ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σ.Ρ., ΜΕ ΧΡΗΣΗ μc, ΩΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΠΡΟΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΦΟΙΤΗΤΩΝ Ν. Π. Πολύζος (1), Γ. Λ. Καρναβάς (2), Ν. Σχαλέκης (2) (1) Τμήμα Ηλεκτρολογίας, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Α.Τ.Ε.Ι. Κρήτης, Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Ισχύος & Ηλεκτρικής Κίνησης, Τ.Θ.1939, Τ.Κ.710 04, Εσταυρωμένος, Ηράκλειο Κρήτης, τηλ. +30-2810-379886, fax: +30-2810-379786, e-mail: npol@stef.teicrete.gr (2) Τμήμα Ηλεκτρολογίας, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Α.Τ.Ε.Ι. Κρήτης, Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών & Εγκαταστάσεων, Τ.Θ.1939, Τ.Κ.710 04, Εσταυρωμένος, Ηράκλειο Κρήτης, τηλ. +30-2810-379889, fax: +30-2810-379786, e-mail: karnab@stef.teicrete.gr Περίληψη Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται και αναλύεται ένα σύστημα χαμηλού κόστους για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη, το οποίο σήμερα, χρησιμοποιείται ως εργαλείο εκπαίδευσης των προπτυχιακών φοιτητών στο Τμήμα Ηλεκτρολογίας της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών του Ανώτατου Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Κρήτης στα μαθήματα των Ηλεκτρικών Μηχανών και της Ηλεκτρικής Κίνησης. Το πλήρες ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα αποτελείται από ένα κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη, ο οποίος τροφοδοτείται με τη βοήθεια ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ενώ ο έλεγχος του ηλεκτροκινητήριου συστήματος γίνεται με τη χρήση του μικροεπεξεργαστή AVR atmega16 της εταιρείας Atmel. Η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα μετριέται με μία απλή διάταξη χαμηλού κόστους και με τη χρήση κατάλληλων ψηφιακών φίλτρων προσδιορίζεται η πραγματική ταχύτητα περιστροφής του συστήματος. Κατά τη μελέτη και το σχεδιασμό της συγκεκριμένης διάταξης, δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη ενός συστήματος, στο οποίο τα επιμέρους τμήματα, που το αποτελούν, να είναι εμφανώς διαχωρισμένα μεταξύ τους καθώς και να παρέχεται η δυνατότητα διεξαγωγής μετρήσεων σε διάφορα σημεία της διάταξης. Επίσης, αναπτύχθηκε ένας «φιλικός», για το χρήστη, τρόπος επικοινωνίας ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα, με εύκολο τρόπο, της μεταβολής των τιμών σε αρκετές από τις παραμέτρους του συστήματος με αποτέλεσμα να είναι εφικτή η διεξοδική μελέτη της επίδρασης αυτών των μεταβολών στη λειτουργία του διάταξης. Πιο συγκεκριμένα, στο χρήστη παρέχεται η δυνατότητα αλλαγής στη φορά περιστροφής του κινητήρα, μεταβολής στην επιθυμητή τιμή της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα, μεταβολής του χρόνου απόκρισης του συστήματος, μεταβολής του φορτίου, κ.α.. Όλες οι παραπάνω απαιτήσεις ικανοποιήθηκαν, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί ένα εργαλείο εκπαίδευσης το οποίο παρέχει στο σπουδαστή, κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσής του σε εργαστηριακό περιβάλλον, τη δυνατότητα διεξοδικής μελέτης της λειτουργίας και της συμπεριφοράς των ηλεκτρικών κινητήριων συστημάτων συνεχούς ρεύματος με ένα εύκολο και φιλικό τρόπο. Επίσης, στο σύστημα παρέχεται η δυνατότητα της επικοινωνίας με προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω επικοινωνίας RS232 η οποία δίνει τη δυνατότητα απευθείας μεταφοράς μετρήσεων με σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία τους και της καλύτερης εμβάθυνσης της λειτουργίας του συστήματος από τους σπουδαστές. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όπως είναι γνωστό, τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα χρησιμοποιούνται σε μια πολύ ευρεία περιοχή ενεργειακής ισχύος, ενώ οι εφαρμογές τους κυμαίνονται από τα υψηλής απόδοσης και μεγάλης ακρίβειας συστήματα για τον έλεγχο θέσης μέχρι τα συστήματα μεταβλητής ταχύτητας. Σήμερα, στα σύγχρονα πλήρως ελεγχόμενα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα, ανάμεσα στον κινητήρα και στην πηγή ισχύος παρεμβάλλεται ένας κατάλληλης τοπολογίας μετατροπέας με ηλεκτρονικά ισχύος και με τη χρήση μιας κατάλληλης τεχνικής ελέγχου και των απαραίτητων αισθητηρίων ταχύτητας ή/και θέσης επιτυγχάνεται ο επιθυμητός και κατά το δυνατό βέλτιστος έλεγχος του συστήματος. Η ανάπτυξη αυτού του πεδίου έρευνας παρουσιάζει ραγδαία εξέλιξη τα τελευταία χρόνια κυρίως όσον αφορά τις τεχνικές ελέγχου που χρησιμοποιούνται, αλλά και τις τοπολογίες των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Η εξέλιξη αυτή ακολουθεί την τάση για συνεχώς αυξημένες απαιτήσεις στη λειτουργία των ηλεκτροκινητήριων συστημάτων, οι οποίες είναι δυνατό να επιτευχθούν αν εκμεταλλευθούμε τις τεχνολογικές εξελίξεις που έχουν εμφανιστεί τα τελευταία χρόνια στις διαδικασίες παραγωγής και κατασκευής ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος, όσο και την πρόοδο που έχει εμφανιστεί στη μικροηλεκτρονική [1-4]. Οι τρεις κύριες κατηγορίες ηλεκτρικών κινητηρίων συστημάτων που χρησιμοποιούνται είναι τα κινητήρια συστήματα συνεχούς ρεύματος, τα επαγωγικά κινητήρια συστήματα και τα κινητήρια συστήματα με σύγχρονους κινητήρες [5-9]. Η εξέλιξη της τεχνολογίας στα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια, όπως είναι φυσικό, οδηγεί σε αναδιαμόρφωση και εκσυγχρονισμό τόσο της διδακτικής ύλης όσο και του εξοπλισμού των εργαστηρίων που είναι υπεύθυνα για την εκπαίδευση φοιτητών σε συναφή γνωστικά αντικείμενα. Λαμβάνοντας υπόψη όμως, τόσο την περιορισμένη οικονομική ενίσχυση των Ανώτατων Ιδρυμάτων, όσο και το υψηλό κόστος αγοράς ολοκληρωμένων εργαστηριακών συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης, στο Τμήμα Ηλεκτρολογίας της Σχολής -1 -
Τεχνολογικών Εφαρμογών του Ανώτατου Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Κρήτης μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα σύστημα χαμηλού κόστους για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη με τη χρήση μικροεπεξεργαστή, το οποίο σήμερα, χρησιμοποιείται ως εργαλείο εκπαίδευσης των προπτυχιακών φοιτητών. Μεγάλη βαρύτητα, στο σχεδιασμό εργαστηριακών συστημάτων, δίνεται στη δυνατότητα μεταβολής κρίσιμων παραμέτρων κατά τη λειτουργία του συστήματος, στη «ελευθερία» για πραγματοποίηση μετρήσεων σε όσο το δυνατό περισσότερα σημεία του συστήματος, στην ευκολία χρήσης του και φυσικά στην ασφάλεια που παρέχει στον χρήστη. Το προτεινόμενο σύστημα, σχεδιάστηκε με σκοπό να δημιουργηθεί ένα εργαστηριακό εργαλείο εκπαίδευσης, το οποίο να παρέχει στο σπουδαστή, κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσής του σε εργαστηριακό περιβάλλον, τη δυνατότητα διεξοδικής μελέτης της λειτουργίας και της συμπεριφοράς των ηλεκτρικών κινητήριων συστημάτων συνεχούς ρεύματος και να καλύπτει πλήρως τις απαιτήσεις του. Γι αυτό, κατά το σχεδιασμό του συγκεκριμένου συστήματος δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη ενός «φιλικού» για το σπουδαστή συστήματος, ο οποίος κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσής του έχει τη δυνατότητα να κατανοήσει τα επιμέρους τμήματα από τα οποία αποτελείται ένα ολοκληρωμένο κινητήριο σύστημα συνεχούς ρεύματος (κύκλωμα ισχύος, κύκλωμα ελέγχου, κύκλωμα ενίσχυσης παλμών, κύκλωμα μέτρησης της ταχύτητας, κύκλωμα απορρόφησης ενέργειας, κ.α.) ενώ παράλληλα του παρέχεται η δυνατότητα να μελετήσει, σε εργαστηριακό περιβάλλον, την επίδραση της αλλαγής των τιμών σε διάφορες παραμέτρους του συστήματος (αριστερόστροφη-δεξιόστροφη φορά περιστροφής, ταχύτητα απόκρισης του συστήματος, κυμάτωση του ρεύματος οπλισμού, επίδραση φορτίου, κ.α.). Ο μετατροπέα ισχύος επιλέχθηκε να είναι τοπολογίας γέφυρας και ελέγχεται με την τεχνική της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών η οποία παράγεται με τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή AVR atmega16 της εταιρείας Atmel. Με τη βοήθεια του ίδιου μικροεπεξεργαστή επιτυγχάνεται και ο πλήρης έλεγχος του συστήματος, τόσο της ομαλής λειτουργίας όσο και της προστασίας του, καθώς και της διατήρησης των επιθυμητών στροφών στην έξοδο του κινητήριου συστήματος. Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα ισχύος είναι 30kHz ενώ τα κύρια ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι τύπου MOSFET. Επίσης, στο σύστημα παρέχεται η δυνατότητα της επικοινωνίας με προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω επικοινωνίας RS232 η οποία παρέχει τη δυνατότητα απευθείας μεταφοράς μετρήσεων με σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία τους και της καλύτερης εμβάθυνσης της λειτουργίας του συστήματος από τους σπουδαστές. 2. ΣΧΕΔΙΑΣΤΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ Οι σχεδιαστικές απαιτήσεις που τέθηκαν αρχικά κατά τη μελέτη και υλοποιήθηκαν κατά το σχεδιασμό και τη κατασκευή του συγκεκριμένου συστήματος για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη με τη χρήση μικροεπεξεργαστή, λαμβάνοντας υπόψη, ότι θα χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο εκπαίδευσης στα πλαίσια εργαστηριακής άσκησης σε προπτυχιακούς σπουδαστές, μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω: α) Η εκπαίδευση των σπουδαστών κατά τη διεξαγωγή της συγκεκριμένης εργαστηριακής άσκησης εστιάζεται σε τρεις κύριες κατευθύνσεις : στο τρόπο λειτουργίας και ελέγχου των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, στο τρόπο λειτουργίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο κινητήρων συνεχούς ρεύματος και στα πλεονεκτήματα που δίνει η χρήση μικροελεγκτών για την υλοποίηση των απαραίτητων τεχνικών ελέγχου του ολοκληρωμένου συστήματος. β) Το ολοκληρωμένο σύστημα, θα πρέπει να σχεδιαστεί κατάλληλα έτσι ώστε, όλα τα επιμέρους τμήματα που το αποτελούν να είναι τοποθετημένα με τέτοιο τρόπο που να είναι εμφανής, ακόμα και οπτικός, ο διαχωρισμός των διαφορετικών τμημάτων μεταξύ τους. Αυτός ο τρόπος ανάπτυξης του υλικού της διάταξης παρέχει τη δυνατότητα της κατανόησης της λειτουργίας και της αναγκαιότητας ύπαρξης του κάθε τμήματος. γ) Θα πρέπει να παρέχεται στο σπουδαστή η δυνατότητα να διεξάγει μετρήσεις με ασφάλεια χρησιμοποιώντας ένα παλμογράφο τόσο σε διάφορα σημεία της όλης διάταξης όσο ακόμα και σε σημεία των επιμέρους τμημάτων της διάταξης, δυνατότητα που δεν παρέχεται σε έτοιμα συστήματα, με σκοπό τη μελέτη και την εμβάθυνση στη λειτουργία του ολοκληρωμένου συστήματος όσο και της λειτουργίας των επιμέρους τμημάτων. δ) Θα πρέπει να επιλεγεί μία τοπολογία ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος που να παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου του κινητήρα και στα τέσσερα τεταρτημόρια. Για το λόγο αυτό ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος που σχεδιάστηκε είναι τοπολογίας γέφυρας μια και η συγκεκριμένη τοπολογία δίνει τη συγκεκριμένη δυνατότητα ελέγχου με το λιγότερο απαιτούμενο υλικό. Τα κύρια ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος που επιλέχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν είναι τύπου MOSFET, αφού η σχεδίαση εστιάσθηκε στην επίτευξη υψηλής διακοπτικής συχνότητας λειτουργίας (30kHz) με σκοπό να γίνει εμφανής η επίδρασή της στις διαστάσεις του μετατροπέα. ε) Το κύκλωμα επικοινωνίας χρήστη συστήματος θα πρέπει να είναι αρκετά φιλικό και εύχρηστο. Επίσης, θα πρέπει να παρέχει τη δυνατότητα μελλοντικής αλλαγής της τεχνικής ελέγχου του συστήματος χωρίς να είναι απαραίτητες αλλαγές στο υλικό της διάταξης. στ) Το συνολικό κόστος του συστήματος θα πρέπει παραμείνει όσο το δυνατό πιο χαμηλό γίνεται. ζ) Οι τεχνικές, οι τοπολογίες και γενικά ο συνολικός σχεδιασμός του ολοκληρωμένου συστήματος θα πρέπει να είναι σε συμφωνία με τις τεχνικές σχεδιάσης που χρησιμοποιούνται σε σύγχρονα παρόμοια συστήματα. -2 -
3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΛΗΡΟΥΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η βασική δομή του συστήματος που σχεδιάστηκε για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη με τη χρήση μικροεπεξεργαστή και που σήμερα χρησιμοποιείται ως εργαλείο εκπαίδευσης για προπτυχιακούς σπουδαστές σχεδιάζεται στο Σχ. 1. Τα επιμέρους τμήματα από τα οποία αποτελείται το ολοκληρωμένο σύστημα και που χωροταξικά είναι τοποθετημένα σε διαφορετικές περιοχές της συνολικής διάταξης είναι τα ακόλουθα: Σχήμα 1. Δομή ηλεκτροκινητήριου συστήματος υπό μελέτη. Κύκλωμα εισόδου: αποτελείται από τις προστασίες εισόδου από υπέρταση και υπέρρευμα, τα φίλτρα εισόδου και από το μετασχηματιστή (230V/18V, 200VA) που είναι απαραίτητος τόσο για τον υποβιβασμό της τάσης όσο και για ηλεκτρική απομόνωση μια και η συνολική διάταξη θα χρησιμοποιηθεί από σπουδαστές. Κύκλωμα ανόρθωσης και εξομάλυνσης: συνίσταται από τη γέφυρα πλήρους ανόρθωσης με διόδους (200V/12A) και τον πυκνωτή εξομάλυνσης (4700μF/35V) της συνεχούς τάσης. Στη συγκεκριμένη διάταξη δεν είναι απαραίτητη η προστασία από υπέρρευμα κατά την εκκίνηση της λειτουργίας του συστήματος, άρα και η ύπαρξη διάταξης περιορισμού του ρεύματος φόρτισης του πυκνωτή εισόδου, λόγω της χαμηλής τάσης λειτουργίας και της μικρής ισχύος του κυκλώματος, αλλά κατά την διεξαγωγή της εργαστηριακής άσκησης το συγκεκριμένο πρόβλημα αναλύεται. Κύκλωμα ενεργητικής εκφόρτισης: συνίσταται από την εν σειρά σύνδεση ενός ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος τύπου IGBT και μίας αντίσταση εκφόρτισης και όταν διαπιστωθεί τάση στα άκρα του πυκνωτή μεγαλύτερη από τη μέγιστη επιτρεπτή ή κατά τη διακοπή της λειτουργίας του συστήματος το συγκεκριμένο ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος οδηγείται σε κατάσταση αγωγής. Μετατροπέας πλήρους γέφυρας: συνίσταται από 2 ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος τύπου MOSFET p-channel (IRF9530), τα πάνω ημιαγωγικά στοιχεία κάθε κλάδου και από δύο ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος τύπου MOSFET n-channel (IRFZ44N) [10], τα κάτω ημιαγωγικά στοιχεία του κάθε κλάδου της γέφυρας. Η ενίσχυση των παλμών οδήγησης των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος που παράγονται από το κύκλωμα ελέγχου του συστήματος ενισχύονται με χρήση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων HIP4080A [11], τα οποία παράγουν με το κατάλληλο εξωτερικό κύκλωμα τις απαραίτητες απομονωμένες τάσεις που χρειάζονται για την παλμοδότηση των πάνω ημιαγωγικών στοιχείων κάθε κλάδου. Στην έξοδο της γέφυρας συνδέουμε δύο επαγωγές σε σειρά, από μία σε κάθε ακροδέκτη εξόδου, για να περιορίσουμε τις μεταβολές ρεύματος και άρα τις απώλειες που εμφανίζονται στον κινητήρα. Επίσης, στο συγκεκριμένο κύκλωμα εμπεριέχεται και μία πολύ μικρής τιμής (100mΩ) και ακρίβειας (±1%) αντίσταση ισχύος η οποία χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ρεύματος εξόδου μετρώντας, με τη βοήθεια του κυκλώματος ελέγχου, την πτώση τάσεως που εμφανίζεται στα άκρα της. Κύκλωμα ελέγχου του συστήματος: βασικό στοιχείο του είναι ο μικροελεγκτής Atmega16 της εταιρίας ATMEL [12] καθώς και τα περιφερειακά που χρειάζονται για να λειτουργήσει. Ο συγκεκριμένος επεξεργαστής είναι υπεύθυνος για τη λειτουργία του πλήρους συστήματος, δηλ. για το προσδιορισμό των απαιτήσεων του χρήστη που δίνονται από το κύκλωμα επικοινωνίας, τη σωστή μέτρηση πραγματικών στροφών και την ασφαλή οδήγηση του συστήματος στις επιθυμητές συνθήκες λειτουργίας παράγοντας τους κατάλληλους παλμούς τύπου διαμόρφωσης του εύρους των παλμών για τη οδήγηση των ημιαγωγικών στοιχείων του κυκλώματος ισχύος του συστήματος. Επίσης, σ αυτό το κύκλωμα συμπεριλαμβάνονται και όλες οι απαραίτητες διατάξεις που απαιτούνται για την ασφαλή και σωστή διασύνδεση του κυκλώματος ελέγχου με τα υπόλοιπα κυκλώματα που απαιτείται να διασυνδεθεί. Κύκλωμα επικοινωνίας μεταξύ συστήματος και χρήστη: ο χρήστης επικοινωνεί με το σύστημα με τέσσερα κουμπιά και ένα ροοστάτη ενώ σε ένα display εμφανίζονται συνεχώς οι πραγματικές στροφές του συστήματος. Η σημασία του κάθε κουμπιού στη συμπεριφορά του συστήματος έχει ως εξής: ένα προσδιορίζει την εκκίνηση ή το τερματισμό της λειτουργίας του συστήματος, ένα τη φορά περιστροφής του κινητήρα (αριστερόστροφη-δεξιόστροφη), τα υπόλοιπα δύο -3 -
προσδιορίζουν το ρυθμό μεταβολής του λόγου κατάτμησης και επομένως την ταχύτητα απόκρισης του κινητήρα. Με κατάλληλη επιλογή μπορούμε να επιλέξουμε υποδιπλασιασμό ή διπλασιασμό του προκαθορισμένου ρυθμού μεταβολής του λόγου κατάτμησης. Επίσης, με το ροοστάτη μπορούμε να επιλέξουμε, με αναλογικό τρόπο, την επιθυμητή ταχύτητα του συστήματος. Κύκλωμα μέτρησης των στροφών: για τη μέτρηση των στροφών έγινε μηχανική σύνδεση μιας μικρής μηχανής συνεχούς ρεύματος με μόνιμο μαγνήτη στον άξονα του κινητήρα με αποτέλεσμα να παράγεται μία συνεχή τάση ανάλογη με την ταχύτητα περιστροφής (1,5Volt στις 1500στροφές/λεπτό) και με την χρήση κατάλληλων ψηφιακών φίλτρων επιτυγχάνεται ακρίβεια στη μέτρηση των στροφών ±1%, όπου για τις ανάγκες της διάταξης το συγκεκριμένο σφάλμα δεν αποτελεί μειονέκτημα. Επίσης, στο κύκλωμα αυτό εμπεριέχεται και το απαραίτητο υλικό για να οδηγείται, ανεξάρτητα από τη φορά περιστροφής του κινητήρα, στο κύκλωμα ελέγχου τάση σταθερής πολικότητας. Φορτίο: ως φορτίο στην έξοδο του κινητήρα συνδέθηκε με μηχανικό τρόπο μία ακριβώς όμοια μηχανή η οποία λειτουργεί ως γεννήτρια και μας παρέχει τη ικανότητα φόρτισης του κινητήρα. Για τις ανάγκες της λειτουργίας του συστήματος που κατασκευάστηκε για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη με τη χρήση μικροεπεξεργαστή απαιτήθηκε η ανάπτυξη ενός κατάλληλου λογισμικού. Το απλοποιημένο συνολικό διάγραμμα ροής της τεχνικής ελέγχου που αναπτύχθηκε με σκοπό τον έλεγχο των στροφών του κινητήρα φαίνεται στο Σχ. 2. Σχήμα 2. Απλοποιημένο διάγραμμα ροής της τεχνικής ελέγχου. -4 -
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας που επιτεύχθηκε για τη λειτουργία του ηλεκτρονικού μετατροπέα τύπου γέφυρας είναι 30kHz. Η λογική της τεχνικής ελέγχου έχει ως εξής: Κατά την τροφοδότηση του συστήματος, γίνονται οι κατάλληλες αρχικοποιήσεις στους καταχωρητές του συστήματος και ανιχνεύεται η επιθυμητή φορά περιστροφής για να καθοριστεί η δυάδα των ημιαγωγικών στοιχείων που θα πρέπει να μπει σε κατάσταση αγωγής. Έπίσης, διαμορφώνεται το κατάλληλο υλικό με αποτέλεσμα να μετρούνται οι στροφές εξόδου από το κύκλωμα ελέγχου με τη σωστή πολικότητα. Μόλις δοθεί σήμα για την εκκίνηση του συστήματος και με βάση τον επιθυμητό ρυθμό μεταβολής του λόγου κατάτμησης και τις επιθυμητές στροφές το κύκλωμα ελέγχου παλμοδοτεί κατάλληλα τα ημιαγωγικά στοιχεία και οδηγεί το σύστημα σε ισορροπία. Σε οποιαδήποτε ενδεχόμενη μεταβολή είτε στο φορτίο είτε στις επιθυμητές στροφές, ο λόγος κατάτμησης αυξάνεται ή ελαττώνεται κατάλληλα και το σύστημα οδηγείται σε νέα ισορροπία. Σε εντολή για διακοπή της λειτουργίας το κύκλωμα εκτελείται η ίδια διαδικασία θεωρώντας όμως ότι οι επιθυμητές στροφές είναι μηδενικές. Αλλαγή της φοράς περιστροφής, αντιμετωπίζεται από το σύστημα ως διπλή εντολή δηλαδή πρώτα ως εντολή διακοπής της λειτουργίας τους συστήματος και όταν μηδενιστούν οι στροφές ως εντολή με αντίθετη φορά περιστροφής στις ίδιες επιθυμητές στροφές. Αρκετό ενδιαφέρον παρουσιάζεται, τόσο στο τρόπο μέτρησης της πραγματικής ταχύτητας όσο και στην λειτουργία σε υπερφόρτιση του συστήματος. Για επιτευχθεί ικανοποιητική ακρίβεια στη μέτρηση της ταχύτητας και εξαιτίας της ιδιότυπης, αλλά πολύ χαμηλού κόστους διάταξης που χρησιμοποιήθηκε, απαιτήθηκε η χρήση ενός κατάλληλου ψηφιακού φίλτρου. Ακόμα για λόγους προστασίας του συστήματος, επιλέχθηκε μόλις ανιχνεύεται τιμή ρεύματος μεγαλύτερη από τη μέγιστη να διακόπτονται οι παλμοί οδήγησης ακαριαία και να ξαναδίνονται στην επόμενη περίοδο. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας δεν επιτρέπει το σύστημα να φθάσει στις επιθυμητές στροφές όταν φορτίζεται με μεγαλύτερο φορτίο από το ονομαστικό του. Επίσης, στο σύστημα παρέχεται η δυνατότητα της επικοινωνίας με προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω επικοινωνίας RS232 η οποία δίνει τη δυνατότητα απευθείας μεταφοράς μετρήσεων με σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία τους και της καλύτερης εμβάθυνσης της λειτουργίας του συστήματος από τους σπουδαστές. Τέλος, δίνεται η δυνατότητα μελλοντικής αλλαγής της τεχνικής ελέγχου του συστήματος χωρίς να είναι απαραίτητες αλλαγές στο υλικό της διάταξης. 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στα επόμενα σχήματα παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που αποκτήθηκαν από τη λειτουργία του συστήματος που κατασκευάστηκε για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη με τη χρήση μικροεπεξεργαστή κατά τη διάρκεια διεξαγωγής των αντίστοιχων εργαστηριακών ασκήσεων από σπουδαστές του Τμήματος Ηλεκτρολογίας του Α.Τ.Ε.Ι. Κρήτης. Πιο αναλυτικά, στο Σχ. 3(α) φαίνονται, στο κανάλι 1 οι παλμοί οδήγησης για το ημιαγωγικό στοιχείο Α+ (V GS ) ενώ στο κανάλι 2 η τάση που εμφανίζεται στα άκρα του ίδιου ημιαγωγικού στοιχείου V DS για λειτουργία με 700στρ/min. Για την ίδια κατάσταση λειτουργίας, στο Σχ. 3(β), φαίνεται η τάση στα άκρα του κινητήρα V A B. Στα Σχ. 3(γ) και 3(δ) για την ίδια κατάσταση λειτουργίας φαίνεται το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης στα άκρα του κινητήρα V A B καθώς και το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος που διαρρέει τον κινητήρα, αντίστοιχα. Από αυτά τα δύο σχήματα παρατηρείται το μεγάλο αρμονικό περιεχόμενο που εμφανίζεται στην τάση του κινητήρα σε αντίθεση με το μειωμένο αρμονικό περιεχόμενο που εμφανίζεται στο ρεύμα εξαιτίας των επαγωγών του κυκλώματος. Στα Σχ. 3(ε) και 3(στ) φαίνεται ο τρόπος μεταβολής των πραγματικών στροφών περιστροφής κατά την αλλαγή της λειτουργίας του κινητήρα από 700στρ/min (δεξιόστροφη φορά περιστροφής) σε - 700στρ/min (αριστερόστροφη φορά περιστροφής) με ρυθμό μεταβολής του λόγου κατάτμησης στη μέγιστη (Σχ.3(ε)) και στην ελάχιστη (Σχ. 3(στ)) τιμή, αντίστοιχα. Από τη μελέτη των τελευταίων δύο κυματομορφών, παρατηρείται ο τρόπος επίδρασης του ρυθμού μεταβολής του λόγου κατάτμησης στην απόκριση του συστήματος. Στο Σχ. 4(α), στο κανάλι 1 βλέπουμε τη μεταβολή των πραγματικών στροφών του συστήματος, ενώ στο κανάλι 2 τη μεταβολή της τιμής των επιθυμητών στροφών. Από το συγκεκριμένο παλμογράφημα διαπιστώνεται ότι η ταχύτητα με την οποία το σύστημα ακολουθεί τη μεταβολή των επιθυμητών στροφών είναι αρκετά καλή. Στο Σχ. 4(β), φαίνεται πως επηρεάζονται οι πραγματικές στροφές του συστήματος σε απότομες μεταβολές του φορτίου. Ακόμα, στο Σχ. 4(γ), φαίνεται πως συμπεριφέρεται το σύστημα όταν φορτιστεί με μεγαλύτερο φορτίο από το ονομαστικό, όπου σ αυτή τη περίπτωση ανάλογα με το ποσοστό υπερφόρτισης, ενεργοποιείται η προστασία υπερρεύματος με αποτέλεσμα να περιορίζεται ο μέγιστος επιτρεπτός λόγος κατάτμησης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ελαττώνεται η τάση εξόδου του μετατροπέα και φυσικά και ο αριθμός στροφών περιστροφής του κινητήρα, με συνέπεια την αδυναμία επίτευξης ισορροπίας. Τέλος, στο Σχ. 4(δ), στο κανάλι 1 απεικονίζεται κατά τη χρονική στιγμή της σβέσης του ημιαγωγικού στοιχείου Α+, η τάση που εμφανίζεται στα άκρα του (V DS ), ενώ στο κανάλι 2, απεικονίζεται η κυματομορφή της τάσης στη πύλη του (V GS ). -5 -
(α) (β) (γ) (δ) (ε) (στ) Σχήμα 3. Επιλεγμένες κυματομορφές κατά τη λειτουργία του συστήματος. -6 -
(α) (β) (γ) (δ) Σχήμα 4. Επιλεγμένες κυματομορφές κατά τη λειτουργία του συστήματος. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σκοπός αυτής της εργασίας ήταν να παρουσιαστεί και να αναλυθεί πλήρως ένα σύστημα χαμηλού κόστους για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη, το οποίο σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε με σκοπό να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο εκπαίδευσης των προπτυχιακών φοιτητών τους Τμήματος Ηλεκτρολογίας της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών του Ανώτατου Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Κρήτης στα μαθήματα των Ηλεκτρικών Μηχανών και της Ηλεκτρικής Κίνησης. Τόσο οι απαιτήσεις που προκύπτουν λόγω εκπαιδευτικών αναγκών από ένα σύστημα που χρησιμοποιείται ως εργαλείο εκπαίδευσης, όσο και ο τρόπος ανάλυσης και σχεδίασης του συγκεκριμένου συστήματος αναλύθηκαν εκτενώς. Οι δυνατότητες που παρέχονται στους χρήστες του συγκεκριμένου συστήματος φάνηκαν εκτενώς, ενώ τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τη λειτουργία της διάταξης. Τα αποτελέσματα, από την διεξαγωγή εργαστηριακών ασκήσεων με τη βοήθεια της εν λόγω διάταξης, παρά το μικρό χρονικό διάστημα εφαρμογής, είναι αρκετά ενθαρρυντικά και φαίνονται από το ιδιαίτερο ενδιαφέρον που παρουσιάζεται από τους σπουδαστές κατά τη διάρκεια διεξαγωγής της συγκεκριμένης εργαστηριακής άσκησης. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Van Wyk J.D., Skudenly H.Ch., Muller-Hellmann A., Power Electronics, control of the electromechanical energy convertion process and some applications, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. IE-36, no.3, August 1989, pp.403-412. -7 -
[2] Bose B.K., Introduction to Power Electronics, Modern Power Electronics, Evolution, Technology and Applications edited by Bose B.K., IEEE Press, 1992. [3] Nishihara M., Power Electronics Diversity, International Power Electronics Conference(IPEC 90), vol.1, April 1990, pp.21-28. [4] Hingorani N.G., Power Electronics in Electric Utilities: Role of Power Electronics in Future Power Systems, Proceedings of the IEEE, vol.76, no.4, April 1988, pp.311-334. [5] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics: Converters Applications and Design, John Willey & Sons, New York, USA, 1989. [6] Bose B.K., Technology Trends in Microcomputer Control of Electrical Machines, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. IE-35, no.1, February 1988, pp.160-177. [7] Leonhard W., Adjustable-Speed AC Drives, Proceedings of the IEEE, vol.76, no.4, April 1988, pp.455-471. [8] Sen P.C., Principles of Electric Machines and Power Electronics, John Wiley,, New York, USA, 1995. [9] Leonhard W., Control of Electrical Machines, John Wiley,, New York, USA, 1996. [10] http://www.irf.com [11] http://www.atmel.com [12] http://www.intersil.com -8 -