστημα του σχήματος 1.1 δύο σύνθετες αντιστάσεις συνδέονται στο σημείο κοινής επαφής (PCC). Η σύνθετη αντίσταση της πηγής Z η οποία περιλαμβάνει τα πάντα πάνω από το PCC και η σύνθετη αντίσταση βραχυκυκλώματος Z η οποία αντιπροσωπεύει την αντίσταση που υπάρχει f g ~ 12 ~

13 μεταξύ του σημείου που γίνεται το βραχυκύκλωμα και του PCC. Το φορτίο συνδέεται μέσω ενός μετασχηματιστή στο PCC και η τάση του δηλώνεται ως E. Η τάση της πηγής δηλώνεται ως E. Η τάση E στο PCC κατά την l διάρκεια βραχυκυκλώματος δίνεται από την σχέση 1.1: Από την εξίσωση 1.1 παρατηρείται ότι το μέγεθος της βύθισης(voltage dip Magnitude) εξαρτάται από το σημείο στο οποίο συμβαίνει το βραχυκύκλωμα (συγκεκριμένα η σύνθετη αντίσταση βραχυκυκλώματος εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ του σημείου που γίνεται το βραχυκύκλωμα και του PCC) και από την τάση της πηγής. s g E g Z f Z f Z g E S (1.1) Η γωνία του διανύσματος E g κατά την διάρκεια της βύθισης ονομάζεται phase angle jump και εξαρτάται και εξαρτάται από την Χ/R αναλογία μεταξύ της σύνθετης αντίστασης της πηγής και της αντίστασης του βραχυκυκλώματος και δίνεται από τον τύπο: X f X g X f arg Eg arctan( ) arctan( ) R R R f g f (1.2) Στην ιδανική περίπτωση όπου Z g =0 η τάση στο PPC Θα πρέπει να ναι σταθερή και ανεξάρτητη του σημείου του βραχυκυκλώματος. Η διάρκεια της βύθισης σχετίζεται με το πότε θα λειτουργήσει το σύστημα προστασίας το οποίο ελέγχει τον διακόπτη κυκλώματος(cb). Όταν το CB τοποθετηθεί στο σύστημα καθαρίζει το βραχυκύκλωμα. Στην περίπτωση ευαίσθητων (σε μεταβολές τάσης και ρεύματος) φορτίων υπάρχει η ανάγκη ενός συστήματος ταχείας αποκατάστασης της τάσης καθώς το σύστημα προστασίας καθυστέρει (50-100ms απαιτούνται για να καθαριστεί το βραχυκύκλωμα) να αντιμετωπίσει μια βύθιση τάσης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά μίας βύθισης τάσης είναι οι εξής: Το είδος του βραχυκυκλώματος. Ο τύπος του βραχυκυκλώματος επηρεάζει τις παραμέτρους της βύθισης. Ανάλογα με το αν το βραχυκύκλωμα είναι συμμετρικό ή ασσύμετρο, η βύθιση στις τάσεις θα είναι συμμετρική ή ασσύμετρη αντίστοιχα. Το μέγεθος της βύθισης(magnitude of the dip) και η φασική γωνία Ψ (phase angle jump) του E g Τοποθεσία βραχυκυκλώματος. Η θέση των βραχυκυκλωμάτων στο σύστημα επηρεάζει τόσο το μέγεθος της βύθισης(magnitude of dip) όσο και την παράμετρο Ψ (Phase angle jump) X/R ratio των γραμμών. Με την αλλαγή τoυ λόγου(ratio) X/R της γραμμής αλλάζει η φασική γωνία του E και το μέγεθος της βύθισης τάσης(mitigation of voltage sag) g ~ 13 ~

14 Η φάση της θεμελιώδης τάσης στην οποία ξεκινάει η βύθιση. Τα περισσότερα βραχυκυκλώματα γίνονται κοντά στο μέγιστο της τάσης παρά στο Ανύψωση τάσης (voltage swell) Η ανύψωση τάσης είναι μια αύξηση στην RMS τάση στο 110 με 180% της ονομαστικής τιμής. Είναι το αντίθετο της βύθισης τάσης και λιγότερο συνηθισμένη. Η αύξηση μπορεί να διαρκέσει από 1.5 κύκλο έως 1 min. Μία αιτία που μπορεί να προκαλέσει ανύψωση τάσης είναι η προσωρινή ανύψωση της τάσεως μιας υγιούς γραμμής λόγω μονοπολικού βραχυκυκλώματος με επαφή γης. Το πώς θα επηρεαστεί το φορτίο εξαρτάται από την τοποθεσία του βραχυκυκλώματος την σύνθετη αντίσταση του συστήματος και τον τρόπο που αυτό είναι γειωμένο Μικρής διάρκειας διακοπή τάσης. Μια διακοπή λαμβάνει χώρα όταν η τιμή της τάσης της πηγής ή του ρεύματος της πηγής μειώνεται σε τιμή μικρότερη από το 0.1 pu είτε της ονομαστικής τάσης σε διάστημα μικρότερο του ενός λεπτού. Οι διακοπές μπορεί να οφείλονται σε σφάλματα του συστήματος ισχύος, σε βλάβες του εξοπλισμού ή σε δυσλειτουργία των συστημάτων ελέγχου. Σχήμα 1.2 Μικρής διάρκειας διακοπή τάσης ~ 14 ~

15 1.3.4 Μεγάλης διάρκειας μεταβολές τάσης Οι μεγάλης διάρκειας μεταβολές τάσης ταξινομούνται στις εξής κατηγορίες. Υπερτάσεις Υποτάσεις Παρατεταμένες διακοπές Το βασικό χαρακτηριστικό αυτών των μεταβολών είναι ότι διαρκούν περισσότερο από ένα λεπτό. Όταν αποσυνδέονται ή συνδέονται μεγάλα φορτία σε ένα δίκτυο μπορούν να προκληθούν υπερτάσεις. Το αντίθετο είναι η πτώση τάσης και ονομάζονται αυτές οι διαταραχές υποτάσεις. Παρατεταμένη διακοπή εμφανίζεται όταν η τάση είναι 0 για περισσότερο από ένα λεπτό Μεταβατικά φαινόμενα Τα μεταβατικά φαινόμενα ή αλλιώς μεταβατικές υπερτάσεις ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες: Κρουστικές υπερτάσεις Αποσβενόμενης ταλάντωσης Κρουστικές υπερτάσεις ονομάζονται οι ξαφνικές αλλαγές στην τάση χωρίς να μεταβάλλεται η συχνότητα και μεταδίδονται προς μια κατεύθυνση δηλαδή είναι μια μονοπολική διαταραχή που εμφανίζεται και εξαφανίζεται τάχιστα. Συνήθως οφείλονται σε κεραυνικά πλήγματα. Οι υπερτάσεις αποσβενόμενης ταλάντωσης ονομάζεται αλλαγές στην τάση ή στο ρεύμα χωρίς να μεταβάλλεται η συχνότητα και μεταδίδονται προς τις δύο κατευθύνσεις. Η στιγμιαία λοιπόν πολικότητα της τάσης ή του ρεύματος αλλάζει ραγδαία. Σχήμα 1.3 Στο αριστερό γράφημα υπέρταση κρουστική, δεξιά υπέρταση αποσβενόμενης ταλάντωσης ~ 15 ~

16 1.3.6 Ασυμμετρίες τάσης Ασυμμετρία τάσης στο τριφασικό σύστημα σημαίνει ότι είτε οι τρεις φάσεις του συστήματος δεν έχουν το ίδιο πλάτος είτε δεν έχουν την ίδια διαφορά φάσης(120 0 ).Μια ασυμμετρία τάσης μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση σε τριφασικούς κινητήρες λόγω της αύξησης της τιμής του ρεύματος και άρα της θερμοκρασίας των τυλιγμάτων του κινητήρα Παραμόρφωση τάσης Σχήμα 1.4 ασυμμετρία τριφασικού συστήματος Με τον όρο παραμόρφωση τάσεως εννοούμε την απόκλιση της κυματομορφής της τάσης ή του ρεύματος από την ιδανική ημιτονοειδή μορφή. Οι παραμορφώσεις αυτές ταξινομούνται ως: dc συνιστώσες αρμονική παραμόρφωση αιχμές τάσης Μια dc συνιστώσα ρεύματος μπορεί να επαχθεί σε ένα AC σύστημα διανομής, συχνά λόγω της βλάβης ανορθωτών που χρησιμοποιούνται για την μετατροπή της τάσης από AC σε DC. To DC ρεύμα μπορεί να διαπεράσει το ΑC σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας και να προσθέσει ανεπιθύμητο ρεύμα σε συσκευές που ήδη λειτουργούν στην ονομαστική τους τιμή. Οι ανορθωτές όπως και οι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος εισάγουν αρμονικές στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα μέγεθος που παρουσιάζει το αρμονικό περιεχόμενο σε ένα σήμα είναι η συνολική αρμονική παραμόρφωση (THD). THD n2 V V 1 2 n (1.3) V n το μέτρο της νιοστής αρμονικής και V 1 το μέτρο της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσεως. ~ 16 ~

17 Σχήμα 1.5 Αρμονική παραμόρφωση Μερικές από τις επιπτώσεις των αρμονικών είναι οι παρακάτω: Υπερθέρμανση και αυξημένες απώλειες Προβληματική λειτουργία ευαίσθητου εξοπλισμού Εσφαλμένη ενεργοποίηση διακοπτών Καταπόνηση μονώσεων και πρόωρη γήρανση Διέγερση ιδιοσυχνοτήτων και συντονισμοί Αιχμή τάσης (voltage notching): Περιοδική αλλοίωση ημιτονοειδούς κυματομορφής µε εγκοπή. Οφείλεται σε ατελείς εναύσεις-σβέσεις διακοπτών (µε µικροβραχυκυκλώµατα) λόγω προβληµάτων τοπολογίας ή στα κυκλώματα ελέγχου Σχήμα 1.6 Αιχμές τάσεις ~ 17 ~

18 1.3.8 Διακυμάνσεις συχνότητας Η συχνότητα του συστήματος ηλεκτρικής καθορίζεται από την ταχύτητα περιστροφής των γεννητριών των σταθμών παραγωγικής ηλεκτρικής ενέργειας. Η συχνότητα τροφοδοσίας είναι η συχνότητα των ταλαντώσεων του εναλλασσόμενου ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο. Οι μεταβολές στην συχνότητα μπορούν να προκληθούν από τις απότομες εναλλαγές των φορτίων που συνδέονται στο σύστημα. Η μέγιστη ανεχτή διακύμανση είναι συνήθως 0.5 HZ. Στις περισσότερες περιοχές του κόσμου η συχνότητα δικτύου είναι 50 HZ ένώ σε άλλες είναι 60 HZ. Σχήμα 1.6 Κυματομορφές στα 50 και 60 ΗΖ αντίστοιχα Διακύμανση τάσης Τυχαίες ή επαναλαμβανόμενες διακυμάνσεις της ενεργούς τιμής της από 90% μέχρι 110% της ονομαστικής. Σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ50160 ορίζεται ως η αύξηση ή µείωση της τάσης συνήθως λόγω της μεταβολής του συνολικού ή µέρους του φορτίου του συστήματος διανοµής. Για τα τρία τέταρτα κάθε περιόδου 1 εβδομάδας, το 95% των 10λεπτων µέσον όρων της τάσης τροφοδοσίας θα πρέπει να είναι µέσα στα όρια Un ± 10. :Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η ορατή ταχεία αλλαγή του φωτισμού σε έναν εξοπλισμό φωτισμού όταν λαμβάνει χώρα αυτό το φαινόμενο και οφείλεται σε απότομες εναλλαγές του ρεύματος του φορτίου. Σχήμα 1.7 Παράδειγμα μέτρησης διακύμανσης της τάσης που οφείλεται σε φούρνο τόξου (ΙΕΕΕ 1159) ~ 18 ~

19 Κεφάλαιο 2 Ηλεκτρονικά Συστήματα Ισχύος Για την βελτίωση της ποιότητας ισχύος όπως θα φανεί στο επόμενο κεφάλαιο χρησιμοποιούνται διατάξεις που αποτελούνται από ηλεκτρονικά ισχύος, συνεπώς καθίσταται αναγκαία η ανάλυση τους. Τα ηλεκτρονικά ισχύος είναι μια ιδιαίτερη κατηγορία ηλεκτρονικών διατάξεων οι οποίες χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία τον έλεγχο και την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας. Μια διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος αναφέρεται και ως μετατροπέας ηλεκτρικής ενέργειας. Όταν οι απαιτήσεις του φορτίου δεν είναι συμβατές με τα χαρακτηριστικά του διαθέσιμου δικτύου είναι αναγκαία η χρήση ενός μετατροπέα ηλεκτρικής ενέργειας. 2.1 Ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία Οι στατοί μετατροπείς ηλεκτρικής ενέργειας υλοποιούνται με την χρήση ημιαγωγικών διακοπτών στοιχείων ισχύος τα οποία λειτουργούν ως διακόπτες. Παρακάτω δίνεται μια σύντομη ανάλυση για κάθε ημιαγωγικό στοιχείο, παρουσιάζονται τα σύμβολα τους, τα χαρακτηριστικά τους και ο τρόπος λειτουργίας τους. Οι διαθέσιμοι ημιαγωγοί σύμφωνα με τον βαθμό ελέγχου διακρίνονται σε τρείς ομάδες: Δίοδος Δίοδοι (το κύκλωμα καθορίζει αν θα είναι σε αγωγή ή αποκοπή) Θυρίστορς(δίνουν την δυνατότητα ελέγχου αλλά πρέπει να ανοίξουν από το κύκλωμα ισχύος) Ελεγχόμενοι διακόπτες(μπαίνουν σε κατάσταση αγωγής ή αποκοπής ανάλογα από τα σήματα ελέγχου) Η δίοδος είναι μη ελεγχόμενο διακοπτικό στοιχείο δηλαδή δεν είναι δυνατός ο έλεγχος της λειτουργίας της μέσω άλλων ηλεκτρικών σημάτων. Η συμπεριφορά της εξαρτάται αποκλειστικά από την διαφορά δυναμικού που εμφανίζεται στα άκρα της εξαιτίας του κυκλώματος. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται το σύμβολο, η χαρακτηριστική i-v και η ιδανική χαρακτηριστική. Η δίοδος όταν είναι ορθά πολωμένη αρχίζει να άγει με μια μικρή πτώση τάσης στα άκρα της της τάξης του 1 volt. Όταν η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη και μέχρι η τάση στα άκρα της να γίνει ίση με την ανάστροφη τάση διάσπασης διαρρέεται μόνο από ένα πολύ μικρό ρεύμα διαρροής. Κατά την κανονική της λειτουργία η ανάστροφη τάση πόλωσης δεν θα πρέπει να φτάνει την ονομαστική τιμή της τάσης διάσπασης. Κατά την αγωγή της η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ιδανικός ~ 19 ~

20 διακόπτης επειδή μεταβαίνει γρήγορα σε σχέση με τα μεταβατικά φαινόμενα που εμφανίζονται στο κύκλωμα ισχύος. Σχήμα 2.1 Δίοδος, σύμβολο, η χαρακτηριστική i-v, ιδανική χαρακτηριστική Στις εφαρμογές ισχύος η δίοδος χρησιμοποιείται για ανόρθωση ή και σαν δίοδος ελεύθερης διέλευσης όταν συνδέεται παράλληλα και αντίστροφα με το φορτίο ή με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία. Ο σκοπός της συνδεσμολογίας αυτής είναι να παρέχει δρόμο ελεύθερης ροής των επαγωγικών ρευμάτων που αναπτύσσει το φορτίο και με τον τρόπο αυτό να αποκλείει την ανάπτυξη υψηλών επαγωγικών ανάστροφων τάσεων που μπορούν να καταστρέψουν τα ημιαγωγικά στοιχεία στην διάταξη τροφοδοσίας του φορτίου. Τρία είναι τα βασικά είδη διόδων: Δίοδος shottky(σε κυκλώματα με μικρή τάση εξόδου) Δίοδος ταχείας αποκατάστασης(σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας) Δίοδος συχνότητας δικτύου (για κυκλώματα συχνότητας δικτύου 50 Hz) Θυρίστορ Το θυρίστορ είναι ένα διακοπτικό στοιχείο που αποτελείται από τέσσερα ημιαγωγικά στρώματα και έχει τρεις ακροδέκτες. Μπορεί να διαχειριστεί ισχύς από δεκάδες watt μέχρι Mwatt. Οι ακροδέκτες ενός θυρίστορ είναι η άνοδος και η κάθοδος (που αποτελούν το κύριο κύκλωμα που ελέγχει το θυρίστορ) και η πύλη από την οποία γίνεται ο έλεγχος. Στο σχήμα 2.2 παρουσιάζεται το σύμβολο, η δομή και η χαρακτηριστική i-v ενός θυρίστορ. Στην κατάσταση αποκοπής το θυρίστορ μπορεί να αποκόπτει μια ορθή τάση και να μην άγει. Το θυρίστορ μπορεί να άγει με την εφαρμογή ενός σύντομου θετικού παλμού ρεύματος στην πύλη με την προϋπόθεση ότι είναι σε κατάσταση ορθής ~ 20 ~

21 πόλωσης. Εφόσον το θυρίστορ μπει σε κατάσταση αγωγής και παραμένει σε αυτή το ρεύμα της πύλης μπορεί να μην εφαρμόζεται. Το θυρίστορ σταματάει να άγει και το ρεύμα του μηδενίζεται μόνο όταν το ρεύμα ανόδου καθόδου τείνει να γίνει αρνητικό υπό την επίδραση του κυκλώματος μέσα στο οποίο βρίσκεται. Αυτό δίνει την δυνατότητα στην πύλη ν ανακτήσει τον έλεγχο, για να οδηγήσει σε κατάσταση αγωγής και πάλι το θυρίστορ σε κάποια ελεγχόμενη χρονική στιγμή εφόσον αυτό επανέλθει σε κατάσταση ορθής αποκοπής και εφαρμοστεί παλμός. Σε ανάστροφη τάση διάσπασης μόνο ένα ασήμαντο μικρό ρεύμα διαρροής περνάει από το θυρίστορ. Συνήθως οι προδιαγραφές τάσης του θυρίστορ για τις ορθές και τις ανάστροφες τάσης αποκοπής είναι ίδιες. Σχήμα 2.2 (α) σύμβολο και δομή θυρίστορ (β)χαρακτηριστική I D -V D (γ)ιδανική χαρακτηριστική Το θυρίστορ αποτελεί το πιο κοινό στοιχείο των ηλεκτρονικών ισχύος και έχει πολλές εφαρμογές με κυριότερες της διάταξης ελεγχόμενης ανόρθωσης, αντιστροφής και την ρύθμιση ισχύος προς το φορτίο. Επειδή τα θυρίστορ είναι συχνά τα κύρια στοιχεία ισχύος ειδικά για μετατροπείς μεγάλης ισχύος ιδιαίτερη φροντίδα απαιτεί η ψύξη τους. Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις των εφαρμογών διατίθενται διάφορα είδη θυρίστορ ανάλογα με την εφαρμογή τους όπως: Θυρίστορ για έλεγχο φάσης Θυρίστορ αντιστροφέων Θυρίστορ με φωτεινή διέγερση ~ 21 ~

22 Υπάρχουν άλλες παραλλαγές αυτών των θυρίστορ όπως: Θυρίστορ με σβέση βοηθούμενη από την πύλη (GATT) Ασύμμετροι ελεγχόμενοι ανορθωτές πυριτίου (ASCR) Θυρίστορ ανάστροφης αγωγής(rct) Διπολικά transistor επαφής (BJT) Το διπολικό τρανζίστορ επαφής είναι γνωστό ως ενισχυτής σήματος αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος. Πρόκειται για ένα στοιχείο τριών ημιαγωγικών στρωμάτων και τριών ακροδεκτών (εκπομπός, συλλέκτης, βάση). Υπάρχουν στοιχεία BJT στα οποία η σειρά των ημιαγωγικών στρωμάτων είναι pnp αλλά προτιμούνται τα στοιχεία με σειρά npn λόγω καλύτερων ηλεκτρικών χαρακτηριστικών. Στο σχήμα 2.3 παρουσιάζεται το σύμβολο η δομή, η χαρακτηριστική i-v και η ιδανική χαρακτηριστική ενός BJT. Τα BJT είναι διατάξεις ελεγχόμενες από ρεύμα στις οποίες το ρεύμα της βάσης πρέπει να τροφοδοτείται συνεχώς για να τα κρατάει σε κατάσταση αγωγιμότητας. τυπικοί χρόνοι μετάβασης είναι από μερικές εκατοντάδες nsec έως μερικά nsec. Τα BJT διατίθενται με προδιαγραφές τάσης μέχρι 1400 V και ρεύματος μερικών εκατοντάδων Α. Το μεγάλο μειονέκτημα των BJT είναι ότι δεν μπορούν να υφίστανται αντίστροφες τάσεις πάνω από μερικές δεκάδες Volt, κάτι που αποκλείει τα στοιχεία αυτά από εφαρμογές διαμόρφωσης ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος, εκτός αν χρησιμοποιηθεί και δίοδος σε σειρά. Η ταχύτητα λειτουργίας των BJT είναι περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτή των θυρίστορ, αλλά η μέγιστη ισχύς τους είναι πολύ μικρότερη. Βρίσκει αρκετές εφαρμογές σε διατάξεις χαμηλής, μεσαίας ισχύος, αντιστροφής και μετατροπείς DC-DC. Σχήμα 2.3 (α) σύμβολο και δομή BJT (β)χαρακτηριστική Ic-V CE (γ)ιδανική χαρακτηριστική ~ 22 ~

23 2.1.4 MOSFET To MOSFET είναι ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό διακοπτικό στοιχείο από τάση όπως φαίνεται και από την χαρακτηριστική V-I του σχήματος 2.4. Το MOSFET είναι σε αγωγιμότητα και προσεγγίζει έναν κλειστό διακόπτη όταν η τάση πύλης πηγής είναι επαρκώς υψηλή. Το Mosfet είναι σε κατάσταση αποκοπής όταν η τάση πύλης πηγής είναι χαμηλότερη από την τιμή κατωφλίου. Το Mosfet λοιπόν απαιτεί την συνεχή εφαρμογή μιας τάσης κατάλληλου μεγέθους μεταξύ της πύλης και της πηγής για να βρίσκεται σε κατάσταση αγωγιμότητας. Γενικά από την πύλη δεν περνάει ρεύμα παρά μόνο από τις μεταβάσεις σβέσης και έναυσης όπου η χωρητικότητα της πύλης φορτίζεται ή εκφορτίζεται. Μερικές εφαρμογές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα Mosfet είναι: Διακοπτικά τροφοδοτικά Επαγωγική θέρμανση Ηλεκτροσυγκόλληση Φωτισμό φθορισμού με υψηλή συχνότητα Σχήμα 2.4 (α) σύμβολο και δομή mosfet (β)χαρακτηριστική I D -V DS (γ)ιδανική χαρακτηριστική Θυρίστορ με σβέση ελεγχόμενη από την πύλη (GTO) To GTO θυρίστορ ανήκει στην οικογένεια των θυρίστορ και όπως το θυρίστορ έτσι και το GTO μπορεί να οδηγηθεί σε αγωγή με έναν σύντομο παλμό ρεύματος στην πύλη και παραμένει σε αγωγή χωρίς να απαιτείται πλέον ρεύμα στην πύλη. Ωστόσο αντίθετα με το θυρίστορ το GTO μπορεί να ~ 23 ~

24 οδηγηθεί σε αποκοπή με την εφαρμογή μιας αρνητικής τάσης μεταξύ της πύλης και της καθόδου και έτσι να προκαλέσει την ροή ενός αρκετά μεγάλου αρνητικού ρεύματος στην πύλη. Τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος των GTO βρίσκονται μεταξύ αυτών των θυρίστορ και αυτών των τρανζίστορ. Δηλαδή μπορούν να χειριστού ισχύ μεγαλύτερη από αυτή των τρανζίστορ αλλά μικρότερη από αυτή των θυρίστορ ενώ η ταχύτητα λειτουργίας τους είναι μεγαλύτερη από των θυρίστορ, αλλά μικρότερη από των τρανζίστορ. Ο συμβολισμός η δομή και η χαρακτηριστική του φαίνεται στο σχήμα 2.5. Τα GTO διατίθενται με προδιαγραφές τάσης μέχρι 4500V, συχνότητα μέχρι 2 KHz και ρεύμα μέχρι 3000 Α. Σχήμα 2.5 (α) σύμβολο και δομή GTO (β)χαρακτηριστική I A -V AK (γ)ιδανική χαρακτηριστική IGBT Το διπολικό transistor επαφής μονωμένης πύλης IGBT είναι ένα στοιχείο το οποίο συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του διπολικού transistor με εκείνα του MOSFET. Το πλεονέκτημα του BJT είναι οι μικρές απώλειες σε κατάσταση αγωγιμότητας στις υψηλές τάσης διάσπασης. Αντίθετα το MOSFET έχει τους μικρούς χρόνους μετάβασης και τον απλούστερο τρόπο οδήγησης εξαιτίας της πολύ μεγάλης αντίστασης εισόδου. Τα πλεονεκτήματα αυτά συνδυάζονται στο IGBT. Έτσι το IGBT Χρησιμοποιείται ευρέως στις σύγχρονες εφαρμογές διατάξεων χαμηλής και μέσης ισχύος. ~ 24 ~

25 Οι χαρακτηριστικές εξόδου του IGBT παρουσιάζουν τη μεταβολή ρεύματος συλλέκτη I C με την τάση συλλέκτη-εκπομπού V CE. Το ρεύμα του συλλέκτη δεν εξαρτάται από το ρεύμα της βάσης αλλά από την τάση της πύλης. Σχήμα 2.6 Κυκλωματικό σύμβολο καναλιού n Σχήμα 2.7 Χαρακτηριστική Ρεύματος συλλέκτη-τάσης Κατά τη ορθή πόλωση όταν η τάση πύλης-εκπομπού V GE είναι μικρότερη της τάσης κατωφλίου V GE(th) το στοιχείο βρίσκεται σε κατάσταση ορθής αποκοπής. Στην ορθή αποκοπή το IGBT διαρρέετε από ένα ελάχιστο ρεύμα διαρροής.στην αγωγιμότητα μεταβαίνει όταν η τάση στην πύλη V GE γίνει μεγαλύτερη της τιμής κατωφλίου V GE(TH). H χαρακτηριστική μεταφοράς του IGBT παρουσιάζει την μεταβολή του ρεύματος συλλέκτη με την τάση V GE και σταθερή την V CE. Σχήμα 2.8 Χαρακτηριστική μεταφοράς ~ 25 ~

26 2.2 Είδη μετατροπέων ηλεκτρικής ενέργειας Οι μετατροπείς ανάλογα με την μορφή της ισχύος εισόδου και εξόδου διακρίνονται σε. 1) Μετατροπείς ac-dc (ανορθωτές). Ανορθωτές ονομάζονται οι διατάξεις ισχύος οι οποίες μετατρέπουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές. 2) Μετατροπείς dc-ac (Αντιστροφείς). Οι αντιστροφείς μετατρέπουν την ενέργεια συνεχούς μορφής σε εναλλασσόμενη μορφή. Η έξοδος των αντιστροφέων είναι είτε μονοφασική είτε πολυφασική. Το πλάτος η τάση και το ρεύμα εξόδου τους μπορούν να ελέγχουν. (Στην παρούσα διπλωματική αυτούς θα χρησιμοποιήσουμε). 3) Μετατροπείς συνεχούς ρεύματος (dc-dc). Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος μετατρέπουν την συνεχή τάση με ορισμένο πλάτος και πολικότητα σε συνεχή τάση με διαφορετικό πλάτος και πολικότητα. 4) Μετατροπείς εναλλασσόμενου ρεύματος ή Κυκλομετατροπείς. Οι κυκλομετατροπείς μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση σταθερού πλάτους και συχνότητας σε εναλλασσόμενη με ρυθμιζόμενο πλάτος και συχνότητα Αντιστροφέας (Inverter) Στην παρούσα διπλωματική ως μετατροπέας ενέργειας θα χρησιμοποιηθεί ο αντιστροφέας άρα καθίσταται απαραίτητη η ανάλυση του. Γενικά ως αντιστροφέας ονομάζεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας μιας πηγής συνεχούς τάσης ή ρεύματος σε μια εναλλασσόμενη μονοφασική ή τριφασική (inverters). Με τους μετατροπείς αυτούς παρέχεται η δυνατότητα μεταβολής τόσο του πλάτους όσο και της συχνότητας της κυματομορφής εξόδου είτε αυτή είναι τάση είτε αυτή είναι ρεύμα. Ανάλογα με το είδος της πηγής εισόδου οι αντιστροφείς μπορούν να διαιρεθούν σε δύο κυρίως κατηγορίες: o Αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς τάσης(voltage Source Inverters) o Αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς ρεύματος (Current Source inverters) Κάθε μια από τις δύο παραπάνω κατηγορίες μπορεί να υποδιαιρεθεί σε δύο κατηγορίες o Στους μονοφασικούς αντιστροφείς (συνδεσμολογία ημιγέφυρας με δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ή συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας με τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία o Στους τριφασικούς αντιστροφείς με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία Οι αντιστροφείς έχουν εφαρμογές σε πολλές περιοχές οι οποίες είναι ~ 26 ~

27 o Συστήματα ελέγχου των στροφών ή της ροπής ηλεκτρικών μηχανών o Συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος o Συστήματα επαγωγικής θέρμανσης o Συστήματα ανανεώσιμων πηγών ηλεκτρικής ενέργειας o Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας o Συστήματα διόρθωσης του συντελεστή ισχύος Η συνεχής τάση που τροφοδοτεί έναν αντιστροφέα μπορεί να προέρχεται από έναν συσσωρευτή ή από μια πηγή ενέργειας. Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές παρέχεται ένα ανορθωτικό σύστημα που αποτελείται είτε από διόδους είτε από θυρίστορ. Η ανορθωμένη τάση σταθεροποιείται μέσω πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας οι οποίοι συνδέονται στους ακροδέκτες εισόδου του αντιστροφέα. Ως ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν στοιχεία των οποίων ελέγχεται μόνο η έναυση (πχ θυρίστορ) ή στοιχεία των οποίων ελέγχεται τόσο η έναυση όσο και η σβέση (πχ MOSFET,IGBT, GTO θυρίστορ).η συχνότητα στην έξοδο του αντιστροφέα καθορίζεται από τον ρυθμό έναυσης και σβέσης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Παρέχεται η δυνατότητα ρύθμισης τους μέσω του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Το φιλτράρισμα των ανωτέρω αρμονικών στην έξοδο του αντιστροφέα δεν είναι εύκολο. Ειδικότερα όταν η συχνότητα των ανωτέρων αρμονικών μεταβάλλεται και βρίσκεται κοντά στην συχνότητα βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται ο όγκος και το κόστος του φίλτρου εξόδου και άρα του αντιστροφέα. Η δημιουργία κυματομορφών με το μικρότερο δυνατό αρμονικό περιεχόμενο και ανώτερες αρμονικές σε όσο το δυνατόν υψηλότερες συχνότητες αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους στόχους των κατασκευαστών βιομηχανικών αντιστροφέων. Το πλάτος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου μπορεί να ρυθμιστεί: o Με κατάλληλο έλεγχο των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα ( στην περίπτωση που η τάση εισόδου ή το ρεύμα εισόδου είναι σταθερά) o Με έλεγχο της συνεχούς τιμής της τάσης ή του ρεύματος εισόδου Μονοφασικοί αντιστροφείς οι μονοφασικοί αντιστροφείς της αναφέρθηκε και παραπάνω χωρίζονται σε δύο κατηγορίες Ημιγέφυρας Πλήρους γέφυρας Ο μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας φαίνεται στο σχήμα 2.9. Ανάβοντας και σβήνοντας εναλλάξ της ωαγωγικούς διακόπτες Τ1 και Τ2 παράγεται μια τετραγωνική εναλλασσόμενη κυματομορφή τάσης πάνω της ακροδέκτες του φορτίου. Η μέγιστη τιμή τάσης που εφαρμόζεται πάνω στο φορτίο είναι Vd/2 ~ 27 ~

28 και η ελάχιστη Vd/2. Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει την ροή ρεύματος κατά την μια φορά όταν αυτό άγει ενώ η αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση. Η παρουσία των αντιπαράλληλων διόδων είναι αναγκαία όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης διότι δίνουν έναν δρόμο επιστροφής του ρεύματος άρα και της ενέργειας από τον φορτίο στην συνεχή τάση τροφοδοσίας στην είσοδο του αντιστροφέα. Σχήμα 2.9 Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας Τα βασικά μειονεκτήματα της μονοφασικού αντιστροφέα ημιγέφυρας είναι τα εξής: o Απαιτούνται δύο πυκνωτές μέσης λήψης o Το πλάτος της τάσης εξόδου έχει την μισή τιμή της τάσης εισόδου o Δεν είναι δυνατό να σχηματιστούν διαστήματα μηδενικής τάσης στην κυματομορφή της τάσης εξόδου για μη ωμικά φορτία Ο μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας φαίνεται στο σχήμα Αποτελείται από δύο ημιγέφυρες. Οι ελεγχόμενοι ημιαγωγικοί διακόπτες ~ 28 ~

29 αναβοσβήνουν σε διαγώνια ζευγάρια δηλαδή όταν τα Της1 και Της4 άγουν το Της3 και Της2 είναι σε αποκοπή και το αντίθετο. Συνεπώς στο φορτίο εμφανίζεται από Vd έως Vd. Οι αντιπαράλληλες δίοδοι έχουν ενεργό ρόλο μόνο όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης. Συγκεκριμένα για της διόδους ισχύουν τα εξής Αν το φορτίο είναι ωμικής φύσης το ρεύμα έχει παρόμοια μορφή με την τάση και οι αντιπαράλληλες δίοδοι δεν έχουν ενεργό ρόλο στην λειτουργία του κυκλώματος Αν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης και θεωρηθεί ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία Της1 και Της4 άγουν, όταν αυτά σβήσουν θα άγουν τα Της3 και Της2. Έτσι η πολική τάση του φορτίου θα αλλάξει. Το ρεύμα της θα συνεχίσει να ρέει με την ίδια φορά λόγω της καθυστέρησης που εισάγει το επαγωγικό φορτίο. Μέχρι να μηδενιστεί το ρεύμα αυτό θα ρέει μέσω των διόδων D2 και D3 επιστρέφοντας ενέργεια στην πηγή τροφοδοσίας. Σχήμα 2.10 μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας ~ 29 ~

30 Μονοφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος με τετραγωνικούς παλμούς Στο σχήμα 2.11 παρουσιάζονται οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος ενός μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Αξίζει να σημειωθεί ότι με τον έλεγχο με τετραγωνικούς παλμούς δεν είναι δυνατόν να μεταβληθεί η βασική αρμονική της τάση εξόδου αλλά μόνο η συχνότητα. Σχήμα 2.11 κυματομορφές τάσης και ρεύματος ενός μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με ωμικό-επαγωγικό φορτίο Η βασική αρμονική βρίσκεται στην συχνότητα της τετραγωνικής κυματομορφής. Οι ανώτερες αρμονικές είναι σε συχνότητες που είναι περιττά ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής. Το πλάτος της βασικής αρμονικής δίνεται από την σχέση 2.1 ενώ το πλάτος των ανώτερων αρμονικών δίνεται από την σχέση 2.2. ( V ) AB 1 4 V d (2.1) ~ 30 ~

31 ( V ) AB h 4 V h d (2.2) Τριφασικός αντιστροφέας Ο τριφασικός αντιστροφέας προκύπτει από τον μονοφασικό αντιστροφέα προσθέτοντας του έναν κλάδο ακόμα. Η λειτουργία είναι ανάλογη με αυτή του μονοφασικού αντιστροφέα. Σχήμα 2.12 Τριφασικός αντιστροφέας Έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα με τετραγωνικούς παλμούς Στην περίπτωση ελέγχου του τριφασικού αντιστροφέα με τετραγωνικούς παλμούς ισχύουν τα εξής: Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο βρίσκεται είτε σε αγωγή είτε σε αποκοπή για 180 ο. Κάθε ακροδέκτης εξόδου (Α,Β,C) συνδέεται εναλλάξ για κάθε ημιπερίοδο στον θετικό ή στον αρνητικό πόλο στην πηγή τροφοδοσίας συνεχούς τάσης. Η τριφασική έξοδος επιτυγχάνεται προκαλώντας μια καθυστέρηση φάσεως 120 ο μεταξύ των παλμών έναυσης του κάθε κλάδου της γέφυρας. ~ 31 ~

32 Στο σχήμα 2.13 παρουσιάζονται οι κυματομορφές τάσης ενός τριφασικού αντιστροφέα ελεγχόμενου από τριγωνικούς παλμούς. Αξίζει να σημειωθεί ότι με τον έλεγχο με τετραγωνικούς παλμούς δεν είναι δυνατόν να μεταβληθεί η βασική αρμονική της τάσης εξόδου αλλά μόνο η συχνότητα. Σχήμα 2.13 Κυματομορφές τάσης ενός τριφασικού αντιστροφέα ελεγχόμενου από τριγωνικούς παλμούς Μονοφασικοί Αντιστροφείς ελεγχόμενη με την μέθοδο διαμόρφωσης Παλμών (PWM) Ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα μπορεί να επιτευχθεί με την μεταβολή του εύρους των παλμών, μεταβάλλοντας δηλαδή τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος του αντιστροφέα άγουν ή όχι. Η τεχνική αυτή με την οποία επιτυγχάνεται ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, μέσω της αυξομείωσης του εύρους των παλμών της τάσης εξόδου ονομάζεται διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse Width Modulation). Οι βασικές αρχές που διέπουν την τεχνική αυτή είναι οι εξής: Μεταβολή του εύρους των παλμών με ημιτονοειδή τρόπο ( sinusoidal pulse width modulation) Δημιουργία κυματομορφής αναφοράς(μια ημιτονοειδής αναφορά) Δημιουργία κυματομορφής φορέα (μια τριγωνική κυματομορφή) ~ 32 ~

33 Οι δύο παραπάνω κυματομορφές συγκρίνονται μεταξύ τους. Όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου το αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι μια λογική στάθμη 0 ενώ όταν ισχύει το αντίθετο το αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι μια λογική στάθμη 1.Σε αυτό το σημείο καθίσταται αναγκαίο να δοθούν κάποιοι ορισμοί για την καλύτερη κατανόηση των σχημάτων και των σχέσεων που ακολουθούν Α sin = το πλάτος της κυματομορφής αναφοράς Α tri = Το πλάτος της κυματομορφής του φορέα F sin = Η συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς F tri = Η συχνότητα της κυματομορφής φορέα Μ Α = ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους Μ F = ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας Ισχύουν οι σχέσεις: M A A A sin (2.3) tri M F F F tri (2.4) sin Αυξομειώνοντας το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους Μ Α από 0 έως 1, μεταβάλλεται το εύρος των παλμών της κυματομορφής που προκύπτει από την σύγκριση. H SPWM με διπολική τάση εξόδου φαίνεται στο σχήμα 2.14 Σχήμα 2.14 στο πάνω γράφημα συγκρίνεται το ημίτονο αναφοράς με το τρίγωνο αναφοράς, στο κάτω γράφημα η βασική αρμονική της διπολικής τάσης εξόδου ~ 33 ~

34 Μονοφασικοί Αντιστροφείς ελεγχόμενοι με την μέθοδο διαμόρφωσης Παλμών (PWM) Ο τριφασικός αντιστροφέας προκύπτει από την δημιουργία τριών ημιτόνων (έναν για κάθε φάση), με διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους τα οποία τα συγκρίνουμε με την ίδια τριγωνική μορφή. Όπως προκύπτει από την ανάλυση Fourier, η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης συναρτήσει της συνεχούς τάσης τροφοδοσίας είναι: V 0.61*V * M (2.5) rms dc A Σχήμα 2.15 Στο πάνω γράφημα οι τρεις τάσεις αναφοράς συγκρίνονται με τον ίδιο τριγωνικό παλμό, από την σύγκριση προκύπτουν οι χαρακτηριστικές των τριών φάσεων που φαίνονται από κάτω, τέλος παρουσιάζεται η πολική τάση Vab Σχήμα 2.16 Σύγκριση τριών ημιτονοειδών κυματομορφών με τριγωνικό παλμό ~ 34 ~

35 Σχήμα 2.17 φασική τάση Va ως αποτέλεσμα της σύγκρισης ημιτονοειδούς κυματομορφής αναφοράς με τον τριγωνικό παλμό Σχήμα 2.18 Πολική τάση Vab Σχήμα 2.19 Τα ρεύματα της φάσης α, b και c αντίστοιχα ~ 35 ~

36 ~ 36 ~

37 Κεφάλαιο 3 Αντιστάθμιση βύθισης τάσης Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αντιστάθμιση της τάσης του φορτίου εξαιτίας ασσύμετρων βυθίσεων, συνεπώς από όλα τα προβλήματα ποιότητας ισχύος που εμφανίζονται σε ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας αυτό που ενδιαφέρει την συγκεκριμένη εργασία είναι οι βυθίσεις τάσης. Το κύριο πρόβλημα που μπορούν να προκαλέσουν οι βυθίσεις τάσεις είναι η καταστροφή ευαίσθητων φορτίων με αποτέλεσμα μεγάλες οικονομικές απώλειες για τους καταναλωτές και τις εταιρίες ηλεκτρισμού. Οι επιλογές που υπάρχουν ώστε να μειωθεί ο αριθμός των βυθίσεων είναι τρεις. Βελτίωση συστήματος ισχύος Βελτίωση της ατρωσίας του φορτίου στις αποκλίσεις της τάσης Χρήση συσκευών αντιστάθμισης 3.1 Μέθοδοι αντιστάθμισης έναντι βυθίσεων τάσης 3.1 Βελτίωση συστήματος ισχύος (Power System Improvements) Ένας τρόπος για να μειωθεί μια βύθιση τάσης είναι η βελτίωση της αξιοπιστίας του συστήματος ισχύος. Αυτό μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους Βελτίωση του σχεδιασμού και της λειτουργίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας Μείωση του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων που εμφανίζονται κάθε έτος Τοποθέτηση γρηγορότερων συστημάτων προστασίας ~ 37 ~

38 Βελτιώνοντας την λειτουργία και τον σχεδιασμό του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας τα φαινόμενα κακής ποιότητας τάσης μειώνονται. Η κύρια μέθοδος αντιστάθμισης των βυθίσεων τάσης άλλα και των μικρών διακοπών ρεύματος είναι η τοποθέτηση κατάλληλων διατάξεων όπως εναέριες γραμμές και καλώδια, γεννήτριες και περισσότερους υποσταθμούς ώστε να τροφοδοτείται πλήρως και επαρκώς το σημείο που συνδέεται το ευαίσθητο φορτίο. Το πρόβλημα βέβαια αυτών των λύσεων είναι το υψηλό κόστος δηλαδή συχνά τέτοιες λύσεις δεν συμφέρουν οικονομικά. Από την στιγμή που οι βυθίσεις τάσεις οφείλονται πρωτίστως σε ρεύματα βραχυκύκλωσης(short-circuit faults) ένας τρόπος για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα είναι η μείωση του αριθμού των βραχυκυκλωμάτων. Ένα βραχυκύκλωμα προκαλεί οικονομικές απώλειες όχι μόνο για τον πελάτη αλλά και για την εταιρία ηλεκτρισμού. Τρόποι μείωσης των βραχυκυκλωμάτων περιλαμβάνουν αντικατάσταση εναέριων γραμμών και υπόγειων καλωδίων αυξάνοντας έτσι το επίπεδο της μόνωσης και της συντήρησης του εξοπλισμού. Μειώνοντας τον χρόνο που απαιτείται για να καθαριστεί το βραχυκύκλωμα, ο αριθμός των βυθίσεων τάσης του φορτίου δεν θα μειωθεί ωστόσο η διάρκεια της βύθισης θα μειωθεί. Μια δυνατή λύση για να μειωθεί ο χρόνος εκκαθάρισης (clearing time) του βραχυκυκλώματος είναι η χρήση σύγχρονων στατικών διακοπτών κυκλώματος που είναι ικανοί να καθαρίσουν ένα σφάλμα σε μισό κύκλο. Το πρόβλημα όμως που υπάρχει είναι ότι εξαιτίας της υψηλής ταχύτητας λειτουργίας των σύγχρονων διακοπτών, δεν θα μπορούν να συντονιστούν με τις υπάρχουσες διατάξεις προστασίας. Έτσι λοιπόν εάν το απαιτείται γρήγορος χρόνος εκκαθάρισης του βραχυκυκλώματος, ολόκληρο το σύστημα προστασίας πρέπει να επανασχεδιαστεί και όλες οι διατάξεις προστασίας να αντικατασταθούν με σύγχρονες γρηγορότερες. Αυτό θα μειώνει δραστικά τον χρόνο εκκαθάρισης. Όμως το μειονέκτημα αυτών των τροποποιήσεων στο σύστημα ισχύος είναι η αύξηση του κόστους. 3.2 Ατρωσία φορτίου (Load immunity) Μια αύξηση της ατρωσίας του φορτίου έναντι των μεταβολών της τάσης θα ήταν η ενδεδειγμένη λύση. Η αντοχή του εξοπλισμού ορίζεται ως η ικανότητα των διατάξεων να λειτουργούν ικανοποιητικά κατά την διάρκεια των μεταβολών της τάσης. Με σκοπό να εκτιμηθεί η συμβατότητα μεταξύ συστήματος ισχύος και εξοπλισμού, χρησιμοποιείται η καμπύλη ανοχής τάσης (Voltage-tolerance curve). Η συγκεκριμένη καμπύλη εκφράζει την μέγιστη διάρκεια σε δευτερόλεπτα στα οποία μια συσκευή του εξοπλισμού μπορεί να αντέξει βυθίσεις οποιουδήποτε μεγέθους (δηλώνεται στο σχήμα 3.2 ως max Δt) και την μέγιστη βύθιση τάσης σε pu στην οποία το στοιχείο αντέχει ανεξαρτήτως της διάρκειας της βύθισης (δηλώνεται ως max ΔV στο σχήμα 3.2). Το κύριο πρόβλημα όσον αφορά την ατρωσία ευαίσθητων φορτίων είναι ότι συχνά ο καταναλωτής δεν είναι καλός γνώστης της ευαισθησίας του εξοπλισμού. Από την στιγμή που δεν υπάρχει επαφή με τον κατασκευαστή του εξοπλισμού είναι δύσκολο ο πελάτης να αποχτήσει πληροφορίες σχετικά με την συσκευή. Μόνο για μεγάλο εξοπλισμό (πχ large drive systems) ο καταναλωτής συνηθίζεται να απαιτεί εξειδικευμένη και ακριβή πληροφορία για την ατρωσία του εξοπλισμού σε διαταραχές της ποιότητας ισχύος. ~ 38 ~

39 Σχήμα 3.2 Καμπύλη ανοχής τάσης σε ευαίσθητο εξοπλισμό 3.3 Συσκευές αντιστάθμισης Η πιο συνηθισμένη εφαρμοσμένη μέθοδος για την αντιστάθμιση βυθίσεων τάσης είναι η τοποθέτηση μιας πρόσθετης συσκευής στο σύστημα ισχύος. Η τοποθέτηση αυτή των συσκευών είναι πιο δημοφιλής σε πελάτες βιομηχανικού εξοπλισμού εξαιτίας του γεγονότος ότι εκεί ο πελάτης έχει γνώση του εξοπλισμού. Τις συσκευές αντιστάθμισης της χωρίζουμε σε δύο βασικές κατηγορίες Διατάξεις αντιστάθμισης που βασίζονται σε παλαιότερη τεχνολογία όπως μετασχηματιστές και κινητήρες (συμβατικές διατάξεις) Διατάξεις αντιστάθμισης που βασίζονται σε ημιαγωγικούς διακόπτες Συμβατικές διατάξεις Στις συσκευές αντιστάθμισης που βασίζονται σε παλαιότερη τεχνολογία ανήκουν τα ζεύγη κινητήρων-γεννητριών. τα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη αποθηκεύουν ενέργεια σε έναν βαρύ τροχό. Αποτελούνται από έναν κινητήρα που προμηθεύεται ενέργεια από την πηγή τάσης, μια σύγχρονη γεννήτρια που προσφέρει την ενέργεια στα ευαίσθητα φορτία και ένας από έναν τροχό, όλα συνδεδεμένα σε έναν κοινό μηχανικό άξονα. Η περιστροφική ενέργεια αποθηκεύεται σε έναν τροχό ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην ρύθμιση τάσης στην μόνιμη κατάσταση και να διορθώνει την τάση σε περίπτωση διαταραχών. Στην περίπτωση βύθισης το ηλεκτροπαραγωγικό ζεύγος μπορεί να αποσυνδεθεί από την πηγή χάρης ενός διακόπτη (contactor) που είναι τοποθετημένος πριν το κινητήρα και το ευαίσθητο φορτίο να τροφοδοτείται από την γεννήτρια. Η ικανότητα αντιστάθμισης της συσκευής σχετίζεται με την αδράνεια και την ταχύτητα περιστροφής του τροχού. Το ζεύγος κινητήρων γεννητριών έχει υψηλή αποδοτικότητα όμως μπορεί να ~ 39 ~

40 χρησιμοποιηθεί μόνο σε βιομηχανικό περιβάλλον εξαιτίας του μεγέθους του, του θορύβου και των απαιτήσεων συντήρησης. Σχήμα 3.3 τριφασικό διάγραμμα ζεύγους κινητήρα- γεννήτριας, με τροχό να αντισταθμίζει τις βυθίσεις τάσεις Στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας λοιπόν αρχικά χρησιμοποιήθηκαν συσκευές αντιστάθμισης που βασίζονται σε παλαιότερη τεχνολογία όπως ηλεκτρομηχανικοί διακόπτες οι οποίοι ονομάζονται και στρεφόμενοι μετατροπείς Οι στρεφόμενοι μετατροπείς υλοποιούνται με την χρήση κατάλληλων ηλεκτρικών μηχανών οι οποίες λειτουργούν ως γεννήτριες ή ως κινητήρες. Συνοπτικά οι στρεφόμενοι μετατροπείς αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές πολύ μεγάλης ισχύος παρουσιάζουν πολλά μειονεκτήματα τα κυριότερα από τα οποία είναι. μεγάλο όγκο και βάρος προκαλούν θορύβους και ταλαντώσεις στις επιφάνειες στήριξης Απαιτούν συντήρηση εξαιτίας των κινούμενων μερών τους έχουν μικρό βαθμό απόδοσης καθώς κατά την μετατροπή της ενέργειας οι απώλειες ισχύος είναι υψηλές. η δυναμική συμπεριφορά τους ήταν κακή. Η δυναμική συμπεριφορά αναφέρεται στην διαταραχή της τάσης εξόδου του μετατροπέα εξαιτίας μιας απότομης μεταβολής κάποιου μεγέθους πχ της τάσης του φορτίου ή της τάσης του δικτύου. Στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν στατοί μετατροπείς δηλαδή μετατροπείς χωρίς κινούμενα μέρη όπου η επεξεργασία της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται με την χρήση διακοπτών υδραργύρου. Η μεγάλη ανάπτυξη των στατών μετατροπέων ισχύος σημειώθηκε το 1958 όπου κατασκευάστηκε το thyristor εκτοπίζοντας τους στρεφόμενους μετατροπείς αλλά και τους διακόπτες Ευέλικτα συστήματα μεταφοράς (Facts) Για την προστασία των συσκευών και γενικότερα των φορτίων αναπτύχθηκαν διατάξεις που θα ελέγχουν το μέτρο και την φάση της τάσης τάχιστα και θα το εξισορροπούν ώστε τελικά να εξαλείφονται οι συνέπειες μιας κακής ποιότητας ισχύος. Στην κατεύθυνση αυτή έχουν αναπτυχθεί ευέλικτα συστήματα μετάδοσης εναλλασσόμενου ρεύματος που ενσωματώνουν ηλεκτρονικά ισχύος αλλά και άλλους στατικούς ελεγκτές με στόχο την βελτίωση της ~ 40 ~

41 ικανότητας ελέγχου του ρεύματος αλλά και της ικανότητας μεταφοράς του, με άλλα λόγια την βελτίωση της ποιότητας ισχύος. Αυτά τα συστήματα ονομάζονται Facts H βασική διαφορά των Facts έναντι των συμβατικών διατάξεων είναι η ύπαρξη ημιαγωγικών στοιχείων. Έτσι διασφαλίζεται η δυναμική συμπεριφορά τους αφού μπορούν να επέμβουν και να ελέγχουν την ποιότητα ισχύος τους συστήματος πολλές φορές μέσα σε μια περίοδο. Η γρήγορη λοιπόν ανάπτυξη και η συνεχής καινοτομία των βαλβίδων και των ελεγκτών για ηλεκτρονικά ισχύος έχουν κάνει εφικτή την επίλυση προβλημάτων. Τα πλεονεκτήματα των Facts έναντι των συμβατικών διατάξεων είναι τα εξής: μικρό όγκο και βάρος υψηλό βαθμό απόδοσης λόγω μικρών απωλειών υψηλή αξιοπιστία πολύ καλή δυναμική συμπεριφορά Στατικός Διακόπτης Μεταφοράς (Static Transfer Switch) Αρχικά ως ημιαγωγικά στοιχεία όπως προαναφέρθηκε χρησιμοποιήθηκαν τα θυρίστορ.o Στατικός Διακόπτης Μεταφοράς (Static Transfer Switch) αποτελείται από τριφασικούς στατικούς διακόπτες, κάθε ένας από τους οποίους αποτελείται από αντιπαράλληλα θυρίστορ όπως φαίνεται στο μονοφασικό διάγραμμα του σχήματος 3.4. Ο σκοπός αυτής της διάταξης είναι να μεταφέρει το φορτίο από την βασική πηγή σε μια δευτερεύουσα πηγή αυτόματα και γρήγορα όταν μειώνεται η τάση της βασικής. Κατά την διάρκεια της μόνιμης κατάστασης η βασική πηγή τροφοδοτεί το φορτίο μέσω των θυρίστορ του διακόπτη 1 ενώ η δευτερεύουσα πηγή είναι αποσυνδεδεμένη (διακόπτης 2 ανοιχτός. Σε περίπτωση βυθίσεων ή διακοπών στην βασική πηγή το φορτίο θα μεταφερθεί από την βασική πηγή στην δευτερεύουσα πηγή. Το φορτίο θα επηρεαστεί από την βύθιση όσο θα διαρκεί η μετάδοση από την βασική πηγή στην δευτερεύουσα ( χρόνος 1,5 κύκλου). Η αδυναμία των STS έγκειται στο γεγονός ότι δεν μπορούν να αντισταθμίσουν σφάλματα που παράγονται στο σύστημα μεταφοράς από την στιγμή που αυτά επηρεάζουν τόσο την βασική όσο και την εναλλακτική πηγή. Σχήμα 3.4 Στατικός διακόπτης μεταφοράς ~ 41 ~

42 Οι διατάξεις αυτές (Facts) πλέον αντί θυρίστορ περιλαμβάνουν αντιστροφείς πηγών τάσης που αποτελούνται κυρίως από IGBT ή IGCT. Η διαμόρφωση του εύρους των παλμών των IGBT και των IGCT δίνει την δυνατότητα στους αντιστροφείς πηγών τάσης να μας παρέχουν μια τάση ελεγχόμενη σε μέτρο και φάση. Ένας αντιστροφέας πηγής τάσης συνδέεται σε σειρά ή παράλληλα με την πηγή ώστε να αντισταθμίσει την τάση που έχασαν ευαίσθητα φορτία έναντι διαταραχών.(βυθίσεις τάσης, τρεμόπαιγμα τάσης, διόγκωση τάσης, αρμονικές είναι τα πιο κοινά προβλήματα στην βιομηχανία) (Αδιάλειπτη τροφοδοσία Ισχύος) Το UPS (Uniterable Power Supply) αποτελείται από έναν ανορθωτή διόδου ακολουθούμενο από έναν μετατροπέα τάσης όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5. Η αποθήκη ενέργειας είναι συνήθως μια DC μπαταρία. Κατά την διάρκεια της κανονικής λειτουργίας η ισχύς προέρχεται από μια ac τροφοδοσία η οποία ανορθώνεται και στην συνέχεια αντιστρέφεται και εκχύνεται στο φορτίο. Η μπαταρία παραμένει σε αναμονή και διατηρεί μόνο την DC τάση σταθερή. Κατά την διάρκεια μιας βύθισης τάσης ή μιας σύντομης διακοπής ενέργεια ελευθερώνεται από την μπαταρία. Ανάλογα με την χωρητικότητα της αποθήκης ενέργειας αυτή μπορεί να προμηθεύει το φορτίο για λεπτά ή ακόμα και για ώρες. Χαμηλό κόστος, απλή λειτουργία και έλεγχος κάνουν το UPS την ιδανική λύση για συστήματα χαμηλής ισχύος με μονοφασικό εξοπλισμό (πχ computers). Για υψηλής ισχύος φορτία τα κόστη εξαιτίας των απωλειών λόγω των δύο μετατροπέων και εξαιτίας της συντήρησης των μπαταριών γίνονται τόσο υψηλά που ένας τριφασικός υψηλής ισχύος UPS δεν είναι οικονομικά εφικτός. Σχήμα 3.5 τριφασικό διάγραμμα του UPS Παράλληλα Συνδεδεμένος Μετατροπέας Τάσης (Shunt Connected VSC) Παράλληλα συνδεδεμένος Μετατροπέας Τάσης(shunt connected VSC) έχει ως βασική ιδέα την έκχυση με δυναμικό τρόπο ενός ρεύματος σχεδιαζόμενου πλάτους και συχνότητας στην πηγή. Η τυπική μορφή ενός παράλληλα συνδεδεμένου μετατροπέα φαίνεται στο σχήμα 3.6. Η διάταξη του αποτελείται από έναν VSC, έναν μετασχηματιστή έκχυσης τάσης, ένα φίλτρο και έναν πυκνωτή σε που τροφοδοτείται από μια DC πηγή. Η σύνθετη αντίσταση της πηγής αποτελείται από την αντίσταση Rg και την επαγωγική αντίδραση Lg. Οι ~ 42 ~

43 τάσεις και τα ρεύματα της πηγής δηλώνονται με es(t) και ig(t) αντίστοιχα. Η τάση στο σημείο κοινής επαφής (PCC) το οποίο είναι ίσο με την τάση του φορτίου δηλώνεται ως eg(t) και το ρεύμα του φορτίου ως ι 1 (t).η αντίσταση του φίλτρου και η επαγωγική του αντίδραση δηλώνονται ως Rr και Lr αντίστοιχα. Εκχύνοντας ένα ρεύμα ελεγχόμενο, ο παράλληλα συνδεδεμένος μετατροπέας τάσης μπορεί να περιορίσει την διακύμανση της τάσης και να ακυρώσει τα αρμονικά ρεύματα που κατευθύνονται στο φορτίο, να λειτουργήσει δηλαδή ως ενεργό φίλτρο (active filter). Επίσης μπορεί ο VSC να χρησιμοποιηθεί για αντιστάθμιση βυθίσεων τάσης. Σε αυτή την περίπτωση η διάταξη πρέπει να εκχύσει ένα ρεύμα που στόχος του θα είναι η αύξηση του πλάτους της τάσης στο σημείο κοινή σύνδεσης (PCC) όπως φαίνεται στο σχήμα 3.7. Σχήμα 3.6 Μονοφασικό διάγραμμα παράλληλα συνδεδεμένου μετατροπέα τάσης. Σχήμα 3.7 (αντιστάθμιση βύθισης τάση μέσω παράλληλα συνδεδεμένου μετατροπέα ηλεκτρικής ενέργειας, Es,dip η βύθιση της πηγής και ψ η φασική αναπήδηση της φασικής γωνίας της πηγής) Στατικός Σειριακός Αντισταθμιστής (SSC) ~ 43 ~

44 Ο σειριακά συνδεδεμένος μετατροπέας τάσης ή αλλιώς στατικός σειριακός αντισταθμιστής (SSC) είναι ο αντισταθμιστής που θα χρησιμοποιηθεί στην παρούσα διπλωματική για την εξάλειψη ασσύμετρων βυθίσεων τάσης. Η βασική αποστολή του στατικού σειριακού αντισταθμιστή είναι να εκχύσει μια τάση e c (t) σχεδιαζόμενου πλάτους, συχνότητας και φάσης μεταξύ του PCC και του φορτίου, σε σειρά με την πηγή τάσης. Η τυπική μορφή του SSC φαίνεται στο σχήμα 3.8. τα κύρια εξαρτήματα του είναι ο μετατροπέας πηγής τάσης(vsc), το φίλτρο, ο μετασχηματιστής έκχυσης τάσης και η αποθήκη ενέργειας.ο SSC χρησιμοποιείται κυρίως για αντιστάθμιση βυθίσεων τάσης. Η διάταξη διατηρεί την τάση του φορτίου στην προσφαλματική κατάσταση εκχύνοντας μια τάση κατάλληλου πλάτους και φάσης. Σχήμα 3.8 Στατικός Σειριακός Αντισταθμιστής (SSC) Στο σχήμα 3.9 παρουσιάζεται το μονογραμμικό διάγραμμα ενός συστήματος με SSC. Σε αντίθεση με τον SVC που αναφέρθηκε παραπάνω, ο στατικός σειριακός αντισταθμιστής μπορεί να θεωρηθεί ως μία πηγή τάσης με ελεγχόμενο πλάτος φάση και συχνότητα. Σχήμα 3.9 Μονογραμμικό διάγραμμα συστήματος με σειριακή αντιστάθμιση ~ 44 ~

45 Στο σχήμα 3.10 παρουσιάζεται το διανυσματικό διάγραμμα μίας έκχυσης τάσης κατά την διάρκεια μίας βύθισης τάσης όπου είναι το διάνυσμα της τάσης του πυκνωτή και άρα της τάσης έκχυσης στο σύστημα, l το διάνυσμα του ρεύματος του φορτίου, φ η γωνιακή διαφορά μεταξύ της τάσης και του ρεύματος του φορτίου και ψ η φασική γωνία αναπήδησης(phase angle jump) της πηγής. c Σχήμα 3.10 Αντιστάθμιση βύθισης τάσης μέσω Σειριακού αντισταθμιστή) Με σκοπό να μπορεί ο στατικός σειριακός αντισταθμιστής να επανέλθει το φορτίο στην προσφαλματική κατάσταση, εισάγει τόσο ενεργό όσο και άεργος ισχύς. Υποθέτοντας ότι τόσο το ρεύμα όσο και η τάση του φορτίου στην προσφαλματική κατάσταση είναι και τα δύο ίσα με 1 pu, η ισχύς που εκχύεται από τον SSC κατά την διάρκεια μια βύθισης τάσης δίνεται από την παρακάτω σχέση: Παρατηρώντας την φαινόμενη ισχύ του φορτίου ισχύει: (3.1) (3.2) Έτσι τελικά η εκχυόμενη ενεργός ισχύς του στατικού σειριακού αντισταθμιστή είναι : Η εκχυόμενη άεργος ισχύς του SSC: (3.3) (3.4) ~ 45 ~

46 Το σχήμα 3.12 και 3.13 δείχνουν την ενεργό και άεργο ισχύ του στατικού σειριακού αντισταθμιστή κατά την διάρκεια μίας βύθισης τάσης για διαφορετικές γωνίες α όπου είναι η διαφορά της φάσης της σύνθετης αντίστασης της πηγής σε σχέση με την φάση της σύνθετης αντίστασης της πηγής. (impedance angle, a=0 o,-20 o,-40 o,-60 o ), υποθέτοντας ότι η σύνθετη αντίσταση του φορτίου είναι Z1 1pu με συντελεστή ισχύος 0,8 επαγωγικό. Το βασικό μειονέκτημα του στατικού σειριακού αντισταθμιστή ότι απαιτείται μεγάλη αποθήκη ενέργειας για να επανέρθει η τάση του φορτίου στην προσφαλματική κατάσταση. Αυτός είναι ο λόγος που ακόμα είναι περιορισμένη η εμπορική αξιοποίηση του SSC. Σχήμα 3.12 Ενεργός Ισχύς στατικού σειριακού αντισταθμιστή για διαφορετικές γωνίες α) Σχήμα 3.13 Ενεργός Ισχύς στατικού σειριακού αντισταθμιστή για διαφορετικές γωνίες α) ~ 46 ~

47 Κεφάλαιο 4 ο Ανάλυση Στατικού Σειριακού Αντισταθμιστή (SSC) 4.1 Εισαγωγή Ο SSC είναι σχεδιασμένος ώστε να προστατεύει ευαίσθητα φορτία έναντι βυθίσεως τάσης. Οι βασικές αρχές λειτουργίας του δόθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Επειδή τα περισσότερα από τα σφάλματα είναι μονοφασικά ή διφασικά οι αλγόριθμοι ελέγχου πρέπει να αντιμετωπίζουν ασσύμετρες βυθίσεις τάσεως. Στην συγκεκριμένη εργασία εφαρμόζεται μία γρήγορη τεχνική ανίχνευσης της θετικής και αρνητικής ακολουθίας των στοιχείων της πηγής τροφοδοσίας του συστήματος και ο έλεγχος για τα στοιχεία της κάθε ακολουθίας γίνεται ξεχωριστά.[3] 4.2 Περιγραφή συστήματος SSC τ ο Σ μ ο ν ο φ α σ ι κ ό Σχήμα 4.1 Μονοφασικό διάγραμμα Το κύκλωμα στο οποίο θα γίνει η μελέτη του στατικού σειριακού αντισταθμιστή βρίσκεται στο σχήμα 4.1 Στο μονοφασικό διάγραμμα του σχήματος 4.1 οι τάσεις τα ρεύματα και οι γωνιακή συχνότητα της πηγής συμβολίζονται με U g I g και ω αντίστοιχα. Το Rg και το Lg υποδηλώνουν την ισοδύναμη αντίσταση και επαγωγή της πηγής. Η τάση του φορτίου υποδηλώνεται με U L. Στο σημείο κοινής σύνδεσης (PCC) ο SSC συνδέεται στο σύστημα.u και Ι είναι οι τριφασικές τάσεις του VSC Το LC-φίλτρο αποτελείται ένα πηνίο σε σειρά με επαγωγή L f και αντίσταση R F και από έναν πυκνωτή συνδεδεμένο παράλληλα με χωρητικότητα C F. Οι αντιπαράλληλες δίοδοι ~ 47 ~

48 επιτρέπουν την ροή ρεύματος προς τις δύο κατευθύνσεις σε περίπτωση βραχυκυκλώματος στην πλευρά του φορτίου. Για την απλοποίηση των πραγμάτων ο μετασχηματιστής έκχυσης τάσης θεωρείται ιδανικός( χωρίς απώλειες, χωρίς διαρροή αυτεπαγωγής και άπειρη μαγνητική επαγωγή). Έτσι η τάση έκχυσης στο σύστημα U ing του SSC είναι ίδια με την τάση του πυκνωτή του LC φίλτρου. Στόχος του σειριακού αντισταθμιστή είναι να προσφέρει την στο φορτίο (Load) την τάση που θα έχανε λόγω της βύθισης που προκύπτει εξαιτίας ενός βραχυκυκλώματος. Συνεπώς ισχύει η σχέση 4.1 Ug Uing UL (4.1) Σχήμα 4.2 μονογραμμικό διάγραμμα σειριακής αντιστάθμισης Για την καλύτερη κατανόηση των βημάτων που ακολουθούνται για την αντιστάθμιση της βύθισης θα αναλυθεί η λειτουργία του μονοφασικού διαγράμματος του σχήματος Γενική μορφή μονοφασικού διαγράμματος SSC Οι μετρούμενες ποσότητες των τάσεων και των ρευμάτων είναι είσοδοι στο τμήμα ανίχνευσης διαταραχών(disturbance identification) το όποιο στέλνει σήματα στο control unit να λειτουργήσει όταν οι μετρούμενες ποσότητες διαφέρουν από αυτές του controller. Το τμήμα ανίχνευσης διαταραχών παράγει παλμούς με στόχο την έναρξη της αντιστάθμισης της τάσης όταν ή ~ 48 ~

49 τάση τροφοδοσίας βρίσκεται έξω από μια προκαθορισμένη περιοχή. Τότε το control unit παράγει τις τάσεις αναφοράς. Αυτές οι τάσεις αναφοράς είναι είσοδοι στο modulation unit το οποίο παράγει τα διαμορφωμένα σήματα για τις βαλβίδες του αντιστροφέα τάσης(vsc). H αποθήκη ενέργειας παράγει την απαιτούμενη ισχύ ώστε να αντισταθμίσει την ανιχνευμένη βύθιση τάσης. Τοποθετώντας ένα φίλτρο εξόδου μειώνεται η dv/dt επίδραση στις περιελίξεις του μετασχηματιστή έκχυσης τάσης (injection transformer) και μετατρέπει την παλμικής διαμορφωμένη τάση του VSC σε μία ημιτονοειδή τάση. Τότε η φιλτραρισμένη τάση εισέρχεται στο σύστημα μέσω του μετασχηματιστή και τελικά η τάση του φορτίου επανέρχεται στην προσφαλματική κατάσταση. Τα χαρακτηριστικά των στοιχείων που αποτελούν τον στατικό σειριακό αντισταθμιστή περιγράφονται ακριβώς παρακάτω 4.2.1Αντιστροφέας τάσης (VSC) Δομικό στοιχείο του στατικού σειριακού αντισταθμιστή αποτελεί ο αντιστροφέας τάσης. Ο αντιστροφέας τάσης όπως αναλύθηκε στο κεφάλαιο 2 είναι μια διάταξη ισχύος που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς μορφής σε εναλλασσόμενη μορφή..οι αντιστροφείς πηγής τάσης τροφοδοτούνται από μία πηγή συνεχούς τάσης η οποία έχει ιδανικά μηδενική εσωτερική αντίσταση. Η συνεχή τάση εισόδου γενικά σε έναν αντιστροφέα μπορεί να προέρχεται από μπαταρίες, από φωτοβολταικά στοιχεία ή συνηθέστερα από την ανόρθωση της τάσης του δικτύου. Η έξοδος των αντιστροφέων πηγής τάσης έχει τα χαρακτηριστικά μιας πηγής τάσης Έλεγχος των αντιστροφέων πηγής τάσης Για την ρύθμιση του πλάτους της τάσης εξόδου ελέγχουμε τους διακόπτες του αντιστροφέα πηγής τάσης με την τεχνική PWM (τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών, κεφάλαιο 3) όπου ο έλεγχος της τάσης εξόδου επιτελείται εντός του αντιστροφέα. Έτσι η συνεχής τάση στην είσοδο των αντιστροφέων είναι σταθερή. Για τον έλεγχο της τάσης εξόδου των αντιστροφέων έχουν παρουσιαστεί αρκετές PWM τεχνικές. Η ημιτονοειδής τεχνική είναι αυτή που θα χρησιμοποιηθεί στην παρούσα διπλωματική. Άλλες διαδεδομένες τεχνικές είναι η εξάλειψης αρμονικών, η τεχνική ελαχιστοποίησης της κυμάτωσης του ρεύματος και η space vector. Σχήμα 4.3 Τοπολογία τριφασικής γέφυρας ~ 49 ~

50 4.2.2 Τμήμα ελέγχου και διαμόρφωσης (modulation unit) Το τμήμα έλεγχου και διαμόρφωσης περιλαμβάνει τους ελεγκτές που θα χρησιμοποιηθούν για την διαμόρφωση του εύρους των παλμών του αντιστροφέα. O DVC (Double Vector Controller) είναι ένας αλγόριθμος ελέγχου ο οποίος εφαρμόζεται σε dq λειτουργία και ενσωματώνει ελεγκτές ρεύματος και τάσης με έναν εσωτερικό βρόχο ελέγχου του ρεύματος και έναν εξωτερικό βρόχο ελέγχου της τάσης. Για την βελτίωση τη δυναμικής συμπεριφοράς του δομείται από δύο ελεγκτές. Έναν ελεγκτή θετικής και έναν ελεγκτή αρνητικής ακολουθίας. Οι αλγόριθμοι έλεγχου και γενικότερα οι ελεγκτές θα μελετηθούν διεξοδικά παρακάτω φίλτρο εξόδου (Output filter) Το R-L-C φίλτρο τοποθετείται στην έξοδο του VSC με στόχο να διαγράψει τόσο το ρεύμα όσο και τις τάσεις των αρμονικών μειώνοντας έτσι την αρμονική μόλυνση στην εκχυόμενη τάση του μετασχηματιστή. Επίσης μειώνει τις απότομες μεταβολές τάσης που εμφανίζονται στα τυλίγματα του μετασχηματιστή αυξάνοντας έτσι τον χρόνο ζωής του. Η επαγωγική αντίδραση του φίλτρου είναι αυτή που βοηθάει στην μείωση της dv/dt επίδρασης στα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου προσδιορίζει τον αριθμό των αρμονικών που θα εκχυθούν στο φορτίο και επόμενος ρυθμίζει το αρμονικό περιεχόμενο του φορτίου. Ένας βασικό κανόνας στο σχεδιασμό του φίλτρου είναι ότι η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου πρέπει να είναι πολύ μικρότερη από την συχνότητα του μετατροπέα τάσης (VSC) Μετασχηματιστής έκχυσης τάσης (injection transformer) Οι μετασχηματιστές συνήθως χρησιμοποιούνται είτε για την ανύψωση μιας τάσης είτε για την μείωση της τιμής της. Στην προκείμενη περίπτωση ο μετασχηματιστής έκχυσης τάσης έχει ως στόχο να απομονώσει το σύστημα ελέγχου από το δίκτυο και να εκχύσει την τάση έκχυσης στο σύστημα. Θεωρείται ιδανικός (χωρίς μαγνητικές απώλειες) με αναλογία πρωτεύοντοςδευτερεύοντος ένα προς ένα. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα και η τάση του πρωτεύοντος είναι ίσα με το ρεύμα και την τάση του δευτερεύοντος Αποθήκη ενέργειας (energy storage) Η αποθήκη ενέργειας αναφέρεται στην ύπαρξη μίας συνεχής τάσης εισόδου του αντιστροφέα με στόχο την αποφυγή υπερτάσεων. Σε περίπτωση που χρησιμοποιούνταν κάποια ανορθωτική διάταξη ως τάση εισόδου θα τοποθετούνταν παράλληλα με αυτήν ένας πυκνωτής ώστε να διατηρείται σταθερό το μέγεθος της. Ωστόσο επειδή χρησιμοποιείται μια σταθερή dc τάση δεν χρειάζεται να τοποθετηθεί πυκνωτής Η αποθήκη ενέργειας όπως ~ 50 ~

51 αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο αποτελεί το ακριβότερο στοιχείο του στατικού σειριακού αντισταθμιστή και γι αυτό είναι περιορισμένη η εμπορική του αξιοποιήσει Διακόπτης παράκαμψης ( bypass switch) Ο διακόπτης παράκαμψης αποτελείται από δύο αντιπαράλληλες διόδους οι οποίες δίνουν την δυνατότητα στο ρεύμα να ρέει και προς τις δύο κατευθύνσεις σε περίπτωση που το φορτίο είναι πχ μια μηχανή ή συμβαίνει κάποιο βραχυκύκλωμα στην πλευρά του φορτίου Τμήμα ανίχνευσης διαταραχών (disturbance identification) Το τμήμα ανίχνευσης διαταραχών περιλαμβάνει τους μετρητές τάσεως και ρεύματος που τοποθετούμε στο σύστημα με στόχο την ανίχνευση διαταραχών είτε στην πλευρά του δικτύου είτε στην πλευρά του φορτίου. Στην παρούσα διπλωματική θα αναλυθούν μόνο διαταραχές μόνο στην πλευρά της πηγής. 4.3 Παρουσίαση ελέγχου (Controllers) Στην συγκεκριμένη ενότητα θα αναλυθεί η διαδικασία ελέγχου ώστε να προκύψει η τάση αναφοράς του πυκνωτή. Επειδή οι βυθίσεις τάσης είναι ασσύμετρες η σχεδιάζομενη τάση του πυκνωτή θα είναι διαφορετική για κάθε φάση. Ο υπολογισμός της αναφερόμενης τάσης γίνεται μέσω των νόμων του Κίρκοφ, δηλαδή μέσω εξισώσεων.στο σχήμα 4.4 παρουσιάζεται ο αλγόριθμος ελέγχου του διπλού διανυσματικού ελεγκτή (Double Vector Controller) με την χρήση δύο ελεγκτών έναν για την κάθε ακολουθία (θετική και αρνητική). Το πρόβλημα που μελετάμε αφορά τριφασικό φορτίο συνεπώς η μελέτη πρέπει να γίνει για τριφασική πηγή και για αυτό είναι απαραίτητα η ανίχνευση της θετικής και της αρνητικής ακολουθίας. Μια μέθοδος ανίχνευσης της θετικής και αρνητικής ακολουθίας εφαρμόζεται (Delayed Signal Cancellation) που μετασχηματίζει σε DC ποσότητες τις μεταβλητές που θα είναι είσοδοι στους αναλογικούς ελεγκτές ώστε να μπορούν να κάνουν τους απαραίτητους υπολογισμούς. Αυτό γιατί εμφανίζονται μη συμμετρικές βυθίσεις που σημαίνει εμφάνιση ταλαντώσεων στις dq ποσότητες της πηγής που θα οδηγηθούν και στην τάση αναφοράς αν δεν εφαρμοστεί η μέθοδος καθυστερημένης ακύρωσης σήματος (DSC). Για παράδειγμα στην περίπτωση μονοφασικού βραχυκυκλώματος (που διαρκεί από 1,03 έως 1,3 δευτερόλεπτα) με γη (ασσύμετρη βύθιση) η τάση της πηγής στον q άξονα τόσο θετικής όσο και της αρνητικής ακολουθίας είναι DC ποσότητες (σχήμα 4.5, σχήμα 4.6). Αρχικά λοιπόν γίνεται η μέτρηση των u (abc) g, την u abc c, την i abc, την i abc g δηλαδή ης τάσης της πηγής, της τάσης του πυκνωτή(του φίλτρου RLC) του ρεύματος της πηγής και του ρεύματος της επαγωγής του φίλτρου).κατόπιν πραγματοποιείται η δειγματοληψία των στοιχείων αυτών με συχνότητα δειγματοληψίας πολύ μεγαλύτερη των 50 ΗΖ (στην προσομείωση του ~ 51 ~

52 προβλήματος που θα γίνει στο επόμενο κεφάλαιο θα εφαρμοστεί συχνότητα δειγματοληψίας ίση με 5000 HZ ) και έτσι μεταφέρεται το πρόβλημα στον διακριτό χρόνο. Στην συνέχεια γίνεται η μετατροπή τους στο αβ σύστημα συντεταγμένων. Το PLL (phase locked loop) συγχρονίζεται με το διάνυσμα (αβ) της πηγής u g και ανιχνεύει την γωνιακή ταχύτητα θ. Το επόμενο βήμα αφορά τον διαχωρισμό της θετικής και αρνητικής των παραπάνω στοιχείων μέσω μιας μεθόδους ταχείας ανίχνευσης των επιμέρους ακολουθιών. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται μέθοδος καθυστερημένης ακύρωσης σήματος και αναλύεται στις υποενότητα Σχήμα 4.4 Σχεδιάγραμμα αλγορίθμου ελέγχου διπλού διανυσματικού ελεγκτή(double Vector Controller) Σχήμα 4.5 Μονοφασικό βραχυκύκλωμα με γη,με κίτρινο χρώμα Vgdn, με ροζ Vgqn ~ 52 ~

53 Σχήμα 4.6 Μονοφασικό βραχυκύκλωμα με γη,με κίτρινο χρώμα Vgdn, με ροζ Vgqn Σχήμα 4.7 Ανίχνευση της θετικής και αρνητικής ακολουθίας της τάσης του δικτύου μέσω της μεθόδου καθυστερημένης Ακύρωσης Σήματος(Delayed signal cancellation) DSC (Delay signal cancellation) Οι περισσότερες βυθίσεις στο σύστημα που μελετάμε είναι μη συμμετρικές και οφείλονται σε βραχυκυκλώματα που διαρκούν από δέκα έως εκατό ms. Συνεπώς απαιτείται για την αντιστάθμιση τους μία γρήγορη μέθοδος ανίχνευσης των φασικών ακολουθιών των τάσεων και των ρευμάτων. Το μειονέκτημα των παραδοσιακών μεθόδων που βασίζονταν σε φάσορες ήταν τα αργά αποτελέσματα εξαιτίας του χρόνου που απαιτούνταν για τον υπολογισμό των RMS τιμών. Η καθυστερημένη ακύρωση σήματος (DSC) είναι μία μέθοδος που θα εφαρμοστεί για τον διαχωρισμό των φάσεων θετικής και αρνητικής ακολουθίας των τάσεων και των ρευμάτων.[1] ~ 53 ~

54 Λειτουργία της μεθόδου (DSC) σε αναλογικά σήματα Στην γενική περίπτωση μη συμμετρικής πηγής το διάνυσμα τάσης του δικτύου είναι e (αβ)(t) (αβ σύστημα συντεταγμένων) μπορεί να γραφτεί σύμφωνα με την σχέση 3.2 ( ) ( ) ( ) j(wt p ) j(wt n ) p n p n e (t) e ( t) e ( t) E ( t) E ( t) (4.2) όπου E p και Ε n είναι τα πλάτη των διανυσμάτων τάσης θετικής και αρνητικής ακολουθίας και φ p, φ n είναι αντίστοιχα οι φασικές μετατοπίσεις τους. Η DSC μέθοδος ορίζεται από τις Σχέσεις και (4.3.1) ( ) ( ) ( ) e p ( t) 1/ 2[ e (t) je (t T g/ 4)] (4.3.2) ( ) ( ) ( ) e n ( t) 1/ 2[ e (t) je (t T g/ 4)] Λειτουργία της μεθόδου (DSC) σε ψηφιακάδιακριτά σήματα Σε αντιστοιχία με αυτά που ισχύουν σε αναλογικά σήματα σε διακριτά συστήματα ισχύουν οι παρακάτω εκφράσεις (4.4.1) ( ) ( ) ( ) e p (k) 1/ 2[ e (k) je (k Nd)] (4.4.2) ( ) ( ) ( ) e n (k) 1/ 2[ e (k) je (k Nd)] όπου Ts=1/fs είναι ο χρόνος δειγματοληψίας και η Ν d η καθυστέρηση όπου εκφράσει έναν αριθμό δειγμάτων. f g είναι η συχνότητα του σήματος άρα με συχνότητα δειγματοληψίας 5000 Hz και συχνότητα δικτύου f g =50 HZ η καθυστέρηση θα είναι ίση με 25 αφού ισχύει η σχέση 4.5 N f /4f (4.5) d s g Εξισώσεις ελέγχου Από την μέθοδο καθυστερημένης ακύρωσης τάσης περνούν όπως φαίνεται στο σχήμα 4.4 η διακριτοποιημένη μετρούμενη τάση της πηγής, το ρεύμα της πηγής, η τάση του πυκνωτή και το ρεύμα της επαγωγής του φίλτρου. Ως ~ 54 ~

55 γωνία θ χρησιμοποιείται η γωνία που βρέθηκε από το μηχανισμό κλειδώματος φάσης (PLL). Πίνακας 4.1 Εξισώσεις ελεγκτών Όταν περάσει από την μέθοδο του DSC και το διάνυσμα τάσης του φορτίου (το οποίο θα έχει μια τιμή που θα είναι γνωστή), αφαιρείται από την μετρούμενη πηγή τάσης σύμφωνα με το σχήμα 4.4 ώστε να προκύψει η τάση αναφοράς του πυκνωτή θετικής και αρνητικής ακολουθίας στον dq άξονα συντεταγμένων. Στην συνέχεια το διάνυσμα της τάσης της Vg dqp, Vg dqn, το ρεύμα της πηγής ig dqp,ig dqn,το ρεύμα της επαγωγής του φίλτρου idqp, idqn, η τάση του πυκνωτή του φίλτρου ucdqp,ucdqn kai η τάση αναφοράς του πυκνωτή u*cdqp, u*cdqn μπαίνουν ως είσοδοι στο σύστημα ελέγχου. Το σύστημα ελέγχου του SSC πραγματοποιείται μέσω της σχεδίασης των Controllers (positive sequence Double Vector Controller, Negative Sequence Double Vector Controller) που υλοποιούνται μέσω των εξισώσεων του πίνακα σχέσεων 4.1. το σύστημα ελέγχου δομείται από δύο αναλογικούς ελεγκτές κλειστού βρόχου συνδεδεμένους σε cascade. Ένας εξωτερικός βρόχος ο οποίος ελέγχει την τάση κατά μήκος του φίλτρου του πυκνωτή u c και ένας εσωτερικός βρόχος ο οποίος ελέγχει το ρεύμα ι μέσω της επαγωγής του φίλτρου. Η βασική υπόθεση που γίνεται είναι ότι η εκχυόμενη τάση είναι ίση με την τάση του κατά μήκος του πυκνωτή και ο και μετασχηματιστής θεωρείται ιδανικός. Εφαρμόζοντας τους νόμους του Κίρκοφ μετασχηματίζοντας στο αβ σύστημα συντεταγμένων, μετά στο dq σύστημα και μετατρέποντας τις απαραίτητες μεταβλητές μέσω του DSC σε DC ποσότητες, κατόπιν αλγεβρικών υπολογισμών προκύπτουν οι εξισώσεις του πίνακα 4.1 όπου Ku και Κp αποτελούν τα κέρδη του κάθε βρόχου και λαμβάνουν τιμές τέτοιες ώστε να ευσταθεί το σύστημα. Γιατί γίνεται χρήση όμως δύο ελεγκτών; Αρχικά είχε χρησιμοποιηθεί ένας Ελεγκτής που ήλεγχε μόνο τα στοιχεία θετικής ακολουθίας(basic Double Vector Controller) [2] και ο έλεγχος πραγματοποιούνταν σύμφωνα με το σχήμα 4.8. Στο σχήμα 4.10 παρουσιάζεται η τριφασική τάση του φορτίου υπό μη συμμετρική βύθιση τάσης της πηγής ενώ στο σχήμα 4.9 παρουσιάζονται οι αντίστοιχες τάσεις θετικής και αρνητικής ακολουθίας στο dq σύστημα συντεταγμένων. Εξαιτίας της έλλειψης controller για την αρνητικής ακολουθία τάση του SSC, η τάση του φορτίου δεν είναι τελείως συμμετρική κατά την διάρκεια της βύθισης. Ο λόγος που η τάση του φορτίου επηρεάζεται από την μη συμμετρική βύθιση πρέπει να αναζητηθεί στο σχήμα 4.8 που ~ 55 ~

56 παρουσιάζεται ο BDVC. Η πραγματική εκχυόμενη τάση η οποία είναι η τάση κατά μήκος του πυκνωτή του φίλτρου RLC διαφέρει από την τάση εξόδου του VSC εξαιτίας της πτώσης τάσης στο πηνίο του φίλτρου. Αυτό δημιουργεί σφάλμα στην αρνητικής ακολουθία εκχυόμενη τάση του μετασχηματιστή. Το πρόβλημα αυτό δεν προκύπτει για την θετικής ακολουθία τάση του πυκνωτή καθώς αυτή ελέγχεται από βρόχο ανατροφοδότησης(μέσω των εξισώσεων ελέγχου).όσο λοιπόν μεγαλώνει το ρεύμα κατά μήκος της επαγωγής του φίλτρου τόσο μεγαλώνει το σφάλμα στην τάση του φορτίου. Για σταθερή τιμή της επαγωγικής αντίδρασης όσο μεγαλώνει η συχνότητα δειγματοληψίας τόσο μειώνεται το ρεύμα στο πηνίο. Επίσης όσο μεγαλώνει η χωρητικότητα του πυκνωτή τόσο μεγαλώνει το σφάλμα. Συνεπώς παρόλο που με προσεχτική επιλογή του μεγέθους του πυκνωτή είναι δυνατή η μείωση της ασσυμετρίας ωστόσο είναι αδύνατη η πλήρης εξάλειψη της. Σχήμα 4.8 Βασικός Αλγόριθμος Ελέγχου με χρήση Ελεκτή μόνο θετικής Ακολουθίας Από τα παραπάνω προκύπτει η ανάγκη ύπαρξης δύο ελεγκτών για την πλήρη ακύρωση της βύθισης τάσης στο φορτίο. Επιστρέφοντας λοιπόν στο σχήμα 4.4 και στην χρήση δύο ελεγκτών αφού έχει προσδιοριστεί μέσω των εξισώσεων οι τάσεις αναφοράς u *dqp και u *dqn, αυτές μετατρέπονται στο αβ σύστημα συντεταγμένων, προστίθενται και μετατρέπονται στο τριφασικό σύστημα συντεταγμένων. Στην συνέχεια η u *abc συγκρίνεται με έναν τριγωνικό παλμό του οποίου το πλάτος είναι ίσο με το μισό της dc τάσης που έχει τοποθετηθεί ώστε να παραχθεί το διαμορφωμένο σήμα. Τέλος το διαμορφωμένο σήμα περνάει όπως αναφέρθηκε παραπάνω από ένα RLC φίλτρο ώστε να πάρει ημιτονοειδή μορφή. Η τάση έκχυσης του μετασχηματιστή είναι ίση με την τάση του πυκνωτή του φίλτρου και το φορτίο εν τέλει λαμβάνει με ακρίβεια την τάση που χρειάζεται. ~ 56 ~

57 Σχήμα 4.9 Τάσεις του φορτίου στο dq σύστημα συντεταγμένων κατά την διάρκεια μη συμμετρικών βυθίσεων τάσης.bdvc χρησιμοποιήθηκε. Στο πάνω γράφημα η τάση θετικής ακολουθίας, στο κάτω η τάση αρνητικής ακολουθίας Σχήμα 4.10 Τριφασική τάση του φορτίου κατά την διάρκεια ασσύμετρων βυθίσεων τάσης. BDVC χρησιμοποιήθηκε ~ 57 ~

58 ~ 58 ~

59 Κεφάλαιο 5 Προσομοίωση Αποτελέσματα Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του στατικού σειριακού αντισταθμιστή είναι το simulink-matlab. Το μονοφασικό ισοδύναμο του κυκλώματος το οποίο έγινε η μελέτη φαίνεται στο σχήμα 5.1. Σχήμα 5.1 Tα δεδομένα του κυκλώματος φαίνεται στον Πίνακα 5.1. Η τάση της πηγής έχει γωνιακή συχνότητα ω=314, και μέγιστο πλάτος 400 V. Τα κέρδη Κu και Kp επιλέχτηκαν 0.3 και 0.6 αντίστοιχα ώστε να ευσταθεί καλύτερα το σύστημα. Η συνεχής τάσης u dc είναι 1200 V και L f R F C F είναι τα στοιχεία του φίλτρου. Η αναφερόμενη τάση του φορτίου στον dq άξονα δίνεται από την σχέση 5.1 ενώ η αντίσταση του είναι R=10 ohm. L f = H, C f =0.0002F R f =0.025 Ohm, fs=5000hz u dc =1200 V V V jv 0 j1.0 * dqp * dp * qp L L L (5.1) V V jv 0 j0.0 * dqn * dn * qn L L L Για όλα τα σφάλματα που θα μελετηθούν τα δεδομένα του κυκλώματος θα είναι αυτά που μόλις αναφέρθηκαν ~ 59 ~

60 5.1 Γραφικές παραστάσεις μονοφασικού βραχυκυκλώματος(phase to ground) Στην 1 η περίπτωση εφαρμόζεται μονοφασικό βραχυκύκλωμα (phase to ground) όπως αυτό φαίνεται στο πρώτο γράφημα του σχήματος 5.2. Tο βραχυκύκλωμα διαρκεί από 1.03 έως 1.13 sec.η τάση της πηγής σε αυτό το διάστημα μηδενίζεται οπότε ξεκινάει η παραγωγή της αναφερόμενης τάσης του πυκνωτή. Παρατηρώντας τα σχήματα 5.3,5.4, 5.5 και 5.6 δηλαδή την τάση και το ρεύμα της πηγής κατά την διάρκεια της βύθισης φαίνεται ότι οι ποσότητες αυτές χάρις Το DSC που εφαρμόστηκε αποτελούν DC ποσότητες. Έτσι οι αναλογικοί ελεγκτές μπορούν να κάνουν τους απαραίτητους υπολογισμούς και να γίνει η αντιστάθμιση της τάσης όπως αυτή φαίνονται στο σχήμα 5.2. Σχήμα 5.2,Phase to ground, Στο πάνω γράφημα η τάση της πηγής, στο μεσαίο γράφημα η τάση του πυκνωτή και στο κάτω γράφημα η τάση του φορτίου Σχήμα 5.3,με κίτρινο χρώμα Vgdp, με ροζ Vgqp ~ 60 ~

61 Σχήμα 5.4,Vgdqn, με κίτρινο χρώμα Vgdn, με ροζ Vgqn Σχήμα 5.5,Igdqp με κίτρινο χρώμα Igdp, με ροζ Igqp Σχήμα 5.6,Igdqp,με κίτρινο χρώμα Igdp, με ροζ Igqp ~ 61 ~

62 5.7,V*dqp,στο πάνω γράφημα V*dp, στο κάτω γράφημα V*qp Σχήμα 5.8,V*dqn, στο πάνω γράφημα V*dn, στο κάτω γράφημα V*qn 5.2 Γραφικές παραστάσεις τριφασικού βραχυκυκλώματος(phase to ground) Το συμμετρικό τριφασικό βραχυκύκλωμα παρόλο που δεν αποτελεί μία ασσύμετρη βύθιση ωστόσο μελετήθηκε για να φανεί η διαφορά σε σχέση με το προηγούμενο σφάλμα (phase to ground). Έτσι η αντιστάθμιση είναι πλήρης και το φορτίο λαμβάνει πλήρως την ισχύ που χρειάζεται εξαιρώντας τα σημεία έναυσης και σβέσης του βραχυκυκλώματος όπου εμφανίζονται κάποιες μικρές ανωμαλίες λόγω των απότομων μεταβάσεων της τάσης. ~ 62 ~

63 Σχήμα 5.9,Vgdqp με κίτρινο χρώμα Vgdp, με ροζ Vgqp Σχήμα 5.10,Vgdqn με κίτρινο χρώμα Vgdn, με ροζ Vgqn Σχήμα 5.11,Igdqp με κίτρινο χρώμα Igdp, με ροζ Igqp ~ 63 ~

64 Σχήμα 5.12,Igdqn με κίτρινο χρώμα Igdn, με ροζ Igqn 5.13,V*dqp, στο πάνω γράφημα V*dp, στο κάτω γράφημα V*qp Σχήμα 5.14,V*dqn,στο πάνω γράφημα V*dn, στο κάτω γράφημα V*qn ~ 64 ~

65 Σχήμα 5.15 συμμετρικό τριφασικό βραχυκύκλωμα, Στο πάνω γράφημα η τάση της πηγής, στο μεσαίο γράφημα η τάση του πυκνωτή και στο κάτω γράφημα η τάση του φορτίου 5.3 Γραφικές παραστάσεις διφασικού βραχυκυκλώματος(two phase) Στην 3 η περίπτωση εφαρμόζεται διφασικό βραχυκύκλωμα (phase to ground) όπως αυτό φαίνεται στο πρώτο γράφημα του σχήματος Tο βραχυκύκλωμα διαρκεί από 1.03 έως 1.13 sec.η τάση της πηγής σε αυτό το διάστημα μηδενίζεται οπότε ξεκινάει η παραγωγή της αναφερόμενης τάσης του πυκνωτή. Παρατηρώντας τα σχήματα 5.16,5.17, 5.18 και 5.19 δηλαδή την τάση και το ρεύμα της πηγής κατά την διάρκεια της βύθισης φαίνεται ότι οι ποσότητες αυτές χάρις Το DSC που εφαρμόστηκε αποτελούν DC ποσότητες. Έτσι οι αναλογικοί ελεγκτές μπορούν να κάνουν τους απαραίτητους υπολογισμούς και να γίνει η αντιστάθμιση της τάσης όπως αυτή φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 5.16,Vgdqp,με κίτρινο χρώμα Vgdp, με ροζ Vgqp ~ 65 ~

66 Σχήμα 5.17,Vgdqn(με κίτρινο χρώμα Vgdn, με ροζ Vgqn) Σχήμα 5.18,Igdqp,με κίτρινο χρώμα Igdp, με ροζ Igqp Σχήμα 5.19,Igdqp,με κίτρινο χρώμα Igdn, με ροζ Igqn ~ 66 ~

67 5.20,V*dqp,στο πάνω γράφημα V*dp, στο κάτω γράφημα V*qp 5.21,V*dqn,στο πάνω γράφημα V*dn, στο κάτω γράφημα V*qn Σχήμα 5.22, two phase fault, Στο πάνω γράφημα η τάση της πηγής, στο μεσαίο γράφημα η τάση του πυκνωτή και στο κάτω γράφημα η τάση του φορτίου. ~ 67 ~

68 5.4 Γραφικές παραστάσεις διφασικού βραχυκυκλώματος(two phase to ground) Τέλος εφαρμόζεται διφασικό βραχυκύκλωμα με γη (phase to ground) όπως αυτό φαίνεται στο πρώτο γράφημα του σχήματος Tο βραχυκύκλωμα διαρκεί από 1.03 έως 1.13 sec.η τάση της πηγής σε αυτό το διάστημα μηδενίζεται οπότε ξεκινάει η παραγωγή της αναφερόμενης τάσης του πυκνωτή. Παρατηρώντας τα σχήματα 5.23,5.24, 5.25 και 5.26 δηλαδή την τάση και το ρεύμα της πηγής κατά την διάρκεια της βύθισης φαίνεται ότι οι ποσότητες αυτές χάρις Το DSC που εφαρμόστηκε αποτελούν DC ποσότητες. Έτσι οι αναλογικοί ελεγκτές μπορούν να κάνουν τους απαραίτητους υπολογισμούς και να γίνει η αντιστάθμιση της τάσης όπως αυτή φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 5.23,Vgdqp, με κίτρινο χρώμα Vgdp, με ροζ Vgqp) Σχήμα 5.24,Vgdqp με κίτρινο χρώμα Vgdn, με ροζ Vgqn ~ 68 ~

69 Σχήμα 5.25,Igdqp με κίτρινο χρώμα Igdp, με ροζ Igqp Σχήμα 5.26,Igdqn,με κίτρινο χρώμα Igdn, με ροζ Igqn 5.27,V*dqp στο πάνω γράφημα V*dp, στο κάτω γράφημα V*qp ~ 69 ~

70 5.28,V*dqn στο πάνω γράφημα V*dn, στο κάτω γράφημα V*qn Σχήμα 5.29, two phase fault to ground,στο πάνω γράφημα η τάση της πηγής, στο μεσαίο γράφημα η τάση του πυκνωτή και στο κάτω γράφημα η τάση του φορτίου. 5.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τις παραπάνω γραφικές παραστάσεις στα διάφορα είδη βραχυκυκλώματος προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Η μέθοδος καθυστερημένης ακύρωσης σήματος (Delayed Signal Cancellation) είναι μία μέθοδος που ακυρώνει τις ταλαντώσεις που εμφανίζονται στις διάφορες ποσότητες αποτελεσματικά και τις μετατρέπει σε DC ποσότητες. Η αντιστάθμιση τάσης που γίνεται είναι ικανοποιητική και αυτό γιατί έγινε χρήση δύο ελεγκτών(τόσο για τις ποσότητες θετικής όσο και για τις ποσότητες αρνητικής ακολουθίας) Η διάρκεια και το μέγεθος της βύθισης καθώς και ο τύπος του βραχυκυκλώματος επηρεάζουν την ποιότητα της αντιστάθμισης. ~ 70 ~