Controllo dell'Excitazione della Macchina Sincrona Utilizzando il Chopper
Sommario
Principio di funzionamento della macchina sincrona utilizzando il chopper
Ulteriori sviluppi della macchina sincrona utilizzando il chopper
Conclusione della macchina sincrona utilizzando il chopper
Punti chiave:
Definizione del controllo dell'eccitazione: Il controllo dell'eccitazione è definito come la gestione dell'eccitazione a corrente continua in una macchina sincrona per controllarne le prestazioni.
Principio di funzionamento: Il principio di funzionamento di una macchina sincrona utilizzando un chopper prevede l'aumento della tensione e il suo controllo attraverso segnali PWM per ottenere l'eccitazione desiderata.
Vantaggi del chopper: L'uso di un chopper per il controllo dell'eccitazione offre alta efficienza, dimensioni compatte, controllo fluido e risposta rapida.
Componenti nel circuito del chopper: I componenti chiave includono un MOSFET, un segnale di modulazione di larghezza d'impulso (PWM), un raddrizzatore, un condensatore, un induttore e dispositivi di protezione come MOV e fusibili.
Miglioramenti futuri: Gli sviluppi futuri possono includere il controllo in anello chiuso per carichi variabili e componenti di precisione per migliorare le prestazioni e ridurre gli effetti della temperatura.
Una macchina sincrona è una macchina elettrica versatile utilizzata in vari settori, come la generazione di energia, il mantenimento di una velocità costante e la correzione del fattore di potenza. Il controllo del fattore di potenza viene eseguito gestendo l'eccitazione a corrente continua. Questa tesi si concentra su come possiamo controllare efficacemente l'eccitazione del campo di una macchina sincrona.
I metodi di eccitazione a corrente continua tradizionali affrontano problemi di raffreddamento e manutenzione a causa degli anelli di scorrimento, delle spazzole e dei commutatori, specialmente quando le potenze nominali dell'alternatore aumentano. I sistemi di eccitazione moderni mirano a ridurre questi problemi minimizzando il numero di contatti scorrevoli e di spazzole.
Questa tendenza ha portato allo sviluppo dell'eccitazione statica utilizzando un chopper. I sistemi moderni utilizzano dispositivi di commutazione a semiconduttore come diodi, tiristori e transistor. Nell'elettronica di potenza, vengono elaborate quantità significative di energia elettrica, con i convertitori AC/DC che sono i dispositivi più tipici.
La gamma di potenza tipicamente va da decine a centinaia di watt. Nell'industria, un'applicazione comune è la variatore di velocità utilizzato per controllare la velocità di un motore asincrono. I sistemi di conversione di potenza sono classificati in base ai tipi di potenza in ingresso e in uscita.
AC a DC (raddrizzatore)
DC a AC (invertitore)
DC a AC (convertitore DC a DC)
AC a AC (convertitore AC a AC)
Si occupa sia di apparecchiature rotanti che statiche per la generazione, la trasmissione e l'utilizzo di grandi quantità di energia elettrica. Il convertitore DC-DC è un circuito elettronico che converte una sorgente di corrente continua da un livello di tensione a un altro. I vantaggi dei convertitori elettronici di potenza sono i seguenti-
Alta efficienza grazie a bassi perdite nei dispositivi a semiconduttore di potenza.
Alta affidabilità del sistema di convertitore elettronico di potenza.
Lunga vita e minima manutenzione a causa dell'assenza di parti mobili.
Flessibilità nell'operazione.
Risposta dinamica rapida rispetto al sistema di convertitore elettromeccanico.
Ci sono anche alcuni svantaggi significativi dei convertitori elettronici di potenza, come i seguenti-
I circuiti nei sistemi elettronici di potenza hanno la tendenza a generare armoniche nel sistema di alimentazione e nel circuito di carico.
Convertitori AC a DC e DC a AC operano con un fattore di potenza basso in determinate condizioni operative.
La rigenerazione di potenza è difficile nei sistemi di convertitore elettronico di potenza.
In questo progetto, la tensione media sul campo di una macchina sincrona è controllata utilizzando un chopper a elevazione. Un chopper a elevazione è un convertitore DC a DC che fornisce una tensione di uscita controllata superiore da una tensione DC di ingresso fissa.
Il MOSFET è un dispositivo a semiconduttore elettronico di potenza che è un interruttore completamente controllato (un interruttore il cui accensione e spegnimento possono entrambi essere controllati). Il MOSFET viene utilizzato come dispositivo di commutazione in questo circuito di chopper a elevazione. Il terminale di gate del MOSFET è pilotato da un segnale di modulazione di larghezza d'impulso (PWM) generato utilizzando un microcontrollore. La tensione di alimentazione del chopper è presa da un raddrizzatore a ponte di diodi mediante la conversione di AC monofase in DC.
Questo schema di controllo dell'eccitazione del campo è estremamente efficiente e di dimensioni compatte, grazie all'impiego di circuiti elettronici di potenza. In molte applicazioni industriali, come il controllo della potenza reattiva, l' miglioramento del fattore di potenza della linea di trasmissione, è necessario cambiare l'eccitazione del campo.
Questo drive prende energia da una sorgente DC fissa e la converte in una tensione DC variabile. I sistemi chopper offrono controllo fluido, alta efficienza, risposta rapida e capacità di rigenerazione. Fondamentalmente, un chopper può essere considerato come l'equivalente DC di un trasformatore AC poiché si comportano in modo identico. Poiché i chopper coinvolgono una sola fase di conversione, sono più efficienti.
Principio di funzionamento della macchina sincrona utilizzando il chopper
Per comprendere i dettagli del piano del progetto, consideriamo il seguente diagramma a blocchi:
Dal diagramma sopra riportato possiamo dire che per un ingresso di 230V di un raddrizzatore a onda completa, la tensione di uscita è di 146 V (circa). La tensione del campo della macchina è di 180 V, quindi dobbiamo aumentare la tensione tramite il chopper a elevazione. Ora la tensione DC regolata viene alimentata al campo della macchina sincrona. La tensione di uscita del chopper può essere variata modificando il ciclo di lavoro; per farlo, dobbiamo creare un generatore di impulsi con larghezza d'impulso regolabile, e ciò può essere fatto con l'aiuto di un microcontrollore.
Nel microcontrollore, confrontando un segnale sequenziale casuale con una magnitudine costante, possiamo generare un segnale d'impulso, ma per evitare l'effetto di carico, è consigliabile un isolamento elettrico; per fare ciò, stiamo utilizzando un optoaccoppiatore. È stato utilizzato un condensatore nel circuito del chopper per rimuovere il ripple dalla tensione di uscita. È stato simulato che l'induttore utilizzato nel circuito del chopper dovrebbe essere in grado di gestire 2-3 A di corrente durante il periodo di cortocircuito. Oltre alla tensione di uscita desiderata, dobbiamo progettare il circuito in modo che possa resistere a qualsiasi condizione di guasto.
Per la protezione contro sovratensioni, utilizzeremo varistores a ossido metallico (MOV) la cui resistenza dipende dalla tensione.
Per la protezione contro sovraintensità, possiamo utilizzare un fusibile limitatore di corrente ad azione rapida Fusibile.
Per migliorare la qualità della forma d'onda, possiamo utilizzare un circuito filtro, fondamentalmente un filtro L o LC all'uscita del raddrizzatore a ponte. Il diodo utilizzato dovrebbe avere un tempo di recupero inverso ridotto; qui possiamo utilizzare un diodo a recupero rapido.
Valori dei componenti del circuito utilizzati
Tensione DC di ingresso = 100V
Tensione d'impulso = 10V, ciclo di lavoro = 40%
Frequenza di commutazione = 10 KHz
R = 225 ohm (calcolato dalle specifiche della macchina)
L = 10mH
C = 1pF
Dati ottenuti dall'uscita
Tensione di uscita: 174 V (media)
Corrente di carico: 0,775 A (media)
Corrente di alimentazione: 0,977 A
Ulteriori sviluppi della macchina sincrona utilizzando il chopper
C'è ancora molto spazio per sviluppi futuri che potrebbero migliorare il sistema e aumentarne il valore aziendale.
Controllo in anello chiuso
Nelle aree di applicazione in cui l'utente si occupa di carichi variabili, è necessario uno schema di controllo in anello chiuso per mantenere l'eccitazione costante. La tensione di riferimento e la tensione di uscita effettiva saranno confrontate prima e verrà generato un segnale di errore. Questo segnale di errore deciderà il ciclo di lavoro del chopper.
Riduzione dell'effetto della temperatura
L'uso di un condensatore di precisione, di un diodo di commutazione, può sicuramente migliorare le prestazioni, ma contribuirà al costo del progetto.
Conclusione della macchina sincrona utilizzando il chopper
Nel nostro progetto, abbiamo progettato e implementato un controller di eccitazione a basso costo e facile da usare utilizzando un chopper. Gli utenti target del sistema sono le industrie che richiedono un controller liscio, efficiente e di piccole dimensioni che offre una vasta gamma di variazione di tensione. Questo tipo di progetto è davvero utile nei campi industriali di paesi in via di sviluppo come l'India, dove la crisi energetica è una grande preoccupazione.
Abbiamo imparato molto attraverso il progetto. Abbiamo appreso la lezione del lavoro di squadra, della coordinazione, del leadership mentre passavamo attraverso varie fasi di sviluppo del progetto. Siamo stati sfidati dalla complessità delle tecnologie necessarie per costruire il sistema. Ciò ci ha aiutato a correlare e applicare le conoscenze teoriche acquisite nel corso di ingegneria.
Nessuno di noi aveva esperienza con il controllo elettronico del motore prima del progetto. Abbiamo dovuto imparare rapidamente diversi concetti e tecniche e applicarli nel sistema. Il progetto ha anche fornito l'opportunità di accumulare esperienza nella generazione di segnali d'impulso e nell'area di controllo del MOSFET di potenza. Questa esperienza di progetto ha arricchito notevolmente le nostre conoscenze e affinato le nostre competenze tecniche.
