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 ΓΕΩΡΓΙΟΥ Μ. ΠΥΡΡΗ Α.Μ.: 6839 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο Πάτρα, Δεκέμβριος 2012 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

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 ΓΕΩΡΓΙΟΥ Μ. ΠΥΡΡΗ Α.Μ.: 6839 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων:Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο /2012 Πάτρα, Δεκέμβριος 2010

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΠΥΡΡΗ του ΜΕΓΑΚΛΗ (Α.Μ. 6839) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 21/12/2012 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 ΤΙΤΛΟΣ: "ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Πυρρής Γεώργιος του Μεγακλή Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας που κατασκευάσθηκε από το συνάδελφο Ι.Γκαρτζώνη και μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αυτός ο αντιστροφέας αποτελεί και ένα από τα κύρια τμήματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, αναλύονται οι προοπτικές σήμερα, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μονοφασικού αντιστροφέα και κυρίως στη μέθοδο παλμοδότησης, που είναι γνωστή υπό τον όρο Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών (SPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη διαφόρων μεθόδων ελέγχου της ροής ισχύος του αντιστροφέα και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα και των μεθόδων ελέγχου που μελετήθηκαν. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον.

8

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενό της αποτέλεσε η μελέτη και κατασκευή τμήματος του συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας 1kW με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε και προσομοιώθηκε ο μονοφασικός αντιστροφέας και οι μέθοδοι ελέγχου του καθώς και μονάδα ρύθμισης του ρεύματος εξόδου του για τον έλεγχο της ροής ενεργού ισχύος προς το δίκτυο με διατήρηση μοναδιαίου συντελεστή ισχύος και συγχρονισμού του με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα, θεωρήσαμε ακρογωνιαίο λίθο της παρούσας εργασίας την πραγμάτωση σε εργαστηριακό περιβάλλον του κυκλώματος του μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας ισχύος 1kW. Αναλυτικά στην εισαγωγή εξετάζεται σε γενικές γραμμές η φύση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και τα πλεονεκτήματα χρήσης τους ενώ παρατίθεται μια σύντομη περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται ορισμένα στοιχεία για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας και τις προοπτικές που αυτή έχει. Επιπρόσθετα, παρατίθεται μια διεξοδική και συγκριτική ανάλυση των ευρέως εφαρμοζόμενων τεχνολογιών και τοπολογιών Διασυνδεδεμένων Αιολικών Συστημάτων. Στο κεφάλαιο 2 διενεργούμε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση των επιμέρους συστημάτων της υπό μελέτης διάταξης. Ξεκινώντας από το ανεμοκινητήριο σύστημα αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας που διαθέτει το εργαστήριο και χρησιμοποιήθηκε. Εν συνεχεία προχωρούμε στη συνοπτική ανάλυση του μετατροπέα συνεχούς τάσης τύπου «Boost» και στη διεξοδική ανάλυση του μονοφασικού αντιστροφέα. Περιγράφουμε, επιπλέον, τις δυο σημαντικότερες μεθόδους Ημιτονοειδούς Διαμόρφωσης του Εύρους Παλμών (SPWM) για τον έλεγχο ενός μονοφασικού αντιστροφέα που είναι η μονοπολική και η διπολική τεχνική παλμοδότησης. Κλείνοντας το κεφάλαιο παρουσιάζουμε την θεωρητική ανάλυση του φίλτρου που θα χρησιμοποιηθεί καθώς και του μονοφασικού μετασχηματιστή ισχύος και παραθέτουμε τη διαστασιολόγηση του συστήματος που μελετούμε.

10 Στο κεφάλαιο 3 μελετούμε τις διάφορες μεθόδους ελέγχου της ροής ισχύος σε ένα μονοφασικό αντιστροφέα και αναλύουμε έναν ελεγκτή γνωστό στη βιβλιογραφία ως ελεγκτή αναλογικό - συντονισμού καθώς και τη χρήση στο υπό μελέτη σύστημα. Στο κεφάλαιο 4 παραθέτουμε τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε για τη λειτουργία του αντιστροφέα χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες μεθόδους παλμοδότησης SPWM σε απομονωμένο φορτίο. Ακόμη, παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αντιστροφέα με τη χρήση μετασχηματιστή στην έξοδό του και με έλεγχο της ροής ισχύος κατά τη σύνδεσή του με το δίκτυο. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται με λεπτομέρεια οι πλακέτες που σχεδιάσαμε και μελετάμε τα στοιχεία που χρησιμοποιήσαμε για την κατασκευή της μονάδας του αντιστροφέα, της μονάδας του μικροελεγκτή, της μονάδας του αναλογικού ελεγκτή και των μετρητικών και τέλος της μονάδας τροφοδοσίας. Στο κεφάλαιο 6 μελετάμε τη λειτουργία των περιφερειακών του μικροελεγκτή που θα χρησιμοποιήσουμε καθώς και τη μέθοδο δημιουργίας των παλμών. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζουμε και αναλύουμε τα παλμογραφήματα που πήραμε από την πειραματική διάταξη που κατασκευάσαμε καθώς και τις μετρήσεις που πραγματοποιήσαμε για την εύρεση της απόδοσης του συστήματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε, τα σχέδια των τυπωμένων πλακετών (PCB) καθώς και τα φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν.

11 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό οφείλω να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Αναπληρωτή Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη, για τη συνολική αρωγή του κατά την περίοδο εκπόνησης της εν λόγω διπλωματικής εργασίας, τις πολύτιμες συμβουλές και την καθοδήγηση που προσέφερε. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Γεώργιο Χρηστίδη, ο οποίος βοήθησε τα μέγιστα στη μελέτη αυτής της εργασίας με τις γνώσεις του και τις συμβουλές του, τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ιωάννη Περπινιά, που βοήθησε με μεγάλη προθυμία κατά τη φάση της προσομοίωσης του συστήματος, καθώς και όλους τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας για την πολύτιμη βοήθεια τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συναδέλφους Ιωάννη Γκαρτζώνη και Γεώργιο Ελευθεράκη για την άψογη και ιδιαίτερα ευχάριστη συνεργασία που είχαμε σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας.

12

13 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ 1.1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΗΜΕΡΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΚΑΙ ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΙΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας Λειτουργία μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας Εναλλακτικές τοπολογίες μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας Αλληλεπίδραση ανεμογεννητριών με το δίκτυο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΔΙΟΔΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ Ανάλυση μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας Παλμοδότηση με τετραγωνικούς παλμούς Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ 3.1 ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΗ ΣΥΝΕΧΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ... 65

14 3. 2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΝΕΡΓΟΥ - ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ - ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (PROPORTIONAL RESONANT ή PR) ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΚΑΙ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΕΛΕΓΚΤΗ PR ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ Προσομοίωση αντιστροφέα με SPWM με διπολική τάση εξόδου Προσομοίωση αντιστροφέα με SPWM με μονοπολική τάση εξόδου ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΜΕΤΑΧΗΜΑΤΙΣΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΟΝ ΠΥΚΝΩΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος Πυκνωτές στην είσοδο του αντιστροφέα ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΤΩΝ MOSFET Το ολοκληρωμένο 74HCT Το ολοκληρωμένο 74HCT Το ολοκληρωμένο 6Ν Το ολοκληρωμένο IR Κυκλωμα Bootstrap ΑΠΑΓΩΓΟΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Είσοδοι dspic30f Έξοδοι dspic30f ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕΤΡΗΤΙΚΩΝ Κυκλώματα μέτρησης της τάσης

15 5.7.2 Κυκλώματα μέτρησης ρεύματος Κύκλωμα ανίχνευσης του μηδενός (zero crossing detector) ΜΟΝΑΔΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΕΛΕΓΚΤΗ DSPIC30F ΤΟ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΟ MOTOR CONTROL PWM ΘΥΡΕΣ ΕΙΣΟΔΟΥ - ΕΞΟΔΟΥ ΤΟ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΟ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΟΥ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ (ADC) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 7.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΙΣΧΎΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΧΕΔΙΑ ΠΛΑΚΕΤΩΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΚΩΔΙΚΕΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ

16

17 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενέργεια αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αγαθά της σύγχρονης κοινωνίας. Στην ενέργεια μπορούμε να διακρίνουμε πολλές διαστάσεις. Σημαντική είναι η τεχνολογική διάσταση που έχει να κάνει με την παραγωγή και τη διαχείριση της ενέργειας, τη χρήση της, την αποθήκευση, τη μετατροπή της. Η ενέργεια αποτελεί επίσης ένα σημαντικό οικονομικό δείκτη που έχει άμεση σχέση με το ρυθμό και την κατεύθυνση της ανάπτυξης. Ο ρυθμός μεταβολής του ακαθάριστου εθνικού προϊόντος ακολουθεί το ρυθμό μεταβολής της καταναλισκόμενης ενέργειας σε όλες τις χώρες. Τέλος, μια ιδιαίτερα σημαντική διάσταση της ενέργειας είναι η περιβαλλοντική κι αυτό γιατί η ενέργεια προέρχεται και καταλήγει στο περιβάλλον. Ιστορικά κανένας άλλος παράγοντας δεν έχει επηρεάσει το περιβάλλον τόσο όσο η ενέργεια, ιδιαίτερα τον τελευταίο αιώνα. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται έντονο ερευνητικό - αναπτυξιακό καθώς και εμπορικό ενδιαφέρον για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε) και ειδικότερα για την κατασκευή συστημάτων με τα οποία μπορούν αυτές να αξιοποιηθούν. Ο όρος "ανανεώσιμες" αποδίδεται κυρίως γιατί οι πηγές αυτές έχουν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ότι ανανεώνονται διαρκώς λόγω της φύσης τους, συνεπώς είναι ανεξάντλητες και προσφέρονται δωρεάν στον άνθρωπο προς εκμετάλλευση. Οι σημαντικότερες μορφές Α.Π.Ε. είναι η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική, η ενέργεια από βιομάζα και η γεωθερμική. Οι περισσότερες από αυτές τις νέες μορφές ενέργειας (μερικές από αυτές ήταν γνωστές και χρησιμοποιούνταν εδώ και πολλούς αιώνες) είναι αποτέλεσμα της δράσης της ηλιακής ενέργειας, π.χ. ο αέρας, τα κύματα των θαλασσών, η θερμοκρασιακή διαφορά των θαλασσών κλπ. Αφορμή για αυτό το έντονο ενδιαφέρον αποτέλεσε η πετρελαϊκή κρίση του 1973 η οποία κατέστησε σαφές πως η απόλυτη ενεργειακή εξάρτηση από τις πετρελαϊκές χώρες τόσο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όσο και για τις μεταφορές αποτελούσε λανθασμένη επιλογή, ενώ παράλληλα οδήγησε σε έρευνες κατά τις οποίες με χρήση ειδικών δορυφόρων χαρτογραφήθηκαν τα αποθέματα πετρελαίου και αποδείχτηκε για πρώτη φορά πως είναι πεπερασμένα. Ένας ιδιαίτερα σημαντικός λόγος που οδήγησε στο έντονο ενδιαφέρον για τις Α.Π.Ε. είναι η προσπάθεια περιορισμού της ρύπανσης του περιβάλλοντος και του κόστος που η ρύπανση συνεπάγεται, καθώς με βάση διεθνείς συμβάσεις για κάθε τόνο διοξειδίου του άνθρακα που παράγει κάθε χώρα θα πληρώνει περίπου 25 ευρώ για το 2012 [1], ένα συνολικό κόστος που για τη ΔΕΗ, τον κύριο παραγωγό ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα μας, υπολογίζεται ετησίως στα 2 δις ευρώ. Παράλληλα, η πολιτική βούληση πολλών κρατών να ανεξαρτητοποιηθούν από τα κράτη που εξάγουν πετρέλαιο και φυσικό αέριο για οικονομικούς και διπλωματικούς λόγους ενισχύει την εκμετάλλευση Α.Π.Ε. 1

18 Τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης των Α.Π.Ε. [2] είναι τα εξής: Συμβολή στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς, μη ανανεώσιμους, ρυπογόνους ενεργειακούς πόρους. Δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον, ενώ παράλληλα συμβάλλουν στην άμβλυνση του φαινομένου του θερμοκηπίου, καθώς συνεισφέρουν στον περιορισμό της εκπομπής των αερίων του θερμοκηπίου (CO 2, CH 4, N 2 O, HFCs, PFCs, SF 6 ) στην ατμόσφαιρα. Οι Α.Π.Ε. ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Συνεισφορά στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, εξαιτίας της γεωγραφικής τους διασποράς, με αποτέλεσμα τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο και τη συνεπακόλουθη ανακούφιση των συστημάτων υποδομής και τον περιορισμό των απωλειών από τη μεταφορά ενέργειας. Ιδιαίτερα στα ελληνικά νησιά η χρήση αιολικών πάρκων προσφέρει τη δυνατότητα μείωσης του ιδιαίτερα υψηλού κόστους παραγωγής ενέργειας από ντηζελογεννήτριες. Δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, με διαφορετικές λύσεις για διαφορετικές ενεργειακές ανάγκες (για παράδειγμα χρήση ηλιακής ενέργειας για παραγωγή θερμότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες, χρήση αιολικής ενέργειας για ηλεκτροπαραγωγή κ.ά.). Χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Συνεισφορά στην αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών με τη δημιουργία θέσεων εργασίας και την προσέλκυση ανάλογων επενδύσεων (π.χ. καλλιέργειες θερμοκηπίου με τη χρήση γεωθερμικής ενέργειας). Παρά τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η χρήση των Α.Π.Ε., υπάρχουν και μερικά μειονεκτήματα. Τα κύρια από αυτά είναι [3]: Οι Α.Π.Ε. εξαρτώνται από τα καιρικά φαινόμενα, τα οποία λόγω του στοχαστικού χαρακτήρα τους δεν εξασφαλίζουν την αδιάλειπτη λειτουργία ενός συστήματος που κάνει χρήση μόνο αυτού του είδους ενέργειας. Βέβαια, υπάρχει η λύση της αποθήκευσης της περίσσειας ενέργειας όταν η ζήτηση είναι μικρότερη της προσφοράς αλλά σήμερα το κόστος για αυτό το σκοπό παραμένει ιδιαίτερα υψηλό και ασύμφορο για μαζική ηλεκτροδότηση. Οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. δεν μπορούν με βάση την παρούσα υποδομή να αποτελέσουν σταθμούς βάσης πλην ελαχίστων υδροηλεκτρικών σταθμών. Για λόγους ευστάθειας του δικτύου και παροχής ποιοτικής ενέργειας στους καταναλωτές το ποσοστό διείσδυσης των Α.Π.Ε. στο δίκτυο είναι περιορισμένο. Η εξέλιξη βέβαια της τεχνολογίας και ιδιαίτερα των 2

19 μετατροπέων ηλεκτρονικών ισχύος μπορεί να συντελέσει στην αύξηση του επιτρεπόμενου ποσοστού διείσδυσης ενέργειας από Α.Π.Ε.. Το κόστος αγοράς εξοπλισμού για την κάλυψη των αναγκών ενός οικιακού καταναλωτή παραμένει υψηλό και με αυξημένο το χρόνο αποπληρωμής της επένδυσης παρά την πτωτική τάση των τελευταίων ετών. Μια μορφή Α.Π.Ε. της οποίας η εκμετάλλευση έχει αποκτήσει βαρύνουσα σημασία τα τελευταία χρόνια είναι η αιολική. Η απομάστευση της ενέργειας του ανέμου από τον άνθρωπο αποτελεί μια πρακτική που βρίσκει τις ρίζες της στην αρχαιότητα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας είναι τα ιστιοφόρα και οι ανεμόμυλοι. Σήμερα, για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούμε τις ανεμογεννήτριες (Α/Γ). Οι ανεμογεννήτριες είναι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μέσω της πτερωτής, έχουμε την μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε μηχανική με την μορφή περιστροφής του άξονα της πτερωτής και στο δεύτερο στάδιο, μέσω της γεννήτριας, επιτυγχάνουμε την μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Οι Α/Γ χρησιμοποιούνται για την πλήρη κάλυψη ή και τη συμπλήρωση των ενεργειακών αναγκών. Το παραγόμενο από τις ανεμογεννήτριες ηλεκτρικό ρεύμα είτε καταναλώνεται επιτόπου, είτε εγχέεται και διοχετεύεται στο ηλεκτρικό δίκτυο για να καταναλωθεί αλλού. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από τις Α/Γ, όταν η παραγωγή είναι μεγαλύτερη από τη ζήτηση, συχνά αποθηκεύεται για να χρησιμοποιηθεί αργότερα, όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή. Η αποθήκευση σήμερα γίνεται με δύο οικονομικά βιώσιμους τρόπους, ανάλογα με το μέγεθος της παραγόμενης ενέργειας. Οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές (μπαταρίες) είναι η πλέον γνωστή και διαδεδομένη μέθοδος αποθήκευσης Η/Ε, η οποία χρησιμοποιείται για μικρής κλίμακας παραγωγικές μη διασυνδεδεμένες στο κεντρικό δίκτυο μονάδες. Η άντληση ύδατος με χρήση Η/Ε παραγόμενης από Α/Γ και η ταμίευσή του σε τεχνητές λίμνες κατασκευασμένες σε υψόμετρο το οποίο είναι ικανό να τροφοδοτήσει υδροηλεκτρικό σταθμό, είναι η μέθοδος αποθήκευσης που χρησιμοποιείται όταν η παραγόμενη Η/Ε είναι μεγάλη. Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό, σε αρκετές περιοχές της Κρήτης, της Πελοποννήσου, της Ευβοίας και φυσικά στα νησιά του Αιγαίου. Σε αυτές τις περιοχές θα συναντήσουμε και τα περισσότερα αιολικά πάρκα, τα οποία αποτελούνται από συστοιχίες ανεμογεννητριών σε βέλτιστη διάταξη για την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού. Η εκμετάλλευση του υψηλού δυναμικού στη χώρα μας, σε συνδυασμό με τη ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογιών που ενσωματώνεται στις σύγχρονες αποδοτικές ανεμογεννήτριες, έχει τεράστια σημασία για τη βιώσιμη ανάπτυξη, την εξοικονόμηση ενεργειακών πόρων, την προστασία του περιβάλλοντος και την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη και η κατασκευή ενός μονοφασικού αντιστροφέα τάσης για τη διασύνδεση μιας 3

20 ανεμογεννήτριας χαμηλής ισχύος με το δίκτυο. Το σύστημα που επιλέξαμε να μελετήσουμε και να κατασκευάσουμε ανήκει στην κατηγορία τοπολογιών «Μεταβλητών Στροφών Σταθερής Συχνότητας», οι οποίες αναλύονται στην υποενότητα , και παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Σχήμα 1: Προτεινόμενο σύστημα διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης Από το σχήμα μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι το σύστημά μας περιλαμβάνει μία ανεμογεννήτρια (σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών), μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική διάταξη, μία ανυψωτική διάταξη συνεχούς ρεύματος, μία διάταξη αντιστροφής τάσης, μία μονάδα φιλτραρίσματος και ένα μετασχηματιστή. Το σύστημα μας έχει στόχο να συνδεθεί με το δίκτυο χαμηλής τάσης, δηλαδή στο μονοφασικό δίκτυο συχνότητας 50 Ηz και ενεργού τιμής 230 V. Η ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από μία τριφασική σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες καθώς επίσης και από μια ανορθωτική τριφασική γέφυρα με διόδους. Ο μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή (dc-dc) είναι ένας μετατροπέας τύπου "Interleaved Boost" με τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία, ενώ η διάταξη για την αντιστροφή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (dc-ac) είναι ένας μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Ανάμεσα στους δύο μετατροπείς παρεμβάλλεται μια συστοιχία πυκνωτών (dc bus) με στόχο τη σταθεροποίηση της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα. Στην έξοδο του αντιστροφέα συνδέθηκε ένα κατωδιαβατό LC φίλτρο και στη συνέχεια ένας μονοφασικός μετασχηματιστής ισχύος για να επιτευχθεί η διασύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Ο μετατροπέας dc-dc, που μελετήθηκε και υλοποιήθηκε στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας του φοιτητή Ιωάννη Γκαρτζώνη, υλοποιεί μέσω του ελέγχου του έναν αλγόριθμο ανίχνευσης μέγιστου σημείου ισχύος (Maximum Power Point 4

21 Tracking - MPPT) και είναι υπεύθυνος ώστε η ανεμογεννήτρια να αποδίδει κάθε στιγμή τη μέγιστη δυνατή ισχύ για τη δεδομένη ταχύτητα ανέμου. Ο μετατροπέας dc-ac που μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία, διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης (dc bus) μέσω ελέγχου της ενεργού ισχύος που εγχύει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα διατηρεί το συντελεστή ισχύος σταθερό και ίσο με τη μονάδα, ώστε να μη μεταφέρεται άεργος ισχύς από και προς το δίκτυο. Σε διατάξεις μικρής ισχύος, όπως αυτή που μελετήθηκε, συνήθης πρακτική είναι η εκτέλεση του αλγορίθμου MPPT να πραγματοποιείται από τον αντιστροφέα, καθώς οι μετρήσεις που απαιτούνται σε μεγέθη από την πλευρά της γεννήτριας είναι εύκολο να γίνουν, ενώ ο dc-dc μετατροπέας αναλαμβάνει την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή. Όμως σε μια διάταξη μεγάλης ισχύος, όπως ένα αιολικό πάρκο, δεν είναι οικονομικά και τεχνικά συμφέρον να μεταφέρονται μετρήσεις στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο από το σημείο τοποθέτησης των ανεμογεννητριών λόγω του μεγάλου απαιτούμενου μήκους καλωδίων (και άρα αύξησης του κόστους), απωλειών (και άρα αλλοίωσης των μετρούμενων μεγεθών) και φυσικά αυξημένης καθυστέρησης ανάμεσα στη στιγμή της μέτρησης και στη στιγμή που το σήμα φτάνει στον ελεγκτή του αντιστροφέα. Γι' αυτούς ακριβώς τους λόγους επιλέχθηκε ο αλγόριθμος MPPT να εκτελείται από τον ελεγκτή του interleaved boost, ώστε τα αποτελέσματα της μελέτης να μπορούν να φανούν χρήσιμα και σε πραγματικές διατάξεις μεγάλης ισχύος. Το πρόβλημα που η συγκεκριμένη επιλογή δημιούργησε είναι η απαίτηση μεγάλης χωρητικότητας στον πυκνωτή της dc διασύνδεσης, με συνέπεια τη χρήση μιας συστοιχίας παράλληλων πυκνωτών που εξασφαλίζουν την απαιτούμενη χωρητικότητα και συνεπώς την αύξηση του κόστους κατασκευής του συστήματος. 5

22 6

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ 1.1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η δύναμη του ανέμου εκτιμήθηκε και χρησιμοποιήθηκε από τους ανθρώπους από πολύ νωρίς. Υπάρχουν αναφορές για χρήση ανεμοκινητήρων στην Περσία ακόμα και από το 200 π.χ. Ωστόσο οι πρώτοι ανεμοκινητήρες που είχαν πρακτικές εφαρμογές κατασκευάστηκαν στο Σίσταν, μια περιοχή ανάμεσα στο σημερινό Αφγανιστάν και Ιράν κατά τον 7 ο αιώνα [4]. Οι ανεμόμυλοι αυτοί χρησιμοποιήθηκαν για την άντληση νερού και την άλεση καλαμποκιού. Κατά τον 14 ο αιώνα στην Ολλανδία ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν για την αποξήρανση περιοχών στον ποταμό Ρήνο. Ήδη το 1900 στη Δανία υπήρχαν περισσότεροι από 2500 ανεμοκινητήρες για μηχανικά φορτία, όπως αντλίες και μύλοι [4]. Με την πάροδο των χρόνων όμως περάσαμε από την εποχή των απλών ανεμοκινητήρων στην εποχή των ανεμοκινητήρων - ανεμογεννητριών και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αυτές. Η πρώτη γνωστή ανεμογεννήτρια που λειτούργησε, ήταν μια μηχανή φόρτισης μπαταρίας που εγκαταστάθηκε το 1887 από τον James Blyth στη Σκωτία. Η πρώτη ανεμογεννήτρια για την παραγωγή ενέργειας λειτούργησε το 1888 στο Κλήβελαντ του Οχάιο από τον Charles F. Brush [4]. Οι πρώτες ανεμογεννήτριες που κατασκευάστηκαν είχαν κάθετο άξονα. Ένας από τους πρώτους προγόνους των μοντέρνων ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα που χρησιμοποιούνται σήμερα μπήκε σε λειτουργία στη Γιάλτα της Σοβιετικής Ένωσης το 1931, ήταν ισχύος 100kW και συνδέθηκε με το τοπικό δίκτυο των 6,3kV [4]. Σήμερα ένα μεγάλο ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. πραγματοποιείται με αιολικά συστήματα και πάρκα, ενώ αναμένεται μια πολύ εντονότερη και συνεχής αύξησή του. Εκτός από τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η αιολική ενέργεια ως ανανεώσιμη μορφή, έχει και κάποια ιδιαίτερα γνωρίσματα που καθιστούν την εκμετάλλευσή της ακόμα πιο ελκυστική. Ορισμένα από αυτά είναι: Οι ανεμογεννήτριες δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για τη συνολική κατασκευή και λειτουργία τη δική τους και των πάρκων. Είναι γεγονός πως σε ένα μέσο αιολικό πάρκο [4], μια ανεμογεννήτρια θα έχει αποσβέσει όλη την ενέργεια που έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή, εγκατάσταση και λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των 3 μηνών. Με ένα μέσο χρόνο ζωής γύρω στα 20 χρόνια, αυτό μας δίνει μια απόδοση κοντά στο 8000%. 7

24 Τα αιολικά πάρκα μπορούν να δημιουργήσουν θέσεις εργασίας ιδιαίτερα κατά τη φάση της κατασκευής τους, δίνοντας ώθηση στον κατασκευαστικό κλάδο της οικονομίας. Παράλληλα ως νέα τεχνολογία που αναπτύσσεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια δημιουργεί πολλές θέσεις εργασίας σε ερευνητικά προγράμματα. Τα αιολικά πάρκα αυξάνουν την αξιοπιστία του υπάρχοντος ισχυρού δικτύου και μπορούν να βοηθήσουν επαρκώς στην κάλυψη αιχμών (μεγάλες, απότομες ζητήσεις φορτίου). Με τη χρήση της αιολικής ενέργειας μπορεί να εξασφαλιστεί ενεργειακή επάρκεια σε απομακρυσμένα σημεία όπου υπάρχουν εγκαταστάσεις τηλεπικοινωνιών (π.χ. κεραίες κινητής τηλεφωνίας), στις οποίες είναι απαραίτητη η αδιάλειπτη παροχή ισχύος ακόμα και όταν η παροχή ισχύος από το δίκτυο διακόπτεται. Η δυνατότητα αυτή συμβάλλει στη μείωση του κόστους συντήρησης του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού, καθώς η χρήση για παράδειγμα μιας ντηζελογεννήτριας που επίσης θα εξασφάλιζε αυτονομία σε περιπτώσεις σφαλμάτων του δικτύου, εκτός από το κόστος αγοράς και συντήρησης που είναι αρκετά υψηλό, απαιτεί συνεχή τροφοδότηση από συμβατικό καύσιμο και άρα υψηλό κόστος λειτουργίας. Η αντικατάσταση των γεννητριών αυτών με ανεμογεννήτριες είναι οικονομικά συμφέρουσα και φιλική προς το περιβάλλον. Εξασφαλίζεται μακρόπνοος ορίζοντας. Η αιολική βιομηχανία γνωρίζει αλματώδη ανάπτυξη και είναι ακόμα στο ξεκίνημα. Η αγορά των αιολικών έχει τη δυνατότητα να φτάσει τα 25 δις ευρώ σε λιγότερο από έξι χρόνια [5]. Ιδιαίτερα στη χώρα μας: Τα νησιωτικά συμπλέγματα του Αιγαίου κυρίως διαθέτουν πολύ υψηλό αιολικό δυναμικό και μάλιστα άριστης ποιότητας. Η σημαντική διασπορά και ανομοιομορφία του κόστους παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας στα διάφορα τμήματα της χώρας έχει ως αποτέλεσμα σε αρκετά νησιά το κόστος να είναι πολλαπλάσιο, ενίοτε και υπερδεκαπλάσιο του οριακού κόστους παραγωγής της Δ.Ε.Η. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι είναι δυνατή η αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων από την αιολική ενέργεια στις περιοχές αυτές. Η ισχυρή εξάρτηση της χώρας μας από εισαγόμενα καύσιμα (πετρέλαιο, άνθρακα, φυσικό αέριο), τα οποία οδηγούν αφενός σε συναλλαγματική αιμορραγία τη χώρα μας, αφετέρου σε εξάρτηση από το διεθνές οικονομικό περιβάλλον που διαμορφώνει τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερα υψηλές τιμές στο πετρέλαιο και τα παράγωγά του. Βέβαια η τεχνολογία των αιολικών συστημάτων αντιμετωπίζει και διάφορα προβλήματα, τα περισσότερα από τα οποία είναι πιθανόν να αμβλύνονται με την εξέλιξη που είναι σε θέση να επιφέρει η εκτεταμένη έρευνα που λαμβάνει χώρα σε 8

25 διεθνές επίπεδο σήμερα. Ορισμένα από αυτά τα στοιχεία που αποτελούν τροχοπέδη στην εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας είναι τα παρακάτω. Το κύριο μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας αποτελεί η αβεβαιότητα στην εμφάνιση του ανέμου. Η αδυναμία ακριβούς πρόβλεψης της ταχύτητας και της διεύθυνσης των ανέμων δε μας δίνει τη δυνατότητα να έχουμε την απαραίτητη αιολική ενέργεια τη στιγμή που τη χρειαζόμαστε. Στα μεγάλα ηλεκτρικά δίκτυα, οι απαιτήσεις των καταναλωτών ποικίλουν και για το λόγο αυτό πρέπει να υπάρχουν μεγάλες εφεδρείες ενέργειας για κάποια περίπτωση που θα υπάρξουν μεγάλες αιχμές ζήτησης ή κάποια μεγάλη μονάδα τεθεί εκτός λειτουργίας. Οπότε το πρόβλημα που εισάγουν οι ανεμογεννήτριες είναι ότι δεν μπορούμε να αναμένουμε σταθερή παραγωγή ενέργειας από αυτές. Το γεγονός αυτό μας υποχρεώνει να χρησιμοποιούμε τις αιολικές μηχανές κυρίως σαν εφεδρικές πηγές ενέργειας σε συνδυασμό πάντοτε με κάποια άλλη πηγή ενέργειας. Ένα δεύτερο μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι οι ανεμογεννήτριες εισάγουν διακυμάνσεις στο δίκτυο. Οι διακυμάνσεις αυτές οφείλονται κατά ένα μεγάλο μέρος στην τυχαιότητα της ταχύτητας του ανέμου και κατά ένα μικρό μέρος στη μικρή βύθιση που παρατηρείται στην αεροδυναμική ροπή κάθε φορά που το πτερύγιο περνά από τον πύργο. Σε περιπτώσεις διασύνδεσης της αιολικής εγκατάστασης με το ηλεκτρικό δίκτυο η παραγόμενη ενέργεια δεν πληροί πάντοτε τις τεχνικές απαιτήσεις του δικτύου, με αποτέλεσμα να είναι απαραίτητη η τοποθέτηση αυτοματισμών ελέγχου, μηχανημάτων ρύθμισης τάσεως και συχνότητας, καθώς και ελέγχου της αέργου ισχύος. Η εξέλιξη της τεχνολογίας σήμερα έχει δώσει λύσεις στα περισσότερα από τα αναφερόμενα προβλήματα, ιδιαίτερα με την κατασκευή ανεμογεννητριών μεταβλητού βήματος και μεταβλητών στροφών. Παρ όλα αυτά, υπάρχει κάποιο αυξημένο κόστος για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της παραγόμενης ενέργειας, το οποίο προστίθεται στο συνολικό κόστος. Ένα ακόμη μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας είναι η περιορισμένη δυνατότητα αξιοποίησης του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού. 'Όπως θα δούμε σε επόμενη ενότητα είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε μόνο μερικώς την κινητική ενέργεια του ανέμου. Παράλληλα η χαμηλή ροή αξιοποιήσιμης κινητικής ενέργειας κατατάσσει την αιολική στις "αραιές" μορφές ενέργειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα είτε τη χρήση μεγάλου αριθμού ανεμογεννητριών είτε μηχανών μεγάλων διαστάσεων για την παραγωγή της επιθυμητής ποσότητας ενέργειας. Επιπλέον από το σύνολο της απορροφούμενης από μια ανεμογεννήτρια αιολικής ενέργειας μόνο ένα περιορισμένο μέρος της μετατρέπεται σε ωφέλιμη ενέργεια, λόγω των αεροδυναμικών και μηχανικών απωλειών και των αντίστοιχων περιορισμών. Σε περιπτώσεις αυτόνομων μονάδων είναι απαραίτητη η ύπαρξη συστημάτων αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας, σε μία προσπάθεια να έχουμε συγχρονισμό της ζήτησης και της διαθέσιμης ενέργειας. Το γεγονός αυτό 9

26 συνεπάγεται αυξημένο αρχικό κόστος και βέβαια επιπλέον απώλειες ενέργειας κατά τις φάσεις μετατροπής για την εξασφάλιση της ομαλής λειτουργίας. Οι διαδικασίες ζεύξης-απόζευξης αιολικών μηχανών στο ηλεκτρικό δίκτυο λόγω των μεταβατικών φαινομένων που αυτές προκαλούν απασχολούν ιδιαίτερα μηχανικούς και ερευνητές. Η διείσδυση της αιολικής ενέργειας ιδιαίτερα σε μη διασυνδεδεμένα και ασθενή δίκτυα είναι περιορισμένη λόγω τεχνικών και δυναμικών περιορισμών. Οι περιορισμοί αυτοί θέτουν κάποια όρια μέγιστης διείσδυσης αιολικής παραγωγής. Απαγορεύεται η διασύνδεση, πέραν ενός ορίου αποδιδόμενης ισχύος, αιολικών μηχανών σε μικρά τοπικά ηλεκτρικά δίκτυα, τα οποία όμως αποτελούν και την πλειοψηφία των δικτύων του ελληνικού Αρχιπελάγους. Σε σχέση με ένα συμβατικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τα αιολικά πάρκα δημιουργούν σημαντικά λιγότερες θέσεις εργασίας, καθώς αποτελούν επενδύσεις εντάσεως εργασίας μόνο κατά τη φάση κατασκευής τους. 1.2 Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΗΜΕΡΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Την τελευταία δεκαετία υπάρχει αλματώδης ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας τόσο σε ευρωπαϊκό όσο και σε διεθνές επίπεδο. Ένα μεγάλο ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας από Α.Π.Ε. πραγματοποιείται με αιολικά συστήματα και πάρκα, ενώ αναμένεται πολύ εντονότερη και συνεχής αύξησή του. Επιπλέον, η αλλαγή του θεσμικού πλαισίου στην Ευρωπαϊκή Ένωση που σχετίζεται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η συνεπαγόμενη θέσπιση ισχυρών οικονομικών κινήτρων για την αξιοποίηση συστημάτων Α.Π.Ε. όπως επιδοτήσεις, αγορά από δημόσιους οργανισμούς της παραγόμενης ενέργειας από Α.Π.Ε., οδηγούν προς την κατεύθυνση αυτή. Πιο συγκεκριμένα, το σύνολο των μέτρων ενεργειακής πολιτικής που αποφασίστηκε από το Συμβούλιο των κρατών μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης το Μάρτιο του 2007 για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνει τους εξής στόχους: 20% συμμετοχή των Α.Π.Ε. στο ενεργειακό ισοζύγιο (ηλεκτρισμός, μεταφορές, ψύξη/θέρμανση) 20% μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε σχέση με το 1990 Για την Ελλάδα ισχύουν μεταξύ άλλων οι ακόλουθοι δεσμευτικοί στόχοι: 18% συμμετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση ενέργειας (ο στόχος αυτός ορίστηκε τελικά από το ελληνικό κράτος στο 20%) 10

27 21% μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε σχέση με το 2005 Ειδικά για την ηλεκτροπαραγωγή, ο στόχος για συνολική συμμετοχή 20% των Α.Π.Ε. στο ενεργειακό ισοζύγιο, σημαίνει παραγωγή πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας ίσης περίπου με 40% της ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης ηλεκτρισμού. Σε οικονομικό επίπεδο μελέτη του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου [6] κατέδειξε ότι η μη προσαρμογή του συστήματος ηλεκτροπαραγωγής της χώρας στο προωθούμενο ευρωπαϊκό πακέτο κλιματικής πολιτικής θα σημαίνει επιπλέον ετήσιο κόστος 2,2 δις ευρώ στην ηλεκτροπαραγωγή μετά το 2013, το οποίο και θα μετακυλήσει στον καταναλωτή και ισοδυναμεί με αύξηση της τιμής της kwh κατά 45%. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων στη χώρα μας το Υπουργείο Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής ανακοίνωσε το 2010 την επιδιωκόμενη αναλογία εγκατεστημένης ισχύος ανά τεχνολογία ΑΠΕ και κατηγορία παραγωγού, με χρονικό ορίζοντα τα έτη 2014 και Τα στοιχεία αυτά παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.1 [7]. Πίνακας 1.1: Όρια εγκατεστημένης ισχύος (σε ΜW) ανά τεχνολογία ΑΠΕ και κατηγορία παραγωγού [7] Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε, το μεγαλύτερο μέρος της εγκατεστημένης ισχύος ορίστηκε να καλυφθεί από Αιολικά συστήματα, τόσο σε ηπειρωτικές όσο και σε υπεράκτιες τοποθεσίες. Το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο συνολικό αιολικό δυναμικό στην Ελλάδα [8], όπως προκύπτει με βάση τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες και τους βασικούς περιορισμούς χωροθέτησης αιολικών πάρκων, εκτιμάται σε 11GW για ταχύτητες ανέμου πάνω από 6 m/s. Στα Ελληνικά νησιά του Αιγαίου, στην Κρήτη και στην Ανατολική Στερεά Ελλάδα (με επίκεντρο την Εύβοια), όπου μέσες ταχύτητες ανέμου 6-7 m/sec δεν είναι σπάνιο φαινόμενο, το κόστος της παραγόμενης ενέργειας είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικό και υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τις εφαρμογές της αιολικής ενέργειας. Η πρώτη εγκατάσταση ανεμογεννήτριας στην Ελλάδα έγινε από 11

28 τη ΔΕΗ το 1983 στη Μύκονο. Το πρώτο ιδιωτικό αιολικό πάρκο λειτουργεί από το 1988 στην Κρήτη, ισχύος 10,2 MW (Κοινότητα Μετόχι Σητείας) καλύπτοντας τις ενεργειακές ανάγκες νοικοκυριών. Το αιολικό δυναμικό στα νησιά του Αιγαίου (ταχύτητες ανέμου 8-11 m/sec) και Ανατολικής Πελοποννήσου (π.χ. στη Λακωνία 9 m/sec), Εύβοιας (8-9 m/sec) και Ανατολικής Αττικής (6 m/sec) είναι αρκετά ικανό για να επιτρέψει τη μεγαλύτερη διείσδυση των αιολικών για την παραγωγή ενέργειας. Στο Σχήμα 1.1 παρουσιάζεται ο χάρτης αιολικού δυναμικού της χώρας μας. Σχήμα 1.1: Χάρτης αιολικού δυναμικού Ελλάδας με βάση τη μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου (σε m/sec) [9] Σύμφωνα με την GWEC (Global Wind Energy Council) [10] στο τέλος του 2011 η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς ανεμογεννητριών ήταν περίπου 238 GW με περισσότερα από 41 GW να είναι νέες επενδύσεις. Αυτό αντιπροσωπεύει μια αύξηση της τάξης του 21% όταν η συνολική αγορά ενέργειας εμφάνισε μια αύξηση μόλις 6%. Την μερίδα του λέοντος στις νέες εγκαταστάσεις έχουν οι αναπτυσσόμενες χώρες της Λατινικής Αμερικής και της Ασίας, με την κυριαρχία της Κίνας να είναι αδιαφιλονίκητη, όπως φαίνεται και στο Σχήμα

29 Σχήμα 1.2: Διάγραμμα για τις νέες εγκαταστάσεις αιολικών πάρκων το 2011 κατά χώρα [11] Σήμερα περισσότερες από 75 χώρες έχουν εμπορικές εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας, με 22 από αυτές να ξεπερνούν το όριο του 1 GW. Σύμφωνα με στοιχεία της EWEA (European Wind Energy Association) [13] στο τέλος του 2011 στην Ευρώπη η συνολική εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων ήταν 94 GW με τα 10 GW από αυτά να είναι νέες επενδύσεις. Την πρωτοκαθεδρία έχουν η Γερμανία και η Ισπανία με 29 και 22 GW αντίστοιχα, ενώ ακολουθούν Ιταλία, Δανία και Πορτογαλία. Το 5% της συνολικής παραγόμενης ενέργειας στην Ευρώπη το 2011 ήταν από αιολικά πάρκα [12]. 13

30 Πίνακας 1.2: Εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων στην Ευρωπαϊκή Ένωση το τέλος του 2011 [13] Στη χώρα μας η εγκατεστημένη ισχύς από αιολικά πάρκα είναι 1,7 GW, δηλαδή μόλις το 1,8% της εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη και παρότι η κατάσταση έχει βελτιωθεί σε σχέση με το πρόσφατο παρελθόν (1,5% το 2007), οι δυνατότητες της Ελλάδας είναι πολύ μεγαλύτερες. Σύμφωνα με τα τελευταία στατιστικά στοιχεία που δημοσίευσε η Eurostat [14] το 9,2% της παραγόμενης ενέργειας στη χώρα μας ήταν από Α.Π.Ε., έναντι 12,5% του μέσου όρου των 27 χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης και όσον αφορά στην ηλεκτροπαραγωγή το ποσοστό ήταν 16,68% έναντι μέσου όρου 19,94%. Το ίδιο έτος στη χώρα μας παράχθηκαν 3 TWh ενέργειας σε αιολικά πάρκα, ποσοστό που αντιστοιχεί στο 4,3% της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας [13]. Το 2008 η EWEA [15] δημοσίευσε τρία σενάρια (συντηρητικό, μέτριο και αισιόδοξο) πρόβλεψης έως το 2030 της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη, τα οποία απεικονίζονται στο Σχήμα 1.3. Είναι φανερό ότι σημαντικό μερίδιο της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος θα κατέχουν τα υπεράκτια (offshore) αιολικά πάρκα. Σύμφωνα με το συντηρητικό σενάριο το 2020 η εγκατεστημένη αιολική ισχύς 14

31 θα είναι 140 GW, με βάση το μέτριο σενάριο θα είναι 180 GW, ενώ με βάση το αισιόδοξο σενάριο θα είναι 210 GW. Σχήμα 1.3: Σενάρια πρόβλεψης της εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ευρώπη [15] Στην Ελλάδα σύμφωνα με τον προγραμματισμό που έχουμε ως χώρα, αναμένεται η συνολική ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικά πάρκα το 2020 να κυμαίνεται μεταξύ 16,80 TWh - 18,79TWh, κάτι που σημαίνει ότι η εγκατεστημένη ισχύς από ανεμογεννήτριες θα φτάσει τουλάχιστον τα 7,5 GW, δηλαδή αναμένεται να καλύπτει περίπου το 30% της εγκατεστημένης ισχύος της χώρας [6]. Στον Πίνακα 1.3 καταγράφονται οι θέσεις εργασίας που δημιούργησε η ευρωπαϊκή βιομηχανία αιολικών κατά το έτος Το Σχήμα 1.4 καταγράφει τις θέσεις πλήρους απασχόλησης στα αιολικά πάρκα στην Ελλάδα για διάφορα σενάρια διείσδυσης της αιολικής ενέργειας στην ηλεκτροπαραγωγή μέχρι το

32 Πίνακας 1.3: Θέσεις εργασίας στην ευρωπαϊκή βιομηχανία αιολικών το 2008 [6] Σχήμα 1.4: Θέσεις πλήρους απασχόλησης σε αιολικά πάρκα στην Ελλάδα το 2020 για διάφορα σενάρια διείσδυσης [6] 16

33 1.3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΚΑΙ ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ Οι ανεμογεννήτριες κατασκευάστηκαν για την εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου με σκοπό την παραγωγή ενέργειας. Η αιολική ενέργεια μετατρέπεται στην ανεμογεννήτρια στην αρχή σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Σχήμα 1.5: Σχεδιάγραμμα τυπικής ανεμογεννήτριας [16] Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών είναι συνεχώς εξελισσόμενη με αποτέλεσμα τη δημιουργία συνεχώς μεγαλύτερων ανεμογεννητριών όσον αφορά στην ισχύ αλλά και στο μέγεθος. Σήμερα χρησιμοποιούνται κυρίως μεγάλες ανεμογεννήτριες τριών πτερυγίων, ισχύος από 1,5 έως 5 MW και με διάμετρο ανεμοκινητήρα από 70 έως 130 μέτρα περίπου [4]. Στο Σχήμα 1.6 φαίνεται η εξέλιξη του μεγέθους των ανεμογεννητριών στην πάροδο του χρόνου. Σχήμα 1.6: Εξέλιξη του μεγέθους των ανεμογεννητριών [17] 17

34 Η μορφή των ανεμογεννητριών έχει περάσει πολλά στάδια στην πάροδο των χρόνων. Σχεδόν σε όλες τις ανεμογεννήτριες έχουν δοκιμαστεί πολλές και διαφορετικές λύσεις και όσον αφορά στον αριθμό των πτερυγίων αλλά και στον προσανατολισμό του άξονα. Οι δύο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών καθορίζονται από τον προσανατολισμό του άξονά τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου και διακρίνονται σε κατακόρυφου και οριζοντίου άξονα. Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου. Πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι δεν χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεμο για να είναι αποτελεσματική, δηλαδή μπορεί να περιστρέφεται από άνεμο που έρχεται από κάθε κατεύθυνση κάθε στιγμή, οπότε δεν απαιτείται μηχανισμός προσανατολισμού. Το γεγονός αυτό δίνει πλεονέκτημα σε μέρη που υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέμου. Η ηλεκτρική γεννήτρια σε αυτές τις μηχανές μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, κάτι που συνεπάγεται μια απλή και οικονομική σχεδίαση για τον πύργο. Επίσης είναι εύκολα προσβάσιμα συστήματα και πολλές φορές δεν χρειάζεται πυλώνας στήριξης. Σημαντικό επίσης γεγονός είναι ότι σε αυτές τις μηχανές ο έλεγχος βήματος πτερυγίου δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιμοποιούνται με σύγχρονη γεννήτρια. Υπάρχουν όμως και κάποια σοβαρά μειονεκτήματα που δεν καθιστούν τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα τόσο λειτουργικές. Το κυριότερο πρόβλημα είναι ότι πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική παρέμβαση, μιας και η ροπή εκκίνησής τους είναι πάρα πολύ υψηλή. Στην περίπτωση αυτή υποχρεωτικά πρέπει να λειτουργήσουν στην αρχή ως κινητήρες τραβώντας ρεύμα από το δίκτυο. Επίσης σημαντικό είναι το γεγονός πως έχουν μικρή σχετικά απόδοση μιας και η ταχύτητα του ανέμου στα ύψη που συνήθως τοποθετούνται είναι σχετικά χαμηλή και επίσης κατά την περιστροφή τους υπάρχουν σημεία στα οποία η συνεισφορά του ανέμου είναι σχεδόν μηδενική. Οι πιο γνωστοί τύποι ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι οι ανεμογεννήτριες τύπου Darrieus και Savonius [4]. 18

35 Εικόνα 1.1: Ανεμογεννήτριες Darrieus (αριστερά) και Savonius (δεξιά) [46] Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Αυτή τη στιγμή παγκόσμια οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα κατέχουν το συντριπτικό μερίδιο της αγοράς. Πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα που κάνουν τόσο δημοφιλείς αυτού του τύπου τις ανεμογεννήτριες, είναι ότι δεν χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, οπότε και με πολύ μικρές ταχύτητες μπορούμε να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ένα ακόμα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι εμφανίζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή, ενώ είναι εύκολη η συναρμολόγησή τους. Το μεγάλο μειονέκτημα των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα είναι ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και δύσκολη. Επίσης, σε σχέση προς τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, εδώ χρειάζεται ενεργός μηχανισμός περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουραίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. 19

36 Εικόνα 1.2: Ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα [46] Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται με βάση των αριθμό των πτερυγίων τους. Οι μονοπτέρυγες αν και είναι φθηνότερες όλων δεν απέκτησαν ποτέ μεγάλη δημοφιλία, είτε για αισθητικούς λόγους, είτε λόγω προβλημάτων στην εξισορρόπηση δυνάμεων της όλης κατασκευής κατά την περιστροφή τους, γεγονός που κάνει απαραίτητη την τοποθέτηση αντίβαρου στην πλήμνη. Παρόμοια προβλήματα εμφανίζουν και οι διπτέρυγες ανεμογεννήτριες αν και εκεί τα πράγματα είναι σαφώς καλύτερα. Σήμερα η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται στην αγορά είναι οι τριπτέρυγες. Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι ότι είναι πιο σταθερές μιας και το αεροδυναμικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα ενώ και το μηχανικό εξισορροπείται. Εφαρμογές με μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων έχουν υλοποιηθεί κατά καιρούς. Οι μηχανές με μεγάλο αριθμό πτερύγων προτιμώνται σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης, γιατί έχουν τη δυνατότητα να μπορούν να ξεκινούν να περιστρέφονται πιο εύκολα, καθώς μεγαλύτερη επιφάνεια επιδρά με τον άνεμο αρχικά. Παρόλα αυτά η ισχύς που παράγουν είναι μάλλον μικρότερη συγκρινόμενη με μια ανεμογεννήτρια λιγότερων πτερύγων που σαρώνει την ίδια επιφάνεια λόγω αυξημένων αεροδυναμικών απωλειών. Έχει αποδειχθεί ότι οι τριπτέρυγοι ρότορες έχουν μεγαλύτερο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος από τους πολυπτέρυγους, έτσι οι τελευταίοι χρησιμοποιούνται περιορισμένα μόνο σε κάποιες εφαρμογές, όπως η άντληση υδάτων, όπου η απαιτούμενη ροπή εκκίνησης είναι μεγάλη. Η συνηθισμένη ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιείται σήμερα αποτελείται από μια γεννήτρια, τρία πτερύγια και έναν πύργο που βρίσκεται πίσω από τα πτερύγια έτσι ώστε ο άνεμος να έρχεται από το εμπρόσθιο μέρος. Στο Σχήμα 1.7 διακρίνονται τα βασικά στοιχεία που αποτελούν μια ανεμογεννήτρια. 20

37 Σχήμα 1.7:Τομή ατράκτου ανεμογεννήτριας [16] Η πλήμνη είναι το μηχανικό εξάρτημα στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών. Ο άνεμος δεσμεύεται στα πτερύγια και μέσω του άξονα χαμηλών ταχυτήτων μεταφέρεται η κίνηση στο κιβώτιο ταχυτήτων. Από εκεί ο άξονας υψηλών ταχυτήτων μεταφέρει την κίνηση στη γεννήτρια, αποτελώντας ουσιαστικά το δρομέα της γεννήτριας. Το κιβώτιο ταχυτήτων παρεμβάλλεται πολλαπλασιάζοντας την τιμή της ταχύτητας του ανέμου που φτάνει σε αυτό από τα πτερύγια. Οι ανεμογεννήτριες σχεδιάζονται ώστε να αποδίδουν το μέγιστο της ενέργειας που μπορούν σε ταχύτητες ανέμου ανάμεσα στα 12 με 15 m/s. Δεν υπάρχει λόγος να σχεδιάζονται γεννήτριες που να αποδίδουν τη μέγιστη ισχύ τους σε μεγαλύτερες ταχύτητες μιας και τόσο δυνατοί άνεμοι είναι σπάνιοι. Ο ανεμοκινητήρας δύναται να αποδώσει ωφέλιμη ισχύ μόνο όταν η ισχύς του ανέμου είναι μεγαλύτερη από τις εσωτερικές απώλειες. Τέτοιες είναι οι τριβές, οι απώλειες στο δρομέα, στο κιβώτιο ταχυτήτων κ.τ.λ. Η ταχύτητα του ανέμου κατά την οποία ο ανεμοκινητήρας ξεκινάει να περιστρέφεται λέγεται ταχύτητα έναρξης λειτουργίας (cut-in speed). Καθώς η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται, αυξάνει και η αποδιδόμενη ισχύς μέχρι να φτάσει την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Μόλις αυτό συμβεί επιδιώκουμε η ισχύς που απομαστεύεται από τον άνεμο και η ισχύς που αποδίδεται στο δίκτυο να διατηρούνται σταθερές. Αυτό επιτυγχάνεται είτε με αλλαγή της γωνίας κλίσεως των πτερυγίων είτε με είτε με αλλαγή της γωνιακής θέσης του δρομέα ως προς τον άνεμο είτε με αλλαγή της γωνιακής ταχύτητας του δρομέα ανάλογα με το σύστημα που διαθέτει η γεννήτρια. Η μικρότερη ταχύτητα ανέμου στην οποία ο δρομέας αναπτύσσει την ονομαστική ισχύ της μηχανής-γεννήτριας λέγεται 21

38 ονομαστική ταχύτητα ανέμου (rated speed). Για ταχύτητες μεγαλύτερες της ονομαστικής δεν έχουμε μέγιστη απομάστευση της ισχύος από τον άνεμο. Όταν ο άνεμος εμφανίζει υψηλές ταχύτητες (πάνω από m/sec) διακόπτεται η λειτουργία της ανεμογεννήτριας για λόγους προστασίας της. Η ταχύτητα διακοπής λειτουργίας ονομάζεται ταχύτητα αποκοπής (cut-out speed). Σχήμα 1.8: Διάγραμμα της ισχύος σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου [4] Προκειμένου να αυξηθεί η παραγόμενη ενέργεια και να αξιοποιείται όσο το δυνατόν καλύτερα μια περιοχή με καλό αιολικό δυναμικό, οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται μαζί σαν σύνολο και αποτελούν ένα αιολικό πάρκο. Τα αιολικά πάρκα υπάρχουν τόσο στη στεριά όσο και στη θάλασσα, συνήθως κοντά στις ακτές γι' αυτό και ονομάζονται υπεράκτια. Ένα σχεδιάγραμμα που περιγράφει με γενικό τρόπο τις διατάξεις αιολικών πάρκων φαίνεται στο Σχήμα 1.9. Σχήμα 1.9: Γενικό διάγραμμα διάταξης αιολικών πάρκων [4] 22

39 Όπως φαίνεται και από το σχήμα, κάθε αιολικό πάρκο αποτελείται από διάφορα στοιχεία όπως τις ανεμογεννήτριες, το τοπικό δίκτυο των ανεμογεννητριών, ένα σημείο σύζευξης όλων των ανεμογεννητριών, ένα σύστημα μεταφοράς και ένα σημείο σύνδεσης με το δίκτυο. Το τοπικό δίκτυο των ανεμογεννητριών συνδέει τις ανεμογεννήτριες στο σημείο σύζευξης όλων των ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες συνδέονται ακτινικά. Στο σημείο σύζευξης η τάση αυξάνεται σε μια τιμή κατάλληλη για μεταφορά. Τότε η ενέργεια μεταφέρεται μέσω του συστήματος μεταφοράς στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο. Στο σημείο διασύνδεσης γίνεται ρύθμιση των επιπέδων της τάσης, της συχνότητας και της αέργου ισχύος με βάση τις απαιτήσεις του δικτύου. Στην Εικόνα 1.3 φαίνεται το αιολικό πάρκο στο Παναχαϊκό όρος συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 34,85 MW. Η ισχύς αυτή προέρχεται από 41 ανεμογεννήτριες 850 kw έκαστη, με ονομασία μοντέλου "Vestas V52-850kW" της δανέζικης εταιρείας VESTAS [16]. Εικόνα 1.3: Αιολικό πάρκο στο Παναχαϊκό όρος [47] Τα υπεράκτια αιολικά πάρκα στο μέλλον θα κατέχουν ένα πολύ σημαντικό μερίδιο της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος ανεμογεννητριών όπως είδαμε ήδη στο Σχήμα 1.3. Το αιολικό δυναμικό, ακόμα και στα ρηχά νερά (5-15m βάθος), γύρω από όλη την Ευρώπη θα μπορούσε θεωρητικά να καλύψει πολλαπλάσιες των σημερινών 23

40 ενεργειακών αναγκών της. Οι βασικοί λόγοι για τους οποίους τα υπεράκτια αιολικά πάρκα αναμένεται να αποκτήσου ξεχωριστή λόγοι είναι οι εξής [4]: Δεν υπάρχουν πολλά κατάλληλα μέρη στη στεριά για τη δημιουργία αιολικών πάρκων. Οι άνεμοι στη θάλασσα εμφανίζονται με μεγαλύτερη συχνότητα και ένταση από ότι στη στεριά. Μια αύξηση κοντά στο 20% στην ταχύτητα του ανέμου, που είναι σύνηθες φαινόμενο σε μικρή απόσταση από τη στεριά, μπορεί να αποδώσει ενέργεια ως και 73% περισσότερη. Ο άνεμος στη θάλασσα εμφανίζει μικρότερη μεταβλητότητα από ότι στη στεριά. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα πολύ μικρότερη μηχανική καταπόνηση των ανεμογεννητριών, γεγονός που αυξάνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής τους. Υπολογίζεται ότι στη στεριά ο μέσος χρόνος ζωής τους είναι γύρω στα 20 χρόνια, ενώ στη θάλασσα χρόνια. Στην Εικόνα 2.4 φαίνεται το μεγαλύτερο υπεράκτιο αιολικό πάρκο στον κόσμο. Ονομάζεται Walney Wind Farm και βρίσκεται στην Αγγλία, 14 χιλιόμετρα δυτικά της νήσου Walney κοντά στις ακτές Cumbria στην Ιρλανδική Θάλασσα. Περιλαμβάνει 102 ανεμογεννήτριες ισχύος 3,6 MW η καθεμία, δηλαδή είναι συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 367 MW [18]. Το μοντέλο της ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιήθηκε είναι το SWT-3.6 της SIEMENS. Παράγει περίπου 1300 GWh το χρόνο, ενέργεια αρκετή για να καλύψει τις ανάγκες σπιτιών, ενώ η έκταση του αιολικού πάρκου φτάνει τα 73 km 2, το βάθος της θάλασσας τα 19-23m και η απόσταση από την ακτή τα 14,4-25,8 km. Το συνολικό κόστος τους έργου ανήλθε στα 1,25 δις ευρώ και εγκαινιάστηκε την 1 η Νοεμβρίου του Εικόνα 1.4: Το μεγαλύτερο στον κόσμο υπεράκτιο αιολικό πάρκο, Walney Wind Farm [18] 24

41 Στην Ελλάδα ορισμένες τεχνικές δυσκολίες, όπως τα μεγάλα βάθη των ελληνικών θαλασσών (σε αντίθεση με τις σχετικά αβαθείς βόρειες θάλασσες), το υψηλό κόστος ηλεκτρικής διασύνδεσης, το μικρό μέγεθος των περισσότερων βραχονησίδων και οι αναπόφευκτες συγκρούσεις με τουριστικές και οικιστικές δραστηριότητες οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η χώρα μας θα καλύψει τους στόχους της με χερσαία αιολικά πάρκα κυρίως [6]. 1.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες διαφοροποιείται σημαντικά από τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής. Στο σημείο αυτό, είναι σημαντικό να αναφέρουμε τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο. Στο Σχήμα 1.10 φαίνεται το απλοποιημένο σχηματικό διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος καθώς και η ροή ενέργειας σε αυτό. Σχήμα 1.10: Διάταξη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο [19] Η κινητική ενέργεια των αερίων μαζών μετατρέπεται σε μηχανικό έργο με τη βοήθεια μιας αεροδυναμικής διάταξης, του ανεμοκινητήρα (Α/Κ). Μεταξύ του ανεμοκινητήρα και της γεννήτριας, η οποία μετατρέπει το μηχανικό έργο σε ηλεκτρική ενέργεια, παρεμβάλλεται ένα μηχανικό σύστημα προσαρμογής και μετάδοσης της ισχύος. Στη συνέχεια, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στην έξοδο της γεννήτριας, τροφοδοτείται στο δίκτυο μέσω της χρησιμοποιούμενης συσκευής συνδέσεως της με αυτό. Οι μεγάλες διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου με το χρόνο οδηγούν σε ασυμφωνία μεταξύ ζήτησης και παραγωγής ενέργειας. Λύση στο πρόβλημα αυτό μπορεί να δοθεί με την χρήση συσκευών αποθήκευσης ενέργειας. Η 25

42 αποθηκευμένη ενέργεια καλύπτει το ενεργειακό έλλειμμα, όταν η ισχύς της ανεμογεννήτριας πέφτει κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο [19]. Η δημιουργία των ανέμων είναι αποτέλεσμα της ανομοιόμορφης θέρμανσης της ατμόσφαιρας και οφείλεται στη μετακίνηση τεράστιων αερίων μαζών ώστε να γίνει ανακατανομή της θερμότητας που απορροφάται. Θεωρούμε αέρα μάζας m (αν και είναι αρκετά χαμηλής πυκνότητας) που όταν έχει ταχύτητα v w, ο άνεμος έχει κινητική ενέργειας [20]: 1 K m v w 2 2 (1.1) Αν ρ είναι η πυκνότητα του αέρα που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες (τυπική τιμή 1,3kg/m 3 ), v w η ταχύτητα του ανέμου και S (S=π R 2, όπου R το μήκος των πτερυγίων) η επιφάνεια που σαρώνει ένα πτερύγιο σε μια πλήρη περιστροφή του, τότε m p S v w (1.2) θα είναι η μάζα αέρα που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη συγκεκριμένη επιφάνεια. Συνεπώς, σύμφωνα με τη σχέση 1.1 η κινητική ενέργεια που περνά από την επιφάνεια στη μονάδα του χρόνου, δηλαδή η ισχύς του ανέμου θα είναι: P w 1 3 p S vw (1.3) 2 Αυτή είναι η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεμο και μπορεί να δεσμευθεί με έναν ανεμοκινητήρα. Στην πραγματικότητα μόνο ένα μέρος P M αυτής της ισχύος μπορεί να δεσμευθεί, διότι αφενός μεν ο αέρας πρέπει να απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα (Α/Κ) με κάποια ταχύτητα, αφετέρου δε τα πτερύγια του Α/Κ προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα το οποίο τα παρακάμπτει χωρίς να τα διαπεράσει. Ονομάζουμε αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C P ενός Α/Κ το λόγο της μηχανικής ισχύος που παράγεται P M προς την ισχύ του ανέμου P W που διαπερνά την επιφάνεια S: C P / P (1.4) P M W Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C p εκφράζει το ποσοστό της προσπίπτουσας αεροδυναμικής ισχύος που μετατρέπεται σε μηχανική από τον Α/Κ. Για έναν ιδανικό Α/Κ η μέγιστη τιμή του Cp είναι 0,593 ή 59,3%, το οποίο ονομάζεται όριο του Betz. Στην πράξη, λόγω μηχανικών τριβών, στροβίλων και αεροδυναμικών ατελειών ο C P είναι σημαντικά μικρότερος (30%-40%) [20]. Η ακριβής τιμής του C P εξαρτάται από τον τύπο και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες του Α/Κ, καθώς και τις συνθήκες λειτουργίας. Για ένα συγκεκριμένο 26

43 Α/Κ με ελεγχόμενη γωνία κλίσης β των πτερυγίων του, ο συντελεστής C P εκφράζεται από τη συνάρτηση: C P = C P (λ,β) (1.6) όπου λ είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (tip-speed ratio) και ορίζεται από τη σχέση: R v R (1.7) w δηλαδή, τη γραμμική ταχύτητα περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου. Το ω R είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του Α/Κ. Το Σχήμα 1.11 δείχνει πώς μεταβάλλεται το C P σαν συνάρτηση του λ με παράμετρο τη γωνία κλίσης β (μετρούμενη σε μοίρες). Σχήμα 1.11: Διάγραμμα του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ με το συντελεστή ισχύος C P για διάφορες τιμές του β [4] Παρατηρούμε ότι ο C p για μια δεδομένη γωνία κλίσης β των πτερυγίων παίρνει μια μέγιστη τιμή C P,max για μια συγκεκριμένη τιμή του λ την οποία συμβολίζουμε με λ opt. Επειδή, λοιπόν ο συντελεστής C p αποκτά τη μέγιστη τιμή του για μια συγκεκριμένη τιμή του λ, αυτό σημαίνει πως για κάθε κλίση των πτερυγίων β και για κάθε ταχύτητα του ανέμου v w, υπάρχει μια γωνιακή ταχύτητα ακροπτερυγίων ω R τέτοια ώστε ο ανεμοκινητήρας να απομαστεύει τη μέγιστη δυνατή μηχανική ισχύ για τη συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Στο Σχήμα 1.12 βλέπουμε την καμπύλη μέγιστης ισχύος (Optimal line - Maximum Power Point). 27

44 Σχήμα 1.12: Καμπύλη ισχύος P - ταχύτητας ακροπτερυγίων ω R με παράμετρο την ταχύτητα του ανέμου και σχεδίαση της καμπύλης των σημείων μέγιστης ισχύος (optimal line) [21] Η ηλεκτρική ισχύς P e που μπορούμε να πάρουμε στην έξοδο της γεννήτριας από έναν άνεμο ταχύτητας v w δίνεται από τη σχέση [20]: 1 3 Pe ne nm CP S vw (1.8) 2 όπου: n m είναι ο βαθμός απόδοσης του μηχανικού συστήματος (π.χ. κιβώτιο ταχυτήτων κτλ), και n e είναι ο βαθμός απόδοσης ηλεκτρομηχανικής μετατροπής. Τυπικές τιμές για τους συντελεστές απόδοσης είναι n m 0.8 και n e 0,9. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς P e είναι το πολύ ίση με την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Για το λόγο αυτό, όλες οι ανεμογεννήτριες κατασκευάζονται ώστε να λειτουργούν με ασφάλεια στις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Υπάρχουν δύο βασικές διαμορφώσεις όσον αφορά στον τρόπο ελέγχου της αεροδυναμικής ροπής και ισχύος επί του δρομέα [4]: Οι Α/Γ με έλεγχο του βήματος πτερυγίων (pitch controlled) διαθέτουν πτερύγια τα οποία έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται, περιστρέφοντας όλο ή μέρος κάθε πτερυγίου γύρω από τον άξονά τους, στην κατεύθυνση η οποία μειώνει τη γωνία πρόσπτωσης και άρα το συντελεστή άνωσης, μια διαδικασία γνωστή σαν βήμα πτέρωσης (pitch feathering). Στο Σχήμα 1.13 φαίνεται η διαδικασία. 28

45 Σχήμα 1.13: Γωνία βήματος πτερυγίου [4] Όταν η παραγωγή ενέργειας γίνεται πολύ μεγάλη, ο μηχανισμός ελέγχου της γωνίας των πτερυγίων αρχίζει να στρίβει σιγά - σιγά τα πτερύγια έτσι ώστε να μειώνεται ο άνεμος που προσπίπτει πάνω τους. Προφανώς τα πτερύγια επανέρχονται στην αρχική γωνία όταν πέσει η ένταση του ανέμου προκειμένου να έχουμε και πάλι μεγαλύτερη πρόσπτωση του πάνω τους ώστε εν τέλει να υπάρχει μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας. Ο μηχανισμός του ελέγχου βήματος πτερυγίου πραγματοποιείται με τη χρήση υδραυλικών ή και ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Οι ανεμογεννήτριες με παθητική απώλεια στήριξης (stall) διαθέτουν πτερύγια τοποθετημένα στον άξονά τους σε μια σταθερή γωνία. Η γεωμετρία των πτερυγίων είναι τέτοια ώστε αυτόματα, αεροδυναμικά να διασφαλίζεται ότι σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου θα εμφανιστούν στα πλάγια των πτερυγίων από την αντίθετη πλευρά πρόσπτωσης του ανέμου δίνες και στροβιλισμοί, όπως φαίνεται και στο Σχήμα Σχήμα 1.14: Γωνία απώλειας στήριξης [4] 29

46 Αυτές οι διαταραχές αντισταθμίζουν τις δυνάμεις άντωσης στα πτερύγια και τις περιορίζουν στο να επενεργήσουν στον ανεμοκινητήρα. Αυτό το φαινόμενο λέγεται απώλεια στήριξης(stall control). Οι αεροδυναμικές διαταραχές στις οποίες οφείλεται το φαινόμενο της απώλειας στήριξης τελικά οδηγούν σε συνεχείς αρνητικές ολισθήσεις στην ταχύτητα περιστροφές γνωστές ως "στολάρισμα". Κατά την απώλεια στήριξης το πτερύγιο στρέφεται αργά κατά μήκος του άξονά του. Αυτό γίνεται εν μέρει προκειμένου να διασφαλιστεί ότι τα πτερύγια χάνουν την απώλεια στήριξης σταδιακά κι όχι απότομα όταν η ταχύτητα ανέμου φτάσει στην καθορισμένη ταχύτητα. Το κύριο πλεονέκτημα του ελέγχουν απώλειας στήριξης είναι ότι δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη πάνω στο ρότορα. Όμως ο σχεδιασμός με βάση αυτόν τον έλεγχο αποτελεί μια πολύ περίπλοκη υπόθεση αεροδυναμικά και επηρεάζει το σχεδιασμό όλης της ανεμογεννήτριας. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η μεταβολή της γωνίας στην απώλεια στήριξης γίνεται αντίθετα προς αυτήν της γωνίας βήματος πτερυγίου. Ο μηχανισμός στρέψης των πτερυγίων είναι είτε υδραυλικός είτε γίνεται με ηλεκτρικούς μηχανισμούς. 1.5 ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΙΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι [22]: Λειτουργία σταθερών στροφών - σταθερής συχνότητας Λειτουργία μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας Οι πρώτες ανεμογεννήτριες που εγκαταστάθηκαν λειτουργούσαν σύμφωνα με τη μέθοδο των σταθερών στροφών - σταθερής συχνότητας. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι το σύστημα μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας προσφέρει περισσότερα πλεονεκτήματα και για το λόγο αυτό καθιερώθηκε. Στη συνέχεια θα αναλυθούν οι δύο μέθοδοι λειτουργίας και θα γίνουν σαφή τα πλεονεκτήματα της μεθόδου λειτουργίας μεταβλητών στροφών Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας Στη λειτουργία σταθερών στροφών (ΛΣΣ) η σύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο γίνεται απευθείας, με τη χρήση ενός μετασχηματιστή προσαρμογής της τάσης εξόδου της ανεμογεννήτριας στην τάση του δικτύου με το οποίο αυτή συνδέεται. Ένα σχηματικό διάγραμμα της λειτουργίας αυτής φαίνεται στο Σχήμα

47 Σχήμα 1.15: Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας [23] Το σύστημα με ΛΣΣ παρουσιάζει το πλεονέκτημα της εξαιρετικής απλότητας και αξιοπιστίας και των μηδενικών αναγκών συντήρησης, γεγονός που συνέβαλε στη καθιέρωσή του σε μια εποχή όπου η αξιοπιστία ήταν το βασικότερο από τα προς επίλυση προβλήματα των Α/Γ. Ταυτόχρονα όμως το σχήμα αυτό χαρακτηρίζεται από μια σειρά από καθοριστικά μειονεκτήματα, τα οποία σχετίζονται αφενός μεν με τη σταθερότητα των στροφών, αφετέρου δε με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της μηχανής. Η γεννήτρια του αιολικού συστήματος ΛΣΣ μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε ασύγχρονη. Στην περίπτωση σύγχρονης γεννήτριας οι στροφές είναι σταθερές και ίσες με το σύγχρονο αριθμό στροφών (N S =120 f S /p, όπου f S είναι η συχνότητα του δικτύου και p ο αριθμός των πόλων της γεννήτριας), ενώ στην περίπτωση επαγωγικής γεννήτριας η ταχύτητα της γεννήτριας μπορεί να μεταβληθεί μόνο κατά το ποσοστό της ολίσθησης λειτουργίας, που δεν υπερβαίνει γενικά το 1,5% (πρακτικά σταθερή ταχύτητα) [22]. Η μεταβλητότητα της ταχύτητας του ανέμου προκαλεί έντονες διακυμάνσεις της μηχανικής ροπής που ασκείται στο δρομέα του συστήματος, οι οποίες διακυμάνσεις εμφανίζονται (με μια μικρή απόσβεση) και στην ηλεκτρομαγνητική ροπή της γεννήτριας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αφενός μεν τη μεγάλη καταπόνηση των μηχανικών μερών μετάδοσης της κίνησης του συστήματος, το οποίο συνεπάγεται μείωση της διάρκειας ζωής τους, αφετέρου δε μεγάλες ταλαντώσεις της ηλεκτρικής ισχύος στην έξοδο της Α/Γ. Οι ταλαντώσεις αυτές αλλοιώνουν την ποιότητα της ισχύος (υψηλό αρμονικό περιεχόμενο), ενώ είναι δυνατό να επηρεάσουν την ευστάθεια του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεμένη η Α/Γ [22]. Ένα άλλο βασικό μειονέκτημα της ΛΣΣ είναι η λειτουργία του ανεμοκινητήρα (ή ρότορα ή δρομέα) σε μη βέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος. Όπως είδαμε από Σχήμα 1.10, η μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης της Α/Γ απαιτεί τη μεταβολή της ταχύτητας του δρομέα ανάλογα προς την ταχύτητα του ανέμου, ώστε να επιτυγχάνεται η λειτουργία στην κορυφή των αντίστοιχων καμπυλών (Οptimal line στο Σχήμα 1.10), δηλαδή υπό βέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C p,max. Στη ΛΣΣ, έχοντας δηλαδή ω R σταθερό, ο λόγος ακροπτερυγίου λ, όπως προκύπτει από τη σχέση 1.7, θα είναι αντιστρόφως ανάλογος της ταχύτητας του ανέμου. Αυτό σημαίνει 31

48 πως μόνο για μία ταχύτητα του ανέμου το λ θα παίρνει τη βέλτιστη τιμή λ opt για την οποία ισχύει C p =C p,max, όπως φαίνεται στο Σχήμα Η ΛΣΣ συνεπάγεται λοιπόν τη μη βέλτιστη εκμετάλλευση του ανεμοκινητήρα για τις περισσότερες ταχύτητες ανέμου, γεγονός που οδηγεί σε μεγάλη μείωση του συντελεστή απόδοσης τέτοιων συστημάτων. Η μικρή ελαστικότητα που εμφανίζει η ταχύτητα της επαγωγικής γεννήτριας, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, έχει πολύ σημαντική επίπτωση στα χαρακτηριστικά εξομάλυνσης του όλου συστήματος, σε σύγκριση με τη σύγχρονη γεννήτρια, κάνοντας πιο ομαλή τη σύνδεσή του με το δίκτυο. Το γεγονός αυτό (βεβαίως μαζί με μια σειρά και από άλλα πλεονεκτήματα, όπως το κόστος, η αξιοπιστία, η έλλειψη αναγκών συντήρησης και το χαμηλό βάρος [22]) καθιστούν τη μηχανή επαγωγής (συνήθως βραχυκυκλωμένου κλωβού) ιδιαίτερα κατάλληλη για εφαρμογές Α/Γ σε ΛΣΣ [22]. Ωστόσο σημαντικό μειονέκτημα είναι ότι η επαγωγική μηχανή καταναλώνει άεργο ισχύ, η οποία γίνεται τόσο μεγαλύτερη όσο αυξάνεται η παραγωγή της ενεργού ισχύος. Για να ισοσταθμίζεται η κατανάλωση αέργου ισχύος της επαγωγικής γεννήτριας ώστε να παίρνουμε συντελεστή ισχύος κοντά στη μονάδα, στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο χρησιμοποιείται συστοιχία παράλληλων πυκνωτών [4] Λειτουργία μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας Ριζική λύση σε πολλά από τα προβλήματα της ΛΣΣ μπορεί να δώσει η λειτουργία μεταβλητών στροφών (ΛΜΣ), όπου η ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας μεταβάλλεται κατά ελεγχόμενο τρόπο, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Για το σκοπό αυτό είχαν προταθεί παλαιότερα διάφορες μέθοδοι με χρήση υδραυλικών συστημάτων ή κιβωτίων ταχυτήτων μεταβαλλόμενου λόγου, αλλά ο πλέον κατάλληλος τρόπος, για λόγους απωλειών, κόστους, αξιοπιστίας και αναγκών συντήρησης, είναι με χρήση μετατροπέα συχνότητας για τη σύνδεση της ηλεκτρικής γεννήτριας στο δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό η ταχύτητα περιστροφής αποδεσμεύεται από τη σταθερή συχνότητα του δικτύου και είναι δυνατή η μεταβολή της εντός ευρέων ορίων [22]. Στο Σχήμα 1.16 δίνεται το διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. Σχήμα 1.16: Λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας [23] Όπως φαίνεται και στο σχήμα, στην έξοδο της γεννήτριας συνδέεται ένας τριφασικός ανορθωτής ελεγχόμενος ή μη, που μετατρέπει τα εναλλασσόμενα (AC) 32

49 ηλεκτρικά μεγέθη της ανεμογεννήτριας σε συνεχή (DC). Η σύνδεση στο δίκτυο γίνεται μέσω ενός αντιστροφέα (inverter, μονοφασικού η τριφασικού), ο οποίος μετατρέπει τα συνεχή ηλεκτρικά μεγέθη σε εναλλασσόμενα συχνότητας ίδιας με αυτήν του δικτύου (50 ή 60 Hz). Αυτοί οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος μπορούν να αποτελούνται είτε από θυρίστορ, είτε από ημιαγωγικά στοιχεία ελεγχόμενης έναυσης και σβέσης, όπως θυρίστορ με πύλη σβέσης (GTO θυρίστορ) ή τανζίστορ (π.χ. IGBT, MOSFET κτλ). Η επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων καθορίζεται κάθε φορά από τις προδιαγραφές του εκάστοτε αιολικού συστήματος όπως τη μεταφερόμενη ισχύ, τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας κτλ. Ο πυκνωτής μεταξύ του αντιστροφέα και του ανορθωτή κάνει εφικτή την πλήρη αποσύζευξη του ελέγχου των δύο μετατροπέων, επιτρέποντας την ανεξάρτητη ρύθμιση στην πλευρά του δικτύου και στην πλευρά της γεννήτριας. Η ροή ισχύος στο μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου ελέγχεται προκειμένου να διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή και διορθώνει το συντελεστή ισχύος, ενώ στην πλευρά της γεννήτριας ο έλεγχος εφαρμόζεται με τρόπο που να εξυπηρετεί τις ανάγκες μαγνήτισης (αν δεν έχουμε γεννήτρια με μόνιμο μαγνήτη) και να οδηγεί κάθε φορά στην επιθυμητή ταχύτητα. Ο βασικός λόγος που οδήγησε στην εισαγωγή της ΛΜΣ ήταν η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος, η οποία είναι μειωμένη στη ΛΣΣ. Στη ΛΜΣ στόχος είναι η αλλαγή της ταχύτητας του δρομέα ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας να βρίσκεται πάντα στην κορυφή των αντίστοιχων καμπυλών, η διαφορετικά στην καμπύλη μέγιστης απόδοσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα Αυτό συμβαίνει όταν η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα ω R μεταβάλλεται με την ταχύτητα του ανέμου v w σύμφωνα με τη σχέση 1.7, όπου όμως τώρα λ=λ opt. Λύνοντας ως προς ω R παίρνουμε ότι: R, opt opt vw / R (1.9) δηλαδή, στη ΛΜΣ θεωρητικά ο ανεμοκινητήρας λειτουργεί πάντοτε υπό μέγιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C p,max. Πρέπει πάντως να τονιστεί ότι η αύξηση της απόδοσης σε σχέση με τη λειτουργία σταθερών στροφών είναι πολύ μικρότερη της αναμενόμενης από τις στατικές καμπύλες ισχύος, διότι σε δυναμικές συνθήκες ο δρομέας, λόγω αδράνειας, μπορεί να παρακολουθεί μόνο τις αργές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου και άρα βρίσκεται συνεχώς σε μη βέλτιστη κατάσταση λειτουργίας [22]. Το βασικότερο ίσως πλεονέκτημα της ΛΜΣ είναι η σημαντική αύξηση της ενδοτικότητας των στροφών, γεγονός που επιτρέπει την εξομάλυνση της μεταβλητότητας των μηχανικών ροπών, την απόσβεση των συντονισμών του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης και τον περιορισμό των μέγιστων φορτίων (αιχμών της ροπής π.χ. για ριπές του ανέμου). Άμεση συνέπεια αυτών είναι ο περιορισμός των καταπονήσεων και άρα η αύξηση της αναμενόμενης διάρκειας ζωής των μηχανικών συνιστωσών και η δυνατότητα μείωσης του μεγέθους τους, με θετική επίπτωση στο βάρος και το κόστος της κατασκευής (περιορισμός του overengineering της όλης κατασκευής). 33

50 Η εξομάλυνση των μηχανικών ροπών συνεπάγεται και εξομάλυνση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της γεννήτριας, γεγονός το οποίο έχει άμεση επίπτωση στην ποιότητα της παραγόμενης ισχύος, η οποία εμφανίζει σημαντική μείωση της μεταβλητότητάς της σε όλο το φάσμα των συχνοτήτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον περιορισμό των προκαλούμενων διαταραχών της συχνότητας από τη σύνδεση Α/Γ σε αυτόνομα συστήματα, καθώς και τη μείωση των ταχειών διακυμάνσεων της τάσης (flicker), που αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό πρόβλημα στην περίπτωση ασθενών δικτύων. Ταυτόχρονα παρέχεται άμεσα η δυνατότητα ελεγχόμενης μεταβολής της παραγόμενης ισχύος(ακριβέστερα μείωσή της), εάν αυτό είναι επιθυμητό π.χ. προκειμένου να αποφευχθεί η αποσύνδεση Α/Γ λόγω υποφόρτισης των συμβατικών μονάδων σε ώρες χαμηλού φορτίου. Ανάλογα με τον τύπο των χρησιμοποιούμενων μετατροπέων ισχύος, σε ορισμένες περιπτώσεις είναι επίσης δυνατός ο έλεγχος και της αέργου ισχύος εξόδου, με λειτουργία της Α/Γ υπό μοναδιαίο ή και χωρικό συντελεστή ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο η Α/Γ μπορεί να παρέχει στήριξη τάσης σε ασθενή δίκτυα. Συνολικά, η ΛΜΣ, με χρήση κατάλληλων μετατροπέων ισχύος, περιορίζει το μη ελεγχόμενο χαρακτήρα της Α/Γ ως πηγή ισχύος και καθιστά ευκολότερη την ενσωμάτωσή της στα υπάρχοντα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας [20]. Άλλο σημαντικό πλεονέκτημα της ΛΜΣ είναι τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου λόγω λειτουργίας σε μειωμένες στροφές. Επίσης, η χρήση των μετατροπέων ισχύος παρέχει τη δυνατότητα ηλεκτρικής πέδησης σχεδόν μέχρι μηδενικής ταχύτητας (ανάλογα με το είδος των μετατροπέων) μειώνοντας τη φθορά των μηχανικών συστημάτων πέδησης, ενώ επίσης ο έλεγχος υπερφορτίσεων της μηχανής είναι πολύ πιο αποτελεσματικός, αφού ελέγχεται άμεσα το ρεύμα και η ροπή της γεννήτριας. Το βασικό μειονέκτημα των αιολικών συστημάτων με ΛΜΣ είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα και το κόστος, λόγω κυρίως του μετατροπέα συχνότητας, ο οποίος αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του κόστος του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. Ταυτόχρονα, ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη διαμόρφωση του ηλεκτρικού μέρους, ενδεχομένως να χρησιμοποιείται σύγχρονη γεννήτρια (συνήθως με δρομέα με πολλούς έκτυπους πόλους) ή μηχανή επαγωγής δακτυλιοφόρου δρομέα, αντί για την απλή ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού(που συνήθως χρησιμοποιείται στη ΛΣΣ), με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους, του βάρους και των αναγκών συντήρησης. Επίσης, η διακοπτική λειτουργία των μετατροπέων έχει ως αποτέλεσμα αφενός την αρμονική παραμόρφωση των ρευμάτων της γεννήτριας, προκαλώντας την αύξηση των απωλειών της και την ανάπτυξη αρμονικών στη ροπή, και αφετέρου την έγχυση αρμονικών συχνοτήτων στο δίκτυο, απαιτώντας την εγκατάσταση ογκωδών φίλτρων. Τα προβλήματα αυτά είναι ιδιαίτερα έντονα για τους συμβατικούς εξαπαλμικούς μετατροπείς γέφυρας, οι οποίοι χαρακτηρίζονται επιπλέον από την αυξημένη κατανάλωση αέργου ισχύος. Με τη χρήση μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο της διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation - PWM) σε διακοπτικές συχνότητες της τάξης των λίγων khz (που είναι εφικτές με τη χρήση 34

51 MOSFET ή IGBT)τα προβλήματα των αρμονικών της γεννήτριας και του δικτύου περιορίζονται σημαντικά, αφού μεταφέρονται σε υψηλότερες συχνότητες απαιτώντας έτσι μικρότερα φίλτρα [22]. Τα πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα της ΛΜΣ σε συνδυασμό με την πρόοδο της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος, η οποία επιτρέπει τη σταδιακή μείωση του κόστους και αύξηση της αξιοπιστίας των συστημάτων αυτών, με ταυτόχρονη βελτίωση των λειτουργικών τους χαρακτηριστικών, έχει οδηγήσει στην καθιέρωσή τους Εναλλακτικές τοπολογίες μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας Η αξιολόγηση των εναλλακτικών διαμορφώσεων του ηλεκτρικού μέρους μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών και η επιλογή του βέλτιστου σχήματος εξαρτάται από πολλούς και συχνά αντικρουόμενους παράγοντες, όπως είναι η δυναμική συμπεριφορά, το κόστος, η απλότητα, οι αρμονικές και ο συντελεστής ισχύος [19], [23]. Η δυναμική συμπεριφορά των εναλλακτικών τοπολογιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεί και τον πρωταρχικό παράγοντα επιλογής του καταλληλότερου σχήματος. Παρ όλα αυτά, για λόγους πληρότητας της ανάλυσης, στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται και σχολιάζονται συνοπτικά και οι άλλοι παράγοντες που υπεισέρχονται και συνεκτιμώνται για την επιλογή του τελικού σχήματος. Όσον αφορά το κόστος, αυτό σχετίζεται κατά κύριο λόγο με την επιλογή της γεννήτριας. Δηλαδή, σχήματα που περιλαμβάνουν ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού έχουν πλεονέκτημα όσο αφορά το κόστος συγκριτικά με σχήματα που περιλαμβάνουν σύγχρονη μηχανή ή ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα, καθ όσον οι μηχανές αυτές είναι σημαντικά ακριβότερες και επιπλέον παρουσιάζουν αυξημένες ανάγκες συντήρησης λόγω των δακτυλίων του δρομέα. Από την άλλη πλευρά η χρήση σύγχρονων μηχανών παρότι αυξάνει το κόστος της κατασκευής έχει το πλεονέκτημα της παραγωγής άεργου ισχύος, προϋπόθεση απαραίτητη σε πολλές εφαρμογές. Παλαιότερα, στην επιλογή του κατάλληλου σχήματος έπρεπε να ληφθεί σοβαρά υπόψη και το κόστος της διάταξης με τα ηλεκτρονικά ισχύος κάτι που δεν ισχύει πλέον σήμερα λόγω της μείωσης του κόστους τους από την εκτεταμένη εφαρμογή τους. Στο Σχήμα 1.17 φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα ενός αιολικού συστήματος ΜΣΣΣ με ασύγχρονη γεννήτρια [19]. Για τη σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο χρησιμοποιείται μία διάταξη εναλλασσόμενου/συνεχούς/εναλλασσόμενου ρεύματος (ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) που αποτελείται από έναν ανορθωτή διόδων και έναν αντιστροφέα με θυρίστορ. 35

52 Σχήμα 1.17: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη μηχανή και διάταξη ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο στάτη [23] Ο ανορθωτής διόδων μετατρέπει τη μεταβαλλόμενου πλάτους και μεταβαλλόμενης συχνότητας τάση των ακροδεκτών της γεννήτριας σε συνεχή. Η συνεχής τάση από την πλευρά του αντιστροφέα ρυθμίζεται μέσω της γωνίας έναυσης των θυρίστορ. Μεταβάλλοντας κατάλληλα την γωνία εναύσεως ελέγχεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα κατά τον επιθυμητό τρόπο και έτσι μπορούμε να ρυθμίζουμε την ροή ισχύος από την γεννήτρια στο δίκτυο. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ανεμοκινητήρων ισχύος μέχρι 250 kw. Οι πυκνωτές στους ακροδέκτες της ασύγχρονης γεννήτριας τροφοδοτούν την άεργο ισχύ που απαιτείται για την διέγερσή της. Κύρια πλεονεκτήματα της διάταξης είναι βέβαια το χαμηλό κόστος λόγω της χρήσης ασύγχρονης γεννήτριας, καθώς και η απλότητα και αξιοπιστία του συστήματος μετατροπής εξαιτίας της χρήσης ανορθωτικής γέφυρας διόδων και αντιστροφέα με θυρίστορ. Όμως, η επιλογή ανορθωτή διόδων δεν μας δίνει την δυνατότητα ελέγχου της τάσης στη πλευρά συνεχούς ρεύματος. Η τάση αυτή αυξάνεται καθώς αυξάνονται οι στροφές της γεννήτριας. Για το λόγο αυτό έχουν προταθεί διάφοροι τρόποι περιορισμού της, με κατάλληλη διαμόρφωση της παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα [23]. Από την πλευρά του δικτύου, απαιτούνται μεγάλα και δαπανηρά φίλτρα έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αρμονικές ρεύματος που δημιουργούνται από τον αντιστροφέα με θυρίστορ. Στο Σχήμα 1.18 εικονίζεται μια από τις βασικές διατάξεις των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης, η οποία έχει βρει εφαρμογή και σε ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών λόγω των πολύ καλών λειτουργικών και δυναμικών της χαρακτηριστικών. Πρόκειται για μια ασύγχρονη γεννήτρια με δύο ηλεκτρονικούς μετατροπείς αποτελούμενους από τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) στον στάτη [19], [23]. 36

53 Σχήμα 1.18: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη γεννήτρια και μετατροπείς με IGBT[19], [23] Όπως φαίνεται και στο σχήμα χρησιμοποιούνται δύο όμοιοι μετατροπείς πηγής τάσης, τόσο στην πλευρά της γεννήτριας, όσο και στην έξοδο του συστήματος προς το δίκτυο, οι οποίοι παλμοδοτούνται με την τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Για τη μεταφορά ενέργειας στο δίκτυο ο πρώτος μετατροπέας λειτουργεί ως ανορθωτής ενώ ο δεύτερος ως αντιστροφέας. Ο μετατροπέας από την πλευρά της γεννήτριας ρυθμίζει την τάση εισόδου του αντιστροφέα ενώ ο μετατροπέας από την πλευρά του δικτύου ελέγχει το συντελεστή ισχύος και άρα την ροή πραγματικής ισχύος προς αυτό. Τα μειονεκτήματα αυτού του ηλεκτρικού σχήματος είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα λόγω των δύο ελεγχόμενων μετατροπέων καθώς και η χρησιμοποίηση περισσότερων ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος (12 στοιχεία IGBT). Από την άλλη πλευρά υπάρχει πλεονέκτημα από τη χρήση της ασύγχρονης γεννήτριας λόγω του μικρότερου κόστους της αλλά και η δυνατότητα ροής ισχύος και προς τις δυο κατευθύνσεις. Επιπλέον, η χρησιμοποίηση τεχνικών PWM εκτός από τον αποτελεσματικό έλεγχο της τάσης εξόδου, εξασφαλίζει την πολύ σημαντική μείωση του αρμονικού περιεχομένου των παραγόμενων ρευμάτων, οι οποίες μετατοπίζονται σε υψηλές συχνότητες επιτρέποντας την χρήση μικρότερων και οικονομικότερων φίλτρων. Σε ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών έχει προταθεί και διερευνηθεί σε σημαντικό βαθμό η διάταξη ασύγχρονης μηχανής με δακτυλιοφόρο δρομέα και σύστημα μετατροπέων συνδεδεμένων στους ακροδέκτες του [19], [23]. Στην απλούστερη περίπτωση η διάταξη των μετατροπέων περιλαμβάνει μη ελεγχόμενο ανορθωτή στους ακροδέκτες του δρομέα και αντιστροφέα στην έξοδο, όπως φαίνεται στο Σχήμα

54 Σχήμα 1.19: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη μηχανή και μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο δρομέα [19], [23] Η ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα σε σχέση με τη βραχυκυκλωμένου δρομέα είναι ακριβότερη και έχει μεγαλύτερες απαιτήσεις συντήρησης. Από την άλλη πλευρά, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς είναι στον δρομέα διαχειρίζονται μόνο ένα τμήμα της συνολικής ισχύος εξόδου, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της ονομαστικής ισχύος των μετατροπέων και άρα και του κόστους τους. Αυτό είναι και το βασικό πλεονέκτημα της διάταξης αυτής το οποίο σε συνδυασμό με την απλότητα και την αξιοπιστία των μετατροπέων, την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική για εφαρμογές ανεμογεννητριών μεγάλης ισχύος (της τάξεως των MW). Τέλος, είναι δυνατές και άλλες παραλλαγές της διάταξης οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν ελεγχόμενο ανορθωτή με θυρίστορ αντί για τον ανορθωτή διόδων ή σύστημα διπλών μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο PWM. Η τελευταία υλοποίηση μάλιστα είναι και η καλύτερη καθώς απαλείφει και τα προβλήματα των αρμονικών, διατηρώντας το πλεονέκτημα του μειωμένου μεγέθους των μετατροπέων [19], [23]. Οι διάφορες διατάξεις που παρουσιάστηκαν μέχρι τώρα χρησιμοποιούν όλες ασύγχρονη γεννήτρια είτε κλωβού, είτε δακτυλιοφόρου δρομέα. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν κάποια ηλεκτρικά σχήματα με σύγχρονη γεννήτρια η οποία δεν χρειάζεται πυκνωτές αυτοδιέγερσης στα άκρα της αφού η ίδια μπορεί να παράγει άεργο ισχύ. Στο Σχήμα 1.20 διακρίνεται η απλούστερη δυνατή διαμόρφωση με σύγχρονη γεννήτρια και με χρήση μη ελεγχόμενου ανορθωτή και συμβατικού αντιστροφέα με θυρίστορ. 38

55 Σχήμα 1.20: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με σύγχρονη μηχανή, ανορθωτή διόδων και αντιστροφέα με θυρίστορ [19], [23] Το σχήμα αυτό, εκτός από την απλότητα των μετατροπέων ισχύος, δεν έχει να παρουσιάσει κανένα άλλο πλεονέκτημα, καθώς η χρήση σύγχρονης γεννήτριας αυξάνει τις ανάγκες συντήρησης, ο εξαπαλμικός μετατροπέας εισάγει σημαντικές αρμονικές στο ρεύμα εξόδου και δεν υπάρχει δυνατότητα λειτουργίας κινητήρα για την εκκίνηση της μηχανής λόγω του ανορθωτή διόδων [23]. Μια διαφορετική διαμόρφωση με χρήση σύγχρονης γεννήτριας είναι αυτή που εικονίζεται στο Σχήμα 1.21 και στην οποία τόσο στον ανορθωτής όσο και στον αντιστροφέα χρησιμοποιούνται θυρίστορ. Σχήμα 1.21: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με σύγχρονη μηχανή, ανορθωτή με θυρίστορ καθώς και αντιστροφέα με θυρίστορ [19], [23] Η διάταξη αυτή επιτρέπει την αντιστροφή της ροής ισχύος για επιτάχυνση της ανεμογεννήτριας κατά την εκκίνηση. Το συνεχές ρεύμα ελέγχεται μέσω της γωνίας έναυσης των ηλεκτρονικών στοιχείων του αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο, όπως 39

56 και στην περίπτωση της ασύγχρονης μηχανής, μεταβάλλεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα κατά τον επιθυμητό τρόπο έτσι ώστε να ρυθμίζεται η ροή ισχύος από την ανεμογεννήτρια στο δίκτυο. Η συμπεριφορά αυτού του συστήματος από την πλευρά του δικτύου είναι εξίσου μειονεκτική με τις προηγούμενες περιπτώσεις λόγω των αρμονικών που εισάγει ο αντιστροφέας. Μια τελευταία τοπολογία που έχει προταθεί [19], [23] φαίνεται στο Σχήμα Εδώ χρησιμοποιείται σύγχρονη μηχανή, ανορθωτής διόδων, ανυψωτής τάσης και αντιστροφέας με τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT). Η διασύνδεση με το δίκτυο πραγματοποιείται μέσω φίλτρων. Σχήμα 1.22: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με σύγχρονη μηχανή, ανορθωτή διόδων, ανυψωτή τάσης και αντιστροφέα με IGBT [19], [23] Στη διάταξη αυτή η ανόρθωση γίνεται με τον μη ελεγχόμενο ανορθωτή διόδων. Στην πλευρά συνεχούς παρεμβάλλεται ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης για τον έλεγχο της τάσης εισόδου του αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας είναι εφοδιασμένος με σύστημα ελέγχου το οποίο εξαναγκάζει τα φασικά ρεύματα στην έξοδο του αντιστροφέα να ακολουθούν κάποια ρεύματα αναφοράς. Οι κυματομορφές των ρευμάτων αναφοράς είναι συγχρονισμένες με τις κυματομορφές τάσης του δικτύου έτσι ώστε να επιτυγχάνεται μοναδιαίος συντελεστής ισχύος. Το σύστημα αυτό πλεονεκτεί γιατί χρησιμοποιείται μόνο ένα τρανζίστορ από την πλευρά της γεννήτριας και παράλληλα ο ανορθωτής με διόδους είναι απλούστερος, έχει λιγότερες απώλειες και χαμηλότερο κόστος. Βέβαια, λόγω του ανορθωτή διόδων δεν υπάρχει η δυνατότητα αντιστροφής της ροής ισχύος [19], [23] Αλληλεπίδραση ανεμογεννητριών με το δίκτυο Στα αιολικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας η μεταβλητότητα του ανέμου προκαλεί σημαντικές διακυμάνσεις στην ισχύ που απομαστεύεται από τον ανεμοκινητήρα, οι οποίες μεταφέρονται μέσω του μηχανικού συστήματος μετάδοσης στην έξοδο της γεννήτριας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αφενός μεν να εμφανίζονται 40

57 έντονες μηχανικές και ηλεκτρικές καταπονήσεις και αφετέρου να έχουμε σημαντικές ταλαντώσεις της ηλεκτρικής ισχύος στην έξοδο της ανεμογεννήτριας. Οι ταλαντώσεις αυτές αλλοιώνουν την ποιότητα της ισχύος, ενώ είναι δυνατόν να επηρεάσουν την ευστάθεια του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεμένη η ανεμογεννήτρια. Στη δυναμική αυτών των φαινομένων συμμετέχουν εξίσου ο ανεμοκινητήρας, το μηχανικό σύστημα μετάδοσης της ισχύος, η γεννήτρια, τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου που μπορεί να υπάρχουν και το ηλεκτρικό δίκτυο. Προφανώς ισχύει και το αντίθετο, δηλαδή αλλαγές στο δίκτυο όπως μεγάλες μεταβολές φορτίου ή βραχυκυκλώματα έχουν τις επιπτώσεις τους στις Α/Γ. Η εμφάνιση μικρών αυξομειώσεων της τάσης (flicker) είναι ένα πολύ σύνηθες αποτέλεσμα της επιρροής των Α/Γ στο δίκτυο. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν μια Α/Γ είναι συνδεδεμένη σε ένα ασθενές δίκτυο, μιας και μικρές αυξομειώσεις του ανέμου προκαλούν μεταβολές στην επαγόμενη τάση στο στάτη της γεννήτριας. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αμβλυνθεί είτε κατά τη σχεδίαση της Α/Γ (μηχανολογικά και ηλεκτρικά) είτε με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος (όπως αναφέρθηκε στην υποενότητα ). Τα ηλεκτρονικά ισχύος μπορεί να εισάγουν αρμονικές διαταραχές στο εναλλασσόμενο ρεύμα του δικτύου, με αποτέλεσμα να χειροτερεύσει η ποιότητα της παραγόμενης ενέργειας. Το πρόβλημα αυτό δημιουργείται γιατί η διαδικασία φιλτραρίσματος δεν είναι τέλεια, και μπορεί να αφήσει κάποια κατάλοιπα. Αν μια Α/Γ είναι συνδεδεμένη σε ένα ασθενές δίκτυο, μπορεί να είναι απαραίτητο να ενδυναμωθεί το δίκτυο, προκειμένου να μεταφέρει την ισχύ από την Α/Γ υπό καλύτερη ποιοτικά κατάσταση. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος, τα οποία μπορεί να ελέγξουν την κατανάλωση αέργου ισχύος και κατ' επέκταση την τάση στο ζυγό σύνδεσης (όπως αναφέρθηκε στη υποενότητα ). Όσον αφορά τώρα στην επίδραση του δικτύου στις Α/Γ έχει παρατηρηθεί ότι διάφορες πτώσεις τάσης αλλά και οι απαιτήσεις αέργου ισχύος μπορεί να οδηγήσουν τις Α/Γ εκτός λειτουργίας. Σήμερα, για το λόγο αυτό, στους κανονισμούς των δικτύων είναι ρητή η απαίτηση για συγκεκριμένη αντοχή των Α/Γ σε τέτοιες καταστάσεις με αδιάλειπτη συνέχιση της λειτουργίας τους υπό μειωμένη τάση (γνωστό στη διεθνή βιβλιογραφία ως Fault Ride-Through capability) [4]. Τέλος, για διάφορους λόγους υφίστανται περιορισμοί όσον αφορά τη διείσδυση των αιολικών συστημάτων τόσο σε διασυνδεδεμένα όσο και σε αυτόνομα συστήματα (όπου συνυπάρχουν συμβατικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής και αιολικά συστήματα). Οι περιορισμοί αυτοί σχετίζονται με τα τεχνικά ελάχιστα των συμβατικών μονάδων παραγωγής αλλά και περιορισμούς που εξασφαλίζουν την ευστάθεια του ηλεκτρικού συστήματος [8]. Στα μη διασυνδεδεμένα νησιά, που τροφοδοτούνται στη πλειονότητα από πετρελαϊκές μονάδες υπάρχουν κάποιοι τεχνικοί περιορισμοί που πηγάζουν από τη λειτουργία των ίδιων των μονάδων. Οι 41

58 μονάδες αυτές δεν μπορούν να υποφορτιστούν κάτω από ένα όριο ισχύος που τίθεται από τους κατασκευαστές τους [8] για λόγους οικονομικούς αλλά και ορθής λειτουργίας. Τα όρια ελάχιστης παραγωγής των συμβατικών μονάδων σε συνδυασμό με την εκάστοτε ζήτηση δημιουργούν κάποια όρια μέγιστης διείσδυσης αιολική ισχύος, τα οποία ονομάζονται τεχνικά ελάχιστα των συμβατικών μονάδων παραγωγής. Σε αυτόνομα συστήματα όταν οι διακυμάνσεις που εισάγουν οι ανεμογεννήτριες είναι μεγάλες, δεδομένου ότι το φορτίο παραμένει σταθερό, παρατηρείται διακύμανση στη συχνότητας των αυτόνομων συστημάτων, η οποία οφείλει να ρυθμίζεται από τους ρυθμιστές στροφών του σταθμού. Ακόμα και σε διασυνδεδεμένα συστήματα, μεγάλες αποκλίσεις συχνότητας εξαιτίας απώλειας της αιολικής παραγωγής, ειδικά όταν καλύπτει σημαντικό μερίδιο της ζήτησης του συστήματος, μπορεί να οδηγήσουν ακόμα και σε κίνδυνο ευστάθειας του συστήματος. Το φαινόμενο αυτό είναι σύνηθες όταν παρουσιαστεί ένα σφάλμα στο δίκτυο αλλά και όταν παρουσιάζονται μεγάλες ταχύτητες ανέμου που υπερβαίνουν την ταχύτητα αποσύνδεσης των ανεμογεννητριών. Για τους λόγους αυτούς εκτός από τους τεχνικούς περιορισμούς διείσδυσης αιολικής παραγωγής, υπάρχουν και οι δυναμικοί περιορισμοί που εξασφαλίζουν την ευστάθεια του συστήματος. 42

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΔΙΟΔΩΝ Στην Εικόνα 2.1 φαίνεται η υπό μελέτη ανεμογεννήτρια που βρίσκεται εγκατεστημένη στην οροφή του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Πρόκειται για το μοντέλο "Whisper 200" της εταιρείας Southwest Windpower. Εικόνα 2.1:Ανεμογεννήτρια στη στέγη του εργαστηρίου [24] Το συγκεκριμένο μοντέλο ανεμογεννήτριας είναι σχεδιασμένο ώστε να παράγει ισχύ 1000 W (ονομαστική ισχύς) για ταχύτητα ανέμου 11,6 m/s (ονομαστική ταχύτητα), ενώ παραγωγή ισχύος ξεκινά για ταχύτητα ανέμου 3,1m/sec (cut-in speed). Ο περιορισμός της ισχύος στην ονομαστική της τιμή στις υψηλές ταχύτητες του ανέμου γίνεται μέσω της εκμετάλλευσης του φαινομένου απώλειας αεροδυναμικής στήριξης (stall controlled Α/Γ), ενώ η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αντέξει είναι τα 55m/sec (cut-out speed). Δεν χρησιμοποιεί σύστημα μετάδοσης της κίνησης με κιβώτιο ταχυτήτων (gear box), ούτε έλεγχο πτερυγίων (Pitch control), ενώ διαθέτει διακόπτη βραχυκύκλωσης των τριών φάσεων της εξόδου της σύγχρονης γεννήτριας, με χρήση του οποίου ο δρομέας ακινητοποιείται. Όταν βραχυκυκλώνεται ο στάτης η μηχανή σταματά, γιατί παράγεται ένα ρεύμα βραχυκύκλωσης, που σε 43

60 συνδυασμό με τους μόνιμους μαγνήτες της Α/Γ, δημιουργεί μια ηλεκτρομαγνητική ροπή που συνεχώς αντισταθμίζει τη μηχανική ροπή του ανέμου (νόμος δράσης - αντίδρασης) [26]. Αυτό σημαίνει ότι, όσο μεγαλώνει ο άνεμος τόσο τείνει να μεγαλώσει και η γωνιακή ταχύτητα, όμως άλλο τόσο τείνει να αυξηθεί και η τάση λόγω επαγωγής στα τυλίγματα του στάτη. Αυτό συνεπάγεται και ταυτόχρονη αύξηση του παραγόμενου ρεύματος αφού στο βραχυκύκλωμα έχουμε πολύ μικρή αντίσταση (ίση με την εσωτερική αντίσταση της γεννήτριας) και συνεπώς πολύ μεγάλο ρεύμα. Η χαρακτηριστική καμπύλη της Α/Γ φαίνεται στο Σχήμα 2.1. Το φυλλάδιο με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μοντέλου παρατίθεται στο Παράρτημα Γ. Σχήμα 2.1: Χαρακτηριστική καμπύλη παραγόμενης ισχύος συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου [48] Η μηχανή που υπάρχει εγκατεστημένη στο εσωτερικό της συγκεκριμένης ανεμογεννήτριας, είναι μια τριφασική, σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες. Η χρήση της σύγχρονης γεννήτριας έναντι της επαγωγικής εμφανίζει πολλά μειονεκτήματα [25] (ως προς το κόστος, το βάρος, τη συντήρηση κτλ). Ωστόσο το πλεονέκτημα της παραγωγής αέργου ισχύος (απαραίτητη προϋπόθεση σε πολλές εφαρμογές) και άρα η μη ανάγκη ύπαρξης συστοιχίας πυκνωτών για τη μαγνήτιση της μηχανής (αυτοδιεγειρόμενη μηχανή), καθιστά τη σύγχρονη γεννήτρια ευρύτατα χρησιμοποιούμενη σήμερα. Η βασική διαφορά της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμων μαγνητών (PMSG) από μια σύγχρονη γεννήτρια με ηλεκτρική διέγερση είναι η απουσία του τυλίγματος διέγερσης. Οι σύγχρονες γεννήτριες με ηλεκτρική διέγερση μας δίνουν το πλεονέκτημα της δυνατότητας ελέγχου του συντελεστή ισχύος μέσω του ρεύματος διεγέρσεως. Από την άλλη πλευρά οι PMSG πλεονεκτούν στο ότι έχουν 44

61 καλύτερη απόδοση, εφόσον δεν παρουσιάζουν απώλειες χαλκού στο δρομέα και υψηλότερη πυκνότητα ισχύος (kw/kg). Επίσης δεν χρειάζονται ψήκτρες και δαχτυλίδια στο δρομέα για την εγκατάσταση του τυλίγματος διέγερσης, άρα χρειάζονται λιγότερη συντήρηση και η κατασκευή τους είναι απλούστερη. Βασικά μειονεκτήματα των PMSG είναι το μεγαλύτερο κόστος λόγω των μόνιμων μαγνητών, η ευαισθησία των μαγνητικών υλικών στις υψηλές θερμοκρασίες (σημείο Curie περίπου 250 ⁰C, άρα απαιτείται κάποιο σύστημα ψύξης), το οποίο οδηγεί σε απώλεια της μαγνητικής τους ικανότητας με το πέρασμα του χρόνου, και άρα αχρήστευση της μηχανής, καθώς και η έλλειψη δυνατότητας ελέγχου του συντελεστή ισχύος [25]. Η ανόρθωση της τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης που μας δίνει η γεννήτρια γίνεται με τον μη ελεγχόμενο ανορθωτή διόδων. Η ανορθωτική γέφυρα με διόδους έχει τα σημαντικά πλεονεκτήματα της απλότητας και της αξιοπιστίας αλλά και τα μειονεκτήματα της μη ελεγχόμενης λειτουργίας καθώς και της μη αντιστροφής της ροής ισχύος. Δεδομένου ότι στην είσοδο της ανορθωτικής γέφυρας οι εναλλασσόμενες τάσεις είναι μεταβλητού πλάτους, επόμενο είναι στην έξοδό της να παίρνουμε μια συνεχή τάση V d με μεταβαλλόμενο πλάτος. Για την εξομάλυνση της συνεχούς τάσης εξόδου V d χρησιμοποιούμε έναν πυκνωτή. Ένα απλουστευμένο ισοδύναμο κύκλωμα μίας σύγχρονης γεννήτριας παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.2: Ισοδύναμο κύκλωμα σύγχρονης γεννήτριας [12] Όπως φαίνεται από το σχήμα η τάση και το ρεύμα σε κάθε φάση στην έξοδο της γεννήτριας συνδέονται με την παρακάτω σχέση: όπου U E I R L di dt S S S S S (2.1) U S : η τάση εξόδου της γεννήτριας Ε: η επαγόμενη τάση στο στάτη I S : το ρεύμα εξόδου της γεννήτριας (ρεύμα στάτη) R S : η αντίσταση του στάτη 45

62 L S : η επαγωγή του στάτη Η επαγόμενη τάση Ε στο εσωτερικό μιας σύγχρονης γεννήτριας δίνεται από τη σχέση: E K R (2.2) όπου: Κ:σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής Φ: η μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής ω R : η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της μηχανής Αντικαθιστώντας τη σχέση (2.2) στη (2.1) παίρνουμε: U K I R L di dt S S R S S S (2.3) Δηλαδή, η τάση εξόδου της ανεμογεννήτριας εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και το ρεύμα εξόδου. Η τάση στην έξοδο μιας τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας με διόδους υπολογίζεται συναρτήσει της πολικής τάσης εισόδου από την ακόλουθη σχέση [13]: out 3 in in VDC 2 V, rms 1,35 V, rms (2.4) Από πειραματικές μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο [10], τα όρια τάσης που δύναται να παράγει η ανεμογεννήτρια μετρούμενα μετά την ανορθωτική διάταξη είναι 40V έως 100V. Προφανώς η τιμή της τάσης στην έξοδο του μοντέλου είναι μη μηδενική όταν ο δρομέας της γεννήτριας στρέφεται, κάτι που συμβαίνει όταν ξεπεραστούν οι τριβές και αυτό σύμφωνα με το τεχνικό φυλλάδιο του κατασκευαστή συμβαίνει σε ταχύτητα ανέμου 3,1 m/s. Ονομαστική Ισχύς Εξόδου Ελάχιστη Τάση Εξόδου Ανορθωτή Μέγιστη Τάση Εξόδου Ανορθωτή Ελάχιστη Ταχύτητα Ανέμου Μέγιστη Ταχύτητα Ανέμου Ονομαστική Ταχύτητα Ανέμου 1000 W 40 V 100 V 3,1 m/s 55 m/s 11,6 m/s Πίνακας 2.1: Χαρακτηριστικά στοιχεία του μοντέλου «Whisper 200» και της μη ελεγχόμενης ανορθωτικής διάταξης 46

63 2.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Όλοι οι μετατροπείς DC-DC είναι κατάλληλοι προκειμένου να χρησιμοποιηθούν για έλεγχο μέγιστης απομάστευσης ισχύος (MPPT). Στη συγκεκριμένη εφαρμογή η ανεμογεννήτρια θα συνδεθεί με το δίκτυο και εξαιτίας των χαμηλών επιπέδων τάσεως που αυτή παράγει στην έξοδο της απαιτείται ένας μετατροπέας που να έχει δυνατότητα ανύψωσης. Ο μετατροπέας που επιλέχτηκε και ο οποίος μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας του Ιωάννη Γκαρτζώνη, όπως έχει αναφερθεί, είναι ο interleaved boost [45]. Ο μετατροπέας boost επιλέχτηκε εξαιτίας της απλότητας του και του χαμηλού κόστους του. Πρόκειται για το μετατροπέα DC-DC, ο οποίος για την υλοποίηση του απαιτεί τα λιγότερα κυκλωματικά στοιχεία καθώς αποτελείται από ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο(mosfet, IGBT, θυρίστορ, GTO,κ.α.), μία δίοδο ισχύος ένα πηνίο και ένα πυκνωτή εξόδου. Πρέπει να τονιστεί ότι δε χρησιμοποιεί μετασχηματιστή. Πολύ σημαντικές βελτιώσεις ιδιαίτερα χρήσιμες και στη συγκεκριμένη εφαρμογή, προσφέρει η αρχή λειτουργίας της διαδοχικής αγωγής κλάδων (interleaving) και γι' αυτό χρησιμοποιήθηκε. Μεταξύ των δύο μετατροπέων είναι αναγκαία η τοποθέτηση πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας. Για την ορθή λειτουργία του συστήματος είναι αναγκαίο η τάση μεταξύ των δύο μετατροπέων του να παραμένει σταθερή και μάλιστα με μικρή κυμάτωση. Επίσης, είναι γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του αντιστροφέα απαιτούνται μεγάλα παλμικά ρεύματα εισόδου, τα οποία προσφέρονται από τον πυκνωτή. Προκειμένου να διατηρούμε μικρή κυμάτωση στον πυκνωτή, εξαιτίας των μεγάλων παλμικών ρευμάτων, η τιμή της χωρητικότητας πρέπει να είναι μεγάλη. Συνήθως χρησιμοποιείται συστοιχία παράλληλων πυκνωτών. Βασικός λόγος γι αυτό είναι πως στο εμπόριο σπανίζουν πυκνωτές πολύ μεγάλης χωρητικότητας. Σημαντικό επίσης πλεονέκτημα με τη χρήση συστοιχίας πυκνωτών είναι το γεγονός πως μειώνεται η αντίσταση (ESR) που παρουσιάζει η DC διασύνδεση. 2.3 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, στο σύστημα που επιλέχθηκε να κατασκευαστεί για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης, χρησιμοποιήθηκε ένας μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης που παίρνουμε στην έξοδο του "interleaved boost" σε εναλλασσόμενη και τον έλεγχο παράλληλα της ροής ισχύος από και προς το δίκτυο. Σε αυτήν την υποενότητα θα μελετήσουμε αναλυτικά τη λειτουργία του μονοφασικού αντιστροφέα, καθώς αποτέλεσε το βασικό τμήμα που κατασκευάστηκε στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 47

64 2.3.1 Ανάλυση μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας Στο Σχήμα 2.3 παρουσιάζεται η κυκλωματική δομή του μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Παρατηρούμε ότι αποτελείται από τέσσερα ελεγχόμενα διακοπτικά στοιχεία, από τέσσερις διόδους αντιπαράλληλα σε κάθε ένα διακοπτικό στοιχείο και από δύο πυκνωτές που συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους, ώστε το σημείο σύνδεσης τους να βρίσκεται στο μισό δυναμικό. Οι ελεγχόμενοι ημιαγωγικοί διακόπτες μαζί με τις διόδους είναι χωρισμένοι σε δυο ομάδες, ομάδα Α και ομάδα Β, όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε στο Σχήμα 2.3. Στον αντιστροφέα που κατασκευάσαμε στο εργαστήριο, ως ελεγχόμενα διακοπτικά στοιχεία χρησιμοποιήσαμε τους ημιαγωγικούς διακόπτες τύπου MOSFET οι οποίοι ελέγχονται από την τάση μεταξύ της Πύλης (Gate) και της Πηγής (Source) του στοιχείου και περιλαμβάνουν στη δομή τους την αντιπαράλληλη δίοδο. Σχήμα 2.3: Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας Συνεπώς, ελέγχοντας την τάση V GS που εφαρμόζουμε στην πύλη των MOSFET, μπορούμε να ελέγξουμε και την τάση που θα πάρουμε στην έξοδο του αντιστροφέα, V O, όταν φυσικά γνωρίζουμε την τάση που εφαρμόζεται στην είσοδό του, V d. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι ελέγχου της τάσης V GS, εμείς ωστόσο, επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε τη μέθοδο ημιτονοειδούς διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM) με διπολική αλλά και με μονοπολική τάση εξόδου. Οι μέθοδοι αυτοί αν και αποτελούν δυο διαφορετικές μεθόδους, παρουσιάζουν αρκετές ομοιότητες, όπως θα διαπιστώσουμε στη συνέχεια. Στόχος μας και στις δύο περιπτώσεις είναι όταν συνδέσουμε την έξοδο του αντιστροφέα με ένα κατωδιαβατό φίλτρο, η έξοδος του φίλτρου να είναι μια 48

65 ημιτονοειδής εναλλασσόμενη τάση, συχνότητας 50 Ηz και πλάτους που μπορούμε να ελέγξουμε Παλμοδότηση με τετραγωνικούς παλμούς Παρότι, χρησιμοποιήθηκε η SPWM μέθοδος παλμοδότησης παρακάτω αναλύεται συνοπτικά η λειτουργία του μονοφασικού αντιστροφέα με τετραγωνικούς παλμούς, καθώς βοηθά ιδιαίτερα στην κατανόηση της λειτουργίας του κυκλώματος. Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει τη ροή ρεύματος, όταν αυτό άγει, κατά τη μία φορά, ενώ η αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει στην αντίθετη κατεύθυνση. Η παρουσία των αντιπαράλληλων διόδων είναι απαραίτητη όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης, διότι δίνουν ένα δρόμο επιστροφής του ρεύματος, άρα και της ενέργειας, από το φορτίο στη συνεχή τάση τροφοδοσίας στην είσοδο του αντιστροφέα. Τα τρανζίστορ στο μονοφασικό μετατροπέα με συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας αναβοσβήνουν σε διαγώνια ζευγάρια. Όταν δηλαδή τα Τ Α+ και Τ Β- είναι σε αγωγή, τα Τ Β+ και Τ Α- είναι σε αποκοπή και το αντίθετο. Έτσι πάνω στο φορτίο εμφανίζεται μια τετραγωνική τάση από V d έως - V d. Εάν το φορτίο είναι καθαρά ωμικής φύσεως, τότε και το ρεύμα έχει παρόμοια μορφή με την τάση και οι αντιπαράλληλες δίοδοι δεν έχουν ενεργό ρόλο στη λειτουργία του κυκλώματος. Στην περίπτωση όμως που το φορτίο είναι επαγωγικής φύσεως τα πράγματα είναι διαφορετικά. Ας υποθέσουμε αρχικά ότι σε αγωγή βρίσκονται τα Τ Α+ και Τ Β- και το ρεύμα ρέει από το Α προς το σημείο Β (θεωρούμε προφανώς το φορτίο συνδεδεμένο στους ακροδέκτες Α,Β). Όταν ο παλμός των Τ Α+ και Τ Β- σβήσει και επομένως τα τρανζίστορ έρθουν σε αποκοπή, ενώ ταυτόχρονα παλμοδοτηθούν τα Τ Β+ και Τ Α- και έρθουν σε αγωγή, η πολικότητα της τάσης πάνω στο φορτίο θα αλλάξει, το ρεύμα όμως για ένα χρονικό διάστημα θα συνεχίσει να ρέει με την ίδια φορά, λόγω της καθυστέρησης που εισάγει το επαγωγικό φορτίο. Έτσι το ρεύμα, γι' αυτό το χρονικό διάστημα, θα ρέει διαμέσου των διόδων D Β+ και D Α-, επιστρέφοντας ενέργεια στην πηγή τροφοδοσίας. Οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος του μονοφασικού αντιστροφέα σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας και παλμοδότηση με τετραγωνικούς παλμούς, για ωμικό - επαγωγικό φορτίο φαίνονται στο Σχήμα

66 Σχήμα 2.4: Κυματομορφές τάσης και ρεύματος του μονοφασικού αντιστροφέα ρεύματος σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας, τετραγωνική παλμοδότηση και ωμικό-επαγωγικό φορτίο [27] 50

67 Όσον αφορά στο αρμονικό περιεχόμενο ενός τέτοιου είδους αντιστροφέα πέραν της βασικής αρμονικής η οποία βρίσκεται στη συχνότητα της τετραγωνικής κυματομορφής παλμοδότησης των τρανζίστορς, εμφανίζονται και ανώτερες αρμονικές σε συχνότητες που είναι μονά ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου Στη μέθοδο διαμόρφωσης του εύρους των παλμών, ο έλεγχος των παραγόμενων παλμών προκύπτει από τη σύγκριση μιας τάσης αναφοράς με μια τάση ελέγχου. Στην ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών, η τάση αναφοράς είναι μια εναλλασσόμενη τριγωνική τάση, Vtri, με συχνότητα f S (φέρουσα συχνότητα), και η τάση ελέγχου μια ημιτονοειδής εναλλασσόμενη τάση, V control, με συχνότητα f 1 (θεμελιώδης συχνότητα). Η συχνότητα f S καθορίζει τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα και λέγεται συχνότητα μετάβασης ή διακοπτική συχνότητα. Η συχνότητα f 1 είναι η επιθυμητή θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, εκείνη η συχνότητα δηλαδή που θέλουμε να «περάσει» στην έξοδο του κατωδιαβατού φίλτρου. Η τάση εξόδου του αντιστροφέα δεν θα είναι μια τέλεια ημιτονοειδής κυματομορφή, αλλά θα περιέχει αρμονικές της f 1. Σε αυτό το σημείο πρέπει να ορίσουμε τους δυο βασικούς συντελεστές διαμόρφωσης της μεθόδου. Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους (amplitude modulation ratio) m a ορίζεται ως: m a V (2.5) max control max Vtri Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας (frequency modulation ratio) m f ορίζεται ως: m f f f s (2.6) 1 και σε αυτό το είδος διαμόρφωσης πρέπει να είναι περιττός ακέραιος αριθμός, για λόγους βελτίωσης του αρμονικού περιεχομένου που θα εξηγηθούν παρακάτω. Στη διαμόρφωση εύρους παλμών με διπολική τάση εξόδου, η παλμοδότηση των διακοπτικών στοιχείων γίνεται σε δύο ομάδες οι οποίες είναι το στοιχείο Τ Α+ με το Τ Β- και το στοιχείο Τ Α- με το Τ Β+. Σε αυτή τη μέθοδο η κάθε ομάδα στοιχείων παλμοδοτείται με την ίδια παλμοσειρά. Ακόμη, η παλμοδότηση των δυο ομάδων γίνεται με συμπληρωματικό τρόπο. Δηλαδή, όταν έχει θετικό παλμό η μία ομάδα και είναι σε αγωγή οι ημιαγωγικοί διακόπτες, η άλλη ομάδα έχει μηδενικό παλμό, ώστε οι ημιαγωγικοί διακόπτες να μένουν σε αποκοπή. Η δημιουργία των παλμών ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων γίνεται ως εξής. 51

68 Όταν V control > V tri τότε η πρώτη ομάδα παίρνει θετικό σήμα και οι ημιαγωγικοί διακόπτες Τ Α+ και Τ Β- είναι σε αγωγή, ενώ η δεύτερη ομάδα παίρνει μηδενικό σήμα και οι διακόπτες Τ Α- και Τ Β+ είναι σε αποκοπή. Έτσι, U o = V d. Όταν V tri > V control τότε η δεύτερη ομάδα παίρνει θετικό σήμα και οι ημιαγωγικοί διακόπτες Τ Α- και Τ Β+ είναι σε αγωγή, ενώ η πρώτη ομάδα παίρνει μηδενικό σήμα και οι διακόπτες Τ Α+ και Τ Β- είναι σε αποκοπή. Έτσι, U o = -V d. Στο Σχήμα 2.5 μπορούμε να δούμε τις τάσεις που συγκρίνονται για την παραγωγή των παλμών ελέγχου καθώς και την τάση στην έξοδο του αντιστροφέα. Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα μεταβαίνει από την θετική τιμή της, +V d, στην αρνητική, -V d, σχεδόν ακαριαία, δηλαδή στην έξοδο έχουμε διπολική τάση. Σχήμα 2.5: Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου [28] Σε αυτό το σημείο, οφείλουμε να αναφέρουμε ότι το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, προκύπτει από τις σχέσεις: 52

69 max Vo 1 mav d ( ma 1, ή ή) (2.7) max 4 Vd Vo 1 Vd ( ma 1, ό ) (2.8) Αν ο συντελεστής m f είναι ακέραιος περιττός αριθμός και ισχύει mf 9 η ανάλυση Fourier της τάσης εξόδου δείχνει ότι [29]: Η τάση εξόδου περιέχει μόνο περιττές αρμονικές. Οι αρμονικές συχνότητες εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες γύρω από τη φέρουσα συχνότητα και τα πολλαπλάσια της f ( jm k) f (2.9) h f 1 Δηλαδή η αρμονική τάξης h αντιστοιχεί στην k-τάξης πλευρική ζώνη της, j-φορές το συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας m f : h j( m ) k (2.10) f όπου η θεμελιώδης συχνότητα αντιστοιχεί στο h=1. Για περιττές τιμές του j, οι αρμονικές υπάρχουν μόνο για άρτιες τιμές του k. Για άρτιες τιμές του j, οι αρμονικές υπάρχουν μόνο για περιττές τιμές του k. Τα πλάτη των αρμονικών είναι σχεδόν ανεξάρτητα από τον συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας όταν ισχύει mf 9. Στο Σχήμα 2.6 φαίνονται τα κανονικοποιημένα πλάτη και οι αρμονικές τάξεις που εμφανίζονται οι πιο σημαντικές αρμονικές συνιστώσες της τάσης εξόδου, όταν mf 15 και ma 0,8. Σχήμα 2.6: Πλάτη και αρμονικές τάξεις που εμφανίζονται οι αρμονικές συνιστώσες σε διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου [28] Όταν m a >1, το πλάτος της τάσης ελέγχου είναι μεγαλύτερο από το πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής και η θεμελιώδης συνιστώσα της τάσης δεν μεταβάλλεται 53

70 γραμμικά με το σήμα ελέγχου, όπως είδαμε στη σχέση 2.8. Σ' αυτήν την περιοχή λειτουργίας, η οποία ονομάζεται περιοχή υπερδιαμόρφωσης, το πλάτος των αρμονικών εξαρτάται από το συντελεστή m f. Το φάσμα της τάσης εξόδου τροποποιείται δραστικά με κυριότερο χαρακτηριστικό την εμφάνιση αρμονικών συχνοτήτων σε χαμηλές τιμές, οι οποίες ενισχύονται με την αύξηση του m a [28]. Οι αρμονικές χαμηλών συχνοτήτων είναι δύσκολο να φιλτραριστούν και απαιτούν ιδιαίτερα ογκώδη και ακριβά φίλτρα, γι' αυτό σε συνήθεις εφαρμογές η υπερδιαμόρφωση αποφεύγεται Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου Στη διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας χωρίζονται πάλι σε δυο ομάδες, στις ομάδες Α και Β όπως φαίνονται στο Σχήμα 2.3, αλλά η παλμοδότηση κάθε στοιχείου είναι ξεχωριστή και διαφορετική από κάθε άλλου. Για την παλμοδότηση των στοιχείων ακολουθείται η εξής διαδικασία [28]: Για την ομάδα Α, συγκρίνεται η V tri με τη V control και όταν V control >V tri τότε ο διακόπτης Τ Α+ είναι σε αγωγή ενώ ο Τ Α- είναι σε αποκοπή, και V AN =V d, ενώ όταν ισχύει V control < V tri τότε ο διακόπτης Τ Α- είναι σε αγωγή ενώ ο Τ Α+ είναι σε αποκοπή, και V AN =0. Για την ομάδα Β, συγκρίνεται η V tri με τη -V control και όταν (-V control )>V tri τότε ο διακόπτης Τ Β+ είναι σε αγωγή ενώ ο Τ Β- είναι σε αποκοπή, και V ΒN =V d, ενώ όταν ισχύει (-V control ) <V tri τότε ο διακόπτης Τ Β- είναι σε αγωγή ενώ ο Τ Β+ είναι σε αποκοπή, και V ΒN =0. Δηλαδή, το ημίτονο ελέγχου της ομάδας Β έχει διαφορά 180 ο από το ημίτονο ελέγχου της ομάδας Α. Από τα παραπάνω προκύπτουν τέσσερις δυνατοί συνδυασμοί διακοπτών σε αγωγή και των αντίστοιχων επιπέδων τάσης, όπως φαίνονται και στο Σχήμα Τ Α+, Τ Β- σε αγωγή: V AN = V d, V ΒN = 0, U o = V d 2. Τ Α-, Τ Β+ σε αγωγή: V AN = 0, V ΒN = V d, U o = -V d 3. Τ Α+, Τ Β+ σε αγωγή: V AN = V d, V ΒN = V d, U o = 0 4. Τ Α-, Τ Β- σε αγωγή: V AN = 0, V ΒN = 0, U o = 0 Σε αυτή τη μέθοδο διαμόρφωσης των παλμών παρατηρούμε από το Σχήμα 2.7 (d), ότι όταν συμβαίνει μια μετάβαση, η τάση εξόδου αλλάζει μεταξύ των επιπέδων τάσης 0 και +V d ή μεταξύ των 0 και -V d. Για το λόγο αυτό, η συγκεκριμένη μέθοδος διαμόρφωσης SPWM ονομάζεται διαμόρφωση εύρους παλμών με μονοπολική τάση εξόδου. Δηλαδή, με αυτή τη μέθοδο τα άλματα της τάσης εξόδου σε κάθε μετάβαση μειώνονται σε V d από 2V d που είχαμε στην προηγούμενη μέθοδο που αναλύσαμε. 54

71 Το πλεονέκτημα του διπλασιασμού της συχνότητας μετάβασης εμφανίζεται στο φάσμα της τάσης εξόδου, όπου οι χαμηλότερες αρμονικές εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες σε συχνότητα διπλάσια της φέρουσας. Αυτό είναι εύκολο να γίνει κατανοητό σε ένα μονοφασικό αντιστροφέα, αν επιλεγεί άρτιος συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f. Τότε, οι κυματομορφές της τάσης V AN και V ΒN μετατοπίζονται κατά 180 ο από τη θεμελιώδη συχνότητα f 1, η μία σε σχέση με την άλλη. Επομένως, οι αρμονικοί όροι στη συχνότητα μετάβασης στις V AN και V ΒN έχουν την ίδια φάση (φ ΑΝ -φ ΒΝ =180 ο, m f =0 o, εφόσον οι κυματομορφές είναι κατά 180 ο μετατοπισμένες και ο m f θεωρείται άρτιος). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την απαλοιφή του αρμονικού όρου στη συχνότητα μετάβασης στην τάση εξόδου U o = V AN -V ΒN. Επίσης, εξαλείφονται οι πλευρικές ζώνες των αρμονικών της συχνότητας μετάβασης. Κατά παρόμοιο τρόπο, εξαλείφεται η άλλη κύρια αρμονική με συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους, ενώ οι πλευρικές ζώνες της παραμένουν. Σε αυτή τη μέθοδο ισχύουν επίσης οι σχέσεις (2.11), (2.12) max Vo 1 mav d ( ma 1) (2.11) max 4 Vd Vo 1 Vd ( ma 1, ό ) (2.12) Η συχνότητα των αρμονικών τάξης h όμως δίνεται από τη σχέση: f [ j(2 m ) k] f (2.13) h f 1 Στην SPWM με μονοπολική τάση εξόδου, ο συντελεστής m f λαμβάνει άρτιες τιμές. Έτσι στην τάση εξόδου περιλαμβάνονται αποκλειστικά περιττές αρμονικές ενώ ο συντελεστής k στη σχέση 2.13 λαμβάνει περιττές τιμές. Στο Σχήμα 2.7 (e) φαίνονται οι αρμονικές τάξεις των συνιστωσών της τάσης στην έξοδο του μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με μέθοδο ελέγχου την ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών με μονοπολική τάση εξόδου, καθώς και τα κανονικοποιημένα πλάτη των αρμονικών κάθε τάξης για συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους m a =0,8. 55

72 Σχήμα 2.7: Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου [28] Όπως, μπορούμε να διαπιστώσουμε και από το προηγούμενο διάγραμμα, οι πιο «κοντινές» σε συχνότητα ανώτερες αρμονικές συνιστώσες της βασικής συνιστώσας της τάσης εξόδου, εμφανίζονται σε διπλάσια συχνότητα της διακοπτικής συχνότητας. Έτσι, το κατωδιαβατό φίλτρο που απαιτείται σε αυτή την περίπτωση θα είναι σημαντικά μικρότερο σε σχέση με εκείνο που θα απαιτούνταν στην διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου, αφού έχει τη διπλάσια συχνότητα αποκοπής. Για το λόγο αυτό στο πλαίσιο της συγκεκριμένης διπλωματικής επιλέχθηκε η χρήση της μονοπολικής SPWM τεχνικής παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. 56

73 2.4 ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ Η τάση εξόδου του μονοφασικού αντιστροφέα που παλμοδοτείται με SPWM είναι παλμική και όχι ημιτονοειδής. Η τάση εξόδου έχει επομένως ανώτερες αρμονικές, όπως και το ρεύμα εξόδου. Οι ανώτερες αρμονικές δημιουργούν διάφορα προβλήματα όπως [35]: Οι αρμονικές του ρεύματος δεν μεταφέρουν ενεργό ισχύ αλλά συντελούν στην αύξηση της αέργου ισχύος. Αυτό συνεπάγεται μεγαλύτερο ρεύμα για μία δεδομένη ενεργό ισχύ. Έτσι οι αρμονικές αυξάνουν τις απώλειες ενέργειας στα καλώδια, και στους μετασχηματιστές. Οι πυκνωτές αντιστάθμισης σε συνδυασμό με τις αυτεπαγωγές σκέδασης κυρίως των μετασχηματιστών αλλά και των καλωδίων δημιουργούν LC κυκλώματα. Το LC κύκλωμα έχει μία συχνότητα συντονισμού. Εάν ένα τέτοιο κύκλωμα τροφοδοτηθεί με ρεύμα συχνότητας ίσης με την συχνότητα συντονισμού του τότε το κύκλωμα συντονίζεται με θεωρητικό αποτέλεσμα την δημιουργία άπειρης τάσης στους ακροδέκτες του κυκλώματος (στη συγκεκριμένη περίπτωση στους ακροδέκτες των πυκνωτών και των μετασχηματιστών) και πολύ μεγάλα ρεύματα τα οποία κυκλοφορούν μέσα στον βρόγχο πυκνωτής-μετασχηματιστής. Στην πράξη όμως ο συντονισμός δεν είναι τέλειος λόγω των ωμικών αντιστάσεων τόσο του μετασχηματιστή όσο και των καλωδίων αλλά και επειδή είναι σπάνιο να υπάρχουν τα ακριβή μεγέθη πυκνωτή και μετασχηματιστή τα οποία θα συντονισθούν ακριβώς σε κάποια ακέραιη αρμονική ρεύματος. Πάντως, όσο πιο κοντά στην συχνότητα συντονισμού βρίσκεται το ρεύμα του μη γραμμικού φορτίου τόσο μεγαλύτερη είναι η ενίσχυσή του στο εσωτερικό του κυκλώματος LC. Αυτό μπορεί να συμβεί στην πράξη και έχει ως αποτέλεσμα την κυκλοφορία μεγάλων ρευμάτων στους πυκνωτές αντιστάθμισης και στους μετασχηματιστές και επομένως την υπερφόρτιση έως και την καταστροφή τους. Οι αρμονικές ρεύματος καθώς ρέουν στα καλώδια δημιουργούν αντίστοιχες πτώσεις τάσης. Εάν η σύνθετη αντίδραση του καλωδίου είναι μεγάλη τότε δημιουργείται και παραμόρφωση της τάσης με αρμονικές. Αυτή η παραμορφωμένη τάση επιβάλλεται και σε γραμμικά φορτία όπως οι κινητήρες. Σε αυτές τις περιπτώσεις αυξάνονται οι απώλειες σιδήρου των κινητήρων. Επιπλέον ορισμένες αρμονικές όπως η 3 η, 5 η, 8 η, 11 η, 14 η κλπ, δημιουργούν αντίστροφα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στους κινητήρες με αποτέλεσμα να δημιουργούνται αντίστροφες ροπές σε αυτούς το οποίο ισοδυναμεί με πέδησή τους. Αυτά γίνονται αντιληπτά σαν υπερθέρμανση των κινητήρων η οποία βαθμιαία οδηγεί σε γήρανση της μόνωσής των και τελικά συχνή αλλαγή της. Σε ορισμένες περιπτώσεις η παραμόρφωση της τάσης μπορεί να επεκταθεί μέχρι και το σημείο σύνδεσης της βιομηχανίας με την ΔΕΗ οπότε ενδεχομένως να υπάρχουν ανάλογες κυρώσεις για μόλυνση του δικτύου. Σύμφωνα με την οδηγία 120 της ΔΕΗ η ανοχή στην παραμόρφωση της τάσης μπορεί να είναι από 0.5%-6% αναλόγως του μεγέθους της αρμονικής. Οι αρμονικές μεγάλης συχνότητας δημιουργούν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και ειδικά σε βιομηχανικούς χώρους στην λειτουργία των διαφόρων ηλεκτρονικών 57

74 συστημάτων ελέγχου (προβλήματα στα PLC, λανθασμένες εντολές ελέγχου, κλπ). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση των νεκρών χρόνων από δυσλειτουργία των ηλεκτρονικών συστημάτων και επομένως αύξηση του κόστους συντήρησης. Επομένως, το φιλτράρισμα των ανώτερων αρμονικών αποκτά ιδιαίτερη σημασία. Έτσι, στην έξοδο του αντιστροφέα συνδέθηκε ένα κατωδιαβατό LC φίλτρο, η μορφή του οποίου δίδεται στο Σχήμα 2.8. Σχήμα 2.8: LC φίλτρο εξόδου Το LC φίλτρο σε σχέση με ένα απλό πηνίο διαθέτει το πλεονέκτημα της μείωσης του κόστους και των απωλειών, καθώς η χρήση του πυκνωτή δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί μικρότερο πηνίο. Πρέπει να αποφεύγονται όμως μεγάλες τιμές του πυκνωτή γιατί μπορεί να δημιουργηθούν προβλήματα όπως υψηλό χωρητικό ρεύμα στη βασική συχνότητα ή εξάρτηση του φίλτρου από τη συνολική εμπέδηση του δικτύου [36]. Οι λόγοι για τους οποίους δεν χρησιμοποιήθηκε το κλασσικό LC φίλτρο με ένα μόνο πηνίο είναι κατασκευαστικοί. Για την κατασκευή ενός και μόνο πηνίου, εξαιτίας της μεγάλης τιμής του ρεύματος, απαιτούνταν πολύ μεγάλος πυρήνας φερρίτη, ο οποίος δεν ήταν διαθέσιμος στην ελληνική αγορά. Γι' αυτό αποφασίστηκε να κατασκευαστούν δύο μικρότερα πηνία, τα οποία τοποθετήθηκαν όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.8. Στο σχήμα 2.9 φαίνεται το διάγραμμα Bode ενός LC φίλτρου. Σχήμα 2.9: Bode διάγραμμα ενός LC φίλτρου [36] 58

75 Η συχνότητα αποκοπής ενός LC φίλτρου δίνεται από τη σχέση: 1 2 LC (2.14) f cut off 2.5 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Στην έξοδο του φίλτρου συνδέσαμε ένα μονοφασικό μετασχηματιστή για να μετασχηματίσει την ημιτονοειδή πλέον τάση στο επίπεδο της τάσης του δικτύου χαμηλής τάσης, ώστε να μπορέσει να ολοκληρωθεί η διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο. Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιήθηκε μετασχηματιστής είναι κυρίως η ανύψωση της τάσης εξόδου του μονοφασικού αντιστροφέα ώστε να μπορεί να συνδεθεί στο δίκτυο χαμηλής τάσης καθώς και η γαλβανική απομόνωση του συστήματος από το δίκτυο. Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός μονοφασικού Μ/Σ δίνεται στο σχήμα Ο δείκτης 1 χαρακτηρίζει ένα μέγεθος του πρωτεύοντος, ενώ ο δείκτης 2 αναφέρεται στα μεγέθη του δευτερεύοντος [37]. Σχήμα 2.10: Ισοδύναμο κύκλωμα ενός μονοφασικού Μ/Σ [37] Ορίζουμε τα μεγέθη: R 1 : ωμική αντίσταση πρωτεύοντος R' 2 : ωμική αντίσταση δευτερεύοντος (ανηγμένη στο πρωτεύον) L σ1 : αυτεπαγωγιμότητα σκεδάσεως πρωτεύοντος L' σ2 : αυτεπαγωγιμότητα σκεδάσεως δευτερεύοντος (ανηγμένη στο πρωτεύον) L h1 : κύρια αυτεπαγωγή πρωτεύοντος R Fe : αντίσταση σιδήρου (εκφράζει τις απώλειες υστέρησης και δινορρευμάτων [15]). 59

76 Τα τονούμενα μεγέθη ονομάζονται ανηγμένα στο πρωτεύον και δίνονται από τις σχέσεις: u i n u (2.15) ' 2 2 i (2.16) n ' 2 2 R n R (2.17) ' L n L (2.18) ' όπου, n ο λόγος μετασχηματισμού των τάσεων u n u ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Όπως έχει αναφερθεί και στην ενότητα 2.1 τα όρια τάσης που δύναται να παράγει η ανεμογεννήτρια μετρούμενα μετά την ανορθωτική διάταξη είναι 40V έως 100V. Η εν λόγω τάση είναι συνεχής με μία μικρή κυμάτωση και με τις διατάξεις που παρεμβάλλονται θα μετατραπεί σε μονοφασική εναλλασσόμενη συχνότητας 50Ηz και ενεργού τιμής 230 V, που είναι η τάση του μονοφασικού δικτύου χαμηλής τάσης. Η σχέση που δίνει την τάση εξόδου ενός μετατροπέα boost ως συνάρτηση της τάσης εισόδου στη συνεχή αγωγή παρουσιάζεται παρακάτω [45]: V V o i 1 1 (2.19) Κατά την υλοποίηση του μετατροπέα boost για λόγους που εξηγούνται στη διπλωματική εργασία του Ιωάννη Γκαρτζώνη [45] επιλέχθηκε ο μέγιστος λόγος κατάτμησης να είναι δ=0,7. Από τη σχέση 2.19 και για δ=0,7 προκύπτει ο μέγιστος λόγος μετατροπής της τάσης του boost: Vo 1 3,33 V 1 0,7 i (2.20) V o 3,33 V (2.21) i Η επιλογή της τάσης φόρτισης των πυκνωτών διασύνδεσης, που αποτελεί την τάση εξόδου του ανυψωτή και τάση εισόδου του αντιστροφέα, πρέπει να γίνει ώστε να εξασφαλιστεί η ορθή λειτουργία των δύο μετατροπέων. Η μέγιστη τάση εξόδου στην 60

77 οποία ο ανυψωτής λειτουργεί σίγουρα χωρίς προβλήματα είναι η τάση που προκύπτει από τη σχέση (2.21) για την ελάχιστη τάση εισόδου. Vo,max 3,33 40V 133, 2V Η ελάχιστη είναι η τιμή της μέγιστης τάσης εισόδου, δηλαδή V o,min = 100V (αφού πρόκειται για ανυψωτή). Όσον αφορά στον αντιστροφέα, στην έξοδο του έχει την τάση του δικτύου χαμηλής τάσης, η μέγιστη τιμή της οποίας στη χώρα μας είναι: rms,max V =230V 10% 230V 253V grid (2.22) Από τη σχέση (2.22) παίρνουμε: m a peak VO (2.23) V d m a,max peak,max VO ,8 (2.24) V V V d d d Η μέγιστη πρακτική τιμή που συνήθως παίρνει ο συντελεστής διαμόρφωσης του πλάτους είναι κοντά στο 0,8. Υψηλότερες τιμές μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα, καθώς είναι πιθανή η έναυση κάποιου διακόπτη πριν τη σβέση κάποιου άλλου, με αποτέλεσμα εσφαλμένη λειτουργία του αντιστροφέα. m a,max 357,8 0,8 (2.25) V d 357,8 Vd 447, 25V 0,8 (2.26) Παρατηρούμε ότι δεν μπορεί να βρεθεί τιμή που να ικανοποιεί και τους δύο μετατροπείς. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος υπάρχουν δύο λύσεις. Η πρώτη είναι η επιλογή ενός άλλου μετατροπέα ανύψωσης με μεγαλύτερη δυνατότητα ανύψωσης ώστε να μπορεί να έχει στην έξοδό του την τιμή 447,25V. Η δεύτερη επιλογή είναι η τοποθέτηση ενός μετασχηματιστή μετά τον αντιστροφέα με λόγο μετασχηματισμού τέτοιο ώστε για τάση διασύνδεσης το πολύ 133,2V και συντελεστή διαμόρφωσης m a 0,8 να καθίσταται δυνατή η σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Προτιμήθηκε η δεύτερη λύση, δηλαδή η χρήση μετασχηματιστή και άρα η χαμηλότερη τάση των πυκνωτών διασύνδεσης, για τους παρακάτω λόγους: Η χρήση μετασχηματιστή προσφέρει γαλβανική απομόνωση, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό. 61

78 Η αντίσταση αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων αυξάνεται με την αύξηση της τάσης διάσπασής τους κάτι που συνεπάγεται μεγαλύτερες απώλειες αγωγής. Το κόστος, επίσης, των ημιαγωγικών στοιχείων όπως και των πυκνωτών διασύνδεσης αυξάνεται με την αύξηση της τάσης διάσπασής τους. Όπως έχει ήδη εξηγηθεί στο υπό μελέτη αιολικό σύστημα ο μετατροπέας boost δεν χρησιμοποιείται για σταθεροποίηση της τάσης αλλά για υλοποίηση του αλγορίθμου εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) επομένως ουσιαστικά λειτουργεί σαν μεταβλητή πηγή ρεύματος και ο περιορισμός που αναφέρθηκε παραπάνω. Αυτό σημαίνει πως το σύστημα θα μπορούσε να λειτουργήσει και χωρίς Μ/Σ μετά τον αντιστροφέα. Όμως τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η χρήση Μ/Σ μας οδήγησαν στην απόφαση να χρησιμοποιηθεί Μ/Σ. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί Μ/Σ 1:1, όμως μια τέτοια επιλογή παρότι θα παρουσίαζε το πλεονέκτημα της γαλβανικής απομόνωσης του συστήματος από το δίκτυο, θα οδηγούσε σε μεγάλη αύξηση του κόστους κατασκευής του συστήματος, διότι θα είχαμε πολύ υψηλότερη τάση λειτουργίας των δύο μετατροπέων. Παράλληλα, στόχος είναι το συνολικό σύστημα να αποτελέσει αντικείμενο εργαστηριακής άσκησης και γι' αυτό εκτιμήθηκε πως είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθεί Μ/Σ, ώστε να μελετάται η επίδραση του σε ένα πραγματικό σύστημα στο πλαίσιο της άσκησης. Χρησιμοποιήθηκε μετασχηματιστής με λόγο 1:4. Πρόκειται για μετασχηματιστή του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας ονομαστικής ισχύος 2500 VA, ονομαστικής τάσης πρωτεύοντος V 1N =85V, ονομαστικής τάσης δευτερεύοντος V 2N =340 V και ονομαστικού ρεύματος δευτερεύοντος 5 Α υπό φορτίο. Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά μεγέθη του είναι: R 1 = Ω, R 2 =1,9 Ω, L σ1 =0,223 mh, L σ2 =3,568 mh, L h1 =0.035 mh, R Fe =170 Ω. Εικόνα 2.2: Ο μονοφασικός μετασχηματιστής που χρησιμοποιήθηκε 62

79 Πλέον η σχέση (2.23) γίνεται: m a,max 357,8 / 4 89,45 V V (2.27) d d Επιλέγουμε m a,max =0,75 <0,8 Άρα η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης επιλέγεται: 89,45 Vd 119,266 V 120 V (2.28) 0,75 Παρατηρούμε ότι 120V<133,2V και συνεπώς δεν παραβιάζεται το όριο στο οποίο ο ανυψωτής λειτουργεί καλά. Η μέγιστη ισχύς που θα διαχειρίζεται το σύστημα είναι 1kW. Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέων έχει ως κατώτερο όριο την τιμή των 20 khz (ακουστικές συχνότητες). Όσο αυτή αυξάνεται αυξάνονται και οι διακοπτικές απώλειες. Έτσι στον αντιστροφέα επιλέχτηκε διακοπτική συχνότητα 25 khz (λίγο πάνω από το όριο). Όσον αφορά στον ανυψωτή επιλέχτηκε μεγαλύτερη συχνότητα, 50 khz, διότι η κυμάτωση του ρεύματος εισόδου, η οποία επιθυμούμε να είναι μικρή, είναι αντιστρόφως ανάλογη της διακοπτικής συχνότητας [45]. Για τις συγκεκριμένες συχνότητες καταλληλότερα ημιαγωγικά στοιχεία είναι τα mosfet και τα IGBT. Για διατάξεις σχετικά χαμηλής ισχύος, όπως είναι η εξεταζόμενη (1kW), συνήθως προτιμώνται τα πρώτα. Έτσι, τόσο στον ανυψωτή όσο και στον αντιστροφέα επιλέχτηκαν mosfet σαν διακοπτικά στοιχεία. Όσον αφορά στη χωρητικότητα των πυκνωτών διασύνδεσης ιδανικά είναι άπειρη. Όπως προέκυψε από προσομοιώσεις η ελάχιστη τιμή που ικανοποιεί την ορθή λειτουργία του συστήματος είναι 50mF. Έτσι για τη διασύνδεση των μετατροπέων επιλέχθηκε συστοιχία 13 παράλληλων πυκνωτών των 3,9μF ο καθένας. Τέλος, για το φίλτρο εξόδου, επίσης από προσομοιώσεις, διαπιστώθηκε ότι τα αποτελέσματα από τη χρήση κατωδιαβατού φίλτρου LC με συχνότητα αποκοπής ίση με περίπου 5 khz, είναι πολύ ικανοποιητικά. Προκύπτει, επομένως, πως η απαιτούμενη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου είναι περίπου ίση με το 20% της διακοπτικής συχνότητας (25 khz) στη μονοπολική SPWM παλμοδότηση. Οι τιμές των στοιχείων του πηνίου και του πυκνωτή που επιλέχθηκαν είναι 150 μh (κατασκευάστηκαν δύο πηνία 75 μη το καθένα) και 9,4 μf αντίστοιχα, με συχνότητα αποκοπής περίπου 4,2 khz. 63

80 Phase (deg) Magnitude (db) 150 Bode Diagram Frequency (khz) Σχήμα 2.11: Διάγραμμα Bode LC φίλτρου εξόδου Ο πυκνωτής και το πηνίο επιλέχθηκαν να έχουν αυτές τις τιμές για κατασκευαστικούς λόγους, καθώς η κατασκευή πηνίου με μεγαλύτερη επαγωγή είναι δύσκολη και απαιτεί τη χρήση πολύ μεγάλου πυρήνα, ο οποίος είναι δυσεύρετος στην αγορά. Επειδή, όπως έχει ήδη αναφερθεί, πρέπει να αποφεύγονται οι μεγάλες τιμές χωρητικότητας στον πυκνωτή του φίλτρου, επιλέχθηκε το πηνίο να κατασκευαστεί με τη μεγαλύτερη δυνατή επαγωγή και ο πυκνωτής να έχει αντίστοιχα τέτοια χωρητικότητα, ώστε η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου να είναι η επιθυμητή. 64

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ Μέσω του ελέγχου του μονοφασικού αντιστροφέα επιδιώκεται, όπως έχει ήδη αναφερθεί, η επίτευξη μοναδιαίου συντελεστή ισχύος, ώστε να μην ανταλλάσσεται άεργος ισχύς με το δίκτυο, καθώς και η σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης(dc bus) ανάμεσα στον interleaved boost και τον αντιστροφέα τάσης. 3.1 ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΗ ΣΥΝΕΧΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ Για την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης ισχύει πως αν η ισχύς που μεταφέρεται στον πυκνωτή από το σύστημα ανεμογεννήτρια - ανορθωτής διόδων - interleaved boost είναι μεγαλύτερη από την ισχύ που μεταφέρεται από τον πυκνωτή στο δίκτυο μέσω του αντιστροφέα, η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης αρχίζει να αυξάνεται. Αυτό το συμπέρασμα προκύπτει εύκολα αν σκεφτούμε ότι ισχύει η παρακάτω σχέση: 1 2 EC C VC 2 dec dvc C dt dt dvc Pin Pout dt c C (3.1) όπου Q c η αποθηκευμένη στον πυκνωτή ενέργεια, V C η τάση στα άκρα του πυκνωτή, C η χωρητικότητα του πυκνωτή, Pin η ισχύς που μεταφέρεται προς τον πυκνωτή από το μετατροπέα boost και Pout η ισχύς που μεταφέρεται από τον πυκνωτή προς το δίκτυο μέσω του αντιστροφέα. Αντίθετα αν ο πυκνωτής παρέχει περισσότερη ισχύ στο δίκτυο μέσω του αντιστροφέα από την ισχύ που του παρέχεται μέσω του interleaved boost, η τάση στα άκρα του αρχίζει να μειώνεται. Επομένως, για να επιτευχθεί σταθεροποίηση της τάσης, μόλις παρατηρηθεί αύξηση της τάσης στα άκρα του πυκνωτή από μια προκαθορισμένη τιμή, δίνεται "εντολή" να αυξηθεί η ενεργός ισχύς που στέλνει ο αντιστροφέας στο δίκτυο, έως ότου η τάση γίνει και πάλι ίση με την προκαθορισμένη τιμή. Αντίστοιχα, μόλις παρατηρηθεί μείωση της τάσης του πυκνωτή, μειώνεται η ενεργός τιμή που στέλνει ο αντιστροφέας στο δίκτυο έως ότου η τάση στα άκρα του επιστρέψει στην προκαθορισμένη τιμή. Αν τα παραπάνω υλοποιούνται με ταχύτητα, η τάση στα άκρα του πυκνωτή θα βρίσκεται συνεχώς κοντά στην προκαθορισμένη τιμή, επομένως μπορούμε να θεωρήσουμε πως θα παραμένει πρακτικά σταθερή. Μια εύκολη υλοποίηση που μπορεί να μας δώσει ικανοποιητική ταχύτητα είναι ένας PI βρόχος. 65

82 Σχήμα 3.1: PI βρόχος για την σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή Ως θετική είσοδο στο PI βάζουμε την προκαθορισμένη τιμή τάσης, ενώ ως αρνητική τη μετρούμενη τιμή τάσης του πυκνωτή. Η έξοδος του PI μας δίνει την αναφορά ενεργού ισχύος που πρέπει να στείλει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. Συμπεραίνουμε λοιπόν από τα παραπάνω πως η σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης απαιτεί έλεγχο της ενεργού ισχύος που στέλνει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. Για την ακρίβεια από την μέτρηση της τάσης του πυκνωτή θα προκύπτει η αναφορά ενεργού ισχύος του αντιστροφέα κάθε στιγμή. Παράλληλα, η διατήρηση μοναδιαίου συντελεστή ισχύος απαιτεί συνεχώς μηδενική μεταφορά αέργου ισχύος, άρα συνεχή έλεγχο της αέργου ισχύος του αντιστροφέα ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΝΕΡΓΟΥ - ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ Ο απαιτούμενος έλεγχος ενεργού - αέργου ισχύος μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορες τεχνικές. Μία από αυτές είναι η μέτρηση της ενεργού και αέργου ισχύος που εγχέει ο μετατροπέας στο δίκτυο και ο έλεγχος τους με δύο ελεγκτές PI. Σχήμα 3.2: Έλεγχος με απευθείας μέτρηση ενεργού και αέργου ισχύος 66

83 Σε αυτήν την τεχνική χρησιμοποιούνται δύο εσωτερικοί PI βρόχοι, ένας για την ενεργό και ένας για την άεργο ισχύ. Στο βρόχο της άεργου θέτουμε 0 τη αναφορά αέργου ισχύος, αφού επιθυμούμε μηδενικό συντελεστή ισχύος, και ως αρνητική είσοδος εισάγεται η μετρούμενη άεργος ισχύς που ο αντιστροφέας μεταφέρει στο δίκτυο. Στο βρόχο ενεργού ισχύος βάζουμε ως θετική είσοδο την αναφορά ενεργού ισχύος που λαμβάνουμε από τον PI βρόχο για την τάση του πυκνωτή, ενώ ως αρνητική είσοδο την μετρούμενη ενεργό ισχύ. Η έξοδος του βρόχου για την ενεργό ισχύ πολλαπλασιάζεται με ένα ημιτονοειδές σήμα μοναδιαίου πλάτους συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου, ενώ η έξοδος του βρόχου για την άεργο ισχύ πολλαπλασιάζεται αντίστοιχα με ένα ημιτονοειδές σήμα μοναδιαίου πλάτους με διαφορά φάσης 90⁰ από την τάση του δικτύου. Τα δύο σήματα προστίθενται και αποτελούν την τάση ελέγχου της μονοπολικής SPWM. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, η συγκεκριμένη τεχνική δοκιμάστηκε σε προσομοιώσεις με αρκετά καλά αποτελέσματα. Όμως, ο υπολογισμός της ενεργού ισχύος που εγχέει ο αντιστροφέας, ο οποίος υλοποιείται με μέτρηση της διαφοράς φάσης ανάμεσα στην τάση εξόδου του μετατροπέα και στην τάση του δικτύου ( V1 V P 2 sin ), θα είχε X αρκετά μεγάλο σφάλμα, καθώς ο μικροελεγκτής, που εκτελεί τον αλγόριθμο ελέγχου, θα μετέτρεπε σε ψηφιακό σήμα τη μετρούμενη γωνία, η οποία όμως κυμαίνεται σε στενό φάσμα τιμών ακόμα και για τη μέγιστη ισχύ λειτουργίας του μετατροπέα. Βέβαια, το ίδιο ακριβώς πρόβλημα θα εντοπιζόταν και κατά τον υπολογισμό της 2 V1 V1 V αέργου ισχύος που εγχέει ο αντιστροφέας στο δίκτυο ( Q 2 sin ). X X Παράλληλα, η μέτρηση τόσο της ενεργού όσο και της άεργου ισχύος απαιτεί πολλούς πολλαπλασιασμούς, πράξη η οποία απαιτεί πολλούς κύκλους ρολογιού στους σύγχρονους μικροεπεξεργαστές, με αποτέλεσμα την αύξηση του υπολογιστικού φόρτου στο μικροελεγκτή. Έτσι, οι δυσκολίες στην απευθείας μέτρηση της ενεργού και αέργου ισχύος οδήγησαν στην απόφαση να μην χρησιμοποιηθεί η συγκεκριμένη τεχνική κατά την υλοποίηση του αντιστροφέα. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος ελέγχου ενεργού - αέργου ισχύος υλοποιείται μέσω του ελέγχου του ρεύματος που εγχέει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. Η προσπάθεια επίτευξης μοναδιαίου συντελεστή ισχύος απαιτεί το ρεύμα που εγχέεται στο δίκτυο να είναι καθαρά ημιτονοειδές και συμφασικό με την τάση του δικτύου. Για να ικανοποιηθεί αυτή η συνθήκη το σφάλμα μόνιμης κατάστασης ανάμεσα στο επιθυμητό ρεύμα δικτύου και στο πραγματικό πρέπει να είναι μηδενικό στη συχνότητα του δικτύου. Επειδή τα μεγέθη είναι ημιτονοειδή ο απλός PI ελεγκτής παρουσιάζει πολλά προβλήματα. Η χαμηλή αποδοτικότητα του ολοκληρωτή (Ι) σε συχνότητα διαφορετική της μηδενικής οδηγεί σε ύπαρξη σφάλματος μόνιμης κατάστασης και σε χαμηλή απόρριψη διαταραχών, καθιστώντας τον PI ελεγκτή ακατάλληλο στο να παρακολουθεί ένα ημιτονοειδές σήμα σε σταθερό πλαίσιο αναφοράς [30]. Για να βελτιωθεί η χαμηλή αποδοτικότητα του κλασσικού PI ελεγκτή, έχουν προταθεί πολλές λύσεις που περιλαμβάνουν την αντιστάθμιση με εμπρόσθια ανάδραση (feed-forward compenastion), την ανατροφοδότηση πολλαπλών 67

84 καταστάσεων και την αύξηση του αναλογικού κέρδους (P) [30]. Αυτές οι βελτιώσεις επεκτείνουν το εύρος ζώνης του ελεγκτή και άρα τη συνολική απόδοσή του, όμως ωθούν το σύστημα στα όρια ευστάθειάς του. Μάλιστα η τεχνική της αντιστάθμισης με εμπρόσθια ανάδραση (feed-forward compensation) δημιουργεί χαμηλόσυχνες αρμονικές, επηρεάζοντας το ρεύμα του δικτύου καθώς αυτές είναι δύσκολο να φιλτραριστούν [31]. Για τους λόγους αυτούς οι τροποποιημένοι ελεγκτές PI δεν κατορθώνουν να επιλύσουν αποτελεσματικά τα προβλήματα του βασικού PI, κι έτσι έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι που χρησιμοποιούν στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς, ώστε να χρησιμοποιούνται ελεγκτές PI για συνεχή όμως μεγέθη. Μια από αυτές τις τεχνικές που προτείνεται στη βιβλιογραφία [32] είναι η χρήση ενός συστήματος ελέγχου σε πλαίσιο αναφοράς σύγχρονο με τη συχνότητα του δικτύου (d-q πλαίσιο αναφοράς). Σχήμα 3.3: Σχηματικό διάγραμμα της d-q τεχνικής ελέγχου [32] Ο έλεγχος d-q επιτρέπει απεριόριστο κέρδος στη συχνότητα του δικτύου και εξαιρετική απόρριψη διαταραχών. Παράλληλα οι δύο PI είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί καθώς τα μεγέθη είναι μετασχηματισμένα στο σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς και άρα είναι συνεχή σήματα και όχι ημιτονοειδή. Η τεχνική αυτή όμως απαιτεί, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3, δύο μετασχηματισμούς καθώς και χρήση PLL, αυξάνοντας έτσι το υπολογιστικό φορτίο του μικροελεγκτή που συνήθως αναλαμβάνει να υλοποιήσει τον έλεγχο, καθιστώντας τη μέθοδο όχι ιδιαίτερα αποδοτική για μονοφασικούς αντιστροφείς. Μια άλλη τεχνική που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο ενεργού - αέργου ισχύος είναι αυτή της τροποποιημένης p-q θεωρίας για μονοφασικό 68

85 αντιστροφέα_[33]. Σχήμα 3.4: Modified p-q theory control [33] Η θεωρία αυτή χρησιμοποιείται κυρίως για τον έλεγχο τριφασικών αντιστροφέων και η χρήση της σε μονοφασικό σύστημα απαιτεί το μετασχηματισμό των μονοφασικών μεγεθών σε εικονικά τριφασικά μεγέθη, ώστε να μπορεί έπειτα να εφαρμοστεί ο μετασχηματισμός Clarke (α-β), όπως απαιτεί η p-q θεωρία [43]. Επομένως για την εφαρμογή της μεθόδου απαιτούνται συνολικά τρεις μετασχηματισμοί (μονοφασικά μεγέθη σε τριφασικά, Clarke, αντίστροφος Clarke), ενώ απαιτεί και τη χρήση PLL, με αποτέλεσμα να αυξάνονται και εδώ οι απαιτήσεις σε υπολογιστική ισχύ για το χρησιμοποιούμενο μικροελεγκτή ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ - ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (PROPORTIONAL RESONANT ή PR) Εξαιτίας των διαφόρων δυσκολιών και προβλημάτων που παρουσιάζει η υλοποίηση των παραπάνω τεχνικών, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί ένας ελεγκτής που αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως αναλογικός-συντονισμού (proportionalresonant ή PR), με τον οποίο αφενός μεν ξεπερνιέται το πρόβλημα του μεγάλου υπολογιστικού φορτίου, καθώς δεν απαιτείται κάποιος μετασχηματισμός, ενώ από την άλλη πλευρά επιτυγχάνονται παρόμοιες χαρακτηριστικές απόκρισης συχνότητας με αυτές του ελεγκτή PI σε σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο [31]. Εν συντομία, η βασική λειτουργικότητα του ελεγκτή PR έγκειται στην εισαγωγή άπειρου κέρδους στην επιλεγμένη συχνότητα συντονισμού εξαλείφοντας το μόνιμο σφάλμα σε αυτήν τη συχνότητα και είναι συνεπώς παρόμοιος με έναν ολοκληρωτή του οποίου το άπειρο DC κέρδος μηδενίζει το DC σφάλμα μόνιμης κατάστασης [31]. Το αναλογικό κέρδος (P) του ελεγκτή καθορίζει το εύρος ζώνης και τα όρια ευστάθειας του ελεγκτή(phase και gain margin), όπως ακριβώς σε έναν PI ελεγκτή. Στην 69

86 πραγματικότητα ο PR αποτελεί εναλλακτική λύση στον PI όταν τα ελεγχόμενα σήματα είναι ημιτονοειδή [34]. Η συνάρτηση μεταφοράς του PR δίνεται από τη σχέση [34]: H () s s PR K P K I s 2 2 (3.2) Παρατηρούμε ότι ο PR διαθέτει διπλό ολοκληρωτή γι' αυτό συχνά στη βιβλιογραφία συναντάται ως ελεγκτής PI 2 (Proportional Double Integral). Η ύπαρξη διπλού ολοκληρωτή είναι που μηδενίζει το μόνιμο σφάλμα σε ημιτονοειδή σήματα, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5. Σχήμα 3.5: Σφάλμα μόνιμης κατάστασης για τους ελεγκτές P, PI, PI 2 για ημιτονοειδή σήματα [34] Παρατηρούμε ότι όταν δεν έχουμε ολοκληρωτή (P ελεγκτής) το μόνιμο σφάλμα απειρίζεται, όταν έχουμε μονό ολοκληρωτή (PI ελεγκτής) το σφάλμα σταθεροποιείται σε μια τιμή διάφορη του μηδενός, ενώ όταν έχουμε διπλό ολοκληρωτή το σφάλμα μόνιμης κατάστασης μηδενίζεται. Για να αποφευχθούν προβλήματα ευστάθειας σχετιζόμενα με το άπειρο κέρδος του ελεγκτή στη συχνότητα ω, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο μη ιδανικός PR με συνάρτηση μεταφοράς [31]: PR () s K K s p I s s C C (3.3) Το κέρδος του ελεγκτή στη συχνότητα ω είναι πλέον πεπερασμένο αλλά ακόμα αρκετά μεγάλο ώστε το σφάλμα μόνιμης κατάστασης να παραμένει πρακτικά μηδενικό. Ένα ακόμα σημαντικό πλεονέκτημα του μη ιδανικού PR είναι το γεγονός πως μπορεί να διευρυνθεί το εύρος ζώνης του με κατάλληλη επιλογή της συχνότητας ω c, αμβλύνοντας την ευαισθησία σε μικρές μεταβολές της συχνότητας που μπορεί να εμφανίζονται σε ένα τυπικό ηλεκτρικό δίκτυο. 70

87 Τα διαγράμματα Bode του ιδανικού και του μη ιδανικού PR φαίνονται στα σχήμα 3.6. Σχήμα 3.6: Διαγράμματα Bode του ιδανικού(a) και του μη ιδανικού PR(b) για K P =1, K I =20, ω=314 rad/sec, ω c =10 rad/sec [31] Εκτός από τον έλεγχο στη βασική συχνότητα, ο ελεγκτής PR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλεκτική ενεργητική απομάκρυνση των κυρίαρχων ανώτερων αρμονικών (Selective Harmonic Compensation - HC), συμβάλλοντας στη χρήση μικρότερων παθητικών φίλτρων (συνήθως LC κυκλωμάτων). Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με χρήση διάφορων παράλληλων ολοκληρωτών ρυθμισμένων να συντονίζονται στην αρμονική χαμηλής τάξης που επιθυμούμε να φιλτράρουμε. Οι συναρτήσεις μεταφοράς για τον ιδανικό και μη ιδανικό Harmonic Compensator(HC) δίνονται από τις σχέσεις 3.4 και 3.5 αντίστοιχα [31]: s H HC () s K s h Ih 2 2 3,5,7... ( ) (3.4) H s HC () s K Ih (3.5) s s h 3,5,7... c c ( ) Μάλιστα ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός πως ο Harmonic Compensator δεν επηρεάζει τα δυναμικά χαρακτηριστικά του βασικού PR ελεγκτή καθώς αφορά μόνο στις συχνότητες που βρίσκονται πολύ κοντά στις επιλεγμένες συχνότητες συντονισμού. Στο σχήμα 3.7 βλέπουμε μια σύγκριση ανάμεσα στους ελεγκτές PI, PR, PR+HC τόσο για τη μόνιμη όσο και σε μεταβατική κατάσταση. 71

88 Σχήμα 3.7: Ρεύμα και τάση δικτύου στο 1.5 k W για (a)pi, (b)pr, (c)pr+hc ελεγκτές. Απόκριση ρεύματος δικτύου σε βηματική είσοδο 5 A για (d)pi, (e)pr, (f)pr + HC ελεγκτές [34] Παρατηρούμε ότι τόσο στη μόνιμη όσο και στη μεταβατική κατάσταση ο PR + HC εμφανίζει καλύτερα αποτελέσματα. Στο σχήμα 3.8 παρουσιάζεται μια σύγκριση του φάσματος του ρεύματος εξόδου στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων χρησιμοποιώντας τους PI, PR, PR+HC ελεγκτές. Η χρήση του PI(πρόκειται για τον τροποποιημένο PI με feed-forward compensation και άρα πιθανά προβλήματα ευστάθειας) εμφανίζει THD 5,8%(Total Harmonic Distortion), ο PR controller εμφανίζει THD 9,7% και ο PR+HC μειώνει δραστικά το THD στο 0,5%. 72

89 Σχήμα 3.8: Αρμονικές ρεύματος κανονικοποιημένες ως προς τη βασική για PI, PR, PR+HC ελεγκτές [34] Αξίζει να σημειωθεί πως όλα τα συμπεράσματα που αφορούν τη σύγκριση των ελεγκτών για συστήματα συνεχούς χρόνου ισχύουν και για τα συστήματα διακριτού χρόνου [34]. Συμπεραίνουμε επομένως πως με τον PR+HC ελεγκτή όχι μόνο επιλύονται τα προβλήματα του κλασσικού PI όσον αφορά στον έλεγχο ημιτονοειδών μεγεθών, δηλαδή μηδενίζεται το σφάλμα μόνιμης κατάστασης και απορρίπτονται πιθανές διαταραχές, αλλά παράλληλα παραμένει η απλότητα στην υλοποίηση και άρα διατηρούνται σε σχετικά χαμηλά επίπεδα οι απαιτήσεις σε υπολογιστική ισχύ του μικροελεγκτή που αναλαμβάνει την εκτέλεση του αλγορίθμου ελέγχου. Επίσης, όπως είδαμε, μπορεί να αποτελέσει ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό φίλτρο ανώτερων αρμονικών συμβάλλοντας στον περιορισμό της χρήσης των ακριβών και μεγάλων σε όγκο και βάρος παθητικών φίλτρων. 3.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΚΑΙ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΕΛΕΓΚΤΗ PR Ο έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος στο μονοφασικό αντιστροφέα με χρήση του PR ελεγκτή φαίνεται στο σχήμα 3.9. Σχήμα 3.9: Δημιουργία της V control για μονοπολική SPWM παλμοδότηση σε μονοφασικό αντιστροφέα για έλεγχο ενεργού - αέργου ισχύος με χρήση PR + HC ελεγκτή Ισχύει η παρακάτω σχέση για την ενεργό ισχύ που εγχέει ο αντιστροφέας στο δίκτυο: 73

90 Pactive VGRID, RMS IOUT, RMS cos (3.6) άρα έχουμε: I OUT, RMS V Pactive, cos GRID RMS (3.7) κι επειδή έχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος θεωρούμε cosφ = 1. Επιπλέον για να έχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος πρέπει το ρεύμα αναφοράς να είναι ημιτονοειδές συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου κι έτσι παίρνουμε: P i ( t) I 2 cos( t ) 2 cos( t ) (3.8) active OUT OUT, RMS grid grid grid grid VGRID, RMS Η αναφορά ενεργού ισχύος που μας δίνει ο εξωτερικός PI ελεγκτής για την σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης διαιρείται με την ενεργό τιμή του δικτύου στο οποίο θέλουμε να συνδέσουμε τον αντιστροφέα. Εδώ να σημειωθεί πως ο υπολογισμός της ενεργού τιμής της τάσης του δικτύου πρέπει να πραγματοποιείται σε κάθε περίοδο καθώς δε διατηρείται σταθερή αλλά μεταβάλλεται συνεχώς μέχρι 10% της ονομαστικής τιμής (230 V). Έπειτα, το σήμα που παράγεται από τη διαίρεση πολλαπλασιάζεται με 2 και με ένα μοναδιαίο ημιτονοειδές σήμα συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου. Το ημιτονοειδές σήμα που προκύπτει είναι το ρεύμα αναφοράς, το οποίο αποτελείται τη θετική είσοδο του PR controller, ενώ το μετρούμενο ρεύμα εξόδου αποτελεί την αρνητική ανατροφοδότηση του βρόχου ελέγχου. Να σημειωθεί ότι στον αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, η μέτρηση του ρεύματος εξόδου πραγματοποιείται στο δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Το σήμα που παράγεται στην έξοδο του ελεγκτή αποτελεί την τάση ελέγχου της SPWM παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. 74

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις του μονοφασικού αντιστροφέα. Οι προσομοιώσεις της ανεμογεννήτριας μόνιμων μαγνητών, της ανορθωτικής γέφυρας διόδων και του μετατροπέα "Interleaved Boost" πραγματοποιήθηκαν από τον Ιωάννη Γκαρτζώνη στο πλαίσιο της διπλωματικής του εργασίας. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται η προσομοίωση ολόκληρου του αιολικού συστήματος, η οποία πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τον παραπάνω συνάδελφο. Για τις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό πακέτο "Simulink" του "Matlab R2011b" ενώ η επαναληπτική αριθμητική μέθοδος υπολογισμών είναι η "ode23tb" μεταβλητού βήματος. 4.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ Προσομοίωση αντιστροφέα με SPWM με διπολική τάση εξόδου Στο σχήμα 4.1 φαίνεται η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του αντιστροφέα. Σχήμα 4.1: Προσομοίωση διπολικής SPWM σε απομονωμένο φορτίο χωρίς Μ/Σ Ως είσοδος χρησιμοποιήθηκε μια πηγή τάσης 120V, ενώ ως ημιαγωγικοί διακόπτες τα έτοιμα στοιχεία MOSFET που διαθέτει η βιβλιοθήκη SimPowerSystems του λογισμικού πακέτου Simulink με τροποποιημένα τα χαρακτηριστικά τους ώστε να είναι όμοια με τα MOSFET που επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή. Όπως θα εξηγηθεί στο κεφάλαιο 4, τα mosfet που επιλέχθηκαν είναι τα 75

92 IRFP4332PBF της εταιρείας International Rectifier με R DS,0N =0.03Ω και πτώση τάσης εσωτερικής διόδου 1.3V. Στην έξοδο της γέφυρας του αντιστροφέα τοποθετήθηκε το πηνίο και ο πυκνωτής του φίλτρου. Επειδή για τη διπολική παλμοδότηση γνωρίζουμε, από τη θεωρητική ανάλυση στην ενότητα 2.3, πως έχει αρμονικές σε πιο χαμηλές συχνότητες, το πηνίο που χρησιμοποιήθηκε εδώ ήταν μεγαλύτερο, δηλαδή 920μH. Έτσι με πυκνωτή 9,4μF το φίλτρο είχε συχνότητα αποκοπής στα 1,7kHz. Ως φορτίο συνδέθηκε μια αντίσταση 40Ω. Για την παλμοδότηση των στοιχείων χρησιμοποιήθηκε το έτοιμο μοντέλο που παράγει παλμούς για SPWM παλμοδότηση, ενώ ρυθμίστηκε να παράγει εσωτερικά το ημίτονο αναφοράς, ενώ η συχνότητα παλμοδότησης ορίστηκε στα 25 khz και ο συντελεστής m a στην τιμή 0,8. Στη διπολική παλμοδότηση τα ημιαγωγικά στοιχεία της κάθε ομάδας, δηλαδή τα mosfet 1,2 και 3,4 αντίστοιχα, παίρνουν τον ίδιο παλμό. Σχήμα 4.2: Παλμοί διπολικής παλμοδότησης Όπως βλέπουμε οι παλμοί των δύο ομάδων είναι συμπληρωματικοί. Η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα φαίνεται στο σχήμα

93 Σχήμα 4.3: Διπολική τάση εξόδου του αντιστροφέα Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε από το Σχήμα 4.3, η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα μεταβάλλεται από +120V έως -120V, όπως αναμέναμε από τη θεωρητική ανάλυση της μεθόδου παλμοδότησης SPWM με διπολική τάση εξόδου. Στο σχήμα 4.4 μπορούμε να δούμε την τάση στην έξοδο του αντιστροφέα μετά το φίλτρο καθώς επίσης και το ρεύμα στο ωμικό φορτίο που χρησιμοποιήσαμε για την προσομοίωση, και όπως αναμέναμε είναι δυο συμφασικά, εναλλασσόμενα, ημιτονοειδή μεγέθη. Σχήμα 4.4: Ρεύμα και τάση μετά το φίλτρο Παρατηρούμε ότι η τάση στην έξοδο του φίλτρου φτάνει τη μέγιστη τιμή 96V που επιθυμούμε, όταν έχουμε συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους 0,8. Στα Σχήματα 4.5 και 4.6 παρουσιάζεται το φάσμα των αρμονικών της τάσης πριν το φίλτρο και μετά από αυτό, όπως προέκυψαν από την ανάλυση FFT(Fast Fourier Transform) που πραγματοποίησε το λογισμικό πακέτο. 77

94 Σχήμα 4.5: Φάσμα συχνοτήτων της τάσης εξόδου του αντιστροφέα πριν το φίλτρο Σχήμα 4.6: Φάσμα συχνοτήτων της τάσης εξόδου του αντιστροφέα μετά το φίλτρο σε μικρότερη και μεγαλύτερη κλίμακα Όπως παρατηρούμε η τάση εξόδου πριν το φίλτρου έχει αρμονικές σε ζώνες γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας παλμοδότησης των 25 khz. Στην τάση μετά το φίλτρο βλέπουμε πως οι αρμονικές τάξης μεγαλύτερης του 3 πρακτικά έχουν εξαλειφθεί, ενώ ακόμη και οι αρμονικές στα 25 khz έχουν πλάτος μόλις 0,45% του πλάτους της βασικής αρμονικής, ενώ και οι χαμηλόσυχνες αρμονικές κοντά στη βασική έχουν ουσιαστικά εξαλειφθεί και έχουν πλάτος μικρότερο από 0,3% του 78

95 πλάτους της βασικής αρμονικής. Παράλληλα το THD είναι ιδιαίτερα χαμηλό, μόλις 1.45%. Στο Σχήμα 4.7 παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τάσης ελέγχου του πρώτου διακοπτικού στοιχείου και της τάσης που εμφανίζεται μεταξύ της υποδοχής και της πηγής σε αυτό στην ίδια κλίμακα χρόνου. Σχήμα 4.7: Τάση παλμοδότησης και τάση μεταξύ υποδοχής και πηγής του στοιχείου 1 Από το Σχήμα 4.7 μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι οι τάσεις αυτές είναι κατά κάποιο τρόπο συμπληρωματικές, δηλαδή όταν η μία είναι μηδέν η άλλη είναι μέγιστη και αντίθετα. Δηλαδή, όταν το στοιχείο άγει και δέχεται παλμό μεταξύ πύλης και πηγής, τότε η τάση μεταξύ υποδοχής και πηγής είναι μηδενική για ένα ιδανικό διακοπτικό στοιχείο ή πολύ μικρή, κάτω από 1V για ένα πραγματικό διακοπτικό στοιχείο. Αντίθετα, όταν το στοιχείο έχει μηδενικό παλμό ελέγχου και δεν άγει, τότε η τάση μεταξύ υποδοχής και πηγής γίνεται μέγιστη και ίση με την τάση στην είσοδο του αντιστροφέα που είναι 120V. Στη συνέχεια παρατίθεται το ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα όπως προέκυψε από την προσομοίωση. 79

96 Σχήμα 4.8: Ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα Σχήμα 4.9: Ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα σε μικρότερη χρονική κλίμακα και παλμοί στην πύλη των στοιχείων των δύο ομάδων 80

97 Σχήμα 4.10: Μέση τιμή ρεύματος εισόδου Σχήμα 4.11: Φάσμα συχνοτήτων του ρεύματος εισόδου Παρατηρούμε ότι λόγω της ύπαρξης του πηνίου του φίλτρου το ρεύμα εισόδου παίρνει και αρνητικές τιμές, δηλαδή γίνεται αρνητικό όσο άγουν οι ανάστροφες δίοδοι των mosfet. Παρόλα αυτά η μέση τιμή του ρεύματος είναι θετική γεγονός που δείχνει πως τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία είναι αρνητικό είναι μικρότερα από τα χρονικά διαστήματα στα οποία είναι θετικό. Επίσης, από το φάσμα συχνοτήτων βλέπουμε πως και το ρεύμα εισόδου εμφανίζει ανώτερες αρμονικές σε πλευρικές ζώνες γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας παλμοδότησης Προσομοίωση αντιστροφέα με SPWM με μονοπολική τάση εξόδου Σε αυτή την ενότητα θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση του ίδιου συστήματος που παρουσιάσαμε στο Σχήμα 4.1, παλμοδοτώντας αυτή τη φορά τα στοιχεία με τη μέθοδο SPWM με μονοπολική τάση στην έξοδο. Επομένως τώρα πλέον το έτοιμο μοντέλο SPWM ρυθμίστηκε ώστε να δίνει τέσσερις παλμούς. Ακόμη, μεταβάλαμε την τιμή του πηνίου στο φίλτρο εξόδου 81

98 σε 150μΗ για να διαπιστώσουμε την ικανοποιητική απόδοσή του νέου φίλτρου με τη δεύτερη αυτή μέθοδο παλμοδότησης. Η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου, διατηρώντας την τιμή του πυκνωτή στα 9,4μF είναι πλέον 4,2kHz, δηλαδή και πάλι στο 10% της συχνότητας στην οποία αναμένουμε την πρώτη ζώνη αρμονικών. Στο Σχήμα 4.12 παρουσιάζουμε τους παλμούς που ελέγχουν τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα. Σχήμα 4.12: Κανονικοποιημένοι παλμοί ελέγχου των MOSFET Από το Σχήμα 4.12 μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι οι παλμοί ελέγχου των στοιχείων 1 και 4 είναι συμπληρωματικοί και το ίδιο συμβαίνει και με τους παλμούς στα στοιχεία 2 και 3, ενώ οι παλμοί των 1 και 2 έχουν διαφορά φάσης 180 ο, όπως και οι παλμοί 3 και 4. Στο Σχήμα 4.13 παραθέτουμε την τάση στην έξοδο του αντιστροφέα πριν το φίλτρο ενώ στο Σχήμα 4.14 την τάση και το ρεύμα στο ίδιο ωμικό φορτίο που χρησιμοποιήσαμε και στην προηγούμενη μέθοδο παλμοδότησης. 82

99 Σχήμα 4.13: (α)μονοπολική τάση εξόδου του αντιστροφέα(πριν το φίλτρο), (β) Σε μικρότερη κλίμακα Σχήμα 4.14: Ρεύμα και τάση στο ωμικό φορτίο 83

100 Παρατηρώντας το Σχήμα 4.13 βλέπουμε ότι η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα μεταβάλλεται από την τιμή 0 στην τιμή +120V και αντίστροφα καθώς και από την τιμή 0 στην τιμή -120V και αντίστροφα, δηλαδή η τάση στην έξοδο μεταβάλλεται μονοπολικά. Ωστόσο, η τάση στο ωμικό φορτίο, δηλαδή η τάση μετά το φίλτρο, είναι ένα ημιτονοειδές εναλλασσόμενο σήμα με συχνότητα 50Hz και μέγιστη τιμή 96V. Φυσικά το ρεύμα στο φορτίο, καθώς είναι ωμικό, είναι και αυτό ένα ημιτονοειδές σήμα με ίδια συχνότητα και φάση με την τάση. Στα Σχήματα 4.15 και 4.16 παρατίθεται το φάσμα των συχνοτήτων της τάσης εξόδου του αντιστροφέα πριν και μετά το φίλτρο. Σχήμα 4.15: Φάσμα συχνοτήτων της τάσης εξόδου πριν το φίλτρο Σχήμα 4.16: Φάσμα συχνοτήτων της τάσης εξόδου μετά το φίλτρο Στο το σχήμα 4.15 βλέπουμε πως στη μονοπολική τάση εξόδου οι ανώτερες αρμονικές βρίσκονται σε ζώνες στα άρτια πολλαπλάσια της συχνότητας παλμοδότησης, δηλαδή στα 2 25=50kHz, 4 25=100kHz κ.ο.κ., και άρα η πρώτη ζώνη αρμονικών βρίσκεται σε συχνότητα διπλάσια από ότι στη διπολική παλμοδότηση. Από σχήμα 4.16 διαπιστώνουμε πως παρόλο που χρησιμοποιήσαμε πηνίο 6 φορές 84

101 μικρότερο από ότι στη διπολική παλμοδότηση, τα αποτελέσματα είναι ακόμα καλύτερα καθώς το THD έχει περιοριστεί στο 0,45% ενώ το πλάτος της πρώτης ζώνης αρμονικών είναι μόλις ίσο με το 0,3% του πλάτους της βασικής αρμονικής. Επομένως συμπεραίνουμε πως η SPWM με μονοπολική τάση εξόδου πλεονεκτεί έναντι της διπολικής καθώς μας δίνει τη δυνατότητα χρήσης πολύ μικρότερου φίλτρου και άρα μείωσης του κόστους, του όγκου και του βάρους του μετατροπέα. Στα Σχήματα 4.18 και 4.20 παρουσιάζουμε το ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα, με μεγάλη και μικρότερη κλίμακα χρόνου. Σχήμα 4.17: Ρεύμα εισόδου στη μονοπολική παλμοδότηση Σχήμα 4.18: Ρεύμα εισόδου σε μικρότερη κλίμακα Παρατηρούμε ότι το ρεύμα εισόδου παίρνει και αρνητικές τιμές. Αυτό οφείλεται στη συμπεριφορά του LC φίλτρου. Η ύπαρξη πηνίου και πυκνωτή διαφοροποιεί τη μορφή του ρεύματος εισόδου το οποίο εμφανίζει αιχμές λόγω των φορτίσεων - εκφορτίσεων 85

102 των στοιχείων του LC κυκλώματος. Αν πάρουμε τη μέση τιμή της κυματομορφής του ρεύματος εισόδου για συχνότητα 25kHz ώστε να απαλείψουμε την επίδραση των αιχμών και να κάνουμε πιο ξεκάθαρη τη μορφή, προκύπτει η περιβάλλουσα του ρεύματος εισόδου η οποία έχει τη μορφή ενός ημιτόνου υψωμένου στο τετράγωνο (sin 2 (ωt)), όπως αναμένεται για ένα μονοφασικό αντιστροφέα με μονοπολική παλμοδότηση. Σχήμα 4.19: Εξομαλυμένη περιβάλλουσα του ρεύματος εισόδου Συνδέοντας παράλληλα στον πυκνωτή του φίλτρου μια μικρή αντίσταση κατορθώνουμε να εξομαλύνουμε τις αιχμές. Το ρεύμα εισόδου παίρνει τη μορφή που φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.20: Ρεύμα εισόδου αν συνδεθεί μικρή αντίσταση παράλληλα στον πυκνωτή του φίλτρου Προσομοιώνοντας το παραπάνω σύστημα για διάφορες τιμές των στοιχείων του φίλτρου, καταλήξαμε στο συμπέρασμα πως η αύξηση της τιμής του πηνίου μειώνει τις αιχμές του ρεύματος εισόδου. Επομένως, επειδή στο τελικό σύστημα μας συνδέουμε μετασχηματιστή μετά το φίλτρο, ο οποίος αυξάνει την τιμή της επαγωγής 86

103 που φαίνεται στην είσοδο, οι αιχμές ελαττώνονται ακόμα και για μεγαλύτερες τιμές του ρεύματος εισόδου, όπως θα δούμε στην επόμενη ενότητα. Επιπλέον ο πραγματικός πυκνωτής που θα χρησιμοποιήσουμε έχει εκ κατασκευής παρασιτικές αντιστάσεις. Συμπεραίνουμε λοιπόν πως οι αιχμές που εμφανίστηκαν στην αρχική προσομοίωση θα έχουν πρακτικά απαλειφθεί στο πραγματικό σύστημα. Το ρεύμα εισόδου έχει έντονο αρμονικό περιεχόμενο που φαίνεται στο Σχήμα 4.21 και η συχνότητα της βασικής αρμονικής του είναι διπλάσια από εκείνη του σήματος της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα, δηλαδή 100Ηz. Συνεπώς θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί κατωδιαβατό φίλτρο και στην είσοδο του αντιστροφέα για να εξομαλυνθεί το ρεύμα που δίνει η πηγή συνεχούς τάσης. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε πυκνωτές στην είσοδο του αντιστροφέα και στην έξοδο του dc - dc μετατροπέα. Σχήμα 4.21: Φάσμα συχνοτήτων του ρεύματος εισόδου στη μονοπολική παλμοδότηση Παρατηρούμε πως και το ρεύμα εισόδου εμφανίζει αρμονικές στα άρτια πολλαπλάσια της συχνότητας παλμοδότησης. Σχήμα 4.22: Μέση τιμή του ρεύματος εισόδου 87

104 Διαπιστώνουμε πως η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου στη μονοπολική παλμοδότηση είναι ίση με τη μέση τιμή του ρεύματος εισόδου στη διπολική παλμοδότηση, γεγονός που είναι προφανές καθώς τα φορτία στις δύο περιπτώσεις είναι ίσα και άρα παίρνουν την ίδια ισχύ από τη είσοδο. 4.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΜΕΤΑΧΗΜΑΤΙΣΤΗ Στην προηγούμενη ενότητα αποδείχθηκε το πλεονέκτημα της μονοπολικής παλμοδότησης έναντι της διπολικής όσον αφορά στη μείωση του μεγέθους του φίλτρου. Επομένως στο εξής θα χρησιμοποιείται αποκλειστικά η μονοπολική παλμοδότηση. Σ' αυτήν την ενότητα θα προσομοιωθεί ο αντιστροφέας και πάλι σε απομονωμένο φορτίο, με χρήση όμως μετασχηματιστή μεταξύ του φίλτρου και του φορτίου. Για να γίνουν περισσότερο εμφανή τα μεταβατικά φαινόμενα που εισάγει ο μετασχηματιστής, ο inverter με το φίλτρο συνδέονται σε ένα ωμικό φορτίο και κάποια χρονική στιγμή, με χρήση δύο διακοπτών, αποσυνδέονται από το αρχικό φορτίο και συνδέονται στο σύστημα μετασχηματιστής - φορτίο. Να σημειωθεί ότι πρώτα κλείνει ο ένας διακόπτης και συνδέεται ο Μ/Σ και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα ανοίγει ο άλλος διακόπτης και αποσυνδέεται το αρχικό ωμικό φορτίο. Στο σχήμα 4.23 φαίνεται το προς προσομοίωση σύστημα. Σχήμα 4.23: Προσομοίωση σε απομονωμένο φορτίο με χρήση Μ/Σ 88

105 Το έτοιμο μοντέλο μετασχηματιστή του λογισμικού προσομοίωσης κυκλωμάτων έχει τροποποιηθεί ώστε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του να είναι όμοια με του μετασχηματιστή που χρησιμοποιήθηκε στο πραγματικό σύστημα που κατασκευάστηκε. Για την παλμοδότηση έχει χρησιμοποιηθεί και πάλι το έτοιμο μοντέλο με χρήση εσωτερικού ημιτόνου αναφοράς, το m a έχει ρυθμιστεί ίσο με 0,68 ενώ η συχνότητα αναφοράς έχει ρυθμιστεί στα 50 Hz και η συχνότητα τριγώνου στα 25kHz. Τα φορτία είναι ωμικά και το αρχικό είναι ίσο με 40Ω, ενώ αυτό που συνδέεται στο δευτερεύον του Μ/Σ είναι ίσο με 500 Ω. Στο σχήμα 4.24 βλέπουμε την κυματομορφή της τάσης εξόδου του αντιστροφέα όταν ο μετασχηματιστής εισάγεται τη χρονική στιγμή t=0,045s, δηλ. σε χρόνο t=2t + 3T/4, όπου Τ=0,02s (f=50hz) η περίοδος της τάσης αναφοράς της SPWM. Ο διακόπτης που αποσυνδέει το αρχικό φορτίο ανοίγει τη χρονική στιγμή t=0,1s. Σχήμα 4.24: Τάση εξόδου του αντιστροφέα. Η σύνδεση με το Μ/Σ πραγματοποιείται για t=0.045s Όπως παρατηρούμε, από τη χρονική στιγμή της σύνδεσης με το Μ/Σ και μετά, επειδή το ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα αυξάνεται, όπως θα δούμε σε επόμενο σχήμα, η πτώση τάσης στις αντιστάσεις αγωγής των mosfet αυξάνεται και γίνεται μέγιστη τις χρονικές στιγμές t=t/4 και t=3t/4 κάθε περιόδου, όταν δηλαδή η στιγμιαία τιμή του ρεύματος γίνεται μέγιστη. Μάλιστα βλέπουμε πως οι παλμοί της τάσης εξόδου δεν σταματούν στο μηδέν αλλά είτε γίνονται ελάχιστα αρνητικοί ή ελάχιστα θετικοί αντίστοιχα, γεγονός που επίσης οφείλεται στην πτώση τάσης στα mosfet και στις διόδους των mosfet εξαιτίας της μεγάλης τιμής του ρεύματος. Αντίθετα πριν τη σύνδεση του Μ/Σ που η τιμή του ρεύματος είναι μικρή, οι πτώσεις τάσεις στα στοιχεία μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες. Στο σχήμα 4.25 παρατίθεται το ρεύμα εξόδου του inverter, δηλαδή το ρεύμα που διαρρέει το αρχικό ωμικό φορτίο κι έπειτα το πρωτεύον του Μ/Σ. 89

106 Σχήμα 4.25: Ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα (σύνδεση Μ/Σ για t=2t + 3T/4) Το ρεύμα αυξάνεται έντονα από τη στιγμή της σύνδεσης του Μ/Σ και μετά. Μετά τη χρονική στιγμή t=0,1s που αποσυνδέεται το αρχικό ωμικό φορτίο βλέπουμε ότι το ρεύμα έχει μέγιστη τιμή περίπου 8Α. Στο δευτερεύον του μετασχηματιστή η μέγιστη τιμή της τάσης είναι 120 0,68 4=326,4V, επομένως το μέγιστο ρεύμα με το οποίο τροφοδοτείται το ωμικό φορτίο στο δευτερεύον είναι 326,4V/500Ω=0,65Α, δηλαδή τροφοδοτείται με περίπου 2,6Α από το πρωτεύον. Συμπεραίνουμε πως η ενεργός τιμή του ρεύματος μαγνήτισης του Μ/Σ είναι (8Α-2,6Α)/ 2=3,83Α. Μάλιστα παρά τη σημαντική αύξηση του ρεύματος δεν διακρίνεται μεταβατικό φαινόμενο κατά τη σύνδεση του Μ/Σ. Αν όμως ο Μ/Σ συνδεθεί τη χρονική στιγμή t=0,04s, δηλ. για t=2t το ρεύμα εξόδου έχει τη μορφή που φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.26: Ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα (σύνδεση Μ/Σ για t=2t) Διαπιστώνουμε πως τώρα εμφανίζεται μεταβατικό φαινόμενο στο ρεύμα, το οποίο διαρκεί 20 περιόδους έως ότου σβήσει. 90

107 Το μεταβατικό φαινόμενο οφείλεται στην επαγωγή μαγνήτισης του Μ/Σ. Μπορούμε να θεωρήσουμε πως τη χρονική στιγμή που κλείνει ο διακόπτης, ο Μ/Σ αποτελεί ουσιαστικά μια αντίσταση R (αντίσταση χαλκού των τυλιγμάτων) σε σειρά με μια επαγωγή L (η οποία μπορεί να θεωρηθεί ίση με την επαγωγή μαγνήτισης του Μ/Σ καθώς η τιμή αυτής είναι πολύ μεγαλύτερη της επαγωγής σκέδασης του πρωτεύοντος) και στο παραπάνω RL εφαρμόζεται μια εναλλασσόμενη τάση V 2 V sin( t a), όπου ο χρόνος t είναι μηδέν τη στιγμή που εφαρμόζουμε την o τάση και το α καθορίζει το μέτρο της τάσης για t=0. Η διαφορική εξίσωση που περιγράφει αυτό το κύκλωμα είναι: di Vo 2 V sin( t a) Ri L (4.1) dt Η λύση της εξίσωσης αυτής είναι: R 2 V t L i sin( t a ) e sin( a ) (4.2) Z όπου: R ( L) tan ( L / R) 90 ώ L R Ο πρώτος όρος της παραπάνω εξίσωσης μεταβάλλεται ημιτονοειδώς με το χρόνο, ενώ ο δεύτερος δεν είναι περιοδικός και φθίνει εκθετικά με μια σταθερά χρόνου L/R. Αυτός ο όρος είναι η συνιστώσα συνεχούς ρεύματος που προκαλεί την ασυμμετρία του i μέχρι να αποσβεστεί. Σημειώνεται ότι η συνιστώσα συνεχούς ρεύματος δεν υπάρχει, αν κλείσει ο διακόπτης σε τέτοιο σημείο της κυματομορφής της τάσης ώστε α-θ = 0⁰ ή α-θ = 180⁰. Επομένως αν κλείσει ο διακόπτης τη χρονική στιγμή που η τάση είναι μηδενική, έχουμε α=180⁰, άρα α-θ = 90⁰ και η συνιστώσα συνεχούς ρεύματος έχει τη μέγιστη αρχική τιμή της, που είναι ίση με τη μέγιστη τιμή της ημιτονοειδούς συνιστώσας. Σε αυτήν την περίπτωση η μέγιστη τιμή του ρεύματος πλησιάζει την τιμή 2 V / Z, δηλαδή γίνεται διπλάσια της μέγιστης συμμετρικής τιμής μόνιμης κατάστασης. Το μεταβατικό φαινόμενο είναι λιγότερο έντονο αν ο Μ/Σ συνδεθεί κάποια άλλη στιγμή μες στην περίοδο, ενώ η βέλτιστη χρονική στιγμή είναι αυτή που εξετάσαμε αρχικά, δηλαδή κατά τις χρονικές στιγμές που ισχύει t=kt/4, όπου k θετικός ακέραιος, κι επομένως α-θ=90⁰-90⁰=0⁰ ή α-θ=270⁰-90⁰=180⁰. Να σημειωθεί επίσης πως αν η επαγωγή μαγνήτισης του μετασχηματιστή είχε μεγαλύτερη τιμή, ο εκθετικός όρος L/R της συνεχούς συνιστώσας θα οδηγούσε σε γρηγορότερη απόσβεση του μεταβατικού φαινομένου. Στα παρακάτω σχήματα, για να αναδειχθούν μεταβατικά φαινόμενα, αν υπάρχουν, η στιγμή της σύνδεσης του Μ/Σ με το δίκτυο είναι t= 2T = 0,04s και το αρχικό φορτίο αποσυνδέεται για t=0,1s. 91

108 Στο σχήμα 4.27 παρατίθεται η τάση του πρωτεύοντος και στο 4.28 η τάση στο δευτερεύον. Σχήμα 4.27: Τάση στο πρωτεύον Σχήμα 4.28: Τάση στο δευτερεύον Διαπιστώνουμε πως τόσο στην τάση του πρωτεύοντος όσο και του δευτερεύοντος δεν έχουμε μεταβατικά φαινόμενα. Η peak τιμή της τάσης του δευτερεύοντος είναι 320 V ενώ αναμένουμε 4 0, = 326,4 V. Η διαφορά οφείλεται στην πτώση τάσης στα ημιαγωγικά στοιχεία αλλά και στις αυτεπαγωγές σκέδασης και τις ωμικές αντιστάσεις του Μ/Σ εξαιτίας του σχετικά μεγάλου ρεύματος που έχουμε. Στα σχήματα που ακολουθούν βλέπουμε το ρεύμα του δευτερεύοντος καθώς και την τάση στο αρχικά συνδεδεμένο ωμικό φορτίο. 92

109 Σχήμα 4.29: Ρεύμα δευτερεύοντος Σχήμα 4.30: Τάση στο αρχικό ωμικό φορτίο Φαίνεται πως δεν έχουμε μεταβατικά φαινόμενα ούτε στο ρεύμα δευτερεύοντος, ούτε στην τάση του φορτίου. Μια μικρή μείωση στην τάση του φορτίου από τη στιγμή της σύνδεσης του Μ/Σ και μετά οφείλεται στην αύξηση του ρεύματος και συνεπώς στην αύξηση της πτώσης τάσης στα ημιαγωγικά στοιχεία του αντιστροφέα. Στα επόμενα δύο σχήματα παρατίθενται τα φάσματα συχνοτήτων της τάσης πρωτεύοντος και δευτερεύοντος. 93

110 Σχήμα 4.31: Φάσμα συχνοτήτων της τάσης πρωτεύοντος Σχήμα 4.32: Φάσμα συχνοτήτων της τάσης δευτερεύοντος Βλέπουμε πως και οι δύο τάσεις έχουν εξαιρετικό THD και μάλιστα στο δευτερεύον έχει εξαλειφθεί εντελώς και η ζώνη αρμονικών στα 50kHz. Η κυματομορφή του ρεύματος εισόδου φαίνεται στο επόμενο σχήμα: 94

111 Σχήμα 4.33: Ρεύμα εισόδου σε μεγάλη και μικρή κλίμακα Βλέπουμε πως αρχικά το ρεύμα εισόδου έχει τη μορφή που είδαμε και στο σχήμα 4.17, όμως η σύνδεση με το Μ/Σ και η αύξηση της επαγωγής του συστήματος οδηγεί στη μορφή που αναμένουμε σε ένα μονοφασικό αντιστροφέα ο οποίος βλέπει και επαγωγικό φορτίο (πηνίο φίλτρου, σκέδαση Μ/Σ) και επομένως είναι λογικό να έχουμε και αρνητικά τμήματα στο ρεύμα εισόδου. Η ασυμμετρία που διακρίνεται οφείλεται στο μεταβατικό φαινόμενο που έχουμε στο ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα κατά τη σύνδεση του Μ/Σ. Το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος εισόδου φαίνεται στο σχήμα

112 Σχήμα 4.34: Φάσμα συχνοτήτων του ρεύματος εισόδου 4.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ Στην παράγραφο αυτή θα δούμε τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του αντιστροφέα όταν συνδεθεί με το δίκτυο. Θα μελετήσουμε τη διαδικασία με την οποία γίνεται ο συγχρονισμός με το δίκτυο καθώς και τον έλεγχο της εγχεόμενης προς το δίκτυο ενεργού και αέργου ισχύος του μετατροπέα. Στο σχήμα 4.35 φαίνεται το προς προσομοίωση σύστημα. Σχήμα 4.35: Προσομοίωση σύνδεσης με το δίκτυο Ο αντιστροφέας έχει ως είσοδο μια σταθερή πηγή τάσης 120V. Αρχικά τροφοδοτεί ένα φορτίο 500Ω το οποίο βρίσκεται συνδεδεμένο στο δευτερεύον του Μ/Σ. Για να πραγματοποιηθεί ο συγχρονισμός του αντιστροφέα με το δίκτυο χρησιμοποιείται ένας PI ελεγκτής ο οποίος συγκρίνει την ενεργό τιμή της τάσης εξόδου του αντιστροφέα μετά το Μ/Σ με την ενεργό τιμή της τάσης του δικτύου. Η έξοδος του PI ελεγκτή 96

113 αποτελεί τον επιθυμητό συντελεστή διαμόρφωσης m a του αντιστροφέα. Ο m a που δίνει ο PI πολλαπλασιάζεται με ένα μοναδιαίο ημίτονο συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου ώστε να δημιουργηθεί η επιθυμητή τάση αναφοράς για το συγχρονισμό. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, επαρκές ώστε ο PI να έχει φτάσει στην κατάλληλη τιμή του m a και να έχει αποσβεθεί το μεταβατικό φαινόμενο στο μετασχηματιστή, κλείνει ο διακόπτης και ο αντιστροφέας συνδέεται στο δίκτυο. Το χρονικό αυτό διάστημα βρέθηκε από τις προσομοιώσεις να είναι περίπου 0,6 sec. Οι τιμές των P και I βρέθηκαν με τη μέθοδο Ziegler Nichols και πρόεκυψαν P = 0,16 και Ι = 9,55. Στο σχήμα 4.36 βλέπουμε την έξοδο του PI για 0,2 δευτερόλεπτα, ενώ στο σχήμα 4.37 φαίνεται η διαφορά ανάμεσα στην ενεργό τιμή της τάσης εξόδου του αντιστροφέα και την ενεργό τιμή της τάσης του δικτύου. Σχήμα 4.36: Έξοδος PI ελεγκτή για το συγχρονισμό 97

114 Σχήμα 4.37: Διαφορά ενεργών τιμών τάσης εξόδου μετά το Μ/Σ και τάσης δικτύου Στο σχήμα 4.38 απεικονίζονται οι δύο τάσεις για 0,2 δευτερόλεπτα. Σχήμα 4.38: Τάση εξόδου μετά το Μ/Σ - τάση δικτύου Οι δύο τάσεις έχουν μια μικρή διαφορά φάσης περίπου 1⁰, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.39, η οποία οφείλεται στην ύπαρξη των πηνίων του φίλτρου και των επαγωγών σκέδασης του Μ/Σ. Η διαφορά φάσης όμως αυτή είναι μικρή, εντός των επιτρεπτών ορίων για το συγχρονισμό. Η ενεργός ισχύς που ανταλλάσσεται μεταξύ του συστήματος αντιστροφέα - Μ/Σ και δικτύου δίνεται από τη σχέση: V sin 1 V 2 P (4.3) όπου φ: διαφορά φάσης και Χ : επαγωγική αντίδραση γραμμής. 98

115 Επομένως βλέπουμε ότι για φ = 1⁰ sinφ = 0,017 άρα η ενεργός ισχύς είναι μικρή. Αυτό σημαίνει πως και το ρεύμα τη στιγμή του συγχρονισμού θα έχει μικρή σχετικά τιμή, με συνέπεια να μην υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του αντιστροφέα τη στιγμή του συγχρονισμού. Σχήμα 4.39: Διαφορά φάσης ανάμεσα στην τάση εξόδου του αντιστροφέα και την τάση του δικτύου Μετά το συγχρονισμό αλλάζει ο έλεγχος και πλέον έχουμε έλεγχο ενεργού - αέργου ισχύος με χρήση PR ελεγκτή όπως εξηγήθηκε στην ενότητα Οι τιμές για τον ελεγκτή υπολογίστηκαν με τη μέθοδο Ziegler - Nichols, καθώς και με δοκιμές, και βρέθηκαν P = 0,01 και I = 40. Επίσης να σημειωθεί ότι χρησιμοποιήθηκε ο μη ιδανικός PR ελεγκτής με f c = 1 Hz ώστε να μπορεί να προσαρμόζεται σε τυχόν αυξομειώσεις της συχνότητας του δικτύου. Όπως θα δούμε παρακάτω δεν χρησιμοποιήθηκε ο PR και ως Harmonic Compensator (HC) καθώς δεν απαιτούνταν. Αρχικά η ενεργός ισχύς αναφοράς είναι ίση με 1000W, έπειτα με 500W και τέλος με 0W. Στα σχήματα 4.40 και 4.41 απεικονίζεται η ενεργός και η άεργος ισχύς που ανταλλάσσει το σύστημα με το δίκτυο. 99

116 Σχήμα 4.40: Ενεργός ισχύς που ανταλλάσσει το σύστημα με το δίκτυο Σχήμα 4.41: Άεργος ισχύς που ανταλλάσσει το σύστημα με το δίκτυο Παρατηρείται πως αρχικά η ενεργός ισχύς είναι περίπου 100W καθώς το σύστημα τροφοδοτεί την αντίσταση των 500Ω. Έπειτα, μετά το συγχρονισμό, φαίνεται πως η ισχύς εξόδου ακολουθεί κάθε φορά την ισχύ αναφοράς και μάλιστα με μεγάλη ακρίβεια και ταχύτητα. Και η άεργος ισχύς όμως, τόσο πριν το συγχρονισμό όσο και μετά παραμένει μηδενική. Εμφανίζει μόνο κάποιες απότομες παρυφές τις χρονικές στιγμές του συγχρονισμού και κάθε φορά που αλλάζει η ενεργός ισχύς αναφοράς. Και οι παρυφές αυτές βέβαια αποσβένουν ταχύτατα. Στο σχήμα 4.42 βλέπουμε το ρεύμα του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή, όπου διακρίνονται μεταβατικά φαινόμενα κατά το συγχρονισμό και κατά τις αλλαγές της μεταφερόμενης ενεργού ισχύος, τα οποία οφείλονται στην επαγωγή μαγνήτισης του Μ/Σ. 100

117 Σχήμα 4.42: Ρεύμα πρωτεύοντος Μ/Σ Στο σχήμα 4.43 απεικονίζεται το ρεύμα δευτερεύοντος του Μ/Σ. Κι εδώ εμφανίζονται μεταβατικά φαινόμενα κάθε φορά που αλλάζει η αναφορά ισχύος. Ιδιαίτερα στην πρώτη μεταβολή από 100 στα 1000W το μεταβατικό είναι αρκετά έντονο. Σχήμα 4.43: Ρεύμα δευτερεύοντος Μ/Σ Στο σχήμα 4.44 (α) παρουσιάζεται η τάση αναφοράς που χρησιμοποιείται για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα στο ίδιο γράφημα με ένα μοναδιαίο ημίτονο συμφασικό με τη φάση του δικτύου. Το χρονικό διάστημα 0-0,04s ο αντιστροφέας δεν έχει ακόμα συνδεθεί με το δίκτυο και τροφοδοτεί μόνο ένα ωμικό φορτίο 100W. Τη χρονική στιγμή 0,04s συνδέεται στο δίκτυο και αρχικά η ισχύς αναφοράς είναι 1000W. Τη χρονική στιγμή 0,08s η ισχύς αναφοράς αλλάζει και γίνεται 500W και τέλος τη χρονική στιγμή 1,2s η ισχύς αναφοράς μηδενίζεται. Στα σχήματα 4.44 (β), 4.44 (γ), 4.44(δ) βλέπουμε στην ίδια κλίμακα τη διαφορά φάσης ανάμεσα στο ημίτονο αναφοράς για την παλμοδότηση και στην τάση του δικτύου όταν η ισχύς αναφοράς είναι 1000W, 500W και 0W αντίστοιχα. Διακρίνεται το γεγονός πως οι μεταβολές στο m a είναι μικρές, καθώς η ενεργός ισχύς που εγχέει ο 101

118 αντιστροφέας στο δίκτυο καθορίζεται κυρίως από τη διαφορά φάσης της τάσης εξόδου και της τάσης του δικτύου και όχι από το πλάτος τη τάσης εξόδου. Σε καμία από τις περιπτώσεις το m a δεν υπερβαίνει την πρακτικά μέγιστη τιμή του 0,8. Σχήμα 4.44: (α) Τάση αναφοράς για την παλμοδότηση του αντιστροφέα και μοναδιαίο ημίτονο συμφασικό με το δίκτυο (β) Διαφορά φάσης ημιτόνου αναφοράς - τάσης δικτύου για ισχύ 1000W (γ) Διαφορά φάσης ημιτόνου αναφοράς - τάσης δικτύου για ισχύ 500W (δ) Διαφορά φάσης ημιτόνου αναφοράς - τάσης δικτύου για ισχύ 0W 102

119 Διαπιστώνεται πως όταν ο αντιστροφέας εγχέει ενεργό ισχύ στο δίκτυο, το ημίτονο αναφοράς προηγείται της τάσης του δικτύου και μάλιστα για μεγαλύτερη ισχύ, η διαφορά φάσης αυξάνεται. Όταν ο αντιστροφέας έχει μηδενική αναφορά ενεργού ισχύος η τάση του δικτύου προηγείται με μια πολύ μικρή διαφορά φάσης του ημιτόνου αναφοράς. Στα επόμενα δύο σχήματα παρατίθενται το φάσμα συχνοτήτων τόσο του ρεύματος πρωτεύοντος όσο και του ρεύματος δευτερεύοντος Σχήμα 4.45: Φάσμα συχνοτήτων ρεύματος πρωτεύοντος Σχήμα 4.46: Φάσμα συχνοτήτων ρεύματος δευτερεύοντος Οι ανώτερες αρμονικές όπως διακρίνεται και στα δύο φάσματα έχουν φιλτραριστεί εντελώς, ενώ οι αρμονικές σε συχνότητα 3πλάσια, 5πλάσια, 7πλάσια κ.ο.κ. της βασικής έχουν πρακτικά εξαλειφθεί γεγονός που καταδεικνύει πως δεν απαιτείται να χρησιμοποιηθεί ο PR ως Harmonic Compensator (HC). Το THD και στις δύο περιπτώσεις έχει εξαιρετικά χαμηλή τιμή, μόλις 0,03%. Αυτό που παρατηρείται είναι πως το ρεύμα τόσο στο πρωτεύον όσο και στο δευτερεύον έχει πολύ μικρή dc συνιστώσα που οφείλεται στο μεταβατικό φαινόμενο που εισάγει ο Μ/Σ και το οποίο δεν έχει σβήσει εντελώς 0,7s μετά το συγχρονισμό, όμως όπως είναι εμφανές, η dc συνιστώσα έχει πλέον πολύ μικρό πλάτος. 103

120 Το ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα του αντιστροφέα παρουσιάζεται στα σχήματα 4.47 και 4.48 σε μεγάλη και μικρή κλίμακα αντίστοιχα. Οι ασυμμετρίες οφείλονται στο μεταβατικό φαινόμενο που εισάγει ο μετασχηματιστής. Στο δεύτερο σχήμα καταδεικνύεται η αλλαγή στο ρεύμα εισόδου όταν η ισχύς αναφοράς αλλάζει από τα 1000 στα 500W. Σχήμα 4.47: Ρεύμα εισόδου σε μεγάλη κλίμακα Σχήμα 4.48: Ρεύμα εισόδου σε μικρή κλίμακα 104

121 4.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΟΝ ΠΥΚΝΩΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Το προς προσομοίωση σύστημα φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.49: Προσομοίωση σύνδεσης στο δίκτυο με έλεγχο της τάσης στο dc bus Αρχικά ο αντιστροφέας είναι συνδεδεμένος με μια dc πηγή τάσης 120V και πραγματοποιείται συγχρονισμός με τον τρόπο που περιγράφηκε στην ενότητα 4.3. Στη συνέχεια ο αντιστροφέας αποσυνδέεται από την πηγή τάσης και συνδέεται σε μια πηγή ρεύματος, παράλληλα στην οποία είναι συνδεδεμένος ένας πυκνωτής (dc bus πυκνωτής), ο οποίος προφανώς έχει στα άκρα του τάση 120V τη στιγμή της σύνδεσης. Η πηγή ρεύματος αντιπροσωπεύει τον τρόπο με τον οποίο παρέχει ισχύ στον αντιστροφέα ο μετατροπέας boost του συστήματος τροφοδοτώντας με ισχύ (δηλαδή με ρεύμα) τον πυκνωτή διασύνδεσης, του οποίου την τάση επιθυμούμε να διατηρήσουμε σταθερή με τον έλεγχο. Το ρεύμα με το οποίο τροφοδοτεί η πηγή ρεύματος τον πυκνωτή διασύνδεσης φαίνεται στο σχήμα 4.50.Ουσιαστικά ίδια είναι και η μορφή της ισχύος εισόδου. Σχήμα 4.50: Ρεύμα εισόδου στον πυκνωτή διασύνδεσης 105

122 Όπως φαίνεται τη χρονική στιγμή t=0,4s ο αντιστροφέας αποσυνδέεται από την πηγή τάσης και συνδέεται στην πηγή ρεύματος. Η μέγιστη τιμή του ρεύματος εισόδου είναι 8,4 Α ώστε να έχουμε 1000W (με τον έλεγχο η τάση στον πυκνωτή θα διατηρείται κοντά στα 120V). Με βάση τη λογική που αναπτύχθηκε στην ενότητα 3.1 η διατήρηση σταθερής τάσης στον πυκνωτή διασύνδεσης πραγματοποιείται με έλεγχο της ενεργού ισχύος που ανταλλάσσει ο αντιστροφέας με το δίκτυο. Η τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης και η επιθυμητή τιμή που οφείλει να έχει εισάγονται σε έναν PI ελεγκτή, η έξοδος του οποίου αποτελεί την αναφορά ενεργού ισχύος στον αντιστροφέα. Οι τιμές του PI ελεγκτή βρέθηκαν με δοκιμές: P = 200, Ι=200.Όπως έχει ήδη τονισθεί στην ενότητα 2.6 από διάφορες δοκιμές σε προσομοιώσεις ότι η ελάχιστη χωρητικότητα του πυκνωτή διασύνδεσης ώστε ο αντιστροφέας να λειτουργεί σωστά είναι 50μF, τιμή αρκετά υψηλή. Στο σχήμα 4.51 παρατίθεται η τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης. Όπως φαίνεται ο έλεγχος κατορθώνει να διατηρήσει την τάση του πυκνωτή αρκετά κοντά στην επιθυμητή τιμή των 120V παρά τις συνεχείς μεταβολές της ισχύος εισόδου. Σχήμα 4.51: Τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης Στα επόμενα δύο σχήματα διακρίνονται η ενεργός και η άεργος ισχύς που ανταλλάσσει το σύστημα με το δίκτυο. 106

123 Σχήμα 4.52: Ενεργός ισχύς εξόδου του συσήματος Σχήμα 4.53 : Άεργος ισχύς εξόδου του συστήματος Αρχικά η ενεργός ισχύς εξόδου είναι 100W, καθώς το σύστημα τροφοδοτεί μόνο το ωμικό φορτίο. Έπειτα η καμπύλη της έχει την ίδια μορφή με την ισχύ εισόδου. Διακρίνεται πως η ενεργός ισχύς εξόδου είναι μικρότερη της ισχύος εισόδου(για 1000W στην είσοδο έχουμε 870W στην έξοδο) κι αυτό γιατί ένα τμήμα της ισχύος εισόδου αποθηκεύεται στον πυκνωτή ως αύξηση της τάσης του (έστω και μικρή αύξηση αντιστοιχεί σε σχετικά μεγάλη ισχύ εξαιτίας της μεγάλης χωρητικότητας), ενώ ένα άλλο τμήμα καταναλώνεται στις ωμικές αντιστάσεις των ημιαγωγικών στοιχείων και στις απώλειες χαλκού στο μετασχηματιστή. Η άεργος ισχύς διατηρείται συνεχώς αρκετά κοντά στο μηδέν. Στο σχήμα 4.54 φαίνεται το ρεύμα του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή. 107

124 Σχήμα 4.54: Ρεύμα δευτερεύοντος Μ/Σ Για μικρότερες τιμές της χωρητικότητας του πυκνωτή διασύνδεσης το ρεύμα του δευτερεύοντος, όπως και του πρωτεύοντος, δεν προκύπτει ημιτονοειδές. Εξαιτίας των παλμικών ρευμάτων στην είσοδο του αντιστροφέα, όταν η χωρητικότητα του πυκνωτή διασύνδεσης δεν είναι αρκετά μεγάλη, η τάση στα άκρα του πυκνωτή δεν παραμένει σταθερή αλλά εμφανίζει έντονη κυμάτωση. Επομένως, η τάση στην είσοδο του αντιστροφέα ουσιαστικά έχει μεγάλη κυμάτωση με αποτέλεσμα ο αντιστροφέας να μη λειτουργεί σωστά και το ρεύμα εξόδου να μην προκύπτει ημιτονμοειδές. Στο σχήμα 4.55 βλέπουμε το ρεύμα του δευτερεύοντος σε μικρή κλίμακα για C=35μF. Σχήμα 4.55: Ρεύμα δευτερεύοντος σε μικρή κλίμακα για πυκνωτή διασύνδεσης με χωρητικότητα C = 35μF Με προσομοιώσεις καταλήξαμε πως η ελάχιστη τιμή χωρητικότητας του πυκνωτή διασύνδεσης για την οποία ο αντιστροφέας λειτουργεί σωστά είναι 50mF. 108

125 4.5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Στο σχήμα 4.56 παρατίθεται το προσομοιούμενο σύστημα. Σχήμα 4.56: Προσομοίωση του συνολικού αιολικού συστήματος Αρχικά και για 0,4s οι δύο μετατροπείς δεν είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους. Ο boost έχει στην είσοδό του το σύστημα ανεμογεννήτρια - ανορθωτής και στην έξοδο του μια πηγή dc τάσης 120V. Ο αντιστροφέας έχει στην είσοδό του την πηγή τάσης και στην έξοδο του το LC φίλτρο, το Μ/Σ καθώς και ένα ωμικό φορτίο 50Ω. Μάλιστα μετά από 0,04s ο αντιστροφέας συνδέεται στο δίκτυο, δηλαδή κλείνει και ο διακόπτης Breaker 2. Μετά από 0,4s ανοίγει ο διακόπτης Breaker 1 και ουσιαστικά έχουμε σύζευξη των δύο μετατροπέων μέσω του πυκνωτή διασύνδεσης χωρητικότητας 50μF. Ο boost πραγματοποιεί συνεχώς MPPT με χρήση της μεθόδου P&O. Η ανεμογεννήτρια έχει χαρακτηριστικά όμοια με αυτή της πραγματικής ανεμογεννήτριας, δηλαδή ονομαστική ισχύ 1kW, ονομαστική ταχύτητα ανέμου 11,6 m/s και ονομαστικές στροφές περίπου Η ταχύτητα του ανέμου στη συγκεκριμένη προσομοίωση ρυθμίζεται να είναι ίση με την ονομαστική. Ο αντιστροφέας τα πρώτα 0,04s εκτελεί τον έλεγχο συγχρονισμού με το δίκτυο, ενώ μετά το κλείσιμο του διακόπτη Breaker 2 υλοποιείται ο έλεγχος ενεργού - αέργου ισχύος με PR ελεγκτή. Η αναφορά ενεργού ισχύος ρυθμίζεται στα 300W κατά το συγχρονισμό. Μετά τη διασύνδεση των δύο μετατροπέων, ο έλεγχος του αντιστροφέα αναλαμβάνει και τη ρύθμιση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης μέσω της ρύθμισης της αναφοράς ενεργού ισχύος. Στο σχήμα 4.57 βλέπουμε την ισχύ εισόδου του μετατροπέα boost η οποία φτάνει κοντά στα 1000W μετά από 0,1s δείχνοντας την ταχύτητα καθώς και την ορθή λειτουργία του αλγορίθμου ευρέσεως του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT). 109

126 Σχήμα 4.57: Ισχύς εισόδου του μετατροπέα boost Στο σχήμα 4.58 βλέπουμε τις στροφές της ανεμογεννήτριας. Παρατηρούμε πως και οι στροφές φτάνουν κοντά στην ονομαστική τους τιμή μετά από 0,1s. Σχήμα 4.58: Στροφές ανεμογεννήτριας Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η μεταβολή του λόγου κατάτμησης του μετατροπέα boost ώστε να επιτευχθεί η απομάστευση μέγιστης ισχύος. 110

127 Σχήμα 4.59: Λόγος κατάτμησης μετατροπέα boost Στα επόμενα δύο παλμογραφήματα παρατίθενται η ενεργός και η άεργος ισχύς που εγχέει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. Σχήμα 4.60: Ενεργός ισχύς εξόδου αντιστροφέα 111

128 Σχήμα 4.61: Άεργος ισχύς εξόδου αντιστροφέα Παρατηρείται πως αρχικά ο μετατροπέας τροφοδοτεί το ωμικό φορτίο με 800W περίπου ενώ μετά τη σύνδεση με το δίκτυο στέλνει 300W (όσα και η αναφορά ενεργού ισχύος). Μετά τη σύζευξη των δύο μετατροπέων ο αντιστροφέας δίνει 860W προσπαθώντας να διατηρήσει σταθερή την τάση διασύνδεσης. Καταδεικνύεται επομένως πως το σύστημα boost - αντιστροφέας - μετασχηματιστής έχει συντελεστή απόδοσης 86% περίπου. Να σημειωθεί πως μεγάλο ποσοστό απωλειών εισάγει ο μετασχηματιστής. Μάλιστα εξαιτίας της μικρής επαγωγής μαγνήτισης που διαθέτει, η λειτουργία του απαιτεί μεγάλο ρεύμα μαγνήτισης, το οποίο αυξάνει συνολικά τις ωμικές απώλειες στα ημιαγωγικά στοιχεία και στο τύλιγμα του πρωτεύοντος. Επίσης ένα μέρος της ισχύος που δίνει ο boost έχει αποθηκευτεί στον πολύ μεγάλης χωρητικότητας πυκνωτή διασύνδεσης λόγω της έστω και μικρής, όπως θα φανεί σε επόμενο σχήμα, αύξησης της τάσης του. Η άεργος ισχύς εξόδου είναι σχεδόν μηδενική εκτός των χρονικών στιγμών που έχουμε μεταβατικά φαινόμενα (σύνδεση με το δίκτυο, σύζευξη μετατροπέων). Στη μόνιμη κατάσταση και όταν το συνολικό σύστημα έχει πλέον συνδεθεί, ισούται με 30 Var, δηλαδή επιτυγχάνεται συντελεστής ισχύος πολύ κοντά στη μονάδα. Η τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης παρουσιάζεται παρακάτω. 112

129 Σχήμα 4.62: Τάση πυκνωτή διασύνδεσης Παρατηρείται πως ο έλεγχος κατορθώνει να διατηρήσει την τάση πολύ κοντά στην επιθυμητή τιμή. Παράλληλα εξαιτίας της μεγάλης χωρητικότητας η κυμάτωση είναι περίπου 0,5V παρά τα μεγάλα ρεύματα συμβάλλοντας έτσι στην ομαλή λειτουργία του αντιστροφέα. Τέλος παρακάτω βλέπουμε το ημίτονο ελέγχου της SPWM παλμοδότησης του αντιστροφέα καθώς και το ρεύμα στο δευτερεύον του μετασχηματιστή, δηλαδή το ρεύμα εξόδου του αιολικού συστήματος. Και στα δύο παλμογραφήματα αποτυπώνονται οι μεταβολές στην ισχύ εξόδου. Μάλιστα αποδεικνύεται πως ο λόγος κατάτμησης m a δεν ξεπερνά την τιμή 0,8 εξασφαλίζοντας ομαλή έναυση και σβέση στα ημιαγωγικά στοιχεία της γέφυρας. Σχήμα 4.63: Ημίτονο αναφοράς SPWM παλμοδότησης 113

130 Σχήμα 4.64: Ρεύμα δευτερεύοντος μετασχηματιστή 114

131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγράψουμε τα στοιχεία που περιλαμβάνει κάθε διάταξη που κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τα τμήματα που κατασκευάστηκαν είναι η διάταξη του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας, η μονάδα του μικροελεγκτή για την δημιουργία των παλμών οδήγησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα, η μονάδα με τα μετρητικά καθώς και η μονάδα τροφοδοσίας όλων των προηγούμενων τμημάτων. Η κάθε μία μονάδα που αναφέραμε προηγουμένως, υλοποιήθηκε πάνω σε τυπωμένη πλάκα χαλκού, μονής ή διπλής όψης. Τα απαραίτητα σχέδια των τυπωμένων κυκλωμάτων κάθε πλακέτας έγιναν με τη χρήση του δωρεάν λογισμικού KiCad και παρουσιάζονται στο Παράρτημα Α. Τέλος στο Παράρτημα Γ παραθέτουμε τα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των μονάδων. 5.2 ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Ο μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας που επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε και να κατασκευάσουμε αποτελείται από τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος, τέσσερις διόδους ισχύος που τοποθετούνται αντιπαράλληλα στα προηγούμενα στοιχεία και πυκνωτές που τοποθετούνται στην είσοδο ως φίλτρο εισόδου. Να αναφέρουμε σε αυτό το σημείο ότι θεωρούμε ξεχωριστή μονάδα το τμήμα οδήγησης των παλμών ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων και θα τη μελετήσουμε ξεχωριστά Ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος Τα στοιχεία που επιλέξαμε για τη δική μας εφαρμογή είναι τα MOSFET. Πρόκειται για στοιχεία πλήρως ελεγχόμενα από τάση με εξαιρετικά μικρούς χρόνους έναυσης και σβέσης, γεγονός που τους επιτρέπει να λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες. Ακόμα, δεν έχουν ανάγκη πολύπλοκων κυκλωμάτων παλμοδότησης όπως είναι τα κυκλώματα σβέσης που απαιτούν άλλα ημιαγωγικά στοιχεία. Η επιλογή των κατάλληλων MOSFET γίνεται με βάση τη μέγιστη τάση που εφαρμόζεται στα άκρα τους, την ενεργό τιμή του ρεύματος που τα διαρρέει, την αντίσταση αγωγής που εμφανίζουν και φυσικά τη διαθεσιμότητα των στοιχείων στην αγορά. Στη δική μας 115

132 εφαρμογή η τάση κυμαίνεται στα 120 V και το ρεύμα που διαρρέει κάθε στοιχείο βρέθηκε από τις προσομοιώσεις είναι περίπου στα 12,5A(rms). Έπειτα από έρευνα για την επιλογή του μοντέλου και με βασικές παραμέτρους την διαθεσιμότητα, το χαμηλό κόστος, καθώς και τη χαμηλή αντίσταση αγωγής για τη μείωση των απωλειών, καταλήξαμε στα MOSFET IRFP4332PBF της εταιρείας International Rectifier η δομή των οποίων φαίνεται στο Σχήμα 5.1. Το μοντέλο αυτό έχει χαρακτηριστικά μεγέθη V DS = 250 V, I D =40 A στους 100 ο C και R DS =29 mω. Σχήμα 5.1: Εικόνα και κυκλωματικό σύμβολο του IRFP4332PBF Από το Σχήμα 5.1 βλέπουμε ότι το στη δομή των συγκεκριμένων ημιαγωγικών στοιχείων, με κωδικό περιβλήματος TO-247, περιλαμβάνεται αντιπαράλληλη εσωτερική δίοδος ισχύος, κάτι που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη χρησιμοποίησης ξεχωριστών διόδων ισχύος. Παρατηρούμε επίσης, ότι τα στοιχεία που τελικά επιλέξαμε καλύπτουν πλήρως τις ανάγκες μας. Συγκεκριμένα, όσον αφορά την τάση επιλέξαμε τα 250V για λόγους ασφάλειας, καθώς η τάση που θα πρέπει να αντέχουν τα στοιχεία θα πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την τάση λειτουργίας τους. Από την άλλη πλευρά, επιλέξαμε στοιχείο με αντοχή στο ρεύμα αρκετά μεγαλύτερη από την απαιτούμενη, προκειμένου να παρουσιάζει όσο το δυνατόν μικρότερη αντίσταση αγωγής R DS και έτσι να μειώσουμε τις απώλειες κατά την αγωγή. Τέλος η συχνότητα που θα λειτουργήσουμε το στοιχείο και είναι τα 25 khz, είναι αρκετά μικρότερη από τη μέγιστη συχνότητα που μπορεί να λειτουργήσει το συγκεκριμένο MOSFET. Περισσότερες λεπτομέρειες για το στοιχείο μπορούμε να βρούμε στο φυλλάδιο του κατασκευαστή που παρατίθεται στο Παράρτημα Γ. 116

133 5.2.2 Πυκνωτές στην είσοδο του αντιστροφέα Παράλληλα στον κάθε κλάδο του μονοφασικού αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα που κατασκευάσαμε, τοποθετήσαμε δυο πυκνωτές πολυπροπυλενίου (MKP) καθώς και δυο ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές. Η σύνδεση και των τεσσάρων πυκνωτών έγινε παράλληλα και έχει στόχο την μείωση την παρασιτικής επαγωγής των γραμμών αλλά και την σταθεροποίηση της τάσης εισόδου από τις μικρές μεταβολές που μπορεί να εμφανιστούν. Η επιλογή τους γίνεται με βάση τη χωρητικότητά και τη μέγιστη τάση που αντέχουν στα άκρα τους. Οι πυκνωτές πολυπροπυλενίου έχουν χωρητικότητα 1μF και τάση αντοχής 400V ο καθένας τους, ενώ οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν χωρητικότητα 2200μF και τάση αντοχής 160V. 5.3 ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΤΩΝ MOSFET Η παραγωγή των σημάτων ελέγχου των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του μονοφασικού αντιστροφέα πραγματοποιείται από τον μικροεπεξεργαστή dspic30f4011, όπως θα αναλύσουμε σε επόμενο κεφάλαιο. Τα σήματα αυτά πριν φτάσουν στο κύκλωμα ισχύος πρέπει να απομονωθούν ηλεκτρικά για την προστασία του κυκλώματος ελέγχου, και στη συνέχεια να ενισχυθούν με τη χρήση κυκλώματος ενίσχυσης παλμών με στόχο η μετάβαση από την κατάσταση αγωγής στην κατάσταση αποκοπής και αντίστροφα να γίνεται γρήγορα, και κυρίως να παρέχεται επαρκής ισχύς στην οδήγηση των στοιχείων ώστε να παραμένουν σε κατάσταση πλήρους αγωγής. 117

134 Σχήμα 5.2: Η πορεία του σήματος παλμοδότησης ενός mosfet του αντιστροφέα Οι παλμοί που παράγονται από τον μικροελεγκτή στους ακροδέκτες 35 έως 38, οδηγούνται στο ολοκληρωμένο 74HCT541. Το στοιχείο 74HCT541 είναι ένας buffer, έχει 20 ακροδέκτες και τροφοδοτείται με συνεχή τάση 5V. Ο buffer χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των παλμών του μικροελεγκτή. Από το 74HCT541 οι παλμοί οδηγούνται στο επόμενο ολοκληρωμένο στοιχείο το 6Ν137(optocoupler), το οποίο έχει 8 ακροδέκτες και τροφοδοτείται επίσης με 5V συνεχούς τάσης. Αποστολή του 6Ν137 είναι η ηλεκτρική απομόνωση των παλμών, οι οποίοι επιπρόσθετα αντιστρέφονται. Να τονίσουμε σε αυτό το σημείο ότι το δυναμικό αναφοράς (μηδενικό δυναμικό ή γείωση) του σήματος εισόδου πρέπει να είναι διαφορετικό και απομονωμένο ηλεκτρικά από το δυναμικό αναφοράς του σήματος στην έξοδο του στοιχείου 6Ν137. Από την έξοδο του οπτικού απομονωτή οι παλμοί οδηγούνται στο ολοκληρωμένο 74HCT04. Το στοιχείο 74HCT04 περιλαμβάνει 6 πύλες NOT, έχει 14 ακροδέκτες και τροφοδοτείται με συνεχή τάση 5V. Εκεί οι παλμοί αντιστρέφονται 118

135 και οδηγούνται στον ενισχυτή παλμών IR2113, ο οποίος είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα με 14 ακροδέκτες και τροφοδοτείται με συνεχή τάση 15V. Εκεί οι παλμοί αποκτούν την απαιτούμενη ισχύ ώστε να προκαλέσουν την έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων (MOSFET). Μεταξύ της πύλης (Gate) των MOSFET και της εξόδου του IR2113 συνδέεται μία μικρή αντίσταση 10 Ω, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα RC κύκλωμα, καθώς οι ακροδέκτες πύλης-πηγής (Gate-Source) του στοιχείου μπορούν να μοντελοποιηθούν με μια χωρητικότητα C. Έτσι, επιτυγχάνεται υψηλό ρεύμα και η έναυση των στοιχείων γίνεται με το βέλτιστο τρόπο. Επίσης, σημειώνεται ότι μεταξύ της πύλης και της πηγής κάθε στοιχείου MOSFET, συνδέουμε μία δίοδο Zener 18 V παράλληλα με μία αντίσταση 1,5 kω. Αυτά είναι αναγκαία για την προστασία του στοιχείου σε περίπτωση που η τάση μεταξύ πύλης και πηγής V GS γίνει μεγαλύτερη από 18 V, οπότε υπερβαίνεται η αντοχή σε ανάστροφη τάση της διόδου Zener, αρχίζει να άγει και εμποδίζεται η καταστροφή του ημιαγωγικού στοιχείου. Η ύπαρξη του inverter 74HCT04 απαιτείται για δύο λόγους. Πρώτον, ο οπτοζεύκτης αντιστρέφει τους παλμούς και επομένως χρειάζεται ένα ολοκληρωμένο σε σειρά το οποίο να αντιστρέφει για δεύτερη φορά τους παλμούς. Δεύτερον, αν για κάποιο λόγο δεν έχει συνδεθεί ο μικροελεγκτής ή εξαιτίας κάποιου σφάλματος στον οπτοζεύκτη φτάνει συνεχώς μηδενικό (low) σήμα, το σήμα που τελικά θα φτάνει στον ενισχυτή παλμών IR2113 θα είναι μηδενικό λόγω των δύο συνεχόμενων αντιστροφών σε οπτοζεύκτη και αντιστροφέα, κι έτσι αποφεύγεται πιθανή έναυση των mosfet σε συνθήκες σφάλματος Το ολοκληρωμένο 74HCT541 Σχήμα 5.3: Το ολοκληρωμένο 74HCT541 Όπως είδαμε το 74HCT541 έχει 20 ακροδέκτες. Στον ακροδέκτη 20 συνδέεται η τροφοδοσία 5V ενώ ο ακροδέκτης 10 γειώνεται. Μεταξύ των ακροδεκτών 10 και 20 συνδέεται ένας πυκνωτής MKT 27nF για σταθεροποίηση της τάσης τροφοδοσίας. Οι ακροδέκτες 1 και 19 υλοποιούν μια πύλη ελέγχου 3 καταστάσεων ως μια πύλη NOR δύο εισόδων. Στο σχήμα 5.4 παρατίθεται ο πίνακας αληθείας. 119

136 Σχήμα 5.4: Πίνακας αληθείας του 74HCT541 Βλέπουμε λοιπόν πως αν οποιοσδήποτε από τους δύο ακροδέκτες συνδεθεί στο High (τάση τροφοδοσίας) οι έξοδοι βρίσκονται στην κατάσταση υψηλής εμπέδησης. Επομένως επειδή μας ενδιαφέρει απλώς η απομόνωση και ενίσχυση των παλμών, οι ακροδέκτες 1 και 19 γειώνονται. Οι ακροδέκτες 2 έως 9 είναι οι 8 είσοδοι του buffer και οι ακροδέκτες 11 έως 18 οι 8 έξοδοί του Το ολοκληρωμένο 74HCT04 Σχήμα 5.5: Το ολοκληρωμένο 74ΗCT04 Όπως αναφέραμε ήδη, είναι ένας ολοκληρωμένο 14 ακροδεκτών, που περιλαμβάνει έξι λογικές πύλες NOT. Στον ακροδέκτη 14 συνδέεται η τροφοδοσία 5V και στον ακροδέκτη 7 η γείωση. Μεταξύ των δύο αυτών ακροδεκτών συνδέεται ένας πυκνωτής MKT 33nF. Τα pin 1, 3, 5, 9, 11, 13 είναι οι 6 είσοδοι του ολοκληρωμένου, ενώ τα pin 2, 4, 6, 8, 10, 12 οι έξοδοι. 120

137 5.3.3 Το ολοκληρωμένο 6Ν137 Σχήμα 5.6: Οπτοζεύκτης 6N137 Όπως είδαμε το 6N137 (optocoupler) έχει 8 ακροδέκτες. Η τροφοδοσία των 5V γίνεται μέσω του ακροδέκτη 8 και στη συνέχεια γειώνεται στον ακροδέκτη 5. Μεταξύ των δύο αυτών ακροδεκτών συνδέεται ένας πυκνωτής πολυεστέρα (ΜΚΤ) 1μF. Οι παλμοί που προέρχονται από το 74HCT541 εισέρχονται από τον ακροδέκτη 2, μέσω μίας αντίστασης 350Ω που συνδέεται σε σειρά με αυτόν. Όταν το σήμα εισόδου είναι σε υψηλό δυναμικό (high) το μέγιστο ρεύμα εισόδου που μπορεί να διαρρέει τον οπτοζεύκτη είναι 15mA. Επομένως με τη χρήση της αντίστασης, περιορίζουμε το ρεύμα εισόδου στα 5 V 14,28mA. Ο ακροδέκτης 3 γειώνεται, καθώς αποτελεί το 350 αρνητικό του σήματος εισόδου. Από τον ακροδέκτη 6 δίνονται οι εξερχόμενοι παλμοί, οι οποίοι όμως και αντιστρέφονται. Ο ακροδέκτης 7 συνδέεται στην τροφοδοσία μέσω μιας πολύ μεγάλης pull - up αντίστασης, ώστε να είναι πάντα στην κατάσταση High. Η χρήση pull - up αντίστασης θα μπορούσε να είχε αποφευχθεί καθώς ο 6Ν137 διαθέτει εσωτερική pull - up, όμως για λόγους ασφαλείας επιλέχθηκε να συνδέσουμε και εμείς μία. Στο κύκλωμά μας χρησιμοποιούμε τέσσερα ολοκληρωμένα 6N137, ένα δηλαδή για κάθε σήμα ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων από τον μικροελεγκτή. 121

138 5.3.4 Το ολοκληρωμένο IR2113 Σχήμα 5.7: Το ολοκληρωμένο IR2113 Σχήμα 5.8: Τυπική σύνδεση του ολοκληρωμένου IR2113 Το ολοκληρωμένο κύκλωμα IR2113 χρησιμοποιείται για την οδήγηση και ενίσχυση των παλμών που οδηγούνται στις πύλες των MOSFET. Το IR2113 έχει 14 ακροδέκτες, όπου στον ακροδέκτη 9(VDD) γίνεται η τροφοδοσία με 5V και στον ακροδέκτη 3(VCC) με 15 V, ενώ οι ακροδέκτες 11(SD), 13(VSS) και 2(COM) γειώνονται. Στους ακροδέκτες 10(HIN) και 12(LIN) εισέρχονται οι παλμοί από τα στοιχεία 6Ν137 και από τους ακροδέκτες 7(HO) και 1(LO) εξέρχονται οι παλμοί που οδηγούνται στην πύλη του άνω και κάτω αντίστοιχα ημιαγωγικού στοιχείου MOSFET του κάθε σκέλους του μονοφασικού αντιστροφέα. Οι ακροδέκτες 5(VS) και 2(COM) συνδέονται στις πηγές (source) των MOSFET. Μεταξύ των ακροδεκτών 6 και 5 (V Β και V S ) συνδέεται πυκνωτής τανταλίου 3,3μF (γνωστός και ως bootstrap capacitor), ενώ πυκνωτές ΜΚΤ 1μF που λειτουργούν ως φίλτρα και συμβάλλουν στη σταθεροποίηση των τάσεων συνδέθηκαν και στις δύο τροφοδοσίες του ολοκληρωμένου (ακροδέκτες 9-13 και 3-2). Τέλος, μεταξύ των ακροδεκτών 6 και 3 (VΒ και VCC) τοποθετήθηκε η δίοδος BYT56M που ολοκληρώνει το κύκλωμα bootstrap και έχει πολύ γρήγορους χρόνους απόκρισης (100 ns) και αντέχει πολύ υψηλή τιμή ανάστροφης τάσης (1000 V). 122

139 Για την αγωγή του κάτω στοιχείου ενός κλάδου του αντιστροφέα, ο παλμός ο οποίος οδηγείται στην πύλη του από το ολοκληρωμένο IR2113, παράγεται από την τροφοδοσία των 15V, ενώ η πηγή (source) του στοιχείου συνδέεται με τη γη της τροφοδοσίας, ενώ για την έναυση του πάνω mosfet χρησιμοποιείται η τεχνική "bootstrap".όταν λοιπόν έρθει η στιγμή να ανάψει το πάνω στοιχείο, ο φορτισμένος από τη δίοδο πυκνωτής "bootstrap" είναι αυτός που θα δώσει την απαιτούμενη τάση μεταξύ πύλης και πηγής του στοιχείου. Η φόρτιση του πυκνωτή μέσω της διόδου, η οποία όπως έχει αναφερθεί είναι αρκετά γρήγορη, γίνεται κατά τη διάρκεια της φάσης αγωγής του κάτω στοιχείου. Η παροχή της τάσης των 15V για το πάνω τρανζίστορ έχει ανεξάρτητη αναφορά από τη γείωση της τροφοδοσίας του οδηγού που χρησιμοποιείται ως αναφορά για το κάτω. Ο πυκνωτής πρέπει να προλαβαίνει να φορτιστεί όσο διαρκεί η αγωγή του κάτω στοιχείου, για το λόγο αυτό πρέπει να γίνει η κατάλληλη επιλογή τόσο αυτού όσο και της διόδου. Στο κύκλωμά μας χρησιμοποιούμε δύο ολοκληρωμένα κυκλώματα IR2113, όσα είναι δηλαδή και τα σκέλη του μονοφασικού αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα Κυκλωμα Bootstrap Όπως αναφέρθηκε, απαιτείται η χρήση πυκνωτών ώστε να επιτευχθεί η τροφοδοσία τύπου bootstrap. Στο υποκεφάλαιο πραγματοποιείται ο υπολογισμός της χωρητικότητας των πυκνωτών που χρειάζεται το ολοκληρωμένο IR2113 έτσι ώστε να οδηγήσει τα διακοπτικά στοιχεία ισχύος. Η τροφοδοσία τύπου bootstrap έγκειται στην εκφόρτιση του πυκνωτή bootstrap, ο οποίος είναι συνδεδεμένος μεταξύ πύλης - πηγής του διακοπτικού στοιχείου, τη στιγμή που έρχεται ο παλμός ώστε να γίνει η αφή αυτού. Στη συνέχεια ο bootstrap πυκνωτής θα πρέπει να φορτιστεί εκ νέου έτσι ώστε να είναι έτοιμος να παραδώσει και πάλι το φορτίο του όταν έρθει ο νέος παλμός. Το κύκλωμα της τεχνικής bootstrap φαίνεται στο σχήμα

140 Σχήμα 5.9: Κύκλωμα bootstrap [38] Η ελάχιστη τιμή του πυκνωτή υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση[39]: C min IQbs ( max) ICbs ( leak) 2[2 Qg Qls ] f f V V V V cc f LS min (5.1) Όπου, Q g : φορτίο της πύλης(gate) του διακοπτικού στοιχείου υψηλού(high) δυναμικού Ι QBS (max): ρεύμα παροχής για σταθερή τάση V BS I Cbs (leak): ρεύμα διαρροής του πυκνωτή Bootstrap Q ls : = 5nC (500V & 600V IC s), =20nC (1200V IC s) V f : πτώση τάσης κατά την αγωγή της διόδου Bootstrap V min : ελάχιστη τάση μεταξύ V B και V S V LS : πτώση τάσης στο διακοπτικό στοιχείο χαμηλού (Low) δυναμικού f: διακοπτική συχνότητα λειτουργίας 124

141 Στο κύκλωμα μας, από τα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών βρίσκουμε ότι Q g (max)=150nc, I Cbs (leak)=0,9μa, I Qbs (max)=230μα, V f =1,4V, V min =10V, V LS =0,5V, f=25khz και Q ls =5nC. Οπότε από τη σχέση 5.1 προκύπτει [ ] C 9 Cmin F 206nF 15 1, 4 0,5 10 V Ωστόσο, ένας εμπειρικός κανόνας αναφέρει ότι η χωρητικότητα του πυκνωτή που θα επιλέξουμε θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 15 φορές μεγαλύτερη από την C min [39], οπότε η ελάχιστη τιμή γίνεται 3,09μF. Ο πυκνωτής που διαλέξαμε (τανταλίου) χωρητικότητας 3,3μF ικανοποιεί αυτή την απαίτηση και από τα πειραματικά αποτελέσματα θα διαπιστώσουμε την ορθή επιλογή του. Να αναφέρουμε επίσης, ότι οι πυκνωτές τανταλίου έχουν πολύ μικρό ρεύμα διαρροής. Στο Σχήμα 5.10 μπορούμε να δούμε το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος παλμοδότησης. Προς ευκολία του αναγνώστη παρουσιάζεται μόνο το ένα από τα δυο πανομοιότυπα κυκλώματα (ένα για το κάθε σκέλος του αντιστροφέα). Σχήμα 5.10: Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος παλμοδότησης Παρατηρούμε πως η γείωση στις δύο πλευρές του οπτοζεύκτη είναι διαφορετική, όπως έχουμε ήδη αναφέρει. Επίσης βλέπουμε πως οι έξοδοι των οπτοζευκτών είναι συνδεδεμένες με pull - up αντιστάσεις με την τροφοδοσία των 5V, ώστε αν υπάρχει κάποιο σφάλμα στο κύκλωμα πριν το 74HCT04, οι είσοδοι σε αυτό το ολοκληρωμένο να είναι high ώστε να τις αντιστρέφει σε low κι έτσι να μην έχουμε έναυση των mosfet ενώ υπάρχει σφάλμα. Να σημειώσουμε ότι στο Σχήμα 5.10 τα σήματα 1 (PWM_1H) και 2 (PWM_1L) αναφέρονται στα σήματα που παίρνουμε από την έξοδο του ολοκληρωμένου 74HCT541 και είναι τα συμπληρωματικά αντίστοιχα 125

142 σήματα που δίνει ο μικροελεγκτής. Το ολοκληρωμένο αυτό δεν φαίνεται στο παραπάνω σχηματικό διάγραμμα καθώς έχει τοποθετηθεί κυκλωματικά στη μονάδα του μικροελεγκτή. Δηλαδή, στο προηγούμενο σχήμα βλέπουμε τα στοιχεία του κυκλώματος παλμοδότησης που έχουν τοποθετηθεί στη μονάδα του κυκλώματος ισχύος του μονοφασικού αντιστροφέα. Αξίζει να αναφέρουμε ότι τα σήματα για τον έλεγχο των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα, έρχονται από την μονάδα του μικροελεγκτή μέσω καλωδίου τύπου ταινίας 10 αγωγών (ανά δυο μεταφέρεται το ίδιο σήμα). Από αυτό το καλώδιο μεταφέρονται τα τέσσερα σήματα ελέγχου των MOSFET καθώς και το μηδενικό δυναμικό, τα οποία ελέγχουν τα διακοπτικά στοιχεία 1 έως 4 του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. 5.4 ΑΠΑΓΩΓΟΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Η απαγωγή της θερμότητας από τα ηµιαγωγικά στοιχεία είναι ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα, το οποίο χρειάζεται να επιλυθεί για τη σωστή και ασφαλή λειτουργία του αντιστροφέα. Κατά τη λειτουργία των ηµιαγωγικών στοιχείων οι απώλειες που υπάρχουν μετατρέπονται σε θερμική ενέργεια, η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία των στοιχείων. Με την αλόγιστη αύξησή της καθίσταται δυνατό να καταστραφούν τα στοιχεία. Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο, τοποθετούμε τα στοιχεία πάνω σε μία μεταλλική επιφάνεια, συνήθως από αλουμίνιο, η οποία είναι κατάλληλα διαμορφωμένη για να απάγει μεγάλα ποσά θερμότητας σε σχέση µε το μέγεθος της. Το μεταλλικό αυτό αντικείμενο λέγεται ψυκτικό σώμα ή απαγωγός θερμότητας και έχει πολλές πτυχώσεις, έτσι ώστε να μεγιστοποιεί το εμβαδόν του χωρίς να αυξηθεί ο όγκος του. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να μεταφέρει περισσότερη ενέργεια στο περιβάλλον από την επιφάνεια του στοιχείου. Ο υπολογισμός του κατάλληλου ψυκτικού σώματος γίνεται με τις ακόλουθες σχέσεις [28]: όπου, P loss 4 P (5.2) loss,1 P P P (5.3) loss,1 S on Vd Io fs ( ts( on) ts( off )) PS (5.4) 2 P V I f t (5.5) on d o s on T T T T P R R R R R R (5.6) j a j a loss JC CS SA SA JC CS Ploss P loss : Οι συνολικές απώλειες στα ημιαγωγικά στοιχεία P loss,1 : Οι συνολικές απώλειες σε κάθε mosfet P on : Οι απώλειες αγωγής 126

143 P S : R θsa : Τ j : Τ α : R θjc : R θcs : Οι διακοπτικές απώλειες Η θερμική αντίσταση μεταξύ απαγωγού και περιβάλλοντος H μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας της επαφής Η θερμοκρασία περιβάλλοντος Η θερμική αντίσταση μεταξύ επαφής και περιβλήματος του στοιχείου Η θερμική αντίσταση περιβλήματος και απαγωγού θερμότητας Για το κύκλωμα μας V d =120V, f s =25kHz, I d =12,5A, t s(on) =50ns, t s(off) =70ns, t on (max)=0,9*40=36μs, T j =120 o C και Τ a =25 o C. Για τα MOSFET που χρησιμοποιήσαμε, από το φυλλάδιο του κατασκευαστή βρήκαμε ότι R θjc =0,68 o C/W και R θcs =0,24 o C/W. Για αυτά τα στοιχεία προέκυψε ότι χρειαζόμαστε απαγωγό θερμότητας με θερμική αντίσταση μικρότερη των 2,4 o C/W. Τελικά χρησιμοποιήσαμε ένα ψυκτικό σώμα με θερμική αντίσταση 1⁰C/W διαστάσεων 158x150x15mm που φαίνεται στο Σχήμα Το ψυκτικό που χρησιμοποιήθηκε είναι το OK267/B/150 της Aavid Thermalloy. Στο ψυκτικό αυτό στοιχείο, τοποθετήσαμε και τα τέσσερα ημιαγωγικά στοιχεία. Σχήμα 5.11: Απαγωγός θερμότητας που χρησιμοποιήθηκε στη μονάδα του αντιστροφέα 127

144 5.5 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Σε αυτή την ενότητα θα περιγράψουμε τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάσαμε το φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα. Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφέραμε ότι το κατωδιαβατό φίλτρο που χρησιμοποιήσαμε είναι τύπου LC. Ως πυκνωτή χρησιμοποιήσαμε δύο παράλληλους πυκνωτές πολυπροπυλενίου (ΜKP) 4,7μF ο καθένας ώστε η συνολική χωρητικότητα να είναι 9,4μF. Η τάση αντοχής των πυκνωτών είναι 250V. Για να καθορίσουμε το πηνίο που θα χρησιμοποιηθεί πρέπει να ακολουθηθεί μια ορισμένη διαδικασία. Πρέπει αρχικά να προσδιοριστεί το υλικό του πυρήνα που θα χρησιμοποιηθεί. Γενικά υπάρχουν δύο κατηγορίες πυρήνων: πυρήνες που κατασκευάζονται με βασικό στοιχείο τον σίδηρο (Fe) και ορισμένο ποσοστό προσμίξεων χρωμίου (Cr) και πυριτίου (Si) και πυρήνες που κατασκευάζονται από φερρίτες (υλικά που αποτελούνται από μίγματα οξειδίων και άλλα μαγνητικά υλικά). Η τελική επιλογή γίνεται με κριτήριο τις αποδεκτές απώλειες για το μαγνητικό στοιχείο καθώς και την απαιτούμενη ένταση του μαγνητικού πεδίου. Οι απώλειες που μπορούν να εμφανιστούν σε ένα μαγνητικό στοιχείο που χρησιμοποιείται ως πυρήνας είναι: i. Απώλειες υστέρησης (hysteresis): Η φυσική τους σημασία αντιστοιχεί στο έργο που είναι απαραίτητο για να διατρέξουμε αργά το βρόχο υστέρησης ii. B H. Απώλειες δινορρευμάτων (eddy currents- Foucault losses): Πρόκειται για απώλειες Joule που οφείλονται στα ρεύματα που δημιουργούνται από την χρονικά μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή και κυκλοφορούν σε όλη την αγώγιμη ύλη. Είναι ανεξάρτητες του σχήματος και του μεγέθους του πυρήνα και εξαρτώνται μόνο από το σχήμα και το μέγεθος των μαγνητικών στοιχείων που τον αποτελούν. Οι πυρήνες που κατασκευάζονται με βασικό στοιχείο το σίδηρο και κράματα αυτού με χρώμιο και πυρίτιο παρουσιάζουν και τις δύο πιθανές απώλειες με εντονότερες τις απώλειες υστέρησης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μαγνητικά κράματα παρουσιάζουν χαμηλή ειδική ηλεκτρική αντίσταση με αποτέλεσμα τα δινορρεύματα να αυξάνονται και επομένως να αυξάνονται και οι απώλειες που αναφέρονται σε αυτά. Μάλιστα επειδή οι απώλειες δινορρευμάτων εξαρτώνται από την συχνότητα λειτουργίας η χρήση αυτών των πυρήνων περιορίζεται μέχρι το πολύ 2kHz. Ωστόσο, ένα σημαντικό θετικό στοιχείο αυτού του τύπου των πυρήνων είναι ότι παρουσιάζουν μεγάλες τιμές κορεσμού της μαγνητικής επαγωγής B 1.8 Tesla ή B Gauss. sat sat 128

145 Από την άλλη πλευρά πυρήνες κατασκευασμένοι από φερρίτες παρουσιάζουν πολύ υψηλή ειδική ηλεκτρική αντίσταση (μέχρι και 14 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη σε σχέση με τα μαγνητικά κράματα) και επομένως έχουν πολύ μικρές απώλειες δινορρευμάτων. Είναι περίπου δύο φορές πιο ελαφριοί από το σίδηρο αλλά έχουν περιορισμένο πλάτος μαγνητικής επαγωγής κορεσμού Β sat (έως και 5 φορές πιο μικρή από τα μαγνητικά κράματα). Είναι απόλυτα φυσικό να κυμανθούμε σε επιλογή πυρήνα κατασκευασμένου από φερρίτη με δεδομένο ότι ο αντιστροφέας έχει συχνότητα λειτουργιάς ίση με 25kHz. Επιλέξαμε πυρήνα σχηματισμού διπλού έψιλον και υλικού κατασκευής φερρίτη. Πιο συγκεκριμένα επιλέξαμε τον πυρήνα E65 της EPCOS ο οποίος ήταν διαθέσιμος από το εργαστήριο και είναι και ο μεγαλύτερος πυρήνας που μπορούσαμε να προμηθευτούμε. Ένα δεύτερο βήμα είναι ο προσδιορισμός της μέγιστης πυκνότητας της μαγνητικής ροής του πυρήνα B max. Η τιμή αυτή συνήθως είναι λίγο μικρότερη από την οριακή τιμή κορεσμού της πυκνότητας μαγνητικής ροής, B sat, η οποία όταν ξεπεραστεί ο πυρήνας οδηγείται στον κορεσμό. Η κατάσταση του κορεσμού είναι μια κατάσταση στην οποία ο πυρήνας δεν έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει παραπάνω ενέργεια από αυτή που είναι ήδη αποθηκευμένη. Το αποτέλεσμα στην περίπτωση αυτή είναι η συνεχής αύξηση του ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του πηνίου και συνεπώς η αύξηση της θερμοκρασίας του φερρίτη που οδηγεί σε αύξηση των απωλειών. Συνήθως, στους πυρήνες φερρίτη η τιμή της πυκνότητας κορεσμού B sat υπολογίζεται κοντά στα 300mT, οπότε την τιμή αυτή θα χρησιμοποιήσουμε κι εμείς. Αυτό σημαίνει πως η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής για λόγους ασφαλείας θα υπολογιστεί λίγο μικρότερη αυτής του κορεσμού, δηλαδή B max =0,28mT. Το επόμενο βήμα στην κατασκευή θα πρέπει να είναι η επιλογή του σχήματος του πυρήνα. Οι πυρήνες κυκλοφορούν στο εμπόριο σε πολλά σχήματα και μεγέθη. Ενώ κάθε σχήμα έχει τις δικές του ιδιότητες, στις περισσότερες εφαρμογές (και στην περίπτωση αυτή) χρησιμοποιείται ο πυρήνας σχήματος διπλού Ε ως μια ασφαλής και αξιόπιστη λύση. Στο σχήμα 5.12 φαίνεται ο συγκεκριμένος πυρήνας, η μπομπίνα γύρω από την οποία θα τυλιχθεί το τύλιγμα του πηνίου και η τελική μορφή της κατασκευής. Σχήμα 5.12: (α) Ο πυρήνας «διπλού Ε» (β) Η μπομπίνα για το τύλιγμα (γ) Τελική μορφή της κατασκευής 129

146 Για να προχωρήσουμε, πρέπει να παρουσιασθούν δύο βασικές διαστάσεις όσο αφορά στον πυρήνα και στο σύστημα πυρήνας - μπομπίνα - τύλιγμα. Σε αυτό θα βοηθήσει το Σχ Στο σχήμα διακρίνονται οι διαστάσεις Αc, lg και Αw. H Ac καλείται «επιφάνεια πυρήνα» και τις περισσότερες φορές ισχύει Ac Ae, όπου Ae η «ενεργός επιφάνεια» του πυρήνα από την οποία διέρχεται η μαγνητική ροή, Ig είναι το διάκενο του πυρήνα στον οποίο αποθηκεύεται μαγνητική ενέργεια και Aw είναι η επιφάνεια του παραθύρου που είναι ελεύθερη να καλυφθεί από το τύλιγμα. Σχήμα 5.13: (α) Ο πυρήνας μόνος του όπου φαίνεται η επιφάνεια του πυρήνα (Ac) (β) Τομή του συστήματος πυρήνας τύλιγμα. Παριστάνεται το διάκενο Ιg και η επιφάνειατου παραθύρου (Aw) την οποία καταλαμβάνει το τύλιγμα Στο σημείο αυτό είναι απαραίτητο να αναφερθεί πως η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής μπορεί να περιοριστεί από δύο παράγοντες, είτε από τον κορεσμό, είτε από τις απώλειες του πυρήνα. Για καθεμία από τις παραπάνω περιπτώσεις υπάρχει ένας τύπος σύμφωνα με τον οποίο υπολογίζεται το "γινόμενο της επιφάνειας πυρήνα". Το μέγεθος αυτό υποδηλώνει το μέγεθος του πυρήνα και είναι το γνωστό Area Product = Aw Ae. Όταν δε γνωρίζουμε από ποιόν από τους δύο προαναφερθέντες παράγοντες περιορίζεται η μαγνητική ροή του πυρήνα μας, χρησιμοποιούμε και τους δύο τύπους και λαμβάνουμε υπ' όψιν μας το μεγαλύτερο. Οι απώλειες στον πυρήνα αποκτούν βαρύνουσα σημασία όταν το πηνίο διαρρέεται από διακοπτικό ρεύμα μεγάλης συχνότητας. Στην περίπτωσή μας όμως το πηνίο του φίλτρου διαρρέεται από ημιτονοειδές ρεύμα, επομένως αρκεί να λάβουμε υπ' όψιν μας μόνο τον περιορισμό από κορεσμό. Έχουμε λοιπόν από τον περιορισμό από κορεσμό στην περίπτωση κατασκευής πηνίου [40]: L I pk Irms AP Aw Ae ( ) ( ) 28.82cm 420 K B 420 0,4 0,28 max ,31 1,31 4 (5.7) όπου: 130

147 Ι pk : I rms : η τιμή του μέγιστου (peak)ρεύματος που διαρρέει το πηνίο, η οποία υπολογίστηκε με βάση τις προσομοιώσεις η rms τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο K: = K u K p = 0,4 1 = 0,4 για πηνίο με ένα τύλιγμα K u : συντελεστής χρησιμοποίησης του παραθύρου του πυρήνα(εμπειρικά) K p : συντελεστής της περιοχής του πρωτεύοντος τυλίγματος (όταν αναφερόμαστε σε πηνίο, αυτό θεωρείται ως πρωτεύον τύλιγμα) και τέλος Β max = 0.28Τ Επομένως χρειαζόμαστε πυρήνα ο οποίος να έχει επιφάνεια μεγαλύτερη από 27cm 4. Ο μεγαλύτερος πυρήνας που διέθετε το εργαστήριο ήταν ο Ε65 της Epcos τον οποίο και χρησιμοποιήσαμε με AP=28,75cm 4. Σχήμα 5.14: Πυρήνας E65 της EPCOS Στη συνέχεια, είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της περιέλιξης. Για να υπολογίσουμε το εμβαδόν της επιφάνειας του χαλκού που θα χρησιμοποιήσουμε ως αγωγό, έχουμε A cu I J 17A 400 A cm rms 2 4,25mm (5.8) 2 Για να μειώσουμε την επίδραση του επιδερμικού φαινομένου στον αγωγό του πηνίου που θα διαρρέεται από το ρεύμα της εξόδου και θα έχει συχνότητα 25kHz, χρησιμοποιήσαμε πολλούς αγωγούς διαμέτρου 0,5mm. Για να υπολογίσουμε τον αριθμό αυτών των αγωγών χρησιμοποιούμε τις ακόλουθες σχέσεις d 3,14 (0,5 mm) Α 0, mm (5.9) Acu 4,25 22 κλώνοι (5.10) Α 0,

148 Κατόπιν, θα υπολογιστεί ο αριθμός των στροφών. Επειδή αποδείχθηκε ότι η πυκνότητα μαγνητικής ροής περιορίζεται από τον κορεσμό, ο αριθμός των στροφών υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση[40]: L I AB c p m (5.11) Πριν προχωρήσουμε στο τελευταίο βήμα, θα κάνουμε έναν έλεγχο για να δούμε αν πράγματι το πηνίο χωράει στον πυρήνα. Έχουμε λοιπόν: 22 κλώνοι 24 σπείρες διατομή αγωγού = 414,48 mm 2 Για τον E65 έχουμε Aw = 483,6 mm 2 >> 0,4 414,48 mm 2, επομένως βλέπουμε ότι το πηνίο δεν χωράει στον πυρήνα. Επειδή όμως δεν ήταν δυνατόν να προμηθευτούμε μεγαλύτερο πυρήνα, αποφασίστηκε να κατασκευαστούν δύο ίδια πηνία 75μH το καθένα, με τον αριθμό κλώνων και σπειρών που υπολογίσθηκαν παραπάνω. Ο πυρήνας που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο E65. Τέλος, προκειμένου να ολοκληρωθεί η μελέτη για τον υπολογισμό του πηνίου, απαιτείται ο υπολογισμός του διακένου. Στη συνέχεια δίνεται ο υπολογισμός του διακένου. Για ένα διάκενο σε πυρήνα τύπου διπλού Ε ισχύει [40]: 4 Ae 5,40 10 g 2,91mm (5.12) 4 Ae Bmax ( a d) 5, , 28 (0, , pk Ng όπου Ae,(a+d) διαστάσεις του πυρήνα και Ng ο αριθμός των κατανεμημένων διακένων, που για τον τύπο διπλού Ε είναι Ng = 2. Άρα, αφού Σg = 2,45 mm σημαίνει ότι g = Σg / Ng = 2,45/2 = 1,455 mm μήκος διακένου. 132

149 Εικόνα 5.1: Πλακέτα ισχύος αντιστροφέας και φίλτρο εξόδου 5.6 ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Για την παραγωγή των παλμών για τον έλεγχο των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής dspic30f4011 της εταιρείας Microchip ο οποίος έχει 40 pin και τροφοδοτείται με συνεχή τάση 5V. Σχήμα 5.15: To pin diagram τοu microcontroller dspic30f4011 [41] 133