Kontrola wzbudzenia maszyny synchronicznej za pomocą choppera

Spis treści

• Zasada działania synchronicznego generatora z wykorzystaniem choppera

• Dalszy rozwój synchronicznego generatora z wykorzystaniem choppera

• Podsumowanie dotyczące synchronicznego generatora z wykorzystaniem choppera

Główne wnioski:

• Definicja sterowania wzbudzaniem: Sterowanie wzbudzaniem polega na zarządzaniu stałoprądowym wzbudzeniem w synchronicznym generatorze w celu kontrolowania jego pracy.

• Zasada działania: Zasada działania synchronicznego generatora z wykorzystaniem choppera polega na podnoszeniu napięcia i sterowaniu nim za pomocą sygnałów PWM, aby osiągnąć pożądane wzbudzenie.

• Zalety choppera: Wykorzystanie choppera do sterowania wzbudzeniem oferuje wysoką efektywność, kompaktowy rozmiar, płynną kontrolę i szybką reakcję.

• Komponenty w obwodzie choppera: Kluczowe komponenty to MOSFET, sygnał modulacji szerokości impulsu, prostownik, kondensator, cewka oraz urządzenia ochronne, takie jak MOV i bezpiecznik.

• Przyszłe ulepszenia: Przyszłe rozwoje mogą obejmować zamkniętą pętlę sterowania dla zmiennych obciążeń oraz precyzyjne komponenty, aby poprawić wydajność i zmniejszyć wpływ temperatury.

Synchroniczny generator to wszechstronny urządzenie elektryczne stosowany w różnych dziedzinach, takich jak generowanie energii, utrzymanie stałe prędkości i korekcja współczynnika mocy. Korekcja współczynnika mocy jest realizowana poprzez zarządzanie wzbudzeniem stałoprądowym. Ta praca koncentruje się na tym, jak skutecznie możemy kontrolować wzbudzenie synchronicznego generatora.

Konwencjonalne metody wzbudzania stałowprądowego mają problemy związane z chłodzeniem i konserwacją ze względu na pierścienie ślizgowe, szczotki i komutatory, zwłaszcza gdy oceniany prądnik wzrasta. Nowoczesne systemy wzbudzania dążą do zmniejszenia tych problemów, minimalizując liczbę poślizgowych kontaktów i szczotek.

Ta tendencja doprowadziła do rozwoju statycznego wzbudzania z wykorzystaniem choppera. Nowoczesne systemy wykorzystują półprzewodnikowe elementy przełączające, takie jak diody, tirystory i tranzystory. W elektrotechnice przetwarzana jest duża ilość energii elektrycznej, a najtypowymi urządzeniami są konwertery AC/DC.

Zakres mocy zwykle wynosi od dziesiątek do kilkuset watów. W przemyśle typowym zastosowaniem jest napęd o zmiennych prędkościach używany do sterowania prędkością silnika indukcyjnego. Systemy przetwarzania mocy klasyfikowane są według typów wejściowej i wyjściowej mocy.

• AC do DC (prostownik)

• DC do AC (inwerter)

• DC do DC (konwerter DC do DC)

• AC do AC (konwerter AC do AC)

Dotyczy zarówno obrotowych, jak i stacjonarnych urządzeń do generowania, przesyłania i wykorzystywania ogromnych ilości energii elektrycznej. Konwerter DC-DC to obwód elektroniczny, który przekształca źródło prądu stałego z jednego poziomu napięcia na inny. Zalety konwerterów elektroenergetycznych są następujące:

• Wysoka efektywność dzięki małym stratom w półprzewodnikowych elementach mocy.

• Wysoka niezawodność systemu konwertera elektroenergetycznego.

• Długotrwałość i mało kosztowna konserwacja ze względu na brak części poruszających się.

• Elastyczność w działaniu.

• Szybka dynamiczna reakcja w porównaniu do systemów elektromechanicznych.

Istnieją również pewne istotne wady konwerterów elektroenergetycznych, takie jak:

• Obwody w systemach elektroenergetycznych mają tendencję do generowania harmonicznych w systemie zasilającym, jak i w obwodzie obciążenia.

• Konwertery AC do DC i DC do AC działają przy niskim wejściowym współczynniku mocy w określonych warunkach pracy.

• Regeneracja mocy jest trudna w systemach konwerterów elektroenergetycznych.

W tym projekcie średni napięcie na polu synchronicznego generatora jest kontrolowane za pomocą choppera wzmacniającego. Chopper wzmacniający to konwerter DC do DC, który dostarcza wyższe sterowane napięcie wyjściowe z ustalonego wejściowego napięcia DC.

MOSFET to półprzewodnikowy element mocy, który jest całkowicie sterowanym przełącznikiem (przełącznik, którego włączenie i wyłączenie można kontrolować). MOSFET jest używany jako element przełączający w tym obwodzie choppera wzmacniającego. Terminal bramki MOSFET jest napędzany przez sygnał modulacji szerokości impulsu (PWM), który jest generowany za pomocą mikrokontrolera. Napięcie zasilające choppera jest pobierane z prostownika mostkowego diodowego przez konwersję jednofazowego AC/DC.

Ten schemat sterowania wzbudzeniem jest niezwykle efektywny i kompaktowy, dzięki zaangażowaniu obwodów półprzewodnikowych. W wielu zastosowaniach przemysłowych, takich jak sterowanie reaktywną mocą, poprawa współczynnika mocy linii przesyłowej, wymagana jest zmiana wzbudzenia.

Ten napęd pobiera energię z stałego źródła DC i przekształca ją w zmienny napięcie DC. Systemy choppera oferują płynną kontrolę, wysoką efektywność, szybką reakcję i możliwość regeneracji. Podstawowo chopper może być uznany za równoważnik DC transformatora AC, ponieważ zachowują się one w identyczny sposób. Ponieważ chopper obejmuje jedno stadium konwersji, są bardziej efektywne.

Zasada działania synchronicznego generatora z wykorzystaniem choppera

Aby zrozumieć szczegóły planu projektu, rozważmy poniższy diagram blokowy:

Z powyższego diagramu można stwierdzić, że dla 230V wejścia pełnoprzepustowego prostownika napięcie wyjściowe wynosi około 146V, a napięcie pola maszyny wynosi 180V, więc musimy podnieść napięcie za pomocą choppera wzmacniającego. Teraz dostosowane napięcie DC jest podawane do pola synchronicznego generatora. Napięcie wyjściowe choppera można zmienić, modyfikując cykl pracy, co wymaga stworzenia generatora impulsów o regulowanej szerokości, co można zrobić za pomocą mikrokontrolera.

W mikrokontrolerze, porównując losowy sygnał sekwencyjny z stałą amplitudą, można wygenerować sygnał impulsowy, ale aby uniknąć efektu obciążenia, zaleca się izolację elektryczną, co można osiągnąć za pomocą optokoplera. W obwodzie choppera użyto kondensatora, aby usunąć drgania z napięcia wyjściowego. Symulacje pokazały, że cewka użyta w obwodzie choppera powinna być w stanie obsłużyć 2-3 A prądu podczas krótkiego zwarcia. Oprócz pożądanego napięcia wyjściowego, obwód powinien być zaprojektowany tak, aby mógł przetrwać wszelkie warunki awaryjne.

• Do ochrony przed nadmiernym napięciem użyjemy metalo-tlenkowych varystorów (MOV), których opór zależy od napięcia.

• Do ochrony przed nadmiernym prądem można użyć pierwszego działającego ogranicznika prądu bezpiecznika.

Aby poprawić jakość fali, można użyć obwodu filtrującego, takiego jak filtr L lub LC na wyjściu prostownika mostkowego. Dioda, która jest używana, powinna mieć krótki czas odzysku odwrotnego, tu można użyć diody szybkiego odzysku.

Wartości komponentów obwodowych, które zostały użyte

Wejściowe napięcie DC = 100V
Napięcie impulsu = 10V, Cykl pracy = 40%
Częstotliwość choppera = 10 kHz
R = 225 ohm (obliczone na podstawie oceny maszyny)
L = 10 mH
C = 1 pF

Dane uzyskane z wyjścia
Napięcie wyjściowe: 174 V (średnio)
Prąd obciążenia: 0,775 A (średnio)
Prąd źródła: 0,977 A

Dalszy rozwój synchronicznego generatora z wykorzystaniem choppera

Jest jeszcze wiele miejsca na przyszły rozwój, który wzmoże system i zwiększy jego wartość biznesową.

Sterowanie w pętli zamkniętej

Obszary zastosowania, gdzie użytkownik ma do czynienia z zmiennym obciążeniem, wymagają schematu sterowania w pętli zamkniętej, aby utrzymać stałe wzbudzenie. Referencyjne napięcie i rzeczywiste napięcie wyjściowe zostaną porównane, a następnie wygenerowany będzie sygnał błędu. Ten sygnał błędu będzie decydował o cyklu pracy choppera.

Zmniejszenie wpływu temperatury

Użycie precyzyjnego kondensatora, przełączającej diody z pewnością poprawi wydajność, ale zwiększy koszty projektu.

Podsumowanie dotyczące synchronicznego generatora z wykorzystaniem choppera

W naszym projekcie zaprojektowaliśmy i zaimplementowaliśmy tanie i łatwe w obsłudze urządzenie sterujące wzbudzeniem z wykorzystaniem choppera. Docelowi użytkownicy systemu to przemysł, który wymaga płynnej, efektywnej i małej jednostki sterującej, która umożliwia szeroki zakres zmian napięcia. Taki rodzaj projektu jest naprawdę przydatny w przemysłowych dziedzinach rozwijających się krajów, takich jak Indie, gdzie kryzys energetyczny stanowi duży problem.

Nauczyliśmy się wiele dzięki temu projektowi. Nauczyliśmy się pracy zespołowej, koordynacji, przywództwa, przechodząc przez różne etapy rozwoju projektu. Byliśmy wyzwani przez złożoność technologii potrzebnych do budowy systemu. To pomogło nam skorelować i zastosować teoretyczną wiedzę, którą zdobyliśmy podczas studiów inżynierskich.

Żaden z nas nie miał doświadczenia w elektronicznym sterowaniu silnikami przed projektem. Musieliśmy szybko nauczyć się różnych pojęć i technik, a następnie zastosować je w systemie. Projekt dał nam również szansę na zdobycie doświadczenia w generowaniu sygnałów impulsowych i w obszarze sterowania power MOSFET. Doświadczenie z tego projektu znacznie wzbogaciło naszą wiedzę i wyostrzyło umiejętności techniczne.