Control d'excitació de la màquina síncrona utilitzant un chopper
Continguts
Principi de funcionament de la màquina síncrona utilitzant un chopper
Desenvolupament posterior de la màquina síncrona utilitzant un chopper
Conclusió de la màquina síncrona utilitzant un chopper
Aprendizatges clau:
Definició del control d'excitació: El control d'excitació es defineix com la gestió de l'excitació de camp CC en una màquina síncrona per controlar el seu rendiment.
Principi de funcionament: El principi de funcionament d'una màquina síncrona utilitzant un chopper implica pujar la tensió i controlar-la a través de senyals PWM per aconseguir l'excitació desitjada.
Avantatges del chopper: Utilitzar un chopper per al control d'excitació ofereix alta eficiència, mida compacta, control suau i resposta ràpida.
Components en el circuit del chopper: Els components clau inclouen un MOSFET, un senyal de modulació de l'amplada de pols, un rectificador, un condensador, un inductor i dispositius de protecció com MOV i fusible.
Milloraments futurs: Els desenvolupaments futurs podrien incloure control en bucle tancat per càrregues variables i components de precisió per millorar el rendiment i reduir els efectes de la temperatura.
Una màquina síncrona és una màquina elèctrica versàtil utilitzada en diversos camps, com la generació d'energia, el manteniment de velocitat constant i la correcció del factor de potència. Factor de potència es controla gestionant l'excitació de camp CC. Aquest treball es centra en com podem controlar eficientment l'excitació de camp d'una màquina síncrona.
Els mètodes convencionals d'excitació CC s'enfronten a problemes de refrigeració i manteniment degut als anells de lliscament, escovines i commutadors, especialment quan les ratings de l'alternador augmenten. Els sistemes moderns d'excitació busquen reduir aquests problemes minimitzant el nombre de contactes lliscants i escovines.
Aquesta tendència ha portat al desenvolupament de l'excitació estàtica utilitzant un chopper. Els sistemes moderns utilitzen dispositius de commutació de semiconductors com diodos, tiristors i transistors. En l'electrònica de potència, es processa una quantitat substancial d'energia elèctrica, amb els convertidors AC/DC sent els dispositius més típics.
El rang de potència sol abastar des de deu a diverses centenes de watts. A l'indústria, una aplicació comuna és el variador de velocitat utilitzat per controlar la velocitat d'un motor d'inducció. Els sistemes de conversió d'energia es classifiquen segons els tipus de potència d'entrada i sortida.
AC a DC (rectificador)
DC a AC (inversor)
DC a DC (convertidor DC a DC)
AC a AC (convertidor AC a AC)
Tracta tant equips rotatius com estàtics per a la generació, transmissió i utilització de grans quantitats d'energia elèctrica. El convertidor DC-DC és un circuit electrònic que converteix una font de corrent contínua d'un nivell de tensió a un altre.
Els avantatges dels convertidors electrònics de potència són els següents-
Alta eficiència degut a baixes pèrdues en dispositius de semiconductors de potència.
Alta fiabilitat del sistema de convertidor electrònic de potència.
Vida llarga i menys manteniment degut a l'absència de parts mòbils.
Flexibilitat en l'operació.
Resposta dinàmica ràpida en comparació amb el sistema de conversió electromecànica.
També hi ha alguns inconvenients significatius dels convertidors electrònics de potència, com els següents-
Els circuits en el sistema electrònic de potència tenen tendència a generar harmoniques en el sistema d'abastament i en el circuit de càrrega.
Els convertidors AC a DC i DC a AC operen amb un factor de potència baix en certes condicions d'operació.
La regeneració de potència és difícil en el sistema de convertidor electrònic de potència.
En aquest projecte, la tensió mitjana a través del camp d'una màquina síncrona s'controla utilitzant un chopper de reforç. Un chopper de reforç és un convertidor DC a DC que proporciona una tensió de sortida controlada més alta a partir d'una tensió d'entrada DC fixa.
El MOSFET és un dispositiu semiconductor electrònic de potència que és un interruptor totalment controlat (un interruptor el qual es pot controlar tant l'encendido com l'apagat). MOSFET s'utilitza com a dispositiu de commutació en aquest circuit de chopper de reforç. El terminal de porta del MOSFET es controla amb un senyal de modulació de l'amplada de pols (PWM) generat mitjançant un microcontrolador. La tensió d'alimentació del chopper s'obté d'un rectificador de pont de diodes a partir de la conversió d'AC monofàsica a DC.
Aquest esquema de control d'excitació de camp és extremadament eficient i de mida compacta, gràcies a la implicació de circuits electrònics de potència. En moltes aplicacions industrials, com el control de potència reactiva, la millora del factor de potència de la línia de transmissió, cal canviar l'excitació de camp.
Aquest motor pren energia d'una font DC fixa i la converteix en tensió DC variable. Els sistemes de chopper oferint control suau, alta eficiència, resposta ràpida i capacitat de regeneració. Básicament, un chopper pot considerar-se com l'equivalent DC d'un transformador AC, ja que es comporten de manera idèntica. Com que el chopper implica una conversió en una etapa, aquests són més eficients.
Principi de funcionament de la màquina síncrona utilitzant un chopper
Per entendre detalls del pla del projecte, considerem el següent diagrama de blocs:
Del diagrama anterior, podem dir que per a una entrada de 230V d'un rectificador de ona completa, la tensió de sortida és 146 (aproximadament). La tensió de camp de la màquina és de 180V, així que hem de pujar la tensió a través del chopper de reforç. Ara, la tensió DC ajustada s'alimenta al camp de la màquina síncrona. La tensió de sortida del chopper es pot variar canviant el cicle de treball, per fer-ho hem de crear un generador de pols d'amplada ajustable, i això es pot fer amb l'ajuda d'un microcontrolador.
En el microcontrolador, comparant un senyal de seqüència aleatòria amb una magnitud constant, podem generar un senyal de pols, però per evitar l'efecte de càrrega, és recomanable una isolació elèctrica, per això utilitzem un optocuplador. S'ha utilitzat un condensador en el circuit del chopper per eliminar les fluctuacions de la tensió de sortida. S'ha simulat que l'inductor utilitzat en el circuit del chopper hauria de ser capaç de manejar 2-3 A de corrent durant el període de curtcircuit. A més de la tensió de sortida desitjada, també hauríem de dissenyar el circuit per resistir qualsevol condició de fallada.
Per a la protecció contra sobretensions, utilitzarem varistors d'òxid metàl·lic (MOV) la resistència dels quals depèn de la tensió.
Per a la protecció contra sobrecorrents, podem utilitzar un fusible limitador de corrent actuant en primer lloc.
Per millorar la qualitat de la forma d'ona, podem utilitzar un circuit de filtratge bàsic L o LC a la sortida del rectificador de pont. El diode que s'utilitza hauria de tenir un temps de recuperació invers més curt, aquí podem utilitzar un diode de recuperació ràpida.
Valors dels components del circuit utilitzats
Tensió DC d'entrada = 100V
Tensió de pols = 10V, Cicle de treball = 40%
Freqüència de tall = 10 KHz
R = 225 ohms (Calculat a partir de la classificació de la màquina)
L = 10mH
C = 1pF
Dades obtingudes de la sortida
Tensió de sortida: 174 V (Mitjana)
Corrent de càrrega: 0,775 A (Mitjana)
Corrent de font: 0,977 A
Desenvolupament posterior de la màquina síncrona utilitzant un chopper
Encara hi ha molt espai per a futurs desenvolupaments que millorarien el sistema i incrementarien el seu valor comercial.
Control en bucle tancat
Les àrees d'aplicació on l'usuari tracta amb càrregues variables necessiten un esquema de control en bucle tancat per mantenir una excitació constant. La tensió de referència i la tensió de sortida real es compararan primer i es generarà un senyal d'error. Aquest senyal d'error decidirà el cicle de treball del chopper.
Reducció de l'efecte de la temperatura
L'ús de condensadors de precisió i díodes de commutació pot millorar el rendiment, però augmentarà el cost del projecte.
Conclusió de la màquina síncrona utilitzant un chopper
En el nostre projecte, hem dissenyat i implementat un controlador d'excitació de baix cost i fàcil d'usar utilitzant un chopper. Els usuaris objectiu del sistema són industries que requereixen un controlador suau, eficient i petit que ofereixi una ampla gamma de variació de tensió. Aquest tipus de projecte és realment útil en els camps industrials de països en desenvolupament com l'Índia, on la crisi energètica és una gran preocupació.
Hem après molt a través del projecte. Hem après la lecció de treball en equip, coordinació i lideratge passant per diverses fases de desenvolupament del projecte. Ens hem trobat davant la complexitat de les tecnologies necessàries per construir el sistema. Això ens ha ajudat a relacionar i aplicar el coneixement teòric que hem obtingut en el curs d'enginyeria.
Cap de nosaltres tenia experiència amb el control electrònic de motors abans del projecte. Havia de aprendre diferents conceptes i tècniques ràpidament i aplicar-los en el sistema. El projecte també ens va proporcionar l'oportunitat d'acumular experiència en la generació de senyals de pols i el control d'MOSFET de potència. Aquesta experiència de projecte ha enriquit enormement el nostre coneixement i ha afilat les nostres habilitats tècniques.
