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

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ-ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΥ ΔΙΟΝΥΣΙΟΥ ΦΡΑΓΚΑΚΗ Α.Μ.: ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 401 Πάτρα, Ιανουάριος 2016 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ-ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΥ ΔΙΟΝΥΣΙΟΥ ΦΡΑΓΚΑΚΗ Α.Μ.: ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2016 Πάτρα, Ιανουάριος 2016

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ-ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΔΙΟΝΥΣΙΟΥ ΦΡΑΓΚΑΚΗΣ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 18/01/2016 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Περίληψη Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2016 ΤΙΤΛΟΣ: "ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Κωνσταντίνος-Αλέξανδρος Φραγκάκης Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη διερεύνηση μεθόδου εξοικονόμησης ενέργειας στο ηλεκτροκινητήριο σύστημα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος, ελαχιστοποιώντας την ισχύ των απωλειών. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, το ηλεκτροκινητήριο σύστημα αποτελείται από ασύγχρονο κινητήρα οδηγούμενο από αντιστροφέα τάσης, ο οποίος τροφοδοτείται από συσσωρευτές. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μαθηματική έκφραση των ολικών απωλειών του ηλεκτρικού οχήματος και η εύρεση του σημείου λειτουργίας στο οποίο αυτές έχουν την ελάχιστη τιμή τους, έχοντας ως μεταβλητές τη μαγνητική ροή του κινητήρα και το λόγο μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων και ως παραμέτρους τη γραμμική ταχύτητα του οχήματος και την ασκούμενη στους τροχούς δύναμη. Με αυτόν τον τρόπο, για δεδομένη ισχύ του κινούμενου οχήματος, η απορροφούμενη ισχύς από τις μπαταρίες θα μειωθεί, οδηγώντας έτσι στην αύξηση της αυτονομίας του οχήματος. Αρχικά, παρατίθενται γενικές πληροφορίες για τα ηλεκτρικά οχήματα και τους ασύγχρονους κινητήρες. Έπειτα, παρουσιάζεται η μεθοδολογία παλμοδότησης του αντιστροφέα και η μέθοδος ελέγχου του επαγωγικού κινητήρα. Στη συνέχεια, εξετάζονται οι σχέσεις που περιγράφουν τις απώλειες ισχύος των επιμέρους συστημάτων ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος (συσσωρευτές,αντιστροφέας και κινητήρας). Μέσω αυτών, εξάγεται η εξίσωση των ολικών απωλειών του οχήματος και απεικονίζεται με γραφικό τρόπο η δυνατότητα ελαχιστοποίησής τους. Το επόμενο βήμα είναι η επιβεβαίωση της θεωρητικής μελέτης μέσω προσομοίωσης, η οποία γίνεται σε περιβάλλον Matlab/Simulink. Τέλος, παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία και οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης, καθώς και πρόγραμμα που δημιουργήθηκε σε περιβάλλον LabView, με δυνατότητα ελέγχου της ροής και της ταχύτητας του επαγωγικού κινητήρα. - I -

8 - II - Περίληψη

9 Περίληψη Abstract This thesis deals with the investigation of energy-saving method in traction system for an electric vehicle, by minimizing power losses. In this case, the traction system consists of an asynchronous motor driven by inverter, which is powered by batteries. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical and Computer Engineering, at University of Patras. The aim of this thesis is to determine the mathematical expression of the total losses of the electric vehicle and find the operating point at which they have their minimum value, having as variables motor magnetic flux and the gearbox ratio and as parameters vehicle linear velocity and exerted power to the wheels. In this way, for a given power of the moving vehicle, the power absorbed by the batteries will be reduced, thus leading to increased vehicle autonomy. Initially, general information about electric vehicles and asynchronous motors are given. Next, inverter pulsing method and motor control method are presented. Afterwards, the equations that describe the power losses of the individual systems of an electric vehicle (battery, inverter and motor) are examined. Through these, the equation of total vehicle loss is extracted and the capability of minimizing them is graphically displayed. The next step is to confirm the theoretical study through simulation, which is done in Matlab/Simulink environment. Finally, the experimental procedure and the measurements conducted in order to evaluate the theoretical study are presented. Also, a program created in LabView environment, with the possibility of controlling the flow and motor speed, is displayed. - III -

10 - IV - Περίληψη

11 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία εξετάζεται η δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας σε ηλεκτροκινητήριο σύστημα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος, ελαχιστοποιώντας την ισχύ των απωλειών. Συγκεκριμένα, κύριος σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μαθηματική έκφραση των ολικών απωλειών του ηλεκτρικού οχήματος και η εύρεση του σημείου λειτουργίας στο οποίο αυτές έχουν την ελάχιστη τιμή τους, έχοντας ως μεταβλητές τη μαγνητική ροή του κινητήρα και το λόγο μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων και ως παραμέτρους τη γραμμική ταχύτητα του οχήματος και την ασκούμενη στους τροχούς δύναμη. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται, αρχικά, μια ιστορική ανασκόπηση των ηλεκτρικών οχημάτων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και αναλύονται τα βασικά δομικά μέρη ενός ηλεκτρικού οχήματος. Τέλος, παρατίθενται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που εμφανίζει η συγκεκριμένη τεχνολογία και γίνεται μια σύντομη παρουσίαση της κατάστασης στην αγορά των ηλεκτρικών οχημάτων. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία όσον αφορά τη δομή, την αρχή λειτουργίας και τα χαρακτηριστικά ενός τριφασικού επαγωγικού κινητήρα. Στη συνέχεια αναλύεται το διάγραμμα ροπής στροφών, ενώ τέλος, παρουσιάζονται και αναλύονται οι συνιστώσες των απωλειών του τριφασικού επαγωγικού κινητήρα. Στο κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται αναφορά στις μεθόδους διανυσματικού ελέγχου ενός επαγωγικού κινητήρα. Στη συνέχεια, αναλύεται η τοπολογία του αντιστροφέα και η τεχνική διαμόρφωσης πλάτους των παλμών Space Vector Modulation (SVM), ενώ τέλος παρουσιάζεται η μεθοδολογία που επιλέχθηκε για τον έλεγχο της ροπής και της ροής του επαγωγικού κινητήρα. Στο κεφάλαιο 4 παρατίθενται και ερμηνεύονται οι εξισώσεις απωλειών των επιμέρους υποσυστημάτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι σχέσεις μετασχηματισμού των προαναφερθέντων εξισώσεων, ώστε οι μόνες μεταβλητές να είναι η μαγνητική ροή του διακένου και ο λόγος μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων, με παραμέτρους την ταχύτητα του οχήματος και την ασκούμενη σε αυτό δύναμη. Τέλος, μέσω των μετασχηματισμένων εξισώσεων, εξάγεται η εξίσωση των ολικών απωλειών του ηλεκτροκινητήριου συστήματος του ηλεκτρικού οχήματος. - I -

12 Πρόλογος Στο κεφάλαιο 5 παρουσίαζεται ο τρόπος με τον οποίο υπολογίστηκαν οι τιμές των παραμέτρων της μηχανής και εκτιμήθηκαν οι παράμετροι των στοιχείων του τριφασικού αντιστροφέα και των συσσωρευτών, οι οποίες είναι αναγκαίες για την προσομοίωση. Τέλος, παρατίθενται τρισδιάστατα γραφήματα τόσο των απωλειών των επιμέρους υποσυστημάτων όσο και του ολικού συστήματος για διάφορα ζεύγη ταχύτητας και δύναμης, έχοντας ως μεταβλητές τη μαγνητική ροή του κινητήρα και το λόγο μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται το μοντέλο του ολικού συστήματος σε περιβάλλον προσομοίωσης Matlab-Simulink. Αναλύεται ο τρόπος μοντελοποίησης των απωλειών σιδήρου και των διακοπτικών απωλειών και τέλος γίνεται σύγκριση με τη θεωρητική ανάλυση για διάφορα ζεύγη ροπής και γωνιακής ταχύτητας του άξονα του επαγωγικού κινητήρα. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία. Αναλύεται η τοπολογία που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων και παρουσιάζεται το πρόγραμμα που δημιουργήθηκε σε περιβάλλον LabView, το οποίο δίνει τη δυνατότητα ελέγχου της ροής και της ταχύτητας της επαγωγικής μηχανής, μέσω του υπολογιστή. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα παρατίθενται οι κώδικες των προγραμμάτων που υλοποιήθηκαν σε Matlab καθώς και οι μετρήσεις από τα πειράματα που έγιναν στο εργαστήριο. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας κ. Εμμανουήλ Τατάκη για την πολύτιμη καθοδήγησή και στήριξή του καθόλη τη διάρκεια της διπλωματικής μου εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επίκουρο καθηγητή κ. Επαμεινώνδα Μητρονίκα και τον υποψήφιο διδάκτορα Γιάννη Καρατζαφέρη για την ιδιαίτερα σημαντική βοήθεια και τις συμβουλές που μου παρείχαν, κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής μου εργασίας. Επιπρόσθετα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους μου, με αλφαβητική σειρά, Αλέξανδρο, Αναστασία, Βασίλη, Εύα, Έφη, Κώστα, Νίκο, Σίλβεστρο, Χρήστο για τη στήριξη τους στις δύσκολες στιγμές. Τέλος, το πιο μεγάλο ευχαριστώ πηγαίνει στους γονείς μου, Διονύση και Κατερίνα, για την εξαιρετικά σημαντική στήριξή τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. - II -

13 Πίνακας Περιεχομένων ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Ιστορική αναδρομή Περιγραφή δομής ηλεκτρικών οχημάτων Ορισμός ηλεκτρικού οχήματος Δομικά μέρη ηλεκτρικού οχήματος Τύποι ηλεκτρικών οχημάτων και κατασκευαστικές διαφορές Υβριδικά οχήματα Υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα Ανάλυση επιμέρους συστημάτων ηλεκτρικών οχημάτων Συστοιχία συσσωρευτών (μπαταρία) Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος Ηλεκτρικός κινητήρας Σύστημα μετάδοσης κίνησης Διατάξεις φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ηλεκτρικών οχημάτων Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Η αγορά των ηλεκτρικών αυτοκινήτων Παρούσα κατάσταση Μελλοντικές τάσεις και προοπτικές ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Εισαγωγή Δομή τριφασικών ασύγχρονων/επαγωγικών μηχανών III -

14 Πίνακας Περιεχομένων 2.3 Αρχή λειτουργίας ασύγχρονου κινητήρα Ισοδύναμο κύκλωμα και εξισώσεις τάσεων στη μόνιμη κατάσταση Χαρακτηριστική καμπύλη ροπής-ταχύτητας επαγωγικού κινητήρα Απώλειες κινητήρα Ωμικές Απώλειες Απώλειες σιδήρου Μηχανικές απώλειες Κατανεμημένες απώλειες Απώλειες σε μη ημιτονοειδή διέγερση ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΚΑΙ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ Εισαγωγή Δυναμικό μοντέλο ασύγχρονου κινητήρα Οι εξισώσεις τάσεις του ασύγχρονου κινητήρα Ο μετασχηματισμός Park Διανυσματικός έλεγχος ασύγχρονου κινητήρα Εκτίμηση του διανύσματος ροής Μοντέλο τάσης (Voltage model) Μοντέλο ρεύματος (Current model) Άμεσος έλεγχος ροής Τριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος με την τεχνική SVM Μέθοδος άμεσου ελέγχου ροής και ροπής σε χρόνο μιας διακοπτικής περιόδου Τs ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Εισαγωγή IV -

15 Πίνακας Περιεχομένων 4.2 Απώλειες επαγωγικού κινητήρα Απώλειες αντιστροφέα Απώλειες αγωγής Διακοπτικές Απώλειες Απώλειες συσσωρευτή Μετασχηματισμός σχέσεων απωλειών Μετασχηματισμός εξισώσεων απωλειών κινητήρα Μετασχηματισμός απωλειών αντιστροφέα Μετασχηματισμός απωλειών συσσωρευτή Εξίσωση ολικών απωλειών του συστήματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Υπολογισμός παραμέτρων επαγωγικής μηχανής Υπολογισμός της αντίστασης του στάτη Υπολογισμός της επαγωγής μαγνήτισης (Lm) Υπολογισμός των επαγωγών σκέδασης στάτη και δρομέα (Llr,Lls) και της αντίστασης δρομέα (Rr ) Μετασχηματισμός μεγεθών μηχανής Υπολογισμός συντελεστή απωλειών τριβών (Cfw) Υπολογισμός συντελεστή κατανεμημένων απωλειών (Cstray) Υπολογισμός των συντελεστών απωλειών υστέρησης (Kh) και δινορευμάτων (Ke) Εκτίμηση παραμέτρων αντιστροφέα και συσσωρευτή Εκτίμηση παραμέτρων αντιστροφέα Εκτίμηση παραμέτρων συσσωρευτή Διάγραμμα απωλειών συστήματος V -

16 Πίνακας Περιεχομένων Διαγράμματα απωλειών για Fveh = 80 N και μεταβλητή ταχύτητα οχήματος Διαγράμματα απωλειών για Fveh = 40 Ν και μεταβλητή ταχύτητα οχήματος Διαγράμματα απωλειών για Fveh = 20 Ν και μεταβλητή ταχύτητα οχήματος Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΜATLAB/SIMULINK Μοντελοποίηση συνιστωσών μερών του κινητήριου συστήματος Μοντελοποίηση συσσωρευτή Μοντελοποίηση τριφασικού αντιστροφέα Μοντελοποίηση τριφασικού επαγωγικού κινητήρα Υλοποίηση μεθόδου ελέγχου ροπής και ροής ασύγχρονου κινητήρα Μοντέλο ηλεκτροκινητήριου συστήματος Προσομοιώσεις λειτουργίας ηλεκτροκινητήριου συστήματος Αποτελέσματα προσομοίωσης διαδικασίας ελαχιστοποίησης απωλειών και συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Εισαγωγή Έλεγχος λειτουργίας επαγωγικού κινητήρα μέσω προγράμματος σε περιβάλλον LabView Πείραμα και μετρήσεις Μετρήσεις με ταχύτητα n=600 rpm Μετρήσεις με ταχύτητα n=1200 rpm Μετρήσεις με ταχύτητα n=1800 rpm Συμπεράσματα VI -

17 Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ VII -

18

19 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 Ιστορική αναδρομή Αν και τα τελευταία χρόνια γίνεται ιδιαίτερος λόγος για τα ηλεκτρικά οχήματα ως μια καινούργια τεχνολογία, εντούτοις η εμφάνισή τους τοποθετείται αρκετά πίσω στο χρόνο. Το ηλεκτρικό και το συμβατικό όχημα, μοιράζονται ένα κοινό παρελθόν. Tα ηλεκτροκίνητα οχήματα έχουν μια μακρόχρονη ιστορία που ξεκινά στα μέσα του 19ου αιώνα, ταυτόχρονα περίπου με την εμφάνιση των συμβατικών οχημάτων (οχήματα ατμοκίνητα και οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ)). Από τότε μέχρι και την εποχή μας τα ηλεκτροκίνητα οχήματα ήταν κυρίως στην αφάνεια μέχρι να αναθερμανθεί πρόσφατα το ενδιαφέρον για αυτά, λόγω της κλιματικής αλλαγής και της πετρελαϊκής κρίσης. Οι πρώτες προσπάθειες για τη δημιουργία ενός μηχανοκίνητου οχήματος, το οποίο κινείται με ηλεκτρισμό, χρονολογούνται τη δεκαετία του 1830 ως εφευρέσεις με καθαρά δοκιμαστικόπειραματικό χαρακτήρα. Το 1834 από τον αμερικανό Thomas Devenport και το 1838 από τον σκωτσέζο Robert Davidson εμφανίζονται τα πρώτα ολοκληρωμένα ηλεκτρικά οχήματα. To 1847 οι Lilly και Colton έφτιαξαν ένα ηλεκτρικό όχημα που τροφοδοτούνταν από κεντρικό σταθμό χάρη σε ηλεκτροφόρες ράγες, ενώ την ίδια εποχή ο καθηγητής Charles Page έφτιαξε ένα όχημα με 100 συσσωρευτές και κινητήρα 16 ίππων που μετέφερε έως και 12 άτομα με μέγιστη ταχύτητα 30 km/h [1]. Οι πρώτες κατασκευάστριες εταιρείες προέρχονταν από τις ΗΠΑ, με τις πιο γνωστές να είναι oι Detroit Electric, Columbia Electric και Baker Electric [2]. Το σημαντικότερο πρόβλημα που αντιμετώπιζαν όλες αυτές οι πρώιμες κατασκευές ήταν οι συσσωρευτές με τα μειονεκτήματά τους, όπως ο χαμηλός λόγος ενέργειας προς όγκο και βάρος (πυκνότητα ενέργειας), αλλά κυρίως η μη δυνατότητα επαναφόρτισης. Το πρόβλημα αυτό επιλύθηκε το 1859, όταν ο Γάλλος Gaston Plante ανακάλυψε για πρώτη φορά το στοιχείο Μολύβδου-Οξέος (Pb-Acid), που είχε τη δυνατότητα επαναφόρτισης [1]. Αρκετά χρόνια αργότερα έκαναν την εμφάνισή τους διάφοροι βελτιωμένοι τύποι συσσωρευτών μεταξύ των οποίων ξεχώρισε ο συσσωρευτής Νικελίου-Σιδήρου (Ni-Fe) [2]. Η κατασκευή του έγινε το 1910 από τον Thomas Edison και ήταν το πιο προηγμένο στοιχείο τεχνολογικά την εποχή εκείνη. Ο συγκεκριμένος τύπος μπαταρίας μάλιστα, χρησιμοποιήθηκε σε ένα όχημα που κατασκεύασε ο ίδιος ο Edison και το οποίο απεικονίζεται στο Σχήμα

20 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.1: Το ηλεκτρικό όχημα του Thomas Edison (1910) [2]. Στη διάρκεια αυτών των δεκαετιών η ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων ήταν αρκετά μεγάλη τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Αμερική. Οι τεχνικές επιδόσεις μάλιστα των ηλεκτροκίνητων οχημάτων ήταν αρκετά αξιόλογες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το όχημα του Βέλγου Camille Jenatzy το οποίο κατά τη δεκαετία του 1890 έσπασε το φράγμα των 100km/h [1]. Για να γίνει κατανοητή η δημοτικότητα και η σημασία των ηλεκτρικών οχημάτων στις απαρχές του 20ου αιώνα, θα πρέπει να συγκριθεί με τις εναλλακτικές μεθόδους μεταφοράς που υπήρχαν, με κυρίαρχη μέχρι τότε, τη μεταφορά με χρήση αλόγων. Μέχρι τη δεκαετία του 1920 λοιπόν, η αγορά των ηλεκτρικών οχημάτων ανθούσε. Ξεχωρίζει μάλιστα το έτος 1912 ως το "πιο γόνιμο" για τα ηλεκτρικά οχήματα, καθώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα τέθηκαν σε κυκλοφορία, με επιδόσεις ταχύτητας που κυμαίνονταν από 32 έως και 48 km/h. Βασικό πλεονέκτημα των ηλεκτρικών οχημάτων σε σχέση με τα βενζινοκίνητα και τα ατμοκίνητα ήταν οτι είχαν πολύ πιο εύκολη εκκίνηση, αφού αρκούσε το "κλείσιμο" ενός διακόπτη. Αντίθετα, τα βενζινοκίνητα οχήματα απαιτούσαν χειροκίνητη εκκίνηση (με χρήση μανιβέλας), ενώ τα ατμοκίνητα απαιτούσαν μια προθέρμανση που διαρκούσε περίπου 45'. Επιπλέον το οδικό δίκτυο διασύνδεσης των πόλεων δεν ήταν κατάλληλο για υπεραστικές μετακινήσεις, ενώ για χρήση ως μέσο μεταφοράς, τα οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης είχαν επίσης το μειονέκτημα οτι ήταν πολύ θορυβώδη κατά τη λειτουργία τους. Όντας λοιπόν περιορισμένα για αστική χρήση και μόνο, τα ηλεκτρικά οχήματα επικρατούσαν έναντι των άλλων τύπων μέχρι τη δεκαετία του 1920, όταν και έγινε μεταστροφή της αγοράς στα βενζινοκίνητα οχήματα. Οι σημαντικότεροι λόγοι που συντέλεσαν σε αυτή τη μετάβαση ακολουθούν συνοπτικά [1], [2]: Η βελτίωση του υπεραστικού οδικού δικτύου αύξησε την ανάγκη για οχήματα μεγάλης αυτονομίας

21 Κεφάλαιο 1 ο Η ανακάλυψη των μεγάλων αποθεμάτων πετρελαίου κατέστησε ιδιαίτερα χαμηλό το κόστος των καυσίμων. Η εφεύρεση του ηλεκτρικού εκκινητή έδωσε τη δυνατότητα στα βενζινοκίνητα οχήματα για εύκολη εκκίνηση. Η μαζική παραγωγή των βενζινοκίνητων οχημάτων από τον Henry Ford σε αρκετά χαμηλές τιμές, συγκριτικά με αυτές των ηλεκτρικών οχημάτων. Χαρακτηριστικά, το Model T της Ford κόστιζε 650 δολάρια, ενώ τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα της εποχής περί τα δολάρια [3]. Αυτή η περίοδος "παραγκωνισμού" των ηλεκτρικών οχημάτων διήρκησε μέχρι και τις αρχές του 21ου αιώνα, με τη χρήση των ηλεκτρικών κινητήρων να περιορίζεται μόνο σε συγκεκριμένες κατηγορίες οχημάτων, όπως τα τρένα αλλά και τα διαφόρων τύπων μικρότερα οχήματα. Σε αυτό το χρονικό διάστημα υπήρξαν διάφορες ενδείξεις ότι οι μεγάλες πετρελαϊκές εταιρίες έχουν κατά καιρούς υπονομεύσει τις προσπάθειες, εξάπλωσης των ηλεκτρικών οχημάτων, κυρίως λόγω του φόβου ότι η συνεπακόλουθη απεξάρτηση από το πετρέλαιο θα έθιγε τα συμφέροντά τους. Δύο από αυτές είναι οι πιο χαρακτηριστικές. Η πρώτη αναφέρεται στις αρχές της δεκαετίας του 1930, όπου η νεοσύστατη National City Lines (συνεταιρισμός των εταιριών General Motors, Firestone και Standard Oil of California), εξαγόρασε σχεδόν όλα τα δίκτυα ηλεκτρικού τραμ στη χώρα και τα αντικατέστησε με βενζινοκίνητα λεωφορεία της General Motors [2]. Η δεύτερη χρονολογείται στα τέλη της δεκαετίας του 1990, όταν και η General Motors κάλεσε σε μαζική ανάκληση τα αντίτυπα του μοντέλου της ΕV1, τα οποία στη συνέχεια διέλυσε στην πρέσα. Μόνο 40 μοντέλα εξ' αυτών διεσώθησαν, καθώς έγιναν δωρεά σε μουσεία ή εκπαιδευτικά ιδρύματα, κατόπιν σχετικής συμφωνίας να μην κυκλοφορήσουν πάλι σε δημόσιο δρόμο και αφού τους είχαν πρώτα αφαιρεθεί οι μπαταρίες. Η ίδια η General Motors μάλιστα, έχει κατηγορηθεί ότι σκόπιμα αυτο-υπονόμευε τότε το EV1, λόγω των πιέσεων που είχε δεχτεί από τις μεγάλες πετρελαϊκές εταιρίες, κατά τη διάρκεια της εξέλιξής του [4], [5]. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος των πετρελαιοκίνητων οχημάτων, σε συνδυασμό με την κορύφωση της παραγωγής πετρελαίου και της εξάντλησης των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων, οδήγησε σε αναζωπύρωση του ενδιαφέροντος γύρω από την τεχνολογία των ηλεκτρικών οχημάτων. Η μαζική παραγωγή του υβριδικού οχήματος Toyota Prius το 1997 και η επιτυχία που αυτό γνώρισε σε παγκόσμιο επίπεδο, θεωρείται ως το πρώτο σημείο καμπής για τη σταδιακή επάνοδο και κυριαρχία των - 9 -

22 Κεφάλαιο 1 ο ηλεκτρικών οχημάτων ως μέσων μεταφοράς. Το δεύτερο χρονολογείται το 2006, όταν και η εταιρεία Tesla Motors ανακοίνωσε την παραγωγή πολυτελών πλήρως ηλεκτρικών οχημάτων, με αυτονομία μεγαλύτερη των 300 km με μια μόνο φόρτιση [3]. Έκτοτε όλο και πληθαίνουν οι κατασκευάστριες εταιρείες αυτοκινήτων που ανακοινώνουν την παραγωγή ή την προσπάθεια εξέλιξης πλήρως ηλεκτρικών οχημάτων. Ενδεικτικά παραδείγματα με εμπορική επιτυχία στις μέρες μας είναι, το Nissan Leaf (με πάνω από πωλήσεις μέχρι και τον Οκτώβριο του 2015) [2], το Chevy Volt και το Tesla Model S (με πάνω από πωλήσεις μέχρι και τον Οκτώβριο του 2015) [2]. 1.2 Περιγραφή δομής ηλεκτρικών οχημάτων Ορισμός ηλεκτρικού οχήματος Ως ηλεκτρικό/ηλεκτροκίνητο όχημα (ΗΟ) (Electric Vehicle ή (ΕV) ), ορίζεται το όχημα που χρησιμοποιεί ηλεκτρικούς κινητήρες για την πρόωσή του και ως πηγή ενέργειας/κινητήρια δύναμη την ηλεκτρική. Ένα ηλεκτροκίνητο όχημα διαφέρει σημαντικά από ένα αντίστοιχο συμβατικό όσον αφορά τη δομή του κινητήριου συστήματος. Από τεχνικής απόψεως τα ηλεκτρικά οχήματα απαντώνται σε διάφορες παραλλαγές, είτε όσον αφορά τη πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας, είτε όσον αφορά τον τρόπο που παράγεται η κίνηση. Ωστόσο, όλα έχουν κοινό χαρακτηριστικό, που είναι η ύπαρξη ενός τουλάχιστον ηλεκτρικού κινητήρα για την πρόωσή τους Δομικά μέρη ηλεκτρικού οχήματος Τα ηλεκτρικά οχήματα δύναται να είναι, είτε τροφοδοτούμενα από μια εξωτερική πηγή (από την οποία και γίνεται η συλλογή ενέργειας μέσω συλλέκτη), είτε αυτόνομα τροφοδοτούμενα από επαναφορτιζόμενες συστοιχίες (οι εν λόγω συστοιχίες μπορεί να είναι συσσωρευτές, σφόνδυλοι ή υπερπυκνωτές). Μερικά παραδείγματα εξωτερικά τροφοδοτούμενων ηλεκτρικών οχημάτων είναι το ηλεκτρικό τρένο, το τραμ και το τρόλεϋ, ενώ αντίστοιχα παραδείγματα αυτόνομων οχημάτων αποτελούν τα ηλεκτρικά και υβριδικά-ηλεκτρικά αυτοκίνητα και τα ηλεκτρικά πλοία και αεροπλάνα [2]. Για τη λειτουργία τους, ηλεκτρική ενέργεια απορροφάται από την πηγή και μετατρέπεται, μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, σε κατάλληλη μορφή για την τροφοδοσία του ηλεκτρικού κινητήρα. Στο Σχήμα 1.2 δίνεται ένα χονδρικό διάγραμμα των τμημάτων που αποτελούν ένα ηλεκτρικό όχημα και στη συνέχεια γίνεται η επί μέρους ανάλυσή τους. Τα δομικά τμήματα είναι:

23 Κεφάλαιο 1 ο Η πηγή ενέργειας ή μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται συστοιχία συσσωρευτών) Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος Ο ηλεκτρικός κινητήρας Σε αυτά θα μπορούσαν να ενταχθούν το σύστημα μετάδοσης κίνησης, το διαφορικό και οι τροχοί του οχήματος, με σκοπό να αποκτήσουμε μια πιο γενική εικόνα. Σχήμα 1.2: Δομικά μέρη ηλεκτρικού οχήματος [1]. Ο ρόλος της πηγής ενέργειας (μπαταρίας) είναι διπλός: η αποθήκευση και η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Αποθηκεύει ενέργεια κατά τη σύνδεση της με την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας (στάδιο φόρτισης), και όταν απαιτείται, ενέργεια "έλκεται" από αυτήν και μέσω του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος τροφοδοτείται ο ηλεκτρικός κινητήρας, μέσω του οποίου δημιουργείται στον άξονα η απαραίτητη κινητήρια δύναμη (στάδιο εκφόρτισης). 1.3 Τύποι ηλεκτρικών οχημάτων και κατασκευαστικές διαφορές Ουσιαστικά υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες ηλεκτρικών οχημάτων σε σχέση με τις εκπομπές ρύπων κατά την κίνησή τους: Αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα (all electric vehicles ή battery electric vehicles ή BEV), τα οποία δεν παράγουν ρύπους. Ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα (plug-in hybrid electric vehicles ή PHEV), τα οποία παράγουν μεν ρύπους αλλά σε πολύ χαμηλή ποσότητα. Το κύριο στοιχείο που διαφοροποιεί τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα από τα υβριδικά είναι η απουσία βενζινοκινητήρα. Η ενέργεια στα αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα προέρχεται από

24 Κεφάλαιο 1 ο καθαρά ηλεκτρική πηγή, ενώ ανάλογα με το καύσιμο και την τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού, το αποτύπωμα άνθρακα και άλλων εκπομπών των ηλεκτρικών υβριδικών οχημάτων ποικίλλει. Σε αυτό το σημείο χρειάζεται να επισημανθεί και η διαφορά που έχουν τα υβριδικά (hybrid vehicles) με τα ηλεκτρικά υβριδικά (plug-in hybrid electric vehicles) οχήματα. Τα υβριδικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα λειτουργούν ως καθαρά ηλεκτρικά αυτοκίνητα σε σύντομες διαδρομές και χρησιμοποιούν τη ΜΕΚ μόνο για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, όταν απαιτείται αύξηση της αυτονομίας. Αντίθετα, τα υβριδικά αυτοκίνητα βασίζονται κατά κύριο λόγο στη μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ), ενώ η ηλεκτρική μηχανή ενεργοποιείται μόνο σε χαμηλές ταχύτητες μέσα στην πόλη ή συμπληρωματικά με τη ΜΕΚ σε έντονη επιτάχυνση, για την παροχή επιπλέον ισχύος [4]. Λόγω λοιπόν αυτής τους της ιδιότητας, τα υβριδικά οχήματα, από πολλούς δεν αναφέρονται ως «ηλεκτρικά οχήματα» [6]. Στην ακόλουθη εικόνα παρουσιάζονται, συνοπτικά, οι τρείς τύποι οχημάτων και οι αντίστοιχες διαφορές τους. Σχήμα 1.3: Κατηγορίες-Τύποι ηλεκτρικών οχημάτων [6] Υβριδικά οχήματα Όσον αφορά τα υβριδικά οχήματα, ανάλογα με τη συνδεσμολογία του συστήματος μετάδοσης ισχύος τους, μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τρεις κύριους τύπους: Σειριακά Παράλληλα Μικτά (μια τοπολογία που συνδυάζει τις δύο προηγούμενες) Σε ένα σειριακό υβριδικό σύστημα μετάδοσης ισχύος, την κίνηση δίνει αποκλειστικά ο ηλεκτροκινητήρας ο οποίος δέχεται ηλεκτρική ενέργεια είτε από μια συστοιχία μπαταριών είτε

25 Κεφάλαιο 1 ο από μια Μ.Ε.Κ μέσω γεννήτριας. Σε ένα σειριακό σύστημα μετάδοσης ισχύος ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι συνήθως μικρός, επειδή έχει να αντιμετωπίσει μέτριες σε ισχύ οδηγικές απαιτήσεις. Καθώς δεν είναι συνδεδεμένος απευθείας στο κιβώτιο ταχυτήτων, λειτουργεί σε συγκεκριμένες στροφές/φορτίο του πεδίου λειτουργίας, όπου η απόδοση είναι υψηλή ή ακόμα μπορεί και να βρίσκεται προσωρινά και εκτός λειτουργίας. Έτσι επιτυγχάνεται ελαχιστοποίηση στην κατανάλωση καυσίμου. Η συστοιχία των μπαταριών είναι γενικά μεγάλης ισχύος με σκοπό να ικανοποιεί επιπλέον υψηλές οδηγικές ανάγκες, προσθέτοντας όμως βάρος και επιπλέον κόστος στο αυτοκίνητο. Οι επιδόσεις του αυτοκινήτου με αυτό το σχηματισμό εξαρτώνται άμεσα από την ισχύ του ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος πρέπει να διαθέτει μεγάλο μέγεθος προκειμένου να αποδώσει την απαιτούμενη ισχύ. Ένας τόσο ισχυρός κινητήρας απαιτεί, με τη σειρά του, συσσωρευτές υψηλής ισχύος προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις σε ρεύμα, όταν ο οδηγός επιταχύνει. Αυτό οδηγεί στη χρήση συσσωρευτών με υψηλό κόστος αλλά και μεγάλο βάρος [1]. Σε έναν παράλληλο υβριδικό σχηματισμό τόσο ο κινητήρας εσωτερικής καύσης αλλά και ο ηλεκτροκινητήρας παράγουν την ισχύ για την κίνηση των τροχών, όντας μόνιμα και ανεξάρτητα συνδεδεμένοι στο κιβώτιο ταχυτήτων. Αφού, σε αυτό το σχηματισμό, η ΜΕΚ είναι συνδεδεμένη απευθείας στους τροχούς, εξαλείφεται η μείωση της απόδοσης κατά τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική, που συμβαίνει στα σειριακά υβριδικά οχήματα, κάτι που καθιστά τα υβριδικά οχήματα αυτού του είδους κατάλληλα για οδήγηση σε αυτοκινητοδρόμους. Σε αυτό το σχηματισμό, ο ηλεκτροκινητήρας έχει το ελάχιστο εκείνο μέγεθος που απαιτείται για τη μετακίνηση του αυτοκινήτου, με μικρή ταχύτητα μέσα στην πόλη. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης από την άλλη έχει το ελάχιστο μέγεθος που απαιτείται προκειμένου το αυτοκίνητο να μπορεί να κινείται με την επιθυμητή μεγίστη (σταθερή) ταχύτητα σε οριζόντιο επίπεδο με άπνοια. Ταυτόχρονα, διοχετεύει ένα μικρό μέρος της ισχύος του στη γεννήτρια, προκειμένου να επαναφορτιστούν οι μπαταρίες του ηλεκτροκινητήρα. Το πλεονέκτημα της παράλληλης σύνδεσης ΜΕΚ και ηλεκτροκινητήρα, βρίσκεται στη δυνατότητα αλληλοβοήθησης ανάμεσα στα δύο συστήματα [1]. Ένας σειριακός/παράλληλος (μικτός) σχηματισμός εμφανίζει τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα προβλήματα των παράλληλων και των σειριακών σχηματισμών. Εδώ, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης μπορεί να κινεί τους τροχούς απευθείας αλλά μπορεί και να είναι αποσυνδεδεμένος από αυτούς έτσι ώστε να κινούνται μόνο από τον ηλεκτροκινητήρα. Η Toyota, με το μοντέλο της Prius, το οποίο είναι και το πρώτο υβριδικό αυτοκίνητο που βγήκε σε παραγωγή (1997), έκανε αυτή τη διάταξη διάσημη. Το σύστημα αυτό είναι πιο ακριβό από ένα παράλληλου σχηματισμού αφού απαιτεί γεννήτρια, μεγαλύτερη συστοιχία μπαταριών και

26 Κεφάλαιο 1 ο ένα πιο σύνθετο και ανεπτυγμένο σύστημα ελέγχου. Ωστόσο, ο μικτός σχηματισμός έχει τη δυνατότητα καλύτερης απόδοσης από κάθε άλλον σχηματισμό ξεχωριστά [1]. Σχήμα 1.4: Τοπολογίες υβριδικών οχημάτων [7] Υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα Ένα υβριδικό ηλεκτρικό όχημα είναι ένα υβριδικό όχημα με μπαταρίες, που επαναφορτίζονται συνδέοντας το όχημα με μια πρίζα σε μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή η κατηγορία ηλεκτρικών οχημάτων θεωρείται ως η εξέλιξη των υβριδικών οχημάτων και το μεταβατικό στάδιο στην πορεία για την κυριαρχία των αμιγώς ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως και υβριδικά (χρησιμοποιούν ηλεκτροκινητήρες τροφοδοτούμενους από μπαταρίες και ΜΕΚ), με τη διαφορά πως έχουν αρκετά μεγαλύτερης χωρητικότητας μπαταρία, κάτι που δίνει τη δυνατότητα στο όχημα να κινείται μόνο με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Η φόρτιση των συσσωρευτών συνήθως γίνεται κατά τη διάρκεια της νύχτας, όταν το όχημα είναι ακινητοποιημένο για μεγάλο χρονικό διάστημα. Επίσης, τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα έχουν πλεονέκτημα έναντι των αμιγώς ηλεκτροκίνητων οχημάτων στο ότι οι οδηγοί τους δεν χρειάζεται να ανησυχούν για το ενδεχόμενο "αποφόρτισης" του οχήματός τους στη διάρκεια της διαδρομής τους, και αυτό διότι όταν η μπαταρία αποφορτίζεται, χρησιμοποιείται η ΜΕΚ για την επαναφόρτισή της. Επειδή λοιπόν χρησιμοποιούν και κινητήρα εσωτερικής καύσης και ηλεκτροκινητήρα, διαθέτουν

27 Κεφάλαιο 1 ο μικρότερες και φθηνότερες συστοιχίες μπαταριών από τα αντίστοιχα αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα. Στα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν τα ίδια τρία συστήματα μετάδοσης ισχύος που αναλύσαμε και στα υβριδικά (σειριακά, παράλληλα, μικτά). Στα σειριακά υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, χρησιμοποιείται ΜΕΚ για να τροφοδοτηθεί η γεννήτρια, η οποία φορτίζει τους συσσωρευτές που τροφοδοτούν έναν ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος δίνει ώθηση στους τροχούς του οχήματος. Στα παράλληλα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, μπορεί ταυτόχρονα να μεταδωθεί ισχύς στους κινητήριους τροχούς τόσο από τη ΜΕΚ όσο και από τον ηλεκτροκινητήρα. Τα σειριακά-παράλληλα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν και ως σειριακά και ως παράλληλα. Από το 2007, στα περισσότερα σύγχρονα εμπορικά υβριδικά οχημάτα χρησιμοποιείται αυτό το σύστημα μετάδοσης της ισχύος. Στο Σχήμα 1.5 παρουσιάζονται οι δομικές διαφορές μεταξύ των τριών τύπων οχημάτων που αναλύθηκαν πιο πάνω, ενώ γίνεται εμφανής και η διαφορά στο μέγεθος των μπαταριών που χρησιμοποιείται. Στη συνέχεια γίνεται η ανάλυση των επιμέρους συστημάτων των αμιγώς ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Σχήμα 1.5: Τύποι ηλεκτρικών οχημάτων και βασικές διαφορές τους [8]

28 Κεφάλαιο 1 ο 1.4 Ανάλυση επιμέρους συστημάτων ηλεκτρικών οχημάτων Συστοιχία συσσωρευτών (μπαταρία) Με τον όρο μπαταρία αναφερόμαστε στην ηλεκτροχημική εκείνη διάταξη η οποία, μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική κατά την εκφόρτισή της και το αντίστροφο κατά τη φόρτισή της. Μια μπαταρία είναι κατασκευασμένη από μεμονωμένα ηλεκτροχημικά «κύτταρα», συνδεδεμένα μεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα, καθένα από τα οποία παράγει μία τάση (τυπικά 2V), που είναι το αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης μέσα σε αυτό. Παρόλο που η μπαταρία Μολύβδου-Οξέος ήταν η πιο κοινή μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος, μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990, η τελευταία γενιά επαναφορτιζόμενων κυττάρων περιλαμβάνει μπαταρίες Ιόντων Λιθίου (Li-Ion) και κυττάρων Λιθίου-Πολυμερούς (Li-Poly). Τα δύο μεγάλα μειονεκτήματα των συσσωρευτών είναι: ο χαμηλός λόγος ενέργειας προς βάρος και ο μεγάλος χρόνος φόρτισής τους. Ειδικότερα για το ηλεκτροκίνητο όχημα η επιλογή της μπαταρίας είναι ένα πολύ βασικό θέμα, καθώς τα κριτήρια επιλογής είναι συχνά αλληλοσυγκρουόμενα. Ο ιδανικός συσσωρευτής ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου πρέπει να παρουσιάζει όσο το δυνατόν υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας και ισχύος. Για χρήση σε αμιγώς ηλεκτρικό όχημα, η κυριότερη παράμετρος είναι η ειδική ενέργεια, καθώς από αυτήν καθορίζεται η χιλιομετρική αυτονομία του οχήματος (με μόνο μια φόρτιση). Από την άλλη πλευρά, για εφαρμογές υβριδικών-ηλεκτρικών οχημάτων, η ειδική ισχύς παίζει μεγαλύτερο ρόλο, καθώς ενέργεια παρέχεται και από τον βενζινοκινητήρα, ενώ ικανοποιητική ισχύς απαιτείται για να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση του οχήματος, ιδιαίτερα κατά την επιτάχυνση, την ανάβαση και την αναγεννητική πέδηση. Αναφορικά με τα υλικά κατασκευής αυτών, έμφαση δίνεται σε υλικά που υπάρχουν σε αφθονία, είναι φθηνά, έχουν μελετηθεί σε ικανοποιητικό βαθμό και είναι επιπλέον ανακυκλώσιμα ή έστω δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον κατά την εναπόθεσή τους σε αυτό [1]. Η απαιτούμενη συντήρηση πρέπει να είναι η ελάχιστη δυνατή και ο χρόνος επαναφόρτισης όσο το δυνατόν πιο μικρός, ενώ η διάρκεια ζωής μεγάλη και κατά το δυνατόν να προσεγγίζει τη διάρκεια ζωής του οχήματος. Δυστυχώς όμως οι χημικές αντιδράσεις που παράγουν ρεύμα φθείρουν παράλληλα το υλικό της μπαταρίας, καθιστώντας τη έτσι το πιο «τρωτό-ευάλωτο» σημείο του ηλεκτρικού οχήματος. Επιπλέον θα πρέπει, να μην υφίσταται υψηλό βαθμό αυτοεκφόρτισης, δεδομένου πως ένα όχημα μπορεί να παραμείνει σταθμευμένο για μεγάλο χρονικό διάστημα και υπάρχει η απαίτηση να είναι σε θέση να εκκινήσει ανά πάσα χρονική στιγμή. Βασικά κριτήρια επίσης είναι το χαμηλό κόστος, το μικρό βάρος και η μη εμφάνιση

29 Κεφάλαιο 1 ο του φαινομένου μνήμης. Με βάση αυτό το φαινόμενο, η διαθέσιμη ποσότητα ενέργειας μειώνεται σε κάθε φόρτιση, εάν κατά το ξεκίνημα της φόρτισης η μπαταρία δεν ήταν εντελώς άδεια (το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται έντονα στους συσσωρευτές Νικελίου-Καδμίου (Ni- Cd)). Στον Πίνακα 1.1 παρουσιάζεται μια σύγκριση των διάφορων τεχνολογιών συσσωρευτών που έχουν χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρικά οχήματα. Πίνακας 1.1: Τύποι συσσωρευτών και χαρακτηριστικά αυτών [1] Από τους παραπάνω συσσωρευτές, έχουν χρησιμοποιηθεί αρχικά και σε μεγάλη κλίμακα οι συσσωρευτές Μολύβδου-Οξέος καθώς, όπως προαναφέρθηκε, αποτελούν δοκιμασμένη τεχνολογία ήδη από το Έχουν μικρό κόστος και είναι ανακυκλώσιμοι ωστόσο έχουν μεγάλο βάρος, καταστρέφονται μερικώς σε περίπτωση πλήρους εκφόρτισης και όπως φαίνεται και από τον πιο πάνω πίνακα έχουν τη χαμηλότερη πυκνότητα ενέργειας (μόλις 40Wh/kg). Οι συσσωρευτές Νικελίου-Καδμίου έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης σε μεγάλο βαθμό, καθώς έχουν αρκετά μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας από τους προηγούμενου τύπου συσσωρευτές, ενώ το σημαντικό τους πλεονέκτημα είναι η ταχύτητα φόρτισής τους. Συγκεκριμένα σε χρόνο 20 λεπτών, φτάνουν από το 20% στο 80% της πληρότητάς τους. Μειονέκτημά τους είναι η μη ικανοποιητική ανακύκλωσή τους και το γεγονός πως εμφανίζουν το φαινόμενο μνήμης. Οι μπαταρίες Νατρίου-Θείου διακρίνονται για την υψηλή τιμή της πυκνότητας ενέργειας, κοντά στις 100Wh/kg, ωστόσο έχουν το μειονέκτημα της ανάπτυξης υψηλής θερμοκρασίας

30 Κεφάλαιο 1 ο κατά τη λειτουργία τους ( ο C) και για αυτό απαιτείται πρόβλεψη για κατάλληλη θερμομόνωση. Τα τελευταία χρόνια οι συσσωρευτές Νικελίου-Υδριδίου Μετάλλου και οι συσσωρευτές Ιόντων Λιθίου και κυττάρων Λιθίου-Πολυμερούς τείνουν να κυριαρχήσουν στις εφαρμογές ηλεκτροκίνησης. Οι μπαταρίες Νικελίου-Υδριδίου Μετάλλου διαθέτουν υψηλή πυκνότητα ενέργειας (80 Wh/kg), πολύ μεγάλη πυκνότητα ισχύος και υψηλό κύκλο ζωής. Είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον από τις μπαταρίες Νικελίου-Καδμίου αλλά έχουν υψηλότερο κόστος. Συγκρινόμενες με τις Μολύβδου-Οξέος, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και αυτονομία. Στα θετικά τους συμπεριλαμβάνεται το γεγονός οτι δεν απαιτούν συντήρηση, ενώ μπορούν να φορτιστούν πολύ γρήγορα (15 λεπτά). Το μεγάλο τους μειονέκτημά είναι πως εάν δεν φορτιστούν σωστά μπορεί να ελευθερώσουν υδρογόνο, με κίνδυνο έκρηξης. Τέλος οι μπαταρίες Λιθίου έχουν θεωρηθεί ως η καλύτερη λύση για τα ηλεκτρικά οχήματα, καθώς: Διαθέτουν μεγάλη πυκνότητα ενέργειας Παρέχουν σχετικά μεγάλη ισχύ Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής Δεν εμφανίζουν το φαινόμενο μνήμης Επαναφορτίζονται πολύ γρήγορα Ωστόσο παρουσιάζουν και δύο βασικά μειονεκτήματα: Μεγάλο κόστος (συγκριτικά με τους συσσωρευτές Νικελίου-Μετάλλου Υδριδίου) Πιθανότητα ανάφλεξης σε περίπτωση υπερθέρμανσης Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας είναι το τμήμα εκείνο του συστήματος που παίρνει τη Συνεχή Τάση (Σ.Τ.) των συσσωρευτών και τη μετατρέπει σε κατάλληλη μορφή για την τροφοδότηση του κινητήρα. Επιπλέον μέσω αυτού, δίνεται η δυνατότητα ελέγχου διαφόρων μεγεθών της μηχανής, όπως ροή, ροπή, ταχύτητα, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα οδήγησης του κινητήρα στο επιθυμητό σημείο λειτουργίας. Το ποιό ή ποιά μεγέθη είναι δυνατόν να ελεγχθούν κάθε φορά, καθορίζεται από τον αλγόριθμο ελέγχου που έχει επιλεγεί. Η επιλογή του μετατροπέα που θα χρησιμοποιηθεί σε ένα ηλεκτρικό όχημα εξαρτάται καθαρά από το είδος του χρησιμοποιούμενου ηλεκτρικού κινητήρα. Έτσι με βάση τους κινητήρες που χρησιμοποιούνται (Συνεχούς Ρεύματος (Σ.Ρ. ή DC) ή Εναλλασσόμενου Ρεύματος (Ε.Ρ. ή AC) ), έχουμε

31 Κεφάλαιο 1 ο μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Συνεχή Τάση (Σ.Τ./Σ.Τ.) τύπου chopper και μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Εναλλασσόμενη Τάση (Σ.Τ./Ε.Τ.), τύπου αντιστροφέα (inverter). Οι διατάξεις αντιστροφέα μπορούν να οδηγούν κινητήρες Ε.Ρ. που απαιτούν είτε ημιτονοειδή τάση (ασύγχρονος κινητήρας, σύγχρονος κινητήρας) είτε τετραγωνικούς παλμούς (κινητήρας τύπου Brushless, κινητήρας τύπου switched reluctance) Ηλεκτρικός κινητήρας Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι ίσως το πλέον σημαντικό τμήμα ενός ηλεκτρικού οχήματος. Οι κινητήρες που χρησιμοποιούνται θα πρέπει να ικανοποιούν κάποιες απαιτήσεις, όπως: Υψηλή ροπή εκκίνησης Ικανότητα οδήγησης του οχήματος σε περιοχές με απότομη κλίση εδάφους Υψηλό βαθμό απόδοσης Ικανότητα παροχής υψηλής ροπής σε μεγάλο εύρος στροφών Στη βιομηχανία των ηλεκτροκίνητων οχημάτων δύο τύποι κινητήρων είναι αυτοί που έχουν κυρίως επικρατήσει τα τελευταία χρόνια, οι Συνεχούς Ρεύματος Brushless (ή μόνιμου μαγνήτη) και οι Ασύγχρονοι (ή Επαγωγικοί) Κινητήρες, ενώ στα ηλεκτρικά οχήματα μαζικής παραγωγής πρώτης γενιάς χρησιμοποιούνταν κατά κόρον οι Κινητήρες Συνεχούς Ρεύματος Brushless [9]. Η μορφή του στάτη τόσο των ασύγχρονων όσο και των κινητήρων DC Brushless είναι πανομοιότυπη και η κατασκευαστική διαφορά τους έγκειται στη δομή του δρομέα. Στους DC Brushless, ο δρομέας αποτελείται από δύο ή περισσότερους μαγνήτες, ενώ στους ασύγχρονους συναντάται συνήθως δρομέας βραχυκυκλωμένου κλωβού, αποτελούμενος από μπάρες χαλκού βραχυκυκλωμένες στα άκρα τους με δακτυλίους. Μια ακόμα σημαντική διαφορά είναι πως, θεωρώντας ως αναφορά το δρομέα, το μαγνητικό πεδίο στους κινητήρες DC Brushless είναι συνεχές, ενώ στους ασύγχρονους ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενο. Η συγκεκριμένη διαφορά είναι θεμελιώδους σημασίας, καθώς οδηγεί σε απλοποιημένη μορφή των εξισώσεων που περιγράφουν τη λειτουργία των Κινητήρων Συνεχούς Ρεύματος και άρα πιο απλή μεθοδολογία ελέγχου τους. Παρόλο που η χρήση τριφασικού αντιστροφέα είναι αναγκαία για την οδήγηση αμφότερων τύπων κινητήρων, η μεθοδολογία ελέγχου είναι διαφορετική για τον κάθε τύπο (οι DC Brushless χρειάζονται έναν αισθητήρα που να προσδιορίζει απόλυτα τη θέση τους, ενώ στους ασύγχρονους κινητήρες είναι αρκετός ένας ελεγκτής ταχύτητας). Ο όρος Brushless φανερώνει πως ο κινητήρας δεν έχει ψήκτρες και πως η μετάβαση του ρεύματος γίνεται ηλεκτρονικά. Η μηχανή χαρακτηρίζεται ως «σύγχρονη», πράγμα που σημαίνει πως ο δρομέας περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα με αυτή του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του

32 Κεφάλαιο 1 ο διακένου, κάτι που δεν συμβαίνει στους ασύγχρονους κινητήρες, με την ταχύτητά τους να παρουσιάζει μια ολίσθηση σε σχέση αυτήν του πεδίου στο διάκενο. Προσπαθώντας να εξαχθεί ένα συμπέρασμα για το ποιος από τους δύο τύπους κινητήρων είναι ο καταλληλότερος για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα, θα ακολουθήσει μια σύγκρισή τους σε ακόμη μεγαλύτερο βάθος. Μία από τις βασικές διαφορές είναι οτι, η θερμότητα που παράγεται στο δρομέα των DC Brushless είναι αρκετά λιγότερη. Η ψύξη του είναι πιο εύκολη και το σημείο μέγιστου βαθμού απόδοσης είναι γενικά υψηλότερο, συγκριτικά με τους επαγωγικούς κινητήρες. Επιπλέον, οι DC Brushless έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος, τη στιγμή που οι ασύγχρονοι κινητήρες έχουν, στην καλύτερη των περιπτώσεων έναν συντελεστή ισχύος λίγο κάτω από το 90%. Συνοψίζοντας, λοιπόν, το σημείο μέγιστης ενεργειακής απόδοσης για ένα DC Βrushless κινητήρα θα είναι μερικές μονάδες επί τοις εκατό υψηλότερος από τον αντίστοιχο ενός επαγωγικού κινητήρα [9]. Σε έναν ιδανικό κινητήρα DC Brushless, θα υπήρχε η δυνατότητα ρύθμισης της έντασης του μαγνητικού πεδίου (Β) που προέρχεται από τους μόνιμους μαγνήτες. Σε συνθήκες που απαιτείται μέγιστη ροπή, ειδικά σε χαμηλές ταχύτητες, η ένταση του μαγνητικού πεδίου θα έπρεπε να είναι η μέγιστη δυνατή, έτσι ώστε τα ρεύματα τόσο της μηχανής όσο και του αντιστροφέα να διατηρούνται στην ελάχιστη δυνατή τιμή τους. Αυτό οδηγεί στη μείωση των απωλειών χαλκού, αυξάνοντας έτσι την απόδοση. Με παρόμοια λογική, όταν το επίπεδο ροπής είναι χαμηλό, η ένταση του μαγνητικού πεδίου θα πρέπει να μειωθεί έτσι ώστε οι μαγνητικές απώλειες (υστέρησης και δινορευμάτων), που εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το B, να μειωθούν. Ιδεατά η τιμή του B θα έπρεπε να είναι τέτοια ώστε οι συνολικές απώλειες της μηχανής να είναι οι ελάχιστες. Δυστυχώς όμως δεν υπάρχει εύκολος τρόπος προσαρμογής της τιμής της έντασης του μαγνητικού πεδίου, με χρήση μηχανής μόνιμου μαγνήτη [9]. Στους ασύγχρονους κινητήρες τώρα, χάρη στην απουσία μόνιμων μαγνητών, η τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου είναι πλήρως ελεγχόμενη, καθώς εξαρτάται από τον λόγο V/f (ενεργός τιμή τάσης που εφαρμόζεται στο στάτη προς τη συχνότητα). Αυτό σημαίνει πως σε χαμηλά φορτία, μέσω του αντιστροφέα και ελέγχοντας την τροφοδοτούμενη τάση στη μηχανή, μπορούμε να μειώσουμε την τιμή του Β και να ελαττώσουμε τις απώλειες πυρήνα της μηχανής, πετυχαίνοντας μ αυτόν τον τρόπο αυξημένη απόδοση. Με χρήση λοιπόν ενός "έξυπνου αντιστροφέα" μπορούμε να προσαρμόσουμε, για οποιοδήποτε σημείο λειτουργίας της μηχανής, την τιμή της μαγνητικής της ροής έτσι ώστε οι απώλειες της μηχανής να οδηγούνται στο ελάχιστο. Αυτό το πλεονέκτημα γίνεται όλο και πιο ουσιώδες με την αύξηση της ισχύος της μηχανής. Στους κινητήρες DC Brushless, οι μαγνητικές απώλειες αυξάνονται αναλογικά

33 Κεφάλαιο 1 ο με την αύξηση του μεγέθους της μηχανής, έχοντας ως αποτέλεσμα την μείωση της απόδοσης της μηχανής με μη ονομαστικό φορτίο. Αντίθετα στους επαγωγικούς κινητήρες, οι μαγνητικές απώλειες δεν αυξάνονται κατ' ανάγκη με την αύξηση του μεγέθους τους. Ενδεχομένως λοιπόν οι ασύγχρονοι κινητήρες να είναι η καταλληλότερη επιλογή όταν ζητούμενο είναι η μέγιστη απόδοση σε μεγάλο εύρος φορτίων. Μπορεί, η απόδοση τους υπό ονομαστικές συνθήκες να είναι ελαφρώς μικρότερη από αυτή των DC Brushless, όμως "η μέση απόδοση" ενδέχεται να είναι υψηλότερη [9]. Επιπλέον οι μόνιμοι μαγνήτες είναι ιδιαίτερα ακριβοί, με τη τιμή τους να ανέρχεται στα 50 /κιλό. Αυτό σημαίνει πως οι επαγωγικοί κινητήρες πλεονεκτούν έναντι των DC Brushless όσον αφορά το κόστος. Οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη είναι ιδιαίτερα δύσκολοι και στο χειρισμό τους, καθώς αναπτύσσονται πολύ μεγάλες δυνάμεις σε περίπτωση που κάποιο φερρομαγνητικό υλικό πλησιάσει σχετικά κοντά τους. Επιπλέον λόγω της δυνατότητας ελέγχου και μείωσης της τιμής του μαγνητικού πεδίου όταν αυτό απαιτείται, οι προδιαγραφές/απαιτήσεις των αντιστροφέων για τους επαγωγικούς κινητήρες είναι μικρότερες και επομένως το ίδιο συμβαίνει και με το κόστος αυτών. Το μειονέκτημα είναι όμως πως ο έλεγχος τους είναι ιδιαίτερα δύσκολος. Οι νόμοι ελέγχου είναι ιδιαίτερα περίπλοκοι και δύσκολα κατανοητοί. Το να επιτευχθεί ευστάθεια λειτουργίας σε όλο το εύρος ροπήςταχυτήτων, λαμβάνοντας υπόψιν και την επίδραση της θερμοκρασίας, είναι σαφώς πιο δύσκολο σε έναν ασύγχρονο κινητήρα παρά σε έναν κινητήρα DC Brushless [9]. Σύμφωνα λοιπόν με την πιο πάνω ανάλυση δεν υπάρχει κάποιος κινητήρας που να πλεονεκτεί ξεκάθαρα έναντι του άλλου. Με βάση την εκτίμηση του κ. Wally Rippel, πρώην επικεφαλής του τμήματος ηλεκτρονικών ισχύος της εταιρείας Tesla, οι κινητήρες DC Brushless θα συνεχίζουν να κυριαρχούν στον τομέα των υβριδικών και υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων, ενώ οι επαγωγικοί κινητήρες θα κυριαρχήσουν στα αμιγώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων. Το ποιος κινητήρας θα επιλεγεί τελικά επαφίεται καθαρά στα κριτήρια και τις προτιμήσεις της κατασκευάστριας εταιρείας [9] Σύστημα μετάδοσης κίνησης Σκοπός του συστήματος μετάδοσης κίνησης είναι η μεταφορά της ισχύος από το συμπλέκτη στο διαφορικό και από εκεί στους τροχούς και η δημιουργία μεταβλητής σχέσης μετάδοσης, έτσι ώστε οι στροφές του κινητήρα να διατηρούνται κοντά στην ωφέλιμη περιοχή [10]. Εάν ένας κινητήρας μετέδιδε την κίνηση απευθείας στους τροχούς, η σύνδεση θα ήταν προβληματική. Κατά την εκκίνηση η απαιτούμενη ροπή θα ήταν μεγάλη και θα οδηγούσε είτε

34 Κεφάλαιο 1 ο στο σβήσιμο σε περίπτωση χρήσης βενζινοκινητήρα, είτε σε μεγάλες τιμές ρευμάτων σε περίπτωση που χρησιμοποιείται ηλεκτροκινητήρας. Για αυτό είναι απαραίτητο να μην έχουμε ένα σταθερό λόγο μετάδοσης, αλλά να τον μεταβάλουμε ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες. Τα κιβώτια ταχυτήτων διακρίνονται σε 2 βασικές κατηγορίες: α) κιβώτια διακριτών σχέσεων και β) κιβώτια συνεχούς λόγου μετάδοσης (CVT) [11]. Κιβώτιο διακριτών σχέσεων Τα κιβώτια ταχυτήτων διακριτών σχέσεων διαθέτουν έναν αριθμό γραναζιών διαφορετικού μεγέθους, που σχηματίζουν ζευγάρια μεταξύ τους [10], [11]. Τα γρανάζια κάθε ζεύγους είναι τοποθετημένα σε δύο διαφορετικούς άξονες. Ο ένας συνδέεται με τον κινητήρα μέσω του συμπλέκτη και ο άλλος με τους τροχούς μέσω του διαφορικού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.6. Μεγαλύτερη διάμετρος σημαίνει μικρότερη ταχύτητα αλλά και μεγαλύτερη στρεπτική ροπή. Με λίγα λόγια, με χρήση κιβωτίου μεταβάλλεται η ροπή στρέψης και η ελκτική δύναμη του αυτοκινήτου (του κινητήρα), απομονώνεται η κίνηση (νεκρά) και φυσικά προσφέρεται δυνατότητα οπισθοπορείας (όπισθεν). Σχήμα 1.6: Δομή κιβωτίου ταχυτήτων 5 σχέσεων [10] Οι σχέσεις του κιβωτίου είναι προκαθορισμένες και για να επιλεγεί μια συγκεκριμένη, πρέπει το αντίστοιχο γρανάζι του ζευγαριού να συνδεθεί με τον άξονα που πηγαίνει προς το διαφορικό μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται συγχρονισμός. Τα γρανάζια βρίσκονται σε μόνιμη εμπλοκή μεταξύ τους ανά ζεύγη και γυρίζουν ελεύθερα στον άξονα τους μέχρι να κλειδώσει την κίνηση το ενδιάμεσο γρανάζι εμπλοκής (κόμπλερ, συνδετικός δακτύλιος), που ολισθαίνει πάνω στον δευτερεύοντα άξονα. Κάθε φορά που επιλέγεται ένα συγκεκριμένο γρανάζι μέσω του μοχλού ταχυτήτων, ένας πείρος ολισθαίνει το γρανάζι και πραγματοποιεί τη

35 Κεφάλαιο 1 ο σύνδεση με τον άξονα μέσω μιας στεφάνης, επιτυγχάνοντας έτσι ομαλή και αθόρυβη λειτουργία. Σχήμα 1.7: Διαδικασία συγχρονισμού κατά την αλλαγή λόγου μετάδοσης σε κιβώτιο διακριτών σχέσεων [10] Κιβώτιο συνεχούς λόγου μετάδοσης Πρόκειται για κιβώτια τα οποία δεν απαρτίζονται από γρανάζια αλλά από ένα σύστημα ιμάντα με δύο τροχαλίες μεταβλητής διαμέτρου [11], [12]. Αντίθετα λοιπόν με το κιβώτιο διακριτών σχέσεων, σε ένα κιβώτιο συνεχούς λόγου μετάδοσης οι σχέσεις δεν είναι διακριτές. Αυτό σημαίνει ότι ο λόγος μετάδοσης λ μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή μέσα σε ένα εύρος [λmin, λmax]. Οι περισσότεροι κατασκευαστές χρησιμοποιούν ένα χαλύβδινο ιμάντα τραπεζοειδούς σχήματος. Η μια τροχαλία είναι συνδεδεμένη με την έξοδο ισχύος του κινητήρα και η άλλη με τον άξονα μετάδοσης της κίνησης. H κάθε τροχαλία αποτελείται από δύο δίσκους που αποκλίνουν ή συγκλίνουν με τη βοήθεια ενός υδραυλικού μηχανισμού, αυξομειώνοντας το πλάτος έδρασης του ιμάντα σε σχήμα V, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.8. Έτσι, μεταβάλλεται η ακτίνα περιστροφής και κατ επέκταση η σχέση μετάδοσης, η οποία ισούται με το λόγο των δύο διαμέτρων. Το αποτέλεσμα είναι να αυξάνεται η ταχύτητα του αυτοκινήοτυ, ενώ οι στροφές του κινητήρα διατηρούνται σταθερές, συνήθως κοντά στη μέγιστη απόδοση, σε αντίθεση με τα συμβατικά κιβώτια στα οποία πρέπει να αλλάζουμε συνεχώς σχέσεις ώστε ο κινητήρας να φτάσει σε ιδανικούς ρυθμούς περιστροφής. Όσο απλός και αν φαντάζει ο τρόπος λειτουργίας του συγκεκριμένου συστήματος, το μεγαλύτερο πρόβλημα αφορά στην αντοχή του ιμάντα σε αντίθεση με τα μασίφ γρανάζια. Την μετάδοση της ισχύος προς το κιβώτιο CVT αναλαμβάνει ένας κλασικός συμπλέκτης, ή ένας υδροδυναμικός ή ένας μετατροπέας ροπής. Παρόλο που η εμφάνιση τους έγινε πριν από δύο σχεδόν δεκαετίες και ήδη τότε υιοθετήθηκαν από αρκετούς κατασκευαστές αυτοκινήτων δεν μπόρεσαν να επικρατήσουν, διότι οι ιμάντες που χρησιμοποιούνταν δεν αποδείχθηκαν αρκετά ανθεκτικοί ώστε να

36 Κεφάλαιο 1 ο μεταφέρουν το μέγεθος της ροπής, ιδίως σε κινητήρες μεγάλου κυβισμού. Η ανάπτυξη υψηλών επιφανειακών τάσεων κατά τη μεταβολή της διαμέτρου των τροχαλιών απαιτεί έναν ιμάντα με ιδιαίτερα αυξημένες μηχανικές ιδιότητες, καθώς αυτός καλείται να μεταφέρει σχεδόν όλη την ισχύ του κινητήρα. Στα πλεονεκτήματά τους, από την άλλη πλευρά, κατατάσσονται η απλότητα της κατασκευής τους καθώς και τα ευνοϊκά χαρακτηριστικά τους όσον αφορά στην κατανάλωση. Σχήμα 1.8: Λειτουργία του κιβωτίου τροχαλιών μεταβλητής διαμέτρου [12] 1.5 Διατάξεις φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων Για τη φόρτιση των συσσωρευτών απαιτείται ειδική διάταξη για τη μετατροπή της «ενέργειας εισόδου» σε ηλεκτρική, συνεχούς τάσης. Όσον αφορά τον τρόπο φόρτισης των μπαταριών μπορούμε να διακρίνουμε τρία είδη, με βασικό κριτήριο το χρόνο φόρτισης: αργή/οικιακή, ημιταχεία/κοινόχρηστη και ταχεία. Αργή/Οικιακή φόρτιση Οι συσκευές αργής/οικιακής φόρτισης [13] είναι είτε απλές πρίζες που διαθέτουν όμως κάποιες ελάχιστες προδιαγραφές (π.χ. ειδική ασφάλεια 16 Α), είτε ειδικές συσκευές φόρτισης με ειδικού τύπου βύσμα και ενσωματωμένο σύστημα ελέγχου και προστασίας και με παροχή ισχύος 3,5 kw, την οποία μπορούν να δεχθούν όλα τα μοντέλα ηλεκτρικών και plug-ins υβριδικών αυτοκινήτων. Στην περίπτωση αυτή, μια πλήρης επαναφόρτιση άδειας μπαταρίας

37 Κεφάλαιο 1 ο από μια συνηθισμένη μονοφασική παροχή, όπως αυτές που υπάρχουν στις περισσότερες οικιακές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, μπορεί να διαρκέσει από 7 ώρες (με συσκευή φόρτισης) έως 12 ή περισσότερες ώρες (απευθείας από την πρίζα) αναλόγως και του τύπου του αυτοκινήτου, του καλωδίου που χρησιμοποιείται και των χαρακτηριστικών της συσκευής φόρτισης. Ημιταχεία/Κοινόχρηστη Φόρτιση Οι συσκευές ημιταχείας φόρτισης [13] που τοποθετούνται σε κοινόχρηστα σημεία, όπως σε πεζοδρόμια, οργανωμένους χώρους στάθμευσης, super markets κλπ., είναι ειδικές συσκευές που παρέχουν εναλλασσόμενο ρεύμα με ισχύ από 7kW έως 21kW. Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή πρόσφατα αποφάσισε ότι το πρότυπο πρίζας IEC Τύπου 2 θα είναι το κοινό standard για τους φορτιστές στις χώρες της ΕΕ. Στις περισσότερες περιπτώσεις κοινόχρηστων φορτιστών ο ανεφοδιασμός γίνεται με καλώδιο σύνδεσης, που διαθέτει το ίδιο το όχημα για αυτό το σκοπό. Μια πλήρης επαναφόρτιση άδειας μπαταρίας σε κοινόχρηστους σταθμούς ημιταχείας φόρτισης διαρκεί από 1 έως 3 ώρες, αναλόγως με τον τύπο του αυτοκινήτου και την ένταση του ρεύματος του φορτιστή. Ταχεία Φόρτιση Οι συσκευές ταχυφόρτισης [13] παρέχουν είτε συνεχές ρεύμα (DC) ισχύος έως 50 kw, είτε και εναλλασσόμενο (AC) με ισχύ έως 44 kw για οχήματα που διαθέτουν ενσωματωμένο ταχυφορτιστή. Οι ταχυφορτιστές διαθέτουν σύστημα επικοινωνίας με το ηλεκτρικό όχημα, ώστε να ρυθμίζεται αναλόγως η ένταση της φόρτισης χωρίς να καταπονούνται τα στοιχεία της μπαταρίας. Μια επαναφόρτιση σε ποσοστό 85% - 90% της μπαταρίας διαρκεί από 20 έως 45 ανάλογα και με την εξωτερική θερμοκρασία. Προϋπόθεση της ταχυφόρτισης είναι η ύπαρξη αντίστοιχης δυνατότητας του οχήματος, ενώ στις περιπτώσεις των ταχυφορτιστών συνεχούς ρεύματος το καλώδιο με το αντίστοιχο βύσμα είναι πάντοτε ενσωματωμένα στη συσκευή ταχυφόρτισης. Υπάρχουν δύο βασικά πρότυπα βύσματος και συστήματος ταχυφόρτισης με συνεχές ρεύμα [13]. Το πρότυπο CHAdeMO, το οποίο έχει υιοθετηθεί από τις Nissan, Citroen, Mitsubishi και Peugeot και το οποίο χρησιμοποιεί διαφορετικό ρευματοδέκτη στο αυτοκίνητο από αυτόν που διαθέτει για τη φόρτιση με εναλλασσόμενο ρεύμα. Το πρότυπο CCS (Combo), που υιοθετήθηκε από τις εταιρείες Volkswagen, BMW, Ford, Audi, Porsche, Chevrolet και Mercedes και το οποίο χρησιμοποιεί τον ίδιο ρευματοδέκτη με αυτόν που χρησιμοποιείται και

38 Κεφάλαιο 1 ο για φόρτιση με εναλλασσόμενο ρεύμα. Στο πλαίσιο της ψήφισης της οδηγίας της ΕΕ για την ανάπτυξη υποδομών εναλλακτικών καυσίμων έχει προταθεί οι σταθμοί ταχυφόρτισης που εγκαθίστανται στην ΕΕ να πρέπει να είναι εφοδιασμένοι τουλάχιστον με το πρότυπο CCS, επιτρέποντας την παράλληλη λειτουργία του προτύπου CHAdeMO (ή της ταχυφόρτισης με εναλλασσόμενο ρεύμα). Μερικά ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν επίσης «αναγεννητική πέδηση (regenerative breaking)», με τη χρήση της οποίας είναι δυνατή η ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισμα, κάτι που μπορεί να αυξήσει την αυτονομία του οχήματος μέχρι και 20%. Τέλος αξίζει να σημειωθεί πως υπό μελέτη βρίσκεται μέθοδος για την επαγωγική φόρτιση των μπαταριών κατά την κίνηση του οχήματος, ενώ εξετάζεται και η λύση των υπερπυκνωτών ως επιπρόσθετη αποθήκη-πηγή ενέργειας. Με τον όρο υπερπυκνωτές αναφερόμαστε σε πυκνωτές τεράστιας χωρητικότητας (μερικών εκατοντάδων Farrad, τη στιγμή που η χωρητικότητα της γης είναι κοντά στο 1 Farrad) και χαμηλής τάσεως. Ο ρόλος τους θα είναι να αναλαμβάνουν την παροχή ρεύματος στη μηχανή κατά τα μεταβατικά φαινόμενα, πετυχαίνοντας έτσι ελάχιστη καταπόνηση των συσσωρευτών και αύξηση του χρόνου ζωής τους. Το μεγάλο τους μειονέκτημα όμως, είναι πως καταλαμβάνουν αρκετά μεγάλο χώρο και έχουν αυξημένο βάρος. 1.6 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ηλεκτρικών οχημάτων Όπως κάθε τεχνολογικό επίτευγμα, έτσι και τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν τόσο τα δυνατά αλλά και τα αδύναμά τους σημεία, τα οποία και θα προσπαθήσουμε να αναλύσουμε Πλεονεκτήματα Ελάχιστη δυνατή ρύπανση σε μακροχρόνια βάση Υπό την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, συντελούν στον περιορισμό της παγκόσμιας θέρμανσης που προκαλείται από το φαινόμενο του θερμοκηπίου και στη μείωση της εξάρτησης από το πετρέλαιο [1], [4]. Δεν παράγουν κανενός είδους ρύπους εξάτμισης Πιο αθόρυβα από τα αυτοκίνητα εσωτερικής καύσης, συντελώντας στη μείωση του προβλήματος της ηχορύπανσης που εμφανίζεται έντονα στα αστικά κέντρα Υψηλότερος συντελεστής ενεργειακής απόδοσης από όλα τα αυτοκίνητα με μηχανές εσωτερικής καύσης [2], [4]. Τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν απόδοση (απόδοση από την πηγή ενέργειας, π.χ. ρεζερβουάρ, μέχρι την αποδιδόμενη ενέργεια στους τροχούς)

39 Κεφάλαιο 1 ο περίπου 3 φορές πάνω από αυτή των συμβατικών οχημάτων, ενώ παράλληλα δεν καταναλώνουν ενέργεια όταν είναι στάσιμα. Σταθερή ροπή υψηλής τιμής σε μεγάλο εύρος στροφών. Τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν δυνατότητα να «βγάζουν» στον άξονα την ονομαστική ροπή σχεδόν από την ακινησία έως το μέγιστο όριο στροφών λειτουργίας, σε αντίθεση με τα συμβατικά οχήματα στα οποία η ροπή είναι μέγιστη για ένα πολύ περιορισμένο εύρος στροφών Ευχέρεια λειτουργίας σε πιο υψηλές στροφές από τους βενζινοκινητήρες, συχνά ακόμα και ως τις στροφές / λεπτό Εξαιρετικά χαμηλό κόστος λειτουργίας σε ημερήσια βάση, λόγω της πολύ χαμηλής τιμής της kwh Χαμηλότερο κόστος λειτουργίας σε βάθος χρόνου, καθώς δεν επηρεάζονται από την κάθε τόσο αύξηση της τιμής της βενζίνης, αλλά και λόγω του χαμηλότερου κόστους σέρβις και συντήρησης Τα HΑ χρειάζονται λιγότερη συντήρηση, καθώς: 1. δεν έχουν σύστημα εξαγωγής καυσαερίων και διάταξη εξάτμισης, ούτε σιγαστήρα (σιλανσιέ) προ της εξάτμισης, ούτε καταλύτη 2. δεν απαιτούν νερό για την ψύξη τους και δεν χρησιμοποιούνται φίλτρα και λάδι [1] 3. δεν απαιτούν αντικατάσταση ή έστω συντήρηση σε μηχανικά μέρη, όπως σύστημα ανάφλεξης, πιστόνια, βαλβίδες ή εκκεντροφόρους, διότι στα HΑ δεν υπάρχουν, ενώ στις μηχανές εσωτερικής συναντώνται πάνω από 100 κινούμενα μέρη Μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να αυτο-φορτίζονται κατά τις επιβραδύνσεις του οχήματος (regenerative braking), βελτιώνοντας έτσι τον δείκτη κατανάλωσης Δυνατότητα αμφίδρομης μεταφοράς ενέργειας μετάξυ οχήματος και δικτύου. Τα ηλεκτρικά οχήματα ως μέρη ενός ηλεκτρικού δικτύου έχουν τη δυνατότητα τόσο να τροφοδοτηθούν από το δίκτυο αλλά και να τροφοδοτήσουν αυτό. Ιδιαίτερα σε περιπτώσεις αυτόνομων δικτύων, όπως π.χ. στα νησιά του Αιγαίου, συμβάλλουν στην εξισορρόπηση του φορτίου με την παροχή της αποθηκευμένης ενέργειας από αυτά στο δίκτυο σε περιόδους αιχμής, και επαναφόρτισή τους όταν πλέον θα έχει παρέλθει η αιχμή [1]. Επίσης έχουν τη δυνατότητα επαναφόρτισης κατά τη διάρκεια της νύχτας όταν και η τιμή της kwh είναι μειωμένη (νυχτερινό τιμολόγιο)

40 Κεφάλαιο 1 ο Μειονεκτήματα Υψηλές δαπάνες κατασκευής, με αποτέλεσμα την υψηλή τιμή πώλησης [4] Χαμηλή τιμή πυκνότητας ενέργειας των συσσωρευτών (συγκριτικά με την βενζίνη, που αποτελεί τη κινητήριο δύναμη των συμβατικών οχημάτων) [1], γεγονός που αυξάνει τόσο το βάρος αλλά και τον όγκο του αυτοκινήτου. Οι συσσωρευτές θα μπορούσαμε να πούμε πως αποτελούν την «αχίλλειο πτέρνα» των ηλεκτροκίνητων οχημάτων Περιορισμένη απόσταση ταξιδιού μεταξύ κάθε επαναφόρτισης της μπαταρίας [4]. Στο παρελθόν κάθε 100 χιλιόμετρα χρειάζονταν επαναφόρτιση. Ωστόσο, με τα πιο σύγχρονα μοντέλα επιτυγχάνονται αυτονομίες που ξεκινούν από 100 έως 120 χιλιόμετρα στα αυτοκίνητα πόλης και φτάνουν στα χιλιόμετρα ή και παραπάνω, σε αυτοκίνητα μεγάλης ισχύος (Tesla Model S: 430 χλμ). Το σημερινό ρεκόρ σημειώθηκε το 2009 και ανήκει σε ένα σπορ ηλεκτροκίνητο Tesla Roadster, που κατάφερε να διανύσει 504 χιλιόμετρα (313 μίλια) με μία μόνο φόρτιση, με μέση ταχύτητα 56 χιλιόμετρα/ώρα (35 μίλια/ώρα) και είχε 5 χιλιόμετρα (3 μίλια) ακόμα αυτονομία όταν έφτασε στον τερματισμό [4] Μεγάλος χρόνος επαναφόρτισης. Για μια αργή/οικιακή πλήρη επαναφόρτιση, όπως προαναφέραμε, χρειάζονται περίπου 6 ώρες. Ωστόσο, αρκετά σύγχρονα μοντέλα μπορούν να φορτιστούν κατά 80% σε χρόνο λιγότερο της 1 ώρας Περιορισμένη διάρκεια ζωής συσσωρευτών, συνήθως 4-5 χρόνια. Παρ' όλα αυτά υπάρχουν εταιρείες όπως η General Motors, που για το μοντέλος της Chevrolet Volt, δίνει εγγύηση 8 έτη ή μίλια ( χιλιόμετρα). Δίνοντας έτσι ένα επιπλέον κίνητρο αγοράς Μη ανεπτυγμένο δίκτυο φόρτισης. Καθώς τα ηλεκτρικά οχήματα δεν έχουν ακόμη μεγάλη απήχηση σε παγκόσμιο επίπεδο, δεν έχουν αναπτυχθεί όσο θα έπρεπε και τα δίκτυα φόρτισης αυτών. Άμεσο αποτέλεσμα λοιπόν είναι η περιορισμένη δυνατότητα μετακίνησης, ειδικά σε χώρες που τα ΗΟ δεν έχουν διεισδύσει καθόλου στην αγορά. Στη προσπάθεια αντιμετώπισης του εν λόγω προβλήματος υπάρχουν πολλά κίνητρα και υψηλή χρηματοδότηση για τη κατασκευή φορητών φορτιστών και σταθμών φόρτισης [1] Τα ηλεκτρικά οχήματα μπορεί να επιβαρύνουν τελικά το περιβάλλον, περισσότερο από ότι τα συμβατικά αυτοκίνητα, κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους, εάν για τη φόρτιση τους χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από άνθρακα [2], [14]. Μια μελέτη του Αμερικανικού Συμβουλίου Αποδοτικής Ενεργειακής Οικονομίας (American Council for an Energy Efficient Economy - ACCEDE) προβλέπει ότι σε

41 Κεφάλαιο 1 ο περιοχές όπου πάνω από το 80% της ενέργειας του δικτύου προέρχεται από τον άνθρακα, οι τοπικές εκπομπές CO2 θα αυξηθούν με τη χρήση ηλεκτρικών οχημάτων. Αντίθετα, εάν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιηθούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) τότε τα οφέλη όσον αφορά τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο είναι τεράστια. 1.7 Η αγορά των ηλεκτρικών αυτοκινήτων Παρούσα κατάσταση Κυρίως λόγω του μη ανεπτυγμένου δικτύου φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων και του υψηλού κόστους αγοράς τους, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα με συσσωρευτές δεν έχουν ακόμα διατεθεί σε μεγάλους αριθμούς και σε ποικιλία μοντέλων στην αγορά. Με στοιχεία του 2014, η Νορβηγία, αναλογικά με τον πληθυσμό της, είναι η χώρα με τη μεγαλύτερη διείσδυση ηλεκτρικών οχημάτων στην αγορά αυτοκινήτων και η χώρα με το μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Το Μάρτιο του 2014 μάλιστα, η Νορβηγία έγινε η πρώτη χώρα όπου περισσότερα από 1 στα 100 αυτοκίνητα που κυκλοφορούσαν στους δρόμους ήταν ηλεκτροκίνητο. Η Εσθονία έχει τη δεύτερη θέση όσον αφορά τη διείσδυση ηλεκτρικών οχημάτων στην αγορά, αναλογικά με τον πληθυσμό της και είναι μάλιστα η πρώτη χώρα που ανέπτυξε και ολοκλήρωσε την κατασκευή δικτύου φόρτισης με πανεθνική κάλυψη [15]. Το εν λόγω δίκτυο είναι εξοπλισμένο με ταχυφορτιστές κατά μήκος των εθνικών οδών, με μέγιστη απόσταση 60 χιλιομέτρων μεταξύ τους. Μια εικόνα σε παγκόσμιο επίπεδο μπορούμε να έχουμε μέσω του Πίνακα 1.2. Όπως φαίνεται οι χώρες στα βόρεια της Ευρώπης, εκ των οποίων όπως προαναφέρθηκε με διαφορά πρώτη είναι η Νορβηγία, είναι αυτές όπου τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν τη μεγαλύτερη διείσδυση στην αγορά. Από εκεί και πέρα στη πρώτη δεκάδα οι μόνες χώρες που συναντώνται εκτός Ευρώπης είναι η Ιαπωνία και οι ΗΠΑ, χώρες με πολύ σημαντικές βιομηχανίες αυτοκινήτων στο παγκόσμιο χάρτη

42 Κεφάλαιο 1 ο Πίνακας 1.2: Οι χώρες στο παγκόσμιο χάρτη, με τα μεγαλύτερα μερίδια αγοράς στα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα για τα έτη 2013 και 2014 [15] Τα αυτοκίνητα με τις υψηλότερες πωλήσεις σε παγκόσμιο επίπεδο είναι το Nissan Leaf, με περισσότερες από , και το Tesla Model S, με περισσότερες από [2]. Το Nissan Leaf είναι ένα αμιγώς ηλεκτρικό όχημα του οποίου η παραγωγή ξεκίνησε το Μέχρι σήμερα παραμένει το κορυφαίο σε πωλήσεις ηλεκτρικό αυτοκίνητο με την τιμή του να ανέρχεται κοντά στα ευρώ και αυτονομία από 140 μέχρι και 200 χιλιόμετρα με μια μόνο φόρτιση, ανάλογα και με την έκδοση. Μέσα στο 2016 αναμένεται να κυκλοφορήσει και μια βελτιωμένη έκδοση με αυτονομία που φημολογείται πως θα αγγίζει τα 300 και ίσως τα 400 χιλιόμετρα [15], [16]. Το Model S είναι προϊόν της Tesla Motors, με έδρα στο Palo Alto στη Καλιφόρνια, της πρώτης εταιρείας που έκανε μαζική παραγωγή αμιγώς ηλεκτροκίνητων οχημάτων υψηλών επιδόσεων. Πρόκειται και αυτό για ένα αμιγώς ηλεκτροκίνητο όχημα, η κατασκευή του οποίου ξεκίνησε το 2012 και από πολλούς θεωρείται ως ένα από τα κορυφαία οχήματα μαζικής παραγωγής, συγκρινόμενο όχι μόνο με ηλεκτροκίνητα οχήματα, αλλά και με αυτά που χρησιμοποιούν κινητήρες εσωτερικής καύσης [16]. Παρόλο που κοστίζει πάνω από ευρώ και μπορεί να φτάσει μέχρι και τις ευρώ, ήταν το δεύτερο σε πωλήσεις ηλεκτρικό αυτοκίνητο το έτος Έχει αυτονομία κοντά στα 400 χιλιόμετρα με μια μόνο φόρτιση, και επιταχύνει από το 0 στα 100km/h σε χρόνο κοντά στα 4 δευτερόλεπτα [17]. Τέλος αξίζει να αναφέρουμε πως έχει κερδίσει πολυάριθμα βραβεία καθώς και την ευρύτερη αναγνώριση, όπως το Παγκόσμιο Πράσινο Αυτοκίνητο της Χρονιάς για το 2013, το Motor Trend Car of the Year

43 Κεφάλαιο 1 ο για το 2013, το περιοδικό Automobile's 2013 Αυτοκίνητο της Χρονιάς, το βραβείο του περιοδικού Time Best 25 Εφευρέσεις της Χρονιάς για το 2012 και την κορυφαία βαθμολόγηση αυτοκινήτων του Consumer Reports [17], [18]. Σχήμα 1.9: Nissan Leaf (αριστερά) και Tesla Model S (δεξιά) [16], [19] Αυτή τη στιγμή κυκλοφορούν περίπου 60 αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα στην Ελλάδα με τις τιμές τους να κυμαίνονται από έως , ενώ η κατανάλωση είναι περίπου 1-2 ευρώ ανά 100km (ανάλογα με την διακύμανση της κατανάλωσης, είδος φόρτισης και χωρητικότητας της μπαταρίας του ηλεκτρικού οχήματος) [20] Μελλοντικές τάσεις και προοπτικές Μέσα στα επόμενα χρόνια οι συσσωρευτές αναμένεται να βελτιωθούν σημαντικά και να αποκτήσουν τέτοια χαρακτηριστικά που θα καθιστούν δυνατή την αυξημένη αυτονομία του οχήματος έχοντας συνάμα μικρό βάρος και όγκο αλλά και αυξημένη διάρκεια ζωής. Επιπλέον, η μείωση της τιμή των ηλεκτρικών οχημάτων, με την ολοένα και μαζικότερη παραγωγή τους, καθώς και η επέκταση του δικτύου φόρτισης σε διεθνές επίπεδο, θα διαμορφώσουν ένα πολύ θετικό κλίμα για τη περαιτέρω διείσδυση τους στην αγορά αυτοκινήτων, κατά ένα σημαντικό ποσοστό. Μέσω του Σχήματος 1.11, το οποίο στηρίζεται σε πληθώρα πηγών, μπορούμε να δούμε τη προβλεπόμενη διείσδυση των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων στην παγκόσμια αγορά με ορίζοντα το έτος 2035, όπου και υπολογίζεται πως η χρήση ηλεκτροκίνητων οχημάτων προς συμβατικά θα είναι 2:

44 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.10: Διάγραμμα προβλεπόμενης διείσδυσης των ηλεκτρικών οχημάτων στην αγορά, με ορίζοντα το έτος 2035 [1] Αναμένεται επίσης πως μέσα στην επόμενη δεκαετία η υβριδική τεχνολογία θα σημειώνει πολύ μεγάλη διείσδυση στην αγορά [1]. Ο συνδυασμός ΜΕΚ με έναν η περισσότερους ηλεκτροκινητήρες και τα πλεονεκτήματα που τα εν λόγω οχήματα προσφέρουν, έχουν ήδη τραβήξει το ενδιαφέρον πολλών καταναλωτών, ενώ ολοένα και περισσότερες κατασκευάστριες εταιρείες αυτοκινήτων ανακοινώνουν την παραγωγή τέτοιου τύπου οχημάτων. Τέλος, σημαντική εξέλιξη αναμένεται και στον τομέα της τεχνολογίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells). Με τον τρόπο αυτό θα ξεπεραστεί οριστικά το πρόβλημα της περιορισμένης αποθηκευτικής ικανότητας των συσσωρευτών και δημιουργείται μια άλλη γενιά ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων, τα οποία θα παράγουν τα ίδια την ηλεκτρική ενέργεια που θα χρειάζονται για την κίνησή τους, χρησιμοποιώντας για το σκοπό αυτό αρχικά ίσως κάποιο καύσιμο και αργότερα καθαρό υδρογόνο

45 Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ 2.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιαστεί αναλυτικά η ασύγχρονη μηχανή, τόσο ως προς τη δομή της αλλά και προς τις αρχές λειτουργίας της. Τέλος, θα εισαχθούν οι έννοιες των απωλειών καθώς και η φυσική σημασία τους, για λειτουργία της μηχανής σε μόνιμη κατάσταση. 2.2 Δομή τριφασικών ασύγχρονων/επαγωγικών μηχανών Εάν και η επαγωγική μηχανή μπορεί να λειτουργεί τόσο ως γεννήτρια, όσο και ως κινητήρας, τα μειονεκτήματα στην περίπτωση που λειτουργεί ως γεννήτρια είναι πολλά και έτσι σπάνια χρησιμοποιείται με αυτόν τον τρόπο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα όλες οι επαγωγικές μηχανές να αναφέρονται ως επαγωγικοί κινητήρες. Ο επαγωγικός κινητήρας αποτελείται από ένα ακίνητο μέρος, το στάτη και από ένα περιστρεφόμενο μέρος, το δρομέα. Επαγωγικοί κινητήρες με μορφή αντίστοιχη της σημερινής ήταν εμπορικά διαθέσιμοι από το Ο πυρήνας του στάτη είναι μια κατασκευή που αποτελείται από λεπτά ελάσματα που έχουν επενδυθεί με φύλλα χάλυβα κράματος πυριτίου. Η χρήση φύλλων χάλυβα για το μαγνητικό υλικό ελαχιστοποιεί τις απώλειες υστέρησης. Τα ελάσματα επικαλύπτονται με οξείδιο ή βερνίκι για να ελαχιστοποιούνται τα δινορεύματα. Μονωμένα πηνία τοποθετούνται σε αυλακώσεις μέσα στον πυρήνα του στάτη. Τα αλληλεπικαλυπτόμενα πηνία συνδέονται εν σειρά ή παράλληλα ώστε να διαμορφώνουν ομάδες φάσης, οι οποίες συνδέονται είτε σε αστέρα είτε σε τρίγωνο. Οι συνδέσεις, αστέρα ή τριγώνου, εν σειρά ή παράλληλα, υπαγορεύονται από τις ανάγκες για τάση και ρεύμα. Κάθε πηνίο του στάτη ενός επαγωγικού κινητήρα διατρέχει ένα τμήμα της περιφέρειας του στάτη ίσο ή ελάχιστα μικρότερο από την απόσταση μεταξύ δύο πόλων, όπου η απόσταση μεταξύ δύο πόλων ισούται με την περιφέρεια του στάτη προς τον αριθμό των πόλων του στάτη. Η μορφή του στάτη μια επαγωγικής μηχανής απεικονίζεται στο Σχήμα

46 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.1: Μορφή στάτη επαγωγικής μηχανής [21] Ο δρομέας τοποθετείται στο εσωτερικό του στάτη και επί του άξονα της μηχανής. Η μορφή του τυλίγματος του δρομέα καθορίζει τον τύπο της ασύγχρονης μηχανής. Αναλυτικά έχουμε [21], [22]: Μηχανή με βραχυκυκλωμένο δρομέα (squirrel cage rotor) ή μηχανή με κλωβό Η επιφάνεια του δρομέα έχει αυλακώσεις στις οποίες τοποθετούνται αγώγιμες ράβδοι. Κάθε ράβδος αποτελεί μια φάση, ενώ όλες οι ράβδοι βραχυκυκλώνονται στα δύο άκρα τους μέσω δακτυλίων βραχυκυκλώσεως. Στις μικρές μηχανές κλωβού χρησιμοποιείται πυρήνας με αυλακώσεις από ελάσματα χάλυβα μέσα στις οποίες προστίθεται αλουμίνιο με χύτευση, ώστε να αποτελέσει τους αγωγούς και τους δακτυλίους άκρων. Στις μεγαλύτερες μηχανές κλωβού χρησιμοποιούνται μπάρες ορείχαλκου και δακτύλιοι άκρων από ορείχαλκο, τα οποία συγκολλούνται μαζί για να αποτελέσουν τον κλωβό. Δεν υπάρχει και ούτε χρειάζεται κάποια μόνωση μεταξύ του σιδηροπυρήνα και των αγωγών. Το ρεύμα που επάγεται στο δρομέα διαρρέει το κύκλωμα που διαμορφώνεται από τους αγωγούς και τους δακτυλίους βραχυκύκλωσης. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2.3, οι αυλακώσεις του δρομέα εμφανίζουν μια κλίση (είναι κάπως λοξές), κάτι που συμβαίνει καθώς αποφεύγεται η διολίσθηση και το «κλείδωμα» της μηχανής σε υποσύγχρονες ταχύτητες καθώς και στο να ελαττωθούν οι δονήσεις. Μηχανή με δακτυλιοφόρο δρομέα (wound rotor) Στις αυλακώσεις του δρομέα τοποθετείται τριφασικό τύλιγμα με τέτοιο τρόπο ώστε να αποτελεί το κατοπτρικό είδωλο του τυλίγματος του στάτη. Οι τρεις φάσεις του τυλίγματος συνδέονται συνήθως σε αστέρα και τα τρία άκρα τους συνδέονται σε δακτυλίους. Οι αγωγοί του δρομέα βραχυκυκλώνονται μέσω ψηκτρών που εφάπτονται στους δακτυλίους. Έτσι είναι εφικτό να μετρηθούν τα ρεύματα του δρομέα ενώ

47 Κεφάλαιο 2 ο επιπρόσθετα καθίσταται εφικτή και η σύνδεση εξωτερικών αντιστάσεων. Το πλεονέκτημα της μηχανής αυτής είναι ότι μέσω του εξωτερικού κυκλώματος δίνεται η δυνατότητα επεξεργασίας της χαρακτηριστικής ροπής-στροφών της μηχανής. Μηχανή με δρομέα χωρίς αυλακώσεις Ο δρομέας αποτελείται από σίδηρο χωρίς αυλακώσεις. Εντός αυτού δημιουργούνται δινορεύματα, τα οποία μαζί με το μαγνητικό πεδίο προκαλούν ροπή. Μηχανές τέτοιες χρησιμοποιούνται για μεγάλο αριθμό στροφών (π.χ rpm), επειδή παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή κατά των φυγοκεντρικών δυνάμεων. Ο δρομέας προσάπτεται στο στέλεχος της μηχανής χρησιμοποιώντας ρουλεμάν στις δύο άκρες. Συνήθως η μια του άκρη έχει μεγαλύτερο μήκος από την άλλη ώστε να οδηγεί το φορτίο. Η μορφή του τυλίγματος του δρομέα, ανάλογα με τον τύπο της επαγωγικής μηχανής, απεικονίζεται στο Σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2: α) Δρομέας τύπου βραχυκυκλωμένου κλωβού και β) Δρομέας τύπου δακτυλιοφόρου δρομέα [23] Η μεταφορά ενέργειας από το στάτη στο δρομέα γίνεται με ηλεκτρομαγνητική επαγωγή με όμοιο τρόπο όπως και στο μετασχηματιστή. Εφόσον λοιπόν η ωφέλιμη ενέργεια μεταφέρεται ηλεκτρομαγνητικά μέσα από το διάκενο μεταξύ στάτη και δρομέα, το διάκενο κατασκευάζεται σχετικά μικρό, ώστε να παρουσιάζει την ελάχιστη δυνατή μαγνητική αντίσταση

48 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.3: Επαγωγικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού σε τομή. Στη πιο πάνω εικόνα μπορούμε να διακρίνουμε κατά σειρά: 1) Πτερύγια ψύξης του στάτη, 2) Ελάσματα και τύλιγμα στάτη, 3) Δρομέας, 4) Άξονας, 5) Κέλυφος, 6) Ρουλεμάν, 7) Ανεμιστήρας και 8) Κιβώτιο ηλεκτρικής σύνδεσης [23] 2.3 Αρχή λειτουργίας ασύγχρονου κινητήρα Η αρχή λειτουργίας του επαγωγικού κινητήρα είναι η εξής: το τριφασικό τύλιγμα του στάτη διαρρέεται από ρεύμα και δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο χώρο μεταξύ στάτη και δρομέα (διάκενο), το οποίο επάγει στο δρομέα ρεύματα. Τα ρεύματα αυτά μαζί με το πεδίο που τα δημιούργησε προκαλούν δυνάμεις και κατά συνέπεια ηλεκτρομαγνητική ροπή. Υπό την επίδραση της ροπής αυτής ο δρομέας περιστρέφεται. Αναλυτικότερα τα τρία τυλίγματα του στάτη είναι συμμετρικά τοποθετημένα κατά 120 μεταξύ τους στο χώρο. Το τριφασικό τύλιγμα τροφοδοτείται με ένα τριφασικό σύστημα ημιτονοειδών ρευμάτων που έχουν το ίδιο πλάτος και διαφορά φάσης 120 μεταξύ τους. Το κάθε ρεύμα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο σταθερής φοράς και με μέτρο που μεταβάλλεται ημιτονοειδώς στο χρόνο. Το συνιστάμενο μαγνητικό πεδίο έχει σταθερό πλάτος, ονομάζεται στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και βρίσκεται στο διάκενο μεταξύ στάτη και δρομέα. Η ταχύτητα της περιστρεφόμενης ροής, ονομάζεται σύγχρονη ταχύτητα, είναι ευθέως ανάλογη

49 Κεφάλαιο 2 ο με τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας και αντιστρόφως ανάλογη με τον αριθμό των ζευγών πόλων. Η σύγχρονη ταχύτητα δίνεται από τον τύπο: όπου ns=η σύγχρονη ταχύτητα n s = f s p fs=η συχνότητα της τριφασικής τροφοδοσίας p=ο αριθμός ζευγών πόλων της μηχανής [rad sec ] ή [rps] (2.1) Ο αριθμός στροφών ns ανά λεπτό, ονομάζεται σύγχρονος αριθμός στροφών και δίνεται από τον τύπο: n s = 60 f s p [ rad min ] ή [rpm] (2.2) Για να γίνει περισσότερο κατανοητή η πιο πάνω περιγραφή, θα αναλυθεί η περίπτωση ενός στοιχειώδους επαγωγικού κινητήρα δύο πόλων, ο οποίος και απεικονίζεται στο σχήμα 2.4(α). Σχήμα 2.4: α) Στοιχειώδης τριφασικός επαγωγικός κινητήρας, β) Τριφασικές κυματομορφές ροής και γ) Στιγμιαία φορά της συνολικής ροής στάτη [21]

50 Κεφάλαιο 2 ο Τα τρία πηνία τυλιγμένα γύρω από τα τεμάχια σιδήρου συνδέονται σε αστέρα και τροφοδοτούνται από ένα τριφασικό σύστημα. Αφού τα τρία ρεύματα είναι μετατοπισμένα μεταξύ τους κατά 120 ηλεκτρικές μοίρες, οι αντίστοιχες συνεισφορές τους στη ροή θα είναι επίσης μετατοπισμένες κατά 120 όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.4β. Το σχήμα 2.4γ είναι αλληλένδετο με το σχήμα 2.4β και δείχνει την στιγμιαία φορά της ροής του καθώς διέρχεται μέσω του δρομέα, σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Για παράδειγμα στις 0 η φάση Α είναι ένας μέγιστος βόρειος πόλος, ενώ οι φάσεις Β και C είναι ασθενείς νότιοι πόλοι, στις 60 η φάση C είναι ένας ισχυρός νότιος πόλος, ενώ οι φάσεις Α και Β είναι ασθενείς βόρειοι πόλοι και τέλος στις 120 η φάση Β είναι ένας ισχυρός βόρειος πόλος, ενώ οι φάσεις Α και C είναι ασθενείς νότιοι πόλοι. Στο πιο πάνω σχήμα τα μεγάλα βέλη υποδηλώνουν τη στιγμιαία φορά της συνολική ροής. Οι διαφορετικές γωνιακές θέσεις που έχουν σημειωθεί για το διάνυσμα της συνολικής ροής, δείχνουν το επίπεδο της ροής να περιστρέφεται με ανθωρολογιακή φορά. Μολονότι η ροή που παράγεται από κάθε πηνίο είναι μόνο μια εναλλασσόμενη ροή, η συνισταμένη ροή των τριών πηνίων, που διαρρέονται από ρεύματα με τις κατάλληλες διαδοχικές φασικές γωνίες, παράγει μια διπολική περιστρεφόμενη ροή. Αυτή η περιστρεφόμενη ροή και όχι η εναλλασσόμενη, ευθύνεται για την παραγωγή της δράσης του επαγωγικού κινητήρα και μπορεί να παρομοιαστεί με το στρεφόμενο πεδίο που παράγεται από ένα μαγνήτη που περιστρέφεται γύρω από το δρομέα [21]. Λόγω της σχετικής κίνησης του δρομέα ως προς το μαγνητικό πεδίο του στάτη, έχουμε τη δημιουργία τάσεως εξ επαγωγής σε κάθε αγωγό του δρομέα. Η μαθηματική έκφραση της επαγόμενης τάσης σε ένα συγκεκριμένο αγωγό του δρομέα δίνεται από την μαθηματική εξίσωση [23]: όπου V επαγ = (v B ) S l (2.3) v=η σχετική ταχύτητα των αγωγών του δρομέα ως προς το μαγνητικό πεδίο ΒS=η μαγνητική επαγωγή του πεδίου του στάτη l=το μήκος του αγωγού του δρομέα Τα δύο κύρια μεγέθη που περιγράφουν τη σχετική κίνηση του δρομέα ως προς το μαγνητικό πεδίο είναι η ταχύτητα ολίσθησης (slip speed) και η ολίσθηση (slip). Ως ταχύτητα ολίσθησης ορίζεται η διαφορά της ταχύτητας του δρομέα από τη σύγχρονη ταχύτητα και δίνεται από τη σχέση: όπου nslip=η ταχύτητα ολίσθησης της μηχανής nr=η μηχανική ταχύτητα του άξονα της μηχανής n slip = n s n r (2.4)

51 Κεφάλαιο 2 ο ενώ, ως ολίσθηση ορίζεται το μέγεθος που πρόκειται ουσιαστικά για τη σχετική ταχύτητα ολίσθησης εκφρασμένη σε εκατοστιαία ή σε ανά μονάδα βάση και δίνεται από τη σχέση: s = n slip n s (2.5) ή s = n s n r n s (2.6) Με βάση λοιπόν και τα πιο πάνω θα οριστεί και το μαγνητικό πεδίο στο διάκενο της μηχανής. Ο δρομέας δημιουργεί μαγνητικό πεδίο BR στρεφόμενο ως προς το δρομέα με ταχύτητα: n slip = s n s (2.7) Καθώς όμως ο δρομέας στρέφεται με ταχύτητα nr ως προς τον ακίνητο στάτη, το πεδίο ΒR θα στρέφεται με ταχύτητα: n r + n slip = n s (2.8) δηλαδή με τη σύγχρονη ταχύτητα. Άρα τόσο το πεδίο που δημιουργεί ο στάτης όσο και το πεδίο που δημιουργεί ο δρομέας στρέφονται με τη σύγχρονη ταχύτητα (με βάση ένα ακίνητο σύστημα αναφοράς). Επομένως το μαγνητικό πεδίο στο διάκενο της μηχανής Bnet, αποτελείται από το διανυσματικό άθροισμα του πεδίου του στάτη και του δρομέα και φαίνεται Σχήμα 2.5. Σχήμα 2.5: Το μαγνητικό πεδίο του διακένου μια επαγωγικής μηχανής, B net = B S + B R [23] Η σχετική ταχύτητα των αγωγών του επάνω μέρους του δρομέα ως προς το μαγνητικό πεδίο έχει φορά προς τα δεξιά και έτσι η τάση που επάγεται στα άκρα αυτών των αγωγών έχει φορά προς το έξω μέρος της σελίδας. Αντίθετα η τάση στους αγωγούς του κάτω μέρους του δρομέα έχει φορά προς τη σελίδα. Αυτό σημαίνει πως το ρεύμα στους επάνω αγωγούς έχει φορά από τη σελίδα και προς τα έξω, ενώ στους κάτω αγωγούς έχει φορά προς τη σελίδα. Καθώς οι αγωγοί του δρομέα συνιστούν ένα επαγωγικό φορτίο, η μέγιστη τιμή του ρεύματος καθυστερεί

52 Κεφάλαιο 2 ο σε σχέση με τη μέγιστη της τάσης του, ενώ το ρεύμα του δρομέα είναι αυτό που προκαλεί το αντίστοιχο μαγνητικό πεδίο του δρομέα B. R Τελικά η επαγόμενη ροπή στη μηχανή δίνεται από τη σχέση [23]: T = k(b R B ) S (2.9) και η φορά περιστροφής της είναι ανθωρολογιακή. Αυτό σημαίνει πως ο δρομέας του κινητήρα επιταχύνεται κατά τη φορά περιστροφής του μαγνητικού πεδίου του στάτη. Η ροπή τείνει να περιστρέψει το δρομέα κατά τη φορά του πεδίου και να αντισταθεί στο αίτιο που προκάλεσε την κίνηση. Επομένως, ο δρομέας προσπαθεί να φτάσει το στρεφόμενο πεδίο, ώστε μόλις γίνει η σχετική ταχύτητα μηδέν, να μηδενιστεί και το ρεύμα στο δρομέα. Δεν κατορθώνει όμως ποτέ να φτάσει το μαγνητικό πεδίο, δηλαδή δεν αποκτά ποτέ ταχύτητα ίση με τη σύγχρονη, επειδή τότε δε θα είχαμε ρεύμα εξ επαγωγής και η ροπή θα ήταν μηδέν. Μία ελάχιστη ροπή όμως είναι απαραίτητη για την αντιμετώπιση όποιου μηχανικού φορτίου υπάρχει στον άξονα του κινητήρα, π.χ. τριβές. Σε μια ιδανική κατάσταση, δηλαδή εάν η ροπή τριβών ήταν μηδενική, και σε περίπτωση που ο κινητήρας λειτουργούσε εν κενώ, δηλαδή χωρίς φορτίο, ο δρομέας θα στρεφόταν με σύγχρονη ταχύτητα. Στην πράξη λοιπόν, ο δρομέας παρουσιάζει κάποια ολίσθηση s και ο ονομαστικός αριθμός στροφών του κινητήρα είναι λίγο μικρότερος από το σύγχρονο αριθμό στροφών n s [23]. 2.4 Ισοδύναμο κύκλωμα και εξισώσεις τάσεων στη μόνιμη κατάσταση Όπως έχει αναλυθεί, λόγω του ρεύματος στο στάτη έχουμε το πεδίο B S και την αντίστοιχη μαγνητική ροή (έστω φ S ). Η μαγνητική ροή του στάτη αποτελείται από δύο συνιστώσες: την κοινή ροή (φ sr ) και την ροή σκέδασης (φ sl ). Η κοινή ροή (mutual flux) διασχίζει το διάκενο και διαρρέει το τύλιγμα του δρομέα. Η ροή σκέδασης (leakage flux) διαρρέει μόνο τις σπείρες του στάτη και αντιπροσωπεύει το τμήμα της μαγνητικής ροής που δεν μπορούμε να εκμεταλλευτούμε [23]. Η ολική μαγνητική ροή του στάτη είναι το άθροισμα των δύο πιο πάνω συνιστωσών και δίνεται από τον τύπο: φ s = φ sr + φ ls (2.10) Ενώ αντίστοιχα για το δρομέα ισχύει ο τύπος: φ r = φ rs + φ lr (2.11) ενώ τέλος, η ολική μαγνητική ροή στο διάκενο είναι ίση με το άθροισμα των κοινών ροών του στάτη και του δρομέα και δίνεται από τον τύπο: φ m = φ sr + φ rs (2.12)

53 Κεφάλαιο 2 ο Στο Σχ. 2.6 απεικονίζεται το ισοδύναμο μονοφασικό κύκλωμα του τριφασικού επαγωγικού κινητήρα (με βραχυκυκλωμένο δρομέα) με μαγνητική ζεύξη. Σημειώνεται πως σε όλη την ανάλυση που έχει γίνει αλλά και θα ακολουθήσει, θεωρείται πως τόσο ο στάτης αλλά και ο δρομέας έχουν συμμετρικό τριφασικό τύλιγμα. Σχήμα 2.6: Μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα επαγωγικής μηχανής με μαγνητική ζεύξη [22] Από το κύκλωμα του σχήματος 2.6 προκύπτουν οι ακόλουθες εξισώσεις για τα κυκλώματα του στάτη και του δρομέα: όπου R S =η αντίσταση του στάτη di s u S = R S i S + L S dt M di R dt di R 0 = R R i R + L R dt M di S dt R R =η αντίσταση του δρομέα L S =η αυτεπαγωγή του στάτη L R =η αυτεπαγωγή του δρομέα Μ=ο συντελεστής αμοιβαίας επαγωγής (για το στάτη) (για το δρομέα) (2.13) (2.14) Στη μόνιμη κατάσταση, οι τάσεις και τα ρεύματα έχουν ημιτονοειδή μορφή και επομένως μπορούν να αναπαρασταθούν ως φάσορες. Με βάση λοιπόν τη φασορική/διανυσματική μορφή των παραπάνω μεγεθών έχουμε τις ακόλουθες σχέσεις: όπου X S = ω e L S X R = ω e L R X SR = X RS = ω e M ω e = 2πf s U S = (R S + jx S )I S + jx SR I R (2.15) 0 = (R R + jsx R )I R + jsx RS I S (2.16)

54 Κεφάλαιο 2 ο Γενικά και χάριν ευκολίας είναι προτιμότερο να αποφεύγουμε το ισοδύναμο κύκλωμα με τη μαγνητική σύζευξη και να έχουμε ένα κύκλωμα με γαλβανική ζεύξη, ώστε να είναι δυνατόν να χρησιμοποιούμε μόνο τους κανόνες του Kirchhoff για τους υπολογισμούς του ασύγχρονου κινητήρα. Στο σχήμα 2.7 φαίνεται το απλοποιημένο μονοφασικό ισοδύναμο με τα μεγέθη του δρομέα ανηγμένα στο στάτη. Σχήμα 2.7: Μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα επαγωγικού κινητήρα με τα μεγέθη του δρομέα ανηγμένα στο στάτη [22] Οι αντίστοιχες εξισώσεις που περιγράφουν το πιο πάνω κύκλωμα παρατίθενται, κατ αντιστοιχία με τις εξισώσεις (2.13) και (2.14): U S = (R S + jx ls )I S + jx m I m (2.17) 0 = (R R + jsx lr )I R + jsxm I m (2.18) με το I m να αποτελεί το ρεύμα μαγνήτισης και να δίνεται από τον τύπο: όπου R R =η ανηγμένη αντίσταση δρομέα I m = I S + I (2.19) R Χ ls =η αντίδραση σκέδασης του στάτη και εκφράζει τη ροή σκέδασης του στάτη X lr =η ανηγμένη αντίδραση σκέδασης του δρομέα και εκφράζει τη ροή σκέδασης του δρομέα X m =η αντίδραση μαγνήτισης και εκφράζει τη σύζευξη μεταξύ τυλιγμάτων στάτη και δρομέα Επιπρόσθετα ισχύουν και οι ακόλουθες μαθηματικές σχέσεις: X ls + X m = X S = ω e L S (2.20) X lr + X m = X R = ω e L R (2.21) Για μεγαλύτερη ακρίβεια του μοντέλου στο πιο πάνω ισοδύναμο κύκλωμα μπορεί να προστεθεί μια αντίσταση, παράλληλα στην αντίδραση μαγνήτισης του πυρήνα, η οποία εκφράζει τις απώλειες σιδήρου. Έτσι το ισοδύναμο κύκλωμα θα έχει την ακόλουθη μορφή με την προσθήκη της Rfe

55 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.8: Μονοφασικό ισοδύναμο επαγωγικού κινητήρα με προσθήκη αντίστασης R fe [22] Σε αυτό το σημείο θα αναφερθούν μερικές χρήσιμες σχέσεις [24]: Για την ηλεκτρομαγνητική ροπή, με την παραδοχή πως η ολίσηθηση λαμβάνει μικρές τιμές, πρακτικά για s < 0.02, ισχύει η σχέση: Για τη μαγνητική ροή διακένου ισχύει η σχέση: καθώς και Για την ισχύ που μεταφέρει το πεδίο διακένου: P g = 3 I R 2 R R όπου Ε=η μαγνητική τάση διακένου θ r =η γωνία φορτίου του δρομέα Για τη μαγνητική τάση διακένου: T e = 3p Φ m I R (2.22) Φ m = L m I m (2.23) Φ m = R R I R s ω e (2.24) s = 3 E I R cosθ r E = I m X m = Φ m L m 2πf s L m = Φ m ω e (2.25) (2.26) 2.5 Χαρακτηριστική καμπύλη ροπής-ταχύτητας επαγωγικού κινητήρα Ο επαγωγικός κινητήρας λειτουργεί με τάσεις και ρεύματα εξ επαγωγής στο δρομέα όπως αναλύθηκε και πιο πάνω και για αυτό το λόγο συχνά αναφέρεται και ως στρεφόμενος μετασχηματιστής. Όπως σε ένα μετασχηματιστή, το πρωτεύον τύλιγμα (του στάτη) επάγει κάποια τάση στο δευτερεύον τύλιγμα (του δρομέα), με τη διαφορά στην περίπτωση του επαγωγικού κινητήρα να έγκειται στο γεγονός πως οι τάσεις του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος δεν έχουν την ίδια συχνότητα

56 Κεφάλαιο 2 ο Εάν ο δρομέας περιστρέφεται με ορισμένη ολίσθηση και αυξηθεί το φορτίο, τότε θα αυξηθεί η ολίσθηση, δηλαδή θα μειωθεί ο αριθμός στροφών. Το ρεύμα εξ επαγωγής αυξάνεται και συνεπώς το ίδιο κάνει και η ροπή. Η ροπή βέβαια μπορεί να αυξηθεί μέχρι ένα ορισμένο σημείο, το οποίο ονομάζεται σημείο ανατροπής και αποτελεί τη μέγιστη δυνατή ροπή που μπορεί να αναπτύξει ο κινητήρας. Η περιοχή από το συγχρονισμό μέχρι το σημείο ανατροπής λέγεται περιοχή ευστάθειας, ενώ έξω από την περιοχή αυτή και για ταχύτητες μικρότερες της σύγχρονης επικρατεί αστάθεια. Η περιοχή λειτουργίας της επαγωγικής μηχανής από τη μηδενική έως και τη σύγχρονη ταχύτητα, αναφέρεται ως λειτουργία της μηχανής ως κινητήρας. Εάν ο δρομέας στρέφεται με ταχύτητα μεγαλύτερη της σύγχρονης, τότε η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια, προσφέροντας ηλεκτρική ενέργεια μέσω του στάτη στο δίκτυο. Ενώ τέλος, υπάρχει και μία τρίτη κατάσταση λειτουργίας της μηχανής, η λειτουργία ως πέδη. Όταν το φορτίο δημιουργεί μία ηλεκτρομαγνητική ροπή μεγαλύτερη από εκείνη που μπορεί να παράγει ο κινητήρας, ο δρομέας αναγκάζεται να στραφεί με αντίθετη φορά από την επιθυμητή. Τότε η μηχανή δέχεται ηλεκτρική ενέργεια από την τροφοδοσία του στάτη και ταυτόχρονα μηχανική ενέργεια από το φορτίο. Αυτή η κατάσταση λειτουργίας ονομάζεται πέδη [22]. Οι παραπάνω περιοχές λειτουργίας συνοψίζονται στο Σχήμα 2.9, στο οποίο απεικονίζεται η καμπύλη εσωτερικής ηλεκτρομαγνητικής ροπής-στροφών μια επαγωγικής μηχανής. Σχήμα 2.9: Χαρακτηριστική εσωτερικής ηλεκτρομαγνητικής ροπής-στροφών επαγωγικής μηχανής βραχυκυκλωμένου κλωβού, T e = f(n) [22] Για την εκκίνηση του ασύγχρονου κινητήρα είναι αναγκαίο η ροπή που αναπτύσσει να είναι μεγαλύτερη από τη ροπή του φορτίου, έως ότου αποκατασταθεί η ισορροπία, διότι πρέπει να αντιμετωπισθεί η αδράνεια. Η διαφορική εξίσωση που περιγράφει την ισορροπία των ροπών σε έναν ασύγχρονο κινητήρα είναι:

57 Κεφάλαιο 2 ο T e = T L + J dω r dt + T τριβών (2.27) όπου Τe=η εσωτερική ηλεκτρομαγνητική ροπή ΤL=η ροπή φορτίου Ττριβών=η ροπή τριβών ωr=η μηχανική ταχύτητα του δρομέα J=η ροπή αδράνειας και η επιτάχυνση διαρκεί έως ότου η ηλεκτρομαγνητική ροπή εξισωθεί με το άθροισμα της ροπής φορτίου και της ροπής τριβών. Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζονται τα γραφήματα της εσωτερικής ηλεκτρομαγνητικής ροπής Τe ενός ασύγχρονου κινητήρα καθώς και η ροπή ενός τυπικού φορτίου ΤL, συναρτήσει του αριθμού στροφών n. Σχήμα 2.10: Χαρακτηριστική ροπής στροφών επαγωγικής μηχανής βραχυκυκλωμένου κλωβού T e = f 1 (n) και τυπικού φορτίου T L = f 2 (n) [22] Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αποκαθίσταται ο ονομαστικός αριθμός στροφών n N ο οποίος αντιστοιχεί στο σημείο τομής των καμπυλών, T e = f 1 (n) και T L = f 2 (n), δηλαδή εκεί όπου T e = T L. Το σημείο ονομαστικής λειτουργίας (T e,nom, n N ) πρέπει να είναι τέτοιο, ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις που τίθενται από τη θερμική αντοχή της μηχανής, από τον καλό βαθμό απόδοσης, από τη δυνατότητα υπερφόρτισης και από τον κατάλληλο συντελεστή ισχύος

58 Κεφάλαιο 2 ο Σε ο,τι αφορά την ευστάθεια, διαπιστώνουμε ότι λόγω της μορφής της συνάρτησης T e = f 1 (n) δεν έχουμε ευστάθεια σε όλα τα σημεία αυτής. Στο παρακάτω σχήμα δίδεται μια σχηματική απεικόνιση των περιοχών λειτουργίας της μηχανής ως κινητήρα (περιοχές ευστάθειας και αστάθειας) που αναφέρθηκαν και στη προηγούμενη ενότητα. Η περιοχή ευστάθειας αποτελεί το σχεδόν γραμμικό τμήμα της καμπύλης. Σχήμα 2.10: Περιοχές λειτουργίας επαγωγικού κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού [22] Σε μια προσπάθεια να γίνει κατανοητή σε βάθος η καμπύλη ροπής-στροφών μια επαγωγικής μηχανής, θα ακολουθήσει ανάλυσή της με περισσότερες λεπτομέρειες, παραθέτοντας και σχολιάζοντας παράλληλα και το γεωμετρικό τόπο του ρεύματος δρομέα. Όσον αφορά το γεωμετρικό τόπο του ρεύματος δρομέα, για απλοποίηση της ανάλυσης, έχει θεωρηθεί ως διάνυσμα αναφοράς η επαγόμενη τάση στο δρομέα και άρα η γωνία ρεύματος ισούται κατά μέτρο με τη γωνία φορτίου του δρομέα θ R, η οποία δίνεται από τη σχέση: θ R = tan 1 ( X lr ) R R s (2.28)

59 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.12: Χαρακτηριστική ροπής στροφών επαγωγικής μηχανής και ο αντίστοιχος γεωμετρικός τόπος του διανύσματος ρεύματος [21] Ροπή ακινητοποιημένου δρομέα Εάν ο δρομέας βρίσκεται σε ακινησία, η μηχανική αδράνεια αποτρέπει την άμεση περιστροφική του κίνηση κατά τη χρονική στιγμή που η τάση εφαρμόζεται στο στάτη [21]. Η ροπή ακινητοποιημένου δρομέα μπορεί να διαφέρει, σε μικρό έως αμελητέο βαθμό, ανάλογα με τις διάφορες θέσεις ακινησίας του δρομέα σε σχέση με το στάτη και είναι κάτι που μπορεί να επηρεάσει τα δεδομένα εκκίνησης. Εάν η ροπή φορτίου στον άξονα είναι ίση ή υπερβαίνει τη ροπή κλειδωμένου δρομέα, ο κινητήρας δεν θα εκκινήσει. Εάν συμβεί αυτό και οι προστατευτικές συσκευές δεν αποκόψουν τη μηχανή από τη γραμμή τροφοδοσίας, ο κινητήρας θα καταστραφεί. Επιτάχυνση Υποθέτοντας ότι η ροπή φορτίου στον άξονα είναι μικρότερη από τη ροπή κλειδωμένου δρομέα, ο δρομέας θα επιταχύνει. Καθώς η μηχανή επιταχύνει από τη θέση ακινησίας της, η ολίσθηση μειώνεται, προκαλώντας μείωση στο μέτρο και στη φασική γωνία του ρεύματος δρομέα. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 2.12 όπου το γινόμενο I R cos (θ R ), αυξάνει από τη χαμηλή

60 Κεφάλαιο 2 ο τιμή σε κλειδωμένο δρομέα σε κάποια μέγιστη τιμή, που ονομάζεται τιμή ανατροπής, και μειώνεται σε ενδεχόμενη περαιτέρω επιτάχυνση. Συμπεριφορά κατά τη φόρτιση και ανατροπή Έστω ότι ο επαγωγικός κινητήρας λειτουργεί χωρίς φορτίο (σημείο 6 της καμπύλης). Στην κατάσταση αυτή, η ροπή φορτίου αποτελείται ουσιαστικά από την αντίσταση αέρα και την τριβή [21]. Καθώς εφαρμόζεται φορτίο στον άξονα, η ροπή φορτίου γίνεται μεγαλύτερη από την αναπτυσσόμενη ροπή, ο κινητήρας επιβραδύνει, η συνολική αύξηση στην ολίσθηση προκαλεί μια αύξηση του I R cos (θ R ), το οποίο με τη σειρά του προκαλεί μια αύξηση στην αναπτυσσόμενη ροπή. Εάν εφαρμοστεί στον άξονα ονομαστική ροπή φορτίου, ο κινητήρας θα επιβραδύνει μέχρις ότου η αύξηση στην αναπτυσσόμενη ροπή που προκαλείται από την αύξηση της ολίσθησης εξισωθεί με το άθροισμα της ροπής φορτίου στον άξονα και την αντίσταση αέρα, τριβής και κατανεμημένου φορτίου. Ο κινητήρας λειτουργεί τότε στην ταχύτητα μόνιμης κατάστασης, που σημειώνεται στο σημείο 5. Επιπλέον αυξήσεις στο φορτίο άξονα (υπερφόρτιση) θα προκαλέσουν επιπρόσθετη επιβράδυνση, η οποία συνοδεύεται από αυξήσεις στο I R cos (θ R ) και άρα αυξήσεις στην αναπτυσσόμενη ροπή. Όμως, εάν η ροπή φορτίου στον άξονα αυξηθεί σε μια τιμή μεγαλύτερη από τη μέγιστη ροπή που μπορεί να αναπτύξει η μηχανή (σημείο 3), η μηχανή θα ανατραπεί. Αυξήσεις στην ολίσθηση λόγω των αυξήσεων στο φορτίο άξονα πάνω από την τιμή ανατροπής, προκαλούν ραγδαία μείωση του I R cos (θ R ), οπότε και ραγδαία μείωση στην ηλεκτρομαγνητική ροπή. Η μηχανή θα υποστεί μια ξαφνική πτώση στη ταχύτητα και ενδέχεται να σταματήσει. Το πολύ υψηλό ρεύμα που σχετίζεται με την υψηλή ολίσθηση θα προκαλέσει καταστροφή των τυλιγμάτων του κινητήρα εάν οι συσκευές προστασίας δεν θέσουν τη μηχανή εκτός γραμμής τροφοδοσίας. Ως ροπή ανατροπής ορίζεται η μέγιστη ροπή που μπορεί να αναπτύξει ένας κινητήρας ενώ αυτός φορτίζεται (σε ονομαστική τάση και ονομαστική συχνότητα) χωρίς να υποστεί απότομη πτώση στην ταχύτητα. Μολονότι ένας επαγωγικός κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει στιγμιαία σε κατάσταση υπερφόρτισης μέχρι του σημείου ανατροπής, αυτό δεν μπορεί να γίνεται συνεχόμενα χωρίς να προκληθεί υπερθέρμανση και σοβαρή ζημιά τόσο στο στάτη όσο και στο δρομέα

61 Κεφάλαιο 2 ο 2.6 Απώλειες κινητήρα Η κατανομή ισχύος σε έναν ασύγχρονο κινητήρα απεικονίζεται στο διάγραμμα ροής ισχύος κατά Sankey, στο Σχήμα Σχήμα 2.13: Διάγραμμα ροής ισχύος για έναν επαγωγικό κινητήρα [21] Στη συνέχεια θα ακολουθήσει η επί μέρους ανάλυση του κάθε είδους απωλειών [24] Ωμικές Απώλειες Οι ωμικές απώλειες ή απώλειες χαλκού, οφείλονται στη ροή ρεύματος στα τυλίγματα του στάτη και του δρομέα. Έτσι έχουν δύο συνιστώσες: τις ωμικές απώλειες στα τυλίγματα του στάτη και αυτές στα τυλίγματα του δρομέα. Ωμικές απώλειες στάτη 2 P cu,s = 3 R S I S (2.29) Οι ωμικές απώλειες στο στάτη αποτελούν το 33-40% των συνολικών απωλειών της μηχανής υπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας. Όπως φαίνεται και από τη σχέση (2.24), είναι συνάρτηση της ωμικής αντίστασης του τυλίγματος του στάτη η οποία μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα προς την ποσότητα του χρησιμοποιούμενου μετάλλου. Η μεταβολή της θερμοκρασίας προκαλεί επίσης, σημαντικές μεταβολές στην αντίσταση του τυλίγματος, ενώ η τιμή αυτής μεταβάλλεται και με τη συχνότητα, εξαιτίας του επιδερμικού φαινομένου. Τέλος, οι απώλειες χαλκού στο στάτη, μεταβάλλονται με τη ροπή φορτίου λόγω της εξάρτησής του ρεύματος στάτη από τη ροπή. Ωμικές απώλειες δρομέα P cu,r = 3 R R I 2 2 R = 3 R R I R (2.30) Οι ωμικές απώλειες στο δρομέα αποτελούν περίπου το 15-22% των συνολικών απωλειών της μηχανής υπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας. Όπως φαίνεται και από τη σχέση (2.25),

62 Κεφάλαιο 2 ο είναι συνάρτηση της αντίστασης του δρομέα. Η αντίσταση αυτή και κατά συνέπεια και οι απώλειες, μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία και τη συχνότητα, όπως προαναφέραμε και στην περίπτωση της αντίστασης του στάτη, ενώ τέλος εξαρτώνται και από τη ροπή Απώλειες σιδήρου Οι απώλειες σιδήρου οφείλονται σε δύο φαινόμενα: α) τα δινορεύματα που αναπτύσσονται στον πυρήνα του σιδήρου και β) το βρόγχο υστέρησης των πυρήνων στο στάτη και στο δρομέα. Έτσι λοιπόν, οι απώλειες δινορευμάτων και οι απώλειες υστέρησης αποτελούν τις δύο συνιστώσες των απωλειών σιδήρου. Οι απώλειες σιδήρου γενικά εξαρτώνται από το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου του διακένου και τη μεταβολή της συχνότητας του, ενώ είναι ανεπηρέαστες από τη ροπή του φορτίου. Οι απώλειες σιδήρου προσεγγίζονται ικανοποιητικά από τις σχέσεις (2.26) και (2.27) για το στάτη και το δρομέα αντίστοιχα. P fe,s = K e ω 2 e Φ 2 n m + K h ω e Φ m (2.31) P fe,r = K e s 2 ω 2 e Φ 2 n m + K h s ω e Φ m (2.32) Να σημειωθεί ότι στους δύο παραπάνω τύπους, οι πρώτοι όροι στο δεξί μέρος της κάθε εξίσωσης αντιστοιχούν στις απώλειες δινορευμάτων, ενώ οι δεύτεροι στις απώλειες υστέρησης. Ο εκθέτης n ονομάζεται δείκτης Steinmetz και παίρνει τιμές μεταξύ 1.5 και 2.5. Με την παραδοχή ότι οι πυρήνες του κινητήρα δεν βρίσκονται στο μαγνητικό κόρο, καθώς και οτι η ροή του διακένου είναι μικρότερη ή ίση της ονομαστικής, μπορούμε να πούμε ότι n=2. Με την παραδοχή αυτή, οι απώλειες του πυρήνα μπορούν να εκφραστούν μέσω της ακόλουθης εξίσωσης: P fe = [K e (1 + s 2 ) ω 2 2 e + K h (1 + s) ω e ] Φ m (2.33) όπου K e =ο συντελεστής απωλειών δινορευμάτων K h =ο συντελεστής απωλειών υστέρησης Οι συντελεστές K e και K h εξαρτώνται από τις ιδιότητες του χρησιμοποιούμενου μαγνητικού υλικού. Ο προσδιορισμός τους στηρίζεται στη μέτρηση των μαγνητικών απωλειών από το κλασικό πείραμα κενού, με ονομαστική τάση και συχνότητα. Επειδή ο διαχωρισμός των απωλειών σιδήρου σε απώλειες υστέρησης και δινορευμάτων είναι δύσκολος, η τιμή που λαμβάνεται από το πείραμα κενού συνηθίζεται να κατανέμεται εξίσου μεταξύ των δύο συνιστωσών [24]. Η εξάρτηση των μαγνητικών απωλειών από το τετράγωνο της μαγνητικής ροής ισχύει με καλή ακρίβεια όταν αυτή είναι μικρότερη της ονομαστικής. Όταν η ροή

63 Κεφάλαιο 2 ο προσεγγίζει την ονομαστική, το μαγνητικό κύκλωμα της μηχανής οδηγείται στον κόρο και ο εκθέτης στη ροή πρέπει να γίνει μεγαλύτερος του 2. Οι μαγνητικές απώλειες αποτελούν τη δεύτερη πιο σημαντική συνιστώσα των ολικών απωλειών και ανέρχονται σε ποσοστό περί το 20%, για ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας. Κατασκευαστικά οι απώλειες σιδήρου περιορίζονται αυξάνοντας το μήκος της μαγνητικής δομής του κινητήρα, αποσκοπώντας στη μείωση της πυκνότητας της ροής. Επίσης είναι δυνατόν να περιοριστούν χρησιμοποιώντας υψηλής ποιότητας ελάσματα, μικρού πάχους και κατάλληλα τοποθετημένα, στα οποία έχει εισαχθεί μικρή ποσότητα πυριτίου Μηχανικές απώλειες Οι μηχανικές απώλειες περιλαμβάνουν τη συνιστώσα τριβών, λόγω της περιστροφής του άξονα και τη συνιστώσα εξαερισμού από τη λειτουργία του ανεμιστήρα. Ο ανεμιστήρας παρέχει την αναγκαία ποσότητα αέρα για την απαγωγή της θερμότητας, που αναπτύσσουν οι υπόλοιπες πηγές των απωλειών. Η ελάττωση αυτών θα επέτρεπε τη μειωμένη παροχή αέρα, επομένως τον περιορισμό των απωλειών εξαερισμού και του παραγόμενου θορύβου. Οι απώλειες τριβών-εξαερισμού (friction and windage losses) εξαρτώνται μόνο από την ταχύτητα και μεταβάλλονται, προσεγγιστικά, ανάλογα με το τετράγωνό της και εκφράζονται από τη σχέση: 2 P fw = C fw ω m (2.34) όπου C fw =ο συντελεστής μηχανικών απωλειών Οι μηχανικές απώλειες αποτελούν τη μικρότερη πηγή απωλειών με ποσοστό 8-10% υπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας Κατανεμημένες απώλειες Οι κατανεμημένες ή πρόσθετες απώλειες (stray load losses), περιλαμβάνουν τις επιπλέον απώλειες σιδήρου και χαλκού. Αυτές οι απώλειες οφείλονται στην αύξηση της ροής σκέδασης με το φορτίο και στις υψηλής συχνότητας διακυμάνσεις αυτής. Όταν ο κινητήρας λειτουργεί εν κενώ, το ρεύμα του δρομέα είναι εξαιρετικά μικρό και ουσιαστικά όλη η ροή διασχίζει ακτινικά το διάκενο. Η ροή «κλείνει» το μαγνητικό κύκλωμα μέσω των πυρήνων του στάτη και του δρομέα. Καθώς η μηχανή φορτίζεται το αυξανόμενο ρεύμα του δρομέα αλληλοεπιδρά με τη συνιστώσα της ροπής του ρεύματος του στάτη. Έτσι ένα τμήμα της μαγνητικής ροής αποκλίνει από την ακτινική του πορεία μέσω του διακένου

64 Κεφάλαιο 2 ο Επομένως η αύξηση του φορτίου αλλάζει την κατανομή του πεδίου, προκαλώντας αύξηση της ροής σκέδασης. Η ροή σκέδασης κυκλοφορεί κατά μήκος των επιφανειών του στάτη και του δρομέα, άρα μεταξύ των τυλιγμάτων τους, χωρίς να εισέρχεται στον πυρήνα του δρομέα. Εξαιτίας των ανωμαλιών που παρουσιάζουν οι επιφάνειες του στάτη και του δρομέα, η ροή σκέδασης εμφανίζει διακυμάνσεις υψηλής συχνότητας. Αυτές προκαλούν την επαγωγή αρμονικών ρευμάτων στο τύλιγμα του δρομέα, με αποτέλεσμα την αύξηση των ωμικών απωλειών. Το μαγνητικό πεδίο στο διάκενο του κινητήρα δεν είναι ημιτονοειδές. Το πεδίο αποτελείται από τη θεμελιώδη συνιστώσα Φ m και από μια σειρά αρμονικών (space harmonics). Αυτά τα αρμονικά πεδία οφείλονται στη μη ημιτονοειδή κατανομή των τυλιγμάτων σε πεπερασμένο αριθμό αυλακώσεων και προκαλούν επιπλέον απώλειες. Οι κατανεμημένες απώλειες απαρτίζονται από τέσσερις κύριες συνιστώσες. Αυτές είναι [24]: 1. Οι απώλειες χαλκού στο δρομέα από τις ροές zig-zag και belt. Η ροή σκέδασης belt περιλαμβάνει αρμονικές τάξης 2kq ± 1 και η zig-zag αρμονικές τάξης 2ks ± 1. όπου k=ακέραιος s=ο αριθμός των αυλακώσεων ανά πόλο q=οι ομάδες φάσεων (phase belts) ανά πόλο Η σχέση με την οποία προσεγγίζονται οι απώλειες αυτές είναι: 2 P zb = 3 C zb I S (2.35) όπου C zb =ο συντελεστής απωλειών χαλκού στο δρομέα λόγω ροών σκέδασης zig-zag και belt 2. Οι απώλειες στην επιφάνεια του στάτη και του δρομέα από τις αρμονικές υψηλής συχνότητας της zig-zag ροής σκέδασης, προσεγγίζονται σύμφωνα με τη σχέση: P s = 3 C s Φ 2 2 m I S (2.36) όπου C S =ο συντελεστής απωλειών στην επιφάνεια στάτη και δρομέα από τις αρμονικές υψηλής συχνότητας της ροής σκέδασης zig-zag 3. Οι απώλειες από τη ροή end leakage. Αυτές οι απώλειες εξαρτώνται από τη διαμόρφωση των άκρων του τυλίγματος του στάτη και τη μορφή των δακτυλίων βραχυκύκλωσης του δρομέα. Εκτιμώνται από την εξίσωση: 2 P e = 3 C e ω e I S (2.37) όπου C e =ο συντελεστής απωλειών από τη ροή end leakage

65 Κεφάλαιο 2 ο 4. Συχνά οι αυλακώσεις του δρομέα κατασκευάζονται με κλίση ως προς τις αυλακώσεις του στάτη (skewed slots). Με τον τρόπο αυτό μειώνονται τα πλάτη των επαγόμενων αρμονικών ρευμάτων στο δρομέα και επιτυγχάνεται ομαλή χαρακτηριστική ροπής. Όμως, αυτή η κατασκευή προκαλεί πρόσθετες απώλειες σιδήρου εξαιτίας της ροής skew leakage. Οι απώλειες από τη ροή skew leakage αμελούνται, όπως και οι απώλειες χαλκού στο στάτη από τη ροή slot leakage. Από τα προηγούμενα είναι φανερή η πολυπλοκότητα της φύσης των κατανεμημένων απωλειών. Αυτές (όπως και οι τρεις συντελεστές C zb, C s, C e ) εξαρτώνται από τη σχεδίαση της μηχανής. Ο καθορισμός των συντελεστών αυτών είναι εξαιρετικά δύσκολος. Έτσι η προσέγγιση των κατανεμημένων απωλειών επιτυγχάνεται με τη σχέση: P stray = 3 C stray ω 2 2 m I R (2.38) η οποία προέρχεται από τις μηχανές συνεχούς ρεύματος και είναι ιδιαίτερα χρήσιμη. όπου C stray =ο συντελεστής κατανεμημένων απωλειών Οι κατανεμημένες απώλειες αποτελούν το 8-20% των ολικών απωλειών, ενώ εξαρτώνται και από την ιπποδύναμη της μηχανής. Όταν ο κινητήρας δεν τροφοδοτείται από ημιτονοειδή πηγή αλλά από μετατροπέα ισχύος, τα αρμονικά ρεύματα στο στάτη και στο δρομέα προκαλούν σημαντική αύξηση των κατανεμημένων απωλειών Απώλειες σε μη ημιτονοειδή διέγερση Όταν ο κινητήρας δεν τροφοδοτείται από ημιτονοειδή πηγή τάσης αλλά από μετατροπέα ισχύος, τότε επικρατούν ειδικές συνθήκες λειτουργίας στη μηχανή. Μπορεί να οριστεί ισοδύναμο κύκλωμα της μηχανής στην αρμονική τάσης τάξης k, το οποίο προκύπτει από αυτό της θεμελιώδους συχνότητας. Σε αυτό όλες οι αντιδράσεις είναι αυξημένες κατά ένα πολλαπλασιαστικό παράγοντα k και οι ωμικές αντιστάσεις στάτη και δρομέα είναι αυξημένες σε σχέση με αυτές στη θεμελιώδη συχνότητα, εξαιτίας του επιδερμικού φαινομένου. Επίσης, ορίζεται η αρμονική ολίσθηση (s k ) ως εξής: όπου s k = k 2 π f S ω r k 2 π f S = 1 1 s k 2 π f S = ω e =η κυκλική ηλεκτρική συχνότητα τροφοδοσίας ω r =η κυκλική ταχύτητα του δρομέα s=η θεμελιώδης ολίσθηση (2.39)

66 Κεφάλαιο 2 ο Το αρνητικό πρόσημο στη σχέση (2.39) ισχύει σε αρμονικά πεδία με την ίδια φορά περιστροφής με το θεμελιώδες, ενώ το θετικό αναφέρεται σε αρμονικά πεδία με την αντίθετη φορά περιστροφής. Καθώς το s μεταβάλλεται από 0 έως 1, το s k παραμένει κοντά στη μονάδα, ιδιαίτερα όταν η τάξη της αρμονικής είναι υψηλή. Συνεπώς σε δεδομένη θεμελιώδη τάση και συχνότητα λειτουργίας, τα αρμονικά ρεύματα I sk είναι πρακτικά σταθερά και ανεξάρτητα της ταχύτητας και της ροπής. Αυτή η σταθερότητα των αρμονικών ρευμάτων προκύπτει από τη σχέση: U k I sk = k ω e (X ls + X lr ) (2.40) Η πιο πάνω σχέση μπορεί να εξαχθεί μέσω του Σχήματος 2.14 και επισημαίνει την ανάγκη χρήσης κινητήρων με αυξημένες αντιδράσεις σκέδασης, ιδίως όταν το φασικό περιεχόμενο της τάσης είναι μεγάλο. Σχήμα 2.14: Ισοδύναμο κύκλωμα του επαγωγικού κινητήρα στην αρμονική τάξης k [24] Από την αλληλεπίδραση των αρμονικών ροών στο διάκενο, με τα επαγόμενα αρμονικά ρεύματα στο δρομέα της ίδιας τάξης, αναπτύσσονται σταθερές ροπές. Αυτές οι ροπές είναι ασήμαντες σχετικά με τη θεμελιώδη. Επομένως οι αρμονικές συνιστώσες των ρευμάτων προκαλούν μόνο επιπρόσθετες απώλειες στη μηχανή, χωρίς να συνεισφέρουν στην ισχύ εξόδου. Η αναπτυσσόμενη ισχύς παράγεται αποκλειστικά από τη θεμελιώδη συνιστώσα των τάσεων και των ρευμάτων

67 Κεφάλαιο 2 ο Η διέλευση των αρμονικών ρευμάτων I sk από το τύλιγμα στο στάτη προκαλεί επιπρόσθετες απώλειες. Η αντίσταση R S του τυλίγματος του στάτη μπορεί να θεωρηθεί σταθερή στις αρμονικές συχνότητες, κυρίως σε μηχανές μικρής ισχύος. Έτσι οι απώλειες χαλκού στο στάτη για τις ανώτερες αρμονικές ρεύματος μπορούν να προσεγγιστούν από τη σχέση: h P cu,s 2 = 3 R S I Sk k 1 (2.41) Το επιδερμικό φαινόμενο είναι πολύ πιο έντονο στο τύλιγμα κλωβού του δρομέα, ιδιαίτερα σε κινητήρες τύπου Β με βαθιά αυλάκια. Η επίδραση του, προκαλεί σημαντική αύξηση της αντίστασης του δρομέα στις αρμονικές συχνότητες. Η μεταβολή της αντίστασης εξαρτάται από τη μορφή των αγωγών και των αυλακιών που τοποθετούνται. Όταν οι αγωγοί του κλωβού έχουν ορθογώνια διατομή με βάθος d, πλάτος p και βρίσκονται σε αυλάκια πλάτους w και η συχνότητα του ρεύματος στο δρομέα ω 2k, η αντίσταση των αγωγών είναι: R k ac = R dc c d sinh 2cd + sin 2cd cosh 2cd cos 2cd c = k c p w ω 2k (2.42) (2.43) όπου R dc =η αντίσταση του αγωγού στο συνεχές ρεύμα k c =ο συντελεστής αναλογίας ο οποίος εξαρτάται από την αγωγιμότητα των ράβδων Στις υψηλές συχνότητες η (2.37) προσεγγίζεται από τη σχέση: R k ac R dc c d (2.44) Όταν λοιπόν η τάξη των αρμονικών είναι υψηλή, η αντίσταση R Rk μεταβάλλεται ανάλογα με την τετραγωνική ρίζα της αρμονικής συχνότητας του δρομέα. Αυτή η συχνότητα είναι συγκρίσιμη εκείνης του στάτη, έτσι έχουμε: R Rk = R dc ω 2k R dc (k ± 1) ω e R dc k ω e (2.45) Έτσι λοιπόν οι αρμονικές απώλειες χαλκού στο δρομέα υπολογίζονται ανεξάρτητα σε κάθε συχνότητα από τη σχέση: h P cu,r 2 = 3 R Rk I Rk k R Rk I Sk k 1 (2.46) και αποτελούν την κύρια αιτία μείωσης της απόδοσης σε σχέση με την ημιτονοειδή παροχή. Όπως η ωμική αντίσταση του δρομέα, έτσι και η αυτεπαγωγή σκέδασης του L lr μεταβάλλεται σημαντικά από την επίδραση του επιδερμικού φαινομένου. Στην αναφορά [25]

68 Κεφάλαιο 2 ο παρουσιάζεται η αύξηση της αντίστασης του δρομέα και η μείωση της αυτεπαγωγής σκέδασής του, συναρτήσει της συχνότητας σε διάφορες μορφές ράβδων. Η παρουσία των αρμονικών προκαλεί αμελητέα αύξηση των μαγνητικών απωλειών, διότι οι αρμονικές συνιστώσες της ροής διακένου είναι ασήμαντες. Η ημιτονοειδής ροή οφείλεται στη μεγάλη τιμή που εμφανίζει η αντίδραση μαγνήτισης του κινητήρα, η οποία καθιστά τις αρμονικές συνιστώσες του ρεύματος μαγνήτισης εξαιρετικά μικρές. Αντίθετα με τις απώλειες σιδήρου, οι αρμονικές προκαλούν σημαντική αύξηση των κατανεμημένων απωλειών, οι οποίες προσεγγίζονται από τη σχέση: h P stray = 3 C stray I sk χ (kω e ) ψ k 1 (2.47) όπου οι εκθέτες χ και ψ εξαρτώνται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής. Πειραματικά έχει βρεθεί πως οι τιμές χ=2 και ψ=1.5 δίνουν ικανοποιητική ακρίβεια [24]. Με δεδομένη τη θεμελιώδη συχνότητα και το φασματικό περιεχόμενο της τάσης τροφοδοσίας, τα αρμονικά ρεύματα (άρα και οι απώλειες που αυτά προκαλούν) διατηρούνται σταθερά καθώς το φορτίο μεταβάλλεται. Το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας του ρεύματος στο στάτη μεταβάλλεται συναρτήσει του φορτίου. Επομένως, το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος αυξάνει καθώς η ροπή ελαττώνεται. Έτσι οι αρμονικές προκαλούν σημαντική μείωση της απόδοσης του κινητήρα στα μικρά φορτία. Αντίθετα η επίδραση των αρμονικών στο βαθμό απόδοσης είναι αμελητέα όταν το φορτίο είναι υψηλό (θεωρώντας πως ο κινητήρας οδηγείται από αντιστροφέα τάσης). Ο αναλυτικός υπολογισμός των απωλειών λόγω ύπαρξης ανώτερων αρμονικών είναι δύσκολος, ιδιαίτερα όταν το φασματικό περιεχόμενο της διέγερσης περιλαμβάνει συνιστώσες υψηλής συχνότητας. Αιτία είναι τα παρασιτικά φαινόμενα (επιδερμικό, κατανεμημένες απώλειες) και η πολυπλοκότητα στον καθορισμό του πλάτους των αρμονικών συνιστωσών όταν ο κινητήρας οδηγείται μέσω PWM αντιστροφέων. Για το λόγο αυτό, στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, οι απώλειες λόγω ύπαρξης ανώτερων αρμονικών δεν συνυπολογίζονται για την εξαγωγή της εξίσωσης των απωλειών του ολικού συστήματος

69 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΚΑΙ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ 3.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο αρχικά θα παρουσιαστεί αρχικά, το δυναμικό μοντέλο του επαγωγικού κινητήρα και η θεωρία του διανυσματικού ελέγχου. Στη συνέχεια, θα γίνει ανάλυση της τοπολογίας του αντιστροφέα και της μεθοδολογίας παλμοδότησης. Τέλος, θα παρουσιαστεί η μεθοδολογία παλμοδότησης που μελετήθηκε στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία. 3.2 Δυναμικό μοντέλο ασύγχρονου κινητήρα Το μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα του κινητήρα που αναλύθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο περιγράφει τη συμπεριφορά του κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Για τη μελέτη της μεταβατικής απόκρισης του κινητήρα χρειάζεται ένα γενικότερο μαθηματικό μοντέλο της μηχανής. Το δυναμικό μοντέλο του ασύγχρονου κινητήρα είναι ιδιαίτερα σύνθετο, αφού περιγράφεται από μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις με χρονικά μεταβαλλόμενους συντελεστές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως οι αμοιβαίες επαγωγές μεταξύ των τυλιγμάτων του δρομέα και του στάτη είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις της θέσης του δρομέα. Άρα μεταβάλλονται λόγω της συνεχούς κίνησης των τυλιγμάτων του δρομέα σε σχέση με τα τυλίγματα του στάτη Οι εξισώσεις τάσεις του ασύγχρονου κινητήρα Για την ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς γίνονται ορισμένες παραδοχές [28]: Ο στάτης και ο δρομέας έχουν ο καθένας από ένα συμμετρικό τύλιγμα, δηλαδή όμοιες φάσεις τοποθετημένες στο χώρο με χωρική διαφορά φάσης 120 Οι ωμικές αντιστάσεις, οι αυτεπαγωγές και οι συντελεστές αμοιβαίων επαγωγών θεωρούνται σταθερές ποσότητες. Αυτό σημαίνει ότι αμελείται η μεταβολή της τιμής των αντιστάσεων λόγω θερμοκρασίας και πως θεωρείται γραμμική η μαγνητική χαρακτηριστική Το μαγνητικό πεδίο στο διάκενο θεωρείται ημιτονοειδώς κατανεμημένο, συνεπώς οι ανώτερες αρμονικές που παρουσιάζονται σε αυτό λόγω αυλακώσεων και ατελειών παραλείπονται Οι απώλειες σιδήρου θεωρούνται αμελητέες

70 Κεφάλαιο 3 ο Θεωρείται πως η μηχανή έχει ένα ζεύγος πόλων (p = 1), καθώς αυτό διευκολύνει την κατανόηση της γεωμετρικής φύσης του προβλήματος. Η θεωρητική ανάλυση ισχύει, βέβαια, και για μηχανές με οποιοδήποτε αριθμό ζευγών πόλων Σχήμα 3.1: Το μοντέλο του ασύγχρονου κινητήρα στο abc σύστημα [28] Στο σχήμα 3.1 ο άξονας αναφοράς επιλέγεται κατά βούληση και βάσει αυτού υπολογίζονται οι εξής γωνίες: θ S =η γωνία που σχηματίζει η φάση a του στάτη με τον άξονα αναφοράς θ R =η γωνία που σχηματίζει η φάση A του δρομέα με τον άξονα αναφοράς Συμβολίζουμε με θ τη γωνία που σχηματίζει ο δρομέας με το στάτη και η οποία δίνεται από τον τύπο: θ = ω t (3.1) Επίσης σημειώνεται ότι γενικά οι ηλεκτρικές γωνίες θ Χ συνδέονται με τις μηχανικές γωνίες Θ Χ, μέσω του τύπου: θ Χ = p Θ Χ (3.2) όπου p=ο αριθμός των ζευγών πόλων Για το διπολικό μοντέλο βέβαια επειδή ισχύει p = 1, ισχύει ταύτιση των ηλεκτρικών και των μηχανικών γωνιών

71 Κεφάλαιο 3 ο Οι φασικές τάσεις στους ακροδέκτες του στάτη δίνονται από την ακόλουθη σχέση [27], [28]: u a R S 0 0 i a [ u b ] = [ 0 R S 0 ] [ ib ] + d Ψ a u c 0 0 R S ic dt [ Ψ b ] Ψ c και οι ανηγμένες στο στάτη φασικές τάσεις στους ακροδέκτες του δρομέα δίνονται από τη σχέση [27], [28]: όπου u A R R 0 0 [ u B ] = [ 0 R R 0 ] [ u C 0 0 R R i A i B i C ] + d dt [ Ψ Α Ψ Β Ψ C ] Ψ a, Ψ b, Ψ c =οι πεπλεγμένες μαγνητικές ροές (flux linkage) του στάτη Ψ Α, Ψ Β, Ψ C =οι πεπλεγμένες μαγνητικές ροές δρομέα Για συντομία οι πεπλεγμένες μαγνητικές ροές θα αναφέρονται στη συνέχεια, απλά με το όνομα «μαγνητικές ροές». Προφανώς για επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου δρομέα ισχύει: u A = u B = u C = 0. Οι μαγνητικές ροές του στάτη και του δρομέα δίνονται από τις σχέσεις (3.5) και (3.6) αντίστοιχα [27], [28]. Ψ a L aa L ab L ac i a L aa L ab L ac [ Ψ b ] = [ L ba L bb L bc ] [ ib ] + [ L ba L bb L bc ] [ Ψ c L ca L cb L cc ic L ca L cb L cc Ψ A L Aa L Ab L Ac i a L AA L AB L AC [ Ψ B ] = [ L Ba L Bb L Bc ] [ ib ] + [ L BA L BB L BC ] [ Ψ C L Ca L Cb L Cc ic L CA L CB L CC και για τις επαγωγιμότητες ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις: i A i B i C i A i B i C ] ] (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) L aa = L bb = L cc = L AA = L BB = L CC = σταθερές (3.7) L ab = L ba = L bc = L cb = L ca = L ac = L AB = L BA = L BC = L CB = L AC = = L CA = σταθερές (3.8) L aa = L bb = L cc = L Aa = L Bb = L Cc = M cosθ (3.9) L ab = L bc = L ca = L Ac = L Ba = L Cb = M cos (θ + 2π 3 ) (3.10) L ac = L ba = L cb = L Ab = L Bc = L Ca = M cos (θ 2π 3 ) (3.11) Όπως βλέπουμε από τις σχέσεις (3.9), (3.10), (3.11) οι αμοιβαίες επαγωγές ή αλληλεπαγωγές μεταξύ στάτη και δρομέα είναι συναρτήσεις της γωνίας θ μεταξύ των αξόνων α και Α και συνεπώς συναρτήσεις του χρόνου. Οι υπόλοιπες επαγωγές, που δίνονται μέσω των σχέσεων (3.7) και (3.8), είναι χρονικά σταθερές επειδή η θέση τους είναι σταθερή

72 Κεφάλαιο 3 ο όπου u a Οι εξισώσεις των φασικών τάσεων του στάτη σε μορφή μητρών για u S = [ u b ] είναι: u c u S = R S i S + dψ S dt = R di S Si S + L S dt + i R dl SR(θ) dθ dθ dt + L SR(θ) di R dt di S u S = R S i S + L S dt + ω i R dl SR(θ) + L dθ SR (t) di R dt Αντίστοιχα οι εξισώσεις τάσεων για το δρομέα σε μορφή διανυσμάτων έχουν τη μορφή: u R = R di R R i R + L R dt + ω i dl RS (θ) S dθ ω = dθ =η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα dt + L SR (t) di S dt (3.12) (3.13) Παρατηρούμε λοιπόν, ότι οι εξισώσεις (3.12) και (3.13) που περιγράφουν το δυναμικό μοντέλο της μηχανής είναι μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις με χρονικά μεταβαλλόμενους συντελεστές (nonlinear time variant differential equations) Ο μετασχηματισμός Park Το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων του επαγωγικού κινητήρα μπορεί να απλοποιηθεί σημαντικά και σε μερικές περιπτώσεις να καταστεί γραμμικό με σταθερούς συντελεστές χρησιμοποιώντας μία τεχνική που ονομάζεται μετασχηματισμός Park, η οποία προτάθηκε από τον R.H.Park το 1929 [28]. Με την τεχνική αυτή επιτυγχάνουμε το μετασχηματισμό των ποσοτήτων (τάση, ρεύμα, ροή) που αναφέρονται στις τρεις φάσεις a,b,c σε ένα πλαίσιο δύο ορθογωνίων αξόνων d-q κάθετων μεταξύ τους, όπου έχουμε εξισώσεις με σταθερούς συντελεστές. Ο μετασχηματισμός υλοποιείται πολλαπλασιάζοντας τις εξισώσεις τάσης του κινητήρα με τη μήτρα (Μ x ) 1. Έτσι τα ηλεκτρικά μεγέθη των τριφασικών τυλιγμάτων του στάτη και του δρομέα, αντικαθίστανται από μεγέθη που αναφέρονται σε εικονικά διφασικά τυλίγματα που στρέφονται με κάποια ταχύτητα ω b. Η μήτρα μετασχηματισμού Park [29]: (M x ) 1 = 2 3 [ cosθ x cos (θ x 2π 3 ) cos (θ x + 2π 3 ) sinθ x sin(θ x 2π 3 ) sin(θ x + 2π 3 ) ] (3.14) όπου η γωνία θ x, δηλώνει τη θέση του άξονα d ως προς τον άξονα αναφοράς. Για τις εξισώσεις του στάτη και του δρομέα ισχύει αντίστοιχα: θ x = θ S =η γωνία που σχηματίζει ο άξονας d με τον άξονα του τυλίγματος α του στάτη θ x = θ R = θ S + θ =η γωνία που σχηματίζει ο άξονας d με τον άξονα του τυλίγματος Α του δρομέα

73 Κεφάλαιο 3 ο Ο άξονας d του στρεφόμενου πλαισίου ονομάζεται ευθύς άξονας (direct axis), ενώ ο άξονας q, εγκάρσιος άξονας (quadrature axis). O άξονας 0 ονομάζεται άξονας μηδενικής ακολουθίας (zero sequence axis) και όταν το τριφασικό σύστημα που μετασχηματίζεται είναι συμμετρικό, οι ποσότητες στον άξονα 0 είναι μηδενικές. Η συγκεκριμένη μήτρα του μετασχηματισμού Park, ωστόσο, παρουσιάζει την εξής ιδιότητα: διατηρεί αμετάβλητο το πλάτος των διανυσμάτων στα οποία εφαρμόζεται, ενώ αντίθετα η στιγμιαία ισχύς του κινητήρα δεν παραμένει αμετάβλητη πριν και μετά το μετασχηματισμό. Στη περίπτωση που με την εφαρμογή του μετασχηματισμού είναι επιθυμητή η αμεταβλητότητα της ισχύος του κινητήρα, θα πρέπει να γίνει χρήση μιας διαφορετικής μήτρας σε σχέση με την προηγούμενη. Η μήτρα που χρησιμοποιείται ώστε να επιτυγχάνεται αμεταβλητότητα ισχύος (power invariance) [27], [30], [31] είναι η παρακάτω: cosθ x cos (θ x 2π 3 ) cos (θ x + 2π 3 ) (M x ) 1 = 2 3 sinθ x sin(θ x 2π 3 ) sin(θ x + 2π 3 ) [ ] (3.15) και έχει την ιδιότητα πως: (M x ) 1 = (M x T ). Σχήμα 3.2: Το σύστημα d-q αξόνων [28] Εφαρμόζοντας το μετασχηματισμό Park για τις εξισώσεις του στάτη προκύπτει η ακόλουθη εξίσωση, της οποίας η μορφή είναι ανεξάρτητη της χρησιμοποιούμενης μήτρας μετασχηματισμού:

74 Κεφάλαιο 3 ο U abc = R S i abc + dψ abc dt (M x ) 1 U abc = (M x ) 1 R S i abc + (M x ) 1 dψ abc dt U dq0 = R S i dq0 + dψ dq0 dt θ S [ Ψ Sq Ψ Sd και αντίστοιχα για τις εξισώσεις του δρομέα προκύπτει: U DQ0 = R R i DQ0 + dψ DQ0 dt 0 θ R [ ] (3.16) Ψ Rq Ψ Rd 0 ] (3.17) Και για συμμετρική τροφοδοσία προκύπτουν οι εξισώσεις (3.18) και (3.19) για το στάτη και το δρομέα αντίστοιχα: U dq = [ u Sd u Sq ] = R S [ i Sd i Sq ] + d dt [Ψ Sd Ψ Sq ] θ S [ Ψ Sq Ψ Sd ] U DQ = [ u Rd u ] = R S [ i Rd ] + d Rq dt [Ψ Rd Ψ ] θ R [ Ψ Rq ] Rq Ψ Rd i Rq (3.18) (3.19) Οι συνιστώσες της ροής του στάτη και της ροής του δρομέας δίνονται από τις σχέσεις (3.20), (3.21) και (3.22), (3.23), αντίστοιχα: Ψ Sd = L S i Sd + L m i Rd (3.20) Ψ Sq = L S i Sq + L m i Rq (3.21) Ψ Rd = L m i Sd + L R i Rd (3.22) Ψ Rd = L m i Sq + L R i Rq (3.23) όπου τα μεγέθη L S, L R, L m έχουν οριστεί μέσω των εξισώσεων (2.20) και (2.21). Η ηλεκτρομαγνητική ροπή που παράγει η μηχανή δίνεται από τη σχέση [27]: T e = p θ [θ S (i Sd Ψ Sq i Sq Ψ Sd ) + θ R (i Rd Ψ Rq i Rq Ψ Rd )] (3.24) Με τη χρήση της μήτρας μετασχηματισμού προκύπτουν πιο απλές εξισώσεις, οι οποίες ναι μεν συνεχίζουν να παραμένουν μη γραμμικές αλλά δεν έχουν χρονικά μεταβαλλόμενους συντελεστές. Τέλος σημειώνεται ότι το πλαίσιο των αξόνων d-q (πλαίσιο αναφοράς), στρέφεται εν γένει με αυθαίρετη ταχύτητα. Ανάλογα με το ποια είναι η ταχύτητα με την οποία στρέφεται το πλαίσιο (έστω θ x), μπορούμε να διακρίνουμε τρεις σημαντικές περιπτώσεις: 1. θ x = ω S, δηλαδή το πλαίσιο αναφοράς στρέφεται με τη σύγχρονη ταχύτητα 2. θ x = ω, δηλαδή το πλαίσιο αναφοράς στρέφεται με την ταχύτητα του δρομέα 3. θ x = 0, δηλαδή το πλαίσιο αναφοράς είναι ακίνητο

75 Κεφάλαιο 3 ο 3.3 Διανυσματικός έλεγχος ασύγχρονου κινητήρα Ο έλεγχος των ασύγχρονων κινητήρων είναι μία πολύπλοκη διαδικασία, σαφώς πιο πολύπλοκη από τον έλεγχο των μηχανών συνεχούς ρεύματος. Η δυσκολία έγκειται στη συζευγμένη μορφή των εξισώσεων, δηλαδή στη φυσική σύζευξη μεταξύ ηλεκτρομαγνητικής ροπής και μαγνητικής ροής, αντίθετα με τους κινητήρες Σ.Ρ. με ξένη διέγερση, στους οποίους η ροή ελέγχεται άμεσα από το ρεύμα διέγερσης, το οποίο συνήθως διατηρείται σταθερό, και η ροπή από το ρεύμα του τυμπάνου. Στονδιάγραμμα του Σχήματος 3.3 απεικονίζονται οι μέθοδοι ελέγχου του ασύγχρονου κινητήρα, οι οποίες διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τη μέθοδο βαθμωτού ελέγχου (scalar control) και τη μέθοδο διανυσματικού ελέγχου (vector control). Σχήμα 3.3: Μέθοδοι ελέγχου ενός συστήματος μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγικό κινητήρα [26] Οι τεχνικές βαθμωτού ελέγχου εφαρμόζονται ευρέως στη βιομηχανία καθότι είναι σχετικά απλές στην εφαρμογή τους. Ο βαθμωτός έλεγχος βασίζεται στο ισοδύναμο μοντέλο του κινητήρα που ισχύει στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και χρησιμοποιεί ως μεταβλητές ελέγχου το μέτρο και τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας. Ωστόσο η ροή και η ροπή εξαρτώνται αμφότερες από τις μεταβλητές ελέγχου. Αυτή η ιδιότητα αποτελεί βασικό μειονέκτημα της συγκεκριμένης μεθόδου ελέγχου, καθώς εξαιτίας της σύζευξης, ο έλεγχος του ενός μεγέθους επηρεάζει και το άλλο, δημιουργώντας έτσι αργή μεταβατική απόκριση του συστήματος. Το πρόβλημα του βαθμωτού ελέγχου αντιμετωπίζεται με μία άλλη μέθοδο, περισσότερο διαδεδομένη τα τελευταία χρόνια, το διανυσματικό έλεγχο. Στόχος της τεχνικής του διανυσματικού ελέγχου, είναι μέσω κατάλληλων μαθηματικών μετασχηματισμών, να προκύψει ένα απλοποιημένο μαθηματικό μοντέλο της ασύγχρονης μηχανής το οποίο, ιδεατά, να είναι αντίστοιχο με αυτό της μηχανής συνεχούς ρεύματος με ξένη διέγερση. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, ο διανυσματικός έλεγχος στηρίζεται στον κατάλληλο χειρισμό των διανυσμάτων χώρου της μαγνητικής ροής και των ρευμάτων. Η εξαγωγή απλοποιημένων εξισώσεων γίνεται με μετασχηματισμό σε κατάλληλο ορθοκανονικό σύστημα αναφοράς d-q, όπου ο προσανατολισμός του d-άξονα επιλέγεται ανάλογα με

76 Κεφάλαιο 3 ο τις απαιτήσεις της μεθοδολογίας ελέγχου. Η πιο απλοποιημένη μορφή εξισώσεων προκύπτει για προσανατολισμό του d-άξονα με το διάνυσμα της μαγνητικής ροής του δρομέα, δηλαδή το σύστημα αναφοράς d-q να περιστρέφεται με τη σύγχρονη ταχύτητα. Μέσω της συγκεκριμένης τεχνικής ελέγχου, η συνιστώσα i Sd του ρεύματος στάτη αντιστοιχεί στο ρεύμα διέγερσης της μηχανής Σ.Ρ, συνεπώς ελέγχει τη μαγνητική ροή ανεξάρτητα από τη ροπή, ενώ η συνιστώσα i Sq αντιστοιχεί στο ρεύμα δρομέα και ελέγχει τη ροπή. Η μέθοδος αυτή οδηγεί σε κινητήρια συστήματα με βελτιωμένη δυναμική συμπεριφορά και αυξημένη απόδοση σε σχέση με το βαθμωτό έλεγχο. Μάλιστα η εξέλιξη της τεχνολογίας των μικροελεγκτών (microcontrollers) και των συστημάτων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (digital signal processing, DSP) έλυσε το πρόβλημα της μεγάλης υπολογιστικής ισχύος που απαιτεί η μέθοδος του διανυσματικού ελέγχου, λόγω της σύνθετης υπολογιστικής διαδικασίας. Κατά συνέπεια η μέθοδος του διανυσματικού ελέγχου τείνει να επικρατήσει στη βιομηχανία και συναντάται ευρέως σε συστήματα ηλεκτροκίνησης. Οι δύο βασικές κατηγορίες διανυσματικού ελέγχου όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3.1 είναι ο άμεσος έλεγχος ροπής (Direct Torque Control, DTC) και ο έλεγχος με προσανατολισμό πεδίου (Field Oriented Control, FOC), για την υλοποίηση των οποίων είναι απαραίτητη η γνώση του διανύσματος ροής. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα χρησιμοποιηθεί η περίπτωση του άμεσου ελέγχου ροπής (DTC). 3.4 Εκτίμηση του διανύσματος ροής Στην παρούσα ενότητα θα γίνει μια περιγραφή των συστημάτων που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των συνιστωσών και του μέτρου της μαγνητικής ροής. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται εκτιμητές (estimators) ή παρατηρητές (observers). Οι εκτιμητές που χρησιμοποιούνται σε κινητήρια συστήματα με ασύγχρονο κινητήρα, δέχονται ως είσοδο τις τάσεις ή/και τα ρεύματα του στάτη και σε μερικές περιπτώσεις απαιτούν και την ταχύτητα του δρομέα. Βασίζονται στο μαθηματικό μοντέλο της μηχανής και υπολογίζουν κάθε φορά τις συνιστώσες της μαγνητικής ροής. Με τη χρήση εκτιμητών αποφεύγεται το επιπλέον κόστος που θα εισήγαγε η προσθήκη ενός αισθητήρα ροής, καθώς και τα αναπόφευκτα σφάλματα μέτρησης. Το κύριο μειονέκτημα του εκτιμητή είναι η εξάρτηση των εκτιμώμενων μεγεθών από τις παραμέτρους του μοντέλου της μηχανής, των οποίων την τιμή δεν μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια, αλλά υπολογίζουμε προσεγγιστικά. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον για τη δημιουργία γρήγορων αλγορίθμων που υπολογίζουν με ακρίβεια τη μαγνητική ροή με κύριες κατευθύνσεις: το σχεδιασμό εκτιμητών που υπολογίζουν ταυτόχρονα και τις παραμέτρους της μηχανής και παράλληλα έχουν

77 Κεφάλαιο 3 ο μικρή ευαισθησία στις μεταβολές των παραμέτρων της. Ενδεικτικές τεχνικές εκτίμησης της ροής είναι [26], [28]: Προσαρμοστικοί εκτιμητές με μοντέλα αναφοράς (Model Referencing Adaptive Systems, MRAS) Τεχνική εκτίμησης με ολίσθηση επί επιφανείας (sliding model observer) Φίλτρα Kalman (Extended Kalman Filters, EKF) Ευφυείς τεχνικές και νευρωνικά δίκτυα (Intelligent Systems and Neural Networks) Στη συνέχεια αναλύονται οι δύο συνηθέστερες μέθοδοι εκτίμησης της ροής, που βασίζονται στο μοντέλο τάσης και το μοντέλο ρευμάτων της μηχανής. Βασική αρχή λειτουργίας των εκτιμητών αυτών είναι ότι το πλαίσιο αναφοράς d-q είναι ακίνητο, με αποτέλεσμα τα μετασχηματισμένα ηλεκτρικά μεγέθη της μηχανής (τάσεις, ρεύματα, ροές) να είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις, όπως και τα πραγματικά μεγέθη. Για σταθερό σύστημα αναφοράς έχουμε: θ S = 0 και θ R = θ S + θ = θ = ω. Αντικαθιστώντας στις σχέσεις (3.18) και (3.19) προκύπτουν οι ακόλουθες εκφράσεις: s u Sd s u Sq 0 = R R i s Rd 0 = R R i s Rq s = R S i Sd = R S i s Sq + dψ Rd s dt + dψ Rq s dt + dψ Sd s dt + dψ Sq dt s + ω Ψ Rq (3.25) (3.26) (3.27) (3.28) s ω Ψ Rd Οι παραπάνω σχέσεις λοιπόν, προκύπτουν αν τα ηλεκτρικά μεγέθη της μηχανής μετασχηματιστούν κατά Park για σταθερό πλαίσιο αναφοράς. Ο άξονας d ευθυγραμμίζεται με τον άξονα του τυλίγματος α του στάτη, οπότε θ S = 0, αν και εννοείται πως η γωνία θ S μπορεί να επιλεγεί αυθαίρετα. Σχήμα 3.4: Ισοδύναμο κύκλωμα ασύγχρονης μηχανής με σταθερό πλαίσιο αναφοράς [27]

78 Κεφάλαιο 3 ο Η ειδική περίπτωση του μετασχηματισμού Park με θ S = 0, ονομάζεται μετασχηματισμός Clarke ή μετασχηματισμός άλφα-βήτα-γάμμα (αβγ) και η μήτρα μετασχηματισμού δίνεται κάνοντας την αντικατάσταση στις μήτρες που περιγράφονται στις εξισώσεις (3.14) και (3.15), καταλήγοντας έτσι στις ακόλουθες εξισώσεις αντίστοιχα: και (M x ) 1 = [ ] (3.29) (M x ) 1 = [ ] (3.30) Μοντέλο τάσης (Voltage model) Στον εκτιμητή που βασίζεται στο μοντέλο τάσης, μετρώνται οι τάσεις και τα ρεύματα των ακροδεκτών της μηχανής και χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις (3.25) και (3.26) για την εκτίμηση των συνιστωσών της ροής. Οι συνιστώσες ροής του στάτη προκύπτουν ως εξής: s Ψ Sd s = (u Sd R S i s Sd )dt (3.31) Ψ s Sq = (u s Sq R S i s Sq )dt (3.32) Και το μέτρο της μαγνητικής ροής του στάτη δίνεται από τη σχέση: s Ψ S = Ψ 2 s 2 (3.33) Sd + Ψ Sq Έχοντας υπολογίσει τη ροή του στάτη μπορούμε να κάνουμε έλεγχο με προσανατολισμό στη ροή του στάτη. Το μοντέλο τάσης απαιτεί γνώση της αντίστασης του στάτη. Κατά τη λειτουργία του κινητήρα σε υψηλές στροφές το μοντέλο τάσης δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα, παρόλο που η τιμή R S δεν είναι η ακριβής τιμή της αντίστασης του στάτη, αλλά προσεγγιστική. Στις χαμηλές στροφές όμως το σφάλμα από την εκτίμηση της αντίστασης επηρεάζει τον υπολογισμό της ροής και

79 Κεφάλαιο 3 ο η χρήση του μοντέλου δεν ενδείκνυται [28], [32]. Οι βασικοί λόγοι που συμβαίνει αυτό είναι οι ακόλουθοι: Οι τάσεις τροφοδοσίας του κινητήρα στις χαμηλές στροφές είναι πολύ μικρότερες της ονομαστικής και συγκρίσιμες με την πτώση τάσης στην αντίσταση του στάτη, γεγονός που μειώνει την ακρίβεια της μέτρησης Το σφάλμα στη μέτρηση της τάσεως (ακόμα και εάν είναι μικρό) ολοκληρώνεται και έτσι μπορεί να οδηγήσει γρήγορα σε σημαντικά σφάλματα υπολογισμού Η μεταβολή της αντίστασης του στάτη (λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας του κινητήρα) στις χαμηλές ταχύτητες είναι εντονότερη, ενώ επιπλέον και η επίδρασή της στην ακρίβεια των υπολογισμών αυξάνεται Κλείνοντας την ανάλυση για το συγκεκριμένο τύπο εκτιμητή, εξάγεται το συμπέρασμα πως η ακρίβεια της μέτρησης του βαίνει αυξανόμενη με την αύξηση της ταχύτητας του κινητήρα και για αυτό προτιμάται για την εκτίμηση του διανύσματος ροής, όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε ταχύτητες πλησίον της ονομαστικής Μοντέλο ρεύματος (Current model) Στον εκτιμητή που βασίζεται στο μοντέλο ρεύματος μετρώνται τα ρεύματα και η ταχύτητα της μηχανής (όχι οι τάσεις) και για την εξαγωγή των επιθυμητών σχέσεων, χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις (3.27) και (3.28), στις οποίες μετά από αντικαταστάσεις [28] προκύπτουν οι συνιστώσες της ροής του δρομέα: όπου: s Ψ Rd s Ψ Rq = ( L m s s i τ Sd ωψ Rq R = ( L m i s s τ Sq ωψ Rd R τ R = L R R R = L lr + L m R R και τ R =η σταθερά χρόνου του κυκλώματος του δρομέα 1 Ψ s τ Rd ) dt R 1 Ψ s τ Rq ) dt R Το μέτρο της μαγνητικής ροής του δρομέα δίνεται από τη σχέση: (3.34) (3.35) (3.36) s Ψ R = Ψ 2 s 2 (3.37) Rd + Ψ Rq Η μέθοδος αυτή είναι εξαιρετικά χρήσιμη για τον έλεγχο με προσανατολισμό στη ροή του δρομέα και μπορεί να λειτουργεί σε όλες τις περιοχές ταχυτήτων. Βασικό μειονέκτημα της είναι η αναγκαιότητα γνώσης της ταχύτητας (ω) του δρομέα. Για τη μέτρηση της ταχύτητας γίνεται χρήση

80 Κεφάλαιο 3 ο ενός κωδικοποιητή, με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους του συστήματος. Ωστόσο το πρόβλημα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με την προσθήκη ενός εκτιμητή ταχύτητας [33]. Ακόμα ένα σημαντικό μειονέκτημα, είναι ότι η ακρίβεια του υπολογισμού της ροής εξαρτάται από την ακριβή γνώση των παραμέτρων L m, L R, R R. Ειδικά η παράμετρος R R μπορεί να μεταβληθεί μέχρι και 50% κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μηχανής λόγω θερμοκρασίας και επιδερμικού φαινομένου. Τέλος, είναι δυνατή η χρήση υβριδικών μοντέλων εκτιμητών, τα οποία επιλέγουν το μοντέλο ρεύματος σε χαμηλές ταχύτητες της μηχανής και μεταβαίνουν σε μοντέλο τάσης σε υψηλές ταχύτητες [28]. 3.5 Άμεσος έλεγχος ροής Ο άμεσος έλεγχος ροπής και ροής (Direct Torque Control, DTC) [28] είναι μια «έξυπνη» προσέγγιση στον έλεγχο των ασύγχρονων κινητήρων. Ο έλεγχος αυτός συνίσταται στη χρήση συγκεκριμένων ιδιοτήτων του ασύγχρονου κινητήρα με στόχο την απευθείας επιλογή του διανύσματος κατάστασης του αντιστροφέα που θα οδηγήσει το σύστημα προς τη σωστή κάθε φορά κατεύθυνση. Αυτή η μέθοδος ελέγχου «αγνοεί» τη σύζευξη των εξισώσεων της μηχανής κάνοντας την απόκριση σε κάθε βήμα ελέγχου υποβέλτιστη. Ωστόσο ο έλεγχος αυτός προτάσσει, έναντι του ευφυέστερου στη θεωρητική σύλληψη διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό πεδίου, την κατά πολύ μικρότερη διάρκεια του κύκλου υπολογισμού λόγω της μικρότερης πολυπλοκότητας, γεγονός που επιτρέπει πολύ γρήγορες διορθώσεις. Παρόλο που οι διορθώσεις αυτές είναι υποβέλτιστες, η ταχύτητα με την οποία πραγματοποιούνται συντηρεί το σύστημα πάντα κοντά στο βέλτιστο. Αντίθετα οι διορθώσεις του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό πεδίου είναι βέλτιστες αλλά πιο αργές, έτσι οι αποκρίσεις που επιτυγχάνουν οι δύο τεχνικές ελέγχου προκύπτουν παρόμοιες. Οι βασικές αρχές του άμεσου ελέγχου ροπής (DTC) προτάθηκαν το 1986 [34] και τα βασικά τους σημεία συνοψίζονται στη συνέχεια. Η ροή του στάτη είναι το χρονικό ολοκλήρωμα της ηλεκτρεγερτικής δύναμης του στάτη και γι αυτό το πλάτος της εξαρτάται ισχυρά από τις τάσεις σε αυτόν. Η αναπτυσσόμενη ηλεκτρομαγνητική ροπή είναι ανάλογη του ημιτόνου της γωνίας μεταξύ των διανυσμάτων της ροής στάτη και δρομέα και το μέτρο της δίνεται από τη σχέση: T e = 3p 4 L m Ψ L R L R Ψ S sinδ SR S όπου δ SR =η γωνία μεταξύ των διανυσμάτων των ροών στάτη και δρομέα (3.38) Στις αλλαγές των τάσεων του στάτη η αντίδραση της ροής του δρομέα είναι πιο αργή συγκριτικά με την αντίδραση της ροής του στάτη. Άμεση συνέπεια των προαναφερθέντων είναι πως, τόσο το

81 Κεφάλαιο 3 ο μέτρο όσο και η αναπτυσσόμενη ροπή μπορούν να ελεγχθούν άμεσα με κατάλληλη επιλογή του διανύσματος τάσης, μέσω της έναυσης των επιθυμητών ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Σε αυτήν την τεχνική ο αντιστροφέας λειτουργεί με τεχνική διαμόρφωσης PWM, με έλεγχο των διανυσμάτων κατάστασής του. Πιο συγκεκριμένα για την επίδραση των εκάστοτε εφαρμοζόμενων διανυσμάτων τάσης, στο διάνυσμα της ροής ισχύουν τα ακόλουθα (με την υποσημείωση πως τα διανύσματα τάσης και πως αυτά επιλέγονται μέσω του αντιστροφέα, θα αναλυθούν στην επόμενη ενότητα): Τα μη μηδενικά διανύσματα των τάσεων του στάτη των οποίων η γωνία με το διάνυσμα ροής του στάτη δεν υπερβαίνει τις ±90 o, οδηγούν σε αύξηση της ροής Τα μη μηδενικά διανύσματα των τάσεων του στάτη των οποίων η γωνία με το διάνυσμα ροής του στάτη υπερβαίνει τις ±90 o, οδηγούν σε μείωση της ροής Οι μηδενικές καταστάσεις (καταστάσεις «0» και «7») όταν επιλέγονται για μικρή σχετικά διάρκεια πρακτικά δεν επιδρούν στο διάνυσμα ροής του στάτη, καθώς αυτό σταματά να περιστρέφεται, αλλά από την άλλη μειώνουν τη ροπή, καθώς το διάνυσμα της ροής του δρομέα κερδίζει έδαφος σε σχέση με το σταματημένο διάνυσμα ροής του στάτη Η τεχνική ελέγχου [34], έχει ως πρώτο βήμα τη δημιουργία σημάτων σφάλματος ροής και ροπής, τα οποία στη συνέχεια με χρήση κβαντιστών μετατρέπονται σε σήματα με διακριτές στάθμες. Οι έξοδοι των κβαντιστών δίνονται από τις ακόλουθες εξισώσεις, για τον κβαντιστή ροής και τον κβαντιστή ροπής αντίστοιχα: H Ψ = 1 για Ε Ψ > +ΗΒ Ψ (3.39) Η Ψ = 1 για Ε Ψ =< ΗΒ Ψ (3.40) όπου 2ΗΒ Ψ =το εύρος ζώνης υστέρησης του ελεγκτή μαγνητικής ροής Η Τe = 1 για Ε Te > +HB Te (3.41) Η Te = 1 για Ε Te < HB Te (3.42) Η Te = 0 για HB Te < Ε Te < +HB Te (3.43) όπου 2HB Te =το εύρος ζώνης υστέρησης του ελεγκτή ροπής Ανάλογα λοιπόν με τις εξόδους των δύο κβαντιστών και τον τομέα στον οποίο βρίσκεται το πραγματικό διάνυσμα της ροής του στάτη, επιλέγεται το κατάλληλο διάνυσμα κατάστασης του αντιστροφέα που θα οδηγήσει τη ροή και τη ροπή του αντιστροφέα στη σωστή κατεύθυνση, διατηρώντας αυτές παράλληλα μέσα στα όρια που θέτουν οι κβαντιστές. Το σχήμα που ακολουθεί, απεικονίζει τους τομείς για το διάνυσμα του στάτη:

82 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.5: Διανύσματα κατάστασης του αντιστροφέα και οι 6 κυκλικοί τομείς που προκύπτουν. Εκτός από τα 6 διανύσματα που απεικονίζονται, υπάρχουν και δύο μηδενικά διανύσματα τα u 0 και u VII. Ως πρώτος τομέας θεωρείται αυτός ανάμεσα στα διανύσματα u I u II και ως έκτος τομέας αυτός που βρίσκεται ανάμεσα στα διανύσματα u VI u I. [28] Στη συνέχεια παρατίθεται ένας πίνακας που απεικονίζει το διάνυσμα τάσης που πρέπει να επιλεγεί για κάθε πιθανή κατάσταση λειτουργίας και σήματα σφάλματος των κβαντιστών. Τέλος επισημαίνεται πως λόγω της ζώνης υστέρησης η συγκεκριμένη τεχνική ελέγχου παρουσιάζει το μειονέκτημα της μεταβλητής διακοπτικής συχνότητας των ημιαγωγικών στοιχείων. Πίνακας 3.1: Πίνακας επιλογής του κατάλληλου διανύσματος κατάστασης του αντιστροφέα. Η επιλογή γίνεται συναρτήσει των εξόδων των δύο κβαντιστών και του τομέα στον οποίο βρίσκεται κάθε στιγμή το πραγματικό διάνυσμα ροής [28]

83 Κεφάλαιο 3 ο 3.6 Τριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος με την τεχνική SVM Όπως αναφέρθηκε και στα προηγούμενα κεφάλαια, ο τριφασικός αντιστροφέας είναι απαραίτητος για τον έλεγχο λειτουργίας της επαγωγικής μηχανής, καθώς μέσω αυτού η dc τάση της εισόδου μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη. Η βασική τοπολογία ενός τριφασικού αντιστροφέα απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 3.6: Tοπολογία ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης [35] Όπως φαίνεται και στο σχήμα ο αντιστροφέας αποτελείται από τρείς κλάδους (a,b,c). Ο κάθε κλάδος αποτελείται από δύο διακόπτες (Τ+,Τ-) και δύο αντιπαράλληλες σε αυτούς διόδους. Οι διακόπτες αναπαριστούν τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Στη παρούσα διπλωματική έγινε μελέτη τριφασικού αντιστροφέα με IGBT. Επειδή ο στόχος της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας, είναι ο προσδιορισμός της μαθηματικής έκφρασης των ολικών απωλειών του ηλεκτρικού οχήματος, η μεθοδολογία ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων θα έπρεπε να έχει συγκεκριμένο πρότυπο και συχνότητα, ώστε να είναι δυνατή η αναλυτική έκφραση των ρευμάτων ως χρονικών συναρτήσεων, με απώτερο στόχο να μπορούν να υπολογιστούν η μέση και η ενεργός τιμή τους. Τέτοιες μέθοδοι ελέγχου των στοιχείων του αντιστροφέα είναι οι τεχνικές διαμόρφωσης του εύρους των παλμών των ημιαγωγικών στοιχείων. Με χρήση τεχνικής διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Pulse Width Modulation, PWM) των ημιαγωγικών στοιχείων είναι δυνατόν να ρυθμιστεί η ενεργός τιμή καθώς και η συχνότητα της των φασικών τάσεων στην έξοδο του αντιστροφέα [38], [39]. Βασική αρχή οποιασδήποτε μεθοδολογίας ελέγχου είναι πως, το άνοιγμα και το κλείσιμο των διακοπτών πρέπει να γίνεται με τέτοιον τρόπο ώστε να μην υπάρχει χρονική στιγμή όπου και οι δύο διακόπτες του ίδιου κλάδου (π.χ. Τa+ και Τa-)

84 Κεφάλαιο 3 ο να είναι αναμμένοι, καθώς έτσι θα δημιουργείτο βραχυκύκλωμα της τάσης εισόδου. Βασικός στόχος όλων των τεχνικών διαμόρφωσης εύρους παλμών είναι: να αυξηθεί η ικανότητα εκμετάλλευσης της τάσης τροφοδοσίας, να μειωθούν οι διακοπτικές απώλειες, να μειωθεί το αρμονικό περιεχόμενο που εμφανίζεται στα ηλεκτρικά μεγέθη και συνάμα να επιτευχθεί ακριβής έλεγχος της λειτουργίας της μηχανής [38], [40], [41]. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση του εύρους των παλμών είναι οι εξής δύο: Διαμόρφωση του πλάτους των παλμών μέσω μιας κυματομορφής φορέα (carried-based PWM) Space Vector Modulation (SVM) ή Space Vector Control (SVC), ενδεχομένως θα μπορούσε να μεταφραστεί ως μέθοδος διαμόρφωσης του διανύσματος τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα Το βασικό χαρακτηριστικό των μεθόδων διαμόρφωσης του εύρους των παλμών με χρήση κυματομορφής φορέα, είναι πως χρησιμοποιούν έξι σήματα διαμόρφωσης, ένα για κάθε ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο. Μια ευρέως διαδεδομένη carrier-based PWM τεχνική ελέγχου, είναι αυτή όπου ως φορέας χρησιμοποιείται ένα ημίτονο και η οποία έχει το όνομα Sinusoidal PWM (SPWM) [39]. Η βασική διαφορά της μεθόδου SVM, είναι πως αντιμετωπίζει τον αντιστροφέα ως «μια οντότητα» και όχι ως έξι διαφορετικά στοιχεία. Δηλαδή, δεν χρησιμοποιούνται ξεχωριστά σήματα διαμόρφωσης για κάθε διακόπτη ισχύος, αλλά ο αντιστροφέας θεωρείται ως «μια οντότητα», η οποία μπορεί να αποκτήσει μια από τις ακόλουθες 8 καταστάσεις: Σχήμα 3.7: Δυνατές καταστάσεις του αντιστροφέα για τη μέθοδο SVM, όπου 1 σημαίνει πως ο πάνω «διακόπτης» του κλάδου είναι κλειστός και 0 σημαίνει πως ο κάτω «διακόπτης» του κλάδου είναι κλειστός [36] Με βάση το πιο πάνω σχήμα λοιπόν, υπάρχουν 8 πιθανές καταστάσεις, οι οποίες μπορεί να θεωρηθούν ως 8 διανύσματα τάσης. Εξετάζοντας τις πιθανές καταστάσεις του αντιστροφέα,

85 Κεφάλαιο 3 ο παρατηρείται πως η (0,0,0) και η (1,1,1) βραχυκυκλώνουν τους ακροδέκτες της μηχανής και για αυτό το λόγο αναφέρονται ως μηδενικά διανύσματα τάσης (null vectors). Τα υπόλοιπα 6 ονομάζονται ενεργά διανύσματα τάσης (active vectors). Η αντιστοιχία των καταστάσεων αγωγής των διακοπτών με τα διανύσματα τάσης καθώς και η διάκριση σε ενεργά και μηδενικά διανύσματα παρατίθεται στον Πίνακα 3.2. Πίνακας 3.2: Αντιστοίχιση κατάστασης διακοπτών με διανύσματα τάσης [31] Η μαθηματική έκφραση για το κάθε διάνυσμα του αντιστροφέα δίνεται από τη σχέση: 2 V k = { 3 V dce j(k 1) π (3.44) 3 i = 1,2,..,6 0 i = 0,7 Ο έλεγχος επιτυγχάνεται με την εναλλαγή των καταστάσεων του αντιστροφέα (διανυσμάτων τάσης) βάσει μιας επιθυμητής αλληλουχίας. Η λογική ελέγχου είναι παρόμοια με αυτή της μεθόδου Six-Step μεθόδου [38], με τη σημαντική διαφορά πως μέσω της συγκεκριμένης μεθόδου ο έλεγχος που επιτυγχάνεται είναι πολύ πιο ακριβής, κάτι που οφείλεται στην πιο περίπλοκη στρατηγική ελέγχου των διακοπτών. Οι καταστάσεις του αντιστροφέα μπορούν να απεικονιστούν σε ένα «χάρτη κατάστασης», ώστε να αποκτηθεί μια πιο εποπτική εικόνα για την αντιστοίχισή τους ως διανύσματα τάσης

86 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.8: Χάρτης απεικόνισης καταστάσεων αντιστροφέα- διανυσμάτων τάσης [41] Το Σχήμα 3.8 απεικονίζει τα ίδια ακριβώς στοιχεία όπως και το Σχήμα 3.5, αλλά παρατίθεται σε αυτό το σημείο, αρχικά ώστε να τονιστεί η σύνδεση μεταξύ των δύο ενοτήτων και κατά δεύτερο λόγο επειδή θα χρησιμεύσει στην ανάλυση των μεθόδων SVM που θα ακολουθήσει. Οι απαιτούμενες κυματομορφές για να «οδηγηθεί» ο κινητήρας δημιουργούνται από την περιστροφή ενός διανύσματος αναφοράς (διάνυσμα U του Σχήματος 3.8), με τόξο περιστροφής 360 ο. Το πλάτος και η συχνότητα του διανύσματος αναφοράς καθορίζουν το πλάτος και τη συχνότητα των κυματομορφών στην έξοδο του αντιστροφέα. Το τόξο του κύκλου, όπως φαίνεται από το Σχήμα 3.8, έχει διαιρεθεί σε 6 διαφορετικούς τομείς. Επειδή λοιπόν το V ref δεν αποτελεί κανένα από τα 8 διανύσματα που δύναται να εφαρμοσθούν στη μηχανή μέσω του αντιστροφέα, η σύνθεση του V ref γίνεται εναλλάσσοντας τις καταστάσεις του αντιστροφέα, με τρόπο διαμόρφωσης της μέσης τιμής. Δηλαδή, δειγματολειπτόντας το διάνυσμα αναφοράς ανα χρόνο Ts, στόχος είναι η μέση τιμή του εφαρμοζόμενου διανύσματος σε κάθε περίοδο να ισούται με τo διάνυσμα V. ref Για τη σύνθεση του διανύσματος V ref θεωρητικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν οποιαδήποτε διανύσματα, όμως με σκοπό να μειωθεί ο αριθμός των διακοπτικών φαινομένων, επιλέγονται μόνο τα δύο από τα έξι ενεργά διανύσματα και οποιοδήποτε εκ των δύο ή και τα δύο μηδενικά διανύσματα. Το ποια από τα έξι ενεργά διανύσματα θα εφαρμοσθούν εξαρτάται από τον τομέα στον οποίο βρίσκεται το διάνυσμα αναφοράς σε κάθε περίοδο και χρησιμοποιούνται μόνο εκείνα που «οριοθετούν» τον τομέα εντός του οποίου βρίσκεται το διάνυσμα αναφοράς. Ή πιο απλά, εκείνα τα διανύσματα που βρίσκονται εγγύτερα στο διάνυσμα αναφοράς. Δηλαδή, εφόσον το V ref βρίσκεται στον τομέα Ι θα χρησιμοποιηθούν τα ενεργά διανύσματα V 1 και V 2, εφόσον βρίσκεται

87 Κεφάλαιο 3 ο στον τομέα IΙ θα χρησιμοποιηθούν τα ενεργά διανύσματα V 2 και V 3, ή γενικά βρίσκεται στον τομέα k θα χρησιμοποιηθούν τα ενεργά διανύσματα V k και V k+1. Η εξίσωση που καθορίζει το χρονικό διάστημα εφαρμογής του κάθε διανύσματος είναι η ακόλουθη [38], [39], [40], [41]: V ref = V k T k + V k+1 T k+1 + V null T null (3.45) όπου V = null το μηδενικό διάνυσμα T null = ο χρόνος εφαρμογής του μηδενικού διανύσματος Για να γίνει κατανοητός ο τρόπος υπολογισμού των T k, T k+1, T null θα ακολουθήσει ένα παράδειγμα. Έστω πως το διάνυσμα V ref βρίσκεται στον πρώτο τομέα και σχηματίζει γωνία με τον οριζόντιο άξονα φ. Αναλύοντας τα διανύσματα, V k V k+1 και V ref στις συνιστώσες τους προκύπτει: όπου και 0 ο φ 60 ο T V dc [ 1 0 ] + T V dc [ cos60o sin60 o ] = T s 2 3 V dc m [ cosφ sinφ ] (3.46) m = V ref 2 3 V dc (3.47) Λύνοντας το πιο πάνω σύστημα εξισώσεων προκύπτουν και τα χρονικά διαστήματα Τ 1 και Τ 2. Τα χρονικά διαστήματα εφαρμογής των μηδενικών διανυσμάτων δίνονται από τη σχέση: T null = T s T 1 T 2 (3.48) Η περιοχή γραμμικής διαμόρφωσης καθορίζεται από το όριο όπου: T s = T k + T k+1 και στο Σχήμα 3.8 απεικονίζεται από το εξάγωνο με τις διακεκομένες γραμμές. Λύνοντας τη σχέση 3.48 για οποιοδήποτε τμήμα του κύκλου, προκύπτει ο Πίνακας 3.3 για τους χρόνους αγωγής των διανυσμάτων. Ανάλογα με την επιλογή του μηδενικού διανύσματος διαφοροποιείται και η τεχνική της μεθόδου SVM που χρησιμοποιείται [42]. Δηλαδή υπάρχουν μέθοδοι SVM που χρησιμοποιούν μόνο το V 0 ως μηδενικό διάνυσμα, άλλες που χρησιμοποιούν μόνο το V 7 ως μηδενικό διάνυσμα και άλλες που χρησιμοποιούν κάποιον συνδυασμό και των δύο

88 Κεφάλαιο 3 ο Πίνακας 3.3: Χρονικά διαστήματα «αγωγής» των διανυσμάτων χώρου [41] όπου ωt = φ = η γωνία που σχηματίζει το διάνυσμα αναφοράς με τον οριζόντιο άξονα m = 4 3 m Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε μια μέθοδος SVM που χρησιμοποιεί και τα δύο μηδενικά διανύσματα, με βάση την οποία μέσα σε ένα κύκλο T s, εφαρμόζεται αρχικά το ένα μηδενικό διάνυσμα για χρόνο T null, στη συνέχεια εφαρμόζεται το V 4 k για χρόνο T k, έπειτα το V 2 k+1 για χρόνο Τ k+1, μετά το άλλο μηδενικό διάνυσμα για χρόνο T null 4 διάστημα αγωγής T s 2 (έχοντας συμπληρώσει μέχρι εδώ και στη συνέχεια εφαρμόζονται τα προαναφερθέντα διανύσματα με την αντίστροφη σειρά. Δηλαδή για αυτή τη περίπτωση ισχύει: T 0 = T 7 = T null 2 (3.49) Η τεχνική αυτή ονομάζεται Alt-Rev [39] και το αποτέλεσμα από τον εφαρμοζόμενο έλεγχο είναι αρκετά παρόμοιος με τη μέθοδο SPWM με έγχυση 3 ης αρμονικής. Η εν λόγω τεχνική διασφαλίζει πως μόνο ένα κλάδος του αντιστροφέα θα αλλάζει κατάσταση σε μια χρονική στιγμή, επιτυγχάνοντας έτσι την μείωση των διακοπτικών φαινομένων. Οι πιθανές μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών διακοπτικών καταστάσεων καθώς και το ισοδύναμο διακοπτικό πρότυπο για ένα διακοπτικό κύκλο παρατίθενται στο Σχήμα 3.9 και στον Πίνακα

89 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.9: Μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών διακοπτικών καταστάσεων [41] Πίνακας 3.4: Ισοδύναμο διακοπτικό πρότυπο για μια διακοπτική περίοδο [41] Η επιλογή τεχνικής με βάση τη χρήση μηδενικών διανυσμάτων επηρεάζει τις φασικές κυματομορφές, άρα και τη λειτουργία του αντιστροφέα και επομένως και τις απώλειες αυτού. Η κυματομορφή της φασικής τάσης V AO, του Σχήματος 3.6, παρατίθεται στο Σχήμα 3.10, στο οποίο συμβολίζεται με u i (t) και συγκρίνεται με την αντίστοιχη κυματομορφή u i (t) για τη μέθοδο SPWM. Παρόμοια μορφή έχουν και οι κυματομορφές των φασικών τάσεων V BO, V CO, οι οποίες όμως παρουσιάζουν μια διαφορά φάσης 120 ο συγκριτικά με αυτή της φασικής τάσης V AO

90 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.10: Η κυματομορφή της φασικής τάσης V AO για τη τεχνική Alt-Rev [41] Το όριο μεταξύ της γραμμικής διαμόρφωσης και της υπερδιαμόρφωσης δίνεται από τη σχέση: T s = T k + T k+1 (3.50) ή T null = 0 (3.51) To όριο αυτό απεικονίζεται στο Σχήμα 3.8 με το εξάγωνο με τις διακεκομμένες γραμμές και η περιοχή γραμμικής διαμόρφωσης βρίσκεται εντός αυτού. Το όριο για την περιοχή διαμόρφωσης καθορίζεται από τη σχέση [40] για: m = 3 2 (3.52) Για τη συγκεκριμένη τιμή, η τροχιά του V ref είναι ο εγγεγραμένος κύκλος του εξαγώνου και η μέγιστη ημιτονοειδής πολική τάση εξόδου παίρνει τη μέγιστη τιμή της, που είναι η τάση V dc. Μια μέθοδος διαμόρφωσης με χρήση κυματομορφής φορέα (carrier-based PWM) μπορεί να «μεταμορφωθεί» σε μια ισοδύναμη μέθοδο SVM [40]. Μέσω της ανάλυσης που γίνεται στην

91 Κεφάλαιο 3 ο αναφορά [41] αποδεικνύεται και η σχέση που συνδέει τα μεγέθη m και m carrier basedpwm. Η οποία είναι: m = 3 4 m carrier basedpwm (3.53) Από τις σχέσεις (3.52) και (3.53), προκύπτει πως η τεχνική διαμόρφωσης εύρους των παλμών SVM Alt-Rev είναι ισοδύναμη με μια τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών με κυματομορφή φέροντος, η οποία έχει μέγιστο συντελεστή διαμόρφωσης για το όριο υπερδιαμόρφωσης: m max = = > m max,spwm = 1 (3.54) Άρα, υπάρχει η δυνατότητα καλύτερης εκμετάλλευσης της τάσης εισόδου. 3.7 Μέθοδος άμεσου ελέγχου ροής και ροπής σε χρόνο μιας διακοπτικής περιόδου Τs Με στόχο λοιπόν την ύπαρξη σταθερής διακοπτικής συχνότητας f sw, έπρεπε να χρησιμοποιηθεί μια μέθοδος, για την οποία έχοντας ως δεδομένα τα στιγμιαία σφάλματα ροής και ροπής, θα υπολογίζει το διάνυσμα τάσης U S, το οποίο αντιπροσωπεύει το αντίστοιχο διάνυσμα αναφοράς που αναλύσαμε στην προηγούμενη ενότητα. Εάν εφαρμοσθεί για χρονικό διάστημα: T s = 1 f sw (3.55) στο τέλος του χρονικού διαστήματος, τόσο η ροή όσο και η ροπή πρέπει να έχουν εξισωθεί με την τιμή αναφοράς τους. Μία τέτοια μέθοδος προτάθηκε το 1992, μέσω της οποίας επιτυγχάνεται έλεγχος ροής και ροπής, στη μόνιμη κατάσταση, μέσα σε χρόνο μιας διακοπτικής περιόδου (deadbeat control) [37]. Για τον έλεγχο σε μεταβατικές καταστάσεις η μέθοδος ελέγχου τροποποιείται και πιο συγκεκριμένα, επιλέγεται σε κάθε κύκλο ένα από τα 8 διανύσματα του Σχήματος 3.5. Η απόκριση του συστήματος σε μεταβατικές καταστάσεις είναι υποβέλτιστη, αλλά η ποιότητα της μεταβατικής απόκρισης δεν εξετάζεται στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Πιο συγκεκριμένα για τη μόνιμη κατάσταση, υπολογίζεται, σε κάθε κύκλο, το διάνυσμα τάσης που χρειάζεται για τον έλεγχο της ροής και της ροπής, με βάση τα υπολογισθέντα σφάλματα ροής και ροπής του προηγούμενου κύκλου καθώς και μια εκτίμηση της «τάσης διακένου» της μηχανής (back-emf). Η τάση διακένου της μηχανής, απεικονίζεται και στο σχήμα 2.8 με το σύμβολο Ε και είναι η τάση που εμφανίζεται στην επαγωγή μαγνήτισης της μηχανής. Στη συγκεκριμένη μέθοδο εκτιμάται από τα διανύσματα τάσης και ροής μέσω της σχέσης:

92 Κεφάλαιο 3 ο E = V S R S I S d dt (L lsi ) S = d dt (Ψ S L ls I ) S (3.56) Για την μεταφορά στο σύστημα d-q χρησιμοποιείται ο μετασχηματισμός Clarke που δίνεται από τη σχέση 3.29 και για την εκτίμηση του διανύσματος ροής χρησιμοποιείται το μοντέλο τάσης. Με χρήση αυτής της σχέσης, η μετάβαση από το abc στο dq σύστημα γίνεται με χρήση των ακόλουθων τύπων: f = f d + jf q = f a + j f a + 2f b 3 (3.57) Η ηλεκτρομαγνητική ροπή της μηχανής εκτιμάται από τη σχέση: T e = 3 2 p (Ψ SdI Sq Ψ Sq I Sd ) (3.58) Στη συνέχεια, με μαθηματική επεξεργασία των εξισώσεων και των εκτιμώμενων μεταβολών στα ρεύματα, τη ροή και τη ροπή της μηχανής προκύπτει μια δευτεροβάθμια εξίσωση ως προς την επιθυμητή τιμή της συνιστώσας της τάσεως αναφοράς στο d-άξονα. Από τις δύο λύσεις, επιλέγεται αυτή που έχει τη μικρότερη απόλυτη τιμή, καθώς αυτή αντιπροσωπεύει και την ελάχιστη τιμή της τάσης που είναι απαραίτητη για να οδηγηθεί ο κινητήρας. Τέλος, βάση της επιλεγείσας τιμής της τάσης για το d-άξονα, υπολογίζεται και η τιμή της συνιστώσας της τάσης για το q-άξονα και έτσι καθορίζεται πλήρως και το διάνυσμα τάσης (V S ή V ), ref κατά μέτρο και γωνία

93 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 Εισαγωγή Στόχος της συγκεκριμένης ενότητας, είναι η μαθηματική έκφραση των απωλειών του ολικού συστήματος έχοντας ως μεταβλητές: τη μαγνητική ροή της επαγωγικής μηχανής Φ m και το λόγο μετάδοσης του CVT λ και ως παραμέτρους: τη δύναμη στους τροχούς του οχήματος F veh και την γραμμική ταχύτητα αυτού u veh. Αρχικά, θα παρουσιαστούν οι τύποι που μας δίνουν τις απώλειες των επιμέρους τμημάτων του συστήματος. Στη συνέχεια, θα παρατεθούν οι τύποι μετασχηματισμού αυτών ως προς Ψ m, λ, M veh, u veh και τέλος θα εξαχθεί η εξίσωση απωλειών του ολικού συστήματος. 4.2 Απώλειες επαγωγικού κινητήρα Οι απώλειες του επαγωγικού κινητήρα, οι τύποι αυτών καθώς και η φυσική τους σημασία αναλύθηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο και πιο συγκεκριμένα στην ενότητα 2.6. Για λόγους διευκόλυνσης θα αναφερθούν σε αυτό το κεφάλαιο συνοπτικά μόνο οι μαθηματικοί τύποι αυτών. Να επισημανθεί πως λόγω της πολυπλοκότητας τους και της δυσκολίας του αναλυτικού υπολογισμού αυτών, οι απώλειες ανώτερων αρμονικών θεωρούνται αμελητέες και δεν εξετάζονται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Για τις απώλειες της μηχανής έχουμε: 2 P cu,s = 3 R S I S (4.1) P cu,r = 3 R 2 R I R (4.2) P fe = ( K e (1 + s 2 ) ω 2 2 e + K h (1 + s) ω e ) Φ m (4.3) 2 P fw = C fw ω m (4.4) P stray = 3 C stray ω 2 2 m I R (4.5) 4.3 Απώλειες αντιστροφέα Ο αντιστροφέας όπως αναλύθηκε και στην ενότητα 3.6, αποτελείται από έξι κλάδους με τέσσερα ημιαγωγικά στοιχεία στον κάθε ένα. Τα ημιαγωγικά στοιχεία αυτά, είναι δύο IGBT και δύο δίοδοι. Οι απώλειες του αντιστροφέα χωρίζονται σε συνιστώσες: τις απώλειες αγωγής και τις διακοπτικές απώλειες

94 Κεφάλαιο 4 ο Απώλειες αγωγής Οι απώλειες αγωγής, όπως άλλωστε φανερώνει και το όνομα, είναι απώλειες ισχύος που οφείλονται στη συμπεριφορά των ημιαγωγικών στοιχείων κατά την αγωγή τους. Το κυκλωματικό ισοδύναμο αυτών, κατά την αγωγή, είναι μια σταθερή τάση V on σε σειρά με μια αντίσταση R on. Η ενέργεια που καταναλώνει ένα στοιχείο που εμφανίζει σταθερή πτώση τάσης ισούται με την τιμή της τάσης αυτής πολλαπλασιασμένη με το μέσο ρεύμα, και η αντίστοιχη για ένα στοιχείο ωμικό στοιχείο είναι το τετράγωνο της ενεργού τιμής του ρεύματος πολλαπλασιασμένο με την αντίσταση αυτού. Eπομένως ο τύπος που εκφράζει τις απώλειες αγωγής για κάθε IGBT Q και για κάθε δίοδο D είναι: 2 P Q,con = V Q I Q,mean + R Q I Q,rms (4.6) 2 P D,con = V D I D,mean + R D I D,rms (4.7) Για τον καθορισμό τόσο της μέσης όσο και της ενεργού τιμής του ρεύματος είναι αναγκαία η γνώση της χρονικής συνάρτησης αυτού. Ανάλογα με τη μέθοδο που θα χρησιμοποιηθεί για την παλμοδότηση του αντιστροφέα αλλάζουν και οι κυματομορφές ρεύματος μέσω των ημιαγωγικών στοιχείων, επομένως αλλάζουν και οι απώλειες αυτών σύμφωνα με τις πιο πάνω σχέσεις. Για την εξαγωγή των τύπων για τη μέση και την ενεργό τιμή του ρεύματος κάθε στοιχείου θεωρείται πως η κυματομορφή του ρεύματος σε κάθε φάση της μηχανής δεν παρουσιάζει κυμάτωση βασικής αρμονικής. Σε έναν επαγωγικό κινητήρα, η κυματομορφή της βασικής αρμονικής του φασικού ρεύματος έπεται της βασικής αρμονικής της φασικής τάσης κατά μια γωνία φ, η οποία είναι και η γωνία φορτίου. Με στόχο την απλοποίηση των υπολογισμών που απαιτούνται για τον καθορισμό της μέσης και της ενεργού τιμής του φασικού ρεύματος, οι οποίες όπως θα δειχθεί στη συνέχεια απαιτούν τη λύση ολοκληρωμάτων, η φασική κυματομορφή του ρεύματος θεωρείται ως αναφορά [39]. Επομένως για την κυματομορφή του ρεύματος ισχύει: i phase (θ) = I peak sinθ (4.8) Για το λόγο κατάτμησης (duty cycle) των στοιχείων του πάνω (top) και του κάτω (down) κλάδου ισχύει [39]: d D,top (θ) = d Q,top (θ) (4.9) d Q,bot (θ) = d D,bot (θ) = 1 d Q,top (θ) (4.10) Επομένως για τα ρεύματα των στοιχείων ισχύει: i Q,top (θ) = i phase (θ) d Q,top (θ) (4.11) i Q,bot (θ) = i phase (θ) d Q,bot (θ) (4.12)

95 Κεφάλαιο 4 ο i D,top (θ) = i phase (θ) d D,top (θ) (4.13) i D,bot (θ) = i phase (θ) d D,bot (θ) (4.14) Επειδή τα στοιχεία στο πάνω μέρος του κλάδου άγουν για το μισό της περιόδου (0,π), και αντίστοιχα αυτά στο κάτω μέρος για το διάστημα (π,2π), για τον υπολογισμό της μέσης και της ενεργού τιμής τα όρια του ολοκληρώματος πρέπει να είναι τα αντίστοιχα διαστήματα. Στις ακόλουθες εξισώσεις υποδεικνύεται ο τρόπος υπολογισμού της μέσης και της ενεργού τιμής του ρεύματος για τα IGBT των πάνω κλάδων, ενώ για τα υπόλοιπα στοιχεία προκύπτουν παρόμοιες σχέσεις εφόσον γίνουν οι σωστές αντικαταστάσεις: π I Q,top,mean = 1 2π i Q,top(θ) dθ = 1 2π i phase(θ) d Q,top (θ) dθ 0 2 I Q,top,rms = 1 2π i 2 phase(θ) d Q,top 0 π 0 π (θ) dθ (4.15) (4.16) Τα παραπάνω ολοκληρώματα μπορούν να υπολογισθούν αναλυτικά, με βάση την ισοδυναμία των διάφορων τεχνικών SVM ελέγχου με τεχνικές carrier-based [40], [41] και υπολογίζοντας τον ισοδύναμο λόγο κατάτμησης για κάθε στοιχείο. Για τη μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία, SVM Alt-Rev, μετά από υπολογισμό των ολοκληρωμάτων προκύπτουν οι σχέσεις [39]: I Q,top,mean = I Q,bot,mean = I Q,mean = I peak 12π (6 + m 3π cosφ) (4.17) I D,top,mean = I D,bot,mean = I D,mean = I peak 12π (6 m 3π cosφ) (4.18) I Q,top,rms = I Q,bot,rms = I Q,rms = I peak ( I D,top,rms = I D,bot,rms = I D,rms = I peak ( 1 8 όπου I peak =η peak τιμή του φασικού ρεύματος του κινητήρα 30cosφ cos3φ + m ) 45 π 3 30cosφ cos3φ m ) 45 π 3 m=ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους της μεθόδου carrier-based PWM (4.19) (4.20) Συνδυάζοντας τις εξισώσεις (4.6) και (4.7) με τις εξισώσεις (4.17) έως (4.20) έχουμε για τις απώλειες αγωγής του κάθε στοιχείου: P Q,con = V Q I peak 12π 2 +R Q I peak ( 1 8 (6 + m 3π cosφ) + 30cosφ cos3φ + m ) 45 π 3 (4.21)

96 Κεφάλαιο 4 ο P D,con = V D I peak 12π 2 +R D I peak ( 1 8 (6 m 3π cosφ) + 30cosφ cos3φ m ) 45 π 3 (4.22) Από αυτές φαίνεται πως οι απώλειες εξαρτώνται από τη μέγιστη τιμή του ρεύματος I peak, το συντελεστή διαμόρφωσης m καθώς και το συντελεστή ισχύος της μηχανής cosφ Διακοπτικές Απώλειες Οι διακοπτικές απώλειες σε έναν αντιστροφέα εξαρτώνται από την ποσότητα των διακοπτικών φαινομένων καθώς και από τα δυναμικά χαρακτηριστικά του IGBT και της διόδου. Κάθε φορά που ένα στοιχείο ανάβει ή σβήνει, επειδή δεν αποτελεί ιδανικό διακόπτη, ενέργεια «αποβάλλεται» λόγω της ταυτόχρονης ύπαρξης σε αυτό τάσης και ρεύματος μη μηδενικής τιμής. Οι απώλειες έναυσης στο IGBT οφείλονται και στην αντιπαράλληλη δίοδο κατά ένα μέρος. Κατά τη διαδικασία σβέσης της διόδου, το αποθηκευμένο φορτίο της διόδου θα ρεύσει στο IGBT, κατά την έναρξη της αγωγής του, και μια αιχμή ρεύματος (peak current) θα εμφανιστεί σε αυτό προσαυξάνοντας έτσι τις απώλειες. Για μια δεδομένη δίοδο και ένα δεδομένο IGBT, οι απώλειες έναυσης εξαρτώνται από, το φαινόμενο ανάστροφης ανάκτησης της διόδου, την τάση τροφοδοσίας καθώς και από τη θερμοκρασία των δύο αυτών στοιχείων. Οι απώλειες σβέσης στο IGBT οφείλονται κατά ένα μέρος στην «ουρά ρεύματος» που εμφανίζει, ένα φαινόμενο που οφείλεται στην επανασύνδεση των φορέων μειονότητας. Επίσης, οι απώλειες σβέσης εξαρτώνται από το ρεύμα, την τάση τροφοδοσίας και τη θερμοκρασία των στοιχείων τη δεδομένη χρονική στιγμή. Οι απώλειες έναυσης της διόδου είναι πολύ μικρές και συνεπώς αμελούνται, ενώ οι απώλειες κατά τη σβέση ναι μεν είναι μικρές αλλά όχι αμελητέες και αποκτούν σημαντική τιμή σε υψηλές θερμοκρασίες επαφής (junction temperatures). Οφείλονται στο φαινόμενο της ανάστροφης ανάκτησης της διόδου που εμφανίζεται κατά τη σβέση και εξαρτώνται από το ρεύμα, την τάση, το αποθηκευμένο σε αυτή φορτίο και τη θερμοκρασία. Για να υπολογιστούν με ακρίβεια οι διακοπτικές απώλειες σε κάθε στοιχείο, θα πρέπει να πολλαπλασιαστεί το ρεύμα με την τάση κατά τη διάρκεια εξέλιξης του φαινομένου και στην συνέχεια να γίνει η ολοκλήρωση της συγκεκριμένης ποσότητας ως προς το χρόνο. Η πιο πάνω διαδικασία είναι ιδιαίτερα απαιτητική στον υπολογισμό και στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιείται μια προσεγγιστική σχέση για την περιγραφή των διακοπτικών απωλειών. Θεωρώντας πως Ε Τ είναι η ενέργεια που «αποβάλλεται» σε ένα διακοπτικό κύκλο, E x

97 Κεφάλαιο 4 ο είναι η συνολική διακοπτική ενέργεια ανά αμπερ του στοιχείου και πως το φασικό ρεύμα έχει ημιτονοειδή μορφή, προκύπτει η σχέση [39]: E T (θ) = Ε x I peak sinθ (4.23) Η χρήση της απόλυτης τιμής του φασικού ρεύματος σε κάθε χρονική στιγμή είναι απαραίτητη, ώστε να έχει και φυσικό νόημα η πιο πάνω σχέση, καθώς η ενέργεια που «αποβάλλεται» δεν δύναται να έχει αρνητική τιμή. Η μέση ισχύς P sw λόγω των μεταβάσεων του διακόπτη σε μια διακοπτική περίοδο, ισούται με τη διακοπτική ενέργεια του στοιχείου επί τη διακοπτική συχνότητα. Οι μέσες διακοπτικές απώλειες, για τα IGBT του πάνω κλάδου και τις διόδους του κάτω κλάδου της μιας φάσης, για την περίοδο ολόκληρου του ημιτόνου δίνονται από τη σχέση: P sw = f s 2π Ε Τ(θ) dθ 0 π (4.24) Για τα IGBT του κάτω κλάδου και τις διόδους του πάνω κλάδου της ίδιας φάσης, τα όρια ολοκλήρωσης στη Σχέση 4.24 είναι [π,2π]. Επομένως έχουμε για κάθε ΙGBT και για κάθε δίοδο αντίστοιχα: P sw,q = f s E Q I peak π P sw,d = f s E D I peak π (4.25) (4.26) όπου οι ποσότητες E Q και E D θα καθοριστούν μέσω των φυλλαδίων κατασκευαστή των στοιχείων που θα χρησιμοποιηθούν. 4.4 Απώλειες συσσωρευτή Για τη μοντελοποίηση του συσσωρευτή, έγινε χρήση του απλού ισοδύναμου μοντέλου μιας πηγής τάσης σταθερής τιμής (dc) με μια ωμική αντίσταση εν σειρά, η οποία και αναπαριστά την εσωτερική αντίσταση αυτής. Είναι δυνατόν να εισαχθούν στο μοντέλο και πιο πολύπλοκα φαινόμενα όπως η εξάρτηση της χωρητικότητας του συσσωρευτή από τη θερμοκρασία ή η ύπαρξη παρασιτικών χωρητικών φαινομένων (κυρίως για τη μοντελοποίηση της συμπεριφοράς σε δυναμικές καταστάσεις). Όμως, η πολυπλοκότητα μια τέτοιας μελέτης καθώς και ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, που είναι η ανάλυση της μόνιμης κατάστασης, καθιστούν μια τέτοια μελέτη εκτός των απαιτήσεων αυτής. Με δεδομένη τη μοντελοποίηση του συσσωρευτή που αναφέρθηκε πιο πάνω, οι απώλειές του αντιστοιχούν στην ισχύ που καταναλώνεται στην εσωτερική του αντίσταση. Το ρεύμα στην είσοδο

98 Κεφάλαιο 4 ο του αντιστροφέα i link είναι το άθροισμα των ρευμάτων των τριών άνω κλάδων του αντιστροφέα. Για να γίνει πιο κατανοητή η ανάλυση παρατίθεται το Σχήμα 4.1. Σχήμα 4.1: Ισοδύναμο αντιστροφέα για υπολογισμό του ρεύματος εισόδου i in Δηλαδή ισχύει: i link (t) = i linka (t) + i linkb (t) + i linkc (t) (4.27) Το ρεύμα αυτό έχει μια συνεχή (dc) και μια μεταβαλλόμενη (ac) συνιστώσα, όμως λόγω της ύπαρξης πυκνωτών C m στην είσοδο του αντιστροφέα, το πλάτος της μεταβαλλόμενης συνιστώσας του ρεύματος i in μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο, καθώς θεωρείται πως παρέχεται από τους εν λόγω πυκνωτές. Έτσι το ρεύμα στην είσοδο θεωρείται σταθερό και επομένως προκύπτει η ακόλουθη σχέση για τη μέση τιμή του: i in,mean = i linka,mean (t) + i linkb,mean (t) + i linkc,mean (t) (4.28) Επειδή η φόρτιση του κινητήρα είναι συμμετρική για κάθε φάση, θεωρείται πως σε μια ηλεκτρική περίοδο, η μέση τιμή των ρευμάτων σε κάθε φάση είναι ίδια. H μέση τιμή του ρεύματος του κάθε κλάδου, αποτελεί το αλγεβρικό άθροισμα της μέσης τιμής των ρευμάτων του IGBT και της διόδου. Επειδή η φορά ροής ρεύματος μέσω της διόδου είναι αντίθετη με αυτή του IGBT, προκύπτει η ακόλουθη σχέση: i linka,mean (t) = i linkb,mean (t) = i linkc,mean (t) = I Q,mean I D,mean (4.29) Επομένως με αντικατάσταση των σχέσεων (4.17) και (4.18) στην εξίσωση (4.29) προκύπτει ο τελικός τύπος, για τη μέση τιμή του ρεύματος i in : i in,mean = I peak 2 m 3 cosφ (4.30)

99 Κεφάλαιο 4 ο Επομένως για τις απώλειες του συσσωρευτή προκύπτει ο τύπος: 2 P bat = R bat i in,mean = = R bat ( I peak 2 m 3 cosφ) 2 (4.31) 4.5 Μετασχηματισμός σχέσεων απωλειών Στη συγκεκριμένη ενότητα θα παρουσιαστούν οι κατάλληλοι τύποι μετασχηματισμού των πιο πάνω εξισώσεων έτσι ώστε να υπάρχουν μόνο δύο μεταβλητές: η μαγνητική ροή Φ m και ο λόγος μετάδοσης του CVT λ και δύο παράμετροι: η γραμμική ταχύτητα του οχήματος u veh και η δύναμη στους τροχούς F veh. Αρχικά θα αναφερθούν κάποια μεγέθη που θα βοηθήσουν στη κατανόηση της επικείμενης ανάλυσης. Θεωρώντας πως ένα όχημα κινείται με μια ταχύτητα u veh, με ασκούμενη σε αυτό μια δύναμη F veh και με ακτίνα των τροχών του R wh, τότε η ροπή και η γωνιακή ταχύτητα που μεταφέρεται στον άξονα της μηχανής μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων με λόγο μετάδοσης λ είναι (οι ροπές τριβών θεωρούνται αμελητέες): T e = F veh R wh λ (4.32) ω = λ u veh R wh (4.33) Μετασχηματισμός εξισώσεων απωλειών κινητήρα Τα μεγέθη που πρέπει να μετασχηματιστούν είναι: το ρεύμα στάτη I S, το ανηγμένο στο στάτη ρεύμα δρομέα I R και η σύγχρονη ηλεκτρική κυκλική συχνότητα ω e. Θεωρώντας πως η ολίσθηση έχει πολύ μικρή τιμή, πρακτικά s < 0.02, προκύπτει: όπου p=ο αριθμός ζευγών πόλων της μηχανής ω e = p ω = p λ u veh R wh (4.34) Για τη μοντελοποίηση των απωλειών του κινητήρα, η πιο πάνω παραδοχή μπορεί να θεωρηθεί αποδεκτή καθώς, ναι μεν εισάγει ένα σφάλμα στην εκτίμηση των απωλειών σιδήρου αλλά λόγω της ιδιαίτερα μικρής τιμής της ολίσθησης, η επίδρασή στις ολικές απώλειες μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Η εν λόγω προσέγγιση κρίθηκε αναγκαία, καθώς έπρεπε να προσδιοριστεί μια σχέση για την έκφραση της σύγχρονης ταχύτητας συναρτήσει, μόνο κάποιων, εκ των μεγεθών: Φ m, λ, u veh, F veh

100 Κεφάλαιο 4 ο Λύνοντας τη σχέση (2.22) ως προς I R και αντικαθιστώντας τη σχέση (4.32) προκύπτει: I R = T e 3 p Φ m = F veh R wh 3 p λ Φ m (4.35) Από το ισοδύναμο μονοφασικό κύκλωμα του σχήματος 2.7 και με χρήση της σχέσης 2.19, θεωρώντας πως: R R s >> Χ lr (μια καλή προσέγγιση όταν s 0), προκύπτει: I S 2 = I m 2 + I R 2 (4.36) η οποία με χρήση της σχέσης (2.23) και με αντικατάσταση της σχέσης (4.32) παίρνει τη μορφή: I S 2 = Φ m 2 L m 2 + ( F 2 veh R wh (4.37) ) 3 p λ Φ m Επομένως, με αντικατάσταση των εξισώσεων (4.34)-(4.37) στις σχέσεις (4.1)-(4.5) και στη συνέχεια αθροίζοντάς τες, προκύπτει η έκφραση των απωλειών του επαγωγικού κινητήρα (μετά από μερικές απλοποιήσεις παραγόντων): P motor,loss = 3 R S ( Φ m 2 L2 + F veh R wh m 9 p 2 λ 2 Φ2 ) + 3 R R F veh R wh m 9 p 2 λ 2 Φ2 + m +( K e p2 λ 2 2 u veh 2 + K R h p λ u veh wh R wh +3 C stray u 2 2 veh F veh 9 p 2 Φ2 m ) Φ 2 m + C fw λ2 2 u veh 2 + R wh (4.38) Μετασχηματισμός απωλειών αντιστροφέα Τα μεγέθη που πρέπει να μετασχηματιστούν είναι: η peak τιμή του φασικού ρεύματος της επαγωγικής μηχανής I peak, ο δείκτης διαμόρφωσης m και ο συντελεστής ισχύος του επαγωγικού κινητήρα cosφ. Για τον υπολογισμό του συντελεστή φορτίου της μηχανής θα χρησιμοποιηθεί το Σχήμα 4.2 Σχήμα 4.2: Μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα επαγωγικού κινητήρα για τον προσδιορισμό της γωνίας φορτίου

101 Κεφάλαιο 4 ο Η συγκεκριμένη μοντελοποίηση προτιμήθηκε ώστε να προκύψει μια όσο το δυνατόν λιγότερο περίπλοκη σχέση για το ζητούμενο μέγεθος, γνωρίζοντας πως το χρησιμοποιούμενο μοντέλο δεν ανταποκρίνεται πλήρως στην πραγματικότητα. Υπολογίζοντας την αντίσταση εισόδου του εν λόγω φορτίου, προκύπτει η ακόλουθη σχέση: Z in = R R 2 s X m R 2 R + s 2 X + j 2 m R 2 R X m R R 2 + s 2 X m 2 (4.39) Έτσι υπολογίζεται o συντελεστής φορτίου ως: R R φ = tan 1 ( Im(Z in) Re(Z in ) ) = tan 1 ( ) s X m (4.40) Λύνοντας τη σχέση (2.24) ως προς I R και στη συνέχεια αντικαθιστώντας στη σχέση (2.22) και λύνοντας ως προς s, προκύπτει η ακόλουθη σχέση: s = R R T e 3 Φ m 2 p ω e (4.41) Στο συγκεκριμένο σημείο γίνεται μια προσπάθεια έκφρασης της ολίσθησης συναρτήσει γνωστών μεγεθών. Στον παρονομαστή της εξίσωσης (4.41), βρίσκεται η σύγχρονη ηλεκτρική ταχύτητα ω e, η οποία προσδιορίστηκε μέσω της σχέσης (4.34) και με την παραδοχή πως η ολίσθηση έχει πολύ μικρή τιμή. Παρατηρείται δηλαδή σε αυτό το σημείο κάτι το αντιφατικό συγκριτικά με όσα αναφέρθησαν στην αρχή της υποενότητας. Όμως μόνο μέσω της συγκεκριμένης ιδέας, μπορούσε να λυθεί το πρόβλημα έκφρασης της γωνίας φορτίου συναρτήσει, μόνο, των μεγεθών: Φ m, λ, u veh, F veh. Αντικαθιστώντας τις σχέσεις (4.41) και (4.32) στη σχέση (4.40), προκύπτει ο τελικός τύπος για τη γωνία φορτίου: φ = tan 1 ( 3 p λ Φ m 2 F veh R wh L m ) (4.42) Για την παλμοδότηση των στοιχείων του αντιστροφέα μέσω της επιλεγμένης τεχνικής SVM και της ισοδυναμίας αυτής με carrier-based PWM ημιτονοειδούς χαρακτήρα [39], για τη πολική τάση όπως προκύπτει από την ανάλυση Fourier για τη διαμόρφωση SPWM [38] έχουμε: V π,rms = 6 V dc m 4 (4.43)

102 Κεφάλαιο 4 ο Θεωρώντας πως: V π,rms = V φ,rms 3, λύνοντας ως προς το συντελεστή διαμόρφωσης, κάνοντας την παραδοχή πως η τάση διακένου ισούται με τη φασική τάση στα άκρα του στάτη προκύπτει η εξής σχέση: m = 2 2 Φ m ω e V dc (4.44) Με αντικατάσταση της σχέσης (4.34) στη σχέση (4.44), προκύπτει ο τελικός τύπος για το συντελεστή διαμόρφωσης: m = 2 2 p u veh Φ m λ V dc R wh (4.45) Για τον υπολογισμό της μέγιστης τιμής του φασικού ρεύματος, εφόσον έχει θεωρηθεί πως στη κυματομορφή αυτού δεν εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές, ισχύει πως: I peak = 2 I S (4.46) όπου Ι S =η ενεργός τιμή του ρεύματος του στάτη Αντικαθιστώντας λοιπόν τη σχέση (4.37) στη σχέση (4.46), παίρνουμε την τελική σχέση για το peak του φασικού ρεύματος: I peak = 2 Φ m 2 L m ( F 2 (4.47) veh R wh ) 3 p λ Φ m Αντικαθιστώντας τις σχέσεις (4.42), (4.45) και (4.47) στις σχέσεις (4.21) και (4.22), προκύπτουν οι τελικές σχέσεις που δίνουν τις απώλειες αγωγής για ένα IGBT και μια δίοδο, αντίστοιχα. Για την απλοποίηση των εξισώσεων, θέτοντας: προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις: 3 p λ Φ m 2 F veh R wh L m = W F veh R wh 3 p λ Φ m = K (4.48) (4.49)

103 Κεφάλαιο 4 ο P Q,con= V Q 12π 2 Φ m + 2 K L2 2 m 2 + R Q ( 2 Φ m 2 L m 2 (6 + 2π 6 p u veh Φ m λ V dc R wh + 2 K 2 ) cos(tan 1 (W))) (4.50) ( p u veh Φ m λ V dc R wh 30cos(tan 1 (W)) cos(3 tan 1 (W)) ) 45 π 3 και P D,con= V D 12π 2 Φ m + 2 K L2 2 m 2 + R Q ( 2 Φ m 2 L m 2 (6 2π 6 p u veh Φ m λ V dc R wh + 2 K 2 ) cos(tan 1 (W))) (4.51) ( p u veh Φ m λ V dc R wh 30cos(tan 1 (W)) cos(3 tan 1 (W)) ) 45 π 3 Για τον υπολογισμό των απωλειών αγωγής και των 6 στοιχείων του κάθε είδους, θα πρέπει η πιο πάνω ποσότητα να αυξηθεί έξι φορές. Ομοίως για τις διακοπτικές απώλειες, με αντικατάσταση της σχέσης (4.47) στις σχέσεις (4.25) και (4.26) προκύπτει: P sw,q = f s E Q π 2 Φ m 2 L m K 2 (4.52) P sw,d = f s E D π 2 Φ m 2 L m K 2 (4.53) Συνεπώς για τον υπολογισμό των συνολικών απωλειών του αντιστροφέα, θα πρέπει να προστεθούν οι σχέσεις (4.48)-(4.51) και στη συνέχεια να πολλαπλασιαστούν, όπως προαναφέρθηκε, κατά 6. Επομένως, οι συνολικές διακοπτικές απώλειες εκφράζονται από τη σχέση:

104 Κεφάλαιο 4 ο P inv = V Q 2π 2 Φ 2 m + 2 K L2 2 m (6 + 2π 6 p u veh Φ m λ V dc R wh cos(tan 1 (W))) + 6 R Q ( 2 Φ m 2 L m K 2 ) ( p u veh Φ m λ V dc R wh 30cos(tan 1 (W)) cos(3 tan 1 (W)) ) 45 π 3 + V D 2π 2 Φ 2 m L2 m + 6 R D ( 2 Φ m 2 L m K 2 (6 2π 6 p u veh Φ m λ V dc R wh + 2 K 2 ) cos(tan 1 (W))) (4.54) ( p u veh Φ m λ V dc R wh + 6 f s (E Q + E D ) π 2 Φ m 2 L m K 2 30cos(tan 1 (W)) cos(3 tan 1 (W)) ) 45 π Μετασχηματισμός απωλειών συσσωρευτή Χρησιμοποιώντας τις σχέσεις (4.42), (4.45), (4.47), (4.48), (4.49) και αντικαθιστώντας τες στη σχέση (4.31) προκύπτει η τελική μορφή της εξίσωσης απωλειών των μπαταριών: P bat = ( 2 Φ m 2 L m K 2 ) 6 (cos(tan 1 (W))) 2 R bat (4.55) Με την ολοκλήρωση και του μετασχηματισμού των απωλειών μπαταρίας, είναι δυνατόν να εξαχθεί η εξίσωση απωλειών του ολικού συστήματος Εξίσωση ολικών απωλειών του συστήματος Με το άθροισμα των σχέσεων (4.38), (4.54), (4.55) και αντικαθιστώντας τις σχέσεις (4.48) και (4.49) προκύπτει η εξίσωση των ολικών απωλειών του συστήματος:

105 Κεφάλαιο 4 ο P tot = 3 R S ( Φ m 2 L m 2 + K2 ) + 3 R R K 2 +( K e p2 λ 2 2 u veh 2 + K R h p λ u veh 2 ) Φ wh R m wh + C fw λ2 2 u veh C R stray u 2 2 veh F veh wh 9 p 2 Φ2 m + V Q 2π 2 Φ 2 m L2 m + 2 K 2 (6 + 2π 6 p u veh Φ m λ V dc R wh cos(tan 1 (W))) + 6 R Q ( 2 Φ m 2 L m K 2 ) ( p u veh Φ m λ V dc R wh 30cos(tan 1 (W)) cos(3 tan 1 (W)) ) 45 π 3 (4.56) + V D 2π 2 Φ 2 m L2 m + 2 K 2 (6 2π 6 p u veh Φ m λ V dc R wh cos(tan 1 (W))) +6 R D ( 2 Φ m 2 L m K 2 ) ( p u veh Φ m λ V dc R wh + 6 f s (E Q + E D ) π 2 Φ m 2 L m K 2 30cos(tan 1 (W)) cos(3 tan 1 (W)) ) 45 π 3 + ( 2 Φ m 2 L m K 2 ) 6 (cos(tan 1 (W))) 2 R bat

106 Κεφάλαιο 4 ο

107 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 5.1 Υπολογισμός παραμέτρων επαγωγικής μηχανής Τόσο για τη θεωρητική ανάλυση που παρουσιάζεται σε αυτό το κεφάλαιο όσο και για τη προσομοίωση που θα παρουσιαστεί στο επόμενο κεφάλαιο αλλά και το τελικό πείραμα, χρησιμοποιήθηκε μια διπολική μηχανή ονομαστικής ισχύος 4kW [43]. Με χρήση στοιχείων που δίνονται στο φυλλάδιο κατασκευαστή έγινε και η εκτίμηση των παραμέτρων αυτής Υπολογισμός της αντίστασης του στάτη Για τον υπολογισμό της αντίστασης του στάτη δίνεται από τον κατασκευαστή πως, με dc τροφοδοσία δύο φάσεων της επαγωγικής μηχανής μετρήθηκε αντίσταση: R S,ph ph = Ω. Επειδή η συγκεκριμένη μηχανή έιναι σε συνδεσμολογία τριγώνου, μετρώντας την αντίσταση μέσω του πιο πάνω πειράματος, ουσιαστικά υπολογίστηκε η ισοδύναμη αντίσταση που παρουσιάζει ο παράλληλος συνδυασμός της μίας φάσης με τον εν σειρά συνδιασμό των αντιστάσεων των δύο άλλων φάσεων. Επομένως προκύπτει πως η ισοδύναμη ωμική αντίσταση του τυλίγματος του στάτη (R S ), δίνεται από τον τύπο: R S,ph ph = R S 2R S R S + 2R S R S = 3 2 R S,ph ph R S = Ω Υπολογισμός της επαγωγής μαγνήτισης (Lm) Στο συγκεκριμένο πείραμα γνωστό και ως πείραμα εν κενώ (No-Load Test), ο κινητήρας τροφοδοτείται με εναλλασσόμενη τάση και λειτουργεί εν κενώ, άρα s=0. Το ισοδύναμο κύκλωμα θεωρείται το ακόλουθο, όπου R Fe είναι η αντίσταση σιδήρου:

108 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.1: Ισοδύναμο κύκλωμα επαγωγικού κινητήρα εν κενώ Από το φυλλάδιο του κατασκευαστή προκύπτει πως: V πολ = 400V, I = 1.98A και cosφ = Λύνοντας για τον υπολογισμό του μέτρου της σύνθετης αντίστασης προκύπτει: και για τη γωνία φορτίου: Z = V πολ Ι = = Ω φ = cos = o Λύνοντας το σύστημα των εξισώσεων προκύπτει για τη σύνθετη αντίσταση πυρήνα: Z πυρηνα = j Ω Η σύνθετη αυτή αντίσταση αποτελείται από τον παράλληλο συνδιασμό των L m και R Fe και επομένως ο τύπος μέσω του οποίου υπολογίζεται η μαγνήτισης είναι: όπου X m = L m = X m = ω e 2π f s L m = H = Ω Υπολογισμός των επαγωγών σκέδασης στάτη και δρομέα (Llr,Lls) και της αντίστασης δρομέα (Rr ) Στο συγκεκριμένο πείραμα γνωστό και ως πείραμα ακινητοποιημένου δρομέα (Locked Rotor Test), ο κινητήρας τροφοδοτείται με εναλλασσόμενη τάση και στο δρομέα ασκείται μηχανική ροπή, για παράδειγμα μέσω ενός συστήματος πέδησης. Αυτό γίνεται, ώστε η μηχανή

109 Κεφάλαιο 5 ο να μη στρέφεται και επομένως η ολίσθηση να είναι μονάδα (s = 1). Ο κλάδος του δρομέα θεωρείται πως παρουσιάζει τόσο μικρή αντίσταση ώστε να θεωρηθεί πως όλο το ρεύμα του στάτη περνάει σε αυτόν. Επειδή η μηχανή έχει σύνδεση τριγώνου θεωρείται το μονοφασικό ισοδύναμο με πολική τάση στην είσοδο. Συνεπώς το μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα του κινητήρα είναι το ακόλουθο: Σχήμα 5.2: Κύκλωμα για υπολογισμό L lr, L ls και R R Επιπλέον μια καλή προσέγγιση για την εκτίμηση των επαγωγών σκέδασης είναι να θεωρηθεί πως L lr, = L ls [23]. Χρησιμοποιώντας τις τιμές που παρέχονται από το κατασκευαστή για το ρεύμα και το συντελεστή ισχύος της μηχανής για τις εν λόγω συνθήκες προκύπτει: V πολ = 400 V, I = A και cosφ = Λύνοντας για τον υπολογισμό του μέτρου της σύνθετης αντίστασης προκύπτει: και για τη γωνία φορτίου: Z = V πολ Ι = = Ω φ = cos = o Συνδυάζοντας τις δυο πιο πάνω σχέσεις και λύνοντας το ζεύγος εξισώσεων που προκύπτει για το πραγματικό και το φανταστικό μέρος προκύπτουν οι επιθυμητές σχέσεις. και R R R R = R S = Ω L ls + L lr = = π f s L ls = L lr = H = mh

110 Κεφάλαιο 5 ο Μετασχηματισμός μεγεθών μηχανής Τα πιο πάνω μεγέθη που υπολογίστηκαν, αφορούν τις αντιστάσεις και επαγωγές που εμφανίζει η κάθε φάση της μηχανής. Η μηχανή στην πραγματικότητα έχει σύνδεση τριγώνου με βάση το φυλλάδιο του κατασκευαστή, επειδή όμως τόσο στα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή της ολικής εξίσωσης απωλειών όσο και στο περιβάλλον προσομοίωσης Matlab/Simulink, χρησιμοποιήθηκαν μηχανές με σύνδεση αστέρα, θα πρέπει να μετασχηματιστούν ισοδύναμα και οι αντιστάσεις με χρήση της ακόλουθης σχέσης: Z Y,ισοδυναμο = Z Δ 3 (5.1) Η πιο πάνω σχέση εξασφαλίζει ισοδυναμία ισχύος στην είσοδο. Επομένως τα μεγέθη που θα εισαχθούν τόσο στο θεωρητικό όσο και στο μοντέλο προσομοίωσης είναι τα ακόλουθα: L ls = L lr = R S = = Ω L m = = H R R = = Ω = H = mh Υπολογισμός συντελεστή απωλειών τριβών (Cfw) Στο φυλλάδιο του κατασκευαστή αναφέρεται, πως τα διάφορα πειράματα στην επαγωγική μηχανή για την εξαγωγή των παραμέτρων, γίνονται με βάση το πρότυπο IEC Με βάση αυτό, οι μηχανικές απώλειες υπολογίζονται για την ονομαστική κατάσταση της μηχανής. Χρησιμοποιώντας τα στοιχεία από το φυλλάδιο κατασκευαστή πως: P fw,n = 65 W και ω m,n = 2860 rpm Μετατρέπoντας τα rpm σε rad/s και κάνοντας χρήση της σχέσης (2.34), προκύπτει πως: C fw = 65 (2860 2π 60 ) 2 = W s 2 rad Υπολογισμός συντελεστή κατανεμημένων απωλειών (Cstray) Με παρόμοιο τρόπο όπως υπολογίστηκε και ο συντελεστής απωλειών τριβών, θα υπολογιστεί και ο συντελεστής κατανεμημένων απωλειών. Δηλαδή θα χρησιμοποιηθούν τα

111 Κεφάλαιο 5 ο στοιχεία του κατασκευαστή για την ονομαστική κατάσταση και στη συνέχεια με χρήση της σχέσης (2.38) θα εκτιμηθεί και ο εν λόγω συντελεστής. Από το φυλλάδιο κατασκευαστή προκύπτει: P stray,n = W και P cu,r,n = 197 W Η σχέση μέσω της οποίας εκτιμούνται οι κατανεμημένες απώλειες είναι η ακόλουθη: P stray = 3 C stray ω m 2 2 I R,rms Εφόσον το I R,rms δεν είναι γνωστό για την ονομαστική κατάσταση, θα γίνει μια εκτίμηση αυτού μέσου των απωλειών δρομέα στην ονομαστική κατάσταση, οι οποίες προσεγγίζονται από τη σχέση: P cu,r = 3 R 2 R I R,rms Λύνοντας ως προς I R,rms και αντικαθιστώντας στη σχέση των κατανεμημένων απωλειών, προκύπτει για το ζητούμενο συντελεστή η ακόλουθη σχέση: C stray = P stray,n R R = P cu,r,n ω m,n C stray = W s 2 A 2 rad Υπολογισμός των συντελεστών απωλειών υστέρησης (Kh) και δινορευμάτων (Ke) Για τον υπολογισμό των εν λόγω συντελεστών θα χρησιμοποιηθούν τα δεδομένα από το φυλλάδιο κατασκευαστή για την ονομαστική κατάσταση, όπου: P fe,n = 87 W και s N = 4.6% Χρησιμοποιώντας τη προσεγγιστική σχέση (2.33) για τις απώλειες σιδήρου και λαμβάνοντας υπόψιν πως: και ω e = 2π f s = 100π Φ m,n = V ph,n = 400/ 3 ω e 100π = V sec rad προκύπτει η ακόλουθη εξίσωση δύο μεταβλητών: K e K h = Για να επιλυθεί η εν λόγω σχέση γίνεται η παραδοχή, πως οι απώλειες πυρήνα ισοκατανέμονται μεταξύ απωλειών δινορευμάτων και απωλειών υστέρησης [24] και άρα ισχύει η σχέση: P fe,e,n = P fe,h,n = P fe

112 Κεφάλαιο 5 ο Συνδυάζοντας την πιο πάνω σχέση με την εξίσωση δύο μεταβλητών προκύπτει το ακόλουθο σύστημα: K e = { 2 K h = K e = W { V 2 W sec K h = V 2 rad Για τον ακριβή υπολογισμό των συντελεστών απωλειών υστέρησης και δινορευμάτων, προτείνονται δύο μέθοδοι [44], οι οποίες δεν εφαρμόσθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία λόγω έλλειψης χρόνου. 5.2 Εκτίμηση παραμέτρων αντιστροφέα και συσσωρευτή Εκτίμηση παραμέτρων αντιστροφέα Τα μεγέθη του αντιστροφέα που χρειάζεται να υπολογιστούν ή να εκτιμηθούν, ώστε να καταστεί δυνατός ο υπολογισμός των αυτού είναι: η αντίσταση και η σταθερή πτώση τάσης που εμφανίζουν τα IGBT κατά την αγωγή τους και τα αντίστοιχα μεγέθη για τις αντιπαράλληλες σε αυτά διόδους. Τόσο τα IGBT όσο και η δίοδοι οφείλουν την αγωγή σε φορείς μειονότητας, έτσι η αντίσταση που παρουσιάζουν κατά την αγωγή τους είναι σχεδόν αμελητέα και επομένως περίπου όλο το κομμάτι των απωλειών αγωγής οφείλεται στην ισοδύναμη σταθερή πτώση τάσης που παρουσιάζουν στα άκρα τους. Κοιτάζοντας διάφορα φυλλάδια κατασκευαστών και αναζητώντας στο διαδίκτυο IGBT και διόδους με προδιαγραφές τάσης και ρεύματος που να αντιστοιχούν στον τύπο που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση, προέκυψαν τα εξής στοιχεία: Αντίσταση αγωγής τόσο για το IGBT όσο και για τη δίοδο: R Q = R D Ω = 1 mω Ενώ οι αντίστοιχες τιμές για την τάση που εμφανίζουν κατά την αγωγή τους είναι: V Q 2V και V D 1V Τέλος, για την ολική ενέργεια ανά αμπερ που αποβάλλουν κατά την έναυση και τη σβέση τους προέκυψε: E D = E Q = E on,q + E off,q 0. 2 mj/a

113 Κεφάλαιο 5 ο Εκτίμηση παραμέτρων συσσωρευτή Για την εκτίμηση της εσωτερικής αντίστασης των συσσωρευτών, χρησιμοποιήθηκε η τιμή [11], [45]: R bat = 2 Ω 5.3 Διάγραμμα απωλειών συστήματος Μια τελευταία παράμετρος που μένει να καθοριστεί ώστε να μπορούν να υπολογιστούν οι απώλειες του συστήματος έχοντας ως μεταβλητές: τη μαγνητική ροή Φ m και το λόγο μετάδοσης του CVT λ και ως παραμέτρους τη δύναμη του οχήματος F veh και τη γραμμική ταχύτητα αυτού u veh, είναι η ακτίνα των τροχών του οχήματος. Καθώς έχει επιλεχθεί κινητήρας με ονομαστική ισχύ P N = 4 kw, η ακτίνα του «οχήματος μελέτης» θεωρήθηκε πως είναι R wh = 15 cm = 0.15 m [11], κάτι που θα μπορούσε να θεωρηθεί πως παραπέμπει σε κάποιο όχημα καρτ. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα γραφήματα απωλειών τόσο του ολικού συστήματος αλλά και των επιμέρους συστημάτων αυτού, με χρήση του λογισμικού Matlab, για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων F veh και u veh. Πιο συγκεκριμένα θα παρουσιαστούν γραφήματα για τρεις διαφορετικές δυνάμεις: F veh = 20N, 40N και 80 N και τέσσερις διαφορετικές ταχύτητες u veh = 5, 10, 15 και 20 m/s. Τα όρια των μεβλητών τέθηκαν ως εξής: και 1 λ 4 (5.2) 0.4 Φ m V sec rad (5.3) όπου η τιμή της ροής για 0.4 αντιστοιχεί περίπου στο 50% της ονομαστικής της τιμής. Μετά από αρκετούς πειραματισμούς, παρατηρήθηκε ότι για μικρές τιμές της ροής οι συνολικές απώλειες λάμβαναν ιδιαίτερα υψηλή τιμή. Έχοντας λοιπόν ως στόχο να παρατεθούν διαγράμματα στα οποία α) θα επιβεβαιώνεται η ύπαρξη σημείου στο οποίο οι ολικές απώλειες του συστήματος ελαχιστοποιούνται και β) δεν θα περιέχονται ακραίες τιμές, κάτι που θα καθιστούσε τον ποιοτικό σχολιασμό των γραφημάτων αδύνατο, το κάτω όριο για την τιμή της ροής επιλέχθηκε κοντά στο 50% Διαγράμματα απωλειών για F veh = 80 N και μεταβλητή ταχύτητα οχήματος Για ταχύτητα οχήματος u veh = 5 m/s = 18 km/h, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 400 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα:

114 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.3: Ολικές απώλειες συστήματος για F veh = 80 N και u veh = 5 m/s Σχήμα 5.4: Απώλειες κινητήρα για F veh = 80 N και u veh = 5 m/s

115 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.5: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 80 N και u veh = 5 m/s Σχήμα 5.6: Απώλειες συσσωρευτών για F veh = 80 N και u veh = 5 m/s Για ταχύτητα οχήματος u veh = 10 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 800 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα:

116 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.7: Ολικές απώλειες συστήματος για F veh = 80 N και u veh = 10 m/s Σχήμα 5.8: Απώλειες κινητήρα για F veh = 80 N και u veh = 10 m/s

117 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.9: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 80 N και u veh = 10 m/s Σχήμα 5.10: Απώλειες συσσωρευτών για F veh = 80 N και u veh = 10 m/s Για ταχύτητα οχήματος u veh = 15 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 1200 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα:

118 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.11: Ολικές απώλειες συστήματος για F veh = 80 N και u veh = 15 m/s Σχήμα 5.12: Απώλειες κινητήρα για F veh = 80 N και u veh = 15 m/s

119 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.13: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 80 N και u veh = 15 m/s Σχήμα 5.14: Απώλειες συσσωρευτών για F veh = 80 N και u veh = 15 m/s Τέλος, για ταχύτητα οχήματος u veh = 20 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 1600 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα:

120 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.15: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 80 N και u veh = 20 m/s Σχήμα 5.16: Απώλειες κινητήρα για F veh = 80 N και u veh = 20 m/s

121 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.17: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 80 N και u veh = 20 m/s Σχήμα 5.18: Απώλειες συσσωρευτών για F veh = 80 N και u veh = 20 m/s Παρατηρώντας τα πιο πάνω διαγράμματα φαίνεται πως σε όλες τις περιπτώσεις το γράφημα των ολικών απωλειών ακολουθεί τη μορφή του διαγράμματος των απωλειών του κινητήρα. Το εν λόγω φαινόμενο, είναι αναμενόμενο καθώς το μεγαλύτερο κομμάτι των απωλειών του

122 Κεφάλαιο 5 ο συστήματος, αποτελούν οι απώλειες του κινητήρα. Επίσης, παρατηρείται πως για τιμές του λόγου μετάδοσης κοντά στη μονάδα το σημείο ελάχιστων απωλειών του κινητήρα βρίσκεται στην ονομαστική ροή, ενώ για μεγαλύτερες τιμές το σημείο ελάχιστων απωλειών όσον αφορά τη μαγνητική ροή αρχίζει να μετατοπίζεται προς όλο και μικρότερες τιμές καθώς ο λόγος μετάδοσης αυξάνεται. Για να γίνει περισσότερο κατανοητή η πιο πάνω ανάλυση θα παρατεθούν, για ακόμη μια φορά οι σχέσεις που συνδέουν την ταχύτητα του οχήματος με τη γωνιακή ταχύτητα του άξονα της μηχανής καθώς τη δύναμη F veh με τη ροπή στον άξονα: T e = F veh R wh λ (5.4) ω e = λ u veh R wh (5.5) Η σχέση (5.5) έχει αυτή τη μορφή καθώς στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε προσομοίωση διπολικής μηχανής, δηλαδή p=1. Η ανάλυση που θα ακολουθήσει είναι βέβαια ανεξάρτητη των πόλων της μηχανής και τα συμπεράσματα μπορούν να γενικευθούν χωρίς πρόβλημα. Στο σημείο αυτό θα παρατεθεί η σχέση (2.22), που εκφράζει την ροπή στον άξονα της μηχανής, καθώς και η σχέση που συνδέει τα ρεύματα της μηχανής στη μόνιμη κατάσταση [22], αντίστοιχα: καθώς για το ρεύμα μαγνήτισης ισχύει η σχέση: T e = 3 p Φ m I R (5.6) I S 2 = I m 2 + I R 2 (5.7) I m = Φ m L m (5.8) ενώ, λύνοντας της σχέση (5.6) ως προς I R και αντικαθιστώντας τη σχέση (5.4) προκύπτει: I R = F veh R wh 3 p λ Φ m (5.9) Με χρήση και συνδυασμό των πιο πάνω εξισώσεων μπορούν να εξαχθούν όλα τα απαραίτητα συμπεράσματα. Για δεδομένη ροπή στον άξονα το γινόμενο Φ m I R έχει μια σταθερή τιμή, κάτι που σημαίνει πως εάν η τιμή της ροής του πυρήνα μειωθεί, θα πρέπει να αυξηθεί κατά έναν αντίστοιχο συντελεστή το ρεύμα του δρομέα. Ας γίνει μια προσπάθεια ερμηνείας των επιπτώσεων αύξησης του λ, διατηρώντας παράλληλα σταθερή τη μαγνητική ροή του πυρήνα. Αρχικά όπως φαίνεται και από τη σχέση (5.5), θα αυξηθεί η μηχανική ταχύτητα του άξονα και άρα και το ω e, επομένως θα έχουμε

123 Κεφάλαιο 5 ο αύξηση των απωλειών σιδήρου, σχέση (2.33), και των μηχανικών απωλειών (2.34) οι οποίες όμως έχουν μικρή τιμή. Επιπρόσθετα, μέσω της σχέσης (5.9) φαίνεται πως θα μειωθεί το ρεύμα του δρομέα, άρα και οι απώλειες αυτού. Επιπλέον, επειδή το Ι m θα παραμείνει αμετάβλητο και το ρεύμα του δρομέα θα μειωθεί, μέσω της σχέσης (5.7) φαίνεται πως το ρεύμα του στάτη θα μειωθεί επίσης, οδηγώντας έτσι στη μείωση των απωλειών χαλκού σε αυτόν. Επομένως, διατηρώντας σταθερή τη μαγνητική ροή στον πυρήνα και αυξάνοντας το λόγο μετάδοσης είναι αναμενόμενο οι απώλειες σιδήρου να αποκτούν όλο και μεγαλύτερο αντίκτυπο στις συνολικές απώλειες της μηχανής καθώς οι απώλειες χαλκού ολοένα και μειώνονται. Για το συγκεκριμένο λόγο λοιπόν, αναμένεται για υψηλές τιμές του λόγου μετάδοσης να «μετακινείται» το σημείο βέλτιστης ροής προς όλο και μικρότερες τιμές συγκριτικά με την ονομαστική, σε μια «προσπάθεια» συγκερασμού της μείωσης των απωλειών σιδήρου και της αύξησης των μαγνητικών απωλειών. Στη περίπτωση τώρα, αύξησης της μαγνητικής ροής διατηρώντας παράλληλα σταθερό το λόγο μετάδοσης προκύπτουν οι ακόλουθες μεταβολές. Μέσω της σχέσης (5.8) φαίνεται πως το ρεύμα μαγνήτισης θα αυξηθεί, ενώ παράλληλα θα αυξηθούν και οι απώλειες. Αντίθετα το ρεύμα του δρομέα αναμένεται να μειωθεί, σχέση (5.9), και άρα και οι απώλειες χαλκού αυτού. Επιπλέον θα μειωθούν και οι απώλειες και οι κατανεμημένες απώλειες, οι οποίες όμως όπως και στη περίπτωση των μηχανικών απωλειών προηγουμένως δεν παίζουν μεγάλο ρόλο στις συνολικές απώλειες. Μέσω της σχέσης (5.7), επειδή από τη μια έχουμε αύξηση του ρεύματος μαγνήτισης και από την άλλη μείωση του ρεύματος δρομέα, το τι θα συμβεί με το ρεύμα του στάτη και άρα με τις απώλειες χαλκού αυτού δεν είναι ξεκάθαρο. Γενικά για υψηλές τιμές δύναμης οχήματος, επομένως και ροπής στον άξονα της μηχανής, η βέλτιστη μαγνητική ροή αναμένεται να διατηρείται κοντά στην ονομαστική τιμή της, ενώ αντίθετα για χαμηλές τιμές φόρτισης του άξονα και αυξημένη ταχύτητα περιστροφής αναμένεται η βέλτιστη ροή να απομακρύνεται της ονομαστικής. Ως γενικό σχόλιο, αναμένεται η βέλτιστη τιμή τόσο του λόγου μετάδοσης όσο και της μαγνητικής ροής να λαμβάνει τέτοια τιμή ώστε να υπάρχει «μια ισορροπία» μεταξύ των απωλειών χαλκού και των απωλειών σιδήρου της μηχανής. Όσον αφορά τις απώλειες του αντιστροφέα, μέσω των σχέσεων (4.21), (4.22), (4.25) και (4.26) φαίνεται πως υπάρχει ισχυρή εξάρτηση από τη μέγιστη τιμή του φασικού ρεύματος της μηχανής I peak, δηλαδή από το ρεύμα του στάτη. Επομένως, αναμένεται το τρισδιάστατο γράφημα των απωλειών του αντιστροφέα να ακολουθεί το αντίστοιχο του ρεύματος στάτη. Για του λόγου το αληθές, παρατίθεται σε αυτό το σημείο το γράφημα των απωλειών χαλκού του

124 Κεφάλαιο 5 ο στάτη, το οποίο και έχει μορφή αντίστοιχη με αυτής του ρεύματος στάτη. Ενδεικτικά θα συγκριθεί το διάγραμμα απωλειών χαλκού του στάτη με αυτό των απωλειών του αντιστροφέα για το ζεύγος F veh = 80 N και u veh = 10 m/s. Σχήμα 5.19: Σύγκριση τρισδιάστατου γραφήματος α) απωλειών αντιστροφέα και β) απωλειών χαλκού στάτη για F veh = 80 N και u veh = 20 m/s Επιπλέον, παρατίθενται και τα τρισδιάστατα γραφήματα των απωλειών χαλκού δρομέα και απωλειών πυρήνα για το ίδιο ζεύγος τιμών δύναμης και ταχύτητας οχήματος, ώστε να γίνει ακόμη πιο κατανοητή η πιο πάνω ανάλυση. Σχήμα 5.20: Τρισδιάστατο γράφημα α) απωλειών χαλκού δρομέα και β) απωλειών σιδήρου/πυρήνα για F veh = 80 N και u veh = 20 m/s Τέλος, το γράφημα για απώλειες συσσωρευτή φαίνεται να είναι αμετάβλητο τόσο ως προς τη μαγνητική ροή όσο και ως προς το λόγο μετάδοσης. Ο προσεγγιστικός τύπος για την εκτίμηση του ρεύματος συσσωρευτή δίνεται από τη Σχέση Βάσει αυτής, κάτι τέτοιο δεν

125 Κεφάλαιο 5 ο μπορεί να ερμηνευθεί καθώς το εν λόγω ρεύμα είναι συνάρτηση τόσο της μαγνητικής ροής όσο και του λόγου μετάδοσης. I dc = I in,mean = ( 2 Φ m 2 L m F 2 2 veh R wh 9 p 2 λ 2 Φ2 ) 6 m cos (tan 1 ( 3 p λ Φ m 2 F veh R wh L m )) (5.10) Το εν λόγω γράφημα αναμενόταν να εμφανίζει μορφή ανάλογη με το γράφημα των ολικών απωλειών του συστήματος, καθώς για δεδομένη ισχύ στην έξοδο η ισχύς απωλειών είναι αυτή που καθορίζει και την ισχύ εισόδου, άρα και τη τιμή του ρεύματος στην είσοδο. Τέλος, με αύξηση της ισχύος του οχήματος P veh, όπου P veh = F veh u veh, παρατηρείται αύξηση των απωλειών ισχύος στη μπαταρία, κάτι που είναι απόλυτα λογικό καθώς αναμένεται και αύξηση της ισχύος εισόδου σε βαθμό ανάλογο με αυτόν της αύξησης του φορτίου εξόδου Διαγράμματα απωλειών για F veh = 40 Ν και μεταβλητή ταχύτητα οχήματος Για ταχύτητα οχήματος u veh = 5 m/s = 18 km/h, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 200 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.21: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 40N και u veh = 5m/s

126 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.22: Απώλειες κινητήρα για F veh = 40N και u veh = 5m/s Σχήμα 5.23: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 40N και u veh = 5m/s

127 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.24: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 40N και u veh = 5m/s Για ταχύτητα οχήματος u veh = 10 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 400 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.25: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 40N και u veh = 10m/s

128 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.26: Απώλειες κινητήρα για F veh = 40N και u veh = 10m/s Σχήμα 5.27: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 40N και u veh = 10m/s

129 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.28: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 40N και u veh = 10m/s Για ταχύτητα οχήματος u veh = 15 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 600 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.29: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 40N και u veh = 15m/s

130 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.30: Απώλειες κινητήρα για F veh = 40N και u veh = 15m/s Σχήμα 5.31: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 40N και u veh = 15m/s

131 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.32: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 40N και u veh = 15m/s Τέλος, για ταχύτητα οχήματος u veh = 20 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 800 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.33: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 40N και u veh = 20m/s

132 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.34: Απώλειες κινητήρα για F veh = 40N και u veh = 20m/s Σχήμα 5.35: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 40N και u veh = 20m/s

133 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.36: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 40N και u veh = 20m/s Διαγράμματα απωλειών για F veh = 20 Ν και μεταβλητή ταχύτητα οχήματος Για ταχύτητα οχήματος u veh = 5 m/s = 18 km/h, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 100 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.37: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 20N και u veh = 5m/s

134 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.38: Απώλειες κινητήρα για F veh = 20N και u veh = 5m/s Σχήμα 5.39: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 20N και u veh = 5m/s

135 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.40: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 20N και u veh = 5m/s Για ταχύτητα οχήματος u veh = 10 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 200 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.41: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 20N και u veh = 10m/s

136 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.42: Απώλειες κινητήρα για F veh = 20N και u veh = 10m/s Σχήμα 5.43: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 20N και u veh = 10m/s

137 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.44: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 20N και u veh = 10m/s Για ταχύτητα οχήματος u veh = 15 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 300 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.45: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 20N και u veh = 15m/s

138 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.46: Απώλειες κινητήρα για F veh = 20N και u veh = 15m/s Σχήμα 5.47: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 20N και u veh = 15m/s

139 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.48: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 20N και u veh = 15m/s Τέλος, για ταχύτητα οχήματος u veh = 20 m/s, η ισχύς του οχήματος είναι P veh = 400 W, προκύπτουν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 5.49: Απώλειες ολικού συστήματος για F veh = 20N και u veh = 20m/s

140 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.50: Απώλειες κινητήρα για F veh = 20N και u veh = 20m/s Σχήμα 5.51: Απώλειες αντιστροφέα για F veh = 20N και u veh = 20m/s

141 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.52: Απώλειες συσσωρευτή για F veh = 20N και u veh = 20m/s Αναλύοντας τα πιο πάνω διαγράμματα, επαληθεύεται η ανάλυση που έγινε στην ενότητα και γίνεται εμφανής η επίδραση των απωλειών σιδήρου στη μορφή τόσο των απωλειών του κινητήρα όσο και των ολικών απωλειών και στο γεγονός πως η βέλτιστη ροή βρίσκεται πλέον σε τιμές όλο και μικρότερες της ονομαστικής. Τέλος, να αναφερθεί πως παρατηρείται σημαντική μείωση των απωλειών με μείωση της ισχύος εξόδου κάτι που είναι απόλυτα αναμενόμενο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει ο Πίνακας 5.1, όπου παρουσιάζονται οι βέλτιστες τιμές όσον αφορά το λόγο μετάδοσης και τη μαγνητική ροή για τις παραμέτρους F veh και u veh που μελετήθηκαν και πιο πάνω. Στις δύο πρώτες στήλες του Πίνακα 5.1, βρίσκονται οι τιμές των παραμέτρων F veh και U veh για τις οποίες σχεδιάστηκαν και τα παρατεθέντα τρισδιάστατα γραφήματα, ενώ στη τρίτη στήλη φαίνεται η αντίστοιχη ισχύς του οχήματος. Στην τέταρτη και πέμπτη στήλη του πίνακα βρίσκονται η τιμή της μαγνητικής ροής Φ opt και του λόγου μετάδοσης λ opt, αντίστοιχα, για τις οποίες οι ολικές απώλειες των πιο πάνω γραφημάτων παρουσιάζουν ελάχιστο, ενώ στη τελευταία στήλη Φ opt (%) παρουσιάζεται η τιμή της Φ opt ως ποσοστό επι τοις εκατό της ονομαστικής τιμής. Στην έκτη και έβδομη στήλη του πίνακα βρίσκονται η τιμή της μαγνητικής ροής Φ κινητ και του λόγου μετάδοσης λ κινητ, αντίστοιχα, για τις οποίες οι απώλειες κινητήρα των πιο πάνω γραφημάτων παρουσιάζουν ελάχιστο. Στην όγδοη στήλη του πίνακα βρίσκεται

142 Κεφάλαιο 5 ο η ελάχιστη τιμή των απωλειών του ολικού συστήματος και στην προτελευταία στήλη παρουσιάζεται το ποσό ισχύος σε W, που εξοικονομείται συγκριτικά με τον εάν το σύστημα λειτουργούσε στο σημείο όπου ελαχιστοποιούνται οι απώλειες του κινητήρα. Πίνακας 5.1: Πίνακας υπολογισμού εξοικονομούμενης ισχύος για λειτουργία στο σημείο ελάχιστων απωλειών του συστήματος, συγκριτικά με λειτουργία στο σημείο ελάχιστων απωλειών του κινητήρα Από τον Πίνακα 5.1 προκύπτει πως τα σημεία ελάχιστων απωλειών του κινητήρα και του ολικού συστήματος ναι μεν διαφέρουν, αλλά η «περαιτέρω» εξοικονόμηση ισχύος που επιτυγχάνεται είναι ιδιαίτερα χαμηλή. Ένα επίσης αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό είναι πως για δεδομένη ισχύ οχήματος και για διαφορετικές τιμές των μεταβλητών F veh και U veh το σημείο βέλτιστης λειτουργίας όσον αφορά τη μαγνητική ροή παραμένει σταθερό, ενώ ο λόγος μετάδοσης είναι τέτοιος έτσι ώστε η ροπή και η γωνιακή ταχύτητα του άξονα της μηχανής να είναι οι ίδιες. Μια τέτοια περίπτωση είναι και για P veh = 400 W, η οποία και επιτυγχάνεται με τρία ζεύγη τιμών από τα παραπάνω τα οποία είναι: F veh = 80 N και U veh = 5m/s, F veh = 40 N και U veh = 10 m/s και F veh = 20 N και U veh = 20 m/s. Κοιτώντας τις αντίστοιχες τιμές στον πίνακα βλέπουμε πως για την περίπτωση όπου F veh = 40 N και F veh = 20 N, οι βέλτιστες τιμές για τη μαγνητική ροή είναι ίδιες, ενώ ο λόγος F veh λ και το γινόμενο ω λ, παραμένουν σταθερά. Στη περίπτωση που F veh = 80 N φαίνεται πως ο πιο πάνω συλλογισμός δεν επαληθεύεται γιατί φτάνει στη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή ο λόγος μετάδοσης και έτσι δεν μπορούν να ικανοποιηθούν οι παραπάνω συνθήκες

143 Κεφάλαιο 5 ο 5.4 Συμπεράσματα Μέσω των γραφημάτων της προηγούμενης ενότητας μπορούν να εξαχθούν μερικά χρήσιμα συμπεράσματα. Όπως φάνηκε λοιπόν και από τα πιο πάνω διαγράμματα, η επιτεύξη του στόχου ελαχιστοποίησης των απωλειών του ολικού συστήματος είναι έφικτη μεταβάλλοντας τη μαγνητική ροή και το λόγο μετάδοσης. Όπως αναμενόταν οι απώλειες του κινητήρα αποτελούν το μεγαλύτερο τμήμα των απωλειών του συνολικού συστήματος και άρα η συμπεριφορά αυτών καθορίζει και τη συμπεριφορά του συστήματος. Δεύτερες σε τάξη μέγεθος, είναι οι απώλειες του αντιστροφέα, ενώ το μικρότερο κομμάτι των απωλειών του συστήματος αποτελούν οι απώλειες των συσσωρευτών. Για δεδομένη τιμή του λόγου μετάδοσης και της δύναμης οχήματος αναμένεται, με αύξηση της ταχύτητας η βέλτιστη τιμή της μαγνητικής ροής να απομακρύνεται από την ονομαστική τιμή, δηλαδή να μειώνεται. Επιπλέον, για υψηλές τιμές φορτίων αναμένεται η βέλτιστη ροή να είναι κοντά στην ονομαστική, ενώ για μικρότερα φορτία να «απομακρύνεται» από αυτήν. Όσον αφορά το λόγο μετάδοσης, η βέλτιστη τιμή αυτού αναμένεται να έχει μεγάλες τιμές σε περιπτώσεις όπου η ταχύτητα του οχήματος έιναι μικρή και η δύναμη μεγάλη, ενώ αντίστοιχα αναμένεται να λαμβάνει μικρή τιμή για μικρές δυνάμεις και μεγάλες ταχύτητες. Τέλος, το σημείο βέλτιστων απωλειών του ολικού συστήματος διαφέρει από το σημείο βέλτιστων απωλειών του κινητήρα, αλλά η εξοικονόμηση ενέργειας που γίνεται είναι πάρα πολύ μικρή και μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα

144 Κεφάλαιο 5 ο

145 Κεφάλαιο 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΜATLAB/SIMULINK 6.1 Μοντελοποίηση συνιστωσών μερών του κινητήριου συστήματος Μοντελοποίηση συσσωρευτή Για τη μοντελοποίηση του συσσωρευτή χρησιμοποιήθηκε το ισοδύναμο της πηγής σταθερής τάσης, εν σειρά με μια ωμική αντίσταση η οποία μοντελοποιεί τις ωμικές απώλειες του συσσωρευτή. Το μοντέλο του συσσωρευτή φαίνεται στο Σχήμα 6.1: Σχήμα 6.1: Μοντελοποίηση συσσωρευτή Μοντελοποίηση τριφασικού αντιστροφέα Για τη μοντελοποίηση του τριφασικού αντιστροφέα, χρησιμοποιήθηκε το block «Universal Bridge» του Simulink με αριθμό κλάδων 3 και ως ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος επιλέχθηκαν IGBT. Το block «Universal Bridge», καθώς και το ποιες παράμετροι των στοιχείων μπορούν να ρυθμιστούν μέσω αυτού, φαίνονται στα Σχήματα 6.2 και

146 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.2: Μοντελοποίηση τριφασικού αντιστροφέα Σχήμα 6.3: Μοντέλο Universal Bridge στο Simulink και δυνατότητα ρύθμισης παραμέτρων Όπως φαίνεται και από το Σχήμα 6.3, υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της σταθερής πτώσης τάσης που θα εμφανίζουν κατά την αγωγή τα ημιαγωγικά στοιχεία (forward voltage) και η δυνατότητα ρύθμισης της αντίστασης κατά την αγωγή μόνο για τα στοιχεία IGBT. Η αντίσταση που εμφανίζει κατά την αγωγή μια δίοδος είναι ιδιαίτερα χαμηλή, της τάξεως των mω, επομένως το κομμάτι των απωλειών αγωγής που δεν μπορούν να μοντελοποιηθούν θεωρείται πως δεν έχει καμία αξιόλογη επίπτωση στις απώλειες του ολικού συστήματος και επομένως

147 Κεφάλαιο 6 ο μπορεί να αμεληθεί δίχως σφάλμα. Το σημαντικό στοιχείο που προκύπτει μέσω του Σχήματος 6.3, είναι πως δεν υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης μεγεθών που να μοντελοποιούν τις διακοπτικές απώλειες των στοιχείων. Γνωρίζοντας πως, το κομμάτι των διακοπτικών απωλειών επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τις απώλειες ισχύος του αντιστροφέα, για να υπάρξει ακρίβεια στο μοντέλο προσομοίωσης όσον αφορά το κομμάτι των ολικών απωλειών και αντιστοίχιση με το θεωρητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 5, έπρεπε με κάποιο τρόπο να γίνει η μοντελοποίησή τους. Μη μοντελοποιώντας τις διακοπτικές απώλειες, το ρεύμα στην είσοδο θα εμφάνιζε μικρότερη τιμή από ότι στην πραγματικότητα και άρα το ίδιο θα συνέβαινε και με τις απώλειες στην εν σειρά αντίσταση των συσσωρευτών. Έτσι, έπρεπε να χρησιμοποιηθεί κάποιος τρόπος ώστε να επηρεάζεται το ρεύμα στην είσοδο, μοντελοποιώντας παράλληλα τις διακοπτικές απώλειες. Η μοντελοποίηση των διακοπτικών απωλειών, επιλέχθηκε να γίνει με μια μονοφασική πηγή ρεύματος παράλληλα με το κομμάτι της ανορθωτικής διάταξης και στην πλευρά της DC τάσης. Ο τρόπος μοντελοποίησης παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.4. Σχήμα 6.4: Μοντελο αντιστροφέα με ενσωμάτωση διακοπτικών απωλειών αντιστροφέα Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 6.4, χρησιμοποιείται μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος. Η τιμή της στιγμιαίας τιμής του ρεύματος υπολογίζεται μέσω του Σχήματος

148 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.5: Block υπολογισμού στιγμιαίας τιμής της ελεγχόμενης πηγής ρεύματος για μοντελοποίηση των διακοπτικών απωλειών Στο Σχήμα 6.6 απεικονίζεται η εσωτερική δομή του block του Σχήματος 6.5: Σχήμα 6.6: Εσωτερική δομή του block του Σχήματος 6.5 Μετρώντας μέσω αμπερομέτρων τα ρεύματα σε 2 φάσεις του κινητήρα και εφαρμόζοντας στη συνέχεια το μετασχηματισμό Clarke που αφήνει αναλλοίωτα τα πλάτη των μετασχηματιζόμενων μεγεθών (σχέση (3.29)), υπολογίζονται οι συνιστώσες των ρευμάτων εξόδου του αντιστροφέα για τους d και q άξονες. Στη συνέχεια, υπολογίζοντας το μέτρο του εν

149 Κεφάλαιο 6 ο λόγω διανύσματος προκύπτει και η peak τιμή του φασικού ρεύματος. Στη συνέχεια μέσω των σχέσεων (4.25),(4.26) εκτιμώνται οι διακοπτικές απώλειες. Τέλος, μετρώντας τη DC τάση μετά την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, η εν λόγω τάση απεικονίζεται στο block διάγραμμα ως «Vdc_inverter», υπολογίζεται η τιμή της ελεγχόμενης πηγής ρεύματος έτσι ώστε σε κάθε χρονική στιγμή να ισχύει η σχέση: P sw = V dc,inverter I Psw (6.1) Εξασφαλίζοντας πως η στιγμιαία ισχύς ισούται με την ισχύ των διακοπτικών απωλειών, είναι σίγουρο πως και η ενεργός ισχύς θα ισούται με P sw Μοντελοποίηση τριφασικού επαγωγικού κινητήρα Για τη μοντελοποίηση του τριφασικού επαγωγικού κινητήρα, χρησιμοποιήθηκε το block «Asynchronous Machine SI Units» με είσοδο μηχανική ροπή στον άξονα (Τ m ) και ως παράμετροι χρησιμοποιήθηκαν τα στοιχεία της μηχανής που υπολογίστηκαν στο κεφάλαιο 5. Το εν λόγω block απεικονίζεται στο Σχήμα 6.7. Μέσω του συγκεκριμένου block για τη προσομοίωση λειτουργίας της μηχανής δεν μοντελοποιούνται οι απώλειες σιδήρου και οι κατανεμημένες απώλειες. Σχήμα 6.7: Μοντέλο τριφασικής ασύγχρονης μηχανής και παράμετροι

150 Κεφάλαιο 6 ο Στη παρούσα διπλωματική εργασία, έγινε προσπάθεια μοντελοποίησης μόνο των απωλειών σιδήρου καθώς αποτελούν μια ιδιαίτερα σημαντική συνιστώσα των απωλειών του κινητήρα. Με παρόμοιο τρόπο, όπως με αυτόν που ακολουθήθηκε για τις απώλειες σιδήρου μπορούν να μοντελοποιηθούν σε μελλοντικές εργασίες και οι κατανεμημένες απώλειες. Με παρόμοια λογική όπως και στην περίπτωση μοντελοποίησης των διακοπτικών απωλειών του αντιστροφέα το ολικό σύστημα προσεγγίζει περισσότερο την λειτουργία της πραγματικής μηχανής. Μη λαμβάνοντας υπόψιν τις απώλειες πυρήνα, επειδή τα ρεύματα της μηχανής καθορίζουν και τις τιμές των ρευμάτων στα υπόλοιπα σημεία του κυκλώματος, οι απώλειες του αντιστροφέα και των συσσωρευτών θα υποεκτιμούνταν κατά έναν τρόπο. Η ενσωμάτωση των απωλειών σιδήρου λοιπόν, θα οδηγήσει στην αύξηση των φασικών ρευμάτων στην έξοδου του αντιστροφέα, άρα και στην αύξηση τόσο της μέσης και της ενεργού τιμής του ρεύματος στα ημιαγωγικά στοιχεία όσο και της τιμής του ρεύματος εισόδου. Η μοντελοποίηση των απωλειών του αντιστροφέα έγινε με τρεις ελεγχόμενες μονοφασικές πηγές ρεύματος. Ο τρόπος μοντελοποίησης παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.8. Σχήμα 6.8: Μοντέλο τριφασικού επαγωγικού κινητήρα με ενσωμάτωση των απωλειών σιδήρου

151 Κεφάλαιο 6 ο Οι αντιστάσεις R mat χρησιμοποιήθηκαν καθαρά για προγραμματιστικούς λόγους, καθώς το πρόγραμμα Simulink δεν επέτρεπε την παράλληλη σύνδεση πηγών ρεύματος. Οι τιμές των αντιστάσεων είναι της τάξεως των MΩ και επιλέχθηκαν να έχουν τόσο υψηλή τιμή ώστε να περιορίζεται στο ελάχιστο η επιρροή τους στο κύκλωμα. Ο τρόπος με τον οποίο υπολογίζεται για κάθε χρονική στιγμή η τιμή του ρεύματος της κάθε πηγής απεικονίζεται στα ακόλουθα Σχήματα 6.9, 6.10 και Σχήμα 6.9: Block υπολογισμού στιγμιαίας τιμής των ελεγχόμενων πηγών ρεύματος, για μοντελοποίηση των απωλειών σιδήρου Η παρουσία του ρολογιού (clock1) του σχήματος είναι καθαρά για προγραμματιστικούς λόγους και αφορά την αρχική κατάσταση λειτουργίας ώστε να μπορεί να λειτουργήσει σωστά το μοντέλο. Μέσω των τιμών της σύγχρονης και της ταχύτητας του άξονα, γίνεται εκτίμηση και της ολίσθησης για κάθε χρονική στιγμή. Οι είσοδοι V d και V q είναι οι μετασχηματισμένες κατά Clarke ποσότητες των φασικών τάσεων της μηχανής, ενώ η είσοδος «Roi», αντιστοιχεί στο μέτρο του διανύσματος της ροής (Roi = Roi 2 d + Roi2 q ), το οποίο κάθε χρονική στιγμή ισούται με το πλάτος της ημιτονοειδούς κυματομορφής της φασικής ροής. Για την εκτίμηση της τάσης σε κάθε φάση του αντιστροφέα έχει χρησιμοποιηθέι ένα ωμικό τριφασικό φορτίο σε σύνδεση αστέρα, παράλληλα με την τριφασική επαγωγική μηχανή. Το εν λόγω φορτίο έχει και αυτό τιμές αντιστάσεων τάξεως των ΜΩ, ώστε να ελαχιστοποιείται η επιρροή του στο συνολικό σύστημα. Οι τιμές των αντιστάσεων επιλέγονται πολύ υψηλές, έτσι ώστε να

152 Κεφάλαιο 6 ο «τραβάνε» το ελάχιστο δυνατό ρεύμα από τον αντιστροφέα και να μην επιβαρύνουν το κύκλωμα με περαιτέρω απώλειες. Σχήμα 6.10: Τριφασικό ωμικό φορτίο για την εκτίμηση των φασικών τάσεων της μηχανής Εξετάζοντας το σχήμα 6.9 φαίνεται πως στη δεξιά πλευρά, υπάρχουν τα block «Delay», τα οποία και χρησιμοποιήθηκαν για να λυθεί το πρόβλημα των «algebraic loops», που εμφανίζεται όταν υπάρχουν βρόγχοι ανατροφοδότησης εντός ενός κύκλου εκτέλεσης του προγράμματος. Τέλος, παρουσιάζεται η δομή στο εσωτερικό του block «Montelopoihsh_Pfe» στο Σχήμα Σχήμα 6.11: Εσωτερική δομή του block «Montelopoihsh_Pfe»

153 Κεφάλαιο 6 ο Οι απώλειες σιδήρου εκιτμώνται μέσω των σημάτων εισόδου και της σχέσης (2.33). Με βάση το μετασχηματισμό Clarke, όπως αναφέρθηκε και προηγούμενως για το μέγεθος της ροής, ισχύει η σχέση: άρα V φ,peak = V d 2 + V q 2 V φ,rms = V φ,peak 2 V 2 d + V2 q = 2 (6.2) (6.3) Εφόσον οι απώλειες σιδήρου δεν σχετίζονται με φασικά μεγέθη αλλά αφορούν τον τριφασικό κινητήρα, θα πρέπει η κάθε πηγή ρεύματος να συνεισφέρει κατά 1/3 στις συνολικές απώλειες σιδήρου. Το τελικό βήμα του καθορισμού της τιμής των ελεγχόμενων πηγών ρεύματος κάθε χρονική στιγμή προκύπτει από τον ακόλουθο συλλογισμό. Η τιμή του ρεύματος σε κάθε φάση θα είναι τόση, όση εάν από εκείνο το σημείο του κυκλώματος συνδεόταν ένα τριφασικό ωμικό φορτίο. Κάνοντας τη προσέγγιση πως οι φασικές κυματομορφές τάσεων στην έξοδο του αντιστροφέα έχουν ημιτονοειδή μορφή, προκύπτει η σχέση: 3 = V 2 φ,rms (6.4) R fe P fe και αντικαθιστώντας για κάθε φάση (x) τη σχέση: I x = V φx R fe (6.5) προκύπτει για κάθε χρονική στιγμή η τιμή για κάθε ελεγχόμενη πηγή ρεύματος Υλοποίηση μεθόδου ελέγχου ροπής και ροής ασύγχρονου κινητήρα Για τον έλεγχο ροπής και ροής του κινητήρα εντός χρονικού διαστήματος Τs, υλοποιήθηκε η μέθοδος που παρουσιάστηκε στα Κεφάλαια 3.6 και 3.7. Το block μέσω του οποίου εξάγεται το διάνυσμα αναφοράς για την SVM διαμόρφωση εύρους των παλμών την ημιαγωγικών στοιχείων παρατίθεται στο Σχήμα

154 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.12: Block δημιουργίας διανύσματος αναφοράς ώστε να οδηγηθεί η ροπή και η ροή στις τιμές αναφοράς τους εντός χρόνου Τs Όπως αναλύθηκε και στην ενότητα 3.7, το block δέχεται ως σήματα εισόδου τις φασικές τάσεις και ρεύματα 2 φάσεων του κινητήρα καθώς και τη μαγνητική ροή και την ροπή αναφοράς. Η τελευταία είσοδος αποτελεί τη στιγμιαία ροπή με βάση την εκτίμηση που δίνει το έτοιμο μοντέλο της μηχανής του Matlab και όπως θα φανεί στο επόμενο σχήμα, χρησιμοποιείται για τη σύγκριση της εκτιμούμενης ροπής μέσω του αλγορίθμου και το εάν αυτές παρουσιάζουν σφάλμα. Στο Σχήμα 6.13 απεικονίζεται το εσωτερικό του Σχήματος

155 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.13: Εσωτερική δομή του block «Profumo_tropopoihmeno» Tο κόκκινο block που φαίνεται στο σχήμα είναι triggered, δηλαδή αλλάζει τη κατάσταση στην έξοδό του με βάση το σήμα που λαμβάνει στο άνω άκρο του. Το σήμα αύτο, στην εν λόγω περίπτωση είναι παλμικό με συχνότητα f s = 1, χρησιμοποιείται ώστε να δίνει το διάνυσμα T s αναφοράς τάσης στο block που ακολουθεί στη λογική ελέγχου και το οποίο είναι αυτό που υλοποιεί τη τεχνική SVM. Εξετάζοντας, το σχήμα φαίνεται στα αριστερά ένα ακόμη υποσύστημα με όνομα «Subsytem» (αυτό στο αριστερά μέρος του σχήματος, με το γκρι χρώμα), του οποίου η εσωτερική δομή παρατίθεται στο Σχήμα

156 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.14: Εσωτερική δομή του block «Subsytem» του Σχήματος 6.13 Το διάνυσμα τάσης αναφοράς που βγαίνει από το «Profumo(tropopoihmeno)», παρέχεται ως είσοδο στο υποσύστημα με το κίτρινο χρώμα, μέσω του οποίου καθορίζεται και ο χρόνος αγωγής των διανυσμάτων τάσης του αντιστροφέα που αναλύθηκε στο Κεφάλαιο 3.6. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 6.15, δέχεται ως εισόδους τις συνιστώσες στο d και q άξονα του διανύσματος αναφοράς και υπολογίζει τους χρόνους αγωγής των ενεργών διανυσμάτων καθώς και τον τομέα (sector) που βρίσκεται σε κάθε διακοπτική περίοδο το διάνυσμα αναφοράς. Ο καθορισμός του τομέα είναι πολύ σημαντικός καθώς χρησιμοποιείται από άλλο υποσύστημα στη συνέχεια για τη μετατροπή των χρόνων αγωγής των ενεργών διανυσμάτων σε σήματα παλμοδότησης των στοιχείων του αντιστροφέα

157 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.15: Υποσύστημα υλοποίησης SVM μεθόδου Η εσωτερική δομή του εν λόγω υποσυστήματος παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 6.16: Εσωτερική δομή σχήματος 6.15 Ο αλγόριθμος μέσω του οποίου γίνεται ο υπολογισμός των χρόνων αγωγής των ενεργών διανυσμάτων του αντιστροφέα, παρατίθεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α. Τέλος, για το μετασχηματισμό των χρόνων αγωγής ενεργών διανυσμάτων σε σήματα παλμοδότησης των στοιχείων του αντιστροφέα χρησιμοποιείται το υποσύστημα με όνομα «Programmatizomenh_palmogennhtria»

158 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.17: Υποσύστημα για τη παλμοδότηση των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα Η δομή στο εσωτερικό του υποσυστήματος παρατίθεται στο Σχήμα Σχήμα 6.18: Εσωτερική δομή του υποσυστήματος του σχήματος

159 Κεφάλαιο 6 ο Tα υποσυστήματα γκρίζου χρώματος με το όνομα «Palmogennhtria», λαμβάνουν ως σήματα το πλάτος, την περίοδο, τη διάρκεια και τη χρονική καθυστέρηση του παλμού ως προς την αρχή της περιόδου και βγάζει το αντίστοιχο σήμα στην έξοδο. Μέσω του εν λόγω υποσυστήματος, ολοκληρώνεται η παραγωγή των απαραίτητων παλμών για την οδήγηση των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Η εσωτερική δομή των συγκεκριμένων υποσυστημάτων παρατίθεται στο Σχήμα Σχήμα 6.19: Εσωτερική δομή του υποσυστήματος «Palmogennhtria» του σχήματος 6.18 Το block που συμπληρώνει το παζλ της εικόνας του ολικού συστήματος, είναι αυτό που απεικονίζεται με πράσινο χρώμα και ονομασία «Transient_to_Palmous». Μέσω του εν λόγω υποσυστήματος που σε περίπτωση που το διάνυσμα αναφοράς που προκύπτει από το block «Profumo(tropopoihmeno)» δεν μπορεί να συντεθεί μέσω των ενεργών διανυσμάτων σε χρόνο Τs, καθορίζεται ποιο από τα 6 ενεργά διανύσματα τάσης θα εφαρμοσθεί για όλο το χρονικό διάστημα Τs, με μόνο κριτήριο τη μεταβολή της ροής και της ροπής προς την επιθυμητή κατεύθυνση και με βάση τον πίνακα Πίνακας 3.. Το εν λόγω υποσύστημα μπορεί να «αναλάβει τον έλεγχο» όταν συμβεί κάποια απότομη βηματική αλλαγή σε κάποια από τα μεγέθη ελέγχου. Η εσωτερική του δομή παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.20 και οι κώδικες των υποσυστημάτων αυτού παρατίθενται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α

160 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.20: Εσωτερική δομή του υποσυστήματος «Transient_to_Palmous» Μοντέλο ηλεκτροκινητήριου συστήματος Έχοντας αναλύσει τα επιμέρους υποσυστήματα και τις λειτουργίες τους, παραθέτουμε την εικόνα του ολικού μοντέλου του συστήματος. Σχήμα 6.21: Μοντέλο του ολικού συστήματος 6.2 Προσομοιώσεις λειτουργίας ηλεκτροκινητήριου συστήματος Αφου περιγράφηκε πλήρως η δομή των συνιστωσών μερών του κινητήριου συστήματος, θα δειχθούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας

161 Κεφάλαιο 6 ο του μοντέλου. Το φορτίο στον άξονα της μηχανής θεωρήθηκε πως έχει χαρακτηριστική ροπής στροφών της μορφής: T m = k Ω 2, και για τη λειτουργία του κινητήρα σε διαφορετικά ζεύγη ταχύτητας και ροπής μεταβαλλόταν κατάλληλα το k, ώστε να ικανοποιεί την πιο πάνω σχέση.η διακοπτική συχνότητα των στοιχείων επιλέχθηκε να είναι f s = 4kHz. Αρχικά για εντολή λειτουργίας σε ονομασική ροπή (Μref=13.35Nm) και το k με τέτοια τιμή ώστε το φορτίο στον άξονα, για n=2860 rpm ή ισοδύναμα Ω=299.5 rad/s, να αντιστοιχεί στην ονομαστική ροπή, προέκυψαν τα γραφήματα του Σχήματος Σχήμα 6.22: Μέση τιμή ανά διακοπτική περίοδο, της τάσης μεταξύ του κάτω άκρου της τάσης τροφοδοσίας και της κάθε φάσης της μηχανής Παρατηρείται πως η κυματομορφή έχει πανομοιότυπη συμπεριφορά με τη θεωρητική που παρουσιάστηκε στο Σχήμα 3.10 στην ενότητα 3.6. Επιπλέον, παρατηρείται μια διαφοράς φάσης 120 μοιρών μεταξύ των τριών φασικών τάσεων, κάτι που καταδεικνύει πως ο έλεγχος δουλεύει με το σωστό τρόπο, όσον αφορά τις παλμοδοτήσεις των στοιχείων. Να τονιστεί σε αυτό το σημείο πως οι πιο πάνω κυματομορφές αναπαριστούν τη μέση τιμή ανα διακοπτική περίοδο του αντίστοιχου μεγέθους και πως οι χρονικές συναρτήσεις των μεγεθών παρουσιάζουν παλμικό χαρακτήρα. Για του λόγου το αληθές παρατίθενται στα Σχήματα 6.23 και 6.24 τα γραφήματα, τα οποία δείχνουν τους παλμούς με τους οποίους ελέγχονται τα στοιχεία σε ένα τυχαίο χρονικό διάστημα

162 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.23: Παλμοί των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα Σχήμα 6.24: Παλμοί των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα, για μικρότερο χρονικό εύρος Μέσω του Σχήματος 6.23 είναι φανερή η διαμόρφωση του εύρους των παλμών. Το Σχήμα 6.24 παρατίθεται με σκοπό να δειχθεί πως ακολουθείται το διακοπτικό πρότυπο του Πίνακα 3.4 και πως η διακοπτική συχνότητα είναι 4kHz, δηλαδή η περίοδος είναι 0.25 ms. Τέλος, είναι ευδιάκριτο πως σε μια διακοπτική περίοδο κάθε στοιχείο ανάβει και σβήνει μόνο μια φορά

163 Κεφάλαιο 6 ο Στη συνέχεια, στα Σχήματα 6.25 και 6.26, παρατίθενται, η μέση τιμή ανα διακοπτική περίοδο των φασικών τάσεων του κινητήρα και η χρονική συνάρτηση, χωρίς φιλτράρισμα, των φασικών ρευμάτων. Σχήμα 6.25: Μέση τιμή ανά διακοπτική περίοδο, των φάσεων a και b της μηχανής Σχήμα 6.26: Κυματομορφή ρεύματος των φάσεων a και b της μηχανής Η κυματομορφή των τάσεων φαίνεται πως έχει ημιτονοειδή μορφή, ενώ η αντίστοιχη του ρεύματος παρουσιάζει κάποιες υψίσυχνες ταλαντώσεις που δεν εμφανίζονται στο Σχήμα 6.25, κάτι που οφείλεται στο γεγονός πως οι καμπύλες του ρεύματος δεν είναι φιλτραρισμένες

164 Κεφάλαιο 6 ο Αμφότερες φαίνεται πως έχουν συχνότητα πολύ κοντά στα 50Hz, που είναι και η ονομαστική κατάσταση. Παραθέτοντας στη συνέχεια, στο Σχήμα 6.27, το γράφημα της ροπής σε σύγκριση με την αναφορά της, για βηματικές μειώσεις της ροής αναφοράς, παρατηρείται πως υπάρχει μόνιμο σφάλμα, το οποίο μειώνεται με μείωση της ροής αναφοράς. Να επισημανθεί πως επειδή η εντολή ροπής Μ=13.35 Νm, αντιστοιχεί στην ονομαστική ροπή της μηχανής, θεωρήθηκε πως μειώση της μαγνητικής ροής ακόμη και στο 70 τις εκατό της ονομαστικής τιμής της, δεν εμποδίζει τη μηχανή από το να αποδίδει μια τέτοια ροπή. Σχήμα 6.27: Γράφημα παραγόμενης ηλεκτρομαγνητικής ροπής της μηχανής και ροπής αναφοράς Οι προσπάθειες που έγιναν για τον εντοπισμό της αιτίας του συγκρεκριμένου λάθους ήταν πολλές, αλλά δεν είχαν κάποιο αποτέλεσμα. Άμεση συνέπεια του μόνιμου σφάλματος ροπής είναι πως ούτε η ταχύτητα έφτασε στην επιθυμητή τιμή. Έτσι οι συνθήκες για ονομαστική φόρτιση του άξονα δεν επετεύχθησαν απόλυτα. Από το σχήμα 6.26 κάνοντας ζουμ φαίνεται πως I peak 9.3A. Έτσι εάν γίνει ένας πρόχειρος υπολογισμός για την ενεργό τιμή του ρεύματος στάτη, θεωρώντας τη σχέση που συνδέει τη μέγιστη με την ενεργό τιμή για αμιγώς ημιτονοειδή μεγέθη προκύπτει πως: I s,rms 6.6A, το οποίο απέχει από το ονομαστικό ρεύμα που δίνει ο κατασκευαστής και το οποίο είναι 7.43Α. Η διαφορά αυτή μπορεί να ερμηνευθεί στο γεγονός πως στο μοντέλο του Matlab δεν προσομοιώνονται οι απώλειες σιδήρου, καθώς και στο γεγονός πως η ισχύς εξόδου δεν είναι η ονομαστική αλλά κατά τι μικρότερη, έτσι αναμένεται η τιμή των ρευμάτων αυτής να είναι μικρότερη της ονομαστικής

165 Κεφάλαιο 6 ο 6.3 Αποτελέσματα προσομοίωσης διαδικασίας ελαχιστοποίησης απωλειών και συμπεράσματα Για τη διαδικασία ελαχιστοποίησης των απωλειών, χρειάζεται να αναφερθεί ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η εκτίμηση των απωλειών. Λόγω του μόνιμου σφάλματος της ροπής αναφοράς και της μεταβολής αυτού συναρτήσει της ροής αναφοράς, θεωρήθηκε ως βέλτιστος τρόπος του εντοπισμού του σημείου ελάχιστων απωλειών, να χρησιμοποιηθεί η διαφορά της ισχύος εισόδου με την ισχύ του οχήματος και όχι η ισχύς εισόδου. Επειδή P in = P loss + P veh, με μεταβολή της ισχύος εξόδου, δηλαδή του γινομένου ροπής επί ταχύτητα άξονα, P in θα εμφάνιζε και αυτή αντίστοιχη μεταβολή και έτσι δεν θα ήταν δυνατή η σωστή εκτίμηση του σημείου ελάχιστων απωλειών. Για τη μέτρηση της ισχύος εισόδου χρησιμοποιείται η μέτρηση από αμπερόμετρο που έχει συνδεθεί εν σειρά με την πηγή τροφοδοσίας και η μέτρηση του οποίου περνάει από φίλτρο, ενώ για την εκτίμηση της ισχύος του οχήματος πολλαπλασιάζεται η ροπή φορτίου με την γωνιακή ταχύτητα του άξονα. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα γραφήματα των απωλειών του ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής του πυρήνα, ανηγμένης ως προς την ονομαστική τιμή της, για 3 τιμές της γωνιακής ταχύτητας του άξονα και 3 τιμές ροπής. Για ω=62.83 rad/sec προέκυψαν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 6.28: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 2Νm s

166 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.29: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 5Νm s Σχήμα 6.30: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 10Νm s Συγκρίνοντας τα τρία αυτά γραφήματα, παρατηρείται πως με αύξηση της ροπής στον άξονα και για δεδομένη γωνιακή ταχύτητα, η τιμή της βέλτιστης μαγνητικής ροής μετακινείται προς την ονομαστική τιμή

167 Κεφάλαιο 6 ο Για ω= rad/s προέκυψαν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 6.31: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 2Νm s Σχήμα 6.32: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 5Νm s

168 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.33: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 10Νm s Και στη συγκεκριμένη περίπτωση παρατηρείται, πως με αύξηση της ροπής του άξονα η βέλτιστη μαγνητική ροή μετακινείται προς την ονομαστική τιμή της. Για ω=188.5 rad/s προέκυψαν τα ακόλουθα γραφήματα: Σχήμα 6.34: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 2Νm s

169 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.35: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 5Νm s Σχήμα 6.36: Γράφημα απωλειών ηλεκτροκινητήριου συστήματος συναρτήσει της μαγνητικής ροής για ω = rad και Μ = 10Νm s Παρατηρείται ότι στο συγκεκριμένο πείραμα οι καμπύλες ακολουθούν τη μορφή που αναλύθηκε και προηγουμένως. Συγκρίνοντας γραφήματα για ίδια ροπή και διαφορετική ταχύτητα, παρατηρείται πως με αύξηση της ταχύτητας η τιμή της βέλτιστης μαγνητικής ροής απομακρύνεται από την ονομαστική τιμή της. Ως γενικό συμπέρασμα λοιπόν, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων φαίνεται πως ακολουθούν ως μορφή τις θεωρητικές καμπύλες. Στον ακόλουθο πίνακα γίνεται σύγκριση, για κάθε ζεύγος ροπής και ταχύτητας των προσομοιώσεων, τόσο της τιμής των ελάχιστων απωλειών όσο και της τιμής της μαγνητικής ροής για την οποία οι απώλειες ελαχιστοποιούνται, μεταξύ της θεωρίας και των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων

170 Κεφάλαιο 6 ο Πίνακας 6.1: Πίνακας σύγκρισης θεωρίας και αποτελεσμάτων προσομοιώσεων, όπου Pmin είναι οι ελάχιστες απώλειες εκφρασμένες σε W Παρατηρείται λοιπόν, πως για όλα τα ζεύγη ταχύτητας και ροπής στον άξονα, το σημείο της βέλτιστης μαγνητικής ροής σχεδόν ταυτίζεται μεταξύ θεωρίας και προσομοίωσης. Ένα ακόμη ενθαρρυντικό στοιχείο, είναι πως η τιμή των ελάχιστων απωλειών παρουσιάζει πολύ μικρή και μερικές φορές σχεδόν μηδενική απόκλιση. Σε αυτό το σημείο να τονιστεί για ακόμη μια φορά, πως λόγω του μόνιμου σφάλματος ροπής του ελέγχου, οι τιμές της γωνιακής ταχύτητας και της ροπής, κατά τη διάρκεια των προσομοιώσεων δεν ταυτίζονταν με τις θεωρητικές και ήταν κατά τι μικρότερες. Έτσι, στα πιο πάνω αποτελέσμα εμπεριέχεται ένα σφάλμα, το οποίο δεν μπορεί να προσδιοριστεί αλλά εκτιμάται πως δεν είναι μεγάλο, λόγω της μικρής «μετατόπισης» του σημείου λειτουργίας του συστήματος

171 Κεφάλαιο 7 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 7.1 Εισαγωγή Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των πειραμάτων αποτελείται από: δύο τροφοδοτικά συνεχούς τάσεως συνδεδεμένα εν σειρά, έναν αντιστροφέα, έναν επαγωγικό κινητήρα και μια μηχανή Σ.Ρ. ξένης διέγερσης η οποία χρησιμοποιείται για τη φόρτιση του άξονα της επαγωγικής μηχανής. Η πειραματική διάταξη παρατίθεται στο Σχήμα 7.1. Σχήμα 7.1: Πειραματική διάταξη Το άσπρο κουτί είναι ο τριφασικός αντιστροφέας, η μπλε μηχανή είναι ο ελεγχόμενος επαγωγικός κινητήρας, ενώ η γκρι μηχανή είναι η μηχανή Σ.Ρ που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση του άξονα της ασύγχρονης μηχανής. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, η ταχύτητα περιστροφής του άξονα ελεγχόταν μέσω του αντιστροφέα, ενώ η ροπή στον άξονα μέσω της αντίστασης τυμπάνου της μηχανής Σ.Ρ. Για να γίνει πιο κατανοητός ο τρόπος διεξαγωγής του πειράματος θα παρατεθούν συνοπτικά οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Η τάση εξ επαγωγής δίνεται από τη σχέση: V επ = CΦ Ω (7.1)

172 Κεφάλαιο 7 ο όπου CΦ= η μαγνητική ροή της μηχανής Σ.Ρ Η ροπή στον άξονα αυτής δίνεται από τη σχέση: M = CΦ I T (7.2) ενώ η τάση τυμπάνου (V T ) με την τάση εξ επαγωγής συνδέονται μέσω των σχέσεων: V T = V επ Ι Τ R T (7.3) όπου R T = η αντίσταση τυμπάνου της μηχανής Επομένως, δίνοντας κατάλληλη εντολή ταχύτητας στη μηχανή συνεχούς ρεύματος, εφόσον είναι γνωστή η τιμή της μαγνητικής ροής, προσδιορίζεται και η τιμή της τάσης εξ επαγωγής. Γνωρίζοντας την εσωτερική αντίσταση της μηχανής, μπορεί να υπολογιστεί η τιμή της εξωτερικά συνδεδεμένης αντίστασης R εξ, έτσι ώστε να ρεύσει τέτοιο ρεύμα I T, όπου με βάση τη σχέση (7.2), θα δημιουργήσει την επιθυμητή ροπή στον άξονα της μηχανής. Για την υλοποίηση της πιο πάνω μεθοδολογίας είναι αναγκαίος ο προσδιορισμός τόσο της μαγνητικής ροής όσο και της αντίστασης του τυμπάνου της μηχανής. H μαγνητική ροή συνδέεται με το ρεύμα διέγερσης μέσω της σχέσης: CΦ = k I f (7.4) και η τιμή της μπορεί να προσδιορισθεί στρέφοντας τη μηχανή σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα και μετρώντας τη τάση τυμπάνου χωρίς καμία εξωτερικά συνδεδεμένη αντίσταση. Με αυτό τον τρόπο η μετρούμενη τάση στο τύμπανο ισούται με την τάση εξ επαγωγής η οποία δίνεται από τη σχέση (7.1). Το συγκεκριμένο πείραμα έγινε στο εργαστήριο για ταχύτητα 1800 rpm, Ι f = 0.46 Α και μετρήθηκε V επ = 80.4V. Λύνοντας τη σχέση (7.1) ως προς CΦ και αντικαθιστώντας από τα πειραματικά δεδομένα προκύπτει: CΦ = π 60 = V sec Στη συνέχεια λύνοντας τη σχέση (7.4) ως προς k και αντικαθιστώντας το πιο πάνω αποτέλεσμα, προσδιορίζεται ο ζητούμενος συντελεστής. k = CΦ I f = V sec A Για τον προσδιορισμό της αντίστασης τυμπάνου, για τις ίδιες συνθήκες πειράματος όπως και για τον προσδιορισμό του k, μετρήθηκε το ρεύμα και η τάση τυμπάνου. Οι τιμές των εν λόγω μεγεθών ήταν I T = 2A και V T = 77.5V. Λύνοντας τη σχέση (7.3) ως προς R T και αντικαθιστώντας τα μετρούμενα μεγέθη προκύπτει:

173 Κεφάλαιο 7 ο R T = V επ V T = I T 2 R T = Ω 7.2 Έλεγχος λειτουργίας επαγωγικού κινητήρα μέσω προγράμματος σε περιβάλλον LabView Κατ αντιστοιχία με το θεωρητικό μοντέλο που αναλύθηκε στα προηγούμενα κεφάλαια, στόχος ήταν ο έλεγχος της ροής και της ροπής ή ταχύτητας του επαγωγικού κινητήρα μέσω αντιστροφέα, για τον προσδιορισμό του σημείου ελάχιστων απωλειών του ολικού συστήματος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ο τριφασικός αντιστροφέας STARVERT iv5 της εταιρείας LS Industrial Systems [46], ο οποίος μέσω θυρών αναλογικής εισόδου παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου τόσο της ροής όσο και της ροπής ή ταχύτητας του επαγωγικού κινητήρα. Για τον έλεγχο λειτουργίας του κινητήρα δημιουργήθηκε πρόγραμμα σε περιβάλλον LabView και για την επικοινωνία του υπολογιστή με τον αντιστροφέα χρησιμοποιήθηκε μια κάρτα (PC-LabCard) της σειράς PCI-1710 της εταιρείας Advantech [47]. Η συγκεκριμένη κάρτα παρέχει ικανό αριθμό αναλογικών και ψηφιακών εισόδων κα εξόδων, ώστε μέσω της επικοινωνίας αυτών με τον υπολογιστή να επιτευχθεί ο έλεγχος λειτουργίας του επαγωγικού κινητήρα. Στο Σχήμα 7.2 παρουσιάζεται το πρόγραμμα που δημιουργήθηκε, στη μορφή front panel του LabView: Σχήμα 7.2: Πρόγραμμα σε περιβάλλον LabView για τον έλεγχο της ροής και της ταχύτητας του επαγωγικού κινητήρα

174 Κεφάλαιο 7 ο Μέσω του εν λόγω προγράμματος είναι δυνατόν να ελεγχθεί η μαγνητική ροή και η ταχύτητα του ασύγχρονου κινητήρα. Για την εκκίνηση της μηχανής και λειτουργίας της στην ταχύτητα που δίνεται στο κελί «Taxuthta anaforas(rpm)», απαιτείται ο χρήστης να πατήσει το κουμπί «Run». Ο χρήστης μπορεί να καθορίσει την αρχική, τη τελική τιμή της ροής αλλά και το πλήθος των βημάτων μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου του χρονικού διαστήματος μεταξύ των βηματικών αλλαγών ώστε να καταστεί βέβαιο πως η μηχανή θα «πιάσει» τη μόνιμη κατάσταση. Για κάθε τιμή της ροής, υπολογίζεται η απορροφούμενη από την είσοδο ισχύς. Στο τέλος των προκαθορισμένων βημάτων, εντοπίζεται το σημείο ελάχιστης ισχύος καθώς και η αντίστοιχη τιμή της μαγνητικής ροής, και δίνεται εντολή στον κινητήρα να λειτουργήσει στο εν λόγω σημείο, ως τελική κατάσταση. Τέλος, οποιοδήποτε στιγμή, ο χρήστης μπορεί να πατήσει το κουμπί «STOP» για τον τερματισμό του. Σχήμα 7.3: Πρόγραμμα σε περιβάλλον LabView αφού έχει ολοκληρωθεί το πείραμα που ορίστηκε από τις τιμές που εισήγαγε ο χρήστης

175 Κεφάλαιο 7 ο Στο Σχήμα 7.3, απεικονίζεται και η κυματομορφή της ισχύος εισόδου συναρτήσει της μαγνητικής ροής, για μεταβολή της μαγνητικής ροής από το 100% στο 50% της ονομαστικής τιμής της και σε πλήθος 20 βημάτων, όπως προκύπτει από παρατήρηση του σχήματος. Η μορφή της καμπύλης αποτελείται από ευθύγραμμα τμήματα μεταξύ των διάφορων σημείων λειτουργίας, έτσι το ευθύγραμμο τμήμα που ενώνει το σημείο που αντιστοιχεί στο τελευταίο βήμα ροής, δηλαδή για 50% της ονομαστικής τιμής, με το σημείο όπου εντοπίστηκε η ελάχιστη ροή, δηλαδή όπως φαίνεται για 67.5% της ονομαστικής τιμής, καταδεικνύει τη λειτουργία του κινητήρα, τελικά, στο σημείο στο οποίο εντοπίστηκαν οι ελάχιστες απώλειες. Η μέτρηση της ισχύος εισόδου γίνεται με τη βοήθεια ενός μετρητικού ρεύματος LEM LTS- 6 NP. Το εν λόγω στοιχείο, ανάλογα με το ρεύμα που διέρχεται μέσω αυτού βγάζει ένα αναλογικό σήμα τάσης σε δύο από τους ακροδέκτες του. Το αναλογικό αυτό σήμα μεταβιβάζεται σε μία από τις αναλογικές θύρες εισόδου της κάρτας, ώστε να δοθεί η δυνατότητα επεξεργασίας αυτού μέσω υπολογιστή. Στη συνέχεια γίνεται κατάλληλος μαθηματικός μετασχηματισμός ώστε να προσδιοριστεί το εν λόγω ρεύμα. Τέλος, η εκτίμηση της ισχύος εισόδου γίνεται με πολλαπλασιασμό της τάσεως των εν σειρά τροφοδοτικών με το μετρηθέν ρεύμα. Για την τροφοδοσία του μετρητικού ρεύματος και για την επικοινωνία με τον υπολογιστή και τον αντιστροφέα κατασκευάστηκε η πλακέτα που φαίνεται στο Σχήμα 7.4. Σχήμα 7.4: Πλακέτα τροφοδοσίας και ελέγχου

176 Κεφάλαιο 7 ο Το σχηματικό της πλακέτας που κατασκευάστηκε παρατίθεται στο Σχήμα 7.5 και το τυπωμένο κύκλωμα αυτής στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β. Σχήμα 7.5: Σχηματικό πλακέτας τροφοδοσίας και ελέγχου Το μετρητικό ρεύματος βρίσκεται στο κάτω μέρος του Σχήματος 7.5, με την ονομασία «LTS_6-NP». Για τη σωστή λειτουργία του μετρητικού, είναι απαραίτητη η τροφοδοσία του με τάση σταθερής τιμής 5V. Για την παροχή τάσεως 5V χρησιμοποιήθηκε ένα σταθεροποιητικό τάσης LM7805. Για τη σωστή λειτουργία του σταθεροποιητικού τάσης απαιτείται η τροφοδοσία του με τάση σταθερής τιμής μεταξύ 7V και 20V. Χρησιμοποιώντας ως τροφοδοσία το δίκτυο και παρεμβάλλοντας έναν μετασχηματιστή με λόγο 230/6, προκύπτει ένα ημιτονοειδές σήμα με ενεργό τιμή 6V. Χρησιμοποιώντας στη συνέχεια μια ανορθωτική γέφυρα

177 Κεφάλαιο 7 ο και έπειτα πυκνωτές, για την εξομάλυνση της τάσης, προκύπτει η κατάλληλη τάση τροφοδοσίας του σταθεροποιητικού τάσεως. Η πλακέτα παρεμβάλλεται εν σειρά στο κύκλωμα και ακριβώς μετά το τροφοδοτικό τάσης μέσω των ακροδεκτών «in current» και «out current», οι οποίοι φαίνονται στο κάτω μέρος του Σχήματος 7.5. Για μεγαλύτερη ακρίβεια του μετρούμενου ρεύματος χρησιμοποιήθηκε ένα εξωτερικό καλώδιο, τα άκρα του οποίου συνδέθηκαν στα σημεία «trupa1» και «trupa2», το οποίο συνδέθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργεί μια επιπλέον σπείρα γύρω από τον πυρήνα του μετρητικού ρεύματος. Τέλος, 4 ακροδέκτες χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά α) του αναλογικού σήματος που αντιστοιχεί στο μετρούμενο μετρούμενο ρεύμα, από την αναλογική έξοδο του μετρητικού ρεύματος προς την κάρτα για την επικοινωνία μέσω υπολογιστή (PC Lab-Card) και β) του ψηφιακού σήματος για τον έλεγχο εκκίνησης και σταματήματος της μηχανής, από την κάρτα επικοινωνίας (PC Lab-Card) προς τον αντιστροφέα. 7.3 Πείραμα και μετρήσεις Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγιναν πειράματα για διάφορες τιμές ταχυτήτων του άξονα του επαγωγικού κινητήρα, συγκεκριμένα για 600, 1200 και 1800 rpm, και για διάφορες τιμές ροπών στον άξονα του. Οι μετρήσεις αφορούν την τιμή της απορροφούμενης ισχύος από την πηγή συναρτήσει της, ανηγμένης ως προς την ονομαστική τιμή, μαγνητικής ροής της μηχανής και παρουσιάζονται μέσω γραφικών σχημάτων στα επόμενα τρία υποκεφάλαια. Επειδή η μέτρηση του ρεύματος γίνεται στην έξοδο των τροφοδοτικών, για τη σύγκριση που θα ακολουθήσει μεταξύ πειραματικών αποτελεσμάτων και θεωρίας, δεν έχει ληφθεί υπόψιν στο θεωρητικό υπολογισμό η συνιστώσα των απωλειών συσσωρευτών Μετρήσεις με ταχύτητα n=600 rpm Για ταχύτητα n=600 rpm και για διαφορετικές τιμές ροπής στον άξονα της μηχανής, προέκυψαν τα γραφήματα που παρατίθενται στα Σχήματα 7.6 έως

178 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.6: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=600 rpm και ροπή Μ=1.233 Nm Σχήμα 7.7: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=600 rpm και ροπή Μ=3.995 Nm

179 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.8: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=600 rpm και ροπή Μ=6.25 Nm Μετρήσεις με ταχύτητα n=1200 rpm Για ταχύτητα n=1200 rpm και για διαφορετικές τιμές ροπής στον άξονα της μηχανής, προέκυψαν τα γραφήματα που παρατίθενται στα Σχήματα 7.9 έως Σχήμα 7.9: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=1200 rpm και ροπή Μ= Nm

180 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.10: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=1200 rpm και ροπή Μ= Nm Σχήμα 7.11: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=1200 rpm και ροπή Μ=3.71 Nm Μετρήσεις με ταχύτητα n=1800 rpm Για n=1800 rpm και για διαφορετικές τιμές ροπής στον άξονα της μηχανής, προέκυψαν τα γραφήματα που παρατίθενται στα Σχήματα 7.12 έως

181 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.12: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=1800 rpm και ροπή Μ=1.2 Nm Σχήμα 7.13: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=1800 rpm και ροπή Μ=1.447 Nm

182 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.14: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=1800 rpm και ροπή Μ=3.08 Nm Σχήμα 7.15: Αποτελέσματα πειραμάτων για ταχύτητα n=1800 rpm και ροπή Μ=4.04 Nm Συμπεράσματα Όπως φαίνεται από τα πιο πάνω γραφήματα, για δεδομένη ταχύτητα του άξονα, το σημείο βέλτιστης μαγνητικής ροής μετακινείται πιο κοντά στην ονομαστική τιμή καθώς η εφαρμοζόμενη ροπή στον άξονα αυξάνεται. Επιπλέον, με αύξηση της ταχύτητας περιστροφής και συγκρίνοντας γραφήματα που αφορούν παραπλήσιες τιμές ροπής, παρατηρείται πως το σημείο βέλτιστης μαγνητικής ροής μετακινείται προς όλο και χαμηλότερες τιμές της. Από

183 Κεφάλαιο 7 ο πλευράς θεωρητικής ανάλυσης φαίνεται πως η μορφή των παραπάνω καμπυλών συμφωνεί απόλυτα με τη θεωρία, αλλά όπως παρουσιάζεται και στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζεται σημαντική απόκλιση τόσο όσον αφορά τα αναμενόμενα σημεία ελάχιστων απωλειών όσο και τις αντίστοιχες τιμές αυτών. Πίνακας 7.1: Σύγκριση πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων Όπως φαίνεται και από τον πίνακα, συγκρίνοντας τις θεωρητικές με τις πειραματικές τιμές υπάρχει μια διαφορά μεταξύ της ελάχιστης ροής κατά μια ποσότητα 10-15% της ονομαστικής ενώ και οι εκτιμώμενες ελάχιστες απώλειες διαφέρουν κατά μια ποσότητα, η οποία είναι σταθερά κοντά στα 100W. Τα πειραματικά αποτελέσματα δεν αναμενόταν να βρίσκονται σε πλήρη ταύτιση με τα θεωρητικά, καθώς η μέθοδος ελέγχου του αντιστροφέα δεν ταυτίζεται στις δύο περιπτώσεις. Επομένως, όπως αναλύθηκε και στην ενότητα 4, οι απώλειες του αντιστροφέα δεν θα είναι οι ίδιες. Αυτή βέβαια δεν είναι ικανή αιτία για να ερμηνεύσει την πιο πάνω διαφορά. Επειδή όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 5, το μεγαλύτερο κομμάτι των απωλειών του ολικού συστήματος είναι οι απώλειες του κινητήρα, δεν αναμένεται αυτές να μεταβάλλονται κατά μεγάλο βαθμό με μεταβολή της μεθόδου ελέγχου του αντιστροφέα. Μια ερμηνεία για την πιο πάνω διαφορά θα μπορούσε να είναι, οι απώλειες ανώτερων αρμονικών που δε λαμβάνονται υπόψιν στη θεωρητική ανάλυση, ενώ μια ακόμη παράμετρος που αιτιολογεί τη διαφορά αυτή είναι η αύξηση της αντίστασης των τυλιγμάτων με αύξηση της θερμοκρασίας τους. Επίσης, η μέτρηση μέσω του μετρητικού ρεύματος εμφάνιζε ταλαντώσεις σε συχνότητα 300Hz, οι οποίες τόσο με φίλτρο αναλογικό όσο και προγραμματιστικά περιορίστηκαν σε μεγάλο βαθμό, παρόλα αυτά όμως μια μικρή διακύμανση της μέτρησης υπήρχε και ίσως να επηρεάστηκαν και από αυτήν τα αποτελέσματα. Επιπλέον, λόγω ατελούς σύμπλεξης του επαγωγικού κινητήρα με τη μηχανή συνεχούς ρεύματος είναι πιθανόν να

184 Κεφάλαιο 7 ο υπάρχουν πρόσθετες απώλειες καθώς και να γίνεται λανθασμένη εκτίμηση της ροπής στον άξονα της μηχανής. Τέλος, μια μικρή συνεισφορά στην πιο πάνω διαφορά μπορεί να έχει το γεγονός πως η ταχύτητα της μηχανής ελεγχόταν μέσω του υπολογιστή και η ακρίβειά της δεν ήταν βέλτιστη

185 Κεφάλαιο 8 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Μέσω της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποδείχθηκε πως η επίτευξη του στόχου ελαχιστοποίησης των απωλειών σε ένα ηλεκτροκινητήριο σύστημα, στο οποίο χρησιμοποιείται τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας και τριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος με τη μέθοδο SVM Alt-Rev, μεταβάλλοντας τη μαγνητική ροή και το λόγο μετάδοσης είναι έφικτη. Παρατηρήθηκε πως για υψηλές τιμές φορτίων αναμένεται η βέλτιστη ροή να είναι κοντά στην ονομαστική τιμή, ενώ για μικρότερα φορτία αναμένεται να λαμβάνει μικρότερες τιμές. Όσον αφορά το λόγο μετάδοσης, η βέλτιστη τιμή αυτού αναμένεται να λαμβάνει μεγάλες τιμές σε περιπτώσεις όπου η ταχύτητα του οχήματος έιναι μικρή και η δύναμη μεγάλη, ενώ αναμένεται να λαμβάνει μικρή τιμή για μικρές τιμές δύναμης και μεγάλες τιμές ταχύτητας. Τέλος, παρατηρήθηκε πως το σημείο βέλτιστων απωλειών του ολικού συστήματος διαφέρει από το σημείο βέλτιστων απωλειών του κινητήρα, όμως η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται είναι ιδιαίτερα μικρή και μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Ενδιαφέρουσα προοπτική για περαιτέρω έρευνα και αντικείμενο διπλωματικών εργασιών θα μπορούσαν να αποτελέσουν τα ακόλουθα θέματα: Μοντελοποίηση των απωλειών ανώτερων αρμονικών, ώστε να συνυπολογίζονται στις ολικές απώλειες του ηλεκτροκινητήριου συστήματος και υλοποίηση της συγκεκριμένης μεθόδου ελέγχου του αντιστροφέα στο εργαστήριο, συγκρίνοντας με τα θεωρητικά και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Μελέτη, προσομοίωση και υλοποίηση διαφορετικής τεχνικής ελέγχου/παλμοδότησης του αντιστροφέα Μελέτη, προσομοίωση και υλοποίηση μεθόδου η οποία εκτός από εξοικονόμηση ενέργειας στη μόνιμη κατάσταση, θα φροντίζει και για τη βέλτιση δυναμική απόκριση του συστήματος κατά τα μεταβατικά φαινόμενα

186 Κεφάλαιο 8 ο

187 Βιβλιογραφία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Γιώργος Εμμανουηλίδης, «Aegean Energy,» Ιούλιος [Ηλεκτρονικό]. Available: [2] «Wikipedia» [Ηλεκτρονικό] Available: [Πρόσβαση 4\4]. [3] R. Matulka, «Energy.gov,» 15 September [Ηλεκτρονικό]. Available: [4] «Wikipedia» [Ηλεκτρονικό]. Available: [5] «Wikipedia» [Ηλεκτρονικό]. Available: [6] «Union of Concerned Scientists» [Ηλεκτρονικό]. Available: [7] «Electric Vehicle Association of Asia Pacific» [Ηλεκτρονικό]. Available: [8] «Adminet» [Ηλεκτρονικό]. Available: [9] W. Rippel, «Tesla Motors» 9 January [Ηλεκτρονικό]. Available: [10] Ν. Μαρινόπουλος, «Caroto» 21 March [Ηλεκτρονικό]. Available: [11] Ι. Χ. Καρατζαφέρης, Μελέτη και κατασκευή διάταξης για τον έλεγχο ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας, Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών, [12] Ν. Μαρινόπουλος, «Caroto» 10 May [Ηλεκτρονικό]. Available:

188 Βιβλιογραφία [13] «TEAM ENERGY» [Ηλεκτρονικό]. Available: [14] E. Schaal, «Autos CheatSheet,» 10 April [Ηλεκτρονικό]. Available: [15] «Wikipedia,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [16] Zach, «EVObsession,» 27 December [Ηλεκτρονικό]. Available: [17] Zach, «EVObsession,» 16 February [Ηλεκτρονικό]. Available: [18] «Wikipedia,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [19] «Tesla Motors» [Ηλεκτρονικό]. Available: [20] MOVIVA Innovation Systems, «Electraproject» 13 November [Ηλεκτρονικό]. Available: 20Charge%20stations%20for%20electric%20vehicles.pdf. [21] C. I. Hubert, ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ, Θεωρία, Λειτουργία, Εφαρμογές, Ρυθμίσεις & Έλεγχος, Πρώτη Ελληνική Έκδοση, Εκδόσεις Ίων, [22] Α. Ν. Σαφάκας, Ηλεκτρικές Μηχανές Β, Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, [23] S. J. Chapman, Ηλεκτρικές Μηχανές, 4η Έκδοση, Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις Τζιόλα, [24] Ι. Ν. Κιοσκερίδης, Ελαχιστοποίηση απωλειών σε επαγωγικά κινητήρια συστήματα, Διδακτορική Διατριβή, Θεσσαλονίκη: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [25] P. G. Cummings, «Estimating effect of system harmonics on losses and temperature rise of squirrel-cage motors» IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA- 22, Νo.6, pp , November/December

189 Βιβλιογραφία [26] Γ. Δημητρακάκη, Μελέτη και υλοποίηση μεθόδου διανυσματικού ελέγχου τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα για βελτίωση βαθμού απόδοσης, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών, [27] Α. Ν. Σαφάκας, Δυναμική Ηλεκτρομηχανικών Συστημάτων, Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, [28] Α. Θ. Αλεξανδρίδη και Ε. Μητρονίκα, Προηγμένος Έλεγχος Μηχανών, Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, [29] I. Boldea και S. A. Nasar, Vector Control of AC Drives, CRC Press, [30] P. Anderson και A. Fouad, Power System Control and Stability, IEEE Press, [31] «Wikipedia,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [32] Ε. Μητρονίκας, Νέα βελτιωμένη μέθοδος διανυσματικού ελέγχου ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα με προσανατολισμό τη μαγνητική ροή του στάτη, Διδακτορική Διατριβή, Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, [33] C. Schauder, «Adaptive speed identification for vector control of induction motors without rotational transducers» IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.28, No.5, September/October [34] I. Takahashi και T. Noguchi, «A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor» IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-22, No.5, September/October [35] Ε. Κ. Τατάκης, Σημειώσεις Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ισχύος ΙΙ, Πάτρα, [36] «Microchip» [Ηλεκτρονικό]. Available: [37] «Wikipedia» [Ηλεκτρονικό]. Available: [38] T. H. Habetler, F. Profumo, M. Pastorelli και L. M. Tolbert, «Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation» IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.28, No.5, September/October [39] P. J. Perruchoud και P. J. Pinewski, «Power Losses for Space Vector Modulation Techniques» ΙΕΕΕ-WPET, pp ,

190 Βιβλιογραφία [40] H. W. Van Der Broeck, H. C. Skudelny και G. V. Stanke, «Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors» IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.24, No.1, January/February [41] Z. Keliand και W. Danwei, «Relationship between space-vector modulation and three-phase carrier-based PWM: A Comprehensive Analysis» IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No.1, February [42] Z. Di, H. V. S. S. Pavan Kumar, N. Gopalaratnam και A. Rajapandian, «Space- Vector-Based Hybrid Pulsewidth Modulation Techniques for reduced Harmonic Distortion and Switching Loss» IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.25, No.3, March [43] Valiadis S.A., Electric Motor Test Report - Three Phase Inductor Motor. [44] M. Popescu, T. Miller, M. McGilp, D. M. Ionel, S. J. Dellinger και R. J. Heidemann, «On the Physical Basis of Power Losses in Laminated Steel and Minimum-Effort Modeling in an Industrial Design Environment» 42nd IAS Annual Meeting, pp.60-66, September [45] Λ. Λαμπρόπουλος, Έλεγχος κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος για εξοικονόμηση ενέργειας - Εφαρμογή στα ηλεκτροκίνητα οχήματα, Διπλωματική Εργασία, Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών, [46] Advantech, PCI-1710 Series User Manual, [47] LS Industrial Systems, SV-iv5 User Manual

191 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΚΩΔΙΚΕΣ Πρόγραμμα προσομοίωσης συστήματος στο MATLAB Ts=250e-6; Trigger_delay=10e-6; Vdc=650; %Stoixeia Mhxanhs Rs= ; Lls= ; Llr= ; Lm= ; Ls=Lls; P=2; p=1; J=0.0095; %Apwleies Mhxanhs Rr= ; Ke= ; Kh= ; Cfw= ; Cstray= ; %Apwleies Inverter Rq=0.001; Rd=0.001; Vq=2; Vd=1; Eq=0.0002; Ed=0.0002; fc=1/ts; %Apwleies batarias Rbat=2; %Stoixeia autokinhtou Rwh=0.15;

192 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Πρόγραμμα καθορισμού χρόνου αγωγής των ενεργών διανυσμάτων για την τεχνική SVM Alt-Rev function [Ti,Tj,T0,T7,sector,m] = fcn(magnitude,phase,vdc,ts) %#codegen phase_moires=phase*(180/pi); if phase_moires<=0 phase=phase+2*pi; phase_moires=phase_moires+360; end a=magnitude/((2/3)*vdc); m=(4/3)*a; k=(sqrt(3)/2)*m*ts; if (0<phase_moires) && (phase_moires<=60) Ti=k*cos(phase+pi/6); Tj=k*cos(phase+3*pi/2); sector=1; elseif (60<phase_moires) && (phase_moires<=120) Ti=k*cos(phase+11*pi/6); Tj=k*cos(phase+7*pi/6); sector=2; elseif (120<phase_moires) && (phase_moires<=180) Ti=k*cos(phase+3*pi/2); Tj=k*cos(phase+5*pi/6); sector=3; elseif (180<phase_moires) && (phase_moires<=240) Ti=k*cos(phase+7*pi/6); Tj=k*cos(phase+pi/2); sector=4; elseif (240<phase_moires) && (phase_moires<=300) Ti=k*cos(phase+5*pi/6); Tj=k*cos(phase+pi/6); sector=5; elseif (300<phase_moires) && (phase_moires<=360) Ti=k*cos(phase+pi/2); Tj=k*cos(phase+11*pi/6); sector=6; else disp('exeis kanei kapou mpourda sto phase_moires') Ti=0; Tj=0; sector=0; end

193 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α T0=(Ts-Ti-Tj)/2; T7=(Ts-Ti-Tj)/2; end Πρόγραμμα καθορισμού χρόνου αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα function [Diarkeia1,Delay1,Diarkeia3,Delay3,Diarkeia5,Delay5,Vmetro,Vd,Vq] = fcn(ti,tj,t0,t7,sector,vdc,ts) %#codegen k=(2/3)*vdc; if sector==1 Delay1=T0; Delay3=T0+Ti; Delay5=T0+Ti+Tj; Diarkeia1=2*(Ti+Tj+T7); Diarkeia3=2*(Tj+T7); Diarkeia5=2*T7; Vmeso=sqrt((k*2*Ti+k*2*Tj*cos(pi/3))^2+(k*2*Tj*sin(pi/3))^2); Vmetro=Vmeso/Ts; Vd=(k*2*Ti+k*2*Tj*cos(pi/3))/Ts; Vq=(k*2*Tj*sin(pi/3))/Ts; elseif sector==2 Delay1=T0+Tj; Delay3=T0; Delay5=T0+Ti+Tj; Diarkeia1=2*(Ti+T7); Diarkeia3=2*(Ti+Tj+T7); Diarkeia5=2*T7; Vmeso=sqrt((k*2*Ti*cos(pi/3)+k*2*Tj*cos(2*pi/3))^2+(k*2*Ti*sin(pi/3)+k*2*Tj*sin(2*pi/ 3))^2); Vmetro=Vmeso/Ts; Vd=(k*2*Ti*cos(pi/3)+k*2*Tj*cos(2*pi/3))/Ts; Vq=(k*2*Ti*sin(pi/3)+k*2*Tj*sin(2*pi/3))/Ts; elseif sector==3 Delay1=T0+Ti+Tj; Delay3=T0; Delay5=T0+Ti; Diarkeia1=2*T7; Diarkeia3=2*(Ti+Tj+T7); Diarkeia5=2*(Tj+T7); Vmeso=sqrt((k*2*Ti*cos(2*pi/3)+k*2*Tj*cos(3*pi/3))^2+(k*2*Ti*sin(2*pi/3)+k*2*Tj*sin( 3*pi/3))^2);

194 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Vmetro=Vmeso/Ts; Vd=(k*2*Ti*cos(2*pi/3)+k*2*Tj*cos(3*pi/3))/Ts; Vq=(k*2*Ti*sin(2*pi/3)+k*2*Tj*sin(3*pi/3))/Ts; elseif sector==4 Delay1=T0+Ti+Tj; Delay3=T0+Tj; Delay5=T0; Diarkeia1=2*T7; Diarkeia3=2*(Ti+T7); Diarkeia5=2*(Ti+Tj+T7); Vmeso=sqrt((k*2*Ti*cos(3*pi/3)+k*2*Tj*cos(4*pi/3))^2+(k*2*Ti*sin(3*pi/3)+k*2*Tj*sin( 4*pi/3))^2); Vmetro=Vmeso/Ts; Vd=(k*2*Ti*cos(3*pi/3)+k*2*Tj*cos(4*pi/3))/Ts; Vq=(k*2*Ti*sin(3*pi/3)+k*2*Tj*sin(4*pi/3))/Ts; elseif sector==5 Delay1=T0+Ti; Delay3=T0+Ti+Tj; Delay5=T0; Diarkeia1=2*(Tj+T7); Diarkeia3=2*T7; Diarkeia5=2*(Ti+Tj+T7); Vmeso=sqrt((k*2*Ti*cos(4*pi/3)+k*2*Tj*cos(5*pi/3))^2+(k*2*Ti*sin(4*pi/3)+k*2*Tj*sin( 5*pi/3))^2); Vmetro=Vmeso/Ts; Vd=(k*2*Ti*cos(4*pi/3)+k*2*Tj*cos(5*pi/3))/Ts; Vq=(k*2*Ti*sin(4*pi/3)+k*2*Tj*sin(5*pi/3))/Ts; elseif sector==6 Delay1=T0; Delay3=T0+Ti+Tj; Delay5=T0+Tj; Diarkeia1=2*(Ti+Tj+T7); Diarkeia3=2*T7; Diarkeia5=2*(Ti+T7); Vmeso=sqrt((k*2*Ti*cos(5*pi/3)+k*2*Tj*cos(6*pi/3))^2+(k*2*Ti*sin(5*pi/3)+k*2*Tj*sin( 6*pi/3))^2); Vmetro=Vmeso/Ts; Vd=(k*2*Ti*cos(5*pi/3)+k*2*Tj*cos(6*pi/3))/Ts; Vq=(k*2*Ti*sin(5*pi/3)+k*2*Tj*sin(6*pi/3))/Ts; else disp('exeis kanei kapou sthn epilogh sector mpourda(teleutaio kouti pou vgazei ta original)!!! :P') Delay1=0; Delay3=0; Delay5=0; Diarkeia1=0; Diarkeia3=0;

195 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Diarkeia5=0; Vmetro=0; Vd=0; Vq=0; end end Πρόγραμμα για την χάραξη τρισδιάστατου γραφήματος για τις απώλειες μπαταρίας figure syms Batarias_apwleies(Roi,Logos_metadoshs) Batarias_apwleies(Roi,Logos_metadoshs)=( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(( (6*(p^2)*(Uvh^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2))/((Vdc^2)*(Rwh^2)) )*(cos(atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm))))^2)*rbat; ezsurf(batarias_apwleies, [1, 4, 0.4, ]) Πρόγραμμα για την χάραξη τρισδιάστατου γραφήματος για τις απώλειες του αντιστροφέα figure syms Inverter_apwleies(Roi,Logos_metadoshs) Inverter_apwleies(Roi,Logos_metadoshs)=(Vd/(2*pi))*sqrt( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(6 - ( (2*sqrt(6)*pi*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(Vdc*Rwh) )*cos(atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))) + ( 12*(Roi^2)/(Lm^2) + 12*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(1/8 - ( (2*sqrt(6)*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(135*pi*Vdc*Rwh) )*(30*cos(atan((3*p*Logos_metadoshs*Roi^2)/(Fvh*Rwh*Lm)))- cos(3*atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))))*rd + (Vq/(2*pi))*sqrt( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(6 + ( (2*sqrt(6)*pi*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(Vdc*Rwh) )*cos(atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))) + ( 12*(Roi^2)/(Lm^2) + 12*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(1/8 + ( (2*sqrt(6)*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(135*pi*Vdc*Rwh) )*(30*cos(atan((3*p*Logos_metadoshs*Roi^2)/(Fvh*Rwh*Lm)))- cos(3*atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))))*rq + ((6*fc*(Eq+Ed))/pi)*sqrt( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2))); ezsurf(inverter_apwleies, [1, 4, 0.4, ])

196 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Πρόγραμμα για την χάραξη τρισδιάστατου γραφήματος για τις απώλειες του κινητήρα figure syms Olikes_apwleies(Roi,Logos_metadoshs) Olikes_apwleies(Roi,Logos_metadoshs)=3*Rs*( Roi^2/Lm^2 + (Fvh^2)*(Rwh^2)/( 9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2) ) ) + (3*Rr*(Fvh^2)*(Rwh^2))/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)) + (Cfw*(Logos_metadoshs^2)*(Uvh^2))/(Rwh^2) + (3*Cstray*(Uvh^2)*(Fvh^2))/(9*(p^2)*(Roi^2)) + ( (Ke*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Uvh^2))/(Rwh^2) + (Kh*p*Logos_metadoshs*Uvh)/(Rwh) )*(Roi^2); ezsurf(olikes_apwleies, [1, 4,.4, ]) Πρόγραμμα για την χάραξη τρισδιάστατου γραφήματος για τις ολικές απώλειες figure syms Olikes_apwleies(Roi,Logos_metadoshs) Olikes_apwleies(Roi,Logos_metadoshs)=3*Rs*( Roi^2/Lm^2 + (Fvh^2)*(Rwh^2)/( 9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2) ) ) + (3*Rr*(Fvh^2)*(Rwh^2))/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)) + (Cfw*(Logos_metadoshs^2)*(Uvh^2))/(Rwh^2) + (3*Cstray*(Uvh^2)*(Fvh^2))/(9*(p^2)*(Roi^2)) + ( (Ke*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Uvh^2))/(Rwh^2) + (Kh*p*Logos_metadoshs*Uvh)/(Rwh) )*(Roi^2) + (Vd/(2*pi))*sqrt( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(6 - ((2*sqrt(6)*pi*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(Vdc*Rwh))*cos(atan((3*p*Logos_metadosh s*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))) + ( 12*(Roi^2)/(Lm^2) + 12*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(1/8 - ((2*sqrt(6)*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(135*pi*Vdc*Rwh))*(30*cos(atan((3*p*Logos_ metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))- cos(3*atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))))*rd + (Vq/(2*pi))*sqrt( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(6 + ((2*sqrt(6)*pi*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(Vdc*Rwh))*cos(atan((3*p*Logos_metadosh s*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))) + ( 12*(Roi^2)/(Lm^2) + 12*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(1/8 + ((2*sqrt(6)*p*Uvh*Logos_metadoshs*Roi)/(135*pi*Vdc*Rwh))*(30*cos(atan((3*p*Logos_ metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))- cos(3*atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm)))))*rq + ((6*fc*(Eq+Ed))/pi)*sqrt( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2))) + ( 2*(Roi^2)/(Lm^2) + 2*(Fvh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)))*(( (6*(p^2)*(Uvh^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2))/((Vdc^2)*(Rwh^2)) )*(cos(atan((3*p*logos_metadoshs*roi^2)/(fvh*rwh*lm))))^2)*rbat;

197 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ezsurf(olikes_apwleies, [1, 4,.4, ]) Πρόγραμμα για την χάραξη τρισδιάστατου γραφήματος για την εύρεση ελαχίστου function main arxiko_shmeio=[0.1,0.1]; A=[]; b=[]; Aeq=[]; beq=[]; lb=[0.1,0.1]; ub=[ ,10]; %H dunamh se [N] kai h taxuthta se [m/sec] for Uveh = 1:6 for Fveh = 1:30 fun x = fmincon(fun,arxiko_shmeio,a,b,aeq,beq,lb,ub); Roi_opt(Uveh,Fveh)=x(1); Logos_metadoshs_opt(Uveh,Fveh)=x(2); X=sprintf('H veltisth Roi einai %f ',Roi_opt); Y=sprintf('O veltistos logos metadoshs einai %f ',Logos_metadoshs_opt); disp(x) disp(y) end end Eikonikh_Fveh=1:1:30; %φτιάχνει πίνακα 1x30 double plot(eikonikh_fveh,roi_opt) xlabel(' Fveh [N] ') ylabel(' Roi_o_p_t [Vsec/rad] ') title('roi_o_p_t(fveh) me parametro thn Uveh') figure plot(eikonikh_fveh,logos_metadoshs_opt) xlabel(' Fveh [N] ') ylabel(' Logos-metadoshs_o_p_t ') title('logos-metadoshs_o_p_t(fveh) me parametro thn Uveh') Eikonikh_Uveh=1:1:6; figure plot(eikonikh_uveh,roi_opt) xlabel(' Uveh [m/sec] ') ylabel(' Roi_o_p_t [Vsec/rad] ')

198 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α title('roi_o_p_t(uveh) me parametro thn Fveh') figure plot(eikonikh_uveh,logos_metadoshs_opt) xlabel(' Uveh [m/sec] ') ylabel(' Logos-metadoshs_o_p_t ') title('logos-metadoshs_o_p_t(uveh) me parametro thn Fveh') %Kwdikas gia elegxo oti ontws kanw veltistopoihsh twn apwleiewn b=logos_metadoshs_opt(6,30); metrhths1=0.1:0.05:1; for metrhths2=1:19 a=metrhths1(metrhths2); Apwleies(metrhths2)=Eksiswsh_apwleiwn(a,b,30,6); end figure plot(metrhths1,apwleies) xlabel(' Roi [Vsec/rad] ') ylabel(' Isxus apwleiwn ') title('isxus apwleiwn(roi) gia Fveh=30, Uveh=6 kai Logos metadoshs=opt') % end Πρόγραμμα για την χάραξη τρισδιάστατου γραφήματος για τον υπολογισμό της διαφοράς απωλειών του ολικού συστήματος για λειτουργία στο σημείο ελάχιστων απωλειών αυτού ή στο σημείο των ελάχιστων απωλειών του κινητήρα function main %H dunamh se [N] kai h taxuthta se [m/sec] Fveh=80; Uveh=50; arxiko_shmeio=[0.1,0.1]; A=[]; b=[]; Aeq=[]; beq=[]; lb=[0.3,1]; ub=[ ,4];

199 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α %Elaxista shmeia gia to oliko susthma fun1 [x1,pmin_tot] = fmincon(fun1,arxiko_shmeio,a,b,aeq,beq,lb,ub); Roi_opt1=x1(1); Logos_metadoshs_opt1=x1(2); %Elaxista shmeia gia ton kinhthra fun2 [x2] = fmincon(fun2,arxiko_shmeio,a,b,aeq,beq,lb,ub); Roi_opt2=x2(1); Logos_metadoshs_opt2=x2(2); K=Eksiswsh_apwleiwn_tot(Roi_opt2,Logos_metadoshs_opt2,Fveh,Uveh); Diafora=K-Pmin_tot; X1=sprintf('H veltisth Roi einai %f ',Roi_opt1); Y1=sprintf('O veltistos logos metadoshs einai %f ',Logos_metadoshs_opt1); Z1=sprintf('Oi minimum apwleies einai %f ',Pmin_tot); X2=sprintf('H veltisth Roi 2 einai %f ',Roi_opt2); Y2=sprintf('O veltistos logos metadoshs 2 einai %f ',Logos_metadoshs_opt2); Z2=sprintf('Oi minimum apwleies 2 einai %f ',Diafora); disp(x1) disp(y1) disp(x2) disp(y2) disp(z1) disp(z2) disp(k) end function Olikes_apwleies=Eksiswsh_apwleiwn_tot(Roi,Logos_metadoshs,Fveh,Uveh) % Ts=250e-6; Vdc=650; %Stoixeia Mhxanhs Rs= ; Ls= ; Lm= ; p=1; J=0.0095;

200 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α %Apwleies Mhxanhs Rr= ; Ke= ; Kh= ; Cfw= ; Cstray= ; %Apwleies Inverter Rq=0.001; Rd=0.001; Vq=2; Vd=1; Eq=0.0002; Ed=0.0002; fc=1/ts; %Apwleies batarias Rbat=2; %Stoixeia autokinhtou Rwh=0.15; % Is=sqrt( (Roi^2)/(Lm^2) + (Fveh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)) ); Ir=sqrt( (Fveh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)) ); phi=atan( (3*p*Logos_metadoshs*Roi^2)/(Fveh*Rwh*Lm) ); Wm= (Uveh*Logos_metadoshs)/Rwh; We=p*Wm; Ipeak=sqrt(2)*Is; m=(2*sqrt(2)*p*uveh*logos_metadoshs*roi)/(vdc*rwh); Id_meso=Ipeak*(6 - m*pi*sqrt(3)*cos(phi))/(12*pi); Iq_meso=Ipeak*(6 + m*pi*sqrt(3)*cos(phi))/(12*pi); Id_rms_tetragwno=(Ipeak^2)*(1/8 - (m/(45*pi*sqrt(3)))*( 30*cos(phi) - cos(3*phi))); Iq_rms_tetragwno=(Ipeak^2)*(1/8 + (m/(45*pi*sqrt(3)))*( 30*cos(phi) - cos(3*phi))); Idc=Ipeak*m*sqrt(3)*cos(phi)/2; Pmotor=3*Rs*(Is^2) + 3*Rr*(Ir^2) + (Ke*(We^2) + Kh*We)*(Roi^2) + Cfw*(Wm^2) + 3*Cstray*(Wm^2)*(Ir^2); Pinverter= 6*( Vd*Id_meso + Id_rms_tetragwno*Rd + Vq*Iq_meso + Iq_rms_tetragwno*Rq ) + 6*( fc*(eq+ed)/pi )*Ipeak; Pbatarias= (Idc^2)*Rbat; Olikes_apwleies= Pmotor + Pinverter + Pbatarias; end function Kinhthra_apwleies=Eksiswsh_apwleiwn_mot(Roi,Logos_metadoshs,Fveh,Uveh) % Ts=250e-6;

201 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Vdc=650; %Stoixeia Mhxanhs Rs= ; Ls= ; Lm= ; p=1; J=0.0095; %Apwleies Mhxanhs Rr= ; Ke= ; Kh= ; Cfw= ; Cstray= ; %Apwleies Inverter Rq=0.001; Rd=0.001; Vq=2; Vd=1; Eq=0.0002; Ed=0.0002; fc=1/ts; %Apwleies batarias Rbat=2; %Stoixeia autokinhtou Rwh=0.15; % Is=sqrt( (Roi^2)/(Lm^2) + (Fveh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)) ); Ir=sqrt( (Fveh^2)*(Rwh^2)/(9*(p^2)*(Logos_metadoshs^2)*(Roi^2)) ); phi=atan( (3*p*Logos_metadoshs*Roi^2)/(Fveh*Rwh*Lm) ); Wm= (Uveh*Logos_metadoshs)/Rwh; We=p*Wm; Kinhthra_apwleies=3*Rs*(Is^2) + 3*Rr*(Ir^2) + (Ke*(We^2) + Kh*We)*(Roi^2) + Cfw*(Wm^2) + 3*Cstray*(Wm^2)*(Ir^2); end

202 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α

203 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΤΥΠΩΜΕΝΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΑΙ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

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

Διαβάστε περισσότερα

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

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

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρας παράλληλης διέγερσης

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

Διαβάστε περισσότερα

ΟΝΟΜ/ΩΝΥΜΟ:ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΓΚΟΥΝΤΟΥΣΟΥΔΗΣ Α.Μ:6750 ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΞΑΜΗΝΟΥ:ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ)

ΟΝΟΜ/ΩΝΥΜΟ:ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΓΚΟΥΝΤΟΥΣΟΥΔΗΣ Α.Μ:6750 ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΞΑΜΗΝΟΥ:ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ) ΟΝΟΜ/ΩΝΥΜΟ:ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΓΚΟΥΝΤΟΥΣΟΥΔΗΣ Α.Μ:6750 ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΞΑΜΗΝΟΥ:ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ) Περιγραφή Λειτουργίας Σύγχρονου Κινητήρα Σκοπός: Η παρούσα εργασία έχει σκοπό να περιγράψει τη λειτουργία ενός

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

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

Διαβάστε περισσότερα

Μελέτη προβλημάτων ΠΗΙ λόγω λειτουργίας βοηθητικών προωστήριων μηχανισμών

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

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 8 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 8 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΚΗΣΗ 8 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της λειτουργίας του κινητήρα συνεχούς

Διαβάστε περισσότερα

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

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

Διαβάστε περισσότερα

10 - ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

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

Διαβάστε περισσότερα

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

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

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ

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

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτροκινητήρας Εναλλασσόμενου Ρεύματος τύπου κλωβού. Άσκηση 9. Ηλεκτροκινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος τύπου κλωβού

Ηλεκτροκινητήρας Εναλλασσόμενου Ρεύματος τύπου κλωβού. Άσκηση 9. Ηλεκτροκινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος τύπου κλωβού ANTIKEIMENO: Άσκηση 9 Ηλεκτροκινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος τύπου κλωβού ΣΤΟΧΟΙ ΑΥΤΟΥ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ: Κατανόηση της λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος τύπου κλωβού Υπολογισμός μηχανικών

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΙΙ

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΙΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΙΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Ε.Ρ. 1. Μια σύγχρονη γεννήτρια με ονομαστικά στοιχεία: 2300V, 1000kV, 60Hz, διπολική με συντελεστής ισχύος 0,8 επαγωγικό και σύνδεση σε αστέρα έχει σύγχρονη

Διαβάστε περισσότερα

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ : ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ, ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ : ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ, ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ : ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ, ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ Δ. Ράπτης, Α. Κλαδάς Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος Τομέας Ηλεκτρικής

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης ΑΣΚΗΣΗ 5 Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Μια ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος παράγει τάση συνεχούς μορφής όταν χρησιμοποιείται ως γεννήτρια, ενώ ένας κινητήρας

Διαβάστε περισσότερα

Πείραμα επαγόμενου ρεύματος

Πείραμα επαγόμενου ρεύματος Επαγόμενα πεδία Ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να μην είναι σταθερό, αλλά χρονικά μεταβαλλόμενο. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν το 1831 (από τους Michael Faraday και Joseph Henry) έδειξαν ότι ένα μεταβαλλόμενο

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. α) αθροιστικής σύνθετης διέγερσης

Κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. α) αθροιστικής σύνθετης διέγερσης ΑΣΚΗΣΗ 10 Κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης α) αθροιστικής σύνθετης διέγερσης 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του κινητήρα

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΡΟΠΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΡΟΠΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Ένας που κατασκευάζεται ώστε να παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση δρομέα η ροπή εκκίνησης του είναι αρκετά υψηλή αλλά το ίδιο υψηλή είναι και η ολίσθηση του στις κανονικές συνθήκες λειτουργίας Όμως επειδή Pconv=(1-s)PAG,

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΜΑ: «Tα υβριδικά αυτοκίνητα»

ΘΕΜΑ: «Tα υβριδικά αυτοκίνητα» ΘΕΜΑ: «Tα υβριδικά αυτοκίνητα» Καράμπελα Καράπαπα Επιμέλεια εργασίας: Ζωή Ιωάννα ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ; Αυτός ο τύπος αυτοκινήτου ονομάζεται έτσι επειδή συνδυάζει δύο μορφές ενέργειας για να

Διαβάστε περισσότερα

4 ΜΟΝΤΕΛΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ

4 ΜΟΝΤΕΛΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ 4 ΜΟΝΤΕΛΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται το προσομοιωτικό μοντέλο ενός ηλεκτρικού οχήματος όπως υλοποιήθηκε στο λογισμικό Matlab/Simulink. Για την υλοποίηση του μοντέλου του ηλεκτρικού

Διαβάστε περισσότερα

Οι μηχανές ΕΡ είναι γεννήτριες που μετατρέπουν τη μηχανική ισχύ σε ηλεκτρική και κινητήρες που μετατρέπουν την ηλεκτρική σε μηχανική

Οι μηχανές ΕΡ είναι γεννήτριες που μετατρέπουν τη μηχανική ισχύ σε ηλεκτρική και κινητήρες που μετατρέπουν την ηλεκτρική σε μηχανική Οι μηχανές ΕΡ είναι γεννήτριες που μετατρέπουν τη μηχανική ισχύ σε ηλεκτρική και κινητήρες που μετατρέπουν την ηλεκτρική σε μηχανική Υπάρχουν 2 βασικές κατηγορίες μηχανών ΕΡ: οι σύγχρονες και οι επαγωγικές

Διαβάστε περισσότερα

ΓΚΙΟΚΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ. ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής γεννήτριας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς.

ΓΚΙΟΚΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ. ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής γεννήτριας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς. ΓΚΙΟΚΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΑΜ:6749 ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής γεννήτριας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς. ΣΚΟΠΟΣ: Για να λειτουργήσει μια γεννήτρια, πρέπει να πληρούνται οι παρακάτω βασικές

Διαβάστε περισσότερα

5. ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΚΑΙ ΑΛΛΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ

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

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Μελέτη Ηλεκτρικού Κινητήρα

ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Μελέτη Ηλεκτρικού Κινητήρα ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μελέτη Ηλεκτρικού Κινητήρα Τύπος Ηλεκτρικού Κινητήρα Ασύγχρονος μονοφασικός ηλεκτρικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα. Α. Γενική Θεωρητική

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Ενότητα 2: Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας Αρχή Λειτουργίας Ηρακλής Βυλλιώτης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 7 η ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΟΠΗΣ ΣΤΡΟΦΩΝ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ

ΑΣΚΗΣΗ 7 η ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΟΠΗΣ ΣΤΡΟΦΩΝ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΑΣΚΗΣΗ 7 η ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΟΠΗΣ ΣΤΡΟΦΩΝ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Σκοπός της άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι: 1. Η μελέτη του τρόπου εκκίνησης και λειτουργίας

Διαβάστε περισσότερα

ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Ασύγχρονοι κινητήρες

ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Ασύγχρονοι κινητήρες ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Ασύγχρονοι κινητήρες Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2007 Ηλίας

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΣΤΟΥΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥΣ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΣΤΟΥΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥΣ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Το κανονικό εύρος λειτουργίας ενός τυπικού επαγωγικού κινητήρα (κλάσης Α, Β και C) περιορίζεται κάτω από 5% για την ολίσθηση ενώ η μεταβολή της ταχύτητας πέρα από αυτό το εύρος είναι σχεδόν ανάλογη του

Διαβάστε περισσότερα

Αφεντουλίδου Όλγα ΑΜ:6904. Ηλεκτρικές Μηχανές. Μέθοδοι εκκίνησης τριφασικού επαγωγικού κινητήρα

Αφεντουλίδου Όλγα ΑΜ:6904. Ηλεκτρικές Μηχανές. Μέθοδοι εκκίνησης τριφασικού επαγωγικού κινητήρα Αφεντουλίδου Όλγα ΑΜ:6904 Ηλεκτρικές Μηχανές Μέθοδοι εκκίνησης τριφασικού επαγωγικού κινητήρα 1 Εισαγωγή Από τα διάφορα είδη ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος, ο τριφασικός ασύγχρονος ή επαγωγικός

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρες μιας νέας εποχής

Κινητήρες μιας νέας εποχής Κινητήρες μιας νέας εποχής H ABB παρουσιάζει μια νέα γενιά κινητήρων υψηλής απόδοσης βασισμένη στην τεχνολογία σύγχρονης μαγνητικής αντίστασης. Η ΑΒΒ στρέφεται στην τεχνολογία κινητήρων σύγχρονης μαγνητικής

Διαβάστε περισσότερα

25.2. Εισαγωγή Θεωρητικές Επεξηγήσεις Λειτουργίας

25.2. Εισαγωγή Θεωρητικές Επεξηγήσεις Λειτουργίας φαρμογή 5 Τριφασικός παγωγικός Κινητήρας : Με Τυλιγμένο Δρομέα ( ο μέρος) 5.. Σκοποί της φαρμογής Μαθησιακοί Στόχοι Να μπορείτε να εξετάζετε την κατασκευή ενός τριφασικού επαγωγικού κινητήρα με τυλιγμένο

Διαβάστε περισσότερα

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

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

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 2 η

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

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΓΡΑΦΕΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ. Γιώργος Εμμανουηλίδης

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΓΡΑΦΕΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ. Γιώργος Εμμανουηλίδης ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΓΡΑΦΕΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ Γιώργος Εμμανουηλίδης Ιούλιος 2011 1 Πίνακας Περιεχομένων 1. Εισαγωγή... 3 2. Η τεχνολογία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων... 4 2.1. Ιστορία των ηλεκτρικών οχημάτων...

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ

ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της λειτουργίας της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος

Διαβάστε περισσότερα

ΣΥΜΠΙΕΣΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

ΣΥΜΠΙΕΣΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 9. Ηλεκτρικό Σύστημα Συμπιεστών Ανάλογα με την κατασκευή τους και το είδος του εναλλασσόμενου ρεύματος που απαιτούν για τη λειτουργία τους, οι ηλεκτροκινητήρες διακρίνονται σε: Μονοφασικούς. Τριφασικούς.

Διαβάστε περισσότερα

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

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

Διαβάστε περισσότερα

2. ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

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

Διαβάστε περισσότερα

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Πριν το 1830 τα οχήματα ήταν ακόμα ατμοκίνητα, καθώς οι νόμοι της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και κατά συνέπεια οι ηλεκτρικές μηχανές, δεν είχαν ακόμη

Διαβάστε περισσότερα

Αυτά τα πειράµατα έγιναν από τους Michael Faraday και Joseph Henry.

Αυτά τα πειράµατα έγιναν από τους Michael Faraday και Joseph Henry. Επαγόµενα πεδία Ένα µαγνητικό πεδίο µπορεί να µην είναι σταθερό, αλλά χρονικά µεταβαλλόµενο. Πειράµατα που πραγµατοποιήθηκαν το 1831 έδειξαν ότι ένα µεταβαλλόµενο µαγνητικό πεδίο µπορεί να επάγει ΗΕΔ σε

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΜΑ 1ο Για τις ερωτήσεις να γράψετε στο τετράδιό σας τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση.

ΘΕΜΑ 1ο Για τις ερωτήσεις να γράψετε στο τετράδιό σας τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ 2010 ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κακαζιάνης Πέτρος ΘΕΜΑ 1ο Για τις ερωτήσεις 1.1 1.13 να γράψετε στο τετράδιό σας τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί

Διαβάστε περισσότερα

ΙΤ=ΙS RT RS. Uεπ. Άσκηση 5 Ηλεκτρικοί κινητήρες DC

ΙΤ=ΙS RT RS. Uεπ. Άσκηση 5 Ηλεκτρικοί κινητήρες DC Άσκηση 5 Ηλεκτρικοί κινητήρες DC 5.1 Σκοπός της Άσκησης Σκοπός την Άσκησης είναι η μελέτη του τρόπου λειτουργίας και ελέγχου των ηλεκτρικών κινητήρων DC. Αναλύονται ο τρόπος εκκίνησης και ρύθμισης της

Διαβάστε περισσότερα

ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Μηχανές συνεχούς έντασης

ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Μηχανές συνεχούς έντασης ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Μηχανές συνεχούς έντασης Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2006

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Σκοπός της εργασίας Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να μάθουμε τι είναι μια γεννήτρια και να μάθουμε, κυρίως, τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ

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

Διαβάστε περισσότερα

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

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

Διαβάστε περισσότερα

Τ.Ε.Ι. ΠΑΤΡΑΣ / Σ.Τ.ΕΦ. Πάτρα Τμήμα: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ. Εξέταση στο μάθημα «Ηλεκτρικές Μηχανές»

Τ.Ε.Ι. ΠΑΤΡΑΣ / Σ.Τ.ΕΦ. Πάτρα Τμήμα: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ. Εξέταση στο μάθημα «Ηλεκτρικές Μηχανές» Τ.Ε.Ι. ΠΑΤΡΑΣ / Σ.Τ.ΕΦ. Πάτρα 26-1-2012 Τμήμα: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ Εξέταση στο μάθημα «Ηλεκτρικές Μηχανές» ΠΡΟΣΟΧΗ: Για οποιοδήποτε σύμβολο χρησιμοποιήσετε στις πράξεις σας, να γράψετε ξεκάθαρα τι αντιπροσωπεύει

Διαβάστε περισσότερα

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

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

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 11 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 11 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΚΗΣΗ 11 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση των τρόπων ελέγχου της ταχύτητας

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή.

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή. Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Αντικείμενο της εργασίας είναι η σχεδίαση και κατασκευή του ηλεκτρονικού τμήματος της διάταξης μέτρησης των θερμοκρασιών σε διάφορα σημεία ενός κινητήρα Ο στόχος είναι η ανάκτηση του

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΛΟΣ 1ΗΣ ΑΠΟ 4 ΣΕΛΙ ΕΣ

ΤΕΛΟΣ 1ΗΣ ΑΠΟ 4 ΣΕΛΙ ΕΣ ΑΡΧΗ 1ΗΣ ΣΕΛΙ ΑΣ ΝΕΟ ΚΑΙ ΠΑΛΑΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΝΕΛΛΑ ΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΗΜΕΡΗΣΙΩΝ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΩΝ ΛΥΚΕΙΩΝ ΚΑΙ HMEΡΗΣΙΩΝ ΚΑΙ ΕΣΠΕΡΙΝΩΝ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΩΝ ΛΥΚΕΙΩΝ (ΟΜΑ Α A ΚΑΙ ΜΑΘΗΜΑΤΩΝ ΕΙ ΙΚΟΤΗΤΑΣ ΟΜΑ Α Β ) ΕΥΤΕΡΑ 6

Διαβάστε περισσότερα

Μηχανές εναλλασσομένου ρεύματος

Μηχανές εναλλασσομένου ρεύματος Μηχανές εναλλασσομένου ρεύματος 1 Εισαγωγή Οι μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.) αποτελούν τη συντριπτική πλειονότητα των ηλεκτρικών μηχανών που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, κυρίως λόγω της επικράτησης

Διαβάστε περισσότερα

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink Α.Τ.Ε.Ι. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 21/11/2012 ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink Ονοματεπώνυμο Φοιτητή: Αθανάσιος Μανώλας Επιβλέπων Καθηγητής: Θεόδωρος Κοσμάνης

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Εργαστήριο

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Εργαστήριο ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Εργαστήριο Ενότητα 1: Προσδιορισμός των Σταθερών του Ισοδύναμου Κυκλώματος Ασύγχρονης Μηχανής Ηρακλής Βυλλιώτης

Διαβάστε περισσότερα

Ισοδύναμο κύκλωμα. Κύκλωμα οπλισμού. Κύκλωμα διέγερσης. Ι Α : ρεύμα οπλισμού Ε Α : επαγόμενη τάση. Ι : ρεύμα διέγερσης

Ισοδύναμο κύκλωμα. Κύκλωμα οπλισμού. Κύκλωμα διέγερσης. Ι Α : ρεύμα οπλισμού Ε Α : επαγόμενη τάση. Ι : ρεύμα διέγερσης Ισοδύναμο κύκλωμα Κύκλωμα οπλισμού Ι Α : ρεύμα οπλισμού Ε Α : επαγόμενη τάση R A : αντίσταση οπλισμού V φ : φασική τάση εξόδου Χ S : σύγχρονη αντίδραση V & = E& + jx I& + R ϕ A S A A I& A Κύκλωμα διέγερσης

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρας συνεχούς ρεύματος παράλληλης. διέγερσης

Κινητήρας συνεχούς ρεύματος παράλληλης. διέγερσης ΑΣΚΗΣΗ 9 Κινητήρας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Σε μια ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος αν τροφοδοτήσουμε το τύλιγμα οπλισμού με συνεχή τάση τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί

Διαβάστε περισσότερα

Η λειτουργία του κινητήρα βασίζεται σε τάσεις και ρεύματα που παράγονται εξ επαγωγής στο δρομέα και οφείλονται στο μαγνητικό πεδίο του στάτη

Η λειτουργία του κινητήρα βασίζεται σε τάσεις και ρεύματα που παράγονται εξ επαγωγής στο δρομέα και οφείλονται στο μαγνητικό πεδίο του στάτη Η λειτουργία του κινητήρα βασίζεται σε τάσεις και ρεύματα που παράγονται εξ επαγωγής στο δρομέα και οφείλονται στο μαγνητικό πεδίο του στάτη Επειδή ο επαγωγικός κινητήρας λειτουργεί εντελώς όμοια με ένα

Διαβάστε περισσότερα

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΒΑΣΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΣΡ Αναλύοντας τη δομή μιας πραγματικής μηχανής ΣΡ, αναφέρουμε τα ακόλουθα βασικά μέρη: Στάτης: αποτελεί το ακίνητο τμήμα

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 1 η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Στόχοι της εργαστηριακής άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με την:

ΑΣΚΗΣΗ 1 η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Στόχοι της εργαστηριακής άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με την: Σκοπός της Άσκησης: ΑΣΚΗΣΗ η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στόχοι της εργαστηριακής άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με την: α. Κατασκευή μετασχηματιστών. β. Αρχή λειτουργίας μετασχηματιστών.

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 4 Αρχή λειτουργίας Μηχανών DC

Άσκηση 4 Αρχή λειτουργίας Μηχανών DC Άσκηση 4 Αρχή λειτουργίας Μηχανών DC 4.1 Σκοπός της Άσκησης Σκοπός την Άσκησης είναι η μελέτη της αρχής λειτουργίας των μηχανών DC. Οι μηχανές DC μπορούν να λειτουργήσουν είτε ως γεννήτριες είτε ως κινητήρες.

Διαβάστε περισσότερα

6 Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας

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

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 3 η ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΣΧΥΟΣ

ΑΣΚΗΣΗ 3 η ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΑΣΚΗΣΗ 3 η ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΣΧΥΟΣ Σκοπός της άσκησης: Σκοπός της άσκησης είναι: 1. Να γνωρίσει ο σπουδαστής την διαδικασία παραλληλισμού μιας σύγχρονης

Διαβάστε περισσότερα

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΕΙΡΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ ΕΝΑΛΛΑΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΕΙΡΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ ΕΝΑΛΛΑΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΕΙΡΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ ΕΝΑΛΛΑΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΛΑΜΠΡΟΥ ΑΡΓΥΡΙΟΣ, Α.Μ : 7021 ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της

Διαβάστε περισσότερα

Ανύψωση τάσης στην έξοδο της γεννήτριας παραγωγής. Υποβιβασμός σε επίπεδα χρησιμοποίησης. Μετατροπή υψηλής τάσης σε χαμηλή με ρεύματα χαμηλής τιμής

Ανύψωση τάσης στην έξοδο της γεννήτριας παραγωγής. Υποβιβασμός σε επίπεδα χρησιμοποίησης. Μετατροπή υψηλής τάσης σε χαμηλή με ρεύματα χαμηλής τιμής Είδη μετασχηματιστών Μετασχηματιστές Ισχύος Μετασχηματιστές Μονάδος Ανύψωση τάσης στην έξοδο της γεννήτριας παραγωγής Μετασχηματιστές Υποσταθμού Υποβιβασμός σε επίπεδα διανομής Μετασχηματιστές Διανομής

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Σταύρος Λαζάρου ιπλ/χος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών Υποψήφιος ιδάκτορας Π.Π. Μέλος ΕΛ.ΙΝ.Η.Ο. Σωκράτης Παστρωµάς

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α), η κατανόηση της λειτουργίας της γεννήτριας

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος παράλληλης. διέγερσης

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος παράλληλης. διέγερσης ΑΣΚΗΣΗ 6 Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Στις γεννήτριες παράλληλης διέγερσης το τύλιγμα διέγερσης συνδέεται παράλληλα με το κύκλωμα του δρομέα, όπως φαίνεται

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΤΆ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΓ

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΤΆ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΓ Όταν κατά τη λειτουργία μιας ΣΓ η ροπή στον άξονα της ή το φορτίο της μεταβληθούν απότομα, η λειτουργία της παρουσιάζει κάποιο μεταβατικό φαινόμενο για κάποια χρονική διάρκεια μέχρι να επανέλθει στη στάσιμη

Διαβάστε περισσότερα

Στον άπειρο ζυγό και μέσω μιας γραμμής μεταφοράς ισχύος συνδέεται κάποια βιομηχανία

Στον άπειρο ζυγό και μέσω μιας γραμμής μεταφοράς ισχύος συνδέεται κάποια βιομηχανία ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Στον άπειρο ζυγό και μέσω μιας γραμμής μεταφοράς ισχύος συνδέεται κάποια βιομηχανία Οι 2 από τους 3 κινητήρες αυτής της βιομηχανίας είναι επαγωγικοί και διαθέτουν επαγωγικούς συντελεστές

Διαβάστε περισσότερα

ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΙΟΥΝΙΟΥ 2007

ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΙΟΥΝΙΟΥ 2007 ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δρ. Π. Β. Μαλατέστας, Καθηγητής ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ : 5//7 Μάθημα : Ηλεκτρική Κίνηση ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΙΟΥΝΙΟΥ 7 ΘΕΜΑ ο (4%) Κινητήρας με γραμμική χαρακτηριστική

Διαβάστε περισσότερα

Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα

Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα Ενότητα 1: Εισαγωγή Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό

Διαβάστε περισσότερα

Στα τυλίγματα απόσβεσης ενός ΣΚ μπορεί να αναπτυχθεί κάποια ροπή εκκίνησης χωρίς εξωτερική τροφοδοσία του κυκλώματος διέγερσης

Στα τυλίγματα απόσβεσης ενός ΣΚ μπορεί να αναπτυχθεί κάποια ροπή εκκίνησης χωρίς εξωτερική τροφοδοσία του κυκλώματος διέγερσης Στα τυλίγματα απόσβεσης ενός ΣΚ μπορεί να αναπτυχθεί κάποια ροπή εκκίνησης χωρίς εξωτερική τροφοδοσία του κυκλώματος διέγερσης Μια μηχανή που κατασκευάζεται με τυλίγματα απόσβεσης ονομάζεται επαγωγική

Διαβάστε περισσότερα

Α/Α Τίτλος θέματος Επιβλέπων Σύντομη περιγραφή Προαπαιτούμενα γνωστικά πεδία 1 ΚΛΙΜΑΤΙΚΕΣ ΠΟΛΙΤΙΚΕΣ ΤΗΣ Ε. Ε. Δρ. Ι.

Α/Α Τίτλος θέματος Επιβλέπων Σύντομη περιγραφή Προαπαιτούμενα γνωστικά πεδία 1 ΚΛΙΜΑΤΙΚΕΣ ΠΟΛΙΤΙΚΕΣ ΤΗΣ Ε. Ε. Δρ. Ι. ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ ΤΜΗΜΑ MHXANIΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Τ.Ε. Πίνακας προτεινόμενων πτυχιακών εργασιών για το εαρινό εξάμηνο 203-4 ΤΜΗΜΑ: MHXANIKΩN ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Τ.Ε. ΤΟΜΕΑΣ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 10 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 10 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΚΗΣΗ 10 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση των τρόπων ελέγχου της ταχύτητας ενός

Διαβάστε περισσότερα

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ (ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΣ) ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ (ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΣ) ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ (ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΣ) ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ 24/12/2017 ΣΟΦΙΑ ΔΟΛΜΑ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ (ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ) ΚΙΝΗΤΗΡΑ Ένας επαγωγικός ή ασύγχρονος κινητήρας είναι στην ουσία

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. α) αθροιστική σύνθετη διέγερση

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. α) αθροιστική σύνθετη διέγερση ΑΣΚΗΣΗ 7 Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης α) αθροιστική σύνθετη διέγερση 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Η γεννήτρια συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης είναι ένας συνδυασμός γεννήτριας παράλληλης

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας

Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Ενότητα: Άσκηση 5: Η σύγχρονη μηχανή (γεννήτρια/κινητήρας ) Νικόλαος Βοβός, Γαβριήλ Γιαννακόπουλος, Παναγής Βοβός Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 8 ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

ΑΣΚΗΣΗ 8 ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING 3 ος Εργαστηριακός Κύκλος ΑΣΚΗΣΗ 8 ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΤΕΙ ΑΜΘ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτριες ΣΡ Κινητήρες ΣΡ

Γεννήτριες ΣΡ Κινητήρες ΣΡ Γεννήτριες ΣΡ Κινητήρες ΣΡ - Στοιχειώδεις Ηλεκτρικές Μηχανές Επαγωγή λέγεται το φαινόμενο κατά το οποίο αναπτύσσεται ΗΕΔ: a. Στα άκρα αγωγού όταν αυτός κινείται με ταχύτητα υ μέσα σε μαγνητικό πεδίο επαγωγής

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 9 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 9 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΚΗΣΗ 9 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι: α) η ασφαλής εκκίνηση β) η χάραξη της χαρακτηριστικής

Διαβάστε περισσότερα

Στο στάτη της μηχανής εφαρμόζεται ένα 3-φασικό σύστημα ρευμάτων το οποίο παράγει στο εσωτερικό της στρεφόμενο ομογενές μαγνητικό πεδίο

Στο στάτη της μηχανής εφαρμόζεται ένα 3-φασικό σύστημα ρευμάτων το οποίο παράγει στο εσωτερικό της στρεφόμενο ομογενές μαγνητικό πεδίο Στον ΣΚ 2 πόλων το μαγνητικό πεδίο του δρομέα BR παράγεται από το ρεύμα διέγερσης IF Στο στάτη της μηχανής εφαρμόζεται ένα 3-φασικό σύστημα ρευμάτων το οποίο παράγει στο εσωτερικό της στρεφόμενο ομογενές

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΘΕΜΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας επαγωγικής γεννήτριας. ΟΝΟΜΑ : Μιμίκος Ευστράτιος. Α.Ε.Μ. : 6798 ΣΚΟΠΟΣ : O σκοπός της εργασίας είναι η περιγραφή του

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικά Κινητήρια Συστήματα

Ηλεκτρικά Κινητήρια Συστήματα Ηλεκτρικά Κινητήρια Συστήματα Ενότητα 8:Λειτουργική συμπεριφορά ασύγχρονων κινητήρων Επαμεινώνδας Μητρονίκας Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Σημείωμα Αδειοδότησης

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΟ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΟ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός επαγωγικού κινητήρα αποτελεί ένα πολύ σημαντικό εργαλείο για τον προσδιορισμό της απόκρισης του κινητήρα στις αλλαγές του φορτίου του Για να χρησιμοποιηθεί αυτό το ισοδύναμο θα

Διαβάστε περισσότερα

ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Περιστρεφόμενες μηχανές ac

ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Περιστρεφόμενες μηχανές ac ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Περιστρεφόμενες μηχανές ac Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2006

Διαβάστε περισσότερα

Μονοφασικός μετασχηματιστής σε λειτουργία. χωρίς φορτίο

Μονοφασικός μετασχηματιστής σε λειτουργία. χωρίς φορτίο ΑΣΚΗΣΗ 1 Μονοφασικός μετασχηματιστής σε λειτουργία χωρίς φορτίο 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Παρουσιάζεται συχνά η ανάγκη παροχής ηλεκτρικού ρεύματος με τάση διαφορετική από την τάση του δικτύου. Για παράδειγμα

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΓΕΝΝΗΤΙΚΗ ΠΕΔΗΣΗ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΓΕΝΝΗΤΙΚΗ ΠΕΔΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΓΕΝΝΗΤΙΚΗ ΠΕΔΗΣΗ Ένα από τα πλεονεκτήματα της χρήσης των ηλεκτρικών κινητήρων για την κίνηση οχημάτων είναι η εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη διάρκεια της πέδησης (φρεναρίσματος) του οχήματος.

Διαβάστε περισσότερα

«Προηγµένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών»,

«Προηγµένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών», «Προηγµένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών», Μέτρο: «Εισαγωγή και Αξιοποίηση των νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση» του Επιχειρησιακού Προγράµµατος Κοινωνία της Πληροφορίας ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

Διαβάστε περισσότερα

ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσομένου ρεύματος (ΕΡ) χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στις σύγχρονες (που χρησιμοποιούνται συνήθως ως γεννήτριες)

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ

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

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Ενότητα 8: Θεωρία των δυο Στρεφόμενων Πεδίων Ηρακλής Βυλλιώτης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ Άδειες Χρήσης

Διαβάστε περισσότερα

Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών

Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών Ενότητα 9: Άμεσος Διανυσματικός Έλεγχος Ασύγχρονων Μηχανών με προσανατολισμό στην μαγνητική ροή του δρομέα Επαμεινώνδας Μητρονίκας - Αντώνιος Αλεξανδρίδης Πολυτεχνική

Διαβάστε περισσότερα

Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών

Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών Ενότητα 8: Άμεσος Διανυσματικός Έλεγχος Ασύγχρονων Μηχανών με προσανατολισμό στην μαγνητική ροή του στάτη Επαμεινώνδας Μητρονίκας - Αντώνιος Αλεξανδρίδης Πολυτεχνική

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 7 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 7 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΚΗΣΗ 7 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της λειτουργίας της γεννήτριας συνεχούς

Διαβάστε περισσότερα

1. PV modules 2. Wind Generator 3. Charge Controllers 4. Battery Bank 5. Inverter 6. Fuse box 7. AC appliances

1. PV modules 2. Wind Generator 3. Charge Controllers 4. Battery Bank 5. Inverter 6. Fuse box 7. AC appliances Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Παροχής Ισχύος που βασίζονται σε ΑΠΕ 1. PV modules 2. Wind Generator 3. Charge Controllers 4. Battery Bank 5. Inverter 6. Fuse box 7. AC appliances Μπαταρίες σε υβριδικά συστήματα

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτριες ΣΡ Κινητήρες ΣΡ

Γεννήτριες ΣΡ Κινητήρες ΣΡ Κινητήρες ΣΡ Ως γεννήτρια ΣΡ χαρακτηρίζεται η ηλεκτρική μηχανή που κατά τη λειτουργία της λαμβάνει κινητική ενέργεια και τη μετατρέπει σε ηλεκτρική με τη μορφή συνεχούς ρεύματος Η ΗΕΔ που δημιουργείται

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΤΡΟΠΟΙ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ Η Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (IEC) καθιέρωσε τέσσερις τυποποιημένους τρόπους οι οποίοι αποτελούν τις κύριες μεθόδους φόρτισης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΜΑ: Πρόταση προσωρινού ΑΠΣ στο μάθημα «Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνίας και Ηλ. Μηχανών»

ΘΕΜΑ: Πρόταση προσωρινού ΑΠΣ στο μάθημα «Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνίας και Ηλ. Μηχανών» ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΕΡΕΥΝΑΣ KAI ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ Α /ΘΜΙΑΣ ΚΑΙ Β /ΘΜΙΑΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΑΤΤΙΚΗΣ ΓΡΑΦΕΙΟ ΣΧΟΛΙΚΩΝ ΣΥΜΒΟΥΛΩΝ ΔΕΥΤΕΡΟΒΑΘΜΙΑΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ Γ ΑΘΗΝΑΣ ΧΑΡΙΣ ΟΡΦΑΝΟΣ

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτριες ΣΡ Ξένης Διέγερσης

Γεννήτριες ΣΡ Ξένης Διέγερσης Γεννήτριες ΣΡ Ξένης Διέγερσης Γεννήτριες ΣΡ Γεννήτριες ανεξάρτητης διέγερσης: το κύκλωμα που παράγει το κύριο πεδίο (κύκλωμα διέγερσης) τροφοδοτείται από μία ξεχωριστή πηγή, ανεξάρτητη από τη γεννήτρια

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

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

Διαβάστε περισσότερα