ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και. Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του. Πανεπιστηµίου Πατρών

Transcript

1 ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών Ιωάννη Μουστακόπουλου του Γεωργίου Α.Μ «Μελέτη και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε συνεχή τάση µεταβαλλόµενου εύρους - προσοµοίωση της διάταξης» Ν ο 312 Επιβλέπων: Αναπληρωτής Καθηγητής ρ.-μηχ. Εµµανουήλ Κ. Τατάκης (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή ρ.-μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Πάτρα, Οκτώβριος 2010

2

3 ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών Ιωάννη Μουστακόπουλου του Γεωργίου Α.Μ «Μελέτη και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε συνεχή τάση µεταβαλλόµενου εύρους - προσοµοίωση του συστήµατος» Επιβλέπων: Αναπληρωτής Καθηγητής ρ.-μηχ. Εµµανουήλ Κ. Τατάκης (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπο την επίβλεψη του Καθηγητή ρ.-μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ:. /2010 Πάτρα, Οκτώβριος 2010

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωµατική εργασία µε θέµα: «Μελέτη και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε συνεχή τάση µεταβαλλόµενου εύρους - προσοµοίωση του συστήµατος» του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών Ιωάννη Μουστακόπουλου του Γεωργίου Α.Μ παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών την Τετάρτη 13 Οκτωβρίου 2010 Ο Επιβλέπων Ο ιευθυντής του Τοµέα Αναπληρωτής Καθηγητής ρ.-μηχ. Εµµανουήλ Κ. Τατάκης Καθηγητής ρ.-μηχ. Αντώνιος Αλεξανδρίδης

6

7 ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: /2010 ΤΙΤΛΟΣ: ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: «Μελέτη και κατασκευή διάταξης µετατροπής συνεχούς τάσεως από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε συνεχή τάση µεταβαλλόµενου εύρους - προσοµοίωση του συστήµατος» Ιωάννης Μουστακόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής ρ.-μηχ. Εµµανουήλ Κ.Τατάκης (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπο την επίβλεψη του Καθηγητή ρ.-μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατεύεται τη µελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η µελέτη και η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος, ο οποίος θα αποτελέσει µέρος ενός ηλεκτροκινητήριου συστήµατος µε πηγή ενέργειας µία συσκευή κυψελών καυσίµου (fuel cells). Συγκεκριµένα πρόκειται για ένα µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, µε διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων (2-channel interleaved boost converter). Η είσοδος του µετατροπέα συνδέεται στην πηγή των κυψελών καυσίµου µε σκοπό να ανυψώσει τη συνεχή αλλά µεταβλητή τάση που παράγει αυτή και να τη σταθεροποιήσει στα 50V. Στην έξοδο αυτού του µετατροπέα πρόκειται να συνδεθεί ένας αντιστροφέας για την οδήγηση τριφασικού σύγχρονου κινητήρα µε µόνιµους µαγνήτες (BLDC), ο οποίος αποτελεί αντικείµενο άλλης διπλωµατικής εργασίας, που εκπονείται στο Εργαστήριο. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού χρειάστηκε θεωρητική µελέτη των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς τάσης αλλά και της πηγής κυψελών καυσίµου. Στη µελέτη βοήθησε το πρόγραµµα εξοµοίωσης, µε το οποίο εξοµοιώθηκαν εκτός από το προαναφερθέν τελικό σύστηµα και διάφορα άλλα συστήµατα που αποτέλεσαν ιδέες για τη συγκεκριµένη εφαρµογή. Έπειτα ακολούθησε η κατασκευή της διάταξης και η διεξαγωγή πλήθους πειραµατικών δοκιµών.

8

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε κατά το ακαδηµαϊκο έτος στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Αντικείµενο της εργασίας είναι η µελέτη και κατασκευή διάταξης ανύψωσης συνεχούς τάσης προερχόµενη από κυψέλες καυσίµου (fuel cells) σε συνεχή τάση. Κατά τη διάρκεια αυτής της εργασίας πραγµατοποιήθηκε µελέτη για τις πηγές κυψελών καυσίµου και τους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος, έγινε προσοµοίωση του συστήµατος, κατασκευή και έλεγχος του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος και τέλος πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές δοκιµές πάνω στο ολοκληρωµένο σύστηµα που δηµιουργήθηκε. Αυτή η πορεία των πραγµάτων παρουσιάζεται στα ακόλουθα κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 αναδεικνύεται η αξία των κυψελών καυσίµου στον τοµέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και γίνεται µία εισαγωγή στις βασικές αρχές που διέπουν τη λειτουργία και τη δοµή τους. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η λειτουργία και τα χαρακτηριστικά της ολοκληρωµένης συσκευής κυψελών καυσίµου «Nexa power module» που βρίσκεται στο Εργαστήριο, µε την οποία συνδέθηκε ο µετατροπέας που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωµατικής εργασίας, για να γίνουν οι πειραµατικές δοκιµές. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται µια θεωρητική ανάλυση του απλού µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή και του µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων. Επίσης γίνεται σύγκριση των δύο µετατροπέων και επισηµαίνονται οι λόγοι που οδήγησαν στην κατασκευή του δεύτερου. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται αναλυτικά ο τρόπος κατασκευής του µετατροπέα και όλων των βοηθητικών κυκλωµάτων του, µε ταυτόχρονη παράθεση εικόνων. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ο έλεγχος του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος µέσω της παλµοδότησης των ηµιαγωγικών στοιχείων του και γίνεται αναλυτική παρουσίαση του βιοµηχανικού µικροελεγκτή (Microchip dspic30f4011) που χρησιµοποιήθηκε στο κύκλωµα ελέγχου. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται οι πραγµατικές κυµατοµορφές που παλµογραφήθηκαν στα κυκλώµατα που κατασκευάστηκαν, κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον επιβλέποντα της διπλωµατικής µου εργασίας, καθηγητή κ. Αθανάσιο Σαφάκα, για την ανάθεση αυτού του ενδιαφέροντος θέµατος, την επίβλεψη και την υποστήριξή του στα ζητήµατα που προέκυψαν.

10 Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Εµµανουήλ Τατάκη και το λέκτορα κ. Επαµεινώνδα Μητρονίκα, για την υποστήριξη και τις πολύτιµες συµβουλές τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Σάββα Τσοτουλίδη, ο οποίος βοήθησε στη µελέτη αυτής της εργασίας µε τις γνώσεις του και τις πολύτιµες συµβουλές του, καθώς και όλους τους µεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών για τη συνεργασία τους και τις συµβουλές τους σε διάφορα ζητήµατα.

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Εισαγωγή Αρχή λειτουργίας κυψέλης καυσίµου Τύποι κυψελών καυσίµου Ανάλυση της κυψέλης καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) Αρχή λειτουργίας της κυψέλης καυσίµου PEM οµή της κυψέλης καυσίµου PEM Μεµβράνη Ηλεκτρόδια Στρώµα διάχυσης αερίων Πλάκα ροής των αερίων και διπολική πλάκα Μηχανισµοί που προκαλούν πτώση τάσεως Απώλειες ενεργοποίησης Ωµικές απώλειες Μείωση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων Χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος της κυψέλης Πλεονεκτήµατα και Εφαρµογές...20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ «Nexa Power Module» Εισαγωγή Το ολοκληρωµένο σύστηµα «Nexa Power Module» Εισαγωγή Το σύστηµα τροφοδοσίας υδρογόνου

12 2.2.3 Το σύστηµα τροφοδοσίας αέρα Το σύστηµα ψύξης Το ηλεκτρονικό σύστηµα ελέγχου Τα συστήµατα ασφαλείας Η κανονική λειτουργία Ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές διασυνδέσεις του συστήµατος Χαρακτηριστικά διαγράµµατα απόδοσης της συστοιχίας...32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ Θεωρητική ανάλυση του απλού ιδανικού µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης Λειτουργία συνεχούς αγωγής (CCM) Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής (DCM) Χαρακτηριστικές καµπύλες του µετατροπέα ανύψωσης Προσέγγιση των πραγµατικών χαρακτηριστικών του µετατροπέα ανύψωσης τάσης Ανάλυση του ηλεκτρονικού µετατροπέα ανύψωσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων (interleaved boost converter) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ Περιγραφή της τοπολογίας του µετατροπέα Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα µέσω του MATLAB SIMULINK Εξοµοίωση της ονοµαστικής κατάστασης Εξοµοίωση της οριακής κατάστασης µεταξύ 2

13 συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής Σχεδιασµός και κατασκευή κυκλώµατος ισχύος Επιλογή ηµιαγωγικού διακοπτικού στοιχείου ισχύος Επιλογή διόδου ισχύος Κατασκευή συστήµατος απαγωγής θερµότητας Κατασκευή πηνίων των παράλληλων κλάδων Κατασκευή φίλτρων εισόδου και εξόδου Σχεδιασµός και κατασκευή κυκλώµατος ελέγχου Ο µικροελεγκτής dspic30f Ο αντιστροφέας 74HCT Ο οπτοζεύκτης 6Ν Ο οδηγός παλµών IR Το µετρητικό τάσης LV 25-P και ο ενισχυτής AD Σχεδιασµός και κατασκευή γραµµικών τροφοδοτικών...90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Μέθοδοι ελέγχου Μέθοδος ανοιχτού βρόχου Μέθοδος κλειστού βρόχου Ο µικροελεγκτής DSPIC30F Γενικά περι µικροελεγκτών Ανάλυση του µικροελεγκτή dspic30f Προγραµµατισµός του µικροελεγκτή

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ οκιµές µε χρήση τροφοδοτικών συνεχούς τάσης ως πηγή Ο λόγος µετατροπής V o /V i ως προς το λόγο κατάτµησης δ Ο λόγος µετατροπής V o /V i ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερή V i Ο λόγος κατάτµησης δ ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερό V o /V i Ονοµαστική κατάσταση λειτουργίας του µετατροπέα οκιµές µε πηγή τη συσκευή των κυψελών καυσίµου «Nexa Power Module» Πειραµατικά αποτελέσµατα για φορτίο 1115 W Πειραµατικά αποτελέσµατα για φορτίο 552 W Χαρακτηριστικά µεγέθη συναρτήσει του φορτίου του µετατροπέα Αξιολόγηση των πειραµατικών αποτελεσµάτων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΟΙ ΚΩ ΙΚΕΣ ΤΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΤΟ ΤΥΠΩΜΕΝΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Η ΤΕΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ ΤΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) 1.1 Εισαγωγή [4] Η ανάγκη απεξάρτησης από τα συµβατικά καύσιµα οδήγησε τους επιστήµονες στη µελέτη σύγχρονων εναλλακτικών τρόπων µετασχηµατισµού άλλων µορφών ενέργειας σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούν σήµερα µία ελκυστική δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, κυρίως από υδρογόνο και συγκαταλέγονται µεταξύ των πιο ελπιδοφόρων τεχνολογιών του µέλλοντος για την αντικατάσταση των συσσωρευτών. Η λειτουργία τους στηρίζεται σε απευθείας µετατροπή της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίµου προσφέρουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς εκποµπή ρύπων, µε υψηλό βαθµό απόδοσης και µεγάλη βιωσιµότητα. Οι λόγοι αυτοί οδήγησαν στη λεπτοµερή µελέτη εκ µέρους των επιστηµονικών κοινοτήτων της νέας αυτής τεχνολογίας, η οποία αντιµετωπίζεται πλέον ως µία ελπιδοφόρα δυνατότητα παραγωγής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίµου µπορούν να καλύψουν ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών, από τις ανάγκες ηλεκτροδότησης ενός σπιτιού έως τα συστήµατα ηλεκτροκίνησης που παρουσιάζουν άµεσο ενδιαφέρον, όπως η εφαρµογή σε ηλεκτρικά και υβριδικά οχήµατα. Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούν ένα µηχανισµό για την ηλεκτροχηµική µετατροπή της ενέργειας µετατρέποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα µε τη διαδικασία αυτή ηλεκτρισµό και θερµότητα. Ο ηλεκτρισµός παράγεται µε τη µορφή συνεχούς ρεύµατος. Οι κυψέλες καυσίµου µπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήµατος το οποίο χρησιµοποιεί το υδρογόνο ως καύσιµο. Είναι αυτές οι οποίες αναλαµβάνουν τη µετατροπή του καυσίµου σε χρήσιµη ηλεκτρική ενέργεια. 1.2 Αρχή λειτουργίας κυψέλης καυσίµου [6],[7],[8],[9] Οι κυψέλες καυσίµου είναι συσκευές ηλεκτροχηµικής µετατροπής της ενέργειας. Ενώνουν ηλεκτροχηµικά ένα καύσιµο, που κατά κανόνα είναι υδρογόνο, µε ένα οξειδωτικό. Η χηµική αντίδραση που πραγµατοποιείται µέσα στην κυψέλη οδηγεί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε ταυτόχρονη παραγωγή νερού και έκλυση θερµότητας, καθώς αντιδρά το καύσιµο µε το οξυγόνο. Η συνεχής εισροή του καυσίµου είναι αναγκαία για τη λειτουργία της κυψέλης καυσίµου. 5

16 Οι κυψέλες καυσίµου πλεονεκτούν έναντι των µηχανών εσωτερικής καύσης και των µπαταριών σε πολλά σηµεία. Η παραγωγή µηχανικής ενέργειας στις µηχανές εσωτερικής καύσης πραγµατοποιείται µε τη µετατροπή της χηµικής ενέργειας του καυσίµου σε θερµική, αναµιγνύοντας το καύσιµο µε το οξυγόνο σε υψηλές θερµοκρασίες. Η παραγόµενη θερµική ενέργεια µετατρέπεται σε µηχανική µε αρκετές όµως απώλειες λόγω του περιορισµού του κύκλου Carnot. Η απουσία του περιορισµού αυτού είναι και το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα των κυψελών καυσίµου λόγω της απευθείας µετατροπής της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική και εποµένως του µεγαλύτερου βαθµού απόδοσης. Ένα άλλο πλεονέκτηµα των κυψελών είναι οι χαµηλές εκποµπές ρύπων, ειδικά στην περίπτωση των κυψέλων καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, όπου το προϊόν της χηµικής αντίδρασης, όπως θα δούµε παρακάτω, είναι το νερό που συνοδεύεται από ταυτόχρονη έκλυση θερµότητας. Οι µπαταρίες από την άλλη πλευρά, είναι και αυτές ηλεκτροχηµικές συσκευές που µετατρέπουν τη χηµική ενέργεια άµεσα σε ηλεκτρική. Η κύρια διαφορά τους µε τις κυψέλες εντοπίζεται στο γεγονός ότι η µπαταρία περιέχει τα αντιδρώντα στο εσωτερικό της συνεπώς όταν εκφορτιστεί πρέπει να αντικατασταθεί ή να φορτιστεί εκ νέου. Σε αντιδιαστολή µε την µπαταρία, τα αντιδρώντα στην κυψέλη καυσίµου είναι αποθηκευµένα εξωτερικά και πρέπει να υπάρχει συνεχής τροφοδότησή τους για την εύρυθµη λειτουργία της. Τα αντιδρώντα της κυψέλης που είναι συνήθως υδρογόνο και ατµοσφαιρικός αέρας είναι αποθηκευµένα σε δεξαµενές υψηλής πίεσης οι οποίες επιτρέπουν την εύκολη αντικατάστασή τους. Εποµένως, τα πλεονεκτήµατα της κυψέλης καυσίµου σε σχέση µε τις παραπάνω µεθόδους συνοπτικά είναι τα εξής: Πλεονεκτήµατα έναντι των µηχανών εσωτερικής καύσης Αποτελούν πιο καθαρή πηγή ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίµου παράγουν µόνο ηλεκτρική ενέργεια, θερµότητα και νερό. Το υδρογόνο όµως δεν απαντάται µόνο του στη φύση, οπότε πρέπει να παραχθεί. Η παραγωγή υδρογόνου γίνεται βασικά µε τρεις τρόπους: µε τη χρήση ορυκτών καυσίµων, µε τη βοήθεια ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, όπως η φωτοβολταϊκή, η αιολική, η γεωθερµική και η βιοµάζα, και τέλος µε ηλεκτρόλυση. Επικρατέστερη µέθοδος παραγωγής υδρογόνου αυτή τη στιγµή είναι η αναµόρφωση του φυσικού αερίου. Ακόµα πάντως και σε αυτή την περίπτωση, που το υδρογόνο παράγεται από ορυκτό καύσιµο, η ρύπανση που προκαλείται είναι αρκετά µικρότερη σε σύγκριση µε τις µηχανές που λειτουργούν µε ορυκτά καύσιµα. Έχουν µεγαλύτερη απόδοση. Οι κυψέλες καυσίµου δε λειτουργούν σε θερµοδυναµικό κύκλο, εποµένως δεν έχουν το αντίστοιχο αυστηρό όριο για 6

17 την απόδοση, αλλά ισχύει για αυτές το όριο απόδοσης της χηµικής αντίδρασης, το οποίο όµως είναι υψηλότερο. Ακόµα, τα µηχανικά µέρη που χρειάζονται, για παράδειγµα οι αντλίες, έχουν πολύ λιγότερες απώλειες από τα κινούµενα µέρη µιας µηχανής. Με συµπαραγωγή ηλεκτρισµού και θερµότητας, η απόδοση µπορεί να ξεπεράσει το 90%. Είναι πολύ πιο αθόρυβες, καθώς τα κινούµενα µηχανικά µέρη είναι ελάχιστα. Είναι πιο αξιόπιστες, για τον ίδιο λόγο. Η συντήρησή τους είναι ευκολότερη. Λειτουργούν σε χαµηλότερες θερµοκρασίες. Ανταποκρίνονται πιο γρήγορα στις µεταβολές του φορτίου. Ευνοούν την κατανεµηµένη παραγωγή ενέργειας. Πλεονεκτήµατα έναντι των µπαταριών Οι κυψέλες καυσίµου παράγουν ενέργεια όσο τροφοδοτούνται µε υδρογόνο και οξυγόνο. Αντίθετα οι µπαταρίες χρειάζονται φόρτιση. Τα συστήµατα κυψελών καυσίµου είναι ελαφρύτερα σε σχέση µε τα αντίστοιχα συστήµατα µε µπαταρίες. Οι κυψέλες υδρογόνου είναι πιο αξιόπιστες, χρειάζονται λιγότερο τακτικά συντήρηση και έχουν µεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μειονεκτήµατα των κυψελών καυσίµου Το κόστος των κυψελών καυσίµου είναι ακόµα πολύ υψηλό. Η παραγωγή, η µεταφορά, η διανοµή και η αποθήκευση του υδρογόνου παρουσιάζουν πολλές δυσκολίες. Ακόµα, η δηµιουργία των κατάλληλων υποδοµών για το δίκτυο µεταφοράς και διανοµής του υδρογόνου απαιτεί τεράστια κεφάλαια. Το αέριο υδρογόνο έχει πολύ µεγάλο όγκο και αποθηκεύεται δύσκολα. Ακόµα και το υγρό υδρογόνο έχει πολύ µεγαλύτερο όγκο από ποσότητα πετρελαίου που αποδίδει την ίδια ποσότητα ενέργειας. Συνυπολογίζοντας όλο τον εξοπλισµό που χρειάζονται για τη λειτουργία τους, τα συστήµατα κυψελών καυσίµου είναι βαρύτερα και πιο ογκώδη από µηχανές εσωτερικής καύσης, που είναι ικανές να παράγουν αντίστοιχη ποσότητα ενέργειας. 7

18 Ως προς τη δοµή, η κυψέλη καυσίµου αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια ( άνοδο και κάθοδο ), τα οποία χωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη (σχήµα 1.1). Το στρώµα της ανόδου και της καθόδου αποτελείται από το στρώµα διάχυσης αερίων, που είναι υπεύθυνο για την οµοιόµορφη κατανοµή των αερίων στην επιφάνεια του καταλύτη. Οι αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται στην κυψέλη συµβαίνουν στην επιφάνεια πριν τον ηλεκτρολύτη, η οποία είναι εµπλουτισµένη µε έναν καταλύτη συνήθως λευκόχρυσος ή παλλάδιο. Σχήµα 1.1 Λειτουργία κυψέλης [5] Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση του οξυγόνου µε το καύσιµο (υδρογόνο, µεθάνιο, µεθανόλη) µετατρέπεται σε ηλεκτρική. Για την ακρίβεια η απόσπαση των ηλεκτρονίων από τα µόρια του καυσίµου οδηγούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωµα, παράγοντας µε αυτόν τον τρόπο ηλεκτρική ενέργεια. Η θεωρητική τιµή της τάσεως για κυψέλες καυσίµου υδρογόνου κυµαίνεται στα 1.23V για θερµοκρασία 25 C. Στην πράξη όµως το φάσµα των τιµών της τάσεως είναι περίπου 0.5-1V. Για την επίτευξη µεγαλύτερης τάσεως συνδέονται πολλές κυψέλες µαζί, δηµιουργώντας µια συστοιχία κυψελών (stack) όπως θα παρουσιαστεί παρακάτω. 1.3 Τύποι κυψελών καυσίµου Ανάλογα µε την περιοχή χρησιµοποίησης, οι κυψέλες καυσίµου διακρίνονται σε πέντε κύριους τύπους. Τα ονόµατα των κυψελών 8

19 προσδιορίζουν το είδος του µεταφερόµενου ιόντος που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη. Η βασική δοµή των κυψελών αυτών είναι όµοια, διαφοροποιούνται όµως ως προς το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιµοποιούν, τη θερµοκρασία λειτουργίας, τους καταλύτες, την καθαρότητα των αντιδρώντων και τις επιµέρους χηµικές αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται. Οι κύριοι τύποι κυψελών καυσίµου είναι: Αλκαλική κυψέλη καυσίµου (Alkaline Fuel Cell-AFC) Κυψέλη καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane-PEΜFC) Κυψέλη καυσίµου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell-PAFC) Κυψέλη καυσίµου τήγµατος ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cell-MCFC) Κυψέλη καυσίµου στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cell-SOFC) Για την εµπορική χρήση σε επίπεδο χαµηλής θερµοκρασιακής λειτουργίας έχει προταθεί η κυψέλη καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC), ενώ σε υψηλή θερµοκρασιακή λειτουργία η κυψέλη καυσίµου τήγµατος ανθρακικών αλάτων (MCFC) και η στερεών οξειδίων (SOFC). Σχήµα 1.2 H δοµή των διαφόρων τύπων κυψελών καυσίµου [11] 9

20 Πίνακας 1.1 Αντιδράσεις ανόδου και καθόδου [12] 1.4 Ανάλυση της κυψέλης καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) [5] Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναλυθεί η κυψέλη καυσίµου τύπου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Η χρήση αυτών των κυψελών σε εφαρµογές ηλεκτροκίνησης έχει µελετηθεί ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια διότι παρουσιάζουν µεγάλο βαθµό απόδοσης σε σύγκριση µε τις µηχανές εσωτερικής καύσης. Επιπλέον, οι µηχανές εσωτερικής καύσης παράγουν διοξείδιο του άνθρακα σε αντίθεση µε τις κυψέλες καυσίµου τύπου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, οι οποίες παράγουν µόνο νερό. Χαρακτηριστικό των κυψελών καυσίµου PEM είναι η υψηλή πυκνότητα ισχύος, ο στερεός ηλεκτρολύτης, η µεγάλη διάρκεια ζωής και η ανθεκτικότητα τους Αρχή λειτουργίας της κυψέλης καυσίµου PEM Σχήµα 1.3 Χηµικές αντιδράσεις µέσα στην κυψέλη καυσίµου PEM [5] Σε κάθε τύπο κυψέλης καυσίµου πραγµατοποιείται µια οξειδοαναγωγή στα ηλεκτρόδια της. Στην άνοδο της κυψέλης καυσίµου PEM (σχήµα 1.3) οξειδώνεται το υδρογόνο Η 2, ενώ στην κάθοδο έχουµε την αναγωγή του 10

21 οξυγόνου Ο 2. Οι χηµικές αντιδράσεις που λαµβάνουν χώρα σε µία τέτοια κυψέλη είναι οι παρακάτω: Άνοδος: H 2 (g) 2H + (aq) + 2e - Κάθοδος: Ολική: 1/2O 2 (g) + 2H + (aq) + 2e - H 2 O(l) H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O(l) Στην άνοδο το εισερχόµενο υδρογόνο υπό την επίδραση ενός καταλύτη, που όπως θα δούµε παρακάτω είναι ο λευκόχρυσος Pt, οξειδώνεται και διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Το µεταφερόµενο ιόν, που στην περίπτωση της κυψέλης καυσίµου PEMFC είναι το κατιόν Η +, µεταφέρεται από την άνοδο στην κάθοδο διασχίζοντας τον ηλεκτρολύτη, ο οποίος είναι αγώγιµος µόνο για πρωτόνια. Τα ηλεκτρόνια που προκύπτουν από την οξείδωση διασχίζουν το εξωτερικό κύκλωµα, παράγοντας ηλεκτρικό έργο και καταλήγουν στην κάθοδο. Στην κάθοδο αυτά τα ηλεκτρόνια αντιδρούν µε το εισερχόµενο οξυγόνο (αναγωγή) και µε τα πρωτόνια που καταφθάνουν από την άνοδο, διασχίζοντας τον ηλεκτρολύτη. Η χηµική αντίδραση που πραγµατοποιείται στην κάθοδο έχει ως προϊόν το νερό, το όποιο στη συνέχεια εξάγεται από την κυψέλη ή επαναχρησιµοποιείται στην ενυδάτωση των αερίων αντιδρώντων οµή της κυψέλης καυσίµου PEM Η αποδοτικότητα της κυψέλης καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων είναι συνάρτηση των δοµικών στοιχείων που την απαρτίζουν. Ένας παράγοντας που κατέχει σηµαντική θέση στην εύρυθµη λειτουργία της είναι η διαχείριση του νερού. Η κυψέλη πρέπει να ανατροφοδοτείται µε τα αέρια αντιδρώντα και να συλλέγεται το προϊόν της αντίδρασης τους, που είναι το νερό. Η διαχείριση του νερού µέσα στην κυψέλη είναι µία κύρια δραστηριότητα που πρέπει να προβλεφθεί διότι συσχετίζεται άµεσα µε την αγωγιµότητα της µεµβράνης και µε την αντίδραση της αναγωγής στην κάθοδο της κυψέλης. Στο σχήµα 1.4 παρουσιάζεται η εσωτερική δοµή της κυψέλης. Τα κύρια δοµικά στοιχεία της είναι: η µεµβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane-PEM) τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου το στρώµα διάχυσης αερίων (Gas Diffusion Layer-GDL) 11

22 η πλάκα ροής αερίων (Flow Field Plate) και η διπολική πλάκα η συστοιχία κυψελών καυσίµου (stack) Σχήµα 1.4 Η εσωτερική δοµή της κυψέλης [5] Μεµβράνη H µεµβράνη της κυψέλης αποτελείται συνήθως από έναν µm ηλεκτρολύτη που είναι αγώγιµος µόνο για τα πρωτόνια. Η µεµβράνη αυτή πρέπει να είναι επίσης αεροστεγής, να είναι µονωτής για τα ηλεκτρόνια και να έχει µεγάλη µηχανική και θερµική αντοχή σε περίπτωση µεταβολής της πίεσης. Οι ηλεκτρολύτες των κυψελών καυσίµου PEM αποτελούνται από µία πολυµερή µεµβράνη σε στερεά µορφή. Το πιο συνηθισµένο πολυµερές που χρησιµοποιείται σήµερα είναι το Nafion (σχήµα 1.5) και έχει δοµικές οµοιότητες µε το Teflon. Σχήµα 1.5 οµή του πολυµερούς Nafion (C7HF13O5S C2F4 )[5] 12

23 Από το σχήµα µπορούµε να διακρίνουµε τρεις περιοχές. Η πρώτη περιοχή είναι ο κορµός των φθοροανθράκων (-CF2-CF-CF2- ), η οποία επαναλαµβάνεται εκατοντάδες φορές µέσα στη µεµβράνη. Η δεύτερη περιοχή αποτελείται από την πλευρική αλυσίδα (O-CF2-CF- CF3)-O-CF2-CF2- και συνδέει τον κορµό µε την τρίτη περιοχή που αποτελείται από ιόντα θειικού οξέος SO 3 -. Συνεπώς, καθώς διασπάται το µόριο του υδρογόνου στην άνοδο, τα µονατοµικά κατιόντα υδρογόνου H+ εισέρχονται στη µεµβράνη και µεταπηδούν από ένα µόριο SO 3 στο επόµενο. Για να επιτευχθεί αυτό, η µεµβράνη πρέπει να είναι ενυδατωµένη για να είναι αγώγιµη για τα H +. Για το λόγο αυτό η θερµοκρασία λειτουργίας πρέπει να διατηρείται σε χαµηλά επίπεδα. Όλη αυτή η λειτουργία αποδεικνύει πόσο σηµαντική είναι η διαχείριση του νερού µέσα στην κυψέλη καυσίµου. Στην πράξη η κυψέλη καυσίµου λειτουργεί κάτω από τους 100 C, ενώ σε περιπτώσεις που λειτουργούν κυψέλες καυσίµου πάνω από τους 100 C, πρέπει να επικρατούν συνθήκες υψηλής πίεσης ώστε το νερό να διατηρείται σε υγρή µορφή Ηλεκτρόδια Τα ηλεκτρόδια µαζί µε τη µεµβράνη αποτελούν την MEA (Membran Electrode Assembly). Περιέχουν σωµατίδια λευκόχρυσου (Pt) ως καταλύτη και παρουσιάζουν καλή ηλεκτρική αγωγιµότητα, µεγάλη επιφάνεια σύνδεσης µε τον ηλεκτρολύτη και καλές ιδιότητες µεταφοράς αερίων και ιόντων. Η πορώδης µορφή των ηλεκτροδίων επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση των αερίων αντιδρώντων στην επιφάνεια αντίδρασης, όπου πραγµατοποιείται η οξείδωση και η αναγωγή Ο καταλύτης, ο λευκόχρυσος, προσφέρει υψηλούς ρυθµούς αναγωγής του οξυγόνου, το οποίο είναι απαραίτητο, διότι η αντίδραση της καθόδου είναι περίπου εκατό φορές αργότερη από την αντίδραση της οξείδωσης του υδρογόνου. Στην άνοδο, το υδρογόνο αντιδρά µε το λευκόχρυσο και στη συνέχεια διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια σύµφωνα µε την αντίδραση: H 2 + 2Pt 2 (H - Pt) H - Pt H + + e - + Pt Πρέπει να σηµειωθεί το γεγονός ότι λόγω του υψηλού κόστους του λευκόχρυσου, τα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται από πορώδη άνθρακα, στον οποίο γίνεται οµοιόµορφη διασπορά µορίων λευκόχρυσου, τα οποία προσκολλώνται στα άτοµα του άνθρακα. Με αυτόν τον τρόπο ελαχιστοποιείται το κόστος παραγωγής των ηλεκτροδίων. 13

24 Στρώµα διάχυσης αερίων Η κύρια λειτουργία αυτού του στρώµατος είναι να διαχέει οµοιόµορφα τα αέρια αντιδρώντα στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Το στρώµα διάχυσης αερίων (Gas Diffusion Layer) αποτελείται από υδροφοβικό χαρτί γραφίτη που επιτρέπει την εύκολη µεταφορά των αερίων καθώς και την ηλεκτρική αγωγιµότητα των ηλεκτρονίων. Το νερό (προϊόν της αντίδρασης) που συγκεντρώνεται στο στρώµα διάχυσης πρέπει να εξάγεται για να µην οδηγήσει την κυψέλη σε πληµµύρισµα, όµως παράλληλα πρέπει να παραµείνει µια ορισµένη ποσότητα νερού ώστε να καταφθάνει στα ηλεκτρόδια και στη µεµβράνη Πλάκα ροής των αερίων και διπολική πλάκα H πλάκα ροής των αερίων (flow field plate) χαράσσεται πάνω στην τελική πλάκα (από γραφίτη) της ανόδου και της καθόδου σε περίπτωση που πρόκειται για µία µόνο κυψέλη. Επειδή όµως η τάση που εµφανίζει µία συγκεκριµένη κυψέλη καυσίµου είναι µικρή, ενώνονται σε σειρά πολλές κυψέλες, αυξάνοντας µε αυτόν τον τρόπο τη λειτουργική τάση. Εποµένως είναι αναγκαίο να υπάρχουν πλάκες που να έχουν και από τις δύο πλευρές τους χαραγµένα κανάλια (εξ ου και το όνοµα διπολική πλάκα) ώστε να υπάρχει οµοιόµορφη κατανοµή των αερίων στο στρώµα διάχυσης. Τα κανάλια αυτά µπορεί να έχουν, ανάλογα µε την κατασκευή, διαφορετική διάρθρωση (σχήµα 1.6). Στο σχήµα 1.7 παρουσιάζεται η δοµή µίας συστοιχίας κυψελών καυσίµου. 14

25 Σχήµα 1.6 Παραδείγµατα διαφορετικών πλακών ροής αερίων [5] Σχήµα 1.7 Συστοιχία κυψελών καυσίµου [5] 15

26 1.5 Μηχανισµοί που προκαλούν πτώση τάσεως [13],[14] Στην περίπτωση που το παραγόµενο νερό βρίσκεται σε υγρή µορφή, η θεωρητική τιµή της τάσης µιας κυψέλης είναι 1,229V, ενώ στην περίπτωση που το παραγόµενο νερό βρίσκεται σε αέρια κατάσταση η θεωρητική τιµή της τάσης 1,184V. Η διαφορά των δύο τάσεων αντιπροσωπεύει τη λανθάνουσα θερµότητα του ατµοποιηµένου νερού υπό κανονικές συνθήκες. Στην πράξη η θεωρητική τιµή της τάσης δεν προσεγγίζεται ούτε στην περίπτωση του ανοικτού κυκλώµατος. Η τάση ανοικτού κυκλώµατος E OCV στην περίπτωση της κυψέλης καυσίµου PEM είναι κατά 0,2V χαµηλότερη από τη θεωρητική. Η διαφορά αυτή ονοµάζεται τάση πόλωσης ηρεµίας και συµβολίζεται µε E 0. Η διαφορά αυτή οφείλεται στην πεπερασµένη ηλεκτρική αντίσταση του ηλεκτρολύτη για τα ηλεκτρόνια, δηµιουργώντας ένα ρεύµα διαρροής και συνεπώς ένα εσωτερικό βραχυκύκλωµα, αλλά και στη διάχυση του καυσίµου διαµέσου του ηλεκτρολύτη προκαλώντας πτώση των µερικών πιέσεων. Καθώς συνδέεται φορτίο στο εξωτερικό κύκλωµα που ενώνεται µε τα δύο ηλεκτρόδια, ρεύµα ρέει από την άνοδο στην κάθοδο, όσο διάστηµα θα υπάρχει ποσότητα υδρογόνου και οξυγόνου που θα αντιδρά. Η διαδικασία αυτή επιφέρει πτώση στην τάση της κυψέλης, η οποία οφείλεται στους εξής τρείς παράγοντες: Απώλειες ενεργοποίησης (Activation Losses) Ωµικές απώλειες (Ohmic Losses) Μείωση στη συγκέντρωση των αντιδρώντων (Concentration Losses) Απώλειες ενεργοποίησης Οι απώλειες ενεργοποίησης προκύπτουν από την ανάγκη να κινηθούν ηλεκτρόνια και από τη διάσπαση και ένωση χηµικών δεσµών στην άνοδο και στην κάθοδο της κυψέλης καυσίµου. Ένα µέρος της διαθέσιµης ενέργειας χάνεται ώστε να πραγµατοποιηθούν οι απαραίτητες χηµικές αντιδράσεις. Οι απώλειες ενεργοποίησης συµβαίνουν, σύµφωνα µε τα παραπάνω, όχι µόνο στην άνοδο αλλά και στην κάθοδο. Οι αντίδραση της οξείδωσης του υδρογόνου στην άνοδο είναι πολύ γρήγορη, ενώ η αναγωγή του οξυγόνου στην κάθοδο ολοκληρώνεται µε πολύ αργούς ρυθµούς. Οι απώλειες ενεργοποίησης εκφράζονται µαθηµατικά και µε µία πιο εµπειρική εξίσωση που βασίζεται σε ηλεκτροχηµικές παρατηρήσεις, γνωστή ως εξίσωση Tafel: 16 (1.1)

27 όπου, (1.2) j είναι η πυκνότητα ρεύµατος της κυψέλης και ισούται µε τη διαφορά των ρευµάτων που δηµιουργούνται στην οξείδωση (άνοδο) και στην αναγωγή (κάθοδο), j 0 είναι η πυκνότητα ρεύµατος ανταλλαγής (current exchange density), α ο συντελεστής µεταφοράς (coefficient transfer), F η σταθερά του Faraday και R η σταθερά των αερίων Ωµικές απώλειες Οι ωµικές απώλειες προκαλούνται από τη µεταφορά των αγώγιµων φορτίων µέσα στην κυψέλη. Τα φορτισµένα σωµατίδια που είτε είναι ηλεκτρόνια είτε κατιόντα υδρογόνου (Η + ), συνεισφέρουν στην πτώση τάσης της κυψέλης. Οι απώλειες λόγω των ηλεκτρονίων οφείλονται κυρίως στις µη ιδανικές συνδέσεις των διαφόρων στρωµάτων (στρώµα υποστήριξης, διπολικών πλακών). Η µεγαλύτερη ωµική απώλεια οφείλεται στα κατιόντα υδρογόνου που διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη. Αυτό οφείλεται στη χαµηλή αγωγιµότητα που εµφανίζεται στον ηλεκτρολύτη σε αντίθεση µε τα διάφορα άλλα µεταλλικά στρώµατα. Οι ωµικές απώλειες συνεπώς γράφονται: (1.3) Αν υποτεθεί ότι ο όρος της αντίστασης που αναφέρεται στην αγωγιµότητα των κατιόντων υπερτερεί, τότε η απώλεια της τάσεως οφειλόµενη στην ωµική αντίσταση γράφεται: (1.4) Από την παραπάνω εξίσωση µπορεί να εξαχθεί το συµπέρασµα ότι η ωµική απώλεια είναι ανάλογη του πάχους του ηλεκτρολύτη και αντιστρόφως ανάλογη της ιοντικής αγωγιµότητας. Αξιοσηµείωτο είναι το γεγονός ότι η ιοντική αγωγιµότητα της µεµβράνης εξαρτάται από την ποσότητα του νερού που περιέχει. Η µείωση του πάχους της µεµβράνης, όπως φαίνεται και από την εξίσωση (1.4), θα µπορούσε να µειώσει τις ωµικές απώλειες θα προκαλούσε όµως άλλου είδους προβλήµατα. Λόγω των περιορισµών αυτών το πάχος των µεµβρανών, σύµφωνα µε τα σηµερινά δεδοµένα, δεν µπορεί να µειωθεί περαιτέρω των µm. 17

28 1.5.3 Μείωση στη συγκέντρωση των αντιδρώντων Η πτώση τάσεως λόγω µείωσης της συγκέντρωσης των αντιδρώντων εµφανίζεται σε όλο το φάσµα της πυκνότητας ρεύµατος, όµως σε υψηλές πυκνότητες ρεύµατος γίνεται πολύ πιο αισθητή. Οι χηµικές αντιδράσεις πραγµατοποιούνται στην περιοχή ακριβώς µεταξύ µεµβράνης και ηλεκτροδίου. Το υδρογόνο, όπως και το οξυγόνο, πρέπει µέσω της διαδικασίας της διάχυσης να βρεθεί στο συγκεκριµένο αυτό σηµείο. Στην κυψέλη καυσίµου όµως το υδρογόνο και το οξυγόνο διέρχονται µέσα από το στρώµα διάχυσης των αερίων (gas diffusion layer). Όταν δεν υπάρχει φορτίο, συνεπώς ούτε και ρεύµα, η συγκέντρωση των αντιδρώντων είναι ίδια µε αυτή που εµφανίζεται και στην περιοχή του συλλέκτη (flow field pattern). Όταν όµως ρέει ρεύµα, η διάχυση των στοιχείων στην περιοχή που πραγµατοποιούνται οι χηµικές αντιδράσεις επιβραδύνεται και εµποδίζεται από τη ροή του ρεύµατος. Το πρόβληµα αυτό είναι ακόµη πιο έντονο στην κάθοδο, όπου το οξυγόνο συναντά αντίσταση που οφείλεται στην παραγόµενη ποσότητα του νερού που κλείνει τις λεπτές διαδροµές του στρώµατος διάχυσης. Η µαθηµατική έκφραση της απώλειας είναι η ακόλουθη: (1.5) όπου l j το ρεύµα κατά το οποίο το καύσιµο καταναλώνεται µε ρυθµό ίσο µε τη µέγιστη ροή ανεφοδιασµού του και n ο αριθµός των ηλεκτρονίων που µεταφέρονται ανά αντίδραση. 1.6 Χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος της κυψέλης [5],[15] Η χαρακτηριστική της κυψέλης καυσίµου χωρίζεται σε τρεις περιοχές. Στις χαµηλές πυκνότητες ρεύµατος επικρατούν οι απώλειες ενεργοποίησης που οδηγούν σε απότοµη πτώση της τάσεως. Στη δεύτερη περιοχή, που περιλαµβάνει τις πυκνότητες ρεύµατος µεταξύ ma/cm 2, επικρατούν οι ωµικές απώλειες. Σε αυτήν την περιοχή παρατηρείται γραµµική πτώση της τάσης και χαρακτηρίζει την περιοχή λειτουργίας της κυψέλης. Στην τρίτη περιοχή, από 600 ma/cm 2 και πάνω, υπερισχύουν οι απώλειες συγκέντρωσης. Αυτές οι µη γραµµικές απώλειες προκαλούν ραγδαία πτώση της τάσεως καθώς προσεγγίζεται το όριο της πυκνότητας ρεύµατος. Το όριο αυτό της πυκνότητας ρεύµατος (j L ) παρουσιάζει και το ρεύµα βραχυκύκλωσης της κυψέλης. Πρέπει να σηµειωθεί και να τονιστεί το γεγονός ότι και οι τρεις µηχανισµοί απωλειών λειτουργούν ταυτόχρονα σε όλο το φάσµα της πυκνότητας ρεύµατος της κυψέλης. Λαµβάνοντας υπόψη τα παραπάνω µπορεί να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος της κυψέλης (polarization curve). Συνεπώς, η τάση της κυψέλης θα ισούται µε: 18

29 (1.6) Στο σχήµα 1.9 παρουσιάζεται µία χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος για µία µεµονωµένη κυψέλη καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Παράλληλα αποτυπώνονται και οι µηχανισµοί που προκαλούν πτώση τάσεως καθώς και οι περιοχές στις οποίες παρουσιάζονται. Σχήµα 1.8: Χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος µεµονωµένης κυψέλης [15] 19

30 1.7 Πλεονεκτήµατα και Εφαρµογές [5] Το κυριότερο µειονέκτηµα όλων των τύπων κελιών καυσίµου είναι το κόστος. Παρόλα αυτά υπάρχουν διάφορα πλεονεκτήµατα, που διαφέρουν ανάλογα µε τον τύπο του κελιού. Αυτά αφορούν τα επόµενα : Απόδοση : Τα κελιά καυσίµου είναι γενικά περισσότερο αποδοτικά από τις µηχανές καύσης είτε αυτές χρησιµοποιούν έµβολα, είτε τουρµπίνες. Ακόµα, είτε είναι µικρό το σύστηµα των κελιών καυσίµου είτε είναι µεγάλο είναι εξίσου αποδοτικό. Αυτό είναι εξαιρετικά σηµαντικό στα συστήµατα συνδυασµένης παραγωγής για µικρές εφαρµογές, όπως για οικιακή χρήση. Απλότητα : Τα απαραίτητα και ζωτικά στοιχεία για ένα κελί είναι ιδιαίτερα απλά, µε ελάχιστα ή καθόλου κινούµενα µέρη. Αυτό µπορεί να οδηγήσει σε εξαιρετικής διάρκειας ζωής και αξιοπιστίας συστήµατα. Μικρές Εκποµπές Ρύπων : Το προϊόν της κύριας αντίδρασης ενός κελιού καυσίµου, όταν το καύσιµο είναι υδρογόνο, είναι καθαρό νερό, το οποίο σηµαίνει ότι το κελί καυσίµου µπορεί να θεωρηθεί ως µια µηχανή µηδενικών εκποµπών ρύπων. Αυτό είναι και το κύριο πλεονέκτηµά τους όταν χρησιµοποιηθούν στην αυτοκίνηση, καθώς η χρήση τους µπορεί να εξαλείψει τους ρύπους που δηµιουργούνται στις πόλεις. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η παραγωγή υδρογόνου για να χρησιµοποιηθεί για καύσιµο απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα. Θόρυβος : Τα κελιά καυσίµου είναι ιδιαίτερα σιωπηλά, ακόµα και αυτά που χρησιµοποιούν ειδικές διατάξεις για την παροχή και επεξεργασία του καύσιµου. Αυτό είναι πολύ σηµαντικό σε εφαρµογές που απαιτούν φορητότητα καθώς και σε µικρά συστήµατα συνδυασµένης παραγωγής. Το γεγονός ότι το υδρογόνο είναι το προτιµώµενο καύσιµο είναι από τα κύρια µειονεκτήµατα των κελιών καυσίµου. Παρόλα αυτά είναι πολύ που θεωρούν ότι αυτό είναι και από τα κύρια πλεονεκτήµατα. Προβλέπεται ότι τα ορυκτά καύσιµα θα τελειώσουν σε µερικές δεκαετίες, και ότι το υδρογόνο θα γίνει το κύριο καύσιµο του πλανήτη και ο κύριος ενεργειακός παράγοντας. Η παραγωγή του θα γίνεται από µεγάλες συστοιχίες ηλιακών συλλεκτών που θα ηλεκτρολύουν το νερό. Τα κελιά καυσίµου καθιστούν εύκολη την δηµιουργία συστηµάτων συνδυασµένης παραγωγής (τόσο σε µεγάλη όσο και σε µικρή κλίµακα) και φυσικά την δηµιουργία συστηµάτων για φορητές εφαρµογές, ιδιαίτερα στα οχήµατα και σε ηλεκτρονικό εξοπλισµό όπως είναι οι φορητοί υπολογιστές, τα κινητά τηλέφωνα και στρατιωτικό εξοπλισµό επικοινωνιών, εν ολίγοις θα είναι ένας καλός αντικαταστάτης σε εφαρµογές που µέχρι σήµερα χρησιµοποιούν µπαταρίες και οι µόνο. Αυτά είναι τα κύρια πεδία τα οποία χρησιµοποιούνται σήµερα τα κελιά καυσίµου. 20

31 Η κυψέλη καυσίµου, όπως εξηγήθηκε, παράγει συνεχές ρεύµα και τάση. Συνεπώς, για τη σύνδεση της σε ένα φορτίο απαιτείται η παρεµβολή ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. Συγκεκριµένα στην έξοδο της κυψέλης συνδέεται ένας µετατροπέας ανύψωσης που σκοπεύει να αυξήσει και να σταθεροποιήσει τη συνεχή τάση εξόδου της κυψέλης καυσίµου στην επιθυµητή τιµή. Ανάλογα µε την εφαρµογή, συνδέεται και ένας αντιστροφέας που µετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόµενη. Για εφαρµογές ηλεκτροκίνησης, εκτός από τον κινητήρα που µετατρέπει την ηλεκτρική ισχύ σε µηχανική, πρέπει να προστεθούν και συσσωρευτές ώστε να προσφέρεται η απαιτούµενη ισχύς που παρουσιάζεται στις γρήγορες µεταβολές του φορτίου. Σχήµα 1.9 Μετατροπείς ισχύος στα συστήµατα κυψελών καυσίµου 21

32 22

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ «Nexa Power Module» 2.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει µια ανάλυση του συστήµατος κελιών καυσίµου που χρησιµοποιήθηκε στην πειραµατική διάταξη της παρούσης διπλωµατικής εργασίας. Πρόκειται για ένα ολοκληρωµένο σύστηµα στοίβας κεψελών καυσίµου τεχνολογίας PEM από την Ballard, το οποίο συνοδεύεται από έναν προσωπικό υπολογιστή για την ανάλυση των αποτελεσµάτων και την διαχείριση του συστήµατος. 2.2 Το ολοκληρωµένο σύστηµα «Nexa Power Module» [16] Εισαγωγή Το «Nexa Power Module» είναι ένα µικρό, χαµηλής συντηρήσεως, πλήρως αυτοµατοποιηµένο σύστηµα κυψελών καυσίµου το οποίο είναι σχεδιασµένο για να τοποθετηθεί σε φορητές εφαρµογές και σε συστήµατα βοηθητικής παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστηµα αυτό είναι ικανό να αποδόσει µέχρι 1200 watt ηλεκτρικής ισχύος στην συνεχή τάση των 26 volt. Χρειάζεται εξωτερική τροφοδοσία καύσιµου υδρογόνου και η διάρκεια της λειτουργίας του µπορεί να περιοριστεί µόνο από την ικανότητα αποθήκευσης του καυσίµου. Η χρήση υδρογόνου ως καύσιµο το καθιστά εξαιρετικά ήσυχο και φιλικό προς το περιβάλλον, διότι δεν παράγει επιβλαβή προϊόντα. Χρησιµοποιεί µια στοίβα κυψελών καυσίµου κατασκευασµένη από την Ballard και έχει µερικά υποσυστήµατα τα οποία είναι απαραίτητα για να λειτουργήσει. Τα υποσυστήµατα του συµπεριλαµβάνουν το σύστηµα τροφοδοσίας του υδρογόνου και του αέρα, καθώς και το σύστηµα ψύξης. ιαθέτει ενσωµατωµένους αισθητήρες που παρακολουθούν την απόδοση του συστήµατος και ένα µικροεπεξεργαστή που αυτοµατοποιεί το όλο σύστηµα. 23

34 Σχήµα 2.1 Λειτουργικό Σχεδιάγραµµα του Συστήµατος «Nexa Power Module» [16] Η στοίβα κυψελών καυσίµου του συστήµατος παράγει µη σταθεροποιηµένη ισχύ µε την χρήση αέρα και υδρογόνου ως αντιδρώντα. Τα µόνα προϊόντα της αντίδρασης είναι νερό και θερµότητα. Η στοίβα κυψελών καυσίµου τεχνολογίας PEM, λειτουργεί σε χαµηλή πίεση, µειώνοντας έτσι όλες τις παρασιτικές απώλειες, τον παραγόµενο θόρυβο και αυξάνοντας την αξιοπιστία του συστήµατος. Επίσης, η αρχιτεκτονική της στοίβας δεν απαιτεί εξωτερική ενυδάτωση του καυσίµου. Το σύστηµα είναι αερόψυκτο, πράγµα που απλοποιεί ακόµα περισσότερο την κατασκευή και την λειτουργία του. Η ηλεκτρική ισχύς που παράγει είναι 1,2kW. Η τάση εξόδου εξαρτάται από την ισχύ και µεταβάλλεται από 43V στην κατάσταση ανοικτού κυκλώµατος, µέχρι 26V σε πλήρες φορτίο. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας, η τάση της στοίβας επιτηρείται για διάφορους λόγους, όπως είναι η ασφάλεια, η διάγνωση και ο έλεγχος. (Σχήµα 2.1). Επιπρόσθετα, το σύστηµα ελέγχου της τάσης των κυψελών παρακολουθεί την απόδοση των κυψελών ανά ζευγάρια και διακρίνει ποια κυψέλη έχει µειωµένη απόδοση. Η µονάδα ελέγχου του συστήµατος θα σταµατήσει την λειτουργία του, είτε σε περίπτωση σφάλµατος, είτε σε περίπτωση µη ασφαλής λειτουργίας της στοίβας. 24

35 2.2.2 Το σύστηµα τροφοδοσίας υδρογόνου Το «Nexa Power Module» λειτουργεί µε καθαρό, ξηρό υδρογόνο από οποιαδήποτε διαθέσιµη πηγή. Το σύστηµα τροφοδοσίας καυσίµου, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.1, παρακολουθεί και ρυθµίζει την παροχή υδρογόνου στην στοίβα. Το υποσύστηµα τροφοδοσίας καυσίµου αποτελείται από τα παρακάτω µέρη: Ένας ελεγκτής της πίεσης παρακολουθεί τις συνθήκες ροής του καυσίµου για να διασφαλίσει ότι υπάρχει αρκετό καύσιµο για την λειτουργία του συστήµατος. Μια βαλβίδα απελευθέρωσης καυσίµου προστατεύει τα εξαρτήµατα από την υπερβολική αύξηση της πίεσης του καυσίµου. Μια βαλβίδα µε σωληνοειδές, η οποία παρέχει αποµόνωση από την παροχή του καυσίµου κατά τον τερµατισµό της λειτουργίας του συστήµατος. Ένας ρυθµιστής πίεσης ο οποίος διατηρεί κατάλληλη πίεση στο παρεχόµενο καύσιµο Ένας ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου, ο οποίος παρακολουθεί τα επίπεδα της συγκέντρωσης του υδρογόνου κοντά στο σύστηµα παροχής καυσίµου. Σε περίπτωση ανόδου της συγκέντρωσης εµφανίζεται προειδοποιητικό σήµα και γίνεται τερµατισµός της λειτουργίας του συστήµατος. Η στοίβα βρίσκεται υπό την πίεση του παρεχόµενου υδρογόνου κατά την διάρκεια της λειτουργίας. Το σύστηµα ρύθµισης της πίεσης φροντίζει να υπάρχει αρκετό υδρογόνο, το οποίο καταναλώνεται κατά την λειτουργία. Το άζωτο και το παραγόµενο νερό στο κύκλωµα των καναλιών του αέρα µετακινείται αργά κατά µήκος των κυψελών της στοίβας και σταδιακά συσσωρεύεται στο κύκλωµα καναλιών του υδρογόνου. Η συσσώρευση του αζώτου και του νερού στην άνοδο έχει ως αποτέλεσµα µια σταδιακή µείωση της απόδοσης συγκεκριµένων κυψελών, οι οποίες ονοµάζονται κυψέλες εκκαθάρισης. Η παραγόµενη τάση αυτών των κυψελών παρακολουθείται και ανάλογα µε την τιµή της, µια βαλβίδα καθαρισµού απελευθερώνει υδρογόνο περιοδικά στην έξοδο της στοίβας για να αποµακρύνει αδρανή συστατικά στην άνοδο και να αποκαταστήσει την απόδοση. Μόνο ένα µικρό ποσοστό του καυσίµου χρησιµοποιείται για καθαρισµό, και είναι µικρότερο από 1% του συνολικού καυσίµου που καταναλώνεται κάθε στιγµή. Το υδρογόνο του έχει χρησιµοποιήθηκε για τον καθαρισµό τροφοδοτείται στο σύστηµα ψύξης, πριν αποµακρυνθεί από το σύστηµα, όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.1. Το υδρογόνο διαχέεται στο σύστηµα ψύξης µέσω του αέρα, και µειώνεται η συγκέντρωση του, πολύ κάτω από το όριο επικινδυνότητας. Ο 25

36 ανιχνευτής διαρροής του υδρογόνου, ο οποίος είναι τοποθετηµένος στο σηµείο εξόδου του συστήµατος ψύξης, διασφαλίζει ότι η συγκέντρωση του υδρογόνου είναι πολύ µικρότερη από το όριο επικινδυνότητας. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά το «Nexa Power Module» ικανό για εσωτερική χρήση Το σύστηµα τροφοδοσίας αέρα Ένας µικρός συµπιεστής τροφοδοτεί µε περίσσια οξειδωτικού αέρα την στοίβα των κυψελών καυσίµου, για να συντηρεί την αντίδραση. Ένα φίλτρο εισαγωγής αέρα προστατεύει τον συµπιεστή και τα εξαρτήµατα µετά από αυτόν από µικροσωµατίδια που βρίσκονται στον ατµοσφαιρικό αέρα. Η ταχύτητα του συµπιεστή προσαρµόζεται ανάλογα µε το ρεύµα που απαιτείται από την στοίβα. Μεγάλα ρεύµατα απαιτούν και µεγαλύτερες παροχές αέρα. Ένας αισθητήρας ροής αέρα µετράει και προσαρµόζει ανάλογα την ταχύτητα του συµπιεστή στην εκάστοτε απαίτηση ρεύµατος. Ο οξειδωτικός αέρας υγραίνεται πριν φτάσει τα κελιά καυσίµου, για να διατηρηθεί ο κορεσµός της υγρασίας στις µεµβράνες και ταυτόχρονα να διατηρηθεί σε υψηλό βαθµό η διάρκεια ζωής των κυψελών. Ένας εναλλάκτης υγρασίας µεταφέρει ταυτόχρονα το παραγόµενο νερό και την θερµότητα από την κάθοδο, στην είσοδο του ξηρού αέρα. Το παραπανίσιο παραγόµενο νερό αποµακρύνεται από το σύστηµα, σε υγρή και αέρια µορφή, στην έξοδο του οξειδωτικού αέρα, δηλαδή στην «εξάτµιση» τις στοίβας. Το παραγόµενο νερό θα πρέπει να διαχειρίζεται µε µία ολοκληρωµένη, τερµατισµένη σχεδίαση των αγωγών. Το παραπανίσιο νερό πιθανόν να εξατµιστεί προς το περιβάλλον, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.1. Εναλλακτικά, το παραγόµενο νερό µπορεί να συλλεγεί µε έναν αγωγό Το σύστηµα ψύξης Το «Nexa Power Module» είναι αερόψυκτο. Ένας ανεµιστήρας τοποθετηµένος στην βάση της µονάδας διοχετεύει αέρα κάθετα µέσα στα κανάλια ψύξης στην στοίβα. Η θερµοκρασία λειτουργίας του συστήµατος διατηρείται στους 65 βαθµούς Κελσίου, µεταβάλλοντας κατάλληλα την ταχύτητα του ανεµιστήρα. Η θερµοκρασία µετράται στην κάθοδο, που βρίσκεται και η έξοδος του αέρα, όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.1. Ζεστός αέρας από το σύστηµα ψύξης µπορεί να χρησιµοποιηθεί για θέρµανση χώρων, σε ορισµένες περιπτώσεις. Το σύστηµα ψύξης χρησιµοποιείται για να διαλύσει το χρησιµοποιούµενο για τον καθαρισµό υδρογόνο, που αποβάλλεται κατά την διάρκεια κανονικής λειτουργίας. Το υδρογόνο απελευθερώνεται στην ροή του ψυκτικού αέρα µέσω της αυτόµατής βαλβίδας καθαρισµού, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.1. Το υδρογόνο γρήγορα διαχέεται 26

37 στον αέρα η συγκέντρωσή µειώνεται σε επίπεδα πολύ χαµηλότερα από το όριο ανάφλεξης (LFL) του υδρογόνου. Για λόγους ασφαλείας, είναι τοποθετηµένος ένας αισθητήρας υδρογόνου στην εξαγωγή του ψυκτικού αέρα και παρέχει στοιχεία στο σύστηµα ελέγχου. Το σύστηµα ελέγχου παράγει προειδοποιητικά σήµατα και συναγερµούς εάν η συγκέντρωση του υδρογόνου πλησιάσει το 25% του ορίου ανάφλεξης (LFL) Το ηλεκτρονικό σύστηµα ελέγχου Η λειτουργία του «Nexa Power Module» είναι πλήρως αυτοµατοποιηµένη από ένα ηλεκτρονικό σύστηµα ελέγχου. Η µονάδα ελέγχου λαµβάνει διάφορα σήµατα εισόδου από τους διάφορους αισθητήρες που υπάρχουν στο σύστηµα. Κάποια από τα σήµατα ελέγχου είναι: οι διάφορες θερµοκρασιακές µετρήσεις της στοίβας, η πίεση του υδρογόνου, οι συγκεντρώσεις διαρροής του υδρογόνου, το ρεύµα που διαρρέει την στοίβα, η ροή της µάζας του αέρα, η τάση της στοίβας και η τάση της κυψέλης καθαρισµού. Η κατάσταση του συστήµατος του ελεγκτή της τάσης της κυψέλης (CVC), είναι επίσης µια είσοδος στο σύστηµα ελέγχου, παράγοντας ένα ψηφιακό σήµα δύο καταστάσεων που δηλώνουν την καλή ή λανθασµένη λειτουργία της στοίβας αντίστοιχα. Η συγκέντρωση του οξυγόνου στο περιβάλλον που βρίσκεται η συσκευή, µετράται από έναν ενσωµατωµένο αισθητήρα, για την διασφάλιση ιδανικών συνθηκών περιβάλλοντος για τον χρήστη της συσκευής. Αναλογικά και ψηφιακά σήµατα εξόδου παράγονται από τον ελεγκτή για να ρυθµίσουν όλες τις λειτουργίες. Εντολές ελέγχου παράγονται για τον έλεγχο των βαλβίδων του υδρογόνου και του καθαρισµού, οι οποίες είναι ηλεκτροµαγνητικές, για να αποµονώσουν την πηγή του υδρογόνου όταν το σύστηµα δεν είναι σε λειτουργία. Η ταχύτητα του συµπιεστή του αέρα µεταβάλλεται ανάλογα µε την ζήτηση του ρεύµατος. Η ταχύτητα του ανεµιστήρα του συστήµατος ψύξης ρυθµίζεται ανάλογα για να διατηρηθεί µια σταθερή θερµοκρασία στην στοίβα. Η σύνδεση του εξωτερικού ηλεκτρικού φορτίου γίνεται µέσω ενός ηλεκτρονόµου τον οποίο ελέγχει η µονάδα ελέγχου. Η επικοινωνία από και προς την µονάδα ελέγχου γίνεται µέσω εξωτερικού εξοπλισµού, µε την χρήση της σειριακής σύνδεσης RS-485. Τα µεταδιδόµενα δεδοµένα από την µονάδα ελέγχου, ενηµερώνουν το χρήστη για την απόδοση και την κατάσταση του συστήµατος. Η µονάδα ελέγχου δέχεται λειτουργικές και διαγνωστικές εντολές. Συνθήκες λειτουργίας οι οποίες είναι είτε µη ασφαλείς είτε ασυνήθιστες, έχουν ως αποτέλεσµα προειδοποιητικά µηνύµατα ή συναγερµούς και αυτόµατη διακοπή της λειτουργίας, ανάλογα µε την επικινδυνότητα της κατάστασης. Όταν εµφανιστεί µια προειδοποίηση, το σύστηµα συνεχίζει να 27

38 λειτουργεί, και η µονάδα ελέγχου προσπαθεί να επαναφέρει τις ιδανικές συνθήκες λειτουργίας λύνοντας το πρόβληµα. Κατά την διάρκεια ενός συναγερµού, η µονάδα ελέγχου αυτόµατα τερµατίζει την λειτουργία του συστήµατος. Απενεργοποιώντας τον διακόπτη εκκίνησης, τα περισσότερα σήµατα συναγερµών θα απενεργοποιηθούν, και το σύστηµα µπορεί να κάνει επανεκκίνηση. Για λόγους ασφαλείας ορισµένα σήµατα συναγερµών όπως διαρροές υδρογόνου, διαγνωστικά σφάλµατα και σφάλµατα λογισµικού µπορούν να απενεργοποιηθούν µόνο από την κατασκευάστρια εταιρεία. Όταν τεθεί σε λειτουργία, η µονάδα ελέγχου µεταδίδει δεδοµένα κάθε 200ms. Τα µεταδιδόµενα δεδοµένα περιέχουν κωδικούς κατάστασης του συστήµατος, κωδικούς προειδοποιήσεων και συναγερµών. Η µονάδα ελέγχου συνδέθηκε µε έναν προσωπικό υπολογιστή για παρακολούθηση των διαφόρων λειτουργιών του «Nexa Power Module» Τα συστήµατα ασφαλείας Το «Nexa Power Module» έχει αυτοµατοποιηµένες λειτουργίες για να διασφαλίσει την ασφάλεια του χρήστη και να εµποδίσει καταστροφή του εξοπλισµού. Μια προειδοποίηση ή ένας συναγερµός θα εµφανιστεί όταν η λειτουργία του συστήµατος είναι µη ασφαλής ή εκτός συνήθων συνθηκών, ανάλογα µε την σοβαρότητα της κατάστασης. Το σύστηµα ασφαλείας εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες : Οι παράµετροι λειτουργίας του συστήµατος παρακολουθούνται συνεχώς για να διασφαλιστεί ότι θα βρίσκονται µέσα στα προβλεπόµενα όρια. Αυτές οι παράµετροι συµπεριλαµβάνουν την θερµοκρασία λειτουργίας, το ρεύµα που διαρρέει την στοίβα, την τάση λειτουργίας και την πίεση του παρεχόµενου καυσίµου. Ειδοποιήσεις και συναγερµοί ενεργοποιούνται αν οποιαδήποτε από αυτές τις παραµέτρους ξεφύγει από τα επιθυµητά όρια. Ο ελεγκτής της τάσης της κυψέλης, παρακολουθεί συνεχώς τη λειτουργία και την απόδοση κάθε ζεύγους κυψελών ξεχωριστά. Η παρουσία µιας ελαττωµατικής κυψέλης θα προκαλέσει αυτόµατα τον τερµατισµό της λειτουργίας του συστήµατος. Ο ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου είναι τοποθετηµένος κοντά στο υποσύστηµα διανοµής του καυσίµου. Ενταµιευµένος κατάλληλα µέσα στο σύστηµα ψύξης µπορεί να ανιχνεύει υπερβολική ποσότητα υδρογόνου καθαρισµού ή την παρουσία εξωτερικής διαρροής καυσίµου. Εάν ξεπεραστούν τα προκαθορισµένα όρια θα γίνει αυτόµατος τερµατισµός της λειτουργίας του συστήµατος. Το «Nexa Power Module» εξοπλίζεται µε έναν αισθητήρα οξυγόνου για να µετράται η συγκέντρωσή του στον περιβάλλοντα αέρα. ιασφαλίζοντας έτσι 28

39 τους χρήστες του συστήµατος, όταν αυτό λειτουργεί σε µη επαρκώς αεριζόµενους χώρους. Το σύστηµα θα τερµατίσει την λειτουργία του αυτόµατα όταν τα επίπεδα συγκέντρωσης του οξυγόνου πέσουν κάτω από τα επιτρεπτά όρια ασφαλείας. Πέρα από τις διάφορες προειδοποιήσεις και συναγερµούς, το σύστηµα ενσωµατώνει και άλλα χαρακτηριστικά ασφαλείας : Όταν το σύστηµα βγαίνει εκτός λειτουργίας ενεργοποιείται µια βαλβίδα αποκοπής του καυσίµου. Αυτή η λειτουργία αποµονώνει την παροχή του καυσίµου και αποτρέπει να εισέρθει υδρογόνο στην στοίβα των κελιών, στην περίπτωση που έχει ενεργοποιηθεί κάποιος συναγερµός. Σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας, το υδρογόνο από το σύστηµα καθαρισµού αναµιγνύεται µε τον αέρα από το σύστηµα ψύξης, όπου γρήγορα διαχέεται και διαλύεται σε συγκεντρώσεις πολύ µικρότερες από την συγκέντρωση ανάφλεξης του υδρογόνου (LFL). Μια βαλβίδα απελευθέρωσης υδρογόνου, ανοίγει κάθε φορά που η πίεση ξεπεράσει τα επιθυµητά όρια λειτουργίας, και απελευθερώνει το παραπανίσιο υδρογόνο στο σύστηµα ψύξης για να προστατευτεί ο εξοπλισµός από υπερπιέσεις. Εάν η συγκέντρωση του απελευθερωµένου υδρογόνου ξεπεράσει τα όρια ασφαλείας τότε η λειτουργία του συστήµατος διακόπτεται Κανονική λειτουργία Για να λειτουργήσει το σύστηµα, χρειάζεται τα εξής πράγµατα : µια πηγή 24V, για να επιτευχθούν οι διαδικασίες έναρξης και τερµατισµού λειτουργίας, επαρκή παροχή καυσίµου υδρογόνου και ένα σήµα 5V για να ενεργοποιηθεί το σύστηµα ελέγχου. Όταν το σύστηµα ενεργοποιηθεί, θα αποδόσει ηλεκτρική ισχύ ανάλογα µε την ζήτηση. Πριν εφαρµοστεί εξωτερική ισχύς, το «Nexa Power Module» παραµένει απενεργοποιηµένο. Σε αυτή την κατάσταση οι αισθητήρες, οι ενεργοποιητές και ο µικροεπεξεργαστής είναι απενεργοποιηµένοι. Όταν δοθεί τροφοδοσία 24V στην µονάδα ελέγχου, τότε το σύστηµα πηγαίνει στην κατάσταση αναµονής. Στην κατάσταση αναµονής οι αισθητήρες και οι ενεργοποιητές θα ενεργοποιηθούν και ο µικροεπεξεργαστής θα αρχίσει να µεταδίδει δεδοµένα και να ενηµερώνει για την κατάσταση του συστήµατος. Όταν στην κατάσταση αναµονής εφαρµοστεί το σήµα έναρξης 5V, η µονάδα του ελέγχου θα αρχίσει την διαδικασία έναρξης της λειτουργίας του συστήµατος. Η βαλβίδα του καυσίµου θα ανοίξει και η βαλβίδα καθαρισµού ανοιγοκλείνει περιοδικά για να γεµίσει η στοίβα των κυψελών µε καύσιµο. Ο 29

40 συµπιεστής του αέρα ενεργοποιείται για να παρέχει αρκετό αέρα στην στοίβα των κυψελών. Τελικά, ενεργοποιείται και ο ανεµιστήρας του συστήµατος ψύξης για να ρυθµίσει την θερµοκρασία του συστήµατος καθώς και να γίνει διάλυση του υδρογόνου που αποβάλλεται από το σύστηµα καθαρισµού. Κατά την διάρκεια της διαδικασίας ενεργοποίησης, η τάση της στοίβας αυξάνεται από το µηδέν µέχρι την τιµή ανοιχτού κυκλώµατος. Όταν ολοκληρωθούν µια σειρά από ελέγχους του σύστηµα µεταβαίνει στην κατάσταση λειτουργίας. Αυτή η διαδικασία εκκίνησης διαρκεί τυπικά από 10 έως 30 δευτερόλεπτα. Όταν το σύστηµα είναι σε κατάσταση λειτουργίας, το «Nexa Power Module» τροφοδοτεί πλέον την µονάδα ελέγχου από την παραγόµενη από την στοίβα ενέργεια, και όχι από την εξωτερική πηγή ενέργειας. Ο ηλεκτρονόµος ενεργοποιείται και συνδέει το εξωτερικό φορτίο µε την στοίβα. Σε αυτό το σηµείο µπορεί το σύστηµα πλέον να αποδώσει το µέγιστο της ισχύος του. Πολλαπλές ειδοποιήσεις µπορούν να εµφανιστούν κατά την διάρκεια κανονικής λειτουργίας. Εάν ξεπεραστούν τα κανονικά όρια λειτουργίας και ενεργοποιηθούν οι συναγερµοί, τότε το σύστηµα κάνει αυτόµατα τερµατισµό της λειτουργίας. Όταν το σήµα των 5V αποµακρυνθεί από την µονάδα ελέγχου, το σύστηµα µεταβαίνει στην κατάσταση τερµατισµού λειτουργίας. Κατά την διαδικασία του τερµατισµού, ο ηλεκτρονόµος αποµονώνει το εξωτερικό φορτίο για να αποµονώσει την στοίβα των κυψελών και µεταφέρεται η τροφοδοσία της µονάδας ελέγχου από την στοίβα κυψελών στην εξωτερική πηγή τροφοδοσίας. Εάν το «Nexa Power Module» έχει ξεπεράσει σε διάρκεια λειτουργίας τα 60 δευτερόλεπτα, κατά την διάρκεια του τερµατισµού θα ενεργοποιηθεί η βαλβίδα καθαρισµού για να αποµακρυνθεί το παραχθέν νερό από τα κανάλια ροής στην άνοδο και στην κάθοδο. Η διαδικασία του τερµατισµού σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας διαρκεί περίπου 45 δευτερόλεπτα. 2.3 Ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές διασυνδέσεις του συστήµατος Στο σχήµα 2.2 απεικονίζονται οι ηλεκτρικές διασυνδέσεις του συστήµατος που είναι αναγκαίες για τη λειτουργία του συστήµατος. Η κάρτα ελέγχου επικοινωνεί µε τα υπόλοιπα συστήµατα µέσω της θύρας εισόδου της. Οι συσκευές, από τις οποίες απαρτίζεται το σύστηµα, είναι οι εξής: Εξωτερική µπαταρία Σήµα 5V Ηλεκτρονόµος ίοδος 30

41 Ηλεκτρονικός υπολογιστής Σχήµα 2.2 Ηλεκτρικές διασυνδέσεις συστήµατος [16] Όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.2, η εξωτερική µπαταρία συνδέεται στην κάρτα ελέγχου. Η χρησιµότητα της έγκειται στη µεταφορά της ισχύος τη χρονική στιγµή της εκκίνησης και της διακοπής της λειτουργίας της συστοιχίας. Η µπαταρία µπορεί να αντικατασταθεί από τροφοδοτικό 24VDC που είναι ικανό να υποστηρίξει 6A. Ένα σήµα 5V, που εισέρχεται στη θύρα επικοινωνίας της κάρτας ελέγχου, είναι υπεύθυνο για τη λειτουργία της συστοιχίας. Αν το σήµα είναι 5V το σύστηµα λειτουργεί, ενώ αν η κάρτα ελέγχου δεχθεί µηδενικό σήµα διακόπτεται η λειτουργία του συστήµατος. Ο ηλεκτρονόµος συνδέεται στο θετικό ακροδέκτη εξόδου και χρησιµοποιείται ώστε να αποφευχθεί πρόωρη ηλεκτροδότηση του φορτίου. Το σήµα που ελέγχει τον ηλεκτρονόµο αποστέλλεται από την κάρτα ελέγχου. Η δίοδος, η οποία συνδέεται µετά από τον ηλεκτρονόµο, είναι υπεύθυνη ώστε να αποφευχθεί η εφαρµογή ανάστροφης τάσης στη συστοιχία (π.χ. από µπαταρία) που µπορεί να προκαλέσει φθορές. Η επικοινωνία της κάρτας ελέγχου µε έναν εξωτερικό ηλεκτρονικό υπολογιστή γίνεται δια µέσου ενός µετατροπέα RS485/

42 2.4 Χαρακτηριστικά διαγράµµατα της συστοιχίας Τα παρακάτω διαγράµµατα παρουσιάζουν τα χαρακτηριστικά µεγέθη της συστοιχίας, όπως µετρήθηκαν από την κατασκευαστική εταιρία τη χρονική στιγµή που τέθηκε σε λειτουργία για πρώτη φορά. Σχήµα 2.3 Χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος και ισχύος-ρεύµατος [16] Στην παραπάνω χαρακτηριστική (Σχήµα 2.3) η ισχύς εξόδου κυµαίνεται µεταξύ 0, στην περίπτωση ανοικτού κυκλώµατος και 1,2 kw, όταν βρίσκεται υπό κατάσταση πλήρους φορτίου. Το αντίστοιχο ρεύµα κυµαίνεται µεταξύ 0 και 46Α. Η τάση εξόδου ποικίλει για κάθε φορτίο, σύµφωνα µε τα χαρακτηριστικά πόλωσης της στοίβας. Η τάση ανοιχτού κυκλώµατος είναι 32

43 περίπου 43V, ενώ η τάση στο ονοµαστικό φορτίο είναι ανάµεσα στα 26V µέχρι 29V. Το σχήµα 2.3 παρουσιάζει επίσης την ισχύ συναρτήσει του ρεύµατος, την παρασιτική ισχύ (την ισχύ που χρειάζονται τα επιµέρους συστήµατα όπως είναι η αντλία του αέρα και ο ανεµιστήρας) και τη συνολική ισχύ. H παρασιτική ισχύς κυµαίνεται µεταξύ 35W στην κατάσταση αδράνειας και 250W στην ονοµαστική κατάσταση λειτουργίας. Στο σχήµα 2.4 παρουσιάζεται ο βαθµός απόδοσης, υπολογισµένος µε βάση την κατώτερη θερµογόνο δύναµη (Lower Heating Value, LHV). Όπως διαφαίνεται και από το διάγραµµα ο βαθµός απόδοσης υπό πλήρες φορτίο (1,2 kw) ισούται µε 38%. Ενώ ο µέγιστος βαθµός απόδοσης είναι 50% και παρουσιάζεται υπό φορτίο ισχύος 300W. Για µικρότερα φορτία ο βαθµός απόδοσης µικραίνει απότοµα καθώς τα βοηθητικά φορτία κυριαρχούν στην κατανάλωση καυσίµου. Σχήµα 2.4 Απόδοση της κυψέλης συναρτήσει του ρεύµατος [16] 33

44 34

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ 3.1 Θεωρητική ανάλυση του απλού ιδανικού µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή (Boost converter) έχει τάση εξόδου µεγαλύτερη (ή ίση) από την τάση της εισόδου του. Σχήµα 3.1 Κύκλωµα απλού Boost converter Όπως φαίνεται στο σχήµα 3.1, η διάταξη αποτελείται από µία πηγή συνεχούς τάσης, ένα πηνίο, έναν ηµιαγωγικό διακόπτη, µία δίοδο ισχύος κι έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή στην έξοδο παράλληλα µε το φορτίο. Η λειτουργία του χωρίζεται σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση ο ηµιαγωγικός διακόπτης άγει ενώ στη δεύτερη δεν άγει. Κατά την πρώτη φάση (σχήµα 3.2) ρέει ρεύµα από την πηγή τάσης στο πηνίο και στο διακόπτη και επιστρέφει στην πηγή. Η δίοδος πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει, αποµονώνοντας τη βαθµίδα εξόδου. Ταυτόχρονα υπάρχει και δεύτερος βρόχος, όπου ο πυκνωτής εκφορτίζεται µερικώς στο φορτίο. Εποµένως στην είσοδο έχουµε µεταφορά ενέργειας από την πηγή στο πηνίο ενώ στην έξοδο η ενέργεια παρέχεται στο φορτίο αποκλειστικά από τον πυκνωτή. 35

46 Σχήµα 3.2 Πρώτη φάση λειτουργίας Boost converter [2] Στη δεύτερη φάση (σχήµα 3.3) ο διακόπτης σταµατά να άγει µε αποτέλεσµα το ρεύµα του πηνίου να τείνει να διακοπεί. Έτσι το πηνίο αντιδρά επάγοντας µία αντίθετης πολικότητας τάση στα άκρα του και δρα σαν πηγή ρεύµατος. Η τάση αυτή προστίθεται στην τάση της πηγής µε αποτέλεσµα η δίοδος να πολωθεί ορθά και τελικά το πηνίο να αποµαγνητίζεται υπό την τάση της εισόδου µείον της εξόδου. Εποµένως, όταν ο διακόπτης δεν άγει η ενέργεια µεταφέρεται από το πηνίο και την πηγή προς το φορτίο και τον πυκνωτή εξόδου ο οποίος σε αυτή τη φάση φορτίζεται. Σχήµα 3.3 εύτερη φάση λειτουργίας του Boost converter [2] Η λειτουργία των µετατροπέων που ελέγχονται µε την τεχνική της διαµόρφωσης εύρους παλµών (P.W.M.) µπορεί να είναι είτε στην περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύµατος, είτε στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής ρεύµατος. 36

47 3.1.1 Λειτουργία συνεχούς αγωγής (CCM) [2] Ως συνεχής αγωγή (Continuous Conduction Mode, CCM) ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύµα που διαρρέει το πηνίο είναι πάντα µεγαλύτερο του µηδενός. Σχήµα 3.4 Συνεχής αγωγή ρεύµατος - ρεύµα και τάση πηνίου [2] Στη λειτουργία συνεχούς αγωγής ισχύουν οι παρακάτω βασικές σχέσεις, όπου δ ο λόγος κατάτµησης (Duty cycle): = (3.1),, = = (3.2) =,, = (3.3) (3.4) = (3.5) 37

48 Σχήµα 3.5 Συνεχής αγωγή ρεύµατος - διάφορες κυµατοµορφές [2] Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής (DCM) Ως ασυνεχής αγωγή (Discontinuous Conduction Mode, DCM) ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύµα που διαρρέει το πηνίο εξοµάλυνσης παρουσιάζει διαστήµατα όπου µηδενίζεται. Όταν το ρεύµα µηδενιστεί στιγµιαία, στο τέλος του χρονικού διαστήµατος κατά το οποίο ο ηµιαγωγικός διακόπτης είναι ανοιχτός, τότε βρισκόµαστε στο όριο µεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής. 38

49 Σχήµα 3.6 Όριο µεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής ρεύµ µατος - ρεύµα και τάση πηνίου [2], (3.6), (3.7) Σχήµα 3.7 Ασυνεχής αγωγή ρεύµατος - ρεύµα και τάση πηνίου [2] εξής: Στη λειτουργία ασυνεχούς αγωγής η βασική σχέση που ισχύει είναι η 39

50 = + (3.8) Σχήµα 3.8 Ασυνεχής αγωγή ρεύµατος - διάφορες κυµατοµορφές [2] Χαρακτηριστικές καµπύλες του µετατροπέα ανύψωσης Η χαρακτηριστική εξόδου, για σταθερή τάση εισόδου, θα µπορούσε να περιγράψει ένα µετατροπέα που θα είχε για είσοδο µπαταρίες ή τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, που χαρακτηρίζονται ως σταθερές πηγές τάσης. Η κόκκινη γραµµή είναι η καµπύλη των σηµείων Ιοb και ορίζει το όριο µεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής. Αν το ρεύµα της εξόδου γίνει µικρότερο από την οριακή τιµή που ορίζει αυτή η καµπύλη, τότε ο µετατροπέας θα µεταβεί στην κατάσταση ασυνεχούς αγωγής (DCM). 40

51 Σχήµα 3.9 Χαρακτηριστικές εξόδου για σταθερή τάση εισόδου [2] Η χαρακτηριστική εξόδου, για σταθερή τάση εξόδου, θα µπορούσε να περιγράψει έναν µετατροπέα που θα λειτουργούσε ως τροφοδοτικό σταθερής συνεχούς τάσης και θα είχε για είσοδο µία πηγή σταθερής ή µεταβαλλόµενης τάσης όπως είναι τα fuel cells και τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Η κόκκινη γραµµή είναι και πάλι η καµπύλη των σηµείων Ιοb. Σχήµα 3.10 Χαρακτηριστικές εξόδου για σταθερή τάση εξόδου [2] 41

52 Η επόµενη καµπύλη αναπαριστά τις τιµές του λόγου της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου συναρτήσει του λόγου κατάτµησης όταν ο µετατροπέας λειτουργεί στην κατάσταση συνεχούς αγωγής (CCM). Σχήµα 3.11 Χαρακτηριστική του λόγου µετατροπής της τάσης ως προς το λόγο κατάτµησης Προσέγγιση των πραγµατικών χαρακτηριστικών του µετατροπέα ανύψωσης τάσης [17] Η θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας του µετατροπέα πραγµατοποιείται στη µόνιµη κατάσταση ισορροπίας και στηρίζεται στην υπόθεση ότι όλα τα στοιχεία του κυκλώµατος είναι ιδανικά. Ένα κύκλωµα πιο κοντά στην πραγµατικότητα θα µπορούσε να είναι το παρακάτω το οποίο περιλαµβάνει µερικά σηµαντικά στοιχεία όπως: Ωµική αντίσταση του τυλίγµατος του πηνίου (R L ) αντίσταση αγωγής του mosfet ισχύος (R ds,on ) πτώση τάσης της διόδου ισχύος (V d ) ισοδύναµη εν σειρά αντίσταση του πυκνωτή εξόδου (ESR). 42

53 Σχήµα 3.12 Οι δύο φάσεις λειτουργίας του βελτιωµένου κυκλώµατος [17] Για παράδειγµα η σχέση της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου όταν ο µετατροπέας λειτουργεί στην κατάσταση συνεχούς αγωγής γίνεται [17] = (3.9) Αντί της ιδανικής: = (3.10) Όπου δ είναι ο λόγος κατάτµησης (Duty cycle). Το κύκλωµα αυτό µας βοηθάει να καταλάβουµε ότι για να µην απέχει πολύ η λειτουργία του µετατροπέα που θα κατασκευαστεί από τη θεωρητική προσέγγιση, θα πρέπει να συµβούν τα εξής: Η ωµική αντίσταση του τυλίγµατος του πηνίου (R L ) που θα κατασκευαστεί να είναι µικρή Η αντίσταση αγωγής του mosfet ισχύος (R ds,on ) που θα επιλεχθεί να είναι µικρή 43

54 Η πτώση τάσης της διόδου ισχύος (Vd) που θα επιλεχθεί να είναι µικρή Η συνολική ισοδύναµη εν σειρά αντίσταση των πυκνωτών εξόδου (ESR) να είναι µικρή. 3.2 Ανάλυση του ηλεκτρονικού µετατροπέα ανύψωσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων (interleaved boost converter) Η αρχή λειτουργίας της διαδοχικής αγωγής ή αλλιώς interleaving αφορά γενικότερα στην αύξηση της συχνότητας λειτουργίας µιας οποιασδήποτε πηγής περιοδικής ισχύος, κατόπιν συγχρονισµού µερικών µικρότερων πηγών, οι οποίες λειτουργούν µε σχετική µετατόπιση φάσης. Υπάρχει σε διαφορετικούς τοµείς της τεχνολογίας όπως στη µηχανολογία. Στις µηχανές εσωτερικής καύσης, για παράδειγµα, µερικοί κύλινδροι είναι συνδεδεµένοι σε έναν κοινό άξονα αλλά το µερίδιο της ισχύος που παράγει ο καθένας τους, σε κάθε κύκλο που εκτελεί, δεν παράγεται ταυτόχρονα µε τους υπόλοιπους. Πυροδοτώντας λοιπόν κάθε κύλινδρο διαδοχικά, η συχνότητα λειτουργίας της µηχανής, δηλαδή η συχνότητα της περιοδικής ισχύος που παράγει, αυξάνεται και η κυµάτωση της ροπής του άξονα µειώνεται. Αυξάνοντας τον αριθµό των κυλίνδρων αυξάνεται η συχνότητα και η συνολική ισχύς της µηχανής χωρίς όµως να αυξηθεί η συχνότητα πυροδότησης του κάθε κυλίνδρου. Σε εφαρµογές µεγάλης ισχύος λοιπόν, αν χρησιµοποιούσαµε έναν µόνο κύλινδρο, µπορούµε να σκεφτούµε πόσο πολύ θα καταπονείτο αυτός και τα κινητά µέρη της µηχανής και πόσο ανώµαλη θα ήταν η εικόνα της ροπής και της ισχύος του άξονα. Στο πεδίο των ηλεκτρονικών ισχύος η ίδια τεχνική εφαρµόζεται σε µετατροπείς οι οποίοι διαχειρίζονται µεγάλα ρεύµατα και έχει ευεργετικά αποτελέσµατα. Ο µετατροπέας boost χαρακτηρίζεται από παλµικό ρεύµα στην έξοδό του και τριγωνικό συνεχές ρεύµα στην είσοδό του, όπως φαίνεται στο σχήµα

55 Σχήµα 3.13 Τα ρεύµατα εισόδου και εξόδου του απλού µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης [18] Σε εφαρµογές χαµηλής τάσης και υψηλού ρεύµατος, όπως η παρούσα εφαρµογή, η χρήση ενός απλού (ενός κλάδου) µετατροπέα θα παρουσίαζε τα εξής χαρακτηριστικά: Το τριγωνικό ρεύµα της εισόδου θα είχε µεγάλη κυµάτωση, εκτός αν κατασκευάζαµε πηνία πολύ µεγάλης επαγωγής ή αν αυξάναµε πολύ τη διακοπτική συχνότητα του µετατροπέα.(η συχνότητα του τριγωνικού ρεύµατος είναι ίση µε τη διακοπτική) Το πηνίο θα έπρεπε, εκτός της µεγάλης επαγωγής, να κατασκευαστεί και για µεγάλο ρεύµα αφού όλο το ρεύµα εισόδου του µετατροπέα θα διέρρεε αυτό το πηνίο. Τα παλµικά ρεύµατα των ηµιαγωγικών στοιχείων ισχύος (mosfet και δίοδος) θα καταπονούσαν τα στοιχεία λόγω των µεγάλων και απότοµων µεταβολών των ρευµάτων τους. Για τον ίδιο λόγο θα αυξάνονταν οι διακοπτικές απώλειες και θα παρουσιάζονταν, σε συνδυασµό µε τις παρασιτικές επαγωγές του κυκλώµατος, υπερτάσεις και ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές (EMI) στο ίδιο το κύκλωµα ή στα γειτονικά κυκλώµατα, όπως το κύκλωµα ελέγχου. το παλµικό ρεύµα υψηλής τιµής στην έξοδο του µετατροπέα για να εξοµαλυνθεί θα απαιτούσε µία τεράστια συστοιχία παράλληλων πυκνωτών. Πρώτον, για να καταµεριστεί το µεγάλο ρεύµα που χρειάζεται το φορτίο, δεύτερον, για να προκύψει η απαραίτητη τιµή χωρητικότητας και τρίτον, για να µειωθεί, λόγω του παραλληλισµού, η συνολική ισοδύναµη εν σειρά αντίσταση της συστοιχίας µε σκοπό τη µείωση της κυµάτωσης της τάσης εξόδου. 45

56 Τα φυσικά µεγέθη της εισόδου και της εξόδου έχουν συχνότητα ίση µε τη διακοπτική συχνότητα του µετατροπέα, σε αντίθεση µε έναν interleaved µετατροπέα όπου είναι πολλαπλάσια. Άρα τα φίλτρα εισόδου και εξόδου θα έπρεπε να σχεδιαστούν µε βάση τη διακοπτική συχνότητα η οποία όσο πιο µικρή είναι τόσο οδηγεί στην κατασκευή µεγάλων σε µέγεθος φίλτρων. Αυτές οι αδυναµίες µπορούν να ξεπεραστούν µε την παράλληλη σύνδεση δύο ή περισσότερων µετατροπέων οι οποίοι θα λειτουργούν διαδοχικά µε συγκεκριµένη χρονική καθυστέρηση (interleaved converter) και θα µοιράζονται τη συνολική ισχύ που µεταφέρει ο µετατροπέας. Το κύκλωµα φαίνεται στο σχήµα Σχήµα 3.14 Το κύκλωµα του µετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής N παράλληλων κλάδων [20] Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων αποτελείται από µερικούς ταυτόσηµους µετατροπείς ανύψωσης τάσης συνδεδεµένους παράλληλα. Οι µετατροπείς ελέγχονται µέσω των σηµάτων παλµοδότησης των ηµιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων, τα οποία σήµατα έχουν την ίδια συχνότητα (διακοπτική συχνότητα) και την ίδια µετατόπιση φάσης ο κάθε κλάδος από τον προηγούµενο (360º / Ν). Ως αποτέλεσµα αυτής της διαδοχικής αγωγής των παράλληλων κλάδων, ο µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής παράλληλων κλάδων παρουσιάζει µικρότερη κυµάτωση ρεύµατος τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο. Έτσι το µέγεθος και οι απώλειες των φίλτρων µπορούν να µειωθούν. Επίσης οι διακοπτικές απώλειες και οι απώλειες αγωγής (P c1 / Ν) αλλά και το επίπεδο των ηλεκτροµαγνητικών παρεµβολών (EMI) µπορούν να περιοριστούν σηµαντικά. Η ουσία της τεχνικής της διαδοχικής αγωγής των παράλληλων κλάδων, είναι όπως έχει λεχθεί, η αύξηση της συχνότητας λειτουργίας του µετατροπέα (Ν f sw ), δηλαδή της συχνότητας των µεγεθών που 46

57 εµφανίζονται στην είσοδο και στην έξοδο του µετατροπέα. Όσο αυξάνει ο αριθµός των παράλληλων κλάδων τόσο βελτιώνονται κάποια χαρακτηριστικά όπως η κυµάτωση του ρεύµατος εισόδου, η κυµάτωση της τάσης εξόδου και άλλα, από την άλλη µεριά όµως αυξάνεται ο αριθµός των στοιχείων (πηνία, διακοπτικά στοιχεία, δίοδοι) και µεγαλώνει ο όγκος της κατασκευής, δυσκολεύει ο έλεγχός της και µειώνεται η αξιοπιστία της. Στο σχήµα 3.15, φαίνεται ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής δύο παράλληλων κλάδων (Ν=2). Η διαφορά φάσης µεταξύ των δύο κλάδων είναι 360º / 2 = 180º και ο λόγος κατάτµησης είναι δ=0,65. Όπως θα δούµε στα επόµενα διαγράµµατα οι κυµατώσεις στην είσοδο και στην έξοδο εξαρτώνται από τον αριθµό των κλάδων αλλά και από το λόγο κατάτµησης. Σχήµα 3.15 Ο interleaved boost µετατροπέας δύο παράλληλων κλάδων (Ν=2), για δ=0,65. Ρεύµατα εισόδου και εξόδου [18] 47

58 Σχήµα 3.16 Σχετική κυµάτωση της τάσης εξόδου συναρτήσει του λόγου κατάτµησης, µε παράµετρο των αριθµό των παράλληλων κλάδων [20] Σχήµα 3.17 Κυµάτωση του ρεύµατος εισόδου συναρτήσει του λόγου κατάτµησης, µε παράµετρο των αριθµό των παράλληλων κλάδων [20] Παρατηρούµε ότι έχοντας ζυγό αριθµό καναλιών (2, 4), η κυµάτωση της τάσης εξόδου και του ρεύµατος εισόδου είναι πολύ µικρή κοντά στο δ=0.5, που είναι η κατάσταση ονοµαστικής λειτουργίας της εφαρµογής µας. 48

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ 4.1 Περιγραφή της τοπολογίας του µετατροπέα Στην παρούσα διπλωµατική εργασία σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας ηλεκτρονικός µετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης διαδοχικής αγωγής δύο κλάδων. Τα ονοµαστικά του µεγέθη είναι τα εξής: Ισχύς: 1200W Τάση εισόδου: 26V Τάση εξόδου: 50V ιακοπτική συχνότητα: 30ΚΗz Ο µετατροπέας τροφοδοτείται από µια πηγή συνεχούς τάσης εύρους από 26V έως 46V, την οποία ανυψώνει στα 50V. Το κύκλωµα ισχύος του µετατροπέα (σχήµα 4.1) αποτελείται από δύο παράλληλους κλάδους διαδοχικής αγωγής. Κάθε κλάδος αποτελείται από: Ένα πηνίο Ένα ηµιαγωγικό διακοπτικό στοιχείο ισχύος (MOSFET) Μία δίοδο ισχύος Οι δύο παράλληλοι µετατροπείς έχουν στα άκρα της εισόδου τους ένα φίλτρο LC και στα άκρα της εξόδου τους ένα φίλτρο πυκνωτών εξοµάλυνσης. Το φίλτρο LC χρησιµοποιείται ώστε το ρεύµα εισόδου να εξοµαλύνεται πλήρως, αφού η πηγή (fuel cells) αδυνατεί να αποδώσει απότοµες µεταβολές ρεύµατος. Να σηµειωθεί ότι ο µετατροπέας σχεδιάστηκε να λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής γεγονός που οδηγεί στην κατασκευή µεγάλων πηνίων. Από την άλλη µεριά όµως, έχουµε τα πλεονεκτήµατα της υψηλότερης απόδοσης, της µείωσης των απότοµων µεταβολών του ρεύµατος που προκαλούν απώλειες στους πυρήνες και ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές στα κυκλώµατα, σε σύγκριση µε τη λειτουργία ασυνεχούς αγωγής. Επίσης, λόγω της µείωσης των µεγίστων (peak) τιµών της τάσης και του ρεύµατος των στοιχείων, επιτυγχάνεται η µικρότερη καταπόνησή τους. Τέλος, ο έλεγχος του µετατροπέα είναι απλούστερος στη λειτουργία συνεχούς αγωγής σε σύγκριση µε τον έλεγχο στη λειτουργεία ασυνεχούς αγωγής. 49

60 Σχήµα 4.1 Σχηµατική παράσταση του κυκλώµατος ισχύος του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος που κατασκευάστηκε. Ο µετατροπέας σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί στην κατάσταση συνεχούς αγωγής (CCM) για φορτία µεγαλύτερα των 133W, δηλαδή περίπου του 10% της ονοµαστικής ισχύος του. Αν θέλουµε να συνεχιστεί η λειτουργία του και για µικρότερα φορτία µπορούµε να αυξήσουµε τη διακοπτική συχνότητα, όπως και έγινε στη διάρκεια των δοκιµών. Αρχικά υπολογίζονται κάποια ενδεικτικά µεγέθη στην ονοµαστική κατάσταση: Ο λόγος κατάτµησης = = =. (4.1) Το ρεύµα εξόδου = = = (4.2) Το ρεύµα εισόδου = = = (4.3). 50

61 Το ρεύµα πηνίου κάθε κλάδου = = = (4.4) Η κυµάτωση του ρεύµατος πηνίου κάθε κλάδου,, = =.. =. (4.5) Το ρεύµα του mosfet κάθε κλάδου = =. = (4.6) Το ρεύµα της διόδου κάθε κλάδου = =. = (4.7) Το ρεύµα της εξόδου στην οριακή κατάσταση µεταξύ ccm dcm (δ=0.2), = =.. =. (4.8) ηλαδή το ελάχιστο φορτίο που πρέπει να τροφοδοτεί ο µετατροπέας, έτσι ώστε να µην περάσει από την κατάσταση συνεχούς στην κατάσταση ασυνεχούς αγωγής, είναι 133W (~10% του ονοµαστικού φορτίου). 51

62 4,5 I o (A) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Iob(30KHz) Iob(90KHz) Iout δ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Σχήµα 4.2 Το ρεύµα εξόδου του µετατροπέα και τα οριακά ρεύµατα εξόδου για συχνότητες 30KHz και 90KHz, ως προς το λόγο κατάτµησης. Όσο αφορά τα φίλτρα εισόδου και εξόδου υπολογίζονται τα εξής: Η ελάχιστη χωρητικότητα των πυκνωτών εξοµάλυνσης, για να επιτευχθεί κυµάτωση της τάσης εξόδου 100mV, =. = (4.9) Η µέγιστη ενεργός τιµή του ρεύµατος των πυκνωτών εξοµάλυνσης (δ=0.6) 52

63 Σχήµα 4.3 Καµπύλη υπολογισµού της ενεργού τιµής του ρεύµατος των πυκνωτών εξοµάλυνσης σε σχέση µε το ρεύµα εξόδου και το λόγο κατάτµησης [19], =. =. = (4.10) Η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου LC της εισόδου Τρεις πυκνωτές συνδέονται παράλληλα και είναι χωρητικότητας 560µF ο καθένας, ενώ το πηνίο που κατασκευάστηκε είναι επαγωγής 10µH. Εποµένως: = = =. (4.11) Η συχνότητα αποκοπής είναι 50 φορές µικρότερη από τη συχνότητα του ρεύµατος του φίλτρου. 53

64 4.2 Εξοµοίωση της λειτουργίας του µετατροπέα µέσω του MATLAB SIMULINK Το πρώτο στάδιο της σχεδίασης ήταν η εξοµοίωση του συστήµατος µε τη βοήθεια του προγράµµατος MATLAB SIMULINK. Η εξοµοίωση µας επιτρέπει να έχουµε µία άµεση εικόνα της µορφής και των τιµών όλων των φυσικών µεγεθών του κυκλώµατος. Επίσης µας επιτρέπει να κάνουµε αλλαγές και πειραµατισµούς που οδηγούν σε χρήσιµα συµπεράσµατα. Το κύκλωµα µαζί µε τις διατάξεις µέτρησης και απεικόνισης των επιθυµητών µεγεθών είναι το παρακάτω. Σχήµα 4.4 Κύκλωµα εξοµοίωσης του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος µε τις διατάξεις µέτρησης και απεικόνισης Εξοµοίωση της ονοµαστικής κατάστασης Στην ονοµαστική κατάσταση, οι παράµετροι που χρησιµοποιήθηκαν στο πρόγραµµα είναι οι εξής: f s = 30KHz V in = 26V V out = 50V δ=49,1% R load =2,04Ω L 1 = L 2 = 80µΗ 54

65 L in = 10µΗ C=560µF (ESR=36mΩ) R ds,on = 15mΩ V f = 0.77V Ακολουθούν τα αποτελέσµατα της εξοµοίωσης για την ονοµαστική κατάσταση του µετατροπέα. Σχήµα 4.5 Το ρεύµα των πυκνωτών του φίλτρου εισόδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.6 Το ρεύµα των πυκνωτών του φίλτρου εξόδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 55

66 Σχήµα 4.7 Το άθροισµα των ρευµάτων των δύο διόδων, που είναι το ρεύµα πριν το φίλτρο εξόδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.8 Το ρεύµα της διόδου του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 56

67 Σχήµα 4.9 Το ρεύµα της διόδου του δεύτερου κλάδου (κόκκινο), µαζί µε του πρώτου (µπλε) (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.10 Το ρεύµα εισόδου του µετατροπέα (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 57

68 Σχήµα 4.11 Τα ρεύµατα των πηνίων των δύο κλάδων (κόκκινο του πρώτου, µπλε του δεύτερου) (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.12 Το άθροισµα των ρευµάτων των δύο πηνίων, που είναι το ρεύµα µετά το φίλτρο εισόδου. 58

69 Σχήµα 4.13 Το ρεύµα του MOSFET του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.14 Το ρεύµα εξόδου του µετατροπέα (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 59

70 Σχήµα 4.15 Το ρεύµα του MOSFET του δεύτερου κλάδου (κόκκινο), µαζί µε του πρώτου (µπλε) (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.16 Η τάση του MOSFET του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 60

71 Σχήµα 4.17 Η τάση του MOSFET του πρώτου κλάδου εστιασµένη στη διάρκεια αγωγής του στοιχείου. Φαίνεται οτι η πτώση τάσης είναι αρκετά µικρή (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.18 Η τάση εξόδου του µετατροπέα µε κυµάτωση περίπου 100mV (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 61

72 Σχήµα 4.19 Οι παλµοί έναυσης του MOSFET του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.20 Οι παλµοί έναυσης του MOSFET του δεύτερου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 62

73 4.2.2 Εξοµοίωση της οριακής κατάστασης µεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής Στην οριακή κατάσταση µεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής, οι παράµετροι που χρησιµοποιήθηκαν στο πρόγραµµα είναι οι εξής: f s = 30KHz V in = 40V V out = 50V δ=21% R load =20,1Ω L 1 = L 2 = 80µΗ L in = 10µΗ C=560µF (ESR=36mΩ) R ds,on = 15mΩ V f = 0.77V Σχήµα 4.21 Το ρεύµα των πυκνωτών του φίλτρου εισόδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 63

74 Σχήµα 4.22 Το ρεύµα των πυκνωτών του φίλτρου εξόδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.23 Το ρεύµα της διόδου του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 64

75 Σχήµα 4.24 Το άθροισµα των ρευµάτων των δύο διόδων, που είναι το ρεύµα πριν το φίλτρο εξόδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.25 Το ρεύµα της διόδου του δεύτερου κλάδου (κόκκινο), µαζί µε του πρώτου (µπλε) (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 65

76 Σχήµα 4.26 Το ρεύµα εισόδου του µετατροπέα (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.27 Το άθροισµα των ρευµάτων των δύο πηνίων, που είναι το ρεύµα µετά το φίλτρο εισόδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 66

77 Σχήµα 4.28 Τα ρεύµατα των πηνίων των δύο κλάδων (κόκκινο του πρώτου, µπλε του δεύτερου) (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.29 Το ρεύµα του MOSFET του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 67

78 Σχήµα 4.30 Το ρεύµα του MOSFET του δεύτερου κλάδου (κόκκινο), µαζί µε του πρώτου (µπλε) (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.31 Το ρεύµα εξόδου του µετατροπέα (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 68

79 Σχήµα 4.32 Η τάση του MOSFET του πρώτου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.33 Η τάση του MOSFET του πρώτου κλάδου εστιασµένη στη διάρκεια αγωγής του στοιχείου. Φαίνεται ότι η πτώση τάσης είναι αρκετά µικρή (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 69

80 Σχήµα 4.34 Η τάση εξόδου του µετατροπέα µε κυµάτωση περίπου 17mV (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) Σχήµα 4.35 Οι παλµοί έναυσης του MOSFET του πρώτου κλάδου. (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 70

81 Σχήµα 4.36 Οι παλµοί έναυσης του MOSFET του δεύτερου κλάδου (αποτέλεσµα εξοµοίωσης) 4.3 Σχεδιασµός και κατασκευή κυκλώµατος ισχύος Επιλογή ηµιαγωγικού διακοπτικού στοιχείου ισχύος Όσον αφορά τα διακοπτικά ηµιαγωγικά στοιχεία ισχύος που χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές µεγάλων ισχύων, µπορούµε να πούµε ότι υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά είδη. Αυτά είναι το θυρίστορ, το GTO, το IGBT και το MOSFET ισχύος. Τα θυρίστορ έχουν ένα βασικό µειονέκτηµα ότι για να σβήσουν πρέπει το ρεύµα που τα διαρρέει να γίνει µικρότερο από µια συγκεκριµένη τιµή εποµένως δεν µπορεί να ελεγχθεί η σβέση µέσω της πύλης του. Το µειονέκτηµα αυτό διορθώνεται µε τα GTO (Gate Turn-off Thyristor), τα οποία όµως, εκτός του αρνητικού γεγονότος ότι ελέγχονται µέσω µεγάλου ρεύµατος στην πύλη (current regulated), δεν µπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές διακοπτικές συχνότητες. Τα δύο παραπάνω στοιχεία λόγω των µειονεκτηµάτων τους δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε εφαρµογές σαν τη δική µας και η χρήση τους περιορίζεται σε περιοχές πολύ υψηλών ρευµάτων και τάσεων µε χαµηλές διακοπτικές συχνότητες. Εποµένως περιοριζόµαστε στη χρήση IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ή MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) των οποίων η έναυση και η σβέση ελέγχεται εύκολα µέσω τάσης που εφαρµόζεται στην πύλη τους (voltage regulated). Στα δύο παρακάτω σχήµατα φαίνονται σχηµατικά τα όρια λειτουργίας των διάφορων διακοπτικών ηµιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Πρέπει να σηµειωθεί ότι τα όρια αυτά µε την πρόοδο της τεχνολογίας των ηµιαγωγών βελτιώνονται συνεχώς. 71

82 Σχήµα 4.37 ιακοπτικά ηµιαγωγικά στοιχεία ισχύος και τα όρια τους σε ρεύµα τάση και συχνότητα. [1] Σχήµα 4.38 Σύγκριση IGBT και MOSFET σε σχέση µε τη συχνότητα και την τάση λειτουργίας.[22] Η επιλογή του κατάλληλου διακοπτικού στοιχείου είναι καθοριστική για την κατασκευή του µετατροπέα έτσι ύστερα από µια µελέτη και σύγκριση πραγµατικών mosfet και IGBT στοιχείων του εµπορίου επιλέχθηκε ένα στοιχείο mosfet µε τα εξής βασικά χαρακτηριστικά : 72

83 µικροί χρόνοι έναυσης και σβέσης, εποµένως δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές διακοπτικές συχνότητες αλλά και περιορισµός των διακοπτικών απωλειών µικρή αντίσταση αγωγής (R ds,on ), εποµένως περιορισµός των απωλειών αγωγής Πρόκειται για το στοιχείο IRFB4410PbF, της εταιρείας international rectifier, του οποίου τα κύρια χαρακτηριστικά όπως αυτά δίνονται από το φυλλάδιο του κατασκευαστή είναι: Μέγιστη άση υποδοχής-πηγής, V DS = 100V Μέγιστο ρεύµα υποδοχής σε θερµοκρασία 100 o C, I D = 63A Aντίσταση αγωγής σε θερµοκρασία 25 o C, R ds,on = 10mΩ Παρατηρούµε ότι η τάση αντοχής του στοιχείου είναι δύο φορές η ονοµαστική (50V). Με αυτή την επιλογή προστατεύουµε το στοιχείο από τις υπερτάσεις που θα εµφανιστούν στα άκρα του, από την άλλη µεριά δεν επιλέχθηκε στοιχείο µε πολύ µεγαλύτερη τάση αντοχής διότι, λόγω κατασκευής, τα στοιχεία που αντέχουν σε µεγαλύτερες τάσεις παρουσιάζουν ανεπιθύµητα µεγάλη αντίσταση αγωγής. Επίσης, παρατηρούµε ότι το µέσο ρεύµα που αντέχει το στοιχείο είναι περίπου πέντε φορές το ονοµαστικό. Αυτή η επιλογή φαίνεται υπερβολική αλλά έχει γίνει µε απώτερο σκοπό την χρησιµοποίηση στοιχείου µε µικρή αντίσταση αγωγής. Η µικρή αντίσταση αγωγής όµως είναι χαρακτηριστικό των στοιχείων που αντέχουν σε µεγάλα ρεύµατα και οφείλεται στην βελτιωµένη κατασκευή τους. Η οικονοµική επιβάρυνση, λόγω της επιλογής υπερδιαστασιολογηµένου στοιχείου, στην περίπτωσή µας είναι εντελώς αµελητέα. Σχήµα 4.39 Το MOSFET ισχύος IRFB4410PbF [23] Επιλογή διόδου ισχύος Με αντίστοιχο σκεπτικό, βασισµένοι στους υπολογισµούς και στην εξοµοίωση καταλήξαµε στην επιλογή της διόδου ισχύος. Η δίοδος που επιλέχθηκε είναι η 40CPQ080GPbF της εταιρείας international rectifier. Πρόκειται για δίοδο Schottky, στην οποία δεν παρουσιάζεται το φαινόµενο της ανάστροφης ανάκτησης, τα βασικά χαρακτηριστικά της οποίας, όπως αυτά δίνονται από το φυλλάδιο του κατασκευαστή, είναι: 73

84 Μέγιστη ανάστροφη τάση ανόδου καθόδου, V R = 100V Μέγιστο ρεύµα διόδου σε θερµοκρασία 145 oc, I F = 20A Πτώση τάσης κατά την αγωγή σε θερµοκρασία 25 oc, Vf = 0.77V Παρατηρούµε ότι η ανάστροφη τάση που αντέχει το στοιχείο είναι δύο φορές η ονοµαστική (50V) για λόγους ασφαλείας. Το δε ρεύµα που αντέχει η δίοδος είναι περίπου µιάµιση φορά το ονοµαστικό. Όπως φαίνεται από το κύκλωµα οι δίοδοι των δύο κλάδων έχουν κοινή κάθοδο έτσι επιλέχθηκε από το εµπόριο µία συσκευασία η οποία περιέχει και τις δύο διόδους µε κοινή κάθοδο και όχι δύο ξεχωριστές συσκευασίες. Έτσι εξοικονοµείται χώρος στην πλακέτα αλλά επίσης αποφεύγεται η παρασιτική επαγωγή που θα προέκυπτε αν συνδέονταν δυο ξεχωριστές δίοδοι µέσω αγώγιµων δρόµων πάνω στην πλακέτα, η οποία επαγωγή σε συνδυασµό µε τη διέλευση διακοπτικών ρευµάτων θα δηµιουργούσε υπερτάσεις. Σχήµα 4.40 Η δίοδοι ισχύος 40CPQ080GPbF [24] Κατασκευή συστήµατος απαγωγής θερµότητας [25] Η λειτουργία των ηµιαγωγικών στοιχείων έχει σαν αποτέλεσµα την εµφάνιση απωλειών αγωγής και διακοπτικών απωλειών σε αυτά. Οι απώλειες αυτές µετατρέπονται σε θερµότητα, η οποία αυξάνει τη θερµοκρασία των στοιχείων και µπορεί να τα οδηγήσει στην καταστροφή τους. Η απαγωγή της θερµότητας από το σώµα των στοιχείων ισχύος γίνεται τοποθετώντας τα στοιχεία πάνω σε ευθερµαγωγά µεταλλικά αντικείµενα, τα ψυκτικά σώµατα, τα οποία απελευθερώνουν την ενέργεια στο περιβάλλον. Ο τρόπος µε τον οποίο τοποθετείται το ηµιαγωγικό στοιχείο στο ψυκτικό µέσο φαίνεται στο σχήµα Μεταξύ του ηµιαγωγικού στοιχείου και του ψυκτικού σώµατος παρεµβάλλεται µία µονωτική θερµοαγώγιµη ταινία για να είναι ηλεκτρικά αποµονωµένο το ψυκτικό από το κύκλωµα ισχύος. 74

85 Σχήµα 4.41 Τοποθέτηση ηµιαγωγικού στοιχείου στο ψυκτικό σώµα [1] Το ποσό της θερµότητας που παράγεται, δηλαδή οι απώλειες, θα υπολογιστούν για κάθε ηµιαγωγικό στοιχείο. Υπολογισµός απωλειών του MOSFET (4.12) (4.13) (4.14) Μετά από τις πράξεις υπολογίζουµε ότι: P CM = 4.7 W P onm = 7 W P offm = 7.6 W Να σηµειωθεί ότι η διακοπτική συχνότητα για τους υπολογισµούς επιλέχθηκε να είναι 90ΚΗz, αντί 30ΚΗz, για να υπάρχει αυτό το περιθώριο αύξησής της αν χρειαστεί. Οι ολικές απώλειες του MOSFET είναι το άθροισµα των απωλειών αγωγής και των διακοπτικών απωλειών (έναυσης και σβέσης), δηλαδή P M = 19.3 W. 75

86 Υπολογισµός απωλειών διόδου (4.15) Μετά από τις πράξεις υπολογίζουµε ότι: P D = 13.2 W. Ο υπολογισµός του κατάλληλου ψυκτικού γίνεται µε εφαρµογή της σχέσης: Όπου, Θsa, η θερµική αντίσταση του ψυκτικού σώµατος Τj, η µέγιστη θερµοκρασία λειτουργίας της επαφής Τa, η θερµοκρασία του περιβάλλοντος Q, το ποσό θερµότητας που εκλύεται προς το ψυκτικό Θjc η θερµική αντίσταση µεταξύ επαφής και θήκης Θcs, η θερµική αντίσταση µεταξύ θήκης και ψυκτικού Εµείς στην εφαρµογή µας θεωρούµε Τj = 125 ο C και Τa = 40 o C. (4.16) Τα δύο MOSFET θα τοποθετηθούν σε ξεχωριστά ψυκτικά και οι δύο δίοδοι αφού είναι ενσωµατωµένες σε ένα πακέτο θα έχουν ένα ψυκτικό. Άρα για το MOSFET, µε Q=19.3W, Θjc=0.61 o C / W, Θcs=0.5 o C / W, προκύπτει θερµική αντίσταση του ψυκτικού σώµατος Θsa = 4.3 o C/W. Για το πακέτο των διόδων, µε Q=2x13.2W, Θjc=0.63 o C / W, Θcs=0.24 o C / W, προκύπτει θερµική αντίσταση του ψυκτικού σώµατος Θsa = 2.8 o C/W. Τελικά ύστερα από έρευνα αγοράς καταλήξαµε στην αγορά δύο ψυκτικών για τα MOSFET θερµικής αντίστασης Θsa = 3.3 o C / W (σχήµα 4.42) και ένα για το πακέτο των διόδων θερµικής αντίστασης Θsa = 2.4 o C / W (σχήµα 4.42). Οι θερµικές αντιστάσεις που επιλέχθηκαν είναι λίγο µικρότερες από αυτές που υπολογίστηκαν για λόγους ασφάλειας. Στο σχήµα 4.42 φαίνονται τα ψυκτικά σώµατα των MOSFET και των διόδων τοποθετηµένα επάνω στα στοιχεία. Τα ηµιαγωγικά στοιχεία τοποθετήθηκαν από την κάτω πλευρά της πλακέτας έτσι ώστε τα ψυκτικά τους να µην περιορίζουν το χώρο της πάνω πλευράς. 76

87 Σχήµα 4.42 Τα ψυκτικά σώµατα των MOSFET και των διόδων αντίστοιχα [26] Εικόνα 4.1 Τα ψυκτικά σώµατα των MOSFET και των διόδων τοποθετηµένα επάνω στα στοιχεία (κάτω πλευρά της πλακέτας) 77

88 4.3.4 Κατασκευή πηνίων των παράλληλων κλάδων Όπως εξηγήθηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο η τιµή της επαγωγής των πηνίων που θα χρησιµοποιηθούν είναι 80µΗ, αυτό προέκυψε από δοκιµές µε διάφορες τιµές πηνίων πάνω στην εξοµοίωση ώστε ο µετατροπέας να λειτουργεί στην συνεχή κατάσταση αγωγής, ακόµα και για πολύ µικρά ρεύµατα σε κάθε κλάδο. Τα πηνία κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο και η µέτρηση της επαγωγής τους στο τέλος της κατασκευής µετρήθηκε µε ειδική γέφυρα. Για την κατασκευή τους χρησιµοποιήθηκε φύλλο χαλκού πάχους 0.25mm, από το οποίο κόπηκε ταινία πλάτους 30mm η οποία τυλίχθηκε στον πυρήνα. Ο πυρήνας είναι τύπου ETD 59 και το υλικό του είναι φερρίτης Ν87 ο οποίος φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Η χρήση του φερρίτη ως υλικού του πυρήνα επιβάλλεται για την αποφυγή απωλειών δινορευµάτων εξαιτίας της υψηλής συχνότητας του ρεύµατος του πηνίου. Σχήµα 4.43 Ο πυρήνας ETD 59 και η συναρµολόγησή του [26] 78

89 Σχήµα 4.44 Γεωµετρία του πυρήνα ETD 59 [27] Τα µαγνητικά χαρακτηριστικά του πυρήνα είναι τα εξής: Πίνακας 4.1 Μαγνητικά χαρακτηριστικά πυρήνα ΕTD 59 [27] Ακολουθούν µία σειρά από εξισώσεις, στις οποίες βασιστήκαµε για τον υπολογισµό των πηνίων. 79

90 (4.17) (4.18) (4.19) (4.20) (4.21) Από την εξίσωση (4.17) θεωρώντας ένα συνολικό µήκος διακένου, lg = 1,5mm (2x0,75mm) και µε le =139mm, όπως αναφέρει το φυλλάδιο του κατασκευαστή, υπολογίζουµε το µe = 86,87. Στη συνέχεια για L = 80µΗ και Α e =368mm 2, από την εξίσωση (4.18), υπολογίζουµε τον αριθµό των σπειρών ίσο µε Ν = 16 σπείρες. Τέλος για ρεύµα 30Α, από τις εξισώσεις (4.19) και (4.20) προκύπτει Β = 401,74mT. Στον πίνακα 4.2 ο κατασκευαστής µας αναφέρει πως η µαγνητική επαγωγή στον κόρο για το υλικό Ν87, που επιλέξαµε είναι: Βsat = 490mT (25 ο C). Άρα αφού Β < Βsat το πηνίο δεν κινδυνεύει να µπει στον κόρο. Πίνακας 4.2 Χαρακτηριστικά φερρίτη Ν87 [28] Η ταινία χαλκού αντέχει 5Α ανά τετραγωνικό χιλιοστό της διατοµής της. Το εµβαδό της διατοµής της είναι mm 2 = 7.5 mm 2 εποµένως αντέχει ρεύµα 37.5Α αρκετά µεγαλύτερο από το ονοµαστικό δηλαδή. Όσο αφορά το επιδερµικό φαινόµενο η ταινία έχει υπολογιστεί να είναι αρκετά λεπτή ώστε η επίδρασή του να είναι αµελητέα ακόµα και για συχνότητες πάνω από 100ΚΗz. Το επιδερµικό φαινόµενο είναι το φαινόµενο κατά το οποίο όταν ένας αγωγός διαρρέεται από ρεύµα υψηλής συχνότητας, η πυκνότητα ρεύµατος είναι µεγαλύτερη στην επιφάνεια του αγωγού και 80

91 µειώνεται εκθετικά µε την απόσταση προς το εσωτερικό του. Το χαρακτηριστικό µήκος µείωσης καλείται επιδερµικό βάθος (δ) και ισούται µε [1]: = (4.22) Όπου f η συχνότητα του µαγνητικού πεδίου, µ είναι η µαγνητική διαπερατότητα του χαλκού και σ η αγωγιµότητα του χαλκού. Στον πίνακα 4.3 φαίνονται οι τιµές που παίρνει το επιδερµικό βάθος για διάφορες συχνότητες στο χαλκό. Όταν η διάµετρος του αγωγού είναι µικρότερη από το διπλάσιο του επιδερµικού βάθους, η επίδραση του φαινοµένου είναι τόσο µικρή που µπορεί να αγνοηθεί. συχνότητα πεδίου επιδερµικό βάθος µέγιστη διάµετρος αγωγού f (KHz) δ (mm) 2xδ (mm) 40 0,375 0, ,335 0, ,306 0, ,283 0, ,265 0, ,237 0, ,216 0, ,187 0, ,177 0,354 Πίνακας 4.3 Επιδερµικό βάθος χαλκού και µέγιστη διάµετρος αγωγού. Επειδή η ταινία χαλκού δεν έχει καµία µονωτική επίστρωση (πχ βερνίκι), χρησιµοποιήθηκε χαρτοταινία έτσι ώστε να επιτευχθεί η µόνωση µεταξύ των σπειρών. Tα δύο άκρα της περιέλιξης αποτελούνται από εύκαµπτους αγωγούς οι οποίοι συγκολλήθηκαν µε την ταινία χαλκού (εικόνα 4.3). Αφού ολοκληρώθηκε η διαδικασία της περιέλιξης, η µποµπίνα προσαρµόστηκε στον πυρήνα και ρυθµίστηκε το µήκος του διακένου µε τη χρήση χαρτιού. Τέλος, στους εύκαµπτους αγωγούς τοποθετήθηκαν ακροδέκτες (κος) για την εύκολη σύνδεση και αποσύνδεση του πηνίου από την πλακέτα. Ακολουθεί µία σειρά από εικόνες από τη διαδικασία κατασκευής των πηνίων. 81

92 Εικόνα 4.2 Περιέλιξη της ταινίας χαλκού στην πλαστική µποµπίνα Εικόνα 4.3 Περιέλιξη της ταινίας χαλκού στην πλαστική µποµπίνα 82

93 Εικόνα 4.4 Συγκόλληση του εύκαµπτου αγωγού στο άκρο της ταινίας χαλκού. Εικόνα 4.5 Eικόνα των δύο πηνίων σε ηµιτελή κατάσταση 83

94 4.3.5 Κατασκευή φίλτρων εισόδου και εξόδου Σχήµα 4.45 Τα φίλτρα εισόδου και εξόδου του µετατροπέα Το φίλτρο εισόδου είναι ένα κύκλωµα LC, ο υπολογισµός του οποίου πραγµατοποιήθηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο. Οι 3 πυκνωτές που συνδέονται παράλληλα είναι χωρητικότητας 560µF ο καθένας. Το πηνίο που κατασκευάστηκε είναι επαγωγής 10µH. Η διαδικασία των υπολογισµών και της κατασκευής του πηνίου αυτού είναι ίδια µε αυτή που ακολουθήθηκε για τα πηνία των κλάδων. Μία κατασκευαστική διαφορά µεταξύ των πηνίων των κλάδων και του πηνίου του φίλτρου, είναι ότι η περιέλιξη του τελευταίου έγινε µε χάλκινο σύρµα περιελίξεως και όχι µε φύλλο χαλκού. Σχήµα 4.46 Ο πυρήνας E42 [26] 84

95 Σχήµα 4.47 Γεωµετρία του πυρήνα Ε42 [29] Τα µαγνητικά χαρακτηριστικά του πυρήνα είναι τα εξής: Πίνακας 4.4 Μαγνητικά χαρακτηριστικά πυρήνα Ε42 [29] Από την εξίσωση (4.17), θεωρώντας ένα συνολικό µήκος διακένου lg = 2mm (2x1mm) και µε le =97mm, όπως αναφέρει το φυλλάδιο του κατασκευαστή, υπολογίζουµε το µe = 48,5. Στη συνέχεια από την εξίσωση (4.18) για L = 10µΗ και Α e =368mm 2, υπολογίζουµε τον αριθµό των σπειρών ίσο µε Ν = 9 σπείρες. Τέλος για ρεύµα 50Α, από τις εξισώσεις (4.19) και (4.20) προκύπτει Β = 282,7mT. Στον πίνακα 4.2 ο κατασκευαστής µας αναφέρει πως η µαγνητική επαγωγή στον κόρο για το υλικό Ν87, που επιλέξαµε είναι: Βsat = 490mT (25 οc). Άρα αφού Β < Βsat το πηνίο δεν κινδυνεύει να µπει στον κόρο. Τα σύρµατα χαλκού αντέχουν 5Α ανά τετραγωνικό χιλιοστό της διατοµής τους. Εποµένως για ρεύµα 50Α χρειάζεται αγωγός διατοµής 10mm 2. Επειδή η συχνότητα του ρεύµατος του πηνίου είναι 60ΚΗz, διπλάσια από τη διακοπτική συχνότητα, για να εξαλειφθεί το επιδερµικό φαινόµενο ο αγωγός θα κατασκευαστεί από 60 κλώνους διαµέτρου 0.5mm σύµφωνα µε τον πίνακα 4.3. Να σηµειωθεί πως σε περίπτωση λειτουργίας του µετατροπέα µε διακοπτική συχνότητα 90ΚΗz, για φορτία µικρότερα των 133W όπως έχει αναφερθεί, η συχνότητα του ρεύµατος του πηνίου γίνεται 180ΚΗz και το επιδερµικό φαινόµενο δεν µπορεί πλέον να εξαλειφθεί µε τους κλώνους διαµέτρου 0,5mm που χρησιµοποιήθηκαν. Όµως, αφού η τιµή του ρεύµατος είναι πολύ µικρή, οι απώλειες δε θα είναι σηµαντικές και δεν υπάρχει λόγος να 85

96 προσπαθήσουµε να καταπολεµήσουµε το επιδερµικό φαινόµενο χρησιµοποιώντας 120 κλώνους διαµέτρου 0,33mm που απαιτούνται. Εικόνα 4.6 Πηνίο φίλτρου εισόδου Το φίλτρο εξόδου είναι εννέα παράλληλα συνδεδεµένοι πυκνωτές. Συγκεκριµένα επιλέχθηκε χωρητικότητα ίση µε 5mF, η οποία προκύπτει από τον παράλληλο συνδυασµό εννέα πυκνωτών 560 µf έκαστος. Ο παράλληλος συνδυασµός πυκνωτών προέκυψε από την ανάγκη µείωσης της συνολικής ισοδύναµης εν σειρά αντίστασης του φίλτρου αφενός και αφετέρου από την ανάγκη καταµερισµού του ρεύµατος του φίλτρου διότι σε ορισµένες καταστάσεις λειτουργίας αυτό παίρνει µεγάλες τιµές. 4.4 Σχεδιασµός και κατασκευή κυκλώµατος ελέγχου. Το κύκλωµα ελέγχου είναι ένα σύστηµα το οποίο εκτελεί τους κατάλληλους αλγορίθµους και παράγει τα σήµατα εκείνα που θα παλµοδοτήσουν τα ηµιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος. Μέσω αυτών ελέγχεται πλήρως ο µετατροπέας ισχύος. Το κύκλωµα ελέγχου µπορεί να δεχτεί κάποια σήµατα ως εισόδους, τα οποία θα χρησιµοποιηθούν στον αλγόριθµό του και µπορούν να προέρχονται είτε από µέτρηση ενός ή περισσότερων µεγεθών της διάταξης ισχύος, είτε από εξωτερική ανεξάρτητη πηγή. Η πρώτη περίπτωση αφορά στον κλειστό 86

97 βρόχο ελέγχου (closed loop), ενώ η δεύτερη αφορά στον ανοιχτό βρόχο ελέγχου (open loop). Τα σήµατα ελέγχου που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο των διακοπτών ισχύος όπως περιγράφτηκε δηµιουργούνται από τον µικροελεγκτή (dspic30f4011) και ακολουθούν την πορεία που φαίνεται στο σχήµα παρακάτω. Περιληπτικά, φαίνεται πως τα σήµατα του µικροελεγκτή οδηγούνται αρχικά σε µία πύλη ΝΟΤ (74HCT04) η οποία τα αντιστρέφει. Οι ανεστραµµένοι παλµοί οδηγούνται στους οπτοζέυκτες, οι οποίοι εκτός της επίτευξης γαλβανικής αποµόνωσης µεταξύ των κυκλωµάτων µε τα οποία συνδέονται, αντιστρέφουν εκ νέου τα σήµατα. Τέλος για να είναι ικανά αυτά τα σήµατα να οδηγήσουν τα mosfet πρέπει να περάσουν από τους οδηγούς (drivers) οι οποίοι είναι εξειδικευµένα ολοκληρωµένα και επιλέγονται ανάλογα µε το διακοπτικό στοιχείο που πρόκειται να χρησιµοποιηθεί. Επίσης στο σχήµα φαίνεται και το σήµα ανατροφοδότησης το οποίο αποτελεί σήµα εισόδου για τον µικροελεγκτή. Το σήµα του µετρητικού, πριν φτάσει στην είσοδο του µικροελεγκτή, περνάει από έναν τελεστικό ενισχυτή. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή όλων των στοιχείων του κυκλώµατος ξεχωριστά. Σχήµα 4.48 Κύκλωµα ελέγχου του µετατροπέα 87

98 4.4.1 Ο µικροελεγκτής dspic30f4011 Η δηµιουργία των παλµών οδήγησης των ηµιαγωγικών στοιχείων ισχύος και η επεξεργασία των µετρούµενων σηµάτων γίνεται στον µικροελεγκτή ο οποίος είναι η καρδιά του ηλεκτρονικού κυκλώµατος ελέγχου. Ο µικροελεγκτής που χρησιµοποιήθηκε είναι ο dspic30f4011 ο οποίος τροφοδοτείται µε 5V. Από τους ακροδέκτες του χρησιµοποιήθηκαν δύο έξοδοι για την παλµοδότηση των ηµιαγωγικών στοιχείων ισχύος, µία αναλογική είσοδος για την επεξεργασία του σήµατος του µετρητικού τάσης, δύο σήµατα για την επικοινωνία µε το αναπτυξιακό και τον προγραµµατισµό του µικροελεγκτή και τέλος το σήµα MCLEAR για επανεκκίνηση µε µπουτόν (reset). Η λειτουργία και ο προγραµµατισµός του µικροελεγκτή αναλύονται σε επόµενο κεφάλαιο Ο αντιστροφέας 74HCT04 Το 74HCT04 είναι ένα ολοκληρωµένο που περιλαµβάνει 6 πύλες NOT και τροφοδοτείται µε συνεχή τάση 5V. Εκεί οι παλµοί αντιστρέφονται και οδηγούνται στον οπτοζεύκτη που ακολουθεί. Η χρήση του είναι απαραίτητη αφενός για την αντιστροφή των παλµών, αφετέρου για την ενίσχυσή τους καθώς το ρεύµα της εξόδου του µικροελεγκτή δεν είναι ικανό να οδηγήσει τα επόµενα ολοκληρωµένα Ο οπτοζεύκτης 6Ν135 Η γαλβανικής αποµόνωση µεταξύ κυκλώµατος ισχύος και κυκλώµατος ελέγχου γίνεται για λόγους ασφαλείας. Το ολοκληρωµένο που χρησιµοποιήθηκε είναι το 6Ν135, το οποίο έχει την ίδια τροφοδοσία µε τον driver που χρησιµοποιήθηκε, δηλαδή 15V. Αυτή η τροφοδοσία είναι γαλβανικά αποµονωµένη από τις τροφοδοσίες των υπόλοιπων ολοκληρωµένων. Η µετάδοση των παλµών που οδηγούν τα mosfet, µέσα σε αυτό το ολοκληρωµένο, γίνεται µε οπτικό τρόπο. Στην είσοδο το οπτοζεύκτη υπάρχει µία φωτοδίοδος η οποία εκπέµπει φώς όταν βρεθεί υπό τάση, δηλαδή ανάλογα µε το σήµα που προέρχεται από τον µικροελεγκτή. Στην έξοδο υπάρχει ένα τρανζίστορ ανοιχτού συλλέκτη ελεγχόµενο από φώς. Όταν αυτό άγει (δέχεται φώς) το σήµα εξόδου είναι 0V, όταν δεν άγει (δεν δέχεται φώς) το σήµα εξόδου είναι 15V διότι έχει συνδεθεί pull up αντίσταση µε την τροφοδοσία. Παρατηρούµε ότι µε αυτή τη λειτουργία το σήµα αναστρέφεται εκ νέου και τώρα έχει τη µορφή που είχε εξερχόµενο από τον µικροελεγκτή. 88

99 4.4.4 Ο οδηγός παλµών IR4427 Ο οδηγός των παλµών (driver) ενισχύει τους παλµούς του οπτοζεύκτη και τους φέρνει στο επιθυµητό επίπεδο ώστε να µπορεί να οδηγηθεί σωστά το mosfet. Η τροφοδοσία του, όπως έχει αναφερθεί, είναι 15V το ίδιο και το high των παλµών στην έξοδό του. Να σηµειωθεί ότι το συγκεκριµένο ολοκληρωµένο (IR4427) είναι διπλό δηλαδή έχει δύο εισόδους και δύο εξόδους που αντιστοιχούν στα δύο mosfet που πρέπει να οδηγηθούν. Σε σειρά µε την πύλη του κάθε στοιχείου παρεµβάλλεται µία αντίσταση 7,5Ω για να περιοριστεί το ρεύµα στο επιθυµητό επίπεδο. Επίσης παράλληλα µεταξύ πύλης και πηγής τοποθετούνται µία αντίσταση pull down 1ΚΩ και µία δίοδος zener 18V που αποκόπτει ενδεχόµενες υπερτάσεις από κάποιο σφάλµα Το µετρητικό τάσης LV 25-P και ο ενισχυτής AD622 Το µετρητικό τάσης LV 25-P είναι ένας αισθητήρας τάσης (voltage transducer) που χρησιµοποιεί το φαινόµενο Hall και παρέχει γαλβανική αποµόνωση µεταξύ του πρωτεύοντος (κύκλωµα ισχύος) και του δευτερεύοντος κυκλώµατος (ηλεκτρονικό κύκλωµα). Η τροφοδοσία του είναι ±15V. Το πρωτεύον του µετρητικού συνδέεται στα σηµεία των οποίων την τάση θέλουµε να µετρήσουµε, παρεµβάλλοντας ταυτόχρονα κάποιες αντιστάσεις, έτσι ώστε όταν µετράει την ονοµαστική τάση να διαρρέεται από ονοµαστικό ρεύµα 10mA. Για την περίπτωσή µας η ονοµαστική τάση µέτρησης είναι 50V άρα απαιτείται αντίσταση 5ΚΩ, η οποία κατασκευάζεται από δύο εν σειρά συνδεδεµένες οµάδες, των τεσσάρων παράλληλων αντιστάσεων 10ΚΩ η καθεµία. Αυτός ο συνδυασµός των αντιστάσεων έγινε για τον καταµερισµό της ισχύος που καταναλώνουν. Στο δευτερεύον κύκλωµα παράγεται ένα σήµα ρεύµατος 2.5 φορές µεγαλύτερο από αυτό του πρωτεύοντος. Για να µετατραπεί σε σήµα τάσης και να οδηγηθεί στην είσοδο του ενισχυτή, τοποθετήθηκε µία αντίσταση 180ΚΩ µεταξύ σήµατος και γης έτσι ώστε στο ονοµαστικό ρεύµα του δευτερεύοντος (25mA) να δηµιουργείται στην είσοδο του ενισχυτή τάση 4.5V. Το ολοκληρωµένο AD622 που χρησιµοποιήθηκε, είναι ένας ενισχυτής σήµατος που χρησιµοποιεί ίδια τροφοδοσία µε το µετρητικό και το κέρδος της ενίσχυσής του καθορίζεται από την τιµή µιας αντίστασης που συνδέεται εξωτερικά. Το σήµα µέτρησης, σε αυτό το σηµείο, έχει πάρει την τελική του µορφή και οδηγείται σε µία από τις αναλογικές εισόδους του µικροελεγκτή. Επειδή οι αναλογικές είσοδοι του µικροελεγκτή δέχονται τάσεις έως 5V, τοποθετείται µία δίοδος zener στην έξοδο του ενισχυτή για να αποκόψει µεγαλύτερες τάσεις, αν προκύψουν. 89

100 4.5 Σχεδιασµός και κατασκευή γραµµικών τροφοδοτικών Τόσο τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα (IC s) του κυκλώµατος ελέγχου, όσο και το µετρητικό τάσης χρειάζονται για τη λειτουργία τους, όπως αναφέρθηκε, συγκεκριµένες συνεχείς τάσεις ως τροφοδοσίες. Έτσι κατασκευάστηκαν κάποια γραµµικά τροφοδοτικά, µικρής ισχύος, καθένα από τα οποία µετατρέπει την µονοφασική εναλλασσόµενη τάση του δικτύου (230V) σε συνεχή τάση. Πιο αναλυτικά, ένας µετασχηµατιστής χρησιµοποιείται για τον υποβιβασµό της τάσης του δικτύου, µία ανορθωτική γέφυρα µετατρέπει την τάση σε συνεχή, ένα σταθεροποιητικό τάσης δίνει την επιθυµητή τάση εξόδου (±15 ή 5 V) ενώ χρησιµοποιούµε και πυκνωτές που λειτουργούν ως φίλτρα πριν και µετά το σταθεροποιητικό τάσης. Επειδή τα στοιχεία του κυκλώµατος ελέγχου ήταν πολλά και απαιτούσαν πολλές και ποικίλες τροφοδοσίες, έγινε ειδική επιλογή των στοιχείων ώστε να χρειαστεί η κατασκευή όσο το δυνατόν λιγότερων τροφοδοτικών. Έτσι µειώθηκε ο όγκος και το βάρος της κατασκευής και τελικά κατασκευάστηκαν ένα τροφοδοτικό των 5V µαζί µε ένα των ±15V µε κοινή γη, και ένα τροφοδοτικό 15V γαλβανικά αποµονωµένο από τα άλλα για λόγους που εξηγούνται παρακάτω. Για το τροφοδοτικό των ±15V χρησιµοποιήθηκε ένας µετασχηµατιστής µε δύο δευτερεύοντα τυλίγµατα ( 230V/2x15V ) τα οποία συνδέθηκαν σε σειρά και ο κόµβος τους χρησιµοποιήθηκε ως γη. Έτσι από τα δύο άκρα που απέµειναν το ένα έχει θετικό δυναµικό και το άλλο αρνητικό και χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία των +15V και των -15V αντίστοιχα. Για κάθε κλάδο ακολουθεί µία ανορθωτική γέφυρα και ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξοµάλυνσης (2200µF), στη συνέχεια το σταθεροποιητικό τάσης (7815 και 7915 αντίστοιχα) και τέλος ένας ακόµα ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξοµάλυνσης (2200µF) και ένας αντιπαρασιτικός πυκνωτής MKT (100nF) (Σχήµα 4.17). Για το τροφοδοτικό των 5V και 15V χρησιµοποιήθηκε ένας µετασχηµατιστής µε δύο δευτερεύοντα τυλίγµατα ( 230V/2x15V ) τα οποία είναι γαλβανικά αποµονωµένα. Το ένα δευτερεύον χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία των 5V και το άλλο για τη δηµιουργία των 15V. Σε κάθε δευτερεύον ακολουθεί, όπως πριν, µία ανορθωτική γέφυρα και ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξοµάλυνσης (2200µF), στη συνέχεια το σταθεροποιητικό τάσης (7805 και 7815 αντίστοιχα) και τέλος ένας ακόµα ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξοµάλυνσης (2200µF) και ένας αντιπαρασιτικός πυκνωτής MKT (100nF) (Σχήµα 4.17). 90

101 Σχήµα 4.49 Σχηµατικό διάγραµµα των τροφοδοτικών του κυκλώµατος ελέγχου Εικόνα 4.7 Τα τροφοδοτικά του κυκλώµατος ελέγχου (πάνω όψη) 91

102 Εικόνα 4.8 Τα τροφοδοτικά του κυκλώµατος ελέγχου (πλάγια όψη) 92

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Στους ηλεκτρονικούς µετατροπείς συνεχούς τάσης, η τάση εξόδου πρέπει να ελέγχεται ώστε να είναι σε ένα επιθυµητό επίπεδο, ανεξάρτητα από το γεγονός ότι η τάση εισόδου και το φορτίο µπορούν να αυξοµειώνονται. Η ρύθµιση της τάσης εξόδου γίνεται ελέγχοντας τους χρόνους έναυσης και σβέσης των διακοπτικών στοιχείων. Μία από τις µεθόδους ελέγχου της τάσης εξόδου χρησιµοποιεί σταθερή διακοπτική συχνότητα και ρύθµιση της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός. Σε αυτή τη µέθοδο, που ονοµάζεται µετάβαση µε διαµόρφωση εύρους παλµών (PWM), µεταβάλλεται η σχετική διάρκεια αγωγής (Duty cycle, λόγος κατάτµησης) που ορίζεται ως ο λόγος της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός προς την διακοπτική περίοδο (δ = t on / T s ). Όπως έχει αναφερθεί, για το µετατροπέα ανύψωσης τάσης στην κατάσταση συνεχούς αγωγής ρεύµατος (CCM), ο λόγος των τάσεων εισόδου και εξόδου του µετατροπέα εξαρτάται αποκλειστικά και µόνο από το λόγο κατάτµησης (Duty cycle) των διακοπτικών στοιχείων και δίνεται από τη σχέση =, όπως αναλύθηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο. δ 5.1 Μέθοδοι ελέγχου Τη δηµιουργία παλµών µε συγκεκριµένη συχνότητα και συγκεκριµένο εύρος αναλαµβάνει, όπως είδαµε σε προηγούµενο κεφάλαιο, ο µικροελεγκτής. Η επιλογή του κατάλληλου εύρους των παλµών µπορεί να γίνει είτε χειροκίνητα από το χρήστη, δίνοντας ένα σήµα εισόδου στο µικροελεγκτή (µέθοδος ανοιχτού βρόχου, open loop), είτε αυτόµατα όταν ο µικροελεγκτής λαµβάνει σήµατα από µετρήσεις και µεταβάλλει το λόγο κατάτµησης υλοποιώντας έναν αλγόριθµο (µέθοδος κλειστού βρόχου, closed loop) Μέθοδος ανοιχτού βρόχου Με αυτή τη µέθοδο ο λόγος κατάτµησης, άρα και η σχέση ανύψωσης της τάσης του µετατροπέα, καθορίζεται χειροκίνητα από το χρήστη της συσκευής. Αυτό γίνεται µέσω ενός ποτενσιόµετρου τύπου trimmer το οποίο συνδέεται σε µία αναλογική είσοδο του µικροελεγκτή. Έτσι ανάλογα µε την 93

104 τάση στην είσοδο αυτή, ο µικροελεγκτής είναι προγραµµατισµένος να µεταβάλει το λόγο κατάτµησης και έτσι να ελέγχει το λόγο των τάσεων εισόδου και εξόδου. Αυτή ήταν η πρώτη µέθοδος που εφαρµόστηκε στην πειραµατική διάταξη διότι ο έλεγχος είναι απλός και προσφέρει καλή εποπτεία στο χρήστη. Με τη χρήση του trimmer και µεταβάλλοντας το φορτίο και την τάση εισόδου που παρέχουν τα τροφοδοτικά, ο µετατροπέας οδηγείται σε οποιαδήποτε κατάσταση λειτουργίας που µπορεί να επιθυµούµε να εξετάσουµε Μέθοδος κλειστού βρόχου Η µέθοδος του κλειστού βρόχου εφαρµόστηκε στη συνέχεια έχοντας ως στόχο τη σταθεροποίηση της τάσης εξόδου του µετατροπέα στα 50V ανεξάρτητα µε τις µεταβολές του φορτίου και της τάσης εισόδου. Ο χρήστης πλέον δεν παρεµβαίνει στον καθορισµό του λόγου κατάτµησης. Αυτό το έργο το έχει αναλάβει ο µικροελεγκτής υλοποιώντας τον κατάλληλο αλγόριθµο. Συγκεκριµένα ο έλεγχος τάσης κλειστού βρόχου υλοποιήθηκε µέσω ενός ελεγκτή PI ο οποίος αποτέλεσε µια υπορουτίνα στο πρόγραµµα του µικροελεγκτή. Στον έλεγχο PI χρησιµοποιείται µία αρνητική ανατροφοδότηση του σήµατος από τη µέτρηση της τάσης εξόδου και προστίθεται σε µία σταθερή τιµή αναφοράς, η οποία στην εφαρµογή µας αντιστοιχεί στα 50V. Έτσι παράγεται ένα σφάλµα (e) το οποίο χρησιµοποιεί ο ελεγκτής για να δηµιουργήσει το σήµα ελέγχου (u) σύµφωνα µε τη σχέση: (5.1) Όπου Κ P είναι το αναλογικό κέρδος και Κ Ι είναι το ολοκληρωτικό κέρδος. 94

105 Σχήµα 5.1 Το block διάγραµµα του ελέγχου PI. Ο αναλογικός όρος παράγει ένα σήµα ελέγχου ανάλογο του σφάλµατος, ενώ ο ολοκληρωτικός όρος µηδενίζει το σφάλµα µόνιµης κατάστασης. Για ένα σύστηµα όπως ο µικροελεγκτής, που κάνει δειγµατοληψία, τα σήµατα είναι διακριτού χρόνου και η σχέση του ελεγκτή PI γίνεται: (5.2) Όπου Τ είναι η περίοδος εκτέλεσης του βρόχου. Τα κατάλληλα κέρδη του ελεγκτή µπορούν να βρεθούν χειροκίνητα (manual tuning) κάνοντας δοκιµές. Αρχικά µηδενίζουµε το Κ Ι και αυξάνουµε το Κ P µέχρις ότου πετύχουµε µια γρήγορη, χωρίς ταλαντώσεις απόκριση. Στη συνέχεια αυξάνουµε το Κι για να µειωθεί το µόνιµο σφάλµα και ίσως χρειαστεί να αλλάξουµε πάλι το Κ P. 5.2 Ο µικροελεγκτής DSPIC30F4011 [30] Γενικά περι µικροελεγκτών Η χρήση µικροϋπολογιστικών συστηµάτων αφορά την ανάπτυξη και υλοποίηση απλών ή πολύπλοκων λογικών ελέγχου σε διατάξεις µετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος. Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα ελέγχου, το µικροϋπολογιστικό σύστηµα πρέπει να είναι σε θέση να µετρήσει ένα ή περισσότερα µεγέθη της διάταξης ισχύος, να εκτελέσει τους κατάλληλους αλγορίθµους και να παράγει τα σήµατα εκείνα που θα παλµοδοτήσουν τα 95

106 ηµιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Τα µετρούµενα µεγέθη µπορεί να είναι ρεύµατα, τάσεις, στροφές, θερµοκρασία, καθώς και σήµατα ελέγχου από το χρήστη. Η αλµατώδης ανάπτυξη και εξέλιξη των µικροεπεξεργαστών 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 των 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 (όπως αυτοί που χρησιµοποιούνται σε έναν προσωπικό υπολογιστή). Η µοναδική διαφορά τους είναι ότι ο µικροεπεξεργαστής αποτελείται από τρία µέρη: Την αριθµητική και λογική µονάδα (ALU) Τη µονάδα ελέγχου (CU) Τη µνήµη (Memory - Registers) Ενώ ο µικροελεγκτής περιλαµβάνει εκτός από τα παραπάνω και άλλες µονάδες όπως RAM, ROM, Εισόδους, Εξόδους, κτλ. Ο µικροελεγκτής (µ/ε) 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 µ/ε διαφόρων χαρακτηριστικών και δυνατοτήτων. Η εκλογή του κατάλληλου µ/ε για µία ορισµένη εφαρµογή είναι ζωτικής σηµασίας για την επιτυχή πραγµατοποίηση του τελικού σκοπού. Σε αντίθεση µε τους επεξεργαστές γενικού σκοπού, οι σύγχρονοι µικροελεγκτές δεν υλοποιούν ένα εξωτερικό δίαυλο δεδοµένων ή διευθύνσεων, επειδή ενσωµατώνουν τη µνήµη RAM και ROM στο ίδιο chip µε τον επεξεργαστή. Εξαιτίας του παραπάνω γεγονότος, απαιτούνται λιγότερες ακίδες και το ολοκληρωµένο µπορεί να τοποθετηθεί σε ένα µικρότερο και φθηνότερο πακέτο Ανάλυση του µικροελεγκτή dspic30f4011 Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, στην παρούσα διπλωµατική εργασία χρησιµοποιείται ο µικροελεγκτής dspic30f4011. Είναι ένα ολοκληρωµένο στοιχείο των 40 pin, όπως φαίνεται στο σχήµα

107 Σχήµα 5.2 Το διάγραµµα των ακροδεκτών (pin) του µικροελεγκτή dspic30f4011 [10] Στους πίνακες που ακολουθούν παρουσιάζεται το είδος καθώς και η λειτουργία που µπορεί να επιτελέσει το κάθε ένα από τα 40 pin του µικροελεγκτή. Πίνακας 5.1 Περιγραφή του είδους και της λειτουργίας των ακροδεκτών (pin) του µικροελεγκτή dspic30f4011 [10] 97

108 Πίνακας 5.1 (συνέχεια) Περιγραφή του είδους και της λειτουργίας των ακροδεκτών (pin) του µικροελεγκτή dspic30f4011 [10] Το πιο σηµαντικό τµήµα του µικροελεγκτή είναι η κεντρική µονάδα επεξεργασίας του (CPU). Οι µικροελεγκτές της οικογένειας dspic30f έχουν ως κεντρική µονάδα επεξεργασίας µια 16 - bit τροποποιηµένη κατά Harvard αρχιτεκτονική µε βελτιωµένο πακέτο εντολών, περιλαµβάνοντας υποστήριξη σε DSP λειτουργίες. Η CPU έχει εντολές των 24bit µε µεταβλητό µήκος του κώδικα λειτουργίας. Ο απαριθµητής προγράµµατος έχει µήκος 24 bit και διευθυνσιοδοτεί µέχρι και 4Μ x 24bit µνήµης για το πρόγραµµα χρήστη. Ένας 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 (mov.d) λέξεων διπλής ακρίβειας (double word), και τις εντολές πινάκων. Ο dspic30f4011 διαθέτει δεκαέξι 16bit καταχωρητές εργασίας (Working registers) στο µοντέλο προγραµµατισµού. Κάθε ένας από του καταχωρητές εργασίας µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν δεδοµένο, σαν διεύθυνση ή σαν καταχωρητής µετατόπισης διεύθυνσης. Ο 16ος καταχωρητής εργασίας (W15) 98

109 λειτουργεί ως ένας δείκτης στοίβας (stack pointer) για διακοπές και ανακλήσεις υπορουτινών. Το πακέτο εντολών του dspic30f4011 διαθέτει δυο είδη εντολών: Τον τύπο MCU εντολών και τον τύπο DSP εντολών. Αυτά τα δυο είδη εντολών είναι ενσωµατωµένα στην αρχιτεκτονική και εκτελούνται από µια µονάδα εκτέλεσης. Το πακέτο εντολών περιλαµβάνει πολλούς τρόπους διευθυνσιοδότησης και είναι σχεδιασµένο για τη βέλτιστη αποτελεσµατικότητα του C compiler. Η µνήµη του επεξεργαστή και όλοι οι καταχωρητές είναι οργανωµένοι σε µήκος των 16bit. Ο dspic30f4011 περιλαµβάνει δύο διαφορετικά τµήµατα δεδοµένων. Τα τµήµατα αυτά µπορεί να προσπελαστούν ξεχωριστά ή µαζί σαν ένα εύρος διευθύνσεων. Η µνήµη δεδοµένων προσπελαύνεται χρησιµοποιώντας δύο µονάδες παραγωγής διευθύνσεων (AGU) και διαφορετικούς δρόµους δεδοµένων. Στο σχήµα 5.3 που ακολουθεί παρουσιάζεται ο µικροελεγκτής σε επικοινωνία µε τα περιφερειακά του. Ο µικροελεγκτής διαθέτει πέντε ψηφιακές θύρες εισόδου-εξόδου (PORTS) συγκεκριµένου αριθµού ακίδων. Όποια ακίδα δεν χρησιµοποιείται από κάποιο άλλο περιφερειακό µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως θύρα εισόδου ή εξόδου. Σχήµα 5.3 Μπλόκ διάγραµµα του µικροελεγκτή dspic30f4011 [10] 99

110 Περιφερειακές µονάδες του µικροελεγκτή: [30],[10] Μετατροπείς σήµατος από αναλογικό σε ψηφιακό Ο υψηλής ταχύτητας 10 ψηφίων µετατροπέας αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό επιτρέπει τη µετατροπή ενός αναλογικού σήµατος εισόδου σε ένα ψηφιακό σήµα 10 ψηφίων. Το κύκλωµα βασίζεται σε µια αρχιτεκτονική µε «καταχωρητή επιτυχούς προσέγγισης» και παρέχει ένα µέγιστο ρυθµό δειγµατοληψίας των 500 ksps. Ο µετατροπέας έχει 16 αναλογικές εισόδους, οι οποίες πολυπλέκονται σε 4 ενισχυτές που δειγµατοληπτούν και αποθηκεύουν προσωρινά το σήµα. Η έξοδος των ενισχυτών αυτών είναι ουσιαστικά η είσοδος στο µετατροπέα, ο οποίος και παράγει το αποτέλεσµα. Η τάση-επίπεδο αναφοράς είναι επιλέξιµη µέσω λειτουργικού και αντιστοιχεί είτε στο επίπεδο της παροχής της συσκευής (AVDD/AVSS) είτε στην τάση στους ακροδέκτες VREF+/VREF-.Ο µετατροπέας έχει το µοναδικό χαρακτηριστικό να µπορεί να δουλεύει, ενώ η συσκευή βρίσκεται σε κατάσταση αδρανείας. Ο µετατροπέας έχει έξι καταχωρητές 16 ψηφίων που καθορίζουν τη λειτουργία του : Καταχωρητής ελέγχου 1- A/D Control Register1 (ADCON1) Καταχωρητής ελέγχου 2- A/D Control Register2 (ADCON2) ελέγχου 3- A/D Control Register3 (ADCON3) Καταχωρητής επιλογής εισόδου- A/D Input Select Register (ADCHS) Καταχωρητής ρύθµισης θυρών - A/D Port Configuration Register (ADPCFG) Καταχωρητής επιλογής ανίχνευσης εισόδων - A/D Input Scan Selection Register (ADCSSL) Οι τρεις καταχωρητές ελέγχου (ADCON1, ADCON2 και ADCON3)ελέγχουν τη λειτουργία του µετατροπέα. Περιέχουν επιµέρους ψηφία, που το καθένα επιτελεί διαφορετική εργασία, η οποία συνήθως είναι η έναρξη ή η λήξη µιας διαδικασίας. Ο καταχωρητής (ADCHS) αρχικοποιεί τους ακροδέκτες ως αναλογικές εισόδους ή ως ψηφιακή είσοδο/έξοδο. Ο καταχωρητής ADCSSL επιλέγει τις εισόδους που θα γίνει δειγµατοληψία. Το κύκλωµα περιέχει 16 µιας λέξης και µόνο ανάγνωσης καταχωρητές, οι οποίοι αριθµούνται ως ADCBUF0...ADCBUFF, και στους οποίους αποθηκεύει το αποτέλεσµα. Η µνήµη έχει εύρος 10 ψηφίων, αλλά διαβάζεται µε ένα πρότυπο 16 ψηφίων. Ο χρήστης δεν µπορεί να εγγράψει δεδοµένα στους καταχωρητές όπου αποθηκεύονται αποτελέσµατα. 100

111 Σχήµα 5.4 Μπλόκ διάγραµµα της A/D µετατροπής σήµατος [10] Τα βασικά βήµατα που πρέπει να γίνουν για την ενεργοποίηση και το σωστό προγραµµατισµό του µετατροπέα σήµατος σε ψηφιακό είναι τα εξής: Επιλογή των ακίδων ως αναλογικές εισόδους. ADPCFG<15:0> Επιλογή τάσης αναφοράς ώστε να ταιριάζει µε το εύρος της αναλογικής τάσης εισόδου ADCON2<15:13> Επιλογή ρολογιού µετατροπής ώστε να ταιριάζει ο επιθυµητός ρυθµός δειγµατοληψίας µε το ρολόι του επεξεργαστή ADCON3<5:0> Προσδιορισµός του αριθµού των S/H καναλιών που θα χρησιµοποιηθούν ADCON2<9:8> και ADDCFG<15:0> 101

112 Προσδιορισµός του είδους της δειγµατοληψίας (σειριακή/παράλληλη) ADCON1<3> και ADCSSL<15:0> Προσδιορισµός της διασύνδεσης µεταξύ αναλογικών εισόδων και καναλιών S/H ADCHS<15:0> Επιλογή της κατάλληλης ακολουθίας δειγµατοληψίας-µετατροπής ADCON1<7:0> και ADCON3<12:8> Επιλογή της µορφής του ψηφιακού αποτελέσµατος ADCON1<9:8> Επιλογή του αριθµού των διακοπτών ADCON2<5:9> Ενεργοποίηση της µονάδας ADC ADCON1<15> Ένα ειδικό ρολόι T AD ελέγχει το ρυθµό πραγµατοποίησης των µετατροπών. Η κάθε µετατροπή απαιτεί 12 κύκλους του ειδικού ρολογιού 12 T AD. Ο χρόνος T AD επιλέγεται από το πρόγραµµα µέσω ενός 6-bit µετρητή. Υπάρχουν 64 πιθανές επιλογές, οι οποίες προσδιορίζονται από τα ADCS<5:0> T AD : (5.3) Θύρες Εισόδου/ Εξόδου Όλοι οι ακροδέκτες έχουν τρεις αποκλειστικούς καταχωρητές σχετικά µε τη λειτουργία τους. Ο καταχωρητής κατεύθυνσης δεδοµένων (TRISx) καθορίζει αν η θύρα είναι εισόδου ή εξόδου. Αν το bit κατεύθυνσης δεδοµένων είναι λογικό 1 τότε ο ακροδέκτης είναι είσοδος. Όλοι οι ακροδέκτες θυρών καθορίζονται ως είσοδοι µετά από µια επανεκκίνηση. Οι αναγνώσεις από το µανδαλωτή, διαβάζουν το καταχωρητή (LATx). Εγγραφές στο µανδαλωτή, εγγράφουν στον καταχωρητή (LATx). Αναγνώσεις από το καταχωρητή (PORTx) διαβάζουν τους ακροδέκτες, και εγγραφές στους ακροδέκτες, εγγράφουν τον καταχωρητή (LATx). Χρονιστές (timers) Υπάρχει αποκλειστικά ένας χρονιστής των 16-bit (ο timer 1) και 2 χρονιστές των 32-bit (timer2/3 και timer 4/5), που µπορούν να λειτουργήσουν και σαν χρονιστές των των16-bit ο καθένας (timer 2, timer 3, timer 4 και timer 5). Όλοι οι παραπάνω χρονιστές ελέγχονται από τους αντίστοιχους καταχωρητές (όπου x ο αύξων αριθµός του χρονιστή): TMRx : To 16-bit περιεχόµενο του timer x. PRx : Η 16-bit περίοδος του timer x TxCON : Ο καταχωρητής ελέγχου της λειτουργίας του timer x. 102

113 Ο timer 1 έχει τρείς διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας: 1. Λειτουργία ως χρονιστής, όπου αυξάνει σε κάθε κύκλο του εσωτερικού ρολογιού µέχρι µία καθορισµένη, από το πρόγραµµα του χρήστη, τιµή. 2. Λειτουργία ως σύγχρονος µετρητής παλµών, όπου αυξάνει για κάθε παλµό που προέρχεται από εξωτερική πηγή και είναι συγχρονισµένος µε το εσωτερικό ρολόι. 3. Λειτουργία ως ασύγχρονος µετρητής παλµών, όπου αυξάνει σε κάθε παλµό που προέρχεται από εξωτερική πηγή. Ο timer 2/3 και ο timer 4/5 υποστηρίζουν όλα τα παραπάνω εκτός από τον ασύγχρονο τρόπο λειτουργίας. Μονάδα παραγωγής παλµών H µονάδα παραγωγής παλµών PWM προσφέρει πολλές δυνατότητες και συνοπτικά έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: ιαθέτει 6 ακροδέκτες (pin) εισόδων/ εξόδων της PWM µε τρεις παραγωγούς λόγου κατάτµησης. Προσφέρει ανάλυση έως 16 bit. ιαθέτει FAULT ακροδέκτες (pin) για προαιρετική οδήγηση κάθε µιας από τις PWM εξόδους. ίνει τη δυνατότητα αλλαγών της συχνότητας της PWM σε πραγµατικό χρόνο. Προσφέρει τις ακόλουθες δυνατότητες παραγωγής παλµών : o Single Pulse τρόπος παραγωγής παλµών o Edge Aligned PWM o Center Aligned PWM ιαθέτει συγκριτή «ειδικού γεγονότος» για τη διευθέτηση άλλων περιφερειακών γεγονότων. ιαθέτει υποστήριξη Interrupt για ασύµµετρες ενηµερώσεις στην Center Aligned λειτουργία. ιαθέτει έξοδο ελέγχου override για λειτουργία ECM (Electrically Commutative Motor) 103

114 Σχήµα 5.5 Μπλόκ διάγραµµα της µονάδας παραγωγής παλµών [10] Η µονάδα PWM διαθέτει τρεις παραγωγούς λόγου κατάτµησης, αριθµηµένους από το ένα ως το τρία. Η βάση χρόνου (time base) της PWM περιγράφεται µε ένα χρονιστή (timer) 15 bit µε prescaler και postscaler. Μπορούµε να έχουµε πρόσβαση στη βάση χρόνου µέσω του PTMR καταχωρητή. Ο PTMR<15> είναι ένα bit ανάγνωσης µόνο κατάστασης, που δείχνει την τρέχουσα διεύθυνση της βάσης χρόνου της PWM. Ο χρήστης µπορεί να γράψει µια τιµή 15 bit στο PTPER<14:0>. Όταν η τιµή του PTMR<14:0> γίνει ίδια µε την τιµή του καταχωρητή περιόδου PTPER<14:0>, η βάση χρόνου είτε θα γίνει reset στο µηδέν, είτε θα αντιστρέψει τη διεύθυνση µέτρησης µέχρι τον επόµενο κύκλο ρολογιού, ανάλογα µε τη λειτουργία της 104

115 PWM που έχει επιλεγεί. Η βάση χρόνου της PWM µπορεί να οριστεί µε τέσσερις διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας: Single Shot mode Free Running mode Continuous Up/Down Count mode Continuous Up/Down Count mode with interrupts for double updates Οι τέσσερις παραπάνω λειτουργίες επιλέγονται µέσω του PTCON SFR (Special Function Register) και συγκεκριµένα από τα PTMOD <1:0> bits. Στη συνέχεια γίνεται µια σύντοµη περιγραφή καθεµιάς από τις τέσσερις λειτουργίες που προαναφέρθηκαν. Α) Single Shot Mode Στην Single Shot λειτουργία, όταν το ψηφίο PTEN γίνει ίσο µε 1, η βάση χρόνου της PWM ξεκινάει να µετράει «προς τα πάνω». Όταν η τιµή του καταχωρητή PTMR γίνει ίση µε αυτή του καταχωρητή PTPER, ο PTMER θα µηδενιστεί στην επόµενη ακµή του ρολογιού και το ψηφίο PTEN θα µηδενιστεί από το κύκλωµα για να συγκρατήσει τη βάση χρόνου. Όταν έχει επιλεγεί η λειτουργία Single Shot (PTMOD<1:0> = 01),µια διακοπή παράγεται όταν συµβαίνει ένα ταίριασµα µε τον καταχωρητή PTPER, ο δε καταχωρητής PTMR µηδενίζεται στην επόµενη παρυφή του ρολογιού και το ψηφίο PTEN θα µηδενιστεί και αυτό. Β) Free Running Mode Στην Free Running λειτουργία, η βάση χρόνου του PWM µετράει προς τα πάνω, έως ότου βρεθεί η τιµή στον καταχωρητή PTPER. Ο καταχωρητής PTMR θα γίνει Reset στην επόµενη ακµή του ρολογιού εισόδου ενώ η βάση χρόνου θα συνεχίσει να µετράει «προς τα πάνω» όσο το PTEN bit είναι ίσο µε 1. Στη λειτουργία Free Running (PTMOD<1:0>=00) µια διακοπή (Interrupt) παράγεται κάθε φορά που η τιµή του καταχωρητή PTMR γίνεται Reset, όταν αυτή συµπέσει µε την τιµή του PTPER. Tα Postscaler selection bits µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας του χρονοδιακόπτη για να ελαττώσουν τη συχνότητα εµφάνισης των διακοπών. Γ) Continuous Up / Down Mode Στην Continuous Up/Down Count Μode η χρονική βάση της PWM θα µετράει «προς τα πάνω» έως ότου γίνει σύµπτωση µε την τιµή του PTPER καταχωρητή. Ο timer θα αρχίσει να µετράει «προς τα κάτω» στην επόµενη παρυφή του ρολογιού εισόδου και θα συνεχίσει να µετράει «προς τα κάτω» µέχρι να φτάσει την τιµή «0». Το PTDIR bit PTMR<15> µπορεί µόνο να αναγνωστεί και υποδεικνύει την κατεύθυνση της καταµέτρησης. Το PTDIR bit γίνεται set, µόνο όταν το χρονόµετρο µετράει «προς τα κάτω». Στην Continuous Up/Down Count λειτουργία µέτρησης (PTMOD <1:0> = 10), µια διακοπή παράγεται κάθε φορά που η τιµή του καταχωρητή PTMR γίνεται ίση µε το µηδέν και η βάση χρόνου της PWM αρχίζει να µετράει προς τα πάνω. Τα postscaler bits επιλογής µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας του χρονοδιακόπτη για να µειώσουν τη συχνότητα των εµφάνισης διακοπών. 105

116 ) Continuous Up/Down Count mode with interrupts for double updates Στη λειτουργία Double Update (PTMOD <1:0> = 11) µια διακοπή συµβαίνει κάθε φορά που η τιµή του PTMR καταχωρητή γίνεται ίση µε το «0», καθώς και κάθε φορά που συµπληρώνεται µία περίοδος. Να σηµειωθεί πως τα postscaler selection bits δεν έχουν καµία επίδραση σε αυτή τη λειτουργία. Περίοδος της PWM Ο PTPER είναι ένας καταχωρητής 15 ψηφίων που ρυθµίζει την περίοδο µέτρησης για τον PTMR. Ο χρήστης καλείται να δώσει µία τιµή εύρους 15 bit στον PTPER <14:0>, όταν η τιµή του PTMR συµπέσει µε την τιµή του PTPER η χρονική βάση µπορεί να επανέλθει στην τιµή «0» ή να αρχίσει να µετράει προς την αντίστροφη κατεύθυνση ανάλογα µε την λειτουργία που έχει επιλεγεί από τον χρήστη. Ο PTPER είναι ένας double buffer. Τα περιεχόµενα του µεταφέρονται στον καταχωρητή στις επόµενες περιπτώσεις : Στις λειτουργίες Free Running and Single Shot, όταν ο PTMR µηδενίζεται ύστερα από µια εξίσωση του µε τον PTPER Στη λειτουργία Up/Down, όταν ο PTMR καταχωρητής µηδενίζεται η τιµή που συγκρατείται στον buffer µεταφέρεται αυτόµατα στον οµώνυµο καταχωρητή όταν η βάση µέτρησης της PWM είναι απενεργοποιηµένη (PTEN = 0). Η περίοδος της PWM µπορεί να υπολογιστεί από την σχέση που ακολουθεί. (5.4) Σε περίπτωση που έχει επιλεγεί µία από τις δύο Up/Down Counting λειτουργίες η περίοδος της PWM θα είναι: Μονάδα προγραµµατιζόµενης εξόδου (Output compare) (5.5) Ο συγκεκριµένος µικροελεγκτής διαθέτει µονάδα προγραµµατιζόµενων εξόδων µε τέσσερα κανάλια OC1, OC2, OC3, OC4. Η µονάδα αυτή συγκρίνει την τιµή µιας βάσης χρόνου που επιλέγεται από το χρήστη, µε την τιµή ενός ή δύο, ανάλογα µε τη λειτουργία, καταχωρητών σύγκρισης. Το αποτέλεσµα αυτής της σύγκρισης καθορίζει την έξοδο. Σαν βάση χρόνου για καθεµία από τις τέσσερεις εξόδους µπορεί να επιλεγεί είτε ο Timer 2 είτε ο Timer 3. Όλες οι έξοδοι ελέγχονται από τους αντίστοιχους καταχωρητές (όπου x ο αύξων αριθµός της εξόδου): 106

117 OCxCON Καταχωρητής ελέγχου καναλιού OCxR Πρωτεύων καταχωρητής σύγκρισης OCxRS ευτερεύων καταχωρητής σύγκρισης Η κάθε έξοδος µπορεί να δουλέψει µε τρεις διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας οι οποίοι ορίζονται από τα OCxCON<2:0>: 1. Λειτουργία µονής σύγκρισης (Single Compare Mode) Σε αυτό τον τρόπο λειτουργίας, η τιµή της βάσης χρόνου συγκρίνεται µόνο µε το περιεχόµενο του καταχωρητή OCxR. Όταν οι δύο τιµές γίνουν ίσες τότε η έξοδος αλλάζει µε τρόπο που έχει οριστεί από το χρήστη στα OCxCON<2:0>. Μπορεί η έξοδος να γίνεται 1 από την αρχική κατάσταση 0 (Force High) (Σχήµα 5.6), να γίνεται 0 από την αρχική κατάσταση 1 (Force Low) και τέλος µπορεί να εναλλάσσεται σε κάθε σύγκριση (Toggle output) (Σχήµα 5.7). Ταυτόχρονα, παράγεται µια διακοπή στο µικροελεγκτή και το αντίστοιχο flag γίνεται 1. Σχήµα 5.6 Λειτουργία µονής σύγκρισης µε µετάβαση από 0 σε 1. [10] Σχήµα 5.7 Λειτουργία µονής σύγκρισης µε εναλλαγή της εξόδου σε κάθε σύγκριση. [10] 107

118 2. Λειτουργία διπλής σύγκρισης (Dual Compare Mode) Σε αυτό τον τρόπο λειτουργίας η έξοδος προκύπτει από τη σύγκριση της τιµής της βάσης χρόνου και µε τους δύο καταχωρητές OCxR και OCxRS. Όταν η τιµή της βάσης χρόνου γίνει ίση µε την τιµή του καταχωρητή OCxRS η έξοδος µηδενίζεται. Ο παλµός αυτός της εξόδου, µπορεί να παραχθεί είτε µία µόνο φορά (Single Output pulse), είτα συνεχόµενα, σε κάθε περίοδο της βάσης χρόνου (Continuous output pulse). Η επιλογή γίνεται από τα OCxCON<2:0>. Σχήµα 5.8 Λειτουργία διπλής σύγκρισης µε µονό παλµό εξόδου [10] 3. Λειτουργία απλής διαµόρφωσης πλάτους (Simple Pulse-Width Modulation Mode) Αυτός ο τρόπος λειτουργίας µοιάζει µε τη λειτουργία PWM free-running mode. Μόνο ο καταχωρητής OCxRS είναι εγγράψιµος σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας. Το περιεχόµενο του µεταφέρεται στον OCxR στην αρχή κάθε περιόδου της βάσης χρόνου. Η έξοδος είναι 1 στην αρχή κάθε περιόδου, και µηδενίζεται κάθε φορά που η τιµή της βάσης χρόνου γίνεται ίση µε την τιµή του καταχωρητή OCxR (Σχήµα 5.9). 108

119 Σχήµα 5.9 Λειτουργία απλής διαµόρφωσης πλάτους [10] 5.3 Προγραµµατισµός του µικροελεγκτή [30],[10] Σηµαντική βοήθεια στην ανάπτυξη εφαρµογών προσφέρει το πακέτο αναπτυξιακών εργαλείων της Microchip. Την πιο σηµαντική θέση στα αναπτυξιακά εργαλεία κατέχει το MPLAB Integrated Development Environment (IDE). Το εργαλείο αυτό τρέχει σε Windows, είναι πολύ εύκολο στη χρήση και περιλαµβάνει βιβλιοθήκες µε έτοιµες ρουτίνες για γρήγορη ανάπτυξη εφαρµογών και ταχύτατη εύρεση σφαλµάτων (debugging). Επίσης προσφέρει ένα γραφικό περιβάλλον για το χρήστη που ενοποιεί τη χρήση λογισµικών και υλικών εργαλείων της Microchip αλλά και τρίτων κατασκευαστών. Τέλος, παρέχει ευκολία στην εναλλαγή εργαλείων, στη χρήση προσοµοιωτή για τον εκάστοτε µικροεπεξεργαστή και στον πραγµατικό προγραµµατισµό και εύρεση σφαλµάτων όλα αυτά µέσα από µία κονσόλα λειτουργιών. Για τον προγραµµατισµό αλλά και για το debugging είναι διαθέσιµο το ICD2, το οποίο είναι ένας debugger και programmer πραγµατικού χρόνου και χαµηλού κόστους, για όλους τους PIC MCUs και dspic DSCs. Το MPLAB IDE είναι ένα πρόγραµµα που συντάσσει όλα τα εργαλεία από µια απλή γραφική διεπαφή χρήστη συνήθως αυτόµατα. Όταν γράφεται ο κώδικας ελέγχεται για τυχόν σφάλµατα, και στη συνέχεια µπορεί να «φορτωθεί» στον µικροελεγκτή και να «τρέξει» η εφαρµογή. Για αυτή τη διαδικασία απαιτούνται κάποια εργαλεία τα οποία είναι : Ο Project Manager, που παρέχει την ολοκλήρωση και επικοινωνία ανάµεσα στο MPLAB IDE και στα εργαλεία της γλώσσας προγραµµατισµού.(σχήµα ) Ένας editor για τη συγγραφή του κώδικα Ο compiler ή ο assembler για τη µετατροπή του πηγαίου κώδικα σε γλώσσα µηχανής 109

120 Software και hardware που µπορούν είτε να εξοµοιώσουν τη λειτουργία του µικροελεγκτή, είτε να «φορτώσουν» τον κώδικα στον µικροελεγκτή. Σχήµα 5.10 MPLAB Project Manager [10] Εικόνα 5.1 ιάταξη προγραµµατισµού του µικροελεγκτή µε τη βοήθεια του υπολογιστή και του αναπτυξιακού (ICD2 Microchip). 110

121 Κατά τη διάρκεια της πειραµατικής διαδικασίας δηµιουργήθηκαν δύο προγράµµατα σε γλώσσα προγραµµατισµού C. Το πρώτο αφορούσε στη µέθοδο ανοιχτού βρόχου και το δεύτερο στη µέθοδο του κλειστού βρόχου. Ακολουθούν τα αντίστοιχα απλοποιηµένα διαγράµµατα ροής των δύο προγραµµάτων, ενώ ο κώδικας C παρατίθεται στο παράρτηµα. Έλεγχος ανοιχτού βρόχου Αρχή Αρχικοποίησε: A/D, Output Compare Διάβασε ΑΝ0 (trimmer) Έλεγξε αν είναι εντός ορίων Όχι Δώσε στο Duty cycle την τιμή Dmin ή Dmax αντίστοιχα Ναι Δώσε στο Duty Cycle την τιμή αυτή Σχήµα 5.10 ιάγραµµα ροής του προγράµµατος ανοιχτού βρόχου 111

122 Έλεγχος κλειστού βρόχου Αρχή Αρχικοποίησε: A/D, Output Compare Διάβασε ΑΝ0 (μετρητικό τάσης εξόδου) Αφαίρεσε αυτή την τιμή από την τιμή αναφοράς Στείλε το σφάλμα αυτό στον ελεγκτή PI Δώσε το αποτέλεσμα στο Duty cycle Σχήµα 5.11 ιάγραµµα ροής του προγράµµατος κλειστού βρόχου 112

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 οκιµές µε πηγή τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Ο έλεγχος της ορθής λειτουργίας του µετατροπέα και οι πρώτες µετρήσεις έγιναν µε πηγή τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης. Μάλιστα, για την επίτευξη των µεγάλων ρευµάτων που απαιτεί ο µετατροπέας, συνδέθηκαν δύο τροφοδοτικά παράλληλα µε µέγιστο ρεύµα 25Α το καθένα. Εφαρµόζοντας τη µέθοδο ανοιχτού βρόχου καταγράφηκαν µετρήσεις από διάφορα σηµεία λειτουργίας του µετατροπέα και κατασκευάστηκαν µερικές χαρακτηριστικές καµπύλες που παρουσιάζονται παρακάτω. Εικόνα 6.1 Η πειραµατική διάταξη σε λειτουργία. Αριστερά φαίνονται τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης που χρησιµοποιήθηκαν. 113

124 Εικόνα 6.2 Η πειραµατική διάταξη σε λειτουργία. Τροφοδοτικά- µετατροπέαςφορτίο και όργανα µέτρησης Εικόνα 6.3 Το φορτίο που χρησιµοποιήθηκε για τις δοκιµές µε τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης. Αποτελείται από συστοιχίες λαµπτήρων. 114

125 6.1.1 Ο λόγος µετατροπής V o /V i ως προς το λόγο κατάτµησης δ. Παρουσιάζεται η ιδανική καµπύλη και δύο άλλες καµπύλες για φορτία 365W και 1200W αντίστοιχα, που προέκυψαν από πειραµατικές µετρήσεις. Παρατηρούµε ότι αυξανοµένου του φορτίου η καµπύλες αποκλίνουν περισσότερο από την ιδανική λόγω των απωλειών του κυκλώµατος. Φυσικά η απόκλιση δεν είναι πολύ µεγάλη και αυτό είναι θετικό στοιχείο για την ποιότητα του µετατροπέα. Σχήµα 6.1 Ο λόγος µετατροπής της τάσης V o /V i ως προς το λόγο κατάτµησης δ. (πειραµατικές µετρήσεις) 115

126 ιδανική 365W 1200W Vo/Vi δ Vo/Vi δ Vo/Vi δ 1,00 0,00 1,00 0,00 0,99 0,00 1,18 15,02 1,18 15,02 1,16 15,02 1,43 30,03 1,43 30,03 1,4 30,03 1,82 45,05 1,82 45,05 1,773 45,05 2,50 60,06 2,50 60,06 2,381 60,06 4,01 75,08 4,01 75,08 2,73 66,07 5,74 82,58 5,74 82,58 5,85 82,90 5,92 83,10 6,06 83,50 Πίνακας 6.1 Μετρήσεις για την κατασκευή της καµπύλης V o /V i ως προς το λόγο κατάτµησης δ Ο λόγος µετατροπής V o /V i ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερή V i. Παρουσιάζονται δύο καµπύλες, η µία για λόγο κατάτµησης δ=0.5 (µπλε) και η άλλη για λόγο κατάτµησης δ=0.16 (κόκκινη), που προέκυψαν από πειραµατικές µετρήσεις. Με λόγο κατάτµησης δ και τάση εισόδου V ι σταθερά, αλλάζουµε το φορτίο και την τάση εισόδου και κατασκευάζουµε την παρακάτω καµπύλη. Παρατηρούµε ότι για ρεύµατα µικρότερα από το οριακό ρεύµα I ob (µαύρη καµπύλη) ο µετατροπέας λειτουργεί στην κατάσταση ασυνεχούς αγωγής και η τάση εξόδου αυξάνεται απότοµα, αφού δεν αλλάζει ούτε η τάση εισόδου ούτε ο λόγος κατάτµησης. Επίσης παρατηρούµε µια µικρή αρνητική κλίση στην κατάσταση συνεχούς αγωγής που οφείλεται στην αύξηση των απωλειών κατά την αύξηση του φορτίου. 116

127 Σχήµα 6.2 Ο λόγος µετατροπής της τάσης V o /V i ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερή V i (πειραµατικές µετρήσεις) δ=0,5 δ=0,14 Ιo (Α) Vo/Vin Vo/Vin 17,3 1,96 1,149 11,7 1,992 1,152 5,95 2 1,16 3,05 2,016 1,16 2,6 2,068 1,18 2,3 2,157 1,227 2,08 2,302 1,299 1,92 2,421 1,34 Πίνακας 6.2 Μετρήσεις για την κατασκευή της καµπύλης V o /V i ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερή V i. 117

128 6.1.3 Ο λόγος κατάτµησης δ ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερό V o /V i. Παρουσιάζονται τρείς καµπύλες για τρείς διαφορετικούς λόγους τάσεων αντίστοιχα, και παρατηρούµε την τιµή που πρέπει να πάρει ο λόγος κατάτµησης, ώστε ο λόγος V o /V i να µένει σταθερός µεταβάλλοντας το φορτίο. Παρατηρούµε την αλλαγή της σχέσης µεταξύ του λόγου κατάτµησης και του λόγου των τάσεων στις δύο καταστάσεις λειτουργίας (CCM-DCM) καθώς και την µικρή θετική κλίση της καµπύλης στη λειτουργία συνεχούς αγωγής που οφείλεται στην ανάγκη κάλυψης των απωλειών όσο αυξάνεται το φορτίο. Σχήµα 6.3 Ο λόγος κατάτµησης δ, ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερό V o /V i (πειραµατικές µετρήσεις) 118

129 Vout/Vin =2 Vout/Vin =1,5 Vout/Vin =1,16 δ Io (Α) δ Io (Α) δ Io (Α) 0, ,1 0, ,2 0, ,2 0, ,5 0, ,4 0, ,5 0, ,8 0, ,8 0, ,8 0,5071 6,02 0,3360 5,96 0,1470 6,11 0,5071 3,51 0,3150 3,22 0,1470 2,96 0,4800 2,56 0,2850 2,34 0,1290 2,01 0,4230 1,99 0,2130 1,43 0,1200 1,56 0,3630 1,52 0,1650 0,814 0,0900 0,922 0,2700 0,757 Πίνακας 6.3 Μετρήσεις για την κατασκευή της καµπύλης V o /V i ως προς το ρεύµα του φορτίου Ι ο, µε σταθερή V i Ονοµαστική κατάσταση λειτουργίας του µετατροπέα Ο µετατροπέας οδηγήθηκε κοντά στην ονοµαστική κατάσταση λειτουργίας του, εφαρµόζοντας έλεγχο ανοιχτού βρόχου, δηλαδή: Η τάση εισόδου ρυθµίστηκε στα 28V O λόγος κατάτµησης, µέσω του trimmer, ρυθµίστηκε έτσι ώστε η τάση εξόδου να γίνει 50V. Το φορτίο δηµιουργήθηκε από συνδυασµούς λαµπτήρων και ρυθµίστηκε κοντά στα 1200W. Παρακάτω παρουσιάζονται τα παλµογραφήµατα ορισµένων µεγεθών που µετρήθηκαν. 119

130 Παλµογράφηµα 6.1 Παλµοί έναυσης των δύο mosfet (1: κίτρινο, 2: µπλε) (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.2 Τάση εξόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) 120

131 Παλµογράφηµα 6.3 Ρεύµα εξόδου µετατροπέα (πειραµατικάά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.4 Τάση MOSFET 1 (πειραµατικά αποτελέσµατα) 121

132 Παλµογράφηµα 6.5 Τάση MOSFET 2 (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.66 Τάση διόδου 1 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) 122

133 Παλµογράφηµα 6.7 Τάση διόδου 2 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) Παλµογράφηµα 6.8 Τάση πηνίου 1 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) 123

134 Παλµογράφηµα 6.9 Τάση πηνίου 2 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) Παλµογράφηµα 6.10 Ρεύµα εισόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) 124

135 Παλµογράφηµα 6.11 Τάση εισόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) 6.2 οκιµές µε πηγή τη συσκευή των fuel cells «Nexa Power Module» Μετά από πολλές δοκιµές και πειράµατα στα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης, ο µετατροπέας τοποθετήθηκε στην έξοδο της συσκευής κυψελών καυσίµου «Nexa Power Module». Ο µετατροπέας σε αυτές τις δοκιµές κάνει αυτόµατο έλεγχο και σταθεροποιεί την τάση εξόδου στα 50V. Μέσω διακοπτών που έχουν συνδεθεί κατάλληλα, αυξοµειώνουµε βηµατικά το φορτίο που αποτελείται από ωµικές αντιστάσεις. Ταυτόχρονα παρακολουθούµε την απόκριση του µετατροπέα στον παλµογράφο αλλά και της συσκευής των fuel cells στον υπολογιστή. Παρακάτω παρουσιάζονται οι µετρήσεις σε δύο σηµεία λειτουργίας (1115W, 552W) καθώς και χαρακτηριστικές καµπύλες για διάφορα φορτία. 125

136 Εικόνα 6.4 Ο χώρος του πειράµατος µε τη συσκευή των κυψελών καυσίµου. ιακρίνεται αριστερά το φορτίο (ωµικές αντιστάσεις), στο βάθος ο µετατροπέας και τα όργανα µέτρησης και δεξιά η µπουκάλα υδρογόνου, η συσκευή των κυψελών καυσίµου και ο ηλεκτρονικός υπολογιστής. 126

137 Εικόνα 6.5 Ο µετατροπέας και τα όργανα µέτρησης Εικόνα 6.6 Η συσκευή των υπολογιστής. κυψελών καυσίµου και ο ηλεκτρονικός 127

138 6.2.1 Πειραµατικά αποτελέσµατα για φορτίο 1115W. Ο µετατροπέας συνδέθηκε στην συσκευή των fuel cells και το φορτίο αυξήθηκε διαδοχικά, µε την προσθήκη αντιστάσεων, στα 1115W. Παρακάτω παρουσιάζονται τα παλµ µογραφήµατα ορισµένων µεγεθών που µετρήθηκαν. Παλµογράφηµα 6.12 Παλµοί έναυσης των δύο MOSFET (1: κίτρινο, 2: µπλε). (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.13 Τάση εξόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) 128

139 Παλµογράφηµα 6.14 Ρεύµα εξόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.15 Ρεύµα εισόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) 129

140 Παλµογράφηµα 6.16 Τάση εισόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.17 Ρεύµα πηνίου κλάδου (πειραµατικά αποτελέσµατα) 130

141 Παλµογράφηµα 6.18 Τάση MOSFET 1 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) Παλµογράφηµα 6.19 Τάση MOSFET 2 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) 131

142 Παλµογράφηµα 6.20 Τάση διόδου 1 (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.21 Τάση διόδου 2 (πειραµατικά αποτελέσµατα) 132

143 Παλµογράφηµα 6.22 Τάση πηνίου 1 (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.23 Τάση πηνίου 2 (πειραµατικά αποτελέσµατα) 133

144 6.2.2 Πειραµατικά αποτελέσµατα για φορτίο 552W. Στη συνέχεια το φορτίο µειώθηκε στα 552W. Παρακάτω παρουσιάζονται τα παλµ µογραφήµατα ορισµένων µεγεθών που µετρήθηκαν. Παλµογράφηµα 6.24 Παλµοί έναυσης των δύο MOSFET (1: κίτρινο, 2: µπλε) (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.25 Τάση εξόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) 134

145 Παλµογράφηµα 6.26 Ρεύµα εξόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.27 Ρεύµα εισόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) 135

146 Παλµογράφηµα 6.28 Τάση εισόδου µετατροπέα (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.29 Ρεύµα πηνίου κλάδου (πειραµατικά αποτελέσµατα) 136

147 Παλµογράφηµα 6.30 Τάση MOSFET 1 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) Παλµογράφηµα 6.31 Τάση MOSFET 2 (πειραµατικά αποτελέσµ µατα) 137

148 Παλµογράφηµα 6.32 Τάση διόδου 1 (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.33 Τάση διόδου 2 (πειραµατικά αποτελέσµατα) 138

149 Παλµογράφηµα 6.34 Τάση πηνίου 1 (πειραµατικά αποτελέσµατα) Παλµογράφηµα 6.35 Τάση πηνίου 2 (πειραµατικά αποτελέσµατα) Χαρακτηριστικά µεγέθη συναρτήσει του φορτίου του µετατροπέα Ο µετατροπέας είναι συνδεδεµένος στη συσκευή των Fuel cells και σταθεροποιεί την τάση εξόδου στα 50V. Αλλάζοντας το φορτίο µετρήσαµε ορισµένα χαρακτηριστικά µεγέθη τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω. 139

150 Iin (A) Vin (V) Iout (A) Vout (V) Pin (W) Pout (W) η Ploss (W) 2,86 37,5 2,13 49,8 107,25 106,07 0,989 1,18 8,98 35,3 6,25 49,8 316,99 311,25 0,9819 5,74 10,1 34,9 6,92 49,8 352,49 344,62 0,9777 7,87 14,1 32,5 8,93 49,8 458,25 444,71 0, ,54 19,8 30,6 11,7 49,7 605,88 581,49 0, ,39 32,8 28,1 17,6 49,7 921,68 874,72 0,949 46,96 41,4 27,1 21,5 49,7 1121, ,55 0, ,39 45,2 26,3 22,6 49,7 1188, ,22 0, ,54 Πίνακας 6.4 Μετρήσεις χαρακτηριστικών µεγεθών για 8 διαφορετικά φορτία Σχήµα 6.4 Βαθµός απόδοσης, τάση εισόδου, ρεύµα εισόδου, ισχύς απωλειών συναρτήσει του φορτίου του µετατροπέα. 140

151 Σχήµα 6.5 Βαθµός απόδοσης συναρτήσει του φορτίου 6.3 Αξιολόγηση των πειραµατικών αποτελεσµάτων Τα πειραµατικά αποτελέσµατα δείχνουν ότι ο σκοπός της διπλωµατικής εργασία πραγµατοποιήθηκε και ο ηλεκτρονικός µετατροπέας που κατασκευάστηκε πληροί όλες τις προδιαγραφές. Η τάση εξόδου του µετατροπέα διατηρείται σταθερή στα 50V παρά τις απότοµες αυξοµειώσεις του φορτίου, οι οποίες επιβλήθηκαν κατά τη διάρκεια των δοκιµών. Εποµένως, ο έλεγχος κλειστού βρόχου λειτουργεί ικανοποιητικά χωρίς αστάθειες. Το φίλτρο εξόδου εξοµάλυνε την τάση εξόδου στον επιθυµητό βαθµό. Το φίλτρο εισόδου εξοµάλυνε πλήρως το ρεύµα εισόδου, γεγονός απαραίτητο για την εύρυθµη λειτουργία του συστήµατος όταν χρησιµοποιείται ως πηγή µία συστοιχία κυψελών καυσίµου. Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος που κατασκευάστηκε χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθµό απόδοσης, γεγονός που τον καθιστά ικανό να αποτελέσει µέρος ενός ηλεκτροκινητήριου συστήµατος που περιλαµβάνει και άλλους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος. 141

152 142

153 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] N.Mohan/T.Undeland/W.Robbins: «Ηλεκτρονικά ισχύος» Β έκδοση, Α Τζιόλα Εκδόσεις, Θεσσαλονίκη, 1996 [2] Ε.Κ. Τατάκης: «Ηλεκτρονικά Στοιχεία Ισχύος και Βιοµηχανικές Εφαρµογές», Πάτρα 2006, πανεπιστηµιακές σηµειώσεις [3] Α.Ν Σαφάκας: «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις Πανεπιστηµίου Πατρών 2006 [4] ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ: (9/2010) [5] James Larminie: «Fuel Cell Systems Explained», Second Edition Oxford Brookes University, 2003 [6] «Advantages & Benefits of Fuel Cell & Hydrogen Technologies» (9/2010) [7] «Education Kit 10, Advantages Disadvantages» (9/2010) [8] Fuel Cell Institute of Australia: «Fuel Cell Education» (9/2010) [9] Wikipedia : «Internal Combustion Engine» (9/2010) [10] Microchip: «dspic30f Family Reference Manual», 2006 Microchip Technology Inc. [11] INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH (IEF): (9/2010) [12] ECS electrochemical society: 9/2010 [13] Schindele Lothar: «Einsatz eines leistungselektronischen Stellglieds zur Parameteridentifikation und optimalen Betriebsfuhrung von PEMBrennstoffzellensystemen», ιδακτορική ιατριβή Πανεπιστηµίου Καρλσρούης Γερµανίας, [14] Ryan O Hayre, Suk-Won Cha, Whitney Colella, Fritz B. Prinz: «Fuel Cell Fundamentals», Wiley, [15] «Handbook of Fuel Cells», Seventh Edition, US Department of Energy, National Technology Library Morgantown, West Virginia

154 [16] Ballard Power Systems: «Nexa Power Module User s Manual», MAN , 2003 [17] Texas instruments: «Understanding Boost Power Stages in Switchmode Power Supplies», 1999 [18] Chuanyun Wang: «Investigation on Interleaved Boost Converters and Applications», 2009 [19] Ron Crews: «LM5032 Interleaved Boost Converter», National Semiconductor, 2008 [20] HWI-BEOM SHINy, JONG-GYU PARKy, SUNG-DONG CHANGy and HYUN-CHIL CHOI: «Generalized analysis of multi-phase interleaved boost converter», 2004 [21] Wikipedia: (9/2010) [22] PowerDesigners USA LLC: (9/2010) [23] International rectifier: «IRFB4410PbF HEXFET Power MOSFET», 2006 [24] International rectifier: «40CPQ080GPbF SCHOTTKY RECTIFIER» [25] Dušan Graovac, Marco Pürschel, Andreas Kiep: «MOSFET Power Losses Calculation Using the Data-Sheet Parameters» [26] RS Online: (9/2010) [27] «Ferrites and accessories, ETD 59/31/22 Core», EPCOS [28] «Ferrites and accessories, SIFERRIT material N87», EPCOS [29] «Ferrites and accessories, E 42/21/15 Core», EPCOS [30] Ε.Κ. Τατάκης: «Σηµειώσεις Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ισχύος ΙΙ», Πάτρα

155 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΟΙ ΚΩ ΙΚΕΣ ΤΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Κώδικας κλειστού βρόχου #include "p30f4011.h" #define FCY #define FSW #define FSW #define PER (FCY/FSW-1) #define PER2 (FCY/FSW2-1) #define SHIFT (PER*0.5) #define SHIFT2 (PER2*0.5) #define Kp 0.03 //proportional gain 0.03 #define Ki //integral gain decrease the stady state error #define Vref 775 //785=50Volt #define Dmax 615 //60% #define Dcrit 180 // 17,6% antistoixei se Vin=42V //Functions void init_timer_oc(void); void init_adc(void); int calculatepi(void); void select_switching_frequency (void); //Variables int Vout=0,saturated=0,error=0,D=0,error_sum=0; // Main Function main() { init_timer_oc (); init_adc (); while (1) { LATBbits.LATB3=1; Vout=ADCBUF0; OC1RS=PER*calculatePI()/1024; OC2RS=0.9985*OC1RS; select_switching_frequency(); } } int calculatepi(void) { LATBbits.LATB3=0; error=vref-vout; if ((error>1) (error<-1)){ 145

156 if (saturated==0){ if (error>0){ if(error_sum<31000) error_sum=error_sum+error*0.3; } else{ if(error_sum>-31000) error_sum=error_sum+error*0.3; //30us = *10000 } } D=D+error*Kp+error_sum*Ki; } if (D>Dmax){ } else if (D<0){ } else saturated=0; saturated=1; D=Dmax; saturated=1; D=0; return(d); } void select_switching_frequency (void) { if (D<Dcrit){ PR2=PER2; PR3=PER2; TMR3=SHIFT2; } else{ PR2=PER; PR3=PER; TMR3=SHIFT; } } void init_timer_oc(void) //Setup timer and occ { T2CON=0x8000; //timer 2 set (starts timer1)[typeb] T3CON=0x8000; //timer 3 set (starts timer2)[typec] PR2=PER; // Period PR3=PER; TMR3=SHIFT; //phase shift 50% OC1CON=0x0006; // oc1 --> timer2, PWM OC2CON=0x000E; // oc2 --> timer3, PWM OC1R=190; //GIA TIN PROTI PERIODO(>Dcrit) OC2R=190; //arxiki timi sto duty cycle 146

157 return; } OC1RS=190; OC2RS=190; void init_adc(void) { TRISB=0x0007; ADCON1=0x0000; ADCON2=0x8400; ADCON3=0x0A13; ADPCFG=0xFFF8; ADCHS=0x0002; ADCSSL=0x0004; return; } ADCON1=0x80E6; //AN0,1,2: Inputs //Prosorinos midenismos //Converts CH0-each 1 sample //TAD=10*Tcy,Tsampling=10*TAD //Analog modes //CH0 positive input AN2,CH3 positive input AN2 //AN2 scan //AD ON, integer Κώδικας ανοιχτού βρόχου #include "p30f4011.h" #define FCY #define FSW #define PER (FCY/FSW-1) #define SHIFT (PER*0.5) //Functions void init_timer_oc(void); unsigned int Read_ADC(void); // Main Function main(){ _IPL=3; init_timer_oc(); init_adc(); while(1) { i=0; if (Read_ADC()>1000) //Dmax=90% { OC1RS=PER*0.97; OC2RS=PER*0.97; } else if (Read_ADC()<50) // D=5%(245mV) { OC1RS=0; 147

158 } else } OC2RS=0; } { OC1RS=PER*ADCBUF0/1024; OC2RS=PER*ADCBUF0/1024; } // void init_timer_oc(void)//setup timer and occ { T2CON=0x8000; //timer 2 set (starts timer1)[typeb] T3CON=0x8000; //timer 3 set (starts timer2)[typec] PR2=PER; // Period PR3=PER; TMR3=SHIFT; //phase shift 50% OC1CON=0x0006; // oc1 --> timer2, PWM OC2CON=0x000E; // oc2 --> timer3, PWM OC1R=0; // GIA TIN PROTI PERIODO OC2R=0; //arxiki timi sto duty cycle OC1RS=0; OC2RS=0; return; } void init_adc(void) { TRISB=0x0007; ADCON1=0x0000; ADCON2=0x8400; ADCON3=0x0A13; ADPCFG=0xFFFC; ADCHS=0x0000; ADCSSL=0x0003; ADCON1=0x80E6; return; } //ADC module AN0 set up //AN0,1,2: Inputs //Prosorinos midenismos //Converts CH0-each 1 sample //TAD=10*Tcy,Tsampling=10*TAD //Analog modes //CH0 positive input AN0,CH2 positive input AN1 //an0 and an1 scan //AD ON, integer 148

159 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΤΟ ΤΥΠΩΜΕΝΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ 149

160 150

161 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ H ΤΕΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ ΤΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ Ο µετατροπέας που κατασκευάστηκε, µαζί µε τα τροφοδοτικά του, τοποθετήθηκε σε ηλεκτρολογικό κουτί και οι συνδέσεις της εισόδου και του φορτίου γίνονται εξωτερικά µε µπόρνες. Επίσης έχει συνδεθεί και ένα καλώδιο για την τροφοδοσία των τροφοδοτικών µε την τάση του δικτύου (230V). Ο αέρας στο εσωτερικό του κουτιού ανανεώνεται µε τη βοήθεια ενός µικρού ανεµιστήρα, που τροφοδοτείται µε τάση 12V. Ακολουθούν µερικές εικόνες της διάταξης. Εικόνα 1 Εικόνα 2 151

162 Εικόνα 3 Εικόνα 4 152

163 Εικόνα 5 Εικόνα 6 153

164 Εικόνα 7 154