ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟ-ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΥΠΟΥ FLYBACK ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ

Transcript

1 ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟ-ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΥΠΟΥ FLYBACK ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ Κ. ΧΡΗΣΤΙΔΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ: 340 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 016

2 Βέλτιστος Σχεδιασμός Μικρο-Αντιστροφέα Τύπου Flyback για τη Σύνδεση Φωτοβολταϊκού Πλαισίου με το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Γεώργιος Κ. Χρηστίδης Copyright 016 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος, All rights reserved

3 Πιστοποίηση Πιστοποιείται ότι η παρούσα διδακτορική διατριβή με θέμα «Βέλτιστος Σχεδιασμός Μικρο-Αντιστροφέα Τύπου Flyback για τη Σύνδεση Φωτοβολταϊκού Πλαισίου με το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης» του κ. Γεωργίου Χρηστίδη, Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών, παρουσιάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών τη η Σεπτεμβρίου 016 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: 1) Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών ) Στέφανος Μανιάς, Καθηγητής Ε.Μ.Π. 3) Νικόλαος Παπανικολάου, Επίκουρος Καθηγητής Δ.Π.Θ. 4) Θωμάς Ζαχαρίας, Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών 5) Σταύρος Παπαθανασίου, Αναπληρωτής Καθηγητής Ε.Μ.Π. 6) Χαράλαμπος Δημουλιάς, Επίκουρος Καθηγητής Α.Π.Θ. 7) Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Πάτρα, Σεπτεμβρίου 016

4

5 Πρόλογος Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα έχουν πλέον παγιωθεί ως δημοφιλείς ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, λόγω της ανάπτυξης της τεχνολογίας κατασκευής των Φ/Β πλαισίων, της μείωσης του κόστους αγοράς και εγκατάστασης, καθώς και των συνθηκών στην παγκόσμια αγορά ενέργειας. Σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μορφές παραγωγής ενέργειας, τα Φ/Β συστήματα είναι αρκετά αποδοτικά και για εγκαταστάσεις μικρής ισχύος, όπως για παράδειγμα στα κτηριακά Φ/Β συστήματα, τα οποία αποτελούνται από μικρό αριθμό Φ/Β πλαισίων και είναι εγκατεστημένα συνήθως σε στέγες κτηρίων. Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος απαιτούνται για την παροχή της ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο, αφού η συνεχής τάση εξόδου των Φ/Β πλαισίων πρέπει να ανυψωθεί και να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη. Αυτοί οι μετατροπείς είτε διαχειρίζονται όλη την ισχύ της εγκατάστασης (αντιστροφείς μίας ή πολλαπλών αλυσίδων), είτε την ισχύ κάθε Φ/Β πλαισίου ξεχωριστά (μικρο-αντιστροφείς). Η δεύτερη λύση προσφέρει ευελιξία στην εγκατάσταση, χαμηλό κόστος επέκτασης, αύξηση της αξιοπιστίας αλλά και της συνολικής απορρόφησης ηλιακής ενέργειας για δεδομένες καιρικές συνθήκες. Για να είναι όμως ανταγωνιστικοί των αντιστροφέων αλυσίδας, οι μικρο-αντιστροφείς θα πρέπει να σχεδιάζονται κατάλληλα ώστε να παρουσιάζουν συγκρίσιμο βαθμό απόδοσης. Ως εκ τούτου, η επιλογή των κατασκευαστικών και λειτουργικών παραμέτρων κατά το σχεδιασμό ενός τέτοιου μετατροπέα παίζει πολύ σημαντικό ρόλο. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται μέθοδοι για τη μεγιστοποίηση του βαθμού απόδοσης του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback. Αφού αναλυθεί η λειτουργία του, εντοπίζονται, μέσω της ανάλυσης απωλειών που παρουσιάζεται, μειονεκτήματα των υπαρχουσών μεθόδων παλμοδότησης και μελετώνται τρόποι για την εξάλειψη αυτών των προβλημάτων, είτε βελτιώνοντας τη μέθοδο ελέγχου του μετατροπέα, είτε επεμβαίνοντας στο κύκλωμά του. Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται μία υβριδική μέθοδος παλμοδότησης, με την οποία βελτιστοποιείται ο σχεδιασμός και η λειτουργία του αντιστροφέα, περιορίζοντας τη μέγιστη διακοπτική συχνότητα και, κατά συνέπεια, τις διακοπτικές απώλειες που εμφανίζονται στο μετατροπέα. Αρχικά, πραγματοποιείται η μαθηματική ανάλυση και επιλέγονται οι λειτουργικές παράμετροι βάσει των προδιαγραφών, ώστε να υπάρχει ομαλή μετάβαση μεταξύ των διαφορετικών καταστάσεων αγωγής. Στη συνέχεια περιγράφονται οι απώλειες που i

6 εμφανίζονται στο συγκεκριμένο μετατροπέα για την προτεινόμενη υβριδική μέθοδο ελέγχου, με σκοπό να εφαρμοστεί μία μέθοδος βελτιστοποίησης, μέσω της οποίας επιλέγονται οι σχεδιαστικές παράμετροι για να επιτευχθεί ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Σε επόμενο βήμα, η προτεινόμενη μέθοδος ελέγχου εφαρμόζεται σε μετατροπέα πολλαπλών κλάδων (interleaved converter), με σκοπό να μειωθούν οι απώλειες αγωγής. Αναλύονται οι σχέσεις που ορίζουν τη λειτουργία του συγκεκριμένου μετατροπέα και περιγράφονται εκ νέου οι απώλειες που εμφανίζονται, με σκοπό τη βέλτιστη επιλογή των σχεδιαστικών παραμέτρων για την αύξηση του βαθμού απόδοσης. Ολοκληρώνοντας, διερευνάται η εφαρμογή μεθόδων ελέγχου και πρόσθετων κυκλωμάτων ώστε ο μικρο-αντιστροφέας να ανταποκρίνεται στις σύγχρονες προδιαγραφές και απαιτήσεις για τους αντιστροφείς με εφαρμογή σε Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοίωσης καθώς και μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων εργαστηριακών πρωτοτύπων τα οποία κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό. Με την παρούσα διδακτορική διατριβή κλείνει ένας επιτυχημένος και άκρως παραγωγικός ερευνητικός κύκλος του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας με επικεφαλής τον Καθ. Δρ.-Μηχ. Ε. Τατάκη στο χώρο των αντιστροφέων για Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος συνδεδεμένα με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η αρχική ιδέα του συγκεκριμένου κυκλώματος μετατροπέα τύπου Flyback για χρήση του ως αντιστροφέα σε μεμονωμένα Φ/Β πλαίσια προήλθε από το Δρ.-Μηχ. Ν. Παπανικολάου. Η επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του μετατροπέα πραγματοποιήθηκε από το Δρ.-Μηχ. Α. Κυρίτση, ο οποίος κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διδακτορικής του διατριβής, σε συνεργασία με τους προαναφερθέντες, μελέτησε τις κατασκευαστικές απαιτήσεις και χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μετατροπέα, τις πιθανές μεθόδους ελέγχου που μπορούν να εφαρμοστούν, καθώς και τη χρήση ενεργού φίλτρου στην είσοδο του μετατροπέα για μέγιστη εκμετάλλευση της ενέργειας του Φ/Β πλαισίου χωρίς χρήση ηλεκτρολυτικού πυκνωτή. Η ενδελεχής ανάλυση των απωλειών που εμφανίζονται στο συγκεκριμένο αντιστροφέα με στόχο την εφαρμογή μίας μεθόδου βελτιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης, καθώς και η πρόταση για μία βελτιωμένη μέθοδο ελέγχου με σκοπό την καλύτερη ποιότητα ισχύος εξόδου πραγματοποιήθηκε από το Δρ.-Μηχ. Α. Νανάκο, στα πλαίσια εκπόνησης της διδακτορικής του διατριβής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, χάρη στην προεργασία που έχει ii

7 πραγματοποιηθεί καθώς και στην εμπειρία που έχει αποκτηθεί, εξετάζονται συγκεκριμένες πτυχές του μικρο-αντιστροφέα με σκοπό να παρουσιάζει αυξημένο σταθμισμένο βαθμό απόδοσης, αυξημένη αξιοπιστία αλλά και να ακολουθεί τα σύγχρονα πρότυπα λειτουργίας καθώς και τις απαιτήσεις που υπάρχουν ή θα υπάρχουν σύντομα για τους μετατροπείς Φ/Β συστημάτων, καθιστώντας τον ανταγωνιστικό σε σχέση με τους κλασικούς αντιστροφείς κτηριακών Φ/Β συστημάτων. Η εργασία περιλαμβάνει την εισαγωγή και επτά κεφάλαια: Στην Εισαγωγή αναλύονται τα κίνητρα για την έρευνα στην περιοχή των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα και καταγράφονται οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται, εν συντομία, η κατηγοριοποίηση των διασυνδεδεμένων Φ/Β συστημάτων με το δίκτυο, με ιδιαίτερη έμφαση στα κτηριακά Φ/Β συστήματα. Καταγράφονται οι διαφορετικές μέθοδοι παροχής της ενέργειας από τα Φ/Β πλαίσια προς το ηλεκτρικό δίκτυο και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μεθόδου. Παρουσιάζεται η βασική δομή ενός μικρο-αντιστροφέα, οι διεθνείς κανονισμοί που ορίζουν τον τρόπο λειτουργίας του, ενώ αναλύονται και οι σύγχρονες απαιτήσεις για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Στο Κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση της λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback τόσο στην κατάσταση ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM), όσο και στην οριακή κατάσταση μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (improved Boundary Conduction Mode, i-bcm). Καταγράφονται οι βασικές εξισώσεις που διέπουν τα ηλεκτρικά μεγέθη του αντιστροφέα και οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν στα επόμενα κεφάλαια, ενώ παράλληλα παρουσιάζονται οι βασικοί μηχανισμοί απωλειών του μετατροπέα, καθώς και η λογική του βέλτιστου σχεδιασμού για επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση πειραματικών αποτελεσμάτων που διεξήχθησαν, ώστε να τεθεί η βάση για τη διερεύνηση της βελτίωσης της λειτουργίας του μετατροπέα με τις προτεινόμενες μεθόδους. Στο Κεφάλαιο 3 εισάγεται η προτεινόμενη υβριδική μέθοδος παλμοδότησης DBCM, με την οποία στόχος είναι να βελτιωθεί ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσης του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, περιορίζοντας τη μέγιστη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του. Παρουσιάζεται η μαθηματική ανάλυση για την ομαλή μετάβαση μεταξύ των διαφορετικών καταστάσεων αγωγής, η οποία στη συνέχεια επιβεβαιώνεται μέσω προσομοίωσης αλλά και πειραματικά. Μετρήσεις του βαθμού απόδοσης φανερώνουν τη βελτίωση που μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τη συγκεκριμένη μέθοδο. iii

8 Στο Κεφάλαιο 4 εφαρμόζεται μέθοδος βέλτιστου σχεδιασμού του μετατροπέα, με στόχο να επιλεγούν κατάλληλα οι κατασκευαστικές και λειτουργικές παράμετροι, ώστε να επιτευχθεί ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Για το σκοπό αυτό, αναλύονται και υπολογίζονται εκ νέου όλες οι απώλειες που εμφανίζονται στον αντιστροφέα όταν λειτουργεί με την υβριδική μέθοδο DBCM, καθώς και οι μέσες και ενεργές τιμές ρεύματος εισόδου και εξόδου. Η επιβεβαίωση της ανάλυσης γίνεται μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων σε εργαστηριακό πρωτότυπο. Στο Κεφάλαιο 5 η υβριδική μέθοδος DBCM επεκτείνεται και για χρήση σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων (interleaved). Εξετάζονται οι διαφορετικές τοπολογίες που μπορούν να εφαρμοστούν καθώς και οι καταστάσεις λειτουργίας που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου. Αφού αναλυθούν οι μαθηματικές σχέσεις που ορίζουν την ορθή παλμοδότηση για τη συγκεκριμένη διάταξη, παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοίωσης αλλά και πειραματικά αποτελέσματα για να επιβεβαιωθεί η ορθή λειτουργία αλλά και να φανεί η βελτίωση της απόδοσης που οφείλεται στην εφαρμογή ανάλυσης απωλειών και βελτιστοποίησης για τη συγκεκριμένη διάταξη. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζονται υπόλοιπες λειτουργίες και χαρακτηριστικά τα οποία θα πρέπει να έχει ο μικρο-αντιστροφέας ώστε να είναι σύμφωνος με τους διεθνείς κανονισμούς και να πληροί τις προϋποθέσεις και τις νέες απαιτήσεις που υπάρχουν στο χώρο των Φ/Β συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται η λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα σε περίπτωση εμφάνισης φαινομένου νησίδας, δηλαδή εξετάζεται αν διακόπτεται άμεσα η παροχή ενέργειας του μικρο-αντιστροφέα σε περίπτωση διακοπής του ηλεκτρικού δικτύου. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται η λειτουργία της μεθόδου ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος με τη διασύνδεση ενός Φ/Β πλαισίου. Εξετάζεται επίσης η δυνατότητα παροχής άεργου ισχύος μέσω προσομοίωσης και οι τροποποιήσεις οι οποίες απαιτούνται για τη συγκεκριμένη λειτουργία τόσο στο κύκλωμα ισχύος όσο και στον αλγόριθμο ελέγχου. Στη συνέχεια διερευνάται η χρήση ενός ενεργού φίλτρου συνδεδεμένου παράλληλα στην είσοδο του αντιστροφέα, ώστε να αντικατασταθεί ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής που απαιτείται, και εξετάζεται μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων η λειτουργία του προτεινόμενου βελτιωμένου τρόπου ελέγχου του φίλτρου. Ολοκληρώνοντας, στο Κεφάλαιο 7 γίνεται μία ανακεφαλαίωση της εργασίας, συνοψίζονται τα πρωτότυπα σημεία αυτής και αναδεικνύεται η συμβολή της στην επιστημονική περιοχή των μικρο-αντιστροφέων για Φ/Β συστήματα. iv

9 Ευχαριστίες Με την ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, Καθ. Στ. Μανιά καθώς και Επ. Καθ. Ν. Παπανικολάου, για τις παρατηρήσεις, υποδείξεις και συμβουλές τους, οι οποίες συνέβαλαν στη βελτίωση του επιπέδου της διατριβής. Ειδικά η συνεργασία μου με τον κ. Παπανικολάου δεν περιορίστηκε μόνο στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, αλλά επεκτάθηκε, τόσο με συνεργασία για υλοποίηση ερευνητικών προγραμμάτων, όσο και για συγγραφή επιστημονικών εργασιών, μέσω των οποίων είχα τη δυνατότητα να συζητήσω μαζί του σε βάθος επιστημονικά θέματα. Θα ήθελα επίσης να εκφράσω θερμές ευχαριστίες στον Καθ. Ε. Τατάκη, επιβλέποντα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, για την επιστημονική και ηθική υποστήριξή του όλα αυτά τα χρόνια. Η οπτική γωνία αντιμετώπισης οποιουδήποτε, επιστημονικού ή μη, προκύπτοντος προβλήματος θεωρώ ότι μου έμαθε πολλά για τον τρόπο συμπεριφοράς ενός Μηχανικού, του οποίου στόχος είναι να βρίσκει πάντα λύσεις. Η αμέριστη συμπαράστασή του, καθώς και η εμπιστοσύνη του, το ενδιαφέρον του και οι συμβουλές του σε όλα τα στάδια εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής, είναι πιστεύω βασικοί λόγοι για την ποιότητα του τελικού αποτελέσματος. Θεωρώ ότι η εκπόνηση μίας διδακτορικής διατριβής είναι αμιγώς προσωπική υπόθεση, αφού, πέρα από τις συμβουλές ή παρατηρήσεις που θα δεχτεί ο υποψήφιος, είναι εκείνος κύριος υπεύθυνος τόσο για το περιεχόμενο της διατριβής, όσο και για την ποιότητά της. Παρ όλα αυτά, πιστεύω ότι η επιτυχής ολοκλήρωση μίας διατριβής, καθώς και το τελικό επίπεδό της, είναι επίσης συνάρτηση του περιβάλλοντος μέσα στο οποίο εκπονήθηκε. Για το λόγο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω κατ αρχάς το «συγκάτοικό» μου όλα αυτά τα χρόνια Ι. Καρατζαφέρη για τη σχεδόν άψογη και παραγωγική συνεργασία που είχαμε, από την πρώτη μέρα που τον γνώρισα (και μου ζήτησε να τον βοηθήσω να κουβαλήσει μία ηλεκτρική μηχανή), μέχρι τώρα, όπου απέναντί μου γράφει το κείμενο της δικής του διδακτορικής διατριβής. Είμαι ευγνώμων για το ότι μπορούσα να έχω σε καθημερινή βάση ωφέλιμες συζητήσεις με Μηχανικό υψηλής τεχνικής κατάρτισης και τρόπου σκέψης. Είχα την τύχη, όντας μέλος του εργαστηρίου, να γνωρίσω δύο διαφορετικές γενιές υποψήφιων διδακτόρων του εργαστηρίου, με τους οποίους μοιράστηκα τον ίδιο χώρο. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Γ. Δημητρακάκη και Ι. Κομπούγια, οι οποίοι μου έδειξαν το δρόμο v

10 στα πρώτα μεταπτυχιακά μου χρόνια και τον τρόπο λειτουργίας στο εργαστήριο. Από την ίδια γενιά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Α. Κυρίτση, με τον οποίο μπορεί να γνωρίστηκα και να συνεργάστηκα τα τελευταία χρόνια, αλλά οι γνώσεις του και η βοήθειά του μου επέτρεψαν να εξετάσω υπάρχοντα θέματα από διαφορετική σκοπιά. Ευχαριστίες όμως πρέπει να δώσω και στους μεταπτυχιακούς φοιτητές και υποψήφιους διδάκτορες της νεότερης γενιάς, Σ. Συρίγο, Ν. Μήλα και Δ. Παπαθανασόπουλο, οι οποίοι όχι μόνο δημιούργησαν ένα ευχάριστο κλίμα στο εργαστήριο, αλλά ήταν επίσης πρόθυμοι να βοηθήσουν σε οποιοδήποτε θέμα είχε προκύψει. Ευχαριστώ επίσης το μέλος Δ.Ε.Π του Εργαστηρίου, Επ. Καθ. Ε. Μητρονίκα για τη συνεργασία που είχαμε σε ερευνητικά προγράμματα και όχι μόνο. Οφείλω να αναγνωρίσω επίσης τη βοήθεια του μέλους Ε.Τ.Ε.Π του Τομέα, Κ. Πέτρου, ο οποίος είχε πάντα κάποια ενδιαφέρουσα συσκευή να μου δείξει κάθε φορά που πήγαινα στο εργαστήριό του. Θα ήθελα ακόμα να ευχαριστήσω τους φίλους μου Α. Εμερετλή και Σ. Αλειφέρη, με τους οποίους είχα κοινή πορεία τόσο στα προπτυχιακά μου χρόνια, όσο και στα πρώτα μεταπτυχιακά μου χρόνια. Ευχαριστώ επίσης τους Γ. Καμπίτση και Ε. Γατή για την αλληλοβοήθεια και υποστήριξη που είχαμε στο στάδια της ολοκλήρωσης των διδακτορικών μας διατριβών. Στο ίδιο μήκος κύματος, ευχαριστώ τον αδερφό μου Δημήτρη και τους γονείς μου για την αμέριστη υποστήριξη και συμπαράσταση που είχα. Ξεχωριστά όμως θα πρέπει να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον Α. Νανάκο, μέλος της προηγούμενης γενιάς του εργαστηρίου και «προκάτοχό» μου, με τον οποίο η συνεργασία μου δεν περιορίστηκε μόνο στο ερευνητικό πλαίσιο. Ήδη από τα προπτυχιακά μου χρόνια, μου έδειξε τα χαρακτηριστικά και τις δεξιότητες που θα πρέπει να έχει ένας σωστός Μηχανικός και με αυτό τον τρόπο, με καθοδήγησε στα επόμενά μου βήματα. Θεωρώ μεγάλο προνόμιο τη δυνατότητα που μου δόθηκε να συνεργαστώ μαζί του και να μπορώ να ακούω τις συμβουλές του και τη γνώμη του. vi

11 Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή Στόχοι... 1 Ε.1. Φωτοβολταϊκά συστήματα...1 Ε.. Στόχοι διδακτορικής διατριβής...4 Κεφάλαιο Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος Εισαγωγή Κτηριακά Φ/Β συστήματα Μικρο-αντιστροφείς Κατηγοριοποίηση μικρο-αντιστροφέων Μετατροπείς μίας ή περισσότερων βαθμίδων Μετατροπείς με ή χωρίς ζεύξη συνεχούς τάσης Κανονισμοί για τη διασύνδεση Φ/Β συστημάτων, απαιτήσεις και σύγχρονες τάσεις Διεθνείς κανονισμοί για τη λειτουργία Φ/Β συστημάτων διασυνδεδεμένων στο δίκτυο Απαιτούμενα χαρακτηριστικά ενός σύγχρονου Φ/Β αντιστροφέα Νέες τάσεις στην τεχνολογία Φ/Β συστημάτων Συμπεράσματα και επιλογή τοπολογίας μικρο-αντιστροφέα...19 Κεφάλαιο... 1 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου Εισαγωγή Τοπολογίες μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback και καταστάσεις λειτουργίας Λειτουργία στην Κατάσταση Ασυνεχούς Αγωγής (DCM) Λειτουργία στην Οριακή Κατάσταση Συνεχούς/Ασυνεχούς Αγωγής (BCM και i-bcm) Περιγραφή μηχανισμών απωλειών μετατροπέα Απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων Απώλειες μαγνητικών στοιχείων Μεθοδολογία βέλτιστου σχεδιασμού Επιλογή αντικειμενικής συνάρτησης Καθορισμός σχεδιαστικών μεταβλητών Καταγραφή προδιαγραφών και περιοριστικών συνθηκών...4 vii

12 .6.4. Υλοποίηση αλγορίθμου βελτιστοποίησης Σύγκριση μεθόδων μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων Σχεδιασμός μικρο-αντιστροφέα για διαφορετικούς τύπους Φ/Β πλαισίων Σχεδιασμός μικρο-αντιστροφέα προσαρμοσμένου σε συγκεκριμένο Φ/Β πλαίσιο Συμπεράσματα...51 Κεφάλαιο Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα Εισαγωγή Μαθηματική ανάλυση της προτεινόμενης μεθόδου DBCM Μεθοδολογία σχεδιασμού και εφαρμογή σε δεδομένο μικρο-αντιστροφέα Αποτελέσματα προσομοίωσης Πειραματική μέτρηση βελτίωσης της απόδοσης Συμπεράσματα...7 Κεφάλαιο Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM Εισαγωγή Υπολογισμός απωλειών Απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων Απώλειες μαγνητικών στοιχείων Μεθοδολογία και παράδειγμα βέλτιστου σχεδιασμού Πειραματικά αποτελέσματα Διερεύνηση του βέλτιστου σχεδιασμού για διαφορετικές προδιαγραφές Συμπεράσματα...91 Κεφάλαιο Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων Εισαγωγή Τρόποι λειτουργίας Μαθηματική ανάλυση και σχεδίαση μετατροπέα Παλμοδότηση μετατροπέα πολλαπλών κλάδων Υπολογισμός μέσων και ενεργών τιμών ρευμάτων και ανάλυση απωλειών Σχεδίαση μετατροπέα Αποτελέσματα προσομοίωσης Πειραματικά αποτελέσματα viii

13 5.6. Κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων Συμπεράσματα Κεφάλαιο Σχεδιασμός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα σύγχρονων προδιαγραφών και απαιτήσεων Εισαγωγή Ανίχνευση φαινομένου νησίδας Λειτουργία στο σημείο μέγιστης παραγόμενης ισχύος Παροχή άεργου ισχύος Χρήση ενεργού φίλτρου για εξομάλυνση ρεύματος εξόδου Φ/Β πλαισίου Κεφάλαιο Ανακεφαλαίωση Συμβολή Ανακεφαλαίωση Συμβολή της παρούσας εργασίας Βιβλιογραφία Πίνακας Συμβολισμών Συντομογραφίες Παράρτημα Περίληψη Summary ix

14 x

15 1 Εισαγωγή Στόχοι Ε.1. Φωτοβολταϊκά συστήματα Η χρήση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας είναι τα τελευταία χρόνια επιβεβλημένη, τόσο από τις διεθνείς συνθήκες που έχουν υπογραφεί, όσο και από τη ραγδαία αύξηση της παγκόσμιας ενεργειακής ζήτησης, λόγω των σύγχρονων κοινωνικών και βιομηχανικών απαιτήσεων. Με τη μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων και την παράλληλη αύξηση του κόστους εξόρυξής τους, καθώς και την αυξημένη ρύπανση που προκαλείται λόγω της χρήσης τους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η κοινωνία έχει προχωρήσει με μεγάλα βήματα στην υιοθέτηση «καθαρών» και ανανεώσιμων μορφών για την παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Κύρια πηγή ενέργειας αυτής της μορφής είναι η ηλιακή, η οποία μετατρέπεται είτε σε θερμική (π.χ. ηλιακοί θερμοσίφωνες), είτε σε ηλεκτρική μέσω των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) συστημάτων. Δύο είναι τα βασικά δομικά στοιχεία αυτών των συστημάτων: τα Φ/Β πλαίσια, μέσω των οποίων πραγματοποιείται η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας με τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, καθώς και οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, ρόλος των οποίων είναι η μετατροπή της ακανόνιστης ηλεκτρικής τάσης εξόδου του πλαισίου σε μορφή εύκολα εκμεταλλεύσιμη από το χρήστη. Η βασική κατηγοριοποίηση των Φ/Β συστημάτων μπορεί να γίνει ανάλογα με τη σύνδεσή τους, ή όχι, με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. Συστήματα μη διασυνδεδεμένα ονομάζονται αυτόνομα και μπορούν να τροφοδοτούν φορτία είτε συνεχούς είτε εναλλασσόμενου ρεύματος. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε απομακρυσμένες περιοχές, για τις οποίες η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου κρίνεται ασύμφορη, και τροφοδοτούν συνήθως φορτία μικρής ισχύος. Επιπρόσθετα μπορούν να συνδυαστούν και με άλλες πηγές ενέργειας (ανανεώσιμες ή συμβατικές) ή διατάξεις ενδιάμεσης αποθήκευσης ενέργειας και σε αυτή την περίπτωση ονομάζονται υβριδικά Φ/Β συστήματα. Παραδείγματα τέτοιων δικτύων αποτελούν απομακρυσμένες κατοικίες αλλά και συστήματα τηλεπικοινωνιών, φωτισμού και σηματοδότησης δρόμων ή άντλησης νερού. Πολύ πιο δημοφιλή, τόσο από άποψη ερευνητικού ενδιαφέροντος όσο και από την πρακτική τους εφαρμογή, είναι τα Φ/Β συστήματα που είναι διασυνδεδεμένα στο ηλεκτρικό δίκτυο [1] [3]. Μάλιστα, παρατηρώντας τη διακύμανση του ημερησίου φορτίου του δικτύου, υπάρχει μεγάλος βαθμός συσχέτισης με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μίας τυπικής ημέρας [4]. Η κύρια αιχμή του φορτίου εμφανίζεται το μεσημέρι, χρονικά πολύ κοντά με τη στιγμή που εμφανίζεται και η μέγιστη ηλιακή ακτινοβολία, το οποίο ισοδυναμεί με τη μέγιστη Χρηστίδης Γεώργιος

16 Εισαγωγή Στόχοι παραγωγή ενέργειας από τα Φ/Β πλαίσια. Με αυτό τον τρόπο γίνεται φανερό ότι τα Φ/Β συστήματα συμβάλλουν σημαντικά στην εξομάλυνση αιχμών του φορτίου και με την ανάπτυξή τους, εκτός από τα οικονομικά οφέλη που προσφέρονται, βελτιώνεται και η ευστάθεια του ηλεκτρικού δικτύου. Ως γνωστόν, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται μακριά από τα κέντρα κατανάλωσης, που είναι οι μεγάλες πόλεις, τόσο για λόγους κοινωνικούς (π.χ. ρύπανση, κόστος εγκατάστασης) όσο και πρακτικούς (π.χ. απόσταση από σημεία εξόρυξης πρώτων υλών). Ως εκ τούτου, ρόλος του συστήματος μεταφοράς κάθε χώρας είναι να συνδεθούν τα κέντρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με αυτά της κατανάλωσής της. Για τη μείωση των απωλειών, η μεταφορά γίνεται σε υψηλή ή υπερυψηλή τάση (150kV και 400kV), ώστε να μειωθεί το απαιτούμενο ρεύμα για δεδομένη ισχύ και άρα και οι ωμικές απώλειες των καλωδίων που χρησιμοποιούνται. Αντίθετα, η χρησιμοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται σε χαμηλή τάση και πάλι για πρακτικούς λόγους, ενώ τα συστήματα διανομής εντός των οικισμών λειτουργούν στη μέση τάση, που όπως φαίνεται και από τον όρο, είναι το ενδιάμεσο επίπεδο τάσης ανάμεσα σε αυτό της μεταφοράς και σε αυτό της κατανάλωσης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, το ποσοστό των ενεργειακών απωλειών στο δίκτυο μεταφοράς ανέρχεται στο % της παραγόμενης ισχύος, ενώ στο σύστημα διανομής στο 7,5% αντίστοιχα, με τα δύο τρίτα σχεδόν να εμφανίζονται στο σύστημα χαμηλής τάσης [5]. Επομένως, είναι εμφανές ότι βασικό μειονέκτημα της απόστασης μεταξύ των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τα κέντρα κατανάλωσης είναι, εκτός από το κόστος αρχικής εγκατάστασης των γραμμών διασύνδεσής τους, το σημαντικό ποσοστό που χάνεται κατά τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Η πλειοψηφία των σταθμών παραγωγής τόσο των συμβατικών όσο και των ανανεώσιμων μορφών για την παραγωγή ενέργειας είναι γενικά δύσκολο να μεταφερθούν κοντά στα κέντρα κατανάλωσης. Η διαίρεσή τους σε μικρότερους είναι επίσης ασύμφορη λόγω του αυξημένου κόστους λειτουργίας πολλαπλών μονάδων και της μικρότερης απόδοσης. Εξαίρεση όμως αποτελεί η περίπτωση των Φ/Β συστημάτων. Όπως και με τις υπόλοιπες μορφές, υπάρχουν κεντρικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας από τον ήλιο (Φ/Β πάρκα), οι οποίοι αποτελούνται από μεγάλες εκτάσεις καλυμμένες με Φ/Β πλαίσια, εκτός των κατοικημένων περιοχών και οι οποίοι, μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, συνδέονται συνήθως στο δίκτυο μέσης τάσης [6]. Παραγωγή ενέργειας όμως και έγχυσή της στο δίκτυο μπορεί να επιτευχθεί ακόμα και μέσω μίας μονάδας, δηλαδή ενός Φ/Β πλαισίου. Επομένως, σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μορφές ενέργειας, η εγκατάσταση αριθμού Φ/Β πλαισίων εντός των πόλεων (π.χ. στέγες κτηρίων, στέγαστρα χώρων) είναι αρκετά δημοφιλής [1] [3], [7] [9]. Διδακτορική Διατριβή

17 Εισαγωγή Στόχοι 3 Όσον αφορά στη διασύνδεση αυτών των πλαισίων με το ηλεκτρικό δίκτυο, δύο είναι οι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους μπορεί να επιτευχθεί. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος όταν υπάρχει αριθμός πλαισίων (τυπικά μεγαλύτερος από δέκα) είναι διασύνδεσή μεταξύ τους (σε σειρά ή/και παράλληλα για να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο τάσης και ρεύματος) και η χρήση ενός κεντρικού ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος (αντιστροφέα) για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης εξόδου των πλαισίων σε εναλλασσόμενη και τη σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο [10] [13]. Σε περίπτωση που ο αριθμός των διαθέσιμων πλαισίων είναι αυξημένος, ενδέχεται να υπάρχουν και ενδιάμεσοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή μεταξύ των Φ/Β πλαισίων και της αλυσίδας, για την προσαρμογή της τάσης κάθε ομάδας Φ/Β πλαισίων στις απαιτήσεις του δικτύου και κατ επέκταση του αντιστροφέα. Εναλλακτικά, κάθε μονάδα (Φ/Β πλαίσιο) μπορεί να συνδεθεί αυτόνομα με το ηλεκτρικό δίκτυο με τη χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα (μικρο-αντιστροφέα), ονομαστικής ισχύος όσης και εκείνης του μεμονωμένου πλαισίου. Ο μικρο-αντιστροφέας μετατρέπει τη συνεχή τάση του πλαισίου σε εναλλασσόμενη, μπορεί όμως να αποτελείται είτε από μία βαθμίδα μετατροπής, είτε από περισσότερες (συνήθως δύο) [10], [14]. Βασικά πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας είναι η μέγιστη εκμετάλλευση της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας που αναλογεί σε κάθε πλαίσιο καθώς και η αυξημένη αξιοπιστία και ευκολία εγκατάστασης που παρέχει. Αντίθετα το κύριο μειονέκτημα είναι ο μειωμένος βαθμός απόδοσης που παρατηρείται, δεδομένου ότι κάθε μικρο-αντιστροφέας είναι σχετικά μικρής ονομαστικής ισχύος και ο λόγος ανύψωσης της τάσης που απαιτείται είναι αρκετά μεγάλος, σε σχέση με τους κεντρικούς αντιστροφείς, στους οποίους συνήθως δεν απαιτείται ανύψωση τάσης. Αδιαφιλονίκητος κυρίαρχος στη σύγκριση των μετατροπέων μίας ή περισσότερων βαθμίδων δεν υπάρχει, ούτε στην ερευνητική κοινότητα, με βάση τις διάφορες συγκριτικές δημοσιεύσεις, αλλά ούτε στο βιομηχανικό χώρο, παρατηρώντας τα προϊόντα που υπάρχουν στην αγορά, δεδομένου ότι κάθε τεχνολογία έχει τα θετικά και τα αρνητικά της. Όσον αφορά στους μετατροπείς ενός σταδίου, βασικά τους χαρακτηριστικά είναι η συγκριτική απλότητα δομής και κατασκευής και η αξιοπιστία που συνεπάγεται, μαζί με το μειωμένο κόστος και όγκο, σημαντικά στοιχεία για την κατασκευή ενός μικρο-αντιστροφέα. Από την άλλη πλευρά, ένας μικρο-αντιστροφέας πολλών σταδίων, χρειάζεται συνήθως παθητικά στοιχεία μικρότερης τιμής για τη διαχείριση του ίδιου ποσού ενέργειας, λόγω της λειτουργίας τους σε υψηλότερη τάση, ενώ και ο έλεγχός του είναι σχετικά ευκολότερος, αφού χωρίζεται σε μικρότερα μερικώς ανεξάρτητα τμήματα. Ολοκληρώνοντας, αξίζει να αναφερθεί ότι η τεχνολογία των μικρο-αντιστροφέων συναντάται στη διεθνή βιβλιογραφία με διαφορετικές ορολογίες. Η τεχνολογία προοριζόταν Χρηστίδης Γεώργιος

18 4 Εισαγωγή Στόχοι αρχικά προς τις κατασκευάστριες εταιρείες Φ/Β πλαισίων, ώστε ο μετατροπέας να ενσωματώνεται κατά τη διάρκεια κατασκευής του πλαισίου στο κουτί διασύνδεσής του. Ως αποτέλεσμα αυτού, ο χρήστης θα έπρεπε να συνδέσει το Φ/Β πλαίσιο απευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης, συνεπώς αυτό το νέο προϊόν ονομάστηκε Φ/Β πλαίσιο εναλλασσόμενου ρεύματος (AC/PV module) [15]. Για τον ίδιο ακριβώς τρόπο κατασκευής εμφανίζεται και ο όρος Module Integrated Converter (MIC) [16], δεδομένου ότι ο μετατροπέας είναι ήδη προεγκατεστημένος στο Φ/Β πλαίσιο. Άλλες κατασκευάστριες εταιρείες επικεντρώθηκαν μόνο στην κατασκευή του μετατροπέα, με στόχο να διατίθεται ανεξάρτητα και ο χρήστης να είναι εκείνος που θα επιλέξει το συνδυασμό Φ/Β πλαισίου και μικρο-αντιστροφέα. Με την πάροδο των χρόνων, κάποιες κατασκευάστριες εταιρείες μικρο-αντιστροφέων εξαγοράστηκαν από εταιρίες κατασκευής Φ/Β πλαισίων ώστε να διατίθενται στην αγορά Φ/Β πλαίσια με ενσωματωμένους μετατροπείς. Και οι δύο εναλλακτικές τεχνολογίες είναι διαθέσιμες, κυρίως για το αμερικανικό ηλεκτρικό δίκτυο. Ε.. Στόχοι διδακτορικής διατριβής Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε κτηριακά Φ/Β συστήματα, στα οποία κάθε Φ/Β πλαίσιο συνδέεται με το δίκτυο χαμηλής τάσης ξεχωριστά και ανεξάρτητα, με χρήση μικρο-αντιστροφέων, οι οποίοι είναι μονάδες ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος μέσω των οποίων η συνεχής τάση εξόδου κάθε Φ/Β πλαισίου ανυψώνεται και μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη. Τα συστήματα αυτά θα πρέπει να παρουσιάζουν υψηλό βαθμό απόδοσης σε μεγάλο εύρος λειτουργίας για τη μέγιστη εκμετάλλευση της παρεχόμενος ηλιακής ενέργειας, καθώς και να πληρούν όλες τις διεθνείς προδιαγραφές για την ασφαλή λειτουργία τους. Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την ενδελεχή διερεύνηση και βελτίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, με στόχο την επίτευξη του υψηλότερου δυνατού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης. Ο μετατροπέας αυτός είναι ένας μικρο-αντιστροφέας μίας βαθμίδας που ενσωματώνει, με τον καλύτερο δυνατό τρόπο, τα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης τοπολογίας (απλότητα τοπολογίας, μικρός αριθμός στοιχείων, χαμηλό κόστος, υψηλή αξιοπιστία, ηλεκτρική απομόνωση μέσω υψίσυχνου μετασχηματιστή, απλός έλεγχος). Για την επίτευξη του προαναφερθέντος στόχου αναπτύχθηκε μία νέα υβριδική μέθοδος ελέγχου για το συγκεκριμένο αντιστροφέα (ονομάστηκε DBCM), μέσω της οποίας, κατά τη διάρκεια μίας περιόδου του ηλεκτρικού δικτύου, ο μετατροπέας λειτουργεί σε διαφορετικές καταστάσεις αγωγής, με σκοπό την αύξηση της απόδοσής του. Για τη συγκεκριμένη μέθοδο παλμοδότησης περιγράφονται οι απώλειες που εμφανίζονται στα Διδακτορική Διατριβή

19 Εισαγωγή Στόχοι 5 επιμέρους στοιχεία του μετατροπέα, με τον υπολογισμό των απαιτούμενων ηλεκτρικών μεγεθών, με σκοπό να εφαρμοστεί ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης των παραμέτρων σχεδιασμού που αποσκοπεί στη μεγιστοποίηση του σταθμισμένου βαθμού απόδοσής του. Στη συνέχεια, η νέα μέθοδος επεκτείνεται και για εφαρμογή σε μετατροπέα πολλαπλών κλάδων, για τον οποίο προτείνεται μία νέα μεθοδολογία λειτουργίας του, υπολογίζονται εκ νέου τα ηλεκτρικά μεγέθη του και εφαρμόζεται μέθοδος βέλτιστου σχεδιασμού για την αύξηση του βαθμού απόδοσής του. Επιπρόσθετα γίνεται διερεύνηση δευτερευουσών πτυχών του μικρο-αντιστροφέα, οι οποίες απορρέουν από τις σύγχρονες απαιτήσεις και τα διεθνή πρότυπα των Φ/Β συστημάτων. Πρώτος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάλυση μίας νέας μεθόδου ελέγχου η οποία βασίζεται στο συνδυασμό των ήδη υπαρχουσών. Πιο συγκεκριμένα, με τη μελέτη της λειτουργίας σε Κατάσταση Ασυνεχούς Αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM), καθώς και της λειτουργίας στο Όριο μεταξύ των Καταστάσεων Συνεχούς και Ασυνεχούς Αγωγής (Boundary Conduction Mode, BCM), προκύπτει ότι κάθε τρόπος λειτουργίας παρουσιάζει συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Αφού αναλυθεί η λειτουργία για τις δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου, προτείνεται ο συνδυασμός των δύο κατά τη διάρκεια μίας περιόδου του ηλεκτρικού δικτύου, με σκοπό να επιτευχθεί υψηλός βαθμός απόδοσης για μεγάλο εύρος λειτουργίας (σταθμισμένος βαθμός απόδοσης), το οποίο είναι απαραίτητη προϋπόθεση για εφαρμογές Φ/Β συστημάτων, λόγω της μεταβλητής ηλιακής ακτινοβολίας και διαθέσιμης ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας. Για τη νέα υβριδική μέθοδο λειτουργίας υπολογίζονται αναλυτικά οι σχέσεις που περιγράφουν τον τρόπο παλμοδότησης του μετατροπέα, ώστε να παρέχεται στο δίκτυο καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα. Δεύτερος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πλήρης ανάλυση των ηλεκτρικών μεγεθών του αντιστροφέα για την προτεινόμενη υβριδική μέθοδο, με σκοπό την περιγραφή των απωλειών κάθε στοιχείου του μετατροπέα. Πιο συγκεκριμένα, υπολογίζονται οι απώλειες αγωγής και οι διακοπτικές απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων, οι απώλειες στον πυρήνα του μετασχηματιστή καθώς και οι απώλειες στα τυλίγματά του. Ο υπολογισμός αυτός είναι απαραίτητος ώστε στη συνέχεια να εφαρμοστεί μία τεχνική βέλτιστου σχεδιασμού του μετατροπέα, με βάση την οποία επιλέγονται κατάλληλα όλες οι λειτουργικές και κατασκευαστικές παράμετροι, με σκοπό να επιτευχθεί ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης για τις εκάστοτε προδιαγραφές. Τρίτος στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η επέκταση της προτεινόμενης μεθόδου παλμοδότησης σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων (interleaved). Αφού αναλυθούν οι διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας που υπάρχουν σε ένα τέτοιου τύπου Χρηστίδης Γεώργιος

20 6 Εισαγωγή Στόχοι μετατροπέα, εξετάζεται πώς μπορεί να αυξηθεί ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσής του με βάση την προτεινόμενη υβριδική μέθοδο παλμοδότησης. Υπολογίζονται εκ νέου όλα τα ηλεκτρικά μεγέθη του μετατροπέα λόγω των διαφορετικών τρόπων λειτουργίας που προκύπτουν, ώστε στη συνέχεια να αναλυθεί ο βέλτιστος σχεδιασμός ενός τέτοιου μετατροπέα με βάση την περιγραφή των απωλειών των στοιχείων του. Τέταρτος και τελευταίος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατασκευή ενός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα, για τον οποίο να αξιοποιούνται όλες οι παραπάνω τεχνικές βελτίωσης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσής του. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται μικρο-ελεγκτής υψηλών δυνατοτήτων, ώστε, εκτός από την εφαρμογή της προτεινόμενης υβριδικής παλμοδότησης, να ενσωματώνονται στη στρατηγική ελέγχου και άλλες υποχρεωτικές από τους διεθνείς κανονισμούς λειτουργίες, όπως η προστασία από το φαινόμενο νησίδας (anti-islanding) καθώς και μέθοδος εντοπισμού σημείου μέγιστης ισχύος του Φ/Β πλαισίου. Διερευνάται επιπρόσθετα η δυνατότητα παροχής άεργου ισχύος από το μετατροπέα και η χρήση ενεργού φίλτρου στην είσοδο, με σκοπό την αντικατάσταση του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή και την αύξηση της αξιοπιστίας του μικρο-αντιστροφέα. Διδακτορική Διατριβή

21 7 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος 1.1. Εισαγωγή Η συμβολή των διασυνδεδεμένων Φ/Β συστημάτων στο ηλεκτρικό δίκτυο είναι δεδομένη [1] [3], [7] [9], τόσο από την άποψη της παραγωγής ενέργειας από δωρεάν και συνεχώς ανανεώσιμη πηγή, όσο και από το γεγονός ότι παρέχει κρίσιμα ποσά ενέργειας στις ώρες μέγιστης κατανάλωσης, τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας (η ηλιακή ακτινοβολία είναι μέγιστη το μεσημέρι, όπου και εμφανίζεται η κύρια αιχμή στην κατανάλωση), όσο και κατά τη διάρκεια του έτους (η μέγιστη παραγωγή από Φ/Β συστήματα στη χώρα μας εμφανίζεται τους θερινούς μήνες, κατά τους οποίους παρατηρείται και η μέγιστη κατανάλωση και καταπόνηση του συστήματος). Σε αντίθεση με την κατασκευή σταθμών παραγωγής από άλλες μορφές ενέργειας, ίσως η μοναδική απαίτηση για την κατασκευή ενός Φ/Β συστήματος για την παραγωγή ενέργειας, είναι η ύπαρξη μη καλυμμένης επιφάνειας, καθώς φυσικά και η παρουσία ηλεκτρικής γραμμής σε κοντινή απόσταση για την παροχή της ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο. Δεν είναι αναγκαία για παράδειγμα η εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος κοντά σε θάλασσα ή ποτάμι (το τρεχούμενο νερό απαιτείται για την ψύξη του σταθμού) ή η εγκατάσταση του σε ορεινή περιοχή, όπως είναι η συνήθης περίπτωση για συστήματα ανεμογεννητριών. Ως εκ τούτου, όπως και με τις υπόλοιπες μορφές παραγωγής ενέργειας, υπάρχουν Φ/Β πάρκα μεγάλης ισχύος (με εγκατεστημένη ισχύ μεγαλύτερη των 50MW συνήθως), τα οποία είναι μακριά από κατοικημένες περιοχές, όπου το κόστος για τη χρήση γης είναι συγκριτικά πολύ χαμηλότερο. Λόγω του μεγάλου επιπέδου παραγόμενης ισχύος, καθώς και της θέσης τους, τα συστήματα αυτά συνδέονται απ ευθείας στο δίκτυο μέσης ή υψηλής τάσης, ανάλογα με την περιοχή στην οποία βρίσκονται [6]. Τα συστήματα αυτά αποτελούν την κεντρικοποιημένη (centralized) παραγωγή και έχουν κατά κανόνα αυξημένο βαθμό απόδοσης. Όπως όμως αναφέρθηκε και στην Εισαγωγή, αυτά τα συστήματα έχουν το κοινό μειονέκτημα της μεγάλης απόστασης από τα κέντρα κατανάλωσης, δηλαδή τις μεγάλες πόλεις, με αποτέλεσμα ένα ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας να χάνεται ως θερμότητα στο σύστημα μεταφοράς και να μην είναι αξιοποιήσιμο. Βασικό πλεονέκτημα των Φ/Β συστημάτων είναι ότι συστήματα μικρότερης ισχύος σε σχέση με αυτά των απομακρυσμένων σταθμών παραγωγής μπορούν να εγκατασταθούν σε ημιαστικές ή και αστικές περιοχές, σε Χρηστίδης Γεώργιος

22 8 Κεφάλαιο 1 ακάλυπτους χώρους, είτε πρόκειται για αγροτικές περιοχές, είτε για στέγες κτηρίων. Η συγκεκριμένη μορφή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα ονομάζεται διεσπαρμένη (dispersed) η αποκεντρωμένη (decentralized). Ανάλογα με την ισχύ του συστήματος, η οποία δεν ξεπερνά το 1MW, συνδέονται είτε στο δίκτυο χαμηλής τάσης (ισχύς μέχρι 100kW), είτε στο δίκτυο μέσης τάσης [1] [3]. 1.. Κτηριακά Φ/Β συστήματα Ένα από τα πιο δημοφιλή παραδείγματα της αποκεντρωμένης παραγωγής είναι τα κτηριακά Φ/Β συστήματα (Building Integrated Photovoltaics, BIPV) [7] [9], στα οποία και εστιάζει η παρούσα διδακτορική διατριβή. Η ισχύς τους κυμαίνεται συνήθως από μερικές εκατοντάδες W έως και μερικά kw και είναι εγκατεστημένα είτε στις οροφές είτε στις προσόψεις των κτηρίων, καθώς και σε στέγαστρα χώρων στάθμευσης, ακάλυπτους χώρους κ.α. Σημαντικό τους πλεονέκτημα, εκτός φυσικά από την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμη πηγή, είναι η εγκατάστασή τους ακριβώς δίπλα στο κέντρο κατανάλωσης της ενέργειας, πρακτικά μηδενίζοντας τις απώλειες μεταφοράς της και αυξάνοντας την ευστάθεια του ηλεκτρικού συστήματος. Λόγω του μικρότερου επιπέδου ισχύος τους, ο βαθμός απόδοσής τους είναι περιορισμένος, σε σχέση με τους Φ/Β σταθμούς κεντρικοποιημένης παραγωγής. Κάθε Φ/Β σύστημα αυτής της μορφής αποτελείται από δύο βασικά δομικά στοιχεία, τα Φ/Β πλαίσια, που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική, και τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, μέσω του οποίου εγχέεται η ενέργεια στο ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης. Όσον αφορά στα Φ/Β πλαίσια, κάθε πλαίσιο έχει εμβαδό 1τ.μ. - τ.μ. και ονομαστική ισχύ έως 300W. Το συνηθέστερο υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή των Φ/Β κυττάρων, των βασικών μονάδων των Φ/Β πλαισίων είναι το πυρίτιο (Si), όμως υπάρχουν και άλλα, όπως το Γάλλιο-Αρσενικό (GaAs), o Δισελινιούχος Ινδικός Χαλκός (CIS) και το Τελλουριούχο Κάδμιο (CdTe). Τα Φ/Β κύτταρα από πυρίτιο, ανάλογα με την επεξεργασία που ακολουθείται, μπορεί να είναι κατασκευασμένα είτε από άμορφο πυρίτιο, είτε από κρυσταλλικό πυρίτιο (μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό). Κάθε τύπος Φ/Β πλαισίου έχει τα δικά του πλεονεκτήματα, είτε όσον αφορά στο κόστος, είτε στην απόδοση (ποσοστό μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική), είτε στην εξάρτησή του από τη θερμοκρασία. Ο βαθμός απόδοσης των συνηθέστερων πλαισίων που χρησιμοποιούνται σε κτηριακά Φ/Β συστήματα είναι της τάξης του 0%, ενώ υπάρχουν και Φ/Β πλαίσια υψηλής καθαρότητας που μπορούν Διδακτορική Διατριβή

23 Ισχύς Φ/Β πλαισίου (W) Ρεύμα Φ/Β πλαισίου (Α) Ισχύς Φ/Β πλαισίου (W) Ρεύμα Φ/Β πλαισίου (Α) Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος W/m 800W/m 600W/m Τάση Φ/Β πλαισίου (V) Σχ. 1.1: Ρεύμα και ισχύς εξόδου Φ/Β πλαισίου για διαφορετική ακτινοβολία, για θερμοκρασία 5 o C o C 0 o C 60 o C Σχ. 1.: Ρεύμα και ισχύς εξόδου Φ/Β πλαισίου για διαφορετική θερμοκρασία, για ακτινοβολία 1000W/m. να φτάσουν σε απόδοση μέχρι και 30% (συνήθως χρησιμοποιώντας GaAs) και χρησιμοποιούνται σε διαστημικές εφαρμογές. Τάση Φ/Β πλαισίου (V) Κάθε πλαίσιο έχει δύο ηλεκτρικούς ακροδέκτες, στους οποίους, σε κατάσταση ανοιχτοκυκλώματος, εμφανίζεται τάση η οποία εξαρτάται από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία καθώς και τη θερμοκρασία του πλαισίου. Σε κατάσταση βραχυκυκλώματος του πλαισίου, η τιμή του ρεύματος είναι και πάλι συνάρτηση των περιβαλλοντικών συνθηκών. Πιο συγκεκριμένα, για να φανεί η εξάρτηση των ηλεκτρικών μεγεθών του Φ/Β πλαισίου από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, το Φ/Β πλαίσιο μοντελοποιήθηκε σε περιβάλλον Matlab, χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις που περιγράφονται στην εργασία [17]. Στο Σχ. 1.1 παρουσιάζεται το ρεύμα και η ισχύς ως συνάρτηση της τάσης ενός τυπικού Φ/Β πλαισίου που προορίζεται και κτηριακά Φ/Β συστήματα. Για την ανάλυση αυτή χρησιμοποιήθηκε ένα Φ/Β πλαίσιο ονομαστικής ισχύος 180W και ονομαστικής τάσης 36V, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί και σε επόμενα κεφάλαια. Στο σχήμα φαίνεται πώς μεταβάλλεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης του Φ/Β πλαισίου και κατά συνέπεια και η ισχύς εξόδου, καθώς μειώνεται η προσπίπτουσα Χρηστίδης Γεώργιος

24 10 Κεφάλαιο 1 ακτινοβολία. Επιπρόσθετα, στο Σχ. 1. παρουσιάζονται οι ίδιες γραφικές παραστάσεις για το Φ/Β πλαίσιο με σταθερή προσπίπτουσα ακτινοβολία αλλά για διαφορετικές θερμοκρασίες. Με βάση αυτό το σχήμα φαίνεται ότι με την αλλαγή της θερμοκρασίας επηρεάζεται σημαντικά η τάση ανοιχτοκύκλωσης του πλαισίου και κατ επέκταση και η ισχύς εξόδου του. Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο, το οποίο θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο, είναι ότι το σημείο στο οποίο αποδίδεται η μέγιστη δυνατή ισχύς από το Φ/Β πλαίσιο είναι συγκεκριμένο και μοναδικό για τις εκάστοτε περιβαλλοντικές συνθήκες. Επομένως, οποιαδήποτε απόκλιση από αυτό το σημείο ισοδυναμεί με μη εκμετάλλευση της μέγιστης ισχύος που μπορεί να αποδοθεί από το Φ/Β πλαίσιο. Τέλος, με βάση τα σχήματα αυτά, φαίνεται ότι η τάση εξόδου του πλαισίου είναι συνεχής και σχετικά χαμηλής τιμής, τυπικά κάτω των 50V. Επομένως, η τάση αυτή πρέπει να ανυψωθεί και να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη στο επίπεδο του δικτύου χαμηλής τάσης (30V / 50Hz για το ευρωπαϊκό δίκτυο). Αυτό το ρόλο τον αναλαμβάνει ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος. Τυπικά, στη στέγη ενός κτηρίου θα εγκατασταθούν πολλαπλά Φ/Β πλαίσια. Αντίστοιχα και ο αριθμός των ηλεκτρονικών μετατροπέων που θα χρησιμοποιηθούν ποικίλει [10] [1], [14], [16], [18] [0]. Λόγω του χαμηλού επιπέδου της τάσης εξόδου των Φ/Β πλαισίων, πολλά πλαίσια δύναται να συνδεθούν σε σειρά ώστε να επιτευχθεί το απαιτούμενο επίπεδο συνεχούς τάσης. Η σε σειρά σύνδεση πολλών τέτοιων πλαισίων ονομάζεται αλυσίδα (string). Στην έξοδο κάθε αλυσίδας χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας από συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας), για να τη συνδέσει με το ηλεκτρικό δίκτυο. Λόγω του επιπέδου τάσης στην έξοδο της αλυσίδας, δεν απαιτείται τυπικά άλλη μετατροπή. Η τεχνολογία αλυσίδας είναι ο συνηθέστερος τρόπος διασύνδεσης κτηριακών Φ/Β πλαισίων με το ηλεκτρικό δίκτυο. Στην περίπτωση αυξημένης εγκατεστημένης ισχύος, δύναται να συνδεθούν είτε ξεχωριστοί αντιστροφείς για κάθε ξεχωριστή αλυσίδα, είτε ένας αντιστροφέας μεγάλης ονομαστικής ισχύος, στον οποίο θα συνδεθούν όλα τα Φ/Β πλαίσια. Το επίπεδο της τάσης που απαιτείται στην είσοδο του αντιστροφέα είναι δεδομένο και συνήθως λίγο μεγαλύτερο από το επίπεδο της τάσης του δικτύου. Επομένως, στην περίπτωση μεγάλου αριθμού Φ/Β πλαισίων, δεν είναι δυνατό να σχηματιστεί μία μόνο αλυσίδα (λόγω της εξαιρετικά υψηλής τάσης εξόδου) αλλά είτε τα πλαίσια συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά και παράλληλα, είτε σχηματίζονται μικρότερες αλυσίδες. Σε αυτή την περίπτωση, ενδέχεται, για ομοιομορφία της τάσης εξόδου, η οποία είναι απαραίτητη για τη μέγιστη εκμετάλλευση της διαθέσιμης ενέργειας όπως θα φανεί σε επόμενο κεφάλαιο, να συνδεθούν ανάμεσα σε κάθε αλυσίδα και τον κεντρικό αντιστροφέα μετατροπείς από συνεχή τάση σε συνεχή [18], [1], []. Διδακτορική Διατριβή

25 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος 11 Κύριο πλεονέκτημα της τεχνολογίας αλυσίδας είναι η επίτευξη με απλό τρόπο (σύνδεση πολλών πλαισίων σε σειρά) του επιπέδου τάσης που απαιτείται στην είσοδο ενός αντιστροφέα. Η απόδοση ενός μετατροπέα, μέσω του οποίου μετατρέπεται μονάχα η συνεχής τάση σε εναλλασσόμενη είναι μεγαλύτερη σε σχέση με ένα μετατροπέα ο οποίος θα έχει και τον πρόσθετο ρόλο της ανύψωσης της τάσης. Επιπρόσθετα, η απόδοση ενός αντιστροφέα αλυσίδας είναι αυξημένη λόγω και της πολλαπλάσιας ονομαστικής ισχύος σε σχέση με κάθε πλαίσιο. Από την άλλη πλευρά, η χρήση ενός μόνο ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος για πολλαπλά πλαίσια έχει βασικά μειονεκτήματα. Όπως φάνηκε από τα Σχ. 1.1 και Σχ. 1., η ισχύς εξόδου κάθε πλαισίου δεν είναι συνάρτηση μόνο των περιβαλλοντικών συνθηκών (ηλιακή ακτινοβολία και θερμοκρασία), αλλά και του σημείου λειτουργίας τους, το οποίο επιλέγεται μέσω του ηλεκτρονικού μετατροπέα. Το σημείο λειτουργίας κάθε Φ/Β πλαισίου μίας αλυσίδας είναι κοινό, δεδομένου ότι, αφού τα πλαίσια είναι συνδεδεμένα σε σειρά, τα διαπερνά κοινό ρεύμα. Όμως, το σημείο για το οποίο αποδίδεται η μέγιστη ισχύς για κάθε πλαίσιο ενδέχεται να διαφέρει. Κάθε πλαίσιο, λόγω των ατελειών στον τρόπο κατασκευής, έχει μικροδιαφορές, ακόμα και αν μία ομάδα πλαισίων προέρχεται από έναν κοινό προμηθευτή. Επιπρόσθετα, κατά την εγκατάσταση, η γωνία η οποία τοποθετούνται τα πλαίσια δεν είναι βέβαιο ότι θα είναι πανομοιότυπη. Ο κυρίαρχος όμως λόγος που οδηγεί στα διαφορετικά σημεία μέγιστης εκμετάλλευσης είναι η μερική σκίαση, η σκίαση δηλαδή ενός υποσυνόλου των πλαισίων μίας αλυσίδας. Αυτή η σκίαση μπορεί να οφείλεται λόγω του τρόπου εγκατάστασης (π.χ. τα πλαίσια στην άκρη της στέγης τα οποία σκιάζονται μερικώς από δομικά στοιχεία ή κλαδιά δέντρων), ή από τα σύννεφα που ενδέχεται να καλύπτουν ένα μόνο κομμάτι της στέγης. Η μείωση της παραγόμενης ενέργειας λόγω της μερικής σκίασης είναι αυξημένη στις αλυσίδες πλαισίων. Ιδανικά, για να αποφευχθεί αυτή η μειωμένη παραγωγή, κάθε πλαίσιο θα πρέπει να λειτουργεί σε ανεξάρτητο σημείο, δηλαδή, να υπάρχει ένας ξεχωριστός μετατροπέας για κάθε πλαίσιο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με δύο εναλλακτικές τεχνικές, ανάλογα με το μετατροπέα που χρησιμοποιείται. Η πρώτη τεχνική είναι με την παρεμβολή ενός μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση ανάμεσα σε κάθε πλαίσιο και την κύρια αλυσίδα, ο οποίος είναι συνήθως μετατροπέας ανύψωσης/υποβιβασμού [3]. Με αυτό τον τρόπο το ρεύμα της αλυσίδας είναι ανεξάρτητο του ρεύματος κάθε Φ/Β πλαισίου και στον εν λόγω μετατροπέα επιλέγεται το σημείο λειτουργίας του πλαισίου (τάση/ρεύμα εξόδου). Στα άκρα της αλυσίδας συνδέεται και πάλι ο κεντρικός αντιστροφέας για όλη την αλυσίδα. Η δεύτερη τεχνική είναι η χρήση μικρο-αντιστροφέων, η οποία αναλύεται παρακάτω. Χρηστίδης Γεώργιος

26 1 Κεφάλαιο Μικρο-αντιστροφείς Οι μικρο-αντιστροφείς είναι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος οι οποίοι διασυνδέουν ξεχωριστά κάθε Φ/Β πλαίσιο με το δίκτυο χαμηλής τάσης και έχουν ονομαστική ισχύ παρόμοια με εκείνη των πλαισίων (100W 300W). Κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι μέσω των μικρο-αντιστροφέων κάθε πλαίσιο λειτουργεί σε αυτόνομο σημείο, εξαλείφοντας το πρόβλημα που προκύπτει λόγω της μερικής σκίασης. Η χρήση μικρο-αντιστροφέων, όμως, συνεπάγεται και άλλα πλεονεκτήματα. Λόγω της χρήσης πολλών τέτοιων διατάξεων για τη διασύνδεση ενός κτηριακού Φ/Β συστήματος, εξασφαλίζεται υψηλή αξιοπιστία, δεδομένου ότι σε περίπτωση σφάλματος ενός πλαισίου ή μετατροπέα, αποκόπτεται η παραγωγή μόνο από τη συγκεκριμένη μονάδα και όχι από το συνολικό σύστημα, όπως θα συνέβαινε στην περίπτωση ενός κεντρικού αντιστροφέα. Επιπρόσθετα, για την επέκταση της εγκατεστημένης ισχύος ενός συστήματος δεν απαιτείται η προμήθεια ενός νέου κεντρικού αντιστροφέα και αντικατάσταση του ήδη υπάρχοντος, αλλά μόνο η προμήθεια του αριθμού μικρο-αντιστροφέων που απαιτούνται για τα νέα πλαίσια. Παρόμοια, το αρχικό κεφάλαιο που απαιτείται για την εγκατάσταση ενός νέου Φ/Β συστήματος για το κόστος των μετατροπέων, αντιστοιχεί μόνο στον αριθμό των μικρο-αντιστροφέων που απαιτούνται για την αρχική επένδυση και δε χρειάζεται να ληφθεί υπ όψιν η πιθανότητα μελλοντικής επέκτασης. Από την άλλη πλευρά, το κόστος ανά μονάδα ισχύος των μικρο-αντιστροφέων σε σχέση με τους κεντρικούς αντιστροφείς είναι πράγματι μεγαλύτερο. Δεδομένης όμως της μαζικής παραγωγής Φ/Β πλαισίων, αλλά και του μεγαλύτερου αριθμού των μετατροπέων που απαιτούνται για κάθε Φ/Β σύστημα, ο ρυθμός μείωσης της εμπορικής τιμής των μικρο-αντιστροφέων είναι μεγαλύτερος σε σχέση με τους αντιστροφείς αλυσίδας. Ένα άλλο μειονέκτημα των μικρο-αντιστροφέων είναι ο μειωμένος, σε σχέση με τους συμβατικούς αντιστροφείς, βαθμός απόδοσης. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μεγιστοποίηση αυτού, με σκοπό να είναι συγκρίσιμος με τις υπόλοιπες τεχνολογίες μετατροπέων. Οι μικρο-αντιστροφείς, όπως φαίνεται και από το όνομά τους. είναι αρκετά μικροί μετατροπείς με γεωμετρικά χαρακτηριστικά τέτοια ώστε να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στους ακροδέκτες εξόδου του Φ/Β πλαισίου, δηλαδή είτε στο κουτί των ακροδεκτών, είτε στη βάση στήριξης του πλαισίου. Υπάρχουν μάλιστα κατασκευαστές οι οποίοι προμηθεύουν Φ/Β πλαίσια με προεγκατεστημένους τους μικρο-αντιστροφείς στο πίσω μέρος τους, ώστε η τοποθέτησή τους να είναι όσο το δυνατόν πιο απλή και χωρίς εξειδικευμένες γνώσεις. Διδακτορική Διατριβή

27 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος Κατηγοριοποίηση μικρο-αντιστροφέων Μετατροπείς μίας ή περισσότερων βαθμίδων Ο ρόλος λοιπόν ενός μικρο-αντιστροφέα είναι η διασύνδεση ενός Φ/Β πλαισίου στο δίκτυο χαμηλής τάσης, δηλαδή η μετατροπή μίας συνεχούς τάσης χαμηλής τιμής (5V 40V) σε μία εναλλασσόμενη στο επίπεδο του δικτύου χαμηλής τάσης (30V / 50Hz). Για την επίτευξη αυτού του στόχου, υπάρχουν διαφορετικές μορφές υλοποίησης. Η πιο απλή είναι με τη χρήση ενός μετατροπέα από συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη με την παράλληλη αύξηση του επιπέδου της τάσης, με ή χωρίς τη χρήση υψίσυχνου μετασχηματιστή (Μ/Σ). Μία δεύτερη μέθοδος είναι η χρήση ξεχωριστών μετατροπέων για τα διαφορετικά στάδια, συνδεδεμένων σε σειρά. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή, για να ανυψωθεί η τάση σε υψηλή τιμή και μετά ένας αντιστροφέας, ώστε να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο όρος μικρο-αντιστροφέας αναφέρεται στην τελική διάταξη που διατίθεται στο χρήστη και περιλαμβάνει όλους τους συνδυασμούς των μετατροπέων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικές μονάδες. Μία άλλη μέθοδος η οποία θα μπορούσε να ακολουθηθεί είναι η χρήση ενός αντιστροφέα συνδεδεμένου απευθείας στο Φ/Β πλαίσιο. Η εναλλασσόμενη τάση χαμηλής τιμής στην έξοδο του αντιστροφέα θα μπορούσε στη συνέχεια να ανυψωθεί με ένα μετασχηματιστή στο επίπεδο της τάσης του δικτύου, χωρίς τη χρήση επιπλέον ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Η μέθοδος αυτή όμως δε μπορεί να εφαρμοστεί στην περίπτωση μικρο-αντιστροφέων λόγω του απαγορευτικού όγκου και βάρους που θα έχει ο απαιτούμενος μετασχηματιστής σιδήρου. Αντίθετα, μετασχηματιστές οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλή συχνότητα και είναι κατασκευασμένοι από φερρίτη έχουν πολύ μικρό όγκο και βάρος και ενδείκνυται να χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μικρο-αντιστροφέων, όπως θα φανεί παρακάτω. Μετατροπείς με ή χωρίς ζεύξη συνεχούς τάσης Μία άλλη κατηγοριοποίηση που μπορεί να γίνει για τους μικρο-αντιστροφείς είναι με κριτήριο την ύπαρξη ζεύξης συνεχούς τάσης. Οι μετατροπείς μπορούν να χωριστούν σε [10], [16]: Χρηστίδης Γεώργιος

28 14 Κεφάλαιο 1 Αντιστροφείς με ζεύξη συνεχούς τάσης (Σχ. 1.3) Αντιστροφείς χωρίς ζεύξη συνεχούς τάσης (Σχ. 1.4) Αντιστροφείς με ψευδοζεύξη συνεχούς τάσης (Σχ. 1.5) Υψίσυχνος Μ/Σ Αντιστροφέας Μετατροπέας Σ.Τ. σε Σ.Τ. Ζεύξη Σ.Τ. Σχ. 1.3: Τοπολογία μετατροπέων με ζεύξη συνεχούς τάσης. Υψίσυχνος Μ/Σ Μετατροπέας συχνότητας Σχ. 1.4: Τοπολογία μετατροπέων χωρίς ζεύξη συνεχούς τάσης. Υψίσυχνος Μ/Σ Γέφυρα Μετατροπέας Σ.Τ. σε Σ.Τ. Σχ. 1.5: Τοπολογία μετατροπέων με ψευδοζεύξη συνεχούς τάσης. Η πρώτη κατηγορία αντιστοιχεί στους μετατροπείς δύο βαθμίδων, δεδομένου ότι ο πρώτος μετατροπέας ανυψώνει τη συνεχή τάση εξόδου του Φ/Β πλαισίου ενώ ο δεύτερος τη μετατρέπει σε εναλλασσόμενη συχνότητας ίδιας με εκείνης της τάσης του δικτύου. Λόγω του μεγάλου λόγου ανύψωσης τάσης (πάνω από δέκα φορές) η συνηθέστερη υλοποίηση του πρώτου μετατροπέα είναι με χρήση υψίσυχνου μετασχηματιστή, επομένως, αν και πρόκειται για ένα μετατροπέα από συνεχή τάση εισόδου σε συνεχή τάση εξόδου μικρής κυμάτωσης, η ανύψωση επιτυγχάνεται μέσω μετατροπής της τάσης σε εναλλασσόμενη (τετραγωνικής μορφής) και στη συνέχεια ανόρθωσής της. Διδακτορική Διατριβή

29 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος 15 Αντίθετα, στη δεύτερη κατηγορία δεν υπάρχει ζεύξη συνεχούς τάσης. Και πάλι οι μετατροπείς αποτελούνται από δύο στάδια, όπου στο πρώτο στάδιο η συνεχής τάση ανυψώνεται στο επίπεδο της τάσης του δικτύου, όμως έχει εναλλασσόμενη μορφή, υψηλής συχνότητας. Στη συνέχεια, ένας μετατροπέας συχνότητας μετασχηματίζει αυτή την τάση στη συχνότητα της τάσης του δικτύου. Η τρίτη κατηγορία είναι μία τροποποίηση της πρώτης, δεδομένου ότι εντός του μετατροπέα, εμφανίζεται μία ανυψωμένη συνεχής τάση (δηλαδή τάση για την οποία δεν αλλάζει η πολικότητα). Η τάση αυτή όμως, σε αντίθεση με την πρώτη κατηγορία δεν είναι σταθερή, αλλά έχει ημιτονοειδώς διαμορφωμένη μορφή, με συχνότητα διπλάσια της συχνότητας του ηλεκτρικού δικτύου. Στη συνέχεια, η τάση αυτή ξεδιπλώνεται (unfolded), με ή χωρίς τη χρήση δεύτερου μετατροπέα, ανάλογα με την τοπολογία που χρησιμοποιείται. Πρόκειται για την κατηγορία με το μεγαλύτερο αριθμό τοπολογιών για χρήση σε Φ/Β συστήματα. Σύνοψη των τοπολογιών που έχουν προταθεί για χρήση σε μικρο-αντιστροφείς και σύγκρισή τους είτε με θεωρητική μελέτη, είτε με παρουσίαση δημοσιευμένων πειραματικών αποτελεσμάτων υπάρχουν στις εργασίες [11], [14], [16], [0], [4]. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στους μικρο-αντιστροφείς μίας βαθμίδας με ψευδοζεύξη συνεχούς τάσης. Επομένως ανάμεσα στο Φ/Β πλαίσιο και στον αντιστροφέα δεν παρεμβάλλεται κάποιος άλλος μετατροπέας για την ανύψωση της συνεχούς τάσης. Περισσότερες πληροφορίες για τη χρήση μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή για τη χρήση σε Φ/Β μικρο-αντιστροφείς υπάρχουν στις εργασίες [18], [1], [5] Κανονισμοί για τη διασύνδεση Φ/Β συστημάτων, απαιτήσεις και σύγχρονες τάσεις Προτού επιλεγεί η τοπολογία που θα χρησιμοποιηθεί για χρήση στην παρούσα εφαρμογή, θα πρέπει να μελετηθούν οι απαιτήσεις, οι διεθνείς κανονισμοί καθώς και να ληφθούν υπ όψιν οι νέες τάσεις στην έρευνα γύρω από την περιοχή των ηλεκτρονικών ισχύος και ιδιαίτερα γύρω από τους αντιστροφείς και μικρο-αντιστροφείς. Διεθνείς κανονισμοί για τη λειτουργία Φ/Β συστημάτων διασυνδεδεμένων στο δίκτυο Κάθε μικρο-αντιστροφέας είναι ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας που παρέχει ισχύ στο ηλεκτρικό δίκτυο, επομένως, είναι υποχρεωτικό κατά τη λειτουργία του να πληρούνται ορισμένα πρότυπα. Τα τέσσερα πιο σημαντικά πρότυπα για τη λειτουργία των αντιστροφέων για τη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι τα: Χρηστίδης Γεώργιος

30 16 Κεφάλαιο 1 IEC6177 IEEE EN VDE Ισχύς 10kW 30kW 16A@30V - Τάξη (h) Όριο Τάξη Όριο Τάξη Όριο Τάξη Όριο (Α) (h) (Α/MVA) % % % % % % Αρμονικό περιεχόμενο % % >35 0.3% Οι αρμονικές άρτιας τάξης περιορίζονται στο 5% των αντίστοιχων περιττών Ολική αρμονική παραμόρφωση<5% (15-39).5/h (5-40) 3.75/h (8-40) 1.84/h άρτιες 1.5/h >40 4.5/h Έγχυση συνεχούς ρεύματος Μικρότερο από 1% του ρεύματος εξόδου Μικρότερο από 0.5% του ρεύματος εξόδου <0.Α <1Α για 0.s Όρια μεταβολής τάσης Χρόνος Χρόνος Χρόνος Εύρος Εύρος Εύρος (s) (s) (s) V<50% 0.1 V<50% 0.16 V<85% 0. 50%<V< 50%<V< V> 0. 88% 88% - 110% 110%<V< 110%<V< 1 10% 10% V>10% 0.05 V>10% 0.16 Όρια μεταβολής συχνότητας Εύρος Χρόνος (Hz) (s) 49<f<51 0. Εύρος (Hz) 59.3<f< 60.5 Χρόνος (s) Εύρος (Hz) 47.5<f< 50. Χρόνος (s) 0. Πιν. 1.1: Πρότυπα για τη λειτουργία αντιστροφέων ΑΠΕ διασυνδεδεμένων στο δίκτυο. Διδακτορική Διατριβή

31 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος 17 ΙΕΕΕ 1547 [6] IEC 6177 [7] EN [8] VDE 016 [9]. Τα πρότυπα αυτά περιγράφουν την ποιότητα ισχύος εξόδου του αντιστροφέα (αρμονικό περιεχόμενο ρεύματος εξόδου), τη μέγιστη τιμή της συνεχούς συνιστώσας του ρεύματος εξόδου, τη δυνατότητα λειτουργίας του αντιστροφέα σε επίπεδα τάσης δικτύου εκτός των ορίων κανονικής λειτουργίας και το χρόνο για τον οποίο επιτρέπεται να λειτουργεί ο αντιστροφέας, το εύρος συχνότητας δικτύου για το οποίο επιτρέπεται ο αντιστροφέας να παρέχει ισχύ, καθώς και το επιτρεπόμενο ρεύμα διαρροής. Οι βασικοί περιορισμοί των προτύπων καταγράφονται στον Πιν Απαιτούμενα χαρακτηριστικά ενός σύγχρονου Φ/Β αντιστροφέα Η τεχνολογία των Φ/Β συστημάτων έχει φτάσει με το πέρας των χρόνων σε ώριμο στάδιο και οι απαιτήσεις των χρηστών και κατ επέκταση και των κατασκευαστών για τα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να έχεις ένας αντιστροφέας ή μικρο-αντιστροφέας είναι πλέον σαφείς: Βαθμός απόδοσης: Αυξημένος βαθμός απόδοσης συνεπάγεται και αυξημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για δεδομένες καιρικές συνθήκες. Επιπρόσθετα, δεδομένου ότι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος δε λειτουργούν μόνο στην ονομαστική τους ισχύ, αλλά σε όλο το εύρος της ισχύος (λόγω της μεταβλητής ηλιοφάνειας κατά τη διάρκεια μίας ημέρας), δεν αρκεί η απόδοσή τους να είναι βέλτιστη μόνο για την ονομαστική τους ισχύ, αλλά για όλο το εύρος λειτουργίας τους, ακόμα και σε χαμηλά επίπεδα ηλιοφάνειας. Ο βαθμός απόδοσης των μικρο-αντιστροφέων είναι χαμηλότερος σε σχέση με αυτό των κεντρικών αντιστροφέων αλυσίδας, παρ όλα αυτά, με τη συνεχή έρευνα τείνει να φτάσει σε παρόμοιο επίπεδο. Αξιοπιστία: Με τον ανταγωνισμό μεταξύ των κατασκευαστών Φ/Β πλαισίων αυξάνεται συνεχώς ο χρόνος για τον οποίο εγγυώνται τη λειτουργία του χωρίς σημαντική μείωση της ισχύος εξόδου για δεδομένες καιρικές συνθήκες. Προφανώς κατ αντιστοιχία, ένας μετατροπέας Φ/Β συστημάτων θα πρέπει να έχει συγκρίσιμο χρόνο ζωής. Επιπρόσθετα βλάβη σε ένα μετατροπέα συνεπάγεται μείωση ή ακόμα και παύση της ηλεκτρικής παραγωγής του Φ/Β συστήματος, ανάλογα με τη δομή των μετατροπέων που έχει επιλεγεί. Το πλεονέκτημα της χρήσης μικρο-αντιστροφέα είναι εμφανές, αφού σε περίπτωση βλάβης μίας συσκευής θα σταματήσει η παραγωγή μόνο του συγκεκριμένου πλαισίου, σε Χρηστίδης Γεώργιος

32 18 Κεφάλαιο 1 αντίθεση με τη βλάβη ενός κεντρικού αντιστροφέα που θα αποκόψει όλη την παραγωγή μίας αλυσίδας πλαισίων. Λειτουργία σε κατάσταση μερικής σκίασης: Όπως αναλύθηκε και παραπάνω, η σκίαση ενός αριθμού πλαισίων, ανάλογα με τον τρόπο διασύνδεσής τους ενδέχεται να επηρεάσει σημαντικά τη συνολική παραγόμενη ισχύ. Η πρόταση της χρήσης μικρο-αντιστροφέων προήλθε από τη συγκεκριμένη απαίτηση. Δυνατότητα επέκτασης συστήματος: Είναι συχνό φαινόμενο ο χρήστης να μην έχει το αρχικό κεφάλαιο για την πλήρη κάλυψη διαθέσιμου χώρου με Φ/Β πλαίσια, αλλά βασιζόμενος στο κέρδος από την παραγωγή ενέργειας των πρώτων εγκατεστημένων πλαισίων να θέλει να επεκτείνει το σύστημά του, ή να θέλει σταδιακά να το αναβαθμίσει. Το κόστος για αυτή την επέκταση ενός συστήματος αποτελούμενο από έναν κεντρικό αντιστροφέα είναι πολλαπλάσιο σε σχέση με ένα σύστημα με μικρο-αντιστροφείς, αφού θα πρέπει εξ αρχής να επιλεγεί αντιστροφέας για τη συνολική ονομαστική ισχύ για την οποία δύναται να εγκατασταθεί μελλοντικά. Πυκνότητα ισχύος: Ως πυκνότητα ισχύος ορίζεται η ονομαστική ισχύς ενός μετατροπέα ανά μονάδα όγκου. Ο κεντρικός αντιστροφέας έχει σαφώς μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος και εγκαθίσταται συνήθως μακριά από τα Φ/Β πλαίσια και κοντά στην παροχή (ρολόι). Αντίθετα, οι μικρο-αντιστροφείς, με αρκετά μικρότερη πυκνότητα ισχύος, έχουν τέτοιο σχήμα ώστε να μπορούν να εγκατασταθούν ανάμεσα στο πλαίσιο και το μηχανισμό στήριξής του. Επομένως, τελικά, ο εκμεταλλεύσιμος χώρος που απαιτείται για την εγκατάσταση ενός κεντρικού αντιστροφέα είναι μεγαλύτερος από αυτόν που απαιτείται για μικρο-αντιστροφείς. Κόστος: Το κόστος των μικρο-αντιστροφέων ανά μονάδα ισχύος είναι σαφώς μεγαλύτερο. Δεδομένης όμως της εύκολης επεκτασιμότητας που παρέχει αυτή η τεχνολογία, είναι ίσως πιο οικονομική η αρχική επένδυση για την κατασκευή ενός συστήματος που αποτελείται από μικρο-αντιστροφείς. Νέες τάσεις στην τεχνολογία Φ/Β συστημάτων Μελετώντας τις απαιτήσεις για τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος, τους νέους κανονισμούς που περιγράφουν τη διασύνδεση των Φ/Β συστημάτων, αλλά και την κινητικότητα στο χώρο της ηλεκτρικής παραγωγής, αναδεικνύονται τα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να έχει ένας σύγχρονος αντιστροφέας: Διδακτορική Διατριβή

33 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για χρήση σε διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα χαμηλής ισχύος 19 Μικρός αριθμός στοιχείων: Η μείωση του αριθμού των στοιχείων (ενεργών και παθητικών) που απαιτούνται για την κατασκευή ενός αντιστροφέα συνεπάγεται χαμηλότερο κόστος καθώς και υψηλότερη απόδοση και αξιοπιστία της συσκευής. Αυξημένο εύρος τάσης εισόδου: Η κατασκευή Φ/Β πλαισίων διαφορετικού αριθμού κυττάρων (συνήθως 60 ή 7), σε συνδυασμό με το μεγάλο αριθμό διαθέσιμων κατασκευαστών συνεπάγεται ύπαρξη στην αγορά Φ/Β πλαισίων διαφορετικών ηλεκτρικών χαρακτηριστικών. Ένας μικρο-αντιστροφέας ενδέχεται είτε να σχεδιαστεί για ένα συγκεκριμένο Φ/Β πλαίσιο (ώστε να επιτυγχάνεται ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης), είτε να σχεδιαστεί για ένα αυξημένο εύρος τάσης, ώστε να μπορεί να λειτουργήσει με όλα τα Φ/Β πλαίσια ή τουλάχιστον την πλειοψηφία τους. Ανάλογα με την εφαρμογή (προμήθεια μικρο-αντιστροφέα προεγκατεστημένου στο πλαίσιο ή ξεχωριστά) και οι δύο τεχνικές θεωρούνται αποδεκτές. Παροχή άεργου ισχύος: Τα Φ/Β συστήματα έχουν εξελιχθεί στο να παρέχουν σημαντικό ποσοστό της παραγωγής ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς των διασυνδεδεμένων Φ/Β συστημάτων παρείχαν ενέργεια προς το δίκτυο υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος, παρείχαν δηλαδή μόνο πραγματική ισχύ. Με την αύξηση όμως της διείσδυσής τους και παρατηρώντας τις πρόσφατες αλλαγές στους κανονισμούς κυρίως των ΗΠΑ και της Γερμανίας, τα διασυνδεμένα στο δίκτυο χαμηλής τάσης Φ/Β συστήματα θα πρέπει σύντομα να έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν άεργο ισχύ, καθώς και να συμβάλουν στην ευστάθεια του συστήματος, π.χ. κατά τη διάρκεια μικρών βυθίσεων της τάσης Συμπεράσματα και επιλογή τοπολογίας μικρο-αντιστροφέα Όπως ισχύει και με τη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων στις οποίες καλείται ένας μηχανικός ή μία ομάδα μηχανικών να επιλέξουν τη βασική δομή για την κατασκευή ενός προϊόντος που προορίζεται για μαζική οικιακή κατανάλωση, το βασικό κριτήριο που ορίζει την επιλογή είναι το κόστος, ώστε το νέο προϊόν να μπορεί να είναι ανταγωνιστικό με τα ήδη υπάρχοντα. Στην περίπτωση των ηλεκτρονικών ισχύος, η ελαχιστοποίηση του κόστους ισοδυναμεί με την ελαχιστοποίηση του αριθμού των διακοπτικών στοιχείων ισχύος και στη μείωση του αριθμού των μαγνητικών υλικών. Ειδικά για τα μαγνητικά υλικά, η μείωση του αριθμού τους επιφέρει πολλαπλάσια μείωση στο κόστος παραγωγής του μετατροπέα, αφού πρέπει να ληφθεί υπ όψιν ότι η κατασκευή τους δεν είναι συνήθως αυτοματοποιημένη. Η μείωση του αριθμού των στοιχείων αυξάνει και την αξιοπιστία της τελικής συσκευής, ο χρόνος ζωής της οποίας, όπως αναφέρθηκε, θα πρέπει να είναι συγκρίσιμος με αυτό των Φ/Β Χρηστίδης Γεώργιος

34 0 Κεφάλαιο 1 πλαισίων μαζί με τα οποία θα εγκατασταθούν. Η φήμη του προϊόντος και της εταιρείας μπορεί να υποστούν ανεπανόρθωτη ζημιά στην περίπτωση εμφάνισης μαζικών βλαβών των συσκευών, ακόμα και αν προσφέρονται σε μικρότερο κόστος και έχουν συγκριτικά καλύτερα τεχνικά χαρακτηριστικά. Μελετώντας τη βιβλιογραφία των διαθέσιμων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, με βάση τις απαιτήσεις που υπάρχουν για τη συγκεκριμένη εφαρμογή και οι οποίες αναλύθηκαν παραπάνω, ξεχωρίζει ο αντιστροφέας τύπου Flyback, για το μικρό αριθμό στοιχείων καθώς και την ύπαρξη υψίσυχνου μετασχηματιστή, ο οποίος προσφέρει ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ του Φ/Β πλαισίου και του ηλεκτρικού δικτύου, μηδενίζοντας τα ρεύματα διαρροής και προσφέροντας επιπρόσθετη ασφάλεια στον εγκαταστάτη. Επίσης, για τη συγκεκριμένη τοπολογία απαιτείται μικρός όγκος, ενώ είναι εφικτή η μεγάλη ανύψωση τάσης και η αυξημένη αξιοπιστία. Άλλα βασικά της χαρακτηριστικά είναι δυνατότητα για επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης και ο σχετικά απλός τρόπος ελέγχου της. Λόγω των παραπάνω πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν εστιάσει σε διαφορετικά σημεία της παρούσας τοπολογίας, όπως στην κατασκευή αλγορίθμων εντοπισμού σημείου μέγιστης ισχύος [30], [31], στις τεχνικές ανίχνευσης φαινομένου νησίδας [3] [34], στους τρόπους για εξομάλυνση του ρεύματος εισόδου ώστε να μειωθεί η απαιτούμενη χωρητικότητα του πυκνωτή εισόδου [35] [38], στις τεχνικές για αύξηση του συντελεστή ισχύος και μείωση του ολικού αρμονικού περιεχομένου [39] [41], καθώς και στις τεχνικές για εκμετάλλευση της ενέργειας λόγω της σκέδασης που εμφανίζεται στον υψίσυχνο μετασχηματιστή [4], [43]. Η συγκεκριμένη τοπολογία επιλέγεται και στην παρούσα διδακτορική διατριβή με σκοπό την εύρεση μεθόδων με βάση τις οποίες θα αυξηθεί ο βαθμός απόδοσης του συγκεκριμένου μετατροπέα, είτε με βελτίωση του τρόπου ελέγχου και παλμοδότησης του μετατροπέα, είτε με παρέμβαση στο κύκλωμά του. Διδακτορική Διατριβή

35 1 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου.1. Εισαγωγή Στόχος του παρόντος κεφαλαίου είναι η παρουσίαση της βασικής τοπολογίας που θα χρησιμοποιηθεί για το μικρο-αντιστροφέα και η ανάλυση των διαφορετικών τρόπων ελέγχου του. Θα γίνει επίσης ανασκόπηση των μηχανισμών απωλειών, με σκοπό να φανεί η μεθοδολογία που μπορεί να ακολουθηθεί για την επιλογή των στοιχείων του μετατροπέα κατά τη φάση του σχεδιασμού του, ώστε να επιτευχθεί ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Ολοκληρώνοντας, με την παρουσίαση αποτελεσμάτων από τα πειράματα που διεξήχθησαν στα πλαίσια τις παρούσας εργασίας θα τεθεί η βάση ώστε να ποσοτικοποιηθεί η βελτίωση που θα επιτευχθεί με τους μηχανισμούς που θα υλοποιηθούν στα επόμενα κεφάλαια, χρησιμοποιώντας παρόμοιες προδιαγραφές. Η ανάλυση της λειτουργίας του μετατροπέα στις δύο διαφορετικές καταστάσεις αγωγής, μαζί με την περιγραφή απωλειών αυτών ώστε να επιτευχθεί βέλτιστος σχεδιασμός έχουν παρουσιαστεί αναλυτικότερα στις εργασίες [4], [44]. Κρίθηκε όμως σκόπιμο, να συμπεριληφθούν στο παρόν κεφάλαιο, για την πληρότητα της παρούσας εργασίας καθώς και για την κατανόηση των βελτιώσεων που παρουσιάζονται στη διδακτορική διατριβή... Τοπολογίες μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback και καταστάσεις λειτουργίας Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback χαρακτηρίζεται από το μικρό αριθμό στοιχείων που απαιτούνται καθώς και την απλότητα της κατασκευής του. Δύο είναι οι βασικές εναλλακτικές κυκλωματικές υλοποιήσεις της τοπολογίας για χρήση ως μικρο-αντιστροφέα. Στο Σχ..1 φαίνεται η υλοποίηση με χρήση μετασχηματιστή με ενδιάμεση λήψη ενώ στο Σχ.. φαίνεται η υλοποίηση με χρήση τοπολογίας πλήρους γέφυρας. Και για τα δύο κυκλώματα, στο αριστερό άκρο συνδέεται το Φ/Β πλαίσιο του οποίου η έξοδος είναι μία συνεχής τάση χαμηλού πλάτους (τυπικά 5V 40V), ενώ στο δεξί άκρο συνδέεται το μονοφασικό δίκτυο χαμηλής τάσης (30V / 50Hz για το ευρωπαϊκό σύστημα). Παράλληλα στο Φ/Β πλαίσιο είναι απαραίτητο να τοποθετηθεί ένας πυκνωτής μεγάλης χωρητικότητας, συνήθως ηλεκτρολυτικός. Σκοπός του πυκνωτή αυτού είναι η ενδιάμεση αποθήκευση της ενέργειας εξόδου του πλαισίου, με σκοπό η ισχύς που παρέχεται να είναι σταθερή. Αντίθετα, λόγω της ημιτονοειδούς τάσης εξόδου του μικρο-αντιστροφέα, η ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο είναι επίσης ημιτονοειδής με διπλάσια συχνότητα. Στην περίπτωση μη τοποθέτησης ενός πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας, τότε, λόγω της φύσης των Φ/Β Χρηστίδης Γεώργιος

36 Φ/Β πλαίσιο Κεφάλαιο πλαισίων, δεν εγχέεται προς το δίκτυο η μέγιστη δυνατή ενέργεια που θα μπορούσε να απορροφηθεί από το πλαίσιο. Τα πιθανά προβλήματα που προκύπτουν από τη χρήση ενός ηλεκτρολυτικού πυκνωτή στο κύκλωμα του μικρο-αντιστροφέα (μείωση χρόνου ζωής, αύξηση όγκου) περιγράφονται σε επόμενο κεφάλαιο, ενώ αναλύεται και τρόπος για την πλήρη αφαίρεσή του. Δευτερεύων ρόλος είναι η απορρόφηση της υψίσυχνης διακύμανσης του ρεύματος εισόδου του μικρο-αντιστροφέα, λόγω της διακοπτικής λειτουργίας του. Για το σκοπό αυτό, τυπικά συνδέεται παράλληλα και δεύτερος πυκνωτής πολυπροπυλενίου, μικρότερης χωρητικότητας, ο οποίος δεν παρουσιάζει τα ίδια μειονεκτήματα με τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή. i pri (t) Υψίσυχνος Μετασχηματιστής n:1 Διακόπτης S 1 i ac (t) Φ/Β πλαίσιο + V dc _ C D 1 i sec (t) C f i Cf (t) Κατωδιαβατό Φίλτρο L f u ac (t) D Διακόπτης S p Διακόπτης S Σχ..1: Κυκλωματικό διάγραμμα του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback με μετασχηματιστή ενδιάμεσης λήψης. i pri (t) Υψίσυχνος Μετασχηματιστής n:1 D 1 S 1 S 3 + V dc _ C u ac (t) i sec (t) S S 4 Κατωδιαβατό Φίλτρο Διακόπτης S p Σχ..: Κυκλωματικό διάγραμμα του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback με τοπολογία πλήρους γέφυρας. Διδακτορική Διατριβή

37 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 3 Ξεκινώντας με το κύκλωμα του Σχ..1, το κεντρικό του στοιχείο είναι ο υψίσυχνος μετασχηματιστής που βρίσκεται ανάμεσα στην είσοδο και την έξοδο. Ο ημιαγωγικός διακόπτης Sp είναι ο κύριος διακόπτης του μετατροπέα και λειτουργεί σε υψηλή συχνότητα (δεκάδες ή εκατοντάδες khz). Ο μετασχηματιστής προσφέρει ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ του αριστερού μέρους (Φ/Β πλαίσιο) και του δεξιού (ηλεκτρικό δίκτυο). Αποτελείται από ένα πρωτεύον τύλιγμα και δύο πανομοιότυπα δευτερεύοντα, κάθε ένα από τα οποία λειτουργεί στην αντίστοιχη ημιπερίοδο του δικτύου, μέσω των ημιαγωγικών διακοπτών S1 και S, οι οποίοι, ως εκ τούτου, λειτουργούν στη συχνότητα του δικτύου. Οι δίοδοι D1 και D που βρίσκονται στα δύο δευτερεύοντα τυλίγματα εξασφαλίζουν τη λειτουργία Flyback, κατά την οποία η ενέργεια από την είσοδο του μετατροπέα μεταφέρεται και αποθηκεύεται ενδιάμεσα στο μετασχηματιστή κατά την αγωγή του διακόπτη Sp, ενώ σε επόμενο χρόνο μεταφέρεται στην έξοδο μέσω των διόδων. Τέλος, για την παροχή ημιτονοειδούς ρεύματος, ένα χαμηλοπερατό φίλτρο αποτελούμενο από ένα πηνίο Lf και έναν πυκνωτή Cf αποκόπτει το υψίσυχνο φάσμα του ρεύματος εξόδου που οφείλεται στη διακοπτική λειτουργία του μετατροπέα. Η λειτουργία του κυκλώματος του Σχ.. είναι παρόμοια. Όπως φαίνεται, το τμήμα που συνδέεται στη χαμηλή τάση εισόδου του μετατροπέα είναι πανομοιότυπο. Διαφοροποίηση υπάρχει στο κομμάτι υψηλής τάσης. Αντί να χρησιμοποιηθεί μετασχηματιστής με δύο δευτερεύοντα τυλίγματα, ο μετασχηματιστής του Σχ.. έχει μόνο ένα τύλιγμα καθώς και μία μόνο δίοδο. Αντίθετα, στην έξοδο χρησιμοποιούνται τέσσερις ημιαγωγικοί διακόπτες που λειτουργούν στη συχνότητα του δικτύου, όπως ένας απλός μετατροπέας πλήρους γέφυρας [45]. Το φίλτρο εξόδου του μετατροπέα είναι επίσης πανομοιότυπο. Συγκρίνοντας τις δύο εναλλακτικές κυκλωματικές υλοποιήσεις, κάθε μία έχει τα δικά της πλεονεκτήματα. Όσον αφορά στον αριθμό των ημιαγωγικών στοιχείων, το κύκλωμα του Σχ..1 έχει το διπλάσιο αριθμό διόδων, αλλά το μισό αριθμό ενεργών ημιαγωγικών διακοπτών. Συνεπώς έχει μικρότερο κόστος κατασκευής (οι δίοδοι έχουν χαμηλότερο κόστος από τους ελεγχόμενους ημιαγωγικούς διακόπτες). Το κόστος μειώνεται επίσης, λόγω του γεγονότος ότι απαιτούνται λιγότερα βοηθητικά κυκλώματα για την οδήγηση των διακοπτών. Αντίθετα, ο μετασχηματιστής του Σχ..1 φαίνεται πιο πολύπλοκος. Όμως λόγω του γεγονότος ότι τα δύο δευτερεύοντα τυλίγματα είναι πανομοιότυπα, η κατασκευή του δε διαφέρει σημαντικά από το μετασχηματιστή του Σχ.., αν χρησιμοποιηθεί σωστή τεχνική. Επομένως το κόστος κατασκευής δε διαφέρει σημαντικά. Όσο για τη σύγκριση του αναμενόμενου βαθμού απόδοσης των δύο υλοποιήσεων, η απάντηση δεν είναι απλή και εξαρτάται κάθε φορά από την τρέχουσα διαθέσιμη τεχνολογία. Η ύπαρξη δύο ενεργών διακοπτών στο δρόμο του ρεύματος Χρηστίδης Γεώργιος

38 4 Κεφάλαιο εξόδου αυξάνει τις απώλειες αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων. Με τη χρήση δύο δευτερευόντων τυλιγμάτων, ο διαθέσιμος χώρος στο παράθυρο του μετασχηματιστή ανά τύλιγμα περιορίζεται. Ως εκ τούτου (για ίδια τιμή αυτεπαγωγής και λόγο σπειρών), θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μικρότερη συνολική διατομή σύρματος με αποτέλεσμα να αυξηθεί η αντίστασή του και κατ επέκταση οι απώλειες αγωγής του. Οι μηχανισμοί απωλειών για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback παρουσιάζονται αναλυτικότερα στη συνέχεια του κεφαλαίου. Παρατηρώντας τη διεθνή βιβλιογραφία καθώς και τα διαθέσιμα προϊόντα μικρο-αντιστροφέων, τεκμαίρεται ότι δεν υπάρχει σαφής μονολεκτική απάντηση στο ποια είναι η καλύτερη λύση ανάμεσα στις δύο υλοποιήσεις, κάθε μία από τις οποίες εμφανίζει διαφορετικά πλεονεκτήματα. Οι μέθοδοι οδήγησης του μετατροπέα, δηλαδή παλμοδότησης του στοιχείου Sp, οι οποίες αναλύονται στην επόμενη παράγραφο, είναι κοινές και για τις δύο υλοποιήσεις, δεδομένου ότι στη βασική λειτουργία, οι ημιαγωγικοί διακόπτες στην έξοδο λειτουργούν στη συχνότητα του δικτύου. Οι μέθοδοι αυτές έχουν ως διαφοροποίηση τη μορφή του ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του μετασχηματιστή, όπως ακριβώς συμβαίνει και με τους μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή. Οι δύο βασικές καταστάσεις λειτουργίας είναι η κατάσταση συνεχούς αγωγής (Continuous Conduction Mode, CCM) καθώς και η κατάσταση ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Όπως μαρτυρά και η ορολογία, στην πρώτη περίπτωση το ρεύμα μαγνήτισης του μετασχηματιστή έχει πάντα μη μηδενική τιμή, ενώ στη δεύτερη περίπτωση υπάρχουν χρονικά διαστήματα κατά τα οποία το ρεύμα μαγνήτισης μηδενίζεται. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη συγκεκριμένη εφαρμογή παρουσιάζει και η λειτουργία στο όριο μεταξύ των δύο καταστάσεων (Boundary Conduction Mode, BCM). Κάθε μία από τις διαθέσιμες καταστάσεις υπερτερεί σε κάποια σημεία έναντι των άλλων. Συγκρίνοντάς τες, η λειτουργία του μετατροπέα σε DCM έχει πολλά κοινά με τη λειτουργία σε BCM, ενώ αντίθετα η λειτουργία σε CCM έχει σημαντικά διαφορετική φιλοσοφία. Αυτό συμβαίνει διότι λόγω του μηδενισμού του ρεύματος του μετασχηματιστή, ο έλεγχος του ρεύματος εξόδου είναι άμεσος, δηλαδή εντός της περιοχής λειτουργίας που περιγράφεται από τις προδιαγραφές, το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα είναι συνάρτηση κάποιας άμεσα ελεγχόμενης τιμής (π.χ. του μέγιστου λόγου κατάτμησης). Αντίθετα, για λειτουργία σε CCM, λόγω του ότι ο μετατροπέας συμπεριφέρεται ως πηγή τάσης, η οποία πρέπει να παραλληλιστεί με μία άλλη πηγή τάσης (το ηλεκτρικό δίκτυο), εμφανίζονται προβλήματα στο νόμο ελέγχου, λόγω του προκύπτοντος μηδενικού στο δεξί ημιεπίπεδο. Ως συνέπεια αυτού, απαιτείται ένας πολύπλοκος ελεγκτής και ενδεχομένως μέτρηση του υψίσυχνου ρεύματος εισόδου και εξόδου, Διδακτορική Διατριβή

39 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 5 το οποίο έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος καθώς και η πολυπλοκότητα του μετατροπέα. Σχετικά με τον αναμενόμενο βαθμό απόδοσης, τα ρεύματα εισόδου και εξόδου είναι πιο ομαλά για λειτουργία σε CCM, γεγονός το οποίο οδηγεί σε μικρότερες απώλειες αγωγής. Αντίθετα λόγω του μη μηδενισμού τους, οι διακοπτικές απώλειες είναι πολλαπλάσιες. Λόγω των παραπάνω, στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback σε κατάσταση DCM ή BCM. Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των δύο αυτών καταστάσεων θα συγκριθούν στη συνέχεια, αφού γίνει σύνοψη των δύο καταστάσεων και παρουσιαστούν πειραματικά αποτελέσματα που διεξήχθησαν, ώστε να μπορεί να ποσοτικοποιηθεί αυτή η σύγκριση..3. Λειτουργία στην Κατάσταση Ασυνεχούς Αγωγής (DCM) Η πιο απλή, όσον αφορά στον έλεγχο, κατάσταση λειτουργίας είναι η DCM. Αυτό συμβαίνει διότι για λειτουργία στην κατάσταση αυτή, απαιτείται σταθερή διακοπτική συχνότητα για τον ημιαγωγικό διακόπτη Sp. Για την περιγραφή της λειτουργίας, είναι απαραίτητες οι παρακάτω θεωρήσεις: Όλα τα στοιχεία είναι ιδανικά, δηλαδή δεν έχουν παρασιτικές αντιστάσεις, αυτεπαγωγιμότητες ή χωρητικότητες, ενώ ο χρόνος έναυσης και σβέσης είναι μηδενικός. Η τάση του δικτύου είναι καθαρά ημιτονοειδής, δηλαδή: ac u t V sin t (.1) acp όπου uac η στιγμιαία τάση του δικτύου, Vacp η μέγιστη τιμή της τάσης του δικτύου και ω η κυκλική συχνότητά του. Η διακοπτική συχνότητα είναι πολύ μεγαλύτερη της συχνότητας του δικτύου, ώστε κατά τη διάρκεια μίας διακοπτικής περιόδου η τάση του δικτύου να θεωρείται σταθερή. Ο μικρο-αντιστροφέας παρέχει καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα, συμφασικό με την τάση δικτύου. Η τάση εισόδου του μικρο-αντιστροφέα είναι σταθερή κατά τη διάρκεια μίας περιόδου του δικτύου. Για την ανάλυση που ακολουθεί χρησιμοποιήθηκε η τοπολογία του Σχ..1, με κριτήριο ότι ο μειωμένος αριθμός ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων μειώνει το κόστος κατασκευής του μετατροπέα και αυξάνει την αξιοπιστία του, απαιτήσεις που είναι βασικές για ένα σύγχρονο μικρο-αντιστροφέα για Φ/Β συστήματα. Η σύνοψη της λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback στη DCM κατά τη διάρκεια μίας πλήρους περιόδου του δικτύου παρουσιάζεται στο Σχ..3, όπου φαίνονται οι κυματομορφές, των ρευμάτων των Χρηστίδης Γεώργιος

40 6 Κεφάλαιο Ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος Ρεύμα δευτερεύοντος τυλίγματος T S = σταθερή t on t off t offz Παλμοί στοιχείου S p Παλμοί στοιχείου S 1 Παλμοί στοιχείου S Σχ..3: Κυματομορφές ρεύματος πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος και παλμοί ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων για λειτουργία σε DCM. τυλιγμάτων του μετασχηματιστή, μαζί με τους παλμούς των τριών ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων. Η λειτουργία του μετατροπέα για κάθε διακοπτική περίοδο Ts μπορεί να χωριστεί σε τρεις ξεχωριστές φάσεις. Στην πρώτη φάση, ο κύριος διακόπτης Sp είναι ενεργοποιημένος, με αποτέλεσμα να μεταφέρεται ενέργεια από την είσοδο του μικρο-αντιστροφέα προς το μετασχηματιστή. Το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή αυξάνεται γραμμικά, αφού η τάση εισόδου είναι σταθερή. Επομένως για αυτό το διάστημα ισχύει: V dc i pri (t)= t L1 (.) όπου ipri η στιγμιαία τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή, Vdc η τάση εισόδου του μικρο-αντιστροφέα και L1 η τιμή της αυτεπαγωγιμότητας του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή. Επομένως, η μέγιστη τιμή του ρεύματος σε κάθε διακοπτικό κύκλο με δείκτη i, Ιpri,p,i,, είναι: Διδακτορική Διατριβή

41 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 7 V dc Ι pri,p,i = ton,i L1 (.3) όπου ton,i ο χρόνος αγωγής του στοιχείου Sp κατά το διακοπτικό κύκλο i. Όπως φαίνεται και στο Σχ..3 και έχει αποδειχθεί στην εργασία [4], για να είναι το ρεύμα εξόδου ημιτονοειδές, θα πρέπει η μέγιστη τιμή του ρεύματος σε κάθε διακοπτικό κύκλο να μεταβάλλεται επίσης ημιτονοειδώς. Επομένως, αφού η μέγιστη αυτή τιμή είναι συνάρτηση του χρόνου αγωγής, τεκμαίρεται ότι ο χρόνος αγωγής για το στοιχείο Sp θα πρέπει να μεταβάλλεται ημιτονοειδώς, ή αλλιώς, ο λόγος κατάτμησης των παλμών Sp, δi, θα πρέπει να είναι ημιτονοειδής συνάρτηση: i p = sin t (.4) όπου δp είναι ο μέγιστος λόγος κατάτμησης, ο οποίος εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από το ωt = π/. Αφού μεταφερθεί ενέργεια στο μετασχηματιστή, σε δεύτερη φάση, η ενέργεια αυτή μεταφέρεται προς την έξοδο. Τούτο ξεκινά τη στιγμή που θα διακοπεί η αγωγή του στοιχείου SP, δηλαδή, με το που διακοπεί ο παλμός του. Ανάλογα με την ημιπερίοδο του δικτύου, είναι ενεργοποιημένος ένας από τους δύο ημιαγωγικούς διακόπτες S1, S. Η αντίστοιχη δίοδος πολώνεται ορθά και επιτρέπει τη μεταφορά ενέργειας από το μετασχηματιστή μέσω του αντίστοιχου δευτερεύοντος τυλίγματος προς την έξοδο. Ο χρόνος toff που διαρκεί η απομαγνήτιση του μετασχηματιστή είναι σταθερός για λειτουργία σε DCM και δίνεται από τη σχέση: V dc p p t off = V acp nf S nf S (.5) όπου n ο λόγος μετασχηματισμού, fs η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας για το στοιχείο Sp και λ ο λόγος της τιμής της τάσης εισόδου προς τη μέγιστη τιμή της τάσης του δικτύου. Αφού απομαγνητιστεί πλήρως ο μετασχηματιστής, δηλαδή μηδενιστεί το ρεύμα του ενεργού δευτερεύοντος τυλίγματος, δε ρέει ρεύμα μέσα από το μετατροπέα μέχρι την έναρξη του επόμενου παλμού. Ο πυκνωτής Cf, προσφέρει ενέργεια στο δίκτυο. Ο παραπάνω κύκλος επαναλαμβάνεται για m φορές κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου, όπου m ο λόγος της ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου Thl προς τη διακοπτική περίοδο Ts. Αναγκαία προϋπόθεση για να λειτουργήσει ο μετατροπέας σε DCM, είναι ο μέγιστος λόγος κατάτμησης να είναι μικρότερος από την οριακή τιμή δp,max [44]: p p,max 1 (.6) 1 n Χρηστίδης Γεώργιος

42 8 Κεφάλαιο Στην εργασία [4] έχουν υπολογιστεί αναλυτικά η μέση και ενεργός τιμή του ρεύματος, τόσο του πρωτεύοντος όσο και του δευτερεύοντος τυλίγματος, οι τελικές εξισώσεις των οποίων παρατίθενται και στο παρόν κείμενο, για λόγους πληρότητας, καθώς και επειδή θα χρειαστούν στα επόμενα κεφάλαια. Για τη μέση τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος Ipri,avg ισχύει: 1 V 1 π Ipri,avg i (t) dt sin i Τ f L m m δv p 4f L Thl m p dc pri hl 0 s 1 i=1 dc s 1 Για την ενεργό τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος Ipri,rms ισχύει: Thl Thl 3 m 1 1 VT dc s p 1 3 pri,rms pri pri hl 0 hl 0 1 i1 I i (t)dt i (t)dt sin i T T 3L m m 4 VT 9 L 3 dc s p 1 Για τη μέση τιμή του ρεύματος του δευτερεύοντος τυλίγματος Isec,avg ισχύει: 1 VT 1 Isec,avg i (t)dt sin i T 4V L m m Thl m dc s p sec hl 0 acp 1 i1 1 1 VT V L dc s p acp 1 (.7) (.8) (.9) Για την ενεργό τιμή του ρεύματος του δευτερεύοντος τυλίγματος Isec,rms ισχύει: Thl Thl 3 3 m 1 1 nv dcts p 1 sec,rms sec sec T hl T 0 hl 6 0 acp 1 i1 I i (t)dt i (t)dt sin i V L m m n 1V VT 3 3 dc s p acp L1 (.10) Συνοπτικά, η μέση και ενεργός τιμή των ρευμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος, όσο και η μέση τιμή τους ανά διακοπτικό κύκλο παρατίθενται στον Πιν..1. Διδακτορική Διατριβή

43 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 9 Πρωτεύον τύλιγμα Δευτερεύον τύλιγμα Μέση τιμή ρεύματος I pri,avg δ V T 4L p dc s 1 I sec,avg 1 1 VT V L dc s p acp 1 Ενεργός τιμή ρεύματος I pri,rms 3 VT 3 dc s p L 1 I sec,rms n 1V T V 3 3 s dc p L acp 1 Μέση τιμή του ρεύματος ανά διακοπτικό κύκλο δpvdc Ts Ipri,avg,i sin i L m 1 VT dc sp Isec,avg,i sin i L m 1 Πιν..1: Μέση και ενεργός τιμή των ρευμάτων των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή σε DCM..4. Λειτουργία στην Οριακή Κατάσταση Συνεχούς/Ασυνεχούς Αγωγής (BCM και i-bcm) Στόχος της λειτουργίας στο όριο μεταξύ της κατάστασης συνεχούς και της κατάστασης ασυνεχούς αγωγής είναι η εξάλειψη του νεκρού διαστήματος που υπάρχει, κατά το οποίο ο μετασχηματιστής παραμένει απομαγνητισμένος, εξακολουθώντας όμως ο μετατροπέας να λειτουργεί ως πηγή ρεύματος. Για το σκοπό αυτό, το ημιαγωγικό στοιχείο Sp θα πρέπει να ενεργοποιείται αμέσως μετά το μηδενισμό του ρεύματος του ενεργού δευτερεύοντος, ώστε ο μετασχηματιστής να απομαγνητίζεται στιγμιαία. Κατά συνέπεια, για αυτή την κατάσταση λειτουργίας, σε αντίθεση με τη DCM, η διακοπτική συχνότητα δεν παραμένει σταθερή. Στην αρχική υλοποίηση της BCM για μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback [44], ο χρόνος αγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος άλλαζε ημιτονοειδώς κατ αντιστοιχία της περίπτωσης της DCM. Όμως, όπως αποδείχτηκε στην εργασία [4], με την υλοποίηση αυτή, ανάλογα με τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα, το ρεύμα εξόδου δε θα ήταν πλήρως ημιτονοειδές. Ως επίλυση αυτού του προβλήματος, προτάθηκε μία βελτιωμένη μέθοδος παλμοδότησης για λειτουργία στην οριακή κατάσταση συνεχούς/ασυνεχούς αγωγής (improved BCM, i-bcm), η οποία, όπως αποδεικνύεται μέσω μαθηματικής ανάλυσης αλλά και πειραματικών αποτελεσμάτων, εγγυάται την παροχή ημιτονοειδούς ρεύματος στην έξοδο του μετατροπέα. Η σύνοψη της λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback στην i-bcm κατά τη διάρκεια μίας πλήρους περιόδου του δικτύου παρουσιάζεται στο Σχ..4, όπου φαίνονται οι Χρηστίδης Γεώργιος

44 30 Κεφάλαιο Ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος Ημιτονοειδής κυματομορφή τάσης Ρεύμα δευτερεύοντος τυλίγματος t on,i t off,i T s,i Παλμοί στοιχείου S p Παλμοί στοιχείου S 1 Παλμοί στοιχείου S Σχ..4: Κυματομορφές ρεύματος πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος και παλμοί ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων για λειτουργία σε i-bcm. κυματομορφές, των ρευμάτων του μετασχηματιστή, μαζί με τους παλμούς των τριών ενεργών ημιαγωγικών στοιχείων. Όπως είναι εμφανές, το διάστημα για το οποίο ο μετασχηματιστής παραμένει απομαγνητισμένος είναι πλέον στιγμιαίο, ενώ η διακοπτική περίοδος είναι πλέον μεταβλητή. Για την επίτευξη ημιτονοειδούς ρεύματος εξόδου, ο χρόνος αγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος, ton,i, του ενεργού δευτερεύοντος τυλίγματος, toff,i, καθώς και η διακοπτική περίοδος, Ts,i, για κάθε διακοπτικό κύκλο i δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις: ton,p t on,i = sinωti-1 sinωt i-1, 0 ωti-1 π (.11) 1 n n λ n λ toff,i ton,p sin ti 1 λ 1 n n (.1) Διδακτορική Διατριβή

45 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 31 ton,p T s,i =t on,i t off,i sinωt i-1 1 n n (.13) όπου ton,p ο μέγιστος χρόνος αγωγής του στοιχείου Sp, ο οποίος εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από το ωt = π/. Με βάση τη (.13), μπορούν να υπολογιστούν η μέγιστη και ελάχιστη διακοπτική συχνότητα fs,max και fs,min οι οποίες εμφανίζονται στις χρονικές στιγμές ωt = 0 και ωt = π/ αντίστοιχα. Επιπρόσθετα παρατίθεται και η σχέση που υπολογίζει τη μέση διακοπτική συχνότητα fs,avg που εμφανίζεται κατά τη λειτουργία σε i-bcm. λ f = = n s,max Ts,i t t ωt = 0 on,p o λ λ sin 0 λ 1 n n n on,p (.14) f = = s,min Ts,i π t λ ωt = on,p o λ t 1+ sin 90 on,p λ n n 1+ n (.15) λ 1+ 1 f s,avg = n (.16) t on,p λ 4 λ n π n Κατ αντιστοιχία με τη DCM, στην εργασία [4] έχουν υπολογιστεί αναλυτικά η μέση και ενεργός τιμή του ρεύματος, τόσο του πρωτεύοντος όσο και του δευτερεύοντος τυλίγματος, οι τελικές εξισώσεις των οποίων παρατίθενται και στο παρόν κείμενο, για λόγους πληρότητας, καθώς και επειδή θα χρειαστούν στα επόμενα κεφάλαια. Για τη μέση τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος Ipri,avg ισχύει: ti m 1 Ipri,avg i (t) dt Τ pri hl i=0 ti-1 m m m 3 4 sin ti 1 sin ti 1 sin ti 1 t dc on,p i=0 i=0 i=0 m 1 1 λ n sin ti-1 i=0 n 1 V n n L 1 V dc 4L1 1 ton,p n Για την ενεργό τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος Ipri,rms ισχύει: (.17) Χρηστίδης Γεώργιος

46 3 Κεφάλαιο Thl m ti 1 1 pri,rms pri pri T hl T 0 hl i0 ti1 I i (t)dt i (t)dt ton,p V dc 1 3 L 1 1 n 3 m m m m sin ti 1 3 sin ti 1 3 sin ti 1 sin t i1 i=0 i=0 i=0 i=0 m n n n λ sin ti 1 n i=0 ton,p 1 Vdc 3 4 λ 3 L n 1 n Για τη μέση τιμή του ρεύματος του δευτερεύοντος τυλίγματος Isec,avg ισχύει: Thl m 1 1 I i (t)dt i (t) dt sec,avg sec sec Thl T 0 hl i=0 ti-1 ti m m m 3 sin ti-1 sin ti-1 sin ti-1 t dc on,p n i=0 n i=0 i=0 m 1 1 λ n sin ti-1 i=0 n V 4L V 4L dc ton,p V t dc on,p 1 L 1 n n 1 1 Για την ενεργό τιμή του ρεύματος του δευτερεύοντος τυλίγματος Isec,rms ισχύει: (.18) (.19) Thl m ti 1 1 sec,rms sec sec T hl T 0 hl i0 ti1 I i (t)dt i (t)dt nvdc 1 t n on,p L n 3 m m m m sin ti 1 3 sin ti 1 3 sin ti 1 sin t i1 i=0 i=0 i=0 i=0 m λ sin θi- 1 i=0 n n n n I nv L 6 n 3 1 n dc sec,rms n ton,p 1 (.0) Διδακτορική Διατριβή

47 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 33 Συνοπτικά, η μέση και ενεργός τιμή των ρευμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος, όσο και η μέση τιμή τους ανά διακοπτικό κύκλο παρατίθενται στον Πιν... Πρωτεύον τύλιγμα Δευτερεύον τύλιγμα Μέση τιμή ρεύματος I pri,avg 1 V dc 4L1 1 ton,p n I sec,avg V t dc on,p L 1 1 n Ενεργός τιμή ρεύματος I pri,rms V t dc on,p λ L n n I sec,rms nv t dc on,p L1 n 6 n 3 1 n Μέση τιμή του ρεύματος ανά διακοπτικό κύκλο 1 V t I sin t L 1 1 n dc on,p pri,avg,i i 1 V t I sin t L 1 1 n dc on,p sec,avg,i i 1 Πιν..: Μέση και ενεργός τιμή των ρευμάτων των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή σε i-bcm..5. Περιγραφή μηχανισμών απωλειών μετατροπέα Κάθε μία από τις παραπάνω μεθόδους παλμοδότησης έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν για τη σχεδίαση με στόχο την επίτευξη του μέγιστου δυνατού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης του μικρο-αντιστροφέα. Για το σκοπό αυτό, στην παρούσα ενότητα θα περιγραφούν οι μηχανισμοί απωλειών που υπάρχουν στο μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback. Όπως και σε κάθε άλλο ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, οι κύριες πηγές παραγωγής θερμότητας λόγω απωλειών μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες, εκείνες λόγω των ημιαγωγικών στοιχείων και εκείνες λόγω των μαγνητικών στοιχείων. Απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων Οι απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε απώλειες αγωγής και διακοπτικές απώλειες. Λόγω των επιπέδων τάσης και ρεύματος του μικρο-αντιστροφέα, σε συνδυασμό με την αυξημένη διακοπτική συχνότητα παλμοδότησης, χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι ημιαγωγικοί διακόπτες τύπου MOSFET. Χρηστίδης Γεώργιος

48 34 Κεφάλαιο Ξεκινώντας με τις απώλειες αγωγής, για την περίπτωση ενός ενεργού ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος, για το οποίο θεωρούμε ότι το ισοδύναμο μοντέλο κατά την αγωγή είναι μία αντίσταση Rds, οι απώλειες αυτές είναι ανάλογες του τετραγώνου της ενεργού τιμής του ρεύματος που διαρρέει το στοιχείο. Πιο συγκεκριμένα, για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, τρία ενεργά ημιαγωγικά στοιχεία υπάρχουν στη βασική δομή, τα Sp, S1, S. Συνεπώς, για το στοιχείο Sp, το οποίο είναι σε σειρά με το πρωτεύον τύλιγμα, άρα έχουν ίδιο ρεύμα, οι απώλειες αγωγής, PCL,pri, είναι: P I R (.1) CL,pri pri,rms ds,pri με Rds,pri την αντίσταση αγωγής του στοιχείου. Κατ αντιστοιχία, οι συνολικές απώλειες αγωγής, PCL,sec, για τα δύο στοιχεία που είναι συνδεδεμένα στα δευτερεύοντα τυλίγματα είναι: P I R (.) CL,sec sec,rms ds,sec με Rds,sec την αντίσταση αγωγής των στοιχείων S1, S. Η αντίσταση αγωγής των στοιχείων εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως για παράδειγμα τον τρόπο κατασκευής, τη θερμοκρασία του στοιχείου ή την τάση οδήγησης. Οι κυρίαρχοι όμως παράγοντες που επηρεάζουν την αντίσταση αγωγής για συνηθισμένες εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος είναι η τάση διάσπασης του στοιχείου Vtr,BD (στοιχεία με μεγαλύτερη τάση διάσπασης έχουν και μεγαλύτερη αντίσταση αγωγής, λόγω της διευρυμένης περιοχής μετατόπισης ή επιταξίας [45]), καθώς και η συσκευασία (στοιχεία με μεγαλύτερη συσκευασία έχουν συνήθως μικρότερη αντίσταση αγωγής). Μία απλοποιημένη εξίσωση που περιγράφει την αντίστασης αγωγής ως συνάρτηση της τάσης διάσπασης του στοιχείου Vtr,BD είναι η [46]: k R k V k (.3) ds 1 tr,bd 3 Στην εργασία [4] έχει γίνει προσπάθεια να καταγραφούν οι συντελεστές k1, k, k3 για τυπικές συσκευασίες, μέσω της μεθόδου σύμπτωσης καμπυλών, αντλώντας πληροφορίες από τα τεχνικά φυλλάδια κατασκευαστών. Όσον αφορά στις απώλειες αγωγής των διόδων που συνδέονται στα δύο δευτερεύοντα τυλίγματα, λόγω του ισοδύναμου κυκλώματος που χρησιμοποιείται για τις διόδους ισχύος κατά την αγωγή τους (μία πηγή τάσης και μία αντίσταση, η οποία μπορεί να θεωρηθεί μικρή και να αμεληθεί), οι συνολικές απώλειες αγωγής Pd είναι: Pd Isec,avg Vd (.4) όπου Vd η πτώση τάσης κατά την αγωγή της διόδου. Διδακτορική Διατριβή

49 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 35 Η δεύτερη κατηγορία των απωλειών που υπάρχουν στα ημιαγωγικά στοιχεία είναι οι διακοπτικές απώλειες, οι οποίες εμφανίζονται κατά την έναυση και τη σβέση ενός ημιαγωγικού στοιχείου και οφείλονται στη συνύπαρξη για ένα μικρό χρονικό διάστημα (της τάξης των δεκάδων ns) μη μηδενικής τάσης και μη μηδενικού ρεύματος στο στοιχείο. Ο χρόνος έναυσης και σβέσης των στοιχείων οφείλεται κυρίως στις παρασιτικές χωρητικότητες ανάμεσα στους ακροδέκτες, καθώς και τις παρασιτικές επαγωγές, οι οποίες δεν επιτρέπουν την απότομη μεταβολή της τάσης και του ρεύματος αντίστοιχα, καθώς και στο χρόνο επανασύνδεσης των ελεύθερων φορέων φορτίου. Μία γενικευμένη σχέση που είναι αποδεκτή για την περιγραφή των διακοπτικών απωλειών, PSL, είναι η [47]: 1 PSL ISPVSP tr tf fs (.5) όπου ISP, VSP οι στιγμιαίες μέγιστες τιμές ρεύματος και τάσης κατά την έναυση και τη σβέση, και tr, tf οι αντίστοιχοι χρόνοι. Ένα βασικό πλεονέκτημα του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, ο οποίος λειτουργεί είτε σε DCM είτε σε i-bcm σε σχέση με τη CCM είναι, όπως φάνηκε παραπάνω, ότι υπάρχουν σημεία μηδενισμού του ρεύματος των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή και επομένως και των ημιαγωγικών στοιχείων. Συνεπώς, για το στοιχείο που βρίσκεται στο πρωτεύον τύλιγμα, Sp, οι απώλειες έναυσης είναι μηδενικές, αφού η αγωγή του ξεκινά υπό μηδενικό ρεύμα. Κατ αντιστοιχία, για τα στοιχεία S1, S που βρίσκονται στα δευτερεύοντα τυλίγματα και η έναυση και η σβέση γίνεται υπό μηδενική τάση και μηδενικό ρεύμα (αφού λειτουργούν στη συχνότητα του δικτύου και ο μετατροπέας παρουσιάζει μοναδιαίο συντελεστή ισχύος) και επομένως δεν εμφανίζουν διακοπτικές απώλειες. Συνολικά, οι μόνες διακοπτικές απώλειες που εμφανίζονται στο μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback για λειτουργία είτε σε DCM είτε σε i-bcm είναι οι απώλειες κατά τη σβέση του Sp, PSL,pri. Για λειτουργία σε DCM αυτό μεταφράζεται σε: t m m f,privdc p,w 1 1 PSL,pri Vdc sin nvacp sin i i L 1 m i1 m m i1 m t f,privdc p,w V nv dc acp L1 4 ενώ για λειτουργία σε i-bcm: (.6) Χρηστίδης Γεώργιος

50 36 Κεφάλαιο P m m m sin sin sin t V n 3 t t t i1 i1 i1 f,pri dc i0 i0 i0 SL,pri m m m L n 1 λ λ λ sin ti-1 sin ti-1 sin ti-1 i=0 n i=0 n i=0 n (.7) tf,privdc L 1 n Απώλειες μαγνητικών στοιχείων Εκτός από τα ημιαγωγικά στοιχεία του μικρο-αντιστροφέα, η δεύτερη κύρια πηγή απωλειών του μετατροπέα είναι ο υψίσυχνος μετασχηματιστής. Οι απώλειές του και πάλι μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε απώλειες πυρήνα, απώλειες τυλιγμάτων καθώς και απώλειες που οφείλονται στην επαγωγή σκέδασης του μετασχηματιστή (και εμφανίζονται ως θερμότητα στο κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων). Ξεκινώντας με τις απώλειες του πυρήνα, ο μετασχηματιστής του μικρο-αντιστροφέα Flyback, όπως και κάθε άλλου μαγνητικού στοιχείου που λειτουργεί σε υψηλή συχνότητα (δηλ. συχνότητα τυπικά μεγαλύτερη από 1kHz) είναι κατασκευασμένος από φερρίτη. Όπως και για τα σιδηρομαγνητικά υλικά, έτσι και για τους φερρίτες, η χαρακτηριστική καμπύλη που δείχνει τη συμπεριφορά τους είναι ο βρόχος υστέρησης [48], η καμπύλη δηλαδή που δείχνει τη σχέση της μαγνητικής ροής B με την ένταση του μαγνητικού πεδίου H. Το εμβαδό που περικλείεται από αυτή την καμπύλη, δείχνει τις απώλειες υστέρησης του πυρήνα ανά περίοδο. Γι αυτό άλλωστε για τις εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος χρησιμοποιούνται μαγνητικά στοιχεία που είναι κατασκευασμένα με φερρίτη και όχι σιδηρομαγνητικά, λόγω του πολύ στενότερου βρόχου υστέρησης. Δεύτερος λόγος απωλειών στον πυρήνα είναι η εμφάνιση δινορευμάτων, λόγω του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου κατά τη λειτουργία. Στους φερρίτες, όμως, οι απώλειες λόγω δινορευμάτων είναι πολύ χαμηλότερες από ό,τι στα σιδηρομαγνητικά υλικά, με αποτέλεσμα για συχνότητες λειτουργίας μικρότερες από MHz να θεωρούνται αμελητέες [49]. Για την περιγραφή των απωλειών του πυρήνα έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία διάφορα μοντέλα, που μπορούν να ομαδοποιηθούν σε μοντέλα υστέρησης [50] [53], μοντέλα διαχωρισμού απωλειών [54], [55] και μοντέλα που βασίζονται σε εμπειρικές σχέσεις [56] [59]. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στις συνηθέστερες εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος, οι κυματομορφές διέγερσης του πυρήνα δεν είναι ημιτονοειδείς, όπως για παράδειγμα συμβαίνει στους μετασχηματιστές του δικτύου, αλλά χαρακτηρίζονται από πολύ απότομες μεταβολές, λόγω των διακοπτικών στοιχείων. Διδακτορική Διατριβή

51 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 37 Από τα παραπάνω, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα μοντέλα τα οποία βασίζονται στην εξίσωση του Steinmetz [56], η οποία είναι μία εμπειρική εξίσωση που κατασκευάστηκε μέσω παρατήρησης πειραματικών μετρήσεων για μαγνητικά στοιχεία με ημιτονοειδείς διεγέρσεις. Σε αρκετές διαφορετικές εργασίες έχουν προταθεί τρόποι ώστε η εξίσωση του Steinmetz να επεκταθεί και για την περιγραφή απωλειών μαγνητικών υλικών με μη ημιτονοειδείς διεγέρσεις, όπως η τροποποιημένη εξίσωση Steinmetz (Modified Steinmetz Equation, MSE) [57], η γενικευμένη εξίσωση Steinmetz (Generalized Steinmetz Equation, GSE) [55], η βελτιωμένη γενικευμένη εξίσωση Steinmetz (improved Generalized Steinmetz Equation, igse) [58] και η φυσική επέκταση της εξίσωσης Steinmetz (Natural Steimetz Extension, NSE) [59]. Μελετώντας τις παραπάνω εξισώσεις και λαμβάνοντας υπ όψιν ότι για το συγκεκριμένο μετατροπέα η διέγερση του μετασχηματιστή ανά διακοπτική περίοδο δεν είναι σταθερή, αλλά μεταβάλλεται σημαντικά κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου, επιλέγεται για την περιγραφή των απωλειών του πυρήνα του μετασχηματιστή του μικρο-αντιστροφέα η μέθοδος igse. Επομένως, οι απώλειες του πυρήνα του μετασχηματιστή, Pcore, περιγράφονται από την εξίσωση [58]: igse igse k igse kf B Bi 1 Bi core f i 1 i i0 ti 1 ti (.8) P k t t όπου k f k igse igse 1 igse igse (.9) και αigse, βigse, kigse οι συντελεστές της εξίσωσης Steinmetz [56], k ο αριθμός των διακοπτικών κύκλων κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου και Bi η ένταση του μαγνητικού πεδίου τη χρονική στιγμή ti. Δεύτερη κατηγορία απωλειών που εμφανίζονται σε ένα μαγνητικό στοιχείο είναι οι απώλειες χαλκού στα τυλίγματα. Οι απώλειες αυτές οφείλονται στην αντίσταση του αγωγού κάθε τυλίγματος, ενισχύονται όμως σε λειτουργία σε υψηλές συχνότητες και περιγράφονται από το επιδερμικό φαινόμενο και το φαινόμενο γειτνίασης [49], [60]. Για τον περιορισμό της επίδρασης αυτών των φαινομένων στους υψίσυχνους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος, για την κατασκευή των μαγνητικών στοιχείων χρησιμοποιείται απλό πολύκλωνο σύρμα με ακτίνα κάθε κλώνου rstr ή σύρμα Litz. Αυτό όμως Χρηστίδης Γεώργιος

52 38 Κεφάλαιο συνεπάγεται την εξαιρετικά πολύπλοκη μαθηματική ανάλυση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων εντός του στοιχείου, τα οποία οδηγούν στην εμφάνιση των δινορευμάτων. Για το λόγο αυτό, κατ αντιστοιχία με τις απώλειες πυρήνα, υπάρχει πληθώρα εργασιών [61] [68], στις οποίες παρουσιάζονται μέθοδοι εκτίμησης των απωλειών χαλκού, χωρίς να είναι απαραίτητο να ληφθεί υπ όψιν η ακριβής διάταξη των αγωγών εντός του πυρήνα. Συνεπώς, για τον υπολογισμό των απωλειών των τυλίγματος z, Pcu,z, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ακόλουθη προσεγγιστική σχέση [69]: P R I R F I (.30) Cu,z dc,z avg,z dc,z r,z rms,ac,z όπου I I I (.31) rms,ac,z rms,z avg,z Rdc,z η ωμική αντίσταση κάθε τυλίγματος σε συνεχές ρεύμα, Fr,z ο παράγοντας αύξησης της αντίστασης λόγω υψηλής συχνότητας [6], [70], [71] και Iavg,z, Irms,z η μέση και ενεργός τιμή του τυλίγματος z, η οποία για το συγκεκριμένο μετατροπέα αντιστοιχεί στα ρεύματα πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος που υπολογίστηκαν παραπάνω. Ολοκληρώνοντας, κατά την αγωγή του κυρίως στοιχείου Sp, ενέργεια συσσωρεύεται στη σκέδαση του μετασχηματιστή, η οποία στη συνέχεια δε μεταφέρεται στην έξοδο (όπως η ενέργεια που συσσωρεύεται στο πηνίο μαγνήτισης του μετασχηματιστή), αλλά μετατρέπεται σε θερμότητα σε περίπτωση που υπάρχει παθητικό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων. Σε περίπτωση μη χρήσης βοηθητικού κυκλώματος καταστολής υπερτάσεων, τότε αυτή η ενέργεια μεταφέρεται στον παρασιτικό πυκνωτή του στοιχείου Sp, με αποτέλεσμα να αυξηθεί υπερβολικά η τάση του κατά τη σβέση και να υπάρχει περίπτωση καταστροφής. Συνοψίζοντας, για τον απλό μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, στον οποίο υπάρχει παθητικό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων, ένα ποσοστό της ενέργειας εισόδου μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω της σκέδασης του μετασχηματιστή. Το ποσοστό αυτό είναι ίσο με το λόγο του αυτεπαγωγής σκέδασης προς την αυτεπαγωγή μαγνήτισης του μετασχηματιστή [7]..6. Μεθοδολογία βέλτιστου σχεδιασμού Έχοντας καταγράψει όλους τους κύριους μηχανισμούς απωλειών για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, μπορεί πλέον να παρουσιαστεί η μέθοδος σχεδίασης του μετατροπέα, με σκοπό την ελαχιστοποίηση των συνολικών απωλειών. Παρατηρώντας τις σχέσεις που παρουσιάστηκαν παραπάνω μπορεί να φανεί η συσχέτιση των σχεδιαστικών παραμέτρων (δηλαδή των τιμών κάθε στοιχείου του μετατροπέα) με τις αναμενόμενες απώλειες. Ενδεικτικά: Διδακτορική Διατριβή

53 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 39 Αύξηση της διακοπτικής συχνότητας προκαλεί μείωση της ενεργού τιμής του ρεύματος που διαρρέει τα ημιαγωγικά στοιχεία, όπως προκύπτει από τις (.8), (.10), (.18) και (.0), αλλά αύξηση των διακοπτικών απωλειών. Επιλογή μεγαλύτερου λόγου μετασχηματισμού οδηγεί σε μικρότερο λόγο κατάτμησης, όπως προκύπτει από τη (.6), με αποτέλεσμα να περιορίζεται η διακοπτική συχνότητα ώστε ο μετατροπέας να παραμένει σε λειτουργία DCM ή i-bcm. Αυξάνεται όμως η μέγιστη τάση που εμφανίζεται στα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία [4], άρα και η ονομαστική τάση για την οποία θα πρέπει να επιλεγούν, συνεπώς και η αντίσταση αγωγής τους. Επιλογή τυλίγματος με μεγάλη διατομή μειώνει την αντίσταση αγωγής του σύρματος, όμως και τις διαθέσιμες στροφές που μπορούν να τοποθετηθούν εντός του πυρήνα του μετασχηματιστή, επομένως και την αυτεπαγωγή του πηνίου. Από τα παραπάνω παραδείγματα τεκμαίρεται ότι η επιλογή των σχεδιαστικών παραμέτρων δεν είναι προφανής και απαιτείται περαιτέρω ανάλυση για την εύρεση της βέλτιστης λύσης. Πρόκειται δηλαδή για ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, οπότε απαιτείται να οριστεί ο στόχος του προβλήματος (αντικειμενική συνάρτηση), οι μεταβλητές που πρέπει να επιλεχθούν κατάλληλα, καθώς και τυχόν περιορισμοί λόγω της συγκεκριμένης εφαρμογής. Επιλογή αντικειμενικής συνάρτησης Όπως έχει αναλυθεί, στόχος της μεθοδολογίας σχεδιασμού για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback είναι η ελαχιστοποίηση των απωλειών του μετατροπέα, ή αλλιώς η μεγιστοποίηση του βαθμού απόδοσης. Όμως, όπως συμβαίνει και σε οποιοδήποτε άλλο ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, ο βαθμός απόδοσης του μικρο-αντιστροφέα δεν είναι σταθερός για όλο το φάσμα λειτουργίας. Ειδικά για μετατροπείς που χρησιμοποιούνται σε Φ/Β συστήματα, στα οποία η παρεχόμενη ενέργεια έχει μεγάλη διακύμανση κατά τη διάρκεια της ημέρας, οι συνθήκες λειτουργίας πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπ όψιν ώστε να επιλεγεί η κατάλληλη συνάρτηση στο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Λόγω της διακύμανσης της ακτινοβολίας και άρα και της ενέργειας εξόδου του Φ/Β πλαισίου, η βελτιστοποίηση της απόδοσης μόνο για τo ονομαστικό (μέγιστο) επίπεδο ισχύος εισόδου του μικρο-αντιστροφέα δεν είναι η ορθή λύση. Αυτό προκύπτει διότι ο μετατροπέας λειτουργεί για ένα μικρό χρονικό διάστημα σε αυτό το σημείο (για μέγιστη ηλιοφάνεια). Αντίθετα, στόχος θα πρέπει να είναι η επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης για ένα μεγάλο εύρος ισχύος, ώστε να γίνεται η όσο το δυνατό καλύτερη εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας σε οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες. Για το σκοπό αυτό, έχουν θεσπιστεί, ειδικά για Χρηστίδης Γεώργιος

54 40 Κεφάλαιο εφαρμογές σε Φ/Β συστήματα, μεγέθη που λαμβάνουν υπ όψιν τη λειτουργία των μετατροπέων για διάφορα επίπεδα ισχύος και εξάγεται ένας σταθμισμένος μέσος όρος για το βαθμό απόδοσης (weighted efficiency). Τα δύο πιο δημοφιλή μεγέθη που είναι παγκοσμίως αποδεκτά ως κριτήρια για την κατάταξη των μετατροπέων για Φ/Β συστήματα είναι ο ευρωπαϊκός (EU) βαθμός απόδοσης και ο αμερικάνικος (CEC) βαθμός απόδοσης [73], [74]. Οι συντελεστές βαρύτητας για κάθε επίπεδο ισχύος του μετατροπέα, ως ποσοστό της ονομαστικής του ισχύος φαίνονται στον Πιν..3. Επίπεδο ισχύος 5% 10% 0% 30% 50% 75% 100% EU CEC Πιν..3: Βάρη υπολογισμού των σταθμισμένων βαθμών απόδοσης. Καθορισμός σχεδιαστικών μεταβλητών Έχοντας επιλέξει τη συνάρτηση προς μεγιστοποίηση, επόμενο βήμα της μεθοδολογίας βέλτιστου σχεδιασμού είναι η καταγραφή όλων των εξαρτήσεων μεταξύ των σχεδιαστικών παραμέτρων του μετατροπέα και των συναρτήσεων απωλειών του, οι οποίες αναλύθηκαν στις παραπάνω ενότητες. Σημαντικός είναι ο διαχωρισμός μεταξύ των ανεξάρτητων σχεδιαστικών μεταβλητών, οι οποίες είναι οι βασικές σχεδιαστικές παράμετροι και των εξαρτημένων σχεδιαστικών μεταβλητών, οι οποίες υπολογίζονται βάσει των ανεξάρτητων. Για τον αντιστροφέα τύπου Flyback, οι ανεξάρτητες μεταβλητές είναι οι [4]: Λόγος μετασχηματισμού n του υψίσυχνου μετασχηματιστή. Πυκνότητα ρεύματος J που διαρρέει τα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Μέγιστη μαγνητική επαγωγή Bp του μετασχηματιστή. Διακοπτική συχνότητα fs ή μέγιστος χρόνος αγωγής ton,p για DCM ή i-bcm αντίστοιχα. Από τις παραπάνω μεταβλητές, οι οποίες προκύπτουν από τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης, υπολογίζονται οι υπόλοιπες σχεδιαστικές παράμετροι του μετατροπέα. Πιο συγκεκριμένα: Αυτεπαγωγή πηνίου πρωτεύοντος L1, L 1 1 V dc p (.3) 4 P f PV,max S Διδακτορική Διατριβή

55 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 41 για DCM και L 1 1 V 4P dc PV,max ton,p 1 n (.33) για i-bcm. Μέγιστη στιγμιαία τιμή ρεύματος πρωτεύοντος Ιpri,p, I V dc pri,p pfs (.34) L1 για DCM και I V dc pri,p ton,p (.35) L1 για i-bcm. Αριθμός κλώνων πρωτεύοντος τυλίγματος strpri, Ipri,rms strpri round J r (.36) str Αριθμός κλώνων δευτερεύοντος τυλίγματος strsec, Isec,rms strsec round J r (.37) str Αριθμός σπειρών πρωτεύοντος τυλίγματος Νpri, N LI 1 pri,p pri (.38) BA p e Διάκενο πυρήνα lg, l 4 N I pri pri,p g (.39) Bp Αντίσταση αγωγής πρωτεύοντος τυλίγματος Rdc,pri, R N l pri T Cu dc,pri strpri rstr Αντίσταση αγωγής δευτερεύοντος τυλίγματος Rdc,sec, R N pri T Cu dc,sec n strsec rstr l (.40) (.41) Γεωμετρικά χαρακτηριστικά πυρήνα (Μήκος παραθύρου XW, επιφάνεια παραθύρου AW, ενεργός όγκος Ve, ενεργός διατομή Ae, ενεργό μήκος le, μέσο μήκος σπείρας lt). Χρηστίδης Γεώργιος

56 4 Κεφάλαιο Καταγραφή προδιαγραφών και περιοριστικών συνθηκών Για την εφαρμογή του αλγορίθμου βελτιστοποίησης καθώς και τον υπολογισμό των παραπάνω σχεδιαστικών παραμέτρων θα πρέπει να οριστούν επακριβώς οι προδιαγραφές της εφαρμογής καθώς και όλες οι περιοριστικές συνθήκες που ορίζονται από τις απαιτήσεις ορθής λειτουργίας του μετατροπέα. Για το συγκεκριμένο μικρο-αντιστροφέα οι προδιαγραφές λειτουργίας μεταφράζονται στο εύρος διακύμανσης της τάσης εισόδου και εξόδου καθώς και στη μέγιστη ισχύ εισόδου που θα παραχθεί από το Φ/Β πλαίσιο. Σχετικά με τις περιοριστικές συνθήκες, εξάγονται από τον τρόπο κατασκευής του μικρο-αντιστροφέα και δε διαφέρουν από τους περιορισμούς που υπάρχουν για τη σχεδίαση οποιουδήποτε ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος [75], [76]: Η μέγιστη τάση των ημιαγωγικών στοιχείων θα πρέπει να είναι μικρότερη της τάσης διάσπασής τους, επομένως λαμβάνεται υπ όψιν η μέγιστη τάση διάσπασης στοιχείων που είναι διαθέσιμα από τους κατασκευαστές. Κατά τη διάρκεια της βελτιστοποίησης, ελέγχονται στοιχεία με μικρότερη τάση διάσπασης από τη μέγιστη επιτρεπτή, ώστε να παρουσιάζουν μικρότερη αντίσταση αγωγής και κατ επέκταση απώλειες αγωγής. Η μέγιστη τιμή της μαγνητικής επαγωγής Bp δεν πρέπει να ξεπερνά τη μαγνητική επαγωγή κορεσμού Bsat του μαγνητικού υλικού του πυρήνα. Τα τυλίγματα του μετασχηματιστή θα πρέπει να μπορούν να τοποθετηθούν εντός του διαθέσιμου παραθύρου του πυρήνα, δηλαδή του εμβαδού ανάμεσα στα στελέχη το οποίο προορίζεται για αυτά. Για το λόγο αυτό, το ποσοστό πλήρωσης του παραθύρου του μετασχηματιστή θα πρέπει να είναι μικρότερο από το μέγιστο επιτρεπτό Cff,max. Ειδικά για λειτουργία σε DCM, θα πρέπει να ικανοποιείται η σχέση (.6). Υλοποίηση αλγορίθμου βελτιστοποίησης Ο αλγόριθμος που παρουσιάστηκε έχει υλοποιηθεί μέσω του λογισμικού επίλυσης μαθηματικών προβλημάτων Mathematica. Έχουν καταγραφεί οι εξισώσεις υπολογισμού των απωλειών καθώς και οι περιοριστικές συνθήκες. Κατά την εκτέλεση του αλγορίθμου υπολογίζονται επαναληπτικά οι συνθήκες λειτουργίας για τον εκάστοτε σχεδιασμό και στη συνέχεια οι απώλειες των στοιχείων του μετατροπέα, με βάση τις τιμές αυτές. Εξάγεται τελικά ο σχεδιασμός για τον οποίο πληρούνται όλες οι περιοριστικές συνθήκες και εμφανίζεται ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος θα χρησιμοποιηθεί για να εξαχθούν βέλτιστοι σχεδιασμοί μικρο-αντιστροφέα για λειτουργία είτε Διδακτορική Διατριβή

57 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 43 σε DCM είτε σε i-bcm με συγκεκριμένες προδιαγραφές, ώστε να είναι εφικτή η σύγκριση των προτεινόμενων μεθόδων στη συνέχεια της εργασίας με τις ήδη υπάρχουσες υλοποιήσεις..7. Σύγκριση μεθόδων μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων Για να φανούν οι περιορισμοί των παραπάνω γνωστών μεθόδων παλμοδότησης, ώστε να αιτιολογηθεί η αναζήτηση νέων στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, κρίθηκε αναγκαίο να καταγραφούν πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν σε εργαστηριακά πρωτότυπα, για να ποσοτικοποιηθεί πειραματικά ο μέγιστος δυνατός βαθμός απόδοσης που μπορεί να επιτευχθεί για δεδομένες προδιαγραφές. Όπως φάνηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι προδιαγραφές που πρέπει να πληρούν οι μικρο-αντιστροφείς δεν είναι συγκεκριμένες και σαφώς ορισμένες, αλλά διαφέρουν ανάλογα με το λόγο κατασκευής του προϊόντος, δηλαδή αν θα παρέχεται μαζί με ένα συγκεκριμένο Φ/Β πλαίσιο, ήδη ενσωματωμένο απευθείας από τον κατασκευαστή, ή αν θα είναι διαθέσιμο για αγορά από το χρήστη ή τον εγκαταστάτη, ώστε να τοποθετηθεί με οποιοδήποτε Φ/Β πλαίσιο αν πληροί κάποιες ελάχιστες προϋποθέσεις για την ονομαστική ισχύ και τάση του. Κατά συνέπεια, στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια να καλυφθούν και οι δύο φιλοσοφίες σχεδιασμού και κατασκευής ενός μικρο-αντιστροφέα. Παρακάτω παρατίθενται πειραματικά αποτελέσματα εργαστηριακών πρωτοτύπων που έχουν κατασκευαστεί και για τις δύο διαφορετικές εφαρμογές ενώ στη συνέχεια γίνεται και μία σύγκριση μεταξύ τους. Σχεδιασμός μικρο-αντιστροφέα για διαφορετικούς τύπους Φ/Β πλαισίων Η πρώτη υλοποίηση του αλγορίθμου βελτιστοποίησης που θα μελετηθεί είναι για την κατασκευή ενός μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback για ένα εύρος Φ/Β πλαισίων με ονομαστική ισχύ 00W και εύρος τάσης εισόδου 5V 40V. Χρησιμοποιήθηκαν δύο ξεχωριστοί μετατροπείς με κοινό μέγεθος πυρήνα μετασχηματιστή, ώστε να μπορεί να γίνει ορθή σύγκριση. Σχεδιάστηκε ένας μετατροπέας για DCM, ενώ χρησιμοποιήθηκε και ένας ήδη κατασκευασμένος για λειτουργία σε i-bcm [4]. Για την επιλογή του πυρήνα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν το γεγονός ότι ο κατασκευασμένος μετατροπέας θα πρέπει να έχει γεωμετρικά χαρακτηριστικά κατάλληλα για ενσωμάτωσή του στις εγκαταστάσεις Φ/Β πλαισίων. Από την άλλη πλευρά, με την αύξηση του μεγέθους του πυρήνα, ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα αυξάνεται, όπως θα φανεί αναλυτικότερα σε επόμενο κεφάλαιο. Επομένως, η επιλογή του πυρήνα γίνεται μετά από συμβιβασμό μεταξύ των δύο αυτών αντίθετων απαιτήσεων. Χρηστίδης Γεώργιος

58 44 Κεφάλαιο Προδιαγραφές Περιοριστικές συνθήκες Ανεξάρτητες μεταβλητές Επιλεγμένες τιμές P PV,max = 00W V sec,bd = 100V n = 0.37 S p: IXFH60N0 V dc = 5V 40V B sat = 80mT J = 4.39A/mm S 1, S : IXFX6N10 Δίκτυο: 30V / 50Hz C ff,max = 35% B p = 05mT Δίοδοι: RHR16510 Πυρήνας: ETD54 (3F3) f s,dcm = 36.98kHz N pri = 11 (L 1 = 13.8μH) r str = 0.15mm str pri = 40 str sec = 5 l g = 3.76mm Πιν..4: Σχεδιαστικές παράμετροι μικρο-αντιστροφέα για εύρος Φ/Β πλαισίων για λειτουργία σε DCM. Προδιαγραφές Περιοριστικές συνθήκες Ανεξάρτητες μεταβλητές Επιλεγμένες τιμές P PV,max = 00W V sec,bd = 100V n = S p: IXFH60N0 V dc = 5V 40V B sat = 80mT J = 4.74A/mm S 1, S : IXFX6N10 Δίκτυο: 30V / 50Hz C ff,max = 35% B p = 80mT Δίοδοι: RHR16510 Πυρήνας: ETD54 (3F3) t on,p,max = 69μs N pri = (L 1 = 43μH) r str = 0.15mm str pri = 38 str sec = 5 l g = 3.95mm Πιν..5: Σχεδιαστικές παράμετροι μικρο-αντιστροφέα για εύρος Φ/Β πλαισίων για λειτουργία σε i-bcm. Οι σχεδιαστικές παράμετροι του μετατροπέα που λειτουργεί σε DCM, όπως προκύπτουν μετά τη διαδικασία βελτιστοποίησης, φαίνονται στον Πιν..4 ενώ αντίστοιχα του μετατροπέα που λειτουργεί σε i-bcm στον Πιν..5. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης εκτελέστηκε για λειτουργία στη χειρότερη περίπτωση, ώστε να είναι βέβαιο ότι ο εκάστοτε μετατροπέας θα λειτουργεί ορθά στην επιλεγμένη κατάσταση αγωγής για οποιεσδήποτε άλλες συνθήκες. Για τις συγκεκριμένες προδιαγραφές, η χειρότερη περίπτωση είναι η ελάχιστη τάση εισόδου του μετατροπέα, αφού για αυτή την περίπτωση το ρεύμα Διδακτορική Διατριβή

59 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 45 εισόδου είναι μέγιστο, το οποίο αν δεν υπολογιστεί σωστά, θα οδηγήσει τον πυρήνα του μετασχηματιστή σε κορεσμό. Μέσω ενός αναλυτή ισχύος υψηλής ακρίβειας (Zimmer LMG-500) μετρήθηκε ο βαθμός απόδοσης κάθε μετατροπέα σε τρία διαφορετικά επίπεδα τάσης (40V, 3.5V και 5V), για όλο το εύρος ισχύος εισόδου (0 00W). Στο Σχ..5 φαίνεται ο βαθμός απόδοσης των δύο μετατροπέων για την υψηλότερη τάση εισόδου των 40V, στο Σχ..6 για την ενδιάμεση τάση των 3.5V και στο Σχ..7 για τη χαμηλή τάση των 5V. Όπως είναι εμφανές από τα σχήματα αυτά, ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα που λειτουργεί σε i-bcm είναι σαφώς μεγαλύτερος από εκείνον του μετατροπέα σε DCM. Αυτό συμβαίνει διότι με την i-bcm γίνεται καλύτερη εκμετάλλευση του μαγνητικού υλικού, αφού ο μετασχηματιστής διαρρέεται συνεχώς από ρεύμα (μόνο στιγμιαία το ρεύμα μαγνήτισης μηδενίζεται). Ως αποτέλεσμα αυτού, το μέγιστο ρεύμα μέσα από το μετασχηματιστή είναι μικρότερο, το οποίο συνεπάγεται ότι υπάρχει μειωμένη ενεργός τιμή του ρεύματος άρα και μειωμένες απώλειες αγωγής. Ταυτόχρονα, η αύξηση της μέγιστης τιμής του ρεύματος οδηγεί σε αύξηση των διακοπτικών απωλειών που εμφανίζονται στο στοιχείο Sp, περιορίζοντας το βαθμό απόδοσης του μετατροπέα. Αξίζει να σημειωθεί ότι, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της διαδικασίας βελτιστοποίησης, για λειτουργία σε DCM, η τιμή της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος είναι το ένα τρίτο της αντίστοιχης για λειτουργία σε i-bcm. Λόγω αυτού και το σχετικό ποσοστό της επαγωγής σκέδασης του μετασχηματιστή για λειτουργία σε DCM είναι μεγαλύτερο, συνεισφέροντας στη μείωση του βαθμού απόδοσης. Οι παρατηρήσεις αυτές γίνονται ακόμα πιο σημαντικές καθώς μειώνεται η τάση εισόδου του μετατροπέα για ίδιο επίπεδο ισχύος (με αποτέλεσμα να αυξάνεται το ρεύμα εισόδου καθώς και η μέγιστη και ενεργός τιμή του). Συνεπώς, γίνεται φανερό ότι λόγω της μειωμένης εκμετάλλευσης του μαγνητικού στοιχείου, για τα επίπεδα ισχύος των σύγχρονων Φ/Β πλαισίων που προορίζονται για Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο, η λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback σε DCM δεν ενδείκνυται. Αντίθετα, για μικρότερα επίπεδα ισχύος, όπως έχει φανεί στις εργασίες [4], [44], μπορεί να επιτευχθεί υψηλός βαθμός απόδοσης, στοιχείο που θα χρησιμοποιηθεί στη λογική της προτεινόμενης υβριδικής μεθόδου στη συνέχεια. Χρηστίδης Γεώργιος

60 46 Κεφάλαιο 9 90 Απόδοση (%) Απόδοση (%) i-bcm DCM Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ..5: Πειραματικός βαθμός απόδοσης των μετατροπέων κατασκευασμένων για εύρος Φ/Β πλαισίων για τάση εισόδου V dc = 40V i-bcm DCM Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ..6: Πειραματικός βαθμός απόδοσης των μετατροπέων κατασκευασμένων για εύρος Φ/Β πλαισίων για τάση εισόδου V dc = 3.5V. Διδακτορική Διατριβή

61 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου Απόδοση (%) i-bcm DCM Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ..7: Πειραματικός βαθμός απόδοσης των μετατροπέων κατασκευασμένων για εύρος Φ/Β πλαισίων για τάση εισόδου V dc = 5V. Σχεδιασμός μικρο-αντιστροφέα προσαρμοσμένου σε συγκεκριμένο Φ/Β πλαίσιο Η δεύτερη υλοποίηση του αλγορίθμου βελτιστοποίησης που θα μελετηθεί είναι για κατασκευή ενός μικρο-αντιστροφέα που να έχει παρόμοιες προδιαγραφές με ένα συγκεκριμένο Φ/Β πλαίσιο. Όπως αναλύθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, η διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας, που μεταβάλλεται σημαντικά κατά τη διάρκεια της ημέρας, επηρεάζει κυρίως το μέγιστο ρεύμα εξόδου του Φ/Β πλαισίου και κατά συνέπεια την παραγόμενη ισχύ (Σχ. 1.1). Αντίστοιχα, η διακύμανση της θερμοκρασίας του πλαισίου επηρεάζει κυρίως την τάση εξόδου του πλαισίου (η τάση εξόδου μειώνεται με αύξηση της θερμοκρασίας) και κατά συνέπεια και πάλι την παραγόμενη ισχύ (Σχ. 1.). Ως εκ τούτου δεν είναι ρεαλιστικό να κατασκευαστεί ένας μικρο-αντιστροφέας, για χρήση με συγκεκριμένο πλαίσιο, που να έχει τη δυνατότητα να παρέχει συγκεκριμένη ισχύ για οποιαδήποτε τάση εισόδου. Η συγκεκριμένη υπερδιαστασιολόγηση μάλιστα μειώνει τον αναμενόμενο βαθμό απόδοσης. Αυτός είναι ο κύριος λόγος, μαζί με τα οικονομικά κριτήρια, που οι κατασκευαστές επιλέγουν να διαθέτουν έτοιμα συστήματα Φ/Β πλαισίου και ενσωματωμένου μικρο-αντιστροφέα. Για τη συγκεκριμένη υλοποίηση επιλέχθηκε ένα Φ/Β πλαίσιο ονομαστικής ισχύος 180W. Ο όρος «ονομαστική ισχύς» για Φ/Β πλαίσια αναφέρεται σε πρότυπες συνθήκες δοκιμών (Standard Test Conditions, STC), με θερμοκρασία πλαισίου 5 o C και προσπίπτουσα Χρηστίδης Γεώργιος

62 48 Κεφάλαιο Προδιαγραφές Περιοριστικές συνθήκες Ανεξάρτητες μεταβλητές Επιλεγμένες τιμές STC: P PV = 180W / V dc = 36V V sec,bd = 100V n = 0.13 S p: IXFH180N15 0 o C: P PV = 05W / V dc = 40V 60 o C: P PV = 140W / V dc = 31V Δίκτυο: 30V / 50Hz Πυρήνας: ETD54 (3F3) r str = 0.15mm B sat = 80mT C ff,max = 35% J =5.1A/mm B p = 80mT t on,p,max = 41μs S 1, S : IXFX6N10 Δίοδοι: RHR16510 N pri = 1 (L 1 = 41.μH) str pri = 9 str sec = 3 l g = 3.77mm Πιν..6: Σχεδιαστικές παράμετροι μικρο-αντιστροφέα προσαρμοσμένου σε συγκεκριμένο Φ/Β πλαίσιο για λειτουργία σε i-bcm. ακτινοβολία 1000W/m. Δεδομένου ότι οι δοκιμές αυτές γίνονται σε εργαστηριακό περιβάλλον, για να φανεί η απόδοση του Φ/Β πλαισίου για διαφορετικές θερμοκρασίες, οι κατασκευαστές συμπεριλαμβάνουν στα τεχνικά φυλλάδια των προϊόντων τους και συντελεστές μεταβολής της ισχύος και της τάσης εξόδου του πλαισίου ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Συνολικά, το εύρος λειτουργίας του Φ/Β πλαισίου επιλέχθηκε να είναι για θερμοκρασία πλαισίου από 0 o C έως και 60 o C, το οποίο είναι ένα ρεαλιστικό εύρος για χρήση του πλαισίου στην Ελλάδα με κάλυψη όλων των εποχών του έτους. Οι τιμές θερμοκρασίας αντιστοιχούν σε 05W / 40V για θερμοκρασία 0 o C και 140W / 31V για θερμοκρασία 60 o C, για μέγιστη ηλιακή ακτινοβολία (1000W/m ). Σε σχέση με την προηγούμενη υλοποίηση η μέγιστη τάση και μέγιστη ισχύς λειτουργίας είναι παρόμοιες, όμως η ελάχιστη τάση είναι σαφώς μεγαλύτερη, ενώ σημαντικό είναι ότι για την ελάχιστη τάση ο μικρο-αντιστροφέας θα πρέπει να παρέχει πολύ μειωμένη ισχύ (σχεδόν τα δύο τρίτα). Η χειρότερη περίπτωση για τη λειτουργία του αντιστροφέα, δηλαδή η θερμοκρασία για την οποία εμφανίζεται το μέγιστο ρεύμα εισόδου, για την οποία πρέπει να υλοποιηθεί ο βέλτιστος σχεδιασμός εμφανίζεται για την ελάχιστη θερμοκρασία και όχι για την ελάχιστη τάση, όπως απαιτούνταν στην προηγούμενη περίπτωση. Επιλέχθηκε να υλοποιηθεί ένας μετατροπέας που λειτουργεί μόνο σε i-bcm, λόγω του συγκριτικά μεγαλύτερου βαθμού απόδοσης σε σχέση με ένα μετατροπέα σε DCM, όπως αναδείχθηκε από τις προηγούμενες πειραματικές μετρήσεις. Διδακτορική Διατριβή

63 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 49 Στον Πιν..6 καταγράφονται όλες οι προδιαγραφές, περιορισμοί καθώς και σχεδιαστικές παράμετροι του μετατροπέα που υλοποιήθηκε. Η λειτουργία του σε πλήρη ισχύ βεβαιώνεται στο Σχ..8, όπου φαίνεται το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα μαζί με την τάση του δικτύου. Στο Σχ..9 φαίνεται ο βαθμός απόδοσης του κατασκευασμένου μετατροπέα για τις τρεις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου του. Φαίνεται ότι ο βαθμός απόδοσης που μετρήθηκε για διάφορες τάσεις και επίπεδα ισχύος είναι μεγαλύτερος σε σχέση με την προηγούμενη υλοποίηση λόγω ακριβώς του στοχευμένου σχεδιασμού. Λόγω της διαφοράς της τάσης εισόδου, για το ίδιο επίπεδο ισχύος, το ρεύμα μέσα από το μετατροπέα είναι υψηλότερο, επομένως υπάρχει μία μικρή μείωση του βαθμού απόδοσης. Παρ όλα αυτά, επειδή ο μικρο-αντιστροφέας προορίζεται για Φ/Β συστήματα, η επίδοσή του, για τον προσδιορισμό του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης, θα πρέπει να παρουσιάζεται ως συνάρτηση του ποσοστού ισχύος εισόδου, όπως δηλαδή παρουσιάζεται στο Σχ..10. Η απεικόνιση αυτή θα χρησιμοποιηθεί και για τις επόμενες γραφικές παραστάσεις βαθμού απόδοσης. Επιπρόσθετα, στο Σχ..11 παρουσιάζονται οι απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων και οι απώλειες του μετασχηματιστή αντίστοιχα ως ποσοστό της ισχύος εισόδου, με βάση τη μαθηματική ανάλυση απωλειών που έχει συμπεριληφθεί παραπάνω. Λόγω της μεταβλητής συχνότητας λειτουργίας που εμφανίζεται στην i-bcm, γίνεται φανερό ότι οι ποσοστιαίες Σχ..8: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ P PV = 05 W. Χρηστίδης Γεώργιος

64 50 Κεφάλαιο V dc = 40V, P PV,max = 05W (0 o C) V dc = 36V, P PV,max = 180W (5 o C) V dc = 31V, P PV,max = 140W (60 o C) Απόδοση (%) Απόδοση (%) Ισχύς Εισόδου (W) Σχ..9: Πειραματικός βαθμός απόδοσης του μετατροπέα κατασκευασμένου για δεδομένο Φ/Β πλαίσιο ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου V dc = 40V, P PV,max = 05W (0 o C) V dc = 36V, P PV,max = 180W (5 o C) V dc = 31V, P PV,max = 140W (60 o C) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ..10: Πειραματικός βαθμός απόδοσης του μετατροπέα κατασκευασμένου για δεδομένο Φ/Β πλαίσιο ως συνάρτηση του ποσοστού ισχύος εισόδου. Διδακτορική Διατριβή

65 Ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback και τρόποι ελέγχου 51 διακοπτικές απώλειες του στοιχείου Sp αλλά και οι απώλειες στα τυλίγματα του μετασχηματιστή έχουν μεγάλη διακύμανση στο εύρος της ισχύος εισόδου..8. Συμπεράσματα Στο παρόν κεφάλαιο έγινε ανασκόπηση της βασικής λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback για λειτουργία είτε σε DCM είτε σε i-bcm, παρουσιάστηκαν οι βασικές εξισώσεις που περιγράφουν την παλμοδότησή του, αλλά και τις απώλειες που εμφανίζονται για τις δύο καταστάσεις, ενώ αναλύθηκε και η λογική του βέλτιστου σχεδιασμού. Τα πειραματικά αποτελέσματα τα οποία διεξήχθησαν, έδειξαν ότι η κατασκευή ενός μετατροπέα για μεγάλο εύρος τάσης εισόδου οδηγεί σε μικρότερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με την κατασκευή ενός μετατροπέα προσαρμοσμένου για λειτουργία με συγκεκριμένο πλαίσιο, λαμβάνοντας υπ όψιν τις καιρικές συνθήκες. Επιπρόσθετα, για τα επίπεδα ισχύος που μπορούν να παράγουν τα Φ/Β πλαίσια σύγχρονης τεχνολογίας, η λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback σε DCM δεν ενδείκνυται, λόγω του χαμηλού βαθμού απόδοσης που προκύπτει από τη μικρότερη χρήση του μαγνητικού στοιχείου. Με τη σχεδίαση του μικρο-αντιστροφέα για λειτουργία σε i-bcm, όπως αποδείχτηκε πειραματικά, επιτυγχάνεται μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης. Αντίστοιχα, η λειτουργία σε i-bcm εγγυάται μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος, η οποία εξαρτάται κυρίως από το μέγεθος του πυρήνα καθώς και το μέγεθος των ψυκτικών σωμάτων. Αυτό τεκμαίρεται από το γεγονός ότι για επίτευξη παρόμοιου βαθμού απόδοσης, ο πυρήνας για λειτουργία σε DCM θα έπρεπε να είναι αρκετά μεγαλύτερος [4]. Όσον αφορά στα ψυκτικά σώματα, όπως είναι λογικό, μικρότερος βαθμός απόδοσης συνεπάγεται αυξημένες απώλειες, άρα και αυξημένες ανάγκες για την ψύξη των στοιχείων. Όμως, η λειτουργία του μετατροπέα σε i-bcm ανέδειξε κάποια άλλα προβλήματα λόγω των οποίων περιορίζεται ο βαθμός απόδοσης που μπορεί να επιτευχθεί. Η μεταβλητή συχνότητα, όπως θα φανεί στο επόμενο κεφάλαιο, μπορεί να φτάσει σε υπερβολικά υψηλές τιμές τόσο για χαμηλά επίπεδα ισχύος (ηλιακής ακτινοβολίας), όσο και στα άκρα εντός μίας ημιπεριόδου. Η υψηλή αυτή συχνότητα οδηγεί σε αύξηση κυρίως των διακοπτικών απωλειών, των απωλειών των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή, λόγω του επιδερμικού φαινομένου και του φαινομένου γειτνίασης και δευτερευόντως των απωλειών αγωγής. Με την προτεινόμενη υβριδική μέθοδο παλμοδότησης, θα γίνει προσπάθεια να περιοριστούν αυτές οι επιπτώσεις της λειτουργίας σε i-bcm. Χρηστίδης Γεώργιος

66 5 Κεφάλαιο 6 Ποσοστό Απωλειών (%) Ποσοστό Απωλειών (%) Διακοπτικές απώλειες S p Απώλειες αγωγής S p Απώλειες αγωγής S 1, S Απώλειες αγωγής διόδων Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ..11: Ανηγμένες απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα για τάση εισόδου V dc = 40V Απώλειες Τυλιγμάτων Απώλειες Πυρήνα Απώλειες Snubber λόγω Σκέδασης Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ..1: Ανηγμένες απώλειες υψίσυχνου μετασχηματιστή του μετατροπέα για τάση εισόδου V dc = 40V. Διδακτορική Διατριβή

67 53 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 3.1. Εισαγωγή Συγκρίνοντας τους δύο βασικούς τρόπους λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα. Η λειτουργία σε DCM είναι πιο εύκολα υλοποιήσιμη λόγω της σταθερής διακοπτικής συχνότητας που απαιτείται. Αντίθετα η i-bcm είναι πιο πολύπλοκη όσον αφορά στον έλεγχο. Όμως, λόγω του μεγαλύτερου ποσοστού χρήσης του πυρήνα του υψίσυχνου μετασχηματιστή, προσφέρει υψηλότερη πυκνότητα ισχύος (δηλ. ο τελικός μετατροπέας έχει μικρότερο όγκο και βάρος) και όπως φάνηκε και πειραματικά στο προηγούμενο κεφάλαιο μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερος βαθμός απόδοσης. Η διακοπτική συχνότητα όμως της i-bcm αυξάνεται, καθώς μειώνεται η ισχύς εισόδου του μετατροπέα και μπορεί να φτάσει σε πολύ μεγάλα επίπεδα (της τάξης των MHz). Εξετάζοντας τους μηχανισμούς απωλειών που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, αυτό συνεπάγεται πρωτίστως αύξηση των διακοπτικών απωλειών που εμφανίζονται στο στοιχείο Sp, καθώς και των απωλειών χαλκού στα τυλίγματα. Στο σημείο αυτό κρίνεται αναγκαίο να διαχωριστούν οι δύο λόγοι για τους οποίους αυξάνεται η διακοπτική συχνότητα για λειτουργία σε i-bcm το οποίο μπορεί να γίνει αντιληπτό με τη βοήθεια των Σχ. 3.1 (στο οποίο φαίνεται η κανονικοποιημένη διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα σε i-bcm ανά διακοπτικό κύκλο για μία περίοδο του ηλεκτρικού δικτύου, για τρία επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας) και Σχ. 3. (στο οποίο καταγράφονται η ελάχιστη, μέση και μέγιστη διακοπτική συχνότητα για όλο το εύρος ισχύος εισόδου ενός μικρο-αντιστροφέα που λειτουργεί σε i-bcm). Σε δεδομένες καιρικές συνθήκες (ακτινοβολίας και θερμοκρασίας), το Φ/Β πλαίσιο έχει ένα συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας για το οποίο προσφέρει τη μέγιστη δυνατή ισχύ, επομένως η τάση και το ρεύμα εξόδου του Φ/Β πλαισίου είναι σταθερά. Αντίθετα, δεδομένου ότι ο μικρο-αντιστροφέας είναι συνδεδεμένος στο μονοφασικό δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης, παρέχει ισχύ ημιτονοειδούς κυματομορφής (με συχνότητα διπλάσια της συχνότητας του δικτύου). Επομένως, για τη μέγιστη εκμετάλλευση της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας, υπάρχει ανάμεσα στο πλαίσιο και την είσοδο του μικρο-αντιστροφέα μία διάταξη ενδιάμεσης αποθήκευσης ενέργειας, είτε παθητική όπως πχ. ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, είτε ενεργή, όπως π.χ. ένα ενεργό φίλτρο, όπως θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Επομένως, η τάση εισόδου του μετατροπέα παραμένει σταθερή, αλλά το ρεύμα του μεταβάλλεται. Η διακοπτική Χρηστίδης Γεώργιος

68 Διακοπτική συχνότητα (ανηγμένη) 54 Κεφάλαιο 3 Διακοπτική Συχνότητα (ανηγμένη) P PV =P PV,max P PV =1/ P PV,max P PV =1/4 P PV,max Ρεύμα Εξόδου (ανηγμένο) T/ T χρόνος -1.0 Σχ. 3.1: Διακοπτική συχνότητα και ρεύμα εξόδου του μετατροπέα για διαφορετικά επίπεδα ισχύος του Φ/Β πλαισίου για λειτουργία σε i-bcm, κατά τη διάρκεια μίας περιόδου του δικτύου. 100 Ελάχιστη συχνότητα Μέγιστση συχνότητα Μέση συχνότητα / P PV,max P PV,max Ισχύς Φ/Β πλαισίου Σχ. 3.: Ελάχιστη, μέγιστη και μέση διακοπτική συχνότητα ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος του Φ/Β πλαισίου για λειτουργία σε i-bcm. συχνότητα του μετατροπέα σε i-bcm είναι μεταβλητή, όπως φάνηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο από τη (.13). Συνολικά, κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του δικτύου, ακόμα και με σταθερή ακτινοβολία, η ισχύς εισόδου του μετατροπέα μεταβάλλεται από μία ελάχιστη τιμή, κοντά στα σημεία μηδενισμού του δικτύου μέχρι μία μέγιστη, για ωt = π/. Κατά Διδακτορική Διατριβή

69 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 55 συνέπεια, και η διακοπτική συχνότητα του μικρο-αντιστροφέα για λειτουργία σε i-bcm έχει μία μέγιστη τιμή κοντά στο μηδενισμό της τάσης του δικτύου, η οποία υπολογίζεται από τη (.14), και μία ελάχιστη τιμή για ωt = π/, η οποία υπολογίζεται από τη (.15). Με τη μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας, άρα και της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας, ο μικρο-αντιστροφέας λειτουργεί σε χαμηλότερο επίπεδο ισχύος. Επομένως, η συνολική διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα (ελάχιστη, μέση και μέγιστη) αυξάνεται. Το ίδιο συμβαίνει κατ αντιστοιχία και με την αύξηση της θερμοκρασίας του Φ/Β πλαισίου. Όπως είναι εμφανές από τα Σχ. 3.1 και Σχ. 3., οι τιμές της διακοπτικής συχνότητας του μετατροπέα φτάνουν σε υπερβολικά υψηλά επίπεδα, με αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών του μετατροπέα. Όπως αναλύθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, αφού για ένα καλό σχεδιασμό ενός μετατροπέα για Φ/Β συστήματα απαιτείται ο αυξημένος βαθμός απόδοσης για ένα μεγάλο εύρος ισχύος εισόδου (δηλαδή ηλιακής ακτινοβολίας), η υπερβολική αύξηση των διακοπτικών απωλειών καθώς μειώνεται η ισχύς εισόδου δε μπορεί να είναι αποδεκτή. Μία πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα προτάθηκε στην εργασία [44], στην οποία ο μικρο-αντιστροφέας λειτουργεί σε DCM σε χαμηλά επίπεδα ισχύος (μέχρι το 50% της ονομαστικής ισχύος εισόδου) και σε BCM σε υψηλά επίπεδα ισχύος, ώστε να αυξηθεί ο συνολικός βαθμός απόδοσης. Παρ όλα αυτά, αν και με αυτό τον τρόπο λειτουργίας υπερνικάται ένα εμπόδιο, το πρόβλημα της αυξημένης διακοπτικής συχνότητας στα άκρα της ημιτονοειδούς κυματομορφής παραμένει. Ως λύση που να καλύπτει και τα δύο διαφορετικά προβλήματα που αναλύθηκαν, προτείνεται στα πλαίσια της παρούσας διατριβής η υβριδική μέθοδος παλμοδότησης DBCM που θα αναλυθεί στο παρόν κεφάλαιο. Κατά τη διάρκεια μίας περιόδου του ηλεκτρικού δικτύου, ο μικρο-αντιστροφέας λειτουργεί για υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας και σε DCM και σε i-bcm, ενώ για χαμηλά επίπεδα ακτινοβολίας λειτουργεί μόνο σε DCM. Οι βασικές κυματομορφές των ρευμάτων του μετασχηματιστή, μαζί με τους παλμούς των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων για τη συγκεκριμένη υβριδική παλμοδότηση φαίνονται στο Σχ Κατ αντιστοιχία με το Σχ. 3.1, στο Σχ. 3.4 παρουσιάζεται η διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα που λειτουργεί με την υβριδική παλμοδότηση ανά διακοπτικό κύκλο για μία περίοδο του ηλεκτρικού δικτύου, για τρία επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως είναι φανερό, λόγω της λειτουργίας σε DCM στα άκρα του ημιτόνου, πλέον η διακοπτική συχνότητα περιορίζεται, με αποτέλεσμα, όπως θα φανεί παρακάτω, να μειώνονται οι απώλειες των στοιχείων του μετατροπέα. Το σημείο μετάβασης μεταξύ των δύο καταστάσεων λειτουργίας, α, δεν είναι σταθερό, αλλά εξαρτάται τόσο από την ισχύ εισόδου (προσπίπτουσα ακτινοβολία), Χρηστίδης Γεώργιος

70 56 Κεφάλαιο 3 DCM i-bcm DCM i-bcm DCM Ρεύμα Ρεύμα πρωτεύοντος Δευτερεύοντος Περιβάλλουσα i-bcm Ρεύμα πρωτεύοντος Περιβάλλουσα DCM Ρεύμα Δευτερεύοντος Παλμοί στοιχείου S p Παλμοί στοιχείου S 1 Παλμοί στοιχείου S Σχ. 3.3: Κυματομορφές ρεύματος πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος και παλμοί ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων για την προτεινόμενη υβριδική DBCM. όσο και από τις κατασκευαστικές παραμέτρους του μετατροπέα, όπως θα φανεί στη μαθηματική ανάλυση που θα ακολουθήσει. 3.. Μαθηματική ανάλυση της προτεινόμενης μεθόδου DBCM Στη συγκεκριμένη ενότητα θα παρουσιαστούν οι αναλυτικές σχέσεις για την υλοποίηση της υβριδικής μεθόδου λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η επιλογή ενός τυχαίου σημείου μετάβασης μεταξύ των δύο καταστάσεων λειτουργίας δεν εγγυάται μία ομαλή μετάβαση μεταξύ DCM και i-bcm, γεγονός το οποίο μεταφράζεται ως απότομη αλλαγή στο ρεύμα εξόδου (όπως θα επιβεβαιωθεί στη συνέχεια μέσω προσομοίωσης). Ως αποτέλεσμα αυτού, το ρεύμα εξόδου παύει να είναι ημιτονοειδές με επίπτωση στην τιμή της Ολικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion, THD) και την ποιότητα της ισχύος εξόδου. Όπως φάνηκε στο Κεφάλαιο 1, ένας αντιστροφέας Διδακτορική Διατριβή

71 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 57 Διακοπτική Συχνότητα (ανηγμένη) P PV =P PV,max P PV =1/ P PV,max P PV =1/4 P PV,max Ρεύμα Εξόδου (ανηγμένο) T/ T χρόνος -1.0 Σχ. 3.4: Διακοπτική συχνότητα και ρεύμα εξόδου του μετατροπέα για διαφορετικά επίπεδα ισχύος Φ/Β πλαισίου για λειτουργία σε υβριδική DBCM, κατά τη διάρκεια μίας περιόδου του δικτύου. με κακή ποιότητα ισχύος εξόδου, δεν πληροί τις προδιαγραφές που υπάρχουν στα διεθνή πρότυπα και δεν είναι αποδεκτός για χρήση σε συστήματα διασύνδεσης Φ/Β συστημάτων. Για την παρούσα μαθηματική ανάλυση ισχύουν οι θεωρήσεις που αναλύθηκαν και στο προηγούμενο κεφάλαιο, δηλαδή ότι η τάση εξόδου είναι καθαρά ημιτονοειδής, ότι τα στοιχεία του μετατροπέα δεν έχουν παρασιτικές αντιστάσεις ή χωρητικότητες και ότι η διακοπτική συχνότητα του στοιχείου Sp είναι πολύ μεγαλύτερη από τη συχνότητα του δικτύου, ώστε να μπορεί να θεωρηθεί η τάση του δικτύου σταθερή κατά τη διάρκεια ενός διακοπτικού κύκλου, δηλαδή ότι: ac,i acp i1 V V sin t, 0<i<k (3.1) Θεωρώντας ότι η εναλλαγή μεταξύ DCM και i-bcm και τανάπαλιν, εντός της ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου, συμβαίνει τη στιγμή ωti-1 = α και ωti-1 = π-α αντίστοιχα, τότε ο μετατροπέας λειτουργεί σε DCM για 0 < ωti-1 < α και π-α < ωti-1 < π, ενώ σε i-bcm για α < ωti-1 < π-α. Οι τιμές δp και ton,p ορίζουν την παλμοδότηση για DCM και i-bcm αντίστοιχα, όπως αναλύθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Το πρόβλημα ορίζεται ως εξής: Γνωρίζοντας τo επίπεδο ισχύος εισόδου PPV, τις τιμές της τάσης εισόδου Vdc και μέγιστης τάσης δικτύου Vacp, για δεδομένες κατασκευαστικές παραμέτρους του μετατροπέα, δηλαδή λόγο μετασχηματισμού n, διακοπτική συχνότητα DCM fs,dcm και αυτεπαγωγή τυλίγματος πρωτεύοντος L1, να υπολογιστούν οι παράμετροι παλμοδότησης α, δp και ton,p, ώστε ο Χρηστίδης Γεώργιος

72 58 Κεφάλαιο 3 μετατροπέας να παρέχει ημιτονοειδές ρεύμα στην έξοδο και ομαλή μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων λειτουργίας. Η πρώτη εξίσωση μπορεί να εξαχθεί από τη σχέση που δίνει την ισχύ εισόδου του μετατροπέα: P PV V I (3.) dc pri,avg Επομένως, πρέπει να υπολογιστεί η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου (που είναι ίσο με το ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος του μετατροπέα) για λειτουργία σε υβριδική μέθοδο παλμοδότησης. Όμως, αφού το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα θα πρέπει να είναι ημιτονοειδές και δεδομένου ότι δεν υπάρχει στον αντιστροφέα στοιχείο ενδιάμεσης αποθήκευσης ενέργειας, η μορφή του μέσου ρεύματος εισόδου ανά διακοπτικό κύκλο είναι αυστηρά ορισμένη (ακολουθεί την καμπύλη μίας συνάρτησης sin (ωt), αφού η τάση εισόδου είναι σταθερή). Επιπρόσθετα, η κυματομορφή αυτή θα πρέπει να είναι ανεξάρτητη του τρόπου λειτουργίας του αντιστροφέα (είτε είναι σε DCM, είτε σε i-bcm, είτε ακόμα και σε CCM). Ακολουθώντας αυτό το σκεπτικό, η μέση τιμή ανά διακοπτικό κύκλο του ρεύματος εισόδου για ωti-1 = π/ θα πρέπει να είναι πανομοιότυπη με εκείνη ενός αντίστοιχου μετατροπέα που λειτουργεί σε i-bcm, για το ίδιο επίπεδο ισχύος. Επομένως, προκύπτει ότι οι τιμές του μέγιστου ρεύματος εισόδου για την υβριδική μέθοδο παλμοδότησης και την i-bcm θα πρέπει να είναι επίσης ίσες για ωti-1 = π/, το οποίο τελικά οδηγεί στο ότι ο χρόνος αγωγής του ελεγχόμενου ημιαγωγικού διακόπτη Sp για ωti-1 = π/, ton,p, μπορεί να υπολογισθεί με τη σχέση (.17) που ισχύει για την i-bcm: I P pri,avg PV 1 V 1 V dc 4L1 1 dc 4L1 1 ton,p n ton,p n (3.3) Επιπρόσθετα, με σκοπό να υπάρχει ομαλή μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων αγωγής, θα πρέπει να πληρούνται δύο συνθήκες για τα σημεία μετάβασης μεταξύ DCM και i-bcm και τανάπαλιν, τα οποία, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, εμφανίζονται για ωti-1 = α και ωti-1 = π-α αντίστοιχα. Κατά πρώτον, οι τιμές του μέγιστου ρεύματος για λειτουργία σε DCM και του μέγιστου ρεύματος για λειτουργία σε i-bcm θα πρέπει να ίσες κατά τη διάρκεια της μετάβασης, όπως φάνηκε στο Σχ Θα πρέπει να σημειωθεί ότι μέγιστο ρεύμα της τελευταίας διακοπτικής περιόδου σε DCM και της πρώτης διακοπτικής περιόδου σε i-bcm θεωρούνται ίσα, βάσει της Διδακτορική Διατριβή

73 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 59 προϋπόθεσης που αναφέρθηκε παραπάνω, ότι δηλαδή η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας είναι πολύ μεγαλύτερη της συχνότητας του ηλεκτρικού δικτύου. Επομένως, βάσει των (.3), (.4) και (.11), αφού η τιμή του μέγιστου ρεύματος δίνεται από: I V dc pri,p,i ton,i (3.4) L1 όπου για DCM 1 t sin t T sin t (3.5) on,i p i1 p s,dcm i1 fs,dcm και για i-bcm ton,p t on,i = sinωti-1 sinωti-1 1 n n χρησιμοποιώντας τις (3.5) και (3.6) για ωti-1 = α, συνεπάγεται ότι: Vdc V t dc on,p pts,dcmsinα sinα sinα L1 L 1 1 n n V dc on,p pts,dcm sinα L 1 t 1 n n (3.6) (3.7) Κατά δεύτερον, για τον τελευταίο διακοπτικό κύκλο πριν τη μετάβαση, το άθροισμα του χρόνου αγωγής του ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου Sp, ton,i, και του χρόνου αγωγής της διόδου του δευτερεύοντος τυλίγματος, toff,i, θα πρέπει να είναι ίσο με τη διακοπτική περίοδο της DCM. Ο χρόνος toff,i για λειτουργία σε DCM υπολογίζεται από τη (.5): t t (3.8) n off,i off p s,dcm Επομένως: t t on,i t off,i s,dcm i1 ti1 T sin T n p sin 1 n p s,dcm p s,dcm s,dcm (3.9) Οι εξισώσεις (3.6), (3.7) και (3.9) περιγράφουν ένα σύστημα 3 3, από το οποίο μπορούν να υπολογιστούν οι παράμετροι λειτουργίας α, δp και ton,p για ένα δεδομένο μετατροπέα για οποιοδήποτε επίπεδο ισχύος εισόδου. Λύνοντας το παραπάνω σύστημα, οι τελικές σχέσεις για τις παραμέτρους λειτουργίας είναι: Χρηστίδης Γεώργιος

74 60 Κεφάλαιο 3 V T arcsin dc s,dcm PPVL1 n PPVL1 p Vdc Ts,DCM 4PPVL1 ton,p 1 Vdc n (3.10) Κατά τη λειτουργία στην απλή DCM, ο μέγιστος λόγος κατάτμησης εμφανιζόταν για ωti-1 = π/. Όμως, στην προτεινόμενη υβριδική μέθοδο, η μέγιστη τιμή του λόγου κατάτμησης δlim εμφανίζεται στο σημείο μετάβασης μεταξύ DCM και i-bcm και μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τη (3.9). Συγκεκριμένα: t T sin on,i t p s,dcm i1 1 limts,dcm Ts,DCM sin sin n sin lim sin n (3.11) 3.3. Μεθοδολογία σχεδιασμού και εφαρμογή σε δεδομένο μικρο-αντιστροφέα Για την επιβεβαίωση της μαθηματικής ανάλυσης, επιλέχθηκε να εφαρμοστεί η προτεινόμενη υβριδική μέθοδος σε ένα μετατροπέα ονομαστικής ισχύος 00W και τάσης εισόδου 5V 40V, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για τις πειραματικές μετρήσεις του προηγούμενου κεφαλαίου. Πέρα από τους περιορισμούς που αναλύθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο για το σχεδιασμό ενός τέτοιου μικρο-αντιστροφέα (μέγιστη τάση ημιαγωγικών στοιχείων, μέγιστη τιμή μαγνητικής επαγωγής κοκ.), προστίθεται και ένας ακόμα περιορισμός που πρέπει να επιλεγεί κατάλληλα, εκείνος της μέγιστης διακοπτικής συχνότητας που θα χρησιμοποιηθεί. Όπως αναλύθηκε παραπάνω, μεγάλη τιμή της διακοπτικής συχνότητας συνεπάγεται αύξηση των απωλειών στα ημιαγωγικά στοιχεία και το μετασχηματιστή. Επιπρόσθετα απαιτούνται πιο περίπλοκα και μεγαλύτερου κόστους βοηθητικά κυκλώματα που να μπορούν να λειτουργούν σε μεγάλη συχνότητα (μικρο-ελεγκτής, κύκλωμα οδήγησης), ενώ παράλληλα αυξάνονται και οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές του μετατροπέα. Για τη συγκεκριμένη παλμοδότηση, η μέγιστη διακοπτική συχνότητα, περιορίζεται από την επιλεγμένη διακοπτική συχνότητα για λειτουργία σε DCM, η οποία για το δεδομένο μικρο-αντιστροφέα, επιλέχθηκε να είναι 100kHz. Διδακτορική Διατριβή

75 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 61 Η τιμή αυτή επιλέχθηκε εμπειρικά για την επιβεβαίωση της μαθηματικής ανάλυσης, με βάση τα επίπεδα διακοπτικής συχνότητας για τα οποία λειτουργούν οι μετατροπείς τέτοιων εφαρμογών. Τα υπόλοιπα κατασκευαστικά του χαρακτηριστικά έχουν καταγραφεί στον Πιν..5. Αναλυτικότερη μέθοδος για τον προσδιορισμό όλων των σχεδιαστικών παραμέτρων με σκοπό τη μεγιστοποίηση του βαθμού απόδοσης του μετατροπέα θα παρουσιαστεί στο επόμενο κεφάλαιο. Έχοντας όλες τις κατασκευαστικές παραμέτρους, μέσω του συστήματος εξισώσεων (3.10) και (3.11) μπορούν πλέον να υπολογιστούν όλες οι παράμετροι λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα α, δlim και ton,p ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου, για διάφορα επίπεδα τάσης, οι οποίες φαίνονται στα Σχ. 3.5, Σχ. 3.6 και Σχ. 3.7 αντίστοιχα. Για επίπεδα ισχύος (προσπίπτουσας ακτινοβολίας) κάτω από ένα κρίσιμο όριο, PPV,crit, ο μετατροπέας λειτουργεί πλήρως σε DCM. Το κρίσιμο αυτό όριο υπολογίζεται όταν η γωνία μετάβασης α λαμβάνει την τιμή π/, συνεπώς με βάση τη (3.9): 1 p (3.1) 1 n και επομένως: 1 pt PPV,crit VdcIpri,avg,crit Vdc 4 L 1 T 1 s,dcm Vdc 4 L 1 1 n s,dcm 1 (3.13) Συνεπώς, για επίπεδα ισχύος κάτω από το κρίσιμο όριο PPV,crit η γωνία μετάβασης α παραμένει π/, δείχνοντας ότι δεν υπάρχει μετάβαση μεταξύ των καταστάσεων λειτουργίας, ο λόγος κατάτμησης δlim αυξάνεται με την αύξηση του επιπέδου της ισχύος εισόδου, ενώ o ton,p παραμένει μηδέν. Ο προσδιορισμούς του ορίου PPV,crit είναι μία συνάρτηση των κατασκευαστικών και λειτουργικών παραμέτρων του μικρο-αντιστροφέα (Vdc, L1, λ και n) καθώς επίσης και της επιλεγμένης διακοπτικής συχνότητας για λειτουργία σε DCM. Όπως αναλύθηκε παραπάνω, στόχος της προτεινόμενης υβριδικής μεθόδου είναι ο περιορισμός της μέγιστης συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα, εξαναγκάζοντας το μετατροπέα να λειτουργεί σε DCM όταν η διακοπτική συχνότητα τείνει να λάβει πολύ υψηλές τιμές. Χρηστίδης Γεώργιος

76 6 Κεφάλαιο 3 α (rad) DCM DCM DCM V dc =5V V dc =3.5V V dc =40V Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 3.5: Γωνία μετάβασης α ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου, για διαφορετικές τάσεις εισόδου DCM DCM DCM 0.75 δ lim V dc =5V V dc =3.5V V dc =40V Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 3.6: Μέγιστος λόγος κατάτμησης του τμήματος DCM ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου, για διαφορετικές τάσεις εισόδου. Διδακτορική Διατριβή

77 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα V dc =5V V dc =3.5V V dc =40V t on,p (μs) DCM DCM 0 10 DCM Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 3.7: Μέγιστος χρόνος αγωγής του τμήματος i-bcm ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου, για διαφορετικές τάσεις εισόδου. Παρατηρώντας τα αποτελέσματα του υπολογισμού των παραμέτρων της υβριδικής μεθόδου, είναι εμφανές ότι με την αύξηση του επιπέδου ισχύος, η γωνία μετάβασης α μειώνεται, υπονοώντας ότι η μετάβαση μεταξύ DCM και i-bcm γίνεται πιο νωρίς και ότι ο μετατροπέας λειτουργεί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε i-bcm. Επιπρόσθετα, το κρίσιμο όριο PPV,crit πάνω από το οποίο ξεκινά η υβριδική μέθοδος μειώνεται καθώς μειώνεται η τάση εισόδου. Αυτό είναι αποτέλεσμα της αύξησης του μέσου ρεύματος εισόδου, επομένως η διακοπτική περίοδος της i-bcm που γίνεται ίση με εκείνη της DCM εμφανίζεται σε χαμηλότερο επίπεδο ισχύος Αποτελέσματα προσομοίωσης Στο περιβάλλον PSIM κατασκευάστηκε μοντέλο προσομοίωσης του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback ώστε να ελεγχθεί αν, βάσει της μαθηματικής ανάλυσης, πραγματοποιείται ομαλή μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων αγωγής. Στα Σχ. 3.8 και Σχ. 3.9 παρουσιάζεται η λειτουργία του μετατροπέα για δύο διαφορετικά επίπεδα ισχύος εισόδου για ίδια τάση λειτουργίας. Επιπρόσθετα, στο Σχ φαίνεται μία μεγέθυνση των κυματομορφών τη στιγμή της μετάβασης από DCM σε i-bcm. Είναι εμφανές ότι με την αύξηση της ισχύος εισόδου η μετάβαση πραγματοποιείται νωρίτερα και ότι η Χρηστίδης Γεώργιος

78 Κεφάλαιο 3 64 Ρεύμα Πρωτεύοντος 1 Περιβάλλουσα DCM Περιβάλλουσα i-bcm 6 Ρεύμα Εξόδου 0 1 Αναφορά τάσης δικτύου 0 Λειτ. -1 i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm χρόνος (ms) Σχ. 3.8 Αποτελέσματα προσομοίωσης για λειτουργία σε DBCM, Vdc = 40V, PPV = 75W. Ρεύμα Πρωτεύοντος 30 Περιβάλλουσα DCM Περιβάλλουσα i-bcm 0 10 Ρεύμα Εξόδου Αναφορά τάσης δικτύου 0.0 Λειτ i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm χρόνος (ms) Σχ. 3.9: Αποτελέσματα προσομοίωσης για λειτουργία σε DBCM, Vdc = 40V, PPV = 00W. περιβάλλουσα της i-bcm είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη της DCM. Επιπρόσθετα, με βάση την κυματομορφή του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα, πράγματι υπάρχει μία ομαλή μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων λειτουργίας, επιβεβαιώνοντας τη μαθηματική ανάλυση που παρουσιάστηκε παραπάνω. Διδακτορική Διατριβή

79 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 65 Ρεύμα Πρωτεύοντος Ρεύμα Εξόδου Λειτ. DCM i-bcm χρόνος (ms) Σχ. 3.10: Αποτελέσματα προσομοίωσης για λειτουργία σε DBCM, V dc = 40V, P PV = 00W, με μεγέθυνση του χρόνου κατά τη στιγμή της μετάβασης μεταξύ DCM και i-bcm. Ολοκληρώνοντας, στο Σχ παρουσιάζεται η λειτουργία του μετατροπέα με τυχαία επιλογή των λειτουργικών παραμέτρων, ώστε οι συνθήκες ομαλής μετάβασης εκουσίως να μην πληρούνται, για να φανεί η σημασία της ορθής μαθηματικής διερεύνησης. Η μετάβαση πραγματοποιείται πιο μετά από ό,τι θα έπρεπε για το συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος, επομένως υπάρχει μία αρκετά σημαντική παραμόρφωση στο ρεύμα εξόδου του μετατροπέα, μειώνοντας την ποιότητα ισχύος εξόδου του. Η ολική αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος εξόδου για τη συγκεκριμένη περίπτωση είναι 7.6%, πολύ μεγαλύτερη από το 1.44% που έχει επιτευχθεί χρησιμοποιώντας για το ίδιο επίπεδο ισχύος τις εξισώσεις της υβριδικής μεθόδου Πειραματική μέτρηση βελτίωσης της απόδοσης Έχοντας επιβεβαιώσει μέσω προσομοίωσης τη μαθηματική ανάλυση που παρουσιάστηκε, η υβριδική μέθοδος χρησιμοποιήθηκε στο μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback με τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του Πιν..5, ώστε να ποσοτικοποιηθεί η ενδεχόμενη βελτίωση του βαθμού απόδοσης λόγω της χρήσης της υβριδικής μεθόδου σε έναν ήδη κατασκευασμένο μετατροπέα, βέλτιστα σχεδιασμένο για λειτουργία σε i-bcm. Ξεκινώντας με την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας, στα Σχ. 3.1 Σχ παρουσιάζονται πειραματικές κυματομορφές του ρεύματος εξόδου μαζί με την τάση του δικτύου για δεδομένη τάση εισόδου και διαφορετικά επίπεδα ισχύος. Στις ίδιες κυματομορφές καταγράφονται τα επί μέρους τμήματα στο χρόνο στα οποία ο μετατροπέας λειτουργεί είτε σε Χρηστίδης Γεώργιος

80 Κεφάλαιο 3 66 Ρεύμα Εξόδου Ρεύμα Πρωτεύοντος 1 Περιβάλλουσα i-bcm Περιβάλλουσα DCM Αναφορά τάσης δικτύου 0 Λειτ. -1 i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm χρόνος (ms) Σχ. 3.11: Αποτελέσματα προσομοίωσης λανθασμένης εφαρμογής της υβριδικής μεθόδου, Vdc = 40V, PPV = 75W. DCM Σχ. 3.1: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση Vdc = 40V και ισχύ PPV = 5W. DCM είτε σε i-bcm. Όπως φάνηκε και παραπάνω, με την αύξηση του επιπέδου ισχύος εισόδου, αυξάνεται και το ποσοστό λειτουργίας του μετατροπέα σε i-bcm. Για πολύ χαμηλό επίπεδο ισχύος, μικρότερο από το κρίσιμο όριο PPV,crit, ο μετατροπέας λειτουργεί αποκλειστικά σε DCM, όπως φαίνεται στο Σχ Για οποιοδήποτε επίπεδο ισχύος, είναι εμφανές ότι η Διδακτορική Διατριβή

81 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 67 i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm Σχ. 3.13: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ P PV = 60W. i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm Σχ. 3.14: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ P PV = 100W. μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων είναι ομαλή, επιβεβαιώνοντας τη μαθηματική ανάλυση. Ως πρόσθετη απόδειξη, στο Σχ παρουσιάζεται η συνολική αρμονική παραμόρφωση ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για λειτουργία σε DCM, i-bcm και υβριδική DBCM. Η λειτουργία σε DCM, έχει το μικρότερο περιεχόμενο ανώτερων αρμονικών, λόγω της σταθερής Χρηστίδης Γεώργιος

82 68 Κεφάλαιο 3 i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm DCM i-bcm Σχ. 3.15: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ P PV = 180W. διακοπτικής συχνότητας (το φίλτρο εξόδου λειτουργεί αποδοτικότερα) και του απλούστερου ελέγχου. Για λειτουργία σε i-bcm το περιεχόμενο αρμονικών είναι σαφώς μεγαλύτερο και μάλιστα αυξάνεται καθώς μειώνεται η ισχύς εισόδου. Αυτό συμβαίνει διότι λόγω της υπερβολικής αύξησης της διακοπτικής συχνότητας, τα παρασιτικά στοιχεία του μετατροπέα παίζουν πλέον σημαντικό ρόλο, ενώ και οι καθυστερήσεις του βοηθητικού κυκλώματος παλμοδότησης είναι επίσης σημαντικές. Με την εφαρμογή της υβριδικής DBCM, η μέγιστη συχνότητα περιορίζεται, το οποίο συνεισφέρει, όπως φαίνεται, και στη μείωση του αρμονικού περιεχομένου το οποίο είναι λίγο μεγαλύτερο από εκείνο της DCM. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, ο συντελεστής ολικής αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης του ηλεκτρικού δικτύου ήταν.3%. Αξίζει να σημειωθεί, ότι με βάση τη θεωρητική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε, αλλά και το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκε φίλτρο εξόδου ίδιων χαρακτηριστικών για όλους τους μικρο-αντιστροφείς, η ολική αρμονική παραμόρφωση για χαμηλά επίπεδα ισχύος για λειτουργία σε DBCM δε θα έπρεπε να είναι μεγαλύτερη από εκείνη που εμφανίζεται για το μετατροπέα που λειτουργεί σε DCM. Αυτό τεκμαίρεται από το γεγονός ότι για τα χαμηλά επίπεδα ισχύος (δηλαδή για PPV < PPV,crit) ο μικρο-αντιστροφέας που μελετάται λειτουργεί σε DCM και μάλιστα με διακοπτική συχνότητα σχεδόν τριπλάσια από εκείνη του μετατροπέα που έχει κατασκευαστεί για λειτουργία αποκλειστικά σε DCM. Η αύξηση του συντελεστή ολικής αρμονικής παραμόρφωσης επομένως οφείλεται στον τρόπο κατασκευής του μετατροπέα και Διδακτορική Διατριβή

83 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα Συντελεστής THD (%) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Υβριδική DBCM i-bcm DCM Σχ. 3.16: Συντελεστής ολικής αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος εξόδου ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, για τάση εισόδου V dc = 40V. όχι στην προτεινόμενη μέθοδο παλμοδότησης. Πιο συγκεκριμένα, για το συγκεκριμένο μικρο-αντιστροφέα, καθώς και για εκείνους των οποίων η λειτουργία εξετάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, για την παλμοδότηση των στοιχείων χρησιμοποιήθηκε ο μικρο-ελεγκτής dspic30f4011 της εταιρείας Microchip. Ο συγκεκριμένος μικρο-ελεγκτής έχει συχνότητα λειτουργίας 9.48MHz, το οποίο μεταφράζεται σε ανάλυση (resolution) 34ns για την παλμογεννήτρια που οδηγεί το στοιχείο Sp. Επομένως, το βήμα του λόγου κατάτμησης που εμφανίζεται για λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα κατασκευασμένου για DBCM είναι πιο απότομο σχετικά και ο λόγος κατάτμησης απέχει περισσότερο από τον ημιτονοειδώς διαμορφωμένο που απαιτείται (για 100kHz, υπάρχουν μόνο 94 διαφορετικά βήματα). Για το λόγο αυτό, για την κατασκευή του ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα με όλα τα χαρακτηριστικά που περιγράφονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, θα επιλεγεί ένας μικρο-ελεγκτής υψηλότερων δυνατοτήτων, ώστε να είναι εφικτή η εκτέλεση πολλαπλών αλγορίθμων οι οποίοι απαιτούνται για την ορθή λειτουργία ενός μικρο-αντιστροφέα που προορίζεται για εφαρμογή σε Φ/Β συστήματα και να παρέχεται υψηλότερη ανάλυση στην παλμογεννήτριά του. Όσον αφορά στην απόδοση, η βελτίωση της οποίας ήταν και το κίνητρο για τη διερεύνηση της υβριδικής μεθόδου DBCM, λήφθηκαν μετρήσεις απόδοσης για τρία διαφορετικά επίπεδα Χρηστίδης Γεώργιος

84 70 Κεφάλαιο 3 τάσης ώστε να μπορεί να γίνει σύγκριση με τις μετρήσεις που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο για λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα είτε σε DCM είτε σε i-bcm. Οι μετρήσεις αυτές φαίνονται στα Σχ Σχ για τις τρεις διαφορετικές τάσεις εισόδου. Στα ίδια σχήματα, για να εξαχθούν καλύτερα συμπεράσματα, παρουσιάζεται και η σχετική λειτουργία του μετατροπέα σε DCM, τόσο όσον αφορά το ποσοστό του χρόνου λειτουργίας, όσο και όσον αφορά το ποσοστό ισχύος που μεταφέρεται. Τα μεγέθη αυτά ορίζονται ως εξής: ποσοστό χρόνου DCM: ποσοστό ισχύος DCM: α π V I dc pri,avg,dcm V I dc pri,avg I (3.14) pri,avg,dcm (3.15) I pri,avg όπου Ipri,avg,DCM η μέση τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος για το χρονικό διάστημα για το οποίο ο μετατροπέας λειτουργεί σε DCM ως προς μία ημιπερίοδο του ηλεκτρικού δικτύου, δηλαδή: m m t Vdc on,i Vdc pri,avg,dcm 0 pri p s,dcm hl hl i1 1 hl i1 1 I i (t)dt T sin i T T L T L m m m Vdc Vdc p s,dcm p s,dcm 1 i1 1 s,dcm i1 T sin i sin i mt L m ml f m V L1f s,dcm m m dc p i1 sin i m V 1 m m csc sin L1fs,DCM m m m dc p (3.16) Είναι εμφανές από τα σχήματα αυτά ότι η απόδοση του μετατροπέα όταν λειτουργεί σε DBCM είναι πάντα μεγαλύτερη από όταν λειτουργεί σε i-bcm. Η διαφορά αυτή είναι αρκετά σημαντική στα χαμηλά επίπεδα ισχύος, στα οποία, με τον περιορισμό της διακοπτικής συχνότητας, μειώνονται σημαντικά οι απώλειες των στοιχείων. Στα χαμηλά επίπεδα ισχύος φαίνεται ότι το ποσοστό λειτουργίας σε DCM είναι σαφώς μεγαλύτερο. Καθώς αυξάνεται η ισχύς, το ποσοστό ισχύος της DCM μειώνεται σημαντικά και άρα και η βελτίωση σε απόδοση είναι αισθητά μικρότερη. Επιπρόσθετα, η αύξηση της απόδοσης είναι πιο σημαντική όσο αυξάνεται η τάση, αφού τότε, όπως φάνηκε από την παραπάνω ανάλυση, η διακοπτική συχνότητα περιορίζεται σημαντικά. Διδακτορική Διατριβή

85 Απόδοση (%) Ποσοστό DCM (%) Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα Υβριδική DBCM i-bcm DCM Απόδοση (%) Ποσοστό χρόνου DCM Ποσοστό ισχύος DCM Ποσοστό DCM (%) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 3.17: Πειραματικός βαθμός απόδοσης του μετατροπέα σε DBCM και σύγκριση με λειτουργία σε DCM και i-bcm ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για τάση εισόδου V dc = 40V. 9 Υβριδική DBCM i-bcm 90 DCM Ποσοστό χρόνου DCM Ποσοστό ισχύος DCM Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 3.18: Πειραματικός βαθμός απόδοσης του μετατροπέα σε DBCM και σύγκριση με λειτουργία σε DCM και i-bcm ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για τάση εισόδου V dc = 3.5V. Χρηστίδης Γεώργιος

86 Απόδοση (%) Ποσοστό DCM (%) 7 Κεφάλαιο Υβριδική DBCM i-bcm DCM Ποσοστό χρόνου DCM Ποσοστό ισχύος DCM Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 3.19: Πειραματικός βαθμός απόδοσης του μετατροπέα σε DBCM και σύγκριση με λειτουργία σε DCM και i-bcm ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για τάση εισόδου V dc = 5V Συμπεράσματα Οι βασικές μέθοδοι παλμοδότησης DCM και i-bcm για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, έχουν επί μέρους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, όσον αφορά στις δυνατότητες επίτευξης υψηλού βαθμού απόδοσης. Η λειτουργία σε i-bcm, η οποία ενδείκνυται για τα επίπεδα τάσης και ισχύος εξόδου των σύγχρονων Φ/Β πλαισίων παρουσιάζει το πρόβλημα των αυξημένων απωλειών λόγω των υπερβολικά υψηλών τιμών που μπορεί να λάβει η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του ημιαγωγικού στοιχείου Sp, όχι μόνο για χαμηλά επίπεδα ισχύος, αλλά και κατά τη διάρκεια της περιόδου του ηλεκτρικού δικτύου στα άκρα της ημιτονοειδούς κυματομορφής. Για τον περιορισμό της διακοπτικής συχνότητας προτάθηκε και αναλύθηκε η υβριδική μέθοδος DBCM, μέσω της οποίας περιορίζεται αυτό το άνω όριο διακοπτικής συχνότητας. Μέσω της μαθηματικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκε, υπολογίστηκαν οι λειτουργικές παράμετροι ώστε να υπάρχει ομαλή μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων λειτουργίας κατά τη διάρκεια μίας περιόδου του δικτύου, όπως επιβεβαιώθηκε μέσω προσομοίωσης αλλά και πειραματικά. Η βελτίωση της απόδοσης που μετρήθηκε για ένα μικρο-αντιστροφέα ο οποίος είχε σχεδιαστεί για βέλτιστη λειτουργία σε i-bcm ανέδειξε τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης Διδακτορική Διατριβή

87 Υβριδική μέθοδος λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα 73 μεθόδου DBCM, τα οποία είναι εμφανή ειδικά σε χαμηλά επίπεδα ισχύος. Δεδομένου ότι απαίτηση για ένα μετατροπέα για Φ/Β συστήματα είναι ο αυξημένος βαθμός απόδοσης για ένα εύρος λειτουργίας του μετατροπέα, με σωστή επιλογή των κατασκευαστικών παραμέτρων είναι δυνατό να επιτευχθεί αυξημένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης, όπως θα αναλυθεί στο επόμενο κεφάλαιο. Χρηστίδης Γεώργιος

88 74 Κεφάλαιο 3 Διδακτορική Διατριβή

89 75 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM 4.1. Εισαγωγή Στο προηγούμενο κεφάλαιο παρουσιάστηκε και αναλύθηκε η προτεινόμενη υβριδική μέθοδος DBCM, με τη χρήση της οποίας στόχος είναι η αύξηση του βαθμού απόδοσης του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback. Αυτά επιβεβαιώθηκαν μέσω προσομοίωσης καθώς και πειραματικά, όπως επίσης επιβεβαιώθηκε και η δυνατότητα βελτίωσης της ποιότητας ισχύος εξόδου του μετατροπέα. Επομένως, το λογικό βήμα που πρέπει να ακολουθήσει, είναι η υλοποίηση μίας μεθοδολογίας βέλτιστου σχεδιασμού και κατάλληλης επιλογής των κατασκευαστικών και λειτουργικών παραμέτρων του μικρο-αντιστροφέα, για να επιτευχθεί ο μέγιστος δυνατός βαθμός απόδοσης με δεδομένες προδιαγραφές. Για το σκοπό αυτό, όπως παρουσιάστηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, θα γίνει προσπάθεια να περιγραφούν όλες οι απώλειες του μικρο-αντιστροφέα με τη συγκεκριμένη παλμοδότηση, ως συνάρτηση των κατασκευαστικών και λειτουργικών του παραμέτρων. Για να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει να υπολογιστούν εκ νέου η μέση και η ενεργός τιμή των ρευμάτων των στοιχείων, όπου είναι απαραίτητο. Όμως, θα πρέπει να τονιστεί ότι σε αντίθεση με τη λειτουργία σε καθαρή DCM ή i-bcm (για τις οποίες λόγω του υπολογισμού των ολοκληρωμάτων για 0 < ωt < π μπορούν να γίνουν πολλές απλοποιήσεις στις τριγωνομετρικές συναρτήσεις), ο μικτός χαρακτήρας της συγκεκριμένης παλμοδότησης, που περιλαμβάνει και μεταβλητή διακοπτική συχνότητα, λόγω της λειτουργίας σε i-bcm σε κάποια κομμάτια, αυξάνει τη μαθηματική πολυπλοκότητα του υπολογισμού αυτού. Επομένως, όπως θα φανεί στη συνέχεια, θα πρέπει να ακολουθηθούν διαφορετικοί δρόμοι για τον υπολογισμό αυτών των σχέσεων, ώστε έπειτα να είναι εφικτή η εφαρμογή μίας μεθοδολογίας βελτιστοποίησης. 4.. Υπολογισμός απωλειών Ομοίως με την ανάλυση που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο, οι απώλειες του μικρο-αντιστροφέα μπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες, σε εκείνες λόγω των ημιαγωγικών στοιχείων και σε εκείνες λόγω των μαγνητικών στοιχείων, δηλαδή λόγω του υψίσυχνου μετασχηματιστή. Χρηστίδης Γεώργιος

90 76 Κεφάλαιο 4 Απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων Αντιστοίχως, οι απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων μπορούν να διαχωριστούν σε απώλειες αγωγής και διακοπτικές απώλειες. Ξεκινώντας με τις απώλειες αγωγής, για το ημιαγωγικό στοιχείο Sp, οι απώλειες αγωγής είναι ανάλογες του τετραγώνου της ενεργού τιμής του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος Ιpri,rms, όπως καταγράφηκε στη (.1), δεδομένου ότι για τη συγκεκριμένη εφαρμογή χρησιμοποιείται ελεγχόμενος ημιαγωγικός διακόπτης τύπου MOSFET. Αντίστοιχα με τη λειτουργία σε DCM και i-bcm, θα πρέπει να υπολογιστεί εκ νέου η συγκεκριμένη τιμή. Λόγω της υβριδικής λειτουργίας του μετατροπέα κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου, η ενεργός τιμή του ρεύματος εισόδου θα διαχωριστεί σε δύο επιμέρους τιμές Ipri,rms,DCM και Ipri,rms,BCM, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σχέσεις που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο. Επομένως: 1 1 Ipri,rms i 0 pri (t)dt i 0 pri (t)dt i pri(t)dt i pri(t)dt 1 i 0 pri (t)d t i pri (t)d t I pri,rms,dcm I pri,rms,bcm (4.1) Στη συνέχεια, για τον υπολογισμό του Ipri,rms,DCM ακολουθείται παρόμοια διαδικασία με αυτή που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της (.8), με τη διαφορά ότι το άθροισμα που προκύπτει υπολογίζεται μόνο για το τμήμα της ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου, για το οποίο λειτουργεί ο μετατροπέας σε DCM, δηλαδή για 0 < ωt < α και π-α < ωt < π, διαστήματα τα οποία είναι συμμετρικά: 3 m V dc p 3 pri,rms,dcm 1 s i1 I sin i 3L f m m 3 Vdc p m m csc sin 3csc sin 3L1 fs 4m (4.) m m m m m m 3 6m 3 m 3csc sin csc sin m m m m Ομοίως, υπολογίζεται η τιμή του Ipri,rms,BCM αντιστοίχως στο τμήμα για το οποίο λειτουργεί ο μετατροπέας σε i-bcm, με διαδικασία παρόμοια με εκείνη που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της (.18), για το αντίστοιχο διάστημα, δηλαδή για α < ωt < π-α: Διδακτορική Διατριβή

91 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM 77 I 3 n k sin ti 1 sin t ik i1 1 1 V t dc on,p pri,rms,bcm 3 L1 k 1 sin t ik i1 1 1 V n n t dc on,p pri,rms 3 L 1 1 n I ( ) (4.3) Ο όρος ΣΙpri,rms(α) αναφέρεται στο γενικευμένο λόγο τριγωνομετρικών αθροισμάτων και ο υπολογισμός του, ως συνάρτηση της γωνίας μετάβασης α παρουσιάζεται στο Παράρτημα στο τέλος της εργασίας. Μέσα από τον υπολογισμό αυτό, ο λόγος των αθροισμάτων τριγωνομετρικών συναρτήσεων απλοποιείται σε άθροισμα τριγωνομετρικών όρων, δηλαδή: 3 1 V t dc on,p 3 4 Ipri,rms,BCM S 3, 3 L n n n n 3 S 4, 3 S 5, S 6, n n n n n (4.4) Συνεχίζοντας, οι απώλειες αγωγής των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων των δευτερευόντων τυλιγμάτων, S1, S, όπως καταγράφηκε στη (.), είναι ανάλογες του τετραγώνου του ρεύματος του δευτερεύοντος τυλίγματος, αφού, όπως αναλύθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, για τα επίπεδα ισχύος που απαιτείται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι ημιαγωγικοί διακόπτες τύπου MOSFET. Με παρόμοια λογική με εκείνη παρουσιάστηκε στις (4.1) (4.4), υπολογίζεται η ενεργός τιμή του ρεύματος κάθε δευτερεύοντος τυλίγματος: 1 1 Isec,rms i 0 sec(t)dt i 0 sec(t)dt i sec(t)dt i sec(t)dt i sec(t)dt 1 i 0 sec (t)d t i sec (t)d t 0 I sec,rms,dcm I sec,rms,bcm (4.5) όπου 3 m n V dc p sec,rms,dcm acp 1 s i1 I sin i 6V L f m m 3 n Vdc p 1 m m csc sin 3L1 fs 4m m m (4.6) Χρηστίδης Γεώργιος

92 78 Κεφάλαιο 4 και I 3 n k sin ti 1 sin t ik i1 1 1 V t dc on,p sec,rms,bcm 6 L1 k 1 sin t ik i1 1 1 V n n t dc on,p sec,rms 6 L 1 1 n I ( ) (4.7) Ομοίως με τη (4.3), ο όρος ΣΙsec,rms(α) αναφέρεται στο γενικευμένο λόγο τριγωνομετρικών αθροισμάτων και ο υπολογισμός του, ως συνάρτηση της γωνίας μετάβασης α παρουσιάζεται στο Παράρτημα. Μέσα από τον υπολογισμό αυτό, ο λόγος των αθροισμάτων τριγωνομετρικών συναρτήσεων απλοποιείται σε άθροισμα τριγωνομετρικών όρων, δηλαδή: 3 1 V t dc on,p 4 Isec,rms,BCM S, 6 L n n n n 3 S 3, 3 S 4, S 5, n n n n n (4.8) Στη συνέχεια, υπολογίζονται οι απώλειες αγωγής των διόδων D1, D, οι οποίες, όπως περιγράφηκε από τη (.4), είναι ανάλογες της μέσης τιμής του ρεύματος δευτερεύοντος τυλίγματος. Θεωρώντας ότι ο αντιστροφέας προσφέρει ισχύ στο δίκτυο υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος και ότι το ρεύμα εξόδου του είναι καθαρό ημιτονοειδές, τότε η μέση τιμή του ρεύματος κάθε δευτερεύοντος τυλίγματος (το οποίο διαρρέεται κατά το μισό μίας περιόδου του ηλεκτρικού δικτύου) είναι: 1 1 PV sec,avg 0 sec sec 0 ac,p (4.9) Vacrms I i (t)d t i (t)d t I sin( t)d t 0 Έχοντας υπολογίσει όλες τις απαραίτητες μέσες και ενεργές τιμές των ρευμάτων, μπορούν να υπολογισθούν όλες οι απώλειες αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων. Προχωρώντας στις διακοπτικές απώλειες, λόγω του ότι η DBCM απαρτίζεται από τμήματα είτε σε DCM είτε σε i-bcm, όπως αναλύθηκε στο Κεφάλαιο, διακοπτικές απώλειες εμφανίζονται μόνο κατά τη σβέση του ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου Sp. Επομένως, υπολογίζονται χωριστά για τα αντίστοιχα τμήματα σε DCM και i-bcm: PSL PSL,DCM PSL,BCM (4.10) P Διδακτορική Διατριβή

93 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM 79 όπου με βάση τη (.6), για τα δύο συμμετρικά τμήματα για τα οποία ο μετατροπέας λειτουργεί σε DCM, δηλαδή για 0 < ωt < α και π-α < ωt < π: m m tf,pri Vdc p nvdc PSL,DCM Vdc sin i sin i L 1 m i1 m m i1 m t V m m m f,pri dc p Vdc csc sin csc sin L1 m m m m m nv 1 m m csc sin m m m dc (4.11) και ομοίως με βάση τη (.7) για α < ωt < π-α: P SL,BCM t f,pri L V 1 dc n n n n k k k 3 sin t i k i1 sin ti 1 i 1 1 i k n sin t 1 ik 1 k k k sin t i k i1 sin ti 1 sin t i 1 1 ik 1 ik 1 tf,pri Vdc P SL L1 (4.1) με το τριγωνομετρικό άθροισμα ΣPSL(α) να υπολογίζεται επίσης στο Παράρτημα. Μέσα από τον υπολογισμό αυτό, ο λόγος των αθροισμάτων τριγωνομετρικών συναρτήσεων απλοποιείται σε άθροισμα τριγωνομετρικών όρων, δηλαδή: tf,pri Vdc n n PSL,BCM S 1, S, S 3, L1 n n n n (4.13) Απώλειες μαγνητικών στοιχείων Προχωρώντας, για τη δεύτερη κύρια πηγή απωλειών του μετατροπέα, τον υψίσυχνο μετασχηματιστή, οι απώλειες μπορούν και πάλι να διαχωριστούν σε απώλειες πυρήνα, απώλειες τυλιγμάτων, καθώς και απώλειες που οφείλονται στην επαγωγή σκέδασης του μετασχηματιστή (και εμφανίζονται ως θερμικό αποτέλεσμα στον καταστολέα υπερτάσεων). Για τις απώλειες στον πυρήνα, χρησιμοποιείται εκ νέου η μέθοδος igse για την υβριδική DBCM, με εφαρμογή των (.8), (.9). Με την εφαρμογή του νόμου του Faraday, η Χρηστίδης Γεώργιος

94 80 Κεφάλαιο 4 διακύμανση της μαγνητικής επαγωγής ΔBi κατά τη διάρκεια του διακοπτικού κύκλου i είναι ίση με: V t dc on,i i (4.14) NpriAe Επομένως, χρησιμοποιώντας τις σχέσεις που ορίζουν την παλμοδότηση είτε σε DCM είτε σε i-bcm προκύπτει ότι οι απώλειες του πυρήνα Pcore είναι [4]: P core V k V igse igse igse igse igse igse 1 e f dc s p igse T N A pri e V sin V n V sin m igse igse 1 m igse 1 igse igse 1 igse 1 1 dc i acp dc i m i1 m m i1 m για λειτουργία αποκλειστικά σε DCM και (4.15) P igse Vdc on,p core Ve kf NpriAe m i0 t 1 n igse igse igse igse 1 igse 1 igse igse 1 n igse sin ti 1 sinti1 sin ti 1 n m λ sin ti 1 i=0 n (4.16) για λειτουργία αποκλειστικά σε i-bcm. Συνεπώς, για λειτουργία σε DBCM θα πρέπει να αθροιστούν οι παραπάνω τιμές για τα διαστήματα λειτουργίας είτε σε DCM, είτε σε i-bcm κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου, όπως φάνηκε παραπάνω, για τους αντίστοιχους υπολογισμούς των μέσων και ενεργών τιμών των ρευμάτων του μετατροπέα. Για το υλικό του πυρήνα που χρησιμοποιείται και το εύρος της διακοπτικής συχνότητας, οι συντελεστές της εξίσωσης Steinmetz που προκύπτουν είναι [49]: k igse igse igse (4.17) Οι συντελεστές αυτοί δεν είναι ακέραιοι αριθμοί, επομένως δεν είναι δυνατός ο αναλυτικός υπολογισμός των παραπάνω εξισώσεων. Για το λόγο αυτό, η τιμή των απωλειών του πυρήνα προκύπτει με αριθμητικό υπολογισμό, εισάγοντας τις παραπάνω εξισώσεις, μαζί Διδακτορική Διατριβή

95 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM 81 με τα αντίστοιχα διαστήματα αγωγής για τα εκάστοτε τμήματα στο λογισμικό επίλυσης μαθηματικών προβλημάτων Mathematica. Για την περιγραφή των απωλειών των τυλιγμάτων ο υπολογισμός τους μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τις (.30), (.31). Η μέση και ενεργός τιμή των ρευμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος έχουν υπολογιστεί παραπάνω, ενώ οι τιμές των ωμικών αντιστάσεων κάθε τυλίγματος σε συνεχές ρεύμα προκύπτουν από τις (.40), (.41). Περισσότερη ανάλυση όμως θα πρέπει να δοθεί στον υπολογισμό του παράγοντα αύξησης της αντίστασης λόγω υψηλής συχνότητας Fr,z [6]. Στη διδακτορική διατριβή [70], μέσω ανάλυσης με χρήση λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων αλλά και στατιστική επεξεργασία πειραματικών αποτελεσμάτων, έχει αναπτυχθεί η παρακάτω σχέση για τον υπολογισμό του παράγοντα Fr,z για τυλίγματα μαγνητικών στοιχείων με τυχαία κατανεμημένους αγωγούς: sinh sin X sinh - sin cosh - cos 3 r cosh cos FCu Fr g 1 όπου r str Ψ= 4 FCu (4.18) (4.19) p3 p - p F Cu 1 r g= 1- F δ Cu, με p 1=0.0378, p = , p 3= (4.0) r η ακτίνα του αγωγού, FCu το ποσοστό πλήρωσης χαλκού στη διατομή ενός τυλίγματος (διαστάσεων X Υ) και δ το επιδερμικό βάθος. Στην ίδια εργασία φάνηκε ότι η παραπάνω προσεγγιστική σχέση μπορεί να επεκταθεί και στην περίπτωση τυλιγμάτων με πολύκλωνους αγωγούς ακτίνας rstr, όπως είναι και η περίπτωση του υψίσυχνου μετασχηματιστή του παρόντος μετατροπέα, επομένως οι παράγοντες αύξησης της αντίστασης λόγω υψηλής συχνότητας για το πρωτεύον και δευτερεύον τύλιγμα Fr,pri και Fr,sec αντίστοιχα είναι: sinh sin X F sinh - sin cosh - cos 3 r cosh cos pri Fr,pri g Cu 1 str sinh sin sinh - sin cosh - cos 3 r cosh cos Xsec FCu Fr,sec g 1 str όπου (4.1) (4.) Χρηστίδης Γεώργιος

96 8 Κεφάλαιο 4 r str Ψ= 4 FCu (4.3) και Χpri, Xsec η διάσταση κάθε τυλίγματος ως προς τον άξονα x. Ολοκληρώνοντας, ο λόγος των απωλειών στο κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων προς την ισχύ εισόδου, δεδομένου ότι χρησιμοποιείται παθητικό κύκλωμα, συνεχίζει να είναι ίσος με το λόγο της αυτεπαγωγής σκέδασης προς την αυτεπαγωγή μαγνήτισης του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή Μεθοδολογία και παράδειγμα βέλτιστου σχεδιασμού Έχοντας περιγράψει όλους τους μηχανισμούς απωλειών για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback σε DBCM, είναι εφικτό να εφαρμοστεί μεθοδολογία βέλτιστου σχεδιασμού με σκοπό να επιλεγούν κατάλληλα οι κατασκευαστικές και λειτουργικές παράμετροι του μετατροπέα ώστε να επιτευχθεί ο μέγιστος δυνατός βαθμός απόδοσης. Για να μπορεί να γίνει σύγκριση με τα πειραματικά αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο, η αντικειμενική συνάρτηση που επιλέχθηκε να μεγιστοποιηθεί είναι ο ευρωπαϊκός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Επιλέχθηκε επίσης ο ίδιος τύπος πυρήνα (ETD54) για τον υψίσυχνο μετασχηματιστή, ώστε η σύγκριση να γίνει με ίδια κριτήρια. Όπως θα φανεί στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου, μεγαλύτερος όγκος πυρήνα αυξάνει τον αναμενόμενο σταθμισμένο βαθμό απόδοσης. Παρ όλα αυτά, θα πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν ότι ο μετατροπέας προορίζεται να τοποθετηθεί στο οπίσθιο μέρος Φ/Β πλαισίων και επομένως θα πρέπει να έχει μικρό μέγεθος. Λόγω της υβριδικής λειτουργίας, πλέον οι ανεξάρτητες μεταβλητές του προβλήματος είναι πέντε: Ο λόγος μετασχηματισμού του μετασχηματιστή, n. Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του τμήματος DCM, fs,dcm. Ο μέγιστος χρόνος αγωγής του τμήματος i-bcm, ton,p. Η πυκνότητα ρεύματος αγωγιμότητας στα τυλίγματα του μετασχηματιστή, J. Η μέγιστη μαγνητική επαγωγή του μετασχηματιστή, Bp. Οι υπόλοιπες κατασκευαστικές παράμετροι (εξαρτημένες μεταβλητές) είναι παρόμοιες με εκείνες που αναλύθηκαν στο Κεφάλαιο. Αξίζει να σημειωθεί ότι η πρόσθετη εξαρτημένη μεταβλητή PPV,crit, η οποία ορίζει το όριο ισχύος εισόδου πάνω από το οποίο ο μετατροπέας λειτουργεί σε DBCM, υπολογίζεται με βάση τις υπόλοιπες μεταβλητές, βάσει της (3.13). Αντίστοιχα η γωνία μετάβασης α για κάθε επίπεδο ισχύος, υπολογίζεται με βάση τη (3.10). Διδακτορική Διατριβή

97 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM 83 Παρόμοιες παραμένουν και οι περιοριστικές συνθήκες, αφού η δομή του μετατροπέα δεν έχει μεταβληθεί. Επόμενο βήμα είναι να οριστούν οι κατασκευαστικές προδιαγραφές. Στο Κεφάλαιο παρουσιάστηκαν δύο διαφορετικές φιλοσοφίες κατασκευής μικρο-αντιστροφέα για Φ/Β πλαίσια, μία για εφαρμογή σε εύρος Φ/Β πλαισίων και μία για χρήση με συγκεκριμένο Φ/Β πλαίσιο με αντίστοιχες προδιαγραφές (προσαρμοσμένος μετατροπέας). Μέσω των πειραματικών αποτελεσμάτων του Κεφαλαίου, αλλά και της θεωρητικής ανάλυσης, φάνηκε ότι μπορεί να επιτευχθεί μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης όταν προτιμηθεί η δεύτερη επιλογή, η σχεδίαση ενός μικρο-αντιστροφέα για δεδομένο Φ/Β πλαίσιο. Επομένως, στο παρόν κεφάλαιο θα χρησιμοποιηθούν οι συγκεκριμένες προδιαγραφές με τον ήδη κατασκευασθέντα μετατροπέα. Άλλωστε, στο Κεφάλαιο 3, επιβεβαιώθηκε πειραματικά ότι αύξηση του βαθμού απόδοσης χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη υβριδική μέθοδο DBCM μπορεί να επιτευχθεί και για μετατροπείς που προορίζονται για χρήση με διαφορετικού τύπου Φ/Β πλαίσια. Όλα τα τμήματα του αλγορίθμου βελτιστοποίησης που παρουσιάστηκε παραπάνω υλοποιήθηκαν μέσω του λογισμικού επίλυσης μαθηματικών προβλημάτων Mathematica. Αξίζει να σημειωθεί ότι συμπεριλήφθηκαν οι σχέσεις για λειτουργία σε DBCM, όπως αναλύθηκαν στα Κεφάλαια 3 και 4, αλλά και οι σχέσεις για λειτουργία σε DCM, δεδομένου ότι για χαμηλά επίπεδα ισχύος, κάτω από το κρίσιμο όριο ισχύος εισόδου PPV,crit (το οποίο επιλέγεται μέσω του αλγορίθμου βελτιστοποίησης), ο μικρο-αντιστροφέας λειτουργεί αμιγώς σε DCM. Οι κατασκευαστικές και λειτουργικές παράμετροι του μετατροπέα που προέκυψαν από την εφαρμογή του αλγορίθμου βέλτιστου σχεδιασμού, μαζί με τις προδιαγραφές και τις περιοριστικές συνθήκες καταγράφονται στον Πιν Πειραματικά αποτελέσματα Για την επιβεβαίωση της ανάλυσης απωλειών για λειτουργία σε DBCM που παρουσιάστηκε παραπάνω, αλλά και για τη σύγκριση με τον ήδη κατασκευασθέντα μετατροπέα με πανομοιότυπες προδιαγραφές, κατασκευάστηκε εργαστηριακό πρωτότυπο με βάση τα στοιχεία του Πιν Η ορθή λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα επιβεβαιώνεται στο Σχ. 4.1, όπου φαίνεται το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα, μαζί με την τάση του δικτύου για μέγιστη ισχύ. Ο βαθμός απόδοσης του εργαστηριακού πρωτοτύπου μετρήθηκε μέσω ενός αναλυτή ισχύος υψηλής ακρίβειας (Zimmer LMG-500) σε τρία διαφορετικά επίπεδα τάσης, τα οποία αντιστοιχούν σε Χρηστίδης Γεώργιος

98 84 Κεφάλαιο 4 Προδιαγραφές Περιοριστικές συνθήκες Ανεξάρτητες μεταβλητές Επιλεγμένες τιμές STC: P PV = 180W / V dc = 36V V sec,bd = 100V n = 0.19 S p: IXFX180N15 0 o C: P PV = 05W / V dc = 40V B sat = 80mT f s,dcm = 9kHz S 1, S : IXFX6N10 60 o C: P PV = 140W / V dc = 31V C ff,max = 35% t on,p,max = 37.μs Δίοδοι: RHR16510 Δίκτυο: 30V/50Hz J = 4.1 A/mm N pri = 19 (L 1 = 41.μH) Πυρήνας: ETD54 (3F3) B p = 80mT str pri = 36 r str = 0.15mm str sec = 3 l g = 3.41mm Πιν. 4.1: Σχεδιαστικές παράμετροι βελτιστοποιημένου μικρο-αντιστροφέα για λειτουργία σε DΒCM. Σχ. 4.1: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 05W. τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες του Φ/Β πλαισίου, όπως αναλύθηκε στο Κεφάλαιο. Η σύγκριση του πειραματικού βαθμού απόδοσης, με το θεωρητικό, όπως υπολογίστηκε βάσει της ανάλυσης απωλειών, παρουσιάζεται στα Σχ. 4. για τάση εισόδου 40V (0 o C), Σχ. 4.3 για τάση εισόδου 36V (STC) και Σχ. 4.4 για τάση εισόδου 31V (60 o C). Όπως είναι φανερό, υπάρχει πολύ μεγάλη σύγκλιση του θεωρητικού με τον πειραματικό βαθμό απόδοσης, επιβεβαιώνοντας την ανάλυση απωλειών του παρόντος κεφαλαίου. Επιπρόσθετα, φαίνεται ότι, λόγω της επιλογής του ευρωπαϊκού σταθμισμένου βαθμού Διδακτορική Διατριβή

99 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM Πειραματικός βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος βαθμός απόδοσης Απόδοση (%) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 4.: Υπολογισμένος και πειραματικός βαθμός απόδοσης του βελτιστοποιημένου μετατροπέα σε DBCM ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για θερμοκρασία 0 ο C (V dc = 40V, P PV,max = 05W) Πειραματικός βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος βαθμός απόδοσης Απόδοση (%) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 4.3: Υπολογισμένος και πειραματικός βαθμός απόδοσης του βελτιστοποιημένου μετατροπέα σε DBCM ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για θερμοκρασία 5 ο C (V dc = 36V, P PV,max = 180W). απόδοσης ως αντικειμενικής συνάρτησης, ο βαθμός απόδοσης ακόμα και για πολύ χαμηλά επίπεδα ισχύος παραμένει ιδιαίτερα υψηλός. Το μέγιστο σημείο εμφανίζεται στην περιοχή μεταξύ 0% και 50% της ονομαστικής ισχύος, όπου και τα βάρη του μέσου όρου είναι τα πιο σημαντικά. Η αλγόριθμος βελτιστοποίησης εφαρμόστηκε για τη χειρότερη περίπτωση, που είναι η μέγιστη τάση εισόδου και μέγιστη ονομαστική ισχύς, επομένως για χαμηλότερες τάσεις εισόδου παρατηρείται μια συνολική αύξηση στο βαθμό απόδοσης. Χρηστίδης Γεώργιος

100 86 Κεφάλαιο 4 94 Πειραματικός βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος βαθμός απόδοσης 93 Απόδοση (%) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 4.4: Υπολογισμένος και πειραματικός βαθμός απόδοσης του βελτιστοποιημένου μετατροπέα σε DBCM ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για θερμοκρασία 60 ο C (V dc = 31V, P PV,max = 140W). Μέγιστη Ισχύς Τάση Εισόδου Πειραματικός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης μετατροπέα i-bcm 05W 40V 9.15% 9.37% 91.59% 180W 36V 9.4% 9.43% 91.38% 140W 31V 9.35% 9.45% 91.51% Πιν. 4.: Υπολογισμένος και πειραματικός σταθμισμένος ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης βελτιστοποιημένου μικρο-αντιστροφέα για λειτουργία σε DBCM. Συνολικά, στον Πιν. 4. παρουσιάζεται ο υπολογισμένος, βάσει της ανάλυσης απωλειών, βαθμός απόδοσης, μαζί με τον πειραματικά μετρημένο. Στον ίδιο πίνακα, για να γίνει ασφαλής σύγκριση, παρουσιάζεται και ο υπολογισμένος βάσει αντίστοιχης ανάλυσης απωλειών, σταθμισμένος βαθμός απόδοσης (κατά EU) του κατασκευασμένου μετατροπέα που λειτουργεί σε i-bcm. Είναι εμφανές ότι ο βέλτιστα σχεδιασμένος μετατροπέας με την προτεινόμενη μέθοδο DBCM εμφανίζει σταθερά μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης για οποιαδήποτε περίπτωση. Διδακτορική Διατριβή

101 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM 87 5 Ποσοστό Απωλειών (%) Διακοπτικές Απώλειες S P Απώλειες Αγωγής Ημιαγωγικών Στοιχείων Απώλειες Τυλιγμάτων Απώλειες Πυρήνα Απώλειες Snubber λόγω σκέδασης Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 4.5: Ανηγμένες απώλειες επί μέρους στοιχείων του βελτιστοποιημένου μετατροπέα σε DBCM ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για τάση εισόδου V dc = 40V. Έχοντας επιβεβαιώσει πειραματικά την ανάλυση απωλειών που παρουσιάστηκε, στο Σχ. 4.5 μπορούν να φανούν ξεχωριστά οι πηγές επί μέρους απωλειών ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου. Καθώς αυξάνεται το επίπεδο της ισχύος εισόδου, οι διακοπτικές απώλειες μειώνονται, ενώ όλες οι υπόλοιπες αυξάνονται. Αυτό συμβαίνει διότι, λόγω της λειτουργίας σε i-bcm για μεγαλύτερο διάστημα της περιόδου, η συχνότητα λειτουργίας περιορίζεται. Ως αποτέλεσμα, ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης επιλέγει ορθά τις κατασκευαστικές και λειτουργικές παραμέτρους ώστε να επιτευχθεί ένα ολικό ελάχιστο στο σημείο γύρω από το 50% της ονομαστικής ισχύος, για να επιτευχθεί ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης Διερεύνηση του βέλτιστου σχεδιασμού για διαφορετικές προδιαγραφές Μέσω των πειραματικών αποτελεσμάτων επιβεβαιώνεται η ανάλυση των μηχανισμών απωλειών για τη λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback στην προτεινόμενη μέθοδο ελέγχου DBCM. Με την επιβεβαίωση αυτής της ανάλυσης δίνεται η δυνατότητα να ποσοτικοποιηθούν οι επί μέρους απώλειες των στοιχείων του μετατροπέα, όπως φάνηκε στο Σχ Ταυτόχρονα, αφού είναι εμφανές ότι μπορεί να προβλεφθεί με καλή ακρίβεια ο αναμενόμενος βαθμός απόδοσης ενός μετατροπέα με συγκεκριμένα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά που επιλέγει ο σχεδιαστής, μπορούν να δοκιμαστούν και άλλοι συνδυασμοί προδιαγραφών, ώστε να φανεί η εξάρτηση του βαθμού απόδοσης του μετατροπέα από τις επιλεγμένες προδιαγραφές. Χρηστίδης Γεώργιος

102 88 Κεφάλαιο 4 94 Ευρωπαϊκός Βαθμός Απόδοσης (%) ETD44 ETD49 ETD54 ETD Όγκος Πυρήνα (cm 3 ) Σχ. 4.6: Υπολογισμένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης για διαφορετικούς πυρήνες μετασχηματιστή για δίκτυο 30V / 50Hz. Για τον κατασκευασθέντα μετατροπέα επιλέχθηκε ο πυρήνας ETD54 για τον υψίσυχνο μετασχηματιστή ως συμβιβασμός μεταξύ της επίτευξης υψηλού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης και υψηλής πυκνότητας ισχύος για τον τελικό μικρο-αντιστροφέα. Στο Σχ. 4.6 ποσοτικοποιείται αυτή η αύξηση του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης με την αύξηση του όγκου του πυρήνα. Ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης εκτελέστηκε για τέσσερα διαφορετικά μεγέθη πυρήνα, των οποίων καταγράφεται ο όγκος. Όπως φαίνεται από το αποτέλεσμα, η επιλογή του ETD54 αποτελεί μία καλή λύση για επίτευξη αυξημένου βαθμού απόδοσης, αφού ο αμέσως επόμενος διαθέσιμος πυρήνας έχει σχεδόν 50% μεγαλύτερο όγκο. Επιπρόσθετα, ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης εκτελέστηκε για κατασκευή του μικρο-αντιστροφέα για χρήση σε μονοφασικό δίκτυο 10V / 60Hz. Τα αποτελέσματα για το βέλτιστο σχεδιασμό για αυτή την περίπτωση καταγράφονται στο Σχ. 4.7 για διαφορετικούς πυρήνες και παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ως γνωστόν, για ένα τυπικό μετατροπέα ανύψωσης τάσης εμφανίζεται σημαντική μείωση του βαθμού απόδοσής του καθώς αυξάνεται ο λόγος ανύψωσης [45]. Επομένως, δεδομένου ότι η τάση εισόδου του μικρο-αντιστροφέα δε μεταβλήθηκε και η τάση εξόδου μειώθηκε στο μισό, θα αναμενόταν μία βελτίωση του βαθμού απόδοσης του μετατροπέα για το συγκεκριμένο δίκτυο. Παρ όλα αυτά, σύμφωνα με την ανάλυση απωλειών και τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης που κατασκευάστηκε για λειτουργία Διδακτορική Διατριβή

103 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM Ευρωπαϊκός Βαθμός Απόδοσης (%) ETD44 ETD49 ETD54 ETD Όγκος Πυρήνα (cm 3 ) Σχ. 4.7: Υπολογισμένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης για διαφορετικούς πυρήνες μετασχηματιστή για δίκτυο 10V / 60Hz. σε DBCM, ο βαθμός απόδοσης για πυρήνες μικρού όγκου (ETD44 και ETD49) είναι αρκετά μειωμένος. Το ίδιο συμβαίνει και για πυρήνες μεγαλύτερου όγκου με τη διαφορά να είναι λιγότερο σημαντική. Μάλιστα, για πυρήνα σχήματος ETD59 η αύξηση του βαθμού απόδοσης είναι ανεπαίσθητη. Επομένως, είναι εμφανές ότι ο συγκεκριμένος μετατροπέας αποκλίνει από το γενικό κανόνα που αναφέρθηκε. Αυτό συμβαίνει κατ αρχάς διότι ο μικρο-αντιστροφέας τύπου Flyback λειτουργεί ως ένας αντιστροφέας ρεύματος. Συνδέεται σε ένα ισχυρό δίκτυο, επομένως μέσω αυτού μετασχηματίζεται το συνεχές ρεύμα εισόδου υψηλής τιμής σε εναλλασσόμενο ρεύμα εξόδου χαμηλής τιμής. Σε περίπτωση που η τάση είναι η μισή, το ρεύμα εξόδου είναι το διπλάσιο για το ίδιο επίπεδο ισχύος. Επομένως, στο τμήμα υψηλής τάσης του μετατροπέα, εμφανίζονται πλέον υψηλότερες τιμές ρεύματος, άρα και σημαντικά υψηλότερες απώλειες, δεδομένου ότι οι απώλειες αγωγής στα στοιχεία S1, S καθώς και στα δευτερεύοντα τυλίγματα του υψίσυχνου μετασχηματιστή αυξάνονται τετραγωνικά με την αύξηση της ενεργού τιμής. Τα παραπάνω αιτιολογούν την πρακτική που ακολουθείται από διάφορους κατασκευαστές αντιστροφέων που προορίζονται για το αμερικανικό δίκτυο, σύμφωνα με την οποία οι διατιθέμενοι μετατροπείς συνδέονται στην πολική τάση (08V / 60Hz) η οποία δε διαφέρει σημαντικά από τη φασική τάση του ευρωπαϊκού δικτύου. Χρηστίδης Γεώργιος

104 Απόδοση (%) 90 Κεφάλαιο Βελτιστοποίηση κατά EU Βελτιστοποίηση κατά CEC Βελτιστοποίηση για ονομαστική ισχύ Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 4.8: Υπολογισμένος βαθμός απόδοσης βελτιστοποιημένου μετατροπέα σε DBCM ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για τρεις διαφορετικές αντικειμενικές συναρτήσεις (V dc = 40V, P PV,max = 05W). Μία τρίτη πτυχή του αλγορίθμου σχεδιασμού που διερευνήθηκε είναι η συμπεριφορά του με επιλογή διαφορετικής αντικειμενικής συνάρτησης για ίδιες λοιπές προδιαγραφές. Στο Σχ. 4.8 φαίνεται η σύγκριση των βαθμών απόδοσης διαφορετικών σχεδιασμών με στόχο είτε τη μεγιστοποίηση του ευρωπαϊκού (EU) βαθμού απόδοσης, είτε του αμερικανικού (CEC), είτε του βαθμού απόδοσης στην ονομαστική ισχύ. Συγκρίνοντας τους δύο σταθμισμένους βαθμούς απόδοσης, είναι εμφανές ότι για τον ευρωπαϊκό, δίνεται μεγαλύτερη έμφαση στην αύξηση της απόδοσης του μετατροπέα για τα χαμηλά επίπεδα ισχύος, γι αυτό και το μέγιστό του συγκεκριμένου σχεδιασμού εμφανίζεται κάτω από το 50% της ονομαστικής ισχύος εισόδου. Αντίθετα, για το σχεδιασμό βελτιστοποιημένο με βάση τον αμερικανικό βαθμό απόδοσης, παρατηρείται ότι στα υψηλότερα επίπεδα ισχύος επιτυγχάνεται μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης. Αυτό συμβαίνει διότι, βάσει του Πιν..3, δίνεται μεγαλύτερη έμφαση στα υψηλά επίπεδα ισχύος, ειδικά στο 75% της ονομαστικής ισχύος. Ολοκληρώνοντας, για το μετατροπέα που έχει σχεδιαστεί με στόχο το μέγιστο δυνατό βαθμό απόδοσης στο ονομαστικό επίπεδο ισχύος, φαίνεται ότι ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης επιβεβαιώνεται, αφού πράγματι για το συγκεκριμένο σημείο παρατηρείται μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης σε σχέση με τους προηγούμενους σχεδιασμούς. Φαίνεται όμως επίσης ότι για χαμηλότερα επίπεδα ισχύος, ο βαθμός απόδοσης λαμβάνει πολύ χαμηλότερες τιμές. Αξίζει να σημειωθεί ότι το ολικό μέγιστό του εμφανίζεται για ισχύ μικρότερη της ονομαστικής, επιβεβαιώνοντας τις τυπικές καμπύλες απόδοσης που παρουσιάζουν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, ακόμα κι αν έχει σχεδιαστεί με βάση το μέγιστο επίπεδο ισχύος. Διδακτορική Διατριβή

105 Βέλτιστος σχεδιασμός μετατροπέα ελεγχόμενου με την υβριδική μέθοδο DBCM Συμπεράσματα Ήδη από το προηγούμενο κεφάλαιο φάνηκε η δυνατότητα αύξησης του βαθμού απόδοσης ενός μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη μέθοδο παλμοδότησης DBCM, ακόμα και σε μετατροπέα με τυχαία κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Με την ανάλυση απωλειών όμως που πραγματοποιήθηκε στο παρόν κεφάλαιο προέκυψε η δυνατότητα του βέλτιστου σχεδιασμού του μετατροπέα για χρήση αυτής της μεθόδου, με τον οποίο, όπως φάνηκε, αυξήθηκε ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσης του μικρο-αντιστροφέα με παρόμοιες προδιαγραφές, κατά τουλάχιστον 1%. Σημαντικό είναι επίσης να σημειωθεί ότι λόγω της υβριδικής φύσης της λειτουργίας σε DBCM, ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης που κατασκευάστηκε αποτελεί ένα υπερσύνολο των αλγορίθμων βελτιστοποίησης σε λειτουργία αποκλειστικά σε μία από τις δύο καταστάσεις. Αυτό συμβαίνει διότι για την εκτέλεση του παρόντος αλγορίθμου απαιτούνται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία και στις δύο καταστάσεις, για τα εκάστοτε χρονικά διαστήματα. Μέσω των πειραματικών αποτελεσμάτων που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο, φάνηκε ότι η λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα αποκλειστικά σε DCM δεν ενδείκνυται για τα επίπεδα τάσης και ισχύος εξόδου των σύγχρονων Φ/Β πλαισίων που προορίζονται για κτηριακά Φ/Β συστήματα. Παρ όλα αυτά, σε περίπτωση διαφορετικών προδιαγραφών (π.χ. κατασκευή ενός μικρο-αντιστροφέα χαμηλότερης ισχύος) ο παρών αλγόριθμος θα μπορούσε και πάλι να χρησιμοποιηθεί, αφού αποτελεί μία γενίκευση των αλγορίθμων βελτιστοποίησης που είχαν κατασκευαστεί είτε για DCM είτε για i-bcm. Ολοκληρώνοντας, με την επιβεβαίωση της ανάλυσης απωλειών για λειτουργία σε DBCM, μπορούν να εφαρμοστούν στη συνέχεια και άλλες βελτιώσεις στο κυκλωματικό τμήμα του μικρο-αντιστροφέα, ώστε να επιτευχθεί επιπλέον αύξηση του βαθμού απόδοσής του, όπως θα αναλυθεί στα επόμενα κεφάλαια. Χρηστίδης Γεώργιος

106 9 Κεφάλαιο 4 Διδακτορική Διατριβή

107 93 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 5.1. Εισαγωγή Στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε ανάλυση της λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback για τους κύριους τρόπους λειτουργίας (DCM και i-bcm), ενώ παρουσιάστηκε και ο τρόπος υβριδικής λειτουργίας. Με την ανάλυση απωλειών που παρουσιάστηκε, μαζί με την εφαρμογή του αλγορίθμου βελτιστοποίησης του σχεδιασμού, κατέστη δυνατή η κατάλληλη επιλογή των σχεδιαστικών παραμέτρων του αντιστροφέα, με σκοπό την επίτευξη του μέγιστου δυνατού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης. Παρ όλα αυτά, μελετώντας την ανάλυση των απωλειών για το εργαστηριακό πρωτότυπο που κατασκευάστηκε, είναι εμφανές ότι, παρά την εφαρμογή βέλτιστου σχεδιασμού, υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης ώστε να αυξηθεί ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Η εφαρμογή της μεθόδου DBCM είχε κύριο σκοπό τη μείωση των διακοπτικών απωλειών του μικρο-αντιστροφέα, περιορίζοντας τις υψηλές τιμές της διακοπτικής συχνότητας και κρατώντας ταυτόχρονα υψηλή την πυκνότητα ισχύος. Από την άλλη πλευρά, οι απώλειες αγωγής είτε των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή είτε των ημιαγωγικών στοιχείων εξαρτώνται από την ενεργό τιμή του ρεύματος αλλά και από τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά. Για τα ημιαγωγικά στοιχεία, με την πρόοδο της τεχνολογίας και τη χρήση νέων υλικών, η εσωτερική αντίσταση των στοιχείων μειώνεται, με αποτέλεσμα και την ανάλογη μείωση των απωλειών. Αντίθετα η ωμική αντίσταση των τυλιγμάτων δεν αναμένεται να μειωθεί, αφού χρησιμοποιείται χαλκός, του οποίου η ειδική αντίσταση είναι γνωστή και σταθερή. Επομένως, θα πρέπει να αναζητηθούν επιπλέον τρόποι μείωσης των απωλειών του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, πέρα από τη μέθοδο ελέγχου του. Εστιάζοντας στις απώλειες αγωγής, οι οποίες όπως αναλύθηκε εξαρτώνται από παραμέτρους που δύσκολα μεταβάλλονται, ένας τρόπος με τον οποίο μπορούν να μειωθούν είναι με τη σύνδεση πολλών μικρών αντιστροφέων παράλληλα, ώστε να διαμοιραστεί το ρεύμα που διέρχεται από κάθε μετατροπέα. Δεδομένου ότι οι απώλειες αγωγής είναι ανάλογες του τετραγώνου της ενεργού τιμής του ρεύματος, με τη χρήση πολλών παράλληλων μετατροπέων θα μειωθούν οι απώλειες αυτές. Η χρήση παράλληλων μετατροπέων δεν είναι πρωτόγνωρη. Άλλωστε, θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι και η φιλοσοφία των μικρο-αντιστροφέων Φ/Β συστημάτων ακολουθεί τη λογική Χρηστίδης Γεώργιος

108 94 Κεφάλαιο 5 των παράλληλων μετατροπέων, αφού πολλοί μικρότερης ισχύος αντιστροφείς αντικαθιστούν ένα μεγάλο κεντρικό αντιστροφέα για μία αλυσίδα Φ/Β πλαισίων. Κατ αντιστοιχία, σε περίπτωση μεγάλων ρευμάτων ή και για λόγους αξιοπιστίας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλά ημιαγωγικά στοιχεία συνδεδεμένα παράλληλα. Στην παρούσα όμως περίπτωση, η λογική που θα ακολουθηθεί για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback δε θα είναι η απλώς παράλληλη σύνδεση πολλών μετατροπέων που θα λειτουργούν ταυτόχρονα. Δεδομένου ότι θα χρησιμοποιηθούν περισσότεροι μετατροπείς, δίνεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή να εφαρμόσει πιο πολύπλοκους τρόπους ελέγχου, με σκοπό την περαιτέρω μείωση των απωλειών του συνολικού συστήματος καθώς και τη σμίκρυνση των παθητικών στοιχείων. Η πρώτη βελτίωση της λειτουργίας που μπορεί να επιτευχθεί, λόγω της χρήσης πολλών μετατροπέων, είναι η τροποποίηση της παλμοδότησης των μετατροπέων, ώστε να απαιτούνται μικρότερα φίλτρα αποκοπής των ανώτερων αρμονικών. Για παράδειγμα, σε περίπτωση χρήσης δύο μετατροπέων, αυτοί λειτουργούν με την ίδια διακοπτική συχνότητα, όμως με μία διαφορά φάσης 180 ο μεταξύ των δύο παλμών (τεχνική interleaved). Κατά συνέπεια, στην είσοδο και έξοδο του συνολικού μετατροπέα, εμφανίζονται ρεύματα συχνότητας διπλάσιας της διακοπτικής συχνότητας, επομένως απαιτούνται κατωδιαβατά φίλτρα μικρότερα σε όγκο ώστε ο συνολικός μετατροπέας να πληροί τις προδιαγραφές για το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος εισόδου και εξόδου. Αν και απαιτούνται λοιπόν, χονδρικά, τα διπλάσια στοιχεία (συνολικά για τους δύο ξεχωριστούς μετατροπείς), τα παθητικά φίλτρα είναι μικρότερα. Ταυτόχρονα, δεδομένου ότι η ισχύς ισομοιράζεται στους δύο μετατροπείς, τα στοιχεία αυτά είναι και μικρότερα σε μέγεθος. Αντίστοιχη είναι και η λογική με τρεις ή και περισσότερους μετατροπείς τύπου interleaved, γι αυτό και η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται σε πολλούς μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή. Όμως, δεδομένου ότι η τεχνική αυτή προορίζεται για χρήση σε αντιστροφέα, προκύπτει μία επιπλέον δυνατότητα. Λόγω της ημιτονοειδούς κυματομορφής του ρεύματος και της τάσης εξόδου αλλά και της μηδενικής διαφοράς φάσης μεταξύ τους (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος), η στιγμιαία ισχύς του μετατροπέα δεν είναι σταθερή. Παρέχεται μικρή ισχύς στα άκρα του ημιτόνου, ενώ αντίστοιχα η μέγιστη ισχύς εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από ωt = π/. Η ιδιότητα αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία της υβριδικής μεθόδου παλμοδότησης DBCM. Αντίστοιχα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την πιο αποτελεσματική εφαρμογή της τεχνικής interleaved. Για παράδειγμα, σε περίπτωση χρήσης δύο μετατροπέων, στο μέσο της ημιτονοειδούς κυματομορφής, όπου η στιγμιαία ισχύς είναι υψηλή, λειτουργούν και οι δύο, με τη διαφορά φάσης στους παλμούς, όπως αναλύθηκε παραπάνω για τη μείωση των παθητικών Διδακτορική Διατριβή

109 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 95 φίλτρων. Στα άκρα όμως του ημιτόνου, η μεταφορά της συνολικής ισχύος μπορεί να υποστηριχθεί από ένα μόνο μετατροπέα, επομένως ο δεύτερος δεν είναι υποχρεωτικό να λειτουργεί. Με την απενεργοποίηση του δεύτερου μετατροπέα μειώνονται οι συνολικές απώλειες του μικρο-αντιστροφέα, όχι μόνο στο κομμάτι του κυκλώματος ισχύος (απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων και μετασχηματιστή), αλλά και στο κομμάτι της παλμοδότησης. Η παραπάνω παρατήρηση είναι αρκετά σημαντική, με αποτέλεσμα αρκετές ερευνητικές ομάδες να ασχοληθούν με το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback σε λειτουργία με το συγκεκριμένο τρόπο ώστε να είναι εφικτή η αύξηση του βαθμού απόδοσής του. Στις εργασίες [43], [77] [79] προτείνεται η πιο απλή υλοποίηση της συγκεκριμένης τεχνικής για το συγκεκριμένο μετατροπέα, με δύο κλάδους οι οποίοι λειτουργούν σε DCM (ένας ή δύο κλάδοι σε DCM). Στην εργασία [80] προτείνεται η ίδια τεχνική αλλά για λειτουργία σε BCM (ένας ή δύο κλάδοι σε BCM). Τέλος, στις εργασίες [81], [8] προτείνεται η μικτή χρήση DCM και BCM (ένας κλάδος σε DCM ή δύο κλάδοι σε BCM). Κλείνοντας την εισαγωγή, γίνεται φανερό ότι η τεχνική που θα υλοποιηθεί (interleaved) έχει πολύ περισσότερα πλεονεκτήματα από την απλή χρήση δύο μετατροπέων παράλληλα συνδεδεμένων. Στην αγγλική βιβλιογραφία, η παραπάνω τεχνική διαχωρίζεται από τη χρήση παράλληλων μετατροπέων με τον όρο «interleaved» (interleaved converters) [45], [75], [76]. Στην ελληνική βιβλιογραφία δε συναντάται παρόμοιος όρος και γι αυτό η τεχνική αυτή ομαδοποιείται μαζί με τους παράλληλους μετατροπείς [83], [84]. Η ύπαρξη όμως της διαφοράς φάσης μεταξύ των παλμών, μαζί με την απενεργοποίηση ενός μετατροπέα κατά τη διάρκεια χρονικών διαστημάτων απέχει αρκετά από τη λογική χρήσης δύο παράλληλων μετατροπέων. Ως εκ τούτου, για την αποφυγή παρανοήσεων μεταξύ των διαφορετικών τρόπων λειτουργίας, στην παρούσα εργασία, ο μετατροπέας στον οποίο θα εφαρμόζεται η τεχνική που παρουσιάστηκε παραπάνω θα ονομάζεται μετατροπέας πολλαπλών κλάδων. 5.. Τρόποι λειτουργίας Όπως αναφέρθηκε, ο μετατροπέας πολλαπλών κλάδων έχει δύο βασικές διαφορές με την απλή χρήση παράλληλων στοιχείων ή και μετατροπέων: Υπάρχει διαφορά φάσης (καθυστέρηση) μεταξύ των παλμών των διαδοχικών μετατροπέων, η οποία εξαρτάται από το πλήθος των μετατροπέων (καθυστέρηση μισής διακοπτικής περιόδου αν είναι δύο μετατροπείς, ενός τρίτου αν είναι τρεις κοκ.) Υπάρχουν χρονικά διαστήματα (στα άκρα της ημιτονοειδούς τάσης) στα οποία λειτουργεί μόνο ένας μετατροπέας και διαχειρίζεται όλη την ισχύ. Κοντά στο κέντρο της Χρηστίδης Γεώργιος

110 96 Κεφάλαιο 5 Διακόπτης S 1 i pri (t) i pri1 (t) n:1 i ac (t) Φ/Β πλαίσιο + V dc _ C D 11 i sec1 (t) i sec (t) C f i Cf (t) Κατωδιαβατό Φίλτρο L f u ac (t) D 1 Διακόπτης S p1 i pri (t) n:1 Διακόπτης S D 1 i sec (t) Διακόπτης S p D Σχ. 5.1: Κυκλωματικό διάγραμμα του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων με μετασχηματιστή ενδιάμεσης λήψης. ημιτονοειδούς τάσης λειτουργούν περισσότεροι μετατροπείς και διαχειρίζονται τμήματα της συνολικής ισχύος. Αν και ο αριθμός των κλάδων των μετατροπέων μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή, για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, λόγω του χαμηλού επιπέδου ισχύος (μερικές εκατοντάδες W) αλλά και της απαίτησης για χαμηλό κόστος, μικρό όγκο και υψηλή αξιοπιστία, θα χρησιμοποιηθούν μόνο δύο κλάδοι για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback. Οι πιθανές υλοποιήσεις του μετατροπέα πολλαπλών κλάδων λοιπόν, κατ αντιστοιχία με εκείνες του Κεφαλαίου, φαίνονται στα Σχ. 5.1 αν υπάρχει υψίσυχνος μετασχηματιστής με ενδιάμεση λήψη και Σχ. 5. αν υπάρχει τοπολογία πλήρους γέφυρας στην έξοδο. Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των δύο διαφορετικών υλοποιήσεων δε διαφέρουν με αυτά που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιείται η τοπολογία του Σχ. 5.1, με κριτήριο το μικρότερο αριθμό ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ύπαρξη διαφοράς φάσης μεταξύ των παλμών δε μειώνει την ανάγκη για πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας στην είσοδο, η οποία οφείλεται στην ημιτονοειδή κυματομορφή της στιγμιαίας ισχύος εξόδου του μετατροπέα. Τρόποι μείωσης της χωρητικότητας του συγκεκριμένου πυκνωτή θα παρουσιαστούν σε επόμενο κεφάλαιο. Διδακτορική Διατριβή

111 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 97 i pri (t) i pri1 (t) n:1 i sec (t) D 1 S 1 S 3 Φ/Β πλαίσιο + V dc _ C u ac (t) n:1 i sec1 (t) S S 4 Κατωδιαβατό Φίλτρο Διακόπτης S p1 i pri (t) D i sec (t) Διακόπτης S p Σχ. 5.: Κυκλωματικό διάγραμμα του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων με τοπολογία πλήρους γέφυρας. Ακόμα και αν έχει επιλεγεί ο αριθμός των κλάδων και είναι ο ελάχιστος δυνατός, ο τρόπος λειτουργίας των μετατροπέων δεν είναι προφανής. Από τις τρεις διαφορετικές καταστάσεις αγωγής (DCM, i-bcm, CCM), η χρήση της CCM δεν προτιμάται λόγω των δυσκολιών που παρουσιάζει η υλοποίηση του ελέγχου μίας πηγής τάσης παραλληλισμένης στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η επιλογή μίας εκ των δύο που απομένουν έχει παρόμοια μειονεκτήματα με αυτά που αναλύθηκαν στο Κεφάλαιο. Όπως αναφέρθηκε, στα άκρα του ημιτόνου λειτουργεί μόνο ένας κλάδος, ενώ στο κέντρο του ημιτόνου λειτουργούν και οι δύο. Επομένως ενδιάμεσα υπάρχει μία μετάβαση. Θα μπορούσε λοιπόν ο μετατροπέας να λειτουργεί σε μία κατάσταση αγωγής (π.χ. DCM) όταν λειτουργεί μόνο ένας κλάδος και σε άλλη κατάσταση αγωγής (π.χ. i-bcm) όταν λειτουργούν και οι δύο. Και πάλι όμως, αυτή δεν είναι η βέλτιστη λύση. Με τη μετάβαση στη λειτουργία και των δύο κλάδων, η ισχύς που διαχειρίζεται ο κάθε ένας αυτόματα μειώνεται στο μισό. Επομένως, ο Κλάδος Ι που λειτουργούσε πριν σε DCM, λειτουργεί τώρα, αμέσως μετά τη μετάβαση, σε i-bcm, με ισχύ μικρότερη απ ό,τι πριν. Το πλεονέκτημα της χρήσης μετατροπέα πολλαπλών κλάδων και πάλι περιορίζεται. Η μέθοδος DBCM που παρουσιάστηκε στα προηγούμενα κεφάλαια, μπορεί να επεκταθεί για χρήση και σε μετατροπέα πολλαπλών κλάδων, με σκοπό να συνδυαστούν τα πλεονεκτήματα των διαφορετικών καταστάσεων αγωγής κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου. Συνεπώς, σε αντίθεση με όσα έχουν ήδη προταθεί στη βιβλιογραφία Χρηστίδης Γεώργιος

112 98 Κεφάλαιο 5 και αναλύθηκαν παραπάνω, μπορούν να προκύψουν τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις, αν ληφθεί υπ όψιν ότι σε χαμηλά επίπεδα ισχύος προτιμάται η DCM έναντι της i-bcm και ότι προτιμάται η απενεργοποίηση ενός από τους δύο κλάδους: Κλάδος Ι σε DCM και Κλάδος ΙΙ απενεργοποιημένος, (Κατάσταση Ι ή Κατ. I). Κλάδος Ι σε i-bcm και Κλάδος ΙΙ απενεργοποιημένος (Κατάσταση ΙΙ ή Κατ. ΙΙ). Κλάδος Ι και Κλάδος ΙΙ σε DCM (Κατάσταση ΙΙΙ ή Κατ. ΙΙΙ). Κλάδος Ι και Κλάδος ΙΙ σε i-bcm (Κατάσταση ΙV ή Κατ. IV). Είναι εμφανές ότι για τιμές πολύ χαμηλής ισχύος ο μετατροπέας λειτουργεί σε Κατ. Ι και σε υψηλές τιμές ισχύος σε Κατ. ΙV. Σε ενδιάμεσα όμως επίπεδα ισχύος, η αλληλουχία που θα ακολουθηθεί καθώς και η ύπαρξη των ενδιάμεσων καταστάσεων εξαρτάται από τα κατασκευαστικά αλλά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα (π.χ. επιλογή της γωνίας ενεργοποίησης β του δεύτερου κλάδου). Επιπρόσθετα, όπως αναλύθηκε και για την υβριδική παλμοδότηση του απλού μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, η ύπαρξη των διαφορετικών καταστάσεων εξαρτάται και από την ισχύ εισόδου του μετατροπέα, δηλαδή από το επίπεδο ισχύος εξόδου του Φ/Β πλαισίου (που εξαρτάται κυρίως από τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία). Στο επόμενα σχήματα γίνεται προσπάθεια να περιγραφεί η λειτουργία του μετατροπέα για διάφορα επίπεδα ισχύος του Φ/Β πλαισίου. Στο Σχ. 5.3 παρουσιάζεται η μέση ισχύς εισόδου ανά διακοπτικό κύκλο του μετατροπέα για διαφορετικά επίπεδα ισχύος εισόδου (ηλιακής ακτινοβολίας), το οποίο αντικατοπτρίζει και το ρεύμα εισόδου, δεδομένου ότι η τάση του Φ/Β πλαισίου είναι σταθερή. Η διακεκομμένη γραμμή δείχνει το όριο πάνω από το οποίο ενεργοποιείται ο δεύτερος κλάδος. Όπως φαίνεται, για χαμηλά επίπεδα ισχύος εισόδου, ο δεύτερος κλάδος δεν ενεργοποιείται. Όσο η ακτινοβολία αυξάνεται, ο δεύτερος κλάδος ενεργοποιείται και η διάρκεια λειτουργίας του αυξάνεται, λογική αντίστοιχη της DBCM που παρουσιάστηκε σε προηγούμενα κεφάλαια. Στο Σχ. 5.4 παρουσιάζεται το ρεύμα εισόδου κάθε κλάδου για χαμηλό επίπεδο ισχύος εισόδου. Δεδομένου ότι ο αντιστροφέας πρέπει να παρέχει ημιτονοειδές ρεύμα υπό ημιτονοειδή τάση στην έξοδο, αφού η τάση εισόδου είναι σταθερή, το ρεύμα εισόδου είναι της μορφής sin (ωt). Για πολύ χαμηλό επίπεδο ισχύος, ο δεύτερος κλάδος παραμένει απενεργοποιημένος για όλη την ημιπερίοδο του ηλεκτρικού δικτύου, ενώ ο πρώτος κλάδος λειτουργεί σε DCM (Κατ. Ι). Καθώς αυξάνεται το επίπεδο ισχύος (Σχ. 5.5), ο δεύτερος κλάδος παραμένει απενεργοποιημένος, ενώ υπάρχουν διαστήματα που ο πρώτος κλάδος λειτουργεί σε i-bcm (Κατ. ΙΙ). Για μέσο επίπεδο ισχύος (Σχ. 5.6), ο δεύτερος κλάδος ενεργοποιείται μόνο Διδακτορική Διατριβή

113 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 99 P PV = 0. P PV,max P PV = 0.4 P PV,max P PV = 0.6 P PV,max P PV = 0.8 P PV,max Ισχύς Εισόδου P PV = P PV,max Ενεργοποίηση Κλάδου ΙΙ Απενεργοποίηση Κλάδου ΙΙ 0 π/ π Φάση Σχ. 5.3: Ισχύς εισόδου του μετατροπέα κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του δικτύου και όριο ενεργοποίησης δεύτερου κλάδου. στην περιοχή γύρω από την αιχμή της κυματομορφής, οπότε σε κάθε κλάδο ισομοιράζεται το συνολικό ρεύμα εισόδου. Ο μετατροπέας για εκείνο το διάστημα λειτουργεί σε DCM (Κατ. ΙΙΙ). Στο Σχ. 5.7 παρουσιάζονται αντίστοιχες κυματομορφές για μεγαλύτερο επίπεδο ισχύος εισόδου, όπου φαίνονται όλες οι διαδοχικές καταστάσεις, ανάλογα με τη στιγμιαία ισχύ, οι οποίες καταλήγουν σε i-bcm και για τους δύο κλάδους γύρω από το κέντρο της κυματομορφής (Κατ. IV). Τα όρια αυτά δεν είναι ασαφή και ο υπολογισμός τους θα φανεί στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου. Η λογική υλοποίησης του παρόντος υβριδικού ελέγχου δε διαφέρει με τη λογική της DBCM για τον απλό μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, αλλά είναι ένα υπερσύνολό της. Αποτελεί μάλιστα μία γενίκευση των μεθόδων που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία, αφού περιλαμβάνει όλους τις διαφορετικές καταστάσεις αγωγής. Επομένως, στη συνέχεια του κεφαλαίου θα αναλυθούν οι εξισώσεις χρονισμού για την ορθή υλοποίηση της παρούσας παλμοδότησης. Με βάση τις εξισώσεις αυτές, θα υπολογιστούν τα ηλεκτρικά μεγέθη (μέση και ενεργός τιμή ρευμάτων) που είναι απαραίτητα για την περιγραφή των απωλειών των στοιχείων, κατ αντιστοιχία με το προηγούμενο κεφάλαιο, ώστε να εφαρμοστεί μία τεχνική βέλτιστου σχεδιασμού για τη συγκεκριμένη τοπολογία. Χρηστίδης Γεώργιος

114 100 Κεφάλαιο 5 I I II I Ρεύμα Kλάδου ΙΙ Ρεύμα Kλάδου Ι Ρεύμα Kλάδου ΙΙ Ρεύμα Kλάδου Ι π/ π Φάση Σχ. 5.4: Μέση τιμή ανά διακοπτικό κύκλο ρευμάτων εισόδου κλάδων μετατροπέα για P PV < P PVcrit1. α 1 π/ π-α 1 π Φάση Σχ. 5.5: Μέση τιμή ανά διακοπτικό κύκλο ρευμάτων εισόδου κλάδων μετατροπέα για P PVcrit1 < P PV < P PVcrit. Διδακτορική Διατριβή

115 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 101 I II III II I α 1 β π/ π-β π-α 1 π Φάση Σχ. 5.6: Μέση τιμή ανά διακοπτικό κύκλο ρευμάτων εισόδου κλάδων μετατροπέα για P PVcrit < P PV < P PVcrit3. I II III IV III II I Ρεύμα Kλάδου ΙΙ Ρεύμα Kλάδου Ι Ρεύμα Kλάδου ΙΙ Ρεύμα Kλάδου Ι α α 1 β π/ π-α π-β π-α 1 π Φάση Σχ. 5.7: Μέση τιμή ανά διακοπτικό κύκλο ρευμάτων εισόδου κλάδων μετατροπέα για P PV > P PVcrit3. Χρηστίδης Γεώργιος

116 10 Κεφάλαιο Μαθηματική ανάλυση και σχεδίαση μετατροπέα Παλμοδότηση μετατροπέα πολλαπλών κλάδων Πρώτο βήμα της μαθηματικής ανάλυσης είναι η περιγραφή των σχέσεων που ορίζουν τη λειτουργία των δύο κλάδων του μετατροπέα, ώστε το ρεύμα εξόδου του να είναι καθαρά ημιτονοειδές. Για την ανάλυση αυτή, ισχύουν οι θεωρήσεις που καταγράφηκαν στο Κεφάλαιο, δηλαδή ότι το δίκτυο είναι καθαρά ημιτονοειδές, η διακοπτική συχνότητα είναι πολύ μεγαλύτερη της συχνότητας του δικτύου κοκ. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, η καθυστέρηση 180 ο των παλμών των δύο κλάδων μπορεί να θεωρηθεί αφενός ότι είναι και πάλι αμελητέα και αφετέρου ότι για κάθε διακοπτική περίοδο η τάση του δικτύου είναι σταθερή για οποιονδήποτε από τους δύο κλάδους. Επιπρόσθετα όλες οι κατασκευαστικές παράμετροι που θα χρησιμοποιηθούν (λόγος μετασχηματισμού, αυτεπαγωγή πρωτεύοντος τυλίγματος, ημιαγωγικά στοιχεία κτλ.) είναι όμοια και στους δύο μετατροπείς. Επίσης, θεωρείται ότι όταν λειτουργούν παράλληλα και οι δύο κλάδοι, ισομοιράζεται η ισχύς εισόδου από το Φ/Β πλαίσιο, οι κλάδοι δηλαδή έχουν την ίδια ακριβώς παλμοδότηση (με καθυστέρηση 180 ο στη διακοπτική περίοδο) και κάθε κλάδος διαχειρίζεται τη μισή της συνολικής ισχύος. Για να είναι λοιπόν ημιτονοειδές το ρεύμα εξόδου, ώστε ο αντιστροφέας να παρέχει καλή ποιότητα ισχύος, θα πρέπει να ισχύουν οι σχέσεις για την παλμοδότηση είτε της DCM είτε της i-bcm για το εκάστοτε διάστημα. Επιπρόσθετα, θα πρέπει να ισχύουν οι σχέσεις μετάβασης μεταξύ των διαδοχικών καταστάσεων, όπως περιγράφηκαν στο Κεφάλαιο 3. Συνολικά προκύπτουν οι εξής παράμετροι λειτουργίας: δp1: λόγος κατάτμησης, ο οποίος εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από το ωt = π/ αν ο Κλάδος Ι λειτουργεί σε DCM και ο Κλάδος ΙΙ είναι απενεργοποιημένος (παρόμοιο με δp Κεφαλαίου 3). δp: λόγος κατάτμησης και των δύο κλάδων, ο οποίος εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από το ωt = π/ αν και οι δύο κλάδοι λειτουργούν σε DCM. ton,p1: μέγιστος χρόνος αγωγής Sp1, ο οποίος εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από το ωt = π/ αν ο Κλάδος Ι λειτουργεί σε i-bcm και ο Κλάδος ΙΙ είναι απενεργοποιημένος (παρόμοιο με ton,p Κεφαλαίου 3). ton,p: μέγιστος χρόνος αγωγής Sp1, Sp, ο οποίος εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από το ωt = π/ αν και οι δύο κλάδοι λειτουργούν σε i-bcm. α1: γωνία μετάβασης Κλάδου Ι μεταξύ DCM και i-bcm όταν ο Κλάδος ΙΙ είναι απενεργοποιημένος (παρόμοιο με α Κεφαλαίου 3). Διδακτορική Διατριβή

117 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 103 β: γωνία ενεργοποίησης του δεύτερου κλάδου. α: γωνία μετάβασης Κλάδων Ι, ΙΙ μεταξύ DCM και i-bcm. PPVcrit1: Επίπεδο ισχύος εισόδου πάνω από το οποίο εμφανίζεται και η Κατ. ΙΙ κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου (παρόμοιο με PPV,crit Κεφαλαίου 3). PPVcrit: Επίπεδο ισχύος εισόδου πάνω από το οποίο εμφανίζεται και η Κατ. ΙΙΙ κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου. PPVcrit3: Επίπεδο ισχύος εισόδου πάνω από το οποίο εμφανίζεται και η Κατ. ΙV κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου. Είναι εμφανές ότι ισχύει 0 < α1 < β< α < π/ και 0 < PPVcrit1 < PPVcrit < PPVcrit3 < PPV,max. Ο υπολογισμός όλων των παραπάνω παραμέτρων μπορεί να γίνει με βάση την ανάλυση που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 3. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, όταν λειτουργούν παράλληλα και οι δύο κλάδοι, ισομοιράζεται η ισχύς εισόδου από το Φ/Β πλαίσιο (PPV) και κάθε κλάδος διαχειρίζεται τη μισή της συνολικής ισχύος. Επομένως, χρησιμοποιώντας τη (3.10), προκύπτει ότι: p1 PPV L1fs,DCM V dc PPV PPV L1fs,DCM p Lf 1 s,dcm Vdc Vdc 4PPV L1 (5.1) ton,p1 1 Vdc n P 4 PV L 1 PPV L1 ton,p 1 1 Vdc n Vdc n Αντίστοιχα, οι γωνίες μετάβασης α1, α προκύπτουν και πάλι από τη (3.10): Vdc 1 1 arcsin PPVL1f s,dcm n (5.) Vdc 1 Vdc arcsin arcsin PPV Lf n PPVL1f s,dcm n 1 s,dcm Ο υπολογισμός της γωνίας β, μετά την οποία ενεργοποιείται ο Κλάδος ΙΙ είναι και αυτός εύκολος, δεδομένου ότι η ισχύς μεταξύ των δύο μετατροπέων ισομοιράζεται. Στο οριακό επίπεδο ισχύος PPVcrit, πάνω από το οποίο ενεργοποιείται ο Κλάδος ΙΙ, η γωνία β είναι π/. Η μέγιστη στιγμιαία ισχύς που εμφανίζεται στην περιοχή γύρω από το ωt = π/ είναι διπλάσια Χρηστίδης Γεώργιος

118 104 Κεφάλαιο 5 του επιπέδου ισχύος εισόδου του μετατροπέα (ισχύς εξόδου του Φ/Β πλαισίου), ενώ η στιγμιαία ισχύς είναι της μορφής sin (ωt). Με βάση όλα τα παραπάνω, προκύπτει ότι: 1cos P P P sin P P cos 1 PVcrit PVcrit PV PVcrit PV PPV 1 P arccos 1 P PVcrit PV (5.3) Τελευταίο τμήμα της ανάλυσης παλμοδότησης είναι ο υπολογισμός των κρίσιμων επιπέδων ισχύος πάνω από τα οποία ενεργοποιούνται νέες καταστάσεις. Κατ αντιστοιχία με τη (3.13) προκύπτει ότι για να υπάρχει ομαλή μετάβαση μεταξύ DCM και i-bcm είτε αν μόνο ένας κλάδος είναι ενεργοποιημένος, είτε και οι δύο θα πρέπει: 1 Ts,DCM 1 1 V dc 1 PPV,crit1 Vdc 4 L f s,dcm L 1 1 n n 1 Ts,DCM 1 1 V dc 1 PPV,crit3 Vdc 4 L 1 1 f s,dcm L 1 1 n n (5.4) Αντίθετα, για τον υπολογισμό του επιπέδου ισχύος PPVcrit πάνω από το οποίο ενεργοποιείται και ο δεύτερος κλάδος δεν υφίσταται κάποια προϋπόθεση ώστε να υπάρχει ομαλή λειτουργία του μετατροπέα, αλλά η επιλογή της τιμής αυτής είναι στην ευχέρεια του σχεδιαστή. Η τιμή αυτή επηρεάζει και αν θα υπάρχουν οι ενδιάμεσες καταστάσεις που αναλύθηκαν παραπάνω. Μία απλή λογική θα ήταν το επίπεδο αυτό να είναι το μισό της ονομαστικής ισχύος του μετατροπέα. Με αυτό τον τρόπο όμως δε γίνεται βέλτιστη εκμετάλλευση του μαγνητικού υλικού του πυρήνα του μετασχηματιστή, όπως θα φανεί παρακάτω, μετά την ανάλυση των απωλειών του μετατροπέα, όπου και θα παρουσιαστεί μία διαφορετική λογική επιλογής της τιμής PPVcrit. Υπολογισμός μέσων και ενεργών τιμών ρευμάτων και ανάλυση απωλειών Όπως φάνηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, για τον υπολογισμό των απωλειών στο μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, είναι αναγκαίο να έχουν πρωτίστως υπολογιστεί η μέση και η ενεργός τιμή των ρευμάτων των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή. Για τη συγκεκριμένη τοπολογία, αυτό μεταφράζεται στον υπολογισμό των τιμών ξεχωριστά για κάθε κλάδο, δεδομένου ότι οι συνολικές απώλειες του μετατροπέα είναι το άθροισμα των απωλειών που εμφανίζονται σε κάθε κλάδο. Επομένως, ως πρώτο βήμα, θα υπολογιστεί η μέση και η ενεργός Διδακτορική Διατριβή

119 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 105 τιμή του ρεύματος πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος κάθε κλάδου. Για το σκοπό αυτό, θα ακολουθηθεί παρόμοια λογική με την αλληλουχία που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4. Οι τιμές θα υπολογιστούν ξεχωριστά για τους δύο κλάδους καθώς και για όλες τις πιθανούς τρόπους λειτουργίας που θα προκύψουν ανάλογα με το επίπεδο ισχύος εισόδου του μετατροπέα. Ξεκινώντας με τη μέση τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος κάθε κλάδου (ρεύματος εισόδου), αν ο μετατροπέας λειτουργεί μόνο σε Κατ. Ι (δηλαδή PPV < PPVcrit1), για την οποία ισχύουν οι εξισώσεις της DCM που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο : I V dc p1 pri,avg,1 (5.5) 4L1f s,dcm για το μέσο ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος του Κλάδου Ι, ενώ φυσικά η αντίστοιχη μέση τιμή του ρεύματος του Κλάδου ΙΙ, Ipri,avg, είναι μηδενική. Αν ο μετατροπέας λειτουργεί σε Κατ. Ι και Κατ. ΙΙ κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου (δηλαδή PPVcrit1 < PPV < PPVcrit), ακολουθείται η λογική της DBCM που ισχύει για τον απλό μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, δηλαδή το συνολικό μέσο ρεύμα εισόδου του Κλάδου Ι είναι το άθροισμα του μέσου ρεύματος εισόδου για τα τμήματα σε Κατ. Ι (DCM), Ιpri,avg,I, και του μέσου ρεύματος εισόδου για τα τμήματα σε Κατ. ΙΙ (i-bcm), Ιpri,avg,IΙ: Ipri,avg,1 Ipri,avg,I Ipri,avg,II (5.6) με 1 m V dcp1 Ipri,avg,I sin i L1fs,DCM m i1 m I k sin t i k i1 sin ti 1 sin t i1 1 1 V t n n dc on,p1 pri,avg,ii L 1 1 k sin t ik i1 1 n 1 V t L 1 n dc on,p1 pri,avg 1 1 n (5.7) με τον υπολογισμό του ΣΙpri,avg(α1) να παρουσιάζεται στο Παράρτημα της παρούσας εργασίας. Tο μέσο ρεύμα εισόδου του Κλάδου ΙΙ, Ipri,avg, είναι και πάλι μηδενικό αφού ο δεύτερος κλάδος συνεχίζει να είναι απενεργοποιημένος. Αν ο μετατροπέας λειτουργεί σε Κατ. Ι, Κατ. ΙΙ και Κατ. ΙΙΙ κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου (δηλαδή PPVcrit < PPV < PPVcrit3), τότε για τον υπολογισμό τη μέσης τιμής του Χρηστίδης Γεώργιος

120 106 Κεφάλαιο 5 ρεύματος του Κλάδου Ι προστίθεται και ένα τμήμα που άγουν και οι δύο κλάδοι, ενώ για τον Κλάδο ΙΙ συνεισφέρει μόνο αυτό το τμήμα, δηλαδή: I I I I Ipri,avg, Ipri,avg,III με pri,avg,1 pri,avg,i pri,avg,ii pri,avg,iii (5.8) 1 m V dc p1 Ipri,avg,I sin i L1fs,DCM m i1 m 1 V t dc on,p1 Ipri,avg,II pri,avg 1 pri,avg L 1 1 n m Vdc p Ipri,avg,III sin i L1fs,DCM m m i m (5.9) Ολοκληρώνοντας, αν ο μετατροπέας λειτουργεί και στις τέσσερις καταστάσεις κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου (δηλαδή PPV > PPVcrit3), τότε για τον υπολογισμό της μέσης τιμής του ρεύματος ισχύει ομοίως: I I I I I Ipri,avg, Ipri,avg,III Ipri,avg,IV με pri,avg,1 pri,avg,i pri,avg,ii pri,avg,iii pri,avg,iv (5.10) 1 m V dcp1 Ipri,avg,I sin i L1fs,DCM m i1 m 1 V t dc on,p1 Ipri,avg,II pri,avg 1 pri,avg L 1 1 n m V dcp Ipri,avg,III sin i L f m m 1 s,dcm i m (5.11) I 1 V t L 1 n dc on,p pri,avg,iv pri,avg 1 Όπως φαίνεται, οι σχέσεις (5.10) και (5.11) είναι οι πιο γενικές και καλύπτουν όλες τις διαφορετικές πιθανότητες λειτουργίας για τις διαφορετικές καταστάσεις του μετατροπέα. Επομένως, για λόγους συντόμευσης, για την παρουσίαση των υπόλοιπων υπολογιζόμενων μεγεθών, θα χρησιμοποιηθούν οι αντίστοιχες σχέσεις, από τις οποίες μπορούν εύκολα να Διδακτορική Διατριβή

121 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 107 εξαχθούν οι απλοποιημένες μορφές τους σε περίπτωση χαμηλότερου επιπέδου ισχύος εισόδου για το μετατροπέα. Συνεπώς, για την ενεργό τιμή του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος ισχύει: I I I I I Ipri,rms, Ipri,rms,III Ipri,rms,IV pri,rms,1 pri,rms,i pri,rms,ii pri,rms,iii pri,rms,iv (5.1) με 1 3 m V dcp1 3 Ipri,rms,I sin i 3L1f s,dcm m i1 m t 1 V dc on,p1 Ipri,rms,II pri,rms 1 pri,rms 3 L 1 1 n I sin i 3L f m m 3 m V dc p 3 pri,rms,iii 1 s,dcm i m 1 V t dc on,p Ipri,rms,IV 3 L 1 1 n pri,rms Για τη μέση τιμή του ρεύματος του ενεργού δευτερεύοντος τυλίγματος ισχύει: I I I I I Isec,avg, Isec,avg,III Isec,avg,IV sec,avg,1 sec,avg,i sec,avg,ii sec,avg,iii sec,avg,iv (5.13) (5.14) με 1 m V dcp1 Isec,avg,I sin i 4Vacp L1fs,DCM m i1 m 1 V t dc on,p1 Isec,avg,II sec,avg 1 sec,avg 4 L 1 1 n m Vdcp Isec,avg,III sin i 4V L f m m acp 1 s,dcm i m (5.15) I sec,avg,iv 1 V t dc on,p1 4 L 1 1 n sec,avg Χρηστίδης Γεώργιος

122 108 Κεφάλαιο 5 Ολοκληρώνοντας, για την ενεργό τιμή του ρεύματος του ενεργού δευτερεύοντος τυλίγματος ισχύει: I I I I I Isec,rms, Isec,rms,III Isec,rms,IV sec,rms,1 sec,rms,i sec,rms,ii sec,rms,iii sec,rms,iv (5.16) με m nv dcp1 Isec,rms,I sin i 6Vacp L1f s,dcm m i1 m t nv dc on,p1 Isec,rms,II sec,rms 1 sec,rms 6n L 1 1 n I sin i 6V L f m m 3 3 m nv dc p sec,rms,iii acp 1 s,dcm i m (5.17) nv t I 1 n dc on,p1 sec,rms,iv sec,rms 6n L 1 Επόμενο βήμα, αφού υπολογίστηκαν όλες οι απαραίτητες τιμές των ρευμάτων, είναι η περιγραφή όλων των μηχανισμών απωλειών του μετατροπέα με πολλαπλούς κλάδους. Η λογική είναι παρόμοια με εκείνη που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Αρχικά υπολογίζονται οι απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων και στη συνέχεια οι απώλειες των υψίσυχνων μετασχηματιστών. Ξεκινώντας με τα ημιαγωγικά στοιχεία, για τις απώλειες αγωγής χρησιμοποιούνται οι σχέσεις (.1), (.) και (.4), δηλαδή: Για τις απώλειες αγωγής των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων στα πρωτεύοντα τυλίγματα, Sp1 και Sp, PCL,pri: CL,pri pri,rms,1 pri,rms, ds,pri P I I R (5.18) Για τις απώλειες αγωγής των διόδων στα δευτερεύοντα τυλίγματα, Pd: d sec,avg,1 sec,avg, d P I I V (5.19) Για τις απώλειες αγωγής των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων στα δευτερεύοντα τυλίγματα, S1 και S, PCL,sec: CL,pri sec,rms,1 sec,rms, ds,sec P I I R (5.0) Διδακτορική Διατριβή

123 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 109 Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η (5.0) ισχύει αν τα στοιχεία S1, S αποτελούσαν μέρος κάθε ξεχωριστού κλάδου του μετατροπέα. Για να μειωθεί όμως η πολυπλοκότητα του μετατροπέα και ο συνολικός αριθμός των στοιχείων, τα παραπάνω στοιχεία χρησιμοποιούνται και για τους δύο ξεχωριστούς κλάδους. Λόγω του ότι οι συγκεκριμένες απώλειες αγωγής αποτελούν ένα μικρό ποσοστό των συνολικών απωλειών, η προαναφερθείσα προσέγγιση δεν επιφέρει σημαντικό σφάλμα στο συνολικό ποσό των απωλειών. Συνεχίζοντας, για τον υπολογισμό των διακοπτικών απωλειών των ημιαγωγικών στοιχείων PSL,pri, και πάλι, μόνο οι διακοπτικές απώλειες κατά τη σβέση των στοιχείων Sp1, Sp δε μπορούν να αμεληθούν. Ο υπολογισμός τους ακολουθεί παρόμοια λογική με εκείνη που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο και χωρίζεται στις τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις, όπως αναλύθηκε παραπάνω. Επομένως: PSL,pri PSL,pri,1 PSL,pri, P P P P P PSL,pri, PSL,pri,III PSL,pri,IV SL,pri,1 SL,pri,I SL,pri,II SL,pri,III SL,pri,IV με 1 1 t m m f,privdc p1 P SL,pri,I Vdc sin L i nvacp sin i 1 m i1 m m i1 m tf,pri Vdc PSL,pri,II PSL 1 PSL L 1 m tf,priv dcp m PSL,pri,III Vdc sin i nvacp sin i L 1 m m m m i m i m tf,pri Vdc PSL,pri,IV PSL L1 (5.1) (5.) Έχοντας ολοκληρώσει την περιγραφή των απωλειών των ημιαγωγικών στοιχείων, καταγράφονται οι σχέσεις για την περιγραφή των απωλειών των υψίσυχνων μετασχηματιστών των κλάδων, οι οποίες και πάλι χωρίζονται σε απώλειες τυλιγμάτων, απώλειες πυρήνων και απώλειες στους καταστολείς υπερτάσεων λόγω της επαγωγής σκέδασης των μετασχηματιστών. Οι μηχανισμοί αυτών των απωλειών είναι παρόμοιοι με εκείνους που αναλύθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, επομένως, για τις απώλειες στους πυρήνες χρησιμοποιείται η μέθοδος igse με εφαρμογή των (4.15), (4.16), στα κομμάτια αγωγής κάθε πυρήνα. Δεδομένου ότι οι συντελεστές των παραπάνω σχέσεων δεν είναι ακέραιοι αριθμοί, δεν είναι δυνατός ο Χρηστίδης Γεώργιος

124 110 Κεφάλαιο 5 αναλυτικός υπολογισμός των συγκεκριμένων εξισώσεων. Για το λόγο αυτό, ξανά, η τιμή των απωλειών του πυρήνα προκύπτει με αριθμητικό υπολογισμό, εισάγοντας τις παραπάνω εξισώσεις, μαζί με τα αντίστοιχα διαστήματα αγωγής για τα εκάστοτε τμήματα στο λογισμικό επίλυσης μαθηματικών προβλημάτων Mathematica. Για την περιγραφή των απωλειών των τυλιγμάτων, έχοντας υπολογίσει παραπάνω τις μέσες και ενεργές τιμές των ρευμάτων που απαιτούνται, ο υπολογισμός τους μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τις (.30), (.31). Υπολογίζονται επιπρόσθετα οι παράγοντες αύξησης της αντίστασης λόγω υψηλής συχνότητας με βάση τις (4.1) (4.3) όπως α περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Ο λόγος των απωλειών στα κυκλώματα καταστολής υπερτάσεων προς την ισχύ εισόδου, συνεχίζει να είναι ίσος με το λόγο της αυτεπαγωγής σκέδασης προς την αυτεπαγωγή του πρωτεύοντος τυλίγματος των μετασχηματιστών. Σχεδίαση μετατροπέα Έχοντας περιγράψει όλους τους βασικούς μηχανισμούς απωλειών για τα στοιχεία του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων, επόμενο βήμα είναι η επιλογή των σχεδιαστικών παραμέτρων του μετατροπέα, ώστε να λειτουργεί με τον τρόπο που αναλύθηκε στις προηγούμενες παραγράφους, αλλά και να εμφανίζει υψηλό σταθμισμένο βαθμό απόδοσης. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα οριακά επίπεδα ισχύος PPVcrit1 και PPVcrit3 υπολογίζονται κατάλληλα μαζί με τις υπόλοιπες παραμέτρους λειτουργίας (δp1, δp, tonp1, tonp) και τα κατασκευαστικά στοιχεία, ώστε να υπάρχει ομαλή μετάβαση μεταξύ των διαφορετικών καταστάσεων. Αντίθετα, το οριακό επίπεδο ισχύος PPVcrit, πάνω από το οποίο ενεργοποιείται και ο δεύτερος κλάδος λειτουργίας μπορεί να επιλεγεί από το σχεδιαστή του αντιστροφέα. Στόχος είναι να επιλεγεί κατάλληλα ώστε να βεβαιώνεται η όσο το δυνατόν καλύτερη χρήση του μαγνητικού υλικού του μετασχηματιστή, το οποίο θα οδηγήσει σε υψηλή πυκνότητα ισχύος αλλά και απόδοση του μετατροπέα. Από τα προηγούμενα κεφάλαια φάνηκε ότι ένας περιορισμός που υπάρχει για αυτού του τύπου τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος είναι η μέγιστη τιμή της μαγνητικής επαγωγής, Bp, η οποία δεν πρέπει να ξεπερνά τη μαγνητική επαγωγή κόρου Bsat του μαγνητικού υλικού του πυρήνα. Η τιμή αυτή εμφανίζεται όταν από το πρωτεύον τύλιγμα εμφανίζεται το μέγιστο ρεύμα κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου. Για τη μέγιστη χρήση του μαγνητικού υλικού, επιλέγεται η τιμή αυτή να εμφανιστεί για ωt = π/ στους μετασχηματιστές και των δύο κλάδων, αλλά και για ωt = β στον Κλάδο Ι. Στην πιο απλή περίπτωση της επιλογής PPVcrit = PPV,max/ η μέγιστη μαγνητική Διδακτορική Διατριβή

125 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 111 επαγωγή εμφανίζεται μακριά από το σημείο ωt = π/, το οποίο δεν είναι βέλτιστο. Όπως λοιπόν θα φανεί και στις γραφικές παραστάσεις που θα προκύψουν από την προσομοίωση του μετατροπέα πολλαπλών κλάδων, το μέγιστο ρεύμα εισόδου θα εμφανίζεται σε τρία σημεία (ωt = β, π/ και π-β) για μέγιστο επίπεδο ισχύος εισόδου. Με βάση τη (.3) αυτό συνεπάγεται ότι ο χρόνος αγωγής του Sp1 για τις δύο περιπτώσεις πρέπει να είναι ίσος, δηλαδή: t t (5.3) on,i PPV P on,i PVcrit, t / PPV P PV,max, t Χρησιμοποιώντας τη (.11): P PV,max t sinsin 1 n n ton,p P PV on,p1 P PV P PVcrit (5.4) Αντικαθιστώντας τις τιμές για τους μέγιστους χρόνους αγωγής από τη (5.1): 4PPVcritL1 PPV,max L1 1 1 sin sin Vdc n V dc 1 n n (5.5) που γίνεται μέσω της (5.3): 4PPVcritL1 PPV,maxL1 1 1 P PVcrit 1 sin arccos 1 Vdc n V dc 1 P PV,max n 1 P PVcrit sin arccos 1 P PV,max n που καταλήγει: (5.6) P PVcrit 1 1 n n n PPV,max 1 n n (5.7) Πλέον, όλες οι παράμετροι είναι ορισμένες οπότε μπορεί να προχωρήσει ο βέλτιστος σχεδιασμός του παρόντος μετατροπέα. Αξίζει να σημειωθεί ότι με όλες τις παραπάνω μεθόδους που ακολουθήθηκαν, το πρόβλημα βελτιστοποίησης συνεχίζει να έχει μόνο πέντε ανεξάρτητες μεταβλητές (n, fs,dcm, ton,p1, J, Bp). Συνεχίζουν επίσης να ισχύουν οι ίδιοι περιορισμοί σχεδίασης που αναλύθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Οι πολλαπλοί κλάδοι όμως δίνουν νέες δυνατότητες στην επιλογή του σχήματος του πυρήνα των μετασχηματιστών. Κατ αρχάς, για να μπορεί να γίνει σωστή σύγκριση με τον ήδη σχεδιασμένο και κατασκευασμένο μετατροπέα βελτιστοποιημένο για λειτουργία σε DBCM, Χρηστίδης Γεώργιος

126 11 Κεφάλαιο 5 Προδιαγραφές Περιοριστικές συνθήκες Ανεξάρτητες μεταβλητές Επιλεγμένες τιμές STC: P PV = 180W / V dc = 36V V sec,bd = 100V n = 0.4 S p1 S p: IPB107N0NA 0 ο C: P PV = 05W / V dc = 40V B sat = 80mT f s,dcm = 30.9 khz S 1, S : IXFX6N10 60 o C: P PV = 140W / V dc = 31V C ff,max = 35% t on,p,max = 51.4 μs Δίοδοι: STTH151G Δίκτυο: 30V / 50Hz J = 6. A/mm N pri = 19 (L 1 = 66 μh) Πυρήνας: RM14 (N87) B p = 80mT str pri = 11 r str = 0.15mm str sec = l g = 1.4 mm Πιν. 5.1: Σχεδιαστικές παράμετροι βελτιστοποιημένου μικρο-αντιστροφέα πολλαπλών κλάδων για λειτουργία σε DΒCM. οι προδιαγραφές του παρόντος μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων επιλέγονται να είναι όμοιες με εκείνες που παρουσιάστηκαν στον Πιν Για το συγκεκριμένο μετατροπέα είχε χρησιμοποιηθεί ο πυρήνας ETD54. Δεδομένου ότι στο νέο μετατροπέα θα υπάρχουν δύο μετασχηματιστές, το να χρησιμοποιηθεί εκ νέου πυρήνας ETD54 δεν επιτρέπει ρεαλιστική σύγκριση. Επομένως, οι νέοι πυρήνες θα πρέπει να έχουν παρόμοιο συνολικό όγκο, κόστος και μάζα. Επιπρόσθετα, δεδομένου ότι ο μικρο-αντιστροφέας προορίζεται να τοποθετηθεί ανάμεσα στο Φ/Β πλαίσιο και τη βάση στήριξής του, η κύρια διάσταση που θα πρέπει να περιορισθεί είναι το ύψος του μετατροπέα, άρα και των υψίσυχνων μετασχηματιστών. Με βάση όλα τα παραπάνω επιλέγεται να χρησιμοποιηθούν πυρήνες RM14. Οι συγκεκριμένοι πυρήνες δε διατίθενται σε μεγαλύτερες διαστάσεις ώστε να μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε προηγούμενα εργαστηριακά πρωτότυπα, των οποίων ο μετασχηματιστής έπρεπε να διαχειριστεί το συνολικό ποσό ισχύος. Η συνολική τους μάζα είναι λίγο μικρότερη από τη μάζα των πυρήνων ETD54 που χρησιμοποιήθηκαν στους προηγούμενους μετατροπείς. Επιπρόσθετα, το ρομβοειδές σχήμα τους επιτρέπει τη χρήση δύο μετασχηματιστών με πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους, ώστε να μειωθεί ο απαραίτητος συνολικός χώρος. Εφαρμόζοντας λοιπόν τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης, οι σχεδιαστικές παράμετροι του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback με πολλαπλούς κλάδους που προέκυψε, καταγράφονται Διδακτορική Διατριβή

127 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 113 α 1 β α Γωνία (rad) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.8: Γωνίες μετάβασης ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου, για τάση εισόδου 40V. στον Πιν Στο Σχ. 5.8 φαίνεται πώς μεταβάλλονται οι γωνίες α1, β και α ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου. Όπως φαίνεται, για χαμηλά επίπεδα ισχύος, μόνο ένας κλάδος λειτουργεί, και αυτός σε DCM (Κατ. Ι). Η πρώτη γωνία που ξεκινά να μειώνεται είναι η α1, οπότε ο κλάδος λειτουργεί κατά διαστήματα και σε i-bcm (Κατ. ΙΙ). Στη συνέχεια, και η β μειώνεται, γεγονός το οποίο οδηγεί σε διαστήματα λειτουργίας του δεύτερου κλάδου σε DCM (Κατ. ΙΙΙ) ενώ για τα μεγαλύτερα επίπεδα ισχύος οι κλάδοι λειτουργούν σε i-bcm στο κέντρο του ημιτόνου (Κατ. IV). Αξίζει να σημειωθεί ότι το σχετικό ποσοστό κάθε κατάστασης αγωγής δεν είναι σταθερό. Στο Σχ. 5.9 παρουσιάζεται η μεταβολή των δp1, δp που ορίζουν την παλμοδότηση για τα διαστήματα σε DCM για διαφορετικά επίπεδα ισχύος. Το δp1 εμφανίζει τιμές για όλα τα επίπεδα ισχύος, δεδομένου ότι η Κατ. Ι εμφανίζεται πάντα, ενώ το δp μόνο όταν PPV > PPVcrit. Ολοκληρώνοντας, στο Σχ καταγράφεται η μεταβολή των tonp1, tonp, που ορίζουν την παλμοδότηση στα διαστήματα της i-bcm. Όπως φαίνεται, η μεταβολή ετούτη είναι γραμμική όπως αναμένεται, με τον tonp να είναι πάντα το μισό του tonp1, αφού κάθε κλάδος, όταν λειτουργούν και οι δύο διαχειρίζεται τη μισή από τη συνολική ισχύ εισόδου. Φυσικά, τιμές για το tonp1 υπάρχουν μόνο όταν PPV > PPVcrit1, ενώ για το tonp, μόνο όταν PPV > PPVcrit Αποτελέσματα προσομοίωσης Η επιβεβαίωση της ορθής ανάλυσης της παλμοδότησης του μετατροπέα γίνεται μέσω προσομοίωσης που υλοποιήθηκε σε περιβάλλον PSIM, για μετατροπέα με κατασκευαστικές Χρηστίδης Γεώργιος

128 114 Κεφάλαιο 5 δ p δ p1 δ p Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.9: Μέγιστοι λόγοι κατάτμησης των τμημάτων DCM ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου, για τάση εισόδου 40V. t on,p t on,p1 t on,p Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.10: Μέγιστοι χρόνοι αγωγής των τμημάτων i-bcm ως συνάρτηση του επιπέδου ισχύος εισόδου, για τάση εισόδου 40V. παραμέτρους που καταγράφονται στον Πιν Από το ίδιο μοντέλο επιβεβαιώθηκαν και οι ορθοί υπολογισμοί των μέσων και ενεργών τιμών των ρευμάτων εισόδου και εξόδου για κάθε κλάδο. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται αναφέρονται στη μέγιστη τάση εισόδου του μετατροπέα. Στο Σχ παρουσιάζεται η λειτουργία του μετατροπέα για ισχύ εισόδου PPV < PPVcrit1. Ο Κλάδος Ι του μετατροπέα διαχειρίζεται όλο το ρεύμα εισόδου ενώ ο Κλάδος ΙΙ παραμένει ανενεργός για όλο το διάστημα, γι αυτό και το ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματός του είναι Διδακτορική Διατριβή

129 Κατ. Ρεύμα Εξόδου (Α) Ρεύμα Εισόδου Κλάδου ΙΙ (Α) Ρεύμα Εισόδου Κλάδου Ι (Α) Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων Ρεύμα Εισόδου Κλάδου Ι (Α) Ρεύμα Εισόδου Κλάδου ΙΙ (Α) Ρεύμα Εξόδου (Α) Κατ I χρόνος (ms) Σχ. 5.11: Αποτελέσματα προσομοίωσης μετατροπέα πολλαπλών κλάδων για λειτουργία σε DBCM, ισχύς εισόδου 50W (P PV < P PVcrit1) I II I II I II I II I χρόνος (ms) Σχ. 5.1: Αποτελέσματα προσομοίωσης μετατροπέα πολλαπλών κλάδων για λειτουργία σε DBCM, ισχύς εισόδου 85W (P PVcrit1 < P PV < P PVcrit). Χρηστίδης Γεώργιος

130 Κατ. Ρεύμα Εξόδου (Α) Ρεύμα Εισόδου Κλάδου ΙΙ (Α) Ρεύμα Εισόδου Κλάδου Ι (Α) 116 Κεφάλαιο 5 Ρεύμα Εισόδου Κλάδου Ι (Α) Ρεύμα Εισόδου Κλάδου ΙΙ (Α) Ρεύμα Εξόδου (Α) Κατ I IIIIIII I IIIIIII I IIIIIII I IIIIIII I χρόνος (ms) Σχ. 5.13: Αποτελέσματα προσομοίωσης μετατροπέα πολλαπλών κλάδων για λειτουργία σε DBCM, ισχύς εισόδου 100W (P PVcrit < P PV < P PVcrit3) I II IV II I II IV II I II IV II I II IV II I χρόνος (ms) Σχ. 5.14: Αποτελέσματα προσομοίωσης μετατροπέα πολλαπλών κλάδων για λειτουργία σε DBCM, ισχύς εισόδου 05W (P PV > P PVcrit3). Διδακτορική Διατριβή

131 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 117 σταθερά μηδενικό. Ο μετατροπέας λειτουργεί συνεχώς σε DCM (Κατ. Ι). Στο Σχ. 5.1 παρουσιάζεται η λειτουργία του μετατροπέα για επίπεδο ισχύος εισόδου PPVcrit1 < PPV < PPVcrit. Και πάλι ο Κλάδος ΙΙ παραμένει ανενεργός για όλο το διάστημα. Για τον Κλάδο Ι, υπάρχουν διαστήματα για το οποία λειτουργεί σε i-bcm (Κατ. ΙΙ). Για το διάστημα αυτό, η περιβάλλουσα του ρεύματος πρωτεύοντος τυλίγματος του Κλάδου Ι φαίνεται ότι είναι διαφορετική. Η λειτουργία αυτή είναι παρόμοια με την υβριδική DBCM που αναλύθηκε στα προηγούμενα κεφάλαια. Στο Σχ παρουσιάζεται η λειτουργία του μετατροπέα για επίπεδο ισχύος εισόδου PPVcrit < PPV < PPVcrit3. Όπως είναι εμφανές υπάρχουν πλέον διαστήματα για τα οποία ενεργοποιείται και ο Κλάδος ΙΙ και λειτουργεί σε DCM (Κατ. ΙΙΙ). Στο Σχ παρουσιάζεται η λειτουργία του μετατροπέα για μέγιστο επίπεδο ισχύος εισόδου, οπότε PPV > PPVcrit3. Για τα τμήματα κοντά στο κέντρο του ημιτόνου όπου η στιγμιαία ισχύς είναι η μέγιστη, οι δύο κλάδοι λειτουργούν σε i-bcm (Κατ. IV). Επιπρόσθετα, φαίνεται ότι το μέγιστο ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος εμφανίζεται σε τρία σημεία κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου, όπως ακριβώς σχεδιάστηκε με τη συγκεκριμένη επιλογή της τιμής PPVcrit με σκοπό τη μέγιστη εκμετάλλευση του μαγνητικού υλικού του πυρήνα του μετασχηματιστή. Αξίζει να σημειωθεί ότι στα σχήματα όπου λειτουργούν και οι δύο κλάδοι παρατηρείται μία απότομη μεταβολή του ρεύματος εξόδου στα χρονικά σημεία στα οποία ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται ο Κλάδος ΙΙ. Η συμπεριφορά αυτή είναι φυσιολογική δεδομένου ότι υπάρχει απότομη μεταβολή στη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας. Λόγω της απουσίας απόσβεσης στο φίλτρο εξόδου στο μοντέλο προσομοίωσης, το φαινόμενο αυτό είναι ιδιαίτερα έντονο. Παρ όλα αυτά, όπως θα φανεί στη συνέχεια, στον κατασκευασθέντα μετατροπέα, η απότομη αυτή μεταβολή είναι πολύ ασθενέστερη Πειραματικά αποτελέσματα Για την επιβεβαίωση της μαθηματικής ανάλυσης του προτεινόμενου τρόπου παλμοδότησης καθώς και της ανάλυσης απωλειών που παρουσιάστηκαν στο παρόν κεφάλαιο για το μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων, κατασκευάστηκε εργαστηριακό πρωτότυπο με βάση τα στοιχεία του Πιν Αρχικά, στα Σχ Σχ. 5.18, παρουσιάζεται το ρεύμα εξόδου του μικρο-αντιστροφέα για τους τέσσερις διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας του μετατροπέα ανάλογα με το επίπεδο της ισχύος εισόδου. Όπως φαίνεται το ρεύμα εξόδου είναι ημιτονοειδές με μηδενική διαφορά φάσης με την τάση του ηλεκτρικού δικτύου. Χρηστίδης Γεώργιος

132 118 Κεφάλαιο 5 Σχ. 5.15: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 50W. Σχ. 5.16: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 80W. Διδακτορική Διατριβή

133 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 119 Σχ. 5.17: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 100W. Σχ. 5.18: Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και τάση δικτύου για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 05W. Χρηστίδης Γεώργιος

134 10 Κεφάλαιο 5 Η λειτουργία του μετατροπέα, μπορεί να φανεί καλύτερα, παρατηρώντας τα ρεύματα των πρωτευόντων τυλιγμάτων των δύο κλάδων, για αντίστοιχα επίπεδα ισχύος (Σχ Σχ. 5.). Για χαμηλά επίπεδα ισχύος (PPV < PPVcrit1), ο Κλάδος Ι λειτουργεί σε Κατ. Ι, επομένως η περιβάλλουσα του ρεύματος ακολουθεί μία ημιτονοειδή κυματομορφή. Για PPVcrit1 < PPV < PPVcrit και πάλι μόνο ο Κλάδος Ι λειτουργεί, αλλά με τροποποιημένη περιβάλλουσα, λόγω του τμήματος i-bcm (Κατ. ΙΙ) στο κέντρο της ημιτονοειδούς κυματομορφής. Για PPVcrit < PPV < PPVcrit3 ενεργοποιείται και ο Κλάδος ΙΙ στο κέντρο της ημιτονοειδούς κυματομορφής, επομένως η ισχύς εισόδου ισομοιράζεται στους δύο μετατροπείς. Ολοκληρώνοντας, για PPV > PPVcrit3 ο μετατροπέας λειτουργεί και στις τέσσερις πιθανές καταστάσεις κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου. Ο ορθός υπολογισμός του ορίου PPVcrit που παρουσιάστηκε σε προηγούμενη ενότητα επιβεβαιώνεται μέσω του Σχ. 5., δεδομένου ότι φαίνεται ότι για τη μέγιστη ισχύ εισόδου, το μέγιστο ρεύμα μέσα από το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή εμφανίζεται σε τρεις διαφορετικές χρονικές στιγμές κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου. Ολοκληρώνοντας, με μεγέθυνση της παραπάνω κυματομορφής που παρουσιάζεται στο Σχ. 5.3, επιβεβαιώνεται και η διαφορά φάσης μεταξύ των ρευμάτων των δύο κλάδων του μετατροπέας. Οι παραπάνω κυματομορφές είναι όμοιες με εκείνες που παρουσιάστηκαν μέσω των αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Σχ. 5.19: Ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος Κλάδου Ι και Κλάδου ΙΙ για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 50W. Διδακτορική Διατριβή

135 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 11 Σχ. 5.0: Ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος Κλάδου Ι και Κλάδου ΙΙ για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 80W. Σχ. 5.1: Ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος Κλάδου Ι και Κλάδου ΙΙ για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 100W. Χρηστίδης Γεώργιος

136 1 Κεφάλαιο 5 Σχ. 5.: Ρεύμα πρωτεύοντος τυλίγματος Κλάδου Ι και Κλάδου ΙΙ για τάση V dc = 40V και ισχύ εισόδου P PV = 05W. Σχ. 5.3: Μεγέθυνση ρεύματος πρωτεύοντος τυλίγματος Κλάδου Ι και Κλάδου ΙΙ. Διδακτορική Διατριβή

137 Απόδοση (%) Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 13 Ο βαθμός απόδοσης του εργαστηριακού πρωτοτύπου μετρήθηκε μέσω ενός αναλυτή ισχύος υψηλής ακρίβειας (Zimmer LMG-500) σε τρία διαφορετικά επίπεδα τάσης, τα οποία αντιστοιχούν σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες του Φ/Β πλαισίου, όπως αναλύθηκε στο Κεφάλαιο. Η σύγκριση του πειραματικού βαθμού απόδοσης, με το θεωρητικό, όπως υπολογίστηκε βάσει της ανάλυσης απωλειών, παρουσιάζεται στα Σχ. 5.4 για τάση εισόδου 40V (0 o C), Σχ. 5.5 για τάση εισόδου 36V (STC) και Σχ. 5.6 για τάση εισόδου 31V (60 o C). Είναι εμφανές ότι υπάρχει αρκετά μεγάλη σύγκλιση μεταξύ του θεωρητικά υπολογισμένου βαθμού απόδοσης του μετατροπέα και του πειραματικά μετρημένου, για όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Η μεγαλύτερη απόκλιση μεταξύ των δύο παρουσιάζεται για επίπεδα ισχύος κοντά στην ονομαστική. Σε αυτά τα επίπεδα ισχύος λειτουργεί και ο Κλάδος ΙΙ, επομένως η απόκλιση αυτή μπορεί να αιτιολογηθεί από τις μικρές κατασκευαστικές διαφορές μεταξύ των δύο κλάδων. Πιο συγκεκριμένα, δεδομένου ότι ο Κλάδος ΙΙ λειτουργεί για μικρότερο χρονικό διάστημα, η θερμοκρασία τόσο των ημιαγωγικών στοιχείων όσο και του υψίσυχνου μετασχηματιστή αναμένεται να έχει διαφορά σε σχέση με τα αντίστοιχα στοιχεία του Κλάδου Ι. Επομένως, αναμένεται να υπάρχει διαφοροποίηση στις ωμικές αντιστάσεις των στοιχείων και κατ επέκταση στις απώλειές τους. Επιπρόσθετα, δύο μετασχηματιστές δεν είναι ποτέ πανομοιότυποι, ακόμα και αν έχουν τις ίδιες σχεδιαστικές παραμέτρους. Η μικρή απόκλιση των τιμών στην αυτεπαγωγή μαγνήτισης και σκέδασης (της τάξης του %), οδηγεί σε μικρή απόκλιση και στον πειραματικό βαθμό απόδοσης Πειραματικός βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος βαθμός απόδοσης Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.4: Υπολογισμένος και πειραματικός βαθμός απόδοσης του βελτιστοποιημένου μετατροπέα πολλαπλών κλάδων ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για θερμοκρασία 0 ο C (V dc = 40V, P PV,max = 05W). Χρηστίδης Γεώργιος

138 14 Κεφάλαιο Απόδοση (%) Απόδοση (%) Πειραματικός βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος βαθμός απόδοσης Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.5: Υπολογισμένος και πειραματικός βαθμός απόδοσης του βελτιστοποιημένου μετατροπέα πολλαπλών κλάδων ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για θερμοκρασία 5 ο C (V dc = 36V, P PV,max = 180W) Πειραματικός βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος βαθμός απόδοσης Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.6: Υπολογισμένος και πειραματικός βαθμός απόδοσης του βελτιστοποιημένου μετατροπέα πολλαπλών κλάδων ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου για θερμοκρασία 60 ο C (V dc = 31V, P PV,max = 140W). Διδακτορική Διατριβή

139 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 15 Μέγιστη Ισχύς Τάση Εισόδου Πειραματικός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης Υπολογισμένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης Πειραματικός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης μετατροπέα DBCM ενός κλάδου 05W 40V 94.6% 94.90% 9.15% 180W 36V 94.58% 94.91% 9.4% 140W 31V 94.66% 94.88% 9.35% Πιν. 5.: Υπολογισμένος και πειραματικός σταθμισμένος ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης βελτιστοποιημένου μικρο-αντιστροφέα για λειτουργία σε DBCM. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, παρατηρείται μία ιδιαίτερα σημαντική αύξηση του βαθμού απόδοσης σε σχέση με το μετατροπέα ίδιων προδιαγραφών εισόδου/εξόδου που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Θα πρέπει επίσης να τονιστεί, ότι χάρη στο βέλτιστο σχεδιασμό που ακολουθήθηκε, ο βαθμός απόδοσης παρουσιάζει πολύ υψηλές τιμές για όλο το εύρος της ισχύος εισόδου, για οποιαδήποτε τάση εξόδου του Φ/Β πλαισίου. Ο πειραματικά μετρημένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης (κατά EU) παρουσιάζεται στον Πιν. 5. και συγκρίνεται με το θεωρητικά υπολογισμένο, βάσει της ανάλυσης απωλειών που παρουσιάσθηκε. Όπως φάνηκε και από τις γραφικές παραστάσεις, υπάρχει μεγάλη σύγκλιση μεταξύ των δύο βαθμών απόδοσης, για οποιαδήποτε τάση εισόδου. Στον ίδιο πίνακα, καταγράφεται, για σύγκριση, ο πειραματικά μετρημένος σταθμισμένος βαθμός απόδοσης του βέλτιστα σχεδιασμένου μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback ενός κλάδου για λειτουργία σε DBCM. Η αύξηση του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης με τις τεχνικές που παρουσιάστηκαν στο παρόν κεφάλαιο είναι μεγαλύτερη από %, για οποιαδήποτε περίπτωση. Έχοντας επιβεβαιώσει τη μαθηματική ανάλυση των απωλειών με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, μπορούν να απεικονιστούν οι επιμέρους απώλειες κάθε στοιχείου του μετατροπέα, ώστε να φανεί η λειτουργία του αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Αρχικά, στο Σχ. 5.7 παρουσιάζονται τα ποσοστά απωλειών των στοιχείων των δύο κλάδων για διαφορετικά επίπεδα ισχύος. Όπως φαίνεται, απώλειες στον Κλάδο ΙΙ υπάρχουν μόνο μετά το επίπεδο ισχύος ενεργοποίησής του. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι πλέον είναι αρκετά πιο σημαντικές οι απώλειες του υψίσυχνου μετασχηματιστή σε σχέση με τις απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων. Για την αιτιολόγηση αυτής της παρατήρησης, θα πρέπει πρώτα να φανεί ο διαχωρισμός των απωλειών για κάθε στοιχείο του Κλάδου Ι (Σχ. 5.8 και Σχ. 5.9) και Κλάδου ΙΙ (Σχ και Σχ. 5.31). Λόγω της λειτουργίας σε DBCM, αλλά και της μειωμένης Χρηστίδης Γεώργιος

140 16 Κεφάλαιο Απώλειες Ημιαγωγικών Στοιχείων Κλάδου Ι Απώλειες Μετασχηματιστή Κλάδου Ι Απώλειες Ημιαγωγικών Στοιχείων Κλάδου ΙΙ Απώλειες Μετασχηματιστή Κλάδου ΙΙ Ποσοστό Απωλειών (%) Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.7: Ανηγμένες απώλειες στοιχείων κλάδων μετατροπέα για τάση εισόδου V dc = 40V. 1.0 Διακοπτικές Απώλειες S P1 Ποσοστό Απωλειών (%) 0.5 Απώλειες Αγωγής S P1 Απώλειες Αγωγής S 1, S λόγω Κλάδου Ι Απώλειες Διόδων Κλάδου Ι Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.8: Ανηγμένες απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων Κλάδου Ι για τάση εισόδου V dc = 40V. ισχύος που διαχειρίζεται κάθε κλάδος, οι απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων, τόσο αγωγής όσο και διακοπτικές είναι σημαντικά μειωμένες και για τους δύο κλάδους. Αυτό συμβαίνει διότι τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν έχουν δυνατότητα λειτουργίας για πολύ μεγαλύτερα επίπεδα ισχύος. Αντίθετα, υπενθυμίζεται ότι το σχήμα του υψίσυχνου μετασχηματιστή επιλέχθηκε ώστε ο συνολικός μετατροπέας να έχει ίδιες διαστάσεις, όγκο και βάρος με το μετατροπέα ενός κλάδου που κατασκευάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Επομένως, λόγω των μειωμένων διαστάσεων του παραθύρου, χρειάστηκε να χρησιμοποιηθεί Διδακτορική Διατριβή

141 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 17 Ποσοστό Απωλειών (%) Απώλειες Πυρήνα Κλάδου Ι Απώλειες Τυλιγμάτων Κλάδου Ι Απώλειες Snubber Κλάδου Ι Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.9: Ανηγμένες απώλειες υψίσυχνου μετασχηματιστή Κλάδου Ι για τάση εισόδου V dc = 40V. 1.0 Διακοπτικές Απώλειες S P Ποσοστό Απωλειών (%) 0.5 Απώλειες Αγωγής S P Απώλειες Αγωγής S 1, S λόγω Κλάδου ΙΙ Απώλειες Διόδων Κλάδου ΙΙ Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.30: Ανηγμένες απώλειες ημιαγωγικών στοιχείων Κλάδου ΙΙ για τάση εισόδου V dc = 40V. τύλιγμα μικρότερης διατομής (π.χ. 11 κλώνοι αντί για 36 που χρησιμοποιήθηκαν στον προηγούμενο μετατροπέα για το πρωτεύον τύλιγμα). Συνεπώς, δεν υπήρξε ανάλογη μείωση στις απώλειες των τυλιγμάτων του υψίσυχνου μετασχηματιστή. Ομοίως, λόγω του μειωμένου όγκου των πυρήνων κάθε κλάδου, δεν αναμενόταν μείωση στο ποσοστό απωλειών πυρήνα. Επομένως, πλέον το μεγαλύτερο ποσοστό απωλειών εμφανίζεται στους υψίσυχνους μετασχηματιστές του μετατροπέα. Χρηστίδης Γεώργιος

142 18 Κεφάλαιο Ποσοστό Απωλειών (%) Απώλειες Πυρήνα Κλάδου ΙΙ Απώλειες Τυλιγμάτων Κλάδου ΙΙ Απώλειες Snubber Κλάδου ΙΙ Ποσοστό Ισχύος Εισόδου (%) Σχ. 5.31: Ανηγμένες απώλειες υψίσυχνου μετασχηματιστή Κλάδου ΙΙ για τάση εισόδου V dc = 40V Κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων Από τα παραπάνω σχήματα γίνεται φανερό ότι με την προτεινόμενη μέθοδο παλμοδότησης σε μετατροπέα πολλαπλών κλάδων μειώνονται τόσο οι απώλειες που οφείλονται σε υψηλή διακοπτική συχνότητα, όσο και οι απώλειες αγωγής των στοιχείων, λόγω των μειωμένων ενεργών τιμών ρεύματος. Αντίθετα, οι απώλειες λόγω της σκέδασης των υψίσυχνων μετασχηματιστών δεν περιορίζονται. Βασική επίπτωση της ύπαρξης της επαγωγής σκέδασης στο μετασχηματιστή του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback είναι η υπέρταση που δημιουργείται στα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία Sp1, Sp, που επιφέρει την καταπόνησή τους ή ακόμα και την καταστροφή τους. Ως εκ τούτου, έχουν προταθεί βοηθητικά κυκλώματα για το μετατροπέα τύπου Flyback, των οποίων πρωταρχικός ρόλος είναι ο περιορισμός της υπέρτασης που εμφανίζεται στα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. Μερικά από αυτά τα κυκλώματα έχουν ως πρόσθετο στόχο την εκμετάλλευση αυτής της ενέργειας λόγω σκέδασης. Ξεκινώντας, στο Σχ. 5.3 παρουσιάζεται η πιο απλή τοπολογία καταστολής υπερτάσεων (παθητικό κύκλωμα), η οποία αποτελείται από δύο διόδους, μία τυπική (Dsn) και μία Zener (Dz). Η λειτουργία του κυκλώματος είναι αρκετά απλή. Σε περίπτωση που εμφανιστεί στα άκρα του μετασχηματιστή τάση μεγαλύτερη από την τάση κατάρρευσης της Dz, τότε ενεργοποιείται ο κλάδος των δύο διόδων και η τάση στα άκρα του παραμένει σταθερή και ίση με την τάση κατάρρευσης, προστατεύοντας τα υπόλοιπα στοιχεία που βρίσκονται στον κλάδο του πρωτεύοντος τυλίγματος. Ως εκ τούτου, η τάση κατάρρευσης της διόδου Zener επιλέγεται Διδακτορική Διατριβή

143 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 19 D 1 D z D sn S P Σχ. 5.3: Κυκλωματικό διάγραμμα τοπολογίας παθητικής καταστολής υπερτάσεων με δίοδο zener. κατάλληλα ώστε να είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη τιμή που αναμένεται να εμφανιστεί στην ονομαστική κατάσταση σε ιδανική λειτουργία, δηλαδή nvacp, αλλά μικρότερη από την τιμή για την οποία το στοιχείο Sp ενδέχεται να καταστραφεί. Για χαμηλά επίπεδα ισχύος ο βοηθητικός κλάδος δεν ενεργοποιείται, οπότε η υπέρταση αυξάνει τη μέγιστη τάση που εμφανίζεται κατά τη μετάβαση του στοιχείου. Για μεγάλα επίπεδα ισχύος, με το βοηθητικό κλάδο τίθεται ένα άνω όριο στην τάση που εμφανίζεται. Η ενέργεια που μεταφέρεται στο βοηθητικό κλάδο μετατρέπεται σε θερμότητα στη Dz. Το παρόν κύκλωμα χρησιμοποιήθηκε στα εργαστηριακά πρωτότυπα που κατασκευάστηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια αλλά και στο παρόν. H άνοδος της Dz μπορεί εναλλακτικά να συνδεθεί στο άλλο άκρο του Sp, με αντίστοιχη επιλογή της τάσης κατάρρευσής της. Το παθητικό κύκλωμα αυτό προστατεύει τον ημιαγωγικό διακόπτη, όμως η ενέργεια που αποθηκεύεται στην επαγωγή σκέδασης μετατρέπεται σε θερμότητα, γεγονός λόγω του οποίου μειώνεται ο συνολικός βαθμός απόδοσης του μετατροπέα. Αντίθετα, στόχος είναι αυτή η ενέργεια να μεταφερθεί είτε στην έξοδο, είτε εκ νέου στην είσοδο του μετατροπέα, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά. Αυτό γίνεται με τα ενεργά κυκλώματα καταστολής υπερτάσεων, τα οποία συμπεριλαμβάνουν και ελεγχόμενους ημιαγωγικούς διακόπτες. Στο Σχ παρουσιάζεται ένα ενεργό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων για το μετατροπέα τύπου Flyback, το οποίο αποτελείται από έναν πυκνωτή Ca και έναν ελεγχόμενο ημιαγωγικό διακόπτη Sa [4], [43]. Κατά τη σβέση του Sp, η ενέργεια που έχει αποθηκευθεί και δε μπορεί να μεταφερθεί στην έξοδο μεταφέρεται στον πυκνωτή Ca μέσω του κυκλώματος δεύτερης τάξης και της αντιπαράλληλης διόδου που βρίσκεται εσωτερικά του διακόπτη Sa. H χωρητικότητα του πυκνωτή θεωρείται αρκετά μεγάλη ώστε η τάση του να παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια μίας διακοπτικής περιόδου. Αφού μεταφερθεί όλη ενέργεια που είχε Χρηστίδης Γεώργιος

144 130 Κεφάλαιο 5 D 1 S a Ca S P Σχ. 5.33: Κυκλωματικό διάγραμμα τοπολογίας ενεργού καταστολής υπερτάσεων με πυκνωτή και βοηθητικό διακόπτη. D 1 S a C s D sn D z D s D S P Σχ. 5.34: Κυκλωματικό διάγραμμα τοπολογίας ενεργού καταστολής υπερτάσεων με επικουρικό μετατροπέα τύπου Flyback. αποθηκευτεί στο πηνίο μαγνήτισης στην έξοδο, τότε σε ενδιάμεσο στάδιο, πριν την ενεργοποίηση του Sp, ενεργοποιείται ο Sa και μεταφέρεται η αποθηκευμένη ενέργεια στην έξοδο, μέσω του μετασχηματιστή. Αξίζει να σημειωθεί ότι το ρεύμα από το πρωτεύον τύλιγμα για αυτό το διάστημα είναι αντίθετο της κανονικής λειτουργίας και ο μετατροπέας λειτουργεί ως τύπου Forward και όχι ως τύπου Flyback. Αφού μεταφερθεί η αποθηκευμένη ενέργεια, η λειτουργία του μετατροπέα συνεχίζεται κανονικά, με την έναυση του Sp. Στο Σχ παρουσιάζεται ένα δεύτερο ενεργό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων και εκμετάλλευσης της ενέργειας σκέδασης του μετασχηματιστή [7], [85]. Στον κύριο μετατροπέα προστίθεται ένας δεύτερος επικουρικός μετατροπέας τύπου Flyback, με τον οποίο μεταφέρεται η ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στην επαγωγή σκέδασης του μετασχηματιστή Διδακτορική Διατριβή

145 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 131 D 1 C a S a S P Σχ. 5.35: Κυκλωματικό διάγραμμα τοπολογίας ενεργού καταστολής υπερτάσεων με πυκνωτή παράλληλα στον κύριο διακόπτη. στην έξοδο. Η λογική της συγκεκριμένης τοπολογίας εξηγείται με βάση τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά που θα πρέπει να έχει ο δεύτερος βοηθητικός μετατροπέας. Όπως έχει αναλυθεί, το ποσοστό ενέργειας που δε μεταφέρεται στην έξοδο είναι ίσο με το λόγο της τιμής της αυτεπαγωγής σκέδασης προς την κύρια αυτεπαγωγή μαγνήτισης πρωτεύοντος. Δεδομένου ότι ένας σωστά κατασκευασμένος μετασχηματιστής δεν παρουσιάζει σκέδαση μεγαλύτερη από 3%, η ονομαστική ισχύς του δεύτερου μετατροπέα θα πρέπει να είναι πολύ μικρότερη. Κατά συνέπεια, απαιτείται πολύ μικρότερος μετασχηματιστής για το βοηθητικό μετατροπέα. Ως εκ τούτου, οι απώλειες της χρήσης ενός δεύτερου μετατροπέα θα είναι επίσης χαμηλές. Φυσικά, και πάλι δε θα μεταφερθεί το σύνολο της ενέργειας λόγω της σκέδασης του μετασχηματιστή του βοηθητικού μετατροπέα, το οποίο όμως είναι δύο τάξεις μεγέθους μικρότερο. Για το τμήμα της ενέργειας που δε μεταφέρεται χρησιμοποιείται παθητικό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων. Στο κύκλωμα του Σχ παρουσιάζεται μία διαφορετική λογική [81]. Κατά τη σβέση του στοιχείου Sp, η απότομη αύξηση της τάσης του ημιαγωγικού διακόπτη οφείλεται στην πολύ μικρή ισοδύναμη χωρητικότητα που εμφανίζεται παράλληλα στα άκρα του. Με το κύκλωμα του Σχ. 5.35, μέσω ενός βοηθητικού διακόπτη συνδέεται παράλληλα στον κύριο διακόπτη ένας πυκνωτής, ώστε να αυξηθεί η συνολική χωρητικότητα του κυκλώματος LC και άρα να μειωθεί ο ρυθμός αύξησης της τάσης πάνω στο κύριο στοιχείο. Με αυτό τον τρόπο η μέγιστη τάση που εμφανίζεται πάνω στο διακόπτη περιορίζεται. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο βοηθητικός διακόπτης δε λειτουργεί στη διακοπτική συχνότητα του κυκλώματος, αλλά σε συχνότητα διπλάσια εκείνης του ηλεκτρικού δικτύου. Ο βοηθητικός διακόπτης ενεργοποιείται ανάλογα με το επίπεδο ισχύος εισόδου για το κεντρικό μόνο τμήμα της ημιπεριόδου. Με αυτό τον τρόπο απαιτείται αρκετά μικρότερος πυκνωτής ενώ το βοηθητικό κύκλωμα για την παλμοδότησή του Χρηστίδης Γεώργιος

146 13 Κεφάλαιο 5 είναι επίσης απλό. Βέβαια, αν και μέσω αυτού του κυκλώματος προστατεύεται το στοιχείο αφού περιορίζεται η υπέρταση, η ενέργεια που είχε αποθηκευτεί στην επαγωγή σκέδασης δε μεταφέρεται στην είσοδο ή στην έξοδο, αλλά και πάλι μετατρέπεται σε θερμότητα. Τα παραπάνω κυκλώματα μπορούν να εφαρμοστούν για την προστασία μετατροπέων τύπου Flyback είτε αν λειτουργούν ως μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση, είτε ως αντιστροφείς. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν είναι βέβαιο ότι αν ένα κύκλωμα λειτουργεί επαρκώς για την πρώτη κατηγορία μετατροπέα θα λειτουργεί και για έναν αντιστροφέα, δεδομένου ότι ο δεύτερος διαχειρίζεται διαφορετική στιγμιαία ισχύ κατά τη διάρκεια μίας ημιπεριόδου του δικτύου, οπότε ένα κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων το οποίο έχει σχεδιαστεί για συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας δεν επαρκεί. Επομένως, εξετάστηκε η δυνατότητα χρήσης των παραπάνω κυκλωμάτων στο μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback με την προτεινόμενη μέθοδο παλμοδότησης ώστε να φανεί αν μπορεί μέσω εκμετάλλευσης ποσοστού της ενέργειας λόγω σκέδασης να αυξηθεί ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα. Για τους μικρο-αντιστροφείς που χρησιμοποιήθηκαν στο παρόν κεφάλαιο αλλά και στα προηγούμενα, είχε χρησιμοποιηθεί το κύκλωμα του Σχ. 5.3 για την προστασία των στοιχείων. Το κύκλωμα του Σχ δεν προσφέρει εκμετάλλευση της ενέργειας λόγω σκέδασης, επομένως δεν προτιμάται. Αρκετά ενδιαφέρουσα είναι η μελέτη για τη δυνατότητα χρήσης του κυκλώματος του Σχ Ο βοηθητικός διακόπτης ενεργοποιείται στα διαστήματα για τα οποία το ρεύμα μαγνήτισης του μετασχηματιστή είναι μηδενικό, το οποίο όμως ισχύει μόνο για λειτουργία σε DCM. Μάλιστα, οι ερευνητές που προτείνουν το συγκεκριμένο κύκλωμα, το χρησιμοποιούν μόνο για επίπεδα ισχύος για τα οποία η υπέρταση που εμφανίζεται είναι μεγαλύτερη από τα επιτρεπτά όρια του στοιχείου. Για χαμηλά επίπεδα ισχύος, ή ακόμα και για διαστήματα εντός της ημιπεριόδου του ηλεκτρικού δικτύου για τα οποία η υπέρταση είναι μικρότερη της μέγιστης επιτρεπτής, το κύκλωμα παραμένει ανενεργό, ώστε να μειωθούν οι απώλειες από τη λειτουργία του. Προκύπτουν λοιπόν τα εξής προβλήματα σε περίπτωση χρήσης του με την παρούσα μέθοδο παλμοδότησης. Δεδομένου ότι ο μετατροπέας στο κέντρο του ημιτόνου (στο χρονικό διάστημα για το οποίο η υπέρταση λαμβάνει υψηλές τιμές) λειτουργεί σε i-bcm, δεν υπάρχει ελεύθερο διάστημα για τη λειτουργία του βοηθητικού ελεγχόμενου διακόπτη Sa (το ρεύμα μαγνήτισης μηδενίζεται στιγμιαία). Επομένως, πρέπει να τροποποιηθεί η μέθοδος παλμοδότησης ώστε να δημιουργείται αυτό το διάστημα με αποτέλεσμα η i-bcm να μετατραπεί σε DCM μεταβλητής συχνότητας, αλλάζοντας τη λογική με βάση υπολογίστηκαν οι σχέσεις για την προτεινόμενη παλμοδότηση. Το κύριο όμως πρόβλημα δημιουργείται λόγω της ύπαρξης του πυκνωτή του κυκλώματος Ca, συνδεδεμένου στον κύριο ημιαγωγικό Διδακτορική Διατριβή

147 Εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων 133 διακόπτη. Ο πυκνωτής αυτός φορτίζεται με την ενέργεια που αποθηκεύεται στη επαγωγή σκέδασης σε κάθε διακοπτικό κύκλο, επομένως λαμβάνει αρκετά υψηλές τιμές. Η τάση αυτή, εμφανίζεται κατά τη σβέση, στα άκρα του κύριου ημιαγωγικού διακόπτη, επομένως οι διακοπτικές απώλειες σβέσης του είναι πλέον πολύ υψηλότερες. Για να μειωθεί η τάση αυτή, θα έπρεπε να ενεργοποιείται το βοηθητικό κύκλωμα για μεγαλύτερα τμήματα της ημιπεριόδου, το οποίο όμως συνεπάγεται μεγαλύτερες απώλειες αγωγής, αφού η εισαγωγή νεκρών χρόνων για τη δημιουργία των απαραίτητων διαστημάτων μηδενισμού του ρεύματος μαγνήτισης του μετασχηματιστή, οδηγεί στην αύξηση των ενεργών τιμών των ρευμάτων των στοιχείων. Τα παραπάνω επιβεβαιώθηκαν πειραματικά, μέσω μετρήσεων απόδοσης που πραγματοποιήθηκαν στον κατασκευασμένο μετατροπέα του παρόντος κεφαλαίου, με την προσθήκη του κυκλώματος καταστολής υπερτάσεων. Συνεπώς, για την εκμετάλλευση της προτεινόμενης μεθόδου παλμοδότησης, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων το οποίο είναι να ανεξάρτητο από το κύριο κύκλωμα και να μην επηρεάζει τη λειτουργία του. Το κύκλωμα του Σχ πληροί τις συγκεκριμένες προϋποθέσεις και τα πλεονεκτήματά του έχουν φανεί για χρήση σε μετατροπέα συνεχούς τάση σε συνεχή τάση. Όμως, για τη χρήση του στο μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων, θα πρέπει να τροποποιηθεί σημαντικά, δεδομένου ότι απαιτούνται κύριοι διακόπτες με απομονωμένη τροφοδοσία για το κύκλωμα παλμοδότησης, αλλά και υψίσυχνοι μετασχηματιστές με δύο δευτερεύοντα τυλίγματα. Ως αποτέλεσμα όμως, αυξάνεται τόσο η πολυπλοκότητα του κυκλώματος, αλλά κυρίως ο όγκος του, λόγω των δύο επιπλέον μετασχηματιστών, κάτι όμως που είναι αντίθετο με την παρούσα εφαρμογή Συμπεράσματα Με την επέκταση της προτεινόμενης μεθόδου παλμοδότησης DBCM σε μετατροπέα πολλαπλών κλάδων φάνηκε μία αρκετά μεγάλη αύξηση στο σταθμισμένο βαθμό απόδοσης του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback. Ιδιαίτερα σημαντικό είναι ότι πλέον υψηλός βαθμός απόδοσης παρατηρείται ακόμα και για πολύ χαμηλά επίπεδα ισχύος εισόδου. Ο μικρο-αντιστροφέας πλέον παρουσιάζει επιδόσεις συγκρίσιμες με τους κεντρικούς αντιστροφείς αλυσίδας, διατηρώντας όλα τα πλεονεκτήματά του, τα οποία αναφέρθηκαν στο Κεφάλαιο 1. Θα πρέπει να τονιστεί επίσης ότι δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση, με βάση τις προδιαγραφές που τέθηκαν για την κατασκευή του συγκεκριμένου εργαστηριακού πρωτοτύπου, στη διατήρηση του μικρού μεγέθους του κυκλώματος. Με τη χρήση πυρήνων RM14, σε σχέση με τους πυρήνες ETD54 του προηγούμενου πρωτοτύπου, μειώθηκε το ύψος του μετατροπέα, το οποίο Χρηστίδης Γεώργιος

148 134 Κεφάλαιο 5 είναι το πιο σημαντικό μέγεθος για τους μικρο-αντιστροφείς, δεδομένου ότι πρέπει να τοποθετηθούν στην πίσω όψη του Φ/Β πλαισίου, ανάμεσα σε αυτό και τη βάση στήριξης. Για την ορθή λειτουργία του μετατροπέα για τη συγκεκριμένη εφαρμογή θα πρέπει να ελεγχθούν και δευτερεύουσες λειτουργίες, όπως η δυνατότητα εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος του Φ/Β πλαισίου, η προστασία από το φαινόμενο νησίδας κ.α., τα οποία θα αναλυθούν στο επόμενο κεφάλαιο. Διδακτορική Διατριβή

149 135 Σχεδιασμός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα σύγχρονων προδιαγραφών και απαιτήσεων 6.1. Εισαγωγή Η διερεύνηση της λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback και οι τροποποιήσεις που προτάθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, τόσο στην τοπολογία του όσο και στον τρόπο ελέγχου του, έγιναν με γνώμονα την αύξηση του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης, ο οποίος γίνεται προσπάθεια να μεγιστοποιηθεί μέσω κατάλληλου αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Όμως, ένας αντιστροφέας που προορίζεται για χρήση σε Φ/Β συστήματα υπόκειται σε αυστηρούς κανονισμούς και θα πρέπει να πληροί τα διεθνή πρότυπα για κάθε κομμάτι της λειτουργίας του [6] [9]. Πιο συγκεκριμένα για κάθε αντιστροφέα θα πρέπει να αποκόπτεται αυτόματα η παροχή ισχύος από το Φ/Β πλαίσιο προς το δίκτυο σε περίπτωση ανίχνευσης διακοπής του ηλεκτρικού δικτύου. Σε αντίθετη περίπτωση, υπάρχει πιθανότητα εμφάνισης του φαινομένου νησίδας, οπότε ενδέχεται να προκληθεί βλάβη στον αντιστροφέα, στις συσκευές που είναι συνδεδεμένες στο ίδιο κύκλωμα, ενώ υπάρχει και κίνδυνος ηλεκτροπληξίας. Επιπρόσθετα, λόγω της φύσης των Φ/Β πλαισίων, υπάρχει μόνο ένα σημείο λειτουργίας για το οποίο αποδίδεται η μέγιστη δυνατή ισχύς. Ο αλγόριθμος ελέγχου του μετατροπέα που είναι συνδεδεμένος στο Φ/Β πλαίσιο θα πρέπει να υποστηρίζει την ανίχνευση αυτού του μέγιστου σημείου ώστε να αποδίδεται η μέγιστη δυνατή ισχύς ανάλογα με τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Η μεγάλη αύξηση του ποσοστού της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα, που είναι πλέον συγκρίσιμο με το αντίστοιχο ποσοστό από συμβατικούς σταθμούς παραγωγής [86], είναι ο λόγος για τον οποίο έχουν οδηγηθεί οι διαχειριστές των δικτύων των χωρών σε ανανέωση των κανονισμών λειτουργίας των Φ/Β συστημάτων, ώστε να μπορούν να αντιμετωπιστούν οι σύγχρονες προκλήσεις. Μία από αυτές τις απαιτήσεις είναι και η ενδεχόμενη υποστήριξη του ηλεκτρικού δικτύου με παροχή άεργου ισχύος από τους αντιστροφείς των Φ/Β συστημάτων [87], [88]. Ολοκληρώνοντας, με την αύξηση του προσδόκιμου χρόνου ζωής και καλής λειτουργίας των Φ/Β πλαισίων, που πλέον ξεπερνά τα είκοσι χρόνια, η αξιοπιστία των μικρο-αντιστροφέων είναι, επίσης, αρκετά σημαντική, ώστε η συγκεκριμένη τεχνολογία να μπορεί να είναι ανταγωνιστική των αντιστροφέων αλυσίδας. Λόγω της ύπαρξης του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή Χρηστίδης Γεώργιος

150 136 Κεφάλαιο 6 που είναι συνδεδεμένος στην είσοδο του μικρο-αντιστροφέα, για την εξομάλυνση του ρεύματος εξόδου του Φ/Β πλαισίου, μειώνεται η αξιοπιστία του συνολικού συστήματος. Για το λόγο αυτό, συχνά αντικαθίσταται με τοπολογίες ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, οι οποίες έχουν σαφώς μεγαλύτερο χρόνο ζωής. Όλα τα παραπάνω αποτελούν αντικείμενα διερεύνησης του παρόντος κεφαλαίου. 6.. Ανίχνευση φαινομένου νησίδας Δεδομένου ότι ο μικρο-αντιστροφέας προορίζεται για χρήση σε οικιακά Φ/Β συστήματα, θα πρέπει να πληροί όλες τις προδιαγραφές ασφαλείας και προστασίας ώστε να μη θέτει σε κίνδυνο τόσο τους ανθρώπους αλλά και τη λειτουργία του υπόλοιπου ηλεκτρικού δικτύου. Σε περίπτωση όμως που υπάρχει διακοπή της παροχής του δικτύου (π.χ. λόγω βλάβης ή προγραμματισμένης συντήρησης), η λειτουργία του αντιστροφέα θα πρέπει με τη σειρά της να διακόπτεται άμεσα. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτό είναι απαραίτητο όχι μόνο αν μεμονωμένα αποσυνδεθεί ο αντιστροφέας από το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, σε περίπτωση που το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο έχει διακοπεί αλλά υπάρχουν φορτία συνδεδεμένα στην έξοδο του αντιστροφέα (π.χ. διακοπή της παροχής στο ρολόι ενός σπιτιού), τότε ο αντιστροφέας ενδέχεται να τροφοδοτήσει αυτόνομα αυτά τα φορτία δημιουργώντας περαιτέρω προβλήματα, αφού δεν υπάρχει πλέον κεντρικός έλεγχος της συχνότητας και του πλάτους της παρεχόμενης τάσης. Συνοπτικά, το φαινόμενο νησίδας προσδιορίζεται ως μια μη επιθυμητή κατάσταση κατά την οποία ένα τμήμα του ηλεκτρικού δικτύου στο οποίο εμπεριέχονται τόσο ηλεκτρικά φορτία όσο και μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής παραμένει ηλεκτροδοτημένο, λόγω των παραπάνω μονάδων, παρότι το υπόλοιπο δίκτυο παραμένει ανενεργό [44]. Στα χαρακτηριστικά λειτουργίας κάθε αντιστροφέα ο οποίος προορίζεται για σύνδεση στο ηλεκτρικό δίκτυο, είναι υποχρεωτικό να υπάρχει αλγόριθμος ανίχνευσης φαινομένου νησίδας, μέσω του οποίου θα διακόπτεται η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στην περίπτωση που η τάση δεν ακολουθεί τις προδιαγραφές που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο 1. Οι μέθοδοι ανίχνευσης μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες, τις παθητικές και τις ενεργητικές μεθόδους. Στις παθητικές μεθόδους, εξετάζονται χαρακτηριστικές τιμές της διασύνδεσης του αντιστροφέα κατά τη λειτουργία του με το ηλεκτρικό δίκτυο, όπως ρεύμα, τάση και συχνότητα. Σε περίπτωση που η μετρούμενη τιμή είναι εκτός συγκεκριμένων ορίων, τότε η παροχή ενέργειας διακόπτεται. Τα πιο απλά μεγέθη που μπορούν να μετρηθούν είναι η ενεργός τιμή και η συχνότητα του ηλεκτρικού δικτύου στο οποίο συνδέεται ο αντιστροφέας. Οι τιμές αυτές συγκρίνονται με τα όρια του εκάστοτε προτύπου (Πιν. 1.1) και ο αντιστροφέας αποσυνδέεται Διδακτορική Διατριβή

151 Σχεδιασμός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα σύγχρονων προδιαγραφών και απαιτήσεων 137 [89] [91]. Άλλο μέγεθος το οποίο μπορεί να μετρηθεί είναι η φάση του ηλεκτρικού δικτύου. Η μέτρηση αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί διότι κατά την αποσύνδεση του ισχυρού ηλεκτρικού δικτύου, το κύκλωμα ελέγχου του αντιστροφέα, το οποίο περιέχει μία μορφή χρονιστή (βρόχος κλειδώματος φάσης, Phase Locked Loop, PLL), αποσυγχρονίζεται [90], [9], επομένως ανιχνεύεται το σφάλμα. Ένα άλλο μέγεθος του αντιστροφέα που μπορεί να μετρηθεί είναι το αρμονικό περιεχόμενο είτε της τάσης του δικτύου είτε του παρεχόμενου ρεύματος [90], [93], [94]. Στην περίπτωση ύπαρξης ενός ισχυρού δικτύου, το αρμονικό περιεχόμενο των μεγεθών καθορίζεται από το δίκτυο. Όμως σε περίπτωση απουσίας του, η αλληλεπίδραση του αντιστροφέα με τα φορτία (τα οποία έχουν πολύ μεγαλύτερη εμπέδηση από το ηλεκτρικό δίκτυο) ορίζει το αρμονικό περιεχόμενο. Η μεταβολή αυτή μπορεί να ανιχνευθεί από το κύκλωμα ελέγχου ώστε να διακοπεί η λειτουργία του αντιστροφέα. Από την άλλη πλευρά η λογική των ενεργητικών μεθόδων βασίζεται στη δημιουργία μίας ηλεκτρικής διαταραχής στο σημείο σύνδεσης του αντιστροφέα και στην ανίχνευση του αποτελέσματος αυτής της διαταραχής. Για παράδειγμα, με τη μεταβολή του πλάτους του ρεύματος εξόδου μπορεί να μετρηθεί η εμπέδηση του δικτύου λόγω της άμεσης μεταβολής της τάσης σε περίπτωσης εμφάνισης φαινομένου νησίδας [90], [95], [96]. Κατ αντιστοιχία, σε άλλες μεθόδους υπάρχει σκόπιμη μετατόπιση της φάσης ή μεταβολή της συχνότητας του ρεύματος εξόδου [90], [97], [98]. Σε περίπτωση ύπαρξης ισχυρού δικτύου, η τάση στο σημείο που συνδέεται ο αντιστροφέας θα πρέπει να παραμένει αμετάβλητη. Ολοκληρώνοντας, μία άλλη μέθοδος με παρόμοια λογική είναι η σκόπιμη έγχυση πρόσθετων αρμονικών [90]. Όλες οι παραπάνω μέθοδοι επηρεάζουν το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα και επομένως την ποιότητα ισχύος που παρέχει. Επομένως, όλες οι μεταβολές θα πρέπει να είναι αρκετά μικρές ώστε ο αντιστροφέας να συνεχίζει να πληροί τα πρότυπα που ορίζονται για το ηλεκτρικό δίκτυο στο οποίο θα συνδεθεί. Ο μικρο-αντιστροφέας που κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας συμπεριλαμβάνει υποστήριξη για ανίχνευση διαταραχών του ηλεκτρικού δικτύου ώστε να αποφευχθεί το φαινόμενο νησίδας. Αυτό επετεύχθη μέσω του αλγορίθμου ελέγχου του μετατροπέα αλλά και μέσω πρόσθετου κυκλώματος που κατασκευάστηκε για το τμήμα της παλμοδότησης, όπως φαίνεται στο Σχ Το κύκλωμα ελέγχου έχει ως κεντρικό στοιχείο το μικρο-ελεγκτή STM3F746, μέσω του οποίου γίνεται η παλμοδότηση του κυκλώματος ισχύος αλλά και ελέγχονται οι συνθήκες καλής λειτουργίας του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα, ο μικρο-ελεγκτής έχει ως εισόδους πληροφορίες για τα ηλεκτρικά μεγέθη του Φ/Β πλαισίου καθώς και του δικτύου, τα οποία είναι απαραίτητα για την προστασία από το φαινόμενο Χρηστίδης Γεώργιος

152 138 Κεφάλαιο 6 Μέτρηση μέσης τιμής τάσης, ρεύματος Μικρο-ελεγκτής MPPT Απομόνωση Ανίχνευση μηδενισμού Μέτρηση πλάτους Μέτρηση φάσης Υπολογισμός λειτουργικών παραμέτρων PWM Ψηφιακή Λογική Παλμοί Σχ. 6.1: Δομικό διάγραμμα ελέγχου μικρο-αντιστροφέα νησίδας, τον αλγόριθμο εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος του Φ/Β πλαισίου, όπως θα φανεί στην επόμενη ενότητα, καθώς και της ορθής παλμοδότησης μέσω των εξισώσεων που περιγράφηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Αναλυτικότερα, μετρούνται η τάση και το ρεύμα εξόδου του Φ/Β πλαισίου ώστε, μέσω του μικρο-ελεγκτή, να εντοπιστεί το σημείο λειτουργίας του μικρο-αντιστροφέα. Επιπρόσθετα μετρούνται η φάση και το πλάτος της τάσης του δικτύου. Οι συγκεκριμένες τιμές συγκρίνονται με τα όρια που καταγράφονται στον Πιν. 1.1 με σκοπό να ελεγχθεί αν υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες ώστε ο μικρο-αντιστροφέας να παρέχει ισχύ στο ηλεκτρικό δίκτυο. Οι μετρήσεις, επίσης, απαιτούνται για τον ορθό υπολογισμό των λειτουργικών παραμέτρων του μετατροπέα, με βάση τις εξισώσεις των προηγούμενων κεφαλαίων, οι οποίες υπολογίζονται σε κάθε κύκλο μέσω του μικρο-ελεγκτή. Η μέτρηση του πλάτους γίνεται μέσω ενός αλγορίθμου εύρεσης μέγιστου σημείου (peak detector) ενώ η μέτρηση της συχνότητας του δικτύου μέσω ενός βρόχου κλειδώματος φάσης. Στη συνέχεια, από το περιφερειακό διαμόρφωσης των παλμών δημιουργούνται οι παλμοί που θα οδηγήσουν όλους του ελεγχόμενους ημιαγωγικούς διακόπτες του μικρο-αντιστροφέα, αν φυσικά τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι εντός των προβλεπόμενων προδιαγραφών. Οι παραπάνω μετρήσεις πραγματοποιούνται ώστε να υπολογίζονται μακροσκοπικά τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού δικτύου και να αποφασίζεται η λειτουργία ή μη του μικρο-αντιστροφέα. Παρ όλα αυτά, αν και τα πρότυπα επιτρέπουν τη λειτουργία του μετατροπέα για μερικές περιόδους μετά τη διακοπή του ηλεκτρικού δικτύου, έχει υλοποιηθεί επιπλέον κύκλωμα με ψηφιακές πύλες ώστε, σε περίπτωση διακοπής του δικτύου να ανασταλεί άμεσα η λειτουργία του μικρο-αντιστροφέα. Τα παραπάνω επιβεβαιώνονται στο Σχ. 6., όπου φαίνεται η απότομη διακοπή του ηλεκτρικού δικτύου σε τυχαία χρονική στιγμή. Ταυτόχρονα με την τάση του δικτύου, μηδενίζεται άμεσα και το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα, ώστε να προστατευθεί και το κύκλωμα ισχύος του, αλλά και οι υπόλοιπες συσκευές συνδεδεμένες στον ίδιο κόμβο. Διδακτορική Διατριβή

153 Σχεδιασμός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα σύγχρονων προδιαγραφών και απαιτήσεων 139 Σχ. 6.: Τάση δικτύου και ρεύμα εξόδου του μετατροπέα κατά τη διακοπή του ηλεκτρικού δικτύου Λειτουργία στο σημείο μέγιστης παραγόμενης ισχύος Από τα Σχ. 1.1 και Σχ. 1., στα οποία φαίνεται η χαρακτηριστική (γραφική παράσταση τάσης-ρεύματος και τάσης-ισχύος) ενός Φ/Β πλαισίου για διαφορετικά επίπεδα ηλιοφάνειας ή θερμοκρασίας, τεκμαίρεται ότι για κάθε συνδυασμό των παραπάνω περιβαλλοντικών παραμέτρων, η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς που μπορεί να παραχθεί από το Φ/Β πλαίσιο είναι διαφορετική, όπως αναλύθηκε και στο Κεφάλαιο 1. Ένα δεύτερο όμως συμπέρασμα από τα σχήματα αυτά είναι το γεγονός ότι το σημείο λειτουργίας, για να απορροφηθεί από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα αυτή η μέγιστη ισχύς (και να μεταφερθεί στο ηλεκτρικό δίκτυο), είναι συγκεκριμένο και μοναδικό για κάθε περίπτωση. Συνεπώς, η δυνατότητα απορρόφησης και μεταφοράς της συγκεκριμένης μέγιστης ισχύος έγκειται στην ικανότητα του ηλεκτρονικού μετατροπέα να εξαναγκάσει το Φ/Β πλαίσιο να λειτουργεί συνεχώς σε εκείνο το σημείο, δηλαδή να παρέχει συγκεκριμένη τιμή ρεύματος υπό συγκεκριμένη τάση στα άκρα του. Επιπρόσθετα, η ανίχνευση αυτού του σημείου θα πρέπει να γίνεται δυναμικά, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του κυκλώματος, δεδομένου ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ως εκ τούτου, κάθε μετατροπέας που προορίζεται για χρήση σε Φ/Β συστήματα θα πρέπει να υποστηρίζει λειτουργία εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking, MPPT). Οι μέθοδοι MPPT μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τις μετρήσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό του μέγιστου σημείου ισχύος. Οι Χρηστίδης Γεώργιος

154 140 Κεφάλαιο 6 μέθοδοι της πρώτης κατηγορίας βασίζονται σε μετρήσεις περιβαλλοντικών παραμέτρων (θερμοκρασία, ηλιοφάνεια), ενώ οι μέθοδοι της δεύτερης κατηγορίας βασίζονται σε μετρήσεις ηλεκτρικών μεγεθών (τάση και ρεύμα Φ/Β πλαισίου). Οι μέθοδοι της πρώτης κατηγορίας δεν είναι διαδεδομένες λόγω βασικών μειονεκτημάτων. Για τις μεθόδους αυτές χρησιμοποιείται το ισοδύναμο μοντέλο του Φ/Β πλαισίου [99], για το οποίο απαιτείται η θερμοκρασία και η τιμή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας του Φ/Β πλαισίου ώστε να υπολογιστεί με ακρίβεια το σημείο λειτουργίας. Όμως, αν και η μέτρηση της θερμοκρασίας μπορεί να γίνει εύκολα με χρήση απλού αισθητήρα, δεν ισχύει το ίδιο για τη μέτρηση της ηλιοφάνειας. Επιπρόσθετα, στις εξισώσεις δε μπορούν να ληφθούν υπ όψιν πολλές πρακτικές παράμετροι, όπως η γήρανση των Φ/Β κελιών, η αύξηση της αντίστασης των αγωγών ή ακόμα και η μείωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στα κελιά λόγω σκόνης στο προστατευτικό γυαλί, ενώ είναι δύσκολος και ο ακριβής καθορισμός των παραμέτρων του μοντέλου. Επομένως τέτοιες μέθοδοι δεν εφαρμόζονται σε εγκατεστημένα Φ/Β συστήματα, αλλά χρησιμοποιούνται κυρίως για ερευνητικούς σκοπούς ή κατά τη φάση της κατασκευής και χαρακτηρισμού ενός Φ/Β πλαισίου. Συνεπώς, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος σε εγκατεστημένα Φ/Β συστήματα βασίζονται στη μέτρηση ηλεκτρικών μεγεθών. Πιο συγκεκριμένα, μέσω του αντιστροφέα, πραγματοποιείται μία ηθελημένη ηλεκτρική διαταραχή στο Φ/Β πλαίσιο και μετρούνται η τάση, το ρεύμα και η ισχύς εξόδου του πλαισίου πριν και μετά τη διαταραχή. Τα κύρια κριτήρια για την επιλογή ενός αλγορίθμου MPPT είναι η πολυπλοκότητά του, η ακρίβεια στον εντοπισμό του μέγιστου σημείου, η ταχύτητα εντοπισμού καθώς και το ποσοστό της «χαμένης» ηλεκτρικής ενέργειας που οφείλεται στον αλγόριθμο, δηλαδή της ενέργειας που θα μπορούσε να απορροφηθεί από το μετατροπέα αλλά χάθηκε λόγω της ηθελημένης ηλεκτρικής διαταραχής που πραγματοποιήθηκε ή του μη ακριβούς εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος (π.χ. ταλάντωση, ταχύτητα εντοπισμού). Οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι MPPT είναι οι ακόλουθες: Μέθοδος τάσης ανοιχτοκύκλωσης (open-circuit voltage) [100]: Με βάση πειραματικές μετρήσεις που έχουν διεξαχθεί σε πλήθος διαφορετικών πλαισίων με διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες, έχει παρατηρηθεί ότι η τάση εξόδου του Φ/Β πλαισίου στο σημείο μέγιστης ισχύος είναι ένα ποσοστό της τάσης ανοιχτοκύκλωσής του (τυπικά 73% 80%). Επομένως, ανά τακτά χρονικά διαστήματα, η λειτουργία του αντιστροφέα διακόπτεται, ώστε να μην απορροφάται ρεύμα από το Φ/Β πλαίσιο για να μετρηθεί η τάση ανοιχτοκύκλωσης του. Στη συνέχεια, ο αντιστροφέας λειτουργεί στο σημείο για το οποίο η τάση εισόδου του αντιστοιχεί στο προεπιλεγμένο ποσοστό της μετρημένης τάσης Διδακτορική Διατριβή

155 Σχεδιασμός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα σύγχρονων προδιαγραφών και απαιτήσεων 141 ανοιχτοκυκλώματος. Πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η απλότητά της αλλά και η απουσία αισθητήρα ρεύματος. Σαφές μειονέκτημα είναι το σημαντικό ποσό ενέργειας που παραμένει μη εκμεταλλεύσιμο κατά τη διάρκεια του ανοιχτοκυκλώματος. Μέθοδος ρεύματος βραχυκύκλωσης (short-circuit current) [101]: Κατ αντιστοιχία με την προηγούμενη μέθοδο, έχει παρατηρηθεί ότι για ένα εύρος μεγάλο εύρος θερμοκρασιών (0 o C 60 o C) το ρεύμα εξόδου του Φ/Β πλαισίου στο μέγιστο σημείο λειτουργίας είναι το 9% του ρεύματος βραχυκύκλωσής του. Επομένως, ανά τακτά χρονικά διαστήματα μετράται το ρεύμα βραχυκύκλωσής και ο μετατροπέας λειτουργεί στο προεπιλεγμένο ποσοστό της μέτρησης αυτής. Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της παρούσας μεθόδου είναι αντίστοιχα με την προηγούμενη. Μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης (perturb and observe) [10]: Βασίζεται στην εισαγωγή διαταραχών στο σημείο λειτουργίας του Φ/Β πλαισίου και μέτρησης του αποτελέσματός τους, δηλαδή παρατήρησης αν αυξήθηκε η μειώθηκε η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς του πλαισίου. Σε περίπτωση που η ισχύς αυξήθηκε, τότε η επόμενη διαταραχή θα είναι προς την ίδια κατεύθυνση, αλλιώς θα είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η συγκεκριμένη μέθοδος, η οποία είναι ίσως και η πιο διαδεδομένη, παρουσιάζει ακριβή εντοπισμό του σημείου μέγιστης ισχύος σε σχετικά σταθερές περιβαλλοντικές συνθήκες, όμως σε περίπτωση απότομης μεταβολής είτε της θερμοκρασίας είτε της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ενδέχεται να χάσει για κάποιο χρονικό διάστημα τον προσανατολισμό της με αποτέλεσμα τη μη μέγιστη εκμετάλλευση ενέργειας. Μέθοδος αυξανόμενης αγωγιμότητας (incremental conductance) [103]: Βασίζεται στη μορφή της χαρακτηριστικής του Φ/Β πλαισίου. Δεδομένου ότι υπάρχει ένα σημείο μέγιστης ισχύος, εκατέρωθεν το επίπεδο ισχύος είναι μικρότερο, όμως το πρόσημο του ρυθμού μεταβολής είναι διαφορετικό. Επιπρόσθετα, στο σημείο μέγιστης ισχύος, η τιμή της παραγώγου είναι μηδενική. Τα παραπάνω μετρούνται κατά τη διάρκεια της εγχεόμενης διαταραχής, ώστε να αποφασιστεί η μορφή της επόμενης διαταραχής. Είναι πιο πολύπλοκη υπολογιστικά από την προηγούμενη μέθοδο, αλλά έχει καλύτερη απόκριση κατά τη διάρκεια απότομης μεταβολής των περιβαλλοντικών συνθηκών. Μέθοδος παρασιτικής χωρητικότητας (parasitic capacitance) [10]: Αποτελεί μία βελτίωση της προηγούμενης μεθόδου, διότι σε αυτή λαμβάνεται υπ όψιν και η ισοδύναμη χωρητικότητα του Φ/Β πλαισίου (παρασιτική χωρητικότητα p-n επαφών). Χρηστίδης Γεώργιος

156 14 Κεφάλαιο 6 Οι παραπάνω είναι οι πιο βασικές μέθοδοι εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος. Με αφετηρία αυτές έχουν προταθεί πολλές βελτιώσεις χρησιμοποιώντας ασαφείς ελεγκτές, νευρωνικά δίκτυα, ελεγκτές στο χώρο κατάστασης κ.α. [99], [100], [10], [104] [111]. Τέτοιες μέθοδοι χρησιμοποιούνται κυρίως για χρήση σε κεντρικοποιημένους αντιστροφείς, στους οποίους συνδέονται σε σειρά πολλά Φ/Β πλαίσια. Λόγω των έστω και μικρών κατασκευαστικών διαφορών που έχουν αυτά τα πλαίσια αλλά κυρίως της διαφορετικής προσπίπτουσας ακτινοβολίας (λόγω π.χ. μερικής σκίασης), η χαρακτηριστική μίας αλυσίδας Φ/Β πλαισίων ενδέχεται να έχει πολλά τοπικά μέγιστα αλλά φυσικά ένα ολικό μέγιστο [10]. Για τις απλές μεθόδους που παρουσιάστηκαν, η πιθανότητα να θεωρηθεί εσφαλμένα ένα τοπικό μέγιστο ως ολικό είναι αρκετά υψηλή. Σε αυτή την περίπτωση η παραγόμενη ισχύς είναι πολύ χαμηλότερη από τη μέγιστη δυνατή, γι αυτό το λόγο και η έρευνα γύρω από αυτές τις μεθόδους είναι συνεχής. Παρ όλα αυτά, ένα σημαντικό συγκριτικό πλεονέκτημα των μικρο-αντιστροφέων έναντι των κεντρικοποιημένων αντιστροφέων είναι ότι, αφού διαχειρίζονται την ισχύ ενός μόνο Φ/Β πλαισίου, η πιθανότητα εμφάνισης πολλαπλών τοπικών ελαχίστων είναι αρκετά περιορισμένη. Επομένως, η χρήση μίας απλής μεθόδου εντοπισμού σημείου μέγιστης ισχύος μειώνει την πολυπλοκότητα στον αλγόριθμο που απαιτείται ενώ παράλληλα εγγυάται τη μέγιστη παραγωγή ενέργειας του εγκατεστημένου Φ/Β συστήματος. Για την επιβεβαίωση της παραπάνω ανάλυσης, ενσωματώθηκε στον κατασκευασμένο μικρο-αντιστροφέα αλγόριθμος εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος της εισόδου. Πιο συγκεκριμένα, ενσωματώθηκε η μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης στον πρόγραμμα του μικρο-ελεγκτή, τροποποιημένο ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί μόνο εντός των προδιαγραφών που έχουν οριστεί. Το διάγραμμα ροής που υλοποιήθηκε φαίνεται στο Σχ Για την αποφυγή θορύβου στη μέτρηση ηλεκτρικών μεγεθών, η ψηφιοποίηση των μετρήσεων γίνεται τοπικά, κοντά στους ακροδέκτες εισόδου του μικρο-αντιστροφέα, ώστε στη συνέχεια να αποστέλλονται ψηφιακά προς το μικρο-ελεγκτή. Μετά τη δειγματοληψία των ηλεκτρικών μεγεθών του Φ/Β πλαισίου, ελέγχεται μέσω του προγράμματος του μικρο-ελεγκτή αν η τάση εξόδου είναι εντός των συγκεκριμένων ορίων ώστε να παρασχεθεί ηλεκτρική ισχύς στο δίκτυο. Για τάση μικρότερη από μία ελάχιστη τιμή, ο μικρο-αντιστροφέας απενεργοποιείται, δεδομένου ότι δεν υπάρχει ικανή ακτινοβολία ώστε να παραχθεί ωφέλιμο ποσό ισχύος. Η επιβεβαίωση της λειτουργίας του αλγορίθμου έγινε χρησιμοποιώντας Φ/Β πλαίσιο που εγκαταστάθηκε για το συγκεκριμένο σκοπό (Suntech STP190S-4, ονομαστικής ισχύος 190W και τάσης 36.6V σε STC). Στο Σχ. 6.4 παρουσιάζεται η τάση, το ρεύμα και η ισχύς εξόδου του Φ/Β πλαισίου, το οποίο είναι συνδεδεμένο στην είσοδο του κατασκευασθέντος μικρο-αντιστροφέα, ο οποίος λειτουργεί με την προτεινόμενη παλμοδότηση DBCM, κατά την Διδακτορική Διατριβή

157 Σχεδιασμός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα σύγχρονων προδιαγραφών και απαιτήσεων 143 Αρχή Μέτρηση στιγμιαίας τιμής τάσης, ρεύματος και ισχύος Υπολογισμός μέσων τιμών μεγεθών P PV (n), V PV (n), I PV (n) Αποστολή μεγεθών προς το μικρο-ελεγκτή Αντιστροφέας ενεργός Ναι P PV (n) > P PV (n-1) Όχι Ναι Όχι Όχι V PV (n) > 0V V PV (n) < 15V Όχι Διατήρηση προσήμου Αλλαγή προσήμου Ναι Ναι Ενεργοποίηση αντιστροφέα Απενεργοποίηση αντιστροφέα P ref = P ref ± βήμα MPPT Ανανέωση P ref (n-1), P PV (n-1) Σχ. 6.3: Διάγραμμα ροής υλοποιηθείσας μεθόδου εντοπισμού σημείου μέγιστης ισχύος ενεργοποίησή του. Η έξοδος του μετατροπέα είναι συνδεδεμένη στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αρχικά, ο μικρο-αντιστροφέας δεν απορροφά ισχύ από το Φ/Β πλαίσιο, επομένως η τάση του Φ/Β πλαισίου είναι ίση με την τάση ανοιχτοκύκλωσής του για τις συγκεκριμένες συνθήκες, ενώ το ρεύμα είναι μηδενικό. Καθώς ενεργοποιείται ο μικρο-αντιστροφέας, η ισχύς εξόδου ανεβαίνει σταδιακά. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αύξηση αυτή είναι μονότονη, επομένως η μέτρηση ισχύος δεν επηρεάζεται από το θόρυβο του κυκλώματος. Καθώς προσεγγίζεται το σημείο μέγιστης ισχύος, υπάρχει πλέον μία ταλάντωση της τάσης και του ρεύματος του Φ/Β πλαισίου, το οποίο αναμένεται με βάση τον αλγόριθμο που υλοποιήθηκε. Με μεγέθυνση της κυματομορφής της ισχύος εξόδου του Φ/Β πλαισίου (Σχ. 6.5 και Σχ. 6.6) γίνεται φανερή η ταλάντωση συχνότητας 100Hz που οφείλεται στο γεγονός ότι ο μικρο-αντιστροφέας είναι συνδεδεμένος στο μονοφασικό δίκτυο, επομένως δεν παρέχει σταθερή ισχύ στην έξοδό του. Τρόπος για τη μείωση αυτής της ταλάντωσης με ταυτόχρονη Χρηστίδης Γεώργιος

158 144 Κεφάλαιο 6 Ισχύς Φ/Β Τάση Φ/Β Ρεύμα Φ/Β Σχ. 6.4: Τάση, ρεύμα και ισχύς (10W/div) Φ/Β πλαισίου συνδεδεμένο στο μικρο-αντιστροφέα με λειτουργία MPPT κατά την ενεργοποίησή του. Τάση Φ/Β Ισχύς Φ/Β Ρεύμα Φ/Β Σχ. 6.5: Τάση, ρεύμα και ισχύς (0.5W/div) Φ/Β πλαισίου κατά τη λειτουργία σε μόνιμη κατάσταση, με μεγέθυνση στην κυμάτωση της ισχύος λόγω μονοφασικού δικτύου (10ms/div). αφαίρεση του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή που χρησιμοποιείται παράλληλα στο Φ/Β πλαίσιο θα αναλυθεί στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου. Παρ όλα αυτά, είναι εμφανές ότι η ταλάντωση της ισχύος εξόδου του Φ/Β πλαισίου λόγω του υλοποιηθέντος αλγορίθμου MPPT είναι συγκρίσιμη με την ταλάντωση 100Hz που οφείλεται στη σύνδεση με το μονοφασικό Διδακτορική Διατριβή

159 Σχεδιασμός ολοκληρωμένου μικρο-αντιστροφέα σύγχρονων προδιαγραφών και απαιτήσεων 145 Ρεύμα Φ/Β Τάση Φ/Β Ισχύς Φ/Β Σχ. 6.6: Τάση, ρεύμα και ισχύς (0.5W/div) Φ/Β πλαισίου σε μόνιμη κατάσταση, με μεγέθυνση στην κυμάτωση της ισχύος λόγω του αλγορίθμου MPPT (s/div). δίκτυο και δεν επηρεάζεται από αυτήν, αποδεικνύοντας την ακρίβεια του αλγορίθμου στον εντοπισμό του σημείου μέγιστης ισχύος Παροχή άεργου ισχύος Όπως αναλύθηκε και στο Κεφάλαιο 1, με την πρόοδο της τεχνολογίας των Φ/Β πλαισίων καθώς και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα αποτελούν ένα μεγάλο τμήμα του ηλεκτρικού δικτύου μίας χώρας. Επομένως, παρατηρώντας τις αλλαγές που προτείνονται στους διεθνείς κανονισμούς [86] [88], [11] [117], τα Φ/Β συστήματα, αφού θεωρούνται ισοδύναμα με τους υπόλοιπους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, θα πρέπει να έχουν τις ίδιες δυνατότητες, όπως για παράδειγμα την παροχή άεργου ισχύος. Η παρούσα λειτουργία είναι υποχρεωτική για Φ/Β συστήματα διασυνδεδεμένα στο δίκτυο μέσης τάσης και αναμένεται να επεκταθεί και για τα Φ/Β συστήματα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο χαμηλής τάσης, ξεκινώντας με τα δίκτυα των ΗΠΑ και της Γερμανίας [118], [119]. Η λειτουργία αυτή είναι πολύ σημαντική για την ευστάθεια του δικτύου καθώς και τη μείωση του κόστους μεταφοράς, δεδομένου ότι η κύρια κατανάλωση άεργου ισχύος βρίσκεται εντός των μεγάλων πόλεων, πολύ μακριά δηλαδή από τους σταθμούς παραγωγής. Ως αποτέλεσμα, εγκαθίστανται συστήματα αντιστάθμισης άεργου ισχύος, τα οποία αποτελούνται συνήθως από ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος (π.χ. στατικοί και σύγχρονοι αντισταθμιστές) [76]. Το συγκεκριμένο ρόλο μπορούν κάλλιστα να έχουν και οι αντιστροφείς των Φ/Β συστημάτων είτε κατά τη διάρκεια της ημέρας, όπου παρέχουν και Χρηστίδης Γεώργιος