Περίληψη. 1. Εισαγωγή

Transcript

1 Σχεδιασμός και κατασκευή ηλεκτρονικού μετατροπέα υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων για εφαρμογή σε ηλεκτροκίνητο σκάφος Νικόλαος Βασίλειος Σάββας *τελειόφοιτος φοιτητής, **υποψήφιος διδάκτορας, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πολυτεχνική Σχολή, Πανεπιστήμιο Πατρών Περίληψη Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και η κατασκευή του ηλεκτροκινητηρίου συστήματος ενός ηλεκτρικού σκάφους. Πραγματοποιήθηκαν επίσης μία σειρά από τεχνικές επεμβάσεις ώστε να μετατραπεί ένα απλό σκάφος σε ηλεκτροκίνητο. Στην εποχή μας τα ηλεκτρικά σκάφη και η ηλεκτρική πρόωση αποτελούν κομμάτι των ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Τα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς αποτελούν πιθανή λύση στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση στον τομέα των μεταφορών καθώς και στα ενεργειακά και περιβαλλοντικά προβλήματα που αυτή προκαλεί. Ο υψηλός βαθμός απόδοσης των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, το υψηλό επίπεδο ελέγχου μέσω των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που προσφέρει ευκινησία σε ένα σκάφος, η έλλειψη θορύβουδιαταραχών και η απουσία ρύπανσης μας οδηγούν στη χρήση των ηλεκτρικών σκαφών και της ηλεκτρικής πρόωσης όλο και περισσότερο στις μέρες μας. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή για πρακτικούς λόγους αλλά και για λόγους ασφάλειας οδηγηθήκαμε στην επιλογή κινητήρα συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) μονίμου μαγνήτη χαμηλής τάσης 24V. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλή τιμή ρεύματος για την επίτευξη της απαιτούμενης ισχύος 1,5kW. Για αυτό το λόγο επιλέχθηκε ο ηλεκτρονικός μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων, ο οποίος έχει την δυνατότητα διαχείρισης υψηλών τιμών ρεύματος. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας αποτελείται από 4 παράλληλους κλάδους, λειτουργεί στην συνεχή αγωγή και υποβιβάζει την τάση των 36V σε 0-24V για τον έλεγχο των στροφών του κινητήρα, ο οποίος έχει ονομαστικό ρεύμα 78A. 1. Εισαγωγή Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα αποτελείται από τον κινητήρα Σ.Ρ. μονίμου μαγνήτη οποίος μεταδίδει την κίνηση μέσω ιμάντα στον άξονα της προπέλλας (σχ. 1). σχ.1. Τοπολογία συστήματος Η ισχύς του συστήματος παρέχεται από 3 συσσωρευτές 12V συνδεδεμένους σε σειρά (36V). Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος που κατασκευάστηκε ελέγχει τις στροφές του κινητήρα συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) του ηλεκτρικού σκάφους (σχ.2). σχ. 2. Τοπολογία μετατροπέα

2 2. Ναυπηγικά στοιχεία σκάφους και επιλογή ηλεκτρικού κινητήρα Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα ναυπηγικά χαρακτηριστικά του σκάφους. Μέγεθος Σύμβολο Μονάδες Ταχύτητα V=3,09 m/sec Επιτάχυνση της βαρύτητας g=9,81 m/sec 2 Μέσο πλάτος στο 70% του μήκους Β=0,9 m Βάρος - Εκτόπισμα W=224 Kp Πυκνότητα νερού ρ=104,69 Kp sec 2 /m 4 Κέντρο βάρους L G =1,1 m Κέντρο πιέσεων L p=1,1 m Δυναμική διαγωγή τ μοίρες Γωνία ανύψωσης πυθμένα β=10 μοίρες Κινηματική συνεκτικότητα ν=1,054*10-6 m 2 /sec Πίνακας 1. Ναυπηγικά στοιχεία σκάφους Με βάση τα παραπάνω δεδομένα και χρησιμοποιώντας την σύντομη μέθοδο Savitsky [2] (Πίνακας 2) υπολογίσαμε την απαιτούμενη ισχύ ώστε το σκάφος να κινείται με την ταχύτητα των 6 κόμβων (3,09 m/s), οι υπολογισμοί παρατίθενται μέσα στον πίνακα. Υπολογίστηκε ότι η συνολική αντίσταση ρυμουλκήσεως ισούται με D=29,06 kp. Ισχύει: e.h.p.=d*v/75 = 1,2hp, όπου e.h.p. η ιπποδύναμη ρυμουλκήσεως. Θεωρώντας ένα βαθμό απόδοσης 60% λόγω τριβών στα διάφορα μέρη που απαρτίζουν το σύστημα (ιμάντας, άξονας, έλικα κλπ) επιλέγουμε κινητήρα με ισχύ: Ps=1,2/0,6 = 2hp. Ο κινητήρας που χρησιμοποιήθηκε είναι Σ.Ρ. μόνιμου μαγνήτη με ονομαστικά χαρακτηριστικά: P=1,5kW, V=24V, I=78Α, rpm=3000min -1, η=82,7% ΙP44. Α/Α Μέγεθος ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΧΕΣΗ 1 F B Αριθμός Froude με βάση το πλάτος Συντελ. άνωσης 2 C Lβ πρισματικού σκάφους 3 C Lo Συντελ. άνωσης επίπεδης πλάκας 4 L p /B Κέντρο πιέσεων ως προς το πλάτος 5 λ Λόγος μέσου βρεχ. μήκους προς πλάτος 6 C Lo /τ 1.1 Μειωμένος συντελ. επίπεδης πλάκας 7 τ Δυναμική διαγωγή 8 C Ld 9 V m 10 Δλ 11 λ F Συντελ. δυναμικής άνωσης C Ld = λ 1/2 τ * β ( λ 1/2 τ 1.1 ) 0.6 Μέση ταχύτητα πυθμένα Διόρθωση λόγου βρεχόμενου μήκους λόγω αφρού Λόγος βρεχόμενου μήκους τριβής F B =V/ gb F B =1,04 C Lβ = W/(0.5ρV 2 B 2 ) C Lβ =0,55 C Lo =0,62 L p /B=1,2 λ=2,8 C Lo /τ 1.1 =0,080 τ=6,4 o C Ld =0,134 V (1 - C Ld / (λ cosτ)) 1/2 V m =3,015 m/s Δλ=0 λ F = λ=2,8 12 Re Αριθμός Reynolds Re = V m (B λ F ) /v Re=7,2* C F Συντελεστής τριβής CF = / (log 10 Re) 2.58 Για < Re < CF = 3,17*10 14 ΔC F 15 S F Συντελ. συσχετίσεως ΑΤΤC Βρεχόμενη επιφάνεια τριβής 16 D F Αντίσταση τριβής 17 D Αντίσταση ΔC F =0,0004 S F = λ F B 2 / cosβ S F =2,3 2 D F = 0.5 ρ V m S F (C F + ΔC F ) D F =3,91 D = Wtanτ+D F /cos τ D=29,06 Πίνακας 2. Σύντομη μέθοδος Savitsky [2]

3 3. Ανάλυση μετατροπέα υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων Το σχ. 3 παριστάνει την τοπολογία του μετατροπέα της εφαρμογής, ο οποίος αποτελείται από 4 κανάλια. Κάθε κανάλι αποτελείται από ένα IGBT, μία δίοδο ισχύος και ένα πηνίο εξομάλυνσης. Στην είσοδο του μετατροπέα υπάρχει ένα LC φίλτρο και στην έξοδο ένας πυκνωτής ο οποίος παίρνει την εναλλασσόμενη συνιστώσα του ρεύματος εξόδου. σχ. 4. Παλμοί έναυσης των IGBTs Ο μετατροπέας δουλεύει στην συνεχή κατάσταση αγωγής, δηλαδή δεν έχουμε διαστήματα μηδενισμού στα ρεύματα των πηνίων. Ακολουθεί η εξομοίωση του μετατροπέα με το πρόγραμμα PSpice για ωμικό φορτίο με χαρακτηριστικά: Τάση εισόδου Vin = 36V Τάση εξόδου Vout = 0-24V Ρεύμα εξόδου Ιout_max = 80A Duty cycle δ = 66% (Vout=20,5V) Ν=4, πηνία επαγωγής L = 100μH Συχνότητα λειτουργίας f = 20kHz Μέγιστη ισχύς Pmax = 2kW σχ. 3. Σχηματικό dc/dc μετατροπέα με διαδοχική αγωγή 4 κλάδων Η χρήση Ν=4 διαφορετικών καναλιών έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα. Το συνολικό ρεύμα μοιράζεται εξίσου σε κάθε κανάλι, έτσι μειώνονται οι απώλειες αγωγής (Ι 2 *R on ) των ημιαγωγικών στοιχείων. Η μείωση αυτών των απωλειών είναι ανάλογη με τον αριθμό των παράλληλων καναλιών Ν. Στη περίπτωσή μας έχουμε 4 φορές λιγότερες απώλειες αγωγής από έναν κλασσικό μετατροπέα υποβιβασμού τάσης (τύπου buck). Ωστόσο προσθέτοντας κανάλια, αυξάνονται οι διακοπτικές απώλειες, βέβαια στην συγκεκριμένη εφαρμογή λόγω της συχνότητας λειτουργίας των 20kHz οι απώλειες αυτές είναι σχετικά μικρές σε σχέση με τις απώλειες αγωγής. Η κυμάτωση του ρεύματος εξόδου μειώνεται αρκετά σε σχέση με τον κλασσικό μετατροπέα υποβιβασμού τάσης (buck) (σχ. 6). Τα παράλληλα κανάλια μας επιτρέπουν να διαχειριστούμε μεγάλες τιμές ρεύματος. Τα κανάλια άγουν διαδοχικά (interleaved converter). Η διαφορά φάσης μεταξύ των καναλιών είναι 360 ο /Ν = 90 ο. Οι κυματομορφές των παλμών έναυσης των IGBTs φαίνονται στο σχ. 4. Στο σχ. 5 φαίνονται το ρεύματα στα πηνία για κάθε κανάλι. Η διαφορά φάσης των ρευμάτων είναι 90 ο (360 ο /4). σχ. 5. Ρεύματα πηνίων σε καθένα από τα 4 κανάλια Στο σχ. 6 φαίνεται το άθροισμα των ρευμάτων των πηνίων, το οποίο έχει τετραπλάσια συχνότητα, f = 4 x 20 = 80kHz, όπως προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό των 4 καναλιών με την συχνότητα

4 λειτουργίας. Η αύξηση αυτή της συχνότητας μας οδηγεί στην επιλογή μικρότερης τιμής χωρητικότητας για τον πυκνωτή εξόδου. Παρατηρούμε ότι έχουμε αρκετά μικρότερη κυμάτωση στο ρεύμα σε σχέση με τον κλασσικό μετατροπέα. σχ. 8. Τάση και ρεύμα στην έξοδο του μετατροπέα σχ. 6. Συνολικό ρεύμα πριν τον πυκνωτή εξόδου Στο σχ. 9 φαίνεται το ρεύμα πριν το φίλτρο εισόδου LC. Το φίλτρο χρησιμοποιείται ώστε να μην καταπονούνται οι συσσωρευτές με τα παλμικά ρεύματα που δημιουργεί ο μετατροπέας. Στο σχ. 7 φαίνεται το ρεύμα στον πυκνωτή εξόδου με κυμάτωση 840mA. Η μορφή του ρεύματος αυτού είναι ίδια με αυτήν του σχ.6, με μέση τιμή μηδέν. σχ. 9. Ρεύμα πριν το φίλτρο εισόδου σχ. 7. Ρεύμα πυκνωτή εξόδου Στο σχ. 8 φαίνονται το ρεύμα και η τάση στην έξοδο του μετατροπέα με τιμές Iout = 76A και Vout = 20,5V. 4. Πειραματικά αποτελέσματα μετατροπέα υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων Στα σχ. 10 και σχ. 11 φαίνεται ο μετατροπέας που κατασκευάστηκε. Μπορεί κάποιος να διακρίνει τα 4 παράλληλα κυκλώματα ισχύος που απαρτίζουν το μετατροπέα. Στο σχ. 11 φαίνονται επίσης και τα πηνία εξομάλυνσης που υπολογίστηκαν και κατασκευάστηκαν με L = 100μΗ ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί στη συνεχή αγωγή. Οι μετρήσεις έγιναν για ωμικό φορτίο, σχ. 12. Το φορτίο αποτελείται από έναν παράλληλο συνδυασμό λαμπτήρων και μας δίνει τη δυνατότητα να διαχειριστούμε τιμές ρεύματος, μέχρι 60Α.

5 Η παλμοδότηση των IGBTs έγινε με τη χρήση του μικροελεγκτή dspic30f2020 (Microchip), ο οποίος διαθέτει 4 ανεξάρτητες PWM εξόδους (σχ. 13). σχ. 10. Μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων σχ. 13. Πλακέτα μικροελεγκτή Στο σχ. 14 φαίνεται η τάση V GE στο IGBT, με λόγο κατάτμησης δ = 45%. Στο σχ. 15 φαίνεται το ρεύμα πηνίου σε ένα από τα N = 4 κανάλια και στο σχ. 16 τα ρεύματα πηνίων των 4 καναλιών. Όπως φαίνεται η διαφορά φάσης μεταξύ τους είναι 90 ο. Στο σχ. 17 φαίνεται η εξομαλυμένη τάση εξόδου, όμοια είναι και η μορφή του ρεύματος εξόδου λόγου του ωμικού φορτίου. σχ. 11. Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος και πηνία εξoμάλυνσης L=100μΗ Τάση εισόδου Vin = 36V Ρεύμα εισόδου Ιin = 23,6A Τάση εξόδου Vout = 14,7V Ρεύμα εξόδου Ιout = 54.8A(N*13.7, σχ. 15) Duty cycle δ = 45% Βαθμός απόδοσης η = (Vout* Ιout)/ (Vin *Ιin) η = 94,8% σχ. 12. Ωμικό φορτίο σχ. 14. Παλμός δ=45%

6 Στο σχ. 18 φαίνονται τα ρεύματα δύο διαδοχικών πηνίων για λόγο κατάτμησης δ = 65%. Στο σχ. 19 φαίνεται το ρεύμα εισόδου πριν το φίλτρο LC. Τάση εισόδου Vin = 36V Ρεύμα εισόδου Ιin = 11,7A Τάση εξόδου Vout = 22V Ρεύμα εξόδου Ιout = 18,6A Duty cycle δ = 65% Βαθμός απόδοσης η = (Vout* Ιout)/ (Vin *Ιin) η = 97,2% σχ. 15. Ρεύμα πηνίου σε ένα από τα 4 κανάλια (5A/div) μέσης τιμής 13.7A, για δ=45% σχ. 18. Ρεύματα πηνίων σε δύο διαδοχικά κανάλια (5A/div) για δ=65% σχ. 16. Ρεύματα πηνίων στα 4 κανάλια για δ=45% αλλά μικρότερο φορτίο σχ. 19. Ρεύμα εισόδου (5A/div) για δ=65% σχ. 17. Τάση εξόδου για δ=45%

7 5. Συμπεράσματα Σε αυτήν την εργασία αναλύεται ο ηλεκτρονικός μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή με διαδοχική αγωγή τεσσάρων κλάδων. Ο μετατροπέας εξετάστηκε αρχικά μέσω της εξομοίωσης του (PSpice) και στη συνέχεια πειραματικά πραγματοποιώντας μία σειρά από δοκιμές και μετρήσεις. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας είναι ιδανικός για φορτία που απαιτούν μεγάλες τιμές ρεύματος. Από τις δοκιμές, παρατηρούμε ότι ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα διαδοχικής αγωγής που κατασκευάστηκε, κυμαίνεται γύρω στο 95%, άρα είναι μια καλή λύση στην οδήγηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) χαμηλής τάσης (υψηλού ρεύματος). Τέτοιοι κινητήρες χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς. Ένας κινητήρας αυτού του είδους χρησιμοποιήθηκε και για την εφαρμογή στο ηλεκτροκίνητο σκάφος. Η επιλογή του κινητήρα βασίστηκε σε μια σειρά από ναυπηγικούς υπολογισμούς (σύντομη μέθοδος Savitsky [2]). Άλλη μια εφαρμογή του συγκεκριμένου μετατροπέα είναι ο υποβιβασμός της τάσης στα φωτοβολταϊκά συστήματα για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Ένας μετατροπέας διαδοχικής αγωγής υψηλής απόδοσης συντελεί στην σωστή διαχείριση της παραγόμενης, από τα ηλιακά κύτταρα, ενέργειας. Ανάλογα λοιπόν με την εφαρμογή, όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που απαιτεί το φορτίο, μπορούμε να αυξήσουμε τον αριθμό των παράλληλων καναλιών Ν. Ωστόσο η παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων με διαφορά φάσης 360 ο /Ν γίνεται περισσότερο πολύπλοκη. Σημείωση: Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών στα πλαίσια του θεσμού της διπλωματικής εργασίας. Οι συγγραφείς ευχαριστούν τον Διευθυντή του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Καθηγητή κ. Αθανάσιο Σαφάκα για την ανάθεση του θέματος και την επίβλεψη της διπλωματικής εργασίας. Ευχαριστούν τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Ε. Τατάκη για τις ιδέες του και την πολύτιμη βοήθειά του στο σχεδιασμό του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Επίσης ευχαριστούν τον Λέκτορα κ. Ε. Μητρονίκα για τις πολύτιμες συμβουλές στο σχεδιασμό του μετατροπέα. 6. Αναφορές [1] B. Destraz, P. Barrade, A. Rufer, High Efficient Interleaved Multi-channel dc/dc Converter Dedicated to Mobile Applications, Industry Applications Conference, 2006, 41st IAS Annual Meeting, Conference Record of the 2006 IEEE, 8-12 Oct. 2006, Tampa, FL. [2] Γ. Γρηγορόπουλος, Σ. Περισσάκης, Σημειώσεις Τεχνολογία Μικρών Σκαφών Ι,, ΤΕΙ Αθήνας, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Τμήμα Ναυπηγικής. [3] Ε. Κ. Τατάκης, Ηλεκτρονικά Στοιχεία Ισχύος και Βιομηχανικές Εφαρμογές, Πάτρα [4] Α. Ν. Σαφάκας, Ηλεκτρονικά Ισχύος, Θυρίστορ, Μετατροπείς, Εφαρμογές, Πάτρα [5] N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins, Ηλεκτρονικά Ισχύος, Μετατροπείς, Εφαρμογές, Σχεδίαση, Εκδόσεις Τζιόλα (Μεταφρασμένο).