Ansteuerung der Synchronmaschine mit Chopper

Inhaltsverzeichnis

• Funktionsprinzip der Synchronmaschine mit Chopper

• Weiterentwicklung der Synchronmaschine mit Chopper

• Zusammenfassung der Synchronmaschine mit Chopper

Wesentliche Erkenntnisse:

• Definition der Erregungssteuerung: Die Erregungssteuerung wird definiert als die Verwaltung der Gleichspannungserreger in einer Synchronmaschine, um deren Leistung zu steuern.

• Funktionsprinzip: Das Funktionsprinzip einer Synchronmaschine mit Chopper beinhaltet das Steigern der Spannung und ihre Steuerung durch PWM-Signale, um die gewünschte Erregung zu erreichen.

• Vorteile des Choppers: Die Nutzung eines Choppers für die Erregungssteuerung bietet hohe Effizienz, kompakten Bau, sanfte Steuerung und schnelle Reaktionszeit.

• Komponenten im Chopper-Schaltkreis: Wichtige Komponenten sind ein MOSFET, ein Pulsweitenmodulationssignal, ein Gleichrichter, ein Kondensator, ein Spule und Schutzvorrichtungen wie MOV und Sicherung.

• Zukünftige Verbesserungen: Zukünftige Entwicklungen können geschlossene Regelkreise für variable Lasten und präzise Komponenten zur Leistungsverbesserung und Reduzierung von Temperaturauswirkungen beinhalten.

Eine Synchronmaschine ist eine vielseitige elektrische Maschine, die in verschiedenen Bereichen wie Stromerzeugung, Konstanthaltung der Drehzahl und Blindleistungskorrektur eingesetzt wird. Die Blindleistungskontrolle erfolgt durch die Verwaltung der Gleichspannungserreger. Diese Arbeit konzentriert sich darauf, wie effektiv wir die Felderregung einer Synchronmaschine steuern können.

Herkömmliche Gleichspannungserregungsverfahren stoßen auf Kühlungs- und Wartungsprobleme aufgrund von Gleitringen, Bürsten und Umrichtern, insbesondere wenn die Nennwerte des Generators zunehmen. Moderne Erregungssysteme zielen darauf ab, diese Probleme durch die Minimierung der Anzahl der Gleitkontakte und Bürsten zu reduzieren.

Diese Entwicklung hat zur Einführung statischer Erregung mit Chopper geführt. Moderne Systeme verwenden Halbleiter-Schaltvorrichtungen wie Dioden, Thyristoren und Transistoren. In der Leistungselektronik wird eine beträchtliche Menge an elektrischer Energie verarbeitet, wobei AC/DC-Wandler die gängigsten Geräte sind.

Die Leistungsbereiche reichen typischerweise von zehn bis mehrere hundert Watt. In der Industrie ist eine häufige Anwendung die variablen Drehzahlantrieb, der zum Steuern der Drehzahl von Asynchronmotoren verwendet wird. Leistungsumwandlungssysteme werden nach ihren Eingangs- und Ausgangsleistungstypen klassifiziert.

• AC zu DC (Gleichrichter)

• DC zu AC (Umrichter)

• DC zu DC (DC zu DC-Wandler)

• AC zu AC (AC zu AC-Wandler)

Es handelt sich sowohl um rotierende als auch um statische Ausrüstung zur Erzeugung, Übertragung und Nutzung großer Mengen elektrischer Energie. Ein DC-DC-Wandler ist ein elektronischer Schaltkreis, der eine Quelle von Gleichstrom von einem Spannungsniveau zu einem anderen konvertiert.

Vorteile von Leistungselektronik-Umrichtern sind wie folgt-

• Hohe Effizienz aufgrund geringer Verluste in den Leistungshalbleiterelementen.

• Hohe Zuverlässigkeit des Leistungselektronik-Umrichtersystems.

• Lange Lebensdauer und weniger Wartung aufgrund des Fehlens beweglicher Teile.

• Flexibilität im Betrieb.

• Schnelle dynamische Reaktion im Vergleich zu elektromechanischen Umrichtersystemen.

Es gibt auch einige signifikante Nachteile von Leistungselektronik-Umrichtern, wie folgt-

• Schaltkreise in Leistungselektroniksystemen neigen dazu, Oberschwingungen im Versorgungssystem sowie im Lastschaltkreis zu erzeugen.

• AC zu DC und DC zu AC-Umrichter arbeiten unter bestimmten Betriebsbedingungen mit niedrigem Eingangswirkfaktor.

• Die Rückgewinnung von Energie in Leistungselektronik-Umrichtersystemen ist schwierig.

In diesem Projekt wird die mittlere Spannung über dem Feld einer Synchronmaschine mithilfe eines Boost-Choppers gesteuert. Ein Boost-Chopper ist ein DC-DC-Wandler, der eine höhere gesteuerte Ausgangsspannung aus einer festen Eingangsgleichspannung bereitstellt.

MOSFET ist ein leistungselektronisches Halbleiterelement, das ein vollständig kontrollierter Schalter ist (ein Schalter, dessen Einschalten und Ausschalten beide kontrolliert werden kann). MOSFET wird als Schaltelement in diesem Boost-Chopper-Schaltkreis verwendet. Der Gate-Anschluss des MOSFET wird von einem Pulsweitenmodulationssignal (PWM) angetrieben, das mit Hilfe eines Mikrocontrollers erzeugt wird. Die Versorgungsspannung des Choppers wird von einem Diode-Brückengleichrichter durch die Umwandlung von Einphasen-AC/DC entnommen.

Dieses Schema der Felderregungssteuerung ist extrem effizient und kompakt, da es leistungselektronische Schaltkreise einbezieht. In vielen industriellen Anwendungen, wie der Blindleistungskontrolle, der Verbesserung des Wirkfaktors von Umspannleitungen, ist es erforderlich, die Felderregung zu ändern.

Diese Antrieb nimmt Energie von einer festen Gleichquellen und wandelt sie in eine variable Gleichspannung um. Chopper-Systeme bieten sanfte Steuerung, hohe Effizienz, schnellere Reaktionszeiten und Regenerationsmöglichkeiten. Im Grunde genommen kann ein Chopper als Gleichstromäquivalent eines Wechselstromtransformators betrachtet werden, da sie sich in gleicher Weise verhalten. Da Chopper nur eine Stufe der Umwandlung betreffen, sind sie effizienter.

Funktionsprinzip der Synchronmaschine mit Chopper

Um Details des Projektplanes zu verstehen, betrachten wir das folgende Blockdiagramm:

Aus dem obigen Diagramm lässt sich sagen, dass bei einer Eingangsspannung von 230 V eines Vollwellengleichrichters die Ausgangsspannung etwa 146 V beträgt. Die Feldspannung der Maschine beträgt 180 V, daher müssen wir die Spannung durch einen Spannungserhöhungs-Chopper steigern. Nun wird die angepasste Gleichspannung an das Feld der Synchronmaschine angelegt. Die Ausgangsspannung des Choppers kann durch Ändern des Tastverhältnisses variiert werden. Dazu müssen wir einen Pulsgenerator mit einstellbarer Pulsbreite erstellen, was mit Hilfe eines Mikrocontrollers möglich ist.

Im Mikrocontroller können wir durch Vergleich eines zufälligen Sequenzsignals mit einer konstanten Amplitude ein Pulssignal erzeugen, aber um Ladeeffekte zu vermeiden, ist es ratsam, eine elektrische Isolierung vorzunehmen. Hierfür verwenden wir einen Optokoppler. Ein Kondensator wurde im Chopper-Schaltkreis verwendet, um Rippeln aus der Ausgangsspannung zu entfernen. Es wurde simuliert, dass die Spule, die im Chopper-Schaltkreis verwendet wird, während der Kurzschlussperiode 2-3 A Strom verarbeiten kann. Neben der gewünschten Ausgangsspannung sollten wir den Schaltkreis so gestalten, dass er auch bei Fehlbedingungen standhält.

• Für den Überspannungsschutz verwenden wir Metalloxidvaristoren (MOV), deren Widerstand von der Spannung abhängt.

• Für den Überstromschutz können wir eine erste aktive Strombegrenzungssicherung verwenden.

Um die Qualität der Wellenform zu verbessern, können wir einen Filter-Schaltkreis, meistens L- oder LC-Filter, am Ausgang des Brückengleichrichters verwenden. Die verwendete Diode sollte eine kurze Rückwiederherstellungzeit haben, hier können wir eine Schnellwiederherstellungsdiode verwenden.

Werte der im Schaltkreis verwendeten Bauteile

Eingangsspannung = 100 V
Pulsspannung = 10 V, Tastverhältnis = 40%
Taktungsfrequenz = 10 kHz
R = 225 Ohm (berechnet aus den Maschinendaten)
L = 10 mH
C = 1 pF

Daten aus der Ausgabe
Ausgangsspannung: 174 V (Durchschnitt)
Belastungsstrom: 0,775 A (Durchschnitt)
Quellenstrom: 0,977 A

Weiterentwicklung der Synchronmaschine mit Chopper

Es gibt noch viel Raum für zukünftige Weiterentwicklungen, die das System verbessern und seinen Geschäftswert erhöhen könnten.

Geschlossene Regelkreissteuerung

Anwendungsbereiche, in denen der Benutzer mit variabler Last arbeitet, benötigen ein geschlossenes Regelkreisschema, um eine konstante Erregung aufrechtzuerhalten. Zunächst wird die Referenzspannung mit der tatsächlichen Ausgangsspannung verglichen und ein Fehlersignal generiert. Dieses Fehlersignal bestimmt das Tastverhältnis des Choppers.

Reduzierung der Temperaturauswirkungen

Die Verwendung von Präzisionskondensatoren und Schalt-Dioden kann die Leistung sicherlich verbessern, wird jedoch die Kosten des Projekts erhöhen.

Zusammenfassung der Synchronmaschine mit Chopper

In unserem Projekt haben wir einen kostengünstigen und benutzerfreundlichen Erregungsregler mit Chopper entwickelt und implementiert. Die Zielbenutzer des Systems sind Industrien, die eine glatte, effiziente und kleine Steuerung benötigen, die eine breite Spannungsvariation ermöglicht. Solche Projekte sind besonders nützlich in den Industriefeldern von Entwicklungsstaaten wie Indien, wo die Energiekrise ein großes Problem darstellt.

Wir haben durch das Projekt sehr viel gelernt. Wir haben die Lektionen des Teamworks, der Koordination und der Führung während der verschiedenen Phasen der Projektentwicklung erfahren. Wir wurden durch die Komplexität der Technologien, die für den Aufbau des Systems erforderlich waren, herausgefordert. Dies half uns, unser theoretisches Wissen, das wir im Ingenieurwesen erworben haben, zu korrelieren und anzuwenden.

Keiner von uns hatte vor dem Projekt Erfahrung mit der elektronischen Steuerung von Motoren. Wir mussten verschiedene Konzepte und Techniken schnell lernen und sie im System anwenden. Das Projekt bot uns auch die Möglichkeit, Erfahrungen in der Erzeugung von Impulssignalen und der Steuerung von Leistung-MOSFETs zu sammeln. Diese Projekterfahrung hat unser Wissen erheblich bereichert und unsere technischen Fähigkeiten geschärft.