Εξοικονόμηση ενέργειας σε βιομηχανικά ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα
Authors: Καρατζαφέρης Ιωάννης 
Published: September 2021

Τα βιομηχανικά ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα αποτελούν τη σημαντικότερη κατηγορία καταναλωτών ηλεκτρικής ενέργειας, με το 50% περίπου της παραγόμενης παγκοσμίως ηλεκτρικής ενέργειας να καταναλώνεται από ηλεκτρικούς κινητήρες και ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, με κυριότερο καταναλωτή τον τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού. Για αυτό το λόγο, η έρευνα για την εξοικονόμηση ενέργειας σε ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα είναι ένα πεδίο με μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον. Η παρούσα διδακτορική διατριβή, εστιάζει ιδιαίτερα στην εξέταση των δυνατοτήτων εξοικονόμησης ενέργειας που προσφέρονται από την αναγεννητική πέδηση ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. Από τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να υπάρξει εκμετάλλευση της ανακτώμενης ενέργειας κατά την αναγεννητική πέδηση, ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στα αμφίδρομα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Τα συστήματα αυτά, κάνοντας χρήση ενός αμφίδρομου μετατροπέα ΣΤ-ΣΤ και κατάλληλης διάταξης αποθήκευσης ενέργειας, η οποία είναι συνήθως μία συστοιχία υπερπυκνωτών μπορούν να αποθηκεύσουν την ενέργεια που ανακτάται κατά την πέδηση του κινητήρα και να την αποδώσουν ξανά, όταν το κινητήριο σύστημα επανεκκινήσει. Τα τελευταία χρόνια, και λόγω των εξελίξεων στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας, με την ευρεία κυκλοφορία των υπερπυκνωτών η τεχνολογία των αμφίδρομων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας έχει κάνει την εμφάνισή σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, ενώ ταυτόχρονα υπάρχει και έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον. Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των αμφίδρομων συστημάτων αποθήκευσης και επαναχρησιμοποίησης της ενέργειας που ανακτάται από την αναγεννητική πέδηση ενός κινητηρίου συστήματος και προορίζονται για χρήση σε ήδη υπάρχοντα κινητήρια συστήματα. Εξετάζονται οι αμφίδρομοι μετατροπείς ΣΤ-ΣΤ, καθώς αποτελούν το βασικό στοιχείο μιας διάταξης αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Γίνεται επισκόπηση των πιο συνηθισμένων τοπολογιών αμφίδρομων μετατροπέων ΣΤ-ΣΤ που συναντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία και μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις υπό διερεύνηση διατάξεις. Παρουσιάζεται η διαδικασία επιλογής ενός αμφίδρομου συστήματος αποθήκευσης ενέργειας, δίνοντας έμφαση στην επιλογή της τοπολογίας, της περιοχής λειτουργίας και τη διαστασιολόγηση των πιο σημαντικών παραμέτρων του κυκλώματος, όπως η επαγωγή και η διακοπτική συχνότητα. Επίσης, μελετάται η μέθοδος ελέγχου του αμφίδρομου μετατροπέα. Γίνεται επισκόπηση των μεθόδων ελέγχου που προτείνονται στη διεθνή βιβλιογραφία, ενώ προτείνεται και ένας νέος, βελτιωμένος τρόπος ελέγχου του αμφίδρομου μετατροπέα, που οδηγεί σε καλύτερη διαχείριση της αποθηκευμένης ενέργειας. Επιπλέον, διερευνάται ο βαθμός εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί από τη χρήση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας. Αυτό γίνεται μέσω της εκτίμησης του ποσοστού της κινητικής ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί όταν έχουμε αναγεννητική πέδηση. Στη συνέχεια, εισάγεται η ιδέα της ύπαρξης μιας βέλτιστης διάρκειας πέδησης, η οποία μεγιστοποιεί την ενέργεια που αποθηκεύεται και μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί, και παρουσιάζεται μια μέθοδος εύρεσης αυτής της βέλτιστης διάρκειας. Επίσης, παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού του βαθμού εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί από τη χρήση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας. Τέλος, παρουσιάζεται ένα πρωτότυπο σύστημα που προορίζεται για εφαρμογή σε βιομηχανικές διεργασίες στις οποίες χρησιμοποιούνται περισσότερα του ενός κινητήρια συστήματα ελεγχόμενα από αντιστροφέα. Το σύστημα αυτό συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά από δύο υπάρχουσες τεχνολογίες, αυτή των συστημάτων οδήγησης με κοινό πυκνωτή διασύνδεσης (γνωστά και ως Multi Axis Drive Systems) και αυτή των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με αμφίδρομους μετατροπείς. Αποτελείται από πολλούς αμφίδρομους μετατροπείς, έναν για κάθε κινητήριο σύστημα, οι οποίοι όμως στην έξοδό τους μοιράζονται μια κοινή συστοιχία αποθήκευσης ενέργειας. Οι μεθολογίες και τεχνολογίες που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή επιβεβαιώνονται τόσο μέσω προσομοίωσης, όσο και πειραματικά.