کنترل تحریک ماشین همزمان با استفاده از چاپر

محتویات

• اصل کار ماشین همزمان با استفاده از شکن

• توسعه بیشتر ماشین همزمان با استفاده از شکن

• نتیجه‌گیری از ماشین همزمان با استفاده از شکن

آموخته‌های کلیدی:

• تعریف کنترل تحریک: کنترل تحریک به مدیریت تحریک میدان مستقیم در یک ماشین همزمان برای کنترل عملکرد آن اشاره دارد.

• اصل کار: اصل کار یک ماشین همزمان با استفاده از شکن شامل بالا بردن ولتاژ و کنترل آن از طریق سیگنال‌های PWM برای دستیابی به تحریک مورد نظر است.

• مزایای شکن: استفاده از شکن برای کنترل تحریک، کارایی بالا، اندازه کوچک، کنترل صاف و پاسخ سریع را ارائه می‌دهد.

• مؤلفه‌های در مدار شکن: مؤلفه‌های کلیدی شامل یک MOSFET، سیگنال عرض پالس، مستطیل‌ساز، خازن، القاگر و دستگاه‌های محافظ مانند MOV و فیوز می‌باشد.

• توسعه‌های آینده: توسعه‌های آینده می‌تواند شامل کنترل حلقه بسته برای بارهای متغیر و مؤلفه‌های دقیق برای بهبود عملکرد و کاهش اثرات دما باشد.

ماشین همزمان یک دستگاه الکتریکی چند منظوره است که در زمینه‌های مختلفی مانند تولید برق، حفظ سرعت ثابت و اصلاح عامل توان استفاده می‌شود. عامل توان با مدیریت تحریک میدان مستقیم کنترل می‌شود. این پایان‌نامه بر این متمرکز است که چگونه می‌توانیم تحریک میدان یک ماشین همزمان را به طور موثر کنترل کنیم.

روش‌های تحریک DC سنتی با مشکلات خنک‌سازی و نگهداری مواجه می‌شوند به دلیل حلقه‌های لیز، پینزها و جابجایی‌ها، به خصوص وقتی مولد رتبه‌بندی افزایش می‌یابد. سیستم‌های تحریک مدرن هدف دارند این مشکلات را با کاهش تعداد تماس‌های لیز و پینزها کاهش دهند.

این روند منجر به توسعه تحریک ثابت با استفاده از شکن شده است. سیستم‌های مدرن از دستگاه‌هایswithing نیمه‌رسانا مانند دیود، تایریستور و ترانزیستور استفاده می‌کنند. در الکترونیک قدرت، مقدار قابل توجهی از انرژی الکتریکی پردازش می‌شود، با AC/DC converters به عنوان دستگاه‌های معمولی‌ترین.

محدوده قدرت معمولاً از ده‌ها تا صدها وات می‌باشد. در صنعت، یک کاربرد معمولی کنترل‌گر سرعت متغیر است که برای کنترل سرعت موتور القایی استفاده می‌شود. سیستم‌های تبدیل قدرت بر اساس نوع قدرت ورودی و خروجی طبقه‌بندی می‌شوند.

• AC به DC (مستطیل‌ساز)

• DC به AC (invertor)

• DC به AC (DC به DC converter)

• AC به AC (AC به AC converter)

این موضوع هم با تجهیزات چرخان و هم با تجهیزات ثابت برای تولید، انتقال و استفاده از مقادیر زیادی انرژی الکتریکی سروکار دارد. DC-DC converter یک مدار الکترونیکی است که یک منبع جریان مستقیم را از یک سطح ولتاژ به سطح دیگری تبدیل می‌کند.
مزایای تبدیل‌کننده‌های الکترونیک قدرت به شرح زیر هستند-

• کارایی بالا به دلیل کم بودن ضرر در دستگاه‌های نیمه‌رسانا قدرت.

• قابلیت اطمینان بالا از سیستم تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت.

• عمر طولانی و کمترین نگهداری به دلیل عدم وجود قطعات متحرک.

• انعطاف‌پذیری در عملکرد.

• پاسخ پویای سریع نسبت به سیستم‌های تبدیل‌کننده الکترومکانیکی.

همچنین مزایای قابل توجهی نیز برای تبدیل‌کننده‌های الکترونیک قدرت وجود دارد مانند موارد زیر-

• مدارها در سیستم الکترونیک قدرت گرایش دارند به تولید هارمونیک در سیستم تغذیه و همچنین مدار بار.

• AC به DC و DC به AC converter تحت شرایط عملیاتی خاص با عامل توان ورودی پایین عمل می‌کنند.

• تجدید انرژی در سیستم تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت دشوار است.

در این پروژه، ولتاژ متوسط در میدان یک ماشین همزمان با استفاده از یک شکن افزایشی کنترل می‌شود. یک شکن افزایشی یک DC به DC converter است که ولتاژ خروجی کنترل‌شده بالاتری از ولتاژ DC ثابت ورودی ارائه می‌دهد.

MOSFET یک دستگاه نیمه‌رسانا الکترونیک قدرت است که یک سوئیچ کاملاً کنترل‌شده (سوئیچی که هر دو حالت روشن و خاموش آن می‌تواند کنترل شود) است. MOSFET به عنوان دستگاه سوئیچینگ در این مدار شکن افزایشی استفاده می‌شود. ترمینال گیت MOSFET با یک سیگنال عرض پالس (PWM) می‌شود. که با استفاده از یک میکروکنترلر تولید می‌شود. ولتاژ تغذیه شکن از یک مستطیل‌ساز دیودی با تبدیل AC/DC یک‌فازی گرفته شده است.

این طرح کنترل تحریک به دلیل درگیری مدار الکترونیک قدرت بسیار کارآمد و اندازه کوچک است. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند کنترل قدرت واکنشی، عامل توان اصلاح خط انتقال نیاز به تغییر تحریک میدان دارد.

این سیستم از منبع DC ثابت تغذیه می‌شود و آن را به ولتاژ DC متغیر تبدیل می‌کند. سیستم‌های شکن کنترل صاف، کارایی بالا، پاسخ سریع و قابلیت تجدید انرژی را ارائه می‌دهند. اساساً یک شکن می‌تواند به عنوان معادل DC یک ترانسفورماتور AC در نظر گرفته شود زیرا آنها به طور مشابه عمل می‌کنند. از آنجا که شکن شامل یک مرحله تبدیل است، این‌ها کاراتر هستند.

اصل کار ماشین همزمان با استفاده از شکن

برای درک جزئیات نقشه پروژه، بیایید این نمودار بلوکی را در نظر بگیریم:

از این نمودار می‌توانیم بگوییم که برای ولتاژ ورودی 230V یک مستطیل‌ساز موج کامل، ولتاژ خروجی حدود 146V است. ولتاژ میدان ماشین 180V است بنابراین باید ولتاژ را با استفاده از شکن افزایشی بالا ببریم. حالا ولتاژ DC تنظیم‌شده به میدان ماشین همزمان تغذیه می‌شود. ولتاژ خروجی شکن با تغییر دوره کاری قابل تنظیم است، برای این کار باید یک تولیدکننده پالس با عرض پالس قابل تنظیم داشته باشیم و این کار می‌تواند با کمک یک میکروکنترلر انجام شود.

در میکروکنترلر با مقایسه یک سیگنال تصادفی با یک سیگنال با مقدار ثابت می‌توانیم یک سیگنال پالس تولید کنیم، اما برای جلوگیری از اثر بار، توصیه می‌شود که یک جداسازی الکتریکی داشته باشیم. برای این کار از یک اپتوكوپلر استفاده می‌کنیم. یک خازن در مدار شکن استفاده شده است تا ریپل‌های ولتاژ خروجی را حذف کند. شبیه‌سازی شده است که القاگر که در مدار شکن استفاده شده است باید قادر به مدیریت 2-3 A جریان در دوره کوتاه مدار باشد. علاوه بر ولتاژ خروجی مورد نظر، باید مدار را طراحی کنیم تا بتواند در هر شرایط خرابی مقاوم باشد.

• برای محافظت از ولتاژ بیش از حد، از واریستورهای اکسید فلزی (MOV) استفاده خواهیم کرد که مقاومت آنها به ولتاژ بستگی دارد.

• برای محافظت از جریان بیش از حد، می‌توانیم از فیوز محدودکننده جریان اولیه استفاده کنیم.

برای بهبود کیفیت موج می‌توانیم از مدار فیلتر استفاده کنیم، عموماً L یا LC filter در خروجی مستطیل‌ساز پل. دیودی که استفاده شده است باید زمان بازیابی معکوس کمتری داشته باشد، در اینجا می‌توانیم از دیود بازیابی سریع استفاده کنیم.

مقادیر مؤلفه‌های مدار که استفاده شده‌اند

ولتاژ DC ورودی = 100V
ولتاژ پالس = 10V، دوره کاری = 40%
فرکانس شکن = 10 KHz
R = 225 اهم (به عنوان محاسبه شده از رتبه‌بندی ماشین)
L = 10mH
C = 1pF

داده‌های به دست آمده از خروجی
ولتاژ خروجی: 174 V (متوسط)
جریان بار: 0.775 A (متوسط)
جریان منبع: 0.977 A

توسعه بیشتر ماشین همزمان با استفاده از شکن

هنوز هم زمینه‌های زیادی برای توسعه آینده وجود دارد که سیستم را ارتقاء می‌دهد و ارزش تجاری آن را افزایش می‌دهد.

کنترل حلقه بسته

در زمینه‌های کاربردی که کاربر با بار متغیر سروکار دارد، نیاز به طرح کنترل حلقه بسته برای حفظ تحریک ثابت است. ولتاژ مرجع و ولتاژ خروجی واقعی ابتدا مقایسه می‌شوند و سیگنال خطا تولید می‌شود. این سیگنال خطا دوره کاری شکن را تعیین می‌کند.

کاهش اثرات دما

استفاده از خازن دقیق و دیود سوئیچینگ می‌تواند به طور قطع عملکرد را بهبود بخشد، اما این‌ها هزینه پروژه را افزایش می‌دهند.

نتیجه‌گیری از ماشین همزمان با استفاده از شکن

در پروژه ما، یک کنترل‌کننده تحریک کم‌هزینه و کاربرپسند با استفاده از شکن طراحی و پیاده‌سازی کردیم. کاربران هدف سیستم صنایعی هستند که نیاز به یک کنترل‌کننده صاف، کارآمد و کوچک با محدوده تغییر ولتاژ گسترده دارند. این نوع پروژه در زمینه‌های صنعتی کشورهای در حال توسعه مانند هند بسیار مفید است که بحران انرژی یک نگرانی بزرگ است.

ما از طریق این پروژه بسیار چیزهایی یاد گرفتیم. در طول مراحل مختلف توسعه پروژه، درس‌های تیم‌کاری، هماهنگی و رهبری را یاد گرفتیم. ما با پیچیدگی تکنولوژی‌های مورد نیاز برای ساخت سیستم چالش داده شدیم. این به ما کمک کرد تا دانش نظری که در دوره مهندسی به دست آوردیم را همبستگی و اعمال کنیم.

هیچ‌کدام از ما قبل از پروژه تجربه کنترل الکترونیکی موتور نداشتیم. ما باید مفاهیم و تکنیک‌های مختلف را سریعاً یاد بگیریم و آن‌ها را در سیستم اعمال کنیم. پروژه همچنین فرصتی برای ما فراهم کرد تا تجربه در تولید سیگنال پالس و کنترل MOSFET قدرت را جمع‌آوری کنیم. تجربه این پروژه دانش ما را به شدت غنی کرده و مهارت‌های فنی ما را تیز کرده است.