ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Σχεδιασμός συστήματος ανάκτησης της ισχύος πέδησης σε ηλεκτροκινητήρες ανελκυστήρων οδηγούμενους από αντιστροφέα ισχύος Διπλωματική Εργασία Ζιβάνας Χρίστος ΑΕΜ : 6522 Επιβλέπων Καθηγητής : Μαδεμλής Χρήστος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΜΑΡΤΙΟΣ 2013

2 1 Περιεχόμενα Πρόλογος Εισαγωγή Γενική περιγραφή συστήματος Περιγραφή βασικών αρχών λειτουργίας ενός ανελκυστήρα Περιγραφή συμβατικού τρόπου οδήγησης (non regenerative drive) σε gearless συστήματα ανελκυστήρων με Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ/PMSM) Επιλογή τρόπου αποθήκευσης της ισχύος πέδησης Θεωριτική Περιγραφή Διάταξης Σύστημα ανελκυστήρα Κίνηση ανελκυστήρα Σύστημα οδήγησης κινητήρα Μετατροπέας ισχύος Σύστημα ελέγχου Τεχνική υλοποίησης αντιστροφέα Περιγραφή Διάταξης στο Simulink Διάταξη στο SIMULINK Σύστημα ανάκτησης ισχύος πέδησης Σύστημα αντίστασης πέδησης Πυκνωτής εξομάλυνσης Σύστημα ανάκτησης ισχύος κατά τη διάρκεια δυναμικής πέδησης Α Φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά την πέδηση της μηχανής Β Εκφόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά τη λειτουργία κινητήρα Δ Διατήρηση της τάσης του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V σε μακρά περίοδο ακινησίας Εναλλακτική περίπτωση με χρήση διακόπτη αποκοπής για αποσύνδεση του ανελκυστήρα από το δίκτυο Επιλογή στοιχείων κυκλώματος του συστήματος ανάκτησης ισχύος Αποτελέσματα προσομοίωσης Πλήρης κύκλος λειτουργίας Δύο συνεχόμενες μεγάλες πεδήσεις Συνεχόμενες μικρής διάρκειας πεδήσεις Στο σχήμα 3.2 φαίνεται ότι κατά τη διάρκεια κάθε πέδησης φορτίζει ο πυκνωτής αποθήκευσης μέχρι να φορτιστεί εντελώς. Μετά την πλήρη φόρτισή του στην τρίτη πέδηση εισάγονται οι αντιστάσεις και καταναλώνουν την υπόλοιπη ενέργεια. Όπως δείχνει το σχήμα 3.4 ο πυκνωτής φόρτισης παραμένει φορτισμένος στην τάση που έχει μετά το τέλος κάθε πέδησης Μικρής διάρκειας πέδηση μεταξύ δύο κινήσεων Μικρής διάρκειας κινήσεις όταν έχουμε πλήρως φορτισμένο τον πυκνωτή αποθήκευσης

3 2 6.6 Μεγάλης διάρκειας πέδηση ενώ η τάση του πυκνωτή είναι μεταξύ V Παραμονή του ανελκυστήρα σε κατάσταση ακινησίας για μεγάλο χρονικό διάστημα και διατήρηση της τάσης του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V Παρουσίαση λειτουργίας σε πραγματικούς χρόνους με χρήση πυκνωτή αποθήκευσης 550mF Εναλλακτική περίπτωση με χρήση διακόπτη αποκοπής για αποσύνδεση του ανελκυστήρα από το δίκτυο Συμπεράσματα Βιβλιογραφία... 49

4 3 Πρόλογος Η μελέτη που ακολουθεί με τίτλο «Σχεδιασμός συστήματος ανάκτησης της ισχύος πέδησης σε ηλεκτροκινητήρες ανελκυστήρων οδηγούμενους από αντιστροφέα ισχύος» εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Επίκουρου Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κ. Χρήστο Μαδεμλή. Θέλω να ευχαριστήσω θερμά τον κύριο Χρήστο Μαδεμλή για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε στην ανάθεση της παρούσας διπλωματικής όπως και για τη συνεχή βοήθεια που με ευχαρίστηση μου παρείχε σε όλη τη διάρκεια της μελέτης. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω το συνάδελφό μου Χρίστο Σελεάρη για τη βοήθειά του στην εκμάθηση του λογισμικού Matlab/Simulink και για τις πολύτιμες συμβουλές που μου έδωσε όποτε του τις ζήτησα. Χρειάστηκαν ώρες προσομοιώσεων και υπομονής όπως και γνώσεις σε θέματα σερβοκινητήριων συστημάτων, ηλεκτρικών μηχανών και ηλεκτρονικών ισχύος αλλά η ολοκλήρωση της ακόλουθης διπλωματικής εργασίας είναι η σημαντικότερη εμπειρία που αποκόμισα κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τέλος θέλω να ευχαριστήσω τους γονείς μου, Κώστα και Ελένη Ζιβάνα για την υπερπολύτιμη στήριξή τους σε όλους τους τομείς της ζωής μου μέχρι τώρα και την εμπιστοσύνη που δείχνουν πάντα στο πρόσωπό μου.

5 4 1. Εισαγωγή Οι όροι εξοικονόμηση ενέργειας, «πράσινα» κτίρια όπως και αύξηση ενεργειακής απόδοσης βρίσκονται πλέον μπροστά στο μυαλό κάθε μηχανικού στις μέρες μας περισσότερο από ποτέ. Οι λόγοι απλοί, από τη μία η ραγδαία αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας και η μείωση των ποσοτήτων των μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αυξάνουν αισθητά την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας χρόνο με το χρόνο. Από την άλλη η ανάγκη για προστασία του περιβάλλοντος είναι πλέον επιβεβλημένη και η μείωση της σπατάλης ενέργειας σε όλους τους τομείς είναι υποχρεωτική αλλά και επιδοτούμενη σε αρκετές περιπτώσεις. Αναζητώντας τρόπους βελτίωσης σε συστήματα καθημερινής και μαζικής χρήσης όπως τους ανελκυστήρες συμβάλουμε στην ταυτόχρονη εξοικονόμηση ενέργειας και χρημάτων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα παρουσιαστεί ο σχεδιασμός και η προσομοίωση στο πρόγραμμα Matlab/Simulink ενός συστήματος αποθήκευσης της ισχύος πέδησης ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη που οδηγείται από ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος και χρησιμοποιείται σε ανελκυστήρες. Για να γίνει κατανοητή η όλη λειτουργία του εξαρτήματος που θα σχεδιαστεί γίνεται μοντελοποίηση και προσομοίωση ολόκληρου του συστήματος ενός ανελκυστήρα συνδεδεμένου στο δίκτυο. Σε συνηθισμένες εγκαταστάσεις ανελκυστήρων η ενέργεια που παράγεται κατά την πέδηση του κινητήρα μετατρέπεται σε θερμότητα στην αντίσταση πέδησης. Αυτό συμβαίνει γιατί η ενέργεια αυτή αν δεν διοχετευτεί κάπου θα ανεβάσει την τάση στο σύστημα οδήγησης του κινητήρα με αποτέλεσμα να προκληθεί ζημιά ή ακόμα και καταστροφή στα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Σε αυτή την περίπτωση ουσιαστικά η ισχύς πέδησης χάνεται ως μη εκμεταλλεύσιμη με αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών και την ταυτόχρονη μείωση του βαθμού απόδοσης της συνολικής εγκατάστασης του ανελκυστήρα. Στόχος είναι η κατασκευή ενός πρόσθετου εξαρτήματος που θα τοποθετείται σε είδη υπάρχον σύστημα και θα αποθηκεύει αυτή τη χαμένη ενέργεια. Το εξάρτημα μέσα από τον έλεγχό του πρέπει να αναγνωρίζει σε ποια κατάσταση λειτουργίας βρίσκεται ο ανελκυστήρας και να δρα ανάλογα με της απαιτήσεις της συγκεκριμένης στιγμής. Η αποθήκευση της ενέργειας που παράγεται κατά την πέδηση θα αποθηκεύεται σε συστοιχία πυκνωτών. Μελλοντικά μπορεί να γίνει χρήση υπερπυκνωτών οι οποίοι έχουν ακόμα μεγαλύτερη χωρητικότητα σε πολύ μικρότερο μέγεθος σε σχέση με τους συμβατικούς πυκνωτές. Τελικός σκοπός είναι η δημιουργία ενός μικρού φορητού εξαρτήματος σε συμφέρουσα τιμή που θα αυξάνει σημαντικά το βαθμό απόδοσης μιας εγκατάστασης ανελκυστήρα με σύστημα οδήγησης. Ακόμα τα οικονομικά οφέλη που θα προσφέρει πρέπει να είναι εξίσου σημαντικά δηλαδή να υπάρχει εκμετάλλευση μεγάλου μέρους της ανεκμετάλλευτης μέχρι τώρα ισχύος. Βασικός στόχος είναι το υπό σχεδίαση σύστημα να είναι οικονομικά αποσβέσιμο σε σύντομο χρονικό διάστημα. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει το σύστημα ελέγχου να χρησιμοποιεί όσο το δυνατό λιγότερες μετρητικές διατάξεις και να είναι όσο πιο απλό γίνεται. Για αυτό το σύστημα ελέγχου επιλέχθηκε να σχεδιαστεί σε ανοικτό βρόγχο αφού σε σύγκριση με έλεγχο σε κλειστό βρόγχο ανταποκρίνεται εξίσου καλά. Θα ακολουθήσει μια απλή περιγραφή του τρόπου λειτουργίας του υπό μελέτη συστήματος και οι λόγοι επιλογής του πριν γίνει εκτενέστερη ανάλυση στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος θα προσομοιωθούν όλες οι πιθανές καταστάσεις λειτουργίας ενός ανελκυστήρα για να φανεί κατά πόσο το εξάρτημα ανταποκρίνεται σωστά σε κάθε περίπτωση.

6 5 2.Γενική περιγραφή συστήματος 2.1 Περιγραφή βασικών αρχών λειτουργίας ενός ανελκυστήρα Ένας ανελκυστήρας αποτελείται από τέσσερα βασικά μέρη (σχήμα 1). Αυτά είναι: Α) Ο κύριος θάλαμος εντός του οποίου διακινούνται τα άτομα. Β) Το αντίβαρο το οποίο έχει βάρος ίσο με το βάρος του θαλάμου συν το μισό βάρος του μέγιστου αριθμού ατόμων που σηκώνει ο ανελκυστήρας. Γ) Ιμάντες ή συρματόσχοινα που μέσω τροχαλίας συνδέουν το αντίβαρο με το θάλαμο. Δ) Ο κινητήρας που γυρίζει την τροχαλία ανεβάζοντας ή κατεβάζοντας το θάλαμο ανάλογα με την επιθυμία των ατόμων που τον χρησιμοποιούν. Μέχρι σήμερα χρησιμοποιήθηκαν διάφορα είδη κινητήρων για να εξυπηρετήσουν αυτό το σκοπό. Όταν η μηχανή δουλεύει σαν κινητήρας, που αυτός είναι και ο βασικός σκοπός λειτουργίας της, έχουμε μια κατανάλωση ισχύος ώστε να Σχήμα 1: Ανελκυστήρας ανεβοκατεβαίνει ο θάλαμος. Αυτό που εμείς θέλουμε να εκμεταλλευτούμε είναι όταν γίνεται πέδηση του κινητήρα και αυτός δουλεύει σαν γεννήτρια επιστρέφοντας μας ισχύ πίσω στην πηγή. Αυτό συμβαίνει σε δύο περιπτώσεις. Η πρώτη είναι όταν ο θάλαμος ανεβαίνει και μεταφέρει λιγότερα από τα μισά άτομα για τα οποία είναι φτιαγμένος να μεταφέρει. Η δεύτερη είναι όταν ο θάλαμος κατεβαίνει και είναι φορτωμένος με περισσότερα από τα μισά άτομα. Αυτό που συμβαίνει και στις δύο περιπτώσεις είναι ότι το βάρος κατά την κατεύθυνση κίνησης προς τα κάτω είναι μεγαλύτερο από το βάρος που βρίσκεται στην άλλη πλευρά της τροχαλίας και κινείται προς τα πάνω, έτσι ο άξονας της μηχανής αναγκάζεται να γυρνάει και γίνεται πλέον μετατροπή του κινητήρα σε γεννήτρια. Αυτή την ισχύ που παράγεται σε αυτό το σημείο θέλουμε να την εκμεταλλευτούμε αποθηκεύοντας την σε μια συστοιχία πυκνωτών. Οι τέσσερεις περιπτώσεις λειτουργίας, δύο κατανάλωσης και δύο παραγωγής ισχύος φαίνονται στο σχήμα 2. Σχήμα 2: Περιπτώσεις λειτουργίας ανελκυστήρα

7 6 2.2 Περιγραφή συμβατικού τρόπου οδήγησης (non regenerative drive) σε gearless συστήματα ανελκυστήρων με Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ/PMSM). Αυτό το είδος κινητήρα αποκτά ολοένα και περισσότερο έδαφος στη βιομηχανία ανελκυστήρων. Αντί τύλιγμα στο δρομέα, έχουν μόνιμους μαγνήτες οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία του πεδίου διέγερσης της μηχανής. Η απουσία του τυλίγματος του δρομέα με ότι αυτό συνεπάγεται ( μείωση συνολικού μήκους μηχανής, απουσία ψηκτρών-συλλεκτών, μείωση όγκου), μας δίνει υψηλό βαθμό απόδοσης, μεγάλες τιμές πυκνότητας ισχύος και υψηλό συντελεστή ισχύος, όπως και ελάχιστα έξοδα συντήρησης. Αυτές οι μηχανές χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο σε σερβοκινητήρια συστήματα. Οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη δεν μπορούν να εκκινήσουν απευθείας από το δίκτυο, αλλά απαιτείται ηλεκτρονικά ελεγχόμενο σύστημα οδήγησης, πράγμα που σε πολλές περιπτώσεις αυξάνει το συνολικό κόστος του συστήματος. Στην περίπτωση των εφαρμογών σε ανελκυστήρες αναφερόμαστε αποκλειστικά σε Gearless συστήματα χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων, όπου και η εκκίνηση αλλά και ο έλεγχος της ταχύτητας και της θέσης γίνεται μέσω ενός drive ελέγχου. Επειδή οι εφαρμογές των ανελκυστήρων απαιτούν χαμηλές ταχύτητες και υψηλές ροπές, ευνοείται η χρήση των ΣΜ μόνιμου μαγνήτη γιατί δίνουν την δυνατότητα διάταξης πολυπολικών μηχανών χωρίς να επηρεάζεται ο βαθμός απόδοσης και ο συντελεστής ισχύος. Αντιθέτως, στις συμβατικές επαγωγικές μηχανές όσο αυξάνονται οι πόλοι της μηχανής εμφανίζεται αισθητή μείωση των δύο αυτών παραγόντων. Στο σχήμα 3 που ακολουθεί φαίνεται το σύστημα στην απλούστερη του μορφή, το οποίο είναι η βάση για τα όσα θα ακολουθήσουν. Εδώ έχουμε αριστερά την πηγή μας (δίκτυο), στη συνέχεια μια μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους που μετατρέπει την AC τάση του δικτύου σε DC στα 530V, την αντίσταση δυναμικής πέδησης που θα καταναλώσει την επιστρεφόμενη ισχύ κατά την πέδηση του κινητήρα και ένα πυκνωτή εξομάλυνσης. Η αντίσταση μέσω κυκλώματος παρακολούθησης αντιλαμβάνεται την αύξηση της τάσης λόγω επιστρεφόμενης ισχύος κατά την πέδηση και μετά από κάποια καθορισμένη τιμή κλείνει το διακόπτης της. Ακολουθεί ελεγχόμενος αντιστροφέας με θυρίστορ ο οποίος μετατρέπει ξανά την DC στην επιθυμητή AC η οποία τροφοδοτεί τον κινητήρα (PMSM). ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΠΕΔΗΣΗΣ ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ Σχήμα 3: Νon regenerative drive

8 2.3 Επιλογή τρόπου αποθήκευσης της ισχύος πέδησης. 7 Λόγο της αυξημένης χρήσης αυτών των κινητήρων υπάρχει η ανάγκη για μελέτη τρόπων ανάκτησης της ισχύος που χάνεται κατά τις περιόδους πέδησης της μηχανής. Μια λύση θα μελετηθεί αναλυτικά στην παρούσα μελέτη. 2.3 Επιλογή τρόπου αποθήκευσης της ισχύος πέδησης. Για την εκμετάλλευση της ισχύος πέδηση της μηχανής υπάρχουν διάφορες επιλογές με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους η καθεμιά. Στην παρούσα διπλωματική επιλέχθηκε ο σχεδιασμός ενός συστήματος που θα αποθηκεύει την ισχύ πέδησης σε συστοιχίες πυκνωτών ή υπερπυκνωτών. Άλλες εναλλακτικές λύσεις είναι η αποθήκευση αυτής της ενέργειας σε μπαταρίες ή η άμεση επιστροφή της ισχύος πίσω στο δίκτυο Αποθήκευση σε μπαταρίες. Σχήμα 4: Κύκλωμα αποθήκευση ισχύος πέδησης σε μπαταρίες Στο πιο πάνω σχήμα έχουμε ένα σύστημα που παρεμβαίνει στο DC-link του συστήματος οδήγησης και φορτίζει συστοιχίες μπαταριών. Χρειάζεται έλεγχος ρεύματος στο κύκλωμα των μπαταριών κάτι που εμείς μπορούμε να αποφύγουμε με την χρήση πυκνωτών. Επίσης ως κατασκευή είναι πιο ογκώδης και ο χρόνος ζωής των μπαταριών είναι περιορισμένος. Ωστόσο είναι μια εξίσου καλή επιλογή για άμεση αποθήκευση ενέργειας και επιστροφής της ισχύος στον κινητήρα.

9 2.3 Επιλογή τρόπου αποθήκευσης της ισχύος πέδησης Επιστροφή ισχύος στο δίκτυο Σχήμα 6: Κύκλωμα επιστροφής ισχύος πέδησης στο δίκτυο. Η ανόρθωση στο σύστημα του σχήματος 6 δεν υλοποιείται με μη ελεγχόμενη γέφυρα με διόδους αλλά με πλήρης ελεγχόμενη γέφυρα με διακόπτες όπως και στο τμήμα του αντιστροφέα. Αυτή η διάταξη επιτρέπει την αμφίδρομη ροή ισχύος έτσι πλεονεκτεί στο ότι μπορεί να επιστρέψει όλη την ισχύ πέδησης στο δίκτυο μηδενίζοντας τις απώλειες πέδησης. Ωστόσο ένα τέτοιο κύκλωμα έχει πολυπλοκότερο έλεγχο αφού χρειάζεται πλήρης έλεγχος του ανορθωτή κατά την πέδηση. Επιπλέον κατασκευαστικά μια δεύτερη ελεγχόμενη γέφυρα στοιχίζει περισσότερο από μια μη ελεγχόμενη γέφυρα με διόδους. Επιπρόσθετα η τοποθέτηση ενός τέτοιου drive πρέπει να γίνει από την αρχή, ενώ τα συστήματα αποθήκευσης σε πυκνωτές ή μπαταρίες μπορούν να τοποθετηθούν σε ήδη υπάρχοντα συστήματα. Παρόλα αυτά κύριο μειονέκτημα της τοποθέτησης ενός τέτοιου συστήματος είναι η άμεση επιστροφής της ισχύος στο δίκτυο. Αυτό συμβαίνει γιατί στην Ελλάδα, όπως και σε αρκετές χώρες, αν στην εγκατάσταση δεν υπάρχει κάποια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας ( π.χ. φωτοβολταϊκά ) η επιχείρηση ηλεκτρισμού δεν παρέχει μετρητή για τη μέτρηση της επιστροφής ισχύος. Με λίγα λόγια γίνεται εξοικονόμηση ενέργειας αλλά με κανένα οικονομικό όφελος προς το χρήστη. Επιλέχθηκε ο σχεδιασμός ενός συστήματος αποθήκευσης της ισχύος πέδησης με χρήση πυκνωτών ως μέσο αποθήκευσης λόγο απλούστερου και οικονομικότερου σχεδιασμού. Ακόμα σε μεταγενέστερα στάδια με τη χρήση υπερπυκνωτών ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να είναι φορητό και αρκετά μικρού μεγέθους. Ο σχεδιασμός του συστήματος και η λειτουργία του σε σύστημα ανελκυστήρα με ηλεκτροκινητήρα οδηγούμενο από αντιστροφέα ισχύος είναι το θέμα που αναπτύσσεται στην παρούσα διπλωματική εργασία.

10 9 3.Θεωριτική Περιγραφή Διάταξης 3.1 Σύστημα ανελκυστήρα Πρώτα θα περιγραφεί η λειτουργία ενός ανελκυστήρα, θα δοθούν τα κατασκευαστικά του στοιχεία ώστε αργότερα κατά την περιγραφή και προσομοίωση της λειτουργίας με και χωρίς το εξάρτημα να γίνονται κατανοητά τα αποτελέσματα. Επίσης με μερικές πράξεις θα δικαιολογήσουμε τις αριθμητικές τιμές διαφόρων στοιχείων οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο προσομοίωσης Κίνηση ανελκυστήρα Βασικά μεγέθη κινητήρα Χρησιμοποιήθηκε σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη με τα ακόλουθα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά: Ονομαστική ισχύς ( ) 7,5 kw Ονομαστικό ρεύμα ( ) 19 Α Ονομαστική ροπή ( ) 240 Νm Ονομαστικές στροφές ( ) 300rpm Συχνότητα ( f ) 50 Ηz Αριθμός πόλων ( p ) 10 Ροπή αδράνειας ( Jm ) 0.25 kg Οι μηχανές μόνιμου μαγνήτη είναι πολύ πιο συμπαγείς από αντίστοιχες με τύλιγμα στο δρομέα έτσι μπορούν να φέρουν τροχαλία στον άξονα της μηχανής διαμέτρου μόλις 8 εκατοστών. Στα δεξιά φαίνεται ένα κινητήρα τέτοιου τύπου. Ο κινητήρας θα περιστρέφει μια τροχαλία που στη μια πλευρά θα έχει το θάλαμο και στην άλλη το αντίβαρο. Το αντίβαρο ζυγίζει : όπου P το βάρος ενός άδειου θαλάμου μαζί με την τροχαλία και τα συρματόσχοινα και Q το ωφέλιμο βάρος: Q = 75 N όπου Ν ο αριθμός των ατόμων που μεταφέρει ο ανελκυστήρας. Λόγο γεωμετρίας της κατασκευής το μέγιστο βάρος που θα έχει να σηκώσει ο κινητήρας είναι :

11 3.1.1 Κίνηση ανελκυστήρα 10 και με βάση αυτό διαστασιολογείται. Το μέγιστο βάρος θα κληθεί να σηκώσει στις περιπτώσεις που ο θάλαμος ανεβαίνει γεμάτος ή κατεβαίνει άδειος και ο κινητήρας χρειάζεται να «τραβάει» ισχύ από το δίκτυο. Στις δύο αντίθετες περιπτώσεις, όταν ο θάλαμος κατεβαίνει γεμάτος ή ανεβαίνει άδειος, το σύστημα οδήγησης χρειάζεται να μειώσει την ταχύτητα της μηχανής έτσι βρισκόμαστε σε κατάσταση πέδησης. Αυτό σημαίνει ότι η ροπή της μηχανής έχει αντίθετη κατεύθυνση από την ταχύτητά της και σύμφωνα με τη θεωρία των μηχανών η μηχανή δουλεύει πλέον σαν γεννήτρια. Η ισχύς που παράγεται κατά αυτή την περίοδο τείνει να γυρίσει προς την πηγή. Στο σχήμα 1 φαίνονται οι καταστάσεις που περιγράφηκαν πιο πάνω. Σχήμα 1: Καταστάσεις λειτουργίας ανελκυστήρα Σύστημα τροχαλίας και ιμάντων. Εδώ δεν θα γίνει κάποια λεπτομερείς ανάλυση απλά πρέπει να αναφερθούν κάποια μεγέθη που εισέρχονται στους υπολογισμούς που θα χρησιμοποιηθούν αργότερα. Στην τροχαλία έχουμε μετατροπή της γραμμικής ταχύτητας του θαλάμου σε περιστροφική στον άξονα του κινητήρα και ο συσχετισμός των δύο δίνεται με βάση την ακόλουθη σχέση: όπου η ακτίνα της τροχαλίας και η γωνιακή ταχύτητα του φορτίου. Σε αυτή την περίπτωσή χρησιμοποιείται gearless σύστημα δηλαδή η τροχαλία είναι απευθείας συνδεδεμένη με τον άξονα άρα. Έτσι η μέγιστη ταχύτητα που θα έχει ο θάλαμος όταν κινείται με σταθερή ταχύτητα U κατά τη φάση κίνησης με σταθερή ταχύτητα είναι :

12 3.1.1 Κίνηση ανελκυστήρα 11 Ροπές πέδηση κινητήρα Η διαχείριση της ισχύος κατά την πέδηση του κινητήρα γίνεται μέσα στο drive του συστήματος του οποίου η λειτουργία θα εξηγηθεί αργότερα. Σε αυτό το σημείο θα δοθούν οι τύποι της ροπής σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας. Στο σχήμα 2 φαίνεται μια τυπική κυμματομορφή ισχύος σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας για κίνηση άδειου θαλάμου ώστε να φανεί η διαφορά στη λειτουργία της μηχανής ως κινητήρα και ως γεννήτρια. Σχήμα 2: Τυπική κυμματομορφή ισχύος σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας ανελκυστήρα (Πηγή S.A.F.E. Swiss Agency For Efficiency energy use) Κατά τη διαδικασία ενός κύκλου λειτουργίας ανελκυστήρα όπου εμφανίζονται και οι δύο καταστάσεις (κινητήρας γεννήτρια) έχουμε έξι διαφορετικές ροπές οι οποίες δίνονται πιο κάτω ανάλογα με την περίπτωση. Θα δοθούν οι τύποι για την άνοδο και κάθοδο ενός γεμάτου θαλάμου. ΑΝΟΔΟΣ Ροπή στη φάση επιτάχυνσης ( ) ( ) Ροπή στη φάση κίνησης με σταθερή ταχύτητα Ροπή στη φάση επιβράδυνσης ( ) ( ) ΚΑΘΟΔΟΣ Ροπή στη φάση επιτάχυνσης ( ) ( ) Ροπή στη φάση κίνησης με σταθερή ταχύτητα Ροπή στη φάση επιβράδυνσης ( ) (αρνητική λόγω φοράς) ( )

13 3.2 Σύστημα οδήγησης κινητήρα 12 Επιλύοντας τις παραπάνω εξισώσεις γα διάφορα πραγματικά παραδείγματα εφαρμογών παρατηρούμε ότι σχεδόν όλο το μέρος της ροπής που ασκεί το φορτίο στη μηχανή είναι αυτό κατά τη φάση κίνησης με σταθερή ταχύτητα, το σε κάθε περίπτωση. Έτσι για ευκολία στους υπολογισμούς αλλά και στην προσομοίωση θα χρησιμοποιηθεί ως ροπή φορτίου στον κινητήρα η τόσο κατά την άνοδο όσο και για την κάθοδο αφού ο συντελεστής πλησιάζει τη μονάδα. Χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα ένα ανελκυστήρα έξι ατόμων ( Ν = 6 ), μια τροχαλία διαμέτρου δεκαοχτώ εκατοστών ( = 0,09m ), στροφές λειτουργίας = 290 rpm και γνωρίζοντας ότι g=9.81 βρίσκω τα ακόλουθα τα οποία θα χρησιμοποιηθούν ως τιμές εισόδου στην προσομοίωση : Q=75 N = 450 kg => 3.2 Σύστημα οδήγησης κινητήρα Θα περιγραφεί αποκλειστικά το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την περίπτωσή και ο τρόπος λειτουργίας του drive σε εφαρμογή ανελκυστήρα που χρησιμοποιεί σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη. Σε αυτό το σημείο δεν έχει προστεθεί ακόμα το σύστημα αποθήκευσης της ισχύος πέδησης που σχεδιάστηκε αλλά χρειάζεται να γίνει μια αναφορά στο γενικό σύστημα ώστε να γίνει καλύτερα αντιληπτή η λειτουργία μετά την προσθήκη του στο υπάρχον μοντέλο. Στις σύγχρονες εγκαταστάσεις ανελκυστήρων έχει αντικατασταθεί το παραδοσιακό κιβώτιο ταχυτήτων για τον έλεγχο της ταχύτητας και γενικά της λειτουργίας ενός κινητήρα με συστήματα οδήγησης κινητήρα. Ως πλεονεκτήματα έχουμε τη μείωση των απωλειών και τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης στο σύστημα μηχανής τροχαλίας λόγο της απουσίας του κιβωτίου ταχυτήτων που αποτελείται από μηχανικά μέρη. Επίσης εξασφαλίζουν καλύτερη ποιότητα κίνησης και πιο ομαλές καταστάσεις εκκίνησης και πέδησης. Έχουν τη δυνατότητα να οδηγήσουν τον κινητήρα με μεγάλη ακρίβεια θέσης και δίνουν ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων. Μειονέκτημα θεωρείται το κόστος κατασκευής αλλά η επικράτηση της χρήσης των drive τα τελευταία χρόνια στην αγορά έχει μειώσει κατά πολύ αυτό το κόστος Μετατροπέας ισχύος Σύστημα ελέγχου Το σύστημα ελέγχου συγκρίνει σήματα αναφοράς με σήματα ανάδρασης και παράγει κατάλληλα σήματα για την οδήγηση του μετατροπέα ισχύος και τον έλεγχο του κινητήρα (σχήμα 3). Ο μετατροπέας ισχύος ονομάζεται και στατικός μετατροπέας συχνότητας γιατί μετατρέπει την εναλλασσόμενη ισχύ εισόδου σε εναλλασσόμενη ισχύ διαφορετικής συχνότητας. Η πιο συνηθισμένη τεχνική υλοποίησης του είναι το σύστημα ανορθωτή - αντιστροφέα. Σχήμα 3: Γενικό λειτουργικό διάγραμμα ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος. (Φώτο : Σερβοκινητήρια Συστήματα Χρήστος Μαδεμλής)

14 3.2.1 Μετατροπέας ισχύος Σύστημα ελέγχου 13 Το λειτουργικό σύστημα φαίνεται στο σχήμα 4. Η τάση εισόδου προέρχεται από την ανόρθωση της εναλλασσόμενης με μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με έξι διόδους ισχύος και σταθεροποιείται με έναν πυκνωτή εξομάλυνσης. Στην συνέχεια υπάρχει ο αντιστροφέας ισχύος αποτελούμενος από έξι ελεγχόμενους ηλεκτρονικούς διακόπτες (IGBTs) με αντιπαράλληλες διόδους (δίοδοι ελεύθερης ροής) για αμφίδρομη ροή της ισχύος. Ο πυκνωτής εξομάλυνσης βρίσκεται ανάμεσα στον ανορθωτή και τον αντιστροφέα (DC-link) και είναι ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής μεγάλης χωρητικότητας (2,5mF ), του οποίου η χρησιμότητα, όπως αναφέρθηκε, είναι να διατηρεί σταθερή την συνεχή τάση εισόδου του αντιστροφέα. Σχήμα 4: Λειτουργικό σύστημα στατικού μετατροπέα συχνότητας με ανορθωτή αντιστροφέα (Φώτο : Σερβοκινητήρια Συστήματα Χρήστος Μαδεμλής) Τέλος υπάρχει η αντίσταση δυναμικής πέδησης (dynamic braking resistor). Η αντίσταση αυτή βρίσκεται στο DC-link και ο ρόλος της είναι να απορροφά την ηλεκτρική ισχύ που παράγεται όταν ο κινητήρας βρίσκεται σε διαδικασία πέδησης. Εδώ είναι και το σημείο όπου θα παρέμβει το υπό μελέτη σύστημα ώστε να αποθηκεύσει αυτή την ισχύ σε μια συστοιχία πυκνωτών. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η διάταξη η οποία περιγράφηκε πιο πάνω. Σχήμα 5: Κύκλωμα ισχύος στατικού μετατροπέα συχνότητας για τον έλεγχο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη ( Φώτο : Σερβοκινητήρια Συστήματα Χρήστος Μαδεμλής)

15 3.2.2 Τεχνική υλοποίησης αντιστροφέα Τεχνική υλοποίησης αντιστροφέα. Το κύκλωμα ισχύος του αντιστροφέα υλοποιείται μέσω μιας πλήρως ελεγχόμενης γέφυρας με διακοπτικά στοιχεία τύπου IGBT. Η συγκεκριμένη γέφυρα αποτελείται από 6 διακόπτες στη συνδεσμολογία του σχήματος 6. Ο αντιστροφέας αποτελείται από 3 σκέλη, ένα για κάθε φάση. Οι παλμοί ελέγχου των διακοπτών παράγονται μέσω τεχνικής διαμόρφωσης PWM (Pulse Width Modulation) με βρόχο ελέγχου ρεύματος. Η τοποθέτηση των αντιπαράλληλων διόδων επιτρέπει τη αμφίδρομη ροή ισχύος, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα στον αντιστροφέα να δουλεύει και στα 4 τεταρτημόρια. Σχήμα 6: Πλήρως ελεγχόμενης γέφυρας με διακοπτικά στοιχεία τύπου IGBT. Επιλέγονται διακόπτες IGBT γιατί συγκεντρώνουν τα περισσότερα πλεονεκτήματα σε σχέση με τους υπόλοιπους διακόπτες σε τέτοια κλίμακα ισχύος. Αντέχουν τις υψηλές τάσεις που θα επικρατούν κατά τη λειτουργία του συστήματος, έχουν μικρότερες διακοπτικές απώλειες και μεγάλο εύρος διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας. Επίσης η μέγιστη ισχύς ελέγχου είναι πολύ μικρή και μπορούν να αντέξουν πολύ υψηλές ανάστροφες τάσεις. Το μοντέλο γέφυρας που χρησιμοποιείται στο Simulink βρίσκεται στο σχήμα 7. Στα αριστερά διακρίνεται η είσοδος ισχύος από τη DC πλευρά ενώ στα δεξιά είναι η έξοδος της ισχύος με AC μεγέθη στους ακροδέκτες A, B και C. Η είσοδος g αποτελεί το σήμα ελέγχου των διακοπτών που προκύπτει από τη δέλτα διαμόρφωση. Σχήμα 7: Μοντέλο Πλήρως Ελεγχόμενη γέφυρα αντιστροφής

16 3.2.2 Τεχνική υλοποίησης αντιστροφέα. 15 Διαμόρφωση PWM με βρόχο ελέγχου ρεύματος (Δέλτα διαμόρφωση) Ο αντιστροφέας πηγής τάσης με PWM έλεγχο ρεύματος έχει τη κυκλωματική δομή του σχήματος 6. Τροφοδοτείται από μια πηγή σταθερής τάσης και μέσω κλειστών βρόχων ρεύματος, η έξοδος αποτελεί μια ρυθμιζόμενη κατά πλάτος, φάση και συχνότητα, τριφασική εναλλασσόμενη πηγή ρεύματος. Στον έλεγχο των ρευμάτων εξόδου χρησιμοποιείται συνήθως ο ελεγκτής υστέρησης ρεύματος και ο PWM ελεγκτής σταθερής συχνότητας. Παράγεται το συμμετρικό τριφασικό σύστημα ρευμάτων αναφοράς, με το επιθυμητό πλάτος και φάση. Στο σχήμα β εικονίζεται μόνο το ρεύμα αναφοράς της φάσης A (i a *), το οποίο συγκρίνεται με το πραγματικό ρεύμα της φάσης Α (i a ) εντός μιας ζώνης υστέρησης. Όταν το ρεύμα στη φάση Α είναι μεγαλύτερο από το ρεύμα αναφοράς, κατά το θετικό όριο (i a >i a *+hys), ο διακόπτης S 1 οδηγείται στην αποκοπή και ο S 4 στην αγωγιμότητα. Έτσι, το ρεύμα i a μειώνεται. Όταν (i a <i a *-hys), ο διακόπτης S 1 τίθεται σε αγωγή και ο S 4 στην αποκοπή, με αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος i a. Ελέγχοντας τους διακόπτες του αντιστροφέα με τον τρόπο αυτό, το ρεύμα εξόδου αναγκάζεται να ακολουθεί το ρεύμα αναφοράς εντός της ζώνης υστέρησης. Το μειονέκτημα της τεχνικής υστέρησης ρεύματος είναι ότι η συχνότητα λειτουργίας των διακοπτών του αντιστροφέα δεν είναι σταθερή. Το πρόβλημα αυτό λύνεται με τη χρησιμοποίηση PWM ελεγκτή με σταθερή συχνότητα λειτουργίας η οποία καθορίζει τη συχνότητα ελέγχου του πραγματικού ρεύματος φάσης, άρα και εναλλαγή της κατάστασης των διακοπτών. Το χαρακτηριστικό αυτό ορίζει και τη μέθοδο ελέγχου η οποία ονομάζεται έλεγχος ρεύματος με δέλτα διαμόρφωση. Σχήμα 8: Αρχή λειτουργίας της τεχνικής ελέγχου ρεύματος με δέλτα διαμόρφωση. α) Ελεγκτής Υστέρησης Ρεύματος, β) Ζώνη Υστέρησης Η δέλτα διαμόρφωση έναντι του απλού βρόχου υστέρησης μειονεκτεί στο ότι εμφανίζεται μεγαλύτερη παραμόρφωση ρεύματος, εάν δεν χρησιμοποιηθεί η κατάλληλη συχνότητα. Επίσης όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της δέλτα διαμόρφωσης τόσο μικρότερη παραμόρφωση υπάρχει στο πραγματικό ρεύμα, όμως αντίθετα αυξάνονται οι διακοπτικές απώλειες. Στο μοντέλο του συστήματος χρησιμοποιήθηκε δέλτα διαμόρφωση με συχνότητα 20KHz. Η έξοδος αποτελεί το σήμα οδήγησης της γέφυρας αντιστροφής στο σχήμα 7.

17 16 4.Περιγραφή Διάταξης στο Simulink 4.1 Διάταξη στο SIMULINK Όλα όσα περιγράφηκαν πιο πάνω σχεδιάστηκαν στο MATLAB R2009b χρησιμοποιώντας την εργαλειοθήκη SIMULINK ώστε να προσομοιώσουμε τις καταστάσεις λειτουργίας του ανελκυστήρα σε διάφορες συνθήκες. Στη συνέχεια προσθέσαμε στην προσομοίωση το εξάρτημα μας ώστε να δούμε τα αποτελέσματα και τα κέρδη που μπορεί να μας προσφέρει η χρήση του. Σε αυτό το μέρος θα γίνει η παρουσίαση στο SIMULINK του μοντέλου ενός ανελκυστήρα με μηχανή μόνιμου μαγνήτη. Στο drive θα υπάρχει το εξάρτημα που σχεδιάστηκε αλλά η ανάλυση της λειτουργίας και η περιγραφή του μοντέλου του θα γίνει αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο. Σχήμα 1: Γενικό μοντέλο SIMULINK Στο πιο πάνω σχήμα φαίνεται το γενικό μοντέλο ελέγχου του κινητήρα. Δεν θα γίνει λεπτομερής ανάλυση του τρόπου επίτευξης του διανυσματικού ελέγχου μιας και το θέμα της διπλωματικής είναι συγκεκριμένο αλλά θα αναφερθεί επιγραμματικά τι αντιπροσωπεύει το κάθε κομμάτι του μοντέλου και να μην υπάρχουν κενά στη συνέχεια. Στο υποσύστημα VECTOR CONTROL γίνονται οι μετατροπές από το τριφασικό σύστημα στο σύστημα d-q και αντίστροφα. Δουλεύουμε πάντα στην περιοχή σταθερής ροπής για ταχύτητες περιστροφής μικρότερες της ονομαστικής σύγχρονης έτσι η ηλεκτρομαγνητική ροπή της μηχανής εξαρτάται μόνο από το ρεύμα ροπής Iq. Σχήμα 2: Έλεγχος αντιστροφέα

18 4.1 Διάταξη στο SIMULINK 17 Μέσα από ένα PI ελεγκτή, τον SPEED CONTROLLER 1, συγκρίνουμε τις στροφές του κινητήρα με τις επιθυμητές. Εδώ έχουμε την πρώτη είσοδο στο Vector Control η οποία ζητά αύξηση ή μείωση του ρεύματος ροπής. Υπάρχουν επίσης ως είσοδοι το τριφασικό ρεύμα στα τυλίγματα του στάτη του κινητήρα ανά πάσα στιγμή όπως και τη γωνία θήτα του κινητήρα. Στο υποσύστημα DQ-ABC (σχήμα 3) γίνεται ξανά μετατροπή στο τριφασικό σύστημα αξόνων και μέσα από δέλτα διαμόρφωση στο υποσύστημα CURRENT REGULATOR υπάρχει ως έξοδος οι παλμοί που δίνονται στον τριφασικό αντιστροφέα ώστε να οδηγηθούν τα διακοπτικά στοιχεία και να γίνει η διαχείριση της ενεργής ισχύoς της μηχανής ανάλογα με τη ζήτηση. Στο σχήμα 2 δίνεται το κομμάτι του μοντέλου το οποίο είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο της μηχανής μόνιμου μαγνήτη. Στο σχήμα 3 φαίνεται το εσωτερικό του υποσυστήματος VECTOR CONTROL, όπου γίνονται οι μετατροπές μεταξύ 3-φασικού συστήματος και D-Q, όπως επίσης και η δέλτα διαμόρφωση για την σύγκριση των 3-φασικών ρευμάτων. Σχήμα 3: Υποσύστημα Vector Control Προσομοίωση του φρένου σε ανελκυστήρα. Σαν ταχύτητα αναφοράς της μηχανής δίνεται μια ταχύτητα ράμπας με θετικές τιμές κατά την άνοδο του γεμάτου θαλάμου (λειτουργία κινητήρα) και αρνητικές κατά την κάθοδο του γεμάτου θαλάμου (λειτουργία γεννήτριας). Έχει ήδη αναφερθεί ότι κατά τη διάρκεια πέδησης η ροπή που ασκείται στο φορτίο έχει αντίθετο πρόσημο γιατί έχει φορά αντίθετη με την κίνηση, έτσι εδώ πρέπει και κατά την θετική αλλά και κατά την αρνητική κίνηση η ροπή του φορτίου να έχει θετική φορά ίση με 198 Nm. Αυτό προσομοιώνεται με δύο διακόπτες που δίνουν θετική ροπή σε όλο τον κύκλο λειτουργίας του ανελκυστήρα. Το μειονέκτημα σε αυτό τον τρόπο προσομοίωσης του φρένου είναι ότι δίνει ροπή στον κινητήρα και κατά τη διάρκεια ακινησίας του θαλάμου κάτι που φαίνεται στις γραφικές παραστάσεις ισχύος κατανάλωσης του κινητήρα που θα αναλυθούν σε επόμενη ενότητα. Η ράμπα για ένα κύκλο ανόδου-καθόδου όπως και το μοντέλο του φρένου δίνονται στα ακόλουθα δύο σχήματα. Σχήμα 4 : Μοντέλο φρένου στο Simulink

19 4.1 Διάταξη στο SIMULINK 18 Σχήμα 5: Ράμπα ταχύτητας κατά κίνηση και πέδηση. Αντιστάσεις φόρτισης πυκνωτή εξομάλυνσης. Για την ομαλή φόρτιση του πυκνωτή εξομάλυνσης κατά την πρώτη φορά που τίθεται σε λειτουργία ο ανελκυστήρας, αφού θεωρείται ότι στη συνέχεια μένει πάντα φορτισμένος στα 530V, τοποθετείται σε σειρά με το δίκτυο σε κάθε φάση αντίσταση 10Ω. Σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο μετά τη σύνδεση του συστήματος οδήγησης με το δίκτυο οι αντιστάσεις βραχυκυκλώνονται και βγαίνουν εκτός κυκλώματος. Το υποσύστημα που είναι υπεύθυνο για αυτή τη διαδικασία είναι το RStarter και φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Σε περίπτωση που ζητείται από το σύστημα να μην κρατά φορτισμένο τον πυκνωτή του τότε αυτές οι αντιστάσεις θα πρέπει να μπαίνουν στο κύκλωμα κάθε φορά που θα φορτίζεται ο πυκνωτής. Σχήμα 6: RStasrter ( αντιστάσεις ομαλής φόρτισης πυκνωτή εξομάλυνσης )

20 4.1 Διάταξη στο SIMULINK 19 5.Σύστημα ανάκτησης ισχύος πέδησης Σε αυτό το μέρος θα γίνει η σχεδίαση της λειτουργίας ενός συστήματος ανάκτησης της ισχύος πέδησης ενός κινητήρα και την αποθήκευσή της σε συστοιχία πυκνωτών. Η ανάκτηση ισχύος είναι επιθυμητή γιατί αυτή εξοικονομεί ένα σημαντικό τμήμα των απωλειών που έχουν τα σημερινά συστήματα χωρίς ανάκτηση ισχύος. Διευκρινίζεται ότι αυτή η ενέργεια απλά μετατρέπεται σε θερμότητα σε αντιστάσεις πέδησης. Επιπλέον, νέας τεχνολογίας συστήματα με δυνατότητα επιστροφής της ισχύος στο δίκτυο παραμένουν ανεκμετάλλευτα. Αυτό συμβαίνει γιατί στις περισσότερες χώρες δεν υπάρχει υποδομή και τρόπος αποπληρωμής για την επιστροφή στο δίκτυο αυτής της ενέργειας. Επίσης τα συστήματα ανάκτησης ισχύος με επιστροφή στο δίκτυο κατασκευαστικά στοιχίζουν περισσότερο αφού απαιτούν δύο πλήρως ελεγχόμενες γέφυρες με θυρίστορ. Το υπό μελέτη σύστημά θα επιστρέφει την κερδισμένη ισχύ στον κινητήρα μειώνοντας τη ζήτηση ισχύος από το δίκτυο. Σε όλα τα σχήματα του μοντέλο στο Simulink, με κυανό χρώμα τοποθετήθηκαν οι μετρητές όπου οι μετρήσεις είναι απλά για να δείχνουν τη συμπεριφορά του μοντέλου και με κόκκινο αυτοί οι οποίοι θα υπάρχουν και στο πραγματικό μοντέλο των οποίων οι μετρήσεις χρειάζονται σε κάποιο άλλο κομμάτι του συστήματος. Με κίτρινο θα είναι οι είσοδοι και έξοδοι σε κάθε σημείο του μοντέλου. Το σύστημά ανάκτησης της ισχύος πέδησης τοποθετείται στο εσωτερικό του υποσυστήματος braking chopper, που στην ουσία αντιπροσωπεύει το DC-LINK του συστήματος ανορθωτή αντιστροφέα, όπου σε ένα απλό drive χωρίς ανάκτηση ισχύος περιέχεται μόνο ο πυκνωτής εξομάλυνσης και η αντίσταση δυναμικής πέδησης. Το υπό μελέτη τμήμα είναι το υποσύστημα Regeneration System και τοποθετείται παράλληλα με τα δύο αυτά συστήματα όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 1.: Εσωτερικό υποσυστήματος breaking chopper. Α) μπλε κουτί: σύστημα αντίστασης πέδησης, Β) πράσινο κουτί: πυκνωτής εξομάλυνσης, Γ) πορτοκαλί κουτί: σύστημα ανάκτησης ισχύος πέδησης.

21 Σύστημα αντίστασης πέδησης. Αυτό το κομμάτι του κυκλώματος είναι υπεύθυνο όταν η τάση στο dc-link υπερβεί μια προκαθορισμένη τιμή, κάτι που συμβαίνει κατά την πέδηση λόγο επιστροφής της ισχύος, κλείνει τον διακόπτη του σχήματος 2 και διοχετεύει αυτή την ισχύ στις αντιστάσεις πέδησης οι οποίες τη μετατρέπουν σε θερμότητα που μεταφέρεται στον περιβάλλοντα χώρο. Όταν η τάση επανέλθει στο επιθυμητό επίπεδο ανοίγει ξανά ο διακόπτης και η αντίσταση πέδησης ανοικτοκυκλώνεται έτσι βρίσκεται εκτός κυκλώματος. Έχει τοποθετηθεί αντίσταση 80 Ω και ο διακόπτης κλείνει όταν η τάση στο dc-link ξεπεράσει τα 750V και ανοίγει ξανά όταν πέσει κάτω από τα 700V. Μια τέτοια αντίσταση μπορεί να καταναλώσει ισχύ: Ο έλεγχος γίνεται στο εσωτερικό του υποσυστήματος PROPORTIONAL CONTROLER ο οποίος δίνει έξοδο λογικό 1 αν η τιμή της τάσης υπερβεί το άνω όριο και 0 όταν πέσει κάτω από το κάτω όριο που δίνουμε εμείς. Οι Σχήμα 2 : Σύστημα αντίστασης πέδησης προαναφερόμενες τιμές δίνονται στη μάσκα (mask) του breaking chopper και μεταβιβάζονται αντίστοιχα στο κάθε σημείο. 5.2 Πυκνωτής εξομάλυνσης. Η εξομάλυνση ή φιλτράρισμα της συνεχούς τάσης στο dc-link επιτυγχάνεται με ένα ηλεκτρολυτικό πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας, 2.5 mf στην περίπτωσή μας, συνδεδεμένο παράλληλα με το φορτίο. Ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια (γρήγορη φόρτιση) κατά τη διάρκεια της περιόδου αγωγής και την αποδίδει στο φορτίο (εκφόρτιση) κατά τη διάρκεια της περιόδου μη αγωγής. Η εξομάλυνση αυξάνει επίσης τη μέση τάση στην DC πλευρά. Στο σχήμα 1 ο πυκνωτής εξομάλυνσης είναι το κομμάτι του μοντέλου εντός του πράσινου πλαισίου. Ο κόκκινος μετρητής στο δεξί μέρος του σχήματος παρακολουθεί και καταγράφει συνεχώς την τάση αυτού του πυκνωτή. Η μέτρηση αυτή χρειάζεται στον έλεγχο του διακόπτη της αντίστασης πέδησης όπως και στον έλεγχο των διακοπτών εντός του υπό σχεδίαση συστήματος. 5.3 Σύστημα ανάκτησης ισχύος κατά τη διάρκεια δυναμικής πέδησης. Εδώ ξεκινάει η ανάλυση του συστήματος που σχεδιάστηκε σε αυτή τη διπλωματική μελέτη. Στο σχήμα 1 το υποσύστημα Regeneration system αποτελεί το τμήμα εντός πορτοκαλιού πλαισίου που φαίνεται και στο σχήμα δεξιά μας. Υπάρχουν συνδέσεις στο υπάρχον κύκλωμα και μία είσοδος σήματος. Στο Ν δίνεται ως είσοδος οι στροφές του κινητήρα οι οποίες χρησιμοποιούνται για των έλεγχο των διακοπτών ισχύος του συστήματος. Οι V+ και V- συνδέουν παράλληλα το κύκλωμά με το dc-link του προϋπάρχοντος συστήματος οδήγησης του κινητήρα. Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται το κύκλωμα του συστήματός του οποίου το κάθε τμήμα καθώς και ο έλεγχος όπως και η λειτουργία του θα αναλυθούν στη συνέχεια. Σχήμα 3 : Είσοδοι/ έξοδοι συστήματος

22 5.3.Α Φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά την πέδηση της μηχανής. 21 Σχήμα 4: Πορτοκαλί: Έλεγχος των igbt του συστήματος, κίτρινο: Είσοδοι συστήματος, Storage capacitors: συστοιχία πυκνωτών αποθήκευσης. Πιο πάνω φαίνεται η διάταξη η οποία αποθηκεύει και επιστρέφει την ενέργεια από τον πυκνωτή αποθήκευσης (Storage capacitors). Επειδή υπάρχουν αρκετές διαφορετικές περιπτώσεις στις οποίες το σύστημά θα κληθεί να ανταποκριθεί, ανάλογα με τις συνθήκες, για την περιγραφή της λειτουργίας θεωρείται ως αρχική συνθήκη ότι ο πυκνωτής αποθήκευσης είναι προφορτισμένος στα 215V. Όταν αναφέρεται φορτισμένος πυκνωτής αποθήκευσης σημαίνει έχει τάση ίση με 450 Volts. Όταν αναφέρεται αφόρτιστος πυκνωτής αποθήκευσης σημαίνει έχει τάση ίση με 215 Volts. Το σύστημά καλείται να εκτελέσει τέσσερεις λειτουργίες: Α) Όταν ο πυκνωτής αποθήκευσης είναι αφόρτιστος και γίνεται πέδηση της μηχανής, η τάση να υποβιβάζεται από την τάση του dc-link (>530V) στα 450V μέχρι να φορτιστεί πλήρως ο πυκνωτής αποθήκευσης ή να διακοπεί η διαδικασία πέδησης. Β) Όταν ο πυκνωτής αποθήκευσης είναι φορτισμένος και η μηχανή καλείται να δουλέψει ως κινητήρας να δίνεται πρώτα η ισχύς που είναι αποθηκευμένη στον πυκνωτή αποθήκευσης ανυψώνοντας πάνω από τα 530V την συνολική τάση του DC link, ώστε να μην απορροφάται ισχύς από το δίκτυο, μέχρι να πέσει η τάση του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V. Στη συνέχεια η υπόλοιπη ισχύς δίδεται από το δίκτυο. Γ) Όταν ο πυκνωτής αποθήκευσης είναι αφόρτιστος και έχουμε λειτουργία κινητήρα το σύστημα να είναι εκτός λειτουργίας και ο κινητήρας απορροφά όλη την ισχύ που χρειάζεται από το δίκτυο. Δ) Όταν ο ανελκυστήρας είναι για μεγάλο χρονικό διάστημα ακίνητος ( το βράδυ ) το σύστημα να διατηρεί την τάση του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V μέχρι να ξαναχρησιμοποιηθεί αναπληρώνοντας τυχών απώλειες του. 5.3.Α Φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά την πέδηση της μηχανής. Κατά την πέδηση της μηχανής επιστρέφεται ισχύς στο dc-link. Αυτό προκαλεί μια ανύψωση της τάσης του πυκνωτή εξομάλυνσης μέχρι να σταματήσει η πέδηση ή σε μεγάλης διάρκειες πέδηση μέχρι να καεί ο πυκνωτής. Εδώ παρεμβαίνει η αντίσταση δυναμικής πέδησης ώστε να προστατέψει το κύκλωμα από υπερτάσεις καταναλώνοντας αυτή την ενέργεια. Το σύστημα πρέπει να αντιλαμβάνεται την εκκίνηση της πέδησης και να μετατρέπεται σε ένα μετατροπέα

23 5.3.Α Φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά την πέδηση της μηχανής. 22 υποβιβασμού τάσης ( σχήμα Α.1 ) ώστε να υποβιβάσει την τάση και να φορτίσει τον πυκνωτή αποθήκευσης στα 450V. Όταν φορτιστεί πλήρως ο πυκνωτής θα δοθεί σήμα να μπει στο κύκλωμα η αντίσταση πέδησης και να καταναλώσει την υπόλοιπη ενέργεια που προέρχεται από την πέδηση του κινητήρα. Σχήμα Α.1: Κύκλωμα συστήματος κατά τη διάρκεια πέδησης όταν ο πυκνωτής φόρτισης είναι αφόρτιστος. Στα δεξιά βλέπουμε ένα μετατροπέα υποβιβασμού. Αυτό για να συμβεί χρειάζεται κατάλληλος έλεγχος τόσο στο IGBT1 όσο και στο IGBT2. Επιπρόσθετα το IGBT1 θα είναι ο διακόπτης που θα ανοιγοκλείνει ώστε να επιτύχουμε τον σωστό υποβιβασμό τάσης. Το όλο σύστημα ελέγχου είναι ανοικτού βρόγχου πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα υπάρχει PI ελεγκτής για την αλλαγή της σχετικής διάρκειας αγωγής του μετατροπέα (D) αλλά θα είναι σταθερή. Επιλέχθηκε σύστημα ανοικτού βρόγχου λόγο απλούστερου σχεδιασμού του ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων IGBT. Επειδή το εύρος υποβιβασμού και ανύψωσης τάσης είναι συγκεκριμένο μπορούμε να έχουμε αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα χρησιμοποιώντας σταθερή διάρκεια αγωγής. Λόγο της επιλογής να μην ελέγχεται το ρεύμα στον πυκνωτή αποθήκευσης ώστε να μπορεί να δίνει όλη την ισχύ του πρώτος ο έλεγχος των IGBT γίνεται αποκλειστικά μέσω της τιμής της τάσης του πυκνωτή εξομάλυνσης. Πιο κάτω θα αναλυθεί ο έλεγχος ανοικτού βρόγχου του διακόπτη IGBT1 σε αυτή την περίπτωση αλλά και ο έλεγχος του IGBT2 ώστε κατά αυτό το διάστημα να συμπεριφέρεται ως δίοδος. Έλεγχος διακόπτη IGBT1. Στο σχήμα Α.2 έχουμε το υποσύστημα IGBT1 CONTROL. Είναι όλο το κύκλωμα ελέγχου για όλες τις περιπτώσεις. Εδώ θα μας απασχολήσει το κομμάτι εντός του μαύρου πλαισίου. Έχουμε εισόδους την τάση του πυκνωτή εξομάλυνσης (VC_dc_gl) και του πυκνωτή αποθήκευσης (VCstore). Επίσης έχουμε τις στροφές του κινητήρα (1). Η σχετική διάρκεια αγωγής επιλέγεται D = 0.68 και η συχνότητα μετάβασης που καθορίζεται από την πριονωτή κυμματομορφή ορίζεται στα. Για την επιλογή του D χρησιμοποιήθηκε ο τύπος του μετατροπέα υποβιβασμού όπου η επιθυμητή τάση στον πυκνωτή αποθήκευσης και η τάση στο DC link. Η δεν είναι

24 5.3.Α Φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά την πέδηση της μηχανής. 23 σταθερή αφού όσο συνεχίζει η πέδηση η τάση στο DC link ανυψώνεται έτσι το πιο κάτω σύστημα έχει σχεδιαστεί ώστε να κρατάει την τάση μεταξύ 650 και 655V κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Για να τεθεί ο διακόπτης (switch 1) σε λειτουργία πρέπει να ικανοποιούνται τρεις συνθήκες. Η πρώτη δίνεται από την είσοδο 1 και είναι να είναι οι στροφές μεγαλύτερες του 0, να είναι δηλαδή ο ανελκυστήρας σε λειτουργία και να κινείται είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω. Οι άλλες δύο συνθήκες δίνονται από relay1 και relay3 που είναι εντός του κόκκινου κύκλου. Απαιτείται η τάση στο DC link να είναι μεγαλύτερη των 655 volts και η τάση στον πυκνωτή αποθήκευσης μικρότερη των 445 volts. Τις υπόλοιπες χρονικές στιγμές όπου δεν θα ισχύει μια από τις 3 συνθήκες η έξοδος του διακόπτη switch1 θα είναι 0 και το IGBT1 θα συμπεριφέρεται σαν δίοδος γεγονός που επιτρέπει τη διάταξη να μετατραπεί σε μετατροπέα ανύψωσης στην περίπτωση της λειτουργίας Β που αναφέρθηκε πιο πάνω. Το υπόλοιπο κύκλωμα του σχήματος 4.3.Α.2 χρησιμοποιείται στη λειτουργία Δ και θα εξηγηθεί στη συνέχεια. Σχήμα Α.2: Κύκλωμα ελέγχου διακόπτη IGBT1

25 5.3.Α Φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά την πέδηση της μηχανής. 24 Έλεγχος διακόπτη IGBT2. Στο ακόλουθο σχήμα είναι το κύκλωμα ελέγχου του IGBT2. Η συνθήκη που βρίσκεται σε κύκλο είναι υπεύθυνη να κρατά τον διακόπτη SWITCH2 κλειστό με αποτέλεσμα να μην δίνονται παλμοί στο IGBT2 και να λειτουργεί ως δίοδος στο κύκλωμά. Το Relay1 δίνει έξοδο 0 αν η τάση στο DC link είναι μεγαλύτερη από 545 volts κατά τη διάρκεια πέδησης. Με αυτό κλείνουμε την περίπτωση της λειτουργίας Α και προχωράμε στη Β. Σχήμα 4.3.Α.3: Κύκλωμα ελέγχου IGBT2

26 5.3.Β Εκφόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά τη λειτουργία κινητήρα Β Εκφόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης κατά τη λειτουργία κινητήρα. Εδώ παρουσιάζεται η περίπτωση που ο πυκνωτής αποθήκευσης είναι φορτισμένος στα 450volts και ζητείται η μηχανή να δουλέψει σαν κινητήρας. Το σύστημά πρέπει να δώσει πρώτα την ισχύ που έχουμε αποθηκεύσει και στη συνέχεια να δοθεί η υπόλοιπη από το δίκτυο. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να ανυψώσουμε την τάση εξόδου του συστήματός πάνω από 530V ώστε το DC link να πάρει την ισχύ από τον πυκνωτή αποθήκευσης κατά προτεραιότητα αφού η ισχύς στο DC μεταφέρεται από το σημείο με την υψηλότερη τάση σε αυτό με τη χαμηλότερη. Το κύκλωμά τώρα έχει τη μορφή του ακόλουθου σχήματος, μετατρέπεται δηλαδή σε μετατροπέα ανύψωσης τάσης με είσοδο την τάση του πυκνωτή αποθήκευσης και έξοδο το DC link. Σχήμα Β.1: Κύκλωμα σε λειτουργία μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Έλεγχος διακόπτη IGBT1. Το σύστημα ελέγχου του IGBT1 δίνει έξοδο 0 στο SWITCH1 μέσω της συνθήκης που βρίσκεται εντός κύκλου η οποία δίνει έξοδο 0 όταν η τάση του DC link πέσει κάτω από 650 Volts. Έτσι το IGBT1 συμπεριφέρεται σαν δίοδος κατά τη διάρκεια αυτής της λειτουργίας. Ο διακόπτης του μετατροπέα ανύψωσης είναι ο IGBT2 και θα ανυψώνει την τάση του πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα Β.2: Κύκλωμα ελέγχου IGBT1 μέχρι να πέσει στα 215V. Επιλέγονται τα 215V γιατί χρησιμοποιείται και εδώ έλεγχος ανοικτού βρόγχου με σταθερή σχετική διάρκεια αγωγής αλλά και γιατί είναι μεγάλη η διάρκεια αγωγής, μεγαλύτερη του 0,9 για ανύψωση από μικρότερες τιμές τάσης σε τιμές μεγαλύτερες του 530V. Σε μετατροπείς ανύψωσης έχουμε πολύ χαμηλή αξιοποίηση διακόπτη σε τέτοιες τιμές.

27 5.3.Δ Διατήρηση της τάσης του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V σε μακρά περίοδο ακινησίας. 26 Έλεγχος διακόπτη IGBT2. Εδώ φαίνεται το υποσύστημα IGBT2 CONTROL του σχήματος Β.1. Όταν ικανοποιούνται οι συνθήκες του κυκλώματος ελέγχου τότε δίνονται παλμοί στο διακόπτη ισχύος με συχνότητα μετάβασης και D = Οι συνθήκες είναι οι ακόλουθες όπως φαίνονται και στο σχήμα Β.3 : α) Η μηχανή να είναι σε κίνηση. β) Ο πυκνωτής αποθήκευσης να έχει τάση μεγαλύτερη των 220V. ( Απαιτείται να έχει πάρει πρώτα κάποια φόρτιση και όχι να δοθεί σήμα λόγο προφόρτισης στα 200V. γ) Το DC link να έχει τάση μικρότερη του 545V αλλά μεγαλύτερη των 540V. β γ α Σχήμα Β.3: Κύκλωμα ελέγχου IGBT2 Η περίπτωση Γ εξηγείται από αυτά που είπαμε μέχρι τώρα και δεν θα δείξουμε κάτι περισσότερο. Ξεχωριστό έλεγχο χρειάστηκε η λειτουργία Δ για συντήρηση της τάσης στα 215V σε περίπτωση πολύωρης ακινησίας του ανελκυστήρα. 5.3.Δ Διατήρηση της τάσης του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V σε μακρά περίοδο ακινησίας. Κατά τη διάρκεια μεγάλης χρονικής περιόδου που δεν χρησιμοποιείται ο ανελκυστήρας ο πυκνωτής αποθήκευσης χάνει μέρος της αποθηκευμένης ενέργειάς του. Αν έμεινε φορτισμένος μετά από κάποια πέδηση τότε δεν ενδιαφέρει να διατηρηθεί στον πυκνωτή αυτή την τάση μιας και η ενέργεια που έχει αποθηκεύσει είναι αυτό που θα εξοικονομείτο. Το να απορροφάται ισχύς από το δίκτυο για να τη διατηρηθεί στο ίδιο επίπεδο είναι ανούσιο. Αυτό που απαιτείται είναι να διατηρηθεί στην τάση των 215V ώστε όταν κληθεί το σύστημα να τον φορτίσει σε μια επόμενη πέδηση να μην ξεκινήσει από το μηδέν αλλά από το 215V αφού το σύστημα σχεδιάστηκε να δουλεύει με βάση αυτή την τάση λόγω μεγαλύτερης αποτελεσματικότητας. Για να το επιτευχθεί αυτό χρειάζεται το σύστημα να λειτουργήσει ως μετατροπέας υποβιβασμού τάσης αφού ο πυκνωτής εξομάλυνσης στο DC link σε συστήματα ανελκυστήρων παραμένει

28 5.3.Δ Διατήρηση της τάσης του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V σε μακρά περίοδο ακινησίας. 27 φορτισμένος στα 530 V ακόμη και όταν ο ανελκυστήρας είναι ακινητοποιημένος σε κατάσταση αναμονής. Εδώ έχουμε τρεις συνθήκες που ελέγχουν αν βρισκόμαστε σε αυτή την κατάσταση : Α) Αν ο ανελκυστήρας είναι ακίνητος. Β) Αν η τάση του πυκνωτή αποθήκευσης είναι μεταξύ Volts. Αυτό υπάρχει απλά για να ελέγχει ότι δεν πρόκειται για την πρώτη φόρτιση του πυκνωτή όταν εγκαθίσταται στο σύστημα και είναι αρχικά αφόρτιστος. Γ) Αν η τάση του έπεσε κάτω από κάποια τιμή ( π.χ. 195 volts ) και ότι δεν θα τον φορτίσει πάνω από 215V. Κατά τα άλλα ο υποβιβασμός γίνεται όπως και στην περίπτωση φόρτισης Α. Στην προσομοίωση λόγω του ότι ο πυκνωτής αποθήκευσης είναι χωρίς απώλειες όταν θα προσομοιώσουμε αυτή την κατάσταση θα τοποθετηθεί μια μεγάλη αντίσταση παράλληλα με τον πυκνωτή για να καταναλώσει μέρος της αποθηκευμένης ενέργειας του πυκνωτή για να δούμε τα αποτελέσματα. Σχήμα Δ.1: Κύκλωμα ελέγχου IGBT1 (λειτουργία συντήρησης)

29 5.4 Εναλλακτική περίπτωση με χρήση διακόπτη αποκοπής για αποσύνδεση του ανελκυστήρα από το δίκτυο Εναλλακτική περίπτωση με χρήση διακόπτη αποκοπής για αποσύνδεση του ανελκυστήρα από το δίκτυο. Θεωρώντας αυτό τον τρόπο λειτουργίας ως κάποιο εναλλακτικό τρόπο λειτουργίας ενός ανελκυστήρα με σύστημα οδήγησης κινητήρα θα παρουσιαστούν παρακάτω οι τροποποιήσεις στο μοντέλο τόσο του ανελκυστήρα όσο και του υπό σχεδίαση συστήματος ώστε να καλυφτεί και αυτή η περίπτωση. Για να επιτευχθεί μηδενισμός της τάσης του πυκνωτή εξομάλυνσης κατά τη διάρκεια που ο ανελκυστήρας είναι εκτός λειτουργίας χρειάζεται ένας 3φασικός διακόπτης (Three-Phase Breaker) μεταξύ της πηγής και των αντιστάσεων φόρτισης ώστε να αποκόπτεται η ο ανελκυστήρας από το δίκτυο. Αυτός ο διακόπτης θα κλείνει λίγο πριν την εκκίνηση του κινητήρα ώστε να φορτίζει τον πυκνωτή εξομάλυνσης και να έχει έτοιμο το σύστημα του κινητήρα. Σε πραγματική λειτουργία θα θεωρηθεί ένα διάστημα 0,5 δευτερολέπτου από τη στιγμή που θα πατηθεί το κουμπί κλήσης μέχρι να εκκινήσει ο κινητήρας. Αυτό το διάστημα είναι αρκετό ώστε ο πυκνωτής εξομάλυνσης να φορτιστεί στα 530V. Επιπλέον σε σχέση με το προηγούμενο σύστημα οι αντιστάσεις φόρτισης ( RStarter ) πρέπει να μπαίνουν στο κύκλωμα κάθε φορά που θα φορτίζεται ο πυκνωτής εξομάλυνσης, ώστε να έχουμε ομαλή φόρτιση, και να βραχυκυκλώνονται πριν την εκκίνηση του κινητήρα. Αυτό επιτυγχάνεται στην πράξη με ρελέ τα οποία θα βάζουν εντός κυκλώματος τις αντιστάσεις και θα τις βραχυκυκλώνουν σε λιγότερο από 0,5 δευτερόλεπτο μετά. Στο μοντέλο γίνεται με αλλαγή εντός του υποσυστήματος Rstarter. Δίνεται σήμα ένταξής στο κύκλωμα κάθε φορά πριν την εκκίνηση του κινητήρα. Αυτό που γίνεται στην ουσία είναι καθυστέρηση μισού δευτερολέπτου από τη στιγμή που θα πατηθεί το κουμπί μέχρι τη στιγμή που θα εκκινήσει ο κινητήρας. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να γίνουν στο γενικό σύστημα ανελκυστήρα έξω από το drive και δεν αφορούν το υπό μελέτη σύστημα και φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα. Με πράσινο φαίνεται η τριφασική είσοδο του συστήματος και με πορτοκαλί τα τμήματα του μοντέλου που προστέθηκαν. Σχήμα : Γενικό σύστημα ανελκυστήρα.

30 29 Όσο αφορά τις αλλαγές στο σύστημα ανάκτησης ισχύος που σχεδιάστηκε δεν χρειάστηκε καμία αλλαγή στους ελέγχους των διακοπτών IGBT, το σύστημα ελέγχου παραμένει το ίδιο με πριν. Η μόνη σημαντική διαφορά που πραγματοποιήθηκε ήταν η τοποθέτηση ενός τρίτου διακόπτη IGBT (IGBT3) σε σειρά με τον πυκνωτή αποθήκευσης. Η τοποθέτηση του διακόπτη αυτού είναι απαραίτητη γιατί κατά το μηδενισμό της τάσης του πυκνωτή εξομάλυνσης το σύστημα θα αποτελείται στην ουσία από δύο παράλληλους πυκνωτές. Ο πυκνωτής με την υψηλότερη τάση, ο αποθήκευσης στην περίπτωσή μας, θα δίνει ενέργεια στον αφόρτιστο πυκνωτή εξομάλυνσης μέχρι να βρεθούν και οι δύο υπό την ίδια τάση. Αυτό δεν είναι επιθυμητό έτσι τοποθετείται αυτός ο τρίτος διακόπτης ο οποίος ανοικτοκυκλώνει τον πυκνωτή αποθήκευσης κατά τη διάρκεια που ο ανελκυστήρας βρίσκεται σε ακινησία. Ο έλεγχος αυτού του διακόπτη είναι πολύ απλός, έχει ως είσοδο τις στροφές του κινητήρα, οι οποίες μόλις υπερβούν τις 100RPM δίνεται σήμα να κλείσει ο διακόπτης και μόλις πέσουν κάτω από 10RPM δίνεται σήμα να ανοίξει ο διακόπτης. Ο έλεγχος βρίσκεται εντός του υποσυστήματος IGBT 3 CONTROL. Οι τροποποιήσεις φαίνονται με πορτοκαλί χρώμα στο πιο κάτω σχήμα. Σχήμα : Κυκλωματικές αλλαγές στο υπό σχεδίαση σύστημα (πορτοκαλί).

31 5.5 Επιλογή στοιχείων κυκλώματος του συστήματος ανάκτησης ισχύος Επιλογή στοιχείων κυκλώματος του συστήματος ανάκτησης ισχύος. Τα στοιχεία του κυκλώματος που σχεδιάσαμε των οποίων οι τιμές καθορίστηκαν με βάσει τις απαιτήσεις του συστήματος και βρίσκονται εντός του υποσυστήματος Braking Chopper είναι τα ακόλουθα: 1. Πυκνωτής εξομάλυνσης 2,5mF ( DC Bus Capacitance) 2. Αντίσταση δυναμικής πέδησης 80Ω (Braking Resistance) 3. Πυκνωτής αποθήκευσης 550mF στο κανονικό σύστημα, 115mF στις προσομοιώσεις (Storage Capacitance). Οι δύο αυτοί πυκνωτές επιλέχθηκε να έχουν αυτές τις χωρητικότητες για να γίνεται πλήρης εκμετάλλευση της ενέργειας που επιστρέφει κατά τη διάρκεια της πέδησης στο αντίστοιχο μοντέλο που τοποθετήθηκε ο καθένας. Δηλαδή σε πέδηση διάρκειας 10 και 2,5 δευτερολέπτων οι αντίστοιχοι πυκνωτές αποθηκεύουν όλη την ισχύ πέδησης χωρίς να χρειαστεί να μπει σε λειτουργία η αντίσταση πέδησης. 4. Πηνίο στους μετατροπείς 15mH. Εδώ απαιτείται ένα πηνίο το οποίο θα χρησιμοποιείται και στο μετατροπέα υποβιβασμού και στο μετατροπέα ανύψωσης. Ο ρυθμός ανοιγοκλεισήματος τον διακοπτών εξαρτάται από τα ακόλουθα: 0,68 Το ρεύμα κατά τη διάρκεια ανύψωσης και υποβιβασμού είναι της τάξης των 20 Α. Επιλέγω μετά από δοκιμές πηνίο 15mH το οποίο με καλύπτει δεν έχει μεγάλη τιμή και δεν επηρεάζει τον επιθυμητό χρόνο φόρτισης και αποφόρτισης του πυκνωτή.

32 5.5 Επιλογή στοιχείων κυκλώματος του συστήματος ανάκτησης ισχύος Αποτελέσματα προσομοίωσης Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του τελικού συστήματος που σχεδιάστηκε, στην εργαλειοθήκη Simulink του Matlab. Η προσομοιώσεις θα γίνουν σε μικρότερα χρονικά διαστήματα χρησιμοποιώντας μικρότερο πυκνωτή αποθήκευσης μιας και τα αποτελέσματα που εξάγονται από τις γραφικές παραστάσεις και στις δύο περιπτώσεις είναι τα ίδια. Τέλος θα παρουσιαστεί και μια προσομοίωση σε κανονικούς χρόνους λειτουργίας ανελκυστήρα. Στις ακόλουθες γραφικές παραστάσεις θα παρουσιάζονται πραγματικά σήματα. Μόνο στις γραφικές παραστάσεις ταχύτητας θα έχουμε σήμα αναφοράς εκτός από πραγματικό σήμα. Η διαφορά σε κάθε περίπτωση θα είναι ο χρόνος λειτουργίας του ανελκυστήρα ως γεννήτρια ή ως κινητήρα ώστε να καλυφτούν όλες οι πιθανές εναλλαγές που γίνονται στην πραγματική λειτουργία ενός ανελκυστήρα. Με βάσει τον τύπο που αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2 έχουμε ταχύτητα κατά σταθερή κίνηση = 2,73. Είναι μεγάλη ταχύτητα και συνήθως χρησιμοποιείται για πολύ ψηλά κτίρια αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει με αλλαγή της ακτίνας τροχαλίας ή την μείωση των στροφών της μηχανής. Στα παραδείγματά χρησιμοποιείται αυτή η τιμή ταχύτητας και στις προσομοιώσεις θεωρείται πλήρης κύκλος λειτουργίας όταν έχουμε κίνηση για 2.5 δευτερόλεπτα και 1 δευτερόλεπτο αναμονή μεταξύ των κινήσεων. Σε αυτό τον χρόνο ο θάλαμος μας ανεβαίνει απόσταση 2 ορόφων και είναι η απόσταση που χρειάζεται να κινηθεί ο ανελκυστήρας κατά την πέδηση ώστε να φορτιστεί πλήρως ένας πυκνωτής αποθήκευσης με τιμή Αυτός ο πυκνωτής είναι προφορτισμένος στα 215V και το σύστημα φροντίζει η τάση του να μην πέφτει κάτω από αυτή την τιμή σε μεγάλους χρόνους ακινησίας. Επίσης υπενθυμίζεται ότι σε όλες τις προσομοιώσεις έχουμε ένα γεμάτο θάλαμο (κίνηση με ονομαστικό φορτίο) οπότε κατά την ανύψωσή του για 2,5 δευτερόλεπτα, δύο ορόφους, θα έχουμε λειτουργία κινητήρα ενώ για το κατέβασμά του για 2,5 δευτερόλεπτα έχουμε λειτουργία γεννήτριας και πέδηση της μηχανής. Έγιναν οι ακόλουθες προσομοιώσεις: 1. Πλήρης κύκλος λειτουργίας ανέβασμα 2 ορόφων αναμονή κατέβασμα 2 ορόφων αναμονή ανέβασμα 2 ορόφων. 2. Δύο συνεχόμενες μεγάλης χρονικής διάρκειας πεδήσεις ανέβασμα 2 ορόφων αναμονή κατέβασμα 2 ορόφων αναμονή κατέβασμα 2 ορόφων αναμονή ανέβασμα 2 ορόφων. 3. Συνεχόμενες μικρής χρονικής διάρκειας πεδήσεις ανέβασμα 2 ορόφων αναμονή κατέβασμα 1 ος ορόφου αναμονή κατέβασμα 1 ος ορόφου αναμονή κατέβασμα 1 ος ορόφου αναμονή ανέβασμα 2 ορόφων. 4. Μία μικρής χρονικής διάρκειας πέδηση μεταξύ δύο κινήσεων ανέβασμα 2 ορόφων αναμονή κατέβασμα 1 ος ορόφου αναμονή ανέβασμα 2 ορόφων. 5. Μικρής χρονικής διάρκειας κινήσεις όταν έχουμε πλήρως φορτισμένο τον πυκνωτή αποθήκευσης ανέβασμα 2 ορόφων αναμονή κατέβασμα 2 ορόφων αναμονή ανέβασμα 1 ος ορόφου αναμονή ανέβασμα 1 ος ορόφου. 6. Μεγάλης χρονικής διάρκειας πέδηση ενώ η τάση του πυκνωτή είναι μεταξύ V ανέβασμα 2 ορόφων αναμονή κατέβασμα 2 ορόφων αναμονή ανέβασμα 1 ος ορόφου αναμονή κατέβασμα 2 ορόφων. 7. Παραμονή του ανελκυστήρα σε κατάσταση ακινησίας για μεγάλο χρονικό διάστημα. Εδώ παρουσιάζεται ο έλεγχος για τη διατήρηση του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V.

33 5.5 Επιλογή στοιχείων κυκλώματος του συστήματος ανάκτησης ισχύος Προσομοίωση κανονικού συστήματος με πυκνωτή 550mF (χωρητικότητα πυκνωτή σε κανονικές συνθήκες) για συνεχή κίνηση δέκα δευτερολέπτων. 9. Εναλλακτική περίπτωση: Το σύστημά μας σχεδιάστηκε θεωρώντας ότι το σύστημα οδήγησης και κατά συνέπεια ο ανελκυστήρας είναι μόνιμα συνδεδεμένα στο δίκτυο και ο πυκνωτής εξομάλυνσης είναι συνεχώς φορτισμένος στα 530V. Σε περίπτωση που χρησιμοποιείται διακόπτης στην πηγή ο οποίος αποκόπτει τον ανελκυστήρα από το δίκτυο όταν δεν χρησιμοποιείται τότε μηδενίζεται η τάση του πυκνωτή εξομάλυνσης. Με την προσθήκη ενός ακόμα διακόπτη IGBT όπως φαίνεται στην τελευταία ενότητα του προηγούμενου κεφαλαίου το σύστημα μας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και σε αυτή την περίπτωση. Παρουσιάζεται και εδώ μια προσομοίωση σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας με ονομαστικό φορτίο.

34 6.1 Πλήρης κύκλος λειτουργίας Πλήρης κύκλος λειτουργίας. Επίδραση αντιστάσεων εκκίνησης Σχήμα 1.1: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Σχήμα 1.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Διάστημα λειτουργίας κινητήρα(0.5-3 seconds) Εισαγωγή αντίστασης πέδησης Σχήμα 1.3: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Διάστημα φόρτισης πυκνωτή αποθήκευσης (4-6,3s) Σχήμα 1.4: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Αποφόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης ( s) Σχήμα 1.5: Διάστημα λειτουργίας διακόπτη IGBT 1 (φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης) Σχήμα 1.6: Διάστημα λειτουργίας διακόπτη IGBT 2 (αποφόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης)

35 6.1 Πλήρης κύκλος λειτουργίας. 34 Χωρίς την τοποθέτηση των αντιστάσεων εκκίνησης η τάση κατά την αρχική φόρτιση του πυκνωτή εξομάλυνσης θα έπαιρνε πολύ υψηλές τιμές τάσης. Στο σχήμα 1.2 φαίνεται η ομαλή φόρτιση του πυκνωτή εξομάλυνσης κατά την εκκίνηση. Στο σχήμα 1.3 και 1.10 βλέπουμε ότι οι αντιστάσεις δυναμικής πέδησης δεν μπαίνουν σχεδόν καθόλου στο κύκλωμα έτσι εξοικονομούμε στο μέγιστο την ενέργεια από την πέδηση της μηχανής μας. Επειδή ο έλεγχος των διακοπτικών στοιχείων γίνεται ανάλογα με την τάση που υπάρχει στον πυκνωτή εξομάλυνσης χωρίς να ελέγχεται το ρεύμα στους πυκνωτές παρατηρούνται οι αιχμές της τάσης στο σχήμα 1.4 κατά την αποφόρτιση. 2 1 Σχήμα 1.7: Ταχύτητα κινητήρα. Θετικές τιμές για ανύψωση, αρνητικές για κατέβασμα θαλάμου Σχήμα 1.8: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: θετικό κατανάλωση,αρνητικό παραγωγή ισχύος Σχήμα 1.9: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 1.10: Ρεύμα αντίστασης πέδησης Εδώ θα γίνουν κάποιες σημαντικές παρατηρήσεις οι οποίες ισχύουν και για τα επόμενα παραδείγματα. Στο σχήμα 1.8 ο δείκτης 1 δείχνει ένα εμβαδό μεταξύ της κόκκινης και της μπλε καμπύλης. Αυτό το εμβαδό είναι το κέρδος σε ενέργεια που προσφέρεται από το σύστημα που σχεδιάστηκε. Λόγο της απουσίας ελέγχου ρεύματος επιτρέπεται στο σύστημα που σχεδιάστηκε να δώσει όλη του την αποθηκευμένη ενέργεια πρώτο και στη συνέχεια να μπει το δίκτυο και να δώσει ότι περισσότερο απαιτείται. Η κόκκινη καμπύλη η οποία είναι η παροχή ισχύος από το δίκτυο στη μηχανή ξεκινά πολύ αργότερα από τη στιγμή που ξεκίνησε να ζητά ισχύ ο κινητήρας του ανελκυστήρα. Παρατηρείται ότι εξοικονομείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Ο δείκτης 2 δείχνει ότι ζητείται ισχύς κατά το διάστημα που ο κινητήρας είναι ακίνητος. Αυτό συμβαίνει λόγο του τρόπου που προσομοιώσαμε το φρένο και αυτό δεν συμβαίνει στην πραγματικότητα. Είναι

36 35 ισχύς που καταναλώνει ο κινητήρας μέχρι να σταματήσει εντελώς, στην πραγματικότητα πέφτει μηχανικό φρένο και τον ακινητοποιεί μετά το τέλος της κίνησης του. Το σχήμα 1.9 δείχνει τη φόρτιση του πυκνωτή αποθήκευσης στα 450V ( 4 6,3 seconds) και την αποφόρτισή του ( 7,5 9,1 seconds). Στο σχήμα 1.10 φαίνεται το ρεύμα που περνάει από την αντίσταση πέδησης κατά τη διάρκεια πέδησης του κινητήρα. Εδώ φαίνεται ότι για χρόνο 2,5 seconds δεν μπαίνει σχεδόν καθόλου σε λειτουργία αφού ο πυκνωτής αποθήκευσης αποθηκεύει σχεδόν όλη την ενέργεια που καταναλώνουν οι αντιστάσεις πέδησης σε drives όπου δεν υπάρχει σύστημα ανάκτησης της ισχύος πέδησης. 6.2 Δύο συνεχόμενες μεγάλες πεδήσεις. Σχήμα 2.1: Ταχύτητα κινητήρα Σχήμα 2.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Σχήμα 2.3: ρεύμα που περνά μέσα από την αντίσταση δυναμικής πέδησης Σχήμα 2.4: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης

37 36 Σχήμα 2.5: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: κατανάλωση / παραγωγή ισχύος στη μηχανή Σχήμα 2.6: Ρεύμα στον πυκνωτή αποθήκευσης Εδώ δίνετε σημασία σε δυο σημεία. Το πρώτο είναι όπως φαίνεται στο σχήμα 2.3 στη δεύτερη πέδηση του κινητήρα όπου ο πυκνωτής αποθήκευσης είναι πλήρως φορτισμένος όλη η ισχύς που παράγει η μηχανή καταναλώνεται στην αντίσταση πέδησης. Το δεύτερο φαίνεται στα σχήματα 2.2, 2.4 και 2.6. Κατά την εκκίνηση της καθόδου του θαλάμου και την έναρξη της πέδησης η τάση στο DC link ανυψώνεται μέχρι να τεθεί σε λειτουργία η αντίσταση πέδησης. Το IGBT 2 κλείνει στιγμιαία μέχρι η τάση να ξεπεράσει κάποια τιμή και στη συνέχεια το IGBT 1 αφού βρισκόμαστε σε πέδηση διορθώνει αυτό το σφάλμα των 2V ξαναφορτίζοντας τον πυκνωτή αποθήκευσης. 6.3 Συνεχόμενες μικρής διάρκειας πεδήσεις. Στο σχήμα 3.2 φαίνεται ότι κατά τη διάρκεια κάθε πέδησης φορτίζει ο πυκνωτής αποθήκευσης μέχρι να φορτιστεί εντελώς. Μετά την πλήρη φόρτισή του στην τρίτη πέδηση εισάγονται οι αντιστάσεις και καταναλώνουν την υπόλοιπη ενέργεια. Όπως δείχνει το σχήμα 3.4 ο πυκνωτής φόρτισης παραμένει φορτισμένος στην τάση που έχει μετά το τέλος κάθε πέδησης. Σχήμα 3.1: Ταχύτητα κινητήρα Σχήμα 3.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK)

38 37 Σχήμα 3.3: ρεύμα που περνά μέσα από την αντίσταση δυναμικής πέδησης Σχήμα 3.4: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 3.5: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: κατανάλωση / παραγωγή ισχύος στη μηχανή Σχήμα 3.6: Ρεύμα στον πυκνωτή αποθήκευσης Αξίζει να σημειωθεί ότι και σε αυτή την περίπτωση που θα έχω τρεις συνεχόμενες πεδήσεις με τη μικρότερη δυνατή διάρκεια το σύστημά μας δουλεύει μια χαρά φορτίζοντας ομαλά τον πυκνωτή αποθήκευσης και δίνοντας πίσω την ισχύ όταν ζητηθεί.

39 6.4 Μικρής διάρκειας πέδηση μεταξύ δύο κινήσεων Μικρής διάρκειας πέδηση μεταξύ δύο κινήσεων Σχήμα 4.1: Ταχύτητα κινητήρα Σχήμα 4.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Σχήμα 4.3: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 4.4: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: κατανάλωση / παραγωγή ισχύος στη μηχανή Το σύστημα δουλεύει κανονικά ακόμα και αν ο πυκνωτής αποθήκευσης δεν είναι πλήρως φορτισμένος. Βέβαια όπως είναι λογικό η εξοικονόμηση ενέργειας σε αυτή την περίπτωση είναι μικρότερη από της προηγούμενες περιπτώσεις. Στο σχήμα 4.3 φαίνεται ότι ο πυκνωτής φορτίζει μόνο μέχρι τα 350 V. Στο ακριβώς επόμενο σχήμα η κόκκινη καμπύλη που αντιπροσωπεύει την παροχή ισχύος από το δίκτυο στην 3 η περίοδο ξεκινά να ανεβαίνει πολύ νωρίτερα σε σχέση με προηγούμενες περιπτώσεις που ο πυκνωτής αποθήκευσης φορτιζόταν στα 450 V.

40 6.5 Μικρής διάρκειας κινήσεις όταν έχουμε πλήρως φορτισμένο τον πυκνωτή αποθήκευσης Μικρής διάρκειας κινήσεις όταν έχουμε πλήρως φορτισμένο τον πυκνωτή αποθήκευσης. Σχήμα 5.1: Ταχύτητα κινητήρα Σχήμα 5.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Σχήμα 5.3: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 5.4: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: κατανάλωση / παραγωγή ισχύος στη μηχανή Παρατηρούμε ότι όταν μετά την πέδηση και την πλήρη φόρτιση του πυκνωτή αποθήκευσης έχουμε ανέβασμα του θαλάμου ένα όροφο η ισχύς που χρειάζεται ο κινητήρας για αυτή την κίνηση απορροφάται αποκλειστικά από τον πυκνωτή μας. Στη συνέχεια ότι απομένει δίνεται την επόμενη φορά που θα ζητηθεί. ( Σχήμα 5.4)

41 6.6 Μεγάλης διάρκειας πέδηση ενώ η τάση του πυκνωτή είναι μεταξύ V Μεγάλης διάρκειας πέδηση ενώ η τάση του πυκνωτή είναι μεταξύ V. Σχήμα 6.1: Ταχύτητα κινητήρα Σχήμα 6.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Σχήμα 6.3: ρεύμα που περνά μέσα από την αντίσταση δυναμικής πέδησης Σχήμα 6.4: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 6.5: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: κατανάλωση / παραγωγή ισχύος στη μηχανή Σχήμα 6.6: Ρεύμα στον πυκνωτή αποθήκευσης Με αυτή την περίπτωση έχουν καλύπτει όλες τις περιπτώσεις εναλλαγών καταστάσεων λειτουργίας και το σύστημα ανταποκρίνεται ακριβώς όπως σχεδιάστηκε. Μπορεί να εκτελεστούν οποιεσδήποτε εναλλαγές μπορεί να τύχουν για οποιοδήποτε χρονικό διάστημα και το σύστημά θα ανταποκριθεί αναλόγως.

42 6.7 Παραμονή του ανελκυστήρα σε κατάσταση ακινησίας για μεγάλο χρονικό διάστημα και διατήρηση της τάσης του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V Παραμονή του ανελκυστήρα σε κατάσταση ακινησίας για μεγάλο χρονικό διάστημα και διατήρηση της τάσης του πυκνωτή αποθήκευσης στα 215V. Λόγω του ότι το μοντέλο του πυκνωτή στο SIMULINK προσομοιώνει πυκνωτής χωρίς απώλειες, για να προσομοιωθούν οι απώλειες που θα έχει αν μείνει σε σταθερή τάση για πολλές ώρες τοποθετείται παράλληλα μια μεγάλη αντίσταση. Αυτή η αντίσταση αντιπροσωπεύει απώλειες ενέργειας που θα έχει ένας πραγματικός πυκνωτής. Οι απώλειες αυτές είναι απώλειες τόσο μέσα στις αντιστάσεις του κυκλώματος όσο και από τις πλάκες του στο περιβάλλον. Στο πιο κάτω σχήμα φαίνεται αυτή η τροποποίηση στο μοντέλο. Σχήμα 7.1 : Προσομοίωση απωλειών για μεγάλα διαστήματα ακινησίας Η κατάσταση που θα προσομοιωθεί είναι η κατάσταση που περιγράφηκε στο υποκεφάλαιο 4.3.Δ. Θεωρούμε ότι ο ανελκυστήρας είναι ακινητοποιημένος και ότι η τάση στον πυκνωτή αποθήκευσης είναι στα 215 V. Ζητείται η τάση να μην πέσει κάτω από αυτό το όριο αν ο ανελκυστήρας παραμείνει για πολλές ώρες ή μέρες ακινητοποιημένος. Το δίκτυο μέσα από τον έλεγχο των διακοπτών θα συμπληρώνει τυχόν απώλειες συντηρώντας την τάση σε αυτή την τιμή. Αυτό το τμήμα ελέγχου μπορεί να μη χρειαστεί σε πολλές περιπτώσεις γιατί οι απώλειες σε πυκνωτές καινούργιας τεχνολογίας είναι πολύ μικρές, σχεδόν αμελητέες στα χρονικά διαστήματα τα οποία μελετούμε αλλά καλό είναι να υπάρχει ώστε να διασφαλίζεται η σωστή λειτουργία του συστήματος σε όλες τις περιπτώσεις. Για λόγους προσομοίωσης θα τοποθετηθεί αντίσταση που θα δείξει την επίδραση των απωλειών σε διάστημα 20 δευτερολέπτων αντί πολλών ωρών όπως θα συνέβαινε στην πραγματικότητα. Παρουσιάζεται πώς διατηρείται σταθερή η τάση στα 215 V. Σχήμα 7.2: Ταχύτητα κινητήρα Σχήμα 7.3: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK)

43 42 Σχήμα 7.4: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 7.5: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: κατανάλωση / παραγωγή ισχύος στη μηχανή Σχήμα 7.6: Ρεύμα στον πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 7.7: Παλμοί διακόπτη IGBT 1 Όπως φαίνεται στο σχήμα 7.4 μόλις η τάση του πυκνωτή αποθήκευσης πέσει κάτω από τα 195V, τιμή που τέθηκε στο κύκλωμα ελέγχου του διακόπτη IGBT 1, αρχίζει μια διαδικασία υποβιβασμού από τα 530V στα 215 ώστε να αναπληρωθούν οι απώλειες και να επανέλθει ο πυκνωτής στη σωστή τάση λειτουργίας των 215V. Η διαδικασία αυτή ξεκινάει στα 13,6 δευτερόλεπτα και τερματίζεται στα 17.5 δευτερόλεπτα. Στο σχήμα 7.5 η κόκκινη καμπύλη αντιπροσωπεύει την ισχύ που δίνει το δίκτυο στο σύστημα του ανελκυστήρα. Φαίνεται ότι με την έναρξη της διαδικασίας επαναφοράς της τάσης του πυκνωτή στα 215 V το δίκτυο παρέχει ισχύ στο σύστημα. Να τονιστεί ότι εδώ για την προσομοίωση αυτού του γεγονότος χρησιμοποιήθηκε αρκετά μικρή αντίσταση ( 1,7 ΜΩ ). Σε πραγματικές συνθήκες θα χρειαστεί πολύ μεγαλύτερος χρόνος για να πέσει τόσο η τάση έτσι η διατήρηση του πυκνωτή μας στην επιθυμητή τάση δεν είναι ενεργοβόρα.

44 6.8 Παρουσίαση λειτουργίας σε πραγματικούς χρόνους με χρήση πυκνωτή αποθήκευσης 550mF Παρουσίαση λειτουργίας σε πραγματικούς χρόνους με χρήση πυκνωτή αποθήκευσης 550mF. Εδώ θα παρουσιαστεί το σύστημα που σχεδιάστηκε με πυκνωτή αποθήκευσης 550mF. Τέτοιος πυκνωτής θα τοποθετηθεί στο υπό σχεδίαση σύστημα ώστε να εξοικονομεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας και να δικαιολογείται η αγορά και η τοποθέτησή του. Θα ακολουθήσει μια προσομοίωση ενός πλήρους κύκλου λειτουργίας 36 δευτερολέπτων με χρόνους κίνησης και πέδησης 10 δευτερολέπτων. Θα παρουσιαστούν οι τιμές ρευμάτων και τάσεων στα κύρια σημεία του κυκλώματος. Σχήμα 8.1: Ταχύτητα κινητήρα Σχήμα 8.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Στα σχήματα 8.1 και 8.3 φαίνεται ότι όλη η ισχύς πέδησης απορροφάται από τον πυκνωτή αποθήκευσης και η ισχύς που καταναλώνει η αντίσταση δυναμικής πέδησης είναι 0 Watt. Σχήμα 8.3: Ρεύμα που περνά από την αντίσταση πέδησης. Σχήμα 8.4: Ρεύμα στον πυκνωτή αποθήκευσης.

45 44 Σχήμα 8.5: Λειτουργία διακόπτη IGBT 1 Υποβιβασμός τάσης Σχήμα 8.6: Λειτουργία διακόπτη IGBT 2 Ανύψωση τάσης Σχήμα 8.7: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε: κατανάλωση / παραγωγή ισχύος στη μηχανή Σχήμα 8.8: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Από το σχήμα 8.7 διακρίνεται ότι η ενέργεια που αποθηκεύτηκε μπορεί να τροφοδοτήσει τον κινητήρα για 5 δευτερόλεπτα κίνησης με σταθερή ταχύτητα. Για άνοδο ανελκυστήρα με ονομαστικό φορτίο αυτό αντιστοιχεί σε άνοδο 3 ορόφων.

46 6.9 Εναλλακτική περίπτωση με χρήση διακόπτη αποκοπής για αποσύνδεση του ανελκυστήρα από το δίκτυο Εναλλακτική περίπτωση με χρήση διακόπτη αποκοπής για αποσύνδεση του ανελκυστήρα από το δίκτυο. Θα ακολουθήσει μία προσομοίωση αυτού του συστήματος αντίστοιχη της πρώτης προσομοίωσης αυτού του κεφαλαίου με χρόνους κίνησης και πέδησης 2,5 δευτερολέπτων και πυκνωτή αποθήκευσης 115mF. Θα είναι η απλούστερη περίπτωση χρήσης του συστήματος ανάκτησης ισχύος πέδησης για να παρουσιαστεί ότι δουλεύει κανονικά και σε αυτή την περίπτωση και να εντοπιστούν τυχών διαφορές. Αποφόρτιση Πυκνωτή Εξομάλυνσης Σχήμα 9.1: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Σχήμα 9.2: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Διάστημα λειτουργίας κινητήρα(0.5-3 seconds) Εκκίνηση Πέδησης Σχήμα 9.3: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Διάστημα φόρτισης πυκνωτή αποθήκευσης (5-7,2s) Σχήμα 9.4: Τάση πυκνωτή εξομάλυνσης (DC LINK) Aποφόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης ( s) Σχήμα 9.5: Διάστημα λειτουργίας διακόπτη IGBT 1 (φόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης) Σχήμα 9.6: Διάστημα λειτουργίας διακόπτη IGBT 2 (αποφόρτιση πυκνωτή αποθήκευσης)

47 6.9 Εναλλακτική περίπτωση με χρήση διακόπτη αποκοπής για αποσύνδεση του ανελκυστήρα από το δίκτυο. 46 Στο σχήμα 9.1 φαίνεται ότι μετά από κάθε λειτουργία του κινητήρα η τάση του πυκνωτή εξομάλυνσης μηδενίζεται. Επίσης φαίνεται η εκκίνηση της φόρτισής του λίγο πριν από κάθε περίπτωση λειτουργίας. Έχουμε λειτουργία κινητήρα (0,5-3), πέδηση μηχανής (5-7,5) και λειτουργία κινητήρα (9,5-12). 2 1 Σχήμα 9.7: Ταχύτητα κινητήρα. Θετικές τιμές για ανύψωση, αρνητικές για κατέβασμα θαλάμου Σχήμα 9.8: Κόκκινο: Ισχύς που παρέχει το δίκτυο Μπλε :θετικό κατανάλωση, αρνητικό παραγωγή ισχύος Σχήμα 9.9: Τάση πυκνωτή αποθήκευσης Σχήμα 9.10: Ρεύμα αντίστασης πέδησης Μερικές παρατηρήσεις αξίζει να γίνουν στο σχήμα 9.8. Ο δείκτης με αριθμό 1 δείχνει τον άμεσο μηδενισμό των στροφών του κινητήρα μετά τον τερματισμό της κίνησής του. Στην αντίστοιχη προηγούμενη περίπτωση που μελετήσαμε λόγο της αδιάλειπτης τροφοδότησης ισχύος από το δίκτυο τροφοδοτείτε το μεταβατικό φαινόμενο μετά τον τερματισμό της κίνησης του κινητήρα με αποτέλεσμα ο απόλυτος μηδενισμός των στροφών του να επέρχεται μετά από μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Ο δείκτης με αριθμό 2 δείχνει την ισχύ που ζητείται από το δίκτυο ώστε να φορτιστεί ο πυκνωτής εξομάλυνσης από τα 0V στα 530V πριν την έναρξη οποιασδήποτε κίνησης. Στο σχήμα 9.9 παρατηρείται ότι η φόρτιση του πυκνωτή αποθήκευσης και η επιστροφή της αποθηκευμένης ενέργειας πίσω στον κινητήρα γίνεται ομαλά όπως και στις προηγούμενες περιπτώσεις που ο κινητήρας είναι συνεχώς συνδεδεμένος με το δίκτυο.