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 ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΥ Α.Μ.: 5936 ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο /2010 Πάτρα, Οκτώβριος 2010

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΛΕΚΤΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΥ (Α.Μ. 5936) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 15/10/2010 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2010 ΤΙΤΛΟΣ: "ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Νικόλαος Γεωργίου του Αναστασίου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή μίας διάταξης φόρτισης ενός κινητηρίου συστήματος. Η διάταξη αυτή, αποτελούμενη από μια μηχανή Συνεχούς Ρεύματος και έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα, παρέχει τη δυνατότητα εργαστηριακής εξομοίωσης ενός οποιουδήποτε φορτίου που επιθυμούμε να επιβληθεί στο ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Η μεταβολή του φορτίου επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο έλεγχο του μετατροπέα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος σε συνδυασμό με μία μηχανή συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, που λειτουργεί ως γεννήτρια, θα φορτίζει έναν κινητήρα που συνδέεται στον άξονα της, εξομοιώνοντας εργαστηριακά τις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα κατά την κίνηση του. Απώτερος στόχος είναι η κατάλληλη φόρτιση ενός οποιουδήποτε ελεγχόμενου ηλεκτροκινητήριου συστήματος ώστε να υλοποιηθεί ένα εργαστηριακό σύστημα το οποίο να παρέχει τη δυνατότητα διερεύνησης της λειτουργίας του κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες στατικής ή δυναμικής καταπόνησης καθώς και επιβεβαίωσης θεωρητικών αναλύσεων. Αρχικά γίνεται ανάλυση του φορτίου του κινητήρα ενός οχήματος και μέσω της εξίσωσης κινήσεως αναζητείται τρόπος ώστε να συνδεθεί κατάλληλα η σχέση αυτή με την εξίσωση που δίνει τη ροπή στον άξονα μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος, ούτως ώστε να εξομοιωθεί το φορτίο του κινητήρα του οχήματος. Στη συνέχεια γίνεται η επιλογή του κατάλληλου για την εφαρμογή μετατροπέα και αναλύεται η λειτουργία του. Την θεωρητική μελέτη ακολουθεί η μελέτη του συστήματος σε περιβάλλον MATLAΒ/SIMULINK προκειμένου να εξακριβωθεί η ορθή λειτουργία του συνολικού συστήματος πριν την κατασκευή του. Συγχρόνως γίνεται η μελέτη για τον έλεγχο του ηλεκτρομηχανικού συστήματος, έτσι ώστε το σύστημα να λειτουργεί ανεξάρτητα, δίνοντας την κατάλληλη ροπή στον άξονα μετρώντας τον αριθμό στροφών, την κλίση του οδοστρώματος και την πραγματική ροπή στον άξονα της γεννήτριας. Τέλος, γίνεται η μελέτη και η κατασκευή της διάταξης στο εργαστήριο, με τη χρήση της οποίας διεξάγονται μετρήσεις για την επιβεβαίωση και την αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης.

6

7 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία μελετάται, σχεδιάζεται και κατασκευάζεται μια διάταξη για τον έλεγχο ενός ηλεκτρομηχανικού συστήματος, προκειμένου να εξομοιωθεί εργαστηριακά το φορτίο του ηλεκτροκινητήρα ενός ηλεκτρικού οχήματος. Συγκεκριμένα, κύριος σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η κατασκευή ενός μετατροπέα υποβιβασμού τάσεως και η σύνδεση του με μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, έτσι ώστε να μεταβάλλεται η φόρτιση της και κατ επέκταση και η φόρτιση στον άξονα του κινητήρα που κινεί τη γεννήτρια. Απώτερος σκοπός είναι η εξομοίωση των εξωτερικών δυνάμεων που επιδρούν στην κίνηση ενός μικρού οχήματος. Αναλυτικότερα, στο κεφάλαιο 1 γίνεται ανάλυση του φορτίου ενός κινητήρα και εξάγεται η εξίσωση κινήσεως ενός οχήματος σε ευθύγραμμη τροχιά καθώς και η μέγιστη ελκτική δύναμη που μπορεί να ασκηθεί στους τροχούς. Επίσης παρατίθενται οι χαρακτηριστικές καμπύλες του κινητήρα και του συστήματος μετάδοσης. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο θα εξομοιωθεί το φορτίο του κινητήρα ενός οχήματος και πιο συγκεκριμένα η διάταξη για την μεταβολή της αντίστασης φορτίου. Επιπλέον περιγράφεται συνοπτικά η λειτουργία των μηχανών συνεχούς ρεύματος καθώς και τα χαρακτηριστικά τους και διατυπώνονται οι εξισώσεις που διέπουν τη στατική και δυναμική συμπεριφορά τους. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η λειτουργία των μετατροπέων υποβιβασμού τάσης καθώς και ο έλεγχός τους. Πιο συγκεκριμένα αναλύεται η λειτουργία ενός απλού μετατροπέα καθώς και του μετατροπέα buck πολλαπλών κλάδων διαδοχικής αγωγής μιας και αυτός επιλέχθηκε για την υλοποίηση της εφαρμογής. Στο κεφάλαιο 4 αξιολογούνται και επιβεβαιώνονται τα αποτελέσματα της θεωρητικής ανάλυσης μέσω προσομοιώσεων στο περιβάλλον MATLAB/SIMULINK. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και αναλύονται ο σχεδιασμός και η κατασκευή των κυκλωμάτων της πειραματικής διάταξης, τόσο για το κύκλωμα ισχύος όσο και για τα κυκλώματα ελέγχου. Παρουσιάζονται οι υπολογισμοί για τα στοιχεία του μετατροπέα και περιγράφονται κατασκευαστικές λεπτομέρειες της διάταξης. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται αναφορά στον μικροελεγκτή dspic30f2020, ο οποίος χρησιμοποιείται για τον PWM έλεγχο του μετατροπέα που κατασκευάστηκε και αναλύεται η λειτουργία των περιφερειακών του μονάδων. Επίσης παρατίθεται και το πρόγραμμα το οποίο υλοποιήθηκε. - I -

8 Πρόλογος Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η δοκιμή του μετατροπέα της εργαστηριακής διάταξης καθώς και τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων προκειμένου να επιβεβαιωθεί και πρακτικά η θεωρητική μελέτη. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, τα σχηματικά και τα τυπωμένα κυκλώματα των πλακετών που κατασκευάστηκαν, οι κώδικες που χρησιμοποιήθηκαν στον μικροελεγκτή, οι μετρήσεις που έγιναν στη μηχανή συνεχούς ρεύματος για τον υπολογισμό των παραμέτρων της καθώς και αναλυτικά οι πειραματικές μετρήσεις. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της Διπλωματικής εργασίας κ. Εμμανουήλ Τατάκη για την πολύτιμη καθοδήγησή του και την απεριόριστη συμπαράστασή του κατά την εκπόνησή της καθώς και για την καθοριστική συμβολή του σε κρίσιμα σημεία. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να δώσω στην οικογένεια μου για την στήριξή και την συμπαράσταση που μου παρείχε σε όλο αυτό το διάστημα έως την ολοκλήρωση της εργασίας. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους μεταπτυχιακούς αλλά και προπτυχιακούς φοιτητές, οι οποίοι με βοήθησαν με τις υποδείξεις τους και για το ιδιαίτερα φιλικό κλίμα που μου παρείχαν. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να δώσω στον μεταπτυχιακό φοιτητή του τμήματος μας κ. Ιωάννη Καρατζαφέρη για την πολύτιμη βοήθεια που μου παρείχε και την άψογη συνεργασία μας. - II -

9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. 7 Ανάλυση του φορτίου του κινητήρα ενός οχήματος Ηλεκτροκίνητα οχήματα Εισαγωγικά Αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα Σύστημα μετάδοσης Το φορτίο ενός κινητήρα Εισαγωγή Μοντέλο κινήσεως ενός οχήματος Χαρακτηριστικές καμπύλες του κινητήρα και του συστήματος μετάδοσης κίνησης Πρόβλεψη απόδοσης οχήματος Εξοικονόμηση ενέργειας Ηλεκτρομηχανικό σύστημα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εξομοίωση του φορτίου του κινητήρα ενός οχήματος Διάταξη για την εξομοίωση του φορτίου του κινητήρα ενός οχήματος Εισαγωγικά Διάταξη για την μεταβολή της αντίστασης φορτίου Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος Εισαγωγικά Εξισώσεις και χαρακτηριστικές μηχανών συνεχούς ρεύματος στη μόνιμη λειτουργία Εξισώσεις δυναμικής κατάστασης για γεννήτρια ξένης διέγερσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης Διακοπτικοί μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση (dc-dc) Εισαγωγή Έλεγχος των μετατροπέων dc-dc Ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (buck dc-dc converter) Λειτουργία με συνεχή αγωγή ρεύματος Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής ρεύματος Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής ρεύματος με σταθερή τάση στην είσοδο Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής ρεύματος με σταθερή τάση στην έξοδο Ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης πολλαπλών κλάδων(interleaving buck converter) Ανάλυση του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης πολλαπλών κλάδων Ρεύματα στα πηνία Πυκνωτής εισόδου III -

10 Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ Προσομοίωση συστήματος σε περιβάλλον MATLAB/SIMULINK Μοντελοποίηση των επιμέρους συστημάτων Το μοντέλο της μηχανής συνεχούς ρεύματος Το μοντέλο του μετατροπέα interleaving buck Το μοντέλο του συστήματος υπολογισμού της ροπής αναφοράς Προσομοίωση της διάταξης με έλεγχο ανοιχτού βρόχου Προσομοίωση της διάταξης με έλεγχο κλειστού βρόχου Έλεγχος ροπής Έλεγχος στροφών-ροπής..85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σχεδιασμός και κατασκευή των κυκλωμάτων της πειραματικής διάταξης Κατασκευή του μετατροπέα-επιλογή των στοιχείων για το κύκλωμα ισχύος Μηχανή συνεχούς ρεύματος Επιλογή ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων Επιλογή διόδων Κατασκευή των πηνίων Σύστημα απαγωγής θερμότητας Φίλτρα εισόδου και εξόδου Κατασκευή των κυκλωμάτων ελέγχου Επιλογή μικροελεγκτή Ενισχυτής Οπτοζεύκτης Οδηγός παλμών Μετρητικό ρεύματος Γραμμικά τροφοδοτικά ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ο μικροελεγκτής dspic30f Εισαγωγή Ο μικροελεγκτής dspic30f ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πειραματική διερεύνηση Αποτελέσματα Μετρήσεις με τροφοδοτικό συνεχούς τάσεως Μετρήσεις με γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης Μετρήσεις με μεταβλητό αριθμό στροφών στον άξονα της γεννήτριας Μετρήσεις με σταθερό αριθμό στροφών στον άξονα της γεννήτριας IV -

11 Πίνακας Περιεχομένων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. 135 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 137 Αποτελέσματα προσομοιώσεων Αποτελέσματα Μετρήσεων τροφοδοτικού συνεχούς τάσης Μετρήσεις με γεννήτρια συνεχούς ρεύματος (μεταβλητός αριθμός στροφών) Μετρήσεις με γεννήτρια συνεχούς ρεύματος (σταθερός αριθμός στροφών). 142 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β 145 Τυπωμένα κυκλώματα 145 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ. 147 Οι κώδικες των προγραμμάτων που χρησιμοποιήθηκαν ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ 157 Φυλλάδια κατασκευαστών V -

12

13 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΟΣ ΟΧΗΜΑΤΟΣ 1.1 Ηλεκτροκίνητα οχήματα Εισαγωγικά Τα τελευταία χρόνια εντείνεται παγκοσμίως το ενδιαφέρον για τα μη βενζινοκίνητα και υβριδικής τεχνολογίας οχήματα. Το ενδιαφέρον αυτό είναι δικαιολογημένο, καθώς έχουν αρχίσει να φαίνονται ξεκάθαρα οι συνέπειες της αλόγιστης καύσης των ορυκτών καυσίμων. Στην προσπάθεια αντιμετώπισης των οικολογικών προβλημάτων που προκαλούν οι εκπομπές καυσαερίων των συμβατικών οχημάτων, πολλές βιομηχανίες έχουν αναπτύξει οχήματα, τα οποία χρησιμοποιούν εναλλακτικά καύσιμα, όπως βιοκαύσιμα, φυσικό αέριο, οχήματα υβριδικής τεχνολογίας, αλλά και αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα. Παγκοσμίως αυξάνονται οι πωλήσεις τέτοιων οχημάτων, όπως για παράδειγμα το υβριδικό μοντέλο Prius της Toyota (σχήμα 1.1), το οποίο έχει 2 εκατομμύρια πωλήσεις[27]. Σχήμα 1.1: Το υβριδικό μοντέλο Prius της Toyota[28] Πολλές χώρες έχουν θεσπίσει ευνοϊκά μέτρα για την απόκτηση και χρήση τέτοιων οχημάτων. Σε χώρες του εξωτερικού τα υβριδικά και ηλεκτρικά αυτοκίνητα απαλλάσσονται - 7 -

14 Κεφάλαιο 1 ο από τα διόδια για το κέντρο της πόλης, όπου το μέτρο αυτό έχει εφαρμοστεί. Επίσης η φορολόγηση είναι ευνοϊκότερη. Στην Ελλάδα, τα οικολογικά οχήματα απαλλάσσονται από τα τέλη ταξινόμησης και κυκλοφορίας Αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα Τα οχήματα που ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία κινούνται αποκλειστικά χρησιμοποιώντας ηλεκτροκινητήρα, ελεγχόμενο από κάποιον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος. Η ηλεκτρική ενέργεια εξασφαλίζεται από συστοιχίες συσσωρευτών, φωτοβολταϊκούς συσσωρευτές, ή από κυψέλες καυσίμου. Το ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο έχει μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα κατά την κίνησή του. Αν όμως η ηλεκτρική ενέργεια για τη φόρτιση των συσσωρευτών προέλθει από το συμβατικό δίκτυο ενέργειας, τότε οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα δεν μειώνονται σημαντικά. Οι ρύποι όμως είναι συγκεντρωμένοι και μπορούν να μειωθούν με τη χρήση φίλτρων στους σταθμούς παραγωγής. Το μεγαλύτερο περιβαλλοντικό όφελος πάντως, προκύπτει αν η ηλεκτρική ενέργεια προέλθει από εναλλακτικές πηγές. Η αυτονομία των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων είναι γενικά μικρότερη από αυτή των βενζινοκίνητων. Τυπικά με μία φόρτιση ένα ηλεκτροκίνητο όχημα μπορεί να καλύψει απόσταση χιλιομέτρων. Η φόρτιση είναι μια διαδικασία που τυπικά διαρκεί γύρω στις 3-4 ώρες, γεγονός που δυσκολεύει την κάλυψη μεγάλων αποστάσεων. Μία γρήγορη φόρτιση κατά 80% μπορεί να διαρκέσει μισή ώρα. Σε ένα ηλεκτροκίνητο όχημα ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι η αποκλειστική πηγή κίνησης. Στη βιομηχανία των ηλεκτροκίνητων οχημάτων δύο τύποι κινητήρων έχουν επικρατήσει: ο brushless κινητήρας μόνιμου μαγνήτη και ο τριφασικός επαγωγικός κινητήρας. Στα υβριδικά οχήματα Prius και Civic έχει επιλεγεί η λύση του brushless κινητήρα (σχήμα 1.2), ενώ σε καθαρά ηλεκτροκίνητα οχήματα, όπως το υψηλών επιδόσεων Tesla Roadster, χρησιμοποιείται ο επαγωγικός. Λιγότερο διαδεδομένη, και σε εφαρμογές μικρότερης ισχύος, είναι η χρήση κινητήρων συνεχούς ρεύματος, ξένης ή παράλληλης διέγερσης, ενώ παλιότερα τέτοιοι κινητήρες έχουν χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτροκίνητα μέσα μαζικής μεταφοράς

15 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.2: Ο κινητήρας brushless του Prius, πρώτης και δεύτερης γενιάς[28] Ανάλογα με το είδος του κινητήρα που χρησιμοποιείται, επιλέγεται για τον έλεγχο του και ο αντίστοιχος μετατροπέας ισχύος. Έτσι, μπορεί να χρησιμοποιούνται είτε μετατροπείς Σ.Τ.- Σ.Τ., είτε αντιστροφείς, προκειμένου να δημιουργηθεί μια τριφασική εναλλασσόμενη τάση από τους συσσωρευτές του οχήματος Σύστημα μετάδοσης Αν ένας κινητήρας μετέδιδε την κίνηση απευθείας στους τροχούς η σύνδεση θα ήταν προβληματική. Κατά την εκκίνηση η απαιτούμενη ροπή θα ήταν μεγάλη και θα οδηγούσε στο σβήσιμο του βενζινοκινητήρα, ή σε μεγάλες τιμές ρευμάτων σε περίπτωση που χρησιμοποιείται ηλεκτροκινητήρας. Γι αυτό είναι απαραίτητο να μην υπάρχει ένας σταθερός λόγος μετάδοσης, αλλά να υπάρχει η δυνατότητα μεταβολής του ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες. Αυτό επιτυγχάνεται με το κιβώτιο ταχυτήτων. Τα κιβώτια ταχυτήτων διακρίνονται σε 2 κατηγορίες: κιβώτια διακριτών σχέσεων και κιβώτια συνεχούς λόγου μετάδοσης (CVT)

16 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.3: Το κιβώτιο συνεχούς λόγου μετάδοσης[31] Λόγω της χρήσης του κιβωτίου συνεχώς μεταβαλλόμενου λόγου μετάδοσης στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα του τελικού συστήματος, αυτό μελετάται εν συντομία ακολούθως. Αντίθετα με ένα κιβώτιο διακριτών σχέσεων, σε ένα κιβώτιο συνεχούς λόγου μετάδοσης οι σχέσεις δεν είναι διακριτές, αλλά λαμβάνουν οποιαδήποτε τιμή λ, όπου λ min <λ<λ max. Υπάρχουν διάφορα είδη κιβωτίων συνεχούς λόγου μετάδοσης, όπως το κιβώτιο τροχαλιών μεταβλητής διαμέτρου, τορροειδές κιβώτιο, κτλ. Παρακάτω αναλύεται η λειτουργία του κιβωτίου τροχαλιών μεταβλητής διαμέτρου που χρησιμοποιείται και στο τελικό ηλεκτρομηχανικό σύστημα: Το κιβώτιο αποτελείται από δύο τροχαλίες, με το εσωτερικό τους κωνοειδές, και από έναν ανθεκτικό ιμάντα,όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3. Κατά τη λειτουργία, αν είναι επιθυμητός ένας μικρός λόγος μετάδοσης, τότε η τροχαλία εξόδου συμπιέζεται, ώστε ο ιμάντας να ωθηθεί προς τα έξω, και να μεγαλώσει η ακτίνα του. Ταυτόχρονα, η τροχαλία εισόδου ανοίγει ώστε ο ιμάντας να προχωρήσει προς το εσωτερικό της και να μικρύνει η ακτίνα του. Η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει όταν είναι επιθυμητός μεγάλος λόγος μετάδοσης: η ακτίνα

17 Κεφάλαιο 1 ο του ιμάντα στην είσοδο μεγαλώνει, ενώ η ακτίνα του ιμάντα στην έξοδο μικραίνει και τελικά ο λόγος μετάδοσης που είναι και ο λόγος μετάδοσης που είναι ο λόγος των δύο ακτινών μεγαλώνει. 1.2 Το φορτίο ενός κινητήρα Εισαγωγή Η απαίτηση από ένα όχημα είναι να προσφέρει την δυνατότητα μεταφοράς του φορτίου του, δηλαδή του ίδιου του βάρους του οχήματος, του βάρους των επιβατών του καθώς και οποιοδήποτε επιπλέον φορτίου και τη δυνατότητα επίτευξης ορισμένης ταχύτητας κίνησης, ή επιτάχυνσης, ή επιβράδυνσης υπό οποιεσδήποτε εξωτερικές συνθήκες, σύμφωνα πάντοτε με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Αυτόν το σκοπό εξυπηρετεί ο κινητήρας του οχήματος, ο οποίος παράγει ένα ικανό ποσό ενέργειας, το οποίο διαμέσου του συστήματος μετάδοσης οδηγείται στους τροχούς του οχήματος και προκαλεί την ώθησή του. Στις εμβολοφόρους Μηχανές Εσωτερικής Καύσεως (ΜΕΚ) των συμβατικών αυτοκινήτων η παραγωγή ενέργειας εκ μέρους του κινητήρα εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Θεωρώντας ότι η λειτουργία του κινητήρα εξετάζεται υπό πλήρες φορτίο και αμελώντας εξωγενείς παράγοντες όπως η ποιότητα των καυσίμων ή η θερμοκρασία περιβάλλοντος, μπορεί να θεωρηθεί με καλή προσέγγιση πως ο κινητήρας παράγει ενέργεια σε συνάρτηση με τις στροφές περιστροφής του. Δηλαδή ένας κινητήρας σε συγκεκριμένες στροφές λειτουργίας παράγει πάντοτε την ίδια ισχύ. Κάθε κινητήρας έχει συγκεκριμένο φάσμα λειτουργίας, οπότε προκειμένου ο κινητήρας να παρέχει τη μέγιστη δύναμη του στους κινητήριους τροχούς, ούτως ώστε το όχημα να επιταχυνθεί ή να υπερκεραστεί κάποιο εμπόδιο, τότε θα πρέπει να βρεθεί ένας τρόπος ώστε ο κινητήρας να λειτουργεί στις στροφές που αποδίδει το μέγιστο της ισχύος του. Ο κινητήρας συνδέεται με τους τροχούς με τη βοήθεια του συστήματος μετάδοσης και ως αποτέλεσμα η ταχύτητα περιστροφής του εξαρτάται άμεσα από την ταχύτητα με την οποία κινείται το όχημα. Το σύστημα μετάδοσης, το οποίο περιλαμβάνει το κιβώτιο ταχυτήτων, το διαφορικό και τους τροχούς, ευθύνεται για τη διατήρηση των στροφών λειτουργίας του κινητήρα στο σημείο όπου παράγεται μια επιθυμητή ισχύς για οποιαδήποτε ταχύτητα κίνησης. Αυτό επιτυγχάνεται με κατάλληλο συγχρονισμό της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα και της ταχύτητας κινήσεως του οχήματος

18 Κεφάλαιο 1 ο Μοντέλο κινήσεως ενός οχήματος[8] Στο σχήμα 1.4 παρατίθεται το μοντέλο που χρησιμοποιείται για τη μελέτη της κίνησης των οχημάτων, δηλαδή της ικανότητας αυτών να επιταχύνουν να επιβραδύνουν και να αναρριχούνται σε κεκλιμένους δρόμους. Σχήμα1.4: Μοντέλο για την κίνηση ενός οχήματος[8] Οι σημαντικότερες δυνάμεις που επιδρούν στο όχημα απεικονίζονται στο προαναφερόμενο σχήμα 1.4 και είναι οι ακόλουθες: F air : αεροδυναμική αντίσταση F fr,f, F fr,r : αντίσταση κυλίσεως εμπρόσθιων και οπίσθιων τροχών F d : δυνάμεις στη ράβδο ρυμουλκήσεως F f, F r : πρόσω και οπίσω ελκτική δύναμη αντιστοίχως (δυνατόν να υπάρχει η μία εξ αυτής ή και οι δύο αναλόγως του τύπου του οχήματος) W : βάρος του οχήματος F gr : αντίσταση αναρριχήσεως

19 Κεφάλαιο 1 ο Η εξίσωση κινήσεως του οχήματος γράφεται:,, (1.1) Η οποία μπορεί να μετασχηματιστεί στην ακόλουθη: (1.2) Όπου: (1.3) (1.4),,. (1.5) (1.6) Όπου: ρ air : η πυκνότητα του αέρα σε kg/m 3 A F : η μετωπική επιφάνεια του οχήματος σε m 2 c x : ο αεροδυναμικός συντελεστής m veh : η μάζα του οχήματος σε kg g: η επιτάχυνση της βαρύτητας σε m/sec 2 f 0, f 1 : συντελεστές που σχετίζονται με την κατάσταση του οδοστρώματος θ s : η γωνία κλίσεως του οδοστρώματος Ακολούθως προσδιορίζεται η μέγιστη ελκτική δύναμη, η οποία περιορίζεται από δύο αιτίες: 1) η μία προσδιορίζεται από το συντελεστή προσφύσεως και το κάθετο φορτίο στους κινητήριους τροχούς. 2) η δεύτερη προσδιορίζεται από την χαρακτηριστική του συστήματος παραγωγής ισχύος και του συστήματος μεταδόσεως ισχύος

20 Κεφάλαιο 1 ο Η μικρότερη από αυτές τις δύο αιτίες αποφασίζει για την κίνηση του οχήματος. Η πρόβλεψη της μέγιστης ελκτικής δύναμης απαιτεί την γνώση των κάθετων δυνάμεων στους τροχούς. Υπολογίζονται αν γραφούν οι εξισώσεις ισορροπίας γύρω από τα σημεία Α και Β, όπως αυτά φαίνονται στο Σχήμα 1.4: Η κάθετος δύναμη στους εμπρός τροχούς είναι: 1.7 l 2 = απόσταση πίσω άξονα από το κέντρο βάρος του οχήματος h a = ύψος από το έδαφος του σημείου εφαρμογής της αεροδυναμικής αντιστάσεως h = ύψος από το έδαφος του κέντρου βάρους h d = ύψος της ράβδου ρυμουλκήσεως L = απόσταση αξόνων θ s = γωνία κλίσεως του δρόμου Ο όρος έχει αρνητικό πρόσημο όταν το όχημα αναρριχάται και θετικό στην περίπτωση της καταβάσεως. Η κάθετος δύναμη στους πίσω τροχούς δίνεται από την εξίσωση ισορροπίας των ροπών γύρω από το σημείο Β: 1.8 l 1 = απόσταση εμπρός άξονα από το κέντρο βάρους. Ο όρος έχει θετικό πρόσημο όταν το όχημα αναρριχάται και αρνητικό στην αντίθετη περίπτωση. Όταν η γωνία θs είναι μικρή θέτουμε 1. Επίσης υποθέτουμε και οπότε προκύπτει:

21 Κεφάλαιο 1 ο 1.10 Και με αντικατάσταση από την Σχέση 1.2: Ο πρώτος όρος του δεξιού μέλους αυτών των Σχέσεων παρουσιάζει το στατικό φορτίο στον αντίστοιχο άξονα ενώ ο δεύτερος δίνει την δυναμική συνιστώσα της καθέτου δυνάμεως. Η μέγιστη ελκτική δύναμη που είναι δυνατόν να αναπτυχθεί στην επαφή ελαστικού-δρόμου, εκφράζεται συναρτήσει του συντελεστή προσφύσεως του δρόμου και των παραμέτρων του οχήματος. Για όχημα με έλξη στους πίσω τροχούς ισχύει: 1.13 Οπότε Διότι όπου ο συντελεστής αντίστασης κυλίσεως. Για όχημα με κίνηση στους εμπρός τροχούς ισχύει: 1.15 οπότε

22 Κεφάλαιο 1 ο Πρέπει να σημειωθεί ότι οι εξισώσεις αυτές ελήφθησαν αμελώντας τα εγκάρσια φορτία καθώς και με την υπόθεση της πλήρους συμμετρίας του οχήματος περί το διαμήκες μέσο επίπεδο. Η ανάλυση που προηγήθηκε και αφορά τον προσδιορισμό της μέγιστης ελκτικής δύναμης επί των τροχών του οχήματος αποσκοπεί στην κατάλληλη επιλογή του κινητήρα ενός οχήματος, προκειμένου η ροπή που αυτός παράγει να είναι δυνατόν να εξισορροπήσει την ροπή που οφείλεται στις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται επ αυτού και άρα να κινηθεί με μια επιθυμητή ταχύτητα Χαρακτηριστικές καμπύλες του κινητήρα και του συστήματος μετάδοσης κινήσεως[8] Η απόδοση των οχημάτων περιορίζεται από δύο αιτίες: 1)τη μέγιστη ελκτική δύναμη που μπορεί να αναπτυχθεί στην επαφή του ελαστικού με το έδαφος 2)την μέγιστη ελκτική δύναμη που παρέχει η ροπή του κινητήρα όταν τροφοδοτεί ένα συγκεκριμένο σύστημα μεταδόσεως κινήσεως. Η μικρότερη από τις δύο μέγιστες αυτές ελκτικές δυνάμεις καθορίζει την απόδοση του οχήματος. Συνήθως, για κίνηση του οχήματος με το πεντάλ του επιταχυντή πλήρως πατημένο, με την πρώτη σχέση επιλεγμένη στο κιβώτιο ταχυτήτων, ο περιοριστικός παράγοντας είναι η πρώτη αιτία, ενώ με την τέταρτη ή την πέμπτη ταχύτητα επιλεγμένη, ο περιοριστικός παράγοντας είναι η δεύτερη αιτία. Η πρόβλεψη της αποδόσεως του κινητήρα, απαιτεί την γνώση των χαρακτηριστικών καμπυλών του κινητήρα και του συστήματος μεταδόσεως της κίνησης. Είναι προφανές ότι η ιδανική χαρακτηριστική καμπύλη κινητήρα οχήματος, θα ήταν αυτή που αντιστοιχεί σε σταθερή ισχύ για οποιαδήποτε ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Αυτό συνεπάγεται μια παραβολική χαρακτηριστική καμπύλη ροπής του κινητήρα

23 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.5: Ιδανική καμπύλη ροπής ενός κινητήρα[8] Έτσι στις χαμηλές ταχύτητες περιστροφής, κατά την εκκίνηση το όχημα θα είχε πολύ μεγάλη ροπή, όπως είναι απαραίτητο για να υπερνικήσει την αδράνεια των μαζών. Τέτοιες ιδανικές καμπύλες παρουσιάζουν μόνο οι ατμοκινητήρες ή οι ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος με τύλιγμα σε σειρά

24 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.6: Καμπύλη ροπής κινητήρα συνεχούς ρεύματος με διέγερση εν σειρά[8] Οι κινητήρες εσωτερικής καύσεως έχουν πολύ χειρότερες χαρακτηριστικές καμπύλες και για τη χρησιμοποίηση τους στα οχήματα απαιτείται και η χρήση κατάλληλου συστήματος μετάδοσης κινήσεως. Εντούτοις οι Μ.Ε.Κ. είναι οι πλέον διαδεδομένοι στα οχήματα λόγω των λοιπών προτερημάτων τους, όπως ο μεγάλος όγκος ισχύος ως προς το βάρος τους, το χαμηλό σχετικά τους κόστος, η σχετικά οικονομική λειτουργία και η ετοιμότητα για λειτουργία. Πρέπει να σημειωθεί ότι, τα κατασκευασμένα για έλξη οχήματα είναι εφοδιασμένα με αργόστροφους κινητήρες, δοθέντος ότι αυτό που τους ενδιαφέρει είναι η ροπή και όχι τόσο η μέγιστη ισχύς. Επίσης, η ατμοσφαιρική πίεση και η θερμοκρασία επηρεάζουν τις αποδόσεις των κινητήρων. Για το λόγο αυτό, ως κανονικές συνθήκες λαμβάνονται οι εξής: 288,5 15, , ,92 Ωστόσο οι χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας των κινητήρων δεν είναι κατάλληλες για την κατευθείαν έλξη του οχήματος, απαιτείται η παρεμβολή συστήματος μεταδόσεως

25 Κεφάλαιο 1 ο κινήσεως (μειωτήρας) ο οποίος θα προσαρμόζει την καμπύλη αυτή στην καμπύλη απαιτούμενων φορτίων υπό τις διαφόρους συνθήκες λειτουργίας. Το σύστημα μεταδόσεως κινήσεως περιλαμβάνει όχι μόνο τον κυρίως μειωτήρα και τον συμπλέκτη αλλά και το διαφορικό (ή ενδεχομένως και κάποιον ενδιάμεσο μειωτήρα, όπως αυτός χρησιμοποιείται σε ορισμένα φορτηγά οχήματα), όπως και τους άξονες μεταδόσεως κινήσεως. Συνήθως χρησιμοποιούνται χειροκίνητα μηχανικά συστήματα μεταδόσεως κινήσεως αλλά υπάρχουν και αυτόματα ή ημιαυτόματα, υδροδυναμικά, υδροστατικά ή και μικτά μηχανικάυδροδυναμικά. Στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης εμφανίζονται απώλειες οι οποίες συνεπάγονται τους ακόλουθους λόγους αποδόσεως κάθε τμήματος του συστήματος: -συμπλέκτης: 90% -ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών: 85% -έδραση και σύνδεσμος: 98-99% Ο συνολικός βαθμός αποδόσεως του συστήματος μεταδόσεως κινήσεως είναι: -τελευταία ταχύτητα: 90% -1 η και ενδιάμεσες ταχύτητες: 85% -μετάδοση με πολύ υψηλούς λόγους μειώσεως: 75-80% Εάν, M e : είναι η ροπή στην έξοδο του κινητήρα ξ ο : ο συνολικός λόγος μειώσεως στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης η t : ο συνολικός βαθμός απόδοσης του συστήματος μετάδοσης κίνησης r: η ακτίνα του τροχού τότε η ελκτική δύναμη θα είναι: 1.17 Εάν επιπλέον ισχύει, n e : η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα i: η ολίσθηση στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης (περίπου 2-5% υπό συνήθεις συνθήκες λειτουργίας) η τελική ταχύτητα του οχήματος προκύπτει

26 Κεφάλαιο 1 ο Πρόβλεψη της απόδοσης οχήματος Οι δύο προηγούμενες σχέσεις επιτρέπουν την πρόβλεψη της απόδοσης ενός οχήματος. Θεωρώντας τις χαρακτηριστικές καμπύλες του σχήματος1.7, για να προβλεφθεί η απόδοση του οχήματος, απαιτείται (εκτός της μέγιστης ελκτικής δύναμης και της τελικής ταχύτητας του οχήματος) και η γνώση της αντίστασης του οχήματος ως συνάρτηση της ταχύτητας. Επί επιπέδου εδάφους και χωρίς την ύπαρξη δυνάμεων στη ράβδο ρυμουλκήσεως, οι κύριες δυνάμεις αντιστάσεως είναι η αντίσταση κυλίσεως F fr και η αεροδυναμική αντίσταση F air οι οποίες μπορούν να προβλεφθούν από τη θεωρία που προηγήθηκε. Στο προαναφερθέν σχήμα 1.7 φαίνεται η μεταβολή της F fr και της F air συναρτήσει της ταχύτητας. Η διαφορά F a =F fr -F air είναι η διαθέσιμη δύναμη για να επιταχυνθεί το όχημα ή για να υπερνικηθεί η αντίσταση λόγω ανηφορικής κλίσεως του δρόμου. H τομή της καμπύλης F net =F-F fr -F air με την F fr +F air δίνει την τελική ταχύτητα του οχήματος. Πρέπει να επισημανθεί ότι ο συντελεστής προσφύσεως του ελαστικού επί του εδάφους προδιαγράφει το όριο στο μέγιστο ελκτικό φορτίο. H προηγούμενη μελέτη που αφορά τον προσδιορισμό της μέγιστης ελκτικής δύναμης που μπορεί να αναπτύξει ο κινητήρας ενός οχήματος, αποσκοπεί στην επιλογή του κατάλληλου κινητήρα προκειμένου η ροπή που αυτός αναπτύσσει να μπορεί να εξισορροπήσει τη ροπή που ασκείται στους τροχούς του οχήματος λόγω των εξωτερικών δυνάμεων, όπως αυτές αναλύθηκαν στην ενότητα 1.2, ώστε να μπορεί αυτό να κινηθεί με μια επιθυμητή ταχύτητα ανάλογη των προδιαγραφών του κατασκευαστή

27 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.7: Χαρακτηριστικές καμπύλες ενός οχήματος[8] 1.3 Εξοικονόμηση ενέργειας Η χρήση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων παρέχει σημαντικά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη. Ένα από τα κυριότερα προβλήματα του όμως είναι η μειωμένη αυτονομία σε σχέση με τα βενζινοκίνητα. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος υπάρχει ένα πλήθος κατευθύνσεων που μπορούν να ακολουθηθούν, όπως ο αποτελεσματικότερος τρόπος αποθήκευσης ενέργειας με χρήση συσσωρευτών με μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας και μικρότερο κόστος ανά μονάδα ενέργειας ή η βελτίωση του βαθμού απόδοσης του οχήματος, μέσω της ελαχιστοποίησης των απωλειών του. Μια τέτοια κίνηση είναι πιο εφικτή, αλλά και σωστότερη οικονομικά και περιβαλλοντικά. Σε προηγούμενη διπλωματική εργασία [30], αναζητήθηκαν τρόποι ελαχιστοποίησης των απωλειών σε ένα ηλεκτροκίνητο όχημα. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε το ηλεκτρομηχανικό

28 Κεφάλαιο 1 ο κομμάτι του οχήματος, το οποίο περιλαμβάνει τους συσσωρευτές, τους μετατροπείς ισχύος, τον κινητήρα και το σύστημα μετάδοσης. Μελετήθηκαν οι απώλειες ισχύος που παράγονται κατά τη λειτουργία του οχήματος, καθώς και το πώς μεταβάλλονται αυτές, συναρτήσει δύο μεγεθών: του λόγου μετάδοσης λ και της μαγνητικής ροής στον κινητήρα CΦ (χρησιμοποιήθηκε κινητήρας συνεχούς ρεύματος). Ακολούθως βρέθηκαν οι τιμές των δύο αυτών μεγεθών για τις οποίες οι απώλειες ελαχιστοποιούνται. Οι τιμές αυτές εξαρτώνται από την κατάσταση του οχήματος, δηλαδή την ταχύτητά του και τη δύναμη που δέχεται λόγω τριβών, αντίστασης αέρα και αντίστασης αναρριχήσεως όπως αυτές αναφέρθηκαν στην προηγούμενη ενότητα. Ο χρησιμοποιούμενος κινητήρας της εφαρμογής είναι συνεχούς ρεύματος, αλλά τα αποτελέσματα μπορούν να επεκταθούν και για άλλα είδη κινητήρων, όπως για παράδειγμα τον ασύγχρονο τριφασικό μέσω της μεθόδου διανυσματικού ελέγχου. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής μεταφέρθηκαν σε πειραματική διάταξη για να επιβεβαιωθούν και να αξιολογηθούν. Η διάταξη αυτή είναι υπό κλίμακα και το ρόλο του φορτίου παίζει μια ελεγχόμενη μηχανή συνεχούς ρεύματος με κατάλληλο έλεγχο, έτσι ώστε να προσομοιώνονται πλήρως οι φορτίσεις που δέχεται ο κινητήρας του ηλεκτροκίνητου οχήματος κατά τη λειτουργία αυτού. Σχήμα 1.8: Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα[30]

29 Κεφάλαιο 1 ο Στο υποσύστημα που αφορά τους μετατροπείς ενέργειας που ελέγχουν τη μηχανή συνεχούς ρεύματος και τον ελεγκτή εξοικονόμησης ενέργειας και φαίνεται στο σχήμα 1.8 ο μετατροπέας C 1 είναι ο μετατροπέας ελέγχου του τυμπάνου του κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ο οποίος ελέγχεται απ ευθείας από τον επιταχυντή του αυτοκινήτου. Χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή σε οποιοδήποτε αυτοκίνητο, είτε ηλεκτρικό είτε βενζινοκίνητο, δίνεται μια ροπή αναφοράς στον κινητήρα. Ο κινητήρας παράγει αυτή τη ροπή, και το αυτοκίνητο επιταχύνεται, μέχρι η ροπή αναφοράς να γίνει ίση με τη ροπή που οφείλεται στις εξωτερικές δυνάμεις που δέχεται το αυτοκίνητο, οπότε και η ταχύτητα σταθεροποιείται. Γι αυτό και το σήμα ελέγχου προς τον μετατροπέα C 1 είναι μια ροπή αναφοράς. Ο μετατροπέας C 2 είναι ο μετατροπέας ελέγχου της διέγερσης. Δέχεται εντολές από τον ελεγκτή εξοικονόμησης ενέργειας, για την μαγνητική ροπή που πρέπει να τεθεί στον κινητήρα και μεταβάλλει κατάλληλα το ρεύμα διέγερσης. Το κιβώτιο συνεχούς λόγου μετάδοσης, δέχεται επίσης εντολές από τον ελεγκτή εξοικονόμησης ενέργειας. Ο ελεγκτής εξοικονόμησης ενέργειας διαβάζει τις τιμές F veh, u veh και υπολογίζει για τις τρέχουσες συνθήκες λειτουργίας του οχήματος ποιες είναι οι τιμές CΦ opt και λ opt που ελαχιστοποιούν τις απώλειες του οχήματος. 1.4 Ηλεκτρομηχανικό σύστημα Το σχηματικό διάγραμμα του συνολικού συστήματος παρατίθεται στο σχήμα 1.9.Στ αριστερά φαίνεται το υπό εξέταση ηλεκτροκινητήριο σύστημα, εν προκειμένω ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, του οποίου το ρεύμα τυμπάνου και η διέγερση ελέγχονται μέσω δύο μετατροπέων Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης τροφοδοτούμενων από συσσωρευτές. Η διέγερση του κινητήρα και ο λόγος μετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων ρυθμίζονται κατάλληλα ανάλογα με την ταχύτητα του οχήματος και την κλίση του οδοστρώματος, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας

30 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.9: Το συνολικό ηλεκτρομηχανικό σύστημα Μεταξύ του ηλεκτροκινητήρα και των τροχών του οχήματος, οι οποίοι στην παρούσα διπλωματική εργασία αντικαθίστανται από ένα ηλεκτρομηχανικό σύστημα, παρεμβάλλεται ένα κιβώτιο συνεχώς μεταβαλλόμενου λόγου μετάδοσης, όπως αυτό αναλύθηκε στην ενότητα 1.1, ο λόγος του οποίου ρυθμίζεται συνεχώς σύμφωνα με την τιμή που εξάγει ο ελεγκτής εξοικονόμησης ενέργειας. Το ηλεκτρομηχανικό σύστημα που ευθύνεται για την εξομοίωση των εξωτερικών δυνάμεων που θα φορτίσουν τον ηλεκτροκινητήρα του ηλεκτρικού οχήματος αποτελείται από μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, έναν μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης και μια κατάλληλα υπολογισμένη για την εφαρμογή αντίσταση ισχύος. Η ροπή που ασκείται στον άξονα μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος είναι συνάρτηση της διέγερσης και του ρεύματος τυμπάνου. Η ροπή που οφείλεται στις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται σε ένα κινούμενο όχημα και ασκείται στους τροχούς ενός οχήματος είναι μια συνάρτηση της ταχύτητας του οχήματος και της κλίσης του οδοστρώματος καθώς και μιας σειράς άλλων παραγόντων οι οποίοι θεωρούνται σταθεροί. Στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα που θα υλοποιηθεί μετράται η ταχύτητα των τροχών του οχήματος, δηλαδή η ταχύτητα στον άξονα της γεννήτριας και

31 Κεφάλαιο 1 ο εισάγοντας στο σύστημα υπολογισμού της ροπής αναφοράς την κλίση του οδοστρώματος και τις υπόλοιπες παραμέτρους που καθορίζουν το μέγεθος των εξωτερικών δυνάμεων, υπολογίζεται μία ροπή αναφοράς η οποία συγκρίνεται με την πραγματική ροπή στον άξονα της γεννήτριας και το σήμα ελέγχου που προκύπτει μεταβάλλει κατάλληλα το ρεύμα της γεννήτριας, εξομοιώνοντας εργαστηριακά τις εξωτερικές δυνάμεις ανάλογα με τις συνθήκες κίνησης του οχήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναζητείται ένας κατάλληλος τρόπος ώστε να εξομοιωθεί η ροπή των εξωτερικών δυνάμεων με τη ροπή της γεννήτριας προκειμένου να φορτιστεί ο κινητήρας του ηλεκτρικού οχήματος. Η μεταβολή της ροπής της γεννήτριας θα γίνει, όπως θα φανεί στο ακόλουθο κεφάλαιο με κατάλληλη ρύθμιση του ρεύματος τυμπάνου της μηχανής

32 Κεφάλαιο 2 ο

33 Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΕΝΟΣ ΟΧΗΜΑΤΟΣ 2.1 Διάταξη για την εξομοίωση του φορτίου του κινητήρα ενός οχήματος Εισαγωγικά Σύμφωνα με τις σχέσεις που αναπτύχθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο η εξίσωση κινήσεως ενός οχήματος δίνεται από τον ακόλουθο τύπο: 2.1 Με βάση αυτήν, μπορεί να προσδιοριστεί η γωνιακή ταχύτητα και η ροπή ενός κινητήρα ως συνάρτηση της δύναμης και της ταχύτητας των τροχών: Όπου r wh η ακτίνα ενός εκ των τροχών του οχήματος. Με τη χρήση του επιταχυντή σε ένα όχημα, ρυθμίζεται η ροπή αναφοράς στον κινητήρα του οχήματος. Ο κινητήρας παράγει τη ροπή αυτή και το όχημα επιταχύνεται, έως ότου η ροπή αναφοράς γίνει ίση με τη ροπή που οφείλεται στις εξωτερικές δυνάμεις που επιδέχεται το όχημα, οπότε και η ταχύτητα σταθεροποιείται. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η κατασκευή ενός ηλεκτρομηχανικού συστήματος φόρτισης του κινητήρα, προκειμένου να εξομοιωθούν πλήρως οι φορτίσεις που δέχεται ο ηλεκτροκινητήρας του οχήματος. Για τον σκοπό αυτό θα χρησιμοποιηθεί μια μηχανή συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης σε λειτουργία γεννήτριας και ένας κατάλληλος μετατροπέας συνεχούς τάσεως για την ρύθμιση της ροπής της γεννήτριας μέσω της μεταβολής της αντίστασης φορτίου R L. Υποθέτοντας στατική κατάσταση του ηλεκτροκινητήριου συστήματος, δηλαδή σταθερή ταχύτητα, μηδενικές απώλειες τριβών των μηχανών συνεχούς ρεύματος, σταθερή ονομαστική διέγερση της γεννήτριας και θεωρώντας μηδενική έλξη στη ράβδο ρυμουλκήσεως ισχύει:

34 Κεφάλαιο 2 ο (2.4),, (2.6) Όπως είναι φανερό από την τελευταία σχέση οι συνθήκες φόρτισης του κινητήρα μπορούν να εξομοιωθούν με απόλυτη ακρίβεια μεταβάλλοντας κατάλληλα τη ροπή της γεννήτριας[8] Διάταξη για τη μεταβολή της αντίστασης φορτίου Από την τελευταία σχέση είναι φανερό ότι η ροπή των τροχών μπορεί να εξομοιωθεί με τη ροπή μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος. Στην περίπτωση που επιλεγεί μηχανή ξένης διέγερσης η ροπή μπορεί να μεταβληθεί είτε μέσω μεταβολής του ρεύματος τυμπάνου είτε μέσω μεταβολής της διέγερσης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιλέχθηκε η διατήρηση της διέγερσης στην ονομαστική τιμή και η μεταβολή της ροπής μέσω της ρύθμισης του ρεύματος τυμπάνου. Για την ρύθμιση του ρεύματος της γεννήτριας, και κατ επέκταση της ροπής της, θα πρέπει να τοποθετεί στην έξοδο αυτής μια κατάλληλη διάταξη, η οποία θα επιτρέπει την μεταβολή της αντίστασης φορτίου που συνδέεται στη γεννήτρια. Γνωρίζοντας ότι η τάση που επάγεται στα άκρα της γεννήτριας δίνεται από τον τύπο: (2.7) Και η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου R L από τη σχέση: (2.8) Το ρεύμα που θα εξέρχεται από τη μηχανή συνεχούς ρεύματος θα δίνεται από τη σχέση: 2.9 Όπου R Τ η αντίσταση τυμπάνου της μηχανής συνεχούς ρεύματος

35 Κεφάλαιο 2 ο Χρησιμοποιώντας μια διάταξη υποβιβασμού τάσης, είναι δυνατόν να μεταβληθεί η αντίσταση εισόδου μέσω κατάλληλης μεταβολής του λόγου κατάτμησης δ, όπως αποδεικνύεται ακολούθως. Η τάση στην έξοδο του μετατροπέα στην περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος είναι: (2.10) Στην ιδανική περίπτωση, όπου ο μετατροπέας δεν παρουσιάζει απώλειες, η ισχύς εισόδου ισούται με την ισχύ εξόδου του μετατροπέα οπότε: 2.11 Η αντίσταση στην είσοδο του μετατροπέα θα είναι: 2.12 Από την τελευταία σχέση είναι εμφανές το γεγονός ότι με κατάλληλη ρύθμιση του λόγου κατάτμησης δ μπορεί να ληφθεί οποιαδήποτε τιμή της αντιστάσεως που φαίνεται στην είσοδο του μετατροπέα, από την ονομαστική τιμή της αντίστασης φορτίου R L για λόγο κατάτμησης ίσο με ένα έως άπειρη για δ=0 (θεωρητικά). Κατ επέκταση μπορεί να ρυθμιστεί με απόλυτη ακρίβεια το ρεύμα της γεννήτριας ρυθμίζοντας τον λόγο κατάτμησης, άρα και η ροπή στην είσοδο της

36 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.1: Σχέση μεταξύ της αντίστασης εισόδου του μετατροπέα και του λόγου κατάτμησης Σύμφωνα με όσα αναπτύχθηκαν προηγουμένως, αλλάζοντας τον λόγο κατάτμησης δ του μετατροπέα, θα πρέπει να μεταβάλλεται το ρεύμα της γεννήτριας, άρα και η φόρτισή της. Στην είσοδο της γεννήτριας θα δίνονται στροφές από τον κινητήρα, οι οποίες όμως θα μεταβάλλονται λόγω της φύσεως της εφαρμογής και ως αποτέλεσμα θα αλλάζει και η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα της αντίστασης στην έξοδο της μηχανής. Όπως θα γίνει εμφανές και από τη θεωρία που ακολουθεί και αφορά τις μηχανές συνεχούς ρεύματος, αν εφαρμοσθεί σταθερή ροπή στον άξονα της γεννήτριας, οι στροφές θα αυξάνονται συνεχώς τείνοντας στο άπειρο και ο έλεγχος του ηλεκτρομηχανικού συστήματος φυσικά θα απολεσθεί. Η θεώρηση σταθερής ονομαστικής διέγερσης έγινε λόγω της έλλειψης ροπόμετρου για την μέτρηση της πραγματικής ροπής στον άξονα της γεννήτριας. Αντί αυτού χρησιμοποιήθηκε στο τελικό σύστημα το ρεύμα της γεννήτριας μετρούμενο από ένα μετρητικό ρεύματος και συγκρινόμενο με ένα ρεύμα αναφοράς, το οποίο προκύπτει εύκολα διαιρώντας την ροπή αναφοράς με την σταθερή τιμή τις διέγερσης

37 Κεφάλαιο 2 ο 2.2 Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος Εισαγωγικά Οι μηχανές συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιούν, όπως δηλώνει και το όνομά τους, συνεχές ρεύμα για τη λειτουργία τους και συναντώνται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές λόγω της δυνατότητας που προσφέρουν για ρύθμιση των στροφών τους με απόλυτη ακρίβεια. Σε συνδυασμό με έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος οι μηχανές αυτού του είδους μπορούν να ελεγχθούν εύκολα και με μεγάλη ακρίβεια. Ακολούθως παρουσιάζονται τα βασικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των μηχανών συνεχούς ρεύματος, ο τρόπος λειτουργίας τους καθώς και οι μέθοδοι οδήγησής τους. Σχήμα 2.2:Μηχανή συνεχούς ρεύματος[24] Εξισώσεις και χαρακτηριστικές μηχανών συνεχούς ρεύματος στη μόνιμη λειτουργία[5] Εάν μια μηχανή συνεχούς ρεύματος προσλαμβάνει ρεύμα από ένα ηλεκτρικό δίκτυο, τότε μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική, δηλαδή λειτουργεί ως κινητήρας. Για τους κινητήρες ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η σχέση μεταξύ στροφών και αναπτυσσόμενης ροπής και αποτελεί την κατ εξοχήν χαρακτηριστική αυτών. Ένας κινητήρας είναι δυνατόν να λειτουργήσει ως γεννήτρια, εάν η εσωτερική τάση, δηλαδή η τάση εξ επαγωγής του τυμπάνου, γίνει μεγαλύτερη της τάσης των ακροδεκτών. Οι εξισώσεις που περιγράφουν τις καταστάσεις και την λειτουργία τους είναι οι ακόλουθες: Εξίσωση τάσεων

38 Κεφάλαιο 2 ο Όπου η τάση στα άκρα του τυμπάνου, η τάση εξ επαγωγής, η αντίσταση τυμπάνου, το ρεύμα που διαρρέει το τύμπανο και η τάση στις ψήκτρες. Το αρνητικό πρόσημο ισχύει για την περίπτωση κατά την οποία η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια, ενώ το θετικό πρόσημο για την περίπτωση που λειτουργεί ως κινητήρας. Τάση εξ επαγωγής 2.16 Όπου η γωνιακή ταχύτητα σε rad/s, η μαγνητική ροή και σταθερά της μηχανής. Εξίσωση ρευμάτων 2.17 Όπου το ρεύμα διέγερσης, με το αρνητικό πρόσημο να ισχύει για την περίπτωση κατά την οποία η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια, ενώ το θετικό πρόσημο για την περίπτωση που λειτουργεί ως κινητήρας. Εξίσωση ροπής 2.18 Όπου η ηλεκτρομηχανική ροπή σε Nm. Εξίσωση προσλαμβανόμενης ισχύος για την περίπτωση κινητήρα (2.19) για την περίπτωση γεννήτριας (2.20) Εξίσωση αποδιδόμενης ισχύος για την περίπτωση κινητήρα (2.21) για την περίπτωση γεννήτριας (2.22) Με κατάλληλο συνδυασμό των σχέσεων Και 2. προκύπτει η σχέση μεταξύ ταχύτητας και ροπής Μ: 2.23 Το αρνητικό πρόσημο ισχύει για την περίπτωση κατά την οποία η μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας, ενώ το θετικό πρόσημο για την περίπτωση που λειτουργεί ως γεννήτρια. Θεωρώντας μηδενική ροπή και κατ επέκταση μηδενικό ρεύμα στη μηχανή, προκύπτει η ταχύτητα στην κατάσταση εν κενώ:

39 Κεφάλαιο 2 ο 2.24 Ύστερα από διαίρεση των μελών της εξίσωσης 2. δια του προκύπτει η παρακάτω μορφή της εξίσωσης ταχύτητας-ροπής: Με τη βοήθεια της εξίσωσης αυτής είναι δυνατόν να χαραχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες για διάφορους τύπους μηχανών, δηλαδή να απεικονισθούν οι συνέπειες που προκαλεί η μαγνητική ροή Φ σε κάθε διαφορετική συνδεσμολογία τυλιγμάτων Εξισώσεις δυναμικής κατάστασης για γεννήτρια ξένης διέγερσης[10] Για να γίνει καλυτέρα κατανοητή η λειτουργία του ηλεκτρομηχανικού συστήματος που θα χρησιμοποιηθεί στην παρούσα διπλωματική εργασία, θεωρείται σκόπιμο να παρατεθούν οι εξισώσεις που αφορούν τη δυναμική κατάσταση της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος και αφορούν το ρεύμα τυμπάνου και τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής. Για το ρεύμα του τυμπάνου σε οποιαδήποτε κατάσταση, στατική ή δυναμική, ισχύει: Ομοίως για την ροπή που αναπτύσσει η γεννήτρια θα ισχύει:

40 Κεφάλαιο 2 ο 2.33 Στην προηγούμενη εξίσωση M L είναι η εξωτερικά εφαρμοζόμενη μηχανική ροπή που ασκείται στον άξονα της γεννήτριας, M e η ηλεκτρομαγνητική ροπή που αναπτύσσει η μηχανή, Μ fr η ισοδύναμη ροπή που αντιπροσωπεύει τις απώλειες τριβών στον άξονα της μηχανής και β ο συντελεστής τριβών. Και υπό μορφή πινάκων: Η τελευταία μορφή της εξίσωσης δυναμικής κατάστασης των παραμέτρων της μηχανής υπό τη μορφή πινάκων θα φανεί ιδιαίτερα χρήσιμη κατά την εισαγωγή των παραμέτρων αυτής στο περιβάλλον Simulink για την προσομοίωση του συστήματος

41 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΥ ΤΑΣΗΣ 3.1 Διακοπτικοί μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση(dc-dc)[1] Εισαγωγή Οι μετατροπείς Σ.Τ.-Σ.Τ. (DC-DC converters) χρησιμοποιούνται ευρέως σε σταθεροποιημένες τροφοδοσίες συνεχούς ρεύματος διακοπτικού τύπου και σε εφαρμογές dc κινητήριων συστημάτων. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.1, η είσοδος αυτών των μετατροπέων είναι συχνά μια μη σταθεροποιημένη συνεχής τάση, η οποία λαμβάνεται με ανόρθωση της τάσης του δικτύου. Εξαιτίας των μεταβολών του πλάτους της τάσης του δικτύου, η dc τάση αυξομειώνεται. Οι μετατροπείς Σ.Τ.-Σ.Τ. χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της μη σταθεροποιημένης dc τάσης εισόδου σε μια ελεγχόμενη συνεχή τάση στην έξοδο. Σχήμα 3.1: Σύστημα μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. [1] Συνήθως οι μετατροπείς αναλύονται στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Οι ημιαγωγικοί διακόπτες θεωρούνται ιδανικοί, δηλαδή με μηδενικούς χρόνους έναυσης και σβέσης, με μηδενικές απώλειες αγωγής, με μηδενική πτώση τάσεως κ.α. και οι απώλειες στα επαγωγικά και χωρητικά στοιχεία αγνοούνται. Τέτοιου είδους απώλειες μπορούν να περιορίσουν τη λειτουργική ικανότητα των μετατροπέων και για το λόγο αυτό απαιτείται ξεχωριστή εξέταση αυτών. Η πηγή συνεχούς τάσης στην είσοδο των μετατροπέων θεωρείται ότι έχει μηδενική εσωτερική αντίσταση κατά τη θεωρητική ανάλυση. Η πηγή αυτή μπορεί να είναι ένας συσσωρευτής. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, η είσοδος είναι μια ac τάση δικτύου ανορθωμένη με διόδους και με ένα μεγάλο πυκνωτή εξομάλυνσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.1, ώστε να έχει χαμηλή εσωτερική σύνθετη αντίσταση και να λειτουργεί ως πηγή dc τάσης με μικρή κυμάτωση

42 Κεφάλαιο 3 ο Ένα μικρό φίλτρο στη βαθμίδα εξόδου θεωρείται αναπόσπαστο μέρος του μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. Η έξοδος θεωρείται ότι τροφοδοτεί ένα φορτίο που μπορεί να παρασταθεί με μία ισοδύναμη αντίσταση, όπως συμβαίνει συνήθως στα διακοπτικά τροφοδοτικά συνεχούς τάσεως. Αν το φορτίο είναι ένας κινητήρας Συνεχούς Ρεύματος (η άλλη εφαρμογή αυτών των μετατροπέων) τότε αυτός μπορεί να παρασταθεί με μια πηγή συνεχούς τάσης σε σειρά με την αντίσταση και την αυτεπαγωγή του τυμπάνου του κινητήρα Έλεγχος των μετατροπέων Σ.Τ.-Σ.Τ. Στους μετατροπείς Σ.Τ.-Σ.Τ.η μέση τιμή της τάσης εξόδου πρέπει να ελέγχεται, ώστε να είναι σε ένα επιθυμητό επίπεδο, ανεξάρτητα από το γεγονός ότι η τάση εισόδου και το φορτίο μπορούν να αυξομειώνονται. Οι μετατροπείς Σ.Τ.-Σ.Τ. διακοπτικού τύπου χρησιμοποιούν έναν ή περισσότερους διακόπτες για το μετασχηματισμό της συνεχούς τάσης από ένα επίπεδο σε ένα άλλο. Σ ένα μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. με δεδομένη τάση εισόδου, η μέση τάση εξόδου ρυθμίζεται ελέγχοντας τους χρόνους έναυσης και σβέσης (t on και t off ) των διακοπτών. Για να καταστεί φανερή η αρχή της μετατροπής διακοπτικού τύπου, ας θεωρηθεί ένας βασικός μετατροπέας Σ.Τ.-Σ.Τ., όπως αυτός του Σχήματος 3.2α. Η μέση τιμή V o της τάσης εξόδου u o, στο Σχήμα 3.2β, εξαρτάται από τους χρόνους t on και t off. Μια από τις μεθόδους ελέγχου της μέσης τάσης εξόδου χρησιμοποιεί σταθερή διακοπτική συχνότητα λειτουργίας (και συνεπώς σταθερή περίοδο λειτουργίας T s =t on +t off ) και ρύθμιση της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης βρίσκεται σε αγωγή. Σ αυτήν τη μέθοδο που ονομάζεται μετάβαση με Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (Pulse-Width Modulation, PWM), μεταβάλλεται η σχετική διάρκεια αγωγής (duty ratio) D=t on /T s, που ορίζεται ως ο λόγος της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης είναι σε αγωγή προς την περίοδο μετάβασης. Η άλλη μέθοδος είναι γενικότερη. Σύμφωνα με αυτήν μεταβάλλονται, τόσο η συχνότητα λειτουργίας (και η περίοδος), όσο και η διάρκεια κατά την οποία ο διακόπτης είναι σε αγωγή. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται μόνο σε μετατροπείς Σ.Τ.-Σ.Τ. που χρησιμοποιούν thyristors με εξαναγκασμένη μετάβαση καθώς και σε μετατροπείς συντονισμού (resonant converters). Οι μεταβολές της συχνότητας λειτουργίας καθιστούν δύσκολο το φιλτράρισμα της κυμάτωσης των κυματομορφών της εισόδου και της εξόδου

43 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.2: Διακοπτική dc-dc μετατροπή [1] Στη διαμόρφωση με PWM με σταθερή τη συχνότητα λειτουργίας, το σήμα ελέγχου του διακόπτη, το οποίο ελέγχει την κατάστασή του (σε αγωγή ή σε αποκοπή), παράγεται με τη σύγκριση του επιπέδου τάσης του σήματος ελέγχου u control με μια περιοδική κυματομορφή σταθερού πλάτους, όπως φαίνεται στα Σχήματα 3.3α και 3.4. Γενικά, το σήμα της τάσης ελέγχου λαμβάνεται ενισχύοντας το σφάλμα ή τη διαφορά μεταξύ της πραγματικής τάσης εξόδου και της επιθυμητής της τιμής. Η συχνότητα της περιοδικής κυματομορφής (συνήθως είναι πριονωτή), καθορίζει τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας. Στον έλεγχο με PWM η συχνότητα αυτή διατηρείται σταθερή και επιλέγεται σε μια περιοχή από μερικά khz μέχρι μερικές εκατοντάδες khz. Όταν το ενισχυμένο σήμα σφάλματος, που μεταβάλλεται πολύ αργά με το χρόνο σε σχέση με τη συχνότητα λειτουργίας, είναι μεγαλύτερο από την πριονωτή κυματομορφή, το σήμα ελέγχου του διακόπτη πηγαίνει σε υψηλή στάθμη, προκαλώντας την αγωγή του διακόπτη. Διαφορετικά, ο διακόπτης βρίσκεται σε αποκοπή. Σύμφωνα με το Σχήμα 3.4, η σχετική διάρκεια αγωγής μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση της u control και του πλάτους της πριονωτής κυματομορφής V st, με τη σχέση: 3.1 Η λειτουργία των μετατροπέων που ελέγχονται με την τεχνική της P.W.M. μπορεί να είναι είτε στην περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος είτε στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής ρεύματος. Συνεχής αγωγή (Continuous Conduction Mode, CCM) ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης είναι πάντα μεγαλύτερο του μηδενός. Ασυνεχής αγωγή (Discontinuous Conduction Mode, DCM) ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης παρουσιάζει διαστήματα κατά

44 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.3: Λειτουργικό διάγραμμα Διαμόρφωσης Πλάτους Παλμού (PWM) [1] Σχήμα 3.4: Σήματα συγκριτή [1] τα οποία μηδενίζεται. Στην πράξη, ένας μετατροπέας μπορεί να λειτουργεί και στις δύο περιοχές, στις οποίες συναντώνται έντονα διαφορετικά χαρακτηριστικά. Για τον λόγο αυτό, ένας μετατροπέας και ο έλεγχός του πρέπει να σχεδιάζονται με βάση και τους δύο τρόπους λειτουργίας. 3.2 Ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (buck dc-dc converter) Όπως υποδηλώνει το όνομά του, ένας μετατροπέας Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης (stepdown ή buck dc-dc converter) παράγει μια συνεχή τάση εξόδου, της οποίας η μέση τιμή είναι

45 Κεφάλαιο 3 ο χαμηλότερη από τη dc τάση εισόδου V d. Η κύρια εφαρμογή του είναι τα σταθεροποιημένα dc διακοπτικά τροφοδοτικά και ο έλεγχος της ταχύτητας των κινητήρων Σ.Ρ. Το βασικό κύκλωμα του Σχήματος 3.2 αποτελεί ένα μετατροπέα υποβιβασμού τάσης για ένα καθαρά ωμικό φορτίο. Θεωρώντας έναν ιδανικό διακόπτη και ένα καθαρά ωμικό φορτίο, η στιγμιαία τάση εξόδου εξαρτάται από την κατάσταση του διακόπτη. Από το Σχήμα 3.2, μπορεί να υπολογιστεί η μέση τάση εξόδου ως συνάρτηση της σχετικής διάρκειας αγωγής D: Αντικαθιστώντας στη Σχέση 3.2 το D από τη Σχέση Όπου ά 3.4 Η V o μπορεί να ελεγχθεί, μεταβάλλοντας το λόγο t on /T s. Μια άλλη σημαντική παρατήρηση είναι ότι η συνεχής τάση εξόδου, της οποίας η μέση τιμή είναι V o μεταβάλλεται σημαντικά με την τάση ελέγχου, όπως στην περίπτωση των γραμμικών ενισχυτών. Σε μια πρακτική εφαρμογή το προηγούμενο κύκλωμα έχει δύο μειονεκτήματα: (1) Στην πράξη το φορτίο θα είναι επαγωγικό. Ακόμη και με ένα ωμικό φορτίο θα υπάρχει πάντα μια παρασιτική αυτεπαγωγή. Αυτό σημαίνει ότι ο διακόπτης θα πρέπει ν απορροφά ( ή να καταναλώνει) την ενέργεια που αποθηκεύεται στην αυτεπαγωγή και για το λόγο αυτό μπορεί να καταστραφεί. (2) Η τάση εξόδου κυμαίνεται μεταξύ 0 και V d, γεγονός μη αποδεκτό στις περισσότερες εφαρμογές. Το πρόβλημα της αποθηκευμένης ενέργειας λύνεται με τη χρήση μιας διόδου, όπως φαίνεται στο Σχήμα

46 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.5: Προσθήκη διόδου και χαμηλοπερατου φίλτρου [1] Οι διακυμάνσεις της τάσης εξόδου ελαττώνονται κατά πολύ με τη χρήση ενός χαμηλοπερατού φίλτρου, το οποίο αποτελείται από ένα πηνίο και έναν πυκνωτή. Στο Σχήμα 3.6 φαίνεται η κυματομορφή της εισόδου u oi του φίλτρου, που είναι ίδια με την τάση εξόδου του Σχήματος 3.6 χωρίς το φίλτρο. Αυτή αποτελείται από ένα dc όρο V o, τις αρμονικές στη συχνότητα μετάβασης f s και στις πολλαπλάσιές της, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.6. Σχήμα 3.6: Επίδραση χαμηλοπερατού φίλτρου στην τάση εξόδου[1]

47 Κεφάλαιο 3 ο Η απόκριση συχνότητας του φίλτρου, με την απόσβεση που προκαλείται από το ωμικό φορτίο R, φαίνεται στο Σχήμα 3.7. Η συχνότητα αποκοπής f c αυτού του φίλτρου επιλέγεται πολύ μικρότερη από τη συχνότητα μετάβασης, εξαλείφοντας ουσιαστικά την κυμάτωση στη συχνότητα μετάβασης από την τάση εξόδου. Σχήμα 3.7: Απόκριση συχνότητας του χαμηλοπερατού φίλτρου [1] Όσο ο διακόπτης βρίσκεται σε αγωγή, η δίοδος του Σχήματος 3.5 πολώνεται ανάστροφα και η είσοδος παρέχει ενέργεια, τόσο στο φορτίο όσο και στο πηνίο. Όσο ο διακόπτης είναι σε αποκοπή, το ρεύμα του πηνίου ρέει διαμέσου της διόδου, μεταφέροντας μέρος της αποθηκευμένης ενέργειάς του στο φορτίο. Στην ανάλυση κατά τη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας, που παρουσιάστηκε, ο πυκνωτής εξομάλυνσης θεωρείται πολύ μεγάλος, όπως συμβαίνει συνήθως σε εφαρμογές που απαιτούν μια σχεδόν σταθερή στιγμιαία τάση εξόδου u o =V o. Από το Σχήμα 3.5 παρατηρείται ότι σε ένα dc-dc μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, το μέσο ρεύμα του πηνίου ισούται με το μέσο ρεύμα εξόδου Io, εφόσον το μέσο ρεύμα του πυκνωτή στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας είναι μηδέν

48 Κεφάλαιο 3 ο Λειτουργία με Συνεχή Αγωγή Ρεύματος Στο Σχήμα 3.8 φαίνονται οι κυματομορφές της λειτουργίας στην περιοχή της συνεχούς αγωγής, όπου το ρεύμα του πηνίου ρέει συνεχώς (i L (t)>0). Όταν ο διακόπτης είναι σε αγωγή, για ένα χρονικό διάστημα t on, αυτός άγει το ρεύμα του πηνίου και η δίοδος πολώνεται ανάστροφα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας θετικής τάσης u L =V d -V o στα άκρα του πηνίου (Σχήμα 3.8(α)). Η τάση αυτή προκαλεί μια γραμμική αύξηση στο ρεύμα του πηνίου i L. Όταν ο διακόπτης ανοίξει, εξαιτίας της αποθηκευμένης ενέργειας στο πηνίο, το i L συνεχίζει να ρέει. Το ρεύμα αυτό ρέει τώρα μέσω της διόδου και u L =-V o (Σχήμα 3.8(β)). Σχήμα 3.8: Καταστάσεις του κυκλώματος του μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης (θεωρώντας ότι το i L ρέει συνεχώς) (α) διακόπτης σε αγωγή (β) διακόπτης σε αποκοπή [1] Εφόσον στη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας η κυματομορφή πρέπει να επαναλαμβάνεται σε κάθε περίοδο, το ολοκλήρωμα της τάσης του πηνίου u L στο διάστημα μιας περιόδου πρέπει να είναι μηδέν, όπου T s =t on +t off :

49 Κεφάλαιο 3 ο Στο Σχήμα 3.8 η προηγούμενη εξίσωση σημαίνει ότι τα εμβαδά Α και Β πρέπει να είναι ίσα. Επομένως, 3.6 ή 3.7 Άρα, κατά τη λειτουργία με συνεχή αγωγή του ρεύματος, για μια δεδομένη τάση εισόδου, η τάση εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με τη σχετική διάρκεια αγωγής D και δεν εξαρτάται από καμία άλλη παράμετρο του κυκλώματος. Επίσης η προηγούμενη εξίσωση μπορεί να προκύψει, παίρνοντας απλά τη μέση τιμή της u oi στο Σχήμα 3.8(β) και θεωρώντας ότι η μέση τάση στα άκρα του πηνίου στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας είναι μηδέν: ή Αγνοώντας τις απώλειες ισχύος που σχετίζονται με όλα τα στοιχεία του κυκλώματος, η ισχύς εισόδου P d ισούται με την ισχύ εξόδου P o : 3.10 Επομένως, 3.11 Και Άρα, στη λειτουργία στην περιοχή συνεχούς αγωγής, ο μετατροπέας Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης ισοδυναμεί με ένα μετασχηματιστή συνεχούς ρεύματος, όπου ο λόγος μετασχηματισμού του ισοδύναμου αυτού μετασχηματιστή μπορεί να ρυθμίζεται με

50 Κεφάλαιο 3 ο ηλεκτρονικό τρόπο, σε μια περιοχή από 0 μέχρι 1, ελέγχοντας τη σχετική διάρκεια του παλμού. Παρατηρείται ότι, παρά το ότι το μέσο ρεύμα εισόδου I d ακολουθεί τη σχέση σου μετασχηματιστή, η κυματομορφή του στιγμιαίου ρεύματος εισόδου μεταπηδά από μια μέγιστη τιμή στο μηδέν κάθε φορά που ο διακόπτης ανοίγει. Άρα, ενδέχεται να απαιτηθεί ένα κατάλληλο φίλτρο στην είσοδο, για να εξαλείψει τις ανεπιθύμητες επιδράσεις των αρμονικών του ρεύματος Όριο μεταξύ Συνεχούς και Ασυνεχούς Αγωγής του Ρεύματος Οι διάφοροι παράμετροι του κυκλώματος επιδρούν στον τρόπο αγωγής του ρεύματος του πηνίου (συνεχή ή ασυνεχή). Οι κυματομορφές των u L και i L στο όριο της λειτουργίας συνεχούς αγωγής δίνονται στο Σχήμα 3.9. Στο όριο μεταξύ των δύο λειτουργιών συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής ρεύματος, εξορισμού, το ρεύμα του πηνίου i L μηδενίζεται στο τέλος της περιόδου κατά την οποία ο διακόπτης είναι ανοιχτός. Σχήμα 3.9: Κυματομορφή ρεύματος στο όριο συνεχούς ασυνεχούς αγωγής [1] Στο όριο αυτό, το μέσο ρεύμα του πηνίου, όπου ο δείκτης Β αναφέρεται στο όριο (boundary), είναι: 1 2,

51 Κεφάλαιο 3 ο Επομένως, σε κάποια κατάσταση λειτουργίας (με ένα δεδομένο σύνολο τιμών για τα T s, V d, V o, L και D), αν το μέσο ρεύμα εξόδου (και έτσι το μέσο ρεύμα του πηνίου) γίνει μικρότερο από το I LB, που δίνεται από την Σχέση 3.13, τότε το i L θα γίνει ασυνεχές. Εφόσον V ο =DV d το μέσο ρεύμα του πηνίου στο όριο τις λειτουργίας συνεχούς αγωγής ρεύματος δίνεται από τη Σχέση 3.13 και είναι: Η εξίσωση αυτή είναι η σχέση που συνδέει το ρεύμα I LB με τη σχετική διάρκεια αγωγής D, όταν η V d και τις οι τις παράμετροι είναι σταθερές. Η γραφική παράσταση τις τις σχέσης δίνεται στο Σχήμα Από το Σχήμα αυτό φαίνεται ότι το ρεύμα εξόδου, που απαιτείται για τη λειτουργία με συνεχές ρεύμα είναι μέγιστο όταν D=0.5:, Από τις Σχέσεις 3.14 και 3.15 προκύπτει: 4, Σχήμα 3.10: I LB ως προς το D, με V d σταθερή [1]

52 Κεφάλαιο 3 ο Λειτουργία Ασυνεχούς Αγωγής Ρεύματος με σταθερή τάση στην είσοδο Στη συνέχεια θα υπολογιστεί ο λόγος τάσεων V o /V d στη λειτουργία ασυνεχούς αγωγής ρεύματος. Ας θεωρηθεί ότι αρχικά ο μετατροπέας λειτουργεί στο όριο της συνεχούς αγωγής ρεύματος, όπως στο σχήμα 3.9, για δεδομένες τιμές των T, L, V d και D. Αν αυτές οι παράμετροι διατηρηθούν σταθερές και η ισχύς εξόδου μειωθεί (δηλαδή η αντίσταση φορτίου αυξηθεί), τότε το μέσο ρεύμα του πηνίου θα μειωθεί. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3.11, αυτό προκαλεί μια αύξηση της τιμής της V o και έχει ως αποτέλεσμα το πηνίο να διαρρέεται από ένα ασυνεχές ρεύμα. Κατά το χρονικό διάστημα Δ 2 T s, όπου το ρεύμα του πηνίου είναι μηδέν, η ισχύς στο ωμικό φορτίο παρέχεται από τον πυκνωτή εξομάλυνσης και μόνο. Κατ αυτό το χρονικό διάστημα η τάση του πηνίου u L είναι μηδέν. Εξισώνοντας και πάλι το ολοκλήρωμα της τάσης του πηνίου στο διάστημα μιας περιόδου με το μηδέν: όπου D+Δ1<1.0. Σχήμα 3.11: Ασυνεχής αγωγή ρεύματος σε dc-dc μετατροπέα υποβιβασμού τάσεως [1] Από το Σχήμα 3.11, προκύπτει,

53 Κεφάλαιο 3 ο Επομένως,, , 4, Από τις Σχέσεις 3.18 και 3.24 προκύπτει 1 4, 3.25 Στο Σχήμα 3.12 φαίνεται η χαρακτηριστική εξόδου του μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης και για τις δύο τρόπους λειτουργίας, όταν η τάση V d είναι σταθερή. Ο λόγος V o /V d σχεδιάζεται ως συνάρτηση του I o /I LB,max, για διάφορες τιμές τις σχετικής διάρκειας αγωγής D, χρησιμοποιώντας τις Σχέσεις 3.9 και Το όριο μεταξύ των λειτουργιών συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής ρεύματος, που είναι η διακεκομμένη καμπύλη, καθορίζεται από τις Σχέσεις 3.9 και

54 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.12: Χαρακτηριστικές μετατροπέα Σ.Τ.-Σ.Τ. υποβιβασμού τάσης με σταθερή V d [1] Λειτουργία Ασυνεχούς Αγωγής Ρεύματος με σταθερή τάση στην έξοδο Σε εφαρμογές όπως τα dc διακοπτικά τροφοδοτικά, η τάση εισόδου V d μπορεί να αυξομειώνεται, αλλά η τάση εξόδου V o διατηρείται σταθερή με τη ρύθμιση της σχετικής διάρκειας αγωγής D. Εφόσον V d =V o /D το μέσο ρεύμα του πηνίου στο όριο της λειτουργίας συνεχούς ρεύματος, όπως προκύπτει από τη Σχέση 3.13, είναι: Από τη Σχέση 3.26 φαίνεται ότι, αν η V o διατηρείται σταθερή, η μέγιστη τιμή του I LB προκύπτει για D=0:, Πρέπει να σημειωθεί ότι, η λειτουργία που αντιστοιχεί σε D=0 και πεπερασμένη Vo είναι φυσικά υποθετική, επειδή θα απαιτούσε άπειρη V d. Από τις Σχέσεις 3.26 και 3.27 προκύπτει: 1,

55 Κεφάλαιο 3 ο Για τη λειτουργία του dc-dc μετατροπέα,όπου η V o διατηρείται σταθερή, θα είναι χρήσιμη η εύρεση της σχέσης ανάμεσα στην απαιτούμενη σχετική διάρκεια του παλμού D και του I o /I LB,max. Χρησιμοποιώντας τις Σχέσεις 3.18 και 3.21 (οι οποίες ισχύουν για τη λειτουργία ασυνεχούς ρεύματος, ανεξάρτητα από το ποια τάση V o ή V d είναι σταθερή), μαζί με τη Σχέση 3.27, για την περίπτωση που διατηρείται σταθερή η V o, προκύπτει:, Το D ως συνάρτηση του I o /I LB, max σχεδιάζεται στο Σχήμα 3.13, για διάφορες τιμές του V d /V o, διατηρώντας τη V o σταθερή. Το όριο μεταξύ των λειτουργιών συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής ρεύματος βρίσκεται χρησιμοποιώντας τη Σχέση 3.28[1],[2],[3],[4],[9],[11]. Σχήμα 3.13: Χαρακτηριστικές του dc-dc μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, με σταθερή V o [1]

56 3.3 Ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης πολλαπλών κλάδων (interleaving buck converter) Κεφάλαιο 3 ο Όπως διαπιστώθηκε στην ανάλυση του κλασσικού μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, η μορφή του ρεύματος στην είσοδο είναι παλμική, ενώ στο πηνίο παρουσιάζει τριγωνική μορφή. Για τον λόγο αυτό γίνεται χρήση πυκνωτή εξομάλυνσης στην έξοδο του κυκλώματος (καθώς και στην είσοδο του) προκειμένου να περιοριστεί η κυμάτωση στην τάση εξόδου. Σε εφαρμογές υψηλών ρευμάτων και χαμηλής τάσης το παλμικό ρεύμα στην είσοδο μπορεί να γίνει αρκετά μεγάλο, προκαλώντας προβλήματα στη λειτουργία του μετατροπέα λόγω των μη ιδανικών στοιχείων που αυτός περιέχει και των παρασιτικών επαγωγών που εμφανίζουν τα καλώδια. Εκτός αυτού, η παλμική μορφή του ρεύματος στην είσοδο του μετατροπέα, μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, επηρεάζοντας τη λειτουργία γειτονικών κυκλωμάτων ή ακόμη και του ίδιου του μετατροπέα. Σε εφαρμογές όπου απαιτούνται πολύ υψηλά ρεύματα υπό χαμηλή τάση, όπως για παράδειγμα σε ένα κύκλωμα ρύθμισης της τάσης που τροφοδοτεί ένα μικροεπεξεργαστή (Voltage Regulator Module, VRM), υπάρχει μια πολύ αυστηρή απαίτηση όσον αφορά την κυμάτωση της τάσης εξόδου, καθώς αυτή θα πρέπει να παραμείνει εντός μιας προκαθορισμένης περιοχής, ανεξαρτήτου της δυναμικής διακύμανσης του φορτίου. Το γεγονός αυτό επιβάλλει περιορισμούς στις τιμές της επαγωγής και της χωρητικότητας που θα επιλεγούν και θα χρησιμεύσουν ως φίλτρο στην έξοδο. Παρά το γεγονός ότι η τοπολογία του κλασσικού μετατροπέα υποβιβασμού τάσης συναντάται σε όλες σχεδόν τις εφαρμογές όπου απαιτείται υποβιβασμός τάσης από συνεχή σε συνεχή, χωρίς απομόνωση, ο μετατροπέας πολλαπλών κλάδων παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι του αντίστοιχου μετατροπέα ενός κλάδου και αποτελεί την καταλληλότερη επιλογή σε πολλές εφαρμογές, οι οποίες ακολουθούν την μέθοδο για παροχή ισχύος υπό όσο το δυνατόν χαμηλότερη τάση και συνεπώς υψηλών ρευμάτων. Ο θεμελιώδης περιορισμός στη σχεδίαση ενός μονοκλαδικού μετατροπέα προκύπτει από το συνδυασμό του βέλτιστου συντελεστή απόδοσης στη βέλτιστη συχνότητα λειτουργίας. Το μέγεθος και η τιμή του πηνίου και του πυκνωτή ελαττώνονται όσο η συχνότητα ανεβαίνει. Ωστόσο, υπάρχει ένας πρακτικός περιορισμός στην επιλογή της διακοπτικής συχνότητας,

57 Κεφάλαιο 3 ο καθώς οι διακοπτικές απώλειες στα στοιχεία αυξάνουν αναλόγως της συχνότητας, με αποτέλεσμα η προκύπτουσα απόδοση να φθίνει. Η λύση προσφέρεται από τη διάταξη του μετατροπέα με κλάδους διαδοχικής αγωγής (interleaving buck converter). Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας πολλαπλασιάζεται αποτελεσματικά με τον αριθμό των κλάδων που χρησιμοποιούνται, βελτιώνοντας τη μεταβατική απόκριση. Στα πλεονεκτήματα της τοπολογίας αυτής, περιλαμβάνονται οι χαμηλότερες τιμές των ενεργών τιμών των ρευμάτων τόσο στους πυκνωτές εισόδου όσο και στους πυκνωτές εξόδου, οι μειωμένες απαιτήσεις φιλτραρίσματος για περιορισμό του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου, η καλύτερη διαχείριση της εκλυόμενης θερμότητας, η βελτιωμένη αξιοπιστία και η απλούστευση της επιλογής των στοιχείων ισχύος Ανάλυση του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης πολλαπλών κλάδων Το σχηματικό διάγραμμα ενός τέτοιου μετατροπέα N-κλάδων φαίνεται στο Σχήμα Η τάση εξόδου και το ρεύμα εξόδου σημειώνονται ως V o και I o, αντίστοιχα. Τα στοιχεία που απεικονίζονται θεωρούνται ιδανικά και παραλείπονται μεγέθη όπως η αντίσταση του πηνίου και η παρασιτική επαγωγή και αντίσταση του πυκνωτή. Θεωρείται ότι τα στοιχεία αποτελούνται από κανάλι N-τύπου. Τα στοιχεία που βρίσκονται στην υψηλή πλευρά της διάταξης (Q T1, Q T2,, Q TN ) οδηγούνται από ένα λόγο κατάτμησης D, όπου: 3.30 Ενώ τα στοιχεία που βρίσκονται στη χαμηλή πλευρά της διάταξης (D1,D2,,DN) άγουν όταν τα διακοπτικά στοιχεία βρίσκονται σε αποκοπή. Οι διακόπτες λειτουργούν σε μια σταθερή συχνότητα, f s =1/T s. Οι ταλαντωτές συντονίζονται έτσι ώστε κάθε κλάδος να οδηγείται από σήματα στην πύλη του στοιχείου ίδιας συχνότητας f s, τα οποία όμως ολισθαίνουν μεταξύ τους κατά 360 ο /N. Για παράδειγμα, στην παρούσα διπλωματική ο μετατροπέας τεσσάρων κλάδων οδηγείται από σήματα που καταφτάνουν στις πύλες των στοιχείων με καθυστέρηση 90 ο σε κάθε κλάδο (0 ο στον πρώτο κλάδο, 90 ο στον δεύτερο,180 ο στον τρίτο και 270 ο στον τελευταίο). Η είσοδος και η έξοδος κάθε ενός κλάδου

58 Κεφάλαιο 3 ο παραλληλίζονται, ούτως ώστε η θεμελιώδης συχνότητα κυμάτωσης στην είσοδο και στην έξοδο να προκύπτει Nf s. Σχήμα 3.14: Ν-φασικός μετατροπέας υποβιβασμού τάσης διαδοχικής αγωγής Το φίλτρο εξόδου αποτελείται από τις επαγωγές L f =L f1 =L f2 = =L fn και από τον πυκνωτή C o, ενώ με C in απεικονίζεται ο πυκνωτής εισόδου. Τα ρεύματα στην είσοδο και στην έξοδο που διαρρέουν τους πυκνωτές συμβολίζονται με i Cin(t) και i Cout(t), αντίστοιχα, με την πολικότητα που φαίνεται στο Σχήμα Όπως είναι φανερό οι επαγωγές είναι μοιρασμένες σε κάθε κλάδο, ενώ γίνεται από κοινού χρήση των πυκνωτών εισόδου και εξόδου. Υποθέτοντας ιδανική κατανομή του ρεύματος σε κάθε κλάδο λόγω της διαδοχικής αγωγής, ισχύει:

59 Κεφάλαιο 3 ο Για να γίνουν φανερά τα πλεονεκτήματα που προσφέρει ο μετατροπέας πολλαπλών κλάδων διαδοχικής αγωγής μελετάται ακολούθως ένας τέτοιος μετατροπέας δύο κλάδων με διακοπτική συχνότητα λειτουργίας στα 50kHz, του οποίου η τάση στην είσοδο θεωρείται σταθερή στα 180V,ισχύος 2,7kW. Κάθε κλάδος του εν λόγω μετατροπέα οδηγείται με ολίσθηση 180 ο από τον διπλανό του. Το συνεχές ρεύμα σε κάθε κλάδο είναι περίπου 7.5Α έτσι ώστε το άθροισμα των δύο κλάδων να δίνει στην έξοδο 15Α για λόγο κατάτμησης ίσο με Για άμεση σύγκριση με έναν μετατροπέα ίδιας ισχύος αλλά με έναν μόνο κλάδο απεικονίζονται στα διαγράμματα τα αντίστοιχα μεγέθη του μετατροπέα ενός κλάδου. Σχήμα 3.15:Ρεύμα στο πηνίο και ρεύμα εξόδου μονοκλαδικού μετατροπέα καθώς και ρεύματα στα πηνία του μετατροπέα δύο κλάδων και ρεύμα στο αθροιστικό σημείο

60 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.16: Ρεύματα στα διακοπτικά στοιχεία για μετατροπέα δύο κλάδων και το ρεύμα στο διακοπτικό στοιχείο του μετατροπέα ενός κλάδου Σχήμα 3.17: Ρεύματα στα διακοπτικά στοιχεία μετατροπέα δύο κλάδων με δ=

61 Κεφάλαιο 3 ο Ρεύματα στα πηνία Δεδομένου ότι τα πηνία σε κάθε κλάδο έχουν ίδια επαγωγιμότητα και υπόκεινται σε ίδιους ρυθμούς μεταβολής της τάσης, τότε το ρεύμα σε κάθε πηνίο έχει την ίδια τιμή. Η κυμάτωση του ρεύματος στο πηνίο από κορυφή σε κορυφή (peak-to-peak), Δ il, δίνεται από τη Σχέση 3.33, όπου I Lmax και I Lmin είναι το μέγιστο και το ελάχιστο ρεύμα που το διαρρέουν, αντίστοιχα Η Σχέση 3.34 δίνει την κυμάτωση του ρεύματος του πολυκλαδικού μετατροπέα και ρέει διαμέσου του πυκνωτή εξόδου, όπου m=min(nd) και η συνάρτηση ελαχίστου επιστρέφει τον μικρότερο ακέραιο από τη διατυπωθείσα σχέση., Για παράδειγμα, εάν D<1/N, m=0 η Σχέση 3.34 απλουστεύεται στην ακόλουθη:, Αυτός ο όρος είναι μικρότερος από την καθαυτού κυμάτωση στο ρεύμα του πηνίου του απλού μετατροπέα όπως δίνεται στη Σχέση 3.33 λόγω της εξάλειψης που οφείλεται στους περισσότερους του ενός κλάδους

62 Κεφάλαιο 3 ο Πυκνωτής εισόδου Η ενεργός τιμή του προκύπτοντος ρεύματος στον πυκνωτή εισόδου είναι:, Στα ακόλουθα σχήματα φαίνεται το ρεύμα του πυκνωτή εισόδου για έναν μετατροπέα δύο κλάδων διαδοχικής αγωγής και για ένας κλασσικό μετατροπέα ενός κλάδου. Όπως είναι εμφανές το ρεύμα του πυκνωτή του μετατροπέα δύο κλάδων έχει διπλάσια συχνότητα από το αντίστοιχο ρεύμα του μετατροπέα ενός κλάδου και ως αποτέλεσμα είναι ευκολότερο να φιλτραριστεί. Άρα ο πυκνωτής που θα χρησιμοποιηθεί στην είσοδο του μετατροπέα δύο κλάδων αρκεί να έχει τη μισή χωρητικότητα από τον αντίστοιχο πυκνωτή που θα χρησιμοποιηθεί στον μετατροπέα ενός κλάδου της ίδιας ισχύος. Σχήμα 3.18: Ρεύμα στον πυκνωτή εισόδου μετατροπέα δύο κλάδων (100kHz)

63 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.19: Ρεύμα στον πυκνωτή εισόδου μονοκλαδικού μετατροπέα (50kHz) Στη Σχέση 3.37 εκφράζεται η ενεργός τιμή του ρεύματος που αντιστοιχεί στον πυκνωτή εισόδου [20]: (3.37) Στο Σχήμα 3.20 απεικονίζεται ένα γράφημα κανονικοποιημένων ρευμάτων εισόδου στον πυκνωτή (ενεργές τιμές ρευμάτων-rms) για μετατροπείς από έναν έως τέσσερις κλάδους. Τα γραφήματα είναι κανονικοποιημένα με ρεύμα τιμής I o =1A και το εύρος της κυμάτωσης του ρεύματος ανά κλάδο, Δ il, έχει τεθεί στο 30% του ανά κλάδου συνεχούς ρεύματος, I o /N. Διαπιστώνεται ότι, το ελάχιστο του I Cin,RMS εντοπίζεται στους κρίσιμους λόγους κατάτμησης όπως αυτοί ορίζονται από την ακόλουθη Σχέση 3.38:

64 Κεφάλαιο 3 ο, 1, 2,, Σχήμα 3.20: Ενεργός τιμή ρεύματος στον πυκνωτή εισόδου (κανονικοποιημένη τιμή), Ν=1,2,3,4 [20] Παίρνοντας το λόγο της Σχέσης 3.36 προς τη Σχέση 3.37, μπορεί να προσδιοριστεί ο παράγοντας εξασθένισης του ρεύματος εισόδου στον πυκνωτή για έναν μετατροπέα N- κλάδων. Αυτός ο παράγοντας σχεδιάζεται στο Σχήμα Εάν ο λόγος κατάτμησης είναι γνωστός για μια συγκεκριμένη εφαρμογή ή σε περίπτωση που αναμένεται μικρή μεταβολή στην τάση εισόδου, είναι δυνατόν ο αριθμός των κλάδων να επιλεγεί σύμφωνα προς τη Σχέση 3.38, προκειμένου η ενεργός τιμή του ρεύματος στον πυκνωτή εισόδου να εξαλείφεται σημαντικά. Ανάλογα, μπορεί να σχεδιαστεί ένας μετατροπέας πολλαπλών κλάδων ο οποίος να διαχειρίζεται υψηλά ρεύματα, με το μέγεθος, το

65 Κεφάλαιο 3 ο κόστος και την κατατομή του πυκνωτή να είναι μειωμένα δραματικά. Σε κάθε περίπτωση το πλάτος του ρεύματος στον πυκνωτή εισόδου είναι σημαντικά μικρότερο σε σχέση με τον απλό μετατροπέα. Σχήμα 3.21: Παράγοντας εξασθένισης ρεύματος πυκνωτή εισόδου, Ν=2,3,4 [20] Η έκλυση ισχύος στην ισοδύναμη εν σειρά αντίσταση που περιέχει ο πυκνωτής εισόδου (ESR) δίνεται από την ακόλουθη Σχέση:, 3.39 Ως αποτέλεσμα, η έκλυση ισχύος στην ισοδύναμη εν σειρά αντίσταση ελαττώνεται και κατ επέκταση περιορίζεται η θέρμανση του πυκνωτή, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του. Συν τοις άλλοις, ελαχιστοποιούνται τα υψηλά ρεύματα και ο σχετιζόμενος με αυτά ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος και λόγω της υψηλότερης συχνότητας κυμάτωσης, το φίλτρο εισόδου είναι μικρότερο και το κόστος του σημαντικά χαμηλότερο

66 Κεφάλαιο 3 ο

67 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ MATLAB/SIMULINK 4.1 Μοντελοποίηση των επιμέρους συστημάτων Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζεται η δημιουργία των μοντέλων των επιμέρους συστημάτων, δηλαδή της μηχανής συνεχούς ρεύματος σε λειτουργία γεννήτριας, του μετατροπέα ισχύος και του συστήματος υπολογισμού της ροπής αναφοράς για το συνολικό σύστημα. Η διαδικασία αυτή αποσκοπεί στην προσομοίωση του συνολικού συστήματος πριν την κατασκευή της διάταξης προκειμένου να επιβεβαιωθεί αφενός η ορθή λειτουργία του συστήματος και αφετέρου να εξαχθούν χρήσιμα αποτελέσματα για τον τρόπο λειτουργίας της διάταξης και ενδεικτικές τιμές των μεγεθών που θα μετρηθούν πειραματικά. Τελικό σκοπός της προσομοίωσης αποτελεί η δημιουργία ενός αυτόνομου μοντέλου, το οποίο λαμβάνει τον αριθμό των στροφών της μηχανής, υπολογίζει την ροπή αναφοράς την οποία συγκρίνει με την πραγματική ροπή της μηχανής και ρυθμίζει τη ροπή αυτής στην υπολογισθείσα τιμή αναφοράς. Σχήμα 4.1: Σχηματικό διάγραμμα ηλεκτρομηχανικού συστήματος

68 Κεφάλαιο 4 ο Το μοντέλο της μηχανής συνεχούς ρεύματος Από την βιβλιοθήκη του Simulink επιλέγεται το block DC Machine το οποία αντιστοιχεί στην μηχανή συνεχούς ρεύματος, σχήμα 4.2. Ανοίγοντας το παράθυρο με τις παραμέτρους της μηχανής μπορεί να γίνει η ρύθμιση αυτών με βάση την διαθέσιμη στο εργαστήριο μηχανή. Στο πρώτο παράθυρο που εμφανίζεται, είναι δυνατή η επιλογή ενός προκαθορισμένου μοντέλου μηχανής (preset model) ή ο καθορισμός ενός νέου με την επιλογή No. Η επόμενη επιλογή αφορά την είσοδο και δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί η μηχανή στην προσομοίωση είτε ως κινητήρας (input Torque) είτε ως γεννήτρια (input Speed). Αυτή η επιλογή είναι πολύ σημαντική για τη σωστή λειτουργία του μοντέλου, μιας και αν επιλεγεί στην είσοδο η εφαρμογή σταθερής ροπής τότε ο αριθμός των στροφών της γεννήτριας θα τείνει στο άπειρο. Επιλέγοντας το παράθυρο Parameters είναι δυνατόν να καθοριστούν οι παράμετροι της μηχανής, όπως η αντίσταση τυμπάνου και η αντίσταση διέγερσης σύμφωνα με τον κατασκευαστή, η υπολογισθείσα τιμή της αμοιβαίας επαγωγής L af καθώς και η μετρηθείσα τιμή της επαγωγής της διέγερσης [10]. Για να ρυθμιστούν οι παράμετροι της μηχανής ώστε το μοντέλο που θα δημιουργηθεί να αντιστοιχεί στη μηχανή συνεχούς ρεύματος της εφαρμογής επιλέχθηκε αρχικά ένα έτοιμο μοντέλο από τη βιβλιοθήκη του Simulink κοντά στην ισχύ της μηχανής και αλλάζοντας την τιμή της παραμέτρου L af επιλέχθηκε η τιμή για την οποία η γεννήτρια δίνει υπό ονομαστική τάση τον ονομαστικό αριθμό στροφών. Σχήμα 4.2: Μοντέλο μηχανής συνεχούς ρεύματος

69 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.3:Ρύθμιση παραμέτρων μηχανής συνεχούς ρεύματος [23] Το μοντέλο του μετατροπέα interleaving buck Στη συνέχεια κατασκευάστηκε το μοντέλο του μετατροπέα υποβιβασμού τάσεως τεσσάρων κλάδων διαδοχικής αγωγής. Η επιλογή των τεσσάρων κλάδων έγινε με βάση τα πλεονεκτήματα της χρήσης πολλαπλών κλάδων διαδοχικής αγωγής σε ένα μετατροπέα Σ.Τ.- Σ.Τ.υποβιβασμού τάσης, όπως αυτά αναφέρθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο και με βάση τις απαιτήσεις της εφαρμογής, όπως θα αναλυθεί στο Κεφάλαιο 5. Στο σχήμα 4.4 φαίνονται τα διακοπτικά στοιχεία ισχύος που χρησιμοποιήθηκαν, τα πηνία εξομάλυνσης, οι δίοδοι ισχύος και μετρητικές διατάξεις καθώς και τα κυκλώματα παλμοδότησης κάθε ενός κλάδου. Οι επιλογές των τιμών των στοιχείων (τιμές πηνίων, πυκνωτών, αντιστάσεως αγωγής των στοιχείων, αντίσταση ισχύος) έγινε με βάση τις τιμές των στοιχείων που επιλέχθηκαν για την κατασκευή του μετατροπέα ισχύος, οι οποίες φαίνονται αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο. Για το κύκλωμα παλμοδότησης δημιουργήθηκε ένα νέο υποσύστημα με χρήση των blocks constant, Saw-tooth waveform και zero crossing comparator προκειμένου να παρασκευασθούν παλμοί με μεταβαλλόμενο πλάτος (PWM) ενώ έγινε χρήση και του block Transport Delay προκειμένου να εισαχθεί η ολίσθηση των 90 ο σε κάθε κλάδο. Η τάση στην είσοδο του μετατροπέα επιλέχθηκε στα 180V, όσο και η ονομαστική τάση της γεννήτριας με την τάση εξόδου να κυμαίνεται από 18V έως 160V, τιμές που αντιστοιχούν σε λόγο κατάτμησης 0.1 και 0.9 αντίστοιχα. Η αντίσταση στην έξοδο του μετατροπέα επιλέχθηκε έτσι ώστε υπό ονομαστική τάση στην είσοδο να ληφθεί το ονομαστικό ρεύμα της γεννήτριας, δηλαδή 15,2Α. Έτσι η τιμή της επιλέχθηκε στα 10Ω, σύμφωνα με το νόμο του Ohm

70 Κεφάλαιο 4 ο διαιρώντας την ονομαστική τάση με το ονομαστικό ρεύμα της γεννήτριας και λαμβάνοντας υπ όψιν το γεγονός ότι για λόγους προστασίας των στοιχείων του κυκλώματος ο λόγος κατάτμησης περιορίζεται στο 0.9. Σχήμα 4.4: Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης τεσσάρων κλάδων Αρχικά ελέγθηκε η λειτουργία του μετατροπέα με τροφοδοσία από πηγή σταθερής τάσης χωρίς έλεγχο (ανοιχτός βρόχος) για διάφορες τιμές του λόγου κατάτμησης. Στα Σχήματα παρατίθενται ενδεικτικά οι παλμοί για λόγο κατάτμησης ίσο με 0,6, η τάση στα διακοπτικά στοιχεία του μετατροπέα των τεσσάρων κλάδων και για σύγκριση το αντίστοιχο ρεύμα του μετατροπέα ίδιας ισχύος με έναν μόνο κλάδο, καθώς και τα ρεύματα στα πηνία του μετατροπέα τεσσάρων κλάδων και το ρεύμα στο αθροιστικό σημείο εξόδου και το αντίστοιχο ρεύμα στο πηνίο του μετατροπέα ενός κλάδου. Όπως είναι φανερό το ρεύμα στην είσοδο έχει πολύ μικρότερες αιχμές, αλλά και τετραπλάσια συχνότητα σε σχέση με τον μετατροπέα ενός κλάδου. Το ρεύμα εξόδου έχει και αυτό τετραπλάσια συχνότητα σε σχέση με έναν κλάδο, γεγονός που οδηγεί στη χρήση φίλτρων μικρότερης τιμής

71 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.5: Παλμοί στις πύλες των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων

72 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.6: Τάση απαγωγού-πηγής του MOSFET

73 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.7: Ρεύματα στα πηνία και ρεύμα εξόδου στο αθροιστικό σημείο

74 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.8: Ρεύμα πηνίου και ρεύμα εξόδου μετατροπέα ενός κλάδου

75 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.9: Ρεύματα στα πηνία και ρεύμα εξόδου στο αθροιστικό σημείο του μετατροπέα τεσσάρων κλάδων

76 Κεφάλαιο 4 ο Το μοντέλο του συστήματος υπολογισμού της ροπής αναφοράς Για να καταστεί δυνατή η φόρτιση του κινητήρα θα πρέπει να δημιουργηθεί ένα σύστημα το οποίο να υπολογίζει κάθε φορά ανάλογα με την ταχύτητα που έχει αναπτύξει το όχημα και την κλίση του οδοστρώματος τη ροπή που οφείλει αυτός να αναπτύξει ώστε το όχημα να έχει αυτή τη δεδομένη ταχύτητα και άρα να αντισταθμίσει τις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται επ αυτού. Στην εφαρμογή που μελετάται το σύστημα αυτό αποσκοπεί στον υπολογισμό της ροπής αναφοράς σύμφωνα με τις παραμέτρους που αναφέρονται ακολούθως. Στη συνέχεια μέσω της σύγκρισης με την πραγματική ροπή που αναπτύσσεται στον άξονα της γεννήτριας, τη δημιουργία ενός σήματος το οποίο θα ρυθμίζει τους παλμούς στο κύκλωμα του μετατροπέα ισχύος, ούτως ώστε να εξομοιωθούν οι εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται στο όχημα. Στο Σχήμα 4.10 φαίνεται το σύστημα που δημιουργήθηκε για τον προσδιορισμό της ροπής αναφοράς. Σχήμα 4.10 Σύστημα για τον προσδιορισμό της ροπής αναφοράς Στο σχήμα αυτό φαίνεται το σύστημα προσδιορισμού της ροπής αναφοράς. Στο σύστημα εισάγεται η ταχύτητα του οχήματος και η γωνία κλίσεως του οδοστρώματος και ακολούθως σύμφωνα με τις σχέσεις που αναπτύχθηκαν στο κεφάλαιο 1 για τον υπολογισμό των εξωτερικών δυνάμεων, υπολογίζονται η αεροδυναμική αντίσταση, η αντίσταση κυλίσεως και

77 Κεφάλαιο 4 ο η αντίσταση αναρριχίσεως του οχήματος σύμφωνα πάντα με τις παραμέτρους που αφορούν το ηλεκτρικό όχημα της εφαρμογής. Οι δυνάμεις αυτές αθροίζονται και πολλαπλασιάζονται με την ακτίνα των τροχών του οχήματος ώστε να προκύψει η ροπή αναφοράς. Να σημειωθεί ότι η μελέτη αφορά ένα μικρό ηλεκτρικό όχημα και ο κινητήρας του οχήματος έχει υπολογιστεί έτσι ώστε να είναι ικανός για την κίνηση του. Ως αποτέλεσμα θεωρείται ότι η μετωπική επιφάνεια του οχήματος είναι A f =0.22m 2, ο αεροδυναμικός συντελεστής c x =0.38 (παράγοντες υπολογισμού της αεροδυναμικής αντίστασης), η ακτίνα του τροχού του οχήματος r=0.18m, οι συντελεστές τριβής f 0 και f 1 που αφορούν την κατάσταση του οδοστρώματος και η συνολική μάζα οχήματος και οδηγού m=205kg (παράγοντες υπολογισμού της αντίστασης κυλίσεως και της αντίστασης αναρριχίσεως). Οι παράμετροι αυτοί εισήχθησαν στο σύστημα υπολογισμού της ροπής αναφοράς. 4.2 Προσομοίωση της διάταξης με έλεγχο ανοιχτού βρόχου Το επόμενο βήμα αφορά την λειτουργία του συστήματος έχοντας στην είσοδο του μετατροπέα συνδεδεμένη την γεννήτρια συνεχούς ρεύματος η οποία παράγει και την απαιτούμενη τάση για τη λειτουργία του μετατροπέα ισχύος. Για τον σκοπό αυτό η γεννήτρια συνδέθηκε στις εισόδους του μετατροπέα ενώ στις εξόδους του συνδέθηκε ένα ωμικό φορτίο των 10Ω όπως προέκυψε από τον υπολογισμό. Ρυθμίζοντας τον λόγο κατάτμησης δ μεταβάλλεται η αντίσταση στην είσοδο του μετατροπέα με αποτέλεσμα η γεννήτρια να παρέχει και διαφορετικό ρεύμα στο φορτίο και ως αποτέλεσμα να μεταβάλλεται και η ροπή της. Η διάταξη φαίνεται στο Σχήμα 4.11 και στα Σχήματα 4.12 έως 4.20 φαίνονται ενδεικτικά τα παλμογραφήματα των μεγεθών του μετατροπέα για αριθμό στροφών στην είσοδο 1500rpm και λόγο κατάτμησης δ=

78 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.11: Διάταξη ανοιχτού βρόχου

79 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.12: Παλμοί στις πύλες των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος για δ=

80 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.13: Τάση εισόδου και τάση εξόδου του μετατροπέα

81 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.14: Ροπή και ρεύμα στην έξοδο της γεννήτριας

82 Σχήμα 4.15: Τάση απαγωγού πηγής στο MOSFET Κεφάλαιο 4 ο

83 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.16: Τάση στο πηνίο

84 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.17: Τα τέσσερα ρεύματα των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα και ρεύμα εισόδου

85 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.18: Ρεύματα στα πηνία και ρεύμα εξόδου στο αθροιστικό σημείο του μετατροπέα τεσσάρων κλάδων

86 Κεφάλαιο 4 ο Εισάγοντας στο σύστημα διαφορετικό αριθμό στροφών, λήφθηκαν αποτελέσματα για αριθμό στροφών στον άξονα της γεννήτριας n=750rpm, n=1500rpm και n N =3000rpm και για τιμές του λόγου κατάτμησης από 0.2 έως 0.8. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων φαίνονται εκτενώς στο παράρτημα Α και από τις τιμές αυτές προκύπτουν τα ακόλουθα διαγράμματα, στα οποία απεικονίζεται η σχέση μεταξύ του ρεύματος στην έξοδο της γεννήτριας και του λόγου κατάτμησης για διάφορες τιμές στροφών στην είσοδο καθώς και η σχέση μεταξύ της αντίστασης στην είσοδο του μετατροπέα με το λόγο κατάτμησης. Σχήμα 4.19: Μεταβολή της ροπής της γεννήτριας συναρτήσει του λόγου κατάτμησης

87 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.20: Μεταβολή του ρεύματος της γεννήτριας συναρτήσει του λόγου κατάτμησης Σχήμα 4.21: Μεταβολή της αντίστασης εισόδου συναρτήσει του λόγου κατάτμησης

88 Κεφάλαιο 4 ο Οι τιμές της αντίστασης εισόδου προέκυψαν από τη διαίρεση της τάσης στην είσοδο του μετατροπέα με το ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα, μεγέθη που ταυτίζονται με την τάση στα άκρα της γεννήτριας και το ρεύμα εξόδου αυτής. Οι τιμές αυτές ταυτίζονται, όπως είναι άλλωστε αναμενόμενο, με τις τιμές για την αντίσταση που προκύπτουν θεωρητικά μέσω της σχέσεως /. Οι αλλαγές στην αντίσταση εισόδου του μετατροπέα μέσω της μεταβολή του λόγου κατάτμησης οδηγούν και στη μεταβολή του ρεύματος στην είσοδο του, δηλαδή του ρεύματος τυμπάνου της γεννήτριας και κατ επέκταση σε ανάλογη μεταβολή της ροπής της γεννήτριας, αφού η διέγερση είναι σταθερή και ίση με την ονομαστική. Άρα επιβεβαιώνεται μέσω των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης η λειτουργία του ηλεκτρομηχανικού συστήματος όπως αναλύθηκε στο 2 ο Κεφάλαιο. 4.3 Προσομοίωση της διάταξης με έλεγχο κλειστού βρόχου Έλεγχος ροπής Το επόμενο βήμα των προσομοιώσεων περιλαμβάνει τον έλεγχο της ροπής της γεννήτριας μέσω ενός κλειστού βρόχου και χρήση ενός PI ελεγκτή. Ορίζεται μια ροπή αναφοράς η οποία συγκρίνεται με την πραγματική ροπή στον άξονα της γεννήτριας μέχρις ότου οι δύο αυτές τιμές εξισωθούν. Ρυθμίζοντας τον αναλογικό όρο (proportional term) του ελεγκτή καθορίζεται η ταχύτητα επίτευξης της τελικής τιμής αλλά και η υπερπήδηση αυτής, ενώ ο ολοκληρωτικός όρος (integral term) καθορίζει κυρίως το μόνιμο σφάλμα (απόκλιση από την επιθυμητή τιμή) και τον χρόνο αποκατάστασης. Οι τιμές που επιλέχθηκαν για τον ελεγκτή PI προέκυψαν με δοκιμές στο περιβάλλον του Simulink (P i =5.0 και P d =2.0)

89 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.22: Έλεγχος της ροπής της γεννήτριας μέσω κλειστού βρόχου Στο ακόλουθο Σχήμα 4.23 φαίνεται ο ελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε για την ρύθμιση της ροπής στον άξονα της γεννήτριας καθώς και οι τιμές για τον αναλογικό και ολοκληρωτικό όρο. Στον ελεγκτή έχει προστεθεί και το block Saturation προκειμένου η τιμή του λόγου κατάτμησης να περιορίζεται ανάμεσα στις τιμές 0.1 και 0.9 και έτσι να διατηρείται ο έλεγχος του μετατροπέα. Σχήμα 4.23: Ο PI ελεγκτής της εφαρμογής

90 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.24: Ρύθμιση ροπής γεννήτριας στην τιμή αναφοράς

91 Κεφάλαιο 4 ο Έλεγχος στροφών-ροπής Το τελευταίο βήμα των προσομοιώσεων αφορά την συνολική λειτουργία του συστήματος και την αυτόματη ρύθμιση της ροπής στον άξονα της γεννήτριας ανάλογα με τις συνθήκες που απαιτείται να προσομοιωθούν. Από την μέτρηση της ταχύτητας του οχήματος και της κλίσης του οδοστρώματος υπολογίζεται η ροπή αναφοράς μέσω του αντίστοιχου συστήματος και συγκρίνεται με την πραγματική ροπή, έως ότου εξομοιωθούν με απόλυτη ακρίβεια οι εξωτερικές δυνάμεις που επιδρούν στην κίνηση του οχήματος. Σχήμα 4.25: Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος υπολογισμού της ροπής αναφοράς Σχήμα 4.26: Το τελικό σύστημα

92 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.27: Απόκριση της ροπής της γεννήτριας σε μεταβολές της ταχύτητας

93 Κεφάλαιο 4 ο Για την εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας του συστήματος εισάγεται στο σύστημα μια ταχύτητα οχήματος, η οποία μεταβάλλεται υπό μορφή ράμπας, έχοντας ως αρχική τιμή τα 20km/h και τελική τιμή τα 40km/h. Προκειμένου να ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα, θεωρείται ότι η τελική ταχύτητα επιτυγχάνεται σε ένα χρονικό διάστημα 3,3 sec. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα της προσομοίωσης η πραγματική ροπή στον άξονα της γεννήτριας ακολουθεί πιστά την ροπή αναφοράς, η οποία εξάγεται από το σύστημα υπολογισμού της, με βάση την τιμή της ταχύτητας του οχήματος και της κλίσης του οδοστρώματος (εν προκειμένω 10%)

94 Κεφάλαιο 5 ο

95 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ 5.1 Κατασκευή του μετατροπέα-επιλογή στοιχείων για το κύκλωμα ισχύος Μηχανή Συνεχούς Ρεύματος Για την υλοποίηση του ηλεκτρομηχανικού συστήματος, το οποίο θα εξομοιώνει το φορτίο του κινητήρα ενός ηλεκτρικού οχήματος, επιλέχθηκε η χρήση της μηχανής συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης CR/1659 από την Transdrive Engineering Services Ltd [24]. Οι τιμές της αντίστασης τυμπάνου R T =0,38Ω και της ονομαστικής μαγνητικής ροής CΦ=0,5Vsec/rad, προέκυψαν ύστερα από μετρήσεις με την μηχανή σε εν κενώ λειτουργία και από επεξεργασία των μετρήσεων, όπως αυτές διεξήχθησαν σε προηγούμενη διπλωματική εργασία[30]. Σχήμα 5.1: Μηχανή συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης [24] Επιλογή ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά που παρατέθηκαν για τη γεννήτρια και με βάση την τοπολογία της διάταξης, προκύπτει ότι στην ονοματική λειτουργία η τάση στην είσοδο του

96 Κεφάλαιο 5 ο μετατροπέα θα ανέρχεται στα 180V και το ρεύμα στα 15,2Α. Λόγω των πλεονεκτημάτων του μετατροπέα υποβιβασμού τάσεως διαδοχικής αγωγής που αναφέρθηκαν στο Κεφάλαιο 3, οι υπολογισμοί αντιστοιχούν σε ένα κλάδο του μετατροπέα. Όταν ο διακόπτης δεν άγει, ολόκληρη η τάση που αναπτύσσεται στα άκρα της γεννήτριας θα εφαρμόζεται στα άκρα του στοιχείου ισχύος, δηλαδή τα 180V. Λόγω των παρασιτικών επαγωγών που συναντώνται σε ένα κύκλωμα, θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν τυχαίες υπερτάσεις, οι οποίες είναι ικανές να καταστρέψουν τα στοιχεία του κυκλώματος. Για τον λόγο αυτό είναι θεμιτή η επιλογή στοιχείων τα οποία αντέχουν τάσεις δυόμιση φορές μεγαλύτερες σε σχέση με την ονομαστική. Αντίστοιχα για το ρεύμα, κάθε στοιχείο που θα επιλεγεί θα πρέπει να αντέχει σε διερχόμενα ρεύματα τιμής Ι=15,2Α/4+0,5Α=4,3Α, όπου στην μέση τιμή του ρεύματος έχει συνυπολογισθεί και μια αποδεκτή για την εφαρμογή τιμή της κυμάτωσης του ρεύματος. Τα 15,2Α αντιστοιχούν στο ρεύμα εισόδου του μετατροπέα όταν η γεννήτρια λειτουργεί σε ονομαστική κατάσταση και λόγω των τεσσάρων κλάδων του μετατροπέα της εφαρμογής το μέσο ρεύμα σε κάθε τρανσίστορ προκύπτει με διαίρεση του ρεύματος εισόδου διά του τέσσερα. Με βάση την διακοπτική συχνότητα λειτουργίας των 50kHz ανά κλάδο και του μέσου ρεύματος σε κάθε στοιχείο, όπως αυτό υπολογίστηκε προηγουμένως επιλέχθηκε η χρήση ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων τύπου MOSFET. Με βάση τον τρόπο λειτουργίας τους (επίδραση πεδίου) τα MOSFET προσφέρουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: Η υψηλή εμπέδηση εισόδου ( η πύλη συμπεριφέρεται ως πυκνωτής), με αποτέλεσμα το στοιχείο να οδηγείται από παλμούς τάσης και να απορροφά στενούς παλμούς ρεύματος, μόνο κατά τις μεταβολές της τάσης αυτής. Έτσι η απορροφούμενη, από τη μονάδα παλμοδότησης, ισχύς είναι μικρή. Επίσης, για την σβέση του στοιχείου αρκεί να αποσυρθεί ο παλμός τάσης, ενώ δεν απαιτείται η χρήση βοηθητικού κυκλώματος σβέσεως. Η εξαιρετικά χαμηλοί χρόνοι καθυστέρησης και μετάβασης (λόγω του ότι η αγωγή οφείλεται σε ροή φορέων πλειονότητας), με άμεση συνέπεια τη δυνατότητα λειτουργίας σε πολύ υψηλές διακοπτικές συχνότητες, περιοριζόμενες, στις διάφορες εφαρμογές, μόνο από τις διακοπτικές απώλειες. Να σημειωθεί ότι είναι το ταχύτερο από τα υπάρχοντα στο εμπόριο transistor ισχύος. Η μη εμφάνιση του φαινομένου της δεύτερης κατάρρευσης

97 Κεφάλαιο 5 ο Τελικά επιλέχθηκε το στοιχείο SPW20N60S5 της Infineon Technologies το οποίο αντέχει σε τάση V DS =600V στα άκρα απαγωγού-πηγής και σε ρεύμα διέλευσης I D =20Α. Η επιλογή αυτή υπερκαλύπτει τις απαιτήσεις της εφαρμογής σε απαιτήσεις ισχύος αλλά συγχρόνως παρέχει και μια σειρά πλεονεκτημάτων όπως το χαμηλό κόστος ανά μονάδα, η χαμηλή τιμή της αντιστάσεως αγωγής R DS(on) =0,19Ω που οδηγεί σε χαμηλές απώλειες αγωγής και μειωμένες απαιτήσεις ψύξης και οι χαμηλές παρασιτικές χωρητικότητες του στοιχείου [21]. Να σημειωθεί ότι σημαντικό ρόλο στην επιλογή του στοιχείου έπαιξε η χαμηλή αντίσταση αγωγής του στοιχείου καθώς αυτή θα πρέπει να συνυπολογιστεί στην αντίσταση φορτίου R L μεταβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο και την αντίσταση εισόδου του μετατροπέα. Στην περίπτωση που παρουσιάζεται επικάλυψη των παλμών, δηλαδή για δ>0.25, οι αντιστάσεις αγωγής των διακοπτών συνδέονται παράλληλα και ως αποτέλεσμα η τιμή αυτή επηρεάζει ελάχιστα την τιμή της αντίστασης φορτίου. Σχήμα 5.2: Διακοπτικό ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος [21] Επιλογή διόδων Με αντίστοιχο σκεπτικό γίνεται η επιλογή της διόδου. Η δίοδος που θα επιλεγεί θα πρέπει να αντέχει σε τάση 180V στα άκρα της κατά τη διάρκεια που το διακοπτικό στοιχείο ισχύος του κλάδου βρίσκεται σε αγωγή. Η ισχύς στην είσοδο του μετατροπέα κατά την ονομαστική λειτουργία της γεννήτριας είναι 2,7 kw με βάση το ρεύμα των 15,2Α που δίνει η γεννήτρια και της ονομαστικής τάσης των 180V. Άρα το ρεύμα εξόδου θα είναι: Και το μέσο ρεύμα της διόδου προκύπτει από την ακόλουθη σχέση: 1 Το μέσο ρεύμα της διόδου I d θα λάβει τη μέγιστη τιμή του για δ=0.5 οπότε προκύπτει από τον υπολογισμό η τιμή των 15,2Α ή 3,8Α ανά κλάδο

98 Κεφάλαιο 5 ο Λόγω της εφαρμογής, η δίοδος που θα επιλεγεί πρέπει να είναι soft recovery, προκειμένου η διάρκεια ανάστροφης ανάκτησης να είναι μεν μικρή, αλλά το ρεύμα μετά το φαινόμενο αυτό να μηδενίζεται ομαλά. Σε διαφορετική περίπτωση οι υψηλές τιμές της παραγώγου του ρεύματος σε συνδυασμό με τις παρασιτικές επαγωγές που εμφανίζονται στο κύκλωμα δημιουργούν υπερτάσεις, οι οποίες επιβαρύνουν τα διακοπτικά στοιχεία της εφαρμογής [22]. Επιλέχθηκε η χρήση των διόδων RURG5060 της Fairchild Semiconductor η οποία έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Τάση αποκοπής V R =600V Μέσο ρεύμα διόδου σε θερμοκρασία T C =102 o C,I F =50A Μέγιστος χρόνος ανάστροφής ανάκτησης t rr =65ns Σχήμα 5.3: Δίοδος ισχύος [22] Κατασκευή των πηνίων Λόγω του γεγονότος ότι τα πηνία που διατίθενται στο εμπόριο δεν καλύπτουν μεγάλο αριθμό χαρακτηριστικών, αποφασίστηκε η κατασκευή τους στο εργαστήριο. Η επιλογή της τιμής του πηνίου για κάθε κλάδο βασίστηκε στην υπόθεση ότι ο μετατροπέας λειτουργεί σε κάθε περίπτωση στην περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος, ακόμη και στην περίπτωση δηλαδή που το ρεύμα που διαρρέει τον εκάστωτε κλάδο έχει πολύ μικρή τιμή. Έτσι, θεωρώντας ότι στον άξονα της γεννήτριας η ελάχιστη ροπή που θα δημιουργηθεί ανέρχεται στο 10% της τιμής της ονομαστικής, το ρεύμα θα λάβει την τιμή των 0,4Α στην είσοδο του κλάδου και αφού η τιμή του λόγου κατάτμησης δεν υπερβαίνει το 0.9 η τιμή αυτή ανέρχεται στα 0,45Α. Για την μέγιστη τιμή του ρεύματος θα ισχύει:

99 Κεφάλαιο 5 ο 2 3,8 0,5 4,3 5.1 Ο υπολογισμός της αιχμής του ρεύματος είναι ιδιαίτερα σημαντικός προκειμένου να αποφευχθεί η λειτουργία του πηνίου στον κόρο, μιας και για την διατήρηση του ελέγχου του μετατροπέα απαιτείται η λειτουργία των μαγνητικών στοιχείων στην γραμμική περιοχή. Επιλέγεται η χρήση του πυρήνα Ε55 τύπου διπλού Ε από φερρίτη της εταιρίας EPCOS [19], όπως αυτός απεικονίζεται στο ακόλουθο Σχήμα. Η χρήση του φερρίτη κρίνεται απαραίτητη λόγω της υψηλής διακοπτικής συχνότητας της εφαρμογής των 50kHz. Η αρχική μαγνητική διαπερατότητα του υλικού δίνεται από τον κατασκευαστή μ i =2000. Σχήμα 5.4: Γεωμετρία του πυρήνα [18] Σχήμα 5.5: Μαγνητικά χαρακτηριστικά του πυρήνα Ε55 [18]

100 Κεφάλαιο 5 ο Η σχετική μαγνητική διαπερατότητα του υλικού υπολογίζεται ίση με μe=62 από τον τύπο Όπου έχει θεωρηθεί ένα μήκος διακένου ίσο με lg=2mm=2x1mm και το ενεργός μήκος του πυρήνα le=124mm. Ακολούθως γίνονται υπολογισμοί για την μαγνητική επαγωγή Β (Tesla) και για τον αριθμό σπειρών του πηνίου Ν, έχοντας προσδιορίσει την τιμή της επαγωγής του πηνίου στα 1500μΗ, σύμφωνα με τη θεωρία του κεφαλαίου 3 και ύστερα από δοκιμές στο περιβάλλον του SIMULINK. Έτσι για την μαγνητική επαγωγή ισχύει: Και για την τιμή της επαγωγής του πηνίου: Όπου Αe η ενεργός επιφάνεια του πυρήνα. Συνδυάζοντας τις δύο προηγούμενες σχέσεις προκύπτει η σχέση, η οποία δίνει τον αριθμό σπειρών του πηνίου που απαιτούνται για την επίτευξη της επιθυμητής επαγωγής: 5.5 Όπου B 0 το μαγνητικό πεδίο κορεσμού του πυρήνα, η τιμή του οποίου προκύπτει από το φυλλάδιο του κατασκευαστή για το υλικό N27 στους 100οC και είναι 410mT. Για λόγους ασφαλείας επιλέγεται μια τιμή στο 70% της δοθείσας. Έτσι ο αριθμός σπειρών προκύπτει N=65 και η τιμή της μαγνητικής επαγωγής Β=155,1mT η οποία είναι και αρκετά μικρότερη από την μαγνητική επαγωγή στον κόρο. Ακολούθως γίνεται ο υπολογισμός των κλώνων που απαιτούνται για την δημιουργία του αγωγού, ούτως ώστε να ληφθεί υπ όψιν και το επιδερμικό φαινόμενο, που παρατηρείται σε υψηλές συχνότητες και κατά το οποίο το ρεύμα διαρρέει το εξωτερικό του αγωγού αυξάνοντας έτσι την αντίσταση του αγωγού και κατ επέκταση τις απώλειες αγωγής. Γνωρίζοντας ότι 1mm 2 χαλκού είναι ικανό να αντέξει 5Α ρεύματος και ότι για την εφαρμογή χρησιμοποιούνται αγωγοί διαμέτρου δ=0,4mm ο αριθμός των κλώνων προκύπτει ίσος με κ=

101 Κεφάλαιο 5 ο Ακολούθως γίνονται οι απαραίτητοι υπολογισμοί προκειμένου να διαπιστωθεί αν ο χώρος που είναι διαθέσιμος επαρκεί για το τύλιγμα του πηνίου. Το παράθυρο πυρήνα υπολογίζεται εύκολα από τις διαστάσεις που δίνει ο κατασκευαστής: 37,5 17,2 18,5 375,55 Η διατομή του αγωγού που προκύπτει ύστερα από την περιέλιξη των κλώνων είναι: 2 7 0,4 2 0,8792 Και το συνολικό εμβαδόν που καταλαμβάνουν οι 65 σπείρες είναι: 65 0, ,148 Λόγω του γεγονότος ότι γίνεται χρήση της μπομπίνας και του ότι δημιουργούνται κενά κατά την περιέλιξη θα πρέπει να εισαχθεί στον υπολογισμό του εμβαδού και ένας συντελεστής διόρθωσης ίσος με 0,4. Έτσι το συνολικό εμβαδόν που καταλαμβάνει ο αγωγός είναι 142,87mm2 που είναι πολύ μικρότερο από το παράθυρο του πυρήνα και άρα μπορεί να γίνει το τύλιγμα του πηνίου. Τέλος, υπολογίζεται και το διάκενο το οποίο θα πρέπει να προστεθεί το ενεργό μήκος του αγωγού. Σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο: 5.6 Προκύπτει ίσο με 2mm Σύστημα απαγωγής θερμότητας Κατά τη λειτουργία των ημιαγωγικών στοιχείων εμφανίζονται απώλειες αγωγής όταν αυτά βρίσκονται σε λειτουργία και διακοπτικές απώλειες κατά την έναυση ή τη σβέση τους, οι οποίες εξαρτώνται από τη συχνότητα λειτουργίας. Οι απώλειες αυτές μετατρέπονται σε

102 Κεφάλαιο 5 ο θερμότητα, αυξάνοντας την θερμοκρασία των στοιχείων, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή τους αν η θερμότητα δεν απομακρυνθεί. Για τον σκοπό αυτό τα στοιχεία τοποθετούνται σε κατάλληλα διαμορφωμένες ψυκτικά σώματα, τα οποία κατασκευάζονται συνήθως από αλουμίνιο. Το ψυκτικό σώμα διαμορφώνεται κατάλληλα έτσι ώστε να απάγει σημαντικά ποσά θερμότητας σε σχέση με το μέγεθός του. Για τον λόγο αυτό έχει πολλές πτυχώσεις, έτσι ώστε να μεγιστοποιείται το εμβαδόν του χωρίς να αυξάνεται το μέγεθός του. Στο Σχήμα 5. Φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο τοποθετείται το στοιχείο πάνω στο ψυκτικό σώμα. Σε περίπτωση που έχει επιλεγεί η τοποθέτηση περισσότερων του ενός στοιχείων στο ίδιο ψυκτικό σώμα και μη μονωμένης θήκης του στοιχείου, όπως και στην συγκεκριμένη εφαρμογή, επιβάλλεται η παρεμβολή μιας θερμοαγώγιμης μονωτικής ταινίας μεταξύ του στοιχείου και του ψυκτικού προκειμένου να αποφευχθεί το βραχυκύκλωμα των στοιχείων. Επίσης, ανάλογα με την θερμοαγώγιμη ταινία που θα επιλεγεί μπορεί να απαιτηθεί και η τοποθέτηση μιας θερμοαγώγιμης πάστας στις επιφάνειες που εφάπτονται, προκειμένου να μειωθεί η θερμική αντίσταση μεταξύ στοιχείου και ψυκτικού σώματος. Σχέση 5.6: Τοποθέτηση ημιαγωγικού στοιχείου στο ψυκτικό σώμα [19] Με την ακόλουθη σχέση μπορεί να υπολογιστεί το απαιτούμενο για την εφαρμογή ψυκτικό σώμα: Όπου, Θ sa η θερμική αντίσταση του ψυκτικού σώματος, Τ j η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας τη επαφής, Τ a η θερμοκρασία περιβάλλοντος, Q το ποσό θερμότητας,

103 Κεφάλαιο 5 ο Θ jc η θερμική αντίσταση μεταξύ επαφής και θήκης Θ cs η θερμική αντίσταση μεταξύ θήκης και ψυκτικού Η θερμότητα που αναπτύσσεται στα στοιχεία και πρέπει να απαχθεί μέσω του ψυκτικού σώματος, υπολογίζεται σύμφωνα με τους ακόλουθους τύπους: Όπου: I rms η ενεργός τιμή του ρεύματος στο στοιχείο κατά την αγωγή, R on η αντίσταση αγωγής του στοιχείου V η μεγαλύτερη τιμή της τάσης στο στοιχείο Ι το ρεύμα που διαρρέει το στοιχείο κατά την έναρξη της αγωγής t on ο χρόνος που απαιτείται για την έναυση του στοιχείου t off ο χρόνος που απαιτείται για τη σβέση του στοιχείου f s η συχνότητα λειτουργίας του στοιχείου Από την προηγούμενη σχέση και σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή για R on =0,19Ω, t on =25ns, t off =40ns, f s =50kHz, I rms =3,8Α, V=180V προκύπτει ότι η θερμότητα που αναπτύσσεται στο MOSFET κατά την ονομαστική λειτουργία είναι 18W. 2 Όπου: I d το μέσο ρεύμα της διόδου V F η πτώση τάσης στη δίοδο κατά την αγωγή V d η τάση στα άκρα τη διόδου κατά την αποκοπή t on ο χρόνος που απαιτείται για την έναυση της διόδου t off ο χρόνος που απαιτείται για τη σβέση της διόδου f s η συχνότητα λειτουργίας της διόδου Για την δίοδο με t on =20ns, t off =30ns προκύπτει 12W. Άρα με αντικατάσταση στη σχέση 5. Και για θερμοκρασία επαφής Τ j =125 ο C, θερμοκρασία περιβάλλοντος Τ a =25 ο C θερμικές αντιστάσεις μεταξύ επαφής και θήκης για το διακοπτικό στοιχείο και τη δίοδο 0,6Κ/W και 1,0Κ/W αντίστοιχα προκύπτει η απαιτούμενη θερμική αντίσταση του ψυκτικού Θ sa =0,6K/W

104 Κεφάλαιο 5 ο Φίλτρα εισόδου και εξόδου Σύμφωνα με τη θεωρία που αναπτύχθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο για τους μετατροπείς υποβιβασμού τάσεως και ύστερα από δοκιμές στο περιβάλλον MATLAB/SIMULINK επιλέχθηκε η χρήση τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο του μετατροπέα δύο ηλεκτρολυτικών πυκνωτών PEH536 των 560μF έκαστος σε παράλληλη διάταξη της εταιρίας evoxrifa [25]. Σχήμα 5.7:Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής PEH536 [25] Παρά την υψηλή τιμή της χωρητικότητας των πυκνωτών δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί πλήρης εξομάλυνση του ρεύματος εισόδου του μετατροπέα καθώς η πηγή από την οποία αυτός τροφοδοτείται αποτελεί ουσιαστικά έναν τεράστιο πυκνωτή και ως αποτέλεσμα η παρεμβολή των πυκνωτών δεν οδηγεί σε διαμόρφωση συνεχών ρευμάτων. Τα διακοπτικά ρεύματα στην είσοδο θα πρέπει να συναντήσουν μια πολύ μεγάλη εμπέδηση προκειμένου να αποκοπούν οι υψηλές συχνότητες που αυτά εμπεριέχουν. Για το λόγο αυτό επιλέγεται η τοποθέτηση στην είσοδο του μετατροπέα του φίλτρου FN της εταιρίας Schaffner [26]

105 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.8: Φίλτρο εισόδου του μετατροπέα [26] Στα ακόλουθα σχήματα φαίνεται η τελική κατασκευή του κυκλώματος του μετατροπέα ισχύος. Σχήμα 5.9: Κάτοψη του μετατροπέα ισχύος

106 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.10: Άποψη του μετατροπέα ισχύος Σχήμα 5.11: Άποψη του μετατροπέα ισχύος

107 Κεφάλαιο 5 ο 5.2 Κατασκευή των κυκλωμάτων ελέγχου Στο ακόλουθο σχηματικό διάγραμμα παρουσιάζεται το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων της εφαρμογής. Τα επιμέρους τμήματα του κυκλώματος παλμοδότησης αναλύονται στην ακόλουθη ενότητα. Σχήμα 5.12: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος παλμοδότησης Επιλογή μικροελεγκτή Η ορθή λειτουργία του μετατροπέα προϋποθέτει την σωστή παλμοδότηση των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων της εφαρμογής, η οποία επιτυγχάνεται με χρήση του μικροελεγκτή (μ/ε) dspic30f2020 της Microchip [13]. Ο μικροελεγκτής αυτός παράγει τις απαραίτητες ακολουθίες παλμών και οι παλμοί που φτάνουν στην πύλη κάθε ημιαγωγικού στοιχείου έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: Σταθερή συχνότητα 50kHz ή σταθερή περίοδος 20μs Σταθερή διαφορά φάσης μεταξύ τους 360 ο /4=90 ο Μεταβαλλόμενο λόγο κατάτμησης δ, ο οποίος θα είναι ίδιος για κάθε έναν από τους 4 κλάδους Η υψηλή στάθμη του παλμού να είναι στα 15V και η χαμηλή στα 0V. Η λειτουργία του μικροελεγκτή περιγράφεται λεπτομερώς στο επόμενο κεφάλαιο

108 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.13: Η πλακέτα του μικροελεγκτή Ενισχυτής Οι παλμοί που παράγει ο μικροελεγκτής δεν μπορούν να ενεργοποιήσουν την πύλη του διακοπτικού στοιχείου και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται ο ενισχυτής 74HC541 [19], ο οποίος βρίσκεται στην ίδια πλακέτα με τον μ/ε και ευθύνεται για την ενίσχυση ρεύματος των παλμών. Ο ενισχυτής που επιλέχθηκε αποτελείται από είκοσι ακροδέκτες, εκ των οποίων οι οχτώ είναι είσοδοι και οι οχτώ έξοδοι. Ο συγκεκριμένος ενισχυτής δεν αντιστρέφει τους παλμούς που φτάνουν στις εισόδους του και απαιτεί για την τροφοδοσία του τάση 5V. Θεμιτή είναι η χρήση αντιστάσεων pull down στις εισόδους του ενισχυτή προκείμενου να αποφευχθεί η ανεξέλεγκτη ενεργοποίηση των εισόδων του ενισχυτή, λόγω ηλεκτρομαγνητικού θορύβου, ο οποίος επάγεται μεταξύ των γραμμών του ενισχυτή και του μ/ε, όταν ο δεύτερος βρεθεί σε κατάσταση υψηλής εμπέδησης (z-state). Σχήμα 5.14: Σχηματικό του ενισχυτή 74HC541 [19]

109 Κεφάλαιο 5 ο Οπτοζεύκτης Για λόγους προστασίας έναντι σφαλμάτων επιβάλλεται η γαλβανική απομόνωση των κυκλωμάτων ελέγχου και του κυκλώματος ισχύος. Η απομόνωση αυτή μπορεί να είναι είτε μαγνητική είτε οπτική. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιλέχθηκε η οπτική απομόνωση των κυκλωμάτων μέσω χρήσης του οπτοζεύκτη 6N137 [19], ο οποίος αποτελείται από μία φωτοδίοδο στην είσοδο και ένα transistor ελεγχόμενο από φως στην έξοδο. Κατά τη διαδικασία μετάδοσης, ο παλμός αντιστρέφεται και για το λόγο αυτό ο driver που επιλέχθηκε αναστρέφει το σήμα εκ νέου, ούτως ώστε ο παλμός που θα αφιχθεί στην πύλη του διακοπτικού στοιχείου ισχύος να είναι της ίδιας μορφής με τον αρχικό. Το σήμα εισόδου στον οπτοζεύκτη διέρχεται μέσω μιας αντιστάσεως της τάξης των 270Ω προκειμένου να γίνει περιορισμός του ρεύματος, ενώ λόγω του γεγονότος ότι ο οπτικός ζεύκτης είναι τοπολογίας ανοιχτού συλλέκτη τοποθετείται μία αντίσταση μεταξύ των ακροδεκτών V o και V cc ώστε το σήμα εξόδου να μετατραπεί από σήμα ρεύματος σε σήμα τάσης. Για να επιτευχθεί η απομόνωση των κυκλωμάτων γίνεται χρήση διαφορετικής τάσεως αναφοράς στην είσοδο και στην έξοδο του ολοκληρωμένου, δηλαδή στους ακροδέκτες 3 και 5. Η «γη» στην είσοδο του οπτοζεύκτη είναι κοινή με τη «γη» του μ/ε, ενώ στην έξοδο είναι κοινή με την «γη» του driver. Αυτή η κατασκευαστική λεπτομέρεια επηρεάζει και τον τρόπο κατασκευής των τροφοδοτικών της εφαρμογής[13]. Σχήμα 5.15: Σχηματικό, σώμα και πίνακας αληθείας του οπτοζεύκτη 6N137 [19] Οδηγός παλμών Ο σκοπός του εν λόγω ολοκληρωμένου είναι η τελική ενίσχυση του παλμού και η διαμόρφωση του στο επιθυμητό επίπεδο τάσεως προκειμένου να είναι ικανός να θέσει το στοιχείο ισχύος σε αγωγή. Ο παλμός που απαιτείται στην πύλη του MOSFET είναι της τάξεως των 15V ενώ στα προηγούμενα στάδια η άνω στάθμη του παλμού βρισκόταν στα 5V. Στην εφαρμογή χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο ICL7667,ένας driver δύο καναλιών, τα

110 Κεφάλαιο 5 ο οποία μπορούν είτε να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα είτε να γεφυρωθούν και να χρησιμοποιηθούν ως ένα, όπως και επιλέχθηκε. Σχήμα 5.16: Σχηματικό του οδηγού παλμών Μετρητικό ρεύματος Για την υλοποίηση του κλειστού βρόχου ελέγχου της εφαρμογής χρησιμοποιείται το μετρητικό ρεύματος LEM LTS-6NP το οποίο δύναται να μετρήσει ρεύματα έως ±19,2Α. Το συγκεκριμένο μετρητικό προσφέρει γαλβανική απομόνωση και η λειτουργία του βασίζεται στο φαινόμενο Hall. Σχήμα 5.17: Το μετρητικό ρεύματος LEM LTS-6NP [19] Γραμμικά τροφοδοτικά Το μεγαλύτερο τμήμα των ηλεκτρικών ή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που υπάρχουν σε μια συσκευή ή ένα σύστημα λειτουργεί με συνεχή τάση. Επίσης, κάποια από τα κυκλώματα είναι πιθανό να λειτουργούν σε διαφορετικές συνεχείς τάσεις από κάποια άλλα, με αποτέλεσμα διάφορες συσκευές να απαιτούν περισσότερες από μία συνεχείς τάσεις για τη λειτουργία τους. Ένα τροφοδοτικό (Power supply) είναι ένα από τα πιο σημαντικά τμήματα

111 Κεφάλαιο 5 ο οποιασδήποτε ηλεκτρικής ή ηλεκτρονικής συσκευής ή συστήματος, διότι παρέχει την ισχύ που θα ενεργοποιήσει όλα τα ηλεκτρικά ή ηλεκτρονικά κυκλώματα και θα καταστήσει εφικτή τη λειτουργία της συσκευής. Η βασική του αποστολή είναι να παρέχει μια προκαθορισμένη σταθερή τάση στην έξοδο ακόμα και αν η τάση εισόδου ή/και το ρεύμα εξόδου μεταβάλλονται ευρέως ή ακόμα και αν μεταβάλλεται η θερμοκρασία λειτουργίας. Σχήμα 5.18: Σχηματικό διάγραμμα γραμμικού τροφοδοτικού [3] Σε ένα γραμμικό τροφοδοτικό χρησιμοποιείται ένας μετασχηματιστής με πυρήνα σιδήρου, ο οποίος παρεμβάλλεται μεταξύ του δικτύου (εναλλασσόμενη τάση συχνότητας 50/60Hz) και της ανορθωτικής διάταξης, προκειμένου να επιτευχθεί ο απαραίτητος υποβιβασμός της τάσεως εισόδου και η ηλεκτρική απομόνωση εισόδου και εξόδου, όπως επιβάλλεται από διεθνείς κανονισμούς για την προστασία του καταναλωτή. Μετά την ανορθωτική διάταξη υπάρχει το φίλτρο εισόδου, που στην ουσία είναι ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, για εξομάλυνση της ανορθωμένης τάσης. Ακολουθεί ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο (συνήθως ένα διπολικό transistor ισχύος λόγω της χαμηλής πτώσης τάσης που παρουσιάζει μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού κατά την αγωγή), το οποία στην πλειονότητα των περιπτώσεων συνδέεται σε σειρά (series regulator) και λειτουργεί στη γραμμική (ενεργό) περιοχή. Συγκρίνοντας την πραγματική τιμή της τάσης εξόδου Vo με την επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου Vo,ref δημιουργείται ένα σφάλμα το οποίο ελέγχει το ρεύμα βάσης του ημιαγωγικού στοιχείου, άρα και την αγωγιμότητα του, σε συνάρτηση με τις μεταβολές της τάσης εισόδου και του φορτίου. Άρα το ημιαγωγικό στοιχείο λειτουργεί ως μία μεταβλητή αντίσταση με αποτέλεσμα η τάση εξόδου να διατηρείται σταθερή. Όπως γίνεται φανερό η διαφορά δυναμικού μεταξύ της τάσεως εισόδου και της τάσεως εξόδου εμφανίζεται στα άκρα του ημιαγωγικού στοιχείο, το οποίο διαρρέεται επίσης καθ ολοκληρία από το ρεύμα εξόδου

112 Κεφάλαιο 5 ο Io. Έτσι οι απώλειες αγωγής είναι ιδιαίτερα υψηλές, με αποτέλεσμα ο συντελεστής απόδοσης των γραμμικών αυτών τροφοδοτικών να κυμαίνεται στην περιοχή 30%-60%. Τέλος στη βαθμίδα εξόδου υπάρχει το φίλτρο εξόδου, δηλαδή ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, ο οποίος αναλαμβάνει να καλύψει τις απότομες μεταβολές του φορτίου, βελτιώνοντας τη μεταβατική απόκριση του τροφοδοτικού. Συνήθως, παράλληλα με τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή τοποθετούνται και πυκνωτές πολυπροπυλενίου ή κεραμικοί πυκνωτές (της τάξης των μερικών εκατοντάδων nf ή μερικών μf), οι οποίοι έχουν χαμηλή παρασιτική επαγωγή ώστε να αποφευχθούν οι υπερτάσεις που δημιουργούνται από διακοπτικά ρεύματα [3]. Για την συγκεκριμένη εφαρμογή απαιτείται η κατασκευή δύο τροφοδοτικών με τάση εξόδου 5V για την τροφοδοσία του μικροελεγκτή και του ενισχυτή που τοποθετείται μετά από αυτόν, καθώς και του μετρητικού ρεύματος και τεσσάρων τροφοδοτικών με τάση εξόδου 15V, τα οποία είναι υπεύθυνα για την τροφοδότηση των ολοκληρωμένων του κάθε ενός κλάδου του μετατροπέα. Να σημειωθεί ότι για σχεδιαστικούς λόγους η παροχή της τάσεως των 5V σε κάθε οπτοζεύκτη γίνεται με χρήση ενός ακόμη ελεγχόμενου διακοπτικού στοιχείου αμέσως πριν από αυτόν. Η χρήση ξεχωριστού τροφοδοτικού για κάθε κλάδο του μετατροπέα γίνεται για λόγους γαλβανικής απομόνωσης μεταξύ της εισόδου του οπτοζεύκτη και της εξόδου όπως έχει ήδη αναφερθεί. Σε διαφορετική περίπτωση θα προέκυπτε βραχυκύκλωμα μεταξύ των drain των mosfet καθιστώντας έτσι αδύνατη την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Για την επιλογή των μετασχηματιστών πρέπει να γίνουν οι απαραίτητοι υπολογισμοί των καταναλώσεων που απαιτούν τα ολοκληρωμένα της διάταξης. Έτσι, από την τροφοδοσία των 5V θα απαιτηθεί η παροχή ρεύματος 300mA για τον μ/ε και 50mA για τον ενισχυτή και άρα η απαιτούμενη ισχύς του μετασχηματιστή θα είναι: P=VI=6V0,35A=2,1VA Γίνεται επιλογή του αμέσως μεγαλύτερου σε ισχύ μετασχηματιστή. Από την τροφοδοσία των 15V θα απαιτηθεί η παροχή ρεύματος 10mA για τον οπτοζεύκτη και 2mA για τον driver οπότε η απαιτούμενη ισχύς του μετασχηματιστή θα είναι: P=VI=15V0,012A=0,18VA Και σε αυτήν την περίπτωση επιλέγεται κατάλληλος μετασχηματιστής για την εφαρμογή, αυτός δηλαδή με την αμέσως μεγαλύτερη ισχύ

113 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.19: Πλακέτα γραμμικών τροφοδοτικών

114 Κεφάλαιο 5 ο

115 Κεφάλαιο 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ DSPIC30F Εισαγωγή Η χρήση των μικροϋπολογιστικών συστημάτων αφορά την ανάπτυξη και υλοποίηση απλών ή πολύπλοκων λογικών ελέγχου σε διατάξεις μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος. Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του ελέγχου, το μικροϋπολογιστικό σύστημα πρέπει να είναι σε θέση να μετρήσει ένα ή περισσότερα μεγέθη της διάταξης ισχύος, να εκτελέσει τους κατάλληλους αλγορίθμους και να παράγει τα σήματα εκείνα που θα παλμοδοτήσουν τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Τα μετρούμενα μεγέθη μπορεί να είναι ρεύματα, τάσεις, στροφές, θερμοκρασία καθω ς και σήματα ελέγχου από τον χρήστη. Η αλματώδης ανάπτυξη και η εξέλιξη των επεξεργαστών τα τελευταία χρόνια έχουν αναδείξει τα σύγχρονα μικροϋπολογιστικά συστήματα ως τη βέλτιστη λύση για την υλοποίηση πολύπλοκων και ταχύτατων λογικών ελέγχου, αυξάνοντας την αξιοπιστία, τη χρηστικότητα και την απόδοση των διαφόρων τοπολογιών ισχύος. Τα μικροϋπολογιστικά συστήματα που ενσωματώνουν τα απαραίτητα περιφερειακά για την υλοποίηση μεθόδων ελέγχου λέγονται μικροελεγκτές. Γενικότερα, ο μικροελεγκτής είναι ένας τύπος μικροεπεξεργαστή με έμφαση στην αυτάρκεια και στην υψηλή τιμή απόδοσης/κόστους, σε αντίθεση με ένα μικροεπεξεργαστή γενικού σκοπού (όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε έναν προσωπικό υπολογιστή). Η μοναδική διαφορά μεταξύ μικροεπεξεργαστή και μικροελεγκτή είναι ότι ο πρώτος αποτεέίται μόνο από τρία μέρη: την αριθμητική και λογική μονάδα (ALU), τη μονάδα ελέγχου (CU) και τη μνήμη (Memory- Registers). Από την άλλη, ένας μικροελεγκτής ενσωματώνει συνήθως τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Κεντρική μονάδα επεξεργασίας Είσοδοι-έξοδοι, σειριακές θύρες Άλλες σειριακές επικοινωνίες όπως I2C, SPI, CAN για τη διασύνδεση μεταξύ μικροσυστημάτων Χρονιστές και watchdog RAM για αποθήκευση δεδομένων ROM, EPROM, EEPROM, ή FLASH MEMORY για αποθήκευση του προγράμματος

116 Κεφάλαιο 6 ο Γεννήτρια ρολογιού-συνήθως ένας ταλαντωτής για το χρονισμό του κρυστάλλου quartz, συντονιστή ή RC κύκλωμα Μετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό και αντίστροφα Εξειδικευμένα περιφερειακά όπως γεννήτρια PWM Από τα προηγούμενα γίνεται φανερό ότι οι σύγχρονοι μικροελεγκτές, σε αντίθεση με τους επεξεργαστές γενικού σκοπού, δεν υλοποιούν έναν εξωτερικό δίαυλο δεδομένων ή διευθύνσεων, επειδή ενσωματώνουν τη μνήμη RAM και ROM στο ίδιο chip με τον επεξεργαστή. Εξαιτίας του παραπάνω γεγονότος, απαιτούνται λιγότερες ακίδες και το ολοκληρωμένο μπορεί να τοποθετηθεί σε ένα μικρότερο και φθηνότερο πακέτο. Τοποθετώντας τη μνήμη και τα υπόλοιπα περιφερειακά σε ένα πακέτο αυξάνεται το κόστος του chip αλλά μειώνεται το κόστος του συστήματος, αν αυτό υλοποιούταν με ανεξάρτητες μονάδες. Άλλο ένα πλεονέκτημα της ολοκλήρωσης των περιφερειακών είναι ο λιγότερος απαιτούμενος χώρος στην πλακέτα, καθώς επίσης και η μείωση των παρασιτικών τάσεων στα σήματα. Αυτό είναι πολύ σημαντικό όταν χρησιμοποιείται σε διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος, όπου εμφανίζονται υψηλές μεταβολές τάσεων και ρευμάτων. 6.2 Ο μικροελεγκτής dspic30f2020 Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής dspic30f2020 της εταιρίας Microchip. Πρόκειται για έναν μικροελεγκτή με δυνατότητες DSP (Digital Signal Processing), ο οποίος διαθέτει περιφερειακά κατάλληλα για τον έλεγχο μετατροπέων ισχύος, όπως αυτά σκιαγραφήθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται το σχηματικό του μικροελεγκτή και στο επόμενο η μορφή του

117 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.1: Σχηματικό του μικροελεγκτή dspic30f2020 Σχήμα 6.2: Το σώμα του μικροελεγκτή Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του είναι: Προγραμματίζεται σε γλώσσα C Διαθέτει μια βάση 83 εντολών με ευελιξία στην ανάθεση διευθύνσεων 12 Kbytes Flash μνήμης 512 Bytes μνήμης RAM Έως 30MIPS ταχύτητα εκτέλεσης εντολών 32 πηγές διακοπών 3 εξωτερικές πηγές διακοπής 8 επίπεδα προτεραιότητας για κάθε διακοπή (επιλογή από το χρήστη) Έως 16x16 πίνακες καταχωρητών εργασίας

118 Κεφάλαιο 6 ο Στο Σχήμα 6.3 παρατίθεται το σχηματικό διάγραμμα του μικροελεγκτή dspic30f2020, οπου απεικονίζονται και οι βασικές λειτουργίες του. Στα Σχήματα 6.4 Και 6.5 φαίνονται οι λειτουργίες των ακροδεκτών του μικροελεγκτή. Σχήμα 6.3: Σχηματικό διάγραμμα του μικροελεγκτή

119 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.4: Λειτουργίες των ακροδεκτών του μικροελεγκτή

120 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.5: Λειτουργίες των ακροδεκτών του μικροελεγκτή H μονάδα PWM του μικροελεγκτή υποστηρίζει μια ευρεία γκάμα PWM μεθόδων και προτύπων εξόδου, που την καθιστούν ιδανική για εφαρμογές μετατροπής ενέργειας της μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή, τροφοδοτικά συνεχούς ή εναλλασσόμενης τάσης και πηγές αδιάλειπτης παροχής ενέργειας (UPS). Η συγκεκριμένη μονάδα ενσωματώνει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: 4 γεννήτριες παλμών PWM με 8 εισόδους/εξόδους 4 ανεξάρτητες βάσεις χρόνου

121 Κεφάλαιο 6 ο Πληθώρα υποστηριζόμενων PWM μεθόδων της συμπληρωματική, push-pull, πολλαπλών φάσεων, μεταβλητής φάσης PWM Άμεσες μεταβολές στην συχνότητα, το λόγο κατάτμησης ή την φάση της παλμοσειράς Για την συγκεκριμένη εφαρμογή χρησιμοποιήθηκαν και οι 4 γεννήτριες παλμών του μικροελεγκτή, μία για κάθε κλάδο του μετατροπέα. Η παραγωγή των παλμών επιτυγχάνεται με χρήση εντολών σε γλώσσα assembly ή C και με την ανάθεση κατάλληλων τιμών της καταχωρητές της μονάδας. Πιο συγκεκριμένα, επεμβαίνοντας στον καταχωρητή PTPER μπορεί να ρυθμιστεί η περίοδος του παλμού και αντίστοιχα με τον PDCx ο λόγος κατάτμησης του. Πολύ σημαντική για την ορθή λειτουργία του μετατροπέα, είναι η σωστή ανάθεση τιμών στον καταχωρητή PHASEx, ο οποίος ευθύνεται για την ολίσθηση των παλμών. Με την απλή φόρτωση μιας τιμής σε κάθε έναν από της τέσσερις της καταχωρητές είναι δυνατή η δημιουργία της επιθυμητής διαφοράς φάσης μεταξύ των καναλιών

122 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.6: Σχηματικό διάγραμμα των γεννητριών παλμών PWM

123 Κεφάλαιο 6 ο Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα της περιφερειακής μονάδας μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (Analog to Digital Converter (ADC)). Με τη βοήθεια του περιφερειακού αυτού είναι δυνατόν να αποθηκευθεί μια συγκεκριμένη τιμή στον καταχωρητή ADCBUF. Ο καταχωρητής αυτός είναι μόνο ανάγνωσης και το περιεχόμενο του καθορίζει το λόγο κατάτμησης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ένας ροοστάτης συνδεδεμένος στην αναλογική είσοδο AN0, ο οποίος μεταβάλει αναλογικά την είσοδο μεταξύ των τιμών 0V έως 5V. Η μεταβολή αυτή μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα, δίνοντας την απαραίτητη πληροφορία για το λόγο κατάτμησης. Σχήμα 6.7: Σχηματικό διάγραμμα της περιφερειακής μονάδας μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό

124 Κεφάλαιο 6 ο Πριν συνταχθεί ο απαραίτητος κώδικας για την παραγωγή των παλμών PWM πρέπει να γίνει η ρύθμιση των configuration bits και του ρολογιού του μικροελεγκτή με τη βοήθεια του προγραμματιστικού περιβάλλοντος MPLAB IDE v7.50. Επιλέγεται η λειτουργία του μικροελεγκτή με το εσωτερικό του ρολόι συγχρονισμένο στα 14,55MHz (internal oscillator)[13]. Σχήμα 6.8:Ρύθμιση των configuration bits και του ρολογιού του μικροελεγκτή

125 Κεφάλαιο 7 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 7.1 Μετρήσεις με τροφοδοτικό συνεχούς τάσεως Αφού κατασκευαστεί ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης, καθώς και τα τροφοδοτικά των ολοκληρωμένων και η πλακέτα του μικροελεγκτή, θα πρέπει να εξακριβωθεί η ορθή λειτουργία τους. Για τον λόγο αυτό γίνονται μετρήσεις επί της διάταξης των αντιπροσωπευτικών μεγεθών όπως η τάση και το ρεύμα εισόδου καθώς και τα αντίστοιχα μεγέθη στην έξοδο, οι παλμοί στην πύλη και η τάση απαγωγού-πηγής του στοιχείου. Στην είσοδο του μετατροπέα συνδέεται ένα τροφοδοτικό συνεχούς τάσεως και στην έξοδο μια αντίσταση ισχύος μεγέθους 10Ω, η οποία έχει τη δυνατότητα να διαχειριστεί ισχύ 6kW. Λαμβάνονται μετρήσεις για τιμές της τάσεως εισόδου 50V, 100V, 150V και 200V με λόγο κατάτμησης 0.10, 0.25, 0.50, 0.75 και Να σημειωθεί ότι λόγω κατασκευαστικού περιορισμού του τροφοδοτικού,δεν κατέστη δυνατόν να μετρηθούν τα προαναφερθέντα μεγέθη για ρεύμα εισόδου μεγαλύτερο από 10Α. Ακολούθως φαίνονται οι μορφές των παλμών, του ρεύματος εισόδου και της τάσης σε ένα στοιχείο όπως απεικονιστήκαν στην οθόνη του ψηφιακού παλμογράφου. Σχήμα 7.1: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση εισόδου 50V και δ=

126 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.2: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 50V και δ=0.25 Σχήμα 7.3: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 50V και δ=

127 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.4: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 50V και δ=0.75 Σχήμα 7.5: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 50V και δ=

128 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.6: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση εισόδου 100V και δ=0.1 Σχήμα 7.7: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 100V και δ=

129 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.8: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 100V και δ=0.5 Σχήμα 7.9: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 100V και δ=

130 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.10: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην εισόδο 150V και δ=0.1 Σχήμα 7.11: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 150V Και δ=

131 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.12: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 150V και δ=0.5 Σχήμα 7.13: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 150V και δ=

132 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.14: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην εισόδο 200V και δ=0.1 Σχήμα 7.15: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 200V και δ=

133 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.16: Παλμοί, ρεύμα εισόδου πριν τον πυκνωτή και τάση V DS για τάση στην είσοδο 200V και δ=0,5 Στα σχήματα που παρατέθηκαν απεικονίζονται οι μορφές των παλμών, του ρεύματος εισόδου πριν τους πυκνωτές εισόδου και η τάση V DS του διακοπτικού στοιχείου ισχύος για έναν κλάδο του μετατροπέα. Το ρεύμα εισόδου λόγω των πυκνωτών και του φίλτρου που έχει τοποθετηθεί είναι πλήρως εξομαλυμένο. Στους ακροδέκτες του διακοπτικού στοιχείου ισχύος εμφανίζεται ολόκληρη η τάση εισόδου όταν αυτό βρίσκεται σε αποκοπή, ενώ η πτώση τάσης κατά την αγωγή του λαμβάνει μια πολύ μικρή τιμή (περίπου 1V). Στα ακόλουθα σχήματα παρουσιάζονται εικόνες από τον παλμογράφο που δείχνουν την παλμοδότηση σε κάθε κλάδο καθώς και την ολίσθηση των 90 ο για λόγους κατάτμησης 0.2, 0.25 και

134 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.17: Παλμοί σε κάθε κλάδο του μετατροπέα για δ=0.2 Σχήμα 7.18: Παλμοί σε κάθε κλάδο του μετατροπέα για δ=0.25 Σχήμα 7.19: Παλμοί σε κάθε κλάδο του μετατροπέα για δ=

135 Κεφάλαιο 7 ο Για δ<0.25 βρίσκεται σε αγωγή πάντα ένα μόνο διακοπτικό στοιχείο του μετατροπέα. Η επικάλυψη αρχίζει για δ=0.25=ν/4 και είναι η τιμή για την οποία το ρεύμα εξόδου δεν έχει καθόλου AC περιεχόμενο. Για δ=0.65 βρίσκονται σε αγωγή δύο η τρία διακοπτικά στοιχεία ενώ για δ>0.75 η επικάλυψη αφορά και τους τέσσερις κλάδους του μετατροπέα. 7.2 Μετρήσεις με γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης Μετρήσεις με μεταβλητό αριθμό στροφών στον άξονα της γεννήτριας Ακολούθως έγιναν μετρήσεις συνδέοντας στην είσοδο του μετατροπέα μια μηχανή συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης υπό ονομαστική διέγερση και μια αντίσταση ισχύος μεγέθους 9Ω συνδεδεμένη στην έξοδο του. Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν δύο μηχανές συνεχούς ρεύματος του εργαστηρίου με μηχανική σύμπλεξη στους άξονές τους. Ως εκ τούτου, ο αριθμός των στροφών του κινητήρα είναι ίδιος με τον αριθμό των στροφών της γεννήτριας αλλά δεν είναι σταθερός καθώς όπως είναι και αναμενόμενο, η φόρτιση του κινητήρα συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης συνεπάγεται μια μικρή πτώση των στροφών του, όπως φάνηκε και στη θεωρία που αναπτύχθηκε στο 2 ο Κεφάλαιο. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων φαίνονται στο Παράρτημα Α. Σχήμα 7.20: Ρεύμα γεννήτριας για διάφορες τιμές της τάσης τυμπάνου στον κινητήρα

136 Κεφάλαιο 7 ο Λόγω της αύξησης της ροπής του κινητήρα με την φόρτιση του, επέρχεται μικρή πτώση των στροφών του όπως αναμενόταν. Το γεγονός αυτό επηρεάζει και την τιμή του ρεύματος της γεννήτριας, άρα και της ροπής που παράγει και δεν μπορεί να δώσει ασφαλή συμπεράσματα για τη λειτουργία του ηλεκτρομηχανικού συστήματος. Για το λόγο αυτό γίνονται μετρήσεις με σύστημα διατήρησης σταθερού αριθμού στροφών στον κινητήρα. Σχήμα 7.21: Σύστημα διασυνδεδεμένων μηχανών συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης Η μηχανή που χρησιμοποιήθηκε ως γεννήτρια (στα δεξιά του παραπάνω σχήματος) έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά για λειτουργία γεννήτριας: V T =230V, I T =22,2A, P N =6kW V F =220V, I F =1,1A n N =3000rpm

137 Κεφάλαιο 7 ο Μετρήσεις με σταθερό αριθμό στροφών στον άξονα της γεννήτριας Στη συνέχεια ελήφθησαν μετρήσεις στη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος υπό ονομαστική διέγερση και με σταθερό αριθμό στροφών στον άξονά της. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη διάταξη ρύθμισης και διατήρησης των στροφών του κινητήρα. Πιο αναλυτικά, χρησιμοποιήθηκαν δύο τροφοδοτικά συνδεδεμένα παράλληλα σε διάταξη master-slave, μέσω των οποίων τροφοδοτήθηκε το τύμπανο του κινητήρα συνεχούς ρεύματος και μετρητική διάταξη των στροφών, η οποία είναι τοποθετημένη στην σύμπλεξη των αξόνων των δύο μηχανών. Μέσω του λογισμικού Labview κατεστή δυνατή η σταθεροποίηση των στροφών των μηχανών, μέσω της χρήσης ενός κλειστού βρόχου. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεως παρατίθενται αναλυτικά στο Παράρτημα Α. Ακολούθως φαίνονται τα διαγράμματα του ρεύματος της γεννήτριας σε σχέση με το λόγο κατάτμησης καθώς και της αντίστασης εισόδου του μετατροπέα σε σχέση με το λόγο κατάτμησης. Η μορφή των ακόλουθων σχημάτων επιβεβαιώνουν απόλυτα τη θεωρητική μελέτη που προηγήθηκε καθώς και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων στο περιβάλλον Simulink. Σχήμα 7.22: Ρεύμα εξόδου της γεννήτριας για διάφορους αριθμούς στροφών

138 Κεφάλαιο 7 ο Σχήμα 7.23: Αντίσταση εισόδου του μετατροπέα Όπως αναμενόταν η καμπύλη που δείχνει τη σχέση ανάμεσα στην αντίσταση στην είσοδο του μετατροπέα σε συνάρτηση με το λόγο κατάτμησης είναι ίδια σε όλο το εύρος των στροφών και εξαρτάται μόνο από τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης δ, σύμφωνα με την αντίστοιχη σχέση 2.12, όπως αυτή υπολογίστηκε στο 2 ο Κεφάλαιο. Από τη μορφή του διαγράμματος για το ρεύμα, διαπιστώνεται η ταύτιση του με το αντίστοιχο διάγραμμα που προέκυψε από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Οι τιμές των πειραματικών μετρήσεων είναι πολύ κοντά στις αντίστοιχες θεωρητικές, ωστόσο η μη δυνατότητα ακριβούς ρύθμισης του λόγου κατάτμησης μέσω του ροοστάτη, η απόκλιση των οργάνων μέτρησης καθώς και τα ανθρώπινα σφάλματα στη λήψη των μετρήσεων οδηγούν σε μικρές αποκλίσεις. Έχοντας διατηρήσει τη διέγερση στην ονομαστική της τιμή, η μεταβολή που θα προκύψει στη ροπή της γεννήτριας είναι ανάλογη με αυτή του ρεύματος. Άρα επιβεβαιώνεται και πειραματικά η δυνατότητα ελέγχου της ροπής στον άξονα της γεννήτρια μέσω μεταβολής του λόγου κατάτμησης του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης που βρίσκεται συνδεδεμένος στην έξοδό της

139 Κεφάλαιο 7 ο

140 Βιβλιογραφία

141 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Βιβλιογραφία [1] N.Mohan/T.Undeland/W.Robbins, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ Β Έκδοση, Α. Τζιόλα Εκδόσεις, Θεσσαλονίκη, [2] Marian K. Kazimierczuk, Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters, Wright State University Dayton, Ohio, USA, [3] Ε. Κ. Τατάκης, «Ηλεκτρονικά στοιχεία Ισχύος και Βιομηχανικές Εφαρμογές», Σημειώσεις ομότιτλου μαθήματος, Πάτρα [4] Αθ. Ν. Σαφάκας, «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα [5] Αθ. Ν. Σαφάκας, «ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Α» Τόμος 1, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα [6] Stephen J. Chapman ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ AC-DC 3 η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, [7] Ε. Ι. Ρίκου, «ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ», Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα [8] Κ. N. Σπέντζας, «Κατασκευή Οχημάτων», σημειώσεις ομότιτλου μαθήματος, Αθήνα [9] E. K. Τατάκης «Σημειώσεις εργαστηρίου ηλεκτρονικών ισχύος ΙΙ» Πάτρα, Φεβρουάριος [10] Chee-Mun Ong, Dynamic Simulation of electric Machinery Using Matlab/Simulink, School of Electrical & Computer Engineering, Purdue Universiry [11] Μ. Rashid Power Electronics Handbook Academic Press, [12] B. Destraz/ Y. Louvrier/ A. Rufer High Efficient Interleaved Multi-Channel dc/dc Converter Dedicated to Mobile Applications, Ecole Polytechnique Federale de Lausane, 41th IAS Annual Meeting, Tampa, Florida, USA, 8-12 October [13] Microchip, «dspic30f Family Reference Manual». [18] Philips, DATA HANDBOOK, Soft Ferrites, Philips Components, [19] Datasheetcatalog website:

142 Βιβλιογραφία [20] Tim Hegarty, Benefits of multiphasing buck converters, [21] Infineon Technologies website: [22] Fairchild Semiconductor website: [23] MATLAB and Simulink website: [24] Technodrives DC Motors: [25] evox rifa website: [26] Schaffner solutions website: [27] Toyota pressroom website [28] Toyota website [29] How stuff works website [30] Διπλωματική Εργασία Ιωάννη Καρατζαφέρη, «Μελέτη και κατασκευή διάταξης για τον έλεγχο κινητήρα ενός ηλεκτρικού οχήματος με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας», Πανεπιστήμιο Πατρών,

143 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Παράρτημα Α Αποτελέσματα προσομοιώσεων Για n=n N /4=750rpm δ R iθ R im I TG V TG M TG Ω P εξ P εισ η M e I out V out , Για n=n N /2=1500rpm δ R iθ R im I TG V TG M TG Ω P εξ P εισ η M e I out V out

144 Παράρτημα Α Για n=n N =3000rpm δ R iθ R im I TG V TG M TG Ω P εξ P εισ η M e I out V out Αποτελέσματα μετρήσεων με τροφοδοτικό συνεχούς τάσης Τάση εισόδου 50V δ Vin(V) Iin(A) Vout(V) Iout (A) Pin(W) Pout(W) η ,10 6,13 0,75 5,0 4,59 0, ,43 13,02 1,57 21,5 20,44 0, ,60 25,22 3,05 80,0 76,92 0, ,60 37,80 4,70 180,0 177,66 0, ,12 45,10 5,60 256,0 252,6 0,

145 Παράρτημα Α Τάση εισόδου 100V δ Vin(V) Iin(A) Vout(V) Iout (A) Pin(W) Pout(W) η ,18 10,7 1,40 18,0 15,0 0, ,80 25,6 3,06 80,0 78,3 0, ,10 51,0 5,98 310,0 305,0 0, ,10 75,3 9,40 710,0 707,8 0, ,90 89,5 11,1 990,0 988,0 0,99 Τάση εισόδου 150V δ Vin(V) Iin(A) Vout(V) Iout(A) Pin(W) Pout(W) η ,26 17,0 2,05 39,0 34,9 0, ,25 38,0 4,55 187,5 172,9 0, ,69 75,1 9,00 703,5 675,9 0, ,32 111,3 13, ,0 1530,2 0,99 Τάση εισόδου 200V δ Vin(V) Iin(A) Vout(V) Iout (A) Pin(W) Pout(W) η ,34 22,2 2,70 68,0 59,9 0, ,60 50,3 6,05 320,0 304,3 0, ,25 100,1 12, ,0 1246,2 0,

146 Παράρτημα Α Μετρήσεις με γεννήτρια συνεχούς ρεύματος (μεταβλητός αριθμός στροφών) Για τάση τυμπάνου του κινητήρα 120V δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M(Nm) ,8 0,00 0, ,7 13, ,0 0,27 35,1 481, ,0 14, ,0 0,66 83,8 192, ,4 15, ,1 1,54 189,6 79, ,4 16, ,5 2,60 313,3 46, ,5 18, ,8 4,30 506,5 27, ,4 21, ,0 5,81 668,2 19, ,2 23,5 Για τάση τυμπάνου του κινητήρα 160V δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M(Nm) ,9 0,00 0, ,0 13, ,7 0,32 55,3 539, ,2 15, ,5 1,06 180,7 160, ,0 16, ,2 1,84 302,1 89, ,8 17, ,3 3,09 498,4 52, ,2 19, ,0 5,15 808,6 30, ,6 22, ,9 6, ,2 22, ,6 25,

147 Παράρτημα Α Για τάση τυμπάνου του κινητήρα 200V δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M(Nm) ,8 0,00 0, ,0 13, ,8 0,43 91,1 492, ,4 15, ,0 1,25 261,3 261, ,2 16, ,0 3,00 600,0 66, ,0 19, ,0 5, ,0 36, ,7 22, ,4 6, ,0 29, ,4 25,0 Για τάση τυμπάνου του κινητήρα 260V δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M(Nm) ,5 0,00 0, ,2 14, ,8 0,40 103,1 644, ,6 15, ,2 1,30 330,5 195, ,5 17, ,6 1,69 421,8 147, ,0 19, ,9 5, ,9 50, ,6 22, ,7 6, ,4 36, ,5 25,

148 Παράρτημα Α Μετρήσεις με γεννήτρια συνεχούς ρεύματος (σταθερός αριθμός στροφών) Αριθμός στροφών n=750rpm δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M ,6 0,00 0, ,6 14, ,4 0,26 33,1 490, ,8 14, ,4 0,72 89,6 172, ,3 15, ,6 1,72 209,2 70, ,4 17, ,6 2,83 341,3 42, ,6 19, ,7 4,02 481,2 29, ,0 20, ,6 5,70 676,0 20, ,8 23, ,4 7,07 830,1 16, ,4 25,5 Αριθμός στροφών n=1000rpm δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M(Nm) ,6 0,00 0, ,8 13, ,3 0,30 51,1 567, ,0 14, ,7 1,05 177,1 160, ,8 16, ,3 2,23 364,2 73, ,1 18, ,6 3,85 618,3 41, ,9 20, ,5 5,20 829,4 30, ,4 22, ,4 7, ,7 22, ,6 26,

149 Παράρτημα Α Αριθμός στροφών n=1250rpm δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M(Nm) ,0 0,00 0, ,5 14, ,8 0,45 100,3 495, ,0 15, ,1 1,25 276,4 176, ,0 17, ,1 2,60 569,7 84, ,2 19, ,5 5, ,8 41, ,0 23, ,3 7, ,3 28, ,5 27, ,3 9, ,7 22, ,5 29, ,3 11, ,0 18, ,0 32, ,2 14, ,4 14, ,7 38,0 Αριθμός στροφών n=1500rpm δ V g (V) I g (A) P g (W) R in n N (rpm) V m (V) I m (A) M(Nm) ,0 0,00 0, ,8 14, ,6 0,43 114,6 620, ,2 15, ,0 1,51 398,6 174, ,4 17, ,6 3,08 811,9 85, ,0 19, ,9 5, ,8 47, ,8 24, ,2 7, ,3 32, ,5 28, ,5 11,0 2821,5 23, ,5 32,

150 Παράρτημα Β

151 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Παράρτημα Β Τυπωμένα κυκλώματα Κύκλωμα μετατροπέα ισχύος

152 Παράρτημα Β Κύκλωμα μικροελεγκτή Κύκλωμα γραμμικών τροφοδοτικών

153 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Παράρτημα Γ Οι κώδικες των προγραμμάτων που χρησιμοποιήθηκαν Έλεγχος ανοιχτού βρόχου σε γλώσσα assembly.equ 30F2020, 1.include "p30f2020.inc" ; ;Global Declarations.global reset ;The label for the first line of code ;.global PWMInterrupt ;Declare PWM Interrupt trap routine label ; equ SP_init, 0x824 ; <---!!! ; ; ;Program Specific Constants (literals used in code).equ OPS_NORMAL, 0x00 ;Normal Operation.equ OPS_FHARD, 0x01 ;Hardware Fault.equ mcu_speed, ; MIPS.equ pwm_frequency, 72 ; 50 KHz ; calculation:.equ pwmtimebase, ( 32 * mcu_speed / pwm_frequency ) - 1.bss ;================================================================== = ;Start of code.text ;Start of Code section ;================================================================== = ;Initialize stack pointer and limit register

154 Παράρτημα Γ reset: mov # SP_init, W15 ;Initialize the Stack Pointer register mov # SPLIM_init, W0 ;Get address at the end of stack space mov W0, SPLIM ;Load the Stack Pointer Limit register nop ;Add NOP to follow SPLIMinitialization call _InitSection ;Initialisation Section: Runs only once _MainLoop: call _MainSection ;Main code Section: executes forever bra _MainLoop reset ; Initialisation section _InitSection: ;ConfigIOPins ;adc_initialization: bclr ADCON, #ADON mov #0x00A3, W0 ;for fractional bit8->1, which means 0x2123, mov W0, ADCON ;for integer 0x2023, fractional correct trig->0x01a3 mov #0x0084, W0 ;triggered by pwm, 0x0084 trig by pwm1, 0x0085 tri by pwm2 mov W0, ADCPC0 ;also 0x0001 for individual trig, 0x008C trig by timer1 mov #0xFFFC, W0 ;for ANO & AN1, analog inputs #0x0FFC, but we use only AN0 mov W0, ADPCFG ;with 0x0000 all are analog inputs ;trig by timer1 ;mov #0x0000, W0 ;mov W0, T1CON ;mov W0, TMR1 mov #0x0064, W0 mov W0, PR1 bset TRISB,#0 ;set RB0 & RB1 as inputs bset TRISB,#1 clr ADSTAT bset ADCON, #ADON ;bset T1CON, #TON

155 Παράρτημα Γ ;return ;_get_analog: bset ADCPC0,#SWTRG0 ;trig nop ;wait_conv: btsc ADCPC0,#PEND0 ;bra wait_conv ;mov ADCBUF0, W0 return ;PWM Initialization mov #0x0000, W0 mov W0, PTCON ;mov #0x0000, W0 ;mov W0, MDC ;Master Duty Cycle Register mov #pwmtimebase, W0 mov W0, PTPER ;Primary Time Base Register mov #0x0000, W0 mov W0, SEVTCMP ;Special Event Compare Count Value ;interrupt registers initializig bclr IEC1, #PWM1IE ;no PWM1 interrupt requested bclr IEC1, #PWM2IE ;no PWM2 interrupt requested bclr IEC1, #PWM3IE ;no PWM3 interrupt requested bclr IEC1, #PWM4IE ;no PWM4 interrupt requested mov #0x0081, W0 ;0x0081 information from pdc, mov W0, PWMCON1 ;0x0181 inform from mdc, 0x0180 for not immediate update mov W0, PWMCON2 mov W0, PWMCON3 mov W0, PWMCON4 mov #0x0003, W0 mov W0, FCLCON1 mov W0, FCLCON2 mov W0, FCLCON

156 Παράρτημα Γ mov W0, FCLCON4 mov #0xC000, w0 ;PWM Output Control mov w0, IOCON1 mov w0, IOCON2 mov w0, IOCON3 mov w0, IOCON4 mov #0, W0 mov W0, LEBCON1 mov W0, LEBCON2 mov W0, LEBCON3 mov W0, LEBCON4 mov #(0*pwmtimebase/360), W0 mov W0, PHASE1 mov #(90*pwmtimebase/360), W0 mov W0, PHASE2 mov #(180*pwmtimebase/360), W0 mov W0, PHASE3 mov #(270*pwmtimebase/360), W0 mov W0, PHASE4 mov #0x0000, W0 ;Dead-Time Registers mov W0, DTR1 mov W0, DTR2 mov W0, DTR3 mov W0, DTR4 mov #0x0000, W0 ;Alternate Dead-Time Registers mov W0, ALTDTR1 mov W0, ALTDTR2 mov W0, ALTDTR3 mov W0, ALTDTR4 mov #0x0000, W0 mov W0, TRGCON1 ;TRIGGER Control Register mov W0, TRGCON

157 Παράρτημα Γ mov W0, TRGCON3 mov W0, TRGCON4 mov #0x008, W0 mov W0, TRIG1 mov W0, TRIG2 mov W0, TRIG3 mov W0, TRIG4 ;mov #(45*pwmtimebase/100), W0 ;duty cycle maximum->75% #35490 ;mov #4000, W0 ;mov W0, PDC1 ;mov #5000, W0 ;mov W0, PDC2 ;mov W0, PDC3 ;mov W0, PDC4 bset PTCON, #PTEN ;enabling pwm mode return ;Interrupts mov #0x0000, W0 mov W0, IFS0 mov #0x4000, W0 mov W0, IPC2 mov #0x0800, W0 mov W0, IEC0 ;return ;Main program - executes forever _MainSection: mov ADCBUF0, W0 ;AN0 result mul.uu W0,#26,W2 add W2,#30,W3 ;"add"-->"border" on the duty cycle about at 78% ;mul.uu W2,#31,W2 ;mul.uu W2,#31,W2 ;mul.uu W2,#31,W

158 Παράρτημα Γ ;mul.uu W2,#31,W2 ;mov ADCBUF1, W3 ;AN1 result ;mov W2, MDC mov W3, PDC1 mov W3, PDC2 mov W3, PDC3 mov W3, PDC4 return Έλεγχος ανοιχτού βρόχου σε γλώσσα C #include "p30f2020.h" #define SP_init 0x824 ; #define OPS_NORMAL 0x00 ; #define OPS_FHARD 0x01 ; #define mcu_speed 29250; #define pwm_frequency 72; #define pwmtimebase (32*mcu_speed/pwm_frequency)-1 void init_pwm(void); void init_adc(void); void attribute ((interrupt, no_auto_psv)) _ADCInterrupt() { int channel0result; IFS0bits.ADIF = 0; /* Clear ADC Interrupt Flag */ ADSTATbits.P0RDY = 0; /* Clear the ADSTAT bits */

159 Παράρτημα Γ channel0result = ADCBUF0; /* Get the conversion result */ } if (channel0result >= 440) { channel0result = 440; } else if (channel0result <= 50) { channel0result = 50; } PDC1=channel0Result*26+30; PDC2=channel0Result*26+30; PDC3=channel0Result*26+30; PDC4=channel0Result*26+30; int main() { init_adc(); init_pwm(); while(1) { } } void init_pwm(void)

160 Παράρτημα Γ { PTPER=12999; SEVTCMP=0x0000; _PWM1IE=0; _PWM2IE=0; _PWM3IE=0; _PWM4IE=0; PWMCON1=0x0081; PWMCON2=0X0081; PWMCON3=0X0081; PWMCON4=0X0081; FCLCON1=0X0003; FCLCON2=0X0003; FCLCON3=0X0003; FCLCON4=0X0003; IOCON1=0XC000; IOCON2=0XC000; IOCON3=0XC000; IOCON4=0XC000; LEBCON1=0; LEBCON2=0; LEBCON3=0; LEBCON4=0; PHASE1=0*(12999/360); PHASE2=90*(12999/360); PHASE3=180*(12999/360); PHASE4=270*(12999/360); DTR1=0x0000; DTR2=0x0000; DTR3=0x0000; DTR4=0x0000;

161 Παράρτημα Γ ALTDTR1=0x0000; ALTDTR2=0X0000; ALTDTR3=0X0000; ALTDTR4=0X0000; TRGCON1=0X0000; TRGCON2=0X0000; TRGCON3=0X0000; TRGCON4=0X0000; TRIG1=0X0008; TRIG2=0X0008; TRIG3=0X0008; TRIG4=0X0008; PTCON=0x8000; return; } void init_adc(void) { ADCONbits.ADSIDL = 0; /* Operate in Idle Mode */ ADCONbits.FORM = 0; /* Output in Integer Format */ ADCONbits.EIE = 1; /* Enable Early Interrupt */ ADCONbits.ORDER = 0; /* Even channel first */ ADCONbits.SEQSAMP = 1; /* Sequential Sampling Enabled */ ADCONbits.ADCS = 5; /* Clock Divider is set up for Fadc/14 */ ADPCFG = 0xFFFC; /* AN0 and AN1 are analog inputs */ ADSTAT = 0; /* Clear the ADSTAT register */ ADCPC0bits.TRGSRC0 = 0x4; /* Trigger conversion on PWM#1 Trigger */ ADCPC0bits.IRQEN0 = 1; /* Enable the interrupt */ ADCONbits.ADON = 1; /* Start the ADC module */

162 Παράρτημα Γ /* Set up the Interrupts */ IFS0bits.ADIF = 0; /* Clear AD Interrupt Flag */ IPC2bits.ADIP = 4; /* Set ADC Interrupt Priority */ IEC0bits.ADIE = 1; /* Enable the ADC Interrupt */ return; }

163 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ Παράρτημα Δ Φυλλάδια κατασκευαστών Στο παράρτημα Δ παρατίθενται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων (datashhets) που χρησιμοποιήθηκαν για την επιλογή των στοιχείων της εφαρμογής. Από αυτά λαμβάνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη των στοιχείων ώστε να πραγματοποιηθούν οι προσομοιώσεις και οι απαραίτητοι υπολογισμοί

164 DCMo t o r s0. 1 8k w1 1k w T o t a l l ye n c l o s e dr a n g e Acompr ehensi ver angeofst andar dper manent magnetandshuntwounddcmot or s manuf act ur edi naccor dancewi t hi EC st andar ds,andar eavai l abl ei nout put sf r om 0, 18kW t o1 1kW Se r i e s Theent i r er angei schar act er i sedbyahi gh degr eeoff l exi bi l i t ywi t hmot or sbei ngqui ckl y adapt edwi t hbr akes,t achogener at or s,and i ndependentf or cedcool i ngorwi t ha combi nat i onoft hesei t ems. St andar dmot or sar eavai l abl eexst ockwi t h opt i onshavi ngal eadt i meofhour s. I fr equi r eddevel opmentofcompl et el ynew mot or st ocust omerspeci f i cat i onsi spossi bl e wi t hsmal lbat chsi zesandshor tl eadt i mes Se r i e s 0. 18kW -1 1kW 1600ser i eswoundf i el dspeedr ange 10: 1agai ns tc ons t antt or que 1600ser i esper manentmagnetspeedr ange -20: 1agai ns tc ons t antt or que 1600ser i eswi t hi ndependentf or cedcool i ngspeed r ange 50: 1agai ns tc ons t antt or que 1800ser i esper manentmagnetspeedr ange 100: 1agai ns tc ons t antt or que Lowvol t ageavai l abl e 12v-48vorwi der angeofs t andar dv ol t ages F o r mo r ei n f o r ma t i o nc a l l Per manentmagnetorcompound,shuntorser i es wound I P54asst andar di P55asanopt i on For mf act or1. 6orwher eusedwi t har mat ur echokeas speci f i edf or mf act or1. 05 Opt i onofext endednondr i veendal l owst hest ock modi f i cat i onofaddi ngbr akes,andt achogener at or s F a x : E ma i l : s a l e r a n s d r i v e. c o. u k We b : www. t r a n s d r i v e. c o. u k Footf l angemount edb35orf ootmount edb3 Footand C f aceb34avai l abl easopt i ondet ai l son r equest Not e-anal oguedr i v eswoul dr equi r et ac hof eedbac kf ors peed r angesgr eat ert han20: 1,Di gi t al dr i v eswoul dr equi r eenc oder f eedbac kf ors peedr angesgr eat ert han20: 1 E X ST OCKI MME DI A T EDE SP A T CH ( Subj ectt oremai ni ngunsol d) T e c h n o d r i v e si sat r a n s d r i v eco mp a n y