التحكم في التحريض للمولد المتزامن باستخدام المقطع

محتوى

• مبدأ عمل الماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر

• تطوير إضافي للماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر

• خاتمة حول الماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر

الدروس الرئيسية:

• تعريف التحكم في الإثارة: يعتبر التحكم في الإثارة هو إدارة الإثارة المجالية المستمرة في الماكينة المتزامنة لتحكم في أدائها.

• مبدأ العمل: يشمل مبدأ عمل الماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر رفع الجهد وتحكم فيه من خلال إشارات PWM لتحقيق الإثارة المرجوة.

• مزايا استخدام الشوبر: تقدم استخدام الشوبر للتحكم في الإثارة كفاءة عالية، حجم صغير، تحكم سلس، واستجابة سريعة.

• مكونات دائرة الشوبر: تشمل المكونات الرئيسية MOSFET، إشارة تعديل العرض النبضي، مستقيم، كوندنسر، مكثف، وأجهزة حماية مثل MOV ومفتاح.

• التحسينات المستقبلية: يمكن أن تشمل التحسينات المستقبلية التحكم في الحلقة المغلقة للأحمال المتغيرة والمكونات الدقيقة لتحسين الأداء وتقليل آثار الحرارة.

تعتبر الماكينة المتزامنة جهازًا كهربائيًا متعدد الاستخدامات يستخدم في مجالات مختلفة مثل توليد الطاقة، الحفاظ على السرعة الثابتة، وتصحيح عامل القوة. عامل القوة يتم التحكم فيه عن طريق إدارة الإثارة المجالية المستمرة. يركز هذا البحث على كيفية التحكم بكفاءة في الإثارة المجالية للماكينة المتزامنة.

تواجه الطرق التقليدية لإثارة DC مشاكل تبريد وصيانة بسبب حلقات الانزلاق والفرش والمحولات، خاصة مع زيادة تصنيف المولد الكهربائي. تهدف أنظمة الإثارة الحديثة إلى تقليل هذه المشاكل من خلال تقليل عدد نقاط الاتصال المتحركة والفرش.

قاد هذا الاتجاه إلى تطوير الإثارة الثابتة باستخدام الشوبر. تستخدم الأنظمة الحديثة أجهزة التحويل شبه الموصلات مثل الدايود، الثايستورات والترانزستورات. في الإلكترونيات الكهربائية، يتم معالجة كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية، حيث تعتبر محولات AC/DC الأكثر شيوعًا.

غالبًا ما تتراوح قدرة المحولات بين عشرات إلى عدة مئات من الواط. في الصناعة، يعتبر محرك السرعة المتغيرة للتحكم في سرعة محرك الإندوكتيون تطبيقًا شائعًا. يتم تصنيف أنظمة تحويل الطاقة بناءً على أنواع الطاقة المدخلة والمخرجة.

• AC إلى DC (مستقيم)

• DC إلى AC (معكوس)

• DC إلى AC (محول DC إلى DC)

• AC إلى AC (محول AC إلى AC)

يتناول كل من المعدات الدوارة والسكونية لتوليد ونقل واستخدام كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية. محول DC-DC هو دائرة إلكترونية تقوم بتحويل مصدر التيار المباشر من مستوى جهد واحد إلى آخر. مزايا محولات الإلكترونيات الكهربائية هي كما يلي-

• كفاءة عالية بسبب خسارة قليلة في أجهزة التحويل شبه الموصلات.

• موثوقية عالية لنظام محول الإلكترونيات الكهربائية.

• عمر طويل وأقل صيانة بسبب عدم وجود أجزاء متحركة.

• مرونة في التشغيل.

• استجابة ديناميكية سريعة مقارنة بأنظمة المحول الكهروميكانيكي.

هناك أيضًا بعض العيوب الهامة لمحولات الإلكترونيات الكهربائية مثل الآتي-

• يميل الدوائر في نظام الإلكترونيات الكهربائية إلى إنتاج التوافقيات في نظام التغذية وكذلك في دائرة الحمل.

• محول AC إلى DC و DC إلى AC يعملان بـ عامل قوة منخفض تحت ظروف تشغيل معينة.

• من الصعب إعادة توليد الطاقة في نظام محول الإلكترونيات الكهربائية.

في هذا المشروع، يتم التحكم في الجهد المتوسط عبر المجال للماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر المُعزز. الشوبر المُعزز هو محول DC إلى DC يوفر جهد خرج أعلى مُتحكم به من جهد DC مدخل ثابت.

MOSFET هو جهاز شبه موصل إلكتروني يعمل كمفتاح بالكامل (مفتاح يمكن التحكم في فتحه وإغلاقه). يتم استخدام MOSFET كجهاز التحويل في دارة الشوبر المُعزز. يتم تشغيل طرف البوابة لـ MOSFET بواسطة إشارة تعديل العرض النبضي (PWM) التي يتم إنشاؤها باستخدام متحكم دقيق. يتم الحصول على جهد التغذية للـ الشوبر من مستقيم ثنائيات القطب من خلال تحويل التيار المتردد من مرحلة واحدة إلى تيار مستمر.

يعتبر هذا النظام للتحكم في إثارة المجال فعال للغاية وصغير الحجم، بسبب استخدام الدوائر الإلكترونية شبه الموصلة. في العديد من التطبيقات الصناعية، مثل التحكم في الطاقة الرديفة، وتحسين عامل القوة لخط النقل، يكون من الضروري تغيير الإثارة المجالية.

يأخذ هذا المحرك الطاقة من مصدر DC ثابت ويحولها إلى جهد DC متغير. تقدم أنظمة الشوبر تحكمًا سلسًا وكفاءة عالية واستجابة سريعة وإمكانية إعادة التوليد. بشكل أساسي، يمكن اعتبار الشوبر كمكافئ DC لمحول AC حيث يتصرفوا بطريقة متطابقة. بما أن الشوبر يشمل مرحلة تحويل واحدة، فإنها تكون أكثر كفاءة.

مبدأ عمل الماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر

لفهم تفاصيل خطة المشروع دعونا نعتبر هذا المخطط البلوكي أدناه:

من خلال المخطط أعلاه يمكننا القول أنه لجهد مدخل 230V لمستقيم موجة كاملة يكون الجهد الخرج حوالي 146 فولت. جهد المجال للماكينة هو 180 فولت لذا يجب علينا رفع الجهد من خلال الشوبر المُعزز. الآن يتم تغذية الجهد المستقر DC المعدل إلى المجال للماكينة المتزامنة. يمكن تغيير جهد الخرج للشوبر بتغيير نسبة الدورة الزمنية، وللقيام بذلك يجب علينا إنشاء مولد نبضات ذو عرض نبضي قابل للتعديل، ويمكن القيام بذلك بمساعدة متحكم دقيق.

يمكن في المتحكم الدقيق إنشاء إشارة نبضية عن طريق مقارنة إشارة تسلسل عشوائي بمقدار ثابت، ولكن لتجنب تأثير التحميل يفضل استخدام العزل الكهربائي لهذا الغرض نحن نستخدم الكوبلاجر الضوئي. تم استخدام كوندنسر في دارة الشوبر للتخلص من الريبل من الجهد الخرج. تم تجربة أن المكثف الذي تم استخدامه في دارة الشوبر يجب أن يكون قادرًا على التعامل مع 2-3 أمبير من التيار خلال فترة القصر. بالإضافة إلى الجهد الخرج المطلوب، يجب أيضًا تصميم الدائرة بحيث يمكنها تحمل أي حالة عطل.

• للحماية من الجهد الزائد، سنستخدم مقاومات أكسيد المعادن المتغيرة (MOV) والتي مقاومة تعتمد على الجهد.

• للحماية من التيار الزائد، يمكننا استخدام مفتاح التيار الأولي المحدود مفتاح.

لتحسين جودة الموجة يمكن استخدام دائرة الترشيح أساسًا L أو LC عند الخرج من المستقيم الثنائي. يجب أن يكون للدايود الذي تم استخدامه وقت استعادة عكسي أقل هنا يمكن استخدام دايود الاستعادة السريعة.

قيم مكونات الدائرة التي تم استخدامها

جهد DC المدخل = 100 فولت
جهد النبضة = 10 فولت، نسبة الدورة الزمنية = 40%
تردد القطع = 10 كيلوهرتز
R = 225 أوم (كما تم حسابه من تصنيف الجهاز)
L = 10 ملي هنري
C = 1 بي Farad

البيانات المستخرجة من الخرج
جهد الخرج: 174 فولت (المتوسط)
تيار الحمل: 0.775 أمبير (المتوسط)
تيار المصدر: 0.977 أمبير

تطوير إضافي للماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر

لا يزال هناك مجال كبير للتطوير المستقبلي الذي سيحسن النظام ويزيد من قيمته التجارية.

التحكم في الحلقة المغلقة

في المناطق التطبيقية حيث يتعامل المستخدم مع حمل متغير، يحتاج إلى نظام تحكم في الحلقة المغلقة للحفاظ على الإثارة الثابتة. سيتم مقارنة الجهد المرجعي والجهد الخرج الفعلي أولاً وسيتم إنشاء إشارة خطأ. ستقرر هذه الإشارة خطأ نسبة الدورة الزمنية للـ الشوبر.

تقليل تأثير درجة الحرارة

استخدام الكوندنسر الدقيق، ودايود التحويل يمكن أن يحسن الأداء بالتأكيد، لكنه سيساهم في تكلفة المشروع.

خاتمة حول الماكينة المتزامنة باستخدام الشوبر

في مشروعنا، قمنا بتصميم وتنفيذ نظام تحكم في الإثارة بسعر منخفض وسهل الاستخدام باستخدام الشوبر. المستخدمون المستهدفون للنظام هم الصناعات التي تحتاج إلى تحكم سلس وكفء وصغير يوفر نطاقًا واسعًا لتغير الجهد. يعتبر هذا النوع من المشاريع مفيدًا حقًا في المجالات الصناعية في الدول النامية مثل الهند، حيث تعتبر أزمة الطاقة مصدر قلق كبير.

لقد تعلمنا الكثير من خلال المشروع. اكتسبنا دروسًا في العمل الجماعي، التنسيق، القيادة أثناء مرورنا بمرحلات مختلفة من تطوير المشروع. تحدانا تعقيد التكنولوجيات اللازمة لبناء النظام. ساعدنا ذلك على ربط وتطبيق المعرفة النظرية التي حصلنا عليها في برنامج الهندسة.

لم يكن لأي منا خبرة في التحكم الإلكتروني للمحرك قبل المشروع. كان علينا تعلم مفاهيم وتقنيات مختلفة بسرعة وتطبيقها في النظام. قدم المشروع أيضًا فرصة لنا لجمع الخبرة في إنشاء إشارات النبضات وتحكم MOSFET القوة. أثرت تجربة المشروع بشكل كبير على معرفتنا وحذفت مهاراتنا التقنية.