Διατάξεις ανύψωσης τάσης με μαγνητικά συζευγμένα πηνία
Authors: Ζαοσκούφης Κωνσταντίνος 
Published: February 2022

Τα τελευταία χρόνια, λόγω της υφιστάμενης ενεργειακής πολιτικής για σταδιακή απεξάρτηση από τις ορυκτές μορφές ενέργειας, υπάρχει ένα έντονο ενδιαφέρον για τα μικροδίκτυα συνεχούς τάσης (ΣΤ) στα οποία ενσωματώνονται φωτοβολταϊκές (Φ/Β) μονάδες. Το κυρίως πρόβλημα που συναντάται στη διασύνδεση των Φ/Β πλαισίων με το ζυγό του μικροδικτύου ΣΤ, είναι η χαμηλή τάση υπό την οποία παράγουν την ενέργεια τους. Ως εκ τούτου, για τη διασύνδεση τους κρίνεται απαραίτητη η ενδιάμεση παρεμβολή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο ρόλος του οποίου είναι η ανύψωση της χαμηλής τάσης του Φ/Β πλαισίου (16-30V) στα επίπεδα της τάσης του ζυγού (380-400V).Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε χαμηλής ισχύος (μέχρι 300W) ηλεκτρονικές διατάξεις ανύψωσης τάσης, από συνεχή σε συνεχή, για διασύνδεση Φ/Β πλαισίων με το ζυγό μικροδικτύου ΣΤ ίσης με 400V.Βασικός σκοπός είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την πρόταση, τη μελέτη και την κατασκευή βελτιωμένων αλλά και νέων ηλεκτρονικών διατάξεων ανύψωσης τάσης, που θα είναι ικανές να προσφέρουν υψηλά κέρδη τάσης (άνω του 20) σε ένα εύρος ισχύος από 200W έως 300W, σε συνδυασμό με υψηλή απόδοση και πυκνότητα ισχύος και χαμηλό βαθμό πολυπλοκότητας και κόστος.Αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται στη συνολική καταγραφή των ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος ανύψωσης τάσης για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. Παρουσιάζονται οι μετατροπείς χωρίς μαγνητική σύζευξη και οι μετατροπείς με μαγνητική σύζευξη χωρίς/και με γαλβανική απομόνωση. Από τη σύγκριση εξάγεται το συμπέρασμα ότι οι μόνοι που μπορούν να προσφέρουν υψηλά κέρδη τάσης, είναι οι μετατροπείς με μαγνητική σύζευξη. Παρ’ όλα αυτά, σύμφωνα με αρκετές προσεγγιστικές μελέτες, ο συντελεστής σύζευξης των μαγνητικά συζευγμένων στοιχείων τους θέτει ένα μέγιστο όριο στο κέρδος τάσης που μπορούν να προσφέρουν.Στη συνέχεια εξετάζεται ενδελεχώς η επίδραση του συντελεστή σύζευξης στη λειτουργία του συμβατικού μετατροπέα τύπου Boost με μαγνητικά συζευγμένα στοιχεία. Αρχικά αναλύεται η λειτουργία του χωρίς να πραγματοποιείται καμία παραδοχή και εξάγονται όλα μαθηματικές σχέσεις για την λεπτομερή περιγραφή της. Κατόπιν διερευνώνται τα θεωρητικά αποτελέσματα. Ακολούθως πραγματοποιείται εκτενής επισκόπηση και σχολιασμός των παραδοχών πάνω στις οποίες στηρίχτηκαν οι μέχρι πρότινος δημοσιευμένες αναλύσεις.Στο επόμενο βήμα, η θεωρητική ανάλυση αξιολογείται αρχικά μέσω προσομοιώσεων και στησυνέχεια πειραματικά. Τέλος, εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα για το εύρος των προδιαγραφών μέσα στο οποίο είναι εφικτό να λειτουργήσει ο υπό μελέτη μετατροπέας, ενώ παράλληλα προτείνονται λύσεις για τη διεύρυνση του.Ακολούθως, με βάση τα συμπεράσματα και τις προτεινόμενες λύσεις παρουσιάζεται ένας βελτιωμένος μετατροπέας ανύψωσης τάσης με ενσωματωμένο μετασχηματιστή (Ε-Μ/Τ), χωρίς απομόνωση. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία του και στη συνέχεια πραγματοποιείται η ανάλυση του. Κατόπιν παρουσιάζεται η μεθοδολογία σχεδίασης του, ενώ στο πειραματικό σκέλος παρουσιάζονται αποτελέσματα για κέρδη τάσης μέχρι 25, για ισχύ εισόδου μέχρι 250W.Στο επόμενο βήμα παρουσιάζεται ένας νέος μετατροπέας ανύψωσης τάσης με απομόνωση, του οποίου η τοπολογία προκύπτει από αυτήν του βελτιωμένου μετατροπέα. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία του και στη συνέχεια πραγματοποιείται ανάλυση του. Ακολούθως παρουσιάζεται η μεθοδολογία σχεδίασης του, ενώ για την επαλήθευση της θεωρητικής ανάλυσης παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα για κέρδη τάσης μέχρι 20, ισχύ εισόδου μέχρι 250W.Ολοκληρώνοντας, πραγματοποιείται ανάλυση της λειτουργίας ενός Φ/Β συστήματος το οποίο περιλαμβάνει ένα Φ/Β πλαίσιο και το μετατροπέα με απομόνωση και διασυνδέεται στο ζυγό ενός μικροδικτύου ΣΤ. Πραγματοποιείται προσομοίωση του συνολικού συστήματος και διερευνάται η συμπεριφορά του υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας.