1
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.1 Εισαγωγή Αντικείμενο πτυχιακής εργασίας.σελ. 2 1.2 Περιεχόμενα εγχειριδίου Αναφοράς Προγραμμάτων.. σελ. 3 1.3 Παράδειγμα τριφασικού επαγωγικού κινητήρα..σελ. 4-9 1.4 Σχεδίαση στο Visio και στα αρχεία εικόνων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων..σελ. 10-11 1.5 Βιβλιογραφία. σελ. 12 1.6 Παράρτημα.. σελ. 13-14 2
1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείμενο της πτυχιακής αυτής εργασίας είναι η καταγραφή πληροφοριών και επιλογών προγραμμάτων κινητήρων, μετατροπέων και κινητήριων συστημάτων, έτσι όπως αυτά περιλαμβάνονται στην τελευταία έκδοση του προγράμματος προσομοίωσης Neapolis. Το Neapolis είναι ένας εκπαιδευτικός προσομοιωτής ο οποίος δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να υπολογίζει και να παρουσιάζει τη συμπεριφορά διαφορετικών συσκευών ηλεκτρονικών ισχύος. Το εγχειρίδιο αναφοράς προγραμμάτων που συνοδεύει αυτό το βιβλίο, περιλαμβάνει όλες τις επιλογές του προσδιορισμού κάθε συστήματος, τις εικόνες προσομοίωσης του συστήματος καθώς και τις επιλογές και εικόνες της επεξεργασίας αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Η πτυχιακή εργασία περιλαμβάνει και τη σχεδίαση δύο αρχείων εικόνων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που υλοποιήθηκαν με τη βοήθεια του προγράμματος Microsoft Office Visio Professional 2007. Τέλος, υπήρχαν σημεία του προγράμματος που δεν ολοκληρώθηκαν λόγω κάποιων ατελειών του προγράμματος και κακής εφαρμογής των κανόνων πειραματισμού, εκ των οποίων τα περισσότερα αφορούν τη σχεδίαση καμπυλών αυτόματης απόδοσης των συστημάτων. Αυτά τα σημεία τα οποία δεν υλοποιήθηκαν αναφέρονται στο παράρτημα του βιβλίου. 3
1.2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Το εγχειρίδιο αναφοράς προγραμμάτων που συνοδεύει το βιβλίο πτυχιακής εργασίας περιλαμβάνει τα ακόλουθα : 1. Προγράμματα Κινητήρων 1.1 Πρόγραμμα Τριφασικού Επαγωγικού Κινητήρα 1.2 Πρόγραμμα Μονοφασικού Επαγωγικού Κινητήρα 1.3 Πρόγραμμα Τριφασικού Σύγχρονου Κινητήρα 1.4 Πρόγραμμα Κινητήρα Συνεχούς Ρεύματος 2. Προγράμματα Μετατροπέων 2.1 Πρόγραμμα Μονοφασικού Ανορθωτή 2.2 Πρόγραμμα Τριφασικού Ανορθωτή 2.3 Πρόγραμμα Μονοφασικού Αντιστροφέα 2.4 Πρόγραμμα Τριφασικού Αντιστροφέα 2.5. Πρόγραμμα Τριφασικού Μετατροπέα Συχνότητας 2.6 Πρόγραμμα Τριφασικού Ρυθμιστή Τάσης 2.7 Πρόγραμμα Τριφασικού Κυκλομετατροπέα 2.8 Πρόγραμμα Κατατμητή με Παράλληλο Πυκνωτή 2.9 Πρόγραμμα Κατατμητή Τάξης Α 2.10 Πρόγραμμα κατατμητή Τάξης Β 2.11 Πρόγραμμα Κατατμητή Τάξης C 2.12 Πρόγραμμα Κατατμητή Τάξης D 2.13 Πρόγραμμα Κατατμητή Τάξης E 2.14 Πρόγραμμα Διασυνδέσεων Συνεχούς Ρεύματος 2.15 Πρόγραμμα Ρυθμιστή Buck 2.16 Πρόγραμμα Ρυθμιστή Boost 2.17 Πρόγραμμα Ρυθμιστή Buck-Boost 2.18 Πρόγραμμα Ρυθμιστή Cuk 3. Προγράμματα Κινητήριων Συστημάτων 3.1 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΣΡ Μονοφασικού Ανορθωτή 3.2 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΣΡ Τριφασικού Ανορθωτή 3.3 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΣΡ με Κατατμητή 3.4 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος Επαγωγικού Κινητήρα 3φ Αντιστροφέα 3.5 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΕπαγωγικούΚινητήρα 3φ Μετατροπέα Συχνότητας 3.6 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΕπαγωγικούΚινητήρα 3φ Ρυθμιστή Τάσης 3.7 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος Επαγωγικού Κινητήρα 3φ Κυκλομετατροπέα 3.8 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος Επαγωγικού Κινητήρα με στατικό έλεγχο ολίσθησης 3.9 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΕπαγωγικούΚινητήρα με υποσύγχρονο Εγκιβωτισμό 4
1.3 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναλύσουμε την προσομοίωση ενός μοντέλου συσκευής του προσομοιωτή Neapolis και κατά αυτόν τον τρόπο έχουν γίνει όλες οι μετρήσεις και αποτελέσματα που περιλαμβάνονται στο εγχειρίδιο αναφοράς προγραμμάτων του Neapolis 6.2. Ας υποθέσουμε ότι επιλέγουμε τον τριφασικό επαγωγικό κινητήρα. Επιλέγοντας τον προσδιορισμό συστήματος, ανοίγουν οι εξής επιλογές: Α. Παράμετροι προσομοιούμενου Συστήματος 1. Τριφασική τροφοδοσία εναλλασσόμενου Η τριφασική τροφοδοσία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είναι των εξής τύπων: α. Ημιτονοειδής με τις παραμέτρους: -τάση εισόδου -συχνότητα εισόδου β. Αρμονική με τις παραμέτρους: -τάση εισόδου -συχνότητα εισόδου -τάξη πρόσθετης αρμονικής -πλάτος πρόσθετης αρμονικής -φάση πρόσθετης αρμονικής γ. Μη συμμετρική με τις παραμέτρους: -τάση εισόδου -συχνότητα εισόδου -φάση 1 (R) φασικής ασυμμετρίας -φάση 2 (S) φασικής ασυμμετρίας -φάση 3 (T) φασικής ασυμμετρίας -ποσοστό ασυμμετρίας δ. Ορθογωνική με τις παραμέτρους: - τάση εισόδου -συχνότητα εισόδου Παρατήρηση : φαίνονται στην φόρμα επιλογής τριφασικής τροφοδοσίας 2. Τριφασικός επαγωγικός κινητήρας Ο τριφασικός επαγωγικός κινητήρας μπορεί να είναι ένας από τους εξής τύπους: α. Δρομέα κλωβού με τις παραμέτρους: -αντίσταση στάτη -επαγωγή στάτη -πόλοι κινητήρα -αμοιβαία επαγωγή -αντίσταση δρομέα -επαγωγή δρομέα -συντελεστής τριβής δρομέα -αδράνεια δρομέα 5
β. Δακτυλιοφόρου δρομέα με τις παραμέτρους του δρομέα κλωβού και την εξής: -αντίσταση ολίσθησης Παρατήρηση : φαίνονται στην φόρμα επιλογής 3φασικού επαγωγικού κινητήρα 3. Μηχανικό φορτίο Το μηχανικό φορτίο μπορεί να είναι ένα από τους εξής τύπους: α. σταθερό βηματικό με τις παραμέτρους: -αδράνεια φορτίου -συντελεστής τριβής φορτίου -σταθερά ροπής β. ανάλογο της ταχύτητας με τις παραμέτρους: -αδράνεια φορτίου -συντελεστής τριβής φορτίου γ. ανάλογο τετραγώνου ταχύτητας με τις παραμέτρους: -αδράνεια φορτίου -συντελεστής τριβής φορτίου δ. ανάλογο κύβου ταχύτητας με τις παραμέτρους: -αδράνεια φορτίου -συντελεστής τριβής φορτίου Παρατήρηση : φαίνονται στην φόρμα επιλογής μηχανικού φορτίου 4. Παράμετροι προγράμματος Οι παράμετροι προγράμματος είναι: -αριθμός βημάτων χρόνου ανά περίοδο τροφοδοσίας -αριθμός περιόδων προσομοίωσης Παρατήρηση : φαίνονται στην φόρμα επιλογής παραμέτρων προγράμματος 5. Παράμετροι γραφικών Οι παράμετροι γραφικών είναι οι εξής: -λίστα μεταβλητών που μπορούν να σχεδιασθούν -επιθυμητός αριθμός περιοχών επιφάνειας (1,2,3,4,6,8,12) -για κάθε μία από τις μεταβλητές που θα επιλεγούν να σχεδιαστούν -το όνομα της μεταβλητής -η ελάχιστη αναμενόμενη φυσική τιμή -η μέγιστη αναμενόμενη φυσική τιμή -η περιοχή στην οποία θα σχεδιαστεί -το σύμβολο της μεταβλητής Όλες οι μεταβλητές που μπορούν να εμφανιστούν καθορίζονται στο στάδιο προγραμματισμού και μπορούν να επιλεγούν για να διαγραφούν. Παρατήρηση : φαίνονται στην φόρμα επιλογής γραφικών 6
Παρακάτω αναφέρονται οι μεταβλητές που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης και επεξεργασίας αποτελεσμάτων προσομοίωσης: Β. Μεταβλητές που εμφανίζονται κατά την εξομοίωση ή την ανασχεδίαση: 1. Ρεύματα φάσεων στάτη 2. Ρεύματα φάσεων δρομέα 3. Ροπή φορτίου 4. Ροπή κινητήρα 5. Ταχύτητα κινητήρα 6. Τάσεις φάσεων τροφοδοσίας 7. Τάσεις φάσεων δρομέα 8. Συντελεστής ισχύος 9. Συχνότητα δρομέα Παρατήρηση : φαίνονται στην λίστα επιλογής μεταβλητών της φόρμας επιλογής γραφικών Γ. Παράμετροι των οποίων οι τιμές μπορούν να τροποποιηθούν κατά την εξομοίωση μέσω του μενού Αλλαγή 1. Τάση τροφοδοσίας 2. Συχνότητα τροφοδοσίας 3. Ροπή φορτίου 4. Αντίσταση ολίσθησης (για τον δακτυλιοφόρο κινητήρα μόνο) Παρατήρηση : φαίνονται στο μενού Αλλαγή της φόρμας Προσομοίωσης Δ. Μεταβλητές των οποίων οι τιμές μπορούν να υπολογισθούν οι αρμονικές 1. Ρεύματα φάσεων στάτη 2. Ρεύματα φάσεων δρομέα 3. Ροπή φορτίου 4. Ροπή κινητήρα 5. Ταχύτητα κινητήρα 6. Τάσεις φάσεων τροφοδοσίας 7. Τάσεις φάσεων δρομέα Παρατήρηση : φαίνονται στην λίστα μεταβλητών της φόρμας υπολογισμού αρμονικών Ε. Μεταβλητές μόνιμης κατάστασης των οποίων υπολογίζονται οι μέσες και ενεργές τιμές κατά τη διαδικασία αυτόματης φόρτισης 1. Ρεύμα στάτη 2. Ρεύμα δρομέα 3. Ροπή κινητήρα 4. Ροπή φορτίου 5. Ταχύτητα κινητήρα 6. Τάση τροφοδοσίας 7. Ισχύς εισόδου 8. Απώλειες στάτη 9. Απώλειες δρομέα 7
10. Απόδοση 11. Ισχύς εξόδου 12. Συντελεστής ισχύος Παρατήρηση : φαίνονται στην λίστα μεταβλητών της φόρμας σχεδίασης καμπυλών απόδοσης Ακολουθούν κάποιες εικόνες από το προσδιορισμό, τη προσομοίωση και την επεξεργασία του συστήματος: ΣΤ. Ενδεικτικές Οθόνες Προγράμματος 1. Παράμετροι επιλεγμένου συστήματος Σχήμα 1.1 Οθόνη παραμέτρων επιλεγμένου συστήματος 8
2. Οθόνη εμφάνισης κυματομορφών μεταβλητών προσομοίωσης Σχήμα 1.2 Οθόνη κυματομορφών προσομοίωσης 3φασικού επαγωγικού κινητήρα Υπάρχει και η δυνατότητα να αλλάξει η μορφή της εμφάνισης των αποτελεσμάτων προσομοίωσης και να εμφανίζεται μια φόρμα που παρουσιάζει το σχήμα του κυκλώματος του συστήματος που προσομοιώνεται, όπως οι παρακάτω εικόνες: 3. Οθόνη εμφάνισης κυκλώματος προσομοιούμενου συστήματος Σχήμα 1.3.1 Οθόνη κυκλώματος 3φασικού επαγωγικού κινητήρα με δρομέα κλωβού 9
Σχήμα 1.3.2 Οθόνη κυκλώματος 3φασικού επαγωγικού κινητήρα με δακτυλιοφόρο δρομέα Η επιλογή επανασχεδίασης κυματομορφών προσομοίωσης δίνει τη δυνατότητα να σχεδιαστούν πάλι τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που έχουν προκύψει από το δεύτερο μέρος, κάτω από διάφορους συνδυασμούς αλλά συναρτήσει του χρόνου. Στη φόρμα επανασχεδίασης των καμπυλών προσομοίωσης υπάρχει μια λίστα με τα ονόματα των μεταβλητών που μπορούν να επανασχεδιαστούν και ο αριθμός των περιοχών σχεδίασης. Πρώτα επιλέγει τον αριθμό περιοχών και μετά τοποθετεί τις επιθυμητές μεταβλητές στις περιοχές σχεδίασης. Το αποτέλεσμα εμφανίζεται στο σχήμα 1.4 10
4. Οθόνη εμφάνισης επανασχεδιασμένων μεταβλητών μετά την προσομοίωση Σχήμα 1.4 Επανασχεδιασμένες κυματομορφές διαδοχικών προσομοιώσεων 3φασικού επαγωγικού κινητήρα Επίσης στο προσδιορισμό συστήματος υπάρχει η διαδικασία της αυτόματης φόρτισης η οποία είναι πολύ χρήσιμη επειδή μπορεί να δώσει στον χρήστη τις καμπύλες απόδοσης μόνιμης κατάστασης στο τρίτο μέρος του προγράμματος, την επεξεργασία αποτελεσμάτων. Όταν ο χρήστης επιλέξει αυτή την εντολή, το πρόγραμμα ζητά την τιμή της μεταβλητής που θα αλλάζει αυτόματα η οποία είναι διαφορετική ανάλογα με το μοντέλο συσκευής που έχει επιλεχθεί- για να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της αυτόματης φόρτισης. Η τρίτη δυνατότητα από το μενού της φόρμας επιλογής συστήματος είναι η επεξεργασία αποτελεσμάτων. Αυτή η δυνατότητα είναι διαθέσιμη στο χρήστη εφόσον και μόνο όταν έχει εκτελεστεί το τμήμα προσομοίωσης του συστήματος. Σε αυτό το τμήμα, ο χρήστης μπορεί να αναλύσει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Οι τρεις βασικές δυνατότητες που προσφέρει αυτό το μέρος του προγράμματος είναι η σχεδίαση καμπυλών απόδοσης, η επανασχεδίαση των καμπυλών προσομοίωσης και ο υπολογισμός των αρμονικών. Στη φόρμα σχεδίασης καμπυλών απόδοσης υπάρχει μια λίστα με όλες τις μεταβλητές που έχουν υπολογιστεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της αυτόματης φόρτισης, η οποί έχει εκτελεστεί κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Εφόσον ο χρήστης επιλέξει τις μεταβλητές που επιθυμεί και επιλέγοντας τη σχεδίαση εμφανίζονται οι καμπύλες απόδοσης όπως παρακάτω: 11
5. Οθόνη εμφάνισης χαρακτηριστικών καμπυλών φάρτισης Σχήμα 1.5 Πολλαπλές καμπύλες απόδοσης 3φασικού επαγωγικού κινητήρα Η τελευταία διαδικασία που διαθέτει η επεξεργασία αποτελεσμάτων είναι ο υπολογισμός των αρμονικών όπου ο χρήστης μπορεί να αναλύσει κάποια από τα αποτελέσματα προσομοίωσης και να υπολογίσει τις συμπεριλαμβανόμενες αρμονικές. Αφού επιλεχθεί η περίοδος των αποτελεσμάτων που επιθυμεί ο χρήστης, εμφανίζονται τα αποτελέσματα σύμφωνα με τις επιλογές που έγιναν στην φόρμα υπολογισμού των αρμονικών. Από αυτές τις επιλογές, η σχεδίαση σημείων πεδίου χρόνου σχεδιάζει στην οθόνη τα σημεία πεδίου χρόνου για την επιλεγμένη μεταβλητή και την επιλεγμένη περίοδο, όπως στην εικόνα 1.6 12
6. Οθόνη εμφάνισης ανάλυσης κυματομορφών στα πεδία χρόνου και συχνότητας Σχήμα 1.6 Πεδίο χρόνου ρεύματος στάτη (περίοδος) Με την επιλογή σχεδίαση μεγέθους αρμονικών σχεδιάζει στην οθόνη το πλάτος των αρμονικών για την επιλεγμένη μεταβλητή και την επιλεγμένη περίοδο, όπως στην εικόνα 1.7 Σχήμα 1.7 Πεδίο συχνότητας ρεύματος στάτη (πλάτος αρμονικών) 13
1.4 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΕ ΤΟ VISIO Κατά την εξέλιξη της πτυχιακής αυτής εργασίας κρίθηκε απαραίτητο το λογισμικό Neapolis 6.2 να εμπλουτιστεί με κάποια αρχεία εικόνων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, έτσι ώστε να καταστεί δυνατή η εμφάνιση όλων των απαραίτητων κυκλωμάτων, η προσομοίωση των οποίων ζητείται από το χρήστη. Για την κατασκευή αυτών των αρχείων εικόνων χρησιμοποιήθηκε το Microsoft Office Visio Professional 2007. Το λογισμικό αυτό είναι ένα εργαλείο αναπαράστασης διαγραμμάτων. Παρέχει στο χρήστη την ευχέρεια να κατασκευάσει με ευκολία διαγράμματα. Όσον αφορά τα διαγράμματα δομών κυκλωμάτων, το visio δίνει τη δυνατότητα να δημιουργήσει κανείς το κύκλωμα που επιθυμεί προσθέτοντας στοιχεία από ένα μενού στοιχείων ηλεκτρονικού κυκλώματος. Τα δύο αρχεία εικόνων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων είναι το κύκλωμα του τριφασικού ασύγχρονου δακτυλιοφόρου κινητήρα και του δωδεκαπαλμικού τριφασικού κυκλομετατροπέα γέφυρας όπως εμφανίζονται παρακάτω: Εικόνα 1 - τριφασικός ασύγχρονος δακτυλιοφόρος κινητήρας 14
Εικόνα 2 - δωδεκαπαλμικός τριφασικός κυκλομετατροπέας γέφυρας 15
1.5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1) Εκπαιδευτικό λογισμικό προσομοίωσης Ηλεκτρονικών Κινητήρων, Ηλεκτρονικών Ισχύος και Ηλεκτρονικών Κινητήριων Συστημάτων Neapolis 6.2, Καβάλα 2012. 2) Κυραναστάσης Γ. (2010), Neapolis 6.0 Εγχειρίδιο Χρήσης. 16
1.6 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Στο τελευταίο κεφάλαιο κρίθηκε σκόπιμο να αναφερθούν κάποια σημεία του προγράμματος τα οποία δεν μπόρεσαν να υλοποιηθούν είτε από κακό χειρισμό του χρήστη, είτε από λάθη του προγράμματος. Εμφανίζονται κυρίως κατά την αυτόματη φόρτιση των συσκευών και αναφέρονται για περαιτέρω έλεγχο και μελλοντική έρευνα. Με τη σειρά που εμφανίζονται στο πρόγραμμα προσομοίωσης είναι τα παρακάτω: 1.2 Πρόγραμμα Μονοφασικού Επαγωγικού Κινητήρα 1.4 Πρόγραμμα Κινητήρα Συνεχούς Ρεύματος 2.5 Πρόγραμμα τριφασικού μετατροπέα συχνότητας 2.8 Πρόγραμμα Κατατμητή με παράλληλο πυκνωτή 2.12 Πρόγραμμα Κατατμητή τάξης D 2.16 Πρόγραμμα Ρυθμιστή Boost 2.17 Πρόγραμμα Ρυθμιστή Buck-Boost 17
2.18 Πρόγραμμα Ρυθμιστή Cuk 3.1 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΣΡ Μονοφασικού Ανορθωτή 3.2 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΣΡ Τριφασικού Ανορθωτή 3.3 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος ΣΡ με κατατμητή 3.4 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος Επαγωγικού Κινητήρα 3-φ αντιστροφέα 3.5 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος Επαγωγικού Κινητήρα 3-φ μετατροπέα συχνότητας 3.7 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος Επαγωγικού Κινητήρα 3-φ κυκλομετατροπέα 3.9 Πρόγραμμα Κινητήριου Συστήματος Επαγωγικού Κινητήρα με υποσύγχρονο εγκιβωτισμό 18