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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΤΡΥΦΩΝΑ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΗΛΙΑ ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΥ Α.Μ.: 7089 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΥ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Ν ο 388 Πάτρα, Ιούνιος 2015 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2 - 2 -

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΤΡΥΦΩΝΑ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΗΛΙΑ ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΥ Α.Μ.: 7089 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΥ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Ν ο /2015 Πάτρα, Ιούνιος 2015

4 - 2 -

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΥ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΤΡΥΦΩΝΑ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΗΛΙΑ ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΥ (Α.Μ. 7089) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 26/06/2015 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Επαμεινώνδας Μητρονίκας Επίκουρος Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής - 3 -

6 - 4 -

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2015 ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΥ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Τρύφωνας Βασίλειος Παναγιωτόπουλος του Ηλία Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την κατασκευή ενός ηλεκτρικού μικρού αγωνιστικού οχήματος (καρτ). Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή του απαραίτητου ηλεκτροκινητήριου συστήματος και εν τέλει ο έλεγχος του μικρού αγωνιστικού οχήματος. Αρχικά, γίνεται μια εκτενής αναφορά για την πορεία των ηλεκτρικών οχημάτων από τη στιγμή της πρώτης εμφάνισής τους μέχρι και τα σύγχρονα οχήματα της σημερινής εποχής. Στη συνέχεια, αναλύονται οι μηχανές Brushless, αφού ο κινητήρας που επελέγη και χρησιμοποιήθηκε ανήκει σε αυτή την κατηγορία. Πιο συγκεκριμένα, αναφέρονται τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά αυτών των κινητήρων, η αρχή λειτουργίας τους, καθώς και η θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος που απαιτείται για την οδήγησή τους. Το κύκλωμα αυτό είναι ένας τριφασικός αντιστροφέας που μετατρέπει την συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη. Το επόμενο βήμα ήταν η επιλογή του κατάλληλου ηλεκτροκινητήριου συστήματος, με σκοπό την μετατροπή ενός συμβατικού καρτ σε ηλεκτρικό. Κατόπιν αυτού, πραγματοποιήθηκαν οι απαραίτητες προσομοιώσεις, που είχαν ως σκοπό την κατανόηση της συμπεριφοράς του συστήματός που χρησιμοποιήθηκε σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που παρατίθενται επιβεβαίωσαν όσα αναφέρθηκαν στη θεωρητική ανάλυση. Έπειτα, δίνεται μια περιγραφή της διαδικασίας σχεδίασης και κατασκευής του τριφασικού αντιστροφέα και παρουσιάζονται τα στοιχεία που τον απαρτίζουν, καθώς και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν. Ακολουθεί μία σύντομη περιγραφή του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο του συστήματός μας, στην οποία παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του και αναλύεται η λογική ελέγχου που έχει ακολουθηθεί στην παρούσα εργασία. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθησαν, τα οποία επιβεβαιώνουν πρακτικά όσα αναφέρθηκαν στη θεωρία, ακολουθούν τα προκύπτοντα συμπεράσματα καθώς και οι μηχανολογικές παρεμβάσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο καρτ

8 - 2 -

9 Abstract This diploma thesis deals with the construction of an electric kart. This work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical and Computer Engineering of the Polytechnic School of the University of Patras. The purpose is the design and construction of the necessary electric motor system and finally, the control of the kart propulsion system. Initially, there is an extensive report about the progress of electric vehicles from the moment of their first appearance up to the modern vehicles of today. Then, the Brushless motors operating principle and control strategy are analyzed, since the chosen motor belongs to this category. More specifically, the structural features of these motors, their operation principle and the theoretical analysis of the circuit required for their control are indicated. As the kart is battery operated, this circuit is a three-phase inverter that converts the DC voltage into AC. The next step was the selection of the appropriate electric-motor system in order to convert a conventional kart into an electric one. After that, the necessary simulations were made in order to understand the behavior of the system used in various operating modes. The results of the simulations which are given, confirm the statements mentioned in the theoretical analysis. Then, a description of the design and construction process of the three-phase inverter is given and the elements which comprise it, as well as the reason of their selection are presented. A brief description of the microcontroller, which is used to control our system, is following. In this description, the microcontroller s characteristics are presented and the control logic, which has been adopted in this task, is analyzed. Finally, the results of conducted experiments are presented. These results confirm practically what has been mentioned in theory. In the end, the conclusions, as well as the mechanical interventions, which were made in the kart, are presented

10 - 4 -

11 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος ενός μικρού αγωνιστικού οχήματος. Συγκεκριμένα, για την κίνηση του οχήματος χρησιμοποιήθηκε κινητήρας Brushless DC, ο οποίος ελέγχεται από τριφασικό αντιστροφέα ισχύος. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομα αναφορά στην ιστορία της ηλεκτροκίνησης, αναφέροντας πληροφορίες για το πρώτο ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο παραγωγής, τη χρυσή εποχή της ηλεκτροκίνησης καθώς και τους λόγους που οδήγησαν στην παρακμή της. Επιπλέον, γίνεται λόγος για τα σύγχρονα ηλεκτρικά μοντέλα αυτοκινήτων του σήμερα, καθώς και για τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Τέλος, αναφέρονται κάποιες προσπάθειες κατασκευής ηλεκτροκίνητων οχημάτων στην Ελλάδα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη Brushless DC, εστιάζοντας στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους, την αρχή λειτουργίας τους και σε κάποια από τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που τους χαρακτηρίζουν. Ακόμα, γίνεται λόγος για τις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται, τις βασικές εξισώσεις που τους διέπουν, καθώς και για το κύκλωμα οδήγησής τους. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τα βασικά κριτήρια με τα οποία έγινε η επιλογή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφεται ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να υπολογισθεί η απαιτούμενη ισχύς του κινητήρα, καθώς και οι συσσωρευτές που επιλέχθηκαν για την τροφοδότησή του. Τέλος, απεικονίζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις του συστήματος, μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink. Στο κεφάλαιο 4 αναλύεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή του κυκλώματος οδήγησης του κινητήρα. Ειδικότερα, αναφέρονται όλα τα επιμέρους στοιχεία που τον απαρτίζουν και επεξηγείται η λειτουργία που επιτελούν. Επιπλέον, αναφέρονται τα κριτήρια με τα οποία επιλέχθηκαν. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Πιο συγκεκριμένα, αναφέρονται τα κυριότερα από τα περιφερειακά που χρησιμοποιήθηκαν, το αναπτυξιακό που βοήθησε στην συγγραφή - 1 -

12 και την αποσφαλμάτωση του κώδικα, ενώ τέλος αναλύεται η λογική του προγράμματος ελέγχου. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν, με σκοπό τον έλεγχο λειτουργίας του κινητήρα του οχήματος καθώς και τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Ο έλεγχος αυτός είναι ανοιχτού βρόχου και έγινε με τον κινητήρα να λειτουργεί εν κενώ στον πάγκο του εργαστηρίου. Επιπλέον, παρουσιάζονται όλες οι μηχανολογικές παρεμβάσεις που πραγματοποιήθηκαν στο καρτ καθώς και φωτογραφίες από την κατασκευή του αντιστροφέα. Τέλος καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε για την συγγραφή της παρούσας διπλωματικής εργασίας και στα παραρτήματα δίνονται τα σχέδια των τυπωμένων κυκλωμάτων μέσω του προγράμματος kicad, καθώς και ο κώδικας ελέγχου ανοιχτού βρόχου. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας, Επίκουρο Καθηγητή κ. Επαμεινώνδα Μητρονίκα για τη συνεχή καθοδήγησή του και τις εύστοχες παρατηρήσεις του σε όλη τη διάρκεια της διπλωματικής μου εργασίας. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Εμμανουήλ Τατάκη, ο οποίος μέσα από τις παραδόσεις του στο μάθημα ηλεκτρονικών ισχύος μου κίνησε το ενδιαφέρον, ώστε να ασχοληθώ με το συγκεκριμένο θέμα. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Δημήτριο Παπαθανασόπουλο, ο οποίος με βοήθησε στην διεκπεραίωση της εργασίας μου με τις γνώσεις του και τις συμβουλές του. Ακόμα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους υποψήφιους διδάκτορες κ. Γεώργιο Χρηστίδη και κ. Γιάννη Καρατζαφέρη, οι οποίοι με τις συμβουλές τους μου προσέφεραν πολύτιμη βοήθεια καθ όλη τη διάρκεια της διπλωματικής μου εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συναδέλφους και φίλους μου, κ. Βασίλειο Μπιζώνη και κ. Ιωάννη Μπόρα, οι οποίοι έχοντας φτάσει σε πιο προχωρημένο στάδιο της διπλωματικής τους εργασίας μου έδωσαν χρήσιμες συμβουλές, που με βοήθησαν στην διεκπεραίωση της εργασίας μου. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την κατανόηση και την υποστήριξη καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου

13 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Το πρώτο ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο παραγωγής Η χρυσή εποχή του ηλεκτροκίνητου οχήματος Η παρακμή του ηλεκτροκίνητου οχήματος Η αναβίωση του ενδιαφέροντος για τα ηλεκτροκίνητα οχήματα Τα ηλεκτροκίνητα οχήματα σήμερα Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα των ηλεκτρικών οχημάτων Πειραματικές κατασκευές ηλεκτρικών οχημάτων στην Ελλάδα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ Εισαγωγή Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τύποι μηχανών BLDC Στάτης Δρομέας Αρχή λειτουργίας της μηχανής Brushless DC Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Εφαρμογές σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη Εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας με σταθερό φορτίο Εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας με μεταβλητό φορτίο Εφαρμογές ελέγχου θέσης Βασικές εξισώσεις τραπεζοειδούς σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Βασικές εξισώσεις ημιτονοειδούς σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Θεωρητική ανάλυση της διάταξης οδήγησης του κινητήρα Αντιστροφείς τάσεις Έλεγχος του τριφασικού αντιστροφέα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα Επιλογή κινητήρα και συσσωρευτών

14 3.3 Προσομοίωση του τριφασικού αντιστροφέα Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 100% Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 50% Αποτελέσματα προσομοιώσεων για μεταβλητό λόγο κατάτμησης % ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΟΔΗΓΗΣΗΣ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Εισαγωγή Κύκλωμα ισχύος Επιλογή κατάλληλων ημιαγωγικών στοιχείων Ψυκτικά σώματα Πυκνωτές Κύκλωμα παλμοδότησης και ελέγχου Μικροελεγκτής Αντιστροφέας Οπτοζεύκτης Οδηγός πύλης Επιλογή των κατάλληλων αντιστάσεων, πυκνωτών και διόδων Επιλογή κατάλληλων μετρητικών και στοιχείων για την οδήγηση των σημάτων τους Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕΣΩ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Εισαγωγή Περιγραφή του μικροελεγκτή dspic30f Το αναπτυξιακό του dspic30f Περιφερειακές μονάδες του dspic30f Μετατροπείς σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό Μονάδα εύρεσης και αποτύπωσης χρονικής στιγμής συμβάντος (IC) Γεννήτριες PWM Ανάλυση κώδικα ελέγχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Διεξαγωγή πειραμάτων Μετρήσεις για λόγο κατάτμησης 25% Μετρήσεις για λόγο κατάτμησης 50%

15 6.4 Μετρήσεις για λόγο κατάτμησης 75% Παρατηρήσεις και συμπεράσματα Μηχανολογικές Παρεμβάσεις στο καρτ Πλακέτες κυκλώματος οδήγησης κινητήρα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΧΕΔΙΑ ΤΥΠΩΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΚΩΔΙΚΑΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΕ C

16 - 1 -

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 1.1 Εισαγωγή Η ιστορία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων ξεκινά από τα μέσα του 19 ου αιώνα. Μέχρι τότε τα μόνα αυτοκίνητα που υπήρχαν ήταν ατμοκίνητα καθώς δεν είχαν ανακαλυφθεί ακόμα οι νόμοι που διέπουν τον ηλεκτρομαγνητισμό αλλά ούτε και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης. Όσο παράξενο και αν φαίνεται στη σημερινή εποχή, στις αρχές της αυτοκίνησης τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ήταν εξίσου δημοφιλή με τους ανταγωνιστές τους, δηλαδή τα αυτοκίνητα με μηχανές εσωτερικής καύσης. Όμως, όπως ήταν επόμενο, η δημιουργία αυτοκινητοδρόμων και η ανάγκη κάλυψης μεγαλύτερων αποστάσεων συντέλεσε στη σταδιακή παρακμή τους, καθώς οι μπαταρίες τροφοδότησής τους δεν τους παρείχαν την απαιτούμενη αυτονομία. Το πρόβλημα της αυτονομίας ήταν και παραμένει ένα από τα κύρια μειονεκτήματα των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. [1] 1.2 Το πρώτο ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο παραγωγής Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες οι οποίες θα παρείχαν ένα βιώσιμο μέσο για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα όχημα δεν είχαν εφευρεθεί. Η εφεύρεση της μπαταρίας μολύβδου-οξέως (επαναφορτιζόμενη μπαταρία) συντελέστηκε το 1859 από το Γάλλο φυσικό Gaston Plante. Μετά απ αυτόν έχουμε τον Camille Alphonse Faure, έναν άλλο Γάλλο φυσικό, ο οποίος έρχεται με τη σειρά του να βελτιώσει τον σχεδιασμό αυτών των μπαταριών το Οι βελτιώσεις του αύξησαν σημαντικά τη χωρητικότητα τέτοιων μπαταριών και οδήγησαν απευθείας στην κατασκευή τους σε βιομηχανική κλίμακα. Έτσι, ο Thomas Parker, ο οποίος ήταν υπεύθυνος για καινοτομίες όπως η ηλεκτροδότηση του μετρό του Λονδίνου και η κατασκευή εναέριου δικτύου ηλεκτροδότησης τραμ σε Liverpool και Bermingham, κατασκεύασε το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο παραγωγής στο Λονδίνο, το 1884, χρησιμοποιώντας τις δικές του ειδικά σχεδιασμένες υψηλής-χωρητικότητας επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Την παραγωγή του εν λόγω οχήματος ανέλαβε η εταιρεία Elwell-Parker, η οποία ιδρύθηκε το 1882 για την κατασκευή και την πώληση των ηλεκτρικών τραμ. Η εταιρεία συγχωνεύθηκε με άλλους αντιπάλους το 1888 για να σχηματίσουν την Electric Construction Corporation, η οποία είχε μια σχεδόν μονοπωλιακή θέση στη βρετανική αγορά ηλεκτρικών αυτοκινήτων το Η Γαλλία και το Ηνωμένο - 1 -

18 Βασίλειο αποτέλεσαν τις πρώτες χώρες οι οποίες υποστήριξαν την ευρεία ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων. [2] Σχήμα 1.1: Ηλεκτρικό αυτοκίνητο κατασκευασμένο από τον Thomas Parker [2] 1.3 Η χρυσή εποχή του ηλεκτροκίνητου οχήματος Το ενδιαφέρον για τα μηχανοκίνητα αυτοκίνητα αυξήθηκε ιδιαίτερα στα τέλη του 19 ου αιώνα (1890) και αρχές του 20 ου αιώνα (1900 και εξής). Μάλιστα, ηλεκτροκίνητα ταξί σχεδιάστηκαν από τον Walter C. Bersey και κυκλοφόρησαν στα τέλη του 19 ου αιώνα στους δρόμους του Λονδίνου. Χαρακτηριστικό γνώρισμά τους ήταν ο ήχος που παρήγαγε η μηχανή τους, ο οποίος έμοιαζε με το βουητό των πουλιών κολιβρίων (humming birds), ονομασία που τελικά αποτέλεσε το προσωνύμιό τους. Παράλληλα κυκλοφόρησαν στη Νέα Υόρκη δώδεκα ηλεκτροκίνητες άμαξες-ταξί από την εταιρεία Samuel s Electric Carriage and Wagon. Η εταιρεία αυτή εξακολούθησε να λειτουργεί με εξήντα δύο τέτοιες άμαξες-ταξί ώσπου το 1898 ανασχηματίστηκε από τους χρηματοδότες της προκειμένου να ιδρύσει την Electric Vehicle Company. Αξίζει να σημειωθεί πως το 1911 έγινε μια πρώτη απόπειρα κατασκευής ενός υβριδικού ηλεκτρο-βενζινοκίνητου οχήματος από την Woods Motor Vehicle Company του Σικάγο, η οποία στέφθηκε με αποτυχία λόγω της ιδιαίτερα χαμηλής ταχύτητάς του σε σχέση με την τιμή πώλησής του, καθώς και των δυσκολιών που εμφάνιζε όσον αφορά τη συντήρησή του

19 Σχήμα 1.2: Ηλεκτρική άμαξα-ταξί (electric hansom cab) [3] Εξαιτίας των τεχνολογικών περιορισμών της εποχής και της απουσίας τεχνολογίας ημιαγωγών η μέγιστη ταχύτητα των πρώιμων ηλεκτροκίνητων οχημάτων περιοριζόταν σε περίπου 32 km/h. Όμως παρά τη χαμηλή μέγιστη ταχύτητά τους τα αυτοκίνητα με ηλεκτρικούς κινητήρες εμφάνιζαν έναν μεγάλο αριθμό πλεονεκτημάτων σε σχέση με τους ανταγωνιστές τους (βενζινοκίνητα και ατμοκίνητα οχήματα) στις αρχές του 20 ου αιώνα. Αναλυτικότερα, τα πρώτα δεν παρουσίαζαν τους κραδασμούς, τη μυρωδιά και το θόρυβο των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων, αλλά και ούτε απαιτούσαν αλλαγές στις σχέσεις μετάδοσης κάτι το οποίο αποτελεί χαρακτηριστικό των αυτοκινήτων με κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ακόμη, παρόλο που ούτε τα ατμοκίνητα οχήματα αντιμετώπιζαν το πρόβλημα αλλαγής ταχυτήτων, υπέφεραν από πολύ μεγάλης διάρκειας χρόνους εκκίνησης ιδιαίτερα τα κρύα πρωινά (περίπου 45 λεπτά). Ένα άλλο πλεονέκτημα, λόγω του οποίου προτιμούνταν τα ηλεκτροκίνητα οχήματα, ήταν το γεγονός πως δε χρειάζονταν χειροκίνητη προσπάθεια για να ξεκινήσουν σε αντίθεση με τα βενζινοκίνητα στα οποία η παρουσία μανιβέλας ήταν απαραίτητη προκειμένου να επιτευχθεί η εκκίνησή τους. Σημαντικό είναι, επίσης, να αναφερθεί πως τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα είχαν απήχηση κυρίως σε ευκατάστατους καταναλωτές, οι οποίοι τα χρησιμοποιούσαν ως «αυτοκίνητα πόλης», όπου η περιορισμένη αυτονομία τους δεν αποτελούσε μειονέκτημα. Η αποδοχή, λοιπόν, των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων αρχικά παρεμποδίστηκε από την έλλειψη των υποδομών ηλεκτρικής ενέργειας. Όμως, από το 1912, καθώς πολλά σπίτια άρχισαν να τροφοδοτούνται με ηλεκτρισμό, η δημοτικότητα των αυτοκινήτων αυτών αυξήθηκε σημαντικά. Αργότερα, κατά τον 20 ο αιώνα το 40% των αυτοκινήτων στην Αμερική - 3 -

20 τροφοδοτούνταν από ατμό, το 38% από ηλεκτρισμό και το 22% από βενζίνη. Πιο συγκεκριμένα, ηλεκτρικά αυτοκίνητα καταγράφηκαν στους καταλόγους των Ηνωμένων Πολιτειών και η Αμερική έγινε η χώρα όπου τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα γνώρισαν τη μεγαλύτερη αποδοχή. Η κατασκευή των περισσότερων πρώιμων αυτοκινήτων ήταν μαζική και, καθώς απευθύνονταν σε πελάτες υψηλότερων κοινωνικών στρωμάτων, η σχεδίασή τους ήταν ιδιαίτερα προσεγμένη, κάτι που τα έκανε δημοφιλή. Πιο συγκεκριμένα, διέθεταν πολυτελείς εσωτερικούς χώρους και κατασκευάζονταν από ακριβά υλικά. Οι πωλήσεις τους γνώρισαν την μεγαλύτερή τους ακμή στις αρχές της δεκαετίας του Τελικά, με σκοπό να προσπελαστεί το περιορισμένο όριο της αυτονομίας τους αλλά και το πρόβλημα της έλλειψης υποδομών φόρτισης προτάθηκε και η ύπαρξη μιας ανταλλακτικής μπαταρίας ήδη από το Το σχέδιο αυτό μπήκε για πρώτη φορά σε εφαρμογή από την Hartford Electric Light Company μέσω της GeVeCo battery service και αρχικά ήταν διαθέσιμη για ηλεκτροκίνητα φορτηγά. Ο καταναλωτής αγόραζε το όχημα από την General Vehicle Company χωρίς μπαταρίες, τις οποίες τελικά προμηθεύονταν από την Hartford Electric Company. Ο ιδιοκτήτης κατέβαλλε μία μεταβλητή χρέωση ανά μίλι, καθώς επίσης και μία μηνιαία αμοιβή για την κάλυψη των δαπανών συντήρησης και αποθήκευσης του φορτηγού. Τόσο τα αυτοκίνητα όσο και οι μπαταρίες ήταν ειδικά σχεδιασμένα προκειμένου η αλλαγή των μπαταριών να γίνεται με εύκολο και γρήγορο τρόπο. Άλλη μία τέτοια επιτυχημένη προσπάθεια έλαβε χώρα στο Σικάγο για τους ιδιοκτήτες των αυτοκινήτων της Milburn Light Electric, οι οποίοι μπορούσαν επίσης να αγοράσουν το όχημά τους χωρίς μπαταρίες. [2] 1.4 Η παρακμή του ηλεκτροκίνητου οχήματος Μετά την επιτυχία που γνώρισαν τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα στις αρχές του 20 ου αιώνα, ακολούθησε η σταδιακή τους παρακμή στην αγορά της αυτοκίνησης. Σε αυτό συνέβαλε μια σειρά εξελίξεων. Μέχρι το 1920 οι οδικές υποδομές γνώρισαν μεγάλη βελτίωση, κάτι το οποίο απαιτούσε τα αυτοκίνητα εκείνης της εποχής να διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις από εκείνες που είχαν τη δυνατότητα να καλύπτουν τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Ακόμη, η ανακάλυψη μεγάλων πετρελαιοπηγών οδήγησε στην ευρεία διαθεσιμότητα φθηνών καυσίμων, κάνοντας με αυτόν τον τρόπο τη λειτουργία των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων οικονομικότερη όσον αφορά την κάλυψη μεγαλύτερων αποστάσεων. Τα παραπάνω είχαν ως αποτέλεσμα τον περιορισμό των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων σε αστική χρήση λόγω της χαμηλής τους ταχύτητας (όχι περισσότερο από km/h), καθώς επίσης και της - 4 -

21 περιορισμένης τους αυτονομίας (50-65 km). Αντιθέτως, τα οχήματα που λειτουργούσαν με βενζίνη ήταν ικανά να καλύψουν μεγαλύτερες αποστάσεις και σε πολύ λιγότερο χρόνο από τα αντίστοιχα ηλεκτροκίνητα. Η λειτουργία των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων έγινε ακόμη πιο εύκολη χάρη στην ανακάλυψη του ηλεκτρικού εκκινητή (μίζα) από τον Charles Kettering το 1912, γεγονός το οποίο μείωσε σημαντικά την ανάγκη χρήσης μανιβέλας για την εκκίνηση του βενζινοκίνητου κινητήρα. Επιπλέον, ο ήχος που εξέπεμπαν τα οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης έγινε πιο υποφερτός εξαιτίας της χρήσης της εξάτμισης, η οποία ανακαλύφθηκε το 1897 από τον Hiram Percy Maxim. Τελικά, η αρχή της μαζικής παραγωγής των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων από τον Henry Ford συντέλεσε στην σημαντική μείωση της τιμής πώλησής τους. Αντίθετα η τιμή παρόμοιων ηλεκτρικών οχημάτων συνέχισε να αυξάνεται, ώσπου το 1912 η τιμή πώλησης ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου ήταν περίπου η διπλάσια από αυτήν ενός βενζινοκίνητου. Έτσι, οι περισσότεροι κατασκευαστές ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων σταμάτησαν την παραγωγή τους κάπου στο Παρόλα αυτά, τα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούνταν σε συγκεκριμένες εφαρμογές όπως: περονοφόρα ανυψωτικά οχήματα (κλαρκ), οχήματα μεταφοράς γαλακτοκομικών προϊόντων καθώς και αμαξίδια του γκολφ. Μέχρι το 1920, η ακμή των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων είχε φθάσει στο τέλος της και μία δεκαετία αργότερα, η βιομηχανία της ηλεκτρικής αυτοκίνησης είχε εξαφανιστεί εντελώς. Στη συνέχεια, υπήρξε μία χρονική περίοδος όπου δεν σημειώθηκε καμία πρόοδος στη χρήση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Σημαντικό είναι να αναφερθεί πως κατά τη διάρκεια του Β Παγκοσμίου Πολέμου, λόγω των λιγοστών αποθεμάτων σε καύσιμα, η χρήση των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων κατέστη αναγκαία σε κάποιες περιπτώσεις. Όμως, ενώ η πρόοδος των αυτοκινήτων με μηχανές εσωτερικής καύσης προχωρούσε με γρήγορους ρυθμούς, η τεχνολογία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων χαρακτηριζόταν από στασιμότητα. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950 οι Henney Coachworks και National Union Electric Company, κατασκευαστές των μπαταριών Exide, σχημάτισαν μια νέα κοινοπραξία προκειμένου να παράγουν ένα νέο ηλεκτρικό αυτοκίνητο, το Henney Kilowatt, το οποίο βασίστηκε στο ευρωπαϊκό Renault Dauphine. Το αυτοκίνητο αυτό κυκλοφόρησε σε εκδόσεις των 36 και 72V. Μάλιστα, η μέγιστη ταχύτητα του οχήματος των 72V πλησίαζε τα 96 km/h και μπορούσε να ταξιδέψει για περίπου μία ώρα με μία μόνο φόρτιση. Παρά τη βελτιωμένη απόδοσή του σε σχέση με τα προηγούμενα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, οι καταναλωτές το βρήκαν πολύ ακριβό σε σύγκριση με τα αντίστοιχα βενζινοκίνητα εκείνης της εποχής και η - 5 -

22 παραγωγή του σταμάτησε το Σχήμα 1.3: Το ηλεκτρικό αυτοκίνητο Henney Kilowatt [2] Το 1959, οι American Motors Corporation (AMC) και Sonotone Corporation ανακοίνωσαν μία κοινή προσπάθεια έρευνας για την παραγωγή ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου με αυτο-φορτιζόμενη μπαταρία. Η AMC ήταν φημισμένη για τις καινοτομίες της στα οικονομικά αυτοκίνητα, ενώ η Sonotone διέθετε τα απαραίτητα τεχνολογικά μέσα για να κατασκευάσει τις μπαταρίες συντηγμένης πλάκας νικελίου-καδμίου, οι οποίες μπορούσαν να επαναφορτιστούν γρήγορα και ζύγιζαν λιγότερο από τις παραδοσιακές εκδοχές μπαταριών μολύβδου-οξέως. Την ίδια χρονιά οι βιομηχανίες Nu-Way παρουσίασαν ένα πειραματικό ηλεκτρικό αυτοκίνητο με ένα μονοκόμματο πλαστικό αμάξωμα, το οποίο θα έβγαινε στην παραγωγή στις αρχές του Οι αυτοκινητοβιομηχανίες U.S. και Canada Big Three ανέπτυξαν τα δικά τους προγράμματα για την κατασκευή ηλεκτρικών αυτοκινήτων κατά τα τέλη της δεκαετίας του Το 1967 η αρκετά πιο μικρή AMC συνεργάστηκε με τις βιομηχανίες Gulton προκειμένου να αναπτύξουν μία καινούργια μπαταρία λιθίου και έναν ελεγκτή ταχύτητας σχεδιασμένο από τον Victor Wouk. Με το πέρας των χρόνων κατασκευάστηκε μία πληθώρα μοντέλων ηλεκτρικών αυτοκινήτων όπως τα: Amitron (1967), Electron (1977), Scottish Aviation Scamp (1965), Enfield 8000 (1966) και δύο ηλεκτρικές εκδοχές των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων της General Motors, το Electrovair (1966) και το Electrovette (1976). Κανένα όμως από τα προαναφερθέντα δεν εισήχθη στην παραγωγή

23 Τέλος, αξίζει να αναφερθεί πως στις 31 Ιουλίου του 1971, ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο έλαβε τη μοναδική διάκριση να γίνει το πρώτο επανδρωμένο όχημα, το οποίο επρόκειτο να οδηγηθεί στο φεγγάρι. Το όχημα αυτό ονομάστηκε Lunar Rover και χρησιμοποιήθηκε στη διαστημική αποστολή Apollo 15. Το όχημα αυτό, το οποίο επονομάστηκε moon buggy Σχήμα 1.4: Το ηλεκτροκίνητο όχημα Lunar Rover [2] κατασκευάστηκε από τους Boeing και τη θυγατρική της GM Delco Electronics. Χαρακτηριστικό του οχήματος αυτού αποτελούσε η ύπαρξη ενός DC κινητήρα σε κάθε ρόδα του καθώς και η ύπαρξη ενός ζεύγους μπαταριών αργύρου-ψευδαργύρου και υδροξειδίου του καλίου των 36V οι οποίες ήταν μη-επαναφορτιζόμενες. [2] 1.5 Η αναβίωση του ενδιαφέροντος για τα ηλεκτροκίνητα οχήματα Τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα παρέμειναν για χρόνια έξω από τα φώτα της δημοσιότητας, έως ότου η ενεργειακή κρίση του 1970 και του 1980 επέφερε μία αναβίωση του ενδιαφέροντος για την ανεξαρτησία των ηλεκτρικών οχημάτων, λόγω των διακυμάνσεων στην αγορά ενέργειας υδρογονανθράκων. Μάλιστα, το 1990 στην έκθεση αυτοκινήτων στο Los Angeles ο πρόεδρος της General Motors, Roger Smith, έφερε για πρώτη φορά στη δημοσιότητα το μοντέλο ηλεκτρικού αυτοκινήτου GM Impact, ανακοινώνοντας παράλληλα ότι η General Motors θα προχωρούσε στην κατασκευή ηλεκτρικών αυτοκινήτων, τα οποία θα προορίζονταν για πώληση προς το κοινό. Στις αρχές του 1990 η California Air Resources Board και η κυβέρνηση της Καλιφόρνια επιχείρησαν να ασκήσουν πίεση για περισσότερη αποδοτικότητα καυσίμων καθώς και για - 7 -

24 χαμηλότερες εκπομπές ρύπων από τα οχήματα με τελικό σκοπό να γίνει μια προσπάθεια προώθησης οχημάτων με μηδενικές εκπομπές ρύπων, όπως είναι τα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Σε απάντηση προς αυτήν την κίνηση, οι αυτοκινητοβιομηχανίες ανέπτυξαν κάποια ηλεκτρικά μοντέλα οχημάτων όπως αυτά που απεικονίζονται στη συνέχεια [2]. Σχήμα 1.5: Chrysler TEVan [4] To Chrysler TEVan ήταν ένα ηλεκτρικό βαν το οποίο παραγόταν από το 1993 έως το 1995 και πωλούνταν κυρίως σε εταιρείες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε όλες της Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής. Είχε μέγιστη ταχύτητα 110km/h και στοίχιζε περίπου δολάρια. Το εγχειρίδιο του ιδιοκτήτη ανέφερε πως η αυτονομία του έφτανε τα 130 km. Αξίζει να σημειωθεί πως παράχθηκαν 56 μοντέλα. [4] - 8 -

25 Σχήμα 1.6: Ford Ranger EV [5] Το Ford Ranger EV (electric vehicle) ήταν ένα ηλεκτρικό όχημα το οποίο παραγόταν από το 1998 έως το Η μέγιστη ταχύτητα του ήταν 105 km/h και στοίχιζε δολάρια. Είχαν κυκλοφορήσει συνολικά 1500 τέτοια μοντέλα. [5] Σχήμα 1.7: EV1 General Motors [6] Το όχημα EV1 αποτελούσε ένα ηλεκτρικό μοντέλο της General Motors το οποίο κυκλοφόρησε την περίοδο Η τιμή του ήταν περίπου δολάρια και ο κινητήρας του είχε ισχύ 102kW. [6] - 9 -

26 Σχήμα 1.8: Chevrolet S-10 EV [7] Το Chevrolet S-10 EV ήταν ένα αμερικάνικο ηλεκτροκίνητο όχημα το οποίο κυκλοφόρησε την περίοδο Διέθετε κινητήρα με ισχύ 85 kw και η τελευταία έκδοσή του είχε αυτονομία περίπου 153,4 km. [7] Σχήμα 1.9: Honda EV Plus [8] Το Honda EV Plus ήταν το πρώτο ηλεκτρικό όχημα χωρίς μπαταρίες μολύβδου-οξέως. Διέθετε μπαταρίες NiMH (νικελίου-μεταλλικού υδριδίου). Ο κινητήρας του ήταν DC Brushless με ισχύ 49 kw και η μέγιστη ταχύτητά του άγγιζε τα 130 km/h. Το κόστος του ανερχόταν περίπου στα δολάρια. [8]

27 Σχήμα 1.10: Nissan Altra [9] Το Nissan Altra ήταν ένα ηλεκτρικό station wagon (αυτοκίνητο με πολλά καθίσματα) το οποίο κυκλοφόρησε από το 1998 έως το Διέθετε μπαταρίες ιόντων λιθίου της Sony οι οποίες είχαν 1000 κύκλους ζωής. Είχε αυτονομία για 230 km. [9] Σχήμα 1.11: Toyota RAV4 EV [10] Το Toyota RAV4 EV ήταν η ηλεκτροκίνητη έκδοση του δημοφιλούς RAV4 SUV της Toyota. Διέθετε κινητήρα ισχύος 50 kw και η μέγιστη ταχύτητά του έφτανε τα 126 km/h. Αξίζει να σημειωθεί ότι ήταν από τα λίγα οχήματα με αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων όταν εισήχθη στην αγορά. [10]

28 Οι αυτοκινητοβιομηχανίες κατηγορήθηκαν πως υπέθαλψαν τις επιθυμίες της CARB προκειμένου να συνεχίσουν να έχουν τη δυνατότητα να πωλούν αυτοκίνητα στην προσοδοφόρα αγορά της Καλιφόρνιας. Παράλληλα, αδυνατούσαν να προωθήσουν επαρκώς τα ηλεκτρικά οχήματά τους, δημιουργώντας έτσι την εντύπωση πως οι καταναλωτές δεν παρουσίαζαν κανένα ενδιαφέρον για τα αυτοκίνητα αυτού του είδους. Ακόμη, όλο αυτό το διάστημα, κάποιες ομάδες εκπροσώπησης συμφερόντων των πετρελαιοβιομηχανιών διαμαρτύρονταν εντόνως ενάντια στην εντολή της CARB. Το πρόγραμμα της GM για την πώληση ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων τέθηκε υπό εξονυχιστικό έλεγχο και τελικά αποφασίστηκε πως δεν θα επιτρεπόταν στους καταναλωτές να αγοράσουν τα αυτοκίνητα με τον συνηθισμένο τρόπο, αλλά αντίθετα, θα υπέγραφαν κλειστού τύπου μισθώσεις. Αυτό σήμαινε ότι τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα θα έπρεπε να επιστραφούν στη λήξη της προθεσμίας των μισθώσεων στη GM, χωρίς να αφήνουν στους καταναλωτές καμία επιλογή για αγορά, παρά το ενδιαφέρον των τελευταίων να συνεχίσουν να έχουν υπό την κυριότητά τους τα παραπάνω αυτοκίνητα. Τα περισσότερα από τα μοντέλα που απεικονίζονται παραπάνω πωλούνταν κατ αυτόν τον τρόπο. Οι Chrysler, Toyota και μια ομάδα αντιπροσώπων της GM μήνυσαν την CARB σε ομοσπονδιακό δικαστήριο, κάτι που οδήγησε στην οριστική απόσυρση της εντολής της CARB για οχήματα εκπομπής μηδενικών ρύπων (ZEV - zero emissions vehicle). Έπειτα από τις διαμαρτυρίες κάποιων οδηγών ηλεκτρικών οχημάτων σχετικά με την επανάκτηση των οχημάτων τους από την General Motors (GM) η Toyota διέθεσε προς πώληση τα τελευταία 328 RAV4-EVs για ένα περιορισμένο χρονικό διάστημα έξι μηνών, μέχρι το Νοέμβριο του Σχεδόν όλες οι υπόλοιπες αυτοκινητοβιομηχανίες απέσυραν τα μοντέλα τους από την αγορά, ενώ αξίζει να σημειωθεί πως τα μοντέλα της GM που αποσύρθηκαν δωρίστηκαν σε σχολές μηχανικών καθώς και σε μουσεία. Κατά τη δεκαετία του 1990 μειώθηκε το ενδιαφέρον των Αμερικανών γύρω από τα φιλικά προς το περιβάλλον οχήματα ενώ αντίθετα αυξήθηκε το ενδιαφέρον τους για γρήγορα και σπορ αυτοκίνητα. Τα τελευταία είχαν χαμηλή απόδοση, παρολ αυτά προτιμήθηκαν αφού οι τιμές της βενζίνης ήταν ιδιαίτερα χαμηλές εκείνη την εποχή. Όλα τα παραπάνω οδήγησαν στην εμφάνιση των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων, τα οποία χαρακτηρίζονταν από έναν συνδυασμό ηλεκτρικού και εσωτερικής καύσης κινητήρα. Τα οχήματα αυτά ήταν φιλικά προς το περιβάλλον, ενώ ταυτόχρονα ήταν οικονομικότερα σε κατανάλωση καυσίμων σε σχέση με τα συμβατικά αυτοκίνητα, αν και η τιμή τους ήταν ιδιαίτερα υψηλή. Φαίνεται πως εκείνη την εποχή δεν είχε εκδηλωθεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την απόκτηση αυτοκινήτων με οικονομία στην κατανάλωση καυσίμων, κάτι το οποίο σε

29 συνδυασμό με το μικρό μέγεθός τους συντέλεσε στις χαμηλές πωλήσεις των οχημάτων αυτών στην αγορά της αυτοκίνησης. Όμως, η ενεργειακή κρίση του 2000 είχε ως αποτέλεσμα την αναβίωση του ενδιαφέροντος για τα υβριδικά και τα ηλεκτρικά οχήματα. Στην Αμερική, για παράδειγμα, οι πωλήσεις του Toyota Prius, το οποίο σε ορισμένες αγορές κυκλοφορούσε από το 1999, αυξήθηκαν κατακόρυφα, ενώ κάποιες άλλες αυτοκινητοβιομηχανίες κυκλοφόρησαν στην αγορά δικά τους μοντέλα. Αρκετές μάλιστα σχεδίασαν νέα πρότυπα μοντέλα ηλεκτρικών αυτοκινήτων, καθώς η ζήτηση των καταναλωτών για οχήματα που θα τους απάλλασσαν από τις διακυμάνσεις του πετρελαίου, αυξανόταν διαρκώς. Στη συνέχεια, η έλλειψη συμμετοχής μεγάλων αυτοκινητοβιομηχανιών στην ηλεκτρική αυτοκίνηση, είχε σαν συνέπεια την εμφάνιση μικρότερων εταιρειών οι οποίες μπήκαν δυναμικά στο χώρο της σχεδίασης και του εμπορίου των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων. Μία από αυτές ήταν η REVA Electric Car Company η οποία ιδρύθηκε στην Ινδία και πούλησε πάνω από 4000 αυτοκίνητα σε όλο τον κόσμο. Τα μοντέλα της ήταν διαθέσιμα σε 26 χώρες. Γενικά, τα περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα που κυκλοφορούσαν παγκοσμίως εκείνη την εποχή δε διέθεταν μεγάλη αυτονομία ενώ η μέγιστη ταχύτητα τους ήταν σχετικά χαμηλή. Λόγω, λοιπόν, της χαμηλής τους αυτονομίας τα αυτοκίνητα αυτά πήραν το προσωνύμιο neighborhood electric vehicles (NEVs), δηλαδή ηλεκτρικά οχήματα της γειτονιάς. Μάλιστα, η έρευνα της Pike Research έδειξε ότι το 2011 κυκλοφορούσαν περίπου τέτοια αυτοκίνητα παγκοσμίως. Όσον αφορά τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, μέχρι τον Ιούλιο του 2006 υπήρχαν μεταξύ και ηλεκτροκίνητα οχήματα, ενώ το 2004 κυκλοφορούσαν περίπου πάνω από Η Global Electric Motocars (GEM) ήταν η κορυφαία εταιρεία πώλησης ηλεκτρικών αυτοκινήτων στη βόρεια Αμερική, καθώς πούλησε περισσότερα από μοντέλα σε όλο τον κόσμο μέχρι τα μέσα του Τέλος, σημαντικό είναι να αναφερθεί πως το 2011 οι δύο μεγαλύτερες αγορές στην πώληση οχημάτων NEV στον κόσμο ήταν οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Γαλλία με και πωλημένα μοντέλα αντίστοιχα. [2]

30 1.6 Τα ηλεκτροκίνητα οχήματα σήμερα Αν και τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα έχουν ακόμη βασικά μειονεκτήματα, όπως είναι η χαμηλή τους αυτονομία και το υψηλό τους κόστος, μετά την οικονομική ύφεση του 21 ου αι., όπως έχει ήδη προαναφερθεί, κέντρισαν περισσότερο το ενδιαφέρον των καταναλωτών. Παρακάτω παρατίθενται κάποια ηλεκτροκίνητα οχήματα υψηλών προδιαγραφών τα οποία είναι διαθέσιμα τα τελευταία έτη στο ευρύ κοινό. Σχήμα 1.12: Tesla Roadster Sport 2.5 [11] To Tesla Roadster Sport 2.5 είναι ένα ηλεκτρικό σπορ αυτοκίνητο, το οποίο κατασκευάστηκε από την γνωστή στην ηλεκτρική αυτοκίνηση Tesla Motors στην Καλιφόρνια. Πρόκειται για το πρώτο αυτοκίνητο του είδους του που είχε τις προδιαγραφές να πραγματοποιεί ταξίδια σε αυτοκινητοδρόμους ταχείας κυκλοφορίας, καθώς η ισχύς του αγγίζει τους 288 ίππους (215 kw) και η αυτονομία του φτάνει τα 393 km. Το κόστος του ανέρχεται στα [11]

31 Σχήμα 1.13: BMW i8 [12] Πρόκειται για ένα υβριδικό αυτοκίνητο της BMW. Διαθέτει έναν τρικύλινδρο βενζινοκινητήρα turbo 1.5 L και έναν ηλεκτρικό, του οποίου η ισχύς του φτάνει στους 131 ίππους. Η αυτονομία του αγγίζει τα 500 km ή ακόμη και τα 600 σε οικολογική λειτουργία. Οι επιδόσεις του είναι ισάξιες με εκείνες των αντίστοιχων βενζινοκίνητων αυτοκίνητων, αφού μπορεί να φτάσει από στάση τα 100 km/h σε μόλις 4,4 δευτερόλεπτα, ενώ η μέγιστη δυνατή ταχύτητά του ανέρχεται στα 256 km/h. Παρά τις γρήγορες επιδόσεις του, η μέση κατανάλωση του σε καύσιμα είναι μόλις 2,1 L/100km. Παρακάτω βλέπουμε μία άποψη του ηλεκτρικού του κινητήρα, ο οποίος είναι τοποθετημένος στο εμπρόσθιο τμήμα του αυτοκινήτου και ελέγχει μόνο τις μπροστινές ρόδες. Οι μπαταρίες είναι εμφανείς στο κεντρικό του τμήμα και επομένως, συμπεραίνουμε πως είναι τοποθετημένες σε αυτό το σημείο για να δημιουργούν χαμηλό κέντρο βάρους. Άλλωστε, οι μπαταρίες ζυγίζουν αρκετά κιλά σε σχέση με τα υπόλοιπα εξαρτήματα του οχήματος. Ο βενζινοκινητήρας βρίσκεται στο οπίσθιο μέρος του οχήματος και κατά συνέπεια ελέγχει τις οπίσθιες ρόδες. Η τιμή του είναι αρκετά υψηλή και ξεκινάει στα 191,500 δολάρια

32 Σχήμα 1.14: Εμπρόσθιο τμήμα της BMW i8 [13] Σχήμα 1.15: Tesla Model S [14]

33 Ένα άλλο αυτοκίνητο υψηλών προδιαγραφών είναι το Tesla Model S, του οποίου η παραγωγή ξεκίνησε τον Ιούνιο του 2012 και συνεχίζεται μέχρι και σήμερα με συνεχώς αυξανόμενες πωλήσεις, ιδιαίτερα στη Νορβηγία και την Καλιφόρνια. Πρόκειται για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο, το οποίο διαθέτει τριφασικό επαγωγικό κινητήρα ισχύος 310 kw και ροπής 600 N*m. Η μπαταρία του ποικίλει σε χωρητικότητα με την μεγαλύτερη να είναι 85 kwh και να προσφέρει αυτονομία που φτάνει τα 500 km. Οι παγκόσμιες αθροιστικές πωλήσεις του ξεπέρασαν τις 25,000 το Δεκέμβριο του Ακόμη, το Tesla Model S έγινε το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο, το οποίο ήταν το κορυφαίο σε κατάταξη στις μηνιαίες πωλήσεις σε σύγκριση με τα υπόλοιπα καινούργια αυτοκίνητα σε κάθε χώρα. Συγκεκριμένα, στη Νορβηγία ήρθε πρώτο δύο φορές μέσα στον ίδιο χρόνο, μία τον Σεπτέμβρη και μία τον Δεκέμβρη του Μέχρι τον Δεκέμβριο του 2014, περίπου 56,800 μοντέλα είχαν πωληθεί παγκοσμίως. Αξίζει να σημειωθεί ότι το συγκεκριμένο μοντέλο έχει βραβευθεί αρκετές φορές, όπως για παράδειγμα με τα βραβεία 2013 World Green Car of the year (παγκόσμιο οικολογικό αυτοκίνητο της χρονιάς 2013) και 2013 Motor Trend car of the year. Το τελευταίο είναι ένα ετήσιο βραβείο, το οποίο δίνεται από το περιοδικό Motor Trend, με σκοπό να αναγνωρίσει το καλύτερο νέο ή σημαντικά ανανεωμένο αυτοκίνητο της χρονιάς. Στις περισσότερες χώρες που πωλείται, η τιμή του ξεκινάει από 72,600 με μπαταρίες των 60kWh και φτάνει στις 83,150 με μπαταρίες των 85kWh. [14] 1.7 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα των ηλεκτρικών οχημάτων Στην παράγραφο αυτή κρίθηκε σκόπιμο να παρουσιαστούν συνοπτικά τα κυριότερα από τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα παρουσιάζουν πολλά εμφανή σημεία υπεροχής, αλλά και σημαντικούς περιορισμούς. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν λοιπόν είναι πως δεν παράγουν κανενός είδους ρύπους, αφού ο ηλεκτρικός κινητήρας για να περιστραφεί χρειάζεται στρεφόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ενώ ο κινητήρας εσωτερικής καύσης χρειάζεται την ανάφλεξη της βενζίνης πράγμα το οποίο δημιουργεί καυσαέρια. Ακόμη προκαλούν την ελάχιστη δυνατή ρύπανση σε μακροχρόνια βάση, υπό τον όρο ότι χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Υπό αυτή την προϋπόθεση, μπορεί να μετριασθεί η παγκόσμια θέρμανση που προκαλείται από το φαινόμενο του θερμοκηπίου και να ελαττωθεί η εξάρτηση από το πετρέλαιο. Ένα άλλο προτέρημα των ηλεκτροκίνητων οχημάτων είναι πως έχουν πιο αθόρυβη λειτουργία από τα βενζινοκίνητα, πράγμα το οποίο είναι προφανές αφού στα δεύτερα γίνονται καθ όλη τη

34 διάρκεια λειτουργίας τους συνεχείς εκρήξεις, ενώ στα πρώτα ο μόνος ήχος που ακούγεται είναι αυτός των ρουλεμάν. Σημαντικό είναι εξίσου να αναφερθεί, ότι τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα επιτυγχάνουν σχεδόν σταθερή ροπή από την ακινησία έως το μέγιστο όριο στροφών λειτουργίας τους, γεγονός που καθιστά τα ηλεκτρικά οχήματα πολύ καλύτερα σε επιδόσεις από τα οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης. Επιπλέον, οι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν σε πιο υψηλές στροφές απ ότι οι βενζινοκινητήρες, αφού μπορούν να λειτουργήσουν μέχρι τις στροφές/λεπτό. Επίσης, μπορούν να σχεδιαστούν κατάλληλα ώστε να αυτό-φορτίζονται κατά τις επιβραδύνσεις του οχήματος, βελτιώνοντας έτσι το συνολικό βαθμό απόδοσης. Τέλος, έχουν χαμηλότερο κόστος σε βάθος χρόνου, καθώς δεν επηρεάζονται από τις συνεχείς αυξομειώσεις της τιμής της βενζίνης, αλλά και λόγω του χαμηλότερου κόστους όσον αφορά τη συντήρησή τους. Άλλωστε τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα δεν χρειάζονται τόσα συχνά σέρβις όσο τα βενζινοκίνητα, αφού : Δεν απαιτούν τις τακτικές αλλαγές λαδιών Δεν εκπέμπουν ρύπους και συνεπώς δεν έχουν σύστημα εξαγωγής καυσαερίων και διάταξη εξάτμισης Δεν έχουν σιγαστήρα (σιλανσιέ) προ της εξάτμισης αλλά ούτε καταλύτη ή φίλτρο καπνού Δεν έχουν φίλτρα βενζίνης, λαδιού και αέρος Δεν απαιτούν αντικατάσταση ή έστω συντήρηση σε μηχανικά μέρη όπως σύστημα ανάφλεξης, πιστόνια, βαλβίδες ή εκκεντροφόρους αφού στα ηλεκτροκίνητα οχήματα δεν υπάρχουν, ενώ αντίθετα σ αυτά με κινητήρες εσωτερικής καύσης υπάρχουν πάνω από 100 κινούμενα μέρη. Ύστερα λοιπόν από όλα αυτά τα πλεονεκτήματα εύλογα προκύπτει το ερώτημα γιατί να μην χρησιμοποιούμε τα ηλεκτρικά οχήματα. Ένα από τα σημαντικότερα μειονεκτήματα του ηλεκτρικού οχήματος είναι οι υψηλές δαπάνες κατασκευής του με αποτέλεσμα την υψηλή τιμή πώλησης. Άλλωστε πολλά από τα προαναφερθέντα ηλεκτρικά οχήματα, ακόμα και τα πιο αργά, διακρίνονται από τις υψηλές τιμές πώλησής του (το φθηνότερο κοστίζει δολάρια). Ένα άλλο εξίσου σημαντικό αρνητικό είναι η περιορισμένη αυτονομία τους. Χαρακτηριστικό είναι πως στο παρελθόν κάθε 100 χιλιόμετρα χρειάζονταν επαναφόρτιση. Βέβαια τα σύγχρονα μοντέλα επιτυγχάνουν αυτονομίες της τάξης των km στα αυτοκίνητα πόλης και φτάνουν τα χιλιόμετρα ή και παραπάνω στα αυτοκίνητα μεγάλης ισχύος όπως για παράδειγμα το Tesla Model S που φτάνει τα 430 km. Το σημερινό

35 ρεκόρ ανήκει στο σπορ Tesla Roadster το οποίο κατάφερε να διανύσει 504 χιλιόμετρα με μία μόνο φόρτιση και με μέση ταχύτητα 56 km/h. Ακόμη, ο χρόνος επαναφόρτισης είναι ιδιαίτερα μεγάλος αφού για μία πλήρη φόρτιση χρειάζονται περίπου 6 ώρες. Βέβαια αρκετά σύγχρονα μοντέλα μπορούν να φορτιστούν στο 80% σε λιγότερο από μία ώρα. Ωστόσο και αυτή η διάρκεια είναι σημαντικά υψηλή,αν σκεφτεί κανείς πως για να γεμίσεις ένα βενζινοκίνητο όχημα με βενζίνη χρειάζονται 1-2 λεπτά. Τέλος, ένα άλλο μειονέκτημα είναι πως η διάρκεια ζωής των μπαταριών είναι αρκετά περιορισμένη, συνήθως 3-5 χρόνια. Παρ όλα αυτά για το Chevrolet Volt η General Motors δίνει εγγύηση 8 χρόνια ή χιλιόμετρα για τις μπαταρίες. [17] 1.8 Πειραματικές κατασκευές ηλεκτρικών οχημάτων στην Ελλάδα Στην Ελλάδα έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για την υλοποίηση ηλεκτροκίνητων οχημάτων κάθε είδους. Παρακάτω θα αναφερθούν κάποιες από τις σημαντικότερες προσπάθειες που έχουν λάβει χώρα στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών. Μια σημαντική προσπάθεια μετατροπής συμβατικού οχήματος σε ηλεκτροκίνητο είναι το μοντέλο της Fiat pick-up Fiorino, το οποίο ονομάστηκε Electra. Το όχημα αυτό έχει μέγιστη ισχύ 32kW και η μέγιστη συνεχής ροπή του φτάνει τα 51Nm. Η τελική του ταχύτητα φτάνει τα 100km/h. [15] Σχήμα 1.16: Το ηλεκτροκίνητο όχημα Electra [15] Ακόμη, στα πλαίσια του διαγωνισμού ηλιακών οχημάτων Φαέθων 2004 το Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (ΕΗΜΕ) συμμετείχε με το ηλιακό όχημα Ερμής, το οποίο φαίνεται στο σχήμα [15]

36 Σχήμα 1.17: Το πειραματικό ηλιακό όχημα Ερμής [15] Η πρώτη προσπάθεια κατασκευής υβριδικού οχήματος στο ΕΗΜΕ έγινε με το Fiat Panda (σχήμα 1.18) το οποίο χρησιμοποιεί συσσωρευτές μολύβδου-οξέως. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι υπεύθυνος για την κίνηση του εμπρόσθιου άξονα, ενώ για τον οπίσθιο άξονα υπεύθυνο είναι ένα ηλεκτροκινητήριο σύστημα ισχύος 12kW. [15] Σχήμα 1.18: Το πρώτο υβριδικό όχημα του ΕΗΜΕ [15] Η τελευταία απόπειρα κατασκευής υβριδικού οχήματος, στο ΕΗΜΕ, με ανάκτηση ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται στο σχήμα Το Jeep αυτό χρησιμοποιεί έναν ηλεκτροκινητήρα ισχύος 14kW, ο οποίος συνδέεται παράλληλα με τον άξονα μεταφοράς της μηχανικής ροπής από το κιβώτιο ταχυτήτων στον άξονα κίνησης. [15]

37 Σχήμα 1.19: Υβριδικό Jeep EV2 [15] Τέλος, σημαντική προσπάθεια κατασκευής ηλεκτροκίνητου οχήματος, στο ΕΗΜΕ, έγινε από τους φοιτητές του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, Δημήτρη Βιδιαδάκη και Νεφέλης Τσιάρα, οι οποίοι κατασκεύασαν ένα ηλεκτροκίνητο buggy με διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Το όχημα αυτό χρησιμοποιεί δύο ηλεκτροκινητήρες από τους οποίους ο ένας ελέγχει τον δεξιό πίσω τροχό και ο άλλος τον αριστερό πίσω τροχό. Η εικόνα του οχήματος αυτού φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 1.20: Το Buggy του ΕΗΜΕ [16]

38 - 22 -

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ 2.1 Εισαγωγή Για την κατασκευή του ηλεκτρικού καρτ επιλέχθηκε ένας σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη γι αυτό και στο κεφάλαιο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να γίνει μία εκτενής αναφορά για την αρχή λειτουργίας του, τα βασικά χαρακτηριστικά του καθώς και το κύκλωμα οδήγησής του. Ο κινητήρας αυτός ανήκει σε μια κατηγορία της οικογένειας των σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη και λέγεται brushless DC ή εν συντομία BLDC. Η λέξη brush στα αγγλικά σημαίνει ψήκτρα γι αυτό και μπορούμε εύκολα να συμπεράνουμε ότι ο συγκεκριμένος κινητήρας δεν έχει ψήκτρες, όπως οι συνηθισμένοι κινητήρες συνεχούς ρεύματος. Όπως γνωρίζουμε οι ψήκτρες στους κινητήρες αυτούς χρειάζονται για την μετάβαση του ρεύματος από τον ένα κλάδο στον άλλον ώστε ο δρομέας να δέχεται σε κάθε μετάβαση δύναμη, η οποία να τον περιστρέφει με την ίδια φορά. Εύλογα λοιπόν δημιουργείται το ερώτημα πως γίνεται η μετάβαση σε αυτόν τον κινητήρα. Η μετάβαση λοιπόν γίνεται με ηλεκτρονικό τρόπο εξ ου και η ανάγκη κυκλώματος οδήγησης για τη λειτουργία αυτής της μηχανής. Έτσι λοιπόν αυτός ο κινητήρας χρειάζεται έλεγχο απλά και μόνο για να γυρίσει και όχι μόνο για τον έλεγχο των στροφών όπως οι περισσότεροι. Όπως αναφέραμε και πριν ο κινητήρας αυτός είναι σύγχρονος οπότε ο δρομέας του περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα του μαγνητικού πεδίου του διακένου. Επιπλέον ο κινητήρας αυτός έχει τυλίγματα μόνο στο στάτη για την παραγωγή του μαγνητικού πεδίου, ενώ ο δρομέας του αποτελείται από μόνιμο μαγνήτη, οπότε δεν χρειάζεται ξεχωριστή διέγερση. Αυτό άλλωστε είναι και το κύριο χαρακτηριστικό των μηχανών μόνιμου μαγνήτη. 2.2 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τύποι μηχανών BLDC Πιο συγκεκριμένα λοιπόν οι κινητήρες BLDC αποτελούν νέου είδους κινητήρες οι οποίοι παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων και έχουν πολλές εφαρμογές στις μέρες μας. Στην προηγούμενη παράγραφο αναφέρθηκε πως η μετάβαση του ρεύματος γίνεται ηλεκτρονικά. Για να γίνει όμως αυτή η μετάβαση χρειάζεται η απαραίτητη πληροφορία της θέσης του δρομέα, γεγονός που οι μηχανές με ψήκτρες δεν χρειάζεται να γνωρίζουν, αφού οι ψήκτρες και οι αγώγιμοι «δρόμοι» του δρομέα βρίσκονται εκ κατασκευής σε συγκεκριμένες θέσεις και η μετάβαση γίνεται τις στιγμές που χρειάζεται. Στη δική μας περίπτωση όμως

40 αυτός που δίνει την εντολή για να γίνει η μετάβαση είναι ένας μικροελεγκτής ο οποίος είναι προγραμματισμένος. Έτσι λοιπόν η πληροφορία αυτή έρχεται στους ακροδέκτες του μικροελεγκτή μέσω κάποιων αισθητήρων οι οποίοι ονομάζονται αισθητήρες Hall. Οι αισθητήρες αυτοί πήραν το όνομά τους από το γνωστό φαινόμενο hall το οποίο ανακαλύφθηκε το 1879 από τον Edwin Hall και λέει πως όταν θέσουμε σε μαγνητικό πεδίο ένα αγώγιμο έλασμα που διαρρέεται από ρεύμα, τότε αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού σε διεύθυνση που είναι κάθετη στο ρεύμα και στο μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από τη μονομερή απόκλιση των φορέων φορτίου, λόγω της αλληλεπίδρασης με το μαγνητικό πεδίο [23]. Έτσι λοιπόν ανάλογα με το ποιος πόλος περάσει από τον αισθητήρα, ο βόρειος ή ο νότιος, αυτός μας δίνει ένα λογικό σήμα ένα ή μηδέν. Οι αισθητήρες αυτοί είναι συνήθως 3 και είναι τοποθετημένοι στο στάτη, μετατοπισμένοι μεταξύ τους ανά 60 ο ή 120 ο που είναι και το πιο σύνηθες. Η εγκατάστασή τους στο στάτη της μηχανής είναι αρκετά δύσκολη διαδικασία, αφού το παραμικρό λάθος μπορεί να οδηγήσει σε λάθος σήμα. Ο εκάστοτε συνδυασμός αυτών των τριών μας υποδηλώνει και σε ποιόν κλάδο πρέπει να ρεύσει το ρεύμα. Σημαντικό είναι να αναφερθεί πως οι αισθητήρες hall χρησιμοποιούνται και για την μέτρηση της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα, καθώς και σε διάφορες άλλες εφαρμογές. Σχήμα 2.1: Φαινόμενο Hall [33]

41 Τέλος, όσον αφορά την παροχή, στις περισσότερες μηχανές του εμπορίου η τάση που απαιτούν είναι μεταξύ 4 και 24V και ρεύμα από 5 έως 15mA. Εκτός από τους αισθητήρες hall η ανίχνευση της θέσης του δρομέα γίνεται και με την αντί-ηλεκτρεγερτική δύναμη (back-emf) που παράγει ένας κινητήρας όταν γυρίζει. Έτσι ένα πρώτο κριτήριο για να διακρίνουμε τους BLDC κινητήρες είναι ο τρόπος ανίχνευσης της θέσης του δρομέα. Έχουμε λοιπόν τους κινητήρες με αισθητήρες hall (sensored) και αυτούς χωρίς αισθητήρες Hall(sensorless). Οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη μπορεί να είναι μονοφασικές, δύο φάσεων και τριφασικές. Οι τελευταίες είναι και οι πλέον διαδεδομένες Στάτης Ο στάτης μιας μηχανής BLDC αποτελείται από ατσάλινα ελάσματα πάχους 0,3-0,5 mm. Τα ελάσματα χρησιμεύουν στην ελαχιστοποίηση των δινορρευμάτων και είναι τοποθετημένα στις αυλακώσεις οι οποίες είναι κομμένες αξονικά κατά μήκος της εσωτερικής περιφέρειας του στάτη. Οι αυλακώσεις αυτές ή αλλιώς εγκοπές τείνουν να διασπάσουν την ομοιομορφία της ροής γι αυτό και πρέπει να τοποθετούνται ομοιόμορφα γύρω από το στάτη. Σχήμα 2.2: Στάτης μηχανής brushless όπου φαίνονται οι εγκοπές και τα τυλίγματα [34]

42 Στις περισσότερες μηχανές BLDC, όπως και σε αυτή που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία, έχουμε τρία τυλίγματα στο στάτη τα οποία είναι συνδεδεμένα σε αστέρα. Λόγω της παλμοδότησής τους οι μηχανές αυτές παρουσιάζουν μεγάλη ροπή στις χαμηλές στροφές λειτουργίας. Καθένα λοιπόν από τα τυλίγματα αυτά αποτελείται από άλλες μικρότερες περιελίξεις, οι οποίες τοποθετούνται στις αυλακώσεις του στάτη. Κάθε τύλιγμα μοιράζεται στην περιφέρεια του στάτη με σκοπό να δημιουργήσει ζυγό αριθμό πόλων. Λόγω των δονήσεων κατά την λειτουργία της μηχανής, τα τυλίγματα είναι δυνατό να προκαλέσουν θόρυβο. Σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται εναλλακτική κατασκευή με καλούπι γύρω από τον στάτη η οποία ελαχιστοποιεί αυτές τις δονήσεις και συνεπώς μειώνει το θόρυβο. Σημαντικό κρίθηκε εδώ να αναφερθεί πως υπάρχουν και μηχανές στις οποίες ο στάτης είναι κατασκευασμένος χωρίς αυλακώσεις και τα τυλίγματα παίρνουν τη μορφή δαχτυλιδιού. Είναι τοποθετημένα στην εσωτερική επιφάνεια του στάτη και χωρίζονται από το δρομέα μ ένα διάκενο αέρα. Αυτή η κατασκευή δεν δημιουργεί ταλαντώσεις στη ροπή, όμως η δυνατότητα απομάκρυνσης της θερμότητας προς την εξωτερική επιφάνεια του στάτη είναι αρκετά μειωμένη σε σχέση με την άλλη κατασκευή και αυτό με τη σειρά του δημιουργεί χαμηλότερα όρια πυκνότητας ρεύματος στα τυλίγματα. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται τη μείωση του συντελεστή διαπερατότητας καθώς και της πυκνότητας της μαγνητικής ροής του διακένου. Συνεπώς, η απόδοση μιας μηχανής με τέτοια κατασκευαστική δομή είναι σχεδόν πάντα μικρότερη από μια αντίστοιχη με αυλακώσεις στο στάτη. Οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη χωρίζονται σε δύο κατηγορίες με βάση την μορφή της επαγόμενης τάσης. Η μορφή αυτή εξαρτάται από το πως είναι κατανεμημένα τα τυλίγματα της μηχανής στην περιφέρεια του στάτη. Στη μία κατηγορία έχω τραπεζοειδή κατανομή των τυλιγμάτων γι αυτό και η αντί-ηλεκτρεγερτική δύναμη που παράγει ο κινητήρας αν του στρέψουμε το δρομέα θα είναι τραπεζοειδούς μορφής. Αντίστοιχα στην άλλη κατηγορία η δύναμη αυτή θα έχει ημιτονοειδή μορφή. Η διαφορετική κατανομή επιτυγχάνεται πυκνώνοντας ή αραιώνοντας τα τυλίγματα σε συγκεκριμένα σημεία. Παρακάτω φαίνονται δύο διαγράμματα με τις αντίστοιχες κυματομορφές για κάθε μία από τις παραπάνω κατηγορίες

43 Σχήμα 2.3: Ημιτονοειδής αντιηλεκτρεγερτική δύναμη [35] Σχήμα 2.4: Τραπεζοειδής αντιηλεκτρεγερτική δύναμη [35] Όπως είναι προφανές στις τραπεζοειδείς μηχανές ή τετραγωνικού παλμού ή διακοπτικής διέγερσης (trapezoidal or square wave or switched PM) όπως αλλιώς ονομάζονται, τα ρεύματα που διαρρέουν το στάτη έχουν τετραγωνική μορφή, εξ ου και το όνομά τους. Αντίστοιχα στις μηχανές ημιτονοειδούς αντί-ηλεκτρεγερτικής δύναμης τα ρεύματα έχουν ημιτονοειδή μορφή. Επίσης οι τελευταίες διακρίνονται από σταθερότερη ηλεκτρομαγνητική ροπή σε σχέση με τις τραπεζοειδείς, αν και απαιτούν επιπλέον κόστος κατασκευής εξαιτίας της περίπλοκης διασύνδεσης των περιελίξεών τους. Τέλος, παρά το γεγονός πως οι

44 τραπεζοειδείς μηχανές παρουσιάζουν πιο απλό έλεγχο, ο βαθμός απόδοσής τους είναι μικρότερος από τις ημιτονοειδείς Δρομέας Ο δρομέας των μηχανών αυτών είναι κατασκευασμένος από ατσάλι και είναι συμπαγής. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, στον δρομέα βρίσκονται οι μόνιμοι μαγνήτες οι οποίοι μπορεί να δημιουργούν από 2 έως 8 ζεύγη πόλων και των οποίων η τοποθέτηση ποικίλει. Έτσι οι μαγνήτες μπορεί να είναι κολλημένοι επάνω στην επιφάνεια του δρομέα, να βρίσκονται στο εσωτερικό του δρομέα ή ακόμα και να είναι κάθετα σφηνωμένοι στην επιφάνεια του δρομέα. Ας εξετάσουμε όμως ξεχωριστά την κάθε περίπτωση για να δούμε ποιοι είναι οι λόγοι που συναίνεσαν σε 3 ξεχωριστές κατασκευαστικές δομές. Η τοποθέτηση των επιφανειακών μαγνητών αποτελεί μια σχετικά εύκολη διαδικασία η οποία χαρακτηρίζεται από χαμηλό κόστος. Χαρακτηριστικό μειονέκτημά της είναι ο κίνδυνος αποκόλλησης σε υψηλές ταχύτητες του δρομέα καθώς και σε απότομες αυξομειώσεις της ταχύτητας. Πιο συγκεκριμένα, οι επιταχύνσεις και οι επιβραδύνσεις του δρομέα δημιουργούν ακτινικές δυνάμεις οι οποίες και πρέπει να αντιμετωπιστούν για να μην ξεκολλήσουν οι μαγνήτες. Γι αυτό το λόγο λοιπόν, θα πρέπει οι μαγνήτες να επικολλούνται γερά επάνω στην επιφάνεια εξασφαλίζοντας παράλληλα πως η θερμική και μηχανική διαστολή της συγκολλητικής ουσίας είναι ίδια με αυτή του μαγνήτη. Εκτός αυτού απαραίτητο στις μεγάλες ταχύτητες είναι ένα περίβλημα συγκράτησης από κατάλληλο ανθεκτικό υλικό. Όσον αφορά την δομή με τους μαγνήτες στο εσωτερικό του δρομέα, τα πράγματα είναι διαφορετικά. Το γεγονός πως οι μαγνήτες βρίσκονται στο εσωτερικό και όχι στην επιφάνεια του δρομέα συνεπάγεται και μία στιβαρή κατασκευή της οποίας ο δρομέας μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλές ταχύτητες. Ένα χαρακτηριστικό τους είναι η εμφάνιση επαγωγικής ροπής αντίδρασης, η οποία οφείλεται στη διαφορά των επαγωγιμοτήτων xd/xq των αξόνων d και q αντίστοιχα. Το γεγονός αυτό μπορεί να κατανοηθεί από την κατασκευαστική τους δομή, η οποία μοιάζει με αυτή των σύγχρονων μηχανών με έκτυπους πόλους. Τέλος η κατασκευαστική δομή με τους κάθετα σφηνωμένους μαγνήτες στην επιφάνεια του δρομέα χαρακτηρίζεται από τις ίδιες ηλεκτρικές ιδιότητες με αυτές των εσωτερικών μαγνητών. Μοναδική διαφορά στις μηχανές αυτές είναι πως οι ροές μπορούν να περάσουν από τον άξονα του κινητήρα, γι αυτό και πρέπει να χρησιμοποιούνται μη μαγνητικοί άξονες

45 Σχήμα 2.5: Τύποι δρομέα μόνιμου μαγνήτη [36] Στο σημείο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να αναφερθούν τα υλικά από τα οποία είναι φτιαγμένοι οι μαγνήτες καθώς και κάποιες από τις ιδιότητες που τους διακρίνουν. Έτσι λοιπόν ανάλογα με το πόσο ισχυρό χρειαζόμαστε να είναι το μαγνητικό πεδίο διαλέγουμε και το κατάλληλο υλικό. Ο φερρίτης είναι ένα από τα πιο γνωστά υλικά που χρησιμοποιείτε για την κατασκευή των μαγνητών και είναι και αρκετά οικονομικός. Όμως, η ανάπτυξη της τεχνολογίας έχει φέρει στο προσκήνιο τους μαγνήτες που είναι φτιαγμένοι από κράματα σπάνιων γαιών. Οι τελευταίοι πλεονεκτούν των πρώτων στο γεγονός ότι διαθέτουν μεγαλύτερη πυκνότητα ροής για συγκεκριμένο όγκο, με άμεση συνέπεια τη μείωση του όγκου του δρομέα για την ίδια τιμή ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Μάλιστα, η ηλεκτρομαγνητική ροπή γίνεται ακόμα μεγαλύτερη απ αυτής του κινητήρα με τους φερρίτες λόγω της βελτίωσης της αναλογίας μέγεθος προς βάρος του δρομέα. Άλλα παραδείγματα υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών είναι το νεοδύμιο (Nd), η ένωση σαμαρίου κοβαλτίου (SmCo) και το κράμα νεοδυμίου σιδήρου βορίου (NdFeB). Κλείνοντας το υποκεφάλαιο με τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη, θα αναφερθούμε σε δύο κατηγορίες που χωρίζονται με βάση την κατανομή του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της μηχανής. Με βάση λοιπόν το προηγούμενο κριτήριο προκύπτουν οι εξής 2 κατηγορίες: οι μηχανές ακτινικής ροής (Radial Flux BLDC Motor), στις οποίες οι δυναμικές γραμμές μεταξύ δρομέα και στάτη ακολουθούν ακτινική διεύθυνση οι μηχανές αξονικής ροής (Axial Flux BLDC Motor), στις οποίες οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου ακολουθούν αξονική διεύθυνση και τα τυλίγματα είναι επίσης προσανατολισμένα σε αξονική διεύθυνση

46 Σχήμα 2.6: Μηχανές ακτινικής και αξονικής ροής [24] Στις μηχανές ακτινικής ροής το μήκος του άξονα είναι μεγάλο, ενώ η αδράνεια του δρομέα είναι σχετικά μικρή ώστε να έχουν μικρούς χρόνους απόκρισης στις αλλαγές φορτίου. Χρησιμοποιούνται συχνά σε ηλεκτρικά ποδήλατα. Οι μηχανές αξονικής ροής έχουν συνήθως σχήμα κυκλικού δίσκου και μπορούν να σχεδιαστούν με το δρομέα εξωτερικά του στάτη. Κύριο μειονέκτημα των μηχανών αξονικής ροής είναι η ύπαρξη δύο διακένων αέρος (οι μηχανές ακτινικής ροής έχουν ένα). 2.3 Αρχή λειτουργίας της μηχανής Brushless DC Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενες παραγράφους η μηχανή Brushless DC είναι μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη η οποία δεν έχει ψήκτρες. Τροφοδοτείται από συνεχής τάση η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη μέσω ενός αντιστροφέα και αυτή είναι η τάση που εφαρμόζεται πάνω στα τυλίγματα του στάτη. Εναλλασσόμενη τάση δεν σημαίνει απαραίτητα ότι είναι και ημιτονοειδούς μορφής. Εξαρτάται από τον τύπο της μηχανής, δηλαδή αν είναι ημιτονοειδής ή τραπεζοειδής, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Για να καταφέρουμε να περιστρέψουμε τον δρομέα μόνιμου μαγνήτη, αρκεί να τροφοδοτήσουμε με τάση τα κατάλληλα τυλίγματα σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. Πιο συγκεκριμένα, τροφοδοτώντας ένα τύλιγμα του στάτη καταφέρνουμε να δημιουργήσουμε ένα βόρειο και έναν νότιο πόλο οι οποίοι προφανώς είναι σε αντίδιαμετρική θέση. Έτσι, στο αντίστοιχο ζεύγος πόλων που βρίσκεται στον δρομέα θα ασκηθεί μια ελκτική δύναμη και το ζεύγος αυτό θα «θέλει» να προσανατολιστεί στο ζεύγος πόλων

47 του στάτη. Προφανώς, δεν επιθυμούμε ο κινητήρας να κάνει μόνο αυτή την κίνηση γιατί έτσι θα γύρναγε για πολύ λίγο και μετά θα «κλείδωνε» σε μία θέση. Γι αυτό λοιπόν έχουμε τους αισθητήρες Hall οι οποίοι με τα κατάλληλα σήματά τους μας υποδεικνύουν την θέση στην οποία βρίσκεται ο δρομέας και λίγο πριν φτάσει στην θέση που θα «κλειδώσει» εμείς μέσω του αντιστροφέα ενεργοποιούμε το επόμενο τύλιγμα του στάτη και απενεργοποιούμε το προηγούμενο. Έτσι η θέση στην οποία θέλει να πάει ο δρομέας αλλάζει. Συνεχίζοντας να ανοιγοκλείνουμε κατάλληλα τα τυλίγματα επιτυγχάνουμε την περιστροφική κίνηση του δρομέα. Στην πραγματικότητα, δεν ενεργοποιούμε μόνο ένα τύλιγμα αλλά δύο. Το ένα δημιουργεί ζεύγος πόλων το οποίο έλκει το αντίστοιχο του δρομέα, ενώ το άλλο το απωθεί. Με αυτόν τον τρόπο πετυχαίνουμε και μεγαλύτερη ροπή. Ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνουμε τα προηγούμενα θα παρουσιαστεί στην ανάλυση του αντιστροφέα. Προηγουμένως αναφέρθηκε πως κάθε στιγμή μας αρκούν δύο τυλίγματα, οπότε το τρίτο είναι προφανές ότι είναι σβηστό. Κάθε 60 ηλεκτρικές μοίρες παράγεται και ένας διαφορετικός συνδυασμός των αισθητήρων Hall ο οποίος μας υποδεικνύει τα τυλίγματα που πρέπει να ενεργοποιηθούν. Στο σημείο που αλλάζει ο συνδυασμός ένα από τα δύο τυλίγματα παραμένει ενεργοποιημένο ενώ το άλλο σβήνει και ενεργοποιείται το τρίτο, το οποίο ήταν σβηστό. Τη χρονική στιγμή που γίνεται αυτό έχουμε μετάβαση του ρεύματος από τον ένα κλάδο στον άλλο. Εφόσον η μετάβαση γίνεται κάθε 60 ηλεκτρικές μοίρες είναι προφανές ότι χρειαζόμαστε 6 μεταβάσεις για να ολοκληρωθεί ένας ηλεκτρικός κύκλος 360 ηλεκτρικών μοιρών. Ωστόσο, ένας ηλεκτρικός κύκλος δεν ταυτίζεται με έναν μηχανικό κύκλο του δρομέα. Ο αριθμός των ηλεκτρικών κύκλων που χρειάζονται προκειμένου να ολοκληρωθεί ένας μηχανικός εξαρτάται από τα ζεύγη πόλων του δρομέα. Για κάθε ζεύγος πόλων πραγματοποιείται και ένας ηλεκτρικός κύκλος. Σχήμα 2.7: Καταστάσεις μετάβασης του ρεύματος σε μηχανή BLDC [37]

48 Σχήμα 2.8: Σήματα Hall, αντιηλεκτρεγερτική δύναμη, ροπή εξόδου και φασικά ρεύματα ενός BLDC κινητήρα [38] Στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε κάποια ταλάντωση στη ροπή, η οποία είναι άθροισμα μιας συνεχούς και μιας παλμικής συνιστώσας. Οι βασικές αιτίες που εμφανίζεται αυτή η ταλάντωση είναι οι εξής:

49 η μετάβαση του ρεύματος από τη μία φάση στην άλλη οι διακυμάνσεις της κατανομής του μαγνητικού πεδίου η ροπή που δημιουργείται στην εν κενώ λειτουργία από την αλληλεπίδραση των μόνιμων μαγνητών με τον οπλισμό και τις αυλακώσεις του στάτη. Σχήμα 2.9: Χαρακτηριστική ροπής-στροφών brushless DC κινητήρα [39] Στο παραπάνω διάγραμμα φαίνεται η χαρακτηριστική ροπής στροφών ενός BLDC κινητήρα. Στον κάθετο άξονα έχουμε την ροπή και στον οριζόντιο τις στροφές. Παρατηρούμε πως υπάρχουν δύο χαρακτηριστικές τιμές ροπής. Η μία είναι η ονομαστική ροπή (Rated Torque) και η άλλη η μέγιστη ροπή (Peak Torque). Αυτές είναι και οι δύο τιμές που ορίζουν δύο διαφορετικές περιοχές στο παραπάνω διάγραμμα. Η μία περιοχή σχετίζεται με τη συνεχή λειτουργία της μηχανής όπου η μηχανή μπορεί να φορτιστεί μέχρι την ονομαστική ροπή της, η οποία παραμένει σταθερή μέχρι να φτάσει τον ονομαστικό αριθμό στροφών. Από εκείνο το σημείο και μετά οι στροφές της μηχανής ανεβαίνουν αλλά η ροπή πέφτει. Εξάλλου ο κινητήρας μπορεί να περιστραφεί με ταχύτητα μεγαλύτερη της ονομαστικής και μάλιστα μπορεί να φτάσει και στο 150% επί της ονομαστικής ταχύτητας. Η άλλη περιοχή σχετίζεται με το γεγονός πως κατά την εκκίνηση η ροπή του φορτίου μπορεί να είναι μεγαλύτερη της ονομαστικής του κινητήρα. Για το λόγο αυτό λοιπόν, ο κινητήρας θα πρέπει να αναπτύξει ροπή μεγαλύτερη της ονομαστικής, έως και τη μέγιστη που μπορεί να

50 αποδώσει, αλλά προφανώς για μικρό χρονικό διάστημα. Αυτό γίνεται για να μπορέσει ο κινητήρας να αντιμετωπίσει την αδράνεια τόσο του φορτίου, όσο και του δρομέα. 2.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Όπως έχει ήδη προαναφερθεί οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη χαρακτηρίζονται από την έλλειψη ψηκτρών και την ύπαρξη μόνιμων μαγνητών στο δρομέα αντί της κλασσικής διέγερσης με τυλίγματα. Οι μηχανές λοιπόν αυτές έχουν αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των υπολοίπων αλλά και εξίσου σημαντικά μειονεκτήματα. Ας τις συγκρίνουμε όμως ξεχωριστά με μερικές από αυτές. Όσον αφορά την σύγκριση με τις μηχανές συνεχούς ρεύματος, βασικό πλεονέκτημα είναι η έλλειψη ψηκτρών. Η ζωή των μηχανών BLDC αυξάνεται αφού δεν απαιτείται συντήρηση στις ψήκτρες και γενικότερα τα προβλήματα που συνδέονται με αυτές ελαχιστοποιούνται. Η χρήση ψηκτρών δημιουργεί σπινθηρισμούς, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει ακόμα και εκρήξεις σε εύφλεκτο περιβάλλον. Επιπλέον, τα κατάλοιπα που δημιουργούνται εξαιτίας της τριβής τους μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα στη λειτουργία των ρουλεμάν ή ακόμα και πρόκληση ηλεκτρικού τόξου σε περίπτωση δημιουργίας αγώγιμου δρόμου. Οι μηχανές χωρίς ψήκτρες λειτουργούν πιο αθόρυβα. Η λειτουργία καθώς και η διάρκεια ζωής των ψηκτρών εξαρτάται άμεσα από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες γι αυτό και είναι απαραίτητος ξεχωριστός τύπος ψηκτρών για τον ίδιο κινητήρα, ανάλογα με το περιβάλλον λειτουργίας του. Άλλα αρνητικά των ψηκτρών είναι η πτώση τάσης που δημιουργείται πάνω σε αυτές με αποτέλεσμα την χαμηλότερη απόδοση των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, καθώς και ο μεγαλύτερος όγκος των μηχανών αυτών λόγω της ύπαρξης ψηκτρών-συλλέκτη. Σημαντικό είναι εδώ να αναφερθεί πως η ύπαρξη του συλλέκτη αυξάνει την αδράνεια του δρομέα, λόγω του επιπλέον βάρους που δημιουργεί. Σαφώς όμως υπάρχει και μια πληθώρα μειονεκτημάτων των BLDC κινητήρων έναντι των μηχανών συνεχούς ρεύματος. Το γεγονός ότι απουσιάζουν οι ψήκτρες συνεπάγεται την ανάγκη διαρκούς γνώσης της θέσης του δρομέα, οπότε είναι αναγκαίοι είτε αισθητήρες είτε υπολογισμός της BEMF, γεγονός που αυξάνει την πολυπλοκότητα του ηλεκτρονικού ελέγχου. Σημαντικό κρίνεται εδώ να αναφερθεί πως οι κινητήρες τύπου brushless χρειάζονται πάντα κύκλωμα ελέγχου ακόμα και για σταθερή ταχύτητα περιστροφής, ενώ αντίθετα οι μηχανές συνεχούς ρεύματος, μόνο σε εφαρμογές μεταβλητής ταχύτητας. Ακόμα, το κόστος των brushless κινητήρων είναι αρκετά μεγαλύτερο λόγω της ύπαρξης μόνιμων μαγνητών. Μάλιστα, σε περίπτωση που οι μαγνήτες είναι επικολλημένοι στην επιφάνεια του

51 δρομέα, έχουμε περιορισμό στην μέγιστη ταχύτητα λειτουργίας λόγω της συγκράτησης των μαγνητών ενάντια στη φυγόκεντρο δύναμη. Εύκολα καταλαβαίνει κανείς πως όσο η ταχύτητα αυξάνεται τόσο εγκυμονεί ο κίνδυνος να ξεκολλήσουν οι μαγνήτες. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε κάποιες διαφορές των brushless μηχανών με τους επαγωγικούς κινητήρες, οι οποίοι δεν έχουν μεν ψήκτρες αλλά ούτε και μόνιμους μαγνήτες, και χρησιμοποιούνται πολύ συχνά σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης. Σημαντικά μειονεκτήματα των BLDC μηχανών έναντι των επαγωγικών είναι το κόστος κατασκευής και ο περιορισμός μέγιστης ταχύτητας. Εκτός αυτών, είναι και το γεγονός της μέγιστης αναπτυσσόμενης θερμοκρασίας. Πιο συγκεκριμένα η θερμοκρασία λειτουργίας τους πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα γιατί τα χαρακτηριστικά των μαγνητών επηρεάζονται αρνητικά από την αύξησή της. Χαρακτηριστικό πλεονέκτημα όμως της χρήσης μόνιμων μαγνητών είναι η μείωση της αδράνειας του δρομέα με συνέπεια την καλύτερη δυναμική απόκριση. Επίσης η απουσία τυλιγμάτων στον δρομέα μειώνει και τις διαστάσεις της μηχανής. Οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη έχουν υψηλότερο βαθμό απόδοσης, μικρότερο όγκο για δεδομένη ισχύ και δεν παρουσιάζουν φαινόμενα ολίσθησης μεταξύ των συχνοτήτων του δρομέα και του στάτη όπως οι επαγωγικές μηχανές. Ακόμα το ρεύμα εκκίνησης είναι ίδιο με το ονομαστικό ενώ στους επαγωγικούς κινητήρες είναι περίπου 7 φορές το ονομαστικό, πράγμα που καθιστά αναγκαία την ύπαρξη κυκλώματος εκκίνησης (συνήθως αστέρα-τριγώνου). Τέλος η χαρακτηριστική ροπής-στροφών των μηχανών μόνιμου μαγνήτη είναι πολύ καλύτερη αυτής των επαγωγικών κινητήρων αφού επιτρέπει την λειτουργία με σταθερή ροπή σε όλες τις ταχύτητες με ονομαστικό φορτίο, πράγμα που δεν συμβαίνει στους επαγωγικούς αφού η χαρακτηριστική τους είναι μη γραμμική και σε χαμηλές ταχύτητες έχουμε και χαμηλή ροπή. 2.5 Εφαρμογές σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη Τα χαρακτηριστικά των μηχανών brushless που αναφέρθηκαν παραπάνω, τις καθιστούν κατάλληλες για ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Οι μηχανές BLDC χρησιμοποιούνται σε αρκετές εφαρμογές που παλιά χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά οι κλασσικές μηχανές συνεχούς ρεύματος με ψήκτρες. Έτσι λοιπόν, έχουν κυριαρχήσει σε πολλές εφαρμογές, κυρίως συσκευών, όπως σε σκληρούς δίσκους και στις συσκευές αναπαραγωγής των υπολογιστών (CD/DVD player). Επίσης χρησιμοποιούνται σε ανεμιστήρες ψύξης ηλεκτρονικού εξοπλισμού καθώς και σε επαναφορτιζόμενα ηλεκτρικά εργαλεία όπου με την υψηλή απόδοσή τους οδηγούν σε μεγαλύτερες περιόδους χρήσης προτού η μπαταρία

52 χρειαστεί φόρτιση. Ακόμα brushless κινητήρες χαμηλής ισχύος και ταχύτητας χρησιμοποιούνται σε πικάπ [18]. Άλλες εφαρμογές είναι η αυτοκίνηση, οι οικιακές συσκευές, ο βιομηχανικός έλεγχος, οι αυτοματισμοί, τα πλοία, καθώς και η αεροναυπηγική. Στο σημείο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να χωρίσουμε τις εφαρμογές των BLDC κινητήρων σε δύο κατηγορίες: εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας (σταθερού και μεταβλητού φορτίου) εφαρμογές ελέγχου θέσης Εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας με σταθερό φορτίο Στην κατηγορία αυτή σημαντικό είναι η ταχύτητα του κινητήρα να μπορεί να μεταβάλλεται ενώ ο ρυθμός της επιτάχυνσης καθώς και της επιβράδυνσης να μην αλλάζει δυναμικά. Στις εφαρμογές αυτές το φορτίο βρίσκεται σε άμεση σύζευξη με τον άξονα της μηχανής. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών είναι οι αντλίες και οι ανεμιστήρες όπου απαιτείται χαμηλού κόστους ελεγκτής, γι αυτό και έχουμε λειτουργία ανοιχτού βρόχου Εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας με μεταβλητό φορτίο Στις εφαρμογές αυτές το φορτίο του κινητήρα δεν παραμένει σταθερό αλλά μεταβάλλεται. Απαιτείται ακρίβεια ελέγχου υψηλής ταχύτητας και καλές δυναμικές αποκρίσεις. Παραδείγματα οικιακών συσκευών είναι τα πλυντήρια και τα στεγνωτήρια. Ακόμα χαρακτηριστικά παραδείγματα στον τομέα της αυτοκίνησης είναι ο έλεγχος αντλίας καυσίμων, ο έλεγχος εναλλακτήρων καθώς και ο έλεγχος ηλεκτρικού οχήματος, παράδειγμα στο οποίο εντάσσεται και η παρούσα διπλωματική. Τέλος στην αεροδιαστημική συναντάμε πληθώρα τέτοιου τύπου εφαρμογών όπως έλεγχο γυροσκοπίων, έλεγχο ρομποτικού βραχίονα καθώς και φυγοκεντρικές αντλίες. Σε όλες τις παραπάνω εφαρμογές χρησιμοποιείται βρόχος ανατροφοδότησης της ταχύτητας και ο έλεγχος βασίζεται σε ημίκλειστο ή κλειστό βρόχο. Επιπλέον χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι ελέγχου γεγονός που περιπλέκει τον έλεγχο της μηχανής και αυξάνει το κόστος του συνολικού συστήματος Εφαρμογές ελέγχου θέσης Στην κατηγορία αυτή εντάσσονται οι περισσότερες εφαρμογές σε βιομηχανία και αυτοματισμούς. Η δυναμική απόκριση της ροπής και της ταχύτητας είναι σημαντικές ενώ

53 έχουμε και συχνές αλλαγές στη φορά περιστροφής. Ένας τυπικός κύκλος περιλαμβάνει το στάδιο επιτάχυνσης, το στάδιο όπου η ταχύτητα παραμένει σταθερή καθώς και το στάδιο επιβράδυνσης. Αξίζει να σημειωθεί πως κατά την διάρκεια όλων αυτών των σταδίων το φορτίο του κινητήρα μπορεί να μεταβάλλεται γεγονός που περιπλέκει αρκετά τον έλεγχο του BLDC κινητήρα. Τα συστήματα αυτά λειτουργούν σε κλειστό βρόχο όπου τρέχουν ταυτόχρονα τρεις βρόχοι ελέγχου: ροπής, ταχύτητας και θέσης. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιων εφαρμογών είναι τα μηχανήματα ψηφιακής καθοδήγησης (CNC machines) που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Εύλογα σε αυτό το σημείο θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί για το ποια είναι τα κριτήρια επιλογής μιας μηχανής σε ένα κινητήριο σύστημα. Έτσι λοιπόν, η επιλογή της μηχανής εξαρτάται από την εφαρμογή για την οποία προορίζεται. Ανάλογα λοιπόν με το φορτίο αλλάζουν και οι παράμετροι από τις οποίες οι πιο σημαντικές είναι οι εξής: η μέγιστη ροπή που απαιτείται στην εφαρμογή η ονομαστική ροπή η ταχύτητα λειτουργίας 2.6 Βασικές εξισώσεις τραπεζοειδούς σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Στο σημείο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να αναφερθούν οι βασικές εξισώσεις που διέπουν την τραπεζοειδή μηχανή BLDC, αφού αυτές είναι και οι εξισώσεις που χρησιμοποιεί το πρόγραμμα Matlab για να προσομοιώσει τη συμπεριφορά καθώς και τις τιμές των μεγεθών της μηχανής (τάση, ρεύμα κλπ.). Η προσομοίωση στο συγκεκριμένο πρόγραμμα καθώς και τα αποτελέσματά της θα αναλυθούν σε επόμενο κεφάλαιο. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, οι σύγχρονες αυτές μηχανές είναι τριφασικές και τα τυλίγματά τους είναι με τέτοιο τρόπο κατανεμημένα στο στάτη, ώστε να εμφανίζουν τραπεζοειδή back- EMF. Υπενθυμίζουμε εδώ πως για τη σωστή λειτουργία της μηχανής μας απαιτείται σε κάθε μετάβαση από το ένα τύλιγμα να εισέρχεται ρεύμα, από το άλλο να εξέρχεται και από το τρίτο να έχουμε μηδενικό ρεύμα. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το τριφασικό ισοδύναμο της μηχανής Brushless DC:

54 Σχήμα 2.10: Τριφασικό ισοδύναμο μηχανής Brushless DC [21] Παρακάτω βλέπουμε το ισοδύναμο κύκλωμα σε κάθε μετάβαση: Σχήμα 2.11: Πιθανές τοπολογίες κατά τη θετική μετάβαση της φάσης Α [21] Έτσι χρησιμοποιώντας το παραπάνω ηλεκτρικό ισοδύναμο για μια κατάσταση αγωγής προκύπτει η παρακάτω διαφορική εξίσωση για την μηχανή

55 V DC = (R a + R b ) I + (L a + L b ) di dt + (E ga E gb ) (2.1) όπου VDC είναι η εφαρμοζόμενη φασική τάση IMAX είναι το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει τις δύο φάσεις R είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων κάθε φάσης L είναι η επαγωγή των τυλιγμάτων κάθε φάσης και Ega Egb είναι η πολική ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) 2.7 Βασικές εξισώσεις ημιτονοειδούς σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Οι μηχανές αυτές έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά με τις προηγούμενες με μοναδική διαφορά ότι τα τυλίγματα στον στάτη είναι ημιτονοειδώς κατανεμημένα. Το τριφασικό τους λοιπόν ισοδύναμο κύκλωμα είναι όμοιο με εκείνο της τραπεζοειδούς μηχανής. Στην συγκεκριμένη περίπτωση όμως θα χρησιμοποιήσουμε το ανά φάση ισοδύναμο της μηχανής που φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα: Σύμφωνα λοιπόν με το παραπάνω ισοδύναμο προκύπτουν οι ακόλουθες εξισώσεις υπό μορφή πινάκων για τη μηχανή: Σχήμα 2.12: Ανά φάση ισοδύναμο κύκλωμα Brushless μηχανής [21] V a [ V b ] = [ Vc R R R I a ] [ L M 0 0 I b ] + d [ 0 L M 0 dt Ic 0 0 L M I a ] [ Ib e a e b ] + [ ] (2.2) Ic e c

56 όπου Va, Vb, Vc είναι οι εφαρμοζόμενες φασικές τάσεις Ia, Ib, Ic είναι τα φασικά ρεύματα R είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων κάθε φάσης L είναι η επαγωγή των τυλιγμάτων κάθε φάσης M είναι η αμοιβαία επαγωγή ea, eb, ec είναι οι φασικές ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις (ΗΕΔ) Από την ισχύ εξόδου της μηχανής μπορούμε να υπολογίσουμε την παραγόμενη ηλεκτρομαγνητική ροπή. Η ισχύς εξόδου της μηχανής ορίζεται από τις ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις κάθε φάσης και τα φασικά ρεύματα. Ακόμα είναι γνωστό πως η ισχύς εξόδου της μηχανής ισούται με την ροπή εξόδου πολλαπλασιασμένη με τη μηχανική γωνιακή ταχύτητα. Σύμφωνα με όλα τα παραπάνω προκύπτει η ακόλουθη σχέση για την ηλεκτρομαγνητική ροπή: T e = e ai a +e b I b +e c I c w (2.3) όπου Te είναι η ηλεκτρομαγνητική ροπή w είναι η μηχανική ταχύτητα της μηχανής Η μηχανική σχέση μεταξύ της ταχύτητας και της ροπής είναι η εξής: dw dt = P 2 T e T LOAD J και έχουμε ότι: w = dθ dt (2.4) (2.5) όπου TLOAD είναι η ροπή του φορτίου J είναι η ροπή αδράνειας θ είναι η μηχανική θέση του δρομέα P είναι ο αριθμός των πόλων Το γεγονός πως σε όλες τις παραπάνω εξισώσεις τα ηλεκτρικά μεγέθη αλλάζουν σύμφωνα με την ηλεκτρική συχνότητα περιστροφής καθιστά δύσκολο τον έλεγχο της μηχανής. Αυτό γίνεται διότι οι μεταβλητές ελέγχου είναι δύσκολο να αλλάζουν με το χρόνο. Γι αυτό λοιπόν

57 θα αναπαραστήσουμε αυτές τις εξισώσεις, από το σταθερό πλαίσιο αναφοράς που είναι, σε ένα σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο, προσανατολισμένο στο στάτη. Έτσι αν όλα τα μεγέθη αναπαρασταθούν σε αυτό το πλαίσιο αναφοράς, τότε όλες οι μεταβλητές αποκτούν σταθερές τιμές και κατά συνέπεια ο έλεγχος του συστήματος γίνεται πιο εύκολος. Θα χρησιμοποιήσουμε τον μετασχηματισμό Park [31] για να μεταβούμε από το abc σύστημα αξόνων στο d-q σύστημα. Έτσι έχουμε: [ i qs ] = 2 i [ cos (θ 2π e) cos (θ e ) cos (θ 3 e + 2π ) 3 ds 3 sin (θ e ) sin (θ e 2π ) sin (θ 3 e + 2π )] [ 3 [ V qs ] = 2 V [ cos (θ 2π e) cos (θ e ) cos (θ 3 e + 2π ) 3 ds 3 sin (θ e ) sin (θ e 2π ) sin (θ 3 e + 2π )] [ 3 i a ib ic ] (2.6) V a V b Vc ] (2.7) Έτσι προκύπτουν οι παρακάτω εξισώσεις στο d-q πλαίσιο αναφοράς: V qs = Ri qs + L di qs dt + e q (2.8) V ds = Ri ds + L di ds dt e d (2.9) e q = w e λ d = w r (i ds L d + λ m ) (2.10) e d = w e λ q = w r (i qs L q ) (2.11) T e = 3 2 P[λ mi qs + (L d L q )i qs i ds ] (2.12) όπου Ld είναι η επαγωγή του d άξονα Lq είναι η επαγωγή του q άξονα λd είναι η ροή σκέδασης του d άξονα λq είναι η ροή σκέδασης του q άξονα λm είναι η ροή σκέδασης του δρομέα εξαιτίας των μαγνητών we είναι η ηλεκτρική ταχύτητα του δρομέα θe είναι η ηλεκτρική θέση του δρομέα

58 2.8 Θεωρητική ανάλυση της διάταξης οδήγησης του κινητήρα Όπως έχει ήδη αναφερθεί για την οδήγηση του κινητήρα που έχει χρησιμοποιηθεί στην παρούσα διπλωματική χρειάζεται ένας τριφασικός αντιστροφέας ο οποίος θα μετατρέπει τη συνεχή τάση της μπαταρίας σε εναλλασσόμενη. Έτσι λοιπόν στο σημείο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να αναλυθεί η λειτουργία του. Ο τριφασικός αντιστροφέας ανήκει στην ευρύτερη κατηγορία των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος είναι διατάξεις οι οποίες μετατρέπουν την ηλεκτρική ισχύ από μία μορφή σε μια άλλη. Στις διατάξεις αυτές υπάρχουν ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος τα οποία ελέγχονται από ηλεκτρονικά κυκλώματα χαμηλής ισχύος. Προφανώς το κύκλωμα χαμηλής ισχύος δεν έχει ηλεκτρική σύζευξη με το κύκλωμα υψηλής ισχύος για να προφυλαχθεί το κύκλωμα ελέγχου από ροή υψηλού ρεύματος σε περίπτωση σφάλματος. Αναλόγως τη μορφή με την οποία δέχονται στην είσοδό και τη μορφή που εν τέλει μετατρέπουν στην έξοδο, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος χωρίζονται στις εξής κατηγορίες [20]: μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή (ac-dc) ή ανορθωτές (rectifiers). Ανάλογα με τη μορφή της εναλλασσόμενης εισόδου, οι ανορθωτές διακρίνονται σε μονοφασικούς και πολυφασικούς (διφασικούς, τριφασικούς, εξαφασικούς). Ακόμη διακρίνονται σε ελεγχόμενους και σε μη ελεγχόμενους, ανάλογα με το αν η τάση εξόδου είναι μεταβαλλόμενη είτε σταθερή. μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη (ac-ac) ή κυκλομετατροπείς (cycloconverters). Οι κυκλομετατροπείς μετατρέπουν απευθείας, την εναλλασσόμενη τάση σταθερού πλάτους και συχνότητας, σε εναλλασσόμενη τάση με ρυθμιζόμενο πλάτος και συχνότητα. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές πολύ μεγάλης ισχύος. Ονομάζονται μετατροπείς υποβιβασμού συχνότητας (step-down), όταν η συχνότητα εξόδου είναι μικρότερη της συχνότητας εισόδου και σε ανύψωσης συχνότητας (stepup) όταν συμβαίνει το αντίθετο. Ειδική κατηγορία είναι οι ρυθμιστές εναλλασσόμενης τάσης (ac voltage controllers) οι οποίοι παρέχουν στην έξοδό τους μια τάση μεταβαλλόμενου πλάτους και σταθερής συχνότητας η οποία είναι ίση με την συχνότητα της εισόδου. μετατροπείς συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (dc-ac) ή αντιστροφείς (inverters). Προφανώς έχουν αντίθετη λειτουργία από εκείνη των ανορθωτών και η έξοδος των αντιστροφέων είναι μονοφασική είτε πολυφασική (συνήθως τριφασική). Ακόμα, η συχνότητα και το πλάτος της τάσης ή του ρεύματος εξόδου είναι ελεγχόμενα

59 μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή (dc-dc converters). Οι μετατροπείς αυτοί μετατρέπουν τη συνεχή τάση με ορισμένο πλάτος και πολικότητα, σε συνεχή τάση με διαφορετικό πλάτος ή/και πολικότητα. Διακρίνονται σε μετατροπείς υποβιβασμού και ανύψωσης της τάσης, ανάλογα με το αν η τάση εξόδου είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη της τάσης εισόδου. Επιπλέον, διακρίνονται σε μετατροπείς με απομόνωση και χωρίς απομόνωση της εξόδου από την είσοδό τους. Σημαντικό είναι επίσης να αναφερθεί πως στους αντιστροφείς και στους ανορθωτές η διεύθυνση που ακολουθεί η ροή ενέργειας είναι συγκεκριμένη, ενώ στους άλλους μπορεί και να αλλάζει. Κάποια από τα βασικά πλεονεκτήματα των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος είναι: μικρός όγκος και βάρος δίνουν μεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτερη απόκριση στη ρύθμιση των μεγεθών εξόδου υψηλός συντελεστής απόδοσης ελάχιστη συντήρηση αθόρυβη λειτουργία Χαρακτηριστικό και ίσως μοναδικό μειονέκτημά τους αποτελεί η εμφάνιση ανώτερων αρμονικών στην πλευρά της τροφοδοσίας καθώς και στην πλευρά του φορτίου Αντιστροφείς τάσεις Για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό όχημα, και συγκεκριμένα σε ένα ηλεκτρικό καρτ χρησιμοποιήσαμε συσσωρευτές (μπαταρίες). Οι συσσωρευτές μας παρέχουν μία συνεχή τάση, η οποία και πρέπει να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη, ώστε να τροφοδοτηθεί ο κινητήρας. Για το λόγο αυτό λοιπόν είναι απαραίτητη η ύπαρξη του αντιστροφέα μας. Οι αντιστροφείς όπως αναφέρθηκε και παραπάνω μπορεί να είναι μονοφασικοί ή πολυφασικοί. Πιο συγκεκριμένα διακρίνονται στις εξής κατηγοριές: μονοφασικοί αντιστροφείς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας, με δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία μονοφασικοί αντιστροφείς σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας, με τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία τριφασικοί αντιστροφείς με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία Εκτός από αυτές τις τρεις κατηγορίες οι αντιστροφείς χωρίζονται με βάση την τεχνική ελέγχου στις παρακάτω κατηγορίες:

60 Αντιστροφείς με τετραγωνική κυματομορφή, όπου το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου ελέγχεται μέσω του πλάτους της συνεχούς τάσης εισόδου. Στην κατηγορία αυτή ο αντιστροφέας ελέγχει μόνο τη συχνότητα της τάσης εξόδου. Αντιστροφείς με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM Pulse Width Modulation), στους οποίους η συνεχή τάση στην είσοδο του μετατροπέα έχει σταθερό πλάτος, ενώ το πλάτος και η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου ελέγχεται από τη διαμόρφωση του εύρους των παλμών που φτάνουν στην πύλη των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα. Σχήμα 2.13: Τριφασικός αντιστροφέας [40] Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η διάταξη του αντιστροφέα στην οποία δεν φαίνεται το κύκλωμα ελέγχου για λόγους απλούστευσης. Παρατηρώντας λοιπόν τη διάταξη αυτή, βλέπουμε πως ο αντιστροφέας αποτελείται από τρεις κλάδους, καθένας από τους οποίους αντιστοιχεί σε μία από τις τρεις φάσεις. Ο κάθε κλάδος αποτελείται από δύο ημιαγωγικά στοιχεία τα οποία στην δική μας περίπτωση είναι mosfet. Παρατηρούμε πως καθένα από αυτά έχει μία αντιπαράλληλη δίοδο στα άκρα του. Στην πλακέτα της παρούσας διπλωματικής αυτή η δίοδος δεν αποτελεί ξεχωριστό στοιχείο. Αυτό συμβαίνει γιατί τα mosfet εκ κατασκευής έχουν μία αντιπαράλληλη δίοδο και δεν χρειάζεται να βάλουμε ξεχωριστή. Η δίοδος αυτή χρησιμεύει στην περίπτωση που το φορτίο μας είναι επαγωγικό. Όπως γνωρίζουμε πολύ καλά, τα επαγωγικά φορτία αποθηκεύουν ενέργεια την οποία επιστρέφουν πίσω στην πηγή. Για να υπάρχει λοιπόν, ένας δρόμος επιστροφής αυτής της ενέργειας χρειάζεται αυτή η δίοδος. Αν το φορτίο είναι καθαρά ωμικό, προφανώς η δίοδος δεν έχει

61 ενεργό ρόλο στην λειτουργία του κυκλώματος. Ο κινητήρας όμως είναι επαγωγικό φορτίο, οπότε η δίοδος αυτή είναι αναγκαία. Καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας του αντιστροφέα δύο μόνο ημιαγωγικά στοιχεία άγουν. Σε κάθε μετάβαση έχουμε και αλλαγή του ζεύγους των στοιχείων που άγουν. Ποτέ όμως δεν άγουν μαζί τα στοιχεία που βρίσκονται στον ίδιο κλάδο γιατί τότε θα είχαμε βραχυκύκλωμα της πηγής τάσης. Τα στοιχεία αυτά τα λειτουργούμε μόνο στις περιοχές του κόρου και της αποκοπής, και όχι στην ενεργό περιοχή. Συνεπώς, το καθένα απ αυτά μπορούμε να το παρομοιάσουμε με έναν διακόπτη, ο οποίος ανοίγει και κλείνει όποτε επιλέξουμε εμείς. Δηλαδή το στοιχείο θα είναι στη μία περίπτωση ένα βραχυκύκλωμα και στην άλλη ένα ανοιχτοκύκλωμα. Βέβαια, αυτό συμβαίνει μόνο ιδανικά. Στην πραγματικότητα, όταν άγει έχει κάποια μικρή αντίσταση αγωγής, της τάξης των mω στη δική μας περίπτωση Έλεγχος του τριφασικού αντιστροφέα Η πιο κοινή μέθοδος ελέγχου ενός αντιστροφέα είναι η μέθοδος διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM Pulse Width Modulation), η οποία έχει χρησιμοποιηθεί και στην παρούσα διπλωματική. Όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενες παραγράφους, κάθε 60 ο ηλεκτρικές μοίρες ο συνδυασμός των αισθητήρων Hall αλλάζει και μας υποδεικνύει ποια είναι τα δύο στοιχεία που πρέπει να είναι ενεργοποιημένα. Όμως, σε κάθε μετάβαση ένα είναι το στοιχείο που θα σβήσει για να ανάψει κάποιο άλλο. Συνεπώς το δεύτερο στοιχείο παραμένει ενεργοποιημένο για 60 ο ηλεκτρικές μοίρες ακόμα. Άρα, καταλήγουμε πως καθένα από τα έξι στοιχεία που αποτελούν τον αντιστροφέα, παραμένει ενεργοποιημένο για 120 ο ηλεκτρικές μοίρες. Στην περίπτωση που δίναμε παλμό στο κάθε στοιχείο για 120 ο μοίρες, θα σήμαινε πως δίναμε όλη την ισχύ που χρειάζεται ο κινητήρας για να φτάσει στις ονομαστικές του στροφές (αν είχαμε φορτίο). Όμως, σε ένα ηλεκτρικό καρτ χρειαζόμαστε έλεγχο στροφών, δηλαδή να καθορίζει ο χρήστης με πόσες στροφές θα γυρνάει ο κινητήρας και συνεπώς με τη ταχύτητα θα κινείται το όχημα. Είναι το αντίστοιχο που κάνουμε με το γκάζι στα οχήματα εσωτερικής καύσης, μόνο που εδώ γίνεται με ηλεκτρικό τρόπο. Αυτό που κάνουμε λοιπόν είναι πως κατά τη διάρκεια των 120 ο ηλεκτρικών μοιρών, δεν δίνουμε συνεχή παλμό στο ημιαγωγικό στοιχείο, αλλά το ανοιγοκλείνουμε δίνοντάς του μια παλμοσειρά. Δηλαδή τη μία του δίνουμε παλμό και την άλλη όχι. Με αυτόν τον τρόπο, πετυχαίνουμε να μην τροφοδοτούμε τον κινητήρα με όλη την ισχύ που μας παρέχουν οι συσσωρευτές, αλλά να τον τροφοδοτούμε με ένα μέρος αυτής. Το μέγεθος αυτού του μέρους καθορίζεται από το εύρος των παλμών, δηλαδή από τη χρονική διάρκεια που θα παραμείνει

62 ενεργοποιημένο το ημιαγωγικό στοιχείο. Ελέγχοντας την διάρκεια αυτή, ελέγχουμε και τις στροφές του κινητήρα. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές για την δημιουργία μιας παλμοσειράς. Δύο από αυτές είναι η δημιουργία PWM παλμοσειράς μέσω ράμπας και μέσω τριγώνου. Στην πρώτη περίπτωση έχουμε ένα σήμα σταθερής τιμής το οποίο συγκρίνεται με ένα σήμα προκαθορισμένης συχνότητας τύπου ράμπας. Η συχνότητα αυτή καθορίζεται από το χρήστη και μάλιστα είναι η συχνότητα που δουλεύουμε τον μετατροπέα. Για παράδειγμα, η συχνότητα αυτή στην παρούσα διπλωματική είναι στα 15kHz. Σχήμα 2.14: Δημιουργία PWM παλμοσειράς μέσω ράμπας [41]

63 Συγκρίνοντας λοιπόν την τιμή του σταθερού σήματος με την τιμή του σήματος ράμπας, γνωρίζουμε πότε το σταθερό σήμα είναι μεγαλύτερο και πότε μικρότερο από την τιμή του άλλου. Συνεπώς, όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα για το χρονικό διάστημα που το σταθερό σήμα είναι μεγαλύτερο από το σήμα ράμπας δεν δίνουμε παλμό στο ημιαγωγικό στοιχείο, ενώ στο υπόλοιπο χρονικό διάστημα δίνουμε παλμό. Είναι προφανές πως η παλμοσειρά εξόδου μπορεί να αναστραφεί και να έχουμε παλμό εκεί που πριν δεν είχαμε και το αντίστροφο. Με αυτόν τον τρόπο καταφέραμε να δημιουργήσουμε μία παλμοσειρά της οποίας μπορούμε να ελέγξουμε το εύρος των παλμών της. Παρόμοια λογική ακολουθεί και η δημιουργία PWM παλμοσειράς με τη χρήση τριγώνου. Η μοναδική διαφορά είναι πως το σταθερό σήμα συγκρίνεται με ένα προκαθορισμένης συχνότητας τριγωνικό σήμα όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.15: Δημιουργία PWM παλμοσειράς μέσω τριγώνου [41] Στην περίπτωση που επιθυμούμε να λάβουμε μία ημιτονοειδή τάση στην έξοδο, δεν έχουμε παρά να μεταβάλλουμε με ημιτονοειδή τρόπο το εύρος των παλμών. Αυτό το πετυχαίνουμε με την τεχνική ελέγχου SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) δηλαδή ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών. Στην πραγματικότητα η τάση που θα λάβουμε στην έξοδο δεν θα είναι ένα «καθαρό» ημίτονο, αλλά θα το πλησιάζει αρκετά. Έτσι λοιπόν, στην έξοδο θα έχουμε μια σειρά από παλμούς σταθερής συχνότητας, των οποίων όμως το χρονικό διάστημα που θα έχουν υψηλό δυναμικό (λογική στάθμη 1), θα

64 μεταβάλλεται βάσει μιας ημιτονοειδούς συνάρτησης, που θα έχει το πλάτος και τη συχνότητα που εμείς επιθυμούμε κάθε φορά. Η μέθοδος με την οποία μπορούμε να επιτύχουμε παραγωγή παλμών SPWM φαίνεται στο σχήμα Στην τεχνική αυτή έχουμε μία ημιτονοειδή κυματομορφή και μία τριγωνική κυματομορφή όπως και στις παραπάνω τεχνικές ελέγχου. Στη συνέχεια συγκρίνουμε τις δύο παραπάνω κυματομορφές. Όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου, έχουμε μια λογική στάθμη 0, ενώ όταν συμβαίνει το αντίθετο, έχουμε μια λογική στάθμη 1. Όπως παρατηρούμε και από το σχήμα 2.16 το αποτέλεσμα της σύγκρισης εξαρτάται από τα σημεία τομής των δύο κυματομορφών. Επομένως, μπορούμε να μεταβάλλουμε το εύρος των παλμών αλλάζοντας τα πλάτη των δύο κυματομορφών. Αξίζει να σημειωθεί πως στην τεχνική αυτή τα ημιαγωγικά στοιχεία του ίδιου κλάδου λειτουργούν συμπληρωματικά, δηλαδή η παλμοσειρά που στέλνεται στο πάνω στοιχείο είναι αντίστροφη με αυτή του κάτω. Αυτό μπορεί να γίνει με μία πύλη NOT. Σχήμα 2.16: Μέθοδος παραγωγής παλμών τύπου SPWM (για μία φάση) και η φασική τάση εξόδου [25] Το γεγονός πως έχουμε συμπληρωματική λειτουργία των στοιχείων του ίδιου κλάδου, έχει ως αποτέλεσμα το κύκλωμα παλμοδότησης να είναι πολυπλοκότερο διότι απαιτείται και η

65 εισαγωγή καθυστέρησης, ώστε να αποφευχθούν τα στιγμιαία βραχυκυκλώματα που μπορεί να προκληθούν από τους χρόνους μετάβασης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων. Στην περίπτωση που έχουμε τριφασικό αντιστροφέα τάσης δημιουργούμε τρεις ημιτονοειδείς συναρτήσεις (μία για κάθε φάση), με διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους, τα οποία συγκρίνουμε με το ίδιο τρίγωνο, όπως φαίνεται στο σχήμα Μεταβάλλοντας λοιπόν, το πλάτος και τη συχνότητα της κυματομορφής του ημιτόνου καθορίζουμε αντίστοιχα το πλάτος και τη συχνότητα της βασικής αρμονικής στην έξοδο του αντιστροφέα, διατηρώντας το πλάτος της κυματομορφής του τριγώνου σταθερό. Σχήμα 2.17: Μέθοδος παραγωγής παλμών SPWM και κυματομορφές τάσης στην έξοδο ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης [25]

66 - 50 -

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 3.1 Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα αποτελεί το βασικό κορμό για την μετατροπή του μηχανοκίνητου καρτ σε ηλεκτροκίνητο. Για την παρούσα διπλωματική προμηθευτήκαμε το σασί ενός κλασσικού καρτ χωρίς τον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Έτσι το πρώτο βήμα που ακολουθήσαμε είναι η εύρεση της απαραίτητης ισχύος του ηλεκτρικού κινητήρα που θα χρησιμοποιούσαμε. Το σασί λοιπόν αυτό, χρησιμοποιούταν σε καρτ το οποίο είχε αγωνιστικές προδιαγραφές. Όπως είναι προφανές οι προδιαγραφές που τέθηκαν για τη μετατροπή δεν είναι οι ίδιες με αυτές που διέθετε το καρτ. Η τελική του ταχύτητα, καθώς και οι επιδόσεις σε επιτάχυνση είναι σαφώς μικρότερες από αυτές που είχε το καρτ πριν τη μετατροπή. Όλα τα παραπάνω αναφέρονται διότι εύλογα θα μπορούσε κάποιος να αναρωτηθεί, γιατί να μη χρησιμοποιηθεί ηλεκτρικός κινητήρας αντίστοιχης ισχύος με αυτόν που διέθετε το καρτ. Εκτός απ αυτά, όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο τα χαρακτηριστικά των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι εντελώς διαφορετικά από εκείνα των ηλεκτρικών κινητήρων. Οπότε και στην περίπτωση που θέταμε τις ίδιες προδιαγραφές ο κινητήρας πάλι δεν θα είχε την ίδια ισχύ με τον προηγούμενο. Μετά την εύρεση του κατάλληλου κινητήρα, σειρά έχουν οι απαραίτητοι συσσωρευτές για την τροφοδότησή του. Η ισχύς του κινητήρα συνεπάγεται και κατάλληλης χωρητικότητας καθώς και ισχύος μπαταρίες, οι οποίες να είναι ικανές να παράξουν την απαιτούμενη ισχύ για την ορθή λειτουργία του κινητήρα. Πιο συγκεκριμένα, θα πρέπει οι μπαταριές που θα επιλεχτούν να μπορούν να τροφοδοτήσουν τον κινητήρα με το συγκεκριμένο ρεύμα το οποίο θα απαιτεί για να «σηκώσει» το φορτίο. 3.2 Επιλογή κινητήρα και συσσωρευτών Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως πρώτο βήμα για την κατασκευή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος είναι η επιλογή του κινητήρα. Για τον υπολογισμό της απαραίτητης ισχύος χρησιμοποιήθηκε ένα αρχείο excel, το οποίο εισάγοντάς του τις προδιαγραφές που επιθυμείς, διαθέτει ενσωματωμένους τους απαραίτητους υπολογισμούς και σου δίνει το τελικό αποτέλεσμα

68 Οι προδιαγραφές που τέθηκαν είναι οι εξής: μέγιστη ταχύτητα σε οριζόντιο επίπεδο: 80 km/h ταχύτητα σε κεκλιμένο επίπεδο κλίσης 8% : 25 km/h ταχύτητα ταξιδιού: 40 km/h χρόνος από στάση έως τη μέγιστη ταχύτητα: 15 sec Εκτός όμως από τις παραπάνω προδιαγραφές, για τον υπολογισμό της απαραίτητης ισχύος είναι αναγκαίες και κάποιες άλλες παράμετροι όπως οι παρακάτω: η μάζα του οδηγού η μάζα του καρτ η μάζα του ηλεκτροκινητήριου συστήματος (κινητήρας, μπαταρίες, αντιστροφέας, γρανάζι μετάδοσης) ο αεροδυναμικός συντελεστής οπισθέλκουσας ενεργός επιφάνεια καρτ δυνάμεις επιβράδυνσης Η μάζα του καρτ βρέθηκε ότι είναι 50 kg ενώ για την μάζα του οδηγού θεωρήσαμε ότι είναι ίση με 90 kg. Όπως φαίνεται παραπάνω για τον υπολογισμό της απαραίτητης ισχύος του κινητήρα χρειάζονται κάποια μεγέθη όπως η μάζα του κινητήρα, των μπαταριών και του αντιστροφέα, τα οποία δεν τα έχουμε. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η εύρεση των κατάλληλων συσσωρευτών έπεται αυτής του κινητήρα. Το ίδιο ισχύει και για τον αντιστροφέα. Γι αυτό το λόγο λοιπόν έγινε μια εκτίμηση πάνω στα μεγέθη αυτά σύμφωνα με τα αντίστοιχα μεγέθη παρόμοιων κατασκευών. Στο τέλος των υπολογισμών, προφανώς βάλαμε τα αληθινά μεγέθη για να εξακριβώσουμε αν η ισχύς του κινητήρα που επιλέξαμε είναι επαρκής. Η ενεργός επιφάνεια ενός καρτ είναι γύρω στα 0,5-0,8 m 2. Στη δική μας περίπτωση η μετωπική περιοχή, όπως αλλιώς λέγεται, υπολογίστηκε γύρω στα 0,8 m 2. Όσον αφορά τον αεροδυναμικό συντελεστή οπισθέλκουσας, ο ακριβής υπολογισμός του δεν αποτελεί εύκολη διαδικασία. Γενικότερα, τα καρτ δεν έχουν καλό αεροδυναμικό συντελεστή. Το γεγονός ότι ο οδηγός προεξέχει του αμαξώματος, αυξάνει αρκετά τον παραπάνω συντελεστή (όσο μικρότερος είναι τόσο καλύτερη αεροδυναμική συμπεριφορά έχει το όχημα). Για το λόγο αυτό λοιπόν στα καρτ δεν δίνεται ιδιαίτερη σημασία για την αεροδυναμική τους συμπεριφορά. Ενδεικτικά δίνονται στον παρακάτω πίνακα κάποιοι συντελεστές αεροδυναμικής για διάφορα σχήματα

69 Σχήμα 3.1: Αεροδυναμικοί συντελεστές οπισθέλκουσας για διάφορα σχήματα [42] Στην δική μας περίπτωση, μπορούμε να προσομοιάσουμε το καρτ με έναν υπό γωνία κύβο (angled cube), του οποίου ο συντελεστής αεροδυναμικής είναι ίσος με 0,8. Ένας από τους τύπους που χρησιμοποιεί το αρχείο excel που προαναφέρθηκε, είναι αυτός που υπολογίζει την δύναμη που δέχεται το καρτ από τον αέρα: F air = 0,5 C d A ρ u 2 (3.1) όπου Cd είναι ο αεροδυναμικός συντελεστής οπισθέλκουσας A είναι η ενεργός επιφάνεια ρ είναι η πυκνότητα του αέρα u είναι η ταχύτητα κίνησης Κατά την χρονική διάρκεια που το όχημα θα ανεβαίνει ένα κεκλιμένο επίπεδο, θα δέχεται τη δύναμη από την αντίσταση του αέρα, τη δύναμη της τριβής κύλισης καθώς και τη δύναμη

70 που αντιστοιχεί στη συνιστώσα του βάρους που είναι παράλληλη με το όχημα. Για να υπολογιστεί η συνιστώσα του βάρους χρειάζεται η γωνία του κεκλιμένου επιπέδου, η οποία δίνεται από τη σχέση: θ = tan 1 ( κλίση 100% ) όπου θ είναι η γωνία του κεκλιμένου επιπέδου (3.2) Για να υπολογίσουμε την απαραίτητη ισχύ του κινητήρα, πρέπει να υπολογίσουμε τρεις τιμές ισχύος. Η πρώτη είναι η ισχύς που απαιτείται για κίνηση με σταθερή ταχύτητα σε οριζόντιο επίπεδο. Η ταχύτητα αυτή είναι και η μέγιστη που επιθυμούμε να κινείται το καρτ. Η δεύτερη ισχύς είναι αυτή που απαιτείται για να κινείται το καρτ σε κεκλιμένο επίπεδο της επιθυμητής κλίσης και με την επιθυμητή ταχύτητα. Η τρίτη και τελευταία ισχύς είναι η απαραίτητη για την επίτευξη της μέγιστης ταχύτητας από στάση μέσω στο χρονικό διάστημα που έχουμε θέσει. Οι σχέσεις που μας δίνουν τις παραπάνω ισχείς δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις αντίστοιχα: P οριζ = (T + F air ) u (3.3) όπου Τ είναι η τριβή κύλισης σε οριζόντιο επίπεδο P κεκλ = (Τ κ + F air + B κ ) u (3.4) όπου Τκ είναι η τριβή κύλισης σε κεκλιμένο επίπεδο Βκ είναι η συνιστώσα του βάρους που είναι παράλληλη με το όχημα P επιτ = ( 1 m 2 u2 ) t (3.5) όπου m είναι η συνολική μάζα t είναι ο χρόνος που χρειάζεται για την επίτευξη της μέγιστης ταχύτητας Στις παραπάνω σχέσεις χρειάστηκαν η τριβή κύλισης, της οποίας η σχέση είναι: Τ = f r m g cos θ (3.6) όπου fr είναι ο συντελεστής αντίστασης κύλισης (fr=0,02) g ο συντελεστής της βαρύτητας (g=9,81 m/s 2 )

71 και η παράλληλη στο κεκλιμένο επίπεδο συνιστώσα του βάρους, ο τύπος της οποίας είναι ο εξής: Β κ = m g sin θ (3.7) Έχοντας υπολογίσει τις τρεις παραπάνω ισχείς, ερχόμαστε να επιλέξουμε ποια είναι η τελική ελάχιστη απαιτούμενη ισχύς. Εύλογα, λοιπόν, κατανοεί κανείς πως για να λειτουργήσει το καρτ και με τις τρεις προδιαγραφές από τις οποίες προέκυψαν οι παραπάνω ισχείς, πρέπει να διαλέξουμε την μεγαλύτερή εκ των τριών. Στην δική μας περίπτωση, η ελάχιστη ισχύς που προκύπτει με βάσει όλους τους προαναφερθέντες τύπους είναι 2,88 kw. Σημαντικό κρίθηκε εδώ να αναφερθεί πως η μεγαλύτερη ισχύς από τις τρεις είναι αυτή που απαιτείται για την επίτευξη της μέγιστης ταχύτητας στο χρόνο που έχουμε θέσει, δηλαδή η Pεπιτ. Σύμφωνα, λοιπόν, με τις τυποποιημένες τιμές ισχύος κινητήρων που κυκλοφορούν στο εμπόριο και με το γεγονός πως η ισχύς πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 2,88 kw, επιλέχθηκε ένας ηλεκτρικός brushless DC κινητήρας της εταιρίας Motenergy, ο οποίος έχει ισχύ 4,8 kw. Ο κινητήρας αυτός έχει συντελεστή απόδοσης 90% για τάσεις 24-48V. Για το λόγο αυτό, επιλέξαμε ως τάση λειτουργίας τα 48V. Εκτός αυτού, μεγαλύτερη τάση έπεται μικρότερα ρεύματα, άρα και λιγότερες απώλειες στα καλώδια της τροφοδοσίας. Ο κινητήρας είναι τριφασικός και τα τυλίγματά του είναι συνδεδεμένα σε αστέρα. Σύμφωνα με τις πληροφορίες της κατασκευάστριας εταιρίας, έχει 8 πόλους (4 ζεύγη πόλων) και είναι σχεδιασμένος για μεγάλη διάρκεια ζωής. Ακόμη, η ωμική αντίσταση μεταξύ δύο φάσεων είναι 13 mω, ενώ οι μέγιστες στροφές ανά λεπτό του άξονα φτάνουν τις Το ονομαστικό του ρεύμα είναι 80A, ενώ μπορεί να υπερφορτιστεί για ένα λεπτό στα 220 A. Η επαγωγή μεταξύ δύο φάσεων είναι 0,1 mh και έχει μέγιστη ροπή εκκίνησης 38 Nm. Ο κινητήρας αυτός ζυγίζει περίπου 10 kg. Μια φωτογραφία του φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.2: BLDC κινητήρας της Motenergy [43]

72 Πριν την επιλογή του συγκεκριμένου κινητήρα, έγινε μια έρευνα αγοράς. Καταλήξαμε να επιλέξουμε την παραπάνω ισχύ, προκειμένου να είμαστε καλυμμένοι σχετικά με τις προδιαγραφές που τέθηκαν στο ξεκίνημα. Σημαντική παράμετρος ήταν ακόμα οι μέγιστες στροφές λειτουργίας του εν λόγω κινητήρα, που υποδεικνύουν την διάμετρο του γραναζιού μετάδοσης. Στο σημείο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να αναφερθεί πως το καρτ έχει στους πίσω τροχούς έναν ενιαίο άξονα που είναι συνδεδεμένος και με τους δύο, και πάνω σε αυτόν ένα γρανάζι το οποίο γυρνάει με αλυσίδα. Για λόγους ευκολίας και για την αποφυγή μετατροπής στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, παρέμεινε η ίδια αλυσίδα με το ίδιο γρανάζι στον άξονα και σύμφωνα με αυτά, την διάμετρο του πίσω τροχού, καθώς και τις στροφές του κινητήρα, υπολογίστηκε το γρανάζι που τοποθετήθηκε στον άξονα της μηχανής. Γνωρίζουμε πως δύο γρανάζια που κινούνται από την ίδια αλυσίδα, έχουν ίσες γραμμικές ταχύτητες. Άρα θέτοντας u την γραμμική ταχύτητα του ζητούμενου γραναζιού και u1 του γραναζιού του άξονα έχουμε: u = u 1 => ωr = ω 1 r 1 => r 1 r = ω ω 1 = n n 1 (3.8) Όπου ω,ω1 είναι οι γωνιακές ταχύτητες των γραναζιών n,n1 οι στροφές ανά λεπτό των γραναζιών r,r1 οι ακτίνες των γραναζιών Εφόσον η περίμετρος του γραναζιού είναι 2πr (όπου r η ακτίνα), και επιθυμώ η τελική ταχύτητα του τροχού να είναι 80km/h, για τον τροχό ισχύει ότι: 2 π r 2 n τροχού 60 = 80km/h (3.9) όπου r2 είναι η ακτίνα του τροχού. Έχοντας, λοιπόν, μετρήσει τον τροχό του καρτ βρήκαμε πως έχει διάμετρο 27,3cm, άρα η ακτίνα του είναι ίση με 13,65 cm. Έτσι, από την σχέση (3.9) βρήκαμε πως οι στροφές ανά λεπτό του τροχού για 80 km/h είναι: n2 = 1555,4 = n1 Σύμφωνα με την σχέση (3.8) και γνωρίζοντας πως η ακτίνα του γραναζιού του άξονα είναι r1 = 10,25cm, υπολογίζουμε πως για n = /min η ακτίνα του ζητούμενου γραναζιού είναι: r = 3,18 cm άρα δ = 6,36 cm Σημαντικό είναι εδώ να αναφέρουμε πως το συγκεκριμένο γρανάζι δεν υπήρχε τυποποιημένο στην αγορά και κατασκευάστηκε για τους σκοπούς της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Το γεγονός πως δεν υπήρχε το συγκεκριμένο μέγεθος, αλλά το

73 μεγαλύτερο έφτανε μέχρι 5cm, μπορεί να γίνει εύκολα κατανοητό από τις πληροφορίες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Τα γρανάζια που χρησιμοποιούνται σε καρτ είναι πιο ανθεκτικά από τα κοινά γρανάζια και είναι μικρότερα επειδή οι κινητήρες εσωτερικής καύσης των συμβατικών καρτ είναι πολύστροφοι και φτάνουν μέχρι και στρ/min. Στη συνέχεια, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, σειρά έχει η επιλογή των κατάλληλων συσσωρευτών. Οι μπαταρίες αποτελούν και το στοιχείο που έχει το υψηλότερο κόστος στην κατασκευή της παρούσας διπλωματικής, γι αυτό και η επιλογή τους έγινε με ιδιαίτερη προσοχή. Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, για την τροφοδότηση του παραπάνω κινητήρα επιλέξαμε τάση τροφοδοσίας τα 48V. Για να έχουμε τροφοδοσία 48V, αλλά και την απαραίτητη χωρητικότητα επιλέχθηκαν οι κυψέλες της εταιρίας Winston Battery με ονομαστική τάση 3,2 V. Πιο συγκεκριμένα, είναι το μοντέλο LYP90AHA. Όπως εύκολα μπορεί να αντιληφθεί κανείς χρειάζονται 15 κυψέλες συνδεδεμένες σε σειρά για την επίτευξη της παραπάνω τάσης. Οι μπαταρίες αυτές είναι λιθίου, έχουν 90Ah χωρητικότητα και είναι επαναφορτιζόμενες. Η τάξη της χωρητικότητας επιλέχθηκε για μια σχετικά ικανοποιητική αυτονομία σύμφωνα με την ισχύ και την απόδοση του κινητήρα. Εξάλλου η αυτονομία αποτελεί σχετικό μέγεθος, αφού εξαρτάται άμεσα από την μέση ταχύτητα του οχήματος, καθώς και το ποσοστό του δρόμου που θα έχει ανωφέρειες και κατωφέρειες. Εύλογα γίνεται αντιληπτό πως η κατανάλωση της ενέργειας είναι μεγαλύτερη, αν κινούμαστε με ταχύτητα 20km/h σε κεκλιμένο επίπεδο απ ότι να κινούμασταν με την ίδια ταχύτητα σε οριζόντιο επίπεδο. Το γεγονός πως επιλέξαμε κυψέλες λιθίου σχετίζεται με τα αρκετά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει αυτός ο τύπος μπαταριών έναντι των υπολοίπων. Οι μπαταρίες λιθίου έχουν μεγάλη ειδική ενέργεια, καθώς και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα βάρους ( Wh/kg), γεγονός που τις καθιστά ελαφρύτερες σε σχέση με άλλες επαναφορτιζόμενες κυψέλες της ίδιας τάσης και χωρητικότητας. Ακόμα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, και συγκεκριμένα από 1500 έως 2000 κύκλους. Το γεγονός πως δεν εμφανίζουν φαινόμενο μνήμης, τις καθιστά κατάλληλες για εφαρμογές υψηλής ισχύος και πιο ιδιαίτερα σε εφαρμογές που αφορούν την ηλεκτροκίνηση. Οι συγκεκριμένες κυψέλες ζυγίζουν 3,1kg η καθεμία και οι θερμοκρασίες, στις οποίες μπορούν να λειτουργήσουν κυμαίνονται από -45 ο C έως 85 ο C. Τα όρια τάσης λειτουργίας της συγκεκριμένης μπαταρίας είναι 2,8 και 3,8V το ελάχιστο και το μέγιστο αντίστοιχα. Η προτεινόμενη από την κατασκευάστρια εταιρία τάση φόρτισης είναι 3,8 V. Σημαντικό είναι να αναφερθεί πως οι εν λόγω μπαταρίες περιέχουν φωσφορικό άλας σιδήρου-λιθίου (LiFePO4), το οποίο συνιστά μια πολύ ασφαλή τεχνολογία. Πιο

74 συγκεκριμένα, δεν περιέχεται ο κίνδυνος αυτανάφλεξης, αφού δεν αντιδρά με την υγρασία ή με το οξυγόνο. Τέλος από τα χαρακτηριστικά που μας παρέχει ο κατασκευαστής, οι κυψέλες αυτές δεν παρουσιάζουν το φαινόμενο της αυτοεκφόρτισης. Η μπαταρία που επιλέχθηκε φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία. Σχήμα 3.3: Κυψέλη WB-LYP90AHA [44] 3.3 Προσομοίωση του τριφασικού αντιστροφέα Μέτα από την θεωρητική ανάλυση του αντιστροφέα και την επιλογή του κατάλληλου κινητήρα, καθώς και της απαραίτητης τάσης για την τροφοδότησή του, σειρά έχει η προσομοίωση του συστήματός μας για να μελετήσουμε την συμπεριφορά του και να ξέρουμε τι να προσέξουμε στην κατασκευή του, αλλά και πώς να τον παλμοδοτήσουμε. Η προσομοίωση του συστήματος έγινε μέσω του προγράμματος Matlab και συγκεκριμένα με το εργαλείο Simulink. Η προσομοίωση του κυκλώματος οδήγησης του κινητήρα φαίνεται στην παρακάτω εικόνα

75 Σχήμα 3.4: Προσομοίωση του κυκλώματος οδήγησης του κινητήρα μέσω του προγράμματος Matlab Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται το εικονίδιο, το οποίο είναι το μοντέλο με το οποίο προσομοιάζουμε τον σύγχρονο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη. Στα χαρακτηριστικά αυτού του μοντέλου βάλαμε τα αληθινά στοιχεία, που μας δίνει η κατασκευάστρια εταιρία για τον κινητήρα. Αυτός είναι και ο λόγος που η επιλογή του κινητήρα προηγείται της προσομοίωσης. Είναι προφανές, πως όσο περισσότερα στοιχεία συμπληρώνονται στο μοντέλο αυτό, τόσο τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θα πλησιάζουν την πραγματικότητα. Εκτός από τα στοιχεία του κινητήρα, οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι εξής: συνεχής τάση τροφοδοσίας 48V συχνότητα για την διαμόρφωση του εύρους των παλμών fpwm = 16kHz ημιτονοειδής σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη Παρακάτω φαίνεται η λογική ελέγχου του αντιστροφέα:

76 Σχήμα 3.5: Λογική παλμοδότησης Στην παραπάνω λογική παλμοδότησης έχουμε εφαρμόσει την τεχνική ελέγχου PWM που έχει αναλυθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο. Στην λογική αυτή παλμοδοτούμε μόνο τα πάνω στοιχεία του αντιστροφέα με την τεχνική PWM, ενώ τα κάτω καθ όλη την διάρκεια που ανοιγοκλείνουμε τα πάνω, τα κρατάμε μονίμως ανοιχτά. Ο λόγος που το κάνουμε αυτό, καθώς και τα προβλήματα που μας δημιούργησε θα επεξηγηθούν σε επόμενο κεφάλαιο

77 3.4 Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 100% Σχήμα 3.6: Σήματα αισθητήρων Hall για λόγο κατάτμησης 100% Στο σχήμα 3.6 διακρίνουμε τα σήματα που λαμβάνουμε από τους αισθητήρες Hall μιας brushless μηχανής, και αυτό που παρατηρούμε είναι πως έχουν 120 ο μοίρες διαφορά μεταξύ τους

78 Σχήμα 3.7: Φασικά ρεύματα για λόγο κατάτμησης 100%

79 Σχήμα 3.8: Φασικές τάσεις για λόγο κατάτμησης 100%

80 Σχήμα 3.9: Πολικές τάσεις για λόγο κατάτμησης 100%

81 Σχήμα 3.10: Παλμοί στην πύλη των mosfet για λόγο κατάτμησης 100%

82 Σχήμα 3.11: Ρεύμα, τάση και παλμοί στην πύλη του mosfet 1 high για λόγο κατάτμησης 100%

83 Σχήμα 3.12: Ρεύμα, τάση και παλμοί στην πύλη του mosfet 2 low για λόγο κατάτμησης 100%

84 Στις κυματομορφές των φασικών αλλά και των πολικών τάσεων παρατηρούμε κάποια σημεία στα οποία έχουμε υπερτάσεις. Αυτό εξηγείται από το γεγονός πως εκείνη τη στιγμή γίνεται η μετάβαση του ρεύματος που έχει αναφερθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο. Το ίδιο ισχύει και για τα τοπικά μέγιστα (peak) που παρουσιάζονται στις κυματομορφές του ρεύματος. Επίσης παρατητούμε πως στις κυματομορφές ρευμάτων των ημιαγωγικών στοιχείων υπάρχουν κάποια ρεύματα αντίθετης φοράς. Είναι προφανές πως τα συγκεκριμένα ρεύματα παιρνούν από την ανάστροφη δίοδο που έχουν εκ κατασκευής τα mosfet. Τα ρεύματα αυτά, όπως έχει ήδη προαναφερθεί οφείλονται στην επαγωγική φύση του φορτίου, το οποίο εδώ είναι ο κινητήρας. Τέλος, εφόσον ο λόγος κατάτμησης είναι 100%, δεν φαίνεται η τεχνική ελέγχου της PWM, όπως μπορεί εύκολα να αντιληφθεί κανείς. 3.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης για λόγο κατάτμησης 50% Σχήμα 3.13: Σήματα αισθητήρων Hall για λόγο κατάτμησης 50%

85 Σχήμα 3.14: Παλμοί στην πύλη των mosfet για λόγο κατάτμησης 50%

86 Σχήμα 3.15: Παλμοί στην πύλη των mosfet (σε εστίαση) για λόγο κατάτμησης 50%

87 Σχήμα 3.16: Πολική τάση V AB, φασική τάση V A, φασικό ρεύμα I A και ηλεκτρομαγνητική ροπή για λόγο κατάτμησης 50%

88 Σχήμα 3.17: Ρεύμα, τάση και παλμοί στην πύλη του mosfet 1 high για λόγο κατάτμησης 50%

89 Σχήμα 3.18: Ρεύμα, τάση και παλμοί στην πύλη του mosfet 2 low για λόγο κατάτμησης 50%

90 Στις παραπάνω κυματομορφές διακρίνεται η τεχνική ελέγχου PWM, που έχει αναλυθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο. Η τεχνική αυτή αποτελεί και το λόγο που οι κυματομορφές τάσεις και ρεύματος έχουν αυτή τη μορφή. Κάτι το οποίο παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια των προσομοιώσεων είναι το γεγονός πως το ρεύμα του mosfet 1 high και αυτό του mosfet 2 low διαφέρουν. Κανονικά, θα έπρεπε να έχουν την ίδια κυματομορφή με διαφορά φάσης 60 ο. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό θα αναλυθεί διεξοδικά σε επόμενο κεφάλαιο. 3.6 Αποτελέσματα προσομοιώσεων για μεταβλητό λόγο κατάτμησης % Σχήμα 3.19: Σήματα αισθητήρων Hall για λόγο κατάτμησης %

91 Σχήμα 3.20: Παλμοί στην πύλη των mosfet για λόγο κατάτμησης %

92 Σχήμα 3.21: Πολική τάση V AB, φασική τάση V A, φασικό ρεύμα I A και ηλεκτρομαγνητική ροπή για λόγο κατάτμησης %

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΟΔΗΓΗΣΗΣ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ 4.1 Εισαγωγή Έπειτα από την θεωρητική ανάλυση του τριφασικού αντιστροφέα, καθώς και την προσομοίωσή του, σειρά έχει ο σχεδιασμός και η κατασκευή του. Για τον σχεδιασμό του χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα kicad, το οποίο είναι κατάλληλο για τον σχεδιασμό πλακετών. Ο σχεδιασμός της πλακέτας στο πρόγραμμα αυτό αποτελείται από τρία μέρη. Το πρώτο είναι το σχηματικό κύκλωμα της πλακέτας, στο οποίο φαίνονται όλα τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους. Στο δεύτερο μέρος γίνεται η αντικατάσταση των στοιχείων με το πραγματικό τους αποτύπωμα επάνω στην πλακέτα. Για παράδειγμα το mosfet, το οποίο στο σχηματικό κύκλωμα αποτελούσε ένα σύμβολο, το αντικαθιστούμε με το αποτύπωμα που θα αφήσει επάνω στην πλακέτα, καθώς και με το περίγραμμα που καλύπτει στο χώρο. Έτσι, γνωρίζουμε με ακρίβεια πόσο χώρο πιάνει στην πλακέτα και μπορούμε να προχωρήσουμε στο τρίτο μέρος (PCB- Printed Circuit Board-Πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος). Στο μέρος αυτό σχεδιάζουμε την πλακέτα τοποθετώντας τα στοιχεία που έχουμε από τα προηγούμενα στάδια του σχεδιασμού, και σχεδιάζουμε τους αγώγιμους δρόμους, καθώς και το πάχος τους. Παρακάτω θα αναλυθεί το κύκλωμα ισχύος, ελέγχου και παλμοδότησης. Επιπλέον, θα παρουσιαστούν τα στοιχεία που απαρτίζουν τα παραπάνω κυκλώματα, η λειτουργία που επιτελούν, καθώς και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν. 4.2 Κύκλωμα ισχύος Το κύκλωμα ισχύος αποτελείται από μία γέφυρα έξι ημιαγωγικών στοιχείων, η οποία μετατρέπει την συνεχή τάση που μας παρέχει η συστοιχία των συσσωρευτών, σε τριφασική εναλλασσόμενη. Στο κύκλωμα αυτό περνούν μεγάλα ποσά ισχύος, γι αυτό και ονομάζεται έτσι. Για να κατασκευάσουμε το συγκεκριμένο κύκλωμα χρειαστήκαμε τα 6 ημιαγωγικά στοιχεία, τις διόδους ελεύθερης διέλευσης, τους πυκνωτές εισόδου καθώς και τα ψυκτικά σώματα για την απαγωγή της θερμότητας από τα ημιαγωγικά στοιχεία

94 4.2.1 Επιλογή κατάλληλων ημιαγωγικών στοιχείων Υπάρχουν διάφοροι τύποι ημιαγωγικών στοιχείων που κυκλοφορούν στην αγορά. Ο κάθε τύπος διαχειρίζεται διαφορετικά ποσά ενέργειας και έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά, τα οποία τον καθιστούν κατάλληλο για συγκεκριμένες εφαρμογές. Για το λόγο αυτό, λοιπόν, θέσαμε κάποια κριτήρια, τα οποία μας βοήθησαν να επιλέξουμε τον κατάλληλο τύπο. Τα κριτήρια αυτά είναι: η μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει στα άκρα του το ημιαγωγικό στοιχείο το ονομαστικό ρεύμα που διαπερνά το στοιχείο η αντίσταση αγωγής του στοιχείου η ισχύς που απαιτείται από το κύκλωμα ελέγχου για την ορθή λειτουργία του το κόστος και η διαθεσιμότητα του στοιχείου στην αγορά Τα κύρια ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλής ισχύος χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: mosfet IGBT θυρίστορ GTO θυρίστορ Παρακάτω φαίνεται ένα διάγραμμα με τις περιοχές λειτουργίας της κάθε κατηγορίας ανάλογα με το ρεύμα, την τάση και τη διακοπτική συχνότητα που λειτουργούν. Σχήμα 4.1: Διάγραμμα περιοχών λειτουργίας κύριων ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος [45]

95 Στην κατασκευή της παρούσας διπλωματικής η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας είναι 15 khz, ενώ το ονομαστικό ρεύμα είναι περίπου 90A. Η τάση λειτουργίας, όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω είναι στα 48V. Κοιτάζοντας το παραπάνω διάγραμμα μπορούμε να συμπεράνουμε πως οι περιπτώσεις του θυρίστορ και του GTO θυρίστορ απορρίπτονται, αφού διαχειρίζονται μεγάλες ποσότητες ρεύματος και τάσης, ενώ μάλιστα είναι και εξαιρετικά «αργά», αφού η μεγαλύτερη συχνότητα που μπορούν να λειτουργήσουν είναι 1 khz (για τα GTO θυρίστορ). Έτσι λοιπόν μας απομένουν τα IGBT και τα mosfet. Από τα δύο αυτά επιλέξαμε τα mosfet, αφού η τάση λειτουργίας του αντιστροφέα μας είναι αρκετά μικρή και δεν είναι απαραίτητη η χρήση IGBT. Για την επιλογή του κατάλληλου mosfet έγινε μια έρευνα αγοράς και διαπιστώθηκε πως οι απώλειες αγωγής που θα εμφανίζονταν στο κάθε ημιαγωγικό στοιχείο είναι αρκετά υψηλές. Ενδεικτικά αναφέρεται πως για ένα στοιχείο με αντίσταση αγωγής στους 100 ο C RDSON = 5,22mΩ, οι απώλειες αγωγής για ρεύμα 90A είναι PΑΠΩΛΕΙΩΝ = I 2 *R/3 = 14 W. Για το λόγο αυτό αποφασίστηκε πως αντί για ένα ημιαγωγικό στοιχείο θα τοποθετηθούν δύο ημιαγωγικά στοιχεία παράλληλα. Με αυτή την αλλαγή επιτυγχάνουμε να μειώσουμε την συνολική αντίσταση αγωγής στο μισό. Συνεπώς και οι απώλειες αγωγής πέφτουν στο μισό. Σύμφωνα με όλα τα παραπάνω το mosfet που επιλέχθηκε είναι το FDP036N10A της εταιρίας Fairchild. Η μέγιστη τάση που αντέχει το στοιχείο μεταξύ drain και source είναι 100V, ενώ το μέγιστο συνεχές ρεύμα διέλευσης είναι 176A στους 25 ο C και 125A στους 100 ο C. Η αντίσταση αγωγής του είναι 3,6 mω στους 25 ο C και 5,22mΩ στους 100 ο C. Τα χαρακτηριστικά του στοιχείου αυτού είναι υπερδιαστασιολογημένα, με σκοπό να προστατευθεί το στοιχείο από τυχόν υπερτάσεις ή μεγάλα ρεύματα διέλευσης. Οι χρόνοι έναυσης και σβέσης του στοιχείου είναι σχετικά μικροί και μας παρέχουν την δυνατότητα λειτουργίας στη συχνότητα που επιθυμούμε. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί πως η δίοδος που είναι εκ κατασκευής αντιπαράλληλη με το στοιχείο μπορεί να αντέξει ρεύμα ίδιας έντασης με αυτό που αντέχει το στοιχείο, οπότε δεν χρειάστηκε να τοποθετηθεί επιπλέον δίοδος ελεύθερης διέλευσης. Σχήμα 4.2: Το στοιχείο FDP036N10A [46]

96 4.2.2 Ψυκτικά σώματα Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο διακρίνεται από μία μέγιστη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να λειτουργήσει. Εκτός αυτού, η αύξηση της θερμοκρασίας του στοιχείου προκαλεί και μεγάλη αύξηση των απωλειών. Για παράδειγμα στο ημιαγωγικό στοιχείο που επιλέξαμε, η αντίσταση αγωγής, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, γίνεται 5,22 mω στους 100 ο C από 3,6mΩ που ήταν στους 25 ο C. Αυτό συνεπάγεται αύξηση των απωλειών αγωγής. Μάλιστα, η θερμοκρασία στην οποία έχουμε την αύξηση αυτή είναι μικρότερη από το μέγιστο όριο της θερμοκρασίας λειτουργίας (175 ο C). Συνεπώς είναι απαραίτητη η χρήση ενός ψυκτικού σώματος ή απαγωγέα θερμότητας, όπως αλλιώς λέγεται, για την μεταφορά της θερμότητας από το στοιχείο στο περιβάλλον. Τα ψυκτικά σώματα είναι κατάλληλα σχεδιασμένα θερμοαγώγιμα μεταλλικά αντικείμενα, τα οποία διαθέτουν πολλές πτυχώσεις, οι οποίες μεγιστοποιούν την επιφάνειά τους (αλλά όχι και τον όγκο τους), διοχετεύοντας έτσι μεγάλα ποσά θερμότητας στο περιβάλλον. Το γεγονός πως τα ψυκτικά είναι μεταλλικά καθιστά αναγκαία την ύπαρξη μιας μονωτικής αλλά και θερμοαγώγιμης ταινίας, η οποία θα τοποθετηθεί ανάμεσα στο ψυκτικό και στο mosfet, αφού προφανώς το ψυκτικό τοποθετείται πάνω στο στοιχείο. Οι απώλειες που εμφανίζονται επάνω στο στοιχείο είναι δύο ειδών. Έχουμε τις απώλειες αγωγής και τις διακοπτικές απώλειες. Εύκολα διαπιστώνει κανείς πως οι απώλειες αγωγής εμφανίζονται κατά τη διάρκεια που το στοιχείο άγει, δηλαδή διαρρέεται από ρεύμα, ενώ οι διακοπτικές απώλειες εμφανίζονται τη χρονική διάρκεια που το στοιχείο «ανάβει» και «σβήνει». Προκειμένου να επιλέξουμε την τιμή του κατάλληλου απαγωγέα θερμότητας, πρέπει να υπολογίσουμε το σύνολο των παραπάνω απωλειών. Οι τύποι που χρειαζόμαστε για τον υπολογισμό αυτό φαίνονται στη συνέχεια [32]. P MOS ΑΠΩΛ Απώλειες αγωγής 2 = R DSON I Drms (4.1) P DIODE ΑΠΩΛ = V d I mean (4.2) Όπου RDSON είναι η αντίσταση του mosfet στους 100 ο C, IDrms είναι η ενεργός τιμή του ρεύματος θετικής φοράς, Vd είναι η πτώση τάσης της διόδου στην αγωγή και Imean είναι το μέσο ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο. Συνεπώς οι συνολικές απώλειες αγωγής προκύπτουν από το άθροισμα των δύο παραπάνω και είναι ίσες με: P ΑΠΩΛ = 6,26W

97 Διακοπτικές απώλειες MOS P SWON MOS P SWOFF = f SW (U DD I D t r +t f 2 + Q rr U DD ) (4.3) = f SW (U DD I D t r +t f 2 ) (4.4) P DIODE SWON = f SW ( 1 Q 4 rru DD ) (4.5) όπου tr είναι ο χρόνος ανόδου, tf ο χρόνος καθόδου και Qrr το φορτίο ανάστροφης ανάκτησης της αντιπαράλληλης διόδου, τα οποία δίνονται από το φυλλάδιο του κατασκευαστή, και fsw είναι η διακοπτική συχνότητα. Οι υπολογισμοί έγιναν για διακοπτική συχνότητα 25kHz, που είναι μεγαλύτερη από την επιθυμητή. Αυτό έγινε για λόγους ασφαλείας. Ομοίως και παραπάνω, οι υπολογισμοί των απωλειών αγωγής έγιναν με ελαφρώς υψηλότερες τιμές τάσης και ρεύματος. Συνεπώς η τιμή των διακοπτικών απωλειών προκύπτει από το άθροισμα των παραπάνω τριών απωλειών και είναι ίση με: P SW = 4,58W Άρα οι συνολικές απώλειες που εμφανίζονται επάνω στο ημιαγωγικό στοιχείο προκύπτουν από τη σχέση: Q = P ΑΠΩΛ + P SW = 10,84W (4.6) Οι παραπάνω υπολογισμοί έγιναν για το ένα από τα δύο παραλληλισμένα στοιχεία. Συνεπώς οι απώλειες και για τα δύο είναι οι διπλάσιες Q= 21,68W. Σημαντικό κρίθηκε εδώ να αναφερθεί πως σύμφωνα με την έρευνα που έγινε για τον παραλληλισμό δύο στοιχείων, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η τοποθέτησή τους επάνω στο ίδιο ψυκτικό σώμα. Αυτό γίνεται προκειμένου τα δύο στοιχεία να έχουν κοινή θερμοκρασία. Όπως είναι γνωστό καμία εταιρεία δεν μπορεί να κατασκευάσει δύο πανομοιότυπα ημιαγωγικά στοιχεία. Για το λόγο αυτό, λοιπόν, τα στοιχεία που θα παραλληλιστούν δεν θα «ανάψουν» ποτέ ταυτόχρονα. Έτσι για λίγο χρονικό διάστημα θα περάσει ρεύμα μόνο από το ένα. Επειδή λοιπόν η καταπόνηση των στοιχείων δεν είναι η ίδια, κρίθηκε απαραίτητο να τοποθετηθούν σε κοινό απαγωγέα θερμότητας. Σειρά τώρα έχει ο υπολογισμός της θερμικής αντίστασης του ψυκτικού σώματος που δίνεται από τον παρακάτω τύπο: θ sa = T j T a Q (θ jc + θ cs ) (4.7) όπου θsa είναι η θερμική αντίσταση του ψυκτικού

98 Τj είναι η μέγιστη θερμοκρασία στην επαφή (εδώ βάλαμε Τj = 110 ο C) Τα είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος (εδώ βάλαμε Τα = 40 ο C) Q είναι οι συνολικές απώλειες που υπολογίστηκαν παραπάνω (Q = 21,68W) θjc είναι η θερμική αντίσταση μεταξύ επαφής και περιβλήματος του στοιχείου θcs είναι η θερμική αντίσταση μεταξύ περιβλήματος και ψυκτικού Τα δύο τελευταία στοιχεία δίνονται στο φυλλάδιο του κατασκευαστή του mosfet(επειδή εδώ έχουμε παραλληλίσει στοιχεία πρέπει να βάλουμε το μισό της κάθε θερμικής αντίστασης). Συνεπώς υπολογίσαμε πως η μέγιστη θερμική αντίσταση που χρειαζόμαστε στη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι θsa = 2,74 ο C/W. Έπειτα από έρευνα που έγινε στην αγορά επιλέχθηκε το ψυκτικό σώμα της Heatsink με τιμή θερμικής αντίστασης 2,5 ο C/W. Ο απαγωγέας αυτός φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σχήμα 4.3: Ψυκτικό σώμα της Heatsink [47] Πυκνωτές Παράλληλα με τα ημιαγωγικά στοιχεία του κάθε κλάδου, του τριφασικού αντιστροφέα, είναι απαραίτητη η ύπαρξη κάποιων πυκνωτών, οι οποίοι χρησιμεύουν ως φίλτρα, αποκόπτοντας τις υπερτάσεις που δημιουργούνται από το άνοιγμα και το κλείσιμο των mosfet. Οι πυκνωτές που επιλέχθηκαν γι αυτό το λόγο είναι τύπου ΜΚΤ (πολυεστέρα), χωρητικότητας 3,3μF και τάσης 100V. Σε καθένα από τους κλάδους του inverter τοποθετήθηκαν τέσσερις τέτοιοι πυκνωτές παράλληλα. Ο λόγος για τον οποίο συνδέουμε πυκνωτές παράλληλα είναι για να αυξήσουμε την χωρητικότητα του συνολικού πυκνωτή που δημιουργείται, ενώ παράλληλα μειώνουμε την συνολική αντίσταση σειράς (ESR-Equivalent Series Resistance) που έχει κάθε πυκνωτης. Σε περίπτωση που τοποθετούσαμε έναν πυκνωτή

99 με την συνολική χωρητικότητα η αντίσταση ESR θα ήταν πολύ μεγαλύτερη. Ο πυκνωτής που επιλέχθηκε φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σχήμα 4.4: Πυκνωτής EPCOS 3,3μF [48] 4.3 Κύκλωμα παλμοδότησης και ελέγχου Σε προηγούμενες παραγράφους έχει αναφερθεί αρκετές φορές ο τριφασικός αντιστροφέας, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί. Σε όλες όμως, έχει παραληφθεί ο τρόπος με τον οποίο παλμοδοτούνται τα ημιαγωγικά του στοιχεία. Για το λόγο αυτό, στο συγκεκριμένο υποκεφάλαιο θα αναλυθεί πλήρως η πορεία που ακολουθούν οι παλμοί των mosfet μέχρι να καταλήξουν στην πύλη του. Βασικός πυρήνας του κυκλώματος παλμοδότησης είναι ένας μικροελεγκτής στον οποίο καταλήγουν τα απαραίτητα σήματα εισόδου και αναχωρούν τα σήματα εξόδου, τα οποία είναι και οι παλμοί που οδηγούν τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα. Τα σήματα εισόδου είναι τα σήματα που προέρχονται από τους αισθητήρες Hall του κινητήρα, τα οποία μας προσδιορίζουν την ακριβή θέση του δρομέα, ο ηλεκτρικός επιταχυντής, ο οποίος μας καθορίζει την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα και τέλος το ηλεκτρικό φρένο, το οποίο μας δίνει σήμα όταν έχει πατηθεί φρένο με σκοπό να σταματήσουν να παλμοδοτούνται τα στοιχεία. Όλα αυτά τα σήματα επεξεργάζονται κατάλληλα από τον μικροελεγκτή, μέσα από κώδικα που έχουμε γράψει για την ανάγκη της παρούσας εφαρμογής, και με τον οποίο τον έχουμε προγραμματίσει. Στη συνέχεια παράγονται τα κατάλληλα σήματα εξόδου τα οποία είναι υπεύθυνα για την έναυση και τη σβέση των διακοπτικών στοιχείων. Από το σημείο που τα σήματα, που θα καταλήξουν στις πύλες των mosfet, φύγουν από τους ακροδέκτες του μικροελεγκτή ακολουθούν μία πορεία μέχρι να φτάσουν στον προορισμό τους, η οποία φαίνεται στην παρακάτω εικόνα

100 Σχήμα 4.5: Παλμοδότηση μίας φάσης του τριφασικού αντιστροφέα Τα σήματα εξόδου οδηγούνται σε ένα ολοκληρωμένο, το οποίο είναι ένας αντιστροφέας (αποτελείται από πύλες NOT). Στη συνέχεια, μέσω μιας αντίστασης το καθένα οδηγείται σε έναν οπτοζεύκτη (optocoupler) και από εκεί στην είσοδο του οδηγού της πύλης (gate driver). Έπειτα από την έξοδο του driver, μέσω μιας αντίστασης καταλήγει στην πύλη (gate) του mosfet Μικροελεγκτής Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως ο μικροελεγκτής αποτελεί τον πυρήνα του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Τα μικροϋπολογιστικά συστήματα που ενσωματώνουν τα απαραίτητα περιφερειακά για την υλοποίηση μεθόδων ελέγχου λέγονται μικροελεγκτές. Πρόκειται για έναν τύπο μικροεπεξεργαστή, ο οποίος δίνει έμφαση στην αυτάρκεια και στην υψηλή τιμή απόδοσης/κόστους, σε αντίθεση με έναν μικροεπεξεργαστή κοινού σκοπού (όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται στους προσωπικούς υπολογιστές). Βασική διαφορά μεταξύ αυτών των δύο είναι πως εκτός των βασικών μονάδων που περιλαμβάνει ένας μικροεπεξεργαστής (αριθμητική και λογική μονάδα-alu, μονάδα ελέγχου-cu, μνήμη), ο μικροελεγκτής περιλαμβάνει και άλλες μονάδες όπως RAM, ROM, εισόδους και εξόδους. Οι μικροελεγκτές που υπάρχουν στο εμπόριο ποικίλουν ανάλογα με τις δυνατότητες που παρέχουν. Στην παρούσα διπλωματική επιλέχθηκε ο dspic30f4011 της MicroChip, ο οποίος έχει τις απαραίτητες δυνατότητες. Η αναλυτική περιγραφή του θα γίνει σε επόμενο κεφάλαιο. Σημαντικό είναι να αναφέρουμε πως με τον μικροελεγκτή συνδέονται τα παρακάτω: το ολοκληρωμένο MCP 2551, το οποίο αποτελεί έναν δίαυλο επικοινωνίας CAN του μικροεπεξεργαστή με άλλους μικροεπεφεργαστές τα σήματα εισόδου (αισθητήρες Hall, σήμα ηλεκτρικού επιταχυντή, σήμα φρένου)

101 τα σήματα ελέγχου που έρχονται από τα μετρητικά στοιχεία (σήμα ρεύματος και τάσης) ένα μπουτόν για να κάνουμε επανεκκίνηση (reset) στον μικροελεγκτή ένας κονέκτορας 6 ακροδεκτών για την σύνδεση του μικροελεγκτή με το αναπτυξιακό PICKIT 3 της MicroChip, το οποίο είναι απαραίτητο για τον προγραμματισμό του αντιστάσεις, πυκνωτές και η τροφοδοσία του Αντιστροφέας Τα σήματα που παράγει ο μικροελεγκτής οδηγούνται πρώτα στον αντιστροφέα, όπου αντιστρέφονται και ενισχύονται. Η αντιστροφή γίνεται επειδή στο επόμενο στάδιο θα οδηγηθούν στον οπτοζεύκτη, ο οποίος τα αντιστρέφει εκ νέου. Έτσι αναιρούμε την αντιστροφή του οπτοζεύκτη και ταυτόχρονα ενισχύουμε τους παλμούς. Με τον όρο ενίσχυση εδώ εννοούμε πως αυξάνουμε λίγο το ρεύμα των παλμών, ώστε να είναι ικανοί να οδηγήσουν τα επόμενα στοιχεία. Σημαντικό είναι εδώ να αναφερθεί πως ο μικροελεγκτής δεν είναι ικανός να παράξει το απαιτούμενο ρεύμα, γι αυτό και οδηγούμαστε στην παραπάνω λύση. Ο αντιστροφεάς αυτός είναι ο 74HCT04 και αποτελείται από 6 CMOS πύλες NOT και η τροφοδοσία του είναι 0/5 V. Σχήμα 4.6: Ο αντιστροφέας 74HCT04 [49][50] Οπτοζεύκτης Ο οπτοζεύκτης (optocoupler) είναι ένα ολοκληρωμένο, το οποίο έχει ως σκοπό την γαλβανική απομόνωση του κυκλώματος ισχύος από το κύκλωμα ελέγχου για λόγους ασφαλείας. Ο optocoupler έχει στην είσοδό του, δηλαδή μεταξύ των ακροδεκτών 2 και 3, μία

102 φωτοδίοδο. Αντικριστά από τη δίοδο αυτή βρίσκεται ένα τρανζίστορ του οποίου η βάση είναι οδηγούμενη από φώς. Με τον τρόπο που είναι συνδεδεμένο το τρανζίστορ προκύπτει κάθε φορά ένα σήμα στην έξοδο, το οποίο είναι ανεστραμμένο σε σχέση με αυτό της εισόδου. Ανάμεσα στη δίοδο και το τρανζίστορ υπάρχει διάκενο απομόνωσης, από το οποίο περνούν μόνο παλμοί φωτός, με αποτέλεσμα να διαχωρίζονται τα δυναμικά γης του κυκλώματος ελέγχου και του ισχύος. Έτσι προστατεύεται το κύκλωμα ελέγχου από τυχόν ρεύματα διαρροής. Ο οπτοζεύκτης που επιλέχθηκε στην συγκεκριμένη κατασκευή είναι ο 6N137 της Fairchild Semiconductor, ο οποίος διακρίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σχήμα 4.7: Ο optocoupler 6N137 [51] Οδηγός πύλης Το τελευταίο ολοκληρωμένο από το οποίο χρειάζεται να περάσει ο παλμός του mosfet, προκειμένου να φτάσει στην πύλη του στοιχείου είναι ο οδηγός πύλης (gate driver). Σκοπός του driver είναι να ενισχύσει την ισχύ των παλμών, προκειμένου να φτάσει στα κατάλληλα επίπεδα ώστε να ανάψει το ημιαγωγικό στοιχείο. Στην κατασκευή αυτή επιλέξαμε τον IR2113 της International Rectifier. Πρόκειται για έναν οδηγό πύλης που δέχεται δύο επίπεδα τροφοδοσίας 5V και 15V. Αυτό γίνεται προκειμένου ο παλμός που εισέρχεται στην είσοδο με επίπεδο τάσης 5V, να βγει στην έξοδο σε επίπεδο τάσης 15V. Ο driver μπορεί να δεχτεί δύο παλμοσειρές στην είσοδο, και επομένως είναι ικανός να οδηγήσει δύο στοιχεία. Όπως έχει ήδη αναφερθεί στην παρούσα κατασκευή έχουμε παραλληλίσει mosfet, προκειμένου να

103 μειώσουμε τις απώλειες αγωγής. Σημαντικό, λοιπόν, εδώ ήταν να εξασφαλίσουμε ότι το ρεύμα που μας παρέχει ο οδηγός πύλης είναι αρκετό για να ανάψει και τα δύο στοιχεία, αφού οι παλμοί που δέχονται είναι κοινοί. Ο συγκεκριμένος driver μπορεί να δώσει μέχρι και 2A ρεύμα στην έξοδο, τιμή που είναι αρκετή για την έναυση και των δύο ημιαγωγικών στοιχείων. Ακόμα μπορεί να αντέξει μέχρι και 600V τάση στα άκρα του, οπότε είναι υπέρ αρκετή για την δική μας εφαρμογή. Σχήμα 4.8: Ο driver IR2113 [52] Μια τυπική συνδεσμολογία του οδηγού πύλης IR2113 φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σχήμα 4.9: Τυπική συνδεσμολογία οδηγού πύλης [53] Είναι γνωστό πως για να αρχίσει να άγει ένα mosfet, πρέπει η τάση μεταξύ gate και source (VGS) να γίνει μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου (threshold voltage-vth) και η τάση μεταξύ drain και source να είναι VDS >= VGS- VTH. Κοιτάζοντας την τοπολογία του αντιστροφέα, παρατηρεί κανείς πως τα ημιαγωγικά στοιχεία που βρίσκονται στο πάνω μισό

104 των κλάδων του δεν έχουν σταθερό δυναμικό στην πηγή τους (source). Αντίθετα τα κάτω στοιχεία έχουν σταθερό δυναμικό και ίσο με τη γη της τροφοδοσίας. Πιο συγκεκριμένα η τάση στην πηγή του πάνω mosfet είναι ίση περίπου με μηδέν όταν άγει το κάτω, ενώ όταν δεν άγει δεν είναι. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται η συνδεσμολογία bootstrap, η οποία αποτελείται από έναν πυκνωτή, μία δίοδο και μερικές φορές μία αντίσταση για τον περιορισμό του ρεύματος (στη δική μας περίπτωση δεν χρειάστηκε). Σχήμα 4.10: Συνδεσμολογία Bootstrap [54] Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η συνδεσμολογία αυτή. Όταν πηγαίνει ο παλμός στο κάτω στοιχείο, τότε η τάση μεταξύ drain και source γίνεται ίση με περίπου 1V. Έτσι το δυναμικό που υπάρχει στο κάτω άκρο, του αρχικά αφόρτιστου πυκνωτή, είναι ίσο με 1V. Κοιτάζοντας το παραπάνω σχήμα εύκολα διαπιστώνουμε ότι η δίοδος θα πολωθεί ορθά και θα αρχίσει να άγει με αποτέλεσμα να φορτιστεί ο πυκνωτής. Όταν σβήσει το κάτω στοιχείο και δοθεί παλμός στο πάνω, τότε ο πυκνωτής θα εκφορτιστεί μέσα από τον driver και θα δώσει το απαραίτητο φορτίο που χρειάζεται μεταξύ gate και source, προκειμένου να αρχίσει να άγει το mosfet (η δίοδος υποδεικνύει τη διέλευση του ρεύματος μέσα από τον driver και όχι πίσω στην τροφοδοσία). Για να αποφευχθούν τυχόν παρανοήσεις, κρίθηκε σκόπιμο να αναφερθεί πως το σημείο VB ενώνεται εσωτερικά με το σημείο HO που οδηγεί την πύλη του άνω mosfet και φαίνεται στο σχήμα (4.9). Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται συνεχώς. Η συνδεσμολογία bootstrap αποτελεί μία απλή και οικονομική λύση, όμως χαρακτηρίζεται από σημαντικούς περιορισμούς. Το γεγονός πως ο πυκνωτής πρέπει να

105 προλαβαίνει να φορτίζεται στο διάστημα που άγει το κάτω στοιχείο, προκαλεί περιορισμούς στο λόγο κατάτμησης. Στη συνδεσμολογία αυτή πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη σημασία στη μέγιστη ανάστροφη τάση που μπορεί να αντέξει η δίοδος για όσο χρονικό διάστημα δεν άγει, καθώς και στο γεγονός πως ο χρόνος αποκατάστασής της πρέπει να είναι μικρός προκειμένου να μην εκφορτίζεται ο πυκνωτής κατά την σβέση της. Επίσης η δίοδος που θα επιλεχθεί πρέπει να αντέχει το ρεύμα φόρτισης του πυκνωτή. Σύμφωνα με όλα τα παραπάνω επιλέχθηκε η δίοδος UF1002-T, η οποία πληροί τις απαραίτητες προϋποθέσεις. Το ελάχιστο φορτίο που πρέπει να έχει ο πυκνωτής, προκειμένου να ανάψει το ημιαγωγικό στοιχείο υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση: Q Ολ = Q G + Q LS + (I LKGS + I QBS + I LK + I LKDIODE + I LKCAP + I DS ) T HON (4.8) όπου: QG: το απαραίτητο φορτίο στη πύλη για να ανάψει το mosfet QG = 116nC + 116nC = 232nC (από φυλλάδιο κατασκευαστή mosfet) QLS: το φορτίο που απαιτείται για την αγωγή των υπόλοιπων ημιαγωγικών ενώσεων του mosfet QLS = 2* ( )= 2*57 => QLS=114nC (από φυλλάδιο κατασκευαστή mosfet) ILK_GS: ρεύμα διαρροής μεταξύ πύλης και πηγής ILK_GS = 2* 100nA =200nA (από φυλλάδιο κατασκευαστή mosfet) IQBS: ρεύμα παροχής της VBS =230μΑ (από φυλλάδιο κατασκευαστή IR2113) ILK: offset ρεύμα διαρροής της VBS = 50μΑ (από φυλλάδιο κατασκευαστή IR2113) ILK_DIODE: ρεύμα διαρροής της διόδου bootstrap (100μΑ) ILK_CAP: ρεύμα διαρροής του πυκνωτή bootstrap που είναι ίσο με 0A, αφού θα διαλέξουμε πυκνωτή τανταλίου IDS- : ρεύμα bias για την έξοδο της διόδου από τον κορεσμό που είναι ίσο με 0Α για το IR2113 THON : είναι ο μέγιστος χρόνος λειτουργίας του άνω mosfet THON=1/fmin=0,1 ms (fmin = 10 khz) Συνεπώς σύμφωνα με την (4.8) υπολογίσαμε ότι Qολ = 384,02 nc. Για να υπολογίσουμε τη χωρητικότητα του πυκνωτή bootstrap χρειαζόμαστε την ΔVBS η οποία είναι η ελάχιστη τάση που πρέπει να έχει ο πυκνωτής όταν το πάνω mosfet είναι σε κατάσταση αγωγής και η οποία δίνεται από τη σχέση: ΔV BS V CC V f V GS_min V DSON (4.9)

106 όπου: Vcc είναι η τάση τροφοδοσίας 15V (IR2113) Vf είναι η πτώση τάσης κατά την αγωγή της διόδου (1V) VDSON είναι η πτώση τάσης κατά την αγωγή του κάτω mosfet Rολ =R/2=(5,22 * 10-3 ) /2 = 2,61 * 10-3 Ω Άρα για IΝ = 90Α έχω VDSON = 90 * 2,61 * 10-3 = 0,234 V VGSmin=2V (από φυλλάδιο κατασκευαστή mosfet) Άρα ΔVBS ,234 = 11,766 V Συνεπώς η ελάχιστη ζητούμενη χωρητικότητα του πυκνωτή bootstrap είναι ίση με: Cboot= Qολ/ΔVBS=32,63 nf. Οι πυκνωτές που επιλέξαμε για την παρούσα κατασκευή είναι τύπου τανταλίου, όπως προαναφέρθηκε, και χωρητικότητας 4,7 μf. Η τιμή αυτή είναι αρκετά μεγαλύτερη από την ελάχιστη, οπότε είμαστε καλυμμένοι. Οι πυκνωτές τύπου τανταλίου επιλέχθηκαν, λόγω του μηδενικού ρεύματος διαρροής που παρουσιάζουν, καθώς και τη μεγάλη χωρητικότητα ανά όγκο Επιλογή των κατάλληλων αντιστάσεων, πυκνωτών και διόδων Στο κύκλωμα παλμοδότησης και ελέγχου του αντιστροφέα, εκτός από τα διάφορα ολοκληρωμένα που προαναφέρθηκαν, χρειάζονται και κάποια άλλα στοιχεία όπως αντιστάσεις πυκνωτές και δίοδοι. Τα στοιχεία αυτά είναι απαραίτητα για την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Ο λόγος, για τον οποίο χρειάζονται, καθώς και η επιλογή της κατάλληλης τιμής για το καθένα θα αναλυθούν εκτενώς παρακάτω. Αντιστάσεις Μεταξύ των σημάτων εξόδου από τον μικροελεγκτή και του inverter έχουν τοποθετηθεί αντιστάσεις pull-down, οι οποίες συνδέονται με την γη (GND). Μια τυπική τιμή για τέτοιες αντιστάσεις είναι 100kΩ. Οι αντιστάσεις αυτές έχουν σκοπό να εξασφαλίσουν πως τα σήματα εξόδου θα είναι μόνιμα σε κατάσταση λογικής στάθμης μηδέν, στις περιπτώσεις που δεν έχουμε σήμα εξόδου λογικής στάθμης ένα. Πιο συγκεκριμένα, όταν όλα τα άλλα στοιχεία που συνδέονται με το σήμα αυτό είναι ανενεργά, τότε το σήμα που προέρχεται από τις αντιστάσεις αυτές υπερισχύει και τις οδηγεί στο μηδέν. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζουμε πως δεν θα ανάψουν τα ημιαγωγικά στοιχεία αν δεν το επιθυμούμε εμείς

107 Μεταξύ των εξόδων των οπτοζευκτών και της τροφοδοσίας (5V) έχουν τοποθετηθεί αντιστάσεις pull-up με τιμή 330Ω. Ο optocoupler, όπως έχει ήδη αναφερθεί, έχει στο εσωτερικό του ένα τρανζίστορ το οποίο όταν έρχεται παλμός στην είσοδο, οδηγείται στον κόρο με αποτέλεσμα η τάση εξόδου είναι Vo = LOW (στάθμη λογικού μηδέν). Το αντίθετο συμβαίνει όταν δεν έχουμε παλμό. Η αντίσταση αυτή χρειάζεται για τον περιορισμό του ρεύματος όταν το τρανζίστορ λειτουργεί στον κόρο. Η τιμή της επιλέχθηκε σύμφωνα με το ανώτατο επιτρεπτό όριο του παραπάνω ρεύματος, το οποίο δίνεται από το φυλλάδιο του κατασκευαστή του οπτοζεύκτη. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν αντιστάσεις μεταξύ των εξόδων του inverter και των εισόδων των οπτοζευκτών, προκειμένου να περιοριστεί το ρεύμα, όταν διέρχεται παλμός. Η τιμή των αντιστάσεων αυτών επιλέχθηκε στα 270Ω ώστε να έχουμε ρεύμα της τάξης των μερικών ma. Μεταξύ των εξόδων του driver και της πύλης του mosfet τοποθετήθηκαν αντιστάσεις 4,7Ω προκειμένου να περιοριστεί το ρεύμα φόρτισης του πυκνωτή που βρίσκεται μεταξύ gate και source. Η τιμή αυτή επιλέχθηκε σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή του στοιχείου. Εκτός αυτών των αντιστάσεων, τοποθετήθηκαν παράλληλα στα gate και source του κάθε στοιχείου αντιστάσεις των 10kΩ που είναι υπεύθυνες για τον περιορισμό των υπερτάσεων λόγω των επαγωγών των γραμμών και γενικότερα για την προστασία του mosfet (για παράδειγμα στην περίπτωση που ο driver είναι εκτός και το gate βρίσκεται στον αέρα). Ακόμη μεταξύ του pin MCLR, που βρίσκεται στον μικροελεγκτή, και της τροφοδοσίας τοποθετήθηκε μία pull-up αντίσταση των 10kΩ (επιλέχθηκε σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή) με σκοπό να διατηρεί το pin αυτό σε λογική στάθμη ένα, προκειμένου να μην γίνει κάποιο reset χωρίς τη θέληση του χρήστη. Σημαντικό είναι εδώ να αναφερθεί πως το reset του επεξεργαστή είναι active-low, δηλαδή απαιτεί σήμα λογικής στάθμης μηδέν. Η λειτουργία της αντίστασης αυτής, έχει παρόμοια λογική με τις αντιστάσεις pull-down μόνο που εδώ χρειαζόμαστε μόνιμη κατάσταση λογικής στάθμης ένα. Επιπροσθέτως, χρησιμοποιήθηκε μια αντίσταση pull-up μεταξύ του σήματος φρένου και τροφοδοσίας. Επειδή η λογική του σήματος φρένου, που σχεδιάστηκε, είναι active-low, όπως και στη λογική του reset, έτσι και εδώ χρησιμοποιήθηκε μία αντίσταση των 330Ω, που για την προκειμένη περίπτωση κρίθηκε ικανοποιητική. Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν 3 αντιστάσεις 1Ω στους driver, μεταξύ της γης της τροφοδοσίας των 15V και αυτής των 5V. Αυτές οι αντιστάσεις τοποθετήθηκαν για την αποφυγή διαρροής υψηλού ρεύματος, σε περίπτωση σφάλματος, μέσα από το κύκλωμα παλμοδότησης. Με την τοποθέτηση αυτών των

108 αντιστάσεων δημιουργούμε έναν πιο δύσκολο «δρόμο», τον οποίο δεν θα προτιμήσει το ρεύμα. Πυκνωτές Εκτός από τους πυκνωτές τανταλίου που χρησιμοποιήθηκαν στην συνδεσμολογία bootstrap, σε όλα τα ολοκληρωμένα, που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή της παρούσας διπλωματικής, μεταξύ των ακροδεκτών της τροφοδοσίας τους (Vcc και Gnd) τοποθετήθηκαν πυκνωτές 100nF, τύπου πολυεστέρα. Με την χρήση των πυκνωτών αυτών περιορίζεται ο θόρυβος στις γραμμές τροφοδοσίας. Πιο συγκεκριμένα, τα υψίσυχνα ρεύματα ρέουν μέσω αυτών και δεν εισέρχονται στις γραμμές τροφοδοσίας των ολοκληρωμένων. Τα ρεύματα αυτά προκαλούνται από τις επαγωγές των γραμμών του κυκλώματος. Δίοδοι Παράλληλα με την αντίσταση των 10kΩ που τοποθετήσαμε για την προστασία του mosfet, τοποθετήσαμε μία δίοδο zener των 18V, η οποία θα πολωθεί ορθά σε περίπτωση που η τάση μεταξύ gate και source ξεπεράσει τα 18V, και έτσι θα προστατευθεί το στοιχείο. Στο σημείο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να διευκρινιστεί το γεγονός πως σε όλα τα παραπάνω σημεία όπου ειπώθηκαν τρόποι και συνδέσεις για την προστασία και την οδήγηση ενός ημιαγωγικού στοιχείου, εννοούταν πως αναφερόμαστε, στη δική μας περίπτωση, στο ζεύγος των παραλληλισμένων στοιχείων, τα οποία αντιμετωπίζουμε σαν ένα Επιλογή κατάλληλων μετρητικών και στοιχείων για την οδήγηση των σημάτων τους Για τον έλεγχο του τριφασικού αντιστροφέα, είναι απαραίτητη η γνώση της τάσης που μας παρέχουν οι συσσωρευτές, καθώς και του συνολικού ρεύματος που έχουμε στην είσοδο του αντιστροφέα. Το γεγονός πως οι μπαταρίες εκφορτίζονται ανάλογα με τη χρήση που τους γίνεται, συνεπάγεται πως η τάση που έχουν στα άκρα τους αρχίζει και πέφτει σύμφωνα με τη χαρακτηριστική εκφόρτισης τους. Συνεπώς πρέπει διαρκώς να παρακολουθείται αυτή η τάση. Όσον αφορά το ρεύμα, η μέτρησή του είναι αναγκαία για λόγους προστασίας των στοιχείων, καθώς τα mosfet είναι επιλεγμένα με βάση μία τιμή ρεύματος, η οποία αν ξεπεραστεί κατά πολύ θα επέλθει η καταστροφή τους. Διάταξη μέτρησης τάσης Στην συγκεκριμένη κατασκευή επιλέξαμε έναν αναλογικό τρόπο για την μέτρηση της τάσης των συσσωρευτών. Είναι προφανές πως το επίπεδο της τάσης των 48 V που διαθέτουμε είναι πολύ υψηλό για να το οδηγήσουμε στον επεξεργαστή. Για το λόγο αυτό λοιπόν πρέπει να μετατρέψουμε το επίπεδο της τάσης καθώς και της ισχύος σε κατάλληλο

109 επίπεδο για να το στείλουμε στον μικροελεγκτή. Ο τρόπος με τον οποίο θα το πραγματοποιήσουμε αυτό είναι ένας διαιρέτης τάσης. Σχήμα 4.11: Διαιρέτης τάσης [55] Σαν Vin έχουμε την τάση των 48V. Οι αντιστάσεις R1 και R2 επιλέχθηκαν ώστε το ρεύμα που θα τις διαπερνά να είναι σε χαμηλά επίπεδα, αφού το ρεύμα που μπορεί να δεχθεί ο μικροελεγκτής κυμαίνεται σε ρεύματα της τάξης των ma, αλλά και για να έχουμε μικρή κατανάλωση ισχύος. Έτσι λοιπόν επιλέχθηκαν αντιστάσεις R1 = 43kΩ και R2 = 5kΩ. Υπολογίζοντας το ρεύμα που περνά από το παραπάνω κύκλωμα, καθώς και την καταναλισκόμενη ισχύ βρίσκουμε πως το ρεύμα ισούται με 1mA και η ισχύς με 48mW. Το σήμα που παράγεται από τον διαιρέτη τάσης έχει τάση 5V και οδηγείται σε έναν τελεστικό ενισχυτή ο οποίος είναι σε συνδεσμολογία απομονωτή (buffer), όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Εκεί το σήμα απομονώνεται και ενισχύεται, προκειμένου να οδηγηθεί στον επεξεργαστή. Σχήμα 4.12: Τελεστικός ενισχυτής σε συνδεσμολογία buffer [56]

110 Ο τελεστικός ενισχυτής που επιλέξαμε είναι ο LM358. Σημαντικό είναι εδώ να αναφερθεί πως η συγκεκριμένη συνδεσμολογία έχει χρησιμοποιηθεί και, για την απομόνωση και την ενίσχυση του σήματος του ηλεκτρικού επιταχυντή. Τέλος, ιδιαίτερη σημασία πρέπει να δοθεί στο γεγονός πως η τάση εξόδου που μπορεί να μας παρέχει ο ενισχυτής είναι λιγότερη από την τάση τροφοδοσίας του, που στην δική μας περίπτωση είναι 5V. Διάταξη μέτρησης ρεύματος Για την μέτρηση του ρεύματος χρησιμοποιήθηκε το μετρητικό ρεύματος HAIS 100-TP, το οποίο μας παρέχει γαλβανική απομόνωση μεταξύ του κυκλώματος ισχύος και του κυκλώματος ελέγχου. Λειτουργεί χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Hall και τροφοδοτείται με τάση 5V. Ακόμα, η ισχύς που απαιτεί είναι εξαιρετικά μικρή και παρουσιάζει υψηλή ανοχή σε εξωτερικές παρεμβολές. Σχήμα 4.13: Μετρητικό ρεύματος HAIS 100-TP και αρχή λειτουργίας του [57][58] Για να οδηγήσουμε το σήμα ρεύματος που παίρνουμε από το μετρητικό στον μικροελεγκτή χρησιμοποιούμε και πάλι έναν τελεστικό ενισχυτή (LM358) σε συνδεσμολογία buffer, του οποίου το σήμα στέλνουμε στην μία είσοδο ενός δεύτερου τελεστικού ενισχυτή. Η δεύτερη είσοδος είναι η έξοδος ενός ποτενσιόμετρου (trimmer). Η κατάλληλη σύγκριση αυτών των δύο μας δίνει ένα σήμα το οποίο στέλνουμε στον επεξεργαστή και καταλαβαίνουμε πότε το ρεύμα ξεπέρασε μία συγκεκριμένη τιμή αναφοράς. Η συνδεσμολογία αυτή φαίνεται στο επόμενο σχήμα

111 Σχήμα 4.14: Συνδεσμολογία οδήγησης σήματος ρεύματος στον μικροελεγκτή Στο μετρητικό αυτό τοποθετήθηκαν κάποιοι πυκνωτές ΜΚΤ, μεταξύ συγκεκριμένων ακροδεκτών του, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για την λειτουργία του και η τιμή τους δίνεται από το φυλλάδιο κατασκευαστή του μετρητικού. 4.4 Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Για την λειτουργία των παραπάνω στοιχείων του αντιστροφέα είναι απαραίτητη συνεχής τάση τροφοδοσίας 5V. Το μόνο ολοκληρωμένο που χρειάζεται διαφορετική τάση τροφοδοσίας είναι ο οδηγός πύλης, ο οποίος εκτός από την τάση των 5V, χρειάζεται και μία των 15V. Η μόνη πηγή τροφοδοσίας στο καρτ είναι οι συσσωρευτές, που μας δίνουν συνεχή τάση 48V. Αυτό που χρειαζόμαστε λοιπόν είναι κάποιοι μετατροπείς DC/DC οι οποίοι να μετατρέπουν τα 48V σε 15V και 5V. Στην συγκεκριμένη κατασκευή, προτού στερεώσουμε τον κινητήρα με βάση επάνω στο καρτ, δοκιμάσαμε να τον στρέψουμε με πρόγραμμα ανοιχτού βρόχου, εν κενώ στον πάγκο του εργαστηρίου ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας του πανεπιστημίου Πατρών. Για το λόγο αυτό στην αρχή χρησιμοποιήσαμε κάποια έτοιμα τροφοδοτικά που έχουν κατασκευαστεί στο εν λόγω εργαστήριο και τα οποία μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή τάση 5V και 15V. Ο αντιστροφέας υλοποιήθηκε σε δύο πλακέτες. Στην πρώτη βρίσκονται οι κοννέκτορες των σημάτων εισόδου, ο μικροελεγκτής, καθώς και ο αντιστροφέας των σημάτων. Στη δεύτερη βρίσκονται τα υπόλοιπα στοιχεία. Επειδή λοιπόν, η δεύτερη πλακέτα χρειάζεται δύο τροφοδοσίες, έχουμε αφήσει μόνο δύο ακροδέκτες που τροφοδοτούν το κύκλωμα παλμοδότησης, τους οποίους τροφοδοτούμε με 15V, και τα 5V που χρειαζόμαστε τα παίρνουμε από ένα σταθεροποιητικό τάσης, το LM7805. Το στοιχείο αυτό είναι ένας DC/DC μετατροπέας που μπορεί να δεχτεί ένα εύρος τάσεων στην είσοδο και να μας δώσει 5V στην έξοδο. Για να λειτουργήσει χρειάζεται δύο ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές. Ο ένας σταθεροποιεί

112 την τάση εισόδου και ο άλλος την τάση εξόδου. Οι πυκνωτές αυτοί επιλέχθηκαν με χωρητικότητα 1000μF. Σχήμα 4.15: Το σταθεροποιητικό τάσης LM7805 [59]

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕΣΩ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ 5.1 Εισαγωγή Για την ανάπτυξη και την υλοποίηση απλών ή πολύπλοκων λογικών ελέγχου σε διατάξεις μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος, είναι απαραίτητη η χρήση μικροϋπολογιστικού συστήματος. Το σύστημα αυτό θα πρέπει να είναι ικανό να μετρήσει όλα τα απαιτούμενα, για τον έλεγχο μεγέθη, να εκτελέσει τους κατάλληλους αλγορίθμους και να παράγει εν τέλει τα σήματα παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων. Τα μετρήσιμα μεγέθη είναι πιθανόν να είναι ρεύματα, τάσεις, στροφές, θερμοκρασία, καθώς και σήματα ελέγχου από το χρήστη. Λόγω της συνεχής εξέλιξης και ανάπτυξης στο χώρο των επεξεργαστών, τα μικροϋπολογιστικά συστήματα αποτελούν την βέλτιστη λύση, όσον αφορά την υλοποίηση πολύπλοκων και ταχύτατων λογικών ελέγχου. Με την χρήση τέτοιων συστημάτων βελτιώνεται η αξιοπιστία, η χρηστικότητα, καθώς και η απόδοση των διαφόρων τοπολογιών ισχύος. Τα μικροϋπολογιστικά συστήματα που ενσωματώνουν τα απαραίτητα περιφερειακά για την υλοποίηση μεθόδων ελέγχου λέγονται μικροελεγκτές. Έτσι λοιπόν, και στην κατασκευή της παρούσας διπλωματικής έχει χρησιμοποιηθεί ένας μικροελεγκτής της Microchip, ο dspic30f4011, ο οποίος διαθέτει όλα τα απαραίτητα χαρακτηριστικά για την υλοποίηση του κυκλώματος παλμοδότησης. 5.2 Περιγραφή του μικροελεγκτή dspic30f4011 Βασικό τμήμα του μικροελεγκτή αποτελεί η κεντρική μονάδα επεξεργασίας του (CPU). Η CPU είναι μία 16bit (data) αρχιτεκτονική (τροποποιημένη κατά Harvard), με βελτιωμένο πακέτο εντολών, περιλαμβάνοντας σημαντική υποστήριξη και σε DSP λειτουργίες (digital signal processing-ψηφιακή επεξεργασία σήματος). Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας διαθέτει εντολές των 24bit με μεταβλητό μήκος του κώδικα λειτουργίας. Ο απαριθμητής προγράμματος (PC-Program Counter) είναι 24bit και μπορεί να διευθυνσιοδοτήσει μέχρι 4Μ*24bit μνήμης για το πρόγραμμα του χρήστη. Γενικότερα τα χαρακτηριστικά που συγκεντρώνει η αρχιτεκτονική της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας του dspic30f4011 είναι τα ακόλουθα: 83 βασικές εντολές

114 εντολές των 24bit με 16bit μονοπάτι (path) δεδομένων 48 kbytes ενσωματωμένης Flash μνήμης προγράμματος 2 kbytes ενσωματωμένης μνήμης δεδομένων RAM 1 kbyte μνήμης EEPROM λειτουργία υπό 30MIPS έως 40MHz εξωτερικό ρολόι 4MHz έως 10MHz ταλαντωτής με ενεργό PPL (4x, 8x, 16x) 30 πηγές διακοπών 3 εξωτερικές πηγές διακοπής επίπεδα προτεραιότητας για κάθε πηγή διακοπής 4 διακοπές Trap στον επεξεργαστή πίνακας 16x16 καταχωρητών εργασίας Σχήμα 5.1: Ο μικροελεγκτής dspic30f4011 [28] Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή μπορεί να γίνει είτε σε γλώσσα προγραμματισμού Assembly, είτε σε C. Η εκτέλεση ενός προγράμματος που είναι γραμμένο σε Assembly είναι ταχύτερη, αφού είναι γλώσσα χαμηλού επιπέδου. Όταν όμως ο κώδικας είναι πολύπλοκος και η ταχύτητα εκτέλεσης δεν παίζει ρόλο, ο προγραμματισμός σε γλώσσα υψηλού επιπέδου,

115 όπως η C, είναι ευκολότερος. Λόγω των παραπάνω ο κώδικας στην παρούσα διπλωματική αναπτύχθηκε σε C. Στο σχήμα (5.1) φαίνεται πως ο μικροεπεξεργαστής έχει 40 ακίδες. Είναι προφανές πως οι εφαρμογές στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί είναι πολλές, εξ ου και ο μεγάλος αριθμός ακίδων. Στην δική μας εφαρμογή χρησιμοποιήθηκαν μερικές από αυτές, οι οποίες θα φανούν παρακάτω. 5.3 Το αναπτυξιακό του dspic30f4011 Το λογισμικό αναπτυξιακών εργαλείων της Microchip προσφέρει ιδιαίτερη βοήθεια στην ανάπτυξη εφαρμογών. Σημαντικότερη θέση ανάμεσα στα αναπτυξιακά εργαλεία κατέχει το MPLAB IDE (Integrated Development Environment), το οποίο και χρησιμοποιήσαμε για την ανάπτυξη προγράμματος στην παρούσα διπλωματική. Το εργαλείο αυτό τρέχει στο λογισμικό των Windows, είναι πολύ εύκολο στη χρήση και περιλαμβάνει βιβλιοθήκες με έτοιμες ρουτίνες για γρήγορη ανάπτυξη εφαρμογών, και ταχύτατη εύρεση σφαλμάτων (debugging). Επιπλέον προσφέρει ένα γραφικό περιβάλλον για το χρήστη που ενοποιεί τη χρήση λογισμικών και υλικών εργαλείων της Microchip, αλλά και άλλων κατασκευαστών. Τέλος, παρέχει την δυνατότητα χρήσης προσομοιωτή για τον εκάστοτε μικροελεγκτή, και μέσω αυτής είναι εύκολη η εύρεση σφαλμάτων. Όλα τα παραπάνω παρέχονται από μία κονσόλα λειτουργιών. Για τον προγραμματισμό, καθώς και τον εντοπισμό σφαλμάτων χρησιμοποιήθηκε το PICKIT 3, το οποίο είναι ένας debugger και programmer πραγματικού χρόνου και χαμηλού κόστους, για όλους τους PIC MCUs και dspic DSCs μικροεπεξεργαστές. Προκειμένου να προγραμματιστεί ο μικροελεγκτής χρειάζεται μια σειρά από ενέργειες, τις οποίες αναλαμβάνουν να φέρουν εις πέρας τα ενσωματωμένα εργαλεία που διαθέτει το MPLAB IDE. Τα εργαλεία αυτά είναι τα εξής: Project Manager Ο Project Manager παρέχει ολοκλήρωση και επικοινωνία μεταξύ του MPLAB IDE και των εργαλείων της γλώσσας προγραμματισμού. Editor Ο Editor είναι ένας πλήρης κειμενογράφος προγράμματος, ο οποίος εμφανίζεται σαν παράθυρο μέσα στον debugger

116 Assembler/Linker και Language Tools Ο assembler μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνος του για ένα μόνο αρχείο ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνεργασία με τον linker για να παράγουν ένα project από διαφορετικά source files ή βιβλιοθήκες. Ο linker είναι υπεύθυνος για την τοποθέτηση του κώδικα στις σωστές θέσεις μνήμης στον μικροελεγκτή. Debugger Ο debugger επιτρέπει σημεία διακοπής (breakpoints), βηματική εκτέλεση, παράθυρα παρακολούθησης και όλα τα χαρακτηριστικά που προσφέρουν οι σύγχρονοι debugger. Simulator Ο simulator (προσομοιωτής) χρησιμοποιεί τον προσωπικό υπολογιστή για να προσομοιώσει εντολές και μερικές λειτουργίες των περιφερειακών των dspic μικροελεγκτών. Programmers Το MPLAB IDE σε συνεργασία με το PICKIT 3 μπορεί να κατεβάσει κώδικα στους μικροελεγκτές. Προσφέρει πλήρη έλεγχο στον προγραμματισμό κώδικα και δεδομένων καθώς και configuration bits για την επιλογή της κατάλληλης λειτουργίας των μικροελεγκτών. In-Circuit Debugger Επίσης το MPLAB IDE σε συνεργασία με το PICKIT 3 παρέχουν μία οικονομική λύση, η οποία είναι εναλλακτική των εξομοιωτών. Δεσμεύοντας κάποιους πόρους του μικροελεγκτή μπορεί να κατεβάσει τον κώδικα στον μικροελεγκτή, να θέσει σημεία διακοπής, να κάνει μονά βήματα και να επιβλέπει τους καταχωρητές και τις μεταβλητές. 5.4 Περιφερειακές μονάδες του dspic30f4011 Όπως έχει ήδη προαναφερθεί η βασική διαφορά ενός μικροελεγκτή από έναν επεξεργαστή γενικού σκοπού, είναι η ενσωμάτωση περιφερειακών μονάδων στο ίδιο ολοκληρωμένο. Τα περιφερειακά που πλαισιώνουν τον συγκεκριμένο μικροελεγκτή είναι αρκετά και αναφέρονται παρακάτω. Ψηφιακές θύρες εισόδου-εξόδου Δύο χρονιστές (Timers) Input capture module (μονάδα εύρεσης και αποτύπωσης χρονικής στιγμής συμβάντος) Output compare module Quadrature Encoder Interface

117 10bit μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα Θύρα ασύγχρονης επικοινωνίας RS-232 UART 3 γεννήτριες PWM Μονάδες σειριακής επικοινωνίας βασισμένες στα πρωτόκολλα SPI και I2C Μονάδα CAN Παρακάτω θα αναλυθούν τρεις από τις βασικές περιφερειακές μονάδες που χρησιμοποιήθηκαν στην εφαρμογή της παρούσας διπλωματικής Μετατροπείς σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό Κάποια από τα σήματα εισόδου του μικροελεγκτή είναι αναλογικά. Επειδή ο μικροελεγκτής επεξεργάζεται μόνο ψηφιακά σήματα, διαθέτει τη μονάδα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Η μονάδα αυτή διαθέτει 9 ακίδες (ΑΝ0-ΑΝ8), οι οποίες συνδέονται σε 4 κανάλια δειγματοληψίας και αποθήκευσης (Sample and Hold S/H). Η δειγματοληψία των αναλογικών σημάτων μπορεί να γίνει με σειριακό ή παράλληλο τρόπο, ενώ η μετατροπή τους σε ψηφιακό σήμα γίνεται μόνο σειριακά. Ο μέγιστος ρυθμός δειγματοληψίας μπορεί να φτάσει μέχρι και 1 Msps (Mega samples per second), για δειγματοληψία ενός καναλιού χρησιμοποιώντας 2 S/H κανάλια για το ίδιο σήμα. Η ADC (Analog to Digital Converter) μονάδα μπορεί να μετατρέψει οποιοδήποτε αναλογικό σήμα από 0-5V σε ψηφιακό εύρους 10-bit. Για την ορθή λειτουργία της μονάδας αυτής είναι απαραίτητη η αρχικοποίηση της. Έπειτα σειρά έχει ο προγραμματισμός της. Όλα αυτά γίνονται μέσω των παρακάτω καταχωρητών ειδικού σκοπού: ADCON1 Καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCON2 Καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCON3 Καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCHS Συνδέει τις επιθυμητές εισόδους στα κανάλια S/H ADPCFG Επιλέγει αν οι ακίδες θα χρησιμοποιηθούν σαν αναλογικές είσοδοι ή σαν ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι γενικού σκοπού ADCSSL Επιλέγει σε ποιες εισόδους θα γίνει ακολουθιακή δειγματοληψία Επιπλέον μέσω των παραπάνω καταχωρητών είναι δυνατόν να γίνει διαφορική μέτρηση μεταξύ σημάτων, μεταξύ σημάτων και γης και μεταξύ σήματος και μιας ακίδας αναφοράς

118 Σχήμα 5.2: Μονάδα μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό [28] Για την ενεργοποίηση και το σωστό προγραμματισμό του A/D Converter ακολουθήθηκαν τα παρακάτω βήματα: Επιλογή των ακροδεκτών αναλογικών εισόδων Επιλογή τάσης αναφοράς, ώστε να ταιριάζει με το εύρος της αναλογικής τάσης εισόδου Επιλογή του ρολογιού μετατροπής, ώστε να ταιριάζει ο επιθυμητός ρυθμός δειγματοληψίας με το ρολόι του επεξεργαστή Προσδιορισμός του αριθμού των S/H καναλιών που θα χρησιμοποιηθούν Προσδιορισμός στο είδος της δειγματοληψίας (σειριακή / παράλληλη) Προσδιορισμός της διασύνδεσης μεταξύ αναλογικών εισόδων και καναλιών δειγματοληψίας και αποθήκευσης Επιλογή της κατάλληλης ακολουθίας δειγματοληψίας μετατροπής Επιλογή της μορφής του ψηφιακού αποτελέσματος

119 Επιλογή του ρυθμού διακοπών Ενεργοποίηση της μονάδας Τα αναλογικά σήματα εισόδου που είχαμε στην παρούσα εφαρμογή είναι το σήμα του ηλεκτρικού επιταχυντή, το σήμα της τρέχουσας στάθμης των μπαταριών, καθώς και το σήμα του τρέχοντος ρεύματος με το οποίο τροφοδοτούν οι συσσωρευτές τον κινητήρα. Τα παραπάνω σήματα συνδέθηκαν με τις ακόλουθες ακίδες (pin) του μικροελεγκτή: ΑΝ0 : ηλεκτρικός επιταχυντής ΑΝ1 : σήμα στάθμης της τάσης των συσσωρευτών ΑΝ2 : σήμα του τρέχοντος ρεύματος Μονάδα εύρεσης και αποτύπωσης χρονικής στιγμής συμβάντος (IC) Όπως προδίδει και το όνομά της η μονάδα αυτή είναι υπεύθυνη για την εύρεση και καταγραφή της χρονικής στιγμής ενός συμβάντος. Ο συγκεκριμένος μικροελεγκτής διαθέτει 4 ακίδες αυτής της μονάδας (IC1, IC2, IC7, IC8). Για την αρχικοποίηση της μονάδας αυτής υπάρχει ένας καταχωρητής ειδικού σκοπού ο ICxCON. Το x υποδηλώνει τον αριθμό της ακίδας, δηλαδή 1,2,7,8. Όταν στην ακίδα υπάρξει ένα συμβάν, όπως η αλλαγή ενός σήματος από στάθμη λογικού 1 σε 0, τότε ενεργοποιείται μία σημαία (flag), η οποία υποδηλώνει το γεγονός αυτό. Εκτός αυτού σε έναν άλλο καταχωρητή (ICxBUF) καταγράφεται η στιγμή που συνέβη το συμβάν. Μέσω του καταχωρητή ICxCON μπορούμε να επιλέξουμε σε κάθε πόσα συμβάντα επιθυμούμε να ενεργοποιείται η σημαία. Στην δική μας εφαρμογή χρησιμοποιήσαμε αυτή τη μονάδα για την ανάγνωση των αισθητήρων Hall. Θέσαμε τα κατάλληλα bits του ICxCON έτσι ώστε να έχουμε την ενεργοποίηση της σημαίας σε κάθε συμβάν, δηλαδή και όταν γίνεται η στάθμη του αισθητήρα από 0->1 και από 1->0 (Hall Sensor Mode). Με τον τρόπο αυτό είμαστε ικανοί να γνωρίζουμε οποιαδήποτε αλλαγή γίνει στους αισθητήρες. Ένας άλλος λόγος που επιλέχθηκε η συγκεκριμένη μονάδα για την ανάγνωση των αισθητήρων Hall, είναι πως με την καταγραφή της χρονικής στιγμής των συμβάντων είναι εύκολο να υπολογίσουμε την ταχύτητα του δρομέα χωρίς να χρειαστούμε εξωτερικές συσκευές, όπως μετρητή στροφών. Τα τρία σήματα των αισθητήρων συνδέθηκαν με τις ακόλουθες ακίδες του μικροελεγκτή: IC7 : Hall A IC8 : Hall B IC2 : Hall C

120 Σχήμα 5.3: Μονάδα εύρεσης και αποτύπωσης χρονικής στιγμής συμβάντων [28] Γεννήτριες PWM Μία άλλη μονάδα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εφαρμογή είναι οι γεννήτριες PWM. Όπως έχει ήδη αναφερθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο, η τροφοδότηση του κινητήρα με την επιθυμητή ποσότητα ισχύος γίνεται μέσω της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM). Ο συγκεκριμένος μικροελεγκτής διαθέτει τρεις γεννήτριες διαμόρφωσης παλμών PWM, οι οποίες παράγουν δύο σήματα η καθεμία. Τα σήματα αυτά είναι το High και το Low, τα οποία μπορεί να είναι συμπληρωματικά ή ανεξάρτητα. Η ύπαρξη τριών γεννητριών PWM καθιστά τον μικροελεγκτή αυτόν κατάλληλο για τον έλεγχο μονοφασικών, καθώς και τριφασικών διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Ακόμη η μονάδα αυτή παρέχει τη δυνατότητα εισαγωγής νεκρού χρόνου καθώς και τη δυνατότητα για έλεγχο μέσω ράμπας ή τριγωνικής κυματομορφής. Η ανάλυση φτάνει τα 16bit, ενώ επιτρέπονται οι αλλαγές στο λόγο κατάτμησης μέχρι και δύο φορές σε μία περίοδο. Τέλος, υπάρχουν επιπλέον ακίδες ανίχνευσης σφαλμάτων ώστε να οδηγηθεί η έξοδος της PWM σε κάποιες προεπιλεγμένες καταστάσεις. Ο έλεγχος του παραπάνω περιφερειακού γίνεται με τους εξής καταχωρητές ειδικής λειτουργίας: PTCON καταχωρητής ελέγχου χρονισμού

121 PTMR καταχωρητής χρονισμού PTPER καταχωρητής ρύθμισης περιόδου PWMCON1 καταχωρητής ελέγχου της PWM PWMCON2 καταχωρητής ελέγχου της PWM DTCON1 καταχωρητής ελέγχου νεκρού χρόνου DTCON2 καταχωρητής ελέγχου νεκρού χρόνου PDC1 καταχωρητής ελέγχου του λόγου κατάτμησης της 1 ης PWM PDC2 καταχωρητής ελέγχου του λόγου κατάτμησης της 2 ης PWM PDC3 καταχωρητής ελέγχου του λόγου κατάτμησης της 3 ης PWM Οι παλμοί PWM παράγονται έπειτα από τη σύγκριση του μετρητή PTMR με τον καταχωρητή PDCx. Όταν αυτοί οι δύο γίνουν ίσοι παράγεται παλμός στην έξοδο, έως ότου ο μετρητής PTMR να γίνει ίσος με τον καταχωρητή ελέγχου της περιόδου PTPER. Η χρονική βάση της PWM παρέχεται από έναν χρονιστή των 15-bit μαζί με έναν prescaler και postscaler. Η βάση αυτή είναι προσπελάσιμη μέσω του PTMR. Ο καταχωρητής PTPER θέτει την περίοδο μέτρησης του PTMR. Ο χρήστης πρέπει να τοποθετήσει μία 15-bit τιμή στο PTPER. Όταν η τιμή του PTMR γίνει ίση με του PTPER, τότε η χρονική βάση αρχικοποιείται στο μηδέν και αρχίζει να μετράει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όσον αφορά το ποια δράση θα ληφθεί καθορίζεται από τον επιλεγμένο τρόπο λειτουργίας. Οι τρόποι αυτοί είναι 4 για τον συγκεκριμένο μικροελεγκτή και επιλέγονται μέσω των bits PTMOD <1:0>. Οι τρόποι είναι οι εξής: Free-running mode Single-shot mode Continuous up/down mode Continuous up/down mode with interrupts for double updates Εδώ θα αναλυθεί μόνο ο τρόπος που χρησιμοποιήθηκε στην δική μας εφαρμογή, ο οποίος είναι ο free-running mode. Σε αυτή την κατάσταση λειτουργίας ο PTMR αυξάνεται προς μία κατεύθυνση μέχρι να αρχικοποιηθεί στο τέλος της επιλεγμένης περιόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα (5.4). Πρόκειται για δημιουργία PWM μέσω ράμπας (edge aligned). Προκειμένου να υπολογισθεί η τιμή του PTPER χρησιμοποιούμε την παρακάτω εξίσωση. T PWM = T CY (PTPER+1) PTMR PRESCALE VALUE (5.1)

122 όπου TPWM είναι η περίοδος της κυματομορφής της ράμπας TCY είναι η περίοδος του ρολογιού του επεξεργαστή PTMRPRESCALEVALUE είναι ο πολλαπλασιαστής του χρονιστή της PWM Οι τιμές του τελευταίου μπορεί να είναι 1:1, 1:4, 1:16 ή 1:64. Σχήμα 5.4: Δημιουργία PWM μέσω ράμπας [28] Τα σήματα που ελέγχουν την λειτουργία των ημιαγωγικών στοιχείων συνδέθηκαν στις εξής ακίδες του μικροελεγκτή: PWM1H : σήμα πρώτου πάνω ημιαγωγικού στοιχείου PWM1L : σήμα πρώτου κάτω ημιαγωγικού στοιχείου PWM2H : σήμα δεύτερου πάνω ημιαγωγικού στοιχείου PWM2L : σήμα δεύτερου κάτω ημιαγωγικού στοιχείου PWM3H : σήμα τρίτου πάνω ημιαγωγικού στοιχείου PWM3L : σήμα τρίτου κάτω ημιαγωγικού στοιχείου 5.5 Ανάλυση κώδικα ελέγχου Στο σημείο αυτό κρίθηκε σκόπιμο να αναλυθεί η λογική με την οποία αναπτύχθηκε ο κώδικας ελέγχου του κινητήρα. Προτού γίνει αυτό πρέπει να σημειωθεί πως το σήμα του

123 φρένου συνδέθηκε στην ακίδα INT1 του μικροεπεξεργαστή. Η ακίδα αυτή υποστηρίζει την μία από τις τρεις εξωτερικές πηγές διακοπής που μπορεί να δεχθεί ο μικροελεγκτής. Στην αρχή του κώδικα αρχικοποιούμε κάποια configuration bits του μικροελεγκτή, προκειμένου να έχουμε ορθή λειτουργία σύμφωνα με την εφαρμογή μας. Καθ όλη την διάρκεια του προγράμματος ο μικροελεγκτής διαβάζει όλα τα σήματα εισόδου και παράγει τα κατάλληλα σήματα εξόδου. Τα κυριότερα από τα σήματα εισόδου είναι οι τρεις αισθητήρες Hall και το σήμα από τον ηλεκτρικό επιταχυντή. Όπως έχει ήδη αναφερθεί ο κινητήρας δοκιμάστηκε στον πάγκο του εργαστηρίου στην αρχή με έλεγχο ανοιχτού βρόχου. Το ρόλο του επιταχυντή λοιπόν στη δοκιμή αυτή έπαιξε ένα ποτενσιόμετρο που ήταν τοποθετημένο σε ένα breadboard. Οι αισθητήρες, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω έχουν τοποθετηθεί στο Input Capture Module του μικροελεγκτή. Στην αρχή του προγράμματος ορίζουμε την ταυτότητα των pin στα οποία θα φτάσουν τα σήματά μας. Για παράδειγμα ορίζουμε (τοποθετώντας τις κατάλληλες τιμές στους κατάλληλους καταχωρητές) την ακίδα ΑΝ0 ως αναλογική θύρα εισόδου. Στη συνέχεια αρχικοποιούμε όλα τα περιφερειακά που θα χρησιμοποιήσουμε, δηλαδή την Input Capture, την PWM και την ADC. Ύστερα απ αυτά διαβάζουμε τα σήματα των αισθητήρων και σώζουμε σε μία μεταβλητή των συνδυασμό τους. Ο συνδυασμός αυτός μας υποδεικνύει σε ποια στοιχεία πρέπει να σταλεί παλμός έναυσης. Ο καταχωρητής, ο οποίος είναι υπεύθυνος για αυτό είναι ο OVDCON που είναι 16-bit. Έτσι λοιπόν ανάλογα με τον συνδυασμό που έχει προκύψει, φορτώνουμε στον καταχωρητή ένα 16bit δυαδικό αριθμό, που είναι αποθηκευμένος σε έναν πίνακα 1x8. Στον πίνακα αυτό βρίσκονται 8 τέτοιοι αριθμοί, οι οποίοι στην ουσία ενεργοποιούν τα δύο στοιχεία που πρέπει, για κάθε έναν από τους συνδυασμούς των τριών αισθητήρων (2 3 = 8 συνδυασμοί). Στους συνδυασμούς 000 και 111, δεν ενεργοποιείτε κανένα στοιχείο καθώς δεν υπάρχει περίπτωση υπό κανονικές συνθήκες να καταχωρηθεί τέτοιος συνδυασμός. Ας δούμε τώρα τι συμβαίνει στην περίπτωση που διαβαστεί ένας φυσιολογικός συνδυασμός. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να ενεργοποιηθούν 2 ημιαγωγικά στοιχεία του αντιστροφέα. Στον δικό μας κώδικα για λόγους ευκολίας, διαλέξαμε το ένα από τα δύο στοιχεία και συγκεκριμένα το πάνω να ενεργοποιείται σύμφωνα με την παλμοσειρά που παράγεται από την PWM. Αντίθετα το κάτω ενεργοποιείται μόνιμα, καθ όλη τη διάρκεια που διατηρείται ο συγκεκριμένος συνδυασμός. Ο 16bit αριθμός που είναι αποθηκευμένος στον πίνακα υποδεικνύει τα δύο στοιχεία που θα ενεργοποιηθούν με την παραπάνω λογική

124 Στον κώδικα υπάρχουν τρεις ρουτίνες διακοπής, οι οποίες έχουν το ίδιο κομμάτι κώδικα στο εσωτερικό τους. Οι τρεις ρουτίνες έχουν να κάνουν με τον αντίστοιχο αισθητήρα Hall. Κάθε φορά που αλλάζει ένας εκ των τριών το πρόγραμμα διακόπτεται και μπαίνει στην αντίστοιχη ρουτίνα. Εκεί φορτώνεται η κατάλληλη τιμή στον OVDCON και ενεργοποιούνται τα κατάλληλα στοιχεία. Εκτός από τις παραπάνω ρουτίνες διακοπής, υπάρχουν και άλλες δύο. Η μία έχει να κάνει με την μονάδα μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό. Σε τακτά χρονικά διαστήματα, τα οποία είναι ορισμένα από εμάς, η μονάδα αυτή διακόπτει την κανονική ροή του προγράμματος επειδή έχει μετατρέψει ένα αναλογικό σήμα σε ψηφιακό. Το σήμα αυτό είναι του ηλεκτρικού επιταχυντή στην δική μας περίπτωση. Στο εσωτερικό αυτής της ρουτίνας φορτώνονται και οι 3 PDC καταχωρητές με την τιμή του λόγου κατάτμησης που απαιτείται εκείνη τη στιγμή. Τέλος η άλλη ρουτίνα διακοπής έχει να κάνει με το σήμα του φρένου. Στην δοκιμή που κάναμε έχουμε τοποθετήσει αντί για φρένο, ένα μπουτόν στο breadboard. Με το πάτημα του κουμπιού η ροή του προγράμματος διακόπτεται και εισέρχεται στην ρουτίνα διακοπής φρένου. Αυτό που γίνεται μέσα στη ρουτίνα αυτή είναι να διατηρούνται σε λογική στάθμη μηδέν όλες οι έξοδοι PWM του μικροελεγκτή, για όση διάρκεια κρατείται πατημένο το φρένο. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι για να προστατευθεί το όλο σύστημα σε περίπτωση που κάποιος πατάει και γκάζι και φρένο. Αναλυτικά το πρόγραμμα με τα απαραίτητα σχόλια παρουσιάζεται στο παράρτημα Β

125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ 6.1 Διεξαγωγή πειραμάτων Προκειμένου να επιβεβαιώσουμε την ορθή λειτουργία του αντιστροφέα έγιναν τα απαραίτητα πειράματα. Σκοπός του πειράματος ήταν η περιστροφή του κινητήρα. Όπως έχει ήδη αναφερθεί ο κινητήρας περιστράφηκε εν κενώ με κύκλωμα ανοιχτού βρόχου. Αντί για τους συσσωρευτές χρησιμοποιήθηκε τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, το οποίο έχει περιορισμό ρεύματος προκειμένου να προστατευθούν τα στοιχεία του κυκλώματος από πιθανό σφάλμα. Όλες οι μετρήσεις έγιναν με τάση εισόδου 20V. Για τη σύνδεση των τριών φάσεων του κινητήρα με τον αντιστροφέα έγιναν κάποιες δοκιμές προκειμένου να πετύχουμε την σωστή αντιστοιχία φάσεων και αισθητήρων Hall. Για τη μέτρηση των μεγεθών που φαίνονται παρακάτω χρησιμοποιήθηκε ψηφιακός παλμογράφος, probe τάσης και probe ρεύματος. 6.2 Μετρήσεις για λόγο κατάτμησης 25% Σχήμα 6.1: Πολική τάση V AB για λόγο κατάτμησης 25%

126 Σχήμα 6.2: Πολική τάση V AC για λόγο κατάτμησης 25% Σχήμα 6.3: Πολική τάση V BC για λόγο κατάτμησης 25%

127 Σχήμα 6.4: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 1 high για λόγο κατάτμησης 25% Σχήμα 6.5: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 1 low για λόγο κατάτμησης 25%

128 Σχήμα 6.6: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 2 high για λόγο κατάτμησης 25% Σχήμα 6.7: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 3 low για λόγο κατάτμησης 25%

129 Σχήμα 6.8: Τάση εισόδου 20V για λόγο κατάτμησης 25% Σχήμα 6.9: Ρεύμα φάσης Α για λόγο κατάτμησης 25%

130 Σχήμα 6.10: Ρεύμα φάσης C για λόγο κατάτμησης 25% Σχήμα 6.11: Ρεύμα εισόδου για λόγο κατάτμησης 25%

131 6.3 Μετρήσεις για λόγο κατάτμησης 50% Σχήμα 6.12: Πολική τάση V AB για λόγο κατάτμησης 50% Σχήμα 6.13: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 1 high για λόγο κατάτμησης 50%

132 Σχήμα 6.14: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 1 high (σε εστίαση) για λόγο κατάτμησης 50% Σχήμα 6.15: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 2 low για λόγο κατάτμησης 50%

133 Σχήμα 6.16: Ρεύμα φάσης C για λόγο κατάτμησης 50% Σχήμα 6.17: Ρεύμα εισόδου για λόγο κατάτμησης 50%

134 6.4 Μετρήσεις για λόγο κατάτμησης 75% Σχήμα 6.18: Πολική τάση V AB (σε εστίαση) για λόγο κατάτμησης 75% Σχήμα 6.19: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 2 high (σε εστίαση) για λόγο κατάτμησης 75%

135 Σχήμα 6.20: Τάση μεταξύ drain και source στο mosfet 3 low (σε εστίαση) για λόγο κατάτμησης 75% Σχήμα 6.21: Ρεύμα φάσης Β για λόγο κατάτμησης 75%

136 Σχήμα 6.22: Ρεύμα εισόδου για λόγο κατάτμησης 75% 6.5 Παρατηρήσεις και συμπεράσματα Από τα παραπάνω παλμογραφήματα μπορούμε να βγάλουμε πολλά και χρήσιμα συμπεράσματα. Καταρχάς επιβεβαιώνονται τα όσα αναφέρθηκαν στην θεωρητική ανάλυση του αντιστροφέα, καθώς και στη θεωρία των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη. Στις κυματομορφές των φασικών ρευμάτων παρατηρούμε μία βύθιση του ρεύματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως εκείνη τη στιγμή γίνεται η μετάβαση του ρεύματος από τον ένα κλάδο στον άλλο. Το γεγονός πως ο κινητήρας είναι επαγωγικό φορτίο, δεν αφήνει το ρεύμα να πέσει ακαριαία στο μηδέν γι αυτό και βλέπουμε το ρεύμα να μειώνεται σταδιακά και να αυξάνεται πάλι όταν έχει γίνει η μετάβαση. Επίσης στις κυματομορφές των φασικών ρευμάτων παρατηρούνται διαστήματα που το ρεύμα είναι μηδέν. Αυτό είναι λογικό αφού έχει διευκρινιστεί στην θεωρητική ανάλυση, πως το ρεύμα ρέει πάντα σε δύο κλάδους του αντιστροφέα. Οπότε είναι λογικό το φασικό ρεύμα κάποια στιγμή να μηδενίζεται. Το μέσο ρεύμα που μας παρείχε το τροφοδοτικό ήταν 3A για λόγο κατάτμησης 25%, 9,2A για 50% και 14,5A για 75%. Κάτι άλλο που μπορούμε να παρατηρήσουμε είναι το γεγονός πως όσο αυξάνουμε το λόγο κατάτμησης μεγαλώνει το μέγιστο του ρεύματος του κινητήρα (καθώς και οι στροφές του), άρα και το συνολικό ρεύμα. Αυτό παρατηρείται επίσης και στο ρεύμα εισόδου. Επιπλέον το

137 ρεύμα έχει μια εναλλασσόμενη τιμή όπως περιμέναμε. Όσον αφορά τις κυματομορφές της τάσης παρατηρούμε πως στα κάτω στοιχεία (low) που δίνεται συνεχής παλμός, έχουμε ένα μεγάλο διάστημα όπου η τάση είναι μηδέν. Αντίθετα στα πάνω στοιχεία (high) το αντίστοιχο διάστημα διακρίνεται από πολλές αυξομειώσεις λόγω της παλμοδότησης PWM. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παρατηρήθηκε πως τα ψυκτικά των κάτω στοιχείων ζεσταίνονταν πολύ περισσότερο από αυτά των πάνω. Το γεγονός αυτό, διαπιστώθηκε πως ήταν λογικό εξαιτίας της λογικής της παλμοδότησης των στοιχείων. Το γεγονός πως δίνουμε PWM παλμούς μόνο στα πάνω στοιχεία, ενώ τα κάτω είναι μονίμως ανοιχτά, ήταν και η αιτία του προβλήματος αυτού. Σχήμα 6.23: Τριφασικός αντιστροφέας σε σύνδεση με κινητήρα [60] Ας υποθέσουμε πως το ρεύμα ρέει μέσω των στοιχείων 1 και 6, όπως αυτά φαίνονται στο σχήμα (6.23). Το στοιχείο 6 έχει μόνιμο παλμό έναυσης, ενώ το στοιχείο 1 παλμοδοτείται με την τεχνική PWM. Στο χρονικό διάστημα που το στοιχείο 1 σβήνει, η επαγωγή των τυλιγμάτων του κινητήρα «επιθυμεί» να κρατήσει το ρεύμα που την διαπερνούσε μέχρι εκείνη την στιγμή. Ο μόνος διαθέσιμος «δρόμος» που θα είχε αυτό το ρεύμα, αν παλμοδοτούνταν και τα 2 στοιχεία με PWM, θα ήταν μέσω της αντιπαράλληλης διόδου του στοιχείου 4 και της διόδου του στοιχείου 3. Εφόσον όμως, στην προκειμένη περίπτωση το στοιχείο 6 είναι αναμμένο, ο πιο εύκολος δρόμος είναι αυτός που περνά μέσω της αντιπαράλληλης διόδου του στοιχείου 4 και του ίδιου του στοιχείου 6. Έτσι λοιπόν αντί αυτό το ρεύμα να περνά μέσω των διόδων όπως πρέπει, διέρχεται μέσα από το κάτω mosfet. Αυτό σημαίνει πως οι δίοδοι των πάνω στοιχείων δεν άγουν ποτέ και το ρεύμα που οφείλεται στην επαγωγή του κινητήρα περνάει πάντα από τα κάτω mosfet, είτε μέσω του drain και του

138 source, είτε μέσω της αντιπαράλληλης διόδου. Αυτός είναι και ο λόγος, για τον οποίο παρατηρήθηκε αυξημένη θερμοκρασία στα ψυκτικά των κάτω στοιχείων. Σύμφωνα με τα παραπάνω καταλήξαμε στο συμπέρασμα πως ο κινητήρας δεν είναι δυνατόν να λειτουργήσει υπό φορτίο με την παραπάνω λογική παλμοδότησης. Τα ψυκτικά έχουν υπολογισθεί στηριγμένα στο γεγονός, πως το ρεύμα ισοκατανέμεται στα 6 ζεύγη στοιχείων. Αν λοιπόν το ρεύμα φτάσει σε τιμές ονομαστικής κατάστασης, δηλαδή 80A είναι πολύ πιθανόν να οδηγηθούμε σε καταστροφή των στοιχείων. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί πως το μέγιστο ρεύμα που δουλέψαμε τον κινητήρα με αυτή τη μέθοδο είναι περίπου 18A. 6.6 Μηχανολογικές Παρεμβάσεις στο καρτ Όπως έχει ήδη αναφερθεί για την κατασκευή της παρούσας διπλωματικής προμηθευτήκαμε το πλαίσιο ενός συμβατικού καρτ χωρίς τον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Το πλαίσιο αυτό φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 6.24: Πλαίσιο καρτ πριν τις μηχανολογικές παρεμβάσεις Στο σχήμα 6.24 φαίνονται και κάποιες θήκες αλουμινίου, στις οποίες τοποθετήσαμε τις μπαταρίες. Η θέση που βρίσκονται στην συγκεκριμένη εικόνα δεν είναι η τελική θέση στην οποία τις τοποθετήσαμε, αλλά αυτή στην οποία είχαμε επιλέξει να τοποθετηθούν αρχικά

139 Η πρώτη παρέμβαση στο πλαίσιο του καρτ ήταν η τοποθέτηση της βάσης του κινητήρα. Στην βάση αυτή τοποθετήσαμε τον κινητήρα μαζί με το γρανάζι που υπολογίστηκε προκειμένου η τελική ταχύτητά του να είναι τα 80km/h. Για λόγους ασφαλείας γύρω από την αλυσίδα που συνδέει τα δύο γρανάζια, δηλαδή αυτό που βρίσκεται στον άξονα του κινητήρα και αυτό που βρίσκεται στον άξονα των τροχών, τοποθετήθηκε προστατευτικό κάλυμμα. Στη συνέχεια τοποθετήθηκαν οι βάσεις στις οποίες θα έμπαιναν οι θήκες των μπαταριών. Οι μηχανολογικές αυτές παρεμβάσεις έγιναν στο μηχανουργείο του Πανεπιστημίου Πατρών και φαίνονται στις εικόνες που ακολουθούν. Σχήμα 6.25: Φωτογραφία όπου φαίνεται η βάση στήριξης του κινητήρα, του προστατευτικού καλύμματος της αλυσίδας και της δεξιάς βάσης στήριξης του πλαισίου των μπαταριών

140 Σχήμα 6.26: Αριστερή βάση στήριξης πλαισίου μπαταριών Σχήμα 6.27: Φωτογραφία καρτ με τοποθετημένο τον κινητήρα καθώς και τις βάσεις στήριξης των πλαισίων των μπαταριών

141 Σχήμα 6.28: Φωτογραφία καρτ με τον κινητήρα και τις μπαταρίες 6.7 Πλακέτες κυκλώματος οδήγησης κινητήρα Τα κυκλώματα που κατασκευάσθηκαν για τον έλεγχο του κινητήρα φαίνονται στις ακόλουθες εικόνες: Σχήμα 6.29: Πλακέτα ισχύος

142 Σχήμα 6.30: Κάτω όψη πλακέτας ισχύος Σχήμα 6.31: Πλακέτα ελέγχου

143 Σχήμα 6.32: Η διάταξη οδήγησης του κινητήρα σε λειτουργία με τροφοδοτικό τάσης

144

145 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] [2] en.wikipedia.org History of the electric vehicle, [3] bbc.com Hansom Cab, [4] en.wikipedia.org Chrysler TEVan, [5] en.wikipedia.org Ford Ranger EV, [6] en.wikipedia.org General Motors EV1, [7] en.wikipedia.org Chevrolet S-10 EV, [8] en.wikipedia.org Honda EV Plus, [9] en.wikipedia.org Nissan Altra, [10] en.wikipedia.org Toyota RAV4 EV, [11] en.wikipedia.org Tesla Roadster, [12] tuningcarsgarage.com Bmw i8,

146 [13] topspeed.com Bmw i8, [14] en.wikipedia.org Tesla Model S, [15] Δ. Βιδιαδάκης και Ν. Τσιάρα: «Μελέτη και κατασκευή οχήματος πόλης με διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα», διπλωματική εργασία Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, 2012 [16] Ν. Μήλας: «Βελτιστοποίηση λειτουργίας ηλεκτρονικού διαφορικού για μικρό ηλεκτροκίνητο όχημα», διπλωματική εργασία Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, 2014 [17] el.wikipedia.org Ηλεκτρικό αυτοκίνητο, 1%CE%B9%CE%BA%CF%8C_%CE%B1%CF%85%CF%84%CE%BF%CE%BA% CE%AF%CE%BD%CE%B7%CF%84%CE%BF [18] en.wikipedia.org Brushless DC electric motor, [19] en.wikipedia.org Hall effect sensor, [20] Ι. Κιοσκερίδης, Ηλεκτρονικά ισχύος, Θεσσαλονίκη : Εκδόσεις Τζιόλα, 2008 [21] Δ. Παπαθανασόπουλος: «Μελέτη και κατασκευή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος ηλεκτρικού δικύκλου», διπλωματική εργασία Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, 2013 [22] Α. Αντωνάκου: «Μελέτη και κατασκευή κυκλώματος οδήγησης κινητήρα τύπου DC Brushless χρησιμοποιώντας στοιχεία FPGA ή βιομηχανικό μικροελεγκτή», διπλωματική εργασία Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, 2010 [23]

147 [24] [25] Δρ.-Μηχ. Ε.Κ. Τατάκης, «ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΙΙ», Φεβρουάριος 2011 [26] Application Note AN957 Sensored BLDC Motor Control Using dspic30f2010, Microchip [27] Application Note AN-941 PARALLELING POWER MOSFETs, International Rectifier [28] dspic30f4011/4012 Data Sheet, Microchip [29] dspic30f Family Reference Manual, Microchip [30] Mohan, Undeland, Robbins, «ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ», τρίτη έκδοση, εκδόσεις Τζιόλα [31] Αντώνης Αλεξανδρίδης Επαμεινώνδας Μητρονίκας, «Προηγμένος έλεγχος ηλεκτρικών μηχανών», Πάτρα 2012 [32] MOSFET Power Losses Calculation Using the DataSheet Parameters, by Dr. Dušan Graovac, Marco Pürschel, Andreas Kiep, Application Note, V 1. 1, July 2006 [33] electronics-tutorials.ws hall effect, [34] adryl.com motor stator, [35] nptel.ac.in, [36] blog.oureducation.in, [37] freedom2000.free, [38] openi.nlm.nih.gov,

148 [39] wikimedia.org Brushless DC Electric Motor Torque-Speed Characteristics, Speed_Characteristics.png [40] wikipedia.org 3phase inverter, [41] beambuilder.blogspot.gr, [42] en.wikipedia.org Drag coefficient, [43] motenergy.com, [44] ev-power.eu, 90Ah.html [45] en.wikipedia.org Power semiconductor device, [46] elcodis.com, [47] gr.rsdelivers.com, clipmount-25k-w/ aspx [48] uk.farnell.com, [49] gmelectronic.com, [50] mysite.avemaria.edu,

149 [51] datasheetdir.com, [52] pakistanstuff.com, [53] dacpol.eu, 65/product/ir-highlow-side-ir igbt-and-mosfet-double-driver [54] electronics.stackexchange.com, [55] el.wikipedia.org Voltage divider, AD%CF%84%CE%B7%CF%82_%CF%84%CE%AC%CF%83%CE%B7%CF%82 [56] forums.parallax.com, [57] digikey.com, [58] Hais 100-TP LEM Data Sheet [59] stem2.org, [60] mpoweruk.com,

150

151 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΧΕΔΙΑ ΤΥΠΩΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Σχήμα 1: Σχηματικό διάγραμμα πλακέτας ελέγχου Σχήμα 2: Εμπρόσθια όψη pcb πλακέτας ελέγχου

152 Σχήμα 3: Οπίσθια όψη pcb πλακέτας ελέγχου

153 Σχήμα 4: Σχηματικό διάγραμμα πλακέτας ισχύος