ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών"

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ ΣΑΡΑΝΤΗ ΚΑΛΑΡΙΔΗ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΟΡΤΙΣΤΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΏΝ, ΜΕ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ, ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 371 Πάτρα, Μάρτιος 2014 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ ΣΑΡΑΝΤΗ ΚΑΛΑΡΙΔΗ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΟΡΤΙΣΤΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΏΝ, ΜΕ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ, ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2014 Πάτρα, Μάρτιος 2014

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΟΡΤΙΣΤΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ, ΜΕ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ, ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ ΣΑΡΑΝΤΗ ΚΑΛΑΡΙΔΗ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 17/03/2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνης Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2014 ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΟΡΤΙΣΤΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ, ΜΕ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ, ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Στυλιανός Καλαρίδης του Σαράντη Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός μετατροπέα ανόρθωσης και υποβιβασμού τάσης, με διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η χρήση αυτού του μετατροπέα προορίζεται για τη φόρτιση των μπαταριών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή μιας τριφασικής ανορθωτικής διάταξης υποβιβασμού τάσης η οποία θα πληρεί τις προδιαγραφές περί αρμονικών που θεσπίζονται από τους διεθνείς κανονισμούς. Η δυνατότητα λειτουργίας υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος πηγάζει από τη μεθοδολογία ελέγχου του μετατροπέα ο οποίος παράλληλα θα πρέπει να επιτελεί το έργο ενός φορτιστή μπαταριών προσφέροντας τη δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος και της τάσης εξόδου και προσαρμόζοντας τη λειτουργία του στο εκάστοτε προφίλ φόρτισης των μπαταριών τις οποίες διαχειρίζεται. Αρχικά αναλύεται η σημασία της διόρθωσης του συντελεστή ισχύος στα σύγχρονα ηλεκτρικά συστήματα και παρουσιάζονται τόσο μεθοδολογίες ελέγχου όσο και ανορθωτικές διατάξεις για λειτουργία υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Στη συνέχεια γίνεται μια σύντομη αναφορά στις μπαταρίες ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας, παρουσιάζονται μέθοδοι και διατάξεις φόρτισης συσσωρευτών ενώ παράλληλα αναλύονται θέματα που αφορούν την ταχύτητα φόρτισης και την διάρκεια ζωής των μπαταριών με τελικό στάδιο την παρουσίαση των μπαταριών του ηλεκτροκίνητου οχήματος του εργαστηρίου και την επιλογή του κατάλληλου προφίλ φόρτισής με βάση τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τις προδιαγραφές τους από τον κατασκευαστή. Το επόμενο βήμα είναι η παρουσίαση του τριφασικού μετατροπέα, που θα υλοποιεί το προφίλ φόρτισης που έχει επιλεγεί, αλλά και της μεθοδολογίας ελέγχου για επίτευξη ημιτονοειδούς ρεύματος εισόδου. Τόσο ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος ως φορτιστής μπαταριών όσο και το κύκλωμα ελέγχου κλειστού βρόχου προσομοιώνονται στο λογισμικό Simulink του Matlab. Επίσης περιγράφονται η ανάλυση, ο σχεδιασμός και η κατασκευή όλων των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που απαιτούνται για την ορθή λειτουργία του μετατροπέα και παρουσιάζεται η λογική λειτουργίας του μικροϋπολογιστικού συστήματος που συντονίζει τον έλεγχο. Τέλος πραγματοποιούνται οι πειραματικές δοκιμές προκειμένου να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία του συνολικού συστήματος που κατασκευάστηκε αλλά και για να διαπιστωθούν τυχούσες αποκλίσεις μεταξύ θεωρίας και πράξης.

8

9 Summary This diploma thesis deals with the design and construction of a buck type, unity power factor rectifier intended for electric vehicle battery charging. The work was conducted in the Electromechanical Energy Conversion Laboratory, placed at the Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. The main purpose of this thesis is to construct a three-phase buck-type rectifier which meets with the requirements for low input current harmonics established by international regulations. The ability to operate under unity power factor derives from the control method of the converter. The converter will be also performing the task of a battery charger. Therefore, the overall system should be able to provide control of the output voltage and current and adjust its operation to the charging profile and the type of the battery used. Initially, the significance of power factor correction in modern electrical systems is mentioned and control methods as well as the most commonly used rectifiers for unity power factor operation are presented. Then, a brief reference to the batteries as energy storage means is made and charging methods and devices are presented. Certain issues related to charging speed and battery life are approached. The final stage is the presentation of the batteries installed in the electric vehicle of the Laboratory and the selection of the appropriate charging profile based on the technical specifications of the manufacturer. The next step is the presentation of the three-phase rectifier which realizes the selected charging profile and the control method in order to achieve sinusoidal input currents.both the electronic power converter as a battery charger and the closed-loop control circuit are simulated using Simulink of Matlab.The analysis, design and the construction of all electrical and electronic circuits required for the proper operation of the converter is described and the programming logic of the microcontroller that coordinates the control is presented. Finally, experimental tests are performed in order to check the proper functioning of the overall constructed system and detect any deviations between theory and practice.

10

11 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία μελετάται σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ένας τριφασικός ανορθωτής υποβιβασμού τάσης διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Πιο συγκεκριμένα ο μετατροπέας αυτός κατασκευάζεται με τις προδιαγραφές ενός φορτιστή μπαταριών ηλεκτροκίνητου οχήματος. Έτσι πρέπει να είναι σε θέση να ελέγχει τόσο το ρεύμα όσο και την τάση στην έξοδο του προκειμένου να υλοποιεί το προεπιλεγμένο προφίλ φόρτισης. Ιδιαίτερα αναλύεται η λειτουργία του τριφασικού μετατροπέα και εφαρμόζεται μια μέθοδος ελέγχου, γνωστή ως μέθοδος ελέγχου του φορτίου, μέσω της οποίας είναι η δυνατόν να επιτευχθεί ημιτονοειδές ρεύμα στην είσοδο του ανορθωτή. Αρχικά προσομοιώνεται το συνολικό σύστημα ως φορτιστής μπαταριών με δυνατότητα διόρθωσης του συντελεστή ισχύος, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται τόσο ο σχεδιασμός και η κατασκευή όσο και τα πειραματικά αποτελέσματα. Ο έλεγχος του μετατροπέα συντονίζεται μέσω μικροελεγκτή. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 αφού προσδιορισθεί μαθηματικά ο συντελεστής ισχύος αναλύεται η σημασία της διόρθωσης του με αφετηρία τα παθητικά ανορθωτικά συστήματα διόδων. Επίσης, αναφέρονται οι κυριότερες τεχνικές ελέγχου ρεύματος που εφαρμόζονται στον μονοφασικό μετατροπέα ανύψωσης. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι σημαντικότερες τριφασικές ανορθωτικές διατάξεις με διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η ανάλυση επικεντρώνεται σε υβριδικά και ενεργά συστήματα χωρίς μετασχηματιστή απομόνωσης. Αναφορά γίνεται σε διατάξεις υποβιβασμού, ανύψωσης και ανύψωσης-υποβιβασμού καθώς επίσης και σε τριφασικούς μετατροπείς αποτελούμενους από μονοφασικές μονάδες. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά και λειτουργικά γνωρίσματα των μπαταριών με την περισσότερη προσοχή να δίνεται στις μπαταρίες που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια των χρόνων σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης, ενώ γίνεται αναφορά και σε πρωτοποριακές σύγχρονες διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας γνωστές ως υπερπυκνωτές. Στη συνέχεια, περιγράφονται τόσο οι πιο διαδεδομένοι τρόποι φόρτισης συσσωρευτών όσο και οι τύποι φορτιστών που τις υλοποιούν με ενδεικτική αναφορά ορισμένων δομικών τους διατάξεων. Τέλος, παρουσιάζονται οι μπαταρίες που είναι εγκατεστημένες στο ηλεκτροκίνητο όχημα τύπου buggy του I

12 εργαστηρίου και περιγράφονται το προφίλ και οι παράμετροι φόρτισης που επιλέχθηκαν για τη συγκεκριμένη διπλωματική. Στο κεφάλαιο 4, επιλέγεται ο τριφασικός μετατροπέας που θα κατασκευαστεί στα πλαίσια της εφαρμογής της φόρτισης των μπαταριών και παρουσιάζεται η μεθοδολογία ελέγχου του. Τέλος, αναλύεται εκτενώς η λειτουργία της διάταξης σύμφωνα με τη μέθοδο ελέγχου του φορτίου για κάθε διάστημα λειτουργίας. Στο κεφάλαιο 5 δίδονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης σε περιβάλλον Simulink τόσο του κυκλώματος ελέγχου που υλοποιεί την μέθοδο επίτευξης μοναδιαίου συντελεστή ισχύος όσο και του κυκλώματος ισχύος του μετατροπέα. Η λειτουργία των επιμέρους συνιστωσών του κυκλώματος ελέγχου αναλύεται λεπτομερώς ενώ παρουσιάζονται και τα αντίστοιχα μοντέλα που δημιουργήθηκαν. Τελικό στάδιο είναι η παρουσίαση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για φόρτιση σταθερού ρεύματος καθώς επίσης και φόρτιση σταθερού ρεύματος-σταθερής τάσης. Στο κεφάλαιο 6 αναλύονται εκτενώς όλα τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα αλλά και τα μαγνητικά στοιχεία που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν προκειμένου να καταστεί δυνατή η λειτουργία της διάταξης. Επίσης, παρουσιάζονται όλες οι πλακέτες που τα ενσωματώνουν. Στο κεφάλαιο 7 περιγράφεται η λειτουργία του μικροελεγκτή dspic30f2020 καθώς και των ενσωματωμένων σε αυτόν περιφερειακών που απαιτούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα. Παράλληλα, αναλύεται η λογική προγραμματισμού του και παρατίθενται τα διαγράμματα ροής που καθορίζουν πλήρως τα διακριτά βήματα του τελικού εκτελέσιμου κώδικα. Στο κεφάλαιο 8 παρατίθενται τα αποτελέσματα από τις πειραματικές δοκιμές της διάταξης που κατασκευάστηκε και γίνεται η σύγκριση τους με τα θεωρητικά αναμενόμενα. Στο κεφάλαιο 9 εξάγονται τα τελικά συμπεράσματα αυτής της διπλωματικής εργασίας και τίθενται οι προοπτικές. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία ενώ στα παραρτήματα ενσωματώνονται οι πειραματικές μετρήσεις, τα σχηματικά και τυπωμένα κυκλώματα των πλακετών που κατασκευάστηκαν, οι κώδικες των προγραμμάτων και τα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών. II

13 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον καθηγητή του Τμήματος Δρ-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη τόσο για την εμπιστοσύνη που μου επέδειξε κατά την ανάθεση αυτής της διπλωματικής εργασίας όσο και για την πολύτιμη βοήθεια του και καθοδήγηση σε όλη τη διάρκειά της. Η εμπειρία και οι γνώσεις του στον τομέα των Ηλεκτρονικών Ισχύος αποτέλεσαν και συνεχίζουν να αποτελούν ισχυρό κίνητρο και πηγή έμπνευσης για εμένα. Eυχαριστίες επίσης αρμόζουν σε όλους τους προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές του εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας για το φιλικό κλίμα και τις συμβουλές τους. Θα ήθελα ωστόσο να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον υποψήφιο διδάκτορα του Τμήματος κ. Ιωάννη Καρατζαφέρη του οποίου οι ιδέες, οι συμβουλές και η ενασχόληση με τα θέματα που ανέκυπταν συντέλεσαν στην υλοποίηση των επιμέρους σταδίων και στην ολοκλήρωση αυτής της διπλωματικής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους μου για την υπομονή και τη συνεχή κατανόηση τους ενώ ένα πολύ μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στην οικογένεια μου για την ανιδιοτελή οικονομική και ηθική υποστήριξη που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια των πολυετών σπουδών μου. III

14 IV

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Ο ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 1.1 Ο συντελεστής ισχύος Η άεργος ισχύς και η ανάγκη διόρθωσης του συντελεστή ισχύος Ανορθωτικές διατάξεις εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή (Ε.Τ.-Σ.Τ.) Διόρθωση του συντελεστή ισχύος Τεχνικές ελέγχου μονοφασικής ανορθωτικής διάταξης ανύψωσης..15 ` Έλεγχος μέγιστου ρεύματος (Peak Current Control-PCC) Έλεγχος μέσου ρεύματος (Average Current Control-ACC) Έλεγχος με υστέρηση (Hysterisis Current Control-HCC) Έλεγχος με λειτουργία στην ασυνεχή αγωγή ( Discontinuous Current Control-DCC).19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΡΙΦΑΣΙΚΕΣ ΑΝΟΡΘΩΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΜΕ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ (Δ.Σ.Ι.) 2.1 Εισαγωγή Τριφασικοί ανορθωτές αποτελούμενοι από μονοφασικές μονάδες (Phase-Modular Rectifiers) Ανορθωτής με σύνδεση σε αστέρα (Y-Rectifier) Ανορθωτής με σύνδεση σε τρίγωνο (Δ-Rectifier) Τριφασικές ανορθωτικές διατάξεις Μετατροπείς ανύψωσης τάσης Ανορθωτής Δ.Σ.Ι. τύπου Boost με ασυνεχές ρεύμα (D.C.M. boost P.F.C. Rectifier) Υβριδικός ανορθωτής Δ.Σ.Ι. με έγχυση τρίτης αρμονικής (Hybrid 3 rd Harmonic Injection P.F.C. Rectifier) Ανορθωτής με σύνδεση διακοπτών σε τρίγωνο (Δ-Switch Rectifier) Ο ανορθωτής VIENNA (VIENNA Rectifier) Ενεργός ανορθωτής Δ.Σ.Ι. με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία (Six-switch active P.F.C. Rectifier) Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης Ενεργός ανορθωτής υποβιβασμού τάσης Δ.Σ.Ι. με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία (Active six-switch Buck-Type P.F.C. Rectifier) 38 V

16 Ο ανορθωτής SWISS (SWISS Rectifier) Μετατροπείς ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης Τοπολογία υποβιβασμού- ανύψωσης με εν σειρά σύνδεση (Buck and Boost converter in cascade connection) Τοπολογία ανύψωσης- υποβιβασμού με εν σειρά σύνδεση (Vienna Boost Rectifier in series with a 2-switch three-level Buck rectifier) 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ 3.1 Μέσα αποθήκευσης ενέργειας Τύποι συσσωρευτών και χαρακτηριστικά τους Κυψέλες μολύβδου- οξέως (Lead- Acid) Κυψέλες νικελίου- καδμίου (NiCd) Κυψέλες νικελίου- μετάλλου- υδριδίου (NiMH) Κυψέλες λιθίου- ιόντων (Li-ion) Υπερπυκνωτές Φόρτιση συσσωρευτών Μέθοδοι φόρτισης συσσωρευτών Ρυθμός φόρτισης συσσωρευτών Τύποι και διατάξεις φόρτισης συσσωρευτών Παρουσίαση συσσωρευτών ηλεκτροκίνητου οχήματος τύπου buggy και συστημάτων διαχείρισης τους Σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών Επιλογή μεθόδου φόρτισης συσσωρευτών 79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ 4.1 Εισαγωγή Μέθοδος ελέγχου του φορτίου (Charge Control) Τριφασικός ανορθωτής υποβιβασμού τάσης Δ.Σ.Ι Ανάλυση λειτουργίας μετατροπέα Κύκλωμα ελέγχου..95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 5.1 Επιλογή προγράμματος προσομοίωσης.99 VI

17 5.2 Προσομοίωση κυκλώματος ελέγχου Κύκλωμα επιλογής διαστημάτων Κύκλωμα πολύπλεξης Κύκλωμα ελέγχου του φορτίου Κύκλωμα λογικής Προσομοίωση μετατροπέα Δ.Σ.Ι. ως φορτιστή συσσωρευτών Λειτουργία σταθερού ρεύματος Λειτουργία σταθερού ρεύματος-σταθερής τάσης Εξάλειψη διαφοράς φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εισόδου.133 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ 6.1 Εισαγωγή Προδιαγραφές σχεδιασμού διάταξης Επιλογή ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία- (τρανζίστορ ισχύος) Σύγκριση ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Το Mosfet ισχύος (ισχύος (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Μη ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία- (δίοδοι ισχύος) Εξαγωγή σχέσεων για την κατασκευή των πηνίων του μετατροπέα Πηνία εξόδου Πηνία τριφασικού φίλτρου εισόδου Σχεδίαση και κατασκευή γραμμικών τροφοδοτικών Σχεδίαση και κατασκευή κυκλωμάτων μέτρησης τάσης και ρεύματος Μετρητικά τάσης Κύκλωμα μετρητικού για εναλλασσόμενες τάσεις εισόδου Κύκλωμα μετρητικού για συνεχή τάση εξόδου Μετρητικό ρεύματος πηνίου Υλοποίηση αναλογικού ολοκληρωτή μεθόδου ελέγχου του φορτίου Κύκλωμα παλμοδότησης Επιλογή ενισχυτή (buffer) Επιλογή οπτοζεύκτη (optocoupler) Επιλογή οδηγού παλμών (driver) Επιλογή μικροελεγκτή και οι συνδέσεις του VII

18 6.9 Κατασκευή πλακετών..180 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΗ ΤΟΥ ΕΚΤΕΛΕΣΙΜΟΥ ΚΩΔΙΚΑ 7.1 Εισαγωγή Ο μικροελεγκτής dspic30f Λειτουργίες και περιφερειακά του μικροελεγκτή dspic30f Διακοπές (Interrupts) Χρονιστές (Timers) Μονάδα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό(a/d Module) Συγκριτές (SMPS Comparator Module) Προγραμματισμός του μικροελεγκτή dspic30f Διαγράμματα ροής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 8.1 Εισαγωγή Μετρήσεις με ωμικό φορτίο Παλμογραφήματα μεγεθών Υπολογισμός βαθμού απόδοσης Υπολογισμός συντελεστή ισχύος και αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος εισόδου 223 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..231 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Πειραματικές μετρήσεις ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Σχηματικά και τυπωμένα κυκλώματα.240 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Εκτελέσιμο πρόγραμμα μικροελεγκτή 248 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ Τεχνικά φυλλάδια κατασκευαστών 263 VIII

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 1.1 Ο Συντελεστής ισχύος Ως συντελεστής ισχύος (power factor- pf) ορίζεται ο λόγος της ενεργού ισχύος [W] στην είσοδο του κυκλώματος προς την φαινόμενη ισχύ [VA] στην είσοδο του κυκλώματος. Δηλαδή, = = = (1.1) Όπου: η ενεργός τιμή της τάσης εισόδου του κυκλώματος, η στιγμιαία τιμή της τάσης εισόδου, η ενεργός τιμή του ρεύματος εισόδου του κυκλώματος (t), η στιγμιαία τιμή του ρεύματος εισόδου και Τ, η περίοδος της κυματομορφής της τάσης εισόδου του κυκλώματος Με θεώρηση μιας καθαρά ημιτονοειδούς τάσης εισόδου, η γενική μορφή του ρεύματος εισόδου ενός μη γραμμικού φορτίου μπορεί να προκύψει χρησιμοποιώντας ανάλυση Fourier. Σύμφωνα με την ανάλυση Fourier μια περιοδική μη ημιτονοειδής κυματομορφή αναλύεται σε άθροισμα απείρων ημιτονοειδών κυματομορφών με χρήση των σχέσεων (1.2)-(1.6) [1]. Οι συχνότητες αυτών των κυματομορφών (hωt) είναι ακέραια πολλαπλάσια (h=1,2,3,, ) της συχνότητας της αρχικής μη ημιτονοειδούς κυματομορφής. (1.2) (1.3) (1.4) (1.5) - 1 -

20 (1.6) Αν θεωρηθεί ότι η κυματομορφή του ρεύματος είναι συμμετρική ως προς τον άξονα του χρόνου τότε ο όρος μηδενίζεται. Επίσης, για περιττές συναρτήσεις ο παράγοντας λαμβάνει μηδενική τιμή. Έτσι, το ρεύμα στην είσοδο του κυκλώματος περιγράφεται τελικά από τις παρακάτω σχέσεις : (t) (t) (1.7) (1.8) (t) (1.9) Όπου:, η βασική αρμονική του ρεύματος εισόδου, δηλαδή στη γωνιακή συχνότητα της τάσεως εισόδου. (t), η αρμονική στην hω γωνιακή συχνότητα, όπως προκύπτει από την ανάλυση Fourrier., το πλάτος της βασικής αρμονικής του ρεύματος εισόδου., το πλάτος της h-αρμονικής του ρεύματος εισόδου., η διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης εισόδου και της βασικής αρμονικής του ρεύματος εισόδου. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη ότι μόνο η βασική αρμονική του ρεύματος συνεισφέρει στην ενεργό ισχύ, η ισχύς στην είσοδο θα είναι : (1.10),ενώ γενικά για το ενεργό ρεύμα ισχύει, (1.11) Και επειδή: = (1.12) (1.13) (1.14) - 2 -

21 Ο συντελεστής ισχύος γίνεται : (1.15) ή ισοδύναμα: ( ) (1.16),ο συντελεστής μετατόπισης (Displacement Factor-DF), ο συντελεστής παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion-THD) Από την παραπάνω εξίσωση γίνεται εμφανές ότι ο συντελεστής ισχύος μιας διάταξης είναι συνάρτηση της φασικής μετατόπισης της βασικής αρμονικής του ρεύματος εισόδου ως προς την τάση εισόδου και του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου. Ο συντελεστής παραμόρφωσης, ο οποίος και καθορίζει ουσιαστικά το ποσοστό των ανώτερων αρμονικών ως προς τη βασική αρμονική, είναι πολύ σημαντικός στις σύγχρονες διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος λόγω της φύσης της λειτουργίας τους. Η μέγιστή τιμή την οποία μπορεί να πάρει ο συντελεστής ισχύος είναι προφανώς η μονάδα. Αυτό επιτυγχάνεται όταν η ενεργός ισχύς που απαιτεί το φορτίο ισούται με τη φαινόμενη ισχύς που αυτό τραβάει από το δίκτυο (η άεργος ισχύς ισούται με μηδέν), δηλαδή όταν το φορτίο παρουσιάζει ωμική συμπεριφορά. 1.2 Η άεργος ισχύς και η ανάγκη διόρθωσης του συντελεστή ισχύος Οι καταναλωτές αέργου ισχύος μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες, αυτούς που αναγκάζουν το ρεύμα να καθυστερεί ως προς την τάση και αυτούς που παραμορφώνουν την κυματομορφή του ρεύματος. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι μετασχηματιστές, οι γραμμές μεταφοράς, οι καταναλωτές με φορτία επαγωγικής φύσης (π.χ. ηλεκτρικοί κινητήρες, ηλεκτρομαγνήτες ). Στην δεύτερη κατηγορία - 3 -

22 κατατάσσονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, οι οποίοι χρησιμοποιούνται είτε στον έλεγχο ηλεκτρομηχανικών μεγεθών (π.χ. έλεγχος τάσης κάποιου φορτίου, έλεγχος ροπής και ταχύτητας ηλεκτρικών μηχανών κ.τ.λ.) είτε στην παραγωγή και διαχείριση ενέργειας (π.χ. φωτοβολταϊκά συστήματα, διασύνδεση ανεμογεννητριών στο δίκτυο). Τις περισσότερες φορές η εμφάνιση αέργου ισχύος οφείλεται στον συνδυασμό των δύο παραπάνω περιπτώσεων καθώς μια ηλεκτρική εγκατάσταση περιλαμβάνει πλήθος ηλεκτρικών συνιστωσών γραμμικών ή μη. Από την εξίσωση (1.1) προκύπτει πως για δεδομένη ενεργό ισχύ εισόδου, ένας χαμηλός συντελεστής ισχύος οδηγεί σε υψηλή τιμή φαινόμενης και άρα και αέργου ισχύος. Αυτό αυτόματα συνεπάγεται αύξηση του συνολικού ρεύματος που διαρρέει τις γραμμές του δικτύου, τους μετασχηματιστές και γενικά όλες τις επιμέρους συνιστώσες ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Με αύξηση της ενεργούς τιμής του ρεύματος (λόγω της άεργης συνιστώσας) επομένως, το σύστημα θα πρέπει να σχεδιαστεί με προδιαγραφές μεγαλύτερης ονομαστικής ισχύος, δηλαδή μεγαλύτερές διατομές αγωγών μεγαλύτερους και πιο ογκώδεις μετασχηματιστές κ.ο.κ. με αποτέλεσμα την υπερδιαστασιολόγηση του συνολικού συστήματος και άρα την κατασπατάληση υλικών και την αύξηση του κόστους της εγκατάστασης. Επίσης, καθώς αυξάνεται η ενεργός τιμή του ρεύματος αυξάνονται και οι απώλειες στις ωμικές αντιστάσεις των συνιστωσών του δικτύου και άρα παρατηρούνται αυξημένες απώλειες ισχύος. Παράλληλα, αυξημένες απαιτήσεις από το δίκτυο σε άεργο ισχύ δημιουργούν προβλήματα στην ποιότητα της τάσης (πχ πτώση τάσης). Εκτός των ζητημάτων απωλειών ισχύος στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, η βελτίωση του συντελεστή ισχύος είναι ιδιαίτερα σημαντική και για αρκετούς ακόμη λόγους. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, σήμερα είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη η χρήση ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος. Λόγω της μη γραμμικής φύσης τους, το ρεύμα που δημιουργούν στην είσοδο είναι επιβαρυμένο με υψίσυχνες αρμονικές. Το παραπάνω σε συνδυασμό με την επαγωγή που παρουσιάζει το δίκτυο έχει ως αποτέλεσμα την υπέρθεση τάσεων οι οποίες αλλοιώνουν την βασική αρμονική της τάσης του, επηρεάζοντας έτσι την εύρυθμη λειτουργία και την ακεραιότητα των διασυνδεδεμένων καταναλωτών. Εκτός από την παραμόρφωση της κυματομορφής της τάσης, οι ανώτερες αρμονικές μπορούν να προκαλέσουν επιπλέον θέρμανση του εξοπλισμού (π.χ. αύξηση απωλειών υστέρησης και δινορευμάτων σε μηχανές και - 4 -

23 μετασχηματιστές λόγω της εξάρτησής τους από τη συχνότητα του ρεύματος), πιθανές υπερτάσεις από φαινόμενα συντονισμού ακόμα και σφάλματα στη λειτουργία των ηλεκτρονόμων του δικτύου [1]. Η ύπαρξη των ανώτερων αρμονικών δημιουργεί επίσης το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής (electromagnetic interference-εμι ) σε γειτονικές συσκευές και κυκλώματα, γεγονός το οποίο προκαλεί έντονα προβλήματα θορύβου και δυσλειτουργία των συστημάτων αυτών. Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό ζήτημα ειδικά σε περιπτώσεις όπου απαιτείται παροχή ισχύος υπό αυστηρά προκαθορισμένες συνθήκες και κανονισμούς λόγω της συνδυασμένης λειτουργίας ηλεκτρικών και ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών ( πχ ηλεκτρονικές διατάξεις παροχής ισχύος αεροπλάνων, ηλεκτρική τροφοδοσία συσκευών που χρησιμοποιούνται σε χειρουργεία κτλ). Οι παρεμβολές αυτές είναι δυνατόν επίσης να προκαλούν σφάλματα σε μετρήσεις και αλληλεπίδραση με σήματα ελέγχου και συστήματα τηλεπικοινωνιών. Προς αυτή τη κατεύθυνση έχουν θεσπιστεί αυστηροί διεθνείς κανονισμοί ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας οι οποίοι καθορίζουν τις μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές αρμονικών που μπορεί να εισάγει μια συσκευή σε όλο το φάσμα συχνοτήτων ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία προορίζεται. Σήμερα, οι διαχειριστές των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας θεσπίζουν κανονισμούς σχετικά με τα όρια της επιτρεπόμενης κατανάλωσης αέργου ισχύος [2], επιβάλλοντας πρόστιμα σε μεγάλους καταναλωτές οι οποίοι δεν συμβιβάζονται με τις απαιτήσεις. Παράλληλα, απαγορεύουν την εισαγωγή οικιακών ηλεκτρικών συσκευών που δεν καλύπτουν τις προδιαγραφές περί αρμονικών. Πλέον, λόγω της έντονης χρήσης ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος σε όλο και περισσότερες εφαρμογές και σε διάφορα επίπεδα ισχύος (φόρτιση συσσωρευτών, τροφοδοτικά ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών, έλεγχος κινητήρων, ψύξη- θέρμανση, φωτισμός κτλ ) οι κανονισμοί αυτοί αναθεωρούνται και γίνονται όλο και πιο αυστηροί. Συνήθως η προσφορά της αέργου ισχύος από τον φορέα του δικτύου πραγματοποιείται είτε από τις γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας [3] είτε από τράπεζες αντισταθμιστών αέργου ισχύος στο δίκτυο [4] οι οποίες αποτελούνται από πυκνωτές. Ωστόσο, έτσι δεν λύνονται όλα τα προβλήματα καθώς όχι μόνο δεν αντιμετωπίζονται τα προβλήματα των ανώτερων αρμονικών αλλά επίσης πρέπει να ληφθεί υπόψη το κόστος αγοράς και αντικατάστασης των πυκνωτών αντιστάθμισης

24 Μια σύγχρονη λύση στο πρόβλημα της αέργου ισχύος και της ποιότητας της τάσης είναι η χρησιμοποίηση των F.A.C.T.S. (Flexible AC Transmission Systems) (συστήματα μεταφοράς βασισμένα στην χρήση ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος για την βελτίωση της ελεγξιμότητας και της ποιότητας ισχύος). Με τη χρήση αυτών μειώνεται το πλήθος των πυκνωτών αντιστάθμισης, όμως αυξάνεται το αρχικό κόστος και οι απώλειες λόγω της χρήσης ημιαγωγικών στοιχείων τα οποία λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες. Επίσης τα συστήματα αυτά βρίσκονται συνήθως σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις από τους καταναλωτές, με αποτέλεσμα η αντιστάθμιση της αέργου ισχύος να λαμβάνει χώρα μέσα από αρκετά χιλιόμετρα αγωγών με συνέπεια και σε αυτήν ακόμη την περίπτωση να δημιουργείται πτώση τάσης και απώλειες ενεργού ισχύος [5]. Η σημαντικότερη λύση στο πρόβλημα είναι, να μειώνεται η άεργος ισχύς στο σημείο όπου εμφανίζεται δηλαδή κοντά στους καταναλωτές. Ενδεχόμενη χρήση πυκνωτών αντιστάθμισης θα μπορούσε να διορθώσει τη διαφορά φάσης ανάμεσα στη βασική αρμονική του ρεύματος εισόδου της εγκατάστασης και της τάσης του δικτύου αυξάνοντας κατά πολύ τον συντελεστή ισχύος ωστόσο η λύση στο πρόβλημα θα ήταν προσεγγιστική και κβαντισμένη καθώς η κατανάλωση ισχύος μιας εγκατάστασης είναι δυναμική με την απαιτούμενη ισχύ να μεταβάλλεται διαρκώς. Σήμερα, είναι προτιμότερη η δυνατότητα λειτουργίας χωρίς κατανάλωση αέργου ισχύος παρά η αντιμετώπισή της στη συνέχεια. Το παραπάνω πραγματοποιείται με τη χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλή διακοπτική συχνότητα. Με κατάλληλο έλεγχο της λειτουργίας τους ούτως ώστε να παρουσιάζουν συμπεριφορά αντίστοιχη ενός ωμικού φορτίου, επιτυγχάνεται υψηλός συντελεστής ισχύος βελτιστοποιώντας τη διασύνδεση με το δίκτυο. Ωστόσο η χρήση τους απαιτεί τον σωστό σχεδιασμό. 1.3 Ανορθωτικές διατάξεις εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή (Ε.Τ.-Σ.Τ.) Ως ανορθωτικές διατάξεις εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή τάση (Ε.Τ./Σ.Τ.) ορίζονται οι διατάξεις εκείνες που μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου σε συνεχή. Αυτές βρίσκουν εφαρμογή σε φορτία που απαιτούν τροφοδοσία από συνεχή τάση. Τέτοιες εφαρμογές είναι τροφοδοτικά ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών (π.χ. υπολογιστές), συστήματα μεταφοράς με συνεχή τάση, - 6 -

25 ζυγοί διασύνδεσης συνεχούς τάσης αυτόνομων συστημάτων (dc bus) (π.χ. ζυγός τάσης σε ένα μικροδίκτυο), διεγέρτριες σύγχρονων γεννητριών και φυσικά η φόρτιση μπαταριών που αποτελεί εφαρμογή αυτής της διπλωματικής. Επιπλέον χρήσεις της συνεχούς τάσης παρουσιάζονται στον πίνακα 1.1. Ανάλογα με το ποσό της ισχύος που απαιτεί η εκάστοτε εφαρμογή χρησιμοποιούνται είτε μονοφασικές (μικρότερη ισχύς) είτε τριφασικές ανορθωτικές διατάξεις (μεγαλύτερη ισχύς). Σε περίπτωση που απαιτείται σταθερό επίπεδο τάσης στην έξοδο χρησιμοποιείται ανορθωτική διάταξη αποτελούμενη αποκλειστικά από διόδους και το σύστημα σχεδιάζεται κατάλληλα ενώ σε αντίθετη περίπτωση χρησιμοποιούνται ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία που προσφέρουν τη δυνατότητα ρύθμισης. Και πάλι, η επιλογή των στοιχείων εξαρτάται από τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Έτσι, για μεγάλη ισχύ μπορούν να χρησιμοποιηθούν θυρίστορ ενώ για μικρότερη mosfet ή IGBT. Οι μετατροπείς της δεύτερης κατηγορίας ονομάζονται μετατροπείς ελεγχόμενοι από τη φάση του δικτύου και η απόδοσή τους κυμαίνεται γενικά πάνω από 95%. Αυτοί οι ανορθωτές χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε βιομηχανικές εφαρμογές, ειδικά σε κινητήρια συστήματα μεταβλητής ταχύτητας και για διάφορα επίπεδα ισχύος [6]. Όσον αφορά στους μη ελεγχόμενους ανορθωτές, η μονοφασική ανορθωτική γέφυρα με τέσσερις διόδους είναι μια από τις πιο απλές αλλά συχνά χρησιμοποιούμενες διατάξεις ισχύος. Η τάση εισόδου της γέφυρας είναι η ημιτονοειδής τάση του δικτύου. Εναλλακτικά, μπορεί να τοποθετηθεί μετασχηματιστής μεταξύ γέφυρας και δικτύου αν κρίνεται σκόπιμη η ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου αλλά συνήθως αυτό αποφεύγεται με σκοπό τη μείωση του βάρους, του όγκου και του κόστους της διάταξης. Η μονοφασική ανορθωτική γέφυρα χρησιμοποιείται σε όλα τα τροφοδοτικά οικιακών συσκευών με κυκλώματα που απαιτούν συνεχή τάση για να λειτουργήσουν και για ισχύ που ξεκινά από μερικά Watt. Σε βιομηχανικές εφαρμογές η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται μόνο για μικρή ισχύ [7]

26 Πίνακας 1.1 : Εφαρμογές διαφόρων διατάξεων παραγωγής-διαχείρισης συνεχούς τάσης.[7] Σχήμα 1.1: Ρεύμα και τάση εισόδου μονοφασικής ανορθωτικής γέφυρας διόδων. Για την μείωση της κυμάτωσης της τάσης εξόδου της γέφυρας, η οποία πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, συνδέεται στην έξοδο ένας μεγάλος πυκνωτής εξομάλυνσης ως φίλτρο. Το πρόβλημα που δημιουργείται με την χρήση αυτού του πυκνωτή είναι ότι υπάρχει ροή ρεύματος από την είσοδο προς την έξοδο μόνο κατά - 8 -

27 τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία η τάση του δικτύου είναι μεγαλύτερη από την τάση στην έξοδο, η οποία συμπίπτει με την τάση του πυκνωτή. Για το υπόλοιπο χρονικό διάστημα, ο πυκνωτής στην έξοδο παρέχει την απαιτούμενη ισχύ στο φορτίο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα στην είσοδο να μηδενίζεται για πεπερασμένα χρονικά διαστήματα σε κάθε ημιπερίοδο της τάσης του δικτύου όπως φαίνεται στο σχήμα 1.1. Έτσι, οι ανορθωτές αυτοί παραμορφώνουν την κυματομορφή του ρεύματος εισόδου. Σχήμα 1.2: Ρεύμα και τάση εισόδου τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας διόδων. Στην περίπτωση που απαιτείται ικανοποίηση μεγαλύτερου φορτίου και άρα και μεγαλύτερης ισχύος χρησιμοποιείται τριφασική ανορθωτική γέφυρα έξι διόδων. Αυτή, παράγει στην έξοδό της μια συνεχή τάση πολύ καλής ποιότητας με ελάχιστές κυματώσεις (η κυμάτωση χωρίς εξομάλυνση είναι 6.5% [7]), ωστόσο και σ αυτήν - 9 -

28 την περίπτωση η χρήση του πυκνωτή εξομάλυνσης είναι επιτακτική. Η κατάσταση αγωγής των διόδων της γέφυρας καθορίζεται από τις πολικές τάσεις του δικτύου. Το ρεύμα ρέει από την δίοδο με το υψηλότερο δυναμικό και επιστρέφει από εκείνη με το χαμηλότερο, επομένως κάθε χρονική στιγμή μόνο δύο δίοδοι διαρρέονται από ρεύμα. Με δεδομένη την ύπαρξη τριφασικής παροχής στους βιομηχανικούς χώρους η τριφασική γέφυρα χρησιμοποιείται κατά κόρον στις βιομηχανικές διεργασίες. Το ρεύμα εισόδου το οποίο παρουσιάζεται στο σχήμα 1.2 παραμένει αρκετά παραμορφωμένο. Όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα οι ανορθωτικές αυτές διατάξεις επιδεικνύουν εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή ισχύος και ενδεχόμενη απευθείας σύνδεσή τους στο δίκτυο χωρίς τη λήψη επιπλέον μέτρων θα ήταν απαράδεκτη και μη επιτρεπτή. Με την εισαγωγή πηνίων εξομάλυνσης είτε στην είσοδο είτε στην έξοδο του τριφασικού ανορθωτή επιτυγχάνεται σημαντική βελτίωση του συντελεστή ισχύος (Σχήμα 1.3). Για τυπικές τιμές του πηνίου εξομάλυνσης που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία [ / = ] [8],οι διατάξεις αυτές ήδη παρουσιάζουν ιδιαίτερα υψηλό συντελεστή ισχύος της τάξης του εξαιτίας της μικρής διαφοράς φάσης μεταξύ της βασικής αρμονικής του ρεύματος εισόδου και της τάσης του δικτύου (displacement factor). Εκ πρώτης όψεως επομένως θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί ποιό είναι το νόημα περεταίρω βελτίωσης του συντελεστή ισχύος αφού η διάταξη ήδη προσεγγίζει τη μονάδα. Με μια πιο προσεχτική ματιά στην κυματομορφή του ρεύματος παρατηρούμε ότι αυτό παρουσιάζει αυξημένες αρμονικές σε συχνότητες πολλαπλάσιες της βασικής αρμονικής (150 Hz-1kHz) λόγω της μη γραμμικής λειτουργίας της ανορθωτικής γέφυρας. O συντελεστής παραμόρφωσης των παραπάνω διατάξεων είναι κοντά στο 30%. Η τιμή αυτή του THD είναι πολύ μεγάλη καθώς επιτρεπτές τιμές του για σύνδεση στο δίκτυο είναι THD <5% (για βιομηχανικές εφαρμογές)[8]

29 Σχήμα 1.3: Παθητική τριφασική ανορθωτική γέφυρα.a) Πηνία εξομάλυνσης στην πλευρά του δικτύου. b) Πηνίο εξομάλυνσης στην πλευρά συνεχούς τάσης. Στα αντίστοιχα διαγράμματα παρουσιάζονται οι τάσεις εξόδου και τα ρεύματα εισόδου όπως επίσης και ο συντελεστής ισχύος λ [8]. Για την εξάλειψη αυτών των αρμονικών του ρεύματος θα ήταν απαραίτητη η χρήση παθητικών φίλτρων μεγάλου όγκου και βάρους προκειμένου να επιτευχθεί

30 μικρή συχνότητα αποκοπής άμεσα συγκρίσιμη με την τάξη των αρμονικών. Από την άλλη πλευρά, αν δεν χρησιμοποιηθεί κατάλληλο φίλτρο τότε το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος θα εγχυθεί στο δίκτυο με όλες τις επιπτώσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω, καθιστώντας παράλληλα τις διατάξεις αυτές ασύμβατες με τους κανονισμούς ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας. Τη λύση στα προβλήματα του χαμηλού συντελεστή ισχύος, της αέργου ισχύος και των ανώτερων αρμονικών έρχονται να δώσουν σήμερα οι τεχνικές διόρθωσης συντελεστή ισχύος (Power Factor Correction P.F.C. ). Με κατάλληλη επιλογή της τεχνικής παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων και ελέγχου του μετατροπέα ισχύος επιτυγχάνεται αφενός μεν μηδενική διαφορά φάσης ανάμεσα στην βασική αρμονική του ρεύματος εισόδου και στην τάση του δικτύου, αφετέρου δε μετατόπιση μεγάλου αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου σε συχνότητες πολλαπλάσιες της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα. Έτσι, με παλμοδότηση σε υψηλή συχνότητα οι ανώτερες αρμονικές μπορούν εύκολα να εξαλειφτούν με χρήση παθητικών φίλτρων μικρού σχετικά όγκου και βάρους αυξάνοντας παράλληλα την πυκνότητα ισχύος του μετατροπέα. Με τη χρήση τεχνικών διόρθωσης του συντελεστή ισχύος επιτυγχάνονται ιδιαίτερα υψηλές τιμές του συντελεστή ισχύος, της τάξης του 0,99, ελαχιστοποιώντας την άεργο ισχύ και καθιστώντας τις διατάξεις ηλεκτρομαγνητικά συμβατές. Ωστόσο, η χρήση διατάξεων διόρθωσης του συντελεστή ισχύος δεν είναι πανάκεια και ο σχεδιασμός και η επιλογή τους θα πρέπει να γίνεται με προσοχή ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Η χρήση μικρών παθητικών φίλτρων για αφαίρεση των ανώτερων αρμονικών απαιτεί υψηλή διακοπτική συχνότητα στον μετατροπέα. Όμως, καθώς αυξάνεται η διακοπτική συχνότητα αυξάνονται οι διακοπτικές απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων των μετατροπέων. Επομένως, πρέπει να γίνεται σωστή αντιστάθμιση μεταξύ της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας, όγκου μετατροπέα, αέργου ισχύος και απόδοσης. Παράλληλα, με τη χρήση ενός επιπλέον μετατροπέα για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος αυξάνονται οι συνολικές απώλειες του συστήματος μειώνοντας τον βαθμό απόδοσης της διάταξης. Ένα ακόμη μειονέκτημα των διατάξεων P.F.C. είναι η πολυπλοκότητα του κυκλώματος ελέγχου το οποίο παράγει τα σήματα παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων. Το κύκλωμα αυτό συνήθως αποτελείται από ηλεκτρονικά κυκλώματα τα

31 οποία εκτελούν πράξεις (ολοκλήρωση, πολλαπλασιασμός, πρόσθεση κ.τ.λ. ) ανάμεσα σε υψίσυχνα αναλογικά σήματα. Έτσι, ο έλεγχος καθίσταται ευαίσθητος στον διακοπτικό θόρυβο ο οποίος προέρχεται από το κύκλωμα ισχύος του μετατροπέα. Πολύπλοκες μεθοδολογίες ελέγχου μειώνουν την σθεναρότητα και την αξιοπιστία των μετατροπέων στους οποίους εφαρμόζονται καθιστώντας τη χρήση τους αμφίβολη σε βιομηχανικές εφαρμογές οπού απαιτείται υψηλή αξιοπιστία. Τα προβλήματα αυτά έχουν προκαλέσει σήμερα έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον παγκοσμίως με στόχο την υλοποίηση απλούστερων, πιο αποδοτικών τεχνικών και πιο συμπαγών διατάξεων διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Σχήμα 1.4 : Εφαρμογή ενός τριφασικού μετατροπέα υποβιβασμού τάσης Δ.Σ.Ι. ως front-end στάδιο για ένα σύστημα τηλεπικοινωνιακών ή πληροφοριακών εφαρμογών. Ο μετατροπέας τροφοδοτεί ένα ζυγό συνεχούς τάσης 400V. Προκειμένου να διατηρηθεί ο βαθμός απόδοσης του συνολικού συστήματος σε αξιόλογα επίπεδα το κάθε στάδιο πρέπει να παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή απόδοση. [9] 1.4 Διόρθωση του συντελεστή ισχύος Οι τεχνικές διόρθωσης του συντελεστή ισχύος στα μονοφασικά συστήματα αναπτύχθηκαν κυρίως προκειμένου να βελτιωθεί ο συντελεστής ισχύος σε εφαρμογές υψίσυχνων τροφοδοτικών συνεχούς τάσης. Οι σημαντικότερες τοπολογίες αυτών των μετατροπέων είναι οι μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή (Σ.Τ./Σ.Τ) που ελέγχονται με την τεχνική της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Pulse Width

32 Modulation- P.W.M.). Αυτές οι διακοπτικές διατάξεις μετατρέπουν την συνεχή τάση εισόδου σε μία συνεχή τάση διαφορετικής στάθμης, είτε μικρότερης είτε μεγαλύτερης ανάλογα με την τοπολογία του μετατροπέα που χρησιμοποιείται. Σε αυτές τις διατάξεις, η κυρίαρχη τεχνική ήταν η ανόρθωση της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου μέσω μιας γέφυρας πλήρους ανόρθωσης και στη συνέχεια η σταθεροποίηση της από έναν πυκνωτή εξομάλυνσης. Αποτέλεσμα της παραπάνω επιλογής για την τροφοδοσία του μετατροπέα ήταν η δημιουργία χαμηλού συντελεστή ισχύος λόγω της παραμόρφωσης του ρεύματος εισόδου. Σχήμα 1.5: Γενικό διάγραμμα τεχνικών Δ.Σ.Ι. [10] Αντίθετα, στους μετατροπείς που χρησιμοποιούν τεχνικές διόρθωσης του συντελεστή ισχύος ο μετατροπέας Σ.Τ/Σ.Τ τροφοδοτείται από την πλήρη ανόρθωση της τάσης του δικτύου με παρουσία μικρότερου πυκνωτή εξομάλυνσης. Παράλληλα, η παλμοδότηση των υπεύθυνων για την διαμόρφωση της στάθμης της τάσης εξόδου διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα, γίνεται κατάλληλα προκειμένου το ρεύμα στην είσοδο να μεταβάλλεται ανάλογα της τάσης εισόδου. Ακολουθώντας την

33 παραπάνω φιλοσοφία, επιτυγχάνεται μοναδιαίος συντελεστής ισχύος και επομένως η φασική μετατόπιση μεταξύ τάσης και ρεύματος μηδενίζεται ενώ παράλληλα η διάταξη καθίσταται ηλεκτρομαγνητικά συμβατή. Η απομάκρυνση των ανώτερων αρμονικών επιτυγχάνεται με παθητικά φίλτρα μειούμενου όγκου και βάρους όσο αυξάνεται η συχνότητα παλμοδότησης του μετατροπέα. Στο σχήμα 1.5 απεικονίζεται το γενικό δομικό διάγραμμα για την πραγματοποίηση της διόρθωσης του συντελεστή ισχύος σε μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή. Παρακάτω, θα παρουσιαστούν συνοπτικά οι βασικές τεχνικές επίτευξης μοναδιαίου συντελεστή ισχύος που εφαρμόζονται για τον έλεγχο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης (boost converter), ο οποίος είναι ο πρώτος ( και ο απλούστερος) μετατροπέας στον οποίον αναπτύχθηκαν τεχνικές power factor correction για πρώτη φορά Τεχνικές ελέγχου μονοφασικής ανορθωτικής διάταξης ανύψωσης Έλεγχος μεγίστου ρεύματος (Peak Current Control-PCC) Με την τεχνική αυτή επιτυγχάνεται ο έλεγχος του μετατροπέα με σταθερή διακοπτική συχνότητα και συνεχές ρεύμα πηνίου. Το ρεύμα εισόδου συγκρίνεται με μία ημιτονοειδή κυματομορφή (αναφορά) το εύρος της οποίας είναι προκαθορισμένο και ίσο με την οριακή (μέγιστη) τιμή του ρεύματος που επιθυμείται. Η αναφορά του ρεύματος προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της ανορθωμένης τάσης του δικτύου με το σφάλμα της τάσης εξόδου [11]. Με αυτό τον τρόπο το ρεύμα αναφοράς συγχρονίζεται και είναι πάντοτε ανάλογο της τάσης τροφοδοσίας που είναι συνθήκη για να προκύψει συντελεστής ισχύος ίσος με την μονάδα. Ωστόσο, με αυτή τη τεχνική ο μετατροπέας καθίσταται ευαίσθητος στον διακοπτικό θόρυβο ενώ επίσης παρατηρείται αστάθεια σε περίπτωση που ο λόγος κατάτμησης ξεπεράσει το 50% [12]. Στο σχήμα 1.6 απεικονίζεται η τεχνική ελέγχου του μέγιστου ρεύματος για έναν μετατροπέα τύπου boost όπως επίσης και το κύκλωμα ελέγχου του. Ο ημιαγωγικός διακόπτης S πάει σε αγωγή με σταθερή συχνότητα την οποία την οποία καθορίζει το ρολόι (clock) του RS flip-flop ενώ μεταβαίνει σε αποκοπή όταν το άθροισμα του ρεύματος του πηνίου της θετικής κλίσης, δηλαδή το ρεύμα του διακόπτη, φτάσει την τιμή του ημιτονοειδούς ρεύματος αναφοράς

34 Σχήμα 1.6: α) Κύκλωμα ελέγχου τεχνικής μεγίστου ρεύματος. β) Παραγόμενη κυματομορφή ρεύματος πηνίου. [11] Έλεγχος μέσου ρεύματος (Average Current Control-ACC) Πρόκειται επίσης για μία τεχνική σταθερής διακοπτικής συχνότητας και συνεχούς ρεύματος πηνίου. Το κύριο χαρακτηριστικό της που την ξεχωρίζει από την προηγούμενη τεχνική είναι η χρήση ενός ενισχυτή σφάλματος ρεύματος (Current Error Amplifier) υψηλού κέρδους και μεγάλου εύρους ζώνης ο οποίος εξαναγκάζει τη μέση τιμή ενός ρεύματος του μετατροπέα (συνήθως το ρεύμα του πηνίου),να ακολουθήσει την επιθυμητή αναφορά με πολύ μικρό σφάλμα. Μερικά από τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι η άριστη ρύθμιση ρεύματος και τάσης, η αυξημένη αντοχή και αναισθησία σε διακοπτικό θόρυβο αλλά και ο πολύ καλός συντελεστής ισχύος του ρεύματος εισόδου. Στον Boost μετατροπέα του σχήματος 1.7, το ρεύμα του πηνίου παρακολουθείται μέσω ενός μετασχηματιστή ρεύματος και αφού φιλτραριστεί από έναν ενισχυτή

35 σφάλματος εφαρμόζεται στην είσοδο ενός PWM διαμορφωτή. Στην έξοδο του διαμορφωτή δημιουργούνται οι παλμοί οδήγησης του διακόπτη S. Με αυτόν τον τρόπο ο εσωτερικός βρόχος ρεύματος προσπαθεί να μειώσει το σφάλμα μεταξύ της μέσης τιμής του ρεύματος του πηνίου και της αναφοράς του. Σχήμα 1.7 : Κύκλωμα ελέγχου της τεχνικής ελέγχου με μέση τιμή ρεύματος. [11] Έλεγχος με υστέρηση (Hysteresis Current Control-HCC) Σε αυτήν την τεχνική παλμοδότησης χρησιμοποιούνται δύο αναφορές ρεύματος (άνω όριο και κάτω όριο) οι οποίες δημιουργούνται με τέτοιον τρόπο ώστε να είναι ανάλογες της τάσης εισόδου. Το ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα επομένως κάθε χρονική στιγμή εξαναγκάζεται να είναι μεταξύ των δύο αυτών αναφορών. Με αυτήν την τεχνική παλμοδότησης, η διακοπτική συχνότητα δεν διατηρείται σταθερή αλλά ποικίλει ανάλογα με τα επιλεγμένα όρια του βρόχου υστέρησης, την τιμή του φίλτρου εισόδου ακόμη και από το είδος του φορτίου [5]. Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ο υψηλός συντελεστής ισχύος και η αξιοπιστία που παρέχει κατά τις μεταβατικές καταστάσεις. Ωστόσο, η δυσκολία σχεδιασμού του φίλτρου εισόδου

36 (αρμονικό περιεχόμενο σε ευρεία περιοχή συχνοτήτων), η απαραίτητα υψηλή διακοπτική συχνότητα λειτουργίας σε σχέση με άλλες τεχνικές ( μείωση συνολικού βαθμού απόδοσης) και ο μεγάλης ακρίβειας αισθητήρας μέτρησης του ρεύματος που απαιτείται (αισθητήρας ευαίσθητος στον θόρυβο) αποτελούν μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου. Σχήμα 1.8: Αριστερά: κύκλωμα ελέγχου της τεχνικής υστέρησης. Δεξιά: Πάνω ορισμός της τεχνικής υστέρησης. Κάτω παλμοί οδήγησης του διακόπτη S. [11] Στην περίπτωση του boost μετατροπέα, όταν ο διακόπτης S είναι σε κατάσταση αγωγής το ρεύμα του πηνίου αρχίζει να αυξάνεται έως ότου συναντήσει το όριο του πάνω κατωφλίου και αμέσως πηγαίνει σε κατάσταση αποκοπής. Κατά τη φάση αυτή, το ρεύμα του πηνίου αρχίζει να μειώνεται έως ότου να συναντήσει το κάτω κατώφλι όπου αυτή τη φορά ο διακόπτης πηγαίνει πάλι σε αγωγή και έτσι ένας νέος διακοπτικός κύκλος επαναλαμβάνεται

37 Έλεγχος με λειτουργία στην ασυνεχή αγωγή (Discontinuous Current Control- DCC) Σχήμα 1.9: Αριστερά: κύκλωμα ελέγχου της τεχνικής με ασυνεχές ρεύμα πηνίου. Δεξιά: Πάνω ρεύμα πηνίου για μια ημιπερίοδο της τάσης εισόδου. Κάτω παλμοί οδήγησης του διακόπτη S. [11] Αποτελεί την πλέον απλοποιημένη μέθοδο διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Εφόσον ο μετατροπέας οδηγείται στην ασυνεχή αγωγή, ο έλεγχος μπορεί να επιτευχθεί με έναν απλό βρόχο διαμόρφωσης εύρους παλμών σταθερής συχνότητας. Ειδική περίπτωση είναι η λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (Boundary Conduction Mode- BCM). Στην περίπτωση αυτή, ο διακόπτης S παραμένει σε κατάσταση αποκοπής έως ότου το ρεύμα του πηνίου φτάσει στο μηδέν και ακριβώς τη στιγμή αυτή μεταβαίνει σε κατάσταση αγωγής. Στο σχήμα 1.9 παρουσιάζεται το κύκλωμα ελέγχου και οι κυματομορφές λειτουργίας. Η λειτουργία με ασυνεχές ρεύμα είναι κατάλληλη μόνο για μικρά επίπεδα ισχύος λόγω των υψηλών καταπονήσεων των ημιαγωγικών στοιχείων από το υπέρρευμα. Ειδικά όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς εξόδου του μετατροπέα τόσο μεγαλύτερο είναι το υπέρρευμα προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερο μέσο ρεύμα πηνίου

38 - 20 -

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΡΙΦΑΣΙΚΕΣ ΑΝΟΡΘΩΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΜΕ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ (Δ.Σ.Ι.) 2.1 Εισαγωγή Στην περίπτωση εφαρμογών υψηλής ισχύος, οι τριφασικές ανορθωτικές διατάξεις προτιμούνται σε σχέση με τις μονοφασικές καθώς έχουν τη δυνατότητα παροχής μεγαλύτερης ποσότητας ισχύος ενώ παράλληλα η παρεχόμενη στο φορτίο ισχύς μοιράζεται ισόποσα και στις τρείς φάσεις. Έτσι, τα ρεύματα εισόδου στους αγωγούς τροφοδοσίας είναι σημαντικά μικρότερα και επομένως το σύστημα μπορεί να σχεδιαστεί για μικρότερες ονομαστικές τιμές ρεύματος εισόδου με αποτέλεσμα να απαιτούνται αγωγοί μικρότερης διατομής για σύνδεση με το δίκτυο ( οικονομία υλικών). Ωστόσο, το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των τριφασικών διατάξεων είναι ότι με κατάλληλο σχεδιασμό τους το σύστημα είναι σε θέση να λειτουργήσει με μειωμένη ισχύ σε περίπτωση διακοπής λειτουργίας μίας φάσης λόγω βλάβης (π.χ. καταστροφή ενός ημιαγωγικού στοιχείου μιας φάσης λόγω υπέρτασης, κόψιμο μια φάσης). Παρακάτω θα γίνει μια παρουσίαση των τριφασικών ανορθωτικών διατάξεων μονής κατεύθυνσης διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Όπως απεικονίζεται και στο σχήμα 2.1 αυτά διακρίνονται σε παθητικά, υβριδικά και ενεργά συστήματα. Μεγαλύτερη σημασία θα δοθεί στα ενεργά και στα υβριδικά συστήματα τα οποία προσφέρουν τη δυνατότητα ρύθμισης της τάσης εξόδου επιτυγχάνοντας παράλληλα και ημιτονοειδές ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα. Η ευελιξία τους τα κάνει υποψήφια για μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών όπου απαιτείται μεταβλητή ισχύς εξόδου, ωστόσο οι ενεργές διατάξεις έχουν πιο πολύπλοκές μεθοδολογίες ελέγχου ενώ κάνουν χρήση και ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το συνολικό πλήθος των απαιτούμενων ημιαγωγικών στοιχείων και άρα και οι απώλειες των μετατροπέων

40 Σχήμα 2.1: Κατηγοριοποίηση τριφασικών μονοκατευθυντήριων ανορθωτικών τοπολογιών [8]. Τα καθαρά παθητικά συστήματα δεν περιλαμβάνουν ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ενώ δουλεύουν οδηγούμενα από το δίκτυο (mains commutated) και επομένως λειτουργούν σε χαμηλή συχνότητα. Χρησιμοποιούν παθητικά στοιχεία για εξομάλυνση της τάσεως εξόδου και τη διαμόρφωση των ρευμάτων εισόδου. Προφανώς η στάθμη της τάσης εξόδου δεν είναι σε θέση να ελεγχθεί. Λόγω της αδυναμίας διαμόρφωσης του ρεύματος εισόδου μέσω κάποιας τεχνικής ελέγχου, σχεδόν ημιτονοειδές ρεύμα είναι δυνατόν να επιτευχθεί μόνο μέσω ανορθωτικών συστημάτων πολλών παλμών (π.χ. 12-, -18, ή 36- παλμών ανορθωτικά συστήματα διόδων). Στην βιομηχανία τέτοιες διατάξεις χρησιμοποιούνται, λόγω της χαμηλής τους πολυπλοκότητας και της μεγάλης τους σθεναρότητας, για εφαρμογές υψηλής ισχύος (>100 kw), όταν τροφοδοτούνται από το δίκτυο μέσης τάσης στο οποίο η μικρή εσωτερική εμπέδηση επιτρέπει την έγχυση ανώτερων αρμονικών του ρεύματος εξαιτίας της λειτουργίας του μετατροπέα

41 Η σύζευξη παθητικών ανορθωτών και ενεργών κυκλωμάτων που αποτελούνται από ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος, οδηγεί στον σχηματισμό υβριδικών ανορθωτικών διατάξεων. Αυτά τα συστήματα επιτρέπουν ρύθμιση της τάσεως εξόδου καθώς επίσης και ημιτονοειδή έλεγχο των ρευμάτων εισόδου με ενδεχόμενους περιορισμούς ωστόσο. Μια μεγάλη κατηγορία υβριδικών ανορθωτικών συστημάτων είναι οι διατάξεις έγχυσης τρίτης αρμονικής (3 rd harmonic injection). Σε αυτές, το ρεύμα εγχέεται από ένα παθητικό ή ενεργό δίκτυο έγχυσης στη φάση που δεν διαρρέεται από ρεύμα. Οι κυματομορφές του ρεύματος των άλλων δύο φάσεων διαμορφώνονται με τέτοιον τρόπο, ούτως ώστε να ρεύσει ημιτονοειδές ρεύμα σε όλες τις φάσεις. Η ανόρθωση της εναλλασσόμενης τάσης σε αυτά τα συστήματα πραγματοποιείται μέσω γέφυρας διόδων στην πλευρά της εισόδου ενώ το ενεργό δίκτυο για τον σχηματισμό, την έγχυση του ρεύματος και την ρύθμιση της τάσης εξόδου τοποθετείται στην πλευρά της συνεχούς τάσης. Τα κυκλώματα αυτά έχουν σχετικά απλές μεθοδολογίες ελέγχου. Γενικά, τα κύρια χαρακτηριστικά των υβριδικών ανορθωτών είναι τα εξής: Οδηγούμενα από το δίκτυο (mains-commutated) κυκλώματα (π.χ. κυκλώματα διόδων) και τμήματα ενεργών κυκλωμάτων εξαναγκασμένης μετάβασης (force-commutated) που αποτελούνται από ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. Παθητικά στοιχεία που λειτουργούν είτε σε χαμηλή συχνότητα είτε σε υψηλότερη διακοπτική συχνότητα (διαχειρίζονται υψίσυχνο ρεύμα). Ρύθμιση της τάσης εξόδου και/ή διαμόρφωση του ρεύματος εισόδου με χρήση ενεργών διακοπτών. Η ενσωμάτωση ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων στους κλάδους της γέφυρας ενός παθητικού συστήματος τελικά οδηγεί σε ενεργά ανορθωτικά συστήματα διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Η κύρια διαφορά των συστημάτων αυτών από τα υβριδικά είναι ότι τα πρώτα λειτουργούν μόνο ως μετατροπείς εξαναγκασμένης μετάβασης ενώ τα παθητικά τους στοιχεία λειτουργούν αποκλειστικά στη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα. Επίσης, τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν συμμετρία τόσο ως προς την κατασκευαστική δομή της κάθε φάσης τους (Phase symmetry) όσο και ως προς την τοποθέτηση των ενεργών ημιαγωγικών στοιχείων στους κλάδους της ανορθωτικής γέφυρας (Bridge symmetry)

42 2.2 Τριφασικοί ανορθωτές αποτελούμενοι από μονοφασικές μονάδες (Phase- Modular Rectifiers) Ένας απλός τρόπος για τη δημιουργία ενός τριφασικού ανορθωτή είναι η σύνδεση τριών μονοφασικών μονάδων. Η σύνδεση μεταξύ των επιμέρους μονάδων μπορεί να γίνει είτε σε αστέρα είτε σε τρίγωνο. Στο σχήμα 2.2 απεικονίζεται το μπλόκ διάγραμμα ενός τριφασικού ανορθωτή αποτελούμενου από τρεις μονοφασικούς σε σύνδεση αστέρα ή τρίγωνο. Εξαιτίας της δομής του συστήματος, παράγονται τρείς διακριτές συνεχείς τάσεις εξόδου (.Επομένως, απαιτείται η χρήση τριών μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή (Σ.Τ./Σ.Τ.) με απομόνωση, μία για κάθε επίπεδο εξόδου, προκειμένου να είναι δυνατή η τροφοδοσία ενός κοινού φορτίου (. Εναλλακτικά, αντί της χρήσης ενός κοινού EMI φίλτρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν τρία επιμέρους, ένα για κάθε μετατροπέα. Σχήμα 2.2: Μπλοκ διάγραμμα τριφασικού μετατροπέα διόρθωσης του συντελεστή ισχύος αποτελούμενου από τρείς μονοφασικούς. a)σύνδεση μονάδων σε αστέρα και b) Σύνδεση μονάδων σε τρίγωνο, με μετατροπείς απομόνωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή στην έξοδο.[8]

43 2.2.1 Ανορθωτής με σύνδεση σε αστέρα (Y-Rectifier) Στο σχήμα 2.3 φαίνεται μια τοπολογία ενός τριφασικού ανορθωτή χωρίς γέφυρα (bridgeless topology) αποτελούμενος από τρείς επιμέρους μονοφασικούς σε σύνδεση αστέρα καθώς και το κύκλωμα ελέγχου του. Η αγωγιμότητα αναφοράς καθορίζεται από τον ελεγκτή της τάσης εξόδου. Πολλαπλασιάζοντας τον συντελεστή με τις κανονικοποιημένες τάσεις του δικτύου, προκύπτει η αναφορά του ρεύματος την οποία επιδιώκει να επιτύχει ο ελεγκτής ρεύματος. Έτσι, με το ρεύμα εισόδου να ακολουθεί μια ημιτονοειδή αναφορά το σύστημα συμπεριφέρεται σαν ένα συμμετρικό τριφασικό ωμικό φορτίο με αντιστάσεις συνδεδεμένες σε αστέρα. Εξαιτίας της δομής του μετατροπέα, πρέπει να ρυθμίζονται τρείς τάσεις εξόδου κάθε χρονική στιγμή. Ο έλεγχος της τάσης επομένως χωρίζεται σε δύο μέρη. Αφενός, η ισχύς που απομαστεύεται από το δίκτυο, και η οποία καθορίζεται από τον συντελεστή, προκύπτει από το μέσο σφάλμα ελέγχου των τριών τάσεων εξόδου. Αφετέρου, πραγματοποιείται εξισορρόπηση μεταξύ των τάσεων εξόδου λαμβάνοντας κάθε φορά υπόψη τις δύο φασικές τάσεις εισόδου με την μεγαλύτερη και την μικρότερη τιμή, καθώς σε αυτές τις φάσεις η στιγμιαία ροή ισχύος είναι μεγαλύτερη και άρα προσφέρουν την δυνατότητα αλλαγής της στάθμης της τάσεως εξόδου. Λαμβάνοντας πλέον την διαφορά των δύο τάσεων εξόδου που αντιστοιχούν στις τάσεις εισόδου με τη μεγαλύτερη και τη μικρότερη τιμή, σχηματίζεται μία επιπλέον σχετική τιμή για το ρεύμα η οποία προστίθεται στην αναφορά του ρεύματος εισόδου. Συνοψίζοντας, η ολική ισχύς που λαμβάνεται από το δίκτυο καθορίζεται από τον συντελεστή και η κατανομή της ισχύος αυτής στις τρείς φάσεις ρυθμίζεται από το. Η διακίνηση της ισχύος μόνο μεταξύ δύο φάσεων κάθε φορά παρουσιάζει το πλεονέκτημα ότι η συνθήκη δεν χρειάζεται να παρακολουθείται ειδικά καθώς η τρίτη φάση θα φέρει από μόνη της το αντίστοιχο ρεύμα. Αυτή η μέθοδος επομένως παρουσιάζει καλύτερη ευστάθεια και σημαντικά μεγαλύτερη σθεναρότητα σε σχέση με άλλες μεθόδους

44 Σχήμα 2.3: Πάνω βασική δομή ανορθωτή σε αστέρα. Δεξιά στιγμιαία τριφασική ισχύς μετατροπέα. Κάτω δομή κυκλώματος ελέγχου μετατροπέα. [8]

45 2.2.2 Ανορθωτής με σύνδεση σε τρίγωνο (Δ-Rectifier) Με σύνδεση των επιμέρους μονοφασικών μετατροπέων σε τρίγωνο, πραγματοποιείται απόζευξη μεταξύ των υποσυστημάτων του τριφασικού ανορθωτή. Ο έλεγχος μπορεί επομένως να πραγματοποιηθεί ατομικά και ανεξάρτητα για κάθε υποσύστημα, με τον ίδιο τρόπο όπως στους μονοφασικούς ανορθωτές με διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η εξισορρόπηση της ισχύος εξόδου κάθε μετατροπέα προκειμένου να επιτευχθεί ομοιόμορφη φόρτιση κάθε φάσης του δικτύου είναι θεμιτή αλλά όχι απαραίτητη. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του ανορθωτή με σύνδεση σε τρίγωνο είναι η διάθεση πλήρους ονομαστικής ισχύος προς το φορτίο ακόμα και στην περίπτωση διακοπής λειτουργίας μιας φάσης εφόσον έχει πραγματοποιηθεί η κατάλληλη συνδεσμολογία. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα παρουσιάζεται στο σχήμα 2.4. Κάθε επιμέρους υποσύστημα εκ των τριών συνδέεται με το δίκτυο μέσω μιας τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας με θυρίστορ με τον τρόπο που φαίνεται στο αντίστοιχο σχήμα. Οι επιπλέον συνδέσεις εξασφαλίζουν την απομόνωση μιας φάσης σε περίπτωση βλάβης και την απρόσκοπτη λειτουργία του μετατροπέα μέσω των δύο εναπομεινουσών φάσεων. Απαραίτητη προϋπόθεση για το παραπάνω είναι η δυνατότητα ανάληψης του επιπλέον φορτίου από τις λειτουργικές φάσεις και επομένως το ενδεχόμενο αυτό θα πρέπει να έχει ληφθεί υπόψη κατά τον σχεδιασμό. Συνολικά, η χρησιμοποίηση των παραπάνω συνδεσμολογιών διευκολύνει την κατασκευή ενός νέου μετατροπέα αξιοποιώντας τα μονοφασικά συστήματα που ήδη υπάρχουν ενώ ο διαχωρισμός του συνολικού συστήματος σε τρία υποσυστήματα διευκολύνει την ψύξη των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Όσον αφορά στη σύνδεση σε αστέρα, το κύριο πλεονέκτημά της σε σχέση με τη σύνδεση σε τρίγωνο είναι η καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων από μικρότερη τάση (peak φασικής έναντι peak πολικής). Ωστόσο, δημιουργείται άμεση ζεύξη μεταξύ των τριών υποσυστημάτων η οποία, ειδικά στην περίπτωση μη λειτουργίας μιας φάσης απαιτεί τον σωστό συντονισμό των υποσυστημάτων και κατάλληλο κύκλωμα ελέγχου του συνολικού συστήματος. Λόγω του παραπάνω περιορισμού και της δυστροπίας του ελέγχου (κυκλώματα και συσκευές μέτρησης και επεξεργασίας σήματος) τέτοια συστήματα δεν συναντώνται σε βιομηχανικές εφαρμογές. Στον αντίποδα, η απόζευξη

46 που προσφέρεται μεταξύ των υποσυστημάτων του μετατροπέα και η δυνατότητα λειτουργίας ανά πάσα χρονική στιγμή με πλήρη ισχύ καθιστούν τους τριφασικούς μετατροπείς με σύνδεση σε τρίγωνο σοβαρούς υποψήφιους για κάλυψη βιομηχανικών φορτίων. Σχήμα 2.4: Βασική δομή ανορθωτή με σύνδεση σε τρίγωνο με γέφυρες θυρίστορ στις εισόδους των μονάδων για παροχή ονομαστικής ισχύος στην έξοδο σε περίπτωση απώλειας μιας φάσης. [8] 2.3 Τριφασικές ανορθωτικές διατάξεις Μετατροπείς ανύψωσης τάσης Ανορθωτής Δ.Σ.Ι. τύπου Boost με ασυνεχές ρεύμα (D.C.M. boost P.F.C. Rectifier) Ο πιο απλός ενδεχομένως μετατροπέας Δ.Σ.Ι. παρουσιάζεται στο σχήμα 2.5. Με προσθήκη ενός ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου στην έξοδο της τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας και την τοποθέτηση τριών πηνίων στην είσοδο της διάταξης ο μετατροπέας αυτός παρουσιάζει χαρακτηριστικά ανυψωτή τάσης. Ο έλεγχος

47 στηρίζεται στην τεχνική του ασυνεχούς ρεύματος όπως παρουσιάστηκε και στην περίπτωση του μονοφασικού boost ανορθωτή. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα αναγκάζεται να λειτουργήσει στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM), είτε στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς (BCM). Η ρύθμιση της τάσης εξόδου επιτυγχάνεται μέσω του λόγου κατάτμησης του ελεγχόμενου διακόπτη, ο οποίος μεταβάλλεται μόνο στην περίπτωση μεταβολής του φορτίου. Με τον τρόπο αυτό, το ασυνεχές ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα ακολουθεί μία ημιτονοειδή περιβάλλουσα η οποία αποτυπώνεται στο ρεύμα του δικτύου μετά το φιλτράρισμα του ρεύματος εισόδου. Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει ικανοποιητικό συντελεστή ισχύος. Υψηλότερος συντελεστής επιτυγχάνεται μόνο για μεγάλες τιμές της τάσης εξόδου (π.χ. για και/ή για σχετικά μικρό χρόνο απομαγνήτισης των πηνίων εισόδου σε σχέση με τη διάρκεια αγωγής του ημιαγωγικού διακόπτη ελέγχου. Ωστόσο, λόγω της καταπόνησης των ημιαγωγικών στοιχείων από υψηλό διακοπτικό ρεύμα και τάση (αύξηση διακοπτικών απωλειών και μείωση βαθμού απόδοσης συστήματος), η διάταξη αυτή δεν είναι ιδιαίτερα επιτυχής. Σχήμα 2.5: a) Δομή μετατροπέα Δ.Σ.Ι. b) Ρεύμα και τάση εισόδου για λειτουργία στην ασυνεχή αγωγή. [8]

48 Υβριδικός ανορθωτής Δ.Σ.Ι. με έγχυση τρίτης αρμονικής (Hybrid 3 rd Harmonic Injection PFC Rectifier) Σχήμα 2.6: a) Βασική δομή υβριδικού μετατροπέα με έγχυση τρίτης αρμονικής b) Ισοδύναμο κύκλωμα ενεργού τμήματος μετατροπέα για. [4] Βελτίωση της ποιότητας του ρεύματος εισόδου μπορεί να προκύψει μόνο με επέκταση της ελεγξιμότητας του συνολικού συστήματος. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση περισσότερων ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων. Στον παραπάνω υβριδικό μετατροπέα (σχήμα 2.6) τα ρεύματα στον θετικό και αρνητικό δρόμο του ρεύματος, και, μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα και ανάλογα με τις δύο φασικές τάσεις εισόδου που συμμετέχουν κάθε φορά στον σχηματισμό της τάσης εξόδου της ανορθωτικής γέφυρας διόδων. Αν η διαφορά μεταξύ των και ανατροφοδοτηθεί μέσω ενός δικτύου έγχυσης ρεύματος (current injection network) (τρείς διακόπτες τεσσάρων τεταρτημορίων (δες ενότητα 4.3) εκ των οποίων μόνο ένας τίθεται σε αγωγή κάθε φορά στη φάση του δικτύου που δεν διαρρέεται από ρεύμα για ανόρθωση), τότε εξασφαλίζονται ημιτονοειδή ρεύματα εισόδου για κάθε φάση. Εξαιτίας της συμμετρίας των τριφασικών τάσεων του δικτύου τροφοδοσίας, η διαμόρφωση ημιτονοειδούς ρεύματος στην είσοδο του μετατροπέα απαιτεί τη διαίρεση των τάσεων εισόδου σε διαστήματα 60 0 κατά τα οποία άγει διαρκώς ο διακόπτης έγχυσης της φάσης με την μικρότερη απόλυτη τιμή τάσης. Ας θεωρήσουμε για παράδειγμα το διάστημα που απεικονίζεται στο σχήμα 2.6, κατά το οποίο το ρεύμα ρέει προς τον μετατροπέα από την φάση με το υψηλότερο δυναμικό (φάση α) και επιστρέφει μέσω της φάσης με το χαμηλότερο δυναμικό (φάση c). Με κατάλληλη

49 διαμόρφωση των διακοπτών και θα είναι και με τις μέσες τιμές των ρευμάτων αυτών να σχηματίζονται ανάλογες προς τις αντίστοιχες φασικές τάσεις (μέσω κατάλληλης παλμοδότησης). Λόγω της ενεργοποίησης του διακόπτη έγχυσης της φάσης b και από το νόμο του Kirchhoff θα ισχύει ή και αφού θα είναι τελικά και επομένως η φάση b θα διαρρέεται επίσης από ημιτονοειδές ρεύμα. Η κυματομορφή της φασικής τάσης και του ρεύματος της φάσης a απεικονίζεται στο σχήμα 2.7. Παράλληλα παρουσιάζεται και το ανατροφοδοτούμενο ρεύμα μέσω του δικτύου έγχυσης. Όπως διακρίνεται ξεκάθαρα, το εγχεόμενο ρεύμα παρουσιάζει την τριπλάσια συχνότητα της βασικής αρμονικής του ρεύματος του δικτύου, εξού και ο χαρακτηρισμός της διάταξης ως μετατροπέας έγχυσης τρίτης αρμονικής. Όσον αφορά το εύρος λειτουργίας του συστήματος, η τάση εξόδου θα πρέπει πάντα να επιλέγεται αρκετά μεγαλύτερη από το peak της πολικής τάσης εισόδου. Σε περίπτωση βλάβης μίας φάσης ο μετατροπέας λειτουργεί με μειωμένη ισχύ επιτυγχάνοντας παράλληλα μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Όλοι οι διακόπτες έγχυσης πρέπει να απομονωθούν ενώ πρέπει να εξασφαλισθεί η ταυτόχρονη έναυση και σβέση των διακοπτών και ούτως ώστε να εξομοιωθεί η λειτουργία ενός μονοφασικού ανορθωτή Δ.Σ.Ι. ο οποίος λειτουργεί υπό πολική τάση δικτύου. Σχήμα 2.7: Κυματομορφές της φασικής τάσης (πάνω) και του εγχεόμενου ρεύματος (κάτω). [8],του αντίστοιχου φασικού ρεύματος

50 Ανορθωτής με σύνδεση διακοπτών σε τρίγωνο (Δ-Switch Rectifier) Σχήμα 2.8 : a) Τοπολογία Δ-Switch Rectifier b) Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος για και διάστημα φάσης. [8] Ο παραπάνω μετατροπέας αποτελείται από μία ανορθωτική γέφυρα έξι διόδων και τρείς διακόπτες τεσσάρων τεταρτημορίων οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους σε τρίγωνο δικαιολογώντας την ονομασία του. Οι διακόπτες αυτοί προσφέρουν την δυνατότητα ελέγχου της κατάστασης αγωγής των διόδων της γέφυρας μέσω ελέγχου της τάσης που εμφανίζεται στους κλάδους της. Πρόκειται για έναν ενεργό ανορθωτή με διόρθωση του συντελεστή ισχύος καθώς οι μεταβάσεις των διόδων της γέφυρας πραγματοποιούνται στη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας σε αντίθεση με τον προηγούμενο μετατροπέα που παρουσιάστηκε. Για κανονικές συνθήκες λειτουργίας (όχι ταυτόχρονη αγωγή και των τριών διακοπτών), ένας κλάδος μίας φάσης (π.χ. η ) θα συνδέεται πάντα στον θετικό (p) είτε στον αρνητικό (n) πόλο της τάσης εξόδου. Επομένως, το σύστημα παρουσιάζει χαρακτηριστικά δύο επιπέδων ως προς το σχηματισμό της τάσης (τάση εισόδου, τάση εξόδου). Λαμβάνοντας υπόψη την ανορθωτική γέφυρα στην είσοδο, ο μετατροπέας πρέπει πάντα να λειτουργεί με τάση εξόδου Σε περίπτωση διακοπής λειτουργίας μιας φάσης του δικτύου, ο διακόπτης τεσσάρων τεταρτημορίων που σχετίζεται με τη φάση αυτή απενεργοποιείται μόνιμα. Έτσι, σχηματίζεται ένας μονοφασικός ανορθωτής ο οποίος λειτουργεί υπό πολική

51 τάση ωστόσο επιτρέπει και πάλι ρύθμιση της τάσεως εξόδου και διαμόρφωση ημιτονοειδούς ρεύματος εισόδου. Το σύστημα και πάλι αναλύεται για λειτουργία σε έξι ίσα διαστήματα των 60 0 λόγω της συμμετρίας της τροφοδοσίας. Το ισοδύναμο κύκλωμα που σχηματίζεται για ρεύματα εισόδου (για διάστημα φάσης παρουσιάζεται στο σχήμα 2.8. Για κάθε διάστημα λειτουργίας ελέγχονται μόνο οι δύο διακόπτες τεσσάρων τεταρτημορίων (αυτοί που αντιστοιχούν στις μεγαλύτερες πολικές τάσεις του δικτύου κατά απόλυτη τιμή) ενώ ο τρίτος (αυτός με τη μικρότερη απόλυτη πολική τάση) παραμένει μονίμως απενεργοποιημένος. Για το παραπάνω διάστημα, όταν άγει ο διακόπτης τα πηνία των φάσεων a,c φορτίζονται ενώ το πηνίο της φάσης b μεταφέρει την ενέργεια του στην έξοδο μέσω του σχηματιζόμενου από τις διόδους και τις φάσεις a,b βρόχου. Όταν άγει ο διακόπτης, φορτίζονται πλέον τα πηνία των φάσεων a,b και το πηνίο της φάσης c παρέχει την ενέργεια του στην έξοδο μέσω του αντίστοιχου βρόχου διόδων και τάσεων a,c. Η παραπάνω λειτουργία επαναλαμβάνεται και για τα υπόλοιπα διαστήματα λειτουργίας Ο ανορθωτής VIENNA (VIENNA Rectifier) Σχήμα 2.9 : Ο ανορθωτής VIENNA. [8] Αν η σύνδεση σε τρίγωνο των διακοπτών ελέγχου τεσσάρων τεταρτημορίων του προηγούμενου μετατροπέα αντικατασταθεί με σύνδεσή τους σε αστέρα και το κεντρικό σημείο του αστέρα συνδεθεί στο σχηματιζόμενο από δύο πυκνωτές μέσο Μ της τάσης εξόδου προκειμένου να επιτευχθεί η υψηλότερη δυνατή συμμετρία,

52 προκύπτει μια ενεργή ανορθωτική διάταξη Δ.Σ.Ι. γνωστή ως ανορθωτής VIENNA. Όπως και στον προηγούμενο ανορθωτή ο σχηματισμός των τάσεων εισόδου της τριφασικής γέφυρας εξαρτάται και πάλι από το πρόσημο των φασικών ρευμάτων (τα οποία ελέγχουν τις καταστάσεις αγωγής των διακοπτών). Ωστόσο, μία φάση εισόδου του ανορθωτή (π.χ. η ) μπορεί να συνδεθεί επίσης στο μεσαίο σημείο M εκτός από τον θετικό και τον αρνητικό πόλο της τάσης εξόδου. Έτσι, η διάταξη αυτή χαρακτηρίζεται ως μετατροπέας τριών επιπέδων. Και πάλι για την ολική τάση εξόδου πρέπει να ισχύει Ένα μεγάλο πλεονέκτημα της δομής τριών επιπέδων είναι ότι τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος μπορούν να επιλεχθούν πλέον για τη μισή τάση της μέγιστης πολικής του δικτύου, ενώ λόγω της μικρότερης τάσης καταπόνησης στα στοιχεία παράγεται λιγότερος ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος κατά την διακοπτική διαδικασία. Τέλος, όσον αφορά στη λειτουργικότητα σε περίπτωση απώλειας μιας φάσης λόγω βλάβης ο ανορθωτής VIENNA είναι και αυτός σε θέση να λειτουργήσει με μειωμένη ισχύ στην ίδια τάση εξόδου επιτυγχάνοντας παράλληλα μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Σχήμα 2.10 : Προτεινόμενη υλοποίηση κυκλώματος ελέγχου μετατροπέα. [8]

53 Η δομή ελέγχου του συστήματος που παρουσιάζεται στο σχήμα 2.10 αποτελείται από έναν εξωτερικό ελεγκτή τάσης ο οποίος καθορίζει την τιμή αναφοράς για την ισοδύναμη αγωγιμότητα που παρουσιάζει το σύστημα στην βασική αρμονική του καθώς επίσης και από εσωτερικούς ελεγκτές ρεύματος. Ο ελεγκτής τάσης καθορίζει επίσης το ποσό της ισχύος που θα παρέχεται στην έξοδο. Η ισοστάθμιση των δύο μερικών τάσεων εξόδου, η οποία απαιτείται λόγω της ενσωμάτωσης του μεσαίου σημείου M στη λειτουργία του συστήματος, μπορεί να επιτευχθεί με τον ίδιο τρόπο που παρουσιάστηκε στον τριφασικό ανορθωτή αποτελούμενο από τρείς μονοφασικές μονάδες με σύνδεση σε αστέρα (Y-Rectifier), δηλαδή με εισαγωγή μίας τιμής διόρθωσης στις αναφορές των ρευμάτων εισόδου. Οι τάσεις εξόδου του συστήματος μπορούν να φορτιστούν ασύμμετρα. Ωστόσο, ο επιτρεπτός βαθμός ασυμμετρίας εξαρτάται από τη στάθμη της τάσης του δικτύου στο οποίο συνδέεται ο μετατροπέας. Υψηλοί βαθμοί ασυμμετρίας είναι ανεκτοί μόνο για μεγάλες τάσεις εξόδου Ενεργός ανορθωτής Δ.Σ.Ι. με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ( Sixswitch active PFC rectifier) Σχήμα 2.11 : Ενεργός δικατευθυντήριος ανορθωτής διόρθωσης του συντελεστή ισχύος με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. [8] Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του μετατροπέα αυτού είναι η δυνατότητα αμφίπλευρης ροής ισχύος από το δίκτυο προς το φορτίο είτε από το φορτίο προς το

54 δίκτυο. Το παραπάνω επιτυγχάνεται με την πλήρη αντικατάσταση των διόδων της ανορθωτικής γέφυρας με ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία τα οποία είναι εξοπλισμένα με εσωτερική αντιπαράλληλη δίοδο. Η δυνατότητα επιστροφής ενέργειας προς το δίκτυο έχει καταστήσει τον μετατροπέα αυτόν δημοφιλή σε εφαρμογές κινητήρων μεταβλητής ταχύτητας και αξιοποίησης της πέδησης για ανάκτηση ενέργειας. Εδώ για την τάση εξόδου πρέπει να ισχύει, όπως και για προηγούμενες περιπτώσεις, ενώ η διάταξη μπορεί επίσης να ανταπεξέλθει σε περίπτωση μη λειτουργίας μιας φάσης. Παρά την μεγάλη λειτουργικότητα του, το σύστημα αυτό έχει σχετικά απλή δομή ειδικά σε σχέση με προηγούμενους μετατροπείς οι οποίοι όχι μόνο δεν είναι αμφίπλευροι αλλά κατασκευαστικά αποτελούνται από πολύ περισσότερα ημιαγωγικά στοιχεία στο σύνολο (ελεγχόμενα ή μη). Υπάρχουν πολλές μεθοδολογίες ελέγχου του παραπάνω ανορθωτή στη διεθνή βιβλιογραφία. Κάποιες από αυτές κάνουν χρήση d-q μετασχηματισμού. Οι τάσεις τροφοδοσίας σε συνδυασμό με τα πηνία εισόδου θεωρούνται από τον έλεγχο ως μία ασύγχρονη μηχανή. Έτσι, κάνοντας χρήση μετασχηματισμού Park στο ισοδύναμο μοντέλο της μηχανής που προκύπτει, η τάση εισόδου λαμβάνεται ως επαλληλία δύο επιμέρους τάσεων στους d,q άξονες. Καθ αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται έλεγχος του ανορθωτή με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος και μάλιστα χωρίς να χρησιμοποιούνται αισθητήρες τάσης στην είσοδο (sensorless control) [13]. Το δομικό διάγραμμα αυτού του ελέγχου παρουσιάζεται στο σχήμα Αντίστοιχες μεθοδολογίες βασισμένες στην ανάλυση σε δύο άξονες προτείνονται στα [14],[15]. Άλλες, κάνουν χρήση ελεγκτή υστέρησης με φιλοσοφία που βασίζεται στην λογική ελέγχου υστέρησης [16] όπως παρουσιάστηκε στην αντίστοιχη ενότητα για τους μονοφασικούς ανορθωτές. Ένα σχηματικό διάγραμμα μιας τέτοιας υλοποίησης παρουσιάζεται στο σχήμα Όπως φαίνεται, γίνεται χρήση ενός κλειστού βρόχου, ο οποίος αποτελείται από δύο ελεγκτές. Ο πρώτος ελεγκτής είναι υπεύθυνος για τη ρύθμιση της τάσης εξόδου στην επιθυμητή τιμή αναφοράς. Η έξοδος του ελεγκτή πολλαπλασιάζεται στη συνέχεια με τις κατάλληλα διαμορφωμένες ημιτονοειδείς τάσεις εισόδου ούτως ώστε να προκύψουν οι μέγιστες αναφορές του ρεύματος που

55 πρέπει να ακολουθούν τα ρεύματα εισόδου για επίτευξη μοναδιαίου συντελεστή ισχύος. Ο άλλος ελεγκτής (current controller) υλοποιεί τον έλεγχο με υστέρηση. Σχήμα 2.12 : Διάγραμμα τεχνικής d-q μετασχηματισμού για τον έλεγχο του μετατροπέα χωρίς αισθητήρες τάσης.[13] Σχήμα 2.13: Τροποποιημένος έλεγχος με υστέρηση.[16]

56 2.3.2 Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης Ενεργός ανορθωτής υποβιβασμού τάσης Δ.Σ.Ι. με έξι διακόπτες (Active sixswitch Buck-Type PFC Rectifier) Σχήμα 2.14 : Τοπολογία ενεργού τριφασικού ανορθωτή τύπου Buck με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία.[8] Τοποθετώντας έναν ελεγχόμενο διακόπτη σε σειρά με κάθε δίοδο μιας τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας και μετακινώντας το πηνίο στην έξοδο της γέφυρας, σε αντίθεση με τις διατάξεις που παρουσιάστηκαν προηγουμένως, προκύπτει η τριφασική διάταξη του σχήματος 2.14 με χαρακτηριστικά ενός μετατροπέα υποβιβασμού τάσης. Ο συνδυασμός τρανζίστορ και διόδου σε σειρά δημιουργεί έναν διακόπτη μιας κατεύθυνσης όσον αφορά στο ρεύμα ενώ παράλληλα προσφέρει αποκοπή αρνητικών τάσεων (εν σειρά δίοδος). Εάν ένας διακόπτης της πάνω ομάδας (positive bridge half) τεθεί σε αγωγή (π.χ. ο διακόπτης και ένας διακόπτης της κάτω ομάδας (negative bridge half) τεθεί επίσης σε αγωγή (π.χ. ο διακόπτης τότε στη συγκεκριμένη περίπτωση το ρεύμα I του πηνίου εξόδου λαμβάνεται από την φάση a και επιστρέφει μέσω της φάσης c. Δηλαδή ισχύει,. Επίσης, στην έξοδο εμφανίζεται η πολική τάση των δύο φάσεων που συμμετέχουν στην αγωγή, δηλαδή. Εάν και οι δύο διακόπτες ενός κλάδου τεθούν σε αγωγή ταυτόχρονα τότε τα φασικά ρεύματα και η τάση εξόδου μηδενίζονται και το σύστημα είναι σε κατάσταση

57 ελεύθερης διέλευσης (freewheeling state). Οι απώλειες στην εν λόγω κατάσταση μπορούν να μειωθούν με εισαγωγή μια διόδου ελευθέρας διέλευσης στην έξοδο της γέφυρας αντιπαράλληλα από τον πυκνωτή εξομάλυνσης. Με κατάλληλη διαμόρφωση, το ρεύμα του πηνίου μπορεί να κατανεμηθεί στις τρείς φάσεις με τέτοιον τρόπο ώστε μετά το φιλτράρισμα των ασυνεχών παλμικών ρευμάτων,, να προκύψει ημιτονοειδές ρεύμα εισόδου. Λόγω της χρήσης δύο πολικών τάσεων για το σχηματισμό της τάσεως εξόδου σε κάθε διακοπτικό κύκλο, αποδεκτές τιμές της είναι. Το παραπάνω προκύπτει από το γεγονός ότι ο έλεγχος του μετατροπέα πραγματοποιείται σε διαστήματα των Επομένως για τις τάσεις εισόδου,έστω για τις στο διάστημα θα ισχύει Προφανώς, για να υπάρχει λειτουργία υποβιβασμού τάσης πρέπει η τάση στην έξοδο να είναι μικρότερη από την τάση στην είσοδο κάθε χρονική στιγμή δηλαδή, πρέπει να ικανοποιείται η σχέση Ο ανορθωτής SWISS (SWISS Rectifier) Σχήμα 2.15 : a) Βασική δομή μετατροπέα SWISS b) Ισοδύναμο κύκλωμα του ενεργού μέρους του μετατροπέα για. [8] Πρόκειται για έναν υβριδικό μετατροπέα που στηρίζεται στο πρότυπο της έγχυσης ρεύματος τρίτης αρμονικής σε μία φάση του δικτύου όπως παρουσιάστηκε στην αντίστοιχη διάταξη ανύψωσης τάσης. Σε αντίθεση ωστόσο με την διάταξη αυτή, οι μεταβάσεις των διόδων της γέφυρας δεν πραγματοποιούνται στην διακοπτική

58 συχνότητα. Επομένως, οι απώλειες αγωγής μπορούν να μειωθούν χρησιμοποιώντας στοιχεία με υψηλότερους χρόνους ανάστροφης ανάκτησης. Όπως και στο σύστημα ανύψωσης τάσης η έγχυση του ρεύματος γίνεται με τη χρήση τριών διακοπτών τεσσάρων τεταρτημορίων πάντα στη φάση με την τρέχουσα μικρότερη απόλυτη τάση. Ο έλεγχος της διάταξης αυτής και πάλι χωρίζεται σε διαστήματα 60 0 προκειμένου να εξασφαλιστεί η ημιτονικότητα των ρευμάτων εισόδου. Το ισοδύναμο κύκλωμα για το διάστημα λειτουργίας, κατά το οποίο παρουσιάζεται στο σχήμα Το ανορθωτικό σύστημα πρέπει να είναι ισοδύναμο με ένα συμμετρικό τριφασικό φορτίο το οποίο παρουσιάζει αγωγιμότητα στην βασική αρμονική του δικτύου. Επομένως, οι τοπικές μέσες τιμές των (παλμικών) ρευμάτων εισόδου μπορούν να γραφτούν ως: (θεωρούμε, δηλαδή μηδενική πτώση τάσης στο πηνίο του φίλτρου εισόδου). Η αναφορά του ρεύματος εξόδου, που πρέπει να επιτευχθεί από τον μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, δίνεται υπό την υπόθεση συμμετρικού τριφασικού δικτύου από τη σχέση: (όπου το πλάτος των φασικών τάσεων και η τάση εξόδου του μετατροπέα). Με θεώρηση: α) ιδανικού ελεγκτή εξόδου και β) (μέσο ρεύμα πηνίου ισούται με το ρεύμα εξόδου) τα ρεύματα στις φάσεις a και c διαμορφώνονται με κατάλληλη παλμοδότηση (PWM) των διακοπτών και ως: και. Από τις παραπάνω σχέσεις οι λόγοι κατάτμησης των διακοπτών και προκύπτουν αντίστοιχα: υπόψη την διακλάδωση του ρεύματος στον κόμβο Y και τη συνθήκη και Λαμβάνοντας ή ισοδύναμα, προκύπτει ρεύμα έγχυσης: (εδώ φάση b).. Επομένως, το σωστό ρεύμα εγχέεται στην τρίτη φάση

59 2.3.3 Μετατροπείς ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης Τοπολογία υποβιβασμού-ανύψωσης με εν σειρά σύνδεση (Buck and Boost converter in cascade connection) Σχήμα 2.16 : Μετατροπέας υποβιβασμού ανύψωσης αποτελούμενος από δύο στάδια συνδεδεμένα σε σειρά. [17] Όπως φαίνεται στο σχήμα 2.16 το στάδιο εισόδου (στάδιο υποβιβασμού) του παραπάνω μετατροπέα αποτελείται από έξι διακόπτες ( κάθε ένας εκ των οποίων συνδέεται σε σειρά με μία δίοδο. Το στάδιο εξόδου (στάδιο ανύψωσης) αποτελείται από τον διακόπτη,την δίοδο και το πηνίο. Το στάδιο εισόδου λειτουργεί σαν μετατροπέας διόρθωσης του συντελεστή ισχύος δημιουργώντας ημιτονοειδές ρεύμα στην είσοδο της διάταξης. Στην περίπτωση που η τάση εξόδου είναι μικρότερη από την μέγιστη πολική τάση εισόδου μόνο το στάδιο εισόδου χρησιμοποιείται και ο μετατροπέας λειτουργεί σε κατάσταση υποβιβασμού τάσης. Το ρεύμα κατευθύνεται από την είσοδο προς την έξοδο μέσω του πηνίου. Όταν η τάση του πυκνωτή εξόδου γίνει μεγαλύτερη από την μέγιστη πολική τάση τότε ο διακόπτης πρέπει να ενεργοποιείται καταλλήλως. Τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος παλμοδοτούνται μέσω της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών. Προκειμένου να επιτευχθεί σταθερή τάση εξόδου οι λόγοι κατάτμησης των διακοπτών πρέπει να προσαρμόζονται στην τάση εισόδου και στο φορτίο από έναν

60 ελεγκτή. Για συμμετρικό τριφασικό σύστημα ο μετατροπέας υποβιβασμούανύψωσης μπορεί να μοντελοποιηθεί από έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή με σταθερή τάση εισόδου (σχήμα 2.17). Ο έλεγχος υλοποιείται μέσω δύο βρόχων, ενός εξωτερικού τάσης και ενός εμφωλευμένου ρεύματος. Για τον έλεγχο της τάσης εξόδου, η τάση μετράται και συγκρίνεται με μία αναφορά. Το σφάλμα εισάγεται σε έναν PI ελεγκτή τάσης του οποίου η έξοδος είναι η αναφορά ρεύματος για τον εσωτερικό βρόχο ελέγχου. Το σφάλμα του ρεύματος αποκτάται αφαιρώντας από τη μέτρηση του ρεύματος του πηνίου την αναφορά. Τελικά, οι λόγοι κατάτμησης m και d του σταδίου υποβιβασμού και του σταδίου ανύψωσης αντίστοιχα υπολογίζονται από τον ελεγκτή ρεύματος. Προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη δυναμική απόκριση ένα αρχικό ρεύμα μπορεί να προστεθεί στην αναφορά. Σχήμα 2.17 : Μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα του τριφασικού μετατροπέα υποβιβασμούανύψωσης και δομικό διάγραμμα ελέγχου του. [17]

61 Τοπολογία ανύψωσης-υποβιβασμού με εν σειρά σύνδεση (Vienna Boost Rectifier in series with a 2-switch three-level Buck rectifier) Η παρακάτω τοπολογία αποτελείται επίσης από δύο στάδια. Έναν ανορθωτή ανύψωσης Vienna και έναν ανορθωτή υποβιβασμού 2 διακοπτών και τριών επιπέδων. Σημαντικό πλεονέκτημα της αποτελεί η δυνατότητα λειτουργίας υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος για μεγάλο εύρος της τάσης εξόδου. Ωστόσο απαιτεί πολύπλοκη μεθοδολογία ελέγχου ενώ παράλληλα δεν προσφέρει υψηλή πυκνότητα ισχύος. Σχήμα 2.18 : Τοπολογία ανύψωσης υποβιβασμού δύο σταδίων. [18]

62 - 44 -

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ 3.1 Μέσα αποθήκευσης ενέργειας Τύποι συσσωρευτών και χαρακτηριστικά τους Η μπαταρία είναι μία συσκευή που αποθηκεύει χημική ενέργεια και εν συνεχεία μετατρέπει αυτή τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική. Το γεγονός ότι αποτελούν φορητή πηγή ενέργειας, διαθέσιμη ανά πάσα χρονική στιγμή καθιστά τις μπαταρίες ιδιαίτερα ελκυστικές. Μια μπαταρία αποτελείται από ένα ή περισσότερα ηλεκτροχημικά κύτταρα. Κάθε κύτταρο απαρτίζεται από τα εξής μέρη: Το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το οποίο έχει περίσσεια ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια παράγονται από την οξείδωση του αγώγιμου αυτού ηλεκτροδίου κατά τη διαδικασία της εκφόρτισης. Το θετικό ηλεκτρόδιο, το οποίο παρουσιάζει έλλειμμα ηλεκτρονίων. Το ηλεκτρόδιο αυτό είναι επίσης αγώγιμο. Τον ηλεκτρολύτη. Μέσω αυτού γίνεται μεταφορά ιόντων μεταξύ θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου. Το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται εξαρτάται από τον τύπο της μπαταρίας ωστόσο σε κάθε περίπτωση δεν είναι αγωγός ηλεκτρονίων προκειμένου να αποφθεχθεί η αυτοεκφόρτιση της μπαταρίας. Τον μονωτή ο οποίος εξασφαλίζει ότι τα δύο ηλεκτρόδια της μπαταρίας δεν θα έρθουν ποτέ σε επαφή ενώ παράλληλα επιτρέπει τη διέλευση ιόντων μέσω του ηλεκτρολύτη. Ο μονωτής συνήθως δρα και ως μηχανική υποστήριξη του υλικού. Τα ηλεκτρικά στοιχεία χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες, τα πρωτογενή στοιχεία (primary cells) γνωστά και ως μη επαναφορτιζόμενα και τα δευτερογενή στοιχεία (secondary cells) γνωστά ως επαναφορτιζόμενα. Οι μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούνται μία φορά μέχρι την πλήρη εκφόρτιση τους και μετά αχρηστεύονται και αυτό γιατί σ αυτά τα στοιχεία λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση που δεν αναστρέφεται. Έχουν τα πλεονεκτήματα της χρηστικότητας και

64 της μικρότερης αξίας αγοράς σε σχέση με τις επαναφορτιζόμενες ωστόσο σε βάθος χρόνου το κόστος τους είναι μεγαλύτερο. Γενικά, έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα και αρχική τάση από τις επαναφορτιζόμενες και η χρήση τους συναντάται ευρέως σε καθημερινές ηλεκτρονικές συσκευές. Σχήμα 3.1 : Απεικόνιση εσωτερικής δομής μπαταρίας. [19] Το δευτερογενές στοιχείο, όταν αποδώσει τη χημική του ενέργεια μπορεί να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση. Αυτό επιτυγχάνεται αντιστρέφοντας τη διαδικασία, δηλαδή δίνοντας του ηλεκτρική ενέργεια, που αποθηκεύεται ως χημική. Αυτή η διαδικασία λέγεται φόρτιση ή επαναφόρτιση. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες έχουν το πλεονέκτημα της απόσβεσης του αρχικά μεγαλύτερου κόστους αγοράς σε βάθος χρόνου. Ωστόσο, παρουσιάζουν μεγαλύτερους ρυθμούς αυτοεκφόρτισης σε σύγκριση με τις μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Η διάρκεια ζωής τους εξαρτάται από το είδος τους, τη χρήση τους, την ηλικία τους και από την προσοχή με την οποία διαχειρίζονται. Οι μπαταρίες αυτές καλύπτουν σήμερα ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών και συναντώνται στην ηλεκτροκίνηση,στην κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια κατοικιών και γενικά όπου απαιτείται αξιόπιστη, αυτόνομη και ευέλικτη παροχή ενέργειας. Πολλές φορές η χρήση τους γίνεται σε συνεργασία με διατάξεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ( π.χ. αιολικά συστήματα, φωτοβολταϊκά κ.τ.λ.). Στο σχήμα 3.2 φαίνονται τυπικές επαναφορτιζόμενες και μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες του εμπορίου

65 Σχήμα 3.2 : Μπαταρίες εμπορίου.[20] Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά που περιγράφουν την λειτουργία μιας μπαταρίας είναι η τάση της, η χωρητικότητά της και το βάθος εκφόρτισης της (Depth of Discharge-DOD). Σύμφωνα με τα παραπάνω, μια μπαταρία ή μια συστοιχία μπαταριών κρίνεται κατάλληλη ή ακατάλληλη για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Η διαφορά δυναμικού κάθε στοιχείου, μετρούμενη σε volts (V), εξαρτάται από τη χημική σύνθεση των δύο ηλεκτροδίων. Η τάση που προκύπτει από τη χημική του σύνθεση είναι καταρχάς ονομαστική. Στην πραγματικότητα, το στοιχείο έχει μεν αυτή τη τάση αλλά όταν έχει όλη του την ενέργεια η τάση αυτή θα είναι λίγο μεγαλύτερη από την ονομαστική, ενώ όσο εξαντλείται η ενέργεια η τάση του θα είναι μικρότερη. Επιπλέον, η τάση που δείχνουν τα στοιχεία εν κενώ είναι εν γένει πλασματική. Έτσι, υπάρχει πιθανότητα σε ένα πρακτικά άδειο στοιχείο η μέτρηση εν κενώ να δείξει κάποια τάση, ωστόσο όταν το στοιχείο συνδεθεί με κάποιο φορτίο η τάση του να γίνει αμελητέα μικρή [21]. Η χωρητικότητα (C) μίας μπαταρίας ουσιαστικά είναι ένα μέτρο της ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύσει η συγκεκριμένη μπαταρία και μετράται σε αμπερώρια (Ah). Η χωρητικότητα δείχνει την θεωρητική διάρκεια που μπορεί να εκφορτίζεται ένα στοιχείο με κάποιο σταθερό ρεύμα. Έτσι για παράδειγμα, αν μια μπαταρία έχει ονομαστική χωρητικότητα 20 Ah αυτό σημαίνει ότι μπορεί να δίνει ρεύμα 20 Α για μία ώρα ή 10 Α ρεύμα για δύο ώρες ή 1 Α ρεύμα για 20 ώρες κ. ο. κ. Στην πράξη το παραπάνω είναι εντελώς θεωρητικό, καθώς όσο μεγαλώνει το ρεύμα εκφόρτισης τόσο μικραίνει ο θεωρητικός χρόνος και αντίστροφα όσο μικραίνει το ρεύμα τόσο

66 μεγαλώνει ο χρόνος. Τα ακριβή μεγέθη για κάθε τύπο συσσωρευτή εξαρτώνται από τις ιδιότητές του και μπορεί να υπάρξει εποπτεία για διαφορετικές καταστάσεις εκφόρτισης μέσω των διαγραμμάτων που προσφέρονται από τον κατασκευαστή. Πολλαπλασιάζοντας την χωρητικότητα (Ah) με την τάση (V) ενός συνόλου στοιχείων τότε μπορούμε να λάβουμε την συνολική ενέργεια σε βατώρες (Wh) που είναι αποθηκευμένη στα στοιχεία αυτά. Επομένως, για να είναι γνωστή η ενέργεια μιας συστοιχίας μπαταριών πρέπει να γνωρίζουμε τόσο τον αριθμό των στοιχείων που την αποτελούν όσο και τη χωρητικότητά τους. Το παραπάνω είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς αν για παράδειγμα από μια παρτίδα στοιχείων με χωρητικότητά 0.4 Ah φτιάξουμε μια μπαταρία με τέσσερα στοιχεία και μια με οχτώ σίγουρα θα έχουν την ίδια χωρητικότητα αλλά η δεύτερη μπαταρία θα έχει δυνατότητα αποθήκευσης διπλάσιας ενέργειας. Σε πολλούς τύπους μπαταριών, δεν μπορεί να απομαστευθεί η πλήρης ενέργεια που περιέχουν χωρίς ο συσσωρευτής να υποστεί σοβαρή ή ακόμη και ανεπανόρθωτη βλάβη. Για να αποφθεχθεί το παραπάνω, κάθε κατασκευαστής ορίζει μια επιτρεπόμενη στάθμη μέχρι την οποία μπορεί να εκφορτίζεται η μπαταρία με ασφάλεια. Η στάθμη αυτή ονομάζεται βάθος εκφόρτισης της μπαταρίας (Depth of Discharge-DOD). Ουσιαστικά, η στάθμη αυτή καθορίζει το ποσοστό της ενέργειας που μπορεί να δώσει η συγκεκριμένη μπαταρία για το στάδιο της εκφόρτισης. Το βάθος εκφόρτισης μετράται επί τις εκατό της (%) ονομαστικής χωρητικότητας. Έτσι για παράδειγμα, αν το βάθος εκφόρτισης μιας μπαταρίας είναι 75% (DOD= 75%) αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια το 75% της χωρητικότητας της μπαταρίας. Μερικοί ακόμα παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την χωρητικότητα μιας συστοιχίας μπαταριών είναι η θερμοκρασία τους,ο ρυθμός φόρτισης τους, το πόσο χρησιμοποιημένες είναι αλλά και το πόσο ευμενώς έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν. Υπάρχει πληθώρα τύπων και τεχνολογιών μπαταριών. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο θα παρουσιαστούν ωστόσο για χάρη συντομίας μόνο οι τύποι μπαταριών που χρησιμοποιούνται ή είχαν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς σε εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Αυτές είναι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέως (lead acid), νικελίου-καδμίου (NiCd),νικελίου-μετάλλου-υδριδίου (NiMH) και οι μπαταρίες

67 ιόντων λιθίου (Li-ion). Όλες οι παραπάνω είναι επαναφορτιζόμενες όπως προφανώς απαιτείται στις εφαρμογές ηλεκτροκίνησης όπου η επαναχρησιμοποίηση των μπαταριών κρίνεται πλέον απαραίτητη και μη διαπραγματεύσιμη Κυψέλες μολύβδου-οξέος (lead-acid) Οι κυψέλες αυτές ήταν οι πρώτες που μπορούσαν να επαναφορτιστούν περνώντας ένα αντίθετο ρεύμα μέσα από τα ηλεκτρόδιά τους. Παρότι επιδεικνύουν πολύ μικρές αναλογίες ενέργειας- βάρους και ενέργειας-όγκου, η ικανότητα να παρέχουν μεγάλα ρεύματα τους παρέχει σχετικά μεγάλη αναλογία ισχύος-βάρους. Παράλληλα, παρουσιάζουν μεγάλο κύκλο ζωής ενώ οι πρώτες ύλες για την κατασκευή τους (μόλυβδος και θείο) είναι άφθονες. Αυτά τα χαρακτηριστικά, μαζί με το μικρό τους κόστος, τις κάνει ελκυστικές για χρήση στους κινητήρες οχημάτων όπου απαιτείται μεγάλο ρεύμα εκκίνησης. Τα δύο ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα ως ορθογωνικά πλέγματα κράματος μολύβδου και αντιμονίου ή ασβεστίου προκειμένου να βελτιωθούν τα μηχανικά τους χαρακτηριστικά. Οι οπές του πλέγματος του αρνητικού ηλεκτροδίου γεμίζονται με σπογγώδη μόλυβδο ενώ του θετικού με διοξείδιο του μολύβδου (PbO 2 ). Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται διάλυμα θειικού οξέος (H 2 SO 4 ). Ο μονωτής επιλέγεται κατάλληλα ούτως ώστε να παρουσιάζει ειδικές μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες όπως διαπερατότητα, στιβαρότητα, ηλεκτρική αντίσταση, αντοχή στην οξείδωση αλλά και χημική συμβατότητα με τον ηλεκτρολύτη. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, καταναλώνεται το θειικό οξύ και επομένως παράγεται νερό το οποίο διαλύει τη συγκέντρωση θειικού οξέος στον ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόνια από την αρνητική πλάκα μεταπηδούν στην θετική και τελικά στο εξωτερικά συνδεδεμένο κύκλωμα στους ακροδέκτες της μπαταρίας. Τελικά και τα δύο ηλεκτρόδια μετατρέπονται σε διοξείδιο του μολύβδου. Οι αντιδράσεις εκφράζονται ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο:

68 - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο: Σχήμα 3.3 : Μπαταρία μολύβδου οξέος. [22] Κατά τη φόρτιση οι χημικές συστάσεις των δύο ηλεκτροδίων επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση. Έτσι, στο αρνητικό ηλεκτρόδιο σχηματίζεται μόλυβδος ενώ στο θετικό διοξείδιο του μολύβδου. Η αναστροφή ουσιαστικά της διαδικασίας πραγματοποιείται με μετακίνηση των ηλεκτρονίων από τη θετική πλάκα στην αρνητική μέσω της εξωτερικής πηγής φόρτισης. Οι χημικές αντιδράσεις έχουν πλέον ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο: - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο: Σε περίπτωση υπερφόρτισης με τάση μεγαλύτερης της ονομαστικής παράγεται οξυγόνο και υδρογόνο από την ηλεκτρόλυση του νερού σχηματίζοντας αέρια στην μπαταρία. Έτσι, για βελτιστοποίηση της λειτουργίας και αύξηση της διάρκειας ζωής

69 της απαιτείται περιοδική επιθεώρηση των επιπέδων του ηλεκτρολύτη και αναπλήρωση του νερού που έχει χαθεί. Επιπροσθέτως, εξαιτίας του νερού που παράγεται στο εσωτερικό της, η μπαταρία πρέπει να προστατεύεται από ακραίες χαμηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα όταν βρίσκεται σε χαμηλή στάθμη φόρτισης. Σε περίπτωση που το περιεχόμενο στο εσωτερικό της παγώσει είναι δυνατόν να δημιουργηθούν ρωγμές στο εξωτερικό κέλυφος καθώς επίσης και αδυναμία παροχής μεγάλων ρευμάτων σε όλες τις καταστάσεις λειτουργίας (φόρτιση -εκφόρτιση). Μεγάλη προσοχή θα πρέπει επίσης να δίνεται στην απόρριψή τους μετά το πέρας του κύκλου ζωής τους καθώς ο μόλυβδος είναι ιδιαίτερα τοξικός για τον άνθρωπο και το περιβάλλον Κυψέλες νικελίου-καδμίου (NiCd) Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου είναι πιο δύσκολο να υποστούν βλάβη σχετικά με άλλες μπαταρίες καθώς αντέχουν βαθιές εκφορτίσεις για μεγάλες περιόδους ενώ έχουν ελάχιστες απαιτήσεις ως προς τη συντήρηση. Επίσης παρουσιάζουν αυξημένη διάρκεια ζωής και επομένως παραμένουν πλήρως λειτουργικές για πολλούς κύκλους φόρτισης- εκφόρτισης. Σε σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου- οξέος χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας αφού είναι παράλληλα μικρότερες και πιο ελαφριές για την ίδια ονομαστική χωρητικότητα. Οι μπαταρίες αυτές είναι διαθέσιμες σε δύο τύπους, τις εξαεριζόμενες (vented) και τις σφραγισμένες (sealed). Οι πρώτες πρέπει να τοποθετούνται σε κατάλληλη θέση προκειμένου να εξαερίζονται άνετα ενώ απαιτούν νερό για συντήρηση. Συναντώνται είτε σε εμπορικές είτε στρατιωτικές εφαρμογές. Στον αντίποδα, οι σφραγισμένες δεν έχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις ως προς τη μεταχείριση ενώ δεν χρειάζονται συντήρηση. Στις μπαταρίες αυτές το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από υδροξείδιο του νικελίου και το αρνητικό από μεταλλικό κάδμιο ενώ ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου. Οι πλάκες του θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου, που είναι απομονωμένες μεταξύ τους μέσω του μονωτή, τυλίγονται σε σπειροειδή μορφή μέσα στη θήκη. Καθ αυτόν τον τρόπο η μπαταρία δύναται να προσφέρει αρκετά μεγαλύτερο μέγιστο ρεύμα προς το συνδεδεμένο στα άκρα της φορτίο

70 Σχήμα 3.4 : Κελί Νικελίου-Καδμίου.[23] Οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν τόπο κατά την εκφόρτιση είναι οι εξής : - Για το θετικό ηλεκτρόδιο: - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο: Αντίστοιχα, οι χημικές αντιδράσεις που περιγράφουν την εκφόρτιση τόσο για το θετικό όσο και για το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι και πάλι οι παραπάνω σχηματισμένες από τα δεξιά προς τα αριστερά. Οι μπαταρίες νικελίου καδμίου παρουσιάζουν υψηλούς ρυθμούς αυτοεκφόρτισης. Ένας τυπικός ρυθμός αυτοεκφόρτισης για αυτού του τύπου της μπαταρίες είναι 10% ανά μήνα σε θερμοκρασία 20 0 C. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες μολύβδου οξέως μπορούν να παραμείνουν αχρησιμοποίητες για μεγάλα χρονικά διαστήματα χωρίς να υποστούν απολύτως καμία βλάβη, ωστόσο αν αυτό πρόκειται να συμβεί πρέπει να

71 εκφορτίζονται σε ποσοστό τουλάχιστον 40% της ονομαστικής τους χωρητικότητας και να αποθηκεύονται σε δροσερό και ξηρό περιβάλλον. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τους είναι το φαινόμενο μνήμης που παρουσιάζουν αν εκφορτίζονται και στη συνέχεια φορτίζονται μέχρι την ίδια κατάσταση φόρτισης για πάρα πολλές φορές. Αποτέλεσμα του παραπάνω είναι ότι η μπαταρία θυμάται το σημείο του τελευταίου κύκλου όπου ξεκίνησε η επαναφόρτιση και σε μεταγενέστερες χρήσεις παρουσιάζει μια ξαφνική πτώση τάσης στο συγκεκριμένο σημείο σαν η μπαταρία να ήταν αποφορτισμένη Κυψέλες νικελίου-μετάλλου-υδριδίου (NiMH) Ουσιαστικά πρόκειται για μια βελτίωση των κυψελών νικελίου-καδμίου. Ως υλικό για το θετικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιείται υδροξείδιο του νικελίου (NiOOH) ενώ για το αρνητικό γίνεται χρήση κατάλληλου κράματος μετάλλου που έχει την ιδιότητα να απορροφά υδρογόνο. Έτσι, οι μπαταρίες είναι περισσότερο φιλικές προς το περιβάλλον αφού δεν περιέχουν κάδμιο ενώ παρουσιάζουν και μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος σε σχέση με τις προηγούμενες. Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται συμπυκνωμένο υδροξείδιο του καλίου ενώ ως μονωτής υδροφιλικό πολυπροπυλένιο προκειμένου να μειωθεί η αυτοεκφόρτιση του κελιού. Οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν τόπο κατά την εκφόρτιση είναι οι εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο: - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο: Η φόρτιση και πάλι περιγράφεται με σχηματισμό των παραπάνω εξισώσεων από τα δεξιά προς τα αριστερά

72 Σχήμα 3.5 : Εσωτερική δομή κελιού νικελίου-μετάλλου-υδριδίου. [24] Όπως και στην περίπτωση των κελιών νικελίου καδμίου έτσι και εδώ η αυτοεκφόρτιση των κελιών παραμένει ιδιαίτερα υψηλή. Το παραπάνω οφείλεται στην αντίδραση του διαλυόμενου στον ηλεκτρολύτη υδρογόνου με το θετικό ηλεκτρόδιο. Τέλος, φαινόμενα μνήμης είναι και εδώ πιθανόν να εμφανιστούν Κυψέλες λιθίου-ιόντων (Li-ion) Το λίθιο είναι ελκυστικό ως υλικό κατασκευής του αρνητικού ηλεκτροδίου μιας μπαταρίας εξαιτίας του μικρού βάρους, της μικρής του αντίστασης και της μεγάλης δυνατότητας μείωσης του όγκου του κατά την ηλεκτροχημική διεργασία. Η ανάπτυξη κυψελών ιόντων-λιθίου μεγάλης ενεργειακής πυκνότητας ξεκίνησε το Οι σύγχρονες αυτές κυψέλες δεν περιέχουν καθόλου μεταλλικό λίθιο και είναι επομένως πιο ασφαλείς στην επαναφόρτιση σε σχέση με πρώιμα κελιά λιθίου-μετάλλου. Η λειτουργία του κελιού ιόντων λιθίου απεικονίζεται σχηματικά στο σχήμα 3.6. Τα ιόντα μετατοπίζονται από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης. Τα περισσότερα κύτταρα ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε εμπορικές εφαρμογές έχουν ως υλικό του θετικού τους ηλεκτροδίου οξείδιο του κοβαλτίου (LiCoO 2 ) ενώ υπάρχουν και άλλα που

73 χρησιμοποιούν οξείδια του μαγγανίου (LiMnO 2 LiMn 2 O 4 ). Το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι άνθρακας, είτε με τη μορφή γραφίτη είτε με τη μορφή ενός άμορφου υλικού μεγάλης επιφάνειας. Ο άνθρακας είναι άφθονος και φθηνός ως υλικό, έχει μικρό βάρος και μπορεί να απορροφήσει ικανοποιητική ποσότητα λιθίου. Σε συνεργασία με ένα οξείδιο του μετάλλου ως θετικό ηλεκτρόδιο μπορεί να δώσει σχετικά μεγάλη τάση ανά κελί (από 4V σε κατάσταση πλήρους φόρτισης έως και 3V σε κατάσταση πλήρους εκφόρτισης). Σχήμα 3.6 : Σχηματική απεικόνιση ηλεκτροχημικών διεργασιών στο εσωτερικό ενός κελιού ιόντων λιθίου. [24] Σχήμα 3.7 : Πρισματική και κυλινδρική κατασκευή κελιών ιόντων λιθίου.[24]

74 Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από οργανικό υγρό και/ή διαλυμένο άλας (LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 ). Μικροπορώδη πολυμερισμένα φύλλα χαρτιού μεταξύ αρνητικού και θετικού ηλεκτροδίου λειτουργούν ως μονωτής. Τα κελιά ιόντων λιθίου κατασκευάζονται σε διάφορα μεγέθη και σχήματα όπως φαίνεται στο σχήμα 3.7. Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες στο εσωτερικό του κελιού κατά τη φόρτιση περιγράφονται από τις παρακάτω εξισώσεις: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο: - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο: Σε περίπτωση υπερεκφόρτισης υπάρχει μεγάλη πιθανότητα μη αναστρέψιμου υπερκορεσμού του οξειδίου λιθίου- κοβαλτίου και παραγωγής οξειδίου του λιθίου. Η παραπάνω διαδικασία περιγράφεται από την εξίσωση: Τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα των κελιών λιθίου ιόντων είναι η μεγάλη ενεργειακή τους πυκνότητα από 150 έως 250 Wh/kg, η μεγάλη τάση (3.6 V), τα καλά χαρακτηριστικά φόρτισης- εκφόρτισης με περισσότερους από 500 κύκλους δυνατούς, η αποδεκτά χαμηλή αυτοεκφόρτιση (<10% ανά μήνα) και η απουσία φαινομένων μνήμης. Επίσης τα κελιά αυτά είναι πολύ πιο ασφαλή σε σχέση με άλλα ισοδύναμα που χρησιμοποιούν μεταλλικό λίθιο. Τέλος ένα ιδιαίτερα σημαντικό χαρακτηριστικό που προσφέρουν, στο πλαίσιο της αυτονομίας των ηλεκτροκίνητων οχημάτων, είναι η δυνατότητα γρήγορης επαναφόρτισης (<2h). Κύριο μειονέκτημα είναι η υψηλή τιμή τους. Όσον αφορά στη διαδικασία φόρτισης, αυτή πρέπει να ελέγχεται διαρκώς ειδικά όσο η μπαταρία πλησιάζει την μέγιστη τάση που έχει προκαθοριστεί από τον κατασκευαστή. Υπερφόρτιση ή θέρμανση πάνω από τους C προκαλεί τη σταδιακή διάβρωση του θετικού ηλεκτροδίου με απελευθέρωση φυσαλίδων αέρα

75 3.1.2 Υπερπυκνωτές Μια ακόμη σημαντική κατηγορία διατάξεων αποθήκευσης ενέργειας είναι οι υπερπυκνωτές. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην αντίστοιχη των συμβατικών πυκνωτών. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες όπου η ενέργεια αποθηκεύεται σε χημική μορφή, η ενέργεια στους πυκνωτές αποθηκεύεται στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται μεταξύ των οπλισμών τους. Οι υπερπυκνωτές ταξινομούνται σε τρείς διαφορετικές κατηγορίες, ανάλογα με τον σχεδιασμό των οπλισμών τους, ο οποίος καθορίζει το είδος της χωρητικότητας που παρουσιάζουν ως επί το πλείστον (χωρητικότητα διπλού στρώματος (double layer capacitance) και ψευδοχωρητικότητα (pseudocapacitance) ): Πυκνωτές διπλού στρώματος. Πρόκειται για ηλεκτροχημικούς πυκνωτές στους οποίους η χωρητικότητα διπλού στρώματος είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την ψευδοχωρητικότητα. Για την κατασκευή των οπλισμών τους χρησιμοποιούνται μείγματα ενεργού άνθρακα ή παραγώγων του. Ψευδοπυκνωτές. Πρόκειται για επίσης ηλεκτροχημικούς πυκνωτές. Σε αυτούς επικρατεί η ψευδοχωρητικότητα. Χρησιμοποιούν αγώγιμα πολυμερή ή μείγματα οξειδίων μετάλλου ως υλικά για τους οπλισμούς τους. Υβριδικοί πυκνωτές. Οι πυκνωτές με ασύμμετρα ηλεκτρόδια παρουσιάζουν σημαντική τιμή χωρητικότητας διπλού στρώματος στον έναν οπλισμό και σημαντική επίσης τιμή ψευδοχωρητικότητας στον άλλον οπλισμό. Η συνολική τιμή της χωρητικότητας που παρουσιάζουν επομένως οφείλεται και στις δύο συνιστώσες. Στο σχήμα 3.8 παρουσιάζεται μια σχηματική απεικόνιση των διαφορετικών κατηγοριών των υπερπυκνωτών. Επίσης αναγράφονται το είδος των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των ηλεκτροδίων σε κάθε κατηγορία

76 Σχήμα 3.8 : Κατηγοριοποίηση υπερπυκνωτών.[25] Οι υπερπυκνωτές γεφυρώνουν το χάσμα μεταξύ των συμβατικών πυκνωτών και των επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Έχουν τις μεγαλύτερες τιμές χωρητικότητας ανά μονάδα όγκου και την μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα απ όλους τους πυκνωτές. Σε σύγκριση με τις μπαταρίες, παρουσιάζουν πολύ μικρότερη ενεργειακή πυκνότητα, ωστόσο η πυκνότητα ισχύος τους είναι πολύ μεγαλύτερη. Η πυκνότητα ισχύος ορίζεται ως το γινόμενο της πυκνότητας ενέργειας και της ταχύτητας με την οποία η ενέργεια μεταφέρεται στο φορτίο. Η μεγάλη πυκνότητα ισχύος έχει ως αποτέλεσμα πολύ μικρότερους και πολύ περισσότερους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης σε σχέση με μια μπαταρία. Έτσι, ο χρόνος ζωής των υπερπυκνωτών είναι πολύ μεγαλύτερος ενώ το κόστος ενός κύκλου είναι αναλογικά μικρότερο. Παράλληλα, λόγω της μικρής εσωτερικής τους αντίστασης οι υπερπυκνωτές αντέχουν σε μεγάλες αιχμές ρεύματος ενώ φορτίζονται εύκολα χωρίς να υπάρχει κίνδυνος καταστροφής τους από υπερφόρτιση. Ωστόσο, οι υπερπυκνωτές κοστίζουν πολύ περισσότερο σε σχέση με τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, έχουν υψηλότερους βαθμούς αυτοεκφόρτισης και η τάση τους πέφτει σημαντικά κατά την εκφόρτιση. Τέλος, η αποτελεσματική αποθήκευση και ανάκτηση ενέργειας απαιτεί πολύπλοκο ηλεκτρονικό έλεγχο και

77 διακοπτικές διαδικασίες αυξάνοντας τις συνολικές απώλειες του συστήματος και το κόστος αγοράς του. Συστήματα υπερπυκνωτών αρχικά χρησιμοποιήθηκαν από τον στρατό των Η.Π.Α για την εκκίνηση τανκς και υποβρυχίων λόγω της μεγάλης ενέργειας εκκίνησης που απαιτούν. Σήμερα, οι υπερπυκνωτές χρησιμοποιούνται για αποθήκευση ενέργειας, για κίνηση σε μέσα μεταφοράς (αεροπλάνα, λεωφορεία κ.τ.λ.) αλλά και για παροχή μεγάλης ποσότητας ενέργειας για σύντομα χρονικά διαστήματα σε βιομηχανικές εφαρμογές. Σε εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων τέτοια συστήματα γίνονται όλο και περισσότερο αναγκαία. Στο πλαίσιο εφαρμογών ανάκτησης ενέργειας με σκοπό την μείωση του ενεργειακού αποτυπώματος στα μέσα μεταφοράς παγκοσμίως, είναι απαραίτητες διατάξεις που μπορούν να αποθηκεύουν (κατά την πέδηση) και να απελευθερώνουν γρήγορα (κατά την επιτάχυνση) μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Προβάλλεται ο ισχυρισμός ότι ένα ποσοστό μείωσης της τάξης του (20-60)% στην ποσότητα των καυσίμων μπορεί να επιτευχθεί ανακτώντας ενέργεια από την πέδηση σε εφαρμογές υβριδικών οχημάτων [25]. Όπως και να έχει, η χρήση υπερπυκνωτών γίνεται όλο και πιο δημοφιλής σήμερα στην διαχείριση και στην βελτιστοποίηση της χρήσης της παραγόμενης ενέργειας. Σχήμα 3.9 : Σχηματικό διάγραμμα συστήματος ανάκτησης κινητικής ενέργειας αγωνιστικών μονοθεσίων.[26]

78 Στο σχήμα 3.9 φαίνεται η λειτουργία του συστήματος ανάκτησης κινητικής ενέργειας (K.E.R.S- Kinetic Energy Recovery System) που χρησιμοποιείται σε αγωνιστικά μονοθέσια στην Formula1. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα σύστημα αποθήκευσης της κινητικής ενέργειας των τροχών κατά τη διάρκεια της πέδησης σε διατάξεις μπαταριών και υπερπυκνωτών. Η ενέργεια παρέχεται ξανά στον κινητήρα όταν ο οδηγός το επιθυμεί. 3.2 Φόρτιση συσσωρευτών Η διαδικασία της φόρτισης των συσσωρευτών είναι πολύ σημαντική τόσο για τη σωστή και αξιόπιστη λειτουργία των συσσωρευτών στην εφαρμογή για την οποία έχουν επιλεγεί όσο και για τη διάρκεια ζωής και την αποδοτικότητα των ίδιων των συσσωρευτών. Σε ακραίες περιπτώσεις λάθος σχεδιασμένης φόρτισης, είναι δυνατόν να σημειωθεί ακόμα και διαρροή του ηλεκτρολύτη της μπαταρίας με αποτέλεσμα την καταστροφή της διάταξης την οποία τροφοδοτεί η συστοιχία. Για να φορτιστεί ένας συσσωρευτής πρέπει να συνδεθεί με μια ηλεκτρική πηγή για κάποια χρονική περίοδο. Ο θετικός πόλος της πηγής τροφοδοσίας συνδέεται με τον θετικό πόλο της μπαταρίας ενώ ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας προκειμένου να περάσει ρεύμα από τους πόλους της αντίθετα απ ότι στην φάση της εκφόρτισης. Στην φάση της εκφόρτισης το ρεύμα περνάει από τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας προς τον θετικό προκειμένου να γίνει παροχή ισχύος από τον συσσωρευτή προς το εξωτερικά συνδεδεμένο κύκλωμα στους ακροδέκτες του. Η φόρτιση μπαταριών γίνεται αποκλειστικά με συνεχές ρεύμα και τάση (DC current & voltage). Δεν μπορεί να γίνει φόρτιση συσσωρευτών απευθείας από εναλλασσόμενη πηγή τροφοδοσίας (AC source). Για να υπάρχει ροή ρεύματος από την πηγή τροφοδοσίας προς τον συσσωρευτή πρέπει η τάση της πηγής να είναι μεγαλύτερη από την τάση του συσσωρευτή. Θέματα που σχετίζονται άμεσα με την φόρτιση είναι τόσο οι διαθέσιμοι τρόποι φόρτισης μπαταριών όσο και οι μετατροπείς οι οποίοι χρειάζονται για την εφαρμογή των παραπάνω μεθόδων. Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου φόρτισης και του κατάλληλου φορτιστή που θα την υλοποιήσει είναι κρίσιμη για την επιτυχία της εφαρμογής. Για παράδειγμα, σε μία εφαρμογή όπου απαιτείται να αναπληρωθεί γρήγορα η διαθέσιμη ενέργεια στους συσσωρευτές η ταχεία φόρτιση θεωρείται

79 επιτακτική. Επομένως, σημαντικοί κρίνονται επιπλέον οι παράγοντες ένταση της φόρτισης και χρόνος περάτωσης της φόρτισης, ζητήματα τα οποία επίσης αναλύονται παρακάτω Μέθοδοι φόρτισης συσσωρευτών Στην διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται πολλές μέθοδοι φόρτισης μπαταριών κάθε μια από τις οποίες ανταποκρίνεται καλύτερα σε συγκεκριμένες εφαρμογές και σε συγκεκριμένους τύπους μπαταριών. Συνολικά, οι κυριότερες μέθοδοι φόρτισης είναι οι εξής: Σταθερού ρεύματος (Constant Current) Η φόρτιση με σταθερό ρεύμα είναι η πιο γρήγορη μέθοδος για να δοθεί ξανά φορτίο στην μπαταρία. Παράλληλα, προσφέρει εξισορρόπηση μεταξύ των επιπέδων φόρτισης των κελιών της μπαταρίας (cell-to-cell equalization). Το παραπάνω είναι επιθυμητό όταν υπάρχει μεγάλος αριθμός κυττάρων σε σειρά καθώς τείνει να περιορίσει την ανισοκατανομή του φορτίου στην μπαταρία [27]. Οι φορτιστές που χρησιμοποιούν την μέθοδο του σταθερού ρεύματος μεταβάλλουν την τάση που εφαρμόζεται στις μπαταρίες ούτως ώστε να διατηρούν μια σταθερή ροή ρεύματος. Όταν η τάση των μπαταριών φτάσει την τιμή που παρουσιάζουν πλήρως φορτισμένες, η διαδικασία της φόρτισης σταματάει. Ωστόσο, σ αυτήν την μέθοδο ο χρόνος φόρτισης πρέπει να ελέγχεται αυστηρά και αυτό γιατί αν η φόρτιση συνεχίζεται για μεγάλο χρονικό διάστημα και ενώ η μπαταρία έχει φτάσει σε κατάσταση πλήρους φόρτισης τότε η τάση της αυξάνεται υπερβολικά, η μπαταρία υπερφορτίζεται, με αποτέλεσμα την διάβρωση του πλέγματος των ηλεκτροδίων, την παραγωγή αερίων, ακόμα την τελική καταστροφή της. Αυτό το προφίλ συνήθως χρησιμοποιείται για κύτταρα νικελίου-καδμίου (NiCd) και νικελίου-μετάλλουυδριδίου (NiMH). Σταθερής τάσης (Constant Voltage) Πρόκειται για μια πιο συντηρητική μέθοδος φόρτισης. Αυτή η μέθοδος μειώνει τον κίνδυνο διάβρωσης του πλέγματος των ηλεκτροδίων και της παραγωγής φυσαλίδων αερίου σε βάρος του χρόνου φόρτισης. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η αδυναμία εξισορρόπησης μεταξύ των κελιών της μπαταρίας

80 Επομένως, οι τάσεις των διαφόρων ομάδων κελιών και το επίπεδο φόρτισης τους θα διαφέρει εκτός και αν κάθε ομάδα φορτίζεται ξεχωριστά. Ένας φορτιστής σταθερής τάσης είναι ουσιαστικά ένα DC τροφοδοτικό το οποίο στην απλούστερή του μορφή μπορεί να αποτελείται από έναν μετασχηματιστή υποβιβασμού τάσης και έναν ανορθωτή διόδων. Ο τελευταίος, μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου σε συνεχή προκειμένου να φορτιστούν οι μπαταρίες. Τέτοιες απλές διατάξεις συχνά συναντώνται σε φθηνούς φορτιστές μπαταριών αυτοκινήτου. Τα κύτταρα μολύβδου-οξέως που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες αυτοκινήτου αλλά και σε εφεδρικά συστήματα παροχής ισχύος συχνά χρησιμοποιούν αυτό το προφίλ φόρτισης. Επίσης, κύτταρα λιθίου-ιόντων (Li-ion) μπορεί να χρησιμοποιούν συστήματα φόρτισης σταθερής τάσης τα οποία ωστόσο συνήθως είναι πιο πολύπλοκα με διατάξεις για την προστασία τόσο των ίδιων των συσσωρευτών όσο και του χρήστη. Κωνικού ρεύματος (Taper current) Σχήμα 3.10 : Φόρτιση με κωνικό ρεύμα σφραγισμένης μπαταρίας μολύβδου οξέος τάσης 6V και χωρητικότητας 4Ah.[28] Πρόκειται για μέθοδο φόρτισης από μη ελεγχόμενη πηγή τάσης. Συνήθως η τάση προέρχεται από μια γέφυρα πλήρους ανόρθωσης και έναν μετασχηματιστή

81 υποβιβασμού τάσης. Μεταξύ των μπαταριών και του μετατροπέα συνήθως τοποθετείται μια μικρή αντίσταση περιορισμού του ρεύματος σε σειρά, η τιμή της οποίας εξαρτάται από την τάση των μπαταριών σε κατάσταση πλήρους φόρτισης και από το μέγιστο ρεύμα φόρτισης [29]. Όσο αυξάνεται η τάση των φορτιζόμενων μπαταριών το ρεύμα που τραβάνε από την πηγή τροφοδοσίας μειώνεται. Επειδή σε αυτή τη μέθοδο φόρτισης η τάση που εφαρμόζεται πάνω στις μπαταρίες είναι μη ελεγχόμενη, μόλις αυτές φορτιστούν πλήρως το ρεύμα που απαιτούν αυξομειώνεται. Για να αποφθεχθεί επομένως ο κίνδυνος υπερφόρτισης πρέπει η διάρκεια της φόρτισης να είναι ελεγχόμενη. Η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη μόνο για σφραγισμένες μπαταρίες μολύβδου- οξέος (Sealed Lead-Acid batteries -SLA). Στο σχήμα 3.10 φαίνονται οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος για φόρτιση με τη μέθοδο κωνικού ρεύματος μιας σφραγισμένης μπαταρίας τύπου μολύβδου οξέος. Παλμική φόρτιση (Pulsed Charging) Οι παλμικοί φορτιστές παρέχουν το απαιτούμενο ρεύμα φόρτισης στην μπαταρία σε παλμούς. Ο ρυθμός φόρτισης,ο οποίος βασίζεται στο μέσο ρεύμα, μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια μεταβάλλοντας το εύρος των παλμών ( συνήθως ένα περίπου δευτερόλεπτο). Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της φόρτισης, μικρά χρονικά διαστήματα χαλάρωσης είκοσι έως τριάντα χιλιοστά του δευτερολέπτου μεταξύ των παλμών, επιτρέπουν στις χημικές διεργασίες μέσα στην μπαταρία να σταθεροποιηθούν εξισώνοντας τις χημικές αντιδράσεις σε όλο τον όγκο του ηλεκτροδίου πριν να ξαναρχίσει η φόρτιση. Αυτή η καθυστέρηση, επιτρέπει στην χημική αντίδραση να συμβαδίζει με τον ρυθμό της εισαγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Αν απαιτείται, είναι επίσης δυνατό να γίνει δειγματοληψία της τάσης ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας κατά τη διάρκεια των διαστημάτων χαλάρωσης. Φόρτιση με αρνητικούς παλμούς ( Negative Pulse Charging- Burp Charging- Reflex Charging) Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σε συνεργασία με την μέθοδο παλμικής φόρτισης. Εφαρμόζει έναν παλμό εκφόρτισης μικρής χρονικής διάρκειας,συνήθως δύο με τρείς φορές την τιμή του ρεύματος φόρτισης για πέντε χιλιοστά του δευτερολέπτου, κατά τη διάρκεια των διαστημάτων χαλάρωσης για να αποπολώσει

82 το κύτταρο. Αυτοί οι παλμοί διαλύουν τυχούσες φυσαλίδες αερίων που σχηματίζονται στα ηλεκτρόδια κατά τη διάρκεια της παλμικής φόρτισης, επιταχύνοντας τη διαδικασία της σταθεροποίησης των χημικών αντιδράσεων στο εσωτερικό της μπαταρίας και επομένως τη συνολική διαδικασία φόρτισης. Αμφιλεγόμενες απόψεις έχουν διατυπωθεί σχετικά με τον αν η μέθοδος παλμικής φόρτισης με ταυτόχρονη χρήση αρνητικών παλμών εκφόρτισης αυξάνει τον ρυθμό φόρτισης και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών όπως ισχυρίζονται οι υποστηρικτές της, πάντως θεωρείται βέβαιο ότι δεν επηρεάζει αρνητικά τις μπαταρίες. Στο σχήμα 3.11 παρουσιάζεται μια σχηματική απεικόνιση του συνδυασμού των δύο παραπάνω μεθόδων. Σε κάθε περίπτωση, το ιδανικό προφίλ φόρτισης που αφορά τη διάρκεια και το ύψος των παλμών φόρτισης και εκφόρτισης εξαρτάται από τη χημεία του κυττάρου και την κατασκευή του. Σχήμα 3.11 : Απεικόνιση ρεύματος κατά τη διαδικασία παλμικής φόρτισης. Στο σχήμα απεικονίζονται και οι αρνητικοί παλμοί εκφόρτισης για την σταθεροποίηση των χημικών αντιδράσεων στο εσωτερικό της μπαταρίας.[30] Σταθερού Ρεύματος Σταθερής Τάσης Σταθερού Ρεύματος (IUI Charging) Αυτή είναι μια σχετικά πρόσφατα ανεπτυγμένη τεχνική η οποία χρησιμοποιείται για ταχεία φόρτιση μπαταριών μολύβδου-οξέος από συγκεκριμένους κατασκευαστές. Αρχικά η μπαταρία φορτίζεται με σταθερό ρεύμα (I) μέχρι η τάση της να φτάσει μια καθορισμένη τιμή (συνήθως κοντά στην τιμή κατά την οποία αρχίζει ο σχηματισμός αερίων). Η πρώτη φάση του κύκλου φόρτισης είναι γνωστή ως bulk charge phase. Όταν η προκαθορισμένη τάση αναπτυχθεί, ο φορτιστής μεταβαίνει σε κατάσταση

83 φόρτισης σταθερής τάσης (U) και το ρεύμα που απαιτεί η μπαταρία αρχίζει να μειώνεται σταδιακά μέχρι να φτάσει κάποια επίσης καθορισμένη τιμή. Αυτό το δεύτερο κομμάτι του κύκλου ολοκληρώνει την κανονική φόρτιση της μπαταρίας σε ένα αργό μειούμενο ρυθμό. Τελικά, ο φορτιστής αλλάζει ξανά σε κατάσταση σταθερού ρεύματος (I) και η τάσης συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι ένα νέο υψηλότερο προκαθορισμένο όριο όπου και σβήνει ο φορτιστής. Το τελευταίο αυτό στάδιο χρησιμοποιείται για την εξίσωση του φορτίου σε κάθε κελί ούτως ώστε να αυξηθεί ο χρόνος ζωής της μπαταρίας. Trickle Charging Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για αντιστάθμιση της αυτοεκφόρτισης της μπαταρίας. Ουσιαστικά, πρόκειται για μια μέθοδο διαρκούς φόρτισης με σταθερό ρεύμα προκειμένου η μπαταρία να είναι έτοιμη να χρησιμοποιηθεί μακροπρόθεσμα όταν την χρειαστεί ο χρήστης. Χρησιμοποιείται κυρίως για μικρά ρεύματα φόρτισης και για φόρτιση μπαταριών μικρής χωρητικότητας οι οποίες αποτελούν μέρος του κυκλώματος ελέγχου συστημάτων μεγαλύτερης χωρητικότητας. Ο ρυθμός φόρτισης μεταβάλλεται ανάλογα με τη συχνότητα εκφόρτισης της μπαταρίας. Ωστόσο, η μέθοδος αυτή δεν είναι κατάλληλη για κάποιους τύπους μπαταριών οι οποίοι είναι ευάλωτοι σε ζημιά από υπερφόρτιση όπως τα κύτταρα νικελίου-μετάλλου-υδριδίου (NiMH) και τα κύτταρα ιόντων-λιθίου (Li-ion). Σε ορισμένες εφαρμογές, ο φορτιστής σχεδιάζεται να εισέρχεται σε κατάσταση trickle charging όταν η μπαταρία φορτισθεί πλήρως. Εφαρμόζεται κυρίως σε μπαταρίες νικελίου- καδμίου και μολύβδου- οξέος όπου η παρουσιαζόμενη αυτοεκφόρτιση είναι μη αμελητέα. Float Charging Η μπαταρία και το φορτίο είναι μονίμως συνδεδεμένα παράλληλα στη συνεχή πηγή παροχής ισχύος και διατηρούνται σε μία σταθερή τάση, μικρότερη από το πάνω όριο τάσης της μπαταρίας. Η παραπάνω μέθοδος χρησιμοποιείται για συστήματα εφεδρικής παροχής ισχύος έκτακτης ανάγκης. Χρησιμοποιείται κυρίως σε μπαταρίες μολύβδου-οξέος (lead-acid)

84 Τυχαία Φόρτιση (Random Charging) Όλες οι παραπάνω εφαρμογές περιλαμβάνουν ελεγχόμενη φόρτιση της μπαταρίας. Ωστόσο υπάρχουν πολλές εφαρμογές στις οποίες η ενέργεια για φόρτιση της μπαταρίας είναι διαθέσιμη ή παρέχεται με κάποιο τυχαίο μη ελεγχόμενο τρόπο. Αυτό είναι πολύ συνηθισμένο στην αυτοκίνηση, σε εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων ή σε εφαρμογές υβριδικών οχημάτων που περιλαμβάνουν τόσο κινητήρα εσωτερικής καύσης όσο και ηλεκτροκινητήρα. Στις περισσότερες από αυτές χρησιμοποιείται αναγεννητική πέδηση. Κατά τη διάρκεια του φρεναρίσματος παράγονται μεγάλες αιχμές ισχύος τις οποίες η μπαταρία οφείλει να αποθηκεύσει. Πιο εξευγενισμένες εφαρμογές ως προς την ομαλότητα της ισχύος αλλά ίδιας φύσεως είναι οι εγκαταστάσεις ηλιακών πάνελ όπου ωφέλιμη προς αποθήκευση ενέργεια παράγεται μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Όλες αυτές οι εφαρμογές απαιτούν ειδικές τεχνικές περιορισμού του ρεύματος ή της τάσης φόρτισης σε επίπεδα ανεκτά από την μπαταρία. Σε κάθε περίπτωση όσον αφορά στη διαδικασία φόρτισης, η διατομή των καλωδίων που συνδέουν την μπαταρία με τον φορτιστή, πρέπει να επιλέγεται με τέτοιον τρόπο ούτως ώστε η πτώση τάσης στο καλώδιο να είναι πολύ μικρή. Ωστόσο, οποιαδήποτε πτώση τάσης πάνω στο καλώδιο θα αυξήσει τον χρόνο φόρτισης σε κάποιο βαθμό. Για την καλύτερη δυνατή απόδοση, ο φορτιστής θα έπρεπε να ελέγχει την τάση της μπαταρίας στους ακροδέκτες της και όχι στους ακροδέκτες εξόδου της διάταξης φόρτισης. Το παραπάνω είναι ακόμα πιο σημαντικό για μεγάλα ρεύματα φόρτισης των συσσωρευτών Ρυθμός φόρτισης συσσωρευτών Η μέθοδος φόρτισης μιας μπαταρίας ουσιαστικά καθορίζει τον τρόπο με τον οποίον αυτή θα φορτισθεί, ωστόσο η διάρκεια της φόρτισης ρυθμίζεται από τον ρυθμό φόρτισης. Ο ρυθμός αυτός προσδιορίζεται από την ονομαστική χωρητικότητα των μπαταριών. Οι μπαταρίες μπορούν να φορτισθούν σε διαφορετικούς ρυθμούς ανάλογα με τις απαιτήσεις των εφαρμογών για τις οποίες προορίζονται. Τυπικοί ρυθμοί φαίνονται στον παρακάτω πίνακα :

85 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΔΙΑΡΚΕΙΑ (ώρες) ΡΥΘΜΟΣ Αργή φόρτιση C Γρήγορη φόρτιση C Ταχεία φόρτιση <1 1.0C Πίνακας 3.1: Ενδεικτικοί ρυθμοί φόρτισης συσσωρευτών.[30] Η αργή φόρτιση μπορεί να πραγματοποιηθεί με χρήση σχετικά απλών διατάξεων φόρτισης και πρέπει να γίνεται προσεχτικά ούτως ώστε να μην προκαλείται υπερθέρμανση των μπαταριών. Όταν ολοκληρώνεται η φόρτιση οι μπαταρίες πρέπει να απομακρύνονται από τον φορτιστή. Ιδιαίτερα τα κύτταρα ιόντων-λιθίου έχουν μηδενικές ανοχές σε υπερφορτίσεις ή υπερτάσεις και επομένως η φόρτιση θα πρέπει να τερματίζεται άμεσα όταν το άνω όριο τάσης επιτευχθεί. Τα κύτταρα νικελίουκαδμίου είναι γενικά τα πιο ανθεκτικά όσον αφορά στην αντοχή σε υπερφόρτιση. Ακολουθούν με σειρά μειούμενης αντοχής τα κύτταρα μολύβδου-οξέως και τα κύτταρα νικελίου-μετάλλου-υδριδίου. Όσο ο ρυθμός φόρτισης αυξάνεται, το ίδιο γίνεται και με τους κινδύνους υπερφόρτισης και υπερθέρμανσης της μπαταρίας. Ο τερματισμός της διαδικασίας φόρτισης την κατάλληλη χρονική στιγμή είναι πλέον ακόμη πιο κρίσιμος. Κάθε τύπος μπαταρίας έχει τη δικιά του κατασκευαστική χημεία και επομένως διαφορετική καμπύλη φόρτισης. Έτσι, οι φορτιστές πρέπει να είναι κατάλληλα σχεδιασμένοι να ανιχνεύουν τις συνθήκες τερματισμού της φόρτισης των μπαταριών τις οποίες διαχειρίζονται. Επιπλέον, η θερμοκρασία των μπαταριών πρέπει να παρακολουθείται στενά κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Η γρήγορη και η ταχεία φόρτιση απαιτούν πιο πολύπλοκους φορτιστές. Επειδή αυτοί οι φορτιστές πρέπει να σχεδιάζονται για συγκεκριμένες συνθήκες κάθε φορά, συνήθως δεν είναι δυνατόν να φορτισθεί με ασφάλεια ένας τύπος κυττάρου σε μια διάταξη η οποία σχεδιάστηκε για την φόρτιση ενός άλλου τύπου κυττάρου. Οι φορτιστές που είναι σε θέση να πραγματοποιούν το παραπάνω με ασφάλεια αναφέρονται ως universal chargers [30]. Αυτοί, είναι εφοδιασμένοι είτε με αισθητήρες για να μπορούν να αναγνωρίζουν τον τύπο του κυττάρου και να εφαρμόζουν το κατάλληλο προφίλ φόρτισης είτε με προκαθορισμένες επιλογές λειτουργίας (π.χ. διακόπτες επιλογής προφίλ λειτουργίας)

86 3.2.3 Τύποι και διατάξεις φόρτισης συσσωρευτών Οι φορτιστές συνήθως περιλαμβάνουν κάποια μορφή ρύθμισης τάσης ούτως ώστε να ελέγχουν την τάση φόρτισης που εφαρμόζεται στους συσσωρευτές. Η επιλογή της κατάλληλης διάταξης φόρτισης αποτελεί συνήθως μια αντιστάθμιση μεταξύ κόστους και επίδοσης του φορτιστή. Επίσης, μεγέθη όπως η τάση της συστοιχίας, η ισχύς της συστοιχίας, οι προδιαγραφές ασφαλείας αλλά και η εφαρμογή για την οποία απαιτούνται οι συσσωρευτές θα καθορίσουν σε μεγάλο βαθμό την επιλογή της διάταξης που θα χρησιμοποιηθεί. Παρακάτω, θα παρουσιαστούν συνοπτικά οι κυριότεροι τύποι φορτιστών και η τεχνολογία στην οποία στηρίζεται η λειτουργία τους. Ενδεικτικά, θα αναφερθούν και ορισμένες διατάξεις ισχύος που συχνά συναντώνται σε εφαρμογές φόρτισης. Σχετικά απλές διατάξεις φόρτισης μπορούν να υλοποιηθούν με τη χρήση γραμμικών τροφοδοτικών (Linear Power Supplies- DC Regulators). Τα γραμμικά τροφοδοτικά διακρίνονται σε δύο τύπους τους ρυθμιστές σειράς (Series Regulators) και του ρυθμιστές παράλληλης διακλάδωσης (Shunt Regulators) Σε αυτές τις διατάξεις η ισχύς για τη φόρτιση ελέγχεται, στην απλούστερη περίπτωση, μέσω ενός ημιαγωγικού στοιχείου που λειτουργεί στην ενεργό (γραμμική) περιοχή, δηλαδή συμπεριφέρεται ως ρυθμιζόμενη αντίσταση. Η πτώση τάσης που εμφανίζεται στα άκρα του ημιαγωγικού στοιχείου ισούται με τη διαφορά μεταξύ της τάσης εισόδου και της τάσης εξόδου της διάταξης. Όλο το ρεύμα του φορτίου περνάει μέσα από το στοιχείο ισχύος. Επειδή η διάταξη δεν λειτουργεί διακοπτικά, στην έξοδο παρέχεται καθαρά συνεχής τάση με μικρή κυμάτωση και επομένως δεν υπάρχει ανάγκη για μεγάλα και ογκώδη φίλτρα σταθεροποίησης. Συνήθως, χρησιμοποιείται μόνο ένας πυκνωτής εξομάλυνσης. Ωστόσο, οι διατάξεις αυτές παρουσιάζουν μεγάλες απώλειες ισχύος εξαιτίας της γραμμικότητας της λειτουργίας τους. Γενικά, η απόδοσή τους κυμαίνεται από (30-60)% ανάλογα με την ισχύ που καλούνται να διαχειριστούν [31]. Έτσι, η χρήση τους περιορίζεται αποκλειστικά σε εφαρμογές μικρής ισχύος. Παράλληλα όσο μεγαλώνει η ισχύς, απαιτούν κατάλληλα σχεδιασμένο ψυκτικό ούτως ώστε να απομακρύνει την θερμότητα που παράγεται στο ημιαγωγικό στοιχείο λόγω απωλειών

87 Οι ρυθμιστές παράλληλης διακλάδωσης συναντώνται συχνά σε φωτοβολταϊκά συστήματα καθώς δεν έχουν μεγάλο κόστος κατασκευής και είναι σχετικά απλοί στον σχεδιασμό [30]. To ρεύμα φόρτισης ελέγχεται από ένα διακόπτη ή ένα τρανζίστορ παράλληλα συνδεδεμένο με το πάνελ και την μπαταρία αποθήκευσης. Η υπερφόρτιση της μπαταρίας αποφεύγεται βραχυκυκλώνοντας την έξοδο του φωτοβολταϊκού μέσω του ημιαγωγικού διακόπτη όταν η τάση της μπαταρίας φτάσει σε μία προκαθορισμένη τιμή. Η λογική χρήσης της παραπάνω διάταξης μπορεί να επεκταθεί και σε άλλες εφαρμογές. Οι ρυθμιστές σειράς έχουν καλύτερο έλεγχο και χαρακτηριστικά φόρτισης. Σχήμα 3.12 : Ρυθμιστής παράλληλης διακλάδωσης (shunt regulator). [32] Η μεγαλύτερη και πιο σημαντική κατηγορία διατάξεων φόρτισης είναι οι διακοπτικοί ρυθμιστές ή διακοπτικά τροφοδοτικά ( Switch Mode Regulators- Switch Mode Power Supplies). Σε αυτές τις διατάξεις τα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα λειτουργούν ως διακόπτες, δηλαδή είναι είτε σε κατάσταση αγωγής είτε σε κατάσταση αποκοπής. Το ποσοστό του χρόνου αγωγής (ή χρόνου αποκοπής αντίστοιχα) στη διάρκεια μιας περιόδου λειτουργίας καθορίζει την τιμή της τάσης στην έξοδο του τροφοδοτικού. Αυτή η σχετική διάρκεια αγωγής ρυθμίζεται μέσω της τεχνικής της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Pulse Width Modulation). Αυτοί οι ρυθμιστές είναι πιο αποδοτικοί από τους γραμμικούς ωστόσο είναι και πιο πολύπλοκοι. Η απόδοσή τους κυμαίνεται από (75-95)% πάλι ανάλογα με το επίπεδο της ισχύος που διαχειρίζονται [31]. Το κύριο μειονέκτημα τους είναι ότι απαιτούν μεγάλο παθητικό φίλτρο στη έξοδό τους ούτως ώστε να εξομαλύνουν τις παλμικές κυματομορφές της τάσης ή του ρεύματος. Το μέγεθος των στοιχείων ωστόσο μπορεί να μειωθεί με την χρήση υψηλότερης διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας. Ωστόσο

88 μεγαλύτερες διακοπτικές συχνότητες έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση των διακοπτικών απωλειών αλλά και τη δημιουργία ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε άλλες ηλεκτρονικές συσκευές που δουλεύουν στο ίδιο περιβάλλον. Καθώς η φόρτιση των μπαταριών γίνεται με συνεχές ρεύμα-τάση, ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι διατάξεις μετατροπής συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC/DC power converters). Οι παραπάνω διατάξεις είναι σε θέση να διαχειριστούν συνεχή τάση η οποία συνήθως προέρχεται από την ανορθωμένη τάση του δικτύου μέσω μιας γέφυρας διόδων, όπως αναλύθηκε εκτενώς σε προηγούμενα κεφάλαια. Σχήμα 3.13 : Οι μονοφασικοί μετατροπείς ανύψωσης, υποβιβασμού και ανύψωσης υποβιβασμού Σ.Τ./Σ.Τ. [33] Η χρήση ενός buck ή ενός boost μετατροπέα σε μια εφαρμογή φόρτισης εξαρτάται από την ονομαστική τάση των κελιών μιας μπαταρίας και από το πλήθος τους. Η συνολική τάση της συστοιχίας ισούται προφανώς με το άθροισμα των τάσεων όλων των κελιών της. Έτσι, αν ο μετατροπέας καλείται να φορτίσει μια συστοιχία

89 μπαταριών της οποίας η συνολική τάση είναι μικρότερη από την τάση εισόδου του τότε χρησιμοποιείται μετατροπέας υποβιβασμού τάσης ενώ σε αντίθετη περίπτωση χρησιμοποιείται μετατροπέας ανύψωσης τάσης. Αν θέλουμε να κατασκευάσουμε ένα ευέλικτο σύστημα το οποίο να μπορεί να φορτίζει είτε σε τάση μεγαλύτερη από την τάση εισόδου του είτε σε μικρότερη, τότε χρησιμοποιείται μετατροπέας ανύψωσηςυποβιβασμού. Υπάρχουν εφαρμογές φόρτισης στις οποίες θεωρείται απαραίτητη τόσο η προστασία του κυκλώματος φόρτισης και τυχόν ευαίσθητου εξοπλισμού που συνδέεται σε αυτό όσο και των χειριστών της διάταξης. Σε αυτές, κρίνεται σκόπιμη η γαλβανική απομόνωση της διάταξης φόρτισης από την πηγή παροχής ισχύος (π.χ. δίκτυο, γεννήτρια κ.τ.λ.). Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με χρήση ενός μετασχηματιστή απομόνωσης μεταξύ της πηγής και της διάταξης είτε με τη χρήση διατάξεων μετατροπής συνεχούς τάσεως σε συνεχή που περιλαμβάνουν μετασχηματιστή απομόνωσης ως δομικό τους στοιχείο. Τέτοιες διατάξεις χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε διατάξεις φόρτισης. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι είναι οι μετατροπείς flyback, forward, push-pull [34]. Σχήμα 3.14 : Ο μετατροπέας Flyback. [34]

90 Σχήμα 3.15 : Ηλεκτρικό ισοδύναμο μετατροπέα Flyback. Όταν ο διακόπτης Δ είναι σε αγωγή, η δίοδος D 0 είναι πολωμένη ανάστροφα και έτσι δεν υπάρχει ροή ενέργειας προς την έξοδο. Η ενέργεια αποθηκεύεται στην επαγωγή μαγνήτισης του μετασχηματιστή. Όταν ο διακόπτης Δ είναι σε αποκοπή η ενέργεια μαγνήτισης μεταφέρεται προς την έξοδο ενώ η δίοδος D 0 πολώνεται ορθά. [34] Σχήμα 3.16 : Ο μετατροπέας Forward. [34]

91 Σχήμα 3.17 : Ηλεκτρικό ισοδύναμο μετατροπέα Forward. Όταν ο διακόπτης Δ είναι σε αγωγή η δίοδος D 1 πολώνεται ορθά, η D 0 ανάστροφα και η ενέργεια μεταφέρεται απευθείας από την είσοδο πρός την έξοδο. Όταν ο διακόπτης Δ δεν άγει τότε το πηνίο δίνει την ενέργεια του στην έξοδο ενώ η ενέργεια μαγνήτισης μεταφέρεται στην είσοδο όταν πολωθεί ορθά η δίοδος D 2. [34] Σχήμα 3.18 : Ο μετατροπέας Push-Pull. Ουσιαστικά πρόκειται για δύο μετατροπείς τύπου Forward οι οποίοι δουλεύουν εναλλάξ με διαφορά φάσης και λειτουργούν για το ίδιο χρονικό διάστημα (μισή διακοπτική περίοδος). Το ρεύμα στο πηνίο εξόδου παρουσιάζεται πιο εξομαλυμένο (μικρότερο πηνίο για συγκεκριμένη κυμάτωση της τάσεως εξόδου). [34] Μία ακόμη κατηγορία φορτιστών είναι οι παλμικοί φορτιστές [30]. Αυτοί χρησιμοποιούν ένα ημιαγωγικό στοιχείο παροχής ισχύος όπως και στα γραμμικά τροφοδοτικά. Η λειτουργία αυτών των διατάξεων υλοποιεί μια μορφή φόρτισης με παλμικό ρεύμα. Όταν η τάση της μπαταρίας είναι μικρή το τρανζίστορ παραμένει

92 ανοικτό και παρέχει το ρεύμα της πηγής κατευθείαν στην μπαταρία. Καθώς η τάση της μπαταρίας πλησιάζει την επιθυμητή τιμή το τρανζίστορ ανοιγοκλείνει, δημιουργώντας παλμικό ρεύμα προς την μπαταρία ούτως ώστε η τάσης της να διατηρηθεί σταθερά κοντά στην ονομαστική. Επειδή λειτουργεί σαν διακοπτικό τροφοδοτικό σε ένα κομμάτι του κύκλου φόρτισης έχει λιγότερες απώλειες από ένα γραμμικό τροφοδοτικό. Παράλληλα επειδή λειτουργεί σαν γραμμικό τροφοδοτικό στο υπόλοιπο κομμάτι του κύκλου φόρτισης, το φίλτρο εξόδου μπορεί να είναι μικρότερο. Η παλμική φύση του ρεύματος επιτρέπει στην μπαταρία να σταθεροποιηθεί ως προς τις χημικές αντιδράσεις στο εσωτερικό της με μικρές ποσότητες φορτίου σε προχωρημένα στάδια φόρτισης. Έτσι η διαδικασία της φόρτισης γίνεται πιο ευνοϊκή όπως εξηγήθηκε σε προηγούμενη υποενότητα. Οι παλμικοί φορτιστές συνήθως χρειάζονται περιορισμό του ρεύματος της πηγή παροχής ισχύος, κάτι που αυξάνει το κόστος κατασκευής τους. Σχήμα 3.19 : Υλοποίηση προφίλ φόρτισης ενός παλμικού φορτιστή.[35] Τέλος, μια ακόμη κατηγορία φορτιστών είναι οι επαγωγικοί φορτιστές. Η επαγωγική φόρτιση γνωστή επίσης και ως ασύρματη φόρτιση (Wireless Charging) δεν αναφέρεται στην διαδικασία της φόρτισης αλλά στη διάταξη που την υλοποιεί. Ουσιαστικά η πλευρά εισόδου του φορτιστή,το τμήμα του δηλαδή που συνδέεται με το εναλλασσόμενο δίκτυο, αποτελείται από έναν μετασχηματιστή με δύο τυλίγματα. Το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή τοποθετείται σε μια μονάδα που συνδέεται με το δίκτυο, ενώ το δευτερεύον τύλιγμα τοποθετείται στην ίδια σφραγισμένη μονάδα που περιέχει την μπαταρία μαζί με τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά που είναι υπεύθυνα για

93 τη φόρτιση. Αυτό επιτρέπει στην μπαταρία να φορτίζεται χωρίς γαλβανική επαφή με το δίκτυο διασφαλίζοντας παράλληλα την ασφάλεια του χρήστη. Στο πλαίσιο της φόρτισης ηλεκτροκίνητων οχημάτων η παραπάνω μέθοδος έχει δοκιμαστεί από μεγάλες εταιρίες αυτοκινήτων όπως η TOYOTA [36] και η VOLVO [37]. Ένα πηνίο στο εσωτερικό του οχήματος συλλέγει ρεύμα από ένα πηνίο το οποίο βρίσκεται τοποθετημένο στο δάπεδο του χώρου στάθμευσης. Έτσι, το όχημα φορτίζεται κατά τη διάρκεια της νύχτας. Για να βελτιστοποιηθεί η απόδοση του συστήματος και η μεταφορά ενέργειας, το διάκενο αέρος μεταξύ των δύο πηνίων πρέπει να μειωθεί στο ελάχιστο δυνατό. Αυτό επιτυγχάνεται χαμηλώνοντας το πηνίο που βρίσκεται στο εσωτερικό του οχήματος κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Επίσης για τον ίδιο ακριβώς λόγο, το όχημα πρέπει να τοποθετηθεί με ακρίβεια πάνω από την ενδοδαπέδια διάταξη. Σχήμα 3.20 : Επαγωγική φόρτιση μπαταριών ηλεκτροκίνητου οχήματος της εταιρίας Volvo.[37] 3.3 Παρουσίαση μπαταριών ηλεκτροκίνητου οχήματος εργαστηρίου Ο σωστός σχεδιασμός του συστήματος συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος είναι εξαιρετικής σημασίας. Η διαστασιολόγηση των μπαταριών και η τελική επιλογή τους πρέπει να γίνει με τέτοιον τρόπο ούτως ώστε να ικανοποιείται η αυτονομία του οχήματος και να κρατηθεί χαμηλά το κόστος/kwh αλλά και το βάρος

94 της συστοιχίας. Παρακάτω θα παρουσιαστούν τα στοιχεία που αφορούν τους συσσωρευτές όπως υπολογίστηκαν σε παλαιότερη διπλωματική εργασία [38]. Όσον αφορά στο ηλεκτροκίνητο όχημα του εργαστηρίου,οι συσσωρευτές οι οποίοι επιλέχθηκαν να αποθηκεύσουν και να παρέχουν την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια για την λειτουργία του οχήματος είναι κατασκευή της εταιρίας WINSTON battery. Πιο συγκεκριμένα, είναι το μοντέλο LYP90AHA. Οι μπαταρίες αυτές έχουν ονομαστική χωρητικότητα 90Ah ενώ η ονομαστική τάση κάθε κελιού είναι στα 3.2 V και είναι συσσωρευτές LPB λιθίου-σιδήρου-φωσφόρου με επικάλυψη υττρίου (αγωγός) στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο πράγμα που τους καθιστά κατάλληλους για εφαρμογές αυτοκίνησης. Επίσης, παρουσιάζουν μικρό βάρος βοηθώντας έτσι στη διατήρηση του συνολικού βάρους του ηλεκτροκίνητου οχήματος σε λογικά πλαίσια. Σχήμα 3.21 : Σύστημα συσσωρευτών ηλεκτροκίνητου οχήματος εργαστηρίου.[38] Οι μπαταρίες τροφοδοτούν τους δυο συνολικά ηλεκτρονικούς αντιστροφείς οι οποίοι ελέγχουν την κινητήρια μηχανή του οχήματος. Η μέγιστη τάση εισόδου των αντιστροφέων είναι 72 V με μέγιστη ανεκτή τάση τα 90 V. Προκειμένου να επιτευχθεί η υψηλότερη δυνατή τάση στους μετατροπείς, ούτως ώστε τα ρεύματα εισόδου τους να είναι όσο το δυνατόν μειωμένα, επιλέχθηκε η χρήση 24 συσσωρευτών. Συνολικά, η ονομαστική τάση λειτουργίας της διάταξης αποθήκευσης

95 ενέργειας είναι τα. Παράλληλα, η ονομαστική ισχύς της διάταξης είναι. Με αυτή τη διαθέσιμη ενέργεια, η αυτονομία του οχήματος υπολογίστηκε. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του κελιού που επιλέχθηκε. Σχήμα 3.22 : Χαρακτηριστικά κελιού LYP90AHA.[39] Σύστημα παρακολούθησης μπαταριών (BMS-Battery Monitoring System) Το ηλεκτροκίνητο όχημα του εργαστηρίου είναι εφοδιασμένο με σύστημα παρακολούθησης της κατάστασης των μπαταριών. Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από επιμέρους μονάδες μετρήσεων, συστήματα συλλογής, επεξεργασίας και αποθήκευσης πληροφοριών και συστήματα παρουσίασης των αποτελεσμάτων. Οι μονάδες μετρήσεων περιέχουν αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας, τάσεως και ρεύματος των μπαταριών. Μετά την παρακολούθηση και την καταγραφή των χαρακτηριστικών της κάθε ελεγχόμενης μονάδας το σύστημα επεξεργάζεται τις πληροφορίες και παρέχει σήματα συναγερμού όταν συμβεί σφάλμα ή αλλάξουν οι συνθήκες λειτουργίας των μπαταριών. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στον χρήστη να παρέμβει άμεσα ώστε να προστατέψει το σύστημα από επικείμενη βλάβη. Συνολικά, το ηλεκτροκίνητο όχημα του εργαστηρίου είναι εφοδιασμένο με τέσσερις διατάξεις παρακολούθησης των μπαταριών. Κάθε διάταξη είναι

96 επιφορτισμένη με την μέτρηση της τάσεως και της θερμοκρασίας της ομάδας των κελιών που την αφορά. Κάθε διάταξη επιβλέπει τη λειτουργία έξι κελιών, επομένως, οι τέσσερις διατάξεις καλύπτουν όλο το πλήθος των συνολικά 24 κελιών. Στο σχήμα 3.23 φαίνεται η κάτοψη μίας πλακέτας του συστήματος παρακολούθησης. Σχήμα 3.23 : Κάτοψη πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος παρακολούθησης της κατάστασης των συσσωρευτών.[38] Το διάγραμμα ροής περιγράφει με σαφήνεια και απλότητα όλες τις διεργασίες που πραγματοποιούνται με τη χρήση του μικροελεγκτή dspic30f4013 (στο κέντρο) ο οποίος αποτελεί την καρδιά του συστήματος συλλογής και επεξεργασίας πληροφοριών. Η μέτρηση του δυναμικού των κελιών γίνεται με χρήση της αναλογικής μονάδας του μικροελεγκτή. Η μετρούμενη τάση προσαρμόζεται μαθηματικά ούτως ώστε να υπολογισθεί το δυναμικό του κάθε κελιού. Αν η τάση του κελιού είναι μεταξύ φυσιολογικών τιμών τότε δεν παρέχεται καμία ένδειξη. Σε περίπτωση που η τάση είναι είτε πολύ μικρή είτε πολύ μεγάλη, τότε το σύστημα πληροφορεί τον χρήστη με διαφορετική ένδειξη κάθε φορά. Σε κάθε περίπτωση, παράλληλα μετράται και η θερμοκρασία του κελιού μέσω της θύρας I2C του μικροελεγκτή. Αν η θερμοκρασία είναι πάνω από την προκαθορισμένη τιμή ασφαλείας, τότε ο χρήστης και πάλι πληροφορείται μέσω αντίστοιχης λυχνίας ειδικά τοποθετημένης για τον σκοπό αυτόν. Το δομικό διάγραμμα παρουσιάζεται παρακάτω

97 Σχήμα 3.24 : Διάγραμμα ροής της διαδικασίας παρακολούθησης της κατάστασης των μπαταριών.[38] 3.4 Επιλογή μεθόδου φόρτισης συσσωρευτών Αφού παρουσιάστηκαν τα χαρακτηριστικά των μπαταριών του ηλεκτροκίνητου οχήματος του εργαστηρίου, οι αναφερόμενοι στην βιβλιογραφία μέθοδοι φόρτισης και οι προφυλάξεις που πρέπει να λαμβάνονται ούτως ώστε η φόρτιση να γίνεται με αποτελεσματικότητα και με ασφάλεια, το επόμενο βήμα είναι η επιλογή του κατάλληλου προφίλ αλλά και του ρυθμού με τον οποίον θα φορτισθούν οι συσσωρευτές. Το προφίλ φόρτισης που χρησιμοποιείται είναι μια παραλλαγή της μεθόδου IUI που αναφέρθηκε στην ενότητα Αυτό το προφίλ αναφέρεται ως φόρτιση σταθερής τάσης με περιορισμό του ρεύματος (Current-Limited Constant-Voltage charging or IU Charging). Η παραπάνω, είναι μια πολύ δημοφιλής και αποτελεσματική μέθοδος φόρτισης πολλαπλών σταδίων που επιτρέπει στις μπαταρίες

98 να φορτισθούν γρήγορα (για μεγάλους ρυθμούς φόρτισης), χωρίς να καταστρέφει τα κελιά τους. Ουσιαστικά, χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος ο οποίος αρχίζει την φόρτιση των αποφορτισμένων μπαταριών με ένα συγκεκριμένο ρεύμα. Όταν η τάση τους φτάσει σε μία προκαθορισμένη τιμή ο αλγόριθμος αλλάζει τη λειτουργία του μετατροπέα σε κατάσταση σταθερούς τάσης μέχρι την πλήρη φόρτιση των συσσωρευτών. Στην αρχή της φόρτισης, το όριο του ρεύματος θα επιτευχθεί σχεδόν ακαριαία λόγω του υψηλού ρυθμού αποδοχής φορτίου των αφόρτιστων μπαταριών. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3.25, η τάση των μπαταριών αρχίζει να αυξάνεται καθώς το ρεύμα που απορροφούν έχει ήδη φτάσει το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα φόρτισης. Το ρεύμα που απαιτούν οι μπαταρίες σε αυτό το στάδιο είναι μεγαλύτερο από αυτό που τους προσφέρει ο μετατροπέας, ωστόσο λόγω του περιορισμού δεν μπορεί να μεγαλώσει παραπάνω. Το μέγιστο αυτό ρεύμα εξαρτάται προφανώς από τον ρυθμό φόρτισης που έχει επιλεχθεί για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Όσο οι μπαταρίες αρχίζουν να αποκτούν φορτίο η τάση τους αρχίζει να αυξάνει σημαντικά. Η φόρτιση με σταθερή τάση πραγματοποιείται αφού η τάση τους φτάσει την κατάλληλη τιμή. Η τιμή αυτή εξαρτάται από την αντοχή σε υπερθέρμανση του τύπου των μπαταριών που επαναφορτίζεται και γενικά από τη χημεία και τα χαρακτηριστικά τους. Η επιλογή του κατάλληλου κατωφλίου τάσης στο οποίο θα γίνει η μετάβαση από τη μία κατάσταση φόρτισης στην άλλη πρέπει να επιλέγεται με προσοχή προκειμένου να αποφεύγονται ανεπιθύμητα φαινόμενα υπερφόρτισης (π.χ. σχηματισμός αερίων, υπερθέρμανση, καταπόνηση ηλεκτροδίων) που μειώνουν το χρόνο ζωής των μπαταριών. Αφού η επιθυμητή τάση επιτευχθεί το ρεύμα που απαιτούν οι μπαταρίες μειώνεται λογαριθμικά μέχρι τον τελικό μηδενισμό του που σημαίνει το τέλος της φόρτισης. Στην περίπτωση των μπαταριών του ηλεκτροκίνητου οχήματος του εργαστηρίου, το στάδιο της φόρτισης με σταθερό ρεύμα θα γίνει με ρυθμό δηλαδή με μέγιστη τιμή ρεύματος τα 9A. Με αυτό το ρυθμό ο χρόνος φόρτισης των μπαταριών αυξάνεται σημαντικά ωστόσο αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί αυτός προκειμένου η κατασκευή του μετατροπέα που υλοποιεί την φόρτιση να γίνει πιο οικονομική. Σε περίπτωση που χρησιμοποιούνταν μεγαλύτερος ρυθμός, π.χ. τότε θα έπρεπε να χρησιμοποιηθούν ημιαγωγικά στοιχεία (τρανζίστορ και δίοδοι ισχύος) με

99 μεγαλύτερες αντοχές σε ονομαστικό ρεύμα και σε αυτή την περίπτωση το κόστος αυξανόταν σημαντικά. Παράλληλα, θα αυξανόταν και ο όγκος του μετατροπέα καθώς για τη διαχείριση μεγαλύτερων ρευμάτων θα χρειάζονταν πηνία με αγωγούς μεγαλύτερης ονομαστικής διατομής και άρα και μεγαλύτεροι πυρήνες για να επιτευχθεί η ίδια ονομαστική επαγωγή τόσο στο φίλτρο εισόδου όσο και στην εξομάλυνση. Επίσης, θα απαιτούνταν μεγαλύτερο θερμοαπαγωγικό σώμα για την ψύξη των ημιαγωγικών στοιχείων του φορτιστή. Σχήμα 3.25 : Εποπτική αναπαράσταση μεγεθών κατά τη φόρτιση σταθερού ρεύματοςσταθερής τάσης.[40] Από το φυλλάδιο του κατασκευαστή των μπαταριών προκύπτει ότι η τάση κάθε κελιού είναι δυνατόν να κυμανθεί από 2.5V έως 4V, όπου τα 2.5V αντιστοιχούν στην ελάχιστη δυνατή τάση εκφόρτισης και τα 4V στην μέγιστη δυνατή τάση φόρτισης. Σε κάθε περίπτωση, η τάση κάθε κελιού δεν μπορεί να κυμανθεί εκτός αυτού του εύρους τιμών χωρίς να προκληθεί βλάβη στη συστοιχία. Σύμφωνα με τα παραπάνω, επιλέχθηκαν τα 3.8V ως τάση φόρτισης κάθε κελιού. Επομένως, το κατώφλι στο οποίο ο μετατροπέας θα μεταβαίνει σε κατάσταση ελέγχου τάσης θα είναι 24*3.8V 91 V. Με την τάση να διατηρείται σταθερά στα 91V θα ολοκληρωθεί και το δεύτερο στάδιο της φόρτισης όταν το ρεύμα μειωθεί πάρα πολύ (τυπικά θα μηδενιστεί)

100 - 82 -

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ 4.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιαστεί η διάταξη διόρθωσης του συντελεστή ισχύος που υλοποιήθηκε και θα αναλυθεί η λειτουργία της. Η κατασκευή ενός μετατροπέα φόρτισης υποβιβασμού τάσης κρίνεται επιτακτική δεδομένης της μικρής ονομαστικής τάσης της συστοιχίας σε σχέση με την τάση εισόδου του ανορθωτή (πολική τάση δικτύου). Από τη μελέτη των διαφόρων ανορθωτικών διατάξεων που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 2 τελικά επιλέχθηκε η κατασκευή ενός τριφασικού μετατροπέα τύπου Buck όπως αυτός παρουσιάζεται στο άρθρο One- cycle Controlled Three-phase Buck-derived Rectifier [41], καθώς η διάταξη αυτή παρουσιάζει ενδιαφέρουσα μεθοδολογία ελέγχου και πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα ως προς τον συντελεστή ισχύος. Ουσιαστικά, ο μετατροπέας αυτός αποτελεί μια παραλλαγή του ενεργού ανορθωτή με έξι διακόπτες που αναλύθηκε στην υποενότητα Τα κύρια μέρη από τα οποία αποτελείται η διάταξη είναι μια τριφασική ανορθωτική γέφυρα εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή έξι διόδων, έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία οργανωμένα σε τρείς διακόπτες και το πηνίο στην έξοδο. Προκειμένου να χρησιμοποιηθούν μικρότεροι πυρήνες το κεντρικό πηνίο εξόδου διασπάστηκε σε δύο μικρότερα πηνία ίδιας επαγωγής. Ο έλεγχος του μετατροπέα θα βασιστεί στη διαίρεση της περιόδου του δικτύου σε έξι ίσα διαστήματα με διάρκεια 60 0 το καθένα. Κατά τη διάρκεια καθενός από τα έξι ίσα διαστήματα και σύμφωνα με τη λογική ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα η λειτουργία του είναι όμοια με αυτήν ενός μετατροπέα Buck και γι αυτό η διάταξη αποκαλείται τύπου Buck (Bucktype). Παράλληλα, με τη χρήση τριφασικού μετατροπέα επιτυγχάνεται ομοιόμορφη φόρτιση και των τριών φάσεων του δικτύου ενώ το ρεύμα μοιράζεται ισόποσα στις τρείς φάσεις. Έτσι, εξασφαλίζεται μικρό ρεύμα εισόδου και κατ επέκταση μικρότερη επιβάρυνση των ημιαγωγικών στοιχείων στην είσοδο του μετατροπέα αλλά και

102 δυνατότητα κατασκευής μικρότερων και πιο συμπαγών πηνίων στο φίλτρο εισόδου μειώνοντας τον συνολικό όγκο της διάταξης. 4.2 Μέθοδος ελέγχου του φορτίου (Charge Control) [42] Η μέθοδος ελέγχου του φορτίου είναι μία μέθοδος σταθερής συχνότητας, στην οποία ελέγχεται η μέση τιμή του ρεύματος του ημιαγωγικού στοιχείου που χρησιμοποιείται σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Το δομικό διάγραμμα της μεθόδου αυτής παρατίθεται στο σχήμα 4.1. Σχήμα 4.1 : Δομικό διάγραμμα μεθόδου ελέγχου του φορτίου.[42] Το ρεύμα του ημιαγωγικού στοιχείου μετράται και στη συνέχεια κατευθύνεται προς έναν πυκνωτή C T, φορτίζοντάς τον μέχρι μία προκαθορισμένη τιμή τάσης V C. Μόλις η επιθυμητή τάση του πυκνωτή επιτευχθεί, το ημιαγωγικό στοιχείο απενεργοποιείται και ο πυκνωτής εκφορτίζεται μέχρι η τάση του να μηδενιστεί. H επαναφορά του πυκνωτή στο μηδέν πραγματοποιείται με χρήση ενός ακόμα ελεγχόμενου διακόπτη συνδεδεμένου παράλληλα με τον πυκνωτή ολοκλήρωσης, ο οποίος ενεργοποιείται ταυτόχρονα με τη σβέση του κύριου ημιαγωγικού στοιχείου. Αν συμβολίσουμε με τη στιγμιαία τιμή της τάσης του πυκνωτή και με

103 το στιγμιαίο ρεύμα του ημιαγωγικού στοιχείου τότε σε κάθε χρονική στιγμή, η παραπάνω διαδικασία περιγράφεται από την μαθηματική σχέση:,όπου το είναι μια σταθερά στάθμισης η οποία συνήθως προκύπτει από τον λόγο των σπειρών του μετασχηματιστή που χρησιμοποιείται για την μέτρηση του ρεύματος του ημιαγωγικού στοιχείου. Το γεγονός ότι χρησιμοποιείται το ολοκλήρωμα του ρεύματος το οποίο ανά τακτά χρονικά διαστήματα μηδενίζεται καθιστά την μέθοδο ελέγχου του φορτίου αρκετά στιβαρή ως προς τον υψίσυχνο διακοπτικό θόρυβο σε σχέση με άλλες μεθόδους ελέγχου ρεύματος. Με επαναφορά του πυκνωτή V C στο μηδέν τυχόντα σφάλματα εντός μιας διακοπτικής περιόδου εξαλείφονται και δεν μεταβιβάζονται στις επόμενες. Ολοκληρώνοντας τη σχέση (4.1) στο χρονικό διάστημα (0,t),με t<t s, όπου T s η διακοπτική περίοδος λειτουργίας του μετατροπέα, και λαμβάνοντας υπόψη ότι ο πυκνωτής εκφορτίζεται μέχρι το μηδέν κάθε φορά, προκύπτει: Ο λόγος κατάτμησης με τον οποίον θα λειτουργεί ο μετατροπέας καθορίζεται κάθε φορά από το πότε η τάση του πυκνωτή θα φτάσει το προβλεπόμενο από τον χρήστη όριο V C. Αυτό θα συμβεί για χρόνο,όπου και θα ισχύει: Όμως, το ολοκλήρωμα στο δεύτερο μέρος της σχέσης (3.3) δίνει το φορτίο που διέρχεται μέσα από το ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο κατά τη διάρκεια του χρόνου αγωγής. Επομένως, η (4.3) γράφεται ισοδύναμα ως: Η σχέση (4.4) αποδεικνύει ότι η μέθοδος charge control, όπως φανερώνει και το όνομά της, δίνει τη δυνατότητα άμεσου ελέγχου του φορτίου του ημιαγωγικού στοιχείου μέσω της τάσης του πυκνωτή ολοκλήρωσης. Πολλαπλασιάζοντας και διαιρώντας το δεξιό μέλος της εξίσωσης (4.3) με την διακοπτική περίοδο T s έχουμε ισοδύναμα:

104 Η ποσότητα που εμφανίζεται στο δέυτερο μέρος της παραπάνω εξίσωσης ισούται με το μέσο ρεύμα που διέρχεται μέσα από το ημιαγωγικό στοιχείο στη διάρκεια μιας περιόδου. Επομένως, η σχέση (4.5) παίρνει την τελική της μορφή, που είναι και η σχέση στην οποία θέλουμε να καταλήξουμε : Σχήμα 4.2: Έλεγχος μονοφασικού μετατροπέα υποβιβασμού τάσης με χρήση της μεθόδου ελέγχου του φορτίου. Αριστερά απεικονίζεται το κύκλωμα υλοποίησης του ελέγχου του φορτίου. Δεξιά το ρεύμα του διακόπτη και η τάση του ολοκληρωτή για μια διακοπτική περίοδο. [43] Στο σχήμα 4.2 απεικονίζεται μια πιθανή υλοποίηση της μεθόδου ελέγχου φορτίου σε έναν μονοφασικό buck μετατροπέα. Αφού μετρηθεί το ρεύμα του διακόπτη, οδηγείται στον πυκνωτή χρονισμού C, ο οποίος κατάλληλα συνδεδεμένος με έναν τελεστικό ενισχυτή σχηματίζει έναν ολοκληρωτή. Εδώ, το σήμα ρεύματος ( ) μετατρέπεται σε σήμα τάσης μέσω της αντίστασης μέτρησης Όταν η

105 τάση του ολοκληρωτή φτάσει την αναφορά που έχει προκαθοριστεί παράγεται ένας λογικός παλμός υψηλής στάθμης στην έξοδο του συγκριτή. Ο παλμός αυτός οδηγείται στην είσοδο R του flip-flop, σβήνοντας τον διακόπτη (Q=0) και ενεργοποιώντας το reset του ολοκληρωτή ( ). Απαραίτητη για την λειτουργία του ελέγχου είναι η ύπαρξη ενός ρολογιού χρονισμού που συντονίζει την όλη διαδικασία, (όταν S=1 αρχίζει η ολοκλήρωση) επιβάλλοντας παράλληλα και την διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα. Στο σχήμα επίσης παρουσιάζεται το ρεύμα του ημιαγωγικού στοιχείου και η τάση του ολοκληρωτή. 4.3 Τριφασικός ανορθωτής υποβιβασμού τάσης Δ.Σ.Ι. Στο σχήμα 4.3 παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα του τριφασικού ανορθωτή που επιλέχθηκε. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας αποτελείται από έξι ημιαγωγικά στοιχεία, τα οποία οργανώνονται σε ομάδες των δύο σχηματίζοντας τελικά τρείς διακόπτες ( Οι διακόπτες,, ονομάζονται διακόπτες τεσσάρων τεταρτημορίων (four-quadrant switches). Ουσιαστικά, καθένας από αυτούς αποτελείται από δύο ημιαγωγικά στοιχεία το ένα τοποθετημένο με πλάτη στο άλλο. Απαραίτητη για την ορθή λειτουργία των διακοπτών αυτών είναι η ύπαρξη μιας διόδου αντιπαράλληλα προς κάθε κύριο ημιαγωγικό στοιχείο. Σχήμα 4.3 : Σχηματικό διάγραμμα μετατροπέα. [41] Στην περίπτωση ενός απλού μη ελεγχόμενου διακόπτη, όπως είναι μια δίοδος το ρεύμα μπορεί να περάσει μόνο προς μία κατεύθυνση και μόνο υπό την προϋπόθεση ότι η δίοδος είναι πολωμένη ορθά (positive on-state voltage), δηλαδή άγει. Το ρεύμα

106 αυτό αναφέρεται ως θετικό ρεύμα σε κατάσταση αγωγής (positive on-state current). Ίδια ακριβώς είναι και η συμπεριφορά ενός ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου (π.χ. μόσφετ) με την μόνη διαφορά ότι η χρονική στιγμή της έναυσης αγωγής και η συνολική διάρκεια καθορίζεται από την τάση στην πύλη ελέγχου του. Η συμπεριφορά αυτή απεικονίζεται στο σχήμα 4.4. Ένας τέτοιος διακόπτης αναφέρεται ως διακόπτης ενός τεταρτημορίου ( single-quadrant switch). Στην περίπτωση που αντιπαράλληλα με ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο (κύριο στοιχείο) τοποθετηθεί μια δίοδος, τότε ο σχηματιζόμενος διακόπτης επιτρέπει τη διέλευση τόσο θετικού ρεύματος καταστάσεως αγωγής όταν άγει το κύριο στοιχείο όσο και αρνητικού ρεύματος (negative on-state current) σε περίπτωση που η δίοδος πολώνεται ορθά. Επίσης, ο διακόπτης αυτός είναι σε θέση να μπλοκάρει θετικές τάσεις (positive off-state voltage), σε περίπτωση που δεν παλμοδοτείται το ημιαγωγικό στοιχείο, αλλά όχι και αρνητικές (negative off-state voltage) λόγω της μη ελεγχόμενης συμπεριφοράς της διόδου. Ο παραπάνω διακόπτης αναφέρεται ως διακόπτης δύο τεταρτημορίων (twoquadrant switch). Σχήμα 4.4 : Ημιαγωγικοί διακόπτες και καταστάσεις αγωγής τους. [44]

107 Στην περίπτωση ενός διακόπτη τεσσάρων τεταρτημορίων, δίνεται η δυνατότητα διέλευσης τόσο θετικού ρεύματος αγωγής όσο και αρνητικού ρεύματος αγωγής. Παράλληλα, ο διακόπτης είναι σε θέση να μπλοκάρει εκτός από θετική τάση και αρνητική τάση, εφόσον δεν παλμοδοτούνται τα ημιαγωγικά στοιχεία, καθιστώντας τον πιο ευέλικτο από τον διακόπτη δύο τεταρτοκυκλίων. Αυτό, το επιτρέπει η εν σειρά αλλά με αντίθετη φορά σύνδεση των δύο ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων. Ουσιαστικά πρόκειται για έναν δικατευθυντήριο διακόπτη όσον αφορά το ρεύμα, με δυνατότητα ρύθμισης της λειτουργίας του μέσω παλμών ελέγχου. Τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία κάθε διακόπτη λαμβάνουν στην πύλη τους τον ίδιο παλμό ελέγχου επομένως η έναυση και η σβέση τους γίνεται ταυτόχρονα. Ο διακόπτης αυτός παρουσιάζεται στο σχήμα 4.5 επίσης απεικονίζεται και μια εναλλακτική υλοποίηση του με χρήση ενός ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου και τεσσάρων διόδων. Σχήμα 4.5: Απεικόνιση διακόπτη τεσσάρων τεταρτημορίων. Η υλοποίηση του γίνεται είτε μέσω ενός ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου και τεσσάρων διόδων είτε με τη χρήση δύο ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων με ενσωματωμένες αντιπαράλληλες διόδους.[44] Έστω ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία του διακόπτη παλμοδοτούνται. Τότε μπορεί να υπάρξει ροή ρεύματος από την είσοδο (I) προς την έξοδο (0) μέσω του πρώτου τρανζίστορ και της αντιπαράλληλης διόδου του δεύτερου. Αντίστοιχα, για αντίθετη ροή ρεύματος, από την έξοδο (0) προς την είσοδο (I), το ρεύμα διέρχεται από το δεύτερο ημιαγωγικό στοιχείο και την αντιπαράλληλη δίοδο του πρώτου. Απαραίτητη προϋπόθεση για να άγουν οι δίοδοι επομένως είναι να έχει δοθεί παλμός έναυσης στα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. Συνεπώς, δίνεται η δυνατότητα ελέγχου της αγωγής

108 των αντιπαράλληλων διόδων και η δυνατότητα αποκοπής αρνητικής τάσης. Αυτό ξεχωρίζει τον διακόπτη τεσσάρων τεταρτημορίων από τον διακόπτη δύο τεταρτημορίων στον οποίον η αντίθετη ροή ρεύματος αρχίζει αυτόματα με την ορθή πόλωση της αντιπαράλληλης διόδου και ανεξάρτητα από τη παλμοδότηση του κύριου ημιαγωγικού στοιχείου. Οι διακόπτες αυτοί είναι υπεύθυνοι για την εφαρμογή της μεθόδου ελέγχου του φορτίου και για την διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η δυνατότητα ελέγχου που προσφέρουν είναι πολύ σημαντική για τη δημιουργία ημιτονοειδούς ρεύματος στην είσοδο του μετατροπέα. Η τριφασική γέφυρα διόδων είναι υπεύθυνη για την ανόρθωση της τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου με τη μόνη διαφορά ότι καλείται να διαχειριστεί διακοπτικό ρεύμα σε μεγάλη συχνότητα (ενεργό ανορθωτικό σύστημα). Τα ζεύγη των διόδων που άγουν κάθε φορά εξαρτώνται από την λειτουργία των διακοπτών στην είσοδο της γέφυρας, οι οποίοι όντας σε αγωγή ή μη καθορίζουν την τάση πόλωσης τους. Όταν δυο διακόπτες είναι ταυτόχρονα κλειστοί (ON) τότε πολώνεται ορθά η δίοδος που βρίσκεται στην φάση με το υψηλότερο δυναμικό, τίθεται σε αγωγή, και το ρεύμα κατευθύνεται προς την έξοδο του μετατροπέα. Η επιστροφή του ρεύματος στην είσοδο πραγματοποιείται μέσω της διόδου που συνδέεται με τον κλειστό διακόπτη που βρίσκεται σε χαμηλότερο δυναμικό (επίσης ορθά πολωμένη). Κατά τη διάρκεια του παραπάνω χρονικού διαστήματος, η ενέργεια από την είσοδο μεταφέρεται προς το φορτίο στην έξοδο, φορτίζοντας παράλληλα και τον πυκνωτή εξόδου ενώ το πηνίο συσσωρεύει ενέργεια. Όταν ο παλμός ελέγχου απενεργοποιήσει έναν εκ των δύο διακοπτών (OFF), το κύκλωμα διακόπτεται και το πηνίο μεταφέρει την ενέργεια που είχε συσσωρεύσει προς την έξοδο του μετατροπέα. Ο βρόχος κλείνει μέσω των διόδων της ανορθωτικής γέφυρας. Η λειτουργία του παραπάνω μετατροπέα λοιπόν είναι όμοια με την λειτουργία ενός μετατροπέα buck. Το πηνίο στην έξοδο του μετατροπέα ουσιαστικά επιτελεί αντίστοιχο έργο όπως και στην περίπτωση ενός απλού buck μετατροπέα. Η τιμή της επαγωγής επιλέγεται ανάλογα με την επιθυμητή κυμάτωση του ρεύματος στο πηνίο. Το ρεύμα εισόδου είναι παλμικό και πρέπει να φιλτραριστεί προκειμένου να επιτευχθεί ημίτονο. Με λειτουργία σε υψηλή διακοπτική συχνότητα ωστόσο οι αρμονικές του ρεύματος μπορούν να καθαριστούν πιο εύκολα και με χρήση μικρού παθητικού φίλτρου

109 4.3.1 Ανάλυση λειτουργίας μετατροπέα Η προτεινόμενη στο άρθρο μέθοδος αναφέρεται ως έλεγχος ενός κύκλου ( One Cycle Control ), η οποία χρησιμοποιεί ολοκληρωτές με εξωτερική επαναφορά για να πραγματοποιήσει τον μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Ουσιαστικά, η μέθοδος είναι ίδια με τη μέθοδο charge control όπως αυτή παρουσιάστηκε στην ενότητα 4.2. Με την μέθοδο ελέγχου του φορτίου, το ολοκλήρωμα του ρεύματος του πηνίου ακολουθεί μια κατάλληλη αναφορά ούτως ώστε τελικά να σχηματίζεται ρεύμα εισόδου ανάλογο της τάσεως εισόδου, δηλαδή ημιτονοειδές. Αυτό επιτυγχάνεται ελέγχοντας μόνο δύο διακόπτες τη φορά σε κάθε διάστημα των 60 0 της τάσης εισόδου με τον τρίτο διακόπτη να παραμένει διαρκώς σε αγωγή. Ο διακόπτης που παραμένει διαρκώς σε αγωγή σε κάθε διάστημα λειτουργίας είναι αυτός που βρίσκεται στη φάση με το μεγαλύτερο κατά απόλυτο τιμή δυναμικό. Το σχήμα 4.6 δείχνει τις κανονικοποιημένες κυματομορφές των τάσεων του δικτύου οι οποίες προκύπτουν από τους τύπους :,όπου V grms είναι η ενεργός τιμή της φασικής τάσης του δικτύου. Πάνω στο σχήμα φαίνεται επίσης ο διαχωρισμός των τάσεων εισόδου σε διαστήματα των Η λειτουργία του μετατροπέα και η λογική του ελέγχου θα αποσαφηνιστεί με το παρακάτω παράδειγμα. Κατά τη διάρκεια του διαστήματος ( ), ο διακόπτης S a είναι ανοικτός για ολόκληρο το διάστημα των 60 0,ενώ οι διακόπτες, ελέγχονται με τέτοιο τρόπο ώστε τα φασικά ρεύματα, να ακολουθούν τις φασικές τάσεις, αντίστοιχα. Δεδομένου του ότι η φάση a έχει το υψηλότερο δυναμικό το ρεύμα θα κατευθύνεται από το δίκτυο προς τον μετατροπέα μέσω του διακόπτη S a ενώ θα επιστρέφει είτε μέσω του διακόπτη είτε μέσω του και ανάλογα με το ποιος παλμοδοτείται. Επίσης, σε περίπτωση που κανένας από τους δύο δεν είναι σε αγωγή η

110 ενέργεια που έχει συσσωρευτεί στο πηνίο θα μεταφέρεται προς την έξοδο ενώ το ρεύμα εισόδου στιγμιαία θα μηδενίζεται. Κατά τη διάρκεια των διαστημάτων αγωγής το ρεύμα του αντίστοιχου διακόπτη ( ή ) ισούται με το ρεύμα του πηνίου, επομένως το ρεύμα του πηνίου μετράται για την εφαρμογή της μεθόδου charge control. Επιπλέον, επειδή + + = 0 και + + = 0, λόγω τριφασικής συμμετρίας, το φασικό ρεύμα θα ακολουθεί επίσης την φασική τάση επιτυγχάνοντας και σε αυτήν την φάση ημιτονοειδές ρεύμα εισόδου. Σχήμα 4.6: Κυματομορφές τριφασικών τάσεων δικτύου.[41] Για την εφαρμογή της μεθόδου ελέγχου είναι η απαραίτητη η ύπαρξη δύο ρολογιών (CKL p και CLK n ) τα οποία λειτουργούν με την ίδια συχνότητα, που συμπίπτει με τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα, αλλά με διαφορά φάσης Τα ρολόγια επιτρέπουν τον χρονισμό της διαδικασίας. Επίσης, απαραίτητη είναι και η ύπαρξη δύο ολοκληρωτών (Integrator_p, Integrator_n),οι οποίοι θα υλοποιούν τον έλεγχο του φορτίου. Στην αρχή ενός διακοπτικού κύκλου, το ρολόι CKL p θέτει σε αγωγή τον διακόπτη και το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα

111 Σχήμα 4.7 : Κυκλωματικό ισοδύναμο μετατροπέα για διάστημα λειτουργίας ( ). Η μέθοδος ελέγχου του φορτίου εφαρμόζεται αρχικά στον διακόπτη. [41] Το κύκλωμα που σχηματίζεται είναι ανάλογο ενός μετατροπέα buck και το πηνίο εξόδου φορτίζεται για όσο χρόνο άγει ο διακόπτης. Το ρεύμα του πηνίου που ισούται με το φασικό ρεύμα ολοκληρώνεται από έναν ολοκληρωτή (Integrator_p). Όταν η ολοκληρούμενη ποσότητα φτάσει την αναφορά του ρεύματος ο διακόπτης σβήνει και ο ολοκληρωτής επαναφέρεται στο μηδέν. Αυτή η διαδικασία μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά ως εξής:,όπου είναι η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα, η σταθερά χρόνου του ολοκληρωτή και είναι ο λόγος μετασχηματισμού του μετασχηματιστή του μετρητικού που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ρεύματος του πηνίου. Η εξίσωση (3.7) δείχνει ότι το μέσο φασικό ρεύμα ακολουθεί την αναφορά του ρεύματος σε κάθε διακοπτικό κύκλο. Επειδή η αναφορά του ρεύματος είναι ανάλογη της φασικής τάσης το μέσο ρεύμα της φάσης b θα ακολουθεί την φασική τάση με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται ημιτονοειδές ρεύμα. Όταν ο διακόπτης σβήσει, το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα 4.8. Πλέον, η ενέργεια μεταφέρεται από το πηνίο εξομάλυνσης προς την έξοδο και επομένως το πηνίο θα εκφορτίζεται. Παρότι ο διακόπτης της φάσης a είναι σε αγωγή το ρεύμα εισόδου θα μηδενιστεί στιγμιαία καθώς δεν υπάρχει δρόμος επιστροφής του ρεύματος προς το δίκτυο

112 Σχήμα 4.8: Κατάσταση μη παλμοδότησης ημιαγωγικών στοιχείων μετατροπέα για το διάστημα λειτουργίας ( ). Πλέον το ρεύμα του πηνίου κατευθύνεται προς την έξοδο και κλείνει βρόχο μέσω των διόδων της ανορθωτικής γέφυρας. [41] Για τον επόμενο μισό διακοπτικό κύκλο, ο διακόπτης ελέγχεται με αντίστοιχο τρόπο ούτως ώστε το μέσο ρεύμα της φάσης c να ακολουθεί επίσης την αναφορά του ρεύματος. Πλέον, το ρεύμα του πηνίου ολοκληρώνεται από τον δεύτερο ολοκληρωτή (Integrator_n). Το ρολόι CLK n είναι πλέον αυτό που καθορίζει πότε θα αρχίσει η ολοκλήρωση του ρεύματος του πηνίου μέχρι την αναφορά του ρεύματος και την επαναφορά του ολοκληρωτή στο μηδέν στη συνέχεια, πριν το πέρας του υπόλοιπου μισού της διακοπτικής περιόδου. Το ισοδύναμο κύκλωμα πλέον φαίνεται στο σχήμα 4.9. Σχήμα 4.9 : Κυκλωματικό ισοδύναμο μετατροπέα για διάστημα λειτουργίας ( ). Η μέθοδος ελέγχου του φορτίου εφαρμόζεται πλέον στον διακόπτη. [41]

113 Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλο το διάστημα ( ) ούτως ώστε να διαμορφωθούν ημιτονοειδώς τα ρεύματα εισόδου. Η κάθε ολοκλήρωση αρχίζει με τον παλμό χρονισμού από το αντίστοιχο ρολόι και τελειώνει πριν το πέρας μισής διακοπτικής περιόδου. Έτσι εξασφαλίζεται ότι σε καμία περίπτωση οι δύο ολοκληρωτές δεν θα λειτουργούν ταυτόχρονα και επομένως το ρεύμα του πηνίου που ολοκληρώνεται αντιπροσωπεύει για το αντίστοιχο χρονικό διάστημα το ρεύμα μίας μόνο φάσης. Με αυτήν την τεχνική ελέγχου, οι λόγοι κατάτμησης για τους διακόπτες, στο συγκεκριμένο διάστημα των 60 0 περιορίζονται στο 50% (μέγιστη τιμή). Παράλληλα, το μέσο ρεύμα εισόδου ακολουθεί την αναφορά του ρεύματος ανεξάρτητα από το ρεύμα του φορτίου. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα του φορτίου μπορεί να έχει μεγάλη κυμάτωση χωρίς αυτό ωστόσο να επηρεάζει την παραμόρφωση του ρεύματος εισόδου. Η αναφορά του ρεύματος η οποία αποτελεί κάθε φορά το όριο του ολοκληρούμενου ρεύματος του πηνίου παράγεται μετρώντας τις φασικές τάσεις και λαμβάνοντας υπόψη το διάστημα λειτουργίας στο οποίο βρίσκεται ο μετατροπέας. Ανάλογα λοιπόν με το διάστημα λειτουργίας αναθέτονται στους ολοκληρωτές οι κατάλληλες αναφορές και εφαρμόζεται ο έλεγχος του φορτίου στο αντίστοιχο ζεύγος διακοπτών. Έτσι, για παράδειγμα κατά τη διάρκεια του διαστήματος ο διακόπτης είναι ανοικτός για όλο το διάστημα των 60 0 ενώ στους άλλους διακόπτες εφαρμόζεται η τεχνική ελέγχου του φορτίου. Ο συνολικός έλεγχος του μετατροπέα επιτυγχάνεται με την υλοποίηση μπλοκ που παρουσιάζεται στην επόμενη υποενότητα Κύκλωμα ελέγχου Το συνολικό μπλόκ που είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο του μετατροπέα απεικονίζεται στο σχήμα Τα δομικά στοιχεία του μπλόκ ελέγχου είναι τα εξής: Κύκλωμα επιλογής διαστημάτων (region selection circuit) Κύκλωμα πολύπλεξης (multiplex circuit) Κύκλωμα ελέγχου του φορτίου (charge control circuit) Κύκλωμα λογικής (logic circuit)

114 Σχήμα 4.10 : Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ελέγχου μετατροπέα. [41] Το κύκλωμα επιλογής διαστημάτων είναι υπεύθυνο για το διαχωρισμό του χρόνου σε διαστήματα των 60 0 προκειμένου να επιτευχθεί ο έλεγχος. Σκοπός της λειτουργίας του είναι να καθορίζει το διάστημα λειτουργίας της διάταξης. Για να επιτευχθεί το παραπάνω απαιτείται η μέτρηση των τριών φασικών τάσεων εισόδου. Τις εξόδους αυτού του κυκλώματος, οι οποίες παρίστανται από έξι διαστήματα λειτουργίας (, χρησιμοποιεί τόσο το κύκλωμα πολύπλεξης όσο και το κύκλωμα λογικής. Το κύκλωμα πολύπλεξης παράγει τις αναφορές τις οποίες ακολουθεί το ρεύμα του πηνίου για την υλοποίηση του ελέγχου φορτίου με βάση τις φασικές τάσεις και τα διαστήματα των 60 0 από το κύκλωμα παραγωγής διαστημάτων. Το κύκλωμα αυτό παράγει δυο αναφορές ( και ) κάθε μια εκ των οποίων χρησιμοποιείται από τον αντίστοιχο ολοκληρωτή στο κεντρικό κύκλωμα ελέγχου. Οι αναφορές, καθορίζονται από τον πίνακα 4.1. Στο σχήμα 4.11 απεικονίζεται η αντιστοιχία μεταξύ

115 των τριών φασικών τάσεων του δικτύου και των υπολογισμένων αναφορών του ρεύματος όπως αυτές θα πρέπει να προκύπτουν για κάθε διάστημα Σχήμα 4.11: Τριφασικές τάσεις δικτύου (πάνω). Αναφορές που οφείλει να ακολουθεί το ολοκλήρωμα του ρεύματος του πηνίου για το αντίστοιχο διάστημα λειτουργίας.[41] Το κύκλωμα ελέγχου του φορτίου αποτελεί τον πυρήνα της λογικής charge control. Σ αυτό, το ρεύμα του πηνίου ολοκληρώνεται μέχρι τις αναφορές οι οποίες έχουν δημιουργηθεί στα προηγούμενα στάδια του ελέγχου και σταθμίζονται με ένα κέρδος το οποίο προκύπτει από έναν PI έλεγχο της τάσης ή του ρεύματος εξόδου ανάλογα με το μέγεθος που επιθυμούμε να ρυθμίσουμε. Όταν το ρεύμα του πηνίου φτάσει την εκάστοτε αναφορά ένα σήμα reset εφαρμόζεται στον αντίστοιχο ολοκληρωτή και ένας παλμός παράγεται από την έξοδο ενός σύγχρονου ακολουθιακού κυκλώματος RS flip-flop. Συνολικά, το κύκλωμα ελέγχου αποτελείται από δύο flip-flop, ένα για κάθε ολοκληρωτή. Οι έξοδοι των δύο αυτών ακολουθιακών κυκλωμάτων οδηγούνται στο κύκλωμα λογικής για το τελικό στάδιο του ελέγχου. Το κύκλωμα λογικής δέχεται τις εξόδους του κεντρικού κυκλώματος ελέγχου προκειμένου να παράγει τους τελικούς παλμούς που ρυθμίζουν την έναυση και τη σβέση των συνολικά έξι ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, κάθε διακόπτης της διάταξης αποτελείται από δυο ημιαγωγικά

116 στοιχεία τα οποία δέχονται κοινό παλμό ελέγχου στην πύλη τους. Η αντιστοίχιση των δύο εισόδων του κυκλώματος λογικής με τις τρείς εξόδους του (μία για κάθε διακόπτη) γίνεται επίσης μέσω του πίνακα 4.1. Εκτενής ανάλυση των επιμέρους δομικών στοιχείων του κυκλώματος ελέγχου θα γίνει στο επόμενο κεφάλαιο. Παράλληλα, θα παρουσιαστούν και τα αντίστοιχα μοντέλα τους στην προσομοίωση αλλά και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του μετατροπέα ισχύος προς επιβεβαίωση των ανωτέρω. Πίνακας 4.1 : Αναφορές ολοκληρωτών και παλμοί μεθόδου ελέγχου του φορτίου για τα διάφορα διαστήματα λειτουργίας του μετατροπέα. [41]

117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 5.1 Επιλογή προγράμματος προσομοίωσης Πριν την κατασκευή και την πειραματική επαλήθευση της λειτουργίας του μετατροπέα κρίνεται απαραίτητη η επιβεβαίωση των θεωρητικά αναμενόμενων αποτελεσμάτων μέσω της προσομοίωσης. Η υπολογιστική ισχύς και οι δυνατότητες των σύγχρονων υπολογιστών αξιοποιούνται προκειμένου να προσομοιωθεί η λειτουργία πολύπλοκων μετατροπέων. Μάλιστα, στην περίπτωση εξειδικευμένων εφαρμογών συχνά, εκτός από την λειτουργία του μετατροπέα αυτήν καθ αυτήν συνήθως προσομοιώνονται η θερμική συμπεριφορά του συστήματος όπως επίσης και η ηλεκτρομαγνητική του αλληλεπίδραση με τις γειτονικές συσκευές [45]. Στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής εργασίας, προσομοιώνεται η λειτουργία του τριφασικού ανορθωτή ως διάταξη φόρτισης συσσωρευτών και του κυκλώματος ελέγχου του που είναι υπεύθυνο για την διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η σωστή λειτουργία του συστήματος στην προσομοίωση είναι πολύ σημαντική πριν την μεταπήδηση στην κατασκευή διότι πολλά προβλήματα που παρουσιάζονται στο πρώτο στάδιο, αν δεν επιλυθούν και δεν βρεθεί η αιτιολογία τους μπορεί να εμφανιστούν πολύ εντονότερα στην πειραματική επαλήθευση οπού υπεισέρχονται ζητήματα μη ιδανικότητας στην λειτουργία των επιμέρους συνιστωσών του μετατροπέα. Για την προσομοίωση ηλεκτρικών συστημάτων υπάρχει πληθώρα υπολογιστικών προγραμμάτων όπως π.χ. το MATLAB και το SPICE. Τα δύο αυτά προγράμματα έχουν μεγάλες υπολογιστικές δυνατότητες και μπορούν να προσομοιώσουν με πιστότητα τη λειτουργία πολύπλοκών συστημάτων. Ειδικά το πρόγραμμα SPICE προσφέρει ακόμα υψηλότερες δυνατότητες ως προς την προσομοίωση διακοπτικών απωλειών καθώς ενσωματώνει τα πλήρη ισοδύναμα μαθηματικά μοντέλα των ηλεκτρικών στοιχείων. Ωστόσο, για τη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε η χρήση του προγράμματος MATLAB εξαιτίας κυρίως της μεγαλύτερης ευκολίας που παρέχει στον χρήστη για διαχείριση πολύπλοκων κλειστών βρόχων ελέγχου, της πληθώρας μοντέλων για εξειδικευμένες εφαρμογές και του φιλικού προς τον χρήστη γραφικού

118 περιβάλλοντος SIMULINK στο οποίο το υποψήφιο προς προσομοίωση σύστημα αναπαρίσταται σχηματικά. Στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση των μοντέλων που δημιουργήθηκαν στο Simulink για την προσομοίωση της λειτουργίας του κυκλώματος ελέγχου. Αφού διασαφηνιστεί πλήρως η λειτουργία του κυκλώματος ελέγχου, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του μετατροπέα τόσο για τη λειτουργία σταθερού ρεύματος όσο και για τη λειτουργία σταθερού ρεύματος-σταθερής τάσης. Η τελευταία προσομοιώνει εξ ολοκλήρου την λειτουργία του τριφασικού ανορθωτή ως φορτιστή μπαταριών καθώς δίνει τη δυνατότητα εποπτείας της μεταβολής των ρευμάτων και των τάσεων στην έξοδο του μετατροπέα για όλα τα στάδια της φόρτισης. 5.2 Προσομοίωση κυκλώματος ελέγχου Σχήμα 5.1 :Γενική μορφή κυκλώματος ελέγχου στο περιβάλλον Simulink Η γενική μορφή του κυκλώματος ελέγχου του μετατροπέα σε περιβάλλον Simulink απεικονίζεται στο σχήμα 5.1. Είσοδοι του κυκλώματος ελέγχου είναι οι τάσεις εισόδου του μετατροπέα, το ρεύμα του πηνίου καθώς επίσης και το μετρούμενο μέγεθoς για τον έλεγχο κλειστού βρόχου και η αναφορά του, δηλαδή η

119 τάση στην έξοδο του μετατροπέα. Γνωρίζοντας ανά πάσα χρονική στιγμή την τάση και το ρεύμα εξόδου (δες ενότητα 5.3), παρέχεται στον χρήστη του φορτιστή η δυνατότητα υλοποίησης συγκεκριμένου προφίλ φόρτισης ενώ σε συνδυασμό με τη μέθοδο ελέγχου του φορτίου επιτυγχάνεται ο έλεγχος του μετατροπέα και η δυνατότητα λειτουργίας με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Έξοδοι του κυκλώματος ελέγχου είναι οι παλμοί προς τους ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος Κύκλωμα επιλογής διαστημάτων Σχήμα 5.2 : Σχηματικό διάγραμμα εισόδων και εξόδων κυκλώματος επιλογής διαστημάτων. Το κύκλωμα αυτό συγκρίνει τις τρείς φασικές τάσεις τροφοδοσίας της ανορθωτικής γέφυρας με μία τάση ίση με μηδέν. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται εντοπισμός του σημείου που οι κυματομορφές των τάσεων εισόδου τέμνουν το μηδέν (zero crossing detection των φασικών τάσεων). Για τον σκοπό αυτό έχουν χρησιμοποιηθεί τρείς συγκριτές οι οποίοι δίνουν λογική στάθμη 1 στην έξοδο τους όταν η προς σύγκριση τάση είναι μεγαλύτερη του μηδενός και λογικό 0 σε αντίθετη περίπτωση. Η μέτρηση των φασικών τάσεων στο περιβάλλον Simulink έγινε με χρήση των μετρητικών τάσης (voltage measurement) που αυτό διαθέτει. Στη συνέχεια, με χρήση τριών πυλών NOT λαμβάνουμε τα συμπληρώματα των εξόδων των συγκριτών. Έτσι, έχοντας στη διάθεσή μας τα τρία σήματα των συγκριτών και τα τρία σήματα των πυλών NOT είμαστε σε θέση να σχηματίσουμε τα

120 διαστήματα των 60 0 ( και με βάση τη λογική του πίνακα 5.1. ). Αυτό γίνεται με τη χρήση έξι πυλών AND Σχήμα 5.3 : Υλοποίηση κυκλώματος επιλογής διαστημάτων στο περιβάλλον Simulink ΠΥΛΗ AND ΕΙΣΟΔΟΣ 1 ΕΙΣΟΔΟΣ 2 ΕΞΟΔΟΣ Πίνακας 5.1 : Αντιστοίχηση τάσεων εισόδου με διαστήματα λειτουργίας. Με τους συμβολισμούς, δηλώνεται ότι η τάση i είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη του μηδενός αντίστοιχα. Η πληροφορία αυτή προέρχεται από τους τρείς συγκριτές και από τις τρείς πύλες NOT. Οι έξοδοι των 6 πυλών AND είναι τα

121 ζητούμενα διαστήματα 60 0 τα οποία καθορίζουν την περιοχή στην οποία δουλεύει ανά πάσα χρονική στιγμή ο έλεγχος. Όσον αφορά στην υλοποίηση του κυκλώματος επιλογής διαστημάτων αυτή, στην παρούσα διπλωματική γίνεται με τη χρήση του μικροελεγκτή. Στην περίπτωση που αυτό γινόταν αναλογικά και με σκοπό τη χρησιμοποίηση λιγότερων λογικών πυλών προκειμένου να αυξηθεί η αξιοπιστία του κυκλώματος θα μπορούσε να γίνει χρήση του κανόνα De Morgan { ( }. Με βάση τον κανόνα αυτόν, αντικαθιστούμε κάθε μια εκ των 2,4,6 πυλών AND με μία πύλη NOR και δεν γίνεται χρήση των πυλών NOT. Έτσι, συνολικά θα χρειάζονταν μόνο έξι πύλες ( τρείς NOR και τρεις AND ) και όχι εννιά ( έξι AND και τρείς NOT ) όπως χρησιμοποιούνται στην προσομοίωση. Οι κυματομορφές εξόδου της προσομοιωμένης λειτουργίας του κυκλώματος παραγωγής διαστημάτων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 5.4 : Διαστήματα λειτουργίας μετατροπέα ως προς την φασική τάση a. Κυματομορφές προσομοιωμένης λειτουργίας

122 5.2.2 Κύκλωμα πολύπλεξης Σκοπός του κυκλώματος πολύπλεξης είναι η διαμόρφωση των αναφορών τις οποίες οφείλει να ακολουθεί το ολοκλήρωμα του ρεύματος του πηνίου για την πραγματοποίηση του ελέγχου του φορτίου. Ελέγχοντας το ρεύμα του πηνίου ουσιαστικά ελέγχουμε το ρεύμα στην είσοδο του τριφασικού ανορθωτή. Με τον υπολογισμό των αναφορών, και την ολοκλήρωση του ρεύματος του πηνίου μέχρι αυτές δημιουργείται ημιτονοειδές ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα. Σχήμα 5.5 : Σχηματικό διάγραμμα εισόδων και εξόδων κυκλώματος πολύπλεξης. Χρησιμοποιώντας τις στήλες δύο και τρία του πίνακα 4.1 οι αναφορές του ρεύματος μπορούν να εκφραστούν από τις παρακάτω εξισώσεις (χρονικά σήματα): Ο συντελεστής Κ που εμφανίζεται στον πίνακα 4.1 πρόκειται ουσιαστικά για την στάθμιση των αναφορών με την έξοδο ενός ελεγκτή κλειστού βρόχου ούτως ώστε να πετυχαίνουμε τη σταθεροποίηση του ενδιαφερόμενου μεγέθους στην έξοδο του μετατροπέα. Η υλοποίηση και η λειτουργία του αφορά το κεντρικό κύκλωμα ελέγχου. Προς το παρόν, το κύκλωμα πολύπλεξης έχει ως εξόδους μόνο τις ονομαστικές

123 αναφορές των ρευμάτων των ολοκληρωτών γι αυτό και ο συντελεστής αυτός δεν αναφέρεται στις πρότυπες εξισώσεις. Για την υλοποίηση των ανωτέρω εξισώσεων παίρνουμε τις μετρήσεις των τάσεων εισόδου του μετατροπέα και τα διαστήματα έως όπως αυτά προκύπτουν από το κύκλωμα παραγωγής διαστημάτων. Προκειμένου να απλοποιηθεί το κύκλωμα και να μειωθεί ο αριθμός των απαιτούμενων συνδέσεων δεν χρησιμοποιήθηκαν αντιστροφείς για να λάβουμε τις φασικές τάσεις με αντίθετο πρόσημο όπου αυτό απαιτείται (όπως θα απαιτούσε μια πραγματική αναλογική υλοποίηση), παρά διατάξεις απόλυτης τιμής οι οποίες παρείχαν την απόλυτη τιμή της τάσης εισόδου σε κάθε φάση. Η απόλυτη τιμή προέκυψε με χρήση του block ABS που παρέχει το Simulink. Τελικά, οι σχέσεις (5.1) και (5.2) είναι ισοδύναμες με τις παρακάτω: Το ισοδύναμο κύκλωμα παραγωγής των αναφορών στο Simulink παρουσιάζεται στο σχήμα 5.6. Για την υλοποίηση των κατάλληλων αθροισμάτων χρησιμοποιήθηκαν έξι αθροιστές. Διαφορετικά, θα μπορούσαν να είχαν χρησιμοποιηθεί πύλες OR εφόσον τα διαστήματα λειτουργίας εκφράζονται μέσω λογικών και όχι αναλογικών σημάτων. Στη συνέχεια, έγινε χρήση έξι πολλαπλασιαστών για την υλοποίηση των όρων ( ). Σχήμα 5.6 : Υλοποίηση κυκλώματος πολύπλεξης στο περιβάλλον Simulink

124 Στα πλαίσια της προσομοίωσης οι μετρήσεις των τριφασικών τάσεων για τη δημιουργία των διαστημάτων και των αναφορών έγιναν τόσο πριν όσο και μετά το φίλτρο εισόδου. Τα καλύτερα τελικά αποτελέσματα ως προς την παραμόρφωση του ρεύματος εισόδου ωστόσο παρατηρήθηκαν για μέτρηση των τάσεων μετά το φίλτρο. Οι τελικές κυματομορφές των ρευμάτων αναφοράς, όπως προέκυψαν από την προσομοίωση του κυκλώματος πολύπλεξης παρουσιάζονται στo σχήμα 5.7. Σχήμα 5.7 : Τριφασικές τάσεις εισόδου μετατροπέα (πάνω) και έξοδοι του κυκλώματος πολύπλεξης (κάτω). Κυματομορφές προσομοιωμένης λειτουργίας

125 5.2.3 Κύκλωμα ελέγχου του φορτίου Σχήμα 5.8 : Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ελέγχου του φορτίου. Σκοπός του κεντρικού κυκλώματος ελέγχου του φορτίου είναι η παραγωγή δύο παλμοσειρών, οι οποίες τελικά θα αποτελέσουν τη βάση για τη δημιουργία των παλμών έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος ελέγχου φαίνεται στο σχήμα 5.8 ενώ το αντίστοιχο κύκλωμα που υλοποιήθηκε στο περιβάλλον Simulink απεικονίζεται στο σχήμα Οι αναφορές που οφείλει να ακολουθεί ο ολοκληρωτής πολλαπλασιάζονται με ένα σήμα ελέγχου το οποίο προκύπτει από την έξοδο ενός αντισταθμιστή κλειστού βρόχου. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή της φόρτισης μπαταριών, το μέγεθος του μετατροπέα που πρέπει να ελέγχεται κάθε φορά μεταβάλλεται ανάλογα με το στάδιο της φόρτισης στο οποίο βρίσκονται οι μπαταρίες σύμφωνα με όσα περιγράφηκαν στο αντίστοιχο κεφάλαιο περί φόρτισης μπαταριών. Έτσι σύμφωνα με το προφίλ φόρτισης που έχει επιλεχθεί σε αυτή τη διπλωματική, αρχικά γίνεται έλεγχος του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα ούτως ώστε οι μπαταρίες να φορτισθούν με το

126 ονομαστικό ρεύμα που απαιτούν. Όταν ωστόσο η τάση των μπαταριών φτάσει σε μια επιθυμητή τιμή τότε γίνεται έλεγχος τάσης και το ρεύμα που απαιτούν μειώνεται μέχρι το μηδενισμό του. Επομένως, το μέγεθος που παρουσιάζεται στο σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος ελέγχου του φορτίου είναι είτε το ρεύμα είτε η τάση εξόδου του μετατροπέα. Στο πλαίσιο της κατασκευής, η επιλογή για το αν θα γίνει έλεγχος ρεύματος ή έλεγχος τάσης προκύπτει από τον μικροελεγκτή με βάση την απλή συνθήκη που παρουσιάζεται στο διάγραμμα του σχήματος 5.9. Σχήμα 5.9 : Προσδιορισμός σταδίου φόρτισης. Με βάση την μετρούμενη τάση στην έξοδο του μετατροπέα καθορίζεται το ελεγχόμενο μέγεθος (ρεύμα ή τάση εξόδου). Προκειμένου να υλοποιήσουμε τον κλειστό βρόχο αντιστάθμισης του σφάλματος του μεγέθους που μας αφορά χρησιμοποιούμε έναν ελεγκτή PI. Ο ελεγκτής αυτός παίρνει ως είσοδο το σφάλμα, δηλαδή τη διαφορά μεταξύ της επιθυμητής τιμής και της πραγματικής τιμής του μετρούμενου μεγέθους. Το ρόλο του P ελεγκτή παίζει ένα κέρδος (gain) ενώ το ρόλο του I ελεγκτή παίζει ένας απλός ολοκληρωτής επίσης πολλαπλασιασμένος με ένα κέρδος. Η έξοδος του P και του I ελεγκτή οδηγούνται σε έναν αθροιστή στην έξοδο του οποίου δίνεται το κέρδος αντιστάθμισης. Προφανώς, τα κέρδη, εξαρτώνται από το αν γίνεται έλεγχος τάσης ή έλεγχος ρεύματος στον ελεγκτή και οι αριθμητικές τιμές τους είναι διαφορετικές για κάθε στάδιο φόρτισης. Η υλοποίηση του PI ελεγκτή απεικονίζεται στο σχήμα

127 Σχήμα 5.10 : Υλοποίηση PI ελεγκτή στο περιβάλλον Simulink. Σε κάθε περίπτωση, η έξοδος του PI ελεγκτή πολλαπλασιαζόμενη με τις ονομαστικές αναφορές από το κύκλωμα πολύπλεξης δίνει τελικά τις σταθμισμένες αναφορές, που πρέπει να ακολουθούν οι αντίστοιχοι ολοκληρωτές. Έτσι, επιτυγχάνεται τόσο η διόρθωση του συντελεστή ισχύος όσο και η ικανοποίηση των απαιτήσεων της φόρτισης των μπαταριών για την οποία προορίζεται ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος. Το επόμενο σημαντικό στάδιο στη διερεύνηση της λειτουργίας του κεντρικού κυκλώματος ελέγχου του φορτίου είναι οι ολοκληρωτές. Η προσομοίωση του ολοκληρωτή αρχικά υλοποιήθηκε με τη χρήση έτοιμου μπλόκ ολοκλήρωσης με εξωτερική επαναφορά (resettable integrator) που προσφέρει το περιβάλλον του Simulink (σχήμα 5.12). Για να ανταποκρίνεται ωστόσο η διαδικασία της προσομοίωσης όσο το δυνατόν περισσότερο στην πραγματικότητα, η λειτουργία του ολοκληρωτή τελικά προσομοιώθηκε με τη χρήση ενός πυκνωτή ο οποίος θα φορτίζεται με το ρεύμα του πηνίου. Αν προσέξουμε τη σχέση 4.6, παρατηρούμε ότι για λόγο μετασχηματισμού N=1 γίνεται: Από την σχέση (5.5) προκύπτει ότι για επιλογή αριθμητικής τιμής πυκνωτή ίση με την διακοπτική περίοδο λειτουργίας του μετατροπέα, το μέσο ρεύμα κάθε διακόπτη και επομένως κάθε φάσης ισούται με την τάση του πυκνωτή ολοκλήρωσης,ή οποία καλείται να ακολουθεί μια ανάλογη προς την ημιτονοειδή τάση εισόδου αναφορά, με αποτέλεσμα τον μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Είναι επομένως,

128 , για,όπου είναι η επιλεγμένη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Η επαναφορά του ολοκληρωτή στο μηδέν υλοποιείται μέσω ενός ελεγχόμενου διακόπτη ο οποίος συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή ολοκλήρωσης. Όταν η τάση του εκάστοτε ολοκληρωτή φτάσει την προκαθορισμένη αναφορά που του αντιστοιχεί τότε ενεργοποιείται ο διακόπτης βραχυκυκλώνοντας τον πυκνωτή και μηδενίζοντας την τάση στα άκρα του. Ο παλμός που οδηγεί τον ελεγχόμενο διακόπτη επαναφοράς του ολοκληρωτή στο μηδέν προέρχεται από ένα RS flip-flop. Τα flip-flop είναι σύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα, οι έξοδοι των οποίων ανταποκρίνονται στις εισόδους όταν εφαρμόζονται παλμοί συγχρονισμού. Το RS flipflop συγκεκριμένα έχει δύο σύγχρονες εισόδους που ονομάζονται R και S. Ως έξοδοι του ορίζονται τα Q και. Η έξοδος ουσιαστικά αποτελεί το λογικό συμπλήρωμα της εξόδου Q. Συμβολίζοντας με την προηγούμενη κατάσταση εξόδου του RS flip-flop και με την επόμενη κατάσταση η λειτουργία του έχει ως εξής: Όταν S=0 και R=0,τότε η επόμενη κατάσταση είναι ίδια με την προηγούμενη, δηλαδή =. Όταν S=0 και R=1,τότε η επόμενη κατάσταση είναι =0 Όταν S=1 και R=0,τότε η επόμενη κατάσταση είναι =1 Όταν S=1 και R=1,τότε η επόμενη κατάσταση λειτουργίας είναι απροσδιόριστη. Στο σχήμα 5.11 φαίνεται ο πίνακας αληθείας του RS flip-flop και μια υλοποίηση του με πύλες NOR. Σχήμα 5.11: RS flip-flop. [60]

129 Στη συγκεκριμένη εφαρμογή χρησιμοποιήθηκαν δύο RS flip-flop, τα οποία ονομάζονται και το αντίστοιχα. Το πρώτο αφορά τη λειτουργία του ολοκληρωτή ενώ το δεύτερο αφορά τη λειτουργία του ολοκληρωτή. Στην είσοδο S κάθε flip-flop έχει συνδεθεί το ρολόι χρονισμού του ελέγχου και στην είσοδο έχει συνδεθεί η έξοδος ενός συγκριτή. Ο συγκριτής αυτός βγάζει στην έξοδό του υψηλή λογική στάθμη όταν το ρεύμα του αντίστοιχου ολοκληρωτή φτάσει την προκαθορισμένη αναφορά. Η έξοδος του flip-flop είναι υπεύθυνη για την επαναφορά του κάθε ολοκληρωτή στο μηδέν. Αυτό πραγματοποιείται για όσο χρονικό διάστημα το παίρνει λογική τιμή ένα. Τέλος, η έξοδος Q του κάθε flip-flop παράγει την παλμοσειρά που κατευθύνεται στο κύκλωμα λογικής για τον έλεγχο των διακοπτών. Σχήμα 5.12 : Υλοποίηση κυκλώματος ελέγχου του φορτίου στο περιβάλλον Simulink. Η λειτουργία των ολοκληρωτών προσομοιώνεται με τη χρήση έτοιμου μπλόκ ολοκλήρωσης. Η ρύθμιση της σταθεράς χρόνου του ολοκληρωτή επιτυγχάνεται με την εισαγωγή ενός κέρδους στο ολοκληρούμενο ρεύμα του πηνίου. Η αριθμητική τιμή του κέρδους ισούται με την διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα (

130 Σχήμα 5.13 : Υλοποίηση κυκλώματος ελέγχου του φορτίου. Η συμπεριφορά των ολοκληρωτών προσομοιώνεται με τη χρήση πυκνωτών που επαναφέρονται στο μηδέν μέσω παράλληλα συνδεδεμένων διακοπτών. Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του ρολογιού χρονισμού ουσιαστικά καθορίζει τη συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα. Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή η διακοπτική συχνότητα επιλέχθηκε να είναι, προκειμένου να γίνει μια σωστή αντιστάθμιση μεταξύ των διακοπτικών απωλειών των ημιαγωγικών στοιχείων και του όγκου του φίλτρου εισόδου του μετατροπέα. Τα δύο ρολόγια λειτουργούν με διαφορά φάσης και κάθε ένα από αυτά ευθύνεται αποκλειστικά για τον χρονισμό μόνο ενός ολοκληρωτή. Κάθε ρολόι παράγει έναν παλμό χρονισμού κάθε. Η προσομοίωση της λειτουργίας των ρολογιών έγινε με χρήση του μπλοκ pulse generator που διαθέτει το Simulink. Σημαντικός για την ορθή λειτουργία του ελέγχου είναι ο λόγος κατάτμησης της κάθε παλμογεννήτριας που παράγει τα σήματα χρονισμού. Η τιμή του λόγου κατάτμησης στα πλαίσια της προσομοίωσης ήταν 0.2%. Η τιμή αυτή πρέπει εκ των πραγμάτων να είναι μικρή προκειμένου να αποφθεχθεί η πιθανότητα οι δύο είσοδοι του RS flip-flop να είναι ταυτοχρόνως ένα, κάτι που θα

131 οδηγούσε σε απροσδιόριστη κατάσταση. Το παραπάνω είναι πιθανό να συμβεί όταν η τάση του ολοκληρωτή φτάνει πολύ γρήγορα την αναφορά ελέγχου και πριν ακόμα προλάβει να τελειώσει ο παλμός του ρολογιού,δηλαδή για τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία η αναφορά του ρεύματος παίρνει μικρές τιμές. Εξάλλου, για να γίνει set στο flip-flop και να αρχίσει η ολοκλήρωση αρκεί μόνο μία αιχμή από την παλμογεννήτρια Κύκλωμα λογικής Σχήμα 5.14 : Σχηματικό διάγραμμα εισόδων και εξόδων κυκλώματος λογικής. Το κύκλωμα λογικής παράγει τους παλμούς ελέγχου προς τα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα. Εφόσον κάθε διακόπτης λαμβάνει κοινό παλμό για τα δύο τρανζίστορ ισχύος που τον απαρτίζουν το κύκλωμα λογικής έχει ως έξοδο τρείς παλμοσειρές και όχι έξι. Για την δημιουργία των τελικών παλμών λαμβάνονται ως είσοδοι τόσο οι παλμοσειρές, από το κύκλωμα ελέγχου του φορτίου όσο και τα διαστήματα λειτουργίας από το κύκλωμα επιλογής διαστημάτων. Όπως εξηγήθηκε και προηγουμένως, για την επίτευξη μοναδιαίου συντελεστή ισχύος, πρέπει σε κάθε διάστημα λειτουργίας ένας διακόπτης να είναι διαρκώς ανοιχτός ενώ οι υπόλοιποι να ανοιγοκλείνουν σύμφωνα με την μέθοδο ελέγχου του φορτίου. Τότε, το ρεύμα θα διαμορφωθεί ημιτονοειδώς στους διακόπτες που ανοιγοκλείνουν ενώ στον εναπομείναντα διακόπτη θα ακολουθήσει επίσης ημιτονοειδή αναφορά λόγω συμμετρίας. Η λογική με την οποία διαμορφώνονται οι παλμοί και επιτυγχάνεται το

132 παραπάνω προκύπτει από τις στήλες 4,5,6 του πίνακα 4.1. Σύμφωνα με τον πίνακα αυτόν, οι παλμοί,, προς τους διακόπτες,, αντίστοιχα προκύπτουν από τις παρακάτω λογικές σχέσεις: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Σχήμα 5.15 : Υλοποίηση κυκλώματος λογικής σε περιβάλλον Simulink

133 ΔΙΑΣΤΗΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΟΙΚΤΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ CHARGE CONTROL D 1 S b S a,s c D 2 S a S b,s c D 3 S c S a,s b D 4 S b S a,s c D 5 S a S b,s c D 6 S c S a,s b Πίνακας 5.2 : Κατάσταση διακοπτών σύμφωνα με το αντίστοιχο διάστημα λειτουργίας. Για την υλοποίηση του κυκλώματος λογικής στο περιβάλλον Simulink χρησιμοποιήθηκαν δώδεκα πύλες AND και τρείς πύλες OR. Κάθε μία από τις πύλες OR είναι έξι εισόδων ενώ η έξοδος κάθε πύλης αντιστοιχεί σε έναν εκ των παλμών,, Με την χρήση των παραπάνω λογικών πυλών υλοποιούνται οι σχέσεις (5.7)-(5.9). Στο σχήμα 5.15 παρουσιάζεται το κύκλωμα λογικής, όπως υλοποιήθηκε στο πλαίσιο της προσομοίωσης. 5.3 Προσομοίωση μετατροπέα Δ.Σ.Ι. ως φορτιστή συσσωρευτών Στο σχήμα 5.16 παρουσιάζεται το πλήρες μοντέλο του μετατροπέα ισχύος που προσομοιώθηκε και κατασκευάστηκε. Στην είσοδο είναι τοποθετημένο το παθητικό φίλτρο απομάκρυνσης των ανώτερων αρμονικών του ρεύματος εισόδου. Τα τρία πηνία που είναι συνδεδεμένα σε σειρά με κάθε φάση παρουσιάζουν επαγωγή, ενώ οι πυκνωτές, χωρητικότητας έκαστος, είναι συνδεδεμένοι σε αστέρα. Στην έξοδο του μετατροπέα, προκειμένου να προσομοιωθεί η συμπεριφορά μιας συστοιχίας μπαταριών έχει χρησιμοποιηθεί ως φορτίο ένας πολύ μεγάλος πυκνωτής ( και μία πηγή σταθερής τάσης σε σειρά με μία αντίσταση μικρής τιμής (R=80 mω). Η αντίσταση αυτή ουσιαστικά εκφράζει την εσωτερική αντίσταση της συστοιχίας, ενώ η πηγή τάσης εκφράζει την κατάσταση αρχικής φόρτισης της συστοιχίας, δηλαδή την τάση από την οποία αυτή θα αρχίσει να φορτίζεται. Έτσι, καθίσταται δυνατόν να παρατηρηθούν σε πραγματικό χρόνο οι μεταβολές της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα λόγω της αύξησης του φορτίου του πυκνωτή κατά τη διαδικασία της φόρτισης. Αντί της μέτρησης του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα με μετρητικό ρεύματος προτιμήθηκε η εκτίμηση της τιμής αυτής με φιλτράρισμα του ρεύματος του πηνίου από ένα κατωδιαβατό ψηφιακό φίλτρο όπως ακριβώς υλοποιήθηκε και στα πλαίσια

134 της κατασκευής. Η τιμή αυτή στη συνέχεια χρησιμοποιείται από το κύκλωμα ελέγχου του φορτίου τόσο για την στάθμιση των αναφορών των ολοκληρωτών όσο και για την υλοποίηση του αλγορίθμου φόρτισης. Σχήμα 5.16 : Μοντέλο τριφασικής ανορθωτικής διάταξης υποβιβασμού τάσης Δ.Σ.Ι στο περιβάλλον Simulink

135 5.3.1 Λειτουργία σταθερού ρεύματος Η φόρτιση με σταθερό ρεύμα αναφέρεται στο αρχικό στάδιο της διαδικασίας και πραγματοποιείται για όσο χρονικό διάστημα η τάση των μπαταριών είναι μικρότερη από την επιθυμητή. Λόγω της ονομαστικής χωρητικότητας των μπαταριών (C=90 Ah) και του ρυθμού φόρτισης που έχει επιλεχθεί (C/10), το ρεύμα διατηρείται σταθερό σε όλη τη διάρκεια του πρώτου σταδίου στα 9 Α. Επομένως, ο PI ελεγκτής είναι επιφορτισμένος με τον έλεγχο του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, το κύκλωμα ελέγχου του φορτίου έχει τη μορφή που παρουσιάζεται στο σχήμα Καθώς υποθέτουμε ότι η επιθυμητή τάση των μπαταριών δεν έχει ακόμα επιτευχθεί, η μοναδική μέτρηση που εισέρχεται στο κύκλωμα ελέγχου του φορτίου είναι το ρεύμα του πηνίου για την ολοκλήρωση του μέχρι της αναφορές και το φιλτράρισμα του προκειμένου να προκύψει το ρεύμα εξόδου. Σχήμα 5.17 : Κύκλωμα ελέγχου του φορτίου για λειτουργία σταθερού ρεύματος. Το ρεύμα εξόδου εκτιμάται μέσω φιλτραρίσματος του ρεύματος του πηνίου. Επιλέγοντας για τη σταθερή πηγή τάσης εξόδου μια τιμή ίση με, θεωρούμε ότι η συστοιχία αρχίζει να φορτίζεται από τα Στο σχήμα

136 παρουσιάζεται η τάση των μπαταριών καθώς και το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα. Παρατηρούμε ότι κατά την αρχή της διαδικασίας φόρτισης τόσο το ρεύμα εξόδου όσο και η τάση εξόδου παρουσιάζουν μια ταλάντωση πριν σταθεροποιηθούν στις αναμενόμενες τιμές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο πυκνωτής στην έξοδο του μετατροπέα είναι αρχικά εντελώς αφόρτιστος, έτσι οι μπαταρίες που βρίσκονται υπό μη μηδενική τάση τον φορτίζουν. Το παραπάνω πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την υλοποίηση της διαδικασίας φόρτισης προκειμένου να μην προκληθεί βλάβη στη διάταξη καθώς στιγμιαία ο πυκνωτής εξόδου καταπονείται με υψηλό μέγιστο ρεύμα. Μια πιθανή αντιμετώπιση του προβλήματος θα ήταν να φορτιστεί ο πυκνωτής εξόδου του μετατροπέα σε τάση αντίστοιχη με την αρχική της συστοιχίας προκειμένου να εξαλειφθεί η μεγάλη διαφορά δυναμικού. Σχήμα 5.18 : Ρεύμα (πάνω) και τάση εξόδου μετατροπέα (κάτω)

137 Σχήμα 5.19: Μεταβατικά φαινόμενα κατά την εκκίνηση της διαδικασίας φόρτισης λόγω διαφοράς δυναμικού μεταξύ τάσης εξόδου μετατροπέα και τάσης συστοιχίας. Οι αναφορές, των αντίστοιχων ολοκληρωτών (σχήμα 4.20) είναι πλέον σταθμισμένες με την έξοδο του PI ελεγκτή ρεύματος προκειμένου το ρεύμα εξόδου να διατηρείται στην επιθυμητή τιμή ανεξάρτητα με την αυξανόμενη τάση στην έξοδο. Στο σχήμα 5.21 απεικονίζεται η έξοδος του ελεγκτή καθώς επίσης και το σφάλμα μεταξύ αναφοράς και εκτιμώμενου ρεύματος. Η έξοδος του ελεγκτή γρήγορα σταθεροποιείται στην τιμή που θα δώσει στην έξοδο τα 9Α και στη συνέχεια αυξάνεται πολύ αργά προκειμένου να καλύψει την αυξανόμενη ισχύ που απομαστεύει η συστοιχία από τον μετατροπέα όσο αυξάνεται η τάση της. Σχήμα 5.20 : Σταθμισμένες αναφορές ολοκληρωτών

138 Σχήμα 5.21 : Σφάλμα I REF -I OUT (πάνω) και έξοδος PI ελεγκτή (κάτω). Οι έξοδοι των δύο ολοκληρωτών απεικονίζονται στο σχήμα Η τριγωνική περιβάλλουσα που εμφανίζεται στις τάσεις των πυκνωτών ολοκλήρωσης οφείλεται στις αναφορές που αυτοί ακολουθούν. Με στιγμιαίο παλμό συγχρονισμού από το αντίστοιχο ρολόι ο κάθε ολοκληρωτής αρχίζει την ολοκλήρωση του ρεύματος του πηνίου. Όταν μια αναφορά επιτευχθεί τότε στέλνεται ένας παλμός επαναφοράς στον ελεγχόμενο διακόπτη που είναι παράλληλα συνδεδεμένος με τον πυκνωτή ολοκλήρωσης με αποτέλεσμα η τάση του αρχικά να μηδενίζεται και εν συνεχεία να διατηρείται στο μηδέν έως ότου έρθει εκ νέου σήμα από το ρολόι οπότε αρχίζει για ακόμη μια φορά η ολοκλήρωση. Το ρεύμα του πηνίου, όπως διαμορφώνεται από τη μέθοδο ελέγχου του φορτίου παρουσιάζεται στο σχήμα

139 Σχήμα 5.22 : Έξοδοι ολοκληρωτών (πάνω), λεπτομέρειά τους (στη μέση) και παλμοί χρονισμού της διαδικασίας (κάτω) όπως προκύπτουν από την μέθοδο ελέγχου του φορτίου. Με παλμό set αρχίζει η ολοκλήρωση στον αντίστοιχο ολοκληρωτή ενώ με reset σταματάει

140 Σχήμα 5.23 : Ρεύμα πηνίου και λεπτομέρεια του. Εκτός των διακοπτικών αρμονικών λόγω της υψηλής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα το ρεύμα παρουσιάζει και μια κυμάτωση έξι φορές στη συχνότητα του δικτύου (300 Hz) λόγω των αναφορών που ακολουθεί το ολοκλήρωμά του

141 Οι παλμοί ελέγχου προς τους ημιαγωγικούς διακόπτες του μετατροπέα παρουσιάζονται στο σχήμα Παρατηρούμε ότι ανά πάσα χρονική στιγμή ένας διακόπτης άγει διαρκώς ενώ οι άλλοι δύο μεταβαίνουν διαρκώς από αγωγή σε αποκοπή σύμφωνα με τη μέθοδο ελέγχου του φορτίου. Σχήμα 5.24 : Παλμοί S a, S b, S c προς ελεγχόμενους ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος. Στα σχήματα 5.25 και 5.26 παρουσιάζεται το ρεύμα μέσα από τον διακόπτη S a πριν φιλτραριστεί από το παθητικό φίλτρο στην είσοδο του μετατροπέα. Όπως είναι αναμενόμενο το ρεύμα παρουσιάζει καθαρά παλμικό χαρακτήρα κατ αντιστοιχία με το ρεύμα εισόδου ενός Buck μετατροπέα. Η κλίση με την οποία αυξάνεται το ρεύμα κάθε παλμού εξαρτάται από τη συνολική ισοδύναμη επαγωγή του πηνίου εξόδου του μετατροπέα ενώ η στιγμιαία τιμή του όταν φορτίζεται ισούται με τη διαφορά μεταξύ της τάσης εισόδου (πολικής) και της τάσης εξόδου τη δεδομένη χρονική στιγμή προς την επαγωγή του πηνίου

142 Σχήμα 5.25: Διακοπτικό ρεύμα μέσα από τον διακόπτη S a.. Σχήμα 5.26 : Λεπτομέρεια ρεύματος διακόπτη S a.. Στο σχήμα 5.27 και με καλύτερη εποπτεία στο 5.28 παρουσιάζονται η φασική τάση a του δικτύου και το ρεύμα της. Τα πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα της μεθόδου ελέγχου του φορτίου ως προς τη παραμόρφωση του ρεύματος εισόδου είναι εμφανή. Το ρεύμα αφού φιλτραριστεί είναι σχεδόν τέλειο ημίτονο αφού παρουσιάζει σύμφωνα με το εργαλείο FFT του Simulink συνολική αρμονική παραμόρφωση Όπως φαίνεται στο σχήμα 5.30 το ρεύμα παρουσιάζει

143 μεγάλο αρμονικό περιεχόμενο σε συχνότητες που είναι ακέραια πολλαπλάσια της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα και επομένως μπορεί εύκολά να φιλτραριστεί από το παθητικό φίλτρο εισόδου. Σχήμα 5.27 : Ρεύμα και τάση φάσης a. Σχήμα 5.28 : Λεπτομέρεια ρεύματος εισόδου φάσης a. Διακρίνεται τόσο η χαμηλή αρμονική παραμόρφωση όσο και η προήγηση του ρεύματος από την φασική τάση

144 Σχήμα 5.29 : Φασικά ρεύματα I a,i b,i c εισόδου μετατροπέα. Σχήμα 5.30: Αρμονική παραμόρφωση και φάσμα ρεύματος εισόδου

145 Αξίζει να αναφερθεί ότι το ρεύμα εισόδου παρουσιάζει μια ελαφριά προήγηση σε σχέση με την τάση του δικτύου όπως φαίνεται και στο σχήμα Η αιτία της προήγησης του ρεύματος θα γίνει περισσότερο κατανοητή από το παρακάτω διανυσματικό διάγραμμα: Σχήμα 5.31 : Διανυσματικό διάγραμμα ρευμάτων και τάσεων στην είσοδο του τριφασικού μετατροπέα. Το ρεύμα που απαιτεί η διάταξη από το δίκτυο ( ) ισούται με το διανυσματικό άθροισμα του ρεύματος των πυκνωτών εισόδου ( ) και του ρεύματος μετά το φίλτρο, στην είσοδο του μετατροπέα ( ). Δηλαδή: Αν με συμβολίσουμε την τάση εισόδου της διάταξης (η οποία ισούται με την τάση του δικτύου), με την τάση των πυκνωτών εισόδου και με την πτώση τάσης πάνω στην επαγωγή του πηνίου του φίλτρου διανυσματικά θα ισχύει: H μετατόπιση του ρεύματος από την τάση του δικτύου απεικονίζεται με τη γωνία θ. Είναι προφανές ότι η τιμή της γωνίας αυτής εξαρτάται κυρίως από τα μέτρα των διανυσμάτων, δηλαδή τόσο από την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή εισόδου όσο και από το ρεύμα που απαιτεί ο μετατροπέας και κατ επέκταση από την ισχύ του φορτίου που αυτός καλύπτει. Γενικά για μικρή ισχύ εξόδου ακόμα και μικρή τιμή στους πυκνωτές του φίλτρου δεν μπορεί να εξαλείψει εντελώς τη διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης και επομένως προκύπτει μια ελαφρώς χωρητική συμπεριφορά στον μετατροπέα. Από την άλλη, μια πολύ μικρή τιμή στην

146 χωρητικότητα των πυκνωτών μπορεί να δημιουργήσει πρόβλημα στην ποιότητα της τάσης εισόδου του καθώς ενδεχόμενες υπερτάσεις δεν αποσβένονται ικανοποιητικά. Επίσης μικρή τιμή χωρητικότητας συνεπάγεται μεγαλύτερη τιμή στην επαγωγή του πηνίου προκειμένου να επιτευχθεί δεδομένη συχνότητα αποκοπής για το φίλτρο εισόδου. Βέβαια ακόμα και με τη δημιουργία ενός τέλειου ημιτόνου μέσω της τεχνικής ελέγχου του φορτίου η μη εξάλειψη της διαφοράς φάσης ρεύματος τάσης μειώνει τελικά τον συντελεστή ισχύος λόγω του μη μοναδιαίου συντελεστή μετατόπισης (displacement factor). Στη συγκεκριμένη περίπτωση παρατηρούμε από τα δεδομένα του σχήματος 5.28 ότι η μετατόπιση μεταξύ τάσης και ρεύματος ισούται με Δt=1 ms, η οποία αντιστοιχεί σε διαφορά φάσης θ Η μεγάλη αυτή διαφορά φάσης οφείλεται στην μικρή ισχύ που παρέχει ο μετατροπέας στις μπαταρίες,σχεδόν 70V στα 9A δηλαδή 630 W περίπου, όταν αυτές είναι αρχικά αφόρτιστες και εκκινεί η διαδικασία φόρτισης. Όσο αυξάνεται η ισχύς εξόδου του μετατροπέα τόσο θα μεγαλώνει το μέτρο του και επομένως η γωνία θ θα μειώνεται. Σχήμα 5.32 : Μετατόπιση θ και ισχύς εξόδου συναρτήσει του χρόνου. Φόρτιση σταθερού ρεύματος. H αρχική τιμή της τάσης εξόδου όταν εκκινεί η διαδικασία φόρτισης είναι 70V

147 Στο σχήμα 5.32 παρουσιάζεται η μετατόπιση θ ( 0 ) μεταξύ του ρεύματος εισόδου της φάσης a και της αντίστοιχης φασικής τάσης συναρτήσει του χρόνου. Για το ίδιο χρονικό διάστημα απεικονίζεται και η ισχύς εξόδου του μετατροπέα. Όπως είναι αναμενόμενο, όσο μεγαλώνει η ισχύς εξόδου τόσο μειώνεται η διαφορά φάσης θ Λειτουργία σταθερού ρεύματος-σταθερής τάσης Σχήμα 5.33 : Κύκλωμα ελέγχου του φορτίου για λειτουργία σταθερού ρεύματος σταθερής τάσης. Η μετάβαση από έλεγχο ρεύματος σε έλεγχο τάσης γίνεται όταν η τάση εξόδου ξεπεράσει τα 91V. Με αυτή το κομμάτι προσομοιώνεται το προφίλ φόρτισης των μπαταριών. Η διαφοροποίηση σε σχέση με την προηγούμενη περίπτωση έγκειται στο γεγονός ότι

148 εδώ υλοποιείται η σύγκριση της τάσης εξόδου των μπαταριών με την τάση αναφοράς. Εν προκειμένω, ο έλεγχος υλοποιείται με δύο PI ελεγκτές, ενός ρεύματος και ενός τάσης, καθένας από τους οποίους είναι ρυθμισμένος με διαφορετικά κέρδη. Στο πλαίσιο της προσομοίωσης η μετάβαση από τον ένα ελεγκτή στον άλλον προκύπτει με τη χρήση κατάλληλων διακοπτών που διαθέτει το Simulink και μεταβάλλουν την έξοδο τους ανάλογα με το αν μια συνθήκη είναι αληθής ή ψευδής. Προφανώς, εδώ η συνθήκη αφορά την τάση των μπαταριών που φορτίζονται. Για να αποφεύγεται η διαρκής εναλλαγή της συνθήκης ελέγχου από αληθής σε ψευδή, καθώς η τάση μπορεί να είναι οριακά πάνω ή κάτω από τα 91V, μόλις η τάση γίνει για πρώτη φορά μεγαλύτερη από την αναφορά ο μετατροπέας μεταβαίνει αυτόματα σε λειτουργία σταθερής τάσης μέχρι και τον τυπικό μηδενισμό του ρεύματος. Στο σχήμα 5.34 παρουσιάζεται η υλοποίηση του τελικού προφίλ φόρτισης που έχει επιλεγεί. Το ρεύμα αρχικά διατηρείται σταθερό στα 9Α ενώ στη συνέχεια μειώνεται. Επίσης, στα σχήματα που έπονται παρατίθενται μερικές ακόμη χαρακτηριστικές κυματομορφές της προσομοιωμένης λειτουργίας. Σχήμα 5.34 : Ρεύμα και τάση εξόδου μετατροπέα. Διακρίνονται τα δύο στάδια του προφίλ φόρτισης

149 Σχήμα 5.35: Ρεύμα εισόδου φάσης α (πράσινο) κατά τη διάρκεια του προφίλ φόρτισης. Αρχικά διατηρείται σταθερό ενώ στη συνέχεια μειώνεται. Σχήμα 5.36 : Σφάλμα που εισάγεται στον PI ελεγκτή για την υλοποίηση του αλγορίθμου φόρτισης σταθερού ρεύματος- σταθερής τάσης. Αρχικά το ελεγχόμενο μέγεθος είναι το ρεύμα εξόδου ( ) και στη συνέχεια η τάση εξόδου ( )

150 Σχήμα 5.37 : Μετατόπιση θ μεταξύ ρεύματος και τάσης εισόδου της φάσης a καθώς εξελίσσεται η φόρτιση σταθερής τάσης. Όσο περνάει ο χρόνος μειώνεται η ισχύς εξόδου του μετατροπέα και άρα η προήγηση του ρεύματος αυξάνεται. Από πάνω προς τα κάτω είναι θ=23 0, θ=36 0, θ=67 0 και για ισχύ εξόδου

151 Σχήμα 5.38 : Mετατόπιση θ μεταξύ ρεύματος και τάσης εισόδου της φάσης a (πάνω) και ισχύς εξόδου μετατροπέα συναρτήσει του χρόνου (κάτω) Εξάλειψη διαφοράς φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εισόδου Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προκύπτει ότι η μέθοδος ελέγχου του φορτίου δημιουργεί ημιτονοειδές ρεύμα εισόδου με πολύ μικρή αρμονική παραμόρφωση (THD). Ωστόσο, σύμφωνα με την ανάλυση που έγινε στο κεφάλαιο 1 απαραίτητη προϋπόθεση για υψηλό συντελεστή ισχύος είναι επίσης η μηδενική μετατόπιση μεταξύ φασικών ρευμάτων και τάσεων εισόδου (DF). Εν προκειμένω, η προήγηση αυτή οφείλεται στην χαμηλή ισχύ με την οποία λειτουργεί ο μετατροπέας ενώ σε περίπτωση λειτουργίας σε υψηλότερη ισχύ θα ήταν αμελητέα. Μια ενδεχόμενη λύση στο πρόβλημα της μετατόπισης υπό οποιαδήποτε ισχύ εξόδου θα ήταν η καθυστέρηση των παλμών ελέγχου προς τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος κατά χρονικό διάστημα Δt αντίστοιχο της γωνίας θ. Με αυτήν την τεχνική επιτυγχάνεται τόσο χαμηλή αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος όσο και μηδενική διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εισόδου με αποτέλεσμα ιδιαίτερα υψηλό

152 συντελεστή ισχύος. Το κύκλωμα ελέγχου πλέον έχει τη μορφή που παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 5.39: Κύκλωμα ελέγχου μετατροπέα στο περιβάλλον Simulink για εξάλειψη διαφοράς φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εισόδου. Για τη δημιουργία της σωστής ακολουθίας παλμών μετατοπίζονται κατά ένα χρονικό διάστημα Δt τόσο οι αναφορές του ολοκληρώματος του ρεύματος του πηνίου όσο και τα διαστήματα λειτουργίας ( ) που κατευθύνονται στο κύκλωμα λογικής. Τελικά, στο κύκλωμα λογικής εκτός από τα μετατοπισμένα διαστήματα λειτουργίας εισάγονται και οι μετατοπισμένες παλμοσειρές (έξοδοι κυκλώματος ελέγχου του φορτίου). Με αυτές τις συνθήκες λειτουργίας προκύπτουν παλμοί για τη διαμόρφωση ημιτονοειδούς ρεύματος εισόδου, οι οποίοι παράλληλα είναι κατάλληλα μετατοπισμένοι στο χρόνο καθώς παράγονται με βάση τις μετατοπισμένες αναφορές τάσης

153 Η δημιουργία της κατάλληλης χρονικής καθυστέρησης Δt προκύπτει από το κύκλωμα καθυστέρησης (DELAY circuit). Στο εσωτερικό του ουσιαστικά γίνεται ένα zero- cross detection του ρεύματος εισόδου και της τάσης της φάσης a και έτσι προκύπτει ένας υψηλός παλμός (στάθμη 1) για όσο χρονικό διάστημα το ρεύμα προηγείται της τάσης. Χρησιμοποιώντας τη μέση τιμή του παραπάνω παλμικού σήματος η καθυστέρηση Δt προκύπτει σύμφωνα με την παρακάτω λογική. Συμβολίζοντας με την αρχή του υψηλού λογικού παλμού και το πέρας του θα είναι Επομένως για κάθε περίοδο Τ του δικτύου θα ισχύει από το μπλόκ που εξάγει τη μέση τιμή: Σχήμα 5.40 : Υλοποίηση κυκλώματος καθυστέρησης σε περιβάλλον Simulink

154 Έτσι, για κάθε περίοδο του δικτύου μπορεί να υπολογιστεί η προήγηση του ρεύματος εισόδου από την τάση. Στη συνέχεια, η μέτρηση αυτή αξιοποιείται από ένα σύστημα τριών μπλόκ sample & hold (S/H) το οποίο είναι έτσι σχεδιασμένο ούτως ώστε όταν λαμβάνεται η νέα μέτρηση του Δt να προστίθεται στην παλιά προκειμένου να διατηρείται η συνολική καθυστέρηση που θα δημιουργεί μηδενική διαφορά φάσης θ (σχήμα 5.40). Σχήμα 5.41 : Πάνω τάση και ρεύμα εισόδου μαζί με έξοδο του zero crossing. Κάτω χρονικό διάστημα καθυστέρησης Δt συναρτήσει του χρόνου. Στο σχήμα 5.42 απεικονίζεται το μετατοπισμένο ρεύμα εισόδου το οποίο πλέον είναι σε φάση με την αντίστοιχη φασική τάση. Όπως φαίνεται, μετά την καθυστέρηση των παλμών κατά το κατάλληλο χρονικό διάστημα η διαφορά φάσης θ είναι σχεδόν μηδέν και έτσι τελικά επιτυγχάνεται ιδιαίτερα υψηλός συντελεστής ισχύος

155 Σχήμα 5.42 : Ρεύμα και τάση της φάσης a μετά την εισαγωγή της κατάλληλης καθυστέρησης μέσω του μοντέλου που κατασκευάστηκε. Προς επιβεβαίωση, παρουσιάζεται επίσης η γωνία θ συναρτήσει του χρόνου (

156

157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ 6.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο, θα παρουσιαστούν αναλυτικά τα βήματα που ακολουθήθηκαν για τον σχεδιασμό και την κατασκευή της τριφασικής ανορθωτικής διάταξης με διόρθωση του συντελεστή ισχύος για την φόρτιση των μπαταριών του ηλεκτροκίνητου οχήματος του εργαστηρίου. Στόχος της ανάλυσης αυτής είναι να διατυπωθεί η συλλογιστική πορεία που ακολουθείται για την κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος καθώς επίσης και να παρουσιαστούν οι δυσκολίες που προκύπτουν κατά τη μετάβαση από την προσομοίωση στη διαδικασία της κατασκευής. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης χρησιμοποιούνται ως μια καλή θεωρητική βάση. Οι υπολογιστικές δυνατότητες που παρέχονται από το περιβάλλον της προσομοίωσης αξιοποιούνται προκειμένου να προσεγγισθούν οι τάσεις και τα ρεύματα καταπόνησης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα καθώς επίσης και η λειτουργία της διάταξης σε διάφορα επίπεδα ισχύος. Εκτός από τις συνιστώσες του κυκλώματος ισχύος σημαντικό ρόλο στην συμπεριφορά του μετατροπέα και στη αξιόλογη λειτουργία του διαδραματίζουν και οι συνιστώσες του κυκλώματος ελέγχου. Η σωστή επιλογή των μετρητικών ρεύματος και τάσης αλλά και των ολοκληρωμένων που ευθύνονται για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων είναι υψίστης σημασίας. Τέλος, ο συντονισμός του ελέγχου του μετατροπέα προκειμένου να υλοποιείται η προδιαγραφή της διόρθωσης του συντελεστή ισχύος αλλά και το προφίλ φόρτισης πραγματοποιείται μέσω του κατάλληλου μικροελεγκτή ο οποίος επίσης επιλέγεται στο συγκεκριμένο κεφάλαιο. 6.2 Προδιαγραφές σχεδιασμού διάταξης H σχεδίαση του μετατροπέα πραγματοποιήθηκε με βάση τις εξής προδιαγραφές: Μέγιστη ισχύς εξόδου <1 kw. Τροφοδοσία από την τριφασική εναλλασσόμενη τάση του δικτύου (400V,50Hz)

158 Φόρτιση μπαταριών λιθίου-σιδήρου-φωσφόρου (LPB) χωρητικότητας και ονομαστικής τάσης Φόρτιση δύο σταδίων. Διακοπτική συχνότητα λειτουργίας 30kHz. Διόρθωση συντελεστή ισχύος για κάθε επίπεδο ισχύος εξόδου. 6.3 Επιλογή ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία (τρανζίστορ ισχύος) Σύγκριση ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Η δομή των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους είναι πολυπλοκότερα από αυτά των αντίστοιχων στοιχείων χαμηλής ισχύος. Η απαίτηση διαχείρισης υψηλών ποσών ισχύος μεταβάλλει τη δομή τους προκείμενου να είναι σε θέση να αντέξουν υψηλότερες καταπονήσεις. Τις περισσότερες φορές, σε εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος, τα στοιχεία αυτά χρησιμοποιούνται ως διακόπτες παρουσιάζοντας δύο καταστάσεις λειτουργίας, αγωγή και αποκοπή (ON,OFF). Έτσι, αποφεύγεται η καταπόνηση τους από ταυτόχρονα μεγάλο ρεύμα και τάση, όπως θα συνέβαινε στην περίπτωση λειτουργίας στη γραμμική περιοχή μια κατάσταση λειτουργίας που συναντάται κατά κόρον σε ηλεκτρονικά χαμηλότερης ισχύος. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, που απαιτείται να διαθέτουν τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος είναι [31]: 1. Υψηλές τάσεις διάσπασης 2. Ικανότητα διέλευσης υψηλών τιμών ρεύματος 3. Μικρές πτώσεις τάσεις σε κατάσταση αγωγής 4. Χαμηλές αντιστάσεις αγωγής 5. Μικρές τιμές του ρεύματος διαρροής 6. Μικροί διακοπτικοί χρόνοι κατά την έναυση και τη σβέση. Στα παραπάνω χαρακτηριστικά πρέπει να προστεθούν η ικανότητα αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, οι χαμηλές απαιτήσεις ισχύος στο κύκλωμα ελέγχου ενώ και ένας παράγοντας που λαμβάνεται σοβαρά υπόψη και εν μέρει προσδιορίζει την

159 τελική επιλογή του στοιχείου είναι το κόστος αγοράς. Τα δύο πρώτα χαρακτηριστικά (1&2) σχετίζονται με την αντοχή του στοιχείου ως διακόπτη και καθορίζουν τη δυνατότητα διέλευσης ισχύος μέσα από αυτό. Όλα τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά (3&4&5&6) προσδιορίζουν τόσο τις απώλειες αγωγής όσο και της διακοπτικές απώλειες που εμφανίζονται στο στοιχείο για συγκεκριμένη κατάσταση λειτουργίας και συγκεκριμένη διακοπτική συχνότητα. Στην πράξη δεν υπάρχει στοιχείο που να διαθέτει ταυτόχρονα όλες τις παραπάνω ιδιότητες. Επομένως, ο μηχανικός οφείλει να επιλέγει προσεχτικά το κατάλληλο ημιαγωγικό στοιχείο για μια συγκεκριμένη εφαρμογή καθώς η σωστή επιλογή του είναι κρίσιμη για την απόδοση και τη λειτουργία του συστήματος. Στο σχήμα 6.1 παρουσιάζονται οι δυνατότητες των πιο συχνά χρησιμοποιούμενων ημιαγωγικών στοιχείων όσον αφορά το ονομαστικό ρεύμα αγωγής, την ονομαστική τάση διάσπασης και τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας. Το θυρίστορ γενικά είναι σε θέση να διαχειριστεί ισχύ από μερικές δεκάδες W ως και μερικές εκατοντάδες MW λειτουργώντας σε διακοπτικές συχνότητες 2 με 3 khz. Μεγάλο μειονέκτημά είναι ότι για να σβήσει πρέπει το ρεύμα που το διαρρέει να μειωθεί κάτω από μια ορισμένη τιμή (ρεύμα συγκράτησης). Επομένως, ο έλεγχός του απαιτεί εξωτερικό κύκλωμα εξαναγκασμένης μετάβασης και άρα επιπλέον σχεδιαστική προσπάθεια. Ο περιορισμός αυτός στον έλεγχο αίρεται μέσω ενός άλλου ημιαγωγικού στοιχείου, του GTO θυρίστορ (Gate Turn Off) καθώς η έναυση και η σβέση του γίνεται μέσω της πύλης του (αρνητικός παλμός για τη σβέση του). Ωστόσο και σε αυτήν την περίπτωση απαιτείται η ύπαρξη κάποιων βοηθητικών κυκλωμάτων υποβοήθησης της σβέσης ενώ αν και λειτουργεί σε υψηλότερες διακοπτικές συχνότητες απ ότι το θυρίστορ και πάλι κυμαίνεται αρκετά χαμηλά. Τα παραπάνω θέματα που αφορούν τον σχεδιασμό του κυκλώματος παλμοδότησης και ο περιορισμός της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας καθιστούν τους δύο παραπάνω υποψήφιους ακατάλληλους για την υλοποίηση του τριφασικού ανορθωτή

160 Σχήμα 6.1 : Κατηγοριοποίηση ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος με βάση το διερχόμενο ρεύμα, την τάση αποκοπής και τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας.[31] Οι δύο σοβαρότεροι υποψήφιοι για τη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι το διπολικό τρανζίστορ ισχύος με απομονωμένη πύλη (IGBT) και το τρανζίστορ μετάλλουοξειδίου-ημιαγωγού με επίδραση πεδίου (Power MOSFET). Το πρώτο ημιαγωγικό στοιχείο ουσιαστικά συνδυάζει τα χαρακτηριστικά ενός MOSFET και ενός BJT ισχύος. Παρουσιάζει υψηλή εμπέδηση εισόδου όπως ένα MOSFET ισχύος, αλλά τα

161 χαρακτηριστικά αγωγής του μοιάζουν με αυτά ενός BJT ισχύος. Ωστόσο, οι χρόνοι μετάβασης είναι μεγαλύτεροι από αυτούς των MOSFET ισχύος (η ροή ρεύματος οφείλεται στη ροή φορέων μειονότητας). Έτσι, κατά τη σβέση τους παρατηρείται στην κυματομορφή του ρεύματος μια ουρά, αυξάνοντας τις διακοπτικές απώλειες και περιορίζοντας τη μέγιστη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας. Γενικά μπορούν να διαχειριστούν μεγαλύτερη ισχύ σε σχέση με ένα MOSFET ισχύος. Τελικά για την κατασκευή του τριφασικού ανορθωτή προτιμήθηκε η χρήση MOSFET ισχύος, δεδομένης της σχετικά μικρής ισχύος εξόδου ( <1kW ) και της διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα (30 khz) Το MOSFET ισχύος (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Σχήμα 6.2 : Αριστερά δομή mosfet ισχύος με κανάλι τύπου N. Δεξιά συμβολισμοί mosfet καναλιού τύπου N και P αντίστοιχα. [31] Είναι ένα ελεγχόμενο από τάση ημιαγωγικό στοιχείο τριών ακροδεκτών. Την υποδοχή (Drain), την πηγή (Source), και την πύλη (Gate). Προκειμένου να επιτευχθεί η ρύθμιση της ροής ρεύματος μεταξύ υποδοχής και πηγής η πύλη του απομονώνεται από το αγώγιμο κανάλι. Το μονωτικό που χρησιμοποιείται είναι το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). Με την πύλη του να συμπεριφέρεται ως πυκνωτής, το στοιχείο παρουσιάζει υψηλή εμπέδηση εισόδου (μεταξύ πύλης και πηγής) και επομένως η ισχύς που απαιτείται για τον έλεγχο του είναι εξαιρετικά χαμηλή

162 Για να επιτευχθεί υψηλό ρεύμα διέλευσης, το MOSFET ισχύος αποτελείται από πολλές κυψέλες τοποθετημένες παράλληλα. Σε αντίθεση με τα IGBT, εδώ η ροή του ρεύματος οφείλεται στη ροή φορέων πλειονότητας. Οι χρόνοι καθυστέρησης και μετάβασης από την αποκοπή στην αγωγή και ανάποδα είναι αρκετά χαμηλοί και δεν εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του στοιχείου, δίνοντας στα MOSFET τη δυνατότητα λειτουργίας σε εξαιρετικά υψηλές συχνότητες. Ένα μειονέκτημά τους ωστόσο είναι ότι η αντίσταση αγωγής αυξάνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τους κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένες απώλειες αγωγής σε περίπτωση που δεν έχει σχεδιαστεί κατάλληλο σύστημα ψύξης (ψυκτικό σώμα) για το ημιαγωγικό στοιχείο. Η περιοχή ασφαλούς λειτουργίας τους επομένως καθορίζεται μόνο από τα όρια θερμοκρασίας του πλακιδίου. Το MOSFET ισχύος έχει εσωτερικά μία δίοδο, η οποία εμφανίζεται μεταξύ πηγής και υποδοχής, με αποτέλεσμα να μην έχει τη δυνατότητα αποκοπής ανάστροφων τάσεων. Ωστόσο, η δίοδος αυτή είναι απαραίτητη για τη συγκεκριμένη εφαρμογή καθώς αποτελεί δομικό κομμάτι του διακόπτη τεσσάρων τεταρτημορίων, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την εφαρμογή της μεθόδου ελέγχου του φορτίου. Για την επιλογή των κατάλληλων MOSFET ισχύος πρέπει να ληφθούν υπόψη τόσο η μέγιστη τάση που τα καταπονεί όσο και η ενεργός τιμή του ρεύματος που διέρχεται μέσα από αυτά. Αξιοποιώντας τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προκύπτει ότι για συνθήκες μέγιστης φόρτισης του μετατροπέα είναι, ενώ η τάση είναι η μέγιστη πολική του τριφασικού δικτύου. Οι κυματομορφές ρεύματος και τάσεως των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων όπως προέκυψαν από το περιβάλλον Simulink παρουσιάζονται στα σχήματα 6.3 και 6.4 αντίστοιχα

163 Σχήμα 6.3 : Διακοπτικό ρεύμα μέσα από τον ημιαγωγικό διακόπτη της φάσης a. Κυματομορφή προσομοιωμένης λειτουργίας. Σχήμα 6.4 : Καταπόνηση ημιαγωγικών στοιχείων κάθε διακόπτη. Με μπλε χρώμα απεικονίζεται η τάση μεταξύ υποδοχής και πηγής του ορθού mosfet ενώ με πράσινο η τάση μεταξύ πηγής και υποδοχής του δεύτερου που είναι με πλάτη στο πρώτο. Η συνολική τάση καταπόνησης του ημιαγωγικού διακόπτη ισούται με το άθροισμα των δύο επιμέρους κυματομορφών. Κυματομορφές προσομοιωμένης λειτουργίας

164 Τελικά επιλέχθηκαν τα MOSFET ισχύος STW15NK90Z του κατασκευαστικού οίκου ST τα οποία προσφέρουν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά και καλή σχέση απόδοσης και κόστους. Επίσης, περιέχουν ενσωματωμένες διόδους zener μεταξύ πηγής και πύλης για την προστασία του ημιαγωγικού στοιχείου σε περίπτωση που η αντίστοιχη τάση ( ) ξεπεράσει τα 30V. Σχήμα 6.5 : Το mosfet ισχύος STW15NK90Z της εταιρίας ST Microelectronics.[46] Μη ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία-(δίοδοι ισχύος) Σημαντικό κομμάτι του κυκλώματος ισχύος αποτελεί η τριφασική ανορθωτική γέφυρα διόδων. Ουσιαστικά, αποτελεί την κλασσική ανορθωτική διάταξή έξι διόδων και είναι υπεύθυνη για την μετατροπή της τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου σε συνεχή η οποία απαιτείται για την φόρτιση των συσσωρευτών. Κάθε δίοδος είναι ένα μη ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο καθώς δεν είναι δυνατός ο έλεγχος της λειτουργίας της μέσω κάποιου ηλεκτρικού σήματος. Η συμπεριφορά του στοιχείου αυτού εξαρτάται αποκλειστικά από την τάση που εφαρμόζεται κάθε φορά στα άκρα του και το ρεύμα που το διαρρέει. Σε μία συνηθισμένη ανορθωτική γέφυρα τα ημιαγωγικά στοιχεία επιλέγονται για τη συχνότητα λειτουργίας του δικτύου τροφοδοσίας (50 Hz ή 60Hz). Στη συγκεκριμένη όμως εφαρμογή, οι δίοδοι καλούνται να λειτουργήσουν στην υψηλή διακοπτική συχνότητα στην οποία λειτουργεί ο μετατροπέας, με το ρεύμα που

165 διέρχεται από αυτές να είναι παλμικό στα 30 khz. Το παραπάνω συμβαίνει καθώς σε κάθε διάστημα λειτουργίας των 60 0 της τάσεως εισόδου οι δίοδοι που άγουν,κάθε φορά, αποτελούν ουσιαστικά μέρος ενός buck μετατροπέα υποβιβασμού τάσης. Δηλαδή, περνάνε διαρκώς από κατάσταση αγωγής σε κατάσταση αποκοπής με υψηλό ρυθμό ο οποίος καθορίζεται από την κατάσταση αγωγής των διακοπτών τεσσάρων τεταρτημορίων στην είσοδο του μετατροπέα και τις τάσεις εισόδου του εναλλασσόμενου τριφασικού δικτύου. Ένα πρόβλημα, το οποίο έχει σχέση με τη συμπεριφορά των διόδων κατά τη σβέση τους και καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε είναι το φαινόμενο της ανάστροφης ανάκτησης (reverse recovery effect). Όταν η τάση στην άνοδο της διόδου γίνει μικρότερη από την τάση στη κάθοδό, η δίοδος πολώνεται ανάστροφα και αρχίζει η διαδικασία σβέσης της. Το ρεύμα που την διαρρέει ξεκινάει να μειώνεται, ωστόσο προτού τελικά μηδενιστεί αναστρέφεται, αποκτώντας μία μέγιστη αρνητική τιμή (I RM ). Τελικά, το ρεύμα στη δίοδο θα μηδενιστεί με έναν ρυθμό di RM /dt. Τέτοιες μεταβολές του ρεύματος είναι δυνατόν να προκαλέσουν υπερτάσεις λόγω των παρασιτικών επαγωγών στις γραμμές του τυπωμένου κυκλώματος (LdI RM /dt), με τις παρασιτικές επαγωγές να οφείλονται στις μη μηδενικές αποστάσεις μεταξύ των επιμέρους συνιστωσών του μετατροπέα. Οι υπερτάσεις αυτές πέρα από το ότι είναι επικίνδυνο να καταστρέψουν το στοιχείο, εμφανίζονται σε συχνότητες της τάξης των MHz και ευθύνονται για την εμφάνιση παρεμβολών που αλλοιώνουν τις μετρήσεις και εισάγουν θόρυβο στα κυκλώματα ελέγχου και παλμοδότησης. Εφόσον λοιπόν στη συγκεκριμένη εφαρμογή οι δίοδοι επιβάλλεται να λειτουργούν σε υψηλή διακοπτική συχνότητα αποκλείεται η χρήση των απλών ανορθωτικών διόδων (Rectifier Type),οι οποίες χρησιμοποιούνται για ανόρθωση της τάσεως του δικτύου και παρουσιάζουν μεγάλους χρόνους ανάστροφης ανάκτησης (di RM /dt. μικρό), αποσβένοντας τις υπερτάσεις, διότι δεν είναι αναγκαίο να ανοιγοκλείνουν με ταχείς ρυθμούς. Για τον λόγο αυτό αποκλείστηκε η χρήση ολοκληρωμένης υπομονάδας (module) τριφασικής γέφυρας έξι διόδων, η οποία θα έκανε πιο απλή και συμπαγή την κατασκευή του κυκλώματος ισχύος, καθώς αυτές προορίζονται για λειτουργία σε χαμηλή συχνότητα. Οι δίοδοι λοιπόν που απαιτούνται πρέπει να είναι υπερταχείας και ομαλής ανάκτησης (ultra fast soft recovery diodes), έτσι ώστε να παρουσιάζουν ομαλή αλλά και

166 ταυτόχρονα γρήγορη επαναφορά του ρεύματος της διόδου στο μηδέν, ελαχιστοποιώντας κατά το δυνατό τον κίνδυνο εμφάνισης ανεπιθύμητων υπερτάσεων. Σχήμα 6.6: Διαδικασία σβέσης μιας διόδου ισχύος. Αρχικά εφαρμόζεται μία ανάστροφη τάση V R επί της διόδου με αποτέλεσμα το ρεύμα ορθής πόλωσης να μειώνεται και στη συνέχεια να γίνεται αρνητικό. Τελικά το ρεύμα ισορροπεί στο μηδέν. [31] Για την επιλογή των κατάλληλων διόδων ισχύος πρέπει να γνωρίζουμε την μέγιστη ανάστροφη τάση που τις καταπονεί, το μέσο ρεύμα που διέρχεται μέσα από αυτές αλλά και το μέγιστο ρεύμα τους ούτως ώστε να μην κινδυνεύουν σε καμία περίπτωση να καταστραφούν λόγω υπέρτασης, λόγω υπερφόρτισης ή λόγω υπερρεύματος. Για να εξαχθούν τα παραπάνω ενδιαφερόμενα μεγέθη χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα από την προσομοίωση και την θεωρητική ανάλυση. Προκειμένου να εξασφαλιστούν οι μέγιστες τιμές ρεύματος, τα συμπεράσματα εξήχθησαν για λειτουργία με τη μέγιστη ισχύ εξόδου, η οποία προκύπτει για φόρτιση με σταθερό ρεύμα 9Α. Το ρεύμα μέσα από κάθε δίοδο απεικονίζεται στο σχήμα

167 Με τη βοήθεια του μπλόκ που εξάγει τη μέση τιμή ρεύματος στο Simulink προκύπτει ότι το μέσο ρεύμα που διαρρέει κάθε δίοδο είναι. Όπως μπορούμε επίσης να δούμε στο σχήμα, η μέγιστη τιμή του ρεύματος στη δίοδο δεν ξεπερνάει τα 10Α ( ). Όσον αφορά στην μέγιστη ανάστροφη τάση καταπόνησης της διόδου, αυτή αναμένεται να είναι η μέγιστη τιμή της πολικής τάσης του δικτύου, καθώς σε κάθε διάστημα λειτουργίας η τάση εισόδου του μετατροπέα είναι η πολική. Θα είναι δηλαδή. Το παραπάνω επιβεβαιώνεται και από την απεικόνιση της προσομοιωμένης τάσης των διόδων που παρουσιάζεται στο σχήμα 6.8. Για την αξιόπιστη και απρόσκοπτη λειτουργία του κυκλώματος ισχύος τα παραπάνω ενδιαφερόμενα μεγέθη (τάση αντοχής & ρεύμα λειτουργίας) οφείλουν να πολλαπλασιαστούν με έναν συντελεστή ασφαλείας προκειμένου να εξασφαλιστεί ότι οι αντοχές τους όπως έχουν δοθεί από τον κατασκευαστή δεν θα ξεπεραστούν σε καμία περίπτωση κατά τη λειτουργία του μετατροπέα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, επιλέγεται ένας συντελεστής ασφαλείας της τάξης του 1,5 για την τάση και το ρεύμα αντίστοιχα. Σχήμα 6.7 : Διακοπτικό ρεύμα μέσα από μια δίοδο της τριφασικής γέφυρας για διάρκεια δύο περιόδων δικτύου. Κυματομορφή προσομοιωμένης λειτουργίας

168 Σχήμα 6.8 : Τάση μεταξύ ανόδου-καθόδου διόδων τριφασικής γέφυρας. Κυματομορφή προσομοιωμένης λειτουργίας. Για την τελική επιλογή των διόδων ελήφθησαν υπόψη τα παραπάνω στοιχεία όπως επίσης και η σχέση μεταξύ απόδοσης, τιμής και δυνατοτήτων που παρείχε το κάθε στοιχείο. Τελικά, επιλέχθηκε η δίοδος 10ETF10 του κατασκευαστικού οίκου VISHAY η οποία παρέχει πολύ καλά χαρακτηριστικά με μικρό κόστος. Η τάση αντοχής των διόδων αυτών είναι 1000V ενώ η ονομαστική τιμή του ρεύματος είναι 10Α, δηλαδή πολλαπλάσια του ορίου που είχε τεθεί από την προσομοίωση. Σχήμα 6.9 : H δίοδος ισχύος 10ETF10 του κατασκευαστικού οίκου VISHAY.[47]

169 Παράλληλα, η δίοδος αυτή παρουσιάζει ικανοποιητικά μικρή αντίσταση αγωγής και μικρή τάση κατωφλίου, ιδιαίτερα σημαντικό χαρακτηριστικό για την ελαχιστοποίηση των απωλειών αγωγής και την αύξηση της απόδοσης του μετατροπέα. Το φυλλάδιο του κατασκευαστή της συγκεκριμένης διόδου παρατίθεται στο παράρτημα Δ. 6.4 Εξαγωγή σχέσεων για την κατασκευή των πηνίων του μετατροπέα Σχήμα 6.10 : Εποπτική αναπαράσταση μαγνητικής επαγωγής και μαγνητικής πεδιακής έντασης σε έναν πυρήνα τύπου Ε με διάκενο g. Στο κεντρικό στέλεχος του πυρήνα είναι τυλιγμένες Ν σπείρες χαλκού που διαρρέονται από ρεύμα Ι. Για τις ανάγκες του τριφασικού ανορθωτή συνολικά σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν πέντε πηνία. Τρία από αυτά χρησιμοποιούνται στο κατωδιαβατό φίλτρο απομάκρυνσης των ανώτερων αρμονικών του ρεύματος το οποίο τοποθετείται στην είσοδο του μετατροπέα ενώ τα άλλα δύο απαρτίζουν το κεντρικό πηνίο εξόδου

170 του μετατροπέα τύπου Buck. Παρακάτω θα εξαχθούν συνοπτικά οι σχέσεις μέσω των οποίων σχεδιάζεται ένα πηνίο με βάση την επιθυμητή τιμή της επαγωγής αλλά και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του τύπου και του υλικού του πυρήνα. Η σχέση που συνδέει την μαγνητική πεδιακή ένταση του πυρήνα με τον συνολικό αριθμό των σπειρών και το ρεύμα που τις διαρρέει δίνεται από τον νόμο του Ampere: (6.1) Εφαρμόζοντας την παραπάνω σχέση στον καφέ κλειστό δρόμο του πυρήνα τύπου Ε του πηνίου του σχήματος 6.10 και λαμβάνοντας υπόψη ότι η μαγνητική ένταση στο εσωτερικό του πυρήνα είναι πρακτικά αμελητέα προκύπτει: (6.2) Συμβολίζοντας με την μαγνητική ένταση στο κεντρικό διάκενο, χρησιμοποιώντας τη γνωστή σχέση μεταξύ μαγνητικής επαγωγής και έντασης και εφαρμόζοντας για ακόμη μια φορά τον νόμο του Ampere στον αριστερό κόκκινο βρόχο, προκύπτει: (6.3) Επόμενο βήμα στην πορεία της ανάλυσης είναι να καθοριστεί η σχέση μεταξύ της μαγνητικής επαγωγής στο κεντρικό διάκενο του πυρήνα και της μαγνητικής επαγωγής στα δυο διάκενα εκατέρωθεν αυτού. Η σχέση λοιπόν αυτή θα προκύψει από τον νόμο του Gauss για το μαγνητικό φορτίο στην κλειστή πράσινη ορθογωνική επιφάνεια που περικλείει ένα κομμάτι του πυρήνα: (6.4) Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ενεργός διατομή του πυρήνα στο κέντρο ( είναι διπλάσια από την αντίστοιχη διατομή που καταλήγει στα δυο διάκενα εκατέρωθεν του καθώς επίσης και ότι στην παραπάνω εξίσωση μη μηδενικές συνιστώσες προκύπτουν από τις πλευρές της επιφάνειας το διάνυσμα των οποίων είναι παράλληλο με το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής, η σχέση (6.4) γίνεται: (6.5) Με αντικατάσταση στην (6.3) προκύπτει τελικά ότι:

171 (6.6) Στη συνέχεια θα υπολογιστεί η τιμή της επαγωγής L του πηνίου συναρτήσει του πλήθους των σπειρών και του μήκους του διακένου. Η μαγνητική ροή που διέρχεται μέσα από κάθε σπείρα υπολογίζεται ως: (6.7) Επομένως, η συνολική πεπλεγμένη ροή ενός πηνίου με N σπείρες ισούται με: (6.8) Αντικαθιστώντας τη σχέση (6.6) στη σχέση (6.8) προκύπτει: (6.9) Η επαγωγή ενός πηνίου ορίζεται ως το πηλίκο της πεπλεγμένης ροής προς το ρεύμα που την δημιουργεί, δηλαδή: (6.10) Με αντικατάσταση της (6.9) στη σχέση (6.10) η επαγωγή L ενός τέτοιου πηνίου προκύπτει ως: (6.11) Συνδυάζοντας τις (6.8) και (6.10), η τελική σχέση που δίνει τον αριθμό των σπειρών ενός πηνίου είναι η: (6.12) Ένα ακόμα σημαντικό βήμα πριν την κατασκευή είναι η σωστή επιλογή του αριθμού των κλώνων από τους οποίους θα αποτελείται ο αγωγός του πηνίου. Εκτός από τη συνολική διατομή του αγωγού η οποία επιλέγεται ανάλογα με το ονομαστικό ρεύμα που αναμένεται να διέρθει μέσα από το πηνίο, το πλήθος των κλώνων που θα τον απαρτίζουν έχει άμεση σχέση με την συχνότητα του διερχόμενου ρεύματος. Όταν ένας αγωγός διαρρέεται από μεταβαλλόμενο ρεύμα i, παράγεται εντός του αγωγού ένα μαγνητικό πεδίο B, το οποίο προκαλεί τη ροή των δινορευμάτων i e1 και i e2 στον αγωγό. Η φορά των δινορευμάτων που προκαλεί το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο είναι τέτοια, ώστε τα μαγνητικά πεδία B e1 και B e2 που παράγουν τα

172 δινορεύματα, να είναι αντίθετα στο πεδίο B που τα προκάλεσε (σχήμα 6.11). Η φορά των δινορευμάτων στο εσωτερικό του αγωγού είναι αντίθετη από τη φορά του κύριου ρεύματος i, ενώ στην εξωτερική επιφάνεια τα δινορεύματα έχουν την ίδια φορά με το κύριο ρεύμα. Ως αποτέλεσμα το ρεύμα i κατανέμεται ανομοιόμορφα στο εσωτερικό του αγωγού, με την πυκνότητα του ρεύματος J να είναι μέγιστη στην επιφάνεια του και να μειώνεται εκθετικά προς το εσωτερικό του. Το χαρακτηριστικό μήκος της εκθετικής απόσβεσης ονομάζεται επιδερμικό βάθος και συμβολίζεται με (δ). Το παραπάνω φαινόμενο είναι γνωστό ως επιδερμικό φαινόμενο. Σχήμα 6.11 : Αριστερά δινορεύματα στο εσωτερικό ενός χάλκινου αγωγού κυκλικής διατομής. Δεξιά κατανομή πυκνότητας διερχόμενου ρεύματος στη διατομή του αγωγού. [1],[48] Όταν η διάμετρος του αγωγού είναι πολύ μεγαλύτερη από το επιδερμικό βάθος, το ρεύμα ρέει κυρίως σ ένα επιφανειακό στρώμα του αγωγού, περίπου ίσο με το επιδερμικό βάθος. Έτσι, η ενεργός αντίσταση του αγωγού είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την R dc με αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών. Η επίδραση του επιδερμικού βάθους συνήθως αγνοείται όταν ο αγωγός έχει διάμετρο d μικρότερη από 2δ. Το επιδερμικό βάθος ενός υλικού δίνεται προσεγγιστικά από τη σχέση: (6.13)

173 ,όπου ρ (Ωm) η ειδική αντίσταση του υλικού, μ (Η/m) η απόλυτη μαγνητική του διαπερατότητα, f (Hz) η συχνότητα του διερχόμενου ρεύματος, ω (rad/sec) η γωνιακή του συχνότητα και σ (S/m) η ειδική του αγωγιμότητα. Για τον χαλκό, η ειδική αντίσταση είναι ενώ η απόλυτη μαγνητική του διαπερατότητα ισούται με (καθώς. Επομένως, η διάμετρος κάθε χάλκινου κλώνου του τυλίγματος του πηνίου θα επιλεγεί από τη σχέση (6.13) και σύμφωνα με τη συχνότητα διερχόμενου του ρεύματος ούτως ώστε να ικανοποιείται η σχέση :. Με βάση την ανάλυση που προηγήθηκε, στη συνέχεια παρουσιάζεται ο σχεδιασμός των πηνίων του μετατροπέα Πηνία εξόδου Σε έναν μετατροπέα υποβιβασμού τάσης η τιμή της επαγωγής του πηνίου εξόδου καθορίζει την περιοχή λειτουργίας του μετατροπέα (συνεχής- ασυνεχής αγωγή). Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, μιας και δεν υπάρχει απαίτηση ο μετατροπέας να λειτουργεί αποκλειστικά σε μια συγκεκριμένη περιοχή, η τιμή της επαγωγής επιλέγεται έτσι ώστε η κυμάτωση του ρεύματος του πηνίου να είναι η μικρότερη δυνατή. Προφανώς όσο μεγαλώνει η τιμή της επαγωγής τόσο θα μικραίνει η κυμάτωση του ρεύματος στο πηνίο. Μιας και θα κατασκευαστούν δύο πηνία ίδιας επαγωγής, η συνολική επαγωγή του ισοδύναμου πηνίου εξόδου του μετατροπέα θα είναι το άθροισμα των δύο επαγωγών. Σχήμα 6.12 : Ο πυρήνας Ε65 της εταιρίας EPCOS.[49]

174 Ο πυρήνας που χρησιμοποιείται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι ο Ε65 της εταιρίας EPCOS [49]. Το υλικό του πυρήνα είναι φερρίτης,δεδομένης της υψηλής διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας του μετατροπέα, προκειμένου να μειωθούν στο ελάχιστο οι απώλειες δινορευμάτων. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για το υλικό 3F3 της ίδιας εταιρίας. Η γεωμετρία του πυρήνα και τα μαγνητικά χαρακτηριστικά του απεικονίζονται στο σχήμα Προκειμένου να αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητες του πυρήνα αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί σχεδόν όλος ο χώρος από το προσφερόμενο παράθυρο. Έτσι, κατασκευάστηκαν δύο πηνία ονομαστικής επαγωγής έκαστο. Επομένως, η συνολική επαγωγή είναι. Με βάση τη σχέση (6.12) οι σπείρες του κάθε πηνίου υπολογίζονται ως: (6.14),όπου είναι η μέγιστη τιμή του ρεύματος που θα διέλθει μέσα από το τύλιγμα του πηνίου και η τιμή του μαγνητικού πεδίου κορεσμού του πυρήνα. Με βάση τις κυματομορφές της προσομοιωμένης λειτουργίας του μετατροπέα Επίσης, από το σχήμα 6.13 προκύπτει ότι για θερμοκρασία, Ωστόσο, για λόγους ασφαλείας θεωρούμε μια τιμή στο 75% της καμπύλης δηλαδή,. Σύμφωνα με τα παραπάνω, κάθε πηνίο έχει συνολικά: Το διάκενο υπολογίζεται από τη σχέση (6.6) ως: Στη συνέχεια θα υπολογιστεί η διατομή χαλκού του τυλίγματος. Με δεδομένο ότι ρεύμα έντασης 5 Α μπορεί να διέλθει με ασφάλεια από έναν αγωγό διατομής και λαμβάνοντας υπόψη ότι το ονομαστικό ρεύμα του πηνίου είναι απαιτείται διατομή

175 Σχήμα 6.13 : Καμπύλη μαγνήτισης φερρίτη 3F3.[49] Από το τύλιγμα διέρχεται ρεύμα με αρμονικό περιεχόμενο (για τη βασική αρμονική) στην διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα (.Το επιδερμικό βάθος του χαλκού σε αυτή τη συχνότητα προκύπτει με βάση τη σχέση (6.13). Επομένως, πρέπει. Eπιλέχθηκε ωστόσο κλώνος διαμέτρου 0,56 mm καθώς αρμονικό περιεχόμενο εμφανίζεται και σε μεγαλύτερες συχνότητες. Έτσι, η διατομή κάθε κλώνου είναι:\ ( ),ενώ συνολικά χρειάζονται : Tελικά, η συνολική επιφάνεια που καταλαμβάνει το τύλιγμα είναι: Λαμβάνοντας υπόψη και έναν συντελεστή ασφαλείας 3 καθώς το τύλιγμα γίνεται με το χέρι η απαιτούμενη επιφάνεια διαμορφώνεται στα:. Το τύλιγμα θα χωρέσει άνετα στο παράθυρο του συγκεκριμένου πυρήνα καθώς όπως προκύπτει και από το σχήμα 6.12:

176 6.4.2 Πηνία τριφασικού φίλτρου εισόδου Για το φίλτρου εισόδου αποφασίστηκε ο σχεδιασμός και η κατασκευή τριών πηνίων επαγωγής 1mH έκαστο. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης το μέγιστο ρεύμα που αναμένεται να περάσει από το πηνίο του φίλτρου είναι (ημιτονοειδές ρεύμα) και το οποίο προκύπτει για την μέγιστη ισχύ εξόδου (<1 kw). Χρησιμοποιήθηκε ο πυρήνας ETD39 της εταιρίας EPCOS και το υλικό 3C85 [50]. Σύμφωνα με τα σχήματα 6.15 και 6.14 θεωρούμε και. Έτσι, ο αριθμός των σπειρών προκύπτει σύμφωνα με τη σχέση (6.14) ως εξής: Σχήμα 6.14 : Ο πυρήνας ETD39 της εταιρίας EPCOS. [49] Από τη σχέση (6.6) το διάκενο υπολογίζεται ως:

177 Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ένας κλώνος σύρματος διαμέτρου 0,71 mm του οποίου η διατομή θα είναι: Επομένως, η συνολική επιφάνεια που θα καταλαμβάνει το τύλιγμα θα είναι: Το παραπάνω τύλιγμα χωράει με άνεση στο παράθυρο του πυρήνα ETD39 (. Σχήμα 6.15 : Καμπύλη μαγνήτισης υλικού 3C85.[50] 6.5 Σχεδίαση και κατασκευή γραμμικών τροφοδοτικών Για την κάλυψη των αναγκών σε ισχύ όλων των ολοκληρωμένων και των μετρητικών τάσης και ρεύματος σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν γραμμικά τροφοδοτικά χαμηλής ισχύος. Ουσιαστικά πρόκειται για τροφοδοτικά συνεχούς τάσης τα οποία τροφοδοτούνται από το δίκτυο μέσω μετασχηματιστή. Ο βασικός πυρήνας τους είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα σταθεροποίησης τάσης. Εάν

178 συμβολίσουμε με xx την επιθυμητή τάση εξόδου, τότε το ολοκληρωμένο 78xx εξασφαλίζει θετική τάση ενώ το 79xx εξασφαλίζει αρνητική τάση. Έτσι για παράδειγμα, το ολοκληρωμένο 7815 παράγει στην έξοδό του συνεχή τάση στάθμης 15V ενώ το 7915 παράγει -15V. Για να λειτουργήσει ένα ολοκληρωμένο σταθεροποίησης τάσης πρέπει η τάση εισόδου να είναι μεγαλύτερη από την τάση εξόδου του. Σε κάθε περίπτωση ωστόσο η διαφορά μεταξύ των δύο τάσεων δεν πρέπει να είναι πολύ μεγάλη καθώς οι απώλειες ισχύος πάνω στο ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο του ολοκληρωμένου αυξάνονται. Η μέγιστη επιτρεπόμενη διαφορά καθορίζεται από καμπύλες που παρέχει ο κατασκευαστής. Η γενική δομή ενός γραμμικού τροφοδοτικού παρουσιάζεται στο σχήμα Μεταξύ ολοκληρωμένου και μετασχηματιστή παρεμβάλλεται μια ανορθωτική γέφυρα διόδων για ανόρθωση της εναλλασσόμενης τάσης εισόδου. Επιπλέον, τόσο πριν όσο και μετά το σταθεροποιητικό τάσης παρεμβάλλονται πυκνωτές εξομάλυνσης (Ηλεκτρολυτικοί) και φιλτραρίσματος των υψίσυχνων αρμονικών της τάσης (ΜΚΤ). Σχήμα 6.16 : Γενική δομή ενός γραμμικού τροφοδοτικού. [31] Στην παρούσα διπλωματική εργασία κατασκευάστηκαν τα εξής γραμμικά τροφοδοτικά (5 συνολικά):

179 3 τροφοδοτικά +15V,0V για τους drivers των παλμών έναυσης και σβέσης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων του κυκλώματος ισχύος. Παράλληλα, κάθε ένα εκ των παραπάνω τροφοδοτεί και τον αντίστοιχο οπτοζεύκτη που σχετίζεται με τον αντίστοιχο ημιαγωγικό διακόπτη. 1 τροφοδοτικό +5V,0V για τον μικροελεγκτή, τον ενισχυτή (buffer) και το μετρητικό τάσεως εξόδου. 1 τροφοδοτικό +15V,0V,-15V για το μετρητικό ρεύματος πηνίου, τους τελεστικούς AD622 (ενότητα ) και την τροφοδοσία του ολοκληρωτή. Τα δύο τελευταία τροφοδοτικά σχεδιάστηκαν με κοινή γη προκειμένου τα σήματα των μετρήσεων να έχουν κοινή αναφορά με τον μικροελεγκτή καθιστώντας παράλληλα δυνατή και την διαχείρισή τους από αυτόν. Όσον αφορά στην ονομαστική ισχύ των μετασχηματιστών κάθε γραμμικού τροφοδοτικού, τόσο για τους drivers όσο και για τον μικροελεγκτή και τον ενισχυτή χρησιμοποιήθηκε μετασχηματιστής ονομαστικής ισχύος 5VA, ενώ για το τροφοδοτικό με δυνατότητα θετικής και αρνητικής τάσης τροφοδοσίας χρησιμοποιήθηκε μετασχηματιστής 16VA λόγω και του πλήθους των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που καλείται να τροφοδοτήσει. Το σχηματικό σχέδιο της πλακέτας των γραμμικών τροφοδοτικών που κατασκευάστηκε καθώς και το σχέδιο τυπωμένου κυκλώματος παρατίθενται στο παράρτημα Β. 6.6 Σχεδίαση και κατασκευή κυκλωμάτων μέτρησης τάσης και ρεύματος Μετρητικά τάσης Κύκλωμα μετρητικού για εναλλασσόμενες τάσεις εισόδου Για την μέτρηση των απαραίτητων για τον έλεγχο τριφασικών τάσεων εισόδου χρησιμοποιήθηκε ένας απλός διαιρέτης τάσης ως η οικονομικά βέλτιστη αλλά πολύ αξιόπιστη λύση. Το μόνο μειονέκτημα αυτής της υλοποίησης είναι η μη ύπαρξη απομόνωσης μεταξύ τριφασικού δικτύου και των μετρήσεων που οδεύονται στον μικροελεγκτή. Έτσι αναγκαστικά η γη του μικροελεγκτή είναι ο ουδέτερος του δικτύου

180 Για τη διαμόρφωση της μετρούμενης τάσης στο επιθυμητό επίπεδο τοποθετήθηκαν αντιστάσεις. Έτσι, από τον σχηματιζόμενο διαιρέτη τάσης του σχήματος 6.17 προκύπτει ότι: Και επομένως, η μέγιστη τιμή του μετρούμενου σήματος θα είναι: Σχήμα 6.17 : Σχηματικό διάγραμμα διαιρέτη τάσης για μέτρηση φασικών τάσεων εισόδου. Το ρεύμα που θα διαρρέει το κύκλωμα στο δευτερεύον του μετασχηματιστή θα είναι: Και επομένως οι απώλειες πάνω στις αντιστάσεις είναι:,δηλαδή τιμές που ανταποκρίνονται στην ονομαστική τους αντοχή (250 mw/ αντίσταση). Τελικά, πάνω στην R 2 θα εμφανίζεται μια εναλλασσόμενη ημιτονοειδής τάση τιμής 3,6V peak-to-peak. Το μετρούμενο αυτό σήμα θα πρέπει στη συνέχεια να οδηγηθεί στον μικροελεγκτή για την λειτουργία του ελέγχου. Επειδή ωστόσο τα σήματα εισόδου του μικροελεγκτή που είναι σε θέση να αναγνωρίσει η μονάδα

181 μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό πρέπει να κυμαίνονται από τα 0V μέχρι την τάση τροφοδοσίας της, δηλαδή τα 5V, το σήμα μέτρησης πρέπει να διαμορφωθεί κατάλληλα. Την δουλεία αυτή την φέρει εις πέρας το ολοκληρωμένο AD622. Σχήμα 6.18: Pin Configuration και σχηματικό διάγραμμα εσωτερικής δομής του ολοκληρωμένου AD622.[51] Το ολοκληρωμένο αυτό αποτελεί έναν ενισχυτή (instrumentation amplifier) ο οποίος είναι σε θέση να διαμορφώσει το σήμα που λαμβάνει στην είσοδο του σε μια επιθυμητή στάθμη. Η τροφοδοσία του είναι 15V και λαμβάνεται από τους ακροδέκτες τροφοδοσίας του ολοκληρωτή. Το κέρδος του ενισχυτή ρυθμίζεται μέσω κατάλληλης αντίστασης η οποία συνδέεται μεταξύ των ακροδεκτών 1 και 8. Για επίτευξη μοναδιαίου κέρδους απαιτείται άπειρη αντίσταση μεταξύ των δύο ακροδεκτών (ανοιχτοκύκλωμα). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, για να είναι δυνατή η αυξομείωση του κέρδους κάθε ολοκληρωμένου τοποθετήθηκε ένα trimmer μεταξύ των δύο παραπάνω ακροδεκτών. Μέσω του ακροδέκτη 5 είναι δυνατόν να δημιουργηθεί κατάλληλο offset στην τάση εξόδου. Έτσι, τοποθετήθηκε επίσης ένα trimmer στον ακροδέκτη αυτόν προκειμένου να ρυθμίζεται η τάση που θα εισάγεται στον μικροελεγκτή. Με τη χρήση του trimmer το σήμα μέτρησης τελικά διαμορφώνεται σε στάθμη 0.7V έως 4.3V, καθώς εισήχθηκε ένα offset 2.5V. Η μέγιστη τιμή του σήματος αυτού επιλέχθηκε να είναι πιο κάτω από τα 5V προκειμένου να αποφθεχθεί τυχών ψαλιδισμός του σήματος της μέτρησης

182 Εναλλακτικά, για να αποφθεχθούν τυχούσες αποκλίσεις στις ρυθμίσεις των trimmer οι οποίες θα εισήγαγαν διαφορετικό offset σε κάθε φάση, τοποθετήθηκε ένας επιλογικός διακόπτης προκειμένου το offset να προκύπτει από το ολοκληρωμένο AD580 [52] σε περίπτωση που αυτό επιθυμείται. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο το οποίο λαμβάνει τροφοδοσία από 4.5V έως 30V και βγάζει στην έξοδο του μία τάση 2.5 V με εξαιρετική ακρίβεια. Σχήμα 6.19 : Δομικό διάγραμμα του ολοκληρωμένου AD580 της εταιρίας Analog Devices.[51] Κύκλωμα μετρητικού για συνεχή τάση εξόδου Για την μέτρηση της συνεχούς τάσεως στην έξοδο του μετατροπέα χρησιμοποιήθηκε ο γραμμικός οπτοζεύκτης IL300 του κατασκευαστικού οίκου VISHAY. Αυτός αποτελείται από μια φωτοεκπέμπουσα δίοδο Αλουμινίου Γαλλίου Αρσενικού (AlGaas) και δύο ακόμα απομονωμένες φωτοδιόδους, μια ανάδρασης και μία εξόδου. Η φωτοδίοδος της ανάδρασης προσλαμβάνει ένα μέρος της ροής της φωτοεκπέμπουσας διόδου και παράγει ένα σήμα ελέγχου (I P1 ) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να αντισταθμιστεί, αν θεωρείται απαραίτητο, το ρεύμα οδήγησης της φωτοεκπομπής (I F ). Η φωτοδίοδος της εξόδου παράγει ένα σήμα εξόδου (I P2 ) το οποίο συνδέεται γραμμικά με την φωτεινή ροή της φωτοεκπέμπουσας διόδου. Λόγω της οπτικής απόζευξης που διαθέτει, το IL300 είναι κατάλληλο για την

183 μέτρηση της τάσεως εξόδου του μετατροπέα και την όδευση της στον μικροελεγκτή. Το ποσοστό της παραγόμενης φωτεινής ροής που προσπίπτει στις φωτοδιόδους ανάδρασης και εξόδου εκφράζεται μέσω των κερδών K1 και K2 αντίστοιχα. Η αντιστοιχία μεταξύ ρευμάτων και κερδών εκφράζεται από τις σχέσεις: και. Σχήμα 6.20 : Το μετρητικό τάσης IL300.[47] Η φωτοδίοδος λειτουργεί ικανοποιητικά για ρεύματα οδήγησης από 500 μα έως 40 ma. Ωστόσο, η βέλτιστη γραμμικότητα επιτυγχάνεται για ρεύμα οδήγησης μεταξύ 5 ma και 20 ma ( ). Προκειμένου επομένως να επιτευχθεί γραμμική λειτουργία θα πρέπει για όλο το εύρος μεταβολής της τάσης εξόδου το ρεύμα οδήγησης να βρίσκεται εντός των παραπάνω ορίων. Για να μετρηθεί η τάση εξόδου, ο ακροδέκτης 2 συνδέεται στην έξοδο υψηλού δυναμικού του μετατροπέα μέσω κατάλληλης αντίστασης. Ο ακροδέκτης 1 συνδέεται επίσης στην έξοδο του μετατροπέα αλλά στον δρόμο επιστροφής του ρεύματος. Η μέτρηση λαμβάνεται ως σήμα τάσης μέσω της οδήγησης του ρεύματος I P2 πάνω σε μία μετρητική αντίσταση η οποία συνδέεται στον ακροδέκτη 5. Τέλος, στον ακροδέκτη 6 συνδέεται η τροφοδοσία του ολοκληρωμένου. Εδώ επιλέχθηκε ο IL300 να τροφοδοτείται από τα +5V, δηλαδή από το αντίστοιχο τροφοδοτικό που παρέχει ισχύ στον μικροελεγκτή

184 Σχήμα 6.21 : Σχηματικό διάγραμμα συνδεσμολογίας για μέτρηση τάσεως εξόδου. [47] Το σχηματικό διάγραμμα του μετρητικού τάσης απεικονίζεται στο σχήμα Για τον υπολογισμό της κατάλληλης τιμής της αντίστασης R1 λαμβάνονται υπόψη οι προδιαγραφές των μπαταριών και οι συνθήκες φόρτισης. Πιο συγκεκριμένα, δεδομένου του ότι η ελάχιστη επιτρεπτή τάση του κάθε κελιού κυμαίνεται στα 2,5V ενώ η μέγιστη είναι τα 3,8 V, το μετρητικό καλείται να λειτουργήσει εντός του εύρους [60V- 91V]. Για ισοδύναμη αντίσταση R1=6,6 kω και θεωρώντας αμελητέα την πτώση τάσης στην φωτοεκπέμπουσα δίοδο, το αντίστοιχο ρεύμα οδήγησης I F κυμαίνεται μεταξύ των τιμών: δηλαδή, στο εύρος γραμμικής λειτουργίας. Τελικά, για τον σχηματισμό της R1 χρησιμοποιήθηκαν πέντε παράλληλες αντιστάσεις των 33 kω ονομαστικής αντοχής 250 mw/αντίσταση προκειμένου να ισοκατανεμηθούν οι απώλειες. Σε συνθήκες μέγιστης θερμικής καταπόνησης, δηλαδή στα 91V, οι απώλειες πάνω σε κάθε αντίσταση θα είναι:

185 6.6.2 Μετρητικό ρεύματος πηνίου Σχήμα 6.22 : Μετρητικό ρεύματος LAH 25-NP του κατασκευαστικού οίκου LEM. [52] Η μέτρηση του ρεύματος του πηνίου λαμβάνεται μέσω του μετρητικού ρεύματος LAH 25-NP του κατασκευαστικού οίκου LEM. Για τη λειτουργία του απαιτεί τροφοδοσία 15V. Το μετρητικό αυτό λειτουργεί ως μετασχηματιστής ρεύματος ο λόγος μετασχηματισμού του οποίου καθορίζεται μέσω της συνδεσμολογίας που επιλέγεται, και σύμφωνα με το αναμενόμενο ονομαστικό ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα. Ο πίνακας που δίνεται από τον κατασκευαστή παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 6.23 : Συνδεσμολογία μετρητικού ρεύματος LAH 25-NP.[52]

186 Στην προκειμένη περίπτωση επιλέχθηκε η δεύτερη συνδεσμολογία καθώς το ονομαστικό ρεύμα του πηνίου προκύπτει για τη λειτουργία σταθερού ρεύματος και είναι ίσο με Ι PN =9Α. Παράλληλα το μέγιστο αναμενόμενο ρεύμα είναι πολύ μικρότερο από τα 27Α που καθορίζουν οι προδιαγραφές του κατασκευαστή. Για τη δεδομένη συνδεσμολογία ο λόγος μετασχηματισμού προκύπτει ίσος με K N =1/500 επομένως το ονομαστικό ρεύμα στο δευτερεύον του μετασχηματιστή προκύπτει: Για επιλογή μετρητικής αντίστασης δευτερεύοντος R m =200Ω, το σήμα τάσης στην έξοδο του μετρητικού για ονομαστική λειτουργία θα είναι: Βέβαια, καθώς το σήμα μέτρησης οδεύεται στον μικροελεγκτή πρέπει να εξασφαλιστεί ότι η μέγιστη τιμή του μετρούμενου σήματος του ρεύματος του πηνίου θα είναι μικρότερη από τα 5V. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και αναμένοντας μέγιστο ρεύμα πηνίου θα είναι και άρα:, δηλαδή αρκετά μικρότερη του μέγιστου επιθυμητού ορίου. 6.7 Υλοποίηση αναλογικού ολοκληρωτή μεθόδου ελέγχου του φορτίου Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4, για την υλοποίηση της μεθόδου ελέγχου του φορτίου είναι απαραίτητη η διαδοχική ολοκλήρωση του ρεύματος του πηνίου από το μηδέν μέχρι τις προκαθορισμένες από τον έλεγχο αναφορές. Το παραπάνω στα πλαίσια της προσομοίωσης επιτυγχάνεται με τη χρήση δύο ολοκληρωτών με εξωτερική επαναφορά. Επειδή ωστόσο ο υπολογισμός του ολοκληρώματος και η παρακολούθηση του ρεύματος του πηνίου από την μονάδα μετατροπής A/D, με ικανοποιητική ακρίβεια, θα εξαντλούσε τις υπολογιστικές δυνατότητες του μικροελεγκτή αποκλείστηκε η ψηφιακή υλοποίηση των ολοκληρωτών. Επιπροσθέτως, προκειμένου να επιτευχθεί η ελάχιστη δυνατή υλοποίηση που θα

187 αυξήσει την αξιοπιστία του μετατροπέα και θα μειώσει κατά το δυνατόν τις συνέπειες του επαγόμενου από το κύκλωμα ισχύος ηλεκτρομαγνητικού θορύβου χρησιμοποιήθηκε ένας ολοκληρωτής αντί για δύο. Το παραπάνω είναι δυνατόν να υλοποιηθεί καθώς οι δύο ολοκληρωτές δεν λειτουργούν ποτέ ταυτόχρονα και επομένως κάθε χρονική στιγμή το ολοκληρούμενο ρεύμα του πηνίου είναι το ρεύμα εισόδου αποκλειστικά μίας φάσης με το ολοκλήρωμα του ρεύματος να μηδενίζεται σχεδόν ακαριαία, σε σχέση με τη διακοπτική περίοδο λειτουργίας, όταν επιτευχθεί η αντίστοιχη αναφορά. Έτσι, αποφασίστηκε η σχεδίαση και κατασκευή ενός αναλογικού ολοκληρωτή που θα λειτουργεί σε συνεργασία με τον μικροελεγκτή. Το σήμα εξόδου του ολοκληρωτή εισέρχεται στον μικροελεγκτή για την πραγματοποίηση των κατάλληλων ενεργειών (αρχικά σύγκριση με αναφορές μέσω του κατάλληλου μπλοκ σύγκρισης) και την διεκπεραίωση των υπολοίπων βημάτων της μεθόδου ελέγχου του φορτίου. Σχήμα 6.24 : Κλασικό κύκλωμα ολοκληρωτή (α) και κύκλωμα ολοκληρωτή χωρίς αναστροφή (β). [53] Το κλασσικό κύκλωμα ενός ολοκληρωτή, που απεικονίζεται στο σχήμα 6.24α, αποτελείται από έναν τελεστικό ενισχυτή και έναν πυκνωτή που συνδέεται μεταξύ του αρνητικού ακροδέκτη εισόδου του και του ακροδέκτη εξόδου του. Παράλληλα με αυτόν τον πυκνωτή τοποθετείται μια αντίσταση με μεγάλη τιμή προκειμένου να μην επιτραπεί η πόλωση του πυκνωτή με μια σταθερή τάση κατά τη φόρτισή του. Ωστόσο, το μειονέκτημα αυτής της συνδεσμολογίας είναι ότι το σήμα εξόδου είναι το ολοκλήρωμα του σήματος εισόδου ανεστραμμένο. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί αυτή η αδυναμία και να μην χρησιμοποιηθεί ένα ακόμα κύκλωμα αναστροφής του σήματος εξόδου του ολοκληρωτή χρησιμοποιήθηκε η τοπολογία του σχήματος 6.24β

188 .Ουσιαστικά, πρόκειται για μια μη αναστρέφουσα τοπολογία καθώς το σήμα στην έξοδο του τελεστικού είναι το ολοκλήρωμα του σήματος εισόδου αυτούσιο. Στον ολοκληρωτή αυτόν, το σήμα από την έξοδο ανατροφοδοτείται τόσο στην αναστρέφουσα όσο και στην μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού και επομένως το κύκλωμα παρουσιάζει τόσο θετική όσο και αρνητική ανάδραση. Για την εξαγωγή της εξίσωσης που δίνει το κέρδος τάσης του ολοκληρωτή είναι βολικός ο σχηματισμός δύο ισοδύναμων κατά Norton κυκλωμάτων στον θετικό κόμβο, ένα προς την είσοδο στην αριστερή αντίσταση και ένα προς την έξοδο στην δεξιά αντίσταση. Το κύκλωμα απεικονίζεται στο σχήμα Με R/2 συμβολίζεται ο παράλληλος συνδυασμός των δύο επιμέρους αντιστάσεων. Σχήμα 6.25 : Κυκλωματικό ισοδύναμο κατά Norton μη αναστρέφων ακροδέκτη. [53] Επειδή υπάρχει εικονικό βραχυκύκλωμα μεταξύ θετικής και αρνητικής εισόδου ισχύει: Και επομένως το κέρδος του ολοκληρωτή δίνεται τελικά από τον τύπο: Ιδιαίτερα σημαντική για την επιτυχία της εφαρμογής κρίνεται η επιλογή κατάλληλης σταθεράς χρόνου. Η σταθερά χρόνου τ του παραπάνω ολοκληρωτή

189 ισούται με RC/2. Η επιλογή της κατάλληλης σταθεράς χρόνου του ολοκληρωτή γίνεται με βάση την παρακάτω λογική. Δεδομένου ότι ο ολοκληρωτής ολοκληρώνει ένα σήμα τάσης ( μέχρι της αναφορές του ( ) οι οποίες είναι σταθμισμένες με ένα κέρδος k θα ισχύει: Τελικά η σταθερά χρόνου επιλέγεται ίση με το γινόμενο της διακοπτικής περιόδου λειτουργίας, της αντίστασης μέτρησης και του λόγου μετασχηματισμού του μετρητικού ρεύματος. Για να είναι δυνατή η επαναφορά του ολοκληρωτή στο μηδέν τοποθετήθηκε παράλληλα με τον πυκνωτή ολοκλήρωσης ένα τρανζίστορ bjt χαμηλής ισχύος, η παλμοδότηση του οποίου γίνεται μέσω του μικροελεγκτή. Όταν η επιθυμητή αναφορά επιτευχθεί τότε ο μικροελεγκτής στέλνει έναν υψηλό λογικό παλμό στη βάση του τρανζίστορ, βραχυκυκλώνοντας τον πυκνωτή και μηδενίζοντας την τάση στα άκρα του. Πριν οδηγηθούν στο ημιαγωγικό στοιχείο οι παλμοί ενισχύονται μέσω του ίδιου buffer (74HC541) που ενισχύει του παλμούς ελέγχου προς τους ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος. Ο τελεστικός ενισχυτής που χρησιμοποιήθηκε για τη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι ο LM7171 [54]. Πρόκειται για έναν υψηλής ταχύτητας (high speed) τελεστικό

190 ενισχυτή που παρέχει τη δυνατότητα λειτουργίας υπό μοναδιαίο κέρδος για εύρος ζώνης 200 MHz. Η τροφοδοσία που απαιτεί είναι ±15 V και λαμβάνεται από το αντίστοιχο τροφοδοτικό χαμηλής ισχύος που έχει σχεδιαστεί. Σχήμα 6.26 : Pin configuration του τελεστικού ενισχυτή LM7171 της εταιρίας Texas Instruments. [54] 6.8 Κύκλωμα παλμοδότησης Επιλογή ενισχυτή (buffer) Καθώς το ρεύμα εξόδου του μικροελεγκτή είναι πολύ μικρό, οι παλμοί που παράγονται στους ακροδέκτες εξόδου του δεν είναι σε θέση να οδηγήσουν καμία ηλεκτρονική συσκευή. Για να ξεπερασθεί η δυσκολία αυτή τα σήματα εξόδου του μικροελεγκτή, που ουσιαστικά αποτελούν τους παλμούς ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα, οδηγούνται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ενίσχυσης. Στην παρούσα περίπτωση χρησιμοποιείται ο buffer 74HC541, δηλαδή ένας ενισχυτής ρεύματος 20 ακροδεκτών (7 είσοδοι- 7 έξοδοι). Ο συγκεκριμένος ενισχυτής απαιτεί συνεχή τάση τροφοδοσίας 5V για να επιτελέσει τη λειτουργία του ενώ δεν αναστρέφει τους παλμούς ρεύματος που λαμβάνει στην είσοδό του. Στις εισόδους του ενισχυτή τοποθετήθηκαν αντιστάσεις pull-down οι οποίες τις προστατεύουν από τυχούσα ανεξέλεγκτη ενεργοποίηση, λόγω επαγόμενου ηλεκτρομαγνητικού θορύβου στις γραμμές μεταξύ μικροελεγκτή και ενισχυτή, σε περίπτωση που ο πρώτος

191 εισαχθεί σε κατάσταση υψηλής εμπέδησης (z- state). Η τιμή των αντιστάσεων που επιλέχθηκε είναι: R=100kΩ. Στο σχήμα 6.27 παρουσιάζονται το λειτουργικό διάγραμμα του 74HC541 καθώς και ο πίνακας αληθείας του. Σχήμα 6.27 : Λειτουργικό διάγραμμα και πίνακας αληθείας του buffer 74HC541.[55] Επιλογή οπτοζεύκτη (optocoupler) Η λειτουργία του κυκλώματος παλμοδότησης στηρίζεται στη διασύνδεση ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών οι οποίες αλληλεπιδρούν σε συνθήκες χαμηλών ρευμάτων και τάσεων. Αντιθέτως, στον μετατροπέα ισχύος εμφανίζονται υψηλές τιμές τάσεων και ρευμάτων ανάλογα με τις προδιαγραφές τις εφαρμογής για την οποία έχει σχεδιαστεί. Προκειμένου να εξασφαλισθεί ότι η λειτουργία του κυκλώματος ισχύος δεν θα επηρεάσει την λειτουργία του κυκλώματος παλμοδότησης τα δύο αυτά κυκλώματα επιβάλλεται να είναι γαλβανικά απομονωμένα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση η απομόνωση πραγματοποιείται οπτικά, με χρήση του οπτοζεύκτη 6N137. Ο οπτοζεύκτης αυτός αποτελείται από μία φωτοεκπέμπουσα δίοδο στην είσοδό του και ένα τρανζίστορ στην έξοδό του, η βάση του οποίου ελέγχεται με φώς. Όταν η δίοδος πολώνεται ορθά εκπέμπει μια ακτίνα φωτός η οποία

192 θέτει σε αγωγή το φωτοτρανζίστορ, επιτρέποντας στην έξοδο να παρακολουθεί τις αλλαγές κατάστασης της εισόδου. Εκτός από την οπτική απομόνωση των παλμών ο οπτοζεύκτης επιτυγχάνει και την αντιστροφή τους. Για την όδευση των σωστών σημάτων ελέγχου στα ημιαγωγικά στοιχεία οι παλμοί αντιστρέφονται στο στάδιο των οδηγών παλμού (drivers) (υποενότητα ). Εναλλακτικά, σε περίπτωση που οι drivers δεν αντέστρεφαν τους παλμούς, το παραπάνω θα μπορούσε να είχε εξαρχής αντιμετωπιστεί με την παραγωγή αντίστροφων παλμών στον μικροελεγκτή. Ο 6N137 (8 ακροδέκτες) απαιτεί τροφοδοσία υπό συνεχή τάση +5V. Μεταξύ των ακροδεκτών 6 και 8 απαιτείται η σύνδεση μιας pull-up αντίστασης R L. Σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή η αντίσταση αυτή πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 300Ω και 4kΩ. Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε η τιμή R L =430 Ω. Παράλληλα, για τον περιορισμό του ρεύματος που εισέρχεται στον οπτοζεύκτη απαιτείται η σύνδεση μιας αντίστασης R in στην είσοδο του. Και πάλι, μέσω του κατασκευαστή προκύπτει ότι το ρεύμα εισόδου I F πρέπει να κυμαίνεται από 5 ma έως 15mA } για τάση τροφοδοσίας 4,5V έως 5,5V { }. Επειδή ωστόσο η βέλτιστη λειτουργία επιτυγχάνεται για ρεύμα εισόδου, τελικά επιλέχθηκε αντίσταση R in =650 Ω. Σχήμα 6.28 : Σχηματικό διάγραμμα και πίνακας αληθείας οπτοζεύκτη 6N137. [56]

193 6.8.3 Επιλογή οδηγού παλμών (driver) Το τελικό στάδιο που απαιτείται προκειμένου ο παλμός να είναι σε θέση να ελέγξει το ημιαγωγικό στοιχείο που του αντιστοιχεί είναι η διαμόρφωση του στην απαιτούμενη στάθμη. Ο οδηγός παλμών επομένως επιτελεί ακριβώς αυτό το έργο. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, για να ενεργοποιηθεί η πύλη του τρανζίστορ ισχύος απαιτούνται παλμοί τάσης 15V. Για τον σκοπό αυτό, επιλέχθηκε ο driver ICL7667. Η μεγάλη ταχύτητά του, του δίνει τη δυνατότητα να οδηγήσει μεγάλα χωρητικά φορτία με μικρούς χρόνους καθυστέρησης. Παράλληλα, το ολοκληρωμένο αυτό έχει δύο εξόδους οι οποίες μπορούν να λειτουργήσουν ανεξάρτητα ή να γεφυρωθούν σε ένα ενιαίο κανάλι. Συνολικά, χρησιμοποιηθήκαν 3 οδηγοί παλμών, ένας για κάθε διακόπτη. Επειδή ο κάθε διακόπτης αποτελείται από δύο ημιαγωγικά στοιχεία που λαμβάνουν κοινούς παλμούς στις πύλες τους, η κάθε μία από τις δύο εξόδους του ICL7667 αναλαμβάνει την οδήγηση ενός στοιχείου. Παράλληλα, ο ICL7667 αντιστρέφει τους παλμούς εισόδου που λαμβάνει επομένως το τελικό σήμα στην έξοδό του είναι το ενισχυμένο του μικροελεγκτή. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται το σχηματικό και το λειτουργικό του διάγραμμα. Σχήμα 6.29 : Σχηματικό και λειτουργικό διάγραμμα οδηγού παλμών ICL7667.[57]

194 6.8.4 Επιλογή μικροελεγκτή και οι συνδέσεις του Η επιλογή του κατάλληλου μικροελεγκτή είναι κρίσιμη για την ορθή λειτουργία του τριφασικού φορτιστή. Καθώς ο ανορθωτής οφείλει να λειτουργήσει ως φορτιστής δύο σταδίων, ο μικροελεγκτής είναι υπεύθυνος για την εφαρμογή του αλγορίθμου ελέγχου της φόρτισης, αρχικά με σταθερό ρεύμα και εν συνεχεία με σταθερή τάση, μέχρι και την περάτωση της διαδικασίας. Όσον αφορά στην υλοποίηση της μεθόδου ελέγχου του φορτίου για τη διαμόρφωση ημιτονοειδούς ρεύματος εισόδου, όλες οι λειτουργίες του κυκλώματος ελέγχου, με εξαίρεση τον ολοκληρωτή, θα πραγματοποιηθούν ψηφιακά μέσω του μικροελεγκτή. Η υλοποίηση αυτή προτιμήθηκε έναντι μιας αναλογικής υλοποίησης προκειμένου η διάταξη να γίνει πιο συμπαγής καθώς επίσης και για να αποφθεχθούν κατά το δυνατόν πιθανές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στη λειτουργία των κυκλωμάτων ελέγχου από το κύκλωμα ισχύος, λόγω και του πλήθους των υποσυστημάτων, καθώς η μέθοδος ελέγχου του φορτίου απαιτεί ακρίβεια στην διαχείριση σημάτων μετρήσεων και ελέγχου. Έτσι το κύκλωμα επιλογής διαστημάτων, το κύκλωμα πολύπλεξης, το κύκλωμα ελέγχου του φορτίου και το κύκλωμα λογικής υλοποιούνται μέσω του επιλεχθέντος μικροελεγκτή. Σχήμα 6.30 : Ο μικροελεγκτής dspic30f2020 της εταιρίας Microchip.[58] Λαμβάνοντας υπόψη όλες τις λειτουργίες που πρέπει να φέρει εις πέρας επιλέχθηκε ο μικροελεγκτής dspic30f2020 της εταιρίας Microchip. Πρόκειται για έναν μικροελεγκτή χαμηλού κόστους που ωστόσο ενσωματώνει όλα τα απαραίτητα

195 περιφερειακά για την υλοποίηση της συγκεκριμένης εφαρμογής. Τα σημαντικότερα κριτήρια επιλογής του είναι τα ακόλουθα: Διαθέτει πλήθος μονάδων ταχείας σύγκρισης (Comparator Module) οι οποίες είναι απαραίτητες προκειμένου να υλοποιείται η σύγκριση γρήγορων σημάτων. (π.χ. αν η τάση του αναλογικού ολοκληρωτή έχει φτάσει την επιθυμητή τιμή αναφοράς). Παράλληλα, το μπλοκ του συγκριτή έχει τη δυνατότητα παραγωγής διακοπών (interrupts) αλλάζοντας τη ροή εκτέλεσης εντολών του κυρίως προγράμματος προκειμένου να υλοποιείται μια συγκεκριμένη υπορουτίνα. Διαθέτει έναν εξαιρετικά γρήγορο μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D Converter), επιτρέποντας τον ταχύτατο έλεγχο των ενδιαφερόμενων μεγεθών. Παρέχει 4 αναλογικές εισόδους με ξεχωριστή δειγματοληψία (dedicated Sample& Hold) για την παρακολούθηση και μετατροπή γρήγορων σημάτων και 4 ακόμα αναλογικές εισόδους με κοινή δειγματοληψία. Διαθέτει πλήθος θυρών επικοινωνίας με άλλα περιφερειακά και προγραμματίζεται σε γλώσσα C. Οι δυνατότητες του μικροελεγκτή, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, τα περιφερειακά του καθώς επίσης και οι καταχωρητές μέσω των οποίων πραγματοποιείται ο έλεγχός τους περιγράφονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 7. Ο μικροελεγκτής τροφοδοτείται από συνεχή τάση +5V. Το τροφοδοτικό χαμηλής ισχύος που τον τροφοδοτεί έχει κοινή γείωση με τα μετρητικά ρεύματος και τάσης όπως επίσης και με τον ολοκληρωτή. Τα pins τροφοδοσίας για τις θύρες εισόδου/εξόδου (V DD ) είναι τα 13,20 ενώ η τροφοδοσία για την μονάδα A/D (AV DD ). έρχεται στο pin 28. Αντίστοιχα, τα pins 8,19 αποτελούν τη γη για τις θύρες εισόδου/εξόδου (V SS ) και το pin 27 γη για την μονάδα A/D (AV SS ). Έτσι τελικά, τα pins 13,20,28 συνδέονται στη θετική τροφοδοσία ενώ τα pins 8,19,27 συνδέονται στη γη. Όσον αφορά στις αναλογικές εισόδους, οι συνδέσεις υλοποιήθηκαν ως εξής:

196 AN0: Τάση δικτύου φάσης R AN2: Τάση δικτύου φάσης S AN4: Τάση δικτύου φάσης T AN5: Τάση εξόδου ανορθωτή AN6: Ρεύμα πηνίου εξόδου Τα τρία πρώτα σήματα λαμβάνονται από τους διαιρέτες τάσης στην πλακέτα ελέγχου του μετατροπέα, αφού πρώτα αντισταθμιστούν από τον instrumentation ενισχυτή AD622 προκειμένου να είναι εντός του δυνατού εύρους που μπορεί να λάβει ως είσοδο ο μικροελεγκτής (0V,+5V). Αντίστοιχα, το ρεύμα του πηνίου λαμβάνεται από το μετρητικό ρεύματος LAH 25-NP ενώ η συνεχής τάση εξόδου του τριφασικού ανορθωτή λαμβάνεται από το μετρητικό IL300. Η έξοδος του ολοκληρωτή συνδέεται στον ακροδέκτη 3 το οποίο χρησιμοποιεί ο συγκριτής CMP1Β. Το σήμα τάσης, όπως προκύπτει, συγκρίνεται εν συνεχεία μέσω του μπλοκ σύγκρισης με τις εκάστοτε αναφορές του ολοκληρώματος του ρεύματος του πηνίου. Ο μικροελεγκτής παράγει συνολικά 4 σήματα ελέγχου στην έξοδό του. Από τους ακροδέκτες 21,23,25 εκκινούν οι παλμοί ελέγχου των ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος αντίστοιχα. Οι παλμοί θα φτάσουν τελικά στους υποψήφιους προς έλεγχο διακόπτες αφού περάσουν μέσα από το κύκλωμα παλμοδότησης, όπως αυτό αναλύθηκε παραπάνω. Η μία εναπομένουσα έξοδος αφορά τον έλεγχο του ολοκληρωτή που υλοποιεί την μέθοδο ελέγχου του φορτίου. Έτσι, ο ακροδέκτης 24 οδηγεί το τρανζίστορ επαναφοράς του ολοκληρωτή. Αρχικά βέβαια ο παλμός ελέγχου ενισχύεται από τον buffer 74HC

197 Σχήμα 6.31 : Αναπτυξιακό PICK it 3 της εταιρίας Microchip.[59] Εκτός των ακροδεκτών που ευθύνονται για τον έλεγχο του μετατροπέα, είναι απαραίτητη η δημιουργία θύρας επικοινωνίας του μικροελεγκτή με ηλεκτρονικό υπολογιστή προκειμένου να υλοποιηθεί ο προγραμματισμός του. Η επικοινωνία αποκαθίσταται μέσω του αναπτυξιακού PICK it 3 της εταιρίας Microchip. To PICK it 3 μεσολαβεί μεταξύ ηλεκτρονικού υπολογιστή και dspic30f2020 κάνοντας δυνατή την άμεση δοκιμή κομματιών κώδικα αλλά και την φόρτωση του τελικού εκτελέσιμου προγράμματος. Η διασύνδεση επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλα συνδεδεμένων κοννεκτόρων οι οποίοι έχουν τοποθετηθεί στην πλακέτα του μικροελεγκτή. Οι πέντε ακροδέκτες του μικροελεγκτή που χρησιμοποιούνται είναι κατά σειρά σύνδεσης: (1) pin 1, (2) V DD pin 13, (3) V SS pin 19, (4) PGD pin 17, (5) PGC pin 18. To pin είναι υπεύθυνο για την επανεκκίνηση (reset) του μικροελεγκτή σε περίπτωση που αυτός δεν ανταποκρίνεται. Το παραπάνω υλοποιείται με τη σύνδεση ενός μπουτόν επαναφοράς μεταξύ του ακροδέκτη και της γης. Σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας το μπουτόν είναι normally open (NO) και το διατηρείται σε υψηλό δυναμικό μέσω μιας αντίστασης 5.1 kω,

198 συνδεδεμένης στην τροφοδοσία του μικροελεγκτή. Μόλις το μπουτόν πατηθεί ο ακροδέκτης 1 γειώνεται και ο dspic επανεκκινεί. 6.9 Κατασκευή πλακετών Οι πλακέτες σχεδιάστηκαν στο λογισμικό KiCad. Η σουίτα KiCad EDA είναι ένα σύνολο εφαρμογών ανοιχτού κώδικα για τη δημιουργία σχηματικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και τη σχεδίαση πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων [60]. Για τις ανάγκες αυτής τις διπλωματικής εργασίας σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν συνολικά τέσσερις πλακέτες: 1. Πλακέτα τροφοδοτικών χαμηλής ισχύος. 2. Πλακέτα κυκλώματος ισχύος. 3. Πλακέτα φίλτρου εισόδου. 4. Πλακέτα μετρητικών τριφασικών τάσεων εισόδου, ολοκληρωτή και μικροελεγκτή. Η σύνδεση μεταξύ των επιμέρους πλακετών πραγματοποιείται με κατάλληλα συνδεδεμένους ακροδέκτες. Έτσι, τα σήματα μετρήσεων και ελέγχου μεταβιβάζονται από τη μία πλακέτα στην άλλη προκειμένου να καταστεί δυνατή η λειτουργία του ανορθωτή. Παράλληλα, η σχεδίαση πρέπει να γίνεται κατά τέτοιον τρόπο, ούτως ώστε να καταλαμβάνεται όσο το δυνατόν λιγότερος χώρος και όγκος στα πλαίσια της αύξησης της πυκνότητας ισχύος του μετατροπέα. Βέβαια, το παραπάνω προϋποθέτει την χρήση κατάλληλης τεχνολογίας κατασκευής

199 Σχήμα 6.32 : Κάτοψη πλακέτας γραμμικών τροφοδοτικών. Στο σχήμα 6.32 παρουσιάζεται η πλακέτα των τροφοδοτικών χαμηλής ισχύος με τα πέντε τροφοδοτικά που περιγράφηκαν στην ενότητα Δ.Γ. Στην είσοδο των τροφοδοτικών, στο σημείο της σύνδεσής τους με το δίκτυο, τοποθετήθηκε μια ασφάλεια 500 ma για την προστασία τους. Στην έξοδο κάθε τροφοδοτικού συνδέεται μια ενδεικτική λυχνία χαμηλής ισχύος τύπου Led προκειμένου να διαπιστώνεται η ορθή του λειτουργία, ενώ για τον περιορισμό του ρεύματος που την διαρρέει τοποθετείται σε σειρά μια αντίσταση. Οι τιμές των αντιστάσεων που επιλέχθηκαν είναι R= 270 Ω και R=820 Ω για τάση εξόδου 5V και 15V αντίστοιχα. Τα ολοκληρωμένα 7805, 7815 και 7915 που είναι υπεύθυνα για τη ρύθμιση της τάσης εξόδου των τροφοδοτικών βιδώνονται σε μικρά ψυκτικά σώματα, ώστε να απάγεται η θερμότητα λόγω απωλειών. Οι πυκνωτές εξομάλυνσης είναι ηλεκτρολυτικοί χωρητικότητας 2200 μf και τάσης αντοχής 25V. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν πυκνωτές πολυεστέρα χωρητικότητας 1μF

200 Σχήμα 6.33 : Άποψη τυπωμένου κυκλώματος ισχύος. Κάτω από την πλακέτα είναι προσαρτημένο το θερμοαπαγωγικό σώμα στο οποίο βιδώνονται τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Στην πλακέτα του κυκλώματος ισχύος εκτός από τον τριφασικό ανορθωτή περιλαμβάνεται και ένα μέρος του κυκλώματος παλμοδότησης, καθώς επίσης και τα μετρητικά του ρεύματος πηνίου και της τάσης εξόδου. Πιο συγκεκριμένα, σ αυτήν τοποθετήθηκαν ο οπτοζεύκτης 6N137 και οι οδηγοί παλμών ICL7667. Ενώ οι οδηγοί παλμών τροφοδοτούνται από το κατάλληλα σχεδιασμένο για αυτούς γραμμικό τροφοδοτικό, για την τροφοδοσία του κάθε οπτοζεύκτη χρησιμοποιήθηκαν ένα ακόμη ολοκληρωμένο 7805 το οποίο συνδέθηκε στον ακροδέκτη τροφοδοσίας του αντίστοιχου driver. Όσον αφορά στα μετρητικά, το σήμα τόσο του ρεύματος πηνίου όσο και της τάσης εξόδου μεταφέρονται στην πλακέτα του μικροελεγκτή για την υλοποίηση του ελέγχου του φορτίου και του προφίλ φόρτισης. Στο σχήμα 6.33 διακρίνεται επίσης το μετρητικό ρεύματος LAH 25-NP

201 Σχήμα 6.34 : Άνοψη τυπωμένης πλακέτας κυκλώματος ισχύος. Διακρίνονται τόσο τα mosfet όσο και οι δίοδοι ισχύος του μετατροπέα. Σημαντική για την ορθή λειτουργία της διάταξης ισχύος είναι η δημιουργία μικρών δρόμων διασύνδεσης μεταξύ των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα (mosfet και δίοδοι). Επειδή όπως αναλύθηκε και προηγουμένως τα στοιχεία αυτά καλούνται να διαχειριστούν διακοπτικά ρεύματα υψηλής συχνότητας, είναι πιθανόν να εμφανιστούν υπερτάσεις εξαιτίας των επαγωγών στις γραμμές του τυπωμένου κυκλώματος. Μειώνοντας κατά το δυνατόν το μήκος των δρόμων που διαρρέονται από διακοπτικά ρεύματα, η πιθανότητα εμφάνισης υπερτάσεων ελαχιστοποιείται. Το ίδιο προφανώς ισχύει και στην περίπτωση της παλμοδότησης των τρανζίστορ ισχύος όπου ενδεχόμενη υπέρταση μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε εσφαλμένη ενεργοποίηση του ημιαγωγικού στοιχείου μετά την απομάκρυνση του παλμού στην πύλη του. Έτσι, λήφθηκε μέριμνα ώστε οι οδηγοί παλμών να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στα ημιαγωγικά στοιχεία που καλούνται να ελέγξουν. Για τη σύνδεση του μετατροπέα με το φίλτρο εισόδου χρησιμοποιήθηκαν μπόρνες. Μπόρνες επίσης χρησιμοποιήθηκαν για τη διασύνδεση της εξόδου της διάταξης φόρτισης με τις μπαταρίες. Παράλληλα με τους δύο ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές σταθεροποίησης της τάσης εξόδου, χωρητικότητας 470 μf και τάσης αντοχής 200 V έκαστος, τοποθετήθηκε ένας πυκνωτής πολυεστέρα για το φιλτράρισμα των

202 υψίσυχνων αρμονικών της τάσης αλλά και την μείωση της συνολικής ισοδύναμης ESR αντίστασης. Στο σχήμα 6.35 παρουσιάζεται το τριφασικό φίλτρο εισόδου του μετατροπέα. Αριστερά συνδέεται το τριφασικό δίκτυο ενώ η έξοδος του φίλτρου συνδέεται με τον μετατροπέα. Οι πυκνωτές είναι συνδεδεμένοι σε τρίγωνο. Σχήμα 6.35 : Τριφασικό φίλτρο απομάκρυνσης των αρμονικών. Τα πηνία παρουσιάζουν επαγωγή 1mH και οι πυκνωτές χωρητικότητα 1 μf. Στο σχήμα 6.36 παρουσιάζεται η πλακέτα ελέγχου του μετατροπέα στην οποία είναι τοποθετημένα το κύκλωμα μέτρησης των τάσεων εισόδου, ο αναλογικός ολοκληρωτής και ο μικροελεγκτής που συντονίζει τον έλεγχο του φορτίου. Προκειμένου η μέτρηση του ρεύματος του πηνίου να λαμβάνεται αξιόπιστα και με όσο το δυνατόν λιγότερο θόρυβο τοποθετήθηκε ο bnc κοννέκτορας του σχήματος Η μέτρηση λαμβάνεται στο κεντρικό στέλεχος ενώ οι τέσσερις περιμετρικοί ακροδέκτες γειώνονται προκειμένου να θωρακίσουν την μέτρηση. Αντίστοιχος

203 κοννέκτορας τοποθετήθηκε και στο κύκλωμα ισχύος. Το καλώδιο που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση είναι ομοαξονικό. Σχήμα 6.36 : Κάτοψη πλακέτας ελέγχου Η μέτρηση του ρεύματος εκτός από τον ολοκληρωτή κατευθύνεται και προς τον μικροελεγκτή για υλοποίηση του προφίλ φόρτισης σταθερού ρεύματος. Μέσω ενός επιλογικού διακόπτη η μέτρηση κατευθύνεται ως έχει στον μικροελεγκτή ή αφού περάσει πρώτα από ένα κατωδιαβατό RC φίλτρο. Σχήμα 6.37 : O bnc κοννέκτορας που χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη της μέτρησης του ρεύματος του πηνίου. [61]

204

205 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΗ ΤΟΥ ΕΚΤΕΛΕΣΙΜΟΥ ΚΩΔΙΚΑ 7.1 Εισαγωγή Η χρήση των μικροϋπολογιστικών συστημάτων αφορά την ανάπτυξη και υλοποίηση απλών ή πολύπλοκων λογικών ελέγχου σε διατάξεις μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος. Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του ελέγχου, το μικροϋπολογιστικό σύστημα πρέπει να είναι σε θέση να μετρήσει ένα ή περισσότερα μεγέθη της διάταξης ισχύος (π.χ. ρεύμα, τάση, στροφές κ.τ.λ.), να εκτελέσει τους κατάλληλους αλγορίθμους και να παράγει τα σήματα ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Η αλματώδης ανάπτυξη και εξέλιξη των επεξεργαστών τα τελευταία χρόνια έχουν αναδείξει τα σύγχρονα μικροϋπολογιστικά συστήματα ως τη βέλτιστη λύση για την υλοποίηση πολύπλοκων και ταχύτατων λογικών ελέγχου, αυξάνοντας την αξιοπιστία, τη χρηστικότητα και την απόδοση διαφόρων τοπολογιών ισχύος. Τα μικροϋπολογιστικά συστήματα που ενσωματώνουν τα απαραίτητα περιφερειακά για την υλοποίηση μεθόδων ελέγχου λέγονται μικροελεγκτές. Γενικά, ο μικροελεγκτής είναι ένας τύπος μικροεπεξεργαστή με έμφαση στην αυτάρκεια και στην υψηλή τιμή απόδοσης/κόστους. Σε αντίθεση με τον μικροεπεξεργαστή ο οποίος αποτελείται μόνο από τρία μέρη, την αριθμητική και λογική μονάδα (ALU), τη μονάδα ελέγχου (CU) και τη μνήμη (Memory-Registers), ο μικροελεγκτής εκτός από τα παραπάνω ενσωματώνει στο ίδιο ολοκληρωμένο το ρολόι χρονισμού, μνήμη RAM για αποθήκευση δεδομένων, μνήμη ROM,EPROM ή Flash για αποθήκευση του προγράμματος, μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D Converters) καθώς και πλήθος άλλων περιφερειακών αλλά και εισόδων-εξόδων [62]. Πρόκειται δηλαδή για ένα ολοκληρωμένο υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης (Large Scale Integration Chip), που εκτελεί αριθμητικές και λογικές λειτουργίες, καθώς και τις απαραίτητες λειτουργίες ελέγχου. Τοποθετώντας τη μνήμη και τα περιφερειακά σε ένα πακέτο αυξάνεται το κόστος του chip αλλά μειώνεται το κόστος του συστήματος, σε σχέση με το αν

206 υλοποιούνταν με ανεξάρτητες μονάδες, ενώ παράλληλα εξοικονομείται χώρος στην πλακέτα και μειώνονται οι παρασιτικές τάσεις στα σήματα ελέγχου. Το παραπάνω είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος, όπου εμφανίζονται υψηλές μεταβολές τάσεων και ρευμάτων. 7.2 Ο μικροελεγκτής dspic30f2020 Για τις ανάγκες ελέγχου του τριφασικού φορτιστή μπαταριών με διόρθωση του συντελεστή ισχύος χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής dspic30f2020 της εταιρίας Microchip. Πρόκειται για έναν ισχυρό μικροελεγκτή, με τροποποιημένη κατά Harvard αρχιτεκτονική, που προσφέρει δυνατότητες DSP (Digital Signal Processing). Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του είναι τα εξής: Προγραμματίζεται σε γλώσσα C μέσω βελτιστοποιημένου σετ εντολών. Διαθέτει ένα σύνολο 83 βασικών εντολών με ευέλικτη διευθυνσιοδότηση. Διαθέτει εντολές εύρους 24 bits. 512 bytes εγκατεστημένης μνήμης RAM. 16x16 bits πίνακες καταχωρητών εργασίας. Ταχύτητα λειτουργίας έως και 30 MIPS. 32 πηγές διακοπών (interrupt sources). 3 εξωτερικές πηγές διακοπών (external interrupt sources). 8 επιλεγόμενα από τον χρήστη επίπεδα προτεραιότητας για κάθε πηγή διακοπών. 4 πηγές παγίδων (traps) και εξαιρέσεων (exceptions) στον επεξεργαστή. Τα σημαντικότερα περιφερειακά που ενσωματώνονται στον μικροελεγκτή είναι τα παρακάτω: 4 γεννήτριες PWM με συνολικά 8 εξόδους (4 κανάλια High και 4 Low). 1 Χρονιστής (Timer) των 16bits. 1 Χρονιστής Γενικού Σκοπού (General Purpose Timer) των 32 bits, οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν 2 χρονιστές των 16 bits. 4 μπλόκ Συγκριτών (Comparator Modules), καθένας εκ των οποίων αποτελείται από τέσσερα κανάλια (A,B,C,D)

207 Ένας 10 μπιτ A/D μετατροπέας με 5 κανάλια S/H και μέγιστο ρυθμό μετατροπής στα 2 Msps. Μονάδες ασύγχρονης επικοινωνίας UART και άλλες μονάδες βασισμένες στα πρωτόκολλα SPI και I 2 C. Στο σχήμα 7.2 απεικονίζεται το μπλόκ διάγραμμα του μικροελεγκτή που τον παρουσιάζει σε επικοινωνία με τα περιφερειακά του. Όπως φαίνεται σ αυτό υπάρχουν πέντε ψηφιακές θύρες εισόδων/εξόδων. Εξαιτίας του περιορισμένου αριθμού των ακίδων έχει γίνει πολύπλεξη των σημάτων των περιφερειακών μεταξύ τους. Οι διαθέσιμες λειτουργίες όλων των ακροδεκτών (pins) του μικροελεγκτή δίδονται στα σχήματα 7.3 και 7.4. Στο σχήμα 7.1 παρουσιάζεται το κυκλωματικό του διάγραμμα. Σχήμα 7.1 : Κυκλωματικό διάγραμμα μικροελεγκτή. [63]

208 Σχήμα 7.2: Μπλόκ διάγραμμα μικροελεγκτή. [63]

209 Σχήμα 7.3: Λειτουργίες ακροδεκτών μικροελεγκτή. [63]

210 Σχήμα 7.4 : Λειτουργίες ακροδεκτών μικροελεγκτή. [63]

211 7.3 Λειτουργίες και περιφερειακά του μικροελεγκτή dspic30f Διακοπές (Interrupts) Οι διακοπές είναι απροσδόκητα γεγονότα σε μια αλληλουχία εκτέλεσης εντολών από τον μικροελεγκτή προκαλώντας μια διακοπή στην κανονική ροή του προγράμματος. Ο μικροελεγκτής dspic30f2020 προσφέρει έως και 34 πηγές διακοπών. Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) είναι υπεύθυνη να διαβάζει τον πίνακα διανυσμάτων διακοπών (Interrupt Vector Table- IVT) (σχήμα 7.5) και να μεταφέρει τη διεύθυνση που περιέχεται εντός του διανύσματος διακοπών στον μετρητή προγράμματος (Program Counter- PC). Ο ελεγκτής διακοπών προεπεξεργάζεται τις διακοπές, πριν αυτές παρουσιαστούν στον πυρήνα του επεξεργαστή. Οι προερχόμενες από τα περιφερειακά διακοπές ενεργοποιούνται, ελέγχονται και τίθενται σε προτεραιότητα μέσω ειδικών καταχωρητών. Οι κυριότεροι παρουσιάζονται παρακάτω: IFS0<15:0>,IFS1<15:0>,IFS2<15:0>. Αυτοί οι τρείς καταχωρητές περιέχουν όλες τις σημαίες αιτημάτων διακοπών. Οι σημαίες ενεργοποιούνται από τα αντίστοιχα περιφερειακά ή εξωτερικά σήματα, και απενεργοποιούνται μέσω του λογισμικού. IEC0<15:0>, IEC1<15:0>, IEC2<15:0>. Όλα τα μπιτ ελέγχου ενεργοποίησης των διακοπών περιέχονται στους τρείς αυτούς καταχωρητές. Αυτά τα μπιτ ελέγχου χρησιμοποιούνται για ατομική ενεργοποίηση των διακοπών από τα περιφερειακά ή από εξωτερικά σήματα. IPC0<15:0>.IPC11<15:0>. Το καθοριζόμενο από τον χρήστη επίπεδο προτεραιότητας σχετίζεται με αυτούς τους δώδεκα καταχωρητές. Η λογική με βάση την οποία λειτουργούν οι διακοπές έχει ως εξής: Όλες οι σημαίες διακοπών (interrupt flag bits) δειγματολειπτούνται στην αρχή κάθε κύκλου εντολών από τους καταχωρητές ISFx. Ένα εκκρεμών αίτημα διακοπής (Pending Interrupt Request- IRQ) υποδεικνύεται από το μπίτ σημαίας, το οποίο έχει τιμή 1, σε κάποιον καταχωρητή ISFx. Δηλαδή, όταν οι συνθήκες υλοποίησης μιας διακοπής πληρούνται, το αντίστοιχο μπιτ στον καταχωρητή ISFx ενεργοποιείται.to αίτημα

212 αυτό θα προκαλέσει την πραγματοποίηση μιας διακοπής εφόσον το κατάλληλο μπιτ στον καταχωρητή ενεργοποίησης διακοπών (IECx) είναι ενεργοποιημένο. Σε κάθε περίπτωση, πριν επιτραπεί μια νέα διακοπή, ο χρήστης του λογισμικού πρέπει να καθαρίσει τα αντίστοιχα μπιτ του καταχωρητή ISFx γιατί σε αντίθετη περίπτωση ο ελεγκτής διακοπών δεν θα είναι σε θέση να την επεξεργαστεί εφόσον έχει ανιχνευθεί ήδη μια. Σχήμα 7.5 : Πίνακας διανυσμάτων διακοπών. [64] Καθώς περισσότερες από μία πηγές διακοπών μπορούν να έχουν ανατεθεί σε ένα καθορισμένο από τον χρήστη επίπεδο προτεραιότητας, παρέχεται από τον μικροελεγκτή μία μέθοδος για τον προσδιορισμό της προτεραιότητας σε ένα δεδομένο επίπεδο. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται φυσική σειρά προτεραιότητας (Natural Order Priority), και είναι οριστική. Η φυσική σειρά προτεραιότητας

213 καθορίζεται από τη θέση μιας διακοπής στον πίνακα διανυσμάτων, και επηρεάζει τη λειτουργία των διακοπών μόνο όταν πολλαπλές διακοπές με την ίδια προκαθορισμένη από τον χρήστη προτεραιότητα εκκρεμούν την ίδια χρονική στιγμή. Στο σχήμα 7.5 παρουσιάζονται οι πηγές διακοπτών και οι αριθμοί διανυσμάτων τους Χρονιστές (Timers) Ο μικροελεγκτής παρέχει έναν χρονιστή γενικού σκοπού των 16 μπιτ (timer1) και έναν χρονιστή γενικού σκοπού των 32 μπιτ (timer 2). Ο τελευταίος μπορεί να χωριστεί σε 2 ανεξάρτητους χρονιστές των 16 μπιτ (timer 2, timer 3). Τόσο ο χρονιστής 1 όσο και οι 16μπιτοι χρονιστές 2 και 3 μπορούν να λειτουργήσουν με τους εξής τρείς τρόπους: 1. Ως απλοί χρονιστές, με την τιμή τους να αυξάνεται σε κάθε κύκλο του εσωτερικού ρολογιού του μικροελεγκτή μέχρι μια προκαθορισμένη από τον κατάλληλο καταχωρητή (PRx) τιμή. Μόλις η προκαθορισμένη τιμή προσεγγιστεί μηδενίζονται και επανεκκινούνται, αρχίζοντας ξανά την απαρίθμηση. 2. Ως σύγχρονοι απαριθμητές, με την τιμή τους να αυξάνεται σε κάθε ανερχόμενο παλμό που προέρχεται από εξωτερικό ρολόι και το οποίο είναι πλήρως συγχρονισμένο με το εσωτερικό ρολόι. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, όταν η προκαθορισμένη τιμή επιτευχθεί μηδενίζονται και συνεχίζουν την απαρίθμηση. 3. Ως ασύγχρονοι απαριθμητές, με την τιμή τους να αυξάνεται σε κάθε ανερχόμενο παλμό προερχόμενο από εξωτερικό ρολόι μέχρι μια προκαθορισμένη τιμή. Και εδώ σε αντιστοιχία με πριν όταν η τιμή προσεγγισθεί ο χρονιστής μηδενίζεται και επανεκκινεί. Ο 32μπιτος χρονιστής 2/3 υποστηρίζει όλες τις ανωτέρω λειτουργίες, με εξαίρεση την ασύγχρονη λειτουργία. Οι καταχωρητές που ευθύνονται για την ρύθμιση της συμπεριφοράς των χρονιστών είναι:

214 TMRx<15:0>. Σε αυτόν τον καταχωρητή περιέχεται η τρέχουσα τιμή κάθε χρονιστή. PRx<15:0>. Καταχωρητής ρύθμισης της περιόδου κάθε χρονιστή. TxCON<15:0>. Καταχωρητής επιλογής του τρόπου λειτουργίας κάθε χρονιστή. Μέσω αυτού ρυθμίζονται οι παράμετροι λειτουργίας των χρονιστών. TMR3HLD<15:0>. Πρόκειται για έναν holding καταχωρητή ο οποίος αφορά την 32μπιτη λειτουργία. Αυτός λειτουργεί σε συνεργασία με τους καταχωρητές TMR2 και TMR Μονάδα μετατροπής Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό (A/D Module) Ο μικροελεγκτής dspic30f2020 είναι εφοδιασμένος με ένας A/D μετατροπέα εύρους 10 μπιτ, υψηλής ακρίβειας (± 1 LSB) και μεγάλης συχνότητας δειγματοληψίας ( 2 Msps στα 5V συνεχούς τροφοδοσίας). Ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό μπορεί να δειγματοληπτήσει έως 8 αναλογικές εισόδους (AN0-AN7) και να μετατρέψει δυο δειγματοληπτημένες εισόδους ταυτόχρονα. Πιο συγκεκριμένα, είναι σε θέση να παράγει δύο 10μπιτα αποτελέσματα μετατροπών σε ένα μικροδευτερόλεπτο. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 7.6, το μπλοκ παρέχει 4 ξεχωριστά κανάλια δειγματοληψίας (dedicated Sample&Holds) για εποπτεία πιο γρήγορων σημάτων (π.χ. διακοπτικά ρεύματα και τάσεις) και 4 υπόλοιπα κανάλια με κοινή δειγματοληψία (common Sample&Hold) για πιο αργά σήματα. Οι είσοδοι μετά την δειγματοληψία πολυπλέκονται και εισέρχονται στον μετατροπέα για την ολοκλήρωση της διαδικασίας της μετατροπής. Οι καταχωρητές λειτουργίας και ελέγχου του συγκεκριμένου περιφερειακού είναι: ADCON<15:0>. Καταχωρητής ελέγχου της λειτουργίας του μετατροπέα A/D. Μέσω των κατάλληλων μπιτ ρυθμίζεται αν είναι ενεργοποιημένος ή όχι, αν θα παραχθεί διακοπή (Interrupt) μετά από μια αλληλουχία μετατροπών, ποιές είσοδοι μετατρέπονται πρώτες κ.τ.λ. ADSTAT<15:0>. Καταχωρητής που δείχνει την κατάσταση της διαδικασίας της μετατροπής. Όταν τα δεδομένα που αποθηκεύονται στον buffer από τις

215 αντίστοιχες δυάδες (ζεύγη) αναλογικών εισόδων είναι έτοιμα προς χρήση τότε το κατάλληλο μπιτ ενεργοποιείται. ADBASE<15:0>. Καταχωρητής που περιέχει τη διεύθυνση της ρουτίνας των διακοπών για τον A/D, η οποία έχει οριστεί από τον χρήστη. ADPCFG<15:0>. Καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας των ακροδεκτών της αναλογικής θύρας. Ουσιαστικά καθορίζει αν ο αντίστοιχος ακροδέκτης θα χρησιμοποιηθεί ως αναλογική είσοδος ή ως ψηφιακή θύρα εισόδου/εξόδου. ADCPCx<15:0>. Καταχωρητής ελέγχου της μετατροπής ανά ζεύγη στον A/D μετατροπέα. Τα ζεύγη ορίζονται από τις αναλογικές εισόδους.{(an1,an0 ζεύγος 0),( AN3,AN2 ζεύγος 1) κ.τ.λ.}. ADCBUFx<9:0>. Καταχωρητής μόνο για ανάγνωση, στον οποίον αποθηκεύονται οι 10μπιτες ακολουθίες δεδομένων μετά την μετατροπή. Σχήμα 7.6: Σχηματικό διάγραμμα A/D μετατροπέα. [63]

216 7.3.4 Συγκριτές (SMPS Comparator Module) Αυτό το μπλοκ παρέχει στον μικροελεγκτή ένα μέσο παρακολούθησης τάσεων και ρευμάτων σε μία εφαρμογή μετατροπής ενέργειας. Η δυνατότητα ανίχνευσης ενός επιθυμητού επιπέδου τάσης και ενεργοποίησης του επεξεργαστή και/ή των περιφερειακών του χωρίς να απαιτείται η διαρκής παρακολούθηση των τάσεων και των ρευμάτων από την μονάδα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D) απελευθερώνει τον μικροελεγκτή να υλοποιήσει άλλες εργασίες εξοικονομώντας υπολογιστική ισχύ. Η έξοδος του μπλοκ μπορεί να χρησιμοποιηθεί με πολλαπλούς τρόπους ταυτόχρονα, όπως: (1) να παράγει μια διακοπή, (2) να λάβει ένα δείγμα μέσω της μονάδας μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και να το μετατρέψει, (3) να ρυθμίσει τις εξόδους της μονάδας PWM. Το μπλοκ του συγκριτή περιλαμβάνει έναν συγκριτή υψηλής ταχύτητας (20 nsec) και έναν σχετιζόμενο με αυτόν μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC) μεγέθους 10 μπιτ που παρέχει μια προγραμματιζόμενη αναφορά τάσης στη μία είσοδο του συγκριτή. Ως αναφορά τάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε αναφορά από εσωτερική, είτε από εξωτερική πηγή. Σε κάθε περίπτωση το εύρος των τιμών που αυτή δύναται να πάρει καθορίζεται μέσω του κατάλληλου μπιτ (RANGE) στον αντίστοιχο καταχωρητή. Η μέγιστή τιμή της αναφοράς είναι το μισό της τάσης τροφοδοσίας της μονάδας A/D, δηλαδή (AV DD /2). Η αρνητική είσοδος του συγκριτή συνδέεται στο κύκλωμα του μετατροπέα DAC. Η θετική είσοδος συνδέεται σε έναν αναλογικό πολυπλέκτη που επιλέγει τον επιθυμητό ακροδέκτη εισόδου του μικροελεγκτή. Η πολικότητα της εξόδου του συγκριτή προγραμματίζεται από τον χρήστη. Στο σχήμα 7.7 απεικονίζεται το μπλοκ διάγραμμα της μονάδας του συγκριτή. Ο έλεγχος του μπλοκ του συγκριτή επιτυγχάνεται μέσω των δύο παρακάτω καταχωρητών: CMPCONx <15:0>.Ο καταχωρητής αυτός παρέχει τη λογική ελέγχου του μπλοκ. Μέσω των κατάλληλων μπιτ σε αυτόν μπορεί να επιλεχθεί ποιος συγκριτής (A,B,C,D) θα χαρακτηριστεί ως είσοδος (INSEL), αν θα ληφθεί ή όχι εξωτερική αναφορά (EXTREF), η πολικότητα εξόδου του μπλοκ (CMPPOL), κ.α. Επίσης, μπορεί να εξακριβωθεί ανά πάσα χρονική στιγμή η κατάσταση της εξόδου του (CMPSTAT). Τέλος, η ψηφιακή του λογική

217 παρέχει έναν παλμό παραγωγής αιτημάτων διακοπών (Interrupt Request) και σκανδαλισμού της μονάδας μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. CMPDACx <15:0>.Ο καταχωρητής αυτός παρέχει την ψηφιακή τιμή αναφοράς η οποία χρησιμοποιείται ως είσοδος στο κύκλωμα DAC και η οποία χρησιμοποιείται στη διαδικασία της σύγκρισης. Σχήμα 7.7 : Σχηματικό διάγραμμα της μονάδας του συγκριτή. [63] 7.4 Προγραμματισμός του μικροελεγκτή dspic30f2020 Η ανάπτυξη κώδικα και ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή έγινε χρησιμοποιώντας το αναπτυξιακό εργαλείο MPLAB X IDE v1.90 της εταιρίας Microchip. Ο προγραμματισμός υλοποιήθηκε σε γλώσσα C, ωστόσο το MPLAB προσφέρει δυνατότητα προγραμματισμού σε Assembly ακόμα και συνδυασμό κομματιών κώδικα γραμμένων στις δύο παραπάνω γλώσσες. Σημαντική για την ορθή λειτουργία του κώδικα κρίνεται η ενεργοποίηση της μονάδας μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Η μονάδα αυτή είναι επιφορτισμένη με την ανάγνωση των τριών φασικών τάσεων εισόδου για την δημιουργία των αναφορών της μεθόδου ελέγχου του φορτίου. Στην περίπτωση επίσης

218 που απαιτείται ο έλεγχος κλειστού βρόχου του μετατροπέα και η λειτουργία του ως φορτιστή μπαταριών η μονάδα Α/D οφείλει να δειγματοληπτεί επίσης το ρεύμα του πηνίου και την τάση εξόδου (AN6,AN7). Η μονάδα A/D χειρίζεται τις αναλογικές εισόδους της ανά ζεύγη. Έτσι οι είσοδοι ΑΝ0,ΑΝ1 αντιστοιχούν στο ζεύγος μηδέν (Pair 0), οι είσοδοι ΑΝ1,ΑΝ2 στο ζεύγος 2 κ.ο.κ. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε ο σκανδαλισμός (trigerring) κάθε ζεύγους εισόδων να γίνεται μέσω του Timer1.Εναλλακτικά, είναι δυνατόν κάθε ζεύγος να σκανδαλίζεται με διαφορετικό τρόπο. Σε κάθε περίπτωση τα αποτελέσματα των μετατροπών από κάθε είσοδο ΑΝΧ αποθηκεύονται προς επεξεργασία στον αντίστοιχο καταχωρητή ADCBUFΧ. Οι καταχωρητές αυτοί λαμβάνουν τιμές στο εύρος (0-1023), με το μηδέν να αντιστοιχεί σε τάση δειγματοληψίας 0V και το 1023 σε τάση 5V. Τελικά, μέσα στους καταχωρητές ADCBUF0,ADCBUF2,ADCBUF4 αποθηκεύονται οι μετρήσεις των φασικών τάσεων εισόδου Va, Vb, Vc αντίστοιχα ως μη προσημασμένοι θετικοί ακέραιοι. Όπως περιγράφηκε στο κεφάλαιο 4 προκειμένου να υλοποιηθεί ο σχηματισμός των διαστημάτων λειτουργίας του μετατροπέα πρέπει να γίνεται σύγκριση με το μηδέν κάθε φασικής τάσης. Για να ανιχνευθεί το μηδέν στην προκειμένη περίπτωση πρέπει το αποτέλεσμα κάθε καταχωρητή να συγκρίνεται με την τιμή 512, δηλαδή τα 2.5V τα οποία αποτελούν και το offset που εισήχθηκε μέσω του AD622 στις μετρήσεις των εναλλασσόμενων τάσεων εισόδου. Στο σχήμα 7.8 απεικονίζονται σχηματικά οι αριθμητικές τιμές των καταχωρητών. Οι συγκρίσεις που υλοποιούνται και τα αντίστοιχα διαστήματα παρουσιάζονται στον πίνακα 7.1. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΗΔΕΝΟΣ (ΣΥΝΘΗΚΗ) ΔΙΑΣΤΗΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ADCBUF0>=512 & ADCBUF4>=512 ADCBUF2<=512 & ADCBUF4<=512 ADCBUF0>=512 & ADCBUF2>=512 ADCBUF0<=512 & ADCBUF4<=512 ADCBUF2>=512 & ADCBUF4>=512 ADCBUF0<=512 & ADCBUF4<=512 Πίνακας 7.1 : Ανίχνευση διαστημάτων λειτουργίας μετατροπέα

219 Σχήμα 7.8 : Σχηματική απεικόνιση δειγματοληφθέντων τριφασικών τάσεων εισόδου μετατροπέα. Το εύρος των δυνατών τιμών σε κάθε καταχωρητή κυμαίνεται στο διάστημα ( ). Οι αντιστοιχούν στην μέγιστη και την ελάχιστη αναλογική τιμή αντίστοιχα των μετρήσεων που οδεύονται στον μικροελεγκτή. Επόμενο βήμα είναι η δημιουργία των αναφορών για το έλεγχο φορτίου. Απαραίτητη είναι και πάλι η αξιοποίηση των τιμών των καταχωρητών αλλά και των διαστημάτων λειτουργίας. Στο πλαίσιο της προσομοίωσης οι αναφορές προέκυπταν με τη χρήση της απόλυτης τιμής κάθε φάσης. Πλέον με χρήση του μικροελεγκτή το παραπάνω υλοποιείται (π.χ. για την φάση a) μέσω των εντολών : Va_pos=(signed)(ADCBUF0-515); if (Va_pos<0) {Va_pos= -Va_pos;} Ουσιαστικά, από κάθε καταχωρητή αφαιρούνται τα 2.5V του offset ώστε η μετρούμενη ημιτονοειδής τάση να κεντραριστεί γύρω από το μηδέν αρχικά και στη συνέχεια αν το αποτέλεσμα είναι μικρότερο του μηδενός λαμβάνεται το αρνητικό του ώστε να προκύψει η απόλυτος τιμή. Βέβαια, για την σωστή υλοποίηση του παραπάνω σετ εντολών από τον μικροελεγκτή είναι σημαντικό να γίνει casting (εντολή signed)

220 του αποτελέσματος (ADCBUF0-515) καθώς σε αντίθετη περίπτωση το αποτέλεσμα δεν θα ήταν το αναμενόμενο λόγω του τύπου αποθήκευσης των δεδομένων στους καταχωρητές ADCBUFX. Σε περίπτωση βέβαια που το αποτέλεσμα του καταχωρητή αποθηκευτεί πρώτα σε μία μεταβλητή τύπου int τότε το παραπάνω δεν είναι αναγκαίο. Η διαδικασία αυτή περιγράφεται σχηματικά παρακάτω. Αντίστοιχα σετ εντολών σχηματίζονται και για τις άλλες δυο τάσεις (Vb_pos, Vc_pos). Σχήμα 7.9: Σχηματική απεικόνιση εσωτερικών μεταβλητών Vk_pos, k=a,b,c μικροελεγκτή. Πάνω απεικονίζεται το αποτέλεσμα της εντολής signed(adcbufx-512),x=0,2,4. Κάτω η απόλυτος τιμή της

221 Τελικά, οι αναφορές Vp και Vn σχηματίζονται απλά σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα: ΔΙΑΣΤΗΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΑΦΟΡΑ ΑΝΑΦΟΡΑ (signed)(adcbuf0-512) (signed)(adcbuf4-512) (signed)(adcbuf2-512) (signed)(adcbuf4-512) (signed)(adcbuf2-512) (signed)(adcbuf0-512) (signed)(adcbuf4-512) (signed)(adcbuf0-512) (signed)(adcbuf4-512) (signed)(adcbuf2-512) (signed)(adcbuf0-512) (signed)(adcbuf2-512) Πίνακας 7.2 : Σχηματιζόμενες αναφορές μεθόδου ελέγχου φορτίου στο εσωτερικό του μικροελεγκτή. Το τελικό βήμα είναι η ενσωμάτωση όλων των παραπάνω εντολών στον εκτελέσιμο κώδικα προκειμένου να υλοποιηθεί η μέθοδος ελέγχου. Ο χρονισμός της διαδικασίας και εν τέλει ο έλεγχος του φορτίου θα πραγματοποιείται μέσω των χρονιστών 2 και 3. Η περίοδος κάθε χρονιστή επιλέγεται ίση με την διακοπτική περίοδο λειτουργίας του μετατροπέα ωστόσο οι δύο χρονιστές θα έχουν χρονική διαφορά όπως εξηγήθηκε και στο κεφάλαιο 4. Η περίοδος κάθε χρονιστή ορίζεται στην αρχικοποίηση του μέσω του αντίστοιχου καταχωρητή PRx. Ο χρονιστής 2 θα είναι επιφορτισμένος με την παρακολούθηση των αναφορών Vp ενώ ο χρονιστής 3 με τις αναφορές Vn. Κάθε φορά που πραγματοποιείται μία διακοπή από τον αντίστοιχο χρονιστή το πρόγραμμα διαβάζει τα αποτελέσματα των μετατροπών των αναλογικών εισόδων ΑΝ0,ΑΝ2,ΑΝ4 και είναι επιφορτισμένο με την εύρεση του τρέχοντος διαστήματος λειτουργίας του μετατροπέα σύμφωνα με τη λογική των συγκρίσεων που αναλύθηκε παραπάνω και τον πίνακα 7.1. Εφόσον το διάστημα λειτουργίας βρεθεί τότε η κατάλληλη αναφορά ανατίθεται στον υποψήφιο συγκριτή σύμφωνα με την μαθηματική προσαρμογή που περιγράφηκε προηγουμένως και τον πίνακα 7.2. Η ανάθεση αναφοράς στον συγκριτή γίνεται μέσω του καταχωρητή λειτουργίας CMPDAC1. Στην περίπτωση βέβαια που επιθυμείται να ελέγχεται η ισχύος εξόδου του μετατροπέα απαιτείται πολλαπλασιασμός της εκάστοτε αναφοράς με την έξοδο του ελεγκτή κλειστού βρόχου πριν την ανάθεσή της στον καταχωρητή. Τέλος, πρέπει

222 να σβήσει το τρανζίστορ επαναφοράς του ολοκληρωτή (RE2) προκειμένου να αρχίσει η ολοκλήρωση και να παλμοδοτηθεί το ζεύγος των ημιαγωγικών διακοπτών που είναι επιφορτισμένο να άγει για τις δεδομένες συνθήκες λειτουργίας (διάστημα λειτουργίας και προέλευση διακοπής). Η παλμοδότηση των διακοπτών ισχύος προκύπτει και με βάση τον πίνακα 7.3. Στον πίνακα αυτόν συνοψίζονται επίσης οι τάσεις με βάση τις οποίες προκύπτουν οι τελικές αναφορές για κάθε διάστημα λειτουργίας. Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται σε κάθε διακοπή προερχόμενη από τον χρονιστή 2 ή τον χρονιστή 3. ΤΡΕΧΟΝ ΔΙΑΣΤΗΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ TIMER 2 INTERRUPT bjt (OFF)& Χρήση τάσης Παλμοί για αναφορά Ελέγχου (ΟΝ) TIMER 3 INTERRUPT bjt (OFF)& Χρήση τάσης Παλμοί για αναφορά Ελέγχου (ΟΝ) Πίνακας 7.3 : Τάσεις για δημιουργία των αναφορών του ολοκληρούμενου ρεύματος του πηνίου και πάλμοι έναυσης ημιαγωγικών διακοπτών για κάθε διάστημα λειτουργίας και ανάλογα με την προέλευση της διακοπής ( Χρονιστής 2 ή 3). Όταν η προκαθορισμένη αναφορά του ολοκληρώματος επιτευχθεί τότε το επόμενο βήμα είναι η έναυση του τρανζίστορ που επαναφέρει τον ολοκληρωτή στο μηδέν όπως επίσης και η σβέση όλων των ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος. Προτιμήθηκε να σβήνουν και οι δύο διακόπτες κάθε φορά και όχι μόνο ο διακόπτης του ζεύγους που υλοποιεί τον έλεγχο του φορτίου, προκειμένου ο εκτελέσιμος κώδικας να είναι πιο άμεσος και να αποφθεχθούν περιττές εντολές που θα εισήγαγαν καθυστερήσεις στην κανονική ροή του προγράμματος. Εξάλλου, κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος που δεν ολοκληρώνεται το ρεύμα του πηνίου, το ρεύμα εισόδου είναι

223 μηδενικό και επομένως δεν υπάρχει λόγος να παραμένει κάποιος διακόπτης σε αγωγή. Η παραπάνω ακολουθία εντολών υλοποιείται σε κάθε διακοπή παραγόμενη από τον συγκριτή (CMP1B Interrupt). 7.5 Διαγράμματα ροής Στα επόμενα σχήματα συνοψίζονται οι λειτουργίες που πρέπει να φέρει εις πέρας ο μικροελεγκτής μέσω των διαγραμμάτων ροής του τελικού εκτελέσιμου κώδικα. Αρχικά παρατίθεται το διάγραμμα του κυρίως προγράμματος ενώ στη συνέχεια τα διαγράμματα των διακοπών που πραγματοποιούνται κατά την κανονική ροή του πρώτου. Στο κυρίως πρόγραμμα γίνεται η αρχικοποίηση όλων των μεταβλητών και των απαιτούμενων περιφερειακών (χρονιστές 1&2&3, μονάδα A/D, συγκριτής CMP1B) ενώ στη συνέχεια η κεντρική μονάδα επεξεργασίας αναμένει τυχούσα διακοπή ώστε να πραγματοποιήσει τις προβλεπόμενες ενέργειες

224 Σχήμα 7.10 : Διάγραμμα ροής ενεργειών κυρίως προγράμματος

225 Σχήμα 7.11 : Διάγραμμα ροής ενεργειών κατά την παραγωγή διακοπής από τον χρονιστή

226 Σχήμα 7.12 : Διάγραμμα ροής ενεργειών κατά την παραγωγή διακοπής από τον χρονιστή

227 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 8.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πειραματικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας προς επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης. Το συνολικό σύστημα αποτελείται από έναν τριφασικό μεταβλητό μετασχηματιστή προκειμένου να είναι δυνατή η ρύθμιση της τάσης εισόδου του μετατροπέα, τον τριφασικό ανορθωτή Δ.Σ.Ι., την πλακέτα του ελέγχου, το φίλτρο απομάκρυνσης των ανώτερων αρμονικών του ρεύματος εισόδου και τα κυκλώματα τροφοδοσίας. Το πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή είναι συνδεδεμένα σε αστέρα. Ως φορτίο στην έξοδο τοποθετείται μια αντίσταση ισχύος. Στα σχήματα 8.1 και 8.2 απεικονίζεται η συνολική υλοποιηθείσα διάταξη με τις κατάλληλες διασυνδέσεις μεταξύ των υποσυστημάτων. Σχήμα 8.1: Η διάταξη των μετρήσεων

228 Σχήμα 8.2 : Ο τριφασικός μετασχηματιστής με μεταβλητή λήψη (αριστερά) και η αντίσταση ισχύος στην έξοδο του μετατροπέα (δεξιά). 8.2 Μετρήσεις με ωμικό φορτίο Παρακάτω θα παρουσιαστούν τα σημαντικότερα μεγέθη τόσο του κυκλώματος ελέγχου όσο και του μετατροπέα ισχύος κατά τη λειτουργία σε διάφορα επίπεδα ισχύος εξόδου. Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα επιλέγεται στα 10 khz Παλμογραφήματα μεγεθών Στο σχήμα 8.3 απεικονίζονται οι μετρήσεις των τριφασικών τάσεων του δικτύου οι οποίες εισάγονται στον μικροελεγκτή για τη λειτουργία του ελέγχου. Η μέτρηση των τάσεων για τη δημιουργία των αναφορών της μεθόδου ελέγχου του φορτίου λαμβάνεται απευθείας από το τριφασικό δίκτυο και όχι από το δευτερεύον του μετασχηματιστή προκειμένου να αποφθεχθούν τυχούσες παραμορφώσεις των αναφορών λόγω των επαγωγών του μετασχηματιστή

229 Σχήμα 8.3 : Μετρήσεις τάσεων εισόδου για όδευση στις αναλογικές θύρες ΑΝ0,ΑΝ2 και ΑΝ4 αντίστοιχα (από πάνω προς τα κάτω) του μικροελεγκτή. Στα σχήματα παρουσιάζονται κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη της λειτουργίας του ολοκληρωτή και του κυκλώματος ελέγχου. Σχήμα 8.4 : Έξοδος ολοκληρωτή

230 Σχήμα 8.5 : Έξοδος ολοκληρωτή (μπλέ) και παλμοί στην βάση του τρανζίστορ επαναφοράς του ολοκληρωτή στο μηδέν (πράσινο). Για όσο χρονικό διάστημα το τρανζίστορ επαναφοράς είναι απενεργοποιημένο (OFF) ο ολοκληρωτής ολοκληρώνει. Σχήμα 8.6 : Ρεύμα πηνίου εξόδου (πράσινο) και έξοδος του ολοκληρωτή (κίτρινο)

231 Σχήμα 8.7 : Έξοδος ολοκληρωτή (κίτρινο) και παλμοί ελέγχου S a (μπλέ), S b (μώβ), S c (πράσινο) προς ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος. Από το σχήμα 8.7 παρατηρούμε ότι για το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ο ολοκληρωτής ολοκληρώνει το ρεύμα του πηνίου τουλάχιστον δύο ημιαγωγικοί διακόπτες είναι σε αγωγή αναλαμβάνοντας το ρεύμα εισόδου του μετατροπέα. Στο σχήμα 8.8 παρουσιάζονται οι ανοιγμένοι στον χρόνο παλμοί προς τους ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος. Τα εμφανή κενά χρονικά διαστήμα κατά τα οποία οι παλμοί είναι μηδενικοί οφείλονται στην εισαγωγή ενός κάτω ορίου κατά την ανάθεση των αναφορών στον συγκριτή. Όταν οι αναφορές είναι μικρότερες από αυτό το κατώφλι, τότε ο ολοκληρωτής δεν είναι σε θέση να τις ακολουθήσει με ακρίβεια και ρυθμίζεται προγραμματιστικά να τις αγνοεί. Σε αντίθετη περίπτωση εμφανίζονται ταλαντώσεις στο ρεύμα εισόδου λόγω εσφαλμένων ακολουθιών παλμών προς τους ημιαγωγικούς διακόπτες. Το κάτω όριο υπολογίζεται κάθε φορά πειραματικά και ανάλογα με το εύρος των αναφορών του ολοκληρωτή. Η μικρή τιμή των αναφορών συμβαίνει κάθε φορά στο τέλος ενός διαστήματος λειτουργίας και στην αρχή του επόμενου, δηλαδή έξι φορές στην διάρκεια μιας περιόδου του δικτύου

232 Σχήμα 8.8 : Παλμοί προς ελεγχόμενους διακόπτες ισχύος κατά την εισαγωγή ενός κάτω ορίου για τις αναφορές του συγκριτή (από πάνω προς τα κάτω S a, S b, S c ). Στο σχήμα 8.9 απεικονίζεται το ρεύμα του πηνίου εξόδου του μετατροπέα. Σχήμα 8.9 : Ρεύμα πηνίου εξόδου μετατροπέα

233 Στα σχήματα 8.10 και 8.11 φαίνεται η τάση πάνω στο ένα ημιαγωγικό στοιχείο του διακόπτη της φάσης a ( και η τάση στα άκρα ολόκληρου του διακόπτη ) αντίστοιχα. Η διαφοροποίηση σε σχέση με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έγκειται στο γεγονός ότι κατά την επαναφορά του ολοκληρωτή στο μηδέν όλοι οι ημιαγωγικοί διακόπτες ισχύος σβήνουν ανεξάρτητα από το τρέχον διάστημα λειτουργίας. Έτσι δεν παρουσιάζονται χρονικά διαστήματα των 60 0 στην περίοδο του δικτύου όπου υπάρχει διαρκής αγωγή ενός διακόπτη και άρα μηδενική τάση στα άκρα του όπως κατά την υλοποίηση στο Simulink. Στο σχήμα 8.12 παρουσιάζεται το παλμικό ρεύμα της φάσης a και η τάση στα άκρα του διακόπτη της ίδιας φάσης. Για όσο χρονικό διάστημα ο διακόπτης άγει η φάση a φέρει ρεύμα και η τάση στα άκρα του είναι μηδενική. Για όσο χρονικό διάστημα καμία φάση στην είσοδο δεν φέρει ρεύμα τότε η τάση του διακόπτη ισούται με την διαφορά της φασικής τάσης εισόδου από την τάση του αρνητικού κόμβου εξόδου. Τέλος, για όσο χρονικό διάστημα δεν άγει ο διακόπτης της φάσης a αλλά οι υπόλοιπες δύο φάσεις στην είσοδο (b,c) φέρουν ρεύμα τότε η τάση του διακόπτη ισούται με την πολική. Σχήμα 8.10 : Τάση a. στα άκρα του πρώτου mosfet του ημιαγωγικού διακόπτη της φάσης

234 Σχήμα 8.11 : Τάση στα άκρα ημιαγωγικού διακόπτη της φάσης a. Σχήμα 8.12 : Παλμικό ρεύμα εισόδου φάσης a μετατροπέα (γαλάζιο) και τάση στα άκρα του ημιαγωγικού διακόπτη εισόδου της ίδιας φάσης (πράσινο)

235 Στο σχήμα 8.13 απεικονίζεται το παλμικό ρεύμα εισόδου του μετατροπέα μαζί με το ρεύμα του πηνίου. Σχήμα 8.13 : Ρεύμα πηνίου (πράσινο) και παλμικό ρεύμα εισόδου φάσης a (κίτρινο). Το παλμικό ρεύμα εισόδου του μετατροπέα καθώς και το φιλτραρισμένο ρεύμα του δικτύου παρουσιάζονται στα σχήματα Σχήμα 8.14 : Ρεύμα φάσης a πριν (γαλάζιο) και μετά (κίτρινο) το φιλτράρισμα από το παθητικό φίλτρο εισόδου

236 Σχήμα 8.15 : Ρεύμα φάσης a πριν (γαλάζιο) και μετά (κίτρινο) το φιλτράρισμα από το παθητικό φίλτρο εισόδου. Σχήμα 8.16 : Λεπτομέρεια ρεύματος φάσης a πριν (γαλάζιο) και μετά (κίτρινο) το φιλτράρισμα από το παθητικό φίλτρο εισόδου

237 Το τελικό ημιτονοειδές ρεύμα εισόδου μαζί με την τάση εισόδου του μετατροπέα για διάφορα επίπεδα ισχύος εξόδου και διάφορες τάσεις εισόδου παρουσιάζονται στα σχήματα Παρατηρούμε ότι το ημίτονο της τάσης στην έξοδο του τριφασικού μετασχηματιστή παρουσιάζεται παραμορφωμένο ειδικά όσο αυξάνεται η ενεργός τιμή του. Το παραπάνω οφείλεται στην επαγωγή σκέδασης του μετασχηματιστή η οποία αυξάνεται όσο αυξάνεται η τάση στο δευτερεύον τύλιγμα. Σχήμα 8.17 : Ρεύμα (κίτρινο) και τάση εισόδου (πράσινο). Ισχύς εξόδου 235W. Σχήμα 8.18 : Ρεύμα (κίτρινο) και τάση εισόδου (πράσινο). Ισχύς εξόδου 400W

238 Σχήμα 8.19 : Ρεύμα (κίτρινο) και τάση εισόδου (πράσινο). Ισχύς εξόδου 580W. Σχήμα 8.20 : Ρεύμα (κίτρινο) και τάση εισόδου (πράσινο). Ισχύς εξόδου 864W

239 8.2.2 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης μετατροπέα Για τον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης του μετατροπέα λήφθηκαν δύο σειρές μετρήσεων, μία για φασική τάση εισόδου (173V πολική) και μία για (260V πολική). Η ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα ρυθμιζόταν μέσω πολλαπλασιασμού των αναφορών του ολοκληρωτή με ένα μεταβλητό κέρδος k. Στο σχήμα 8.21 παρουσιάζεται το διάγραμμα του βαθμού απόδοσης συναρτήσει της ισχύος εξόδου. Σχήμα 8.21 : Βαθμός απόδοσης μετατροπέα συναρτήσει της ισχύος εξόδου για τάση εισόδου 100V και 150 V. Παρατηρούμε ότι ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα αυξάνεται αυξανόμενης της τάσης εισόδου. Το παραπάνω είναι λογικό καθώς όσο αυξάνεται η τάση εισόδου μειώνεται το ρεύμα εισόδου για την κάλυψη μιας δεδομένης ισχύος φορτίου και άρα και οι απώλειες στις επιμέρους συνιστώσες του μετατροπέα (ημιαγωγικά στοιχεία, πηνία εισόδου και εξόδου κ.τ.λ.). Παράλληλα, παρατηρούμε ότι το σημείο λειτουργίας στο οποίο παρουσιάζεται η μέγιστη ισχύς μετατοπίζεται προς τα δεξιά. Είναι επομένως δυνατή η περαιτέρω αύξηση της απόδοσης του μετατροπέα σε περίπτωση λειτουργίας σε ονομαστική τάση εισόδου (

240 Σχήμα 8.22 : Ρεύμα εισόδου μετατροπέα συναρτήσει της ισχύος εξόδου για τάση εισόδου 100V και 150 V. Από το παραπάνω σχήμα προκύπτει ότι το ρεύμα εισόδου και η ισχύς εξόδου συνδέονται γραμμικά. Ισχύει όμως για την απόδοση: Σύμφωνα λοιπόν με την σχέση 8.1 και το σχήμα 8.22 ο συντελεστής ισχύος θα πρέπει να παρουσιάζει συμπεριφορά αντίστοιχη με αυτήν της απόδοσης και επομένως να μεγιστοποιείται στο σημείο όπου η απόδοση είναι η μέγιστη για τη δεδομένη τάση εισόδου

241 8.2.3 Υπολογισμός συντελεστή ισχύος και αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος εισόδου Ο συντελεστής ισχύος συναρτήσει της ισχύος εξόδου παρουσιάζεται στο σχήμα Όπως προβλέφθηκε επιτυχώς στην προηγούμενη υποενότητα, μέγιστος συντελεστής ισχύος επιτυγχάνεται στα σημεία μέγιστης απόδοσης του μετατροπέα. Ωστόσο, ο βέλτιστος συντελεστής ισχύος συνολικά επιτυγχάνεται για την λειτουργία με τάση εισόδου. Πάντως, και στις δύο περιπτώσεις και για όλο το εύρος της ισχύος από τα 200 W περίπου και πάνω ο συντελεστής κυμαίνεται σε υψηλές τιμές ( P.F> για και P.F> 0.97 για. Σχήμα 8.23 : Συντελεστής ισχύος μετατροπέα συναρτήσει της ισχύος εξόδου για τάση εισόδου 100V και 150 V. Η αδυναμία λειτουργίας υπό ιδιαίτερα υψηλό συντελεστή ισχύος για ισχύ εξόδου μικρότερη από 200 W οφείλεται στους περιορισμούς που εισάγει η υλοποίηση με μικροελεγκτή. Μικρή ισχύς εξόδου συνεπάγεται και μικρά ρεύματα εισόδου στον μετατροπέα. Για να επιτευχθεί ο σχηματισμός μικρών ρευμάτων εισόδου οι αναφορές

242 του ολοκληρωτή πρέπει να σταθμιστούν με έναν πολύ μικρό συντελεστή k. Η περιορισμένη όμως ανάλυση του μικροελεγκτή δεν του επιτρέπει να αναγνωρίσει με ακρίβεια μικρά αναλογικά σήματα (αντιστοίχιση ψηφιακών αναφορών σε αναλογικά σήματα μέσω της μονάδας DAC του Comparator). Επομένως, η μονάδα του συγκριτή δεν μπορεί να ακολουθήσει με πιστότητα της αναφορές του ελέγχου του φορτίου με αποτέλεσμα το μέσο ρεύμα κάθε διακόπτη να μην ελέγχεται αξιόπιστα και άρα να μην διαμορφώνονται ημιτονοειδώς τα ρεύματα εισόδου. Θεωρώντας ότι μέσω της μεθόδου ελέγχου του φορτίου το ρεύμα εισόδου θα είναι ανάλογο της τάσης εισόδου θα ισχύει και επομένως από τη σχέση 8.1 προκύπτει ότι ο συντελεστής k θα δίνεται από τη σχέση: Σχήμα 8.24 : Ολική αρμονική παραμόρφωση ρεύματος εισόδου (THD%) συναρτήσει της ισχύος εξόδου για τάση εισόδου 100V και 150 V. Στο σχήμα 8.24 απεικονίζεται η αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος εισόδου του μετατροπέα για λειτουργία σε διάφορα επίπεδα ισχύος και για τάσεις λειτουργίας και αντίστοιχα. Όπως ήταν αναμενόμενο από το σχήμα 8.28 η χαμηλότερη αρμονική παραμόρφωση παρουσιάζεται για λειτουργία

243 στην χαμηλότερη τάση εισόδου. Συνολικά, η μικρότερη παραμόρφωση επιτεύχθηκε για λειτουργία με και ήταν 5% για διάφορα επίπεδα ισχύος εξόδου. Στο παρακάτω σχήμα δίδεται το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος εισόδου (δεκαεπτά πρώτες αρμονικές πλην βασικής) για λειτουργία με τάση εισόδου 100V και ισχύ εξόδου 385W. Σχήμα 8.25 : Αρμονικό περιεχόμενο ρεύματος εισόδου. Vin,rms=100V, Pout=385W

244

245 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Η διπλωματική αυτή εργασία θα μπορούσε να χωριστεί σε τέσσερα στάδια. Κατά τη διάρκεια του πρώτου σταδίου πραγματοποιήθηκε μια σε βάθος ανάλυση και μελέτη της διεθνούς βιβλιογραφίας ως προς τις υπάρχουσες ανορθωτικές διατάξεις διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Αφού συγκεντρώθηκαν οι κυριότερες διατάξεις, έγινε η τελική επιλογή του συγκεκριμένου μετατροπέα υποβιβασμού δεδομένων των χαρακτηριστικών φόρτισης της συστοιχίας των μπαταριών του ηλεκτροκίνητου οχήματος του εργαστηρίου. Στο δεύτερο στάδιο πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση του συνολικού συστήματος ως διάταξη φόρτισης συσσωρευτών η οποία παράλληλα θα λειτουργεί υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος μέσω της μεθόδου ελέγχου του φορτίου. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν ότι είναι εφικτή η κατασκευή ενός τέτοιου μετατροπέα με έλεγχο της τάσης και του ρεύματος εξόδου για διάφορα επίπεδα ισχύος ο οποίος παράλληλα θα παρουσιάζει πολύ καλά χαρακτηριστικά ως προς την παραμόρφωση του ρεύματος εισόδου. Για την εξάλειψη της διαφοράς φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εισόδου επιβάλλεται ο σωστός σχεδιασμός του τριφασικού φίλτρου εισόδου και πιο συγκεκριμένα επιλογή κατάλληλης τιμής πυκνωτών, ειδικά σε περίπτωση που ο μετατροπέας καλείται να λειτουργήσει σε μικρή ισχύ εξόδου. Εναλλακτικά, η προήγηση μπορεί να εξαλειφθεί με κατάλληλη μετατόπιση στον χρόνο των παλμών ελέγχου των ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος. Όπως αποδείχθηκε, η επίτευξη μοναδιαίου συντελεστή ισχύος προϋποθέτει τη σωστή και ακριβή μέτρηση των απαιτούμενων για τον έλεγχο ηλεκτρικών μεγεθών (τάσεις εισόδου- ρεύμα πηνίου). Σε περίπτωση που επιθυμείται ο έλεγχος κλειστού βρόχου στις παραπάνω μετρήσεις προστίθεται η τάση εξόδου ή ενδεχομένως και το ρεύμα. Μέσω της προσομοίωσης επίσης επιλέχθηκαν τα δομικά στοιχεία του μετατροπέα (τρανζίστορ και δίοδοι ισχύος, επαγωγή πηνίων εξόδου και φίλτρου, πυκνωτές εξόδου κ.τ.λ.) για την μεταπήδηση στο επόμενο στάδιο, το κατασκευαστικό. Συμπερασματικά, αξιοποιώντας και τις υπολογιστικές δυνατότητες των σύγχρονων Η/Υ η προσομοίωση

246 κρίνεται σημαντικό και αναπόσπαστο βήμα στην ορθή σχεδίαση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Κατά τη διάρκεια του τρίτου και σημαντικότερου σταδίου της υλοποίησης αυτής της διπλωματικής εργασίας έγινε ο σχεδιασμός και η κατασκευή του συνολικού συστήματος. Αρχικά, δοκιμάστηκαν σε breadboard οι σημαντικότερες συνιστώσες του κυκλώματος ελέγχου που επρόκειτο να υλοποιηθούν αναλογικά ( ολοκληρωτής, μετρητικό τάσης εξόδου, ολοκληρωμένα). Στη συνέχεια, σχεδιάστηκαν σε ηλεκτρονικό υπολογιστή όλες οι απαιτούμενες πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος με βάση τα αποτελέσματα από την θεωρητική ανάλυση και τις πειραματικές δοκιμές που προηγήθηκαν. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην κατασκευή του κυκλώματος ισχύος και στη χωροταξική τοποθέτηση των ημιαγωγικών στοιχείων ούτως ώστε να επιτυγχάνεται τόσο η επαρκή τους ψύξη όσο και μικροί δρόμοι διασύνδεσης στο πλαίσιο της κατά το δυνατόν μείωσης της επίδρασης των παρασιτικών στοιχείων. Τα πηνία εξόδου του μετατροπέα εγκλείστηκαν σε χάλκινο περίβλημα και συνδέθηκαν στη γη του δικτύου τροφοδοσίας με σκοπό την δημιουργία κλωβού Faraday, ούτως ώστε να μειωθούν κατά το ελάχιστο οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές από και προς το υπόλοιπο κύκλωμα ισχύος. Παράλληλα, ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην πλακέτα του ελέγχου όπου τελικά επιτεύχθηκε η ελάχιστη και η απλούστερη δυνατή υλοποίηση (ένας ολοκληρωτής, αποφυγή χρήσης περιττών καλωδίων) προκειμένου να αποφθεχθούν οι επιδράσεις του επαγόμενου ηλεκτρομαγνητικού θορύβου από το κύκλωμα ισχύος ενώ παράλληλα χρησιμοποιήθηκε και πεδίο γείωσης (ground plane) για την ευκολότερη και πιο άμεση επιστροφή των σημάτων προς τη γη. Όλα τα σήματα των μετρήσεων που οδεύονται στην πλακέτα ελέγχου τυλίχθηκαν γύρω από πυρήνες φερρίτη για την μείωση του κοινού θορύβου (Common Mode Noise). Το τέταρτο και τελευταίο στάδιο αφορά στον προγραμματισμό του μικροελεγκτή. Το μεγαλύτερο κομμάτι της μεθόδου ελέγχου του φορτίου και ολόκληρο το κομμάτι του ελέγχου του μετατροπέα λαμβάνει μέρος στο εσωτερικό του. Η ψηφιακή υλοποίηση προτιμήθηκε έναντι μιας αναλογικής προκειμένου και πάλι να μειωθούν οι συνέπειες του θορύβου από το κύκλωμα ισχύος αλλά και για να καταστεί πιο συμπαγής η συνολική διάταξη. Επιπροσθέτως, με την ενσωμάτωση μικροελεγκτή είναι δυνατόν να προσαρμόζεται η λειτουργία της διάταξης ανάλογα με την εφαρμογή που επιθυμείται κάθε φορά να ικανοποιεί. Έτσι για παράδειγμα, ο μετατροπέας είναι

247 δυνατόν να λειτουργήσει όχι μόνο ως φορτιστής μπαταριών αλλά και ως ένα αρχικό στάδιο (front-end) ενός μεγαλύτερου συστήματος που απαιτεί συνεχή τάση τροφοδοσίας και παράλληλα δυνατότητα λειτουργίας υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Το βασικό μειονέκτημα ωστόσο της χρήσης του μικροελεγκτή dspic30f2020 είναι η αδυναμία διαμόρφωσης μικρών ρευμάτων εισόδου λόγω της περιορισμένης ανάλυσης της μονάδας του συγκριτή. Σημαντικό επίσης μειονέκτημα είναι η εισαγωγή καθυστερήσεων λόγω της πεπερασμένης συχνότητας λειτουργίας του ρολογιού του μικροελεγκτή. Οι καθυστερήσεις αυτές γίνονται πιο έντονες όσο αυξάνεται η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα. Τα ανωτέρω προβλήματα θα μπορούσαν να διορθωθούν με επιλογή διαφορετικού μικροελεγκτή με μεγαλύτερη ανάλυση και ταχύτερο επεξεργαστή. Για την πλήρη αξιοποίηση των υπολογιστικών δυνατοτήτων του μικροελεγκτή, ο εκτελέσιμος κώδικας πρέπει να είναι συμπαγής και ταχέως υλοποιήσιμος καθώς περιττά βήματα στην αλληλουχία εκτέλεσης των εντολών εισήγαγαν καθυστερήσεις στην ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των εξόδων του μικροελεγκτή με αποτέλεσμα οι παλμοί προς τους ημιαγωγικούς διακόπτες να μην είναι οι θεωρητικά αναμενόμενοι. Η δειγματοληψία των αναλογικών εισόδων αποφασίστηκε να γίνεται λίγο πριν το πέρας κάθε διακοπτικής περιόδου ούτως ώστε η μονάδα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό να προλάβει να τις μετατρέψει, να λάβει τα αποτελέσματα των μετατροπών και η καινούργια διακοπτική περίοδος να αρχίσει με τα νεοαποκτηθέντα δεδομένα. Επίσης, κάθε διακοπτικός κύκλος αρχίζει και τελειώνει με τα ίδια δεδομένα (διάστημα λειτουργίας και αναφορές) προκειμένου ο έλεγχος να γίνει πιο σθεναρός. Τα βήματα που υλοποιεί τελικά ο κώδικας και η λογική του εκτελέσιμου προγράμματος συνοψίστηκαν με σαφήνεια στα αντίστοιχα διαγράμματα ροής. Συνολικά, από τα πειραματικά αποτελέσματα η μέθοδος ελέγχου του φορτίου κρίνεται αποτελεσματική για τη δημιουργία μοναδιαίου συντελεστή ισχύος. Τα καλύτερα αποτελέσματα ως προς την παραμόρφωση του ρεύματος εισόδου προέκυψαν για διακοπτική συχνότητα λειτουργίας 10 khz καθώς όσο αυτή μεγάλωνε (>25 khz) ο ολοκληρωτής αδυνατούσε να ολοκληρώσει αρκετά γρήγορα το μετρούμενο σήμα του ρεύματος του πηνίου ακόμα και για μικρότερες σταθερές χρόνου. Επίσης, η μικρότερη παραμόρφωση προέκυψε για μικρή τάση εισόδου (100V φασική). Το παραπάνω ενδεχομένως να οφείλεται στις παρεμβολές από το κύκλωμα

248 ισχύος στο κύκλωμα ελέγχου εξαιτίας της λειτουργίας των ημιαγωγικών διακοπτών. Κατά τη λειτουργία με μεγαλύτερες τάσεις τροφοδοσίας, τα ημιαγωγικά στοιχεία ανάβουν και σβήνουν υπό υψηλότερες τάσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία μεγαλύτερων υπερτάσεων και εντονότερων παρεμβολών προς το κύκλωμα ελέγχου λόγω των μεγαλύτερων ρυθμών μεταβολής των ρευμάτων ( ). Προκειμένου να επιτευχθεί η λειτουργία της διάταξης σε ονομαστική τάση απαιτείται επομένως χρήση προηγμένων τεχνικών καταστολής υπερτάσεων ( π.χ. βοηθητικά κυκλώματα υποβοήθησης της σβέσης (snubbers), χρήση τεχνικών συντονισμού για έναυση υπό μηδενική τάση ή ρεύμα (soft switching)). Στις προοπτικές αυτής της διπλωματικής εργασίας, εκτός από την μείωση των συνεπειών του διακοπτικού θορύβου και τη λειτουργία υπό υψηλό συντελεστή ισχύος για όλο το εύρος της ισχύος εξόδου συμπεριλαμβάνεται και η υλοποίηση του ελέγχου κλειστού βρόχου του μετατροπέα. Ο έλεγχος της τάσης εξόδου σε λειτουργία κλειστού βρόχου για ορισμένα επίπεδα ισχύος δοκιμάστηκε. Παρά την διατήρηση της τάσης εξόδου στην επιθυμητή τιμή το ρεύμα εισόδου δεν διαμορφωνόταν ημιτονοειδώς. Μετά την ολοκλήρωση του έλεγχου του ρεύματος και της τάσης εξόδου ο μετατροπέας θα είναι σε θέση να λειτουργεί ως φορτιστής συσσωρευτών πληρώντας παράλληλα και την προδιαγραφή της διόρθωσης του συντελεστή ισχύος

249 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1]. N.Mohan/T.Undelan/W.Robbins, ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ, 3 η Έκδοση, Α,Τζιόλα Εκδόσεις, Θεσσαλονίκη, [2]. A. Zuccato, L. Rossetto : Understanding and Complying with CISPR and IEC,1000 Standards on EMC, EPE Association Tutorial, September [3]. Stamford, manual : Power Factor Controller Installation and Adjustments Manual. Part No:E , [4]. Rongxing Power Electronics Co. Ltd, Static Var Compensator, Τεχνικό φυλλάδιο. [5]. Κ. Γεωργάκας : Μελέτη αέργου ισχύος και μέθοδοι βελτίωσης συντελεστή ισχύος και βαθμού απόδοσης συστημάτων μετατροπής ενέργειας αποτελούμενα από ηλεκτρονικούς μετατροπείς εξαναγκασμένης μετάβασης., Διδακτορική διατριβή Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής μετατροπής Ενέργειας, [6]. M. Rashid, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ: Κυκλώματα, εξαρτήματα και εφαρμογές,1 η Ελληνική Έκδοση, Εκδόσεις ΙΩΝ, Αθήνα [7]. Ε. Μητρονίκας, Π.Ι. Παπαδόπουλος, Α.Ν Σαφάκας, Π.Δ Λαδακάκος, Μ.Γ Ιωαννίδου, Σύγχρονα ηλεκτρονικά στοιχεία για διατάξεις ισχύος και βιομηχανική χρήση. [8]. J.W. Kolar, T. Friedli, The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems, Proceedings of the 33rd IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC 2011), Amsterdam, Netherlands, October 9-13, [9]. A. Stupar, T. Friedli, J. Miniböck, M. Schweizer, J. W. Kolar Power Electronic Systems Laboratory ETH Zurich : Towards a 99% Efficient Three-Phase Buck-Type PFC Rectifier for 400 V DC Distribution Systems.. [10]. Ν. Παπανικολάου, Ε. Ρίκος, Ε. Τατάκης: Η διόρθωση του συντελεστή ισχύος σε μετατροπείς Ε.Τ./Σ.Τ.: Σύγχρονες εξελίξεις και προοπτικές., Διήμερο Τεχνολογία και Βιομηχανικές Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Ισχύος, Τ.Ε.Ε Σεπτεμβρίου [11]. Στέφανος.Ν. Μανιάς : Ηλεκτρονικά Ισχύος, Εκδόσεις Συμεών,2012. [12]. M. Raoufi, M.T. Lamchich, Average Current Mode Control of a Voltage Source Inverter connected to the Grid: Application to Different Filter Cells., Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, VOL. 55, NO. 3-4, 2004,

250 [13] B.-H.Kwon, J.-H.Youm, J.-W.Lim, K.-W.Seok and G.-Y.Jeong, Three-phase PWM synchronous rectifiers without line-voltage sensors, IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 146, No. 6, November [14]. Dong-Choon Lee, Dae-Sik Lim, AC Voltage and Current Sensorless Control of Three-Phase PWM Rectifiers, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 17, NO. 6, NOVEMBER [15]. Soo-Bin Han, Nam-Sup Choi, Chun-Taik Rim, Gyu-Hyeong Cho, Modeling and Analysis of Static and Dynamic Characteristics for Buck-Type Three-Phase PWM Rectifier by Circuit DQ Transformation, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 13, NO. 2, MARCH [16]. A.N. Tiwari, P. Agarwal and S.P. Srivastava, Modified hysteresis controlled PWM rectifier, IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 150, No. 4, July [17]. Bortis D., and als., "25kW 3-phase unity power factor buck boost rectifier with wide input and output range for pulse load applications", IEEE 16th International Pulsed Power Conference (IPPC'07), 2007, pp [18]. Nussbaumer T. and Kolar J.W., "Comparison of 3-Phase Wide Output Voltage Range PWM Rectifiers", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, Vol. 54, No 6, pp [19]. Renewable Energy Strategy for Ireland: Energy Storage Systems in Ireland: [20]. ls/case_study:_battery_types. [21]. Ελληνικός ιστότοπος αερομοντελισμού: jkon.aeromodelling.gr/ninter- 073b.htm. [22]. Solar Stik: [23]. Ιστοσελίδα μπαταριών: [24]. Petr Krivik, Petr Baca The Faculty of Electrical Engineering and Communication, Brno University of Technology, Czech Republic, Chapter 3: Electrochemical Energy Storage. [25]. Wikipedia:

251 [26]. The Clemson University Vehicular Electronics Laboratory: [27]. SCHAFFLER Power Electronics for the Railway Industry. Battery chargingthe Scientific Way (pdf) [28]. C&D Tecnologies Power Solutions technical Bulletin: Charging Valve Regulated Lead Acid Batteries. [29]. Hewlett Packard, Battery Charging/Discharging. Application Note 250-2: [30]. Electropaedia, Battery and Energy Technologies: [31]. Ε. Κ. Τατάκης, «Ηλεκτρονικά στοιχεία Ισχύος και Βιομηχανικές Εφαρμογές»,Σημειώσεις ομότιτλου μαθήματος, Πάτρα [32]. Renesas Technologies: Q /linear/pw/pw4_005gl.jsp. [33]. Ιντερνετική Κοινότητα ηλεκτρονικών : [34]. Ε. Κ. Τατάκης, Μετατροπέις Σ.Τ-Σ.Τ Τύπου PWM με Ηλεκτρική Απομόνωση. [35]. United States Patent, Iilonga Thandiwe, Pulsed Charging Circuit and Method US , Mar.16,2004. [36] #.UuZ7F4X8LIV. [37]. Ιστοσελίδα αυτοκινήτου : FA [38]. Διπλωματική Εργασία Δημητρίου. Γ. Βιδιαδάκη, Νεφέλης Β. Τσιάρα : Μελέτη και κατασκευή οχήματος πόλης με διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Πανεπιστήμιο Πατρών Ιούλιος [39]. [40]. [41]. Chongming Qiao and Keyue M. Smedley,Department of Electrical and Computer Engineering : One-Cycle Controlled Three-phase Buck-derived Rectifier

252 [42]. Vatche Vorperian, The charge-controlled PWM switch, in IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1996, PESC 96 Record,, 27th Annual IEEE, June [43]. Keyue M. Smedley, Slobodan Cuk Power Electronics Group California Institute of Technology: ONE-CYCLE CONTROL OF SWITCHING CONVERTERS. [44]. Department of Electrical, Computer and Energy Engineering University of Colorado, Fundamental of Power Electronics, Chapter 4: Switch realization. [45]. Uwe DROFENIK, Didier COTTET, Andreas MÜSING and Johann W. KOLAR : Design Tools for Power Electronics: Trends and Innovations, Power Electronic Systems Laboratory, ETH Zurich. [46]. ST Microelectronics Website: [47]. Vishay Website: [48]. Ιορδάνης Κιοσκερίδης, Ηλεκτρονικά Ισχύος, Εκδόσεις Τζιόλα 2008 [49]. EPCOS Website: [50]. Ferroxcube website : [51]. Analog Devices Website : [52]. LEM Website: [53]. [54]. Texas Instruments Website : [55]. NXP semiconductors Website: [56]. FAIRCHILD semiconductors Website: [57]. Intersil Website : [58]. [59]

253 [60]. KiCad EDA Software Suite : [61]. RS Electronic Components Website: [62]. Εμμανουήλ Κ. Τατάκης, «Σημειώσεις Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ισχύος ΙΙ», Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. [63]. Microchip dspic30f1010/202x Data Sheet : 28/44-Pin High-Performance Switch Mode Power Supply Digital Signal Controllers, 2006 Microchip Technology Inc. [64]. Microchip: MPLAB C COMPILER FOR PIC24 MCUs AND dspic DSCs USER S GUIDE., 2008 Microchip Technology Inc

254 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Πειραματικές μετρήσεις -Ισχύς εισόδου και ισχύς εξόδου για Vin,RMS=100V. Pin (W) Pout (W) 153, , , , , , , , , , , ,68 519, , , , , , , , , , , , , , , ,09 984, , , ,346 -Ισχύς εισόδου και ισχύς εξόδου για Vin,RMS=150V. Pin (W) Pout (W) 310,65 275, , , , , , , , , , , , , ,47 793, ,82 849, , , , , , ,75 901,

255 -Ρεύμα εισόδου και ισχύς εξόδου για Vin,RMS=100V. Ιin (Α) Pout (W) 0, ,224 0, ,222 0, ,836 1, ,086 1, ,001 1, ,68 1, ,687 1, ,171 2, ,073 2, ,002 2, ,368 2, ,527 2, ,686 3, ,09 3, ,274 3, ,346 -Ρεύμα εισόδου και ισχύς εξόδου για Vin,RMS=150V. Ιin (Α) Pout (W) 0, ,691 0, ,168 1, ,909 1, ,713 1, , ,247 1, ,524 1, ,47 1, ,82 1, ,085 2, ,044 2, ,656 2, ,

256 - Συντελεστής ισχύος (P.F.) και ισχύς εξόδου για Vin,RMS=100V. (P.F.) Pout (W) 0, ,224 0, ,222 0, ,836 0, ,086 0, ,001 0, ,68 0, ,687 0, ,171 0, ,073 0, ,002 0, ,368 0, ,527 0, ,686 0, ,09 0, ,274 0, ,346 - Συντελεστής ισχύος (P.F.) και ισχύς εξόδου για Vin,RMS=150V. (P.F.) Pout (W) 0, ,691 0, ,168 0, ,909 0, ,713 0, , ,247 0, ,524 0, ,47 0, ,82 0, ,085 0, ,044 0, ,656 0, ,

257 -Αρμονική παραμόρφωση % (Τ.Η.D) Vin,RMS=100V. και ισχύς εξόδου για THD% Pout (W) 8, , , , , Αρμονική παραμόρφωση % (Τ.Η.D) και ισχύς εξόδου για Vin,RMS=150V. THD% Pout (W) 12, , , ,

258 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Σχηματικά και τυπωμένα κυκλώματα Στις επόμενες σελίδες παρατίθενται τα σχηματικά διαγράμματα και τα τυπωμένα κυκλώματα των πλακετών που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν. Παρουσιάζονται κατά σειρά: Κύκλωμα ισχύος. Γραμμικά τροφοδοτικά. Τριφασικό LC φίλτρο εισόδου. Πλακέτα ελέγχου και μικροελεγκτή

259

260

261

262

263

264

265

266 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Εκτελέσιμο πρόγραμμα μικροελεγκτή /*Open loop charge control code*/ #include "p30f2020.h" #include "math.h" /* Configuration Bit Settings */ _FOSCSEL(FRC_PLL) _FOSC(FRC_HI_RANGE) _FPOR(PWRT_128) _FGS(CODE_PROT_OFF) int channel0result=0,channel2result=0,channel4result=0; int Va_pos=0,Vb_pos=0,Vc_pos=0; int cnt=0,a=1,a1=1,va=0,vb=0,vc=0; #define TIMER_PERIOD 2500 /* Set the timer 1 period*/ #define level 520 /* level=(1024xvmsr_mean)/5 for region selection comparisons*/ #define x 7 /* stop pulses and integration if Vp,Vn<x */ int main(void) { TRISE = 0x0000;

267 init_adc(); /*initialize peripherals*/ init_timer1(); init_timer2(); init_timer3(); init_comparator1(); PORTE=0x0000; /*Reset PORTE*/ while(1) { /*wait for Interrupt*/ } } void attribute ((interrupt,auto_psv)) _T1Interrupt() { IFS0bits.T1IF = 0; /*Clear timer 1 interrupt flag bit*/ } { void attribute ((interrupt,auto_psv)) _T2Interrupt() Va=channel0Result; /*Get the results from ADCBUF0,2,4*/ Vb=channel2Result; Vc=channel4Result; if (Va>level & Vc>level & a==6) { a=1; /*Current region D1*/

268 } if (Vb<level & Vc<level & a==1 ) { a=2; /*Current region D2*/ } if (Va>level & Vb>level & a==2) { a=3; /*Current region D3*/ } if (Va<level & Vc<level & a==3) { a=4; /*Current region D4*/ } if (Vb>level & Vc>level & a==4) { a=5; /*Current region D5*/ } if (Va<level & Vb<level & a==5 ) { a=6; /*Current region D6*/ } if (a==1) { //D

269 Va_pos=(Va-level); if (Va_pos<0) {Va_pos=-Va_pos;} //Vp=Va_pos if (Va_pos>x) { CMPDAC1=Va_pos; PORTE=0b ; /*Sb ON (RE3), Sa ON (RE1), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a==2) { //D2 Vb_pos=(Vb-level); if (Vb_pos<0) {Vb_pos=-Vb_pos;} //Vp=Vb_pos if (Vb_pos>x) { CMPDAC1=Vb_pos; PORTE=0b ; /*Sb ON (RE3), Sa ON (RE1), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a==3) {

270 //D3 Vb_pos=(Vb-level); if (Vb_pos<0) {Vb_pos=-Vb_pos;} //Vp=Vb_pos if (Vb_pos>x) { CMPDAC1=Vb_pos; PORTE=0b ; /*Sc ON (RE5), Sb ON (RE3), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a==4) { //D4 Vc_pos=(Vc-level); if (Vc_pos<0) {Vc_pos=-Vc_pos;} //Vp= Vc_pos if (Vc_pos>x) { CMPDAC1=Vc_pos; PORTE=0b ; /*Sc ON (RE5), Sb ON (RE3), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a==5)

271 { // D5 Vc_pos=(Vc-level); if (Vc_pos<0) {Vc_pos=-Vc_pos;} //Vp=Vc_pos if (Vc_pos>x) { CMPDAC1=Vc_pos; PORTE=0b ; /*Sc ON (RE5), Sa ON (RE1), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a==6) { //D6 Va_pos=(Va-level); if (Va_pos<0) {Va_pos=-Va_pos;} //Vp= Va_pos if (Va_pos>x) { CMPDAC1=Va_pos; PORTE=0b ; /*Sc ON (RE5), Sa ON (RE1), BJT OFF(RE2)*/ } }

272 IFS0bits.T2IF = 0; /*Clear timer 2 interrupt flag bit*/ } { void attribute ((interrupt,auto_psv)) _T3Interrupt() TMR1=1650; /*synchronise Timer 1 with timer2 */ Va=channel0Result; /*Get the results from ADCBUF0,2,4*/ Vb=channel2Result; Vc=channel4Result; if (Va>level & Vc>level & a1==6) { a1=1; /*Current region D1*/ } if (Vb<level & Vc<level & a1==1 ) { a1=2; /*Current region D2*/ } if (Va>level & Vb>level & a1==2) { a1=3; /*Current region D3*/ } if (Va<level & Vc<level & a1==3) {

273 a1=4; /*Current region D4*/ } if (Vb>level & Vc>level & a1==4) { a1=5; /*Current region D5*/ } if (Va<level & Vb<level & a1==5 ) { a1=6; /*Current region D6*/ } if (a1==1) { // D1 Vc_pos=(Vc-level); if (Vc_pos<0) {Vc_pos=-Vc_pos;} //Vn=Vc_pos if (Vc_pos>x) { CMPDAC1=Vc_pos; PORTE=0b ; /*Sb ON (RE3), Sc ON (RE5), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a1==2)

274 { //D2 Vc_pos=(Vc-level); if (Vc_pos<0) {Vc_pos=-Vc_pos;} //Vn= Vc_pos if (Vc_pos>x) { CMPDAC1=Vc_pos; PORTE=0b ; /*Sa ON (RE1), Sc ON (RE5), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a1==3) { // D3 Va_pos=(Va-level); if (Va_pos<0) {Va_pos=-Va_pos;} //Vn= Va_pos if (Va_pos>x) { CMPDAC1=Va_pos; PORTE=0b ; /*Sa ON (RE1), Sc ON (RE5), BJT OFF(RE2)*/ } }

275 if (a1==4) { //D4 Va_pos=(Va-level); if (Va_pos<0) {Va_pos=-Va_pos;} //Vn= Va_pos if (Va_pos>x) { CMPDAC1=Va_pos; PORTE=0b ; /*Sa ON (RE1), Sb ON (RE3), BJT OFF(RE2)*/ } } if (a1==5) { //D5 Vb_pos=(Vb-level); if (Vb_pos<0) {Vb_pos=-Vb_pos;} //Vn= Vb_pos if (Vb_pos>x) { CMPDAC1=Vb_pos; PORTE=0b ; /*Sa ON (RE1), Sb ON (RE3), BJT OFF(RE2)*/ }

276 } if (a1==6) { //D6 Vb_pos=(Vb-level); if (Vb_pos<0) {Vb_pos=-Vb_pos;} //Vn= Vc_Pos if (Vb_pos>x) { CMPDAC1=Vb_pos; PORTE=0b ; /*Sb ON (RE3), Sc ON (RE5), BJT OFF(RE2)*/ } } IFS0bits.T3IF= 0; /*Clear timer 3 interrupt flag bit*/ } { void attribute ((interrupt,auto_psv)) _CMP1Interrupt(void) PORTE=0b ; /* {Sa(RE1),Sb(RE3),Sc(RE5)} OFF BJT ON(RE2)*/ IFS1bits.AC1IF = 0; /*Clear CMP1 interrupt flag bit*/ }

277 void attribute ((interrupt, no_auto_psv)) _ADCInterrupt(void) { /* AD Conversion complete interrupt handler */ channel0result = ADCBUF0; /* Get the conversion results */ channel2result= ADCBUF2; channel4result= ADCBUF4; } IFS0bits.ADIF = 0; /* Clear ADC Interrupt Flag */ ADSTAT= 0; /* Clear the ADSTAT bits */ void init_adc() { /*Reset ADC module*/ ADCON=0x0000; /* Set up the ADC Module */ ADCONbits.ADSIDL = 0; /* Operate in Idle Mode */ ADCONbits.FORM = 0; /* Output in Integer Format*/ ADCONbits.EIE = 0; /* No Early Interrupt */ ADCONbits.ORDER = 0; /* Even channel first */ ADCONbits.SEQSAMP = 1; /* Sequential Sampling Enabled */ ADCONbits.ADCS = 3; /* 3 Clock Divider is set up for Fadc/14 */ //TRISB=0b ;

278 ADPCFG = 0xFFEA; /* AN0,AN2,AN4 analog inputs */ ADSTAT = 0; /* Clear the ADSTAT register */ ADCPC0bits.TRGSRC0 =0xC ; /* Trigger conversions on TMR1 Prd Match */ ADCPC0bits.TRGSRC1 =0xC ; /*Pair0,1,2*/ ADCPC1bits.TRGSRC2 =0xC ; ADCPC0bits.IRQEN0 = 1; /* Enable the interrupts */ ADCPC0bits.IRQEN1 = 1; ADCPC1bits.IRQEN2 = 1; /* Set up the ADC Interrupt */ IFS0bits.ADIF = 0; /* Clear AD Interrupt Flag */ IPC2bits.ADIP = 4; /* Set ADC Interrupt Priority */ IEC0bits.ADIE = 1; /* Enable the ADC Interrupt */ /* Enable ADC*/ ADCONbits.ADON = 1; /* Start the ADC module */ } void init_timer1 (void) { /* Set up Timer1 */ T1CON = 0; /* Timer with 0 prescale */ TMR1 = 0; /* Clear the Timer 1 counter */

279 PR1 = TIMER_PERIOD; /* Load the period register */ IEC0bits.T1IE = 1; IPC0bits.T1IP = 3; IFS0bits.T1IF = 0; /*Enable timer 1 interrupt*/ /*Timer1 interrupt priority*/ /*Clear timer 1 interrupt flag bit*/ T1CONbits.TON = 1; /* Start the Timer */ } void init_timer2 (void) { T2CON = 0; /*Reset Timer 2*/ TMR2 = 0; /* Clear the Timer 1 counter */ PR2 =2000; /*set timer 2 period 2000*/ T2CONbits.TCKPS=0; IEC0bits.T2IE = 1; /*set timer 2 prescaler*/ /*Enable timer 2 interrupt*/ IPC1bits.T2IP = 3; IFS0bits.T2IF = 0; /*Timer2 interrupt priority*/ /*Clear timer 2 interrupt flag bit*/ T2CONbits.TON = 1; /*Start timer 2*/ } void init_timer3 (void) { T3CON = 0; /*Reset Timer 3*/ TMR3 = 0; /* Clear the Timer 1 counter */ PR3 =2000; /*set timer 3 period 2000*/ T3CONbits.TCKPS=0; /*set timer 3 prescaler 0*/

280 IEC0bits.T3IE = 1; IPC1bits.T3IP = 4; IFS0bits.T3IF = 0; /*Enable timer 3 interrupt*/ /*Timer3 interrupt priority*/ /*Clear timer 3 interrupt flag bit*/ T3CONbits.TON = 1; /*Start timer 2*/ /*Synchronize timer 3 with timer2, π rad phase difference*/ TMR3=PR2/2; TMR2=0; } void init_comparator1 (void) { CMPCON1=0x0000; CMPCON1bits.EXTREF=0; CMPCON1bits.RANGE=1; CMPCON1bits.INSEL=01; /*reset CMP1*/ /*Internal reference source*/ /*High range*/ /*select CMP1B input pin*/ CMPDAC1=0; /*reset comparator 1 reference*/ CMPCON1bits.CMPPOL=0; /* Output is non inverted*/ IEC1bits.AC1IE=1; IFS1bits.AC1IF=0; IPC7bits.AC1IP=5; /*analog comparator #1 interrupt enable bit*/ /*reset CMP1 interrupt flag status bit*/ /*CMP1 Interrupt priority*/ CMPCON1bits.CMPON=1; /*Start CMP1*/ }

281 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ Τεχνικά φυλλάδια κατασκευαστών 263

282 A

283 B

284 C

285 D

286 E

287 F

288 G

289 H

290 I

291 J

292 K

293 L

294 M

295 N

296 O

297 P

298 Q

299 R

300 S

301 T

Δοκιμαστικό μοτίβο ευρείας οθόνης (16:9)

Δοκιμαστικό μοτίβο ευρείας οθόνης (16:9) Δοκιμαστικό μοτίβο ευρείας οθόνης (16:9) Δοκιμή αναλογιών εικόνας (Πρέπει να εμφανίζεται κυκλικό) 4x3 16x9 Α.Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Πτυχιακή εργασία

Διαβάστε περισσότερα

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΑΘ.. 12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 1. ΓΕΝΙΚΑ Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος επιτελούν τη μετατροπή μιας τάσης συνεχούς μορφής, σε συνεχή τάση με ρυθμιζόμενο σταθερό πλάτος ή και πολικότητα.

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 2: Μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Εναλλασσόμενη Τάση (DC-AC Converters ή Inverters) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ MM505 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Εργαστήριο ο - Θεωρητικό Μέρος Βασικές ηλεκτρικές μετρήσεις σε συνεχές και εναλλασσόμενο

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ 2012. 1.1 Εισαγωγή Αντικείμενο πτυχιακής εργασίας.σελ. 2. 1.2 Περιεχόμενα εγχειριδίου Αναφοράς Προγραμμάτων.. σελ. 3

ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ 2012. 1.1 Εισαγωγή Αντικείμενο πτυχιακής εργασίας.σελ. 2. 1.2 Περιεχόμενα εγχειριδίου Αναφοράς Προγραμμάτων.. σελ. 3 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.1 Εισαγωγή Αντικείμενο πτυχιακής εργασίας.σελ. 2 1.2 Περιεχόμενα εγχειριδίου Αναφοράς Προγραμμάτων.. σελ. 3 1.3 Παράδειγμα τριφασικού επαγωγικού κινητήρα..σελ. 4-9 1.4 Σχεδίαση στο Visio

Διαβάστε περισσότερα

Περιεχόμενα. Πρόλογος...13

Περιεχόμενα. Πρόλογος...13 Περιεχόμενα Πρόλογος...3 Κεφάλαιο : Στοιχεία ηλεκτρικών κυκλωμάτων...5. Βασικά ηλεκτρικά μεγέθη...5.. Ηλεκτρικό φορτίο...5.. Ηλεκτρικό ρεύμα...5..3 Τάση...6..4 Ενέργεια...6..5 Ισχύς...6..6 Σύνοψη...7.

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 2: Μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Εναλλασσόμενη Τάση (DC-AC Converers ή Inverers) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

Περιεχόμενα. Πρόλογος...13

Περιεχόμενα. Πρόλογος...13 Περιεχόμενα Πρόλογος...3 Κεφάλαιο : Στοιχεία ηλεκτρικών κυκλωμάτων...5. Βασικά ηλεκτρικά μεγέθη...5.. Ηλεκτρικό φορτίο...5.. Ηλεκτρικό ρεύμα...5..3 Τάση...6..4 Ενέργεια...6..5 Ισχύς...6..6 Σύνοψη...7.

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 2: Μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Εναλλασσόμενη Τάση (DC-AC Converters ή Inverters) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DC-DC Converters) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444.οργανωτικά Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Το βιβλίο Ned Mohan First course on Power Electronics

Διαβάστε περισσότερα

ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499

ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499 ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499 ΟΜΗ ΙΑΚΟΠΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέµατα Επιλογή διακοπτών

Διαβάστε περισσότερα

ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Εισαγωγή Τα τριφασικά κυκλώματα Ε.Ρ. αποτελούν τη σπουδαιότερη

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 DC ΔΙΑΚΟΠΤΙΚA ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΑ, ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Διαβάστε περισσότερα

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2009

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2009 ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 009 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΠΡΑΚΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρμοσμένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DC-DC Cnverters) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της αρχής λειτουργίας των μηχανών συνεχούς ρεύματος, β) η ανάλυση της κατασκευαστικών

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1.1 Εισαγωγή 1.1 1.2 Συμβολισμοί και μονάδες 1.3 1.3 Φορτίο, τάση και ενέργεια 1.5 Φορτίο και ρεύμα 1.5 Τάση 1.6 Ισχύς και Ενέργεια 1.6 1.4 Γραμμικότητα 1.7 Πρόσθεση

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών

Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών Ενότητα: Χωρητική Αντιστάθμιση Ισχύος Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας Άδειες Χρήσης

Διαβάστε περισσότερα

PWM (Pulse Width Modulation) Διαμόρφωση εύρους παλμών

PWM (Pulse Width Modulation) Διαμόρφωση εύρους παλμών PWM (Pulse Width Modulation) Διαμόρφωση εύρους παλμών Μία PWM κυματομορφή στην πραγματικότητα αποτελεί μία περιοδική κυματομορφή η οποία έχει δύο τμήματα. Το τμήμα ΟΝ στο οποίο η κυματομορφή έχει την μέγιστη

Διαβάστε περισσότερα

Ποιότητα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Φίλτρα Αρµονικών Ρεύµατος

Ποιότητα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Φίλτρα Αρµονικών Ρεύµατος Ποιότητα Ηλεκτρικής Ενέργειας Φίλτρα Αρµονικών Ρεύµατος Γενικά Προβλήµατα που δηµιουργούν οι αρµονικές Μείωση του cosφ Αυξηµένες απώλειες στα καλώδια Συντονισµός-Καταστροφή πυκνωτών και µετασχηµατιστών

Διαβάστε περισσότερα

6 Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας

6 Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Πρόλογος Σ το βιβλίο αυτό περιλαμβάνεται η ύλη του μαθήματος «Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας» που διδάσκεται στους φοιτητές του Γ έτους σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΣΥΝΘΕΣΗ DC ΚΑΙ ΧΑΜΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ AC Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 1 Τα Θέματα Διακοπτικός πόλος

Διαβάστε περισσότερα

Μέθοδοι Ελέγχου Ηλεκτρικών Κινητήρων Σ.Ρ.

Μέθοδοι Ελέγχου Ηλεκτρικών Κινητήρων Σ.Ρ. Μέθοδοι Ελέγχου Ηλεκτρικών Κινητήρων Σ.Ρ. Ευθυμίου Σωτήρης Δέδες Παναγιώτης 26/06/2014 Εισαγωγή Σκοπός αυτής της παρουσίασης είναι η συνοπτική περιγραφή τριών διαφορετικών μεθόδων ελέγχου κινητήρων Σ.Ρ.

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρας παράλληλης διέγερσης

Κινητήρας παράλληλης διέγερσης Κινητήρας παράλληλης διέγερσης Ισοδύναμο κύκλωμα V = E + I T V = I I T = I F L R F I F R Η διέγερση τοποθετείται παράλληλα με το κύκλωμα οπλισμού Χαρακτηριστική φορτίου Έλεγχος ταχύτητας Μεταβολή τάσης

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας

Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Ενότητα: Άσκηση 6: Αντιστάθμιση γραμμών μεταφοράς με σύγχρονους αντισταθμιστές Νικόλαος Βοβός, Γαβριήλ Γιαννακόπουλος, Παναγής Βοβός Τμήμα Ηλεκτρολόγων

Διαβάστε περισσότερα

Τελεστικοί Ενισχυτές

Τελεστικοί Ενισχυτές Τελεστικοί Ενισχυτές Ενισχυτές-Γενικά: Οι ενισχυτές είναι δίθυρα δίκτυα στα οποία η τάση ή το ρεύμα εξόδου είναι ευθέως ανάλογη της τάσεως ή του ρεύματος εισόδου. Υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά είδη ενισχυτών:

Διαβάστε περισσότερα

2. Όλες οι απαντήσεις να δοθούν στο εξεταστικό δοκίμιο το οποίο θα επιστραφεί.

2. Όλες οι απαντήσεις να δοθούν στο εξεταστικό δοκίμιο το οποίο θα επιστραφεί. ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2015 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΠΡΑΚΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρμοσμένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ Ε. Καρφόπουλος, Π. Πάχος, Π. Παναγής, Κ. Παύλου, Στ. Μανιάς Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ DC -DC Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέματα Ανάλυση διακοπτικών μετατροπέων:

Διαβάστε περισσότερα

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2014

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2014 ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 014 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρμοσμένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

Τµήµα Βιοµηχανικής Πληροφορικής Σηµειώσεις Ηλεκτρονικών Ισχύος Παράρτηµα

Τµήµα Βιοµηχανικής Πληροφορικής Σηµειώσεις Ηλεκτρονικών Ισχύος Παράρτηµα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ηµιτονοειδές Ρεύµα και Τάση Τριφασικά Εναλλασσόµενα ρεύµατα Ισχύς και Ενέργεια Ενεργός τιµή περιοδικών µη ηµιτονικών κυµατοµορφών 1. Ηµιτονοειδές Ρεύµα και Τάση Οταν οι νόµοι του Kirchoff εφαρµόζονται

Διαβάστε περισσότερα

10 - ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

10 - ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 10 - ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Ηλεκτρική μηχανή ονομάζεται κάθε διάταξη η οποία μετατρέπει τη μηχανική ενεργεια σε ηλεκτρική ή αντίστροφα ή μετατρεπει τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι ηλεκτρικες

Διαβάστε περισσότερα

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2015

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2015 ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2015 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρμοσμένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διδάσκων : Δημήτρης Τσιπιανίτης Γεώργιος Μανδέλλος

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DCDC Converters) Δρ.Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση

Διαβάστε περισσότερα

Περίληψη. 1. Εισαγωγή

Περίληψη. 1. Εισαγωγή Σχεδιασμός και κατασκευή ηλεκτρονικού μετατροπέα υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων για εφαρμογή σε ηλεκτροκίνητο σκάφος Νικόλαος Μπαϊραχτάρης*(nikolaosbairachtaris@gmail.com),

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς με IGBT PWM:

Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς με IGBT PWM: Σεμινάριο ΤΕΕ Ανανεώσιμες μςπηγές Ενέργειας Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς με IGBT PWM: Αντιστροφείς και Μέθοδοι Ελέγχου Εισηγητής: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Πάτρα,

Διαβάστε περισσότερα

3. Κύκλωμα R-L σειράς έχει R=10Ω, L=10mH και διαρρέεται από ρεύμα i = 10 2ηµ

3. Κύκλωμα R-L σειράς έχει R=10Ω, L=10mH και διαρρέεται από ρεύμα i = 10 2ηµ 1. *Εάν η επαγωγική αντίσταση ενός πηνίου είναι X L =50Ω σε συχνότητα f = 200Hz, να υπολογιστεί η τιμή αυτής σε συχνότητα f=100 Hz. 2. Εάν η χωρητική αντίσταση ενός πυκνωτή είναι X C =50Ω σε συχνότητα

Διαβάστε περισσότερα

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2009

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2009 ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 9 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρμοσμένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα

Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα Ενότητα 4: Έλεγχος ισχύος που συνδέεται στο δίκτυο Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σημείωμα

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ο : ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ο : ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ο : ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ 1 Τα τριφασικά δίκτυα χρησιμοποιούνται στην παραγωγή και μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας για τους εξής λόγους: 1. Οικονομία στο αγώγιμο υλικό (25% λιγότερος χαλκός). 2. Η

Διαβάστε περισσότερα

ΜΕΛΕΤΗ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΜΕΛΕΤΗ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟΤΕΛΟΥΜΕΝΑ ΑΠΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗΣ ΜΕΤΑΒΑΣΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DC-DC Cnverers) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DC-DC Cnverers) Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση

Διαβάστε περισσότερα

3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική

3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική 1 3. Κυκλώματα διόδων 3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική Στην πράξη η δίοδος προσεγγίζεται με τμηματική γραμμικοποίηση, όπως στο σχήμα 3-1, όπου η δυναμική αντίσταση της διόδου

Διαβάστε περισσότερα

ΑΡΧΗ 1ΗΣ ΣΕΛΙ ΑΣ ΝΕΟ ΚΑΙ ΠΑΛΑΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

ΑΡΧΗ 1ΗΣ ΣΕΛΙ ΑΣ ΝΕΟ ΚΑΙ ΠΑΛΑΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΡΧΗ 1ΗΣ ΣΕΛΙ ΑΣ ΝΕΟ ΚΑΙ ΠΑΛΑΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΠΑΝΕΛΛΑ ΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΗΜΕΡΗΣΙΩΝ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΩΝ ΛΥΚΕΙΩΝ ΚΑΙ HMEΡΗΣΙΩΝ ΚΑΙ ΕΣΠΕΡΙΝΩΝ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΩΝ ΛΥΚΕΙΩΝ (ΟΜΑ Α A ΚΑΙ ΜΑΘΗΜΑΤΩΝ ΕΙ ΙΚΟΤΗΤΑΣ ΟΜΑ Α

Διαβάστε περισσότερα

2. Όλες οι απαντήσεις να δοθούν στο εξεταστικό δοκίμιο το οποίο θα επιστραφεί.

2. Όλες οι απαντήσεις να δοθούν στο εξεταστικό δοκίμιο το οποίο θα επιστραφεί. ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2015 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρμοσμένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

3η Εργαστηριακή Άσκηση: Εύρεση χαρακτηριστικής και συντελεστή απόδοσης κινητήρα συνεχούς ρεύµατος

3η Εργαστηριακή Άσκηση: Εύρεση χαρακτηριστικής και συντελεστή απόδοσης κινητήρα συνεχούς ρεύµατος Ονοµατεπώνυµο: Αριθµός Μητρώου: Εξάµηνο: Υπογραφή Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικών Συστηµάτων Μετατροπής Ενέργειας 3η Εργαστηριακή Άσκηση: Εύρεση χαρακτηριστικής και συντελεστή απόδοσης κινητήρα συνεχούς ρεύµατος

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Ενότητα 7: Μέθοδοι Εκκίνησης και Πέδησης Ασύγχρονων Τριφασικών Κινητήρων Ηρακλής Βυλλιώτης Τμήμα Ηλεκτρολόγων

Διαβάστε περισσότερα

5. ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΚΑΙ ΑΛΛΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ

5. ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΚΑΙ ΑΛΛΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 73 5. ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΚΑΙ ΑΛΛΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Στην συνέχεια εξετάζονται οι µονοφασικοί επαγωγικοί κινητήρες αλλά και ορισµένοι άλλοι όπως οι τριφασικοί σύγχρονοι κινητήρες που υπάρχουν σε µικρό ποσοστό σε βιοµηχανικές

Διαβάστε περισσότερα

3η Εργαστηριακή Άσκηση: Εύρεση χαρακτηριστικής και συντελεστή απόδοσης κινητήρα συνεχούς ρεύµατος

3η Εργαστηριακή Άσκηση: Εύρεση χαρακτηριστικής και συντελεστή απόδοσης κινητήρα συνεχούς ρεύµατος Ονοµατεπώνυµο: Αριθµός Μητρώου: Εξάµηνο: Υπογραφή Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικών Συστηµάτων Μετατροπής Ενέργειας 3η Εργαστηριακή Άσκηση: Εύρεση χαρακτηριστικής και συντελεστή απόδοσης κινητήρα συνεχούς ρεύµατος

Διαβάστε περισσότερα

C (3) (4) R 3 R 4 (2)

C (3) (4) R 3 R 4 (2) Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Βόλος, 29/03/2016 Τμήμα: Μηχανολόγων Μηχανικών Συντελεστής Βαρύτητας: 40%/ Χρόνος Εξέτασης: 3 Ώρες Γραπτή Ενδιάμεση Εξέταση στο Μάθημα: «ΜΜ604, Ηλεκτροτεχνία Ηλεκτρικές Μηχανές»

Διαβάστε περισσότερα

Το εξεταστικό δοκίµιο µαζί µε το τυπολόγιο αποτελείται από εννιά (9) σελίδες. Τα µέρη του εξεταστικού δοκιµίου είναι τρία (Α, Β και Γ ).

Το εξεταστικό δοκίµιο µαζί µε το τυπολόγιο αποτελείται από εννιά (9) σελίδες. Τα µέρη του εξεταστικού δοκιµίου είναι τρία (Α, Β και Γ ). ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2012 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙI) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΠΡΑΚΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ

ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ Α.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρική διάταξη που μετατρέπει εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια ενός επιπέδου τάσης

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σκοπός της άσκησης: Σκοπός της άσκησης είναι: 1. Να εξοικειωθεί ο σπουδαστής με την διαδικασία εκκίνησης ενός σύγχρονου τριφασικού

Διαβάστε περισσότερα

Στατικοί μετατροπείς συχνότητας μεγάλης ισχύος

Στατικοί μετατροπείς συχνότητας μεγάλης ισχύος Στατικοί μετατροπείς συχνότητας μεγάλης ισχύος Οι στατικοί μετατροπείς συχνότητας χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για τη μετατροπή μίας εναλλασσόμενης τάσης σε μία τάση άλλης συχνότητας και σε μεγάλες

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΑΝΟΡΘΩΤΕΣ ΤΑΣΗΣ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέματα Μονοφασική

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικές Μηχανές Βιομηχανικοί Αυτοματισμοί. Ημιανορθωτής. Πλήρης ανορθωτής

Ηλεκτρικές Μηχανές Βιομηχανικοί Αυτοματισμοί. Ημιανορθωτής. Πλήρης ανορθωτής Ημιανορθωτής 1 Πλήρης ανορθωτής 2 1 Πλήρης τριφασικός ανορθωτής 3 Φίλτρα στη έξοδο του Ανορθωτή Η έξοδος των ανορθωτών μπορεί να εξομαλυνθεί ακόμα περισσότερο με τη χρήση φίλτρων διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων

Διαβάστε περισσότερα

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

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και. Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του. Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του

Διαβάστε περισσότερα

α. Τα συμφασικά ρεύματα έχουν ίδια συχνότητα και ίδια αρχική φάση. Σ

α. Τα συμφασικά ρεύματα έχουν ίδια συχνότητα και ίδια αρχική φάση. Σ ΑΡΧΗ 1ΗΣ ΣΕΛΙΔΑΣ Γ ΤΑΞΗ ΕΠΑΛ (ΟΜΑΔΑ Α ) & ΜΑΘΗΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΟΤΗΤΑΣ ΕΠΑΛ (ΟΜΑΔΑ Β ) ΤΕΤΑΡΤΗ 19/04/017 - ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑ ΙΙ ΣΥΝΟΛΟ ΣΕΛΙΔΩΝ: ΠΕΝΤΕ (5) ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑ 1 ο 1) Να χαρακτηρίσετε

Διαβάστε περισσότερα

Εφαρμογή 9.2 Μετατροπή Ασύμμετρης Τριφασικής Κατανάλωσης σε Συμμετρική, με Ανακατανομή των Φορτίων

Εφαρμογή 9.2 Μετατροπή Ασύμμετρης Τριφασικής Κατανάλωσης σε Συμμετρική, με Ανακατανομή των Φορτίων Εφαρμογή 9.2 Μετατροπή Ασύμμετρης Τριφασικής Κατανάλωσης σε Συμμετρική, με Ανακατανομή των Φορτίων Περίληψη Ασύμμετρη Τριφασική Κατανάλωση σε σύνδεση Αστέρα με ουδέτερο αγωγό. Μετατροπή της ασύμμετρης

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ, ΕΛΕΓΧΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ, ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Διαβάστε περισσότερα

ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΜΕ ΣΤΟΙΧΕΙΑ IGBT. Παπαναστασίου Χρήστος Μετ. Φοιτητής Δ.Π.Θ., Αδαμίδης Γεώργιος Επ. Καθ. Δ.Π.Θ.

ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΜΕ ΣΤΟΙΧΕΙΑ IGBT. Παπαναστασίου Χρήστος Μετ. Φοιτητής Δ.Π.Θ., Αδαμίδης Γεώργιος Επ. Καθ. Δ.Π.Θ. ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΜΕ ΣΤΟΙΧΕΙΑ IGBT Παπαναστασίου Χρήστος Μετ. Φοιτητής Δ.Π.Θ., Αδαμίδης Γεώργιος Επ. Καθ. Δ.Π.Θ. Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχ. & Μηχ. Υπολογιστών, Τομέας

Διαβάστε περισσότερα

2012 : (307) : , 29 2012 : 11.00 13.30

2012  : (307) : , 29 2012 : 11.00 13.30 ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2012 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΠΡΑΚΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρµοσµένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

μετασχηματιστή. ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας ενός μονοφασικού

μετασχηματιστή. ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας ενός μονοφασικού ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας ενός μονοφασικού μετασχηματιστή. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: κ. Δημήτριος Καλπακτσόγλου ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ: Αικατερίνης-Χρυσοβαλάντης Γιουσμά Α.Ε.Μ:

Διαβάστε περισσότερα

Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων

Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων Κεφάλαιο 13: Ισχύς σε κυκλώματα ημιτονοειδούς διέγερσης Οι διαφάνειες ακολουθούν το βιβλίο του Κων/νου Παπαδόπουλου «Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων» ISBN: 9789609371100 κωδ.

Διαβάστε περισσότερα

Σχεδιασμός και Τεχνολογία Γ Λυκείου - Λύσεις Ασκήσεων

Σχεδιασμός και Τεχνολογία Γ Λυκείου - Λύσεις Ασκήσεων Κεφάλαιο 4: Ηλεκτρικές μηχανές Άσκηση 1 Σχεδιασμός και Τεχνολογία Γ Λυκείου - Λύσεις Ασκήσεων α) Να εξηγήσετε, με τη βοήθεια γραφικών παραστάσεων, τη διαφορά μεταξύ του συνεχούς (d.c.) και του εναλλασσόμενου

Διαβάστε περισσότερα

2. Όλες οι απαντήσεις να δοθούν στο εξεταστικό δοκίμιο το οποίο θα επιστραφεί.

2. Όλες οι απαντήσεις να δοθούν στο εξεταστικό δοκίμιο το οποίο θα επιστραφεί. ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΩΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΝΩΤΑΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2014 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ (ΙΙ) ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΧΟΛΩΝ ΠΡΑΚΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑ : Εφαρμοσμένη Ηλεκτρολογία

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένα προκατασκευασμένο κύκλωμα μικρών διαστάσεων που συμπεριφέρεται ως ενισχυτής τάσης, και έχει πολύ μεγάλο κέρδος, πολλές φορές της τάξης του 10 4 και 10 6. Ο τελεστικός

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 2 η

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 2 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 2 η Τίτλος Άσκησης: ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ και ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ «Λειτουργία Γεννήτριας Συνεχούς Ρεύματος Ξένης διέγερσης και σχεδίαση της χαρακτηριστικής φορτίου» «Λειτουργία

Διαβάστε περισσότερα

Ανάλυση και υλοποίηση ταλαντωτή τύπου Colpitts

Ανάλυση και υλοποίηση ταλαντωτή τύπου Colpitts Εργασία στο μάθημα «Εργαστήριο Αναλογικών VLSI» Ανάλυση και υλοποίηση ταλαντωτή τύπου Colpitts Ομάδα Γεωργιάδης Κωνσταντίνος konsgeorg@inf.uth.gr Σκετόπουλος Νικόλαος sketopou@inf.uth.gr ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. L d D F

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. L d D F Ηλεκτρονικά Ισχύος Ι 3 η Θεματική Ενότητα: Μετατροπείς Εναλλασσόμενης Τάσης σε Συνεχή Τάση Δρ. Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ασκήσεις Προς Επίλυση

Διαβάστε περισσότερα

Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Χρήσιμοι Σύνδεσμοι ΙΑΤΡΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΟΙ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΕΣ. Σημειώσεις μαθήματος: E mail:

Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Χρήσιμοι Σύνδεσμοι ΙΑΤΡΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΟΙ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΕΣ. Σημειώσεις μαθήματος: E mail: Ιατρικά Ηλεκτρονικά Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Σημειώσεις μαθήματος: http://medisp.bme.teiath.gr/eclass/courses/tio127/ E mail: pasv@teiath.gr 2 1 Μεταγωγικοί

Διαβάστε περισσότερα

Αυτοματισμοί και Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου. Ενότητα 2

Αυτοματισμοί και Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου. Ενότητα 2 Αυτοματισμοί και Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ενότητα 2 Τι είναι το PLC ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 2 Τι είναι το PLC. 2.1 Πλεονεκτήματα των PLC. 2.2 Η δομή ενός PLC. 2.3 Τα PLC της αγοράς. 2.4 Αρχή λειτουργίας ενός PLC.

Διαβάστε περισσότερα

ΟΝΟΜ/ΝΥΜΟ: ΜΠΑΛΑΜΠΑΝΗ ΓΕΩΡΓΙΑ ΑΜ:6105 ΜΑΘΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ: ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΗΤΡΙΑΣ

ΟΝΟΜ/ΝΥΜΟ: ΜΠΑΛΑΜΠΑΝΗ ΓΕΩΡΓΙΑ ΑΜ:6105 ΜΑΘΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ: ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΗΤΡΙΑΣ ΟΝΟΜ/ΝΥΜΟ: ΜΠΑΛΑΜΠΑΝΗ ΓΕΩΡΓΙΑ ΑΜ:6105 ΜΑΘΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ: ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΗΤΡΙΑΣ 1 Η γεννήτρια ή ηλεκτρογεννήτρια είναι μηχανή που βασίζεται στους νόμους της

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 2 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ

ΑΣΚΗΣΗ 2 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ ΑΣΚΗΣΗ 2 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ Σκοπός της άσκησης: Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη των χαρακτηριστικών λειτουργίας μιας σύγχρονης γεννήτριας

Διαβάστε περισσότερα

περιεχομενα Πρόλογος vii

περιεχομενα Πρόλογος vii Πρόλογος vii περιεχομενα ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ: Κυκλώματα Συνεχούς Ρεύματος... 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ... 3 1.1 Εισαγωγή...4 1.2 Συστήματα και Μονάδες...5 1.3 Φορτίο και Ρεύμα...6 1.4 Δυναμικό...9 1.5 Ισχύς

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 6 Μέτρηση πραγματικής ηλεκτρικής ισχύος

ΑΣΚΗΣΗ 6 Μέτρηση πραγματικής ηλεκτρικής ισχύος Απαραίτητα όργανα και υλικά ΑΣΚΗΣΗ 6 Μέτρηση πραγματικής ηλεκτρικής ισχύος 61 Απαραίτητα όργανα και υλικά 1 Βολτόμετρο 2 Αμπερόμετρο 3 Τροφοδοτικό συνεχόμενου και εναλλασσόμενου ηλεκτρικού σήματος 4 Πλακέτα

Διαβάστε περισσότερα

Hλεκτρομηχανικά Συστήματα Mετατροπής Ενέργειας

Hλεκτρομηχανικά Συστήματα Mετατροπής Ενέργειας Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου 2.3.26.3 Hλεκτρομηχανικά Συστήματα Mετατροπής Ενέργειας Εξέταση 3 ου Eξαμήνου (20 Φεβρουαρίου

Διαβάστε περισσότερα

β. Ο συντελεστής ποιότητας Q π δείχνει ότι η τάση U L =U C είναι Q π φορές µεγαλύτερη από την τάση τροφοδοσίας. Σ

β. Ο συντελεστής ποιότητας Q π δείχνει ότι η τάση U L =U C είναι Q π φορές µεγαλύτερη από την τάση τροφοδοσίας. Σ ΑΡΧΗ ΗΣ ΣΕΛΙ ΑΣ Γ ΤΑΞΗ ΕΠΑΛ (ΟΜΑ Α Α ) & ΜΑΘΗΜΑΤΩΝ ΕΙ ΙΚΟΤΗΤΑΣ ΕΠΑΛ (ΟΜΑ Α Β ) ΣΑΒΒΑΤΟ 6/04/06 - ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑ ΙΙ ΣΥΝΟΛΟ ΣΕΛΙ ΩΝ: ΠΕΝΤΕ (5) ΕΝ ΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑ ο ) Να χαρακτηρίσετε

Διαβάστε περισσότερα

Απαντήσεις των Θεμάτων Ενδιάμεσης Αξιολόγησης στο Μάθημα «Ηλεκτροτεχνία Ηλεκτρικές Μηχανές» Ημερομηνία: 29/04/2014. i S (ωt)

Απαντήσεις των Θεμάτων Ενδιάμεσης Αξιολόγησης στο Μάθημα «Ηλεκτροτεχνία Ηλεκτρικές Μηχανές» Ημερομηνία: 29/04/2014. i S (ωt) Θέμα 1 ο Απαντήσεις των Θεμάτων Ενδιάμεσης Αξιολόγησης στο Μάθημα «Ηλεκτροτεχνία Ηλεκτρικές Μηχανές» Ημερομηνία: 29/04/2014 Για το κύκλωμα ΕΡ του διπλανού σχήματος δίνονται τα εξής: v ( ωt 2 230 sin (

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ

ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Σκοπός της άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι: 1. Ο πειραματικός προσδιορισμός των απωλειών σιδήρου και των μηχανικών απωλειών

Διαβάστε περισσότερα

Αντικείμενο. Σύντομη παρουσίαση ορισμών που σχετίζονται με την αντιστάθμιση αέργου ισχύος. Περιγραφή μεθόδων αντιστάθμισης.

Αντικείμενο. Σύντομη παρουσίαση ορισμών που σχετίζονται με την αντιστάθμιση αέργου ισχύος. Περιγραφή μεθόδων αντιστάθμισης. Αντικείμενο Σύντομη παρουσίαση ορισμών που σχετίζονται με την αντιστάθμιση αέργου ισχύος. Περιγραφή μεθόδων αντιστάθμισης. Εισαγωγή Εισαγωγή Συντελεστής ισχύος Επομένως με μειωμένο συντελεστή ισχύος έχουμε:

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DC ΚΑΙ AC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΔΙΑΛΕΙΠΤΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέματα

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τελεστικός ενισχυτής

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τελεστικός ενισχυτής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τελεστικός ενισχυτής Ο τελεστικός ενισχυτής, TE (operational ampliier, op-amp) είναι ένα από τα πιο χρήσιμα αναλογικά κυκλώματα. Κατασκευάζεται ως ολοκληρωμένο κύκλωμα (integrated circuit) και

Διαβάστε περισσότερα

Μελέτη προβλημάτων ΠΗΙ λόγω λειτουργίας βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών

Μελέτη προβλημάτων ΠΗΙ λόγω λειτουργίας βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών «ΔιερΕΥνηση Και Aντιμετώπιση προβλημάτων ποιότητας ηλεκτρικής Ισχύος σε Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίων» (ΔΕΥ.Κ.Α.Λ.Ι.ΩΝ) πράξη ΘΑΛΗΣ-ΕΜΠ, πράξη ένταξης 11012/9.7.2012, MIS: 380164, Κωδ.ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ:

Διαβάστε περισσότερα

2. ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

2. ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 28 2. ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος είναι δύο ειδών Α) οι σύγχρονες γεννήτριες ή εναλλακτήρες και Β) οι ασύγχρονες γεννήτριες Οι σύγχρονες γεννήτριες παράγουν

Διαβάστε περισσότερα

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ Ε. Καρφόπουλος, Π. Πάχος, Π. Παναγής, Κ. Παύλου, Στ. Μανιάς Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 1 η ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ (ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΡΑ) ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΟΥ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ

ΑΣΚΗΣΗ 1 η ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ (ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΡΑ) ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΟΥ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΑΣΚΗΣΗ 1 η ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ (ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΡΑ) ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΟΥ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Σκοπός της άσκησης: 1. Ο πειραματικός προσδιορισμός της χαρακτηριστικής λειτουργίας

Διαβάστε περισσότερα

ΤΥΠΙΚΑ ΕΠΙΘΥΜΗΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ

ΤΥΠΙΚΑ ΕΠΙΘΥΜΗΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΤΥΠΙΚΑ ΕΠΙΘΥΜΗΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ Μέγιστος βαθμός απόδοσης, μεγαλύτερος από 95%. Ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης, μεγαλύτερος από 93%. Εξαιρετικά ακριβής ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT).

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ( ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ) ΜΑΙΟΣ 009 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. Ηλεκτροτεχνία Εναλλασσόμενου Ρεύματος: Α. Δροσόπουλος:.6 Φάσορες: σελ..

Διαβάστε περισσότερα

6 ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

6 ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 6 ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η ηλεκτρική ισχύς παράγεται, µεταφέρεται και διανέµεται σχεδόν αποκλειστικά µε τριφασικά συστήµατα ρευµάτων και τάσεων. Μόνον οικιακοί και άλλοι µικρής ισχύος καταναλωτές είναι µονοφασικοί.

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 2 (powerworld): ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ & ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 8 ΖΥΓΩΝ ΜΕ ΕΠΙΛΥΣΗ ΡΟΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ.

ΑΣΚΗΣΗ 2 (powerworld): ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ & ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 8 ΖΥΓΩΝ ΜΕ ΕΠΙΛΥΣΗ ΡΟΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ. ΑΣΚΗΣΗ 2 (powerworld): ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ & ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 8 ΖΥΓΩΝ ΜΕ ΕΠΙΛΥΣΗ ΡΟΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ. 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ ΑΣΚΗΣΗΣ Η παρούσα εργαστηριακή άσκηση

Διαβάστε περισσότερα

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗ: ΜΥΛΩΝΟΠΟΥΛΟΥ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗ: ΜΥΛΩΝΟΠΟΥΛΟΥ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗ: ΜΥΛΩΝΟΠΟΥΛΟΥ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΘΕΜΑ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΝΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΟΥ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΞΟΔΩΝ ΙΣΧΥΟΣ 50W ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΔΡ.-ΜΗΧ.

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας

Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας ΔΙΟΔΟΣ Οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές όπως οι τηλεοράσεις, τα στερεοφωνικά συγκροτήματα και οι υπολογιστές χρειάζονται τάση dc για να λειτουργήσουν σωστά.

Διαβάστε περισσότερα

Διατάξεις εκκίνησης κινητήρων ΣΡ

Διατάξεις εκκίνησης κινητήρων ΣΡ Διατάξεις εκκίνησης κινητήρων ΣΡ Η διάταξη ελέγχου και προστασίας του κινητήρα ΣΡ πρέπει: 1. Να προστατεύει τον κινητήρα από βραχυκυκλώματα στην ίδια τη διάταξη προστασίας 2. Να προστατεύει τον κινητήρα

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονικά Ισχύος II

Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ηλεκτρονικά Ισχύος II Ενότητα 1: (DCDC Converters) Δρ.Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σκοποί ενότητας Παρουσίαση και επεξήγηση

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ. 1. Η μελέτη της δομής και της αρχής λειτουργίας ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα.

ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ. 1. Η μελέτη της δομής και της αρχής λειτουργίας ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. Σκοπός της άσκησης: ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι: 1. Η μελέτη της δομής και της αρχής λειτουργίας ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. 1. Γενικά Οι

Διαβάστε περισσότερα