Αρχιτεκτονική αρθρωτού σχεδιασμού ηλεκτροπρόωσης – Α΄ Μέρος

Βάσει των νέων αυστηρών κανόνων που επιβάλλει ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός (IMO), ο οποίος είναι ο  οργανισμός ναυτικής ασφάλειας των Ηνωμένων Εθνών, έχει προκληθεί αύξηση της  παγκόσμιας ζήτησης για φιλικά προς το περιβάλλον πλοία και υιοθέτηση νέων τεχνολογιών πρόωσης, με καινοτόμες λύσεις όπως τα ηλεκτροπροωθούμενα (ηλεκτροκίνητα)  πλοία, τα πλοία με κυψέλες καυσίμου (ενεργειακά στοιχεία υδρογόνου – Fuel Cells) και τα πλοία πρόωσης υβριδικού τύπου.

Άρθρο του Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη*

 

Τι είναι η ηλεκτροπρόωση

 

Ηλεκτροπρόωση ονομάζεται το είδος της πρόωσης το οποίο προκύπτει από την ύπαρξη ηλεκτροκινητήρων που συνδέονται στον κύριο ελικοφόρο άξονα με σχέση μετάδοσης κίνησης:

  • ένα προς ένα (1:1)
  • μειωμένη, χρησιμοποιώντας μειωτήρα στροφών (σπανιότερη χρήση).

Βάσει των σύγχρονων τάσεων οδηγούμαστε προς την αμιγή (καθαρή) ηλεκτροπρόωση, συνεπώς δεν θα πρέπει να υφίσταται η ύπαρξη άλλου είδους μηχανών όπως δίχρονοι ή τετράχρονοι πετρελαιοκινητήρες, αεριοστρόβιλοι ή ατμοστρόβιλοι εκτός αν αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για την  λειτουργία αξονικής γεννήτριας του πλοίου.

Ηλεκτρικοί Κινητήρες Πρόωσης Πλοίων

Η πλειονότητα των κινητήρων είναι σύγχρονοι, οι οποίοι έχουν βαθμό απόδοσης 96 – 98%, υψηλότερο κατά 3 – 4% από τον βαθμό απόδοσης κινητήρων επαγωγής. Η ονομαστική τάση λειτουργίας στις εγκαταστάσεις μέσης και μεγάλης ισχύος είναι 3,3 – 6,6 kV.  Στους σύγχρονους κινητήρες έρχεται να προστεθεί μία νέα κατηγορία αυτή των σύγχρονων κινητήρων με μόνιμους μαγνήτες των οποίων η απόδοση σύμφωνα με τους κατασκευαστές τους υπερβαίνει το 98%.

Σε  αυτές  τις  σύγχρονες μηχανές,  το  τύλιγμα  διεγέρσεως  του  δρομέα (που  διαρρέεται  από  συνεχές  ρεύμα)  έχει αντικατασταθεί από μόνιμους μαγνήτες.  Το αποτέλεσμα είναι το  ίδιο καθώς και στις δύο περιπτώσεις παράγεται ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σταθερής τιμής που στρέφεται στο χώρο με την ταχύτητα του δρομέα.

Το προφανές πλεονέκτημα  των μηχανών αυτών  είναι ότι  δεν  έχουν ανάγκη παροχής σε ΣΡ,  ενώ με  τον  τρόπο αυτό αυξάνεται  και  η  συνολική  απόδοση  καθώς μεταξύ  των  άλλων μειώνονται  και  οι  συνολικές  απώλειες Joule  στα τυλίγματα.  Η ιδέα της χρήσης μονίμων μαγνητών είναι παλιά αλλά η τεχνολογική πρόοδος τα τελευταία χρόνια είναι που  κατέστησε  δυνατή  την  κατασκευή  κραμάτων “μονίμων μαγνητών” (κράματα  σαμαρίου-κοβαλτίου, Sm-Co  και νεοβιδίου-σιδήρου-βορείου, NdFeB) που  έχουν  τη δυνατότητα να διατηρούν σταθερή  τη μαγνήτισή  τους για αρκετά υψηλές θερμοκρασίες, όπως είναι αυτές που αναπτύσσονται στο εσωτερικό μίας στρεφόμενης μηχανής.

Οι κινητήρες αυτοί με κατάλληλη  επιλογή  τυλίγματος στάτη και πόλων  δρομέα μπορούν  να παράγουν ημιτονοειδές ηλεκτρομαγνητικό πεδίο συναγωνίζοντας έτσι μία συμβατική σύγχρονη μηχανή στα χαμηλά επίπεδα απότομων αιχμών ροπής (torque ripples)  και μηχανικών  δονήσεων (vibrations).  Είναι σε ερευνητικό επίπεδο τα  τελευταία  χρόνια  η  χρησιμοποίηση ηλεκτρικών κινητήρων με υπεραγώγιμα υλικά ως κινητήρες πρόωσης (Η.Π.Α.) και οι οποίοι λόγω του ότι το υπεραγώγιμο υλικό παρουσιάζει μηδενική ηλεκτρική αντίσταση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, έχουν πολύ μεγάλη  ισχύ  ανά μονάδα  όγκου  σε  σύγκριση με  τους  συμβατικούς  κινητήρες.  Κατ’ επέκταση θεωρούνται  ιδανικοί  για  την πρόωση  πολεμικών  πλοίων  όπου  ο  χώρος  είναι  περιορισμένος  σε  συνδυασμό με  τις  αυξημένες  ανάγκες  ισχύος. Η εταιρεία American Syperconductor Inc. χρηματοδοτείται από το Αμερικανικό Πολεμικό Ναυτικό για να κατασκευάσει έναν κινητήρα πρόωσης ονομαστικής ισχύος 25MW.

  • Κινητήρες αξονικής ροής

Πρόκειται για κινητήρες στους οποίους η ωφέλιμη μαγνητική ροή είναι κατά την ακτινική διεύθυνση, όπως στις συμβατικές  ηλεκτρικές μηχανές, με παραδείγματα, τον κινητήρα PERMASYN της εταιρείας SIEMENS, με μόνιμους μαγνήτες (εφαρμογές πρόωσης και σε  υποβρύχια  του  ΠΝ) κι έναν  άλλο  τύπο  ηλεκτρικού  κινητήρα  πρόωσης, τον  Εξελιγμένο  Επαγωγικό Κινητήρα (Advanced Induction Motor-AIM)  της ALSTOM, ο  οποίος  έχει  επιλεγεί  για  την  πρόωση  της φρεγάτας Type  45  του  Βρετανικού  Πολεμικού  Ναυτικού.  Προσφέρει  υψηλή  πυκνότητα  ισχύος  και  ροπής  σε σύγκριση με  έναν  συμβατικό  επαγωγικό  κινητήρα  ίδιας  ονομαστικής  ισχύος.  Η  διαφορά με  τον  κοινό τριφασικό επαγωγικό  κινητήρα  είναι  ότι  προσφέρει  την  δυνατότητα  λειτουργίας με 5, 10  ή 15  φάσεις  χρησιμοποιώντας  τις αρμονικές  του μαγνητικού  πεδίου με  την  βοήθεια  εξελιγμένων  ηλεκτρονικών  ισχύος  για  να  αυξηθεί  η  ισχύς  του κινητήρα.

  • Πολυβάθμιοι κινητήρες εγκάρσιας ροής (transverse flux motors)

Οι  κινητήρες  αυτοί  έχουν μόνιμους μαγνήτες  στο  δρομέα,  προσανατολισμένους μάλιστα  κατά  τέτοιο  τρόπο ώστε  η μαγνητική  ροή  να  ρέει μέσα  στο  διάκενο  σε  διεύθυνση  εν μέρει  κατά  την  αξονική  διεύθυνση  και  κυρίως  κάθετη- εγκάρσια προς τον άξονα της μηχανής.

  • Πολυβάθμιοι κινητήρες αξονικής ροής (axial flux motors)

Οι κινητήρες αυτοί έχουν μόνιμους μαγνήτες στον δρομέα, προσανατολισμένους κατά τρόπο ώστε η μαγνητική ροή να ρέει σε διεύθυνση παράλληλη  προς τον άξονα της μηχανής (αξονική).

 

Τοπολογίες μετατροπέων ηλεκτρονικών ισχύος για  ηλεκτροπρόωση

  • Μετατροπείς Συχνότητας

Στις εγκαταστάσεις Ε.Ρ., στις οποίες η συχνότητα του παραγομένου ρεύματος είvαι σταθερή, η συνεχής ρύθμιση της ταχύτητας  περιστροφής  του  ηλεκτροκινητήρα  πρόωσης (και  επομένως  της  έλικας)  είναι  δυνατή  εάν  αυτός τροφοδοτηθεί όχι απ’ ευθείας από το δίκτυο αλλά από διάταξη μετατροπής της συχνότητας. Η διάδοση της ηλεκτρικής πρόωσης κατά τα τελευταία έτη ίσως δεν θα ήταν δυνατή χωρίς τους μετατροπείς αυτούς.

Η θεμελιώδης διάταξη μετατροπής είναι η γέφυρα 6-παλμών (ανορθωτής αλλά και κυρίως αντιστροφέας).  Ωστόσο για μείωση  των  αρμονικών  παραμορφώσεων  κατασκευάζονται  πιο  σύνθετες  διατάξεις.   Έτσι  ένας  αντιστροφέας 12 παλμών αποτελείται από δύο αντιστροφείς 6 παλμών, των οποίων οι αντίστοιχες φάσεις έχουν γωνιακή διαφορά 30ο.

Σε σύγχρονες ναυπηγήσεις αξιοποιούνται προς το παρόν έως και γέφυρες 24 παλμών.   Ακολουθεί μία συνοπτική περιγραφή ευρέως χρησιμοποιούμενων μετατροπέων ηλεκτρονικών ισχύος:

  • Ζεύγη ανορθωτών – αντιστροφέων SPWM

Στις διατάξεις αυτές, αρχικά γίνεται ανόρθωση από ΕΡ σε ΣΡ και στη συνέχεια αντιστροφή από ΣΡ σε ΕΡ.  Στον σύνδεσμο ΣΡ (DC-link) μεταξύ των δύο μετατροπέων παρεμβάλλεται κάποιο στοιχείο που διατηρεί σταθερή την τάση ή το ρεύμα που παρέχει ο μετατροπέας:

α) πηγές ρεύματος (CSI Current Source Inverters) με SPWM: στο DC-link παρεμβάλλεται πηνίο που διατηρεί  το ρεύμα  τροφοδοσίας σταθερό με αποτέλεσμα ο μετατροπέας  εμφανίζεται  να  λειτουργεί ως πηγή (σταθερού) ρεύματος.

β)  πηγές  τάσεως (VSI Voltage Source Inverters) με SPWM:  στο  σύνδεσμο  ΣΡ  παρεμβάλλεται πυκνωτής  που  διατηρεί  την  τάση  τροφοδοσίας  σταθερή με  αποτέλεσμα  ο μετατροπέας  να  εμφανίζεται  ότι λειτουργεί ως πηγή (σταθερής) τάσεως,

γ) συγχρομετατροπείς (synchro-converters) ή LCI (Load Commutated Inverters, LCI): πρόκειται για ειδική περίπτωση μετατροπέα πηγής ρεύματος (CSI) στην οποία όμως οι διακόπτες ισχύος σβήνουν μόνον με τη  βοήθεια  του  φορτίου  τους.   Το  χαρακτηριστικό  αυτό  αποτελεί  το  κύριο  πλεονέκτημά  τους  καθώς  δεν απαιτούνται  επιπλέον  βοηθητικά  κυκλώματα  σβέσεως.  Βρίσκουν  εφαρμογή  σε  προωστήρια  συστήματα με σύγχρονους κινητήρες μεγάλης ισχύος.

  • Κυκλομετατροπείς (cycloconverters)

με  τις  διατάξεις  αυτές  επιτυγχάνεται  απευθείας μετατροπή  από μία μορφή ΕΡ συγκριμένου πλάτους και συχνότητας σε άλλη μορφή Ε.Ρ. διαφορετικού πλάτους και συχνότητας. Στην περίπτωση των προωστήριων συστημάτων πλοίων, λαμβάνει χώρα υποβιβασμός συχνότητας (από 50/60 Hz σε 2-3 Ηz).  Η  απλή  περίπτωση  ενός  τριφασικού  κυκλομετατροπέα 6  παλμών (6-παλμικός)  αποτελείται  από 36  ελεγχόμενους διακόπτες ισχύος, 12 για κάθε φάση. Σε κάθε φάση αντιστοιχούν δύο γέφυρες διακοπτών (g και o) με 6 διακόπτες η κάθε μία. Η μία γέφυρα είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία της κυματομορφής κατά τη θετική ημιπερίοδο και η άλλη κατά  την αρνητική. Στις  γέφυρες  εισέρχονται όλες οι φάσεις εισόδου.  Αντιπαράλληλα προς τους  διακόπτες  ισχύος,  εν  γένει,  συνδέονται  και  δίοδοι  ισχύος  για  να  κυκλοφορούν  αντίστροφης  φοράς  ρεύματα προστατεύοντας τους ελεγχόμενους διακόπτες.  Η  τεχνική  ελέγχου  αγωγής  των  διακοπτικών στοιχείων  ισχύος μπορεί  να  ποικίλλει κι εδώ,  αλλά  έχει επικρατήσει μία αντίστοιχη μέθοδος της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών των αντιστροφέων SPWM.  Στην περίπτωση αυτή, το επιθυμητό σήμα σε μία φάση εξόδου συγκρίνεται με τις τάσεις όλων των φάσεων  εισόδου και στα σημεία  που  εξισώνονται (σημεία  τομής  των  κυματομορφών),  παράγονται  σήματα  αλλαγής  κατάστασης  των αντίστοιχων διακοπτών ισχύος.

Συγκεντρωτικά οι μετατροπείς αυτοί, παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα:

 

 

Τεχνικές Ελέγχου Ηλεκτρικών Κινητήρων Πρόωσης Εναλλασσόμενου Ρεύματος

Οι μέθοδοι ελέγχου ηλεκτρικών κινητήρων Ε.Ρ. εστιάζοντας  κυρίως στις εφαρμοζόμενες  σε κινητήρες ηλεκτροπρόωσης, είναι οι παρακάτω:

  • Βαθμωτός έλεγχος ανοικτού ή κλειστού βρόχου V/F  (scalar control):

Είναι μη εφαρμόσιμος στην περίπτωση της πρόωσης, αλλά κρίνεται αναγκαία η αναφορά σε αυτόν. Δίνεται η επιθυμητή μηχανική ταχύτητα  χωρίς να λαμβάνεται μέτρηση της πραγματικής ταχύτητας.  Η τάση μεταβάλλεται αναλογικά προς την επιθυμητή ταχύτητα σε μία προσπάθεια να μην μεταβάλλεται  η  ροπή.  Σε παραλλαγή  αυτής  της τεχνικής,  λαμβάνεται μέτρηση  της  πραγματικής ταχύτητας  που  συγκρινόμενη με  την  επιθυμητή  ταχύτητα  παράγει  ένα  σήμα  σφάλματος, το οποίο οδηγείται σε έναν ελεγκτή ΡΙ και παράγεται κατάλληλο σήμα εναύσεως των διακοπτικών στοιχείων ισχύος.  Το ίδιο σήμα ρυθμίζει και την τάση σε μία προσπάθεια να μην μεταβάλλεται η ροπή στον άξονα.

  • Έλεγχος με SPWM και CSI  (με  συγκριτές  υστερήσεως):  η  στιγμιαία  τιμή  του  ρεύματος  εισόδου ελέγχεται  συνεχώς  ώστε  να  κυμαίνεται μεταξύ  δύο  οριακών  τιμών  κατωφλίου.   Σε  κάθε  προσπάθεια  του ρεύματος να υπερβεί τα όρια αυτά, παράγεται σήμα από τον ελεγκτή PWM που δίνει εντολή στους διακόπτες να άγουν κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αναιρεθεί η εν λόγω προδιάθεση του ρεύματος.
  • ∆ιανυσματικός έλεγχος (vector control): γίνεται όπως στη μηχανή Σ.Ρ. ξένης διεγέρσεως, όπου η ροπή Μ, είναι μία ποσότητα ανάλογη του γινομένου του ρεύματος τυλίγματος διεγέρσεως (πεδίου) Ιf και του ρεύματος τυλίγματος τυμπάνου, Ia:

Μ=k.If.Ia

Έλεγχος πεδίου (field control) : Η πλέον διαδεδομένη παραλλαγή της τεχνικής του διανυσματικού ελέγχου, είναι η μέθοδος ελέγχου με προσανατολισμό στο διάνυσμα της πεπλεγμένης ροής του δρομέα ή πιο απλά έλεγχος πεδίου (field control). Μειονέκτημά της είναι ο μεγάλος αριθμός αισθητήρων, μετατροπέων και μετρητικών διατάξεων που αυξάνουν την πολυπλοκότητα, το κόστος αλλά και τον χρόνο απόκρισης των διατάξεων ελέγχου. Επιπροσθέτως, γενικότερα με τη μέθοδο διανυσματικού ελέγχου η ροπή ελέγχεται μόνον με έμμεσο τρόπο χωρίς να αποφεύγονται και κραδασμοί (torque ripples).

  • Απευθείας έλεγχος ροπής (Direct Torque Control DTC): είναι μια εξέλιξη της μεθόδου του διανυσματικού  ελέγχου  πεδίου (vector field  control). Η  τεχνική  αυτή  έχει  ήδη αρχίσει  να  εφαρμόζεται σε  πλοία με  ηλεκτρική  πρόωση  και  πιο συγκεκριμένα με  αζιμουθιακό  προωστήριο σύστημα  σε  συνδυασμό με  σύγχρονο  κινητήρα μονίμων μαγνητών (Azipod,  της εταιρείας  ΑΒΒ)  και κυκλομετατροπείς.  Πλεονεκτεί  έναντι  του  διανυσματικού  ελέγχου,  καθώς παρουσιάζει τα παρακάτω χαρακτηριστικά:
  • απευθείας έλεγχος της ροπής εξόδου του κινητήρα
  • παραγόμενη ροπή χωρίς μεγάλες αιχμές (torque ripples)
  • πολύ λιγότερες απαιτήσεις σε μετρήσεις και υπολογισμούς μεγεθών (π.χ. δεν είναι απαραίτητη η μέτρηση της ταχύτητας περιστροφής)

*Στο επόμενο τεύχος θα ακολουθήσει το β’ μέρος του κειμένου

 

*Ο Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & ​Τεχνολογίας Υπολογιστών

MSc Electrical and Computer Engineering​

MSc in Microelectronics

Ακαδημαϊκός Υπότροφος Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής

Τμήμα Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών

 

 

 

 

Ελέγξτε επίσης

Εργαλειομηχανές CNC

Η ταχύτατη και διαρκής εξέλιξη τόσο της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών όσο και της ηλεκτρονικής, …