Řízení vzrušení synchronního stroje pomocí sekeračky
Obsah
Princip fungování synchronního stroje s použitím chopperu
Další vývoj synchronního stroje s použitím chopperu
Závěr k synchronnímu stroji s použitím chopperu
Klíčové poznatky:
Definice řízení excitačního pole: Řízení excitačního pole je definováno jako správa stejnosměrného excitačního pole synchronního stroje pro řízení jeho výkonu.
Princip fungování: Princip fungování synchronního stroje s použitím chopperu zahrnuje zvýšení napětí a jeho řízení pomocí PWM signálů pro dosažení požadované excitace.
Výhody chopperu: Použití chopperu pro řízení excitace nabízí vysokou efektivitu, kompaktní rozměry, hladké řízení a rychlou odezvu.
Součásti chopperové obvodu: Klíčové součásti zahrnují MOSFET, signál šířkové modulace pulsu, diodu, kondenzátor, cívku a ochranné prvky jako MOV a pojistku.
Budoucí vylepšení: Budoucí vývoj může zahrnovat uzavřenou smyčku pro proměnné zátěže a přesné součástky pro zlepšení výkonu a snížení teplotních efektů.
Synchronní stroj je univerzální elektrický stroj používaný v různých oblastech, jako je výroba energie, udržování konstantní rychlosti a korekce faktoru využití. Faktor využití se řídí správou stejnosměrného excitačního pole. Tato práce se zaměřuje na to, jak efektivně lze ovládat excitační pole synchronního stroje.
Tradiční metody stejnosměrné excitace čelí problémům s chlazením a údržbou kvůli skluzovým kroužkům, kartáčům a komutátorům, zejména s rostoucím výkonem alternátoru. Moderní systémy excitace se snaží tyto problémy snížit minimalizací počtu klouzavých kontaktů a kartáčů.
Tento trend vedl k vývoji statické excitace s použitím chopperu. Moderní systémy používají polovodičové přepínací prvky, jako jsou diody, thyristory a tranzistory. V elektronice pro vysoký výkon se zpracovává velké množství elektrické energie, nejtypičtějšími zařízeními jsou AC/DC převodníky.
Typický výkon se pohybuje od desítek do několika set wattů. V průmyslu se běžně používají variabilní řídící jednotky pro kontrolu rychlosti indukčního motoru. Převodní systémy se třídí podle typů vstupní a výstupní energie.
AC na DC (rectifikátor)
DC na AC (invertor)
DC na DC (DC na DC převodník)
AC na AC (AC na AC převodník)
Týká se jak rotujících, tak statických zařízení pro generování, přenos a využití velkého množství elektrické energie. DC-DC převodník je elektronický obvod, který převádí zdroj stejnosměrného proudu z jednoho napěťového úrovně na druhou.
Výhody převodníků elektroniky pro vysoký výkon jsou následující -
Vysoká efektivita díky nízkým ztrátám v polovodičových přepínacích prvcích.
Vysoká spolehlivost převodníků elektroniky pro vysoký výkon.
Dlouhá životnost a malá údržba díky absenci pohyblivých částí.
Flexibilita v provozu.
Rychlá dynamická odezva ve srovnání s elektromechanickými převodníky.
Existují také některé významné nevýhody převodníků elektroniky pro vysoký výkon, jako jsou následující -
Obvody v elektronice pro vysoký výkon mají tendenci generovat harmonické v dodávacím systému i v obvodu zátěže.
Převodníky AC na DC a DC na AC pracují při nízkém vstupním faktoru využití v určitých provozních podmínkách.
Regenerace energie je obtížná v systémech s převodníky elektroniky pro vysoký výkon.
V tomto projektu je průměrné napětí na excitačním poli synchronního stroje řízeno pomocí boost chopperu. Boost chopper je DC na DC převodník, který poskytuje vyšší kontrolované výstupní napětí z pevného vstupního stejnosměrného napětí.
MOSFET je polovodičový elektronický přepínací prvek, který je plně kontrolovatelným přepínačem (přepínač, jehož zapnutí i vypnutí lze ovládat). MOSFET se používá jako přepínací prvek v tomto boost chopperovém obvodu. Brána MOSFETu je ovládána signálem šířkové modulace (PWM), který je generován pomocí mikrokontroleru. Dodávací napětí chopperu je získáno z mostového rectifikátoru převodem jednofázového AC/DC.
Tento schéma řízení excitačního pole je extrémně efektivní a kompaktní díky použití obvodů elektroniky pro vysoký výkon. V mnoha průmyslových aplikacích, jako je řízení reaktivního výkonu, zlepšení faktoru využití přenosové linky, je nutné změnit excitační pole.
Tento pohon bere energii z pevného zdroje DC a převede ji na proměnné DC napětí. Chopper systémy nabízejí hladké řízení, vysokou efektivitu, rychlejší odezvu a možnost regenerace. Základně chopper může být považován za DC ekvivalent AC transformátoru, protože se chovají identicky. Protože chopper zahrnuje jednoetapový převod, jsou tito převodníci efektivnější.
Princip fungování synchronního stroje s použitím chopperu
Abychom porozuměli detailům plánu projektu, vezměme v úvahu tento blokový diagram níže:
Z výše uvedeného diagramu můžeme říct, že pro 230V vstup celovlnného rectifikátoru je výstupní napětí 146 (přibližně) a napětí na excitačním poli stroje je 180V, takže musíme zvýšit napětí prostřednictvím step-up chopperu. Nyní je upravené DC napětí podáváno do excitačního pole synchronního stroje. Výstupní napětí chopperu lze měnit změnou poměru pulsní šířky, což lze provést pomocí generátoru pulsu s nastavitelnou šířkou pulsu, což lze provést pomocí mikrokontroleru.
V mikrokontroleru můžeme generovat pulsový signál porovnáním náhodného sekvence signálu s konstantní magnitudou, ale aby se zabránilo efektu zatěžování, je vhodné použít elektrickou izolaci, což můžeme provést pomocí optokupleru. Kondenzátor byl použit v chopperovém obvodu, aby se odstranily vlny z výstupního napětí. Bylo simulováno, že cívka, která byla použita v chopperovém obvodu, by měla být schopna zvládnout 2-3 A proudu během krátkého spojení. Kromě požadovaného výstupního napětí bychom měli navrhnout obvod tak, aby odolal jakýmkoli vadným stavům.
Pro ochranu před přetlakem budeme používat oxidové varistry (MOV), jejichž odpor závisí na napětí.
Pro ochranu před přetokem můžeme použít první aktivační proudovou omezovací pojistku.
Chceme-li zlepšit kvalitu vlny, můžeme použít filtr L nebo LC filtr na výstupu mostového rectifikátoru. Dioda, která byla použita, by měla mít krátkou dobou obnovy, zde můžeme použít rychlou obnovovací diodu.
Hodnoty součástek obvodu, které byly použity
Vstupní DC napětí = 100V
Pulsové napětí = 10V, Poměr pulsní šířky = 40%
Frekvence řezání = 10 KHz
R = 225 ohm (vypočteno z hodnot stroje)
L = 10mH
C = 1pF
Data získaná z výstupu
Výstupní napětí: 174 V (průměr)
Zátěžový proud: 0.775 A (průměr)
Zdrojový proud: 0.977 A
Další vývoj synchronního stroje s použitím chopperu
Stále zůstává mnoho prostoru pro budoucí vývoj, který by systém zlepšil a zvýšil jeho obchodní hodnotu.
Uzavřená smyčka řízení
V oblastech, kde uživatel pracuje s proměnnou zátěží, je potřeba schématu uzavřené smyčky řízení, aby se udrželo konstantní excitační pole. Referenční napětí a skutečné výstupní napětí se nejdříve porovnají a vygeneruje se signál chyby. Tento signál chyby rozhodne o poměru pulsní šířky chopperu.
Snížení tepelného efektu
Použití přesného kondenzátoru, přepínací diody může určitě zlepšit výkon, ale zvýší náklady projektu.
Závěr k synchronnímu stroji s použitím chopperu
V našem projektu jsme navrhli a implementovali levný a uživatelsky příjemný excitační řadič s použitím chopperu. Cíloví uživatelé systému jsou průmyslové odvětví, která vyžadují hladký, efektivní a malý řadič, který umožňuje široký rozsah variace napětí. Tento typ projektu je opravdu užitečný v průmyslových odvětvích rozvojových zemí, jako je Indie, kde energetická krize představuje velkou starost.
Projekt nám přinesl mnoho užitečných zkušeností. Získali jsme lekce o týmové práci, koordinaci a vedení během různých fází vývoje projektu. Byli jsme vyzváni složitostí technologií potřebných k vytvoření systému. To nám pomohlo aplikovat teoretické znalosti, které jsme získali v inženýrském kurzu.
Žádný z nás neměl zkušenosti s elektronickým řízením motoru před projektem. Museli jsme rychle naučit různé koncepty a techniky a aplikovat je v systému. Projekt nám také poskytl možnost získat zkušenosti v generování pulsových signálů a řízení power MOSFET. Tato zkušenost s projektem nám velmi bohatě doplnila naše znalosti a zlepšila naše technické dovednosti.
