Control de Excitación de Máquina Síncrona Utilizando Chopper
Contenido
Principio de funcionamiento de la máquina síncrona utilizando chopper
Desarrollo futuro de la máquina síncrona utilizando chopper
Conclusión de la máquina síncrona utilizando chopper
Aprendizajes clave:
Definición de control de excitación: El control de excitación se define como la gestión de la excitación de campo DC en una máquina síncrona para controlar su rendimiento.
Principio de funcionamiento: El principio de funcionamiento de una máquina síncrona utilizando un chopper implica elevar el voltaje y controlarlo a través de señales PWM para lograr la excitación deseada.
Ventajas del chopper: Utilizar un chopper para el control de excitación ofrece alta eficiencia, tamaño compacto, control suave y respuesta rápida.
Componentes en el circuito del chopper: Los componentes clave incluyen un MOSFET, señal de modulación de ancho de pulso, rectificador, capacitor, inductor y dispositivos de protección como MOV y fusible.
Mejoras futuras: Las mejoras futuras pueden incluir control en bucle cerrado para cargas variables y componentes de precisión para mejorar el rendimiento y reducir los efectos de temperatura.
Una máquina síncrona es una máquina eléctrica versátil utilizada en diversos campos, como la generación de energía, el mantenimiento de velocidad constante y la corrección del factor de potencia. Factor de potencia se controla gestionando la excitación de campo DC. Esta tesis se centra en cómo podemos controlar eficientemente la excitación de campo de una máquina síncrona.
Los métodos convencionales de excitación DC enfrentan problemas de enfriamiento y mantenimiento debido a los anillos deslizantes, cepillos y colectores, especialmente a medida que las calificaciones del alternador aumentan. Los sistemas modernos de excitación buscan reducir estos problemas minimizando el número de contactos deslizantes y cepillos.
Esta tendencia ha llevado al desarrollo de la excitación estática utilizando chopper. Los sistemas modernos utilizan dispositivos de conmutación de semiconductores como diodos, tiristores y transistores. En electrónica de potencia, se procesa una cantidad considerable de energía eléctrica, siendo los convertidores AC/DC los dispositivos más típicos.
El rango de potencia suele abarcar desde decenas hasta varios cientos de vatios. En la industria, una aplicación común es el variador de velocidad utilizado para controlar la velocidad del motor de inducción. Los sistemas de conversión de potencia se clasifican por sus tipos de entrada y salida de potencia.
AC a DC (rectificador)
DC a AC (inversor)
DC a AC (convertidor DC a DC)
AC a AC (convertidor AC a AC)
Se ocupa tanto de equipos rotativos como estáticos para la generación, transmisión y utilización de grandes cantidades de energía eléctrica. El convertidor DC-DC es un circuito electrónico que convierte una fuente de corriente directa de un nivel de voltaje a otro.
Las ventajas de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes-
Alta eficiencia debido a bajas pérdidas en dispositivos de semiconductores de potencia.
Alta confiabilidad del sistema de convertidor electrónico de potencia.
Larga vida útil y menos mantenimiento debido a la ausencia de partes móviles.
Flexibilidad en la operación.
Rápida respuesta dinámica en comparación con el sistema de conversión electromecánico.
También hay algunas desventajas significativas de los convertidores electrónicos de potencia, como las siguientes-
Los circuitos en los sistemas electrónicos de potencia tienden a generar armónicos en el sistema de suministro, así como en el circuito de carga.
Los convertidores AC a DC y DC a AC operan con bajo factor de potencia bajo ciertas condiciones de operación.
La regeneración de potencia es difícil en los sistemas de convertidores electrónicos de potencia.
En este proyecto, se controla el voltaje promedio en el campo de una máquina síncrona utilizando un chopper de elevación. Un chopper de elevación es un convertidor DC a DC que proporciona un voltaje de salida controlado más alto a partir de un voltaje DC de entrada fijo.
El MOSFET es un dispositivo semiconductor electrónico de potencia que es un interruptor totalmente controlado (un interruptor cuyo encendido y apagado pueden ser controlados). El MOSFET se utiliza como dispositivo de conmutación en este circuito de chopper de elevación. El terminal de puerta del MOSFET se acciona mediante una señal de modulación de ancho de pulso (PWM), que se genera utilizando un microcontrolador. El voltaje de alimentación del chopper se obtiene de un rectificador de puente de diodos mediante la conversión de CA monofásica a CC.
Este esquema de control de excitación de campo es extremadamente eficiente y de tamaño compacto, debido a la participación de circuitos electrónicos de potencia. En muchas aplicaciones industriales, como el control de potencia reactiva, mejora del factor de potencia de la línea de transmisión, es necesario cambiar la excitación de campo.
Este accionamiento toma energía de una fuente DC fija y la convierte en un voltaje DC variable. Los sistemas de chopper ofrecen control suave, alta eficiencia, respuesta más rápida y facilidad de regeneración. Básicamente, un chopper puede considerarse como el equivalente DC de un transformador AC, ya que se comportan de manera idéntica. Como el chopper implica una conversión en una etapa, estos son más eficientes.
Principio de funcionamiento de la máquina síncrona utilizando chopper
Para entender los detalles del plan de proyecto, consideremos este diagrama de bloques a continuación:
Del diagrama anterior, podemos decir que para una entrada de 230V de un rectificador de onda completa, el voltaje de salida es de 146 (aproximadamente) y el voltaje de campo de la máquina es de 180V, por lo que debemos elevar el voltaje a través del chopper de elevación. Ahora, el voltaje DC ajustado se alimenta al campo de la máquina síncrona. El voltaje de salida del chopper puede variarse cambiando el ciclo de trabajo, para lo cual debemos hacer un generador de pulsos de ancho de pulso ajustable, y esto se puede hacer con la ayuda de un microcontrolador.
En el microcontrolador, comparando una señal de secuencia aleatoria con una magnitud constante, podemos generar una señal de pulso, pero para evitar el efecto de carga, es aconsejable una aislamiento eléctrico para ello, estamos utilizando un acoplador óptico. Se ha utilizado un capacitor en el circuito del chopper para eliminar el rizado del voltaje de salida. Se ha simulado que el inductor utilizado en el circuito del chopper debe ser capaz de manejar 2-3 A de corriente durante el período de cortocircuito. Además del voltaje de salida deseado, también debemos diseñar el circuito para que pueda soportar cualquier condición de falla.
Para la protección contra sobretensión, usaremos varistores de óxido metálico (MOV) cuya resistencia depende del voltaje.
Para la protección contra sobrecorriente, podemos usar un fusible limitador de corriente de acción rápida.
Para mejorar la calidad de la forma de onda, podemos utilizar un circuito de filtro, básicamente un filtro L o LC en la salida del rectificador de puente. El diodo que se ha utilizado debe tener un tiempo de recuperación inversa menor, aquí podemos usar un diodo de recuperación rápida.
Valores de los componentes del circuito que se han utilizado
Voltaje DC de entrada = 100V
Voltaje de pulso = 10V, Ciclo de trabajo = 40%
Frecuencia de corte = 10 KHz
R = 225 ohm (Calculado a partir de la calificación de la máquina)
L = 10mH
C = 1pF
Datos obtenidos de la salida
Voltaje de salida: 174 V (Promedio)
Corriente de carga: 0.775 A (Promedio)
Corriente de fuente: 0.977 A
Desarrollo futuro de la máquina síncrona utilizando chopper
Aún hay mucho margen para el desarrollo futuro que mejorará el sistema e incrementará su valor comercial.
Control en bucle cerrado
Las áreas de aplicación donde el usuario se enfrenta a cargas variables, necesitan un esquema de control en bucle cerrado para mantener una excitación constante. El voltaje de referencia y el voltaje de salida real se compararán primero y se generará una señal de error. Esta señal de error decidirá el ciclo de trabajo del chopper.
Reducción del efecto de la temperatura
El uso de un capacitor de precisión, diodo de conmutación definitivamente puede mejorar el rendimiento, pero aumentará el costo del proyecto.
Conclusión de la máquina síncrona utilizando chopper
En nuestro proyecto, diseñamos e implementamos un controlador de excitación de bajo costo y fácil de usar utilizando un chopper. Los usuarios objetivo del sistema son industrias que requieren un controlador suave, eficiente y pequeño que ofrezca un amplio rango de variación de voltaje. Este tipo de proyecto es realmente útil en los campos industriales de países en desarrollo como India, donde la crisis energética es una gran preocupación.
Hemos aprendido mucho a través del proyecto. Aprendimos lecciones de trabajo en equipo, coordinación y liderazgo mientras pasábamos por las diversas fases de desarrollo del proyecto. Nos enfrentamos a la complejidad de las tecnologías necesarias para construir el sistema. Esto nos ayudó a relacionar y aplicar el conocimiento teórico que obtuvimos en el curso de ingeniería.
Ninguno de nosotros tenía experiencia con el control electrónico de motores antes del proyecto. Necesitábamos aprender diferentes conceptos y técnicas rápidamente y aplicarlos en el sistema. El proyecto también nos proporcionó la oportunidad de acumular experiencia en la generación de señales de pulso y en el área de control de MOSFET de potencia. Esta experiencia de proyecto ha enriquecido enormemente nuestro conocimiento y afilado nuestras habilidades técnicas.
