チョッパを使用した同期機の励磁制御

目次

• チョッパを使用した同期機の動作原理

• チョッパを使用した同期機のさらなる発展

• チョッパを使用した同期機の結論

主な学び：

• 励磁制御の定義：励磁制御とは、同期機の性能を制御するためにそのDCフィールド励磁を管理することを指します。

• 動作原理：チョッパを使用した同期機の動作原理は、PWM信号を通じて電圧をステップアップし制御することで、所望の励磁を達成することです。

• チョッパの利点：チョッパを使用した励磁制御は、高効率、コンパクトなサイズ、滑らかな制御、および高速応答を提供します。

• チョッパ回路の主要部品：主要部品にはMOSFET、パルス幅変調信号、整流器、コンデンサ、インダクタ、MOVやヒューズなどの保護デバイスが含まれます。

• 将来の改良：将来的な発展としては、可変負荷に対する閉ループ制御と、パフォーマンスの向上と温度影響の軽減に役立つ精密部品が考えられます。

同期機は、発電、一定速度の維持、力率補正など様々な分野で使用される多目的な電気機械です。力率の制御は、DCフィールド励磁を管理することで行われます。本論文では、同期機のフィールド励磁をいかに効率的に制御できるかに焦点を当てています。

従来のDC励磁方法では、スリップリング、ブラシ、コマタチの冷却やメンテナンスの問題が特に発電機のレーティングが増加するにつれて顕著になります。現代の励磁システムは、これらの問題を最小限に抑えるために、スライディング接触とブラシの数を減らすことを目指しています。

この傾向により、チョッパを使用した静止励磁が開発されました。現代のシステムでは、半導体スイッチングデバイスであるダイオード、スクリーン、トランジスタを使用しています。電力電子工学では、AC/DCコンバータが最も一般的なデバイスとして大量の電気エネルギーを処理します。

電力範囲は通常、数十ワットから数百ワットまでです。産業界では、誘導電動機の速度制御に使用される可変速度ドライブが一般的なアプリケーションです。電力変換システムは、入力と出力の電力タイプによって分類されます。

• AC to DC（整流器）

• DC to AC（インバータ）

• DC to AC (DC to DC コンバータ)

• AC to AC (AC to AC コンバータ)

これは、回転機器と静止機器の両方を取り扱い、大規模な電力の生成、送電、利用に関連しています。DC-DCコンバータは、あるレベルの直流電圧を別のレベルに変換する電子回路です。
電力電子コンバータの利点は以下の通りです。

• 低損失の電力半導体デバイスによる高効率。

• 電力電子コンバータシステムの高い信頼性。

• 可動部品がないため長寿命でメンテナンスが少ない。

• 操作の柔軟性。

• 電気機械的なコンバータシステムと比較して高速な動的応答。

電力電子コンバータには、以下のような重要な欠点もあります。

• 電力電子システムの回路は、供給系や負荷回路で高調波を生成する傾向があります。

• AC to DCとDC to ACコンバータは、特定の動作条件下で低い入力力率で動作します。

• 電力電子コンバータシステムでの電力再生は困難です。

本プロジェクトでは、ブーストチョッパを使用して同期機のフィールドの平均電圧を制御しています。ブーストチョッパは、固定の入力DC電圧から高い制御された出力電圧を提供するDC to DCコンバータです。

MOSFETは、完全に制御可能なスイッチ（オンとオフの両方が制御できるスイッチ）であり、電力電子半導体デバイスです。MOSFETは、このブーストチョッパ回路のスイッチングデバイスとして使用されています。MOSFETのゲート端子は、マイクロコントローラーを使用して生成されたパルス幅変調（PWM）信号によって駆動されます。チョッパの供給電圧は、単相AC/DCの変換によってダイオードブリッジ整流器から取得されます。

このフィールド励磁制御方式は、電力電子回路の関与により非常に効率的でコンパクトなサイズです。多くの工業アプリケーションでは、無功電力制御、送電線の力率改善のためにフィールド励磁を変更することが求められます。

このドライブは固定DCソースから電力を取り、それを可変DC電圧に変換します。チョッパシステムは、滑らかな制御、高効率、高速応答、および再生機能を提供します。基本的に、チョッパはACトランスフォーマーのDC版と考えることができます。チョッパは一段階の変換しか行わないため、より効率的です。

チョッパを使用した同期機の動作原理

プロジェクト計画の詳細を理解するために、以下のブロック図を考慮しましょう。

上記の図から、全波整流器の入力電圧が230Vの場合、出力電圧は約146Vとなります。機器のフィールド電圧は180Vなので、ステップアップチョッパを使用して電圧を上げる必要があります。調整されたDC電圧は同期機のフィールドに供給されます。チョッパの出力電圧は、デューティサイクルを変更することで調整できます。これを行うには、調整可能なパルス幅を持つパルスジェネレータを作成する必要があり、マイクロコントローラーを使用してこれを行うことができます。

マイクロコントローラーでは、ランダムシーケンス信号と一定の大きさの信号を比較することでパルス信号を生成できますが、負荷効果を避けるために電気絶縁が必要です。これを実現するために、オプトカップラーを使用します。コンデンサは、チョッパ回路において出力電圧のリップルを除去するために使用されます。チョッパ回路に使用されるインダクタは、ショートサーキット期間中に2-3Aの電流を処理できる能力を持つべきです。所望の出力電圧だけでなく、故障条件にも耐えられるように回路を設計する必要があります。

• 過電圧保護には、電圧に応じて抵抗が変わる金属酸化物バリスタ（MOV）を使用します。

• 過電流保護には、最初に作用する電流制限ヒューズを使用できます。

波形の品質を向上させるために、ブリッジ整流器の出力にLCフィルタを使用することができます。使用するダイオードは逆回復時間が短いものが望ましく、高速回復ダイオードを使用することができます。

使用された回路部品の値

入力DC電圧 = 100V
パルス電圧 = 10V, デューティ = 40%
チョッピング周波数 = 10 KHz
R = 225Ω（機器のレーティングから計算）
L = 10mH
C = 1pF

出力から得られたデータ
出力電圧：174 V（平均）
負荷電流：0.775 A（平均）
電源電流：0.977 A

チョッパを使用した同期機のさらなる発展

今後もシステムを強化し、ビジネス価値を高めるための発展の余地があります。

閉ループ制御

可変負荷を扱う用途では、一定の励磁を維持するための閉ループ制御スキームが必要です。基準電圧と実際の出力電圧を比較し、エラーシグナルを生成します。このエラーシグナルがチョッパのデューティサイクルを決定します。

温度影響の軽減

精度の高いコンデンサやスイッチングダイオードを使用することで、パフォーマンスは確かに向上しますが、それらはプロジェクトのコストに影響します。

チョッパを使用した同期機の結論

本プロジェクトでは、低コストで使いやすい励磁制御装置をチョッパを使用して設計・実装しました。システムの対象ユーザーは、滑らかで効率的で小型の制御装置を必要とする産業界です。このようなプロジェクトは、エネルギー危機が深刻なインドのような発展途上国の産業界で非常に有用です。

プロジェクトを通じて多くのことを学びました。プロジェクトのさまざまな開発フェーズを通じてチームワーク、協調性、リーダーシップの教訓を得ました。システムを構築するために必要な技術の複雑さに直面し、工学コースで得た理論的な知識を関連付け、適用することができました。

プロジェクト前にモーターの電子制御の経験は誰も持っていなかったため、異なる概念や技術を迅速に学習し、システムに適用する必要がありました。プロジェクトはまた、パルス信号生成とパワーMOSFET制御領域での経験を積む機会も提供しました。このプロジェクト経験は、私たちの知識を豊富にし、技術スキルを鋭化させました。