Control de excitación da máquina síncrona usando chopper

Contido

• Principio de funcionamento da máquina síncrona usando chopper

• Desenvolvemento posterior da máquina síncrona usando chopper

• Conclusión da máquina síncrona usando chopper

Aprendizaxes clave:

• Definición do control de excitación: O control de excitación defínese como a xestión da excitación de campo DC nunha máquina síncrona para controlar o seu rendemento.

• Principio de funcionamento: O principio de funcionamento dunha máquina síncrona que usa un chopper implica aumentar a tensión e controlala mediante senhais PWM para lograr a excitación desexada.

• Vantaxes do chopper: Usar un chopper para o control de excitación ofrece alta eficiencia, tamaño compacto, control suave e resposta rápida.

• Compoñentes no circuito do chopper: Os compoñentes clave inclúen un MOSFET, sinal de modulación de anchura de pulso, rectificador, condensador, inductor e dispositivos de protección como MOV e fusible.

• Meloras futuras: As desenvoltas futuras poden incluír control en bucle pechado para cargas variables e compoñentes de precisión para mellorar o rendemento e reducir os efectos da temperatura.

A máquina síncrona é unha máquina eléctrica versátil utilizada en varios campos, como a xeración de enerxía, o mantemento da velocidade constante e a corrección do factor de potencia. Factor de potencia controlase xestionando a excitación de campo DC. Esta tese centrase en como podemos controlar eficientemente a excitación de campo dunha máquina síncrona.

Os métodos convencionais de excitación DC enfrentan problemas de refrixeración e manutención debido a aneis de deslizamento, escovas e conmutadores, especialmente á medida que as alternador aumentan. Os sistemas modernos de excitación pretenden reducir estes problemas minimizando o número de contactos deslizantes e escovas.

Esta tendencia levou ao desenvolvemento da excitación estática usando chopper. Os sistemas modernos usan dispositivos de conmutación de semiconductores como diodos, tiristores e transistores. Na electrónica de potencia, procesase unha cantidade substancial de enerxía eléctrica, sendo os convertidores AC/DC os dispositivos máis típicos.

O rango de potencia xeralmente abarca desde decenas a varios cientos de vatios. Na industria, unha aplicación común é a conducción de velocidade variable usada para controlar a velocidade do motor de indución. Os sistemas de conversión de potencia clasifícanse segundo os tipos de potencia de entrada e saída.

• AC a DC (rectificador)

• DC a AC (inversor)

• DC a DC (conversor DC a DC)

• AC a AC (conversor AC a AC)

Trátase tanto de equipos rotativos como estáticos para a xeración, transmisión e utilización de grandes cantidades de enerxía eléctrica. O conversor DC-DC é un circuito electrónico que converte unha fonte de corrente directa dun nivel de tensión a outro.
As vantaxes dos conversores electrónicos de potencia son as seguintes-

• Alta eficiencia debido á baixa perda nos dispositivos semiconductores de potencia.

• Alta fiabilidade do sistema de conversor electrónico de potencia.

• Larga vida e menos manutención debido á ausencia de partes móbeis.

• Flexibilidade na operación.

• Resposta dinámica rápida comparada co sistema de conversor electromecánico.

Tamén hai algunhas desvantaxes significativas dos conversores electrónicos de potencia como as seguintes-

• Os circuitos nos sistemas electrónicos de potencia teñen tendencia a xerar harmónicos no sistema de alimentación así como no circuito de carga.

• AC a  DC e DC a AC converter operan con baixo factor de potencia de entradafactor de potencia baixo certas condicións de operación.

• Regeneración de enerxía é difícil nos sistemas de conversor electrónicos de potencia.

Neste proxecto, a tensión media a través do campo dunha máquina síncrona controlase usando un chopper de aumento. Un chopper de aumento é un conversor DC a DC que proporciona unha tensión de saída controlada superior a partir dunha tensión DC de entrada fixa.

O MOSFET é un dispositivo semiconductor de electrónica de potencia que é un interruptor totalmente controlado (un interruptor cuxa activación e desactivación poden ser controladas). MOSFET úsase como dispositivo de conmutación neste circuito de chopper de aumento. O terminal de porta do MOSFET actívase por un sinal de modulación de anchura de pulso (PWM). Que se xera usando un microcontrolador. A tensión de alimentación do chopper obtense dun rectificador de ponte de diodos pola conversión de monofásica AC/DC.

Este esquema de control de excitación de campo é extremadamente eficiente e de tamaño compacto, debido á implicación de circuitos electrónicos de potencia. En moitas aplicacións industriais, como o control de potencia reactiva, a mellora do factor de potencia da liña de transmisión é necesario cambiar a excitación de campo.

Este accionamento toma enerxía dunha fonte DC fixa e a converte en tensión DC variable. Os sistemas de chopper ofrecen control suave, alta eficiencia, resposta rápida e facilidade de regeneración. Basicamente, un Chopper pode considerarse como o equivalente DC dun transformador AC xa que se comportan de maneira idéntica. Como o chopper implica unha conversión en unha etapa, son máis eficientes.

Principio de funcionamento da máquina síncrona usando chopper

Para entender os detalles do plan do proxecto, consideremos este diagrama de bloques abaixo:

Do diagrama anterior, podemos dicir que para unha entrada de 230V dun rectificador de onda completa, a tensión de saída é 146 (aproximadamente) a tensión de campo da máquina é 180V, polo que temos que aumentar a tensión a través do chopper de aumento. Agora a tensión DC axustada alimenta o campo da máquina síncrona. A tensión de saída do chopper pode variar cambiando o ciclo de traballo para facelo, temos que facer un xerador de pulsos de anchura axustable, e iso pode facerse coa axuda dun microcontrolador.

No microcontrolador, comparando un sinal de secuencia aleatoria con unha magnitude constante, podemos xerar un sinal de pulso, pero para evitar o efecto de carga, é aconsellable unha isolación eléctrica para facer isto, estamos a usar un optoacoplador. Un condensador usouse no circuito do chopper para eliminar o ripple da tensión de saída. Simulouse que o inductor que se usou no circuito do chopper debe ser capaz de manexar 2-3 A de corrente durante o período de curto circuito. Ademais da tensión de saída deseada, tamén debemos deseñar o circuito para que poida resistir calquera condición de fallo.

• Para a protección contra sobretensión, usaremos varistores de óxido metálico (MOV) cuxa resistencia depende da tensión.

• Para a protección contra sobrecorrente, podemos usar primeiro un fusible limitador de corrente.

Para mellorar a calidade da forma de onda, podemos usar un circuito filtro, basicamente L ou LC no final do rectificador de ponte. O diodo que se usou debe ter menos tempo de recuperación inversa, aquí podemos usar un diodo de recuperación rápida.

Valores dos compoñentes do circuito que se usaron

Tensión DC de entrada = 100V
Tensión de pulso = 10V, Ciclo de traballo = 40%
Frecuencia de cortado = 10 KHz
R = 225 ohm (Calculado a partir da clasificación da máquina)
L = 10mH
C = 1pF

Datos obteños da saída
Tensión de saída: 174 V (Media)
Corrente de carga: 0,775 A (Media)
Corrente de fonte: 0,977 A

Desenvolvemento posterior da máquina síncrona usando chopper

Aínda hai moito espazo para o desenvolvemento futuro que melloraría o sistema e aumentaría o seu valor comercial.

Control en bucle pechado

As áreas de aplicación onde o usuario trátase con carga variable, requiren un esquema de control en bucle pechado para manter a excitación constante. A tensión de referencia e a tensión de saída real compararanse primeiro e xeraráse un sinal de erro. Este sinal de erro decidirá o ciclo de traballo do chopper.

Redución do efecto de temperatura

O uso de condensadores de precisión, diodos de conmutación pode mellorar definitivamente o rendemento, pero aumentarán o custo do proxecto.

Conclusión da máquina síncrona usando chopper

No nosso proxecto, deseñamos e implementamos un controlador de excitación de baixo custo e amigable para o usuario usando Chopper. Os usuarios obxectivo do sistema son industrias que requiren un controlador suave, eficiente e pequeno que proporcione un amplio rango de variación de tensión. Este tipo de proxecto é realmente útil nos campos industriais de países en desenvolvemento como a India, onde a crise enerxética é unha gran preocupación.

Aprendemos moito a través do proxecto. Obtemos a lipción de traballo en equipo, coordinación, liderazgo mentres pasabamos por varias fases de desenvolvemento do proxecto. Fomos desafiados pola complexidade das tecnoloxías necesarias para construír o sistema. Isto axudounos a correlacionar e aplicar o coñecemento teórico que obtivemos no curso de enxeñaría.

Ninguén de nós tiña experiencia previa co control electrónico de motores antes do proxecto. Precisabamos aprender diferentes conceptos e técnicas rapidamente e aplicalos no sistema. O proxecto tamén proporcionou unha oportunidade para acumular experiencia na xeración de señales de pulso e no área de control de MOSFET de potencia. Esta experiencia de proxecto enriqueceu enormemente o noso coñecemento e afinou as nosas habilidades técnicas.