کنترل تحریک ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

محتوا

• اصول کاری ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

• توسعه بیشتر ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

• نتیجه‌گیری از ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

آموخته‌های کلیدی:

• تعریف کنترل تحریک: کنترل تحریک به مدیریت تحریک میدان مستقیم در یک ماشین همزمان برای کنترل عملکرد آن اشاره دارد.

• اصول کاری: اصول کاری یک ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده شامل بالا بردن ولتاژ و کنترل آن از طریق سیگنال‌های PWM برای دستیابی به تحریک مورد نظر است.

• مزایای چاپکننده: استفاده از چاپکننده برای کنترل تحریک عامل کارایی بالا، اندازه فشرده، کنترل صاف و پاسخ سریع را ارائه می‌دهد.

• مؤلفه‌ها در مدار چاپکننده: مؤلفه‌های کلیدی شامل یک MOSFET، سیگنال مدولاسیون عرض پالس (PWM)، مستطیل‌ساز، خازن، القایی و دستگاه‌های حفاظتی مانند MOV و فیوز است.

• توسعه‌های آینده: توسعه‌های آینده می‌تواند شامل کنترل حلقه بسته برای بارهای متغیر و مؤلفه‌های دقیق برای بهبود عملکرد و کاهش اثرات دما باشد.

یک ماشین همزمان یک دستگاه الکتریکی چند منظوره است که در زمینه‌های مختلفی مانند تولید برق، حفظ سرعت ثابت و اصلاح عامل قدرت استفاده می‌شود. عامل قدرت با مدیریت تحریک میدان مستقیم کنترل می‌شود. این پایان‌نامه بر روی این مسئله تمرکز دارد که چگونه می‌توانیم تحریک میدان یک ماشین همزمان را به طور موثر کنترل کنیم.

روش‌های تحریک DC سنتی با مشکلات خنک‌سازی و نگهداری مواجه می‌شوند به دلیل حلقه‌های لیز، پین‌ها و جابجایی‌ها، به ویژه با افزایش نرخ متولد. سیستم‌های تحریک مدرن با هدف کاهش این مشکلات تلاش می‌کنند تا تعداد تماس‌های لیز و پین‌ها را کاهش دهند.

این روند منجر به توسعه تحریک استاتیک با استفاده از چاپکننده. سیستم‌های مدرن از دستگاه‌های مبادله‌گر نیمه‌رسانا مانند دیود, تایریستور و ترانزیستور استفاده می‌کنند. در الکترونیک قدرت، مقدار زیادی از انرژی الکتریکی پردازش می‌شود، با تبدیل‌کننده‌های AC/DC به عنوان دستگاه‌های معمولی.

محدوده قدرت معمولاً از ده‌ها تا صدها وات می‌باشد. در صنعت، یک کاربرد رایج نیروی موتور متغیر سرعت است که برای کنترل سرعت موتور القایی استفاده می‌شود. سیستم‌های تبدیل قدرت بر اساس نوع قدرت ورودی و خروجی طبقه‌بندی می‌شوند.

• AC به DC (مستطیل‌ساز)

• DC به AC (معکوس‌ساز)

• DC به AC (تبدیل‌کننده DC به DC)

• AC به AC (تبدیل‌کننده AC به AC)

این موضوع هم شامل تجهیزات چرخشی و هم تجهیزات استاتیک برای تولید، انتقال و استفاده از مقادیر وسیعی از انرژی الکتریکی می‌شود. تبدیل‌کننده DC-DC یک مدار الکترونیکی است که منبع جریان مستقیم را از یک سطح ولتاژ به سطح دیگری تبدیل می‌کند.

مزایای تبدیل‌کننده‌های الکترونیک قدرت به شرح زیر است-

• کارایی بالا به دلیل کم بودن ضرر در دستگاه‌های نیمه‌رسانا.

• قابلیت اطمینان بالای سیستم تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت.

• عمر طولانی و کم نگهداری به دلیل عدم وجود قطعات متحرک.

• انعطاف‌پذیری در عملکرد.

• پاسخ دینامیکی سریع در مقایسه با سیستم تبدیل‌کننده الکترومکانیکی.

همچنین مزایای قابل توجهی نیز در تبدیل‌کننده‌های الکترونیک قدرت وجود دارد، مانند زیر-

• مدارهای موجود در سیستم الکترونیک قدرت گرایش به تولید هارمونیک در سیستم تأمین و همچنین مدار بار دارند.

• تبدیل‌کننده‌های AC به DC و DC به AC تحت شرایط عملیاتی خاص با عامل قدرت ورودی پایین عمل می‌کنند.

• بازسازی قدرت در سیستم‌های تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت دشوار است.

در این پروژه، ولتاژ متوسط در میدان یک ماشین همزمان با استفاده از یک چاپکننده افزایشی کنترل می‌شود. چاپکننده افزایشی یک تبدیل‌کننده DC به DC است که ولتاژ خروجی کنترل شده بالاتری را از یک ولتاژ DC ثابت ورودی ارائه می‌دهد.

MOSFET یک دستگاه نیمه‌رسانا الکترونیک قدرت است که یک سوئیچ کاملاً کنترل شده (سوئیچی که هر دو عمل گرفتن و قطع آن قابل کنترل است). MOSFET به عنوان دستگاه سوئیچینگ در این مدار چاپکننده افزایشی استفاده می‌شود. ترمینال گیت MOSFET توسط یک سیگنال مدولاسیون عرض پالس (PWM) محرک می‌شود. که با استفاده از یک میکروکنترلر تولید می‌شود. ولتاژ تأمین چاپکننده از یک مستطیل‌ساز دیودی با تبدیل فاز واحد AC/DC گرفته شده است.

این طرح کنترل تحریک بسیار کارآمد و اندازه فشرده است، به دلیل استفاده از مدار الکترونیک قدرت. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند کنترل قدرت واکنشی، بهبود عامل قدرت خط انتقال، نیاز به تغییر تحریک میدان وجود دارد.

این درایو از منبع DC ثابت تغذیه می‌شود و آن را به ولتاژ DC متغیر تبدیل می‌کند. سیستم‌های چاپکننده کنترل صاف، کارایی بالا، پاسخ سریع و امکان بازسازی قدرت را ارائه می‌دهند. به طور کلی یک چاپکننده می‌تواند به عنوان معادل DC یک ترانسفورماتور AC در نظر گرفته شود چون آن‌ها به صورت یکسان عمل می‌کنند. چون چاپکننده شامل یک مرحله تبدیل است، این‌ها کارآمدتر هستند.

اصول کاری ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

برای درک جزئیات برنامه پروژه، بلوک‌نمای زیر را در نظر بگیرید:

از بلوک‌نمای بالا می‌توان گفت که برای ولتاژ ورودی 230V یک مستطیل‌ساز تمام موج، ولتاژ خروجی حدود 146V است. ولتاژ میدان ماشین 180V است بنابراین باید ولتاژ را با استفاده از چاپکننده افزایشی بالا ببریم. حالا ولتاژ DC تنظیم شده به میدان ماشین همزمان تغذیه می‌شود. ولتاژ خروجی چاپکننده می‌تواند با تغییر دیوتی سیکل تغییر کند و برای این کار باید یک مولد پالس با عرض پالس قابل تنظیم بسازیم که این کار می‌تواند با کمک یک میکروکنترلر انجام شود.

در میکروکنترلر با مقایسه یک سیگنال تصادفی با یک مقدار ثابت می‌توان یک سیگنال پالسی تولید کرد اما برای جلوگیری از اثر بار باید یک جداکننده الکتریکی استفاده کرد. برای این منظور از یک اپتیکوکوپلر استفاده می‌کنیم. یک خازن در مدار چاپکننده استفاده شده است تا نوسانات از ولتاژ خروجی حذف شود. شبیه‌سازی شده است که القایی که در مدار چاپکننده استفاده شده است باید قادر به تحمل 2-3 A جریان در دوره کوتاه‌مدار باشد. علاوه بر ولتاژ خروجی مورد نظر، باید مدار را طراحی کنیم تا بتواند هر شرایط خرابی را تحمل کند.

• برای محافظت از ولتاژ بیش از حد، از یک واریستور اکسید فلزی (MOV) استفاده می‌کنیم که مقاومت آن به ولتاژ بستگی دارد.

• برای محافظت از جریان بیش از حد، می‌توانیم از یک فیوز محدودکننده جریان اولیه استفاده کنیم.

برای بهبود کیفیت موج می‌توانیم از مدار فیلتر استفاده کنیم، به طور کلی یک فیلتر L یا LC در خروجی مستطیل‌ساز استفاده می‌شود. دیود استفاده شده باید زمان بازیابی معکوس کمتری داشته باشد که می‌توانیم از دیود بازیابی سریع استفاده کنیم.

مقادیر مؤلفه‌های مداری که استفاده شده‌اند

ولتاژ DC ورودی = 100V
ولتاژ پالس = 10V، دیوتی = 40%
فرکانس چاپکننده = 10 KHz
R = 225 اهم (محاسبه شده از نرخ ماشین)
L = 10mH
C = 1pF

اطلاعات بدست آمده از خروجی
ولتاژ خروجی: 174 V (میانگین)
جریان بار: 0.775 A (میانگین)
جریان منبع: 0.977 A

توسعه بیشتر ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده

هنوز هم فضای زیادی برای توسعه آینده وجود دارد که سیستم را بهبود می‌بخشد و ارزش تجاری آن را افزایش می‌دهد.

کنترل حلقه بسته

در زمینه‌های کاربردی که کاربر با بار متغیر سروکار دارد، نیاز به یک طرح کنترل حلقه بسته برای حفظ تحریک ثابت است. ولتاژ مرجع و ولتاژ خروجی واقعی ابتدا مقایسه می‌شوند و سیگنال خطا تولید می‌شود. این سیگنال خطا دیوتی سیکل چاپکننده را تعیین می‌کند.

کاهش اثرات دما

استفاده از خازن دقیق، دیود مبدل می‌تواند بهبود عملکرد را ارائه دهد، اما آن‌ها هزینه پروژه را افزایش می‌دهند.

نتیجه‌گیری از ماشین همزمان با استفاده از چاپکننده