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 ΓΕΩΡΓΙΟΥ Ι. ΕΛΕΥΘΕΡΑΚΗ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΥΠΟΥ Η5 ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 359 Πάτρα, Φεβρουάριος 2013 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΓΕΩΡΓΙΟΥ Ι. ΕΛΕΥΘΕΡΑΚΗ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΥΠΟΥ Η5 ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2013 Πάτρα, Φεβρουάριος 2013

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: " ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΥΠΟΥ Η5 ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ " του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΕΛΕΥΘΕΡΑΚΗ του ΙΩΑΝΝΗ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 27/2/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2013 ΤΙΤΛΟΣ: " ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΥΠΟΥ Η5 ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ " Φοιτητής: Ελευθεράκης Γεώργιος του Ιωάννη Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ.Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την κατασκευή ενός μονοφασικού αντιστροφέα Η5, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως σε τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων με το δίκτυο χαμηλής τάσης. 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 αυτής εργασίας είναι να καταστεί σαφής η λειτουργία του αντιστροφέα Η5 μέσω της θεωρητικής ανάλυσής του. Ακόμη, σκοπός της εργασίας αυτής είναι να γίνει κατανοητός ο λόγος για τον οποίο ο αντιστροφέας Η5 βρίσκει μεγάλη εφαρμογή και προτιμάται έναντι άλλων τοπολογιών αντιστροφέων στα φωτοβολταϊκά συστήματα ισχύος της τάξης των 5-20 kw. Αρχικά, παρουσιάζεται η ανάγκη εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας και περιγράφονται εν συντομία τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που αποτελούν καθοριστικό ρόλο στον τομέα αυτό. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα φωτοβολταϊκά συστήματα, οι τρόποι διασύνδεσής τους με το δίκτυο χαμηλής τάσης καθώς και οι τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή. Ακολούθως, παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και η προσομοίωση του αντιστροφέα Η5 καθώς και η σύγκρισή του με την τοπολογία πλήρους γέφυρας. Τέλος, αναλύεται η διαδικασία υλοποίησης κάθε σταδίου του μονοφασικού αντιστροφέα τύπου Η5 και παρατίθενται παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον.

8

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενό της αποτέλεσε η μελέτη και κατασκευή ενός μονοφασικού αντιστροφέα Η5. Αναλυτικά, στην εισαγωγή εξετάζεται η φύση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και η ανάγκη χρήσης τους ενώ παρατίθεται μια σύντομη περιγραφή του υπό μελέτη αντιστροφέα. Στο κεφάλαιο 1 περιγράφεται ο τρόπος εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας και γίνεται σύντομη περιγραφή των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα φωτοβολταϊκά συστήματα και ο τρόπος διασύνδεσης τους με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή και τα φαινόμενα που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής σε αυτές. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται η θεωρητική ανάλυση του αντιστροφέα Η5 όπου περιγράφεται η λειτουργία του, η παλμοδότηση των στοιχείων του και το φίλτρο εξόδου του. Στο κεφάλαιο 5 παρατίθενται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν για τη λειτουργία του αντιστροφέα Η5 μέσω των οποίων γίνεται σύγκριση του αντιστροφέα αυτού με τον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε μέσω του οποίου γίνεται ο έλεγχος των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα Η5. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται με λεπτομέρεια οι πλακέτες που σχεδιάστηκαν και μελετούνται τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή της μονάδας του αντιστροφέα, της μονάδας του μικροελεγκτή, του φίλτρου εξόδου καθώς και της μονάδας τροφοδοσίας. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται τα παλμογραφήματα που προέκυψαν από την πειραματική διάταξη που κατασκευάστηκε καθώς και οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, τα σχέδια των τυπωμένων πλακετών (PCB) καθώς και ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε,.

10 Στο σημείο αυτό οφείλω να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη, για τη συνολική αρωγή του κατά την περίοδο εκπόνησης της εν λόγω διπλωματικής εργασίας, τις πολύτιμες συμβουλές και την καθοδήγηση που προσέφερε. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Γεώργιο Χρηστίδη, ο οποίος συνέβαλε τα μέγιστα στη μελέτη αυτής της εργασίας με τις γνώσεις του και τις συμβουλές του, καθώς και όλους τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας για την πολύτιμη βοήθεια τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συναδέλφους Ιωάννη Γκαρτζώνη και Γεώργιο Πυρρή για την άψογη και ιδιαίτερα ευχάριστη συνεργασία που είχαμε σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας.

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 Ε.1. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ... 1 Ε.2. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΤΗΣ... 3 Ε.3. ΣΤΟΧΟΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο... 5 Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Ο ΗΛΙΟΣ ΩΣ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΙΣΤΟΡΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ [9] ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΕΙΔΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Φωτοβολταϊκά Συστήματα ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Κεντρικοποιημένη Τεχνολογία Τεχνολογία Αλυσίδας Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Αντιστροφείς χωρίς μετασχηματιστή ΓΑΛΒΑΝΙΚΗ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ - ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ ΠΡΟΤΥΠΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΩΝ ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ ΠΑΡΑΣΙΤΙΚΗ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΟΙΧΙΩΝ ΡΕΥΜΑ ΔΙΑΡΡΟΗΣ (LEAKAGE GROUND CURRENT)... 33

12 3.5 ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Θεωρητική ανάλυση του αντιστροφέα Η5 (H5 Inverter) ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Η ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗ Η5 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Στρατηγική ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (spwm) Διαμόρφωση spwm με διπολική (bipolar) τάση εξόδου Διαμόρφωση spwm με μονοπολική (unipolar) τάση εξόδου Υβριδικού τύπου παλμοδότηση αντιστροφέα Η ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Προσομοίωση αντιστροφέα Η5 και σύγκρισή του με την τοπολογία πλήρους γέφυρας ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η5 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ Μελέτη ρεύματος διαρροής αντιστροφέα Η Σύγκριση ρεύματος διαρροής Η5 αντιστροφέα με αντιστροφέα πλήρους γέφυρας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο Έλεγχος παλμοδότησης Η5 αντιστροφέα με IGBT ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗ ΤΩΝ IGBT ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ dspic30f Το περιφερειακό Motor Control PWM Θύρες εισόδου-εξόδου Το περιφερειακό μετατροπής του Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό (ADC) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο Υλοποίηση αντιστροφέα Η ΓΕΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος Πυκνωτές στην είσοδο του αντιστροφέα ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΤΩΝ IGBT Το ολοκληρωμένο 6Ν Το ολοκληρωμένο IR Το ολοκληρωμένο ICL ΑΠΑΓΩΓΟΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Η

13 7.6 ΜΟΝΑΔΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ

14

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Μέχρι το πρόσφατο παρελθόν η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διεθνή κλίμακα στηριζόταν κατά κανόνα σε συμβατικές ενεργειακές τεχνολογίες και σε πρώτες ύλες, όπως το πετρέλαιο, ο άνθρακας και ο λιγνίτης. Όμως, η τεράστια παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση, όπως αυτή διαμορφώνεται από τις σύγχρονες κοινωνικές και βιομηχανικές απαιτήσεις, έχει ως αποτέλεσμα την αλόγιστη κατανάλωση των οργανικών καυσίμων, σε σημείο που ο κίνδυνος εξάντλησης τους να είναι πλέον ορατός. Από την άλλη πλευρά, η χρήση της πυρηνικής ενέργειας στην ηλεκτροπαραγωγή, αν και δύναται να αντιμετωπίσει επάξια τις ενεργειακές προκλήσεις, μακροπρόθεσμα μπορεί να επισύρει πολλούς κινδύνους και μάλιστα με μη αναστρέψιμες συνέπειες σε περιπτώσεις ατυχημάτων. Επιπρόσθετα, ένας ακόμη προβληματισμός ο οποίος είναι άρρηκτα συνυφασμένος με τους συμβατικούς τρόπους ηλεκτροπαραγωγής είναι η επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τα «παραπροϊόντα» της καύσης των οργανικών καυσίμων. Συγκεκριμένα, οι εκπομπές επικίνδυνων ρύπων, όπως τα οξείδια του αζώτου, οι ενώσεις του θείου και το διοξείδιο του άνθρακα, μπορούν να επισύρουν επικίνδυνες κλιματικές αλλαγές στον πλανήτη μας, οι οποίες στο σύνολό τους είναι γνωστές ως «φαινόμενο του θερμοκηπίου» [1]. Σχήμα Ε.1: Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας [2] Αν και ο όρος αυτός αρχικά χρησιμοποιήθηκε για να περιγραφεί η φυσική διαδικασία με την οποία η ατμόσφαιρα ενός πλανήτη συμβάλλει στη θέρμανσή του, τα τελευταία χρόνια ο όρος «φαινόμενο του θερμοκηπίου» είναι συνδεδεμένος με την 1

16 υπερθέρμανση της γης λόγω της ρύπανσης της ατμόσφαιρας από ρύπους που οφείλονται στις ανθρώπινες παρεμβάσεις στο φυσικό περιβάλλον. Είναι χαρακτηριστικό ότι σημαντικός αριθμός κρατών της διεθνούς κοινότητας, αναγνωρίζοντας ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο κλάδος που ευθύνεται κατά κύριο λόγο για τη ρύπανση του περιβάλλοντος, αποφάσισε να θεσπίσει το 1997 ένα σημαντικό «νομικό εργαλείο» για τον έλεγχο των εκπομπών, γνωστό και ως πρωτόκολλο του Κυότο[1]. Κεντρικός άξονας του πρωτοκόλλου του Κυότο είναι οι νομικά κατοχυρωμένες δεσμεύσεις των βιομηχανικών αναπτυγμένων κρατών να μειώσουν κατά τη διάρκεια της περιόδου τις εκπομπές έξι αερίων που συμβάλλουν στο «φαινόμενο του θερμοκηπίου» (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, μονοξείδιο του αζώτου, υδροφθοράνθρακες, φθοράνθρακες και εξαφθοριούχο θείο), κατά 5.2% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990 (έτος βάσης σύγκρισης). Απόρροια των παραπάνω δεσμεύσεων υποχρεώσεων που αφορούν την Ευρωπαϊκή Ένωση, είναι η μείωση των εκπομπών κατά 8% [1]. Ο διακανονισμός των επιμέρους υποχρεώσεων ανάμεσα στα κράτη μέλη της παρουσιάζει σημαντικές διαφοροποιήσεις. Ιδιαίτερα, στην Ελλάδα, έχει επιτραπεί η αύξηση των εκπομπών των αερίων του «θερμοκηπίου» κατά 25% μέχρι το 2010 σε σχέση με τα επίπεδα του Σχήμα Ε.2: Ο ήλιος ως κύρια πηγή ενέργειας [2] Όμως σύμφωνα με τα στοιχεία του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, οι εκπομπές της χώρας μας είχαν ήδη αυξηθεί το 2003 κατά 23.4%[1]. Ενδεικτικά αξίζει να σημειωθεί ότι κάθε κιλοβατώρα ηλεκτρικού ρεύματος, που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με ένα τουλάχιστον κιλό διοξειδίου του άνθρακα. Σύμφωνα, όμως, με την Έκθεση του Ευρωπαϊκού Περιβάλλοντος[1], η οποία δημοσιεύθηκε πρόσφατα, φαίνεται η επιτυχία της Ελλάδας ως ένα από τα 15 κράτη-μέλη, που περιόρισαν τις εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων κάτω από τα εθνικά ανώτατα όρια για όλους τους ατμοσφαιρικού ρύπους. 2

17 Οι παραπάνω λόγοι έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, κυβερνήσεων, ενεργειακών σχεδιαστών και εταιριών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην ανάπτυξη και βελτίωση μεθόδων ηλεκτροπαραγωγής βασισμένων σε Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) (Σχήμα Ε1). Ως ΑΠΕ ορίζονται οι μη ορυκτές ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν εν αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Τέτοιες μορφές ενέργειας είναι η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική, η κυματική, καθώς και η ενέργεια από βιομάζα. Κοινό στοιχείο των παραπάνω ενεργειακών πηγών, είναι το γεγονός ότι σχετίζονται με τον ήλιο (Σχήμα Ε2). Επιπρόσθετα, στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ανήκει και η γεωθερμική ενέργεια η ο οποία προέρχεται από το εσωτερικό της γης και σχετίζεται με τις ιδιαίτερες γεωλογικές συνθήκες της κάθε περιοχής. Αν και η χρήση των ανανεώσιμων (ή εναλλακτικών) πηγών ενέργειας είναι ακόμη πολύ περιορισμένη σε παγκόσμια κλίμακα, αναμένεται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στα ενεργειακά πεπραγμένα διότι η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον. Η ευρεία αξιοποίησή τους έγκειται στην ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που θα δεσμεύουν και θα μετατρέπουν το δυναμικό τους σε ευρέως χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας. Η ένταξη των τεχνολογιών Ανανεώσιμων Ενέργειας στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής αποτελεί έναν από τους βασικούς στόχους της Ευρωπαϊκής πολιτικής ώστε να υλοποιηθούν οι προαναφερθείσες δεσμεύσεις. Σύμφωνα με στοιχεία το μερίδιο των ΑΠΕ στη συνολική ακαθάριστη κατανάλωση ενέργειας της Ελλάδας το έτος 2011 ανήλθε στο 9% [1]. Ε.2. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΤΗΣ Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο, και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Η ηλιακή ενέργεια όσο αφορά την εκμετάλλευσή της θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργειακά ηλιακά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Ε.3. ΣΤΟΧΟΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Μία από τις μορφές μη συμβατικών πηγών ενέργειας είναι και η ηλιακή η οποία χαρίζεται απλόχερα από τη φύση σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Οι συνθήκες επιβάλλουν τη βέλτιστη αξιοποίηση της με σκοπό τη μείωση των περιβαλλοντολογικών ρύπων, οι οποίοι προκαλούνται από συμβατικές πηγές ενέργειας, ώστε η παραγωγή ενέργειας στο σύνολο της να είναι φιλικότερη προς το περιβάλλον. Η τεχνική πρόοδος προχωρά ασταμάτητα στην εύρεση νέων μεθόδων εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Μία από αυτές είναι η μετατροπή της από 3

18 ηλιακή σε ηλεκτρική μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Η μετατροπή αυτή επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο εξοπλισμό ο οποίος σε γενικές γραμμές αποτελείται από φωτοβολταϊκά κύτταρα, μετατροπείς ισχύος, συσκευές μεταφοράς ισχύος και γραμμές μεταφοράς. Μεγάλο μέρος της έρευνας και της μελέτης ενός ηλεκτρολόγου μηχανικού αφιερώνεται στους μετατροπείς ισχύος οι οποίοι συμβάλλουν καθοριστικά στην όσο το δυνατό καλύτερη εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Συνεχώς γίνεται προσπάθεια για την κατασκευή μετατροπέων με μέγιστη απόδοση που θα παίξουν καθοριστικό ρόλο στη μετέπειτα παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται η μελέτη και η κατασκευή ενός τέτοιου μετατροπέα ισχύος. Ο μετατροπές αυτός θα τροφοδοτείται από μια συστοιχία Φ/Β πλαισίων με συνεχή τάση και θα τη μετατρέπει σε εναλλασσόμενη μονοφασική τάση, είναι δηλαδή ένας αντιστροφέας (Inverter). Η τοπολογία που θα χρησιμοποιηθεί είναι γνωστή στη βιβλιογραφία ως «Η5 inverter» και παρουσιάζεται στο σχήμα Ε.3. Η τοπολογία αυτή προτάθηκε αρχικά και αποτελεί πατέντα της γερμανικής εταιρίας SMA [28] και χρησιμοποιείται ευρέως σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις με κύριο πλεονέκτημά της τον εξαιρετικά υψηλό βαθμό απόδοσης (έως 98%), τον υψηλότερο που συναντάται στους υπάρχοντες μετατροπείς του εμπορίου ο οποίος κατασκευάσθηκε από τη γερμανική εταιρία SMA και έγινε αμέσως ευρέως χρησιμοποιούμενος σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις με κύριο πλεονέκτημά του τον υψηλότερο συντελεστή απόδοσης (έως 98%) που συναντάται στους υπάρχοντες μετατροπείς του εμπορίου. Περαιτέρω πληροφορίες για το μετατροπέα αυτό και η βήμα προς βήμα μελέτη, ανάλυση και κατασκευή θα παρουσιασθούν στη συνέχεια. Σχήμα Ε.3: Τοπολογία αντιστροφέα Η5[3] 4

19 1.1 Ο ΗΛΙΟΣ ΩΣ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Ο ήλιος στέλνει στην επιφάνεια της γης ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας, χωρίς την οποία θα ήταν αδύνατη η ζωή στη γη. Η ενέργεια αυτή παράγεται στον πυρήνα του ήλιου ως εξής (Σχήμα 1.1): δύο πυρήνες υδρογόνου συντήκονται για να σχηματίσουν ένα πυρήνα δευτέριου, ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνιο. Το ποζιτρόνιο γρήγορα συναντά ένα ηλεκτρόνιο, εξαϋλώνονται και παραμένει μόνο ενέργεια. Ο πυρήνας του δευτέριου συντήκεται με ένα άλλο πυρήνα υδρογόνου για να σχηματίσει ήλιο-3. Στο τελικό βήμα, δύο πυρήνες ηλίου-3 συντήκονται για να σχηματίσουν ένα πυρήνα ηλίου-4 και δύο πυρήνες υδρογόνου[4]. Ο ήλιος, δηλαδή, είναι ένας τεράστιος πυρηνικός αντιδραστήρας σύντηξης. Σχήμα 1.1: Παραγωγή ενέργειας στην επιφάνεια του Ήλιου[4] Λόγω, όμως, της μεγάλης απόστασης της γης από τον ήλιο, ένα μικρό ποσοστό της ενέργειας αυτής φτάνει στην επιφάνεια της γης, το οποίο υπολογίζεται σε 1018 kwh/m 2. Παρόλα αυτά η ποσότητα ενέργειας που φτάνει στην επιφάνεια της γης είναι φορές μεγαλύτερη από τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες. 1.2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Η ηλιακή ακτινοβολία που παράγεται στον ήλιο και φθάνει στη γη είναι η θεμελιώδης προϋπόθεση της ύπαρξης και συντήρησης της ζωής. Ο ήλιος είναι ουσιαστικά μια θερμή σφαίρα αερίων στο εσωτερικό της οποίας γίνονται θερμοπυρηνικές αντιδράσεις όπως περιγράφηκε παραπάνω. Με μια καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως μια τέλεια πηγή ακτινοβολίας (σε μια θερμοκρασία κοντά στους Κ). Η προσπίπτουσα ροή ενέργειας πάνω σε μια μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα είναι γνωστή ως η ηλιακή σταθερά: S=1376 W/m 2 5

20 Σχήμα 1.2: Ηλιακή ενέργεια στη Γη[5] Γενικότερα, η ολική ισχύς από μια πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στη γήινη ατμόσφαιρα ένα μέρος της προσπίπτουσας ενέργειας παραμένει μη ωφέλιμο λόγω της σκέδασης ή της απορρόφησης από τα μόρια του αέρα, τα σύννεφα και τα στερεά σωματίδια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Η ακτινοβολία, η οποία δεν ανακλάται ή διασκορπίζεται και προσεγγίζει την επιφάνεια της γης άμεσα σε ευθεία γραμμή από τον ηλιακό δίσκο, ονομάζεται άμεση ή ακτινοβολία δέσμης. Η διασκορπισμένη ακτινοβολία η οποία προσεγγίζει το έδαφος ονομάζεται διαχεόμενη ακτινοβολία[6]. Κάποια από τις ακτινοβολίες αυτές ίσως προσεγγίσει ένα δέκτη μετά την ανάκλασή της στο έδαφος, οπότε και ονομάζεται ανακλώμενη ισχύς από το έδαφος. Η ολική ακτινοβολία η οποία αποτελείται από αυτά τα τρία στοιχεία ονομάζεται σφαιρική. Η ποσότητα της ακτινοβολίας η οποία φτάνει στο έδαφος είναι φυσικά άκρως μεταβλητή. Επιπλέον πέρα από την όποια κανονική ημερήσια και ετήσια μεταβολή λόγω της φαινόμενης κίνησης του ήλιου, ακατάστατες μεταβολές (κάλυψη από σύννεφα) προκαλούνται από τις κλιματολογικές συνθήκες καθώς επίσης και τη γενικότερη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Γι αυτό το λόγο, η σχεδίαση ενός συστήματος εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας βασίζεται στη λήψη μετρούμενων δεδομένων που λαμβάνονται κοντά στην τοποθεσία της εγκατάστασης. 1.3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως «φωτοβολταϊκά» ή «Φ/Β», αποτελούν μια προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο όρος «φωτο» προέρχεται από το φως, το δε «βολτ» οφείλεται στον Alessandro Volta ( ), ένα πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού. Έτσι, «φωτοβολταϊκό» στην κυριολεξία σημαίνει «φωτοηλεκτρικό». Εννοιολογικά, στην απλούστερή της μορφή μια Φ/Β διάταξη είναι μία ηλιακά τροφοδοτούμενη μπαταρία, όπου το μόνο αναλώσιμο είναι το φως που την τροφοδοτεί. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, η λειτουργία είναι φιλική προς το 6

21 περιβάλλον και εάν η διάταξη προστατεύεται σωστά από την επίδραση του περιβάλλοντος, κανένα τμήμα δεν υφίσταται φθορά. Το φως του ήλιου είναι διαθέσιμο παντού, έτσι οι φωτοβολταϊκές διατάξεις έχουν πολλά πρόσθετα οφέλη που τις καθιστούν εφαρμόσιμες και αποδεκτές από την πλειονότητα των χωρών. Ακόμη, η ηλεκτροπαραγωγή ενός Φ/Β συστήματος μπορεί τυπικά να προσαρμοστεί σε κάθε εφαρμογή, από καταναλωτικές χρήσεις χαμηλής ισχύος - ρολόγια, μικρούς υπολογιστές χειρός και φορτιστές μικρών μπαταριών - μέχρι σημαντικές απαιτήσεις, όπως η ηλεκτροπαραγωγή σε κεντρικούς σταθμούς των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού (Σχήματα 1.3,1.4). Επιπλέον, τα φωτοβολταϊκά συστήματα προσαρμόζονται εύκολα στις τυχόν προσθήκες ισχύος, σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους, όπως αυτές των ορυκτών ή πυρηνικών καυσίμων, οι οποίες απαιτούν εγκαταστάσεις πολλών ΜWatt για να είναι οικονομικά εφικτές. Σχήμα 1.3 Φωτοβολταϊκή εγκατάσταση Φ/Β πλαισίων στο Λας Βέγκας, Νεβάδα[7] Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη γη. Όπως προείπαμε, το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια κατανάλωση. Κατά μέσο όρο προσπίπτουν 1700kWh σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. Το φως του ήλιου που φθάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δύο συνιστώσες, συγκεκριμένα το άμεσο φως και το έμμεσο φως. Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούν όχι μόνο την άμεση συνιστώσα του φωτός αλλά παράγουν ηλεκτρική 7

22 ενέργεια και με νεφοσκεπή ουρανό. Συνεπώς, τα Φ/Β χρησιμοποιούν τόσο τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία όσο και το άμεσο φως του ήλιου. Μέσω των Φ/Β κυψελών, η ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει σε μια κυψέλη παράγεται συνεχής τάση (DC), και, θέτοντας ένα ηλεκτρικό φορτίο στην άλλη πλευρά της κυψέλης, η τάση αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί. Πάντως δε μπορεί να μετατραπεί όλο το φως σε ηλεκτρισμό, καθώς οι Φ/Β κυψέλες χρησιμοποιούν το ορατό φως. Μεγάλο μέρος της ηλιακής ενέργειας έγκειται στην υπέρυθρη ή θερμή και την υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που εξηγεί τις χαμηλές τιμές των θεωρητικών αποδοτικοτήτων μετατροπής (20-30%). Πρακτικές ατέλειες, π.χ. ανομοιογένειες, μπορούν να μειώσουν ακόμη περαιτέρω την απόδοσή μιας Φ/Β κυψέλης. Σχήμα 1.4 Ιπτάμενο αντικείμενο τροφοδοτούμενο με ενέργεια Φ/Β πλαισίων[8] Το ποσό της ωφέλιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ένα Φ/Β στοιχείο σχετίζεται άμεσα με την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια μετατροπής. Έτσι, όσο μεγαλύτερος είναι ο διαθέσιμος ηλιακός πόρος, τόσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής. Για παράδειγμα, οι τροπικοί προσφέρουν ένα καλύτερο πόρο για παραγωγή ηλεκτρισμού από αυτόν που είναι διαθέσιμος σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Εξάλλου, είναι προφανές ότι ένα Φ/Β σύστημα δεν παράγει ηλεκτρισμό κατά τη διάρκεια της νύχτας, ενώ είναι σημαντικό να μην σκιάζονται τα στοιχεία. Εάν απαιτείται ηλεκτρισμός πέρα από τις ώρες που υφίσταται το φως της ημέρας, ή εάν αναμένονται εκτεταμένες περίοδοι κακοκαιρίας, είναι απαραίτητο κάποιο είδος συστήματος αποθήκευσης. Προκειμένου να απορροφηθεί όσο το δυνατό περισσότερη ηλιακή ενέργεια, η Φ/Β κυψέλη πρέπει να προσανατολίζεται προς τον ήλιο. Εάν οι κυψέλες έχουν σταθερή 8

23 θέση, πρέπει να βελτιστοποιηθεί ο προσανατολισμός του ως προς το νότο και η γωνία κλίσης του ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Η βέλτιστη γωνία κλίσης κυμαίνεται σε ένα εύρος περίπου 15 ο του γεωγραφικού πλάτους της θέσης. Για παράδειγμα, η βέλτιστη γωνία κλίσης για τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα στη Δυτική Ευρώπη είναι περίπου 35 ο. για περιοχές πλησιέστερα στον ισημερινό αυτή η γωνία κλίσης θα είναι μικρότερη, ενώ για περιοχές πλησιέστερα στους πόλους θα είναι μεγαλύτερη. Μια απόκλιση της γωνίας κλίσης κατά 30 ο από τη βέλτιστη γωνία θα οδηγήσει σε απώλειες μικρότερες από 10% της μέγιστης παραγωγής. Τονίζεται, επίσης, ότι τα Φ/Β στοιχεία είναι στην πραγματικότητα πιο αποδοτικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οπότε για να εξασφαλιστεί ότι δεν υπερθερμαίνονται, είναι σημαντικό να τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπεται στον αέρα να κινείται ελεύθερα γύρω από αυτά. Αυτό αποτελεί μια ιδιαίτερα σημαντική θεώρηση σε τοποθεσίες που το μεσημέρι είθισται να εμφανίζονται υψηλές θερμοκρασίες. Οι ιδανικές συνθήκες λειτουργίας ενός Φ/Β είναι οι σχετικά ψυχρές, φωτεινές και ηλιόλουστες ημέρες. Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνειά τους. Ένα μέρος από την ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον. Στη συνέχεια, από την ακτινοβολία που διεισδύει στον ημιαγωγό, προφανώς δε μπορεί να απορροφηθεί το μέρος που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού. Για τα φωτόνια αυτά, ο ημιαγωγός, συμπεριφέρεται σαν διαφανές σώμα. Έτσι, η αντίστοιχη ακτινοβολία διαπερνά άθικτη το ημιαγώγιμο υλικό του στοιχείου και απορροφάται τελικά στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο που καλύπτει την πίσω όψη του, με αποτέλεσμα να το θερμαίνει. Αλλά και από τα φωτόνια που απορροφά ο ημιαγωγός, μόνο με το μέρος εκείνο της ενέργειας τους που ισούται με το ενεργειακό διάκενο συμβάλλει στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Το υπόλοιπο μεταφέρεται, σαν κινητική ενέργεια, στο ηλεκτρόνιο που ελευθερώθηκε από τον δεσμό, και τελικά μετατρέπεται επίσης σε θερμότητα. Η αύξηση της θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων επιδρά αρνητικά στην απόδοσή τους. 1.4 ΙΣΤΟΡΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ [9] Όπως, προαναφέρθηκε η όλη λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Αξίζει, λοιπόν, να αναρωτηθούμε πως φτάσαμε ως εδώ και ποια είναι η ιστορία των φωτοβολταϊκών; Η πρώτη γνωριμία του ανθρώπου με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έγινε το 1893 όταν ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel ( ) ανακάλυψε το φαινόμενο αυτό κατά τη διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε το 1876 όταν οι Adams ( ) και ο φοιτητής του Day παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως. 9

24 Το 1918 ο Πολωνός Czochralski ( ) πρόσθεσε τη μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si) με τη σχετική έρευνα του και η οποία μάλιστα χρησιμοποιείται βελτιστοποιημένη ακόμη και σήμερα. Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε επίσης το 1949 όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν τη θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο μεταξύ η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί. Ο δρόμος πλέον για τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές είχε ανοίξει. Το πρώτο ηλιακό κελί ήταν γεγονός στα εργαστήρια της Bell το 1954 από τους Chapin, fuller και Pearson. Η αποδοτικότητά του ήταν 6% εκμετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Το 1958 η Hoffman Electronics πετυχαίνει να αυξήσει το βαθμό απόδοσης κυψέλης στο 9%, ενώ στις 17 Μαρτίου εκτοξεύεται ο Vanguard I, ο πρώτος δορυφόρος του οποίου η ισχύς προέρχεται από ηλιακές κυψέλες. Στις μέρες μας, πάνω στον καλπασμό της τεχνικής προόδου παρατηρούνται όλο και περισσότερες καινοτομίες στον κλάδο κατασκευής των φωτοβολταϊκών στοιχείων και οι αποδόσεις έχουν φτάσει έως και 37,7%.[9] 1.5 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο. Όταν το φως πέφτει πάνω σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, μια συγκεκριμένη ποσότητα απορροφάται από το υλικό του ημιαγωγού. Η ενέργεια αυτή απορροφάται από κάποια από τα ηλεκτρόνια, τα οποία αποδεσμεύονται από τον πυρήνα και κινούνται πλέον ελεύθερα. Ακόμη, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρικά πεδία τα οποία ενεργούν πάνω στα ελεύθερα ηλεκτρόνια ώστε να μετακινηθούν σε συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η κίνηση αυτή των ηλεκτρονίων δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο μπορούμε να πάρουμε από εάν εξωτερικό κύκλωμα βάζοντας μεταλλικές επαφές στο πάνω και στο κάτω μέρος του στοιχείου. Το ρεύμα αυτό μαζί με την τάση του στοιχείου, η οποία είναι αποτέλεσμα του εσωτερικού του ηλεκτρικού πεδίου, καθορίζει την ισχύ του στοιχείου. Η παραπάνω διαδικασία δεν είναι τόσο απλή και στηρίζεται σε μια σειρά από φυσικά φαινόμενα. Πρώτα απ όλα, στηρίζεται στις ιδιότητες των ημιαγωγών (ομάδα 14 του περιοδικού πίνακα) που έχει χημικές ιδιότητες λόγω της Σχήμα 1.5: Ημιαγωγός n-τύπου [10] κρυσταλλικής του δομής. Ο πιο γνωστός και διαδεδομένος ημιαγωγός είναι το άτομο του πυριτίου (Si). Ένα άτομο πυριτίου έχει 14 ηλεκτρόνια κατανεμημένα σε τρεις στοιβάδες. Οι δύο πρώτες έχουν 2 και 8 ηλεκτρόνια αντίστοιχα και είναι πλήρως συμπληρωμένες, ενώ η Τρίτη που είναι και η εξωτερική έχει μόλις 4. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το άτομο να επιδιώκει να συμπληρώσει την εξωτερική του στοιβάδα με σύνολο 8 ηλεκτρονίων. Για να γίνει 10

25 αυτό εφικτό δημιουργεί ομοιοπολικούς δεσμούς με τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου. Έτσι δημιουργείται η κρυσταλλική δομή του πυριτίου, η οποία όμως δεν είναι καλός αγωγός του ρεύματος αφού κανένα από τα ηλεκτρόνια δεν είναι ελεύθερο να μετακινηθεί όπως για παράδειγμα συμβαίνει στο χαλκό. Όταν προσδίδεται ενέργεια στο καθαρό πυρίτιο, μπορεί να σπάσουν κάποιοι δεσμοί και να ελευθερωθούν κάποια ηλεκτρόνια οπότε αφήνουν πίσω τους μια οπή. Τα ηλεκτρόνια αυτά περιφέρονται στον κρύσταλλο μέχρι να επανασυνδεθούν σε κάποιο δεσμό(δηλαδή να δεσμευτούν σε κάποια οπή). Για τη διάρκεια που κινούνται αποκαλούνται ελεύθεροι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος. Όμως στο πυρίτιο οι φορείς αυτοί είναι πολύ λίγοι οπότε και το ρεύμα που δημιουργούν μικρό και δεν είναι συμφέρον να φτιαχτούν φωτοβολταϊκά στοιχεία μόνο από άτομα πυριτίου. Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία χρησιμοποιείται πυρίτιο με προσμίξεις, δηλαδή πυρίτιο με κάποιο άλλο στοιχείο τοποθετημένο ανάμεσα στα άτομά του, το οποίο αλλάζει ελαφρώς τις φυσικές ιδιότητες των κρυστάλλων. Τα στοιχεία που δύναται να τοποθετηθούν προέρχονται από τις ομάδες 13 (IIIA) και 15 (VA) του περιοδικού πίνακα. Ένα από τα πιο διαδεδομένα στοιχεία της ομάδας 15 που χρησιμοποιούνται είναι ο φώσφορος (P) που έχει 5 αντί 4 ηλεκτρόνια στην τελευταία του στοιβάδα. Με ένα άτομο φωσφόρου αντικαθιστούμε ένα άτομο ανά άτομα πυριτίου, διαδικασία που αποκαλείται νόθευση ή ντοπάρισμα του πυριτίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το άτομο του φώσφορου να συνδέεται με 4 δεσμούς με τα άτομα του πυριτίου και να του περισσεύει ένα αδέσμευτο ηλεκτρόνιο, το οποίο δε συγκρατείται από ομοιοπολικό δεσμό. Αυτά τα ηλεκτρόνια για να αποδεσμευτούν χρειάζονται πολύ λιγότερη ενέργεια, οπότε ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερος απ ότι πριν. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου-n (σχήμα 1.5), οι οποίοι είναι πολύ καλύτεροι αγωγοί από το καθαρό πυρίτιο. Με παρόμοιο τρόπο δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου-p (Σχήμα 1.6) όταν το πυρίτιο ντοπάρεται με στοιχεία της ομάδας 13, με πιο διαδεδομένο το βόριο (Β), οπότε και εμφανίζεται πληθώρα οπών που είναι κενές θέσεις χωρίς ηλεκτρόνια. Σχήμα 1.6: Ημιαγωγός p-τύπου [10] Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από ημιαγωγούς τύπου-n και τύπου-p ενωμένους οπότε στο εσωτερικό τους δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Στους ημιαγωγούς τύπου-n ο πλεονάζων αριθμός ηλεκτρονίων ισορροπούσε με τα πρωτόνια του φωσφόρου, και στους ημιαγωγούς τύπου-p οι οπές ισορροπούσαν με το πρωτόνιο που έλειπε από τον πυρήνα του βορίου. Με την ένωση των δύο ημιαγωγών το στοιχείο p-n που δημιουργείται δε θα λειτουργούσε σωστά χωρίς το ηλεκτρικό πεδίο που εμφανίζεται στην p-n επαφή, διότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που είναι στην n-πλευρά και «αναζητούν» οπές, «βλέπουν» όλες τις οπές 11

26 της p-πλευράς και προσπαθούν να τις συμπληρώσουν. Αυτό που συμβαίνει όμως είναι ότι όταν στο σημείο επαφής των ημιαγωγών αναμειγνύονται οι οπές με τα ηλεκτρόνια, η ουδετερότητα των δυο ημιαγωγών διαταράσσεται και δημιουργείται ένα φράγμα δυναμικού το οποίο κάνει όλο και πιο δύσκολη την κίνηση των ηλεκτρονίων από την n-πλευρά στην p-πλευρά. Τελικά επιτυγχάνεται ισορροπία. Έχουμε ένα πεδίο μεταξύ των δύο περιοχών που συμπεριφέρεται σα βαλβίδα επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να κινηθούν μόνο προς τη μια κατεύθυνση (δίοδος), όταν το στοιχείο πολωθεί ορθά. Όταν το φως πέφτει πάνω στο στοιχείο με τη μορφή φωτονίου, η ενέργεια του απελευθερώνει ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων. Η διαδικασία αυτή αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο (Σχήμα 1.7). Σχήμα 1.7: Φωτοβολταϊκό φαινόμενο [11] Κάθε φωτόνιο που έχει αρκετή ενέργεια κανονικά θα απελευθερώσει ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο, οπότε θα δημιουργηθεί μια οπή. Εάν αυτό συμβεί αρκετά κοντά στο πεδίο ή εάν το ελεύθερο ηλεκτρόνιο και η οπή κινούνται στην ακτίνα επιρροής του, το πεδίο θα «ωθήσει» την οπή προς την p-πλευρά και το ηλεκτρόνιο προς την n- πλευρά. Αυτό δημιουργεί περαιτέρω διαταραχή της ηλεκτρικής ισορροπίας, οπότε εάν δώσουμε εξωτερική διέξοδο(σύνδεση με εξωτερικό κύκλωμα) στο ρεύμα, ηλεκτρόνια θα κινηθούν προς την p-πλευρά για να ενωθούν με οπές. Η κίνηση των ηλεκτρονίων δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα και ο χωρισμός των φορτίων μέσω του πεδίου δημιουργεί τάση. Έτσι και τα δύο μαζί παράγουν ισχύ Ρ=VI. Η απόδοση από πλευράς ισχύος είναι της τάξης περίπου του 15%. Πάνω στα φωτοβολταϊκά στοιχεία πέφτει όλο το φάσμα του φωτός. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν είναι μονοχρωματική, αλλά αποτελείται από πολλά διαφορετικά μήκη κύματος που αντιστοιχούν σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Άρα όταν το φως πέφτει στο στοιχείο έχει μεγάλη ποικιλία φωτονίων με 12

27 διαφορετικές ενέργειες, οπότε κάποια απ αυτά δεν έχουν αρκετή ενέργεια να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών και θα απορροφηθούν από το στοιχείο χωρίς να σπάσουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Αντιθέτως, η περίσσεια ενέργειας που διαθέτουν άλλα φωτόνια θα απορροφηθεί και θα μετατραπεί σε θερμότητα. Ανάλογα, λοιπόν, με το υλικό που χρησιμοποιούμε μπορούμε να εκμεταλλευτούμε μόνο εκείνο το φάσμα της ακτινοβολίας που αντιδρά με το συγκεκριμένο υλικό (Σχήμα 1.8). Μόνο ένα συγκεκριμένο μέρος της ακτινοβολίας, μετρούμενο σε ev, θα απορροφηθεί από το στοιχείο και θα προκαλέσει το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Αυτή η συγκεκριμένη ποσότητα της ακτινοβολίας αποκαλείται ενεργειακό χάσμα και για κρύσταλλο πυριτίου είναι 1.1 ev. Σχήμα 1.8: Φασματική κατανομή ηλιακής ακτινοβολίας [4] Αυτές οι δύο περιπτώσεις ευθύνονται για τη μη εκμετάλλευση περίπου του 70% τις προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Λύση θα αποτελούσε η χρήση υλικού με μικρότερο ενεργειακό χάσμα οπότε θα μας ήταν ωφέλιμα περισσότερα φωτόνια. Όμως το χάσμα αυτό καθορίζει το πεδίο άρα και την τάση, οπότε με την απορρόφηση περισσότερων φωτονίων ναι μεν αυξάνεται το ρεύμα, αλλά μειώνεται η τάση. Η ισχύς παραμένει περίπου ίδια. Το ιδανικό χάσμα για ένα απλό στοιχείο είναι τα 1.4 ev. Επίσης, υπάρχουν κι άλλες απώλειες αφού τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινηθούν από τη μία πλευρά του στοιχείου στην άλλη μέσω του εξωτερικού κυκλώματος. 1.6 ΕΙΔΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής τους χωρίζονται στις παρακάτω κατηγορίες [12]: 13

28 Μονοκρυσταλλικού Πυριτίου: Κατασκευάζονται από κυψέλες που έχουν κοπεί από ένα κυλινδρικό κρύσταλλο πυριτίου. Αποτελούν τα πιο αποδοτικά φωτοβολταϊκά με αποδόσεις της τάξεως του 15%. Η κατασκευή τους όμως είναι πιο πολύπλοκη γιατί απαιτεί την κατασκευή του μονοκρυσταλλικού πυριτίου με αποτέλεσμα το υψηλότερο κόστος κατασκευής. Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο: Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κατασκευάζονται από ράβδους λιωμένου και επανακρυσταλλομένου πυριτίου. Για την παραγωγή τους οι ράβδοι του πυριτίου κόβονται σε λεπτά τμήματα από τα οποία κατασκευάζεται η κυψέλη του φωτοβολταϊκού. Η διαδικασία κατασκευής τους είναι απλούστερη από εκείνη των μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών με αποτέλεσμα το φθηνότερο κόστος παραγωγής. Παρουσιάζουν όμως σε γενικές γραμμές μικρότερη απόδοση της τάξεως του 12%. Άμορφου Πυριτίου: Τα φωτοβολταϊκά αυτής της κατηγορίας αποτελούνται από ένα λεπτό στρώμα πυριτίου που έχει εναποτεθεί ομοιόμορφα σε κατάλληλο υπόβαθρο. Σαν υπόβαθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μεγάλη γκάμα υλικών από δύσκαμπτα μέχρι ελαστικά με αποτέλεσμα να βρίσκει μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών, ιδιαίτερα σε καμπύλες ή εύκαμπτες επιφάνειες. Ενώ το άμορφο πυρίτιο παρουσιάζει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στη απορρόφηση του φωτός, εντούτοις η φωτοβολταϊκή απόδοσή του είναι μικρότερη των κρυσταλλικών και ανέρχεται σε 6% περίπου. Το φθηνό όμως κόστος κατασκευής τους τα κάνει ιδανικά σε εφαρμογές όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση. Άλλα είδη: Μια σειρά από νέα υλικά που μπορούν να παραχθούν με φθηνότερες διαδικασίες από το κρυσταλλικό πυρίτιο όπως το Τελλουριούχο Κάδμιο (CdTe) και το CIS (Copper Indium Selenide) έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα[12]. 14

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Φωτοβολταϊκά Συστήματα 2.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το βασικό δομικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι η ηλιακή κυψέλη (solar cell). Μια ηλιακή κυψέλη παράγει μικρή ποσότητα ισχύος που είναι 1 με 2 W. Για να αυξηθεί η ισχύς στην έξοδο, τοποθετούμε πολλές κυψέλες μαζί (ενώνοντας τη θετική επαφή του ενός με την αρνητική του επόμενου, δηλαδή εν σειρά, αυξάνουμε την τάση, ενώ ενώνοντας τις θετικές μεταξύ τους και τις αρνητικές μεταξύ τους, δηλαδή παράλληλα, αυξάνουμε το ρεύμα) και έτσι δημιουργούνται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Με τη συνένωση πολλών πλαισίων μαζί δημιουργούνται μονάδες μεγαλύτερης ισχύος που λέγονται συστοιχίες. Το βασικό στοιχείο είναι το φωτοβολταϊκό πλαίσιο (PV module). Το μέγεθος ενός PV πλαισίου χαρακτηρίζεται από την ισχύ που μπορεί να παράγει και συγκεκριμένα με βάση την ισχύ που δίνει υπό καθορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας PV κυττάρου (25 ο C) και ακτινοβολίας (1000W/m2) και είναι γνωστή ως «ισχύς αιχμής» (Watt peak, Wp). Για παράδειγμα όταν μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια δύναται να παράγει 10 Wp αυτό σημαίνει ότι παράγει 10 W για ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2 και θερμοκρασία κυττάρου 25 ο C. Οι άλλες συσκευές που μπορούν να συνδέονται στο πλαίσιο μπορούν να ταξινομηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: Συσσωρευτές, που χρησιμεύουν στην αποθήκευση ενέργειας και στην απόδοση της όταν αυτό απαιτείται (το βράδυ ή τις βροχερές μέρες) Αντιστροφείς, που απαιτούνται για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης του που παράγεται από το φωτοβολταϊκό πλαίσιο σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας). Συστήματα ρύθμισης ισχύος, που διαχειρίζονται την αποθηκευμένη ενέργεια στο συσσωρευτή και διοχετεύουν ενέργεια στο φορτίο. Κατασκευές, που απαιτούνται για την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών και των λοιπών συσκευών. Πρακτικά δεν είναι απαραίτητο να υπάρχουν όλες οι παραπάνω συσκευές σε όλα τα συστήματα. Για παράδειγμα, σε συστήματα συνεχούς ρεύματος δε χρειάζεται αντιστροφέας. Για συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο δεν είναι απαραίτητος ο συσσωρευτής διότι το δίκτυο χρησιμεύει και για αποθήκευση. Δηλαδή, όταν υπάρχει περίσσεια ενέργειας στο σύστημα φωτοβολταϊκών πλαισίων-φορτίου, τότε αυτή διοχετεύεται στο δίκτυο, ενώ σε περίπτωση έλλειψης ενέργειας, η επιπλέον ενέργεια που απαιτείται λαμβάνεται από το δίκτυο. Κάποια συστήματα απαιτούν συσκευές που δε σχετίζονται άμεσα με τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Όπως, για παράδειγμα, μερικά απομονωμένα συστήματα που έχουν ντιζελογεννήτρια για την παροχή ρεύματος όταν εξαντληθεί η ενέργεια των συσσωρευτών. 15

30 Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με γεννήτριες φωτοβολταϊκών πλαισίων συνοδεύεται από πολλά πλεονεκτήματα, τα σημαντικότερα εκ των οποίων είναι: 1. Λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη και είναι απλά, απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και έχουν μεγάλη αξιοπιστία. 2. Λειτουργούν αθόρυβα και χωρίς τη χρήση καυσίμων που τα καθιστά φιλικά προς το περιβάλλον. 3. Εύκολα μπορεί να επιτευχθεί οποιαδήποτε ηλεκτρική ισχύς όσο μικρή ή μεγάλη κι αν είναι (από mw μέχρι MW). 4. Λειτουργούν ακόμα και με νεφελώδη ουρανό αξιοποιώντας τη διάχυτη ακτινοβολία. 5. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής (10-20 χρόνια). 6. Μπορούν να μας παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς τη διαμεσολάβηση του δικτύου της Δ.Ε.Η. 2.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο πυριτίου αποτελείται από 36 ηλιακά κύτταρα σε σειρά, έχει έξοδο με συνεχές ρεύμα και συνεχή τάση. Συνήθως τροφοδοτεί συσσωρευτή τάσης 17V. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.1 στην επιφάνειά που είναι προς τον ήλιο καλύπτεται από γυάλινο κάλυμμα που είναι ανθεκτικό στις καιρικές Σχήμα 2.1: Τυπική δομή φωτοβολταϊκού πλαισίου [26] συνθήκες και στην υπεριώδη ακτινοβολία, προφυλάσσει τις κυψέλες και τις ηλεκτρικές επαφές από τη βροχή, το κοκοσάλι (χαλάζι) και το χιόνι που μπορούν να προκαλέσουν διάβρωση. Κάτω από το γυάλινο κάλυμμα υπάρχει αντιανακλαστική μεμβράνη, ώστε να μειωθεί το ποσοστό της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Πάνω και κάτω από την επιφάνεια του πυριτίου υπάρχουν ηλεκτρικές επαφές από υλικό μικρής θερμικής αντίστασης που το συνδέουν με το εξωτερικό κύκλωμα. Τέλος, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ασφαλίζεται μέσα σε μια μεταλλική θήκη αλουμινίου. Παρατηρώντας τα σχήματα γίνεται κατανοητότερη η δομή ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. 16

31 Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες [6]: α) στα κλασσικά επίπεδα συστήματα και β) στα συστήματα συγκεντρωτικών συλλεκτών. Συστήματα Επίπεδων Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Πρόκειται για το πιο κοινό τύπο φωτοβολταϊκών πλαισίων. Τα πλαίσια μπορεί είτε να είναι μόνιμα σε μια σταθερή γωνία κλίσης είτε να είναι κινητά και να ακολουθούν την κίνηση του ήλιου. Απορροφούν και τη διάχυτη και την άμεση ακτινοβολία. Η σημαντικότητα του παραπάνω φαίνεται από το γεγονός ότι ακόμα και με καθαρό ουρανό η διάχυτη ακτινοβολία είναι το 10% με 20% της συνολικής, σε επίπεδη επιφάνεια. Σε μερικώς συννεφιασμένες μέρες το ποσοστό αυτό φτάνει το 50% και σε τελείως συννεφιασμένες μέρες φτάνει το 100%. Τα πιο απλά επίπεδα πλαίσια είναι σε σταθερή θέση. Τα πλεονεκτήματα των σταθερών πλαισίων είναι ότι δεν έχουν κινητά μέρη, πρακτικά δεν υπάρχει ανάγκη για επιπλέον εξοπλισμό και είναι σχετικά ελαφριά. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα κάνουν κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν σε μια σειρά από περιπτώσεις, όπως είναι και οι στέγες των σπιτιών. Ο προσανατολισμός των πλαισίων αυτών ώστε να αποδίδουν ικανοποιητικά πρέπει να είναι προς το Νότο και κλίση (φ+15 ο )±5 ο όπου φ είναι το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Τα επίπεδα πλαίσια με μηχανισμό κίνησης επιτυγχάνουν μεγαλύτερη απορρόφηση ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας αφού μπορούν και έχουν τη βέλτιστη γωνία κλίσης και προσανατολισμού κάθε χρονική στιγμή. Όμως έχουν επιπλέον κόστος (αγορά και συντήρηση) και βάρος λόγω του μηχανισμού κίνησης. Βρίσκοντας μια ισορροπία μεταξύ των δύο μπορεί να γίνει η σωστή επιλογή για την κάθε περίπτωση. Συστήματα Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Ο κύριος λόγος χρήσης συστημάτων συγκεντρωτικών Φ/Β πλαισίων είναι η ικανότητά τους να χρειάζονται λιγότερες ηλιακές κυψέλες από τα επίπεδα συστήματα την παραγωγή της ίδιας ισχύος. Οι κυψέλες αποτελούν το πιο ακριβό τμήμα ενός συστήματος μετρώντας το κόστος ανά μονάδα επιφάνειας. Για το σύστημα συγκέντρωσης της ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται φθηνά υλικά, όπως είναι πλαστικά κάτοπτρα και μεταλλικές θήκες, που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια από μια συγκριτικά μεγάλη επιφάνεια και την εστιάζουν σε μια μικρότερη επιφάνεια στην οποία βρίσκεται η κυψέλη. Για τη συγκέντρωση του φωτός χρησιμοποιούνται οι ανακλαστήρες και οι φακοί που έχουν διατομή σα δόντι πριονιού για να συγκεντρώσουν το εισερχόμενο φως. Όμως, δεν υπάρχει φακός που να μπορεί να μεταφέρει το 100% του προσπίπτοντος φωτός αλλά συνήθως μεταφέρεται 90-95% ή και λιγότερο (λόγω απορρόφησης και ανάκλασης). Αρκετά είναι τα πλεονεκτήματα των συγκεντρωτικών συστημάτων έναντι των επίπεδων. Έχουν αυξημένη ισχύ εξόδου και η απόδοση του συστήματος είναι μεγαλύτερη έχοντας ταυτόχρονα μικρότερο μέγεθος ή μικρότερο αριθμό κυψελών. 17

32 Το πόσο θα αυξηθεί η απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σχήμα της κυψέλης και από το υλικό που είναι κατασκευασμένη. Ακόμα, η δυνατότητα χρήσης μικρών κυψελών αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα διότι είναι πιο δύσκολο να παραχθούν κυψέλες μεγάλης επιφάνειας με μεγάλη απόδοση από ότι μικρής επιφάνειας. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν αρκετά πλεονεκτήματα που πρέπει να αντιμετωπισθούν στο μέλλον. Για παράδειγμα οι απαιτούμενες οπτικές διατάξεις του συστήματος είναι σημαντικά πιο ακριβές από τα καλύμματα των επίπεδων συστημάτων. Επιπλέον, δε μπορούν να εκμεταλλευτούν τη διάχυτη ακτινοβολία, δηλαδή ακόμη και σε μία ηλιόλουστη μέρα χάνεται το 20% της ακτινοβολίας, οπότε χρειάζεται να ακολουθούν την κίνηση του ήλιου καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας και συνολικά του έτους. Άρα, για την επίτευξη μεγαλύτερης απόδοσης πρέπει ο μηχανισμός κίνησης να είναι μεγαλύτερης ακρίβειας από αυτούς που χρησιμοποιούνται στα επίπεδα συστήματα. Ένα άλλο πρόβλημα είναι αυτό της υπερθέρμανσης των κυψελών που παράγεται από τη μεγάλη συγκέντρωση ακτινοβολίας που γενικά είναι επιθυμητή. Η θερμοκρασία των κυψελών πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα διότι με την αύξηση όχι μόνο μειώνεται η απόδοσή τους αλλά και μακροπρόθεσμα μπορεί να διαταραχθεί η σταθερότητα στη λειτουργίας τους ή ακόμα και να καταστραφούν πρόωρα. Μια από τις πιο σημαντικές προσπάθειες για διατήρηση χαμηλής θερμοκρασίας αποτελεί η ελαχιστοποίηση της ηλεκτρικής αντίστασης των επαφών που μεταφέρουν το ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας επαφές μεγαλύτερης επιφάνειας, το οποίο έχει όμως σαν αποτέλεσμα να προκαλείται σκίαση στην κυψέλη. Γι αυτό υπάρχουν δύο λύσεις. Η μια είναι η τοποθέτηση πρισματικού καλύμματος πάνω από την επαφή οπότε το φως που θα προσέπιπτε στην επαφή, τώρα προσπίπτει στο πρίσμα, εκτρέπεται και διοχετεύεται στην κυψέλη. Η άλλη λύση είναι να τοποθετηθούν και οι δύο επαφές πίσω από την κυψέλη το οποίο όμως απαιτεί πολύ καλής ποιότητας υλικό πυριτίου. 2.3 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΙΝΗΣΗΣ Ο μηχανισμός κίνησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου μπορεί να επιτρέπει την κίνηση σε έναν ή σε δύο άξονες. Τα συστήματα ενός άξονα είναι σχεδιασμένα να ακολουθούν την πορεία του ήλιου από την ανατολή στη δύση. Χρησιμοποιούνται κυρίως με συστήματα επίπεδων φωτοβολταϊκών πλαισίων και μερικές φορές με συστήματα συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών πλαισίων. Τα συστήματα δύο αξόνων όχι μόνο κάνουν την παραπάνω λειτουργία, αλλά και παρακολουθούν τη μεταβολή της απόκλισης του ήλιου κατά τη διάρκεια του έτους. Χρησιμοποιούνται κυρίως με συγκεντρωτικά πλαίσια. Τα συστήματα δύο αξόνων είναι πιο πολύπλοκα, πιο ακριβά και χρειάζονται μεγαλύτερη συντήρηση σε σύγκριση με αυτά του ενός άξονα. 18

33 2.4 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Σε συστήματα απομονωμένα από το δίκτυο, το φωτοβολταϊκό σύστημα πρέπει να παρέχει την ενέργεια κάθε φορά που απαιτείται ανεξαρτήτως αν υπάρχει ήλιος ή όχι. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται συσσωρευτές που αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργειας. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι τύποι μπαταριών είναι οι μολύβδουασβεστίου και μολύβδου-αντιμονίου. Για περιπτώσεις όπου ο συσσωρευτής είναι εκτεθειμένος σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών χρησιμοποιούνται οι νικελίου-καδμίου. Εξαιτίας της συνεχώς μεταβαλλόμενης τιμής της ηλιακής ακτινοβολίας και του φορτίου, οι συσσωρευτές πρέπει να περνούν από πολλούς κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης χωρίς να χάνουν τις ιδιότητές τους γρήγορα. Το ποσοστό της χωρητικότητας του συσσωρευτή που μπορεί να εκφορτιστεί χωρίς να καταστραφεί ονομάζεται βάθος εκφόρτισης και εξαρτάται από τον τύπο του. Οι μολύβδουασβεστίου είναι μικρού βάθους εκφόρτισης και αντέχουν 20% εκφόρτιση σε κάθε κύκλο. Οι νικελίου-καδμίου είναι μεγάλου βάθους εκφόρτισης και αντέχουν 80% εκφόρτιση σε κάθε κύκλο. Οι συσσωρευτές χρειάζονται αλλαγή κάθε 5 με 10 χρόνια ανάλογα με τον αριθμό των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης που κάνουν και του τύπου τους. Οι συσσωρευτές, παρέχουν αυτονομία στο σύστημα από μερικές μέρες μέχρι δύο βδομάδες. Η χρονική διάρκεια εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κάθε συστήματος, δηλαδή από την τοποθεσία του, την ύπαρξη ή όχι γεννήτριας και από το φορτίο. Οι συσσωρευτές χαρακτηρίζονται από την τάση τους, η οποία συνήθως είναι πολλαπλάσιο των 12 V, και από την χωρητικότητα τους, που μετριέται σε αμπερώρια(ah). Οι συσσωρευτές, πέραν της μείωσης της απόδοσης που προκαλούν, χρειάζονται περιοδική συντήρηση (έλεγχο υγρών) και έναν μεγάλο χώρο για να αποθηκευτούν. Ο σωστός υπολογισμός του μεγέθους του συσσωρευτή του συστήματος είναι καθοριστικός για την επίτευξη μεγάλης διάρκειας ζωής του, για την ιδανική απόδοση και για την επίτευξη ονομαστικού κόστους κύκλου ζωής του συστήματος. 2.5 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Υπάρχουν αρκετά ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμεύουν στον έλεγχο και στην ρύθμιση της ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το φωτοβολταϊκό. Πιο συγκεκριμένα: Οι ρυθμιστές φόρτισης μπαταριών για τη ρύθμιση των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης του συσσωρευτή. Όταν ο συσσωρευτής είναι τελείως φορτισμένος, ο ρυθμιστής δεν αφήνει άλλο ρεύμα να εισρεύσει από το φωτοβολταϊκό στοιχείο στον συσσωρευτή. Ομοίως, όταν ο συσσωρευτής έχει αδειάσει σε ένα προαποφασισμένο επίπεδο, το οποίο ελέγχεται με μέτρηση της τάσης του συσσωρευτή, ο ελεγκτής δεν επιτρέπει να δώσουν άλλο ρεύμα προτού επαναφορτιστούν. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την επιμήκυνση του χρόνου ζωής του συσσωρευτή. Ο ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT), η οποία είναι μια συσκευή που επεξεργάζεται κατάλληλα το ρεύμα και την τάση εξόδου του 19

34 φωτοβολταϊκού, ώστε σε κάθε χρονική στιγμή το σύστημα να απορροφά τη μέγιστη δυνατή ισχύ από το φωτοβολταϊκό. 2.6 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Τα φωτοβολταϊκά συστήματα βρίσκουν εφαρμογή σε μια μεγάλη γκάμα περιπτώσεων. Τα συστήματα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: Συστήματα που είναι διασυνδεδεμένα με το δίκτυο, όπου η φωτοβολταϊκή συστοιχία τροφοδοτεί απευθείας με ηλεκτρική ενέργεια το δίκτυο εξοικονομώντας με τον τρόπο αυτό ενέργεια δικτύου που προκύπτει από συμβατικές πηγές ενέργειας. Συστήματα που είναι απομονωμένα από το δίκτυο, όπου η φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν διασυνδέεται με το δίκτυο οπότε προκύπτει ένα αυτόνομο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας Υβριδικά συστήματα, τα οποία είναι ένας συνδυασμός φωτοβολταϊκού συστήματος με άλλου είδους γεννήτρια(π.χ. γεννήτρια πετρελαίου). Στα συστήματα αυτά η γεννήτρια και το φωτοβολταϊκό αλληλοσυμπληρώνονται. Τα υβριδικά συστήματα απευθύνονται σε μεγαλύτερες οικιακές ή επαγγελματικές εφαρμογές. Στο σημείο αυτό δίνοντας μεγαλύτερη βαρύτητα στην πρώτη κατηγορία συστημάτων, δηλαδή εκείνων που είναι διασυνδεδεμένα με το δίκτυο, μιας και ένα τέτοιο σύστημα διαπραγματεύεται η παρούσα διπλωματική, θα περιγράψομε τρόπους διασύνδεσής τους με το δίκτυο. 2.7 ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Η γενικευμένη δομή και η κατηγοριοποίηση των διασυνδεδεμένων κτιριακών Φ/Β συστημάτων παρουσιάζονται, αναλυτικότερα, στις επόμενες παραγράφους. Μια παράμετρος που πρέπει να διερευνάται κατά την ενσωμάτωση ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων ΑΠΕ σε ένα ΣΗΕ είναι η δυνατότητα μεγιστοποίησης της ενεργειακής παραγωγής αυτών. Η παράμετρος αυτή, αν και δεν επηρεάζει άμεσα την αξιοπιστία του ηλεκτρικού συστήματος, προσδιορίζει τη μέγιστη δυνατότητα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Λαμβάνοντας, λοιπόν, υπόψη ότι η αποδιδόμενη ισχύς ορισμένων συστημάτων ΑΠΕ δεν παραμένει σταθερή αλλά μεταβάλλεται συναρτήσει των εκάστοτε περιβαλλοντολογικών συνθηκών, απαιτείται δραστικός έλεγχος των μετατροπέων που διασυνδέουν τις ΑΠΕ με το ηλεκτρικό δίκτυο, ώστε στις εκάστοτε συνθήκες να αποδίδεται η μέγιστη δυνατή ισχύς. Για την επίλυση των προαναφερθέντων ζητημάτων πραγματοποιείται σημαντική έρευνα ώστε να εξαλειφθούν τα προβλήματα που δυσχεραίνουν την αποδοχή των ΑΠΕ ως αξιόπιστες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής. Ανάλογα με τον τρόπο που συνδυάζονται τα πλαίσια, τα Φ/Β συστήματα κατηγοριοποιούνται σε τέσσερις τεχνολογικές τάσεις [13]: α) την Κεντρικοποιημένη τεχνολογία (Centralized technology) β) την τεχνολογία Αλυσίδας (String technology) 20

35 γ) την τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων (Multi-string technology) και δ) την τεχνολογία των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος (AC-PV Module technology) Η διαμόρφωση των τεχνολογικών τάσεων που αναφέρθηκαν παραπάνω έγκειται, αφενός μεν στον αριθμό των Φ/Β πλαισίων που συνδέονται ανά ηλεκτρονικό μετατροπέα (επίπεδο ισχύος του μετατροπέα), αφετέρου δε στον τρόπο με τον οποίο συνδέονται μεταξύ τους τα Φ/Β πλαίσια (εν σειρά σύνδεση, παράλληλη σύνδεση ή συνδυασμός αυτών). Στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζονται οι παραπάνω τεχνολογίες, ενώ ταυτοχρόνως επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτών[13] Κεντρικοποιημένη Τεχνολογία Η κεντρικοποιημένη τεχνολογία (Centralized technology) συνιστά την πρώτη προσπάθεια ένταξης Φ/Β συστημάτων μεγάλης κλίμακας (της τάξης των 400 kw) στην ηλεκτροπαραγωγική διαδικασία. Το δομικό διάγραμμα των Φ/Β συστημάτων αυτής της κατηγορίας παρουσιάζεται στο σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2: Δομή φωτοβολταϊκών συστημάτων Κεντρικοποιημένης τεχνολογίας [13] Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτής της τεχνολογίας αποτελεί η χρησιμοποίηση μεγάλου αριθμού Φ/Β πλαισίων, τα οποία μέσω ενός μόνου «κεντρικού» αντιστροφέα συνδέονται στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Τα Φ/Β πλαίσια χωρίζονται σε εν σειρά ομάδες, οι οποίες ονομάζονται «αλυσίδες». Σκοπός αυτής της ομαδοποίησης είναι η εξασφάλιση αρκετά υψηλής τιμής συνεχούς τάσης (Σ.Τ.) στα άκρα της 21

36 «αλυσίδας», ώστε να είναι εφικτή η απευθείας μετατροπή της σε εναλλασσόμενη χωρίς τη διαμεσολάβηση επιπλέον μετατροπέων ανύψωσης Σ.Τ. σε Σ.Τ. ή μετασχηματιστών (Μ/Σ). Επιπλέον, η παράλληλη σύνδεση των «αλυσίδων» επιτρέπει την επίτευξη του επιθυμητού επιπέδου ισχύος. Μολονότι η δομή των Φ/Β συστημάτων αυτής της τεχνολογίας είναι αρκετά απλή, η αποδοτικότητα τους και η οικονομική τους βιωσιμότητα αποδυναμώνεται από ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα. Συγκεκριμένα, η ύπαρξη ενός κεντρικού ελεγκτή M.P.P.T. για το σύνολο των Φ/Β πλαισίων επιφέρει τη μειωμένη ενεργειακή παραγωγή των φωτογεννητριών σε συνθήκες ανομοιόμορφης σκίασης ή ανομοιόμορφης θερμικής καταπόνησης. Επίσης, στην περίπτωση που κάποια από τις παράλληλα συνδεδεμένες «αλυσίδες» σκιαστεί περισσότερο από τις υπόλοιπες, η τιμή της τάσης που επικρατεί στα άκρα της υπολείπεται αυτής των υπολοίπων με άμεσο αποτέλεσμα να ελλοχεύει κίνδυνος μερικής καταστροφής του Φ/Β εξοπλισμού (η «αλυσίδα» αυτή με τη χαμηλότερη τάση συμπεριφέρεται ως φορτίο). Για την αποφυγή αυτού του κινδύνου η σύνδεση των «αλυσίδων» πρέπει να πραγματοποιείται μέσω διόδων ισχύος οι οποίες όμως επιβαρύνουν την αποδοτικότητα του όλου συστήματος με τις απώλειές τους. Το παραπάνω φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί σε μικρότερο βαθμό και μεταξύ Φ/Β πλαισίων της ίδιας «αλυσίδας», επιφέροντας παρόμοια καταστροφικά αποτελέσματα (δημιουργία hot-spot κηλίδων στα Φ/Β πλαίσια) [6]. Από την άλλη πλευρά, η αρκετά υψηλή τιμή συνεχούς τάσης διασύνδεσης μεταξύ του Φ/Β πλέγματος και του αντιστροφέα επιβάλλει την εγκατάσταση ειδικών συστημάτων προστασίας και την εφαρμογή ειδικών τεχνικών γειώσεως των επιμέρους τμημάτων του Φ/Β συστήματος, αυξάνοντας έτσι το κόστος της όλης εγκατάστασης. Επιπλέον, εφόσον οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς σχεδιάζονται κάθε φορά για διαφορετικά επίπεδα ισχύος δεν είναι εφικτή η μαζική τους παραγωγή, γεγονός που έχει άμεση επίδραση στο κόστος κατασκευής τους. Επίσης, λόγω της ύπαρξης ενός μόνου «κεντρικού» αντιστροφέα, η ολοκληρωτική διακοπή της ηλεκτροπαραγωγικής διαδικασίας είναι αναπόφευκτη τόσο σε περιπτώσεις προγραμματισμένης συντήρησης όσο και σε περιπτώσεις αντικατάστασης μέρους του Φ/Β εξοπλισμού Τεχνολογία Αλυσίδας Τα φωτοβολταϊκά συστήματα τεχνολογίας αλυσίδας (string technology) εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά στον Ευρωπαϊκό χώρο σε ευρεία κλίμακα το Το δομικό διάγραμμα των Φ/Β συστημάτων αυτής της κατηγορίας παρουσιάζεται στο σχήμα 2.3. Πρόκειται ουσιαστικά για μια μικρογραφία της Κεντρικοποιημένης τεχνολογίας. Συγκεκριμένα, τα Φ/Β πλαίσια συνδέονται εν σειρά σχηματίζοντας μια μόνο «αλυσίδα» η οποία τροφοδοτεί ένα ηλεκτρονικό μετατροπέα. Λόγω του μικρότερου αριθμού Φ/Β πλαισίων η ηλεκτρική ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο περιορίζεται στο επίπεδο των 0.7 με 3 kw. 22

37 Σχήμα 2.3: Δομή φωτοβολταϊκών συστημάτων τεχνολογίας Αλυσίδας [13] Στις περισσότερες περιπτώσεις ο αριθμός των εν σειρά διασυνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων είναι μεγάλος με αποτέλεσμα η συνεχής τάση στα άκρα της «αλυσίδας» να μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε εναλλασσόμενη με τη χρήση ενός μόνο αντιστροφέα. Σε αντίθετη περίπτωση η διαμεσολάβηση ενός μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση ή η χρησιμοποίηση ενός χαμηλόσυχνου μετασχηματιστή, στην έξοδο του αντιστροφέα είναι αναπόφευκτη. Η δυνατότητα προσαρμογής της συγκεκριμένης τεχνολογικής δομής σε μικρότερες διαθέσιμες επιφάνειες, με αντίστοιχο βέβαια περιορισμό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, συνέβαλε στην ευρύτατη χρησιμοποίηση της στα αστικά κέντρα. Από την άλλη πλευρά, η παράλληλη λειτουργία πολλών Φ/Β συστημάτων τεχνολογίας Αλυσίδας επιτρέπει την παραγωγή μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας, περιορίζοντας ταυτόχρονα αρκετά από τα μειονεκτήματα που συναντώνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα Κεντρικοποιημένης δομής. Τα Φ/Β συστήματα αυτά επιδεικνύουν υψηλότερη αξιοπιστία, σε σχέση με αυτά της Κεντρικοποιημένης δομής, καθώς η συντήρηση και η επισκευή τους συνοδεύεται από μερική μόνο μείωση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, ο έλεγχος μικρότερου αριθμού Φ/Β πλαισίων από το χρησιμοποιούμενο ελεγκτή M.P.P.T., επιτρέπει την καλύτερη εκμετάλλευση των φωτογεννητριών. Τέλος, η μείωση του κόστους κατασκευής των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρονικών μετατροπέων είναι προφανής, λόγω της υπάρχουσας δυνατότητας μαζικής παραγωγής αυτών. 23

38 Ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα που έχουν αυτά τα συστήματα είναι ότι η αρκετά υψηλή τιμή συνεχούς τάσης που εμφανίζεται στα άκρα των «αλυσίδων» απαιτεί τη χρήση ακριβού βοηθητικού εξοπλισμού και την εγκατάσταση του από ειδικευμένο προσωπικό. Επίσης, λόγω της εν σειρά διασύνδεσης μεγάλου αριθμού Φ/Β πλαισίων, εγκυμονεί ο κίνδυνος εμφάνισης hot-spot κηλίδων σε αυτά, σε περιπτώσεις ανομοιόμορφης σκίασης Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων Η τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων (Multi-string technology) συνιστά την αρτιότερη πρόταση για την παραγωγή σημαντικών ποσών ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα μεγάλης κλίμακας, ενώ την τελευταία δεκαετία εφαρμόζεται, επίσης, και σε μεγάλα οικιακά ή κτιριακά Φ/Β συστήματα. Το δομικό διάγραμμα των Φ/Β συστημάτων αυτής της κατηγορίας παρουσιάζεται στο σχήμα 2.4. Σχήμα 2.4: Δομή φωτοβολταϊκών συστημάτων τεχνολογίας Πολλαπλών Αλυσίδων [13] Πρόκειται ουσιαστικά για ένα συγκερασμό των δυο προαναφερθέντων τεχνολογικών τάσεων. Παρέχει τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογης τάξης με αυτή της Κεντρικοποιημένης δομής, συνδυάζοντας ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα των Φ/Β συστημάτων τεχνολογίας Αλυσίδας. Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα τεχνολογίας Πολλαπλών Αλυσίδων απαρτίζεται από πολλούς ανεξάρτητους μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή, καθένας εκ των 24

39 οποίων εμπεριέχει το δικό του ελεγκτή M.P.P.T. Η είσοδος κάθε μετατροπέα συνδέεται με μια ανεξάρτητη «αλυσίδα» εν σειρά συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων, ενώ οι έξοδοι τους συνδέονται σε ένα μόνο κεντρικό αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται άρτια συνεργασία μεταξύ πολλών ανεξάρτητων «αλυσίδων», οι οποίες μπορεί να απαρτίζονται τόσο από διαφορετικό αριθμό Φ/Β πλαισίων, όσο και από Φ/Β πλαίσια διαφορετικής τεχνολογίας. Επιπρόσθετα, η παράλληλη λειτουργία «αλυσίδων» με διαφορετικό γεωγραφικό προσανατολισμό ή με διαφορετικές συνθήκες σκίασης δε δυσχεραίνουν την παραγωγικότητα του όλου συστήματος, καθώς κάθε μια τους μπορεί να δουλεύει στο δικό της σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Ο συνδυασμός των παραπάνω πλεονεκτημάτων καθιστά τα Φ/Β συστήματα Πολλαπλών Αλυσίδων ως μια αρκετά ελκυστική επιλογή για διεσπαρμένη παραγωγή σημαντικών ποσών ηλεκτρικής ενέργειας από μεγάλα εμπορικά ή δημόσια κτίρια. Το μειονέκτημα που παρουσιάζεται σε αυτήν την περίπτωση είναι ότι η χρησιμοποίηση πολλών ανεξάρτητων αλυσίδων μπορεί να περιορίζει τον κίνδυνο ολικής διακοπής της ηλεκτροπαραγωγικής διαδικασίας, σε περίπτωση όμως που εμφανιστεί βλάβη σε κάποιες από αυτές, η ύπαρξη ενός και μόνο «κεντρικού» αντιστροφέα αναιρεί το πλεονέκτημα αυτό στην περίπτωση που ο ίδιος παρουσιάσει βλάβη. Τέλος, δύσκολη είναι και η επέκταση της παραγόμενης ισχύος χωρίς αλλαγή του αντιστροφέα Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος Η πιο σύγχρονη λύση στα διασυνδεδεμένα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα είναι γνωστή με τον όρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Εναλλασσόμενου Ρεύματος (AC-PV Modules). Το δομικό διάγραμμα των Φ/Β συστημάτων αυτής της κατηγορίας παρουσιάζεται στο σχήμα 2.5. Πρόκειται για Φ/Β διατάξεις μικρής ισχύος, οι οποίες δημιουργούνται από την ενσωμάτωση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου και ενός μονοφασικού αντιστροφέα σε μια αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη. Μελετώντας τη δομή των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος γίνεται αντιληπτό ότι η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς που μπορεί να παραχθεί από μια αυτοτελή Φ/Β μονάδα (πλαίσιο-αντιστροφέας) καθορίζεται από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου πλαισίου. Το επίπεδο ισχύος κάθε αυτοτελούς Φ/Β μονάδας περιορίζεται το πολύ στα 300 W, που αντιστοιχεί στη μέγιστη ισχύ που παράγει ένα Φ/Β πλαίσιο σήμερα. Ένα ακόμη συμπέρασμα, που εξάγεται από το σχήμα 2.5, είναι η ανάγκη ανύψωσης της τάσης του Φ/Β πλαισίου. Η συνεχής τάση που επικρατεί στα άκρα της φωτογεννήτριας δύσκολα μετατρέπεται απευθείας σε εναλλασσόμενη τάση, σύμφωνη με τις προδιαγραφές του ηλεκτρικού δικτύου των αστικών περιοχών (220V), χωρίς τη διαμεσολάβηση ενός μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση ή τη χρησιμοποίηση χαμηλόσυχνου ή υψίσυχνου μετασχηματιστή. 25

40 Σχήμα 2.5: Δομή φωτοβολταϊκών συστημάτων τεχνολογίας Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος [13] Η παράλληλη λειτουργία πολλών παράλληλων αυτοτελών μονάδων επιτρέπει την παραγωγή μεγαλύτερων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας, εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα υψηλή αξιοπιστία διότι ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος ολικής απώλειας της ηλεκτροπαραγωγής σε περιπτώσεις προγραμματισμένης συντήρησης ή εμφάνισης βλαβών. Αξίζει να σημειωθεί ότι η χρήση πολλών ανεξάρτητων μονάδων δε σηματοδοτεί και την αναγκαστική αύξηση του κόστους επένδυσης, διότι η διαφαινόμενη δυνατότητα μαζικής παραγωγής των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος εκτιμάται ότι θα οδηγήσει τελικά σε σημαντική μείωση του κόστους κατασκευής των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρονικών μετατροπέων. Επιπλέον, η σύνδεση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου ανά μετατροπέα επιτρέπει το βέλτιστο έλεγχο της φωτογεννήτριας από τον ελεγκτή M.P.P.T., οδηγώντας έτσι σε μεγιστοποίηση της παραγωγικότητάς της κάτω από οποιεσδήποτε περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα μειονεκτήματα που εμφανίζονται σε αυτή την κατηγορία είναι ότι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς στα εν λόγω Φ/Β συστήματα είναι ενσωματωμένοι είτε στο πίσω μέρος του πλαισίου είτε στο μηχανισμό στήριξης αυτού, με άμεση συνέπεια την έκθεση του μετατροπέα σε μεγάλες θερμοκρασίες, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών. Η ανεπαρκής απαγωγή θερμότητας από τα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα καθώς και η χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών (η γήρανση των οποίων επηρεάζεται σημαντικά από τις υψηλές θερμοκρασίες) μπορούν να οδηγήσουν σε μείωση της προσδόκιμης διάρκειας ζωής τους. Επιπλέον, λαμβάνοντας 26

41 υπόψη ότι η θερμοκρασία ενός Φ/Β πλαισίου εξαρτάται τόσο από τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής στην οποία είναι εγκατεστημένο (θερμοκρασία περιβάλλοντος, συνθήκες ηλιοφάνειας, υγρασίας και αιολικό δυναμικό) όσο και από τις θερμικές ιδιότητες του, είναι εύλογο ότι ο τρόπος με τον οποίο ο μετατροπέας εδράζεται στο πλαίσιο μπορεί να προκαλέσει την τοπική του υπερθέρμανση. Η ενσωμάτωση του ηλεκτρονικού μετατροπέα στη Φ/Β γεννήτρια μειώνει τη ροή του αέρα στην επιφάνεια έδρασης του τελευταίου. Σε ακραίες περιπτώσεις το γεγονός αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει ακόμη και σε μερική καταστροφή του Φ/Β πλαισίου. Επιπρόσθετα, η θερμότητα που εκλύεται από το πλαίσιο επιβαρύνει ακόμη περισσότερο την ψύξη του μετατροπέα. Τα παραπάνω επηρεάζουν αρνητικά την αξιοπιστία του συστήματος. 2.8 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια παρέχεται υπό τη μορφή συνεχούς τάσης και ρεύματός. Για να καταστεί, λοιπόν, εφικτή η τροφοδότηση του ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος με την ενέργεια που παράγεται από τις φωτογεννήτριες, απαιτείται η διαμεσολάβηση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων, των αντιστροφέων. Πρόκειται ουσιαστικά για στατικούς (χωρίς κινούμενα μέρη) μετατροπείς ισχύος (Static Power Converters, CPS), οι οποίοι εμπεριέχουν ενσωματωμένα συστήματα ελέγχου, προστασίας και φιλτραρίσματος του ρεύματος εξόδου τους. Η προσαρμογή της παραγόμενης, από τα Φ/Β πλαίσια, ηλεκτρικής ενέργειας στα επιθυμητά χαρακτηριστικά του εναλλασσόμενου ηλεκτρικού δικτύου, είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί με πολλές διαφορετικές κυκλωματικές τοπολογίες μετατροπέων. Όμως οι μετατροπείς αυτοί μπορεί να ομαδοποιηθούν, βάσει ορισμένων κοινών χαρακτηριστικών τους, σε διάφορες κατηγορίες. Βάσει των αριθμών βαθμίδων Ανάλογα με τον αριθμό των εν σειρά συνδεδεμένων ανεξάρτητων μετατροπέων (σταδίων), που επεξεργάζονται την ηλεκτρική ισχύ των φωτογεννητριών, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς των Φ/Β Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος κατηγοριοποιούνται σε τοπολογίες, ως ακολούθως: α) μίας βαθμίδας (single stage) β) δύο βαθμίδων (two stages) γ) πολλαπλών βαθμίδων (multi stages) Στο σχήμα 2.6 φαίνονται τα κυκλωματικά διαγράμματα αυτών των τοπολογιών. 27

42 Σχήμα 2.6: Γενικευμένη κυκλωματική αναπαράσταση τοπολογιών μετατροπέων για Φ/Β πλαίσια Εναλλασσόμενου Ρεύματος (α) μιας βαθμίδας με ή χωρίς τη χρησιμοποίηση μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης, (β) δύο βαθμίδων,(γ) πολλαπλών βαθμίδων [14] Χαρακτηριστικό γνώρισμα των τοπολογιών μίας βαθμίδας (ή ενός σταδίου) είναι η χρησιμοποίηση ενός μόνο μετατροπέα, ο οποίος επωμίζεται αφενός μεν την ανύψωση της χαμηλής τάσης εξόδου των φωτογεννητριών στα επίπεδα της τάσης του ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος, αφετέρου δε τη μετατροπή τη συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Συνεπώς, στις διατάξεις μιας βαθμίδας, η κυκλωματική τοπολογία του χρησιμοποιούμενου μετατροπέα δε μπορεί παρά να είναι ένας αντιστροφέας. Το σημείο σύνδεσης αυτών διαφοροποιείται ανάλογα με το αν η διάταξη υπάρχει χαμηλόσυχνος ή υψίσυχνος μετασχηματιστής, όπως επισημαίνεται στο σχήμα 2.6(α). Προκειμένου να επιτυγχάνεται ο εναρμονισμός των ηλεκτρικών μεγεθών εξόδου του αντιστροφέα με τα πρότυπα ηλεκτρονικής συμβατότητας, απαιτείται η χρησιμοποίηση κατωδιαβατών φίλτρων. Ο σχεδιασμός του κυκλώματος ελέγχου των μετατροπέων αυτής της κατηγορίας είναι σχετικά πολύπλοκος, αφού ένας μόνο ελεγκτής αναλαμβάνει τόσο τον έλεγχο του κυκλώματος ισχύος όσο και τους ελέγχους ανίχνευσης του σημείου μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Από την άλλη πλευρά, λόγω της χρησιμοποίησης αρκετά περιορισμένου πλήθους ημιαγωγικών στοιχείων (συγκριτικά με τις τοπολογίες δύο ή περισσότερων βαθμίδων), ο βαθμός πολυπλοκότητας του κυκλώματος ισχύος είναι ιδιαίτερα μικρός, συμβάλλοντας έτσι στην υψηλή αξιοπιστία και στο χαμηλό κόστος κατασκευής των μετατροπέων αυτών. 28

43 Στους μετατροπείς τοπολογίας δύο βαθμίδων (σταδίων), χρησιμοποιούνται δύο ανεξάρτητοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς, εκ των οποίων ο μεν πρώτος (προς την πλευρά της φωτογεννήτριας) είναι ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση, ενώ ο δεύτερος είναι ένας αντιστροφέας. Η γενικευμένη κυκλωματική τους αναπαράσταση δίνεται στο σχήμα 2.6(β). Στην πλειονότητα των περιπτώσεων στο πρώτο στάδιο είτε πραγματοποιείται ανύψωση της συνεχούς τάσης των Φ/Β γεννητριών σε μια σταθερή και αρκετά υψηλή τιμή (τουλάχιστον 350 V), είτε παράγεται ανορθωμένο ημιτονοειδές ρεύμα. Στη δεύτερη βαθμίδα, στη μεν πρώτη περίπτωση ο αντιστροφέας ελέγχεται με τη βοήθεια τεχνικών ημιτονοειδούς διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, S.P.W.M.), ώστε στην έξοδο του(μετά το κατωδιαβατό φίλτρο) να εξασφαλίζεται ρεύμα ημιτονοειδούς μορφής, ενώ στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιούνται αντιστροφείς οδηγούμενοι από το δίκτυο (συχνότητα λειτουργίας 50Hz), οι οποίοι αναλαμβάνουν τη μετατροπή του ανορθωμένου ημιτονοειδούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο. Βέβαια, εκτός των δύο προαναφερθέντων τοπολογιών, υπάρχει πληθώρα εναλλακτικών λύσεων, η οποία έγκειται κυρίως στη μεταφορά της προχωρημένης τεχνογνωσίας των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς ρεύματος (Switch Mode Power Supplies) στο σχεδιασμό των μετατροπέων της πρώτης βαθμίδας. Η διαφοροποίηση των τοπολογιών πολλαπλών βαθμίδων (σταδίων) από αυτές των δύο σταδίων, εστιάζεται στη χρησιμοποίηση περισσότερων ενδιάμεσων μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.6(γ). Βασικό πλεονέκτημα αυτών των τοπολογιών είναι η αποσύνδεση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών της Φ/Β γεννήτριας από τη χαμηλόσυχνη κυμάτωση που προκαλείται από τη δημιουργίας μονοφασικής εναλλασσόμενης τάσης. Όμως η εν σειρά σύνδεση πολλών βαθμίδων επεξεργασίας της ισχύος εξόδου των φωτογεννητριών επιφέρει σημαντική μείωση του συνολικού βαθμού απόδοσης και δραματική αύξηση του κόστους κατασκευής. Οι δυο προαναφερθέντες λόγοι είναι οι κύριες αιτίες που οδήγησαν στον παραγκωνισμό αυτών των τοπολογιών από το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, όσο και της βιομηχανίας. Επιπλέον, η χρησιμοποίηση πολλών μετατροπέων έχει αρνητική επίδραση στην αξιοπιστία του συστήματος. Βάσει ύπαρξης μετασχηματιστή απομόνωσης Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς των Φ/Β πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος μπορούν, επίσης, να ομαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το αν εμπεριέχουν μετασχηματιστή (Μ/Σ) σε κάποια από τις βαθμίδες τους. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται Μ/Σ, αυτός μπορεί να είναι υψίσυχνος (Μ/Σ φερρίτη) ή χαμηλόσυχνος (Μ/Σ σιδήρου). Η χρησιμοποίηση Μ/Σ προσφέρει ορισμένα βασικά πλεονεκτήματα, όπως η γαλβανική απομόνωση του Φ/Β εξοπλισμού από το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό δίκτυο και η δυνατότητα αποδοτικής ανύψωσης της χαμηλής τάσης εξόδου των φωτογεννητριών, χωρίς ιδιαίτερα πολύπλοκες κυκλωματικές τοπολογίες. 29

44 Όπως αναφέρθηκε, στην παρούσα διπλωματική εργασία θα διερευνηθεί η λειτουργία ενός μετατροπέα μίας βαθμίδας χωρίς Μ/Σ απομόνωσης ο οποίος εξασφαλίζει σύμφωνα με την υπάρχουσα βιβλιογραφία πολύ υψηλό βαθμό απόδοσης ( ) και περιορίζει σε μεγάλο βαθμό το ρεύμα διαρροής (θα εξηγηθεί αναλυτικά στη συνέχεια) προστατεύοντας έτσι τον καταναλωτή από ηλεκτροπληξία. Ο αντιστροφέας αυτός ονομάζεται αντιστροφέας Η5, λόγω του ότι περιέχει πέντε (5) ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. 30

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Αντιστροφείς χωρίς μετασχηματιστή Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει μια γενική περιγραφή αντιστροφέων οι οποίοι δεν περιέχουν στην τοπολογία τους μετασχηματιστή απομόνωσης, ώστε να γίνει πιο κατανοητή στη συνέχεια η λειτουργία του αντιστροφέα Η ΓΑΛΒΑΝΙΚΗ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ - ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ Ένας αντιστροφέας, ανάλογα με την ύπαρξη ή μη μετασχηματιστή μεταξύ των φωτοβολταϊκών πλαισίων και του δικτύου μπορεί να είναι απομονωμένος ή όχι από το δίκτυο. Η γαλβανική αυτή απομόνωση λαμβάνει χώρα με την παρουσία ενός μετασχηματιστή ο οποίος, όμως, επηρεάζει σημαντικά την όλη απόδοση του συστήματος. Η παρουσία γαλβανικής απομόνωσης εξαρτάται επίσης από τους κανονισμούς της εκάστοτε χώρας. Σε μερικές χώρες, όπως το Ηνωμένο Βασίλειο και η Ιταλία, η γαλβανική απομόνωση είναι απαραίτητη σύμφωνα με τους κανονισμούς και λαμβάνει χώρα είτε με την παρουσία ενός χαμηλόσυχνου μετασχηματιστή στην πλευρά του δικτύου είτε με ένα υψίσυχνο μετασχηματιστή στην πλευρά συνεχούς τάσης του μετατροπέα. Αντιθέτως, σε χώρες όπως η Γερμανία και η Ισπανία, η γαλβανική απομόνωση μπορεί να παραλειφθεί, οπότε και επινοούνται άλλες τεχνολογικές λύσεις για το διαχωρισμό της φωτοβολταϊκής συστοιχίας από το δίκτυο. Ένα μειονέκτημα των συστημάτων χωρίς μετασχηματιστή είναι το γεγονός ότι η μη παρουσία μετασχηματιστή μπορεί να δημιουργήσει συνεχή συνιστώσα ρεύματος στο εναλλασσόμενο ρεύμα που εγχέεται στο δίκτυο. Τα ρεύματα μπορούν να οδηγήσουν σε κορεσμό τον πυρήνα των μαγνητικών στοιχείων του μετασχηματιστή διανομής, προκαλώντας υπερθέρμανση και ως εκ τούτου πιθανές βλάβες. Από την άλλη πλευρά, το μεγάλο πλεονέκτημα που καθιστά τις τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή ευρέως χρησιμοποιούμενες είναι η αύξηση της συνολικής απόδοσης του συστήματος έως και 2%[15]. 3.2 ΠΡΟΤΥΠΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΩΝ ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ Το μοναδικό πρότυπο που υπάρχει και το οποίο αναφέρεται στις τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι το γερμανικό VDE [15]. Σύμφωνα με αυτό, υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη ρευμάτων τα οποία πρέπει να προσεχθούν και να παρατηρούνται: Ρεύμα σφάλματος προς γη (Ground Fault current), το οποίο συμβαίνει στην περίπτωση σφάλματος μόνωσης όταν το ρεύμα ρέει μέσω καλωδίου γείωσης. Ρεύμα σφάλματος (Fault current), το οποίο αναπαριστά το άθροισμα των στιγμιαίων τιμών των κυρίων ρευμάτων, τα οποία σε κανονικές συνθήκες τείνουν στο μηδέν. Ρεύμα διαρροής (Leakage Ground current), το οποίο είναι το αποτέλεσμα της παρασιτικής χωρητικότητας που δημιουργείται σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, η ύπαρξη της οποίας θα εξηγηθεί στην επόμενη παράγραφο. 31

46 Η παρατήρηση και καταγραφή των ρευμάτων αυτών γίνεται τυπικά με μία μονάδα παρακολούθησης γνωστή και ως Residual Current Monitoring Unit (RCMU) [15], η οποία μετρά το ρεύμα σφάλματος και διαρροής του όλου συστήματος. Σε πρότυπες καταστάσεις η αποσύνδεση από το δίκτυο πραγματοποιείται αναγκαστικά μέσα σε 0.3 s στην περίπτωση που το ρεύμα διαρροής γίνεται 300 ma. Επιπλέον, υφίσταται ο παρακάτω πίνακας ο οποίος επισημαίνει ενδεικτικά τους απαιτούμενους χρόνους αποσύνδεσης του μετατροπέα από το δίκτυο σε μεταβολές της ενεργού τιμής (rms) του ρεύματος σφάλματος/διαρροής. Μεταβολή ρεύματος σφάλματος/διαρροής (ma) Χρόνος αποσύνδεσης(s) Όπως φαίνεται στον παραπάνω πίνακα, στις περιπτώσεις όπου η rms τιμή του ρεύματος σφάλματος/διαρροής αυξάνεται κατά 30 ma, τότε η αποσύνδεση πραγματοποιείται αυστηρώς μέσα σε 0.3 s. Σε περίπτωση σφάλματος/ατυχήματος ή πολύ υψηλού ρεύματος διαρροής, το σύστημα αποσυνδέεται μη προσφέροντας πλέον ενέργεια στο δίκτυο. 3.3 ΠΑΡΑΣΙΤΙΚΗ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΟΙΧΙΩΝ Τα περισσότερα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποτελούνται από ένα μεταλλικό πλαίσιο το οποίο απαιτείται να γειωθεί σε όλες σχεδόν τις χώρες ώστε να συμμορφωθεί με τα εκάστοτε πρότυπα και τους κανονισμούς ασφαλείας. Εφόσον, λοιπόν, συμβαίνει αυτό, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν μία αρκετά μεγάλη επιφάνεια, δημιουργούνται παρασιτικές χωρητικότητες C G-PV μεταξύ Φ/Β κυττάρων και πλαισίου, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1. Η τιμή της παρασιτική αυτής χωρητικότητας εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: Την επιφάνεια του Φ/Β πλαισίου και του γειωμένου του σκελετού Την απόσταση των φωτοβολταϊκών κυττάρων Τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Τη σκόνη και την υγρασία, η οποία μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα της επιφάνειας του πλαισίου. Σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο το οποίο υπό κανονικές συνθήκες παρουσιάζει χωρητικότητα 150 pf με την επιφάνειά του καλλυμένη με νερό, η παρασιτική χωρητικότητα φτάνει έως και 9 nf, 60 φορές περίπου μεγαλύτερη από την προηγούμενή του τιμή [15]. Σύμφωνα με μετρήσεις η τιμή της παρασιτικής χωρητικότητας των φωτοβολταϊκών πλαισίων κυμαίνεται από 100 pf έως 3.6 μf [15]. Ακόμη, στην περίπτωση της thin film τεχνολογίας οι τιμές της παρασιτικής 32

47 χωρητικότητας φτάνουν έως και 1 μf/kw, εξαιτίας του μεταλλικού στρώματος στο οποίο είναι τοποθετημένα τα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Σχήμα 3.1: Παρασιτική χωρητικότητα φωτοβολταϊκού πλαισίου [15] 3.4 ΡΕΥΜΑ ΔΙΑΡΡΟΗΣ (LEAKAGE GROUND CURRENT) Όπως προαναφέρθηκε οι τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή στερούνται γαλβανικής απομόνωσης μεταξύ φωτοβολταϊκής συστοιχίας και δικτύου. Συνεπώς, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι απευθείας συνδεδεμένα στο δίκτυο, με άμεσο αποτέλεσμα τη δημιουργία αγώγιμου δρόμου για τα ρεύματα διαρροής. Ανάλογα με την τοπολογία του αντιστροφέα, η έλλειψη γαλβανικής απομόνωσης μεταξύ Φ/Β συστοιχίας και δικτύου σε συνδυασμό με την παρουσία της παρασιτικής χωρητικότητας, προκαλεί μεταβολές στην τάση μεταξύ της συστοιχίας και της γης [15]. Οι μεταβολές αυτές μπορεί να έχουν ημιτονοειδή ή τετραγωνική μορφή με συχνότητα του δικτύου ή της διακοπτικής. Οι μεταβολές αυτές της τάσης φορτίζουν και εκφορτίζουν την παρασιτική χωρητικότητα που δημιουργείται μεταξύ της επιφάνειας ενός Φ/Β πάνελ και του γειωμένου του πλαισίου. Η παρασιτική χωρητικότητα μαζί με τις παρασιτικές επαγωγές των DC γραμμών που συνδέουν τη φωτοβολταϊκή συστοιχία με τον αντιστροφέα, δημιουργούν ένα κύκλωμα συντονισμού του οποίου η συχνότητα συντονισμού εξαρτάται από το μέγεθος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και το μήκος των καλωδίων που τη συνδέουν με τον αντιστροφέα. 33

48 Σχήμα 3.2: Τοπολογία χωρίς μετασχηματιστή όπου φαίνεται το «μονοπάτι» που δημιουργείται για το ρεύμα διαρροής μεταξύ γειωμένου φωτοβολταϊκού πλαισίου και δικτύου [15] Το «μονοπάτι» του ρεύματος αυτού (I G-PV ) που ρέει μέσω της παρασιτικής χωρητικότητας του φωτοβολταϊκού πλαισίου φαίνεται στο σχήμα 3.2 και η έντασή εξαρτάται από την παρασιτική χωρητικότητα και από τη διακύμανση της τάσης στα άκρα της όπως προκύπτει και από την εξίσωση [27]: dvdc earth () () t ileakage t Carray (7.1) dt Όπου, C array : η τιμή της παρασιτικής χωρητικότητας και V DC-earth : η τάση μεταξύ των πόλων του Φ/Β πλαισίου και της γης Λόγω της δημιουργίας του ρεύματος διαρροής, αντικείμενο διαφόρων μελετών αποτελούν τα δυο παρακάτω φαινόμενα: 1. Ένα άτομο, γειωμένο, ακουμπώντας τη Φ/Β συστοιχία, ίσως αποτελέσει αγώγιμο δρόμο του ρεύματος της παρασιτικής χωρητικότητας προς τη γη, με αποτέλεσμα να πληγεί από το φαινόμενο της ηλεκτροπληξίας (σχήμα 3.1). 2. Η μεταβολές της τάσης δημιουργούν ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές γύρω από την Φ/Β συστοιχία (ΕΜΙ). Σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα με γειωμένα πλαίσια τα ρεύματα διαρροής που δημιουργούνται λόγω των μεταβολών της τάσης στα άκρα των παρασιτικών χωρητικοτήτων, που λαμβάνουν χώρα σε γειωμένα Φ/Β πλαίσια, και που είναι επικίνδυνα για τον ανθρώπινο παράγοντα παίρνουν μικρές τιμές κι αυτό διότι η μεγαλύτερη ποσότητα των ρευμάτων αυτών ρέει μέσω του Φ/Β πλαισίου και της γης [27]. Τα μικρότερα αυτά ρεύματα βρίσκονται αποδεδειγμένα κάτω από το όριο ανοχής του ανθρώπου. Όμως, ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στο γεγονός ότι η γείωση 34

49 των πλαισίων ίσως φθαρεί από σκουριά ή προσωρινά αφαιρεθεί, οπότε σε αυτήν την περίπτωση εφόσον το πλαίσιο μένει χωρίς γείωση τυχόν ανθρώπινη επαφή μαζί του θα προκαλέσει μεγάλα ρεύματα διαρροής λόγω των παρασιτικών χωρητικοτήτων που θα δημιουργηθούν λόγω της ανθρώπινης επαφής (σχήμα 3.3). Σε αυτή την περίπτωση ο ανθρώπινος παράγοντας τίθεται άμεσα σε κίνδυνο. Σχήμα 3.3: Χωρητικότητες που δημιουργούνται λόγω ανθρώπινης επαφής στο Φ/Β πλαίσιο [27] Στην τέταρτη εικόνα (D) του παραπάνω σχήματος, βλέπουμε ότι στην περίπτωση που το Φ/Β πλαίσιο είναι εκτεθειμένο σε υγρασία η συνολική χωρητικότητα που δημιουργείται λόγω ανθρώπινης επαφής είναι μεγαλύτερη. Εκτός από την ανθρώπινη ασφάλεια που τίθεται σε κίνδυνο, τα ρεύματα οι μεταβολές της τάσης των παρασιτικών πυκνωτών έχουν συνέπεια τη δημιουργία ρευμάτων διαρροής που με τη σειρά προκαλούν ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (ΕΜΙ) οι οποίες με την παρεμβολή τους επηρεάζουν τη λειτουργία του υπόλοιπου εξοπλισμού που λαμβάνει χώρα σε μια Φ/Β εγκατάσταση (κυκλώματα ελέγχου κλπ). Τέλος, το ρεύμα διαρροής που θα δημιουργηθεί, λόγω των παρασιτικών χωρητικοτήτων και των μεταβολών της τάσης, και οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές που δημιουργούνται λόγω του ρεύματος διαρροής εξαρτούνται σε μεγάλο βαθμό από την τοπολογία του αντιστροφέα, από τη μέθοδο παλμοδότησης των στοιχείων του και από τη δομή του φωτοβολταϊκού πλαισίου. 3.5 ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικές τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή οι οποίες χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Όλες οι παρακάτω τοπολογίες βασίζουν τη μορφή τους στην τοπολογία της πλήρους γέφυρας: Πλήρης γέφυρα με διπολική spwm[15] 35

50 Η πιο απλή από τις τοπολογίες είναι αυτή της πλήρους γέφυρας με διπολική PWM, στην οποία το ζευγάρι διακοπτών Τ1-Τ4 άγει συμπληρωματικά σε σχέση με το ζεύγος Τ2-Τ3. Το αποτέλεσμα είναι μία τάση δύο επιπέδων στην έξοδο του μετατροπέα (+V DC και V DC ). H απόδοση της τοπολογίας αυτής είναι μειωμένη λόγω του ότι κατά τη διάρκεια των περιόδων ελεύθερης διέλευσης το ρεύμα δικτύου βρίσκει «μονοπάτι» επιστροφής προς τον πυκνωτή εισόδου του αντιστροφέα. Σχήμα 3.3: Πλήρης γέφυρα με διπολική spwm [15] Πλήρης γέφυρα με μονοπολική PWM[15] Οι περισσότεροι μονοφασικοί αντιστροφείς πλήρους γέφυρας χρησιμοποιούν τη μονοπολική PWM με βασικό σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα που εκχέεται στο δίκτυο. Το αποτέλεσμα της παλμοδότησης αυτής είναι μια τάση εξόδου τριών επιπέδων (+V DC,0,-V DC ) με συχνότητες ανώτερων αρμονικών περί της διπλάσιας συχνότητας της διακοπτικής και παραπάνω. Επιπλέον, με τη μεθοδολογία αυτή μειώνεται το μέγεθος του φίλτρου εξόδου εξαιτίας του προαναφερθέντος γεγονότος. Επιπλέον κατά τη διάρκεια των περιόδων ελεύθερης διέλευσης το ρεύμα σε αντίθεση με την περίπτωση της διπολικής PWM βρίσκει «μονοπάτι» επιστροφής μέσω του βραχυκυκλώματος που προκύπτει από το διακόπτη Τ1 και της διόδου αντεπιστροφής του Τ3 ή το διακόπτη Τ2 και της διόδου αντεπιστροφής του Τ4 αντίστοιχα. 36

51 Σχήμα 3.4: Πλήρης γέφυρα με μονοπολική spwm[15] Από την άλλη πλευρά, αξιοσημείωτο μειονέκτημα της χρήσης της μονοπολικής PWM σε τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή προκύπτει αν λάβουμε υπόψη την τάση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας ως προς τη γείωση καθώς και τα ρεύματα διαρροής. Λόγω του γεγονότος ότι η τιμή της τάσης στα άκρα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας ως προς τη γη παίρνει πολύ μεγάλες τιμές που φθάνουν ως και τη DC τάση εισόδου γεγονός που συνεπάγεται επιπλέον μεγάλο ρεύμα διαρροής με μέγιστες τιμές έως και 5 Α (για πρακτικές εφαρμογές), η τοπολογία πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου καθίσταται ακατάλληλη για τοπολογίες φωτοβολταϊκών συστημάτων χωρίς μετασχηματιστή. Τοπολογία HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept)[15] Η τοπολογία αυτή συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της μονοπολικής και της διπολικής PWM ενώ παράλληλα παρουσιάζει και υψηλή απόδοση. Η διαφορά της τοπολογίας αυτής σε σχέση με αυτή της πλήρους γέφυρας είναι η παρουσία ακόμη δύο διακοπτών με αντιπαράλληλες διόδους συνδεδεμένοι σε σειρά. Κατά τις περιόδους ελεύθερης διέλευσης, όπου δηλαδή η τάση εξόδου βρίσκεται στο επίπεδο των 0 V, ανάλογα με το πρόσημο της τάσης αναφοράς, ένας εκ των δύο πρόσθετων διακοπτών Τ5 ή Τ6 άγει ενώ όλοι οι υπόλοιποι διακόπτες παραμένουν ανοικτοί με αποτέλεσμα η φωτοβολταϊκή συστοιχία να αποσυνδέεται από το δίκτυο (AC decoupling). Με τον τρόπο αυτό μπορεί να επιτευχθεί μονοπολική τάση εξόδου αλλά με συχνότητα ίδια με τη διακοπτική, γεγονός που δε συνέβαινε στην τοπολογία πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου, αποτρέποντας με αυτό τον τρόπο την εμφάνιση διακυμάνσεων υψηλής συχνότητας τάσης στα άκρα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. 37

52 Σχήμα 3.5: Τοπολογία HERIC - «Μονοπάτι» ρεύματος κατά τη διάρκεια της περιόδου ελεύθερης διέλευσης[15] Συνεπώς, όπως και στην τοπολογία πλήρους γέφυρας με διπολική PWM η τάση στα άκρα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας ως προς τη γη θα έχει ημιτονοειδή μορφή, ενώ συγχρόνως, όπως και στην περίπτωση της πλήρους γέφυρας με μονοπολική spwm η απόδοση του αντιστροφέα θα μένει υψηλή. Τα δεδομένα αυτά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η τοπολογία HERIC είναι κατάλληλη για συστήματα φωτοβολταϊκών χωρίς μετασχηματιστή. Τοπολογία Η5[15] Στην τοπολογία αυτή, η οποία επινοήθηκε και χρησιμοποιείται από την εταιρία SMA σε πολλές τοπολογίες αντιστροφέων της χωρίς μετασχηματιστή, χρησιμοποιείται η ίδια ιδέα όσο αφορά τη δημιουργία μονοπολικής τάσης εξόδου: αποσύνδεση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας κατά τη διάρκεια των περιόδων ελεύθερης διέλευσης (DC decoupling). Σχήμα 3.6: Τοπολογία Η5 αντιστροφέα-«μονοπάτι» αγωγής για θετική τάση εξόδου (+V DC )[15] 38

53 Η μέθοδος spwm παλμοδότησης που χρησιμοποιείται είναι υβριδικού τύπου και διαφέρει από τις συμβατικές μεθόδους spwm παλμοδότησης. Η τοπολογία αυτή η μελέτη της οποίας αποτελεί και το κύριο αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής θα αναλυθεί λεπτομερώς στα κεφάλαια που ακολουθούν 39

54 40

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Θεωρητική ανάλυση του αντιστροφέα Η5 (H5 Inverter) Στο κεφάλαιο αυτό θα πραγματοποιηθεί η θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας του υπό μελέτη αντιστροφέα. Ο μετατροπέας αυτός ανήκει στην κατηγορία των μετατροπέων μίας βαθμίδας καθώς περιλαμβάνει ένα μόνο στάδιο μετατροπής, αυτό του αντιστροφέα. Ακόμη, δεν περιλαμβάνει μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης στην έξοδο του, πρόκειται, δηλαδή, για τοπολογία χωρίς μετασχηματιστή (transformerless topology). Για το λόγο αυτό αποσκοπώντας τη σύνδεση του αντιστροφέα απευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης απαιτείται μια υψηλή τάση εισόδου. Η ελάχιστη τιμή της συνεχούς αυτής τάσης εισόδου είναι της τάξεως των 405 V. Η τιμή αυτή της τάσης εισόδου αποσκοπεί σε τάση εξόδου του αντιστροφέα της τάξεως των 230 V(rms τιμή) ώστε η τιμή αυτή της τάσης να είναι ίδια με αυτή της τάσης του δικτύου και συνεπώς η σύνδεση του αντιστροφέα με το δίκτυο χαμηλής τάσης να πραγματοποιηθεί επιτυχώς. Ο αντιστροφέας που μελετάται είναι ευρέως χρησιμοποιούμενος σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, αφού ο συντελεστής απόδοσής του «αγγίζει» το 98% απομαστεύοντας έτσι με τον καλύτερο τρόπο την ηλεκτρική ισχύ που του προσφέρει η εκάστοτε φωτοβολταϊκή συστοιχία. Καθοριστική συμβολή στην επίτευξη της τόσο μεγάλης απόδοσης προσφέρει ο τρόπος παλμοδότησης του αντιστροφέα αυτού, ο οποίος θα μπορούσε να θεωρηθεί μη συμβατικός, αφού διαφοροποιείται σε σημαντικό βαθμό συγκρινόμενος με διάφορους ευρέως γνωστούς συμβατικούς τρόπους παλμοδότησης. Ακόμη, μέσω της παλμοδότησης αυτής εξασφαλίζεται η προστασία του ανθρώπινου παράγοντα καθώς δίνεται λύση στο πρόβλημα του ρεύματος διαρροής (leakage current) που λαμβάνει χώρα στις περισσότερες φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Όλα τα παραπάνω ζητήματα θα αναλυθούν λεπτομερώς στη συνέχεια, όπου θα γίνει προσπάθεια να καταστεί σαφής στο σύνολό της η λειτουργία του αντιστροφέα Η5. 41

56 4.1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Η5 Στο σχήμα 4.1 παρουσιάζεται ο αντιστροφέας Η5 για τον οποίο γίνεται λόγος σε αυτή τη διπλωματική εργασία, ενώ παρουσιάζονται επίσης και οι παρασιτικοί πυκνωτές C G-PV. Σχήμα 4.1: Αντιστροφέας Η5[17] Όπως παρατηρούμε στο σχήμα ο αντιστροφέας αυτός αποτελείται από πέντε ημιαγωγικά στοιχεία τα οποία είναι τοποθετημένα όπως φαίνεται στο σχήμα. Συνεπώς, η τοπολογία του Η5 αντιστροφέα δεν είναι τίποτα άλλο από μία πλήρης γέφυρα στην οποία είναι σε σειρά συνδεδεμένο ένα ακόμη ημιαγωγικό στοιχείο μεταξύ της τάσης εισόδου και των συλλεκτών (collectors) των δύο πάνω ημιαγωγικών στοιχείων της γέφυρας. Με την προσθήκη αυτή επιτυγχάνονται δυο καθοριστικά γεγονότα[18]: Εμποδίζεται η ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ των παθητικών στοιχείων του φίλτρου εξόδου και του πυκνωτή εισόδου του αντιστροφέα Απομονώνεται η φωτοβολταϊκή συστοιχία από το δίκτυο κατά τη διάρκεια των περιόδων ελεύθερης διέλευσης (DC decoupling), συνεπώς ελαχιστοποιείται το περιεχόμενο υψηλών συχνοτήτων της τάσης πάνω στον πυκνωτή C G-PV, με αποτέλεσμα τη μείωση του ρεύματος διαρροής. Καταρχάς, η μέθοδος παλμοδότησης που χρησιμοποιείται έχει σκοπό την παραγωγή μονοπολικής τάσης εξόδου αλλά με τρόπο διαφορετικό από αυτόν της κλασικής μεθόδου spwm. Πρόκειται για έναν υβριδικό τρόπο παλμοδότησης των στοιχείων του Η5 ο οποίος έχει ως εξής: τα ημιαγωγικά στοιχεία S1 και S3 παλμοδοτούνται με τη συχνότητα του δικτύου. Συνεπώς, το S1 είναι διαρκώς σε αγωγή κατά τη θετική ημιπερίοδο της τάσης αναφοράς, ενώ το S3 είναι διαρκώς σε αγωγή κατά την αρνητική ημιπερίοδο της τάσης αναφοράς. Αντιθέτως, τα υπόλοιπα ημιαγωγικά στοιχεία παλμοδοτούνται με υψηλή διακοπτική συχνότητα. 42

57 Για να παραχθεί η θετική τάση εξόδου (+V DC ) του αντιστροφέα τα στοιχεία S4 και S5 παλμοδοτούνται με υψηλή διακοπτική συχνότητα και μέσω του S1, το οποίο είναι μονίμως σε αγωγή κατά τη θετική ημιπερίοδο, το ρεύμα ρέει μέσω των διακοπτών S5, S1 βρίσκοντας «δρόμο» επιστροφής μέσω του S4 πίσω στην πηγή (Σχήμα 4.2). Σχήμα 4.2: Θετική τάση εξόδου (S5,S1,S4 ON/S3,S2 OFF) Κατά τη διάρκεια όπου η μονοπολική τάση εξόδου παίρνει τις τιμές του δεύτερου επιπέδου της (0 + V), δηλαδή κατά την περίοδο ελεύθερης διέλευσης, κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου που παρατηρείται θετική τάση εξόδου, οι διακόπτες υψηλής συχνότητας βρίσκονται σε αποκοπή, οπότε το ρεύμα ρέει μέσω του διακόπτη S1 χαμηλής συχνότητας παλμοδότησης και της διόδου του S3, το οποίο βρίσκεται επίσης σε αποκοπή (Σχήμα 4.3). Σχήμα 4.3: Μηδενική τάση εξόδου (S1 ON/S5,S3,S2,S4 OFF) Για να παραχθεί η αρνητική τάση εξόδου (-V DC ) του αντιστροφέα ακολουθείται παρόμοια διαδικασία με την παραγωγή θετικής τάσης εξόδου. Τα στοιχεία S2 και S5 παλμοδοτούνται με υψηλή διακοπτική συχνότητα και μέσω του S3, το οποίο είναι μονίμως σε αγωγή κατά την αρνητική ημιπερίοδο, το ρεύμα ρέει μέσω των διακοπτών S5, S3 βρίσκοντας «δρόμο» επιστροφής μέσω του S2 πίσω στην πηγή (Σχήμα 4.4). 43

58 Σχήμα 4.4: Αρνητική τάση εξόδου (S5,S3,S2 ON/S1,S4 OFF) Κατά τη διάρκεια όπου η μονοπολική τάση εξόδου παίρνει τις τιμές του δεύτερου επιπέδου της(0 - V), δηλαδή κατά την περίοδο ελεύθερης διέλευσης, κατά τη διάρκεια της ημιπεριόδου που παρατηρείται αρνητική τάση εξόδου, οι διακόπτες υψηλής συχνότητας βρίσκονται σε αποκοπή, οπότε το ρεύμα ρέει μέσω του διακόπτη S3 χαμηλής συχνότητας και της διόδου του S1 το οποίο βρίσκεται επίσης σε αποκοπή. (Σχήμα 4.5) Σχήμα 4.5: Μηδενική τάση εξόδου (S3 ON/S5,S1,S2,S4 OFF) Τα διαστήματα αγωγής και των πέντε ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα: Διακόπτης +V DC 0 + -V DC 0 - S1 ON ON OFF OFF S2 OFF OFF ON OFF S3 OFF OFF ON ON S4 ON OFF OFF OFF S5 ON OFF ON OFF 44

59 4.2 ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗ Η5 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Όπως γίνεται αντιληπτό από την προηγούμενη ενότητα ο τρόπος παλμοδότησης των στοιχείων του Η5 αντιστροφέα διαφέρει σημαντικά σε σχέση με αυτόν μίας πλήρους γέφυρας που παλμοδοτείται με τους κλασσικούς τρόπους της μεθόδου spwm. Προτού περιγράψουμε τον τρόπο παλμοδότησης του Η5 αντιστροφέα είναι αναγκαίο να περιγράψουμε τους τρόπους παλμοδότησης πλήρους γέφυρας για διπολική και μονοπολική τάση εξόδου, με χρήση της μεθόδου spwm ώστε να γίνουν πιο κατανοητές στη συνέχεια οι διαφορές μεταξύ των μεθόδων αυτών και της υβριδικής μεθόδου παλμοδότησης που χρησιμοποιείται στον αντιστροφέα Η5. Σχήμα 4.6: Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας [19] Ένας ακόμη λόγος που καθιστά την περιγραφή αυτή απαραίτητη είναι το γεγονός ότι ο αντιστροφέας H5 έχει τη δυνατότητα της μετατροπής του σε αντιστροφέα πλήρους γέφυρας βραχυκυκλώνοντας με κάποιο τρόπο το πέμπτο του νέο στοιχείο, όπου σε αυτή την περίπτωση η παλμοδότησή του θα γίνει με τις κλασσικές μεθόδους PWM Στρατηγική ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (spwm) Σε κυκλώματα αντιστροφέων η διαμόρφωση spwm αποσκοπεί σε ημιτονοειδή τάση εξόδου της οποίας να μπορεί να ελεγχθεί το πλάτος και η συχνότητά της. Για την παραγωγή μιας ημιτονοειδούς τάσης εξόδου σε μια επιθυμητή συχνότητα, συγκρίνεται ένα ημιτονοειδές σήμα ελέγχου στην επιθυμητή συχνότητα με μια τριγωνική κυματομορφή, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.7. Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής καθορίζει τη συχνότητα μετάβασης του αντιστροφέα και διατηρείται γενικά σταθερή, όπως και το πλάτος της V ˆtri. Λόγω του γεγονότος ότι το σήμα ελέγχου έχει ημιτονοειδή μορφή η συγκεκριμένη στρατηγική διαμόρφωσης ονομάζεται ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, spwm). Πριν από την εξέταση της συμπεριφοράς της διαμόρφωσης spwm, είναι απαραίτητο να οριστούν μερικοί όροι. Η συχνότητα f s της τριγωνικής κυματομορφής u tri του σχήματος 4.7 καθορίζει τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα και λέγεται συχνότητα μετάβασης ή διακοπτική συχνότητα (switching frequency). Ακόμη, ονομάζεται και φέρουσα συχνότητα (carrier frequency). Το σήμα ελέγχου u χρησιμοποιείται για τη control 45

60 διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας αγωγής και έχει μια συχνότητα f 1, η οποία είναι η επιθυμητή θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα (η f 1 ονομάζεται και συχνότητα διαμόρφωσης, modulating frequency). Η τάση εξόδου του αντιστροφέα δεν θα είναι μια τέλεια ημιτονοειδής κυματομορφή, αλλά θα περιέχει ανώτερες αρμονικές. Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους (amplitude modulation ratio) m α ορίζεται ως: m a Vˆ (4.1) V max control ˆ max tri Όπου V ˆcontrol είναι το πλάτος του σήματος ελέγχου. Το πλάτος V ˆtri του τριγωνικού σήματος διατηρείται γενικά σταθερό. Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας (frequency modulation ratio) ως: m f ορίζεται (4.2) Στις ενότητες που ακολουθούν θα γίνει κατανοητή η διαμόρφωση spwm με διπολική και μονοπολική τάση εξόδου στις τοπολογίες αντιστροφέων με πλήρη γέφυρα Διαμόρφωση spwm με διπολική (bipolar) τάση εξόδου Στη διαμόρφωση spwm με διπολική τάση εξόδου τα ζεύγη διακοπτών (Τ Α+,Τ Β- ) και (Τ Α-,Τ Β+ ) του σχήματος 4.6, αλλάζουν κατάσταση ως ζεύγη διακοπτών 1 και 2 αντίστοιχα. Σε αυτή τη μέθοδο η κάθε ομάδα παλμοδοτείται με την ίδια παλμοσειρά. Ακόμη, η παλμοδότηση των δυο ομάδων γίνεται με συμπληρωματικό τρόπο. Δηλαδή, όταν έχει θετικό παλμό η μια ομάδα και είναι κλειστοί οι ημιαγωγικοί διακόπτες, η άλλη ομάδα έχει αρνητικό μηδενικό παλμό, ώστε οι ημιαγωγικοί διακόπτες να μένουν ανοιχτοί. Η δημιουργία των παλμών ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων γίνεται ως εξής: Όταν V control >V tri τότε η πρώτη ομάδα παίρνει θετικό σήμα και οι ημιαγωγικοί διακόπτες Τ Α+ και Τ Β- είναι κλειστοί, ενώ η δεύτερη ομάδα παίρνει μηδενικό σήμα και οι διακόπτες Τ Α- και Τ Β+ είναι ανοιχτοί. Έτσι, U o =-V d. Όταν V tri >V control τότε η δεύτερη ομάδα παίρνει θετικό σήμα και οι ημιαγωγικοί διακόπτες Τ Α- και Τ Β+ είναι κλειστοί, ενώ η πρώτη ομάδα παίρνει μηδενικό σήμα και οι διακόπτες Τ Α+ και Τ Β- είναι ανοιχτοί. Έτσι U o =-V d. Στο σχήμα 4.7 μπορούμε να δούμε τις τάσεις που συγκρίνονται για την παραγωγή των παλμών ελέγχου καθώς και την τάση στην έξοδο του αντιστροφέα. Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα μεταβαίνει από τη 46

61 θετική της τιμή, +V d, στην αρνητική, -V d, σχεδόν ακαριαία, δηλαδή στην έξοδο έχομε διπολική τάση. Σχήμα 4.7: Διαμόρφωση spwm με διπολική τάση εξόδου [19] Σε αυτό το σημείο, οφείλουμε να αναφέρουμε ότι το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, προκύπτει από τις σχέσεις: V m V (m α 1, γραμμική περιοχή) (4.3) max o1 a d max 4 Vd Vo 1 V (m d α >1, υπερδιαμόρφωση) (4.4) Πρέπει, ακόμη, να αναφέρουμε ότι με αυτή τη μέθοδο ελέγχου των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων, οι συχνότητες που εμφανίζονται οι αρμονικές συνιστώσες της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα δίνονται από τη σχέση 4.5, όπως έχει προκύψει από ανάλυση του σήματος της τάσης εξόδου σε σειρά Fourier και για m f 9 και m α 1. f h =(jm f ± k)f 1 (4.5) Δηλαδή η αρμονική τάξη h αντιστοιχεί στην k-τάξης πλευρική ζώνη της, j-φορές το συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας m f : h=j(m f ) ± k (4.6) 47

62 Όπου η θεμελιώδης συχνότητα αντιστοιχεί στο h=1. Για περιττές τιμές του j, αρμονικές υπάρχουν μόνο για άρτιες τιμές του k. Για άρτιες τιμές του j, αρμονικές υπάρχουν μόνο για περιττές τιμές του k. Τα πλάτη των αρμονικών είναι σχεδόν ανεξάρτητα από το συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας όταν ισχύει m f 9. Στο σχήμα 4.8 φαίνονται τα κανονικοποιημένα πλάτη και οι αρμονικές τάξεις που εμφανίζονται οι πιο σημαντικές αρμονικές συνιστώσες της τάσης εξόδου, όταν m f =15 και m α =0,8. Σχήμα 4.8: Πλάτη και αρμονικές τάξεις που εμφανίζονται οι αρμονικές συνιστώσες σε διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου [19] Διαμόρφωση spwm με μονοπολική (unipolar) τάση εξόδου Στη διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας χωρίζονται πάλι σε δυο ομάδες, στις Α και Β όπως φαίνονται στο σχήμα 4.6, αλλά η παλμοδότηση κάθε στοιχείου είναι ξεχωριστή και διαφορετική από κάθε άλλου. Για την παλμοδότηση των στοιχείων ακολουθείται η εξής διαδικασία. Για την ομάδα Α, συγκρίνεται η V tri με τη V control και όταν V control >V tri τότε ο διακόπτης Τ Α+ είναι κλειστός ενώ ο Τ Α- είναι ανοιχτός, και V AN =V d, ενώ όταν ισχύει V control <V tri τότε ο διακόπτης Τ Α- είναι κλειστός ενώ ο Τ Α+ είναι ανοιχτός, και V AN =0. Για την ομάδα Β, συγκρίνεται η Vtri με τη Vcontrol και όταν (-V control )>V d τότε ο διακόπτης Τ Β- είναι κλειστός ενώ ο Τ Β+ είναι ανοιχτός και V BN =0. Δηλαδή, το ημίτονο ελέγχου της ομάδας Β έχει διαφορά 180 από το ημίτονο ελέγχου της ομάδας Α. 48

63 Από τα παραπάνω προκύπτουν τέσσερις δυνατοί συνδυασμοί κλειστών διακοπτών και των αντίστοιχων επιπέδων τάσης, όπως φαίνονται και στο σχήμα Τ Α+, Τ Β- κλειστοί: V AN =V d, V BN =0, U o =V d 2. T A-, T B+ κλειστοί: V AN =0, V BN =V d, Uo=-V d 3. T A+, T B+ κλειστοί: V AN =0, V BN =0, U o =0 4. T A-, T B+ κλειστοί: V AN =0, V BN =0, U o =0 Σε αυτή τη μέθοδο διαμόρφωσης των παλμών παρατηρούμε από το σχήμα 4.6 ότι όταν συμβαίνει μια μετάβαση, η τάση εξόδου αλλάζει μεταξύ των επιπέδων τάσης 0 και +V d ή μεταξύ των 0 και V d. Για το λόγο αυτό, η συγκεκριμένη μέθοδος διαμόρφωσης SPWM ονομάζεται διαμόρφωση εύρους παλμών με μονοπολική τάση εξόδου. Δηλαδή με αυτή τη μέθοδο τα άλματα της τάσης εξόδου σε κάθε μετάβαση μειώνονται σε V d από 2V d που είχαμε στην προηγούμενη μέθοδο παλμοδότησης που αναλύσαμε. Το πλεονέκτημα του «ουσιαστικού» διπλασιασμού της συχνότητας μετάβασης εμφανίζεται στο φάσμα της τάσης εξόδου, όπου οι χαμηλότερες αρμονικές εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες σε συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους. Αυτό είναι εύκολο να γίνει κατανοητό σε ένα μονοφασικό αντιστροφέα, αν επιλεγεί άρτιος συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f. Τότε, οι κυματομορφές της τάσης V AN και V BN μετατοπίζονται κατά 180 ο από τη θεμελιώδη συχνότητα f 1, η μία σε σχέση με την άλλη. Επομένως οι αρμονικοί όροι στη συχνότητα μετάβασης στις V AN και V BN έχουν την ίδια φάση (φ ΑΝ -φ ΒΝ =180 ο, m f =0, εφόσον οι κυματομορφές είναι κατά 180 ο μετατοπισμένες και ο m f θεωρείται άρτιος). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την απαλοιφή του αρμονικού όρου στη συχνότητα μετάβασης στην τάση εξόδου U O =V AN -V BN. Επίσης, εξαλείφονται οι πλευρικές ζώνες των αρμονικών της συχνότητας μετάβασης. Κατά παρόμοιο τρόπο, εξαλείφεται η άλλη κύρια αρμονική με συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους, ενώ οι πλευρικές ζώνες της παραμένουν. Σε αυτή τη μέθοδο ισχύουν επίσης οι σχέσεις: ( (4.7) ( (4.8) f h =(jm f ± k)f 1 (4.9) αλλά για την αρμονική τάξης h ισχύει η ακόλουθη σχέση: h=j(2m f ) ± k (4.10) Στο σχήμα 4.9(e) φαίνονται οι αρμονικές τάξεις των συνιστωσών της τάσης στην έξοδο του μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με μέθοδο ελέγχου την ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών με μονοπολική τάση εξόδου, 49

64 καθώς και τα κανονικοποιημένα πλάτη των αρμονικών κάθε τάξης για συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους m α =0.8. Όπως μπορούμε να διαπιστώσομε και από το προηγούμενο διάγραμμα, οι πιο «κοντινές» σε συχνότητα ανώτερες αρμονικές συνιστώσες της βασικής συνιστώσας της τάσης εξόδου, εμφανίζονται σε διπλάσια συχνότητα της διακοπτικής συχνότητας. Έτσι, το κατωδιαβατό φίλτρο που απαιτείται σε αυτή την περίπτωση στην έξοδο του αντιστροφέα θα είναι αρκετά μικρότερο σε σχέση με εκείνο που θα απαιτούνταν στη διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου, αφού έχει τη διπλάσια συχνότητα αποκοπής. Σχήμα 4.9: Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου (μονοφασική) [19] Υβριδικού τύπου παλμοδότηση αντιστροφέα Η5 Η παλμοδότηση ενός αντιστροφέα Η5 διαφέρει σε σχέση με τις δυο προηγούμενες μεθόδους παλμοδότησης. Η τεχνική προσεγγίζει τη διαμόρφωση SPWΜ με μονοπολική τάση εξόδου καθώς ο αντιστροφέας Η5 επιλέγεται να έχει τη μορφή αυτή 50

65 στην τάση εξόδου για τους λόγους που ειπώθηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο. Οι παλμοί των ημιαγωγικών στοιχείων παριστάνονται στο σχήμα 4.10 που ακολουθεί. Σχήμα 4.10: Παλμοί ημιαγωγικών στοιχείων αντιστροφέα Η5 [20] Όπως φαίνεται στο σχήμα 4.10, για να επιτευχθούν οι στόχοι της τοπολογίας του αντιστροφέα Η5 οι παλμοί που καταλήγουν στις πύλες των ημιαγωγικών στοιχείων αποτελούνται από υψίσυχνους παλμούς τύπου PWM αλλά και από παλμούς χαμηλής συχνότητας ίσης με αυτήν της τάσης του δικτύου. Το λογικό διάγραμμα που δημιουργεί του παλμούς αυτούς απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 4.11: Λογικό διάγραμμα παλμών Η5 αντιστροφέα [20] Οι παλμοί χαμηλής συχνότητας που δημιουργούνται για τα δυο από τα πέντε ημιαγωγικά στοιχεία του αντιστροφέα Η5 προκύπτουν εύκολα καθώς ακολουθούν 51

66 ένα ημίτονο αναφοράς Vcontrol συγχρονισμένο με την τάση εξόδου του αντιστροφέα καθώς και ίδιας συχνότητας. Οι υψίσυχνοι παλμοί που δημιουργούνται για τα τρία από τα πέντε ημιαγωγικά στοιχεία του αντιστροφέα Η5 προέρχονται από τη στρατηγική διαμόρφωσης SPWM μονοπολικής τάσης εξόδου με μόνη διαφοροποίηση τη μορφή του τριγωνικού φορέα ο οποίος παρατηρείται ανορθωμένος παίρνοντας μόνο θετικές τιμές, όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.12: Τριγωνικός φορέας και ημίτονα αναφοράς για τη δημιουργία υψίσυχνων παλμών στοιχείων του αντιστροφέα Η5 [20] 4.3 ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Με τις μεθόδους διαμόρφωσης του εύρους παλμών που αναφέραμε στην προηγούμενη ενότητα, στην έξοδο του αντιστροφέα Η5 η τάση δεν έχει τη μορφή ημιτόνου καθώς είναι παλμική όπως θα φανεί και στο επόμενο κεφάλαιο μέσω των προσομοιώσεων που θα πραγματοποιηθούν. Από την ανάλυση όμως αυτού του παλμικού σήματος σε σειρά Fourier προκύπτει ένα άθροισμα ημιτονοειδών σημάτων τάσης με διαφορετικό πλάτος και συχνότητες. Αυτά τα σήματα τα ονομάζουμε αρμονικές συνιστώσες της τάσης, στόχος μας είναι να κρατήσουμε την 1 ης τάξης αρμονική συνιστώσα, τη βασική αρμονική δηλαδή, η οποία είναι ένα ημιτονοειδές σήμα συχνότητας f 1 =50Hz, και να απαλείψουμε τις υπόλοιπες που έχουν συχνότητες πολλαπλάσιες της βασικής αρμονικής. Αυτό μπορούμε να το πετύχομε αν στην έξοδο του αντιστροφέα συνδεθεί ένα κατωδιαβατό φίλτρο, το οποίο θα επιτρέπει να «περάσει» στην έξοδό του σήμα συχνότητας 50Hz, ενώ θα αποκόπτει σήματα άλλων συχνοτήτων. Το φίλτρο που επιλέξαμε να χρησιμοποιήσομε είναι ένα LC κατωδιαβατό φίλτρο. Από την ανάλυση ενός ιδανικού κατωδιαβατού φίλτρου LC προκύπτει ότι η γωνιακή συχνότητα συντονισμού του ω ο, και η συχνότητα συντονισμού f ο υπολογίζονται από τις παρακάτω σχέσεις: = (4.11) (4.12) Στην περίπτωση του αντιστροφέα Η5 επιλέχθηκε η χρήση LC κατωδιαβατού φίλτρου όπου η συνολική επαγωγή του είναι μοιρασμένη σε κάθε κλάδο εξόδου όπως αίνεται στο σχήμα

67 L L C Σχήμα 4.13: Κατωδιαβατό φίλτρο εξόδου Η5 αντιστροφέα Στην προκειμένη περίπτωση ισχύουν και πάλι οι προηγούμενες εξισώσεις LC κατωδιαβατού φίλτρου με. Το ιδανικό κατωδιαβατό φίλτρο αυτού του τύπου επιτρέπει να περάσουν σήματα με συχνότητες μικρότερες της συχνότητας συντονισμού του, ενώ αποκόπτει σήματα με συχνότητες μεγαλύτερες από αυτή. Στην πράξη, όμως, το κατωδιαβατό φίλτρο επιτρέπει τη διέλευση ενός μικρού ποσοστού συχνοτήτων ίσων και μεγαλύτερων από τη συχνότητα συντονισμού. Για το λόγο αυτό για να έχουμε πρακτικά ορθή λειτουργία, επιλέγουμε μικρότερη συχνότητα αποκοπής από αυτή που θέλομε να αποκόψει ώστε να πετύχουμε το σκοπό μας. 53

68 54

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Προσομοίωση αντιστροφέα Η5 και σύγκρισή του με την τοπολογία πλήρους γέφυρας Στο κεφάλαιο αυτό αρχικά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αντιστροφέα Η5 στο Simulink του Matlab και στη συνέχεια γίνεται προσπάθεια σύγκρισής του με τον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας ώστε να γίνουν κατανοητοί οι λόγοι για τους οποίους ο αντιστροφέας Η5 προτιμάται σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. 5.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Όπως έχει γίνει ήδη γνωστό σε προηγούμενο κεφάλαιο ο αντιστροφέας Η5 ανήκει στην κατηγορία των μετατροπέων χωρίς μετασχηματιστή. Για το λόγο αυτό, σκοπεύοντας σε σύνδεση του αντιστροφέα αυτού με το δίκτυο χαμηλής τάσης 230 V απαιτείται υψηλή τάση εισόδου. Η ελάχιστη τιμή της τάσης αυτής είναι της τάξεως των 420 V. Σε πραγματικό σύστημα η τάση αυτή εισόδου του αντιστροφέα προέρχεται από συστοιχία φωτοβολταϊκών συνδεδεμένων σε σειρά αφού, όπως είναι γνωστό, η συνολική τάση εξόδου ισούται με το άθροισμα των επιμέρους τάσεων κάθε φωτοβολταϊκού πλαισίου. Στην προσομοίωση χρησιμοποιήθηκαν ημιαγωγικά στοιχεία IGBT που διαθέτει η βιβλιοθήκη SimPowerSystems του Simulink τροποποιώντας τα χαρακτηριστικά τους ώστε να προσομοιώνουν με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια τα πραγματικά IGBT που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή. Επιλέχθηκε τα τρία υψίσυχνα ημιαγωγικά στοιχεία να παλμοδοτηθούν με συχνότητα 15 khz. Στην έξοδο του αντιστροφέα τοποθετείται LC φίλτρο εξόδου αποτελούμενο από δύο πηνία κι έναν πυκνωτή τιμών 0.33 mf ανά πηνίο και 6.8 μf αντιστοίχως. Οι τιμές αυτές επιλέχθηκαν έπειτα από μελέτη η οποία θα γίνει γνωστή σε επόμενο κεφάλαιο. Ακόμη, για τη μελέτη της συμπεριφοράς του ρεύματος διαρροής εφόσον πρόκειται για τοπολογία χωρίς μετασχηματιστή τοποθετείται στο αρνητικό άκρο της συνεχούς τάσης εισόδου, η οποία παριστάνει την τάση εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, παρασιτική χωρητικότητα 9 nf. Τέλος, το φορτίο εξόδου αποτελείται αρχικά από μια αντίσταση 10 Ω, ενώ στη συνέχεια μετατρέπεται σε ωμικο-επαγωγικό προσθέτοντας και μια επαγωγή L=25mH. Το φορτίο παριστάνεται γειωμένο στο ένα του άκρο δημιουργώντας έτσι βρόχο ο οποίος διαρρέεται από το ρεύμα διαρροής του οποίου και μετρείται η έντασή του. 5.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η5 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζεται στο περιβάλλον σχεδίασης του Simulink του Matlab ο αντιστροφέας ισχύος Η5. 55

70 Σχήμα 5.2: Ο αντιστροφέας Η5 στο περιβάλλον του Μatlab Στο παραπάνω σχήμα μπορούμε να διακρίνουμε την τοπολογία του Η5 αντιστροφέα η οποία ουσιαστικά αποτελείται από μία τοπολογία πλήρους γέφυρας τεσσάρων ημιαγωγικών στοιχείων (τα οποία απεικονίζονται με πράσινο χρώμα στο σχήμα) συν ένα στοιχείο σε σειρά με την τάση εισόδου του αντιστροφέα(πορτοκαλί χρώμα). Η τοπολογία αυτή μπορεί να μετατραπεί αυτομάτως σε τοπολογία πλήρους γέφυρας βραχυκυκλώνοντας κατά τη διάρκεια των περιόδων το πέμπτο ημιαγωγικό στοιχείο(διακόπτης S5) και τροποποιώντας κατάλληλα την παλμοδότηση ώστε από παλμοδότηση υβριδικού τύπου PWM να μετατραπεί σε διπολική ή μονοπολική spwm. Αρχικά, παρουσιάζεται στο σχήμα 5.3 το κυκλωματικό διάγραμμα παλμοδότησης του αντιστροφέα Η5 όπως διαμορφώθηκε στο Matlab. Η λογική του διαγράμματος αυτού εισήχθη στο τυποποιημένο PWM block του Simulink για την παραγωγή των υβριδικού τύπου παλμών του αντιστροφέα Η5. 56

71 Σχήμα 5.3: Κύκλωμα παλμοδότησης αντιστροφέα Η5 Οι παλμοί των ημιαγωγικών στοιχείων παρουσιάζονται στο σχήμα 5.4 όπως αυτοί προέκυψαν από την προσομοίωση. Σχήμα 5.4: Παλμοί αντιστροφέα Η5 (5ms/div) 57

72 Στο σχήμα 5.5 που ακολουθεί γίνεται παρουσιάζεται η μορφή των υψίσυχνων παλμών σε μεγέθυνση ώστε να φανεί η PWM μορφή τους. Σχήμα 5.5: Υψίσυχνοι παλμοί αντιστροφέα Η5 σε μικρότερη κλίμακα χρόνου (500ms/div) Οι υβριδικοί αυτοί παλμοί είναι της μορφής που περιγράφηκε αναλυτικά σε προηγούμενο κεφάλαιο. Η συχνότητα παλμοδότησης ορίζεται στα 15 khz και η τιμή της αυτή, δηλαδή η συχνότητα του τριγωνικού φορέα εισάγεται μέσω του block Repeating Sequence στο κύκλωμα παλμοδότησης του σχήματος 5.3. Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους παίρνει την τιμή 0.8 μέσω κατάλληλης διαμόρφωσης του πλάτους του τριγωνικού φορέα και του ημιτόνου αναφοράς ώστε να έχουμε τάση εξόδου με την υψηλότερη τιμή χωρίς να βρισκόμαστε στο χείλος της υπερδιαμόρφωσης, η οποία είναι ανεπιθύμητη από τη σκοπιά των ανώτερων αρμονικών και την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων. Στο σημείο αυτό τονίζεται ότι ο αντιστροφέας Η5 θα προσομοιωθεί αρχικά έχοντας στην έξοδό του ωμικό φορτίο των 10Ω, ενώ στη συνέχεια θα προστεθεί και μια επαγωγή των 25mH. ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Στα επόμενα σχήματα παρουσιάζεται η τάση εξόδου του αντιστροφέα, το ρεύμα φορτίου, το ρεύμα εισόδου καθώς επίσης και δυο μεγέθη που θα χρησιμεύσουν στη σύγκριση της τοπολογίας του αντιστροφέα Η5 με άλλες τοπολογίες, τα οποία είναι η τάση εισόδου ως προς τη γη και το ρεύμα εισόδου ως προς τη γη με γειωμένο το φορτίο, δηλαδή το ρεύμα διαρροής. Στα σχήματα 5.6 και 5.7 απεικονίζεται η τάση εξόδου του αντιστροφέα μετά το φίλτρο καθώς και το ρεύμα εξόδου του για φορτίο ίσο με 10 Ω. Όπως φαίνεται πρόκειται για δυο εναλλασσόμενα συμφασικά μεγέθη τα οποία προκύπτουν από την αποκοπή εκείνων των συχνοτήτων μέσω φίλτρου εξόδου το οποίο τους δίνει την ημιτονοειδή τους μορφή. Το συγκεκριμένο φίλτρο εξόδου είναι υπολογισμένο να αποκόπτει στο 10% της συχνότητας παλμοδότησης. Συνεπώς το φίλτρο σχεδιάστηκε 58

73 να αποκόπτει στα 1kHz λόγω του ότι ο αντιστροφέας έχει σχεδιαστεί να λειτουργεί σε διακοπτικές συχνότητες από 10 khz έως και 25 khz. Σχήμα 5.6: Τάση εξόδου μετά το φίλτρο (5ms/div) Σχήμα 5.7: Ρεύμα φορτίου R=10Ω (5ms/div) Στα σχήματα 5.6 και 5.7 παρατηρούμε ότι η peak τιμή της τάσης εξόδου μετά το φίλτρο έχει, όπως αναμενόταν, τιμή ίση με 336 V, δηλαδή την τάση εισόδου των 420 V επί το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους m α ο οποίος έχει καθοριστεί στην τιμή 0.8. Λόγω του ότι το φορτίο είναι καθαρά ωμικό το ρεύμα φορτίου έχει την ίδια ακριβώς μορφή με την τάση εξόδου μετά το φίλτρο με peak τιμή ανάλογη της τιμής ωμικής αντίστασης (στην προκειμένη περίπτωση 10 Ω). Στο σχήμα 5.8 που ακολουθεί απεικονίζεται η τάση εξόδου του αντιστροφέα πριν το φίλτρο η οποία έχει μονοπολική μορφή που προκύπτει από την μέθοδο παλμοδότησης spwm του αντιστροφέα Η5, όπως αυτή περιγράφηκε προηγουμένως. 59

74 Σχήμα 5.8: Τάση εξόδου αντιστροφέα πριν το φίλτρο Παρατηρούμε ότι η τάση εξόδου πριν το φίλτρο μεταβάλλεται από +420V έως - 420V, όπως αναμενόταν από τη θεωρητικά ανάλυση της spwm μεθόδου παλμοδότησης του αντιστροφέα Η5. Στα σχήματα 5.9 και 5.10 που ακολουθούν απεικονίζεται το φάσμα των αρμονικών της τάσης εξόδου του αντιστροφέα πριν και μετά το φίλτρο. Σχήμα 5.9: Φάσμα αρμονικών τάσης εξόδου αντιστροφέα πριν το φίλτρο Σχήμα 5.10: Φάσμα συχνοτήτων τάσης εξόδου μετά το φίλτρο 60

75 Παρατηρούμε ότι η παραμόρφωση της τάσης εξόδου λόγω αρμονικών μετά το φίλτρο έχει μειωθεί στο 1.56 % σε σχέση με % πριν το φίλτρο εξόδου. Ακόμη, στο σχήμα 5.11 απεικονίζονται κάποιες τιμές της λίστας του φάσματος της τάσης εξόδου μετά το φίλτρο για να γίνει σαφές ότι η βασική αρμονική βρίσκεται στα 50 Hz. Σχήμα 5.11: Λίστα φάσματος συχνοτήτων τάσης εξόδου Στο σχήμα 5.12 που ακολουθεί απεικονίζεται η τάση V CE μεταξύ του συλλέκτη και του εκπομπού του ημιαγωγικού στοιχείου S5 καθώς και η τάση V GE μεταξύ πύλης και εκπομπού. Σχήμα 5.12: Τάση V CE και V GE πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου (S5) Στο σχήμα 5.13 απεικονίζεται η τάση V CE και V GE του ημιαγωγικού στοιχείου χαμηλής συχνότητας παλμοδότησης S1.Συμπληρωματική μορφή έχουν οι παραπάνω τάσεις για το ημιαγωγικό στοιχείο S3. 61

76 Σχήμα 5.13: Τάση V CE και V GE ημιαγωγικού στοιχείου S1 Στο σχήμα 5.14 απεικονίζεται η τάση V CE και V GE του ημιαγωγικού στοιχείου S4 που παλμοδοτείται με υψίσυχνους παλμούς. Συμπληρωματική μορφή έχουν οι παραπάνω τάσεις για το ημιαγωγικό στοιχείο S3. Σχήμα 5.14: Τάση V CE και V GE ημιαγωγικού στοιχείου S4 Στο σχήμα 5.15 απεικονίζεται το ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα για το διάστημα μίας περιόδου. Στο σχήμα 5.16 απεικονίζεται η μορφή του ρεύματος εισόδου σε μικρότερη κλίμακα χρόνου ώστε να διευκρινιστεί η μορφή του. 62

77 Σχήμα 5.15: Ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα για διάστημα μιας περιόδου Σχήμα 5.16: Ρεύμα εισόδου αντιστροφέα με μικρότερη κλίμακα χρόνου (0.5ms/div) Στο σχήμα 5.17 απεικονίζεται η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου του αντιστροφέα η οποία συγκλίνει στην τιμή 13.9 Α. 63

78 Σχήμα 5.17: Μέση τιμή ρεύματος εισόδου αντιστροφέα Στο σχήμα 5.18 απεικονίζεται η μορφή του ρεύματος που διαρρέει μία εκ των δυο αντιπαράλληλων διόδων των χαμηλόσυχνων ημιαγωγικών στοιχείων (στην προκειμένη περίπτωση του διακόπτη S1) καθώς και η μορφή της τάσης της (διαφορά δυναμικού μεταξύ ανόδου και καθόδου). Τέλος, συμπληρωματική μορφή έχει η τάση και το ρεύμα της άλλης διόδου. Σχήμα 5.18: Τάση και ρεύμα αντιπαράλληλης διόδου διακόπτη S1 Στο σχήμα 5.19 απεικονίζονται σε μικρότερη κλίμακα χρόνου το ρεύμα της διόδου καθώς και το ρεύμα εισόδου ώστε να γίνει σύγκριση μεταξύ των δυο αυτών μεγεθών. Ακόμη, στο σχήμα 5.19 απεικονίζονται σε μικρότερη κλίμακα χρόνου η τάση της διόδου καθώς και η τάση ενός εκ των δύο υψίσυχνων ημιαγωγικών στοιχείων. 64

79 Σχήμα 5.19: Σύγκριση ρεύματος εισόδου αντιστροφέα με ρεύμα διόδου Στο σχήμα 5.19 παρατηρούμε ότι η αντιπαράλληλη δίοδος διαρρέεται από ρεύμα όταν το ρεύμα εισόδου είναι μηδέν. Αυτό συμβαίνει διότι η δίοδος έρχεται σε αγωγή κατά της περιόδους ελεύθερης διέλευσης, δηλαδή κατά τα διαστήματα κατά τα οποία ο πέμπτος διακόπτης καθώς και ένα εκ των δύο υψίσυχνων ημιαγωγικών στοιχείων είναι σε κατάσταση αποκοπής. Στο σχήμα 5.20 απεικονίζεται η τάση της διόδου του διακόπτη S1 και η τάση του υψίσυχνου διακόπτη S4 που άγει την ίδια ημιπερίοδο με την αντιπαράλληλη δίοδο. Σχήμα 5.20: Σύγκριση τάσης διόδου με τάση υψίσυχνου ημιαγωγικού στοιχείου Στο σχήμα 5.21 απεικονίζεται το ρεύμα του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου (S5) στο διάστημα μιας περιόδου. 65

80 Σχήμα 5.21: Ρεύμα πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου Στο σχήμα 5.22 απεικονίζονται τα ρεύματα των διακοπτών S1 & S4 που άγουν κατά τη θετική ημιπερίοδο (χωρίς ρεύμα αντιπαράλληλων διόδων). Οι κυματομορφές των διακοπτών S3 & S2 για την αρνητική ημιπερίοδο είναι παρόμοιες. Σχήμα 5.22: Ρεύμα ημιαγωγικών στοιχείων S1 & S4 Στη συνέχεια ακολουθεί η μελέτη του ρεύματος διαρροής του αντιστροφέα Η5 καθώς και η σύγκρισή του με την τοπολογία πλήρους γέφυρας. Ακόμη, θα μελετηθεί η μορφή της τάσης ως προς τη γη στην DC πλευρά της τοπολογίας η οποία καταπονεί τα ημιαγωγικά στοιχεία. ΩΜΙΚΟ-ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Η λειτουργία του αντιστροφέα Η5 με ωμικο-επαγωγικό φορτίο παρουσιάζει κάποια ενδιαφέροντα σημεία. Προσθέτοντας στο φορτίο εξόδου μια επαγωγή των 25mH η τάση και το ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα προκύπτει όπως φαίνεται στο σχήμα

81 Σχήμα 5.23: Ρεύμα και τάση εξόδου RL φορτίου αντιστροφέα Η5 Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι στην κυματομορφή της τάσης εξόδου του φορτίου παρατηρείται υπέρταση τη χρονική στιγμή που η τάση αλλάζει πολικότητας. Η υπέρταση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι κατά τις περιόδους ελεύθερης διέλευσης το διάστημα που η τάση αλλάζει πολικότητα δεν υπάρχει δρόμος επιστροφής του ανάστροφου ρεύματος που δημιουργείται λόγω της παρουσίας του πηνίου. Δρόμος τέτοιος δεν υπάρχει λόγω της παλμοδότησης, η οποία κατά τη διάρκεια μιας περιόδου ελεύθερης διέλευσης κρατά σε αγωγή μόνο έναν εκ των δυο ημιαγωγικών στοιχείων που λειτουργούν σε χαμηλή συχνότητα (50Hz), ενώ αποκόπτει τα υπόλοιπα. Στο σχήμα 5.24 απεικονίζεται το ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα στην περίπτωση αυτή. Σχήμα 5.24: Ρεύμα εισόδου RL φορτίου αντιστροφέα Η5 Στο σχήμα 5.24 φαίνεται ότι τις χρονικές στιγμές που αλλάζει πολικότητα η τάση εξόδου, το ρεύμα εισόδου παύει να είναι διακοπτικό, αλλά διαγράφει μια ταλάντωση που οφείλεται στο RLC κύκλωμα που δημιουργείται μεταξύ της επαγωγής του φορτίου εξόδου, των παθητικών στοιχείων του φίλτρου εξόδου, καθώς και των 67

82 παρασιτικών χωρητικοτήτων των ημιαγωγικών στοιχείων. Για να λυθεί το πρόβλημα αυτό και να υπάρξουν και στην περίπτωση του RL φορτίου ημιτονοειδή μεγέθη εξόδου απαιτείται κάποια τροποποίηση στην παλμοδότηση του αντιστροφέα Η5. Η διαφοροποίηση αυτή έχει να κάνει με τα στοιχεία S2 και S4 τα οποία θα πρέπει να άγουν διακοπτικά και τις δυο ημιπεριόδους. Μέχρι στιγμής, όπως περιγράφηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, οι παλμοί που καταλήγουν στις πύλες των ημιαγωγικών στοιχείων είναι αυτοί του σχήματος Σχήμα 5.25: Παλμοί ημιαγωγικών στοιχείων αντιστροφέα Η5 Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι οι διακόπτες S2 και S4 παλμοδοτούνται υψίσυχνα για μια ημιπερίοδο ο καθένας. Στην περίπτωση που έχουμε RL φορτίου εξόδου στον αντιστροφέα Η5 πρέπει, την ημιπερίοδο που τα στοιχεία δεν παλμοδοτούνταν, να παλμοδοτηθούν με παλμούς συμπληρωματικούς του ενός ως προς το άλλο. Οι παλμοί που προστίθενται στους παλιούς φαίνονται μες το περίγραμμα του σχήματος

83 Σχήμα 5.26: Παλμοί ημιαγωγικών στοιχείων για RL φορτίο Η διαφοροποίηση αυτή είναι αναγκαία ώστε στα διαστήματα ελεύθερης διέλευσης που το πηνίο προκαλεί ανάστροφο ρεύμα, να δημιουργείται δρόμος διέλευσής του μέσω του διακόπτη S2 και της διόδου του S4 κατά τη θετική ημιπερίοδο της τάσης και μέσω του διακόπτη S4 και της διόδου του S2 κατά την αρνητική ημιπερίοδο της τάσης. Στο σχήμα 5.27 απεικονίζεται το κυκλωματικό διάγραμμα της παλμοδότησης του αντιστροφέα Η5 για RL φορτίο όπως αυτό διαμορφώθηκε στο Simulink του Matlab. Σχήμα 5.27: Κύκλωμα παλμοδότησης αντιστροφέα Η5 με RL φορτίο 69

84 Στο σχήμα 5.28 που ακολουθεί φαίνεται η τάση εξόδου, το ρεύμα εξόδου και το ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα Η5 με RL φορτίο, εφαρμόζοντας την τροποποιημένη παλμοδότηση. Σχήμα 5.28: Τάση εξόδου, ρεύμα εξόδου και ρεύμα εισόδου αντιστροφέα Η5 με RL φορτίο Από το παραπάνω σχήμα διαπιστώνουμε την ομαλή λειτουργία του αντιστροφέα Η5 για RL φορτίο έπειτα από τη διαφοροποίηση που πραγματοποιήθηκε στην παλμοδότηση Μελέτη ρεύματος διαρροής αντιστροφέα Η5 Η μέτρηση του ρεύματος διαρροής που προκαλείται από την παρασιτική χωρητικότητα, η οποία εμφανίζεται στην περίπτωση που γειώσουμε τη φωτοβολταϊκή συστοιχία στην DC πλευρά ενώ παράλληλα γειωθεί με κάποιο τρόπο η AC πλευρά της τοπολογίας, πραγματοποιήθηκε καθορίζοντας την τιμή του παρασιτικού πυκνωτή, που φαίνεται στο σχήμα 5.2, στα 9 nf. Ακόμη, η τάση ως προς γη που μετρήθηκε και που φαίνεται και αυτή στο σχήμα 5.2 είναι μεταξύ του θετικού πόλου του Φ/Β και της γης. Στο σχήμα 5.29 απεικονίζεται η τάση ως προς γη καθώς και το ρεύμα διαρροής που προκύπτει στον Η5 αντιστροφέα για διάστημα μιας περιόδου. 70

85 Σχήμα 5.29: Ρεύμα διαρροής αντιστροφέα Η5 με ωμικό φορτίο (R=10Ω) Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι η μορφή της τάσης ως προς γη έχει ημιτονοειδή μορφή με κάποια διακροτήματα κατά τη διάρκεια της περιόδου. Τα διακροτήματα αυτά οφείλονται στη λειτουργία του αντιστροφέα Η5 και δημιουργούνται λόγω του ότι κατά τις περιόδους ελεύθερης διέλευσης η τάση ως προς γη του Φ/Β πλαισίου προκύπτει από το κύκλωμα που δημιουργείται μεταξύ της πηγής συνεχούς τάσης (Φ/Β πλαίσιο) και του παρασιτικού πυκνωτή. Αντιθέτως, τα διαστήματα που το πέμπτο ημιαγωγικό στοιχείο (S5) σε συνδυασμό με ένα εκ των S2 ή S4 άγουν, η τιμή της τάσης εξαρτάται από την ταλάντωση του RLC κυκλώματος που δημιουργείται μεταξύ του παρασιτικού πυκνωτή, των παθητικών στοιχείων του φίλτρου και των παρασιτικών χωρητικοτήτων των ημιαγωγικών στοιχείων. Το ρεύμα διαρροής στην περίπτωση αυτή, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.29, παίρνει τιμές που κυμαίνονται μεταξύ -100 έως 100 ma περίπου. Η μορφή του ρεύματος αυτού, που δημιουργείται και ρέει μέσω της παρασιτικής χωρητικότητας, προκύπτει du από τη γνωστή εξίσωση i C. dt Η εξάρτηση αυτή της τιμής της τάσης θα φανεί καλύτερα στο σχήμα 5.30 που ακολουθεί όπου φαίνονται οι παλμοί που καταλήγουν στην πύλη του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου. 71

86 Σχήμα 5.30: Μορφή τάσης ως προς γη και ρεύμα παρασιτικού πυκνωτή (ρεύμα διαρροής) σε σχέση με τους παλμούς του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου Στο σχήμα 5.30 παρατηρούμε αυτό που περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφέρθηκε ο λόγος για τον οποίο γίνεται μελέτη του ρεύματος διαρροής. Όπως ειπώθηκε δίνεται μεγάλη σημασία στην κατασκευή τοπολογιών χωρίς μετασχηματιστή ούτως ώστε να περιορισθεί όσο το δυνατόν περισσότερο γίνεται το ρεύμα που διαρρέει τον παρασιτικό πυκνωτή(ρεύμα διαρροής) με στόχο την όσο το δυνατό καλύτερη προστασία του ανθρώπινου παράγοντα. Στο σημείο αυτό, λοιπόν, θα προσομοιωθεί η περίπτωση όπου ένα άτομο έρχεται σε επαφή με έναν εκ των δυο γειωμένων πόλων του Φ/Β πλαισίου. Το άτομο αυτό, το οποίο θεωρούμε ότι έρχεται σε επαφή με το έδαφος (γειωμένο) αναπαρίσταται στο κύκλωμα του αντιστροφέα με μια αντίσταση των 100 kω. Το νέο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα

87 Σχήμα 5.31: Κύκλωμα αντιστροφέα Η5 όταν άνθρωπος με αντίσταση σώματος 100 kω έρχεται σε επαφή με πόλο του πλαισίου Στην περίπτωση αυτή το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση των 100 kω (ανθρώπινο σώμα) απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 5.32: Ρεύμα που διαρρέει το ανθρώπινο σώμα σε περίπτωση που αυτό έρθει σε επαφή με γειωμένο Φ/Β πλαίσιο αντιστροφέα Η5 Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι η μορφή του ρεύματος αυτού είναι ίδια με της τάσης ως προς γη και οι τιμές του ανάλογες της τάσης αυτής. Από το σχήμα 5.32 παρατηρούμε ότι για αντίσταση ανθρώπινου σώματος R ανθρ. =100kΩ, το ρεύμα που θα διαρρεύσει μέσω αυτού παίρνει τιμές από 0.5 έως 4 ma περίπου. 73

88 5.2.1 Σύγκριση ρεύματος διαρροής Η5 αντιστροφέα με αντιστροφέα πλήρους γέφυρας Στο σημείο αυτό θα πραγματοποιηθεί η μέτρηση του ρεύματος διαρροής στην τοπολογία πλήρους γέφυρας. Η τοπολογία του Η5 αντιστροφέα θα μετατραπεί σε τοπολογία πλήρους γέφυρας αλλάζοντας τον τρόπο παλμοδότησης. Αυτό συμβαίνει παλμοδοτώντας συνεχώς το πέμπτο στοιχείο που βρίσκεται σε σειρά με τη DC πλευρά ενώ παράλληλα αλλάζοντας την παλμοδότηση των υπόλοιπων τεσσάρων ημιαγωγικών στοιχείων τα οποία πλέον παλμοδοτούνται με υψίσυχνους παλμούς οι οποίοι προκύπτουν από SPWM παλμοδότηση διπολική και μονοπολική όπως αυτές περιγράφηκαν σε προηγούμενη ενότητα. Οι διακοπτικές συχνότητες, οι τιμές των παθητικών στοιχείων του φίλτρου καθώς και η τιμή του φορτίου θα παραμείνουν ίδια με την προσομοίωση του αντιστροφέα Η5. Ρεύμα διαρροής αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με διπολική τάση εξόδου Στο σχήμα 5.33 απεικονίζεται η τάση ως προς γη και το ρεύμα διαρροής μέσω του παρασιτικού πυκνωτή στην τοπολογία πλήρους γέφυρας με διπολική τάση εξόδου. Σχήμα 5.33: Τάση ως προς γη και ρεύμα διαρροής πλήρους γέφυρας με διπολική τάση εξόδου Όπως φαίνεται στο σχήμα 5.33, η τοπολογία της πλήρους γέφυρας με διπολική τάση εξόδου περιορίζει το ρεύμα διαρροής σε τιμές πολύ μικρής έντασης καθώς η τάση ως προς γη στα άκρα του παρασιτικού πυκνωτή έχει ημιτονοειδή μορφή πιο εξομαλυμένη σε σχέση με την τοπολογία του αντιστροφέα Η5 λόγω του γεγονότος ότι στην τοπολογία πλήρους γέφυρας δεν υφίσταται DC απομόνωση του Φ/Β πλαισίου μέσω του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου (S5) όπως συμβαίνει στην τοπολογία του αντιστροφέα Η5. Η μορφή του ρεύματος διαρροής είναι ημιτονοειδής λόγω της συνεχής ταλάντωσης του RLC κυκλώματος που δημιουργείται μεταξύ της παρασιτικής χωρητικότητας, των παθητικών στοιχείων του φίλτρου εξόδου, των παρασιτικών 74

89 χωρητικοτήτων των ημιαγωγικών στοιχείων καθώς και του φορτίου εξόδου, όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.34 που ακολουθεί. Σχήμα 5.34: Ρεύμα διαρροής τοπολογίας πλήρους γέφυρας με διπολική τάση εξόδου Στο σχήμα 5.35 που ακολουθεί απεικονίζεται η μορφή του ρεύματος που διαρρέει την αντίσταση των 100kΩ του ανθρώπινου σώματος όταν αυτό έρθει σε επαφή με έναν εκ των δυο πόλων του Φ/Β πλαισίου. Σχήμα 5.35: Ρεύμα που διαρρέει το ανθρώπινο σώμα σε περίπτωση που αυτό έρθει σε επαφή με γειωμένο Φ/Β πλαίσιο αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με διπολική τάση εξόδου Οι τιμές του ρεύματος διαρροής κυμαίνονται από -8 έως 8 mα, ενώ οι τιμές που διαρρέουν την R ανθρ. από 0 έως 4 ma, σε απόλυτη τιμή, περίπου. Από αυτή τη σκοπιά η τοπολογία πλήρους γέφυρας με διπολική τάση εξόδου καθίσταται κατάλληλη για τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή. Όμως, όπως είναι γνωστό, η τοπολογία αυτή έχει το μειονέκτημα χαμηλής απόδοσης λόγω της μεγαλύτερης καταπόνησης που υπόκεινται τα ημιαγωγικά στοιχεία και του γεγονότος ότι οι ανώτερες αρμονικές εμφανίζονται σε χαμηλότερες συχνότητες σε σχέση με την τοπολογία με μονοπολική 75

90 τάση εξόδου, με αποτέλεσμα να απαιτούνται μεγαλύτερες τιμές στα παθητικάστοιχεία του φίλτρου εξόδου. Ρεύμα διαρροής αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου Στο σχήμα 5.36 απεικονίζεται η τάση ως προς γη και το ρεύμα διαρροής μέσω του παρασιτικού πυκνωτή στην τοπολογία πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου. Σχήμα 5.36: Τάση ως προς γη και ρεύμα διαρροής πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου Παρατηρώντας το σχήμα 5.36 παρατηρείται η μεγάλη τιμή του ρεύματος διαρροής που προκαλείται στον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου. Η τιμή της έντασης του ρεύματος κυμαίνεται μεταξύ -3.5 έως 3.5 A περίπου! Οι τιμές αυτές είναι ικανές να προκαλέσουν ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (ΕΜΙ) σε ολόκληρο το Φ/Β σύστημα (κυκλώματα ελέγχου, κυκλώματα ισχύος, μετρητικά κυκλώματα κλπ.) κάτι το οποίο είναι ανεπιθύμητο. Στην περίπτωση της πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου, το ρεύμα που θα διαρρεύσει μέσω του ανθρώπινου σώματος φαίνεται στο σχήμα

91 Σχήμα 5.37: Ρεύμα που διαρρέει το ανθρώπινο σώμα σε περίπτωση που αυτό έρθει σε επαφή με γειωμένο Φ/Β πλαίσιο αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου Στο παραπάνω σχήμα παρατηρούμε ότι οι peak τιμές του ρεύματος αυτού φτάνουν έως και 12 ma. Σε συνδυασμό με τις μεγάλες τιμές του ρεύματος διαρροής που αναφέρθηκαν προηγουμένως, η τοπολογία πλήρους γέφυρας με μονοπολική τάση εξόδου καθίσταται ακατάλληλη για τη χρήση της σε τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα προηγούμενα, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ο αντιστροφέας Η5 υπερτερεί έναντι των τοπολογιών πλήρους γέφυρας με διπολική και μονοπολική τάση εξόδου, όσο αφορά τη χρησιμοποίησή του σε τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή, καθώς συνδυάζει τα πλεονεκτήματά τους απαλείφοντας παράλληλα τα μειονεκτήματα που συναντώνται σε αυτές. 77

92 78

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο Έλεγχος παλμοδότησης Η5 αντιστροφέα με IGBT 6.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗ ΤΩΝ IGBT Όπως είναι γνωστό και θα καταστεί σαφές σε επόμενο κεφάλαιο ένα ημιαγωγικό στοιχείο όπως το IGBT για να έρθει σε αγωγή χρειάζεται ένα παλμό τάσης επαρκούς πλάτους μεταξύ πύλης και εκπομπού. Ο παλμός αυτός αν και φαντάζει απλός στην επίτευξή του, στην πραγματικότητα χρήζει ιδιαίτερης προσοχής και απαιτεί κατάλληλη μελέτη ώστε ανάλογα με την περίπτωση να παραχθεί σωστά και να οδηγηθεί επιτυχώς στην πύλη του εκάστοτε ημιαγωγικού στοιχείου. Ένας τέτοιος παλμός «γεννάται» στο εσωτερικό του μικροελεγκτή dspic30f4011 της εταιρίας Microchip με κατάλληλο προγραμματισμό αυτού και μεταδίδεται στο υπόλοιπο κύκλωμα ελέγχου μέσω των ακροδεκτών εξόδου του. Στις ενότητες που ακολουθούν περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η παραγωγή ενός τέτοιου παλμού. 6.2 ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ dspic30f4011 Ως μικροελεγκτή (microcontroller) αναφέρουμε ένα υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης ολοκληρωμένο στοιχείο που αποτελείται από ένα μικροεπεξεργαστή χαμηλής σχετικά υπολογιστικής ισχύος και ένα πεπερασμένο αριθμό ενσωματωμένων περιφερειακών μονάδων. Πρόκειται, επομένως, για ένα τύπο μικροεπεξεργαστή με υψηλό βαθμό αυτονομίας παρεχόμενο από τα περιφερειακά του, που χαρακτηρίζεται από υψηλή αξιοπιστία, χαμηλό κόστος και ελάχιστη κατανάλωση ισχύος. Επιπρόσθετα, έχει χαμηλές εκπομπές ηλεκτρομαγνητικών διαταραχών (ΕΜΙ) και υψηλότατη απόδοση. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας επιλέξαμε τη χρησιμοποίηση του μικροελεγκτή dspic30f4011, της σειράς dspic30f της εταιρίας Microchip []. Πρόκειται για ένα μικροελεγκτή που έχει κεντρική μονάδα επεξεργασίας των 16-bit και παρέχει υποστήριξη λειτουργιών DSP (Digital Signal Processing). Η μνήμη του μικροελεγκτή αλλά και οι δεκάξι (16) ειδικοί καταχωρητές (SFR) που χρησιμοποιούνται κατά τον προγραμματισμό του είναι οργανωμένοι σε λέξεις μήκους 16-bit. Ο ενσωματωμένος ταλαντωτής που διαθέτει (με ενεργό PLL 16x) δύναται να λειτουργήσει κοντά στα 117,92MHz παρέχοντας έτσι ένα εσωτερικό ρολόι εκτέλεσης εντολών της τάξης των 29,48MHz. Το διάγραμμα των ακροδεκτών του μικροελεγκτή, που έχει 40 ακροδέκτες (40-pin chip) δίδεται στο σχήμα

94 Σχήμα 6.1: Το διάγραμμα των pins του μικροελεγκτή dspic30f4011 [21] Όπως διακρίνουμε οι ακροδέκτες του ολοκληρωμένου είναι πεπερασμένοι. Εύλογα, επομένως, έχει γίνει πολύπλεξη των σημάτων των περιφερειακών μεταξύ τους. Κατά αυτό τον τρόπο ένας ακροδέκτης του ολοκληρωμένου δύναται να αντιστοιχεί σε περισσότερα του ενός περιφερειακά, ενώ παράλληλα ένα περιφερειακό δύναται να λειτουργεί δίχως να χρησιμοποιεί όλους τους ακροδέκτες, απελευθερώνοντάς τους για άλλη λειτουργία. Η ενεργοποίηση των περιφερειακών και η αντιστοίχησή τους με ακροδέκτες πραγματώνεται με την κατάλληλη χρήση των ειδικών καταχωρητών SFR Το περιφερειακό Motor Control PWM Το περιφερειακό που θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή των κατάλληλων παλμών είναι το Motor Control PWM. Αυτό ενσωματώνει στη δομή του τρεις γεννήτριες διαμόρφωσης παλμών PWM η καθεμιά εκ των οποίων δύναται να παράγει δυο σήματα, που αντιστοιχούν στο High και Low και ανάλογα με τις απαιτήσεις της υπό εξέτασης εφαρμογής, αυτά τα σήματα παράγονται είτε ανεξάρτητα είτε συμπληρωματικά. Το σχηματικό διάγραμμα της μονάδας PWM διακρίνεται στο σχήμα 6.2. Για την παλμοδότηση του αντιστροφέα Η5 του οποίου, όπως αναλύθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, τα τρία από τα πέντε ημιαγωγικά του στοιχεία παλμοδοτούνται μέσω μονοπολικής διαμόρφωσης PWM, απαιτείται ένα ημιτονοειδές σήμα, συχνότητας f 1 το οποίο συγκρίνεται με μία τριγωνική κυματομορφή η συχνότητα f s της οποίας επιλέγεται ίση με την επιθυμητή συχνότητα μετάβασης του αντιστροφέα. Κατά τη χρήση του dspic τα σήματα συγκρίνονται με ψηφιακό τρόπο με τη βοήθεια των ειδικών καταχωρητών του περιφερειακού. Για την παλμοδότηση των δύο χαμηλόσυχνων σημάτων χρησιμοποιούνται οι θύρες εισόδου-εξόδου του μικροελεγκτή σε συνδυασμό με το περιφερειακό της PWM με το οποίο υπάρχει πολύπλεξη μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό μέσω του καταχωρητή PWMCON1 επιλέχθηκε η λειτουργία και των τριών PWM γεννητριών σε independent mode ώστε οι ψηφιακές έξοδοι που θα παλμοδοτήσουν με 80

95 τετραγωνικούς παλμούς των 50Hz τα δυο χαμηλόσυχνα ημιαγωγικά στοιχεία να μπορούν να λειτουργούν ανεξάρτητα των PWM γεννητριών. Πιο συγκεκριμένα η παραγωγή της τριγωνικής κυματομορφής πραγματοποιείται με η βοήθεια του καταχωρητή χρονισμού 15-bit PTMR. Για την επιλεγμένη λειτουργία Up/Down Counting Mode, η τιμή του χρονιστή PTMR αυξάνεται σε κάθε περίοδο του ρολογιού T CY μέχρις ότου ταυτιστεί με την τιμή του Σχήμα 6.2: Το διάγραμμα του περιφερειακού Motor Control PWM [21] καταχωρητή PTPER, ενώ έπειτα μειώνεται μέχρις ότου ξαναγίνει μηδέν και ολοκληρωθεί ένας κύκλος λειτουργίας (σχήμα 6.3). Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι με βάση την εκλογή της τιμής του καταχωρητή PTPER ρυθμίζομε την περίοδο του χρονιστή PTMR και επομένως ρυθμίζομε και τη 81

96 συχνότητα των παραγόμενων παλμοσειρών. Η κατάλληλη επιλογή της τιμής που καταχωρούμε στον PTPER ώστε οι παλμοί να έχουν συχνότητα F PWM υπολογίζεται από τη σχέση: FCY PTPER 1 F ( PTMR Pr escaler )*2 PWM Επομένως για F PWM =15kHz, PTMR Prescaler = 1:1 και F CY = 29.48MHz έχομε: PTPER=983 Σχήμα 6.3: Διαφοροποίηση καταχωρητή PTMR ανάλογα με την τιμή του PTPER [21] Αφού καθορίσαμε την ορθή συχνότητα των παλμών οφείλομε να ρυθμίσομε και τον επιθυμητό λόγο κατάτμησης αυτών. Το υπό εξέταση περιφερειακό διαθέτει τρεις καταχωρητές PDC1, PDC2 και PDC3 ο καθένας εκ των οποίων είναι επιφορτισμένος με τη διαδικασία ρύθμισης του λόγου κατάτμησης της αντίστοιχης γεννήτριας. Η σχέση που συνδέει τους καταχωρητές ελέγχου του duty cycle με τον καταχωρητή χρονισμού διακρίνεται στο σχήμα 6.4. Ταύτιση της τιμής του PTMR με αυτή του PDCx προκαλεί μετάβαση της κατάστασης του παλμού. Αν η τιμή του PTMR κατά την ταύτιση κατέρχεται τότε έχομε άνοδο του παλμού στην κατάσταση High, αν αντίθετα ανέρχεται έχομε υποβιβασμό του παλμού στην κατάσταση Low. Η τιμή που πρέπει να εισαχθεί στον καταχωρητή PDCx της αντίστοιχης γεννήτριας ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός λόγος κατάτμησης δίδεται από τη σχέση: ( 82

97 Σχήμα 6.4: Τριγωνικός φορέας και δημιουργία παλμών μέσω PDCx [21] Έτσι για την περίπτωση κατά την οποία επιθυμούμε την παραγωγή της τετραγωνικής κυματομορφής με λόγο κατάτμησης 50%, αντικαθιστώντας τις προηγούμενα υπολογισμένες τιμές έχομε: PDCx=984 Αξίζει να τονισθεί ότι αυτού του είδους η τετραγωνική παλμοσειρά παράγεται και εισάγεται στον αντιστροφέα ως προς τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας αυτού, πριν εισάγουμε και τη μονοπολική διαμόρφωση. Στο σημείο αυτό, αφού περιγράφηκαν τα βασικά σημεία της διαδικασίας παραγωγής παλμοσειρών με τη χρήση του περιφερειακού Motor Control PWM, θα προσδιοριστεί ο τρόπος με τον οποίο διαμορφώνεται η μονοπολική παλμοδότηση των υψίσυχνων στοιχείων του Η5 αντιστροφέα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η μονοπολική SPWM στηρίζει τη δημιουργία της στη μεταβολή της τιμής του καταχωρητή ελέγχου του λόγου κατάτμησης PDCx ανά διακοπτική περίοδο. Για να γίνει πιο κατανοητός ο ρόλος του PDC καταχωρητή στη δημιουργία των PWM παλμών που μας ενδιαφέρουν παρατίθεται το σχήμα 6.5 στο οποίο φαίνεται πως διαμορφώνονται οι τιμές των καταχωρητών PTPER, PDCx σε σχέση με την περίοδο Τ CY του εσωτερικού ρολογιού του μικροελεγκτή. 83

98 Σχήμα 6.5: Περιεχόμενο PTPER, PDCx καταχωρητών συναρτήσει περιόδου ρολογιού T CY [21] Για την παραγωγή υψίσυχνων παλμών με τη μέθοδο SPWM είναι απαραίτητη η σύγκριση του τριγωνικού φορέα με ένα ημίτονο. Το ημίτονο αυτό εισάγεται στο πρόγραμμα του μικροελεγκτή διακριτοποιημένο υπό μορφή πίνακα. Το μέγεθός του σε μνήμη επιλέγεται από το χρήστη. Στην προκειμένη περίπτωση επιλέχθηκε αριθμός στοιχείων πίνακα 8192 bits στα bits διαθέσιμου χώρου. Στη συνέχεια, ανάλογα με την επιθυμητή διακοπτική συχνότητα διαμορφώνεται η τιμή του PTPER το οποίο ουσιαστικά ορίζει το πλάτος του τριγωνικού φορέα. Για διακοπτική συχνότητα 15kHz η τιμή του PTPER προκύπτει 983. Σχήμα 6.6: Τριγωνικός φορέας και ημίτονο αναφοράς παραγωγής παλμών Η5 αντιστροφέα [20] Για λόγους που περιγράφηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο ο τριγωνικός φορέας πρέπει να είναι ανορθωμένος όπως ακριβώς φαίνεται στο σχήμα 6.6. Συνεπώς, όταν το ημίτονο αναφοράς είναι μηδέν ο λόγος κατάτμησης θα είναι και αυτός μηδενικός (PDCx=0), ενώ όταν το ημίτονο πάρει τη μέγιστη τιμή του (PTPER=983) ο λόγος κατάτμησης θα είναι 1 (100%). Συνεπώς, θέλοντας λόγο κατάτμησης από 0 έως 100 ο καταχωρητής PDCx παίρνει τιμές από μηδέν έως 2 983=

99 Σχήμα 6.7: Εύρος τιμών καταχωρητή PDCx σε σύγκριση με πίνακα ημιτόνων [22] Ολοκληρώνοντας τη διαδικασία ημιτονοειδούς μεταβολής του PDCx οφείλουμε να διασφαλίσουμε ότι το ημίτονο ελέγχου το οποίο ακολουθεί ο PDCx έχει συχνότητα f 1 =50Hz. Είναι ωστόσο προφανές ότι η πρέπουσα διαδικασία είναι η αντίστροφη. Οφείλουμε δηλαδή να διασφαλίσουμε ότι ο ρυθμός με τον οποίο ο καταχωρητής PDCx «διαβάζει» τα σημεία του ημιτόνου που είναι αποθηκευμένα στον πίνακα αντιστοιχεί στην πρέπουσα συχνότητα. Αυτό επιτυγχάνεται με την ελεγχόμενη μεταβολή της τιμής που προστίθεται ανά περίοδο στη γωνία του ημιτόνου. Τιμή που εν τέλει μεταφράζεται στο αντίστοιχο κελί του αποθηκευμένου πίνακα. Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι απαιτείται η χρήση ενός δείκτη που αναπαριστά την εν ενεργεία φάση του ημιτόνου. Επιλέγουμε να χρησιμοποιήσουμε ένα δείκτη των 16-bit ώστε να είμαστε ικανοί να τον διαχειριστούμε με ένα εκ των καταχωρητών του dspic. Η αντιστοίχηση που γίνεται μεταξύ των τιμών του δείκτη και της εν ενεργεία γωνίας του ημιτόνου γίνεται στο δεκαεξαδικό σύστημα και είναι 0x0000 για 0 μοίρες και 0xFFFF για 360 ο μοίρες. Εύλογα υιοθετώντας την παραδοχή ότι το ημίτονο μας ξεκινάει με μηδενική γωνία, προσθέτουμε στη γωνία του την τιμή εκείνη που διασφαλίζει συχνότητα ίση με 50Ηz. Με άλλα λόγια προσθέτουμε στη γωνία του ημιτόνου την τιμή εκείνη του κελιού του πίνακα που αντιστοιχεί στη μεταβολή του ημιτόνου για συχνότητα 50 Hz. Η τιμή αυτή υπολογίζεται από τη σχέση: (για f PWM = 15kHz) Η ανόρθωση του ημιτόνου πραγματοποιείται πολλαπλασιάζοντας όλες τις αρνητικές τιμές του ημιτόνου με το συντελεστή -1, διαμορφώνοντας έτσι ένα πίνακα ημιτόνου μόνο με αρνητικές τιμές. Για εξοικονόμηση χώρου στη μνήμη του επεξεργαστή θα μπορούσε να δημιουργηθεί πίνακας με θετικές τιμές μισής περιόδου αφού είναι ακριβώς όμοιες με τις τιμές του πίνακα για την επόμενη ημιπερίοδο. Στην περίπτωση του Η5 αντιστροφέα για την παλμοδότηση των υψίσυχνων στοιχείων χρησιμοποιήθηκαν και οι τρεις καταχωρητές PDC1, PDC2, PDC3 αφού χρησιμοποιήθηκαν και οι τρεις PWM γεννήτριες και συγκεκριμένα οι έξοδοι 85

100 PWM1L, PWM2L, PWM3L. Η παλμοδότηση των χαμηλόσυχνων στοιχείων έγινε μέσω των θυρών εισόδου-εξόδου που θα περιγραφεί στην επόμενη ενότητα. Τέλος, να αναφέρουμε ότι οι κώδικες για την παλμοδότηση του αντιστροφέα επισυνάπτονται στο Παράρτημα Γ. Για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα MPLAB καθώς και ένας compiler της γλώσσας προγραμματισμού C Θύρες εισόδου-εξόδου Ο μικροελεγκτής έχει 5 θύρες ψηφιακών εισόδων-εξόδων και για τον περιορισμό του αριθμού των ακίδων έχει γίνει πολύπλεξη των σημάτων με τις εξόδους των υπολοίπων περιφερειακών. Όταν ένα περιφερειακό είναι ενεργοποιημένο και χρησιμοποιεί κάποια έξοδο τότε το αντίστοιχο pin παύει να αποτελεί είσοδο-έξοδο γενικού σκοπού. Υπάρχει η περίπτωση κάποιο περιφερειακό να είναι ενεργοποιημένο αλλά να μη χρησιμοποιεί όλα τα pins που του αντιστοιχούν. Τότε οι αδρανείς ακίδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι ή έξοδοι γενικού σκοπού. Η ενεργοποίηση της κάθε ακίδας ως είσοδο ή έξοδο γίνεται από τον κώδικα μέσω των καταχωρητών TRISx (όπου x το χαρακτηριστικό γράμμα της θύρας). Ο καταχωρητής LATx παρέχει δεδομένα στις εξόδους ενώ διαβάζοντας τον καταχωρητή PORTx ενημερωνόμαστε για την κατάσταση των εισόδων. Στην περίπτωσή του Η5 αντιστροφέα, για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων που λειτουργούν σε χαμηλή διακοπτική συχνότητα (50Hz) χρησιμοποιήθηκαν δυο έξοδοι της θύρας Ε, συγκεκριμένα οι RE1, RE3, στις οποίες με κατάλληλη διαμόρφωση του κώδικα παράχθηκαν τετραγωνικοί παλμοί των 50Hz Το περιφερειακό μετατροπής του Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό (ADC) Η μονάδα μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό (Analog to Digital Convertion - ADC) που χρησιμοποιούμε για την επεξεργασία των σημάτων που δίνομε στο μικροελεγκτή ως είσοδο για την κατάλληλη ρύθμιση των παλμών που θα πάρομε στην έξοδό του περιγράφεται παρακάτω. Όπως μπορούμε να διακρίνουμε στο σχήμα 4.8, το περιφερειακό αυτό διαθέτει 9 ακίδες εισόδου. Οι ακίδες αυτές συνδέονται σε τέσσερα κανάλια δειγματοληψίας και αποθήκευσης (Sample and Hold-S/H) με τον τρόπο που βλέπομε παραπάνω. Η δειγματοληψία των σημάτων μπορεί να είναι σειριακή ή παράλληλη. Ο μέγιστος δυνατός ρυθμός δειγματοληψίας μπορεί να φτάσει το 1Mips για δειγματοληψία ενός μόνο καναλιού χρησιμοποιώντας δυο S/H για το ίδιο σήμα. Αν τα υπό δειγματοληψία σήματα είναι περισσότερα ο ρυθμός δειγματοληψίας μειώνεται ανάλογα. Η ADC μονάδα μετατρέπει οποιοδήποτε αναλογικό σήμα από 0-5 V σε ψηφιακό εύρους 10- bit. 86

101 Σχήμα 6.8: Μονάδα μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό [21] Η αρχικοποίηση και ο προγραμματισμός της μονάδας μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό γίνεται μέσω των καταχωρητών ειδικού σκοπού: ADCON1: Καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCON2: Καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCON3: Καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCHS : Συνδέει τις επιθυμητές εισόδους στα κανάλια δειγματοληψίας S/H ADPCFG : Επιλέγει αν οι ακίδες θα χρησιμοποιηθούν σαν αναλογικές είσοδοι ή σαν ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι γενικού σκοπού ADCSSL : Επιλέγει σε ποιες εισόδους θα γίνει ακολουθιακή δειγματοληψία Μέσω των παραπάνω καταχωρητών μπορεί να γίνει διαφορική μέτρηση μεταξύ σημάτων, μεταξύ σημάτων και γης, και μεταξύ σήματος και μιας ακίδας αναφοράς. 87

102 Για την επιλογή του ρυθμού δειγματοληψίας πρέπει να αναφέρουμε ότι η μονάδα έχει ένα μέγιστο ρυθμό πραγματοποίησης μετατροπών. Ένα ειδικό ρολόι T AD ελέγχει το χρονισμό των μετατροπών. Η κάθε μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό απαιτεί 12 κύκλους του ειδικού ρολογιού 12T AD. Ο χρόνος T AD επιλέγεται από το πρόγραμμα μέσω ενός 6-bit μετρητή. Υπάρχουν 64 πιθανές επιλογές για το χρόνο T AD, οι οποίες προσδιορίζονται από τα ADCS<5:0> του καταχωρητή ADCON3. Με την παρακάτω σχέση υπολογίζεται ο χρόνος TAD ως συνάρτηση του ADCS και της περιόδου του ρολογιού του επεξεργαστή T CY. ( Για σωστές μετατροπές από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα ο χρόνος T AD πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 83,33ns. Στην περίπτωση του Η5 αντιστροφέα ο ADC μετατροπέας του μικροελεγκτή χρησιμοποιείται για το «διάβασμα» της τιμής ενός trimmer, με το οποίο ρυθμίζεται χειροκίνητα ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους m α. Η τάση εξόδου του trimmer συνδέεται στην αναλογική είσοδο ΑΝ5 η οποία με τη σειρά της δειγματοληπτείται στο CH0 κι έπειτα η ψηφιακή της τιμή αποθηκεύεται στον καταχωρητή ADCBUF0 μέσω του οποίου στη συνέχεια με κατάλληλη κανονικοποίηση διαμορφώνεται η αντίστοιχη τιμή του m α. 88

103 7.1 ΓΕΝΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο Υλοποίηση αντιστροφέα Η5 Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγραφούν τα στοιχεία που περιλαμβάνει κάθε διάταξη που κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τα τμήματα που κατασκευάστηκαν είναι η διάταξη του αντιστροφέα Η5, η μονάδα του μικροελεγκτή για τη δημιουργία των παλμών οδήγησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα, καθώς και η μονάδα τροφοδοσίας των προηγούμενων τμημάτων. Η κάθε μια μονάδα που αναφέραμε προηγουμένως, υλοποιήθηκε πάνω σε τυπωμένη πλάκα χαλκού, μονής ή διπλής όψης. Τα απαραίτητα σχέδια των τυπωμένων κυκλωμάτων κάθε πλακέτας έγιναν με τη χρήση του δωρεάν λογισμικού KiCad και παρουσιάζονται στο Παράρτημα Β. Τέλος, στο παράρτημα Α παραθέτουμε τα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των μονάδων. 7.2 ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Ο μονοφασικός αντιστροφέας Η5 που μελετήθηκε και κατασκευάστηκε αποτελείται από πέντε ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος, πέντε διόδους ισχύος που τοποθετούνται αντιπαράλληλα στα προηγούμενα στοιχεία και πυκνωτές που χρησιμοποιούνται ως φίλτρο εισόδου. Η συνολική ισχύς του συστήματος ανέρχεται στα 4 kw περίπου. Να αναφέρουμε σε αυτό το σημείο ότι θεωρούμε ξεχωριστή μονάδα το τμήμα οδήγησης των παλμών ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων και θα τη μελετήσουμε ξεχωριστά Ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος Τα στοιχεία που επιλέξαμε για τη συγκεκριμένη τοπολογία είναι τα IGBT. Τα διπολικά transistor με απομονωμένη πύλη (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Τα IGBT έχουν μεγάλη σύνθετη αντίσταση πύλης και έτσι απαιτείται μια μικρή μόλις ποσότητα ενέργειας για τη μετάβασή του. Επίσης, έχουν μικρή τάση αγωγιμότητας, ακόμη και σε στοιχεία με μεγάλες ονομαστικές τάσεις αποκοπής. Τέλος, τα IGBT έχουν χρόνους έναυσης και σβέσης της τάξης του 1 μsec και διατίθενται με μεγάλες ονομαστικές τιμές τάσης και ρεύματος, όπως 1700 V και 1200 Α. Η επιλογή των κατάλληλων IGBT γίνεται με βάση τη μέγιστη τάση που εφαρμόζεται στα άκρα τους, την ενεργό τιμή του ρεύματος που τα διαρρέει, την αντίσταση αγωγής που εμφανίζουν και φυσικά τη διαθεσιμότητα των στοιχείων στην αγορά. Στην εφαρμογή που εξετάζεται η τάση εισόδου έχει τιμή ίση με 420 V περίπου και το ρεύμα που βρέθηκε από τις προσομοιώσεις είναι περίπου στα 15 Α. Έπειτα από έρευνα αγοράς που πραγματοποιήθηκε με βασικές παραμέτρους τη διαθεσιμότητα και το κόστος καταλήξαμε στα IGBT IRG4PH40KDPbF της εταιρίας International Rectifier το οποίο φαίνεται στο σχήμα 7.1. Το μοντέλο αυτό έχει χαρακτηριστικά μεγέθη V CES =1200V, V CE(on)typ. =2.74V και I C =15A στους 100 ο C. 89

104 Σχήμα 7.1: Εικόνα και κυκλωματικό σύμβολο του IRG4PH40KDPbF [Παράρτημα Α] Από το σχήμα 7.1 παρατηρούμε ότι στη δομή των συγκεκριμένων ημιαγωγικών στοιχείων, με κωδικό περιβλήματος ΤΟ-247AC, περιλαμβάνεται αντιπαράλληλη εσωτερική δίοδος ισχύος, κάτι που σημαίνει ότι δεν εμφανίζεται ανάγκη χρησιμοποίησης ξεχωριστών διόδων ισχύος. Παρατηρούμε, επίσης, ότι τα στοιχεία που τελικά επιλέξαμε καλύπτουν πλήρως τις ανάγκες μας. Συγκεκριμένα, όσο αφορά την τάση επιλέξαμε τα 1200V για λόγους ασφαλείας, καθώς η τάση που θα πρέπει να αντέχουν τα στοιχεία θα πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την τάση λειτουργίας τους. Ακόμη, όσο αφορά την αντοχή σε ρεύμα επιλέξαμε στοιχείο με αρκετά μεγαλύτερη από την απαιτούμενη, προκειμένου να παρουσιάζει όσο το δυνατό μικρότερη αντίσταση αγωγής και έτσι να μειώσουμε τις απώλειες κατά την αγωγή. Τέλος, η συχνότητα που θα λειτουργήσουμε το στοιχείο η οποία κυμαίνεται από khz, υποστηρίζεται από το συγκεκριμένο IGBT. Περισσότερες λεπτομέρειες για το στοιχείο μπορούμε να βρούμε στο φυλλάδιο του κατασκευαστή το οποίο παρατίθεται στο Παράρτημα Α Πυκνωτές στην είσοδο του αντιστροφέα Στην είσοδο του μονοφασικού αντιστροφέα Η5 που κατασκευάστηκε, τοποθετήθηκαν δυο πυκνωτές πολυπροπυλενίου (ΜΚΡ) καθώς και ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής. Η σύνδεση και των τριών πυκνωτών έγινε παράλληλα και έχει στόχο τη μείωση της παρασιτικής επαγωγής των γραμμών αλλά και την σταθεροποίηση της τάσης εισόδου από μικρές μεταβολές που μπορεί να εμφανιστούν. Προσοχή δόθηκε στην τοποθέτηση του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή ο οποίος λόγω της ιδιομορφίας του Η5 αντιστροφέα να περιέχει ημιαγωγικό στοιχείο σε σειρά με την DC πλευρά, φροντίστηκε να τοποθετηθεί πριν το στοιχείο αυτό ώστε λόγω της διακοπτικής λειτουργίας του στοιχείου να αποτραπεί η καταπόνησή του η οποία θα οδηγούσε στην καταστροφή του. Η επιλογή τους έγινε με βάση τη χωρητικότητας και κυρίως τη μέγιστη τάση που αντέχουν στα άκρα τους. Οι πυκνωτές πολυπροπυλενίου έχουν χωρητικότητα 1μF (1kVDC), ενώ ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής έχει χωρητικότητα 1000 μf (500VDC). 90

105 7.3 ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΤΩΝ IGBT Η παραγωγή των σημάτων ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα Η5 πραγματοποιείται από το μικροεπεξεργαστή dspic30f4011, όπως αναλύσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Τα σήματα αυτά πριν φτάσουν στο κύκλωμα ισχύος πρέπει να απομονωθούν ηλεκτρικά για την προστασία του κυκλώματος ελέγχου, και στη συνέχεια να ενισχυθούν με τη χρήση κυκλώματος ενίσχυσης παλμών με στόχο η μετάβαση από την κατάσταση αγωγής στην κατάσταση αποκοπής και αντίστροφα να γίνεται γρήγορα, και κυρίως να παρέχεται επαρκής ισχύς στην οδήγηση των στοιχείων ώστε να παραμένουν σε κατάσταση πλήρους αγωγής. Σχήμα 7.2: Κύκλωμα παλμοδότησης κλάδου Η5 αντιστροφέα Οι παλμοί που παράγονται από τον μικροελεγκτή στους ακροδέκτες 34 έως 38, όπως περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, οδηγούνται στο ολοκληρωμένο HCT541. Πρόκειται για buffer ρεύματος μέσω του οποίου τα ενισχύονται τα σήματα που εξέρχονται από τις ακίδες του μικροελεγκτή ώστε να φτάσουν με επαρκή ισχύ στις εισόδους των ολοκληρωμένων που ακολουθούν. Το στοιχείο HCT541 διαθέτει 8 pins εισόδων και 8 pins εξόδων εκ των οποίων χρησιμοποιούνται στην προκειμένη περίπτωση τα pins εισόδου 2 έως 6 και τα pins εξόδου Τέλος τροφοδοτείται με τάση +5V. Η πλακέτα του μικροελεγκτή απεικονίζεται στο σχήμα 7.3. Από τις εξόδους του HCT541 οι παλμοί οδηγούνται στο ολοκληρωμένο 6N137 (optocoupler), το οποίο έχει 8 ακροδέκτες και τροφοδοτείται επίσης με +5V συνεχούς τάσης. Το ολοκληρωμένο αυτό προσφέρει την ηλεκτρική απομόνωση των παλμών, οι οποίοι όμως αντιστρέφονται φτάνοντας ανεστραμμένοι στην έξοδό του. Να επισημάνουμε στο σημείο αυτό ότι το δυναμικό αναφοράς (μηδενικό δυναμικό ή γείωση) του σήματος εισόδου πρέπει να είναι διαφορετικό και απομονωμένο ηλεκτρικά από το δυναμικό αναφοράς του σήματος στην έξοδο του ολοκληρωμένου 6N

106 Σχήμα 7.3: Πλακέτα μικροελεγκτή dspic30f4011 Στο σημείο αυτό θα πρέπει να γίνει ο διαχωρισμός του παλμού που καταλήγει στο πέμπτο στοιχείο από τους υπόλοιπους καθώς στη συνδεσμολογία του Η5 αντιστροφέα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί το ίδιο κύκλωμα παλμοδότησης όπως αυτό της πλήρους γέφυρας κάνοντας έτσι το κύκλωμα ελέγχου του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου να διαφέρει. Στο σχήμα 7.2 βλέπομε το κύκλωμα ελέγχου για τους δυο από τους τέσσερις παλμούς του Η5 αντιστροφέα. Για τους δυο άλλους παλμούς το κύκλωμα είναι ακριβώς όμοιο. Η πορεία που ακολουθούν οι τέσσερις αυτοί παλμοί έχει ως εξής: Από την έξοδο του οπτικού απομονωτή οι τέσσερις παλμοί, εκτός του παλμού του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου του οποίου η πορεία θα εξηγηθεί στη συνέχεια, οδηγούνται στο ολοκληρωμένο 74HCT04. Το στοιχείο αυτό περιλαμβάνει 6 πύλες ΝΟΤ, έχει 14 ακροδέκτες και τροφοδοτείται με συνεχή τάση +5V. Εκεί οι παλμοί αντιστρέφονται και επανέρχονται στη μορφή που είχαν πριν την είσοδο του οπτικού απομονωτή. η τοποθέτηση του ολοκληρωμένου αυτού σε αυτό το σημείο του κυκλώματος γίνεται για δυο λόγους. Πρώτον, λόγω της αντιστροφής των σημάτων στο 6Ν137 να επιστρέψουν οι παλμοί στην επιθυμητή τους μορφή και δεύτερον σε τυχόν σφάλμα σε κάποιο σημείο του κυκλώματος (λέγοντας σφάλμα εννοείται ηλεκτρικό σφάλμα που θέτει την τιμή 0 στο λογικό σήμα), είτε στην πλακέτα του μικροελεγκτή είτε στην πλακέτα ισχύος, ο αντιστροφέας θα φροντίσει στις εξόδους του να προκύψει λογικό σήμα 0 (Low) το οποίο δεν μπορεί να θέσει σε έναυση τα ημιαγωγικά στοιχεία αποτρέποντας τυχόν βραχυκυκλώματα τα οποία θα είχαν ως αποτέλεσμα την καταστροφή των ημιαγωγικών στοιχείων. Από την έξοδο του αντιστροφέα οι τέσσερις παλμοί οδηγούνται στον ενισχυτή παλμών IR2213, ο οποίος αποτελεί ολοκληρωμένο κύκλωμα με 14 ακροδέκτες και 92

107 τροφοδοτείται με δυο συνεχείς τάσεις των +5V και +15V. Εκεί οι παλμοί αποκτούν την απαιτούμενη ισχύ ώστε να προκαλέσουν την έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων (IGBT). Μεταξύ της πύλης (Gate) των IGBT και της εξόδου του IR2213 συνδέεται μια μικρή αντίσταση 10 Ω, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα RC κύκλωμα, καθώς οι ακροδέκτες πύλης-εκπομπού (Gate-Emitter) του ημιαγωγικού στοιχείου μπορούν να μοντελοποιηθούν με μια χωρητικότητα C. Έτσι, επιτυγχάνεται υψηλό ρεύμα και η έναυση των στοιχείων με το βέλτιστο τρόπο. Η πορεία του παλμού του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου, ο οποίος φαίνεται στο σχήμα 7.4, έχει ως εξής: Ο παλμός από την έξοδο του 6Ν137 κατευθύνεται στο ολοκληρωμένο ICL7667 το οποίο πρόκειται για ενισχυτή παλμών (driver) διαφορετικού τύπου από τον IR2213. Το ολοκληρωμένο αυτό έχει 8 ακροδέκτες και τροφοδοτείται με συνεχή τάση +5V. Ακόμη, αντιστρέφεται το σήμα διαμέσου αυτού με αποτέλεσμα να μην είναι αναγκαία η χρήση αντιστροφέα όπως έγινε για τους υπόλοιπους τέσσερις παλμούς. Ο λόγος που χρησιμοποιήθηκε διαφορετικού τύπου driver για το πέμπτο ημιαγωγικό στοιχείο αυτός θα εξηγηθεί αναλυτικά στη συνέχεια. Σχήμα 7.4: Κύκλωμα παλμοδότησης πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου Η5 αντιστροφέα Τέλος, σημειώνεται ότι μεταξύ πύλης και εκπομπού κάθε στοιχείου IGBT, συνδέομε μια δίοδο Zener 18V παράλληλα με μια αντίσταση 1,5 kω. Αυτά είναι αναγκαία για την προστασία του στοιχείου σε περίπτωση που η τάση μεταξύ πύλης και εκπομπού (V GE ) γίνει μεγαλύτερη από 18 V, οπότε υπερβαίνεται η αντοχή σε ανάστροφη τάση της διόδου Zener, αρχίζει να άγει και εμποδίζεται η καταστροφή του ημιαγωγικού στοιχείου καθώς στην περίπτωση αυτή η τιμή της ανάστροφης τάσης περιορίζεται στην πτώση τάσης αγωγής της διόδου Το ολοκληρωμένο 6Ν137 Όπως περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο το ολοκληρωμένο 6Ν137 έχει 8 ακροδέκτες (pins). Η τροφοδοσία των 5V γίνεται μέσω του pin 8 και στη συνέχεια γειώνεται στο pin 5. Μεταξύ των δύο αυτών ακροδεκτών συνδέεται ένα πυκνωτής ΜΚΤ 33 nf. Οι παλμοί που προέρχονται από τον μικροελεγκτή εισέρχονται από τον ακροδέκτη 2, μέσω μιας αντίστασης 470 Ω που συνδέεται σε σειρά με αυτόν. Από τον ακροδέκτη 6 εξέρχονται οι παλμοί οι οποίοι και αντιστρέφονται. Στο κύκλωμα ισχύος που κατασκευάσθηκε χρησιμοποιήθηκαν πέντε ολοκληρωμένα 6Ν137, ένας για κάθε σήμα ελέγχου του μικροελεγκτή. 93

108 7.3.2 Το ολοκληρωμένο IR2213 Το ολοκληρωμένο κύκλωμα IR2213 χρησιμοποιείται για την οδήγηση και ενίσχυση των παλμών που οδηγούνται στις πύλες των IGBT. Το ολοκληρωμένο αυτό είναι σχεδιασμένο να παλμοδοτεί ένα κλάδο μιας γέφυρας δυο ημιαγωγικών στοιχείων. Το IR2213 έχει 14 ακροδέκτες, όπου στον ακροδέκτη 9 γίνεται η τροφοδοσία με +5V και στον ακροδέκτη 3 με +15V, ενώ οι ακροδέκτες 11, 13 και 2 γειώνονται. Στους ακροδέκτες 10 και 12 εισέρχονται οι παλμοί από τα στοιχεία 6Ν137 και από τους ακροδέκτες 7 και 1 εξέρχονται οι παλμοί που οδηγούνται στην πύλη του άνω και κάτω αντίστοιχα ημιαγωγικού στοιχείου IGBT του κάθε σκέλους του μονοφασικού αντιστροφέα. Οι ακροδέκτες 5 και 2 συνδέονται στους εκπομπούς (emitters) των IGBT. Μεταξύ των ακροδεκτών 6 και 5 (VB και VS) συνδέεται πυκνωτής τανταλίου 3,3 μf (γνωστός και ως bootstrap capacitor) και η επιλογή τη χωρητικότητάς του έγινε σύμφωνα με τη σχέση [23]: ( ( (7.1) Όπου, Q g : φορτίο της πύλης (gate) του διακοπτικού στοιχείου υψηλού (High) δυναμικού I CES (max): ρεύμα συλλέκτη με μηδενική τάση πύλης-εκμπομπού I GES(leak): ρεύμα διαρροής πύλης εκπομπού Q ls : 5nC (500V/600V IC s), 20nC (1200V IC s) V f : πτώση τάσης κατά την αγωγή της διόδου Bootstrap V min : ελάχιστη τάση μεταξύ VB και VS V LS : πτώση τάσης στο διακοπτικό στοιχείο χαμηλού (Low) δυναμικού f: διακοπτική συχνότητα λειτουργίας Στο κύκλωμά μας, από τα τεχνικά φυλλάδια του κατασκευαστή βρίσκομε ότι: Q g =140 nc, I CES =3000 μα, I GES =100 na, Q ls = 880 nc,v F =1.4 V, V min =10 V, V LS = 0.1 V, f min =50 Hz. Οπότε από τη σχέση 7.1 προκύπτει: 35 μf Ωστόσο, στην προκειμένη περίπτωση τοποθετήθηκαν παράλληλα 4 πυκνωτές bootstrap των 3,3 μf έκαστος διαμορφώνοντας συνολική χωρητικότητα 13,2 μf, αφού πρωτίστως διαπιστώθηκε η ορθή έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων με τη χωρητικότητα αυτή. Στο σχήμα 7.5 απεικονίζεται το bootstrap κύκλωμα του IR

109 Σχήμα 7.5: Κύκλωμα bootstrap ολοκληρωμένου IR2213 [23] Ακόμη, συνδέσαμε και στις δυο τροφοδοσίες του ολοκληρωμένου (ακροδέκτες 9-13 και 3-2) πυκνωτές που λειτουργούν ως σταθεροποιητές της τάσης εισόδου. Λόγω του ότι ένας driver χρειάζεται μεγαλύτερη συνολικά ισχύ για τη σωστή λειτουργία του τοποθετήθηκαν πυκνωτές μεγαλύτερης χωρητικότητας σε σχέση με τα υπόλοιπα ολοκληρωμένα. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκαν πυκνωτές των 680 nf. Τέλος, μεταξύ των ακροδεκτών 6 και 3 (V B και V CC ) τοποθετούμε τη δίοδο BYM26E που ολοκληρώνει το κύκλωμα bootstrap και έχει πολύ γρήγορους χρόνους απόκρισης (75 ns) και αντέχει πολύ υψηλή τιμή ανάστροφης τάσης (1000 V). Στο κύκλωμα που κατασκευάσθηκε τοποθετήθηκαν δυο ολοκληρωμένα κυκλώματα IR2113, ένα για κάθε δυο παλμούς κάθε σκέλους της γέφυρας. Στο σχήμα 7.6 μπορούμε να δούμε το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος παλμοδότησης για όλα τα ημιαγωγικά στοιχεία εκτός του πέμπτου. Προς ευκολία του αναγνώστη παρουσιάζεται μόνο το ένα από τα δυο πανομοιότυπα κυκλώματα (ένα για ένα από τους δυο κλάδους που αποτελείται από ένα χαμηλόσυχνο και ένα υψίσυχνο ημιαγωγικό στοιχείο). Σχήμα 7.6: Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος παλμοδότησης Το ολοκληρωμένο ICL7667 Όπως ειπώθηκε προηγουμένως το κύκλωμα ελέγχου του ημιαγωγικού στοιχείου S5 του αντιστροφέα Η5 διαφέρει σε μερικά σημεία σε σχέση με τα υπόλοιπα τέσσερα ημιαγωγικά στοιχεία. Καταρχάς ο παλμός του στοιχείου αυτού ο οποίος εξέρχεται από τον optocoupler δεν περνά, όπως τους υπολοίπους τέσσερις παλμούς, μέσα από τον αντιστροφέα 74HCT04 λόγω του ότι η αντιστροφή του γίνεται μέσω του ολοκληρωμένου ICL7667. Το ολοκληρωμένο αυτό αποτελεί και αυτό όπως και το 95

110 IR2213 έναν driver ενίσχυσης παλμών. Η διαφορά τους έγκειται στο ότι το ICL7667 εκτός του ότι αντιστρέφει το σήμα εισόδου στην έξοδό του, μπορεί να παλμοδοτεί μεμονωμένα ένα ημιαγωγικό στοιχείο χωρίς αυτό να είναι γειωμένο καθώς η ισχύς που απαιτείται για να ενισχυθεί ο παλμός προκύπτει χωρίς να χρειάζεται bootstrap κύκλωμα, όπως στην περίπτωση του IR2213, διότι το εσωτερικό του CMOS κύκλωμα έρχεται σε λειτουργία χωρίς να είναι ανάγκη η δημιουργία βρόχου μέσω της γείωσης ενός ημιαγωγικού στοιχείο. Το ολοκληρωμένο αυτό διαθέτει 8 pins εκ των οποίων χρησιμοποιούνται τα έξι. Στον ακροδέκτη 6 τροφοδοτείται με συνεχή τάση +15 V, ενώ γειώνεται στον ακροδέκτη 3. Διαθέτει δυο εισόδους και δύο εξόδους στους ακροδέκτες 2-4 και 5-7 αντίστοιχα, έχοντας έτσι τη δυνατότητα παλμοδότησης δυο ημιαγωγικών στοιχείων. Στην προκειμένη περίπτωση, αποζητώντας την παλμοδότηση ενός μόνο ημιαγωγικού στοιχείο, βραχυκυκλώθηκαν οι δύο είσοδοι αλλά και οι δύο έξοδοι του ολοκληρωμένου μεταξύ τους ώστε να εξασφαλιστεί μεγαλύτερη ισχύ στο σήμα εξόδου. Τέλος, τοποθετείται μεταξύ του ακροδέκτη τροφοδοσίας (ακροδέκτης 6) και της γείωσης (ακροδέκτης 3) ένας πυκνωτής MKP χωρητικότητας 680 nf. Στο σχήμα 7.7 μπορούμε να δούμε το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος παλμοδότησης για το πέμπτο στοιχείο του αντιστροφέα Η5. Σχήμα 7.7: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος παλμοδότησης πέμπτου στοιχείου (S5) Τέλος, στο σχήμα 7.8 απεικονίζεται η πλακέτα ισχύος του αντιστροφέα Η5, όπως αυτή κατασκευάστηκε στο εργαστήριο Ηλεκτρονικών Ισχύος. 96

111 7.4 ΑΠΑΓΩΓΟΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Σχήμα 7.8: Πλακέτα ισχύος αντιστροφέα Η5 Η απαγωγή θερμότητας από τα ημιαγωγικά στοιχεία είναι ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα, το οποίο χρειάζεται να επιλυθεί για τη σωστή και ασφαλή λειτουργία του αντιστροφέα. Κατά τη λειτουργία των ημιαγωγικών στοιχείων οι απώλειες που υπάρχουν μετατρέπονται σε θερμική ενέργεια, η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία των στοιχείων. Με την αλόγιστη αύξησή της καθίσταται δυνατό να καταστραφούν τα ημιαγωγικά στοιχεία. Για να αποφευχθεί το γεγονός αυτό, τα στοιχεία τοποθετούνται πάνω σε μια μεταλλική επιφάνεια, συνήθως από αλουμίνιο, η οποία είναι κατάλληλα διαμορφωμένη για να απάγει μεγάλα ποσά θερμότητας σε σχέση με το μέγεθός της. Το μεταλλικό αυτό αντικείμενο λέγεται ψυκτικό σώμα ή απαγωγός θερμότητας και έχει πολλές πτυχώσεις έτσι ώστε να μεγιστοποιεί το εμβαδόν του χωρίς να αυξηθεί ο όγκος του. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να μεταφέρει περισσότερη ενέργεια στο περιβάλλον από την επιφάνεια του στοιχείου. Ο υπολογισμός του κατάλληλου ψυκτικού σώματος γίνεται με τις ακόλουθες σχέσεις [19]: (7.2) ( (7.3) ( (7.4) (7.5) 97

112 (7.6) (7.7) (7.8) Όπου: R θsa: η θερμική αντίσταση μεταξύ απαγωγού και περιβάλλοντος Τ j : η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας της επαφής Τ α : η θερμοκρασία περιβάλλοντος P loss : η συνολική ισχύς των απωλειών των στοιχείων, διακοπτικές συν απώλειες αγωγής Et s(hot): οι συνολικές διακοπτικές απώλειες του IGBT IRG4PH40KDPbF R θjc : η θερμική αντίσταση μεταξύ επαφής και περιβλήματος του στοιχείου R θcs : η θερμική αντίσταση περιβλήματος και απαγωγού θερμότητας Από το datasheet των ημιαγωγικών στοιχείων καθώς και από εμπειρικά δεδομένα προκύπτουν οι παρακάτω τιμές: V CE(on) = 2.74V, I C = 15A, D=1, E ts(hot) = 2.8mJ, f SW(max) = 20kHz, T C =100 ο C, R θjc = 0.77 ο C/W, R θcs = 0.24 ο C/W Μετά από υπολογισμούς σύμφωνα με τις παραπάνω εξισώσεις προκύπτει: R θsa =0.643 ο C/W Προκύπτει, λοιπόν, ότι πρέπει να χρησιμοποιηθεί ούτως ώστε να ψύχονται επαρκώς τα ημιαγωγικά στοιχεία που θα χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή ψυκτικό σώμα με θερμική αντίσταση μικρότερη των ο C/W. Σχήμα 7.9: Ψυκτικό σώμα της εταιρίας Aavid Thermalloy [Παράρτημα Α] Τελικά, χρησιμοποιήθηκε ψυκτικό σώμα με θερμική αντίσταση 0,43 ο C/W της Aavid Thermalloy διαστάσεων 250 mm x 200 mm x 25mm, του οποίου η πλάγια όψη απεικονίζεται στο σχήμα

113 7.5 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Η5 Σε αυτή την ενότητα θα περιγράψομε τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάσαμε το φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα. Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφέραμε ότι το κατωδιαβατό φίλτρο που χρησιμοποιήθηκε είναι τύπου LC αποτελούμενο από ένα πυκνωτή και δυο πηνία με ακριβώς όμοια χαρακτηριστικά μεταξύ τους. Ως πυκνωτή χρησιμοποιήσαμε ένα πυκνωτή πολυπροπυλενίου (ΜΚΡ) 6.8 μf του οποίου η τάση αντοχής είναι 1 kv. Για την κατασκευή των πηνίων απαιτείται εκτενέστερη μελέτη λόγω του ότι το όλοι παράμετροί τους (υλικό πυρήνα, μέγεθος πυρήνα, αριθμός τυλιγμάτων κ.α.) είναι συναρτήσει διαφόρων μεγεθών τα οποία πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη ώστε τελικά να προκύψουν πηνία κατάλληλα για το συγκεκριμένο σύστημα ισχύος. Η ½½½½κατασκευή, λοιπόν, των κατάλληλων πηνίων γίνεται βηματικά και αναλύεται στις παραγράφους που ακολουθούν. Όσο αφορά το υλικό κατασκευής του πυρήνα έχομε να επιλέξομε ανάμεσα σε πυρήνες που κατασκευάζονται με βασικό στοιχείο το σίδηρο (Fe) και ορισμένο ποσοστό προσμίξεων (Cr) και πυριτίου (Si) και από πυρήνες που κατασκευάζονται από φερρίτες (υλικά που αποτελούνται από μίγματα οξειδίων και άλλα μαγνητικά υλικά). Η τελική επιλογή γίνεται με κριτήριο τις αποδεκτές απώλειες για το μαγνητικό στοιχείο καθώς και την απαιτούμενη ένταση B του μαγνητικού πεδίου. Οι απώλειες που μπορούν να εμφανιστούν σε ένα μαγνητικό στοιχείο που χρησιμοποιείται ως πυρήνας είναι: Απώλειες υστέρησης (hysteresis): Η φυσική τους σημασία αντιστοιχεί στο έργο που είναι απαραίτητο για να διατρέξουμε αργά το βρόχο υστέρησης B H. Απώλειες δινορρευμάτων (eddy currents-foucault losses): Πρόκειται για απώλειες Joule που οφείλονται στα ρεύματα που δημιουργούνται από τη χρονικά μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή και κυκλοφορούν σε όλη την αγώγιμη ύλη. Είναι ανεξάρτητες του σχήματος και του μεγέθους του πυρήνα και εξαρτώνται μόνο από το σχήμα και το μέγεθος των μαγνητικών στοιχείων που το αποτελούν. Να αναφέρουμε ότι οι πυρήνες που κατασκευάζονται με βασικό στοιχείο το σίδηρο (Fe) και κρίματα αυτού με χρώμιο (Cr) και πυρίτιο (Si) παρουσιάζουν και τις δυο πιθανές απώλειες με εντονότερες τις απώλειες υστέρησης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μαγνητικά κράματα παρουσιάζουν χαμηλή ειδική ηλεκτρική αντίσταση με αποτέλεσμα τα δινορεύματα να αυξάνονται και επομένως να αυξάνονται και οι απώλειες που αναφέρονται σε αυτά. Μάλιστα επειδή οι απώλειες δινορρευμάτων εξαρτώνται από τη συχνότητα λειτουργίας η χρήση αυτών των πυρήνων περιορίζεται μέχρι τα 2kHz. Ωστόσο, ένα σημαντικό θετικό στοιχείο αυτού του τύπου των πυρήνων είναι ότι παρουσιάζουν μεγάλες τιμές κορεσμού της μαγνητικής επαγωγής ή 99

114 Από την άλλη πλευρά πυρήνες κατασκευασμένοι από φερρίτες παρουσιάζουν πολύ υψηλή ειδική ηλεκτρική αντίσταση (μέχρι και 14 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη σε σχέση με τα μαγνητικά κράματα) και επομένως έχουν πολύ μικρές απώλειες δινορρευμάτων. Είναι περίπου δυο φορές πιο ελαφριοί από το σίδηρο (Fe) αλλά έχουν περιορισμένο πλάτος μαγνητικής επαγωγής κορεσμού (έως και 5 φορές πιο μικρή από τα μαγνητικά κράματα). Τυπική τιμή ή Είναι απόλυτα φυσικό να κυμανθούμε σε επιλογή πυρήνα κατασκευασμένου από φερρίτη με δεδομένο ότι ο αντιστροφέας Η5 έχει συχνότητα λειτουργίας ίση με 15 khz. Επιλέξαμε πυρήνα σχηματισμού διπλού έψιλον και υλικού κατασκευής φερρίτη. Για την επιλογή κατάλληλου μεγέθους πυρήνα απαιτείται περαιτέρω μελέτη η οποία παρουσιάζεται σε επόμενη παράγραφο. Στη συνέχεια, προσδιορίζεται η μέγιστη πυκνότητα μαγνητική ροής του πυρήνα Βmax. Η τιμή αυτή συνήθως είναι λίγο μικρότερη από την οριακή τιμή κορεσμού της πυκνότητας μαγνητικής ροής,, η οποία όταν ξεπεραστεί ο πυρήνας οδηγείται στον κορεσμό. Η κατάσταση του κορεσμού είναι μια κατάσταση στην οποία ο πυρήνας δεν έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει παραπάνω ενέργεια από αυτή που έχει ήδη αποθηκευμένη. Το αποτέλεσμα στην περίπτωση αυτή είναι η συνεχής αύξηση του ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του πηνίου και συνεπώς η αύξηση της θερμοκρασίας του φερρίτη, που οδηγεί σε αύξηση των απωλειών. Συνήθως, στους πυρήνες φερρίτη η τιμή της πυκνότητας κορεσμού υπολογίζεται κοντά στα 300mT, οπότε την τιμή αυτή θα χρησιμοποιήσομε και εμείς εδώ. Αυτό σημαίνει πως η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής για λόγους ασφαλείας θα υπολογιστεί λίγο μικρότερη αυτής του κορεσμού, δηλαδή. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται ο σχεδιασμός του πυρήνα. Στο σημείο αυτό είναι απαραίτητο να αναφερθεί πως η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής μπορεί να περιοριστεί από δυο παράγοντες, είτε από τον κορεσμό, είτε από τις απώλειες του πυρήνα. Για καθεμιά από τις παραπάνω περιπτώσεις υπάρχει ένας τύπος σύμφωνα με τον οποίο υπολογίζεται το «γινόμενο επιφάνειας πυρήνα». Το μέγεθος αυτό υποδηλώνει το μέγεθος του πυρήνα και είναι το γνωστό όπου το Ae είναι η επιφάνεια σε τετραγωνικά χιλιοστά του παραθύρου του πυρήνα και το Ae είναι η επιφάνεια του μεσαίου στελέχους του πυρήνα. Για λόγους ευκολότερης κατανόησης οι επιφάνειες αυτές δίνονται στο σχήμα 7.10 που ακολουθεί: 100

115 Σχήμα 7.10: α) Τοπολογία του πυρήνα διπλού Ε και β) εγκάρσια τομή του πυρήνα διπλού Ε [24] Όταν δε γνωρίζουμε από ποιον από τους δυο προαναφερθέντες παράγοντες περιορίζεται η μαγνητική ροή του πυρήνα μας, χρησιμοποιούμε και τους δυο τύπους και λαμβάνομε υπόψη μας το μεγαλύτερο. Οι απώλειες στον πυρήνα αποκτούν μεγάλη σημασία όταν το πηνίο διαρρέεται από διακοπτικό ρεύμα μεγάλης συχνότητας. Στην περίπτωση, όμως, του υπό μελέτη συστήματος τα πηνία εξόδου διαρρέονται από ημιτονοειδές ρεύμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.11, επομένως αρκεί να λάβομε υπόψη μόνο τον περιορισμό από κορεσμό. Σχήμα 7.11: Ρεύμα που διαρρέει κάθε πηνίο του φίλτρου εξόδου Συνεπώς, για τον περιορισμό αυτό προκύπτει: L I pk Irms ,24 10,77 10 AP Aw Ae 24.56cm 420 K B max 420 0,4 0,28 Όπου: 4 101

116 I pk : η τιμή του μέγιστου (peak) ρεύματος που διαρρέει το πηνίο, η οποία υπολογίστηκε με βάση τις προσομοιώσεις I rms : η rms τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο K: =Κu Kp=0.4 =0.4 για πηνίο με ένα τύλιγμα K u : συντελεστής χρησιμοποίησης του παραθύρου του πυρήνα (εμπειρικά) K p : συντελεστής της περιοχής του πρωτεύοντος τυλίγματος (όταν αναφερόμαστε σε πηνίο, αυτό θεωρείται ως πρωτεύον τύλιγμα) Επομένως, χρειάζεται πυρήνας ο οποίος να έχει επιφάνεια μεγαλύτερη από 24.56cm 4. Ο μεγαλύτερος πυρήνας που διέθετε το εργαστήριο ήταν ο Ε65 της EPCOS ο οποίος και χρησιμοποιήθηκε με ΑΡ=28.75cm 4. τα χαρακτηριστικά του πυρήνα αυτού φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 7.12: Χαρακτηριστικά πυρήνα Ε65 της ΕPCOS [25] Στη συνέχεια, είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της περιέλιξης. Για να υπολογίσομε το εμβαδό της επιφάνειας του χαλκού που θα χρησιμοποιηθεί ως αγωγό, ισχύει: Irms A 2 Acu 2.69mm J 400 A 2 cm Για να μειώσομε την επίδραση του επιδερμικού φαινομένου στον αγωγό του πηνίου που θα διαρρέεται από το ρεύμα της εξόδου και θα έχει συχνότητα από 10kHz έως 25kHz, χρησιμοποιήσαμε πολλούς αγωγούς διαμέτρου 0,5mm. Για να υπολογίσομε τον αριθμό αυτών των αγωγών χρησιμοποιήθηκαν οι ακόλουθες σχέσεις: 2 2 d 3,14 (0,5 mm) A mm

117 A cu A κλώνοι Έπειτα, υπολογίζετε ο αριθμός των στροφών. Επειδή αποδείχθηκε ότι η πυκνότητα μαγνητικής ροής περιορίζεται από τον κορεσμό, ο αριθμός των στροφών υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση: 6 L Ipk ,24 N 35στροφές A B , c m Τέλος, απομένει ο υπολογισμός του διακένου ώστε να ολοκληρωθεί η μελέτη για τον υπολογισμό των πηνίων εξόδου. Για ένα διάκενο σε πυρήνα τύπου διπλού Ε ισχύει: 6 Ae g 2,78mm Ae Bmax d 0 pk 6 ( ) 521, , 28 (0, 02 0, 0274) 7 Ng , 24 2 Όπου: Α e, (α+d): διαστάσεις του πυρήνα Ν g : ο αριθμός των κατανεμημένων διακένων. Για πυρήνα διπλού Ε είναι Ν g =2. Άρα, αφού Σ g =2,78mm σημαίνει ότι g=σ g /N g =2,78/2=1,39mm μήκος διακένου. Με όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά, λοιπόν, κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο δύο πηνία προσπαθώντας να είναι όσο γίνεται πιο όμοια μεταξύ τους. Το φίλτρο εξόδου, δηλαδή τα δυο πηνία και ο πυκνωτής, απεικονίζονται στο σχήμα ΜΟΝΑΔΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Σχήμα 7.13: Φίλτρο εξόδου Η5 αντιστροφέα Για την παροχή της απαραίτητης ισχύος σε όλα τα κυκλώματα των προηγούμενων μονάδων, χρειάστηκε να κατασκευάσουμε και μια τελευταία μονάδα, τη μονάδα τροφοδοσίας. Αυτή αποτελείται από τέσσερα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης, κάθε ένα 103

118 από τα οποία σχεδιάζεται να τροφοδοτεί διάφορα τμήματα του συνολικού συστήματος που μελετάται. Αρχικά, κατασκευάσθηκε τροφοδοτικό συνεχούς τάσης δύο ακροδεκτών, +5V και γείωσης, το οποίο τροφοδοτεί το ολοκληρωμένο 74HCT541 καθώς και τα pins τροφοδοσίας του μικροελεγκτή dspic30f4011 (V dd, V ss ). Ένα δεύτερο τροφοδοτικό συνεχούς τάσης τεσσάρων ακροδεκτών, +5V, +12V, - 12V και γείωσης, τροφοδοτεί τους ακροδέκτες αναφοράς των αναλογικών εισόδων του μικροελεγκτή (AV dd, AV ss ) έχοντας, επίσης, δυνατότητα τροφοδότησης πλακέτας μετρητικών για μελλοντική χρήση αν χρειαστεί. Η γείωση των δυο παραπάνω τροφοδοτικών είναι κοινή. Ακόμη, κοινή με την παραπάνω γείωση είναι και αυτή του πρωτεύοντος των ολοκληρωμένων 6N137 (optocouplers) καθώς πρέπει να διαφέρει από αυτή του δευτερεύοντος ώστε να επιτευχθεί η ηλεκτρική απομόνωση του κυκλώματος ελέγχου από το κύκλωμα ισχύος. Ακόμη ένα τροφοδοτικό κατασκευάσθηκε για την παλμοδότηση των ολοκληρωμένων που βρίσκονται στην πλακέτα ισχύος και αφορούν τους παλμούς των τεσσάρων ημιαγωγικών στοιχείων εκτός του πέμπτου στοιχείου που θα περιγραφεί στην επόμενη παράγραφο. Πρόκειται για τροφοδοτικό συνεχούς τάσης με τρεις ακροδέκτες, +5V, +15V και γείωσης, το οποίο τροφοδοτεί το δευτερεύον των ολοκληρωμένων 6N137 και τον αντιστροφέα 74HCT04 με +5V, ενώ επίσης τροφοδοτεί τους δυο ενισχυτές οδήγησης παλμών (IR2113) με +5V και +15V. Πρέπει να επισημανθεί ότι το δευτερεύον των 6N137 γειώνεται σε αυτό το τροφοδοτικό όπως επίσης ο αντιστροφέας (74HCT04) καθώς και οι ενισχυτές παλμών (IR2113). Τέλος, απομένει η τροφοδοσία του κυκλώματος ελέγχου του πέμπτου στοιχείου (S5) του αντιστροφέα Η5. Το ημιαγωγικό αυτό στοιχείο δεν είναι γειωμένο, όπως συμβαίνει με τα δύο κάτω στοιχεία κάθε κλάδου (S2, S4), ούτε βρίσκεται σε κάποιον κλάδο ούτως ώστε να μπορεί να παλμοδοτηθεί με το ολοκληρωμένο IR2113, όπως τα δυο πάνω στοιχεία κάθε κλάδου (S1, S3). Συνεπώς, απαιτείται για την τροφοδότησή του κυκλώματος ελέγχου του ένα ακόμη τροφοδοτικό με διαφορετική γείωση από αυτή του τροφοδοτικού που περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο, διότι σε διαφορετική περίπτωση θα δημιουργούταν βραχυκύκλωμα μεταξύ του εκπομπού του πέμπτου στοιχείου και των εκπομπών των ημιαγωγικών στοιχείων στο κάτω μέρος των κλάδων (S2, S4), καθώς οι εκπομποί (emitters) των δυο αυτών ημιαγωγικών στοιχείων θα γειώνονταν στο ίδιο τροφοδοτικό, με αποτέλεσμα τη λανθασμένη λειτουργία του αντιστροφέα Η5. Για το λόγο αυτό κατασκευάσθηκε ένα τέταρτο τροφοδοτικό συνεχούς τάσης τριών ακροδεκτών, +5V, +15V και γείωσης, το οποίο τροφοδοτεί το δευτερεύον τον απομονωτή 6Ν137 του παλμού του πέμπτου στοιχείου με +5V και το ολοκληρωμένο ενίσχυσης παλμού ICL7667 με +15V. Το δευτερεύον του απομονωτή (optocoupler) καθώς και το ICL7667 γειώνονται σε αυτό το τροφοδοτικό. Για την κατασκευή ενός τροφοδοτικού συνεχούς τάσης έχοντας ως τάση εισόδου την τάση του δικτύου χαμηλής τάσης ακολουθούμε την εξής διαδικασία. Αρχικά, με ένα μετασχηματιστή υποβιβάζουμε το επίπεδο της τάσης του δικτύου, έπειτα με μια ανορθωτική γέφυρα διόδων ανορθώνουμε την εναλλασσόμενη αυτή τάση 104

119 τροφοδοτώντας με αυτή την είσοδο ενός ολοκληρωμένου (σταθεροποιητή τάσης) το οποίο στην έξοδό του παράγει μια σταθερή τάση προεπιλεγμένης τιμής. Η έξοδος του ολοκληρωμένου αυτού αποτελεί την έξοδο του τροφοδοτικού μας. Για μεγαλύτερη εξομάλυνση της συνεχούς τάσης εισόδου και εξόδου του ολοκληρωμένου αυτού τοποθετούνται παράλληλα τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδό του δυο πυκνωτές παράλληλοι μεταξύ τους. Πρόκειται για έναν ηλεκτρολυτικό χωρητικότητας 2200 μf και τάσης 25V, καθώς και ένα πυκνωτή πολυεστέρα (ΜΚΤ) χωρητικότητας 1μF και τάσης 25V. Τέλος, για την οπτική επιβεβαίωση της λειτουργίας του τροφοδοτικού, τοποθετήσαμε παράλληλα με τις εξόδους λαμπτήρες χαμηλής ισχύος τύπου LED σε σειρά με μια αντίσταση που περιορίζει το ρεύμα που τα διαρρέει ώστε να μην καταστραφούν. Τα κυκλώματα των τροφοδοτικών είναι παρόμοια μεταξύ τους και οι διαφορές τους έγκειται στον μετασχηματιστή, στο σταθεροποιητικό τάσης και στην αντίσταση που τοποθετείται σε σειρά με κάθε LED. Για το τροφοδοτικό των 5V χρησιμοποιήσαμε μετασχηματιστή 220V/6V, για το τροφοδοτικό των 12V μετασχηματιστή 220V/12V, ενώ για το τροφοδοτικό των 15V μετασχηματιστή 220V/15V. Οι αντιστάσεις σε σειρά με τα LED ήταν 270Ω, 660Ω και 820Ω αντίστοιχα. Τα σταθεροποιητικά τάσης που χρησιμοποιήθηκαν είναι το LM7805 για την τάση των 5V, το LM7812 για την τάση των +12V, το LM7912 για την αρνητική τάση των -12V και το LM7815 για την τάση των +15V. Στο σχήμα 7.14 παραθέτουμε το σχηματικό διάγραμμα για ένα από τα δυο τροφοδοτικά των +5V, +15V, GND και στο σχήμα 7.15 απεικονίζεται η μονάδα τροφοδοσίας που κατασκευάσθηκε. Σχήμα 7.14: Σχηματικό διάγραμμα τροφοδοτικού +5V, +15V, GND 105

120 Σχήμα 7.15: Πλακέτα τροφοδοσίας 106

121 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 8.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Στο κεφάλαιο αυτό παραθέτομε τις μετρήσεις που πάρθηκαν από τη διάταξη που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο, ώστε να επαληθεύσομε και να σχολιάσομε τα αποτελέσματα σε σχέση με τη θεωρητική ανάλυση και τις προσομοιώσεις. Το σύστημά μας, που φαίνεται στο σχήμα 8.1, είχε σαν είσοδο μια μεταβλητής τάσης πηγή τροφοδοσίας, η οποία ρυθμίστηκε ώστε να παρέχει σταθερή συνεχή τάση που κυμαίνεται από 0 V έως 420 V και να μπορεί να παρέχει όση ισχύ έχει ανάγκη το φορτίο μας. Στη θέση του φορτίου χρησιμοποιήθηκαν αντιστάσεις υψηλής ισχύος μέσω των ρυθμίζοντας την τιμή τους μεταβάλλεται η ισχύς του φορτίου καθώς όπως είναι γνωστό ισχύει η σχέση: (8.1) Σχήμα 8.1: Πειραματική διάταξη Η5 αντιστροφέα Έτσι, διατηρώντας σχεδόν σταθερή την τάση εξόδου και μεταβάλλοντας την αντίσταση του φορτίου μπορούμε να μεταβάλλομε και την ισχύ που απαιτεί το φορτίο. Να αναφέρομε σε αυτό το σημείο ότι πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για διάφορες τιμές αντίστασης εξόδου R L όπως θα φανεί και παρακάτω. 107

122 Αναφέραμε προηγουμένως ότι διατηρήσαμε την τάση στην έξοδο του Η5 αντιστροφέα σχεδόν σταθερή. Λέγοντας αυτό εννοούμε ότι η είσοδος του αντιστροφέα ήταν σταθερά μια συνεχής τάσης εύρους 0 V V και ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους παρέμενε επίσης σταθερός και ίσος με m a =0.8. Σε ένα ιδανικό αντιστροφέα, λοιπόν, η τάση στην έξοδό του θα ήταν εναλλασσόμενη με σταθερό πλάτος και θα είχε μέγιστη τιμή ίση με το γινόμενο των παραπάνω, όπως προκύπτει και από τη σχέση 4.3. Αυτό θα ίσχυε αν δεν υπήρχαν απώλειες στα ημιαγωγικά στοιχεία. Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν έχει κατασκευαστεί ημιαγωγικό στοιχείο με μηδενικές απώλειες κατά την κατάσταση αγωγής, δηλαδή με μηδενική αντίσταση αγωγής R ON. Τα στοιχεία που χρησιμοποιήσαμε έχουν αντίσταση αγωγής ίση με R ON =0.182 Ω, συνεπώς θα υπάρχουν απώλειες σε κάθε ένα από τα πέντε στοιχεία του Η5 αντιστροφέα ανάλογα με το ρεύμα που τα διαρρέει από τη σχέση: ( όταν το ρεύμα είναι συνεχές, ενώ από τη σχέση (7.4) για διακοπτικό συνεχές ρεύμα, και η πτώση τάσης πάνω σε αυτό υπολογίζεται από τη σχέση (8.3) Στη συνέχεια θα παρουσιάσομε αρχικά τα παλμογραφήματα που αποθηκεύσαμε με τη βοήθεια ψηφιακού παλμογράφου που διαθέτει το εργαστήριο και στη συνέχεια θα παρουσιάσομε μετρήσεις που έγιναν με χρήση πολυμέτρων για να παρατηρηθεί η απόδοση του συστήματος. 8.2 ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται παλμογραφήματα που πάρθηκαν από διαφορετικά μέρη της διάταξης του Η5 αντιστροφέα που κατασκευάσθηκε στο εργαστήριο. Αρχικά, στο σχήμα 8.2 απεικονίζεται η μορφή των υψίσυχνων παλμών (στην προκειμένη περίπτωση 10 khz) σε χρονικό εύρος 500 μsec που καταλήγουν στις πύλες των τριών από τα πέντε ημιαγωγικά στοιχεία. Σχήμα 8.2: Υψίσυχνοι παλμοί ημιαγωγικών στοιχείων 108

123 Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν όπως περιγράφηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο μέσω SPWM μεθόδου παλμοδότησης. Όπως φαίνεται στο σχήμα 8.2, οι παλμοί έχουν πλάτος περίπου 5 V και συχνότητα παραπλήσια των 10 khz όπως επιλέχθηκε μέσω του κώδικα με τον οποίο προγραμματίστηκε ο μικροελεγκτής. Στη συνέχεια, στο σχήμα 8.3 απεικονίζονται οι υψίσυχνοι παλμοί μαζί με τους χαμηλόσυχνους παλμούς των 50 Hz σε χρονικό εύρος 50 msec που καταλήγουν στον ένα από τους δυο κλάδους του Η5 αντιστροφέα. Σχήμα 8.3: Υψίσυχνοι και χαμηλόσυχνοι παλμοί ενός κλάδου Η5 αντιστροφέα Οι παλμοί των 50 Hz έχουν και αυτοί όπως και οι υψίσυχνοι πλάτος περίπου 5 V. Στο σχήμα 8.3 παρατηρούμε τη συμπληρωματικότητα των δυο αυτών υψίσυχνων και χαμηλόσυχνων παλμών καθώς καταλήγουν στον ίδιο κλάδο του Η5 αντιστροφέα που σημαίνει ότι η συμπληρωματική τους μορφή αποτρέπει τη βραχυκύκλωση του κλάδου παλμοδότησης. Τέλος, όσο αφορά τη μορφή των παλμών που καταλήγουν στις πύλες των ημιαγωγικών στοιχείων, στο σχήμα 8.4 παρουσιάζονται οι παλμοί που καταλήγουν στο πέμπτο ημιαγωγικό στοιχείο συγκριτικά με τους χαμηλόσυχνους παλμούς των 50 Hz. 109

124 Σχήμα 8.4: Υψίσυχνοι παλμοί πέμπτου στοιχείου σε σύγκριση με παλμούς των 50 Hz Όπως παρατηρούμε στο σχήμα 8.4 χρονικού εύρους 50 msec το πέμπτο ημιαγωγικό στοιχείο παλμοδοτείται καθ όλη τη διάρκεια μιας περιόδου με υψίσυχνους παλμούς (10 khz στην προκειμένη περίπτωση). Τα κενά διαστήματα που παρατηρούνται στους υψίσυχνους παλμούς στην αλλαγή της ημιπεριόδου οφείλονται στο «νεκρό» χρόνο (deadtime) καθώς αυτός επιλέχθηκε τέτοιος ώστε να γίνεται αντιληπτό μέσω των παλμογραφημάτων το διάστημα παλμοδότησης του πέμπτου στοιχείου. Στις μετρήσεις ισχύος ο χρόνος αυτός περιορίστηκε από το 1 ms περίπου, που είναι στο σχήμα 8.4, σε χρονικό διάστημα της τάξεως των λίγων μsec. Στο σημείο αυτό, αφού παρουσιάστηκε η μορφή των παλμών που καταλήγουν στα ημιαγωγικά στοιχεία, παρουσιάζονται τα παλμογραφήματα που αφορούν τάσεις και ρεύματα ισχύος. Οι τάσεις παρουσιάζονται με πράσινο χρώμα ενώ τα ρεύματα με γαλάζιο. Αρχικά, στο σχήμα 8.5 παρουσιάζεται στο ίδιο παλμογράφημα η τάση εξόδου πριν το φίλτρο καθώς και η τάση εξόδου μετά το φίλτρο (τάση φορτίου) για ωμικό φορτίο 10 Ω περίπου. 110

125 Σχήμα 8.5: Τάση εξόδου αντιστροφέα Η5 πριν και μετά το φίλτρο εξόδου Στο παραπάνω σχήμα παρατηρούμε τη μονοπολική μορφή της τάσης εξόδου του αντιστροφέα Η5 πριν το φίλτρο που προκύπτει από την υβριδική παλμοδότηση των ημιαγωγικών του στοιχείων. Στο σχήμα 8.6 που ακολουθεί, παρουσιάζεται στο ίδιο παλμογράφημα η τάση εξόδου του Η5 αντιστροφέα μετά το κατωδιαβατό φίλτρο εξόδου καθώς και το ρεύμα εξόδου που αφορούν φορτίου εξόδου των 10 Ω περίπου. Σχήμα 8.6: Τάση και ρεύμα εξόδου Η5 αντιστροφέα με R L =10Ω Η τάση εξόδου μετά το φιλτράρισμα που υπέστη από το κατωδιαβατό φίλτρο των δυο πηνίων και του ενός πυκνωτή έχει ημιτονοειδή μορφή όπως φαίνεται στο σχήμα 8.6. Εφόσον πρόκειται για ωμικό φορτίο το ρεύμα εξόδου (ρεύμα φορτίου) του Η5 αντιστροφέα ακολουθεί την τάση εξόδου έχοντας όπως είναι φυσικό από τον νόμο του Ohm (I=V/R) μικρότερο πλάτος. 111

126 Παρατηρώντας πιο προσεκτικά το σχήμα 8.6 φαίνεται να υπάρχει μια διαφορά φάσης ανάμεσα σε κυματομορφή τάσης και ρεύματος. Συγκεκριμένα, φαίνεται το ρεύμα να προηγείται της τάσης πράγμα που σημαίνει ότι το φορτίο είναι ωμικο-χωρητικό(!). Αυτό ίσως οφείλεται σε μη ακριβή μέτρηση του probe ρεύματος που χρησιμοποιήθηκε καθώς η αντίσταση που χρησιμοποιήθηκε ως φορτίο στο εργαστήριο περιέχει λίγη επαγωγή όχι όμως χωρητικότητα συνεπώς δεν είναι υπεύθυνη για το συμβάν αυτό. Στο Σχήμα 8.7 απεικονίζεται η ανάλυση Fourier (FFT) της τάσης έξοδου του αντιστροφέα μετά το φίλτρο όπως πραγματοποιήθηκε από τον ψηφιακό παλμογράφο. Σχήμα 8.7 Αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου το αντιστροφέα Η5 μετά το φίλτρο Αξιοσημείωτο γεγονός στη λειτουργία του αντιστροφέα Η5 είναι η μεταβολή της μορφής της τάσης εξόδου που παρατηρείται όταν αυξάνεται η αντίσταση εξόδου (R L φορτίο). Στο σχήμα 8.8 παρατηρείται η διαφοροποίηση της κυματομορφής της τάσης εξόδου μετά το φίλτρο με μεγαλύτερο φορτίο. Σχήμα 8.8: Τάση και ρεύμα εξόδου Η5 αντιστροφέα με R L =38.5Ω 112

127 Παρατηρούμε ότι αυξάνοντας το φορτίο εξόδου R L η μορφή της τάσης εξόδου είναι λιγότερο ημιτονοειδής σε σχέση με πριν όπως φαίνεται και στο σχήμα 8.8. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται σε μεγαλύτερη ένταση στο σχήμα 8.9 που ακολουθεί. Σχήμα 8.9: Τάση και ρεύμα εξόδου Η5 αντιστροφέα με R L =84Ω Στην περίπτωση αυτή παρατηρείται ακόμη μεγαλύτερη παραμόρφωση του ημιτόνου της τάσεως εξόδου μετά το φίλτρο του Η5 αντιστροφέα (σχήμα 8.9). Εκτός από την παραμόρφωση της τάσης εξόδου παρατηρείται παραμόρφωση και στο ρεύμα εξόδου το οποίο και αυτό παραμορφώνεται με διαφορετικό τρόπο καθώς αυξάνεται το φορτίο εξόδου. Όπως γίνεται αντιληπτό περαιτέρω αύξηση του φορτίου εξόδου προκαλεί ακόμη μεγαλύτερη παραμόρφωση των δυο αυτών μεγεθών. Το φαινόμενο αυτό παύει να υφίσταται εφαρμόζοντας τη διαφοροποιημένη παλμοδότηση (κεφάλαιο 5) για την ορθή λειτουργία του αντιστροφέα Η5 με ωμικο-επαγωγικό φορτίο. Όπως ειπώθηκε στο κεφάλαιο 5, για ωμικό-επαγωγικό φορτίο εξόδου η τάση εξόδου του φορτίου (πράσινο χρώμα) εμφανίζει κάποια διακροτήματα στην κυματομορφή της. Η μορφή της, για τιμές φορτίου R=10 Ω, L=50 mh, παρουσιάζεται στο σχήμα

128 Σχήμα 8.11: Τάση (πράσινο) και ρεύμα (μωβ) ωμικό-επαγωγικού φορτίου Στο σχήμα 8.12 που ακολουθεί, απεικονίζεται το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης αυτής κοντά στη βασική αρμονική συχνότητα των 50 Hz. Όπως φαίνεται, εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές πλησίον της βασική αρμονικής η ύπαρξη των οποίων εξηγεί σε κάποιο βαθμό τη μορφή της. Σχήμα 8.12: Αρμονικό περιεχόμενο τάσης εξόδου ωμικο-επαγωγικού φορτίου πριν τη διαφοροποίηση στην παλμοδότηση των στοιχείων Αλλάζοντας την παλμοδότηση, με τον τρόπο που περιγράφηκε στο κεφάλαιο 5, οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος αποκτά ημιτονοειδή της μορφή όπως αυτή φαίνεται στο σχήμα

129 Σχήμα 8.13: Τάση και ρεύμα ωμικό-επαγωγικού φορτίου με διαφοροποιημένη παλμοδότηση Στην κυματομορφή του παραπάνω σχήματος παρατηρείται η διαφορά φάσης τάσης και ρεύματος φορτίου η οποία περιγράφει την επαγωγική του φύση, αφού η κυματομορφή του ρεύματος καθυστερεί της κυματομορφής της τάσης. Ακόμη, στο σχήμα 8.14 παρουσιάζεται το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης του σχήματος Σχήμα 8.14: Αρμονικό περιεχόμενο τάσης εξόδου ωμικο-επαγωγικού φορτίου έπειτα από τη διαφοροποίηση στην παλμοδότηση των στοιχείων 8.2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ Στον πίνακα 8.1 παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν για ωμικό φορτίου εξόδου R L =110 Ω. 115

130 Απόδοση (%) V in (V) I in (A) V o (V) I o (A) P in (W) P out (W) n (%) 50 0,7 30,5 0, ,6 81,9 80 1,2 52 1, ,5 81, ,5 65,9 1, ,5 85, ,8 80,3 2, ,9 90, , ,08 349,5 314,1 89, , , ,3 91, , , ,5 90, , , ,3 90, , , ,7 89, , , ,6 1175,3 93, , , ,9 92,8 Πίνακας 8.1: Πίνακας μετρήσεων για ωμικό φορτίο εξόδου R L =110Ω Στο σχήμα 8.10 που ακολουθεί παρουσιάζεται το γράφημα της απόδοσης του αντιστροφέα συναρτήσει της ισχύος εισόδου. ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος ός τύπος -Γενικός τύπος Γενικός τύπος Γενικός τύπος Γενικός τύπος Γενικός τύπος Γενικός τύπος Γενικός τύπος Γενικός τύπος Γενικός τύπος Ισχύς Εισόδου (W) Σχήμα 8.10: Απόδοση αντιστροφέα Η5 συναρτήσει ισχύος εισόδου 8.3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε η μελέτη και η κατασκευή του αντιστροφέα Η5 ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Έγινε προσπάθεια διασαφήνισης των λόγων που τον καθιστούν καταλληλότερο σε σχέση με άλλες τοπολογίες αντιστροφέων σε μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση. Ακόμη, περιγράφηκε η λειτουργία του αντιστροφέα Η5 και ιδιαιτέρως η υβριδική παλμοδότηση των ημιαγωγικών του στοιχείων η οποία διαφέρει από την κλασική μέθοδο spwm. Έγινε προσπάθεια να γίνουν κατανοητά τα προβλήματα που δημιουργούνται και τα οποία χρήζουν ιδιαίτερης στις τοπολογίες χωρίς 116

131 μετασχηματιστή σε μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση, ώστε να εξασφαλιστεί αρχικά η ανθρώπινη προστασία κι έπειτα η ορθή λειτουργία του συστήματος. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η σύγκριση του αντιστροφέα με την τοπολογία του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας από όπου διαπιστώθηκε η υπεροχή του. Όσο αφορά την κατασκευή του αντιστροφέα Η5, μεγάλο ενδιαφέρον παρουσίασε το κύκλωμα ελέγχου των παλμών του, λόγω της υβριδικής μεθόδου spwm και ιδιαίτερα η παλμοδότηση του πέμπτου ημιαγωγικού στοιχείου καθώς και των δυο χαμηλόσυχνων στοιχείων, από όπου εξάγαμε σημαντικά συμπεράσματα. Κατά την πειραματική διαδικασία διαπιστώθηκε αρχικά η ορθή λειτουργία του αντιστροφέα Η5 με ωμικό φορτίο και εν συνεχεία με ωμικο-επαγωγικό, αφού πρωτίστως διαφοροποιήθηκε σε κάποιο βαθμό η παλμοδότηση των ημιαγωγικών του στοιχείων. Τέλος, ύστερα από μετρήσεις ισχύος που πραγματοποιήθηκαν για ωμικό φορτίο εξόδου, ο βαθμός απόδοσης του αντιστροφέα κρίνεται ιδιαίτερα ικανοποιητικός. 117

132 118

133 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Κυρίτσης Χ. Αναστάσιος : «Βέλτιστος σχεδιασμός υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών συστημάτων μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης», Διδακτορική Διατριβή, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιανουάριος [2] [3] Ivan Patrao, Emilio Figueres, Fran Gonzalez-Espin, Gabriel Garcera: «Transformerless topologies for grid-connected single-phase photovoltaic inverters», Polytechnic University of Valencia, Spain [4] Γκαρτζώνη Β. Λαμπρινή : «Ανάλυση, Σχεδιασμός και Διερεύνηση της λειτουργίας μονοφασικού φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Φεβρουάριος [5] [6] Μουλός Π. Χρήστος : «Μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή ηλεκτρικού μετατροπέα δυο βαθμίδων για τη διασύνδεση Φ/Β πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Τατάκης Ε. (Επιστημονικός Υπεύθυνος), Κυρίτσης Α., Κομπούγιας Ι., Νανάκος Α., "Τεχνοοικονομική σύγκριση και ανάπτυξη βέλτιστων υψίσυχνων μονοφασικών μετατροπέων, ενσωματωμένων σε φωτοβολταϊκά πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου, για άμεση διασύνδεση με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας", Ενδιάμεση αναλυτική έκθεση προόδου του φυσικού αντικειμένου του ερευνητικού έργου, ΠΕΝΕΔ 2003, Κωδ. Έργου 03ΕΔ400, Μέτρο 8.3, Χρηματοδότηση: Ευρωπαϊκή Ένωση, Ελληνικό Δημόσιο (Γ.Γ.Ε.Τ.), ANCO S.A., Energy Solutions S.A., Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, πανεπιστήμιο Πατρών, Δεκέμβριος [14] Α. Κυρίτσης, Ι. Κομπούγιας, Ν. Παπανικολαόυ, Ε. Τατάκης, Π. Σταύρου : «Διερεύνηση των Λειτουργικών Χαρακτηριστικών Μονοφασικών Μετατροπέων για την Άμεση Διασύνδεση Φωτοβολταϊκών Γεννητριών με το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης των Αστικών Περιοχών», Πανεπιστήμιο Πατρών, 119

134 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. [15] F.Blaabjerg, F.Iov, T.Terekes, R.Teodorescu, K.Ma : «Power Electronics Key Technology for Renewable Energy Systems», Aalborg University, Institute of Energy Technology. [16] J.M.A. Myrzik, M. Calais : «String and Module Integrated Inverters for Single- Phase Grid Connected Photovoltaic Systems A Review». [17] Jiri Stach : «PV transformerless inverter topology simulation using Simulink and SimPowerSystems graphical environment», Ph.D student, VSB-Technical University of Ostrava, Czech Republic. [18] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez : «Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems», Wiley-IEEE Press, January [19] Ν. Mohan, Τ. Undeland, W. Robbins, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», ΤΖΙΟΛΑ [20] Wensong Yu, Jih-Sheng Lai, Hao Qian, Chris Hutchens, Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University Blacksburg, VA, USA Jianhui Zhang, Gianpaolo Lisi, Ali Djabbari, Greg Smith, Tim Hegarty, National Semiconductor Corporation Santa Clara, CA, USA : «High-Efficiency Inverter with H6-Type Configuration for Photovoltaic Non-Isolated AC Module Applications». [21] Microchip, dspic30f4011 datasheet, [22] Γρυπαίος Δ. Παναγιώτης : «Διερεύνηση της λειτουργίας και κατασκευή μονοφασικού αντιστροφέα για διασύνδεση ανεμογεννήτριας μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης», Διπλωματική Εργασία Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Νοέμβριος [23] «Bootstrap Component Selection for Control IC s», Design Tip by IOR. [24] Καλογεροπούλου Α. Μαργαρίτα : «Μελέτη και κατασκευή μετατροπέα για χρήση σε σύστημα διασύνδεσης Φ/Β γεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιανουάριος [25] Datasheet, Ε65/32/27 - E cores and accessories, Ferroxcube. [26] [27] Claude Morris: «Grid-connected Transformerless Single-phase Photovoltaic Inverters: An Evaluation on DC Current Injection and PV Array Voltage Fluctuation», Murdoch University, Perth, Western Australia [28] Matthias Victor, Frank Greizer, Sven Bremicker, Uwe Hubler : «Method of converting a direct current voltage from a source of direct current voltage, more specifically from a photovoltaic source of direct current voltage, into a alternating current voltage», US 2005/ , United States Patent Application Publication 120

135 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ IGBTs 121

136 122

137 IR

138 124

139 ICL

140 126

141 74HCT

142 128

143 129

144 6N

145 131