Řízení excitačního systému synchronního stroje pomocí čokoře
Obsah
Princip fungování synchronního stroje s použitím chopperu
Další vývoj synchronního stroje s použitím chopperu
Závěr o synchronním stroji s použitím chopperu
Klíčové poznatky:
Definice řízení excitačního pole: Řízení excitačního pole je definováno jako správa stejnosměrného pole excitačního pole v synchronním stroji k ovládání jeho výkonu.
Princip fungování: Princip fungování synchronního stroje s použitím chopperu zahrnuje zvýšení napětí a jeho kontrolu pomocí PWM signálů pro dosažení požadované excitace.
Výhody chopperu: Použití chopperu pro řízení excitace nabízí vysokou efektivitu, kompaktní rozměry, hladké řízení a rychlou odezvu.
Součásti v obvodu chopperu: Klíčové součásti zahrnují MOSFET, signál pulzní šíře modulace, členící přístroj, kondenzátor, cívku a ochranné prvky, jako jsou MOV a pojistka.
Budoucí vylepšení: Budoucí vývoj může zahrnovat uzavřenou smyčku řízení pro proměnné zátěže a přesné součástky pro zlepšení výkonu a snížení teplotních efektů.
Synchronní stroj je univerzální elektrický stroj používaný v různých oblastech, jako je výroba energie, udržování konstantní rychlosti a korekce faktoru využití. Faktor využití se řídí správou stejnosměrného pole excitačního pole. Tato práce se zaměřuje na to, jak efektivně můžeme ovládat pole excitačního pole synchronního stroje.
Tradiční metody stejnosměrné excitace se setkávají s problémy chlazení a údržby kvůli skluzným kroužkům, kartáčům a komutátorům, zejména s rostoucím výkonem alternátoru. Moderní systémy excitace se snaží tyto problémy minimalizovat tím, že snižují počet skluzných kontaktů a kartáčů.
Tento trend vedl k vývoji statické excitace s použitím chopperu. Moderní systémy používají polovodičové přepínací prvky, jako jsou diody, thyristory a tranzistory. V elektronice moci se zpracovává velké množství elektrické energie, nejtypičtějšími zařízeními jsou AC/DC převodníky.
Výkon obvykle zahrnuje rozsah od desítek do několika set vatů. V průmyslu je běžnou aplikací variabilní rychlostní pohon pro řízení rychlosti indukčního motoru. Systémy převodu energie jsou klasifikovány podle typů vstupní a výstupní energie.
AC na DC (rectifikátor)
DC na AC (inverzor)
DC na AC (DC na DC převodník)
AC na AC (AC na AC převodník)
Týká se jak rotujících, tak statických zařízení pro generování, přenos a využití velkých množství elektrické energie. DC-DC převodník je elektronický obvod, který převádí zdroj stejnosměrného proudu z jedné napěťové úrovně na druhou.
Výhody elektronických převodníků energie jsou následující:
Vysoká efektivita díky nízkým ztrátám v polovodičových převodnících energie.
Vysoká spolehlivost systému elektronických převodníků energie.
Dlouhá životnost a menší potřeba údržby díky absenci pohyblivých částí.
Flexibilita v provozu.
Rychlá dynamická odezva ve srovnání s elektromechanickými převodníky energie.
Existují také některé významné nevýhody elektronických převodníků energie, jako jsou následující:
Obvody v elektronickém systému mají tendenci generovat harmonické v zásobovacím systému i v obvodu zátěže.
Převodníky AC na DC a DC na AC pracují při nízkém vstupním faktuře využití v určitých provozních podmínkách.
Regenerace energie je obtížná v systémech elektronických převodníků energie.
V tomto projektu je průměrné napětí na poli synchronního stroje řízeno pomocí boost chopperu. Boost chopper je DC na DC převodník, který poskytuje vyšší řízené výstupní napětí z pevného vstupního stejnosměrného napětí.
MOSFET je polovodičové elektronické přepínací zařízení, které je plně řízeným spínacím přepínačem (spínací přepínač, jehož zapnutí a vypnutí lze ovládat). MOSFET se používá jako přepínací zařízení v tomto obvodu boost chopperu. Bránový terminál MOSFETu je řízen signálem pulzní šíře modulace (PWM), který je vygenerován pomocí mikrokontroleru. Zásobovací napětí chopperu je získáno z diodové mostové členící jednotky převodem jednofázového AC/DC.
Tento schéma řízení excitace pole je extrémně efektivní a kompaktní, díky použití elektronického obvodu. V mnoha průmyslových aplikacích, jako je řízení reaktivní moci, vylepšení faktoru využití přenosové linky, je nutné změnit excitaci pole.
Tento pohon bere energii z pevného zdroje stejnosměrného proudu a převádí ji na proměnné stejnosměrné napětí. Chopper systémy nabízejí hladké řízení, vysokou efektivitu, rychlejší odezvu a možnost regenerace. Základně lze chopper považovat za stejnosměrný ekvivalent transformátoru, protože se chovají identicky. Protože chopper zahrnuje jednu etapu převodu, jsou tito efektivnější.
Princip fungování synchronního stroje s použitím chopperu
Pro porozumění detailům plánu projektu vezměme v úvahu tento blokový diagram níže:
Z výše uvedeného diagramu můžeme říci, že pro 230V vstup celovlnného členicího přístroje je výstupní napětí 146 (přibližně) a napětí na poli stroje je 180V, takže musíme zvýšit napětí přes step-up chopper. Nyní je upravené stejnosměrné napětí podáváno na pole synchronního stroje. Výstupní napětí chopperu lze měnit změnou cyklu povinnosti, abychom to udělali, musíme vytvořit generátor pulsu s nastavitelnou šířkou pulzu, a to lze provést s pomocí mikrokontroleru.
V mikrokontroleru můžeme vygenerovat pulsní signál porovnáním náhodného sekvence signálu s konstantní magnitudou, ale aby se zabránilo efektu zatěžování, doporučuje se elektrická izolace, což provedeme pomocí optokupleru. Kondenzátor byl použit v obvodu chopperu, aby bylo možné odstranit vlnivku z výstupního napětí. Bylo simulováno, že cívka použitá v obvodu chopperu by měla být schopna zvládnout 2-3 A proudu během doby krátkého spojení. Kromě požadovaného výstupního napětí by měl být obvod navržen tak, aby mohl odolat jakékoli vadné situaci.
Pro ochranu před přetlakem použijeme kovové oxidové varistor (MOV), jejichž odpor závisí na napětí.
Pro ochranu před přetokem můžeme použít první aktivační proudovou limity pojistku.
Pro zlepšení kvality vlnové formy můžeme použít filtrační obvod, základně L nebo LC filtr na výstupu mostového členicího přístroje. Dioda, která by měla být použita, by měla mít krátkou dobou obnovy, zde můžeme použít rychlou obnovu diody.
Hodnoty součástek obvodu, které byly použity
Vstupní stejnosměrné napětí = 100V
Pulsové napětí = 10V, Cyklus povinnosti = 40%
Frekvence členění = 10 KHz
R = 225 ohm (Jak bylo vypočteno z hodnocení stroje)
L = 10mH
C = 1pF
Data získaná z výstupu
Výstupní napětí: 174 V (Průměr)
Příkon zátěže: 0,775 A (Průměr)
Zdrojový proud: 0,977 A
Další vývoj synchronního stroje s použitím chopperu
Je stále mnoho prostoru pro budoucí vývoj, který by mohl systém vylepšit a zvýšit jeho obchodní hodnotu.
Uzavřená smyčka řízení
Oblasti, kde uživatel pracuje s proměnnou zátěží, potřebují uzavřenou smyčku řízení, aby udržely konstantní excitaci. Referenční napětí a skutečné výstupní napětí budou nejprve porovnány a vygenerován signál chyby. Tento signál chyby rozhodne o cyklu povinnosti chopperu.
Snížení teplotních efektů
Použití přesného kondenzátoru, přepínací diody může určitě zlepšit výkon, ale zvýší také náklady projektu.
Závěr o synchronním stroji s použitím chopperu
V našem projektu jsme navrhli a implementovali levný a uživatelsky příjemný excitační řadič s použitím chopperu. Cíloví uživatelé systému jsou průmyslové odvětví, která vyžadují hladké, efektivní a malé řídicí zařízení, které poskytuje široký rozsah variability napětí. Tento typ projektu je opravdu užitečný v průmyslových odvětvích rozvojových zemí, jako je Indie, kde energetická krize představuje velkou starost.
Projekt nám přinesl mnoho poznatků. Získali jsme zkušenosti s týmovou prací, koordinací a vedením během různých fází vývoje projektu. Byli jsme vyzváni složitostí technologií potřebných k vytvoření systému. To nám pomohlo propojit a aplikovat teoretické znalosti, které jsme získali v inženýrském kurzu.
Žádný z nás neměl před projektem zkušenosti s elektronickým řízením motoru. Museli jsme rychle naučit různé koncepty a techniky a aplikovat je v systému. Projekt nám také poskytl možnost získat zkušenosti s generováním pulzních signálů a řízením power MOSFET. Tato zkušenost s projektem nám velmi bohatila naše znalosti a zvýšila naše technické dovednosti.
