Contrôle d'excitation de la machine synchrone à l'aide d'un chopper

Sommaire

• Principe de fonctionnement de la machine synchrone utilisant un chopper

• Développements futurs de la machine synchrone utilisant un chopper

• Conclusion sur la machine synchrone utilisant un chopper

Points clés :

• Définition du contrôle d'excitation : Le contrôle d'excitation est défini comme la gestion de l'excitation de champ continu dans une machine synchrone pour contrôler ses performances.

• Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement d'une machine synchrone utilisant un chopper implique l'augmentation de la tension et son contrôle par des signaux PWM pour atteindre l'excitation souhaitée.

• Avantages du chopper : L'utilisation d'un chopper pour le contrôle d'excitation offre une grande efficacité, une taille compacte, un contrôle fluide et une réponse rapide.

• Composants du circuit chopper : Les composants clés incluent un MOSFET, un signal de modulation de largeur d'impulsion, un redresseur, un condensateur, un inducteur et des dispositifs de protection tels que des varistances et des fusibles.

• Améliorations futures : Les développements futurs peuvent inclure un contrôle en boucle fermée pour les charges variables et des composants de précision pour améliorer les performances et réduire les effets de température.

Une machine synchrone est une machine électrique polyvalente utilisée dans divers domaines, tels que la production d'énergie, le maintien d'une vitesse constante et la correction du facteur de puissance. Facteur de puissance est contrôlé en gérant l'excitation de champ continu. Cette thèse se concentre sur la façon dont nous pouvons efficacement contrôler l'excitation de champ d'une machine synchrone.

Les méthodes d'excitation continue traditionnelles rencontrent des problèmes de refroidissement et de maintenance dus aux bagues, aux balais et aux commutateurs, en particulier lorsque les alternateurs augmentent en puissance. Les systèmes d'excitation modernes visent à réduire ces problèmes en minimisant le nombre de contacts glissants et de balais.

Cette tendance a conduit au développement de l'excitation statique utilisant un chopper. Les systèmes modernes utilisent des dispositifs de commutation à base de semi-conducteurs tels que des diodes, des thyristors et des transistors. En électronique de puissance, une quantité importante d'énergie électrique est traitée, avec les convertisseurs AC/DC étant les appareils les plus typiques.

La plage de puissance s'étend généralement de quelques dizaines à plusieurs centaines de watts. Dans l'industrie, une application courante est la variateur de vitesse utilisé pour contrôler la vitesse d'un moteur à induction. Les systèmes de conversion de puissance sont classés selon leurs types d'entrée et de sortie de puissance.

• AC vers DC (redresseur)

• DC vers AC (onduleur)

• DC vers DC (convertisseur DC-DC)

• AC vers AC (convertisseur AC-AC)

Il concerne à la fois les équipements rotatifs et statiques pour la génération, la transmission et l'utilisation de grandes quantités d'énergie électrique. Un convertisseur DC-DC est un circuit électronique qui convertit une source de courant continu d'un niveau de tension à un autre.
Les avantages des convertisseurs électroniques de puissance sont les suivants -

• Une grande efficacité due à des pertes faibles dans les dispositifs de semi-conducteurs de puissance.

• Une grande fiabilité du système de convertisseur électronique de puissance.

• Une longue durée de vie et moins de maintenance en raison de l'absence de pièces mobiles.

• Une flexibilité d'exploitation.

• Une réponse dynamique rapide comparée au système de convertisseur électromécanique.

Il y a également certains inconvénients significatifs des convertisseurs électroniques de puissance, comme les suivants -

• Les circuits dans les systèmes électroniques de puissance ont une tendance à générer des harmoniques dans le système d'alimentation ainsi que dans le circuit de charge.

• Les convertisseurs AC-DC et DC-AC fonctionnent avec un facteur de puissance faible sous certaines conditions de fonctionnement.

• La régénération de puissance est difficile dans les systèmes de convertisseurs électroniques de puissance.

Dans ce projet, la tension moyenne à travers le champ d'une machine synchrone est contrôlée en utilisant un chopper boost. Un chopper boost est un convertisseur DC-DC qui fournit une tension de sortie contrôlée plus élevée à partir d'une tension DC d'entrée fixe.

Le MOSFET est un dispositif de semi-conducteur électronique de puissance qui est un interrupteur entièrement contrôlé (un interrupteur dont l'allumage et l'extinction peuvent être contrôlés). Le MOSFET est utilisé comme dispositif de commutation dans ce circuit de chopper boost. La broche de commande du MOSFET est pilotée par un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) qui est généré à l'aide d'un microcontrôleur. L'alimentation du chopper provient d'un pont de diodes redresseuses par conversion monophasée AC/DC.

Ce schéma de contrôle de l'excitation de champ est extrêmement efficace et de petite taille, grâce à l'implication de circuits électroniques de puissance. Dans de nombreuses applications industrielles, telles que le contrôle de la puissance réactive, l'amélioration du facteur de puissance des lignes de transmission, il est nécessaire de modifier l'excitation de champ.

Ce dispositif prend l'énergie d'une source DC fixe et la convertit en une tension DC variable. Les systèmes de chopper offrent un contrôle fluide, une grande efficacité, une réponse plus rapide et une facilité de régénération. Fondamentalement, un chopper peut être considéré comme l'équivalent DC d'un transformateur AC, car ils se comportent de manière identique. Comme le chopper implique une conversion en une seule étape, ils sont plus efficaces.

Principe de fonctionnement de la machine synchrone utilisant un chopper

Pour comprendre les détails du plan de projet, examinons le diagramme bloc ci-dessous :

D'après le diagramme ci-dessus, on peut dire que pour une entrée de 230V d'un redresseur à onde pleine, la tension de sortie est de 146 V (environ). La tension de champ de la machine est de 180 V, donc nous devons augmenter la tension via un chopper boost. La tension DC ajustée est ensuite alimentée dans le champ de la machine synchrone. La tension de sortie du chopper peut être modifiée en changeant le rapport cyclique, pour cela, nous devons créer un générateur de pulsations de largeur réglable, ce qui peut être fait avec l'aide d'un microcontrôleur.

Dans le microcontrôleur, en comparant un signal aléatoire avec une magnitude constante, nous pouvons générer un signal de pulsation, mais pour éviter l'effet de charge, il est conseillé d'utiliser une isolation électrique, pour cela, nous utilisons un optocoupleur. Un condensateur a été utilisé dans le circuit chopper afin d'éliminer les ondulations de la tension de sortie. Il a été simulé que l'inducteur utilisé dans le circuit chopper doit pouvoir supporter 2-3 A de courant pendant la période de court-circuit. En plus de la tension de sortie désirée, nous devons également concevoir le circuit de manière à ce qu'il puisse résister à toute condition de défaut.

• Pour la protection contre les surtensions, nous utiliserons des varistances à oxyde métallique (MOV) dont la résistance dépend de la tension.

• Pour la protection contre les surintensités, nous pouvons utiliser un fusible à limitation de courant agissant en premier.

Pour améliorer la qualité de la forme d'onde, nous pouvons utiliser un circuit de filtrage, généralement un filtre L ou LC à la sortie du pont redresseur. La diode utilisée doit avoir un temps de récupération inverse faible, ici nous pouvons utiliser une diode à récupération rapide.

Valeurs des composants du circuit utilisés

Tension DC d'entrée = 100V
Tension d'impulsion = 10V, Rapport cyclique = 40%
Fréquence de découpage = 10 KHz
R = 225 ohms (calculé à partir de la puissance nominale de la machine)
L = 10mH
C = 1pF

Données obtenues à la sortie
Tension de sortie : 174 V (moyenne)
Courant de charge : 0,775 A (moyenne)
Courant d'alimentation : 0,977 A

Développements futurs de la machine synchrone utilisant un chopper

Il y a encore beaucoup de place pour des développements futurs qui amélioreraient le système et augmenteraient sa valeur commerciale.

Contrôle en boucle fermée

Dans les domaines d'application où l'utilisateur traite des charges variables, un schéma de contrôle en boucle fermée est nécessaire pour maintenir une excitation constante. La tension de référence et la tension de sortie réelle seront comparées en premier lieu, générant un signal d'erreur. Ce signal d'erreur déterminera le rapport cyclique du chopper.

Réduction de l'effet de la température

L'utilisation d'un condensateur de précision et d'une diode de commutation peut améliorer les performances, mais cela augmentera le coût du projet.

Conclusion sur la machine synchrone utilisant un chopper

Dans notre projet, nous avons conçu et mis en œuvre un contrôleur d'excitation à bas coût et convivial utilisant un chopper. Les utilisateurs cibles du système sont les industries nécessitant un contrôleur lisse, efficace et de petite taille, qui offre une large gamme de variation de tension. Ce type de projet est vraiment utile dans les domaines industriels des pays en développement comme l'Inde, où la crise énergétique est un grand sujet de préoccupation.

Nous avons appris beaucoup à travers ce projet. Nous avons acquis des leçons de travail d'équipe, de coordination et de leadership tout au long des différentes phases de développement du projet. Nous avons été confrontés à la complexité des technologies nécessaires pour construire le système. Cela nous a aidés à relier et à appliquer les connaissances théoriques acquises lors de notre formation en ingénierie.

Aucun d'entre nous n'avait d'expérience en contrôle électronique de moteur avant le projet. Nous avons dû apprendre rapidement différents concepts et techniques et les appliquer dans le système. Le projet a également fourni une occasion pour nous d'accumuler de l'expérience dans la génération de signaux d'impulsion et le contrôle de MOSFET de puissance. Cette expérience de projet a grandement enrichi nos connaissances et affûté nos compétences techniques.