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 ΙΩΑΝΝΗΣ ΜΠΟΡΑΣ ΤΟΥ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 376 Πάτρα, Οκτώβριος 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 ΙΩΑΝΝΗΣ ΜΠΟΡΑΣ ΤΟΥ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2014 Πάτρα, Οκτώβριος 2014

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΙΩΑΝΝΗ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΜΠΟΡΑ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 09/10/2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2014 ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Ιωάννης Μπόρας του Απόστολου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση και την κατασκευή μιας καινοτόμας τοπολογίας μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στα πλαίσια του θεσμού της πρακτικής άσκησης, ένα τμήμα της εκπονήθηκε στην τεχνική εταιρία Πάραλος Α.Ε. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι συμβολή της στη μελέτη των νέων τεχνολογιών στον τομέα των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, λαμβάνοντας υπόψιν τις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που μειώνουν δραστικά την διάρκεια ζωής των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών και συνεπώς των ίδιων των μετατροπέων. Επί του πρακτέου διερευνάται και κατασκευάζεται μια βελτιωμένη εκδοχή του υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα ρεύματος βασιζόμενου στην τοπολογία Flyback. Η βελτίωση αφορά την ενσωμάτωση ενός κυκλώματος αποσύζευξης της ισχύος, που εξομαλύνει το ρεύμα εισόδου αναιρώντας την ανάγκη χρήσης ηλεκτρολυτικού πυκνωτή τόσο στην είσοδο, όσο και στο κύκλωμα αποσύζευξης αυξάνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του μετατροπέα, καθιστώντας τον με αυτόν τον τρόπο κατάλληλο για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules). Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας έχει προταθεί στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία και στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται κατά κύριο λόγο η μεθοδολογία κατασκευής του ώστε να διευρευνηθεί η λειτουργία και η απόδοσή του Αρχικά έγινε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση και μελέτη των καταστάσεων λειτουργίας του αλλά και της συνολικής συμπεριφοράς του βελτιωμένου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback. Με την εμπειρία που αποκτήθηκε στην διάρκεια της πρακτικής άσκησης, ακολούθησε η συσχέτιση των παραμέτρων του αντιστροφέα και η επιλογή αυτών ώστε να ανταποκριθεί στις προδιαγραφές που τέθηκαν και να ανταπεξέλθει στα δεδομένα του ηλεκτρικού δικτύου της Ελλάδας. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση της τοπολογίας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή με ειδικό πρόγραμμα προσομοιώσεων ηλεκτρικών κυκλωμάτων (PSpice). Επιβεβαιώθηκε η λειτουργία του, έγινε ο βέλτιστος σχεδιασμός και τέλος πραγματοποιήθηκε ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα διάφορα στοιχεία ώστε να γίνει ορθή επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Τέλος, έγινε η κατασκευή του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η ορθή λειτουργία του για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Έπειτα συγκεντρώθηκαν μετρήσεις, αφ ενός μεν για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόδοση, αφ ετέρου δε για σύγκριση με τα αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα.

8

9 ABSTRACT This diploma thesis deals with the study, analysis and implementation of a novel single phase inverter which is used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric utility grid of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The diploma thesis was also partially conducted within the internship at the engineering company Paralos S.A. This project pertains to the sector of Dispersed Power Generation PV systems, especially to Alternating Current Photovoltaic Modules (AC-PV Modules) systems in which a low power dc-ac utility interactive inverter is individually mounted on a PV module. Taking into account that the lifetime of the ac module inverter is shortened because it operates under very high atmospheric temperature, an improved Flyback-type single phase high frequency current source inverter is proposed. The improvement relies on the integration of a power pulsation decoupling circuit which aims at input current smoothing without using electrolytic capacitors and enables employment of film capacitors with small capacitance not only for the dc input line but also for the decoupling circuit. The additional circuit is expected to extend the lifetime of the inverter since the use of electrolytic capacitors under a high temperature environment drastically shortens their life.the proposed inverter circuit has already been presented in the international scientific community but the current thesis mainly analyzes the implementation methodology and investigates the inverter s performance and behavior. Initially, a thorough theoretical analysis was made on the flyback-type utility interactive inverter s operation and its circuit configuration. Subsequently, analytical mathematical equations were developed to describe the relationships between the parameters of the proposed inverter. Using these equations, the electric components were selected, as to meet up with the Greek electric utility grid specifications. The next step is the simulation of the topology, which was performed by a specialized on electric circuit simulation computer program (PSpice). The proper behavior of the simulated circuit was confirmed and the precise losses of the components were calculated through the program. Regarding this fact, the components were selected for an optimal design of the inverter. Last but not least, the Flyback-type current source inverter with decoupling capacitor was constructed and its operation was experimentally confirmed. Also, measurements of the inverter s performance were collected.

10

11 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία ερευνάται η λειτουργία μιας βελτιωμένης τοπολογίας μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/Β) γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης των αστικών περιοχών. Πιο αναλυτικά μελετάται και κατασκευάζεται μια ηλεκτρονική διάταξη με υψίσυχνο μετασχηματιστή απομόνωσης, στην ουσία πρόκειται για έναν μονοφασικό αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback κατάλληλος για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules), οπού λαμβάνεται υπόψιν η διάρκεια ζωής του κάτω από δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας. Τα Φ/Β πλαίσια εναλλασσόμενου ρεύματος λειτουργούν σε συνθήκες μεγάλης εξωτερικής θερμοκρασίας, ειδικά τους καλοκαιρινούς μήνες, και έτσι η διάρκεια ζωής των ενσωματωμένων αντιστροφέων μειώνεται δραματικά, επειδή οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές που χρησιμοποιούνται για την εξομάλυνση του ρεύματος εισόδου, καταπονούνται από την αυξημένη θερμοκρασία Έχοντας αυτό το πρόβλημα να αντιμετωπιστεί, στην εργασία αυτή προτείνεται μια καινοτόμα τοπολογία αντιστροφέα ρεύματος. Συγκεκριμένα πρόκειται για μια διαφοροποιημένη εκδοχή του αντιστροφέα ρεύματος Flyback (CSI) που αναφέρεται στην διδακτορική διατριβή του Αναστάσιου Χ. Νανάκου «Βέλτιστος Σχεδιασμός του αντιστροφέα ρεύματος Flyback για εφαρμογή του σε φωτοβολταϊκά πλαίσια εναλλασσόμενου ρεύματος». Η διαφοροποίηση αφορά την ενσωμάτωση ενός επιπλέον κλάδου που υλοποιεί την αποσύζευξη της ισχύος λειτουργίας από την τροφοδοσία επιτρέποντας τη χρήση πυκνωτή πολυπροπυλενίου (ΜΚΡ) μικρής χωρητικότητας όχι μόνο στην είσοδο του αντιστροφέα, αλλά και στο κύκλωμα αποσύζευξης. Ο αντιστροφέας αυτός παρουσιάζεται στην μελέτη των Toshihisa Shimizu, Keiji Wada, και Naoki Nakamura: «Flyback-Type Single-Phase Utility Interactive Inverter with Power Pulsation Decoupling on the DC Input for an AC Photovoltaic Module System». Ας μην παραλειφθεί ότι ένα τμήμα της διπλωματικής εργασίας εκπονήθηκε στα πλαίσια την πρακτικής άσκησης στην εταιρεία Πάραλος Τεχνική. Η Πάραλος Τεχνική πρόκειται για μια τεχνική εταιρεία που δραστηριοποιέιται σε ένα ευρύ τεχνολογικό πεδίο, που συμπεριλαμβάνει πληθώρα ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων. Κατά τη διάρκεια της πρακτικής άσκησης αποκτήθηκε εμπειρία στη μελέτη και διαστασιολόγηση διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος καθώς και στην διαδικασία επιλογής και ρύθμισης ηλεκτρονικών μετατροπέων. Η εμπειρία αυτή αξιοποιήθηκε πλήρως κατά την διάρκεια υλοποιήσης την - I -

12 Πρόλογος διπλωματικής εργασίας και έδωσε την δυνατότητα για έναν πιο αποτελεσματικό σχεδιασμό της διάταξης. Αναλυτικά, το κεφάλαιο 1 αναφέρεται στο ενεργειακό πρόβλημα και στον ρόλο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.) στη λύση αυτού του προβλήματος. Ακόμα πραγματεύεται τον ρόλο των ηλιακών κυττάρων στην μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Παρουσιάζονται τα Φ/Β συστήματα και οι τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας και τέλος κατηγοριοποιούνται τα Φ/Β συστήματα σύμφωνα με διάφορες παραμέτρους ενώ αναλύεται γιατί επιλέχθηκε ο μετατροπέας που πραγματεύεται αυτή η διπλωματική εργασία. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται η λειτουργία του αντιστροφέα ρεύματος με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και παρουσιάζεται ο τρόπος ελέγχου και επιλογής των στοιχείων ώστε να λειτουργεί σε συνθήκες ασυνεχής αγωγής (DCM). Ακόμα γίνεται μια θεωρητική πρόβλεψη των τάσεων που τα στοιχεία του κυκλώματος πρέπει να είναι ικανά να αντέχουν. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η προσομοίωση του μετατροπέα σε ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του ειδικού λογισμικού Orcad PSpice. Επιβεβαιώνεται η λειτουργία του τόσο με ιδανικά όσο και με μη ιδανικά στοιχεία και επιλέγεται η τελική τιμή των παραμέτρων του μετατροπέα. Παρουσιάζονται και αναλύονται λεπτομερώς οι κυματομορφές των στοιχείων. Επίσης, καταγράφονται οι απώλειες και η απόδοση μέσα από το πρόγραμμα, υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία κατασκευής του κυκλώματος ισχύος του αντιστροφέα ρεύματος με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, αλλά και των κυκλωμάτων ελέγχου. Παρουσιάζεται επίσης ο σχεδιασμός των τροφοδοτικών καθώς και ο προγραμματισμός που έγινε στον μικροελεγκτή (μ/ε) της πλακέτας ελέγχου. Στο κεφάλαιο 5 παρατίθενται τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά την λειτουργία του αντιστροφέα ρεύματος με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος καθώς και φωτογραφίες από την κατασκευή του. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή του κυκλώματος. Ολοκληρώνοντας, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα τυπωμένα κυκλώματα των πλακετών που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν για την συγκεκριμένη εφαρμογή, όπως επίσης και το πρόγραμμα ελέγχου του μ/ε που γράφτηκε τελικά. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Καθηγητή της διπλωματικής εργασίας Δρ.-Μηχανικό Εμμανουήλ Τατάκη για την καθοριστική συμβολή του - II -

13 Πρόλογος στην εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Γεώργιο Χρηστίδη για την πολύτιμη βοήθεια του και τις χρήσιμες συμβουλές του σε καθοριστικά σημεία κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Τελειώνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένεια μου και τους κοντινούς μου ανθρώπους για την αμέριστη συμπαράσταση και την στήριξη που μου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια. Ιωάννης Α. Μπόρας 1 - III -

14 Πρόλογος 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ενεργειακό πρόβλημα και φωτοβολταϊκά συστήματα Το ενεργειακό πρόβλημα - Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε) Ηλιακή Ενέργεια-Φωτοβολταϊκά συστήματα Πλεονεκτήματα Φωτοβολταϊκών συστημάτων Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Φωτοβολταïκά πλαίσια Συστήματα επίπεδων Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Συστήματα Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Τεχνολογίες οικιακών Φωτοβολταϊκών συστημάτων Κεντρικοποιημένη τεχνολογία - Centralized Τεχνολογία Τεχνολογία αλυσίδας (String) Τεχνολογία πολλαπλών αλυσίδων (Multistring) AC- PV Module Τεχνολογία Ηλεκτρονικοί μετατροπείς για φωτοβολταïκά πλαίσια Κατηγοριοποίηση βάσει του αριθμού των βαθμίδων Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα μίας βαθμίδας Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα δυο βαθμίδων Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα πολλαπλών βαθμίδων Κατηγοριοποίηση Βάσει της ύπαρξης Μ/Τ απομόνωσης Κατηγοριοποίηση των μετατροπέων ανάλογα με τον τρόπο ελέγχου της βαθμίδας αντιστροφής Κατηγοριοποίηση με βάση την ύπαρξη ή μη ζεύξης συνεχούς τάσης Συμπεράσματα - Χαρακτηριστικά του μετατροπέα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Λειτουργία του μονοφασικού υψίσυχνου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας flyback με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος Γενική ανάλυση της λειτουργίας του αντιστροφέα Ανάλυση της λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος Αποσύζευξη της ισχύος για τη μείωση της κυμάτωσης της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα Επίδραση των παραμέτρων του κυκλώματος στα ηλεκτρικά μεγέθη του αντιστροφέα Μελέτη της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος για την λειτουργίας του αντιστροφέα σε ασυνεχή αγωγή Επιλογή του λόγου μετασχηματισμού Επιλογή χωρητικότητας, τάσης λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και τιμής της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Προσομοιώσεις IV -

15 Πρόλογος 3.1 Γενικά - Πρόγραμμα προσομοιώσεων Προδιαγραφές λειτουργίας και επιλογή μεγεθών Προσομοίωση- Παρουσίαση αποτελεσμάτων για διάφορες παραμέτρους Παρουσίαση προσομοίωσης με ιδανικά στοιχεία Παρουσίαση προσομοίωσης με μη-ιδανικά στοιχεία Πρόβλεψη των τάσεων πάνω στα στοιχεία - Απώλειες Απόδοση ΚΕΦΑΛΑΙΟ Κατασκευή της πειραματικής διάταξης Γενικά Επιλογή των στοιχείων (διόδων, ημιαγωγικών, πυκνωτών) Επιλογή των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Επιλογή των διόδων ισχύος Επιλογή του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος Κύκλωμα οδήγησης ημιαγωγικού στοιχείου Επιλογή στοιχείων του κυκλώματος οδήγησης Υπολογισμός και κατασκευή μετασχηματιστή Υπολογισμών Ψυκτικών (απαγωγών θερμότητας) Γραμμικά Τροφοδοτικά Κύκλωμα παλμοδότησης Ο Μικροελεγκτής Γενικά Ανάλυση του μικροεπεξεργαστή Τα αναπτυξιακά του dspic Ανάλυση του ελέγχου Η παλμοδότηση των S M και S X Η παλμοδότηση των S ac1 και S ac Σχηματικό διάγραμμα Προγραμματισμός του μ/ε ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πειραματικά αποτελέσματα- μετρήσεις Γενικά Αποτελέσματα Πειραμάτων - Σχολιασμός απόδοσης, απωλειών- Κυματομορφές Μετρήσεις υπό σταθερή αντίσταση εξόδου Μετρήσεις υπό μεταβαλλόμενη αντίσταση εξόδου Κυματομορφές των τάσεων στα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν Μετρήσεις και πειραματικά αποτελέσματα απο την λειτουργία του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος σε σύνδεση με το δίκτυο V -

16 Πρόλογος 5.3 Φωτογραφικό υλικό απο την κατασκευή του αντιστροφέα ρεύματος με πυκνωτή αποσύζευξης Συμπεράσματα- Προοπτικές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β VI -

17 Κεφάλαιο 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΚΑΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 Το ενεργειακό πρόβλημα - Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε) Μέχρι το πρόσφατο παρελθόν η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διεθνή κλίμακα στηριζόταν κυρίως σε συμβατικές ενεργειακές τεχνολογίες και σε πρώτες ύλες όπως το πετρέλαιο, ο άνθρακας και ο λιγνίτης. Η σταδιακή επέκταση του ρόλου των μηχανών στις ανθρώπινες δραστηριότητες, που πήρε εκπληκτικές διατάσεις τα τελευταία χρόνια και η ταυτόχρονη εκρηκτική αύξηση του πληθυσμού τους δύο τελευταίους αιώνες, οδήγησαν σε κατακόρυφη αύξηση την κατανάλωση των ενεργειακών πόρων και των πρώτων υλών της γης από τον άνθρωπο. Μια προσεκτική ανάλυση στοιχείων οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού, η κατανάλωση ενεργειακών πόρων και η βιομηχανική παραγωγή διογκώνονται με τρόπο εκθετικό. Για παράδειγμα το πετρέλαιο που η κατανάλωση του αυξάνεται με ρυθμό περίπου 6% το χρόνο. Αυτό σημαίνει διπλασιασμό κάθε δέκα χρόνια. Αν συνεχιστεί με αυτόν τον τρόπο, σε περίπου 300 χρόνια τα αποθέματα θα έχουν εξαντληθεί και αν ακόμη ολόκληρη η γήινη σφαίρα ήταν πετρέλαιο. Η κατάσταση αυτή μεταφράζεται στο λεγόμενο «Ενεργειακό Πρόβλημα»[1]. Επιπλέον ένας ακόμα προβληματισμός στενά συνδεδεμένος με τους συμβατικούς τρόπους ηλεκτροπαραγωγής είναι η επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τα προϊόντα την καύσης των οργανικών καυσίμων. Οι εκπομπές ρύπων από την αλόγιστη καύση μπορούν να επισύρουν ανεπανόρθωτες και επικίνδυνες κλιματικές αλλαγές στον πλανήτη μας, οι οποίες είναι γνωστές ως «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Αν και το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται στη Φύση, κατά το οποίο η ατμόσφαιρα ενός πλανήτη συμβάλλει στη θέρμανσή του, τα τελευταία χρόνια, ο όρος συνδέεται με την παγκόσμια θέρμανση (global warming), ενώ θεωρείται πως το φαινόμενο έχει ενισχυθεί σημαντικά από ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Χαρακτηριστικό της σοβαρότητας της κατάστασης είναι η αντιμετώπιση του προβλήματος από την διεθνή κοινότητα με την απόφαση να θεσπίσει το Πρωτόκολλο του Κιότο, το οποίο αποτελεί έναν «οδικό χάρτη», στον οποίο περιλαμβάνονται τα απαραίτητα βήματα για τη μακροπρόθεσμη αντιμετώπιση της αλλαγής του κλίματος, που προκαλείται λόγω της αύξησης των ανθρωπογενών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Σύμφωνα με αυτό, τα κράτη που το έχουν συνυπογράψει δεσμεύονται να ελαττώσουν τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου την πρώτη περίοδο ανάληψης υποχρεώσεων ( ) κατά ένα συγκεκριμένο στόχο σε σχέση με τις εκπομπές του 1990 (ή του 1995 για ορισμένα αέρια). Η - 7 -

18 Κεφάλαιο 1 συνθήκη αυτή αποτέλεσε το έναυσμα και για μια σειρά άλλων δράσεων την διεθνούς κοινότητας και συγκεκριμένα της Ευρωπαϊκής Ένωσης να εκδώσει μια σειρά από κοινοτικές οδηγίες προς όλα τα κράτη - μέλη, μεταξύ αυτών και η Ελλάδα, όπως η ΟΔΗΓΙΑ 2009/28/ΕΚ σχετικά με την προώθηση της χρήσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Ουσιαστική λύση στο παραπάνω πρόβλημα έρχονται να δώσουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, οι οποίες μπορούν αξιόπιστα να αντικαταστήσουν τις συμβατικές ενεργειακές τεχνολογίες ένα μεγάλο βαθμό. Η παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από ΑΠΕ (σύμφωνα με τον Ν 2773/1999) είναι η Ηλεκτρική Ενέργεια η προερχόμενη από[2]: Την εκμετάλλευση Αιολικής ή Ηλιακής Ενέργειας ή Bιομάζας ή Βιοαερίου. Την εκμετάλλευση Γεωθερμικής Ενέργειας, εφόσον το δικαίωμα εκμετάλλευσης του σχετικού Γεωθερμικού Δυναμικού έχει παραχωρηθεί στον ενδιαφερόμενο, σύμφωνα με τις ισχύουσες κάθε φορά διατάξεις. Την εκμετάλλευση της Ενέργειας από την Θάλασσα. Την εκμετάλλευση Υδάτινου Δυναμικού με μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς μέχρι 10 MW. Συνδυασμό των ανωτέρω. Τη Συμπαραγωγή, με χρήση των Πηγών Ενέργειας, των ανωτέρω ξεχωριστά και συνδυασμό τους. Κύριο χαρακτηριστικό των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι η μη παραγωγή ρύπων κατά την λειτουργία τους καθώς και ότι τα "καύσιμα" που χρησιμοποιούν προέρχονται από την ανεξάντλητη ροή ενέργειας. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ενέργειας με ορυκτά καύσιμα όπως ο λιγνίτης, το πετρέλαιο ή το φυσικό αέριο, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ανεξάντλητες, άρα οικονομικά και ενεργειακά αποδοτικές. Αντικαθιστώντας λοιπόν τους συμβατικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας μπορούν να συμβάλουν στην επιβράδυνση της εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων. Επιπρόσθετα το γεγονός ότι οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν εκπέμπουν αέρια που επιβαρύνουν την ατμόσφαιρα (όπως είναι τα αέρια του θερμοκηπίου), τις καθιστά άκρως φιλικές προς το περιβάλλον αλλά και μια σημαντική ενέργεια για την προστασία του από την σταδιακή μόλυνση που υφίσταται

19 Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.1 Διείσδυση Α.Π.Ε στο ενεργειακό ισοζύγιο [2]. Στο σχήμα 1.1 φαίνεται η διείσδυση και η πρόβλεψη της διείσδυσης των Α.Π.Ε τα επόμενα χρόνια. 1.2 Ηλιακή Ενέργεια-Φωτοβολταϊκά συστήματα Με το όρο Ηλιακή Ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Το φως και η θερμότητα που ακτινοβολούνται, απορροφούνται από στοιχεία και ενώσεις στη Γη και μετατρέπονται σε άλλες μορφές ενέργειας. Η τεχνολογία σήμερα αξιοποιεί ένα μηδαμινό ποσοστό της προσπίπτουσας στην επιφάνεια του πλανήτη μας ηλιακής ενέργειας μέσω τριών ειδών συστήματα: τα θερμικά ηλιακά, τα παθητικά ηλιακά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Γενικότερα οι εφαρμογές της θα μπορούσαν να χωριστούν στις παρακάτω κατηγορίες: Μετατροπή ηλιακής ενέργειας για θέρμανση, που περιλαμβάνει τη θέρμανση του νερού για οικιακή ή βιομηχανική χρήση, π.χ. ηλιακοί θερμοσίφωνες. Μετατροπή με ενδιάμεσο θερμοδυναμικό κύκλο, που περιλαμβάνει κυρίως παραγωγή μηχανικής ή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμότητα. Υπάρχουν εργοστάσια ανά τον κόσμο και έχουν αναπτυχθεί αρκετοί τρόποι για την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική μέσω θερμότητας, όμως εδώ θα περιοριστούμε σε απλή αναφορά. Απ ευθείας μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια, που περιλαμβάνει τα ηλιακά κύτταρα και το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και κατ επέκταση τα φωτοβολταϊκά συστήματα

20 Κεφάλαιο 1 Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τα φωτοβολταϊκά συστήματα (Φ/Β συστήματα). Όλοι έχουμε συναντήσει φωτοβολταïκά συστήματα σε μικρούς υπολογιστές και ρολόγια. Πρόκειται για συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια και που, και πολλά χρόνια, χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων στο ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν παραδοσιακά τα φωτοβολταïκά για την ηλεκτροδότησή τους. Στην Ελλάδα, η προοπτική ανάπτυξης και εφαρμογής των Φ/Β συστημάτων είναι τεράστια, λόγω του ιδιαίτερα υψηλού δυναμικού ηλιακής ενέργειας. Η ηλεκτροπαραγωγή από φωτοβολταïκά έχει ένα τεράστιο πλεονέκτημα, αποδίδει την μέγιστη ισχύ της κατά τη διάρκεια της ημέρας που παρουσιάζεται η μέγιστη ζήτηση. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας αποσπά όλο και μεγαλύτερο κομμάτι από την πίτα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια. Σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη αυτή διαδραματίζουν τα φωτοβολταïκά συστήματα και η τεχνολογία που έχει αναπτυχθεί γύρω από τον τομέα αυτόν. Τα συστήματα αυτά βασίζονται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο που επιτρέπει την απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, με την βοήθεια των ηλεκτρικών κυττάρων (solar cells) Πλεονεκτήματα Φωτοβολταϊκών συστημάτων Η παραγωγή ενέργειας με την βοήθεια των ηλιακών κυττάρων και κατ επέκταση των φωτοβολταϊκών συστημάτων συνοδεύεται από μία σειρά πλεονεκτημάτων με βασικότερα τα εξής: Λειτουργούν αθόρυβα, καθαρά χωρίς κατάλοιπα, αποφεύγοντας τη μόλυνση του περιβάλλοντος, λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη, με ελάχιστη συντήρηση. Λειτουργούν χωρίς καύσιμα. Λειτουργούν και με νεφελώδη ουρανό (διάχυτη ακτινοβολία). Δεν χρησιμοποιούν υγρά ή αέρια σε αντίθεση με τα θερμικά συστήματα. Κατασκευάζονται από πυρίτιο, ένα από τα πλέον σε αφθονία στοιχεία. Πλέον αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Έχουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές μεταβολές της ηλιοφάνειας. Αν ένα κομμάτι υποστεί βλάβη, το σύστημα συνεχίζει τη λειτουργία του μέχρι την αντικατάσταση του. Μεγάλες δυνατότητες σε μία ευρεία περιοχή ισχύων (από mw σε MW)

21 Κεφάλαιο 1 Έχουν μεγάλο λόγο ισχύος / βάρους, επομένως είναι κατάλληλα για εγκατάσταση σε στέγες. Είναι κατάλληλα για επιτόπιες εφαρμογές, όπου ή δεν υπάρχει ή δεν συμφέρει η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου. Είναι δυνατόν να συναρμολογηθούν τυποποιημένα στοιχεία μαζικής παραγωγής οποιουδήποτε μεγέθους (και βαθμό απόδοσης πρακτικά ανεξάρτητο του μεγέθους) για να καλύψουν μικρές, μεσαίες και μεγάλες ενεργειακές ανάγκες. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής (πάνω από 20 έτη) Η πηγή καυσίμου, ο ήλιος, είναι ουσιαστικά άπειρη Φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Αναλύοντας το φαινόμενο αυτό συνάγεται ότι η φωτοβολταϊκή μετατροπή ενέργειας στηρίζεται αφενός μεν στην ηλιακή ακτινοβολία, αφετέρου δε στις ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών. Φωτοβολταϊκό φαινόμενο περιγράφεται ως η πόλωση των ηλεκτρικών φορτίων που συμβαίνει σε συγκεκριμένα υλικά όταν αυτά εκτεθούν σε φωτεινή ακτινοβολία. Κάτι τέτοιο παρατηρείται στα φυσικά στοιχεία που ανήκουν στην ομάδα των ημιαγωγών. Η πόλωση των ηλεκτρικών φορτίων μεταφράζεται ως δημιουργία διαφοράς δυναμικού μεταξύ των δημιουργούμενων πόλων, δηλαδή μια υποτυπώδη ηλεκτρική γεννήτρια. Πρόκειται για το φαινόμενο όπου η ηλιακή ενέργεια με την βοήθεια των ημιαγωγικών στοιχείων μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Δηλαδή το φωτοβολταϊκό κύτταρο που στην ουσία είναι ένας ημιαγωγός, με την παρουσία ηλιακού φωτός δίνει τάση στα άκρα του [3]. Κατόπιν των ανωτέρω, ένα ηλιακό κύτταρο συνηθίζεται να χαρακτηρίζεται από την ισχύ εξόδου του σε μία προκαθορισμένη θερμοκρασία (συνήθως 25 ο C ή 28 ο C), συγκεκριμένη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας (1000W/m ) και αέρια μάζα 1,5 (η αέρια μάζα αναφέρεται στο πάχος της ατμόσφαιρας το οποίο διαπερνά το ηλιακό φως και αποτελεί έναν σημαντικό δείκτη των χαρακτηριστικών του διαθέσιμου φωτός, διότι οι ηλιακές κυψέλες αξιοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος). Η παραπάνω ισχύς είναι γνωστή ως «ισχύς αιχμής» (Peak Power) και οι τιμές των συνθηκών που μόλις αναφέρθηκαν ονομάζονται Πρότυπες Συνθήκες Δοκιμών (Standard Test Conditions, S.T.C.). Συνεπώς, το μέγεθος μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας συνήθως χαρακτηρίζεται από τα Watt αιχμής (Wp, Watt Peak) που μπορεί αυτή να παράγει

22 Κεφάλαιο Φωτοβολταïκά πλαίσια Η ισχύς στην έξοδο ενός ηλιακού κυττάρου, ακόμα και υπό τις καλύτερες συνθήκες, είναι σχετικά μικρή (P = VT ~ 0,5V 1A = 0,5W περίπου). Κατά συνέπεια, για να ικανοποιηθούν οι ενεργειακές ανάγκες σε κάποια εφαρμογή που συνήθως είναι πολύ μεγαλύτερες, απαιτείται να χρησιμοποιηθεί ένας αριθμός ηλιακών κυττάρων, τα οποία συνδεδεμένα κατάλληλα σε σειρά ή / και παράλληλα για να δώσουν την απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύ (τάση και ρεύμα). Υπάρχουν διάφορα κατασκευαστικά στάδια ομαδοποίησης ηλιακών κυττάρων (Σχήμα 1.2). Τη μικρότερη δομική μονάδα ηλιακών κυττάρων αποτελεί το πλαίσιο (Module), το οποίο είναι ένα σύνολο κυττάρων, ηλεκτρικών συνδέσεων κ.λπ. κατάλληλα συσκευασμένων ώστε να προστατεύονται από το περιβάλλον, που δίνει κάποια DC ισχύ, όταν προσπίπτει ηλιακό φως. Τα ηλιακά κύτταρα καλύπτονται με αντιανακλαστικά επιστρώματα (Antireflective coatings) προκειμένου να μειωθεί το ποσοστό της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα πλαίσια κλείνονται ερμητικά με κατάλληλα διαφανή καλύμματα (γυάλινα ή πλαστικά) με σκοπό: α) να προστατευθούν τα κύτταρα και οι μεταλλικές επαφές από τις επιδράσεις του περιβάλλοντος (π.χ. υγρασία κ.λπ.), β) να αυξηθεί το ποσοστό της ακτινοβολίας που φθάνει στην ενεργό επιφάνεια του κυττάρου και γ) να βοηθήσουν στην απομάκρυνση της θερμότητας από τα κύτταρα για να μειώσουν τη θερμοκρασία λειτουργίας, ώστε να αυξηθεί η απόδοση. Ακολουθεί το Panel, που είναι ένα σύνολο από δύο ή περισσότερα πλαίσια συνδεδεμένα μεταξύ τους τόσο από μηχανική όσο και από ηλεκτρική άποψη, που δίνουν μία μονάδα έτοιμη για εγκατάσταση. Τέλος, η συστοιχία (Array) είναι ένα μηχανικά ολοκληρωμένο σύνολο από Panels μαζί με την κατασκευή στήριξης και ό,τι άλλο είναι απαραίτητο για να αποτελέσει μία ανεξάρτητη μονάδα φωτοβολταϊκής παραγωγής ισχύος. Προφανώς, η μέγιστη τάση εξόδου ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου καθορίζεται από τον αριθμό των εν σειρά συνδεδεμένων ηλιακών στοιχείων, ενώ το μέγιστο ρεύμα εξόδου προσδιορίζεται από τον αριθμό των κυττάρων (ή των εν σειρά συνδεδεμένων ομάδων κυττάρων) που συνδέονται παράλληλα [3]

23 Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.2: Ηλιακό κύτταρο, πλαίσιο, panel και συστοιχία ηλιακών κυττάρων [3] Συστήματα επίπεδων Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Πρόκειται για τον πιο συνηθισμένο τύπο Φ/Β πλαισίων. Τα πλαίσια μπορούν να είναι είτε ακίνητα σε μία σταθερή γωνία ως προς τον ήλιο ή να ακολουθούν την κίνησή του. Απορροφούν και την άμεση αλλά και τη διάχυτη ακτινοβολία. Η σημαντικότητα αυτής της ιδιότητας είναι ότι η διάχυτη ακτινοβολία είναι το 10-20% της συνολικής ακτινοβολίας ακόμα με καθαρό ουρανό ενώ το ποσοστό αυτό αυξάνεται σε περίπτωση που στον ουρανό υπάρχουν σύννεφα. Τα ακίνητα πλαίσια έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν περιλαμβάνουν κινητά μέρη κι έτσι δεν υπάρχει ανάγκη από επιπλέον εξοπλισμό και συντήρηση ενώ είναι και σχετικά ελαφριά. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα καθιστούν ιδανικά για εφαρμογές όπως στις στέγες των σπιτιών. Ο προσανατολισμός των πλαισίων έτσι ώστε αυτά να λειτουργούν ικανοποιητικά πρέπει να είναι προς Νότο και η κλίση τους να ικανοποιεί τον τύπο φ+15 ο, όπου φ το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Τα κινούμενα πλαίσια έχουν το πλεονέκτημα της μεγαλύτερης απορρόφησης ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας αφού μπορούν και έχουν τη βέλτιστη γωνία κλίσης και προσανατολισμού κάθε χρονική στιγμή. Ωστόσο, όμως το επιπλέον κόστος που απαιτείται για αγορά και συντήρηση καθώς και το βάρος του είναι τρεις παράμετροι που θα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη από ένα σχεδιαστή φωτοβολταϊκών συστημάτων προκειμένου να επιτευχθεί η οικονομικότερη και αποδοτικότερη λύση

24 Κεφάλαιο Συστήματα Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Ο κύριος λόγος χρήσης συστημάτων συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι η ικανότητά τους να διαχειρίζονται λιγότερες ηλιακές κυψέλες σε σχέση με την προηγούμενη κατηγορία και αυτό είναι σημαντικό καθώς οι κυψέλες αποτελούν το ακριβότερο τμήμα ενός συστήματος μετρώντας το κόστος ανά μονάδα επιφάνειας. Για τη συγκεκριμένη κατηγορία Φ/Β πλαισίων χρησιμοποιούνται φθηνά υλικά όπως τα πλαστικά κάτοπτρα και οι μεταλλικές θήκες που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια από μία μεγάλη επιφάνεια και την εστιάζουν σε μία μικρότερη όπου και βρίσκεται η ηλιακή κυψέλη. Για τη συγκέντρωση του φωτός χρησιμοποιούνται ανακλαστήρες και φακοί οι οποίοι έχουν πολύ μικρή διατομή (σαν δόντι πριονιού). Η απόδοση του συστήματος φακών περιορίζεται στο 90-95% καθώς δεν υπάρχει φακός που να μεταφέρει το 100% του φωτός που δέχεται. Η μείωση της απόδοσης συμβαίνει λόγω ανάκλασης και απορρόφησης. Καθώς όμως τα συστήματα συγκεντρωτικών Φ/Β πλαισίων είναι μία σχετικά καινούρια τεχνολογία έχει αρκετά μειονεκτήματα που θα πρέπει να λυθούν στο μέλλον για να μπορέσουν να επικρατήσουν στην αγορά. Τα οπτικά συστήματα που χρησιμοποιούν (φακοί) είναι πια ακριβά από τα καλύμματα των επίπεδων συστημάτων. Επίσης δεν μπορούν να διαχειριστούν τη διάχυτη ακτινοβολία, η οποία όπως ήδη αναφέρθηκε αποτελεί σημαντικό ποσοστό της συνολικής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα συγκεντρωτικά πλαίσια να ακολουθούν την κίνηση του ήλιου με ό,τι αυτό συνεπάγεται. Τέλος πρόβλημα εντοπίζεται και με την υπερθέρμανση των κυψελών καθώς πάνω σε μία κυψέλη συγκεντρώνεται μεγάλη ποσότητα ακτινοβολίας. Για να διατηρηθεί χαμηλή η θερμοκρασία η ιδέα είναι να ελαχιστοποιηθεί η ηλεκτρική αντίσταση των επαφών που μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας επαφές μεγαλύτερης επιφάνειας που όμως προκαλεί σκίαση στην κυψέλη. Για να ξεπεραστεί και αυτό το εμπόδιο υπάρχουν δύο λύσεις. Η πρώτη, είναι η τοποθέτηση πρισματικού καλύμματος πάνω από την επαφή οπότε το φως που θα προσέπιπτε στην επαφή τώρα πέφτει στο πρίσμα, εκτρέπεται και διοχετεύεται στην κυψέλη η δεύτερη είναι να τοποθετηθούν και οι δύο επαφές πίσω από την κυψέλη πράγμα όμως που απαιτεί το πυρίτιο να είναι πολύ καλής ποιότητας. 1.4 Τεχνολογίες οικιακών Φωτοβολταϊκών συστημάτων Στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζονται τα θετικά και αρνητικά των σημαντικότερων εφαρμοζόμενων τεχνολογιών οικιακών Φ/Β συστημάτων ενός ή και περισσοτέρων Φ/Β πλαισίων [5] [6]

25 Κεφάλαιο 1 Αυτές είναι η κεντρικοποιημένη (centralized) τεχνολογία, η τεχνολογία αλυσίδας (string), η τεχνολογία πολλαπλών αλυσίδων (multistring) και η τεχνολογία φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσόμενου ρεύματος (AC-PV Modules). Η ύπαρξη διαφόρων τεχνολογιών οφείλεται στον αριθμό των φ/β πλαισίων που συνδέονται ανά ηλεκτρικό μετατροπέα (επίπεδο ισχύος μετατροπέα) καθώς και στον τρόπο που συνδέονται τα πλαίσια μεταξύ τους (σε σειρά ή παράλληλα ή συνδυασμός αυτών των δύο) Κεντρικοποιημένη τεχνολογία - Centralized Τεχνολογία Η centralized τεχνολογία είναι από τις παλαιότερες που εφαρμόστηκαν και αποσκοπεί στην παραγωγή μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία μεταφέρονται στο δίκτυο μέσω ενός μόνου αντιστροφέα (Σχήμα 1.3). Η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιείται από ένα πλέγμα Φ/Β πλαισίων, τα οποία χωρίζονται σε εν σειρά ομάδες εξασφαλίζοντας έτσι υψηλή τιμή συνεχούς τάσης, ενώ η απαιτούμενη τιμή εντάσεως επιτυγχάνεται με την παράλληλη σύνδεση των παραπάνω ομάδων. Χαρακτηριστικό αυτής της τεχνοτροπίας, αποτελεί η χρήση ενός μόνου ελέγχου ανίχνευσης του σημείου λειτουργίας μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (M.P.P.T. ελεγκτής) και η χρήση διόδων ισχύος ώστε να αποφευχθεί η λειτουργία ορισμένων εν σειρά ομάδων ως φορτία λόγω σκίασης [6]. Πλεονεκτήματα: Παραγωγή μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας από ένα μόνο Φ/Β σύστημα (έως και 10kW). Η εν σειρά διασύνδεση των πλαισίων εξασφαλίζει αρκετά υψηλή τιμή συνεχούς τάσης στην είσοδο του μετατροπέα αποφεύγοντας κατά αυτόν τον τρόπο την ενίσχυση αυτής (είτε με μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή είτε με αντιστροφέα και Μ/Τ) προκειμένου να παραχθεί εναλλασσόμενη τάσης κατάλληλης τιμής στην έξοδο του μετατροπέα. Μειονεκτίματα: Παρατηρούνται αρκετά μεγάλες τιμές τάσης διασύνδεσης μεταξύ Φ/Β πλέγματος και αντιστροφέα με αποτέλεσμα: 1. Αυξημένος κίνδυνος ηλεκτροπληξίας. 2. Υψηλό κόστος καλωδίωσης και συστήματος προστασίας. 3. Ανάγκη εξειδικευμένου προσωπικού για την εγκατάσταση του συστήματος. Κίνδυνος φαινομένων hotspot στα Φ/Β πλαίσια κατά την διάρκεια μερικής σκίασης[3]. Απώλειες εξαιτίας των διόδων ισχύος που χρησιμοποιούνται για την παράλληλη σύνδεση των εν σειρά ομάδων

26 Κεφάλαιο 1 Η εφαρμογή κεντρικού M.P.P.T. ελέγχου δεν επιτρέπει σε όλα τα πλαίσια να λειτουργούν στο σημείο μέγιστης ισχύος, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο συνολικός βαθμός απόδοσης. Ο σχεδιασμός τους δεν αφήνει περιθώρια τεχνικών προσαρμογών και επέκτασης. Δεν είναι εύκολη η εγκατάσταση τους σε αστικές περιοχές εξαιτίας της μεγάλης απαιτούμενης επιφάνειας. Υψηλό κόστος κατασκευής. Σχετικά χαμηλό βαθμό απόδοσης συγκρινόμενη με άλλες τεχνοτροπίες. Σχήμα 1.3 Φ/Β συστήματα centralized τεχνολογίας [11] Τεχνολογία αλυσίδας (String) Η string τεχνολογία, που αντικατέστησε την centralized, τυγχάνει μεγάλης αποδοχής σε πρωτοπόρες χώρες στο χώρο των φωτοβολταϊκών, όπως η Γερμανία. Σε αντίθεση με πριν, κάθε μονάδα αποτελείται από μία ομάδα εν σειρά συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων καταλήγοντας σε έναν αντιστροφέα. Βέβαια η τεχνοτροπία αυτή οδηγεί στην παραγωγή μικρότερων ποσών ενέργειας. Στο Σχήμα 1.4 απεικονίζεται ένα οικιακό Φ/Β σύστημα string τεχνολογίας. Πλεονεκτήματα: Η εν σειρά διασύνδεση των πλαισίων δεν καθιστά απαραίτητη την ενίσχυση της τάσης εισόδου του μετατροπέα. Χαμηλότερο κόστος κατασκευής ανά μονάδα

27 Κεφάλαιο 1 Ο χώρος που απαιτείται για την εγκατάσταση μιας μονάδας είναι αρκετά μικρότερος. Ο M.P.P.T. έλεγχος είναι αποδοτικότερος σε σχέση με αυτόν της centralized τεχνολογία, μιας και εφαρμόζεται σε μικρότερο αριθμό πλαισίων. Δεν είναι απαραίτητη η εφαρμογή διόδων ισχύος. Δυνατότητα επέκτασης της εγκατάστασης με χρήση περισσοτέρων μονάδων. Υψηλότερος βαθμός απόδοσης σε σχέση με την centralized τεχνολογία. Μειονεκτήματα: Παραμένουν τα προβλήματα που επιφέρουν οι υψηλές τάσεις στα σημεία διασύνδεσης, καθώς επίσης και ο κίνδυνος εμφάνισης φαινόμενου hotspot.[3] Ανάλογα με το πλήθος των Φ/Β πλαισίων που χρησιμοποιούνται, η ισχύς που μπορεί να παραχθεί κυμαίνεται μεταξύ των 0.5 και 1kW. Παρά την μείωση της απαιτούμενης επιφάνειας, η εφαρμογή τους σε αστικές περιοχές παραμένει δύσκολη. Σχήμα 1.4 Φ/Β συστήματα string τεχνολογίας [11] Τεχνολογία πολλαπλών αλυσίδων (Multistring) Η τεχνολογία multistring αποτελεί μια επέκταση της string τεχνολογίας που κερδίζει συνεχώς έδαφος στην παγκόσμια αγορά των Φ/Β συστημάτων. Η τεχνοτροπία αυτή παρέχει

28 Κεφάλαιο 1 τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογης τάξης με αυτή της centralized τεχνολογία, αλλά χωρίς τα μειονεκτήματα που συνοδεύουν την τελευταία. Στην πραγματικότητα χρησιμοποιούνται πολλές αλυσίδες εν σειρά συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων οι οποίες συνδέονται σε έναν κεντρικό αντιστροφέα μέσω ανεξάρτητων μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.5. Πλεονεκτήματα: Η παραπάνω ιδιαιτερότητα καθιστά πιο εύκολη την επέκταση του συστήματος απλά συνδέοντας στον αντιστροφέα περισσότερες αλυσίδες πλαισίων με τους μετατροπείς τους. Παραγωγή ανάλογων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας με αυτά της centralized τεχνολογίας χωρίς όμως τα προβλήματα της τελευταίας. Μειονεκτήματα: Η ύπαρξη ενός επιπλέον μετατροπέα αυξάνει οδηγεί σε αύξηση του κόστους. Διατηρεί τα μειονεκτήματα της string τεχνολογίας. Σχήμα 1.5 Φ/Β συστήματα multistring τεχνολογίας [11] AC- PV Module Τεχνολογία Η τεχνολογία των AC-PV Module, είναι και η νεότερη στο χώρο των οικιακών Φ/Β εφαρμογών. Πρόκειται για φωτοβολταϊκές διατάξεις μικρής ισχύος, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη και οι οποίες συνδέονται απ ευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης των αστικών

29 Κεφάλαιο 1 περιοχών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.6. Η απουσία διασυνδέσεων τύπου πλέγματος ή/και αλυσίδας μεταξύ Φ/Β πλαισίων, καθώς και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου κάθε αυτόνομης διάταξης (Φ/Β πλαίσιο και αντιστροφέας), οδηγούν σε μεγαλύτερη αποδοτικότητα του όλου συστήματος. Ο αντιστροφέας μπορεί να είναι ενσωματωμένος είτε στο πίσω μέρος του των πλαισίων, είτε στο μηχανισμό στήριξης του. Σε σχέση με τις παραπάνω τεχνοτροπίες τα AC- PV Modules έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: Πλεονεκτήματα: Η αντιστοιχία ενός αντιστροφέα ανά πλαίσιο επιτρέπει τον βέλτιστο M.P.P.T. έλεγχο. Οι τάσεις στα σημεία διασύνδεσης είναι αρκετά χαμηλές. Μικρό κόστος κατασκευής. Δεν απαιτείται εξειδικευμένο προσωπικό για την εγκατάσταση του συστήματος. Οι απαιτήσεις επιφανείας ανά μονάδα είναι ελάχιστες, κάτι που τα καθιστά κατάλληλα ακόμα και για αστικές εφαρμογές. Παρουσιάζει καλύτερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με τις προηγούμενες τεχνολογίες. Μειονεκτήματα: Η αποδιδόμενη ισχύς ανά Φ/Β μονάδα δεν ξεπερνάει τα 350W στις μέρες μας. Είναι απαραίτητη η ανύψωση της τάσης του Φ/Β πλαισίου. Σχήμα 1.6 Φ/Β συστήματα AC PV Module τεχνολογίας [11]

30 Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.7 Ιστορική παρουσίαση των μετατροπέων για Φ/Β συστήματα. (a) Παρελθοντική Κεντρικοποιημένη τεχνολογία. (b) Σύγχρονη τεχνολογία αλυσίδας. (c) Σύγχρονη και μελλοντική τεχνολογία πολλαπλής αλυσίδας. (d) Σύγχρονη και μελλοντική ac-module και ac cell τεχνολογία [6]. 1.5 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς για φωτοβολταïκά πλαίσια Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταïκά πλαίσια παρέχεται υπό τη μορφή συνεχούς τάσης και ρεύματος. Για να καταστεί λοιπόν εφικτή η τροφοδότηση του ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.) με την ενέργεια που παράγεται από τις φωτογεννήτριες, απαιτείται η διαμεσολάβηση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων, των αντιστροφέων. Πρόκειται ουσιαστικά για στατικούς (χωρίς κινούμενα μέρη) μετατροπείς ισχύος (Static Power Converters, SPC) οι οποίοι εμπεριέχουν ενσωματωμένα συστήματα ελέγχου, προστασίας και φιλτραρίσματος του ρεύματος εισόδου και εξόδου τους [12]. Η προσαρμογή της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στα επιθυμητά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού δικτύου Ε.Ρ. είναι δυνατόν να πραγματοποιείται σε ένα ή περισσότερα εν σειρά συνδεδεμένα στάδια επεξεργασίας της ηλεκτρικής ισχύος. Για αυτό το λόγο έχει επικρατήσει αυτές οι ηλεκτρονικές διατάξεις να ονομάζονται στο σύνολό τους ηλεκτρονικοί μετατροπείς

31 Κεφάλαιο 1 και το τμήμα τους που αναλαμβάνει τη διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο και μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη να ονομάζεται αντιστροφέας. Η προσαρμογή της παραγόμενης, από τα Φ/Β πλαίσια, ηλεκτρικής ενέργειας στα επιθυμητά χαρακτηριστικά του δικτύου Ε.Ρ, είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί με πολλές διαφορετικές τοπολογίες μετατροπέων. Παρόλα αυτά, οι μετατροπείς αυτοί είναι δυνατό να ομαδοποιηθούν βάσει ορισμένων κοινών χαρακτηριστικών τους, όπως ο αριθμός των εν σειρά συνδεδεμένων βαθμίδων, η ύπαρξη μετασχηματιστή (Μ/Τ) απομόνωσης και η μέθοδος ελέγχου της βαθμίδας αντιστροφής [7] Κατηγοριοποίηση βάσει του αριθμού των βαθμίδων Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα μίας βαθμίδας Σε αυτές τις διατάξεις ο μετατροπέας είναι ένας κλασσικός αντιστροφέας που μετατρέπει την συνεχή τάση του Φ/Β πλαισίου σε εναλλασσόμενη. Ο παραπάνω μετατροπέας μπορεί να είναι ένας αντιστροφέας είτε μισής (half-bridge), είτε πλήρους (full-bridge) γέφυρας, του οποίου η τάση κατά κανόνα φιλτράρεται και στην συνέχεια ανυψώνεται π.χ. με μετασχηματιστή σιδήρου, ώστε να επιτευχθεί η σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Στην κατηγορία μίας βαθμίδας εντάσσεται και ο αντιστροφέας τύπου Flyback με δύο ανεξάρτητα δευτερεύοντα τυλίγματα καθώς και ο μετατροπέας που πραγματεύεται αυτή η διπλωματική εργασία, η λειτουργία του οποίου θα αναλυθεί εκτενέστερα σε επόμενη παράγραφο. Ο σχεδιασμός και ο έλεγχος των μετατροπέων αυτής της κατηγορίας είναι σχετικά απλός, ενώ ο μικρός αριθμός των ηλεκτρικών στοιχείων που απαιτούνται για την κατασκευή τους, μειώνει το κόστος τους και αυξάνει την αξιοπιστία τους. Ωστόσο στις περιπτώσεις που χρησιμοποιείται Μ/Τ σιδήρου οι μετατροπείς παρουσιάζουν μεγάλο όγκο, βάρος και χαμηλό βαθμό απόδοσης[8] Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα δυο βαθμίδων Ο μετατροπέας αποτελείται από δύο τμήματα. Το πρώτο είναι ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή (boost, buck-boost, forward, push-pull), ο οποίος ανυψώνει την τάση σε σταθερή πρακτικά τιμή, ώστε στην επόμενη βαθμίδα, δηλαδή στον αντιστροφέα, να επιτευχθεί, με την βοήθεια ενός κατωδιαβατού φίλτρου, η ημιτονοειδής μορφή του ρεύματος προκειμένου να υλοποιηθεί η διασύνδεση με το δίκτυο. Αυτό υλοποιείται ελέγχοντας τον αντιστροφέα με παλμούς PWM. Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα ο μετατροπέας συνεχούς

32 Κεφάλαιο 1 τάσεως σε συνεχή να δίνει στην έξοδό του ανορθωμένο ημιτονοειδές ρεύμα και έπειτα ο αντιστροφέας, που οδηγείται από τετραγωνικούς παλμούς, να χρησιμοποιείται προκειμένου να δημιουργηθεί η εναλλασσόμενη συνιστώσα. Σε αντίθεση με τους μετατροπείς μιας βαθμίδας, στην κατηγορία αυτή παρατηρείται η χρήση υψίσυχνου πηνίου ή μετασχηματιστή αντί του μετασχηματιστή σιδήρου, με άμεσο αποτέλεσμα τη μείωση του όγκου και του βάρους της διάταξης. Ωστόσο η ανάγκη για δύο βαθμίδες μετατροπής αυξάνει το κόστος κατασκευής αυτών των διατάξεων, ενώ η ύπαρξη επιπλέον ηλεκτρικών στοιχείων αυξάνει τόσο τις διακοπτικές όσο και τις απώλειες αγωγής με άμεσο αποτέλεσμα τη μείωση του βαθμού απόδοσης. Επιπλέον η παλμοδότηση και ο έλεγχος των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα είναι πιο δύσκολος και πιο απαιτητικός[8] Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα πολλαπλών βαθμίδων Στην τελευταία κατηγορία συναντώνται φωτοβολταϊκά συστήματα με μεγάλο πλήθος εν σειρά συνδεδεμένων μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή και ένα αντιστροφέα για την σύνδεση στο δίκτυο. Η χρήση πολλών βαθμίδων μετατροπής έχει όμως ορισμένα αρνητικά αποτελέσματα όπως το μεγάλο κόστος κατασκευής, το μικρό βαθμό απόδοσης λόγω των απωλειών στις ενδιάμεσες βαθμίδες και την επισφαλή απόκριση του όλου συστήματος σε μεταβατικές καταστάσεις λόγω των ανεξάρτητων βρόχων ελέγχου του κάθε μετατροπέα. Πλεονεκτήματα των μετατροπέων αυτών είναι η εξαφάνιση της ταλάντωσης του ρεύματος χαμηλής συχνότητας από το φωτοβολταϊκό σύστημα με αποτέλεσμα την επίτευξη βέλτιστης ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος [8]. Σχήμα 1.8: Γενικευμένη κυκλωματική αναπαράσταση (α) τοπολογιών μιας βαθμίδας, (β) τοπολογιών δύο βαθμίδων, (γ) τοπολογιών πολλών βαθμίδων.[7]

33 Κεφάλαιο Κατηγοριοποίηση Βάσει της ύπαρξης Μ/Τ απομόνωσης Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς των Φ/Β Πλαισίων Ε.Ρ. μπορούν επιπρόσθετα να ομαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το αν εμπεριέχουν μετασχηματιστή σε κάποια από τις βαθμίδες τους. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται Μ/Τ, αυτός μπορεί να είναι υψίσυχνος (Μ/Τ φερρίτη) ή χαμηλόσυχνος (Μ/Τ σιδήρου). Η χρησιμοποίηση Μ/Τ προσφέρει ορισμένα βασικά πλεονεκτήματα, όπως η γαλβανική απομόνωση του Φ/Β εξοπλισμού από το δίκτυο Ε.Ρ. και η δυνατότητα αποδοτικής ανύψωσης της χαμηλής τάσης εξόδου των φωτογεννητριών χωρίς ιδιαίτερα πολύπλοκες κυκλωματικές τοπολογίες. Στην περίπτωση που ο Μ/Τ είναι χαμηλόσυχνος, συνδέεται στην έξοδο του αντιστροφέα και πιο συγκεκριμένα μετά το σημείο εφαρμογής των κατωδιαβατών φίλτρων, ενώ οι υψίσυχνοι Μ/Τ κατά κοινή πρακτική, εμπεριέχονται στις βαθμίδες ανύψωση της συνεχούς τάσης των φωτογεννητριών. Αν και η χρησιμοποίηση χαμηλόσυχνων μετασχηματιστών επιφέρει την αύξηση του όγκου και του βάρους της συνολικής κατασκευής, από την άλλη πλευρά η παρουσίας τους εγγυάται τη μηδενική έγχυση συνεχούς ρεύματος στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αντίθετα στις υπόλοιπες τοπολογίες, ενδεχόμενες ασυμμετρίες του κυκλώματος ισχύος ή του κυκλώματος ελέγχου, μπορούν να προκαλέσουν την εμφάνιση μιας μικρής συνιστώσας συνεχούς ρεύματος στην έξοδο των αντιστροφέων [13, 14, 7] Κατηγοριοποίηση των μετατροπέων ανάλογα με τον τρόπο ελέγχου της βαθμίδας αντιστροφής Η βαθμίδα αντιστροφής των ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται σε Φ/Β συστήματα τεχνολογίας AC-PV Module, μπορεί να είναι ένας αντιστροφέας είτε ρεύματος είτε τάσης. Η αρχή λειτουργίας των πρώτων έγκειται στην κατάλληλη μορφοποίηση μιας πηγής ρεύματος, ώστε σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή να παρέχεται στην έξοδο της ρεύμα ημιτονοειδούς μορφής, συμφασικού και ίδιας συχνότητας με την τάση του δικτύου. Αντίθετα στους αντιστροφείς τάσης παράγεται στην έξοδο τους μια ημιτονοειδής τάση, η οποία προηγείται ελαφρώς της τάσης του δικτύου, ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά πραγματικής ισχύος από αυτούς προς το ηλεκτρικό δίκτυο. Επιπρόσθετα όμως θα πρέπει η συχνότητα της τάσης στα άκρα του αντιστροφέα να είναι ίδια με την αντίστοιχη τιμή της τάσης του δικτύου. Βεβαίως υπάρχει και ένας δεύτερος βρόχος ελέγχου του ρεύματος του αντιστροφέα ο οποίος εξασφαλίζει μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί πως ένας αντιστροφέας τάσης μπορεί με τη βοήθεια κατάλληλου κυκλώματος ελέγχου και ενός πηνίου να συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος

34 Κεφάλαιο Κατηγοριοποίηση με βάση την ύπαρξη ή μη ζεύξης συνεχούς τάσης Παρακάτω γίνεται ένας άλλος διαχωρισμός των τοπολογιών. Οι τοπολογίες αυτές έχουν κατηγοριοποιηθεί με βάση την ύπαρξη ή μη ζεύξης συνεχούς τάσης (DC link) Με βάση αυτό το κριτήριο οι αντιστροφείς διαχωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: 1) Αντιστροφείς με ζεύξη Σ.Τ (with DC-link). 2) Αντιστροφείς χωρίς ζεύξη Σ.Τ (without DC-link). 3) Αντιστροφείς με ψευδοζεύξη Σ.Τ. (with pseudo DC-link). Το βασικό γνώρισμα της πρώτης κατηγορίας των μετατροπέων είναι ότι αρχικά ενισχύεται η συνεχής τάση εισόδου, μέσω ενός μετατροπέα ΣΤ-ΣΤ και έπειτα εγχέεται ενεργός ισχύς στο δίκτυο Ε.Ρ., μέσω ενός αντιστροφέα. Οι μετατροπείς αυτοί καλούνται και μετατροπείς dc-dcac. Στην δεύτερη κατηγορία η ζεύξη Σ.Τ. εξαλείφεται τελείως. Στην πραγματικότητα οι μετατροπείς αυτής της κατηγορίας αποτελούνται από δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο γίνεται ανύψωση της τάσης εισόδου στο επίπεδο της τάσης του δικτύου, ενώ ταυτόχρονα μετατρέπεται σε μία υψηλής συχνότητας εναλλασσόμενη τάση. Στην συνέχεια ένας μετατροπέας συχνότητας μετασχηματίζει αυτήν την τάση ή ρεύμα υψηλής συχνότητας σε αυτό της συχνότητας του εναλλασσόμενου δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Στην τρίτη κατηγορία ανήκουν μετατροπείς στους οποίους ανάμεσα στο στάδιο ανύψωσης και στο στάδιο αντιστροφής εμφανίζεται ένα ανορθωμένο ημίτονο με συχνότητα και φάση ίδια με του δικτύου. Οπότε, αποκλειστικός ρόλος του σταδίου αντιστροφής είναι να μεταφέρει το ανορθωμένο ημίτονο με τέτοια πολικότητα ώστε να εγχέεται ημιτονοειδές ρεύμα στο δίκτυο Ε.Ρ.[9]. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι περισσότερες τοπολογίες. Η ύπαρξη γαλβανικής απομόνωσης και ο αριθμός των σταδίων ισχύος κ.λπ. κατατάσσουν την κάθε τοπολογία σε διαφορετική κατηγορία, όπως αναφέρθηκε πριν. Επιπροσθέτως, υπάρχει μια κατηγορία αποκλειστικά για αντιστροφείς που βασίζονται στον μετατροπέα Flyback. 1.6 Συμπεράσματα - Χαρακτηριστικά του μετατροπέα Λαμβάνοντας υπόψιν όλα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω καθίσταται σαφές το πλεονέκτημα της τεχνολογίας AC-PV MODULE έναντι των άλλων τεχνολογιών. Λαμβάνοντας υπόψιν και το σύγχρονο πολεοδομικό προσανατολισμό των αστικών κέντρων, με τις τεράστιες αλλά κατακερματισμένες αναξιοποίητες επιφάνειες στις ταράτσες των κτιρίων τα Φ/Β πλαίσια Ε.Ρ (AC-PV modules) υπερτερούν σημαντικά και αποτελούν την ιδανική επιλογή, διότι δίνουν

35 Κεφάλαιο 1 την δυνατότητα δημιουργίας ευέλικτων φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα οποία μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν τόσο στις περιορισμένες διαθέσιμες επιφάνειες των μικρών κατοικιών αλλά και στις πολύ μεγαλύτερες επιφάνειες των διαφόρων εμπορικών και δημόσιων κτιρίων. Όπως σε όλους τους μετατροπείς μιας βαθμίδας (που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση Φ/Β γεννητριών με το μονοφασικό ηλεκτρικό δίκτυο Ε.Ρ.), έτσι και στους μικροαντιστροφείς δημιουργείται έντονη κυμάτωση στο ρεύμα και στην τάση εξόδου των Φ/Β γεννητριών. Στα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο μονοφασικά Φ/Β συστήματα, η τροφοδότηση του μονοφασικού ηλεκτρικού δικτύου Ε.Ρ. από τη συνεχή τάση και το συνεχές ρεύμα που παράγουν οι φωτογεννήτριες προκαλεί χαμηλόσυχνη (100Hz για ευρωπαϊκά δίκτυο) κυμάτωση ισχύος στην είσοδο των ηλεκτρονικών μετατροπέων που συνδέονται με την έξοδο της Φ/Β γεννήτριας. Συνέπεια αυτής της ιδιαιτερότητας στη συμπεριφορά των μονοφασικών μικρο-αντιστροφέων είναι η αναπόφευκτη μείωση της ενεργειακής απόδοσης των φωτογεννητριών. Μια ιδιαίτερα απλή και ταυτόχρονα αποτελεσματική λύση, για την εξομάλυνση της χαμηλόσυχνης κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου των ηλεκτρονικών μετατροπέων, είναι η χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών [9]. Στις εφαρμογές AC-PV Module βασικό μειονέκτημα είναι ότι οι εν λόγω μετατροπείς είναι ενσωματωμένοι είτε στο πίσω μέρος του πλαισίου είτε στον μηχανισμό στήριξης αυτού, απόρροια αυτού είναι η άμεση έκθεση του μετατροπέα σε μεγάλες θερμοκρασίες και έτσι ο μετατροπέας καταπονείται με υψηλότερες θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να επιταχύνεται η γήρανση των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών λόγω θερμοκρασίας. Για τον λόγο αυτό η χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών στα Φ/Β πλαίσια Ε.Ρ. δεν ενδείκνυται. Για να επιτευχθεί αποδοτική συνεργασία μεταξύ αντιστροφέα και Φ/Β πλαισίου, χωρίς τη χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, υπάρχουν βοηθητικές τοπολογίες ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που επιτρέπουν την εξομάλυνση του ρεύματος εισόδου στους μετατροπείς μιας βαθμίδας με χρήση πυκνωτών αρκετά μικρότερης χωρητικότητας [9]. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται ένας αντιστροφέας με μια βοηθητική τοπολογία με την οποία επιτυγχάνονται ακριβώς τα παραπάνω. Συγκεκριμένα ο παρών μετατροπέας έχει ως στόχο την εξομάλυνση του ρεύματος εισόδου χωρίς την χρήση ηλεκτρολυτικού πυκνωτή στo κύκλωμα. Χρησιμοποιώντας μια καινοτόμα τεχνική ένα επιπλέον κύκλωμα υλοποιεί την αποσύζευξη της ισχύος που επιτρέπει τη χρήση MKT πυκνωτών, αντί ηλεκτρολυτικών τόσο στην είσοδο του κυκλώματος όσο και στο επιπλέον κύκλωμα, η διάρκεια ζωής των οποίων είναι σαφώς μεγαλύτερη. Η ανάπτυξη της τοπολογίας αυτής πραγματοποιήθηκε με βάση τον μετατροπέα Flyback CSI (Current Source Inverter)

36 Κεφάλαιο 1 [9], ο οποίος συγκεντρώνει την πλειονότητα των επιθυμητών χαρακτηριστικών για εφαρμογές Φ/Β συστημάτων τεχνολογίας AC-PV Module (Υψίσυχνος Μ/Τ απομόνωσης, μίας βαθμίδας)

37 Κεφάλαιο 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΥΨΙΣΥΧΝΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ FLYBACK ΜΕ ΠΥΚΝΩΤΗ ΑΠΟΣΥΖΕΥΞΗΣ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 2.1 Γενική ανάλυση της λειτουργίας του αντιστροφέα Στο σχήμα 2.1 απεικονίζεται η τοπολογία του υπό μελέτη κυκλώματος. Το κύκλωμα αποτελείται από δύο ημιαγωγικά στοιχεία και μία δίοδο στη μεριά του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή (Μ/Τ), τα S M, S X και την D M, ένα Μ/Τ Flyback Τ1, δύο ημιαγωγικά στοιχεία και δύο διόδους στη μεριά του δευτερεύοντος τυλίγματος, τα S ac1, S ac2 και τις D ac1, D ac2, ένα φίλτρο εξόδου L f και C f, τον πυκνωτή εισόδου C DC, και τον πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος C X. Οι δίοδοι D M, D ac1 και D ac2 συνδέονται σε σειρά για να εμποδιστεί το αναστρέφον ρεύμα να περάσει μέσα από τις παρασιτικές διόδους των στοιχείων S M, S ac1 και S ac2 αντίστοιχα. Η δίοδος D X που εμφανίζεται στο σχήμα δεν είναι τίποτε άλλο παρά η παρασιτική δίοδος που υπάρχει σε όλα τα MOSFET. Ο μετατροπέας αυτός είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς κατάστασης αγωγής ρεύματος (DCM). Έτσι το ρεύμα στον Μ/Τ μηδενίζεται σε κάθε διακοπτικό κύκλο. Ένα από τα ημιαγωγικά στοιχεία στη μεριά του πρωτεύοντος τυλίγματος, το S M, παλμοδοτείται και φορτίζει το πρωτεύον τύλιγμα του Τ1, μεταφέροντας από την πηγή τροφοδοσίας ενέργεια, σταθερή σε κάθε διακοπτικό κύκλο, η οποία στην συνέχεια μεταφέρεται στον πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, έτσι ώστε η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου, I dc, να διατηρείται σταθερή. Ο άλλος ημιαγωγικός διακόπτης στη μεριά του πρωτεύοντος τυλίγματος του κυκλώματος, S X, ελέγχεται έτσι ώστε να επιτυγχάνεται το απαιτούμενο πλάτος του ρεύματος μαγνήτισης στο πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε μαγνητική, η οποία εν συνεχεία θα απελευθερωθεί στα δευτερεύοντα τυλίγματα δημιουργώντας ένα υψίσυχνο διακοπτικό ρεύμα που σχηματίζει μια περιβάλλουσσα ενός ανορθωμένου ημιτόνου συχνότητας ίδιας με αυτής του δικτύου. Τελικώς, το ρεύμα εξόδου αλλάζει πολικότητα ανάλογα με την τάση του δικτύου με την βοήθεια των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων S ac1 και S ac2 και μετά το κατωδιαβατό φίλτρο εξόδου διατηρεί μόνο την συνιστώσα των 50 Hz. Παρακάτω εξηγείται λεπτομερώς η λειτουργία της διάταξης

38 Κεφάλαιο 2. Σχήμα 2.1 Ο υπό μελέτη αντιστροφέας [10] Στο σχήμα 2.2 απεικονίζονται οι κυματομορφές του ρεύματος σε κάποια περίοδο του δικτύου. Ο διακοπτικός κύκλος T s, διατηρείται σταθερός και κάθε διακοπτικός κύκλος έχει 4 διαδοχικά στάδια. Η χρονική διάρκεια κάθε σταδίου ορίζεται ως ακολούθως: Τ 1 =D 1 T s Τ 2- Τ 1 =D 2 T s Τ 3 -Τ 2 =D 3 T s Τ 4 - Τ 3 =D 4 T s Οπού τα D 1 - D 4 είναι τα αντίστοιχα Duty cycles κάθε σταδίου

39 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.2 Στο σχήμα φαίνονται: το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 (i 1 -i x ), το i 1, το i Χ, το i 2, το ρεύμα εξόδου και οι παλμοί του S M, S X, S ac1, S ac2 [10]. Παρακάτω θα αναλυθεί λεπτομερώς κάθε διακοπτικός κύκλος Στάδιο ( a ) ( kt s t kt s +T 1 ): Ο κύριος ημιαγωγικός διακόπτης, S M, αρχίζει να άγει, αλλά όλοι οι υπόλοιποι διακόπτες είναι σε κατάσταση αποκοπής. Συνεπώς, το ρεύμα μαγνήτισης i 1 αρχίζει να άγει δια μέσου του πρωτεύοντος τυλίγματος του T1. Το ρεύμα αυτό εκφράζεται με την εξίσωση:

40 Κεφάλαιο 2 (1) Σχήμα 2.3 Η διαδρομή του ρεύματος κατά την διάρκεια του σταδίου ( a ) [10] Που L 1 και V dc είναι η τιμή της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 και η τάση εισόδου από το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, αντίστοιχα. Όταν το ρεύμα i 1 φτάσει την απαιτούμενη τιμή i 1p (που καθορίζεται από την ισχύ λειτουργίας), στον χρόνο (kt s +T 1 ), το στοιχείο S M τίθεται σε κατάσταση αποκοπής (2) Το πλάτος του ρεύματος μαγνήτισης i 1p ελέγχεται ώστε να μένει σταθερό σε κάθε διακοπτικό κύκλο, δηλαδή η μέση τιμή του ρεύματος που εισρέει από το φωτοβολταϊκό πλαίσιο διατηρείται σταθερή και ίση με: (3) Με αυτόν τον τρόπο διατηρείται σταθερή η ισχύς λειτουργίας. Ακόμα, κατά την διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου η τάση στο S M είναι μηδενική αφού το στοιχείο αυτό άγει. Στο πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 «πέφτει» η τάση εισόδου, ενώ στο S X η τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος συν την τάση εισόδου. Τα στοιχεία στα δευτερεύοντα τυλίγματα του Τ1 δεν άγουν επομένως η τάση στα άκρα τους είναι η ανηγμένη τάση εισόδου συν την τάση του δικτύου

41 Κεφάλαιο 2 Στάδιο ( b ) ( kts+t1 t kts+t2 ): Όταν ο κύριος ημιαγωγικός διακόπτης, S M, βρεθεί σε κατάσταση αποκοπής αλλά και οι διακόπτες S ac1 και S ac2 παραμένουν σβηστοί, το ρεύμα μαγνήτισης απελευθερώνεται τώρα ως ρεύμα i X δια μέσου της διόδου D X, η οποία αποτελεί μέρος του ημιαγωγικού στοιχείου S X, και φορτίζει τον πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Κάνοντας την παραδοχή ότι η τάση στον πυκνωτή, u x, παραμένει σταθερή κατά την διάρκεια μίας διακοπτικής περιόδου το ρεύμα μειώνεται γραμμικά μέχρι να μηδενιστεί και εκφράζεται με την εξίσωση: (4) Σχήμα 2.4 Η διαδρομή του ρεύματος κατά την διάρκεια του σταδίου ( b ) [10] Κατά την διάρκεια του μηδενισμού του ρεύματος ο διακόπτης S X και είτε ο S ac1 ή ο S ac2 τίθενται σε αγωγή υπό μηδενική τάση (zero-voltage-switching - ZVS). Αφού ο πυκνωτής αποσύζευξης της ισχύος φορτιστεί με το ρεύμα i x και αυτό μηδενισθεί, αλλάζει κατεύθυνση και αρχίζει να ρέει δια μέσου του S X, για να μαγνητίσει ξανά εκ νέου τον T1, με αντίθετη ροή αυτήν την φορά. Όταν η τιμή του ρεύματος i x φθάσει την απαιτούμενη τιμή, i xp, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.2, ο διακόπτης S X τίθεται σε αποκοπή. Έτσι, η χρονική διάρκεια του δεύτερου σταδίου διαρκεί: (5) Αυτήν την χρονική περίοδο η τάση που δέχεται το S M είναι η τάση εισόδου συν την τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Το πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 δέχεται την τάση του πυκνωτή C X. Το στοιχείο S x άγει οπότε έχει μηδενική πτώση τάσης. Όσον αφορά τα στοιχεία στα δευτερεύοντα τυλίγματα του Τ1, όπως ειπώθηκε πριν άγουν συμπληρωματικά ανάλογα

42 Κεφάλαιο 2 με την πολικότητα του δικτύου. Δηλαδή τώρα το ένα από τα δύο άγει και το άλλο βρίσκεται στην αποκοπή. Κανένα από τα δύο υποκυκλώματα όμως δεν διαρρέεται από ρεύμα, στο υποκύκλωμα με το ημιαγωγικό στοιχείο S ac που βρίσκεται σε κατάσταση αγωγής, η δίοδος D ac1 εμποδίζει την ροή ρεύματος δεχόμενη την τάση του πυκνωτή C X ανηγμένη στο δευτερεύον συν την τάση του δικτύου. Στο έτερο υποκύκλωμα, δεν άγει το στοιχείο αλλά πάλι η δίοδος δέχεται την τάση, η οποία θα είναι η τάση πυκνωτή C X ανηγμένη μείον την τάση του δικτύου. Αυτό είναι λογικό αν σκεφτεί κανείς την μορφολογία του κυκλώματος και ότι το στοιχείο που άγει είναι αυτό που αντιστοιχεί στην θετική τάση του δικτύου. Στάδιο ( c ) ( kts+t2 t kts+t3 ): Το ρεύμα i 2, απελευθερώνεται απο το δευτερεύον τύλιγμα του Τ1 μέσω του αντίστοιχου ημιαγωγικού διακόπτη S ac1 ή S ac2. Η τάση του δικτύου u ac μπορεί να θεωρηθεί σταθερή κατά την διάρκεια ενός διακοπτικού κύκλου καθώς η μεταβολή της είναι ελάχιστη. Έτσι η απόλυτη τιμή του ρεύματος i 2 εκφράζεται ως: Σχήμα 2.5 H διαδρομή του ρεύματος κατά την διάρκεια του σταδίου ( c ) [10] (6) Καθώς το ρεύμα i 2 μηδενίζεται την στιγμή t=kts+t 3, τότε η χρονική διάρκεια του σταδίου c είναι: (7) Όπου,, είναι ο λόγος των σπειρών του Τ1. Κατά την διάρκεια αυτής της περιόδου κανένα στοιχείο στο πρωτεύον τύλιγμα δεν άγει. Το πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 δέχεται την τάση εξόδου ανηγμένη η οποία «κλείνει» κύκλωμα

43 Κεφάλαιο 2 μέσω της παρασιτικής διόδου του S M. Εκεί χρησιμεύει η δίοδος D M η οποία εμποδίζει την ροή ρεύματος και δέχεται τάση ίση με την ανηγμένη στο πρωτεύον την τάση εξόδου. Το S M δεν δέχεται τάση αφού η D M εμποδίζει το ρεύμα στην ιδανική περίπτωση, ενώ το Sx δέχεται την ανηγμένη τάση εξόδου συν την τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Το ένα από τα δυο στοιχεία στο δευτερεύον τύλιγμα άγει και το άλλο δέχεται την δύο φορές την τάση του πυκνωτή εξόδου, η οποία είναι λίγο υψηλότερη από την τάση εξόδου. Στάδιο ( d ) ( kts+t3 t kts+t4 ): Όλο το κύκλωμα πριν από το φίλτρο εξόδου δεν διαρρέεται απο ρεύμα. Το ρεύμα στον Τ1 έχει μηδενισθεί και αυτό είναι το στάδιο που προσδίδει στο κύκλωμα το χαρακτηριστικό της λειτουργίας στην περιοχή της ασυνεχούς κατάστασης αγωγής ρεύματος (DCM). Σχήμα 2.6 Ο Μ/Τ δεν διαρρέεται από ρεύμα κατά την διάρκεια του σταδίου( d ) [10] Στη χρονική στιγμή αυτή το S M «δέχεται» την τάση εισόδου, το S X την τάση του πυκνωτή C X και τα στοιχεία στο δευτερεύον τύλιγμα του Τ1 «δέχονται» την τάση του πυκνωτή εξόδου. Οι αρμονικές υψηλών συχνοτήτων που εμπεριέχονται στο ρεύμα i 2 αποκόπτονται από το L-C φίλτρο εξόδου, έτσι η απόλυτη τιμή του μέσου ρεύματος, κατά την διάρκεια του διακοπτικού κύκλου δίνεται από: (8) Η τάση του δικτύου δίνεται απο την εξίσωση (9) και η κορυφή του ρεύματος i xp ελέγχεται έτσι ώστε να εκφράζεται απο την σχέση (10), οπότε η (8) γίνεται: (9) (10)

44 Κεφάλαιο 2 (11) Η πολικότητα του ρεύματος i 2 καθορίζεται ανάλογα με ποιος από τους S ac1 ή S ac2 είναι σε αγωγή, οι οποίοι ελέγχονται ώστε να είναι συμφασικοί με την τάση του δικτύου. Έτσι ο αντιστροφέας δίνει το ρεύμα i ac στο δίκτυο με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Επομένως, το ρεύμα εξόδου i ac δίνεται απο την σχέση: (12) Ας σημειωθεί ότι η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου δεν εξαρτάται απο άλλους αντιστροφείς τυχόν συνδεδεμένους στην ίδια γραμμή του δικτύου. Αυτό σημαίνει ότι κάθε παράλληλα συνδεδεμένος αντιστροφέας μπορεί να διαχέει το ρεύμα εξόδου του στο δίκτυο χωρίς κανέναν επιπρόσθετο έλεγχο διαμοιρασμού ρεύματος. Συνοπτικά ένας διακοπτικός κύκλος χωρίζεται στην ουσία σε τέσσερα στάδια. Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω το i 1p διατηρείται σταθερό, επομένως και το χρονικό διάστημα D1 του σταδίου ( a ) που αποτελεί το πρώτο από τα τρία διατηρείται επίσης σταθερό. Αν ληφθεί υπόψιν ότι P=Vdc Idc, τότε το χρονικό διάστημα D1 καθορίζει δια μέσου του ρεύματος i 1p την μέση τιμή του ρεύματος εισόδου και συνεπώς την μεταφερόμενη ισχύ, επομένως είναι λογικό να διατηρείται σταθερό. Το δεύτερο στάδιο είναι το ( b ) με χρονική διάρκεια D2 όπου το ρεύμα διαρρέει το πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 αντίστροφα με πριν. Η χρονική διάρκεια αυτού του σταδίου μεταβάλλεται και καθορίζεται από μια τιμή αναφοράς που πρέπει να φτάσει το ρεύμα Ix. Η αναφορά αυτή μεταβάλλεται ημιτονοειδώς σύμφωνα με το δίκτυο. Έτσι ώστε ο αντιστροφέας να διοχετεύει ημιτονοειδή ρεύμα στην έξοδο. Στο τρίτο στάδιο ( c ) που έχει χρονική διάρκεια D3 το ρεύμα διαρρέει τα δευτερεύοντα τυλίγματα του Τ1. Στο τέταρτο και τελευταίο στάδιο ( d ) ο Τ1 δεν διαρρέεται από ρεύμα και ούτε και κάποιο ημιαγωγικό στοιχείο. Παρουσιάζονται παρακάτω συγκεντρωτικά, σε γραφήματα οι τάσεις πάνω στα στοιχεία και στα πηνία στα διάφορα στάδια λειτουργίας του αντιστροφέα

45 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.7 Οι τάσεις πάνω σε διάφορα στοιχεία.της τοπολογίας Ανάλυση της λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος Αποσύζευξη της ισχύος για τη μείωση της κυμάτωσης της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα. Στο σχήμα 2.8 απεικονίζονται οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα, καθώς και οι κυματώσεις της ισχύος στον πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Γεγονός είναι ότι η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου, I dc, ελέγχεται ώστε να μένει σταθερή, η τάση εισόδου παραμένει σταθερή και έχει μόνο μια DC-συνιστώσα, ωστόσο, η στιγμιαία ισχύς εξόδου, P ac, ταλαντώνεται με μία συχνότητα διπλάσια από αυτής του δικτύου. Έτσι, η ταλάντωση της ισχύος εξόδου στην έξοδο του μονοφασικού αντιστροφέα προέρχεται από τη στατική αποθηκευμένη ενέργεια στον πυκνωτή αποσύζευξης C X, η οποία έρχεται από το Φ/Β πλαίσιο. Όσο μικρότερος είναι ο C X, τόσο μεγαλύτερη είναι η κυμάτωση της τάσης που εμφανίζεται πάνω σε αυτόν. Επίσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.8 απαιτείται να έχει ο πυκνωτής αποσύζευξης της ισχύος μία επαρκή τάση, ώστε να παραχθεί το απαιτούμενο

46 Κεφάλαιο 2 ρεύμα μαγνήτισης, i xp, κατά τη δεύτερη φάση φόρτισης του Τ1. Έτσι η χωρητικότητα του C X και των άλλων παραμέτρων του κυκλώματος πρέπει να επιλεγούν πολύ προσεκτικά, πράγμα που θα γίνει αργότερα αφού γίνει η ανάλυση της λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης. Σχήμα 2.8 Η ισχύς εισόδου, τάση εξόδου, ρεύμα εξόδου, ισχύς εξόδου, τάση πυκνωτή αποσύζευξης, ρεύμα πυκνωτή αποσύζευξης, ισχύς πυκνωτή αποσύζευξης [10]. Η τάση, το ρεύμα και η ισχύς πάνω στον πυκνωτή έχει μορφή:

47 Κεφάλαιο 2 (13) (14) (15) Ενώ η ισχύς από το δίκτυο είναι της μορφής: (16) Ό που είναι η τάση και το ρεύμα του δικτύου, αντίστοιχα, ενώ είναι η μέγιστη (peak) τιμή. Υπολογίζεται η ενέργεια που σχετίζεται με την καθεμία ισχύ το πρώτο όγδοο της περιόδου του δικτύου, δηλαδή την περίοδο που την ισχύ εξόδου την δίνει ο πυκνωτής αποσύζευξης της ισχύος. Η ενέργεια αυτή υπολογίζεται : (17) (18) Κατά την ορθή λειτουργία του κυκλώματος θα πρέπει να ικανοποιείται η συνθήκη έτσι ώστε η ενέργεια να μεταφέρεται από τον πυκνωτή αποσύζευξης στην έξοδο. Έτσι, το πλάτος την κυμάτωσης του πυκνωτή αυτού υπολογίζεται ως: (19) Εδώ, φαίνεται η σχέση μεταξύ της κυμάτωσης της τάσης, και της χωρητικότητας με μεταβλητή παράμετρο την μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Στο σχήμα 2.9 φαίνεται η κυμάτωση του πυκνωτή αποσύζευξης συναρτήσει της χωρητικότητας με παράμετρο την τάση λειτουργίας του. Φαίνετε πως όσο πιο μεγάλη επιλεγεί η μέση τιμή λειτουργίας του, τόσο μικρότερη θα είναι η κυμάτωση της τάσης. Επίσης, λαμβάνεται υπόψιν ότι η τάση στον πυκνωτή, πρέπει να προσλαμβάνει μία ελάχιστη θετική τιμή η οποία πρέπει να είναι ικανή να δημιουργήσει το απαραίτητο

48 Κεφάλαιο 2 ρεύμα μαγνήτισης,, κατά την διάρκεια του σταδίου ( b ). Έτσι πρέπει η κυμάτωση να είναι πάντα μικρότερη από την τάση. (20) Σχήμα 2.9 Κυμάτωση συναρτήσει της χωρητικότητας για διάφορες τάσεις λειτουργίας [10]. 2.2 Επίδραση των παραμέτρων του κυκλώματος στα ηλεκτρικά μεγέθη του αντιστροφέα Κατόπιν των εξισώσεων που θα εξαχθούν παρακάτω, γίνεται κατανοητό ότι η επιλογή κάθε μίας παραμέτρου δεν είναι ανεξάρτητη της επιλογής μίας άλλης. Δηλαδή η επιλογή της τιμής της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος είναι άρρηκτα εξαρτώμενη με την επιλογή της τάσεως λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος ή του μεγέθους του και αντίστροφα. Επομένως πρέπει να γίνει μια συνδυαστική επιλογή των παραμέτρων της υπό μελέτη τοπολογίας. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε βασίστηκε στις γραφικές παραστάσεις, οι οποίες απεικονίζουν την συνολική επίδραση των προαναφερθέντων παραμέτρων στο κύκλωμα. Οι γραφικές παραστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν, σχηματίστηκαν από ένα σύστημα εξισώσεων που περιλαμβάνει όλες τις εξισώσεις αυτής της παραγράφου, και απεικονίζουν τις μέγιστες αναμενόμενες τάσεις πάνω στα ημιαγωγικά στοιχεία, τις μέγιστες

49 Κεφάλαιο 2 τιμές ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 και τις σχέσεις μεταξύ των τεσσάρων παραμέτρων (αυτεπαγωγή πρωτεύοντος τυλίγματος, μέση τάση και χωρητικότητα πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, λόγο μετασχηματισμού). Χρησιμοποιώντας το σχήμα 2.7 αλλά και την ανάλυση που έγινε παραπάνω η μέγιστη τάση στα άκρα του κύριου ημιαγωγικού διακόπτη S M υπολογίζεται ως: (21) οπού την χρονική στιγμή ωt=3π/4 η τάση στον πυκνωτή αποσύζευξης είναι η μέγιστη. Ενώ για τον ημιαγωγικό διακόπτη S X : (22) Από την άλλη μεριά για τoυς διακόπτες S ac1 και S ac2 ισχύει: (23) Τώρα για τις διόδους: (24) Οι τιμές αυτές επηρεάζονται από πολλές παραμέτρους, όπως ο λόγος μετασχηματισμού Ν, η μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης κ.α. Βέβαια, οι γραφικές αυτές παραστάσεις είναι γύρω από ένα σημείο λειτουργίας, το σημείο αυτό ορίζεται από τις προδιαγραφές λειτουργίας. Οι προδιαγραφές αυτές είναι η διακοπτική συχνότητα στα 20 khz, καθώς έτσι ορίστηκε στην έναρξη της εργασίας αυτής. Είναι η ίδια συχνότητα που έχει επιλεγεί και στην εργασία [10] από την οποία επιλέχθηκε η τοπολογία. Πρόκειται για μία επαρκώς μεγάλη συχνότητα για να επιτευχθούν μικρές τιμές επαγωγών αλλά και αρκετά μικρή για να μειωθούν οι διακοπτικές απώλειες. Οι τάσεις εισόδου είναι οι 25 V, 32,5 V και 40 V, και η ονομαστική ισχύ λειτουργίας ορίζεται στα 100 W Μελέτη της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος για την λειτουργίας του αντιστροφέα σε ασυνεχή αγωγή Σε πρώτη φάση θα μελετηθεί το πώς επηρεάζει η τιμή της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 (L 1 ), την λειτουργία του μετατροπέα και την σχέση της με τις άλλες υπόλοιπες παραμέτρους. Ο αντιστροφέας αυτός είναι κατασκευασμένος να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής, άρα η συνολική χρονική διάρκεια των σταδίων (a) έως και

50 Κεφάλαιο 2 (c) δεν πρέπει να ξεπερνάει την διακοπτική περίοδο του κυκλώματος, Ts. Εν ολίγοις θα πρέπει να αληθεύει η εξίσωση: (25) Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (2), (5) και (7) στην (25): (26) Εν τω μεταξύ, η μέση ισχύς εισόδου, P dc, πρέπει να είναι ίση με την μέση ισχύ εξόδου, P ac, κατά την διάρκεια ενός κύκλου του δικτύου. Άρα: (27) (28) Θέτοντας και λύνοντας ως προς το ρεύμα i 1p : (29) Στην συνέχεια αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (10), (12) και (29) το ρεύμα i xp γράφεται ως: (30) Τέλος αντικαθιστώντας την εξίσωση (29) στην (26) προκύπτει ο παρακάτω τύπος που δίνει την μέγιστη τιμή της αυτεπαγωγής που επιτρέπει στο κύκλωμα να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς κατάστασης αγωγής ρεύματος και όπως φαίνεται η τιμή αυτή είναι συνάρτηση πολλών παραμέτρων (τάση λειτουργίας πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, ισχύς λειτουργίας, λόγος Μ/Τ κ.α.). (31) Στην προκειμένη περίπτωση, η ελάχιστη τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, που συμβολίζεται με, εμφανίζεται σε γωνία ωt=3π/4 όπως φαίνεται στο σχήμα 2.8. Έτσι η (31) μετατρέπεται σε (32) Επιλογή του λόγου μετασχηματισμού

51 Κεφάλαιο 2 Για την επιλογή του λόγου μετασχηματισμού Ν= του Τ1, όπως αναφέρθηκε θα χρησιμοποιηθούν οι γραφικές παραστάσεις που δείχνουν την μέγιστη αναμενόμενη τάση στα άκρα των ημιαγωγικών στοιχείων, το οποίο θα είναι και κύριο κριτήριο για την επιλογή του Ν. Οι τάσεις που δέχονται τα στοιχεία καθορίζονται κατά ένα μεγάλο βαθμό από τον λόγο μετασχηματισμού, γι αυτό κύριο κριτήριο του λόγου του Μ/Τ είναι αυτές οι τάσεις να μην φθάνουν πολύ μεγάλες τιμές. Στο σχήμα 2.10 είναι η μέγιστη τάση πάνω στον διακόπτη S X, συναρτήσει της τάσης λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος για διάφορους λόγους μετασχηματισμού, αλλά και για διάφορες χωρητικότητες του πυκνωτή αποσύζευξης. Σχήμα 1.10 Η μέγιστη τάση πάνω στο S X συναρτήσει της μέσης τιμής της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος με παράμετρους τη χωρητικότητα του πυκνωτή και το λόγο μετασχηματισμού. Από το σχήμα 2.10 εξάγονται πολύτιμα συμπεράσματα. Παρατηρείται η μεγάλη επίδραση του λόγου μετασχηματισμού στις τάσεις που πέφτουν πάνω στα στοιχεία σε σχέση με την επίδραση που έχει το μέγεθος του πυκνωτή C X. Παράλληλα φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η τάση λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, γεγονός που τοποθετεί τη λειτουργία του κυκλώματος «πιο βαθιά» στην DCM τόσο μεγαλύτερες είναι οι τάσεις που δέχεται το στοιχείο S X

52 Κεφάλαιο 2 Μία ακόμη παρατήρηση είναι ότι όταν μειώνεται ο λόγος Ν, η τάση που δέχεται το στοιχείο S Χ αυξάνεται. Συμπερασματικά η επιλογή του λόγου Ν πρέπει να γίνει προσεκτικά ώστε να μην εκτίθεται σε υπερβολικές τάσεις το στοιχείο S Χ. Στο σχήμα 2.11 απεικονίζεται η μέγιστη τάση που αναπτύσσεται στα ημιαγωγικά στοιχεία του δευτερεύοντος τυλίγματος του Τ1 στην περίπτωση των 100W και με τάση εισόδου στα 40V για διάφορους λόγους N. Σχήμα 2.11 H μέγιστη τάση πάνω στις διόδους εν σειρά με τα MOSFET στο δευτερεύον τύλιγμα του Τ1. Οι τάσεις με τις οποίες καταπονούνται τα στοιχεία του δευτερεύοντος τυλίγματος του Τ1 μεγαλώνουν καθώς μεγαλώνει ο λόγος μετασχηματισμού N, αντίθετα με τα στοιχείο S X, όπως φάνηκε πριν. Δηλαδή όσο πιο μεγάλος είναι ο λόγος Ν τόσο μεγαλύτερες τάσεις «πέφτουν» στα ημιαγωγικά στοιχεία του δευτερεύοντος τυλίγματος του Τ1 και τόσο μικρότερες στο S X, στο πρωτεύον τύλιγμα. Βέβαια τις τιμές των τάσεων αυτών καθορίζουν σε μικρότερο βαθμό και η επιλογή της τιμής της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 και του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Από την εμπειρία για άλλους Μ/Τ σε Flyback αντιστροφείς ένας αρκετά ικανοποιητικός λόγος Μ/Τις είναι τις τάξεως των Ν= , οπότε και στα επόμενα γραφήματα θα χρησιμοποιηθούν αυτές τις τιμές Επιλογή χωρητικότητας, τάσης λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και τιμής της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ

53 Κεφάλαιο 2 Τώρα βέβαια πρέπει να επιλεγούν οι υπόλοιπες παραμέτρους του κυκλώματος. Η επιλογή L 1 έχει ισχυρή επίδραση στο μέγιστο αναμενόμενο ρεύμα που θα διαρρέει το κύκλωμα για μια δεδομένη ισχύ. Χρησιμοποιώντας τον τύπο (29) λύνοντας ως προς i 1p εξάγεται η παρακάτω γραφική παράσταση για τιμές των παραμέτρων P=100W, f=20khz. Σχήμα 2.12 Η σχέση ανάμεσα στο L 1 και το μέγιστο ρεύμα που το διαρρέει Επομένως για να μειωθεί το μέγιστο ρεύμα i 1p, πρέπει να αυξηθεί η τιμής της αυτεπαγωγής L 1. Υπάρχει, βεβαίως και η παράμετρος της διακοπτικής συχνότητας, αλλά γενικότερα σε μια δεδομένη συχνότητα το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει τα ημιαγωγικά στοιχεία εξαρτάται μόνο από την αυτεπαγωγή L 1 του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1. Όμως, υπάρχει ο περιορισμός από τον τύπο (32), ώστε το κύκλωμα να παραμένει σε λειτουργία στην περιοχή της ασυνεχούς κατάστασης αγωγής ρεύματος. Ο περιορισμός που επιβάλλει ο τύπος (32) είναι μια συνάρτηση πολλών παραμέτρων. Παρακάτω παρουσιάζονται δύο γραφικές παραστάσεις για το μέγιστο L 1 ώστε ο μετατροπέας να παραμένει στην DCM, με παραμέτρους P=100W, V dc =40V, N=2.5 και N=

54 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.13 Μέγιστη τιμή L 1 συναρτήσει της τάσης λειτουργίας και μεγέθους του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Σχήμα 2.14 Μέγιστη τιμή L 1 συναρτήσει της τάσης λειτουργίας και μεγέθους του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος

55 Κεφάλαιο 2 Το σχήματα 2.13 και 2.14 δείχνουν μια πολύπλοκη σχέση μεταξύ του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, της τιμής της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 και του λόγου μετασχηματισμού. Σε γενικές γραμμές παρατηρείται ότι όσο πιο μεγάλη είναι η χωρητικότητα του C X ή η τάση λειτουργίας του, τόσο μεγαλύτερη μπορεί να είναι η L 1. Όσον αφορά το λόγο μετασχηματισμού όταν αυξάνεται μειώνεται αντίστοιχα η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του L 1. Το σχήμα 2.15 δείχνει την μέγιστη τιμή του ρεύματος που θα διέρρεε το ημιαγωγικό στοιχείο S M συναρτήσει του V xdc για διάφορες τιμές του C x αν χρησιμοποιούταν η μέγιστη τιμή του L 1 που δίνει ο τύπος (28). Σχήμα 2.15 Σχέση ανάμεσα στη μέση τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και στο μέγιστο ρεύμα με παράμετρο την χωρητικότητα του πυκνωτή. Το σχήμα 2.15 ουσιαστικά συνοψίζει τα αποτελέσματα των δυο παραπάνω. Παρουσιάζεται μικρότερο μέγιστο ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα L 1, i 1p, για μεγαλύτερες χωρητικότητες ή τάσεις λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, που είναι απόρροια του προηγούμενου συμπεράσματος σχετικά με την αυτεπαγωγή του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1. Αυτές οι γραφικές παραστάσεις δείχνουν πολλά για το μέγιστο ρεύμα που θα διαρρεύσει τα S m και S X. Είναι επιθυμητό η μέγιστη τιμή του ρεύματος που θα διαρρεύσει κάθε

56 Κεφάλαιο 2 ημιαγωγικό στοιχείο να είναι όσο πιο κοντά γίνεται στην μέση τιμή του. Η ενέργεια που μεταφέρεται από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια στο δίκτυο είναι σύμφωνα με τον τύπο (27) συνάρτηση του τετραγώνου του i 1p και του L 1. Επομένως π.χ. για να υποδιπλασιαστεί το ρεύμα πρέπει να τετραπλασιαστεί η αυτεπαγωγή L 1, και ταυτόχρονα πρέπει να ληφθεί υπόψιν ότι ισχύει ο περιορισμός του τύπου (32). Συμπερασματικά λοιπόν η επιλογή της τιμής της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 δεν μπορεί να είναι ανεξάρτητη της επιλογής του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Τα δυο στοιχεία παίζουν κυρίαρχο ρόλο στην λειτουργία του αντιστροφέα και η επιλογή πρέπει να γίνει προσεκτικά. Στην επιλογή αυτών των στοιχείων δεν πρέπει να παραλείπεται ότι σκοπός είναι το κύκλωμα να παραμένει σε λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής ρεύματος υπό όλες τις συνθήκες και επιπροσθέτως το μέγιστο ρεύμα που θα διαρρέει την διάταξη να είναι όσο το δυνατόν πιο μικρό για την καλύτερη αξιοποίηση του ημιαγωγικού στοιχείου (επιλέχθηκε η τιμή κάτω από 15 Α). Καταλήγοντας έγιναν ορισμένες επιλογές για τα στοιχεία που θα χρησιμοποιηθούν. Όσον αφορά την τιμή της αυτεπαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 επιλέχθηκε η τιμή των 45 uh ώστε το ρεύμα να φθάνει την μέγιστη τιμή περίπου στα 15 Α. Η χωρητικότητα του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος επιλέχθηκε στα 40uF ώστε να μην δημιουργείται πρόβλημα με το μεγάλο μέγεθος ενός μεγαλύτερου MKT πυκνωτή και η μέση τιμή της τάσης λειτουργίας του επιλέχθηκε στα 120 V μία τιμή που επιτρέπει τον μετατροπέα να μπει άνετα στην DCM περιοχή σύμφωνα με τα σχήματα 2.10 και 2.9. Το σχήμα 2.16 δείχνει την επιρροή του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και της τάσης εισόδου στην τάση που δέχεται το στοιχείο S M, ενδεικτικά για C x =40uF και 60uF

57 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.16 Μέγιστη τάση στο S M συναρτήσει της τάσης εισόδου και της μέσης τιμής λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Σχήμα 2.17 Μέγιστη τάση στο S M συναρτήσει της τάσης εισόδου και της μέσης τιμής λειτουργίας του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Φαίνεται ξεκάθαρα η γραμμική εξάρτηση της μέγιστης τάσης στο στοιχείο S M από την τάση εισόδου, την τάση λειτουργίας και το μέγεθος του πυκνωτή αποσύζευξης. Βέβαια σε όλες τις περιπτώσεις η τάση αυτή είναι ιδιαίτερα χαμηλή

58 Κεφάλαιο 2 Συμπερασματικά, σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν προηγουμένως, επιλέχθηκε λόγος μετασχηματισμού Ν=2.5 με την υπόθεση ότι η τάση στα στοιχεία S ac1,2 θα αυξηθεί, εφόσον βρίσκεται στην μεριά της υψηλής τάσης, ενώ η τάση στο στοιχείο S X θα μειωθεί αφού βρίσκεται στην μεριά της χαμηλή τάση. Ανακεφαλαιώνοντας, έπειτα από ορισμένες δοκιμές και μερικούς συνδυασμούς που έγιναν, επιλέχθηκε λόγος μετασχηματισμού Ν 2.5, με L 1 = 45uH άρα L 2 =280uH. Όσον αφορά τον πυκνωτή αποσύζευξης C X= 40uF με V x =120V. Με τα στοιχεία αυτά μπορεί να γίνει μια πρώτη προσέγγιση των τάσεων που θα δεχτούν τα στοιχεία. Για να είναι όλα συγκεντρωμένα και για μια πιο σφαιρική άποψη δημιουργήθηκε ένας πίνακας με της τιμές των στοιχείων αυτών. Στοιχείο Τάση Λόγος Μ/Τ Χωρητικότητα Πυκνωτή αποσύζευξης Τάση πυκνωτή Σχήμα αποσύζευξης Τάση D-S Sm uf 120V 2.17 V Τάση D-S S Χ 260 2,5 40 uf 120V 2.10 Τάση D-S S ac 750 V 2,5 40 uf 120V 2.11 Τάση D-S 750 V 2,5 40 uf 120V 2.11 Dac I 1p 15 A L πρωτεύοντος τυλίγματος = 45uH 2.12 Πίνακας 2.1 Οι τάσεις πάνω στα ημιαγωγικά στοιχεία Έχοντας κάνει τις παραπάνω διεργασίες με βάση τις οποίες έχουν επιλεγεί τα στοιχεία του μετατροπέα στη συνέχεια πραγματοποιείται η προσομοίωση του συστήματος στο πρόγραμμα PSpice με στόχο τον έκεγχο της ορθής λειτουργίας του κυκλώματος

59 Κεφάλαιο 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ 3.1 Γενικά - Πρόγραμμα προσομοιώσεων Στο κεφάλαιο αυτό παρατίθενται οι προσομοιώσεις που έγιναν για τον αντιστροφέα τύπου Flyback με πυκνωτή αποσύζευξης, καθώς και οι παρατηρήσεις πάνω στα αποτελέσματα. Με αυτόν τον τρόπο έγινε η επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης του αντιστροφέα. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα PSpice/ OrCAD. Ένα λογισμικό που ενδείκνυται για προσομοιώσεις με έμφαση στην απόδοση και στην μελέτη των απωλειών. Ένα πλεονέκτημα για το οποίο επιλέχθηκε το λογισμικό PSpice και όχι κάποιο άλλο πρόγραμμα προσομοιώσεων είναι η δυνατότητα που δίνει για τον υπολογισμό των απωλειών κάθε ενός στοιχείου του κυκλώματος ξεχωριστά, αλλά και των συνολικών απωλειών και απόδοσης του αντιστροφέα. Παρέχει αρκετή ακρίβεια στον υπολογισμό των απωλειών, όταν χρησιμοποιούνται μη ιδανικά στοιχεία. Οι προσομοιώσεις έγιναν με ιδανικά και με μη-ιδανικά στοιχεία. Η επιλογή των δεύτερων βασίστηκε στα διαθέσιμα που υπήρχαν στο διαδίκτυο. Ο μετατροπέας αυτός κατασκευάστηκε με σκοπό την διασύνδεση του με το δίκτυο χαμηλής τάσης, έτσι όλες οι προσομοιώσεις έγιναν έχοντας ως έξοδο το δίκτυο. Επίσης, έγιναν προσομοιώσεις με παραμέτρους σύμφωνα με την μελέτη από όπου αντλήθηκε ο μετατροπέας [10], αλλά και με παραμέτρους που εξήχθησαν έπειτα από την θεωρητική ανάλυση και προσαρμογή στα δεδομένα του ελληνικού δικτύου και προδιαγραφές που τέθηκαν Προδιαγραφές λειτουργίας και επιλογή μεγεθών Για το μετατροπέα τέθηκαν οι εξής προδιαγραφές και σύμφωνα με αυτές έγιναν οι προσομοιώσεις: Οι τάσεις εξόδου του Φ/Β πλαισίου, δηλαδή τάσεις εισόδου του μετατροπέα είναι οι V in =25V, 32.5V, 40V. Η ονομαστική ισχύς λειτουργίας του μετατροπέα είναι τα 100W. Ως διακοπτική συχνότητα επιλέχθηκαν τα 20kHz σύμφωνα με την παραπάνω θεωρητική ανάλυση. Ακόμα σύμφωνα με την ανάλυση επιλέχθηκαν ο λόγος μετασχηματισμού Ν, η τιμή της αυτεπαγωγής L 1 =45uH, η χωρητικότητα του πυκνωτή C x =40uF και τάση λειτουργίας Vx=120V. Πρόκειται για έναν αντιστροφέα ρεύματος που πρέπει στην έξοδο να συνδέεται με το δίκτυο με χαρακτηριστικά V rms =230 V±10% και συχνότητα τα 50Hz

60 Κεφάλαιο Προσομοίωση- Παρουσίαση αποτελεσμάτων για διάφορες παραμέτρους Παρουσίαση προσομοίωσης με ιδανικά στοιχεία Στο σημείο αυτό θα γίνει παρουσίαση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με ιδανικά στοιχεία για τάση εισόδου 25 V και ισχύ λειτουργίας 100 W. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται το κύκλωμα ισχύος που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις το οποίο συνδέεται στο δίκτυο. Παρατηρείται, η ύπαρξη επαγωγής σκεδάσεως. Για τις άλλες τάσεις εισόδου τα αποτελέσματα είναι παρόμοια, και δεν παρουσιάζονται ξεχωριστά για λόγους οικονομίας χώρου. Ακόμα για την πλήρη εποπτεία του κυκλώματος παρατίθεται και το κύκλωμα ελέγχου που χρησιμοποιήθηκε. Να σημειωθεί στο σημείο αυτό ότι στην έξοδο του μετατροπέα χρησιμοποιήθηκε L-C φίλτρο εξόδου με χωρητικότητα πυκνωτή 200nF και επαγωγής πηνίου 25mH, δηλαδή με f c =2.251kHz. Σχήμα 3.1 Η τοπολογία του κυκλώματος ισχύος στο PSpice. Στα σχήματα 3.2 και 3.3 φαίνεται το αναλογικό κύκλωμα ελέγχου που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση. Ο έλεγχος υλοποιήθηκε με αναλογικά στοιχεία με έναν συνδυασμό

61 Κεφάλαιο 3 πυλών που επέτρεπαν τη διακοπτική λειτουργία των στοιχείων ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί σωστά. Η μέτρηση του ρεύματος του πρωτεύοντος τυλίγματος Ι1 οδηγείται σε έναν συγκριτή, και το αποτέλεσμα αυτού οδηγείται στο DK-flip flop. Αν το ρεύμα Ι1 δεν έχει φθάσει την προκαθορισμένη τιμή και δοθεί ο παλμός έναυσης, εφόσον το S X δεν άγει τότε τίθεται σε λειτουργία το S M. Άγοντας το S M επιτρέπει στο ρεύμα να φθάσει την προκαθορισμένη τιμή και τότε το αποτέλεσμα του συγκριτή αλλάζει απενεργοποιώντας το S M, ενώ το S Χ ενεργοποιείται. Προϋπόθεση για την ενεργοποίηση του S Χ είναι το ρεύμα Ι Χ να μην φθάσει την αναφορά του ρεύματος. Η αναφορά αυτή μεταβάλλεται ημιτονοειδώς σύμφωνα με το δίκτυο αλλά και ελέγχεται με το κέρδος Κ2 ενός P ελεγκτή που έχει ως είσοδο την μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Σχήμα 3.2 Το κύκλωμα ελέγχου για το κύκλωμα ισχύος στο PSpice

62 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.3 Το κύκλωμα ελέγχου για το κύκλωμα ισχύος στο PSpice Το ρεύμα εξόδου είναι το ρεύμα πάνω στο πηνίο L4. Στο σχήμα 3.4 παρουσιάζεται η κυματομορφή για τέσσερις (4) περιόδους του δικτύου. Φαίνεται μια ανωμαλία στην κυματομορφή κατά την αλλαγή πολικότητας που οφείλεται στον πυκνωτή του φίλτρου εξόδου. Ο πυκνωτής χρειάζεται κάποιο χρόνο για την εκφόρτιση του και την εκ νέου φόρτιση του με αντίθετη πολικότητα για αυτό τον λόγο δημιουργείται αυτή η χαρακτηριστική καμπύλη στις 180 ο και στις 360 ο Σχήμα 3.4 Ρεύμα εξόδου του μετατροπέα

63 Κεφάλαιο 3 Στο σχήμα 3.5 γίνεται μεγέθυνση στο χρόνο για να φανεί καλύτερα το φαινόμενο που περιεγράφηκε πριν αλλά και η κυμάτωση στο ρεύμα εξόδου, που και αυτή οφείλεται στην εκφόρτιση - φόρτιση του πυκνωτή εξόδου κατά την διάρκεια του διακοπτικού κύκλου. Σχήμα 3.5 Ρεύμα εξόδου Στη συνέχεια αναλύονται οι τάσεις και τα ρεύματα πάνω στα στοιχεία : Στο σχήμα 3.6 ο παλμός U28 είναι ο παλμός ενεργοποίησης του στοιχείου S M, δηλαδή υποδεικνύει την περίοδο D1 και ο U25 του S X, δηλαδή την D2 (οι περίοδοι D1, D2 κτλ. αναφέρονται στο κεφάλαιο 2). To V (S2:3)-V (S2:4) αντιστοιχεί στην V DS του S M. Τα L 1 και L 2 είναι αντίστοιχα η αυτεπαγωγή του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τυλίγματος του Τ1, οπού απεικονίζονται τα ρεύματα που τα διαρρέουν και ακολουθούν την θεωρητική πρόβλεψη

64 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.6 Οι παλμοί, η τάση στο S M και τα ρεύματα στο πρωτεύον και στο δευτερεύον τύλιγμα του Μ/Τ Στη συνέχεια στα παρακάτω σχήματα απεικονίζονται οι τάσεις drain-source πάνω στα στοιχεία: S X ως S1 S ac ως S4 και στις διόδους D M ως D8 D ac ως D9 Σύμφωνα με το σχήμα 3.7 τη στιγμή που υπάρχει παλμός στο S M αυτό άγει (μηδενική πτώση τάσης), όταν «κόβεται» ο παλμός από το S M και δίνεται παλμός στο S X, η τάση που «πέφτει» στο S M είναι η τάση που έχει εκείνη την στιγμή ο πυκνωτής αποσύζευξης συν την τάση τροφοδοσίας. Όταν σβήσουν και τα δυο ημιαγωγικά στοιχεία στη μεριά του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 τότε άγουν τα στοιχεία στη μεριά του δευτερεύοντος και η ανηγμένη τάση εξόδου πέφτει πάνω στην δίοδο D M, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.8, ενώ στο

65 Κεφάλαιο 3 στοιχείο S M δεν πέφτει καμία τάση, καθότι είναι ιδανική η δίοδος όπως και το στοιχείο στην προκειμένη περίπτωση. Αξιοσημείωτες είναι οι υπερτάσεις που εμφανίζονται στο S X όταν μπαίνει στην αποκοπή, από την επαγωγή σκεδάσεως που έχει ο Τ1. Όταν μηδενιστεί το ρεύμα στο δευτερεύον τύλιγμα τότε στο στοιχείο S M «πέφτει» η τάση εισόδου, τα 25 V στην προκειμένη περίπτωση. Σχήμα 3.7 Παλμοί του S M και S X, τάση στο πρωτεύον τύλιγμα του Τ1, τάση υποδοχήςπηγής στα S ac, S M και S X. Στο ίδιο σχήμα (3.7) φαίνεται η τάση υποδοχής-πύλης στο στοιχείο S X. Όταν άγει το S Μ, το S X δέχεται η τάση του πυκνωτή αποσύζευξης συν την τάση τροφοδοσίας. Μόλις το S Μ «μπει» στην αποκοπή αρχίζει να άγει το S X. Όταν όμως σβήσουν και τα δύο το S X θα δεχτεί την τάση του πυκνωτή αποσύζευξης συν την ανηγμένη τάση εξόδου. Πάλι παρατηρείται η υπέρταση

66 Κεφάλαιο 3 στο στοιχείο αυτό όταν σβήνει και οφείλεται στην επαγωγή σκέδασης του Μ/Τ. Όταν μηδενιστεί το ρεύμα στον Μ/Τ τότε το στοιχείο δέχεται την τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος αφού κανένα στοιχείο στη μεριά του πρωτεύοντος τυλίγματος του Τ1 δεν διαρρέεται από ρεύμα. Όσον αφορά τα στοιχεία της μεριάς του δευτερεύοντος τυλίγματος του Τ1, έχουν διαφορετική συμπεριφορά ανάλογα με την πολικότητα της τάσης του δικτύου, η οποία καθορίζει ποιό από τα δύο θα βρίσκεται σε αγωγή ή σε αποκοπή. Κατά την διάρκεια του σταδίου (a) η τάση που δέχονται είναι η τάση εξόδου μείον την ανηγμένη στο δευτερεύον τύλιγμα του Μ/Τ τάση εισόδου, κατά τη διάρκεια του (b) όλη την τάση την δέχονται οι δίοδοι που βρίσκονται στη μεριά του δευτερεύοντος τυλίγματος, οι οποίες εμποδίζουν την ροή ρεύματος ενώ κατά το (c) άγει το συμπληρωματικό στοιχείο, ενώ εκείνο που βρίσκεται στην αποκοπή δέχεται δύο φορές την τάση του πυκνωτή εξόδου. Σημειωτέων το ημιαγωγικό στοιχείο που δεν άγει αυτή την ημιπερίοδο του δικτύου απεικονίζεται ως V(S4:3)- V(S4:4). Στο σχήμα 3.8 απεικονίζονται οι τάσεις στις διόδους D M (D8) και D ac (D9) οι οποίες αναλύθηκαν προηγουμένως. Σχήμα 3.8 Οι τάσεις στις διόδους D M (D8) και D ac (D9)

67 Κεφάλαιο 3 Στο σχήμα 3.9 απεικονίζεται η κυμάτωση του πυκνωτή αποσύζευξης με συχνότητα 100 Hz, που όπως προσδιορίστηκε θα ταλαντώνεται με μέση τιμή τα 120 V. Σχήμα 3.9 Τάση του πυκνωτή αποσύζευξης Τέλος παρουσιάζεται η FFT ανάλυση του ρεύματος εξόδου. Πρόκειται για ένα πολύ καλό ημίτονο με ελάχιστες ανώτερες αρμονικές

68 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.10 FFT analysis του ρεύματος εξόδου Παρουσίαση προσομοίωσης με μη-ιδανικά στοιχεία Επειδή ο αντιστροφέας πρέπει να προσομοιωθεί όσο το δυνατόν πιο κοντά σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά του και να προβλεφθεί καλύτερα ο τρόπος λειτουργίας και ελέγχου, αλλά και να μετρηθεί η απόδοση του, στην διπλωματική εργασία αυτή έγινε προσομοίωση της λειτουργίας του με πραγματικά στοιχεία. Τα στοιχεία αυτά είναι στοιχεία που επιλέχθηκαν από τις διαθέσιμες στο διαδίκτυο βιβλιοθήκες και δεν είναι η τελική επιλογή. Κάθε εταιρία έχει διαθέσιμα ορισμένα αντιπροσωπευτικά δείγματα των στοιχείων. Με τις τιμές των τάσεων και ρευμάτων που εξήχθησαν από την θεωρητική ανάλυση, σύμφωνα με τις παραμέτρους που τελικά επιλέχθηκαν, επιλέχθηκαν ορισμένα στοιχεία για τις προσομοιώσεις που σύμφωνα με αυτές τις πρώτες εκτιμήσεις ήταν κοντά στην τελική επιλογή. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις. Σε αυτό μπορούν να φανούν και τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν, τα datasheet των οποίων είναι διαθέσιμα στο διαδίκτυο. Στην προσομοίωση που θα παρουσιασθεί έχουν τεθεί ως συνθήκες λειτουργίας η τάση εισόδου ίση τα 25 V. Ο πυκνωτής αποσύζευξης της ισχύος είναι

69 Κεφάλαιο 3 προφορτισμένος στα 120 V και οι τιμές των κερδών στον έλεγχο έχουν επιλεχθεί έπειτα από αρκετές δοκιμές. Σχήμα 3.11 Το κύκλωμα ισχύος της προσομοίωσης Στο σχήμα 3.12 απεικονίζεται η τάση πάνω στον πυκνωτή αποσύζευξης κα το ρεύμα εξόδου. Η μέση τιμή της τάσης στον πυκνωτή αποσύζευξης παρουσιάζει μια ταλάντωση που οφείλεται στο βρόχο ελέγχου του Ρ-ελεγκτή και είναι η ταλάντωση πριν σταθεροποιηθεί στην μόνιμη κατάσταση. Η σταθεροποίηση θα επέλθει φυσιολογικά σε μερικούς κύκλους δικτύου που όμως θα χρειαζόντουσαν πάρα πολύ ώρα για να υλοποιηθεί στην προσομοίωση

70 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.12 Τάση στον πυκνωτή αποσύζευξης και ρεύμα εξόδου

71 Κεφάλαιο 3 Ανάλυση FFT στο ρεύμα εξόδου δείχνει πολύ καλή «ποιότητα» ρεύματος. Σχήμα 3.13 FFT analysis του ρεύματος εξόδου Στο σχήμα 3.14 φαίνεται η κυμάτωση που έχει η τάση στον πυκνωτή αποσύζευξης καθώς και η κυμάτωση του ρεύματος εξόδου. Η κυμάτωση αυτή έχει άμεση σχέση με τον πυκνωτή στο φίλτρο εξόδου Σχήμα 3.14 τάση πυκνωτή αποσύζευξης και ρεύμα εξόδου

72 Κεφάλαιο 3 Όπως και πριν φαίνεται η εκφόρτιση και εκ νέου αντίστροφη φόρτιση του πυκνωτή εξόδου στην αλλαγή πολικότητας της τάσεως του δικτύου. Σχήμα 3.15 Οι κυματομορφές κατά την αλλαγή πολικότητας Αυτό που φαίνεται σε αυτές τις κυματομορφές είναι η ομοιότητα τους, χωρίς καμία ιδιαίτερη διαφορά με αυτές των ιδανικών στοιχείων. Οι κυματώσεις στις τάσεις οφείλονται στην φόρτιση - εκφόρτιση του πυκνωτή εξόδου κατά τη διάρκεια του διακοπτικού κύκλου, αλλά κατά την αλλαγή της πολικότητας

73 Κεφάλαιο 3 Στο σχήμα 3.16 παρουσιάζονται οι τάσεις Drain - Source πάνω στα στοιχεία. Στα σχήματα παρακάτω είναι σημειωμένα κάτω από τα γραφήματα σε ποιο στοιχείο αντιστοιχεί κάθε γραφική. Σχήμα 3.16 Τάση στο πρωτεύον τύλιγμα, τάση υποδοχής- πηγής στα S ac, S Χ και S Μ Το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 φτάνει κατά το στάδιο (a) (όπως αυτό αναφέρεται στο κεφάλαιο 2), μια σταθερή μέγιστη τιμή όπως είχε επισημανθεί στην θεωρητική ανάλυση, δηλαδή πρόκειται για το i 1. Κατά το στάδιο (b) το ρεύμα που περνάει από το L 1 είναι το Ix και η μέγιστη τιμή του σε κάθε διακοπτικό κύκλο, το Ιxp είναι ανάλογη του δικτύου. Οι τάσεις D-S πάνω στα στοιχεία του δευτερεύοντος τυλίγματος όπως προαναφέρθηκε εξαρτώνται από το αν άγουν ή όχι την συγκεκριμένη ημιπερίοδο. Οι υψηλότερες τάσεις εμφανίζονται όταν το στοιχείο δεν άγει καθόλου και είναι δύο φορές η τάση του δικτύου

74 Κεφάλαιο 3 Στο Sx αξιοσημείωτες είναι οι υπερτάσεις που δημιουργούνται κατά την σβέση του και οφείλονται στην επαγωγή σκέδασης του Μ/Τ. Για το Sm όταν δεν άγει, η τάση που δέχεται, είναι η τάση του δικτύου ανηγμένη. Αυτό φαίνεται και στην εικόνα που το πάνω όριο κινείται με περιοδικότητα 50Hz και μέγιστη τιμή. Στο σχήμα 3.17 προβάλλονται οι τάσεις πάνω στα ίδια στοιχεία μεγεθυμένα στο χρόνο μαζί με τους παλμούς ελέγχου. Σχήμα 3.17 Παλμοί του S M και S X, ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα, τάση υποδοχής- πηγής στα S ac, S Χ και S Μ Οι κυματομορφές αυτές αναλύθηκαν προηγουμένως με τα ιδανικά στοιχεία και σε γενικές γραμμές δεν υπάρχει κάποια διαφορετική συμπεριφορά, εκτός από την εμφανή υπέρταση που εμφανίζεται κατά την σβέση του Sx και εμφανίζεται πάνω σε όλα τα στοιχεία, ακόμα και στο ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα αλλά με κύρια την επίδραση στο Sx. Στο σχήμα 3.18 έχει γίνει μεγέθυνση στην προαναφερθείσα υπέρταση, και προκύπτει ότι οφείλεται στην εσωτερική ταλάντωση εξαιτίας της επαγωγής σκεδάσεως του Τ1. Στο

75 Κεφάλαιο 3 κύκλωμα υπάρχει η επαγωγή σκεδάσεως ίση με Lσκεδ=1,35uH και από το ημιαγωγικό στοιχείο η παρασιτική χωρητικότητα εξόδου είναι ίση με Coss=960pF (σύμφωνα με το datasheet), άρα f=4.42mhz και T=226nS. Από την εικόνα φαίνεται ότι η περίοδος της ταλάντωσης είναι περίπου 226nS, άρα όντως οφείλεται στην επαγωγή σκέδασης. Επιπλέον διακρίνεται σε ποια επίπεδα κυμαίνεται η τάση, γεγονός που βοηθάει στην επιλογή στοιχείων. Σχήμα 3.18 Παλμοί του S M και S X. Υπερτάσεις από την σκέδαση στο ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα, στην τάση υποδοχής- πηγής στα S ac, S Χ και S Μ Στο σχήμα 3.19 απεικονίζονται οι κυματομορφές των υπόλοιπων στοιχείων αλλά και στο πρωτεύον τύλιγμα του Τ1. Αυτό που αξίζει να παρατηρήσει κανείς είναι οι υπερτάσεις που δημιουργούνται κατά τη αλλαγή πολικότητας στις διόδους του δευτερεύοντος τυλίγματος, που θα αντιμετωπιστούν με την εφαρμογή dead time στον έλεγχο. Οι υπερτάσεις αυτές εμφανίζονται στο δευτερεύον τύλιγμα και μεταφέρονται στο πρωτεύον. Στο L 1 οι τάσεις που

76 Κεφάλαιο 3 δέχεται στα θετικά είναι οι ανηγμένες τάσεις του δικτύου και στα αρνητικά η τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Σχήμα 3.19 Τάσεις στις διόδους D M,D ac, και πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Τ. Μεγεθυμένες στο χρόνο απεικονίζονται οι κυματομορφές των ίδιων στοιχείων με την υπέρταση που αναλύθηκε πριν να εμφανίζεται και στην δίοδο Dm στο σχήμα Σε όλες τις κυματομορφές παρατηρείται η ταλάντωση από τα εσωτερικά στοιχεία του κυκλώματος όταν μηδενίζεται το ρεύμα

77 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.20 Τάσεις στις διόδους D M,D ac, και πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Τ

78 Κεφάλαιο 3 Πάλι μια μεγέθυνση στην υπέρταση στο σχήμα 3.21 όπως φαίνεται στην δίοδο D M. Σχήμα 3.21 Τάσεις στις διόδους D M,D ac, και πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Τ μεγεθυμένα στο χρόνο. Προσομοιώσεις έγιναν για διάφορες τάσεις και επίπεδα ισχύος ώστε να βεβαιωθεί η λειτουργία του κυκλώματος αλλά και να αποκτηθεί μία ιδέα για τις τιμές κέρδους στον έλεγχο. Χρησιμοποιώντας το PSpice εξήχθησαν πολύτιμα συμπεράσματα και αποκτήθηκε μια πρώτη εικόνα της απόδοσης του αντιστροφέα, αλλά και των απωλειών των στοιχείων (αν και δεν πρόκειται για την τελική επιλογή αυτών) για τις διάφορες τάσεις εισόδου

79 Κεφάλαιο 3 Ενδεικτικά στο σχήμα 3.22 απεικονίζεται η απόδοση και η ισχύς λειτουργίας της συγκεκριμένης προσομοίωσης. Τέτοια γραφήματα εξήχθησαν και για άλλες ισχύς και τάσεις λειτουργίας αλλά δεν παρατέθηκαν για λόγους οικονομίας χώρου. Σχήμα 3.22 Απόδοση λειτουργίας και ισχύς εισόδου. Έτσι μέσα από μία σειρά προσομοιώσεων δημιουργήθηκε ένας πίνακας οπού δείχνει την απόδοση για διάφορες συνθήκες λειτουργίας, τις απώλειες, τα μέγιστα ρεύματα που διαρρέουν τα ημιαγωγικά στοιχεία καθώς και τις μέγιστες τάσεις που δέχονται. Οι τιμές αυτές μπορούν να συγκριθούν με τις θεωρητικές του προηγούμενου κεφαλαίου, καθώς και να οδηγήσουν στην τελική και πιο αποτελεσματική επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων. Σε αντιπαράθεση παρατίθεται ο τελικός πίνακας του κεφαλαίου 2 για σύγκριση των τιμών αυτών με τις θεωρητικές. 3.3 Πρόβλεψη των τάσεων πάνω στα στοιχεία - Απώλειες Απόδοση Θεωρητικές τιμές εξήχθησαν μόνο για τις μέγιστες τάσεις. Όσον αφορά τα ρεύματα από την θεωρητική ανάλυση είναι γνωστή η κυματομορφή τους και οι μέγιστες τιμές. Ακόμα δημιουργήθηκαν πίνακες μόνο για τις ακραίες τάσεις εισόδου καθώς σε αυτές θα εμφανίζονται και οι ακραίες τιμές. Δηλαδή δεν δημιουργήθηκε πίνακας για τα 32.5 V αφού τα αποτελέσματα θα ήταν ενδιάμεσα σε αυτά που εξήχθησαν. Χρησιμοποιώντας του πίνακες αυτούς μπορεί να γίνει μια εποπτική μελέτη του κυκλώματος για διάφορες συνθήκες λειτουργίας και να επιλεγούν τα κατάλληλα ημιαγωγικά στοιχεία που θα χρησιμοποιηθούν

80 Κεφάλαιο 3 Πίνακας 3.1 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα για 25 V εισόδου Vdc= 25V Dm Dac Sx Sm S ac Cx L 1 L 2 Lout Vmax (V) Imax (A) Imean(A) Ιrms (A) Προσομοίωση Μαθ. Ανάλυση * * m 871.6m * * 1 1.0m m 871.4m m * k* m 869.6m m 2.1m Σημείωση: με αστερίσκο εμφανίζονται οι τιμές που προκύπτουν από υπερτάσεις όπως αναφέρονται αντίστοιχα. Χωρίς αστερίσκο εμφανίζονται οι τιμές σε μόνιμη κατάσταση

81 Κεφάλαιο 3 Πίνακας 3.2 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα για 40 V εισόδου Vdc=40V Dm Dac Sx Sm S ac Cx L 1 L 2 Lout Vmax (V) Imax (Α) Imean (A) Irms (Α) Προσομοιώσεις Μαθ. Ανάλυση 600* * m 874.8m 793 * * 1 1.9m m 874.6m m * * m 854.6m m 2.2m * 1 Υπερτάσεις που οφείλονται στην σκέδαση. Μεταξύ L σκεδ και C oss σχήμα 3.18 * 2 υπερτάσεις κατά την αλλαγή πολικότητας * 3 υπερτάσεις στην έναυση του Sm

82 Κεφάλαιο 3 Πίνακας 3.3 Συγκεντρωτικά οι απώλειες Απώλειες Vdc 25 V 32.5 V 40 V D M (W) S M (W) S X (W) D ac 1-2(W) S ac 1-2(W) m 950m m 977m m 1 Πίνακας 3.4 Απόδοση για ισχύ λειτουργίας 100 W Απόδοση Ρ=100W 25 V 32,5 V 40 V 0,877 0,

83 Κεφάλαιο 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ 4.1 Γενικά Για την κατασκευή των πλακετών χρησιμοποιήθηκε ειδικό για το σκοπό αυτό, λογισμικό ανοιχτού κώδικα, το Kicad. Το Kicad είναι μία ολοκληρωμένη σουίτα εφαρμογών σχεδίασης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων EDA (Electronic Design Automation) και διανέμεται δωρεάν. Με το Kicad είναι εφικτή η σχεδίαση σχηματικών και τυπωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και χρησιμοποιήθηκε καθ όλη την διάρκεια της διπλωματικής εργασίας. Δίνει την δυνατότητα για την κατασκευή του σχηματικού διαγράμματος της πλακέτας και έπειτα την σχεδίαση του PCB. 4.2 Επιλογή των στοιχείων (διόδων, ημιαγωγικών, πυκνωτών) Για την κατασκευή της συγκεκριμένης τοπολογίας, είναι απαραίτητη η χρήση τεσσάρων διακοπτικών στοιχείων ισχύος (S M, S X, S ac1, S ac2 ). Τα στοιχεία αυτά θα μπορούσαν να είναι είτε BJT transistor, είτε MOSFET, είτε νεότερα στοιχεία όπως τα IGBT ή MCT. Επιλέχτηκαν τελικά ημιαγωγικά στοιχεία τύπου MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) εξαιτίας των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν και θα αναφερθούν παρακάτω. Το ημιαγωγικό αυτό στοιχείο είναι μια διάταξη ελεγχόμενη από τάση η οποία έχει τρεις ακροδέκτες, την υποδοχή (Drain), την πηγή (Source) και την πύλη (Gate). Μέσω την πύλης, που απομονώνεται από το αγώγιμο κανάλι με χρήση μονοξειδίου του πυριτίου, ελέγχεται η ροή του ρεύματος που διέρχεται μεταξύ πύλης και πηγής. Η διάταξη είναι σε πλήρη αγωγιμότητα και προσεγγίζει έναν κλειστό διακόπτη, όταν η τάση πύλης-πηγής είναι επαρκώς υψηλή και απαιτεί την συνεχή εφαρμογή μιας τάσης κατάλληλου μεγέθους μεταξύ της πύλης και της πηγής για να συνεχίσει να είναι σε αγωγιμότητα. Το MOSFET είναι σε κατάσταση αποκοπής, όταν η τάση πύλης-πηγής είναι χαμηλότερη από την τάση κατωφλίου Vgs (th). Αυτό σημαίνει πως δεν απαιτείται κύκλωμα σβέσης, όπως συμβαίνει με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία. Από την πύλη δεν περνά ρεύμα, παρά μόνο κατά τις μεταβάσεις σβέσης και έναυσης, όταν η χωρητικότητα της πύλης φορτίζεται ή εκφορτίζεται [15][16]

84 Κεφάλαιο Επιλογή των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Τελικά η επιλογή των MOSFET γίνεται λαμβάνοντας υπόψην τρεις εξίσου σημαντικές παραμέτρους. Πρώτον, την τάση που μπορεί να αντέξει το στοιχείο στα άκρα του σε κατάσταση αποκοπής (τάση μεταξύ υποδοχής και πηγής, V DSS ) και δεύτερο και τρίτο η R.M.S και η peak τιμή του ρεύματος που διαρρέει το στοιχείο σε κατάσταση αγωγής. Το ρεύμα αυτό είναι το ρεύμα που διέρχεται απο την υποδοχή στην πηγή του στοιχείου. Παρόλο που συνήθως τα ημιαγωγικά στοιχεία τύπου MOSFET επιλέγονται με βάση την R.M.S τιμή του ρεύματος που τα διαρρέει, στην εργασία αυτή η επιλογή έγινε με βάση την peak τιμή του ρεύματος. Αυτό έγινε, διότι θεωρήθηκε πιο αντιπροσωπευτικό χαρακτηριστικό της κατάστασης της οποίας εισέρχονται τα ημιαγωγικά στοιχεία. Για τη συγκεκριμένη διάταξη πρέπει να επιλεγούν τέσσερα ημιαγωγικοί διακόπτες. Δύο στη μεριά του πρωτεύοντος τύλιγματος και τα άλλοι δύο στη μεριά των δευτερεύοντων τυλιγμάτων. Σύμφωνα με την επιλογή του λόγου μετασχηματισμού και την μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, απο τη θεωρητική ανάλυση, αλλά κυρίως απο τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων εντοπίζονται οι ακόλουθες μέγιστες τιμές τάσης στα άκρα των ημιαγωγικών στοιχείων V SM,p =205.8 V, V SX,p = (793 V υπέρταση) 280 V, V Sac1,p = V Sac2,p = V. H τάση στο S x είναι αρκετά υψηλή γιατί όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, το στοιχείο αυτό δέχεται τις υπερτάσεις απο την επαγωγή σκέδασης του Τ1, έτσι για την αντιμετώπιση αυτών των υπερτάσεων προτιμήθηκε να μπουν αντιπαράλληλες διόδοι και το στοιχείο να επιλεγεί για τάση στο επίπεδο μετά την υπέρταση. Ακόμα, η μέγιστη τιμή του ρεύματος για το στοιχείο Sm είναι ίση με 14.9A, οπου το I D,avg =100W/25V=4A, και I D,rms = A, ενώ για το στοιχείο Sx η μέγιστη τιμή του ρεύματος είναι 20A (33.9 A απο υπερτάσεις) και I D,rms = A. Όσον αφορά τα στοιχεία S ac1,2 οι τιμές ρεύματος που τα διαρρεουν είναι I D,max = 12.9 A και I D,rms = ma Για τις παραπάνω τιμές επιλέχθηκε ένας συντελεστής ασφαλείας 20% και έγινε η έρευνα στο εμπόριο. Ακόμα ως κριτήρια χρησιμοποιήθηκαν η αντίσταση αγωγής των στοιχείων να είναι όσον το δυνατόν μικρότερη, καθώς και να ελαχιστοποιούνται οι χρόνοι έναυσης και σβέσης με σκοπό τη μείωση των απωλειών. Κύριο κριτήριο βέβαια ήταν η τιμή του στοιχείου ώστε να αποτελεί μια οικονομική αγορά. Τελικά τα στοιχεία που επιλέχθηκαν και αγοράστηκαν είναι : Για το Sm το IXFH44N50P με V DS = 500V, Ι D = 44A, για το Sx το SPP17N80C3 με V DS = 800 I D =17 A και για τα S ac το IXFK20N120 με V DS =1200 V I D =20A,τα οποία πληρούν τις απαιτούμενες προυποθέσεις

85 Κεφάλαιο Επιλογή των διόδων ισχύος Στο αντιστροφέα Flyback με πυκνωτή αποσύζευξης χρησιμοποιήθηκαν συνολικά τρεις δίοδοι, μία στη μεριά του πρωτεύοντος και δύο στη μεριά των δευτερεύοντων τυλιγμάτων. Γενικά αυτές οι δίοδοι ισχύος πρέπει να είναι υψηλής ταχύτητας και με μικρούς χρόνους μετάβασης. Επίσης πρέπει να αντέχουν τις υπολογισθείσες ανάστροφες τάσεις καθώς και τα ρεύματα που αναμένεται να τις διαρρεύσουν. Σύμφωνα λοιπόν με τις προσομοιώσεις η δίοδος D1 στη μεριά του πρωτεύοντος τυλίγματος αναμένεται να δέχεται ανάστροφη τάση 600V και RMS ρεύμα 4Α. Πολλαπλασιάζοντας τις αναμενόμενες τιμές με ένα συντελεστή ασφαλείας 20% επιλέχθηκε δίοδος με χαρακτηριστικά 720V/6A. Ψάχνοντας στο εμπόριο βρέθηκε ότι η δίοδος που ικανοποιεί τις προδιαγραφές είναι η FFH30S60S της εταιρείας FAIRCHILD. Να σημειωθεί σε αυτό το σημείο ότι η έρευνα αγοράς έγινε για διόδους με soft recovery και high speed switching ώστε να έχουν χρόνους ανάστροφης ανάκτησης μικρότερους των 60ns και έτσι να μη δημιουργούνται προβλήματα στη λειτουργία του αντιστροφέα. Με παρόμοιο τρόπο βρέθηκε ότι στη μεριά των δευτερεύοντων τυλιγμάτων απαιτούνται δίοδοι 1200V/1.15A όπου χρησιμοποιήθηκαν οι DSEΙ 12-12A Επιλογή του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος Σε συνέχεια των προηγούμενων επιλογών πρέπει τωρα να επιλεγεί ο πυκνωτής αποσύζευξης της ισχύος. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές που τέθηκαν πρέπει να είναι Film ή ΜΚΤ πυκνωτής. Χρησιμοποιώντας τις προσομοιώσεις βρίσκεται η μέγιστη τάση και ρεύμα που πρέπει να αντέχει και είναι ίση με V xmax = V, η οποία με έναν συντελεστή ασφαλείας 20% τοποθετείται στα 193,2 V. Το μέγεθος του έχει επιλεγεί ίσο με 40 uf. Έπειτα απο ενδελεχή έρευνα στο εμπόριο επιλέχηκε πυκνωτής Film πολυπροπυλενίου EZPE80406MTA της εταιρίας Panasonic, με χαρακρηριστικά 800Vdc και 40uF. Ένας αρκετά μεγάλος πυκνωτής ιδανικός για το κύκλωμα αυτό. Όλα τα datasheets των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν βρίσκονται διαθέσιμα στο διαδίκτυο. 4.3 Κύκλωμα οδήγησης ημιαγωγικού στοιχείου Οι παλμοί για τον έλεγχο των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος παράγονται στην πλακέτα ελέγχου, από τον μικροελεγκτή (μ/ε) που θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Τα σήματα όμως που έρχονται από την πλακέτα, πριν φτάσουν στο κύκλωμα ισχύος για να οδηγήσουν τα

86 Κεφάλαιο 4 ημιαγωγικά στοιχεία θα πρέπει υποστούν μία σειρά ενεργειών για να τα οδηγήσουν κατάλληλα. Πρώτα θα πρέπει να απομονωθούν ηλεκτρικά για την προστασία του κυκλώματος ελέγχου αλλά και για να καθίσταται δυνατή η λειτουργία του κυκλώματος ισχύος, έπειτα θα πρέπει να ενισχυθούν με το κατάλληλο κύκλωμα ώστε να μπορούν να οδηγήσουν τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Η ηλεκτρική απομόνωση επιτυγχάνεται μέσω ενός οπτικού απομονωτή (Optocoupler). Ο Optocoupler αποτελείται στην ουσία από μία φωτοδίοδο, η οποία όταν διαρρέεται από ρεύμα εκπέμπει φως σε ένα φωτοευαίσθητο δέκτη. Ανάμεσα σε αυτά τα στοιχεία υπάρχει ένα διάκενο απομόνωσης από το οποίο διέρχεται μόνο φως και όχι ρεύμα. Έτσι, καθίσταται δυνατή η γαλβανική απομόνωση των δύο τμημάτων του κυκλώματος και επομένως γίνεται πλήρης αποσύζευξη μεταξύ των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων ελέγχου και των αντίστοιχων κυκλωμάτων οδήγησης των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται η αποφυγή βραχυκυκλωμάτων μεταξύ των ακροδεκτών των ημιαγωγικών διακοπτών, τα οποία θα καθιστούσαν αδύνατη την λειτουργία της διάταξης. Επιπλέον, εξασφαλίζεται ότι μία εσφαλμένη σύνδεση ή οι μεταβατικές αιχμές τάσεις του δικτύου ή και ακόμη πρόσθετος θόρυβος, δεν θα περάσουν στο ηλεκτρονικό κύκλωμα οδήγησης των ημιαγωγικών διακοπτών [17]. Τα MOSFET είναι ημιαγωγικά στοιχεία ελεγχόμενα από τάση, λόγω της κατασκευής τους, η πύλη (είσοδος) συμπεριφέρεται ως πυκνωτής ο οποίος όταν φορτιστεί επιτρέπει την έναυση του MOSFET. Εκτός όμως από την χωρητικότητα εισόδου της πύλης εμφανίζονται και άλλες παρασιτικές χωρητικότητες και αντιστάσεις μεταξύ Πύλης (gate) Πηγής (Source), Πηγής Υποδοχής (Drain) και Πύλης Υποδοχής οι οποίες ξεκινούν να φορτίζουν τη στιγμή που ένας παλμός τάσης τοποθετηθεί στην πύλη του στοιχείου. Η φόρτιση όλων αυτών των παρασιτικών χωρητικοτήτων καθυστερεί την εμφάνιση τάσης στην πύλη. Το κύκλωμα ενίσχυσης ονομάζεται κύκλωμα οδήγησης του ημιαγωγικού στοιχείου (Driver) και λειτουργεί στην πραγματικότητα ως ένας απομονωτής ρεύματος. Λειτουργεί τροφοδοτώντας το ημιαγωγικό στοιχείο με την κατάλληλη ποσότητα ρεύματος, ώστε οι παρασιτικές χωρητικότητες να φορτίζονται όσο το δυνατόν ταχύτερα. Έτσι η ενίσχυση είναι απαραίτητη ώστε να γίνεται γρήγορα η μετάβαση από την κατάσταση αποκοπής σε αυτή της αγωγής και αντίστροφα, και να ελαχιστοποιούνται οι χρόνοι έναυσης και σβέσης ώστε το ημιαγωγικό στοιχείο να ξεπερνάει γρήγορα την γραμμική περιοχή μετάβασης όπου η στιγμιαία κατανάλωση ισχύος είναι μεγάλη[21] Επιλογή στοιχείων του κυκλώματος οδήγησης

87 Κεφάλαιο 4 Στην συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε ως οπτικός απομονωτής το ολοκληρωμένο κύκλωμα 6Ν137. Πρόκειται για έναν υψηλής ταχύτητας Optocoupler που φαίνεται στο σχήμα 4.1, ο οποίος δίνει στην έξοδο ένα απομονωμένο και ανεστραμμένο σήμα. Το σήμα εισόδου φθάνει στην είσοδο (ακροδέκτες 2 και 3) μέσω μας αντίστασης την τάξης των 200Ω προκειμένου να γίνει μετατροπή της τάσης σε ρεύμα, δεδομένου ότι το ολοκληρωμένο δέχεται σαν είσοδο ρεύμα. Λόγω του γεγονότος ότι ο συγκεκριμένος οπτικός απομονωτής είναι τοπολογίας ανοικτού συλλέκτη (Open collector), τοποθετείται μία αντίσταση 1kΩ μεταξύ των ακροδεκτών V CC και V O (ακροδέκτες 8 και 6 αντίστοιχα) ώστε το σήμα να μετατραπεί από σήμα ρεύματος σε σήμα τάσης. Στους ακροδέκτες 8 και 5 συνδέεται η τάση τροφοδοσίας και η γείωση αντίστοιχα και συνδέεται επίσης ένας ΜΚΤ πυκνωτής των 0,1μF, ο οποίος απορροφά τα εναλλασσόμενα υψίσυχνα ρεύματα που εισέρχονται από την γραμμή τροφοδοσίας και παρέχει τα ζητούμενα ρεύματα όταν τα χρειαστεί το ολοκληρωμένο. Πρέπει να αναφερθεί πως για να επιτευχθεί απομόνωση των κυκλωμάτων γίνεται χρήση διαφορετικής τάσεως αναφοράς στην είσοδο και στη έξοδο του κάθε απομονωτή, δηλαδή GNDM στην είσοδο και GNDX, GNDSac1,2 στην έξοδο για τους ημιαγωγικούς διακόπτες S Χ, S ac1 και S ac2 αντίστοιχα. Σχήμα 4.1 Ο Optocoupler 6N137 που χρησιμοποιήθηκε [23]. Ως κύκλωμα οδήγησης (Driver) επιλέχθηκε το ολοκληρωμένο ICL7667 το σχηματικό του οποίου απεικονίζεται στο σχήμα 4.2. Ο συγκεκριμένος Driver είναι δύο καναλιών, τα οποία μπορούν είτε να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα είτε να γεφυρωθούν και να οδηγούν ένα ημιαγωγικό στοιχείο, όπως έγινε στην προκειμένη περίπτωση. Το ολοκληρωμένο αυτό δέχεται ως είσοδο τους παλμούς τάσης από το ολοκληρωμένο 6Ν137 και δίνει στην έξοδο

88 Κεφάλαιο 4 αναλλοίωτους αλλά ανεστραμμένους τους παλμούς αυτούς, οι οποίοι τελικά εφαρμόζονται στην πύλη των MOSFET. Το μεγάλο ρεύμα εξόδου του φορτίζει και εκφορτίζει ταχύτατα τις χωρητικότητες των MOSFET ελαχιστοποιώντας τις διακοπτικές απώλειες. Σχήμα 4.2 ο Driver ICL7667 [24]. Όσον αφορά τη συνδεσμολογία για αυτό το ολοκληρωμένο, οι ακροδέκτες 1 και 8 παραμένουν ανοιχτοί. Στους 2 και 4 τοποθετείται η έξοδος του Optocoupler, δηλαδή η είσοδος ενώ στον 6 συνδέεται η τροφοδοσία και στον 3 η γείωση. Τέλος, από τους ακροδέκτες 5 και 7 λαμβάνεται η έξοδος, δηλαδή οι παλμοί τάσης που ενεργοποιούν την πύλη των MOSFET. Επιπρόσθετα στο κύκλωμα συμπεριλαμβάνεται και μια πολύ μικρή αντίσταση της τάξεως των 5-10 Ω, η οποία τοποθετείται σε σειρά με την έξοδο και βοηθά στον περιορισμό του ρεύματος που φορτίζει τις χωρητικότητες των MOSFET. Ακόμα μια pull-down αντίσταση χρησιμοποιείται παράλληλα στην έξοδο του ολοκληρωμένου περιορίζοντας το ρεύμα και την τάση που προκαλείται κατά την εκφόρτιση του πυκνωτή εισόδου (και άλλων παρασιτικών χωρητικοτήτων), ώστε να μην σημειωθούν υπερτάσεις. Τέλος, παράλληλα στην αντίσταση των 10kΩ τοποθετείται δίοδος Zener (Vz = 18V), η οποία αποκόπτει τιμές τάσης μεγαλύτερες της επιτρεπτής, προστατεύοντας με τον τρόπο αυτόν την πύλη των MOSFET από την καταστροφή. Όλα τα ολοκληρωμένα που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση (optocoupler και Driver) συμπεριλαμβανομένου και των προαναφερθέντων αντιστάσεων τοποθετούνται στην πλακέτα ισχύος και όχι στην πλακέτα παλμοδότησης προκειμένου οι παρασιτικές χωρητικότητες και επαγωγές εξαιτίας των δρόμων και των καλωδίων, να είναι όσο το δυνατόν μικρότερες και επομένως μικρότερες να είναι και οι υπερτάσεις που θα εμφανιστούν στα άκρα των ημιαγωγικών στοιχείων. Η τροφοδοσία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 6Ν137 έγινε με ηλεκτρική τάση +5V DC, ενώ αυτή των ICL7667 με τάση +15V DC. Σε καθένα από αυτά συνδέθηκε bypass πυκνωτής που παρέχει τις αιχμές ρεύματος που μπορεί να ζητηθούν από κάθε ολοκληρωμένο, όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω για το 6Ν137 συγκεκριμένα

89 Κεφάλαιο Υπολογισμός και κατασκευή μετασχηματιστή Στην κατασκευή των μαγνητικών πυρήνων των μετασχηματιστών, χρησιμοποιούνται δυο μεγάλες κατηγορίες υλικών [16]. Η πρώτη κατηγορία αποτελείται από κράματα σιδήρου με προσμίξεις από άλλα υλικά (χρώμιο, πυρίτιο) και η δεύτερη από φερρίτες (μίγματα οξειδίων σιδήρου και άλλων μαγνητικών υλικών). Τα κράματα σιδήρου έχουν συγκριτικά με τους φερρίτες μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα καθώς και μεγάλες τιμές πυκνότητας κορεσμού που φθάνει τα 1.8 Τ. Οι απώλειες που εντοπίζονται στα κράματα σιδήρου είναι οι απώλειες υστέρησης και οι απώλειες δινορευμάτων. Λόγω του ότι οι απώλειες δινορευμάτων είναι αρκετά υψηλές, οι πυρήνες από αυτά τα κράματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε εφαρμογές που η συχνότητα λειτουργίας δεν ξεπερνάει τα 2kHz (στους μετασχηματιστές μπορεί να είναι μικρότερη). Οι φερρίτες από την άλλη πλευρά έχουν μεγάλη ειδική αντίσταση και αρκετά μικρότερη τιμή κορεσμού (0.3Τ). Εν τούτοις οι φερρίτες παρουσιάζουν μόνο απώλειες υστέρησης πράγμα που τους καθιστά ιδανικούς σε εφαρμογές με υψηλές διακοπτικές συχνότητες (ανώτερες των 10 khz). Οι απώλειες δινορευμάτων είναι πολύ μικρές λόγω της μεγάλης ειδικής αντίστασης. Συνεπώς στην παρούσα τοπολογία που λειτουργεί στα 20 khz χρησιμοποιήθηκε πυρήνας φερρίτη, και συγκεκριμένα πυρήνας Ν27 τύπου ETD. Ο πυρήνας του μετασχηματιστή πρέπει να είναι σε θέση να λειτουργεί σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη πυκνότητα μαγνητικής ροής B max, έτσι ώστε να απαιτείται μικρότερο διάκενο αέρος για την αποθήκευση της απαιτούμενης μαγνητικής ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, ελαχιστοποιείται ο αριθμός των περιελίξεων, οι απώλειες δινορευμάτων, καθώς και το μέγεθος και το κόστος του πυρήνα. Η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής B max του πυρήνα περιορίζεται είτε από τον κορεσμό του πυρήνα B sat, είτε από τις απώλειες του πυρήνα [18]. Σε εφαρμογές όπου οι απώλειες του πυρήνα είναι ιδιαίτερα χαμηλές η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής B max μπορεί να είναι σχεδόν ίση με την B sat. Για λόγους ασφαλείας η τιμή B max επιλέγεται λίγο μικρότερη της B sat, δηλαδή B sat 0,28Τ. Λόγω του ότι στη διάταξή ο μετασχηματιστής διαρρέεται από αρκετά μεγάλα ρεύματα και επειδή το Η είναι ανάλογο του Ι, όπως φαίνεται από την καμπύλη του βρόχου υστέρησης, είναι πολύ εύκολο ο πυρήνας να μπεί στον κόρο. Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο, η ενέργεια που αποθηκεύεται στο μετασχηματιστή και που είναι υπεύθυνη για τον κορεσμό θα πρέπει κάπως να απελευθερωθεί. Προσθέτοντας ένα διάκενο αέρα προστατεύεται ο πυρήνας του μετασχηματιστή από το να μπει στον κόρο. Και αυτό γιατί, όπως δείχνει και το σχήμα 4.3, το διάκενο μετατοπίζει το βρόχο υστέρησης κάνοντας την καμπύλη του πιο ομαλή. Αυτό

90 Κεφάλαιο 4 σημαίνει ότι τώρα πια απαιτείται μεγαλύτερο ρεύμα από προηγουμένως για να εισέρθει το μαγνητικό στοιχείο στον κόρο.[22] Σχήμα 4.3 Χαρακτηριστική Β-Η πριν και μετά το διάκενο [16]. Επιλέγοντας πυρήνα φερρίτη είναι γνωστό ότι η μέγιστη πυκνότητα μαγνητικής ροής είναι Bmax=0.28Τ. Στην πραγματικότητα αυτό που περιορίζει το Bmax είναι είτε ο κορεσμός είτε οι απώλειες υστέρησης. Η σχεδίαση θα πρέπει να γίνει προσεκτικά ώστε ο πυρήνας που θα επιλέγει τελικά να μπορεί να αποθηκεύσει την απαιτούμενη ενέργεια χωρίς να μπαίνει στον κόρο, με αποδεκτές απώλειες υστέρησης. Επίσης θα πρέπει να χωράει τον επιθυμητό αριθμό σπειρών με όσο το δυνατό λιγότερες απώλειες χαλκού. Σε καθέναν από αυτούς τους περιορισμούς αντιστοιχεί μία σχέση, από την οποία υπολογίζεται το «γινόμενο της επιφάνειας πυρήνα» ή αλλιώς Area Product. Το μέγεθος αυτό υποδηλώνει το μέγεθος του πυρήνα και είναι το AP = A W A e, όπου είναι η A W επιφάνεια περιέλιξης και η επιφάνεια A e του μεσαίου στελέχους του πυρήνα [18]. Στο σχήμα 4.4 απεικονίζεται ένας πυρήνας σχήματος διπλού Ε, όπου φαίνονται οι επιφάνειες A W και A e. Για την επιλογή του κατάλληλου πυρήνα συγκρίνεται το παραπάνω (AP= A W A e ) με το αποτέλεσμα των τύπων (1) και (2) [18] και επιλέγεται ο πυρήνας με το μικρότερο AP που ξεπερνάει και τις δύο παρακάτω τιμές. Ο πρώτος τύπος χρησιμοποιείται όταν το B max περιορίζεται από τον κορεσμό ενώ ο δεύτερος όταν περιορίζεται από την υστέρηση

91 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.4 Πυρήνας σχήματος διπλού Ε [16]. Περιορισμός της B max από κορεσμό του πυρήνα AP= A W A e = (1) = Όπου, Αυτεπαγωγή του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή (Henries) = 45uH Η μέγιστη τιμή (peak) του ρεύματος που διαρρέει το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή, δηλαδή Η μέγιστη R.M.S. τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή, η οποία θεωρήθηκε προσεγγιστικά ίση με τη μέση τιμή του ρεύματος αυτού, δηλαδή (για V in =40V) Κ = 0,2 για μετατροπείς Flyback στην ασυνεχή αγωγή σύμφωνα με το φυλλάδιο [18] B max = Μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής στον πυρήνα = 0.28T Περιορισμός της B max από απώλειες του πυρήνα AP= A W A e (2) Όπου, ΔΙ m = η peak-peak τιμή του ρεύματος σε έναν διακοπτικό κύκλο k H = σταθερά ίση με k Ε = σταθερά ίση με

92 Κεφάλαιο 4 f = διακοπτική συχνότητα Ο συγκεκριμένος τύπος όπως και ο (1) έχει «βγεί» εμπειρικά και αφορά μετασχηματιστές «κλασσικών» μετατροπέων τύπου Flyback [18], όμως η συγκεκριμένη διάταξη είναι διαφοροποιημένη από τον κλασσικό μετατροπέα τύπου Flyback. Ενώ, στον κλασσικό μετατροπέα Flyback ο πυρήνας του μετασχηματιστή φορτιζόταν και εκφορτιζόταν μία φορά στη διάρκεια ενός διακοπτικού κύκλου στη συγκεκριμένη τοπολογία η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται δύο φορές μέσα σε ένα διακοπτικό κύκλο, και κάθε φορά με διαφορετικά ρεύματα. Σύμφωνα με αυτά, ο τύπος (2) πρέπει να προσαρμοστεί στη συγκεκριμένη διάταξη είτε θεωρώντας το ΔΙ m ίσο με τη μέγιστη peak-peak διαφορά ρευμάτων, δηλαδή για χρόνο π/2 ή 3π/2 της περιόδου του δικτύου, είτε βάζοντας στον τύπο την διπλάσια συχνότητα από την πραγματική διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα. Το αποτέλεσμα των δύο προσεγγίσεων είναι: Διπλάσια Συχνότητα: AP=A W A e = =3.565*1.5695=5.595 Μέγιστη peak-peak διαφορά ρευμάτων =7,4*(0,8+0,16)=7,4*0,977=7,233 Η επιλογή της προσέγγισης θα γίνει χρησιμοποιώντας τα σχήματα 4.5 και 4.6. Το σχήμα 4.5 απεικονίζει την κυματομορφή του ρεύματος σε έναν διακοπτικό κύκλο. Σε έναν κλασσικό Flyback το ΔΙ του τύπου (2) θεωρείται η max τιμή του ρεύματος, όμως στον παραπάνω τύπο χρησιμοποιήθηκε ως ΔΙ το i 1peak -i Xpeak = Α+Β, σαν να πρόκειται δηλαδή για κλασσικό Flyback με ΔΙ=Α+Β όπως στο σχήμα

93 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.5 Η πραγματική κυματομορφή του ρεύματος. Σχήμα 4.6 Το ισοδύναμο της κυματομορφής που χρησιμοποιήθηκε. Όμως υπολογίζοντας τα εμβαδά των τριγώνων: Για το σχήμα 4.5 (3)

94 Κεφάλαιο 4 Για το σχήμα 4.6 (4) Φαίνεται ξεκάθαρα ότι βάζοντας στον τύπο (2) το Α+Β ως ΔΙ στην ουσία υπερδιαστασιολογείται ο πυρήνας γιατί χρησιμοποιούνται παραπάνω όροι (οι ). Δηλαδή το αποτέλεσμα της πραγματικής κυματομορφής διαφέρει από αυτό που θεωρητικά υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας ως ΔΙ=Α+Β. Ύστερα από το παραπάνω συμπέρασμα μπορεί με ασφάλεια να χρησιμοποιηθεί στον τύπο (2) η διπλάσια συχνότητα, ώστε να προσαρμοστεί όσο το δυνατόν καλύτερα στην συγκεκριμένη τοπολογία. Τελικώς, η μέγιστη τιμή για το ΑΡ υπολογίζεται ίση με και προκύπτει από τον τύπο (2), συνεπώς η μέγιστη πυκνότητα μαγνητικής ροής B max υπολογίζεται από τις απώλειες του πυρήνα. Ανατρέχοντας στο τεχνικά εγχειρίδια των κατασκευαστών μαγνητικών πυρήνων, επιλέγεται ένας πυρήνα με ΑΡ μεγαλύτερο από 5.595cm 4. Τελικά, επιλέχθηκε πυρήνας διαστάσεων ΕΤD 49/25/16 για τον οποίο ισχύει A e = 211 mm 2 και A w =273mm 2 και ΑΡ= A w A e = cm 4 Στη συνέχεια θα πρέπει να υπολογισθεί ο αριθμός των σπειρών που θα έχει το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Έτσι χρησιμοποιώντας τον επόμενο τύπο [18] (5) Και αφού Ν=2.5, N δευτ = Ν πρωτ 2.5 = 40 σπείρες. Επόμενο βήμα είναι η επιλογή της κατάλληλης διατομής του σύρματος καθώς και των κλώνων που θα αποτελείται η κάθε σπείρα. Στην επιλογή του κατάλληλου σύρματος σημαντικό ρόλο παίζει το επιδερμικό φαινόμενο. Έχει βρεθεί ότι η διάμετρος του χαλκού θα πρέπει να είναι μικρότερη από δύο φορές το επιδερμικό βάθος του χαλκού στη συχνότητα λειτουργίας. Στην περίπτωση μας (f=40khz) προκύπτει το επιδερμικό βάθος D pen =0.325mm άρα πρέπει d χαλκού <2 D pen =0.65mm και επιλέγεται μονωμένο σύρμα διαμέτρου 0.56mm η διατομή του οποίου είναι: Τώρα για τον υπολογισμό της διατομής της σπείρας ακολουθείται ο κανόνας που λέει ότι 5 Α ρεύμα διέρχεται με ασφάλεια από σύρμα διατομής 1mm 2 έτσι με την μέθοδο των τριών υπολογίζεται πόση είναι η κατάλληλη διατομή. Από τα στοιχεία όπου Ι rms = 7.43 A εξάγεται Δ σπείρας = 1.492mm 2 για το πρωτεύον τύλιγμα του Τ1 και για το δευτερεύον τύλιγμα Ι

95 Κεφάλαιο 4 rms=0.869 A και Δ σπείρας = mm 2. Τελικώς υπολογίζεται ο αριθμός των κλώνων για τις σπείρες των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή από τον τύπο: Για το πρωτεύον τύλιγμα Ενώ για το δευτερεύον τύλιγμα αρκούν δύο κλώνοι. Καλό θα ήταν σε αυτό το σημείο να ελεγχθεί αν ο αριθμός των σπειρών και κλώνων που επιλέχθηκε χωράει στον πυρήνα. Για να γίνει αυτό υπολογίζεται το εμβαδόν του συνόλου των σπειρών και ελέγχεται αν είναι κάτω του 30% του A W (επιφάνεια περιέλιξης). Επομένως : στα 273 δηλαδή ποσοστό πλήρωσης 24.52%. Το τελευταίο που θα πρέπει να υπολογισθεί είναι το συνολικό μήκος του διακένου το οποίο υπολογίζεται από τους τύπους που περιέχονται στα τεχνικά φυλλάδια για τον συγκεκριμένο πυρήνα [25]. s= [mm], A L = [nh] και Οπού Κ1= 393 και Κ2= και υπολογίζεται σύμφωνα με τους παραπάνω τύπους s=2.2mm. Επειδή πρόκειται για έναν πυρήνα ETD το διάκενο μοιράζεται ισόποσα στα 3 στελέχη του μετασχηματιστή. Επειδή το μεσαίο στέλεχος έχει διπλάσιο εμβαδό από τα δύο ακριανά το πραγματικό διάκενο που πρέπει να κατασκευαστεί είναι το μισό από το υπολογισμένο δηλαδή 1.1mm. Τελικώς κατασκευάστηκε ο μετασχηματιστής με τις παραπάνω προδιαγραφές και τον προκαθορισμένο αριθμό σπειρών. Η τελική επαγωγή του Μ/Τ είναι uh στο πρωτεύον τύλιγμα και uh στο δευτερεύον τύλιγμα, η επαγωγή σκέδασης υπολογίστηκε ίση με 1.13 uh. 4.5 Υπολογισμών Ψυκτικών (απαγωγών θερμότητας). Ένα άλλο στοιχείο που πρέπει να υπολογισθεί στην κατασκευή της διάταξης είναι το ψυκτικό σώμα που θα χρησιμοποιεί κάθε ημιαγωγικό στοιχείο για την επαρκή ψύξη του και αυτό γιατί οι μεγάλες εσωτερικές θερμοκρασίες προκαλούν πολλές βλάβες καθώς και μείωση της απόδοσης. Τα ψυκτικά σώματα είναι μεταλλικές επιφάνειες με πολλές πτυχώσεις, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.7 και πάνω τους τοποθετούνται τα στοιχεία που πρέπει να ψυχθούν. Οι πτυχώσεις χρησιμοποιούνται ώστε να αυξηθεί η ωφέλιμη επιφάνεια χωρίς ταυτόχρονα να αυξηθεί και ο όγκος. Το ψυκτικό σώμα χαρακτηρίζεται μέσω του μεγέθους R θsa που είναι η

96 Κεφάλαιο 4 θερμική αντίσταση από το ψυκτικό σώμα μέχρι το περιβάλλον. Παρακάτω θα παρουσιαστεί αναλυτικά η διαδικασία επιλογής του κατάλληλου ψυκτικού σώματος δηλαδή θα υπολογιστεί η R θsa που χρειάζεται κάθε ημιαγωγικό στοιχείο. [16] Σχήμα 4.7 Ένα χαρακτηριστικό ψυκτικό σώμα [26] Στο σχήμα 4.8 φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο ένα ημιαγωγικό στοιχείο τοποθετείται πάνω σε ένα ψυκτικό σώμα. Να σημειωθεί, ότι μεταξύ του στοιχείου και του απαγωγού θερμότητας χρησιμοποιείται θερμικό πρόσθετο, το οποίο απομακρύνει τον αέρα από τα μικροσκοπικά αιχμηρά σημεία μεταξύ των γειτονικών επιφανειών, χρησιμοποιώντας έτσι όλο το εμβαδόν της επιφάνειας για την αγωγή της θερμότητας. Εάν χρησιμοποιηθεί μεγάλη ποσότητα πρόσθετου, το στρώμα θα είναι υπερβολικά παχύ και θα αυξηθεί η θερμική αντίσταση[22]. Η ολική θερμική αντίσταση από την επαφή προς το περιβάλλον R θja δίνεται από την σχέση (6): (6) (7) όπου = η μέγιστη θερμοκρασία της επαφής του ημιαγωγικού στοιχείου. = η μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος. = οι μέγιστες απώλειες ισχύος στο ημιαγωγικό στοιχείο (άθροισμα των απωλειών αγωγής και των απωλειών μετάβασης)

97 Κεφάλαιο 4 = η θερμική αντίσταση περιβλήματος - απαγωγού (εξαρτάται από το θερμικό πρόσθετο και το μονωτικό, εάν υπάρχει). = η θερμική αντίσταση επαφής - περιβλήματος (υπολογίζεται από τα φυλλάδια των προδιαγραφών του ημιαγωγικού στοιχείου). Σχήμα 4.8 Η σύνδεση ενός ψυκτικού σώματος με το ημιαγωγικό στοιχείο [16]. Οι απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων υπολογίζονται είτε χρησιμοποιώντας τους τύπους ή τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Εξαιτίας του γεγονότος ότι οι μέγιστες τιμές του διακοπτικού ρεύματος, σε κάθε διακοπτικό κύκλο διαμορφώνονται σύμφωνα με την ημιτονοειδή τάση του δικτύου, ο ακριβής υπολογισμός των απωλειών είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος. Εφόσον τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση δεν διαφέρουν σημαντικά από τα στοιχεία που τελικώς θα επιλεγούν για μεγαλύτερη ακρίβεια και αποφυγή του παραπάνω πολύπλοκου υπολογισμού χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Στον πίνακα 3.3 αναγράφονται αλλά για μεγαλύτερη ευκολία παρουσιάζεται ξανά ο ίδιος πίνακας και εδώ

98 Κεφάλαιο 4 Πίνακας 4.1 Απώλειες κάθε ημιαγωγικού στοιχείου Απώλειες Vdc 25 V 32.5 V 40 V D M (W) S M (W) S X (W) D ac1-2 (W) S ac1-2 (W) m 950m m 977m m 1 Στον πίνακα 4.1 φαίνεται πως οι μέγιστες απώλειες εμφανίζονται στα 25 V εισόδου. Λείπουν οι τιμές των απωλειών για τα 32,5 V αλλά όπως είναι φυσικό αυτές αναμένονται να κινούνται σε επίπεδα ενδιάμεσα των δύο ακραίων τιμών και για αυτό τον λόγο παραλήφθηκαν. Βάσει των απωλειών θα γίνει και η επιλογή των ψυκτικών σωμάτων των στοιχείων Στη θέση του ημιαγωγικού διακόπτη S M τοποθετήθηκε το στοιχείο IXFH44N50P. Απο το φυλλάδιο του κατασκευαστή, προκύπτει R thjc = 0.19 C/W και R thcs = 0.21 C/W, μέγιστη θερμοκρασία επαφής = 150 C και θερμοκρασία περιβάλλοντος = 40 C, απο την εξίσωση για την απαιτούμενη θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος του διακόπτη S M προκύπτει ότι: C/W Στη θέση του ημιαγωγικού διακόπτη S Χ τοποθετήθηκε το στοιχείο SPP17N80C3. Απο το φυλλάδιο του κατασκευαστή, προκύπτει R thjc = 0.55 C/W και μια τυπική τιμή για το R thcs = 0.5 C/W, μέγιστη θερμοκρασία επαφής = 150 C και θερμοκρασία περιβάλλοντος =40 C, προκύπτει απο την εξίσωση για την απαιτούμενη θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος του διακόπτη S M, ότι: C/W Στη θέση των ημιαγωγικών διακοπτών S ac1,2 τοποθετήθηκε το στοιχείο IXFK20N120. Απο το φυλλάδιο του κατασκευαστή έχουμε R thjc = 0.16 C/W και μια τυπική τιμή για το R thcs = 0.5 C/W, μέγιστη θερμοκρασία επαφής = 150 C και θερμοκρασία περιβάλλοντος = 40 C,οπότε προκύπτει απο την εξίσωση για την απαιτούμενη θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος του διακόπτη S M, ότι: C/W

99 Κεφάλαιο 4 Στη θέση της διόδου ισχύος D M τοποθετήθηκε το στοιχείο FFS30S60S. Απο το φυλλάδιο του κατασκευαστή R thjc = 1.1 C/W και μια τυπική τιμή για το R thcs = 0.5 C/W, μέγιστη θερμοκρασία επαφής = 150 C και θερμοκρασία περιβάλλοντος =40 C, απο την εξίσωση για την απαιτούμενη θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος του διακόπτη S M, προκύπτει ότι: C/W Στη θέση των διοδίων ισχύος D ac1,2 τοποθετήθηκε το στοιχείο DSEI12-12A. Απο το φυλλάδιο του κατασκευαστή, προκύπτει R thjc = 1.6 C/W και μια τυπική τιμή για το R thcs = 0.5 C/W, μέγιστη θερμοκρασία επαφής = 150 C και θερμοκρασία περιβάλλοντος =40 C, προκύπτει απο την εξίσωση για την απαιτούμενη θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος του διακόπτη S M, ότι: C/W Στο σχήμα 4.9 παρουσιάζεται μία συλλογή από διαθέσιμους απαγωγείς θερμότητας, με στοιχεία που αφορούν στη θερμική τους αντίσταση, καθώς και τον όγκο που καταλαμβάνουν. Τελικά, για τον ημιαγωγικό διακόπτη S Μ επιλέχθηκε ψυκτικό σώμα με θερμική αντίσταση ίση με 15 ο C/W, ενώ για S Χ επιλέχθηκε ψυκτικό σώμα με θερμική αντίσταση ίση με 20 ο C/W στα S ac δεν τοποθετήθηκε ψυκτικό σώμα ούτε στις διόδους D ac, όσο και για την δίοδο ισχύος D Μ επιλέχθηκε ψυκτικό σώμα με θερμική αντίσταση ίση με 9,9 ο C/W. Σχήμα 4.9 Συλλογή από διαθέσιμους απαγωγείς θερμότητας [16]

100 Κεφάλαιο Γραμμικά Τροφοδοτικά Το τροφοδοτικό είναι ένα απαραίτητο και βασικό κομμάτι μια ηλεκτρικής ή ηλεκτρονικής συσκευής και γενικότερα ενός συστήματος. Είναι το στοιχείο που θα παράσχει όλη την απαραίτητη ισχύ, η οποία θα ενεργοποιήσει τα ηλεκτρικά ή ηλεκτρονικά κυκλώματα και θα θέσει το σύστημα σε λειτουργία. Βασική αποστολή του τροφοδοτικού είναι να παρέχει μια σταθερή και προκαθορισμένη τάση στην έξοδο, ακόμα και αν υπάρχει μεταβολή της τάσης εισόδου ή του ρεύματος εξόδου ή ακόμα και της θερμοκρασίας λειτουργίας του. Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος, την μέθοδο ελέγχου, τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης, που είναι και αυτά που θα χρησιμοποιηθούν, χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τα γραμμικά τροφοδοτικά (Linear Power Supplies, DC Regulators) και τα διακοπτικά τροφοδοτικά (παλμοτροφοδοτικά, Switch Mode Power Supplies, S.M.P.S). Στη συγκεκριμένη διάταξη, θα χρησιμοποιηθούν γραμμικά τροφοδοτικά και για αυτόν τον λόγο θα δοθεί σε αυτά ιδιαίτερο βάρος. Στο σχήμα 4.10 φαίνεται το δομικό διάγραμμα ενός γραμμικού τροφοδοτικού. Εύκολα παρατηρείται πως για τον υποβιβασμό της τάσης εισόδου και την επίτευξη της ηλεκτρικής απομόνωσης μεταξύ εισόδου και εξόδου που επιβάλλεται από διεθνείς κανονισμούς για την προστασία του καταναλωτή, χρησιμοποιείται ένας μετασχηματιστής (εναλλασσόμενη τάση συχνότητας 50Hz ) με πυρήνα σιδήρου και παρεμβάλλεται μεταξύ της διάταξης και του δικτύου. Μετά την ανορθωτική διάταξη (γέφυρα) υπάρχει το φίλτρο εισόδου, στην ουσία δηλαδή ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής για εξομάλυνση της ανορθωμένης τάσης. Ακολουθεί ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο (συνήθως ένα transistor ισχύος), το οποίο στις περισσότερες των περιπτώσεων συνδέεται σε σειρά (Series regulator) και λειτουργεί στην γραμμική (ενεργό) περιοχή. Συγκρίνοντας την πραγματική τιμή της τάσης εξόδου V o με την επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου V o,ref δημιουργείται ένα σφάλμα, το οποίο ελέγχει το ρεύμα βάσης του ημιαγωγικού στοιχείου άρα και την αγωγιμότητα του και έτσι λειτουργεί σαν μία μεταβλητή αντίσταση για να διατηρεί την τάση εξόδου σταθερή. Τέλος στην έξοδο υπάρχει το φίλτρο εξόδου, δηλαδή άλλος ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, ο οποίος αναλαμβάνει να καλύψει τις απότομες μεταβολές του φορτίου βελτιώνοντας την απόκριση του τροφοδοτικού. Επιπροσθέτως, πολλές φορές παράλληλα με του προαναφερθέντες πυκνωτές, τοποθετούνται και πυκνωτές πολυπροπυλενίου ή κεραμικοί πυκνωτές (μικρής χωρητικότητας της τάξης των nf ή μf), οι οποίοι έχουν χαμηλή παρασιτική επαγωγή (E.S.L), ώστε να αποφεύγονται οι υπερτάσεις που

101 Κεφάλαιο 4 δημιουργούνται από διακοπτικά ρεύματα, αλλά και να βελτιώνεται ακόμα περισσότερο η μεταβατική απόκριση του τροφοδοτικού[22][21][15] Σχήμα 4.10: Γενικό δομικό διάγραμμα ενός γραμμικού τροφοδοτικού[15]. Στην συγκεκριμένη εφαρμογή απαιτούνται συνολικά τέσσερα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης, ένα με τάσεις εξόδου +15V, +5V, Gnd 1 και τα υπόλοιπα τρία με τάσεις εξόδου +15, Gnd 2-4. Η χρήση τεσσάρων ξεχωριστών τροφοδοτικών αποφασίστηκε για λόγους γαλβανικής απομόνωσης μεταξύ της εξόδου και της εισόδου των οπτικών απομονωτών. Αν δεν είχαν απομονωθεί οι τροφοδοσίες θα προέκυπτε βραχυκύκλωμα μεταξύ των ακροδεκτών των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος S x, S m, S ac1,2 γιατί θα είχαν συνδεθεί όλοι οι ακροδέκτες source των στοιχείων, καθιστώντας έτσι αδύνατη την ορθή λειτουργία της διάταξης γιατί με οποιονδήποτε παλμό θα οδηγούνταν σε αγωγή όλα τα ημιαγωγικά στοιχεία. Στα τροφοδοτικά χρησιμοποιήθηκε μετασχηματιστής με πυρήνα σιδήρου 230 V rms / 20 V rms. Στο δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή τοποθετήθηκε η ανορθωτική γέφυρα. Το φίλτρο εισόδου στη συνέχεια αποτελείται από ένα ηλεκτρολυτικό πυκνωτή 2200μF παράλληλα με ένα MKT πυκνωτή 0.1μF. Προκειμένου να επιτευχθούν οι διάφορες σταθεροποιημένες τάσεις εξόδου που χρειάστηκαν, χρησιμοποιήθηκαν οι εξής σταθεροποιητές τάσεις: για τα +15V ο LM7815 και για τα +5V ο LM7805. Οι σταθεροποιητές τάσεις κυκλοφορούν στο εμπόριο υπό μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και έχουν ιδιαίτερα απλή χρήση. Τέλος να σημειωθεί ότι στην

102 Κεφάλαιο 4 έξοδο του κάθε τροφοδοτικού προστέθηκε ένα όμοιο με παραπάνω φίλτρο επιδιώκοντας κατά το δυνατόν σταθερότερη τάση. 4.7 Κύκλωμα παλμοδότησης Η πλακέτα παλμοδότησης που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από τον μικροελεγκτή σε συνδυασμό με διάφορες πύλες συνδεδεμένες κατάλληλα ώστε να ελέγχουν τα MOSFET, τόσο του δευτερεύοντος όσο και του πρωτεύοντος τυλίγματος. Επιλέχθηκε ένας συνδυασμός τόσο αναλογικού μέσω πυλών, όσο και ψηφιακού μέσω του μικροελεγκτή (μ/ε) έλεγχος ώστε να επιτευχθεί ένας πιο στιβαρός και γρήγορος έλεγχος αποφορτίζοντας τον μ/ε από διάφορες λογικές πράξεις απαραίτητες στον έλεγχο αλλά εύκολα υλοποιήσιμες μέσω αναλογικών πυλών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αναλύεται εκτενώς το κύκλωμα ελέγχου Ο Μικροελεγκτής Γενικά Η χρήση του μικροεπεξεργαστή (και γενικότερα του ψηφιακού ελέγχου), για διάφορες εφαρμογές, τα τελευταία χρόνια διαδίδεται ολοένα και περισσότερο. Οι λόγοι είναι ότι αφενός μεν παρέχει μεγάλη αξιοπιστία έναντι των διακοπτικών θορύβων, λόγω των ψηφιακών κυκλωμάτων του και αφετέρου μπορεί να αυτοματοποιήσει τη διαδικασία ελέγχου των διάφορων στοιχείων του κυκλώματος μας. Παράλληλα λόγω του ότι προγραμματίζεται να κάνει συγκεκριμένα πράγματα που τα καθορίζει ο μελετητής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ταυτόχρονα και για άλλες διαδικασίες όπως για έλεγχο διαφόρων κυκλωμάτων και συνδεσμολογιών. Ο προγραμματισμός ενός τέτοιου μικροεπεξεργαστή γίνεται συνήθως σε γλώσσα assembly. Η συγκεκριμένη γλώσσα έχει το πλεονέκτημα της γρηγορότερης εκτέλεσης ενός προγράμματος. Όμως όταν το πρόγραμμα που πρέπει να φορτωθεί στον επεξεργαστή γίνεται πολύπλοκο και η ταχύτητα εκτέλεσης του δεν έχει επιπτώσεις στην εφαρμογή, πιο πρακτικό είναι ο προγραμματισμός να γίνει σε γλώσσα ανωτέρου επιπέδου. Για την παρούσα εφαρμογή το πρόγραμμα αναπτύχθηκε στη γλώσσα C. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε ο μικροεπεξεργαστής dspic30f4011 της εταιρείας Microchip. Ο συγκεκριμένος είναι ένα chip με 40 ακίδες το οποίο φαίνεται στο σχήμα Επιλέχθηκε αυτός καθώς πληροί τις προϋποθέσεις λειτουργίας που έχουν τεθεί και είναι ικανός να υλοποιεί άνετα τον χρειαζούμενο έλεγχο [19]

103 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.11 Το ολοκληρωμένο του μ/ε dspic30f4011[19] Από το σύνολο όλων αυτών των ακίδων, οι ακίδες που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι AN0, AN1, AN2, AN3, ΑΝ4, MCLR, PWM1L, PWM2H, PGC, PGD, VDD και VSS. Ο τρόπος με τον οποίο έγινε η χρήση τους θα γίνει εμφανής παρακάτω Ανάλυση του μικροεπεξεργαστή Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας CPU του dspic30f4011 έχει μια 16-bit τροποποιημένη κατά Harvard αρχιτεκτονική με βελτιωμένο πακέτο εντολών, περιλαμβάνοντας υποστήριξη σε DSP λειτουργίες. Η CPU έχει εντολές των 24-bit με μεταβλητό μήκος του κώδικα λειτουργίας. Ο απαριθμητής προγράμματος (Program Counter - PC) έχει μήκος 24-bit και διευθυνσιοδοτεί μέχρι και 4Mx24bit μνήμης για το πρόγραμμα χρήστη. Ένας ενσωματωμένος μηχανισμός προφόρτωσης (prefetch) που εκτελείται σε ένα μόνο κύκλο αυξάνει την απόδοση προσδίδοντας προβλέψιμη εκτέλεση. Μετατροπείς analog to digital (A/D) Η μονάδα μετατροπής από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα διαθέτει 9 κανάλια εισόδου. Τα 9 αυτά κανάλια συνδέονται σε 4 μονάδες δειγματοληψίας και αποθήκευσης (S/H). Η δειγματοληψία των σημάτων μπορεί να είναι σειριακή ή παράλληλη ενώ η μετατροπή σε ψηφιακό σήμα είναι σειριακή. Ο μέγιστος ρυθμός δειγματοληψίας μπορεί να φτάσει το 1 Mbps για δειγματοληψία ενός μόνο καναλιού χρησιμοποιώντας δύο S/H για το ίδιο σήμα. Αν

104 Κεφάλαιο 4 τα υπό δειγματοληψία σήματα είναι περισσότερα τότε ο ρυθμός δειγματοληψίας μειώνεται ανάλογα. Παραγωγή παλμών με μέθοδο PWM Οι τρεις γεννήτριες διαμόρφωσης παλμών PWM παράγουν δύο σήματα η κάθε μία, το σήμα High και το σήμα Low τα οποία είναι συμπληρωματικά. Επιπλέον η μονάδα PWM έχει τη δυνατότητα εισαγωγής νεκρού χρόνου καθώς και τη δυνατότητα για έλεγχο μέσω ράμπας ή τριγωνικής κυματομορφής. Η ανάλυση φτάνει τα 16bit ενώ επιτρέπονται οποιαδήποτε χρονική στιγμή οι αλλαγές στο λόγο κατάτμησης. Η αναλυτική λειτουργία των δύο αυτών μονάδων δεν θα αναλυθεί στην παρούσα εργασία, καθώς υπάρχει αναλυτικά στην ανάλογη βιβλιογραφία [19] Τα αναπτυξιακά του dspic Σημαντική βοήθεια στην ανάπτυξη εφαρμογών προσφέρει το πακέτο αναπτυξιακών της Microchip. Την πιο σημαντική θέση στα αναπτυξιακά εργαλεία κατέχει το MPLAB Integrated Development Environment (IDE) και είναι και αυτό που χρησιμοποιείται σε αυτή την διπλωματική εργασία. Το εργαλείο αυτό «τρέχει» σε Windows, είναι πολύ εύκολο στη χρήση και περιλαμβάνει βιβλιοθήκες με έτοιμες ρουτίνες για γρήγορη ανάπτυξη εφαρμογών και ταχύτατη εύρεση σφαλμάτων (debugging). Επίσης προσφέρει ένα γραφικό περιβάλλον για το χρήστη που ενοποιεί τη χρήση λογισμικών και υλικών εργαλείων της Microchip αλλά και τρίτων κατασκευαστών. Τέλος παρέχει ευκολία στην εναλλαγή εργαλείων, στη χρήση προσομοιωτή για τον εκάστοτε μικροεπεξεργαστή και στον πραγματικό προγραμματισμό και εύρεση σφαλμάτων όλα αυτά μέσα από μία κονσόλα λειτουργιών. Για τον προγραμματισμό αλλά και το debugging είναι διαθέσιμο το ICD2, το οποίο είναι ένας debugger και programmer πραγματικού χρόνου και χαμηλού κόστους για όλους τους PICR MCUs και dspicrdscs [20] Ανάλυση του ελέγχου Παρακάτω επεξηγείται λεπτομερώς και αναλύεται ο έλεγχος που υλοποιείται στην πλακέτα. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως χρησιμοποιήθηκε ένα μεικτό κύκλωμα ελέγχου με αναλογικά στοιχεία και μικροεπεξεργαστή. Αρχικώς, θα πρέπει να οριστεί ο σκοπός του προγράμματος στον ελέγχου αλλά και ο γενικότερος στόχος του ελέγχου. Ανατρέχοντας στο κεφάλαιο δύο και στην ανάλυση που έγινε ο έλεγχος πρέπει να παράγει τρείς παλμούς. ο πρώτος θα ορίζει την αρχή του

105 Κεφάλαιο 4 διακοπτικού κύκλου και θα έχει σταθερή διάρκεια όσο η ισχύς εξόδου/λειτουργίας διατηρείται σταθερή. Στην ανάλυση θεωρήθηκε πως ο παλμός αυτός θα απενεργοποιείται μόλις το ρεύμα φτάσει μια καθορισμένη τιμή η οποία ορίζει την ισχύ λειτουργίας του μετατροπέα. Ορίζοντας την διάρκεια αυτού του παλμού καθορίζεται η ισχύς που «δίνει» ο αντιστροφέας, επομένως πρέπει να δοθεί η δυνατότητα στον χειριστή με ένα κέρδος Κ1 να ορίζει κάθε χρονική στιγμή την διάρκεια του παλμού αυτού. Ο δεύτερος παλμός, σύμφωνα με την ανάλυση, αρχίζει αμέσως μόλις σβήσει ο πρώτος και διαρκεί μέχρι η τιμή του ρεύματος να φθάσει μια ορισμένη τιμή που μεταβάλλεται ημιτονοειδώς στον χρόνο. Η διάρκεια αυτού εξαρτάται και από την τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος(βλέπε τύπο 5 κεφάλαιο 2). Ας μην παραλείπεται το γεγονός ότι το ρεύμα αυτό φορτίζει και εκφορτίζει τον πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και πρέπει να ρυθμίζετε έτσι ώστε να διατηρεί την μέση τιμή της τάσης του σταθερή. Επομένως, ο δεύτερος παλμός έχει διάρκεια που εξαρτάται από την τιμή του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, την μέση τιμή τάσης αυτού, την τάση του δικτύου και πρέπει να υπάρχει και ένα κέρδος Κ2 για να ρυθμιστούν κατάλληλα αυτές οι τιμές. Ο τρίτος παλμός αρχίζει μαζί με τον δεύτερο και τελειώνει όταν αρχίζει πάλι ο πρώτος, αρκετά εύκολο να υλοποιηθεί με πύλες Η παλμοδότηση των S M και S X Ο έλεγχος για την παρούσα εφαρμογή απαιτεί από το πρόγραμμά να διαβάζει πέντε αναλογικές εισόδους 1) την αναφορά της τάσης του δικτύου 2) το κέρδος Κ1 3) το κέρδος Κ2 4) την μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος 5) την τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος που έρχονται στις ακίδες AN0, AN1, ΑΝ2, ΑΝ3, ΑΝ4 του μικροεπεξεργαστή και να παράγει στην έξοδο δύο παλμοσειρές μέσω των PWM1L και PWM2H. Η PWM1L έχει σταθερό duty cycle συχνότητας 20kHz, και η PWM2H μεταβαλλόμενο ημιτονοειδώς σύμφωνα με το δίκτυο, duty cycle μέσω της τεχνικής SPWM, πάλι σε συχνότητα 20kHz. Σκοπός των δύο εξόδων του μ/ε είναι να παράγουν με την βοήθεια των αναλογικών κυκλωμάτων τους τελικούς παλμούς που οδηγούν τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4.12 αυτοί είναι οι επιθυμητοί παλμοί για κάθε ένα από τα ημιαγωγικά στοιχεία:

106 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.12 Οι παλμοί που πρέπει να έχουν τα στοιχεία [10]. Όπου η περίοδος είναι 50us (20kHz). Οι παλμοί που οδηγούν το S M είναι σταθεροί καθ όλη την περίοδο του δικτύου, είναι αυτοί που καθορίζουν την ισχύ λειτουργίας που θα αντιστρέψει ο αντιστροφέας και ρυθμίζονται από το Κ1. Από την άλλη οι παλμοί S X, οι οποίοι μεταβάλλονται ημιτονοειδώς στον χρόνο, είναι αυτοί που δημιουργούν το ημιτονοειδή ρεύμα στην έξοδο του αντιστροφέα και ρυθμίζονται απο το Κ2 αλλά και από την τάση του πυκνωτή απούζευξης, όπως προαναφέρθηκε. Ακόμα οι παλμοί S ac1 και S ac2 επιτρέπουν στα στοιχεία της μεριάς του δευτερεύοντος τυλίγματος να άγουν συμπληρωματικά ως προς το S M και εναλλάξ ανάλογα με το δίκτυο. Από τα παραπάνω εύκολα καθορίζεται η μορφή των εξόδων του μ/ε, PWM1L και PWM2H οι οποίες σε συνδυασμό με τις λογικές πύλες δίνουν τους απαιτούμενους παλμούς. Σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν προηγουμένως αν οι δυο έξοδοι του μ/ε έχουν την ακόλουθη μορφή, όπως φαίνονται στο σχήμα 4.13, εύκολα μπορούν να εξαχθούν οι ζητούμενες τελικές παλμοσειρές όπως φαίνονται στο σχήμα 4.12 Σχήμα 4.13 Οι παλμοί στην έξοδο του μ/ε. Χρησιμοποιώντας την PWM1L οδηγείται το στοιχείο S M. Πιο πάνω περιγράφηκε πως οδηγούνται τα σήματα ελέγχου στα ημιαγωγικά στοιχεία, μέσα από έναν optocoupler και ένα driver, κάθε ένα από τα στοιχεία αυτά όμως κάνει αντιστροφή της τάσης που δέχεται. Στην

107 Κεφάλαιο 4 προκειμένη περίπτωση χρησιμοποιείται κοινή γείωση για την πλακέτα ελέγχου και την οδήγηση του S M και έτσι χρησιμοποιείται μόνο ένας driver με είσοδο την PWM1L ο οποίος οδηγεί το ημιαγωγικό στοιχείο. Για να αποφευχθεί το πρόβλημα αγωγής του στοιχείου όταν δεν υπάρχει παλμοδότηση (ο driver όταν έχει είσοδο 0 δίνει 1 στην έξοδο) χρησιμοποιήθηκε μια pull-up αντίσταση που διατηρεί την τάση στα 5V μέχρι να έρθει παλμός 0V. Τώρα για το στοιχείο S X χρησιμοποιείται μία πύλη AND (ολοκληρωμένο 74HC08) ανάμεσα στα PWM1L και PWM2H, έτσι με τον πολύ απλό αυτό τρόπο δημιουργούνται οι παλμοί του S X. Το κέρδος Κ2 καθώς και όλες οι άλλες είσοδοι που λαμβάνονται από τον μ/ε με σκοπό να ρυθμίσουν τον παλμό του S X στην ουσία ρυθμίζουν την PWM2H Η παλμοδότηση των S ac1 και S ac2 Τώρα όσον αφορά τους παλμούς ελέγχου των S ac1 και S ac2 είναι παρατηρήσιμο ότι πρόκειται για τους συμπληρωματικούς παλμούς του S M, μόνο που πρέπει να λειτουργούν εναλλάξ σύμφωνα με την συχνότητα του δικτύου. Η διαδικασία που ακολουθείται για την παραγωγή των παλμών είναι αναλογική, δηλαδή ο παλμός προκύπτει με τον κατάλληλο συνδυασμό πυλών. Κάθε κλάδος του δευτερεύοντος τυλίγματος άγει για μια ημιπερίοδο του δικτύου. Οπότε θα πρέπει η παλμοδότηση να έχει σαν αναφορά το σήμα του δικτύου. Το σήμα του δικτύου εισέρχεται με έναν Μ/Τ στην πλακέτα ελέγχου και με κατάλληλες αντιστάσεις υποβιβάζεται σε ασφαλή, για τα ολοκληρωμένα που χρησιμοποιούνται, επίπεδα. Μετά τις αντιστάσεις μπαίνουν δύο optocouplers, τύπου Η11L1 οι οποίοι προστατεύουν το υπόλοιπο κύκλωμα από τυχόν ανωμαλίες στην τάση που θα συμβούν από την πλευρά του δικτύου. Μία επιπλέον δουλειά που κάνουν αυτοί είναι ότι σπάνε το ημίτονο σε δύο ημιπεριόδους. Παράλληλα τα συγκεκριμένα ολοκληρωμένα έχουν ενσωματωμένο από ένα Schmitt trigger, το οποίο προσθέτει ένα dead time μεταξύ των παλμών των MOSFET που βρίσκονται στα δευτερεύοντα τυλίγματα. Αυτό γίνεται για να αποφευχθεί η περίπτωση να άγουν, από σφάλμα, ταυτόχρονα. Από εκεί και πέρα χρησιμοποιούνται κατάλληλα πύλες XOR (ολοκληρωμένο 74HC86) και πύλες AND. Μια πύλη XOR παράγει 1 στην έξοδό της όταν στην είσοδο υπάρχει μόνο ένα 1. Τροφοδοτώντας μία τέτοια πύλη με το ημίτονο του δικτύου και με το αντίστροφό του επιτυγχάνεται η έξοδος της να είναι 1 όταν αυτά δεν είναι ίδια, δηλαδή στα σημεία που οι δύο κυματομορφές δεν τέμνονται. Το αποτέλεσμα αυτής της πράξης στέλνεται σε δυο πύλες AND, δύο εισόδων. Η άλλη είσοδος της πρώτης AND είναι το ημίτονο του δικτύου. Έτσι προκύπτει 1 καθ όλη τη διάρκεια που στην είσοδό της έρχεται η θετική ημιπερίοδος

108 Κεφάλαιο 4 του δικτύου. Η δεύτερη AND τροφοδοτείται με το αντίθετο του ημιτόνου του δικτύου, που έχει σαν αποτέλεσμα να δίνει 1 στην άλλη ημιπερίοδο. Κάθε μια έξοδος των προηγούμενων AND οδηγείται σε δυο άλλες AND, όπου κάθε μία έχει σαν είσοδο την έξοδο του μικροεπεξεργαστή PWM1L. Έτσι αυτές οι τελευταίες πύλες AND είναι αυτές που παλμοδοτούν τα ημιαγωγικά στοιχεία του δευτερεύοντος τυλίγματος του μ/ε, συμπληρωματικά ως προς το στοιχείο S M και συμπληρωματικά μεταξύ τους σύμφωνα με την περίοδο του δικτύου Σχηματικό διάγραμμα Στο σημείο θα ήταν ωφέλιμο να φανεί το σχηματικό διάγραμμα (σχήμα 4.14) της πλακέτας ελέγχου ώστε να γίνουν πιο κατανοητά αυτά που αναλύθηκαν πιο πάνω: Σχήμα 4.14 Το σχηματικό διάγραμμα μέσα από το Kicad Στο σχηματικό διάγραμμα ο μετασχηματιστής πάνω αριστερά υποβιβάζει και απομονώνει γαλβανικά την τάση ώστε να δοθεί η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν μικρές αντιστάσεις για να περιορίσουν το ρεύμα στους optocouplers που αναλαμβάνουν τον διαχωρισμό της περιόδου του δικτύου. Ακόμα η ίδια υποβιβασμένη τάση του δικτύου είναι αυτή που έπειτα απο έναν διαιρέτη τάσης και έναν buffer θα οδηγηθεί στον μ/ε ως αναφορά του δικτύου

109 Κεφάλαιο 4 Στο σημείο αυτό να αναφερθεί πως γίνεται η μέτρηση της τάσης του πυκνωτή καθώς και της μέσης τάσης αυτού. Αρχικά με δύο διαιρέτες τάσεως στο κύκλωμα ισχύος υποβιβάζονται με τον ίδιο λόγο οι τάσεις στα δύο άκρα του πυκνωτή αποσύζευξης. Οι υποβιβασμένες τάσεις μεταφέρονται στο κύκλωμα ελέγχου και εκεί αφαιρούνται με έναν τελεστικό ενισχυτή συνδεδεμένο ως αφαιρέτη. Το αποτέλεσμα της αφαίρεσης οδηγείται στον μ/ε, ενώ παράλληλα οδηγείται και σε ένα RC φίλτρο που θα δώσει την μέση τιμή του που παρομοίως θα οδηγηθεί στον μ/ε. Όλα αυτά φαίνονται στο κάτω μέρος του σχήματος Προγραμματισμός του μ/ε Ο μ/ε πρέπει να παράγει στην έξοδο PWM2H μια παλμοσειρά μεταβαλλόμενη ημιτονοειδώς σύμφωνα με το δίκτυο, στην ουσία δηλαδή πρόκειται για μια υλοποίηση της τεχνικής SPWM. Ενώ στην PWM1L πρέπει να παράγει μια παλμοσειρά με διάρκεια ρυθμιζόμενη απο ένα κέρδος Κ1. Η SPWM τεχνική παράγεται πολύ εύκολα μέσω του μικροεπεξεργαστή χρησιμοποιώντας τις PWM γεννήτριες που διαθέτει. Αυτές, εν συντομία, λειτουργούν ως εξής: ο έλεγχος του περιφερειακού παραγωγής παλμών γίνεται μέσω 5 καταχωρητών ειδικού σκοπού. Αυτοί είναι οι PTCON, PTMR, PTPER, PWMCON1, PWMCON2, DTCON1, DTCON2, PDC1, PDC2, PDC3. Οι παλμοί PWM παράγονται από τη σύγκριση του μετρητή PTMR με τον PDCx. Όταν οι δύο αυτοί οι καταχωρητές είναι ίσοι παράγεται ένας παλμός στην έξοδο μέχρι ο καταχωρητής PTMR γίνει ίσος με τον PTPER. Ο καταχωρητής PTPER θέτει την περίοδο μέτρησης του PTMR. Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας: free running mode, single shot mode, continuous up/down mode, continuous up/down mode with interrupts for double updates. Για τον έλεγχο του μετατροπέα συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε ο πρώτος τρόπος (σχήμα 4.15) όπου ο PTMR αυξάνεται προς μία κατεύθυνση μέχρι να αρχικοποιηθεί στο τέλος της επόμενης περιόδου.[19]

110 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.15 Free running mode για την μέτρηση της περιόδου [19] Για την εύρεση της τιμής PTPER, ο οποίος είναι ακέραιος χρησιμοποιείται η παρακάτω εξίσωση[19]. Ο λόγος κατάτμησης ελέγχεται από τον καταχωρητή PDC. Για τον υπολογισμό του Duty cycle χρησιμοποιείται ο τύπος: (8) Η SPWM λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω δημιουργείται με βάση την ακόλουθη λογική. Η SPWM είναι μία τεχνική που συγκρίνει ένα ημίτονο με μία ράμπα. Οπότε αν στην παραπάνω διαδικασία εισαχθεί με κάποιο τρόπο το ημίτονο ο στόχος θα έχει επιτευχθεί. Αυτό επιτυγχάνεται στέλνοντας στην είσοδο AN3, το ανορθωμένο ημίτονο του δικτύου, υποβιβασμένο κατάλληλα μέσω κατάλληλων αντιστάσεων, ώστε να μην καεί ο μικροεπεξεργαστής. Αυτό το σήμα, αφού γίνει ψηφιακό, εισάγεται στον καταχωρητή PDC, επιτυγχάνοντας έτσι λόγο κατάτμησης ο οποίος ακολουθεί μια σχέση της μορφής δ = δ sinωt που είναι και ο στόχος. Βέβαια στην ρύθμιση του PDC, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, κυρίαρχο ρόλο έχουν και άλλα μεγέθη του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης όπως η τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και η μέση τιμή αυτής που και αυτά τα σήματα οδηγούνται στον μ/ε. Αφού οδηγηθούν εκεί ψηφιοποιούνται αντίστοιχα με την τάση του δικτύου και εισέρχονται στην ρύθμιση του PDC. Η ρύθμιση του καταχωρητή PDC όμως βασίζεται και στο κέρδος ελέγχου Κ2 που μεταβάλλεται από τον χρήστη. Αυτό επιτυγχάνεται

111 Κεφάλαιο 4 με ένα διαιρέτη τάσης, ενός trimmer δηλαδή των 5 V της τροφοδοσίας, που στέλνεται στην είσοδο AN2 του μ/ε. Εκεί ψηφιοποιείται και εισάγεται στον PDC. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται και για την παραγωγή σε άλλη έξοδο του μ/ε, της σταθερής παλμοσειράς μεταβαλλόμενη μόνο με το κέρδος Κ1. Η ρύθμιση των παραπάνω καταχωρητών είναι η ίδια αλλά τώρα πρέπει να εισαχθεί πάλι η τιμή μιας μεταβαλλόμενης από τον χρήστη τάσης στον μ/ε. Η τιμή της οποίας θα ρυθμίζει την τιμή του PDC για την έξοδο PWM1. Αυτό επιτυγχάνεται όπως και πριν μέσω ενός trimmer και στέλνεται στην είσοδο AN1 του μ/ε. Εκεί ψηφιοποιείται και εισάγεται στον αντίστοιχο καταχωρητή PDC. Λίγα λόγια τώρα για τη μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Αρχικά υπάρχουν 9 ακίδες εισόδου, που συνδέονται σε 4 κανάλια δειγματοληψίας και αποθήκευσης (Sample and Hold S/H). Η δειγματοληψία είναι σειριακή ή παράλληλη ενώ η μετατροπή σε ψηφιακό σήμα είναι σειριακή. Ο μέγιστος ρυθμός δειγματοληψίας είναι 1Msps για δειγματοληψία ενός καναλιού χρησιμοποιώντας δύο S/H. Η ADC μονάδα μετατρέπει οποιοδήποτε σήμα 0-5V σε ψηφιακό 10bit (0-1023). Για την αρχικοποίηση της συγκεκριμένης μονάδας υπάρχουν οι καταχωρητές ADCON1, ADCON2, ADCON3, ADCHS, ADPCFG, ADCSSL. Η ADC μονάδα έχει ένα μέγιστο ρυθμό πραγματοποίησης μετατροπών. Ένα ειδικό ρολόι, TAD, ελέγχει το χρονισμό των μετατροπών. Η κάθε μετατροπή σε ψηφιακό σήμα απαιτεί 12 κύκλους του ειδικού ρολογιού, 12TAD. Ο χρόνος TAD επιλέγεται μέσω ενός 6bit μετρητή. Υπάρχουν 64 πιθανές επιλογές για το χρόνο TAD, οι οποίες προσδιορίζονται από τα ADCS<5:0> του ADCON3. Οι εξισώσεις που υπολογίζουν το χρόνο TAD σαν συνάρτηση του ADCS και της περιόδου του ρολογιού είναι [19]: (9) (10) Το πρόγραμμα πρέπει να «διαβάζει» ουσιαστικά 5 εισόδους, έτσι πρέπει να γίνει μια κατάλληλη ρύθμιση των καταχωρητών. Παρακάτω περιγράφεται το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε. Σαν πρώτο βήμα ρυθμίζονται τα configuration bits, ώστε F CY = 29.48MHz. Στην συνέχεια αρχικοποιούνται τα 2 περιφερειακά, η PWM και ADC μονάδα. Στην μονάδα ADC μέσω του καταχωρητή ADCSSL δηλώνεται θα πρέπει να δειγματοληπτεί τις ακίδες ΑΝ0, ΑΝ1,ΑΝ2, ΑΝ3, ΑΝ4. Η ακίδες ΑΝ0 και ΑΝ1 δέχονται σαν είσοδο μια ρυθμιζόμενη τάση 0-5 V η οποία δύναται να αλλάξει το Κ1 κέρδος, δηλαδή την ισχύ εξόδου του αντιστροφέα και την

112 Κεφάλαιο 4 τιμή κέρδους Κ2 που χρησιμοποιείται στον έλεγχο, αντίστοιχα. Η AN2 όπως περιγράφηκε πριν, δέχεται την υποβιβασμένη τάση του δικτύου και η ΑΝ3 την υποβιβασμένη μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Η ΑΝ4 δέχεται την υποβιβασμένη τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Έπειτα πρέπει να καθοριστεί ποια ακίδα πάει σε ποιο κανάλι δειγματοληψίας. Επειδή πρέπει να διαβάζονται παραπάνω από 4 ακίδες, ένα κανάλι δειγματοληψίας πρέπει να δειγματοληπτεί 2 ακίδες. Για να επιτευχθεί αυτό γίνεται χρήση της δυνατότητας του μ/ε να καθορίζονται 2 διαφορετικές αντιστοιχήσεις καναλιών - ακίδων εναλλάξ σε κάθε δειγματοληψία. Αυτό υλοποιείται καθορίζοντας μέσω του καταχωρητή ADCHS ποιο κανάλι αναλαμβάνει κάθε ακίδα σε κάθε μία διαδρομή. Έτσι καθορίστηκε για την πρώτη διαδρομή το ΑΝ0 σαν θετική είσοδος του CH1, το ΑΝ1 σαν θετική είσοδος του CH2, το ΑΝ2 σαν θετική είσοδος του CH3, το ΑΝ3 σαν θετική είσοδος του CH0. Στην επόμενη δειγματοληψία θα αλλάξουν οι αντιστοιχήσεις ως ΑΝ0 στο CH1, ΑΝ1 στο CH2, ΑΝ2 στο CH3 και ΑΝ4 στο CH0. Με τον τρόπο αυτό δειγματολειπτούνται 5 αναλογικές εισόδους με 4 κανάλια. Τώρα μένει να καθοριστεί ο ρυθμός δειγματοληψίας, που γίνεται μέσω του ADCON3. Επιλέχθηκε χρόνος Τ AD με 52 κύκλους ρολογιού Τ CY, δηλαδή ADCS = , άρα σύμφωνα με τον τύπο (9), Τ AD = 898,88 ns και χρόνος δειγματοληψίας επιλέχθηκε στα T SMP = 7 Τ AD = ns ο οποίος συν τον χρόνο μετατροπής Τ CONV = 12 Τ AD =10786,97 ns, συνολικά 17079,13 ns που δίνει συχνότητα δειγματοληψίας khz. Τώρα μένει η ρύθμιση της παλμογεννήτριας. Μέσω του καταχωρητή PTCON επιλέγεται το free-running mode. Στον καταχωρητή PWMCON1 τίθενται τα PMOD1 και PMOD2 σε συμπληρωματική ρύθμιση και δηλώνονται ως έξοδοι τα pins PWM1L και PWM2H του μ/ε. Τέλος στον καταχωρητή PWMCON2 δηλώνεται ότι ο PDC πρέπει να αναβαθμίζεται κατευθείαν και όχι σύγχρονα με τη χρονική βάση της PWM. Αφού γίνουν οι αρχικοποιήσεις ακολουθεί η διαδικασία της συγγραφής του κυρίως προγράμματος. Αρχικά θα πρέπει να μπει σε μεταβλητές το αποτέλεσμα της μετατροπής του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, καθώς αυτό αποθηκεύεται αρχικά σε καταχωρητές (ADCBUFx) που το περιεχόμενο τους χάνεται μετά από συγκεκριμένο αριθμό μετατροπών. Όταν συμπληρωθεί ο προκαθορισμένος από τον καταχωρητή SMPI<3:0> αριθμός μετατροπών τότε δημιουργείται σήμα interrupt που μας επιτρέπει το διάβασμα των καταχωρητών ADCBUFx. Αφού γίνει αυτό αναπτύσσεται ο κώδικας που θα παράγει την SPWM, λαμβάνοντας υπόψιν τα κέρδη για τον έλεγχο. Στο σημείο αυτό να σημειωθεί μια τροποποίηση που έγινε στο αρχικώς σχεδιασμένο πρόγραμμα. Εξαιτίας του κοινού θορύβου (common mode noise) και της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής (ΕΜΙ) η αναφορά της τάσης του πυκνωτή C X μεταφέρεται με πολύ θόρυβο στην

113 Κεφάλαιο 4 πλακέτα ελέγχου, τόσο ώστε ο μ/ε να μην μπορεί να «διαβάσει» σωστές τιμές για να υλοποιήσει ορθά τον έλεγχο, η χρήση πυκνωτών σαν φίλτρα δημιουργούσε το πρόβλημα της καθυστέρησης φάσης που και αυτό επηρέαζε σημαντικά την αποτελεσματικότητα του προγράμματος. Έτσι στην υλοποίηση επιλέχθηκε αντί να διαβάζεται κάθε στιγμή η τάση του πυκνωτή αποσύζευξης, να εισαχθεί μια τιμή στο πρόγραμμα, η οποία θα είναι η μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Αυτή η λύση «χάλασε» λίγο το THD του ρεύματος εξόδου αλλά παρείχε στον αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης την ιδιότητα ο πυκνωτής αποσύζευξης να μην χρειάζεται προφόρτιση. Επειδή οι χρόνοι κάθε σταδίου της διακοπτικής περιόδου ορίστηκαν για κάποια τιμή τάσης στον πυκνωτή C X, ο πυκνωτής φθάνει αυτήν την τιμή της τάσης κατά την λειτουργία του κυκλώματος και αρχίζει να ταλαντώνεται με συχνότητα 100Hz. Έτσι το κύκλωμα δεν χρειάζεται την προφόρτιση του C X για να λειτουργήσει. Αναλυτικά το πρόγραμμα με τα απαραίτητα σχόλια παρουσιάζεται στο Παράρτημα A

114 Κεφάλαιο 4

115 Κεφάλαιο 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ- ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 5.1 Γενικά Στο κεφάλαιο παρουσιάζονται μετρήσεις και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη λειτουργία της πειραματικής διάταξης. Η πειραματική διαδικασία έγινε αυξάνοντας την ισχύ λειτουργίας μέχρι και 80W και όχι 100W όπως αρχικά είχε σχεδιαστεί. Αυτό έγινε λόγω του ότι ο Μ/Τ ζεσταινόταν πολύ με αποτέλεσμα η μόνωση του να εξασθενούσε και στην συνέχεια να διασπώταν δημιουργώντας βραχυκυκλώματα. Η πειραματική διάταξη συνολικά αποτελούνταν από τρία γραμμικά τροφοδοτικά των 15V, ένα τροφοδοτικό 5/15V, την πλακέτα ελέγχου, την πλακέτα ισχύος καθώς και το φίλτρο εξόδου. Το φίλτρο εξόδου δεν κατασκευάστηκε καθώς υπήρχε έτοιμο στο εργαστήριο φίλτρο που ικανοποιούσε τις προδιαγραφές. Για την τροφοδοσία της πλακέτας ισχύος, επειδή ότι δεν υπήρχε διαθέσιμο φωτοβολταϊκό πλαίσιο, χρησιμοποιήθηκε ένα DC τροφοδοτικό ισχύος μέχρι και 150 W. Σαν φορτίο προσαρμόστηκαν αρχικά στην έξοδο αντιστάσεις ισχύος και στην συνέχεια το ηλεκτρικό δίκτυο. Συλλέχθηκαν μετρήσεις με σταθερή αντίσταση ισχύος αλλά και με μεταβλητή ώστε στην έξοδο να υπάρχουν 230 V. Και στις δύο περιπτώσεις υπήρχαν περιορισμοί. Ο κύριος περιορισμός είναι εξαιτίας του ελέγχου, ο οποίος σχεδιάστηκε έτσι ώστε ο αντιστροφέας με πυκνωτή αποσύζευξης να λειτουργεί στις ονομαστικές του τιμές, δηλαδή P out = 100W V out,rms = 230 V, αυτός ο έλεγχος συνεπώς δεν επιτρέπει στον μετατροπέα να λειτουργήσει σωστά σε πολύ μικρή ισχύ παρέχοντας στην έξοδο 230 V (για να λειτουργήσει υπό αυτές τις συνθήκες πρέπει να αλλάξουν τα κέρδη ελέγχου) έτσι σε μικρές ισχύς χρησιμοποιήθηκε μικρότερη αντίσταση ώστε η τάση εξόδου να είναι λιγότερο απο 230 V. Τέλος ο αντιστροφέας με πυκνωτή αποσύζευξης συνδέθηκε στο δίκτυο μέχρι τα 60 W όπου συλλέχθηκαν οι αντίστοιχες κυματομορφές. Όλες οι μετρήσεις έγιναν χρησιμοποιώντας έναν ψηφιακό παλμογράφο. Η όλη διάταξη φαίνεται στο σχήμα

116 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.1 Φωτογραφία της πειραματικής διάταξης. 5.2 Αποτελέσματα Πειραμάτων - Σχολιασμός απόδοσης, απωλειών- Κυματομορφές Οι προδιαγραφές με τις οποίες έγινε το πείραμα ήταν: Vin=25V, 32.5V, 40V f S =20kHz για διάφορα επίπεδα ισχύος μέχρι 80 W. Οι κυματομορφές των τάσεων και των ρευμάτων που προέκυψαν από το πείραμα παρατίθενται στα παρακάτω σχήματα. Η διαδικασία έναρξης της λειτουργίας αποτελούνταν από τα εξής στάδια: 1) Σύνδεση του αντιστροφέα με την αντίσταση εξόδου και ενεργοποίηση των διακοπτών για τα S ac1,2. 2) Φόρτιση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και έναρξη τροφοδοσίας του κυκλώματος 3) Άνοιγμα του διακόπτη S X και S Μ με το κέρδος Κ1 μηδενικό 4) Έναρξη λειτουργίας της διάταξης -Αύξηση του κέρδους Κ1 Ακόμα σύμφωνα με την θεωρητική ανάλυση ο πυκνωτής αποσύζευξης της ισχύος πρέπει να είναι προφορτισμένος για να λειτουργήσει η διάταξη, όπως και έγινε. Με μια τροποποίηση του προγράμματος όμως κατέστη δυνατό να τεθεί η διάταξη σε λειτουργία τροφοδοτώντας το κύκλωμα μόνο με την τάση εισόδου. Ο πυκνωτής αποσύζευξης της ισχύος φορτίζεται και φθάνει την τελική του τιμή καθώς αυξάνει η ισχύς λειτουργίας του αντιστροφέα. Η τροποποίηση του προγράμματος περιγράφηκε στο τέλος του προηγούμενου κεφαλαίου

117 Κεφάλαιο 5 Αρχικά η τάση εξόδου Σχήμα 5.2 Η τάση πάνω στην αντίσταση εξόδου V in =32.5 V P=50W. Και η ανάλυση FFT αυτής της τάσης Σχήμα 5.3 Η ανάλυση FFT σε 125 Hz/div. Στο σχήμα 5.4 πάλι η FFT ανάλυση με 5 db/ div και φαίνονται καλύτερα οι αρμονικές

118 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.4 Η FFT ανάλυση σε 50 Hz/div. Παρατηρείται η βασική αρμονική στα 50 Hz, άλλα και άλλες ανώτερες αρμονικές που εισάγονται από το δίκτυο μέσω της τάσεως αναφοράς που δημιουργεί την SPWM. Επιπλέον έγιναν μετρήσεις THD της τάσεως εξόδου. Πίνακας 5.1 Μετρήσεις THD 25 W 50 W 80 W 25 V 40 V 3.6 % 5 % 4.3 % 3.8 % 3.8 % 3.8 % Μετρήσεις υπό σταθερή αντίσταση εξόδου Στους πίνακες φαίνονται οι μετρήσεις που έγιναν έχοντας σταθερή αντίσταση στην έξοδο, για τις τρεις τάσεις τροφοδοσίας. Η τιμή αυτής απεικονίζεται στο πάνω μέρος του κάθε πίνακα. Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις είναι ένα αμπερόμετρο στην είσοδο και ένα στην έξοδο, ενώ στην έξοδο ήταν συνδεδεμένο και ένα βολτόμετρο

119 Κεφάλαιο 5 Πίνακας 5.2 Μετρήσεις απόδοσης για 25 V στην είσοδο V in,(v) RL=910 Ω I in,(a) P in (W) V out,rms (V) I out,rms (A) P out (W) η 0, ,6 0,08 6,35 0,63 0, ,2 0,11 13,01 0,65 1, ,4 0,13 18,64 0,62 1, ,5 0,158 25,99 0, ,4 0,17 32,45 0,64 2, ,3 0,19 39,64 0,66 2, ,8 0,22 47,67 0,68 Πίνακας 5.3 Μετρήσεις απόδοσης για 32.5 V στην είσοδο V in,(v) 32,5 32,5 32,5 32,5 32,5 32,5 32,5 RL=873 Ω I in,(a) P in (W) V out,rms (V) I out,rms (A) P out (W) η 0,308 10,01 84,1 0,08 6,39 0,63 0,61 19,82 118,9 0,11 13,19 0,66 0,925 30,06 145,9 0,13 18,96 0,63 1,22 39,65 167,8 0,16 26,51 0,66 1,53 49, ,5 0,17 33,17 0,66 1,848 60, ,19 40,95 0,68 2,15 69, ,21 49,22 0,

120 Κεφάλαιο 5 Πίνακας 5.4 Μετρήσεις απόδοσης για 40 V στην είσοδο RL=874 Ω I in,(a) P in (W) V out,rms V in,(v) (V) I out,rms (A) P out (W) η 0,256 10,24 85,7 0,07 6,51 0, , ,8 0,11 13,40 0, ,752 30,08 148,1 0,13 19,25 0, ,996 39,84 171,1 0,16 27,03 0, ,252 50,08 196,6 0,17 34,60 0, ,498 59, ,19 42,9 0, , ,21 49,22 0,70 40 Όπως γίνεται φανερό στις παραπάνω μετρήσεις η ισχύς δεν αυξήθηκε πέραν ορισμένου σημείου γιατί η τάση εξόδου είχε φθάσει την μέγιστη τιμή της. Οι αποδόσεις είναι αρκετά χαμηλές και αυτό οφείλεται στο σημείο λειτουργίας του μετατροπέα είναι αρκετά μακριά από το ονομαστικό. Φαίνεται πως όσο η ισχύς αυξάνεται τόσο βελτιώνεται και η απόδοση βέβαια και πάλι είναι αρκετά πιο χαμηλά από τις αναμενόμενες τιμές

121 Κεφάλαιο Μετρήσεις υπό μεταβαλλόμενη αντίσταση εξόδου Στο πίνακες τώρα φαίνονται οι μετρήσεις που συγκεντρώθηκαν έχοντας μεταβλητή αντίσταση στην έξοδο, για τις τρεις τάσεις τροφοδοσίας. Υπάρχει πάντα ο περιορισμός για την τάση εξόδου σε μικρά επίπεδα ισχύος, που τέθηκε στην αρχή του κεφαλαίου. Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα ίδια με πριν. Πίνακας 5.5 Μετρήσεις απόδοσης για 25 V στην είσοδο V in,(v) I in,(a) P in (W) V out,rms (V) I out,rms (A) P out (W) η 0, ,6 0,076 6,35 0,63 0, ,2 0,111 13,01 0,65 1,205 30, ,4 0,13 18,64 0,62 1, ,5 0,158 25,99 0, ,147 33,66 0,67 2, ,175 40,6 0,67 2, ,209 48,07 0,68 3, ,8 0,255 58,34 0,73 Πίνακας 5.6 Μετρήσεις απόδοσης για 32.5 V στην είσοδο V in,(v) 32,5 32,5 32,5 32,5 I in,(a) P in (W) V out,rms (V) I out,rms (A) P out (W) η 0,308 10,01 84,1 0,075 6,31 0,63 0,61 19, ,9 0,111 13,19 0,66 0,925 30, ,9 0,104 21,30 0,71 1,22 39, ,123 28,29 0,

122 Κεφάλαιο 5 32,5 32,5 32,5 32,5 1,53 49, ,153 35,19 0,70 1,848 60,06 232,6 0,185 43,03 0,71 2,15 69, ,223 51,29 0,73 2,426 78, ,8 0,263 61,48 0,78 Πίνακας 5.7 Μετρήσεις απόδοσης για 40 V στην είσοδο V in,(v) 40 V 40 V 40 V 40 V 40 V 40 V 40 V 40 V I in,(a) P in V out,rms (V) I out,rms P out (W) η (W) (A) 0,256 A 10,24 85,7 0,075 6,42 0,62 0,5 A ,8 0,112 13,52 0,67 0,752 A 30,08 148,1 0,14 20,73 0,68 0,996 A 39,84 231,2 0,129 29,82 0,74 1,252 A 50,08 229,3 0,169 38,75 0,77 1,498 A 59,92 232,9 0,208 48,44 0,80 1,75 A ,5 0,248 56,91 0, ,4 0,297 68,72 0,86 Στο σχήμα 5.5 απεικονίζονται συγκεντρωτικά οι αποδόσεις για διάφορα επίπεδα ισχύος για τις 3 τάσεις εισόδου

123 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.5 Διάγραμμα της απόδοσης του αντιστροφέα Φαίνεται πως οι αποδόσεις ξεκινούν από ένα κοινό σημείο. Καθώς η ισχύς αυξάνεται, αυξάνεται και η απόδοση καθώς ο μετατροπέας φτάνει στην ονομαστική ισχύ λειτουργίας. Ακόμα, παρατηρείται μέγιστος ρυθμός αύξησης στα 40 V στην είσοδο. Αυτό είναι και φυσιολογικό, καθώς σε αυξημένη τάση εισόδου το ρεύμα εισόδου μειώνεται για ορισμένη ισχύ λειτουργίας, και το ρεύμα είναι αυτό που δημιουργεί τις απώλειες. Μέγιστη απόδοση εμφανίζεται στα 40 V και 80 W ίση με 85,9%., μια τιμή αρκετά ικανοποιητική και «κοντά» στην θεωρητική τιμή Κυματομορφές των τάσεων στα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν Στο σημείο αυτό θα παρουσιαστούν οι κυματομορφές για διάφορα στοιχεία κυκλώματος. Οι κυματομορφές εξήχθησαν με σκοπό την σύγκριση με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και την διαπίστωση της ορθής λειτουργίας του μετατροπέα. Αρχικά φαίνεται στα σχήματα 5.6 και 5.7 η τάση πάνω στο S M για τάση εισόδου 40 V και ισχύ λειτουργίας 60 W

124 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.6 Η τάση drain-source στο στοιχείο S M για Ρ=60 W, Vin=40 V Στο παραπάνω σχήμα η τάση που δέχεται το ημιαγωγικό στοιχείο S M στα 10us/div. Διακρίνονται τα διάφορα επίπεδα τάσης, όπως είχαν εμφανιστεί στις προσομοιώσεις. Σχήμα 5.7 Η τάση drain-source στο στοιχείο S M για Ρ=60 W, Vin=40 V

125 Κεφάλαιο 5 Στα σχήματα 5.8 και 5.9 απεικονίζεται η τάση που δέχεται το ημιαγωγικό στοιχείο S Χ σε διάφορες κλίμακες του χρόνου. Σχήμα 5.8 Η τάση drain-source στο στοιχείο S X για Ρ=60 W, Vin=40 V Σχήμα 5.9 Η τάση drain-source στο στοιχείο S X για Ρ=60 W, Vin=40 V

126 Κεφάλαιο 5 Η τάση και σε αυτό το στοιχείο είναι η αναμενόμενη από την θεωρητική ανάλυση και τις προσομοιώσεις. Εύκολα παρατηρεί κανείς τις υπερτάσεις από την επαγωγή σκεδάσεως που εμφανίζονται όπως εμφανίστηκαν και στις προσομοιώσεις. Στο σημείο αυτό θα εξεταστεί αν η υπέρταση οφείλεται στην επαγωγή σκέδασης και αν είναι ίδια με αυτήν που εμφανίστηκε στις προσομοιώσεις. Μετρώντας την περίοδο από το σχήμα 5.10 είναι ίση με Τ = (περίπου) 200 ns, ίδια τιμή δηλαδή με αυτήν που εμφανίστηκε στην προσομοίωση και υπολογίστηκε απο την τιμή των παρασιτικών στοιχείων. Στην διάταξη τα στοιχεία που τελικά κατασκευάστηκαν και επιλέχθηκαν έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά L σκεδ =1.13uH C oss = 639pF άρα T=179 ns. Πολύ κοντά στην τιμή του που εμφανίζεται στον παλμογράφο. Σχήμα 5.10 Η υπέρταση από την επαγωγή σκεδάσεως που εμφανίζεται στο στοιχείο S X. Για Ρ=60 W, Vin=40 V

127 Κεφάλαιο 5 Στα σχήμα 5.11 η τάση που δέχεται η δίοδος D Μ, καθώς και στο σχήμα 5.12 μεγεθυμένη στο χρόνο η υπέρταση από την επαγωγή σκεδάσεως όπως την δέχεται η δίοδος. Σχήμα 5.11 Η τάση Α-Κ στην δίοδο D M για Ρ=60 W, Vin=40 V. Σχήμα 5.12 Η υπέρταση από την σκέδαση όπως εμφανίζεται στην δίοδο D M Για Ρ=60 W, Vin=40 V

128 Κεφάλαιο 5 Η μορφή των κυματομορφών είναι η αναμενόμενη επιβεβαιώνοντας την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Στα σχήματα 5.13, 5.14 και 5.15 φαίνονται οι τάσεις στα στοιχεία στη μεριά του δευτερεύοντος τυλίγματος Σχήμα 5.13 Η τάση στο στοιχείο S ac με 5 us/div Για Ρ=60 W, Vin=40 V. Σχήμα 5.14 Η τάση στο στοιχείο S ac με 25 us/div Για Ρ=60 W, Vin=40 V

129 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.15 Η τάση στο στοιχείο S ac με 5 ms/div Για Ρ=60 W, Vin=40 V. Σε σύγκριση με τις κυματομορφές που εξήχθησαν από το πρόγραμμα της προσομοίωσης (βλ. σχ. 3.16) δεν παρατηρείται κάποια αξιοσημείωτη διαφορά μεταξύ των δύο κυματομορφών, υποδεικνύοντας για άλλη μια φορά την ορθή λειτουργία του κυκλώματος

130 Κεφάλαιο 5 Στα σχήματα 5.16 και 5.17 παρουσιάζεται η τάση πάνω στο πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Τ σε διάφορες κλίμακες στον χρόνο. Σχήμα 5.16 Η τάση στο πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Τ για Ρ=60 W, Vin=40 V. Σχήμα 5.17 Η τάση στο πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Τ, L 1 για Ρ=60 W, Vin=40 V

131 Κεφάλαιο 5 Στα σχήματα 5.18 και 5.19 η τάση στον πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος. Σχήμα 5.18 Η τάση πάνω στον πυκνωτή αποσύζευξης για Ρ=60 W, Vin=40 V. Στο παλμογράφημα με το AC coupling (σχήμα 5.19) φαίνεται καλύτερα η ταλάντωση με 100 Hz της τάσης πάνω στον πυκνωτή. Υπάρχει αρκετός θόρυβος, όπως φαίνεται απο τις πολλές κατακόρυφες μεταβολές. Ο θόρυβος αυτός εισέρχεται στην πλακέτα ελέγχου και εμποδίζει τον μ/ε από το να διαβάσει σωστά την τάση του πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος, με αποτέλεσμα τον μη - αποτελεσματικό έλεγχο

132 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.19 Η τάση πάνω στον πυκνωτή αποσύζευξης με AC coupling για Ρ=60 W, Vin=40 V Μετρήσεις και πειραματικά αποτελέσματα απο την λειτουργία του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος σε σύνδεση με το δίκτυο Το συγκεκριμένο πείραμα, διεξήχθη για τάση εισόδου 32.5 V και για ισχύ λειτουργίας από W. Στην συγκεκριμένη περίπτωση η έξοδος του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης έχει συνδεθεί με το ηλεκτρικό δίκτυο Ε.Ρ, παρέχοντας ηλεκτρική ισχύ σε αυτό. Από την λειτουργία του αντιστροφέα σε αυτά τα επίπεδα ισχύος, προκύπτουν τα ακόλουθα παλμογραφήματα για τα 30 και τα 60 W, όπως απεικονίστηκαν στην οθόνη του ψηφιακού παλμογράφου. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε αυτή τη φορά διαφέρει από την σύνδεση με μια αντίσταση στην έξοδο, ακολουθήθηκε διαφορετική σειρά βημάτων για τη διασύνδεση στο δίκτυο. 1) Καταρχάς το κέρδος Κ1 ρυθμίζεται για ισχύ λειτουργίας του μετατροπέα στην οποία ο έλεγχος μπορεί να «δώσει» 230 V στην έξοδο. 2) Ο μετατροπέας συνδέεται στην έξοδο και τα S ac1,2 παλμοδοτούνται 3) Γίνεται η σύνδεση με την τροφοδοσία και ο πυκνωτής αποσύζευξης φορτίζεται και μένει συνδεδεμένος στο τροφοδοτικό

133 Κεφάλαιο 5 4) Τώρα ενεργοποιούνται ταυτόχρονα τα S Μ και S Χ. 5) Αφού ενεργοποιηθεί η διάταξη το τροφοδοτικό που φορτίζει τον πυκνωτή αποσύζευξης μπορεί να αποσυνδεθεί. Ακολουθώντας αυτή την σειρά βημάτων ο μετατροπέας συνδέθηκε στο δίκτυο. Για ισχύ 30 W στο σχήμα 5.20 με κίτρινο χρώμα στον παλμογράφο φαίνεται η τάση του δικτύου ενώ με μωβ το ρεύμα εξόδου. Σχήμα 5.20 Τάση του δικτύου και το ρεύμα εξόδου για 30 W Για ισχύ 60 W ισχύουν τα ίδια στο σχήμα

134 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.21 Τάση του δικτύου και το ρεύμα εξόδου για 60 W Στο σχήμα 5.22 φαίνεται η ανάλυση FFT του ρεύματος εξόδου Σχήμα 5.22 Ανάλυση FFT του ρεύματος εξόδου

135 Κεφάλαιο 5 Αξιοπρόσεχτη είναι η βασική αρμονική στα 50 Hz και μερικές άλλες ανώτερες αρμονικές που είτε εισέρχονται από το δίκτυο είτε από το μη τέλειο ημίτονο που παράγει ο αντιστροφέας. 5.3 Φωτογραφικό υλικό απο την κατασκευή του αντιστροφέα ρεύματος με πυκνωτή αποσύζευξης Σχήμα 5.23 Η πάνω όψη της πλακέτας ισχύος

136 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.24 Η κάτω όψη της πλακέτας ισχύος. Σχήμα 5.25 Η πλακέτα ελέγχου

137 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.26 Η πλακέτα των τροφοδοτικών. Σχήμα 5.27 Το φίλτρο εξόδου