Điều khiển kích từ máy đồng bộ sử dụng chopper

Nội dung

• Nguyên lý hoạt động của máy đồng bộ sử dụng chopper

• Phát triển tiếp theo của máy đồng bộ sử dụng chopper

• Kết luận về máy đồng bộ sử dụng chopper

Những kiến thức chính:

• Định nghĩa Điều khiển Khích từ: Điều khiển khích từ được định nghĩa là quản lý dòng điện trường DC trong máy đồng bộ để kiểm soát hiệu suất của nó.

• Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của máy đồng bộ sử dụng chopper bao gồm tăng áp và điều khiển qua tín hiệu PWM để đạt được khích từ mong muốn.

• Ưu điểm của Chopper: Sử dụng chopper cho điều khiển khích từ mang lại hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn, điều khiển mượt mà và phản hồi nhanh.

• Thành phần trong mạch Chopper: Các thành phần chính bao gồm MOSFET, tín hiệu điều chế rộng xung, chỉnh lưu, tụ điện, cuộn cảm và các thiết bị bảo vệ như MOV và cầu chì.

• Các cải tiến trong tương lai: Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm điều khiển vòng kín cho tải biến đổi và các thành phần chính xác để cải thiện hiệu suất và giảm tác động của nhiệt độ.

Máy đồng bộ là một loại máy điện đa năng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như phát điện, duy trì tốc độ ổn định và điều chỉnh hệ số công suất. Hệ số công suất được điều khiển bằng cách quản lý dòng điện trường DC. Luận văn này tập trung vào việc chúng ta có thể kiểm soát hiệu quả dòng điện trường của máy đồng bộ như thế nào.

Các phương pháp khích từ DC truyền thống gặp phải vấn đề làm mát và bảo dưỡng do vòng trượt, bàn chải và bộ chuyển mạch, đặc biệt khi động cơ phát điện có công suất lớn hơn. Các hệ thống khích từ hiện đại nhằm giảm thiểu những vấn đề này bằng cách giảm số lượng tiếp xúc trượt và bàn chải.

Xu hướng này đã dẫn đến sự phát triển của khích từ tĩnh sử dụng chopper. Các hệ thống hiện đại sử dụng các thiết bị bán dẫn chuyển mạch như điôt, thyristor và transistor. Trong điện tử công suất, một lượng lớn năng lượng điện được xử lý, với các bộ chuyển đổi AC/DC là các thiết bị điển hình nhất.

Phạm vi công suất thường từ vài chục đến vài trăm watt. Trong ngành công nghiệp, một ứng dụng phổ biến là bộ điều khiển tốc độ biến thiên được sử dụng để kiểm soát tốc độ của động cơ cảm ứng. Các hệ thống chuyển đổi điện được phân loại dựa trên loại nguồn và tải.

• AC sang DC (chỉnh lưu)

• DC sang AC (bộ nghịch lưu)

• DC sang DC (bộ chuyển đổi DC-DC)

• AC sang AC (bộ chuyển đổi AC-AC)

Nó liên quan đến cả thiết bị quay và tĩnh để tạo ra, truyền tải và sử dụng lượng lớn điện năng. Bộ chuyển đổi DC-DC là mạch điện tử chuyển đổi nguồn điện trực tiếp từ mức điện áp này sang mức khác.
Ưu điểm của các bộ chuyển đổi điện tử công suất như sau-

• Hiệu suất cao do mất mát thấp trong các thiết bị bán dẫn công suất.

• Tính tin cậy cao của hệ thống chuyển đổi điện tử công suất.

• Tuổi thọ dài và ít bảo dưỡng do không có bộ phận di chuyển.

• Tính linh hoạt trong vận hành.

• Phản hồi động nhanh so với hệ thống chuyển đổi cơ khí điện.

Cũng có một số nhược điểm đáng kể của các bộ chuyển đổi điện tử công suất như sau-

• Các mạch trong hệ thống điện tử công suất có xu hướng tạo ra hài sóng trong hệ thống cung cấp cũng như mạch tải.

• Chuyển đổi AC sang DC và DC sang AC hoạt động ở hệ số công suất thấp dưới một số điều kiện vận hành.

• Sự tái sinh năng lượng khó khăn trong hệ thống chuyển đổi điện tử công suất.

Trong dự án này, điện áp trung bình trên trường của máy đồng bộ được điều khiển bằng cách sử dụng chopper tăng áp. Chopper tăng áp là một bộ chuyển đổi DC-DC cung cấp điện áp đầu ra được kiểm soát cao hơn từ điện áp DC đầu vào cố định.

MOSFET là một thiết bị bán dẫn điện tử công suất được kiểm soát hoàn toàn (một công tắc có thể kiểm soát cả bật và tắt). MOSFET được sử dụng làm thiết bị chuyển mạch trong mạch chopper tăng áp này. Cực cổng của MOSFET được điều khiển bởi tín hiệu điều chế rộng xung (PWM), được tạo ra bằng cách sử dụng bộ điều khiển vi xử lý. Điện áp cung cấp cho chopper được lấy từ cầu chỉnh lưu bằng cách chuyển đổi từ AC một pha sang DC.

Phương án điều khiển khích từ này cực kỳ hiệu quả và nhỏ gọn, nhờ sự tham gia của mạch điện tử công suất. Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, như điều khiển công suất phản kháng, cải thiện hệ số công suất của dây truyền tải, cần thay đổi khích từ.

Bộ điều khiển này lấy điện từ nguồn DC cố định và chuyển đổi nó thành điện áp DC biến thiên. Hệ thống chopper cung cấp điều khiển mượt mà, hiệu suất cao, phản hồi nhanh và khả năng tái sinh. Về cơ bản, chopper có thể được coi là tương đương DC của biến áp AC vì chúng hoạt động theo cách giống nhau. Do chopper chỉ liên quan đến một giai đoạn chuyển đổi, nên chúng hiệu quả hơn.

Nguyên lý hoạt động của máy đồng bộ sử dụng chopper

Để hiểu chi tiết về kế hoạch dự án, hãy xem sơ đồ khối dưới đây:

Từ sơ đồ trên, chúng ta có thể nói rằng với điện áp đầu vào 230V của chỉnh lưu toàn sóng, điện áp đầu ra là 146 (khoảng) điện áp trường của máy là 180V, vì vậy chúng ta phải tăng áp thông qua chopper tăng áp. Bây giờ, điện áp DC đã được điều chỉnh được cấp cho trường của máy đồng bộ. Điện áp đầu ra của chopper có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, để làm điều này, chúng ta phải tạo ra một bộ tạo xung có chiều rộng xung điều chỉnh, và điều này có thể được thực hiện với sự giúp đỡ của bộ điều khiển vi xử lý.

Trong bộ điều khiển vi xử lý, bằng cách so sánh tín hiệu ngẫu nhiên với mức độ lớn cố định, chúng ta có thể tạo ra tín hiệu xung, nhưng để tránh hiệu ứng tải, tốt nhất là nên cách ly điện, để làm điều này, chúng ta đang sử dụng opto coupler. Một tụ điện đã được sử dụng trong mạch chopper để loại bỏ gợn sóng từ điện áp đầu ra. Đã được mô phỏng rằng cuộn cảm được sử dụng trong mạch chopper nên có khả năng xử lý 2-3 A dòng điện trong thời gian ngắn mạch. Ngoài điện áp đầu ra mong muốn, chúng ta cũng nên thiết kế mạch sao cho nó có thể chịu đựng bất kỳ tình huống lỗi nào.

• Đối với bảo vệ quá áp, chúng ta sẽ sử dụng varistors oxide kim loại (MOV) có điện trở phụ thuộc vào điện áp.

• Đối với bảo vệ quá dòng, chúng ta có thể sử dụng cầu chì giới hạn dòng điện đầu tiên.

Để cải thiện chất lượng sóng, chúng ta có thể sử dụng mạch lọc, chủ yếu là L hoặc LC lọc ở đầu ra của cầu chỉnh lưu. Điôt được sử dụng nên có thời gian phục hồi ngược ít, ở đây chúng ta có thể sử dụng điôt phục hồi nhanh.

Giá trị của các thành phần mạch đã được sử dụng

Điện áp DC đầu vào = 100V
Điện áp xung = 10V, Chu kỳ nhiệm vụ = 40%
Tần số cắt = 10 KHz
R = 225 ohm (Theo tính toán từ công suất máy)
L = 10mH
C = 1pF

Dữ liệu thu được từ đầu ra
Điện áp đầu ra: 174 V (Trung bình)
Dòng tải: 0,775 A (Trung bình)
Dòng nguồn: 0,977 A

Phát triển tiếp theo của máy đồng bộ sử dụng chopper

Còn rất nhiều dư địa cho sự phát triển trong tương lai sẽ nâng cao hệ thống và tăng giá trị kinh doanh của nó.

Điều khiển vòng kín

Trong các khu vực ứng dụng mà người dùng phải đối mặt với tải biến đổi, cần một phương án điều khiển vòng kín để duy trì khích từ ổn định. Điện áp tham chiếu và điện áp đầu ra thực tế sẽ được so sánh trước và tạo ra tín hiệu lỗi. Tín hiệu lỗi này sẽ quyết định chu kỳ nhiệm vụ của chopper.

Giảm tác động của nhiệt độ

Sử dụng tụ điện chính xác, điôt chuyển mạch chắc chắn sẽ cải thiện hiệu suất, nhưng chúng sẽ góp phần vào chi phí của dự án.

Kết luận về máy đồng bộ sử dụng chopper

Trong dự án của chúng tôi, chúng tôi đã thiết kế và triển khai một bộ điều khiển khích từ có chi phí thấp và dễ sử dụng sử dụng chopper. Người dùng mục tiêu của hệ thống là các ngành công nghiệp yêu cầu bộ điều khiển mượt mà, hiệu quả và nhỏ gọn, cung cấp phạm vi biến đổi điện áp rộng. Dự án loại này thực sự hữu ích trong các lĩnh vực công nghiệp của các nước đang phát triển như Ấn Độ, nơi khủng hoảng năng lượng là một mối quan tâm lớn.

Chúng tôi đã học được nhiều điều thông qua dự án. Chúng tôi đã nhận được bài học về làm việc nhóm, phối hợp, lãnh đạo trong quá trình phát triển dự án. Chúng tôi đã phải đối mặt với sự phức tạp của các công nghệ cần thiết để xây dựng hệ thống. Điều này đã giúp chúng tôi liên kết và áp dụng kiến thức lý thuyết mà chúng tôi đã học trong khóa học kỹ thuật.

Không ai trong chúng tôi có kinh nghiệm về điều khiển điện tử của động cơ trước dự án. Chúng tôi cần phải học nhanh các khái niệm và kỹ thuật khác nhau và áp dụng chúng vào hệ thống. Dự án cũng cung cấp cơ hội cho chúng tôi tích lũy kinh nghiệm trong việc tạo tín hiệu xung và điều khiển MOSFET công suất. Kinh nghiệm dự án này đã làm giàu kiến thức và sắc bén kỹ năng kỹ thuật của chúng tôi.