Μελέτη αέργου ισχύος και μέθοδοι βελτίωσης συντελεστή ισχύος και βαθμού απόδοσης συστημάτων μετατροπής ενέργειας αποτελούμενα από ηλεκτρονικούς μετατροπείς εξαναγκασμένης μετάβασης

• Κύριος συγγραφέας: Γεωργάκας, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Σαφάκας, Αθανάσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2009
• Θέματα: Συντελεστές ισχύος; Βαθμοί απόδοσης; Ηλεκτρονικοί μετατροπείς εξαναγκασμένης μετάβασης; Άεργος ισχύς; Power factors; Efficiency; Power electronic converters; Reactive power; 621.317

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη μείωση της αέργου ισχύος και των απωλειών σε συστήματα μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία περιέχουν ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Ως γνωστόν, συνήθως, όταν χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι μετατροπείς ισχύος για τον έλεγχο ηλεκτρικών και ηλεκτρομηχανικών μεγεθών, επέρχεται μείωση του συντελεστή ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Για να επιτευχθεί υψηλός συντελεστής ισχύος, συνήθως, χρησιμοποιούνται τεχνικές παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του εκάστοτε μετατροπέα, οι οποίες λειτουργούν με υψηλή διακοπτική συχνότητα. Μ’ αυτό τον τρόπο μειώνεται η άεργος ισχύς, με αποτέλεσμα να μειώνεται και το συνολικό ρεύμα που ρέει από το δίκτυο παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι απώλειες του δικτύου, αλλά αυξάνονται οι απώλειες του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Στην εργασία αυτή μελετάται εκτενώς η επίδραση της διακοπτικής συχνότητας επί του συνολικού συντελεστή ισχύος και επί του βαθμού απόδοσης. Προσδιορίζεται η διακοπτική συχνότητα, για την οποία επιτυγχάνεται ο υψηλότερος δυνατός συντελεστής ισχύος και βαθμός απόδοσης. Αυτή η συχνότητα εξαρτάται άμεσα από το παθητικό φίλτρο ανώτερων αρμονικών, που συνήθως είναι τοποθετημένο στην είσοδο του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Η διερεύνηση για την εύρεση της διακοπτικής συχνότητας για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τη μέγιστη δυνατή τιμή, πραγματοποιείται για ένα μονοφασικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή με διπλή κατεύθυνση ρεύματος. Στις περισσότερες εφαρμογές, στις οποίες υπάρχει ένα δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης, λόγω της φύσεως των φορτίων δημιουργείται καθυστέρηση του ρεύματος ως προς την τάση του δικτύου αυτού. Ένα από τα σημαντικά θέματα που πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η αναίρεση αυτής της καθυστέρησης μέσω κατάλληλης έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Η καταλληλότητα αυτής της τεχνικής παλμοδότησης εξετάζεται τόσο για την περίπτωση ενός μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης (Ε.Τ.) σε συνεχή τάση (Σ.Τ.), όσο και για έναν ελεγχόμενο μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη σταθερής συχνότητας λειτουργίας. Κατά τον έλεγχο της λειτουργίας ορισμένων φορτίων μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές στο ρεύμα του δικτύου με χαμηλές συχνότητες (π.χ. 150 Hz). Στη διατριβή αυτή μελετάται η μείωση αυτών μέσω της έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο σήμα που αποτελεί τη βάση της δημιουργίας των παλμών έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Συγκεκριμένα, το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την εισαγωγή και τους στόχους της διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαμβάνει τους απαραίτητους ορισμούς βασικών ενεργειακών μεγεθών καθώς και τον προσδιορισμό των προβλημάτων, η λύση των οποίων αποτελεί το σκοπό της παρούσας διατριβής. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με τη σύγκριση των τυπικότερων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τύπου μονοφασικής γέφυρας με κριτήρια το συντελεστή ισχύος και το βαθμό απόδοσης. Επίσης, προτείνεται η χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος Ε.Τ. σε Σ.Τ. διπλής κατεύθυνσης ρεύματος, ο οποίος πλεονεκτεί έναντι των συνήθως χρησιμοποιούμενων και μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλος για εφαρμογές στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς για την αντιστροφή ισχύος π.χ. κατά την πέδηση αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνάται η τεχνική παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων ενός μετατροπέα και προτείνεται εκείνη για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τις υψηλότερες δυνατές τιμές. Στο πέμπτο κεφάλαιο προτείνεται μία μεθοδολογία, μέσω της οποίας καθορίζεται η τιμή των στοιχείων του παθητικού φίλτρου και της διακοπτικής συχνότητας, για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν ταυτόχρονα τις μέγιστες δυνατές τιμές. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση επιβεβαιώνοντας έτσι τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, τα τροφοδοτικά καθώς και οι επαγωγές των φίλτρων σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας στο πλαίσιο της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Στο έβδομο κεφάλαιο προτείνεται η χρήση μιας τεχνικής παλμοδότησης, με την οποία αναιρείται η καθυστέρηση της βασικής αρμονικής ως προς την τάση του δικτύου. Η τεχνική αυτή στην παρούσα διατριβή ονομάζεται α-sPWM. Με τη χρήση της μεθόδου αυτής βελτιώνεται ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης. Η μελέτη της εφαρμογής της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM πραγματοποιείται μέσω προσομοίωσης και μέσω πειραματικών μετρήσεων. Στο όγδοο κεφάλαιο μελετάται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής παλμοδότησης σε ένα σύστημα, το οποίο αποτελείται από ένα διακοπτικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση σταθερής συχνότητας λειτουργίας αλλά μεταβαλλόμενης ενεργού τιμής. Στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για το προηγούμενο σύστημα, του οποίου ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τον υποψήφιο στο Εργαστήριο. Στο δέκατο κεφάλαιο προτείνεται μία μέθοδος έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο ρεύμα της πηγής μέσω των παλμών έναυσης της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM για την αναίρεση των σημαντικότερων ανώτερων αρμονικών του ρεύματος αυτής. Αυτές οι αρμονικές είναι μικρά πολλαπλάσια της συχνότητας της πηγής και δεν είναι εύκολο να απορροφηθούν από το παθητικό φίλτρο στην πλευρά του δικτύου εναλλασσόμενης τάσης λόγω του μεγάλου μεγέθους των στοιχείων αυτού. Στη συνέχεια προτείνεται ένας τρόπος προσδιορισμού του πλάτους της εκάστοτε προς αναίρεση ανώτερης αρμονικής του ρεύματος, της οποίας η συχνότητα είναι γνωστή. Στο ενδέκατο κεφάλαιο διατυπώνονται τα συμπεράσματα και η συμβολή της διατριβής, στο δωδέκατο μία σύντομη περίληψη και στο δέκατο τρίτο παρατίθεται η βιβλιογραφία. Στο τέλος της διατριβής περικλείεται μία σύντομη περίληψη στα Αγγλικά.