«Εξελίξεις στην Ηλεκτρομηχανική Μετατροπή Ενέργειας, Παρελθόν Παρόν Μέλλον» Αθανάσιος Ν. Σαφάκας Ομότιμος Καθηγητής Δρ.- Μηχανικός Πανεπιστήμιο Πατρών email: a.n.safacas@ece.upatras.gr url: www.lemec.ece.upatras.gr/users/safacas IEEE POWER & ENERGY SOCIETY, GREECE CHAPTER Πάτρα, Αίθουσα τελετών του Πανεπιστημίου Πατρών, 13 Απριλίου 2011-1 -
Θεματικά αντικείμενα: 1. Σύντομη ιστορική ανασκόπηση 2. Βασική δομή συστήματος Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (Η.Μ.Ε.) 3. Θεμελιώδεις νόμοι ηλεκτρομαγνητισμού και ηλεκτροδυναμικής 4. Εξελίξεις στο σχεδιασμό και στην κατασκευή ηλεκτρικών μηχανών και μετασχηματιστών υλικά, μονώσεις, ψύξη, δείκτες: ισχύς/βάρος και απόδοση 5. Έλεγχος λειτουργικής συμπεριφοράς εφαρμογές ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και μικροϋπολογιστικών διατάξεων Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 2 -
6. Ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα εφαρμογές στη βιομηχανία και στα μέσα μεταφορών 7. Συστήματα Η.Μ.Ε. και Α.Π.Ε. 8. Ηλεκτρικές μηχανές πολύ μεγάλης και πολύ μικρής ισχύος 9. Εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας στις ηλεκτρικές μηχανές 10. Διαφαινόμενες μελλοντικές εξελίξεις 11. Εκπαιδευτικοί και ερευνητικοί στόχοι Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 3 -
1. Ιστορικά γεγονότα: Η σύγχρονη ζωή της ανθρωπότητας θα ήταν αδιανόητη χωρίς την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τη μετατροπή της σε άλλες μορφές (π.χ. φωτισμός, μηχανικό έργο). Η ηλεκτρική ενέργεια, κατά το μέγιστο μέρος, παράγεται μέσω ηλεκτρικών μηχανών (εξαιρούνται οι φωτοβολταϊκές πηγές και οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές). Η ενέργεια αυτή κατά πολύ μεγάλο μέρος μετατρέπεται σε μηχανικό έργο επίσης μέσω των ηλεκτρικών μηχανών (σ αυτή τη συνολική διαδικασία συμμετέχουν και οι μετασχηματιστές ακίνητες μηχανές). Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 4 -
1825 ανακάλυψη του ηλεκτρομαγνήτη από τον Άγγλο W. STURGEON. 1831 ανακάλυψη του νόμου της μαγνητικής επαγωγής από τον Άγγλο M. FARADAY, κατασκευή μετασχηματιστή. 1832 πρώτη μηχανή εναλλασσόμενου ρεύματος από τον Ιταλό S. DAL NEGRO, πρώτη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος από το Γάλλο H. PIXII. 1833 ανακάλυψη του συλλέκτη από τον Άγγλο W. RITCHIE, ο Γερμανός H.F.E. LENZ ανακάλυψε το νόμο της αντιστρεψιμότητας, κινητήρας γεννήτρια. 1843 ο Γερμανός E. STOEHRER κατασκεύασε την πρώτη μηχανή με πολλούς πόλους. 1856 ο Γερμανός W. SIEMENS κατασκεύασε τύμπανο με αυλακώσεις. 1860 ο Ιταλός Α. PACINOTTI κατασκεύασε μία ολοκληρωμένη μηχανή συνεχούς ρεύματος και ακολούθησαν πολλές και σημαντικές εξελίξεις στις μηχανές αυτού του είδους. 1866 ο W. SIEMENS ανακάλυψε τη δυναμοηλεκτρική αρχή θέτοντας τις βάσεις για τη δημιουργία των μεγάλων ηλεκτρικών μηχανών. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 5 -
1883 ο ELLHU THOMSON ανέδειξε ότι ένα επαγωγικό τύμπανο με συλλέκτη και ψήκτρες μπορεί να περιστρέφεται εντός εναλλασσομένου μαγνητικού πεδίου εφαρμογή στον κινητήρα «Repulsion motor». 1885 o Ιταλός GALILEO FERRARIS κατασκεύασε ένα μοντέλο ασύγχρονου πολυφασικού κινητήρα. 1887 ο Γερμανός F.A. HASELWANDLER κατασκεύασε μία τριφασική σύγχρονη με δακτυλοειδές τύμπανο. ο Γιουγκοσλάβος NICOLA TESLA κατασκεύασε ένα διφασικό επαγωγικό κινητήρα. ο Άγγλος BRANDLEY ανέπτυξε μία πολυφασική γεννήτρια με δακτυλοειδές τύμπανο με σημεία σύνδεσης. 1889 ο Γερμανός M. v. DOLIVO DOBROVOLSKY κατασκεύασε τον πρώτο τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα με κλωβό. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 6 -
Οι παραπάνω ημερομηνίες αποτελούν ορόσημα στην εξέλιξη των μέσων της ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας. Τα αναφερθέντα ονόματα παραπέμπουν στους θεμελιωτές αυτής της φυσικοτεχνικής ενεργειακής διαδικασίας. Ασφαλώς, πολλοί άλλοι ερευνητές είχαν μεγάλη συμβολή στην ανάπτυξη των στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών καθώς και των μετασχηματιστών. Από τότε υπήρξαν ραγδαίες εξελίξεις, οι οποίες συνεχίζονται επί των ημερών μας και θα συνεχίζονται στο μέλλον. (Κύρια πηγή πληροφόρησης: «Elektrische Maschinen, Th. Boedefeld und H. Sequenz».) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 7 -
2. Βασική σχηματική δομή συστήματος Η.Μ.Ε. α) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 8 -
β) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 9 -
Απαιτήσεις από τις ηλεκτρικές μηχανές: α) Επιτυχής διαδικασία μετατροπής ισχύος (αύξηση αξιοπιστίας) β) Υψηλός βαθμός απόδοσης (μείωση απωλειών) γ) Υψηλός δείκτης εκμετάλλευσης (βέλτιστη διαστασιολόγηση και χρήση προηγμένων υλικών) [Στη διαδικασία σχεδιασμού χρησιμοποιείται ο λόγος ] Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 10 -
3. Οι θεμελιώδεις νόμοι ηλεκτρομαγνητισμού και ηλεκτροδυναμικής αποτελούν τη βάση για τη δημιουργία των ηλεκτρομηχανικών μετατροπέων ενέργειας. 1) Εξισώσεις Maxwell: α) β) 2) Εξίσωση ηλεκτρομαγνητικής δύναμης Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 11 -
3) Γενική εξίσωση ενέργειας: Στο στοιχειώδη όγκο dv ενός σώματος συσσωρεύεται ενέργεια: 1 Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 12 -
4) Εξίσωση ενεργειακού ισολογισμού ενός ηλεκτρομηχανικού μετατροπέα: εισερχόμενη ηλεκτρική ενέργεια = ωμικές απώλειες + μεταβολή της μαγνητικής ενέργειας + μηχανική ενέργεια (υπόθεση: κίνηση στον άξονα χ) 5) Συσσωρευμένη μαγνητική ενέργεια σε ένα χώρο όπου επικρατεί ηλεκτρομαγνητικό πεδίο: 1 πυκνότητα μαγνητικής ενέργειας στο στοιχειώδη όγκο dv μαγνητική ενέργεια στον όγκο V Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 13 -
6) Ηλεκτρομαγνητική ροπή: 7) Από τους Νόμους του Maxwell προκύπτουν: 7.1) Νόμος διαρρεύματος 7.2) Νόμος επαγωγής 8) Ορισμός του διανυσματικού δυναμικού: Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 14 -
4. Εξελίξεις στο σχεδιασμό, στην κατασκευή και στη συντήρηση ηλεκτρικών μηχανών και μετασχηματιστών: Νέες δυνατότητες σχεδιασμού και υπολογισμών (π.χ. ανάλυση ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων) Νέα υλικά. Εκτός από τα γνωστά μονωτικά εμφανίστηκαν τα νανοδομημένα διηλεκτρικά με αυξημένη διηλεκτρική αντοχή. Επίσης, προέκυψαν νέα μαγνητικά υλικά υψηλής ενέργειας, όπως «Neodym Eisen Bor (NdFeB)» που καθιστούν δυνατή τη δημιουργία ισχυρών μόνιμων μαγνητών κ.λ.π. Η εξελιγμένη μοντελοποίηση και η χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών οδήγησαν σε βελτίωση της διαστασιολόγησης, μείωση του όγκου και του βάρους, μείωση του κόστους και αύξηση του βαθμού απόδοσης. Νέοι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων με ευνοϊκές επιπτώσεις στην έγκαιρη αντιμετώπιση αυτών με αποτέλεσμα την επιμήκυνση της εύρυθμης λειτουργίας και τη μείωση δαπανών. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 15 -
Στα αγώγιμα και στα ηλεκτρομαγνητικά υλικά έχουν σημειωθεί αξιόλογες εξελίξεις, όπως οι φερίτες για χρήση σε διατάξεις μικρής ισχύος. Βελτιστοποίηση της ψύξης, όπως η μετάβαση από την ψύξη με αέρα στην ψύξη με νερό οδηγεί στην αυξημένη εκμετάλλευση των τυλιγμάτων. Νέες τεχνολογίες εφαρμόζονται στην έδραση όπως είναι η χρήση ατρακτοειδών εδράνων με κεραμικές μπάλες αντί μπάλες από ατσάλι, μειώνοντας έτσι το μέγεθος και επιτυγχάνοντας υψηλότερες στροφές. Επίσης, έχει αναπτυχθεί η μαγνητική έδραση, όπου αποφεύγεται η επαφή υλικών, με χρήση ελεγχόμενων ηλεκτρομαγνητών. Αυτή η έδραση επιτρέπει την επίτευξη πολύ μεγάλου αριθμού στροφών π.χ. 40000 min -1. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 16 -
Δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα: α) Σύγκριση τεχνικών χαρακτηριστικών δύο αερόψυκτων ασύγχρονων μηχανών του ίδιου κατασκευαστή (στοιχεία από τους καταλόγους μεγάλου κατασκευαστή): Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 17 -
Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 18 -
β) Σύγκριση δύο σύγχρονων κινητήρων μεγάλης ροπής - μικρής ταχύτητας, ένας με κατανεμημένο τύλιγμα διέγερσης και ελεγχόμενο ρεύμα διέγερσης ανάλογα με το φορτίο (παλαιά κατασκευή) και ένας με μόνιμο μαγνήτη στο δρομέα (νέα κατασκευή): Η νέα κατασκευή προσφέρεται με δύο είδη ψύξης, αερόψυκτος κινητήρας και υδρόψυκτος κινητήρας (Στοιχεία από καταλόγους μεγάλου κατασκευαστή) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 19 -
Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 20 -
Διαπιστώσεις: Από το 1973 μέχρι το 2007 παρατηρείται σημαντική αύξηση του λόγου α = ισχύς / βάρος. Για τις ασύγχρονες μηχανές: α = 137 210 αύξηση Δα 53% Για τις σύγχρονες μηχανές: α = 198 216 288 αύξηση Δα 9% 45% Επίσης: καινοτομίες στην ψύξη και στη διέγερση. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 21 -
Πανεπιστήμιο Πατρών Τα σύγχρονα εργαλεία μοντελοποίησης των στρεφόμενων μηχανών και των μετασχηματιστών και τα εργαλεία ανάλυσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου βοήθησαν πολύ στην επίτευξη του εξελιγμένου σχεδιασμού και των ακριβέστερων υπολογισμών των κατασκευαστικών και των λειτουργικών μεγεθών. Έτσι γίνεται καλύτερη εκμετάλλευση των υλικών και μειώνονται οι διαστάσεις με προφανή τα οφέλη. Παρουσιάζεται ένα σύντομο video που δημιουργήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής ενέργειας από Υποψήφιο Διδάκτορα. Φαίνονται τα βήματα ακριβούς υπολογισμού του μαγνητικού πεδίου σε συνδυασμό με τις δυνατότητες αλλαγών της γεωμετρίας (π.χ. των αυλακώσεων) και γρήγορης μελέτης των κατασκευαστικών θεμάτων. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 22 -
5. Έλεγχος της Λειτουργικής συμπεριφοράς των ηλεκτρικών μηχανών μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και μικροϋπολογιστικών διατάξεων Η εφεύρεση του θυρίστορ το έτος 1958 (δέκα χρόνια αργότερα από την εφεύρεση του τρανζίστορ 1948) και η ταχύτατη διάδοσή του στις διάφορες εφαρμογές και κυρίως για τον έλεγχο των ηλεκτρικών μηχανών σήμανε μια «επανάσταση» στον τομέα της ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας. Δημιουργία των σύγχρονων ηλεκτρικών κινητηρίων συστημάτων, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να εκτελούν πολύπλοκες και «έξυπνες» κινήσεις γρήγορα, με αυξημένο βαθμό απόδοσης και μεγάλη αξιοπιστία. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 23 -
Οι εξελίξεις των ηλεκτρικών, ηλεκτρονικών και μηχανικών συνιστωσών που συνθέτουν τα διάφορα σύγχρονα κινητήρια συστήματα οδήγησαν στη δημιουργία ενός νέου επιστημονικού κλάδου που ονομάζεται «ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ». Με τη χρήση διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος διαφόρων τοπολογιών, εξελιγμένων ηλεκτρικών κινητήρων, νέων μετρητικών διατάξεων, κατάλληλων αισθητήρων, βελτιστοποιημένων μηχανικών στοιχείων και εφαρμόζοντας τις σύγχρονες μεθόδους αυτομάτου ελέγχου, δημιουργήθηκαν κινητήρια συστήματα ικανά να ανταποκριθούν σε κάθε επιθυμητή λειτουργία της εκάστοτε εφαρμογής. Το γεγονός αυτό προκάλεσε σημαντικές αλλαγές στις βιομηχανικές υποδομές παραγωγής ποικίλων προϊόντων καθώς και στη δημιουργία νέων συστημάτων κίνησης των μεταφορικών μέσων. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 24 -
Έχουν δημιουργηθεί συστήματα ηλεκτρικής κίνησης με υψηλές ροπές, συστήματα με υψηλό αριθμό στροφών, καθώς και συστήματα με υψηλές στροφές και μεγάλη ισχύ. Τα συστήματα αυτά ελέγχονται με μεγάλη ακρίβεια, αξιοπιστία, υψηλό βαθμό απόδοσης και χαρακτηρίζονται από μείωση του λειτουργικού κόστους. Υπάρχουν βιομηχανικά κινητήρια συστήματα της τάξεως των MW (π.χ. τσιμεντοβιομηχανία, αντλιοστάσια, μεταλλοβιομηχανία κ.λ.π.). Χρησιμοποιούνται ελεγχόμενα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα μεγάλης ισχύος σε πλοία, τρένα, σε μετατροπείς αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με απευθείας μηχανική ζεύξη του ανεμοκινητήρα με την ηλεκτρική γεννήτρια, δηλαδή χωρίς ενδιάμεσο μηχανισμό διαβίβασης της κίνησης κ.λ.π. Μεγάλη διείσδυση θα έχουν στην επερχόμενη ηλεκτροκίνηση των οδικών οχημάτων (υβριδικών και αμιγώς ηλεκτροκίνητων). Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 25 -
Ηλεκτρονικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος: IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ενσωματωμένα 6 στοιχεία Οριακές τιμές: 6,5 kv (750 A, V CEsat = 4,5 V, t d(on) + t r + t f + t d(off) = 7390 ns), 3,6 ka (1,7 kv, V CEsat = 3 V, ) IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) (Πηγή: ΑΒΒ κατάλογος 2011) Οριακές τιμές: (6 kv, 2,03 ka), (4 kv, 3,8 ka) t d(on) + t d(on)sf + t r + t d(off)sf + t d(off) = 27 μs Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 26 -
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) GTO (Gate Turn Off) Thyristor Thyristor (Πηγή: ΑΒΒ, IR, ST κατάλογοι 2011) Οριακές τιμές: 1,5 kv, 4 A, t d(on) + t r + t f + t d(off) = 155 ns 24 V, 429 A, t d(on) + t r + t f + t d(off) = 438 ns Οριακές τιμές: 4,5 kv, 4 ka, t (on) + t (off) = 200 μs I GQM = 1100 A (ρεύμα σβέσης) Οριακές τιμές: 8,5 kv, 3,15 ka, t q = 1080 μs (I TRM = 2 ka) 8,625 ka, 2,8 kv, t q = 400 μs (I TRM = 2 ka) Fast Thyristor: 3 kv, 1,112 ka, t q = 100 μs 1,4 kv, 0,568 ka, t q = 8 μs Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 27 -
Μικροϋπολογιστικές διατάξεις : Παράδειγμα χαρακτηριστικών μεγεθών: Πλακέτα με μικροεπεξεργαστή και διάφορα ψηφιακά και αναλογικά κυκλώματα (Evaluation Board) Αρχιτεκτονική: 16bit, Ταχύτητα CPU: 30 MIPS, RAM: 2kB, Εσωτερικός ταλαντωτής: 7,37 MHz, Τύπος μνήμης: Flash, Αριθμός καναλιών για λειτουργία PWM: 6 Με τους μικροεπεξεργαστές παράγονται επιθυμητές παλμοσειρές για την οδήγηση ηλεκτρονικών διακοπτικών στοιχείων ισχύος, π.χ. με μεθόδους PWM, SPVM, Hysteresis mode. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 28 -
Βασική δομή τυπικών ηλεκτρονικών μετατροπέων: α) Κανονική τοπολογία β) Τοπολογία συντονισμού Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 29 -
γ) Τοπολογία πολλών επιπέδων (Πηγή: Muhammad Rashid, Power Electronics Handbook, Elsevier 2007) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 30 -
δ) Τοπολογία Matrix (Πηγή: Muhammad Rashid, Power Electronics Handbook, Elsevier 2007) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 31 -
Κάθε τοπολογία παρουσιάζει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα όπως: απώλειες βαθμός απόδοσης πρόκληση ανώτερων αρμονικών στο δίκτυο αναγκαιότητα φίλτρων αναγκαιότητα αέργου ισχύος δυνατότητα αντιστροφής ενέργειας αξιοπιστία δημιουργία ρευμάτων στα έδρανα της μηχανής Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 32 -
Χαρακτηριστικές κυματομορφές τάσεως και ρεύματος σε μια ασύγχρονη μηχανή ελεγχόμενη μέσω αντιστροφέα με τη μέθοδο SPVM: (Αποτελέσματα προσομοίωσης) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 33 -
6. Ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα εφαρμογές στη βιομηχανία και στα μέσα μεταφορών Τα ελεγχόμενα μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος κινητήρια συστήματα οδηγούν σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη μετατροπή μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική. Ένα παράδειγμα δείχνει τη διαφορά που επέρχεται από τη χρήση των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος κατά τον έλεγχο κινητηρίου συστήματος. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 34 -
Παράδειγμα: (Πηγή: W. Hoffmann, Technische Universitat Dresden, 2009) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 35 -
Μαγνητικό τραίνο, κίνηση με γραμμικό κινητήρα, ταχύτητα > 500 km/h (Κίνα), (v max = 581 km/h στην Ιαπωνία) Ηλεκτροκίνητο τραίνο TGV (στη Γαλλία), v max = 574,8 km/h Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 36 -
Αμιγώς ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα: Nissan LEAF Tesla Model S Vauxhall Ampera Υβριδικό αυτοκίνητο, Toyota Prius (Πηγή: Διαδίκτυο 2011) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 37 -
Βιομηχανικά ρομποτικά συστήματα (ελεγχόμενα ηλεκτροκινητήρια συστήματα) (Πηγή: Διαδίκτυο 2011) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 38 -
Μηχανές CNC (Computer Numerical Control) (Πηγή: Διαδίκτυο 2011) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 39 -
(Πηγή: Yaskawa κατάλογος 2011) Συστήματα κίνησης με γραμμικούς κινητήρες (Πηγή: LENZE κατάλογος 2011) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 40 -
Συστήματα ηλεκτροκίνησης σε πλοία (Πηγή: Siemens 2011) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 41 -
7. Συστήματα Η.Μ.Ε. και Α.Π.Ε.: Μετατροπή αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική μέσω ανεμογεννητριών διαφόρων τύπων Μετατροπή υδραυλικής ενέργειας σε ηλεκτρική (μικρά υδροηλεκτρικά, υδροστρόβιλος γεννήτρια) Μετατροπή ενέργειας θαλασσίων κυμάτων σε ηλεκτρική (ειδικός στρόβιλος γεννήτρια) Μετατροπή γεωθερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική (γεωθερμικό απόθεμα ατμοστρόβιλος γεννήτρια) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 42 -
Συστήματα μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος Α.Μ. κλωβού Α.Μ. διπλής τροφοδοσίας Α.Μ. με δακτυλιοφόρο δρομέα Α.Μ. κλωβού (Πηγή: Πανεπιστημίου Πατρών) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 43 -
Αιολικά πάρκα «Horns Rev wind farm», 80x2 ΜW, Δανία Αγ. Ιωάννης, Λασίθι, Κρήτη, 9x850kW Παναχαϊκό 41x750kW Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 44 -
Σχηματική αναπαράσταση ανεμογεννήτριας με σύγχρονη γεννήτρια εξωτερικού δρομέα με μόνιμο μαγνήτη (Πηγή: Prof. Andreas Binder Πανεπιστήμιο Darmstadt) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 45 -
Σύγχρονες γεννήτριες εξωτερικού δρομέα με μόνιμο μαγνήτη 1,2 ΜW, 690 V, 21 min -1 3 ΜW, 606 V, 17 min -1 (Πηγή: Prof. Andreas Binder Πανεπιστήμιο Darmstadt) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 46 -
Οι ανεμογεννήτριες των προηγουμένων εικόνων έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Δεν χρησιμοποιούν κιβώτιο ταχυτήτων, χρησιμοποιούν ηλεκτρικές γεννήτριες με μόνιμο μαγνήτη αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης, ο οποίος είναι της τάξεως του 96% (αποφυγή απωλειών διέγερσης), παρουσιάζουν συμπαγή διάταξη, τα ζεύγη πόλων είναι της τάξεως των 50, (f = p x n 14 Hz), χρησιμοποιούν μετατροπέα με διόδους για την ανόρθωση της τάσης του στάτη και μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης, χρησιμοποιούν ηλεκτρονικό αντιστροφέα ισχύος με IGBT για τη σύνδεση με το δίκτυο των 50 ή 60 Hz. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 47 -
8. Ηλεκτρικές μηχανές πολύ μεγάλης και πολύ μικρής ισχύος Από τη θεμελιακή εξίσωση ισχύος των στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών, όπου D = διάμετρος τυμπάνου, l = μήκος τυμπάνου, n = αριθμός στροφών, C = σταθερά μηχανής ([C] = kvamin/m 3 ), προσδιορίζεται το εκάστοτε μέγεθος της ισχύος. Οι κατασκευαστές συνδυάζουν τα τέσσερα μεγέθη C,D, l, n και καταλήγουν στο σχεδιασμό των μηχανών. Επίσης ισχύει ότι όσο πιο μεγάλο είναι το μέγεθος μιας μηχανής ή ενός μετασχηματιστή τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόδοσης. Επικρατεί η τάση για αύξηση του μεγέθους των γεννητριών και των κινητήρων με προσαρμογή στις απαιτήσεις των εκάστοτε φορτίων. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 48 -
Σε ό,τι αφορά το μέγεθος των πολύ μεγάλων μηχανών, χαρακτηριστικά είναι τα στοιχεία που παρουσιάστηκαν στην 42 η σύνοδο της CIGRE στο Παρίσι τον Αύγουστο του 2008: Α. Σύγχρονες μηχανές με κατανεμημένους πόλους (Turbogenerators) Siemens: 4 πόλοι 2 πόλοι f = 50 Hz 2222 MVA 1300 MVA f = 60 Hz 1520 MVA 1200 MVA Βαθμός απόδοσης: η 99%, cosφ = 0,9, U N = 27 kv Ψύξη: στάτης με νερό, δρομέας με υδρογόνο. Η δημιουργία της σύγχρονης γεννήτριας των 2222 ΜVA αποτελεί τη μέγιστη κατάκτηση μέχρι σήμερα στον τομέα των ηλεκτρικών μηχανών. Στόχος: Κατασκευή μηχανών με δύο πόλους και ισχύ P 1500 MVA. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 49 -
ALSTOM: 4 πόλοι 2 πόλοι f = 50 Hz 2000 MVA 1400 MVA f = 60 Hz 2000 MVA 1100 MVA HITACHI: 4 πόλοι 2 πόλοι f = 50 Hz 1300 MVA 1120 MVA f = 60 Hz 1570 MVA 1230 MVA GENERAL ELECTRIC: f = 50 Hz f = 60 Hz 4 πόλοι 2 πόλοι 1540 MVA 1559 MVA 4 μηχανές των 1710 ΜVA λειτουργούν στη Γαλλία (Chooz & Civaux) από το 1996 με αξιοπιστία 99,97 %, ήταν οι μεγαλύτερες εν λειτουργία μηχανές στον κόσμο το 2008. Στόχος: Ισχύς των 2000 ΜVA DOOSAN (Κορέα): 4 πόλοι 2 πόλοι f = 50 Hz f = 60 Hz 1690 MVA 1222 MVA Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 50 -
MITSUBISHI ELECTRIC: 4 πόλοι 2 πόλοι f = 50 Hz 1045 MVA 1008 MVA f = 60 Hz 1600 MVA Electrocila (Ρωσία): f = 50 Hz f = 60 Hz 4 πόλοι 2 πόλοι 1200, 1500 MVA Β. Σύγχρονες μηχανές με έκτυπους πόλους (Hydrogenerators) Electrocila (Ρωσία): 64 πόλοι 42 πόλοι 40 πόλοι 66 πόλοι f = 50 Hz 500 MVA 720 MVA 363,2 MVA 333,3 MVA n/min -1 93,75 142,8 150 90,9 Υπό κατασκευή: 1000 MVA, 56 πόλοι, 107,1 min -1. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 51 -
ANDRITZ, VATECH HYDRO: 20 πόλοι 14 πόλοι 10 πόλοι 52 πόλοι f = 50 Hz 334 MVA 270 MVA 165 MVA 212 MVA n/min -1 300 428 600 115 f = p.n s, p = ζεύγη πόλων, n s = σύγχρονος αριθμός στροφών VOITH SIEMENS: Ισχύς/ΜVΑ 855,6 840 825 300 n/min -1 125 75 85,5 600 διάμετρος / m 13,8 18,5 18,808 3,859 Τα οριακά μεγέθη ποικίλουν: π.χ. μέγιστη τάση 23 kv και αερόψυξη, μέγιστη εσωτερική διάμετρος 18,808 m, μέγιστο μήκος πυρήνα 3,8 m κ.λ.π. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 52 -
8. Ηλεκτρικές μηχανές πολύ μεγάλης και πολύ μικρής ισχύος Turbogenerator, 4 pole Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 53 -
Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 54 -
Hyrdogenerator Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 55 -
Στον αντίποδα των συστημάτων διατάξεων ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας μεγάλης ισχύος βρίσκονται τα συστήματα διατάξεις πολύ μικρής ισχύος. Έχει αναπτυχθεί ένας ολόκληρος επιστημονικός τεχνολογικός κλάδος με την επωνυμία Μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (Microelectromechanical Systems MEMS), ο οποίος εξελίσσεται διαρκώς και ήδη παρουσιάζει εντυπωσιακά πρακτικά αποτελέσματα. Τα συστήματα αυτά έχουν ως επίκεντρο διατάξεις μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική πολύ μικρών διαστάσεων, δηλ. τους Mικροκινητήρες (Micromotors). Οι μικροκινητήρες έχουν πολύ μικρές διαστάσεις, π.χ. υπάρχουν στρεφόμενοι κινητήρες με διάμετρο της τάξεως 1 mm. Μεγάλη εφαρμογή παρουσιάζεται στην Ιατρική, όπως στη χειρουργική, στους καθετήρες, κ.λ.π. Επίσης χρησιμοποιούνται στα οπτικά συστήματα για τη δημιουργία ηλεκτρονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ανάλογα με την κίνηση που εκτελούν, διακρίνονται κυρίως στους περιστρεφόμενους και στους γραμμικούς μικροκινητήρες με ουσιώδεις διαφορές στην κατασκευαστική δομή και στα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 56 -
Μία άλλη κατάταξη των μικροκινητήρων γίνεται με βάση τις φυσικές αρχές λειτουργίας τους. Έτσι, υπάρχουν οι μαγνητικοί κινητήρες, οι ηλεκτροστατικοί, οι πιεζοηλεκτρικοί και οι θερμικοί (π.χ. διμεταλλικοί). Σε όλες τις περιπτώσεις τα κύρια λειτουργικά χαρακτηριστικά είναι η παραγόμενη ροπή, η δύναμη, η ισχύς, η ταχύτητα απόκρισης και η ηλεκτρική τάση, που πρέπει να επιβληθεί για να λειτουργήσει η μηχανή. Σε ό,τι αφορά το σχεδιασμό και τη βιομηχανική (μαζική) παραγωγή μικροκινητήρων, το βασικό ερώτημα είναι : μικραίνοντας τις διαστάσεις πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκευθεί, η οποία στη συνέχεια να μετατραπεί σε μηχανικό έργο επιφέροντας κίνηση μαζών; Για την πυκνότητα ενέργειας ισχύει: α) ηλεκτρικό πεδίο w el = 0,5.ε.Ε 2, β) μαγνητικό πεδίο w m = 0,5.μ.Η 2 = 0,5.(Β 2 /μ) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 57 -
Λαβαίνοντας υπόψη τις ιδιότητες του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου και ιδιαίτερα το γεγονός ότι η ενέργεια συσσωρεύεται στο διάκενο, διαπιστώθηκε ότι σε διάκενα της τάξεως 5 μm η ενεργειακή πυκνότητα στις δύο περιπτώσεις είναι συγκρίσιμη υπό ηλεκτρική τάση τροφοδοσίας της τάξεως των 80 V. Προσοχή: στο μαγνητικό περιβάλλον τίθεται όριο στο μέγεθος Β λόγω κορεσμού και διαστάσεων των πηνίων που δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο, ενώ στο ηλεκτροστατικό πεδίο τίθεται όριο στο μέγεθος Ε λόγω της διάσπασης του διηλεκτρικού πάνω από μία κρίσιμη τιμή τάσεως. Η έρευνα στα μαγνητικά υλικά (μαγνητική χαρακτηριστική Β=f(H), μόνιμοι μαγνήτες) και στα διηλεκτρικά (νανοδομημένα διηλεκτρικά) αναπτύσσεται και έτσι το τοπίο στη δημιουργία των μικροκινητήρων αλλάζει. Ακολουθούν μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα διατάξεων με μικροκινητήρες: Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 58 -
(Πηγή: ALBERT- LUDWIGS UNIVERSITAT FREIBURG, IMTEK, Ulrike Wallrabe, 2006) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 59 -
Elektromotor: eisenbehafteter DC- Mikromotor 0.28-29 W, ø 12-60 mm CANON USA FAULHABER Kleiner AC-Elektromotor, 0.5-7 W, CROUSET BALDOR linearmotor Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 60 -
9. Εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας στις ηλεκτρικές μηχανές Η πρόοδος στην ερμηνεία του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας, σύμφωνα με το οποίο η ωμική αντίσταση διαφόρων αγώγιμων υλικών τείνει στο μηδέν σε θερμοκρασία κάτω μιας ορισμένης τιμής (π.χ. κάτω από 10 βαθμούς Kelvin), και η ανακάλυψη υλικών με κρίσιμη θερμοκρασία αρκετά υψηλότερη από το απόλυτο μηδέν (π.χ. 120 ο Κ), οδήγησαν σε σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές βασιζόμενες σε αυτή την ιδιότητα. Οι ηλεκτρικές μηχανές αποτελούν ένα χαρακτηριστικό πεδίο εφαρμογής. Κατασκευάζονται υπεραγώγιμες ίνες διαμέτρου 50 μm. Έτσι μπορούν να κατασκευαστούν υπεραγώγιμα τυλίγματα μηχανών πολύ μικρής διατομής, που είναι κατάλληλα για τη διέλευση μεγάλου ρεύματος π.χ. 10 kα/ cm 2. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 61 -
Η χρήση της υπεραγωγιμότητας στις ηλεκτρικές μηχανές μελετάται εκτεταμένα. Είχαν δημιουργηθεί υπεραγώγιμες σύγχρονες γεννήτριες σε πιλοτικό επίπεδο κατά τη δεκαετία του 1970. Το πρόβλημα της ψύξης στη χαμηλή θερμοκρασία σε συνδυασμό με το κόστος αποτελεί ένα σοβαρό εμπόδιο για την ευρεία εφαρμογή. Τελικά, τα συγκριτικά οφέλη έναντι των συμβατικών κατασκευών δεν ήταν σημαντικά. Ειδικά για τις μεγάλες σύγχρονες γεννήτριες η προσοχή στράφηκε προς το τύλιγμα διέγερσης μόνον (μείωση διαστάσεων και ενεργειακών απωλειών), διότι για το στάτη, στον οποίον επικρατεί εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, προκύπτουν ζητήματα για τη λειτουργική συμπεριφορά του τυλίγματός του (π.χ. ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις Β, μαγνητική χαρακτηριστική). Εν τούτοις, σε συστήματα όπου προτεραιότητα έχει η μείωση του βάρους και του όγκου, η υπεραγωγιμότητα μπορεί να εφαρμοστεί. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 62 -
Παράδειγμα εφαρμογής σύγχρονης υπεραγώγιμης γεννήτριας: (Πηγή: Prof. Andreas Binder Πανεπιστήμιο Darmstadt) Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 63 -
10. Διαφαινόμενες μελλοντικές εξελίξεις Βελτιώσεις στο σχεδιασμό και ακριβέστεροι υπολογισμοί των ηλεκτρομαγνητικών και μηχανικών μεγεθών. Σε συνδυασμό με νέα υλικά θα επιδιωχθεί σμίκρυνση των διαστάσεων και του βάρους. Θα επιδιωχθεί αύξηση του βαθμού απόδοσης, ιδίως στις μηχανές μικρού και μεσαίου μεγέθους (εξοικονόμηση ενέργειας). Ανάδειξη μεθόδων ανίχνευσης σφαλμάτων, κυρίως για τις μεγάλες μηχανές. Βελτιώσεις στην προληπτική συντήρηση αύξηση του ορίου ζωής. Πρόοδος στην ανάπτυξη των μικροκινητήρων (ΜΕΜS) καθώς και των κινητήρων μικρής ισχύος. Εξελίξεις στα συστήματα και στις μεθόδους ελέγχου (ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, μικροηλεκτρονικές διατάξεις, νέες τεχνικές ελέγχου). Νέα ηλεκτρομηχανικά συστήματα για εφαρμογές στη ρομποτική, στην ιατρική, στα συστήματα παραγωγής κ.λ.π.. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 64 -
11. Εκπαιδευτικοί και ερευνητικοί στόχοι Οι εξελίξεις στην ηλεκτρομηχανική μετατροπή ενέργειας στα 180 και πλέον χρόνια προσέλκυσαν το ενδιαφέρον μεγάλων επιστημόνων και λαμπρών εφευρετών. Η εκπαίδευση και η έρευνα στον τομέα αυτόν κατέκτησε πολύ υψηλά επίπεδα σ όλον τον κόσμο. Για να συνεχιστεί αυτή η πορεία πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στα εκπαιδευτικά προγράμματα της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης, ιδιαίτερα αυτή την περίοδο των υψηλών απαιτήσεων της ανθρωπότητας για την εξασφάλιση της απαιτούμενης ενέργειας και για την οικονομική ανάπτυξη της κοινωνίας, σε συνδυασμό με την αντιμετώπιση των προβλημάτων του περιβάλλοντος. Πρέπει να προκηρύσσονται σοβαρά προγράμματα για την υποστήριξη της έρευνας και της τεχνολογίας σε ποικίλες επιστημονικές και τεχνολογικές κατευθύνσεις συμπεριλαμβανομένης και της ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας στην Ευρώπη, στην Ελλάδα και σ όλες τις χώρες του κόσμου. Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 65 -
Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Ομότιμος Καθηγητής Δρ. - Μηχ. Αθανάσιος Σαφάκας - 66 -