کنترل تحریک ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

محتوا

• اصل کار ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

• توسعه بیشتر ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

• نتیجه‌گیری درباره ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

نکات مهم:

• تعریف کنترل تحریک: کنترل تحریک به معنای مدیریت تحریک میدان مستقیم در یک ماشین سنکرون برای کنترل عملکرد آن است.

• اصل کار: اصل کار ماشین سنکرون با استفاده از چاپر شامل افزایش ولتاژ و کنترل آن از طریق سیگنال‌های PWM برای دستیابی به تحریک مورد نظر است.

• مزایای چاپر: استفاده از چاپر برای کنترل تحریک عرضه می‌کند کارایی بالا، اندازه فشرده، کنترل صاف و پاسخ سریع.

• اجزاء در مدار چاپر: اجزای کلیدی شامل یک MOSFET، سیگنال پهنای ضربه، راست‌ساز، خازن، القایی و دستگاه‌های محافظ مثل MOV و فیوز هستند.

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

ماشین سنکرون یک دستگاه الکتریکی چندمنظوره 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 متمرکز است که چگونه می‌توانیم تحریک میدان یک ماشین سنکرون را به صورت موثر کنترل کنیم.

روش‌های سنتی تحریک DC با مشکلات خنک‌سازی و نگهداری مواجه می‌شوند به دلیل حلقه‌های لغزشی، فرش‌ها و جابجایی‌کننده‌ها، به خصوص با افزایش رتبه‌های مولد. سیستم‌های تحریک مدرن تلاش می‌کنند این مشکلات را با کاهش تعداد تماس‌های لغزشی و فرش‌ها کاهش دهند.

این روند منجر به توسعه تحریک ثابت با استفاده از چاپر شده است. سیستم‌های مدرن از دستگاه‌های تبدیل‌کننده نیمه‌رسانا مانند دیود, تایریستور و ترانزیستور استفاده می‌کنند. در الکترونیک قدرت، مقدار قابل توجهی از انرژی الکتریکی پردازش می‌شود، با تبدیل‌کننده‌های AC/DC به عنوان دستگاه‌های معمولی.

دامنه قدرت معمولاً از ده‌ها تا چند صد وات می‌باشد. در صنعت، یک کاربرد معمولی، موتور متغیر سرعت برای کنترل سرعت موتور القایی است. سیستم‌های تبدیل قدرت بر اساس نوع قدرت ورودی و خروجی طبقه‌بندی می‌شوند.

• AC به DC (راست‌ساز)

• DC به AC (معکوس‌ساز)

• DC به AC (تبدیل‌کننده DC به DC)

• AC به AC (تبدیل‌کننده AC به AC)

این موضوع همراه با تجهیزات چرخان و ثابت برای تولید، انتقال و استفاده از مقادیر وسیعی از انرژی الکتریکی می‌باشد. 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 کم‌بود در دستگاه‌های نیمه‌رسانا قدرت.

• قابلیت اطمینان بالا سیستم تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت.

• عمر طولانی و کم‌نگهداری به دلیل عدم وجود قطعات متحرک.

• انعطاف‌پذیری در عملکرد.

• پاسخ پویای سریع در مقایسه با سیستم تبدیل‌کننده الکترومکانیکی.

همچنین برخی از مزایای قابل توجه تبدیل‌کننده‌های الکترونیک قدرت مانند موارد زیر وجود دارد-

• مدارهای در سیستم الکترونیک قدرت تمایل دارند هارمونیک‌هایی را در سیستم تغذیه و همچنین مدار بار تولید کنند.

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

• تجدید انرژی در سیستم تبدیل‌کننده الکترونیک قدرت دشوار است.

در این پروژه، ولتاژ متوسط در میدان یک ماشین سنکرون با استفاده از یک چاپر بوست کنترل می‌شود. یک چاپر بوست یک تبدیل‌کننده DC به DC است که ولتاژ خروجی کنترل‌شده بالاتری از ولتاژ ورودی DC ثابت فراهم می‌کند.

MOSFET یک دستگاه نیمه‌رسانا الکترونیک قدرت است که یک سوئیچ کاملاً کنترل‌شده (سوئیچی که هم ورود و هم خروج آن می‌تواند کنترل شود) است. MOSFET به عنوان دستگاه سوئیچینگ در این مدار چاپر بوست استفاده می‌شود. ترمینال گیت MOSFET با یک سیگنال پهنای ضربه (PWM) تحریک می‌شود. که با استفاده از یک میکروکنترلر تولید می‌شود. ولتاژ تغذیه چاپر از یک راست‌ساز پل دیودی با تبدیل AC/DC تک‌فاز گرفته شده است.

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

این دستگاه انرژی را از منبع DC ثابت می‌گیرد و آن را به ولتاژ DC متغیر تبدیل می‌کند. سیستم‌های چاپر عرضه می‌کنند کنترل صاف، کارایی بالا، پاسخ سریع و امکان تجدید انرژی. به طور کلی یک چاپر می‌تواند به عنوان معادل DC یک ترانسفورماتور AC در نظر گرفته شود چون رفتار مشابهی دارند. از آنجا که چاپر شامل یک مرحله تبدیل است، این‌ها کارآمدتر هستند.

اصل کار ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

برای درک جزئیات برنامه پروژه، بیایید این نمودار بلوکی زیر را در نظر بگیریم:

از این نمودار می‌توانیم بگوییم که برای ولتاژ ورودی 230V یک راست‌ساز تمام موج، ولتاژ خروجی حدود 146V است. ولتاژ میدان ماشین 180V است بنابراین باید ولتاژ را با استفاده از چاپر افزایش دهیم. حالا ولتاژ DC تنظیم شده به میدان ماشین سنکرون تغذیه می‌شود. ولتاژ خروجی چاپر با تغییر دوره کاری می‌تواند متغیر شود. برای این کار باید یک مولد پالس با پهنای ضربه تنظیم‌پذیر داشته باشیم، و این می‌تواند با کمک یک میکروکنترلر انجام شود.

در میکروکنترلر با مقایسه یک سیگنال تصادفی با یک مقدار ثابت می‌توانیم یک سیگنال پالس تولید کنیم اما برای جلوگیری از تأثیر بار، توصیه می‌شود که یک جداکننده الکتریکی استفاده کنیم. برای این کار از یک اپتوکوپلر استفاده می‌کنیم. یک خازن در مدار چاپر استفاده شده است تا ریپل از ولتاژ خروجی حذف شود. شبیه‌سازی شده است که القایی که در مدار چاپر 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، عموماً L یا LC در خروجی راست‌ساز پل استفاده کنیم. دیود که استفاده شده است باید زمان بازیابی معکوس کمتری داشته باشد، در اینجا می‌توانیم از دیود بازیابی سریع استفاده کنیم.

مقادیر اجزای مدار که استفاده شده‌اند

ولتاژ DC ورودی = 100V
ولتاژ پالس = 10V، دوره کاری = 40%
فرکانس چاپر = 10 KHz
R = 225 اهم (همانطور که از رتبه ماشین محاسبه شده)
L = 10mH
C = 1pF

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

توسعه بیشتر ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

هنوز هم زیادی از فضای توسعه آینده وجود دارد که می‌تواند سیستم را بهبود بخشد و ارزش تجاری آن را افزایش دهد.

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 دوره کاری چاپر را تعیین می‌کند.

کاهش تأثیر دما

استفاده از خازن دقیق و دیود سوئیچینگ می‌تواند به طور قطع عملکرد را بهبود بخشد، اما آن‌ها هزینه پروژه را افزایش می‌دهند.

نتیجه‌گیری درباره ماشین سنکرون با استفاده از چاپر

<