Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχν...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/16506 |
| id |
nemertes-10889-16506 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Αντιστροφείς ισχύος Μετατροπείς συντονισμού Κύκλωμα συντονισμού Ασύρματη μεταφορά ενέργειας Power inverters Resonant converters Resonant circuit Wireless energy transfer |
| spellingShingle |
Αντιστροφείς ισχύος Μετατροπείς συντονισμού Κύκλωμα συντονισμού Ασύρματη μεταφορά ενέργειας Power inverters Resonant converters Resonant circuit Wireless energy transfer Βαλκάνος, Γεώργιος Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας |
| description |
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός
μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας. Η εργασία αυτή
εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων
Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών.
Σκοπός είναι η σχεδίαση και η κατασκευή ενός μετατροπέα συντονισμού ικανού να φορτίσει την
συστοιχία συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Ο μετατροπέας συντονισμού αποτελείται από
τον μονοφασικό αντιστροφέα ισχύος, το κύκλωμα συντονισμού και τον μονοφασικό ανορθωτή. Βασικό
χαρακτηριστικό του κυκλώματος συντονισμού, εκτός από τους πυκνωτές αντιστάθμισης και τις
επαγωγές, είναι ο μετασχηματιστής ισχύος. Η ειδοποιός διαφορά του συγκεκριμένου μετασχηματιστή
συγκριτικά με τους κλασσικούς μετασχηματιστές είναι ο πολύ χαμηλός συντελεστής σύζευξης. Χάρη
στο κύκλωμα συντονισμού επιτυγχάνεται αφενός μεν αντιστάθμιση της άεργου ισχύος που οφείλεται
στη μεγάλη επαγωγή σκέδασης του Μ/Τ αφετέρου δε soft switching (ZVS – Zero Voltage Switching)
των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος.
Αρχικά, γίνεται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με την ιστορία της ασύρματης μεταφοράς
ενέργειας και τις εφαρμογές της στην σημερινή κοινωνία. Παράλληλα, δίνεται έμφαση τις βασικές
κατηγορίες συσσωρευτών και στους κυριότερους τρόπους ελέγχου συστημάτων επαγωγικής μεταφοράς
ενέργειας.
Στη συνέχεια πραγματοποιούνται οι θεωρητικές αναλύσεις των βασικότερων τοπολογιών κυκλώματος
συντονισμού, αλλά και κάποιων υβριδικών τοπολογιών. Έπειτα, γίνεται μία αναλυτική σύγκριση όλων
των τοπολογιών και επιλέγεται η καταλληλότερη για να κατασκευαστεί. Ακολουθεί, ο σχεδιασμός του
μετατροπέα συντονισμού για τάση εισόδου 300V και ισχύ εξόδου 500W και κατασκευάζεται το
κύκλωμα συντονισμού.
Το επόμενο βήμα είναι η προσομοίωση του μετατροπέα ισχύος, η οποία υλοποιήθηκε στο λογισμικό
Simulink του MATLAB. Σε πρώτη φάση, αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης (Phase Shift Modulation)
και πραγματοποιείται η προσομοίωση ανοιχτού βρόχου υπό ωμικό φορτίο. Σε επόμενο στάδιο, γίνεται
εκτενής ανάλυση των μεθόδων εύρεσης της συνάρτησης μεταφοράς του συνολικού συστήματος και
παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδίασης των ελεγκτών κλειστού βρόχου, σύμφωνα πάντα με τις
σχεδιαστικές προδιαγραφές. Επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία των ελεγκτών και πραγματοποιούνται
προσομοιώσεις με φορτίο τη συστοιχία συσσωρευτών.
Τέλος μελετάται και κατασκευάζεται στο εργαστήριο η πειραματική διάταξη, με την οποία
πραγματοποιούνται μετρήσεις για την αξιολόγηση και την επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης.
Παράλληλα, παρατηρούνται τα προβλήματα που προέκυψαν και προτείνονται τρόποι επίλυσης τους. |
| author2 |
Valkanos, George |
| author_facet |
Valkanos, George Βαλκάνος, Γεώργιος |
| author |
Βαλκάνος, Γεώργιος |
| author_sort |
Βαλκάνος, Γεώργιος |
| title |
Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας |
| title_short |
Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας |
| title_full |
Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας |
| title_fullStr |
Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας |
| title_full_unstemmed |
Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας |
| title_sort |
διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας |
| publishDate |
2022 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/16506 |
| work_keys_str_mv |
AT balkanosgeōrgios diereunēsēleitourgiaskaikataskeuēmetatropeagiatēnasyrmatēmetaphoraenergeias AT balkanosgeōrgios investigationofthebehaviorandimplementationofaconverterforwirelessenergytransfer |
| _version_ |
1771297279496421376 |
| spelling |
nemertes-10889-165062022-09-05T20:15:25Z Διερεύνηση λειτουργίας και κατασκευή μετατροπέα για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας Investigation of the behavior and implementation of a converter for wireless energy transfer Βαλκάνος, Γεώργιος Valkanos, George Αντιστροφείς ισχύος Μετατροπείς συντονισμού Κύκλωμα συντονισμού Ασύρματη μεταφορά ενέργειας Power inverters Resonant converters Resonant circuit Wireless energy transfer Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή για την ασύρματη μεταφορά ενέργειας. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η σχεδίαση και η κατασκευή ενός μετατροπέα συντονισμού ικανού να φορτίσει την συστοιχία συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Ο μετατροπέας συντονισμού αποτελείται από τον μονοφασικό αντιστροφέα ισχύος, το κύκλωμα συντονισμού και τον μονοφασικό ανορθωτή. Βασικό χαρακτηριστικό του κυκλώματος συντονισμού, εκτός από τους πυκνωτές αντιστάθμισης και τις επαγωγές, είναι ο μετασχηματιστής ισχύος. Η ειδοποιός διαφορά του συγκεκριμένου μετασχηματιστή συγκριτικά με τους κλασσικούς μετασχηματιστές είναι ο πολύ χαμηλός συντελεστής σύζευξης. Χάρη στο κύκλωμα συντονισμού επιτυγχάνεται αφενός μεν αντιστάθμιση της άεργου ισχύος που οφείλεται στη μεγάλη επαγωγή σκέδασης του Μ/Τ αφετέρου δε soft switching (ZVS – Zero Voltage Switching) των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Αρχικά, γίνεται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με την ιστορία της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας και τις εφαρμογές της στην σημερινή κοινωνία. Παράλληλα, δίνεται έμφαση τις βασικές κατηγορίες συσσωρευτών και στους κυριότερους τρόπους ελέγχου συστημάτων επαγωγικής μεταφοράς ενέργειας. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται οι θεωρητικές αναλύσεις των βασικότερων τοπολογιών κυκλώματος συντονισμού, αλλά και κάποιων υβριδικών τοπολογιών. Έπειτα, γίνεται μία αναλυτική σύγκριση όλων των τοπολογιών και επιλέγεται η καταλληλότερη για να κατασκευαστεί. Ακολουθεί, ο σχεδιασμός του μετατροπέα συντονισμού για τάση εισόδου 300V και ισχύ εξόδου 500W και κατασκευάζεται το κύκλωμα συντονισμού. Το επόμενο βήμα είναι η προσομοίωση του μετατροπέα ισχύος, η οποία υλοποιήθηκε στο λογισμικό Simulink του MATLAB. Σε πρώτη φάση, αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης (Phase Shift Modulation) και πραγματοποιείται η προσομοίωση ανοιχτού βρόχου υπό ωμικό φορτίο. Σε επόμενο στάδιο, γίνεται εκτενής ανάλυση των μεθόδων εύρεσης της συνάρτησης μεταφοράς του συνολικού συστήματος και παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδίασης των ελεγκτών κλειστού βρόχου, σύμφωνα πάντα με τις σχεδιαστικές προδιαγραφές. Επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία των ελεγκτών και πραγματοποιούνται προσομοιώσεις με φορτίο τη συστοιχία συσσωρευτών. Τέλος μελετάται και κατασκευάζεται στο εργαστήριο η πειραματική διάταξη, με την οποία πραγματοποιούνται μετρήσεις για την αξιολόγηση και την επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης. Παράλληλα, παρατηρούνται τα προβλήματα που προέκυψαν και προτείνονται τρόποι επίλυσης τους. The present diploma thesis is focused on the study, the design and the implementation of a DC/DC converter for the establishment of Wireless Power Transfer (WPT). This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion (LEMEC) of the Department of Electrical and Computer Engineering at the University of Patras. The goal of this thesis is the theoretical design and the implementation of a resonant converter capable of charging an electric vehicle. The resonant converter consists of the single-phase power inverter, the resonant circuit and the single-phase power rectifier. The most important feature of the resonant circuit, apart from the compensation capacitors and the inductors, is the power transformer. The main difference between this specific transformer and the classical transformers is that their coupling coefficient is very low. Thanks to the resonant circuit, we are able to compensate the reactive power due to the high leakage inductance and also, we can achieve the soft switching (ZVS – Zero Voltage Switching) of the semiconductor devices. Initially, the thesis starts off with a short review presenting the history development of wireless energy transfer and introducing some of the most common applications that can be found in modern societies. Furthermore, the basic battery categories are briefly discussed, as well as the main control techniques that can be implemented in wireless induction systems. Subsequently, the theoretical analysis of all the basic resonant circuit topologies is conducted and some of the most significant hybrid topologies are thoroughly examined as well. Emphasis is given to the comparison of all of these topologies, in order to select the most efficient one for the proposed application. A designing method for the power converter is proposed, in order to achieve the desired specifications. The input voltage is 300V and the rated output power of the converter is 500W. Then the implementation of the resonant circuit follows up next. The next step is to validate the basic operational principles of the converter using Simulink/MATLAB. Firstly, the modulation technique of the inverter (Phase Shift Modulation) is discussed and the open loop simulations with resistive load are conducted. Secondly, the transfer function model of the system is estimated using various methods and the close loop controllers are precisely designed, in order to satisfy the desired close loop system requirements. The functionality of the controllers is validated and simulations using the real battery model of the system are conducted. Finally, a laboratory built of the power converter is implemented and experiments were conducted in order to evaluate and confirm the aforementioned theoretical analysis. Not to mention, the problems and the malfunctions that came up along the way and their solutions are briefly discussed. 2022-07-13T06:29:07Z 2022-07-13T06:29:07Z 2022-07-07 http://hdl.handle.net/10889/16506 gr application/pdf |
