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 Ηλία Αλαφογιάννη του Ανδρέα Α.Μ.: 6471 Θέμα Μελέτη και κατασκευή εργαστηριακής διάταξης για προσομοίωση συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.- Μηχ.Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Ν ο 355 Πάτρα, Φεβρουάριος 2013 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 Ηλία Αλαφογιάννη του Ανδρέα Α.Μ.: 6471 Θέμα Μελέτη και κατασκευή εργαστηριακής διάταξης για προσομοίωση συστήματος μετατροπής αιολικής ενεργείας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.- Μηχ.Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Ν ο /2013 Πάτρα, Φεβρουάριος 2013

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: " Μελέτη και κατασκευή εργαστηριακής διάταξης για προσομοίωση συστήματος μετατροπής αιολικής ενεργείας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος." του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ηλία Αλαφογιάννη του Ανδρέα (Α.Μ. 6471) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 25/02/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Επαμεινώνδας Μητρονίκας Επίκουρος Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2013 ΤΙΤΛΟΣ: "Μελέτη και κατασκευή εργαστηριακής διάταξης για προσομοίωση συστήματος μετατροπής αιολικής ενεργείας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος." Φοιτητής: Επιβλέπων: Ηλίας Αλαφογιάννης του Ανδρέα Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή εργαστηριακής διάταξης για προσομοίωση συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη και η κατασκευή διάταξης με χρήση ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα και ενός τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης, για να λειτουργήσει η μηχανή σαν γεννήτρια σε υποσύγχρονες ταχύτητες. Πρόκειται για ένα σύστημα που συναντάται στις ανεμογεννήτριες και προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα και ευελιξία σε σχέση με της άλλες τοπολογίες. Αρχικά έγινε μια εκτενής μελέτη της λειτουργικής συμπεριφορά της διάταξης καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζει. Το πλήρες σύστημα της ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει την ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα με το τύλιγμα του στάτη της συνδεδεμένο στο δίκτυο και το τύλιγμα του δρομέα συνδεδεμένο με έναν μετατροπέα AC-DC-AC συχνότητας με ηλεκτρονικά ισχύος. Ο μετατροπέας AC-DC-AC αποτελείται από δύο επιμέρους ελεγχόμενους μετατροπείς, το μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου και τον μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα, και έναν πυκνωτή στη συνεχή διασύνδεση των δύο μετατροπέων. Ακόμα γίνεται καταγραφή και ανάλυση των μεθόδων ελέγχου κλειστού βρόχου, οι οποίες αποτελούν μεγάλο κομμάτι για την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Έπειτα ακολούθησε η προσομοίωση του συστήματος με χρήση του λογισμικού MATLAB/Simulink. Τα αποτελέσματα της προσομοιώσης παρουσιάζουν τη λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής σαν γεννήτρια και ειδικότερα σαν ανεμογεννήτρια. Τόσο στην προσομοίωση όσο και στα πειράματα έγινε έλεγχος ανοιχτού βρόχου αν και η κατασκευή των πλακετών έγινε με προσανατολισμό να καθιστά εφικτό μελλοντικά την υλοποίηση ελέγχου κλειστού βρόχου. Τέλος ακολουθούν οι μετρήσεις, που καταγράφηκαν, από το εργαστηριακό πείραμα και τα συμπεράσματα για την λειτουργία της κατασκευής, καθώς επίσης και τρόποι βελτίωσης της.

8

9 Abstract This thesis is focused on the design and construction of laboratory layout to simulate the conversion of wind energy into electricity with wound rotor asynchronous generator and power electronic converters. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, Faculty of Engineering, University of Patras. The main purpose of this project was to study and build a system using a wound rotor asynchronous generator and a three-phase voltage source inverter to operate the machine as a generator in subsynchronous speeds. This system is commonly used in wind turbines and offers many advantages and flexibility compared to the other topologies. Initially, an extensive study has been made on the system operation, the advantages and disadvantages. The overall wind turbine system includes the wound rotor asynchronous generator with the stator winding connected directly to the grid and the rotor winding connected to a back-to-back frequency converter with power electronics. The back-to-back converter consists of two controlled converters, the grid side converter (GSC) and the rotor side converter (RSC) and a DC-link capacitor. Furthermore, it has been made a detail analysis of the converter s closed loop control methods. Moreover, simulation of the system has been made using the software program MATLAB/Simulink. The results of the simulations clearly show the asynchronous machine in generation mode and operate as if in wind turbines. An open loop control was applied in both the simulation and the laboratory application. The manufacturing of the hardware is oriented to make possible the implementation of closed loop control in the future. Finally follow the measurements recorded by the laboratory experiment and the conclusion for the operation of the system in the laboratory, as well as ways to improve it.

10

11 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.- Μηχ. Αθανάσιο Σαφάκα κατά τα ακαδημαϊκά έτη Σκοπός της διπλωματικής εργασία είναι η μελέτη και κατασκευή διάταξης για προσομοίωση συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικού μετατροπείς ισχύος. Έγινε ιδιαίτερη μελέτη στη λειτουργία της ασύγχρονη γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα και στον έλεγχο της από ηλεκτρονικούς μετατροπής ισχύος και στην συμπεριφορά της στα αιολικά συστήματα. Στο χώρο του εργαστηρίου χρησιμοποιήθηκε ζεύγος μηχανών για την προσομοίωση ενός αιολικού συστήματος. Προσομοιώθηκε η λειτουργία της ασύγχρονης γεννήτριας και η απόδοση ισχύος προς το δίκτυο από αυτή. Στη πειραματική διάταξη έγινε επιτυχής παραλληλισμός του αντιστροφέα με τη τάσης του δρομέα της ασύγχρονης μηχανής και λειτούργησε η μηχανή ως γεννήτρια. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 αναφέρεται η σημασία της αιολικής ενέργειας και τα πλεονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών και γίνεται ανάλυση αυτών. Παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές βάσει των οποίων επιτυγχάνεται μέγιστη απομάστευση ισχύος και τα είδη του μηχανικού ελέγχου, που εφαρμόζεται στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Στο κεφάλαιο 2 παρατίθενται οι καταστάσεις λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Επιπλέον παρουσιάζονται οι μηχανές, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα και σημειώνονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μίας από αυτές. Γίνεται αναφορά και περιγραφή των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες και οι τεχνικές παλμοδότησης αυτών. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναλυτική περιγραφή της λειτουργικής συμπεριφοράς της ασύγχρονης γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα. Ακόμα παρατίθενται οι βασικές στρατηγικές ελέγχου κλειστού βρόχου, που υπάρχουν σε αυτά τα συστήματα. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η προσομοίωση του συστήματος για υποσύγχρονο αριθμό στροφών και η λειτουργία του αποδίδοντας ισχύ στο δίκτυο. Στην συνέχεια έγινε προσομοίωση και του ανεμοκινητήρα και λειτουργία του συστήματος για να επιτευχθεί μέγιστη απομάστευση ισχύος. I

12 Πρόλογος Στο κεφάλαιο 5 γίνεται περιγραφή της κατασκευής της πειραματικής διάταξης καθώς επίσης πως έγινε η επιλογή των στοιχείων. Επίσης δίνεται περιγραφή της λειτουργίας των κυκλωμάτων. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων που έγιναν στην διάταξη. Υπάρχει αναλυτική περιγραφή της διαδικασία που ακολουθήθηκε στις πειραματικές μετρήσεις και δίνεται διάγραμμα ροής που παρουσιάζει την ροή του προγράμματος στο μικροελεγκτή. Στο κεφάλαιο 7 αναφέρονται τα συμπεράσματα του προέκυψαν από την συνολική ενασχόληση με τη διπλωματική εργασία αυτή, καθώς επίσης και τρόποι βελτίωσης και επέκτασης της πειραματικής διάταξης. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν και τα σχέδια των πλακετών που κατασκευάστηκαν. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας κ. Αθανάσιο Σαφάκα, την επίβλεψη και την υποστήριξή του κατά τη διάρκεια της διπλωματικής αυτής εργασίας. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους υποψήφιους διδάκτορες Δημήτρη Γκιαουράκη και Σάββα Τσοτουλίδη, οι οποίοι βοήθησαν τόσο στο θεωρητικό όσο και το πειραματικό μέρος της εργασίας. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω τους συμφοιτητές μου Χριστάκη Ιωάνου, Μαρία Καράμπελα, Αναστάση Κόντο, Κώστα Κωνσταντίνου, Γιάννη Πρωιμάδη και Βαγγέλη Τσούμα για τη βοήθεια τους και τις χρήσιμες συμβουλές τους. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου για την κατανόηση, την υπομονή και την υποστήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια της φοίτησης μου στο Πανεπιστήμιο Πατρών. II

13 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Εισαγωγή Ανεμογεννήτριες [1] Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Δομή ανεμογεννήτριας [1] Αιολική ενέργεια [1] Θεωρητική μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος C p Πραγματική μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος C p Μέγιστη προσλαμβανόμενη ισχύς [1] Μηχανικός έλεγχος στον ανεμοκινητήρα [1] Γωνία βήματος πτερυγίου Παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών [1][7] Ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών [1][7] Τοπολογίες ανεμογεννητριών [7][8] Τοπολογία Τύπου Α Τοπολογία Τύπου Β Τοπολογία Τύπου Γ Μετατροπείς στις ανεμογεννήτριες [7] Μετατροπέας ομαλής εκκίνησης (soft-starter) Μετατροπέας AC-DC-AC Μέθοδοι παλμοδότησης αντιστροφέων τάσης [10][11][12] Ημιτονοειδή Διαμόρφωση Εύρους παλμών( SPWM) Διαμόρφωση Διανύσματος Χώρου (SVM) Σύγκριση μεθόδων παλμοδότησης SPWM και SVM 27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 29 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΕ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΑΚΤΥΛΙΟΦΟΡΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα [17] 29 III

14 Περιεχόμενα 3.2 Διάταξη ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα[1][7][8][19] Υπερσύγχρονη λειτουργία Υποσύγχρονη λειτουργία Έλεγχος ανεμογεννήτριας[1][8][19][20] Έλεγχος του μετατροπέα από την πλευρά της γεννήτριας(gsc)[21] Διανυσματικός έλεγχος(vc) Άμεσος έλεγχος ροπής(dtc) Άμεσος έλεγχος ισχύος(dpc) Σύγκριση μεθόδων ελέγχου Έλεγχος του μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου(gsc)[1][26][27][28] 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σύστημα προς προσομοίωση Εκκίνηση και παραλληλισμός με το δίκτυο Περιγραφή διαδικασίας παραλληλισμού στην προσομοίωση Προσομοίωση τοπολογίας για παραλληλισμό και αποστολή ισχύος προς το δίκτυο Διαδικασία προσομοίωσης και γραφικές παραστάσεις μεγεθών Προσομοίωση ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα για υποσύγχρονες ταχύτητες και η προσφερόμενη ισχύς στο δίκτυο 61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ Περιγραφή πειραματικής διάταξης Πλακέτα τριφασικού αντιστροφέα Ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος Σύστημα απαγωγής θερμότητας Κύκλωμα παλμοδότησης των IGBT Πλακέτα μικροελεγκτή [35][36][37][38] Περιγραφή του μικροελεγκτή Πλακέτα μετρητικών τάσης και ρεύματος [28] Μετρητικό τάσης Μετρητικό ρεύματος Ενεργά φίλτρα Κύκλωμα ανίχνευσης μηδενισμού (zero-crossing) Πλακέτα γραμμικών τροφοδοτικών και οδήγησης διακόπτη [12][41] Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης + 5 V Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης ±15 V Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης +5V και +15V Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης +12 V Κύκλωμα οδήγησης διακόπτη 93 IV

15 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Πειραματικά αποτελέσματα λειτουργίας της ασύγχρονης γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα τροφοδοτώντας ένα τριφασικό φορτίο Περιγραφή διαδικασίας παραλληλισμού και απόδοσης ισχύος στο δίκτυο Πειραματικά αποτελέσματα 105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΠΤΙΚΕΣ 115 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 117 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 121 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β 125 V

16 Περιεχόμενα VI

17 Κεφάλαιο 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 1.1 Εισαγωγή Η σημαντική μείωση των ορυκτών και η συνεχής μόλυνση του πλανήτη οδηγεί στην εκμετάλλευση ολοένα και περισσότερο των ήπιων μορφών ενέργειας. Μια από αυτές είναι και η αιολική. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρικής έχει γνωρίσει ραγδαία άνοδο τα τελευταία χρόνια και για αυτό το λόγο γίνεται εκτεταμένη μελέτη στις ανεμογεννήτριες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εξέλιξη της τεχνολογίας που αφορά τα αιολικά συστήματα, είτε πρόκειται για μεμονωμένες ανεμογεννήτριες είτε για μικρά ή μεγάλα πάρκα [1]. Στην Ελλάδα η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας παρουσιάζει μεγάλη άνοδο ειδικά τα τελευταία δέκα χρόνια. Η συνολική εγκαταστημένη ισχύς αιολικών πάρκων μέχρι τον Μάιο του 2012 ήταν 1723,1MW, το κύριο μέρος της οποίας βρίσκεται στη Στερεά Ελλάδα [2]. Ενώ συνολικά στην Ευρώπη ξεπερνά τα 10GW [3]. Τα κύρια πλεονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας(α.π.ε.) είναι τα παρακάτω [4]: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους, οι οποίοι με το πέρασμα του χρόνου εξαντλούνται. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Είναι γεωγραφικά διεσπαρμένες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας τα συστήματα υποδομής, ενώ παράλληλα μειώνονται οι απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών έως αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή), επιτυγχάνοντας πιο ορθολογική χρησιμοποίηση των ενεργειακών πόρων. Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, το οποίο επιπλέον δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. 1

18 Κεφάλαιο 1 Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση υποβαθμισμένων, οικονομικά και κοινωνικά, περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση επενδύσεων που στηρίζονται στη συμβολή των ΑΠΕ (π,χ. καλλιέργειες θερμοκηπίου με γεωθερμική ενέργεια). Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. 1.2 Ανεμογεννήτριες [1] Η εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου είναι ο κύριος σκοπός των ανεμογεννητριών, οι οποίες μετατρέπουν την αιολική ενέργεια στην αρχή σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η συνεχής εξέλιξη των ανεμογεννητριών έχει οδηγήσει στη δημιουργία όλο και μεγαλύτερων εγκαταστάσεων τόσο στο μέγεθος όσο και ισχύ. Στο σχήμα 1.1 φαίνεται η πρόοδος των ανεμογεννητριών στην πάροδο των χρόνων. Σχήμα 1.1: Πρόοδος μεγέθους ανεμογεννητριών [1]. Η μορφή των ανεμογεννητριών έχει καταλήξει σε αυτή που γνωρίζουμε, έπειτα από πολλές δοκιμές σε διάφορους κατασκευαστικούς τομείς. Τέτοιοι τομείς είναι ο αριθμός των πτερυγίων και ο προσανατολισμός του άξονα περιστροφής τους. Έτσι καταλήξαμε στο διαχωρισμό των ανεμογεννητριών σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα περιστροφής Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Το βασικό χαρακτηριστικό αυτών των ανεμογεννητριών είναι ότι ο άξονας περιστροφής τους βρίσκεται κάθετα ως προς το έδαφος και ως προς την ροή του ανέμου. Μια ανεμογεννήτρια τέτοιου είδους φαίνεται στο σχήμα

19 Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.2: Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα [5]. Αυτού του τύπου οι ανεμογεννήτριες έχουν το πλεονέκτημα ότι δε χρειάζεται να στραφούν προς την διεύθυνση του ανέμου. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται σε περιοχές που η διεύθυνση του ανέμου αλλάζει συνεχώς. Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι η μηχανή είναι τοποθετημένη κοντά στο έδαφος δίνοντας τη δυνατότητα για εύκολη συντήρηση και ευκολία στην κατασκευή κάνοντας την πιο απλή και οικονομική. Επίσης στην περίπτωση που χρησιμοποιηθεί σύγχρονη γεννήτρια δε γίνεται επιπλέον έλεγχος στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας. Έχουν όμως μερικά σημαντικά μειονεκτήματα που καθιστούν τη χρήση τους μη συμφέρουσα. Ένα από αυτά είναι η εκκίνησή τους, για την οποία χρειάζεται μεγάλη ροπή. Για αυτό το λόγο είτε εφαρμόζεται εξωτερικά είτε εκκινούμε την μηχανή ως κινητήρα στην αρχή παίρνοντας ισχύ από το δίκτυο. Σημαντικό είναι επίσης η χαμηλή απόδοση που έχει. Αυτή είναι αποτέλεσμα των χαμηλών ταχυτήτων του ανέμου σε μικρά υψόμετρα και λόγω της μορφής των πτερυγίων τους η συνεισφορά του ανέμου σε κάποια σημεία είναι μικρή έως και μηδενική Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα είναι αυτές που έχουν επικρατήσει και χρησιμοποιούνται ευρέως παγκόσμια. Ο άξονας περιστροφής τους είναι παράλληλα με το 3

20 Κεφάλαιο 1 έδαφος και με την ροή του ανέμου. Η λειτουργία τους είναι εφικτή και αποτελεσματική ακόμα και με μικρές ταχύτητες ανέμου, αφού εκκινούν εύκολα και χωρίς εξωτερική παρέμβαση. Έχουν εύκολη συναρμολόγηση και υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή, πράγμα που τις κάνει συμφέρουσα λύση για εγκαταστάσεις μεγάλης ισχύος. Παρουσιάζουν όμως και ορισμένα μειονεκτήματα. Το μεγαλύτερο είναι ότι λόγω του οριζόντιου άξονα περιστροφής τα μηχανικά μέρη, όπως η μηχανή και το κιβώτιο ταχυτήτων, πρέπει να βρίσκονται στην κορυφή του πύργου. Αυτό δυσχεραίνει τόσο την κατασκευή αυξάνοντας το κόστος της όσο και την συντήρηση των μηχανικών αυτών μερών που πρέπει να γίνεται σε μεγάλο ύψος. Ακόμα είναι απαραίτητος ένας τρόπος προσανατολισμού της ανεμογεννήτριας προς την ροή του ανέμου. Αυτό επιτυγχάνεται είτε με την προσθήκη ενός μηχανισμού περιστροφής της ανεμογεννήτριας είτε με την τοποθέτηση ενός πτερυγίου στο πίσω μέρος της ατράκτου. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα χωρίζονται σε επιμέρους κατηγορίες ανάλογα με τον αριθμό των πτερυγίων τους. Οι μονοπτέρυγες είναι αυτές με ένα πτερύγιο, οι διπτέρυγες είναι με δύο, οι τριπτέρυγες είναι με τρία και οι πολυπτρέρυγες είναι οι υπόλοιπες με περισσότερα από τρία πτερύγια. Από τις παραπάνω κατηγορίες ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα οι τριπτέρυγες είναι αυτές που έχουν επικρατήσει για το λόγο ότι παρουσιάζουν το μεγαλύτερο αεροδυναμικό συντελεστή και εξαιρετική στιβαρότητα κατασκευής. Μια τέτοια ανεμογεννήτρια φαίνεται στο σχήμα 1.3. Σχήμα 1.3: Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα [6]. 1.3 Δομή ανεμογεννήτριας [1] Η βασική δομή των ανεμογεννητριών σήμερα αποτελείται από τρία πτερύγια, μια γεννήτρια και τον πυλώνα. Εσωτερικά η δομή της φαίνεται στο σχήμα

21 Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.4: Δομή ανεμογεννήτριας [1]. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η ροή του ανέμου στρέφει τα πτερύγια, τα οποία μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων μεταφέρουν την μηχανική ενέργεια στο δρομέα της γεννήτριας. Επίσης μπορούμε να παρατηρήσουμε και άλλους μηχανισμούς που είναι απαραίτητοι για τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας. Τέτοιος είναι το φρένο που χρησιμοποιείται όταν επιθυμούμε να θέσουμε εκτός λειτουργίας την ανεμογεννήτρια λόγω ισχυρών ανέμων για την προστασία των μηχανικών μερών της. Ακόμα φαίνεται ο μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου, ο οποίος στρέφει την ανεμογεννήτρια προς την διεύθυνση του ανέμου. Τέλος υπάρχει το ανεμόμετρο με την βοήθεια του οποίου γίνεται γνωστή η ταχύτητα του ανέμου και η διάταξη ελέγχου, η οποία περιέχει τα ηλεκτρονικά ισχύος και τον έλεγχο τους, έτσι ώστε να έχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος. 1.4 Αιολική ενέργεια [1] Για να υπολογίσουμε την ισχύ του ανέμου, αρχικά υπολογίζουμε την κινητική ενέργεια του ανέμου με την σχέση 1.1. Έστω m μια αέρια μάζα και v(t) η στιγμιαία ταχύτητα του ανέμου. Έτσι έχουμε: (0.1) 5

22 Κεφάλαιο 1 Αν ρ είναι η πυκνότητα της αέριας μάζας και Α η επιφάνεια που διαπερνά ο αέρας, τότε η ανά μονάδα χρόνου η μάζα του αέρα είναι: (0.2) Από τις σχέσεις 1.1 και 1.2 καταλήγουμε στη στιγμιαία τιμή της ισχύος του ανέμου που δίνεται από τη σχέση: (0.3) Όπως φαίνεται από την παραπάνω σχέση, η ενέργεια του ανέμου εξαρτάται κατά κύριο λόγω από την ταχύτητά του αφού είναι ανάλογη με τον κύβο αυτής. Στην πράξη όμως ο ανεμοκινητήρας δε προσλαμβάνει ολόκληρη την ενέργεια του ανέμου, αφού αυτός συνεχίζει με μια ταχύτητα και μετά την ανεμογεννήτρια. Έτσι ένα κομμάτι αυτής μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια. Για αυτό ορίζουμε τον συντελεστή απόδοσης του ανεμοκινητήρα Cp ως εξής: (0.4) όπου Ρ Μ είναι η μηχανική ισχύς που παράγεται Θεωρητική μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος C p [1] Θεωρούμε αρχικά ιδανικό τον μηχανισμό δέσμευσης της κινητικής ενέργειας του ανέμου από τον ανεμοκινητήρα. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.5, ο άνεμος πριν τον ανεμοκινητήρα, τον οποίο θεωρούμε δίσκο, έχει μια δεδομένη στατική πίεση και ταχύτητα v 1. Η ανεμογεννήτρια αφαιρεί ταχύτητα από τον αέρα και μειώνει την στατική του πίεση. Σε μεγάλη απόσταση μετά την ανεμογεννήτρια, όπου θα έχει αποκατασταθεί η στατική πίεση του ανέμου σύμφωνα με αυτή του περιβάλλοντος, θα έχει ταχύτητα v 3 μικρότερη από αυτήν πριν την ανεμογεννήτρια. 6

23 Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.5: Ροή αέρα στην ανεμογεννήτρια[1] Η στοιχειώδης αέρια μάζα ανά μονάδα χρόνου που περνά από την ανεμογεννήτρια παραμένει σταθερή πριν και μετά από αυτήν και είναι: (0.5) όπου ρ η πυκνότητα του αέρα, R η ακτίνα του ανεμοκινητήρα και η v 2 ταχύτητα του αέρα που διαρρέει την ανεμογεννήτρια. Η κινητική ενέργεια που προσλαμβάνει ο ιδανικός ανεμοκινητήρας είναι η διαφορά της κινητικής ενέργειας του ανέμου πριν και μετά από αυτόν και ισούται με: (0.6) Η ισχύς αυτής της ενέργειας είναι: (0.7) Όμως η ενέργεια W ακ μπορεί να δοθεί από το γινόμενο της ορμής του αέρα επί την ταχύτητά της. Αυτό μας δίνεται από την σχέση: (0.8) Έτσι από τις σχέσεις 1.6 και 1.8 έχουμε τη σχέση: (0.9) Οπότε αντικαθιστώντας στον τύπο της ισχύος (1.7) έχουμε: 7

24 Κεφάλαιο 1 (0.10) Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (1.10) και (1.3) στον συντελεστή απόδοσης του ανεμοκινητήρα 1.4 παίρνουμε τη σχέση: (0.11) Για να βρούμε το μέγιστο της παραπάνω σχέσης την παραγωγίζουμε ως προς και θέτουμε την παράγωγο ίση με μηδέν. Κάνοντας πράξεις καταλήγουμε εύκολα στη σχέση: (0.12) Οπότε το θεωρικό μέγιστο C p υπολογίζεται από την σχέση (1.11) αντικαθιστώντας την (1.12) και έχει την τιμή: (0.13) Η τιμή αυτή ονομάζεται όριο του Betz. Στην πράξη ο συντελεστής απόδοσης του ανεμοκινητήρα C p δεν ξεπερνά την τιμή 0,5 λόγω μηχανικών τριβών και αεροδυναμικών απωλειών Πραγματική μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος C p [1] Είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο τη μέγιστη θεωρητική τιμή του C p με βάση τον κανόνα του Betz. Στην πραγματικότητα όμως ο συντελεστής αυτός δεν παραμένει αμετάβλητος, αλλά εξαρτάται από την γωνία βήματος του πτερυγίου β και την ταχύτητα ακροπτερυγίου λ. Η γωνία βήματος πτερυγίου είναι ένα είδος μηχανικού ελέγχου που εφαρμόζεται στα πτερύγια. Με αυτόν τον έλεγχο τα πτερύγια έχουν την δυνατότητα να στέφονται γύρω από τον άξονά τους είτε προς είτε αντίθετα στην διεύθυνση του ανέμου. Ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ είναι ο λόγος της ταχύτητας περιστροφής του ακροπτερυγίου προς την ταχύτητα του ανέμου και δίνεται από τον τύπο: (0.14) όπου ω r η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του ανεμοκινητήτα σε rad/sec και R η ακτίνα του πτερυγίου σε m. 8

25 Κεφάλαιο 1 Επομένως για τον υπολογισμό του C p (λ,β) χρησιμοποιούμε τον προσεγγιστικό τύπο: (0.15) όπου για το λ i έχουμε τη σχέση: (0.16) Με τη γραφική απεικόνιση των παραπάνω σχέσεων μπορούμε πιο εύκολα να δούμε τα σημεία μεγιστοποίησης του C p, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 1.5. Σχήμα 1.5: Διάγραμμα συντελεστή ισχύος C p ως συνάρτηση του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ για διάφορες τιμές του β [1]. Από το παραπάνω διάγραμμα φαίνεται ότι το C p μεγιστοποιείται για β=0 ο και για λ opt = Με αυτές τις τιμές έχουμε C p_opt = Για να επιτυγχάνεται μέγιστη παραγωγή ισχύος από την ανεμογεννήτρια πρέπει η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα να παίρνει βέλτιστες τιμές για κάθε ταχύτητα του ανέμου έτσι ώστε να έχουμε μέγιστη τιμή για το C p. 1.5 Μέγιστη προσλαμβανόμενη ισχύς [1] Από το παραπάνω κεφάλαιο υπολογίσαμε τα C p_opt και λ opt για τα οποία μεγιστοποιείται η προσλαμβανόμενη ισχύς. Μπορούμε εύκολα από τον τύπο του λόγου της ταχύτητας ακροπτερυγίου να υπολογίσουμε την w r-opt. 9

26 Κεφάλαιο 1 (0.17) Από τις σχέσεις (1.10) και (1.11) παραπάνω έχουμε για την μηχανική ενέργεια που προσλαμβάνεται από τον άνεμο τη σχέση: (0.18) Με τη γνωστή σχέση για την μηχανική ενέργεια που δεσμεύεται από τη στρεφόμενη μηχανή: (0.19) Από τις σχέσεις (1.17), (1.18) και (1.19) καταλήγουμε στην σχέση: (0.20) όπου. Στην παραπάνω σχέση (1.20) αν θέσουμε τις τιμές C p_opt και λ opt θα πάρουμε την Τ Μ_opt στη οποία αντικαθιστώντας τις παραπάνω σχέσεις καταλήγει να εξαρτάται μόνο από την ταχύτητα του ανέμου: (0.21) 1.6 Μηχανικός έλεγχος στον ανεμοκινητήρα [1] Οι ανεμογεννήτριες κατασκευάζονται έτσι ώστε αν αποδίδουν το μέγιστο της ενέργειας τους για συγκεκριμένο εύρος ταχυτήτων ανέμου. Οι ταχύτητες αυτές συνήθως κυμαίνονται μεταξύ 12 και 15 m/s. Αυτό γίνεται, επειδή μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου είναι πιο σπάνιες στην εμφάνισή τους και έχουν μικρότερη διάρκεια, χωρίς να μεγαλώνουν τη συνολική ισχύ που παράγεται. Έτσι, για αυτές τις ταχύτητες του ανέμου για να προστατέψουμε την ανεμογεννήτρια και να επιτύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος εφαρμόζεται μηχανικός έλεγχος στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας. Τέτοιου είδους έλεγχος είναι η γωνία βήματος του πτερυγίου και ο έλεγχος απώλειας στήριξης. Ο δεύτερος χωρίζεται σε δύο κατηγορίες στον παθητικό και στον ενεργό. 10

27 Κεφάλαιο Γωνία βήματος πτερυγίου Η γωνία βήματος πτερυγίου είναι ένας μηχανισμός που στρέφει τα πτερύγια γύρω από τον άξονά τους. Έτσι, σε περίπτωση αύξησης της ταχύτητας του ανέμου πάνω από το επιτρεπτό όριο στρέφονται τα πτερύγια μειώνοντας την επιφάνεια πρόσπτωσης του ανέμου σε αυτά και επανέρχονται στην αρχική τους θέση όταν αποκατασταθεί η ταχύτητα του ανέμου. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η προσλαμβανόμενη ισχύς του ανέμου από τον ανεμοκινητήρα για τις μη επιθυμητές ταχύτητες. Ο μηχανισμός του ελέγχου βήματος πτερυγίου γίνεται με χρήση είτε υδραυλικών είτε ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Μερικά πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι ότι προσφέρει καλό έλεγχο ισχύος, βοήθεια κατά την εκκίνηση και σχεδόν άμεση διακοπή λειτουργίας αν υπάρξει ανάγκη. Όσο αφορά τα μειονεκτήματα, είναι η πολυπλοκότητα που εισάγει ο μηχανισμός των στρεφόμενων πτερυγίων και οι επιπλέον αναταράξεις που υπάρχουν σε μεγάλες τιμές ταχύτητας του αέρα. Η στιγμιαία ισχύς, εξαιτίας των ριπών του ανέμου και της περιορισμένης ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων, κυμαίνεται γύρω από τη μέση τιμή της Παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης Στην περίπτωση του παθητικού έλεγχου απώλειας στήριξης (passive stall control) τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα σε σταθερή γωνία τα οποία παρουσιάζουν απώλεια αεροδυναμικής στήριξης σε υψηλούς ανέμους. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η αναπτυσσόμενη ροπή και άρα η προσλαμβανόμενη ισχύς. Οι αεροδυναμικές διαταραχές στις οποίες οφείλεται αυτό το φαινόμενο οδηγούν σε συνεχείς αρνητικές ολισθήσεις στην ταχύτητα περιστροφής. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη πάνω στον ανεμοκινήτηρα. Ο σχεδιασμός όμως αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι μια πολύπλοκη υπόθεση αεροδυναμικά και επηρεάζει το σχεδιασμό όλης της ανεμογεννήτριας. Μερικά ακόμα μειονεκτήματα είναι ότι εμφανίζει μικρή απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες, δεν βοηθάει στην εκκίνηση και σε πιθανές μεταβολές στη μέγιστη ισχύ στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, εξαιτίας των μεταβολών στην πυκνότητα του αέρα και σε ορισμένες περιπτώσεις, της συχνότητας του δικτύου Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης Ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης (active stall control) συνδυάζει τα θετικά των δύο παραπάνω ελέγχων, αφού βασίζεται στην ίδια αρχή με αυτή του ελέγχου γωνία βήματος 11

28 Κεφάλαιο 1 πτερυγίου, αλλά χρησιμοποιεί την ικανότητα της απώλειας της αεροδυναμικής στήριξης των πτερυγίων αποφεύγοντας τα μεγάλα δυναμικά φορτία και τις διακυμάνσεις της ισχύος, τα οποία λαμβάνουν χώρα στον κλασσικό έλεγχο του βήματος πτερυγίων. Ωστόσο, σε αυτόν τον τύπο ελέγχου η γωνία περιστροφής του πτερυγίου μεταβάλλεται αντίθετα. Με αυτό τον τρόπο μηχανικού ελέγχου επιτυγχάνεται πιο ομαλός περιορισμός της ενέργειας, χωρίς μεγάλες διαταραχές στην ισχύ. Βασικό πλεονέκτημα είναι ότι διαχειρίζεται τις αυξομειώσεις στην πυκνότητα του αέρα. Ο συνδυασμός με τον μηχανισμό γωνίας βήματος κάνει πιο εύκολη τη διαχείριση καταστάσεων που χρειάζεται άμεση διακοπή της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και επιπλέον βοηθά κατά την εκκίνηση. Ο μηχανισμός είναι είτε υδραυλικός είτε ηλεκτρικός, ο οποίος όμως εισάγει πολυπλοκότητα στον έλεγχο και ανάγκη για συντήρηση. 12

29 Κεφάλαιο 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 2.1 Ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών [1][7] Στις αρχές τις δεκαετίας του 1990 οι ανεμογεννήτριες λειτουργούσαν σε μια σταθερή ταχύτητα ανεξάρτητη από την ταχύτητα του ανέμου. Η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι συγκεκριμένη και καθορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου, το κιβώτιο ταχυτήτων και τον αριθμό των πόλων της μηχανής. Μια τέτοιου τύπου ανεμογεννήτρια αποτελείται από έναν ανεμοκινητήρα και συνήθως από μια ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού, που συνδέεται απευθείας στο δίκτυο, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1:Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού [1]. Λόγω του επαγωγικού χαρακτήρα της ασύγχρονης μηχανής και επειδή θέλουμε συντελεστή ισχύος στο δίκτυο κοντά στη μονάδα τοποθετείται μια συστοιχία παράλληλων πυκνωτών στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο. Με αυτόν τον τρόπο το ρεύμα μαγνήτισης που χρειάζεται η μηχανή προσφέρεται από τους πυκνωτές και όχι από το δίκτυο. Η ολίσθηση των γεννητριών αυτής της κατηγορίας ποικίλλει ανάλογα με την παραγόμενη ενεργό ισχύ, έτσι η ταχύτητα δεν είναι στην πραγματικότητα σταθερή, εντούτοις, δεδομένου ότι οι μεταβολές της ταχύτητας είναι πολύ μικρές (περίπου 1-2%), αναφέρεται συνήθως ως ανεμογεννήτρια «σταθερής ταχύτητας». Το πλεονέκτημα ενός τέτοιου συστήματος είναι η σχετικά απλή δομή του, επομένως το κόστος του τείνει να είναι χαμηλό. Αυτές οι ανεμογεννήτριες χαρακτηρίζονται από στιβαρότητα στη λειτουργία και απλότητα στο μηχανικό κομμάτι με αποτέλεσμα να έχουν χαμηλές απαιτήσεις για συντήρηση. Οι διακυμάνσεις στην ταχύτητα του αέρα έχουν ως 13

30 Κεφάλαιο 2 άμεσο αποτέλεσμα διακυμάνσεις στη ροπή. Οι διακυμάνσεις ισχύος μπορούν να προκαλέσουν διακυμάνσεις τάσης, οι οποίες αντισταθμίζονται από πυκνωτές. Κατά την εκκίνηση έχουμε ρεύματα μεγαλύτερα του ονομαστικού και για αυτό χρησιμοποιείται συνήθως ένα κύκλωμα ομαλής εκκίνησης. Θα πρέπει να σημειώσουμε ότι μερικοί κατασκευαστές για να αυξήσουν την παραγωγή ισχύος προσαρμόζουν στις ανεμογεννήτριές τους δύο επαγωγικές γεννήτριες, μία μικρή για τις περιόδους που υπάρχουν χαμηλές ταχύτητες αέρα και μία μεγαλύτερη για τις περιόδους που υπάρχουν υψηλότερες τιμές ταχύτητας αέρα, ενώ ένας άλλος σχεδιασμός είναι οι επαγωγικές γεννήτριες με μεταβαλλόμενο αριθμό πόλων, δηλαδή γεννήτριες που μπορούν να λειτουργούν με διαφορετικό αριθμό πόλων συνεπώς και με διαφορετική περιστροφική ταχύτητα (για χαμηλές ταχύτητες χρησιμοποιούν ανέμου 8 πόλους ενώ για μεσαίους με δυνατούς ανέμους χρησιμοποιούν 4-6 πόλους). 2.2 Ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών [1][7] Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών σχεδιάζονται έτσι ώστε να επιτυγχάνουν βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς σε ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων του ανέμου. Μέσω της λειτουργίας μεταβλητών στροφών γίνεται εφικτό να προσαρμόζεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας σε κάθε ταχύτητα ανέμου. Με αυτό τον τρόπο, ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ διατηρείται σταθερός σε μία προκαθορισμένη τιμή που αντιστοιχεί στον συντελεστή μέγιστης αεροδυναμικής απόδοσης. Σε αντίθεση με τη διάταξη σταθερών στροφών, η διάταξη μεταβλητών στροφών διατηρεί τη ροπή της γεννήτριας σχεδόν σταθερή και οι διακυμάνσεις της ισχύος που προκαλούνται από μεταβολές του ανέμου αποσβένονται μέσω της αλλαγής της ταχύτητας του δρομέα. Το ηλεκτρικό σύστημα μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών είναι πιο πολύπλοκο από το αντίστοιχο των σταθερών στροφών. Συνήθως αποτελείται από μια επαγωγική ή σύγχρονη γεννήτρια που συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα ισχύος. Τα πλεονεκτήματά αυτής της διάταξης είναι η αυξημένη απομάστευση ισχύος, η βελτιωμένη ποιότητα ισχύος και η μειωμένη καταπόνηση των μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας, ενώ στα μειονεκτήματα συγκαταλέγονται οι απώλειες στους μετατροπείς ισχύος, η πολυπλοκότητα του ελέγχου και το αυξημένο κόστος. Οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου ελέγχου έχουν αναπτυχθεί εντυπωσιακά τα τελευταία χρόνια. Η λειτουργία με μεταβλητή ταχύτητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την αποσύζευξη της ηλεκτρικής συχνότητας του δικτύου με την συχνότητα της μηχανής. Για 14

31 Κεφάλαιο 2 αυτόν τον λόγο η παρουσία των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος σε συνδυασμό με προηγμένα συστήματα ελέγχου είναι απαραίτητη. 2.3 Τοπολογίες ανεμογεννητριών [7][8] Τοπολογία Τύπου Α[7][8] Σχήμα 2.2: Τοπολογία ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα [7]. Στην τοπολογία αυτή χρησιμοποιείται ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα με μεταβλητή αντίσταση στο τύλιγμα του δρομέα. Ο στάτης είναι απευθείας συνδεδεμένος στο δίκτυο. Ως ασύγχρονη μηχανή για τη μαγνήτιση του στάτη χρειάζεται άεργο ισχύ, η οποία είτε προσφέρεται από το δίκτυο είτε από μια συστοιχία πυκνωτών, έτσι ώστε να πετυχαίνεται μοναδιαίος συντελεστής ισχύος στην τοπολογία. Επίσης οι πυκνωτές βοηθούν στη διατήρηση της τάσης σε σταθερή τιμή και εξομαλύνουν τις πιθανές διακυμάνσεις της. Για μεγαλύτερη ασφάλεια κατά την εκκίνηση χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα ομαλής εκκίνησης. Η τοπολογία αυτή χρησιμοποιούταν μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 90 λόγω της εύκολης ρύθμισης της ολίσθησης, άρα και των στροφών, μέσω των μεταβλητών αντιστάσεων στο τύλιγμα του δρομέα, οι οποίες μπορούν να μεταβάλλονται από έναν οπτικά ελεγχόμενο μετατροπέα τοποθετημένο στο δρομέα της γεννήτριας. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται περιορισμένος έλεγχος στην παρεχόμενη ισχύ προς το δίκτυο, έτσι ώστε να προσφέρετε η μέγιστη ισχύ για όλες τις ταχύτητες του ανέμου. Το εύρος ρύθμισης στροφών καθορίζεται από το μέγεθος των μεταβλητών αντιστάσεων. Το εύρος αυτό συνήθως κυμαίνεται από 0 μέχρι 10% πάνω από το σύγχρονο αριθμό στροφών. 15

32 Κεφάλαιο 2 Ένα σημαντικό μειονέκτημα της τοπολογίας αυτής είναι ότι η πλεονάζουσα ισχύ στο τύλιγμα του δρομέα καταναλώνεται στις μεταβλητές αντιστάσεις και μετατρέπεται σε θερμότητα. Λόγω αυτών των απωλειών μειώνεται ο συντελεστής απόδοσης της διάταξης. Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι η συντήρηση που χρειάζεται η γεννήτρια στου δακτυλίους ολίσθησης του δρομέα, οι οποίοι φθείρονται με τον χρόνο. Η τοπολογία αυτή αποτελεί την αρχή των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Το εύρος ρύθμισης των στροφών είναι βέβαια περιορισμένο λόγω του ότι από ένα σημείο και μετά οι απώλειες στις αντιστάσεις του δρομέα γίνονται συγκρίσιμες με την προσφερόμενη ισχύ Τοπολογία Τύπου Β [7][8] Σχήμα 2.3: Τοπολογία ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα [7]. Η τοπολογία αυτή χρησιμοποιεί επίσης ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα, η οποία συναντάται επίσης με το όνομα ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (Doubly Fed Induction Generator-DFIG). Ο στάτης είναι απευθείας συνδεδεμένος στο δίκτυο. Ο δρομέας είναι και αυτός συνδεδεμένος στο δίκτυο όχι όμως απευθείας αλλά μέσω ενός μετατροπέα με ηλεκτρονικά ισχύος. Η τοπολογία αυτή αποτελεί βελτίωση της ανεμογεννήτριας Τύπου Α αφού έχουμε ρύθμιση στροφών με μεγαλύτερο εύρος. Οι στροφές μπορούν να μεταβάλλονται ±30% του σύγχρονου αριθμού στροφών. Αυτό καθίσταται δυνατό λόγω της ύπαρξης του μετατροπέα, ο οποίος δίνει την δυνατότητα ροής ισχύος είτε προς το δίκτυο όταν βρίσκεται σε υπερσύγχρονη λειτουργία είτε προς το τύλιγμα του δρομέα όταν βρίσκεται σε υποσύγχρονη λειτουργία, ενώ ο στάτης και στις δύο περιπτώσεις προσφέρει ισχύ στο δίκτυο. Αυτό αποτελεί το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του συγκεκριμένου τύπου ασύγχρονης μηχανής, που όπως γνωρίζουμε υποσύγχρονα λειτουργεί ως κινητήρας. Όμως με τα ηλεκτρονικά 16

33 Κεφάλαιο 2 ισχύος και την δυνατότητα να προσφέρουμε ισχύ στο τύλιγμα του δρομέα η ασύγχρονη μηχανή λειτούργει ως γεννήτρια και για υποσύγχρονες στροφές. Ένα ακόμα μεγάλο θετικό αυτής της τοπολογίας αποτελεί το γεγονός ότι τα ηλεκτρονικά ισχύος βρίσκονται στο δρομέα και διαχειρίζονται ένα μικρό ποσοστό της ισχύος της γεννήτριας μειώνοντας έτσι το κόστος του μετατροπέα και τις απώλειες σε αυτόν. Επιπλέον ο συντελεστής ισχύος της διάταξης είναι βελτιωμένος, αφού η πλεονάζουσα ισχύς του δρομέα κατευθύνεται στο δίκτυο και δεν καταναλώνεται σε ωμικές αντιστάσεις. Στα αρνητικά της διάταξης είναι η χρήση των δακτυλίων ολίσθησης, οι οποίοι αυξάνουν την ανάγκη για συντήρηση. Επίσης ο έλεγχος που απαιτείται για τον μετατροπέα είναι αρκετά πολύπλοκος. Αναλυτικά η λειτουργία της τοπολογίας αυτής θα παρουσιαστεί σε επόμενο κεφάλαιο αφού αποτελεί το κύριο θέμα της εργασίας αυτής Τοπολογία Τύπου Γ [7][8] Σχήμα 2.4: Τοπολογία ανεμογεννήτριας με σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη ή ασύγχρονη μηχανή με βραχυκυκλωμένο δρομέα [7]. Στην τοπολογία αυτή ο στάτης της γεννήτριας είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα με ηλεκτρονικά ισχύος. Ο μετατροπέας διαχειρίζεται όλη την προσφερόμενη ισχύ της διάταξης προς το δίκτυο και βοηθάει στην ομαλή εκκίνηση και σύνδεση με αυτό. Ο μετατροπέας που παρουσιάζεται σε αυτή την τοπολογία έχει τα εξής πλεονεκτήματα. Αρχικά απομονώνει την γεννήτρια και το δίκτυο και δίνεται η δυνατότητα ανεξάρτητης λειτουργίας με διαφορετικές τιμές τάσεως και συχνότητας. Με αυτόν τον τρόπο καθίσταται δυνατή η λειτουργία μεταβλητών στροφών. Επιπλέον η αποσύζευξη ενεργού και άεργου ισχύος 17

34 Κεφάλαιο 2 βελτιώνει την σταθερότητα του συστήματος, αφού προσφέρει στο δίκτυο ισχύ απαλλαγμένη από διακυμάνσεις και χωρίς να επηρεάζεται από ριπές ανέμου. Για γεννήτρια σε αυτή την τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε σύγχρονη γεννήτρια με τύλιγμα διέγερσης, είτε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη, είτε ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Για τη λειτουργία της διάταξης, ανεξάρτητα από τον τύπο της γεννήτριας που χρησιμοποιείται, είναι απαραίτητη η χρήση ελέγχου στον μετατροπέα, η οποία προσθέτει περιπλοκότητα στη διάταξη. Η ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού, όπως αναφέραμε και προηγουμένως, έχει τα πλεονεκτήματα της απλής κατασκευής, ελάχιστης ανάγκης για συντήρηση και του χαμηλού κόστους. Η ανάγκη που έχει για άεργο ισχύ για την μαγνήτιση της καλύπτεται από την παρουσία του μετατροπέα. Η σύγχρονη γεννήτρια με τύλιγμα διέγερσης μπορεί να λειτουργήσει σε μεγάλο εύρος ταχυτήτων του ανέμου και είναι απλή ως προς τον έλεγχό της. Στα μειονεκτήματα συγκαταλέγεται η ύπαρξη του τυλίγματος διέγερσης, το οποίο χρειάζεται συχνή συντήρηση. Η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη έχει ίδια πλεονεκτήματα με την σύγχρονη γεννήτρια με τύλιγμα διέγερσης και επιπλέον έχει λιγότερες απώλειες στον δρομέα, αφού δεν υπάρχει πια τύλιγμα εφόσον αποτελείται από έναν συμπαγή μαγνήτη, ο οποίος μαγνητίζει την γεννήτρια. Αυτό βελτιώνει κατά πολύ τον συντελεστή απόδοσής της γεννήτριας. Ακόμα μειώνει την ανάγκη για συχνή συντήρηση. Στα μειονεκτήματα υπάρχει το κόστος του μαγνήτη, το οποίο αυξάνεται όσο μεγαλύτερης ισχύος είναι η γεννήτρια. Επίσης με την πάροδο του χρόνου ο μόνιμος μαγνήτης απομαγνητίζεται χάνοντας έτσι τα μαγνητικά χαρακτηριστικά του, με αποτέλεσμα να πρέπει να αντικατασταθεί. Το ίδιο συμβαίνει και με την αύξηση της θερμοκρασίας σε υψηλές τιμές στον μαγνήτη, για να αποφευχθεί πρέπει να υπάρχει έλεγχος στη θερμοκρασία, η οποία μέσω ενός συστήματος ψύξης μειώνεται όταν είναι απαραίτητο. Τέλος λόγω του όγκου του μαγνήτη υπάρχει δυσκολία στην κατασκευή της ανεμογεννήτριας κατά την ανύψωση της γεννήτριας στον πύργο. 2.4 Μετατροπείς στις ανεμογεννήτριες [7] Τα ηλεκτρονικά ισχύος έχουν γνωρίσει ραγδαία ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια και χρησιμοποιούνται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών. Με τη χρήση μετατροπέων δίνεται η δυνατότητα καλύτερης και πιο ασφαλούς λειτουργίας των διατάξεων. Τα στοιχεία βελτιώνονται συνεχώς έτσι ώστε να μπορούν να άγουν μεγαλύτερα ρεύματα, να αποκόπτουν μεγαλύτερες τάσεις, να έχουν μικρότερες απώλειες ισχύος και γρηγορότερη απόκριση. 18

35 Κεφάλαιο 2 Τα βασικά ηλεκτρονικά ισχύος είναι οι δίοδοι ισχύος και τα θυρίστορ. Σήμερα χρησιμοποιούνται εξελίξεις αυτών των στοιχείων με βελτιωμένα χαρακτηριστικά, όπως GTO, IGCT, IGBT, MOFET, BJT ισχύος και άλλα. Λόγω των πολυάριθμων εφαρμογών τους και των διαφορετικών απαιτήσεων που μπορεί να έχουν αυτές τα στοιχεία έχουν μικρές διαφορές μεταξύ τους σε ορισμένα χαρακτηριστικά. Όπως είδαμε και παραπάνω οι μετατροπείς με ηλεκτρονικά ισχύος έχουν κυρίαρχο ρόλο στις ανεμογεννήτριες Μετατροπέας ομαλής εκκίνησης (soft-starter) [7][9] Ο μετατροπέας αυτός χρησιμοποιείται στις τοπολογίες σταθερών στροφών και βοηθάει κατά την εκκίνηση της ανεμογεννήτριας για ομαλότερη σύνδεσή της με το δίκτυο. Με αυτόν τον τρόπο περιορίζονται τα ρεύματα κατά την εκκίνηση, τα οποία χωρίς τον μετατροπέα μπορούν να φτάσουν έως και 7-8 φορές το ονομαστικό ρεύμα της μηχανής προκαλώντας διακυμάνσεις στην τάση του δικτύου. Ο μετατροπέας αυτός είναι ένας τριφασικός μετατροπέας χωρίς μετάβαση με αντιπαράλληλα θυρίστορ. Ο μετατροπέας αυτός μας δίνει την δυνατότητα ομαλής εκκίνησης προσαρμόζοντας την γωνία έναυσης των θυρίστορ αυξάνοντας σταδιακά την ενεργό τάση στον στάτη της μηχανής και μεγαλώνοντας το ρεύμα σταδιακά. Η γωνία έναυσης αρχικά έχει την μεγαλύτερη επιτρεπόμενη τιμή δηλαδή 150 και σταδιακά μειώνεται. Η ενεργός τιμή του ρεύματος και της γωνίας έναυσης είναι μη γραμμικά μεγέθη και εξαρτώνται από τον συντελεστή ισχύος του εκάστοτε φορτίου, που εδώ είναι η μηχανή. Αφού φτάσουμε κοντά στην επιθυμητή τιμή της τάσης, ο μετατροπέας παρακάμπτεται για να αποφευχθούν οι απώλειες αγωγής των θυρίστορ Μετατροπέας AC-DC-AC [7][9][10][11][12] Ένας μετατροπέας AC-DC-AC είναι ένας μετατροπέας συχνότητας, ο οποίος ουσιαστικά αποτελείται από τρία επιμέρους κομμάτια όπως φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα

36 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.5: Μετατροπέας AC-DC-AC [13]. Ελεγχόμενο ανορθωτή (AC-DC). Πυκνωτής συνεχής διασύνδεσης (DC-link). Ελεγχόμενος αντιστροφέας (DC-AC). Ο ελεγχόμενος ανορθωτής μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή τάση. Με την βοήθεια των ηλεκτρονικών ισχύος και με κατάλληλη παλμοδότησή τους μας δίνεται η δυνατότητα μετατροπής της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή τάση ελεγχόμενης τιμής. Το ίδιο θα μπορούσαμε να πετύχουμε με τη χρήση διόδων αντί ελεγχόμενων ηλεκτρονικών ισχύος. Αυτό μας προσφέρει χαμηλό κόστος και μεγαλύτερη αξιοπιστία καθώς οι δίοδοι δε χρειάζονται έλεγχο για την έναυση και την σβέση τους, πράγμα που απλουστεύει την διάταξη, επίσης έχουν πολύ μικρές απώλειες κατά την αγωγή. Όμως η χρήση διόδων μπορεί να εφαρμοστεί στις τοπολογίες τύπου Γ, που ο μετατροπέας βρίσκεται στον στάτη της γεννήτριας αλλά όχι όταν χρησιμοποιείται ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Στην τοπολογία τύπου Β και στην τοπολογία τύπου Γ, με ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο μετατροπέας με διόδους, θέλουμε ροή ισχύος και προς τις δύο κατευθύνσεις, πράγμα που δεν είναι εφικτό με τις διόδους. Για αυτούς τους λόγους χρησιμοποιούνται ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία, όπως τα IGBT, δίνοντας έτσι την δυνατότητα ελέγχου παρά τις υψηλές απώλειες αγωγής που παρουσιάζουν. Στις ανεμογεννήτριες τύπου Γ είναι πολύ χρήσιμη η παρουσία των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων, διότι ελέγχοντας την γωνία έναυσης και σβέσης των στοιχείων μπορούμε να εκμεταλλευόμαστε πλήρως την ισχύ που μπορεί να μας προσφέρει η γεννήτρια ανάλογα με την προσλαμβανόμενη ισχύ του ανέμου. Ο πυκνωτής στην διασύνδεση των δύο μετατροπέων χρησιμοποιείται σαν συσσωρευτής ενέργειας, έτσι ώστε να κρατάει την τάση σταθερή και να αποσυνδέει τη λειτουργία των δύο 20

37 Κεφάλαιο 2 μετατροπέων. Η τιμή της τάσης του πυκνωτή πρέπει να παραμένει αμετάβλητη και αρκετά μεγάλη, έτσι ώστε να μπορεί να αντιστραφεί σε εναλλασσόμενη για τη σύνδεση με το δίκτυο. Ο μετατροπέας που βρίσκεται από την πλευρά του δικτύου επιτηρεί την τάση του πυκνωτή, με βάση αυτήν στέλνει ισχύ προς το δίκτυο. Ο ελεγχόμενος αντιστροφέας μετατρέπει την συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη τάση ελεγχόμενου πλάτους και συχνότητας. Ο αντιστροφέας αποτελείται από ελεγχόμενα ηλεκτρονικά ημιαγώγικα στοιχεία ισχύος για την παραγωγή της επιθυμητής εναλλασσόμενης τάσης στην έξοδο. Ο μετατροπέας αυτός είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο και είναι υπεύθυνος για την παραγωγή εναλλασσόμενης τάσης απαλλαγμένη από αρμονικό περιεχόμενο. Αυτό επιτυγχάνεται με κατάλληλες τεχνικές παλμοδότησης που θα αναλυθούν στην επόμενη ενότητα. Ο έλεγχος που εφαρμόζεται στον αντιστροφέα έχει σκοπό να προσφέρει την ισχύ προς το δίκτυο κρατώντας την τάση στον πυκνωτή της συνεχής διασύνδεσης σταθερή και τον συντελεστή ισχύος μοναδιαίο, μηδενίζοντας την άεργο ισχύ. 2.5 Μέθοδοι παλμοδότησης αντιστροφέων τάσης [10][11][12] Οι μέθοδοι παλμοδότησης έχουν ως σκοπό την καλύτερη εκμετάλλευση της συνεχής τάσης και να ελαττώσουν τα επίπεδα των αρμονικών της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου. Το δεύτερο αποτελεί μεγάλο πλεονέκτημα, αφού μπορούμε με ένα κατωδιαβατό φίλτρο εύκολα να τις εξαλείψουμε και να έχουμε ένα καθαρό ημίτονο που είναι και το επιθυμητό. Οι κυριότερες τεχνικές παλμοδότησης που χρησιμοποιούνται στους μετατροπείς των ανεμογεννήτριων είναι οι Ημιτονοειδής Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM) και η Διαμόρφωση Διανύσματος Χώρου (Space Vector Modulation, SVM) Ημιτονοειδή Διαμόρφωση Εύρους παλμών( SPWM) [10][11][12] Στη διαμόρφωση SPWM στόχος είναι ο έλεγχος στη βασική αρμονική της τάσης εξόδου. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μεταβολή του εύρους των παλμών έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Αποτέλεσμα αυτής της τεχνικής παλμοδότησης είναι να μεταβάλλουμε το εύρος των παλμών με ημιτονοειδή τρόπο. Η μέθοδος με την οποία επιτυγχάνεται αυτό παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. 21

38 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.6: Μέθοδος παραγωγής παλμών τύπου SPWM[12] Σε αυτή την τεχνική παλμοδότησης δημιουργούμε μια ημιτονοειδή κυματομορφή, η οποία ονομάζεται κυματομορφή αναφοράς, και μια τριγωνική κυματομορφή, η οποία ονομάζεται κυματομορφή φορέα. Οι δύο παραπάνω κυματομορφές συγκρίνονται μεταξύ τους, το αποτέλεσμα αυτής της σύγκρισης είναι μια λογική στάθμη 0 ή 1. Λογικό 0 όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου και λογικό 1, όταν συμβαίνει το αντίθετο. Όπως διαπιστώνεται και από το παραπάνω σχήμα, το αποτέλεσα της σύγκρισης εξαρτάται από τα σημεία τομής των δύο κυματομορφών. Λαμβάνοντας υπόψη τους ακόλουθους ορισμούς: A sin = Το πλάτος της κυματoμoρφής αναφοράς. A tri = Το πλάτος της κυματoμoρφής φορέα. F sin = Η συχνότητα της κυματoμoρφής αναφοράς. F tri = Η συχνότητα της κυματoμoρφής φορέα. M A = Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους. M F = Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας. Όπου: (2.22) Μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι αυξομειώνοντας τον συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους Μ Α (από 0 έως 1), μεταβάλλεται το εύρος των παλμών της κυματoμoρφής που προκύπτει από τη σύγκριση. Η διακριτική συχνότητα της κυματoμoρφής PWM είναι ίση με F tri. Κάνοντας 22

39 Κεφάλαιο 2 ανάλυση Fourier στην κυματομορφή που προκύπτει από την παραπάνω σύγκριση, διαπιστώνουμε ότι η βασική της αρμενική έχει συχνότητα F sin (τη συχνότητα κυματoμoρφής αναφοράς) και πλάτος ανάλογο του Μ (του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους). Α Οι ανώτερες αρμονικές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε ζώνες συχνοτήτων, γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας του τριγώνου. Πιο συγκεκριμένα η πρώτη ομάδα περιέχει μια κεντρική αρμενική σε συχνότητα F tri καθώς επίσης και ένα σύνολο αρμονικών δεξιά και αριστερά της συχνότητας αυτής που δίνονται από τη σχέση: (2.23) Στη δεύτερη ομάδα δεν περιέχεται η κεντρική αρμονική σε συχνότητα 2 F tri, αλλά ένα σύνολο αρμονικών που δίνονται από την σχέση: (2.24) Για την τρίτη ομάδα ισχύει ό,τι και στην πρώτη, μόνο που η κεντρική αρμονική είναι σε συχνότητα 3 F tri. Στην τέταρτη ομάδα ισχύει ό,τι και για την δεύτερη, αλλά με κεντρική συχνότητα 4 F tri. Την ίδια συλλογιστική πορεία ακολουθούμε και για τις υπόλοιπες ομάδες ανωτέρων αρμονικών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.6 παρακάτω. Ως γενικό συμπέρασμα μπορούμε να αναφέρουμε, πως ανώτερες αρμονικές εμφανίζονται σε συχνότητες που ακολουθούν τη σχέση : (2.25) Όπου n =1, 2, 3 και k =1, 3, 5... εάν n =άρτιος ή k =2, 4, 6... εάν n =περιττός Σχήμα 2.7: Αρμονικό περιεχόμενο SPWM [12]. 23

40 Κεφάλαιο 2 Όπως βλέπουμε, στις χαμηλές συχνότητες δεν υπάρχουν αρμονικές, οι οποίες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν προβλήματα στη λειτουργία της συσκευής που ο αντιστροφέας τροφοδοτεί. Παρόλα αυτά, όπως μπορεί να φανεί εύκολα και στο προηγούμενο σχήμα, υπάρχουν αρμονικές σε συχνότητες πολλαπλάσιες της συχνότητας παλμοδότησης, οι οποίες, ανάλογα με τη διακοπτική συχνότητα είναι δυνατόν να δημιουργήσουν ακουστικούς θορύβους ή ανεπιθύμητες παρεμβολές σε παρακείμενες συσκευές. Για να παλμοδοτήσουμε έναν τριφασικό αντιστροφέα τάσης, δημιουργούμε τρία ημίτονα αναφοράς (ένα για κάθε φάση) με διαφορά φάσης 120 μεταξύ τους, τα οποία συγκρίνουμε με την ίδια τριγωνική κυματομορφή. Όπως προκύπτει από την ανάλυση Fourier, η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης συναρτήσει της συνεχούς τάσης εισόδου είναι: (2.26) Ένα βασικό πρόβλημα που εμφανίζουν οι αντιστροφείς τάσης, είναι η ατελής εκμετάλλευση της τάσης εισόδου. Τέλος πρέπει να αναφέρουμε πως υπάρχουν δύο είδη ημιτονοειδούς PWM, η ασύγχρονη και η σύγχρονη PWM. Στην ασύγχρονη SPWM, επιλέγεται αρχικά μια συχνότητα φορέα (συχνότητα τριγώνου) και παραμένει σταθερή, καθώς η συχνότητα της κυματoμoρφής αναφοράς μεταβάλλεται. Στη σύγχρονη SPWM επιλέγεται αρχικά ένας λόγος διαμόρφωσης συχνότητας (M F ), ο οποίος διατηρείται σταθερός καθώς η συχνότητα αναφοράς μεταβάλλεται. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει πως η συχνότητα του φορέα πρέπει να μεταβάλλεται μαζί με τη συχνότητα της κυματoμoρφής αναφοράς. Η μέθοδος της σύγχρονης SPWM είναι χρήσιμη, διότι αποκλείει την εμφάνιση υποαρμονικών, δηλαδή αρμονικών σε συχνότητες μικρότερες της βασικής αρμονικής. Ωστόσο η χρησιμοποίησή της έχει νόημα, μόνο όταν η συχνότητα του φορέα είναι μικρή (κάτω του 1kHz). Αντίθετα, όταν η F tri είναι αρκετά υψηλή, τότε δεν προκύπτει πρόβλημα υποαρμονικών, αφού το πλάτος των υψηλών αρμονικών που πλησιάζουν τη βασική είναι τόσο μικρό, που πρακτικά θεωρείται μηδενικό Διαμόρφωση Διανύσματος Χώρου (SVM)[11][14][15][16] Η διαμόρφωση διανύσματος χώρου (SVM) είναι αρκετά διαφορετική μέθοδος από την PWM που αναλύθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Η μέθοδος αυτή αντιμετωπίζει τον αντιστρεφέα σαν μια απλή μονάδα και τα στοιχεία του σαν διακόπτες ON-OFF. Έτσι 24

41 Κεφάλαιο 2 χωρίζεται ο αντιστροφέας σε οκτώ μοναδικές καταστάσεις ανάλογα με το αν άγουν τα στοιχεία ή όχι. Οι καταστάσεις φαίνονται στο παρακάτω Σχήμα 2.8. Σχήμα 2.8: Οκτώ καταστάσεις του αντιστροφέα [14]. Η διαμόρφωση επιτυγχάνεται με τη μεταγωγή των παραπάνω καταστάσεων του αντιστροφέα. Σκοπός είναι να παράγουμε την τάση εξόδου του αντιστροφέα που να είναι κατά μέσο όρο ίση με τη δεδομένη τάση αναφοράς. Αυτό γίνεται με κατάλληλη επιλογή των καταστάσεων του αντιστροφέα και τον υπολογισμό της κατάλληλης χρονικής περιόδου για κάθε μία από αυτές. Για την επιλογή των καταστάσεων και των χρονικών περιόδων πραγματοποιείται στατός μετασχηματισμός Park της τάσης αναφοράς. Με το μετασχηματισμό μεταφέρουμε τις τάσεις από το τριφασικό σύστημα στο σταθερό d-q σύστημα αναφοράς, το οποίο αποτελείται από τον οριζόντιο (d) και κατακόρυφο (q) άξονα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.9 παρακάτω. 25

42 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.9: Από το τριφασικό στον dq σύστημα αναφοράς [14]. Η μαθηματική σχέση για τον μετασχηματισμό Park είναι: (2.27) Ο πίνακας K s ονομάζεται μήτρα μετασχηματισμού Park και ισούται με: (2.28) Έτσι έχουμε πλέον ως αναφορά τις τάσεις V d και V q που προκύπτουν από τον μετασχηματισμό Park. Το μέτρο των δύο τάσεων αυτών μας δίνει ένα διάνυσμα το οποίο στρέφεται στον χώρο από την αρχή των αξόνων dq με συχνότητα περιστροφής την συχνότητα των τάσεων αναφοράς μας. Αυτό αποτελεί το διάνυσμα αναφοράς για την παλμοδότηση. Οι παραπάνω καταστάσεις του αντιστροφέα V 1, V 2, V 3, V 4, V 5, V 6 αντιστοιχούν σε έξι μη μηδενικά διανύσματα και οι V 0, V 7 σε δύο μηδενικά στο σύστημα αναφοράς d-q. Τα μη μηδενικά χωρίζουν τους άξονες d και q σε έξι τομείς 60 ο καθένας, ενώ τα μηδενικά βρίσκονται στην αρχή των αξόνων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 26

43 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.10: Τομείς διανυσματικού χώρου[15] Ο σκοπός αυτής της τεχνικής παλμοδότησης είναι να προσεγγίσει το διάνυσμα της τάσης αναφοράς χρησιμοποιώντας τις οκτώ καταστάσεις του αντιστροφέα. Μια καλή μέθοδος προσέγγισης είναι, για ένα μικρό χρονικό διάστημα Τ, που έχει επιλεγεί ως διακοπτική συχνότητα, η μέση τιμή της τάσης εξόδου να είναι ίση με την τάση αναφοράς. Με αυτή τη μέθοδο η τιμή της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο: (2.29) Στα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου παλμοδότησης είναι ότι εκμεταλλεύεται καλύτερα τη συνεχή τάση και είναι πιο ευέλικτη στην λειτουργία της διότι δίνει την δυνατότητα άμεσης αλλαγής στη συχνότητα και στο πλάτος της τάσης εξόδου. Στα μειονεκτήματα βρίσκεται η πολυπλοκότητα που έχει στην υλοποίηση Σύγκριση μεθόδων παλμοδότησης SPWM και SVM [11][18] Οι δύο μέθοδοι παλμοδότησης είναι ευρέως διαδεδομένες και βρίσκουν εφαρμογή σε πολλές διατάξεις πέρα από τις ανεμογεννήτριες. Κοινό χαρακτηριστικό τους αποτελεί η δυνατότητά τους να παράγουν στην έξοδο του αντιστροφέα τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους. Η μέθοδος SPWM συγκρίνει ένα τριγωνικό φέρον σήμα υψηλής συχνότητας με τρία ημιτονοειδή σήματα αναφοράς για να παραχθούν τα σήματα παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων. Αυτή είναι βασικά μια μέθοδος αναλογικού πεδίου και μπορεί να υλοποιηθεί τόσο με αναλογικό τρόπο όσο και με ψηφιακό. Η μέθοδος SVM σε αντίθεση με 27

44 Κεφάλαιο 2 την SPWM δεν λαμβάνει υπόψη και τις τρεις τάσεις διαμόρφωσης ως ξεχωριστή οντότητα. Οι τρεις τάσεις λαμβάνονται ταυτοχρόνως υπόψη εντός ενός δισδιάστατου πλαισίου αναφοράς(dq) και το μιγαδικό διάνυσμα αναφοράς επεξεργάζεται ως μια ενιαία μονάδα. Η μέθοδος SVM έχει το χαρακτηριστικό της πλήρους ψηφιακής υλοποίησης από ένα μικροεπεξεργαστή. Σε σύγκριση με την SPWM αξιοποιεί καλύτερα την πηγή συνεχούς τάσης στης είσοδο του αντιστροφέα, ενώ η τάση εξόδου έχει χαμηλότερο αρμονικό περιεχόμενο και μειώνει τις απώλειες στον αντιστροφέα αυξάνοντας έτσι την απόδοση του. Μέθοδος παλμοδότησης Φασική τάση Πολική τάση Κυματομορφή V φ, rms V π, rms εξόδου SPWM 0,35 Μ A V dc 0,61 Μ A V dc Ημιτονοειδής SVM 0,408 Μ A V dc 0,707 Μ A V dc Ημιτονοειδής Πίνακας 1: Σύνοψη μεθόδων παλμοδότησης [11]. 28

45 Κεφάλαιο 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΕ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΑΚΤΥΛΙΟΦΟΡΟΥ ΔΡΟΜΕΑ 3.1 Ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα [17] Η ασύγχρονη μηχανή είναι γνωστή και ως επαγωγική μηχανή λόγω του επαγωγικού συντελεστή ισχύος της. Μια κατηγορία ασύγχρονων μηχανών αποτελέι η ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα. Όταν η μηχανή είναι τριφασική, διαθέτει τριφασικό τύλιγμα στο στάτη και στο δρομέα και μέσω των δακτυλίων ολίσθησης και των ψηκτρών δίνει πρόσβαση στο τύλιγμα του δρομέα. Αυτό αποτελεί το βασικό χαρακτηριστικό αυτής της κατηγορίας ασύγχρονης μηχανής. Εάν ο στάτης τροφοδοτείται από το δίκτυο, δημιουργείται στα τυλίγματα αυτού ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, που περιστρέφεται με το σύγχρονο αριθμό στροφών. Ο σύγχρονος αριθμών στροφών ορίζεται από τη σχέση: (3.30) όπου είναι η συχνότητα του δικτύου και p τα ζεύγη πόλων της μηχανής. Στο τύλιγμα του δρομέα επάγονται ρεύματα, τα οποία με τη σειρά τους δημιουργούν στο δρομέα ένα μαγνητικό πεδίο. Το συνιστάμενο πεδίο του δρομέα, λόγω της περιστροφής της μηχανής, στρέφεται με μια ταχύτητα, η οποία δίνεται από τη σχέση: (3.31) όπου n είναι η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της μηχανής. Τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά μεγέθη του δρομέα έχουν τη συχνότητα: (3.32) Ένα άλλο σημαντικό μέγεθος των ασύγχρονων μηχανών αποτελεί η ολίσθηση, η οποία ορίζεται από την εξίσωση: (3.33) 29

46 Κεφάλαιο 3 Το μέγεθος s εκφράζει την ποσοστιαία διαφορά της ταχύτητας του δρομέα από τη σύγχρονη ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Μια ακόμα σημαντική σχέση, που συνδέει τις συχνότητες των μεγεθών του στάτη και του δρομέα με την ολίσθηση, είναι: (3.34) Η ασύγχρονη μηχανή χαρακτηρίζεται από τρείς καταστάσεις λειτουργίας: Κινητήρας Γεννήτρια Πέδη Στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας, κινητήρας, ο αριθμός των στροφών της μηχανής είναι πάντα μικρότερος από το σύγχρονο αριθμό στροφών. Δέχεται τροφοδοσία από το στάτη και προσφέρει μηχανική ισχύ στο δρομέα. Η ολίσθηση έχει θετικό πρόσημο και τιμή που κυμαίνεται μεταξύ του 0 και 1. Στην επόμενη κατάσταση λειτουργίας, γεννήτρια, ο αριθμός των στροφών είναι μεγαλύτερος του σύγχρονου αριθμού στροφών. Δέχεται μηχανική ισχύ στο δρομέα και από το τύλιγμα του στάτη επιστρέφει ηλεκτρική ισχύς προς το δίκτυο. Η ολίσθηση έχει αρνητικό πρόσημο και τιμή από 0 μέχρι -1. Τέλος, πέδη είναι η κατάσταση λειτουργίας της μηχανής, όπου δέχεται ηλεκτρική ισχύ από το στάτη και μηχανική ισχύ από το δρομέα. Η ταχύτητα περιστροφής έχει αρνητικό πρόσημο, καθώς ο δρομέας στρέφεται από την αντίθετη φορά κανονικής περιστροφής. Έτσι, η ισχύς μετατρέπεται σε θερμότητα στο εσωτερικό της μηχανής. Σε όλες τις παραπάνω καταστάσεις λειτουργίας, το τύλιγμα του δρομέα είναι σε θέση να προσφέρει ισχύ, η οποία είτε καταναλώνεται σε αντιστάσεις είτε στέλνεται προς το δίκτυο. Ακολουθεί το χαρακτηριστικό διάγραμμα ροπής στροφών της μηχανής, όπου παρουσιάζονται οι καταστάσεις λειτουργίας που περιγράφηκαν παραπάνω. 30

47 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.1: Χαρακτηριστική καμπύλη Ροπής (Μ e )- Ταχύτητας (n) [17]. 3.2 Διάταξη ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα[1][7][8][19] Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναφερθούμε εκτενέστερα στη λειτουργία της ασύγχρονης γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα με ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος στο δρομέα. Ο AC- DC-AC μετατροπέας στο δρομέα ονομάζεται επίσης κασκάντε μετατροπέας (cascade converter). Με κατάλληλη παλμοδότηση στο μετατροπέα δίνεται η δυνατότητα ελέγχου των στροφών έτσι ώστε για κάθε ταχύτητα του ανέμου να επιτυγχάνεται μέγιστη απομάστευση ισχύος. Σχήμα 3.2: Τοπολογία ασύγχρονης γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα [7]. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτής της τοπολογίας είναι, ότι τα ηλεκτρονικά ισχύος βρίσκονται στο δρομέα και καλούνται να διαχειριστούν ένα μικρό ποσοστό της συνολικής ισχύος της γεννήτριας. Με αυτόν τον τρόπο παρατηρούνται μικρότερες απώλειες και μικρότερο κόστος στους μετατροπείς. Κατά τη λειτουργία της, η γεννήτρια παρουσιάζει δύο διαφορετικές καταστάσεις ροής ισχύος, οι οποίες ορίζονται από την ταχύτητα περιστροφής 31

48 Κεφάλαιο 3 του δρομέα. Αυτές είναι η υπερσύγχρονη και η υποσύγχρονη λειτουργία. Η τελευταία κατάσταση λειτουργίας αποτελεί αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας Υπερσύγχρονη λειτουργία[1][7][8][19] Κατά την υπερσύγχρονη λειτουργία, η ασύγχρονη μηχανή λειτουργεί σαν μια οποιαδήποτε ασύγχρονη γεννήτρια. Προσφέρει ισχύ από το τύλιγμα του στάτη προς το δίκτυο, αλλά και από το τύλιγμα του δρομέα, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση της διάταξης. Η ισχύς του δρομέα προσφέρεται στο δίκτυο μέσω του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Τα μεγέθη του δρομέα είναι σε διαφορετική συχνότητα και τιμή από αυτή του δικτύου, οπότε αυτό διορθώνεται με την ανόρθωση και αντιστροφή τους στη συχνότητα και πλάτος του δικτύου. Η συνολική ισχύς που προσφέρεται στο δίκτυο ισούται με το άθροισμα της ισχύος του στάτη και της ισχύος του δρομέα Υποσύγχρονη λειτουργία[1][7][8][19] Συνήθως για υποσύγχρονες ταχύτητες του δρομέα, η μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας, αλλά, λόγω των ηλεκτρονικών ισχύος, αυτό αλλάζει για ένα εύρος στροφών κοντά στο σύγχρονο αριθμό στροφών. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα της λειτουργίας ως γεννήτρια. Ο στάτης τροφοδοτεί το δίκτυο με ισχύ, αλλά ο δρομέας τροφοδοτείται από το δίκτυο. Για να γίνει αυτό, ο μετατροπέας ανορθώνει την τάση του δικτύου και ο αντιστροφέας αναλαμβάνει να την αντιστρέψει στο κατάλληλο πλάτος και συχνότητα για να λειτουργήσει η μηχανή ως γεννήτρια. Σε αυτήν την περίπτωση, το ρεύμα μαγνήτισης προσφέρεται από τον αντιστροφέα στο τύλιγμα του δρομέα. Η συνολική ισχύς, που προσφέρεται στο δίκτυο, είναι η ισχύς που προσφέρει ο στάτης μείον την ισχύ που προσφέρεται στο δρομέα. 3.3 Έλεγχος ανεμογεννήτριας[1][8][19][20] Ο έλεγχος της ανεμογεννήτριας γίνεται εξολοκλήρου στο μετατροπέα, που είναι συνδεδεμένος με το τύλιγμα του δρομέα. Ο έλεγχος του μετατροπέα ισχύος διαδραματίζει κυρίαρχο ρόλο στην τοπολογία. Ο μετατροπέας χωρίζεται σε δύο επιμέρους τμήματα, το μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου (grid side converter, GSC) και το μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα (rotor side converter, RSC). Ο έλεγχος των δύο μετατροπέων είναι 32

49 Κεφάλαιο 3 ανεξάρτητος ο ένας από τον άλλον και αυτό επιτυγχάνεται με τον πυκνωτή στη συνεχή διασύνδεση. Τα μεγέθη της μηχανής είναι εναλλασσόμενα, γεγονός που δυσκολεύει τον έλεγχό τους. Για αυτόν το λόγο μετασχηματίζουμε τις εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία της μηχανής στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q σύστημα αναφοράς, χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park. Η μήτρα του μετασχηματισμού Park είναι: (3.35) Με τη θεώρηση αυτή, τα ηλεκτρικά μεγέθη παρουσιάζονται συνεχή στο d-q σύστημα αναφοράς, κάνοντας εφικτό τον έλεγχό τους με γραμμικούς ελεγκτές PI. Μετά το μετασχηματισμό Park, οι εξισώσεις, που περιγράφουν την μηχανή, έχουν την ακόλουθη μορφή: (3.36) (3.37) (3.38) (3.39) (3.40) Όπου: v ds είναι η τάση του στάτη στον d άξονα v qs είναι η τάση του στάτη στον q άξονα R s είναι η αντίσταση στα τυλίγματα του στάτη 33

50 Κεφάλαιο 3 i ds είναι το ρεύμα του στάτη στον d άξονα i qs είναι το ρεύμα του στάτη στον q άξονα λ ds είναι η ροή στο στάτη στον d άξονα λ qs είναι η ροή στο στάτη στον q άξονα ω s είναι η συχνότητα μετασχηματισμού και ισούται με, όπου f η συχνότητα του δικτύου 50 Hz. v dr είναι η τάση του δρομέα στον d άξονα v qr είναι η τάση του δρομέα στον q άξονα R r είναι η αντίσταση στα τυλίγματα του δρομέα i dr είναι το ρεύμα του δρομέα στον d άξονα i qr είναι το ρεύμα του δρομέα στον q άξονα λ dr είναι η ροή στο δρομέα στον d άξονα λ qr είναι η ροή στο δρομέα στον q άξονα ω r είναι η ταχύτητα περιστροφής L s είναι η αυτεπαγωγιμότητα στα τυλίγματα του στάτη L r είναι η αυτεπαγωγιμότητα στα τυλίγματα του δρομέα L m είναι η επαγωγιμότητα μαγνήτισης p είναι ο αριθμός ζευγών πόλων της γεννήτριας Τ e είναι η ηλεκτρομαγνητική ροπή της μηχανής Τ mech είναι η μηχανική ροπή στην είσοδο της μηχανής (Μ mech <0 για γεννήτρια) J gen είναι η ροπή αδράνειας του δρομέα της μηχανής 3.4 Έλεγχος του μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα (RSC)[21] Για τον έλεγχο του μετατροπέα, από την πλευρά του δρομέα (RSC), έχουν διατυπωθεί πολλές στρατηγικές στη διεθνή βιβλιογραφία. Παρακάτω θα ασχοληθούμε με τις τρεις βασικότερες, οι οποίες αποτελούν τη βάση για τις υπόλοιπες. Αυτές είναι ο διανυσματικός έλεγχος(vector Control, VC), ο άμεσος έλεγχος ισχύος(direct Power Control, DTC) και ο άμεσος έλεγχος ροπής(direct Torque Control, DTC). 34

51 Κεφάλαιο Διανυσματικός έλεγχος(vc)[21] Στη συγκεκριμένη τοπολογία εφαρμόζεται συνήθως έμμεσος διανυσματικός έλεγχος. Όπου επειδή η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο, θεωρούμε την αντίσταση στο στάτη μηδενική, συμμετρικές τις τάσεις του δικτύου και τη ροή του στάτη σταθερή και επιβαλλόμενη από την τάση του δικτύου. Η ροή του στάτη στο σταθερό d-q σύστημα αναφοράς υπολογίζεται από την εξίσωση: (3.41) Αν προσανατολίσουμε το σύγχρονα στρεφόμενο d-q σύστημα αναφοράς με το διάνυσμα της ροής του στάτη, δηλαδή λ qs =0, τότε οι παραπάνω εξισώσεις (3.7) και (3.8) μαζί με τις παραπάνω θεωρήσεις γίνονται: (3.42) (3.43) (3.44) (3.45) όπου:,,, Λύνοντας τις εξισώσεις (3.15) και (3.16) καταλήγουμε στις εξισώσεις των i dr και i qr, όπως φαίνονται παρακάτω: (3.46) (3.47) Σε αυτή τη μέθοδο, χρειάζεται να μετρήσουμε τα ρεύματα δρομέα και στάτη, καθώς και τις τάσεις του στάτη. Επίσης, απαιτείται μέτρηση και της μηχανικής γωνίας του δρομέα θ m και της γωνίας του διανύσματος της ροής του στάτη θ e =angle(λ dq ). Τα ρεύματα αναφοράς στο d-q σύστημα του δρομέα μπορούμε να τα συσχετίσουμε με τη ροπή και το συντελεστή ισχύος στο τύλιγμα του στάτη, ο οποίος πρέπει να είναι μονάδα, επομένως i ds =0 διότι πρέπει Q S =0, και υπολογίζονται με τις παρακάτω εξισώσεις: (3.48) 35

52 Κεφάλαιο 3 (3.49) Από τα μετρούμενα μεγέθη της μηχανής υπολογίζονται τα,,,, τα οποία συγκρίνονται και η διαφορά τους οδηγείται σε δύο PI ελεγκτές. Στην έξοδο των ελεγκτών προστίθενται οι όροι αποσύζευξης, που απομπλέκουν τον έλεγχο του d και q άξονα. Έτσι, παράγονται οι τάσεις αναφοράς και, οι οποίες χρησιμοποιούνται ύστερα από κατάλληλο μετασχηματισμό ανάλογα με την τεχνική παλμοδότησης, για την παραγωγή της τάσης του δρομέα. Ακολουθεί το δομικό διάγραμμα του διανυσματικού ελέγχου στο Σχήμα 3.3, όπου απεικονίζεται η μέθοδος αυτή. Σχήμα 3.3: Δομικό διάγραμμα διανυσματικού ελέγχου [21] Άμεσος έλεγχος ροπής(dtc) [21][22][23] Στον άμεσο έλεγχο ροπής θέλουμε να ελέγξουμε την ηλεκτρική ροπή και τη ροή της γεννήτριας. Αυτό επιτυγχάνεται ελέγχοντας τη γωνία (γ) μεταξύ των διανυσμάτων της ροής του στάτη και του δρομέα, καθώς επίσης και το μέτρο του διανύσματος της ροής του δρομέα( λ r ), αντίστοιχα. Για απλούστευση στον έλεγχο αμελούνται οι αντιστάσεις του τυλίγματος του στάτη. Ο στάτης της μηχανής είναι συνδεδεμένος απευθείας στο δίκτυο, οπότε η ροή του στάτη επιβάλλεται από την τάση του δικτύου. Ο δρομέας είναι συνδεδεμένος με τον RSC, επομένως το πλάτος και η γωνία της ροής του δρομέα ελέγχεται πλήρως από την τάση εξόδου του μετατροπέα. 36

53 Κεφάλαιο 3 Ο τύπος, που μας δίνει την ηλεκτρική ροπή σε σχέση με τις ροές του στάτη και του δρομέα, είναι: (3.50) όπου Κ είναι μια σταθερά, που εξαρτάται από τις παραμέτρους της μηχανής. Στο μετατροπέα, όπως είδαμε και προηγουμένως, μπορούμε να θεωρήσουμε, πως μπορεί να έχει οκτώ καταστάσεις, οι οποίες αντιστοιχούν σε έξι ενεργά και δύο ανενεργά-μηδενικά διανύσματα τάσης με βάση τη σχέση:, n = 0, 1,..., 7 (3.51) Κάθε τομέας n κατέχει 60 ο και αντιστοιχεί σε ένα ενεργό διάνυσμα τάσης. Ενώ τα s 1, s 2, s 3 δηλώνουν την κατάσταση των ημιαγωγικών στοιχείων, ως διακόπτες, καθώς σε κάθε κλάδο του αντιστροφέα μπορεί να είναι ένα από τα δύο στοιχεία ενεργό, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.4: Καταστάσεις στοιχείων αντιστροφέα [21]. Ο συγκεκριμένος έλεγχος γίνεται με τη βοήθεια του Πίνακα 3.1 και των εξισώσεων (3.23) και (3.24), που παρουσιάζονται παρακάτω. 37

54 Κεφάλαιο 3 Πίνακας 3.1: Πίνακας επιλογής του διανύσματος κατάστασης του αντιστροφέα [21]. (3.23a) (3.23b) (3.24a) (3.24b) (3.24c) Το σύστημα έχει τρεις εισόδους και μία έξοδο. Είσοδοι είναι η μεταβολή της ροής του δρομέα( ή ), η μεταβολή της ηλεκτρικής ροπής( ή ή ) και ο τομέας, όπου βρίσκεται το διάνυσμα της ροής του δρομέα. Έξοδος είναι το επιθυμητό κάθε φορά διάνυσμα τάσης, που εφαρμόζεται από τον αντιστροφέα στο δρομέα. Η διακύμανση της ροής και της ροπής επιλέγεται κατάλληλα από το χειριστή ορίζοντας το κατώφλι διακύμανσης και. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται καλός έλεγχος της ροπής και της ροής. Για να εφαρμοστεί ο παραπάνω έλεγχος χρειάζεται, επίσης, πολύ ακριβής γνώση της ηλεκτρικής ροπής και ροής του δρομέα, που υπολογίζονται από τους παρακάτω τύπους: (3.25) (3.26) (3.27) Τα και υπολογίζονται από τις σχέσεις (3.9). Όπως φαίνεται και από τις σχέσεις, χρειάζεται να μετρηθούν, για τον έλεγχο αυτό, τα ρεύματα του στάτη και του δρομέα, καθώς επίσης και η μηχανική γωνία του δρομέα θ m. Αναλυτικά, η μέθοδος ελέγχου φαίνεται στο δομικό διάγραμμα που ακολουθεί. 38

55 Κεφάλαιο 3 Σχήμα3.5: Δομικό διάγραμμα άμεσου ελέγχου ροπής [21] Άμεσος έλεγχος ισχύος(dpc)[21][24][25] Στον άμεσο έλεγχο ισχύος θέλουμε να ελέγξουμε την ενεργό και άεργο ισχύ στο στάτη της γεννήτριας. Ουσιαστικά, την ισχύ που θα προσφέρει η γεννήτρια στο δίκτυο. Σε αυτόν τον έλεγχο εκμεταλλευόμαστε τη γεωμετρική σχέση μεταξύ των ροών στάτη και δρομέα και το γεγονός, ότι η ροή του δρομέα μπορεί να ελεγχθεί πλήρως από το μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα. Πιο συγκεκριμένα, αυτή η μέθοδος χαρακτηρίζεται από ανεξαρτησία από τις παραμέτρους της μηχανής, μειωμένο αριθμό μετρούμενων ηλεκτρικών μεγεθών και μη απαίτηση για μετατροπή των μεγεθών αναφοράς. Χρειάζεται να μετράμε ρεύματα και τάσεις του στάτη, τα οποία μετατρέπουμε με τον μετασχηματισμό Park σε σταθερό d-q σύστημα αναφοράς και υπολογίζουμε τη στιγμιαία ενεργό και άεργο ισχύ: (3.28) (3.29) Έπειτα, τις συγκρίνουμε με τις αντίστοιχες τιμές αναφοράς και αφού υπολογίσουμε το αντίστοιχο σφάλμα, υπολογίζουμε τις μεταβολές για το κάθε μέγεθος με βάση τις σχέσεις: 39

56 Κεφάλαιο 3 (3.30) (3.30b) (3.31a) (3.31b) (3.31c) Όπου και επιλέγονται, έτσι ώστε να υπάρχει όριο συχνότητας μεταγωγής στο μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα. Μετά τον υπολογισμό των μεταβολών αυτών και με τη βοήθεια του παρακάτω πίνακα 3.2, βρίσκουμε το επιθυμητό διάνυσμα τάσης του δρομέα, ανάλογα με τον τομέα που βρίσκεται το διανύσμα της ροής του δρομέα. Πίνακας 3.2: Πίνακας επιλογής του διανύσματος κατάστασης του αντιστροφέα [21]. Η θέση του διανύσματος ροής του δρομέα καθορίζεται με τον παρακάτω τρόπο: υποθέτουμε ένα διάνυσμα τάσης και θεωρώντας ότι το διάνυσμα της ροής βρίσκεται σε έναν συγκεκριμένο τομέα και με βάση την προηγούμενη διαδικασία, βρίσκουμε ένα. Στη συνέχεια, συγκρίνουμε το πρόσημο του με αυτό που δείχνει ο πίνακας 3.3 αναμένοντας, ότι ταυτίζεται, διαφορετικά επανερχόμαστε στην αρχική υπόθεση, αλλάζοντας θέση στο διάνυσμα τάσης, σύμφωνα με τον πίνακα 3.4. Ιδιαίτερη προσοχή θέλει ο χρόνος δειγματοληψίας, που πρέπει να είναι αρκετά μικρός για να μη παραλειφθεί η μετατόπιση του διανύσματος ροής μεταξύ δύο διπλανών τομέων. Αναλυτικά, η μέθοδος ελέγχου ακολουθεί στο δομικό διάγραμμα στο Σχήμα 3.6 παρακάτω. 40

57 Κεφάλαιο 3 Πίνακας 3.3: Διακύμανση άεργου ισχύος στάτη ανά τομέα [21]. Πίνακας 3.4: Ανανέωση τομέα [21]. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3 ΠΙΝΑΚΑΣ 3.4 ΑΝΑΝΕΩΣΗ ΤΟΜΕΑ ΠΙΝΑΚΑΣ 3.2 Σχήμα 3.6: Δομικό Διάγραμμα Άμεσος Ελέγχου Ισχύος [21]. 41

58 Κεφάλαιο Σύγκριση μεθόδων ελέγχου [21] Σύμφωνα με την παραπάνω ανάλυση των διαφόρων μεθόδων, βγάλουμε τα παρακάτω συμπεράσματα: είμαστε σε θέση να Ο Διανυσματικός Έλεγχος (vector control) είναι πιο πολύπλοκος σε σχέση με τους δύο άμεσους ελέγχους και στο κομμάτι του σχεδιασμού και στην υλοποίησή του, καθώς απαιτούνται περισσότερα μεγέθη προς μέτρηση, ενώ ο λιγότερο πολύπλοκος είναι ο Άμεσος Έλεγχος Ισχύος(DPC). Τα συμπεράσματα αυτά απεικονίζονται και στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 3.5: Μεγέθη και παράμετροι της μηχανής απαραίτητα για κάθε έλεγχο [21]. Πιο συγκεκριμένα, ο Διανυσματικός Έλεγχος (VC) κάνει χρήση πιο πολύπλοκων δεδομένων και απαιτεί περισσότερους μετασχηματισμούς μεγεθών (μετρούμενων και αναφοράς). Επομένως, απαιτεί και πιο πολύπλοκους υπολογισμούς. Αντίθετα, οι δύο άμεσοι έλεγχοι κάνουν χρήση πιο απλών δεδομένων και υπολογισμών, που κυρίως βασίζονται σε lookup tables και συγκριτές υστέρησης. Με αποτέλεσμα, να απαιτείται μικρότερη υπολογιστή ισχύς. Γενικά, και οι τρείς έλεγχοι έχουν γρήγορη απόκριση σε μεταβολές (msec). Όμως, τα δύο είδη άμεσου ελέγχου είναι και έως 4 φορές γρηγορότεροι από το διανυσματικό έλεγχο, όπως παρουσιάζεται στη διεθνή βιβλιογραφία.[21] Τα δύο είδη άμεσου ελέγχου χρειάζονται υψηλότερη συχνότητα δειγματοληψίας και μεγαλύτερο εύρος στον αισθητήρα μέτρησης ρευμάτων σε σχέση με το διανυσματικό 42

59 Κεφάλαιο 3 έλεγχο. Με αποτέλεσμα, στους άμεσους ελέγχους να έχουμε πολύ καλή γνώση των ελεγχόμενων και μετρούμενων μεγεθών. Αυτό είναι σημαντικό για να μην δημιουργείται πρόβλημα με τον ελεγκτή υστέρησης και να μην βγαίνουμε εκτός ορίων τους φάσματος υστέρησης. Γενικά, με το διανυσματικό έλεγχο έχουμε χαμηλότερο αρμονικό περιεχόμενο. Τα παραπάνω απεικονίζονται και στον πίνακα που ακολουθεί: Πίνακας 3.6: Πειραματικές απαιτήσεις ελέγχων [21]. Όσον αφορά στην εξάρτηση από τις παραμέτρους της μηχανής, ο διανυσματικός έλεγχος είναι αυτός που εξαρτάται περισσότερο από αυτές. Όμως, ο ίδιος έλεγχος έχει καλύτερη ανταπόκριση σε αλλαγές παραμέτρων, πτώσεις τάσης του δικτύου και αξιοσημείωτο είναι, ότι επηρεάζεται λιγότερο από θόρυβο, που πιθανόν να υπάρχει στα μετρούμενα μεγέθη που χρησιμοποιεί. Ο άμεσος έλεγχος είναι πιο εύκολος στην υλοποίηση, καθώς απαιτεί λιγότερα μετρούμενα μεγέθη, ενώ ο διανυσματικός έλεγχος χρειάζεται πολλούς μετασχηματισμούς μεγεθών αναφοράς, υπολογισμό της ροής του στάτη και χρήση ΡΙ ελεγκτών. Όμως, το ζητούμενο στον άμεσο έλεγχο είναι η ακρίβεια στις μετρήσεις των απαραίτητων μεγεθών. Από άποψη ευαισθησίας και οι τρεις έλεγχοι είναι αρκετά στιβαροί. Αυτό όμως δε σημαίνει, ότι δε παρουσιάζουν ορισμένα μειονεκτήματα, όπως ότι ο διανυσματικός έλεγχος επηρεάζεται από μεταβολές στις παραμέτρους της μηχανής, ενώ ο άμεσος έλεγχος ισχύος επηρεάζεται από το θόρυβο που πιθανόν υπάρχει στις μετρήσεις. Από τους τρεις ελέγχους, μόνο ο άμεσος έλεγχος ροπής στερείται της δυνατότητας για ανίχνευση μέγιστου σημείου ισχύος(mppt), αλλά αυτό το πρόβλημα λύνεται με την χρήση κωδικοποιητή(encoder) στον δρομέα. 43

60 Κεφάλαιο Έλεγχος του μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου(gsc)[1][26][27][28] Στο μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου έχει επικρατήσει ο διανυσματικός έλεγχος(vc), αφού εδώ τα μεγέθη που μετράμε, οι παράμετροι και η υπολογιστική ισχύς, που χρειάζεται, μειώνονται αισθητά. Στον έλεγχο του μετατροπέα θεωρούμε, πως στην έξοδό του, που είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο, υπάρχει λόγω της γραμμής μεταφοράς ένα R f και ένα L f. Ο σκοπός του ελέγχου είναι να ελέγξει την ενεργό και άεργο ισχύ, που παρέχεται στο δίκτυο. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να έχουμε γνώση των ρευμάτων και των τάσεων στην έξοδο του μετατροπέα. Έτσι, οι εξισώσεις, που περιγράφουν το σύστημα στο σύγχρονα στρεφόμενο πεδίο αναφοράς, είναι οι ακόλουθες: (3.32) όπου και η τάση εξόδου του μετατροπέα και, η τάση του δικτύου. Αν τώρα κάνουμε προσανατολισμό του στρεφόμενου dq πεδίου αναφοράς στον d άξονα τότε και. Επίσης, η ενεργός και άεργος ισχύς πλέον θα δίνονται από τους τύπους: (3.33) (3.34) Από τις εξισώσεις (3.33) και (3.34) φαίνεται, ότι η ενεργός και η άεργος ισχύς μπορούν να ελεγχθούν από το και αντίστοιχα. Ακολουθεί το δομικό διάγραμμα του μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου. 44

61 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.7: Δομικό διάγραμμα ελέγχου GSC [27]. Όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήμα, χρησιμοποιούνται δύο βρόχοι ελέγχου, ένας για την ενεργό και ένας για την άεργο ισχύ. Στο βρόχο ελέγχου της ενεργού ισχύος χρησιμοποιούνται δύο σειριακοί PI ελεγκτές. Για να καταστεί δυνατή η λειτουργία τους ρυθμίζεται ο εξωτερικός PI ελεγκτής να είναι πιο αργός σε σχέση με τον εσωτερικό. Έτσι, για τον έλεγχο της ενεργού ισχύος χρησιμοποιείται ένας βρόχος ελέγχου της τάσης του πυκνωτή στην είσοδο του μετατροπέα. Με αυτόν τον τρόπο, παραμένει η τάση στη διασύνδεση συνεχούς τάσης πάντα σταθερή και όλη η ισχύς από το τύλιγμα του δρομέα διοχετεύεται προς το δίκτυο. Ο δεύτερος βρόχος ελέγχου ελέγχει την άεργο ισχύ που προσφέρεται στο δίκτυο. Συνήθως, επειδή θέλουμε συντελεστή ισχύος μονάδα και άρα Q=0, τότε μπορούμε να θέσουμε εξ αρχής τη τιμή αναφοράς στο ρεύμα του q άξονα ίσο με το μηδέν. Με αυτόν τον τρόπο, πετυχαίνουμε σθεναρό και γρήγορο έλεγχο στο μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου. 45

62 Κεφάλαιο 3 46

63 Κεφάλαιο 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 Σύστημα προς προσομοίωση Η προσομοίωση του συστήματος έγινε με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB/Simulink. Το σύστημα, που προσομοιώθηκε, φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα4.1: Τοπολογία πειραματικής διάτηξης. Μελετήθηκε η λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα ως γεννήτρια για υποσύγχρονες ταχύτητες. Όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα, το τύλιγμα του στάτη είναι απευθείας συνδεδεμένο με το δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης, ενώ το τύλιγμα του δρομέα συνδέεται στον αντιστροφέα, ο οποίος τροφοδοτείται από μια πηγή συνεχούς τάσης. Για την παλμοδότηση του αντιστροφέα, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος SPWM, που αναλύθηκε εκτενώς σε προηγούμενο κεφάλαιο. Ένα μεγάλο μέρος της προσομοίωσης αποτελεί η εκκίνηση και ο παραλληλισμός με το δίκτυο. Το ίδιο ισχύει και για την πειραματική διαδικασία. 47

64 Κεφάλαιο Εκκίνηση και παραλληλισμός με το δίκτυο Το θέμα της εκκίνησης της διάταξης μελετήθηκε ιδιαίτερα και εξετάστηκαν δύο βασικά σενάρια. Το ένα είναι, ο τριφασικός διακόπτης σύνδεσης (ρελέ) να βρίσκεται στο τύλιγμα του στάτη και το άλλο είναι, ο διακόπτης να βρίσκεται στο τύλιγμα του δρομέα. Η πρώτη εκδοχή αναφέρεται περισσότερο στη διεθνή βιβλιογραφία. Σε αυτήν την περίπτωση, η ασύγχρονη μηχανή στρέφεται από έναν κινητήρα με υποσύγχρονη ταχύτητα και ο αντιστροφέας τροφοδοτεί το τύλιγμα του δρομέα με ρεύματα ανάλογου εύρους και συχνότητας, με σκοπό να επάγεται στο τύλιγμα του στάτη της μηχανής εν κενώ τάση ίδιου πλάτους και συχνότητας με αυτήν του δικτύου. Για να ολοκληρωθεί ο παραλληλισμός, πρέπει αυτές οι τάσεις στο στάτη να έχουν, όμως και ίδια φάση με τις τάσεις του δικτύου. Όταν ικανοποιηθούν οι τρείς αυτές προϋποθέσεις, τότε κλείνει το ρελέ και η γεννήτρια συνδέεται με το δίκτυο. Στη δεύτερη εκδοχή, που επιλέχθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, ο στάτης είναι απευθείας συνδεδεμένος στο δίκτυο, ενώ η ασύχρονη μηχανή στρέφεται από τον κινητήρα και με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται μια τάση εξ επαγωγής στο τύλιγμα του δρομέα. (Σχήμα 4.1) Με αυτήν την τάση ως αναφορά παραλληλίζεται η τάση εξόδου του αντιστροφέα. Όμοιο σημείο των δύο περιπτώσεων είναι, ότι χρειάζεται να έχουμε γνώση των στροφών, έτσι ώστε να μπορεί ο αντιστροφέας να προσαρμόσει την συχνότητα της τάσης εξόδου του κατάλληλα. Η συχνότητα των μεγεθών του δρομέα όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, είναι η διαφορά της συχνότητας του στάτη, που στη περίπτωσή μας είναι ίση με τα 50Hz του δικτύου και θεωρείται σταθερή, με τη συχνότητα περιστροφής του δρομέα. Οπότε έχοντας καλή γνώση των στροφών, μπορούμε κάθε στιγμή να έχουμε την κατάλληλη συχνότητα στην έξοδο του αντιστροφέα Περιγραφή διαδικασίας παραλληλισμού στην προσομοίωση Όπως και στο πείραμα, έτσι και στην προσομοίωση, ο παραλληλισμός γίνεται στο τύλιγμα του δρομέα. Η διαδικασία, που ακολουθήθηκε, είναι η εξής. Αρχικά, επιβάλλουμε εξωτερικά στο δρομέα της ασύγχρονης να στρέφεται σε μια καθορισμένη ταχύτητα, η οποία μετριέται και μετασχηματίζεται σε συχνότητα. Αφαιρώντας αυτήν τη συχνότητα από τη συχνότητα του δικτύου, υπολογίζεται η επιθυμητή συχνότητα των ημιτόνων αναφοράς του αντιστροφέα. 48

65 Κεφάλαιο 4 Έπειτα, μετριέται η εν κενώ πολική τάση στο τύλιγμα του δρομέα, η οποία δημιουργείται, αφού ο στάτης είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο. Η πολική τάση φιλτράρεται με ένα κατωδιαβατό φίλτρο, για να εξαλειφθεί το αρμονικό περιεχόμενό της και για να υπολογιστεί η ενεργός τιμή της. Από την ενεργό τιμή της τάσης, έχοντας δεδομένη τη συνεχή τάση της εισόδου του αντιστροφέα, υπολογίζεται το κατάλληλο Μ a για το ημίτονο αναφοράς του αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο, δίνεται η δυνατότητα, η τάση εξόδου του αντιστροφέα να έχει ίδιο πλάτος και συχνότητα με την αντίστοιχη τάση του δρομέα και μετά από ένα χρονικό περιθώριο, όπου οι τάσεις παραμένουν ίσες και συμφασικές, κλείνει ο διακόπτης (ρελέ) και συνδέεται ο αντιστροφέας με το τύλιγμα του δρομέα. Ο παραλληλισμός και η λειτουργία της γεννήτριας θα φανεί στην επόμενη ενότητα αναλυτικά στα επόμενα σχήματα. 4.3 Προσομοίωση τοπολογίας για παραλληλισμό και αποστολή ισχύος προς το δίκτυο Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε μια ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα του εργαστηρίου, η οποία έχει μελετηθεί ξανά στο παρελθόν στα πλαίσια διπλωματικής εργασίας και διδακτορικής διατριβής. Από την τελευταία πάρθηκαν τα παραμετρικά στοιχεία της μηχανής και παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα.[30] P N U SN I SN f N cosφ N n N U Rπ0 Ι RN M N (kw) (V) (A) (Hz) (1/min) (V) (A) (Nm) 5,5 220/380 20,8/ , ,25 Δ/Υ Δ/Υ Υ R S (Ω) R R (Ω) L Sσ (H) L Rσ (H) L h (H) 0, Πίνακας 4.1: Παραμετρικά στοιχεία ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα [30]. Επίσης, προσομοιώθηκε ο τριφασικός αντιστροφέας με IGBT ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος καθώς και η μέθοδος παλμοδότησης SPWM. Η τιμή της πηγής συνεχούς τάσης επιλέχθηκε να είναι 180V, έτσι ώστε η τάση εξόδου να έχει τη δυνατότητα να παραλληλιστεί με τη μεγαλύτερη τάση του δρομέα εν κενώ, που παρουσιάζεται για τις 1050 rpm. Ο πυκνωτής στην είσοδο του αντιστροφέα τοποθετήθηκε για να κρατάει την τιμή της συνεχούς τάσης σταθερή. Στο πλήρες σύστημα, η πηγή συνεχούς τάσης αντικαθιστάται από έναν ανορθωτή, του οποίου η συνεχής τάση εξόδου παρουσιάζει μια κυμάτωση, που δεν είναι επιθυμητή και περιορίζεται με τον πυκνωτή. Στην έξοδο του αντιστροφέα και πριν το τριφασικό διακόπτη έχει τοποθετηθεί ένα τριφασικό ωμικό φορτίο συνδεδεμένο κατά αστέρα. Η παρουσία του είναι καθαρά, για να υπάρχει πρόσβαση στη φασική τάση του αντιστροφέα και δεν επιρεάζει 49

66 Κεφάλαιο 4 το σύστημα, αφού η ωμική αντίσταση έχει μεγάλη τιμή και το ρεύμα, που την διαπερνά, είναι τις τάξης των mα. Για τη μέτρηση των τάσεων και των ρευμάτων, που χρησιμοποιούνται αργότερα για τον υπολογισμό της ενεργού και αέργου ισχύος, χρησιμοποιήθηκαν, τόσο στο τύλιγμα του στάτη όσο και στο τύλιγμα του δρομέα, δύο μετρητικά μπλοκ από τις βιβλιοθήκες του προγράμματος κατάλληλα για μέτρηση τριφασικών μεγεθών. Ακολουθεί εικόνα του μοντέλου, όπως απεικονίζεται στο πρόγραμμα MATLAB/Simulnk, καθώς επίσης και τα επιμέρους κομμάτια αυτού στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα 4.2: Μοντέλο προσομοίωση συστήματος στο MATLAB/Simulink. Σχήμα 4.3: Μοντέλο προσομοίωση τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης στο MATLAB/Simulink. 50

67 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.4: Παραγωγή παλμών με τη μέθοδο SPWM στο MATLAB/Simulink. Σχήμα 4.5: Υπολογισμός κατάλληλου συντελεστή διαμόρφωσης M a και επιτήρηση ορθού παραλληλισμού. 51

68 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.6: Μοντέλο υπολογισμού ενεργού και άεργου ισχύος στο τύλιγμα του δρομέα και του στάτη. 4.4 Διαδικασία προσομοίωσης και γραφικές παραστάσεις μεγεθών Στην εκκίνηση της προσομοίωσης, ο διακόπτης στο τύλιγμα του δρομέα είναι ανοιχτός και το τύλιγμα του στάτη είναι συνδεδεμένο με το τριφασικό δίκτυο. Ως είσοδο, η ασύγχρονη μηχανή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.2, δέχεται σήμα, που αντιπροσωπεύει στροφές και είναι σταθερές. Μετριέται η τάση εξ επαγωγής του δρομέα, η οποία φιλτράρεται με ένα κατωδιαβατό φίλτρο και υπολογίζεται η ενεργός τιμή της. Σε αυτήν την ενεργό τιμή προσθέτουμε μια σταθερά, που με δοκιμές καταλήξαμε ότι πρέπει να είναι 0,7. Ο σκοπός της σταθεράς αυτής είναι να αυξήσει την ενεργό τιμή της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Η αύξηση αυτή γίνεται, διότι αν κατά τον παραλληλισμό η τάση του αντιστροφέα είναι ίση με αυτήν στο τύλιγμα του δρομέα και το ρεύμα, που θα προκύψει στο δρομέα, θα είναι μηδενικό και τότε η ασύγχρονη μηχανή εισέρχεται στην λειτουργία του κινητήρα. Για αυτό το λόγο η τάσης του αντιστροφέα πρέπει να είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από την τάση του δρομέα για να αποφευχθεί αυτό το ενδεχόμενο. Έτσι, γνωρίζοντας την τιμή της συνεχούς τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα και την ενεργό τιμή της πολικής τάσης, που είναι επιθυμητή στη έξοδό του, υπολογίζεται το κατάλληλο M a από το γνωστό τύπο της μεθόδου SPWM (2.5). Επιπλέον, για τη συχνότητα των ημιτόνων αναφοράς γίνεται μέτρηση των στροφών της μηχανής, έπειτα μετασχηματισμός των στροφών από rad/sec σε Hz και αφαιρώντας από τη συχνότητα του δικτύου υπολογίζεται από το σύστημα η επιθυμητή συχνότητα των ημιτόνων αναφοράς. Μόλις καλυφτούν οι απαιτήσεις για το συγχρονισμό σε t=2 sec, κλείνει ο διακόπτης και ο αντιστροφέας τροφοδοτεί το τύλιγμα του δρομέα. Το τύλιγμα του στάτη τροφοδοτεί με τη 52

69 Κεφάλαιο 4 σειρά του το δίκτυο. Εκείνη τη χρονική στιγμή, η ενεργός ισχύς στο τύλιγμα του στάτη είναι μηδενική, ενώ η άεργος είναι θετική, το οποίο δηλώνει, πως η ασύγχρονη μηχανή προσλαμβάνει από το δίκτυο άεργο ισχύ. Για να ελεγχθεί η ισχύς, ενεργός και άεργος, που τροφοδοτεί η γεννήτρια στο δίκτυο, μεταβάλεται είτε το πλάτος της τάσης εξόδου είτε την γωνία ισχύος δ. Μεταβάλλοντας το πλάτος της τάσης παρατηρήθηκαν όμοιες μεταβολές στην προσφερόμενη ισχύ στο δίκτυο. Όσο αυξάνεται το πλάτος της τάσης του αντιστροφέα, η ενεργός ισχύς αυξάνεται κατά απόλυτη τιμή, ενώ η άεργος ισχύς μειώνεται και γίνεται αρνητική, δηλαδή μειώνεται η πρόσληψη άεργου ισχύος από το δίκτυο ενώ γίνεται ακόμα και να προσφερθεί άεργος ισχύς σε αυτό, όποτε κριθεί αυτό αναγκαίο. Εδώ είναι σημαντικό να αναφέρουμε, ότι η τάση του αντιστροφέα δε πρέπει να μειωθεί κάτω από αυτήν του παραλληλισμού διότι η μηχανή θα λειτουργήσει ως κινητήρας. Για να αποφευχθεί αυτό το ενδεχόμενο, μετά τον παραλληλισμό αποθηκεύεται η τελευταία τιμή του M a και οι περαιτέρω μεταβολές σε αυτή γίνονται μόνο προσθέτοντας σταθερές τιμές ποτέ αφαιρώντας. Μεταβάλλοντας τη γωνία ισχύος δ είναι ένας άλλος τρόπος να ελεγχθεί η ισχύς, που προσφέρεται στο δίκτυο. Η γωνία δ παίρνει αρνητικές τιμές, για να υπάρχει προήγηση στη τάση εξόδου του αντιστροφέα. Όσο η γωνία δ μεγαλώνει, μειώνεται η ενεργός ισχύς, που προσφέρεται στο δίκτυο, κατά απόλυτη τιμή και μειώνεται, επίσης, και η άεργος που προσφέρει το δίκτυο προς το τύλιγμα του στάτη. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στις μεταβολές της γωνίας δ, διότι η ενεργός ισχύς δε πρέπει να γίνει θετική. Στην προσομοίωση σε χρόνο t=2,1 sec γίνεται ρύθμιση τόσο του Μ a όσο και της γωνίας δ έτσι ώστε να αποστέλλεται ενεργός ισχύς προς το δίκτυο και η άεργος ισχύς να είναι σχεδόν μηδέν. Ακολουθούν βασικά μεγέθη του συστήματος που προσομοιώθηκε για 1200 rpm. 53

70 Te (Nm) ωr (rpm) Κεφάλαιο t (sec) Σχήμα 4.7: Στροφές της ασύγχρονης μηχανή. Στην παραπάνω γραφική παράσταση φαίνεται, ότι οι στροφές της εισόδου της γεννήτριας παραμένουν σταθερές και αμετάβλητες. Στο σχήμα 4.8, παρουσιάζεται η ηλεκτρομαγνητική ροπή της γεννήτριας, στην οποία υπάρχουν μικρές ταλαντώσεις στη μόνιμη κατάσταση, οι οποίες κατά κύριο λόγο οφείλονται από την παλμική τάσης στο τύλιγμα του δρομέα από τον αντιστροφέα. Επίσης για t=2 sec και t=2.1 sec, όπου υπάρχουν μεταβολές στο σύστημα, γίνεται αντιληπτό ένα μεταβατικό φαινόμενο, το οποίο γίνεται απότομο και έντονο όσο πιο απότομη είναι η μεταβολή στη είσοδο του συστήματος t (sec) Σχήμα 4.8: Ηλεκτρομαγνητική ροπή της ασύγχρονης γεννήτριας. 54

71 Ps (w), Qs (Var) Pr (w), Qr (Var) Κεφάλαιο P r Q r t (sec) Σχήμα 4.9: Ενεργός και άεργος ισχύς στο τύλιγμα του δρομέα P s 3000 Q s t (sec) Σχήμα 4.10: Ενεργός και άεργος ισχύς στο τύλιγμα του στάτη. Στα παραπάνω σχήματα παρουσιάζεται η ενεργός και άεργος ισχύο τόσο στο τύλιγμα του δρομέα όσο και στου στάτη. Μετά το κλείσιμο του διακόπτη τόσο η ενεργός όσο και η άεργος ισχύ έχει αρνητικές τιμές. Αυτό γίνεται διότι έχει οριστεί ως θετική φορά ροής ισχύος όταν η ισχύς προσφέρεται από το τύλιγμα του δρομέα προς τον αντιστροφέα. Επομένως οι αρνητική τιμή στην ισχύ δηλώνει πως ο δρομέα τροφοδοτείται. Στο τύλιγμα του στάτη ως θετική φορά ροής ισχύος έχει οριστεί όταν ο στάτης προσλαμβάνει ισχύ από το δίκτυο. Στο σχήμα 4.10 παρατηρούμε πως πριν το κλείσιμο του διακόπτη έχουμε μεγάλη ροή ισχύος προς το τύλιγμα του στάτη. Σε αυτό το χρονικό διάστημα η ασύγχρονη μηχανή είναι εν κένω και η ισχύς που τροφοδοτεί το δίκτυο είναι απαραίτητη για την μαγνήτιση της μηχανής. Μετά το κλείσιμο του διακόπτη ο στάτης εξακολουθεί να τροφοδοτείται με ισχύ 55

72 Σ.Ι. Κεφάλαιο 4 αλλά μόνο με άεργο ισχύ αφού η ενεργός ισχύς είναι μηδενική, όπως φαίνεται στο σχήμα Αυτή τη χρονική στιγμή η ασύγχρονη μηχανή συμπεριφέρεται ως ένα καθαρά επαγωγικό φορτίο. Μετά την μεταβολή στη τάση εξόδου του μετατροπέα, το τύλιγμα του στάτη αποδίδει ισχύ στο δίκτυο. Η άεργος ισχύς είναι σχεδόν μηδενική οπότε ο συντελεστής ισχύος είναι μονάδα. Αξίζει να σημειωθεί πως υπάρχει άμεση συσχέτιση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της γεννήτριας με την ισχύ του στάτη t (sec) Σχήμα 4.11: Συντελεστής ισχύος στο τύλιγμα του στάτη. Στο σχήμα 4.12 παρουσιάζονται η πολική τάση εξ επαγωγής του τυλίγματος του δρομέα και η πολική τάση του αντιστροφέα για τις ίδιες φάσεις, αφού έχουν περάσει από ένα κατωδιαβατό φίλτρο, για να απαλλαχτούν από το αρμονικό περιεχόμενο τους. Η γραφική παράσταση αυτή δείχνει, πως οι δύο τάσεις είναι συμφασικές, ίδιου πλάτους και συχνότητας. Μετά από t=2sec κλείνει ο διακόπτης και πλέον οι δύο τάσεις ταυτίζονται. 56

73 λs abc (Vs) Vπ,ro (V), Vπ,conv (V) Κεφάλαιο V π,rο V π,conv t (sec) Σχήμα 4.12: Πολική τάση του δρομέα και του αντιστροφέα πριν και μετά τη σύνδεση. Τόσο στο στάτη όσο και στο δρομέα παρατηρείται αύξηση της μαγνητικής ροής όταν προσφέρεται ισχύς στο δίκτυο, δηλαδή για την χρονική στιγμά Τ=2,1sec. Η αύξηση αυτή γίνεται πιο εύκολα αντιληπτή στη μαγνητική ροή του δρομέα t (sec) Σχήμα 4.13: Μαγνητική ροή των τριών φάσεων στο στάτη. 57

74 Is abc (A) λr abc (Vs) Κεφάλαιο t (sec) Σχήμα 4.14: Μαγνητική ροή των τριών φάσεων στο δρομέα. Στο παρακάτω σχήμα 4.15 παρουσιάζεται το ρεύμα των τριών φάσεων του τυλίγματος του στάτη. Παρατηρούμε πως τα ρεύματα του στάτη πριν το κλείσιμο του διακόπτη έχουν μεγάλη τιμή. Επίσης, πριν αλλά και μετά τον παραλληλισμό με το δίκτυο, είναι ημιτονοειδή και συμμετρικά, παρόλο που η τάση στο δρομέα είναι παλμική. Το ίδιο ισχύει και για τα ρεύματα στο τύλιγμα του δρομέα, όπως φαίνεται σε παρακάτω σχήμα I sa I sb I sc t (sec) Σχήμα 4.15: Τριφασικό ρεύμα στο στάτη. 58

75 Ir abc (A) Vs abc (V) Κεφάλαιο 4 Έπειτα, παρουσιάζεται η τάση του στάτη, η οποία παραμένει αμετάβλητη, όπως και θα έπρεπε, διότι το τύλιγμα του στάτη είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο. 300 V sa V sb 200 V sc t (sec) Σχήμα 4.16: Τριφασική τάση στο στάτη. Στο σχήμα 4.17 παρατίθενται τα ρεύματα στο τύλιγμα του δρομέα. Παρατηρούμε, ότι είναι ημιτονοειδή και συμμετρικά. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα σχήματα, που δείχνουν τη μορφή της πολικής και της φασικής τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα I ra I rb I rc t (sec) Σχήμα 4.17: Τριφασικό ρεύμα στο δρομέα. 59

76 Vdc (V) Vφ,conv (V) Vπ,conv (V) Κεφάλαιο t (sec) Σχήμα 4.18: Πολική τάση στην έξοδο του αντιστροφέα t (sec) Σχήμα 4.19: Φασική τάση στο τοπικό φορτίο στην έξοδο του αντιστροφέα t (sec) Σχήμα 4.20: Συνεχής τάση στην είσοδο του αντιστροφέα. 60

77 Idc (A) Κεφάλαιο Σχήμα 4.21: Συνεχές ρεύμα στη είσοδο του αντιστροφέα. Τέλος στα σχήματα 4.20 και 4.21 παρουσιάζεται η συνεχής τάσης και το συνεχές ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα. Η τάση στη είσοδο του αντιστροφέα είναι σταθερή και ίση με 180 V. Το ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα έχει την συγκεκριμένη μορφή διότι η εμπέδηση του πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα είναι μεγαλύτερη από αυτήν της πηγής συνεχούς τάσης και για αυτό το λόγο το διακοπτικό ρεύμα αντί να τροφοδοτείται από τον πυκνωτή τροφοδοτείται από την πηγή. Για να βελτιωθεί αυτό το φαινόμενο και το ρεύμα να είναι συνεχές αρκεί να μεγαλώσουμε την χωρητικότητα του πυκνωτή. 4.5 Προσομοίωση ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα για υποσύγχρονες ταχύτητες και η προσφερόμενη ισχύς στο δίκτυο Σε αυτό το κομμάτι γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος για την μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Για να υπολογιστεί η ισχύς, που προσφέρεται στο δίκτυο ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, γίνονται ορισμένες θεωρήσεις t (sec) Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο οι ανεμογεννήτριες με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα έχουν τη δυνατότητα ρύθμισης στροφών με εύρος ±30% του σύγχρονου αριθμού στροφών τους. Όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα, οι ανεμογεννήτριες έχουν τέσσερις περιοχές λειτουργίας ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Στην πρώτη (Ι) και τέταρτη (ΙV) δεν προσφέρεται ισχύς προς το δίκτυο, αφού στην πρώτη περιοχή, η ισχύς, που προσλαμβάνεται, είναι συγκρίσιμη με τις απώλειες, ενώ στη τέταρτη περιοχή, η ανεμογεννήτρια τίθεται εκτός λειτουργίας για να προστατευθούν τα μηχανικά μέρη της. Στη δεύτερη (ΙΙ) και τρίτη (ΙΙΙ) περιοχή λειτουργίας αποστέλλεται ισχύς προς το δίκτυο. Στη δεύτερη περιοχή, η προσφερόμενη ισχύς στο δίκτυο είναι ανάλογη με την 61

78 Κεφάλαιο 4 ταχύτητα του ανέμου και ο ηλεκτρικός έλεγχος της γεννήτριας είναι υπεύθυνος για να αποστέλλεται προς το δίκτυο όλη η προσλαμβανόμενη ισχύς του ανέμου. Ενώ στην τρίτη περιοχή, η γεννήτρια προσφέρει ονομαστική ισχύ, οπότε αναλαμβάνει ο μηχανικός έλεγχος να περιορίσει την προσλαμβανόμενη ισχύ από τον άνεμο για να προστατευτεί η γεννήτρια. Σχήμα 4.22: Χαρακτηριστική καμπύλη ισχύς (Ρ)-ταχύτητας ανέμου (v wind ) [1]. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η λειτουργία στη δεύτερη περιοχή, που επιδρά ο ηλεκτρικός έλεγχος. Η μηχανή, που προσομοιώθηκε έχει δύο ζεύγη πόλων, οπότε οι ταχύτητες, για τις οποίες θα λειτουργεί ως γεννήτρια, είναι μεταξύ 1050 rpm και 1950 rpm. Για την προσομοίωση του ανεμονοκινητήρα έγιναν οι εξής θεωρήσεις. Επιλέχθηκε η ακτίνα του πτερυγίου του να είναι 3,5m και ένα κιβώτιο ταχυτήτων με λόγο μετασχηματισμού 14. Το κιβώτιο ταχυτήτων επιλέχθηκε έτσι ώστε για τις 1950 rpm και με μέγιστο συντελεστή C p να επιτυγχάνεται μέγιστη πρόσληψη ισχύος και απόδοση αυτής στο δίκτυο. Σύμφωνα με τις παραπάνω θεωρήσεις και εφαρμόζοντας του τύπους για τον υπολογισμό της ισχύος στον άξονα της γεννήτριας ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, ακολουθούν οι γραφικές παραστάσεις με την ισχύ που προσφέρεται στο δίκτυο ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου για τρείς διαφορετικές ταχύτητες ανέμου. 62

79 Te (Nm) ωr (rpm) Κεφάλαιο 4 Για v wind =5,8 υπολογίζεται στον άξονα της γεννήτριας Ρ m =1970 W και ταχύτητα 1400 rpm t (sec) Σχήμα 4.23: Στροφές της ασύγχρονης μηχανής t (sec) Σχήμα 4.24: Ηλεκτρομαγνητική ροπή της ασύγχρονης μηχανής. 63

80 ωr (rpm) Ps (w), Qs (Var) Κεφάλαιο P S 3000 Q S t (sec) Σχήμα 4.25: Ενεργός και άεργος ισχύς στο τύλιγμα του στάτη. Για v wind =4,9 υπολογίζεται στον άξονα της γεννήτριας Ρ m =1240 W και ταχύτητα 1200 rpm t (sec) Σχήμα 4.26: Στροφές της ασύγχρονης μηχανής. 64

81 Ps (w), Qs (Var) Te (Nm) Κεφάλαιο t (sec) Σχήμα 4.27: Ηλεκτρομαγνητική ροπή της ασύγχρονης μηχανής P s 3000 Q s t (sec) Σχήμα 4.28: Ενεργός και άεργος ισχύς στο τύλιγμα του στάτη. 65

82 Te (Nm) ωr (rpm) Κεφάλαιο 4 Για v wind =4,35 υπολογίζεται στον άξονα της γεννήτριας Ρ m =830 W και ταχύτητα 1050 rpm t (sec) Σχήμα 4.29: Στροφές της ασύγχρονης μηχανής t (sec) Σχήμα 4.30: Ηλεκτρομαγνητική ροπή της ασύγχρονης μηχανής. 66

83 Ps (w), Qs (Var) Κεφάλαιο P s 3000 Q s t (sec) Σχήμα 4.31: Ενεργός και άεργος ισχύς στο τύλιγμα του στάτη Από τις προηγούμενες γραφικές παραστάσεις φαίνεται, πως όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του ανέμου τόσο περισσότερη ισχύ, είναι σε θέση να προσφερθεί στο δίκτυο. Σε κάθε περίπτωση, η άεργος ισχύς θέλουμε να είναι μηδενική. Με τον έλεγχο ανοιχτού βρόχου, που εφαρμόστηκε, φαίνεται, πως υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της ισχύος, που προσφέρει η γεννήτρια στο δίκτυο τόσο την ενεργό όσο και την άεργο. Επιπλέον, αξίζει να σημειωθεί, πως καθώς οι στροφές είναι σταθερές και τα ρεύματα ημιτονοειδή, η ηλεκτρομαγνητική ροπή παρουσιάζει ορισμένες ταλαντώσεις, οι οποίες εμφανίζονται και στην ισχύ στο τύλιγμα του στάτη. Οι ταλαντώσεις αυτές πλησίον του σύγχρονου αριθμού στροφών μειώνονται αισθητά, ενώ για χαμηλές στροφές είναι πιο έντονη η παρουσία τους. 67

84 Κεφάλαιο 4 68

85 Κεφάλαιο 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ 5.1 Περιγραφή πειραματικής διάταξης Η πειραματική διάταξη του συγκροτήθηκε φαίνεται στο Σχήμα 5.1. Αποτελείται από μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, μια ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα, τον αντιστροφέα και τον μικροελεγκτή. Οι δύο μηχανές έχουν τους δρομείς τους μηχανικά ενωμένους και η μηχανή συνεχούς ρεύματος λειτουργεί ως κινητήρας, ενώ η ασύγχρονη ως γεννήτρια. Σχήμα 5.1: Τοπολογία πειραματικού συστήματος. Για την τροφοδοσία της μηχανής Σ.Ρ. χρησιμοποιήθηκε η συνεχής τάση του εργαστηρίου για το τύλιγμα διέγερσης με μεταβλητή αντίσταση σε σειρά για να έχουμε δυνατότητα ελέγχου, ενώ για το τύλιγμα του τυμπάνου χρησιμοποιήθηκε τροφοδοτικό συνεχούς τάσης. Επίσης τροφοδοτικό συνεχούς τάσης χρησιμοποιήθηκε και στην είσοδο του αντιστροφέα. Για την ομαλή σύνδεση του τυλίγματος του στάτη της ασύγχρονης μηχανής με το δίκτυο χρησιμοποιήθηκε ένας τριφασικός μεταβλητός μετασχηματιστής. Για την μέτρηση των στροφών έγινε χρήση ενός ψηφιακού στροφόμετρου, πού έχει παλμικό σήμα εξόδου. Τέλος χρησιμοποιήθηκαν οι πλακέτες που κατασκευάστηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας και είναι οι εξής: Αντιστροφέα με ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος IGBT και το κύκλωμα οδήγησής τους. Μικροελεγκτή 69

86 Κεφάλαιο 5 Μετρητικών τάσεως Μετρητικών ρεύματος Γραμμικά τροφοδοτικά ολοκληρωμένων Οδήγησης διακόπτη Οι πλακέτες που κατασκευάστηκαν σχεδιάστηκαν μέσω πρόγραμμα KiCad. Η διαστασιολόγηση της κατασκευής έγινε με βάση τα στοιχεία της ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα, που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Ακολουθεί λεπτομερής περιγραφή της σχεδίασης και κατασκευής των πλακετών. P N (kw) V SN (V) I SN (A) n N cosφ f S (Hz) V RπO (V) I RN (A) (1/min) 3,2 220/380 Υ/Δ 14/8,1 Υ/Δ , Πίνακας 5.1: Στοιχεία ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα, AEG. 5.2 Πλακέτα τριφασικού αντιστροφέα Ο τριφασικός αντιστροφέας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.2, αποτελείται από δύο ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος ανά κλάδο με αντιπαράλληλες διόδους. Άρα, επειδή είναι τριφασικός και έχει τρείς κλάδους, συνεπώς απαρτίζεται από έξι ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος και έξι αντιπαράλληλες διόδους. Σχήμα 5.2: Τοπολογία τριφασικού αντιστροφέα [11]. 70

87 Κεφάλαιο 5 Στην πλακέτα του αντιστροφέα υπάρχει επίσης το σύστημα απαγωγής θερμότητας και το κύκλωμα οδήγησης των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή των στοιχείων που απαρτίζουν την πλακέτα αυτή Ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος [9][10][11][12] Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος για να καλύπτουν το μεγάλο εύρος εφαρμογών που τα χρησιμοποιούν. Για τους αντιστροφείς χρησιμοποιούνται τέσσερις κατηγορίες: τα θυρίστορ, τα GTO θυρίστορ, τα MOSFET και τα IGBT. Τα θυρίστορ λειτουργούν υπό υψηλές τάσεις ή υψηλά ρεύματα, γενικά μεγάλη ισχύ. Τα δύο μεγάλα μειονεκτήματα τους είναι: πρώτον, η χαμηλή διακοπτική συχνότητα λειτουργίας και δεύτερον, δεν σβήνουν παρά μόνο όταν το ρεύμα που τα διαρρέει πέσει κάτω από μία ορισμένη τιμή. Για να επιτευχθεί η λειτουργία σβέσης πρέπει να υπάρχει ένα επιπλέον κύκλωμα εξαναγκασμένης σβέσης. Το κύκλωμα αυτό αυξάνει την πολυπλοκότητα του κυκλώματος και το κόστος της κατασκευής. Λόγω των μειονεκτημάτων που παρουσιάζουν τα θυρίστορ θεωρούμε ότι είναι ασύμφορα για την κατασκευή μας. Τα μειονεκτήματα των θυρίστορ αντισταθμίζονται από το GTO (Gate Turn Off) θυρίστορ, το οποίο άγει και σβήνει μέσω ελεγχόμενων παλμών. Παρ ότι μπορεί να λειτουργήσει σε λίγο υψηλότερη διακοπτική συχνότητα από ό,τι το θυρίστορ, δεν μπορεί να αντέξει πολύ μεγάλη ισχύ. Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας είναι απαγορευτική για τις ανάγκες της κατασκευής μας αφού πρέπει να επιτευχθεί όσο το δυνατόν λιγότερο αρμονικό περιεχόμενο στην κυματομορφή της τάσης εξόδου του μετατροπέα. 71

88 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.3: Δυνατότητες των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος όσον αφορά το ονομαστικό ρεύμα αγωγής, την τάση διάσπασης και τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας [13]. Όποτε, αφού απορίθφηκε και το GTO ως επιλογή ημιαγωγικού στοιχείου, απομένουν το MOSFET και το IGBT. Το πρώτο είναι πλήρως ελεγχόμενο, όσο αφορά την έναυση και τη σβέση του μέσω παλμών στο ηλεκτρόδιο πύλης του. Είναι ικανό να λειτουργήσει σε πολύ υψηλές διακοπτικές συχνότητες της τάξεως των 50kHz αλλά και σε πολύ χαμηλή ισχύ της τάξεως του 1kW. Ο λόγος που απορρίφθηκαν είναι η χαμηλή ισχύς που μπορούν να διαχειριστούν. Τελευταία κατηγορία τα IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Είναι πλήρως ελεγχόμενα από το ηλεκτρόδιο πύλης του. Λειτουργούν σε χαμηλότερες διακοπτικές συχνότητες από το MOSFET, αλλά διαχειρίζονται υψηλότερη ισχύ από αυτά. Σε αυτό το γεγονός βασίζεται η επιλογή μας, ότι τα IGBT είναι κατάλληλα για την κατασκευή μας. Σύγκριση μεταξύ των τεσσάρων κατηγοριών φαίνεται στο Σχήμα 5.3. Η επιλογή των IGBT έγινε από τους καταλόγους της εταιρίας International Rectifier με κωδικόirg4pc40kdpbf. Μερικά από τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους είναι τα παρακάτω, όπως αναγράφονται και στο φυλλάδιο του κατασκευαστή. Μέγιστη τάση συλλέκτη-εκπομπού, V CES =600 V Ρεύμα συλλέκτη σε θερμοκρασία 100 ο C, Ι C =25 A Μέγιστη καθυστέρηση έναυσης-σβέσης, t d(on) +t r +t d(off) +t f =396 ns 72

89 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.4: Εικόνα και σχηματικό διάγραμμα του IRG4PC40KDPbF [29] Σύστημα απαγωγής θερμότητας Οι απώλειες που παρουσιάζει κατά τη λειτουργία του ένα ημιαγωγικό στοιχείο του μετατρέπονται σε θερμότητα. Η θερμότητα αυτή πρέπει να απαχθεί από το στοιχείο, προκειμένου να μην καταστραφεί, για να γίνει αυτό τοποθετούμε το ημιαγωγικό στοιχείο πάνω σε ψήκτρες. Για την επιλογή των ψηκτρών χρησιμοποιήθηκε η παρακάτω καμπύλη στο σχήμα 5.5 από το εγχειρίδιο του κατασκευαστή των IGBT. Σχήμα 5.5: Συνολικές διακοπτικές απώλειες (E tot ) σε συνάρτηση με το ρεύμα αγωγής (I ce ) [29]. Οι διαστασιοποίηση των IGBT έγινε για την ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα του εργαστηρίου, η οποία έχει στο τύλιγμα του δρομέα ονομαστικό ρεύμα 19 Α. Από το σχήμα 5.5 για Ι CE =19 Α οι απώλειες είναι Ε tot =1,9 mj. Αν χρησιμοποιηθεί διακοπτική συχνότητα 10 khz τότε η μέση κατανάλωση ισχύος ισούται με P=1,9 mj*10 khz=19 W. 73

90 Κεφάλαιο 5 Όμως λόγω του ότι η τάση, για την οποία δίνονται οι απώλειες από το σχήμα 5.5 είναι ίση με V cc =480 V, ανάγεται στα 180 V και οι απώλειες υπολογίζονται σε Ρ los =7,125 W. Η μέγιστη θερμική αντίσταση της ψήκτρας υπολογίζεται από την σχέση: (5.70) Τα όρια θερμοκρασίας Τ j δίνονται στο φυλλάδιο του κατασκευαστή και κυμαίνονται μεταξύ -55 και 150 ο C. Θέτοντας ως ανώτερη επιτρεπόμενη τιμή για την θερμοκρασία τους 100 ο C και για μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντας τους 40 ο C, υπολογίζεται R θja =8,42 ο C/W. Από τα στοιχεία που δίνει ο κατασκευαστής η θερμική αντίσταση επαφής-θήκης (R θjc ) για το IGBT είναι 0,77 ο C/W και για την εσωτερική αντιπαράλληλη δίοδο 1,7 ο C/W. Ενώ η θερμική αντίσταση θήκης-απαγωγέα θερμότητας είναι 0,24 ο C/W. Θεωρώντας τις θερμικές αντιστάσεις αυτές σε σειρά η θερμική αντίσταση του απαγωγέα θερμότητας που πρέπει να επιλεχθεί δεν πρέπει να ξεπερνά την R θsa =8,42 ο C/W-0,77 ο C/W-1,7 ο C/W-0,24 ο C/W=5,71 ο C/W. Επομένως επιλέχθηκε ψήκτρα με θερμική αντίσταση ίση με 3,2 ο C/W. Σχήμα 5.6: Η ψήκτρα που χρησιμοποιήθηκε για τα IGBT [29] Κύκλωμα παλμοδότησης των IGBT [31][32][33] Τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος, όπως είναι και τα IGBT έρχονται στην αγωγή με εφαρμογή παλμού τάσης στο ηλεκτρόδιο της πύλης (gate) τους. Η παραγωγή παλμών των γίνεται από το μικροελεγκτή (μ/ε). Τα σήματα που παράγονται από τον μ/ε είναι ακατάλληλα 74

91 Κεφάλαιο 5 να οδηγήσουν ένα ημιαγωγικό στοιχείο. Για να είναι σε θέση τα σήματα να οδηγήσουν ένα ημιαγωγικό στοιχείο πρέπει να ενισχυθούν, αφού πρώτα εξασφαλιστεί η απομόνωση του κυκλώματος του μ/ε (χαμηλής ισχύος) από αυτό του αντιστροφέα (υψηλής ισχύος). Η απομόνωση είναι απαραίτητη για την προστασία του κυκλώματος χαμηλής ισχύος σε περίπτωση σφάλματος. Για την επίλυση των παραπάνω προβλημάτων χρησιμοποιήθηκαν μια σειρά από ολοκληρωμένα κυκλώματα. Μετά την έξοδο των παλμών από τον μ/ε, πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα σε σειρά είναι ο αντιστροφέας 74HCT04, ο οποίος αντιστρέφει τους παλμούς του μ/ε. Ο λόγος που χρησιμοποιείται το ολοκληρωμένο γίνεται αντιληπτός με τη χρήση και του επόμενου στη σειρά ολοκληρωμένου, του 6Ν137. Το 6Ν137 είναι ένας οπτοζεύκτης (optocoupler) και χρησιμοποιείται για γαλβανική απομόνωση μεταξύ του κυκλώματος ισχύος και κυκλώματος ελέγχου. Η είσοδος του οπτοζεύκτη προέρχεται από μια φωτοδίοδο, η οποία εκπέμπει φως πάνω στη βάση ενός φωτοτρανζίστορ αναγκάζοντας το να άγει. Οι παλμοί που φτάνουν στην είσοδο της φωτοδιόδου εξέρχονται αντεστραμμένοι απ το φωτοτρανζίστορ. Το IR2213 χρησιμοποιείται ως ενισχυτής παλμών για να μπορέσει να φέρει σε αγωγή τα IGBT. Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή των παραπάνω ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Το ολοκληρωμένο 74HCT04 Το ολοκληρωμένο 74HCT04 περιλαμβάνει 6 πύλες NOT, έχει 14 ακροδέκτες και τροφοδοτείται από συνεχή τάση 5 V. Για τις ανάγκες της Διπλωματικής μου εργασίας χρησιμοποίησα δυο ολοκληρωμένα 74HCT04 για περισσότερη απλότητα στο σχεδιασμό του κυκλώματος. Στον ακροδέκτη 14 συνδέεται η τροφοδοσία των 5 V και στον 7 η γείωση. Οι ακροδέκτες 1,3,5,9,11,13 χρησιμοποιούνται ως είσοδοι των πυλών NOT ενώ οι 2,4,6,8,10,12 είναι οι αντίστοιχες έξοδοι. Ο ρόλος του είναι διττός για την αντιστροφή των παλμών, και για ενίσχυση του ρεύματος, αφού ο μ/ε δεν μπορεί να οδηγήσει τα επόμενα ολοκληρωμένα. Σχήμα 5.7: Σχηματικό διάγραμμα του 74HCT04 [31]. 75

92 Κεφάλαιο 5 Το ολοκληρωμένο 6Ν137 Το ολοκληρωμένο 6Ν137 έχει 8 ακροδέκτες και τροφοδοτείται κι αυτό από τα 5 V. Στην παρούσα Διπλωματική χρησιμοποιήσαμε έξι ολοκληρωμένα 6Ν137 (ένα για Σχήμα 5.8: Πίνακας αληθείας και σχηματικά του 6Ν137 [33]. κάθε παλμό). Στον ακροδέκτη 2, όπου εισέρχεται ο παλμός, τοποθετείται σε σειρά μια αντίσταση 270 Ω για περιορισμό του ρεύματος. Από τον ακροδέκτη 6 εξέρχεται ο παλμός. Επειδή το σήμα εξόδου είναι σήμα ρεύματος, τοποθετούμε μια αντίσταση 1 kω μεταξύ της τροφοδοσίας των 5 V και της εξόδου. Μεταξύ της τροφοδοσίας και του ακροδέκτη 5 συνδέεται ένας πυκνωτής 0,1 μf. Η τροφοδοσία των 5 V συνδέεται με τους ακροδέκτες 8 και 7, οι οποίοι και βραχυκυκλώνονται για να εξέρχονται αντεστραμμένοι οι παλμοί στην έξοδο. Οι ακροδέκτες 3 και 5 αποτελούν τη γείωση του κυκλώματος. Για να επιτευχθεί όμως απομόνωση του κυκλώματος, οι δύο γειώσεις πρέπει να είναι διαφορετικές. Ο ακροδέκτης 3 έχει κοινή γείωση με τον μ/ε και τον αντιστροφέα 74HCT04, ενώ ο 5 έχει κοινή γείωση με το κύκλωμα ισχύος και τον οδηγό IR

93 Κεφάλαιο 5 Το ολοκληρωμένο IR2213 Το ολοκληρωμένο IR2213 χρησιμοποιείται για την οδήγηση και την ενίσχυση των παλμών που φτάνουν στην πύλη των IGBT. Έχει 14 ακροδέκτες και στον ακροδέκτη 3 συνδέεται η τροφοδοσία των 15 V, όσο και το μέγιστο (high) των παλμών στην έξοδό του. Το IR2213 έχει δυο εισόδους και δυο εξόδους για τα δυο IGBT που βρίσκονται στον ίδιο κλάδο του αντιστροφέα. Τα δυο κανάλια δεν μπορούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα, γιατί το ολοκληρωμένο είναι σχεδιασμένο για λειτουργία «bootstrap». Στον ακροδέκτη 9 συνδέεται η τροφοδοσία των 5 V και οι 2, 11, 13 ενώνονται με τη γείωση. Στους ακροδέκτες 10 και 12 εισέρχονται οι παλμοί από τα 6Ν137 και από τους 7 και 2 εξέρχονται οι παλμοί, που οδηγούνται στην πύλη του άνω και κάτω IGBT, σε κάθε κλάδο του αντιστροφέα, αντίστοιχα. Οι 5 και 1 συνδέονται στον εκπομπό του άνω και κάτω IGBT αντίστοιχα. Μεταξύ των 6 και 5 συνδέονται πυκνωτές τανταλίου (γνωστοί και ως «bootstrap capacitors»), και μεταξύ των 6 και 3 τοποθετούμε μια δίοδο 1Ν4001 με γρήγορους χρόνους ανάστροφης ανάκτησης και υψηλή τιμή ανάστροφης ανάκτησης που βοηθάει στη λειτουργία «bootstrap». Δυο πυκνωτές που λειτουργούν ως φίλτρα συνδέονται μεταξύ τροφοδοσίας και γείωσης (ακροδέκτες 9-13 και 3-2). Τέλος σε σειρά με τους ακροδέκτες 7 και 2 και με την πύλη του άνω και κάτω IGBT τοποθετούμε μια αντίσταση R G για περιορισμό του ρεύματος. Επίσης παράλληλα στην πύλη και τον εκπομπό έχουμε τοποθετήσει μια αντίσταση 1 kω και μια δίοδο zener 18 V για προστασία του IGBT, όταν η τάση για κάποιο λόγο ξεπεράσει τα 18 V και να προστατέψει το στοιχείο μας. Για τις ανάγκες της Διπλωματικής μας χρησιμοποιήσαμε τρία IR2213, ένα για κάθε κλάδο του αντιστροφέα. Σχήμα 5.9: Το ολοκληρωμένο IR2213 [34]. 77

94 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.10: Συνδεσμολογία του IR2213 [34]. Υπολογισμός πυκνωτή «bootstrap» H τροφοδοσία τύπου «bootstrap» επιτυγχάνεται με τη χρήση πυκνωτών τανταλίου. Η τροφοδοσία τύπου «bootstrap» έγκειται στο γεγονός ότι, τα άνω στοιχεία του αντιστροφέα έχουν τον εκπομπό τους συνδεδεμένο στο συλλέκτη των κάτω στοιχείων της γέφυρας και άρα χρειάζεται να ληφθεί ειδική μέριμνα για την εφαρμογή της διαφοράς δυναμικού των 15V μεταξύ πύλης εκπομπού τους. Στα κάτω στοιχεία δεν αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα αυτό, διότι ο εκπομπός τους είναι στο σημείο γείωσης του κυκλώματος. Το κύκλωμα της τεχνικής «bootstrap» φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 5.11: Κύκλωμα «bootstrap» [32]. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε μία δίοδο «bootstrap», την 1Ν4001, με πολύ γρήγορους χρόνους απόκρισης και πολύ υψηλή τιμή ανάστροφης τάσης. Σε σειρά με τη δίοδο «bootstrap» 78

95 Κεφάλαιο 5 τοποθετείται μία μικρή αντίσταση, η R boot, που χρησιμοποιείται για να περιορίσει το ρεύμα, όταν ο πυκνωτής είναι αρχικά φορτισμένος. Για να υπολογιστεί η ελάχιστη τιμή του πυκνωτή πρέπει να ισχύει: (5.71) όπου, ΔV BS είναι η ελάχιστη πτώση τάσης που μας εξασφαλίζει ότι το άνω στοιχείο της γέφυρας παραμένει σε αγωγή, V GEmin είναι η ελάχιστη τάση συγκράτησης πύλης-εκπομπού, V cc είναι η τάση τροφοδοσίας του ολοκληρωμένου, V F είναι η πτώση τάσης της διόδου bootstrap και V CEon είναι η τάση μεταξύ συλλέκτη-εκπομπού στο κάτω στοιχείο της γέφυρας. Η τάση τροφοδοσίας του ολοκληρωμένου είναι 15 V, η πτώση τάσης της διόδου «bootstrap» είναι στο 1,7 V και από το τεχνικό φυλλάδιο του IGBT βρίσκουμε ότι V GEmin =3 V και V CEon =2,6 V. Άρα η πτώση τάσης είναι: Ακολούθως υπολογίζουμε το ολικό φορτίο του πυκνωτή απ τον τύπο: (5.72) (5.73) όπου, Q G είναι το φορτίο της πύλης του άνω στοιχείου της γέφυρας, I LK_GE είναι το ρεύμα διαρροής μεταξύ πύλης-εκπομπού, I QBS είναι «Floating section quiescent current», I LK είναι «Floating section leakage current», I LK_DIODE είναι το ρεύμα διαρροής της bootstrap διόδου, I DS- είναι «Desat diode bias when on», Q LS είναι το φορτίο που εξαρτάται από την τάση αντοχής του ολοκληρωμένου, I LK_CAP είναι ρεύμα διαρροής του πυκνωτή bootstrap και T HON είναι ο χρόνος αγωγής του άνω στοιχείου της γέφυρας. Αρχικά από το τεχνικό φυλλάδιο του IR2213 βρίσκουμε ότι το I QBS =230 μα, το I LK =50 μα και I DS- =0 Α. Το Q LS το λαμβάνουμε ίσο με 20 nc, γιατί το ολοκληρωμένο μας αντέχει 1200 V. Από το τεχνικό φυλλάδιο του IGBT βρίσκουμε ότι το Q G =180 nc και το I LK_GE =100 na. Στη συνέχεια το ρεύμα διαρροής της διόδου «bootstrap» από το τεχνικό της φυλλάδιο είναι I LK_DIODE = 10 μα, ενώ το I LK_CAP μπορούμε να το αμελήσουμε στην περίπτωση που ο πυκνωτής μας είναι κεραμικός. Επομένως το φορτίο είναι: τύπο: (5.74) Και έτσι τελικά υπολογίζεται η ελάχιστη χωρητικότητα του πυκνωτή bootstrap με τον =29,74 nf Η τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή που επιλέχθηκε είναι αρκετά μεγαλύτερη (περίπου δέκα φορές) από την ελάχιστη τιμή C BOOT min. Στο κύκλωμα επιλέχθηκαν να 79

96 Κεφάλαιο 5 χρησιμοποιηθούν πυκνωτές χωρητικότητας 2,2 μf και όχι 300 nf, διότι δε βρέθηκαν διαθέσιμα στο εμπόριο. 5.3 Πλακέτα μικροελεγκτή [35][36][37][38] Στη πλακέτα αυτή κατασκευάστηκε το ηλεκτρονικό κύκλωμα, το οποίο υλοποιεί το κύκλωμα παλμοδότησης του μετατροπέα, καθώς επίσης τη συλλογή σημάτων ελέγχου και την εκτέλεση αλγορίθμων, οι οποίοι επεξεργάζονται τα σήματα ελέγχου και προσαρμόζουν τις εξόδους κατάλληλα. Για το σκοπό αυτό καταφύγαμε στη χρήση ενός μικροελεγκτή (μ/ε). Επιλέξαμε τη χρησιμοποίηση του μικροελεγκτή dspic30f4011, της σειράς dspic30f της εταιρείας Microchip, Σχήμα Σχήμα 5.12: Το ολοκληρωμένο του μικροελεγκτή dspic30f4011 [36]. Ο μικροελεγκτής της εταιρίας είναι ο ακρογωνιαίος λίθος στο κύκλωμα ελέγχου. Ο μ/ε έχει 40 ακροδέκτες και τροφοδοτείται με τάση 5 V. Από τους ακροδέκτες 33 έως 38 εξέρχονται οι παλμοί P.W.M. που παράγονται με τη μέθοδο S.P.W.M. Στους ακροδέκτες 2 έως 10 εισέρχονται τα αναλογικά σήματα για να ψηφοποιηθούν και να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο. Ακόμα χρησιμοποιήθηκαν οι ακροδέκτες 14, 17, 18, 22 και 23. Ο πρώτος ορίστηκε ως ψηφιακή έξοδο για τον έλεγχο του τριφασικού διακόπτη. Οι ακροδέκτες 17 και 18 δέχονταν ψηφιακά σήματα από το κύκλωμα ανίχνευσης μηδενικού σημείου (zerocrossing) και το στροφόμετρο, αντίστοιχα. Τέλος οι ακροδέκτες 22 και 23χρησιμοποιήθηκαν ως ψηφιακοί είσοδοι σημάτων που προέρχονται από δύο SPDT διακόπτες. Λόγω της σπουδαιότητας του μ/ε στην κατασκευή, θα αναφερθούν ορισμένα τεχνικά χαρακτηριστικά του. 80

97 Κεφάλαιο Περιγραφή του μικροελεγκτή [35][36] Γενικότερα, ο μικροελεγκτής είναι ένας τύπος μικροεπεξεργαστή με έμφαση στην αυτάρκεια και στην υψηλή τιμή απόδοσης/κόστους, σε αντίθεση με ένα μικροεπεξεργαστή γενικού σκοπού (όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε έναν προσωπικό υπολογιστή). Η μοναδική διαφορά τους είναι ότι ο μικροεπεξεργαστής αποτελείται από τρία μέρη: Την αριθμητική και λογική μονάδα (ALU) Τη μονάδα ελέγχου (CU) Τη μνήμη (Memory - Registers), ενώ ο μικροελεγκτής περιλαμβάνει εκτός από τα παραπάνω ενσωματώνει και άλλες μονάδες όπως RAM, ROM, Εισόδους, Εξόδους, κτλ. Σε αντίθεση με τους επεξεργαστές γενικού σκοπού, οι σύγχρονοι μικροελεγκτές δεν υλοποιούν ένα εξωτερικό δίαυλο δεδομένων ή διευθύνσεων, επειδή ενσωματώνουν τη μνήμη RAM και ROM στο ίδιο ολοκληρωμένο με τον επεξεργαστή. Το γεγονός αυτό έχει το μειονέκτημα ότι αυξάνεται το κόστος του ολοκληρωμένου, αλλά απαιτούνται λιγότερες δεσμευμένες ακίδες και το ολοκληρωμένο μπορεί να τοποθετηθεί σε ένα μικρότερο και φθηνότερο πακέτο, από ένα που θα υλοποιούταν με ανεξάρτητες μονάδες. Άλλο ένα πλεονέκτημα της ολοκλήρωσης των περιφερειακών είναι ο λιγότερος απαιτούμενος χώρος στην πλακέτα, καθώς επίσης και η μείωση των παρασιτικών τάσεων στα σήματα. Τούτο είναι πολύ σημαντικό όταν χρησιμοποιείται σε διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος, όπου εμφανίζονται υψηλές μεταβολές τάσεων και ρευμάτων. Ένας μικροελεγκτής συνήθως ενσωματώνει τα παρακάτω χαρακτηριστικά : Κεντρική μονάδα επεξεργασίας Είσοδοι Έξοδοι, σειριακές θύρες Άλλες σειριακές επικοινωνίες (I2C, SPI, CAN) Χρονιστές και «Watchdog» Μνήμη RAM για αποθήκευση δεδομένων Μνήμη για αποθήκευση του προγράμματος (ROM,EPROM,EEPROM, FLASH MEMORY) Γεννήτρια ρολογιού Μετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό και αντίστροφα (AD-DA Converter) Άλλα εξειδικευμένα περιφερειακά όπως γεννήτρια PWM 81

98 Κεφάλαιο 5 Ειδικότερα ο dspic30f4011 περιέχει μία 16-bit κεντρική μονάδα επεξεργασίας, η οποία είναι διαμορφωμένη σύμφωνα με την αρχιτεκτονική Harvard και παρέχει βελτιωμένο πακέτο εντολών, που περιλαμβάνει υποστήριξη σε λειτουργίες DSP. Η CPU έχει εντολές των 24bit με μεταβλητό μήκος του κώδικα λειτουργίας. Ο απαριθμητής προγράμματος έχει μήκος 24 bit και επιπλέον μπορεί να λειτουργήσει μέχρι και 4Μ x 24bit μνήμης για το πρόγραμμα του χρήστη. Η ύπαρξη ενός ενσωματωμένου μηχανισμού προφόρτωσης (prefetch) αυξάνει την απόδοση προσδίδοντας προβλέψιμη εκτέλεση και εκτελείται σε ένα μόνο κύκλο. Μόνο οι εντολές που αλλάζουν τη ροή του προγράμματος, τις μετακινήσεις λέξεων διπλής ακρίβειας και τις εντολές πινάκων δεν εκτελούνται σε ένα κύκλο. Όλες οι υπόλοιπες εντολές εκτελούνται σε ένα κύκλο. Ο dspic30f4011 διαθέτει δεκαέξι 16bit καταχωρητές εργασίας (Working registers) στο μοντέλο προγραμματισμού. Οι παραπάνω καταχωρητές εργασίας, εκτός από το 16ο καταχωρητή εργασίας (W15) που λειτουργεί ως ένας δείκτης στοίβας (stack pointer) για διακοπές και ανακλήσεις υπορουτινών, μπορούν να χρησιμοποιηθεί ως δεδομένο, σαν διεύθυνση ή σαν καταχωρητής μετατόπισης διεύθυνσης. Ακόμη ο dspic30f4011 διαθέτει δυο είδη εντολών, τις MCU και τις DSP εντολές, που είναι ενσωματωμένα στην αρχιτεκτονική και εκτελούνται από μια μονάδα εκτέλεσης. Το πακέτο εντολών περιλαμβάνει πολλούς τρόπους διευθυνσιοδότησης και είναι σχεδιασμένο για τη βέλτιστη αποτελεσματικότητα του C compiler. Όπως αναφέρθηκε η μνήμη του επεξεργαστή και όλοι οι καταχωρητές είναι οργανωμένοι σε μήκος των 16bit. Η μνήμη δεδομένων μπορεί να διευθυνσιοδοτηθεί με 32Κwords ή 64Kbytes και χωρίζεται σε δυο μπλοκ που αναφέρονται σαν Χ και Υ μνήμη δεδομένων. Κάθε μπλοκ μνήμης έχει τη δική του ανεξάρτητη μονάδα παραγωγής μνήμης (AGU). Οι MCU εντολές λειτουργούν αποκλειστικά διαμέσου της Χ μνήμης AGU. Κάποιες DSP εντολές λειτουργούν μέσα και από τα δυο μπλοκ, για να υποστηρίζουν αναγνώσεις διπλών τελεστών που χωρίζει τα δεδομένα της διεύθυνσης σε δυο μέρη. Η μνήμη δεδομένων προσπελαύνεται χρησιμοποιώντας δύο μονάδες παραγωγής διευθύνσεων (AGU) και διαφορετικούς δρόμους δεδομένων. Η εσωτερική μνήμη RAM μπορεί να επεκταθεί συνδέοντας μέσω διαύλου προγράμματος μνήμης σε συσκευές με ένα εξωτερικό δίαυλο. Τα χαρακτηριστικά της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας του dspic30f4011 είναι: 83 βασικές εντολές Εντολές των 24bit με 16bit δίαυλο δεδομένων. 48Kbytes ενσωματωμένης Flash μνήμης προγράμματος. 82

99 Κεφάλαιο 5 2Kbytes ενσωματωμένης μνήμης δεδομένων RAM. 1Kbyte μνήμης EEPROM Λειτουργία υπό 30MIPS: Έως 40MHz εξωτερικό ρολόι 4MHz έως 10MHz ταλαντωτής με ενεργό PLL (4x,8x,16x) 30 πηγές διακοπών εξωτερικές πηγές διακοπής επίπεδα προτεραιότητας για κάθε πηγή διακοπής διακοπές (Trap) στον επεξεργαστή Πίνακας 16x16 καταχωρητών εργασίας. O συγκεκριμένος μικροελεγκτής έχει τη δυνατότητα της DSP λειτουργίας. Τα πλεονεκτήματα που παρέχονται από τη λειτουργία αυτή είναι : Ταυτόχρονη διπλή εισαγωγή δεδομένων ( dual data fetch) Δύο συσσωρευτές των 40bit με προαιρετική λογική κορεσμού. 17bit x 17bit μονού κύκλου πολλαπλασιαστή ακεραίων ή δεκαδικών. Όλες οι DSP εντολές είναι μονού κύκλου. 16bit δεξιά ή αριστερή μετατόπιση (shift) μονού κύκλου Όπως αναφέρθηκε παραπάνω βασικό γνώρισμα ενός μικροελεγκτή είναι η ενσωμάτωση περιφερειακών στο ίδιο ολοκληρωμένο. Ο dspic30f4011 έχει τα εξής περιφερειακά ολοκληρωμένα κυκλώματα να τον πλαισιώνουν: Ψηφιακές θύρες εισόδου εξόδου 2 χρονιστές (Timers) Input capture module. Μονάδα εύρεσης και αποτύπωσης χρονικής στιγμής συμβάντος. Output compare module Quadrature Encoder Interface 10bit μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα. Θύρα ασύγχρονης επικοινωνίας RS-232 UART. 3 Γεννήτριες PWM. Μονάδες σειριακής επικοινωνίας βασισμένη στα πρωτόκολλα SPI και I2C. Μονάδα CAN. Επειδή ο αριθμός των ακίδων του επεξεργαστή είναι περιορισμένος, είναι αναγκαία η πολύπλεξη των σημάτων των περιφερειακών μεταξύ τους. Από τον κώδικα μέσω ορισμένων καταχωρητών ειδικής λειτουργίας (SFR) γίνεται η ενεργοποίηση της κάθε ακίδας. Ο 83

100 Κεφάλαιο 5 μικροελεγκτής διαθέτει πέντε ψηφιακές θύρες εισόδου-εξόδου συγκεκριμένου αριθμού ακίδων. Όποια ακίδα δεν χρησιμοποιείται από κάποιο άλλο περιφερειακό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θύρα εισόδου ή εξόδου. Ακολουθεί το σχήμα 5.13, το οποίο παρουσιάζει το μικροελεγκτή σε επικοινωνία με τα περιφερειακά του. Σχήμα 5.13: Μπλόκ διάγραμμα του μικροελεγκτή [35]. 84

101 Κεφάλαιο Πλακέτα μετρητικών τάσης και ρεύματος [28] Οι πλακέτες με τα μετρητικά τάσης και ρεύματος σχεδιάστηκαν με γνώμονα την δυνατότητα και να εφαρμοστεί έλεγχος κλειστού βρόχου στο σύστημα. Για αυτό το λόγο σχεδιάστηκαν μια πλακέτα με τρία μετρητικά τάσης και μια πλακέτα με τέσσερα μετρητικά ρεύματος. Τα σήματα από την έξοδο των μετρητικών δεν είναι σε θέση να αποσταλούν στους αναλογικούς ακροδέκτες του μικροελεγκτή απευθείας. Για να έχουμε ακριβή εικόνα των μετρούμενων σημάτων, χρησιμοποιήθηκαν τοπολογίες ενεργών φίλτρων, τα οποία αφαιρούν το ανεπιθύμητο αρμονικό περιεχόμενο των μετρούμενων σημάτων. Για τα μετρούμενα μεγέθη του στάτη χρησιμοποιήθηκαν ζωνοδιαβατά φίλτρα Butterworth τέταρτης τάξης, ενώ για τα μεγέθη του δρομέα κατωδιαβατά φίλτρα δεύτερης τάξης. Επιπλέον υλοποιήθηκε κύκλωμα ανίχνευσης μηδενικού σημείου (zero-cossing) για το μετρούμενο σήμα μιας τάσης και ενός ρεύματος Μετρητικό τάσης [29] Για τη μέτρηση των τάσεων χρησιμοποιήθηκαν τα μετρητικά τάσης LV 25-P της εταιρίας LEM, τα οποία λειτουργούν με βάση το φαινόμενο Hall και προσφέρουν γαλβανική απομόνωση μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος. Το LV 25-P τροφοδοτείται με +15 V και -15 V συνεχή τάση. Σχήμα 5.14: Μετρητικό τάσης [29]. Το πρωτεύον τύλιγμα έχει ονομαστικό ρεύμα 10 ma. Για να περιορίσουμε το ρεύμα στο πρωτεύον χρησιμοποιούμε ανιστάσεις σε σειρά με την μετρούμενη τάση. Ο αριθμός και το μέγεθος των αντιστάσεων διαφέρουν ανάλογα με τη μετρούμενη τάση. Στο δευτερεύον εξέρχεται σήμα ρεύματος 25 mα, το οποίο μετασχηματίζεται σε τάση με μία αντίσταση σε 85

102 Κεφάλαιο 5 σειρά προσέχοντας πάντα το μέγεθός της να είναι στα επιτρεπτά όρια, που δίνει ο κατασκευαστής. Επειδή ο μικροελεγκτής δέχεται σήματα από 0 έως 5 V, η αντίσταση εξόδου του μετρητικού τάσης επιλέγεται έτσι ώστε το σήμα να έχει peak-peak 5V Μετρητικό ρεύματος [29] Για τη μέτρηση των ρευμάτων χρησιμοποιήθηκαν τα μετρητικά ρεύματος LAH 25-NP της εταιρίας LEM, τα οποία λειτουργούν με βάση το φαινόμενο Hall και προσφέρουν γαλβανική απομόνωση μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος. Το LAH 25-NP τροφοδοτείται με +15 V και -15 V συνεχή τάση. Σχήμα 5.15: Μετρητικά ρεύματος [39]. Το πρωτεύον τύλιγμα έχει έξι ακροδέκτες, η ένωση των οποίων καθορίζει το ονομαστικό ρεύμα του πρωτεύοντος. Στο LAH 25-NP δίνεται η δυνατότητα επιλογής μεταξύ 8 Α, 12 Α και 25 Α. Το σήμα εξόδου του μετρητικού σε όλες τις περιπτώσεις σύνδεσης του πρωτεύοντος είναι ίδιο και ίσο με 25 ma. Όπως στο μετρητικό τάσης έτσι και στο μετρητικό ρεύματος το σήμα εξόδου είναι σήμα ρεύματος και το μετασχηματίζουμε σε σήμα τάσης με αντίσταση σε σειρά, το μέγεθος της οποίας πρέπει να είναι στα επιτρεπτά όρια του κατασκευαστή Ενεργά φίλτρα [28] Για τα μετρούμενα μεγέθη του στάτη χρησιμοποιήθηκε ένα ζωνοδιαβατό φίλτρο Butterworth και για αυτά του δρομέα ένα κατωδιαβατό φίλτρο Bessel. Τα φίλτρα στα σήματα του στάτη, που έχουν σταθερή συχνότητα ίση με του δικτύου, επιλέχθηκαν κατάλληλα έτσι 86

103 Κεφάλαιο 5 ώστε να μην προσθέτουν καθυστέρηση. Στο τύλιγμα του δρομέα, που τα μετρούμενα μεγέθη έχουν μεταβλητή συχνότητα, το κατωδιαβατό φίλτρο ρυθμίστηκε να μην προσθέτει καθυστέρηση μέχρι την συχνότητα των 15 Hz, που αντιστοιχεί στις 1050 rpm. Οι υπολογισμοί για τα φίλτρα έγιναν με τη βοήθεια του λογισμικού FilterPro της Texas Instruments, το οποίο υπάρχει ελεύθερο στην ιστοσελίδα της εταιρίας. Το ζωνοδιαβατό φίλτρο Butterworth υπολογίστηκε με κεντρική συχνότητα 50 Ηz να έχει εύρος ζώνης τα 85 Ηz καθώς επίσης να μην προσθέτει ενίσχυση στην έξοδό του. Η τοπολογία του φίλτρου επιλέχθηκε να είναι Multiple Feedback. Με βάση της παραμέτρους που θέσαμε το φίλτρο που προέκυψε είναι το ακόλουθο: Σχήμα 5.16: Σχηματική διάταξη ζωνοδιαβατού φίλτρου Butterworth τέταρτης τάξης στο FilterPro [42]. Σχήμα 5.17: Bode διάγραμμα ζωνοδιαβατού φίλτρου Butterworth τέταρτης τάξης στο FilterPro [42]. 87

104 Κεφάλαιο 5 Στο κατωδιαβατό φίλτρο Bessel επιλέχθηκε συχνότητα αποκοπής τα 5 khz, στην οποία καταλήξαμε έπειτα από δοκιμές έως ότου επιτευχθεί στις χαμηλές συχνότητες να μην υπάρχει καθυστέρηση φάσης. Για το φίλτρο αυτό επιλέχθηκε η τοπολογία Sallen Key, για να μην γίνεται αναστροφή του σήματος. Ακολουθεί το διάγραμμα του φίλτρου με τις τιμές για τα στοιχεία του: Σχήμα 5.18: Σχηματική διάταξη κατωδιαβατού φίλτρου Bessel δεύτερης τάξης στο FilterPro [42] Σχήμα 5.19: Bode διάγραμμα διάταξη κατωδιαβατού φίλτρου Bessel δεύτερης τάξης στο FilterPro [42]. Για την υλοποίηση των παραπάνω φίλτρων εκτός από αντιστάσεις και πυκνωτές χρησιμοποιήθηκαν τελεστικοί ενισχυτές με χρήση του ολοκληρωμένου LM358. Το ολοκληρωμένο LM358 έχει στο εσωτερικό του δύο τελεστικούς ενισχυτές όπως φαίνεται στο σχήμα Στους ακροδέκτες 8 και 4 εφαρμόστηκε η τροφοδοσία του ολοκληρωμένου, που 88

105 Κεφάλαιο 5 είναι +15 V και -15 V. Οι ακροδέκτες 2, 3, 5 και 6 είναι οι είσοδοι του τελεστικού ενισχυτή, ενώ οι ακροδέκτες 1 και 7 οι έξοδοι. Σχήμα 5.20: Το ολοκληρωμένο LM358 [29]. Τα σήματα των μετρητικών είναι εναλλασσόμενα με 5 V peak-peak, όπως εναλλασσόμενα είναι και τα μετρούμενα μεγέθη. Ο μικροελεγκτής όμως δέχεται σήματα από 0 έως 5 V. Για να αποσταλούν τα σήματα στον ακροδέκτη του μικροεπελεγκτή προστίθεται σε αυτά μια συνεχής σταθερή τάση των 2,5 V. Για την πρόσθεση της τάσης αυτής χρησιμοποιήθηκε το AD580 και το AD622. Σχήμα 5.21: Αριστερά το ολοκληρωμένο AD580 και δεξιά το ολοκληρωμένο AD622 [29]. To AD580 έχει για τροφοδοσία τα +15 V και στην έξοδο του έχει μια σταθερή τάση 2,5 V. Χρησιμοποιείται διότι επιθυμούμε μια σταθερή τάση μεγάλης ακρίβειας. Το AD622 έχει τροφοδοσία +15 V και -15 V στους ακροδέκτες 7 και 4 αντίστοιχα. Στον ακροδέκτη 3 εισέρχεται το σήμα που θέλουμε να οδηγηθεί στον μικροελεγκτή, ενώ ο ακροδέκτης 2 ενώνεται με τη γείωση. Στον ακροδέκτη 5 συνδέεται η σταθερή τάση ακριβείας. Στην έξοδο 89

106 Κεφάλαιο 5 του AD622 για προστασία του μικροελεγκτή τοποθετείται μια δίοδος zener στα 5,1 V για να προστατευτεί ο μικροελεγκτής Κύκλωμα ανίχνευσης μηδενισμού (zero-crossing) [40] Για τον συγχρονισμό των τάσεων στο τύλιγμα του δρομέα έγινε χρήση του κυκλώματος ανίχνευσης μηδενισμού. Το κύκλωμα παρουσιάζεται στο σχήμα Αυτό το κύκλωμα παράγει θετικό παλμό κατά την αρνητική ημιπερίοδο του ημιτονοειδούς σήματος, που εφαρμόζεται στην είσοδο V in. Το σήμα στη είσοδο του κυκλώματος έχει ήδη περάσει από το κατωδιαβατό φίλτρο για να είναι όσο το δυνατών χωρίς θόρυβο. Ο θόρυβος είναι ανεπιθύμητος, γιατί μπορεί να οδηγήσει το κύκλωμα ανίχνευσης μηδενισμού με ψευδείς ενεργοποιήσεις. Σχήμα 5.22: Σχηματική διάταξη του κυκλώματος ανίχνευσης του μηδενισμούς [40]. Για την υλοποίηση του κυκλώματος χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο LM339, το οποίο εσωκλείει τέσσερεις τελεστικούς ενισχυτές υψηλής ταχύτητας απόκρισης. Κατά την υλοποίηση του κυκλώματος ανίχνευσης του μηδενός παρατηρήσαμε ότι μεταβάλλοντας μία από τις αντιστάσεις R 1, R 2, R 4 και R 5 μεταβάλλεται και το σημείο της ανερχόμενης παρυφής του παλμού. Για τις ανάγκες του πειράματός μας εμείς χρησιμοποιήσαμε μεταβαλλόμενη αντίσταση για την αντίσταση R 5. Επίσης αλλάζοντας την τιμή της R 6, που καλείται και αντίσταση ανάδρασης, αλλάζει και το ύψος του παλμού. 5.5 Πλακέτα γραμμικών τροφοδοτικών και οδήγησης διακόπτη [12][41] Όπως είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο όλα τα ολοκληρωμένα κυκλώματα του κυκλώματος ελέγχου, το μετρητικό τάσης και το μετρητικό ρεύματος χρειάζονται να τροφοδοτούνται από συγκεκριμένες συνεχείς τάσεις για την ορθή λειτουργία τους. Έτσι 90

107 Κεφάλαιο 5 κατασκευάστηκαν κάποια γραμμικά τροφοδοτικά μικρής ισχύος. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε ένας μετασχηματιστής για τον υποβιβασμό της τάσης, ένας ανορθωτής για να μετατρέψει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και ένα σταθεροποιητικό τάσης που δίνει την επιθυμητή τάση εξόδου. Επίσης πριν και μετά το σταθεροποιητικό, χρησιμοποιήθηκαν πυκνωτές που λειτουργούν ως φίλτρα. Σχήμα 5.23: Δομικό διάγραμμα ενός γραμμικού τροφοδοτικού [12]. Τα σταθεροποιητικά τάσης που χρησιμοποιήσαμε είναι τα 7805, 7812, 7815 και 7915 με τάσεις εξόδου +5 V, +12 V, +15 V και -15 V αντίστοιχα. Τα σταθεροποιητικά της τάσης αποτελούνται από ένα τρανζίστορ το οποίο λειτουργεί στη γραμμική περιοχή, γι αυτό άλλωστε καλούνται και γραμμικά τροφοδοτικά. Λόγω του ότι λειτουργούν στη γραμμική περιοχή παρουσιάζουν μεγάλες απώλειες και για αυτό έχουν χαμηλό συντελεστή απόδοσης Επίσης η τάση στην είσοδο θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη της επιθυμητής τάσης εξόδου Για τις ανάγκες της Διπλωματικής κατασκευάσαμε τέσσερα τροφοδοτικά. Το πρώτο είναι ένα τροφοδοτικό +5 V για την τροφοδοσία του μικροελεγκτή και των ολοκληρωμένων 74HCT04. Το επόμενο είναι ένα τροφοδοτικό +15 V και -15 V με κοινή γείωση για τα μετρητικά τάσεων και ρευμάτων, καθώς επίσης των ολοκληρωμένων LM358, AD622 και AD580. Ένα τροφοδοτικό +15 V και +5 V με κοινή γείωση για τα ολοκληρωμένα 6Ν137 και IR2213. Και τέλος ένα τροφοδοτικό +12 V για το ολοκληρωμένο ULN2004, το οποίο δίνει σήμα σε ένα μονοπολικό ηλεκτρομαγνητικό διακόπτη, που χρησιμοποιήθηκε για να οπλίσει τον τριφασικό διακόπτη στο τύλιγμα του δρομέα Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης + 5 V Για το τροφοδοτικό συνεχούς τάσης +5 V χρησιμοποιήθηκε ένας μετασχηματιστής με δυο δευτερεύοντα τυλίγματα (230 V/2x6 V), τα οποία συνδέθηκαν παράλληλα. Στη συνέχεια 91

108 Κεφάλαιο 5 τοποθετήθηκε μια ανορθωτική γέφυρα, που η τάση της στην έξοδο είναι 8,5 V. Στη συνέχεια τοποθετήθηκαν δυο πυκνωτές. Ένας ηλεκτρολυτικός χωρητικότητας 2200 μf στα 25 V και ένας τύπου ΜΚΤ με χωρητικότητα 1 μf. Ακολουθεί το σταθεροποιητικό της τάσης LM7805 και μετά ακόμη δυο πυκνωτές παράλληλα συνδεδεμένοι, ένας ηλεκτρολυτικός χωρητικότητας 2200 μf στα 25 V και ένας τύπου ΜΚΤ με χωρητικότητα 1 μf Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης ±15 V Για το τροφοδοτικό των ±15 V χρησιμοποιήθηκε ένας μετασχηματιστής με δύο δευτερεύοντα τυλίγματα (230 V/2x15 V), τα οποία συνδέθηκαν σε σειρά. Έτσι έχουμε τρία σημεία. Το πάνω άκρο είναι +15 V, ο κόμβος όπου ενώνονται σε σειρά τα δευτερεύοντα θα χρησιμοποιηθεί ως κοινή γη και τέλος το κάτω άκρο είναι -15 V. Στη συνέχεια τοποθετήθηκε μια ανορθωτική γέφυρα και η τάση της στην έξοδο είναι 21 V. Ακολουθούν ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής χωρητικότητας 2200 μf στα 35 V και ένας τύπου ΜΚΤ με χωρητικότητα 1 μf, για κάθε κλάδο. Έπειτα είναι το σταθεροποιητικό τάσης για τα +15 V και -15 V (LM7815 και LM7915 αντίστοιχα) και τέλος στις εξόδους των σταθεροποιητικών ένας ακόμα ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξομάλυνσης 2200μF στα 35V παράλληλα με ένα αντιπαρασιτικό πυκνωτή MKT χωρητικότητας 1μF Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης +5V και +15V Για το τροφοδοτικό των +5 V και +15 V χρησιμοποιήθηκε ένας μετασχηματιστής με δύο δευτερεύοντα τυλίγματα (230 V/2x15 V), τα οποία παραλληλίσθηκαν. Στη συνέχεια τοποθετήσαμε μια ανορθωτική γέφυρα, η τάση της στην έξοδο είναι 21 V. Ακολουθούν ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής χωρητικότητας 2200 μf στα 35 V και ένας τύπου ΜΚΤ με χωρητικότητα 1 μf. Έπειτα τοποθετήθηκε το σταθεροποιητικό της τάσης LM7815. Παράλληλα στην έξοδο του LM7815 τοποθετήθηκε το σταθεροποιητικό της τάσης LM7805. Τέλος στις εξόδους των LM7815 και LM7805 τοποθετήθηκε ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής χωρητικότητας 2200 μf στα 35 V και ένας τύπου ΜΚΤ με χωρητικότητα 1 μf Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης +12 V Για το τροφοδοτικό συνεχούς τάσης +12 V χρησιμοποιήθηκε ένας μετασχηματιστής με δυο δευτερεύοντα τυλίγματα (230 V/2x12 V), τα οποία συνδέσαμε σε σειρά. Στη συνέχεια τοποθετήθηκε μια ανορθωτική γέφυρα, η τάση της στην έξοδο είναι 16,97 V. Έπειτα 92

109 Κεφάλαιο 5 τοποθετήθηκαν δυο πυκνωτές. Ένας ηλεκτρολυτικός χωρητικότητας 2200 μf στα 35 V και έναν τύπου ΜΚΤ με χωρητικότητα 1 μf.ακολουθεί το σταθεροποιητικό της τάσης LM7812 και μετά ακόμη δυο πυκνωτές παράλληλα συνδεδεμένοι, ένας ηλεκτρολυτικός χωρητικότητας 2200 μf στα 35 V και ένας τύπου ΜΚΤ με χωρητικότητα 1 μf Κύκλωμα οδήγησης διακόπτη Για τη διασύνδεση του αντιστροφέα με το τύλιγμα του δρομέα χρησιμοποιήθηκε ένας τριφασικός ηλεκτρομαγνητικός διακόπτης βιομηχανικού τύπου για μεγάλα ρεύματα αγωγής. Αυτός ο διακόπτης οπλίζει με μία τάση 230 V. Έτσι για να γίνει έλεγχος στον τριφασικό διακόπτη χρησιμοποιήθηκε ένας άλλος μικρότερος ηλεκτρομαγνητικός διακόπτης, ο οποίος οπλίζει με σήμα 12 V. Το σήμα για να οπλίσει ο διακόπτης είναι προερχόμενο από τον μικροελεγκτή, οπότε για να οπλίσει το μικρότερο διακόπτη χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο κύκλωμα ULN2004. Ακολουθούν εικόνες από την κατασκευή της κάθε μιας πλακέτας που περιγράφηκαν παραπάνω ξεχωριστά. Σχήμα 5.24: Πλακέτα τριφασικού αντιστροφέα. 93

110 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.25: Πλακέτα μικτροελεκτή. Σχήμα 5.26: Πλακέτα μετρητικών τάσης. 94

111 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.27: Πλακέτα γραμμικών τροφοδοτικών. 95

112 Κεφάλαιο 5 96

113 Κεφάλαιο 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 Εισαγωγή Οι πειραματικές μετρήσεις έγιναν με διαφορετικό ζεύγος μηχανών από αυτό που χρησιμοποιήθηκε για τη διαστασιολόγηση της κατασκευής. Το ζεύγος των μηχανών που χρησιμοποιήθηκαν φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 6.1 και στου πίνακες 6.1 και 6.2 βρίσκονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη των δύο μηχανών. P N (kw) V SN (V) I SN (A) n N cosφ f S (Hz) V RπO (V) I RN (A) (1/min) 0,52 380/660 Δ/Υ 1,6/0,92 Δ/Υ , Πίνακας 6.1: Στοιχεία ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα. P N (kw) V TN (V) I TN (A) n N (1/min) V fn (V) I fn (A) 0, ,32 Πίνακας 6.2: Στοιχεία μηχανής συνεχούς ρεύματος. Τα πειράματα που έγιναν είναι δύο. Το ένα είναι μια παραλλαγή του συστήματος, όπου στο τύλιγμα του στάτη της ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα είναι συνδεδεμένο ένα τριφασικό ωμικό φορτίο σε αστέρα στη θέση του δικτύου. Το δεύτερο είναι η εκκίνηση του ζεύγους, ο παραλληλισμός με την τάση του δρομέα και η αποστολή ισχύος προς το δίκτυο. 97

114 Κεφάλαιο 6 Σχήμα 6.1: Πλακέτες πειραματικής διάταξης Σχήμα 6.2: Ζεύγος ηλεκτρικών μηχανών. 98

115 Κεφάλαιο Πειραματικά αποτελέσματα λειτουργίας της ασύγχρονης γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα τροφοδοτώντας ένα τριφασικό φορτίο. Για το παρόν πείραμα η τοπολογία του συστήματος μεταβλήθηκε. Αφαιρέθηκε το τοπικό φορτίο στην έξοδο του αντιστροφέα και ο τριφασικός διακόπτης. Ο αντιστροφέας είναι απευθείας συνδεδεμένος με το τύλιγμα του δρομέα της μηχανής. Το τύλιγμα του στάτη σε αυτήν την περίπτωση είναι συνδεδεμένο σε αστέρα. Στο τύλιγμα του στάτη συνδέεται ένα τριφασικό ωμικό φορτίο σε αστέρα. Η αντίσταση της κάθε φάσης ανέρχεται στα 447 Ω σύμφωνα με τη μέτρηση. Σχήμα 6.3: Τοπολογία εργαστηριακής διάταξης για μετρήσεις με φορτίο. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τις παρακάτω μετρήσεις είναι η εξής. Αρχικά τροφοδοτείται το τύλιγμα διέγερσης της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Μεταβάλλοντας τη μεταβλητή αντίσταση, που έχει τοποθετηθεί σε σειρά με αυτό ρυθμίζεται το ρεύμα διέγερσης και αποκτά την ονομαστική του τιμή. Στη συνέχεια τροφοδοτούμε το τύλιγμα του τυμπάνου της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Αμέσως η μηχανή ξεκινάει να στρέφεται και να στρέφει το δρομέα της ασύγχρονης μηχανής. Ο μικροελεγκτής για αυτό το πείραμα δέχεται σήμα από το στροφόμετρο και υπολογίζει αυτόματα την απαραίτητη συχνότητα των μεγεθών του δρομέα έτσι ώστε στο τύλιγμα του στάτη η τάση και το ρεύμα να έχουν πάντα συχνότητα 50 Ηz. Επιπλέον, στην πλακέτα του μικροελεγκτή έχουμε τη δυνατότητα να μεταβάλλουμε χειροκίνητα το πλάτος της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Οπότε, ενώ στρέφεται ο δρομέας της ασύγχρονης από τη μηχανή συνεχούς ρεύματος, μεταβάλλουμε το πλάτος της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Τα παλμογραφήματα, που 99

116 Κεφάλαιο 6 ακολουθούν, παρουσιάζουν τα μεγέθη της ασύγχρονης μηχανής στο τύλιγμα του στάτη και του δρομέα. Το πείραμα έγινε για 1050 στροφές ανά λεπτό και για ρεύμα στο δρομέα κοντά στο ονομαστικό (I RN =6 A). Σχήμα 6.4: Πολική τάση αντιστροφέα V ab (μπλέ) και Ρεύμα στη φάση a, Ι a (κίτρινο). Σχήμα 6.5: Πολική τάση αντιστροφέα V ab (μπλέ) και Ρεύμα στη φάση a, Ι a (κίτρινο). 100

117 Κεφάλαιο 6 Στα σχήματα 6.4 και 6.5 παρουσιάζεται η πολική τάση V ab και το ρεύμα της φάσης a, τα οποία τροφοδοτεί ο αντιστροφέα στο τύλιγμα του δρομέα της μηχανής. Οι πειραματικές μετρήσεις έγιναν στις 1050 στροφές ανά λεπτό και παρατηρούμε πως τόσο το ρεύμα όσο και η τάση έχουν συχνότητα 14,89 Ηz, η οποία είναι πλησίον της επιθυμητής. Ακόμα αξίζει να σημειωθεί πως παρά το ότι η τάση, που εφαρμόζεται είναι παλμική, το ρεύμα είναι ημιτονοειδές και με χαμηλό αρμονικό περιεχόμενο. Το χαμηλό αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος οφείλεται κατά κύριο λόγο στη σκέδαση των τυλιγμάτων του δρομέα, η οποία δρα ως φίλτρο. Σχήμα 6.6: Φασική τάση στο φορτίο V an (μωβ) και Ρεύμα στη φάση a, Ι a (κίτρινο). Στο σχήμα 6.6 παρουσιάζεται η φασική τάση και το φασικό ρεύμα στο φορτίο, που είναι συνδεδεμένο στο τύλιγμα του στάτη. Τα μεγέθη στο φορτίο, όπως είναι αναμενόμενο και επιθυμητό, έχουν συχνότητα κοντά στα 50 Ηz. Επίσης αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι εκτός απο την κυματομορφή του ρεύματος και η κυματομορφή της τάσης είναι ημιτονοειδή μεγέθη. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του χαμηλού αρμονικού περιεχομένου των μεγεθών του τυλίγματος του στάτη είναι ότι κάνει τη χρήση φίλτρων στην τάση εξόδου του αντιστροφέα μη απαραίτητη. 101

118 Κεφάλαιο 6 Σχήμα 6.7: Συνεχής τάση στην είσοδο του αντιστροφέα V dc (μπλε) και συνεχές ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα Ι dc (κίτρινο). Τέλος, στο σχήμα 6.7 παρουσιάζεται η συνεχής τάση και το συνεχές ρεύμα στη είσοδο του αντιστροφέα. Τόσο η τάση όσο και το ρεύμα παρουσιάζουν μια κυμάτωση. Αυτό γίνεται διότι ο πυκνωτής στη είσοδο του αντιστροφέα δεν έχει αρκετά μεγάλη χωρητικότητα και αναγκάζεται το διατοπικό ρεύμα να τροφοδοτείται από την πηγή τάσης. Από τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα υπολογίζεται ο συντελεστή απόδοσης του συστήματος. Είσοδοι στο σύστημα είναι η ισχύς στην είσοδο του αντιστροφέα, η ισχύς στο τύλιγμα διέγερσης της μηχανής συνεχούς ρεύματος και η ισχύς στο τύλιγμα του τυμπάνου της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Έξοδος του συστήματος είναι η ισχύς στο τριφασικό ωμικό φορτίο στο τύλιγμα του στάτης της ασύγχρονης μηχανής. Έτσι ο συντελεστής απόδοσης του συστήματος υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: (6.75) Στο ωμικό φορτίο όπως φαίνεται από το σχήμα 6.6 έχουμε φασική τάση 205 V και ρεύμα 467 ma. Δηλαδή Ρ φ = 287,2 W. Στην είσοδο του αντιστροφέα έχουμε 50 V και 4,27 Α ρεύμα και τάση αντίστοιχα. Άρα P DC = 213 W. Στη μηχανή συνεχούς ρεύματος από το τροφοδοτικό και το ψηφιακό πολύμετρο έχουμε τάση τυμπάνου 230 V, ρεύμα τυμπάνου 1,28 Α, τάση τυλίγματος διέγερσης 230 V και ρεύμα διέγερσης 0,315 Α. Επομένως P f = 72,45 W και P T = 102

119 Κεφάλαιο 6 294,4 W. Ο τελικός συντελεστής απόδοσης του συστήματος υπολογίζεται από τον τύπο (6.1) και ισούται με 0,495 ή 49,5%. Ο συντελεστής απόδοσης του συστήματος μας δηλώνει ότι η μισή ισχύς που τροφοδοτούμε στο σύστημα χάνεται σε απώλειες, είτε αυτές είναι στον αντιστροφέα, είτε στη μηχανή συνεχούς ρεύματος, είτε στην ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα. 6.3 Περιγραφή διαδικασίας παραλληλισμού και απόδοσης ισχύος στο δίκτυο Στο τελικό πείραμα ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία με την διαδικασία της εκκίνησης της μηχανής συνεχούς ρεύματος, που περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα. Έτσι, αφού η μηχανή συνεχούς ρεύματος στρέφει τον δρομέα της ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα, εφαρμόζουμε προοδευτικά τάση στο τύλιγμα του στάτη. Το τύλιγμα του στάτη σε αυτήν την περίπτωση είναι συνδεδεμένο σε τρίγωνο. Για να αποφευχθεί η άμεση εφαρμογή της τάσης του δικτύου στο τύλιγμα του στάτη για την προστασία της μηχανής χρησιμοποιήθηκε τριφασικός μεταβλητός μετασχηματιστής. Μόλις στο τύλιγμα του στάτη εφαρμοστεί η ονομαστική τάση των 380 V και σταθεροποιηθούν οι στροφές από τη μηχανή συνεχούς, ρεύματος ξεκινάει η διαδικασία παραλληλισμού του αντιστροφέα με την τάση εξ επαγωγής στο τύλιγμα του δρομέα. Σχήμα 6.8: Τοπολογία εργαστηριακής διάταξης για σύνδεση με το δίκτυο. Έως αυτήν την χρονική στιγμή ο αντιστροφέας δεν έχει ενεργοποιηθεί, καθώς ο μικροελεγκτής είναι σε κατάσταση αναμονής. Μόλις ο χειριστής κρίνει, πως οι στροφές είναι σταθερές και η τάση στο τύλιγμα του στάτη ίση με του δικτύου, ξεκινάει η διαδικασία παραλληλισμού αλλάζοντας θέση στο πρώτο από τους δύο μεταγωγικούς διακόπτες της 103

120 Κεφάλαιο 6 Σχήμα 6.9: Διάγραμμα ροής προγράμματος μικτροελεγκτή. 104

121 Κεφάλαιο 6 πλακέτας του μικτροελεγκτή. Τότε ο μικροελεγκτής συλλέγει τα σήματα ελέγχου και προσαρμόζει τους παλμούς για να οδηγήσει τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος του αντιστροφέα. Για τον υπολογισμό της συχνότητας και του πλάτους της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, υλοποιήθηκε έλεγχος κλειστού βρόχου. Από το σήμα του στροφόμετρου κάθε στιγμή υπολογίζεται η συχνότητα της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Από τη μετρούμενη τάση εξ επαγωγής στον δρομέα υπολογίζεται ο κατάλληλος συντελεστής διαμόρφωσης Μ a. Στο συντελεστή διαμόρφωσης, που υπολογίζεται προσθέτουμε μια σταθερή τιμή έτσι ώστε η τάση του αντιστροφέα να είναι 1 V μεγαλύτερη από αυτή του δρομέα. Ο λόγος για να γίνεται αυτό, όπως αναφέρθηκε και στην προσομοίωση, είναι για να μην εισέλθει σε κατάσταση λειτουργίας κινητήρα η ασύγχρονη μηχανή και στο τύλιγμα του στάτη να υπάρχει μηδενική ενεργός ισχύς αμέσως μετά τον παραλληλισμό. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται σωστή συχνότητα και πλάτος της τάσης εξόδου. Για να παραλληλιστούν όμως οι δύο τάσεις πρέπει να είναι συμφασικές. Για τον συγχρονισμό των δύο τάσεων χρησιμοποιήθηκε ένα κύκλωμα ανίχνευσης μηδενισμού στην τάση του δρομέα. Το κύκλωμα, όπως αναλύθηκε σε προηγούμενη ενότητα, στέλνει θετικό παλμό κατά την αρνητική ημιπερίοδο της τάσης και ενεργοποιεί μια διακοπή στον μικροελεγκτή, κατά τη διάρκεια της οποίας αρχικοποιείται η τάση εξόδου του αντιστροφέα. Αφού συγχρονιστούν οι τάσεις με αλλαγή θέσης στον δεύτερο διακόπτη, δίνεται εντολή στον μικροελεγκτή να κλείσει τον τριφασικό διακόπτη. Μετά το κλείσιμο του διακόπτη αυτού υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου του πλάτους και της φάσης της τάσης εξόδου. Οι μεταβολές αυτές γίνονται με μεταβλητές αντιστάσεις στην πλακέτα του μικτροελεγκτή. Τέλος, με επαναφορά του πρώτου διακόπτη στην πλακέτα του μικροελεγκτή ανοίγει ο τριφασικός διακόπτης και αποσυνδέεται ο αντιστροφέας από το τύλιγμα του δρομέα. Ο κώδικας που εκτελείται με τη διαδικασία που περιγράφηκε παρουσιάζεται στο σχήμα Πειραματικά αποτελέσματα Ακολουθούν τα αποτελέσματα από το πείραμα που διεξήχθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας για τις 1200 rpm. Το σχήμα 6.10 παρουσιάζει τις δύο προς παραλληλισμό τάσεις, οι οποίες είναι συμφασικές καθώς επίσης στο σχήμα 6.11 τάση, ρεύμα και ισχύς στο τύλιγμα του στάτη πριν τον παραλληλισμό στο τύλιγμα του δρομέα. Παρατηρείται πως το τύλιγμα του στάτη τροφοδοτείται με ενεργό ισχύ από το δίκτυο, η οποία καταναλώνεται στο τύλιγμα του στάτη. 105

122 Κεφάλαιο 6 Σχήμα 6.10: Πολική τάση δρομέα V rab (μωβ), πολική τάση στο τοπικό φορτίο στη έξοδο του αντιστροφέα V ab (πράσινο). Σχήμα 6.11: Φασική τάση στάτη V san (μπλε), ρεύμα στην φασή a του στάτη I sa (κίτρινο) και ενεργός ισχύς στο στάτη P s (κόκκινο). Επίσης στο σχήμα 6.10 παρατηρείται πως οι δύο τάσεις δεν έχουν ακριβώς την ίδια συχνότητα. Η συχνότητα της τάσης εξ επαγωγής δεν παρέμενε σταθερή για σταθερές στροφές αλλά είχε διακύμανση κατά 0,5 με 0,8 Hz. Η διαφορά φάσης που προκαλείται από διαφορά στη συχνότητα διορθώνεται σε κάθε περίοδο με τον παλμό από το κύκλωμα ανίχνευσης μηδενισμού. Μετά το κλείσιμο του διακόπτη εφαρμόζεται η τάση του αντιστροφέα στο 106

123 Κεφάλαιο 6 τύλιγμα του δρομέα και δεν υπάρχει η δυνατότητα διόρθωσης της διαφοράς φάσης που προκαλείται από τη διαφορά στη συχνότητα. Για αυτόν τον λόγο όταν έκλεισε ο διακόπτης παρουσιάστηκε διακρότημα στο φασικό ρεύμα του δρομέα, λόγω της ένωσης τάσεων διαφορετικής συχνότητας, όπως φαίνεται στο σχήμα Ως διακρότημα ορίζεται η περιοδική αυξομείωση του πλάτους ενός σήματος ως προς τον χρόνο και οφείλεται στην επαλληλία δύο κυμάτων που έχουν λίγο διαφορετικές συχνότητες. Η συχνότητα του διακροτήματος ορίζεται ως η διαφορά των συχνοτήτων των δύο συμβαλλόμενων κυμάτων. Σχήμα 6.12: Πολική τάση στο τοπικό φορτίο V ab (μπλε) και φασικό ρεύμα φάσης a (κίτρινο). Στα σχήματα 6.12 και 6.13 παρουσιάζεται το ρεύμα της φάσης a μετά το κλείσιμο του διακόπτη. Από το δεύτερο σχήμα μπορούμε να υπολογίζουμε τη συχνότητα του διακροτήματος από τον τύπο: (6.76) Άρα το διακρότημα έχει συχνότητα στο σχήμα 6.13 περίπου 0,21 Ηz. Για να περιορίσουμε το διακρότημα στο ρεύμα μεταβάλλαμε τις στροφές της μηχανής συνεχούς ρυθμίζοντας την μεταβλητή αντίσταση στο τύλιγμα διέγερσης. Το πλάτος του ρεύματος στο δρομέα σταθεροποιήθηκε στις 1204 rpm. Αυτό σημαίνει πως η συχνότητα του διακροτήματος έγινε 107

124 Κεφάλαιο 6 μηδενική, δηλαδή η συχνότητα των δύο τάσεως, που συμβάλλονται, ταυτίζεται, όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 6.13: Πολική τάση στο τοπικό φορτίο V ab (μπλε) και φασικό ρεύμα φάσης a (κίτρινο) Σχήμα 6.14: Φασικό ρεύμα φάσης a (κίτρινο), χωρίς διακρότημα Ακολουθεί στο σχήμα 6.15 ανάλυση Fourier του ρεύματος του δρομέα της παραπάνω εικόνας. Η βασική αρμονική του σήματος ξεχωρίζει από το υπόλοιπο αρμονικό περιεχόμενο. Ακόμα είναι φανερές και ανώτερες αρμονικές σε συχνότητες των 37,5 Ηz, 82,5 Ηz και 102,5 Hz, οι οποίες οφείλονται σε μηχανικές ταλαντώσεις. 108

125 Κεφάλαιο 6 Σχήμα 6.15: Ανάλυση Fourier στο φασικό ρεύμα. Σχήμα 6.16: Φασικό ρεύμα φάσης a (κίτρινο), με διακρότημα Όταν μεταβλήθηκαν οι στροφές από το σημείο ισορροπίας των 1204 rpm το διακρότημα στο ρεύμα επανερχόταν, όπως φαίνεται στο σχήμα Ακολουθεί η ανάλυση Fourier του ρεύματος στην περίπτωση του σχήματος Παρατηρείται πως το αρμονικό περιεχόμενο 109

126 Κεφάλαιο 6 του ρεύματος είναι μεγαλύτερο καθώς επίσης οι ανώτερες αρμονικές υπάρχουν ακόμα στις ίδιες συχνότητες. Σχήμα 6.15: Ανάλυση Fourier στο φασικό ρεύμα. Στο σημείο, όπου το σύστημα σταθεροποιήθηκε στις 1204 rpm τα μεγέθη τόσο στο στάτη όσο και στο δρομέα παρουσιάζονται στα σχήματα 6.16, Παρατηρούμε στο σχήμα 6.17, ότι η τάση και το ρεύμα στο τύλιγμα του στάτη παραμένουν αμετάβλητα μετά το κλείσιμο του διακόπτη. Σχήμα 6.16: Πολική τάση στο δρομέα V rab (μωβ) και ρεύμα στη φάση a του δρομέα I ra (κίτρινο). 110

127 Κεφάλαιο 6 Σχήμα 6.17: Φασική τάση στάτη V san (μπλε), ρεύμα στην φασή a του στάτη I sa (κίτρινο) και ενεργός ισχύς στο στάτη P s (κόκκινο). Το επόμενο βήμα σε αυτό το σημείο του πειράματος είναι μεταβάλουμε την τάση εξόδου του αντιστροφέα για να τροφοδοτηθεί το τύλιγμα του δρομέα με ισχύ. Με αυτό τον τρόπο, όπως φάνηκε και στην προσομοίωση του συστήματος, θα μειωθεί η ισχύς προς το δίκτυο και περεταίρω αύξηση θα οδηγήσει την μηχανή να λειτουργήσει ως γεννήτρια. Αυτό έγινε όπως φαίνεται στα σχήματα 6.18 και Σχήμα 6.18: Φασική τάση στάτη V san (μπλε), ρεύμα στην φασή a του στάτη I sa (κίτρινο) και ενεργός ισχύς στο στάτη P s (κόκκινο). 111

128 Κεφάλαιο 6 Στο σχήμα 6.18 φαίνεται, ότι μειώθηκε η ισχύς που προσλαμβάνεται από το δίκτυο στο τύλιγμα του στάτη. Την ίδια στιγμή στην είσοδο του αντιστροφέα το ρεύμα έχει τιμή 2 Α και τάση σταθερή στα 50 V. Τα μεγέθη της μηχανής συνεχούς ρεύματος έμεναν αμετάβλητα στην εκτός από το ρεύμα του τύμπανου, το οποίο αυξήθηκε. Οι τιμές των μεγεθών είναι V f =220 V, I f =0.27 A για το τύλιγμα διέγερσης ενώ στο τύλιγμα τυμπάνου V T =230 V και I T =0,29 A. Το ρεύμα αυξήθηκε σε 0,29 A από 0,19 Α. Στην συνέχεια έγινε περεταίρω μεταβολή στην τάση εξόδου του αντιστροφέα με αποτέλεσμα να αυξηθεί το ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα στα 5,6 Α άρα και στο τύλιγμα του δρομέα κοντά στην ονομαστική του τιμή. Στο τύλιγμα του στάτη το ρεύμα άλλαξε φορά και το τύλιγμα του στάτη τροφοδοτεί το δίκτυο, όπως φαίνεται στο σχήμα Σε αυτό το σημείο στο δίκτυο αποστέλλεται περίπου 12,6 W. Σχήμα 6.19: Φασική τάση στάτη V san (μπλε), ρεύμα στην φασή a του στάτη I sa (κίτρινο) και ενεργός ισχύς στο στάτη P s (κόκκινο). Το σύστημα λειτούργησε σαν γεννήτρια για ένα χρονικό σημείο. Παρατηρήθηκε ότι αν και δούλεψε ως γεννήτρια για ένα χρονικό διάστημα η λειτουργία ήταν ασταθής και το σημείο ισορροπίας μεταβαλλόταν. Η αστάθεια αυτή οφείλεται στην αναποτελεσματικότητα του ελέγχου ανοιχτού βρόχου για το παρόν σύστημα. Τέλος, για να μειωθεί το φαινόμενο αυτό και να μην παρουσιάζονται έντονα διακροτήματα είναι αναγκαίο η χρήση κωδικοποιητή για καλύτερη γνώση των στροφών. Όμως η χρήση του κωδικοποιητή θα περιορίσει αυτό το πρόβλημα δε θα το εξαλείψει. Έτσι, αν θέλουμε να λειτουργήσει πιο ικανοποιητικά το σύστημα με ευστάθεια και να αποδώσει 112

129 Κεφάλαιο 6 ισχύ προς το δίκτυο, είναι επιτακτική η χρήση ελέγχου κλειστού βρόχου. Στον έλεγχο κλειστού βρόχου, όπως είδαμε στο 3 ο κεφάλαιο, μετράμε τάσεις και ρεύματα στο στάτη καθώς και τα ρεύματα του δρομέα και μπορούμε κάθε στιγμή να έχουμε γνώση της θέσης του διανύσματος της τάσης του δρομεα, πράγμα που στο σύστημα ανοιχτού βρόχου που εφαρμόσαμε μετά τον συγχρονισμό είναι αδύνατο. Επιπλέον με τον έλεγχο κλειστού βρόχου επιτυγχάνεται έλεγχος και στην ισχύ που προσφέρεται στο δίκτυο. 113

130 Κεφάλαιο 6 114

131 Κεφάλαιο 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΠΤΙΚΕΣ Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε εκτενής μελέτη της ασύγχρονης γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα και της λειτουργικής της συμπεριφοράς σε αιολικά συστήματα. Η ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα αποτελεί μια από τις πιο διαδεδομένες μηχανές για ανεμογεννήτριες, διότι προσφέρει ομαλή λειτουργία, μέγιστη πρόσληψη ισχύος, βελτιωμένο συντελεστή απόδοσης, χαμηλό κατασκευαστικό κόστος και ελάχιστη καταπόνηση στα μηχανικά μέρη της ανεμογεννήτριας. Ένα επιπλέον θετικό της είναι ότι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος βρίσκονται στο τύλιγμα του δρομέα, όπου διαχειρίζονται ένα μικρό ποσοστό της συνολικής ισχύος του συστήματος. Αυτό μειώνει πολύ το κόστος και τις απώλειες στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος και αποτελεί το μεγάλο πλεονέκτημα σε σχέση με τις ανεμογεννήτριες που έχουν τον μετατροπέα στο τύλιγμα του στάτη. Στην προσομοίωση και στην πειραματική διαδικασία το σύστημα μελετήθηκε στην υποσύγχρονη λειτουργία με τον μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα. Σε αυτήν την περίπτωση ο μετατροπέας τροφοδοτεί το τύλιγμα του δρομέα και το τύλιγμα του στάτη τροφοδοτεί το δίκτυο. Υλοποιήθηκε έλεγχος ανοιχτού βρόχου προσαρμόζοντας το πλάτος και τη φάση της τάσης που εφαρμόζεται από τον αντιστροφέα στο τύλιγμα του δρομέα. Αυτός ο τρόπος ελέγχου είναι απλός στην υλοποίηση όμως δεν προσφέρει καλό έλεγχο ισχύος, αφού δεν δίνεται η δυνατότητα ανεξάρτητου ελέγχου ενεργού και άεργου ισχύος. Κατασκευάστηκε ένας τριφασικός αντιστροφέας και πλακέτα ελέγχου με χρήση μικροελεγκτή. Για την παλμοδότηση του αντιστροφέα έγινε χρήση της μεθόδου SPWM, η οποία ανταποκρίθηκε ικανοποιητικά στο σύστημα και προτιμάται για λόγου απλότητα στον προγραμματισμό του μικροελεγκτή. Η κατασκευή του αντιστροφέα και της πλακέτας ελέγχου αποτελεί μια περίπλοκη διαδικασία, αφού χρειάζεται προσεκτική μελέτη στη σχεδίαση για να αποφευχθούν σφάλματα που μπορεί να επιφέρουν καταστροφικές βλάβες. Ακόμα το κύκλωμα ελέγχου προτιμάται να βρίσκεται σε ξεχωριστή πλακέτα για να αποφεύγεται η παρουσία θορύβου, ο οποίος μπορεί να δημιουργήσει εσφαλμένες μετρήσεις. Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή έγινε σε γλώσσα προγραμματισμού C. Ο συγκεκριμένος μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε προσφέρει ευελιξία, καλή συνεργασία 115

132 Κεφάλαιο 7 των περιφερειακών κυκλωμάτων του και χαμηλό κόστος. Αυτό τον καθιστά ιδανικό για μεγάλο εύρος εφαρμογών. Το σύστημα στην πειραματική διαδικασία ανταποκρίθηκε τόσο προγραμματιστικά όσο και κατασκευαστικά σε αυτό που κλήθηκε να κάνει. Μετά τον παραλληλισμό παρατηρήθηκε διακρότημα στο ρεύμα του δρομέα λόγω της διαφοράς της συχνότητας της τάσης του αντιστροφέα με την επιθυμητή. Αυτό αποτελεί ανεπιθύμητη κατάσταση λειτουργίας. Τρόποι βελτίωσης της ήδη υπάρχουσας διάταξης θα ήταν η απόκτηση ενός ψηφιακού κωδικοποιητή, οποίος θα ήταν σε θέση να προσφέρει ακριβέστερη γνώση των στροφών. Επιπλέον για την ομαλή και ευσταθή λειτουργία του συστήματος συνιστάται η υλοποίηση ελέγχου κλειστού βρόχου, ο οποίος χρησιμοποιείται σε όλες της εφαρμογές αυτής της τοπολογίας. Τέλος, θα είναι επίσης σημαντικό να κατασκευαστεί και ο μετατροπέας από την πλευρά του δικτύου και να μελετηθεί η λειτουργική συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος και σε όλο το εύρος των στροφών. Ενώ για μελέτη του συστήματος στο αιολικό σύστημα πρέπει να εφαρμοστεί έλεγχος στην μηχανή συνεχούς ρεύματος για να προσομοιωθεί η συμπεριφορά του ανεμοκινητήρα. 116

133 Βιβλιογραφία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Α. Αλεξανδρίδης: Τεχνολογίες ελέγχου στα αιολικά συστήματα, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα, [2] Στατιστική της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα το 2012 από την Ελληνική Επιστημονική Ένωση Αιολικής Ενέργειας(ΕΛΕΤΕΑΝ): Δεκέμβριος [3] Στατιστική της αιολικής ενέργειας στην Ευρώπη το 2011από την Ευρωπαϊκή Ένωση Αιολικής Ενέργειας(EWEA): Δεκέμβριος [4] Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας από το Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας & Εφαρμογών Στερεών Καυσίμων: Δεκέμβριος [5] Εικόνα ανεμογεννήτριας κατακόρυφου άξονα: science.howstuffworks.com/enviroment/ green-science/wind-power2.html, Δεκέμβριος [6] Εικόνα ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα: therecycletimes.com/category/windenergy, Δεκέμβριος 2012 [7] T. Ackermann: Wind power in power systems, John Wiley & Sons Ltd, [8] Branislav Dosijanoski, Vlatko Stoilkov: Designing of a wind turbine with doubly-fed induction generator, X International PhD Workshop OWD 2008, Οκτώβριος [9] Α. Σαφάκας: Ηλεκτρονικά ισχύος, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα, [10] N. Μohan, T.A. Undeland, W.P. Robbins: Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, [11] M.H. Rashid: Ηλεκτρονικά ισχύος, Εκδόσεις Ίων, Αθήνα, [12] Ε.Κ. Τατάκης: Ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος και βιομηχανικές εφαρμογές, Σημειώσεις Ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος και βιομηχανικές εφαρμογές, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα, [13] Εικόνα μετατροπέα από το wikipedia: upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/b/bd/three_phase_ac_ac_voltage_dc.jpg, Δεκέμβριος [14] Jin-Woo Jung: Space vector pwm inverter, Project#2 at PhD at Mechatronic Systems Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University, Φεβρουάριος

134 Βιβλιογραφία [15] D.Rathnakumar, J.LakshmanaPerumal,T.Srinivasan: A New Software Implementation of Space Vector PWM, SoutheastCon, Proceedings. IEEE, Απρίλιος [16] S. Panda, A. Mishra, B. Srinivas: Control of Voltage Source Inverters using PWM/SVPWM for Adjustable Speed Drive Applications, Bachelor Thesis, Department of Electrical Engineering National Institute Of Technology Rourkela, Rourkela, [17] Α. Σαφάκας: Ηλεκτρικές μηχανές Β, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα [18] S. Tunyasrirut, S. Srilad,T. Suksri: Comparison Power Quality of the Voltage Source Inverter type SVPWM and SPWM Technique for Induction motor Drive, SICE Annual Conference 2008, Αύγουστος [19] Balasubramaniam Babypriya, Rajapalan Anita: Modelling, simulation and analysis of doubly fed induction generator for wind turbines, Journal of ELECRTICAL ENGINEERING, Vol. 60, pp.79-85, [20] Α.Θ. Αλεξανδρίδης, Ε. Μητρονίκας: Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα, [21] E. Tremblay, S. Atayde, A. Chandra: Comparative Study of Control Strategies for the Doubly Fed Induction Generator in Wind Energy Conversion Systems: A DSP-Based Implementation Approach, IEEE Transactions on sustainable energy, Vol.2, No. 3, pp , Ιούλιος [22] S. Arnalte, J.C. Burgos, J.L. Rodriguez-Amenedo: Direct Torque Control of a Doubly-Fed Induction Generator for Variable Speed Wind Turbines, Electric Power Components and Systems, 30 pp , [23] E. Hassankhan, D.A. Khaburi: DTC-SVM Scheme for Induction Motors Fed with a Three-level Inverter, World Academy of Science, Engineering and Technology, Απρίλιος [24] Lie Xu, Phillip Cartwright: Direct Active and Reactive Power Control of DFIG for Wind Energy Generation, IEEE Transaction on energy conversion, Vol.21, No.3, pp , Σεπτέμβριος [25] Dawei Zhi, Lie Xu: Direct Power Control of DFIG With Constant Switching Frequency and Improved Transient Performance, IEEE Transaction on energy conversion, Vol.22, No.1, pp , Μάρτιος

135 Βιβλιογραφία [26] Keyuan Huang, Guofu Chen, Shoudao Huang, Luoqiang Cai: Experimental Evaluation of Sensorless Control for Doubly-Fed Induction Wind Power Generator, Electrical Machines and Systems 2009, Νοέμβριος [27] J. A. Cortajarena, J. De Marcos, P. Alvarez, F. J. Vicandi, P. Alkorta: Start up and control of a DFIG wind turbine test rig, IECON th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Νοέμβριος [28] Χ. Ιωάννου: Μελέτη και κατασκευή συστήματος μετατροπής ενέργειας από ανεμογεννήτρια σε ηλεκτρική-παραλληλισμός με το δίκτυο των 380V, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Ιούλιος [29] Τεχνικά στοιχεία υλικών: Δεκέμβριος, [30] Ι. Τσούμας: Δυναμική ανάλυση και ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων ελέγχου κινητήριου συστήματος αποτελούμενου από ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικά ισχύος, Διδακτορική Διατριβή, Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, 2007 [31] Ι. Πρωιμάδης: Μελέτη και κατασκευή συστήματος οδήγησης σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης(reluctance), Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Ιούλιος [32] A. Merello, A. Rugginenti, M. Grasso: Using monolithic high voltage gate drivers International Rectifier, Desing Tips, DT04-4, Δεκέμβριος [33] Ν. Γ. Μπαϊραχτάρης: Μελέτη και κατασκευή συστήματος ελέγχου ηλεκτροκίνητου μικρού πλωτού μέσου μεταφοράς Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, [34] IR2214/IR International Rectifier, Data Sheet No. PD60213, Ιούλιος, [35] Ε.Κ. Τατάκης: Σημειώσεις Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ισχύος ΙΙ, Πάτρα, Φεβρουάριος, [36] dspic304011/4012 Datasheet-High Performance Digital Signal Controllers DS70135C, Microchip Technology Inc,

136 Βιβλιογραφία [37] dspic30f Family Reference Manual-High Performance Digital Signal Controllers DS70046D, Microchip Technology Inc, [38] Driving an ACIM with the dspic DSC MCPWM Module GS004, Microchip Technology Inc, [39] Εικόνα μετρητικού ρεύματος LAH 25NP: Photos/LAH-25-NP.jpg, Ιανουάριος [40] A. Sarkar, S. Sengupta: Design and implementation of a low cost fault tolerant three phase energy meter, Measurement, Vol. 41, Issue 9, Νοέμβριος 2008, pp [41] Θ. Διαγούπη: Μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή αντιστροφέα τάσης για τη σύνδεση ανεμογεννήτριας με το δίκτυο, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, [42] Λογισμικό υπολογισμού εναργών φίλτρων FilterPro από την εταιρία Texas Instruments (δωρεάν στην ιστοσελίδα της εταιρίας), Μάιος

137 Παράρτημα Α Παράρτημα Α Ακολουθούν τα σχέδια των πλακετών που κατασκευάστηκαν στο πρόγραμμα KiCad: Σχήμα Α.1: PCB σχέδιο των γραμμικών τροφοδοτικών. 121

138 Παράρτημα Α Σχήμα Α.2: PCB πλακέτας μετρητικών ρεύματος. Σχήμα Α.3: PCB πλακέτα μετρητικών τάσης. 122

139 Παράρτημα Α Σχήμα Α.4: PCB πλακέτας ελέγχου με τον μικροελεγκτή. Σχήμα Α.5: PCB πλακέτας γραμμικού τροφοδοτικού 12V και διακόπτη (ρελέ). 123

140 Παράρτημα Α Σχήμα Α.6: PCB πλακέτας αντιστροφέα και κυκλώματος οδήγησης των στοιχείων του. 124

141 Παράρτημα Β Παράρτημα Β Σε αυτό το σημείο θα γίνει παράθεση των φυλλαδίων των κατασκευαστών για τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή των πλακετών. 125

142 Παράρτημα Β 126

143 Παράρτημα Β 127

144 Παράρτημα Β 128

145 Παράρτημα Β 129

146 Παράρτημα Β 130

147 Παράρτημα Β 131

148 Παράρτημα Β 132

149 Παράρτημα Β 133

150 Παράρτημα Β 134

151 Παράρτημα Β 135

152 Παράρτημα Β 136

153 Παράρτημα Β 137

154 Παράρτημα Β 138

155 Παράρτημα Β 139

156 Παράρτημα Β 140

157 Παράρτημα Β 141

158 Παράρτημα Β 142

159 Παράρτημα Β 143

160 Παράρτημα Β 144

161 Παράρτημα Β 145

162 Παράρτημα Β 146

163 Παράρτημα Β 147

164 Παράρτημα Β 148

165 Παράρτημα Β 149

166 Παράρτημα Β 150

167 Παράρτημα Β 151

168 Παράρτημα Β 152

169 Παράρτημα Β 153

170 Παράρτημα Β 154

171 Παράρτημα Β 155

172 Παράρτημα Β 156

173 Παράρτημα Β 157

174 Παράρτημα Β 158

175 Παράρτημα Β 159

176 Παράρτημα Β 160

177 Παράρτημα Β 161

178 Παράρτημα Β 162

179 Παράρτημα Β 163

180 Παράρτημα Β 164

181 Παράρτημα Β 165

182 Παράρτημα Β 166

183 Παράρτημα Β 167

184 Παράρτημα Β 168

185 Παράρτημα Β 169

186 Παράρτημα Β 170

187 Παράρτημα Β 171

188 Παράρτημα Β 172

189 Παράρτημα Β 173

190 Παράρτημα Β 174

191 Παράρτημα Β 175

192 Παράρτημα Β 176

193 Παράρτημα Β 177