Control d'excitació de la màquina síncrona utilitzant un chopper

Continguts

• Principi de funcionament de la màquina síncrona utilitzant un chopper

• Desenvolupament posterior de la màquina síncrona utilitzant un chopper

• Conclusió de la màquina síncrona utilitzant un chopper

Aprenentatges clau:

• Definició de control d'excitació: El control d'excitació es defineix com la gestió de l'excitació en corrent contínua en una màquina síncrona per controlar el seu rendiment.

• Principi de funcionament: El principi de funcionament d'una màquina síncrona utilitzant un chopper implica elevar la tensió i controlar-la mitjançant senyals PWM per aconseguir l'excitació desitjada.

• Avantatges del chopper: Utilitzar un chopper per al control d'excitació ofereix alta eficiència, mida compacta, control suau i resposta ràpida.

• Components en el circuit del chopper: Els components clau inclouen un MOSFET, senyal de modulació de l'amplada del pols, rectificador, capacitor, inductor i dispositius de protecció com MOV i fusible.

• Milloraments futurs: Els desenvolupaments futurs poden incloure control en bucle tancat per a càrregues variables i components de precisió per millorar el rendiment i reduir els efectes de temperatura.

Una màquina síncrona és una màquina elèctrica versàtil utilitzada en diversos camps, com la generació d'energia, mantenir una velocitat constant i la correcció del factor de potència. Factor de potència el control s'efectua gestionant l'excitació en corrent contínua. Aquesta tesi es centra en com podem controlar eficientment l'excitació del camp d'una màquina síncrona.

Els mètodes convencionals d'excitació en corrent contínua tenen problemes de refrigeració i manteniment degut a les anilles de lliscament, escovines i commutadors, especialment quan alternador les valoracions augmenten. Els sistemes d'excitació moderns busquen reduir aquests problemes minimitzant el nombre de contactes lliscants i escovines.

Aquesta tendència ha portat al desenvolupament de l'excitaciò estàtica utilitzant chopper. Els sistemes moderns utilitzen dispositius de commutació de semiconductors com diodos, tiristors i transistors. En l'electrònica de potència, es processa una quantitat substancial d'energia elèctrica, amb els convertidors AC/DC sent els dispositius més típics.

El rang de potència sol estar entre deuens a diverses centenes de watts. En la indústria, una aplicació comuna és la unitat de velocitat variable utilitzada per controlar la velocitat de motor d'inducció. Els sistemes de conversió de potència es classifiquen segons els tipus de potència d'entrada i sortida.

• AC a DC (rectificador)

• DC a AC (inversor)

• DC a AC (convertidor DC a DC)

• AC a AC (convertidor AC a AC)

Es tracta tant d'equips rotatoris com estàtics per a la generació, transmissió i utilització de grans quantitats de energia elèctrica. El convertidor DC-DC és un circuit electrònic que converteix una font de corrent contínua d'un nivell de tensió a un altre.

Les avantatges dels convertidors electrònics de potència són els següents-

• Alta eficiència degut a baixes pèrdues en dispositius de semiconductors de potència.

• Alta fiabilitat del sistema de convertidor electrònic de potència.

• Vida llarga i menys manteniment degut a la falta de parts mòbils.

• Flexibilitat en l'operació.

• Resposta dinàmica ràpida comparada amb el sistema de convertidor electromecànic.

També hi ha alguns inconvenients significatius dels convertidors electrònics de potència com els següents-

• Els circuits en el sistema electrònic de potència tenen tendència a generar harmòniques en el sistema d'abastament, així com en el circuit de càrrega.

• Els convertidors AC a DC i DC a AC operen amb un factor de potència baix en determinades condicions d'operació.

• La regeneració de la potència és difícil en el sistema de convertidor electrònic de potència.

En aquest projecte, la tensió mitjana a través del camp d'una màquina síncrona es controla utilitzant un chopper de refuerzo. Un chopper de refuerzo és un convertidor DC a DC que proporciona una tensió de sortida controlada més alta a partir d'una tensió DC d'entrada fixa.

El MOSFET és un dispositiu semiconductor electrònic de potència que és un interruptor totalment controlat (un interruptor el qual es pot controlar tant l'encendido com l'apagado). MOSFET s'utilitza com a dispositiu de commutació en aquest circuit de chopper de refuerzo. El terminal de porta del MOSFET es pilotja amb un senyal de modulació de l'amplada del pols (PWM), que es genera utilitzant un microcontrolador. La tensió d'alimentació del chopper s'obté d'un rectificador de pont de diodes a través de la conversió de CA de simple fase a CC.

Aquest esquema de control d'excitació del camp és extremadament eficient i de mida compacta, gràcies a la implicació de circuiteria electrònica de potència. En moltes aplicacions industrials, com el control de potència reactiva, la millora del factor de potència de la línia de transmissió és necessari canviar l'excitació del camp.

Aquest motor pren energia d'una font de CC fixa i la converteix en una tensió de CC variable. Els sistemes de chopper ofereixen control suau, alta eficiència, resposta ràpida i capacitat de regeneració. Bàsicament, un chopper pot considerar-se com l'equivalent en CC d'un transformador de CA, ja que es comporten de manera idèntica. Com que el chopper implica una conversió en una sola etapa, aquests són més eficients.

Principi de funcionament de la màquina síncrona utilitzant un chopper

Per entendre els detalls del pla del projecte, considerem aquest diagrama de bloc a continuació:

A partir del diagrama anterior, podem dir que per a una entrada de 230 V d'un rectificador de ona completa, la tensió de sortida és de 146 (aproximadament). La tensió del camp de la màquina és de 180 V, per tant, hem de pujar la tensió mitjançant el chopper de pujada. Ara, la tensió de CC ajustada s'alimenta al camp de la màquina síncrona. La tensió de sortida del chopper es pot variar canviant el cicle de treball, per fer-ho, hem de crear un generador de polsos d'amplada ajustable, i això es pot fer amb l'ajuda d'un microcontrolador.

En el microcontrolador, comparant un senyal de seqüència aleatòria amb una magnitud constant, podem generar un senyal de pols, però per evitar l'efecte de càrrega, és recomanable una isolació elèctrica, per fer-ho, utilitzem un optocuplador. S'ha utilitzat un capacitor en el circuit del chopper per eliminar les oscil·lacions de la tensió de sortida. S'ha simulat que l'inductor utilitzat en el circuit del chopper hauria de ser capaç de manegar 2-3 A de corrent durant el període de curtcircuït. A més de la tensió de sortida desitjada, també hem de dissenyar el circuit de manera que pugui resistir qualsevol condició de falla.

• Per a la protecció contra sobretensions, utilitzarem varistors d'òxid metàl·lic (MOV) la seva resistència dependrà de la tensió.

• Per a la protecció contra sobrecorrents, podem utilitzar un fusible limitador de corrent primer actuant.

Per millorar la qualitat de la forma d'ona, podem utilitzar un circuit de filtre bàsicament L o LC a la sortida del rectificador de pont. El diode que s'ha de tenir ha de tenir un temps de recuperació inversa menor, aquí podem utilitzar un diode de recuperació ràpida.

Valors dels components del circuit que s'han utilitzat

Tensió de CC d'entrada = 100V
Tensió de pols = 10V, Cicle de treball = 40%
Freqüència de retall = 10 KHz
R = 225 ohms (com s'ha calculat a partir de la valoració de la màquina)
L = 10mH
C = 1pF

Dades obtingudes de la sortida
Tensió de sortida: 174 V (mitjana)
Corrent de càrrega: 0,775 A (mitjana)
Corrent de la font: 0,977 A

Desenvolupament posterior de la màquina síncrona utilitzant un chopper

Encara hi ha molt espai per a futurs desenvolupaments que millorarien el sistema i augmentarien el seu valor empresarial.

Control en bucle tancat

En àrees d'aplicació on l'usuari tracta amb càrregues variables, cal un esquema de control en bucle tancat per mantenir una excitació constant. La tensió de referència i la tensió de sortida real es compararan primer i es generarà un senyal d'error. Aquest senyal d'error decidirà el cicle de treball del chopper.

Reducció de l'efecte de temperatura

L'ús de capacitores de precisió, diodes de commutació pot millorar el rendiment, però això incrementarà el cost del projecte.

Conclusió de la màquina síncrona utilitzant un chopper

En el nostre projecte, hem dissenyat i implementat un controlador d'excitació de baix cost i fàcil d'usar utilitzant un chopper. Els usuaris objectiu del sistema són industries que requereixen un controlador suau, eficient i petit que ofereixi una ampla gamma de variació de tensió. Aquest tipus de projecte és realment útil en els camps industrials de països en desenvolupament com l'Índia, on la crisi energètica és una gran preocupació.

Hem après molt a través del projecte. Hem aprendut la lecció de treball en equip, coordinació, lideratge mentre passàvem per diverses fases de desenvolupament del projecte. Ens hem vist desafiat per la complexitat de les tecnologies necessàries per construir el sistema. Això ens ha ajudat a relacionar i aplicar el coneixement teòric que hem obtingut en el curs d'enginyeria.

Cap de nosaltres tenia experiència en el control electrònic de motors abans del projecte. Havia de aprendre diferents conceptes i tècniques ràpidament i aplicar-los en el sistema. El projecte també va oferir una oportunitat per acumular experiència en la generació de senyals de pols i en el control de MOSFET de potència. Aquesta experiència del projecte ha enriquit enormement el nostre coneixement i ha aguditzat les nostres habilitats tècniques.