Kontrola ozbujanja sinkronog stroja pomoću šaperice

Sadržaj

• Princip rada sinkronog stroja koristeći čoper

• Dalji razvoj sinkronog stroja koristeći čoper

• Zaključak o sinkronom stroju koristeći čoper

Ključni naukovi:

• Definicija kontrole pobude: Kontrola pobude se definiše kao upravljanje DC poljem pobude u sinkronom stroju radi kontrole njegovog performansa.

• Princip rada: Princip rada sinkronog stroja koristeći čoper uključuje povećanje napona i kontrolu putem PWM signala kako bi se postigla željena pobuda.

• Prednosti čopera: Koristenje čopera za kontrolu pobude nudi visoku efikasnost, kompaktnu veličinu, glatku kontrolu i brz odgovor.

• Komponente u kolaču čopera: Ključne komponente uključuju MOSFET, signal širine impulsa, pravilnik, kondenzator, induktor i zaštitne uređaje poput MOV i prekidača.

• Buduće unapređenje: Budući razvoji mogu uključivati zatvorenu petlju kontrole za promenljive opterećenja i precizne komponente kako bi se poboljšao performans i smanjili temperature.

Sinkroni stroj je sveprisutan električni stroj koji se koristi u različitim oblastima, kao što su proizvodnja struje, održavanje konstantne brzine i ispravljanje faktora snage. Faktor snage se kontrolira upravljanjem DC poljem pobude. Ovaj rad se fokusira na to kako efikasno možemo kontrolirati polje pobude sinkronog stroja.

Konvencionalni metodi DC pobude suočeni su sa problemima hlađenja i održavanja zbog klizača, štapa i komutatora, posebno kako se alternatorske karakteristike povećavaju. Moderni sistemi pobude ciljaju da svedu na minimum ove probleme smanjenjem broja klizećih kontakti i štapova.

Ova tendencija dovela je do razvoja statičke pobude koristeći čoper. Moderni sistemi koriste poluprovodničke prekidni uređaje kao što su dijode, tiristori i tranzistori. U elektronici snage, obrađuje se značajan iznos električne energije, a najčešći uređaji su AC/DC pretvarači.

Snaga obično opsega od desetina do nekoliko stotina vata. U industriji, često se koristi pogonski uređaj promenljive brzine za kontrolu brzine indukcijskog motora. Sistemi pretvaranja snage klasificirani su prema tipovima ulazne i izlazne snage.

• AC u DC (pravilnik)

• DC u AC (inverzor)

• DC u AC (DC u DC pretvarač)

• AC u AC (AC u AC pretvarač)

Bavi se rotirajućim i statičkim opremom za generisanje, prenos i korišćenje velikih količina električne snage. DC-DC pretvarač je elektronsko kolo koje pretvara izvor direktnog toka iz jednog napona na drugi.
Prednosti elektronskih pretvarača snage su sledeće-

• Visoka efikasnost zbog niskih gubitaka u poluprovodničkim uređajima snage.

• Visoka pouzdanost sistema elektronskog pretvaranja snage.

• Dugačak životni vek i manje održavanja zbog odsustva pokretnih delova.

• Flexibilnost u radu.

• Brz dinamički odgovor u poređenju sa elektromehaničkim sistemom pretvaranja.

Postoje i neke značajne mane elektronskih pretvarača snage, kao što su sledeće-

• Kola u elektronskom sistemu imaju tendenciju da generišu harmonike u sistemu snabdevanja, kao i u opterećenom kolu.

• AC u  DC i DC u AC pretvarači rade na niskom ulaznom faktoru snage pod određenim uslovima rada.

• Regeneracija snage je teška u sistemu elektronskog pretvaranja snage.

U ovom projektu, prosečan napon preko polja sinkronog stroja kontrolisan je koristeći čoper. Čoper je DC u DC pretvarač koji pruža veći kontrolisan izlazni napon od fiksiranog ulaznog DC napona.

MOSFET je poluprovodnički elektronski uređaj koji je potpuno kontrolisan prekidnik (prekidnik čiji se uključivanje i isključivanje mogu kontrolisati). MOSFET se koristi kao prekidni uređaj u ovom kolu čopera. Ulazni terminal MOSFET-a pokreće se signalom širine impulsa (PWM) koji se generiše koristeći mikrokontroler. Snabdevanje čopera izvodi se iz diodnog mosta pravilnika preko pretvaranja jednofaznog AC/DC.

Ova shema kontrole pobude je izuzetno efikasna i kompaktna, zbog uključenja elektronskih kola snage. U mnogim industrijskim aplikacijama, kao što je kontrola reaktivne snage, ispravljanje faktora snage prijenosnih linija, potrebno je promeniti pobudu polja.

Ovaj pogon uzima snagu iz fiksiranog DC izvora i pretvara je u promenljivi DC napon. Sistemi čopera nude glatku kontrolu, visoku efikasnost, brz odgovor i mogućnost regeneracije. Osnovno, čoper se može smatrati DC ekvivalentom AC transformatora, jer se ponašaju identično. Kako čoper uključuje jednu fazu pretvaranja, oni su efikasniji.

Princip rada sinkronog stroja koristeći čoper

Da bismo razumeli detalje plana projekta, posmatrajmo ovaj blok-diagram ispod:

Iz gornjeg dijagrama možemo zaključiti da za 230V ulazni napon punovaljnog pravilnika izlazni napon je 146 (približno), a napon polja stroja je 180V, tako da moramo povećati napon kroz čoper. Sada prilagođeni DC napon dovodi se u polje sinkronog stroja. Izlazni napon čopera može se varirati menjanjem ciklusa dužine, što zahteva generator pulsne širine, a to se može uraditi pomoću mikrokontrolera.

U mikrokontroleru, poređenjem slučajnog sekvencijskog signala sa konstantnom magnitudom, možemo generisati pulsni signal, ali da bismo izbegli efekat opterećenja, preporučljivo je električno izolovanje, što se ostvaruje korišćenjem optokupljača. Kondenzator je korišćen u kolu čopera kako bi se uklonio fluktuacije iz izlaznog napona. Simulirano je da induktor koji se koristi u kolu čopera treba da bude sposoban da obradi 2-3 A struje tokom kraćeg perioda kruga. Pored željenog izlaznog napona, treba i dizajnirati kolo tako da može da izdrži bilo kakve greške.

• Za zaštitu od previsokog napona, koristit ćemo metal oksidni varistor (MOV) čija otpornost zavisi od napona.

• Za zaštitu od previsoke struje, možemo koristiti prekidnički prekidač ograničenja struje.

Da bismo poboljšali kvalitet talasa, možemo koristiti filter kolo, uglavnom L ili LC filter na izlazu mosta pravilnika. Dioda koja se koristi treba da ima manje vreme povratka u suprotnom pravcu, ovdje možemo koristiti brzu diodu.

Vrednosti komponenti kola koje su korišćene

Ulazni DC napon = 100V
Pulsni napon = 10V, Ciklus dužine = 40%
Frekvencija čopera = 10 KHz
R = 225 ohm (kao što je izračunato iz karakteristika stroja)
L = 10mH
C = 1pF

Podaci dobijeni sa izlaza
Izlazni napon: 174 V (prosečno)
Struja opterećenja: 0.775 A (prosečno)
Struja izvora: 0.977 A

Dalji razvoj sinkronog stroja koristeći čoper

Još uvijek postoji mnoštvo prostora za budući razvoj koji bi poboljšao sistem i povećao njegovu poslovnu vrijednost.

Zatvorena petlja kontrole

Područja primene gdje korisnik rukuje promenljivim opterećenjima, zahtevaju shemu zatvorene petlje kontrole kako bi se održao konstantan napon pobude. Referentni napon i stvarni izlazni napon će biti upoređeni, a generišće se signal greške. Taj signal greške će odrediti ciklus dužine čopera.

Smanjenje efekta temperature

Korišćenje preciznih kondenzatora, prekidnih dioda definitivno može poboljšati performanse, ali će doprineti troškovima projekta.

Zaključak o sinkronom stroju koristeći čoper

U našem projektu, dizajnirali i implementirali smo niskocenu i korisnički prijateljsku kontrolu pobude koristeći čoper. Ciljne korisnike sistema su industrije koje zahtevaju glatku, efikasnu i malu kontrolu koja pruža širok raspon variranja napona. Ovaj tip projekta je stvarno koristan u industrijskim sferama razvijajućih zemalja poput Indije, gde je energetski kriz veliki problem.

Naučili smo mnogo kroz ovaj projekt. Stigli smo do lekcije o timskom radu, koordinaciji, liderstvu dok smo prolazili kroz različite faze razvoja projekta. Izazvani smo složenošću tehnologija potrebnih za izgradnju sistema. To nam je pomoglo da povežemo i primenimo teorijsko znanje koje smo stekli tokom inženjerskog studija.

Nitko od nas nije imao iskustva sa elektronskom kontrolom motora pre projekta. Morali smo brzo naučiti različite koncepte i tehnike i primeniti ih u sistemu. Projekt je takođe pružio priliku da akumuliramo iskustvo u generisanju pulsne signale i kontrola power MOSFET. Ovo iskustvo u projektu značajno je obogatilo naše znanje i osvrštilo naše tehničke veštine.