کنترل تحریک ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

محتوا

• اصل کار ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

• توسعه بیشتر ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

• نتیجه‌گیری از ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

نکات مهم:

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

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

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

• اجزاء در مدار چاپکننده: اجزای کلیدی شامل MOSFET، سیگنال پهنای پالس، راست‌گردان، خازن، القایی و دستگاه‌های محافظ مانند MOV و فیوز هستند.

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

ماشین همزمان یک دستگاه الکتریکی چندمنظوره 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 روی این میزان که چگونه می‌توانیم تحریک میدان یک ماشین همزمان را به صورت موثر کنترل کنیم متمرکز است.

روش‌های تحریک DC سنتی با مشکلات خنک‌سازی و نگهداری مواجه می‌شوند به دلیل حلقه‌های لیز، پین‌ها و جابجایی‌ها، به ویژه با افزایش ظرفیت ژنراتور جریان متناوب. سیستم‌های تحریک مدرن با کاهش تعداد تماس‌های لیز و پین‌ها به منظور کاهش این مشکلات هدفمند شده‌اند.

این روند منجر به توسعه تحریک استاتیک با استفاده از چاپکننده شده است. سیستم‌های مدرن از دستگاه‌های تبدیل‌کننده نیمه‌رسانا مانند دیود، تایریستور و ترانزیستور استفاده می‌کنند. در الکترونیک قدرت، مقدار زیادی از انرژی الکتریکی پردازش می‌شود، با تبدیل‌کننده‌های AC/DC به عنوان دستگاه‌های معمول.

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

• AC به DC (راست‌گردان)

• DC به AC (پیچ‌گردان)

• DC به AC (تبدیل‌کننده DC به DC)

• AC به AC (تبدیل‌کننده AC به AC)

این موضوع شامل تجهیزات چرخان و استاتیک برای تولید، انتقال و استفاده از مقدار زیادی توان الکتریکی است. تبدیل‌کننده DC-DC 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 است-

• کارایی بالا به دلیل کم‌بود در دستگاه‌های نیمه‌رسانا.

• قابلیت اطمینان بالای سیستم تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت.

• عمر طولانی و کم‌نگهداری به دلیل عدم وجود قطعات متحرک.

• انعطاف‌پذیری در عملکرد.

• پاسخ دینامیکی سریع در مقایسه با سیستم‌های تبدیل‌کننده الکترومکانیکی.

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

• مدارهای در سیستم‌های الکترونیک قدرت تمایل دارند هارمونیک‌هایی را در سیستم تأمین و مدار بار تولید کنند.

• تبدیل‌کننده‌های AC به DC و DC به AC در شرایط عملیاتی خاص با عامل توان ورودی پایین کار می‌کنند.

• تجدید توان در سیستم‌های تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت دشوار است.

در این پروژه، ولتاژ میانگین در میدان یک ماشین همزمان با استفاده از یک چاپکننده بالابر تقویت شده کنترل می‌شود. یک چاپکننده بالابر یک تبدیل‌کننده DC به DC است که ولتاژ خروجی کنترل‌شده بالاتری از یک ولتاژ ورودی DC ثابت ارائه می‌دهد.

MOSFET یک دستگاه نیمه‌رسانا الکترونیک قدرت است که یک سوئیچ کاملاً کنترل‌شده (سوئیچی که هر دو عملیات روشن و خاموش می‌تواند کنترل شود) است. MOSFET به عنوان دستگاه سوئیچینگ در این مدار چاپکننده بالابر استفاده می‌شود. ترمینال گیت MOSFET با یک سیگنال پهنای پالس (PWM) کنترل می‌شود. که با استفاده از یک میکروکنترلر تولید می‌شود. ولتاژ تأمین چاپکننده از یک راست‌گردان پلی با تبدیل AC/DC تک‌فاز گرفته شده است.

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

این سیستم توان را از یک منبع DC ثابت می‌گیرد و آن را به ولتاژ DC متغیر تبدیل می‌کند. سیستم‌های چاپکننده کنترل صاف، کارایی بالا، پاسخ سریع و امکان تجدید توان ارائه می‌دهند. اساساً یک چاپکننده می‌تواند به عنوان معادل DC یک ترانسفورماتور AC در نظر گرفته شود چون رفتار مشابهی دارند. از آنجا که چاپکننده شامل یک مرحله تبدیل است، این‌ها کارآمدتر هستند.

اصل کار ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

برای درک جزئیات برنامه پروژه، دیاگرام بلوکی زیر را در نظر بگیرید:

از این دیاگرام می‌توان گفت که برای ولتاژ ورودی 230V یک راست‌گردان تمام موج، ولتاژ خروجی حدود 146V است. ولتاژ میدان ماشین 180V است بنابراین باید ولتاژ را از طریق چاپکننده بالابر بالا ببریم. حالا ولتاژ DC تنظیم‌شده به میدان ماشین همزمان تزریق می‌شود. ولتاژ خروجی چاپکننده با تغییر ضریب تغییر می‌کند. برای این منظور باید یک تولیدکننده پالس با پهنای پالس قابل تنظیم داشته باشیم، و این کار می‌تواند با کمک یک میکروکنترلر انجام شود.

در میکروکنترلر با مقایسه یک سیگنال دنباله‌ای تصادفی با یک مقدار ثابت می‌توان یک سیگنال پالس تولید کرد، اما برای جلوگیری از اثر بارگذاری، توصیه می‌شود یک جداکننده الکتریکی استفاده شود. برای این منظور از یک اپتوکوپلر استفاده می‌کنیم. یک خازن در مدار چاپکننده برای حذف ریپل از ولتاژ خروجی استفاده شده است. شبیه‌سازی شده است که القایی که در مدار چاپکننده استفاده شده باید قادر به مدیریت 2-3A جریان در دوره کوتاه‌مدار باشد. علاوه بر ولتاژ خروجی مورد نظر، باید مدار را طراحی کنیم تا بتواند در هر شرایط خرابی مقاومت کند.

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

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

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

ارزش اجزای مدار که استفاده شده است

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

داده‌های بدست‌آمده از خروجی
ولتاژ خروجی: 174 V (میانگین)
جریان بار: 0.775 A (میانگین)
جریان منبع: 0.977 A

توسعه بیشتر ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

هنوز فضای زیادی برای توسعه آینده وجود دارد که سیستم را بهبود می‌بخشد 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 ضریب چاپکننده را تعیین می‌کند.

کاهش اثرات دما

استفاده از خازن دقیق و دیود سوئیچینگ قطعاً عملکرد را بهبود می‌بخشد، اما آن‌ها به هزینه پروژه اضافه می‌کنند.

نتیجه‌گیری از ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

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

ما در طول پروژه بسیار چیزهایی آموخته‌ایم. در طی مراحل مختلف توسعه پروژه، درس‌هایی از همکاری، هماهنگی و رهبری آموختیم. با پیچیدگی‌های فناوری‌های مورد نیاز برای ساخت سیستم چالش داده شدیم. این به ما کمک کرد تا دانش نظری که در دوره مهندسی به دست آورده بودیم را مرتبط کنیم و به کار بگیریم.

هیچ‌کدام از ما قبل از پروژه تجربه کنترل الکترونیکی موتور نداشتیم. نیاز داشتیم تا مفاهیم و تکنیک‌های مختلف را سریع یاد بگیریم و آن‌ها را در سیستم به کار بگیریم. پروژه همچنین فرصتی برای ما فراهم کرد تا تجربه در تولید سیگنال پالس و کنترل MOSFET توان کسب کنیم. تجربه این پروژه دانش ما را بسیار غنی کرده و مهارت‌های فنی ما را تیز کرده است.