ΒΟΗΘΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΜΑΘΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 ΒΟΗΘΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΜΑΘΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Π. Γ. Μαραµπέας, Σ. Ν. Μανιάς Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 5773 Αθήνα Τηλ. 0 773503, Fax: 0 773593 e-mail: maias@cetral.tua.gr, kekaa@oteet.gr Περίληψη Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι η παρουσίαση υλικού απεικόνισης µε πολυµέσα, το οποίο µπορεί να βοηθήσει στη διδασκαλία του προπτυχιακού µαθήµατος της ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος και ειδικά σε εκείνες τις ενότητες, οι οποίες δεν περιλαµβάνουν εργαστηριακές ασκήσεις. Αυτή η σειρά µαθηµάτων απεικόνισης µε πολυµέσα, που µπορεί να εκτελεστεί σε οποιοδήποτε προσωπικό υπολογιστή, χωρίς πρόσθετο υλικό ή λογισµικό, περιλαµβάνει : γενικούς ορισµούς της ποιότητας ισχύος, ανάλυση αρµονικών συνιστωσών, υπολογισµό της συνολικής αρµονικής παραµόρφωσης (THD), διόρθωση του συντελεστή ισχύος, ενεργά φίλτρα, φαινόµενο συντονισµού, λειτουργία ενεργών φίλτρων, λειτουργία ενεργών ρυθµιστών τάσης και λειτουργία αντιστροφέων. Τέλος, θα δοθεί το περιεχόµενο του προτεινόµενου βοηθητικού υλικού διδασκαλίας και θα εξηγηθεί και θα αναλυθεί η εφαρµογή µερικών βασικών σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση.. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα φαινόµενα της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος περιλαµβάνουν όλες τις πιθανές καταστάσεις, κατά τις οποίες η κυµατοµορφή της τάσης δικτύου (ποιότητα τάσης) ή του ρεύµατος φορτίου (ποιότητα ρεύµατος) παρεκκλίνει από µια ιδανική ηµιτονοειδή κυµατοµορφή. Γι αυτούς τους λόγους, σήµερα παρατηρείται ένα αυξανόµενο ενδιαφέρον για τη µελέτη των πηγών που δηµιουργούν τις διαταραχές της ποιότητας της ισχύος και τις τεχνικές που χρησιµοποιούνται για να τις αντιµετωπίσουν. Στα ηλεκτρονικά ισχύος και συγκεκριµένα στις ενότητες των µαθηµάτων της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος υπάρχουν διάφορες έννοιες, τις οποίες οι σπουδαστές, παραδοσιακά, δυσκολεύονται να καταλάβουν, επειδή δεν είναι εύκολο να απεικονιστούν. Οι σπουδαστές τείνουν να αντιµετωπίζουν κάποιες ενότητες του µαθήµατος της ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος ως ανιαρή εµπειρία, όπου περιλαµβάνονται µόνο µαθηµατικοί υπολογισµοί και τεχνικές ελέγχου. Αυτές οι ενότητες περιλαµβάνουν διάφορα φαινόµενα στα συστήµατα µεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως η δηµιουργία αρµονικών, οι τεχνικές απάλειψης των αρµονικών, τα φαινόµενα συντονισµού, οι τεχνικές ενεργούς ρύθµισης, το παθητικό φιλτράρισµα και το ενεργό φιλτράρισµα. Η τεχνολογία έχει φθάσει σε τέτοιο σηµείο, όπου είναι πλέον εφικτό να δηµιουργηθούν και να χρησιµοποιηθούν σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, προκειµένου να διδαχθούν αυτές οι δύσκολες έννοιες. Έχει διαπιστωθεί ότι, οι σπουδαστές που έρχονται σε επαφή για πρώτη φορά µε τις αρχές των ηλεκτρονικών ισχύος έχουν προβλήµατα στην κατανόηση και την εξέταση των πολύπλοκων αυτών συστηµάτων. Αυτή η πολυπλοκότητα γίνεται εµφανής από την υψηλή διαστατικότητα και τη δυναµική αυτών των συστηµάτων. Τα κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσµατα τέτοιων συστηµάτων είναι ο µεγάλος αριθµός των ταυτόχρονα εµφανιζόµενων µεταβλητών τάσης και ρεύµατος και ειδικότερα : ο τρόπος που µεταβάλλονται µε το χρόνο, οι πολικότητές τους, η αµοιβαία εξάρτησή τους και η σχέση τους µε την κατάσταση του κυκλώµατος. Οι καθηγητές µπορούν σαφώς να συζητούν όλα τα φαινόµενα, που αφορούν στην ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος, κατά τη διάρκεια των παραδόσεων. Εντούτοις, αν παρουσιάσουν µόνο µια ή δύο φορές παραδείγµατα ή σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, οι σπουδαστές δεν µπορούν να κατανοήσουν όλες τις λεπτοµέρειες σε σύντοµο χρονικό διάστηµα, αλλά απαιτούνται συνεχείς επαναλήψεις και ασκήσεις. - -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 Μια εικόνα αξίζει όσο χίλιες λέξεις. Με τα σύγχρονα µέσα υλικού και λογισµικού των υπολογιστών µπορούν να παραχθούν εύκολα και έχουν ήδη χρησιµοποιηθεί για την επίδειξη κυκλωµάτων ισχύος και ηλεκτρονικών ισχύος, «σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση» (aimatios) []-[9]. Σε αυτό το σηµείο είναι πολύ σηµαντικό να αναφερθεί ότι οι «σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση» (aimatios) χρησιµοποιούνται µόνο για την επεξήγηση µιας ιδιαίτερης έννοιας και δεν αντικαθιστούν τη θεωρητική ανάλυση και την προσοµοίωση µιας τοπολογίας ηλεκτρονικών ισχύος. Οι πόροι που απαιτούνται για τη δηµιουργία τους δεν είναι ακριβοί. Εκτός από το λειτουργικό σύστηµα, τα προγράµµατα λογισµικού που χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία τους είναι ελεύθερα διαθέσιµα από το διαδίκτυο. Για την εφαρµογή του προτεινόµενου υλικού µε πολυµέσα χρησιµοποιήθηκαν τα προγράµµατα λογισµικού Macromedia και HTML. Το υλικό που απαιτείται προκειµένου να εκτελεστούν αυτά τα προγράµµατα είναι ένας τυπικός υπολογιστής. Το περιεχόµενο του προτεινόµενου εκπαιδευτικού υλικού περιλαµβάνει τα ακόλουθα θέµατα: ) Ορισµοί στην ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος ) Ανάλυση αρµονικών 3) Παθητικά φίλτρα συντονισµού 4) Φαινόµενο συντονισµού 5) Ενεργά φίλτρα 6) Αντιστροφείς 7) Ενεργοί ρυθµιστές τάσης Τέλος, στη συνέχεια παρουσιάζονται µερικές «σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση» (aimatios), που εφαρµόστηκαν για την προτεινόµενη σειρά µαθηµάτων µε πολυµέσα.. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΣΧΗΜΑΤΙΚΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΕΙΣ ΜΕ ΚΙΝΗΣΗ (ANIMATIONS) Σε αυτή την ενότητα θα παρουσιαστούν και θα αναλυθούν µερικά από τις σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση της προτεινόµενης σειράς µαθηµάτων µε πολυµέσα. Σ αυτό το σηµείο πρέπει να αναφερθεί ότι, κάθε κινούµενη σχηµατική απεικόνιση (κύρια οθόνη ή διαφάνεια) υποστηρίζεται από µια ή περισσότερες οθόνες (δευτερεύουσες ή οθόνες υποστήριξης). Αυτές οι δευτερεύουσες οθόνες παρέχουν πολύ σύντοµους ορισµούς, µερικές χρήσιµες εξισώσεις ή επεξηγηµατικές σχηµατικές αναπαραστάσεις. Το σχήµα παρουσιάζει δύο επιλεγµένες δοµές κύριων και δευτερευουσών οθονών, οι οποίες χρησιµοποιήθηκαν για την εφαρµογή των µαθηµάτων µε πολυµέσα στις προτεινόµενες ενότητες. Το σχήµα παρουσιάζει παραδείγµατα τέτοιων δευτερευουσών οθονών. α) β) Σχήµα. οµικό διάγραµµα κύριων και δευτερευουσών οθονών της προτεινόµενης σειράς µαθηµάτων. (α) - -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 (β) Σχήµα. ευτερεύουσες οθόνες µαθηµάτων µε πολυµέσα, οι οποίες παρέχουν κάποιες πρόσθετες βασικές πληροφορίες. α) οµικό διάγραµµα ενός βιοµηχανικού συστήµατος ισχύος. β) Κυµατοµορφή ρεύµατος σε βιοµηχανική εγκατάσταση και το αντίστοιχο φάσµα συχνοτήτων. Α. Ανάλυση αρµονικών Στη θεωρία της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος, µια από τις βασικές ενότητες των µαθηµατικών, που πρέπει να γνωρίζουν οι σπουδαστές είναι η ανάλυση σειρών Fourier για διάφορες κυµατοµορφές της τάσης και του ρεύµατος. Οι σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, που εφαρµόστηκαν προκειµένου να καλυφθεί η ανάλυση αρµονικών χρησιµοποιώντας σειρές Fourier, βασίζονται στις ακόλουθες σχέσεις: Όπου, π f () t = Fo + a si t + π = ω b cosωt () a = f ( t )si ωtd( ωt ) = f ( t )siωtd( ωt ) () π π 0 π 0 π b = f ( t )cos ωtd( ωt ) = f ( t )cos ωtd( ωt ) (3) π π 0 F o = µέση τιµή της f(t). 0 Παρακάτω δίνονται οι σχέσεις για το συντελεστή συνολικής αρµονικής παραµόρφωσης (THD factor), το συντελεστή αρµονικών (HF) και την RMS τιµή µιας κυµατοµορφής f(t), οι οποίες χρησιµοποιούνται για την εφαρµογή των υπολογισµών της προτεινόµενης σειράς µαθηµάτων µε πολυµέσα : THD(%) της κυµατοµορφής f(t) = Fˆ 3 Fˆ 5 + Fˆ = F +... 3,5,7, 00 = = 00 (4) Όπου, Συντελεστής αρµονικών ( HF ) = Fˆ Fˆ 3 + Fˆ +... = = = + + F RMS τιµή της κυµατοµορφής f(t) F F F 3 +... = F =,, 3 F F (5) (6) - 3 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 F = RMS τιµή της ης αρµονικής συνιστώσας Fˆ = πλάτος της ης αρµονικής συνιστώσας Vˆ ης Î 0, = πλ άτος της αρµονικής συνιστώσας του ρεύµατος = Z Z = R + ( ωl) Επίσης, για τους υπολογισµούς των ισχύων σε ένα φορτίο, το οποίο παρουσιάζει µια καθαρά ηµιτονική κυµατοµορφή τάσης και µια κυµατοµορφή ρεύµατος που περιλαµβάνει αρµονικές συνιστώσες, χρησιµοποιήθηκαν οι ακόλουθες σχέσεις: P = πραγµατική ισχύς = V m I cosϕ Watt (7) = Άεργη ισχύς = V I siϕ VAR (8) S Q m + 0, = Φαινόµενη ισχύς σε σχέση µόνο µε P και Q = P Q VA (9) V D Ισχύς αρµονικών I I I...I = = + + VA (0) m 3 4 + V I S = Φαινόµενη ισχύς σε σχέση µε P,Q και D = m = P + Q + D VA () P V m I I cos V cos ϕ Πραγµατικός συντελεστής ισχύος = = = ϕ () S mi I + I +... I Όπου, I = RMS τιµή της θεµελιώδους αρµονικής συνιστώσας του ρεύµατος, V = RMS τιµή της θεµελιώδους αρµονικής συνιστώσας της τάσης, ϕ = ιαφορά φάσης µεταξύ της θεµελιώδους αρµονικής συνιστώσας της τάσης και του ρεύµατος, I = RMS τιµή του ρεύµατος V m = RMS τιµή της τάσης I = RMS τιµή της ης αρµονικής συνιστώσας του ρεύµατος. Στα συστήµατα ισχύος µια από τις πλέον συνηθισµένες κυµατoµορφές είναι ο τετραγωνικός παλµός, ο οποίος µπορεί να είναι το ρεύµα εισόδου ενός ανορθωτή ή η τάση εξόδου ενός αντιστροφέα. Στο σχήµα 3 παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, που µπορούν να βοηθήσουν τους σπουδαστές να συνθέτουν µια οικογένεια κυµατοµορφών αυτού του τύπου, µε ανάλυση ή σύνθεση σειρών Fourier. Ο χρήστης µε επιλογή ορισµένων αρµονικών συνιστωσών µπορεί να συνθέσει διάφορες κυµατοµορφές. Σχήµα 3. Σχηµατική απεικόνιση µε κίνηση για την ανάλυση αρµονικών τετραγωνικού παλµού. - 4 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 Στο σχήµα 4(α) παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, όπου υπολογίζεται το φάσµα συχνοτήτων της τάσης και του ρεύµατος ενός φορτίου R-L, όταν εφαρµόζεται σ αυτό τετραγωνικός παλµός. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να αλλάζει το εύρος, το πλάτος και τις τιµές των Rκαι L. Επιπλέον, το σχήµα 4(β) δείχνει σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, που υπολογίζουν τον THD και την RMS τιµή των αρµονικών, που περιέχονται στην κυµατοµορφή του τετραγωνικού παλµού. (α) (β) Σχήµα 4. Υπολογισµοί : (α) Αρµονικών συνιστωσών, (β) THD και των περιεχόµενων αρµονικών. Θετικές, αρνητικές και µηδενικές αρµονικές συνιστώσες τάσης είναι εκείνες οι συνιστώσες, οι οποίες όταν εφαρµόζονται σε ηλεκτρικούς κινητήρες µπορούν να δηµιουργούν αρµονικές συνιστώσες ροπής. Αυτές οι αρµονικές - 5 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 συνιστώσες τάσης, οι οποίες έχουν µια ιδιαίτερη συχνότητα, προσπαθούν να περιστρέψουν τον κινητήρα κατά την ορθή φορά, κατά την ανάστροφη ή καθόλου (θερµαίνοντας µόνο τον κινητήρα), αντίστοιχα. Οι αρµονικές συνιστώσες ενός τριφασικού συστήµατος δίνονται από τις σχέσεις : v ( ω t ) = V si( ωt ) (3) Όπου, v v a, = o βαθµός κάθε αρµονικής συνιστώσας =,, 3, b, c, π ( ω t ) = V si ( ωt ) 3 (5) π ( ω t ) = V si ( ωt + ) 3 (6) Οι φασικές τάσεις, ανάλογα µε την τιµή του διαµορφώνουν θετικής, αρνητικής ή µηδενικής ακολουθίας αρµονική συνιστώσα. Όταν = 3k- (k=,, 3, ), τότε οι φασικές τάσεις διαµορφώνουν αρνητικές αρµονικές συνιστώσες, όταν = 3k+ διαµορφώνουν θετικές αρµονικές συνιστώσες και όταν = 3k οι φασικές τάσεις διαµορφώνουν µηδενικές αρµονικές συνιστώσες. Για παράδειγµα οι τριπλές αρµονικές συνιστώσες (π.χ. 3 η, 9 η, 5 η,..) δεν περιστρέφονται (αφού 3x0 ο =0 ο, 3x0 ο =0 ο, 3x40 ο =70 ο =0 ο ) και αυτός είναι ο λόγος που λέγονται µηδενικές. Επιπλέον, οι 5 ες αρµονικές είναι αρνητικές επειδή περιστρέφονται σε αντίθετη κατεύθυνση απ ότι η θεµελιώδης (αφού 5x0 ο =0 ο, 5x0 ο =600 ο =70 ο - 0 ο =-0 ο, 5x40 ο =00 ο =440 ο -40 ο =-40 ο ). Οι 7 ες αρµονικές είναι θετικές, επειδή περιστρέφονται κατά την ίδια κατεύθυνση µε τη θεµελιώδη (αφού 7x0 ο =0 ο, 7x0 ο = 840 ο = 70 ο +0 ο =+0 ο, 7x40 ο =680 ο = 440 ο +40 ο =+40 ο ). Σύµφωνα µε αυτήν την θεωρία κατασκευάστηκαν οι σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση του σχήµατος 5, που µπορούν να βοηθήσουν τους σπουδαστές να κατανοήσουν τη διαφορά µεταξύ των θετικών και των αρνητικών αρµονικών συνιστωσών. Σχήµα 5. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για την περιστροφή των θετικών και αρνητικών αρµονικών σε ηλεκτρικό κινητήρα. Β. Ενεργά φίλτρα Τα σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση και τα διαγράµµατα επιτρέπουν στους σπουδαστές να δουν πραγµατικά, στην οθόνη ενός υπολογιστή, πως λειτουργούν τα ενεργά φίλτρα ισχύος και συνεπώς να τους βοηθήσουν να κατανοήσουν πιο εύκολα το θεωρητικό µέρος της αντίστοιχης ενότητας της ποιότητας ισχύος.. Τέτοιες σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση φαίνονται στα σχήµατα 6 και 7. Τα ενεργά φίλτρα εφαρµόζονται σε συσκευές που χρησιµοποιούν ηµιαγωγούς και ιδιαίτερα σε τοπολογίες αντιστροφέων ηλεκτρονικών ισχύος. Βασικά, υπάρχουν δυο τύποι ενεργών φίλτρων : το παράλληλο, το οποίο τοποθετείται παράλληλα στο δίκτυο εναλλασσόµενου ρεύµατος και το εν σειρά, το οποίο - 6 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 τοποθετείται σε σειρά µε το δίκτυο εναλλασσόµενου ρεύµατος µέσω ενός µετασχηµατιστή. Τα ενεργά φίλτρα χρησιµοποιούνται για την εξάλειψη των αρµονικών της τάσης και του ρεύµατος και για τη βελτίωση του συντελεστή ισχύος. Αυτά τα φίλτρα είναι πολύ δηµοφιλή σήµερα, επειδή µπορούν να εξασφαλίζουν καλές προϋποθέσεις λειτουργίας και µείωση της καταναλισκόµενης ηλεκτρικής ενέργειας σ ένα δίκτυο ισχύος. Στο σχήµα 6 παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση ενός παράλληλου ενεργού φίλτρου, όπου ο χρήστης επιλέγοντας έναν αριθµό από αρµονικές ρεύµατος φορτίου µπορεί να απεικονίσει την αντίστοιχη κυµατοµορφή ρεύµατος, η οποία πρέπει να εισαχθεί στο δίκτυο προκειµένου να αντιµετωπισθούν οι αρµονικές. Σχήµα 6. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για το παράλληλο ενεργό φίλτρο. Στο σχήµα 7 παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις χρησιµοποιείται για τον περιορισµό των αρµονικών τάσης. µε κίνηση ενός εν σειρά ενεργού φίλτρου, το οποίο Σχήµα 7. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για το εν σειρά ενεργό φίλτρο. - 7 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 Και στις δυο σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, το κύριο στοιχείο του ενεργού φίλτρου είναι µια τοπολογία ηλεκτρονικών ισχύος, η οποία µετατρέπει µια συνεχή τάση σε µονοφασική ή τριφασική εναλλασσόµενη και λέγεται αντιστροφέας ισχύος. Γ. Αντιστροφείς ισχύος Όπως αναφέρθηκε στην προηγούµενη ενότητα, το κύριο στοιχείο ενός ενεργού φίλτρου είναι ο αντιστροφέας ισχύος. Στην ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος χρησιµοποιούνται κυρίως δύο τύποι αντιστροφέων : οι τοπολογίες -επιπέδων και πολλαπλών επιπέδων (φασικής τάσης). Οι τοπολογίες -επιπέδων χρησιµοποιούνται σε µέσες τάσεις και σε εφαρµογές µέχρι µέσης ισχύος και δηµιουργούν µια κυµατοµορφή φασικής τάσης εξόδου, η οποία αποτελείται από δύο µόνο επίπεδα τάσης. Οι τοπολογίες πολλαπλών επιπέδων αντιστροφέων, οι οποίες χρησιµοποιούνται σε υψηλές τάσεις και εφαρµογές µεγάλης ισχύος δηµιουργούν µια κυµατοµορφή φασικής τάσης εξόδου µε περισσότερα από δύο επίπεδα. Στα σχήµατα 8, 9, και 0 παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση γι αυτούς τους dc-ac µετατροπείς. Στο σχήµα 8 παρουσιάζονται οι σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση ενός µονοφασικού αντιστροφέα και το λογικό διάγραµµα ροής, το οποίο χρησιµοποιήθηκε. Όπως µπορεί κανείς να δει στο σχήµα 8(α), ο χρήστης µετακινώντας µια κατακόρυφη γραµµή µπορεί να επιλέξει το σηµείο λειτουργίας του αντιστροφέα που τον ενδιαφέρει (τιµή της τάσης και του ρεύµατος εξόδου) και στη συνέχεια µπορεί να δει στην οθόνη τη διαδροµή του ρεύµατος µέσα από τα ηµιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα σ αυτό το σηµείο λειτουργίας. Το σχήµα 8(β) δείχνει το λογικό διάγραµµα ροής των παραστάσεων λειτουργίας του -επιπέδων αντιστροφέα, το οποίο χρησιµοποιήθηκε για την εφαρµογή του λογισµικού των σχηµατικών απεικονίσεων µε κίνηση. (α) - 8 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 INVERTER OPERATION FLOWCHART READ, I Ο VΟ>0, IΟ>0 >0, I Ο<0 VΟ=0, IΟ>0 =0, I Ο<0 VΟ<0, IΟ<0 IGBT, load, IGBT4, V D, load, D4, V IGBT, load, D3 D, IGBT 3, load IGBT3, load, IGBT, V =0, I Ο>0 π<ωt<π VΟ=0, IΟ<0 π<ωt<π <0, I Ο>0 D, load, IGBT 4 D 4, load, IGBT D, load, D 3, V (β) Σχήµα 8. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για µονοφασικό -επιπέδων τάσης ηµιτονικής διαµόρφωσης εύρους παλµών αντιστροφέα πηγής τάσης. (α) Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση (β) Λογικό διάγραµµα ροής των καταστάσεων λειτουργίας του αντιστροφέα. Στο σχήµα 9(α) παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για έναν 5-επιπέδων (πολλαπλών επιπέδων) αντιστροφέα, ο οποίος χρησιµοποιεί τεχνική ελέγχου ηµιτονοειδούς διαµόρφωσης εύρους παλµών (SPWM). Τα επίπεδα της τάσης εξόδου, που δηµιουργούνται από τον 5-επιπέδων SPWM αντιστροφέα είναι 0, +V, +V, -V και -V. (a) - 9 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 MULTILEVEL INVERTER OPERATION FLOWCHART READ, I Ο =V, I Ο <0 =0, I Ο <0 =V, I Ο >0 =V, I Ο >0 =0, I Ο >0 =-V, I Ο >0 =-V, I Ο <0 =-V, I Ο <0 D 5 -D 8 -Load-D -Z 3 D 5 -D 8 -Load-Z -Z 3 Z 5 -Z 8 -Load-D -Z 4 Z 5 -Z 8 -Load-D -Z -Z 4 Z 5 -Z 8 -Load-D -D 3 D 6 -D 7 -Load-D 3 -Z Z 7 -Z 8 -Load-Z -D 4 Z 7 -Z 8 -Load-Z -Z 3 (b) Σχήµα 9. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για µονοφασικό πολλαπλών επιπέδων (5-επιπέδων) αντιστροφέα ηµιτονοειδούς διαµόρφωσης εύρους παλµών. (α) σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση (β) Λογικό διάγραµµα ροής των καταστάσεων λειτουργίας του αντιστροφέα. Όπως µπορεί να δει κανείς στο σχήµα 9(α), αυτός ο αντιστροφέας αποτελείται από δυο αντιστροφείς του σχήµατος 8(α) µε τις εξόδους τους συνδεδεµένες σε σειρά. Προκειµένου να δηµιουργηθούν τα επίπεδα τάσης +V ή -V ο κάτω αναστροφέας λειτουργεί έτσι ώστε για να παραγάγει τα επίπεδα αυτής της τάσης και συγχρόνως ο πάνω αναστροφέας λειτουργεί στη λεγόµενη ανεξάρτητη κατάσταση παρέχοντας µια διαδροµή για το ρεύµα φορτίου µε µηδενική τάση εξόδου. Προκειµένου να δηµιουργηθούν τα επίπεδα τάσης +V ή -V και οι δυο αντιστροφείς λειτουργούν έτσι, ώστε να παράγουν τάση +V ή V ο καθένας έχοντας έτσι συνολική τάση +V ή -V στα άκρα του φορτίου. Προκειµένου να παραχθεί µηδενική τάση, κάθε αντισροφέας πρέπει να λειτουργεί στην ανεξάρτητη κατάσταση, παρέχοντας έτσι µια διαδροµή για την κυκλοφορία του ρεύµατος φορτίου, ενώ ταυτόχρονα παράγουν µηδενικές τάσεις στις εξόδους τους. Ό χρήστης, χρησιµοποιώντας την κατακόρυφη γραµµή µπορεί να επιλέξει το σηµείο λειτουργίας που τον ενδιαφέρει και να παρατηρήσει τη διαδροµή του ρεύµατος και την αγωγιµότητα των ηµιαγωγικών στοιχείων. Στο σχήµα 9(β) παρουσιάζεται το λογικό διάγραµµα ροής των καταστάσεων λειτουργίας του 5-επιπέδων SPWM αντιστροφέα, το οποίο χρησιµοποιείται για την εφαρµογή του λογισµικού σ αυτή την απεικόνιση. Στο σχήµα 0 παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση ενός πολλαπλών επιπέδων (-επιπέδων) αντιστροφέα. Σ αυτά τα σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, ο χρήστης µε επιλογή του σηµείου λειτουργίας που τον ενδιαφέρει µπορεί να παρατηρήσει τις διαδροµές του ρεύµατος και τις αγωγές των ηµιαγωγικών στοιχείων. Η τάση εξόδου των εν σειρά πολλαπλών επιπέδων αντιστροφέων - 0 -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 δίνεται από το άθροισµα των τάσεων που παράγονται από τις επί µέρους µονάδες. Για παράδειγµα στον -επιπέδων αντιστροφέα η παραγόµενη φασική τάση εξόδου είναι : V AN =V +V +V 3 +V 4 +V 5, όπου V, V, V 3, V 4 και V 5 είναι η παραγόµενες τάσεις από τις πέντε µεµονωµένες µονάδες. (α) VAN 5VDC 4VDC 3VDC VDC VDC π π t V5 θ5 V4 θ4 V3 θ3 V θ V θ (β) Σχήµα 0. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για µονοφασικό πολλαπλών επιπέδων (-επιπέδων) αντιστροφέα πηγής τάσης. (α) Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση, (β) Στρατηγική που χρησιµοποιείται για την παραγωγή της φασικής τάσης εξόδου. - -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006. Παθητικά συντονιζόµενα φίλτρα Τα παθητικά συντονιζόµενα φίλτρα, τα οποία εφαρµόζονται µε τη χρήση LC στοιχείων και χρησιµοποιούνται για την αποβολή των αρµονικών συνιστωσών τάσης και ρεύµατος σε ένα σηµείο του δικτύου ηλεκτρικής ισχύος. Υπάρχουν δυο βασικοί τύποι παθητικών συντονιζόµενων φίλτρων : τα εν σειρά LC συντονιζόµενα φίλτρα, τα οποία τοποθετούνται παράλληλα µεταξύ του σηµείου της φάσης που µας ενδιαφέρει και του ουδέτερου της γραµµής εναλλασσόµενου ρεύµατος και τα παράλληλα LC συντονιζόµενα φίλτρα, τα οποία τοποθετούνται σε σειρά µε τη φάση της γραµµής εναλλασσόµενου ρεύµατος. Κάθε εν σειρά LC συντονιζόµενο φίλτρο είναι σχεδιασµένο µε τέτοιο τρόπο, ώστε να αποβάλει µια ιδιαίτερη υψηλής τάξης αρµονική συνιστώσα ρεύµατος και κάθε παράλληλο LC παθητικό συντονιζόµενο φίλτρο είναι σχεδιασµένο έτσι, ώστε να αποβάλει µια ιδιαίτερη υψηλής τάξης αρµονική συνιστώσα τάσης. Στο σχήµα παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για ένα εν σειρά παθητικό φίλτρο, όπου ο χρήστης µπορεί να επιλέξει οποιονδήποτε συνδυασµό παθητικών φίλτρων για εφαρµοστεί στην είσοδο του µη γραµµικού φορτίου και να είναι σε θέση να απεικονίσει το ρεύµα του δικτύου, του φορτίου και του παθητικού φίλτρου. (α) (β) Σχήµα. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για παθητικό συντονιζόµενο φίλτρο. (α) Όλα τα παθητικά φίλτρα είναι απενεργοποιηµένα από το χρήστη (β) Ο χρήστης έχει ενεργοποιήσει τα παθητικά φίλτρα για την 3 η, 5 η, και 7 η αρµονική συνιστώσα - -

Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 006 Ε. Ενεργός ρυθµιστής τάσης Οι ενεργοί ρυθµιστές τάσης είναι αντιστροφείς ισχύος πηγής εναλλασσόµενης τάσης, οι οποίοι συνδέονται σε σειρά µε µια γραµµή ισχύος εναλλασσόµενου ρεύµατος µέσω ενός µετασχηµατιστή ισχύος. Ο αντιστροφέας µαζί µε το µετασχηµατιστή εισάγουν κάθε στιγµή µια κατάλληλη θεµελιώδη αρµονική τάσης, σε ένα συγκεκριµένο σηµείο του δικτύου, για να διατηρήσουν σταθερή την τάση στο φορτίο. Στο σχήµα παρουσιάζονται σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για τον ενεργό ρυθµιστή, όπου ο χρήστης µπορεί να δει τις κυµατοµορφές των τάσεων του ρυθµιστή και του φορτίου. Σχήµα. Σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση για τον ενεργό ρυθµιστή εναλλασσόµενης τάσης. 3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή παρουσιάστηκαν σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση (aimatios) για διάφορες ενότητες του µαθήµατος της ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος. Παρουσιάστηκε και αναλύθηκε ένα σύνολο από σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση στον υπολογιστή, που µπορούν να βοηθήσουν στη διδασκαλία ενοτήτων του µαθήµατος της ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος και ειδικά στις ενότητες, οι οποίες δεν υποστηρίζονται από εργαστηριακές ασκήσεις. Προκειµένου να εφαρµοστούν αυτά τα σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση χρησιµοποιήθηκε λογισµικό, που διατίθεται ελεύθερα στο διαδίκτυο. Αυτές οι σχηµατικές απεικονίσεις µε κίνηση στον υπολογιστή αφορούν στις ενότητες : ανάλυση αρµονικών, ενεργά φίλτρα, αντιστροφείς ισχύος, παθητικά συντονιζόµενα φίλτρα και ενεργός ρυθµιστής τάσης. Τέλος, αυτές οι σχηµατικές απεικονίσεις (aimatios) µε κίνηση παρουσιάστηκαν στους προπτυχιακούς φοιτητές του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Η/Υ και παρατηρήθηκε πολύ θετική ανταπόκριση. 4. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [] Petty I., 999, Visio 00-Educatio i the ext Milleium, i: Hagstrom, A. (Ed.), Egieerig Educatio: Rediscoverig the Cetre (proc. SEFI Aual Cof., Witerthur Zurich, 999), p.p 7-35. [] http://www.abet.org [3] New Egieerig Competecies-Chagig the Paradigm, Proceedigs SEFI Aual Coferece, Copehage, 00. [4] Drofeic U., Kolar J., va Duijse P., Bauer P., New Web-Based Iteractive E-Learig i Power Electroics Electrical Machies. [5] Sulliva, C. R., 003, IEEE PESC 003, Acapulco, Jue 003, p.p. 466-473. [6] Va Duijse P., December 00, Simulatio «aimatio» of power electroics electrical drives, PCIM Europe, p.p. 6-8. [7] http://www.caspoc.com [8] Bauer P., Kolar J.,, Nov/Dec 003, Teachig Power Electroics i Cetury, EPE Joural. [9] Gallis R. M., 004, America Society for Egieerig Educatio Aual Coferece & Expositio. - 3 -