Управление возбуждением синхронной машины с использованием ключа

Содержание

• Принцип работы синхронной машины с использованием ключа

• Дальнейшее развитие синхронной машины с использованием ключа

• Заключение по синхронной машине с использованием ключа

Основные выводы:

• Определение управления возбуждением: Управление возбуждением определяется как управление постоянным полем возбуждения в синхронной машине для контроля ее производительности.

• Принцип работы: Принцип работы синхронной машины с использованием ключа включает повышение напряжения и его управление через сигналы ШИМ для достижения желаемого возбуждения.

• Преимущества ключа: Использование ключа для управления возбуждением обеспечивает высокую эффективность, компактные размеры, плавное управление и быстрый отклик.

• Компоненты в цепи ключа: Ключевые компоненты включают MOSFET, сигнал широтно-импульсной модуляции, выпрямитель, конденсатор, индуктивность и защитные устройства, такие как MOV и предохранитель.

• Будущие улучшения: Будущие разработки могут включать замкнутую систему управления для переменных нагрузок и точные компоненты для улучшения производительности и уменьшения влияния температуры.

Синхронная машина - это универсальная электрическая машина, используемая в различных областях, таких как генерация электроэнергии, поддержание постоянной скорости и коррекция коэффициента мощности. Коэффициент мощности контролируется путем управления постоянным полем возбуждения. Эта работа сосредоточена на том, как эффективно мы можем управлять полем возбуждения синхронной машины.

Традиционные методы постоянного возбуждения сталкиваются с проблемами охлаждения и обслуживания из-за контактных колец, щеток и коммутаторов, особенно при увеличении номиналов генератора. Современные системы возбуждения стремятся снизить эти проблемы, минимизируя количество скользящих контактов и щеток.

Эта тенденция привела к развитию статического возбуждения с использованием ключа. Современные системы используют полупроводниковые переключательные устройства, такие как диод, тиристоры и транзисторы. В силовой электронике обрабатывается значительное количество электрической энергии, наиболее типичными устройствами являются преобразователи AC/DC.

Мощность обычно варьируется от десятков до нескольких сотен ватт. В промышленности распространенным применением является регулируемый привод, используемый для управления скоростью асинхронного двигателя. Системы преобразования энергии классифицируются по типам входной и выходной энергии.

• AC в DC (выпрямитель)

• DC в AC (инвертор)

• DC в AC (преобразователь DC в DC)

• AC в AC (преобразователь AC в AC)

Он занимается как вращающимися, так и стационарными установками для генерации, передачи и использования больших объемов электроэнергии. Преобразователь DC-DC - это электронная схема, которая преобразует источник постоянного тока с одного уровня напряжения в другой.
Преимущества силовых электронных преобразователей следующие-

• Высокая эффективность благодаря низким потерям в полупроводниковых устройствах.

• Высокая надежность системы силового электронного преобразователя.

• Долгий срок службы и малое обслуживание из-за отсутствия движущихся частей.

• Гибкость в эксплуатации.

• Быстрый динамический отклик по сравнению с электромеханической системой преобразования.

Есть также некоторые значительные недостатки силовых электронных преобразователей, такие как следующие-

• Цепи в системах силовой электроники имеют тенденцию генерировать гармоники в системе питания, а также в нагрузочной цепи.

• Преобразователи AC в DC и DC в AC работают при низком входном коэффициенте мощности при определенных условиях работы.

• Регенерация энергии затруднена в системах силовых электронных преобразователей.

В этом проекте среднее напряжение на поле синхронной машины контролируется с помощью буст-ключа. Буст-ключ - это преобразователь DC в DC, который обеспечивает более высокое контролируемое выходное напряжение из фиксированного входного постоянного напряжения.

MOSFET - это полупроводниковое устройство силовой электроники, которое является полностью управляемым ключом (ключ, управляемый как включение, так и выключение). MOSFET используется в качестве переключающего устройства в этой цепи буст-ключа. Входная цепь MOSFET управляется сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который генерируется с помощью микроконтроллера. Питание ключа берется от диодного мостового выпрямителя, преобразующего однофазный AC/DC.

Эта схема управления возбуждением поля крайне эффективна и компактна благодаря использованию силовой электроники. Во многих промышленных применениях, таких как управление реактивной мощностью, улучшение коэффициента мощности линии передачи, требуется изменять возбуждение поля.

Этот привод получает энергию от фиксированного источника постоянного тока и преобразует ее в переменное постоянное напряжение. Системы с ключами обеспечивают плавное управление, высокую эффективность, быстрый отклик и возможность регенерации. По сути, ключ можно рассматривать как DC-эквивалент AC-трансформатора, поскольку они ведут себя одинаково. Поскольку ключ включает одностадийное преобразование, он более эффективен.

Принцип работы синхронной машины с использованием ключа

Чтобы понять детали плана проекта, рассмотрим следующую блок-схему:

Из приведенной выше схемы можно сказать, что при входном напряжении 230 В полного волнового выпрямителя выходное напряжение составляет 146 (приблизительно) напряжение поля машины составляет 180 В, поэтому нам нужно повысить напряжение через повышающий ключ. Теперь отрегулированное постоянное напряжение подается на поле синхронной машины. Выходное напряжение ключа можно изменять, меняя коэффициент заполнения, для этого нужно создать генератор импульсов с регулируемой шириной импульса, и это можно сделать с помощью микроконтроллера.

В микроконтроллере, сравнивая случайный последовательный сигнал с постоянной величиной, можно сгенерировать импульсный сигнал, но чтобы избежать эффекта загрузки, рекомендуется электрическая изоляция, для этого мы используем опто-изолятор. Конденсатор используется в цепи ключа для удаления ряби из выходного напряжения. Было смоделировано, что индуктивность, используемая в цепи ключа, должна быть способна обрабатывать 2-3 А ток во время короткого замыкания. Кроме желаемого выходного напряжения, следует также спроектировать цепь так, чтобы она могла выдерживать любые аварийные условия.

• Для защиты от перенапряжения мы будем использовать металлооксидные варисторы (MOV), чье сопротивление зависит от напряжения.

• Для защиты от перегрузки по току можно использовать первоначально действующий ограничитель тока предохранитель.

Чтобы улучшить качество формы сигнала, можно использовать фильтр, основанный на L или LC-фильтре на выходе мостового выпрямителя. Диод, который используется, должен иметь небольшое время обратного восстановления, здесь можно использовать быстродействующий диод.

Значения компонентов цепи, которые были использованы

Входное постоянное напряжение = 100 В
Напряжение импульса = 10 В, Коэффициент заполнения = 40%
Частота нарезки = 10 кГц
R = 225 Ом (Как рассчитано из номинала машины)
L = 10 мГн
C = 1 пФ

Полученные данные с выхода
Выходное напряжение: 174 В (Среднее)
Ток нагрузки: 0,775 А (Среднее)
Ток источника: 0,977 А

Дальнейшее развитие синхронной машины с использованием ключа

Есть еще много места для дальнейшего развития, которое улучшит систему и увеличит ее бизнес-ценность.

Замкнутая система управления

Области применения, где пользователь работает с переменной нагрузкой, требуют схемы замкнутого управления для поддержания постоянного возбуждения. Сначала будут сравниваться эталонное напряжение и фактическое выходное напряжение, и будет генерироваться сигнал ошибки. Этот сигнал ошибки будет определять коэффициент заполнения ключа.

Уменьшение влияния температуры

Использование точных конденсаторов и коммутирующих диодов может значительно улучшить производительность, но это увеличит стоимость проекта.

Заключение по синхронной машине с использованием ключа

В нашем проекте мы спроектировали и реализовали недорогой и удобный для пользователя контроллер возбуждения с использованием ключа. Целевыми пользователями системы являются промышленные предприятия, которым требуется плавный, эффективный и компактный контроллер, обеспечивающий широкий диапазон изменения напряжения. Такой проект действительно полезен в промышленных сферах развивающихся стран, таких как Индия, где энергетический кризис является серьезной проблемой.

Мы многому научились в ходе проекта. Мы получили уроки командной работы, координации и лидерства, проходя через различные этапы разработки проекта. Нас озадачила сложность технологий, необходимых для создания системы. Это помогло нам соотнести и применить теоретические знания, полученные в инженерном курсе.

Ни у кого из нас не было опыта электронного управления двигателем до проекта. Нам нужно было быстро изучить различные концепции и техники и применить их в системе. Проект также дал нам возможность накопить опыт в генерации импульсных сигналов и области управления MOSFET. Этот проектный опыт значительно обогатил наши знания и улучшил наши технические навыки.