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

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΠΑΠΑΘΑΝΑΣΟΠΟΥΛΟΥ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΔΙΚΥΚΛΟΥ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Ν ο /2013 Πάτρα, Ιούνιος 2013

2 ~ ii ~

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: " ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΔΙΚΥΚΛΟΥ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΠΑΠΑΘΑΝΑΣΟΠΟΥΛΟΥ (Α.Μ.: ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 27/06/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Μητρονίκας Επαμεινώνδας Επίκουρος Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής ~ iii ~

4 ~ iv ~

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2013 ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΔΙΚΥΚΛΟΥ" Φοιτητής: Παπαθανασόπουλος Δημήτριος του Αθανασίου Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Μητρονίκας Επαμεινώνδας, Επίκουρος Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία, η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, πραγματεύεται την κατασκευή ενός ηλεκτρικού δικύκλου. Σκοπός είναι η κατασκευή και ο έλεγχος ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου και συγκεκριμένα ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση ενός κατάλληλου ηλεκτροκινητήριου συστήματος σε ένα συμβατικό ποδήλατο. Αρχικά γίνεται μια σύντομη περιγραφή των συμβατικών και των ηλεκτρικών ποδηλάτων, η οποία περιλαμβάνει την ιστορική εξέλιξή τους, τα μέρη από τα οποία αποτελούνται, τους τύπους στους οποίους διακρίνονται και τα νομικά πλαίσια που διέπουν τη λειτουργία τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα, το οποίο εγκαταστάθηκε στο πλαίσιο του ποδηλάτου που παραχωρήθηκε για το σκοπό αυτό από την εταιρεία Ideal Bikes Μανιατόπουλος Α.Ε., τα κριτήρια επιλογής του κινητήρα, των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και των επιμέρους στοιχείων που το απαρτίζουν. Ακολουθεί η ανάλυση των Brushless μηχανών, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και η αρχή λειτουργίας τους. Το επόμενο βήμα είναι η θεωρητική μελέτη του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που απαιτείται για την οδήγηση του κινητήρα. Παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτροκινητήριου συστήματος μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink. Κατόπιν, περιγράφεται η κατασκευή του τριφασικού αντιστροφέα τάσης, τα στοιχεία που τον απαρτίζουν και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν. Δίνεται μια σύντομη περιγραφή του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε, των δυνατοτήτων που παρέχει αλλά και η λογική του ελέγχου που υλοποιεί. Τέλος, ακολουθούν οι πειραματικές μετρήσεις και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη λειτουργία της κατασκευής. ~ v ~

6 ~ vi ~

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής της Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του φοιτητή Παπαθανασόπουλου Δημήτρη, υπό την επίβλεψη του Επίκουρου Καθηγητή Μητρονίκα Επαμεινώνδα. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος ενός δικύκλου και συγκεκριμένα ενός ποδηλάτου. Η κίνηση του ποδηλάτου επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός Brushless DC κινητήρα, του οποίου η λειτουργία ελέγχεται μέσω ενός τυπωμένου κυκλώματος. Αναλυτικά, στο Κεφάλαιο 1, παρατίθονται μια σύντομη ιστορική αναδρομή, τα κυριότερα μέρη και οι διάφοροι τύποι ενός συμβατικού ποδηλάτου. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στην ιστορική εξέλιξη των ηλεκτρικών ποδηλάτων, στις κατηγορίες στις οποίες διακρίνονται και στην νομοθεσία που διέπει τη λειτουργία τους. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται τα κριτήρια με τα οποία έγινε η επιλογή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα, περιγράφεται ο αλγόριθμος που δημιουργήθηκε για τον υπολογισμό της ελάχιστης απαιτούμενης ισχύος του κινητήρα με βάση τις προδιαγραφές που τέθηκαν. Επιπλέον, αναλύονται διάφοροι τύποι ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που διατίθενται στο εμπόριο και είναι κατάλληλοι για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα καθώς και ο λόγος για τον οποίον επιλέχθηκαν συσσωρευτές τύπου LiFePO 4. Στο Κεφάλαιο 3, περιγράφεται ο σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη Brushless DC, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για την κίνηση του ηλεκτρικού ποδηλάτου. Αναλυτικότερα, γίνεται αναφορά στις θεμελιώδεις έννοιες του μαγνητικού πεδίου, στα υλικά και τις ιδιότητες των μόνιμων μαγνητών. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και οι διάφοροι τύποι των μηχανών Brushless, η αρχή λειτουργίας τους, οι βασικές εξισώσεις που τις περιγράφουν και το μαγνητικό ισοδύναμο. Τέλος, δίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη και οι εφαρμογές για τις οποίες ενδείκνυνται. Στο Κεφάλαιο 4, μελετώνται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος και συγκεκριμένα οι τριφασικοί αντιστροφείς τάσης. Επιπλέον, αναλύονται οι δύο βασικές μεθοδολογίες ελέγχου των τριφασικών αντιστροφέων, μέσω τετραγωνικών παλμών και μέσω διαμόρφωσης του εύρους των παλμών και τέλος η μέθοδος που θα εφαρμοστεί για την οδήγηση του κινητήρα που επιλέχθηκε. Στο Κεφάλαιο 5, παρατίθονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτροκινητήριου συστήματος μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink. Συγκεκριμένα, δίνονται οι παλμογραφήσεις τάσης και ρεύματος συναρτήσει των σημάτων των ~ vii ~

8 αισθητήρων Hall και οι τάσεις και τα ρεύματα στα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος για λόγο κατάτμησης 50%, 100% και μεταβαλλόμενο από 30% έως 100%. Στο Κεφάλαιο 6, περιγράφεται η κατασκευή του τριφασικού αντιστροφέα τάσης. Αναλυτικότερα, παρουσιάζονται τα επιμέρους κυκλώματα που τον απαρτίζουν, δηλαδή το κύκλωμα ισχύος, το κύκλωμα παλμοδότησης και το κύκλωμα ελέγχου καθώς και τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται το κάθε ένα από αυτά και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν. Στο Κεφάλαιο 7, παρουσιάζεται ο μικροελεγκτής dspic30f4011, με σύντομη αναφορά στην αρχιτεκτονική του και στις περιφερειακές μονάδες που ενσωματώνει. Από τα περιφερειακά αυτά, εκτενέστερα αναλύονται οι Θύρες Εισόδου-Εξόδου, οι Χρονιστές, οι Μετατροπείς Σήματος από Αναλογικό σε Ψηφιακό, οι Γεννήτριες PWM και η Μονάδα CAN, η οποία αποτελεί μια ικανοποιητική επιλογή για την μεταφορά δεδομένων από ένα μικροελεγκτή σε περιβάλλον με θόρυβο, χωρίς να αλλοιωθούν οι τιμές τους. Στο τέλος του κεφαλαίου αυτού, αναφέρονται τα αναπτυξιακά εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την συγγραφή και την αποσφαλμάτωση του κώδικα που εκτελεί ο μικροελεγκτής αλλά γίνεται και η ανάλυση του προγράμματος ελέγχου. Δίνονται τα πλήρη διαγράμματα ροής ανοιχτού και κλειστού βρόχου και η διάταξη των εισόδων και των εξόδων του μικροελεγκτή. Στο Κεφάλαιο 8, παρατίθονται οι πειραματικές μετρήσεις που έγιναν με σκοπό τον έλεγχο της ορθότητας της λειτουργίας του ηλεκτρικού ποδηλάτου για ανοιχτό και κλειστό βρόχο ελέγχου καθώς και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτές. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία και η βιβλιογραφία των εικόνων που χρησιμοποιήθηκαν για την συγγραφή της παρούσας διπλωματικής εργασίας και στα Παραρτήματα δίνονται τα σχέδια των τυπωμένων κυκλωμάτων μέσω του προγράμματος KiCad, οι φωτογραφίες της κατασκευής καθώς και τα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών από τα κυριότερα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας, Επίκουρο Καθηγητή κ. Μητρονίκα Επαμεινώνδα, για την ανάθεση αυτού του ενδιαφέροντος θέματος, την καθοδήγηση και τη συνεργασία. Παράλληλα, θα ήθελα να αποδώσω θερμές ευχαριστίες στην εταιρεία Ideal Bikes Μανιατόπουλος Α.Ε. για την παραχώρηση του πλαισίου του ποδηλάτου, πάνω στο οποίο στηρίχθηκε η όλη κατασκευή και η διεκπεραίωση της τρέχουσας διπλωματικής εργασίας, μειώνοντας αρκετά το συνολικό κόστος του εγχειρήματος. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Σπυρόπουλο Διονύσιο, ο οποίος βοήθησε στην υλοποίηση αυτής της εργασίας με τις γνώσεις και τις συμβουλές του. Τέλος, ευχαριστώ πολύ την οικογένεια μου και τους φίλους μου για την κατανόηση, την υπομονή και την υποστήριξη τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. ~ viii ~

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΟΔΗΛΑΤΟ Εισαγωγή Γενική περιγραφή Το ποδήλατο από το χθες στο σήμερα Κύρια μέρη ενός ποδηλάτου Τύποι ποδηλάτων Επιλογή ποδηλάτου για την κατασκευή Το ηλεκτρικό ποδήλατο Η ιστορική εξέλιξη των ηλεκτρικών ποδηλάτων Κατηγορίες ηλεκτρικών ποδηλάτων Η νομοθεσία και το ηλεκτρικό ποδήλατο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα Επιλογή κινητήρα και επιμέρους στοιχείων Ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές Κυψέλες Μολύβδου οξέος (lead-acid) Κυψέλες Νικελίου Καδμίου (NiCd) Κυψέλες Νικελίου μετάλλου Υδριδίου (NiMH) Κυψέλες Λιθίου Επιλογή ηλεκτροχημικού συσσωρευτή ~ ix ~

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ Θεμελιώδεις έννοιες του μαγνητικού πεδίου Η επίδραση της θερμοκρασίας Τα υλικά και οι αντίστοιχες ιδιότητες των μόνιμων μαγνητών Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τύποι μηχανών BLDC Περιγραφή αρχής λειτουργίας μηχανής Brushless DC Βασικές εξισώσεις τραπεζοειδούς μηχανής Brushless DC Βασικές εξισώσεις ημιτονοειδούς μηχανής Brushless AC Μαγνητικό ισοδύναμο Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Εφαρμογές σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος Αντιστροφείς τάσης Έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα μέσω τετραγωνικών παλμών Έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα μέσω διαμόρφωσης του εύρους των παλμών Οδήγηση σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη με τη χρήση τριφασικού αντιστροφέα τάσης ~ x ~

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Προσομοίωση συστήματος στο Simulink Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 50% Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 100% Αποτελέσματα προσομοίωσης για μεταβλητό λόγο κατάτμησης από 30% έως 100% ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Γενική περιγραφή τριφασικού αντιστροφέα Επιλογή στοιχείων κυκλώματος ισχύος Ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος Δίοδοι ισχύος ελεύθερης διέλευσης Ψυκτικά σώματα Πυκνωτές Επιλογή στοιχείων κυκλώματος παλμοδότησης Σήματα εισόδου Μικροελεγκτής Ενισχυτής Οπτοζεύκτης Οδηγός πύλης Επιλογή στοιχείων κυκλώματος ελέγχου Διάταξη μέτρησης τάσης Διάταξη μέτρησης ρεύματος Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης ~ xi ~

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Σύντομη παρουσίαση μικροελεγκτή Περιγραφή του μικροελεγκτή dspic30f Περιφερειακές μονάδες του dspic30f Θύρες εισόδου και εξόδου Χρονιστές Μετατροπείς σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό Γεννήτριες PWM Θύρα CAN Τα αναπτυξιακά εργαλεία του μικροελεγκτή Ενσωματωμένα εργαλεία του MPLAB IDE Προγραμματισμός μικροελεγκτή Ανάλυση προγράμματος ελέγχου Διάταξη εισόδων και εξόδων Έλεγχος ανοιχτού βρόχου Έλεγχος κλειστού βρόχου τάσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Πειραματικές μετρήσεις Παλμογραφήματα ανοιχτού βρόχου Παλμογραφήματα για λειτουργία με λόγο κατάτμησης 50% Παλμογραφήματα για λειτουργία με λόγο κατάτμησης 100% Παλμογραφήματα κλειστού βρόχου Παρατηρήσεις ~ xii ~

13 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΧΕΔΙΑ ΤΥΠΩΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ ~ xiii ~

14 ~ xiv ~

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΟΔΗΛΑΤΟ [1],[2] 1.1. Εισαγωγή Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως αντικείμενο την κατασκευή και τον έλεγχο ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου και συγκεκριμένα το σχεδιασμό και την εγκατάσταση ενός κατάλληλου ηλεκτροκινητήριου συστήματος σε ένα συμβατικό ποδήλατο. Τα μέρη από τα οποία αποτελείται ένα ηλεκτρικό ποδήλατο, κάποια από τα οποία θα αναλυθούν εκτενέστερα και στα επόμενα κεφάλαια, παρουσιάζονται στην συνέχεια: το ποδήλατο τα δομικά στοιχεία της μετατροπής (conversion kit) ο συσσωρευτής Γενική περιγραφή Με τον όρο ποδήλατο ονομάζουμε το όχημα, που αποτελείται από δύο ή τρείς τροχούς, το οποίο για να κινηθεί απαιτεί από τον αναβάτη του να χρησιμοποιήσει τη μυϊκή δύναμη των ποδιών του. Το ποδήλατο αποτελεί ένα ιδιαίτερο μεταφορικό μέσο καθώς ανταποκρίνεται σε αρκετά διαφορετικές απαιτήσεις, όπως είναι η μετακίνηση, η άθληση και η ψυχαγωγία. Η εφεύρεση του ποδηλάτου είχε τεράστια επίδραση στην κοινωνία, τόσο σε επίπεδο πολιτισμού όσο και βιομηχανίας, καθώς πολλές από τις εφευρέσεις που έγιναν για την βελτίωση των ποδηλάτων, έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην μετέπειτα εξέλιξη των μηχανοκίνητων μέσων μεταφοράς Το ποδήλατο από το χθες στο σήμερα Το ποδήλατο στην κλασική του μορφή, αποτελείται από δύο τροχούς, οι οποίοι βρίσκονται ο ένας πίσω από τον άλλο και συνδέονται μεταξύ τους με μεταλλικό - 1 -

16 σκελετό, συνήθως κατασκευασμένο από σίδερο ή αλουμίνιο. Επίσης, βασικά μέρη ενός ποδήλατου αποτελούν το τιμόνι, η σέλα, το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, τα φρένα καθώς και ένα πλήθος από εξαρτήματα, τα οποία ωστόσο αποτελούν συμπληρωματικό εξοπλισμό. Δεν υπάρχει συγκεκριμένη χρονολογία στην οποία να αποδίδεται η εφεύρεση του ποδηλάτου, επομένως ούτε συγκεκριμένος εφευρέτης. Ωστόσο πρόγονος του ποδηλάτου θεωρείται η «Draisienne», η οποία ήταν μια ξύλινη κατασκευή του Γερμανού βαρόνου Karl von Drais το Η συγκεκριμένη κατασκευή διέθετε ένα σύστημα ελέγχου της κατεύθυνσης της κίνησης προσαρμοσμένο στον εμπρόσθιο τροχό, ωστόσο δεν διέθετε πετάλια και ο αναβάτης την έθετε σε κίνηση σπρώχνοντας με τα πόδια του προς τα πίσω. Η Draisienne έγινε γνωστή και ως «hobby-horse», αντανακλώντας την πεποίθηση των οπαδών της, ότι θα αντικαθιστούσε το βασικό μεταφορικό μέσο του 19ου αιώνα, που ήταν το άλογο. Εικόνα 1.1: Draisienne [1] Το πρώτο δίτροχο όχημα με σύστημα μετάδοσης κίνησης, αν και αμφισβητείται συχνά, θεωρείται η «Velocipede» που κατασκευάστηκε το 1839 από το Σκωτσέζο σιδηρουργό Kirkpatrick MacMillan. Η συγκεκριμένη κατασκευή εισήγαγε τη χρήση πεταλιών, συνδεδεμένων με ράβδους με τον οπίσθιο τροχό, βελτιώνοντας την προκάτοχό της. Με αυτό το σύστημα, ο αναβάτης δεν ήταν πλέον αναγκασμένος να - 2 -

17 φέρνει τα πόδια του σε επαφή με το έδαφος, με αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας του οχήματος. Εικόνα 1.2: Velocipede [49] Στις αρχές της δεκαετίας του 1860, οι Γάλλοι Pierre Michaux και Pierre Lallement αλλάζουν το σχέδιο της Velocipede, συνδέοντας τα πετάλια απευθείας με τον μπροστινό τροχό. Ακολούθησαν πολλές εφευρέσεις όπως τα μεταλλικά πλαίσια, οι μεταλλικοί τροχοί με ακτίνες, τα ελαστικά από συμπαγές καουτσούκ, που αποτελούν το πρόγονο των σημερινών ελαστικών αλλά και διάφορες κατασκευές με κίνηση στον πίσω τροχό. Εικόνα 1.3: Velocipede [50] - 3 -

18 Το 1870 ο Βρετανός James Starley άλλαξε την μέχρι τότε φιλοσοφία και σχεδίασε ένα ποδήλατο με αρκετά μεγαλύτερο μπροστινό τροχό και εξ ολοκλήρου κατασκευασμένο από μέταλλο, το οποίο ονόμασε «Ariel». Με αυτή τη κατασκευή κατάφερε την εκπληκτική, για την εποχή, ταχύτητα των 24km/h, ωστόσο μειονέκτημα αποτελούσε το ύψος της σέλας και κακή κατανομή του βάρους, τα οποία μείωναν την ασφάλεια του αναβάτη. Εικόνα 1.4: Το μεταλλικό ποδήλατο τύπου penny-farthing ή ordinary bicycle [2] Στην Αγγλία τα ποδήλατα με μεγάλο μπροστινό τροχό, ονομάστηκαν χαϊδευτικά «penny-farthings». Ο λόγος που αποδόθηκε αυτός ο χαρακτηρισμός βρίσκεται στην παρομοίωση του μεγέθους των τροχών ενός τέτοιου ποδηλάτου με τα νομίσματα της εποχής. Συγκεκριμένα, ο μεγάλος μπροστινός τροχός δίπλα στον μικρό οπίσθιο, θύμιζε το μεγάλο νόμισμα του ενός penny δίπλα σε αυτό του ενός farthing. Τα επόμενα χρόνια εφευρέσεις, όπως τα γρανάζια και η αλυσίδα, οδήγησαν στην επιστροφή της κίνησης στον οπίσθιο τροχό. Συγκεκριμένα, ο John Kemp Starley, ανιψιός του James Starley, κατασκεύασε το 1885 το μοντέλο «Rover», που συχνά χαρακτηρίζεται και ως το πρώτο σύγχρονο ποδήλατο. Η επιστροφή σε μικρότερου μεγέθους τροχούς βελτίωσε σημαντικά τα επίπεδα άνεσης για τον αναβάτη του ποδηλάτου. Συνεπώς ήταν φυσικό επακόλουθο, τα τελευταία χρόνια του 19ου αιώνα το ενδιαφέρον του αγοραστικού κοινού για το ποδήλατο να αυξηθεί κατακόρυφα

19 Εικόνα 1.5: Το πρώτο σύγχρονο ποδήλατο, μοντέλο «Rover» [51] Με βάση πλέον το συγκεκριμένο ποδήλατο, οι εφευρέσεις που ακολούθησαν είχαν ως στόχο τη βελτίωση της άνεσης και της ασφάλειας του αναβάτη, από τις οποίες οι πιο σημαντικές είναι τα φρένα, ο κούφιος σκελετός, η σαμπρέλα και το δυναμό. Αποκορύφωμα, όμως, των εφευρέσεων που εφαρμόστηκαν στο ποδήλατο ήταν η χρήση ταχυτήτων, η οποία από την μια βελτίωσε τα επίπεδα άνεσης και από την άλλη αύξησε και την τελική ταχύτητα των ποδηλάτων. Με το πέρασμα στον 20ο αιώνα ένας μεγάλος αριθμός ποδηλατικών λεσχών κατακλύζει και τις δύο πλευρές του ατλαντικού ωκεανού, αντικατοπτρίζοντας την καινούργια μόδα, ενώ παράλληλα εμφανίζονται και οι πρώτες βιομηχανίες κατασκευής ποδηλάτων. Εικόνα 1.6: Το ποδήλατο στο πέρασμα του χρόνου [3] - 5 -

20 Μέσα στο πρώτο μισό του 20ου αιώνα, το ποδήλατο έχει γίνει το βασικό μέσο μετακίνησης για εκατομμύρια κατοίκους του πλανήτη. Από την άλλη πλευρά βέβαια, η ανάπτυξη των μηχανοκίνητων μέσων μεταφοράς είχε ως αποτέλεσμα να μειωθεί αρκετά το ενδιαφέρον για το ποδήλατο σε αρκετές ανεπτυγμένες χώρες. Εξαίρεση αποτελούν ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες, όπως η Γερμανία, η Δανία και η Ολλανδία, στις οποίες η χρήση του ποδηλάτου διατηρήθηκε σε υψηλά επίπεδα. Στην Ελλάδα το πρώτο ποδήλατο ήρθε το 1885, ενώ το πρώτο ελληνικό ποδήλατο με χειροποίητο πλαίσιο κατασκευάστηκε από την Rafbikes (HERMES) στο Ναύπλιο. Τη χρονιά ίδρυσης της Διεθνούς Ποδηλατικής Ομοσπονδίας (1890), έγιναν οι πρώτοι ποδηλατικοί αγώνες, ενώ το πρώτο ποδηλατοδρόμιο της χώρας κατασκευάστηκε το 1895 στην Αθήνα για τις ανάγκες των πρώτων Ολυμπιακών Αγώνων του 1896 και ονομάστηκε «Γεώργιος Καραϊσκάκης». Εικόνα 1.7: Ποδηλατοδρόμιο «Γεώργιος Καραϊσκάκης» [4] Το ποδηλατοδρόμιο άρχισε να χρησιμοποιείται και ως ποδοσφαιρικό γήπεδο τη δεκαετία του 1920, και μετά από 40 έτη ανακαινίστηκε πλήρως σε στάδιο, δηλαδή γήπεδο και στίβος, ενώ παράλληλα άλλαξε και η ονομασία του σε «Στάδιο Γ. Καραϊσκάκης» προς τιμήν του Έλληνα αγωνιστή, Γεωργίου Καραϊσκάκη που σκοτώθηκε πλησίον του γηπέδου κατά τη διάρκεια της Επανάστασης του

21 Κύρια μέρη ενός ποδηλάτου Στο πέρασμα των χρόνων εφαρμόστηκαν στα ποδήλατα διάφορες εφευρέσεις, άλλοτε περισσότερο και άλλοτε λιγότερο αποτελεσματικές και πρακτικές. Ωστόσο, το ποδήλατο «κατάφερε» να αποκτήσει μια τελική μορφή συνδυάζοντας τις αποτελεσματικότερες εφευρέσεις που έγιναν πάνω σε αυτό. Κατά συνέπεια απέκτησε κάποια βασικά και αναπόσπαστα από το σύνολό του τμήματα. Ορισμένα από τα βασικότερα μέρη ενός ποδηλάτου παρουσιάζονται στην ακόλουθη εικόνα. Εικόνα 1.8: Τα βασικά μέρη ενός ποδηλάτου [5] Πλαίσιο Σήμερα η μεγάλη πλειοψηφία των ποδηλάτων έχει ένα πλαίσιο με όρθιο κάθισμα, το οποίο μοιάζει αρκετά με το πρώτο ποδήλατο που χρησιμοποιούσε αλυσίδα για την μετάδοση της κίνησης. Αυτό το είδος ποδηλάτων, σχεδόν πάντα, περιλαμβάνει ένα πλαίσιο τύπου «διαμάντι», δηλαδή ένα δικτύωμα που αποτελείται από δύο επιμέρους τρίγωνα, το εμπρόσθιο και το οπίσθιο. Το εμπρόσθιο τρίγωνο αποτελείται από το σωλήνα κεφαλής, τον άνω σωλήνα, τον κάτω σωλήνα και τον σωλήνα της σέλας. Ο σωλήνας κεφαλής περιέχει το «headset» και το σύνολο των ρουλεμάν που επιτρέπουν στο πιρούνι να στραφεί ομαλά για την αλλαγή πορείας και την επίτευξη της ισορροπίας. Ο σωλήνας κορυφής συνδέει τον σωλήνα κεφαλής με την κορυφή του σωλήνα της σέλας, ενώ ο κάτω - 7 -

22 σωλήνας συνδέει τον σωλήνα κεφαλής με το κάτω τμήμα του σωλήνα του καθίσματος. Το οπίσθιο τρίγωνο αποτελείται από τον σωλήνα της σέλας και τον διπλό συνδυασμό δύο επιμέρους σωλήνων, οι οποίοι στην τεχνική ορολογία ονομάζονται «chain stays» και «seat stays». Οι σωλήνες «chain stays» είναι παράλληλοι με την αλυσίδα και συνδέουν τη μεσαία τριβή με το οπίσθιο dropout, όπου τοποθετείται ο άξονας του πίσω τροχού. Οι σωλήνες «seat stays» συνδέουν την κορυφή του σωλήνα της σέλλας με το οπίσθιο πιρούνι. Ένας άλλος τύπος πλαισίου, ο οποίος καθιερώθηκε κυρίως στα γυναικεία ποδήλατα είναι το «step-through» ή ανοιχτό πλαίσιο. Στο συγκεκριμένο πλαίσιο ο άνω σωλήνας συνδέεται στη μέση του σωλήνα του καθίσματος, και όχι στην κορυφή, με αποτέλεσμα να έχει χαμηλότερο ύψος «standover», διευκολύνοντας την αξιοπρεπή ανάβαση και κατάβαση (ακόμα και αν ο αναβάτης φορά φόρεμα) αλλά μειώνοντας το συντελεστή ακαμψίας του πλαισίου. Μια παραλλαγή του παραπάνω τύπου πλαισίου είναι το «mixte» πλαίσιο, στο οποίο ο άνω σωλήνας χωρίζεται σε δύο λεπτότερους που παρακάμπτουν των σωλήνα του καθίσματος και συνδέονται απευθείας στα άκρα του πίσω πιρουνιού. Οι δύο παραπάνω τύποι πλαισίων φέρουν το χαρακτηρισμό γυναικεία ποδήλατα και γι αυτό το λόγο δεν παρατηρούνται συχνά σε μεγαλύτερα μεγέθη. Ιστορικά, τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των ποδηλάτων υιοθέτησαν μια συγκεκριμένη αρχή, σύμφωνα με την οποία πρέπει να διακρίνονται από υψηλή αντοχή και χαμηλό βάρος. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1930 ο χάλυβας χρησιμοποιείται για το πλαίσιο και το πιρούνι, ενώ τη δεκαετία του 1980 τα πλαίσια κατασκευάζονται πλέον από κράμα αλουμινίου σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία, επιτυγχάνοντας έτσι μικρότερο βάρος. Την κορυφή στην τεχνολογία κατασκευής των πλαισίων κατέχουν τα πλαίσια που είναι κατασκευασμένα από ανθρακονήματα, τα οποία προσφέρουν σημαντικά μειωμένο βάρος σε συνδυασμό με υψηλή αντοχή και ακαμψία. Ωστόσο, το κόστος των συγκεκριμένων πλαισίων είναι αρκετά υψηλό. Τιμόνι Με τον όρο τιμόνι αναφερόμαστε στον μηχανισμό που δίνει στον αναβάτη τη δυνατότητα να περιστρέψει το πιρούνι και κατά συνέπεια τον εμπρόσθιο τροχό μέσω ενός στελέχους, το οποίο περιστρέφεται εντός του headset. Επίσης το τιμόνι συχνά - 8 -

23 πρέπει να μπορεί να υποστηρίξει και ένα μέρος του βάρους του αναβάτη, ανάλογα με τη θέση οδήγησης και να παρέχει ένα βολικό μέρος για την ανάρτηση των μανετών των φρένων, τους μοχλούς αλλαγής ταχυτήτων και άλλα αξεσουάρ που τοποθετούνται πάνω σε αυτό. Στην αγορά υπάρχουν ποικίλοι τύποι τιμονιών οι οποίοι ενδείκνυνται σε κάποια συγκεκριμένα στιλ οδήγησης αλλά και τύπους ποδηλάτων, προσφέροντας επιπλέον πλεονεκτήματα. Ορισμένοι από αυτούς τους τύπους δίνονται στην συνέχεια: Drop, τα οποία διαθέτουν ένα ευθύ κεντρικό τμήμα που συνδέεται με το στέλεχος, ενώ κάθε άκρο κάμπτεται πρώτα προς τα εμπρός και προς τα κάτω και στη συνέχεια πίσω προς τον αναβάτη σε χαμηλότερη θέση Pursuit, τα οποία στις άκρες καμπυλώνουν προς τα εμπρός και είναι δημοφιλή στα ποδήλατα σταθερής ταχύτητας Bullmoose, τα οποία εγκαταστάθηκαν στα πρώτα «mountain» ποδήλατα αλλά στη συνέχεια εγκαταλείφτηκαν λόγω περιορισμού στο ύψος και στην απόσταση από τον αναβάτη Flat, είναι τα πιο κοινά τιμόνια καθώς αποτελούνται μόνο από έναν ευθύ σωλήνα, που στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ελαφρώς λυγισμένος προς τον αναβάτη Riser, τα οποία είναι παρόμοια με τα flat όμως στα εξωτερικά τμήματα των ράβδων αυξάνεται η περιοχή σφιγκτήρα και κέντρου από 15 έως 50mm. Τόσο στα τιμόνια τύπου flat όσο και στα riser μπορούν να προσαρτηθούν στα άκρα τους μπάρες, προσφέροντας περισσότερες θέσεις για τα χέρια Triathlon/Aero, τα οποία έχουν αγωνιστικές προδιαγραφές δίνοντας τη δυνατότητα στον αναβάτη να τοποθετήσει το κορμό του σε χαμηλότερη θέση αυξάνοντας τον αεροδυναμικό συντελεστή BMX, που συνήθως έχουν περισσότερους ανοδικούς παρά ευθείς ράβδους σε συνδυασμό με ένα στήριγμα σε σχήμα σταυρού για αυξημένη σταθερότητα Upright/North Road, είναι ένας από τους παλαιότερους τύπους τιμονιού, και ίσως ο πιο διαδεδομένος σε ποδήλατα πόλης, όπου οι άκρες τους γυρίζουν ελαφρά προς τον αναβάτη και σπάνια καταλήγουν παράλληλα στο πλαίσιο - 9 -

24 Porteur, που είναι σχεδιασμένα για να μεταφέρουν φορτίο σε καλάθια Cruiser, τα οποία τείνουν να είναι μακρά και με κλίση προς τα πίσω, έτσι ώστε ο αναβάτης να μπορεί να καθίσει σε όρθια στάση Condorino, που κάμπτονται ελαφρώς προς τα εμπρός και στη συνέχεια προς τα έξω με μια απότομη γωνία Touring/Trekking, συχνά αναφέρονται ως «Butterfly» και συνήθως σχηματίζουν νοητά τον αριθμό 8, ενώ επιτρέπουν στον αναβάτη να παραμείνει σε σχετικά όρθια θέση και παράλληλα παρέχουν ένα ευρύ φάσμα θέσεων για τα χέρια για άνεση σε μεγάλες διαδρομές διάρκειας Moustache, το οποίο θυμίζει μουστάκι καθώς καμπυλώνει προς τα εμπρός και στη συνέχεια πίσω προς τον αναβάτη. Κάθισμα Τα καθίσματα ή οι σέλες, όπως αλλιώς είναι γνωστά, ποικίλλουν ανάλογα με τις προτιμήσεις αλλά και το φύλο του αναβάτη. Οι σέλες συνδυάζονται με ένα σωλήνα, που ονομάζεται παλουκόσελο, χάρη στον οποίο παρέχουν τη δυνατότητα στον αναβάτη να επιλέγει το ύψος της σέλας που επιθυμεί. Η σωστή επιλογή και ρύθμιση της σέλας είναι σημαντικοί παράγοντες για την επίτευξη της μέγιστης απόδοσης αλλά και άνεσης κατά την ποδηλασία. Το μεγαλύτερο ποσοστό των καθισμάτων παρέχει τρεις επιλογές ρύθμισης, όπως είναι η ρύθμιση ύψους, η ρύθμιση κλίσης και η ρύθμιση εμπρός-πίσω. Σύστημα μετάδοσης κίνησης Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης αρχίζει από τα πετάλια, που περιστρέφουν το δισκοβραχίονα και κατά συνέπεια την μεσαία τριβή, δηλαδή το εμπρόσθιο γρανάζι το οποίο συνδυάζεται με την αλυσίδα και μεταδίδει την περιστροφική κίνηση από τα πετάλια στο οπίσθιο γρανάζι και κατά συνέπεια στον τροχό. Το μεγαλύτερο ποσοστό των ποδηλάτων χρησιμοποιούν μια αλυσίδα για τη μετάδοση της κίνησης, όμως υπάρχουν και λιγοστά ποδήλατα στα οποία η κίνηση μεταδίδεται με ιμάντα. Για την διευκόλυνση του αναβάτη τα περισσότερα ποδήλατα πλέον έχουν εγκατεστημένο ένα σύστημα ταχυτήτων, όπως αναπαρίσταται στην εικόνα που ακολουθεί

25 Το σύστημα ταχυτήτων βασίζεται στη λογική της εναλλαγής του λόγου των διαμέτρων των δύο γραναζιών. Κάθε γρανάζι (οδοντωτός τροχός) έχει μια διάμετρο και ο λόγος των διαμέτρων δυο γραναζιών ονομάζεται σχέση μετάδοσης. Η σχέση μετάδοσης συχνά χαρακτηρίζεται ως σχέση πολλαπλασιασμού (λόγος διαμέτρων μεγαλύτερος της μονάδας) ή υποπολλαπλασιασμού (λόγος διαμέτρων μικρότερος της μονάδας). Ο αριθμητής του κλάσματος που περιγράφει τη σχέση μετάδοσης αναφέρεται στο γρανάζι που μεταδίδει την κίνηση. Κάθε γρανάζι στην περίμετρό του έχει ένα πλήθος από δόντια, τα οποία μεταβάλλονται αναλογικά με τη διάμετρό του, καθώς η διάμετρος ενός γραναζιού συνδέεται αναλογικά με την περίμετρό του. Με βάση τα παραπάνω, η σχέση μετάδοσης μπορεί να εκφραστεί και με τον λόγο του πλήθους των δοντιών από τα οποία αποτελείται κάθε γρανάζι. Συνεπώς έχοντας προσδιορίσει την εκάστοτε σχέση μετάδοσης μπορούμε να υπολογίσουμε πόσο μεταβάλλεται ο αριθμός των στροφών με τον οποίο περιστρέφεται το δεύτερο γρανάζι. Εάν αντιστρέψουμε την τιμή της σχέσης μετάδοσης μπορούμε να προσδιορίσουμε αν η ροπή που φτάνει στο δεύτερο γρανάζι είναι μεγαλύτερη η μικρότερη από αυτή που εφαρμόζεται στο πρώτο γρανάζι. Κατά συνέπεια αν η τιμή της σχέσης μετάδοσης είναι μικρότερη της μονάδας τότε μειώνεται ο αριθμός στροφών του δεύτερου γραναζιού αλλά αυξάνεται η ροπή που ασκείται σε αυτό. Από την άλλη αν η τιμή της σχέσης μετάδοσης είναι μεγαλύτερη της μονάδας τότε αυξάνεται ο αριθμός στροφών του δεύτερου γραναζιού αλλά μειώνεται η ροπή που του ασκείται. Εικόνα 1.9: Σύστημα μετάδοσης κίνησης και ταχυτήτων [6]

26 Στην παραπάνω λογική βασίζεται το σύστημα ταχυτήτων και στα ποδήλατα. Για την επίτευξη της εύκολης εναλλαγής στην τιμή της σχέσης μετάδοσης το γρανάζι στην μεσαία τριβή αντικαταστάθηκε από τρία γρανάζια διαφορετικής διαμέτρου και το γρανάζι στον πίσω τροχό από ένα σύνολο γραναζιών που ποικίλει από κατασκευαστή σε κατασκευαστή και ονομάζεται κασέτα. Η αλυσίδα με τη βοήθεια των δύο εκτροχιαστών (σασμάν) μεταπηδά από το ένα γρανάζι στο άλλο, δίνοντας διάφορους συνδυασμούς γραναζιών άρα και διαφορετικές σχέσεις μετάδοσης προσφέροντας στον αναβάτη μεγαλύτερη ευκολία τόσο στην αύξηση της τελικής ταχύτητας όσο και στην αύξηση της ροπής για την ανάβαση σε κεκλιμένα επίπεδα. Σύστημα πέδησης Ό,τι τρέχει πρέπει και να μπορεί να σταματήσει άμεσα και με ασφάλεια. Τα φρένα στα ποδήλατα μπορεί να είναι είτε φρένα ζάντας είτε φρένα πλήμνης είτε δισκόφρενα. Τα φρένα ζάντας, γνωστά και ως V-Brakes, βρίσκονται εκατέρωθεν του τροχού και όταν τα ενεργοποιήσουμε τα τακάκια τριβής συμπιέζουν τη ζάντα. Σε αντίθεση με τα φρένα ζάντας, στα φρένα πλήμνης τα τακάκια τριβής περιέχονται στις πλήμνες των τροχών. Τα δισκόφρενα, όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, χρησιμοποιούν ένα ξεχωριστό δίσκο για την πέδηση του τροχού. Ο δίσκος αυτός προσαρμόζεται έκκεντρα στον τροχό και τα μεγαλύτερα πλέον τακάκια τριβής συμπιέζουν το δίσκο και όχι τη ζάντα. Η ενεργοποίηση των φρένων γίνεται χειροκίνητα, εφαρμόζοντας δύναμη στους μοχλούς των φρένων που είναι τοποθετημένοι στο τιμόνι. Η δύναμη αυτή μεταδίδεται μέσω συρματόσχοινων (ντίζες) στα τακάκια τριβής, τα οποία προκαλούν την τριβή με την οποία επιβραδύνει το ποδήλατο. Τα αγωνιστικά ποδήλατα δεν έχουν φρένα, διότι όλοι οι αναβάτες οδηγούν προς την ίδια κατεύθυνση και δεν υπάρχουν απαιτήσεις για απότομη επιβράδυνση. Αναρτήσεις Η χρήση των αναρτήσεων στα ποδήλατα αποσκοπεί στην αύξηση της άνεσης του αναβάτη καθώς είναι κατασκευασμένες ώστε να καταστέλλουν τις όποιες ανωμαλίες του οδοστρώματος. Εκτός όμως από την παροχή άνεσης, τα συστήματα ανάρτησης

27 βελτιώνουν την πρόσφυση και την ασφάλεια, κρατώντας τον ένα ή και τους δύο τροχούς σε συνεχή επαφή με το έδαφος. Τα περισσότερα ποδήλατα έχουν συνήθως μια μόνο ανάρτηση στο εμπρόσθιο πιρούνι, απαλλάσσοντας το τιμόνι από την τραχύτητα του εδάφους. Πλέον όμως αρκετά ποδήλατα φέρουν και οπίσθια ανάρτηση. Επίσης αναρτήσεις στα ποδήλατα μπορεί κανείς να διακρίνει στο λαιμό της σέλας ή ακόμα και στην ίδια την σέλλα. Τροχοί Κάθε τροχός συνήθως κατασκευάζεται από ακτίνες που ενώνουν τον άξονά του με το στεφάνι. Ο άξονας του κάθε τροχού τοποθετείται στις εγκοπές που σχηματίζουν τα άκρα των δύο πιρουνιών. Τροχοί που είναι σχεδιασμένοι για χρήση με φρένα ζάντας παρέχουν στο στεφάνι μια παράλληλη επιφάνεια φρεναρίσματος, στην οποία μπορούν να εφάπτονται τα τακάκια τριβής. Οι τροχοί που προορίζονται για χρήση με δισκόφρενα ή φρένα πλήμνης συνήθως στερούνται αυτής της επιφάνειας. Η εγκάρσια τομή του χείλους ενός τροχού μπορεί να έχει ένα ευρύ φάσμα γεωμετρίας, χάρη στη συνεχή βελτίωσή τους για την επίτευξη συγκεκριμένων στόχων, όπως είναι η αυξημένη αεροδυναμική, η μειωμένη μάζα και αδράνεια, η αυξημένη ακαμψία και αντοχή, η συμβατότητα με tubeless ελαστικά, η συμβατότητα με τους διάφορους τύπους φρένων και τέλος το κόστος. Ελαστικά Τα ελαστικά ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό ανάλογα με την χρήση για την οποία προορίζονται. Τα περισσότερα ελαστικά ανάμεσα στο εσωτερικό τους και τη ζάντα περιέχουν έναν αεροθάλαμο, που είναι ένας κυκλικός σωλήνας από καουτσούκ στον οποίο αποθηκεύεται αέρας υπό πίεση. Ένας άλλος τύπος ελαστικών είναι τα tubeless, που χρησιμοποιούνται κυρίως στα ποδήλατα βουνού, λόγω της ικανότητάς τους να χρησιμοποιούν χαμηλή πίεση αέρα για καλύτερη πρόσφυση και να μην κλατάρουν. Συνήθως τα ποδήλατα δρόμου χρησιμοποιούν ελαστικά με πλάτος 18 έως 25mm και τις περισσότερες φορές εντελώς λεία και φουσκωμένα σε υψηλή πίεση, προκειμένου να μειωθεί ο συντελεστής τριβής με το οδόστρωμα. Σε αντίθεση με τα ελαστικά δρόμου, τα off-road ελαστικά είναι συνήθως μεταξύ 38 και 64mm (1,5 με 2,5in) και έχουν πέλματα για καλύτερη συμπεριφορά σε λασπώδεις συνθήκες ή

28 ακόμα και μεταλλικά καρφιά για τον πάγο. Ανάμεσα στις δύο αυτές κατηγορίες τοποθετούνται τα ενδιάμεσα ελαστικά, με τα οποία ένα ποδήλατο μπορεί να βγει και εκτός δρόμου αλλά σε πιο ήπιες συνθήκες εδάφους σε σχέση με αυτές για τις οποίες απευθύνονται τα off-road ελαστικά Τύποι ποδηλάτων Η εξέλιξη της τεχνολογίας των ποδηλάτων και η εφαρμογή καινοτομιών σε αυτά συνέβαλε στην δημιουργία ειδικών σχεδίων με βασικό στόχο την κάλυψη της οποιασδήποτε ανάγκης του αγοραστικού κοινού. Κατά συνέπεια δημιουργήθηκαν διάφοροι τύποι ποδηλάτων από τους οποίους οι πιο γνωστοί είναι οι παρακάτω: ποδήλατα αγωνιστικών προδιαγραφών ποδήλατα πόλης αναδιπλούμενα ποδήλατα πόλης ποδήλατα βουνού ποδήλατα τύπου BMX (Bicycle Motocross) ποδήλατα ταξιδιού ποδήλατα μακρινών αποστάσεων Επιλογή ποδηλάτου για την κατασκευή Ο σκελετός πάνω στον οποίο στηρίχθηκε η όλη κατασκευή και η διεκπεραίωση της τρέχουσας διπλωματικής εργασίας παραχωρήθηκε από την εταιρεία Ideal Bikes Μανιατόπουλος Α.Ε., μειώνοντας αρκετά το συνολικό κόστος του εγχειρήματος. Το πλαίσιο το οποίο προτάθηκε και εν τέλει παραχωρήθηκε, είναι ένα Testek 26 ιντσών, μεγέθους S - 47 cm, κράματος Αλουμινίου #6061 και τύπου «διαμάντι». Ο κωδικός 6061 αναφέρεται στο κράμα Αλουμινίου 61S, το οποίο περιέχει επιπλέον μαγνήσιο και πυρίτιο. Είναι ένα από τα πιο κοινά κράματα Αλουμινίου για γενική χρήση, καθώς έχει πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες και ιδιαίτερα καλή συγκολλησιμότητα. Το παραπάνω πλαίσιο προορίζεται για παντός εδάφους διαδρομές, ενώ ένα πλήρως συναρμολογημένο πλαίσιο αυτού του τύπου που κυκλοφορεί στο εμπόριο φαίνεται στην επόμενη εικόνα

29 Εικόνα 1.10: All Terrain - Ideal Bike Testek [7] Το συγκεκριμένο πλαίσιο δεν διαθέτει οπίσθια ανάρτηση, ωστόσο σε συνδυασμό με το πιρούνι της Rock Shox Tora #302, το οποίο επίσης παραχωρήθηκε από την εταιρεία Ideal Bikes Μανιατόπουλος Α.Ε, κάνει κάθε διαδρομή ξεκούραστη ξεπερνώντας εύκολα κάθε ανωμαλία του εδάφους, χάρη στη δυνατότητα προφόρτισης από mm. Εικόνα 1.11: Το πιρούνι της Rock Shox Tora #302 [8]

30 1.3. Το ηλεκτρικό ποδήλατο [3] Στις μέρες μας το ποδήλατο μάχεται να κατακτήσει μεγαλύτερο μερίδιο στην αγορά των μέσων μεταφοράς και προς αυτό το σκοπό σε αρκετές μεγάλες πόλεις προωθείται η χρήση του ως βασικού μέσου μετακίνησης. Οι λόγοι που οδηγούν το σύγχρονο πολιτισμό να συμπεριλάβει και πάλι το ποδήλατο ως αναπόσπαστο τμήμα της καθημερινότητας του, ποικίλουν και υπεισέρχονται σε γενικότερες κατηγορίες όπως το κυκλοφοριακό, η οικολογία, η οικονομία και η υγεία. Αναλυτικότερα, λόγω του μεγέθους του, λύνει τα προβλήματα κυκλοφοριακής συμφόρησης και απαιτεί ελάχιστο χώρο στάθμευσης, ενώ παράλληλα δεν μολύνει το περιβάλλον με ηχορύπανση. Από την άλλη το κόστος χρήσης και απόκτησης σε σχέση με κάποιο άλλο μηχανοκίνητο μεταφορικό μέσο είναι μηδαμινό. Τέλος, στους έντονα απαιτητικούς ρυθμούς της καθημερινότητας, όπου η άθληση φαντάζει «πολυτέλεια χρόνου», το ποδήλατο αποτελεί μια μορφή άσκησης που συνδυάζεται με τη μετακίνηση. Από την άλλη σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί η άνεση που προσφέρει το ποδήλατο σε σχέση με άλλα είδη μεταφοράς αλλά και η ταχύτητα μετακίνησης. Προς την τελευταία κατεύθυνση εστιάζει η μετατροπή ενός απλού ποδηλάτου σε ηλεκτρικό, η οποία δίνει λύσεις στα παραπάνω προβλήματα. Έτσι τα νέα ποδήλατα ανεβάζουν τα επίπεδα άνεσης με τη χρήση αναρτήσεων αλλά και τα επίπεδα ασφάλειας με νέου τύπου φρένα. Την κορυφή των τεχνολογικών επιτευγμάτων κατέχει το ηλεκτροκινητήριο σύστημα το οποίο προσαρμόζεται εύκολα και καθιστά το ποδήλατο πιο εύχρηστο. Συγκρίνοντας ένα απλό ποδήλατο με ένα ηλεκτρικό, το τελευταίο υπερτερεί για τους παρακάτω λόγους: μειώνεται η απαίτηση για άσκηση μεγάλης μυϊκής δύναμης από τον αναβάτη κινείται ταχύτερα και εξοικονομεί χρόνο διανύει μεγαλύτερες αποστάσεις και με μεγαλύτερη άνεση. Συγκρίνοντας ένα ηλεκτρικό ποδήλατο με ένα άλλο μέσο μεταφοράς, το ποδήλατο υπερτερεί για τους εξής λόγους: είναι αθόρυβο και συμβάλλει στη μείωση της ηχορύπανσης έχει οικολογικό χαρακτήρα, καθώς δεν ρυπαίνει την ατμόσφαιρα με καυσαέρια

31 έχει υψηλά οικονομικά οφέλη εξαιτίας του εξαιρετικά χαμηλού κόστους απόκτησης, χρήσης και συντήρησης έχει πρόσβαση στα περισσότερα σημεία της πόλης δεν αντιμετωπίζει προβλήματα, όπως το μποτιλιάρισμα και η εύρεση χώρου στάθμευσης και τέλος, σε σύγκριση με άλλα ηλεκτροκίνητα οχήματα, χάρη στην αυτοδυναμία κίνησης που παρέχει από τη φύση του ένα ποδήλατο, η απρόσμενη αποφόρτιση των μπαταριών δεν αποτελεί «εφιαλτικό σενάριο». Τα μειονεκτήματα που απορρέουν από τη χρήση ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου είναι παρόμοια με εκείνα και των άλλων ηλεκτροκίνητων οχημάτων αλλά σε σημαντικά μικρότερο μέγεθος. Αναφορικά ορισμένα από αυτά είναι: ο χρόνος επαναφόρτισης των μπαταριών η διάρκεια ζωής των μπαταριών οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη παραγωγή και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την φόρτιση των μπαταριών, εκτός και αν αυτή γίνεται με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας η διανυόμενη απόσταση μεταξύ κάθε επαναφόρτισης και τέλος, το κόστος απόκτησης και αντικατάστασης των μπαταριών Η ιστορική εξέλιξη των ηλεκτρικών ποδηλάτων Ένα ηλεκτρικό ποδήλατο, επίσης γνωστό και ως e-bike, είναι ένα ποδήλατο στο οποίο έχει εγκατασταθεί ένα ηλεκτροκινητήριο σύστημα, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση του ποδηλάτου. Τη δεκαετία του 1890, τεκμηριώνονται τα πρώτα ηλεκτρικά ποδήλατα σε διάφορες ευρεσιτεχνίες των ΗΠΑ. Για παράδειγμα, στις 31 Δεκεμβρίου του 1895 χορηγήθηκε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, (U.S. Patent 552,271), στον Ogden Bolton Jr. για ένα ηλεκτρικό ποδήλατο που χρησιμοποιούσε ένα κινητήρα συνεχούς ρεύματος έξι πόλων τοποθετημένο στο πίσω τροχό. Το συγκεκριμένο σύστημα δεν διέθετε ταχύτητες και ο κινητήρας μπορούσε να αντλήσει έως και 100Α από μια μπαταρία των 10V. Δύο χρόνια αργότερα, το 1897, ο Hosea W. Libbey της Βοστώνης εφηύρε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο (US Patent 596,272), το οποίο προωθούταν από ένα διπλό

32 ηλεκτρικό κινητήρα, που τοποθετήθηκε στο κέντρο του άξονα της μεσαίας τριβής. Το μοντέλο αυτό αργότερα εφευρέθη εκ νέου στα τέλη του 1990 από την εταιρεία Giant Lafree e-bikes. Από το 1898 ένα ηλεκτρικό ποδήλατο με κίνηση στον πίσω τροχό, που χρησιμοποιούσε έναν ιμάντα κατά μήκος της εξωτερικής ακμής του τροχού, κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον Mathew J. Steffens. Επίσης, το 1899 στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, U.S. Patent 627,066 του John Schnepf, απεικονίζεται ένα ηλεκτρικό ποδήλατο, στο οποίο ο οπίσθιος τροχός περιστρεφόταν εξαιτίας της τριβής του με τον ειδικής σχεδίασης κινητήρα. Η εφεύρεση του Schnepf επανεξετάστηκε αργότερα και επεκτάθηκε το 1969 από τον G.A. Wood Jr. με το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας U.S. Patent 3,431,994. Η συσκευή του Wood χρησιμοποιεί τέσσερις μικρούς κινητήρες συνδεδεμένους μέσω μιας σειράς γραναζιών και ελατηρίων. Το 1946 εκχωρήθηκε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στον Jesse D. Tucker για ένα ηλεκτρικό ποδήλατο που παρείχε την ικανότητα στον αναβάτη να χρησιμοποιεί τα πετάλια σε συνδυασμό ή όχι με τον ηλεκτρικό κινητήρα. Ο συγκεκριμένος κινητήρας διέθετε εσωτερικά γρανάζια και την ικανότητα ελεύθερης κίνησης. Το 1992 η εταιρεία Vector Services Limited, πρόσφερε και πούλησε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο που ονομάστηκε Zike. Το ποδήλατο αυτό περιελάμβανε μια μπαταρία Νικελίου- Καδμίου, η οποία τοποθετήθηκε σε τμήμα του πλαισίου και έναν κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, που ζύγιζε 850gr. Το 1992, παρά τη κυκλοφορία του Zike, μετά βίας τα ηλεκτρικά ποδήλατα ήταν εμπορικά διαθέσιμα. Μερικά από τα λιγότερο ακριβά ηλεκτρικά ποδήλατα χρησιμοποιούσαν ογκώδεις μπαταρίες οξέος Μολύβδου, ενώ νεότερα μοντέλα χρησιμοποιούσαν συνήθως μπαταρίες είτε Νικελίου Μετάλλου Υδριδίου (NiMH) είτε Νικελίου Καδμίου (NiCd) είτε Ιόντων Λιθίου (Li-ion), οι οποίες προσέφεραν μεγαλύτερη χωρητικότητα σε συνδυασμό με το μικρότερο βάρος. Παρόλο που οι επιδόσεις ποικίλουν αυτή την περίοδο, η ταχύτητα με την οποία κινούνται τα ηλεκτρικά ποδήλατα αλλά και η μέγιστη απόσταση που μπορούν να διανύσουν έχουν αυξηθεί. Μέχρι το 2001 οι όροι e-bike, ποδήλατο ισχύος (power bike), pedal electric cycle «pedelec», με υποβοήθηση στα πετάλια (pedal-assisted) και υποβοηθούμενο ποδήλατο (power-assisted bicycle) χρησιμοποιούνταν συνήθως για να περιγράψουν ένα ηλεκτρικό ποδήλατο. Ο όρος ηλεκτρική μοτοσικλέτα «electric motorbike» ή «emotorbike» αναφερόταν σε πιο ισχυρά μοντέλα που κινούνταν με ταχύτητα έως

33 80km/h (50mph). Μέχρι το 2007 υπολογίζεται ότι τα ηλεκτρικά ποδήλατα αποτελούσαν το 10% - 20% του συνόλου των δίτροχων οχημάτων στους δρόμους πολλών μεγάλων πόλεων. Μια τυπική μονάδα απαιτούσε 8 ώρες για να φορτίσει την μπαταρία, η οποία γενικά παρείχε ενέργεια για να διανυθεί μια απόσταση περίπου 40 έως 48 km (25 έως 30 miles) με ταχύτητα περίπου 20 km/h Κατηγορίες ηλεκτρικών ποδηλάτων Τα ηλεκτρικά ποδήλατα μπορούν να ταξινομηθούν είτε ανάλογα με την ισχύ που μπορεί να αποδώσει ο ηλεκτρικός κινητήρας τους είτε με βάση το σύστημα ελέγχου τους, δηλαδή πότε και πώς επιλέγεται να εφαρμοστεί η ισχύς του κινητήρα. Επίσης, η κατηγοριοποίηση των ηλεκτρικών ποδηλάτων γίνεται ολοένα και πιο περίπλοκη, αναφορικά με τους ισχύοντες ανά χώρα νομικούς περιορισμούς, για το τι διακρίνει ένα ηλεκτρικό ποδήλατο από ένα μοτοποδήλατο ή μια ηλεκτρική μοτοσικλέτα. Παρά τις νομικές επιπλοκές, η κατηγοριοποίηση των ηλεκτρικών ποδηλάτων μπορεί να γίνει με βάση το κατά πόσον ο κινητήρας βοηθά τον αναβάτη χρησιμοποιώντας είτε ένα σύστημα υποβοήθησης στα πετάλια (pedal-assist system) είτε ένα σύστημα απόδοσης ισχύος ανάλογα με τη ζήτηση (power-on-demand system). Με τη χρήση του συστήματος pedal-assist ο ηλεκτρικός κινητήρας ρυθμίζεται με βάση τα πετάλια. Αυτά τα ηλεκτρικά ποδήλατα χαρακτηρίζονται ως pedelecs και έχουν έναν αισθητήρα που ανιχνεύει την ταχύτητα περιστροφής των πεταλιών ή τη δύναμη που ασκεί ο αναβάτης στα πετάλια ή και τα δύο. Με τη χρήση του power-ondemand συστήματος ο ηλεκτρικός κινητήρας ρυθμίζεται από το γκάζι, που συνήθως τοποθετείται στο τιμόνι ακριβώς όπως στις μοτοσικλέτες και τα μοτοποδήλατα. Επίσης και οι δύο κατηγορίες συνδυάζονται με φρένα στη μανέτα των οποίων είναι προσαρμοσμένος ηλεκτρικός διακόπτης, ο οποίος απενεργοποιεί άμεσα τον κινητήρα όταν επιβραδύνει το ποδήλατο. Ως εκ τούτου, σε γενικές γραμμές, τα ηλεκτρικά ποδήλατα μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής: μόνο με pedal-assist system, τα οποία μπορεί να είναι: Pedelecs, που νομικά χαρακτηρίζονται ως ποδήλατα και έχουν κινητήρα ισχύος έως 250W, ενώ η τελική ταχύτητά τους περιορίζεται στα 25km/h

34 S-Pedelecs (Schnell-Pedelecs ή Speedy-Pedelecs), τα οποία νομικά χαρακτηρίζονται ως μοτοποδήλατα ή μοτοσικλέτες καθώς η ισχύς του κινητήρα τους ξεπερνά τα 250W και συνήθως η τελική ταχύτητά τους περιορίζεται στα 45km/h μόνο με power-on-demand system, τα οποία συχνά έχουν ισχυρότερους κινητήρες από τα pedelecs και χαρακτηρίζονται ως μοτοποδήλατα ή μοτοσικλέτες αλλά υπάρχουν και μικρής ισχύος που νομικά χαρακτηρίζονται ως ποδήλατα με συνδυασμό του pedal-assist και του power-on-demand system, τα οποία επίσης ανάλογα με την ισχύ του κινητήρα χαρακτηρίζονται ως ποδήλατα ή μοτοποδήλατα Η νομοθεσία και το ηλεκτρικό ποδήλατο Σε όλο τον κόσμο διατίθεται μια μεγάλη ποικιλία από διαφορετικά είδη ηλεκτρικών ποδηλάτων. Συνεπώς, μπορούμε να διακρίνουμε ηλεκτρικά ποδήλατα που έχουν ένα μικρό κινητήρα μόνο για υποβοήθηση του αναβάτη έως και αυτά στα οποία ο κινητήρας είναι μεγαλύτερης ισχύος και μπορεί να αναλάβει εξ ολοκλήρου την κίνηση του ποδηλάτου και τα οποία τείνουν πιο κοντά στη φιλοσοφία των μοτοποδηλάτων. Παρόλο αυτά, κάθε τύπος ηλεκτρικού ποδηλάτου εξακολουθεί να παρέχει τη δυνατότητα χρήσης των πεταλιών στον αναβάτη και συνεπώς δεν μπορούν να χαρακτηριστούν αποκλειστικά ως ηλεκτρικές μοτοσικλέτες. Ανάλογα, λοιπόν, με την τοπική νομοθεσία πολλά ηλεκτρικά ποδήλατα (π.χ. τύπου pedelecs) χαρακτηρίζονται ως ποδήλατα και όχι μοτοποδήλατα ή μοτοσικλέτες, με αποτέλεσμα να μην υπόκεινται στους αυστηρότερους νόμους σχετικά με την πιστοποίηση και τη λειτουργία τους. Σε αντίθεση με τα pedelecs, πιο ισχυρά δίκυκλα συχνά χαρακτηρίζονται ως ηλεκτρικές μοτοσικλέτες και ως εκ τούτου πρέπει (ανάλογα με τη νομοθεσία) να ασφαλίζονται, ο αναβάτης τους να κατέχει άδειας οδήγησης και να φορά κράνος. Για την Ελλάδα ισχύει η οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης 2002/24/EC σύμφωνα με την οποία τα οχήματα, που πληρούν τις ακόλουθες προδιαγραφές, απαλλάσσονται

35 από τις διατάξεις του νόμου, οι οποίες αφορούν τις μοτοσικλέτες. Συγκεκριμένα η οδηγία αυτή αναφέρει χαρακτηριστικά ότι: Ποδήλατα με υποβοήθηση στα πετάλια που είναι εξοπλισμένα με βοηθητικό ηλεκτροκινητήρα μέγιστης συνεχούς ονομαστικής ισχύος 0,25kW, του οποίου η ισχύς μειώνεται σταδιακά και τελικά διακόπτεται όταν το όχημα φθάνει σε μία ταχύτητα 25km/h (16mph) ή εάν σταματήσει η ποδηλάτηση. Το πρότυπο ασφαλείας EN για τα Ευρωπαϊκά προϊόντα δημοσιεύθηκε το 2009 και είχε ως στόχο να παράσχει ένα πρότυπο για την αξιολόγηση των ηλεκτρικά υποβοηθούμενων ποδηλάτων ενός τύπου, που εξαιρείται από την έγκριση τύπου σύμφωνα με την οδηγία 2002/24/EC. Επιπλέον για την Ελλάδα, σύμφωνα με την Β έκδοση της άτυπης κωδικοποίησης του ΚΟΚ[4], η οποία εκδόθηκε το 2009, γίνεται διάκριση των ποδηλάτων, των μοτοποδηλάτων και των μοτοσικλετών μέσα από τους ορισμούς που παρατίθενται στην συνέχεια: Ποδήλατο Το όχημα δύο τουλάχιστον τροχών το οποίο κινείται με τη μυϊκή δύναμη εκείνων που επιβαίνουν και μπορεί να υποβοηθείται με βοηθητικό ηλεκτροκινητήρα μέγιστης συνεχούς ονομαστικής ισχύος 0,25kW και η ισχύς του οποίου μειώνεται σταδιακά και τελικά μηδενίζεται όταν η ταχύτητα του οχήματος φθάσει τα 25 χλμ/ώρα ή νωρίτερα, εάν σταματήσει η ποδηλάτηση. Μοτοποδήλατο Το δίτροχο ή τρίτροχο όχημα, του οποίου η μέγιστη εκ κατασκευής ταχύτητα δεν υπερβαίνει τα 45 χιλιόμετρα την ώρα και, εάν είναι εξοπλισμένο με κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο κυλινδρισμός του δεν υπερβαίνει τα 50 κυβικά εκατοστά. Επίσης ως μοτοποδήλατο λογίζεται και το ελαφρό τετράτροχο όχημα του οποίου το απόβαρο κενού οχήματος, μη συμπεριλαμβανομένου του βάρους του καυσίμου ή του μίγματος καυσίμου-ελαίου ή των συσσωρευτών των ηλεκτρικών οχημάτων, είναι μικρότερο των 350 χιλιογράμμων, η μέγιστη εκ κατασκευής ταχύτητα δεν υπερβαίνει τα 45 χιλιόμετρα την ώρα και ο κυλινδρισμός του κινητήρα του δεν υπερβαίνει τα

36 κυβικά εκατοστά, προκειμένου για κινητήρα με επιβαλλόμενη ανάφλεξη ή η μέγιστη καθαρή ισχύς τα 4kW, προκειμένου για κινητήρες άλλου τύπου. Μοτοσικλέτα Κάθε δίτροχο μηχανοκίνητο όχημα με ή χωρίς καλάθι, του οποίου είτε η μέγιστη εκ κατασκευής ταχύτητα είναι μεγαλύτερη των 45 χιλιομέτρων την ώρα είτε, εάν είναι εξοπλισμένο με κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο κυλινδρισμός του κινητήρα είναι μεγαλύτερος των 50 κυβικών εκατοστών. Για κάθε ποδήλατο, είτε απλό είτε ηλεκτρικό, όταν εμπίπτει στον παραπάνω ορισμό του ΚΟΚ δεν απαιτείται για την κυκλοφορία του άδεια οδήγησης, άδεια κυκλοφορίας και χρήση κράνους, ωστόσο συνίσταται για την ασφάλεια του αναβάτη. Ακόμα ο κώδικας οδικής κυκλοφορίας για τα ποδήλατα αναφέρει τα παρακάτω: Τα ποδήλατα επιβάλλεται να είναι εφοδιασμένα με ένα λευκό ή κίτρινο φως μπροστά και ένα ερυθρό φως και αντανακλαστικό στοιχείο πίσω, ως και με έναν τουλάχιστον αντανακλαστήρα σε κάθε πλευρά. Ομοίως αντανακλαστικό στοιχείο κίτρινου χρώματος επιβάλλεται να τοποθετείται σε κάθε ποδομοχλό. Εξαιρούνται της υποχρέωσης να φέρουν τα ως άνω φώτα, εφόσον δεν κυκλοφορούν τη νύκτα, τα ποδήλατα των οποίων η διάμετρος τροχού δεν υπερβαίνει τα 500 χιλιοστά, τα αγωνιστικά και τα ορειβατικά ποδήλατα

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1. Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία, για την μετατροπή ενός απλού ποδηλάτου σε ηλεκτρικό, είναι η επιλογή του κατάλληλου για την εκάστοτε εφαρμογή κινητήρα, αφού πάνω στα χαρακτηριστικά του θα βασιστεί και η επιλογή των κατάλληλων συσσωρευτών. Ένα ακόμα στοιχείο και παράλληλα αυτό με το μεγαλύτερο κόστος απόκτησης είναι οι συσσωρευτές και η εκλογή του καταλληλότερου τύπου με στόχο την εξασφάλιση μιας ικανοποιητικής διάρκειας ζωής. Τέλος, είναι απαραίτητη η επιλογή των επιμέρους στοιχείων που απαιτούνται για την υλοποίηση του ηλεκτρικού ποδηλάτου σαν σύστημα, όπως διάφοροι αισθητήρες, ο ηλεκτρικός επιταχυντής, τα ηλεκτρικά φρένα και κυρίως ο ελεγκτής που θα αναλαμβάνει τη διαχείριση των διαφόρων επιμέρους στοιχείων και τον έλεγχο του κινητήρα. Ο ελεγκτής αυτός μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Το ολοκληρωμένο ηλεκτροκινητήριο σύστημα, το οποίο απαιτείται για την μετατροπή ενός συμβατικού ποδηλάτου σε ηλεκτρικό, παρουσιάζεται σχηματικά στη συνέχεια. Σχήμα 2.1: Το ολοκληρωμένο ηλεκτροκινητήριο σύστημα

38 2.2. Επιλογή κινητήρα και επιμέρους στοιχείων [23],[24] Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, σύμφωνα με την υπάρχουσα νομοθεσία για να χαρακτηριστεί ένα ποδήλατο ως ηλεκτρικό ποδήλατο και όχι ως μοτοποδήλατο ή μοτοσικλέτα, θα πρέπει η μέγιστη ονομαστική ισχύς του κινητήρα να μην ξεπερνά τα 250W. Ωστόσο, στα ερευνητικά πλαίσια της παρούσας εργασίας κρίθηκε σκόπιμος ο υπολογισμός της ονομαστικής ισχύος του κινητήρα που θα χρησιμοποιηθεί για την συγκεκριμένη κατασκευή. Συνεπώς δημιουργήθηκε ένας αλγόριθμος που υπολογίζει την ελάχιστη απαιτούμενη ισχύ του κινητήρα με βάση κάποιες προδιαγραφές και ελάχιστες απαιτήσεις. Πιο συγκεκριμένα οι προδιαγραφές που τέθηκαν είναι οι εξής: μέγιστη σταθερή ταχύτητα σε οριζόντιο επίπεδο 25km/h χρόνος από στάση έως τη μέγιστη ταχύτητα 5sec δυνατότητα ανάβασης κεκλιμένου επιπέδου κλίσης 10% με ταχύτητα 15km/h Κρίσιμοι παράμετροι για τον υπολογισμό της ελάχιστης ηλεκτρικής ισχύος του κινητήριου συστήματος είναι οι εξής: η μάζα του ποδηλάτου και αναβάτη η μάζα του κινητήριου συστήματος (κινητήρας, συσσωρευτές) η μετωπική περιοχή (ενεργός επιφάνεια) ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης οι δυνάμεις επιβράδυνσης και τέλος οι προδιαγραφές που τέθηκαν. Η μάζα ενός τυπικού ποδηλάτου που κυκλοφορεί στο εμπόριο είναι 13-15kg, ενώ η μάζα του ηλεκτροκινητήριου συστήματος κυμαίνεται από 15 έως 20kg. Οι τυπικές τιμές για την μετωπική περιοχή ενός ποδηλάτου μαζί με τον αναβάτη είναι 0,4-0,7m 2. Ο υπολογισμός του αεροδυναμικού συντελεστή γίνεται με βάση το σχήμα του οχήματος και οι τιμές του για διάφορα σχήματα φαίνονται στην εικόνα που ακολουθεί. Το ποδήλατο μαζί με τον αναβάτη μπορεί να προσομοιωθεί με τρίγωνο και κατά συνέπεια ο αεροδυναμικός συντελεστής προκύπτει 0,

39 Εικόνα 2.1: Συντελεστές αεροδυναμικής αντίστασης για διάφορα σχήματα [45] Η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται από την θερμοκρασία, τη βαρομετρική πίεση και το υψόμετρο. Η πυκνότητα του αέρα στο επίπεδο της θάλασσας είναι 1,225kg/m 3, ενώ μειώνεται ανάλογα με την αύξηση του υψομέτρου. Συνεπώς ο συντελεστής της αντίστασης του αέρα προκύπτει από τον τύπο: Συντελεστής αντίστασης αέρα (2.1) όπου Cd είναι ο αεροδυναμικός συντελεστής αντίστασης Α είναι η μετωπική περιοχή ρ είναι η πυκνότητα αέρα. Κατά συνέπεια, η δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση και οφείλεται στην αντίσταση του αέρα δίνεται από τη σχέση: F air (2.2) όπου u είναι η ταχύτητα κίνησης

40 Κατά την κίνηση σε κεκλιμένο επίπεδο είναι απαραίτητος ο υπολογισμός της γωνίας του κεκλιμένου επιπέδου σε μοίρες με βάση την κλίση του οδοστρώματος και προκύπτει από τη σχέση: Γωνία κεκλιμένου επιπέδου (2.3) Ο συντελεστής αντίστασης κύλισης οφείλεται στο είδος του εδάφους και στον τύπο των ελαστικών των τροχών του ποδηλάτου. Για δρόμο με άσφαλτο μια τυπική τιμή είναι 0,004. Στη συνέχεια υπολογίζονται τρείς κατηγορίες ισχύος, που απορρέουν από τις απαιτήσεις της κίνησης του ποδηλάτου, με στόχο τον προσδιορισμό της ελάχιστης απαιτούμενης ηλεκτρικής ισχύος του κινητήρα, η οποία προφανώς θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τις τρείς αυτές τιμές της ισχύος. Για κίνηση με σταθερή ταχύτητα σε οριζόντιο επίπεδο η απαιτούμενη ισχύς του κινητήρα δίνεται από τη σχέση: (2.4) όπου Τ είναι η τριβή κύλισης σε οριζόντιο επίπεδο. Για κίνηση με σταθερή ταχύτητα σε κεκλιμένο επίπεδο η απαιτούμενη ισχύς του κινητήρα δίνεται από τη σχέση: (2.5) όπου Τ κ είναι η τριβή κύλισης σε κεκλιμένο επίπεδο Β κ είναι η συνιστώσα του βάρους που είναι παράλληλη στο κεκλιμένο επίπεδο. Για ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση η απαιτούμενη ισχύς του κινητήρα δίνεται από τη σχέση: (2.6) όπου m είναι η συνολική μάζα t είναι ο χρόνος για την επίτευξη της σταθερής ταχύτητας από ακινησία. Ένα παράδειγμα από την υλοποίηση του συγκεκριμένου αλγορίθμου παρουσιάζεται στη συνέχεια, όπου κανείς μπορεί να διακρίνει παράγοντες όπως το

41 βάρος, η ταχύτητα, η επιτάχυνση αλλά και η παραμετροποίηση του γεωγραφικού ανάγλυφου, όπως η κλίση και το ποσοστό των κεκλιμένων επιπέδων τα οποία καλείται να καλύψει το ποδήλατο στα πλαίσια κάποιας διαδρομής. Πίνακας 2.1: Αλγόριθμος υπολογισμού ελάχιστης απαιτούμενης ισχύος Προδιαγραφές από το χρήστη: Πληροφορίες: Αποτελέσματα Υπολογισμών: Υπολογισμός Σημειακού Βάρους: Μέση μάζα απλού ποδηλάτου: kg Επιτάχυνση της βαρύτητας: 9,81 m/sec 2 Ποδήλατο: 15 kg Μπαταρία: 10 kg Κινητήρας: 8 kg Λοιπά στοιχεία μετατροπής: 2 kg Αναβάτης: 65 kg Συνολική μάζα: 100 kg Συνολικό βάρος: 981 N Υπολογισμός Ισχύος Κινητήρα: Μέγιστη ισχύς αθλητή αναβάτη: 250 W Αποτελεσματική μετωπική περιοχή: Συντελεστές Αντίστασης Κύλισης (Άσφαλτος): Πυκνότητα αέρα στο επίπεδο της θάλασσας: 1,22521 kg/m 3 Πυκνότητα αέρα: 1,1 kg/m 3 Μετωπική περιοχή: 0,5 m 2 Αεροδυναμικός συντελεστής: 0,5 (-) Συντελεστής Αντίστασης Κύλισης: 0,004 (-) Σταθερή ταχύτητα: 25 km/h Σταθερή ταχύτητα: 6,94 m/s Χρόνος από στάση έως τα 25 km/h: 5 sec Κλίση ανηφόρας: 10 % Γωνία κεκλιμένου επιπέδου: 6 ( ο ) Ποσοστό του δρόμου με ανηφόρα: 100 % Συντελεστής σταθερής ταχύτητας: 0 (-) Συντελεστής ανάβασης: 1 (-) Συντελεστής αντίστασης αέρα: 0,1375 Nsec 2 /m 2 Αντίσταση αέρα: 6,63 N

42 Πίνακας 2.2: Αλγόριθμος υπολογισμού ελάχιστης απαιτούμενης ισχύος (συνέχεια) Τριβή κύλισης σε οριζόντιο επίπεδο: 3,92 N Σταθερή ισχύς: 73,30 W Σταθερή ισχύς: 0,10 Hp Απαιτούμενη ενέργεια για μία ώρα σταθερής ταχύτητας: 263,87 kj Kινητική ενέργεια: 2,41 kj Επιπρόσθετη ισχύς για επιτάχυνση: 482,25 W Επιπρόσθετη ισχύς για επιτάχυνση: 0,65 Hp Ρυθμός ανύψωσης για τη σταθερή ισχύ που προέκυψε: 0,68 m/s Ισχύς για ανάβαση με ταχύτητα 15km/h: 433,30 W Απαιτούμενη ενέργεια για μια ώρα ανάβασης: 1559,86 kj Ελάχιστη απαιτούμενη ισχύς από κινητήρα: 482,25 W Συνολική ενέργεια ανά ώρα: 1559,86 kj Απόδοση κινητήρα: 90 % Σταθερή ισχύς αναβάτη: 100 W Εκμεταλλεύσιμη ισχύς: 534,03 W Εκμεταλλεύσιμη ισχύς: 0,72 Hp Όπως λοιπόν προκύπτει από τα παραπάνω, ανάλογα με την ισχύ του κινητήρα μεταβάλλονται και οι δυνατότητές του για επιτάχυνση ή κίνηση σε κεκλιμένο επίπεδο. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά αλλά και τα τυποποιημένα μεγέθη κινητήρων που κυκλοφορούν στο εμπόριο, καταλήξαμε στη χρήση ενός ηλεκτρικού κινητήρα ισχύος 500W. Συγκεκριμένα επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ένας Axial Flux Brushless DC κινητήρας ισχύος 500W με αισθητήρες Hall, που κατά βάση αποτελεί και τον κανόνα στα ηλεκτρικά ποδήλατα. Ο λόγος που επιλέχθηκε ο συγκεκριμένος τύπος κινητήρα αλλά και τα χαρακτηριστικά του θα αναλυθούν εκτενώς σε επόμενο κεφάλαιο. Όμως η διάκριση των κινητήρων αυτών γίνεται και ως προς την ονομαστική τάση λειτουργίας με βάση την οποία υπάρχουν τρία επίπεδα, τα οποία είναι στα 24V, στα 36V και στα 48V. Η πρώτη περίπτωση, δηλαδή τα 24V ως ονομαστική τάση λειτουργίας, απορρίφθηκε διότι για τη δεδομένη ισχύ απαιτείται πολύ μεγάλο ρεύμα τροφοδοσίας, το οποίο με τη σειρά του έχει αρκετά μειονεκτήματα. Ορισμένα από αυτά είναι οι μεγάλες απώλειες, αφού, η χρήση στοιχείων στον μετατροπέα που να αντέχουν τέτοιας τάξης ρεύματα και τέλος η επιλογή μπαταρίας που να μπορεί να δώσει σε συνεχή λειτουργία τόσο ρεύμα, ώστε να παρέχει μια ικανοποιητική

43 αυτονομία. Η τρίτη περίπτωση, δηλαδή τα 48V ως ονομαστική τάση λειτουργίας, απορρίφθηκε επίσης για λόγους προστασίας του αναβάτη σε περίπτωση επαφής. Τελικά, καταλήξαμε στη χρήση κινητήρα ονομαστικής τάσης 36V και ισχύος 500W του οποίου οι απαιτήσεις σε ρεύμα και σε στοιχεία της μπαταρίας είναι μικρότερες από τις άλλες δύο περιπτώσεις. Επιπλέον, αποφασίστηκε το ηλεκτρικό όχημα που θα κατασκευαστεί, σύμφωνα με προηγούμενη ανάλυση, να χρησιμοποιεί τόσο το pedal-assist όσο και το power-on-demand σύστημα. Συνεπώς πέραν των ηλεκτρικών φρένων ήταν απαραίτητη η προμήθεια του αισθητήρα ανίχνευσης περιστροφών στα πετάλια αλλά και του ηλεκτρονικού επιταχυντή (γκάζι) για το τιμόνι. Μετά από έρευνα αγοράς, με βάση την διαθεσιμότητα και το όσο κατά το δυνατόν χαμηλό κόστος, επιλέχθηκε η αγορά του συνόλου των παραπάνω στοιχείων από την εταιρεία GWL Power EV Bike. Ο κινητήρας ήταν προσαρμοσμένος από τον κατασκευαστή στον άξονα του οπίσθιου τροχού (26"x1,75", Alloy 6061, double wall), όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, όπου παρουσιάζονται επίσης και όλα τα στοιχεία που αναφέρθηκαν νωρίτερα. Το τεχνικό φυλλάδιο του παρατίθεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ. Εικόνα 2.2: GWL/Power E-bike conversion kit α) ηλεκτρικός επιταχυντής και ηλεκτρικά φρένα β) αισθητήρας στα πετάλια γ) τροχός-κινητήρας 36V/500W Rear 26" [9]

44 2.3. Ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές [5],[6],[23] Ο συσσωρευτής είναι η βασική πηγή ενέργειας για το σύστημα, η οποία απαιτείται για την τροφοδότηση του κινητήρα και κατά συνέπεια την κίνηση του ποδηλάτου ως ηλεκτρικού. Από τη μεριά τους οι μπαταρίες αποτελούν το πιο διαδεδομένο μέσο αποθήκευσης της ενέργειας για μετέπειτα χρήση. Η αποθηκευμένη στους συσσωρευτές ενέργεια υπό χημική μορφή, μετατρέπεται σε ηλεκτρική και τροφοδοτεί τον κινητήρα, ο οποίος με τη σειρά του τη μετατρέπει σε μηχανική ενέργεια στον άξονά του και κατά συνέπεια σε κινητική ενέργεια, η οποία κινεί το ποδήλατο. Ένας συσσωρευτής αποτελείται από επιμέρους δομικές μονάδες, οι οποίες ονομάζονται κυψέλες ή αλλιώς στοιχεία (cell), που συνδέονται κατάλληλα σε σειρά ή/και παράλληλα, ώστε να συστήσουν μια μπαταρία συγκεκριμένων προδιαγραφών. Συγκεκριμένα, η κάθε κυψέλη αποτελείται από τα εξής μέρη: το θετικό ηλεκτρόδιο, το οποίο είναι από υλικό που μπορεί να μειωθεί σε μάζα κατά την εκφόρτιση και προσελκύει ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μπαταρία το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το οποίο είναι μεταλλικό και μπορεί να οξειδωθεί κατά την εκφόρτιση και να παράγει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα τον ηλεκτρολύτη, ο οποίος αποτελεί το μέσο στο οποίο γίνεται η μεταφορά ιόντων μεταξύ αρνητικού και θετικού ηλεκτροδίου, δεν είναι αγωγός των ηλεκτρονίων ώστε να αποφευχθεί η αυτοεκφόρτιση της μπαταρίας και το υλικό του εξαρτάται από τον τύπο της μπαταρίας και τον μονωτή, που έχει ως ρόλο να διαχωρίζει τα δύο ηλεκτρόδια ώστε να μην έρθουν σε επαφή και να μη συμβεί βραχυκύκλωμα, αλλά δρα και ως μηχανική υποστήριξη του υλικού και επιτρέπει τη διέλευση των ιόντων διαμέσου του ηλεκτρολύτη

45 Συνέπεια της χημικής αντίδρασης, που λαμβάνει χώρα μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη, είναι η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι συσσωρευτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τη δυνατότητα επαναφόρτισης: στους πρωτογενείς, οι οποίοι είναι μιας χρήσεως και όταν εκφορτιστούν πλήρως δεν υπάρχει δυνατότητα επαναφόρτισης και χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα που απαιτούν μικρούς ρυθμούς εκφόρτισης και μικρό αρχικό κόστος στους δευτερογενείς, οι οποίοι λόγω της αναστρεψιμότητας της χημικής αντίδρασης μπορούν να επαναφορτιστούν, αν τους διοχετεύσουμε ρεύμα αντίθετο από εκείνο της εκφόρτισης και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με μεγάλες ισχείς. Οι συσσωρευτές μπορούν επίσης να περιγραφούν με βάση κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη που αφορούν τις δομικές τους μονάδες και κατ επέκταση τους ίδιους. Συγκεκριμένα κάθε κυψέλη περιγράφεται από: την τάση της (V), που είναι η τάση υπό την οποία παρέχεται το ρεύμα στο φορτίο, μειωμένη όμως κατά την πτώση τάσης Ι*R εξαιτίας της εσωτερικής αντίστασής της. Δηλαδή η τάση που καταλήγει στα άκρα του φορτίου κατά την εκφόρτιση του στοιχείου είναι, όπου Ε η τάση του στοιχείου. Αντίστοιχα κατά την φόρτιση, η τάση με την οποία φορτίζεται το στοιχείο πρέπει να είναι. Διαδοχικές φορτίσεις και εκφορτίσεις αυξάνουν την εσωτερική αντίσταση του στοιχείου και κατά συνέπεια μειώνουν την τάση που μπορεί να αποδώσει. Συνεπώς, επιδιώκεται μικρότερη εσωτερική αντίσταση, καθώς ισοδυναμεί με μικρότερη απώλεια ενέργειας. Συνδέοντας στοιχεία σε σειρά επιτυγχάνουμε την επιθυμητή τάση τροφοδοσίας του φορτίου, ενώ συνδέοντάς τα παράλληλα δίνουμε τη δυνατότητα παραγωγής του κατάλληλου προς τροφοδοσία ρεύματος. την χωρητικότητά της (Αh), η οποία εκφράζει την αποθηκευμένη ενέργεια στο εσωτερικό της ή αλλιώς το ποσό του ρεύματος εκφόρτισης που μπορεί να παραχθεί κατά την διάρκεια μιας συγκεκριμένης χρονικής περιόδου. Με βάση

46 τα παραπάνω και πάντα σε θεωρητικό επίπεδο, μια μπαταρία 20Ah μπορεί να δώσει 1Α για 20 ώρες ή 0,5Α για 40 ώρες. Στην πράξη όμως, η χωρητικότητα επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως ο ρυθμός εκφόρτισης, η τάση αποκοπής, η θερμοκρασία, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης, η γήρανση και η θειΐκωση με αποτέλεσμα να μην υπάρχει αυτή η γραμμικότητα στη συμπεριφορά της και κατά συνέπεια η ίδια μπαταρία να μην μπορεί να δώσει 20Α για μια ώρα ή 40Α για μισή ώρα. το βάθος εκφόρτισης - DOD (%) και τη στάθμη φόρτισης - SOC (%), μεγέθη τα οποία μετρώνται σε ποσοστά επί της ονομαστικής χωρητικότητας και εκφράζουν το ποσό της χωρητικότητας που έχει εκφορτιστεί και τη διαθέσιμη χωρητικότητα αντίστοιχα. την αποθηκευμένη ενέργεια (J ή Wh), που εξαρτάται από την τάση και το αποθηκευμένο φορτίο στο στοιχείο. την ειδική ενέργεια (Wh/kg), η οποία περιγράφει την ποσότητα της αποθηκευμένης ηλεκτρικής ενέργειας ανά χιλιόγραμμο μάζας της κυψέλης. την ειδική ισχύ (W/kg), η οποία αποτελεί την ποσότητα ισχύος ανά χιλιόγραμμο μάζας. Οι μπαταρίες χαρακτηρίζονται από μία μέγιστη ισχύ, στην οποία όμως δεν πρέπει να λειτουργούν πάνω από μερικά δευτερόλεπτα καθώς μειώνεται η διάρκεια ζωής και η απόδοσή τους. Κάποια είδη συσσωρευτών έχουν μεγάλη ειδική ενέργεια αλλά μικρή ειδική ισχύ. Μικρή ειδική ισχύς σημαίνει ότι η μπαταρία δε μπορεί να αποδώσει σημαντικά ποσά ενέργειας με ταχύ ρυθμό στο φορτίο. Η αύξηση της παρεχόμενης ισχύος, δηλαδή η αύξηση του ρυθμού παροχής ενέργειας ή αλλιώς η μείωση του χρόνου εκφόρτισης, μειώνει ταχύτερα τα αποθέματα του στοιχείου. την ενεργειακή πυκνότητα (Wh/m 3 ), η οποία περιγράφει την ποσότητα της αποθηκευμένης ηλεκτρικής ενέργειας ανά κυβικό μέτρο. την αποδοτικότητα στη φόρτιση (Ah), η οποία εκφράζεται μέσω ενός συντελεστή που καθορίζει το επίπεδο φόρτισης που θα φτάσει η μπαταρία και

47 εξαρτάται από τον τύπο, τη θερμοκρασία, το ρυθμό φόρτισης καθώς και από την κατάσταση φόρτισής της. Είναι χαρακτηριστικό ότι από το 20% στο 80% του SOC ο συντελεστής απόδοσης πλησιάζει τη μονάδα. Αντίθετα, στο 20% που απομένει για να φορτιστεί πλήρως, ο συντελεστής απόδοσης πέφτει κατακόρυφα. τη διάρκεια ζωής της (cycles), δηλαδή τους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης που μπορεί να πραγματοποιήσει χωρίς να επηρεαστεί η διαθέσιμη χωρητικότητα. Διαδοχικές φορτίσεις και εκφορτίσεις επιφέρουν μη αναστρέψιμες μεταβολές, οι οποίες μειώνουν τη διάρκεια ζωής του στοιχείου. το βαθμό απόδοσής της, ο οποίος επηρεάζεται από παράγοντες όπως η αυτοεκφόρτιση, η ηλεκτρόλυση, οι ρυθμοί φόρτισης και εκφόρτισης και η θερμοκρασία. τον ρυθμό αυτοεκφόρτισης της, καθώς ακόμα και όταν δεν χρησιμοποιείται, η αποθηκευμένη ενέργεια σ αυτή μειώνεται. Ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης διαφέρει από τύπο σε τύπο και η υψηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος εντείνει το συγκεκριμένο φαινόμενο. τα όρια της θερμοκρασίας κατά τη λειτουργία της, αφού σε χαμηλές ή υψηλές θερμοκρασίες μειώνεται η απόδοσή της. και τέλος από τη γεωμετρία της, δηλαδή το βάρος, τον όγκο και τις διαστάσεις της κυψέλης, τα οποία με τη σειρά τους θέτουν και τους αντίστοιχους περιορισμούς για την μπαταρία. Η συγκεκριμένη παράμετρος αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα καθώς οι συσσωρευτές αυξάνουν πολύ το βάρος του ηλεκτροκίνητου οχήματος, ενώ ταυτόχρονα καταλαμβάνουν σταθερό όγκο. Βέβαια, η τεχνολογία γύρω από την κατασκευή των συσσωρευτών βελτιώνεται με ταχείς ρυθμούς, μειώνοντας το βάρος και τον όγκο που καταλαμβάνει ένας συσσωρευτής για την αποθήκευση της ενέργειας. Ανάμεσα στους συσσωρευτές με δυνατότητα επαναφόρτισης υπάρχουν διάφορα είδη και κάθε ένα από αυτά χαρακτηρίζεται από ορισμένες προδιαγραφές που το

48 καθιστούν κατάλληλο για συγκεκριμένες εφαρμογές. Όσον αφορά την ηλεκτροκίνηση, ορισμένοι από τους πιο κατάλληλους τύπους συσσωρευτών αναφέρονται ενδεικτικά παρακάτω και αναλύονται στη συνέχεια: οξέος Μολύβδου Νικελίου Καδμίου Νικελίου μετάλλου Υδριδίου Λιθίου πολυμερούς ιόντων Λιθίου Κυψέλες Μολύβδου οξέος (lead-acid) Οι κυψέλες αυτές πάντα ήταν η πιο δημοφιλής επιλογή για ηλεκτροκίνητα οχήματα και είναι ευρέως διαδεδομένες για διάφορους τύπους εφαρμογών. Η εμπορική τους επιτυχία οφείλεται στα εξής χαρακτηριστικά τους: χαμηλό κόστος μεγάλη διάρκεια ζωής εύκολη πρόσβαση στις πρώτες ύλες (Μόλυβδος και Θείο) εύκολη κατασκευή και προτιμώμενα ηλεκτρομηχανικά χαρακτηριστικά. Ο συγκεκριμένος τύπος συσσωρευτών αποτελούνταν στην αρχή από δύο τυλιγμένες λωρίδες Μολύβδου που χωρίζονταν από λινό ύφασμα, αλλά πλέον τα ηλεκτρόδια είναι ορθογώνια πλέγματα Μολύβδου. Πιο συγκεκριμένα, το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι γεμισμένο με σπογγώδη μόλυβδο και το θετικό είναι γεμισμένο με διοξείδιο του Μολύβδου (PbO 2 ). Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται είναι διάλυμα θειικού οξέος H 2 SO 4 και ο μονωτής μεταξύ των ηλεκτροδίων επιλέγεται ώστε να αντέχει την οξείδωση, να έχει ευστάθεια σε όξινες συνθήκες και να είναι πολύ πορώδης για να έχει χαμηλή ηλεκτρική αντίσταση. Κατά την εκφόρτιση καταναλώνεται το θειικό οξύ και σχηματίζεται νερό, συνεπώς η σύνθεση του ηλεκτρολύτη αλλάζει και η πυκνότητά της σε θειικό οξύ καθορίζει το στάδιο εκφόρτισης της μπαταρίας. Επίσης, η εκφόρτιση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία και επικάθιση αδιάλυτου θειικού Μολύβδου στα ηλεκτρόδια, ο οποίος λειτουργεί ως μονωτής και μειώνει τη χωρητικότητα της

49 μπαταρίας. Κατά τη φόρτιση ο θειικός Μόλυβδος στο αρνητικό ηλεκτρόδιο και το οξείδιο του Μολύβδου στο θετικό ηλεκτρόδιο μετατρέπονται ξανά σε Μόλυβδο. Οι συγκεκριμένες μπαταρίες παρουσιάζουν σημαντική αυτοεκφόρτιση, διότι η χημική τους σύνθεση είναι θερμοδυναμικά ασταθής όσον αφορά τις αντιδράσεις με το οξυγόνο και το υδρογόνο. Το μέγεθος της αυτοεκφόρτισης εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τον όγκο του ηλεκτρολύτη και ακόμη περισσότερο από την περιεκτικότητα σε προσμίξεις. Αν διαρρεύσει αντιμόνιο από το θετικό ηλεκτρόδιο και επικαθίσει στο αρνητικό τότε καταλύεται η αντίδραση. Επιπροσθέτως, οι μπαταρίες Μολύβδου οξέος πρέπει να προστατεύονται από ακραίες χαμηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα όταν έχουν χαμηλή στάθμη φόρτισης. Στην κατάσταση αυτή το ποσοστό του νερού μέσα στη μπαταρία είναι μεγάλο και η πιθανότητα να παγώσει αυξάνεται. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα πρώτον τη δημιουργία ρωγμών στο κέλυφος της μπαταρίας, διότι ο παγωμένος ηλεκτρολύτης είναι σε μορφή ζελέ και δε διαστέλλεται, και δεύτερον, πολύ μικρά ρεύματα λειτουργίας τόσο κατά την εκφόρτιση όσο και κατά τη φόρτιση. Σημαντικά μειονεκτήματα των μπαταριών Μολύβδου είναι ο υψηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης, που μπορεί να φτάσει μέχρι και 20%, η χαμηλή πυκνότητα ενέργειας (έως 40kWh/kg) και η υψηλή τοξικότητα. Όσον αφορά το τελευταίο, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή κατά την αντικατάσταση μιας μπαταρίας διότι ο Μόλυβδος είναι επικίνδυνος για το περιβάλλον και τον άνθρωπο, αλλά και κατά τη μετακίνησή της, διότι υπάρχει πιθανότητα διαρροής του ηλεκτρολύτη αν η μπαταρία αναποδογυρίσει και το κέλυφός της δεν είναι ερμητικά κλειστό Κυψέλες Νικελίου Καδμίου (NiCd) Οι μπαταρίες Νικελίου Καδμίου χαρακτηρίζονται από σχετικά υψηλές τιμές φόρτισης και εκφόρτισης, σχεδόν σταθερή τιμή τάσης κατά την εκφόρτιση, δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλές θερμοκρασίες, μεγάλους κύκλους ζωής, αξιοπιστία και δεν έχουν απαιτήσεις σε συντήρηση. Σε αυτόν τον τύπο μπαταρίας το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από υδροξείδιο του Νικελίου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο από Κάδμιο. Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από υδατικό διάλειμμα υδροξειδίου του Καλίου αν η μπαταρία προορίζεται για λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ για να λειτουργήσει σε υψηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιείται ηλεκτρολύτης από υδατικό υδροξείδιο του

50 Νατρίου. Αν η μπαταρία υπερφορτιστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα συμβαίνουν απώλειες νερού, και γι αυτό το λόγο τα κελιά είναι σχεδιασμένα να περιέχουν μεγάλη ποσότητα ηλεκτρολύτη ώστε να μην απαιτείται συχνή συντήρησή τους. Με την πάροδο των χρόνων όμως, ο ηλεκτρολύτης μπορεί να υποστεί προσμίξεις με διοξείδιο του Άνθρακα οπότε απαιτείται η αντικατάστασή του. Όσον αφορά στην αυτοεκφόρτιση των μπαταριών Νικελίου Καδμίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 ο C το ύψος της στάθμης φόρτισης μετά από διάστημα 12 μηνών είναι 80%. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες Μολύβδου οξέος, τα κελιά Νικελίου Καδμίου μπορούν να μείνουν αχρησιμοποίητα σε οποιαδήποτε στάθμη φόρτισης για μεγάλες χρονικές περιόδους χωρίς να υποστούν βλάβες. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό από το οποίο υποφέρουν οι μπαταρίες Νικελίου Καδμίου είναι το φαινόμενο «μνήμης», το οποίο επιφέρει προσωρινή μείωση της χωρητικότητας των μπαταριών. Πιο συγκεκριμένα, όταν οι μπαταρίες υπόκεινται σε επαναλαμβανόμενους πανομοιότυπους κύκλους όπου δεν εκφορτίζονται εντελώς, σε επόμενη εκφόρτιση φτάνουν στην ίδια κατάσταση από την οποία ξεκίνησαν να φορτίζονται. Το αποτέλεσμα είναι η παροδική πτώση τάσης, η οποία μπορεί επίσης να παρουσιαστεί όταν το αρνητικό ηλεκτρόδιο υπερφορτιστεί σε υψηλή θερμοκρασία. Όπως και ο προηγούμενος τύπος μπαταριών, οι μπαταρίες Νικελίου Καδμίου είναι τοξικές λόγω του Καδμίου που περιέχουν, επομένως απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή κατά την αντικατάστασή τους. Επίσης το Κάδμιο είναι δυσεύρετο υλικό και η κατασκευή κελιών από το υλικό αυτό είναι ακριβή, επομένως το κόστος των κελιών πολλαπλασιάζεται και ξεπερνά κατά πολύ τις μπαταρίες Μολύβδου οξέος Κυψέλες Νικελίου μετάλλου Υδριδίου (NiMH) Οι κυψέλες Νικελίου μετάλλου Υδριδίου είναι μια βελτίωση των κυψελών Νικελίου Καδμίου, διότι το Κάδμιο αντικαθίσταται με Υδρογόνο απορροφημένο από ένα κράμα μετάλλου. Ως αποτέλεσμα οι μπαταρίες είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον και έχουν αυξημένη χωρητικότητα σε σχέση με τις προηγούμενες. Η πυκνότητα ενέργειας και ισχύος για το συγκεκριμένο τύπο μπαταριών είναι 80Wh/kg, 200 W/kg, και έχουν πάνω από 1000 κύκλους ζωής. Το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από υδροξείδιο του Νικελίου και το αρνητικό από μέταλλο ή κράμα μετάλλων το οποίο έχει δεσμεύσει στη δομή του

51 Υδρογόνο. Το θετικό ηλεκτρόδιο κατασκευάζεται με διαφορετικούς τρόπους ώστε να επιτευχθούν οι επιθυμητές συνθήκες λειτουργίας και το αρνητικό ηλεκτρόδιο δέχεται ειδική επεξεργασία στην επιφάνειά του ώστε να διευκολύνεται η απορρόφηση του Υδρογόνου και να αποτρέπεται η έκλυση αερίων σε υψηλούς ρυθμούς φόρτισης. Ο ηλεκτρολύτης είναι συμπυκνωμένο υδροξείδιο του Καλίου, αλλά σε αντίθεση με την περίπτωση των κελιών Νικελίου Καδμίου δεν περιλαμβάνεται νερό στις εξισώσεις των χημικών αντιδράσεων. Ο μονωτής που χρησιμοποιείται είναι υδροφιλικό πολυπροπυλένιο ώστε να μειωθεί η αυτοεκφόρτιση του κελιού. Η αυτοεκφόρτιση στις μπαταρίες Νικελίου μετάλλου Υδριδίου είναι το κύριο μειονέκτημά τους, καθώς μπορεί να φτάσει μέχρι και 4-5% ανά ημέρα. Αυτό προκαλείται κυρίως διότι το Υδρογόνο διαλύεται στον ηλεκτρολύτη και αντιδρά με το θετικό ηλεκτρόδιο. Επίσης, οι παραπάνω μπαταρίες παρουσιάζουν λιγότερη ανοχή σε υπερφορτίσεις από τις Νικελίου Καδμίου και έχουν λιγότερους κύκλους. Τέλος, υποφέρουν και αυτές από το φαινόμενο «μνήμης» και τη μείωση της τάσης τους μέχρι να υποστούν πλήρη κύκλο εκφόρτισης - φόρτισης Κυψέλες Λιθίου Οι κυψέλες Λιθίου πλεονεκτούν έναντι των άλλων τύπων, διότι το Λίθιο έχει τη χαμηλότερη πυκνότητα (0.54g/cm -3 ) και τη χαμηλότερη ηλεκτροχημική αναλογία (0.259g/Ah -1 ) και κατά συνέπεια οι κυψέλες Λιθίου με μη υγρό ηλεκτρολύτη παρέχουν τη δυνατότητα για μπαταρίες υψηλής τάσης και πυκνότητας ενέργειας. Το Λίθιο είναι το πιο ελαφρύ στερεό στοιχείο σε θερμοκρασία δωματίου κι έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Επίσης, έχει και μικρή τιμή σταθεράς θερμικής επέκτασης, η οποία δείχνει την τάση ενός υλικού να μεταβάλλει τον όγκο του με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του. Η υψηλή ικανότητα του στοιχείου να αντιδρά με άλλα στοιχεία δείχνει ότι μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλη ποσότητα ενέργειας στους δεσμούς του προσδίδοντας μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα στη μπαταρία. Ακόμα, μπορούν να λειτουργήσουν σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών από -40 o C μέχρι 120 ο C, έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και η χαρακτηριστική καμπύλη εκφόρτισής τους έχει πολύ μικρή κλίση. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από μέταλλο Λιθίου, ο ηλεκτρολύτης από ιόντα Λιθίου και το θετικό ηλεκτρόδιο για τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες από υλικά που μπορούν να υποστούν αντιστρεπτή ηλεκτροχημική αντίδραση με τα ιόντα

52 Λιθίου. Κατά τη φόρτιση κινούνται ιόντα Λιθίου και ηλεκτρόνια από το θετικό ηλεκτρόδιο διαμέσου του ηλεκτρολύτη και του εξωτερικού κυκλώματος αντίστοιχα, προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες τα θετικά ηλεκτρόδια «υψηλής τάσης» αφορούν τάσεις κελιών 4V και αποτελούνται από οξείδια μετάλλου LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2 O 4, ή LiFePO 4 και συνδυάζονται με αρνητικά ηλεκτρόδια από ενώσεις Άνθρακα, οι οποίες έχουν διαφορετική κρυσταλλική δομή ανάλογα με την θερμική επεξεργασία που υφίστανται. Οι μπαταρίες LiCoO 2 με ημίκαυστο Άνθρακα ή Γραφίτη παρουσιάζουν για την πρώτη περίπτωση μπαταριών πυκνότητα ενέργειας 66Wh/kg και η τάση τους μειώνεται σημαντικά κατά την εκφόρτιση, ενώ για τη δεύτερη πυκνότητα ενέργειας 122Wh/kg και δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερη μείωση τάσης λόγω του Γραφίτη. Όμως το κόστος κατασκευής της ένωσης LiCoO 2 είναι υψηλό, οπότε αντικαθίσταται από LiNiO 2 ή LiMn 2 O 4. Συγκεκριμένα, ο συνδυασμός LiNiO2 και Γραφίτη προσφέρει μεγαλύτερη χωρητικότητα ανά κελί και χαμηλότερο κόστος. Χαμηλό κόστος έχουν και οι μπαταρίες με LiFePO 4, αλλά δεν έχουν την ίδια πυκνότητα ενέργειας και αγωγιμότητα όπως οι υπόλοιπες. Άλλος τύπος επαναφορτιζόμενων μπαταριών Λιθίου είναι εκείνος με μεταλλικά υλικά στο θετικό ηλεκτρόδιο «χαμηλής τάσης» της τάξεως των 2.2V-3.2V. Ο τύπος αυτός θεωρητικά προσφέρει υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας από την προηγούμενη περίπτωση και είναι κυρίως μπαταρίες τύπου ΑΑ 800mAh. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι δύο τύπων. Ο πρώτος αφορά ηλεκτρόδια Λιθίου τα οποία προσφέρουν υψηλή χωρητικότητα και τάση. Έχουν όμως το μειονέκτημα ότι είναι θερμοδυναμικά ασταθή με τους ηλεκτρολύτες και σχηματίζουν συνεχώς μονωτικά φιλμ στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου με κάθε κύκλο λειτουργίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της χωρητικότητας μετά από μερικούς κύκλους λειτουργίας. Επίσης, κατά τη φόρτιση μπορούν να αντιδράσουν εξώθερμα με τον ηλεκτρολύτη και να ανεβάσουν υψηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα να λιώσει μερικώς το ηλεκτρόδιο και να αντιδράσει με περισσότερο ποσό του ηλεκτρολύτη. Ο δεύτερος τύπος αφορά ηλεκτρόδια ενώσεων Άνθρακα, δηλαδή Γραφίτη και ημίκαυστου Άνθρακα. Στην κατηγορία αυτή δημιουργείται μονωτικό φιλμ λόγω χημικών αντιδράσεων του ηλεκτροδίου με τον ηλεκτρολύτη. Το μονωτικό στρώμα όμως δεν δημιουργείται επαναλαμβανόμενα, και επιτρέπει τη μεταφορά ιόντων διαμέσου του διαλύματος. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόδια Λιθίου, παρουσιάζουν μικρότερη χωρητικότητα

53 Οι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες Λιθίου είναι άλατα Λιθίου σε οργανικούς διαλύτες και ηλεκτρολύτες πολυμερών. Τα άλατα Λιθίου επιλέγονται για τις παρακάτω ιδιότητες τους: υψηλή κινητικότητα ιόντων θερμική, χημική και ηλεκτροχημική ευστάθεια φιλικότητα προς το περιβάλλον. Οι οργανικοί διαλύτες επιλέγονται για τις παρακάτω ιδιότητες τους: ευστάθεια σχετικά με τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια ασφάλεια και μη τοξικότητα υψηλή διαλυτότητα στα άλατα Λιθίου. Οι ηλεκτρολύτες πολυμερών σχηματίζονται από άλατα Λιθίου διαλυμένα σε μακρομόρια πολυμερών, ή ενσωματωμένα σε μη υγρά συστήματα ζελέ. Οι ιδιότητες που παρουσιάζουν είναι: υψηλή αγωγιμότητα ιόντων αμελητέα αγωγιμότητα ηλεκτρονίων υψηλή χημική και ηλεκτροχημική ευστάθεια σχετικά με τα υλικά των ηλεκτροδίων μηχανική σταθερότητα χαμηλό κόστος ευνοϊκή χημική σύνθεση. Οι μπαταρίες Λιθίου πολυμερών (Lithium polymer batteries - LPB) βρίσκουν ευρεία εφαρμογή σε συστήματα ηλεκτροκίνητων οχημάτων, διότι προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, έχουν πολύ στιβαρή κατασκευή, αντέχουν σε αναταραχές και μηχανικές παραμορφώσεις, και δεν παρουσιάζουν διαρροές υγρών ή αερίων. Επίσης, δεν περιορίζονται στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά κατασκευής των κελιών επομένως μπορούν να κατασκευαστούν σε οποιοδήποτε σχήμα ώστε να εφαρμόζουν σε οποιοδήποτε σκελετό οχήματος. Η απουσία ελεύθερων υγρών τους δίνει το πλεονέκτημα της ενθυλάκωσής τους σε πλαστικά δοχεία σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες Λιθίου, που απαιτούν μεταλλικά δοχεία. Ακόμη, μπορούν να

54 παρέχουν μεγάλα ποσά ενέργειας και ισχύος. Τέλος, τα στερεά πολυμερή σε αντίθεση με τους υγρούς εύφλεκτους ηλεκτρολύτες λειτουργούν σε τυπική θερμοκρασία 100 ο C. Χαρακτηριστική περίπτωση LPB είναι οι τελευταίας τεχνολογίας LiFePO 4 /C, οι οποίες με την επικάλυψη σωματιδίων του μεταλλικού ηλεκτροδίου με Άνθρακα (ή άλλου αγωγού) ξεπερνούν το πρόβλημα της χαμηλής πυκνότητας ενέργειας και αποκτούν υψηλότερη αγωγιμότητα. Η χρήση του Άνθρακα στο θετικό ηλεκτρόδιο τους δίνει το πλεονέκτημα μεγάλου αριθμού κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης καθώς και τη δυνατότητα για βαθιές εκφορτίσεις. Ακόμη, έχουν πολύ χαμηλό κόστος και είναι φιλικές προς το περιβάλλον λόγω του Σιδήρου που περιέχουν, παρουσιάζουν ευστάθεια σε υψηλές θερμοκρασίες και λιγότερα θέματα ασφαλείας. Για όλους αυτούς τους λόγους είναι οι πλέον κατάλληλες για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές όπως είναι τα ηλεκτρικά οχήματα Επιλογή ηλεκτροχημικού συσσωρευτή [7] Αρχικά οι επιλογές περιορίστηκαν στις μπαταρίες Λιθίου, εξαιτίας του ότι έχουν μεγάλη ειδική ενέργεια αλλά και μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα βάρους γεγονός που τις καθιστά ελαφρύτερες από άλλες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες της ίδιας χωρητικότητας. Συνεπώς, για την συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε η χρήση μπαταρίας Φωσφορικού Σιδήρου του Λιθίου (LiFePO 4, LFP), του οποίου ο μοριακός τύπος φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 2.3: Μοριακός τύπος LiFePO 4 [10] Ο χημικός τύπος Φωσφορικού Σιδήρου του Λιθίου είναι LiFePO 4, κατά τον οποία το Λίθιο έχει +1 ηλεκτρόνια σθένους, ο Σίδηρος έχει +2 ηλεκτρόνια σθένους και ο Φώσφορος έχει -3 ηλεκτρόνια σθένους. Το άτομο Σιδήρου μαζί με τα γύρω 6 άτομα Οξυγόνου σχηματίζει ένα οκτάεδρο (FeO 6 ) με το Σίδηρο στο κέντρο. Το άτομο Φωσφόρου με τα 4 άτομα Οξυγόνου σχηματίζει ένα τετράεδρο (PO 4 ) με το Φώσφορο στο κέντρο αντίστοιχα. Συνεπώς, ένα τεθλασμένο τρισδιάστατο πλαίσιο σχηματίζεται

55 από τα FeO 6 και τα PO 4. Τα ιόντα Λιθίου κατοικούν εντός των οκταεδρικών καναλιών σε μια τεθλασμένη δομή, όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα: Εικόνα 2.4: Μοριακή δομή LiFePO4 [11] Οι Φωσφορικοί κρύσταλλοι σταθεροποιούν τη δομή και το σύνολο του πλαισίου, με αποτέλεσμα να δίνουν στους συσσωρευτές LFP πολύ καλή θερμική σταθερότητα και εξαιρετικές επιδόσεις. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, τα ιόντα Λιθίου εξάγονται από τη δομή LiFePO 4, ενώ τα κεντρικά ιόντα Σιδήρου οξειδώνονται. Η διαδικασία της εξαγωγής είναι αντιστρέψιμη. Αντίστοιχα, λοιπόν, κατά την εκφόρτιση, τα ιόντα Λιθίου εισάγονται στη δομή FePO 4, ενώ τα κεντρικά ιόντα Σιδήρου μειώνονται. Η εξαγωγή του Λιθίου από τη δομή LiFePO 4 παράγει FePO 4 με παρόμοιες δομές. Η εισαγωγή και η εξαγωγή των ιόντων Λιθίου κατά την αντίδραση παρουσιάζεται παρακάτω: Εικόνα 2.5: Μπαταρία LiFePO4 [12]

56 Ορισμένοι από τους πιο βασικούς λόγους επιλογής του συγκεκριμένου τύπου συσσωρευτή ήταν: η μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα βάρους, Wh/kg η μεγάλη διάρκεια ζωής, από 1500 έως 2000 κύκλους ο μικρός ρυθμός αυτοεκφόρτισης η μη τοξικότητα των στοιχείων η αφθονία του Σιδήρου και του Φωσφόρου. Εκτός αυτών, είναι πιο ασφαλείς σε σχέση με άλλες μπαταρίες ιόντων Λιθίου, καθώς έχουν μεγαλύτερη χημική και θερμική σταθερότητα, αφού είναι εξαιρετικά ελαστικές κατά τη διάρκεια απώλειας οξυγόνου. Σε αντίθεση, η απώλεια οξυγόνου σε άλλα κύτταρα Λιθίου οδηγεί συνήθως σε μία εξώθερμη αντίδραση. Κατά συνέπεια μειώνεται ο κίνδυνος ανάφλεξης ή έκρηξης, που μπορεί να οφείλεται στην αύξηση της θερμοκρασίας κατά τη λειτουργία ή κατά την φόρτιση ή ακόμα και σε λάθος χειρισμούς. Τέλος, ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα των μπαταριών Λιθίου είναι το ότι δεν εμφανίζουν το φαινόμενο μνήμης. Συνεπώς, είναι οι κατάλληλες για χρήση σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος και ιδιαίτερα σε εφαρμογές που αφορούν την ηλεκτροκίνηση. Για το λόγο αυτό, η ανάπτυξη και η βελτίωση των συσσωρευτών τέτοιου τύπου είναι διαρκής και αλματώδης. Μετά από έρευνα αγοράς και λαμβάνοντας υπόψη το κόστος συναρτήσει της χωρητικότητας, τη διαθεσιμότητα και όλα τα κριτήρια που αναφέρθηκαν παραπάνω, επιλέχθηκε ως πηγή ενέργειας, για την τροφοδοσία του συστήματος, ο συσσωρευτής τύπου LiFePO 4 της εταιρείας GWL Power. Συγκεκριμένα προχωρήσαμε στην αγορά 10 στοιχείων, ονομαστικής τάσης 3,2V και χωρητικότητας 20Ah έκαστο, τα οποία συνδέθηκαν σε σειρά. Οι κυψέλες τοποθετήθηκαν σε διπλό σακίδιο σχάρας και συγκεκριμένα μια συστοιχία των πέντε κυψελών ανά σακίδιο, με στόχο την ισοκατανομή του βάρους των κυψελών και το όσο πιο χαμηλό ύψος τοποθέτησή τους έτσι ώστε να μην επηρεάζεται σημαντικά το κέντρο βάρος του ποδηλάτου. Οι διαστάσεις κάθε κυψέλης είναι 152 x 71 x 42 mm, με μάζα 0.75kg, ενώ της κάθε συστοιχίας είναι 152 x 71 x 210 mm με μάζα 3,75kg, δηλαδή 7,5kg η συνολική μάζα του συσσωρευτή. Τα όρια της τάσης λειτουργίας για τις παραπάνω μπαταρίες είναι 3,65V και 2,8V, μέγιστο και ελάχιστο αντίστοιχα. Από τα στοιχεία που δίνει ο κατασκευαστής το ελάχιστο όριο της τάσης κατά την εκφόρτιση είναι τα 2,7V, ενώ το

57 μέγιστο κατά την φόρτιση είναι τα 3,8V. Για να μπορεί να αποδώσει η κάθε κυψέλη την ονομαστική της χωρητικότητα θα πρέπει το συνεχές ρεύμα εκφόρτισης να είναι μικρότερο από 10Α, ενώ έχει τη δυνατότητα μετά από πλήρη φόρτιση να δώσει ρεύμα έως 60Α συνεχώς για 15 λεπτά ή έως 200Α για 5 δευτερόλεπτα σε ένα λεπτό. Το βέλτιστο ρεύμα φόρτισης θα πρέπει να είναι μικρότερο από 10Α, ενώ αντέχει και ρεύμα φόρτισης έως 20Α αλλά πάντα σε συνδυασμό με παρακολούθηση της θερμοκρασίας της. Τέλος, η θερμοκρασία κάθε κυψέλης δεν θα πρέπει να υπερβαίνει τους 70 ο C είτε κατά την συνεχή λειτουργία είτε κατά την φόρτιση ή την απότομη εκφόρτιση της. Το τεχνικό φυλλάδιο του κατασκευαστή με το σύνολο των χαρακτηριστικών των κυψελών παρατίθεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ. Εικόνα 2.6: Κυψέλη LiFePO 4 (3,2V - 20Ah) [13]

58 - 44 -

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ [8],[9],[10],[11],[12],[13] 3.1. Θεμελιώδεις έννοιες του μαγνητικού πεδίου Ένα απαραίτητο κομμάτι για τη κατασκευή ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου είναι ο ηλεκτρικός κινητήρας. Στη συγκεκριμένη κατασκευή επιλέχθηκε η χρήση κινητήρα τύπου Brushless DC, ο οποίος είναι κινητήρας μόνιμου μαγνήτη. Για το λόγο αυτό κρίθηκε σκόπιμο στην αρχή να γίνει αναφορά σε διάφορα θεμελιώδη μεγέθη της θεωρίας του μαγνητικού πεδίου, στα μαγνητικά υλικά και στη συνέχεια να ακολουθήσει η ανάλυση της λειτουργίας και του ελέγχου του κινητήρα. Με τον όρο μαγνητικό πεδίο ονομάζουμε το χώρο μέσα στον οποίο αναπτύσσονται μαγνητικές δυνάμεις και παρατηρούνται ηλεκτρικά φαινόμενα. Ο χώρος αυτός κατά την αντίληψη του Faraday είναι γεμάτος με δυναμικές γραμμές, οι οποίες αφενός αποτελούν μέσο απεικόνισης, αφετέρου το σύνολό τους ονομάζεται μαγνητική ροή Φ [Tm 2 ]. Η ποσότητα των γραμμών αυτών που διαπερνούν τη μονάδα μιας επιφάνειας λέγεται πυκνότητα μαγνητικής ροής ή επαγωγή [T]. Εικόνα 3.1: Διάκριση μαγνητικών δυναμικών γραμμών με τη χρήση ρινισμάτων σιδήρου πάνω σε χαρτί [14]

60 Η μαγνητική ροή είναι μονόμετρο μέγεθος, ενώ η μαγνητική επαγωγή είναι διανυσματικό και μεταξύ τους συνδέονται με την εξής σχέση: Φ = (3.1) όπου Α είναι η επιφάνεια, η οποία είναι κάθετη στο μαγνητικό πεδίο. Εκτός από την επαγωγή, κάθε σημείο του μαγνητικού πεδίου χαρακτηρίζεται και από την ένταση [A/m], η οποία είναι διανυσματικό μέγεθος και συμπίπτει με την εφαπτομένη της δυναμικής γραμμής στο υπό συζήτηση σημείο. Το μέγεθος συνδέεται άμεσα με την επαγωγή μέσω της παρακάτω εξίσωσης: = μ (3.2) όπου μ είναι η απόλυτη μαγνητική διαπερατότητα του μαγνητικού χώρου και εκφράζει τη δυνατότητα ενός μέσου να περνάει από μέσα του η ροή. Για την τελευταία ισχύει η σχέση: μ = (3.3) όπου = 0,4π10-8 Η/cm είναι η διαπερατότητα του κενού, ενώ η σχετική διαπερατότητα του μέσου. Οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών χαρακτηρίζονται από το βρόχο υστέρησης, ο οποίος είναι η χαρακτηριστική καμπύλη της μαγνητικής επαγωγής του υλικού συναρτήσει της έντασης του μαγνητικού πεδίου, δηλαδή Β = f(h), όπως φαίνεται και στην εικόνα που ακολουθεί. Εικόνα 3.2: Βρόχος υστέρησης μαγνητικών υλικών [15]

61 Εάν μαγνητίσουμε ένα υλικό, δηλαδή εάν μεταβάλλουμε το ηλεκτρικό ρεύμα, και κατά συνέπεια την ένταση του μαγνητικού πεδίου Η σε μια τιμή, έστω Η 1 (η οποία αντιστοιχεί στην τιμή Β s ), κατόπιν αν μειώσουμε την ένταση ως το Η 1 (η οποία αντιστοιχεί στο σημείο d) και τέλος αν την αυξήσουμε πάλι ως την τιμή Η 1, προκύπτει ο βρόχος υστέρησης που βλέπουμε παραπάνω. Ένας μη μαγνητισμένος πυρήνας έχει Β=Η=0, οπότε βρισκόμαστε στην αρχή των αξόνων και στο σημείο 0. Εάν στη συνέχεια τεθεί υπό ένα μαγνητικό πεδίο, τότε τα Β και Η στον πυρήνα θα ακολουθήσουν την καμπύλη από το 0 έως το Β s, η οποία ονομάζεται καμπύλη πρώτης μαγνήτισης. Στο σημείο αυτό έχουμε τον μαγνητικό κορεσμό του υλικού, δηλαδή η μαγνητική επαγωγή λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της Β s. Αν η αιτία δημιουργίας της έντασης του μαγνητικού πεδίου εκλείψει, τότε το Η μειώνεται και η καμπύλη πηγαίνει από το Β s στο Β r, όπου και το Η μηδενίζεται. Το Β r ονομάζεται παραμένων μαγνητισμός, δηλαδή είναι η μέγιστη μαγνητική επαγωγή που μπορεί να συγκρατήσει ο μαγνήτης, μετά το μαγνητικό κορεσμό του σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αν στη συνέχεια αντιστραφεί η διεύθυνση του εξωτερικού πεδίου, τότε το σημείο λειτουργίας πηγαίνει από το Β r στο σημείο d, φτάνοντας στο αρνητικό του μέγιστο -Β s. Το ενδιάμεσο σημείο -H c ονομάζεται απομαγνητίζον πεδίο και αποτελεί την αναγκαία μαγνητική ένταση για να μειωθεί ο παραμένων μαγνητισμός από το Β r στο μηδέν, δηλαδή την πλήρη απομαγνήτιση του υλικού. Παρομοίως, αν μειωθεί η αντίθετης κατεύθυνσης ένταση του εξωτερικού πεδίου μέχρι το μηδενισμό της, ο μαγνήτης πηγαίνει από το σημείο d στο -Β r. Εκεί είναι μαγνητισμένος στην αντίθετη κατεύθυνση και η μέγιστη πυκνότητα ροής είναι αντίστοιχα -Β r. Αντιστοίχως, για να μειωθεί ο αρνητικός παραμένων μαγνητισμός από το -Β r στο 0, χρειάζεται κατασταλτικό πεδίο έντασης H c (σημείο f). Ο βρόχος είναι συνήθως συμμετρικός και μπορεί να μετρηθεί με ειδικά όργανα, ενώ κάθε σημείο λειτουργίας (Η,Β) εξαρτάται από το σχήμα του μαγνήτη και τη διαπερατότητα του περιβάλλοντος κυκλώματος. Ο παραμένων μαγνητισμός Β r και το πεδίο H c συγχωνεύονται κατά κάποιο τρόπο, σε μια παράμετρο γνωστή ως μέγιστο ενεργειακό γινόμενο ή αλλιώς μέγιστο ενεργειακό προϊόν, το οποίο από τη μια δίνει ένα μέτρο της ισχύος του μαγνήτη και από την άλλη πόσο μπορεί να αντισταθεί στην απομαγνήτιση. Το (BH) max υπολογίζεται στο δεύτερο τεταρτημόριο του βρόχου. Γραφικά, είναι το ορθογώνιο με το μεγαλύτερο εμβαδόν, το οποίο μπορεί κανείς να

62 σχηματίσει στο τεταρτημόριο αυτό, όπως φαίνεται και στον παρακάτω βρόχο υστέρησης. Εικόνα 3.3: Το ενεργειακό γινόμενο (BH) max ενός βρόχου υστέρησης [16] Η καμπύλη που εμφανίζεται στο δεύτερο τεταρτημόριο, ονομάζεται καμπύλη απομαγνήτισης. Όσο πιο έντονες είναι οι μαγνητικές ιδιότητες του υλικού, τόσο η καμπύλη απομαγνήτισης τείνει να γίνει ευθεία (μπλε καμπύλη). Αντίθετα, όταν οι μαγνητικές ιδιότητες του υλικού είναι πιο ανίσχυρες, η καμπύλη παύει να είναι ευθεία και παρουσιάζει ένα «γόνατο» στο δεύτερο τεταρτημόριο (κόκκινη καμπύλη). Ένα υλικό μόνιμου μαγνήτη ονομάζεται «σκληρό», όταν διατηρεί τον παραμένοντα μαγνητισμό του ακόμη κι αν δεν υπάρχει κανένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η καμπύλη απομαγνήτισης του είναι ευθεία, ενώ το απομαγνητίζον πεδίο Η c μπορεί να πάρει μεγάλη (απόλυτη) τιμή. Πρόκειται για χαρακτηριστικό των φερριτών, των σπάνιων γαιών και των ενώσεων NdFeB. Η σκληρότητα αναφέρεται στα μαγνητικά χαρακτηριστικά και συγκεκριμένα στην αντοχή του υλικού στο πεδίο απομαγνήτισης. Αντίθετα, υλικά όπως το Alnico, ονομάζονται «μαλακά» και απαιτούν εξωτερικό πεδίο προκειμένου να επιδείξουν χρήσιμες μαγνητικές ιδιότητες

63 Γραφικά, τα υλικά αυτά παρουσιάζουν γόνατο στο δεύτερο τεταρτημόριο, ενώ το απομαγνητίζον πεδίο παίρνει μικρές τιμές. Εικόνα 3.4: Καμπύλες απομαγνήτισης διαφόρων υλικών [17] Τα μαγνητικά υλικά μπορούν να παράγουν μαγνητικό πεδίο χωρίς να απαιτείται κίνηση ηλεκτρικών φορτίων και κατά συνέπεια χωρίς να καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ιδιότητα των μαγνητών μπορεί να ερμηνευθεί αν θεωρήσουμε ότι, η μάζα ενός μαγνήτη αποτελείται από άπειρα μαγνητικά δίπολα (στοιχειώδεις μαγνήτες), τα οποία παίζουν παρόμοιο ρόλο με εκείνο των ηλεκτρικών φορτίων στο ηλεκτροστατικό πεδίο. Για τη θεωρία των ηλεκτρικών μηχανών, οι μαγνήτες αποτελούν πηγή μαγνητικού πεδίου διέγερσης, εξαιτίας της ικανότητάς τους να διατηρούν παραμένοντα μαγνητισμό και με αυτή τη λογική θα αντιμετωπιστούν στη συνέχεια. Η σχέση μέσω της οποίας συνδέονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη ενός μόνιμου μαγνήτη είναι η ακόλουθη: J = Μ (3.4)

64 όπου J είναι η μαγνητική πόλωση και Μ η μαγνήτιση. Η μαγνητική πόλωση ορίζεται ως η ποσότητα διπολικής μαγνητικής ροπής ανά μονάδα όγκου και μαζί με τη μαγνήτιση Μ είναι δύο μεγέθη που αναφέρονται στα φυσικά χαρακτηριστικά του μαγνήτη και υπάρχουν ανεξάρτητα από τη δράση εξωτερικών πεδίων. Η μαγνητική πόλωση πολλές φορές συμβολίζεται και ως B i και μετριέται σε Tesla [T], ενώ η μαγνήτιση Μ έχει τις ίδιες μονάδες πόλωσης με την πεδιακή ένταση Η και μετριέται σε [Α/m]. Η έννοια της μαγνητικής διπολικής ροπής είναι αντίστοιχη με αυτή της ροπής του ηλεκτρικού διπόλου, όπως επίσης αντίστοιχος είναι και ο ρόλος των μαγνητικών πόλων με το ρόλο των ηλεκτρικών φορτίων Η επίδραση της θερμοκρασίας Πέραν από το πεδίο απομαγνήτισης, παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες ενός μαγνήτη είναι η θερμοκρασία, η οξείδωση, η ακτινοβολία και τέλος οι μηχανικές καταπονήσεις. Ορισμένες από τις μεταβολές αυτές είναι αντιστρεπτές, ενώ άλλες προκαλούν μόνιμες αλλοιώσεις στη συμπεριφορά των μαγνητών και είναι μη αντιστρεπτές. Ωστόσο, δεν είναι πάντοτε δυνατό ένας μαγνήτης να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση μετά από μια μεταβολή των ιδιοτήτων του, γιατί πολλοί από τους παραπάνω παράγοντες προκαλούν μεταλλουργικές μεταβολές ή μεταβολές στη χημική δομή του υλικού, οι οποίες δεν μπορούν να αποκατασταθούν με μια απλή επαναμαγνήτισή του. Κατά τη χρήση ενός μαγνήτη ως πηγή ροής διέγερσης στις ηλεκτρικές μηχανές, η θερμοκρασία είναι ο παράγοντας που κυρίως επηρεάζει τη λειτουργία του. Η γνώση των μαγνητικών μεταβολών, που προκαλεί η αύξηση της θερμοκρασίας είναι σημαντική, ώστε να έχουμε πιο αξιόπιστο σχεδιασμό της ηλεκτρικής μηχανής, με ακριβέστερη μοντελοποίηση και ανάλυση της λειτουργίας της. Συνήθως, οι μεταβολές των μαγνητικών ιδιοτήτων, μέχρι ένα ορισμένο όριο θερμοκρασίας, είναι αντιστρεπτές. Αν όμως η θερμοκρασία ξεπεράσει μία χαρακτηριστική τιμή για κάθε μαγνητικό υλικό, γνωστή ως θερμοκρασία Curie, τότε χάνονται πλήρως οι μαγνητικές ιδιότητές του και πρέπει να μαγνητιστεί ξανά από την αρχή. Επειδή οι αλλαγές στη συμπεριφορά των μαγνητών αρχίζουν να παρατηρούνται σε θερμοκρασίες αρκετά μικρότερες της θερμοκρασίας Curie, ορίζονται ως ανώτερες θερμοκρασίες λειτουργίας, αρκετά μικρότερες θερμοκρασίες από το παραπάνω όριο

65 3.3. Τα υλικά και οι αντίστοιχες ιδιότητες των μόνιμων μαγνητών Οι κύριοι τύποι μόνιμων μαγνητών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρικές μηχανές, είναι οι Alnico, οι κεραμικοί μαγνήτες ή φερρίτες και οι μαγνήτες σπάνιων γαιών. Κάποιες από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των παραπάνω υλικών φαίνονται στην επόμενη εικόνα: Εικόνα 3.5: Χαρακτηριστικές ιδιότητες μαγνητικών υλικών [18] Μαγνήτες Alnico Οι μαγνήτες Alnico παρουσιάστηκαν πρώτη φορά το 1931 καθώς εμφάνιζαν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως είναι ο μεγάλος παραμένων μαγνητισμός, η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και η μικρή μεταβολή της καμπύλης απομαγνήτισης λόγω θερμοκρασίας. Κατά συνέπεια οι ηλεκτρικές μηχανές, που χρησιμοποιούν μαγνήτες Alnico, παρουσιάζουν μεγάλη μαγνητική επαγωγή στο διάκενο και επιτρέπουν υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, ενώ σημαντικό μειονέκτημα είναι η μικρή αντοχή σε εξωτερικά πεδία απομαγνήτισης, το οποίο οφείλεται στις ιδιότητες του υλικού. Οι

66 μαγνήτες Alnico κυριαρχούσαν στη βιομηχανία μόνιμων μαγνητών μέχρι το 1970, όταν άρχισαν να προτιμούνται στις διάφορες εφαρμογές οι πολύ πιο οικονομικοί κεραμικοί μαγνήτες (φερρίτες). Κεραμικοί μαγνήτες Οι κεραμικοί μαγνήτες ή φερρίτες, όπως αλλιώς είναι γνωστοί, εμφανίστηκαν γύρω στο Οι μαγνήτες αυτοί παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερη αντοχή σε πεδία απομαγνήτισης, σε σύγκριση με τους Alnico, με τη διαφορά ότι έχουν μικρότερη τιμή παραμένοντα μαγνητισμού. Η μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία λειτουργίας είναι υψηλή, ωστόσο είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι σε μεταβολές της θερμοκρασίας. Επιπλέον σημαντικά πλεονεκτήματα των κεραμικών μαγνητών είναι το πολύ χαμηλό κόστος ανά μονάδα ενέργειας και η μεγάλη ηλεκτρική αντίστασή τους, δηλαδή οι σχεδόν αμελητέες απώλειες δινορρευμάτων στο εσωτερικό τους. Ηλεκτρικές μηχανές, που χρησιμοποιούν κεραμικούς μαγνήτες, είναι οικονομικότερες από τις αντίστοιχες με μαγνήτες Alnico, αλλά συνήθως οι μαγνήτες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται σε μηχανές μικρής ισχύος, έως της τάξης των 7kW. Μαγνήτες σπάνιων γαιών Οι μαγνήτες σπάνιων γαιών είναι η τελευταία γενιά μαγνητών και παρουσιάζουν πολύ καλύτερα μαγνητικά χαρακτηριστικά σε σύγκριση με τους παραπάνω τύπους, αλλά και αρκετά υψηλό κόστος. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν κράματα μετάλλων με βάση το Σαμάριο Sm (SmCo) και το Νεοδύμιο Nd (NdFeΒ). Τα κύρια χαρακτηριστικά των μαγνητών αυτών είναι οι μεγάλες τιμές του παραμένοντα μαγνητισμού, του πεδίου απομαγνήτισης καθώς και η μεγάλη τιμή του ενεργειακού γινομένου (ΒΗ) max, αφού η καμπύλη απομαγνήτισής τους είναι σχεδόν ευθεία. Η χρήση των μαγνητών σπάνιων γαιών σε ηλεκτρικές μηχανές ποικίλει σε εύρος, καθώς απαντώνται σε εφαρμογές από μερικά Watt μέχρι και αρκετά kw. Τέλος, αποτελούν πρώτη επιλογή σε εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλοί δείκτες λειτουργίας, όπως ο βαθμός απόδοσης, η δυναμική συμπεριφορά και ο λόγος ισχύος ανά μονάδα όγκου

67 3.4. Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τύποι μηχανών BLDC Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη αποτελούν μια νέα γενιά κινητήρων, πολλά υποσχόμενων, των οποίων οι χρήσεις ποικίλουν. Χαρακτηρίζονται ως σύγχρονοι κινητήρες καθώς ο δρομέας περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα, με το σύγχρονα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του διακένου. Επίσης, ο όρος Brushless υποδηλώνει ότι ο κινητήρας δεν έχει ψήκτρες και κατά συνέπεια η μετάβαση του ρεύματος πρέπει να γίνεται ηλεκτρονικά. Συνεπώς, η πρώτη διάκριση των Brushless μηχανών γίνεται με βάση τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η ανίχνευση των κατάλληλων στιγμών για τη μετάβαση του ρεύματος από τον ένα κλάδο στον άλλο. Με βάση λοιπόν αυτό το κριτήριο προκύπτουν Brushless μηχανές με αισθητήρες Hall και Brushless μηχανές δίχως αισθητήρες Hall (sensorless). Και οι δύο τύποι τροφοδοτούνται από μια πηγή συνεχούς τάσης και ενός μετατροπέα, ο οποίος παράγει ένα κατάλληλο σύστημα εναλλασσόμενων τάσεων. Εικόνα 3.6: Σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη τύπου Brushless DC [47] Οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη μπορούν να κατασκευαστούν είτε με μια, είτε με δύο είτε με τρείς φάσεις. Ο στάτης συνήθως αποτελείται από ατσάλινα

68 ελάσματα πάχους 0,3 0,5mm με στόχο την ελαχιστοποίηση των δινορρευμάτων. Τα τυλίγματα τοποθετούνται σε αυλακώσεις που είναι κομμένες αξονικά κατά μήκος της εσωτερικής περιφέρειας του στάτη. Οι αυλακώσεις τείνουν να διασπάσουν την ομοιομορφία της ροής, γι αυτό και πρέπει να τοποθετούνται ομοιόμορφα. Το τύλιγμα κάθε φάσης μπορεί να αποτελείται από ένα ή περισσότερα υποτυλίγματα (περιελίξεις ή πυρήνες), που τοποθετούνται στις κατάλληλα διαμορφωμένες αυλακώσεις του στάτη. Κάθε τύλιγμα μοιράζεται στην περιφέρεια του στάτη για να δημιουργήσει ζυγό αριθμό πόλων. Λόγω των δονήσεων κατά τη λειτουργία της μηχανής, τα τυλίγματα είναι δυνατό να προκαλέσουν θόρυβο και σε αυτή τη περίπτωση χρησιμοποιείται εναλλακτική κατασκευή με καλούπι γύρω από τον στάτη, η οποία αποτρέπει αυτές τις δονήσεις και επομένως μειώνει τον θόρυβο. Επίσης υπάρχουν μηχανές στις οποίες ο στάτης είναι κατασκευασμένος χωρίς αυλακώσεις και τα τυλίγματα παίρνουν τη μορφή δαχτυλιδιού, που τοποθετείται στην εσωτερική επιφάνεια του στάτη και χωρίζονται από το δρομέα με ένα διάκενο αέρα. Αυτή η δομή δε δημιουργεί ταλαντώσεις στη ροπή και αφήνει περισσότερο χώρο στα τυλίγματα, αλλά παράλληλα η μειωμένη δυνατότητα απομάκρυνσης της θερμότητας προς την εξωτερική επιφάνεια του στάτη μειώνει τα επιτρεπτά όρια της πυκνότητας του ρεύματος στα τυλίγματα. Επιπλέον, τα μαγνητικό διάκενο αέρα περιλαμβάνει το φυσικό διάκενο συν το ακτινικό πάχος των τυλιγμάτων. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται τη μείωση του συντελεστή διαπερατότητας και της πυκνότητας της μαγνητικής ροής του διακένου. Συνεπώς, η απόδοση μιας μηχανής με διαμόρφωση στάτη χωρίς αυλακώσεις είναι σχεδόν πάντα σημαντικά μικρότερη από μια αντίστοιχη μηχανή με αυλακώσεις στο στάτη. Όσον αφορά τη μεταξύ των τυλιγμάτων συνδεσμολογία, αυτά συνδέονται σε αστέρα, δηλαδή με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν ένα κοινό σημείο και στο άλλο άκρο κάθε τυλίγματος να εφαρμόζεται η εκάστοτε φασική τάση. Ένας κινητήρας με συνδεσμολογία αστέρα δίνει μεγάλη ροπή σε χαμηλές στροφές, αλλά όχι τόσο υψηλή τελική ταχύτητα. Η συνδεσμολογία αστέρα δεν περιέχει κλειστό βρόχο στον οποίο να μπορούν να ρέουν παρασιτικά ρεύματα, με αποτέλεσμα να προλαμβάνονται ταλαντώσεις στη ροπή και επιπλέον απώλειες στη μηχανή. Οι τύποι των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη χωρίζονται σε δύο επιπλέον κατηγορίες, με βάση τη μορφή της επαγόμενης τάσης ή ισοδύναμα με βάση τη κατανομή των τυλιγμάτων του στάτη. Η διαφορετική κατανομή επιτυγχάνεται πυκνώνοντας ή αραιώνοντας τα τυλίγματα σε συγκεκριμένα σημεία του στάτη έτσι

69 ώστε να προκύψει η αντίστοιχη μορφή της ηλεκτρεγερτικής δύναμης και κατά συνέπεια οι δύο διαφορετικοί τύποι μηχανής Brushless, οι οποίοι είναι: οι τραπεζοειδείς ή τετραγωνικού παλμού ή διακοπτικής διέγερσης σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη (trapezoidal ή square wave ή switched PM synchronous machines), όπου τα τυλίγματα είναι τραπεζοειδώς κατανεμημένα στην περιφέρεια του στάτη οι ημιτονοειδείς σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη (sinusoidal PM synchronous machines), όπου τα τυλίγματα είναι ημιτονοειδώς κατανεμημένα στην περιφέρεια του στάτη. Εικόνα 3.7: Ημιτονοειδείς και τραπεζοειδείς ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις [19]

70 Στις μηχανές τετραγωνικού παλμού τα φασικά ρεύματα στο στάτη έχουν τετραγωνική μορφή και για το λόγο αυτό αποδόθηκε και η συγκεκριμένη ονομασία. Σε ένα τριφασικό σύστημα, τετραγωνικοί παλμοί ρεύματος, με διάρκεια 120 ηλεκτρικών μοιρών, τροφοδοτούν τη μηχανή στην οποία η τάση εξ επαγωγής είναι τραπεζοειδής. Σε αυτόν τον τύπο μηχανών, είναι απαραίτητη η γνώση της θέσης του δρομέα έτσι ώστε να προκύψουν τα σωστά σημεία μετάβασης, δηλαδή κάθε 60 ηλεκτρικές μοίρες σε μια τριφασική μηχανή. Επειδή η εξίσωση ροπής-ταχύτητας, που προκύπτει με την εφαρμογή του συγκεκριμένου ελέγχου, είναι αντίστοιχη της μηχανής συνεχούς ρεύματος οι μηχανές αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται και ως «Brushless DC». Οι μηχανές αυτές δεν έχουν καμία κατασκευαστική ομοιότητα με τις κλασικές μηχανές συνεχούς ρεύματος, ωστόσο με τη χρήση του συγκεκριμένου ελέγχου απλοποιούνται αρκετά και αναλύονται πλέον σαν μηχανές συνεχούς ρεύματος. Στις μηχανές της δεύτερης κατηγορίας απαιτείται η τροφοδότηση της μηχανής με ημιτονοειδείς τάσεις και ρεύματα, μέσω παλμικής ρύθμισης της συνεχούς τάσης τροφοδοσίας. Η τάση εξ επαγωγής είναι ημιτονοειδής ώστε η αλληλεπίδραση με τα ημιτονοειδή ρεύματα να οδηγεί στην παραγωγή σταθερής ροπής με πολύ μικρή ταλάντωση. Οι μηχανές αυτές συμπεριφέρονται όπως οι κλασικές σύγχρονες μηχανές και γι αυτό το λόγο αποκαλούνται και ως «Brushless AC». Επειδή ο διανυσματικός έλεγχος στην παραπάνω περίπτωση εφαρμόζεται σε χρονικά αμετάβλητα μεγέθη, μπορεί να θεωρηθεί ότι στο επίπεδο ελέγχου η λειτουργία και των μηχανών αυτών προσεγγίζει τη λειτουργία των μηχανών συνεχούς ρεύματος και γι αυτό πολλές φορές χαρακτηρίζονται και αυτές ως «Brushless DC» μηχανές. Οι «Brushless DC» μηχανές έχουν πιο απλό έλεγχο σε σύγκριση με τις «Brushless AC», ωστόσο εμφανίζουν μεγαλύτερες ταλαντώσεις στη ροπή και μικρότερο βαθμό απόδοσης. Μια ακόμη κατηγοριοποίηση στις σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη, γίνεται βάσει της κατανομής του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της μηχανής. Με βάση το κριτήριο αυτό προκύπτουν: οι μηχανές ακτινικής ροής (Radial Flux BLDC Motor), στις οποίες οι δυναμικές γραμμές μεταξύ δρομέα και στάτη ακολουθούν ακτινική διεύθυνση

71 και οι μηχανές αξονικής ροής (Axial Flux BLDC Motor), στις οποίες το μαγνητικό πεδίο ακολουθεί πορεία αξονικής διεύθυνσης και τα τυλίγματα είναι επίσης προσανατολισμένα σε ακτινική διεύθυνση. Εικόνα 3.8: Τύποι σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη [20] Οι μηχανές ακτινικής ροής έχουν μεγαλύτερο μήκος άξονα και η αδράνεια του δρομέα διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα έτσι ώστε να έχουν μικρό χρόνο απόκρισης στις αλλαγές του φορτίου. Στις μηχανές αξονικής ροής, η ροή ακολουθεί τη κατεύθυνση του άξονα της μηχανής και συχνά το σχήμα του κινητήρα είναι κυκλικός δίσκος. Οι μηχανές αξονικής ροής μπορούν να σχεδιαστούν και με το δρομέα εξωτερικά του στάτη. Με τη χρήση αυτού του τύπου κινητήρα, φορτία παρόμοιου τύπου μπορούν να συζευχθούν άμεσα με τον κινητήρα και σε κάποιες περιπτώσεις ο κινητήρας μπορεί να εισαχθεί ακόμα και εντός του φορτίου. Αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές χαμηλής ροπής και όταν υπάρχει μικρό αξονικό περιθώριο σε συνδυασμό με μεγάλο ακτινικό. Ένα παράδειγμα τέτοιας εφαρμογής αποτελεί ο τροχός ενός ποδηλάτου. Κύριο μειονέκτημα των μηχανών αξονικής ροής είναι η παρουσία δύο διάκενων αέρος (στις μηχανές ακτινικής ροής υπάρχει μόνο ένα διάκενο αέρα) και κατά συνέπεια ο μηχανολογικός σχεδιασμός πρέπει να γίνεται με μεγάλη προσοχή στις ηλεκτρικές μηχανές αξονικής ροής

72 Εικόνα 3.9: Σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη τύπου Brushless DC για χρήση σε ηλεκτρικό ποδήλατο [46] Εικόνα 3.10: Hub BLDC κινητήρας σε τομή [48] Μια επιπλέον διάκριση των παραπάνω κινητήρων γίνεται και ως προς το σχεδιασμό της δομής του δρομέα. Οι κατηγορίες των μηχανών, που βασίζονται στη δομή του δρομέα, είναι με επιφανειακά τοποθετημένους μαγνήτες (surface mounted magnets), με εσωτερικούς μαγνήτες (interior magnets) και με «σφηνωμένους» μαγνήτες (buried magnets), όπως φαίνονται αντίστοιχα στην παρακάτω εικόνα

73 Οι επιφανειακοί μαγνήτες τοποθετούνται με μια σχετικά απλή και χαμηλού κόστους διαδικασία, όμως κύριο μειονέκτημα αυτού του τύπου είναι ότι οι μαγνήτες μπορεί να αποκολληθούν σε υψηλές ταχύτητες περιστροφής του δρομέα αλλά και απότομες αλλαγές της ταχύτητάς του. Οι επιταχύνσεις αλλά και οι επιβραδύνσεις του δρομέα δημιουργούν ακτινικές δυνάμεις οι οποίες πρέπει να αντιμετωπιστούν για να μην οδηγήσουν στην αποκόλληση μαγνητών. Για το λόγο αυτό οι μαγνήτες επικολλούνται γερά στην επιφάνεια, ενώ παράλληλα μεριμνάται η μηχανική και θερμική διαστολή της συγκολλητικής ουσίας να είναι ίδια με αυτή του μαγνήτη. Επιπλέον στις μεγαλύτερες ταχύτητες είναι απαραίτητο ένα περίβλημα συγκράτησης από ανθρακονήματα ή άβαφο ατσάλι. Η επιφάνεια των δρομέων με εσωτερικά τοποθετημένους μαγνήτες οριοθετείται από το γεγονός ότι οι μαγνήτες τοποθετούνται στο εσωτερικό και όχι στην εξωτερική επιφάνεια του δρομέα. Αυτό συνεπάγεται μια στιβαρή κατασκευή και ο κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλές ταχύτητες. Όμως, σε αυτό το τύπο κινητήρων εμφανίζεται η επαγωγική ροπή αντίδρασης, λόγω της διαφοράς στους άξονες d και q. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των «σφηνωμένων» μαγνητών είναι σχεδόν ίδιες με αυτές των εσωτερικά τοποθετημένων μαγνητών. Στις μηχανές με σφηνωμένους μαγνήτες οι ροές μπορούν να περάσουν από τον άξονα του κινητήρα και για την πρόληψη αυτών θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μη μαγνητικοί άξονες. Εικόνα 3.11: Τύποι δρομέα μόνιμου μαγνήτη [21] Ένα παραδοσιακό υλικό για την κατασκευή των μαγνητών είναι οι φερρίτες, αφού είναι αρκετά οικονομικοί, αλλά με την ανάπτυξη της τεχνολογίας οι μαγνήτες

74 από κράματα σπάνιων γαιών χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο. Οι μαγνήτες από φερρίτη έχουν χαμηλή πυκνότητα ροής για συγκεκριμένο όγκο, ενώ τα κράματα σπάνιων γαιών έχουν αρκετά μεγαλύτερη, με αποτέλεσμα να επιτρέπουν τη μείωση του όγκου του δρομέα για την ίδια τιμή ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Το Νεοδύμιο (Nd), η ένωση Σαμαρίου-Κοβαλτίου (SmCo) και το κράμα Νεοδυμίου-Σιδήρου- Βορίου (NdFeB) είναι μερικά παραδείγματα υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών, ενώ ο δρομέας είναι συνήθως κατασκευασμένος από ατσάλι και συμπαγής Περιγραφή αρχής λειτουργίας μηχανής Brushless DC Για τη σωστή λειτουργία της μηχανής Brushless DC, με τραπεζοειδώς κατανεμημένα τυλίγματα, απαιτείται σε κάθε μετάβαση ένα τύλιγμα από το οποίο να εισέρχεται το ρεύμα, ένα από το οποίο να εξέρχεται και το τρίτο να μη διαρρέεται από ρεύμα. Η ροπή παράγεται εξαιτίας της αλληλεπίδρασης των μαγνητικών πεδίων του στάτη και του δρομέα, ενώ είναι απαραίτητη η διαρκής γνώση της θέσης του τελευταίου για τη μετάβαση του ρεύματος. Με τον όρο μετάβαση (commutation), εννοούμε το φαινόμενο κατά το οποίο ένα ρεύμα μεταβαίνει από έναν κλάδο σε έναν άλλο, υπό ταυτόχρονη όμως ροή ρεύματος και στους δύο κλάδους. [14] Εικόνα 3.12: Καταστάσεις μετάβασης του ρεύματος σε μηχανή BLDC [22] Κάθε 60 ηλεκτρικές μοίρες προκύπτει ένας συνδυασμός από τα σήματα που παράγουν οι αισθητήρες Hall, δηλαδή 6 διαφορετικοί συνδυασμοί στη διάρκεια ενός

75 ηλεκτρικού κύκλου, ο οποίος δεν ταυτίζεται απαραίτητα με το μηχανικό κύκλο περιστροφής του δρομέα. Ο αριθμός των ηλεκτρικών κύκλων προκειμένου να συμπληρωθεί ένας μηχανικός κύκλος, εξαρτάται από τα ζεύγη πόλων του δρομέα. Για κάθε ζεύγος πόλων πραγματοποιείται ένας ηλεκτρικός κύκλος. Σε αυτό το σημείο, πρέπει να γίνει λόγος και για την αρχή λειτουργίας των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη δίχως αισθητήρες Hall, BLDC sensorless. Σε αυτή τη περίπτωση για να υπολογίσουμε τις χρονικές στιγμές μετάβασης του ρεύματος χρησιμοποιούμε τις τρείς φασικές επαγόμενες ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις. Εικόνα 3.13: Διάγραμμα με τα χαρακτηριστικά μεγέθη μηχανής BLDC [23]

76 Όπως εύκολα μπορεί κανείς να παρατηρήσει στο παραπάνω διάγραμμα των χαρακτηριστικών μεγεθών της μηχανής, η ροπή εξόδου παρουσιάζει μια ταλάντωση, η οποία οφείλεται στο συνδυασμό μιας συνεχούς και μιας παλμικής συνιστώσας. Οι βασικοί λόγοι δημιουργίας αυτής της ταλάντωσης είναι: η μετάβαση του ρεύματος από τη μια φάση στην άλλη οι διακυμάνσεις της κατανομής του μαγνητικού πεδίου και η ροπή που προκαλείται, σε λειτουργία εν κενώ, από την αλληλεπίδραση των μόνιμων μαγνητών με τον οπλισμό και τις αυλακώσεις του στάτη. Επιγραμματικά αναφέρονται δύο μέθοδοι με τις οποίες μειώνεται η ταλάντωση της ροπής και αυτές είναι: η επέμβαση, κατά την κατασκευή της μηχανής, σε σχεδιαστικές παραμέτρους όπως είναι η κατανομή των τυλιγμάτων του στάτη, το είδος και η ποιότητα των υλικών κατασκευής αλλά και η γεωμετρία της ίδιας της μηχανής και η επιλογή του κατάλληλου συστήματος οδήγησης και ελέγχου της μηχανής, που να οδηγεί σε όσο το δυνατό μικρότερες ταλαντώσεις. Υπάρχουν δύο χαρακτηριστικές τιμές της ροπής που χρειαζόμαστε για την μελέτη μιας Brushless μηχανής, οι οποίες είναι η ονομαστική ροπή T R (Rated Torque) και η μέγιστη ροπή T P (Peak Torque). Κατά τη συνεχή λειτουργία η μηχανή μπορεί να φορτιστεί μέχρι την ονομαστική της ροπή, η οποία θα παραμένει σταθερή, μέχρι ο δρομέας να αποκτήσει ονομαστική ταχύτητα περιστροφής. Από τον ορισμό της μηχανής, η ροπή πρέπει να παραμένει σταθερή όσο η ταχύτητα είναι μικρότερη της ονομαστικής. Ωστόσο, η μηχανή μπορεί να αναπτύξει ταχύτητα μεγαλύτερη της ονομαστικής (μέχρι και 150% επί της ονομαστικής ταχύτητας), αλλά η ροπή πλέον θα αρχίσει να μειώνεται. Επιπλέον όμως, κατά την εκκίνηση ή την επιτάχυνση απαιτείται πρόσθετη ροπή για να αντισταθμιστεί η αδράνεια του φορτίου και του δρομέα. Σε αυτές τις περιπτώσεις ζητείται από τη μηχανή να διαχειριστεί ροπή έως και τη μέγιστη που μπορεί να αποδώσει, αλλά για μικρό χρονικό διάστημα. Στην επόμενη εικόνα, όπου δίνεται η σχέση της ροπής και της ταχύτητας, παρουσιάζονται ταυτόχρονα και τα όρια συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής. Το όριο συνεχούς αγωγής καθορίζεται συνήθως από την μεταφορά της θερμότητας και την

77 αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ το όριο της ασυνεχούς αγωγής μπορεί να καθορίζεται από τις ιδιότητες των ημιαγωγών του ελεγκτή ή επίσης από την αύξηση της θερμοκρασίας. Στην πράξη τα παραπάνω χαρακτηριστικά αποκλίνουν από την ιδανική μορφή, εξαιτίας της επαγωγής και άλλων παρασιτικών επιδράσεων. Εικόνα 3.14: Χαρακτηριστική ροπής-ταχύτητας μηχανής BLDC [24] Στις μηχανές Brushless DC είναι απαραίτητη η διαρκής γνώση της θέσης του δρομέα καθώς δεν υπάρχουν ψήκτρες και η μετάβαση του ρεύματος γίνεται ηλεκτρονικά αλλά και γιατί η περιστροφή του δρομέα προϋποθέτει την διέλευση ρεύματος με συγκεκριμένη σειρά από τα τυλίγματα του στάτη. Η ανίχνευση της θέσης του δρομέα γίνεται συνήθως με τη χρήση αισθητήρων Hall και κατά κανόνα χρησιμοποιούνται τρεις αισθητήρες, εκ των οποίων ένας ή δύο ενεργοποιούνται σε κάθε χρονική στιγμή. Το φαινόμενο Hall[15], που ανακαλύφθηκε το 1879, είναι το φαινόμενο που παρατηρείται όταν ένα μαγνητικό πεδίο μαγνητικής επαγωγής Β, δρα σε αγωγό ή ημιαγωγό ο οποίος διαρρέεται από ένα ηλεκτρικό ρεύμα πυκνότητας J. Στην κατάσταση αυτή εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο ορθογώνιο προς τα διανύσματα J και B κατά τη διεύθυνση του διανυσματικού γινομένου J x B. Αυτό οδηγεί στην εμφάνιση μιας διαφοράς δυναμικού, η οποία εμφανίζεται στη διεύθυνση την ορθογώνια προς το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο και η οποία καλείται τάση του Hall

78 Εικόνα 3.15: Σχηματική αναπαράσταση φαινομένου Hall [25] Συγκεκριμένα κάθε φορά που ένας μαγνητικός πόλος του δρομέα περνά κοντά από έναν αισθητήρα, δίνει ένα υψηλό ή ένα χαμηλό σήμα αντίστοιχα, το οποίο υποδηλώνει αν είναι θετικός ή αρνητικός. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να γνωρίζουμε σε ποία από τις έξι θέσεις μέσα στην περιφέρεια του ηλεκτρικού κύκλου βρίσκεται ο δρομέας. Ο συνδυασμός των σημάτων των τριών αισθητήρων καθορίζει την ακριβή σειρά της μετάβασης. Η τοποθέτηση των αισθητήρων Hall γίνεται ανά 60 ή 120 μοίρες και είναι μια δύσκολη διαδικασία, διότι η παραμικρή απόκλιση θα επιφέρει λανθασμένη πληροφορία για τη θέση του δρομέα. Όσον αφορά την τροφοδοσία τους, απαιτούν συνεχή τάση από 4 έως 24 V και ρεύμα από 5 έως 15 mα, ενώ τα σήματα εξόδου είναι τετραγωνικοί παλμοί τάσης. Εικόνα 3.16: Τυπικός αισθητήρας Hall [26]

79 3.6. Βασικές εξισώσεις τραπεζοειδούς μηχανής Brushless DC Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, τύπου Brushless DC, είναι τριφασικές ηλεκτρικές μηχανές με τραπεζοειδώς κατανεμημένα τυλίγματα στη περιφέρεια του στάτη, όμως για τη σωστή λειτουργία τους απαιτείται σε κάθε μετάβαση από το ένα τύλιγμα να εισέρχεται το ρεύμα, από το άλλο να εξέρχεται και το τρίτο χωρίς να διαρρέεται από ρεύμα. Το ισοδύναμο τριφασικό κύκλωμα της μηχανής Brushless DC δίνεται στην εικόνα που έπεται: Εικόνα 3.17: Τριφασικό ισοδύναμο BLDC [27] Συνεπώς σε κάθε μετάβαση το ισοδύναμο κύκλωμα θα είναι: Εικόνα 3.18: Πιθανές τοπολογίες κατά τη θετική μετάβαση της φάσης Α [27]

80 Χρησιμοποιώντας το παραπάνω ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα για μια κατάσταση αγωγής προκύπτει η παρακάτω διαφορική εξίσωση για την μηχανή. (3.5) όπου είναι η εφαρμοζόμενη φασική τάση είναι το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει τις δύο φάσεις R είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων κάθε φάσης L είναι η επαγωγή των τυλιγμάτων κάθε φάσης και είναι η πολική ΗΕΔ 3.7. Βασικές εξισώσεις ημιτονοειδούς μηχανής Brushless AC Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, τύπου Brushless AC, είναι τριφασικές ηλεκτρικές μηχανές με ημιτονοειδώς κατανεμημένα τυλίγματα στη περιφέρεια του στάτη και κατά συνέπεια το ισοδύναμο τριφασικό κύκλωμά τους θα είναι όμοιο με εκείνο της Brushless DC. Στο συγκεκριμένο τύπο μηχανών ακολουθείτε μια διαφορετική μέθοδος ελέγχου σε σχέση με τις Brushless DC και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται το ανά φάση ισοδύναμο της μηχανής που φαίνεται στην εικόνα που ακολουθεί: Εικόνα 3.19: Ανά φάση ισοδύναμο κύκλωμα της Brushless AC [21]

81 Με βάση το ανά φάση ισοδύναμο κύκλωμα προκύπτει ο παρακάτω πίνακας που περιγράφει το σύνολο της μηχανής. [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] (3.6) όπου V a, V b, V c είναι οι εφαρμοζόμενες φασικές τάσεις Ι a, Ι b, Ι c είναι τα φασικά ρεύματα R είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων κάθε φάσης L είναι η επαγωγή των τυλιγμάτων κάθε φάσης M είναι η αμοιβαία επαγωγή Η παραγόμενη ηλεκτρομαγνητική ροπή μπορεί να ληφθεί με τη χρήση της ισχύος εξόδου της ηλεκτρικής μηχανής. Η ηλεκτρική ισχύς εξόδου της μηχανής ορίζεται από τις ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις της κάθε φάσης και τα ρεύματα των φάσεων. Από μηχανικής άποψης, η ισχύς μπορεί να αναπαρασταθεί ως ροπή εξόδου πολλαπλασιασμένη με τη γωνιακή ταχύτητα. Χρησιμοποιώντας τα παραπάνω η ηλεκτρομαγνητική ροπή ορίζεται με βάση την ακόλουθη σχέση: (3.7) όπου Te είναι η ηλεκτρομαγνητική ροπή w είναι η μηχανική ταχύτητα της μηχανής. Η μηχανική σχέση μεταξύ της ταχύτητας και της ροπής παρουσιάζονται στην επόμενη εξίσωση. (3.8) (3.9) όπου T LOAD είναι η ροπή του φορτίου J είναι η ροπή αδράνειας θ είναι η μηχανική θέση του δρομέα P είναι ο αριθμός πόλων

82 Όλες οι εξισώσεις που αναφέρονται παραπάνω παρουσιάζονται σε σταθερό πλαίσιο αναφοράς και όλα τα ηλεκτρικά μεγέθη αλλάζουν με την ηλεκτρική συχνότητα περιστροφής. Από άποψη ελέγχου είναι δύσκολο οι μεταβλητές ελέγχου να αλλάζουν με το χρόνο. Για να γίνει ο έλεγχος πιο εύκολος αυτές οι εξισώσεις μπορούν να αναπαρασταθούν σε σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο προσανατολισμένο στο στάτη. Αν όλα τα μεγέθη αναπαρασταθούν σε αυτό το πλαίσιο αναφοράς, τότε όλες οι μεταβλητές αποκτούν σταθερές τιμές και κατά συνέπεια ο έλεγχος του συστήματος γίνεται πιο εύκολος. Εικόνα 3.20: Πλαίσιο αναφοράς στάτη και δρομέα [21] Στη προηγούμενη εικόνα διακρίνονται το σταθερό και το σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς. Ο άξονας d είναι ο άξονας της ροής του μόνιμου μαγνήτη και ο q άξονας είναι ο κάθετος άξονας στον d. Οι ποσότητες της τάσης και ρεύματος μπορούν να μετατραπούν από το adc στο d-q πλαίσιο χρησιμοποιώντας τις μήτρες του μετασχηματισμού Park, που δίνεται στη συνέχεια. [ ] [ ] [ ] (3.10) [ ] [ ] [ ] (3.11)

83 Συνεπώς οι ισοδύναμες εξισώσεις στο d-q πλαίσιο αναφοράς: (3.12) (3.13) (3.14) (3.15) ( ) (3.16) όπου L d είναι η επαγωγή του d άξονα L q είναι η επαγωγή του q άξονα λ d είναι η ροή σκέδασης του d άξονα λ q είναι η ροή σκέδασης του q άξονα λ m είναι η ροή σκέδασης του δρομέα εξαιτίας των μαγνητών w e είναι η ηλεκτρική ταχύτητα του δρομέα θ e είναι η ηλεκτρική θέση του δρομέα 3.8. Μαγνητικό ισοδύναμο [16] Για την ανάλυση του μαγνητικού ισοδύναμου θα θεωρήσουμε μια μηχανή με τέσσερις μαγνητικούς πόλους στο δρομέα όπως αυτή που φαίνεται στην επόμενη εικόνα, στην οποία για λόγους ευκολίας ο στάτης απεικονίζεται χωρίς αυλακώσεις και τυλίγματα. Εικόνα 3.21: Απεικόνιση μαγνητικής ροής [28]

84 Η μαγνητική ροή που εγκαταλείπει το βόρειο πόλο μέσω του διακένου αέρα, περνάει από το στάτη και περνώντας πάλι από το διάκενο κατευθύνεται προς το νότιο πόλο. Η ροή ακολουθεί αντίστοιχη πορεία και στα υπόλοιπα μισά ζευγάρια πόλων. Εκτός όμως από την κύρια ροή διακένου, μαγνητική ροή περνάει απευθείας και από τον ένα μαγνήτη στον άλλο χωρίς να διαπερνά το στάτη και καλείται ροή σκεδάσεως. Για την σχηματική αναπαράσταση των παραπάνω απεικονίζουμε τις περιοχές του δρομέα και του στάτη με αντιστάσεις R r και R s αντίστοιχα. Οι δύο μισοί μαγνήτες απεικονίζονται ο καθένας σαν πηγή ροής Φ r με αντίστοιχη αντίσταση R m συνδεδεμένη παράλληλα και η διεύθυνση της πηγής της ροής να δείχνει την πολικότητα των μαγνητών. Η κύρια μαγνητική ροή του διακένου κατευθύνεται από το διάκενο στο στάτη και πάλι στο διάκενο μέσω των αντιστάσεων διακένου R g, ενώ η ροή σκέδασης διαρρέει την αντίσταση σκέδασης R l. Οι τρεις μαγνητικές ροές του κυκλώματος είναι η συνολική ροή Φ, η ροή του διακένου Φ g και η ροή σκεδάσεως Φ l. Προκειμένου να βρεθεί η τάση εξ επαγωγής, το μαγνητικό ισοδύναμο κύκλωμα πρέπει να επιλυθεί έτσι ώστε να καθορισθεί η μαγνητική επαγωγή B g του διακένου. Εικόνα 3.22: Ισοδύναμο μαγνητικό κύκλωμα [28] Οι δυο μαγνήτες και η αντίσταση του δρομέα R r είναι τοποθετημένοι σε σειρά, επομένως μπορούν να αλλάξουν θέση μεταξύ τους. Η αντίσταση σκέδασης είναι

85 δύσκολο να καθορισθεί σε αυτό το σημείο και για να την παραλείψουμε εκφράζουμε την κύρια ροή διακένου μέσω της σχέσης: Φ g = Κ 1 Φ (3.17) όπου Κ 1 είναι παράγοντας σκέδασης λίγο μικρότερος από τη μονάδα. Πλέον οι αντιστάσεις στάτη και δρομέα είναι σε σειρά και μπορούν να συνδυασθούν σε μία. Οι δύο μισοί μαγνήτες μπορούν επίσης να απλοποιηθούν καθώς από ηλεκτρικής απόψεως, ο απλοποιημένος μαγνήτης προκύπτει από το ισοδύναμο κύκλωμα Norton των δύο μαγνητών σε σειρά, στο οποίο η ισοδύναμη αντίσταση ισούται με 2 R m. Από μαγνητικής απόψεως, οι δύο μαγνήτες ισούνται με έναν ενιαίο μόνιμο μαγνήτη με το διπλάσιο μήκος. Επομένως, η μαγνητική ροή Φ r μένει η ίδια, ενώ η αντίσταση R m πολλαπλασιάζεται αναλογικά με το μήκος του μαγνήτη. Εικόνα 3.23: Απλοποιημένα ισοδύναμα μαγνητικά κυκλώματα [28]

86 Η αντίσταση του σιδηρομαγνητικού υλικού (R r + R s ) είναι μη γραμμική λόγω του κορεσμού της ΒΗ χαρακτηριστικής του υλικού. Εφόσον όμως η μαγνητική διαπερατότητα του σιδηρομαγνητικού υλικού είναι πολύ πιο μεγάλη σε σχέση με του αέρα, η αντίσταση (R r + R s ) θα είναι πιο μικρή σε σύγκριση με την αντίσταση R g του διακένου. Έτσι η αντίσταση του σιδηρομαγνητικού υλικού μπορεί να εξαφανισθεί εισάγοντας απλά έναν παράγοντα αντίστασης. Σε αυτήν την περίπτωση το K r είναι μια σταθερά λίγο μεγαλύτερη της μονάδος, που αυξάνει την αντίσταση του διακένου τόσο ώστε να συμπεριλαμβάνεται και η αντίσταση του σιδηρομαγνητικού υλικού. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να σημειωθεί ότι σπάνια δίνονται αναλυτικές εκφράσεις του παράγοντα σκέδασης K l και του παράγοντα αντίστασης K r. Συνήθως, οι τιμές τους επιλέγονται βάσει εμπειρίας. Δοθέντος του απλοποιημένου κυκλώματος της παραπάνω εικόνας, η μαγνητική ροή μπορεί να εκφρασθεί μέσω ενός διαιρέτη ροής, παρόμοιο με το διαιρέτη ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. (3.18) Βάσει των τριών παρακάτω σχέσεων, η μαγνητική ροή του διακένου του αέρα μπορεί να γραφεί όπως φαίνεται στην σχέση (3.26). (3.19) (3.20) (3.21) (3.22) όπου l m και A m είναι το μήκος του μαγνήτη και το εμβαδόν της τομής αντίστοιχα, και g και A g το μήκος του διακένου και το εμβαδόν της τομής αντίστοιχα. Εκφράζοντας το πηλίκο A m /A g ως τον παράγοντα συγκέντρωσης της μαγνητικής ροής C φ, τις πυκνότητες μαγνητικής ροής B g = Φ g /A g και B r = Φ r /Α m και αντίστοιχα το συντελεστή μαγνητικής διαπερατότητας ως P c =l m /(gc φ ) και αντικαθιστώντας στη

87 σχέση (3.30) προκύπτει για την πυκνότητα μαγνητικής ροής του διακένου η παρακάτω σχέση: (3.23) Για τη συγκεκριμένη μηχανή με τους επιφανειακούς μαγνήτες συνήθως ισχύει για τον παράγοντα σκέδασης 0,9<K l <1, για τον παράγοντα αντίστασης 1<K r <1,2 και για τον παράγοντα μαγνητικής συγκέντρωσης η ιδανική τιμή είναι η μονάδα. Αν θεωρήσουμε αυτές τις τιμές δοσμένες και το B r καθορισμένο από την επιλογή του μαγνήτη, τότε ο συντελεστής μαγνητικής διαπερατότητας P c καθορίζει το εύρος της πυκνότητας της μαγνητικής ροής του διακένου. Όσο ο συντελεστής P c αυξάνεται, η πυκνότητα μαγνητικής ροής προσεγγίζει το μέγιστό της, που είναι λίγο μικρότερο από το B r. Χωρίς μαγνητική συγκέντρωση είναι αδύνατον να επιτευχθεί πυκνότητα μαγνητικής ροής διακένου B g μεγαλύτερη από τη B r. Επιπλέον, η σχέση μεταξύ συντελεστή διαπερατότητας και πυκνότητας μαγνητικής ροής είναι μη γραμμική και το B g προσεγγίζει το B r ασυμπτωτικά. Ο διπλασιασμός του P c δε συνεπάγεται διπλασιασμό και του B g. Όμως, ο διπλασιασμός του P c σημαίνει διπλασιασμός του μήκους του μαγνήτη, που με τη σειρά του σημαίνει διπλασιασμό του όγκου αλλά και του αντίστοιχου κόστους Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Βασικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη, όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, είναι η παρουσία των μόνιμων μαγνητών και η απουσία των ψηκτρών (Brushless DC). Από τα παραπάνω χαρακτηριστικά γνωρίσματα των μηχανών αυτών συνεπάγονται κάποια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αντίστοιχα, τα οποία παρουσιάζονται στη συνέχεια. Αρχικά, συγκρίνοντας τους σύγχρονους κινητήρες μόνιμου μαγνήτη με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος η ειδοποιός διαφορά τους είναι η ανυπαρξία ψηκτρών στους πρώτους. Η απουσία ψηκτρών αυξάνει την αξιοπιστία του συστήματος, καθώς εξαλείφει τυχόν προβλήματα που συνδέονται με αυτές και παράλληλα αυξάνει τη διάρκεια ζωής της μηχανής. Συγκεκριμένα, η χρήση ψηκτρών μπορεί να προκαλέσει τη δημιουργία σπινθηρισμών και κατά συνέπεια κινδύνους ανάφλεξης, ενώ

88 κατάλοιπα από τη τριβή κατά τη χρήση τους μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία ηλεκτρικού τόξου. Συνεπώς, ο συνδυασμός των παραπάνω αυξάνει το κόστος και τη συχνότητα συντήρησης σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος. Ωστόσο, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος αποτελούν μια απλή και οικονομική, συγκριτικά, κατασκευή, που απαιτεί αρκετά απλό έλεγχο ταχύτητας. Χαρακτηριστικό επίσης πλεονέκτημά τους είναι η δυνατότητα να κινούν φορτία με μεγάλη αδράνεια, γι αυτό και χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά λεωφορεία, όμως η μάζα του ποδηλάτου με τον αναβάτη δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να απαιτεί τέτοιες δυνατότητες. Από την άλλη η απουσία του συστήματος συλλέκτη ψηκτρών μειώνει την αδράνεια του δρομέα, το παραγόμενο θόρυβο κατά τη λειτουργία και τον όγκο της μηχανής, δηλαδή αυξάνει το συνολικό βαθμό απόδοσής της, αφού πλέον δεν εμφανίζεται πτώση τάσης στις ψήκτρες και ο λόγος της ισχύος εξόδου προς το μέγεθός της είναι αρκετά υψηλός. Δυστυχώς όμως, η κατάργηση του συστήματος συλλέκτη ψηκτρών απαιτεί ανά πάσα στιγμή τη γνώση της ακριβής θέσης του δρομέα για τη σωστή μετάβαση του ρεύματος, η οποία πλέον γίνεται ηλεκτρονικά, δηλαδή απαιτείται ένας αρκετά πολυπλοκότερος έλεγχος. Στη συνέχεια συγκρίνοντας τους σύγχρονους κινητήρες μόνιμου μαγνήτη με τους επαγωγικούς κινητήρες, που χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης με μεταβλητή ταχύτητα, προκύπτουν αρκετές διαφορές μεταξύ τους. Αναλυτικά, η ύπαρξη μόνιμων μαγνητών, αντί του τυλίγματος διέγερσης, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους κατασκευής και την αδυναμία άμεσου ελέγχου στο πεδίο διέγερσης, ενώ παράλληλα περιορίζει τη μέγιστη ταχύτητα περιστροφής αλλά και την μέγιστη αναπτυσσόμενη θερμοκρασία κατά τη λειτουργία. Συγκεκριμένα, η ταχύτητα περιστροφής περιορίζεται από το γεγονός ότι αναπτύσσονται δυνάμεις που μπορούν να αποκολλήσουν τους μαγνήτες από τη θέση τους (αν βρίσκονται στην επιφάνεια του δρομέα), ενώ η θερμοκρασία πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα γιατί με την αύξησή της επηρεάζονται αρνητικά τα χαρακτηριστικά των μαγνητών. Ωστόσο, η χρήση μόνιμων μαγνητών μειώνει την αδράνεια του δρομέα, δίνοντας αυξημένη δυναμική απόκριση, ενώ συγχρόνως καταργεί τα τυλίγματα στο δρομέα μειώνοντας και τις διαστάσεις της μηχανής. Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη εμφανίζονται πλεονεκτικότεροι σε θέματα όπως ο βαθμός απόδοσης, η σταθερότητα, η ταχύτητα ελέγχου και το ρεύμα εκκίνησης, το οποίο είναι όμοιο με το ονομαστικό και κατά συνέπεια δεν απαιτούν

89 ξεχωριστό κύκλωμα για την εκκίνησή τους, όπως οι ασύγχρονοι επαγωγικοί κινητήρες. Επιπλέον, βασικά πλεονεκτήματά τους είναι ότι ανεξαρτήτως φορτίου δεν εμφανίζονται φαινόμενα ολίσθησης μεταξύ των συχνοτήτων του δρομέα και του στάτη, ενώ υπό ονομαστικό φορτίο εμφανίζουν σχεδόν την ίδια ροπή σε όλο το φάσμα των ταχυτήτων τους. Επιγραμματικά τα βασικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη δίνονται στη συνέχεια. μικρή συντήρηση αυξημένη αξιοπιστία μεγάλη διάρκεια ζωής μειωμένος θόρυβος λειτουργίας μικρότερος όγκος αυξημένη απόδοση μικρότερη αδράνεια δρομέα ρεύμα εκκίνησης όμοιο με το ονομαστικό απουσία φαινομένου ολίσθησης λειτουργία σε όλο το φάσμα στροφών υπό ονομαστικό φορτίο γνώση θέσης δρομέα ηλεκτρονική μετάβαση ρεύματος απαραίτητος έλεγχος για τη λειτουργία αυξημένο κόστος περιορισμός μέγιστης ταχύτητας περιστροφής αδυναμία άμεσου ελέγχου πεδίου διέγερσης χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας

90 3.10. Εφαρμογές σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη Τα παραπάνω χαρακτηριστικά των σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη τους καθιστούν κατάλληλους για ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, όπως η αυτοκίνηση, οι οικιακές συσκευές, ο βιομηχανικός έλεγχος, οι αυτοματισμοί, η αεροναυπηγική και πολλές άλλες. Συνεπώς προκύπτουν οι εξής κατηγορίες εφαρμογών των BLDC κινητήρων. Εφαρμογές σταθερού φορτίου Σε αυτές τις εφαρμογές είναι σημαντικό η ταχύτητα του κινητήρα να μπορεί να μεταβάλλεται αλλά ο ρυθμός της επιτάχυνσης και της επιβράδυνσης δεν αλλάζει δυναμικά. Σε αυτούς τους τύπους εφαρμογών το φορτίο βρίσκεται σε άμεση σύζευξη με τον άξονα της μηχανής και παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών είναι οι ανεμιστήρες και οι αντλίες, όπου απαιτείται χαμηλού κόστους ελεγκτής και ως επί τω πλείστον σε λειτουργία ανοιχτού βρόχου. Εφαρμογές μεταβλητού φορτίου Οι εφαρμογές αυτές, απαιτούν ακρίβεια ελέγχου υψηλής ταχύτητας και καλές δυναμικές αποκρίσεις. Επιπλέον, χρησιμοποιείται βρόχος ανατροφοδότησης της ταχύτητας και ο έλεγχος βασίζεται σε ημίκλειστο ή κλειστό βρόχο. Χρησιμοποιούνται ακόμα προχωρημένοι αλγόριθμοι ελέγχου, γεγονός που περιπλέκει τον έλεγχο της μηχανής και αυξάνει το κόστος του συνολικού συστήματος. Στις οικιακές συσκευές αντιπροσωπευτικά παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών είναι τα πλυντήρια και τα στεγνωτήρια. Αντίστοιχα παραδείγματα στον τομέα της αυτοκίνησης είναι ο έλεγχος της αντλίας καυσίμων, ο έλεγχος εναλλακτήρων και ο έλεγχος ηλεκτρικού οχήματος. Εφαρμογές ελέγχου θέσης Σε αυτή την κατηγορία εντάσσονται οι περισσότερες εφαρμογές της βιομηχανίας και του αυτοματισμού. Η δυναμική απόκριση της ροπής και της ταχύτητας είναι σημαντικές και παρουσιάζονται συχνές αλλαγές στη φορά της περιστροφής. Ένας τυπικός κύκλος περιλαμβάνει στάδιο επιτάχυνσης, στάδιο που η ταχύτητα παραμένει

91 σταθερή και στάδιο επιβράδυνσης. Το φορτίο στον κινητήρα μπορεί να μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια αυτών των σταδίων περιπλέκοντας έτσι τον έλεγχο του κινητήρα BLDC. Τα συστήματα αυτά λειτουργούν με κλειστό βρόχο ελέγχου όπου τρέχουν ταυτόχρονα τρείς βρόχοι ελέγχου: ροπής, ταχύτητας και θέσης. Η επιλογή της κατάλληλης μηχανής εξαρτάται από την εκάστοτε εφαρμογή για την οποία προορίζεται. Ανάλογα λοιπόν με το φορτίο αλλάζουν και οι παράμετροι από τις οποίες οι πιο σημαντικές είναι: η μέγιστη ροπή που απαιτείται στην εφαρμογή η ενεργός τιμή της ροπής και η ταχύτητα λειτουργίας

92 - 78 -

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ [9],[10],[11],[14],[17],[18],[19] 4.1. Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος Ο πυρήνας της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή του ελεγκτή, δηλαδή του τριφασικού αντιστροφέα τάσης, ο οποίος μετατρέπει τη συνεχή τάση της μπαταρίας σε εναλλασσόμενη, για την τροφοδοσία του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, που χρησιμοποιείται για την κίνηση του ηλεκτρικού ποδηλάτου. Ο τριφασικός αντιστροφέας υπάγεται στην ευρύτερη κατηγορία των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, οι οποίοι είναι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο και τη μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος από μια μορφή σε μια άλλη. Οι μετατροπείς αυτοί περιλαμβάνουν ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος, τα οποία ελέγχονται από ηλεκτρονικά κυκλώματα χαμηλής ισχύος. Με βάση τη μετατροπή που επιτυγχάνουν στη μορφή της ηλεκτρικής ενέργειας διακρίνονται στις εξής κατηγορίες: μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή, οι οποίοι ονομάζονται και ανορθωτές και μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή, ρυθμιζόμενου πλάτους μετατροπείς συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη τάση, οι οποίοι ονομάζονται και αντιστροφείς και μετατρέπουν τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη τάση, ρυθμιζόμενης συχνότητας και ενεργού τιμής μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή, οι οποίοι μετατρέπουν τη συνεχή τάση ορισμένης τιμής και πολικότητας σε συνεχή τάση άλλης τιμής και ενίοτε άλλης πολικότητας

94 μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη, οι οποίοι μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση μιας ορισμένης τιμής, συχνότητας και αριθμού φάσεων σε εναλλασσόμενη τάση άλλης ενεργού τιμής, της ίδιας ή άλλης συχνότητας και ενδεχομένως άλλου αριθμού φάσεων. Αξίζει να σημειωθεί ότι στους ανορθωτές και στους αντιστροφείς η διεύθυνση που ακολουθεί η ροή ενέργειας είναι προκαθορισμένη, ενώ στους άλλους μετατροπείς η ροή της ενέργειας μπορεί να αλλάζει. Βασικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος είναι τα παρακάτω: μικρός όγκος και βάρος μεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτερη απόκριση υψηλός συντελεστής απόδοσης ελάχιστη συντήρηση εμφάνιση ανώτερων αρμονικών στην πλευρά της τροφοδοσίας τους αλλά και στην πλευρά του φορτίου Αντιστροφείς τάσης Οι αντιστροφείς ισχύος μετατρέπουν μια συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη, ρυθμιζόμενης συχνότητας και ενεργού τιμής για την τροφοδοσία ενός κινητήριου συστήματος. Στις περισσότερες εφαρμογές τροφοδοτούνται από μια πηγή συνεχούς τάσης, η οποία προέρχεται από ανορθωτικό σύστημα αποτελούμενο από διόδους ή θυρίστορ. Στην παρούσα όμως εργασία η πηγή συνεχούς τάσης είναι οι συσσωρευτές που αναλύθηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο. Ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων χωρίζονται στις εξής υποκατηγορίες: μονοφασικοί αντιστροφείς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας, οι οποίοι έχουν δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία μονοφασικοί αντιστροφείς σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας, οι οποίοι έχουν τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία τριφασικοί αντιστροφείς, οι οποίοι έχουν έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία

95 Επιπλέον, οι τριφασικοί αντιστροφείς μπορούν να χωριστούν σε δύο ακόμα κατηγορίες, οι οποίες είναι οι ακόλουθες: αντιστροφείς με τετραγωνική κυματομορφή, στους οποίους το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου ελέγχεται μέσω του πλάτους της συνεχούς τάσης εισόδου. Σε αυτή την περίπτωση, ο αντιστροφέας ελέγχει μόνο τη συχνότητα και όχι το πλάτος της παραγόμενης τάσης εξόδου. Η τάση εξόδου έχει μια κυματομορφή παρόμοια με τετραγωνική και από το συγκεκριμένο αίτιο ονομάστηκαν αντιστροφείς με τετραγωνική κυματομορφή. αντιστροφείς με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM), στους οποίους η συνεχής τάση εισόδου έχει σταθερό πλάτος, ενώ το πλάτος και η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου ελέγχεται με διαμόρφωση του εύρους των παλμών στην πύλη των διακοπτικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Διάφορες μέθοδοι διαμόρφωσης PWM των διακοπτών του αντιστροφέα υπάρχουν και αποσκοπούν στην επίτευξη εναλλασσόμενων τάσεων εξόδου. Για την τροφοδοσία ενός τριφασικού φορτίου είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν και τρείς μονοφασικοί αντιστροφείς, όπου ο κάθε αντιστροφέας παράγει μία έξοδο (στη θεμελιώδη συχνότητα) μετατοπισμένη κατά 120 ο σε σχέση με τις άλλες. Όμως η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται μόνο σε συγκεκριμένες εφαρμογές καθώς απαιτεί δώδεκα διακοπτικά στοιχεία και έναν τριφασικό μετασχηματιστή εξόδου ή ξεχωριστή πρόσβαση σε κάθε φάση του τριφασικού φορτίου. Επομένως, ο τριφασικός αντιστροφέας τάσης, όπως φαίνεται και στην παρακάτω διάταξη, αποτελείται από τρείς κλάδους, καθένας από τους οποίους αντιστοιχεί σε μία από τις τρείς φάσεις και περιέχει δύο διακοπτικά ημιαγωγικά στοιχεία, για τα οποία έχει παραλειφθεί το κύκλωμα ελέγχου για λόγους απλούστευσης. Τα διακοπτικά ημιαγωγικά στοιχεία του κάθε κλάδου πρέπει να άγουν συμπληρωματικά, καθώς στην περίπτωση ταυτόχρονης αγωγής προκύπτει βραχυκύκλωμα της πηγής εισόδου. Επειδή όμως τα στοιχεία αυτά δεν είναι ιδανικοί διακόπτες, απαιτείται η εισαγωγή νεκρού χρόνου, από την σβέση του ενός στοιχείου μέχρι την έναυση του άλλου στοιχείου του ίδιου κλάδου. Σε επόμενο κεφάλαιο αναλύεται ο τρόπος εισαγωγής του χρόνου αυτού. Επίσης, η τάση εξόδου είναι ανεξάρτητη του ρεύματος εξόδου, εφόσον

96 σε κάθε χρονική στιγμή ένας από τους δύο διακόπτες κάθε σκέλους είναι πάντα κλειστός. Η τυπική διάταξη τριφασικού αντιστροφέα φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Εικόνα 4.1: Τριφασικός αντιστροφέας τάσης [30] Κάθε διακοπτικό ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει τη ροή ρεύματος, όταν αυτό άγει, κατά τη μία φορά, ενώ οι αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση. Η παρουσία των διόδων αυτών είναι απαραίτητη μόνο όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης, διότι δίνουν ένα δρόμο επιστροφής του ρεύματος, άρα και τις ενέργειας, από το φορτίο στη συνεχή τάση τροφοδοσίας στην είσοδο του αντιστροφέα, όταν αλλάξει η πολικότητα της τάσης πάνω στο φορτίο. Αν το φορτίο είναι καθαρά ωμικής φύσεως τότε το ρεύμα έχει παρόμοια μορφή με την τάση οπότε οι δίοδοι δεν έχουν ενεργό ρόλο στη λειτουργία του κυκλώματος. Η συχνότητα στην έξοδο του αντιστροφέα καθορίζεται από τον ρυθμό έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων και επομένως παρέχεται η δυνατότητα ρύθμισης αυτής μέσω του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Ωστόσο η διακοπτική λειτουργία του αντιστροφέα έχει, συνήθως, ως αποτέλεσμα μη ημιτονοειδείς κυματομορφές ρεύματος και τάσης στην έξοδό του, που οφείλονται στην εμφάνιση ανώτερων αρμονικών. Το φιλτράρισμα των αρμονικών την έξοδο δεν είναι εύκολο, ειδικά στην περίπτωση κατά την οποία η συχνότητα των ανώτερων αρμονικών μεταβάλλεται και βρίσκεται κοντά στη συχνότητα της βασικής αρμονικής

97 της τάσεως εξόδου. Αυτό έχει αποτέλεσμα να αυξάνεται το βάρος, ο όγκος και το κόστος του αντιστροφέα. Ειδικότερα στη περίπτωση τροφοδοσίας ενός κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος, οι ανώτερες αρμονικές που παρουσιάζονται σε χαμηλές συχνότητες μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση των τυλιγμάτων και μηχανικές ταλαντώσεις στον άξονα του κινητήρα, γεγονότα ανεπιθύμητα σε οποιαδήποτε εφαρμογή. Επίσης έχει παρατηρηθεί πως όσο υψηλότερα σε συχνότητα βρίσκονται οι ανώτερες αρμονικές τόσο μικρότερος είναι και ο θόρυβος που δημιουργεί ο ελεγχόμενος από τον αντιστροφέα κινητήρας Έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα μέσω τετραγωνικών παλμών Όταν η παλμοδότηση των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα γίνεται με τετραγωνικούς παλμούς, τότε κάθε ημιαγωγικό στοιχείο ανάβει και σβήνει για 180 και κάθε ακροδέκτης εξόδου (Α, Β, και C) συνδέεται εναλλάξ για κάθε ημιπερίοδο στο θετικό ή στον αρνητικό πόλο της συνεχούς τάσης τροφοδοσίας. Η τριφασική έξοδος επιτυγχάνεται προκαλώντας μια καθυστέρηση φάσεως 120 μεταξύ των παλμών έναυσης του κάθε κλάδου της γέφυρας. Οι κυματομορφές της φασικής και της πολικής τάσης, στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα, σε αυτή την περίπτωση, φαίνονται παρακάτω: Εικόνα 4.2: Κυματομορφές φασικής και πολικής τάσης εξόδου [31]

98 Ωστόσο, ο τριφασικός αντιστροφέας τάσης, ελεγχόμενος μέσω τετραγωνικών παλμών, εμφανίζει ένα σημαντικό πλεονέκτημα, καθώς το αρμονικό περιεχόμενο της πολικής τάσεως εξόδου δεν περιέχει την τρίτη αρμονική και όλα τα περιττά πολλαπλάσια αυτής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η τρίτη αρμονική μιας φάσης, π.χ. της Α, και η τρίτη αρμονική μιας άλλης φάσης, π.χ. της Β, αλληλοαναιρούνται με αποτέλεσμα η αρμονική αυτή, καθώς και τα περιττά πολλαπλάσιά της, να μην εμφανίζονται στην αντίστοιχη πολική τάση εξόδου Έλεγχος τριφασικού αντιστροφέα μέσω διαμόρφωσης του εύρους των παλμών Οι αντιστροφείς, οι οποίοι ελέγχονται μέσω της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών στις πύλες των διακοπτικών στοιχείων, ναι μεν βασίζονται στο ίδιο κύκλωμα ισχύος με εκείνους που ελέγχονται μέσω τετραγωνικών παλμών, αλλά διαφέρουν ως προς τη μεθοδολογία με την οποία παράγονται οι παλμοί έναυσης και σβέσης των στοιχείων τους. Η τεχνική της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Pulse Width Modulation, PWM), με την οποία ελέγχεται η βασική αρμονική της τάσης εξόδου, επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας το εύρος των παλμών, δηλαδή τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία τα στοιχεία του αντιστροφέα άγουν ή όχι. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές μέσω των οποίων δημιουργείται μια γεννήτρια PWM, από τις οποίες πιο σημαντικές είναι η δημιουργία PWM μέσω ράμπας και η δημιουργία PWM μέσω τριγώνου. Στην πρώτη τεχνική ένα σήμα σταθερής τιμής συγκρίνεται με ένα προκαθορισμένης συχνότητας σήμα τύπου ράμπας. Εικόνα 4.3: Δημιουργία PWM μέσω ράμπας [32]

99 Ανάλογα με την επιθυμητή λειτουργία, όσο το σταθερό σήμα είναι μικρότερο από το σήμα της ράμπας, προκύπτει στην έξοδο ένα σήμα λογικού 1 και αντίστοιχα όσο το σταθερό σήμα είναι μεγαλύτερο της ράμπας προκύπτει ένα σήμα λογικού 0. Το σήμα εξόδου μπορεί κάλλιστα να αντιστραφεί, καθώς το αποτέλεσμα οφείλεται στη λογική σύγκριση των δύο σημάτων εισόδου και αντί για λογικό 1 να έχουμε λογικό 0 στην αντίστοιχη έξοδο. Παρόμοια λογική ακολουθείται και στη τεχνική διαμόρφωσης PWM μέσω τριγώνου, με τη διαφορά ότι ένα σταθερό σήμα συγκρίνεται με ένα προκαθορισμένης συχνότητας τριγωνικό σήμα και στην έξοδο παίρνουμε λογικό 1 ή λογικό 0 ανάλογα με το αποτέλεσμα της λογικής πράξης. Εικόνα 4.4: Δημιουργία PWM μέσω τριγώνου [33] Εάν επιθυμούμε να λάβουμε στην έξοδο του αντιστροφέα μια τάση που να πλησιάζει όσο το δυνατόν περισσότερο το ημίτονο, τότε πρέπει να μεταβάλλουμε το εύρος των παλμών με ημιτονοειδή τρόπο. Η τεχνική αυτή ονομάζεται ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM) και δίνει στην έξοδο του αντιστροφέα μια σειρά παλμών, η οποία έχει το πλάτος και τη συχνότητα που εμείς επιθυμούμε κάθε φορά. Με βάση την τεχνική αυτή, ένα ημιτονοειδές σήμα συγκρίνεται με ένα τριγωνικό. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου είναι λογικό 0, ενώ στην αντίθετη

100 περίπτωση λογικό 1. Αλλάζοντας το πηλίκο μεταξύ των πλατών του τριγώνου και του ημιτόνου, δηλαδή μεταβάλλοντας τον αντίστοιχο συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους, μεταβάλλεται το εύρος των παραγόμενων παλμών του σήματος εξόδου. Με την παραπάνω διαδικασία παράγεται ένα σήμα με το οποίο παλμοδοτούμε το πάνω ημιαγωγικό στοιχείο ενός κλάδου, ενώ το κάτω στοιχείο του ιδίου κλάδου παλμοδοτείται από το αντίστροφο σήμα, το οποίο μπορεί να παραχθεί με χρήση μιας πύλης NOT. Το αποτέλεσμα της τεχνικής που περιγράφηκε παραπάνω είναι η λήψη της κυματομορφής της τάσης V A0 στην έξοδο του αντιστροφέα, όπως φαίνεται στην επόμενη εικόνα. Εικόνα 4.5: Μέθοδος παραγωγής παλμών τύπου SPWM (για μία φάση) και η φασική τάση εξόδου του κλάδου V A0 [31] Αναλύοντας κατά Fourier την προηγούμενη κυματομορφή, διαπιστώνουμε ότι η βασική της αρμονική έχει την ίδια συχνότητα με το ημίτονο αναφοράς και πλάτος ανάλογο του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους. Οι ανώτερες αρμονικές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε ζώνες συχνοτήτων, γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας του τριγώνου. Συγκεκριμένα, η πρώτη ομάδα περιέχει μια κεντρική αρμονική με συχνότητα ίδια με τη συχνότητα του τριγώνου, καθώς επίσης και ένα

101 σύνολο αρμονικών δεξιά και αριστερά της συχνότητας αυτής που δίνονται από τη σχέση: F tri 2 n F sin (4.1) όπου F tri : η συχνότητα του τριγώνου F sin : η συχνότητα του ημιτόνου Στη δεύτερη ομάδα, δεν περιέχεται η κεντρική αρμονική σε συχνότητα 2 F tri, αλλά ένα σύνολό αρμονικών που δίνονται από την σχέση: 2 F tri 2 (n-1) F sin (4.2) Για την τρίτη ομάδα ισχύει ότι και στην πρώτη, μόνο που η κεντρική αρμονική είναι σε συχνότητα 3 F tri. Στην τέταρτη ομάδα ισχύει ότι και για την δεύτερη, αλλά με κεντρική συχνότητα 4 F tri. Η λογική αυτή, ισχύει και για τις υπόλοιπες ομάδες ανωτέρων αρμονικών. Ως γενικό συμπέρασμα μπορούμε να πούμε ότι οι ανώτερες αρμονικές εμφανίζονται σε συχνότητες που ακολουθούν τη σχέση: n F tri k F sin (4.3) όπου n = 1,2,3 και k = 1,3,5,7 για n = άρτιος και k = 2,4,6,8 για n = περιττός Εικόνα 4.6: Αρμονικό περιεχόμενο της φασικής τάσης V A0 [31] Για την περίπτωση του τριφασικού αντιστροφέα τάσης δημιουργούμε τρία ημίτονα αναφοράς, ένα για κάθε φάση, με διαφορά φάσης 120 μεταξύ τους, τα οποία συγκρίνουμε με το ίδιο τρίγωνο

102 Εικόνα 4.7: Κυματομορφές τάσης στην έξοδο τριφασικού αντιστροφέα [31] Μεταβάλλοντας το πλάτος και τη συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς καθορίζουμε αντίστοιχα το πλάτος και τη συχνότητα της βασικής αρμονικής στην έξοδο του αντιστροφέα, διατηρώντας όμως το πλάτος της κυματομορφής του τριγώνου σταθερό. Τέλος, θα πρέπει να αναφέρουμε πως υπάρχουν δύο είδη ημιτονοειδούς PWM, η ασύγχρονη και η σύγχρονη PWM. Στην ασύγχρονη PWM, επιλέγεται αρχικά μια συχνότητα φορέα (συχνότητα τριγώνου) η οποία και παραμένει σταθερή καθώς η συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς (συχνότητα ημιτόνου) μεταβάλλεται. Στη σύγχρονη PWM επιλέγεται αρχικά ένας συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας (M f ), ο οποίος διατηρείται σταθερός καθώς η συχνότητα αναφοράς μεταβάλλεται. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει πως η συχνότητα του φορέα πρέπει να μεταβάλλεται μαζί με τη συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς. Η μέθοδος της σύγχρονης SPWM είναι χρήσιμη διότι αποκλείει την εμφάνιση υποαρμονικών (αρμονικές σε συχνότητες κάτω από τη συχνότητα της βασικής). Ωστόσο η χρησιμοποίησή της έχει νόημα, μόνο όταν η συχνότητα του φορέα F tri είναι μικρή (κάτω του 1kHz). Αντίθετα όταν η F tri είναι αρκετά υψηλή, τότε δεν προκύπτει πρόβλημα υποαρμονικών αφού το πλάτος των υψηλών αρμονικών που πλησιάζουν τη βασική είναι τόσο μικρό που πρακτικά θεωρείται μηδενικό

103 4.5. Οδήγηση σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη με τη χρήση τριφασικού αντιστροφέα τάσης Τόσο οι τραπεζοειδείς όσο και οι ημιτονοειδείς σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη οδηγούνται ηλεκτρονικά με τη χρήση τριφασικού αντιστροφέα τάσης. Η τεχνική που χρησιμοποιείται για την υλοποίηση του ελέγχου εξαρτάται από το τύπο του κινητήρα. Συγκεκριμένα, στους σύγχρονους κινητήρες μόνιμου μαγνήτη με τραπεζοειδώς κατανεμημένα τυλίγματα χρησιμοποιούνται τρείς αισθητήρες Hall, οι οποίοι είναι τοποθετημένοι σε γωνία 120 o μεταξύ τους. Ο συνδυασμός των σημάτων που παράγουν οι αισθητήρες Hall προσδιορίζει τη θέση του δρομέα και κατά συνέπεια τους παλμούς που ελέγχουν τα έξι διακοπτικά στοιχεία ισχύος του αντιστροφέα. Εικόνα 4.8: Απλοποιημένο διάγραμμα ελέγχου μηχανής Brushless DC [29] Κάθε 120 ο ηλεκτρικές μοίρες ενεργοποιείται ένας αισθητήρας Hall, ο οποίος παραμένει ενεργοποιημένος για 180 ο ηλεκτρικές μοίρες. Επομένως, όπως φαίνεται χαρακτηριστικά και στην εικόνα που ακολουθεί, προκύπτουν 6 διαστήματα καθένα εκ των οποίων χαρακτηρίζεται από ένα μοναδικό συνδυασμό των σημάτων των αισθητήρων Hall. Σε κάθε διάστημα πρέπει να παλμοδοτείται ένα ζεύγος στοιχείων ισχύος όχι όμως του ίδιου κλάδου, δηλαδή ένα άνω στοιχείο ενός κλάδου και ένα κάτω στοιχείο κάποιου άλλου κλάδου. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται αναλυτικά η

104 λογική παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος συναρτήσει των σημάτων των αισθητήρων Hall. Εικόνα 4.9: Διάγραμμα παλμών στις πύλες των στοιχείων ισχύος συναρτήσει των σημάτων των αισθητήρων Hall [44] Η παλμοδότηση των στοιχείων αυτών μπορεί να γίνει με τη χρήση της μεθόδου διαμόρφωσης του εύρους των παλμών με στόχο τον έλεγχο της συχνότητας και του εύρους της τάσης εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα. Ωστόσο, δεν είναι απαραίτητη η χρήση της μεθόδου PWM και στα άνω και στα κάτω στοιχεία διότι κάθε ζεύγος αγωγής αποτελείται πάντα από ένα άνω και ένα κάτω στοιχείο και κατά συνέπεια αρκεί η μέθοδος PWM να εφαρμόζεται στο ένα από αυτά. Κατά συνέπεια, τα άνω στοιχεία ισχύος του κάθε κλάδου μπορούν να ελέγχονται μέσω τετραγωνικών παλμών, ενώ τα κάτω μέσω διαμόρφωσης του εύρους των παλμών

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 5.1. Προσομοίωση συστήματος στο Simulink Μετά την θεωρητική ανάλυση του τριφασικού αντιστροφέα και πριν την κατασκευή του, απαιτείται η προσομοίωση της λειτουργίας του, η οποία έγινε με τη χρήση του προγράμματος Matlab και συγκεκριμένα του εργαλείου Simulink. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνονται τα μοντέλα του κυκλώματος οδήγησης και του κινητήρα. Εικόνα 5.1: Εξομοίωση συστήματος μέσω του Matlab/Simulink Αναλυτική παρουσίαση της διάταξης του τριφασικού αντιστροφέα, η οποία εμπεριέχεται στο block «Inverter» και της λογικής παλμοδότησης, η οποία βασίζεται στα σήματα των αισθητήρων Hall και εμπεριέχεται στο block «Control», γίνεται στις εικόνες που έπονται

106 Εικόνα 5.2: Τριφασικός αντιστροφέας τάσης (block «Inverter») Εικόνα 5.3: Λογική παλμοδότησης (block «Control»)

107 Οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση του συστήματος είναι οι εξής: συνεχής τάση εισόδου V DC =36V συχνότητα για τη διαμόρφωση του εύρους των παλμών f PWM =20kHz τραπεζοειδής σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη 5.2. Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 50% Εικόνα 5.4: Σήματα αισθητήρων Hall

108 Εικόνα 5.5: Τάσεις εξ επαγωγής του δρομέα στο στάτη

109 Εικόνα 5.6: Παλμοί στην πύλη των ημιαγωγικών στοιχείων

110 Εικόνα 5.7: Παλμοί στην πύλη των ημιαγωγικών στοιχείων (σε εστίαση)

111 Εικόνα 5.8: α) Πολική τάση V AB β) Φασική τάση V A γ) Ρεύμα φάσης Α δ) Ηλεκτρομαγνητική ροπή

112 Εικόνα 5.9: α) Τάση V DS Mosfet 1 High β) Ρεύμα Mosfet 1 High γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 High

113 Εικόνα 5.10: α) Τάση διόδου 1 High β) Ρεύμα διόδου 1 High γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 High

114 Εικόνα 5.11: α) Τάση V DS Mosfet 1 Low β) Ρεύμα Mosfet 1 Low γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 Low

115 Εικόνα 5.12: α) Τάση διόδου 1 Low β) Ρεύμα διόδου 1 Low γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 Low

116 5.3. Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 100% Εικόνα 5.13: Σήματα αισθητήρων Hall

117 Εικόνα 5.14: Τάσεις εξ επαγωγής του δρομέα στο στάτη

118 Εικόνα 5.15: Παλμοί στην πύλη των ημιαγωγικών στοιχείων

119 Εικόνα 5.16: Πολικές τάσεις

120 Εικόνα 5.17: Φασικές τάσεις

121 Εικόνα 5.18: Φασικά ρεύματα

122 Εικόνα 5.19: α) Πολική τάση V AB β) Φασική τάση V A γ) Ρεύμα φάσης Α δ) Ηλεκτρομαγνητική ροπή

123 Εικόνα 5.20: α) Τάση V DS Mosfet 1 High β) Ρεύμα Mosfet 1 High γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 High

124 Εικόνα 5.21: α) Τάση διόδου 1 High β) Ρεύμα διόδου 1 High γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 High

125 Εικόνα 5.22: α) Τάση V DS Mosfet 1 Low β) Ρεύμα Mosfet 1 Low γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 Low

126 Εικόνα 5.23: α) Τάση διόδου 1 Low β) Ρεύμα διόδου 1 Low γ) Παλμοί στην πύλη του Mosfet 1 Low

127 5.4. Αποτελέσματα προσομοίωσης για μεταβλητό λόγο κατάτμησης από 30% έως 100% Εικόνα 5.24: Σήματα αισθητήρων Hall

128 Εικόνα 5.25: Τάσεις εξ επαγωγής του δρομέα στο στάτη

129 Εικόνα 5.26: Παλμοί στην πύλη των ημιαγωγικών στοιχείων

130 Εικόνα 5.27: α) Πολική τάση V AB β) Φασική τάση V A γ) Ρεύμα φάσης Α δ) Ηλεκτρομαγνητική ροπή

131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ [14],[17],[18] 6.1. Γενική περιγραφή τριφασικού αντιστροφέα Μετά την θεωρητική ανάλυση και την προσομοίωση της λειτουργίας του αντιστροφέα ακολουθεί ο σχεδιασμός και η κατασκευή του, που αναλύονται λεπτομερώς στη συνέχεια. Αρχικά, περιγράφεται το κύκλωμα ισχύος και στη συνέχεια το κύκλωμα παλμοδότησης και το κύκλωμα ελέγχου. Παράλληλα, παρουσιάζονται τα στοιχεία από τα οποία αποτελούνται τα παραπάνω κυκλώματα, τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους καθώς και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν Επιλογή στοιχείων κυκλώματος ισχύος Το κύκλωμα ισχύος του τριφασικού αντιστροφέα είναι το τμήμα στο οποίο διακινούνται μεγάλα ποσά ισχύος, καθώς στην είσοδό του συνδέεται με την συνεχή πηγή τροφοδοσίας και στην έξοδό του με κάθε ένα από τα τυλίγματα του κινητήρα. Τα κύρια στοιχεία από τα οποία αποτελείται παρουσιάζονται λεπτομερώς στην συνέχεια του κεφαλαίου και αυτά είναι τα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία, οι δίοδοι ελεύθερης διέλευσης και οι πυκνωτές εισόδου. ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΓΕΦΥΡΑ ΕΞΙ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Σχήμα 6.1: Δομικό διάγραμμα κυκλώματος ισχύος

132 Ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος Βασικό κομμάτι του κυκλώματος ισχύος αποτελούν τα ημιαγωγικά στοιχεία, μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η μετατροπή της συνεχούς τάσης, που παρέχουν οι συσσωρευτές, σε τριφασική εναλλασσόμενη για την οδήγηση του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη. Σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος χρησιμοποιούνται τα παρακάτω τέσσερα είδη διακοπτικών στοιχείων: Θυρίστορ Θυρίστορ GTO MOSFET IGBT Κάθε ένα από αυτά έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, τα οποία τα καθιστούν κατάλληλα ή μη για συγκεκριμένα είδη εφαρμογών. Θυρίστορ Το θυρίστορ έχει τρείς ακροδέκτες: μία άνοδο, μία κάθοδο και μια πύλη. Όταν ένα μικρό ρεύμα περνά μέσω του ακροδέκτη της πύλης προς την κάθοδο, το θυρίστορ άγει, υπό την προϋπόθεση ότι ο ακροδέκτης της ανόδου είναι σε υψηλότερο δυναμικό από την κάθοδο. Μόλις ένα θυρίστορ είναι σε κατάσταση αγωγής, το κύκλωμα της πύλης δεν έχει κανένα έλεγχο και το θυρίστορ εξακολουθεί να άγει. Κατά την αγωγή παρουσιάζει εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση αγωγής, άρα και χαμηλή πτώση τάσης συγκριτικά με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία και αυτό το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές υψηλών ρευμάτων. Βασικό μειονέκτημά του όμως είναι οι σχετικά μεγάλοι χρόνοι έναυσης και σβέσης που το καθιστούν ακατάλληλο για εφαρμογές διακοπτικών συχνοτήτων που ξεπερνούν τα μερικά khz. Επιπλέον για να σβήσει και να επιστρέψει σε κατάσταση αποκοπής θα πρέπει το ρεύμα που το διαρρέει να γίνει μικρότερο από μια συγκεκριμένη για κάθε στοιχείο τιμή, που ονομάζεται ρεύμα συγκράτησης. Επομένως, για την σβέση του απαιτείται ένα πρόσθετο εξωτερικό κύκλωμα. Θυρίστορ GTO (Gate turn off thyristor) Όπως τα θυρίστορ, το GTO μπορεί να κλείσει με ένα σύντομο παλμό ρεύματος στην πύλη και αφού κλείσει, μπορεί να παραμείνει κλειστό χωρίς να απαιτείται πλέον

133 ρεύμα στην πύλη. Ωστόσο, αντίθετα με τα θυρίστορ, το GTO μπορεί να ανοίξει με την εφαρμογή μιας αρνητικής τάσης μεταξύ της πύλης και της καθόδου και έτσι να προκαλέσει τη ροή ενός αρκετά μεγάλου αρνητικού ρεύματος στην πύλη. Η τάση αγωγιμότητας ενός GTO είναι ελαφρά υψηλότερη από εκείνες των θυρίστορ και οι ταχύτητες μετάβασης των GTO είναι από μερικά μέχρι 25μsec. Εξαιτίας της ικανότητάς του για διαχείριση υψηλών τάσεων (μέχρι 4,5kV) και μεγάλων ρευμάτων (μέχρι μερικά kα), το GTO χρησιμοποιείται όταν χρειάζεται ένας διακόπτης για υψηλές τάσεις και μεγάλο ρεύματα σε συχνότητες μετάβασης από μερικές εκατοντάδες Hz μέχρι 10kHz. MOSFET Τo Mosfet είναι μια διάταξη ελεγχόμενη από τάση, δηλαδή απαιτεί τη συνεχή εφαρμογή μιας τάσης κατάλληλου μεγέθους μεταξύ της πύλης (gate) και της πηγής (source) για να βρίσκεται σε κατάσταση αγωγιμότητας. Το Mosfet είναι σε κατάσταση αποκοπής όταν η τάση πύλης-πηγής είναι χαμηλότερη από την τιμή κατωφλίου (gate-source threshold voltage). Από την πύλη δεν περνά ρεύμα, παρά μόνο κατά τις μεταβάσεις σβέσης και έναυσης, όταν η χωρητικότητα της πύλης φορτίζεται ή εκφορτίζεται. Οι χρόνοι μετάβασης είναι πολύ μικροί, από μερικές δεκάδες έως μερικές εκατοντάδες nsec, ανάλογα με το είδος του στοιχείου. Η αντίσταση αγωγιμότητας του Mosfet μεταξύ του απαγωγού (drain) και της πηγής αυξάνεται γρήγορα με την ονομαστική τιμή της τάσης αποκοπής. Τα Mosfet διατίθενται με ονομαστικές τάσεις μεγαλύτερες από 1kV, αλλά με μικρά ονομαστικά ρεύματα, και με ονομαστικά ρεύματα μέχρι τα 100Α σε μικρές ονομαστικές τάσεις. Η μέγιστη τάση πύλης-πηγής είναι 20V, αν και διατίθενται Mosfet που μπορούν να ελέγχονται με σήματα των 5V. Εξαιτίας της μεγάλης ταχύτητας της μετάβασής τους, οι απώλειες μετάβασης μπορούν να είναι μικρές. Από την άποψη των συνολικών απωλειών ισχύος, τα Mosfet των V συναγωνίζονται τα διπολικά τρανζίστορ μόνο αν η συχνότητα μετάβασης είναι μεγαλύτερη των kHz. Παρόλα αυτά, δεν μπορεί να οριστεί αυστηρά το όριο συχνότητας, επειδή εξαρτάται από τις τάσεις λειτουργίας και οι χαμηλές τάσεις ευνοούν τα Mosfet

134 IGBT Παρόμοια με το Mosfet, το IGBT έχει μεγάλη σύνθετη αντίσταση πύλης και έτσι απαιτείται μια μικρή ποσότητα ενέργειας για τη μετάβασή του. Το IGBT έχει μικρή τάση αγωγιμότητας, ακόμα και σε στοιχεία με μεγάλες ονομαστικές τάσεις αποκοπής. Παρόμοια με το GTO, τα IGBT μπορούν να σχεδιαστούν για να αποκόψουν ανάστροφες τάσεις. Τέλος, τα IGBT έχουν χρόνους έναυσης και σβέσης της τάξης του 1μsec και διατίθενται με μεγάλες ονομαστικές τιμές τάσης και ρεύματος, όπως 1700V και 1200Α, ενώ μελετούνται και με ονομαστικές μέχρι 2-3kV. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνονται αναλυτικά οι περιοχές ισχύος και συχνοτήτων στις οποίες κυριαρχεί το κάθε ένα από τα παραπάνω στοιχεία. Εικόνα 6.1: Όρια ρεύματος, τάσεως και συχνότητας των διακοπτικών ημιαγωγικών στοιχείων [34] Για την σωστή επιλογή των διακοπτικών ημιαγωγικών στοιχείων, τα οποία θα στελεχώσουν το κύκλωμα ισχύος ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα, πρέπει να ληφθούν

135 υπόψη όλες οι ιδιότητές τους και να συγκριθούν στη συνέχεια με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Επομένως βασικά κριτήρια επιλογής αποτελούν: η τάση και η αντίσταση αγωγιμότητας των στοιχείων, που καθορίζουν τις αντίστοιχες απώλειες αγωγιμότητας οι χρόνοι μετάβασης, δηλαδή οι χρόνοι έναυσης και σβέσης των στοιχείων, οι οποίοι προσδιορίζουν το όριο της μέγιστης διακοπτικής συχνότητας και τις διακοπτικές απώλειες η διαχειριζόμενη από το μετατροπέα ισχύς, δηλαδή τα όρια τάσης και ρεύματος με τα οποία θα έρθουν αντιμέτωπα τα ημιαγωγικά στοιχεία η ισχύς που απαιτείται από το κύκλωμα ελέγχου και καθορίζει τη δυνατότητα διαχείρισης ισχύος του στοιχείου οι απαιτήσεις για ψύξη, δηλαδή ο θερμοκρασιακός συντελεστής της αντίστασης αγωγιμότητας του στοιχείου τέλος, το κόστος και η διαθεσιμότητα των στοιχείων στην αγορά. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας που θα κατασκευαστεί, πρέπει να λειτουργεί σε αρκετά υψηλή συχνότητα, της τάξης των 10-20kHz, ενώ θα τροφοδοτεί ένα κινητήρα με ονομαστικά μεγέθη λειτουργίας 36 V και 500 W. Από αυτά συνεπάγεται ότι για τη συγκεκριμένη εφαρμογή απορρίπτεται η χρήση θυρίστορ και θυρίστορ GTO, αφού δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε τέτοια επίπεδα διακοπτικής συχνότητας. Επιπλέον, τα IGBT μπορεί να λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες και να ελέγχονται μέσω τάσης στην πύλη τους, ωστόσο η ονομαστική τάση λειτουργίας του προς κατασκευή συστήματος είναι αρκετά μικρή για να προβούμε στην επιλογή τους. Συνεπώς, επιλέχθηκε η χρήση των MOSFET ισχύος για το συγκεκριμένο μετατροπέα. Το MOSFET ισχύος έχει κατακόρυφη δομή τεσσάρων στρωμάτων από εναλλασσόμενες προσμίξεις τύπου p και τύπου n. Η δομή n + pn - n +, η οποία φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί, ονομάζεται MOSFET καναλιού n λειτουργίας ενίσχυσης, ενώ η δομή με την αντίθετη μορφή προσμίξεων ονομάζεται MOSFET καναλιού p. Οι προσμίξεις στα δύο ακραία στρώματα τύπου n ονομάζονται πηγή (source) και απαγωγός (drain), ενώ το μεσαίο στρώμα τύπου p ονομάζεται σώμα και είναι η περιοχή όπου δημιουργείται το κανάλι μεταξύ πηγής και απαγωγού. Η πύλη είναι μονωμένη από το σώμα με ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου, που συνήθως ονομάζεται οξείδιο πύλης

136 Εικόνα 6.2: Κατακόρυφη τομή MOSFET ισχύος [35] Εικόνα 6.3: MOSFET ισχύος με κανάλι n [35] Η εφαρμογή τάσης, που πολώνει την πύλη θετικά σε σχέση με την πηγή, μετατρέπει την επιφάνεια του πυριτίου που βρίσκεται κάτω από το οξείδιο στην περιοχή της πύλης σε στρώμα τύπου n ή κανάλι, συνδέοντας με τον τρόπο αυτό την πηγή με τον απαγωγό και επιτρέποντας τη διέλευση μεγάλου ρεύματος. Μεταξύ των επαφών πηγής και απαγωγού, όπως φαίνεται στην εικόνα 6.2, υπάρχει ένα παρασιτικό BJT τύπου npn, όπου η περιοχή σώματος τύπου p λειτουργεί ως βάση του παρασιτικού BJT. Για να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα λειτουργίας αυτού του τρανζίστορ βραχυκυκλώνεται η περιοχή σώματος τύπου p με την περιοχή πηγής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας παρασιτικής διόδου η οποία

137 συνδέεται μεταξύ του απαγωγού και της πηγής του MOSFET και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μετατροπείς μισής και πλήρους γέφυρας. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη εξόδου του MOSFET, δηλαδή το ρεύμα επαγωγού ως συνάρτηση της τάσης απαγωγού-πηγής (I D -V DS ), δίνονται από τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές εξόδου, οι οποίες ονομάζονται χαρακτηριστικές I-V. Τα MOSFET ισχύος χρησιμοποιούνται στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ως διακόπτες με σκοπό να ελέγχουν τη διέλευση της ισχύος από την πηγή στο φορτίο. Στις εφαρμογές αυτές τα MOSFET διατρέχουν τις χαρακτηριστικές I-V από την αποκοπή προς την ωμική περιοχή διαμέσου της ενεργού περιοχής καθώς το στοιχείο αρχίζει να άγει και πάλι πίσω όταν αποκόπτεται. Το MOSFET βρίσκεται σε αποκοπή όταν η τάση πύληςπηγής είναι μικρότερη από την τάση κατωφλίου V GS (th). Το στοιχείο είναι ανοιχτό κύκλωμα και διακόπτει την τάση τροφοδοσίας που εφαρμόζεται στο κύκλωμα. Αυτό σημαίνει ότι η τάση διάσπασης απαγωγού-πηγής BV DSS πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την εφαρμοζόμενη τάση απαγωγού-πηγής, με σκοπό την αποφυγή της διάσπασης και της μεγάλης κατανάλωσης ισχύος που συνοδεύει τη διάσπαση. Το στοιχείο οδηγείται στην ωμική περιοχή υπό μεγάλη τάση πύλης-πηγής όπου η τάση απαγωγού-πηγής V DS (on) είναι μικρή. Στη περιοχή αυτή η κατανάλωση ισχύος μπορεί να διατηρηθεί σε λογικά όρια με ελαχιστοποίηση της V DS (on), ακόμα και αν η απαγωγή ρεύματος είναι αρκετά μεγάλη. Στην ενεργό περιοχή το ρεύμα απαγωγού είναι ανεξάρτητο από την τάση απαγωγού-πηγής και εξαρτάται μόνο από την τάση πύλης-πηγής. Παρακάτω φαίνονται τα κυκλωματικά σύμβολα των MOSFET ισχύος καναλιού n και p αντίστοιχα καθώς και μια τυπική χαρακτηριστική I-V. Εικόνα 6.4: α): Σύμβολο MOSFET καναλιού n β): Σύμβολο MOSFET καναλιού p γ): Χαρακτηριστική I-V [35]

138 Μετά από έρευνα αγοράς, για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, επιλέχθηκε η χρήση του στοιχείου AUIRF3710Z της εταιρείας International Rectifier, ως ελεγχόμενο ημιαγωγικό διακοπτικό στοιχείο για το κύκλωμα ισχύος του τριφασικού αντιστροφέα. Το datasheet του παραπάνω ημιαγωγικού στοιχείου παρατίθεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ, ενώ τα κυριότερα χαρακτηριστικά του, τα οποία μας οδήγησαν στην επιλογή του, είναι τα ακόλουθα: μέγιστη τάση αποκοπής ίση με V DS = 100 V μέγιστο συνεχές ρεύμα διέλευσης ίσο με: I D = 59 A στους 25 ο C και I D = 42 A στους 100 ο C χαμηλή αντίσταση αγωγής ίση με: R DS (on) = 18 mω στους 25 ο C και R DS (on) = 29 mω στους 100 ο C μικροί χρόνοι έναυσης και σβέσης ίσοι με: t d(on) = 17 ns και t d(off) = 41ns ασφαλή λειτουργία σε θερμοκρασία έως και 175 ο C Όπως εύκολα μπορεί να παρατηρηθεί τα χαρακτηριστικά του στοιχείου σε σχέση με τις απαιτήσεις της εφαρμογής είναι υπερδιαστασιολογημένα, με στόχο την προστασία του στοιχείου σε μεταβατικές καταστάσεις από τυχόν υπερτάσεις ή μεγάλα ρεύματα διέλευσης. Επιπλέον, το στοιχείο συνδυάζει μικρή αντίσταση αγωγής, άρα και μικρές απώλειες αγωγής, συμβάλλοντας στην αύξηση της απόδοσης του μετατροπέα σε σχέση με τη χρήση στοιχείων μικρότερων δυνατοτήτων και παράλληλα μεγαλύτερης αντίστασης αγωγής. Τελευταίος λόγος που οδήγησε στην επιλογή τους είναι το χαμηλό κόστος αγοράς σε σχέση με άλλα στοιχεία μικρότερων δυνατοτήτων. Εικόνα 6.5: MOSFET ισχύος καναλιού n [36]

139 Δίοδοι ισχύος ελεύθερης διέλευσης Η δίοδος ισχύος είναι ένα ημιαγωγικό στοιχείο, η οποία άγει όταν είναι ορθά πολωμένη εμφανίζοντας μια μικρή πτώση τάσης στα άκρα της. Στη διάταξη του τριφασικού αντιστροφέα αντιπαράλληλα σε κάθε διακοπτικό ημιαγωγικό στοιχείο τοποθετείται μια δίοδος ελεύθερης διέλευσης, η οποία εξασφαλίζει εναλλακτικό δρόμο για τη διέλευση του ρεύματος από το φορτίο στην πηγή. Η επιλογή των διόδων ελεύθερης διέλευσης γίνεται με βάση το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να τις διαρρέει. Από το τεχνικό φυλλάδιο του κατασκευαστή των MOSFET ισχύος προκύπτει ότι η ενσωματωμένη στη δομή δίοδος έχει χαρακτηριστικά τα οποία επαρκούν για τις απαιτήσεις της συγκεκριμένης εφαρμογής και κατά συνέπεια δεν απαιτείται η τοποθέτηση επιπλέον διόδων ελεύθερης διέλευσης αντιπαράλληλα στα διακοπτικά στοιχεία. Συγκεκριμένα, τα χαρακτηριστικά της ενσωματωμένης διόδου σε κάθε MOSFET ισχύος είναι τα ακόλουθα: μέγιστο συνεχές ρεύμα διέλευσης ίσο με Ι S = 59 Α μέγιστο παλμικό ρεύμα διέλευσης ίσο με Ι SΜ = 240 Α πτώση τάσης κατά την ορθή πόλωση ίση με V SD = 1,3 V Ψυκτικά σώματα Η διακοπτική λειτουργία σε υψηλές συχνότητες των ημιαγωγικών στοιχείων συνεπάγεται την εμφάνιση τόσο απωλειών αγωγής όσο και διακοπτικών απωλειών. Οι παραπάνω απώλειες εμφανίζονται ως αυξημένη θερμοκρασία λειτουργίας για τα στοιχεία, η οποία μπορεί να επιφέρει την καταστροφή τους αν δεν περιοριστεί. Συνεπώς, η διαχείριση τόσο της θερμοκρασίας των ημιαγωγικών διατάξεων όσο και της αποδιδόμενης θερμότητας στο σύνολο του αντιστροφέα γίνεται ολοένα και πιο κρίσιμη για τη σωστή σχεδίαση του συστήματος και την μακροζωία των στοιχείων. Η απαγωγή της θερμότητας από το σώμα των ημιαγωγικών στοιχείων γίνεται με τη χρήση ψυκτικών σωμάτων, τα οποία απελευθερώνουν στο περιβάλλον τη θερμότητα που παράγεται. Τα ψυκτικά σώματα είναι κατάλληλα σχεδιασμένα θερμοαγώγιμα μεταλλικά αντικείμενα, τα οποία διαθέτουν πολλές πτυχώσεις, που μεγιστοποιούν το εμβαδό τους όχι όμως και τον όγκο τους, μεταφέροντας έτσι μεγάλα ποσά θερμότητας στο περιβάλλον. Ωστόσο είναι απαραίτητη η χρήση ενός υλικού, το οποίο θα τοποθετηθεί ανάμεσα στο ημιαγωγικό στοιχείο και στο ψυκτικό

140 σώμα προκειμένου να μειωθεί η θερμική αντίσταση μεταξύ τους και να παρέχει ηλεκτρική απομόνωση στο ψυκτικό. Το υλικό αυτό είναι μια θερμοαγώγιμη αλλά ηλεκτρικά μονωτική ταινία, η οποία απομονώνει το ψυκτικό από το κύκλωμα ισχύος. Οι συνολικές απώλειες (Q) σε οποιοδήποτε διακοπτικό στοιχείο είναι το άθροισμα των απωλειών αγωγής (Q C ), των διακοπτικών απωλειών (Q SW ) και των απωλειών διαρροής (Q L ), οι οποίες όμως είναι αρκετά μικρές και για το λόγο αυτό αγνοούνται. Τόσο οι απώλειες αγωγής όσο και οι διακοπτικές απώλειες, οφείλονται στη λειτουργία των διακοπτικών ημιαγωγικών στοιχείων αλλά και των διόδων ελεύθερης διέλευσης. [20] Απώλειες αγωγής (Q C ): = (6.1) όπου: R DS(on) είναι η αντίσταση αγωγής στους 100 ο C = = (6.2) όπου: R D είναι η αντίσταση της διόδου στους 100 ο C Άρα Q C = + = 2,8 + 0,58 = 3,38 W (6.3) Διακοπτικές απώλειες (Q SW ): = (6.4) = (6.5) = (6.6) όπου: t r είναι ο χρόνος ανόδου, t f ο χρόνος καθόδου και Q rr το ανάστροφο φορτίο, τα οποία δίνονται από το φυλλάδιο του κατασκευαστή του MOSFET ισχύος και η διακοπτική συχνότητα. Ωστόσο, οι διακοπτικές απώλειες υπολογίστηκαν για δύο διαφορετικές συχνότητες και συγκεκριμένα για =25kHz και =30kHz, οι οποίες είναι η επιθυμητή και η υπερδιαστασιολογημένη (για περιθώριο ασφαλείας) διακοπτική συχνότητα, αντίστοιχα

141 Για = 25 khz: Q SW = + + = 0,98 + 0,84 + 0,04 = 1,86 W (6.7) Για = 30 khz: Q SW = + + = 1,18 + 1,01 + 0,04 = 2,23 W (6.8) Συνεπώς οι συνολικές απώλειες είναι: Q = Q C + Q SW = 3,38 + 2,23 = 5,61 W 6 W (6.9) Με βάση την παραπάνω τιμή μπορούμε να υπολογίσουμε το μέγεθος της θερμικής αντίστασης του ψυκτικού σώματος, το οποίο απαιτείται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Η απαιτούμενη θερμική αντίσταση δίνεται από τη σχέση: ( ) (6.10) όπου: Θ sa είναι θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος T j είναι η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας, T j = 125 ο C Τ a είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, Τ a = 30 ο C Q είναι οι απώλειες υπό μορφή θερμότητας που εκλύονται στο ψυκτικό από δύο MOSFET ισχύος, Q = 12 W Θ jc είναι η θερμική αντίσταση μεταξύ επαφής και θήκης Θ cs είναι η θερμική αντίσταση μεταξύ θήκης και ψυκτικού (τα δύο τελευταία δίνονται από το φυλλάδιο του κατασκευαστή του MOSFET ισχύος) Συνεπώς θα πρέπει: = 6,5 ο C/W Καταλήγοντας λοιπόν, για την ψύξη κάθε δύο διακοπτικών ημιαγωγικών στοιχείων απαιτείται η χρήση ψυκτικού με θερμική αντίσταση μικρότερη από Θ sa 6,5 ο C/W. Μετά από έρευνα αγοράς με βάση την αντίσταση, η οποία πρέπει να είναι μικρότερη από την παραπάνω τιμή, το μέγεθος και το κόστος των διαθέσιμων ψυκτικών σωμάτων αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν τα ψυκτικά σώματα της εταιρείας Fischer με κωδικό SK 481, τα οποία σύμφωνα με το κατασκευαστή τους παρουσιάζουν θερμική αντίσταση 5 ο C/W και φαίνονται στην ακόλουθη εικόνα

142 Εικόνα 6.6: Ψυκτικό σώμα SK 481 [37] Πυκνωτές Τελευταίο κομμάτι του κυκλώματος ισχύος του τριφασικού αντιστροφέα αποτελούν οι τρεις πυκνωτές, κάθε ένας από τους οποίους συνδέθηκε παράλληλα στα δύο διακοπτικά στοιχεία του κάθε κλάδου του αντιστροφέα. Οι πυκνωτές αυτοί χρησιμεύουν ως φίλτρα, αποκόπτοντας τυχόν υπερτάσεις κατά το κλείσιμο και το άνοιγμα των διακοπτικών στοιχείων. Για την συγκεκριμένη χρήση επιλέχθηκαν πυκνωτές τύπου MKP χωρητικότητας 2,2μF και τάσης 100V Επιλογή στοιχείων κυκλώματος παλμοδότησης Πέραν του κυκλώματος ισχύος είναι απαραίτητη, για τη λειτουργία του τριφασικού αντιστροφέα, η σχεδίαση και του κατάλληλου κυκλώματος παλμοδότησης, το οποίο ανάλογα με τα σήματα που θα λαμβάνει στις εισόδους του θα παράγει κατάλληλα σήματα εξόδου, με τα οποία θα ελέγχονται τα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος. Το σύνολο των σημάτων εισόδου του κυκλώματος παλμοδότησης επεξεργάζεται αρχικά από τον μικροελεγκτή με βάση την επιθυμητή λογική του εγκατεστημένου προγράμματος οδήγησης. Τέτοια σήματα είναι η ανάδραση από τον κινητήρα, που μας πληροφορεί για την θέση του δρομέα μέσω των σημάτων των αισθητήρων Hall καθώς και τα σήματα που καθορίζουν την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Στη συνέχεια παράγονται έξι σήματα με τα οποία θα ελεγχθεί η έναυση και η σβέση κάθε

143 ενός από τα διακοπτικά στοιχεία του κυκλώματος ισχύος. Τα σήματα αυτά ενισχύονται μέσω ενός ολοκληρωμένου, το οποίο στην ουσία απαρτίζεται από πύλες ΝΟΤ, οι οποίες και τα αντιστρέφουν. Στο επόμενο στάδιο τα ανεστραμμένα σήματα οδηγούνται στους οπτοζεύκτες, οι οποίοι είναι ολοκληρωμένα που αντιστρέφουν εκ νέου το κάθε σήμα, ενώ παράλληλα επιτυγχάνουν την απομόνωση του κυκλώματος που προηγείται από το κύκλωμα που έπεται της σύνδεσής τους. Το τελευταίο στάδιο περιλαμβάνει τους οδηγούς πύλης, οι οποίοι είναι επίσης ολοκληρωμένα. Τα ολοκληρωμένα αυτά δίνουν στην έξοδό τους κατάλληλης ισχύος παλμούς για την οδήγηση των MOSFET ισχύος και η επιλογή τους γίνεται με βάση τα χαρακτηριστικά των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων. Τα στάδια της διαδικασίας που ακολουθείται για την παλμοδότηση των διακοπτικών στοιχείων ισχύος παρουσιάζονται εν συντομία στα ακόλουθα διαγράμματα, στα οποία φαίνεται η πορεία των σημάτων από την είσοδο έως και την έξοδο του κυκλώματος παλμοδότησης. ΣΗΜΑΤΑ ΕΙΣΟΔΟΥ (ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ HALL, ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗΣ, ΠΕΤΑΛΙΑ, ΦΡΕΝΑ) ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΟΠΤΟΖΕΥΚΤΗΣ ΟΔΗΓΟΣ ΠΥΛΗΣ Σχήμα 6.2: Δομικό διάγραμμα κυκλώματος παλμοδότησης

144 Σήματα εισόδου Ο μικροελεγκτής λαμβάνει ως εισόδους διάφορα σήματα, τα οποία επεξεργάζεται και δημιουργεί ένα σήμα ταχύτητας με βάση το οποίο παράγονται στην έξοδό του οι παλμοί για τον έλεγχο των διακοπτικών στοιχείων. Τα σήματα που δέχεται ο μικροελεγκτής ως εισόδους και αφορούν τον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα είναι από: τους αισθητήρες Hall τον ηλεκτρικό επιταχυντή τον αισθητήρα ανίχνευσης περιστροφών των πεταλιών και τα ηλεκτρικά φρένα. Τα παρακάτω σήματα επεξεργάζονται κάθε χρονική στιγμή από τον μικροελεγκτή δίνοντας ένα σήμα ταχύτητας, το οποίο συνδυάζεται με τα σήματα των αισθητήρων Hall του κινητήρα και παράγονται οι παλμοί που ελέγχουν τα διακοπτικά στοιχεία και κατά συνέπεια τον κινητήρα. Ηλεκτρικός επιταχυντής Ο ηλεκτρικός επιταχυντής (χειρόγκαζο) είναι ένα ποτενσιόμετρο, δηλαδή μια μεταβλητή αντίσταση μέσω της οποίας παράγεται ένα σήμα για τον έλεγχο της ταχύτητας του ποδηλάτου. Το ποτενσιόμετρο αυτό τροφοδοτείται με 5V και στην έξοδό του δίνει ένα σήμα μεταβλητής τάσης, το οποίο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της επιθυμητής ταχύτητας και επιτάχυνσης. Αισθητήρας ανίχνευσης περιστροφών των πεταλιών Με το στοιχείο αυτό το κύκλωμα ελέγχου ενημερώνεται ότι ασκείται δύναμη από τον αναβάτη στα πετάλια. Η λειτουργία του βασίζεται στο φαινόμενο Hall και τροφοδοτείται από συνεχή πηγή τάσης 5V επιστρέφοντας στο μικροελεγκτή παλμούς τάσης, των οποίων η συχνότητα εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία περιστρέφονται τα πετάλια, δηλαδή τη δύναμη που ασκεί ο αναβάτης

145 Ηλεκτρικά φρένα Τα ηλεκτρικά φρένα είναι σαν τα φρένα ενός απλού ποδηλάτου με τη διαφορά όμως ότι περιλαμβάνουν και έναν διακόπτη ο οποίος ενεργοποιείται με το πάτημα της μανέτας, ταυτόχρονα δηλαδή με την ενεργοποίηση των φρένων, ενημερώνοντας τον μικροελεγκτή για επιβράδυνση και ακύρωση του όποιου σήματος επιτάχυνσης Μικροελεγκτής [19] Μικροελεγκτές ονομάζονται τα διάφορα μικροϋπολογιστικά συστήματα τα οποία ενσωματώνουν τα απαραίτητα περιφερειακά για την υλοποίηση μεθόδων ελέγχου. Τα μικροϋπολογιστικά συστήματα αποτελούν την ιδανική λύση για την υλοποίηση πολύπλοκων και ταχύτατων λογικών ελέγχου, αφού με την εξέλιξη των επεξεργαστών αυξάνεται η αξιοπιστία, η χρηστικότητα και η απόδοσή τους. Συγκεκριμένα, ο μικροελεγκτής είναι ένα ολοκληρωμένου υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης, που εκτελεί αριθμητικές και λογικές λειτουργίες, με σκοπό την επεξεργασία διαφόρων σημάτων και την παραγωγή παλμών για τον έλεγχο των MOSFET ισχύος. Συνεπώς, η καρδιά του κυκλώματος παλμοδότησης αλλά και όλου του τριφασικού αντιστροφέα είναι ο μικροελεγκτής, ο οποίος για την παρούσα εφαρμογή επιλέχθηκε να είναι ο dspic30f4011 της εταιρείας Microchip, που είναι ένα ολοκληρωμένο με 40 ακροδέκτες. Το όνομα κάθε ενός από αυτούς τους ακροδέκτες, αλλά και ο ίδιος ο μικροελεγκτής φαίνονται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 6.7: Το ολοκληρωμένο dspic30f4011 της εταιρείας Microchip [38]

146 Επειδή η λειτουργία του μικροελεγκτή είναι ζωτικής σημασίας για τον ηλεκτρονικό μετατροπέα απαιτείται εκτενέστερη ανάλυση των χαρακτηριστικών και της λειτουργίας του. Για το λόγο αυτό περιγράφονται με κάθε λεπτομέρεια σε επόμενο κεφάλαιο τόσο το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο όσο και η σύνδεσή του με τα υπόλοιπα στοιχεία του κυκλώματος αλλά και η λογική με την οποία προγραμματίστηκε Ενισχυτής Τα σήματα εξόδου του μικροελεγκτή είναι παλμοί τάσης 0 ή 5 V, ωστόσο για να είναι ικανοί οι παλμοί αυτοί να οδηγήσουν επόμενα στοιχεία θα πρέπει να συνοδεύονται και από ένα ικανοποιητικό ρεύμα. Όμως το ρεύμα εξόδου του μικροελεγκτή μπορεί να μην αρκεί για την τροφοδότηση του συνόλου των παλμών εξόδου. Για το λόγο αυτό τα σήματα εξόδου του μικροελεγκτή πριν από οποιαδήποτε περεταίρω επεξεργασία πρέπει πρώτα να ενισχυθούν. Το ρόλο αυτό αναλαμβάνει το ολοκληρωμένο SN74HC04N της εταιρείας Texas Instruments, το οποίο περιλαμβάνει έξι πύλες NOT. Κατά συνέπεια τα σήματα που δέχεται ως εισόδους σε κάθε μια από τις πύλες του αντιστρέφονται και ταυτόχρονα ενισχύονται. Στην επόμενη εικόνα φαίνεται το ολοκληρωμένο και το λογικό του διάγραμμα. Εικόνα 6.8: Το ολοκληρωμένο SN74HC04N της εταιρείας Texas Instruments [39]

147 Οπτοζεύκτης Στη συνέχεια, η πορεία ενός σήματος που παράχθηκε από το μικροελεγκτή με σκοπό να καταλήξει στην πύλη κάποιου MOSFET ισχύος διακόπτεται στον οπτοζεύκτη (optocoupler) για λόγους ασφάλειας. Ο οπτοζεύκτης είναι και αυτός ένα ολοκληρωμένο, όπως και τα προηγούμενα, το οποίο επιτυγχάνει γαλβανική απομόνωση μεταξύ του κυκλώματος ελέγχου και του κυκλώματος ισχύος. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή απομόνωση μεταξύ των δύο κυκλωμάτων, στην είσοδο του οπτοζεύκτη υπάρχει μία φωτοδίοδος, η οποία εκπέμπει φώς όταν βρεθεί υπό τάση. Αντίστοιχα στην έξοδό του υπάρχει ένα τρανζίστορ ανοιχτού συλλέκτη ελεγχόμενο από φώς, ενώ ανάμεσά τους υπάρχει ένα διάκενο απομόνωσης. Από το διάκενο αυτό δεν διέρχεται κανένα ρεύμα παρά μόνο παλμοί φωτός, το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα τον διαχωρισμό των δυναμικών γης των δύο κυκλωμάτων και την προστασία του κυκλώματος ελέγχου από ρεύματα διαρροής. Σε αυτή την εφαρμογή επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί το ολοκληρωμένο 6N137, το οποίο παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα μαζί με τον πίνακα αληθείας και το σχηματικό του διάγραμμα. Στην έξοδο του ολοκληρωμένου αυτού προκύπτει ένα εκ νέου ανεστραμμένο σήμα που πλέον έχει τη μορφή που είχε εξερχόμενο από τον μικροελεγκτή με τη διαφορά όμως ότι πλέον είναι ενισχυμένο. Εικόνα 6.9: Το ολοκληρωμένο 6N137 της εταιρείας Fairchild Semiconductor [40] Οδηγός πύλης [21] Ένας οδηγός πύλης αναλαμβάνει να ενισχύσει τους παλμούς στο επιθυμητό επίπεδο ισχύος, ώστε να εξασφαλίζεται η σωστή οδήγηση του Mosfet. Το στοιχείο

148 που επιλέχθηκε για το στάδιο αυτό είναι το IR2113 της International Rectifier, το οποίο είναι ένα ολοκληρωμένο με 14 ακροδέκτες που υποστηρίζει υψηλή τάση και συχνότητα λειτουργίας, ενώ χαρακτηρίζεται ως high and low side driver αφού έχει δύο κανάλια εισόδου και εξόδου που δεν μπορούν να είναι ταυτόχρονα ενεργοποιημένα καθώς το ολοκληρωμένο αυτό έχει σχεδιαστεί για λειτουργία Bootstrap. Παρακάτω φαίνεται το ολοκληρωμένο που χρησιμοποιήθηκε με τα βασικά χαρακτηριστικά του καθώς και η τοπολογία σύνδεσής του όπως την προτείνει ο κατασκευαστής. Εικόνα 6.10: Το ολοκληρωμένο IR2113 [41] Για την επίτευξη της ενίσχυσης το IR2113 δέχεται δύο τροφοδοσίες, μια των 5V και μια των 15V. Συγκεκριμένα, τα σήματα εισόδου στους αντίστοιχους ακροδέκτες του ολοκληρωμένου ενισχύονται από το επίπεδο τάσης των 5V στο επίπεδο των 15V και εξέρχονται από το στοιχείο με προορισμό την πύλη του διακοπτικού στοιχείου που πρόκειται να ελεχθεί. Εικόνα 6.11: Συνδεσμολογία του high and low side driver [41]

149 Ανάμεσα στις εξόδους του οδηγού και στις πύλες των MOSFET παρεμβάλλεται σε σειρά μια αντίσταση, η οποία ελέγχει την ταχύτητα με την οποία αναβοσβήνουν τα στοιχεία ρυθμίζοντας παράλληλα και το ρεύμα έναυσης και σβέσης. Επίσης, ανάμεσα στην πύλη και στη γη κάθε MOSFET ισχύος συνδέθηκαν μια αντίσταση και μια δίοδος Zener με στόχο να αποκόπτουν ενδεχόμενες υπερτάσεις από κάποιο σφάλμα. Το πιο σημαντικό σημείο της σύνδεσης του οδηγού πύλης είναι η επιλογή των κατάλληλων στοιχείων (πυκνωτή και διόδου) της συνδεσμολογίας Bootstrap, η οποία χρησιμοποιείται σε οδηγούς πύλης υψηλής τάσης. Με τη συγκεκριμένη μεθοδολογία γίνεται η τροφοδοσία της πύλης των άνω MOSFET κάθε κλάδου μέσω φόρτισης και εκφόρτισης ενός πυκνωτή και μιας διόδου. Συγκεκριμένα, όταν η τάση V S γίνει μικρότερη από την τάση V DD ή μηδενιστεί, δηλαδή όταν το πάνω MOSFET σβήσει και ανάψει το κάτω, τότε ο πυκνωτής Bootstrap C BOOT φορτίζεται δια μέσου της διόδου Bootstrap D BOOT από την τάση V CC. Όταν σταματήσει να άγει το κάτω MOSFET και αρχίσει να άγει το πάνω, εφαρμόζεται η τάση V BS στα άκρα του πυκνωτή C BOOT με αποτέλεσμα την εμφάνιση ρεύματος εκφόρτισης το οποίο όμως αποκόπτεται από την δίοδο D BOOT προκειμένου να μην γυρίσει προς την πηγή V CC. Οι δρόμοι που ακολουθεί το ρεύμα στις δύο προηγούμενες περιπτώσεις φαίνονται στην επόμενη εικόνα. Εικόνα 6.12: Συνδεσμολογία Bootstrap

150 Η συνδεσμολογία Bootstrap έχει το πλεονέκτημα ότι είναι απλή και οικονομική αλλά έχει επίσης κάποιους περιορισμούς. Ο χρόνος έναυσης και ο λόγος κατάτμησης (duty-cycle) περιορίζονται από τις απαιτήσεις φόρτισης του πυκνωτή C BOOT. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της συνδεσμολογίας είναι ότι η αρνητική τάση που παρουσιάζεται στη πηγή (source) του διακοπτικού στοιχείου κατά τη διάρκεια της σβέσης του έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα του φορτίου να οδηγηθεί απότομα στη δίοδο ελεύθερης διέλευσης του κάτω διακοπτικού στοιχείου. Η αρνητική τάση μπορεί να είναι πρόβλημα για την κατάσταση εξόδου του οδηγού πύλης επειδή επηρεάζει άμεσα τον ακροδέκτη V S του οδηγού. Ένα άλλο πρόβλημα που προκύπτει από την αρνητική τάση είναι η πιθανότητα εμφάνισης υπέρτασης στα άκρα του C BOOT. Η δίοδος D BOOT πρέπει να τοποθετηθεί όσο το δυνατόν πιο κοντά στον πυκνωτή Bootstrap, ενώ παράλληλα πρέπει να έχει μικρή πτώση τάσης όταν άγει και μικρό χρόνο ανάστροφης ανάκτησης ώστε να ελαχιστοποιείται το φορτίο που επιστρέφει στην τροφοδοσία από τον πυκνωτή. Για τους παραπάνω λόγους επιλέχθηκε η δίοδος UF4007 της εταιρείας Fairchild Semiconductor. Ο πυκνωτής C BOOT πρέπει να έχει τέτοια χωρητικότητα ώστε να παρέχει το απαραίτητο φορτίο για την έναυση του MOSFET και να διατηρεί την τάση του κατά την αγωγή, ενώ η τιμή της χωρητικότητάς του υπολογίστηκε βάσει της παρακάτω διαδικασίας. ( ) (6.11) όπου: : Συνολικό φορτίο πύλης : Ρεύμα διαρροής Bootstrap πυκνωτή : Ρεύμα διαρροής διακοπτικού στοιχείου : Ρεύμα ηρεμίας συνδεσμολογίας Bootstrap : Ρεύμα διαρροής συνδεσμολογίας Bootstrap : Ρεύμα διαρροής διόδου Bootstrap : Χρόνος αγωγής διακοπτικού στοιχείου : Ορίζεται ως 3nC για όλους τους οδηγούς πύλης υψηλής τάσης Με βάση τα φυλλάδια των κατασκευαστών των MOSFET ισχύος, των οδηγών πύλης και της διόδου Bootstrap προκύπτει ότι:

151 Όμως η χωρητικότητα του πυκνωτή υπολογίζεται από τον τύπο: (6.12) Εάν η μέγιστη επιτρεπτή πτώση τάσης στον πυκνωτή Bootstrap είναι =1V τότε η ελάχιστη χωρητικότητά του είναι 129nF. Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκαν πυκνωτές τανταλίου 4,7μF στα 25V, η οποία είναι αρκετά μεγαλύτερη από την ελάχιστη που υπολογίστηκε αλλά προτιμήθηκε ώστε να αποκλειστεί η μη αναμενόμενη γρήγορη εκφόρτισή του κατά την αγωγή του πάνω Mosfet. Ο λόγος που προτιμήθηκαν οι πυκνωτές τανταλίου είναι γιατί παρουσιάζουν μηδενικό ρεύμα διαρροής σε σχέση με τους ηλεκτρολυτικούς και μεγάλη χωρητικότητα ανά όγκο σε σχέση με τους κεραμικούς ή τους πυκνωτές πολυπροπυλενίου Επιλογή στοιχείων κυκλώματος ελέγχου Πέραν της παραγωγής σημάτων για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του κυκλώματος ισχύος, ο μικροελεγκτής αναλαμβάνει επίσης την επεξεργασία διαφόρων μεγεθών, που εισέρχονται ως είσοδοι σε κάποιο ακροδέκτη του. Με αυτή τη λογική μπορούμε να πούμε ότι ο μικροελεγκτής αποτελεί συνδετικό κρίκο μεταξύ δύο διαφορετικών κυκλωμάτων, του κυκλώματος παλμοδότησης και του κυκλώματος ελέγχου, τα οποία όμως συνεργάζονται για την επίτευξη ενός κοινού στόχου που είναι η έναυση και η σβέση των MOSFET ισχύος. Τα δύο κυκλώματα αυτά ενίοτε αναφέρονται και ως ένα ενιαίο κύκλωμα με τον όρο κύκλωμα ελέγχου, το οποίο περιλαμβάνει τα στοιχεία εκείνα με τα οποία είναι δυνατή η επεξεργασία του συνόλου των σημάτων που εισέρχονται σε αυτό αλλά και η παραγωγή παλμών για τον έλεγχο του κυκλώματος ισχύος. Ωστόσο, κρίθηκε σκόπιμο να διαχωριστούν τα δύο αυτά κυκλώματα, με στόχο την αποσαφήνιση όλων των παραμέτρων και των στοιχείων που αφορούν το καθένα από αυτά και κατά συνέπεια την ευκολότερη παρουσίαση στον αναγνώστη της διάταξης του ηλεκτρονικού μετατροπέα που κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Το κύκλωμα ελέγχου περιλαμβάνει τις διατάξεις με τις οποίες μετράται η τάση της συστοιχίας των συσσωρευτών και το συνολικό ρεύμα που διαρρέει τα τυλίγματα του κινητήρα

152 Σχήμα 6.3: Δομικό διάγραμμα κυκλώματος ελέγχου Διάταξη μέτρησης τάσης Η διάταξη μέτρησης της τάσης ελέγχει τη διαφορά δυναμικού στην είσοδο του μετατροπέα, δηλαδή τη τάση της συστοιχίας των συσσωρευτών. Για να μπορέσουμε να επεξεργαστούμε το συγκεκριμένο μέγεθος πρέπει να το προσαρμόσουμε σε ένα κατάλληλο επίπεδο τάσης και ισχύος ώστε να μπορεί να αποτελεί είσοδο για τον μικροελεγκτή. Επομένως, η τροποποιημένη τιμή της τάσης των συσσωρευτών λαμβάνεται από ένα διαιρέτη τάσης τοποθετημένο ανάμεσα στους ακροδέκτες εισόδου του μετατροπέα. Αρχικά, οι τιμές των αντιστάσεων επιλέχθηκαν έτσι ώστε το ρεύμα διαρροής να είναι αρκετά μικρό για να μειωθεί ο ρυθμός εκφόρτισης των συσσωρευτών μέσω του διαιρέτη τάσης. Το σήμα που λαμβάνεται από τον διαιρέτη τάσης ενισχύεται μέσω του buffer LM358, το οποίο είναι ένα ολοκληρωμένο σε συνδεσμολογία τελεστικού ενισχυτή με κέρδος: A V = 1 + = 1 + = 1,5 (6.13) Η μέγιστη τιμή της τάσης την οποία μπορεί να έχει το σήμα εξόδου του buffer εξαρτάται από το επίπεδο της τροφοδοσίας του και ισούται με V CC - 1,5V. Το ολοκληρωμένο τροφοδοτείται από συνεχή τάση 5Vκαι κατά συνέπεια = 3,5V. Η συγκεκριμένη τιμή του σήματος εξόδου του buffer, που αποτελεί παράλληλα και σήμα εισόδου του μικροελεγκτή, πρέπει να αντιστοιχεί στην τάση της μπαταρίας σε

153 πλήρη φόρτιση. Ο περιορισμός αυτός αποτελεί το δεύτερο κριτήριο για την επιλογή των αντιστάσεων του διαιρέτη τάσης. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκαν με βάση την παρακάτω λογική: = = = 2,33 V (6.14) όπου είναι η διαφορά δυναμικού στα άκρα της δεύτερης αντίστασης του διαιρέτη τάσης. Συνεπώς θα ισχύει: (6.15) Με βάση τις τυποποιημένες τιμές των αντιστάσεων στο εμπόριο επιλέχθηκαν αντιστάσεις τιμής R 1 = 150kΩ και R 2 = 10kΩ. Στη συνέχεια φαίνεται η διάταξη που μετρά την τάση της μπαταρίας και στέλνει κατάλληλο σήμα στο μικροελεγκτή. Σχήμα 6.4: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος μέτρησης τάσης Διάταξη μέτρησης ρεύματος Για λόγους ασφάλειας επιβάλλεται η γνώση κάθε στιγμή της τιμής του ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του κινητήρα. Εξαιτίας της τάξης μεγέθους του ρεύματος αυτού είναι αποτρεπτική η χρήση αντιστάσεων δειγματοληψίας και συνεπώς επιλέχθηκε το μετρητικό ρεύματος LTS 15-NP της εταιρείας LEM. Το στοιχείο αυτό είναι κατάλληλο για ηλεκτρονική μέτρηση ρεύματος κάνοντας χρήση του φαινομένου Hall, ενώ παράλληλα παρέχει γαλβανική απομόνωση μεταξύ κυκλώματος ισχύος και

154 κυκλώματος ελέγχου. Επιπλέον, διαθέτει γραμμικότητα, υψηλή ακρίβεια και μικρούς χρόνους απόκρισης, λειτουργεί σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων δίχως εσωτερικές απώλειες και παρουσιάζει μεγάλη ανοσία σε εξωτερικές παρεμβολές. Το συγκεκριμένο στοιχείο φαίνεται στην παρακάτω εικόνα μαζί με τη χαρακτηριστική του καμπύλη. Εικόνα 6.13: Μετρητικό ρεύματος LTS 15-NP της εταιρείας LEM [42] 6.5. Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Για τη λειτουργία του ηλεκτρονικού μετατροπέα απαιτείται η δημιουργία κατάλληλων πηγών συνεχούς τάσης για την τροφοδοσία των διαφόρων στοιχείων του. Κατά κόρον τα στοιχεία του μετατροπέα χρειάζονται τροφοδοσία συνεχούς τάσης 5V, με μόνη εξαίρεση τους οδηγούς πύλης που απαιτούν τροφοδοσία τόσο στα 5V όσο και στα 15V. Κατά συνέπεια έπρεπε να κατασκευαστούν δύο τροφοδοτικά μικρής ισχύος για την λειτουργία του μετατροπέα, αφού οι απαιτήσεις σε ρεύμα δεν είναι μεγάλες. Η μόνη πηγή τάσης πάνω στο ποδήλατο είναι οι συσσωρευτές που δίνουν μια σταθερή τάση, αλλά αρκετά υψηλή για τα δεδομένα των κυκλωμάτων παλμοδότησης και ελέγχου. Συνεπώς, πρέπει η τάση των συσσωρευτών να υποβιβαστεί στα δύο παραπάνω επίπεδα, με τις λιγότερες δυνατές απώλειες, για να μπορεί να τροφοδοτήσει τα διάφορα στοιχεία. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά σταθεροποιητικά τάσης τα οποία με κατάλληλη σύνδεση δίνουν τις επιθυμητές τάσεις εξόδου. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν τα σταθεροποιητικά LM και LM2575-adjustable της εταιρείας National Semiconductor. Τα εν λόγω σταθεροποιητικά συνδυάζονται με διάφορα άλλα στοιχεία, όπως αντιστάσεις, πυκνωτές και δίοδοι, για την επίτευξη μιας

155 συνεχούς τάσης εξόδου με όσο το δυνατόν λιγότερες διακυμάνσεις. Η σύνδεση του κάθε σταθεροποιητικού με τα υπόλοιπα στοιχεία φαίνεται στις εικόνες που ακολουθούν. Εικόνα 6.14: Τροφοδοτικό συνεχούς τάσης 5V [43] Εικόνα 6.15: Τροφοδοτικό συνεχούς τάσης 15V [43] Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι στην έξοδο του σταθεροποιητικού LM συνδέουμε σε σειρά μια αντίσταση 1Ω και ένα πυκνωτή 1μF προς τη γη, για την εξάλειψη παρασιτικών τάσεων και την τροφοδοσία των αναλογικών εισόδων που είναι πιο ευαίσθητες στις διακυμάνσεις. Επίσης, στην έξοδο του σταθεροποιητικού LM2575-adjustable συνδέθηκαν δύο αντιστάσεις R1 = 1,1kΩ και R2 = 12kΩ προκειμένου να επιτευχθεί τάση εξόδου 15V

156

157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ [19],[22] 7.1. Σύντομη παρουσίαση μικροελεγκτή Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο η καρδιά του τριφασικού αντιστροφέα είναι ο μικροελεγκτής. Η χρήση μικροελεγκτών σε παρόμοιες εφαρμογές είναι ευρέως διαδεδομένη σήμερα. Ο προγραμματισμός τους γίνεται είτε σε γλώσσα χαμηλού επιπέδου Assembly, είτε σε γλώσσα υψηλού επιπέδου C. Η αλματώδης ανάπτυξη και εξέλιξη των επεξεργαστών τα τελευταία χρόνια έχουν αναδείξει τα σύγχρονα μικροϋπολογιστικά συστήματα ως τη βέλτιστη λύση για την υλοποίηση πολύπλοκων και ταχύτατων λογικών ελέγχου, αυξάνοντας την αξιοπιστία, τη χρηστικότητα και την απόδοση των διαφόρων τοπολογιών ισχύος. Τα μικροϋπολογιστικά συστήματα που ενσωματώνουν τα απαραίτητα περιφερειακά για την υλοποίηση μεθόδων ελέγχου λέγονται μικροελεγκτές. Γενικότερα, ο μικροελεγκτής είναι ένας τύπος μικροεπεξεργαστή με έμφαση στην αυτάρκεια και στην υψηλή τιμή απόδοσης/κόστους, σε αντίθεση με ένα μικροεπεξεργαστή γενικού σκοπού. Αξίζει να σημειωθεί ότι η διαφορά ενός μικροελεγκτή μεταξύ ενός μικροεπεξεργαστή γενικού σκοπού και είναι ότι ο δεύτερος αποτελείται από τρία μόνο μέρη, τα οποία είναι η αριθμητική και λογική μονάδα (ALU), η μονάδα ελέγχου (CU) και η μνήμη (Memory-Registers) σε αντίθεση με τον πρώτο που περιλαμβάνει επιπλέον μονάδες όπως RAM, ROM, Εισόδους, Εξόδους, κτλ. Ο μικροελεγκτής είναι ένα ολοκληρωμένο υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης (Large Scale Integration chip), που εκτελεί αριθμητικές και λογικές λειτουργίες, καθώς και τις απαραίτητες λειτουργίες ελέγχου. Για την πραγματοποίηση όμως των σκοπών αυτών, υπάρχουν πολλοί τρόποι, με αποτέλεσμα να υπάρχουν μικροελεγκτές διαφόρων χαρακτηριστικών και δυνατοτήτων. Η εκλογή του κατάλληλου μικροελεγκτή για μία ορισμένη εφαρμογή είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή

158 πραγματοποίηση του τελικού σκοπού και πρέπει να γίνεται με βάση διάφορα κριτήρια όπως είναι: η αρχιτεκτονική του ο αριθμός των ολοκληρωμένων για τη δημιουργία ενός πλήρους μικροϋπολογιστικού συστήματος το μήκος της λέξης και ο τρόπος με τον οποίο ορίζονται τα διάφορα τμήματα της κάθε εντολής το σύνολο των εντολών, ο τρόπος εκτέλεσής τους αλλά και η ευκολία με την οποία εκτελούνται αυτές η τεχνολογία και η ημερομηνία κατασκευής του οι τυχόν περιορισμοί που υπάρχουν σε ισχύ και μέγεθος η ύπαρξη ή όχι μονάδας συγχρονισμού με εξωτερικά γεγονότα ο τύπος της μνήμης, η οργάνωσή της για πρόγραμμα και στοιχεία καθώς και οι δυνατοί τρόποι προσπέλασής της ο τύπος εισόδων/εξόδων και ο τρόπος επικοινωνίας με το εξωτερικό περιβάλλον και τέλος η τιμή του. Σε αντίθεση με τους επεξεργαστές γενικού σκοπού, οι σύγχρονοι μικροελεγκτές δεν υλοποιούν ένα εξωτερικό δίαυλο δεδομένων ή διευθύνσεων, καθώς ενσωματώνουν τη μνήμη RAM και ROM στο ίδιο chip με τον επεξεργαστή και κατά συνέπεια απαιτούνται λιγότερες ακίδες. Επιπλέον, τοποθετώντας τη μνήμη και τα υπόλοιπα περιφερειακά σε ένα πακέτο, ναι μεν αυξάνεται το κόστος του ολοκληρωμένου αλλά μειώνεται το κόστος του συστήματος, αν αυτό υλοποιούταν με ανεξάρτητες μονάδες. Άλλο ένα πλεονέκτημα της ολοκλήρωσης των περιφερειακών είναι ο λιγότερος απαιτούμενος χώρος στο τυπωμένο κύκλωμα, καθώς επίσης και η μείωση των παρασιτικών τάσεων στα σήματα. Το τελευταίο είναι πολύ σημαντικό σε εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος, όπου εμφανίζονται υψηλές μεταβολές τάσεων και ρευμάτων. Ένας μικροελεγκτής συνήθως ενσωματώνει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: κεντρική μονάδα επεξεργασίας CPU εισόδους εξόδους, σειριακές θύρες

159 σειριακές θύρες επικοινωνίας, όπως I 2 C, SPI, CAN για τη διασύνδεση μεταξύ μικροσυστημάτων χρονιστές και watchdog RAM για την αποθήκευση δεδομένων ROM, EPROM, EEPROM ή FLASH MEMORY για την αποθήκευση του προγράμματος γεννήτρια ρολογιού, η οποία συνήθως είναι ένας ταλαντωτής για το χρονισμό του κρυστάλλου quartz, συντονιστή ή RC κύκλωμα μετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό και αντίστροφα περιφερειακά, όπως είναι η γεννήτρια PWM. Για την συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε η χρήση του μικροελεγκτή dspic30f4011 της εταιρείας Microchip, ο οποίος προγραμματίζεται είτε σε γλώσσα χαμηλού επιπέδου Assembly, είτε σε γλώσσα υψηλού επιπέδου C Περιγραφή του μικροελεγκτή dspic30f4011 Το πιο σημαντικό τμήμα του μικροελεγκτή είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU). Οι μικροελεγκτές της οικογένειας dspic30f έχουν ως κεντρική μονάδα επεξεργασίας μία 16bit (data) αρχιτεκτονική, τροποποιημένη κατά Harvard, με βελτιωμένο πακέτο εντολών, περιλαμβάνοντας σημαντική υποστήριξη και σε DSP λειτουργίες. Η CPU έχει εντολές των 24bit με μεταβλητό μήκος του κώδικα λειτουργίας (opcode). Ο απαριθμητής προγράμματος έχει μήκος 24bit και μπορεί να διευθυνσιοδοτήσει μέχρι 4Μ*24bit μνήμης για το πρόγραμμα του χρήστη. Ο ενσωματωμένος μηχανισμός προφόρτωσης (prefetch) που εκτελείται σε ένα μόνο κύκλο αυξάνει την απόδοση προσδίδοντας προβλέψιμη εκτέλεση. Όλες οι εντολές εκτελούνται σε ένα κύκλο, εκτός από τις εντολές που αλλάζουν τη ροή του προγράμματος, τις μετακινήσεις λέξεων διπλής ακρίβειας και τις εντολές πινάκων. Ο dspic30f4011 διαθέτει δεκαέξι 16bit καταχωρητές εργασίας (Working registers) στο μοντέλο προγραμματισμού. Κάθε ένας από τους καταχωρητές εργασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν δεδομένο, σαν διεύθυνση ή σαν καταχωρητής μετατόπισης διεύθυνσης. Ο 16 ος καταχωρητής εργασίας (W15) λειτουργεί ως ένας δείκτης στοίβας (stack pointer) λογισμικά υλοποιημένος για διακοπές και ανακλήσεις

160 υπορουτινών. Το πακέτο εντολών του dspic30f4011 διαθέτει δυο είδη εντολών: τις εντολές MCU και τις εντολές DSP. Και τα δυο είδη εντολών είναι ενσωματωμένα στην αρχιτεκτονική και εκτελούνται από μια κοινή μονάδα εκτέλεσης. Το πακέτο εντολών περιλαμβάνει πολλούς τρόπους διευθυνσιοδότησης και έχει σχεδιαστεί για βέλτιστη αποτελεσματικότητα του C compiler. Η μνήμη του επεξεργαστή και όλοι οι καταχωρητές είναι οργανωμένοι σε μήκος των 16bit. Ο dspic30f περιλαμβάνει δύο διαφορετικά τμήματα δεδομένων. Τα τμήματα αυτά των δεδομένων μπορεί να προσπελαστούν ξεχωριστά (για DSP εντολές) ή μαζί σαν ένα συνεχές εύρος διευθύνσεων (για τις εντολές MCU). Η μνήμη δεδομένων προσπελαύνεται χρησιμοποιώντας δύο μονάδες παραγωγής διευθύνσεων (AGU) και διαφορετικούς δρόμους δεδομένων. Γενικότερα τα χαρακτηριστικά που συγκεντρώνει η αρχιτεκτονική της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας του dspic30f4011 είναι: 83 βασικές εντολές εντολές των 24bit με 16bit μονοπάτι (path) δεδομένων 48 kbytes ενσωματωμένης Flash μνήμης προγράμματος 2 kbytes ενσωματωμένης μνήμης δεδομένων RAM 1kbyte μνήμης EEPROM Λειτουργία υπό 30MIPS Έως 40MHz εξωτερικό ρολόι 4MHz έως 10MHz ταλαντωτή με ενεργό PLL (4x,8x,16x) 30 πηγές διακοπών 3 εξωτερικές πηγές διακοπής επίπεδα προτεραιότητας για κάθε πηγή διακοπής 4 διακοπές Trap στον επεξεργαστή πίνακας 16x16 καταχωρητών εργασίας. O συγκεκριμένος μικροελεγκτής έχει τη δυνατότητα της λειτουργίας DSP, η οποία παρέχει τα παρακάτω πλεονεκτήματα: ταυτόχρονη διπλή εισαγωγή δεδομένων ( dual data fetch) δύο συσσωρευτές των 40bit με προαιρετική λογική κορεσμού 17bit x 17bit μονού κύκλου πολλαπλασιαστή ακεραίων ή δεκαδικών

161 όλες οι DSP εντολές είναι μονού κύκλου 16bit δεξιά ή αριστερή μετατόπιση (shift) μονού κύκλου. Ο συγκεκριμένος μικροελεγκτής αποτελείται από 40 ακίδες των οποίων το όνομα, το είδος αλλά και μια περιγραφή του κάθε ενός από αυτά παρουσιάζονται στις δύο εικόνες που ακολουθούν. Εικόνα 7.1: Περιγραφή των ακροδεκτών του dspic30f4011 [38]

162 Εικόνα 7.2: Περιγραφή των ακροδεκτών του dspic30f4011 (Συνέχεια) [38] 7.3. Περιφερειακές μονάδες του dspic30f4011 Βασικό γνώρισμα ενός μικροελεγκτή που τον ξεχωρίζει από έναν επεξεργαστή, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι η ενσωμάτωση περιφερειακών στο ίδιο ολοκληρωμένο. Στη συνέχεια παρουσιάζονται, συνοπτικά, τα περιφερειακά που τον συνοδεύουν και αναλύονται τα πιο σημαντικά που σχετίζονται με τον έλεγχο ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Ψηφιακές θύρες εισόδου εξόδου 2 Χρονιστές (Timers)

163 Input capture module. Μονάδα εύρεσης και αποτύπωσης χρονικής στιγμής συμβάντος Output compare module Quadrature Encoder Interface 10bit μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα. Θύρα ασύγχρονης επικοινωνίας RS-232 UART. 3 Γεννήτριες PWM. Μονάδες σειριακής επικοινωνίας βασισμένη στα πρωτόκολλα SPI και I2C. Μονάδα CAN. Εικόνα 7.3: Block διάγραμμα του μικροελεγκτή [38]

164 Στο προηγούμενο σχεδιάγραμμα παρουσιάζεται ο μικροελεγκτής σε επικοινωνία με τα περιφερειακά του. Επειδή ο αριθμός των ακίδων του επεξεργαστή είναι περιορισμένος έχει γίνει πολύπλεξη των σημάτων των περιφερειακών μεταξύ τους Θύρες εισόδου και εξόδου Σύμφωνα με το προηγούμενο σχεδιάγραμμα υπάρχουν 5 θύρες ψηφιακών εισόδων/εξόδων και για τον περιορισμό του αριθμού των ακίδων έχει γίνει πολύπλεξη των σημάτων αυτών με τις εξόδους των υπόλοιπων περιφερειακών. Η ενεργοποίηση της κάθε ακίδας γίνεται από τον κώδικα μέσω ορισμένων καταχωρητών ειδικής λειτουργίας (SFR). Όταν ένα περιφερειακό είναι ενεργοποιημένο και χρησιμοποιεί κάποια έξοδο, τότε το αντίστοιχο pin παύει να αποτελεί είσοδο/έξοδο γενικού σκοπού. Υπάρχει όμως και η περίπτωση όπου κάποιο περιφερειακό να είναι ενεργοποιημένο αλλά να μην χρησιμοποιεί όλα τα pin που του αντιστοιχούν. Τότε τα αδρανή pin μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι/έξοδοι γενικού σκοπού. Η ενεργοποίηση της κάθε ακίδας ως είσοδο ή έξοδο αντίστοιχα γίνεται από τον κώδικα μέσω των καταχωρητών TRISx (όπου x το χαρακτηριστικό γράμμα της θύρας). Αν το bit κατεύθυνσης δεδομένων είναι λογικό 1 τότε ο ακροδέκτης είναι είσοδος. Όλοι οι ακροδέκτες θυρών καθορίζονται ως είσοδοι μετά από μια επανεκκίνηση. Ο καταχωρητής LATx παρέχει δεδομένα στις εξόδους, ενώ διαβάζοντας τον καταχωρητή PORTx ενημερωνόμαστε για την κατάσταση των εισόδων. Όταν κάποιο ψηφίο και κατά συνέπεια τα αντίστοιχα δεδομένα του καταχωρητή, δεν είναι έγκυρα για μια συγκεκριμένη συσκευή, τότε θα απενεργοποιηθούν. Αυτό σημαίνει ότι ο αντίστοιχοι καταχωρητές LATx και TRISx και ο ακροδέκτης θα αναγνωσθούν ως μηδέν. Όταν ένας ακροδέκτης μοιράζεται με μια άλλη συσκευή ή λειτουργία που έχει ορισθεί μόνον ως είσοδος, τότε αυτός θεωρείται ως αποκλειστική θύρα, επειδή δεν υπάρχει άλλη ανταγωνιστική πηγή εξόδων. Ο καταχωρητής TRISx ελέγχει τη κατεύθυνση των ακροδεκτών, δηλαδή καθορίζει αν ο ακροδέκτης θα λειτουργεί ως είσοδος ή ως έξοδος. Ο καταχωρητής LATx παρέχει τα δεδομένα στις εξόδους και έχει δυνατότητα τόσο εγγραφής όσο και ανάγνωσης. Η ανάγνωση του καταχωρητή PORTx διεγείρει την κατάσταση των ακροδεκτών εισόδου, ενώ η εγγραφή του καταχωρητή αυτού τροποποιεί τα περιεχόμενα του καταχωρητή LATx. Μια παράλληλη θύρα που μοιράζεται έναν

165 ακροδέκτη με ένα περιφερειακό είναι γενικά υπάκουη στο περιφερειακό. Τα δεδομένα του απομονωτή εξόδου του περιφερειακού και τα σήματα ελέγχου οδηγούνται σε ένα ζευγάρι πολυπλεκτών. Οι πολυπλέκτες αυτοί επιλέγουν το αν το περιφερειακό ή η αντίστοιχη θύρα θα χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα εξόδου και τα σήματα ελέγχου του. Η χρήση των καταχωρητών ADPCFG και TRIS ελέγχει τη λειτουργία των αναλογικών ακροδεκτών δειγματοληψίας. Οι ακροδέκτες θυρών που επιθυμούμε να είναι αναλογικές είσοδοι πρέπει να έχουν το αντίστοιχο ψηφίο του καταχωρητή TRISx ενεργοποιημένο, δηλαδή λογικό 1. Ακροδέκτες επιλεγμένοι ως ψηφια&kappa