- 2 - Διπλωματική Εργασία Πατσιάς Ευστάθιος

Transcript

1 Διπλωματική εργασία: «Μελέτη και κατασκευή ηλεκτροκινητήριου συστήματος υβριδικού οχήματος Σχεδιασμός και κατασκευή ηλεκτρονικού κυκλώματος ελέγχου της υβριδικής κατάστασης» Ευστάθιος Πατσιάς Οκτώβριος 2009

2 - 2 -

3 - 3 - Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ανάγκη για μετακίνηση Περιβαλλοντικά θέματα και ηλεκτρική κίνηση Προοπτικές Εξέλιξη Κεφάλαιο 2ο ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Εισαγωγή Κατηγοριοποίηση υβριδικών οχημάτων ως προς το είδος της ενέργειας τους Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα Υβριδικό μηχανικό όχημα Υβριδικό υδραυλικό όχημα Υβριδικό θερμικό όχημα Κατηγοριοποίηση υβριδικών οχημάτων ως προς το βαθμό υβριδοποίησης τους Μικρο υβριδικά (micro hybrids) Ήπια υβριδικά (mild hybrids) Πλήρως υβριδικά (full hybrids) Κατηγοριοποίηση υβριδικών ως προς τη διάταξη του κινητηρίου συστήματος Σειριακή διάταξη (Series Hybrid) Παράλληλη διάταξη (Parallel Hybrid) Συνδυασμένη διάταξη (Combined Hybrid ή Series Parallel Hybrid) Ανεξάρτητη διάταξη (Independent Hybrid) Χαρακτηριστικές τεχνολογίες που εφαρμόζονται σε υβριδικά οχήματα Σύστημα Start Stop Αναγεννητική πέδηση Ηλεκτροποίηση υποσυστημάτων αυτοκινήτου Σύστημα KERS (Kinetic Energy Recovery System) Εξωτερική φόρτιση συσσωρευτών Κεφάλαιο 3ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΩΣΗΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Ηλεκτρικοί κινητήρες Μηχανές συνεχούς ρεύματος Ασύγχρονες Μηχανές Σύγχρονες Μηχανές... 59

4 Κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (DC brushless motors) Μέσα αποθήκευσης ενέργειας Ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές Κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells) Υπερπυκνωτές Σφόνδυλοι Σύγκριση αποθηκευτικών μέσων Κεφάλαιο 4ο ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Lohner Porsche Mixte Wagen Toyota Prius Πρώτη γενιά Δεύτερη γενιά Prius III Σύγκριση των γενεών του Prius Lexus RX450h Tesla Roaster Κεφάλαιο 5ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Εισαγωγή Όχημα της εφαρμογής Ηλεκτρικός Κινητήρας [48] Μπαταρίες [50] Μηχανολογικές Μετατροπές Έδραση του κινητήρα και σύνδεση του με το σύστημα μετάδοσης Βάσεις μπαταριών Ψύξη Ηλεκτροκινητήρα Όργανα ενδείξεων Λειτουργία του συστήματος Μετατροπείς Ενέργειας Προσδιορισμός χαρακτηριστικών μεγεθών Συμπεριφορά του συστήματος Κεφάλαιο 6ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΣΥΓΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Εισαγωγή Έλεγχος με μεταβολή των χαρακτηριστικών της τροφοδοσίας

5 Οδηγοί μεταβλητής συχνότητας Πλεονεκτήματα ελέγχου μεταβλητής συχνότητας Λειτουργία ασύγχρονης μηχανής Σύστημα αναφοράς Clarke Park Μέθοδοι ελέγχου Βαθμωτός έλεγχος Διανυσματικός έλεγχος Άμεσος έλεγχος ροπής Εφαρμογή της μεθόδου του Άμεσου Έλεγχου Ροπής Εφαρμογή της μεθόδου DTC Υπολογισμός τάσεων στάτη στο σύστημα d q Υπολογισμός ρευμάτων στάτη στο σύστημα d q Υπολογισμός μαγνητικής ροής στάτη Υπολογισμός τομέα εύρεσης του διανύσματος της ροής Υπολογισμός ηλεκτρομαγνητικής ροπής Σύγκριση ροής και ροπής με τα μεγέθη αναφοράς Επιλογή διανύσματος τάσης Κεφάλαιο 7ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ Εισαγωγή Κατασκευαστικά στοιχεία Γέφυρα ημιαγωγικών στοιχείων Ημιαγωγικά στοιχεία Ψύξη ημιαγωγικών στοιχείων Πυκνωτές στην είσοδο των ημιαγωγικών στοιχείων Ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου του αντιστροφέα Μετρητικές διατάξεις Επεξεργασία σημάτων Οδήγηση παλμών Τροφοδοσία κυκλώματος ελέγχου Πρόσθετα στοιχεία μετατροπέα Πυκνωτές Συνδέσεις Καλωδιώσεις Προστασία του κυκλώματος Προγραμματισμός μικροελεγκτή Εισαγωγή Τεχνικά χαρακτηριστικά μικροελεγκτή Ανάλυση του προγράμματος ελέγχου

6 - 6 - Κεφάλαιο 8ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΜΦΙΚΑΤΕΥΘΥΝΤΗΡΙΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ Εισαγωγή Λειτουργία αμφικατευθυντήριου μετατροπέα ανύψωσης / υποβιβασμού τάσης Συμμετοχή του μετατροπέα στο ηλεκτρικό σύστημα του υβριδικού οχήματος Προσομοίωση του μετατροπέα Διακοπτικά Στοιχεία Κύκλωμα παλμοδότησης ελέγχου Μετρητικές διατάξεις Επεξεργασία σημάτων Οδήγηση παλμών Πηνίο Υπολογισμός επαγωγής πηνίου Κατασκευή πηνίου Πειραματικές μετρήσεις πηνίου Κεφάλαιο 9ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Δοκιμή οδήγησης παλμών στην είσοδο του κυκλώματος ισχύος Δοκιμή τριφασικού αντιστροφέα σε τριφασικό ωμικό φορτίο Δοκιμή τριφασικού αντιστροφέα σε τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα του εργαστηρίου με ηλεκτρομαγνητικό φορτίο Μετρήσεις με μεταβολή του φορτίου Μετρήσεις με μεταβολή της ροής αναφοράς Δοκιμές του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα της εφαρμογής επί του οχήματος Δοκιμή με τροφοδοσία από το δίκτυο με χρήση μετασχηματιστή Δοκιμή με τροφοδοσία από τροφοδοτικό συνεχούς τάσης και χρήση του αντιστροφέα Δοκιμή με τροφοδοσία από τους συσσωρευτές και χρήση του αντιστροφέα Κεφάλαιο 10ο ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΕΤΑΙΡΩ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

7 - 7 - ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1 Σύγκριση υγρών καυσίμων με συσσωρευτές οξέος μολύβδου [1] Εικόνα 1.2 Εκπομπές CO 2 ανά κράτος [4] Εικόνα 1.3 Μεταβολή στην παραγωγή CO 2 ανά τομέα [5] Εικόνα 1.4 Προβλέψεις αύξησης της θερμοκρασίας με διάφορες μεθόδους, με το δεδομένο πως δεν λαμβάνεται καμία μέριμνα για τον περιορισμό των αιτίων που την προκαλούν [2] Εικόνα 1.5 Αποθέματα πετρελαίου ανά κράτος [2] Εικόνα 1.6 Πωλήσεις υβριδικών οχημάτων επί του συνόλου των οχημάτων [6] Εικόνα 2.1 Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα [12] Εικόνα 2.2 Υβριδικό μηχανικό όχημα [13] Εικόνα 2.3 Υβριδικό υδραυλικό όχημα [14] Εικόνα 2.4 Τοπολογία υβριδικού θερμικού οχήματος [15] Εικόνα 2.5 Τοπολογία κινητήριου συστήματος σειριακής διάταξης [10] Εικόνα 2.6 Opel Ampera [16] Εικόνα 2.7 Παράλληλη διάταξη κινητηρίου συστήματος με υποβοήθηση [10] Εικόνα 2.8 Τοπολογία κινητήριου συστήματος πλήρους παράλληλης διάταξης [10] Εικόνα 2.9 Συνδυασμένη διάταξη κινητήριου συστήματος [10] Εικόνα 2.10 Σύστήμα σειριακής παράλληλης διάταξης με σύζευξη των κινητήρων [10] Εικόνα 2.11 Πλανητικό κιβώτιο Εικόνα 2.12 Ανεξάρτητη διάταξη κινητήριου συστήματος [10] Εικόνα 2.13 Ροή ενέργεια κατά την αναγεννητική πέδηση [14] Εικόνα 2.14 Ηλεκτρική αντλία υβριδικού οχήματος [18] Εικόνα 2.15 Σύστημα KERS βασισμένο σε σφόνδυλο[2] Εικόνα 2.16 Λεπτομέρεια από το υβριδικό Volvo v70 [19] Εικόνα 3.1 Μηχανή συνεχούς ρεύματος [65] Εικόνα 3.2 Κατασκευή στάτη μηχανής συνεχούς ρεύματος με τύλιγμα διέγερσης [65] Εικόνα 3.3 Δρομέας μηχανής συνεχούς ρεύματος [65] Εικόνα 3.4Χαρακτηριστική ροπής στροφών κινητήρα συνεχούς [20] Εικόνα 3.5 Τομή ασύγχρονου κινητήρα [pacontrol.com] Εικόνα 3.6 Σχέδιο του δρομέα μιας ασύγχρονης μηχανής [pacontrol.com] Εικόνα 3.7 Χαρακτηριστική ροπής στροφών ενός ασύγχρονου κινητήρα Εικόνα 3.8 Χαρακτηριστικές καμπύλες ροπής των διαφόρων τύπων μονοφασικών κινητήρων Εικόνα 3.9Τομή ασύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη [machinedesign.com] Εικόνα 3.10Καμπύλη ροπής σύγχρονου κινητήρα... 60

8 - 8 - Εικόνα 3.11Παλμοί τροφοδοσίας κινητήρα Brushless DC [edn europe.com] Εικόνα 3.12 Διάγραμμα δομής ενός συσσωρευτή [14] Εικόνα 3.13 Αναπαράσταση κυψέλης καυσίμου [30] Εικόνα 3.14 Υπερπυκνωτές τοποθετημένοι σε όχημα [30] Εικόνα 3.15 Διάταξη σφονδύλου για την αποθήκευση ενέργειας [blogs.motortrend.com] Εικόνα 4.1 Όψεις του Mixte, του πρώτου υβριδικού οχήματος [33] Εικόνα 4.2 Το πρώτο υβριδικό όχημα της ιστορίας, το Mixte Wagen [2] Εικόνα 4.3 Πρώτη γενιά Prius [34] Εικόνα 4.4 Δεύτερη γενιά Prius [35] Εικόνα 4.5 Hybrid Synergy Drive [36] Εικόνα 4.6 Battery pack του Prius II [37] Εικόνα 4.7 Plug in Prius II Εικόνα 4.8 Prius III [38] Εικόνα 4.9 Τομή του Prius III Εικόνα 4.10 Θερμοδυναμικοί κύκλοι Atkinson (αριστερά) και Otto (δεξιά) Εικόνα 4.11 Πλανητικό κιβώτιο του Prius III, στην δεξιά πλευρά του οποίου διακρίνεται ο ηλεκτροκινητήρας Εικόνα 4.12 Διάταξη γραναζιών του πλανητικού κιβωτίου του Prius [john1701a.com/prius] Εικόνα 4.13 Διαδικασία εκκίνησης βενζινοκινητήρα Εικόνα 4.14 Συμπεριφορά στην αμιγώς ηλεκτρική κίνηση Εικόνα 4.15 Συμπεριφορά κιβωτίου κατά την επιτάχυνση Εικόνα 4.16 Συμπεριφορά κιβωτίου κατά την κίνηση σε υψηλές ταχύτητες Εικόνα 4.17 Συμπεριφορά κατά την επιβράδυνση του οχήματος Εικόνα 4.18 Συμπεριφορά κατά την κίνηση του οχήματος όπισθεν Εικόνα 4.19 Το Lexus RX450h [2] Εικόνα 4.20 Εποπτικό διάγραμμα ροής της ενέργειας στο κινητήριο σύστημα του RX450h [39] Εικόνα 4.21 Το κινητήριο σύστημα Lexus Hybrid Drive σε επίδειξη [2] Εικόνα 4.22 Πίνακας οργάνων του RX450h [40] Εικόνα 4.23 Όψη του Tesla Roadster [42] Εικόνα 4.24 Ηλεκτρικός κινητήρας (1), κιβώτιο μετάδοσης (2), στοιχεία μπαταριών (3) και αλουμινένιο αμάξωμα (4) για το Tesla [41] Εικόνα 4.25 Διάταξη των στοιχείων του ηλεκτρικού συστήματος κίνησης του Tesla [41] Εικόνα 5.1 Το Blazer πριν τις επεμβάσεις για τη μετατροπή του σε υβριδικό Εικόνα 5.2 Ηλεκτρικός κινητήρας Siemens 1PH Εικόνα 5.3 Χαρακτηριστική ροπής στροφών του ηλεκτρικού κινητήρα της εφαρμογής Εικόνα 5.4 Χαρακτηριστική ροπής στροφών του ηλεκτρικού κινητήρα της εφαρμογής Εικόνα 5.5 Διαστάσεις ηλεκτρικού κινητήρα Siemens 1PH Εικόνα 5.6 Μέρη απαιτούμενο συστήματος ψύξης

9 - 9 - Εικόνα 5.7 Χαρακτηριστικές εκφόρτισης των επιλεχθεισών μπαταριών [49] Εικόνα 5.8 Τοπολογία υβριδικού συστήματος κίνησης πειραματικού οχήματος Εικόνα 5.9 Κάτοψη του διαμορφωμένου εσωτερικού χώρου του οχήματος Εικόνα 5.10 Βάση στήριξης του ηλεκτροκινητήρα Εικόνα 5.11 Σημείο έδρασης της βάσης επάνω στη φωλιά του ημιαξονίου Εικόνα 5.12 Γρανάζι που προσαρμόστηκε στον κεντρικό άξονα μετάδοσης της κίνησης Εικόνα 5.13 Όψη του ηλεκτροκινητήρα τοποθετημένου Εικόνα 5.14 Σύστημα μετάδοσης της κίνησης του ηλεκτροκινητήρα Εικόνα 5.15 Κατασκευασθείσες βάσεις μπαταριών Εικόνα 5.16 Οι μπαταρίες τοποθετημένες στις βάσεις τους Εικόνα 5.17 Μπάρες συγκράτησης και ηλεκτρικές συνδέσεις των μπαταριών Εικόνα 5.18 Προστατευτικό κάλυμμα μπαταριών Εικόνα 5.19 Κατασκευή που στηρίζει το ψυγείο και τους ανεμιστήρες. Στο πάνω μέρος φαίνεται η αντλία Εικόνα 5.20 Δοχείο πλήρωσης κυκλώματος ψύξης Εικόνα 5.21 Συνδέσεις συστήματος ψύξης Εικόνα 5.22 Διακόπτες ενεργοποίησης συστήματος ψύξης Εικόνα 5.23 Αναλογικό «ροπόμετρο» Εικόνα 5.24 Όργανα ένδειξης τοποθετημένα στο ταμπλώ του οχήματος Εικόνα 5.25 Ροή ενέργειας στο ηλεκτροκινητήριο σύστημα Εικόνα 6.1 Χαρακτηριστικές ροπής και ισχύος συναρτήσει των στροφών του κινητήρα Εικόνα 6.2 Σύστημα ανάφορας με άξονες a, b, c της αύγχρονης μηχανής Εικόνα 6.3 Μεταβάσεις μεταξύ των συστημάτων αναφοράς Εικόνα 6.4 Μοντέλο τριφασικής ασύγχρονης μηχανής σε σύστημα d q [32] Εικόνα 6.5 Ρύθμιση στροφών ασύγχρονου κινητήρα [55] Εικόνα 6.6 Παλμοί με ημιτονοειδή διαμόρφωση πλάτους [55] Εικόνα 6.7 Παλμοδότηση και προκύπτουσες τάσεις κατά την εφαρμογή της six step PWM Εικόνα 6.8 Χαρακτηριστική ροπής κινητήρα για διάφορες τιμές της συχνότητας τροφοδοσίας που επιτυγχάνεται μέσω διανυσματικού ελέγχου Εικόνα 6.9 Δομικό διάγραμμα του άμεσου ελέγχου ροπής Εικόνα 6.10 Συνδέσεις αντιστροφέα με τον κινητήρα και την τροφοδοσία Εικόνα 6.11 Απεικόνιση διανυσμάτων διακοπτικών καταστάσεων αντιστροφέα Εικόνα 6.12 Μαγνητική ροή Ψ S Εικόνα 6.13 Όρια τομέων εκφρασμένα σε ημίτονα και συνημίτονα γωνιών Εικόνα 6.14 Ελεγκτής μαγνητικής ροής δύο καταστάσεων Εικόνα 6.15 Ελεγκτής ροπής τριών καταστάσεων Εικόνα 6.16 Διόρθωση διανύσματος μαγνητικής ροής Εικόνα 6.17 Απεικόνιση των οχτώ διακοπτικών καταστάσεων του αντιστροφέα

10 Εικόνα 6.18 Μεταβολή διανύσματος ροής από την έναρξη της εκτέλεσης [65] Εικόνα 6.19 Μείωση της ροής αναφοράς και προσαρμογή του διανύσματος της τρέχουσας μαγνητικής ροής [54] Εικόνα 7.1 Γέφυρα τριφασικού αντιστροφέα Εικόνα 7.2 Περιοχές λειτουργίας των διαφόρων τύπων ημιαγωγικών διακοπτών Εικόνα 7.3 Κατασκευή γέφυρας ημιαγωγικών στοιχείων Εικόνα 7.4 Εξωτερικές συνδέσεις και ηλεκτρικό διάγραμμα των στοιχείων Εικόνα 7.5 Ψυκτικό σώμα Εικόνα 7.6 Κύκλωμα ελέγχου αντιστροφέα Εικόνα 7.7 Κυκλωματικό διάγραμμα ενισχυτή AD Εικόνα 7.8 Διάγραμμα κυκλώματος οδήγησης σήματος τάσης Εικόνα 7.9 Οδήγηση του σήματος μέτρησης του ρεύματος I a στον μικροεπεξεργαστή Εικόνα 7.10 Οδήγηση του σήματος μέτρησης του ρεύματος I b στον μικροεπεξεργαστή Εικόνα 7.11 Οδήγηση του σήματος μέτρησης του ρεύματος I dc στον μικροεπεξεργαστή Εικόνα 7.12 Συνδέσεις ποτενσιόμετρου αναφοράς Εικόνα 7.13 Χαρακτηριστικά στοιχεία στροφόμετρου ηλεκτροκινητήρα [48] Εικόνα 7.14 Ακροδέκτες του ειδικού καλωδίου σύνδεσης του αποκωδικοποιητή του κινητήρα με το κύκλωμα ενίσχυσης [48] Εικόνα 7.15 Κύκλωμα οδήγησης σημάτων στροφομέτρου Εικόνα 7.16 Μικροελεγκτής Microchip DSPIC30F Εικόνα 7.17 Σχηματικό διάγραμμα μικροελεγκτή Microchip DSPIC30F Εικόνα 7.18 Συνδεσμολογία δεκαεξαδικών αντιστροφέων Εικόνα 7.19 Διάγραμμα συνδέσεων οπτοζεύκτη 6N Εικόνα 7.20 Συνδεσμολογία οπτοζευκτών Εικόνα 7.21 Στάδιο οδήγησης παλμών Εικόνα 7.22 Πλακέτα τροφοδοσίας κυκλώματος ελέγχου αντιστροφέα Εικόνα 7.23 Μπαταρία τροφοδοσίας του κυκλώματος του μικροελεγκτή Εικόνα 7.24 Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές για την είσοδο του αντιστροφέα Εικόνα 7.25 Συνδέσεις των στοιχείων του αντιστροφέα Εικόνα 7.26 Διακόπτης τροφοδοσίας Εικόνα 7.27 Μαχαιρωτή ασφάλεια και ασφαλειοθήκη Εικόνα 7.28 Κάτοψη του κιβωτίου φύλαξης Εικόνα 7.29 Πρόσοψη του κιβωτίου φύλαξης Εικόνα 8.1 Μετατροπέας ανύψωσης / υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση Bidirectional Boost / Buck Converter Εικόνα 8.2 Σχέσεις μεγεθών που διέπουν τη λειτουργία Boost Εικόνα 8.3 Σχέσεις μεγεθών που διέπουν τη λειτουργία Buck Εικόνα 8.4 Κύκλωμα προσομοίωσης Buck / Boost

11 Εικόνα 8.5 Παλμοδοτήσεις των δύο διακοπτικών στοιχείων Εικόνα 8.6 Κυματομορφές τάσης (κόκκινη) και ρεύματος (πράσινη) στην είσοδο Εικόνα 8.7 Κυματομορφές τάσης (κόκκινο) και ρεύματος (πράσινη)κινητήρα Εικόνα 8.8 Κυματομορφές ρεύματος (πράσινη) και τάσης (κόκκινη) γεννήτριας Εικόνα 8.9 Κυκλωματικό διάγραμμα και μορφή του IGBT module της εφαρμογής Εικόνα 8.10 Κύκλωμα μετατροπέα Buck / Boost που κατασκευάσθηκε Εικόνα 8.11 Μέτρηση τάσεων Buck / Boost Εικόνα 8.12 Μέτρηση ρευμάτων Buck / Boost Εικόνα 8.13 Κύκλωμα οδήγησης παλμών Εικόνα 8.14 Όριο συνεχούς ασυνεχούς αγωγής για το ρεύμα του πηνίου Εικόνα 8.15 Οριακή κατάσταση αγωγής (με διακεκομμένη γραμμή) Εικόνα 8.16 Πυρήνας φερρίτη ETD59 σχήματος Ε [2] Εικόνα 8.17 Πυρήνας φερρίτη Εικόνα 8.18 Χαρακτηριστικές καμπύλες μαγνήτισης φερρίτη 3C Εικόνα 8.19 Μέτρηση επαγωγής πρώτου πηνίου Εικόνα 8.20 Μέτρηση επαγωγής δεύτερου πηνίου Εικόνα 8.21 Δειγματοληψία ρεύματος πηνίου Εικόνα 8.22 Κυματομορφή ρεύματος (μεγάλο πλάτος) και τάσης (μικρό πλάτος)του πρώτου πηνίου Εικόνα 8.23 Είσοδος πρώτου πηνίου στον κόρο Εικόνα 8.24 Κόρος πρώτου πηνίου Εικόνα 8.25 Κυματομορφή ρεύματος και τάσης δεύτερου πηνίου Εικόνα 8.26 Είσοδος δεύτερου πηνίου στον κόρο Εικόνα 8.27 Κόρος δεύτερου πηνίου Εικόνα 9.1 Παλμοί έναυσης για ζεύγος στοιχείων κατά τη μετάβαση από λειτουργία σε αποκοπή και αντίστροφα. Φαίνεται ο νεκρός χρόνος για την πρόληψη βραχυκυκλώματος Εικόνα 9.2 Πινακίδα χαρακτηριστικών τριφασικού ωμικού φορτίου Εικόνα 9.3 Πολική τάση που εμφανίζεται στο ωμικό φορτίο κατά την εκτέλεση προγράμματος διαδοχής διακοπτικών καταστάσεων Εικόνα 9.4 Ταμπέλα ηλεκτρομαγνητικού φορτίου Εικόνα 9.5 Ταμπέλα κινητήρα δοκιμής Εικόνα 9.6 Ζεύξη κινητήρα δοκιμής και ηλεκτρομαγνητικού φορτίου Εικόνα 9.7 Τα τροφοδοτικά της δοκιμής Εικόνα 9.8 Διάταξη για διεξαγωγή μετρήσεων επί του αντιστροφέα Εικόνα 9.9 Χαρακτηριστικές καμπύλες ηλεκτρομαγνητικού φορτίου ανάλογα Εικόνα 9.10 Ταχύτητες που επιτυγχάνει ο κινητήρας υπό διάφορα φορτία Εικόνα 9.11 Μεταβολή φασικού ρεύματος κινητήρα για μεταβαλλόμενο φορτίο Εικόνα 9.12 Παλμοί που οδηγούνται στην πύλη ενός διακοπτικού στοιχείου

12 Εικόνα 9.13 Χαρακτηριστικές καμπύλες ροπής και ισχύος κατά τη δοκιμή με 30 V στο φορτίο Εικόνα 9.14 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.15 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.16 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.17 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.18 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.19 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.20 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.21 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.22 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.23 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.24 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.25 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.26 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.27 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.28 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.29 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.30 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.31 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.32 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.33 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.34 Χαρακτηριστικές καμπύλες ροπής και ισχύος κατά τη δοκιμή με 40 V στο φορτίο Εικόνα 9.35 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.36 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.37 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.38 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.39 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.40 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.41 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.42 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.43 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.44 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.45 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.46 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.47 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.48 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.49 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.50 Παλμογράφημα ALL

13 Εικόνα 9.51 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.52 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.53 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.54 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.55 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.56 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.57 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.58 Λόγος πλάτους προς συχνότητα τάσης στον κινητήρα Εικόνα 9.59 Χαρακτηριστικές ροπής και ισχύος κατά τη δοκιμή με 50 V στο φορτίο Εικόνα 9.60 Ροπή που απαιτείται για να αναπτύξει ο κινητήρας αντίστοιχη Εικόνα 9.61 Φασικά εναλλασσόμενα ρεύματα κινητήρα και συνεχή ρεύματα τροφοδοσίας για διάφορες τιμές της ζητούμενης ροπής για όλες τις δοκιμές στον πάγκο Εικόνα 9.62 Μεταβολή φασικού ρεύματος και πολικής τάσης κινητήρα συναρτήσει των στροφών που επιτυγχάνει για τα διάφορα φορτία Εικόνα 9.63 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.64 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.65 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.66 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.67 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.68 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.69 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.70 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.71 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.72 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.73 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.74 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.75 Μεταβολή φασικού ρεύματος και πολικής τάσης κινητήρα συναρτήσει των στροφών που επιτυγχάνει για τα διάφορα φορτία Εικόνα 9.76 Πειραματικές δοκιμές με τους πίσω τροχούς στον αέρα Εικόνα 9.77 Τριφασικός μετασχηματιστής Εικόνα 9.78 Χαρακτηριστικά στοιχεία τριφασικού μετασχηματιστή Εικόνα 9.79 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.80 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.81 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.82 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 9.83 Παλμογράφημα ALL Εικόνα 10.1Πειραματικό υβριδικό όχημα

14 - 14 -

15 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Κλείνοντας το μεγάλο και τόσο σημαντικό κεφάλαιο της Διπλωματικής Εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους συνέβαλαν στην αποπεράτωσή της. Καταρχήν θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συνεργάτες μου σε αυτήν την προσπάθεια, τον Ασημακόπουλο Παναγιώτη και τον Μπούμη Θεόδωρο. Η συνεργασία μας ήταν παραπάνω από υποδειγματική και μας έδωσε την ευκαιρία να προχωρήσουμε απροβλημάτιστα σε όλα τα βήματα της εργασίας ως ομάδα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω, συνεχίζοντας, θερμά, τον Καθηγητή Αθανάσιο Σαφάκα για την συνεχή στήριξη της προσπάθειας της Διπλωματικής αυτής Εργασίας και των δημοσιεύσεων που προέκυψαν και για τον σημαντικό χρόνο που διέθεσε. Πολλές ευχαριστίες αναλογούν στα άλλα δύο μέλη του Διδακτικού προσωπικού που στήριξαν την Εργασία, τον κ. Τατάκη Εμμανουήλ και τον κ. Μητρονίκα Επαμεινώνδα για την ανεκτίμητη βοήθεια τους και τις γνώσεις που μας μετέδωσαν, αλλά και για τη συνεργασία μας στη δημοσίευση που απεστάλη σε διεθνές συνέδριο. Σημαντικότατη για την εξέλιξη της εργασίας ήταν και η συμβολή των Διδακτορικών φοιτητών του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και ιδιαίτερα του φοιτητή Γεωργακόπουλου Ηλία, για αυτό και τους αναλογούν πολλές ευχαριστίες. Θα ήθελα να σημειώσω τη συμβολή των φίλων μου, που ποίκιλε από την ηθική υποστήριξη και την ανταλλαγή απόψεων επί του θέματος, έως και συμμέτοχή στην κατασκευή και στις πειραματικές διαδικασίες, και τους ευχαριστώ θερμά. Τέλος, να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για τη στήριξη σε όλα τα επίπεδα που μου παρείχε σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου.

16 - 16 -

17 Κεφάλαιο 1ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ανάγκη για μετακίνηση Από τις πρώτες οργανώσεις του ανθρώπου σε αρχέγονες κοινωνίες εμφανίστηκε η ανάγκη για μετακίνηση. Ο πρωτόγονος άνθρωπος μετακινούνταν για να βρει τροφή, να προστατευθεί από τα καιρικά φαινόμενα και για να ανακαλύψει τον κόσμο γύρω του. Σήμερα, μπορεί ο άνθρωπος να μην αναζητά πλέον την τροφή του, καθώς μπορεί να τη βρει έως και με ένα τηλεφώνημα, όμως η ανάγκη του για μετακίνηση παραμένει και είναι πιο σημαντική από ποτέ. Οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν για να βοηθήσουν τις μετακινήσεις έχουν γνωρίσει αλματώδη ανάπτυξη. Τον 18 ο αιώνα έγινε ένα σημαντικό βήμα, με την εμφάνιση των πρώτων αυτοκινούμενων οχημάτων που έκαναν χρήση ατμού. Έκτοτε, στην αυτοκίνηση χρησιμοποιήθηκαν πολλές πηγές ενέργειας, όπως όριζε η φαντασία του εκάστοτε σχεδιαστή. Μια σημαντική καμπή στην αυτοκίνηση έγινε στις αρχές του 20 ου αιώνα. Τα αυτοκίνητα είχαν ήδη αρχίσει να γίνονται πολύ δημοφιλή. Τα βενζινοκίνητα οχήματα ήταν ήδη γνωστά από το 1879, με την κυκλοφορία του πρώτου αυτοκινήτου με κινητήρα εσωτερικής καύσης από τον Karl Benz. Παρόλο που δεν είναι ευρέως γνωστό, στην καμπή αυτή της αυτοκίνησης, τα βενζινοκίνητα οχήματα είχαν έναν ισχυρό ανταγωνιστή, εκείνα που χρησιμοποιούσαν ηλεκτρική ενέργεια για την πρόωση τους. Η ηλεκτρική ενέργεια ήταν γνωστή στην αυτοκίνηση από το 1830, όμως τότε η ύπαρξη μόνο μη επαναφορτιζόμενων μπαταριών δεν ευνοούσε τη χρήση τους. Με τη βελτίωση στις τεχνολογίες των μπαταριών και την εμφάνιση των επαναφορτιζόμενων στοιχείων, τα ηλεκτρικά οχήματα έφτασαν να είναι ένας ισχυρός ανταγωνιστής των βενζινοκίνητων οχημάτων. Επιπλέον, εκείνη την εποχή ήταν πολύ πιο φιλικά στο χρήστη από τους ρυπογόνους, θορυβώδεις και δύσκολα εκκινούμενους βενζινοκινητήρες. Την εποχή εκείνη, και συγκεκριμένα το 1902 εμφανίστηκε και η πρώτη εφαρμογή της υβριδικής κίνησης με τη συνεργασία ηλεκτροκινητήρα και βενζινοκινητήρα, από τον Ferdinand Porsche.

18 Με την διάδοση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων και της δραματικής μείωσης της τιμής τους που ακολούθησε τα επόμενα χρόνια, τα βλέμματα στράφηκαν προς τα βενζινοκίνητα οχήματα. Σε αυτό συνετέλεσε και η μεγάλη διαφορά στην ενεργειακή πυκνότητα που εμφανίζουν τα υγρά καύσιμα από τους συσσωρευτές ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτροκίνηση στην αυτοκίνηση πέρασε έτσι στο προσκήνιο. Η διαφορά αυτή στην ενεργειακή πυκνότητα των πηγών ενέργειας συνεχίζει να υφίσταται έως και σήμερα. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται η αντιστοιχία της μάζας ορυκτών υγρών καυσίμων και των ηλεκτρικών συσσωρευτών οξέος μολύβδου. Παρατηρείται η πολλαπλάσια μεγαλύτερη μάζα των μπαταριών για την κίνηση του οχήματος σε μία διαδρομή ορισμένων χιλιομέτρων. Εικόνα 1.1 Σύγκριση υγρών καυσίμων με συσσωρευτές οξέος μολύβδου [1]

19 Περιβαλλοντικά θέματα και ηλεκτρική κίνηση Η ηλεκτροκίνηση επέστρεψε στα σχεδιαστήρια των αυτοκινητοβιομηχανιών με τις πρώτες απαιτήσεις για καθαρότερες μετακινήσεις. Η πρώτη απόπειρα έγινε τη δεκαετία του 70, όταν έκαναν εντονότερα την εμφάνιση τους οι έννοιες της ατμοσφαιρικής ρύπανσης ιδιαίτερα στα αστικά κέντρα. Οι όποιες προσπάθειες παρέμειναν στη φάση των πρωτοτύπων και δεν πέρασαν σε ευρεία χρήση. Ακόμα και το ελπιδοφόρο όχημα EV1 της GM που ήταν καθαρά ηλεκτροκίνητο και απέσπασε θετικές κριτικές για τη χρηστικότητα του, έμεινε σε περιορισμένο επίπεδο παραγωγής τα έτη 1996 έως 1999, χρονιά που όλα τα κατασκευασμένα οχήματα αποσύρθηκαν. Η ανησυχία για περιβαλλοντικά θέματα δεν ήταν αναίτια. Είναι κοινώς αποδεκτό ότι πολλά περιβαλλοντικά προβλήματα που αντιμετωπίζει ο πλανήτης σχετίζονται με την καύση των ορυκτών καυσίμων και ως συνέπεια της συμβατικής αυτοκίνησης, αν και στο θέμα υπάρχουν φωνές αντίρρησης. Τα θέματα προβληματισμού πάνω στο θέμα από την κίνηση των οχημάτων εστιάζονται στους ακόλουθους τομείς: Ατμοσφαιρική ρύπανση Στους κυριότερους ρύπους που προκύπτουν από την καύση υδρογονανθράκων συγκαταλέγονται το μονοξείδιο (CO) και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), τα οξείδια του αζώτου (NO x ), οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC), και τα μικροσκοπικά αιωρούμενα σωματίδια [3]. Όλα αυτά επιβαρύνουν σημαντικά τον ανθρώπινο οργανισμό αλλά και το περιβάλλον. Όλοι έχουμε στο μυαλό μας εικόνες από «αποπνικτική ατμόσφαιρα» και ακινητοποιημένα οχήματα σε κέντρα ανεπτυγμένων πόλεων.

20 Εικόνα 1.2 Εκπομπές CO 2 ανά κράτος [4] Εικόνα 1.3 Μεταβολή στην παραγωγή CO 2 ανά τομέα [5] Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Αύξηση της θερμοκρασίας Το πολυαναφερόμενο αυτό φαινόμενο αφορά τη θέρμανση του πλανήτη από την παγίδευση θερμότητας που προέρχεται από την ηλιακή ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα του. Διάφοροι ατμοσφαιρικοί ρύποι χρεώνονται πως συντελούν στην ένταση του φαινομένου, μεταξύ αυτών και οι περισσότεροι ρύποι που εκπέμπουν

21 τα βενζινοκίνητα οχήματα. Φέρεται, λοιπόν, να προκαλείται μία αύξηση της μέσης θερμοκρασίας κατά ένα μικρό ποσοστό ανά χρόνο, που διαταράσσει την ισορροπία του φυσικού περιβάλλοντος. Η αύξηση της θαλάσσιας στάθμης λόγω λιωσίματος των πάγων είναι μία έκφραση του φαινομένου. Εικόνα 1.4 Προβλέψεις αύξησης της θερμοκρασίας με διάφορες μεθόδους, με το δεδομένο πως δεν λαμβάνεται καμία μέριμνα για τον περιορισμό των αιτίων που την προκαλούν [2] Εξάντληση των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων Τα τελευταία χρόνια γίνεται ιδιαίτερο λόγος σχετικά με τα αποθέματα πετρελαίου και την ενδεχόμενη εξάντληση τους. Στο θέμα εμφανίζονται απόψεις και από τις δύο πλευρές, δηλαδή ότι τα αποθέματα είναι αρκετά περιορισμένα και ότι οι πετρελαιοπηγές θα «στερέψουν» σε ορίζοντα έως και 50ετίας, ενώ η αντίθετη πλευρά υποστηρίζει πως δεν υπάρχει απόδειξη για το εύρος των διαθέσιμων αποθεμάτων. Υποστηρίζεται έως και ότι οι πηγές πετρελαίου είναι αυτοσυντηρούμενες, δηλαδή υπάρχει συνεχής παραγωγή του πετρελαίου που μπορεί να καλύψει ακόμα και αύξηση στη ζήτηση του.

22 Εικόνα 1.5 Αποθέματα πετρελαίου ανά κράτος [2] Το μόνο σίγουρο είναι ότι εμφανίζεται η ανάγκη της απεξάρτησης της αυτοκίνησης από τα ορυκτά καύσιμα που πολύ συχνά, εμφανίζουν σοβαρές διαφοροποιήσεις στην τιμή τους. 1.3 Προοπτικές Οι κυβερνήσεις θέλοντας για ποικίλους λόγους να εντείνουν το ενδιαφέρον προς τα οικολογικά θέματα θεσπίζουν μέτρα για τη διασφάλιση της βελτίωσης των συνθηκών που αφορούν την καταπόνηση του περιβάλλοντος. Όσον αφορά τα οχήματα, χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η υιοθέτηση νορμών εκπομπών ρύπων που γίνονται αυστηρότερες κάθε χρόνο.

23 Πίνακας 1.1Εκπομπές ρύπων σε g/km σύμφωνα με τους αντίστοιχους κανονισμούς [2] Την εποχή της περιβαλλοντικής αβεβαιότητας έκανε και την εμφάνιση του ένα όχημα που έμελε να συνεχίσει την ιδέα του Ferdinand Porsche, σχεδόν μία εκατονταετία μετά. Το υβριδικό όχημα Toyota Prius έμελε να αποτελέσει την απαρχή μίας νέας στροφής στην αυτοκίνηση, αποτελώντας τον πρωτοπόρο στην εφαρμογή ηλεκτρικής κίνησης, με τη μορφή του υβριδικού συστήματος, στα οχήματα που δεν συνδέονται σε κάποια σταθερή τροχιά. Οι βελτιώσεις που εισάγει στην αυτοκίνηση δίνουν μία απάντηση σε όλα τα περιβαλλοντικά προβλήματα που ταλανίζουν την ανθρωπότητα. Όπως είναι φυσικό υπάρχει και ο αντίλογος, που υποστηρίζει πως τα υβριδικά οχήματα είναι περισσότερο επιβλαβή από τα συμβατικά συνυπολογίζοντας το κόστος που έχει η κατασκευή, η συντήρηση και η απόθεση τους, υποστηρίζοντας τη συμβατική αυτοκίνηση, η οποία με τις τελευταίες τεχνολογικές εξελίξεις (όπως αποδοτικότεροι κινητήρες, βελτιωμένοι καταλύτες) εμφανίζει το πιο οικολογικό πρόσωπο της από ποτέ. Από την άλλη είναι αν είναι αναίτια η σύγκριση τους με τα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα, τα οποία μετρούν πολύ λιγότερα χρόνια ενασχόλησης μαζί τους και συνάμα εξέλιξης τους.

24 Εξέλιξη Τα υβριδικά οχήματα είναι μία ευπαρουσίαστη εξέλιξη στα δεδομένα της αυτοκίνησης. Το οικολογικό τους προφίλ τους προσδίδει μία διαφορετική εικόνα απέναντι στους ανταγωνιστές τους. Πέρα από την εικόνα υπάρχει όμως και η ουσία. Τα υβριδικά οχήματα διαθέτουν ήδη πολλά προτερήματα για τις χρήσεις που προορίζονται και αναμένεται να αποκτήσουν και άλλα. Η εφαρμογή τους παρόλα αυτά αναμένεται κάποια στιγμή να σταματήσει. Τότε θα είναι, όμως, όταν τα υβριδικά θα έχουν εκπληρώσει το στόχο τους ως ενδιάμεσο βήμα για την επίτευξη της μηδενικής εκπομπής ρύπων που θα φέρουν τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα. Ήδη το σύνολο σχεδόν των κατασκευαστών αυτοκινήτου έχει εισάγει στα τμήματα ανάπτυξής του κάποιο υβριδικό όχημα, ενώ για εκείνους που ήταν πιο τολμηρή με την υιοθέτηση της εν λόγω τεχνολογίας από τους πρώτους, η γραμμή παραγωγής τους ήδη συμπληρώνεται από αυξανόμενο αριθμό υβριδικών οχημάτων. Εικόνα 1.6 Πωλήσεις υβριδικών οχημάτων επί του συνόλου των οχημάτων [6]

25 Το θέμα της υβριδικής αυτοκίνησης παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την επιστημονική έρευνα καθώς ενσωματώνει τεχνολογίες που απαιτούν ευρύ φάσμα γνώσεων. Η ύπαρξη του ηλεκτρικού μέρους του συστήματος καθιστά το θέμα πλήρως κατάλληλο για το πεδίο μελέτης του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού. Προς αυτή την κατεύθυνση στράφηκε και η εκπόνηση της παρούσης διπλωματικής εργασίας, με την απόπειρα της εφαρμογής της υβριδικής τεχνολογίας σε ένα πραγματικό όχημα.

26 Κεφάλαιο 2ο ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ [8] [11],[28] 2.1 Εισαγωγή Ο όρος «υβριδικός» χρησιμοποιείται για να δηλώσει το συνδυασμό δύο διαφορετικών μορφών στην επίτευξη ενός στόχου. Η θεματολογία των υβριδικών σχεδιασμών δεν υπόκειται σε κανέναν περιορισμό, οπότε συναντάμε υβριδικά συστήματα στη φύση, στην τεχνολογία ακόμα και στη μουσική. Στο θέμα που πραγματεύεται η εργασία αυτή, στην υβριδική αυτοκίνηση ορισμός είναι πιο περιορισμένος. Ως υβριδικό όχημα αναφέρεται εκείνο που φέρει δύο ή περισσότερες πηγές ενέργειας με σκοπό την κίνηση του. Οι συνδυασμοί των πηγών ενέργειας όσον αφορά το είδος τους και τη σύνδεση τους είναι πολλοί και περιορίζονται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής και τη φαντασία του σχεδιαστή. Το πιο απλό παράδειγμα υβριδικού οχήματος είναι το μοτοποδήλατο, στο οποίο ένας κινητήρας εσωτερική καύσης συνδυάζεται με τη μυϊκή δύναμη του αναβάτη για να το κινήσει. Στην αυτοκίνηση, ως υβριδικά οχήματα έχει επικρατήσει να θεωρούνται εκείνα που συνδυάζουν θερμικούς κινητήρες και κυρίως κινητήρες εσωτερικής καύσης (όπως κινητήρες βενζίνης, πετρελαίου ή φυσικού αερίου) και ηλεκτροκινητήρες. Η χημική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται σε κινητική από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, ενώ η ηλεκτρική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε στοιχεία συσσωρευτών ή πυκνωτές μετατρέπεται σε κινητική μέσω του ηλεκτροκινητήρα. Σήμερα τα υβριδικά οχήματα προορίζονται κυρίως για την επίτευξη χαμηλότερων καταναλώσεων καυσίμου και την παραγωγή μειωμένων ρύπων σε σχέση με τα συμβατικά οχήματα. Η συνεισφορά της υβριδικής τεχνολογίας για την επίτευξη των στόχων μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο άξονες:

27 Βελτιστοποίηση της λειτουργίας του κινητήρα εσωτερικής καύσης και μεγιστοποίηση του βαθμού απόδοσης του. Η ύπαρξη του ηλεκτροκινητήρα, επιτρέπει την χρησιμοποίηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης στο εύρος στροφών και στις συνθήκες λειτουργίας για τις οποίες παρουσιάζει τη βέλτιστη απόδοση και τη μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου. Στις περιοχές που ο τελευταίος είναι αντιοικονομικός, ο ηλεκτροκινητήρας αναλαμβάνει την υποβοήθηση του συστήματος. Παραδείγματα αποτελούν η κίνηση με μικρές ταχύτητες ή υπό μεγάλο φορτίο, όπως κατά τη διάρκεια πλήρης επιτάχυνσης ή της συνεχούς εναλλαγής κίνησης και ακινητοποίησης του οχήματος σε αστικό περιβάλλον. Στην τελευταία περίπτωση, ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί και ως μίζα ώστε να μπορεί επανεκκινείται τακτικά ο βενζινοκινητήρας στις περιπτώσεις που τίθεται εκτός για την επίτευξη ακόμα καλύτερης οικονομίας (συστήματα Start Stop). Τέλος, με την ύπαρξη του ηλεκτροκινητήρα, οι διαστάσεις του βενζινοκινητήρα για την επίτευξη ίδιων αποδόσεων μπορούν να μειωθούν, κάτι που συμβάλλει επιπλέον στην οικονομία, καθώς μειώνεται το βάρος και οι τριβές των κινούμενων μερών. Ανάκτηση ενέργειας κατά τη διαδικασία επιβράδυνσης. Ένα μέρος της κινητικής ενέργειας του οχήματος μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική αντιστρέφοντας τη ροή ισχύος του ηλεκτροκινητήρα. Λόγω της σπουδαιότητας της λειτουργίας αυτής, θα υπάρξει περαιτέρω ανάλυση σε επόμενο σημείο. 2.2 Κατηγοριοποίηση υβριδικών οχημάτων ως προς το είδος της ενέργειας τους Όπως προαναφέρθηκε, η σχεδίαση των υβριδικών οχημάτων έγκειται στους διαθέσιμους πόρους και στη φαντασία του σχεδιαστή. Κατά καιρούς έχουν εμφανιστεί πολλά είδη υβριδικών οχημάτων που κάνουν χρήση διαφόρων ενεργειών. Τα επικρατέστερα αναλύονται στις ακόλουθες υποενότητες.

28 Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα Ως υβριδικό ηλεκτρικό όχημα (HEV Hybrid Electric Vehicle) ορίζεται αυτό που φέρει έναν ή περισσότερους ηλεκτροκινητήρες και μία ή περισσότερες μηχανές εσωτερικής καύσης. Για την τροφοδοσία του κινητήρα εσωτερικής καύσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι καυσίμου, από βενζίνη και πετρέλαιο, έως βιοαιθανόλη. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα απουσίας του κινητήρα εσωτερικής καύσης και το ρόλο της εναλλακτικής μορφής ενέργειας πέραν του ηλεκτρισμού παίρνουν κυψέλες υδρογόνου. Η σύνδεση των κινητήρων με το σύστημα μετάδοσης μπορεί να επιτευχθεί με μία πληθώρα τοπολογιών, οι οποίες θα αναλυθούν παρακάτω. Η πλειοψηφία των υβριδικών οχημάτων που κυκλοφορούν σήμερα εντάσσεται στην κατηγορία αυτή. Εικόνα 2.1 Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα [12] Υβριδικό μηχανικό όχημα Σε αυτή την κατηγορία οχημάτων γίνεται χρήση σφονδύλων, στους οποίους αποθηκεύεται ενέργεια ως μηχανική. Τα συμβατικά οχήματα διαθέτουν έναν σφόνδυλο στον άξονα του βενζινοκινητήρα τους (βολάν) για την διατήρηση ενός μικρού σχετικά ποσού ενέργειας με σκοπό την ομαλοποίηση της μετάβασης μεταξύ κινητικών καταστάσεων και την αποφυγή ταλαντώσεων. Με τη χρησιμοποίηση μεγαλύτερων σφονδύλων μπορεί να επιτευχθεί αποθήκευση μεγαλύτερου ποσού ενέργεια, το οποίο είναι ικανό να επιταχύνει το όχημα όταν αυτό απαιτηθεί. Η αποθήκευση της ενέργειας στους σφονδύλους γίνεται κατά τη διαδικασία

29 επιβράδυνσης του οχήματος. Το μεγάλο μειονέκτημα του συστήματος αυτού είναι η αύξηση του βάρους του οχήματος, λόγω της αυξημένης μάζας του σφονδύλου, ώστε η επιστροφή ενέργειας να είναι ικανοποιητική. Απαιτείται επίσης η ακριβής σχεδίαση και κατασκευή των συστημάτων σύμπλεξης των σφονδύλων οι οποίοι θα πρέπει να είναι απολύτως ζυγοσταθμισμένοι, λόγω της μεγάλης περιστροφικής τους ενέργειας. Επομένως, η τεχνική αυτή συναντάται σε οχήματα μεγαλύτερου μεγέθους όπως φορτηγά και οικοδομικά μηχανήματα που μπορούν να αντέξουν το βάρος και την πολυπλοκότητα μιας τέτοιας προσθήκης. Εικόνα 2.2 Υβριδικό μηχανικό όχημα [13] Υβριδικό υδραυλικό όχημα Στο είδος αυτό του υβριδικού οχήματος, για την επίτευξη της κίνησης συντελεί εκτός από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και μία υδραυλική μηχανή. Κατά τη φάση της επιβράδυνσης, η υδραυλική μηχανή λειτουργεί σαν αντλία εκμεταλλευόμενη την κινητική ενέργεια του οχήματος και σπρώχνει το υγρό του κυκλώματος στο δοχείο υψηλές πίεσης. Όταν το όχημα χρειάζεται να επιταχύνει ξανά, η υδραυλική μηχανή στρέφεται από τη ροή του υγρού από το δοχείο υψηλής πίεσης, στο οποίο είχε συμπιεστεί κατά την επιβράδυνση, προς το δοχείο χαμηλής πίεσης. Η ροή αυτή προσδίδει ένα ποσό ροπής στον άξονα κίνησης του οχήματος και επιτρέπει την επιστροφή μέρους της κινητικής ενέργειας που μειώθηκε κατά την επιβράδυνση. Την εποπτεία του συστήματος αναλαμβάνει ένας μικροελεγκτής. Η διάταξη αυτή μπορεί να αποφέρει μείωση στην κατανάλωση καυσίμου και στην

30 εκπομπή ρύπων έως και 30%. Το υβριδικό υδραυλικό σύστημα συναντάται κυρίως σε μεγάλα οχήματα λόγω του αυξημένου βάρους και όγκου που καταλαμβάνει. Εικόνα 2.3 Υβριδικό υδραυλικό όχημα [14] Υβριδικό θερμικό όχημα Στον τύπο αυτό υβριδικού οχήματος αξιοποιείται η θερμότητα των καυσαερίων του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Η θερμότητα οδηγείται σε ένα δοχείο που περιέχει υγρό, ώστε το τελευταίο να θερμανθεί και να παράγει ατμό. Ο ατμός κινεί έναν ατμοστρόβιλο που με τη σειρά του συντελεί στην πρόωση του οχήματος. Το σύστημα αυτό είναι περισσότερο αποδοτικό σε υψηλότερες ταχύτητες του οχήματος, στις οποίες υπάρχει σταθερός ρυθμός παραγωγής καυσαερίων. Αντίθετα στις χαμηλές ταχύτητες που δεν υπάρχει ισχυρή ροή καυσαερίων, το σύστημα επιβαρύνει την κίνηση με το βάρος του. Παρόλα αυτά ένα τέτοια σύστημα μπορεί να επιτύχει οικονομία καυσίμου και μείωση εκπομπής ρύπων κατά 15%.

31 Εικόνα 2.4 Τοπολογία υβριδικού θερμικού οχήματος [15] 2.3 Κατηγοριοποίηση υβριδικών οχημάτων ως προς το βαθμό υβριδοποίησης τους Ως βαθμός υβριδοποίησης ενός οχήματος ορίζεται ο λόγος της ισχύος του κινητήρα που εκμεταλλεύεται τη δευτερεύουσα πηγής ενέργειας προς την ισχύ του κινητήρα που τροφοδοτείται από την κύρια πηγής ενέργειας. Στα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα, ο λόγος αυτός υπολογίζεται, δηλαδή, από τη διαίρεση της ισχύος του ηλεκτροκινητήρα (ή των ηλεκτροκινητήρων) προς την ισχύ του βενζινοκινητήρα. Σύμφωνα με αυτό το κριτήριο εμφανίζονται οι εξής κατηγορίες υβριδικών οχημάτων: Μικρο υβριδικά (micro hybrids) Τα μικρο υβριδικά οχήματα φέρουν έναν ηλεκτρικό κινητήρα και μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας, τα οποία έχουν πολύ περιορισμένη ισχύ. Συγκεκριμένα ο βαθμός υβριδοποίησης είναι στα όρια του 5 με 15%. Το ηλεκτρικό σύστημα του οχήματος δεν προορίζεται για συμμετοχή στην πρόωση του οχήματος. Είναι, όμως, συνδεδεμένο με τους τροχούς του οχήματος έτσι ώστε, λειτουργώντας

32 ως γεννήτρια, να ανακτά μέρος της κινητικής ενέργειας του οχήματος. Η ενέργεια αυτή αποθηκεύεται στις αρμόδιες μπαταρίες, ή ακόμα και στην κλασσική μπαταρία του οχήματος, που έχει όμως βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Η ανακτημένη ενέργεια χρησιμοποιείται έπειτα για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών υποσυστημάτων του οχήματος, όπως το κύκλωμα φωτισμού, του κύκλωμα εξαερισμού ή την αντλία του συστήματος ψύξης. Η ηλεκτρική μηχανή αντικαθιστά και τη μίζα του οχήματος και δίνει τη δυνατότητα για υλοποίηση συστήματος Start Stop. Το κέρδος σε κατανάλωση καυσίμου και σε εκπομπές ρύπων είναι, εδώ, σχετικά μικρό, στα επίπεδα του ποσοστού του βαθμού υβριδοποίησης. Κάποια αυτοκίνητα που εμπίπτουν στην κατηγορία αυτή είναι το Citroen C3 και οι σειρές 1 και 5 της BMW Ήπια υβριδικά (mild hybrids) Στα ήπια υβριδικά το ποσοστό υβριδοποίησης κυμαίνεται μεταξύ 15 και 25%. Ο μεγαλύτερος, σε σχέση με των μικρο υβριδικών οχημάτων, κινητήρας είναι ικανός να συμμετέχει στην πρόωση του οχήματος, δεν δύναται όμως να την αναλάβει εξ ολοκλήρου. Εκτός από τη συμμετοχή στην κίνηση, ο ηλεκτροκινητήρας δύναται να ανακτήσει ενέργεια και να υποκαταστήσει τη μίζα. Στα πλεονεκτήματα των ήπιων υβριδικών περιλαμβάνεται το μειωμένο βάρος του υβριδικού κινητηρίου συστήματος και το μικρότερο κόστος του. Οι δυνατότητες του παραμένουν όμως περιορισμένες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της τεχνολογίας αυτής είναι τα μοντέλα IMA (Integrated Motor Assist) της Honda. Τα κέρδη σε κατανάλωση και εκπομπές ρύπων κυμαίνονται και εδώ στα όρια του βαθμού υβριδοποίησης των οχημάτων Πλήρως υβριδικά (full hybrids) Η κατηγορία αυτή αφορά τα οχήματα που ο ηλεκτροκινητήρας τους μετέχει με το μεγαλύτερο ποσοστό, άνω του 25%, στο ισοζύγιο ισχύος του αυτοκινήτου. Στα πλήρως υβριδικά, η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα είναι τέτοια ώστε να επαρκεί για την εξ ολοκλήρου κίνηση στις χαμηλές ταχύτητες και στα χαμηλά φορτία. Όταν οι απαιτήσεις ισχύος αυξηθούν εισέρχεται και ο βενζινοκινητήρας στη διαδικασία μετάδοσης ισχύος στους τροχούς. Και εδώ ο ηλεκτροκινητήρας ανακτά ενέργεια

33 κατά την επιβράδυνση, μπορεί να λειτουργήσει όμως και ως γεννήτρια παίρνοντας κίνηση από τον άξονα του βενζινοκινητήρα, όταν οι μπαταρίες απαιτούν φόρτιση λόγω χαμηλών αποθεμάτων. Ο διαμοιρασμός της ισχύος γίνεται συνήθως μέσω μίας μηχανικής μονάδας με πλανητικούς μειωτήρες. Ο αδιαμφισβήτητος εκπρόσωπος της κατηγορίας αυτής είναι το Prius της Toyota και τα αυτοκίνητα που ενσωματώνουν το Lexus Hybrid Drive. 2.4 Κατηγοριοποίηση υβριδικών ως προς τη διάταξη του κινητηρίου συστήματος Τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα χαρακτηρίζονται επίσης από τη διάταξη των μερών του κινητήριου συστήματος τους. Η θέση και οι συνδέσεις μεταξύ των κινητήρων και των τροχών, καθώς και η ροή ισχύος ανάμεσα τους καθορίζουν το είδος της τοπολογίας που εφαρμόζεται. Οι κατηγορίες των υβριδικών οχημάτων ανάλογα με την τοπολογία του κινητήριου συστήματος τους ακολουθεί. Οι κατηγοριοποιήσεις αυτές αφορούν μόνο τα υβριδικά οχήματα των οποίων τουλάχιστον ένας ηλεκτροκινητήρας συμμετέχει στη διαδικασία πρόωσης του οχήματος. Τα μικρο υβριδικά οχήματα, συνεπώς, δεν εμπίπτουν στις κατηγορίες αυτές Σειριακή διάταξη (Series Hybrid) Σε αυτό το είδος διάταξης, ο βενζινοκινητήρας δεν είναι συνδεδεμένος με τους κινητήριους τροχούς. Ο προορισμός του είναι να φορτίσει το μέσο αποθήκευσης της ενέργειας, συνηθέστερα τις μπαταρίες, στρέφοντας μία γεννήτρια, η οποία είναι συνδεδεμένη μηχανικώς με τον άξονα του βενζινοκινητήρα. Η γεννήτρια αυτή λειτουργεί ως μίζα και ως δυναμό αντικαθιστώντας τα συμβατικά συστήματα. Η πρόωση του οχήματος γίνεται εφικτή λόγω της ύπαρξης ενός δεύτερου ηλεκτροκινητήρα, συνδεδεμένου με τους τροχούς του οχήματος, ο οποίος αντλεί ενέργεια από τις μπαταρίες ή απ ευθείας από τη γεννήτρια. Η κίνηση του οχήματος, λοιπόν, είναι καθαρά ηλεκτρική, και ο ρόλος του βενζινοκινητήρα είναι να μετατρέπει τη χημική ενέργεια του καυσίμου του σε ηλεκτρική για να διατηρήσει τη στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών σε υψηλά

34 επίπεδα. Το σύστημα μπορεί να πραγματοποιήσει ανάκτηση ενέργεια με τη λειτουργία της ηλεκτρικής μηχανής που είναι συνδεδεμένη με τους τροχούς ως γεννήτρια. Στην περίπτωση αυτή φορτίζει τους συσσωρευτές μετατρέποντας τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Εικόνα 2.5 Τοπολογία κινητήριου συστήματος σειριακής διάταξης [10] Τα πλεονεκτήματα της διάταξης αυτής είναι, κυρίως, δύο. Πρώτον, ο βενζινοκινητήρας, όντας αποσυνδεδεμένος από τους κινητήριους τροχούς μπορεί να περιστραφεί ανεξάρτητα από τη διάταξη πρόωσης. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στους σχεδιαστές να ρυθμίζουν τη λειτουργία του βενζινοκινητήρα στις στροφές εκείνες που έχει μέγιστη απόδοση, κάτι που συνεπάγεται οικονομία. Το δεύτερο αφορά την διάταξη μετάδοσης της κίνησης, η οποία απλοποιείται καθώς το κιβώτιο και το διαφορικό που χρειάζεται ο βενζινοκινητήρας απουσιάζουν. Η σύνδεση του ηλεκτροκινητήρα με τους τροχούς γίνεται με τη χρήση ενός μειωτήρα διαφορικού ώστε να ικανοποιείται η αναγκαία συνθήκη για ανεξάρτητη κίνηση των δύο ή τεσσάρων τροχών του οχήματος. Ο ηλεκτροκινητήρας δεν απαιτεί κιβώτιο ταχυτήτων, καθώς το μεγάλο εύρος λειτουργίας του τού επιτρέπει την αντιστοίχιση όλου του φάσματος των στροφών του με τα περιθώρια ταχύτητας του οχήματος. Είναι σημαντική επίσης η ελευθερία που έχει ο σχεδιαστής σχετικά με τη χωροταξία των μερών, οπότε μπορεί να προσαρμόσει τα δεδομένα του με προσανατολισμό την

35 οικονομία, ταυτόχρονα με την βελτίωση των δυναμικών χαρακτηριστικών του οχήματος (καλύτερη κατανομή βάρους, περισσότερος διαθέσιμος χώρος για τα μέρη της ανάρτησης κ.ά.). Στον αντίποδα, το κύριο μειονέκτημα των υβριδικών σειριακής διάταξης είναι η χαμηλή απόδοση του συστήματος συνολικά, καθώς απαιτείται μεγάλος αριθμός διαδικασιών μετατροπών ενέργειας. Για να μετατραπεί η χημική ενέργεια του καυσίμου, παραδείγματος χάριν, σε κινητική, μεσολαβεί η μετατροπή της σε ηλεκτρική. Οι τρείς κινητήρες που είναι σε σειρά εισάγουν ένα ποσοστό απωλειών ο καθένας που ρίχνει τη συνολική απόδοση του συστήματος. Επίσης, η εξ ολοκλήρου ανάθεση της κίνησης σε ηλεκτροκινητήρα αυξάνει τις απαιτήσεις του τόσο για ισχύ, όσο και για αξιοπιστία σε συνεχή λειτουργία, που οδηγεί σε μεγαλύτερα και βαρύτερα συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης από ότι στις υπόλοιπες τοπολογίες. Μια παραλλαγή του συστήματος εισάγει και τη χρήση υπερπυκνωτών στο σχεδιασμό, ώστε να επιτρέπεται ταχύτερη φόρτιση και εκφόρτισή τους σε μεγάλες μεταβολές των απαιτήσεων ισχύος. Τοπολογίες κινητηρίων συστημάτων σε σειρά είναι ιδιαίτερα διαδεδομένες σε τρένα και σε πλοία, ενώ έχει επιχειρηθεί και η εφαρμογή τους σε υβριδικά οχήματα, σε περιορισμένη όμως έκταση. Η εταιρεία Opel έχει ανακοινώσει την παραγωγή ενός αυτοκινήτου με σειριακή υβριδική διάταξη. Πρόκειται για το Ampera, το οποίο η εταιρεία χαρακτηρίζει ως «ηλεκτρικό όχημα εκτεταμένης εμβέλειας» (Extended range EV). Εικόνα 2.6 Opel Ampera [16]

36 Παράλληλη διάταξη (Parallel Hybrid) Η παράλληλη διάταξη αποτελεί την πιο διαδεδομένη τοπολογία κινητήριου συστήματος σε υβριδικά οχήματα. Σε αυτό το είδος διάταξης την κίνηση των τροχών αναλαμβάνει είτε ο ηλεκτροκινητήρας είτε ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είτε και οι δύο ταυτόχρονα. Η συνεργασία και η συμμετοχή στην κίνηση των δύο διαφορετικών κινητήριων μονάδων ελέγχεται από μικροελεγκτή. Η διάταξη αυτή διακρίνεται σε δύο υποκατηγορίες, την παράλληλη διάταξη με υποβοήθηση στο σύστημα κίνησης και την πλήρως παράλληλη διάταξη. Στην παράλληλη διάταξη με υποβοήθηση στο σύστημα κίνησης, η μηχανή εσωτερικής καύσης και ο ηλεκτροκινητήρας μεταδίδουν την κίνηση μέσω κοινού άξονα, πάνω στον οποίο έχουν προσαρμοστεί κατάλληλα. Το κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης τοποθετείται ανάμεσα από τις δύο μηχανές και τους τροχούς. Ανάλογα με την ισχύ της ηλεκτρικής μηχανής που θα χρησιμοποιηθεί καθορίζεται και το ποσοστό συμμετοχής αυτής στην κίνηση του οχήματος. Σε αυτή τη διάταξη χρησιμοποιείται συνήθως μικρή ηλεκτρική μηχανή και γι αυτό είναι περιορισμένη η επιπρόσθετη ισχύς που μπορεί να παρέχει. Όταν το όχημα βρίσκεται σε στάση, απενεργοποιείται τελείως η μηχανή εσωτερικής καύσης, εξοικονομώντας ενέργεια, ενώ όταν είναι έτοιμο να εκκινήσει, η τελευταία τίθεται και πάλι σε λειτουργία από τον ηλεκτροκινητήρα. Τέλος, παρέχεται επίσης η δυνατότητα επιστροφής ενέργειας κατά την επιβράδυνση του αυτοκινήτου της ηλεκτρικής μηχανής που θα λειτουργήσει ως γεννήτρια.

37 Εικόνα 2.7 Παράλληλη διάταξη κινητηρίου συστήματος με υποβοήθηση [10] Στην πλήρως παράλληλη διάταξη, η δυνατότητα ταυτόχρονης λειτουργίας της μηχανής εσωτερικής καύσης και της ηλεκτρικής μηχανής απαιτούν τη μηχανική συμπλοκή αυτών με το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, γεγονός που το κάνει πιο πολύπλοκο. Εικόνα 2.8 Τοπολογία κινητήριου συστήματος πλήρους παράλληλης διάταξης [10] Κατά την ομαλή εκκίνηση του οχήματος και για χαμηλές ταχύτητες, αρχικά την κίνηση αναλαμβάνει η ηλεκτρική μηχανή η οποία λειτουργεί σαν κινητήρας. Όταν απαιτείται μεγαλύτερη ισχύς, όπως σε μία επιτάχυνση ή σε κίνηση του

38 οχήματος σε μεγαλύτερες ταχύτητες, στην κίνηση συνεισφέρουν και οι δύο κινητήριες μονάδες. Το ποσοστό συμβολής της καθεμιάς καθορίζεται από την υπολογιστική μονάδα ελέγχου του αυτοκινήτου. Επιπρόσθετα, κατά τη διάρκεια της κίνησης του οχήματος, η μηχανή εσωτερικής καύσης αναλαμβάνει τη φόρτιση των μπαταριών όταν η στάθμη της ενέργειάς τους πέσει σε χαμηλά επίπεδα για να υπάρχει εκ νέου διαθέσιμη ηλεκτρική ισχύς. Σε αυτή τη φάση η ηλεκτρική μηχανή θα λειτουργεί ως γεννήτρια. Τέλος, κατά τη φάση της επιβράδυνσης, η ηλεκτρική μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια και εκμεταλλευόμενη την κινητική ενέργεια των τροχών επιστρέφει σημαντικά ποσά ενέργειας φορτίζοντας τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές. Συγκριτικά με την σειριακή διάταξη, στην παράλληλη χρησιμοποιείται μικρότερος σε ισχύ ηλεκτροκινητήρας, καθώς αυτός λειτουργεί παράλληλα με την μηχανή εσωτερικής καύσης, και για αυτό το λόγο είναι μικρότεροι και οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές για την αποθήκευση της ενέργειας. Παρόλα αυτά, το συνολικό κόστος της παράλληλης διάταξης παραμένει ίδιο με αυτό της σειριακής λόγω της ανάγκης ύπαρξης κιβωτίου ταχυτήτων και μηχανικού συστήματος για τη σύμπλεξη της ηλεκτρικής μηχανής και της μηχανής εσωτερικής καύσης με τον άξονα μετάδοσης της κίνησης. Επίσης ο έλεγχος αυτής της συνεργασίας των δύο κινητήρων για την διαχείριση της ισχύος καθίσταται πιο δύσκολος. Τέλος, η παράλληλη διάταξη αυτή είναι ηλεκτρική είτε χημική και το όχημα μπορεί να διανύει μεγαλύτερες αποστάσεις και να κινείται και εκτός πόλης Συνδυασμένη διάταξη (Combined Hybrid ή Series Parallel Hybrid) Το σειριακό παράλληλο ή συνδυαστικό σύστημα είναι ένας συνδυασμός των δύο παραπάνω διατάξεων και αποτελείται από μια μηχανή εσωτερικής καύσης, έναν ηλεκτρικό κινητήρα, μία ηλεκτρική γεννήτρια και τη συστοιχία των μπαταριών. Έτσι η διάταξη των εξαρτημάτων είναι κυρίως όπως στο παράλληλο σύστημα, μόνο που στο συγκεκριμένο χρησιμοποιείται ξεχωριστά μία δεύτερη ηλεκτρική μηχανή ως γεννήτρια για την φόρτιση των ηλεκτρικών συσσωρευτών.

39 Εικόνα 2.9 Συνδυασμένη διάταξη κινητήριου συστήματος [10] Η συνεισφορά των διαφόρων υποσυστημάτων στην κίνηση είναι παρόμοια με την παράλληλη διάταξη. Η διαφορά αυτής της τοπολογίας σε σχέση με αυτήν της παράλληλης βρίσκεται στο ότι η μηχανή εσωτερικής καύσης μπορεί να προσδίδει κίνηση στους τροχούς του οχήματος όταν είναι συμπλεγμένη με το σύστημα μετάδοσης ή εναλλακτικά να φορτίζει τις μπαταρίες μέσω τις ηλεκτρικής γεννήτριας, αλλά όχι και τα δύο ταυτόχρονα. Σε χαμηλές ταχύτητες, η Μ.Ε.Κ. είναι αποσυνδεδεμένη από το σύστημα μετάδοσης της κίνησης και η συγκεκριμένη διάταξη εμφανίζει χαρακτηριστικά της σειριακής. Έτσι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης έχει τη δυνατότητα να δουλεύει σε αυτή την περίπτωση στο βέλτιστο βαθμό απόδοσής του και την πρόωση του οχήματος αναλαμβάνει ο ηλεκτρικός κινητήρας τροφοδοτούμενος από τις μπαταρίες. Σε υψηλότερες ταχύτητες ή επιταχύνσεις, όπου η Μ.Ε.Κ. μπορεί να προσφέρει πιο αποδοτικά ισχύς για την κίνηση του οχήματος, περιορίζεται η λειτουργία της σειριακής διάταξης και την κίνηση τώρα αναλαμβάνει η παράλληλη διάταξη. Η επιλογή της παράλληλης ή της σειριακής λειτουργίας επιλέγεται μέσω της υπολογιστικής μονάδας ελέγχου και υλοποιείται μέσω ενός συμπλέκτη όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Μία διαφοροποίηση της σειριακής παράλληλης τοπολογίας είναι η αυτή που παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα, στην οποία το κιβώτιο ταχυτήτων

40 λαμβάνει διαφορετική θέση, ενώ όλοι οι κινητήρες είναι μονίμως συνδεδεμένοι μέσω ενός κιβωτίου πλανητικής διάταξης. Αναφέρεται ως διάταξη με σύζευξη. Εικόνα 2.10 Σύστήμα σειριακής παράλληλης διάταξης με σύζευξη των κινητήρων [10] Αυτή η διάταξη κινητήριου συστήματος αποτελεί ίσως την πιο ευέλικτη και ολοκληρωμένη τοπολογία ως προς την διαχείριση της ενέργειας. Ομοιάζει πολύ με την συνδυαστική διάταξη και αποτελείται από τα ίδια κινητήρια συστήματα. Η διαφορά της έγκειται στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης το οποίο επιτρέπει την μόνιμη σύνδεση του κινητήρα εσωτερικής καύσης με τους τροχούς του αυτοκινήτου, την παράλληλη συμμετοχή στην κίνηση από τον ηλεκτρικό κινητήρα, και επίσης τη δυνατότητα για ταυτόχρονη φόρτιση των μπαταριών του οχήματος. Το πλανητικό σύστημα (planetary or epicyclic gearing) που χρησιμοποιείται για τη σύμπλεξη των κινητήρων και αποτελεί μία από τις βέλτιστες λύσεις στο διαμοιρασμό της μηχανικής ισχύος. Πρόκειται για ένα σύστημα γραναζιών το οποίο συντίθεται από έναν κεντρικό άξονα γρανάζι (ήλιος), ένα ή περισσότερα γρανάζια (πλανήτες) τα οποία συνδέονται περιμετρικά με τον ήλιο και έναν εξωτερικό κυκλικό δακτύλιο ο οποίος περιβάλει τους πλανήτες. Οι πλανήτες είναι επίσης συνδεδεμένοι μεταξύ τους με ένα φορέα πλανητών. Οι κινητήρες μπορούν να συνδεθούν σε οποιοδήποτε από τα διαθέσιμα γραναζώματα. Ο άξονας μετάδοσης προς τους τροχούς συνδέεται συνήθως με τον εξωτερικό δακτύλιο του κιβωτίου.

41 Εικόνα 2.11 Πλανητικό κιβώτιο Η συνδυαστική διάταξη συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της σειριακής και της παράλληλης διάταξης, με κόστος όμως στην πολυπλοκότητα του ελέγχου για τη διαχείριση της ισχύος Ανεξάρτητη διάταξη (Independent Hybrid) Η ανεξάρτητη διάταξη μπορεί να θεωρηθεί ως μία παραλλαγή της παράλληλης, αλλά είναι απλούστερη ως προς την τοπολογία του κινητήριου συστήματος καθώς απαιτεί λιγότερες και απλούστερες μηχανικές συνδέσεις. Στη διάταξη αυτή, οι δύο κινητήρες δεν είναι μηχανικά συνδεδεμένοι μέσω κάποιου άξονα. Την σύνδεση των δύο μερών αναλαμβάνει ο δρόμος στον οποίο κινείται το όχημα μέσω της μετάδοσης της κίνησης από τους τροχούς. Συνήθως η μηχανή εσωτερικής καύσης δίνει κίνηση στους μπροστινούς τροχούς του οχήματος ενώ ο ηλεκτροκινητήρας αναλαμβάνει την κίνηση των πίσω τροχών. Η ισχύ για την κίνηση μπορεί να παρέχεται από τη μία ή και από τις δύο μηχανές ταυτόχρονα.

42 Εικόνα 2.12 Ανεξάρτητη διάταξη κινητήριου συστήματος [10] Η συγκεκριμένη τοπολογία παρουσιάζει τα ίδια πλεονεκτήματα στην κίνηση με αυτά της παράλληλης, παρέχοντας επιπλέον τη δυνατότητα κίνησης και στους τέσσερεις τροχούς. Η συμβολή του κάθε κινητήρα στην πρόωση του οχήματος ελέγχεται από μικροϋπολογιστή. Τέλος, η ανεξάρτητη διάταξη πλεονεκτεί ως προς την χωροταξική προσαρμογή της επί του οχήματος ενώ διατηρεί τη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας κατά την επιβράδυνση. 2.5 Χαρακτηριστικές τεχνολογίες που εφαρμόζονται σε υβριδικά οχήματα Η υβριδική διάταξη του κινητηρίου συστήματος ενός οχήματος του επιτρέπει να ενσωματώσει κάποιες τεχνολογίες που συντελούν στην επίτευξη καλύτερου βαθμού απόδοσης του συστήματος. Διάφορες τέτοιες τεχνολογίες αναφέρονται ακολούθως Σύστημα Start Stop [17] Το σύστημα Start Stop έχει ως ευθύνη την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης του οχήματος. Η πλέον

43 ενεργοβόρα και αναποδοτική κατάσταση λειτουργίας του βενζινοκινητήρα είναι όταν αυτός λειτουργεί «με νεκρά», δηλαδή όταν το είναι αποσυμπλεγμένος από τους τροχούς και το όχημα είναι ακινητοποιημένο. Στην κατάσταση αυτή, που προκύπτει αρκετά συχνά κατά την κίνηση του οχήματος σε αστικό περιβάλλον, ο βενζινοκινητήρας δεν παράγει μηχανικό έργο παρά μόνο καταναλώνει καύσιμο για να διατηρήσει τις ελάχιστες στροφές λειτουργίας του. Το σύστημα Start Stop αναλαμβάνει την απενεργοποίηση της Μ.Ε.Κ. όταν ανιχνευθεί ακινητοποίηση του οχήματος, για να προλάβει την αντιοικονομική λειτουργία της. Η επανεκκίνηση του βενζινοκινητήρα όταν απαιτηθεί η παραγωγή έργου από αυτήν γίνεται, χωρίς σημαντική καταπόνηση των κινούμενων και ηλεκτρικών μερών, από την ηλεκτρική μηχανή αντί για τη συμβατική μίζα του οχήματος, και περισσότερο αθόρυβα. Η λειτουργία αυτή υπόκειται σε περιορισμούς που εισάγουν αισθητήρες που καταγράφουν παραμέτρους όπως η θερμοκρασία του κινητήρα ή το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών. Οι παράμετροι συλλέγονται από μικροεπεξεργαστικό σύστημα που καθορίζει την επέμβαση του αναφερθέντος συστήματος Αναγεννητική πέδηση Η σημαντικότερη εκ των λειτουργιών που χαρακτηρίζουν τα υβριδικά οχήματα είναι η αναγεννητική πέδηση (regenerative braking). Σε αυτήν βασίζεται η χαμηλότερη ανάγκη του συστήματος για ενέργεια, γεγονός που οδηγεί στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και εκπομπών ρύπων. Εικόνα 2.13 Ροή ενέργεια κατά την αναγεννητική πέδηση [14]

44 Πρόκειται για τη λειτουργία κατά την οποία κάποιος από τους ηλεκτροκινητήρες του υβριδικού οχήματος περνά σε λειτουργία ως γεννήτρια. Προσλαμβάνοντας μηχανικής ενέργεια από την κίνηση του οχήματος, στρέφεται και παράγει ηλεκτρική που κατευθύνεται προς τα στοιχεία συσσωρευτών ή λοιπών διατάξεων για αποθήκευση, ή προς άλλα συστήματα για άμεση χρήση. Σε ένα συμβατικό όχημα, η ενέργεια από τη επιβράδυνση χάνεται με τη μορφή θερμότητας στο μηχανικό σύστημα πέδης. Η ακριβής διαδικασία σύνδεσης των κινητήριων μονάδων κατά τη φάση αυτή ποικίλλει ανάλογα με την τοπολογία του συστήματος. Η επιστρεφόμενη ενέργεια χρησιμοποιείται έπειτα για την ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών των ηλεκτροκινητήριων μονάδων κατά τη διαδικασία πρόωσης του οχήματος. Το σύστημα αναγεννητικής πέδησης λειτουργεί παράλληλα με το σύστημα μηχανικής πέδης του αυτοκινήτου. Σε ήπιες επιβραδύνσεις, στη μείωση της ταχύτητας του οχήματος συμβάλλει μόνο η ηλεκτρική μηχανή που λειτουργεί ως γεννήτρια, ενώ αν απαιτηθεί μεγαλύτερη δύναμη πέδης τότε εμπλέκονται τα μηχανικά φρένα που επιβραδύνουν το όχημα λόγω τριβών. Η υποβοήθηση αυτή των φρένων βοηθά και στη μικρότερη καταπόνηση τους και μειώνει τη συχνότητα συντήρησης τους Ηλεκτροποίηση υποσυστημάτων αυτοκινήτου Μία ακόμα επέμβαση που καθίσταται δυνατή με τη χρήση υβριδικής τεχνολογίας είναι η ηλεκτροποίηση διαφόρων υποσυστημάτων του οχήματος. Στα συμβατικά οχήματα, τα απαραίτητα κυκλώματα των αντλιών νερού λαδιού και ηλεκτρικού τιμονιού και ο κλιματισμός λειτουργούν αντλώντας μηχανική ενέργεια από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης μέσω διάταξης μετάδοσης κίνησης με ιμάντα. Στα υβριδικά οχήματα, λόγω της ύπαρξης μεγαλύτερης ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας, οι απαιτήσεις των υποσυστημάτων αυτών σε ισχύ μπορούν να ικανοποιηθούν από το battery pack του οχήματος με την μετατροπή τους σε ηλεκτρικά. Η απουσία των μηχανικών συνδέσεων εξαλείφει τις απώλειες ισχύος που αυτές εισάγουν, οπότε οι μειωμένες ενεργειακές ανάγκες του οχήματος συμβάλλουν στην επίτευξη οικονομίας.

45 Εικόνα 2.14 Ηλεκτρική αντλία υβριδικού οχήματος [18] Σύστημα KERS (Kinetic Energy Recovery System) Το σύστημα KERS αποτελεί μια διάταξη ανάκτησης ενέργειας. Βρίσκει εφαρμογή στο μηχανοκίνητο αθλητισμό και κυρίως, από τη σεζόν του 2009, στη Formula 1, ενώ μελετάται η εφαρμογή του πέραν των αγωνιστικών οχημάτων. Για την αποθήκευση ενέργειας χρησιμοποιείται είτε μηχανική, με χρήση σφονδύλου, είτε ηλεκτρική διάταξη, με χρήση μπαταριών ή υπερπυκνωτών. Η συνολική ισχύς του συστήματος στη Formula 1 αγγίζει τα 60 KW. Η ενέργεια ανακτάται κατά την πέδηση του οχήματος και επαναχρησιμοποιείται με τη βούληση του οδηγού κατά την επιτάχυνση, μέσω ενός επιλογέα. Η εφαρμογή αυτή δεν έχει προσανατολισμό την οικονομική λειτουργία του οχήματος, αλλά την επίτευξη καλύτερων επιδόσεων, αφού στην ισχύ του συμβατικού κινητήρα προστίθεται και το ποσό ισχύος του ηλεκτροκινητήρα.

46 Εικόνα 2.15 Σύστημα KERS βασισμένο σε σφόνδυλο[2] Εξωτερική φόρτιση συσσωρευτών Για την φόρτιση των μπαταριών ενός υβριδικού οχήματος έχουν εμφανιστεί τεχνολογίες που επιτρέπουν τη χρήση εξωτερικών πηγών, όπως το ηλεκτρικό δίκτυο. Στα περισσότερα υβριδικά οχήματα δεν υπάρχει πρόβλεψη για φόρτιση των μπαταριών πέρα από την υβριδική λειτουργία που χρησιμοποιεί τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και την αναγεννητική πέδηση για να αποδώσει ενέργεια στους συσσωρευτές. Με την εξέλιξη ενός κατάλληλου φορτιστή, με παροχή τάσης από το δίκτυο μπορεί να αποθηκεύθει ποσό ενέργειας όσο το όχημα είναι σταθμευμένο. Η ενέργεια αυτή θα χρησιμοποιηθεί για την πρόωση του οχήματος αργότερα. Προς αυτή την κατεύθυνση εφαρμόζονται και μετατροπές στα υβριδικά οχήματα με την προσθήκη επιπλέον συσσωρευτών. Ο σκοπός μιας τέτοιας μετατροπής είναι να αυξηθεί το περιθώριο αποθήκευσης ενέργειας, ώστε το όχημα να μπορέσει να κινηθεί αμιγώς ηλεκτρικά για έναν ορισμένο αριθμό χιλιομέτρων, όπως συμβαίνει με τα καθαρά ηλεκτρικά οχήματα. Τα υβριδικά που έχουν αυτή τη δυνατότητα ονομάζονται Plug in Hybrid Electric Vehicles (PHEV), και υποστηρίζεται πως παρουσιάζουν βελτιωμένη οικονομία. Στο θέμα βέβαια της εξοικονόμησης

47 ενέργειας και της προστασίας του περιβάλλοντος από τη χρήση τέτοιων συστημάτων πρέπει να ληφθεί υπ όψιν ο τρόπος παραγωγής της ενέργειας του δικτύου που θα κληθεί να φορτίσει της μπαταρίες, καθώς και το ενεργειακό και περιβαλλοντικό κόστος που θα επιφέρει η κατασκευή των πρόσθετων μπαταριών. Εικόνα 2.16 Λεπτομέρεια από το υβριδικό Volvo v70 [19]

48 Κεφάλαιο 3ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΩΣΗΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Τα κατασκευαστικά στοιχεία του ηλεκτρικού μέρους του κινητήριου συστήματος που απαιτούνται για την εφαρμογή της υβριδοποίησης ή της αμιγώς ηλεκτροκίνησης σε ένα όχημα περιγράφονται στις ακόλουθες υποενότητες: 3.1 Ηλεκτρικοί κινητήρες [20] [27] Μία ηλεκτρική μηχανή είναι ένας μετατροπέας ενέργειας, καθώς από ηλεκτρική ενέργεια παράγει κίνηση στη λειτουργία ως κινητήρας και το αντίστροφο όταν λειτουργεί ως γεννήτρια. Αποτελεί την καρδία κινητηρίων συστημάτων και πάνω στα χαρακτηριστικά του βασίζεται ο όλος σχεδιασμός του συστήματος. Υπάρχουν διάφορα είδη κινητήρων, οι οποίοι βρίσκουν εφαρμογή σε οχήματα αλλά και γενικότερα σε εφαρμογές που απαιτείται η δημιουργία κίνησης. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην ύπαρξη της δύναμης Lorenz, η οποία δημιουργεί δυνάμεις μεταξύ αγωγών που διαρρέονται από ρεύμα. Με την κατάλληλη κατασκευή των αγωγών, που στις περισσότερες μηχανές γίνεται κυκλική και με την τροφοδότηση τους με τα κατάλληλα ηλεκτρικά μεγέθη, δημιουργείται κίνηση, συγκεκριμένα περιστροφική, η οποία μπορεί να εκμεταλλευθεί για τους σκοπούς της εκάστοτε εφαρμογής. Τα είδη κινητήρων είναι σαφώς καθορισμένα και περιγράφονται ακολούθως Μηχανές συνεχούς ρεύματος Οι μηχανές συνεχούς ρεύματος τροφοδοτούνται, όπως δηλώνει και η ονομασία τους, με συνεχή μεγέθη. Διακρίνεται σε αυτές μία ακίνητη κατασκευή, ο στάτης που έχει κυκλική μορφή και ο σκοπός του είναι να δημιουργήσει μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του. Εκεί τοποθετείται μία κατασκευή που έχει την ευχέρεια περιστροφής, ο ρότορας, ο οποίος διαρρέεται από ρεύμα και αλληλεπιδρώντας με το πεδίο του στάτη αποκτά κινητική ενέργεια. Η παροχή τροφοδοσίας στο ρότορα

49 γίνεται μέσω ενώσεων που ονομάζονται ψήκτρες. Γενικά ο έλεγχος των μηχανών συνεχούς ρεύματος είναι απλούστερος, και γίνεται με καθορισμό του παρεχόμενου ρεύματος. Εικόνα 3.1 Μηχανή συνεχούς ρεύματος [65] Κατασκευαστικά στοιχεία στάτη Ο στάτης της μηχανής συνεχούς ρεύματος δύναται να έχει μια εκ των δύο μορφών: Στάτης με μόνιμο μαγνήτη Στάτης με τύλιγμα διέγερσης Στην πρώτη περίπτωση το μαγνητικό στο εσωτερικό του στάτη είναι μόνιμο λόγω της ύπαρξης μαγνητικού υλικού. Η λύση αυτή απαλλάσσει τη μηχανή από την ανάγκη τροφοδοσίας στο στάτη, είναι όμως περισσότερο δαπανηρή, ενώ υπάρχει κίνδυνος απομαγνητισμού του μαγνήτη, οπότε και θα πρέπει η μηχανή να επισκευαστεί. Τίθεται επίσης θέμα με την προστασία του περιβάλλοντος, καθώς τα υλικά του μαγνήτη είναι επιβλαβή με την απόθεσή τους. Η χρήση μόνιμων μαγνητών είναι, πάραυτα, περισσότερο διαδεδομένη.

50 Στη δεύτερη περίπτωση το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από τη ροή ρευμάτων στα κατάλληλα διαμορφωμένα τυλίγματα του στάτη. Τα τυλίγματα αυτά εγκαθίστανται γύρω από ειδικές κατασκευές επί του στάτη που ονομάζονται πόλοι. Συναντώνται μηχανές με διάφορους αριθμούς πόλων, πάντα όμως ο αριθμός τους είναι ζυγός. Εικόνα 3.2 Κατασκευή στάτη μηχανής συνεχούς ρεύματος με τύλιγμα διέγερσης [65] Κατασκευαστικά στοιχεία δρομέα Ο δρομέας της μηχανής συνεχούς αποτελείται από φύλλα σιδηρομαγνητικού υλικού που φέρουν επάνω τους τυλίγματα. Τα τυλίγματα αυτά όταν διαρρέονται από ρεύμα από την πηγή αλληλεπιδρούν με το μαγνητικό πεδίο του στάτη και έλκονται από τον αντίστοιχο μαγνητικό πόλο του. Για να μην «κλειδώσει» η μηχανή σε μία συγκεκριμένη θέση, όταν τα τυλίγματα του δρομέα φτάσουν στο κοντινότερο σημείο των πόλων που έλκονται, γίνεται αντιστροφή των ρευμάτων μέσα στα τυλίγματα αξιοποιώντας τις ψήκτρες.

51 Εικόνα 3.3 Δρομέας μηχανής συνεχούς ρεύματος [65] Ψήκτρες Οι ψήκτρες έχουν ως σκοπό τη σύνδεση του κινούμενου ρότορα με τους αγωγούς τροφοδοσίας. Κατασκευάζονται από κάρβουνο και φθείρονται με τη λειτουργία της μηχανής, γεγονός που προσδίδει την ανάγκη για συντήρηση της μηχανής. Είδη μηχανών συνεχούς ρεύματος και λειτουργία Πέρα από τη μηχανή με μόνιμους μαγνήτες, οι άλλοι τύποι μηχανών συνεχούς απαιτούν τροφοδοσία και στο στάτη και στο δρομέα. Προκύπτουν, οπότε, διάφορες συνδεσμολογίες ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των τυλιγμάτων των δύο μερών. Αυτές είναι: Μηχανή ξένης διέγερσης Μηχανή με τύλιγμα σε σειρά Μηχανή παράλληλης διέγερσης Μηχανή με συνδυασμό διέγερσης (παράλληλα και εν σειρά) Από αυτές η σύνδεση ξένης διέγερσης παρουσιάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά, έχει όμως υψηλότερο κόστος καθώς απαιτεί την τροφοδοσία από δύο ξεχωριστές πηγές. Οι υπόλοιπες συνδέσεις παρουσιάζουν διαφοροποιήσεις όσον αφορά τη μέγιστη ροπή που παράγουν και το φάσμα απόδοσης της.

52 Εικόνα 3.4Χαρακτηριστική ροπής στροφών κινητήρα συνεχούς [20] Ασύγχρονες Μηχανές Οι ασύγχρονοι κινητήρες αποτελούν την πιο διαδεδομένη επιλογή σε βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές. Πλέον, με την εξέλιξη των ηλεκτρονικών και μεθόδων ελέγχου τους κατέχουν ένα σημαντικό κομμάτι επί του ποσοστού των κινητήρων που τροφοδοτούν ηλεκτρικά και υβριδικά οχήματα. Στα κύρια πλεονεκτήματα τους συγκαταλέγονται η απλή και στιβαρή κατασκευή τους, το χαμηλό κόστος και η έλλειψη τακτικής συντήρησης. Οι ασύγχρονοι κινητήρες συναντώνται σε διάφορες μορφές ανάλογα με τη φύση της εφαρμογής τους. Παρόλο που η σχεδίαση τους είναι απλούστερη σε σύγκριση με τις μηχανές συνεχούς ρεύματος, ο έλεγχος της ταχύτητας και ροπής τους απαιτεί βαθύτερη γνώση του σχεδιασμού και των χαρακτηριστικών της μηχανής. Βασικά κατασκευαστικά στοιχεία και λειτουργία Όπως η πλειοψηφία των ηλεκτρικών κινητήρων, οι ασύγχρονοι αποτελούνται από μία σταθερή εξωτερική κατασκευή, το στάτη και ένα κινούμενο τμήμα, το δρομέα, ο οποίος περιστρέφεται στο εσωτερικό με ένα μικρό διάκενο αέρα να ορίζει την απόσταση των δύο. Στο εσωτερικό του ασύγχρονου κινητήρα ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο είναι υπεύθυνο για την κίνηση του ρότορα. Στους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργείται λόγω της φύσης της

53 τροφοδοσίας. Στους μονοφασικούς κινητήρες για να επιτευχθεί αυτό απαιτούνται πρόσθετα ηλεκτρικά κυκλώματα. Κατά τη λειτουργία δημιουργούνται στον ασύγχρονο κινητήρα δύο ξεχωριστά ζεύγη ηλεκτρομαγνητών, το πρώτο εκ των οποίων είναι στο στάτη λόγω της τροφοδοσίας. Στο δρομέα επάγεται τάση από το στάτη, η οποία ευθύνεται για τη δημιουργία ηλεκτρομαγνήτη σε αυτόν, για τον λόγο αυτό οι ασύγχρονοι κινητήρες ονομάζονται και επαγωγικοί. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των πεδίων των δύο ηλεκτρομαγνητών προκαλεί περιστροφική δύναμη και κατά συνέπεια ροπή στον άξονα του ηλεκτροκινητήρα. Εικόνα 3.5 Τομή ασύγχρονου κινητήρα [pacontrol.com] Κατασκευαστικά στοιχεία του στάτη Ο στάτης μιας ασύγχρονης μηχανής κατασκευάζεται από λεπτά ελάσματα αλουμινίου ή σιδήρου. Αυτά τοποθετούνται σε σειρά για να σχηματίσουν μία κυλινδρική κατασκευή που φέρει αυλακώσεις στο εσωτερικό του. Στις αυλακώσεις τοποθετούνται τυλίγματα από μονωμένους αγωγούς, τα οποία μαζί με τον πυρήνα

54 σιδηρομαγνητικού υλικού σχηματίζουν ένα ηλεκτρομαγνήτη όταν δεχθούν εναλλασσόμενη τροφοδοσία. Ο αριθμός των πόλων του ηλεκτρομαγνήτη που δημιουργείται εξαρτάται από τις εσωτερικές διασυνδέσεις των τυλιγμάτων, που σε κάθε περίπτωση είναι συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε κατά την εφαρμογή εναλλασσόμενης τάσης να δημιουργούν περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Κατασκευαστικά στοιχεία δρομέα Ο δρομέας κατασκευάζεται και αυτός από λεπτά χαλύβδινα ελάσματα ενώ στην περιφέρεια του φέρει μπάρες φτιαγμένες από αλουμίνιο ή χαλκό ή τυλίγματα. Ο περισσότερο διαδεδομένος τύπος δρομέα είναι αυτός που οι μπάρες του είναι βραχυκυκλωμένες μέσω δακτυλίων στις άκρες του ρότορα (squirrel cage rotor). Η προτίμηση σε αυτόν τον τύπο δρομέα οφείλεται στην απλότητα και ανθεκτικότητα του. Ο δρομέας εδράζεται στο περίβλημα του στάτη χρησιμοποιώντας διατάξεις ρουλεμάν για την ομαλή περιστροφή του. Εικόνα 3.6 Σχέδιο του δρομέα μιας ασύγχρονης μηχανής [pacontrol.com] Ταχύτητα ασύγχρονου κινητήρα ταχύτητα Ν s : Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στο στάτη στρέφεται με τη σύγχρονη

55 N S = fs p όπου Ν s είναι ο σύγχρονος αριθμός στροφών, p ο αριθμός των ζευγών πόλων του στάτη και f είναι η συχνότητα τροφοδοσίας. Για να ελαττώσει τη σχετική ταχύτητα με αναφορά το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη, ο δρομέας ξεκινά να περιστρέφεται στη φορά περιστροφής του πεδίου και προσπαθεί να πιάσει τη σύγχρονη ταχύτητα. Στην πράξη ο δρομέας περιστρέφεται με αριθμό στροφών μικρότερο από το σύγχρονο. Η διαφορά των δύο ταχυτήτων ορίζει την ολίσθηση: s = Ns N N s b όπου s είναι η ολίσθηση, Ν S ο σύγχρονος αριθμός στροφών, N b ο τρέχων αριθμός στροφών. Η ολίσθηση διαφοροποιείται ανάλογα με το φορτίο. Καθώς το φορτίο αυξάνεται, η ολίσθηση αυξάνεται και ο ρότορας επιβραδύνεται. Εικόνα 3.7 Χαρακτηριστική ροπής στροφών ενός ασύγχρονου κινητήρα Μονοφασικοί κινητήρες Σε εφαρμογές που δεν υπάρχει δυνατότητα τριφασικής τροφοδοσίας συναντώνται μονοφασικοί ασύγχρονοι κινητήρες. Όπως δηλώνεται και από την ονομασία τους, οι κινητήρες αυτοί έχουν μόνο ένα τύλιγμα στο στάτη και

56 λειτουργούν με μονοφασική τροφοδοσία. Ο δρομέας των μονοφασικών κινητήρων είναι βραχυκυκλωμένου κλωβού. Η ιδιαιτερότητα τους είναι ότι δεν μπορούν να εκκινήσουν κατά τη σύνδεση τους στο δίκτυο. Στο εσωτερικό της μηχανής δημιουργούνται δύο πεδία που στρέφονται με αντίθετη φορά το ένα από το στάτη και το δεύτερο από το δρομέα λόγω επαγωγής τάσης σε αυτόν, η συνιστώσα των οποίων παραμένει μηδενική και δεν είναι ικανή να δημιουργήσει ροπή εκκινήσεως. Απαιτείται λοιπόν ένας εξωτερικός μηχανισμός που θα μπορέσει να στρέψει αρχικά τη μηχανή. Όταν ο δρομέας αποκτήσει μια ταχύτητα, η μηχανή μπορεί να διατηρήσει την περιστροφή του πεδίου της προς μία κατεύθυνση και να παράγει ροπή. Για την εκκίνηση τους οι μονοφασικές μηχανές έχουν συνήθως και ένα επιπλέον τύλιγμα στο στάτη, το οποίο έχει εν σειρά ένα χωρητικό στοιχείο και έναν φυγοκεντρικό διακόπτη. Κατά την εφαρμογή της τροφοδοσίας, το κύριο τύλιγμα φέρει ρεύμα που έχει διαφορετική φάση από αυτό που ρέει στο δευτερεύον. Η αλληλεπίδραση των δύο διαφορετικών πεδίων συντελεί στη δημιουργία ενός συνισταμένου πεδίου, περιστρεφόμενου προς μία κατεύθυνση, προς την οποία αρχίζει και στρέφεται ο κινητήρας. Μόλις ο κινητήρας φτάσει έναν καθορισμένο αριθμό στροφών, μικρότερο τω ονομαστικών του, ο φυγοκεντρικός διακόπτης αποσυνδέει το τύλιγμα εκκινήσεως, καθώς ο κινητήρας μπορεί να διατηρήσει τη ροπή του. Οι μονοφασικοί κινητήρες, εκτός από ειδικές κατασκευές, χρησιμοποιούνται συνήθως για εφαρμογές μικρής ισχύος. Ανάλογα με τη μορφή του μηχανισμού εκκινήσεως μπορούν να κατηγοριοποιηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες: Μηχανή με τυλίγματα διαφορετικής φάσης (split phase). Μηχανή με πυκνωτή εκκίνησης. Μηχανή με μόνιμα συνδεδεμένο πυκνωτή στο βοηθητικό τύλιγμα. Μηχανή με πυκνωτή εκκινήσεως και μόνιμο πυκνωτή λειτουργίας. Μηχανή ασύμμετρων πόλων. Στο ακόλουθο διάγραμμα φαίνονται οι χαρακτηριστικές ροπής στροφών για τα διάφορα είδη μονοφασικών κινητήρων.

57 Εικόνα 3.8 Χαρακτηριστικές καμπύλες ροπής των διαφόρων τύπων μονοφασικών κινητήρων Τριφασικοί κινητήρες Οι τριφασικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές που οι απαιτήσεις τους σε ισχύ ξεπερνούν τα όρια εφαρμογής των μονοφασικών. Μπορούν να εκκινήσουν χωρίς κάποιο βοηθητικό κύκλωμα. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι περισσότεροι εκ των τριφασικών κινητήρων φέρουν δρομέα βραχυκυκλωμένου κλωβού, όμως σε αυτό το ζήτημα υπάρχουν και διαφορετικές σχεδιάσεις. Μπορούμε να κατατάξουμε τους κινητήρες ανάλογα με την κατασκευή του δρομέα τους σε: Βραχυκυκλωμένου δρομέα. Αποτελούν την πιο απλή και οικονομική επιλογή. Μία ιδιαιτερότητα του δρομέα βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι ότι οι μπάρες που φέρει στην περιφέρεια του δεν είναι τοποθετημένες παράλληλα με τον άξονα της μηχανής, αλλά υπό μία μικρή κλίση. Οι λόγοι είναι η μείωση των δονήσεων λόγω ηλεκτρομαγνητικού θορύβου καθώς και τον περιορισμό των ανώτερων αρμονικών. Πρόσθετα, η κλίση στις μπάρες αποτρέπει τις τάσεις «κλειδώματος» του ρότορα, καθώς οι μπάρες τείνουν να ακινητοποιηθούν κάτω από τα δόντια του στάτη, ιδιαίτερα όταν ο αριθμός τους είναι ίσος. Ο δρομέας στηρίζεται μέσω ρουλεμάν στο σώμα της μηχανής και η προέκταση του άξονα του χρησιμοποιείται για να μεταδώσει την κίνηση σε διάφορα φορτία.

58 Δακτυλιοφόρου δρομέα. Εδώ ο δρομέας φέρει τυλίγματα παρόμοια με αυτά του στάτη τα οποία δεν είναι βραχυκυκλωμένα στις άκρες τους, αλλά καταλήγουν σε δακτυλίους ώστε να μπορεί να συνδεθεί σε αυτούς κάποιο εξωτερικό κύκλωμα, συνήθως ωμικό φορτίο. Η ολίσθηση στην οποία εμφανίζεται η ροπή ανατροπής του κινητήρα είναι ανάλογη της αντίστασης των τυλιγμάτων του δρομέα. Με την αύξηση των εξωτερικά συνδεδεμένων αντιστάσεων μέσω των δακτυλίων πετυχαίνουμε τη μετατόπιση της ροπής ανατροπής σε χαμηλότερες στροφές περιστροφής του κινητήρα και επομένως μεγαλύτερο ωφέλιμο εύρος στροφών. Με τιμές της αντίστασης πολύ μεγάλες, η ροπή ανατροπής εμφανίζεται από μηδενική ταχύτητα, παρέχοντας τη δυνατότητα για μεγάλη ροπή εκκινήσεως. Καθώς ο κινητήρας επιταχύνει, η τιμή της εξωτερικής αντίστασης μπορεί να μειωθεί ώστε να προσαρμοστεί η χαρακτηριστική του κινητήρα στο τρέχον φορτίο. Όταν ο κινητήρας φτάσει τις ονομαστικές του στροφές, οι εξωτερικές αντιστάσεις μπορούν να αποσυνδεθούν ώστε να περάσουμε καθαρά σε λειτουργία επαγωγικού κινητήρα. Ο τύπος αυτός χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη ροπή εκκινήσεως και γρήγορη επιτάχυνση ως τις ονομαστικές στροφές με περιορισμένα ρεύματα. Στον αντίποδα, η ύπαρξη των δακτυλίων απαιτεί και ψήκτρες για τη σύνδεση τους με τα τυλίγματα του δρομέα, δεδομένο που αυξάνει το κόστος και την ανάγκη συντήρησης. Δρομέα χωρίς αυλακώσεις. Στον τελευταίο αυτό τύπο δρομέα απουσιάζουν οι αυλακώσεις και δεν φέρει τυλίγματα ή μπάρες. Η ροπή δημιουργείται από την επίδραση του μαγνητικού πεδίου και των δινορευμάτων του σιδηρομαγνητικού υλικού του δρομέα. Λόγω της αντοχής του δρομέα στις φυγοκεντρικές δυνάμεις, οι κινητήρες αυτού του τύπου μπορούν να επιτύχουν υψηλό αριθμό στροφών.

59 Σύγχρονες Μηχανές Κατασκευαστικά στοιχεία Ο σύγχρονος κινητήρας αποτελείται από τον στάτη ο οποίος φέρει ένα τριφασικό τύλιγμα και από τον δρομέα ο οποίος μπορεί να έχει δύο μορφές: Με τύλιγμα διέγερσης Με μόνιμο μαγνήτη Στον πρώτο τύπο, το τύλιγμα διέγερσης απαιτεί τροφοδοσία με συνεχές ρεύμα, γεγονός που αυξάνει την πολυπλοκότητα του. Οι κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη είναι μεν πιο ακριβοί, αλλά μειώνουν την πολυπλοκότητα της κατασκευής ενός κινητηρίου συστήματος βασισμένα σε αυτούς. Στον δεύτερο αυτό τύπο διακρίνουμε δύο υποκατηγορίες, που αναφέρονται στην κατασκευή του δρομέα, η πρώτη είναι λεία και η δεύτερη παρουσιάζει έκτυπους πόλους. Εικόνα 3.9Τομή ασύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη [machinedesign.com]

60 Λειτουργία Ο χαρακτηρισμός «σύγχρονος» προέρχεται από το γεγονός ότι ο δρομέας στρέφεται με την ίδια ταχύτητα με το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στο εσωτερικό της μηχανής, ανεξάρτητα του φορτίου, μέχρι κάποιο όριο ισχύος. Για τη λειτουργία του κινητήρα τροφοδοτείται ο δρομέας με ένα συνεχές ρεύμα διέγερσης το οποίο έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου του δρομέα, ή το πεδίο αυτό δημιουργείται από το μόνιμο μαγνήτη. Στο στάτη της μηχανής εφαρμόζεται ένα τριφασικό σύστημα ρευμάτων το οποίο παράγει στο εσωτερικό της μηχανής ένα στρεφόμενο ομοιογενές μαγνητικό πεδίο. Έτσι στο εσωτερικό του κινητήρα υπάρχουν πλέον δύο πεδία τα οποία τείνουν να ευθυγραμμιστούν. Επειδή το πεδίο του στάτη περιστρέφεται συνεχώς (λόγω των τριφασικών εναλλασσόμενων ρευμάτων), ο δρομέας, οδηγούμενος από το πεδίο του, προσπαθεί συνεχώς να ακολουθήσει. Η γωνιακή θέση μεταξύ των δύο πεδίων ορίζει τη ροπή που ασκεί στο δρομέα το μαγνητικό του πεδίο, το οποίο ταυτίζεται με τη ροπή που προσφέρει ο κινητήρας στον άξονα του. Εικόνα 3.10Καμπύλη ροπής σύγχρονου κινητήρα

61 Κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (DC brushless motors) O κινητήρας brushless DC φέρει τριφασικό τύλιγμα στο στάτη και μόνιμους μαγνήτες στο δρομέα. Για την τροφοδοσία του απαιτεί από παλμούς τάσης εναλλασσόμενης πολικότητας που παράγονται σύμφωνα με τη θέση του δρομέα. Στους παλμούς αυτούς συνεχούς τάσης οφείλει το όνομα του. Χρειάζονται, λοιπόν, αισθητήρες θέσης του δρομέα. Η γωνία μεταξύ της μαγνητικής ροής του πεδίου του στάτη και του πεδίου του δρομέα καθορίζει και εδώ τη μέγιστη ροπή. Ο κινητήρας αυτός επειδή δεν απαιτεί εναλλασσόμενη τάση έχει απλούστερη εγκατάσταση και έλεγχο σε αυτοκινητιστικά συστήματα. Εικόνα 3.11Παλμοί τροφοδοσίας κινητήρα Brushless DC [edn europe.com] 3.2 Μέσα αποθήκευσης ενέργειας [10],[29] Τα μέσα αποθήκευσης της ενέργειας αναλαμβάνουν την αποθήκευση του ποσού ενέργειας που θα τροφοδοτήσει την εναλλακτική πηγή κίνησης του οχήματος. Πρέπει να διαθέτουν τη δυνατότητα τόσο της απόδοσης όσο και της πρόσληψης ενέργειας. Όταν το υβριδικό όχημα διαθέτει ηλεκτροκινητήρα, η ενέργεια αποθηκεύεται ως ηλεκτρική. Τα μέσα αποθήκευσης της κατηγοριοποιούνται στις ακόλουθες υποενότητες Ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές, ή κοινώς μπαταρίες, είναι το πλέον διαδεδομένο μέσο για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, την οποία για το σκοπό αυτό μετατρέπουν σε χημική. Συνήθως οι μπαταρίες αποτελούνται από ένα

62 πλήθος μικρότερων στοιχείων, τα λεγόμενα κελιά (cells). Κάθε κελί αποτελείται από δύο στοιχεία, την άνοδο και την κάθοδο, που χωρίζονται μεταξύ τους με κάποιον ηλεκτρολύτη, ο οποίος διαφοροποιείται από εφαρμογή σε εφαρμογή. Όταν στην άνοδο και στην κάθοδο συνδεθεί ένα εξωτερικό κύκλωμα τότε υπάρχει ροή ηλεκτρονίων ανάμεσα στην άνοδο και στην κάθοδο του συσσωρευτή εξ αιτίας ηλεκτροχημικής αντίδρασης που συμβαίνει μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη που εκφράζεται στο εξωτερικό κύκλωμα ως ηλεκτρικό ρεύμα. Σε περίπτωση που εφαρμοστεί εξωτερικό ρεύμα στην μπαταρία, τότε συμβαίνει η αντίστροφη διαδικασία και η ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή χημικής ενέργειας. Εικόνα 3.12 Διάγραμμα δομής ενός συσσωρευτή [14] Οι συσσωρευτές ποικίλλουν ως προς τα υλικά κατασκευής τους, και εμφανίζουν κάποια χαρακτηριστικά όσων αφορά τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Πέρα από την τάση και το ρεύμα που μπορούν να αποδώσουν στο συνδεδεμένο κύκλωμα, προσδιορίζονται Οι παράμετροι της ειδικής ενέργειας (Wh/kg), της ειδικής ισχύος (W/kg), του αριθμού των μέγιστων κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης (life cycles) και του ρυθμού φόρτισης φόρτισης και εκφόρτισης.

63 Οι πιο διαδεδομένοι τύποι ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, που βρίσκουν εφαρμογή σε οχήματα για την αποθήκευση ενέργειας, αναλύονται στις ακόλουθες υποενότητες. Συσσωρευτές οξέος μολύβδου (lead acid / Pb) Είναι η πιο διαδεδομένη επιλογή για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών συστημάτων στα συμβατικά αυτοκίνητα. Ενισχυμένες μορφές των στοιχείων βρίσκουν εφαρμογή και στα υβριδικά οχήματα, καθώς εκεί οι απαιτήσεις για φόρτιση και εκφόρτιση είναι εντονότερες. Οι μπαταρίες που συνδέονται σε συστήματα κίνησης οχημάτων έχουν συνήθως τζελ αντί για υγρό ηλεκτρολύτη, ώστε να αντέχουν στις αυξημένες απαιτήσεις ισχύος. Τα ενεργειακά χαρακτηριστικά τους δεν παρουσιάζουν καλές επιδόσεις, καθώς η τιμή της ειδικής ενέργειάς τους είναι χαμηλή και δεν ενδείκνυνται για εφαρμογή σε οχήματα που διανύουν μεγάλες αποστάσεις. Παραμένουν όμως η φθηνότερη λύση σε σχέση με τα άλλα είδη επαναφορτιζόμενων συσσωρευτών. Η διαδικασία της φόρτισης πρέπει να διεξάγεται σωστά, με σωστή συντήρηση (χωρίς απώλειες υγρών) και όχι σε υψηλές τιμές τάσης φόρτισης, διαφορετικά μειώνεται η διάρκεια ζωής των μπαταριών. Τα χαρακτηριστικά τους στοιχεία παρουσιάζονται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας 3.1 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών οξέος μολύβδου [10]

64 Συσσωρευτές νικελίου καδμίου (Ni Cad) Αποτελούν μία καλή εναλλακτική αντί για τις μπαταρίες οξέος μολύβδου, καθώς παρουσιάζουν σχεδόν διπλάσια τιμή ειδικής ισχύος και μιάμιση φορά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Από την άλλη μεριά όμως το κόστος τους είναι τρεις φορές μεγαλύτερο. Τα κελιά που απαρτίζουν την κάθε μπαταρία παρέχουν μικρότερη τάση εξόδου σε σχέση με τις μπαταρίες οξέος μολύβδου και συνεπώς απαιτούνται περισσότερα σε πλήθος για την παροχή ίδιας τάσης. Έχουν ανθεκτική κατασκευή και γρήγορο χρόνο φόρτισης. Η φόρτισή τους πρέπει να γίνεται επίσης υπό σωστές συνθήκες. Μειονέκτημα τους είναι η χρήση του τοξικού καδμίου. Πίνακας 3.2 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών νικελίου καδμίου [10] Συσσωρευτές νικελίου μετάλλου υδριδίου (Ni Mh) Η διαφορά αυτού του τύπου μπαταρίας σε σχέση με τον προηγούμενο (NiCad) είναι ότι έχει αντικατασταθεί το κάδμιο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο με υδρίδιο μετάλλου, το οποίο δεν είναι τοξικό. Τα χαρακτηριστικά τους στοιχεία είναι γενικά καλύτερα σε σύγκριση με τις μπαταρίες νικελίου καδμίου. Έχουν διπλάσια ενεργειακή πυκνότητα και μικρότερο χρόνο φόρτισης. Ωστόσο, σε μερικές περιπτώσεις κρίνεται απαραίτητο η εγκατάσταση συστήματος ψύξης, ενώ στα αρνητικά τους είναι το ότι παρουσιάζουν μεγάλο ρυθμό αυτοεκφόρτισης. Συσσωρευτές Ni Mh χρησιμοποιούνται σε αρκετά σύγχρονα υβριδικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

65 Πίνακας 3.3 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών νικελίου μετάλλου υδριδίου [10] Συσσωρευτές νατρίου σουλφιδίου (Na S) Οι συσσωρευτές αυτοί παρουσιάζουν το πλεονέκτημα της δυνατότητας λειτουργίας σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες ο C. Έχουν πολύ υψηλή τιμή ειδικής ενέργειας, ενώ για τη σωστή λειτουργία απαιτείται προθέρμανση των συσσωρευτών, ενώ κατά τη διάρκεια μη λειτουργίας τους (για περισσότερο από μία ημέρα) πρέπει να διατηρούνται θερμές σε ορισμένη θερμοκρασία. Τέλος, η εμπορική τους προώθηση για υβριδικά οχήματα έχει ανασταλεί λόγω μη πλήρους κάλυψης των συνθηκών ασφαλείας, καθώς υπάρχει κίνδυνος ανάφλεξης. Πίνακας 3.4 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών νατρίου σουλφιδίου [10]

66 Συσσωρευτές νικελίου χλωριούχου νατρίου (Ni NaCl) Αυτοί οι συσσωρευτές, γνωστοί και ως συσσωρευτές «ZEBRA» (Zero Emissions Battery Research Association), λειτουργούν επίσης σε θερμοκρασίες ο C, καλύπτοντας όμως τις συνθήκες ασφαλείας που απαιτούνται στην Ευρώπη. Η θερμική απομόνωση επιτυγχάνεται με χρήση διπλού στρώματος μεταλλικού κουτιού, το οποίο έχει διάκενο 2 3 cm και είναι εκκενωμένο από αέρα. Οι μπαταρίες χρειάζεται να παραμένουν θερμές όταν δε χρησιμοποιούνται, εκτός αν είναι για ανενεργές για χρονικό διάστημα λίγων ωρών, γεγονός που αποτελεί μειονέκτημά τους καθώς είναι ικανές να χάσουν περίπου 10 % της ενέργειάς τους μέσα σε μία ημέρα. Πίνακας 3.5 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών νικελίου χλωριούχου νατρίου [10] Συσσωρευτές ιόντων λιθίου (Li ion) Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου παρουσιάστηκαν την δεκαετία του Το σημαντικότερο πλεονέκτημά τους είναι η μεγάλη τιμή της ειδικής, γεγονός που τις καθιστά ελαφρύτερες για δεδομένη ισχύ. Η τάση εξόδου κάθε κελιού (3,5 V) είναι σχεδόν διπλάσια συγκριτικά με τους συσσωρευτές μολύβδου και τριπλάσια σε σχέση με τους συσσωρευτές νικελίου. Ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης είναι σχετικά μικρός (10 % ανά μήνα), ενώ απαιτείται ακριβής έλεγχος της τάσης κατά τη διαδικασία φόρτισης των συσσωρευτών, καθώς εάν η τάση υπερβεί κάποιο όριο μπορεί να προκαλέσει καταστροφή αυτών. Η έκθεση των συσσωρευτών σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσει παραγωγή αναθυμιάσεων και ανάφλεξη

67 αυτών και για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται κυκλώματα ασφαλείας για τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας τους. Το κόστος αυτών των μπαταριών είναι αρκετά υψηλό. Συσσωρευτές ιόντων λιθίου χρησιμοποιεί το ηλεκτρικό αυτοκίνητο υψηλών επιδόσεων TESLA ROADSTER. Πίνακας 3.6 Ονομαστικά μεγέθη μπαταριών ιόντων λιθίου [10] Συσσωρευτές πολυμερών λιθίου (Li poly) Αυτό το είδος συσσωρευτών παρουσιάστηκε τη δεκαετία του 90 και αποτελεί εξέλιξη των συσσωρευτών ιόντων λιθίου. Παρουσιάζουν γενικά καλύτερα χαρακτηριστικά σε σχέση με τους συσσωρευτές Li ion, έχουν χαμηλότερο κόστος κατασκευής και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Ωστόσο εξετάζονται ακόμα κάποια θέματα ασφαλείας. Μελλοντικώς, εκτιμάται ότι θα εφαρμοστούν από τις νεότερες γενιές υβριδικών και ηλεκτρικών οχημάτων. Πίνακας 3.7 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών πολυμερών λιθίου [10]

68 Συσσωρευτές αέρος αλουμινίου (AL(OH)) Οι συσσωρευτές αέρος μετάλλου αποτελούν μία διαφορετική κατηγορία συσσωρευτών, με την έννοια ότι η φόρτισή τους δεν επιτυγχάνεται απλά με την αντιστροφή του ρεύματος. Αντί αυτού, απαιτείται αντικατάσταση του μεταλλικού ηλεκτροδίου από καινούριο. Το παλιό ηλεκτρόδιο έπειτα αποστέλλεται προς επεξεργασία για επαναχρησιμοποίηση. Επίσης, ο ηλεκτρολύτης του συσσωρευτή χρειάζεται και αυτός αντικατάσταση. Το μειονέκτημα των μπαταριών αέρος αλουμινίου είναι η μικρή ειδική ισχύς, γεγονός που τις κάνει αρκετά βαρείς και γι αυτό δεν ενδείκνυνται άμεσα για οχήματα κίνησης. Τα χαρακτηριστικά τους στοιχεία φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας 3.8 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών ιόντων λιθίου [10] Συσσωρευτές αέρος ψευδαργύρου (Zn(OH)) Αυτός ο τύπος συσσωρευτών είναι ίδιας δομής με τον προηγούμενο, αλλά έχει αντικατασταθεί το αρνητικό ηλεκτρόδιο από ψευδάργυρο. Η συνολική απόδοση είναι πολύ καλύτερη και αυτό οφείλεται κυρίως στην ειδική ισχύς η οποία είναι δέκα φορές μεγαλύτερη συγκριτικά με τις μπαταρίες αέρος μετάλλου. Για αυτό το λόγο θεωρείται καλή λύση για τα οχήματα δρόμου. Από την άλλη μεριά, οι περισσότεροι κατασκευαστές αυτού του τύπου μπαταριών δίνουν μικρό κύκλο επαναφορτίσεων. Ο τρόπος επαναφόρτισης παραμένει ο ίδιος όπως πριν, με αντικατάσταση των αρνητικών ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη. Χαρακτηρίζονται από υψηλή τιμή ενεργειακής πυκνότητας, αλλά θεωρείται δύσκολη ακόμα η κατασκευή μεγάλων μπαταριών τέτοιου τύπου.

69 Πίνακας 3.9 Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταριών ιόντων λιθίου [10] Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται μία σύγκριση των τεχνικών χαρακτηριστικών των διαφόρων τύπων ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που είναι εμπορικά διαθέσιμοι. Πίνακας 3.10 Σύγκριση στοιχείων των εμπορικά διαθέσιμων συσσωρευτών [10] Οι μπαταρίες οξέος μολύβδου ενδείκνυνται για εφαρμογές οχημάτων μικρών αποστάσεων. Παραμένουν η φτηνότερη επιλογή όσον αφορά την ανά μονάδα αποθηκευμένη ενέργεια και για αυτό το λόγο είναι τόσο εμπορικά διαδεδομένες. Κάποια από τα νεότερα ήδη μπαταριών, όπως οι νικελίου μετάλλου υδριδίου, ιόντων λιθίου και νικελίου χλωριούχου νατρίου, παρουσιάζουν επαρκή ενεργειακή πυκνότητα για εφαρμογή σε οχήματα μέσων αποστάσεων. Οι μπαταρίες Ni Mh μπορούν να φορτιστούν πολύ γρήγορα, γεγονός που τις κάνει ιδανικές για χρήση σε υβριδικά οχήματα ακόμα και για μεγαλύτερες αποστάσεις ή σε οχήματα όπως λεωφορεία και τραμ, τα οποία μπορούν να επαναφορτιστούν κατά τη

70 διάρκεια των συχνών επιβραδύνσεων. Σε αυτή τη φάση της εξέλιξης, αυτά τα ήδη μπαταριών και κυρίως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι σχετικά ακριβές. Τέλος, η περεταίρω εξέλιξη των μπαταριών θα οδηγήσει στην αύξηση της αυτονομίας των οχημάτων, περνώντας σε υβριδικά οχήματα διάνυσης μεγάλων αποστάσεων, και ακόμα περισσότερο ξεφεύγοντας από το ενδιάμεσο στάδιο των υβριδικών, στην καθιέρωση των πλήρως ηλεκτρικών οχημάτων. Πίνακας 3.11 Σύγκριση της απαιτούμενης μάζας συσσωρευτών για επίτευξη διαφόρων αυτονομιών ενός οχήματος [10] Κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells) Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν το υδρογόνο ως καύσιμο. Αποτελούν ένα μηχανισμό για την ηλεκτροχημική μετατροπή της ενέργειας μετατρέποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα με τη διαδικασία αυτή, ηλεκτρισμό και θερμότητα. Ο ηλεκτρισμός αποδίδεται με τη μορφή συνεχούς ρεύματος. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να ταξινομηθούν βάση του τύπου του ηλεκτρολύτη τον οποίο χρησιμοποιούν. Το πιο γνωστό είδος είναι η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίου (PEM). Μεταξύ αυτής της μεμβράνης και των ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώμα καταλύτη. Το υδρογόνο τροφοδοτεί το ηλεκτρόδιο της ανόδου της κυψέλης, το οποίο ερχόμενο σε επαφή με τον καταλύτη διαχωρίζεται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Η άνοδος και ο καταλύτης είναι τέτοιας κατασκευής ώστε η διάχυση των ατόμων του υδρογόνου να γίνεται με ομογενή τρόπο. Τα ηλεκτρόνια τα οποία απελευθερωθήκαν μεταφέρονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος προς την κάθοδο δημιουργώντας ηλεκτρισμό αφού η μεμβράνη αποτρέπει τη διέλευση τους μέσω αυτής. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα του υδρογόνου διαπερνούν τη

71 μεμβράνη και ενώνονται με το οξυγόνο το οποίο τροφοδοτεί την κάθοδο και παράγεται νερό. Την ομογενή διάχυση του οξυγόνου στον καταλύτη εξασφαλίζει η κατασκευή του ηλεκτροδίου. Ο καταλύτης αναλαμβάνει την επιτάχυνση της δημιουργίας του νερού από τα συστατικά του. Στο σχηματισμό του νερού συμμετέχουν εκτός των μορίων του οξυγόνου και των ιόντων του υδρογόνου, τα ηλεκτρόνια τα οποία διοχετεύτηκαν μέσω του εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος στην κάθοδο, στην αρχή της διαδικασίας. Εικόνα 3.13 Αναπαράσταση κυψέλης καυσίμου [30] ΟΙ κυψέλες υδρογόνου παρουσιάζουν μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης από τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές. Όμως, το γεγονός ότι το υδρογόνο αποθηκεύεται υπό πίεση πριν την τροφοδότηση του στις κυψέλες δημιουργεί θέματα ασφαλείας, καθώς υπάρχει κίνδυνος ανάφλεξης. Η μειωμένη ασφάλεια τους, αποτρέπει την γενικευμένη χρήση των κυψελών καυσίμου για τις ανάγκες τροφοδοσίας οχημάτων.

72 Υπερπυκνωτές Οι υπερπυκνωτές (supercapacitor) χαρακτηρίζονται από την ίδια αρχή λειτουργίας με τους συνήθεις πυκνωτές, αλλά έχουν τη δυνατότητα φόρτισης και εκφόρτισης σε πολύ μικρούς χρόνους και παρέχουν μεγάλη χωρητικότητα σε μικρό σχετικά όγκο. Αποτελούνται από δύο στρώσεις υλικού, έχοντας δύο ηλεκτρόδια άνθρακα τοποθετημένα σε οργανικό ηλεκτρολύτη. Εικόνα 3.14 Υπερπυκνωτές τοποθετημένοι σε όχημα [30] Η ενεργειακή πυκνότητα ενός υπερπυκνωτή κυμαίνεται από 1 έως 10 Wh/kg. Αυτή η τιμή είναι πολύ μεγαλύτερη από ένα κοινό πυκνωτή, αλλά είναι δέκα φορές μικρότερη από μια μπαταρία νικελίου μετάλλου υδριδίου. Η χωρητικότητά τους μπορεί να φτάσει μέχρι μερικά Farad, ενώ ο χρόνος φόρτισής τους είναι μερικά δευτερόλεπτα. Κατά τη διάρκεια φόρτισης ενός άδειου υπερπυκνωτή απαιτείται σύστημα περιορισμού του ρεύματος φόρτισης, διαφορετικά υπάρχει κίνδυνος καταστροφής. Σε αντίθεση με τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές, οι υπερπυκνωτές δεν διατρέχουν κίνδυνο λόγω υπερφόρτισης. Επίσης, έχουν μεγάλο χρόνο ζωής (10 12 χρόνια), αντέχουν πολλούς κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης ( κύκλους) και δεν εμπεριέχουν τοξικά στοιχεία. Ως μειονεκτήματα καταγράφονται το υψηλό ποσοστό αυτοεκφόρτισης, το οποίο κυμαίνεται στο 50 % ανά μήνα, και τέλος, το υψηλό κόστος.

73 Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τους υπερπυκνωτές ιδανικούς για χρήση σε υβριδικά οχήματα. Κατά την εκκίνηση, όπου απαιτείται άμεση παροχή ισχύος, οι υπερπυκνωτές μπορούν να προσφέρουν το υψηλό ρεύμα τροφοδοσίας της ηλεκτρικής μηχανής κινητήρα. Οι υπερπυκνωτές δε μπορούν να τροφοδοτούν σε μόνιμη βάση τον ηλεκτροκινητήρα και για αυτό το λόγο τοποθετούνται παράλληλα με τις μπαταρίες του οχήματος. Από την άλλη μεριά, κατά τις επιβραδύνσεις και ειδικότερα σε περιπτώσεις απότομου φρεναρίσματος, επιτυγχάνεται αποθήκευση μεγαλύτερου ποσού ενέργειας. Το ρεύμα που επιστρέφει από την ηλεκτρική μηχανή γεννήτρια εμπεριέχει αιχμές (bursts), οι οποίες δε μπορούν να αξιοποιηθούν από τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές και σε αυτή την περίπτωση αναλαμβάνουν οι υπερπυκνωτές την αποθήκευση αυτής της ενέργειας. Μελλοντικώς, αναμένεται η καθιέρωσή τους σε κάθε υβριδικό όχημα καθώς έτσι βελτιστοποιείται η διαχείριση της ενέργειας Σφόνδυλοι Το τελευταίο αυτό είδος αποθηκευτικού μέσου ενέργειας δεν κάνει χρήση του ηλεκτρισμού. Η αποθήκευση γίνεται με τη μορφή μηχανικής ενέργειας. Ο σφόνδυλος αποθηκεύει ενέργεια που ορίζεται από τον τύπο: EK 1 2 = J ω 2 όπου, J η ροπή αδρανείας του και ω η ταχύτητα περιστροφής του. Η κινητική ενέργεια του σφονδύλου απελευθερώνεται κατά τη μείωση της ταχύτητάς του. Για την εκμετάλλευση αυτής της ενέργειας προσαρμόζεται στον άξονα του σφονδύλου, με κατάλληλο σύστημα μετάδοσης, μία ηλεκτρική μηχανή η οποία λειτουργεί ως γεννήτρια. Με αυτό τον τρόπο η γεννήτρια μπορεί να φορτίσει κάποιες μπαταρίες μετατρέποντας την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική (regenerative brake). Από την άλλη μεριά για να αποθηκευτεί ενέργεια στο σφόνδυλο θα πρέπει να έχουμε παροχή ηλεκτρικής ισχύος και λειτουργία της ηλεκτρικής μηχανής ως κινητήρα ή σύνδεση του σφονδύλου με κάποιον άλλον άξονα κίνησης για απευθείας αποθήκευση κινητικής ενέργειας. Σε μία παραλλαγή, ο σφόνδυλος μπορεί να φέρει

74 μαγνήτες ενσωματωμένους στη μάζα του και περιστρεφόμενος γύρω από ένα τύλιγμα να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Εικόνα 3.15 Διάταξη σφονδύλου για την αποθήκευση ενέργειας [blogs.motortrend.com]

75 Σύγκριση αποθηκευτικών μέσων Στο ακόλουθο διάγραμμα συγκεντρώνονται οι περιοχές εφαρμογής των αποθηκευτικών στοιχείων που αναλύθηκαν στο κεφάλαιο αυτό. Εικόνα 4.17 Διάγραμμα ενεργειακής περιοχής διαφόρων αποθηκευτικών μέσων [10]

76 Κεφάλαιο 4ο ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 4.1 Εισαγωγή Η ιστορία των υβριδικών οχημάτων είναι συγκρίσιμη με την ιστορία της αυτοκίνησης, καθώς από την έναρξη σχεδόν της ενασχόλησης της ανθρωπότητας με την κατασκευή αυτοκινούμενων οχημάτων, υβριδικά συστήματα έκαναν την εμφάνιση τους. Οι περισσότερες από αυτές τις λύσεις ήταν καταδικασμένες λόγω των μέσων της εποχής που δεν ήταν ευνοϊκά για τα ηλεκτρικά συστήματα. Παρόλα αυτά κάποια υβριδικά αυτοκίνητα ξεχώρισαν λόγω της πρωτοτυπίας τους και της επιτυχίας τους, η οποία ήταν σαφώς περιορισμένη σε σχέση με τους αμιγώς βενζινοκίνητους ανταγωνιστές τους. Από την αρχή της ύπαρξης των υβριδικών οχημάτων μέχρι το τέλος σχεδόν του προηγούμενου αιώνα η εξέλιξη δεν ήταν σημαντική στον τομέα της υβριδικής κίνησης. Η στροφή έγινε στα μέσα της δεκαετίας του 90 με την εξέλιξη του μοντέλου Prius από την Toyota, του πρώτου υβριδικού οχήματος μαζικής παραγωγής. Έκτοτε και βασιζόμενη πάνω στις εξελίξεις στα θέματα ηλεκτρικών κινητήρων, συσσωρευτών και ηλεκτρονικών ισχύος, η υβριδική τεχνολογία κάνει ολοένα και εντονότερη την εμφάνιση της στην αυτοκίνηση, με πολλές προτάσεις από το σύνολο σχεδόν των κατασκευαστών. Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγραφούν κάποια χαρακτηριστικά παραδείγματα της τεχνολογίας που ωθεί στην καθαρότερη αυτοκίνηση. 4.2 Lohner Porsche Mixte Wagen [32] Ο πρώτος εκπρόσωπος του είδους των υβριδικών οχημάτων χρήζει σίγουρα μιας μνείας. Πρόκειται για το όχημα Mixte, το οποίο παρουσιάστηκε το 1902 από την εταιρεία Jabob Lohner & Co. Σχεδιαστής του οχήματος και εμπνευστής της ιδέας του ήταν, δύο χρόνια πριν, το 1900, ο νεαρός τότε, Ferdinand Porsche, γνωστός για την μετέπειτα πορεία του στο χώρο της σχεδίασης και κατασκευής αυτοκινήτων.

77 Εικόνα 4.1 Όψεις του Mixte, του πρώτου υβριδικού οχήματος [33] Εικόνα 4.2 Το πρώτο υβριδικό όχημα της ιστορίας, το Mixte Wagen [2] Το χαρακτηριστικό του οχήματος που σχεδίασε ο Porsche ήταν η απουσία του συμβατικού συστήματος μετάδοσης με άξονες και η αντικατάσταση του από κινητήρες στο εσωτερικό των τροχών του οχήματος, οι οποίοι τροφοδοτούνταν με ηλεκτρική ενέργεια. Σύντομα υπήρξε ζήτηση για το συγκεκριμένο όχημα και κατασκευάστηκε το 1902 το πρώτο τετρακίνητο μοντέλο, με ξύλινο αμάξωμα, που έκανε χρήση τεσσάρων ηλεκτροκινητήρων. Η ισχύς τους ξεκινούσε από τα 2 KW περίπου και έφτανε στην μέγιστη τιμή των 7 KW για σύντομη παροχή ισχύος. Για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών κινητήρων με ισχύ φρόντιζε μία συστοιχία

78 μπαταριών συνολικής τάσης 80 V, που είχε όμως τεράστιο βάρος, λόγω της περιορισμένης εξέλιξης στις τεχνολογίες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, γύρω στα 1800 κιλά. Επειδή το όχημα έπρεπε να διαθέτει κάποια αυτονομία, τη φόρτιση των μπαταριών αναλάμβανε ένας βενζινοκινητήρας περιστρέφοντας μία γεννήτρια, δημιουργώντας ένα σειριακό υβριδικό σύστημα. Το όχημα μπορούσε να κινηθεί αυτόνομα για περίπου 3 ώρες, επιτυγχάνοντας μέγιστη ταχύτητα 55 χλμ/ώρα. Το Mixte χρησιμοποιήθηκε ακόμα και σε αγώνες ταχύτητας της εποχής. Κάποιοι ακόμα κατασκευαστές ακολούθησαν την ιδέα του Porsche δίχως όμως να εμφανιστεί κάτι το αξιοσημείωτο, κατάσταση που διατηρήθηκε για έναν περίπου αιώνα. 4.3 Toyota Prius Πρώτη γενιά Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, και συγκεκριμένα το 1994, η ερευνητική ομάδα της Toyota ανέλαβε την εξέλιξη ενός οχήματος προσανατολισμένου στη φιλικότητα προς το περιβάλλον, με σκοπό αυτό να μπει στην παραγωγή. Μετά από τρία χρόνια παρουσίασαν ένα ηλεκτρικό υβριδικό όχημα με την ονομασία Prius, που στα λατινικά μεταφράζεται ως «προηγούμαι». Το Prius για την κίνηση του έκανε χρήση ενός συστήματος, επονομαζόμενου Toyota Hybrid System (THS), το οποίο ήταν συνδυασμένης τοπολογίας, ενώ το μοντέλο χαρακτηριζόταν ως πλήρως υβριδικό. Τα μέρη του συστήματος του THS, τα οποία παρουσιάζονται και στα σημερινά μοντέλα με όχι βασικές διαφοροποιήσεις είναι τα εξής: Ένας βενζινοκινητήρας 1,5 λίτρων και απόδοσης 43 KW που κάνει χρήση του, περισσότερο αποδοτικού από τον κύκλο του Otto, θερμοδυναμικού κύκλου του Atkinson. Ένας ηλεκτροκινητήρας που λειτουργεί και ως γεννήτρια, απόδοσης 30 KW. Ένα πλανητικό διαφορικό που συνδέει όλους τους κινητήρες με τους τροχούς και μεταξύ τους, και καθορίζει το ισοζύγιο της ισχύος μεταξύ των συστημάτων. Μία ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου που ρυθμίζει δυναμικά την απόδοση του κάθε κινητήρα και το ποσοστό εμπλοκής του στην κίνηση του οχήματος.

79 Συστοιχία μπαταριών, τοποθετημένο κάτω από το χώρο αποσκευών, συνολικής τάσης 288 V. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην μακροζωία των μπαταριών, οπότε καθορίστηκε το επίπεδο φόρτισης να μην πέφτει κάτω από 40%. Εικόνα 4.3 Πρώτη γενιά Prius [34] Η πρώτη γενιά του Prius περιορίστηκε σε κυκλοφορία μόνο στην ιαπωνική αγορά, ενώ το έτος 2000 παρουσιάστηκε μια βελτιωμένη της έκδοση, με μεγαλύτερη ισχύ στον ηλεκτροκινητήρα και στον βενζινοκινητήρα, που έφτασε στα 32 και 52 KW αντίστοιχα, αλλά και ελαφρύτερες και αποδοτικότερες μπαταρίες, με βάρος στα 50 kg και χωρητικότητα 6,5 Ah.

80 Δεύτερη γενιά Η δεύτερη γενιά του μοντέλου σήμανε και την εξ αρχής σχεδίαση του στον τομέα του αμαξώματος, ενώ για την κίνηση του εξελίχθηκε το προηγούμενο υβριδικό σύστημα και ονομάστηκε Hybrid Synergy Drive. Εικόνα 4.4 Δεύτερη γενιά Prius [35] Η δομή του συστήματος παρέμεινε σχεδόν ίδια όσον αφορά τον βενζινοκινητήρα, ο οποίος ανέβασε την ισχύ του στα 58 KW, όμως αλλαγές υπήρξαν στο ηλεκτρικό κύκλωμα, με την προσθήκη ενός ακόμα ηλεκτροκινητήρα σε σειρά με το βενζινοκινητήρα. Πλέον υπάρχει διαχωρισμός των ρόλων των δύο ηλεκτρικών μηχανών. Η πρώτη χρησιμοποιείται ως γεννήτρια για τη φόρτιση των μπαταριών με κίνηση από τον βενζινοκινητήρα, ενώ ο ρόλος της ως κινητήρας περιορίζεται μόνο στο να θέσει σε λειτουργία τον βενζινοκινητήρα όταν αυτός είναι σβηστός. Η δεύτερη χρησιμοποιείται ως κινητήρας, για την υποβοήθηση της κίνησης του οχήματος, και ως γεννήτρια, για την ανάκτηση ενέργειας κατά την επιβράδυνση. Η συνδυασμένη ισχύς των κινητήρων φτάνει τους 110 ίππους / 83 KW.

81 Εικόνα 4.5 Hybrid Synergy Drive [36] Για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται συσσωρευτές μικρότερου συνολικού βάρους, ενώ έχει προστεθεί και ένας μετατροπέας ισχύος που ανεβάζει την τάση των μπαταριών, που είναι στη στάθμη των ~200 V σε 500 V για την τροφοδοσία των κινητήρων. Εικόνα 4.6 Battery pack του Prius II [37] Οι επιδόσεις του οχήματος όπως τις ανακοίνωσε η κατασκευάστρια εταιρεία και αποδείχθηκαν στην πράξη είναι εντυπωσιακές. Δεν γίνεται αναφορά στα δεδομένα της ισχύος αλλά της κατανάλωσης καυσίμων και εκπομπής ρύπων του οχήματος. Η μέση κατανάλωση κυμαίνεται στα 4,3 l/100 km και οι εκπομπές CO 2

82 δεν ξεπερνούν τα 104 g/km. Τέλος επιβεβαιώθηκαν οι προσδοκίες για την διάρκεια ζωής των μπαταριών που ορίζεται στα km. Το μοντέλο δέχθηκε και επεμβάσεις από τρίτες εταιρείες, όπως την αντικατάσταση του κινητήρα εσωτερικής καύσης με κινητήρα που χρησιμοποιεί υδρογόνο. Μια άλλη «βελτίωση» είναι η εγκατάσταση μπαταριών μεγαλύτερης χωρητικότητας, για τις οποίες προβλέπεται εξωτερική φόρτιση ώστε να αυξήσουν την αυτονομία του οχήματος όσον αφορά την καθαρά ηλεκτρική κίνηση και ως συνέπεια την βελτίωση της ολικής κατανάλωσης καυσίμου του οχήματος [πηγές]. Η τελευταία επέμβαση μετατρέπει το Prius σε Plug in Hybrid. Εικόνα 4.7 Plug in Prius II

83 Prius III Η τρίτη γενιά του Prius έκανε το ντεμπούτο της το δεύτερο τρίμηνο του Εικόνα 4.8 Prius III [38] Εκτός από τις αλλαγές στο αμάξωμα, που έχει μικρότερο συντελεστή οπισθέλκουσας (0,25), υπάρχουν αρκετές αλλαγές στα χαρακτηριστικά των μερών του συστήματος Hybrid Synergy Drive,όχι όμως και στη δομή του. Οι μπαταρίες που χρησιμοποιεί το Prius είναι τύπου νικελίου-υδριδίου μετάλλου Ni-MH παρέχοντας τάση V και ισχύ εξόδου 27 kw. Ο βενζινοκινητήρας του έχει αυξημένη χωρητικότητα σε σχέση με το προηγούμενο μοντέλο, φτάνοντας τα 1,8 λίτρα και παράγει μέγιστη ισχύ 73 kw (98 ίπποι) στις 5200 rpm και μέγιστη ροπή 142 Νm. Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι σύγχρονος μόνιμου μαγνήτη (με κωδική ονομασία MG2), ισχύος 60 kw και ροπής 206 Νm υπό μέγιστη τάση 650 V. Η κατασκευή του είναι ιδιαίτερα συμπαγής για την εξοικονόμηση χώρου. Τέλος η σύγχρονη γεννήτρια (MG1) που έχει ως καθήκον τη φόρτιση των μπαταριών από το βενζινοκινητήρα, αλλά και τη λειτουργία ως μίζα, είναι ισχύος 42 KW. Η συνεργασία των δύο κινητήρων πρόωσης αποφέρει συνολικά ισχύ 134 ίππων, που επιταχύνουν το αμάξωμα των 1400 kg από στάση μέχρι τα 100 km/h σε 10,4 s. Η κατασκευάστρια εταιρεία για το νέο Prius ανακοινώνει βελτιωμένες τιμές κατανάλωσης (3,9 l/100 km) και εκπομπής ρύπων (89 g CO 2 /km).

84 Εικόνα 4.9 Τομή του Prius III Ο βενζινοκινητήρας εξακολουθεί να υπακούει στον κύκλο του Atkinson, η διαφορά του οποίου από τον περισσότερο διαδεδομένο κύκλο του Otto βρίσκεται στο καθυστερημένο άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής. Συγκεκριμένα, υπάρχει μικρότερη συμπίεση αλλά μεγαλύτερη εκτόνωση προς όφελος της κατανάλωσης και εις βάρος της ισχύος. Την κατανάλωση επίσης βελτιώνει το νέο σύστημα επανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR ή Exhaust Gas Recirculation). Εικόνα 4.10 Θερμοδυναμικοί κύκλοι Atkinson (αριστερά) και Otto (δεξιά)

85 Εικόνα 4.11 Πλανητικό κιβώτιο του Prius III, στην δεξιά πλευρά του οποίου διακρίνεται ο ηλεκτροκινητήρας Η μετάδοση της κίνησης στους τροχούς γίνεται μέσω ενός πλανητικού συστήματος γραναζιών που αναφέρεται και ως «ηλεκτρονικά ελεγχόμενο κιβώτιο συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων» (Electronically controlled Continuously Variable Transmission ΕCVT). Έτσι, μπορεί να αλλάζει η σχέση μετάδοσης των στροφών από τους κινητήρες προς τους τροχούς με συνεχή τρόπο καθώς μεταβάλλονται οι στροφές που οδηγούνται από το πλανητικό σύστημα. Αν και στη συμπεριφορά του μοιάζει με τα κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων (CVT), τα κωνικά γρανάζια και η μετάδοση με ιμάντα εδώ απουσιάζουν, και τη θέση τους παίρνουν επικυκλικά γραναζώματα που συνδέουν όλα τα μέρη του συστήματος μετάδοσης μεταξύ τους. Οι τροχοί είναι συνδεδεμένοι με την εξωτερική στεφάνη μέσω ενός πρόσθετου διαφορικού.

86 Εικόνα 4.12 Διάταξη γραναζιών του πλανητικού κιβωτίου του Prius [john1701a.com/prius] Κατά τη λειτουργία του Prius, διακρίνονται οι ακόλουθοι τρόποι αλληλεπίδρασης μεταξύ των μερών του Hybrid Synergy Drive με τη βοήθεια του πλανητικού κιβωτίου: To όχημα είναι ακινητοποιημένο Στη φάση αυτή κανένα από τα γρανάζια του κιβωτίου δεν κινείται, καθώς ο βενζινοκινητήρας τίθεται εκτός λειτουργίας για μείωση της κατανάλωσης και των εκπομπών.

87 Εκκίνηση βενζινοκινητήρα Εικόνα 4.13 Διαδικασία εκκίνησης βενζινοκινητήρα Το Prius δεν έχει ξεχωριστή μίζα για την εκκίνηση του βενζινοκινητήρα, αλλά το ρόλο αυτό αναλαμβάνει ο κινητήρας MG1, μόλις πατηθεί το κουμπί εκκίνησης ή το πεντάλ του γκαζιού. Ο MG1 περιστρέφει το κεντρικό γρανάζι, και ο βενζινοκινητήρας αποκτά κίνηση μέσω των πλανητικών γραναζιών. Το εξωτερικό γρανάζι που συνδέεται με τον MG2 και τους τροχούς παραμένει ακίνητο. Αμιγώς ηλεκτρική κίνηση Εικόνα 4.14 Συμπεριφορά στην αμιγώς ηλεκτρική κίνηση

88 Στην περίπτωση αυτή τροφοδοτείται ο «μεγάλος» κινητήρας MG2 που μεταδίδει κίνηση στους τροχούς, ενώ ο MG1 περιστρέφεται ελεύθερα ώστε να μην μεταδίδει κίνηση στο βενζινοκινητήρα που παραμένει σβηστός. Η χρήση αυτού του τρόπου λειτουργίας γίνεται κατά την κίνηση με μικρά φορτία ή με μικρές ταχύτητες και εφ όσον υπάρχουν επαρκή αποθέματα ενέργειας στις μπαταρίες. Επιτάχυνση Εικόνα 4.15 Συμπεριφορά κιβωτίου κατά την επιτάχυνση Ο βενζινοκινητήρας και ο ηλεκτροκινητήρας MG2 λειτουργούν παράλληλα για να μεταδώσουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ισχύ στους κινητήριους τροχούς για την επιτάχυνση του οχήματος. Ο MG1 συμπεριφέρεται ως γεννήτρια, καθώς ούτως ή άλλως περιστρέφεται, και επιστρέφει ενέργεια για χρήση από τον ηλεκτροκινητήρα, μειώνοντας και σε ένα βαθμό την καταπόνηση των μπαταριών.

89 Κίνηση σταθερά με υψηλές ταχύτητες Εικόνα 4.16 Συμπεριφορά κιβωτίου κατά την κίνηση σε υψηλές ταχύτητες Στον τρόπο αυτό λειτουργίας, ο βενζινοκινητήρας αναλαμβάνει το μεγαλύτερο ποσοστό της πρόωσης του οχήματος, λειτουργώντας σε αποδοτικές για αυτόν στροφές. Παράλληλα φορτίζει τις μπαταρίες με τη λειτουργία του MG1 ως γεννήτρια. Επιβράδυνση Εικόνα 4.17 Συμπεριφορά κατά την επιβράδυνση του οχήματος Όταν δεν απαιτείται από τον οδηγό η παροχή ισχύος στους τροχούς, τότε το σύστημα περνά σε λειτουργία επιστροφής ενέργειας. Ο βενζινοκινητήρας σταματά

90 τη λειτουργία του και η ροή της ισχύος γίνεται από τους τροχούς προς τις μπαταρίες μέσω του MG2 που λειτουργεί ως γεννήτρια. Ως αποτέλεσμα, το αυτοκίνητο επιβραδύνει. Κίνηση όπισθεν Εικόνα 4.18 Συμπεριφορά κατά την κίνηση του οχήματος όπισθεν Η έλλειψη συμβατικού κιβωτίου σημαίνει και την έλλειψη συμβατικής όπισθεν. Με την αντιστροφή της φοράς του ηλεκτροκινητήρα MG2, το όχημα μπορεί να κινηθεί προς τα πίσω. Ένα από τα σημαντικότερα και πιο πολύπλοκα στοιχεία του συστήματος «HSD» είναι η μονάδα ελέγχου «PCU» (Power Control Unit) που το μέγεθος της είναι όσο μίας 12βολτης μπαταρίας αυτοκινήτου. Ζυγίζει 13,5 κιλά και μετατρέπει το συνεχές ρεύμα (DC) της μπαταρίας σε εναλλασσόμενο (AC) ανεβάζοντας την τάση στα 650 V για να τροφοδοτηθεί ο ηλεκτροκινητήρας. Επίσης, λειτουργεί και ως μετασχηματιστής DC/DC μειώνοντας την τάση των 202 V της μπαταρίας στα 14 V για την λειτουργία δευτερευόντων συστημάτων. Τέλος, στο Prius, όλα τα υποσυστήματα που στα συμβατικά αυτοκίνητα παίρνουν κίνηση από ιμάντες που συνδέονται με τον άξονα του βενζινοκινητήρα, όπως η αντλία νερού και ο κλιματισμός, έχουν μετατραπεί σε ηλεκτρικά για εξοικονόμηση ενέργειας από την απουσία τριβών.

91 Σύγκριση των γενεών του Prius Ακολουθεί ένας πίνακας που εμφανίζει τις μεταβολές των κυριότερων χαρακτηριστικών του Prius για όλα τα μοντέλα που έχουν κυκλοφορήσει μέχρι στιγμής. Model code Feature NHW10 NHW11 NHW20 ZVW30 5 door 5 door Body style 4 door Sedan 4 door Sedan Hatchback Hatchback First sales Battery Modules Cells per module Total cells Cell voltage Voltage total volts Capacity amp hours Capacity watt hours Weight kilograms (kg) Gasoline Engine Power kw/hp 43/58 52/70 57/76 73/98 at rpm Electric Motor Operating voltage Power kw/hp 30/40 33/44 50/67 60/80 Combined Power kw/hp 73/98 85/104 82/ /134 Πίνακας 4.1 Εξέλιξη του Toyota Prius στις τρεις γενιές του 4.4 Lexus RX450h Η εταιρεία Lexus διακρίνεται για την κατασκευή πολυτελών αυτοκινήτων, ενώ στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του 2000 άρχισε να εξελίσσει υβριδικά μοντέλα, γεγονός που την συνδέσει με το όρο της υβριδικής πολυτέλειας. Στη γκάμα των μοντέλων της Lexus περιλαμβάνεται και ένα SUV (Sports Utility Vehicle), με την ονομασία RX450h. Το συγκεκριμένο μοντέλο θα

92 κυκλοφόρησε εντός του 2010, αντικαθιστώντας το προηγούμενο RX400h και εμφανίζει βελτιώσεις σε όλα τα σημεία. Εικόνα 4.19 Το Lexus RX450h [2] Υπεύθυνο για την κίνηση του οχήματος είναι το Lexus Hybrid Drive. Πρόκειται για ένα υβριδικό κινητήριο σύστημα που περιλαμβάνει τις εξής μονάδες παραγωγής ισχύος: Έναν βενζινοκινητήρα χωρητικότητας 3,5 l, σε διάταξη V6, ο οποίος λειτουργεί σύμφωνα με τον κύκλο του Atkinson και μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων. Ο κινητήρας αποδίδει ισχύ 245 ίππων. Δύο, στην προσθιοκίνητη, ή τρεις, στην τετρακίνητη, σύγχρονοι ηλεκτροκινητήρες μόνιμου μαγνήτη που αυξάνουν τη συνολική απόδοση του υβριδικού συστήματος στους 295 ίππους. Το σύστημα εμπίπτει στην κατηγορία της συνδυασμένης διάταξης. Όσον αφορά την τετρακίνητη η προσθήκη του ηλεκτροκινητήρα στον οπίσθιο άξονα μετατρέπει τη διάταξη σε συνδυασμένη/ανεξάρτητη διάταξη, ενώ το ασυνήθιστο χαρακτηριστικό της τετρακίνησης είναι το ότι επιτυγχάνεται «ηλεκτρικά» αφού δεν υπάρχει κάποια μηχανική σύνδεση των μπροστινών και πίσω τροχών του οχήματος. Ο τρίτος ηλεκτροκινητήρας, τίθεται σε λειτουργία σε περίπτωση απώλειας πρόσφυσης των εμπρόσθιων τροχών, δημιουργώντας ένα δυναμικό σύστημα ελέγχου ευστάθειας. Μπορεί επίσης να ανακτήσει ενέργεια κατά το φρενάρισμα ή

93 το ρολάρισμα του αυτοκινήτου για να φορτίσει τις μπαταρίες, που είναι τύπου νικελίου μετάλλου υδριδίου. Εικόνα 4.20 Εποπτικό διάγραμμα ροής της ενέργειας στο κινητήριο σύστημα του RX450h [39] Εικόνα 4.21 Το κινητήριο σύστημα Lexus Hybrid Drive σε επίδειξη [2]

94 Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (PCU) του Lexus Hybrid Drive είναι παρόμοια με αυτήν που χρησιμοποιεί η Toyota στο Hybrid Synergy Drive, εξάλλου τα δύο συστήματα έχουν πολλές ομοιότητες στον τρόπο λειτουργίας τους. Εικόνα 4.22 Πίνακας οργάνων του RX450h [40] Σύμφωνα με τις ανακοινώσεις της εταιρείας, το συγκεκριμένο μοντέλο επιτυγχάνει μείωση 20% στην κατανάλωση καυσίμου και αντίστοιχη μείωση στις εκπομπές ρύπων, σε σχέση με το προγενέστερο μοντέλο της Lexus στην κατηγορία των SUV. Οι ανακοινώσιμες τιμές κατανάλωσης καυσίμου είναι 7,35 l/100 km σε υπεραστικό κύκλο και 8,4 l/100 km σε αστικό κύκλο. Σε αυτό συντελεί και ο χαμηλός αεροδυναμικός συντελεστής του οχήματος (0,33) που κινείται στα κατώτερα όρια για αυτού του τύπου οχήματα. Γίνεται φανερό, πως η υβριδική τεχνολογία δεν περιορίζεται σε ελαφρά οχήματα που έχουν ως σκοπό την επίτευξη της απόλυτης κατανάλωσης. Όπως αναφέρθηκε, είναι ένα μέσο για την επίτευξη καλύτερων επιδόσεων σε κατανάλωση καυσίμου και εκπεμπόμενων ρύπων που βρίσκει εφαρμογή σε όλων των ειδών τα οχήματα.

95 Tesla Roaster Ως τελευταίο όχημα αυτής της μικρής παρουσίασης οχημάτων εμφανίζεται το μοντέλο Roadster της εταιρείας Tesla. Το συγκεκριμένο μοντέλο δεν ανήκει στην κατηγορία των υβριδικών, καθώς δεν συνδυάζει δύο πηγές ενέργειας. Πρόκειται για ένα όχημα υψηλών επιδόσεων, στο οποίο όμως ο, συνδεδεμένος με την αγωνιστική αυτοκίνηση, βενζινοκινητήρας απουσιάζει, και τη θέση του στην πρόωση του οχήματος έχει λάβει ένας ηλεκτροκινητήρας. Το όχημα είναι καθαρά ηλεκτρικό και δείχνει την κατεύθυνση του μέλλοντος της αυτοκίνησης. Για την επίτευξη του σκοπού των μηδενικών ρύπων και ανεξαρτησίας από τα ορυκτά καύσιμα, στην κατεύθυνση δηλαδή που δείχνει το Tesla Roadster, καίριο ρόλο εμφανίζουν τα υβριδικά οχήματα, δρώντας, όπως αναφέρθηκε, ως το ενδιάμεσο βήμα. Εικόνα 4.23 Όψη του Tesla Roadster [42] Το μοντέλο παρουσιάστηκε το 2006 στην αμερικανική αγορά. Το σασί του βασίζεται στο μοντέλο Elise της Lotus, όμως τα μέρη του κινητήριου συστήματος είναι τελείως διαφορετικά. Για την κίνηση του οχήματος φροντίζει ένας αερόψυκτος τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος με τέσσερεις πόλους και ονομαστική τάση 375 V. Η μέγιστη ισχύς που αποδίδει είναι 185 kw (248 ίπποι) σε εύρος στροφών από 5000 έως 8000 rpm και η μέγιστη ροπή του είναι 375 Nm, σταθερά για το εύρος από τις 0 έως τις 4500 rpm, ενώ το όριο περιστροφής του

96 κινητήρα βρίσκεται στις rpm. Η απόδοση του ηλεκτροκινητήρα είναι 92 % κατά μέσο όρο και 85 % στη μέγιστη ισχύ του. Το κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης περιλαμβάνει ένας ζεύγος γραναζιών με σταθερό λόγο μετάδοσης 8.27:1 προς του τροχούς. Απαίτηση για περισσότερα γρανάζια και μεταβλητό λόγο μετάδοσης δεν υπάρχει, καθώς ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να παράγει αρκετή ροπή και ισχύ σε πολύ μεγαλύτερο εύρος στροφών από έναν συμβατικό βενζινοκινητήρα. Η απουσία πολύπλοκου συστήματος μετάδοσης μειώνει το βάρος και την ευστροφία της κατασκευής, θεμιτό γεγονός για ένα αυτοκίνητο υψηλών επιδόσεων. Οι μπαταρίες του Tesla είναι τύπου ιόντων λιθίου (Lithium-ion), είναι σε σύνολο 6831 κελιά και ζυγίζουν συνολικά 450 kg. Η ονομαστική τάση εξόδου του συνόλου των μπαταριών είναι 375 V, η ενέργεια που μπορεί να αποθηκεύτει είναι 53 kwh, ενώ η μέγιστη ισχύς που μπορούν να προσφέρουν είναι 200 kw. Η πλήρης φόρτισή των μπαταριών είναι δυνατή μέσα σε 3.5 ώρες. Εικόνα 4.24 Ηλεκτρικός κινητήρας (1), κιβώτιο μετάδοσης (2), στοιχεία μπαταριών (3) και αλουμινένιο αμάξωμα (4) για το Tesla [41] Οι επιδόσεις του οχήματος είναι «εκρηκτικές». Η επιτάχυνση του από στάση μέχρι τα 100 km/h απαιτεί λιγότερα από 4 δευτερόλεπτα, ενώ η τελική του ταχύτητα ορίζεται στα 200 km/h. Ο συντελεστής οπισθέλκουσας του οχήματος είναι στο 0,35 και συμβάλλει στην επίτευξη των επιδόσεων αυτών. Όσον αφορά την αυτονομία του, τα τελυταία μοντέλα επιτυγχάνουν έως και 393 km μεταξύ επαναφορτίσεων.

97 Εικόνα 4.25 Διάταξη των στοιχείων του ηλεκτρικού συστήματος κίνησης του Tesla [41]

98 Κεφάλαιο 5ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ [43] [46] 5.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται αναλυτικά όλα τα βήματα της κατασκευής του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος για την μετατροπή του οχήματος σε ηλεκτρικό υβριδικό όχημα. Η μετατροπή πραγματοποιήθηκε από τους συμμετέχοντες στην εργασία αυτή φοιτητές στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής της Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. 5.2 Όχημα της εφαρμογής Το αυτοκίνητο που αποτέλεσε τη βάση για την υλοποίηση του εγχειρήματος είναι ένα Chevrolet Blazer. Πρόκειται για ένα μοντέλο που ανήκει στην κατηγορία SUV, του οποίου η παραγωγή ξεκίνησε το 1983 και διήρκησε μέχρι το 2005, ενώ εμφανίστηκαν αρκετές παραλλαγές του μοντέλου σε δίθυρες και τετράθυρες εκδόσεις με μία πληθώρα κινητήρων και κίνηση στους δύο (μοντέλο S 10) ή στους τέσσερις τροχούς (T 10), τα οποία προορίζονταν κυρίως για τις αμερικανικές αγορές.

99 Εικόνα 5.1 Το Blazer πριν τις επεμβάσεις για τη μετατροπή του σε υβριδικό Το αυτοκίνητο που αποκτήθηκε είναι το μοντέλο S 10, με τη μετάδοση της κίνησης στους πίσω τροχούς. Ανήκει στην πρώτη γενιά των Blazer και συγκεκριμένα κυκλοφόρησε το Για την κίνηση του αμαξώματος είναι υπεύθυνος ένας εξακύλινδρος, σε διάταξη V, βενζινοκινητήρας χωρητικότητας 2.8 λίτρων που μπορεί να παράγει 110 ίππους και 201 kg ροπής. Η ειδική ισχύς του βενζινοκινητήρα είναι σχετικά χαμηλή και απέχει αρκετά από τα σημερινά δεδομένα, είναι όμως σε φυσιολογικά επίπεδα για τα δεδομένα της εποχής που κατασκευάστηκε και της «αμερικανικής φιλοσοφίας» στην κατασκευή κινητήρων, που επιτάσσει πολλά κυβικά και χαλαρότερες αποδόσεις. Η αυξημένη ροπή του όμως συμβάλλει θετικά στο να κινηθεί το αμάξωμα των περίπου 1450 κιλών. Το όχημα εκ πρώτης όψεως προκαλεί ερωτήματα ως προς την ορθότητα επιλογής ώστε να εφαρμοστεί σε αυτό η υβριδική τεχνολογία. Επιχειρήματα προς αυτήν την κατεύθυνση είναι η παλαιότητα του, και κυρίως η παλαιότητα του μηχανικού συνόλου του που δεν διακρίνεται για τη φιλικότητα του στο περιβάλλον τόσο λόγω οικονομίας στην κατανάλωση καυσίμου όσο και από θέμα εκπομπής ρύπων. Το αυξημένο βάρος του αμαξώματος είναι επίσης ένας αρνητικός παράγοντας στην επίτευξη των στόχων ενός υβριδικού οχήματος.

100 Η επιλογή του προαναφερθέντος οχήματος, παρόλα αυτά, δεν είναι αβάσιμη. Η επιλογή αυτή φέρει θετικές προεκτάσεις που δύσκολα συναντώνται σε άλλου είδους οχήματα δεδομένων και των συγκυριών, που επιβάλλουν τη χρησιμοποίηση ενός συμβατικού οχήματος για τη μετατροπή και όχι τη σχεδίαση εξ αρχής ενός ειδικού για το σκοπό οχήματος. Σε αυτές συγκαταλέγονται: Η ευρυχωρία του αμαξώματος που επιτρέπει την εύκολη τοποθέτηση των μερών του συστήματος ηλεκτρικής πρόωσης, δηλαδή του ηλεκτροκινητήρα και της ψύξης του, των μπαταριών και των απαραίτητων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και μετατροπέων ενέργειας. Για τις ανάγκες της εγκατάστασης τους αφαιρέθηκαν τα πίσω καθίσματα του αυτοκινήτου και προέκυψε ένας ενιαίος χώρος που διευκόλυνε την διεξαγωγή του όλου εγχειρήματος, τόσο από πλευράς εργασιών όσο και από θέμα ευκολίας εγκατάστασης. Η διάταξη της ανάρτησης του οχήματος με τον άκαμπτο άξονα πίσω και τα φύλλα σούστας δημιουργούν ένα ενισχυμένο σύστημα που δέχεται αυξημένο βάρος. Το όχημα έχει σχεδιαστεί ώστε να του επιτρέπεται να φέρει φορτίο ιδιαίτερα στο οπίσθιο τμήμα του, που στην περίπτωση μας είναι το ηλεκτρικό σύστημα, το οποίο ζυγίζει περί τα 300 κιλά. Παρόμοια χαρακτηριστικά με την ανάρτηση έχει και το υφιστάμενο σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Το κιβώτιο ταχυτήτων, ο κεντρικός άξονας, το πίσω διαφορικό και τα ημιαξόνια είναι ενισχυμένες κατασκευές και μπορούν να υποστηρίξουν την επέμβαση σε αυτές ώστε να συμπλεχθεί και το ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Ως πρόσθετο κίνητρο για την επιλογή ενός τέτοιο τύπου οχήματος προς μετατροπή μπορούμε να ορίσουμε την υλοποίηση ενός πρωτότυπου εγχειρήματος καθώς στις δραστηριότητες του εργαστηρίου συγκαταλέγεται ήδη ένα όχημα πόλης με περιορισμένο βάρος, συγκεκριμένα ένα υβριδικό Fiat Panda [45],[46]. Η ιδέα του οχήματος τύπου SUV προήλθε από τα ήδη εμπορικά διαθέσιμα οχήματα αυτού του είδους, τα οποία περιγράφονται σε προηγούμενο κεφάλαιο. Γενικότερα, από την αρχή του εγχειρήματος δεν ήταν αναμενόμενο το υβριδικό όχημα που θα προκύψει να είναι ένα υπόδειγμα οικονομίας και φιλικότητας προς το περιβάλλον. Άλλωστε, και όπως προκύπτει από τον ορισμό του

101 ηλεκτρικού υβριδικού οχήματος, το ηλεκτροκινητήριο σύστημα έχει ως σκοπό τη βελτιστοποίηση λειτουργίας του τροφοδοτούμενου με υγρά καύσιμα μηχανικού συνόλου με τη μείωση των ενεργειακών του αναγκών και των εκπομπών του. Υπό αυτό το πρίσμα, μία επιλογή όπως η αναφερόμενη είναι δικαιολογημένη. Η προμήθεια του αυτοκινήτου έγινε από τον Οργανισμό Διαχείρισης Δημοσίου Υλικού (ΟΔΔΥ), ο οποίος παραχώρησε το όχημα στο Πανεπιστήμιο Πατρών έναντι ενός μικρού αντιτίμου. Το όχημα μεταφέρθηκε με γερανό σε συνεργείο αυτοκινήτων, όπου έγινε συντήρηση των μηχανικών του μερών, και έπειτα στο χώρο του Πανεπιστημίου. 5.3 Ηλεκτρικός Κινητήρας [48] Η καρδιά του ηλεκτρικού συστήματος πρόωσης είναι ο ηλεκτρικός κινητήρας. Οι επιλογές εδώ παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία στον τύπο, στην ισχύ και στα λοιπά χαρακτηριστικά. Εικόνα 5.2 Ηλεκτρικός κινητήρας Siemens 1PH4 107

102 Έχοντας αποκλείσει κινητήρες συνεχούς ρεύματος λόγω υψηλού κόστους και ανάγκης συντήρησής τους, οι επιλογές περιορίστηκαν στους σύγχρονους και ασύγχρονους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος. Στην εκτενή έρευνα αγοράς που ακολούθησε εμφανίστηκαν δυσκολίες στην εύρεση ενός κινητήρα που να προοριζόταν καθαρά για αυτοκινητιστικές εφαρμογές. Επίσης δυσκολίες ανέκυψαν και στην προμήθεια κινητήρα δίχως την ταυτόχρονη προμήθεια ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος και κυκλώματος ελέγχου, λόγω της πολιτικής εταιριών που δεν προμήθευαν ξεχωριστά τον κινητήρα ή δεν παρείχαν στοιχεία για αυτόν. Από τις διαθέσιμες επιλογές η καταλληλότερη ήταν ο κινητήρας 1PH4 107 του οίκου Siemens. Πρόκειται για έναν υδρόψυκτο τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα βραχυκυκλωμένου δρομέα, απόδοσης 14KW, του οποίου τα χαρακτηριστικά φαίνονται συγκεντρωτικά στον παρακάτω πίνακα. Ονομαστι Ονομαστικές Μέγιστες Ονομαστι Ονομαστι Ονομαστι κή ισχύς στροφές στροφές κή ροπή αδράνεια κό ρεύμα κή τάση 14 kw 1500 rpm 9000 rpm 89 Nm 0,031 kg m² 46 A 265 V Πίνακας 5.1Βασικά στοιχεία ηλεκτρικού κινητήρα 1PH4 107 Στα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του κινητήρα διακρίνονται και κάποια ιδιαίτερα χρήσιμα για τη συγκεκριμένη αυτοκινητιστική εφαρμογή. Ο σχεδιασμός του με τις συμπτυγμένες διαστάσεις του περιορίζουν τις θερμικές απώλειες, τον παραγόμενο θόρυβο και επιτρέπουν τους υψηλούς ρυθμούς περιστροφής (έως 9000 rpm), καθώς και η αδράνεια του κινητήρα είναι σε χαμηλές τιμές. Η αυξημένη ροπή που παράγει είναι διαθέσιμη από μηδενικές στροφές και διατηρείται για ένα ευρύ φάσμα στροφών, γεγονός που συντελεί θετικά στην κίνηση του αμαξώματος σε μικρές ταχύτητες. Ένα πρόσθετο χαρακτηριστικό του συγκεκριμένου κινητήρα είναι ότι ενσωματώνει έναν encoder για την παροχή σημάτων που αφορούν την ταχύτητα του και τη θερμοκρασία του. Τέλος, έχει υψηλό βαθμό προστασίας που κατηγοριοποιείται στο IP65 και πέφτει στο IP55 για το σημείο που εδράζεται ο άξονας. [49] Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται η ισχύς που μπορεί να παράγει ο κινητήρας, καθώς και το ρεύμα που τραβάει για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Ως S1 ορίζεται η συνεχής λειτουργία και ως S6 η διακοπτόμενη με κύκλο

103 λειτουργίας το ποσοστό που αναγράφεται δίπλα, για παράδειγμα το 60% ορίζει λειτουργία 6 λεπτών ανά 10 λεπτά. συνθήκες λειτουργίας ισχύς [kw] ρεύμα [A] S S6 60% 16,25 52 S6 40% 18,75 58 Πίνακας 5.2Συνθήκες λειτουργίας ηλεκτρικών κινητήρων Ακολουθούν οι καμπύλες ροπής και ισχύος του κινητήρα: Εικόνα 5.3 Χαρακτηριστική ροπής στροφών του ηλεκτρικού κινητήρα της εφαρμογής

104 Εικόνα 5.4 Χαρακτηριστική ροπής στροφών του ηλεκτρικού κινητήρα της εφαρμογής Εικόνα 5.5 Διαστάσεις ηλεκτρικού κινητήρα Siemens 1PH4 107

105 Ψύξη Ηλεκτροκινητήρα Όπως αναφέρθηκε, ο κινητήρας είναι υδρόψυκτος. Ο κατασκευαστής ορίζει ένα σύστημα υδρόψυξης για να διατηρείται η θερμοκρασία του κινητήρα κάτω από τους 60 ο C. Συγκεκριμένα, από τους 30 ο C και άνω, ο κινητήρας παρουσιάζει πτώση απόδοσης η οποία φτάνει έως και 15%. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος ψύξης δίνονται στον κάτωθι πίνακα. ροή ψυκτικού Θερμοχωρητικότητα σωληνώσεων κυκλώματος διατομή μέγιστη πίεση υγρού 6 l/min 3 kw G 1/4 7 bar Πίνακας 5.3Χαρακτηριστικά απαιτούμενης υδρόψυξης για τον κινητήρα Εικόνα 5.6 Μέρη απαιτούμενο συστήματος ψύξης 5.4 Μπαταρίες [50] Το ηλεκτρικό υβριδικό όχημα που παρουσιάζεται χρησιμοποιεί ως μέσο αποθήκευσης της ενέργειας στοιχεία μπαταριών. Όπως προέκυψε κατά το σχεδιασμό του συστήματος, η τάση των μπαταριών στο σύνολο ανέρχεται στα 192 V, ενώ θα έπρεπε να είναι κλειστού τύπου και να έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν ρεύμα αυξημένης έντασης και να έχουν αντοχή στις ηλεκτρικές καταπονήσεις. Οι διαστάσεις των μπαταριών ήταν ένα θέμα που λήφθηκε υπ όψιν αλλά δεν εισήγαγε

106 μεγάλους περιορισμούς καθώς το αμάξωμα και η διαμόρφωση που του έγινε προσφέρει ευελιξία στην τοποθέτηση τους. Τα σύγχρονα υβριδικά οχήματα χρησιμοποιούν εξελιγμένες τεχνολογίες όσον αφορά τις μπαταρίες. Η ιδανική επιλογή για ένα υβριδικό όχημα όπως της συγκεκριμένης εφαρμογής θα ήταν ένα battery pack από κάποιο ήδη υπάρχον υβριδικό μοντέλο, που παρουσιάζει βελτιστοποιημένα χαρακτηριστικά. Η προμήθεια ενός τέτοιου συστήματος δεν κατέστη δυνατή καθώς υπήρχαν περιορισμοί στους παράγοντες τόσο του κόστους όσο και της εμπορικής διαθεσιμότητας. Οι μπαταρίες που τελικά επιλέχθηκαν είναι τεχνολογίες οξέος μολύβδου, από την εταιρεία FULL RIVER, με κωδικό HGL Η ονομαστική τους τάση ανέρχεται στα 12 V ανά στοιχείο. Για την παραγωγή της απαιτούμενης τάσης των 192 V χρησιμοποιούνται 16 στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά Το βάρος κάθε στοιχείου είναι 13,5 kg, οπότε οι μπαταρίες προσθέτουν συνολικό βάρος 216 kg στο αμάξωμα. Σε απόλυτα νούμερα, οι μπαταρίες μπορούν να παρέχουν μέγιστο ρεύμα 660 A, για διάστημα 5 δευτερολέπτων, ενώ κατά τη φόρτιση, το μέγιστο ρεύμα που μπορούν να δεχθούν περιορίζεται στα 9 A. Όσον αφορά τη χωρητικότητα, τα επιλεχθέντα στοιχεία παρουσιάζουν χωρητικότητα 45 Ah για εκφόρτιση με ρεύμα 2,25 Α σε διάστημα δύο ωρών. Για μεγαλύτερα ρεύματα η χωρητικότητα τους περιορίζεται όπως φαίνεται και στον ακόλουθο πίνακα. Διάστημα Ένταση Τάση στοιχείων Χωρητικότητα εκφόρτισης ρεύματος μετά την εκφόρτιση [h] [A] [V] [Ah] 20 2,25 10, ,19 10,5 41,9 5 38,3 10,5 38, ,6 27 Πίνακας 5.4 Χαρακτηριστικά εκφόρτισης συσσωρευτών

107 Αξίζει να σημειωθεί ότι τα σύγχρονα υβριδικά οχήματα φέρουν μπαταρίες που έχουν σχετικά περιορισμένη χωρητικότητα. Ενδεικτικά, στο Toyota Prius οι μπαταρίες έχουν χωρητικότητα 6,5 Ah και μπορούν να τροφοδοτήσουν τον κινητήρα υπό πλήρες φορτίο, δηλαδή κατά τη μέγιστη επιτάχυνση, για μόλις 7 δευτερόλεπτα, όσο διαρκεί δηλαδή μία τυπική προσπέραση ενός άλλου οχήματος. Στο όχημα της εργασίας αυτής επιλέχθηκε η χωρητικότητα των μπαταριών να ξεπεράσει το επίπεδο του προαναφερθέντος παραδείγματος, ώστε να υπάρχει μία ευελιξία και αυτονομία τόσο στο στάδιο των δοκιμών και μετρήσεων, αλλά και να δίνεται η δυνατότητα να κινηθεί το όχημα αμιγώς ηλεκτρικά. Στο ακόλουθο διάγραμμα εμφανίζεται η χαρακτηριστική ρεύματος χρόνου εκφόρτισης των μπαταριών. Στην παρούσα εφαρμογή και υπό ονομαστικό εναλλασσόμενο ρεύμα του κινητήρα, οι απαιτήσεις για ρεύμα στο δίαυλο συνεχούς θα φτάσουν τα 110Α, που σημαίνει πως οι μπαταρίες υπό αυτό το φορτίο θα μπορούν παρέχουν ισχύ για περίπου 7 λεπτά. Εικόνα 5.7 Χαρακτηριστικές εκφόρτισης των επιλεχθεισών μπαταριών [49]

108 Μηχανολογικές Μετατροπές [47] Για την υλοποίηση της εφαρμογής της υβριδικής κίνησης στο επιλεχθέν όχημα ήταν αναγκαίες κάποιες μηχανολογικές μετατροπές σε αυτό. Οι μετατροπές αυτές απαίτησαν ειδικό εξοπλισμό, οπότε όλες οι εργασίες έγιναν σε συνεργασία με το Πανεπιστημιακό Μηχανουργείο Έδραση του κινητήρα και σύνδεση του με το σύστημα μετάδοσης Το πρώτο σημείο που έπρεπε να ληφθεί υπ όψιν στο σχεδιασμό ήταν ο τρόπος σύνδεσης του άξονα του ηλεκτροκινητήρα με το υπάρχον σύστημα μετάδοσης της κίνησης του αυτοκινήτου. Το συγκεκριμένο Chevrolet Blazer που είχαμε στην κατοχή μας έχει τον κινητήρα του τοποθετημένο μπροστά κατά τον διαμήκη άξονα. Η κίνηση μεταδίδεται στους πίσω τροχούς μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων που εφάπτεται στον κινητήρα και ενός κεντρικού άξονα που διατρέχει το κάτω μέρος του αυτοκινήτου. Ο τελευταίος είναι συνδεδεμένος με «σταυρό» με το πίσω διαφορικό που αναλαμβάνει να διαμοιράσει την κίνηση στους δύο πίσω τροχούς μέσω των δύο ημιαξονίων που προστατεύονται μέσα στους οδηγούς τους. Εικόνα 5.8 Τοπολογία υβριδικού συστήματος κίνησης πειραματικού οχήματος Για να μπορέσει ο κινητήρας να συμμετέχει στην κίνηση του οχήματος έπρεπε να συνδεθεί με κάποιους τροχούς. Οι μπροστινοί τροχοί του οχήματος δεν μπορούσαν να αποτελέσουν διαθέσιμη επιλογή καθώς δεν υπάρχει σχεδιασμός για

109 μετάδοση της κίνησης σε αυτούς και μία μετατροπή σε αυτήν την κατεύθυνση θα ήταν εξαίρετα πολύπλοκη. Η μόνη διαθέσιμη επιλογή ήταν λοιπόν οι πίσω τροχοί, στους οποίους ήδη φτάνει η μετάδοση από τον βενζινοκινητήρα. Έπρεπε, επομένως, να γίνει σύμπλεξη του άξονα του ηλεκτροκινητήρα σε κάποιο σημείο της υφιστάμενης μετάδοσης. Η λύση που φέρουν τα σύγχρονα υβριδικά οχήματα με τα εξελιγμένα κιβώτια που συμπλέκουν όλες της κινητήριες μονάδες με τους τροχούς, όπως για παράδειγμα το πλανητικό κιβώτιο του Prius, απορρίφθηκε για λόγους αδυναμίας εξέλιξης και κόστους. Μια άλλη λύση είναι η τοποθέτηση κινητήρων απ ευθείας πάνω στους τροχούς (hub motors), όμως η φύση του ηλεκτροκινητήρα απαγόρευε καποια τέτοια σύνδεση. Η μόνη εφικτή και ικανοποιητική λύση ήταν η σύνδεση του άξονα του ηλεκτροκινητήρα με τον κεντρικό άξονα μετάδοσης του αυτοκινήτου. Για το σκοπό αυτό προτάθηκαν αρκετές υλοποιήσεις: Σύστημα γραναζιών Σύμπλεξη με αλυσίδα (καδένα) Σύμπλεξη με ιμάντα Από τις παραπάνω προτιμήθηκε η τρίτη επιλογή λόγω κόστους και περιορισμού του θορύβου. Ο ιμάντας θα έχει ως οδηγούς δύο γρανάζια που θα εγκατασταθούν στους δύο άξονες. Ένα πολύ σημαντικό σημείο στην διαδικασία του σχεδιασμού της σύμπλεξης ήταν η επιλογή για τοποθέτηση του κινητήρα με συνδέσμους επάνω στο υφιστάμενο σύστημα μετάδοσης. Το τελευταίο συνδέεται με το αμάξωμα μέσω του συστήματος της ανάρτησης για την απόσβεση των κραδασμών λόγω της ελευθερίας κίνησης που παρουσιάζεται μεταξύ των δύο συστημάτων. Η στήριξη του κινητήρα επάνω στο αμάξωμα, επομένως θα απαιτούσε την εγκατάσταση ενός πρόσθετου συστήματος για την αντιμετώπιση της σχετικής κίνησης ανάμεσα σε αμάξωμα και σύστημα μετάδοσης που θα αύξανε την πολυπλοκότητα της μετατροπής, ενώ σε περίπτωση βίαιης σχετικής κίνησης, για παράδειγμα όταν το όχημα περάσει από ένα κοίλωμα του δρόμου, θα υπήρχε ο κίνδυνος το σύστημα σύμπλεξης να αστοχήσει με τον ιμάντα να εξέρχεται από τη θέση του. Η πάκτωση του κινητήρα πάνω στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, λοιπόν, τον αναγκάζει να ακολουθεί τις κινήσεις του τελευταίου και να κινείται ως συσσωμάτωμα με αυτό.

110 Διαθέσιμος χώρος τόσο χωροταξικά όσο και από άποψης στιβαρότητας βρισκόταν πάνω από το οπίσθιο διαφορικό. Για να τοποθετηθεί ο κινητήρας εκεί έπρεπε να κοπεί το πάτωμα του αυτοκινήτου, όπως φαίνεται στην αντίστοιχη εικόνα, καθώς δεν υπήρχε ο απαιτούμενος χώρος. Η κοπή έγινε εύκολα με έναν τροχό καθώς το πάτωμα σε εκείνο το σημείο αποτελούνταν από ένα φύλλο μετάλλου μόνο ενώ υπήρχε και μία ράβδος η οποία κόπηκε, η οποία δεν συνέβαλλε όμως στην ακαμψία του πλαισίου παρά μόνο στη στήριξη του υπό αφαίρεση πατώματος. Εικόνα 5.9 Κάτοψη του διαμορφωμένου εσωτερικού χώρου του οχήματος Ακολούθως σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μία βάση στήριξης του κινητήρα πάνω στο διαφορικό. Η βάση αποτελείται από ένα φύλλο μετάλλου πάχους 8 mm με διαστάσεις 300 x 570 mm που πάνω τις έχει βιδωθεί ο κινητήρας. Η βάση αυτή στηρίζεται σε δύο βραχίονες ίδιου πάχους που κατεβαίνουν ως τους βραχίονες του διαφορικού που μέσα του φωλιάζουν τα ημιαξόνια και καταλήγουν σε δύο βιδωτά σημεία στήριξης. Τέλος μία ράβδος κλήθηκε να ενώσει το μπροστά

111 μέρος της βάσης του κινητήρα με το ράμφος του διαφορικού για να εξαλείψει διαμήκεις κινήσεις της βάσης. Το βάρος της βάσης κυμαίνεται στα 30 kg περίπου. Το ύψος της βάσης και η απόσταση της από το διαφορικό ορίστηκαν από τη χωροταξία του οπίσθιου μέρους το οχήματος. Λόγω της ύπαρξης του δοχείου της βενζίνης πίσω ακριβώς από τον οπίσθιο άξονα, η βάση σηκώνει τον κινητήρα σε αρκετή απόσταση από το διαφορικό και τον φέρνει στο ύψος της καμπίνας. Εικόνα 5.10 Βάση στήριξης του ηλεκτροκινητήρα

112 Εικόνα 5.11 Σημείο έδρασης της βάσης επάνω στη φωλιά του ημιαξονίου Για τη σύμπλεξη των δύο αξόνων έπρεπε να εγκατασταθούν ισάριθμα γρανάζια γύρω από τους δύο άξονες. Η ύπαρξη των δύο γραναζιών προσέφερε τη δυνατότητα του ορισμού του επιθυμητού λόγω μετάδοσης μεταξύ των δύο που προκύπτει από τον λόγο των διαμέτρων τους. Για τον υπολογισμό του λόγου αυτού λήφθηκε υπ όψιν η μέγιστη ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα που είναι στις 9000 στροφές ανά λεπτό. Ταυτόχρονα, ήταν επιθυμητή η μείωση των στροφών του ηλεκτροκινητήρα για τη μετάδοση στον κινητήριο άξονα, ώστε να πολλαπλασιαστεί η ροπή που ασκείται στους τροχούς. Με τον τρόπο ο κινητήρας θα «βλέπει» μικρότερο φορτίο για τη μετάδοση της ισχύος του, περιορίζοντας και τα ρεύματα που απαιτεί. Ορίστηκε λοιπόν η μέγιστη ταχύτητα του οχήματος με συνδεδεμένο τον ηλεκτροκινητήρα στα 100 χιλιόμετρα ανά ώρα δεδομένου του πειραματικού χαρακτήρα του, στην οποία ταχύτητα ο ηλεκτροκινητήρας θα πρέπει να στρέφεται στο όριο περιστροφής του.

113 Ακολουθούν οι υπολογισμοί για το λόγο μετάδοσης μεταξύ κεντρικού άξονα και άξονα ηλεκτροκινητήρα. Οι τροχοί του αυτοκινήτου φέρουν ελαστικά διαστάσεων 215 / 75 R 15. dτροχού = dζ άντας + hsidewall 2 dτροχού = 15inch+ 2 (215mm 0.75) dτροχού = 381mm mm d = 703.5mm τροχού περίμετρος _ ελαστικο ύ= π d = mm= 2.208m τροχού Για ταχύτητα τροχού ίση με 100 χιλιόμετρα ανά ώρα: km m m v = 100 = = h 3600s s Τα ημιαξόνια στρέφονται με ταχύτητα: m n = s 12.62rps 2.208m = Ο λόγος μετάδοσης του πίσω διαφορικού του αυτοκινήτου από τα χαρακτηριστικά του οχήματος και έπειτα από πειραματική επιβεβαίωση ορίστηκε σε 3,42 προς 1. Δηλαδή σε 1 περιστροφή του τροχού, ο άξονας εκτελεί 3,42 περιστροφές. Οι 9000 rpm του ηλεκτροκινητήρα ισούνται με 9000/60 = 150 στροφές το δευτερόλεπτο. Επομένως ο λόγος των γραναζιών που θα εγκατασταθούν στο όχημα θα είναι: 150rps 150 K = = = rps Ενώ ο συνολικός λόγος μετάδοσης από τον ηλεκτροκινητήρα προς τους τροχούς είναι: K ολ = = Επομένως η ροπή που μπορεί να εφαρμοσθεί στους κινητήριους τροχούς από τον ηλεκτροκινητήρα πολλαπλασιάζεται και φθάνει τα: T = K T = Nm 1060Nm τροχού ολ κιν Η αυξημένη ροπή θα συνδράμει στο να κινηθεί το αμάξωμα που φέρει αυξημένο βάρος ακόμα και με αμιγώς ηλεκτρική κίνηση. Να σημειωθεί ότι η

114 υπολογισθείσα σχέση μετάδοσης είναι κοντά σε αυτήν που βλέπει και ο βενζινοκινητήρας του οχήματος με επιλεγμένη την πρώτη ταχύτητα. Ο επιθυμητός λόγος μετάδοσης (~3,5) μπορεί να επιτευχθεί με μία πληθώρα γραναζιών, όμως για την στιβαρότητα της κατασκευής και μετά από αναζήτηση σε σχετικούς πίνακες με κριτήριο την ισχύ που θα αναλάμβαναν τα γρανάζια ορίστηκε η ελάχιστη διάμετρος του γραναζιού του ηλεκτροκινητήρα στα 105 mm εσωτερικά, ενώ μαζί με το δόντι για να αποφεύγεται ο εκπεσμός του ιμάντα φτάνει στην εξωτερική διάμετρο των 130 mm. Με το δεδομένο αυτό το γρανάζι που θα προσαρμοστεί στον άξονα έχει εσωτερική διάμετρο 365 mm και εξωτερική 400 mm. Το πάχος των γραναζιών ορίστηκε στα 45 χιλιοστά, ώστε να μπορεί να καλύψει το πλάτος του ιμάντα. Το υλικό κατασκευής των γραναζιών είναι αλουμίνιο, ενώ στο εσωτερικό του το γρανάζι του άξονα είναι «σκαμμένο», ώστε να περιοριστεί το βάρος και να ευνοηθεί η ευστροφία. Εικόνα 5.12 Γρανάζι που προσαρμόστηκε στον κεντρικό άξονα μετάδοσης της κίνησης Ο ιμάντας που φροντίζει για τη μετάδοση της κίνησης από το ένα γρανάζι στο άλλο είναι φτιαγμένος από ειδικά πολυμερή για αυξημένη αντοχή. Το πλάτος

115 του ορίστηκε από τα δεδομένα της ισχύος της εφαρμογής στα 40 χιλιοστά. Ο ιμάντας έχει «δόντια» ώστε να προσαρμόζεται ακριβώς στα αντίστοιχα που έχουν τα γρανάζια. Το πάχος του ιμάντα είναι στα 5 χιλιοστά, με το δόντι να προσθέτει ακόμα 5 χιλιοστά σε πάχος. Εικόνα 5.13 Όψη του ηλεκτροκινητήρα τοποθετημένου Για την εύκολη προσαρμογή του, το κάτω γρανάζι του συστήματος της μετάδοσης της κίνησης του ηλεκτροκινητήρα τοποθετήθηκε στο τέλος του κεντρικού άξονα, στην ένωση του με το σταυρό του διαφορικού. Για την τοποθέτηση χρειάστηκε να λυθεί ο άξονας για να παρεμβληθεί η φλάντζα του γραναζιού και έπειτα επανατοποθετήθηκε χωρίς να υπάρχει κάποιο χωροταξικό πρόβλημα αφού ο άξονας έχει κάποιες ανοχές στη διαμήκη κίνηση του. Με το κάτω γρανάζι τοποθετημένο, ευθυγραμμίστηκε βάση του κινητήρα, ώστε το γρανάζι που σφηνώθηκε στον άξονα του ηλεκτροκινητήρα να είναι απολύτως ευθυγραμμισμένο με το συμπληρωματικό του. Ο ιμάντας παραγγέλθηκε ώστε να έχει μεγαλύτερο μήκος από το απαιτούμενο για την σύνδεση των δύο γραναζιών, ώστε να είναι εύκολη η απομάκρυνση του αν χρειαστεί. Για να μαζευτεί

116 ο «τζόγος» λόγω του μεγαλύτερου μήκους του ιμάντα τοποθετήθηκε ένας ρυθμιζόμενος τανυστής, που σφίγγει τον ιμάντα στον επιθυμητό βαθμό. Εικόνα 5.14 Σύστημα μετάδοσης της κίνησης του ηλεκτροκινητήρα Τέλος, κατασκευάστηκε ένα προστατευτικό καπάκι που βιδώνεται στη μία άκρη του κινητήρα και καλύπτει το γρανάζι του κινητήρα και μέρος της διαδρομής του ιμάντα για πρόληψη τραυματισμών λόγω κινούμενων μερών αλλά και προστασίας του ιμάντα. Η βάση και το προστατευτικό του ιμάντα βάφηκαν με σπρέι για την αντοχή τους απέναντι στη διάβρωση Βάσεις μπαταριών Για την τοποθέτηση των 16 στοιχείων συσσωρευτών χρειάστηκε η κατασκευή ειδικών βάσεων για την αποφυγή της μετακίνησης τους. Οι μπαταρίες θα έπρεπε να είναι συγκεντρωμένες για την αποφυγή μακρών καλωδιώσεων σύνδεσης τους. Έχοντας αφαιρέσει τα πίσω καθίσματα υπήρχε χώρος για την τοποθέτηση τους στο τμήμα της καμπίνας από τα μπροστινά καθίσματα και πίσω. Λόγω του συνολικού τους όγκου δεν θα μπορούσε να γίνει μία κατασκευή που θα

117 ενσωματώσει τις μπαταρίες σε κάποιο άλλο σημείο εκτός καμπίνας, λόγου χάρη κάτω από το πάτωμα του αυτοκινήτου, λύση που προτιμάται στα σύγχρονα υβριδικά οχήματα. Για την καλύτερη κατανομή βάρους εμπρός πίσω του αυτοκινήτου αλλά και για να κρατηθεί χαμηλά το κέντρο βάρους οι μπαταρίες επιλέχθηκε να τοποθετηθούν στον χώρο μεταξύ των εμπρόσθιων καθισμάτων και του ηλεκτροκινητήρα. Για αυτό το σκοπό κατασκευάστηκαν οι κατάλληλες μεταλλικές βάσεις που βιδώνουν στο πάτωμα του αυτοκινήτου. Τα στοιχεία τοποθετήθηκαν εκεί και ασφαλίστηκαν με πρόσθετες μεταλλικές ράβδους που τοποθετήθηκαν στην επάνω τους πλευρά και βιδώθηκαν με μακριές βίδες σε ειδικές εξοχές στη βάση. Τέλος κόπηκε μεταλλικό πλέγμα και διαμορφώθηκε ώστε να σκεπάσει τις μπαταρίες για προστασία, αφήνοντας όμως το περιθώριο να αεριστούν. Το προστατευτικό πλέγμα βιδώθηκε σε υποδοχές επάνω στις βάσεις που προορίζονται για αυτό το σκοπό, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα να αφαιρεθεί γα επέμβαση στις μπαταρίες, παραδείγματος χάριν για την αντικατάσταση ενός στοιχείου. Εικόνα 5.15 Κατασκευασθείσες βάσεις μπαταριών

118 Εικόνα 5.16 Οι μπαταρίες τοποθετημένες στις βάσεις τους Εικόνα 5.17 Μπάρες συγκράτησης και ηλεκτρικές συνδέσεις των μπαταριών

119 Εικόνα 5.18 Προστατευτικό κάλυμμα μπαταριών Ψύξη Ηλεκτροκινητήρα [51] Στα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού κινητήρα που επιλέχθηκε περιλαμβάνεται και υδρόψυξη. Έπρεπε να κατασκευαστεί εξ αρχής ένα σύστημα ψύξης καθώς δεν υπήρχε κάποιο σύστημα στην αγορά που να πληρούσε τις προϋποθέσεις τις συγκεκριμένης εφαρμογής, ενώ η χρησιμοποίηση του υφιστάμενου συστήματος ψύξης ήταν αδύνατη καθώς τα δύο συστήματα δουλεύουν σε διαφορετικό φάσμα θερμοκρασιών, ο ηλεκτροκινητήρας από 30 ο έως 60 ο C, ενώ ο βενζινοκινητήρας ξεπερνά τους 80 ο C κατά την κανονική λειτουργία. Τα κατασκευαστικά μέρη του νέου συστήματος είναι τα εξής: Ψυγείο Ανεμιστήρες Αντλία Δοχείο πλήρωσης Σωληνώσεις Σύνδεσμοι σωληνώσεων (ρακόρ), σφιγκτήρες Αισθητήρας θερμοκρασίας Για τη μείωση της θερμοκρασίας του ψυκτικού μέσου επιλέχθηκε ένα ψυγείο αυτοκινήτου, σε διαστάσεις τέτοιες ώστε να χωρά στον διαθέσιμο κενό χώρο που υπήρχε στο μηχανοστάσιο του αυτοκινήτου, κάτω από το υπάρχον ψυγείο νερού του βενζινοκινητήρα, ώστε να προσπίπτει στην επιφάνεια του αέρας

120 κατά την κίνηση του οχήματος. Το ψυγείο που επιλέχθηκε εφαρμόζεται σε αυτοκίνητα μάρκας Suzuki, ενώ οι έξοδοι του προσαρμόστηκαν για τα δεδομένα της εφαρμογής. Για καλύτερη ψύξη όταν το όχημα δεν κινείται ή κινείται με μικρές ταχύτητες, ενσωματώθηκαν δύο ανεμιστήρες, οι οποίοι λειτουργούν με τροφοδοσία 12 V από την μπαταρία στον χώρο του βενζινοκινητήρα του οχήματος και είναι αθόρυβοι και αποδοτικοί, καθώς προορίζονται για αυτοκινητιστικά συστήματα ψύξης. Οι ανεμιστήρες τοποθετήθηκαν εμπρός από το ψυγείο και φυσούν προς τις κυψέλες του ψυγείου. Εικόνα 5.19 Κατασκευή που στηρίζει το ψυγείο και τους ανεμιστήρες. Στο πάνω μέρος φαίνεται η αντλία. Η αντλία που χρησιμοποιήθηκε είναι κατασκευής της εταιρείας Whale, με κωδικό GP9955. Η αντλία δέχεται συνεχή τροφοδοσία 12 V, ενώ η παροχή της είναι 13,2 l/min σε κύκλωμα χωρίς ανύψωση. Το μικρό της μέγεθος και το βάρος της επιτρέπουν τη στήριξη της απ ευθείας πάνω στη σωλήνωση χωρίς πρόσθετες βάσεις. Η αντλία και οι ανεμιστήρες τροφοδοτούνται από τη συμβατική μπαταρία του οχήματος.

121 Το δοχείο πλήρωσης στηρίχθηκε σε σημείο ψηλότερο από τον κινητήρα όπως απαιτούνταν και επιτρέπει την πλήρωση του συστήματος με ψυκτικό υγρό. Προέρχεται από αυτοκίνητο μάρκας FIAT, και η τάπα του επιτρέπει τη διοχέτευση ατμών στο περιβάλλον για εκτόνωση υψηλών πιέσεων που μπορεί να εμφανιστούν εντός του συστήματος ψύξης. Εικόνα 5.20 Δοχείο πλήρωσης κυκλώματος ψύξης Οι σωληνώσεις που χρησιμοποιήθηκαν έχουν εξωτερική διάμετρο 14 mm και εσωτερική 12 mm, και είναι φτιαγμένες από ενισχυμένα πολυμερή υλικά για αντοχή τόσο σε θερμοκρασίες όσο και σε καταπονήσεις. Για τη σύνδεση των σωληνώσεων με τον κινητήρα χρησιμοποιήθηκαν μεταλλικές ενώσεις (ρακόρ) με τις απαιτούμενες διατομές, ενώ στη διακλάδωση για το δοχείο πλήρωσης χρησιμοποιήθηκε ένα ταυ, όπως και στο σημείο που παρεμβλήθηκε ο αισθητήρας θερμοκρασίας. Όλες οι ενώσεις συγκρατούνται με μεταλλικά δαχτυλίδια (σφιγκτήρες) για να μην υπάρχουν διαρροές.

122 Εικόνα 5.21 Συνδέσεις συστήματος ψύξης Για την εποπτεία των θερμοκρασιών που επικρατούν στο σύστημα ψύξης χρησιμοποιήθηκε ένα ψηφιακό όργανο της εταιρείας lae, το οποίο δέχεται δεδομένα από αισθητήρα που προσαρτήθηκε μετά την είσοδο του ηλεκτροκινητήρα. Για την ενεργοποίηση της αντλίας και των ανεμιστήρων τοποθετήθηκαν αντίστοιχοι διακόπτες στο ταμπλώ του οχήματος. Εικόνα 5.22 Διακόπτες ενεργοποίησης συστήματος ψύξης

123 Όργανα ενδείξεων Για την εποπτεία της λειτουργίας του συστήματος ήταν θεμιτό να τοποθετούν κάποια όργανα μέτρησης. Τα όργανα τοποθετήθηκαν στο δεξί μέρος του ταμπλώ του οχήματος, ώστε να βρίσκονται στο οπτικό πεδίο του οδηγού. Χρησιμοποιήθηκαν τα εξής όργανα: Ένα αναλογικό βολτόμετρο, μέτρησης εναλλασσόμενης τάσης V, στο οποίο απεικονίζεται η ενεργός τιμή της πολικής τάσης του κινητήρα. Ένα ψηφιακό θερμόμετρο LTR-5TSRD της εταιρείας LAE, το οποίο δεχόμενο σήμα από έναν αισθητήρα θερμοκρασίας απεικονίζει στην οθόνη του τη θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού στο κύκλωμα ψύξης του ηλεκτροκινητήρα. Ένα ψηφιακό όργανο ΜP5W της εταιρείας Autonics για την απεικόνιση της ταχύτητας του ηλεκτροκινητήρα, δεχόμενο σήμα από τον αποκωδικοποιητή που ενσωματώνει ο κινητήρας. Ένα ψηφιακό βολτόμετρο ΜΤ4W της εταιρείας Autonics, για την απεικόνιση του φασικού ρεύματος του κινητήρα, δεχόμενο σήμα από μετρητικό ρεύματος που έχει εγκατασταθεί επί ενός καλωδίου που τροφοδοτεί τον κινητήρα. Ένα αναλογικό βολτόμετρο 0 5 V για την ένδειξη της στάθμης του ποτενσιόμετρου που ορίζει τη ροπή αναφοράς για τον κινητήρα. Εικόνα 5.23 Αναλογικό «ροπόμετρο»

124 Εικόνα 5.24 Όργανα ένδειξης τοποθετημένα στο ταμπλώ του οχήματος 5.7 Λειτουργία του συστήματος Το εποπτικό διάγραμμα του ηλεκτρικού μέρους του κινητηρίου συστήματος φαίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα. Σημειώνονται οι δύο ροές ενέργειας. Έχοντας περιγράψει τους συσσωρευτές και τον ηλεκτρικό κινητήρα, θα ακολουθήσει η περιγραφή των ενδιάμεσων μετατροπέων και της λειτουργίας του συστήματος. Εικόνα 5.25 Ροή ενέργειας στο ηλεκτροκινητήριο σύστημα

125 Μετατροπείς Ενέργειας Το τελευταίο και πιο σημαντικό, από ηλεκτρολογικής απόψεως, μέρος του συστήματος ηλεκτρικής κίνησης του οχήματος της εργασίας αυτής είναι οι μετατροπείς ενέργειας. Πρόκειται για τα κυκλώματα που παρεμβάλλονται μεταξύ των συσσωρευτών και του κινητήρα και ως σκοπό έχουν: Την προσαρμογή των ηλεκτρικών μεγεθών, καθώς οι μπαταρίες κάνουν χρήση συνεχούς τάσης και ρεύματος ενώ ο κινητήρας λειτουργεί με εναλλασσόμενα μεγέθη. Ταυτόχρονα γίνεται προσαρμογή στα πλάτη των μεγεθών αυτών για να ικανοποιούν τις εκάστοτε απαιτήσεις. Τον έλεγχο της λειτουργίας του κινητήρα ώστε να ανταποκρίνεται στις επιθυμίες του οδηγού για επιτάχυνση και επιβράδυνση διατηρώντας τον πάντα στα προβλεπόμενα όρια λειτουργίας του. Για τη μετατροπή των συνεχών μεγεθών σε εναλλασσόμενα θα χρησιμοποιηθεί ένας τριφασικός αντιστροφέας, αποτελούμενος από τρία ζεύγη διακοπτικών στοιχείων. Με τη διακοπτική λειτουργία τους επιτρέπουν τη διέλευση ρεύματος μέσω του σώματος τους που θα τροφοδοτήσει τον κινητήρα για την παραγωγή έργου. Στην επιστροφή ενέργειας, τα ρεύματα θα διέλθουν από τις αντιπαράλληλες διόδους που ενσωματώνουν τα στοιχεία. Ο έλεγχος των διακοπτικών στοιχείων γίνεται μέσω των παλμών έναυσής τους, που καθορίζονται από ένα μικροηλεκτρονικό κύκλωμα βασισμένο σε μικροελεγκτή. Το κύκλωμα αυτό είναι υπεύθυνο και για τον έλεγχο λειτουργίας του κινητήρα μέσα από τη ρύθμιση της ροπής που παράγει. Ένας μετατροπέας προσαρμογής του επιπέδου της τάσης είναι επίσης απαραίτητος καθώς τα επίπεδα τάσης των υποσυστημάτων δεν συμπίπτουν. Πρόκειται για έναν συνδυασμό μετατροπέα ανύψωσης τάσης (boost converter) με μετατροπέα υποβιβασμού τάσης (buck converter) που θα επιτρέπει τη ροή ενέργειας και προς τις δύο κατευθύνσεις. Τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των μετατροπέων καθώς και η λειτουργία τους αναλύονται σε επόμενα κεφάλαια.

126 Προσδιορισμός χαρακτηριστικών μεγεθών Στάθμες τάσεων Ο ηλεκτρικός κινητήρας της εφαρμογής απαιτεί για την ονομαστική του λειτουργία πολική τάση V N = 265 V, ενώ η ισχύς του είναι P N = 14 kw. Για να υπολογίσουμε το πλάτος της τάσης εισόδου του αντιστροφέα, πολλαπλασιάζουμε την ονομαστική τάση του κινητήρα με το συντελεστή 1,37 που προκύπτει από τη βιβλιογραφία με τον συνυπολογισμό των αρμονικών 3 ης και 9 ης τάξης [52]. Για την επίτευξη του απαιτούμενου επιπέδου τάσης στην έξοδο του μετατροπέα, λοιπόν, θα πρέπει να παρέχεται στην είσοδό του συνεχής τάση τουλάχιστον ~360 V. Εισάγοντας και το λόγο απόδοσης του αντιστροφέα, που κυμαίνεται στο 90%, η τάση αυτή ορίζεται στα 380 V. Η επιλογή 16 στοιχείων συσσωρευτών φέρνει το επίπεδο της τάσης τους στα 192 V. H επιλογή αυτή έγινε με γνώμονα το κόστος, τον διαθέσιμο χώρο και την ασφάλεια. Καταρχήν, κρίθηκε αντιοικονομική η προμήθεια συσσωρευτών που θα κάλυπταν τη στάθμη των 380 V που απαιτεί ο κινητήρας, ενώ το βάρος και ο όγκος του συνόλου των μπαταριών θα ήταν απαγορευτικά. Σε περίπτωση που κινούμασταν για προμήθεια μπαταριών καλύτερης τεχνολογίας, το κόστος θα ξέφευγε σε πολύ υψηλά επίπεδα. Το όριο των 200 V τέθηκε για λόγους ασφαλείας. Δεν είναι τυχαίο ότι τα εμπορικά διαθέσιμα υβριδικά οχήματα δεν ξεπερνούν το όριο αυτό στις μπαταρίες τους. Τα επίπεδα τάσεων 192 V και 380 V αναλαμβάνει να συνδέσει ο αμφικατευθυντήριος μετατροπέας Buck / Boost, ο οποίος θα επιτρέψει τη ροή ενέργειας και προς τις δύο κατευθύνσεις. Η απόδοση και αυτού του μετατροπέα ορίζεται στο 90%. Από τους λόγους απόδοσης όλων των υποσυστημάτων εξάγεται ότι οι μπαταρίες θα πρέπει να αποδώσουν μέγιστη ισχύ: P batt Pκιν 14KW = = = 20,3KW n n n 0,85 0,9 0,9 kin inv b b οπότε το ρεύμα που θα παρέχουν κατά την ονομαστική λειτουργία του κινητήρα θα είναι I batt = Pbatt 20,3KW 105A V = 192V batt

127 Διαχείριση ρευμάτων στη φάση της ανύψωσης της τάσης Το υπολογισθέν ρεύμα των 105 Α θα πρέπει να οδηγηθεί στον κινητήρας περνώντας από το στάδιο της ανύψωσης της τάσης. Ένας μετατροπέας Buck/Boost θα ήταν αδύνατο να διαχειριστεί τέτοια ένταση ρεύματος, λόγω των περιορισμών που εισάγει το πηνίο που περιέχει. Η λύση βρίσκεται στην παράλληλη σύνδεση μετατροπέων Buck/Boost, στους οποίους το ρεύμα θα μοιράζεται. Επιλέχθηκε η κατασκευή μετατροπέων που θα αναλαμβάνουν ισχύ 2 KW έκαστος για να μην υπάρχει πρόβλημα κατά τη διαχείριση τους. Ορίζεται έτσι ρεύμα: I boost, in = Pboost 2KW 10,5A V = 192V boost, in Σε κάθε έναν παράλληλο κλάδο της συνδεσμολογίας, γεγονός που απαιτεί τη σύνδεση 10 τέτοιων μετατροπέων για να μπορέσει να αποδοθεί το ρεύμα ονομαστικής λειτουργίας από τις μπαταρίες. Βαθμός υβριδοποίησης Με δεδομένα την ισχύ του ηλεκτροκινητήρα και την ισχύ του βενζινοκινητήρα υπολογίζεται ο βαθμός υβριδοποίησης του οχήματος. 14KW βαθμός _ υβριδοποίησης = = 17% 82KW Που προσδίδει τον χαρακτηρισμό του ήπιου υβριδικού στο όχημά μας Συμπεριφορά του συστήματος Το σύστημα που κατασκευάστηκε θα έχει τις εξής δυνατότητες, όσον αφορά την κίνηση του οχήματος: Το όχημα θα μπορεί να εκκινεί και να επιταχύνει έως μία ταχύτητα των περίπου 20 km/h με την ισχύ του ηλεκτροκινητήρα μόνο. Για την πραγματοποίηση της αμιγώς ηλεκτρικής κίνησης ο βενζινοκινητήρας θα πρέπει να αποσυμπλέκεται από το σύστημα μετάδοσης, και αυτό επιτυγχάνεται με την επιλογή νεκράς σχέσης στο κιβώτιο ταχυτήτων. Ο οδηγός στέλνει εντολές στο κύκλωμα ελέγχου μέσω του περιστροφικού διακόπτη, που λειτουργεί όπως το πεντάλ γκαζιού. Σε αύξηση ο κινητήρας

128 θα παράγει ροπή και θα επιταχύνει το όχημα και σε μείωση της αναφοράς το όχημα θα επιβραδύνει. Για την κίνηση σε ταχύτητες άνω των 20 km/h, ο ηλεκτροκινητήρας περνά σε περιοχή λειτουργίας που, λόγω αραίωσης πεδίου, μειώνεται η παραγόμενη ροπή του. Για τη γρήγορη επιτάχυνση του οχήματος και για κίνηση με υψηλές ταχύτητες, ο βενζινοκινητήρας συμβάλλει στην πρόωση του οχήματος. Είναι στην κρίση του οδηγού για το ποια ταχύτητα θα επιλέξει στο κιβώτιο ταχυτήτων για τη σύμπλεξη του κινητήρα με τους τροχούς. Κατά την επιβράδυνση του οχήματος ο ηλεκτροκινητήρας, με την μείωση της ροπής αναφοράς του περνά σε λειτουργία γεννήτριας, επιστρέφοντας ρεύμα στις μπαταρίες για τη φόρτισή τους. Ενέργεια προς τις μπαταρίες θα διοχετευθεί και κατά την κίνηση του οχήματος με σταθερή ταχύτητα εάν τεθεί μικρή ροπή αναφοράς στον κινητήρα χωρίς να μειωθεί το παραγόμενο έργο της μηχανής εσωτερικής καύσης. Σε αυτή την περίπτωση ένα μέρος της ενέργειας που προκύπτει από την καύση της βενζίνης θα αποδοθεί στην φόρτιση των συσσωρευτών. Τονίζεται ότι ο βενζινοκινητήρας θα πρέπει να είναι σε λειτουργία καθ όλη τη διάρκεια της κίνησης του οχήματος, καθώς είναι απαραίτητο να τροφοδοτεί τα υποσυστήματα του υδραυλικού τιμονιού και των υδραυλικών φρένων, που παίρνουν ενέργεια από ιμάντα που προσαρτάται στο στρόφαλο του.

129 Κεφάλαιο 6ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΣΥΓΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ [53] [66] 6.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται ανάλυση των μεθόδων ελέγχου της συμπεριφοράς ενός ασύγχρονου κινητήρα, με τον προσδιορισμό είτε των στροφών του, είτε της ροπής που παράγει. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στον Άμεσο Έλεγχο Ροπής, που είναι η μεθοδολογία που επιλέχθηκε να εφαρμοστεί στην παρούσα εργασία. 6.2 Έλεγχος με μεταβολή των χαρακτηριστικών της τροφοδοσίας Σε όλα τα ηλεκτροκινητήρια συστήματα απαιτείται η εκκίνηση του ηλεκτρικού κινητήρα και ο προσδιορισμός των στροφών λειτουργίας του ή της παραγόμενης ροπής του. Σε παλαιότερες σχεδιάσεις, ο ηλεκτροκινητήρας, συνδεδεμένος σε σταθερή τροφοδοσία, επιλεγόταν με αυξημένη διαστασιολόγηση ώστε να μπορεί να οδηγήσει το φορτίο του σε όλη την κλίμακα των στροφών του. Οι σχεδιάσεις αυτές είχαν ως αποτέλεσμα το χαμηλό βαθμό απόδοσης του συστήματος, καθώς στο μεγαλύτερο χρονικό διάστημα η παραγόμενη ροπή ήταν μεγαλύτερη από τις απαιτήσεις του φορτίου. Επίσης, και ιδιαίτερα για τους ασύγχρονους κινητήρες, το εύρος στροφών μόνιμης λειτουργίας περιοριζόταν στο 80 έως 100% των ονομαστικών στροφών εξ αιτίας της σταθερής συχνότητας και του δεδομένου αριθμού των πόλων της μηχανής. Κατά την εκκίνηση τους τα συστήματα αυτά, τραβούν πολύ μεγάλα ρεύματα σε σχέση με το ρεύμα ονομαστικής λειτουργίας λόγω της απουσίας ηλεκτρομαγνητικής δύναμης μέχρι η μηχανή να αποκτήσει κάποιο αριθμό στροφών. Τα αυξημένα ρεύματα με τη σειρά τους προκαλούν υπερθερμάνσεις στα τυλίγματα της μηχανής που μπορεί να καταλήξουν σε πρόκληση βλαβών. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό, συναντάται κατά την επίτευξη των ονομαστικών στροφών, και όταν το φορτίο είναι μικρότερο από αυτό για το οποίο σχεδιάστηκε να αναλαμβάνει το σύστημα. Σε αυτήν την περίπτωση, ο συντελεστής ισχύος της μηχανής είναι μικρός (μικρότερος της μονάδος) και στον

130 κινητήρα εμφανίζονται επαγωγικά ρεύματα υψηλότερα των πραγματικών ρευμάτων, γεγονός που δεν είναι επιθυμητό για το κινητήριο σύστημα. Στην τελευταία περίπτωση κάνουν την εμφάνιση τους εντονότερα υψηλότερες αρμονικές στα ρεύματα, που συντελούν στην αυξημένη καταπόνηση των μερών του κινητήρα. Για την αντιμετώπιση των ανωτέρω θεμάτων απαιτήθηκαν πιο εξελιγμένες μέθοδοι ελέγχου των κινητήρων. Με την πρόοδο στις τεχνολογίες των ημιαγωγικών στοιχειών αλλά και την πρόοδο στα υπολογιστικά συστήματα, που επέτρεψε την εξέλιξη μικροελεγκτών, ικανών για πολύπλοκους υπολογισμούς σε πραγματικό χρόνο, κατέστη δυνατή η υλοποίηση συστημάτων τροφοδοσίας μεταβλητής συχνότητας. Τα συστήματα αυτά μπορούν να ελέγξουν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ασύγχρονων μηχανών όπως αριθμό στροφών ή παραγόμενη ροπή. 6.3 Οδηγοί μεταβλητής συχνότητας Ένα κύκλωμα οδήγησης μεταβλητής συχνότητας για έναν ασύγχρονο κινητήρα αποτελείται από ημιαγωγικούς διακόπτες (IGBT, MOSFET, Thyristor κ.ά.), οι οποίοι συνθέτουν τον αντιστροφέα, ένα μικροϋπολογιστικό σύστημα και μετρητικές διατάξεις που εξαρτώνται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Η βασική λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος είναι σαν μία γεννήτρια συχνοτήτων, που θα μεταβάλλει και την ταχύτητα του κινητήρα σύμφωνα με τις εντολές του χρήστη. Ο αντιστροφέας, υπό τον έλεγχο του μικροελεγκτή, μετατρέπει την τροφοδοσία συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη μεταβλητού πλάτους και συχνότητας. Το σύστημα του μικροελεγκτή μπορεί να επιτελεί και άλλες λειτουργίες όπως προστασία των διατάξεων, ακριβή έλεγχο θέσης ή στροφών, επίβλεψη της θερμοκρασίας. Είναι δυνατόν με τις σύγχρονες τεχνολογίες στα μικροϋπολογιστικά συστήματα να ολοκληρωθούν όλες οι λειτουργίες σε ένα κύκλωμα. Ο ονομαστικός αριθμός στροφών του κινητήρα είναι ανάλογος της συχνότητας τροφοδοσίας και αντιστρόφως ανάλογος του αριθμού των ζευγών πόλων του στάτη του κινητήρα. Δεδομένου του αριθμού των πόλων, οι στροφές του κινητήρα μπορούν να ελεγχθούν με τη μεταβολή της συχνότητας τροφοδοσίας. Κατά τη μείωση της συχνότητας, μειώνεται όμως και η εμπέδηση των τυλιγμάτων του κινητήρα, γεγονός που προκαλεί αύξηση των ρευμάτων και της

131 ηλεκτρομαγνητικής ροής, που μπορεί να ξεπεράσει τα όρια του κορεσμού. Με την ταυτόχρονη μείωση του πλάτους της τροφοδοσίας, επιτυγχάνεται η διατήρηση της ροής σε επιτρεπτά επίπεδα. Δεδομένου ότι η παραγόμενη ροπή είναι ανάλογη της ηλεκτρομαγνητικής ροής στο διάκενο, αυτή παραμένει σχεδόν σταθερή σε όλο το φάσμα λειτουργίας. Εικόνα 6.1 Χαρακτηριστικές ροπής και ισχύος συναρτήσει των στροφών του κινητήρα Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, το πλάτος της τάσης (και μαζί της η συχνότητα τροφοδοσίας) μεταβάλλεται με σταθερό ρυθμό μέχρι τις ονομαστικές στροφές του κινητήρα (base speed). H ροή και η ροπή στο εύρος αυτό παραμένουν σταθερές. Πέραν των ονομαστικών στροφών, το πλάτος της τροφοδοσίας δεν μπορεί να αυξηθεί και εμφανίζεται αραίωση πεδίου (field weakening) που συντελεί και στη μείωση της ροπής. 6.4 Πλεονεκτήματα ελέγχου μεταβλητής συχνότητας Με την επιλογή του ορθού λόγου U/f για την τροφοδοσία του κινητήρα, το ρεύμα εκκίνησης μπορεί να κρατηθεί υπό έλεγχο. Αυτό συντελεί στην προστασία της πηγής τροφοδοσίας αλλά και στην αποφυγή υπερθέρμανσης του κινητήρα. Προκύπτει επίσης δυνατότητα προστασίας από υπερρεύματα, λειτουργία πολύ χρήσιμη κατά την οδήγηση φορτίων με μεγάλη ροπή αδρανείας. Το εύρος λειτουργίας του κινητήρα αυξάνεται καθώς η διαθέσιμη ροπή εμφανίζεται σε μεγαλύτερο εύρος στροφών. Δίνεται επομένως η δυνατότητα να

132 προσδιοριστεί το σημείο λειτουργίας, ώστε να βελτιωθεί και αποδοτικότητα του συστήματος. Τα μεταβατικά φαινόμενα καθ όλο το εύρος λειτουργίας είναι πιο ομαλά, εκτός από μια περιοχή κοντά στις μηδενικές στροφές, όπου οι δεδομένες απώλειες επιβάλλουν μία συγκεκριμένη τροφοδοσία και μία ελάχιστη ροπή ώστε να υπερκαλυφθεί η αρχική ροπή αδρανείας. Με τις κατάλληλες επεμβάσεις στον έλεγχο μπορούν να βελτιστοποιηθεί επίσης ο συντελεστής ισχύος καθώς και να απαλειφθούν οι ανώτερες αρμονικές. Εμποδίζεται, πρόσθετα, η μετάδοση των κυματώσεων ανάμεσα στην τροφοδοσία και στον κινητήρα. Με την ενσωμάτωση κυκλωμάτων ανάδρασης, το κύκλωμα ελέγχου αποτελεί ένα ευφυές σύστημα που μπορεί να μεταβάλει τη συχνότητα και το πλάτος της τροφοδοσίας συναρτήσει του φορτίου και των εκάστοτε δεδομένων εισόδου. Δίνεται, επίσης, η ευκαιρία λειτουργίας της μηχανής κατά τις δύο φορές περιστροφής της αλλά και της χρήσης της για πέδη, χωρίς την επέμβαση κάποιου εξωτερικού μηχανικού κυκλώματος φρένου. Η πέδη αυτή είναι σαφώς πιο αποδοτική σε σχέση με τη μηχανική πέδη, αφού απουσιάζουν τα υλικά τριβής που απαιτούν συχνή συντήρηση και είναι πηγή θερμότητας. Κατά την πέδη δύναται ο κινητήρας να μετατρέψει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική και να την επιστρέψει στην πηγή τροφοδοσίας. Η λειτουργία αυτή δεν είναι παρά η αναγεννησιακή πέδη, τυπικό χαρακτηριστικό των ηλεκτρικών οχημάτων, όπως παρουσιάζεται και στο αντίστοιχο κεφάλαιο. 6.5 Λειτουργία ασύγχρονης μηχανής Για την ανάλυση της λειτουργίας της ασύγχρονης μηχανής υιοθετούμε ένα μαθηματικό μοντέλο που εκφράζει τις εξαρτήσεις των χαρακτηριστικών μεγεθών της. Για μια πρώτη προσέγγιση λαμβάνεται σύστημα αναφοράς που λαμβάνει υπ όψιν τους άξονες a, b, c, ο κάθε ένας εκ των οποίων αντιστοιχεί σε ένα από τα τρία φασικά τυλίγματα του στάτη. Ο άξονας αναφοράς του συστήματος είναι ακίνητος

133 Εικόνα 6.2 Σύστημα ανάφορας με άξονες a, b, c της αύγχρονης μηχανής Ορίζονται οι κάτωθι γωνίες για την περιγραφή των ηλεκτρικών μεγεθών του κινητήρα: θs: γωνία μεταξύ του διανύσματος της ροής του στάτη και του άξονα αναφοράς θr: είναι η γωνία μεταξύ του διανύσματος της ροής του δρομέα και του άξονα αναφοράς θ= θs θr η γωνία που σχηματίζουν τα δύο πεδία μεταξύ τους Για την περιγραφή της λειτουργίας του ασύγχρονου κινητήρα με μαθηματικές εξισώσεις γίνονται οι εξής παραδοχές: ο στάτης και ο δρομέας φέρουν συμμετρικό τριφασικό τύλιγμα έκαστος, με διαφορά 120ο μεταξύ των φάσεων οι ωμικές αντιστάσεις, οι επαγωγές και οι αμοιβαίες επαγωγές θεωρούνται σταθερές, δηλαδή ανεξάρτητες της τιμής των ρευμάτων που τις διαρρέουν και της θερμοκρασίας το μαγνητικό πεδίο στο διάκενο, μεταξύ στάτη και δρομέα, θεωρείται ημιτονοειδώς κατανεμημένο και αμελούνται οι ανώτερες αρμονικές που οφείλονται στις αυλακώσεις οι απώλειες τριβών και σιδήρου θεωρούνται αμελητέες

134 θεωρούμε ότι η προς ανάλυση μηχανή φέρει δύο πόλους, δίχως όμως να παύει να ισχύει για μηχανή μεγαλύτερου αριθμού πόλων Μία πλήρη περιστροφή του δρομέα εκφράζεται σε μία περίοδο του μαγνητικού πεδίου του διακένου, η οποία με τη σειρά της αντιστοιχεί σε πλήρη ηλεκτρική γωνία ίση με 2π. Μεταξύ ηλεκτρικής και γεωμετρικής γωνίας ισχύει η σχέση: ϑ el = p ϑ g, όπου p είναι ο αριθμός των ζευγών πόλων και για την ανάλυσή μας προκύπτει για p=1 ότι ϑ el = ϑ g. Ο αριθμός στροφών του κινητήρα υπολογίζεται από τον τύπο: 1 1 dθ n = (6.1) 2π p dt Οι φασικές τάσεις του στάτη δίνονται από τη σχέση: ua RS 0 0 ia Ψ a d u b 0 RS 0 i = b + b dt Ψ (6.2) u 0 0 R c S i c Ψc d = + Ψ (6.3) dt η οποία μπορεί να γραφεί και ως εξής: [ U ] [ R ] [ I ] [ ] abc S abc abc Αντίστοιχα οι φασικές τάσεις του δρομέα δίνονται από τη σχέση: u ' A R' R 0 0 i' A Ψ A d u' B 0 R' R 0 i' = B + B dt Ψ (6.4) u ' C 0 0 R' R i' C ΨC d = + Ψ (6.5) dt η οποία μπορεί να γραφεί και ως εξής: [ U ' ] [ R' ] [ I' ] [ ' ] ABC R ABC ABC Οι μαγνητικές ροές υπολογίζονται σύμφωνα με τις σχέσεις: Ψa Laa Lab Lac ia LaA LaB LaC i' A b Lba Lbb L bc i b LbA LbB L bc i' Ψ = + B (6.6) Ψ Lca Lcb L cc i c LcA LcB L cc i' c C Ψ A LAa LAb LAc ia LAA LAB LAC i' A B LBa LBb L Bc i b LBA LBB L BC i' Ψ = + B Ψ C LCa LCb L Cc i c LCA LCB L CC i' C οι οποίες μπορούν να γραφούν αντίστοιχα και ως εξής: [ ] [ L ] [ I ] [ L ] [ I ] Ψ = + (6.8) abc S abc SR ABC [ ] [ L ] [ I ] [ L ] [ I ] Ψ = + (6.9) ABC RS abc R ABC (6.7)

135 Όλες οι παραπάνω εξισώσεις μπορούν να γραφούν συνοπτικά στις μορφές: [ S] [ ' ] [ Ψ S] [ Ψ ' ] u RS 0 is d = u R 0 R' + R i' (6.10) R dt R και [ ] [ ' ] [ ] [ ] [ ] [ ] Ψ S LSS LSR is = R LRS L RR i' (6.11) Ψ R Στις παραπάνω σχέσεις οι συμβολισμοί αντιστοιχούν στα εξής μεγέθη: R S η ωμική αντίσταση του στάτη R R η ανηγμένη στον στάτη ωμική αντίσταση του δρομέα για δρομέα βραχυκυκλωμένου κλωβού ισχύει: u a = u b =u c για τους συντελεστές αμοιβαίας επαγωγής ισχύει: L ik = L ki οι συντελεστές αυτεπαγωγών L aa, L bb, L cc, L AA, L BB, L CC, καθώς και οι συντελεστές αμοιβαίων επαγωγών του στάτη L ab, L ac, L bc και του δρομέα L AB, L AC, L BC είναι χρονικά σταθερές, επειδή η γεωμετρική τους θέση είναι σταθερή όλες οι (υπόλοιπες) αμοιβαίες επαγωγές μεταξύ στάτη και δρομέα είναι συναρτήσεις της γωνίας ϑ και συνεπώς συναρτήσεις του χρόνου Η τελευταία παρατήρηση έχει σαν αποτέλεσμα να γίνεται πιο περίπλοκος ο υπολογισμός των ροών και των τάσεων και έτσι ο έλεγχος καθίσταται δυσκολότερος. Για να απλοποιηθεί η διαδικασία της ανάλυσης υιοθετείται ένα περιστρεφόμενο σύστημα αναφοράς. 6.6 Σύστημα αναφοράς Clarke Park Υιοθετώντας έναν περιστρεφόμενο άξονα αναφοράς που συμπίπτει με το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου του στάτη, μπορούμε να δούμε τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά μεγέθη ως συνεχή. Ως σταθερές εμφανίζονται ακόμα οι γωνίες μεταξύ στάτη και δρομέα. Η μεταπήδηση σε αυτό το σύστημα αναφοράς επιτρέπει την ευκολότερη ανάλυση του κινητήρα, καθώς οι τιμές των επαγωγιμοτήτων παραμένουν αμετάβλητες σε χρονικές μεταβολές. Για να μετατρέψουμε το αρχικό μας σύστημα των τριών φάσεων σε ένα σύστημα με δύο ορθογώνιους άξονες περνάμε αρχικά σε μετατροπή των τριών φάσεων του

136 κινητήρα σε δύο, στο σύστημα αναφοράς του Clarke, και έπειτα στο σύστημα αναφοράς του Park, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Εικόνα 6.3 Μεταβάσεις μεταξύ των συστημάτων αναφοράς Για του τελικούς υπολογισμούς χρησιμοποιείται η μήτρα μετασχηματισμού του Park, η οποία έχει την ακόλουθη μορφή: [ ] 1 2π 2π cosθx cos θx + cos θx π 2π = sinθ sin θ + sin θ (6.12) M X x x x όπου ο δείκτης x αναφέρεται είτε στο στάτη (S) είτε στο δρομέα (R). Έτσι, με την υιοθέτηση των αξόνων d και q, οι γωνίες ϑ S και ϑ R θα ορίζονται με αναφορά τον άξονα d. Ο άξονας d συμπίπτει με το διάνυσμα της μαγνητικής ροής του στάτη.

137 Εικόνα 6.4 Μοντέλο τριφασικής ασύγχρονης μηχανής σε σύστημα d q [32] Με τη χρήση του μετασχηματισμού Park, η εξίσωση της τάσης στο στάτη της μηχανής γίνεται: d = + Ψ (6.13α) dt [ M ] [ U ] [ M ] [ R ] [ I ] [ M ] [ ] S abc S S abc S abc d = + Ψ (6.13β) dt [ M ] [ U ] [ R ] [ M ] [ I ] [ M ] [ ] S abc S S abc S abc Θέτουμε: [ ] [ ] = U Sdq0 M U S abc (6.14) [ ] [ ] = I Sdq0 M I S abc (6.15) [ M ] [ ] Ψ Sdq0 = S Ψabc (6.16)

138 Παραγωγίζοντας τη σχέση 6.15 προκύπτει: d d Sdq0 [ MS ] [ abc ] [ MS ] d [ abc ] dt Ψ = Ψ + Ψ dt dt d d d Ψ = Ψ Ψ dt dt dt [ M ] [ ] [ M ] [ ] S abc Sdq0 S abc [ M ] [ ] [ M ] [ M ] 1 ( ) d d d Ψ = Ψ Ψ dt dt dt S abc Sdq0 S S Sdq Ψ Sq d d i θ Ψ = dt dt Ψ Ψ [ M ] [ ] 0 S abc Sdq S Sd Ψ Sq d d i θ Ψ = Ψ Ψ dt dt (6.17) 0 [ M ] [ ] 0 S abc Sdq S Sd Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει λοιπόν για το στάτη: Ψ d i U = [ R ] I + Ψ θ Ψ dt 0 Sdq0 S Sdq0 Sdq0 S Sd και για το δρομέα: Sq (6.18) Ψ d i U = [ R' ] I + Ψ θ Ψ dt 0 Rdq0 R Rdq0 Rdq0 R Rd Rq (6.19) Οι παραπάνω δύο σχέσεις μπορούν να γραφούν και συνοπτικά: [ ] d dt Udq0 = R I dq0 + Ψdq0 ω Ψ dq0 (6.20) Λόγω του μετασχηματισμού που εφαρμόστηκε στις αρχικές εξισώσεις, τα περισσότερα στοιχεία της μήτρας των επαγωγιμοτήτων είναι μηδενικά, αφού οι επαγωγιμότητες δε μεταβάλλονται πλέον συναρτήσει του χρόνου. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή που αναπτύσσεται περιγράφεται από τη σχέση: p Mel = θs ( isd Sq isq Sd ) θr ( i' Rd Rq i' Ψ Ψ + Ψ Rq ΨRd ) θ (6.21) και ο αριθμός στροφών του κινητήρα είναι: Ω= (6.22) p θ

139 Μέθοδοι ελέγχου Οι κυριότερες μέθοδοι ελέγχου ασύγχρονων κινητήρων, οι οποίες αξιοποιούν τεχνολογίες ημιαγωγικών διακοπτών είναι οι εξής: Βαθμωτός έλεγχος (Scalar Control ή U/f Control) Διανυσματικός ή έμμεσος έλεγχος (Vector Control) Άμεσος έλεγχος ροπής (Direct Torque Control DTC) Βαθμωτός έλεγχος Ο έλεγχος αυτός αναφέρεται και ως έλεγχος σταθερού λόγου τάσης προς συχνότητα. Το πλάτος της τάσης και η συχνότητα της είναι εξωτερικές μεταβλητές που ελέγχονται απ ευθείας ενώ το κύκλωμα ελέγχου του αντιστροφέα φροντίζει για την διατήρηση του λόγου των δύο μεταβλητών σε σταθερό επίπεδο, ώστε να μπορεί η μηχανή να παράγει ροπή σε κάθε σημείο λειτουργίας. Σε περίπτωση που ο λόγος αυτός δεν διατηρηθεί, τα μαγνητικά χαρακτηριστικά της μηχανής αλλοιώνονται και μπορεί να εισέλθει στον κόρο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα επαγωγικά φορτία παρουσιάζουν εμπέδηση ανάλογη της συχνότητας, για να αποφευχθεί οπότε η υπέρβαση του ονομαστικού ρεύματος, πρέπει να μεταβάλλεται η ενεργός τιμή της τάσης ανάλογα προς τη συχνότητα. Επίσης, διατηρείται σταθερή η ροπή ανατροπής καθώς είναι ανάλογη του λόγου U/f. Εικόνα 6.5 Ρύθμιση στροφών ασύγχρονου κινητήρα [55]

140 Γενικά, ο έλεγχος αυτού του είδους δεν περιλαμβάνει κάποια ανάδραση (ανοιχτού βρόχου), γεγονός που μειώνει το κόστος της υλοποίησης του. Επειδή δεν απαιτείται ακριβής γνώση των χαρακτηριστικών της μηχανής, ο τύπος αυτός ελέγχου είναι αρκετά διαδεδομένος. Ως μειονέκτημα της μεθόδου χρεώνεται το ότι η ροπή που αναπτύσσει η μηχανή εξαρτάται από το φορτίο και δεν μπορεί να ελεγχθεί απ ευθείας. Η απόκριση σε αλλαγή κατάστασης είναι επίσης αργή, λόγω της δεδομένης μεθόδου έναυσης και σβέσης των στοιχείων. Στα μειονεκτήματα της μεθόδου χωρίς ανάδραση συγκαταλέγεται επίσης η αδυναμία ελέγχου σε περίπτωση ακινητοποίησης του δρομέα ενώ παρέχεται κάποια τροφοδοσία. Αν η ροπή που αναπτύσσει ο κινητήρας δεν επαρκεί για να εκκινήσει το φορτίο θα ρέουν μεγάλα ρεύματα που θα προκαλέσουν υπερθέρμανση του κινητήρα. Για την επίτευξη ελέγχου σε τέτοιες περιπτώσεις απαιτείται η προσθήκη ανάδρασης, που θα επιστρέφει δεδομένα για την ταχύτητα του δρομέα, αυξάνοντας όμως την πολυπλοκότητα και το κόστος της εφαρμογής. Για την υλοποίηση του βαθμωτού ελέγχου εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές που περιγράφονται ακολούθως. Ημιτονοειδής διαμόρφωση πλάτους παλμών (Sinusoidal PWM) Στη μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης επιτυγχάνεται με την παροχή παλμών εναύσεως στα διακοπτικά στοιχεία, οι οποίοι έχουν μεταβλητό εύρος για να μεταβάλλουν αντίστοιχα και τα διαστήματα αγωγής των στοιχείων. Επειδή υπάρχει η απαίτηση της παροχής τάσης μορφής όσο το δυνατόν πιο ημιτονοειδούς, για την εξαγωγή των παλμών, λαμβάνεται ένα ημιτονοειδές σήμα, το οποίο συγκρίνεται με μια τριγωνική κυματομορφή για κάθε μία από τις φάσεις του στάτη, που απέχουν ανά δύο κατά 120 o. Όταν το ημιτονοειδές σήμα ξεπερνά την τιμή του τριγωνικού σήματος, τότε αποστέλλεται παλμός στο κατάλληλο ημιαγωγικό στοιχείο.

141 Εικόνα 6.6 Παλμοί με ημιτονοειδή διαμόρφωση πλάτους [55] Στα μειονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι το γεγονός ότι η πρώτη αρμονική της προκύπτουσας τάσης τροφοδοσίας έχει πλάτος μικρότερο του 90% της τροφοδοσίας. Επίσης, υπάρχει σαφής εμφάνιση ανώτερων αρμονικών. Διαμόρφωση πλάτους παλμών έξι σταδίων (Six step PWM) Οι διακοπτικές καταστάσεις του αντιστροφέα είναι στην συγκεκριμένη τεχνική έξι, που αν ακολουθηθούν με μία συγκεκριμένη σειρά μπορούν να προκαλέσουν την κίνηση του δρομέα του κινητήρα. Το βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η απουσία υπολογισμών που την κάνει ευκολότερα υλοποιήσιμη. Το πλάτος της προκύπτουσας τάσης είναι επίσης υψηλότερο σε σχέση με την προηγούμενη μέθοδο, και ξεπερνά το πλάτος της συνεχούς τάσης. Υπάρχει, όμως, ισχυρή επίδραση των αρμονικών συχνότητας κοντινής στη βασική που δεν μπορούν να εξομαλυνθούν από την επαγωγή του κινητήρα. Αυτές προκαλούν απώλεια ισχύος, κυμάτωση στην παραγόμενη ροπή και ασταθή λειτουργία σε χαμηλές στροφές.

142 Εικόνα 6.7 Παλμοδότηση και προκύπτουσες τάσεις κατά την εφαρμογή της six step PWM Διανυσματική διαμόρφωση πλάτους παλμών (Space Vector Modulation PWM SVMPWM) Στην τεχνική αυτή τα διανύσματα της τάσης των τριών φάσεων του κινητήρα μπορούν να μετατραπούν σε ένα στρεφόμενο διάνυσμα. Η περιστροφή του διανύσματος μπορεί να υλοποιηθεί από τον αντιστροφέα συντελώντας στη δημιουργία τριφασικών ημιτονοειδών σημάτων. Στα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η χαμηλότερη επίδραση των αρμονικών συχνοτήτων, όμως δεν υπάρχει πλήρης εκμετάλλευση του πλάτους της τροφοδοσίας συνεχούς. Επίσης είναι αυξημένη η πολυπλοκότητα των υπολογισμών που απαιτούνται για την υλοποίηση της μεθόδου. Διανυσματική διαμόρφωση πλάτους παλμών με υπερδιαμόρφωση (SVMPWM with Overmodulation) Σε αυτή τη τεχνική ελέγχου παράγεται ένα ημιτονοειδές σήμα η βασική αρμονική του οποίου έχει μεγαλύτερη τιμή από το πλάτος της συνεχούς τάσης στην είσοδο. Ως ελαττώματα χαρακτηρίζονται οι πολύπλοκοι υπολογισμοί, η κυμάτωση και ο θόρυβος από τις ανώτερες αρμονικές που εμφανίζονται στην πολική τάση. Παρόλα αυτά, ο βαθμός απόδοσης λόγω ανώτερων αρμονικών είναι βελτιωμένος συγκριτικά με την τεχνική διαμόρφωσης παλμών έξι σταδίων.

143 Διανυσματικός έλεγχος H ηλεκτρομαγνητική ροπή που παράγεται από έναν ασύγχρονο ηλεκτροκινητήρα οφείλεται στην αλληλεπίδραση του στρεφόμενου πεδίου, που δημιουργεί το τριφασικό τύλιγμα του στάτη, και των επαγόμενων στο δρομέα ρευμάτων. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στο διάκενο είναι συνάρτηση του χώρου και του χρόνου και τα επαγόμενα ρεύματα στο δρομέα δε μπορούν να διαχωριστούν σε συνιστώσες που δημιουργούν ροπή ή ροή. Στη μέθοδο του διανυσματικού ελέγχου τα διανύσματα των τριών φάσεων του ρεύματος μετατρέπονται από ένα στατικό σύστημα αναφοράς τριών αξόνων abc σε ένα ορθοκανονικό σύστημα δύο αξόνων d-q το οποίο έχει κατάλληλο προσανατολισμό και στρέφεται με το σύγχρονο αριθμό στροφών. Για τη μετατροπή αυτή χρησιμοποιείται ο μετασχηματισμός Clarke-Park, ο οποίος επιτρέπει το μετασχηματισμό των εναλλασσόμενων μεγεθών σε συνεχή μεγέθη. Με αυτό τον τρόπο το ρεύμα διαχωρίζεται σε δύο συνιστώσες οι οποίες είναι κάθετες μεταξύ τους, αυτήν που προκαλεί τη μαγνητική ροή και αυτήν που δημιουργεί την ηλεκτρομαγνητική ροπή. Ο άξονας d εκφράζει την ροή που παράγει το ρεύμα του στάτη και ο άξονας q εκφράζει τη παραγόμενη ροπή. Αυτός ο διαχωρισμός επιτρέπει τον ξεχωριστό έλεγχο αυτών των δύο παραμέτρων, με παρόμοιο τρόπο με αυτόν που εφαρμόζεται για τον έλεγχο μηχανών συνεχούς ρεύματος. Καθώς η παραγόμενη ροπή ελέγχεται μόνο μετά από μετασχηματισμού και όχι άμεσα σαν κύριο σήμα εισόδου, η μέθοδος αυτή ονομάζεται και έμμεσος έλεγχος ροπής. Αν εκμεταλλευτούμε την δυνατότητα που μας παρέχεται για ελεύθερη επιλογή συστήματος αναφοράς, τότε μπορούμε να εκφράσουμε τις εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία της μηχανής σε ένα ορθοκανονικό σύστημα που στρέφεται με το σύγχρονο αριθμό στροφών. Αυτή η επιλογή δικαιολογείται από τις απλοποιήσεις που μπορούν να γίνουν καθώς το μαγνητικό πεδίο στρέφεται με το σύγχρονο αριθμό στροφών. Έτσι μπορούμε να θεωρήσουμε ότι θs = ωs και θ R = ωr και οι σχέσεις 6.18 και 6.19 που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία της μηχανής μπορούν να γραφούν ως εξής: dψ Sd usd = RS isd + ωs Ψ Sq (6.23α) dt dψ Sq usq = RS isq + + ωs Ψ Sd (6.23β) dt

144 dψ Rd u' Rd = RR i' Rd + ωr Ψ Rq (6.24α) dt dψ Rq u' Rq = RR i' Rq + + ωr Ψ Rd (6.24β) dt Οι μαγνητικές ροές που προκύπτουν από το νέο σύστημα αναφοράς είναι οι ακόλουθες: ( ' ) Ψ = L i + L i' = L i + L i + i = L i +Ψ (6.25α) Sd S Sd h Rd Sσ Sd h Rd Sd Sσ Sd ad ( ' ) Ψ = L i + L i' = L i + L i + i = L i +Ψ (6.25β) Sq S Sq h Rq Sσ Sq h Rq Sq Sσ Sq aq ( ) Ψ = L i + L' i' = L i' + L i' + i = L i' +Ψ (6.26α) Rd h Sd R Rd Rσ Rd h Rd Sd Rσ Rd ad ( ) Ψ = L i + L' i' = L i' + L i' + i = L i' +Ψ (6.26β) Rq h Sq R Rq Rσ Rq h Rq Sq Rσ Rq aq Όπου Ψ a = Ψ ad +Ψaq η ροή στο διάκενο. Οι τεχνικές που βασίζονται στη μέθοδο του διανυσματικού ελέγχου κατηγοριοποιούνται βάσει δύο διαφορετικών κριτηρίων, αρχικά ως προς τον προσανατολισμό του συστήματος αναφοράς: Διανυσματικός έλεγχος με προσανατολισμό στη μαγνητική ροή του στάτη (Stator flux oriented control) Διανυσματικός έλεγχος με προσανατολισμό στη μαγνητική ροή του δρομέα (Rotor flux oriented control) Διανυσματικός έλεγχος με προσανατολισμό στη μαγνητική ροή του διακένου (Magnetizing flux oriented control) Και έπειτα με τον τρόπο με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτός ο προσανατολισμός: Έμμεσος διανυσματικός έλεγχος (Indirect Torque Control) Άμεσος διανυσματικός έλεγχος (Direct Torque Control) Συγκρίνοντας τις παραπάνω τεχνικές ελέγχου παρατηρείται ότι ο διανυσματικός έλεγχος με προσανατολισμό στο πεδίο του στάτη ή του δρομέα οδηγεί σε απλούστερες μαθηματικές εξισώσεις σε σχέση με αυτόν του διακένου, πράγμα που διευκολύνει την εφαρμογή τους σε ψηφιακό έλεγχο με μικροεπεξεργαστή. Στον έμμεσο διανυσματικό έλεγχο η γωνιακή θέση της μαγνητικής ροής του δρομέα ως προς αυτή του στάτη δε μετράται άμεσα, αλλά υπολογίζεται από ένα ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο και από μετρήσεις που γίνονται για τη ταχύτητα του δρομέα, το ρεύμα του στάτη και τη τάση του στάτη. Η συνήθης τεχνική που

145 εφαρμόζεται για τον υπολογισμό της μαγνητικής ροής του δρομέα βασίζεται στη σχέση ολίσθησης, στον υπολογισμό της οποίας χρησιμοποιείται η συχνότητα περιστροφής του δρομέα. Με αυτόν τον τρόπο προσδιορίζουμε έμμεσα τη ροή στο στάτη και την προσανατολίζουμε. Για αυτό το είδος ελέγχου απαιτείται αισθητήρας ταχύτητας (στροφόμετρο) και εφαρμόζεται σύστημα κλειστού βρόχου. Ως πλεονεκτήματα χαρακτηρίζονται η καλύτερη απόκριση της ροπής (συγκριτικά με τον βαθμωτό έλεγχο), η μέγιστη ροπή φορτίου από μηδενικό αριθμό στροφών και η ακρίβεια στον έλεγχο της ταχύτητας. Από την άλλη μεριά όμως, αυξάνεται η πολυπλοκότητα του αλγορίθμου για τον υπολογισμό της ταχύτητας σε πραγματικό χρόνο και το κόστος υλοποίησης εξαιτίας του συστήματος ανατροφοδότησης. Στον άμεσο διανυσματικό έλεγχο οι κάθετες συνιστώσες του πεδίου υπολογίζονται με βάση τα μετρούμενα μεγέθη της μηχανής και τις τελικές εξισώσεις της μηχανής που υπολογίστηκαν παραπάνω. Οι συνιστώσες σε πρώτη φάση υπολογίζονται για ένα ακίνητο σύστημα αναφοράς, το οποίο στη συνέχεια προσανατολίζεται στη ροή του στάτη ή του δρομέα ανάλογα με την εφαρμογή. Ο ακριβής υπολογισμός του διανύσματος της ροής κρίνει εν τέλει την αξιοπιστία και την ακρίβεια του ελέγχου. Εικόνα 6.8 Χαρακτηριστική ροπής κινητήρα για διάφορες τιμές της συχνότητας τροφοδοσίας που επιτυγχάνεται μέσω διανυσματικού ελέγχου

146 Άμεσος έλεγχος ροπής Η τελευταία και πιο σύγχρονη μέθοδος ελέγχου ασύγχρονων κινητήρων είναι ο Άμεσος Έλεγχος Ροπής. Πρόκειται και για τη μέθοδο που επιλέχθηκε στην παρούσα εργασία για τον έλεγχο των διακοπτικών στοιχείων και ως συνέπεια του κινητήρα. Όπως δηλώνει και το όνομα της μεθόδου, η άμεσα ελέγξιμη παράμετρος του κινητήρα είναι η ροπή που παράγει, μαζί με την ηλεκτρομαγνητική ροή που αναπτύσσει. Ο έλεγχος αυτός καθίσταται υλοποιήσιμος με τη χρήση ενός μοντέλου της ασύγχρονης μηχανής που υπολογίζει την τρέχουσα ροή και ροπή που παράγει ο κινητήρας, παίρνοντας πληροφορίες από τα φασικά ρεύματα του κινητήρα, το πλάτος της τροφοδοσίας και την τρέχουσα κατάσταση των διακοπτικών στοιχείων. Για την υλοποίηση του μοντέλου είναι, όμως αναγκαία η γνώση των χαρακτηριστικών της μηχανής. Έχοντας ως αναφορά εξωτερικά σήματα ροής και ροπής και μετά από σύγκρισή τους με τα τρέχοντα μεγέθη, η μέθοδος επιλέγει το βέλτιστο τρόπο παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων σύμφωνα με πίνακες αναφοράς που χαρακτηρίζουν τη μέθοδο. Ο Άμεσος Έλεγχος Ροπής παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα. Καταρχήν, με την απουσία προκαθορισμένου τρόπου παλμοδότησης, μπορούν να επιτευχθούν υψηλές ταχύτητες απόκρισης καθώς και μεγάλη ακρίβεια. Παρόλη την πολυπλοκότητα της μεθόδου, η υλοποίηση της γίνεται απλούστερη λόγω της δυνατότητας απουσίας συσκευών ανάδρασης. Με τη μέθοδο αυτή ο έλεγχος του ασύγχρονου κινητήρα γίνεται εξ ίσου απλός με αυτόν του κινητήρα συνεχούς ρεύματος. Τέλος, μειώνεται η πιθανότητα σφάλματος που μπορεί να προκαλέσει μηχανικές βλάβες. Στα μειονεκτήματα χρεώνεται η ύπαρξη κυμάτωσης στη ροή και στη ροπή λόγω της υστέρησης που εμφανίζουν οι αντίστοιχοι συγκριτές, καθώς και η εμφάνιση επίδρασης αρμονικών συχνοτήτων, ιδιαίτερα όταν η διακοπτική συχνότητα των στοιχείων είναι χαμηλή. Με την υιοθέτηση ασαφούς λογικής αντί του μαθηματικού μοντέλου η μέθοδος μπορεί να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο σε αυτούς τους τομείς.

147 Εφαρμογή της μεθόδου του Άμεσου Έλεγχου Ροπής Εφαρμογή της μεθόδου DTC Για τον έλεγχο του αντιστροφέα της εφαρμογής επιλέχθηκε η μέθοδος του Άμεσου Έλεγχου Ροπής. Επειδή η οδήγηση ενός κινητήρα επί οχήματος απαιτεί ακρίβεια, ταχεία απόκριση και αξιοπιστία, επιλέχθηκε η μέθοδος που σύμφωνα με τη βιβλιογραφία εμφανίζει τα βέλτιστα χαρακτηριστικά. Η μέθοδος αυτή δεν είναι τόσο κοινή όσο οι υπόλοιπες μέθοδοι ελέγχου ασύγχρονου κινητήρα, καθώς αποτελεί τελευταία εξέλιξη στο χώρο, όμως η υπάρχουσα βιβλιογραφία προσδιορίζει σε μεγάλο βαθμό τρόπους για τη σωστή εφαρμογή της μεθόδου. Εικόνα 6.9 Δομικό διάγραμμα του άμεσου ελέγχου ροπής Για την εφαρμογή του απαιτούνται η μέτρηση της συνεχούς τάσης τροφοδοσίας του αντιστροφέα καθώς και δύο εκ των τριών φασικών ρευμάτων του κινητήρα. Μετά από επεξεργασία των μετρήσεων, ο προγραμματιστικός αλγόριθμος υπολογίζει τη μαγνητική ροή της ηλεκτρικής μηχανής και τον προσανατολισμό αυτής, καθώς και την ηλεκτρομαγνητική ροπή του άξονα. Έπειτα τα μεγέθη αυτά

148 συγκρίνονται με τα μεγέθη αναφοράς που θέτουμε και αναλόγως παλμοδοτούνται τα εκάστοτε διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα. Το δομικό διάγραμμα του αμέσου έλεγχου ροπής που χρησιμοποιήθηκε παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Ακολουθούν όλα τα βήματα των υπολογισμών του Άμεσου Ελέγχου Ροπής με τις μαθηματικές τεκμηριώσεις τους Υπολογισμός τάσεων στάτη στο σύστημα d q Για τον υπολογισμό των συνιστωσών των φασικών τάσεων του στάτη στο σύστημα d q απαιτείται η μέτρηση της συνεχούς τάσης στην είσοδο του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος και η κατάσταση στην οποία βρίσκονται τα διακοπτικά στοιχεία ισχύος. Χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό του Park από τη σχέση (6.12) η τάση του στάτη υπολογίζεται: 2π 2π cos( ) cos( ) Va u θs + θs Sd 2 cosθs 3 3 V b u = Sq 3 sinθs 2π 2π (6.27) sin( θs + ) sin( θs ) V c 3 3 Οι στιγμιαίες φασικές τάσεις των τυλιγμάτων του στάτη είναι V a (t), V b (t) και V c (t). Θέτοντας θ S =0 έχουμε: us() t = usd() t + usq() t = Va() t Vb() t Vc() t j Vb() t j Vc() t us() t = Va() t + + j Vb() t + j Vc() t us() t = ( Va() t + avb() t + a Vc() t ) (6.28) 3 2π 4π 1 3 j j 3 όπου a= + j = e και a = j = e (6.29) Η τροφοδοσία της ασύγχρονης μηχανής παρέχεται στο τριφασικό τύλιγμα του στάτη το οποίο είναι συνδεδεμένο σε αστέρα, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα.

149 Εικόνα 6.10 Συνδέσεις αντιστροφέα με τον κινητήρα και την τροφοδοσία Η διαφορά δυναμικού μεταξύ του μέσου κάθε κλάδου και της γης είναι V DC όταν άγει ο πάνω διακόπτης ή 0 όταν άγει ο κάτω διακόπτης. Τη σχέση αγωγής ή όχι του κάθε διακόπτη την εκφράζουμε με την ακόλουθη εξίσωση: Sx 1 () t = (6.30) 0 όπου το 1 συμβολίζει ότι άγει το πάνω διακοπτικό στοιχείο ενώ το κάτω δεν άγει και το 0, αντιστρόφως, συμβολίζει ότι άγει το κάτω διακοπτικό στοιχείο ενώ το πάνω δεν άγει για τον κάθε κλάδο. Σημειώνεται ότι η λειτουργία των διακοπτών κάθε κλάδου είναι πάντα συμπληρωματική για την αποφυγή βραχυκύκλωσης της τροφοδοσίας. Οι φασικές τάσεις του κινητήρα μπορούν να γραφούν ως εξής: 1 Va() t = ( 2Sa Sb Sc) VDC(6.31α) 3 1 Vb() t = ( 2Sb Sa Sc) VDC (6.31β) 3 1 Vc() t = ( 2Sc Sa Sb) VDC (6.31γ) 3 Συνδυάζοντας την εξίσωση της τάσης του στάτη στο σύστημα d q (6.28) με τις εξισώσεις των φασικών τάσεων στο τριφασικό σύστημα (6.31) προκύπτει: 2 u V S S e S e 3 2π 2π j j 3 3 S = DC a + b + c (6.32)

150 η οποία αναλύεται στις δύο συνιστώσες: usd V = DC Sa Sb Sc (6.33) Και usq V = DC Sb Sc (6.34) Οι τιμές των τάσεων u Sd και u Sq μεταβάλλονται σύμφωνα με την εκάστοτε κατάσταση των έξι διακοπτών του αντιστροφέα. Συνολικά έχουμε 8 διαφορετικούς συνδυασμούς καταστάσεων των διακοπτικών στοιχείων οι οποίοι αντιστοιχίζονται σε διαφορετικές γωνίες στο διάνυσμα της τάσης και τους οποίους συμβολίζουμε με V 0, V 1, V 2, V 3, V 4, V 5, V 6 και V 7. Οι παραπάνω εξισώσεις μπορούν να γραφούν ως εξής: 2 usd = Vdc cosθ (6.35) 3 2 usq = Vdc sinθ (6.36) 3 όπου κπ θ = για κ = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (6.37) 3 Κάθε τιμή της γωνίας θ αντιστοιχεί σε μία τιμή του κ. Η απεικόνιση των διαφορετικών τιμών της τάσης συναρτήσει της γωνίας θ φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα. Σημειώνεται ότι τα διανύσματα V 0 και V 7 είναι μηδενικά και για αυτό το λόγο δεν εμφανίζονται. Εικόνα 6.11 Απεικόνιση διανυσμάτων διακοπτικών καταστάσεων αντιστροφέα

151 Υπολογισμός ρευμάτων στάτη στο σύστημα d q Για τον υπολογισμό των συνιστωσών των φασικών ρευμάτων του στάτη στο σύστημα d q απαιτείται η μέτρηση δύο εκ των τριών εναλλασσόμενων ρευμάτων τροφοδοσίας της μηχανής. Επειδή τα τρία τυλίγματα του στάτη είναι συνδεδεμένα κατά αστέρα, μπορούμε σύμφωνα με το νόμο του Kirchhoff να υπολογίσουμε το τρίτο: i + i + i = 0 i = ( i + i ) a b c c a b (6.38) Χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό του Park από τη σχέση (6.12) οι συνιστώσες των ρευμάτων του στάτη υπολογίζονται: 1 1 ia isd i b i = Sq i c 2 2 (6.39) δηλαδή i Sd = ia ib ic (6.40) και i Sq = ib ic (6.41) Από την σχέση (6.38), οι σχέσεις (6.40) και (6.41) απλοποιούνται: i Sd 2 = ia (6.42) 3 2 isd = ( ia 2ib ) (6.43) Υπολογισμός μαγνητικής ροής στάτη Για τον υπολογισμό της μαγνητικής ροής στο στάτη υπάρχουν δύο τρόποι: το μοντέλο του ρεύματος και το μοντέλο της τάσης. Σύμφωνα με το μοντέλο του ρεύματος η μαγνητική ροή υπολογίζεται: 1 Ψ S = ( Lh Ψ R + σ Lh is) (6.44) L R 1 Ψ R = Lh is j R R ΨR dt τ (6.45) όπου ( 1 ω τ ) R

152 Γενικά η μέθοδος αυτή δε συνίσταται επειδή η τιμή της μεταβλητής τ R μεταβάλλεται πολύ, αντίστοιχα με τη μεταβολή του αριθμού στροφών του κινητήρα. Σύμφωνα με το μοντέλο της τάσης η μαγνητική ροή υπολογίζεται: Ψ = V I R dt (6.46) ( ) S S S S Από την παραπάνω σχέση, γνωρίζοντας την τάση, το ρεύμα και την αντίσταση του στάτη, μπορούμε να υπολογίσουμε τη μαγνητική ροή. Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η μεταβολή της αντίστασης του στάτη συναρτήσει του αριθμού στροφών της μηχανής. Σε χαμηλό αριθμό στροφών η πτώση τάσης πάνω στα τυλίγματα του στάτη είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος της τάσης που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο στο στάτη. Αντιθέτως, σε υψηλό αριθμό στροφών η πτώση τάσης πάνω στα τυλίγματα θεωρείται αμελητέα σε σύγκριση με τη συνολική τάση τροφοδοσίας. Στο πρόγραμμα ελέγχου που υλοποιήθηκε, η πτώση τάσης πάνω στα τυλίγματα του στάτη θεωρήθηκε μηδενική για λόγους απλοποίησης των πράξεων. Παρόλα αυτά δεν επηρεάζεται σημαντικά το αποτέλεσμα, καθώς ο μεγάλος λόγος μετάδοσης που χρησιμοποιείται από τον κινητήρα στους τροχούς του οχήματος (11.97/1), επιτρέπει την αποφυγή λειτουργία του πρώτου σε μικρο αριθμό στροφών. Επομένως προκύπτει η σχέση: Ψ S = Vdt S (6.47) Επειδή ο άμεσος έλεγχος ροπής υλοποιείται με τη χρήση μικροεπεξεργαστή, διακριτοποιείται το ολοκλήρωμα υπολογισμού της ροής και προκύπτουν οι δύο συνιστώσες του συστήματος d q ως εξής: Ψ =Ψ + V T (6.48α) Sd ( k+ 1) Sd ( k) Sd Ψ =Ψ + V T (6.48β) Sq ( k+ 1) Sq ( k) Sq όπου Τ ορίζεται το διάστημα ολοκλήρωσης που συμπίπτει με την περίοδο εκτέλεση ενός βρόχου υπολογισμών του μικροεπεξεργαστή. Σημειώνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή τόσο ακριβέστερη διακριτοποίηση έχουμε. 2 2 Η συνολική μαγνητική ροή ΨS υπολογίζεται: Ψ S = Ψ ( k) Sd +Ψ ( k) Sq (6.49) ( k)

153 Υπολογισμός τομέα εύρεσης του διανύσματος της ροής Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, για τον υπολογισμό της ροής που αναπτύσσεται στη μηχανή, στον άμεσο διανυσματικό έλεγχο, πρώτα υπολογίζουμε την τιμή της και έπειτα καθορίζουμε τον προσανατολισμό της. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, η προσέγγιση της γωνίας της ροής γίνεται με περιθώριο 60 ο λόγω των διαθέσιμων διακοπτικών καταστάσεων, μέσω των οποίων υπολογίζεται το διάνυσμα της τάσης (V 0 -V 7 ). Επειδή τα δύο από αυτά τα διανύσματα είναι μηδενικά απομένουν έξι, τα οποία ορίζουν έξι αντίστοιχους τομείς. Το μέγεθος της ροής, λοιπόν, θα εκφράζεται και αυτό από ένα διάνυσμα το οποίο θα περιστρέφεται και θα περνάει μέσα από αυτούς τους τομείς. Για να γνωρίζουμε κάθε στιγμή σε ποιον τομέα βρίσκεται το διάνυσμα της ροής, αρκεί να βρούμε τη γωνία που σχηματίζει με την αρχή των αξόνων του συστήματος d-q. Εικόνα 6.12 Μαγνητική ροή Ψ S Η γωνία της μαγνητικής ροής λοιπόν υπολογίζεται: θ ΨS sin Ψ 1 Sd = Ψ S (6.50α) και θ ΨS cos Ψ 1 Sq = Ψ S (6.50β)

154 Τα όρια των τομέων που προκύπτουν φαίνονται στην ακόλουθη εικόνα. Στον έλεγχο με χρήση του μικροεπεξεργαστή και για τον προσδιορισμό του τομέα συγκρίνεται η τιμή του ημιτόνου και συνημιτόνου της ροής με τις ακραίες τιμές των τομέων. Εικόνα 6.13 Όρια τομέων εκφρασμένα σε ημίτονα και συνημίτονα γωνιών Υπολογισμός ηλεκτρομαγνητικής ροπής Η ηλεκτρομαγνητική ροπή που αναπτύσσεται στον κινητήρα υπολογίζεται από τον τύπο: 3 M = p ( ISq ΨSd ISd Ψ Sq ) (6.51) 2 όπου p ο αριθμός των ζευγών πόλων της μηχανής.

155 Σύγκριση ροής και ροπής με τα μεγέθη αναφοράς Μετά τον υπολογισμό όλων τα απαραίτητων μεγεθών που χρησιμοποιεί η τεχνική DTC, ακολουθεί η σύγκριση των υπολογισθεισών τιμών της μαγνητικής ροής και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής με τα αντίστοιχα μεγέθη αναφοράς έτσι ώστε να διαπιστωθεί η επέμβαση που πρέπει να γίνει στην παλμοδότηση των στοιχείων ισχύος για να προσεγγιστεί η επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας της μηχανής. Η σύγκριση της μαγνητικής ροής γίνεται από έναν ελεγκτή, ο οποίος δέχεται ως είσοδο το διαφορικό σήμα της υπολογισθείσας ροής και της ροής αναφοράς και βγάζει ως έξοδο δύο δυνατές καταστάσεις: είτε την αύξηση είτε τη μείωση της ροής. Εικόνα 6.14 Ελεγκτής μαγνητικής ροής δύο καταστάσεων Η σύγκριση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής γίνεται αντίστοιχα από έναν ελεγκτή, ο οποίος δέχεται ως είσοδο το διαφορικό σήμα της υπολογισθείσας ροπής και της ροπής αναφοράς, αλλά εδώ η έξοδός του αποτελείται από τρεις δυνατές καταστάσεις: αύξηση, διατήρηση ή μείωση της ροπής. Η μεσαία κατάσταση επιτυγχάνεται με την εισαγωγή ενός εύρους υστέρησης («παράθυρο»), όπου όσο η διαφορά της παραπάνω σύγκρισης βρίσκεται εντός κάποιων συγκεκριμένων ορίων τότε ο έλεγχος δεν παρεμβαίνει στη μηχανή. Το παράθυρο αυτό συνεισφέρει στην εξομάλυνση της κυμάτωσης της ροπής που αναπτύσσεται στη μηχανή. Όσο γρηγορότερος είναι ο μικροεπεξεργαστής και συνεπώς η περίοδος παρέμβασης στην κατάσταση λειτουργίας του αντιστροφέα τόσο μικρότερο επιτρέπεται να είναι το εύρος υστέρησης.

156 Εικόνα 6.15 Ελεγκτής ροπής τριών καταστάσεων Επιλογή διανύσματος τάσης Με τα δεδομένα που προέκυψαν από την προηγούμενη βαθμίδα, αυτή των συγκρίσεων, ο αλγόριθμος υπολογισμού συνεχίζει με την επιλογή της νέας κατάστασης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα η οποία θα αποδώσει το βέλτιστο διάνυσμα για την τροφοδοσία της μηχανής με την κατάλληλη τάση. Συγκεκριμένα, καθώς το διάνυσμα της μαγνητικής ροής του στάτη περιστρέφεται, ανά πάσα στιγμή μπορούμε να το επιταχύνουμε ή να το επιβραδύνουμε, καθώς επίσης και να μεταβάλλουμε το μέτρο του, με την πρόσθεση σε αυτό ενός κατάλληλου διανύσματος. Η γωνιακή ταχύτητα του διανύσματος της ροής έχει άμεση σχέση με τη ροπή που παράγει ο κινητήρας: dω Mel Mload = J (6.52) dt Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο μπορούμε να επέμβουμε για να διορθώσουμε το διάνυσμα της ροής του στάτη. Ανάλογα με τη σχετική διόρθωση που προκύπτει από τους δύο ελεγκτές που αναφέραμε, επιλέγεται ένα από τα οχτώ διανύσματα τάσης τα οποία αντιστοιχούν σε μία από τις οχτώ διακοπτικές καταστάσεις του αντιστροφέα.

157 Εικόνα 6.16 Διόρθωση διανύσματος μαγνητικής ροής Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, στο οποίο το διάνυσμα της ροής βρίσκεται στον πρώτο τομέα, εάν θέλουμε να αυξήσουμε τη ροή επιλέγουμε ένα από τα διανύσματα V 1, V 2 ή V 6 τα οποία με την εφαρμογή τους αυξάνουν το μέτρο της Ψ S (στο σχήμα έχουμε λ S ). Εάν επίσης θέλουμε να αυξήσουμε ταυτόχρονα και τη ροπή θα πρέπει να επιλέξουμε το διάνυσμα V 2 το οποίο τείνει να περιστρέψει το διάνυσμα της ροής προς την ίδια φορά με μεγαλύτερη ταχύτητα. Παρόμοιες επιλογές διανυσμάτων γίνονται για οποιαδήποτε μεταβολή της ροής και της ροπής, σε οποιονδήποτε τομέα. Ο ακόλουθος πίνακας παρουσιάζει τον τρόπο με τον οποίο επιλέγονται τα εκάστοτε διανύσματα σε κάθε περίπτωση. Πίνακας 6.1 Πίνακας επιλογής διανύσματος

158 Η τριάδα των αριθμών που αντιστοιχεί σε κάθε διάνυσμα εκφράζει ποιο διακοπτικό στοιχείο άγει από κάθε κλάδο (S a, S b, S c ). Έτσι προσδιορίζεται η συνολική κατάσταση των διακοπτών του αντιστροφέα. Σημειώνεται ότι τα διανύσματα V 0 και V 7 οδηγούν σε αποκοπή της τριφασικής μηχανής από την τροφοδοσία της συνεχούς τάσης. Στις επόμενες εικόνες παρουσιάζονται οι διακοπτικές καταστάσεις του αντιστροφέα και οι πολικές τάσεις που εφαρμόζονται στον ηλεκτροκινητήρα αντίστοιχα. Εικόνα 6.17 Απεικόνιση των οχτώ διακοπτικών καταστάσεων του αντιστροφέα Με τη μέθοδο αμέσου ελέγχου ροπής λοιπόν, προστίθενται με σταθερό ρυθμό τα διορθωτικά διανύσματα της μαγνητικής ροής και επιτυγχάνεται ο έλεγχος του κινητήρα. Ακολουθούν δύο διαγράμματα που απεικονίζουν την μεταβολή του διανύσματος της ροής κατά την εκτέλεση του Άμεσου Έλεγχου Ροπής Εικόνα 6.18 Μεταβολή διανύσματος ροής από την έναρξη της εκτέλεσης [65]

159 Εικόνα 6.19 Μείωση της ροής αναφοράς και προσαρμογή του διανύσματος της τρέχουσας μαγνητικής ροής [54]

160 Κεφάλαιο 7ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ [45],[53] [55] 7.1 Εισαγωγή Η πλειοψηφία των εφαρμογών των ασύγχρονων κινητήρων απαιτεί έλεγχο της λειτουργίας τους, προσδιορίζοντας είτε την ταχύτητα περιστροφής τους, είτε την παραγόμενη ροπή. Στην εφαρμογή που μελετάται στην εργασία αυτή, ο ηλεκτροκινητήρας θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να υπακούει στις εντολές του οδηγού για επιτάχυνση και επιβράδυνση. Προκύπτει λοιπόν η ανάγκη της υλοποίησης ενός κυκλώματος που θα ελέγχει τις παραμέτρους λειτουργίας του κινητήρα, προσδιορίζοντας συνεχώς την τροφοδοσία που παρέχεται σε αυτόν. Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, το έργο αυτό αναλαμβάνει ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, συνεχούς σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση (3 phase DC AC Inverter) που αποτελείται από διακοπτικά στοιχεία ελεγχόμενα από κύκλωμα μικροελεγκτή, ο οποίος για συντομία θα αναφέρεται και ως αντιστροφέας. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί θα γίνει ανάλυση της δομής του με αναφορά στις επιλογές των στοιχείων και τη λειτουργία τους, καθώς και στον τρόπο κατασκευής και του. Τέλος, θα γίνει αναφορά στη διαδικασία προγραμματισμού του μικροελεγκτή, ώστε να εφαρμοστεί ο Άμεσος Έλεγχος Ροπής μέσω του συγκεκριμένου αντιστροφέα. 7.2 Κατασκευαστικά στοιχεία Τα κατασκευαστικά μέρη για την υλοποίηση ενός αντιστροφέα είναι τα εξής: Γέφυρα ημιαγωγικών στοιχείων και η ψύξη τους Πυκνωτές σταθεροποίησης τάσης Μικροηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου Καλωδιώσεις

161 Ηλεκτρική προστασία Εικόνα 7.1 Γέφυρα τριφασικού αντιστροφέα Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται η τριφασική γέφυρα που υλοποιείται από ημιαγωγικούς διακόπτες. Για την κατασκευή της, οι επιλογές ημιαγωγικών διακοπτών είναι αρκετές και καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα επιλογών. Οι διαφορές τους εντοπίζονται στο ρεύμα και στην τάση που μπορούν να διαχειριστούν, καθώς και στην διακοπτική συχνότητα στην οποία μπορούν αν ανταπεξέλθουν. Τα περισσότερο χρησιμοποιούμενα στοιχεία είναι τα ακόλουθα: Θυρίστορ (Thyristor ή Silicon Controlled Rectifier SCR). Η συχνότητα λειτουργίας είναι χαμηλή, της τάξης των khz για τα πιο γρήγορα στοιχεία. Η έναυση τους γίνεται με ένα μικρό θετικό παλμό ρεύματος, ενώ για τη σβέση τους απαιτείται το ρεύμα που τα διαρρέει να πέσει κάτω από μία ορισμένη τιμή (ρεύμα συγκράτησης), επομένως η διαδικασία σβέσης τους δεν είναι εξαναγκασμένη. GTO θυρίστορ (Gate Turn Off thyristor). Τα θυρίστορ αυτά λειτουργούν σε μεγαλύτερες συχνότητες. Η έναυση τους είναι όμοια με τα προηγολυμενα θυρίστορ αλλά για την σβέση τους απαιτούν έναν αρνητικό παλμό ρεύματος, γεγονός που ναι μεν κάνει τη διαδικασία της σβέσης εξαναγκασμένη, αλλά αυξάνει και την πολυπλοκότητα της εφαρμογής της. BJT ισχύος (Bipolar Junction Transistor power BJT). Τα στοιχεία αυτά έχουν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν σε υψηλότερες διακοπτικές συχνότητες,

162 όμως θέτουν περιορισμούς στην ισχύ που μπορούν αν διαχειριστούν. Η έναυση τους γίνεται με παλμούς τάσης. MOSFET ισχύος (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Τα στοιχεία αυτά είναι περισσότερο ανθεκτικά από τα BJT και λειτουργούν σε υψηλές περιοχές συχνοτήτων, με τρόπο όμοιο με τα BJT, όμως τα δεδομένα ισχύος τους παραμένουν σε σχετικά χαμηλά επίπεδα. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Συνδυάζουν τη στιβαρότητα με τη δυνατότητα υποστήριξης υψηλών διακοπτικών συχνοτήτων. Επιπλέον, παρουσιάζουν μικρότερες απώλειες και έχουν υψηλότερη τάση αποκοπής από τα υπόλοιπα είδη διακοπτών. Ο έλεγχος τους είναι σχετικα απλός, καθώς οδηγούνται από παλμούς τάσης. Ακολουθεί ένα διάγραμμα που εμφανίζει τις περιοχές λειτουργίας των διαθέσιμων διακοπτικών στοιχείων. Εικόνα 7.2 Περιοχές λειτουργίας των διαφόρων τύπων ημιαγωγικών διακοπτών Όσον αφορά τα υπόλοιπα μέρη του τριφασικού αντιστροφέα, αυτά ποικίλλουν από εφαρμογή σε εφαρμογή. Παρακάτω αναφέρονται οι επιλογές που έγιναν για να υλοποιηθεί το όλο κύκλωμα του αντιστροφέα της εφαρμογής.

163 Γέφυρα ημιαγωγικών στοιχείων Παρακάτω αναλύονται τα κατασκευαστικά μέρη της εξαπαλμικής γέφυρας, που αποτελείται από τα ημιαγωγικά στοιχεία, την ψύξη τους, και τους πυκνωτές που ενσωματώνουν, όπως φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα. Εικόνα 7.3 Κατασκευή γέφυρας ημιαγωγικών στοιχείων Ημιαγωγικά στοιχεία Για την υλοποίηση της γέφυρας απαιτείται η επιλογή τριών στοιχείων. Τα δεδομένα της εφαρμογής, δηλαδή οι τιμές των ρευμάτων τις οποίες τα στοιχεία έπρεπε να αναλάβουν, που φτάνουν τα 46 Α κατά την ονομαστική λειτουργία του κινητήρα, οι τάσεις εισόδου και εξόδου, στα 380 V και 265 V aαντίστοιχα και τη συνολική ισχύ των 14 KW επιλέχθηκαν τα στοιχεία IXYS MII A3, τα οποία είναι τύπου IGBT, ενσωματώνοντας και μία αντιπαράλληλη δίοδο σε κάθε στοιχείο. Τρία ζεύγη συνδεδεμένα παράλληλα υλοποιούν τους τρεις κλάδους του αντιστροφέα. Η προμήθεια των στοιχείων σε ζεύγη έγινε καθώς αυτά θα λειτουργούν πάντα συμπληρωματικά και για να εξοικονομηθεί τόσο επιφάνεια όσο και να βελτιωθεί η στιβαρότητα της κατασκευής. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται τα κυριότερα στοιχεία τους, για λειτουργία στους 80 o C.

164 Τάση συλλέκτη εκπομπού (V CE ) 1200 V Ρεύμα συλλέκτη (I C ) 110 A Μέγιστο ρεύμα συλλέκτη (I CΜ ) για 1ms 220 Α Χρόνος έναυσης 160 ns Χρόνος σβέσης 690 ns Ρεύμα διόδου (I F ) 95 A Πίνακας 7.1 Χαρακτηριστικά στοιχεία των επιλεχθέντων IGBTs Εικόνα 7.4 Εξωτερικές συνδέσεις και ηλεκτρικό διάγραμμα των στοιχείων Για τη λειτουργία τους απαιτείται η σύνδεση των ακροδεκτών 7 και 6 (πύλη και εκπομπός άνω στοιχείου) και 4 και 5 (πύλη και εκπομπός) κάτω στοιχείου με την διάταξη παλμοδότησης, οι ακροδέκτες 1 και 2 συνδέονται με την τροφοδοσία συνεχούς και τέλος ο ακροδέκτης 3 είναι η σύνδεση με το ένα τύλιγμα του κινητήρα Ψύξη ημιαγωγικών στοιχείων Οι θερμικές απώλειες των στοιχείων κατά τη λειτουργία τους επιβάλλουν τη χρήση ενός μέσου για την υποβοήθηση της απαγωγής της θερμότητας τους. Το μέσο αυτό που έχει τη μορφή ψύκτρας, θα βελτιώσει τόσο τη λειτουργία των στοιχείων καθώς αυτά αποδίδουν καλύτερα σε χαμηλότερες θερμοκρασίας, αλλά

165 θα τα προστατέψει και από ενδεχόμενη καταστροφή σε περίπτωση υπερθέρμανσης. Για τον υπολογισμό της κατάλληλης ψύξης πραγματοποιούνται οι ακόλουθοι υπολογισμοί: ( Tj Ta) ( ) Θ = Θ +Θ Q sa jc cs Όπου: Θ sa : η θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος Τ j : η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας της επαφής Τ a : η θερμοκρασία του περιβάλλοντος ρευστού ψύξης (αέρας) Q: το ποσό της θερμότητας Θ jc : η θερμική αντίσταση μεταξύ επαφής και θήκης Θ cs : η θερμική αντίσταση μεταξύ θήκης και ψυκτικού σώματος Στην παρούσα εφαρμογή τα αριθμητικά δεδομένα είναι: Τ j =110 ο C, Τ a =40 ο C, Θ cs =1.74 ο C/W, Θ jc =0.18 ο C/W Ενώ όσον αφορά τη θερμική ισχύ, είναι άθροισμα των απωλειών αγωγής και των διακοπτικών απωλειών: Q= P + P = V I+ E f ON SW CEsat on, off SW Q= V A+ mj Hz= W + W Q= 501.2W Με την εφαρμογή των αριθμητικών δεδομένων λαμβάνεται η θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος: ( ) ( ) Θ sa = = 1.78 Θ sa < H υπολογισθείσα αρνητική τιμή της θερμικής αντίστασης δηλώνει ότι θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα μέσο απαγωγής της θερμότητας με όσο το δυνατόν μικρότερη θερμική αντίσταση και σύστημα πρόσθετης ψύξης, όπως ανεμιστήρες ή υδρόψυξη. Η ψύκτρα που επιλέχθηκε είναι το μοντέλο P3 της εταιρείας Semikron, έχει διαστάσεις 185 x 125 x 135 mm και ζυγίζει 3,1 kg. Το υλικό της κατασκευής της είναι κράμα αλουμινίου. Στις δύο πλαϊνές όψεις του σώματος προσαρμόστηκαν δύο ανεμιστήρες ώστε να δημιουργούν ροή αέρα ανάμεσα στα φύλλα της ψύκτρας. Οι ανεμιστήρες έχουν διάμετρο 120 mm και τροφοδοτούνται με 12 V συνεχή τάση.

166 Εικόνα 7.5 Ψυκτικό σώμα Πυκνωτές στην είσοδο των ημιαγωγικών στοιχείων Μεταξύ των συνδέσεων τροφοδοσίας του κάθε ζεύγους ημιαγωγικών στοιχείων τοποθετήθηκαν από δύο πυκνωτές MKP (Metallized Polypropylene Film capacitors) για την αποφυγή των απότομων αιχμών του ρεύματος σε υψηλές συχνότητες, κατά τη διακοπτική λειτουργία των στοιχείων. Τα χαρακτηριστικά τους φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα: Τύπος πυκνωτή MKP Μοντέλο EPCOS B32654 A6155 K Τάση (V) 630 V (DC) Χωρητικότητα (C) 1.5 μf Πίνακας 7.2 Στοιχεία πυκνωτών MKP 7.4 Ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου του αντιστροφέα Το ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου κατασκευάστηκε με σκοπό την εφαρμογή της μεθόδου του Άμεσου Έλεγχου Ροπής στην πράξη. Επομένως έχι προσαρμοστεί στα δεδομένα αυτής της μεθοδολογίας. Η διάρθρωσή του μπορεί να διακριθεί σε τρία επιμέρους τμήματα:

167 το τμήμα μέτρησης των απαιτούμενων μεγεθών το τμήμα επεξεργασίας σημάτων και το τμήμα οδήγησης των παλμών Εικόνα 7.6 Κύκλωμα ελέγχου αντιστροφέα Στις ακόλουθες υποενότητες αναλύεται η κατασκευή και η λειτουργία του κάθε τμήματος Μετρητικές διατάξεις Η εφαρμογή του Αμέσου Ελέγχου Ροπής απαιτεί τη γνώση, σε κάθε χρονική στιγμή, της στιγμιαίας τιμής των δύο φασικών ρευμάτων του κινητήρα, του πλάτους της συνεχούς τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα και της ροπής αναφοράς, ενώ ως πρόσθετα σήματα μπορούν να ληφθούν η ταχύτητα και η θερμοκρασία του κινητήρα, που αποστέλλονται από τη μετρητική διάταξη που είναι ενσωματωμένη σε αυτόν. Μέτρηση τάσης Για τη μέτρηση της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα χρησιμοποιείται το μετρητικό LV 25 P της εταιρείας LEM. Για την τροφοδοσία του απαιτεί τάση ±15 V.

168 Για τη μέτρηση, η τάση μετατρέπεται σε σήμα ρεύματος μέσω κατάλληλων αντιστάσεων, που περιορίζουν το ρεύμα στα 10 ma, όπως ορίζουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μετρητικού. Χρησιμοποιήθηκαν επομένως αντιστάσεις συνολικής τιμής 50 ΚΩ, λόγω του ορισμού της τιμής των 500 V ως μέγιστη μετρούμενη στο δίαυλο συνεχούς τάσης. Το περιθώριο από τα 400 V, που προβλέπει η λειτουργία του συστήματος για το δίαυλο συνεχούς, αφέθηκε για ασφάλεια, ώστε να μην λάβει το μετρητικό τιμή εκτός εύρους λειτουργίας σε πιθανή υπέρταση. Για την προσαρμογή του σήματος χρησιμοποιήθηκαν 5 αντιστάσεις των 10 ΚΩ σε σειρά που αντέχουν σε ισχύ 5 W έκαστη, ώστε να ανταποκριθούν στα δεδομένα ισχύος της εφαρμογής τους. Το μετρητικό κάνοντας χρήση του φαινομένου Hall, παρέχοντας έτσι γαλβανική απομόνωση μεταξύ του κυκλώματος υψηλής ισχύος και του κυκλώματος που οδηγείται η μέτρηση (χαμηλής ισχύος), και λειτουργώντας ως ενισχυτής ρεύματος δίνει στην έξοδο ένα ρεύμα με λόγο μετασχηματισμού 2500:1000. Το ρεύμα αυτό μετατρέπεται σε σήμα τάσης που φτάνει ως είσοδος σε έναν ενισχυτή AD622. Το ολοκληρωμένο αυτό κύκλωμα δέχεται τροφοδοσία ±15 V, ενώ το περιθώριο κέρδους του έχει οριστεί σε μονάδα, αφήνοντας τους ακροδέκτες R G ανοιχτοκυκλωμένους. Εικόνα 7.7 Κυκλωματικό διάγραμμα ενισχυτή AD622 Το σήμα ρεύματος από την έξοδο του μετρητικού, το οποίο θα έχει μέγιστη τιμή 25 ma, πρέπει να μετατραπεί σε σήμα τάσης εντός των ορίων 0 έως 5 V για την οδήγηση του έπειτα από την ενίσχυση στην αρμόδια αναλογική είσοδο του μικροελεγκτή. Για την προσαρμογή του χρησιμοποιείται μία διάταξη αντιστάσεων ως διαιρέτης τάσης (αντιστάσεις 51 Ω και 180 Ω), όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα, για να ικανοποιηθεί και η απαίτηση που θέτει το μετρητικό για ύπαρξη αντιστάσεων συνολικής τιμής 100 έως 350 Ω στην έξοδό του. Το σήμα διέρχεται

169 επίσης από μία διάταξη φίλτρου, που αποτελείται από δύο αντιστάσεις ώστε να αποκοπούν οι παρασιτικές συχνότητες που τυχόν εμφανίζονται. Εικόνα 7.8 Διάγραμμα κυκλώματος οδήγησης σήματος τάσης Στην έξοδο του ενισχυτή έχει τοποθετηθεί μία δίοδος zener που αποκόπτει τάσεις μεγαλύτερες από 5 V για να προστατευτεί ο επεξεργαστής από οδήγηση υψηλής τάσης στην αναλογική του είσοδο. Μέτρηση ρευμάτων Τα μετρητικά ρεύματος που χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση των εναλλασσόμενων φασικών ρευμάτων του ηλεκτροκινητήρα I a, I b και του συνεχούς ρεύματος στο DC bus I dc είναι τα LA 100 P/SP13 της εταιρείας LEM. Τα μετρητικά αυτά περικλείουν τα καλώδια των ρευμάτων που μετρούν. Για την τροφοδοσία τους απαιτούν τάση ±15 V και μπορούν να μετρήσουν είτε DC είτε AC ρεύματα. Η λειτουργία τους βασίζεται στο φαινόμενο Hall για να μετρηθεί το ρεύμα που περνάει από το καλώδιο που εσωκλείουν παρέχοντας έτσι γαλβανική απομόνωση μεταξύ του κυκλώματος υψηλής ισχύος και του κυκλώματος χαμηλής ισχύος. Τα συγκεκριμένα μετρητικά λειτουργούν ως πηγές ρεύματος βγάζοντας στην έξοδό τους μία μικρογραφία του σήματος εισόδου. Ο λόγος μετασχηματισμού του ρεύματος είναι 1000:1. Τα σήματα ρεύματος πρέπει να μετατραπούν και αυτά σε σήματα τάσης για την οδήγηση τους στις αναλογικές εισόδους του επεξεργαστή. Για το λόγο αυτό περνούν από μια διάταξη αντιστάσεων ως διαιρέτη τάσης, που προσαρμόζει τα ρεύματα στο φάσμα των 5Vp p και οδηγούνται σε ενισχυτές AD622, όπως φαίνεται στα ακόλουθα σχήματα.

170 Εικόνα 7.9 Οδήγηση του σήματος μέτρησης του ρεύματος I a στον μικροεπεξεργαστή Εικόνα 7.10 Οδήγηση του σήματος μέτρησης του ρεύματος I b στον μικροεπεξεργαστή Εικόνα 7.11 Οδήγηση του σήματος μέτρησης του ρεύματος I dc στον μικροεπεξεργαστή Διακρίνεται και στην οδήγηση των ρευμάτων η εφαρμογή ενός φίλτρου αποκοπής συχνοτήτων για τη μείωση των θορύβων που υπεισέρχονται στις μετρήσεις. Στην έξοδο είναι παρούσα και μία δίοδος zener για την αποκοπή των τάσεων άνω του ορίου των 5 V. Μια σημαντική προσθήκη εδώ είναι, όμως, η αναφορά των 2,5 V που προστίθεται στο σήμα, ώστε να το προσαρμόσει στα όρια 0 έως 5 V. Αυτό συμβαίνει καθώς τα ρεύματα, όντας εναλλασσόμενα στις φάσεις a και b του κινητήρα και μεταβλητής φοράς στο δίαυλο dc θα έδιναν αρνητικές τάσεις μετά τη μετατροπή τους στον επεξεργαστή. Η τάση αναφοράς των 2.5 V παρέχεται

171 στον ακροδέκτη REF από το ολοκληρωμένο κύκλωμα AD580 της εταιρείας Analog Devices, το οποίο χρειάζεται τροφοδοσία 15 V. Το κύκλωμα αυτό αν και έχει υψηλή ακρίβεια, απαιτείται ο συνυπολογισμός της κυμάτωσης του από τον επεξεργαστή για σωστή ανάγνωση των μετρήσεων από τον επεξεργαστή. Μέτρηση ροπής αναφοράς Το σήμα της ροπής αναφοράς που απαιτεί ο Άμεσος Έλεγχος Ροπής προέρχεται από έναν περιστροφικό ροοστάτη συνδεδεμένο σε διάταξη ποτενσιόμετρου. Η μέγιστη τιμή της αντίστασης του είναι 2 ΚΩ. Ο οδηγός περιστρέφοντας τον ορίζει την τάση που φτάνει στην αρμόδια θύρα του μικροελεγκτή μεταξύ 0 και 5 V. Εικόνα 7.12 Συνδέσεις ποτενσιόμετρου αναφοράς Μετρήσεις από τον αποκωδικοποιητή του κινητήρα Ο τριφασικός ασύγχρονος ηλεκτροκινητήρας της εταιρείας Siemens που χρησιμοποιεί το υβριδικό όχημα διαθέτει ενσωματωμένο στροφόμετρο, τα χαρακτηριστικά του οποίου παρουσιάζονται στην εικόνα 7.26.

172 Εικόνα 7.13 Χαρακτηριστικά στοιχεία στροφόμετρου ηλεκτροκινητήρα [48] Τα σήματα του που μας πληροφορούν για τον αριθμό στροφών του ηλεκτροκινητήρα είναι τα Α, Β και Index (αναφέρεται ως R). Tα δύο πρώτα είναι ημιτονοειδή σήματα πλάτους 1 Vp p και οδηγούνται διαφορικά (Α, Α*, Β, Β*). Η σχετική θέση των δύο αυτών σημάτων μας πληροφορεί για την φορά περιστροφής του ηλεκτροκινητήρα, ανάλογα με το ποιο από τα δύο προηγείται χρονικά. Mία πλήρης περιστροφή του άξονα του ηλεκτροκινητήρα ορίζει 2048 περιόδους αυτών

173 των σημάτων. Το σήμα index δίνει επίσης διαφορικά (R, R*) έναν παλμό ανά περιστροφή. Οι έξοδοι των σημάτων του ηλεκτροκινητήρα συνδέονται μέσω ενός ειδικού πολύκλωνου καλωδίου σε μία πλακέτα προσαρμογής των σημάτων σύμφωνα με την αντιστοιχία των ακροδεκτών που παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Στο αριστερό μέρος βρίσκεται η θύρα επικοινωνίας που συνδέεται στην πλακέτα και στο δεξιό μέρος βρίσκεται η θύρα που συνδέεται στο στροφόμετρο του ηλεκτροκινητήρα. Εικόνα 7.14 Ακροδέκτες του ειδικού καλωδίου σύνδεσης του αποκωδικοποιητή του κινητήρα με το κύκλωμα ενίσχυσης [48] Ο επεξεργαστής διαθέτει ενσωματωμένο αποκωδικοποιητή στροφομέτρου (QEI) ο οποίος δέχεται τρία σήματα. Τα σήματα αυτά, που οδηγούνται για επεξεργασία είναι τα A, B και INDEX (R). Το σήμα για τη θερμοκρασία του κινητήρα TEMP μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο σήμα ασφάλειας. Επειδή όλα τα παραπάνω σήματα λαμβάνονται από το στροφόμετρο διαφορικά, αυτές οι τέσσερεις δυάδες σημάτων Α, Α*, Β, Β*, R, R* και Temp, Temp* οδηγούνται ανά δύο δυάδες σε δύο διαφορικούς ενισχυτές LM358 (καθένας μπορεί να δεχτεί δύο διαφορικά σήματα προς ενίσχυση) για την ενίσχυση τους. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας κατάλληλες αντιστάσεις ρυθμίζονται οι ενισχυτές σε ένα σχετικά

174 μεγάλο κέρδος έτσι ώστε τα ημιτονοειδή σήματα Α και Β να μετατρέπονται σε παλμούς για την επεξεργασία από τον αποκωδικοποιητή QEI Επεξεργασία σημάτων Εικόνα 7.15 Κύκλωμα οδήγησης σημάτων στροφομέτρου Η επεξεργασία όλων των παραπάνω σημάτων που μετρήθηκαν διεκπεραιώνεται μέσω του μικροελεγκτή ειδικού σκοπού dspic30f4011 της εταιρείας Microchip, ο οποίος αποτελεί τον πυρήνα του συνολικού κυκλώματος ελέγχου. Ο συγκεκριμένος μικροελεγκτής έχει 40 ακίδες και απαιτεί τροφοδοσία συνεχούς τάσης πλάτους 5 V. Εικόνα 7.16 Μικροελεγκτής Microchip DSPIC30F4011

175 Για την λειτουργία του προγράμματος ελέγχου, από όλους του ακροδέκτες του μικροελεγκτή χρησιμοποιούνται: τέσσερεις αναλογικές είσοδοι (ΑΝ0, ΑΝ1, ΑΝ2, ΑΝ7) τρεις είσοδοι για την αποκωδικοποίηση των σημάτων του στροφομέτρου δύο σήματα (PGC, PGD) για επικοινωνία με το αναπτυξιακό οι έξι έξοδοι παλμών η ψηφιακή έξοδος FLTA η οποία διακόπτει την παλμοδότηση των στοιχείων το σήμα MCLEAR για χειροκίνητη επανεκκίνηση Όλες οι υπόλοιπες θύρες που δεν χρησιμοποιούνται έχουν συνδεθεί σε μία θύρα επικοινωνίας για ενδεχόμενη μελλοντική χρήση. Η τάση τροφοδοσίας των αναλογικών εισόδων είναι κοινή με την κανονική τροφοδοσία της τάσης των 5 V. Η χειροκίνητη επανεκκίνηση του μικροελεγκτή επιτυγχάνεται με το πάτημα ενός κουμπιού, το οποίο γειώνει την ακίδα MCLEAR. Το εποπτικό διάγραμμα των συνδέσεων του μικροεπεξεργαστή παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Εικόνα 7.17 Σχηματικό διάγραμμα μικροελεγκτή Microchip DSPIC30F4011

176 Οδήγηση παλμών Ο επεξεργαστής μετά την επεξεργασίας των σημάτων εισόδου του εξάγει τους κατάλληλους παλμούς στις έξι, προοριζόμενες για το σκοπό, εξόδους του. Τα σήματα πριν φθάσουν στις πύλες των διακοπτικών στοιχείων περνούν από τα στάδια της ενίσχυσης, της απομόνωσης και της οδήγησης τους. Ακολουθεί η περιγραφή των τριών αυτών σταδίων. Αναστροφή και ενίσχυση σημάτων Αρχικά εφαρμόζεται αναστροφή και ενίσχυση στα σήματα, καθώς σε επόμενο στάδιο γίνεται επίσης αναστροφή των σημάτων. Αυτή η αναστροφή συντελείται μέσω των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων δεκαεξαδικών αντιστροφέων 74HC04 (HEX Inverter) της εταιρείας Philips. Επίσης, σε περίπτωση που ο μικροεπεξεργαστής χρειάζεται να στέλνει σήματα σε πολλές εξόδους του (το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να τροφοδοτήσει είναι 200 ma), εξασφαλίζεται ότι το σήμα των εξόδων του θα φτάσει ενισχυμένο στα υπόλοιπα περιφερειακά κυκλώματα. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα 74HC04 αποτελείται από 14 ακίδες (δύο για τροφοδοσία, έξι εισόδους και έξι εξόδους) και εκτελεί τη λειτουργία έξι πυλών «NOT». Επειδή έχουμε επτά σήματα που χρειάζεται να αναστραφούν χρησιμοποιούμε δύο αντιστροφείς, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Εικόνα 7.18 Συνδεσμολογία δεκαεξαδικών αντιστροφέων Απομόνωση σημάτων Πριν το στάδιο της τελικής οδήγησης των παλμών προηγείται το στάδιο απομόνωσης των σημάτων από το σύστημα υψηλής ισχύος, έτσι ώστε να προστατεύεται το κύκλωμα χαμηλής ισχύος του μικροεπεξεργαστή. Αυτό

177 επιτυγχάνεται μέσω οπτικής απομόνωσης μεταξύ των σημάτων των εξόδων του επεξεργαστή και αυτών που εισέρχονται στους οδηγούς των IGBTs. Αυτή η απομόνωση γίνεται χρησιμοποιώντας τους οπτοζεύκτες 6Ν137 (optocouplers) της εταιρείας Philips. Εικόνα 7.19 Διάγραμμα συνδέσεων οπτοζεύκτη 6N137 Συνολικά απαιτούνται επτά οπτοζεύκτες για το κύκλωμα της παλμοδότησης, έξι για τα σήματα των παλμών των IGBTs και ένας για το σήμα FAULT του μικροεπεξεργαστή που οδηγείται σε όλες τις εισόδους Shut Down των οδηγών IR221. Οι οπτοζεύκτες χρησιμοποιούν μία φωτοδίοδο η οποία όταν διαρρέεται από ρεύμα εκπέμπει ένα οπτικό σήμα προς ένα φωτοευαίσθητο τρανζίστορ και το τελευταίο με τη σειρά του έρχεται σε αγωγή. Το σήμα εξόδου είναι ανεστραμμένο σε σχέση με το σήμα εισόδου, για το λόγο αυτό προηγήθηκε και η βαθμίδα των αντιστροφέων στο κύκλωμα. Εικόνα 7.20 Συνδεσμολογία οπτοζευκτών Οδήγηση σημάτων στα ημιαγωγικά στοιχεία Η παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων γίνεται μέσω των οδηγών παλμών IR2213 της εταιρίας INTERNATIONAL RECTIFIER. Αυτοί οι οδηγοί έχουν δύο εξόδους και καθένας τους οδηγεί τους παλμούς στις πύλες των δύο διακοπτικών στοιχείων του κάθε κλάδου του αντιστροφέα. Έτσι, συνολικά απαιτούνται τρεις

178 οδηγοί IR2213. Για τη λειτουργία τους χρειάζονται δύο τροφοδοσίες τάσης, 5 V στην πλευρά της εισόδου των παλμών και 15 V στην πλευρά της εξόδου των παλμών. Εικόνα 7.21 Στάδιο οδήγησης παλμών Η φόρτιση των πυλών των δύο στοιχείων γίνεται με χρήση της τεχνικής bootstrap. Συγκεκριμένα, ενώ η οδήγηση του κάτω στοιχείου γίνεται απευθείας από τον οδηγό, η οδήγηση του πάνω γίνεται μέσω ενός κυκλώματος μίας διόδου και μίας αντίστασης, το οποίο φορτίζει έναν πυκνωτή 30 μf. Η φόρτιση του πυκνωτή αυτού προϋποθέτει να άγει το κάτω στοιχείο. Ο πυκνωτής φορτίζεται στην τάση των 15 V και με τη σειρά του εκφορτίζεται στην πύλη του πάνω στοιχείου, δημιουργώντας παλμό με διαφορετική αναφορά για το άνω IGBT από ότι στο κάτω. Οι επιλογές της τιμής του πυκνωτή bootstrap και της αντίστασης φόρτισης (R g ) έγιναν ώστε να ικανοποιούνται οι ακόλουθοι τύποι: H H ( ) ( ) max leak ( VCC Vf VLs ) Vmin 2 2Q + I t + Q + I t C G Qbs on ls Cbs on και R DS V = I LS o Σημειώνεται ότι για την αντιμετώπιση ρευμάτων που ενδεχομένως να επιστρέφουν στο ολοκληρωμένο κύκλωμα IR2213 από τις πύλες των IGBTs κατά τη

179 διακοπτική λειτουργία, τοποθετήθηκε, παράλληλα με την αντίσταση στην έξοδο του IR2213, μία δίοδος και μια αντίσταση. Επιπλέον, τοποθετείται μία δίοδος Zener για να εμποδίσει τάσεις μεγαλύτερες των 16 V να φτάσουν στις πύλες των διακοπτικών στοιχείων. Τέλος, οι οδηγοί των παλμών διαθέτουν μία είσοδο SD (Shut Down) μέσω της οποίας απενεργοποιούνται. 7.5 Τροφοδοσία κυκλώματος ελέγχου Για την τροφοδοσία του ηλεκτρονικού κυκλώματος ελέγχου απαιτήθηκαν οι εξής τροφοδοσίες: ±15 V για την τροφοδοσία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων AD622, AD580 και των μετρητικών ρεύματος και τάσης +5 V για την τροφοδοσία του μικροεπεξεργαστή DSPIC30F4011, του ροπομέτρου και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 74HC04 στην πλευράς χαμηλής ισχύος +5 V για την τροφοδοσία των οπτοζευκτών 6Ν137 και των οδηγών IR2213 στην πλευράς υψηλής ισχύος +15 V για τη δεύτερη τροφοδοσία των οδηγών IR2213 στην πλευράς υψηλής ισχύος Η πλευρά χαμηλής και η πλευρά υψηλής ισχύος της πλακέτας θα πρέπει να έχουν ξεχωριστές γαιές ως αναφορά. Για την παροχή όλων των παραπάνω τροφοδοσιών κατασκευάστηκαν γραμμικά τροφοδοτικά, τα οποία δεχόμενα ως είσοδο εναλλασσόμενη τάση 220 V παρέχουν στις εξόδους τους τις απαιτούμενες συνεχείς τάσεις.

180 Εικόνα 7.22 Πλακέτα τροφοδοσίας κυκλώματος ελέγχου αντιστροφέα Η τάση αυτή υποβιβάζεται στα 6 V μέσω μετασχηματιστή 5 VA και στα ±15 V μέσω μετασχηματιστή 8 VA. Στις εξόδους των μετασχηματιστών υπάρχει ανορθωτική διάταξη, η οποία ανορθώνει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή. Στην έξοδο κάθε ανορθωτικής διάταξης συνδέονται τα κατάλληλα σταθεροποιητικά τάσης: LM7805 για την τάση των 6 V, ώστε να σταθεροποιείται στα 5 V στην έξοδο του, LM7815 για την τάση των 15 V και το LM7915 για την τάση των 15 V. Στις εξόδους των τροφοδοτικών προστέθηκαν ασφάλειες για προστασία της πλακέτας ελέγχου και φωτοδίοδοι (LED) για οπτική ένδειξη της παροχής τροφοδοσίας. Τα τροφοδοτικά χρησιμοποιήθηκαν αρχικά στον εργαστηριακό πάγκο, για την τροφοδοσία της πλακέτας ελέγχου του αντιστροφέα κατά τη διεξαγωγή των απαραίτητων πειραμάτων. Για την εγκατάσταση εντός του οχήματος, χρησιμοποιήθηκαν πάλι τα τροφοδοτικά αυτά με τροφοδοσία από έναν αντιστροφέα καθαρού ημιτόνου AJ της εταιρείας Studer. Ο μετατροπέας αυτός δέχεται τροφοδοσία συνεχούς τάσης 12 V και τη μετατρέπει σε ημιτονοειδή

181 τάση 230 V συχνότητας 50 Hz. Η μέγιστη απόδοσή του είναι 93 % και μπορεί να παρέχει συνεχή ισχύ 200 VA. Για την τροφοδοσία του αντιστροφέα καθαρού ημιτόνου χρησιμοποιείται μία μπαταρία οξέως μολύβδου τάσης 12 V και χωρητικότητας 7.2 Ah, η οποία φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Εικόνα 7.23 Μπαταρία τροφοδοσίας του κυκλώματος του μικροελεγκτή 7.6 Πρόσθετα στοιχεία μετατροπέα Πυκνωτές Στο δίαυλο συνεχούς τάσης, στην είσοδο του αντιστροφέα, χρησιμοποιείται μία συστοιχία ηλεκτρολυτικών πυκνωτών συνολικής χωρητικότητας 3 mf, η οποία απαρτίζεται από οχτώ πυκνωτές συνδεδεμένους ανά δύο παράλληλα, που σχηματίζουν τέσσερεις κλάδους. Οι πυκνωτές είναι ηλεκτρολυτικοί, με κωδικό B43564 A4158M000, κατασκευής της εταιρείας EPCOS. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους εμφανίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

182 Τάση (V) 350 V (DC) Χωρητικότητα (C) 1.5 mf Περιθώριο χωρητικότητας 20 % Μέγιστο ρεύμα (I max ) (85 o C) 8.1 A Πίνακας 7.3 Στοιχεία ηλεκτρολυτικών πυκνωτών Εικόνα 7.24 Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές για την είσοδο του αντιστροφέα Συνδέσεις Καλωδιώσεις Για τη σύνδεση του αντιστροφέα με τα υπόλοιπα τμήματα του συστήματος ηλεκτρικής πρόωσης χρησιμοποιήθηκαν καλώδια των εξής διατομών: 25 mm² για τη σύνδεση με το δίαυλο συνεχούς τάσης 16 mm² για τη σύνδεση με τον κινητήρα Τα καλώδια κόπηκαν στο επιθυμητό μήκος και στις άκρες τους τοποθετήθηκαν κόσες κατάλληλης διατομής ώστε να είναι εφικτή η σύνδεση τους με χρήση βιδών και παξιμαδιών.

183 Τη σύνδεση των διακοπτικών στοιχείων μεταξύ τους αναλαμβάνουν μπάρες χαλκού που ενδείκνυνται για αυτή την εφαρμογή. Εικόνα 7.25 Συνδέσεις των στοιχείων του αντιστροφέα Προστασία του κυκλώματος Για την προστασία των μερών της διάταξης ηλεκτρικής πρόωσης, δηλαδή τόσο των μπαταριών αλλά και του κινητήρα και του μετατροπέα ισχύος, χρησιμοποιούνται κάποιες διατάξεις που σκοπό έχουν να αποκόψουν την τροφοδοσία από το φορτίο. Πρόσθετα από τις διατάξεις αυτές υπάρχει μέριμνα στον έλεγχο του συστήματος για προστασία από υπερρεύματα. Αυτές είναι οι εξής: Διακόπτης τροφοδοσίας Στην έξοδο των μπαταριών συνδέεται ένας διακόπτης για να μπορεί να τίθεται σε λειτουργία και να απενεργοποιείται η όλη διάταξη σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας αλλά και για να προσφέρει τη δυνατότητα να αποκόπτει την τροφοδοσία σε περίπτωση δυσλειτουργίας ή αν οι άλλες διατάξεις προστασίας αποτύχουν. Επειδή οι διακόπτες dc για τα δεδομένα της των τάσης, των ρευμάτων και της ισχύος ήταν δυσεύρετοι, έγινε η προμήθεια ενός τριφασικού διακόπτη

184 εναλλασσόμενης τροφοδοσίας, από τον οποίων συνδέουμε τους δύο κλάδους του για να διακόψουμε την τροφοδοσία διπολικά. Ο διακόπτης είναι της εταιρείας ABB και ως ονομαστικά στοιχεία έχει όριο τάσης τα 600 V και ρεύματος τα 160 Α. Οι τιμές αυτές είναι πολλαπλάσιες των συνεχών μεγεθών που θα ρέουν από τους κλάδους του, όμως έγινε υπερδιαστασιολόγηση, όπως ορίζει η χρήση ac διακοπτών σε συνεχή μεγέθη. Εικόνα 7.26 Διακόπτης τροφοδοσίας Μαχαιρωτή ασφάλεια Η μαχαιρωτή ασφάλεια επιτρέπει τη διέλευση μόνιμου ρεύματος 125 A και θα προστατεύσει το κύκλωμα σε περίπτωση υπερρεύματος. Η ασφάλεια και η βάση της εμφανίζονται στην ακόλουθη εικόνα.

185 Εικόνα 7.27 Μαχαιρωτή ασφάλεια και ασφαλειοθήκη Ασφάλεια υπερταχείας τήξεως Προβλέπεται επίσης μια ασφάλεια ρεύματος υπερταχείας τήξης των 125 Α. Η ασφάλεια αυτή έχει πολύ μικρούς χρόνους αντίδρασης για την προστασία του συστήματος από στιγμιαία υπερρεύματα πολύ μεγάλης τιμής που δύνανται να προκαλέσουν βλάβες στα κυκλώματα. Κιβώτιο φύλαξης Για την τοποθέτηση των μετατροπέων ισχύος και των συνοδευτικών τους κυκλωμάτων χρησιμοποιείται ένα κουτί φύλαξης. Το κουτί έχει μεγάλο μέγεθος ( cm) ώστε να χωρά όλα τα απαιτούμενα στοιχεία. Είναι κατασκευασμένο από μεταλλικό υλικό και είναι μονωμένο για προστασία. Στην πλαϊνή του πλευρά διαθέτει οπές που προσαρμόζονται στυπιοθλίπτες για την έξοδο των καλωδίων τροφοδοσίας και των διαφόρων μετρητικών και εποπτικών διατάξεων. Στην εμπρόσθια και στην οπίσθια έγιναν από 2 οπές στις οποίες προσαρμόστηκαν τρεις ανεμιστήρες και ο ένας από τους ανεμιστήρες της ψύκτρας των διακοπτικών στοιχείων ώστε να βελτιώνεται η ροή του αέρα και συνεπώς η ψύξη. Στους ανεμιστήρες εισόδου έχει προσαρμοστεί φίλτρο σκόνης για την

186 εμπόδιση της εισόδου αυτής στο εσωτερικό. Οι ανεμιστήρες συνδέονται με μπαταρία που έχει τοποθετηθεί στο εσωτερικό, καθώς για την τροφοδοσία τους απαιτούν συνεχή τάση 12 V και ελέγχονται από έναν διακόπτη που έχει προσαρτηθεί στην πρόσοψη του κουτιού. Ένας δεύτερος διακόπτης καθορίζει τη λειτουργία των κυκλωμάτων ελέγχου των μετατροπέων ισχύος. Στην πρόσοψη υπάρχει, ακόμα, η λαβή ελέγχου του διπολικού διακόπτη που παρεμβάλλεται μεταξύ τροφοδοσίας και μετατροπέων ισχύος. Το κουτί εδράζεται πάνω στο προστατευτικό κάλυμμα των στοιχείων συσσωρευτών και διατηρείται στη θέση του με ειδικές βάσεις που έχουν βιδωθεί. Εικόνα 7.28 Κάτοψη του κιβωτίου φύλαξης

187 Εικόνα 7.29 Πρόσοψη του κιβωτίου φύλαξης 7.7 Προγραμματισμός μικροελεγκτή Εισαγωγή Ο «εγκέφαλος» του τριφασικού αντιστροφέα της εφαρμογής είναι ο μικροελεγκτής που ελέγχει το σύστημα παλμοδότησης. Το πρόγραμμα που τρέχει αδιάκοπα κατά τη λειτουργία του αντιστροφέα είναι υπεύθυνο για τη σωστή ερμηνεία όλων των σημάτων εισόδου και για την εξαγωγή των κατάλληλων εντολών, που εμφανίζονται με τη μορφή παλμών, προς τα στοιχεία που διοχετεύουν την ηλεκτρική ενέργεια από τη μία άκρη του συστήματος, τις μπαταρίες, στον μετατροπέα ενέργειας από ηλεκτρική σε μηχανική ενέργεια και αντίστροφα, τον ηλεκτρικό κινητήρα. Χωρίς αυτή τη νοημοσύνη, η υλοποίηση της εφαρμοζόμενης λογικής θα ήταν αδύνατη Τεχνικά χαρακτηριστικά μικροελεγκτή Αναφέρθηκε και σε προηγούμενο σημείο, πως ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε είναι ο dspic30f4011 της εταιρείας Microchip. Πρόκειται για έναν μικροεπεξεργαστή αρχιτεκτονικής Harvard, που ενσωματώνει περιφερειακές συσκευές ώστε να κατορθώνει την ψηφιακή επεξεργασία σημάτων (DSP Digital Signal Processing). Επιπρόσθετα, είναι προορισμένος για τον έλεγχο γενικότερα ηλεκτρονικών ισχύος και μετατροπέων ηλεκτρικής ενέργειας και οι περιφερειακές συσκευές και τα χαρακτηριστικά του διευκολύνουν την υλοποίηση τέτοιων εφαρμογών. Τα δομικά μέρη του μικροελεγκτή συνοψίζονται στα ακόλουθα:

188 Πυρήνας επεξεργασίας (CPU Core). Περιλαμβάνει όλες τα απαραίτητα στοιχεία που επιτρέπουν τη λειτουργία της συσκευής, όπως τον επεξεργαστή, τη μνήμη και το μηχανισμό διακοπών (interrupts). Ολοκληρωμένα συστήματα (System Integration). Πρόκειται για δευτερεύοντα συστήματα που ενσωματώνονται στη συσκευή για περιορισμό του κόστους και αύξηση της ευελιξίας σχεδιασμού. Αυτά είναι ο ταλαντωτής (ρολόι συστήματος), μηχανισμοί επανεκκίνησης και προστασίας καθώς και συστήματα αρχικοποίησης. Περιφερειακές συσκευές. Αυτές επιτελούν τις λειτουργίας που επιτρέπουν την επικοινωνία του επεξεργαστή με το περιβάλλον του. Παραδείγματα είναι οι θύρες εισόδου/εξόδου, οι μετρητές, οι αναλογικοί μετατροπείς, το στοιχείο ελέγχου PWM, στοιχεία σειριακής επικοινωνίας κ.ά. Μνήμη. Πρόκειται για μνήμη τύπου flash που επιτρέπει την αποθήκευση του κώδικα που εκτελείται με τη συγκεκριμένη σειρά να διαθέτει μνήμη 48 Kbytes. Η μνήμη RAM είναι στα 2 Κbytes Ανάλυση του προγράμματος ελέγχου Το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε για την υλοποίηση της μεθόδου Άμεσου ελέγχου ροπής έγινε σε γλώσσας ASSEMBLY χρησιμοποιώντας τις εντολές που προορίζονται για τη συγκεκριμένη οικογένεια μικροελεγκτών. Το εργαλείο ανάπτυξης είναι το πρόγραμμα MPLAB IBE στην έκδοση 8.36, που προσφέρεται δωρεάν από την ιστοσελίδα της κατασκευάστριας εταιρείας του μικροελεγκτή. Όσον αφορά το πρόγραμμα που αναπτύχτηκε για την υλοποίηση του Άμεσου Ελέγχου Ροπής, μπορούμε να διακρίνουμε μία διάρθρωση σε μέρη που επιτελούν συγκεκριμένο σύνολο απαιτούμενων ενεργειών. Αυτά συνοψίζονται στις εξής ενότητες: Αρχικοποιήσεις επεξεργαστή και δηλώσεις και αρχικοποιήσεις μεταβλητών. Κύρια ρουτίνα εκτέλεσης (ΜΑΙΝ), στην οποία διακρίνονται δύο κύρια τμήματα, το κομμάτι των αρχικοποιήσεων των περιφερειακών και ο κύριος βρόχος επανάληψης.

189 Υπορουτίνες που καλούνται, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για καλύτερη εποπτεία του προγράμματος αφού σε κάθε μία συγκεντρώθηκαν εντολές που επιτελούν μία συγκεκριμένη ομάδα υπολογισμών ή ενεργειών. Κάθε υπορουτίνα αποθηκεύτηκε σε ξεχωριστό αρχείο. Ο κώδικας που υλοποιεί όλες τις απαιτούμενες λειτουργίες μπορεί να βρεθεί στο παράρτημα της εργασίας. Αρχικοποιήσεις επεξεργαστή Δηλώσεις Το πρόγραμμα ξεκινά με τις δηλώσεις του επεξεργαστή, όλων των μεταβλητών και υπορουτίνων καθώς και των ετικετών (labels) που χρησιμοποιούνται στο πρόγραμμα. Ακολουθούν οι αρχικοποιήσεις των κρίσιμων λειτουργιών του επεξεργαστή, όπως η συχνότητα λειτουργίας του. Ως ρολόι επιλέχθηκε ο εσωτερικός ταλαντωτής του ολοκληρωμένου επιτυγχάνει 7,5 MHz με πολλαπλασιασμό της συχνότητας του με ένα κύκλωμα PLL (Phase Locked Loop) x16. Συνολικά επιτυγχάνεται, λοιπόν, συχνότητα ρολογιού 120 MHz, που ορίζει συχνότητα λειτουργίας στα 30 MHz. Ακολουθεί η δέσμευση χώρου μνήμης για κάθε μεταβλητή που έχει δηλωθεί, και τέλος φορτώνονται οι τιμές των καταχωρητών ελέγχου της στοίβας. Αρχικοποιήσεις περιφερειακών και μεταβλητών Ακολούθως περνάμε στην κύρια ρουτίνα, τη ΜΑΙΝ, που ξεκινά με την κλήση των υπορουτίνων που περιλαμβάνουν εντολές αρχικοποίησης των μεταβλητών των πρόσθετων λειτουργιών και περιφερειακών κυκλωμάτων του επεξεργαστή. Αρχικοποιούνται και ακολούθως χρησιμοποιούνται οι εξής μηχανισμοί: Αρχικοποίηση μεταβλητών: Δίνεται η αρχική τιμή στις μεταβλητές που επιτελούν κάποια λειτουργία στο πρόγραμμα με την κλήση της υπορουτίνας INIT_VARIABLES. Στις μεταβλητές που δεν χρειάζονται κάποια αρχική τιμή, τότε δίνεται η τιμή μηδέν για να μην υπάρξουν ασάφειες κατά την εκτέλεση του κώδικα.από αυτό το σημείο ο χρήστης μπορεί να μεταβάλει και τις τιμές των στοιχείων που ορίζουν τις εξωτερικές παραμέτρους του Άμεσου Ελέγχου Ροπής:

190 Ροή αναφοράς (Ysref) Αντίσταση τυλιγμάτων στάτη (R) Ορισμός διαστήματος ολοκλήρωσης της ροής (Ts) Μέγιστη τιμή ροπής αναφοράς (maxtorque) Θύρες εισόδου εξόδου (Ι/Ο Ports). Αρχικοποιούνται με την κλήση της υπορουτίνας INIT_PORT. Χρησιμοποιούνται οι θύρες AN1 για είσοδο του αναλογικού σήματος από το μετρητικό συνεχούς τάσης, AN2 και AN3 για είσοδο των αναλογικών σημάτων των δύο μετρητικών ρεύματος από τις δύο φάσεις του κινητήρα, AN7 ως αναλογικό σήμα της αναφοράς ροπής από το ποτενσιόμετρο που έχει οριστεί για το σκοπό αυτό. Ως έξοδοι ορίζονται η εξάδα των σημάτων από τη μονάδα ελέγχου PWM (PWM1H, PWM1L, PWM2H, PWM2L, PWM3H, PWM3L) καθώς και η θύρας FLTA που θα ελέγξει το σήμα SD (shut down) των οδηγών παλμών IR2213. Μετατροπείς αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά (Analog to Digital Converters). Ρυθμίστηκαν όλες οι παράμετροι για τη σωστή μετατροπή των αναλογικών σημάτων που προέρχονται από τους εξωτερικούς αισθητήρες με την κλήση της υπορουτίνας INIT_ADC. Ορίστηκε κατ αρχήν ο ελάχιστος χρόνος δειγματοληψίας που δεν πρέπει να είναι μικρότερος από 154 ns. Δεδομένων των τεσσάρων σημάτων ελέγχου, τα οποία μπορεί το περιφερειακό να δειγματοληπτήσει ταυτόχρονα, και λαμβάνοντας υπ όψιν το χρόνο μετατροπής τους σε ψηφιακά, λαμβάνουμε νέα δεδομένα κάθε 6,7 ns. Τα δεδομένα αποθηκεύονται στους προοριζόμενους για αυτά καταχωρητές προσωρινής αποθήκευσης (buffers) που μπορούν αν κρατήσουν έως και τέσσερεις τετράδες από τις τελευταίες τιμές των σημάτων, οι οποίες τιμές μπορούν να χρησιμοποιηθούν έπειτα στο πρόγραμμα. Στοιχείο ελέγχου κινητήρα με Διαμόρφωση Πλάτους Παλμών (motor control PWM module). Ορίζονται οι παράμετροι για τη σωστή δημιουργία των παλμών στις αντίστοιχες εξόδους με την κλήση της υπορουτίνας INIT_PWM. Οι πιο σημαντικές είναι η διακοπτική συχνότητα των στοιχείων ισχύος καθώς και ο νεκρός χρόνος (dead time) μεταξύ της σβέσης και έναυσης δύο συμπληρωματικών στοιχειών. Η συχνότητα ορίστηκε στα 20 KHz για να

191 ξεπεράσει το φάσμα των ακουστικών συχνοτήτων. Ο νεκρός χρόνος ορίστηκε στα 2 μs. Ορίστηκε επίσης η δημιουργία διακοπής κατά το πέρας μιας διακοπτικής περιόδου και η παύση λειτουργίας του στοιχείου μέχρι να ενεργοποιηθεί ξανά από το πρόγραμμα. Στοιχείο μετρητή (timer module). Η αρχικοποίηση γίνεται με την κλήση της υπορουτίνας INIT_TIMER1. Η λειτουργία του ήταν βοηθητική κατά την ανάπτυξη του προγράμματος για την εύρεση των ακριβών χρόνων εκτέλεσης του προγράμματος. Μέσω του μετρητή βρέθηκε ότι ο κύριος βρόχος επανάληψης χρειάζεται 22 μs για να εκτελεστεί μία φορά. Αρχικοποίηση διακοπών. Αρχικοποιήθηκαν οι μεταβλητές που ορίζουν την επενέργεια των διακοπών στη ροή του προγράμματος με την κλήση της υπορουτίνας INIT_INTERRUPTS. Από τις διακοπές χρησιμοποιούμε αυτή του στοιχείου PWM, οπότε της ορίζουμε μία μεγάλη προτεραιότητα στη διακοπή αυτή και μία μικρότερη στο νήμα του κύριου προγράμματος που τρέχει ο επεξεργαστής. Ρύθμιση της αναφοράς μηδενικού ρεύματος (offset calibration). Πραγματοποιείται με την κλήση της υπορουτίνας CALIBRATE. Στην υπορουτίνα αυτή δίνονται οι τιμές στις μεταβλητές iasub και ibsub, που ορίζουν μηδενική τιμή φασικού ρεύματος. Ως μηδενική τιμή θα φτάνει στις εισόδους του επεξεργαστή τάση πλάτους περίπου 2,5 V, λόγω της σύνδεσης αναφοράς (offset) αντίστοιχης τιμής στους ενισχυτές AD622. Αυτό συμβαίνει καθώς τα ρεύματα είναι εναλλασσόμενα και θέλουμε να μετατρέπονται σε τάση στα όρια 0 έως 5 V για να διαβαστούν ορθά στις εισόδους του μικροελεγκτή. Η τιμή αυτή της αναφοράς μπορεί να παρουσιάζει μικρές διαφοροποιήσεις από εκτέλεση σε εκτέλεση, οπότε για τα σωστή διεξαγωγή των υπολογισμών δειγματοληπτούμε σε κάθε έναρξη του προγράμματος όταν δεν ρέουν ακόμα ρεύματα στα καλώδια. Λαμβάνονται οκτώ τιμές για κάθε ένα από τα δύο ρεύματα και προκύπτει ο μέσος όρος τους.

192 Κύριος βρόχος επανάληψης Ο κύριος βρόχος επανάληψης της ρουτίνας MAIN εκτελείται ατέρμονα και υπολογίζει συνεχώς τον τρόπο που θα αποστείλει παλμούς στα διακοπτικά στοιχεία σύμφωνα με τη συλλογή των δεδομένων που προκύπτουν. Μέσα στο βρόχο αυτό καλούνται οι ακόλουθες υπορουτίνες: Ρουτίνα Vsdq: Εξάγει το μέσο όρο από τις τέσσερεις τελευταίες μετρήσεις της τάσης στο δίαυλο συνεχούς στην είσοδο του αντιστροφέα. Κατόπιν προσαρμόζεται το σήμα ώστε να αποθηκευτεί η τιμή του σε κλίμακα V. Έπειτα υπολογίζονται οι τρέχουσες τιμές της τάσης στις συντεταγμένες d q αξιοποιώντας την πληροφορία της τρέχουσας κατάστασης των διακοπτών. Ρουτίνα Ιsdq: Αξιοποιώντας τις δειγματοληψίες των ρευμάτων, υπολογίζονται οι στιγμιαίες τιμές του ρεύματος στις δύο φάσεις του κινητήρα λαμβάνοντας τις τέσσερεις τελευταίες τιμές τους και παίρνοντας το μέσο όρο τους. Οι τιμές των ρευμάτων προσαρμόζονται ώστε να αποθηκευτεί η τιμή τους στην κλίμακα των Ampere, αξιοποιώντας την πληροφορία πως στα 2,5 V σήματος αντιστοιχεί ρεύμα πλάτους 92,6 Α. Ένας έλεγχος για κάθε ρεύμα συγκρίνει τις υπολογισθείσες τιμές με τη μέγιστη τιμή ρεύματος που έχει οριστεί. Σε περίπτωση που το ρεύμα υπερβεί την τιμή αυτή, η ροή του προγράμματος εκτρέπεται στην υπορουτίνα CURRENT_LIMIT, η οποία σταματά τη λειτουργία του αντιστροφέα συνδέοντας και τις τρεις φάσεις του κινητήρα με τη γείωση, λειτουργώντας ως ασφάλεια μέσω λογισμικού. Αν τα ρεύματα είναι μέσα σε επιτρεπτές τιμές, τότε η υπορουτίνα συνεχίζει με τον υπολογισμό των τιμών των ρευμάτων με αναφορά τους άξονες d και q. Ρουτίνα Ysdq: Υπολογίζονται οι τιμές της ροής στους άξονες d και q, σύμφωνα με τις σχέσεις που ορίζει ο Άμεσος Έλεγχος Ροπής. Η σχέσεις αυτές περιλαμβάνουν υπολογισμό ολοκληρώματος, η οποία γίνεται με διακριτοποίηση του, όπως αναλύθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Ως διάστημα ολοκλήρωσης ορίζεται ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών κλήσεων της εν λόγω υπορουτίνας, ο οποίος στη συγκεκριμένη υλοποίηση είναι στα κοντά 22 μs. Οι αποκλίσεις από το χρόνο αυτό, οι

193 οποίες είναι πολύ μικρές, οφείλονται στην κλήση ή μη όλων των υπορουτίνων και στην επέμβαση ή μη της διακοπής PWM. Στους υπολογισμούς των ροών εφαρμόζεται επίσης και ένα φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων. Για τον υπολογισμό της συνολικής ροής και επειδή απαιτείται η εύρεση τετραγωνικής ρίζας, εκτελείται μία σειρά πολλαπλών επαναλήψεων, γεγονός αναπόφευκτο από τη στιγμή που ο επεξεργαστής δεν περιλαμβάνει εντολή υπολογισμού τετραγωνικής ρίζας στο σύνολο των εντολών του. Ρουτίνα TORQUE: Υπολογίζεται η τρέχουσα τιμή τη ροπής που παράγει ο κινητήρας σύμφωνα με τα ρεύματα και τις τάσεις που έχουν δειγματοληπτηθεί σε προηγούμενες ρουτίνες. Έπειτα υπολογίζεται η ροπή αναφοράς που δίνει ο χρήστης σύμφωνα με το σήμα που προέρχεται από το ποτενσιόμετρο που έχει συνδεθεί στη θύρα εισόδου AN7 και σύμφωνα με τη μέγιστη ροπή που έχει οριστεί στον κώδικα. Κατόπιν υπολογίζεται το «παράθυρο» της ροπής, δηλαδή η περιοχή τιμών της διαφοράς τρέχουσας και ροπής αναφοράς που δεν θα υπάρχει επέμβαση στη ροπή που παράγει η μηχανή. Ρουτίνα SECTOR: Υπολογίζεται σε ποιον τομέα από τους έξι στους οποίους έχει χωριστεί ο τριγωνομετρικός κύκλος, ή από τους δύο μηδενικούς, βρίσκεται το τρέχον διάνυσμα της ροής και αποθηκεύεται στη μεταβλητή Sector. Ρουτίνα DTC_TABLE: Η ρουτίνα αυτή καλείται κάθε 50 μs, δηλαδή αφότου έχει προκύψει διακοπή από το στοιχείο PWM, όπως ορίζεται από τη μεταβλητή Inter που έχει χρήση σημαίας. Καταρχήν συγκρίνονται η τρέχουσα ροή με τη ροή αναφοράς και η τρέχουσα ροπή με τη ροπή αναφοράς. Κατόπιν επιλέγεται το κατάλληλο διάνυσμα παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων, σύμφωνα με τους πίνακες που ορίζει ο Άμεσος Έλεγχος Ροπής. Το διάνυσμα φορτώνεται στην αρμόδια λέξη ελέγχου για την έναυση των διακοπτικών στοιχείων, καθώς και στην μεταβλητή IGBTs, ώστε να χρησιμοποιηθεί στους υπολογισμούς του επόμενου κύκλου επανάληψης.

194 Εξυπηρέτηση διακοπών Το τελευταίο κομμάτι του κώδικα είναι η εξυπηρέτηση των διακοπών, που στη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι μία μόνο, αυτή που προέρχεται από το στοιχείο PWM. Μόλις ο επεξεργαστής λάβει την εντολή διακοπής, που σημαίνει και το πέρας μίας διακοπτικής περιόδου, περνάει στο συγκεκριμένο κομμάτι κώδικα, όπου αναγνωρίζεται η διακοπή με τον καθαρισμό του αντίστοιχου bit στη λέξη ελέγχου διακοπών. Ορίζονται έπειτα ξανά οι προτεραιότητες των διακοπών και τίθεται η κατάλληλη τιμή στη μεταβλητή Inter που χρησιμοποιείται ο σημαία ελέγχου της υπορουτίνας DTC_TABLE. Τέλος, ενεργοποιείται πάλι η παλμοδότηση μέσω του στοιχείου PWM, που θα σημάνει και το αυτόματο άνοιγμα των διακοπτών με το διάνυσμα που είχε φορτωθεί στην αντίστοιχη λέξη ελέγχου και είναι αυτό που έχει υπολογισθεί από το έργο όλων των υπορουτίνων που υλοποιούν τη λογική του Άμεσου Ελέγχου Ροπής.

195 Κεφάλαιο 8ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΜΦΙΚΑΤΕΥΘΥΝΤΗΡΙΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ [53] [55],[67] [68] 8.1 Εισαγωγή Για τη λειτουργία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα του υβριδικού οχήματος σε ονομαστική ισχύ, απαιτείται η ανύψωση της τάσης των μπαταρίων από τα 192 V στα 380 V. Από την άλλη μεριά, κατά τη φάση ανάκτησης ενέργειας όπου ο κινητήρας λειτουργεί πλέον ως ηλεκτρική γεννήτρια επιστρέφοντας ρεύμα στις μπαταρίες, απαιτείται ο υποβιβασμός της τάσης από τα 380 V περίπου στο επίπεδο φόρτισης των 192 V. Προς αυτή την κατεύθυνση, σχεδιάστηκε, προσομοιώθηκε και κατασκευάστηκε ένας αμφικατευθυντήριος μετατροπέας ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση, ο οποίος πληροί τις προϋποθέσεις που θέτει η εφαρμογή. 8.2 Λειτουργία αμφικατευθυντήριου μετατροπέα ανύψωσης / υποβιβασμού τάσης Η διάταξη του εν λόγω μετατροπέα εμφανίζεται στην ακόλουθη εικόνα. Σημειώνονται οι δύο ροές ισχύος που επιτρέπει.

196 Εικόνα 8.1 Μετατροπέας ανύψωσης / υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση Bidirectional Boost / Buck Converter Ουσιαστικά, αυτός ο μετατροπέας ενσωματώνει τη λειτουργία των δύο μετατροπέων που τον αποτελούν, «Boost converter» και «Buck converter», σε έναν. Αποτελείται από το πηνίο, δύο διακοπτικά στοιχεία με αντιπαράλληλες διόδους, ένα πηνίο, και δύο πυκνωτές, ένα στην είσοδο και έναν στην έξοδο αντίστοιχα. Τα στοιχεία σε αυτόν τον μετατροπέα δεν άγουν συμπληρωματικά όπως στον τριφασικό αντιστροφέα. Η λειτουργία του κάτω ή πάνω IGBT καθορίζει τον τρόπο λειτουργίας του μετατροπέα, ως ανυψωτή ή ως υποβιβαστή αντίστοιχα. Κατά τη λειτουργία ανύψωσης της τάσης, αρχικά άγει ο κάτω διακόπτης και μαγνητίζεται το πηνίο μέσω της πηγής τάσης. Η αντιπαράλληλη δίοδος του πάνω διακόπτη πολώνεται ανάστροφα απομονώνοντας τη βαθμίδα εξόδου και ο πυκνωτής στην έξοδο του μετατροπέα εκφορτίζεται στο φορτίο. Όταν διακοπεί η αγωγή του κάτω στοιχείου, η κάτω αντιπαράλληλη δίοδος πολώνεται ανάστροφα και το ρεύμα οδηγείται μέσω της άνω αντιπαράλληλης διόδου στο φορτίο, φορτίζοντας και τον πυκνωτή εξόδου. Η πηγή της τάσης λοιπόν, συνδέεται στη βαθμίδα εξόδου, ενώ παράλληλα, εκφορτίζεται και η ενέργεια του πηνίου.

197 Εικόνα 8.2 Σχέσεις μεγεθών που διέπουν τη λειτουργία Boost Κατά τη λειτουργία υποβιβασμού της τάσης, η ροή της ισχύος αποκτά την αντίθετη κατεύθυνση σε σχέση με την προηγούμενη λειτουργία. Σε αυτή τη φάση η ηλεκτρική γεννήτρια φορτίζει τις μπαταρίες και η είσοδος αντιμεταθέτει το ρόλο της με την έξοδο. Αρχικά άγει το άνω διακοπτικό στοιχείο και το ρεύμα ρέει στο φορτίο εξόδου μέσω του πηνίου, φορτίζοντας παράλληλα και τον πυκνωτή εξόδου. Η κάτω δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη και δε διαρρέεται από ρεύμα. Όταν διακοπεί η αγωγή του άνω διακοπτικού στοιχείου, το πηνίο προσπαθεί να διατηρήσει το ρεύμα προς την ίδια κατεύθυνση, λειτουργώντας ως πηγή ρεύματος. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαγωγής αναστρέφεται και η κάτω δίοδος πολώνεται ορθά και άγει. Εικόνα 8.3 Σχέσεις μεγεθών που διέπουν τη λειτουργία Buck Η διαμόρφωση του πλάτους εξόδου του μετατροπέα καθορίζεται από την επαγωγή του πηνίου, την τάση εισόδου και το λόγο κατάτμησης δ = ton ( ton + toff ) (duty cycle), ο οποίος εκφράζει το χρόνο αγωγής του διακοπτικού στοιχείου t on ως προς την περίοδο λειτουργίας του μετατροπέα TS = ton+ toff. Η αύξηση του λόγου κατάτμησης, και συνεπώς του χρόνου αγωγής, συνεπάγεται την αύξηση της μέσης τάσης εξόδου του μετατροπέα. Για τον έλεγχο του μετατροπέα χρησιμοποιείται η μέθοδος Διαμόρφωσης του Πλάτους των Παλμών (Pulse Width Modulation PWM). Ο έλεγχος στηρίζεται στη

198 ρύθμιση του λόγου κατάτμησης μέσω του οποίου διαμορφώνεται η τάση στην εκάστοτε έξοδο 8.3 Συμμετοχή του μετατροπέα στο ηλεκτρικό σύστημα του υβριδικού οχήματος. Ο αμφικατευθυντήριος μετατροπέας ανύψωσης / υποβιβασμού τάσης βρίσκει εφαρμογή στο όχημα μεταξύ των μπαταριών και του αντιστροφέα ισχύος. Όταν υπάρχει απαίτηση για πρόωση του οχήματος ο μετατροπέας μπαίνει σε λειτουργία Boost, φορτίζοντας τη συστοιχία πυκνωτών που έχει τοποθετηθεί στην είσοδο του αντιστροφέα, στο δίαυλο συνεχούς ρεύματος (DC bus). Το κύκλωμα ελέγχου φροντίζει για τη διατήρηση της τάσης στο επίπεδο των 380 V. Όταν το κινητήριο σύστημα περάσει στη φάση της επιστροφής ενέργειας, o μετατροπέας Buck/Boost θα αντιδράσει μειώνοντας το λόγο κατάτμησης δ για να μην υπάρξει αύξηση της τάσης στο δίαυλο συνεχούς. Η μείωση του δ μπορεί να συνεχιστεί μέχρι ένα όριο δ min, έπειτα από το οποίο ο μετατροπέας δεν μπορεί να λειτουργήσει ως Boost. Στο σημείο αυτό περνάει σε λειτουργία Buck, αξιοποιώντας το δεύτερο διακοπτικό στοιχείο του. Μεταξύ των δύο λειτουργιών παρεμβάλλεται ένα νεκρό χρονικό διάστημα που προσδιορίστηκε στα 2 ms, ώστε να αποφορτιστεί το πηνίο για να μπορέσει να δεχθεί ρεύμα αντίθετης φοράς. Ο μικροεπεξεργαστής φροντίζει εδώ για τη διατήρηση της στάθμης της τάσης εξόδου σε επίπεδο ικανό για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Όταν ο κινητήρας σταματήσει να επιστρέφει ενέργεια, τότε η τάση στο δίαυλο συνεχούς θα πέσει, αναγκάζοντας το επεξεργαστή να αυξήσει το λόγο δ, μέχρι μία ορισμένη τιμή. Κατά την ανίχνευση της τιμής αυτής, ο μετατροπέας αλλάζει λειτουργία, περνώντας σε φάση Boost, διατηρώντας το νεκρό χρονικό διάστημα των 2 ms για την αποφυγή υπερτάσεων. Κατά το σχεδιασμό του συστήματος ορίστηκε ως αποδεκτή λύση η κατασκευή μετατροπέων με ισχύ 2 KW, και μέγιστο ρεύμα στα 10,5 Α. Για την επίτευξη της πλήρους ισχύος, θα πρέπει να συνδεθούν πολλαπλοί μετατροπείς σε παράλληλη διάταξη που θα επιτρέψουν τη διέλευση του ονομαστικού ρεύματος της εφαρμογής.

199 Προσομοίωση του μετατροπέα Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του αντιστροφέα κατά τη λειτουργία αναπτύχθηκε ένα μοντέλο αυτού. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε είναι το Orcad pspice. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται όλη η διάταξη της προσομοίωσης. Εικόνα 8.4 Κύκλωμα προσομοίωσης Buck / Boost Για την προσομοίωση της ηλεκτρικής μηχανής έχουν χρησιμοποιηθεί δύο κλάδοι. Όταν αυτή λειτουργεί ως κινητήρας, εξομοιώνεται με μία εμπέδηση L R. Στη λειτουργία ως κινητήρα, το μοντέλο της μηχανής περνάει, μέσω των διακοπτών που έχουν προστεθεί, σε λειτουργία πηγής τάσης. Τα διακοπτικά στοιχεία είναι IGBT ενώ η παλμοδότηση τους έχει προσομοιωθεί με γεννήτριες παλμών. Το duty cycle των παλμογεννητριών, που ταυτίζεται με το λόγο κατάτμησης δ, έχει οριστεί στο 50% με συχνότητα 20KHz. Για την προσομοίωση των μπαταριών έχει χρησιμοποιηθεί μία

200 πηγή τάσης. Τέλος το πηνίο ορίστηκε στα 3 mh, τιμή που καθορίζεται από τους υπολογισμούς που ακολουθούν στο κεφάλαιο. Για την εξομοίωση ορίστηκαν οι ακόλουθοι χρόνοι εναλλαγής των λειτουργιών. Για τα χρονικά διαστήματα 300 έως 350 ms και 402 έως 550 ms ο μετατροπέας λειτουργεί ως ανυψωτής τάσης, παλμοδοτώντας το κάτω στοιχείο (κόκκινο χρώμα), ενώ για τα χρονικά διαστήματα 352 έως 400 ms και 402 έως 550 m ο μετατροπέας λειτουργεί ως υποβιβαστής τάσης, παλοδοτώντας το άνω (πράσινο χρώμα). Το νεκρό διάστημα των 2 ms διατηρήθηκε για την ασφαλή αποφόρτιση του πηνίου. Η παλμοδότηση φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα. Εικόνα 8.5 Παλμοδοτήσεις των δύο διακοπτικών στοιχείων Ακολουθούν οι κυματομορφές τάσεως και τα ρευμάτων σε διάφορα σημεία του κυκλώματος, που επιβεβαιώνουν την ορθή λειτουργία του μετατροπέα σε θεωρητικό υπόβαθρο. Η επιτυχία κρίνεται από τη σταθεροποίηση των μεγεθών στα επιθυμητά επίπεδα μετά το πέρας ενός σύντομου διαστήματος που παρουσιάζουν αυξομοιώσεις, μετά την εναλλαγή των καταστάσεων λειτουργίας του μετατροπέα από Boost σε Buck και αντίθετα.

201 Εικόνα 8.6 Κυματομορφές τάσης (κόκκινη) και ρεύματος (πράσινη) στην είσοδο Εικόνα 8.7 Κυματομορφές τάσης (κόκκινο) και ρεύματος (πράσινη)κινητήρα

202 Εικόνα 8.8 Κυματομορφές ρεύματος (πράσινη) και τάσης (κόκκινη) γεννήτριας 8.5 Διακοπτικά Στοιχεία Για την εφαρμογή των διακοπτικών στοιχείων επιλέχθηκε το στοιχείο FII 40-06D της εταιρείας IXYS. Το στοιχείο αυτό φέρει δύο ημιαγωγικούς διακόπτες τύπου IGBT (module), και είναι κατάλληλο για το ρεύμα (~11 Α) και την τάση (~400 V) που καλείται να λειτουργήσει. Τα χαρακτηριστικά των στοιχείων εμφανίζονται στον ακόλουθο πίνακα: Τάση συλλέκτη εκπομπού (V CE ) Ρεύμα συλλέκτη (I C25 ), (T=25 o C) Ρεύμα συλλέκτη (I C90 ), (T=90 o C) Μέγιστο ρεύμα συλλέκτη (I CΜ ), (125 o C) Μέγιστος χρόνος έναυσης σβέσης Ρεύμα διόδου (I F25 ), (T=25 o C) Ρεύμα διόδου (I F90 ), (T=90 o C) 600 V 40 A 25 A 60 Α 410 ns 30 A 15 A Πίνακας 8.1 Χαρακτηριστικά των IGBTs της εφαρμογής

203 Εικόνα 8.9 Κυκλωματικό διάγραμμα και μορφή του IGBT module της εφαρμογής 8.6 Κύκλωμα παλμοδότησης ελέγχου To κύκλωμα παλμοδότησης και ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με το αντίστοιχο κύκλωμα του τριφασικού αντιστροφέα, που αναλύθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Σε αυτό διακρίνουμε τρεις περιοχές: το τμήμα μέτρησης των απαιτούμενων μεγεθών το τμήμα επεξεργασίας σημάτων και το τμήμα οδήγησης των παλμών Εικόνα 8.10 Κύκλωμα μετατροπέα Buck / Boost που κατασκευάσθηκε

204 Μετρητικές διατάξεις Για την υλοποίηση της μεθόδου ελέγχου του μετατροπέα Buck /Boost απαιτείται η μέτρηση των ακόλουθων μεγεθών: Τάση εισόδου Τάση εξόδου Ρεύμα εισόδου Ρεύμα εξόδου Για τη μέτρηση των τάσεων χρησιμοποιούνται τα μετρητικά LEM LV 25-P, με τρόπο όμοιο με την εφαρμογή τους στον κύκλωμα ελέγχου του τριφασικού αντιστροφέα που αναλύθηκε σε προηγούμενο σημείο. Για τη μέτρηση των ρευμάτων χρησιμοποιούνται τα στοιχεία LTSR 6-NP της εταιρείας LEM. Η διαφοροποίηση τους από τα μετρητικά ρεύματος του τριφασικού αντιστροφέα είναι στο ότι τα LTSR 6-NP λειτουργούν ως πηγές τάσης, οπότε το σήμα εξόδου τους δεν χρειάζεται μετατροπή για να οδηγηθεί στον μικροελεγκτή προς μέτρηση. Τα σήματα ενισχύονται από ενισχυτές AD 622 πριν οδηγηθούν στις προοριζόμενες για αυτά αναλογικές εισόδους του μικροελεγκτή. Τα κυκλώματα των μετρητικών διατάξεων εμφανίζονται στα ακόλουθα σχήματα. Εικόνα 8.11 Μέτρηση τάσεων Buck / Boost

205 Εικόνα 8.12 Μέτρηση ρευμάτων Buck / Boost Επεξεργασία σημάτων Για την επεξεργασία των σημάτων χρησιμοποιείται επίσης ο μικροελεγκτής dspic30f4011 της Microchip. Χρησιμοποιούνται τέσσερεις από τις αναλογικές θύρες εισόδου του, ενώ λόγω της ύπαρξης μόνο δύο διακοπτικών στοιχείων οι έξοδοι του στοιχείου PWM περιορίζονται σε δύο Οδήγηση παλμών Οι παλμοί που παράγει ο μικροελεγκτής περνούν από τα ακόλουθα στάδια: στάδιο ενίσχυσης αντιστροφής στάδιο απομόνωσης στάδιο οδήγησης στο διακοπτικό στοιχείο Στο πρώτο στάδιο, οι παλμοί ενισχύονται για να αντιμετωπιστεί το φαινόμενο της αδυναμίας οδήγησης μεγάλου ρεύματος από τις θύρες εξόδου του επεξεργαστή. Η ενίσχυση γίνεται με τη χρήση αντιστροφέα τύπου 74HC04, οπότε γίνεται και αντιστροφή του σήματος. Ακολουθεί το στάδιο της απομόνωσης των παλμών, όπου χρησιμοποιούνται δύο οπτοζεύκτες 6N137, που σκοπό έχουν την προστασία των κυκλωμάτων από επιστροφή ρεύματος λόγω σφάλματος. Τέλος χρησιμοποιούνται δύο οδηγοί IR4427, ώστε να δώσουν στους παλμούς το κατάλληλο πλάτος των 15 V για την έναυση των διακοπτικών στοιχείων.

206 Εικόνα 8.13 Κύκλωμα οδήγησης παλμών 8.7 Πηνίο Υπολογισμός επαγωγής πηνίου Ο υπολογισμός της επαγωγής του πηνίου μελετήθηκε κατά τη λειτουργία του μετατροπέα ως ανυψωτή τάσης και χαρακτηρίζεται από τους αντίστοιχους μαθηματικούς τύπους που ισχύουν για αυτή τη φάση. Για την εφαρμογή του υβριδικού οχήματος, η τάση εξόδου της συστοιχίας των μπαταριών αντιστοιχεί στην τάση εισόδου του μετατροπέα ανύψωσης, παρέχοντας για τους συνολικά 16 ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές των 12 V έκαστος, το επίπεδο τάσης 192 V. Λαμβάνοντας, όμως, υπόψη μία πιθανή κυμάτωση της τάσης κάθε συσσωρευτή ±1.5 V, τότε η τάση εξόδου του θα κυμαίνεται από 10.5 V έως 13.5 V. Συνεπώς, η συστοιχία των 16 μπαταριών θα δίνει τάση εξόδου η οποία θα κυμαίνεται από Vmin = = 168V έως Vmax = = 216V. Θέτοντας ως επιθυμητή τάση εξόδου, κατά την ανύψωση, V = 380V, τότε υπολογίζεται ο λόγος κατάτμησης δ από την εξίσωση: o V o 1 Vi = Vi δ = 1 1 δ V o 168V 1 380V δ = = δ = 216V V

207 Το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο θα ισούται με το ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα, το οποίο είναι I = I = 11.1A, όπως υπολογίστηκε σε προηγούμενη in L ενότητα, και τίθεται ως αποδεκτό όριο κυμάτωσης ±1 Α, δηλαδή I max I min = 2A. Οπότε, για την οριακή κατάσταση αγωγής (BCM), μεταξύ συνεχούς (CCM) και ασυνεχούς αγωγής (DCM), κατά τη φάση εκφόρτισης του πηνίου (για τη λειτουργία Boost, όπου Τr2 = off), το μέσο ρεύμα του δε θα πρέπει να πέφτει κάτω από την τιμή I = 1A, εικόνα 8.13(α). LB L L Εικόνα 8.14 Όριο συνεχούς ασυνεχούς αγωγής για το ρεύμα του πηνίου Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα ορίζεται f = 20kHz, η οποία αντιστοιχεί σε περίοδο T = 50μ sec.για την επίτευξη σταθερής τάσης εξόδου S 380 V, ο λόγος κατάτμησης θα πρέπει να μεταβάλλεται μεταξύ των τιμών δ 1 = 0.43 και δ 2 = 0.56 ανάλογα με την εκάστοτε τάση που υπάρχει στην είσοδο του μετατροπέα. Συνεπώς, για τη λειτουργία Boost, θα μεταβάλλεται η χρονική διάρκεια αγωγής του κάτω διακοπτικού στοιχείου (Tr2). Επιλέγοντας τη λειτουργία του μετατροπέα στη συνεχή αγωγή, έτσι ώστε να είναι μικρότερη η κυμάτωση του ρεύματος στο πηνίο, υπολογίζεται η επαγωγή του πηνίου για τον ελάχιστο χρόνο κατάτμησης δ. Δηλαδή, για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, όταν το διακοπτικό στοιχείο Tr2 δεν θα άγει, η επαγωγή του πηνίου θα πρέπει να είναι ικανή να απομαγνητιστεί πλήρως στο τέλος της διακοπτικής περιόδου. Αντικαθιστώντας λοιπόν όπου δ = 0.43 για την οριακή κατάσταση αγωγής του πηνίου ισχύει:

208 I LB ( δ) ILB,max = 4δ 1 I LB,max I = 4δ 1 LB ( δ ) 1 1 I LB,max = = ILB,max = 1.02A ( ) Εικόνα 8.15 Οριακή κατάσταση αγωγής (με διακεκομμένη γραμμή) Η επαγωγή του πηνίου υπολογίζεται: I LB,max TS VO = 8L 6 TS Vo L = L = 8I LB,max L = 2.33mH άρα το μέγιστο οριακό ρεύμα εξόδου προκύπτει: I T V = L ob,max S o και το μέσο οριακό ρεύμα εξόδου: I ob I I T V 2L δ δ I ob,max = S o = ( 1 ) 2 ( ) ob ob,max I ob I ob,max = 0.6 = IoB A = 0.57A Για το διάγραμμα της εικόνας 8.14, υπολογίζοντας το λόγο: 0.57 = = 0.95, βρίσκουμε το σημείο της καμπύλης οριακής αγωγής με 0.6 συντεταγμένες ( δ = 0.43, I I ob ob,max = 0.95 ).

209 Για την τελική τιμή της επαγωγής του πηνίου, βάσει της οποίας θα γίνει η κατασκευή, προστίθεται ένα επιπλέον περιθώριο ασφαλείας για τη λειτουργία της συνεχούς αγωγής. Για αυτό το λόγο, επιλέγεται η επαγωγή του κατασκευασθέντος πηνίου να είναι 3 mh. Η μέγιστη τιμή του ρεύματος στην είσοδο του μετατροπέα (και συνεπώς του πηνίου) υπολογίζεται από το άθροισμα της μέσης τιμής του (11.1 Α) και της κυμάτωσής του (1 Α) και ισούται με I max = 12.1A. L Κατασκευή πηνίου Για την κατασκευή του πηνίου επιλέχθηκε ως υλικό για τον πυρήνα ο φερρίτης, ο οποίος παρουσιάζει χαμηλές απώλειες λόγω δινορευμάτων. Επίσης, χαρακτηρίζεται από υψηλή τιμή μαγνητικής διαπερατότητας, μικρή τιμή πυκνότητας και μάζας και έχει σχετικά χαμηλό κόστος. Τέλος, η διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα βρίσκεται στα επιτρεπτά όρια λειτουργίας του φερρίτη. Επειδή δε βρέθηκε, αρχικά, τόσο μεγάλος πυρήνας, κατάλληλος για κατασκευή πηνίου με επαγωγή ίση με 3 mh, προτάθηκε ως εναλλακτική λύση η κατασκευή τριών επιμέρους πηνίων με επαγωγή L = 1mH έκαστο και η σύνδεση αυτών σε σειρά. Καθένα από αυτά τα πηνία θα φέρει δύο πυρήνες ETD 59 σχήματος Ε από υλικό Ν87 με διαστάσεις 93/104/30 (εικόνα 8.15). f Εικόνα 8.16 Πυρήνας φερρίτη ETD59 σχήματος Ε [2]

210 Το πρώτο πηνίο που κατασκευάστηκε, εισερχόταν στον κόρο σε τιμή μικρότερη από την απαιτούμενη των 12.1 Α και έτσι η συγκεκριμένη λύση απορρίφθηκε. Επειδή δε βρέθηκε διαθέσιμος στο εμπόριο μεγαλύτερο ζεύγος πυρήνων τύπου Ε, το εργαστήριο προμηθεύτηκε ένα συνδυασμό πυρήνων σχήματος UI από υλικό 3C85 με διαστάσεις 93/76/30 (εικόνα 8.16). Εικόνα 8.17 Πυρήνας φερρίτη Εικόνα 8.18 Χαρακτηριστικές καμπύλες μαγνήτισης φερρίτη 3C85

211 Με βάση αυτό το ζεύγος πυρήνων, ακολουθούν οι υπολογισμοί των μεγεθών του πηνίου που κατασκευάστηκε. Ο αριθμός των σπειρών υπολογίζεται από τη σχέση: N = Ll e μ μ A ο ε e, όπου l = 258mm η ενεργή μαγνητική διαδρομή για τον συγκεκριμένο πυρήνα, e μ ο η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, μ = 2000 η σχετική μαγνητική διαπερατότητα του υλικού 3C85 για T=25 ο C, i Ae 2 = 840mm η ενεργητική μαγνητική επιφάνεια του συγκεκριμένου πυρήνα, lg = 23 = 6mm το μήκος του διακένου ανάμεσα στους δύο πυρήνες (στη συγκεκριμένη περίπτωση το διάκενο μεταξύ των πυρήνων είναι 3 mm), μ μ l i e e = η ενεργός μαγνητική διαπερατότητα, και υπολογίζεται: le + lg μi μ e = μ e = 42.1 Άρα ο αριθμός σπειρών είναι: N = 7 6 4π N = 132 Η ένταση του μαγνητικού πεδίου, για την οποία το υλικό 3C85 εισέρχεται στον κόρο είναι B = 0.35T. B sat Η ένταση του μαγνητικού πυρήνα που κατασκευάστηκε υπολογίζεται: μ μ N I ο e = le 7 4π B = B = 0.32T Συνεπώς, συγκρίνοντας τις τιμές B και B sat, ο πυρήνας του πηνίου δεν αναμένεται να εισέλθει στον κόρο. Πριν εφαρμοστεί η τύλιξη του πηνίου είναι απαραίτητο να εξακριβωθεί εάν ο αριθμός σπειρών που υπολογίστηκαν είναι εφικτό να τυλιχθεί γύρω από τον πυρήνα, στα πλαίσια που ορίζει το «παράθυρο». Η επάρκεια του εμβαδού του παραθύρου για την τύλιξη όλων των σπειρών γύρω από τον πυρήνα επαληθεύτηκε από την εμπειρική ανισοτική σχέση: 2 n N π R E παραθ ρου 0.5 ύ, όπου n o αριθμός των συρμάτων. Αρχικά, υπολογίζεται το πάχος του σύρματος περιέλιξης. Το σύρμα χαλκού αντέχει πυκνότητα ρεύματος 6 Α / mm 2. Στην εφαρμογή, όμως, λόγω των στρώσεων

212 των σπειρών γύρω από τον πυρήνα, οι συνθήκες που επικρατούν κατά την ροή του ρεύματος δεν είναι ιδανικές, καθώς οι σπείρες δεν ψύχονται εξίσου από τον αέρα του περιβάλλοντος. Θέτοντας λοιπόν ένα περιθώριο ασφαλείας, η αντοχή θεωρείται ίση με 5 Α / mm 2. Το σύρμα χαλκού που επιλέγεται έχει διάμετρο 0.71 mm και είναι επιστρωμένο με μονωτικό βερνίκι πάχους στρώσης 0.03 mm. Επομένως η καθαρή διάμετρος του σύρματος είναι d = 0.68mm. Η διατομή του σύρματος υπολογίζεται A = r 2 = ( d 2) 2 π ( ) 2 A σ = σ π π A σ = mm. Από αυτή τη διατομή μπορεί να περάσει ρεύμα έως 1.8 Α. Έχοντας ως δεδομένο ότι η μέγιστη ένταση ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό είναι I = A, συνολικά θα χρειαστούν 7 σύρματα της παραπάνω διατομής. L max Πειραματικές μετρήσεις πηνίου Κατά την πειραματική διαδικασία, αρχικά, μετρήθηκε η επαγωγή του πηνίου και έπειτα, ελέγχθηκε η μέγιστη ένταση ρεύματος για την οποία το πηνίο εισέρχεται στον κόρο. Η επαγωγή του πηνίου μετράται με ειδικό όργανο. Για το πρώτο πηνίο η επαγωγή μετρήθηκε 0.85 mh και για το δεύτερο πηνίου 2.9 mh, όπως φαίνεται στις ακόλουθες εικόνες.

213 Εικόνα 8.19 Μέτρηση επαγωγής πρώτου πηνίου Εικόνα 8.20 Μέτρηση επαγωγής δεύτερου πηνίου

214 Έπειτα, για τη μέτρηση της τιμή του ρεύματος που οδηγεί ένα πηνίο στον κόρο, χρησιμοποιείται: ένας μονοφασικός μετασχηματιστής τάσης ο οποίος συνδέεται στο δίκτυο και παρέχει τροφοδοσία μέσω του δευτερεύοντος τυλίγματός του (η τάση εξόδου του δευτερεύοντος ρυθμίζεται σε πολύ χαμηλό επίπεδο, μερικά μόλις V) ένα βολτόμετρο το οποίο μετράει την πτώση τάσης στα άκρα του πηνίου ένα αμπερόμετρο το οποίο μετράει την ένταση του ρεύματος του πηνίου και ένας παλμογράφος ο οποίος παλμογραφεί την κυματομορφή του ρεύματος, μέσω ενός δειγματολήπτη ρεύματος με χρήση αμπεροτσιμπίδας Κατά τη φάση του πειράματος, όταν το πηνίο ξεκινά να εισέρχεται στον κόρο, η ημιτονοειδής κυματομορφή του ρεύματος αρχίζει να αποκτά τριγωνικές κορυφές, οι οποίες γίνονται πιο έντονες όσο συνεχίζει να αυξάνει το ρεύμα. Εικόνα 8.21 Δειγματοληψία ρεύματος πηνίου Στην εικόνα 8.21 η κυματομορφή του ρεύματος (κυματομορφή με το μεγαλύτερο πλάτος) έχει μέγιστη τιμή 6 Α και τάση στα άκρα του πρώτου πηνίου ίση με 5.2 V. Το ρεύμα έχει τη συνήθη ημιτονοειδή μορφή. Επίσης, παρατηρείται η διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης (κυματομορφή με το μικρότερο πλάτος) και του ρεύματος, λόγω του σχεδόν αμιγούς επαγωγικού φορτίου.

215 Εικόνα 8.22 Κυματομορφή ρεύματος (μεγάλο πλάτος) και τάσης (μικρό πλάτος)του πρώτου πηνίου Στην εικόνα 8.22 το πηνίο έχει αρχίσει να εισέρχεται στην περιοχή του κόρου με μέγιστη τιμή ρεύματος 8.5 Α και τάση 5.7 V. Στην εικόνα 8.23 είναι πλέον βαθιά στον κόρο με ρεύμα 9 Α και τάση 6.1 V. Η κυματομορφή του ρεύματος είναι τριγωνική. Εικόνα 8.23 Είσοδος πρώτου πηνίου στον κόρο

216 Εικόνα 8.24 Κόρος πρώτου πηνίου Στην εικόνα 8.24 παρατηρείται η κυματομορφή του ρεύματος με τιμή 6 Α και της τάσης στα άκρα του δεύτερου πηνίου ίση με 7 V. Το πηνίο δεν έχει εισέλθει στον κόρο. Εικόνα 8.25 Κυματομορφή ρεύματος και τάσης δεύτερου πηνίου

217 Στην εικόνα 8.25 το πηνίο έχει αρχίσει να εισέρχεται στην περιοχή του κόρου με τιμή ρεύματος 9.2 Α και τιμή τάσης 7.9 V. Η είσοδος του πηνίου στον κόρο για ρεύμα μικρότερο από την μέγιστη θεωρητική τιμή των 12.1 Α οφείλεται στην αύξηση της θερμοκρασίας των σπειρών του πηνίου, γεγονός που φέρνει το πηνίο στον κόρο σε τιμή χαμηλότερη των 0.35 Τ, όπως φαίνεται και στην εικόνα 8.17(Β). Στην εικόνα 8.26 είναι βαθιά στην περιοχή του κόρου με ρεύμα 10 Α και τάση 8.4 V. Εικόνα 8.26 Είσοδος δεύτερου πηνίου στον κόρο Εικόνα 8.27 Κόρος δεύτερου πηνίου

218 Συνοψίζοντας, μετά την κατασκευή του πηνίου, για τη μέση τάση εισόδου των 192 V, το μέγιστο ρεύμα εισόδου είναι ουσιαστικά το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει το πηνίο χωρίς αυτό να εισέρχεται στον κόρο και ισούται με 9.2 Α, σύμφωνα με τους υπολογισμούς του δεύτερου πηνίου. To μέσο ρεύμα εισόδου ισούται με τη μέγιστη τιμή του ρεύματος του πηνίου μειωμένη κατά την κυμάτωση του 1 Α. Η μέση ισχύς εισόδου υπολογίζεται: P = I V P, = 8.2A 192V P, = 1.575kW in, boost in, boost in, boost in boost in boost Η μέση ισχύς εξόδου του μετατροπέα θα ισούται προσεγγιστικά με: P = n P P, = kW P, = 1.418kW out, boost in, boost out boost out boost

219 Κεφάλαιο 9ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 9.1 Εισαγωγή Το τέλος του κατασκευαστικού σταδίου του τριφασικού αντιστροφέα σήμανε την αφετηρία μίας εκτεταμένης σειράς πειραμάτων. Με την ανάπτυξη των κατάλληλων λογισμικών, έγινε δοκιμή συστήματος παλμοδότησης και του αντιστροφέα σε διάφορες συνθήκες. Το τελικό στάδιο περιλαμβάνει μετρήσεις επί του πειραματικού οχήματος. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί παρουσιάζονται οι μετρήσεις από τη διεξαγωγή των πειραμάτων, κυματομορφές ηλεκτρικών μεγεθών όπως προέκυψαν στην οθόνη του παλμογράφου, ανάλυση των αποτελεσμάτων και σχόλια επ αυτών. 9.2 Δοκιμή οδήγησης παλμών στην είσοδο του κυκλώματος ισχύος Αρχικά, ελέγχθηκε ότι το κύκλωμα στην πλακέτα ελέγχου είναι ορθό και δοκιμάστηκε διεξοδικά η λειτουργία κάθε ολοκληρωμένου. Το επόμενο βήμα ήταν η οδήγηση των παλμών στις θύρες των ημιαγωγικών στοιχείων. Πολύ σημαντική παράμετρος στην παλμοδότηση των διακοπτών, είναι η μέριμνα για την ύπαρξη ενός νεκρού χρόνου κατά τη σβέση ενός στοιχείου και την έναυση του συμπληρωματικού του. Με τη βοήθεια της αρμόδιας λέξης ελέγχου, το νεκρό χρονικό διάστημα ορίστηκε στα 2 μs, χρόνος που υπερκαλύπτει τον απαιτούμενο από τις προδιαγραφές των IGBTs χρόνο των 850 ns. Σε περίπτωση που ο νεκρός αυτός χρόνος, στον οποίο δίνεται εντολή και στα δύο ημιαγωγικά στοιχεία του ζεύγους να παραμείνουν κλειστά, δεν τηρηθεί, εμφανίζεται βραχυκύκλωμα στην είσοδο του αντιστροφέα που μπορεί να προκαλέσει βλάβη στα διακοπτικά στοιχεία.

220 Εικόνα 9.1 Παλμοί έναυσης για ζεύγος στοιχείων κατά τη μετάβαση από λειτουργία σε αποκοπή και αντίστροφα. Φαίνεται ο νεκρός χρόνος για την πρόληψη βραχυκυκλώματος. 9.3 Δοκιμή τριφασικού αντιστροφέα σε τριφασικό ωμικό φορτίο Το επόμενο βήμα περιελάμβανε τη δοκιμή της ορθής έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών διακοπτών. Για το σκοπό αυτό, οι τρεις έξοδοι του αντιστροφέα συνδέθηκαν σε τριφασικό ωμικό φορτίο. Για την τροφοδοσία του αντιστροφέα χρησιμοποιήθηκε ένα τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, με μέγιστες παροχές: 120 V τάση και 25 A ρεύμα. Το τροφοδοτικό λειτουργεί με ανόρθωση της τάσεως του δικτύου και έχει ως πρόσθετο χαρακτηριστικό τον περιορισμό του ρεύματος στην έξοδό του. Εικόνα 9.2 Πινακίδα χαρακτηριστικών τριφασικού ωμικού φορτίου

221 Το τροφοδοτικό ρυθμίστηκε σε επίπεδο τάσης 50 V, ικανό ώστε να εισάγει τα στοιχεία στην περιοχή του κόρου κατά τη λειτουργία τους. Χαμηλότερη τάση θα είχε ως αποτέλεσμα τη λειτουργία των IGBTs στη γραμμική περιοχή, γεγονός που θα αύξανε τη θερμοκρασία που εκλύουν και ενδεχομένως να προκαλούνταν βλάβες. Όσον αφορά την παλμοδότηση των στοιχείων σε αυτή τη δοκιμή, εκτελέστηκε ένα πρόγραμμα στον επεξεργαστή το οποίο στέλνοντας τετραγωνικούς παλμούς στα IGBTs φρόντιζε για τη διαδοχή όλων των συνδυασμών διακοπτικών καταστάσεων. Ο νεκρός χρόνος μεταξύ έναυσης και σβέσης των συμπληρωματικών στοιχείων τηρήθηκε και εδώ. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η τάση που εμφανίζεται σε μία φάση του φορτίου λόγω του συγκεκριμένου τρόπου παλμοδότησης. Εικόνα 9.3 Πολική τάση που εμφανίζεται στο ωμικό φορτίο κατά την εκτέλεση προγράμματος διαδοχής διακοπτικών καταστάσεων Με το συγκεκριμένο πείραμα επιβεβαιώθηκε η ορθή λειτουργία της πλακέτας παλμοδότησης καθώς και των διακοπτικών στοιχείων κατά τη σύνδεσή τους με την τροφοδοσία.

222 Δοκιμή τριφασικού αντιστροφέα σε τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα του εργαστηρίου με ηλεκτρομαγνητικό φορτίο Μετρήσεις με μεταβολή του φορτίου Η συνέχεια ορίστηκε να είναι η τροφοδότηση ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα του εργαστηρίου μέσω του τριφασικού αντιστροφέα και ο έλεγχος του μέσω του λογισμικού που αναπτύχθηκε, βασισμένο στη μέθοδο DTC. Στην είσοδο του αντιστροφέα συνδέθηκε ένα τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος (εικόνα 9.5) με μέγιστη τάση εξόδου τα 125 V και μέγιστο παρεχόμενο ρεύμα τα 25 Α. Χρησιμοποιήθηκε ο κινητήρας (εικόνα 9.3, εικόνα 9.4) με χαρακτηριστικά: V πολική = 380 V, I N = 11.7 A, P out = 5.5 kw, f = 50 Hz, cosφ = Στον κινητήρα αυτό συνδέθηκε ως φορτίο ένα ηλεκτρομαγνητικό φορτίο (ηλεκτρομαγνητική πέδη εικόνα 9.2, εικόνα 9.4). Το φορτίο λειτουργεί με συνεχή τάση και η αντίσταση που φέρει στην κίνηση είναι ανάλογη της τάσεως με την οποία τροφοδοτείται. Η ροπή του φορτίου είναι γραμμική συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής του. Εικόνα 9.4 Ταμπέλα ηλεκτρομαγνητικού φορτίου

223 Εικόνα 9.5 Ταμπέλα κινητήρα δοκιμής Εικόνα 9.6 Ζεύξη κινητήρα δοκιμής και ηλεκτρομαγνητικού φορτίου

224 Το φορτίο αυτό τροφοδοτείται από ένα δεύτερο τροφοδοτικό ίδιων χαρακτηριστικών με το πρώτο. Εικόνα 9.7 Τα τροφοδοτικά της δοκιμής Ακολουθούν οι μετρήσεις για διάφορες τιμές της ηλεκτρομαγνητικής πέδης. Στους πίνακες σημειώνονται η τάση και το ρεύμα που παρέχονται στην πέδη (φορτίο), η πολική τάση (V πολ ) και το ρεύμα (Ι κιν_φ ) στα τυλίγματα του κινητήρα και οι στροφές του κινητήρα. Ο έλεγχος της ροπής του κινητήρα γίνεται μέσω ενός περιστροφικού διακόπτη (ποτενσιόμετρο), ο οποίος έχει το ρόλο της αναφοράς της ροπής. Κάθε στροφή του ποτενσιόμετρου (REF στρ.) αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη τιμή ροπής REF (Nm) και ορίζεται από το πρόγραμμα. Επιπλέον, αναγράφεται η τάση (V dc ) και το ρεύμα (I dc ) στην έξοδο του τροφοδοτικού είσοδο του αντιστροφέα. Όσον αφορά τους τρόπους μέτρησης, η τάση και το ρεύμα τροφοδοσίας από τα δύο τροφοδοτικά προκύπτει από τις ψηφιακές ενδείξεις που φέρουν στην πρόσοψη τους. Το ρεύμα και η τάση στον κινητήρα μετρήθηκαν με αναλογικά όργανα του εργαστηρίου, ενώ οι στροφές του συστήματος κινητήρας ηλεκτρομαγνητικό φορτίο μετρούνται με έναν οπτικό αισθητήρα που στέλνει σήμα σε έναν ψηφιακό μετρητή παλμών που έχει ρυθμιστεί να εμφανίζει στην οθόνη του περιστροφές ανά λεπτό.

225 Σημειώνεται ότι λήφθηκε μέριμνα για την ψύξη του κινητήρα στον οποίο διεξήχθησαν τα πειράματα. Ο κινητήρας είναι αερόψυκτος, όμως εμφάνισε έντονα φαινόμενα θέρμανσης σε συνεχή χρήση του. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα φορητό κλιματιστικό που τροφοδοτεί με κρύο αέρα τις εξωτερικές ψύκτρες του κινητήρα. Τελευταίο στοιχείο που πρέπει να σημειωθεί είναι πως η ροή αναφοράς που χρειάζεται η μέθοδος Άμεσου Ελέγχου Ροπής (DTC) ορίστηκε στον κώδικα που τρέχει ο μικροεπεξεργαστής στα 0.4 Weber. Εικόνα 9.8 Διάταξη για διεξαγωγή μετρήσεων επί του αντιστροφέα

226 Στην πρώτη δοκιμή το ηλεκτρομαγνητικό φορτίο τροφοδοτήθηκε με 20 V, 25 V, 30 V και 35 V και η τάση εισόδου του αντιστροφέα είχε τιμή 115 V. Κάθε στροφή του ποτενσιόμετρου ορίστηκε να αντιστοιχεί σε 2 Nm ροπής. REF (στρ.) REF (Nm) φορτίο (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) Iκιν_φ (Α) στρ.κιν. (rpm) 2, ,9 65 2, ,75 5, ,2 78 2, ,3 80 2, ,75 5, , , , ,25 6, , , , , ,8 39 3, ,75 7, ,3 47 3, ,9 58 3, ,25 8, ,7 75 3, , ,8 78 3, , ,2 36 4, ,75 9, ,6 42 4, ,1 47 4, ,25 10, ,8 58 4, , ,9 75 4,5 699 Πίνακας 9.1 Πειραματικές μετρήσεις πρώτης δοκιμής

227 Στη δεύτερη δοκιμή η τάση του φορτίου κυμάνθηκε από 15 V έως 48 V. H τάση στην είσοδο του τροφοδοτικού είναι 115 V. Κάθε στροφή στο ποτενσιόμετρο αντιστοιχεί σε τιμή ροπής 2 Nm. REF (στρ.) REF (Nm) φορτίο (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) Iκιν_φ (Α) στρ.κιν. (rpm) ,6 70 2, ,25 4, ,8 70 2, , ,9 67 2, , , , ,25 6, , ,25 8, , , ,25 10, ,7 72 4, , , , ,75 13, , , ,75 15,5 42, ,9 73 5, ,8 73 6, , , ,9 73 7, ,7 424 Πίνακας 9.2 Πειραματικές μετρήσεις δεύτερης δοκιμής Στα ακόλουθα διαγράμματα εμφανίζονται καμπύλες που προκύπτουν από τις μετρήσεις των δύο πρώτων δοκιμών.

228 Χαρακτηριστικές φορτίου 12 ροπή που παράγει ο κινητήρας (Nm) στροφές ανά λεπτό Εικόνα 9.9 Χαρακτηριστικές καμπύλες ηλεκτρομαγνητικού φορτίου ανάλογα όπως προκύπτουν από τη δεύτερη δοκιμή Στο παραπάνω διάγραμμα εμφανίζονται οι στροφές του συστήματος κινητήρας φορτίο και η ροπή που παράγει ο κινητήρας για να τις επιτύχει. Επιβεβαιώνεται η γραμμικότητα της ροπής του φορτίου σε σχέση με την ταχύτητα περιστροφής του. Το χαρακτηριστικό αυτό επιτρέπει στο σύστημα να ισορροπεί σε συγκεκριμένες στροφές για κάθε τιμή της παραγόμενης ροπής.

229 στροφές κινητήρα-ροπή αναφοράς για διάφορα μηχανικά φορτία στροφές ανά λεπτό ροπή αναφοράς (Nm) Εικόνα 9.10 Ταχύτητες που επιτυγχάνει ο κινητήρας υπό διάφορα φορτία συναρτήσει της ροπής που του ζητείται Στο διάγραμμα του σχήματος 9.2 εμφανίζεται η εξάρτηση των στροφών του κινητήρα από τη ροπή αναφοράς που του δίνεται μέσω του ποτενσιόμετρου. Υπενθυμίζεται ότι η τάση τροφοδοσίας φτάνει τα 115 V στο δίαυλο συνεχούς που τροφοδοτεί τον αντιστροφέα, η οποία μπορεί να προσφέρει στον κινητήρα τριφασική εναλλασσόμενη τάση έως 80 V περίπου, αντί για τα 380 V που απαιτεί εκ κατασκευής ο κινητήρας. Η ισχύς του κινητήρα είναι περιορισμένη λόγω της μειωμένης τροφοδοσίας του. Το γεγονός αυτό δεν του επιτρέπει να φτάσει και την ονομαστική του ταχύτητα, καθώς από ένα σημείο και έπειτα, παρόλη την αύξηση της ροπής αναφοράς που του δίνεται, ο κινητήρας δεν μπορεί να παράγει επιπλέον ροπή. Στο διάγραμμα, το σημείο αυτό εμφανίζεται εκεί που η κλίση των καμπύλων γίνεται μηδενική.

230 φασικό ρεύμα κινητήρα για μεταβαλλόμενο φορτίο και στροφές σταθερά στο διάστημα [ ] φασικό ρεύμα (Α) τάση στο φορτίο (V) Εικόνα 9.11 Μεταβολή φασικού ρεύματος κινητήρα για μεταβαλλόμενο φορτίο ενώ διατηρείται ταχύτητα 600 έως 700 στροφών ανά λεπτό Το τρίτο διάγραμμα (σχήμα 9.3) εμφανίζει την εξάρτηση του φασικού ρεύματος συναρτήσει της ροπής καθώς η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα διατηρείται σχεδόν σταθερή, στο διάστημα των 600 με 700 στροφών ανά λεπτό. Παρατηρείται η αύξηση του ρεύματος που παρέχεται στον κινητήρα, όταν απαιτηθεί από αυτόν η παραγωγή μεγαλύτερης ροπής. Υπενθυμίζεται ότι η ροπή που παράγει το φορτίο είναι ανάλογη των στροφών του και της τροφοδοσίας του, καθώς και το ότι όταν το σύστημα ισορροπεί σε κάποιες στροφές οι ροπές των δύο μερών του συστήματος, του κινητήρα και του φορτίου εξισώνονται. Στην τρίτη δοκιμή καταγράφηκαν περισσότερες μετρήσεις για να παρατηρηθεί αναλυτικότερα η συμπεριφορά του συστήματος. Το φορτίο τροφοδοτήθηκε με τάση 35 V, η τιμή της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα είναι πάντα 115 V και η μία στροφή του ποτενσιόμετρου αντιστοιχεί σε 2 Nm.

231 REF (στρ.) REF (Nm) φορτίο (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) Iκιν_φ (Α) Ισχύς (Watt) στρ.κιν. (rpm) 6, , ,9 79 4, , ,8 78 4, ,375 10, ,6 55 4, ,25 10, ,2 50 4, ,125 10, , ,8 45 4, ,875 9, ,6 43 4, ,75 9, ,4 39 4, ,625 9, ,2 38 4, , ,1 36 4, ,375 8, , ,25 8, ,7 32 3, ,125 8, ,6 30 3, ,5 28 3, ,875 7, ,4 27 3, ,75 7, ,3 25 3, ,625 7, ,2 23 3, , ,1 22 3, ,375 6, , ,25 6, ,9 20,5 3, ,125 6, , ,6 20 2, Πίνακας 9.3 Πειραματικές μετρήσεις τρίτης δοκιμής Η εικόνα που ακολουθεί εμφανίζει τους παλμούς που οδηγούνταν στην πύλη του άνω διακοπτικού στοιχείου κατά τη λειτουργία του αντιστροφέα. Φαίνεται η διακοπτική συχνότητα των 20 KHz λόγω του πλάτους παλμών που μετράται στα 50 μs. Εκεί που ο παλμός διαρκεί περισσότερο είναι γιατί ο

232 αλγόριθμος αποφασίζει να κρατήσει το συγκεκριμένο στοιχείο ανοιχτό για παραπάνω από μία διακοπτική περίοδο. Εικόνα 9.12 Παλμοί που οδηγούνται στην πύλη ενός διακοπτικού στοιχείου Στο επόμενο διάγραμμα εμφανίζεται η ροπή που αναπτύσσει ο κινητήρας καθώς και η ισχύς που παράγει στον άξονα του (μηχανική ισχύς). Ως παραγόμενη ροπή λήφθηκε από τα πειραματικά δεδομένα η ζητούμενη ισχύς του κινητήρα, η οποία λόγω της σύνδεσης του με το φορτίο είναι και κοντά στη ροπή που παράγει στον άξονα του. Η μηχανική ισχύς υπολογίστηκε σύμφωνα με τον τύπο P = M Ω που ισχύει για όλες τις μηχανές παραγωγής μηχανικού έργου. Είναι αναμενόμενο να υπάρχουν αποκλίσεις από τις πραγματικές τιμές, όμως για τους σκοπούς που εξάγουμε τα αποτελέσματα, δηλαδή για σύγκριση μεταξύ τους, δεν επηρεάζουν σημαντικά.

233 Χαρακτηριστικές Ροπής και Ισχύος Ροπή (Nm) Ισχύς (Watt) ταχύτητα κινητήρα (rpm) 0 Ροπή Ισχύς Εικόνα 9.13 Χαρακτηριστικές καμπύλες ροπής και ισχύος κατά τη δοκιμή με 30 V στο φορτίο Ομοίως με την προηγούμενη δοκιμή, στην τέταρτη δοκιμή λήφθηκαν περισσότερες μετρήσεις για καλύτερη επισκόπηση των αποτελεσμάτων. Εδώ, όμως, το φορτίο τροφοδοτήθηκε με τάση 40 V, ενώ η τιμή της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα παρέμεινε σταθερή στην ίδια τιμή και η μία στροφή του ποτενσιόμετρου ορίζει 2 Nm ροπής. Σε διάφορες μετρήσεις παλμογραφήθηκε το ρεύμα σε μία φάση του κινητήρα, όπως φαίνεται στις εικόνες που ακολουθούν. Για τη μέτρηση αυτή συνδέθηκε ο ακροδέκτης του παλμογράφου στην έξοδο του ενισχυτή AD622 της πλακέτας παλμοδότησης, ο οποίος ενισχύει το σήμα που προκύπτει από το μετρητικό ρεύματος της μίας φάσης του κινητήρα. Στα παλμογραφήματα εμφανίζεται μία μικρογραφία του ρεύματος και υπενθυμίζεται ότι τα 2.5 V που απεικονίζονται αντιστοιχούν σε τιμή ρεύματος των 92.6 A. Στην τελευταία στήλη του πίνακα φαίνεται ποια εικόνα αντιστοιχεί στην εκάστοτε μέτρηση.

234 φορτίο Iκιν_φ στρ.κιν. Ισχύς REF (στρ.) REF (Nm) (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) (Α) (rpm) (Watt) Παλμοράφημα ,2 74 5, ALL0009 8, ,2 74 5, ,2 74 5, , ,2 74 5, ,2 74 5, ,875 13, ,2 74 5, ,75 13, , ,625 13, ,8 68 5, ALL0012 6,6 13, ,8 58 5, , ,6 55 5, ALL0011 6,375 12, ,4 54 5, ,25 12, ,1 52 5, ALL , ALL0014 5,875 11, , ,75 11, , ALL0015 5,625 11, ,8 39 4, , ,6 37 4, ALL0016 5,375 10, ,5 35 4, ,25 10, ,3 34 4, ALL0017 5,125 10, ,2 32 4, , ALL0018 4,875 9, ,9 30 4, ,75 9, ,8 28 4, ALL0019 4,625 9, ,7 27 4, , , ALL0021 4,375 8, ,4 26 3, ,25 8, , , ALL0022 4,125 8, , , ,2 22,5 3, ALL0023 3,875 7, ,1 22 3,

235 ,75 7, , ALL0024 3,625 7, ,9 20 3, , , , ALL0025 3,375 6, ,8 18 3, ,75 7, ALL0026 3,125 6, , , ,6 10 2, ALL0027 2,75 5, ,5 7 2, ALL0028 ALL0029 2, ,4 5 2, ALL0030 Πίνακας 9.4 Πειραματικές μετρήσεις τέταρτης δοκιμής Ακολουθούν τα παλμογραφήματα του ρεύματος στον κινητήρα, όπως αποτυπώθηκαν στον ψηφιακό παλμογράφο κατά την πειραματική διαδικασία. Εικόνα 9.14 Παλμογράφημα ALL0009

236 Εικόνα 9.15 Παλμογράφημα ALL0012 Εικόνα 9.16 Παλμογράφημα ALL0011 Εικόνα 9.17 Παλμογράφημα ALL0013

237 Εικόνα 9.18 Παλμογράφημα ALL0014 Εικόνα 9.19 Παλμογράφημα ALL0015 Εικόνα 9.20 Παλμογράφημα ALL0016

238 Εικόνα 9.21 Παλμογράφημα ALL0017 Εικόνα 9.22 Παλμογράφημα ALL0018 Εικόνα 9.23 Παλμογράφημα ALL0019

239 Εικόνα 9.24 Παλμογράφημα ALL0021 Εικόνα 9.25 Παλμογράφημα ALL0022 Εικόνα 9.26 Παλμογράφημα ALL0023

240 Εικόνα 9.27 Παλμογράφημα ALL0024 Εικόνα 9.28 Παλμογράφημα ALL0025 Εικόνα 9.29 Παλμογράφημα ALL0026

241 Εικόνα 9.30 Παλμογράφημα ALL0027 Εικόνα 9.31 Παλμογράφημα ALL0028 Εικόνα 9.32 Παλμογράφημα ALL0029

242 Εικόνα 9.33 Παλμογράφημα ALL0030 Εξετάζοντας οπτικά τα δείγματα παρατηρούμε την τάση που έχει η μέθοδος DTC να μεταβάλλει τη συχνότητα για έλεγχο στροφών, ταυτόχρονα με τη ρύθμιση του πλάτους των μεγεθών. Ακολουθεί η χαρακτηριστική ροπής και ισχύος, όπως προέκυψε από τις μετρήσεις και τους υπολογισμούς της συγκεκριμένης δοκιμής. Χαρακτηριστικές Ισχύος και Ροπής ροπή (Nm) στροφές κινητήρα (rpm) Ροπή Ισχύς Εικόνα 9.34 Χαρακτηριστικές καμπύλες ροπής και ισχύος κατά τη δοκιμή με 40 V στο φορτίο

243 Στην πέμπτη δοκιμή το φορτίο τροφοδοτήθηκε με τάση 50 V, η τιμή της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα είναι πάντα 115 V και η μία στροφή του ποτενσιόμετρου αντιστοιχεί σε 2 Nm. Σημειώνονται και εδώ τα παλμογραφήματα διαφόρων μετρήσεων. Καταγράφεται επίσης η συχνότητα του προκύπτοντος ρεύματος, όπως αποτυπώνεται στον ψηφιακό παλμογράφο. Παρατηρείται η αύξηση της συχνότητας του ρεύματος καθώς αυξάνονται οι στροφές, όπως και η αύξηση του πλάτους του ρεύματος, γεγονός που χαρακτηρίζει τη λειτουργία του Άμεσου Ελέγχου Ροπής. REF REF φορτίο στρ.κιν. συχνότητα Ισχύς (στρ.) (Nm) (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) Iκιν_φ (Α) (rpm) (Hz) (Watt) Παλμογράφημα ,1 43 8, ,2 546 ALL0031 9, , ,5 475 ALL , , ,5 413 ALL0033 8, , , ,7 356 ALL ,1 31 6, ,2 305 ALL0035 7, ,7 28 6, ,2 259 ALL , , ,8 217 ALL0037 6, , ,9 181 ALL , ,4 149 ALL0039 5, ,4 20 4, ALL , ,4 92 5,6 96 ALL0042 4, ,95 13,5 3,9 80 4,5 75 ALL ,75 8 3, ALL0048 3, ,6 5 3, ,4 40 ALL ,4 3 2, ALL0050 2, ,3 2 2, ALL0051 Πίνακας 9.5 Πειραματικές μετρήσεις πέμπτης δοκιμής

244 Εικόνα 9.35 Παλμογράφημα ALL0031 Εικόνα 9.36 Παλμογράφημα ALL0032 Εικόνα 9.37 Παλμογράφημα ALL0033

245 Εικόνα 9.38 Παλμογράφημα ALL0034 Εικόνα 9.39 Παλμογράφημα ALL0035 Εικόνα 9.40 Παλμογράφημα ALL0036

246 Εικόνα 9.41 Παλμογράφημα ALL0037 Εικόνα 9.42 Παλμογράφημα ALL0038 Εικόνα 9.43 Παλμογράφημα ALL0039

247 Εικόνα 9.44 Παλμογράφημα ALL0040 Εικόνα 9.45 Παλμογράφημα ALL0042 Εικόνα 9.46 Παλμογράφημα ALL0047

248 Εικόνα 9.47 Παλμογράφημα ALL0048 Εικόνα 9.48 Παλμογράφημα ALL0049 Εικόνα 9.49 Παλμογράφημα ALL0050

249 Εικόνα 9.50 Παλμογράφημα ALL0051 Η έκτη δοκιμή αποτελεί συνέχεια της πέμπτης. Το φορτίο τροφοδοτήθηκε και εδώ με τάση 50 V, η τιμή της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα παρέμεινε στην τιμή των 115 V, όμως η μία στροφή του ποτενσιόμετρου αντιστοιχεί σε 5 Nm. Ως αποτέλεσμα μπορεί να ζητηθεί μεγαλύτερη τιμή ροπής από τον κινητήρα, με μέγιστη τα 50 Nm, στις 10 στροφές του ποτενσιόμετρου. Η τιμή της συχνότητας της τάσης και του ρεύματος στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα έφτασε κατά την πειραματική διαδικασία μέχρι τα 25 Hz. REF REF φορτίο Iκιν_φ στρ.κιν. συχνότητα Ισχύς (στρ.) (Nm) (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) (Α) (rpm) (Hz) (Watt) Παλμογράφημα ,1 76 8, ALL0061 4,625 23, , ALL0060 4,5 22, ,1 54 9, ,6 860 ALL0059 4,375 21, ,6 52 9, ,6 781 ALL0056 4,25 21, ,9 48 8, ,5 678 ALL0055 4,125 20, ,5 46 8, ALL , , ALL0053 Πίνακας 9.6 Πειραματικές μετρήσεις έκτης δοκιμής

250 Εικόνα 9.51 Παλμογράφημα ALL0061 Εικόνα 9.52 Παλμογράφημα ALL0060 Εικόνα 9.53 Παλμογράφημα ALL0059

251 Εικόνα 9.54 Παλμογράφημα ALL0056 Εικόνα 9.55 Παλμογράφημα ALL0055 Εικόνα 9.56 Παλμογράφημα ALL0054

252 Εικόνα 9.57 Παλμογράφημα ALL0053 λόγος τάσης προς συχνότητα (U / f) στροφές κινητήρα (rpm) Εικόνα 9.58 Λόγος πλάτους προς συχνότητα τάσης στον κινητήρα κατά τη δοκιμή με παροχή τάσης 50 V στο φορτίο Στις μετρήσεις αυτές, με την καταγραφή και τις συχνότητας του σήματος, γίνεται φανερή η κατεύθυνση της μεθόδου DTC για διατήρηση του λόγου U f σταθερού σε όλο το φάσμα των στροφών, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα του σχήματος 9.6. Οι αποκλίσεις στις μέγιστες στροφές που επιτυγχάνει ο κινητήρας οφείλονται στον περιορισμό της τροφοδοσίας, ενώ στις χαμηλές στροφές, τόσο η μικρότερη ακρίβεια της μεθόδου, όσο και η ανακρίβεια των οργάνων μέτρησης μας εμφανίζουν διαφοροποίηση από τα αναμενόμενα αποτελέσματα. Συνεπώς

253 επιτυγχάνεται η ρύθμιση των δύο αυτών παραμέτρων τροφοδοσίας του κινητήρα χωρίς τον άμεσο έλεγχο τους, αλλά μέσα από μία διαδικασία που συλλέγει τα τρέχοντα στοιχεία από τη μηχανή. Στο σχήμα 9.7 εμφανίζονται η ροπή και η υπολογιζόμενη ισχύς για τον κινητήρα κατά την 5 η και 6 η δοκιμή του. ροπή και ισχύς κινητήρα ροπή (Νm) ισχύς (Watt) ταχύτητα (rpm) 0 Ροπή Ισχύς Εικόνα 9.59 Χαρακτηριστικές ροπής και ισχύος κατά τη δοκιμή με 50 V στο φορτίο Ακολουθούν συγκεντρωτικά διαγράμματα από τις τέσσερεις προηγούμενες μετρήσεις, που απεικονίζουν τις εξαρτήσεις των διαφόρων μεγεθών καθώς μεταβάλλεται η τροφοδοσία στο ηλεκτρομαγνητικό φορτίο και άρα η αντίσταση που παρουσιάζει.

254 στροφές ως προς παραγόμενη ροπή ταχύτητα κινητήρα (rpm) ροπή κινητήρα (Νm) Εικόνα 9.60 Ροπή που απαιτείται για να αναπτύξει ο κινητήρας αντίστοιχη Ρεύματα ως προς ροπή τιμές ρευμάτων (A) ροπή (Νm) Ικιν, 50V φορτίο Idc, 50V φορτίο Ικιν, 40V φορτίο Idc, 40V φορτίο Ικιν, 30V φορτίο Idc, 30V φορτίο Εικόνα 9.61 Φασικά εναλλασσόμενα ρεύματα κινητήρα και συνεχή ρεύματα τροφοδοσίας για διάφορες τιμές της ζητούμενης ροπής για όλες τις δοκιμές στον πάγκο

255 Ρεύμα και Τάση Κινητήρα ως προς στροφές φασικό ρεύμα (Α) πολική τάση (V) ταχύτητα κινητήρα (rpm) 0 Ικιν, 30V φορτιο Ικιν, 40V φορτιο Ικιν, 50V φορτιο Vκιν, 30V φορτίο Vκιν, 40V φορτίο Vκιν, 50V φορτίο Εικόνα 9.62 Μεταβολή φασικού ρεύματος και πολικής τάσης κινητήρα συναρτήσει των στροφών που επιτυγχάνει για τα διάφορα φορτία Μετρήσεις με μεταβολή της ροής αναφοράς Σε όλες τις προηγούμενες δοκιμές επί του κινητήρα του εργαστηρίου ορίστηκε η τιμή της ροής αναφοράς, δηλαδή της ηλεκτρομαγνητικής ροής που αναπτύσσει ο κινητήρας στο διάκενο του, στα 0.4 Weber. Τα παρακάτω πειράματα διεξήχθησαν για να διαπιστωθεί η επίδραση της μεταβολής της τιμής της ροής αναφοράς στη συμπεριφορά του κινητήρα. Στην έβδομη δοκιμή η ροή αναφοράς ορίστηκε στα 0.6 Weber. H τάση του φορτίου έχει τιμή 39.4 V, η τάση στην είσοδο του αντιστροφέα έχει τιμή 115 V και μία στροφή του ποτενσιόμετρου αντιστοιχεί σε 5 Nm. Προέκυψαν οι ακόλουθες μετρήσεις:

256 REF (στρ.) REF (Nm) φορτίο (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) Iκιν_φ (Α) στρ.κιν. (rpm) ισχύς (Watt) παλμογράφημα , ,3 80 4, , , ,3 436 ALL0062 4,75 23,75 39, ,8 72 4, ,51 ALL0063 4,5 22,5 39, ,2 60 4, ,315 ALL0064 4,25 21,25 39, , ,094 ALL , , ,6 ALL0066 Πίνακας 9.7 Πειραματικές μετρήσεις έβδομης δοκιμής Εικόνα 9.63 Παλμογράφημα ALL0062 Εικόνα 9.64 Παλμογράφημα ALL0063

257 Εικόνα 9.65 Παλμογράφημα ALL0064 Εικόνα 9.66 Παλμογράφημα ALL0065 Εικόνα 9.67 Παλμογράφημα ALL0066

258 Στα διαγράμματα που απεικονίζουν τη λειτουργία του κινητήρα εμφανίζεται μια ασυμμετρία στη μορφή του ρεύματος. Η εξήγηση βρίσκεται στο ότι με την αύξηση της ροής αναφοράς, πλησιάζουμε τον κορεσμό του σιδηρομαγνητικού υλικού του κινητήρα που είναι υπεύθυνο για την διοχέτευση των δυναμικών γραμμών του πεδίου στο εσωτερικό του κινητήρα. Στην όγδοη δοκιμή η ροή αναφοράς μειώθηκε στα 0.5 Weber. Η τάση του φορτίου έχει τιμή 40 V, η τάση στην είσοδο του αντιστροφέα έχει τιμή 115 V και μία στροφή του ποτενσιόμετρου αντιστοιχεί σε 5 Nm. Ακολουθούν οι μετρήσεις και οι απεικονίσεις του ρεύματος στον παλμογράφο. REF REF φορτίο Iκιν_φ στρ.κιν. ισχύς (στρ.) (Nm) (V) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) (Α) (rpm) (Watt) παλμογράφημα ,9 78 3,9 537 ALL0067 3,75 18, ,8 76 4, ALL0068 3,5 17, ,3 70 4, ALL0069 3,25 16, , , ALL , , ALL0071 2,75 13, , ALL0072 2,5 12, ALL0073 Πίνακας 9.8 Πειραματικές μετρήσεις όγδοης δοκιμής Εικόνα 9.68 Παλμογράφημα ALL0067

259 Εικόνα 9.69 Παλμογράφημα ALL0068 Εικόνα 9.70 Παλμογράφημα ALL0069 Εικόνα 9.71 Παλμογράφημα ALL0070

260 Εικόνα 9.72 Παλμογράφημα ALL0071 Εικόνα 9.73 Παλμογράφημα ALL0072 Εικόνα 9.74 Παλμογράφημα ALL0073

261 Και στην όγδοη δοκιμή που η ροή αναφοράς παραμένει αυξημένη παρατηρούμε τριγωνική μορφή και ασυμμετρίες στις απεικονίσεις των ρευμάτων. Ακολούθησε μία δοκιμή με ροή αναφοράς στα 0.4 Weber, στην οποία ο κινητήρας συμπεριφέρθηκε απροβλημάτιστα όπως σε όλες τις δοκιμές του προηγούμενου μέρους. Τέλος, δοκιμάστηκε και η ροή των 0.3 Weber που ναι μεν ο κινητήρας λειτούργησε επιτυγχάνοντας έως και 864 rpm, όμως η ρύθμιση των στροφών του ακόμα και υπό το γραμμικό ηλεκτρομαγνητικό φορτίο έγινε δυσκολότερη. Από πειραματικής άποψης επιλέχθηκε να διατηρηθεί η ροή αναφοράς που εισάγεται στο πρόγραμμα ελέγχου στα 0.4 Weber, που εμφανίζεται η βέλτιστη συμπεριφορά του κινητήρα, και στις μετρήσεις επί του ηλεκτροκινητήρα που έχει προσαρτηθεί στο πειραματικό όχημα, καθώς λόγω της απουσίας ελέγξιμου φορτίου εκεί, κάποιο πείραμα προσδιορισμού της βέλτιστης ροής δεν είναι εύκολο να πραγματοποιηθεί. Ακολουθεί ένα συνοπτικό διάγραμμα που απεικονίζει τη ροπή και την ισχύ που υπολογίστηκε στον κινητήρα κατά την τελευταία σειρά δοκιμών.

262 Χαρακτηριστικές ισχύος και ροπής ροπή (Nm) ισχύς (Watt) ταχύτητα κινητήρα (rpm) 0 Ροπή, 0,6 Weber Ροπή, 0,5 Weber Ροπή, 0,4 Weber Ισχύς, 0,6 Weber Ισχύς, 0,5 Weber Ισχύς, 0,4 Weber Εικόνα 9.75 Μεταβολή φασικού ρεύματος και πολικής τάσης κινητήρα συναρτήσει των στροφών που επιτυγχάνει για τα διάφορα φορτία

263 Δοκιμές του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα της εφαρμογής επί του οχήματος Στο πρώτο στάδιο δοκιμάστηκε ο ηλεκτροκινητήρας του πειραματικού οχήματος με τροφοδοσία από το δίκτυο και χρήση ενός τριφασικού μετασχηματιστή. Ακολούθησε η δοκιμή του αντιστροφέα κατά τον έλεγχο και την τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος βρίσκεται επί του οχήματος και είναι συνδεδεμένος με το σύστημα μετάδοσης όπως περιγράφεται στο κεφάλαιο των μηχανολογικών μετατροπών. Το οπίσθιο μέρος του οχήματος σηκώθηκε με τη βοήθεια ενός ανυψωτικού οργάνου που έπιασε στον πίσω άξονα και τοποθετήθηκε πάνω σε βάσεις στήριξης, όπως φαίνεται στην εικόνα Το σημείο που ακουμπά πάνω στις βάσεις είναι στην ένωση των πίσω αμορτισέρ με τα φύλλα σούστας και τον οπίσθιο άξονα του οχήματος. Η ύπαρξη του άκαμπτου άξονα καθιστά αδύνατη την ανύψωση των τροχών από οποιοδήποτε άλλο σημείο. Εικόνα 9.76 Πειραματικές δοκιμές με τους πίσω τροχούς στον αέρα

264 Με την ενέργεια αυτή οι κινητήριοι τροχοί του οχήματος βρίσκονται στον αέρα και μπορούν να γίνουν μετρήσεις επί του κινητήρα, ο οποίος ως φορτίο θα βλέπει τις τριβές του συστήματος μετάδοσης. Υπενθυμίζεται ότι πρέπει να μην είναι επιλεγμένη κάποια σχέση στο κιβώτιο ταχυτήτων ώστε να αποσυνδέεται το σύστημα μετάδοσης από τον βενζινοκινητήρα, ο οποίος παρέμεινε σβηστός καθ όλη τη διάρκεια των συγκεκριμένων δοκιμών. Η χαρακτηριστική του φορτίου που βλέπει ο κινητήρας είναι πολύ διαφορετική από τις προηγούμενες δοκιμές στη μηχανή του εργαστηρίου. Εδώ υπάρχει υψηλό φορτίο στην εκκίνηση λόγω στατικών τριβών, ενώ έπειτα το φορτίο μειώνεται καθώς περνάμε στις τριβές ολίσθησης του συστήματος μετάδοσης. Ως συνέπεια δεν μπορούμε να «ισορροπήσουμε» το σύστημα σε έναν σταθερό αριθμό στροφών με τον έλεγχο ροπής. Από τη στιγμή που αυτό αρχίσει να επιταχύνει, σταματά να επιταχύνει από τους περιορισμούς που θα ορίσει η πηγή τροφοδοσίας Δοκιμή με τροφοδοσία από το δίκτυο με χρήση μετασχηματιστή Αρχικά ο ηλεκτροκινητήρας δοκιμάστηκε με τροφοδοσία από το δίκτυο και παρεμβολή ενός τριφασικού μετασχηματιστή για τη ρύθμιση του πλάτους της τάσης. Τα στοιχεία του μετασχηματιστή είναι: Τάση εισόδου Τάση εξόδου Ρεύμα εξόδου Συχνότητα 3 x 380 V 3 x 500 V 3 x 24 A Hz Πίνακας 9.9 Χαρακτηριστικά στοιχεία τριφασικού μετασχηματιστή δοκιμής

265 Εικόνα 9.77 Τριφασικός μετασχηματιστής Εικόνα 9.78 Χαρακτηριστικά στοιχεία τριφασικού μετασχηματιστή

266 Στην τροφοδοσία από το δίκτυο, η συχνότητα της παρεχόμενης τάσης είναι δεδομένη στα 50 Hz. Ο κινητήρας αναμένεται να τραβήξει σχετικά μεγάλο ρεύμα εκκίνησης παρόλο που φέρει μικρό μηχανικό φορτίο στον άξονα του, λόγω της μεγάλης ολίσθησης του από τη σύγχρονη ταχύτητα που ορίζεται στις 1500 rpm λόγω συχνότητας τροφοδοσίας. Για την αποφυγή απότομων μεταβολών του ρεύματος, η τάση στην είσοδο του κινητήρα για να επιτευχθεί η εκκίνηση αυξάνεται σταδιακά με τη χρήση του μετασχηματιστή. Όσο ο κινητήρας είναι ακίνητος το ρεύμα θα ορίζεται από την αντίσταση του στάτη, η οποία μετρήθηκε στα 0.35 Ω ανά φάση, έχοντας ως αποτέλεσμα αυξημένα ρεύματα. Η τάση του μετασχηματιστή ανέβηκε μέχρι τα 70 V και το ρεύμα στα 21 Α για να αρχίσει να κινεί ο ηλεκτροκινητήρας τον άξονα του και μαζί και το φορτίο του, δηλαδή τις τριβές του συστήματος μετάδοσης. Ο κινητήρας επιταχύνει έως ότου επιτύχει έναν μέγιστο αριθμό στροφών που ορίζεται από την τροφοδοσία του, και οποίος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή έφτασε τις 260 rpm στον τροχό. Ταυτόχρονα μειώνουμε την τάση που παρέχει ο μετασχηματιστής καθώς δε απαιτείται πλέον μεγάλο ρεύμα, αφού και η ροπή του φορτίου που βλέπει ο κινητήρας έχει μειωθεί, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Στην σταθεροποίηση του συστήματος στις μέγιστες στροφές, ο κινητήρας τραβά λιγότερα από 5 A ρεύμα, έχοντας μειώσει την τάση στα 17 V. Ένα σημείο που προσέχθηκε ήταν η σύνδεση των φάσεων με τέτοια φορά ώστε ο ηλεκτροκινητήρας να στρέψει τους τροχούς κατά τη φορά που ορίζει κίνηση του οχήματος εμπρός Δοκιμή με τροφοδοσία από τροφοδοτικό συνεχούς τάσης και χρήση του αντιστροφέα Η επόμενη φάση των δοκιμών επί του οχήματος περιλαμβάνει την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο μέσω των τροφοδοτικών συνεχούς τάσης και ρεύματος. Ο αντιστροφέας δεν τοποθετείται ακόμα επί του αυτοκινήτου, αλλά παραμένει στον εργαστηριακό πάγκο, για καλύτερη εποπτεία κατά τις δοκιμές και για να υπάρχει η δυνατότητα απεικόνισης των ρευμάτων στον παλμογράφο. Ο άμεσος έλεγχος ροπής έλεγξε με επιτυχία τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα και οι τροχοί επιταχύνθηκαν μέχρι έναν συγκεκριμένο αριθμό

267 στροφών. Λόγω της ιδιαιτερότητας του φορτίου, παρατηρείται σχετικά αυξημένο ρεύμα κατά την εκκίνηση και μέχρι να υπερνικηθούν οι στατικές τριβές και η αδράνεια του συστήματος μετάδοσης. Μόλις το τελευταίο αποκτήσει έναν ρυθμό περιστροφής, ο κινητήρας επιταχύνει και φτάνει έως τις μέγιστες στροφές που ορίζει η δεδομένη τάση τροφοδοσίας. REF (στρ.) REF (Nm) Vdc (V) Idc (A) Vπολ (V) Iκιν_φ (Α) Στροφές κιν. (rpm) 2, ,9 82 < Πίνακας 9.10 Πειραματικες μετρήσεις κατά τη δοκιμή επί του αυτοκινήτου με τροφοδοσία μέσω του αντιστροφέα από τα τροφοδοτικά Στα ακόλουθα διαγράμματα φαίνονται οι κυματομορφές του φασικού ρεύματος κατά τη διαδικασία της επιτάχυνσης του κινητήρα (Εικόνες 9.79 και 9.80) και κατά τη φάση της εκκίνησης (Εικόνα 9.81).

268 Εικόνα 9.79 Παλμογράφημα ALL0075 Εικόνα 9.80 Παλμογράφημα ALL0076 Εικόνα 9.81 Παλμογράφημα ALL0077

269 Δοκιμάστηκε, επίσης, η χρήση των φρένων του οχήματος, ασκώντας σταθερή πίεση στον ποδομοχλό του φρένου, για να αυξηθεί το φορτίο που αναλαμβάνει ο κινητήρας. Προέκυψαν οι ακόλουθες κυματομορφές (Εικόνες 9.82 και 9.83). Εικόνα 9.82 Παλμογράφημα ALL0079 Εικόνα 9.83 Παλμογράφημα ALL0080 Παρατηρούμε πως παρά την προσαρμογή της συχνότητας τροφοδοσίας από τη μέθοδο Άμεσου Έλεγχου Ροπής, στα υψηλότερα φορτία κάνουν την εμφάνιση τους ταλαντώσεις στα σήματα. Αυτές οφείλονται τόσο στις αρμονικές συχνότητες όσο και στην αδυναμία επιστροφής ενέργειας στο τροφοδοτικό.

270 Δοκιμή με τροφοδοσία από τους συσσωρευτές και χρήση του αντιστροφέα Για τη διεξαγωγή της δοκιμής αυτής, το κιβώτιο φύλαξης του αντιστροφέα με όλα τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα, τοποθετήθηκε εντός του αυτοκινήτου και η είσοδος του αντιστροφέα συνδέθηκε στους συσσωρευτές, με την παρεμβολή του διπολικού διακόπτη και της μαχαιρωτής ασφάλειας. Οι κινητήριοι τροχοί του οχήματος παραμένουν στον αέρα. Στην πρώτη δοκιμή και με όριο ρεύματος τα 50 Α rms στον προγραμματιστικό έλεγχο, το σύστημα κατά την εκκίνηση περνούσε σε αποκοπή της τροφοδοσίας. Αυτό συνέβη καθώς τα υψηλά ρεύματα εκκίνησης ανιχνεύονταν από τον μικροελεγκτή που περνώντας στην υπορουτίνα προστασίας άνοιγε τους κάτω διακόπτες της εξαπαλμικής γέφυρας. Πραγματοποιήθηκε επόμενη δοκιμή, με ορισμό του ρεύματος προστασίας στα 80 Α rms, κατά την οποία, ο κινητήρας εκκινούσε πραγματοποιώντας έντονες ταλαντώσεις. Λόγω της απουσίας της ασφάλειας υπερταχείας τήξεως δεν συνεχίστηκαν οι μετρήσεις για λόγους ασφαλείας και προστασίας των μερών του συστήματος ηλεκτρικής πρόωσης. Οι συγκεκριμένες ασφάλειες λόγω τις εξειδικευμένης εφαρμογής τους, δεν ήταν εμπορικά διαθέσιμες μέχρι την πραγματοποίηση της δοκιμής αυτής, γεγονός που απέτρεψε την προσπάθεια δοκιμών σε εκτεταμένο φορτίο. Η αδυναμία ομαλής εκκίνησης κατά τη δοκιμή με τη χρήση των συσσωρευτών του οχήματος οφείλεται στο ότι δεν έχουν περιορισμό στο ρεύμα που μπορούν να δώσουν. Στις προηγούμενες δοκιμές, η διάταξη περιορισμού ρεύματος που διαθέτει το τροφοδοτικό συνεχούς που χρησιμοποιήθηκε ομαλοποιούσε τη διαδικασία της εκκίνησης και επέτρεπε στον κινητήρα να περάσει σε υψηλότερους ρυθμούς περιστροφής όπου η μέθοδος DTC έχει καλύτερη συμπεριφορά και μεγαλύτερη ακρίβεια. Για την βελτίωση της διαδικασίας της εκκίνησης απαιτείται ο περιορισμός της ολίσθησης (drift) των υπολογιζόμενων μεγεθών από τις πραγματικές τιμές τους. Η παραλλαγή της μεθόδου ελέγχου που δύναται να φέρει βελτιώσεις, αντικαθιστά τον υπολογισμό της ροής μέσω ολοκληρώματος με ένα φίλτρο συχνοτήτων. Με την

271 αποφυγή του υπολογισμού που συντελεί κυριότερα στην ολίσθηση, η απόκριση στις χαμηλές στροφές μπορεί να γίνει ικανοποιητική, κάτι που θα έχει επίπτωση και στα ρεύματα της εκκίνησης.

272 Κεφάλαιο 10ο ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΕΤΑΙΡΩ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Εικόνα 10.1Πειραματικό υβριδικό όχημα 25 χρόνια, σχεδόν, μετά την πρώτη του κυκλοφορία ως συμβατικό όχημα, το εν λόγω Chevrolet Blazer επιστρέφει με νέα μορφή. Το νέο Hybrid Blazer κάνει χρήση μίας από τις πλέον ελπιδοφόρες τεχνολογίες για την πρόωση του, αποδεικνύοντας πως η υβριδική τεχνολογία μπορεί να έχει ευρεία εφαρμογή. Η εξέλιξη του οχήματος δε σταματά στο σημείο αυτό, αντ αυτού θα μπορούσε να ειπωθεί ότι η εξέλιξη βρίσκεται ακόμα στην αρχή της. Με τις σωστές βάσεις που έχουν τεθεί στο σχεδιασμό και την κατασκευή του όλου εγχειρήματος, αυτό αποτελεί μία ιδανική πλατφόρμα για την εφαρμογή τεχνολογιών που θα βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά του σε διάφορους τομείς. Ακολουθεί μία λίστα με τα προτεινόμενα θέματα που μπορούν εφαρμοστούν για την εξέλιξη του πειραματικού οχήματος:

273 Μετατροπείς Buck/Boost Αφορά τη σύνδεση πολλαπλών μετατροπέων Buck boost παράλληλα ώστε να μοιραστεί το ρεύμα των μπαταριών ισόποσα σε κάθε έναν από αυτούς. Απαιτείται η διασύνδεση των μικροηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου τους σε δίκτυο για την ανταλλαγή δεδομένων και για συντονισμό της διαδικασίας. Σύστημα διαχείρισης υβριδικής λειτουργίας. Το σύστημα θα αποτελείται από ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου βασισμένο σε μικροελεγκτή το οποίο θα κάνει τις εξής ενέργειες: Θα συλλέγει δεδομένα από αισθητήρες (θερμοκρασίας, αποθεμάτων μπαταριών, ταχύτητας οχήματος, χειρισμοί του οδηγού) και από τους μικροελεγκτές των μετατροπέων ισχύος. Θα επεξεργάζεται τα δεδομένα που λαμβάνει και σύμφωνα με έναν αλγόριθμο διαχείρισης του υβριδικού συστήματος θα αποφασίζει πως θα πρέπει να συμπεριφερθεί το σύστημα. Εκ των δυνατοτήτων του θα είναι Θα αποστέλλει κατάλληλες εντολές στα διάφορα υποσυστήματα για τον έλεγχο τους με τη μορφή μηνυμάτων στο δίκτυο. Για την υλοποίηση του συστήματος είναι απαραίτητο να γίνουν επιπλέον επεμβάσεις στο όχημα: Μετατροπή της μηχανικής τροφοδοσίας καυσίμου του βενζινοκινητήρα σε ηλεκτρική ώστε να μπορεί να διαχειριστεί από ένα ψηφιακό σύστημα. Η βέλτιστη επιλογή είναι η αντικατάσταση της τροφοδοσίας με εξαερωτήρα (καρμπυρατέρ) από μία ηλεκτρονικού ψεκασμού καυσίμου. Λόγω της παλαιότητας του οχήματος και της δυσκολίας εύρεσης κατάλληλων ανταλλακτικών, μπορεί απλώς να αντικατασταθεί η μηχανική πεταλούδα εισαγωγής αέρα με μία ηλεκτρική που ελέγχεται με σήμα τάσης. Μετατροπή του πεντάλ γκαζιού του αυτοκινήτου σε ηλεκτρικό ώστε να ανιχνεύεται το αναλογικό σήμα που θα προκύπτει από το σύστημα μικροεπεξεργαστικό σύστημα. Το ποτενσιόμετρο που ορίζει τη ροπή

274 αναφοράς θα καταργηθεί και οι εντολές θα αποστέλλονται από τον οδηγό μόνο από τον ποδομοχλό. Το σύστημα θα μπορεί πλέον αυτόματα να επιλέγει μεταξύ τριών εναλλακτικών για την κίνηση του οχήματος: Λειτουργία μόνο του βενζινοκινητήρα Παράλληλη λειτουργία των δύο κινητήρων Αμιγώς ηλεκτρική κίνηση Μια επιπλέον προσθήκη θα είναι η τοποθέτηση διακοπτών στο ταμπλώ για την επιλογή μόνο ηλεκτρικής κίνησης. Μετατροπέας Flyback Ο μετατροπέας ισχύος αυτός θα χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων του συστήματος. Χαρακτηριστικό του είναι η δημιουργία πολλαπλών επιπέδων συνεχών τάσεων με ξεχωριστή αναφορά μεταξύ τους. Εξέλιξη φορτιστή μπαταριών Ο φορτιστής αυτός θα διαθέτει έναν επεξεργαστή ο οποίος θα καθορίζει το ρεύμα και την τάση που θα προσφέρεται στις μπαταρίες, για να προκύψει η βέλτιστη φόρτιση τους. Μετατροπές θα πρέπει να γίνουν και επί του οχήματος, με την δημιουργία υποδοχής σύνδεσης του φορτιστή, ώστε να γίνεται ευκολότερη η διαδικασία. Η προσθήκη αυτή θα μετατρέψει το όχημα σε Plug in Hybrid Electric Vehicle. Ενσωμάτωση πρόσθετων εναλλακτικών πηγών ενέργειας Στο όχημα μπορούν να ενσωματωθούν επιπλέον στοιχεία για χρήση εναλλακτικών μορφών ενέργειας όπως: Φωτοβολταϊκά στοιχεία Κυψέλες καυσίμου

275 Επιπλέον μπορεί η εργασία να αποτελέσει έναυσμα για την εξέλιξη και άλλων οχημάτων που θα κάνουν χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας για την πρόωση τους και τα οποία θα προστεθούν στο στόλο των οχημάτων του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής της Ενέργειας.

276 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] James Larminie, John Lowry «Electric Vehicle Technology Explained», John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England 2003 [2] 10/2009 [3] 10/2009 [4] thebklynblackhole.wordpress.com, 10/2009 [5] pro schiene.de, 10/2009 [6] 10/2009 [7] «Καύσιμα αυτοκινήτου: Το μέλλον», ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΤΥΠΟΣ Α.Ε., Energy Point, Τεύχος 25, Ιούλιος Αύγουστος 2009 [8] C. C. Chan, «The State of the Art of Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles», Proceedings of the IEEE Vol. 95, No. 4, April 2007 [9] Ali Emadi, «Handbook of Automotive Power Electronics and Motor Drives», CRC Press Taylor & Francis Group, 2005 [10] «Vehicle Hybrid Powertrain Architectures», HILTech Developments Limited, Application Note [11] Option Press SA, Power Techniques, Τεύχη [12] 10/2009 [13] [14] auto.howstuffworks.com, 10/2009 [15] 10/2009 [16] 10/2009 [17] csr.bosch.com, 10/2009 [18] 10/2009 [19] 10/2009 [20] Αθανάσιος Ν. Σαφάκας «Ηλεκτρικές Μηχανές Α», Τμήμα εκτυπώσεων τυπογραφείου Πανεπιστημίου Πατρών, 2005 [21] Αθανάσιος Ν. Σαφάκας «Ηλεκτρικές Μηχανές Β», Τμήμα εκτυπώσεων τυπογραφείου Πανεπιστημίου Πατρών, 2006

277 [22] Αθανάσιος Ν. Σαφάκας «Δυναμική Ηλεκτρομηχανικών Συστημάτων», Πανεπιστήμιο Πατρών, 1984 [23] Αθανάσιος Ν. Σαφάκας, «Ηλεκτρικά Κινητήρια Συστήματα», Οργανισμός εκδόσεως διδακτικών βιβλίων Αθήνα 1985 [24] Stephen J. Chapman, «ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ AC DC», 3 η Έκδοση, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΑ, 2003 [25] Rakesh Parekh, AC Induction Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc., 10/2009 [26] Padmaraja Yedamale, Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc., 10/2009 [27] Reston Condit, Brushed DC Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc., 10/2009 [28] Antoni Szumanowski, Fundamentals of Hybrid Vehicle Drives, Warsaw Radom, 2000 [29] Sandeep Dhameja, «ELECTRIC VEHICLE BATTERY SYSTEMS», Newnes, 2002 [30] images.google.com, 10/2009 [31] blogs.motortrend.com, 10/2009 [32] wikicars.org/en/lohner Porsche_Mixte_Hybrid, 10/2009 [33] 10/2009 [34] 10/2009 [35] 10/2009 [36] 10/2009 [37] 10/2009 [38] 10/2009 [39] 10/2009 [40] 10/2009 [41] 10/2009 [42] 10/2009

278 [43] Panagiotis Asimakopoulos, Theodoros Boumis, Efstathios Patsias, Athanasios Safacas, Emannuel Tatakis, Epaminondas Mitronikas, «Conversion of a Conventional Vehicle to a Hybrid Electric Vehicle Step by step Design and Experimental Investigation», EVS 24, Stavanger, Norway, May 2009, EVS 24 Proceedings paper on CD No: [44] Ασημακόπουλος Παναγιώτης, Μπούμης Θεόδωρος,, «Μελέτη και Κατασκευή Ηλεκτροκινητήριου Συστήματος για την Εφαρμογή σε Πειραματικό Υβριδικό Αυτοκίνητο», ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΤΥΠΟΣ Α.Ε., Energy Point, Τεύχος 25, Ιούλιος Αύγουστος 2009 [45] Αθανάσιος Ζερβάκος, «Μελέτη και κατασκευή ηλεκτρονικής διάταξης για υβριδικό αυτοκίνητο ανάκτηση ενέργειας», Διπλωματική εργασία υπ αριθμόν 270, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Πανεπιστήμιο Πατρών, 2009 [46] Ιωάννης Μαλτίδης, «Μελέτη και κατασκευή ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος για τον έλεγχο τριφασικής ασύγχρονης μηχανής ενός υβριδικού οχήματος», Διπλωματική εργασία υπ αριθμόν 246, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Πανεπιστήμιο Πατρών, 2007 [47] 10/2009 [48] 10/2009 [49] 10/2009 [50] 10/2009 [51] C. Kral, A. Haumer, T. Bauml, «Thermal Model and Behavior of a Totally- Enclosed-Water-Cooled Squirrel-Cage Induction Machine for Traction Applications», IEEE Transactions on Industrial Electronics, ISSN , vol.55, no.10, 2008, [52] Michael A. Boost, Phoivos D. Ziogas, «State of the Art Carrier PWM Techniques: A Critical Evaluation, IEEE Transactions on industry applications, Vol. 24, No. 2, March / April 1988 [53] N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins, «Power Electronics: Converters, Applications and Design», Wiley & Sons, Inc., 1995 [54] Bin Wu, «High Power Converters and AC Drives», Wiley IEEE Press, 2006 [55] Εμμανουήλ Τατάκης, «Ηλεκτρονικά Στοιχεία Ισχύος και Βιομηχανικές Εφαρμογές», Διαλέξεις μαθήματος, Πανεπιστήμιο Πατρών, 2009

279 [56] J. C. Trounce, S. D. Round, R. M. Duke, «Evaluation of Direct Torque Control Using Space Vector Modulation for Electric Vehicle Applications», University of Canterbury, New Zealand [57] Marcos Vinicius Lazarini, Ernesto Ruppert Filho, «Sensorless three phase induction motor direct torque control using sliding mode control strategy laboratory set up for motor speed control teaching», International Conference on Engineering Education ICEE 2007, Coimbra, Portugal, 3 7 September 2007 [58] Nik Rumzi, Nik Idris, Prof Dr.Abdul Halim Mohd Yatim, «HIGH PERFORMANCE DIRECT TORQUE CONTROL INDUCTION MOTOR DRIVE UTILISING TMS320C31 DIGITAL SIGNAL PROCESSOR», Fakulti Kejuruteraan Elektrik, Universiti Teknologi Malaysia, 22/4/2000 [59] «Direct Torque Control the world's most advanced AC drive technology, Technical Guide No. 1», ABB, 3BFE R0125 REV B, EN [60] Kamalesh Hatua, V.T. Ranganathan, «Direct Torque Control Schemes for Splitphase Induction Machine», IAS 2004, σελίδες , IEEE, Μάιος 2004 [61] Jawad Faiz, Mohammad Bagher Bannae Sharifian, Ali Keyhani, Amuliu Bogda Proca, «Sensorless Direct Torque Control of Induction Motors Used in Electric Vehicle», IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 18, No. 1, March 2003 [62] Domenico Casadei, Francesco Profumo, Giovanni Serra, Angelo Tani, «FOC and DTC: Two Viable Schemes for Induction Motors Torque Control», IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17, No. 5, September 2002 [63] J. Wu, Y. Li, J. Chen, H. Hu, «Speed sensor less direct torque control of an induction machine in low speed region», Power Electronics and Motion Control Conference, 2000, Beijing, China, σελίδες , vol. 1, 8/2000 [64] Nik Rumzi, Nik Idris, «High Performance Direct Torque Control Induction Motor Drive Utilizing TMS320C31 DSP», Inter University DSP Solutions Challenge 99 [65] 10/2009

280 [66] R. K. Behera, S. P. Das, «Improved direct torque control of induction motor with dither injection», Sadhana, vol. 33, part 5, October 2008, pp , India [67] Takaji Kikuchi, Osamu Shinmura, Development of Power Control Unit for SUVs, EVS 21 Proceedings, Monaco, Apr.2 6, 2005 [68] Junhong Zhang, Lai Jih Sheng, Kim Rae Young, Wensong Yu, «High Power Density Design of a Soft Switching High Power Bidirectional DC DC Converter», IEEE Transactions on Power Electronics, ISSN , Vol. 22, No. 4, 2007,

281 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Λογισμικό ελέγχου του αντιστροφέα Ακολουθούν οι υπορουτίνες του προγράμματος ελέγχου του τριφασικού ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα σύμφωνα με τη μέθοδο του Άμεσου Έλεγχου Ροπής που υλοποιήθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Assembly. Κυρίως πρόγραμμα MAIN.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type ; you can see opcodes at MPLAB: View->Dissassembly listing ; and the numbers just defined: View->Program memory (address 0x2000, as defined) ; The following lines are related to hardware operation ; ; Dhlwsh yporoutinwn kai metablhtwn.global reset ; The label for the first line of code.global OscillatorFail ; Declare Oscillator Fail trap routine ;label.global AddressError ; Declare Address Error trap routine label.global StackError ; Declare Stack Error trap routine label.global MathError ; Declare Math Error trap routine label.global PWMInterrupt.GLOBAL INIT_VARIABLES.GLOBAL INIT_PORT.GLOBAL INIT_ADC.GLOBAL INIT_INTERRUPTS.GLOBAL INIT_PWM.GLOBAL INIT_TIMER1.GLOBAL CALIBRATE.GLOBAL Vsdq.GLOBAL Idq.GLOBAL Ysdq.GLOBAL TORQUE.GLOBAL SECTOR_Y.GLOBAL DTC_TABLE.GLOBAL CURRENT_LIMIT.GLOBAL START.GLOBAL OXI ;.GLOBAL iloop1 ;.GLOBAL iloop2.global iloop3.global itrap ;.GLOBAL U0 ;.GLOBAL U1 ; Declare INIT_VARIABLES Subroutine ; Declare INIT_PORT Subroutine ; Declare INI_ADC Subroutine ; Declare INIT_INTERRUPTS Subroutine ; Declare INIT_PWM Subroutine ; Declare INIT_TIMER1 Subroutine ; Declare Vsdq Subroutine ; Declare Isdq Subroutine ; Declare Ysdq Subroutine ; Declare TORQUE Subroutine ; Declare SECTOR_Y Subroutine ; Declare DTC_TABLE Subroutine ; Declare START Pointer ; Declare OXI Pointer ; Declare iloop1 Pointer ; Declare iloop2 Pointer ; Declare iloop3 Pointer

282 ;.GLOBAL U2 ;.GLOBAL U3 ;.GLOBAL U4 ;.GLOBAL U5 ;.GLOBAL U6 ;.GLOBAL U7 ;.GLOBAL V0 ;.GLOBAL V1 ;.GLOBAL V2 ;.GLOBAL V3 ;.GLOBAL V4 ;.GLOBAL V5 ;.GLOBAL V6 ;.GLOBAL V7 ;.GLOBAL END_VSDQ.global Vdc.global Vs.global Vsd.global Vsq.global ia.global ib.global isd.global isq.global Ys.global Ysd.global Ysq.global Ysref.global Tcalc.global Mref.global Mcomp.global negmcomp.global Vref.global idc.global R.global Ts.global maxtorque.global IGBTs.global Sector.global Inter.global iasub.global ibsub ; Declare Vdc Variable.global sin8s.global cos8s.global ib1;;;.global ib2;;;.global ib3;;;.global ib4;;;.global ibh;;;.global ad1;;;.global ad2;;;.global ad3;;;.global ad4;;;.global metrhths ; ;

283 ; Configuration bits config FOSC, CSW_FSCM_OFF & FRC_PLL16 config FWDT, WDT_OFF config FBORPOR, MCLR_EN & PWRT_OFF config FGS, CODE_PROT_OFF ; ; *** User code starts here! *** ; ; Program Specific Constants (literals used in code) ;.equ SP_init, 0x824.equ OPS_NORMAL, 0x00 ; Normal Operation.equ OPS_FHARD, 0x01 ; Hardware Fault ; ; ; Variables.bss Vdc:.space 2 ; word declarations Vs:.space 2 Vsd:.space 2 Vsq:.space 2 ia:.space 2 ib:.space 2 isd:.space 2 isq:.space 2 idc:.space 2 Ys:.space 2 Ysd:.space 2 Ysq:.space 2 Ysref:.space 2 Mcomp:.space 2 negmcomp:.space 2 Tcalc:.space 2 Mref:.space 2 Vref:.space 2 R:.space 2 Ts:.space 2 maxtorque:.space 2 IGBTs:.space 2 Inter:.space 2 Sector:.space 2 iasub:.space 2 ibsub:.space 2 sin8s:.space 2 cos8s:.space 2 ib1:.space 2 ib2:.space 2 ib3:.space 2 ib4:.space 2 ibh:.space 2 ad1:.space 2 ad2:.space 2 ad3:.space 2 ad4:.space 2 metrhths:.space 2 ;

284 ; text reset: MOV # SP_init, W15 ; Initialize the Stack Pointer register ; (@ 0x900 for ICD2 debugging) MOV # SPLIM_init, W0 ; Get address at the end of stack space MOV W0, SPLIM ; Load the Stack Pointer Limit register NOP ; Add NOP to follow SPLIM initialization MAIN: BCLR ADCON1, #ADON ; apenergopoihsh ADC gia rythmish twn ;kataxwrhtwn CALL INIT_PORT CALL INIT_VARIABLES CALL INIT_ADC CALL INIT_INTERRUPTS CALL INIT_PWM CALL INIT_TIMER1 CLR W0 CLR W1 CLR ADCBUF0 CLR ADCBUF1 CLR ADCBUF2 CLR ADCBUF3 CLR ADCBUF4 CLR ADCBUF5 CLR ADCBUF6 CLR ADCBUF7 CLR ADCBUF8 CLR ADCBUF9 CLR ADCBUFA CLR ADCBUFB CLR ADCBUFC CLR ADCBUFD CLR ADCBUFE CLR ADCBUFF ; arxikopoihsh thyrwn dspic ; arxikopoihsh metablhtwn ; arxikopoihsh AD Converter ; arxikopoihsh twn interrupts ; arxikopoihsh PWM eksodwn ; arxikopoihsh timer ; mhdenismos kataxwrhtwn praksewn ; mhdenismos eisodown BSET ADCON1, #ADON ; energopoihsh ADC gia enarksi programmatos CALL CALIBRATE NOP NOP BSET PTCON, #PTEN BSET T1CON,#TON ; energopoihsh PWM ; ENERGOPOIHSH TIMER1 START: CALL Vsdq CALL Isdq CALL Ysdq CALL TORQUE CALL SECTOR_Y ; ypologismos Vsd kai Vsq ; ypologismos isd kai isq ; ypologismos Ysd kai Ysq kai Ys ; ypologismos ropis ; ypologismos tomea

285 MOV Inter, W4 CP W4, #0x00 BRA Z, OXI CALL DTC_TABLE ; sygkrish rohs kai rophs ypologismos me tis ref ; kai antistoixhsh dianysmatos apo pinaka OXI: BRA START PWMInterrupt: RETFIE RESET BCLR IFS2, #PWMIF ; CLEAR PWM INTERRUPT BIT BCLR SR,#IPL2 BSET SR,#IPL0 ; CPU PRIORITY 1 INC Inter BSET PTCON, #PTEN ; energopoihsh PWM ;

286 Αρχικοποίηση μεταβλητών INIT_VARIABLES.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global INIT_VARIABLES.text INIT_VARIABLES: ; arxikopoihsh metablitwn ; ; Μηδενισμός όλων των μεταβλητών ; MOV #0x00, W1 MOV W1, Vdc MOV W1, Vs MOV W1, Vsq MOV W1, ia MOV W1, ib MOV W1, isd MOV W1, isq MOV W1, idc MOV W1, Ys MOV W1, Ysd MOV W1, Ysq MOV W1, Ysref MOV W1, Mcomp MOV W1, negmcomp MOV W1, Tcalc MOV W1, Mref MOV W1, Vref MOV W1, R MOV W1, Ts MOV W1, IGBTs MOV W1, Inter MOV W1, Sector MOV W1, iasub MOV W1, ibsub MOV W1, sin8s MOV W1, cos8s MOV W1, ib1 MOV W1, ib2 MOV W1, ib3 MOV W1, ib4 MOV W1, ad1 MOV W1, ad2 MOV W1, ad3 MOV W1, ad4 ; ; Ορισμός των παραμέτρων του προγράμματος ; MOV #4000, W1 MOV W1, Ysref ; Ορισμός ροής αναφοράς (x10.000)

287 MOV #1, W1 MOV W1, R MOV #22, W1 MOV W1, Ts ; Ορισμός αντίστασης στάτη (mω) ; Ορισμός διαστήματος ολοκλήρωσης (μs) ; 1/20kHz=50μs MOV #5000,W1 ; Ορισμός μεγιστής τιμής ροπής (σε Νm*100) MOV W1, maxtorque ; 2000=20Nm MOV #1, W1 MOV W1, Inter MOV #0x15, W1 MOV W1, IGBTs ; Αρχικοποίηση Inter στο 1 ώστε να ; καλέσει την DTC_Table στην 1η εκτέλεση ; Αρχικοποίηση κατάστασης διακοπτών ; Τα LOW ενεργοποιημένα RETURN

288 Αρχικοποίηση μετρητή INIT_TIMER1.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global INIT_TIMER1.text INIT_TIMER1: ; arxikopoihsh timer RETURN CLR T1CON CLR TMR1 MOV #0xFFFF,W1 MOV W1,PR1 BCLR T1CON,#TCS ;BSET IPC0, #T1IP0 ; Setup Timer1 interrupt for ;BCLR IPC0, #T1IP1 ; PRIORITY = 5 ;BSET IPC0, #T1IP2 ;BCLR IFS0, #T1IF ; Clear the Timer1 interrupt status flag ;BSET IEC0, #T1IE ; Enable Timer1 interrupts

289 Αρχικοποίηση του στοιχείου PWM INIT_PWM.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; declare processor type.global INIT_PWM.text INIT_PWM: ; arxikopoihsh tou stoixeiou PWM MOV #0x05dd, W6 MOV W6, PTPER MOV #0x01, W1 MOV W1, PTCON ; 5dd->20KHz diakoptikh ; orismos PTPER ; PWM off, pre/postscaler=1:1, ; single event=01,free running=00 MOV #0x077, W1 ; MOV W1, PWMCON1 ; complementary kai 3 apo tis 4 ; eksodous hi kai low enabled MOV #0x02, W3 MOV W3, PWMCON2 MOV #0x03f, W2 MOV W2, DTCON1 MOV #0x0015, W4 MOV W4, OVDCON ; postscale:1:1, ; OVDCON mono sto telos tou PTMR ; 00, time unit A=Tcy, ; Tcy:33ns, DT:(3f->2us, 5b->3us) ; h eksodos orizetai apo OVDCON RETURN

290 Αρχικοποίηση θυρών εισόδου/εξόδου INIT_PORT.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global INIT_PORT.text INIT_PORT: ; arxikopoihsh thyrwn ws eisodoi/eksodoi RETURN MOV #0x087, W1 ; AN0-AN7 eisodoi MOV W1, TRISB MOV #0x00, W1 MOV W1, TRISC MOV #0x00, W1 MOV W1, TRISD MOV #0x0000, W1 ; PWM1L-PWM3H eksodoi, FLTA eksodos! MOV W1, TRISE MOV #0x00, W1 MOV W1, TRISF

291 Αρχικοποίηση διακοπών INIT_INTERRUPTS.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; declare processor type.global INIT_INTERRUPTS.text INIT_INTERRUPTS: BCLR SR,#IPL2 BCLR SR,#IPL1 BSET SR, #IPL0 BCLR IFS2, #PWMIF BCLR IPC9, #PWMIP0 BCLR IPC9, #PWMIP1 BSET IPC9, #PWMIP2 BSET IEC2, #PWMIE ; arxikopoihsh twn interrupts ; Priority 1 (001) stin CPU ; Clear PWM interrupt Bit ; priority 4 (100) gia thn PWM ; enable PWM interrupt RETURN

292 Αρχικοποίηση αναλογικού/ψηφιακού μετατροπέα INIT_ADC.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; declare processor type.global INIT_ADC.text INIT_ADC: BSET INTCON1, #NSTDIS ; arxikopoihsh AD Converter ; apenergopoihsh twn nested interrupts CLR ADCON1 MOV #0x080, W1 MOV W1, ADCSSL MOV #0x038, W1 MOV W1, ADPCFG MOV #0x033C, W1 MOV W1, ADCON2 MOV #0x0409, W1 MOV W1, ADCON3 MOV #0x07, W1 MOV W1, ADCHS MOV #0x0EC, W1 MOV W1, ADCON1 ; epilogh AN pou tha scanaristoun apo to CH0 ; AN7 ; AN0-AN2,AN6-AN7 analogikes, ; AN3-AN5 psifiakes ; ADCON2:MUXA opws orizetai apo ;CHOSA, ola ta CH, ; interrupt/16 samples, Buffer ;>16 word, mono MUXA ; ADCON3:4 Tad (exw 4 shmata), ;roloi systhmatos, ; 7*Tcy= (14/2)*12.5ns (1/80MHz)= ;87.5ns > 83.3ns ; ADCHS:MUXB:den leitourgei, ;MUXA:OV gia gh, AN0,AN1,AN2 ; ws eisodoi, 0V gia gh sto CH0, ;AN7 sto CH0 ; ADCON1:off gia arxikopoihsh, den mpainei se Idle, ; integer, auto convert, taytoxrono scan eisodwn, ; Sample auto-start, SAMP & DONE allazoun mona tous RETURN

293 Ορισμός στάθμης μηδενικού ρεύματος κατά την εκκίνηση του προγράμματος CALIBRATE.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global CALIBRATE.text CALIBRATE: iloop1: MOV #0x00, W5 MOV #0x100, W6 NOP INC W5, W5 NOP CPSGT W5, W6 GOTO iloop1 MOV ADCBUF2, W7 MOV ADCBUF6, W8 MOV ADCBUFA, W9 MOV ADCBUFE, W10 ADD W7, W8, W7 ADD W9, W10, W9 ADD W7, W9, W1 MOV ADCBUF3, W7 MOV ADCBUF7, W8 MOV ADCBUFB, W9 MOV ADCBUFF, W10 ADD W7, W8, W7 ADD W9, W10, W9 ADD W7, W9, W2 iloop2: MOV #0x00, W5 NOP INC W5, W5 NOP CPSGT W5, W6 GOTO iloop2 MOV ADCBUF2, W7 MOV ADCBUF6, W8 MOV ADCBUFA, W9 MOV ADCBUFE, W10 ADD W7, W8, W7 ADD W9, W10, W9 ADD W7, W9, W3 MOV ADCBUF3, W7 MOV ADCBUF7, W8 MOV ADCBUFB, W9

294 MOV ADCBUFF, W10 ADD W7, W8, W7 ADD W9, W10, W9 ADD W7, W9, W4 ADD W1, W3, W3 ADD W2, W4, W4 MOV #0x08, W5 REPEAT #17 DIV.U W3, W5 MOV W0, iasub REPEAT #17 DIV.U W4, W5 MOV W0, ibsub RETURN

295 Υπολογισμός τάσης στους άξονες d q Vsdq.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global Vsdq.text ; ; Yporoutina ypologismou Vsd kai Vsq ; Vsdq: ; ; Deigmatolhpsia tashs ; MOV ADCBUF1, W3 MOV ADCBUF5, W4 MOV ADCBUF9, W5 MOV ADCBUFD, W6 ; 4 diadoxikes times tou Vdc ADD W3, W4, W4 ; prosthetw tis times gia na bgalw m.o. ADD W5, W6, W6 ADD W4, W6, W3 ; bazw to athroisma sto W3 MOV #5000, W7 ; multiply x5000 (DC bus 500V) MUL.SS W3, W7, W4 MOV #0x0FFC, W2 REPEAT #17 DIV.SD W4,W2 MOV W0, W9 ;mov #3800, w9 MOV W9, Vdc ; diairesh me 4x1023=4x3FF ; Vdc (x10) stin metablhth MOV IGBTs, W3 ; katastash twn IGBTs MOV #0x2710, W10 ; bash pou tha xrhsimopoihsoume gia ; teliko apotelesma (10000) ; ; Ypologismos dianysmatos tashs symfwna me katastash diakoptwn ; MOV #0x015, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto BRA Z, U0 ; dianysma V0 (000) MOV #0x016, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto ;;;;25 BRA Z, U1 ; dianysma V1 (100) MOV #0x01A, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto ;;;;2A BRA Z, U2 ; dianysma V2 (110) MOV #0x019, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto

296 BRA Z, U3 ; dianysma V3 (010) MOV #0x029, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto ;;;;1A BRA Z, U4 ; dianysma V4 (011) MOV #0x025, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto ;;;;15 BRA Z, U5 ; dianysma V5 (001) MOV #0x026, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto BRA Z, U6 ; dianysma V6 (101) MOV #0x02A, W4 CP W3, W4 ; an einai tote eimaste sto BRA Z, U7 ; dianysma V7 (111) ; ; Ypologismos tasewn stis d,q syntetagmenes ; Vsd=SQRT(2/3)*Vdc*(Sa-1/2Sb-1/2Sc) ; Vsq=SQRT(2/3)*Vdc*(SQRT(3)/2Sb-SQRT(3)/2Sc) ; U0: ; Sa=0 Sb=0 Sc=0, Vdc*(0 0) MOV #0x00, W3 MOV W3, Vsd ; Vsd=Vsq=0 MOV W3, Vsq GOTO END_VSDQ U1: ; Sa=1 Sb=0 Sc=0, *Vdc*(1 & O) MOV #0x1FE5, W3 ; 8165 MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsd (x10) MOV W0, Vsd ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsd (x10) MOV #0x00, W3 MOV W3, Vsq ; apothikeyetai to Vsq (x10) GOTO END_VSDQ U2: ; Sa=1 Sb=1 Sc=0, *Vdc*(0.5 & SQRT(3)/2) MOV #0x0FF2, W3 ; 8165/2=4082 MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsd (x10) MOV W0, Vsd ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsd (x10) MOV #0x1B9F, W3 ; 8165*SQRT(3)/2=7071 MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsq (x10) MOV W0, Vsq ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsq (x10)

297 GOTO END_VSDQ U3: ; Sa=0 Sb=1 Sc=0, *Vdc*(-0.5 & SQRT(3)/2) MOV #0xF00E, W3 ; -8165/2 MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsd (x10) MOV W0, Vsd ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsd (x10) MOV #0x1B9F, W3 MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) ; (stous kataxwrhtes W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsq (x10) MOV W0, Vsq ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsq (x10) GOTO END_VSDQ U4: ; Sa=0 Sb=1 Sc=1, *Vdc*(-1 & 0) MOV #0xE01B, W3 ; MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsd (x10) MOV W0, Vsd ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsd (x10) MOV #0x00, W3 MOV W3, Vsq ; apothikeyetai to Vsq GOTO END_VSDQ U5: ; Sa=0 Sb=0 Sc=1, *Vdc*(-0.5 & -SQRT(3)/2) MOV #0xF00E, W3 MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsd (x10) MOV W0, Vsd ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsd (x10) MOV #0xE461, W3 ; MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsq (x10) MOV W0, Vsq ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsq (x10) GOTO END_VSDQ U6: ; Sa=1 Sb=0 Sc=1, *Vdc*(0.5 & -SQRT(3)/2) MOV #0x0FF2, W3 ; 4082 MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsd (x10) MOV W0, Vsd ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsd (x10)

298 MOV #0xE461, W3 ; MUL.SS W9, W3, W4 ; Vdc(x10)* (x10000) (W4-W5) REPEAT #17 DIV.SD W4, W10 ; diairw me th bash (10000) ; gia na brw to Vsq (x10) MOV W0, Vsq ; kai apothikeyetai sth metablhth Vsq (x10) GOTO END_VSDQ U7: ; Sa=1 Sb=1 Sc=1, *Vdc*(0 & 0) MOV #0x00, W3 MOV W3, Vsd ; Vsd=Vsq=0 MOV W3, Vsq GOTO END_VSDQ END_VSDQ: RETURN

299 Υπολογισμός ρεύματος στους άξονες d q Isdq.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global Isdq.text ; ; Υπορουτίνα μετασχηματισμού ia,ib,(ic) σε isd,isq ; Isdq: ; ; Δειγματοληψία ia ; MOV iasub, W7 MOV ADCBUF2, W3 SUB W3, W7, W3 MOV ADCBUF6, W4 SUB W4, W7, W4 MOV ADCBUFA, W5 SUB W5, W7, W5 MOV ADCBUFE, W6 SUB W6, W7, W6 ADD W3, W4, W3 ADD W5, W6, W5 ADD W3, W5, W3 ; 4 diadoxikes times tou ia ; prosthetw tis times gia to ;athroisma tou m.o. ; bazw to athroisma sto W3 MOV #893, W12 MUL.SS W3,W12, W2 ; pollaplasiazw x893 (megisto ; reyma metrhtikwn 89,3A) MOV #0x07FC, W10 ; diairesh me to 4x511 opou 511 to shma REPEAT #17 ; pou antistoixei se 89,3A (max metrhsh) DIV.SD W2, W10 MOV W0, W8 ; apo8hkeysh sto W8 (x10) gia prakseis ;mov #600,w8 MOV W0, ia ; apo8hkeysh sth metablhth ia (x10) ;------elegxos gia yperreyma sto ia MOV #1120,W10 CPSLT W8,W10 CALL CURRENT_LIMIT MOV #(-1120),W11 CPSGT W8,W11 CALL CURRENT_LIMIT ; ; Δειγματοληψία ib ; MOV ibsub, W7 MOV ADCBUF3, W3 ; 4 diadoxikes times tou ib

300 mov w3,ad1 SUB W3, w7, w3 mov w3,ib1 MOV ADCBUF7, W4 mov w4,ad2 SUB W4, W7, W4 mov w4,ib2 MOV ADCBUFB, W5 mov w5,ad3 SUB W5, W7, W5 mov w5,ib3 MOV ADCBUFF, W6 mov w6,ad4 SUB W6, W7, W6 mov w6,ib4 ADD W3, W4, W3 ; prosthetw tis times gia to athroisma tou m.o. ADD W5, W6, W5 ADD W3, W5, W3 ; bazw to athroisma sto W3 MOV #893, W12 MUL.SS W3,W12, W2 ; pollaplasiazw x893 (max reyma 89,3A) MOV #0x07FC, W10 ; diairesh me to 4x511 opou 511 to shma REPEAT #17 ; pou antistoixei se 89,3A DIV.SD W2, W10 MOV W0, W9 ; apo8hkeysh sto W9 (x10) gia prakseis ;mov #(-100),w9 MOV W0, ib ; apo8hkeysh sth metablhth ib (x10) ;------elegxos gia yperreyma sto ib MOV #1120,W10 CPSLT W9,W10 CALL CURRENT_LIMIT MOV #(-1120),W11 CPSGT W9,W11 CALL CURRENT_LIMIT MOV #0x2710, W11 ; bash gia th diairesh (10000) MOV ia,w8 MOV ib,w9 ; ; isd=sqrt(3/2)ia=1.2247*ia ; MOV #0x2FD7, W2 ; pollaplasiazoume me to ia(x10) MUL.SS W8, W2, W4 ; kai to apotelesma apothykeyetai sto W4:W5 REPEAT #17 DIV.SD W4, W11 ; diairw me th bash (10000) MOV W0, isd ; apothykeyetai h timh tou isd (x10) ; ;isq=1/sqrt(2)ia+sqrt(2)ib=0.7071*ia *ib ; MOV #0x1B9F, W3 ; pollaplasiazw me 7071 to ia(x10) MUL.SS W8, W3, W4 ; kai to apotelesma apothykeyetai sto W4:W5 REPEAT #17 ; diairesh me th bash (10000) gia na mporei DIV.SD W4, W11 ; na prostethei MOV W0, W4

301 MOV #0x373E, W2 ; pollaplasiazoume me to ib(x10) MUL.SS W9, W2, W6 ; kai to apotelesma apothykeyetai sto W6:W7 REPEAT #17 ; diairesh me th bash (10000) gia na mporei DIV.SD W6, W11 ; na prostethei MOV W0, W6 ADD W4, W6, W5 ; prosthesi twn dyo orwn MOV W5, isq ; apothikeysi tou isq (x10) RETURN

302 Υπολογισμός μαγνητικής ροής Ysdq.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global Ysdq.text ; ; Yporoutina ypologismou Ysd, Ysq, Ys ; Ysdq: ; TIMER MOV TMR1,W2 MOV W2, metrhths CLR TMR1 ; ; ; Ysd(k+1)=Ysd(k)+(Vsd-isd*R)*Ts ; MOV Vsd, W2 ;(x10) ; MOV isd, W3 ;(x10) ; MOV R, W4 ;(x1.000) MOV Ts, W5 ;(x ) ; MUL.SS W3,W4,W6 ; isd*r (W6:W7) (x10.000) ; MOV #1000,W9 ; REPEAT #17 ; DIV.SD W6,W9 ; isd*r (x10) ; MOV W0,W6 ; SUB W2,W6,W2 ; Vsd-isd*R (x10) MUL.SS W2,W5,W10 ;(Vsd-isd*R)*Ts (W10:W11)(x ) MOV #1000,W9 ; YLOPOIHSH LOW PASS FILTER! REPEAT #17 DIV.SD W10,W9 ; Ysd (x10.000) MOV W0,W8 MOV Ysd, W3 ADD W3, W8, W3 MOV W3, Ysd ; Ysd(k)(x10.000) -> W3 ; Ysd(k+1)=Ysd(k)+(Vsd-isd*R)*Ts ; W4 -> Ysd(k+1)(x10.000) ; ; Ysq(k+1)=Ysq(k)+(Vsq-isq*R)*Ts ; MOV Vsq, W2 ;(x10) ; MOV isq, W3 ;(x10) ; MOV R, W4 ;(x1.000) MOV Ts, W5 ;(x ) ; MUL.SS W3,W4,W6 ;isq*r (W6:W7) (x10.000) ; MOV #1000,W9 ; REPEAT #17 ; DIV.SD W6,W9 ;isq*r (x10) ; MOV W0,W8 ; SUB W2,W8,W2 ;Vsq-isq*R (x10) MUL.SS W2,W5,W10 ;(Vsq-isq*R)*Ts (W10:W11) (x ) MOV #1000,W9 ;YLOPOIHSH LOW PASS FILTER!

303 REPEAT #17 DIV.SD W10,W9 MOV W0,W9 MOV Ysq, W4 ADD W4, W9, W4 MOV W4, Ysq ;Ysq (x10.000) ; Ysq(k)(x10.000) -> W3 ; Ysq(k+1)=Ysq(k)+(Vsq-isq*R)*Ts ; W4 -> Ysq(k+1)(x10.000) ; ; Ys=SQRT(Ysd^2+Ysq^2) MOV Ysd, W2 MUL.SS W2, W2, W2 MOV Ysq,W5 MUL.SS W5, W5, W4 ADD W2, W4, W6 ADDC W3, W5, W7 ; Ypologizw to Υd^2 -> W2:W3 ; Ypologizw to Υq^2 -> W4:W5 ; LSB Ys^2 ; MSB Ys^2 MOV W7, W1 MOV W6, W0 sqrtd: MOV #0x10, W2 MOV #0x8000, W3 MOV #0x4000, W4 MOV #0x7FFF, W5 sqrtd01: MOV W3, W6 MUL.SS W6, W6, W6 CP W1, W7 BRA GT, sqrtd02 BRA NZ, sqrtd03 ; W1 equals square CP W0, W6 BRA GTU, sqrtd02 BRA EQ, sqrtdexit ; W1_W0 less than square sqrtd03: AND W3, W5, W3 ; W1_W0 greater than square sqrtd02: IOR W3, W4, W3 ASR W4, #1, W4 RRNC W5, W5 SUB #1, W2 CP0 W2 BRA GT, sqrtd01 sqrtdexit: MOV W3, Ys ; W3 -> Ys (x10.000) RETURN

304 Υπολογισμός τομέα στον οποίο βρίσκεται το διάνυσμα της ροής SECTOR_Y.include "p30f4011.inc".global SECTOR_Y.extern Sector.text SECTOR_Y: ; ypologismos tomea ; Sector 0 -> S0 -> Ys=0 ; Sector I -> SI -> 330<θs<30 ; Sector II -> SII -> 30<θs<90 ; Sector III-> SIII -> 90<θs<150 ; Sector IV -> SIV -> 150<θs<210 ; Sector V -> SV -> 210<θs<270 ; Sector VI -> SVI -> 270<θs<330 ; sinθs=ysq/ys MOV Ysq, W2 MOV #0x03E8, W3 MUL.SS W2, W3, W4 ; Ysq (x10.000) ; 3E8->1000 ; Ysq(x10.000)*1000 -> W4:W5 MOV Ys, W8 ; Ys(x10.000) -> W8 CP0 W8 ; elegxos an to Ys einai 0 na pame ston tomea 0 BRA Z, S0 REPEAT #17 DIV.SD W4, W8 MOV W0, W6 ; sinθs(x1000) -> W6 MOV W0, sin8s ; cosθs=ysd/ys MOV Ysd, W2 MUL.SS W2, W3, W4 ; Ysd*1000 -> W4:W5 (gia na bgei h diairesh) REPEAT #17 DIV.SD W4, W8 MOV W0, W7 ; cosθs(x1000) -> W7 MOV W0, cos8s ; Sector I -> sinθs:-0.5~0.5, cosθs>0 ; Sector II -> sinθs: 0.5~1, cosθs>0 ; Sector III-> sinθs: 1~0.5, cosθs<0 ; Sector IV -> sinθs: 0.5~-0.5, cosθs<0 ; Sector V -> sinθs:-0.5~-1, cosθs<0 ; Sector VI -> sinθs: -1~-0.5, cosθs>0 ; thewroume oti otan cosθs=0 tote einai cosθs>0 MOV #0x01F4, W2 MOV #0x0FE0C, W3 MOV #0x00, W4 CPSGT W7, W4 GOTO COS_NEG ; 500 -> W2 ; > W3 ; 0 -> W4 ; an cosθs<0 ; paei sto label COS_NEG ; an cosθs>0 h cosθs=0

305 COS_POS: CPSLT W6, W2 ; an sinθs>500 GOTO SII ; tote eimaste ston SII CPSGT W6, W3 GOTO SVI ; an sinθs<-500 ; tote eimaste ston SVI GOTO SI ; an den isyei tipota apo ta dyo ;tote eimaste ston SI ; an cosθs<0 COS_NEG: CPSLT W6, W2 ; an sinθs>500 GOTO SIII ; tote eimaste ston SIII CPSGT W6, W3 GOTO SV ; an sinθs<-500 ; tote eimaste ston SV GOTO SIV ; an den isyei tipota apo ta dyo ; tote eimaste ston SIV ; orismoi tomewn ; analoga me tis sygkriseis prin briskomaste ston tomea S... S0: MOV #0x00, W8 MOV W8, Sector RETURN SI: SII: SIII: SIV: SV: SVI: MOV #0x01, W8 MOV W8, Sector RETURN MOV #0x02, W8 MOV W8, Sector RETURN MOV #0x03, W8 MOV W8, Sector RETURN MOV #0x04, W8 MOV W8, Sector RETURN MOV #0x05, W8 MOV W8, Sector RETURN MOV #0x06, W8 MOV W8, Sector RETURN

306 Υπολογισμός γωνιακής ροπής TORQUE.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global TORQUE.text ; ; Yporoutina ypologismou rophs kai sygkrish me REF ; TORQUE: ; ; Ypologismos trexousas rophs kinhthra (Tcalc) ; Tcalc=(3/2)p(isq*Ysd-isd*Ysq) ; MOV isd, W2 ; isd (x10) -> W2 MOV Ysq, W3 ; Ysq (x10.000) -> W3 MUL.SS W2, W3, W8 MOV #1000, W4 REPEAT #17 DIV.SD W8, W4 MOV W0, W8 MOV isq, W2 MOV Ysd, W3 MUL.SS W2, W3, W6 REPEAT #17 DIV.SD W6, W4 MOV W0, W6 SUB W6, W8, W2 MOV #3, W3 MUL.SS W2, W3, W4 MOV W4, Tcalc ; isd*ysq (x ) -> W8:W9 ; > W4 ; isd*ysq(x100) -> W8 ; isq (x10) -> W2 ; Ysd (x10.000) -> W3 ; isq*ysd (x ) -> W6:W7 ; isq*ysd (x100) -> W6 ; (isq*ysd-isd*ysq)(x100) -> W2 ; (3/2)p=3 gia 2 zeygh polwn ; ypologismos Tcalc (x100) ; apothikeysh Tcalc(x100) ; ; Deigmatolhpsia kai ypologismos rophs anaforas (Mref) ; MOV ADCBUF0, W3 MOV ADCBUF4, W4 MOV ADCBUF8, W5 MOV ADCBUFC, W6 ; 4 diadoxikes times tou shmatos anaforas ADD W3, W4, W4 ; pros8etw tis times gia na bgalw m.o. ADD W5, W6, W6 ADD W4, W6, W3 ; bazw to athroisma sto W3 (anafora x4) MOV maxtorque, W4 MUL.SS W3,W4,W4 ; maxtorque*(4xmref) -> W4:W5

307 MOV #0xFFC, W6 REPEAT #17 DIV.SD W4, W6 MOV W0, W7 ;mov #0x0AA, w6 MOV W7, Mref ; diairesh me to (4x3FF) ; gia na el8ei sth swsth klimaka ; SHMANTIKO! H roph periorizetai sthn timh ; pou orizei to maxtorque (x100) se Nm ; W7 -> Mref ; ; Ypologismos para8yrou rophs (oria: Mcomp,negMcomp) ; MOV #5, W2 ; diairesh me to 5 gia ;;;;DOKIMI ME 10%!!! REPEAT #17 ; pososto parathyrou 20% (0,2 = 1/5) DIV.S W7, W2 MOV W0, W3 MOV W3, Mcomp MOV #0x00, W1 SUB W1, W3, W2 MOV W2, negmcomp ; orismos Mcompare gia 8etiko orio para8yrou ; -Mcompare gia arnhtiko orio para8yrou RETURN

308 Υπολογισμός διακοπτικών καταστάσεων σύμφωνα με τον πίνακα της DTC DTC_TABLE.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; declare processor type.global DTC_TABLE.text ; ; Sygkrish rohs kai rophs me tis REF kai epilogh dianysmatos apo pinaka DTC ; DTC_TABLE: MOV Ysref, W2 MOV Ys, W3 MOV Mref, W4 cp w4, #0x0 ; Ysref -> W2 ; Ys -> W3 ; Mref -> W4 ; an h roph anaforas einai mhdenikh bra z, V0 ; tote dinoume ap' ey8eias to dianysma V0 MOV Tcalc, W5 SUB W4, W5, W4 MOV Mcomp, W5 MOV negmcomp, W6 MOV #0x00, W7 MOV #0x01, W8 MOV #0xFFFF, W9 MOV Sector, W10 ; Tcalc ->W5 ; Mref-Tcalc -> W4 ; Mcomp -> W5 ; -Mcomp -> W6 ; 0 -> W7 ; 1 -> W8 ; -1 -> W9 ; Sector -> W10 ; ; Sygkriseis ; CPSLT W2, W3 GOTO Y_POS ; an Ysref>Ys tote ; phgaine sto Y_POS ; alliws Y_NEG ; Aykshsh Rohs Y_NEG: CPSLT W4, W5 ; an Mref-Tcalc>Mcomp GOTO _YM ; aykshsh Rophs CPSGT W4, W6 GOTO _Y_M GOTO _YZ ; an Mref-Tcalc<-Mcomp ; meiwsh Rophs ; an -Mcomp<Mref-Tcalc<Mcomp ; diathrhsh Rophs ; Meiwsh Rohs Y_POS: CPSLT W4, W5 ; an Tref-Tcalc>Mref GOTO YM ; aykshsh Rophs

309 CPSGT W4, W6 GOTO Y_M GOTO YZ ; an Tref-Tcalc<-Mref ; meiwsh Rophs ; an -Mref<Tref-Tcalc<Mref ; diathrhsh Rophs ; YM: CP W10, #0x00 ; an eimaste ston Sector 0 tote BRA Z, V1 ; dinoume to dianusma V1 CP W10, #0x01 BRA Z, V2 CP W10, #0x02 BRA Z, V3 CP W10, #0x03 BRA Z, V4 CP W10, #0x04 BRA Z, V5 CP W10, #0x05 BRA Z, V6 CP W10, #0x06 BRA Z, V1 YZ: CP W10, #0x00 BRA Z, V1 CP W10, #0x01 BRA Z, V0 CP W10, #0x02 BRA Z, V7 CP W10, #0x03 BRA Z, V0 CP W10, #0x04 BRA Z, V7 CP W10, #0x05 BRA Z, V0 CP W10, #0x06 BRA Z, V7 Y_M: CP W10, #0x00 BRA Z, V1 CP W10, #0x01 BRA Z, V6 CP W10, #0x02 BRA Z, V1 CP W10, #0x03 BRA Z, V2 CP W10, #0x04 BRA Z, V3 CP W10, #0x05 BRA Z, V4 CP W10, #0x06 BRA Z, V5 _YM: CP W10, #0x00 BRA Z, V1 CP W10, #0x01 BRA Z, V3 CP W10, #0x02 BRA Z, V4 CP W10, #0x03

310 BRA Z, V5 CP W10, #0x04 BRA Z, V6 CP W10, #0x05 BRA Z, V1 CP W10, #0x06 BRA Z, V2 _YZ: CP W10, #0x00 BRA Z, V1 CP W10, #0x01 BRA Z, V7 CP W10, #0x02 BRA Z, V0 CP W10, #0x03 BRA Z, V7 CP W10, #0x04 BRA Z, V0 CP W10, #0x05 BRA Z, V7 CP W10, #0x06 BRA Z, V0 _Y_M: CP W10, #0x00 BRA Z, V1 CP W10, #0x01 BRA Z, V5 CP W10, #0x02 BRA Z, V6 CP W10, #0x03 BRA Z, V1 CP W10, #0x04 BRA Z, V2 CP W10, #0x05 BRA Z, V3 CP W10, #0x06 BRA Z, V4 ; V0: ; 000 MOV #0x015, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs MOV W2, OVDCON ; kai dimoume antistoixous palmous mov #0x00, w4 mov w4, Inter RETURN V1: ; 100 MOV #0x016, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs MOV W2, OVDCON ; kai dimoume antistoixous palmous mov #0x00, w4 mov w4, Inter RETURN V2: ; 110 MOV #0x01A, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs

311 MOV W2, OVDCON mov #0x00, w4 mov w4, Inter ; kai dimoume antistoixous palmous RETURN V3: ; 010 MOV #0x019, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs MOV W2, OVDCON ; kai dimoume antistoixous palmous mov #0x00, w4 mov w4, Inter RETURN V4: ; 011 MOV #0x029, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs MOV W2, OVDCON ; kai dimoume antistoixous palmous mov #0x00, w4 mov w4, Inter RETURN V5: ; 001 MOV #0x025, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs MOV W2, OVDCON ; kai dimoume antistoixous palmous mov #0x00, w4 mov w4, Inter RETURN V6: ; 101 MOV #0x026, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs MOV W2, OVDCON ; kai dimoume antistoixous palmous mov #0x00, w4 mov w4, Inter RETURN V7: ; 111 MOV #0x02A, W2 ; Bazoume tin timi MOV W2, IGBTs ; stin metablhth IGBTs MOV W2, OVDCON ; kai dimoume antistoixous palmous mov #0x00, w4 mov w4, Inter RETURN

312 Προστασία από υπέρρευμα CURRENT_LIMIT.equ 30F4011, 1.include "p30f4011.inc" ; Declare processor type.global CURRENT_LIMIT.text CURRENT_LIMIT: MOV #0x0015,W1 MOV W1,OVDCON ;katastash diakoptwn: ;energopoihmena ola ta LOW itrap: CLR Inter NOP NOP GOTO itrap RETURN

313 Σχεδιασμός ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που κατασκευάστηκαν για τη διαχείριση της ισχύος των ηλεκτρονικών μετατροπέων, αλλά και για την οδήγηση και προσαρμογή των απαραίτητων σημάτων που απαίτησε ο συνολικός έλεγχος, σχεδιάστηκαν με το πρόγραμμα Altium Designer DXP και παρουσιάζονται στα ακόλουθα σχήματα. Εικόνα Π. 1 Βάσεις MKP πυκνωτών που τοποθετήθηκαν στο DC bus των IGBT modules Εικόνα Π. 2 Τροφοδοσίες μικροελεγκτή τριφασικού αντιστροφέα

314 Εικόνα Π. 3 Μικροελεγκτής τριφασικού αντιστροφέα

315 Εικόνα Π. 4 Βάσεις μετρητικών ρεύματος Εικόνα Π. 5 Κύκλωμα διαμόρφωσης σημάτων στροφομέτρου

316 Εικόνα Π. 6 Τροφοδοσίες μικροελεγκτή αμφικατευθυντήριου Boost-Buck μετατροπέα

317 Εικόνα Π. 7 Μικροελεγκτής αμφικατευθυντήριου Boost Buck μετατροπέα

318 Επιστημονικές εργασίες Δημοσιεύσεις Οι ακόλουθες επιστημονικές εργασίες δημοσιεύσεις προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσης Διπλωματικής Εργασίας, σε συνεργασία με τους φοιτητές και τους διδάσκοντες που εργάστηκαν για την πειραματική εφαρμογή της υβριδικής τεχνολογίας στο όχημα: «CONVERSION OF A CONVENTIONAL VEHICLE TO A HYBRID ELECTRIC VEHICLE STEP BY STEP DESIGN AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION» διεθνές επιστημονικό συνέδριο «EVS24» (Electric Vehicle Symposium 24), 24th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition (13-16 May 2009, Stavanger, Norway), EVS24 Proceedings Paper on CD: «Μελέτη και Κατασκευή Ηλεκτροκινητήριου Συστήματος για την Εφαρμογή σε Πειραματικό Υβριδικό Αυτοκίνητο» - ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΤΥΠΟΣ Α.Ε., «Energy Point», Τεύχος 25, Ιούλιος Αύγουστος Εικόνα Π. 8 Η ομάδα του υβριδικού στην παρουσίαση της εργασίας «CONVERSION OF A CONVENTIONAL VEHICLE TO A HYBRID ELECTRIC VEHICLE STEP BY STEP DESIGN AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION», στο διεθνές συνέδριο EVS 24, στη Νορβηγία

319 Εικόνα Π. 9 Το υβριδικό Blazer και η ομάδα εξέλιξης του (ABP), αποτελούμενη από τους φοιτητές (από αριστερά προς τα δεξιά): Ευστάθιο Πατσιά, Θεόδωρο Μπούμη και Παναγιώτη Ασημακόπουλο. Αξίζει να σημειωθεί ότι η συνεργασία της ομάδας ήταν άψογη σε όλα τα επίπεδα.