Contrôle d'excitation de la machine synchrone à l'aide d'un chopper
Sommaire
Principe de fonctionnement d'une machine synchrone utilisant un chopper
Développements futurs de la machine synchrone utilisant un chopper
Conclusion de la machine synchrone utilisant un chopper
Points clés :
Définition du contrôle d'excitation : Le contrôle d'excitation est défini comme la gestion de l'excitation en courant continu dans une machine synchrone pour contrôler ses performances.
Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement d'une machine synchrone utilisant un chopper implique l'augmentation de la tension et son contrôle par des signaux PWM pour atteindre l'excitation désirée.
Avantages du chopper : L'utilisation d'un chopper pour le contrôle d'excitation offre une grande efficacité, une taille compacte, un contrôle fluide et une réponse rapide.
Composants du circuit chopper : Les composants clés incluent un MOSFET, un signal de modulation de largeur d'impulsion, un redresseur, un condensateur, un inducteur et des dispositifs de protection tels que des varistances et des fusibles.
Améliorations futures : Les développements futurs peuvent inclure un contrôle en boucle fermée pour les charges variables et des composants de précision pour améliorer les performances et réduire les effets de température.
Une machine synchrone est une machine électrique polyvalente utilisée dans divers domaines, tels que la production d'énergie, le maintien d'une vitesse constante et la correction du facteur de puissance. Facteur de puissance est contrôlé en gérant l'excitation en courant continu. Cette thèse se concentre sur la manière dont nous pouvons efficacement contrôler l'excitation de champ d'une machine synchrone.
Les méthodes d'excitation en courant continu conventionnelles rencontrent des problèmes de refroidissement et de maintenance en raison des bagues, des balais et des commutateurs, surtout lorsque les alternateurs sont de plus en plus puissants. Les systèmes d'excitation modernes visent à réduire ces problèmes en minimisant le nombre de contacts glissants et de balais.
Cette tendance a conduit au développement de l'excitation statique à l'aide d'un chopper. Les systèmes modernes utilisent des dispositifs de commutation à semi-conducteurs tels que les diodes, thyristors et transistors. En électronique de puissance, une quantité importante d'énergie électrique est traitée, avec les convertisseurs AC/DC étant les dispositifs les plus typiques.
La plage de puissance s'étend généralement de quelques dizaines à plusieurs centaines de watts. Dans l'industrie, une application courante est la commande de vitesse variable utilisée pour contrôler la vitesse d'un moteur asynchrone. Les systèmes de conversion de puissance sont classés en fonction des types de puissance d'entrée et de sortie.
AC vers DC (redresseur)
DC vers AC (onduleur)
DC vers DC (convertisseur DC-DC)
AC vers AC (convertisseur AC-AC)
Il traite à la fois des équipements rotatifs et statiques pour la production, la transmission et l'utilisation de grandes quantités d'énergie électrique. Le convertisseur DC-DC est un circuit électronique qui convertit une source de courant continu d'un niveau de tension à un autre.
Les avantages des convertisseurs électroniques de puissance sont les suivants -
Haute efficacité en raison de faibles pertes dans les dispositifs semi-conducteurs de puissance.
Haute fiabilité des systèmes de convertisseurs électroniques de puissance.
Longue durée de vie et moins d'entretien en raison de l'absence de pièces mobiles.
Flexibilité d'exploitation.
Réponse dynamique rapide par rapport aux systèmes de conversion électromécaniques.
Il existe également certains inconvénients significatifs des convertisseurs électroniques de puissance, tels que les suivants -
Les circuits dans les systèmes électroniques de puissance ont tendance à générer des harmoniques dans le système d'alimentation ainsi que dans le circuit de charge.
Les convertisseurs AC-DC et DC-AC fonctionnent à un facteur de puissance faible sous certaines conditions de fonctionnement.
La régénération de puissance est difficile dans les systèmes de convertisseurs électroniques de puissance.
Dans ce projet, la tension moyenne sur le champ d'une machine synchrone est contrôlée à l'aide d'un chopper boost. Un chopper boost est un convertisseur DC-DC qui fournit une tension de sortie contrôlée plus élevée à partir d'une tension d'entrée DC fixe.
Le MOSFET est un dispositif semi-conducteur électronique de puissance qui est un interrupteur entièrement contrôlé (un interrupteur dont l'allumage et l'extinction peuvent être contrôlés). MOSFET est utilisé comme dispositif de commutation dans ce circuit de chopper boost. Le terminal de grille du MOSFET est piloté par un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM). Ce signal est généré à l'aide d'un microcontrôleur. La tension d'alimentation du chopper est prise d'un redresseur pont à partir de la conversion monophasée AC/DC.
Ce schéma de contrôle d'excitation de champ est extrêmement efficace et de petite taille, en raison de l'implication de circuits électroniques de puissance. Dans de nombreuses applications industrielles, telles que le contrôle de la puissance réactive, l'amélioration du facteur de puissance de la ligne de transmission, il est nécessaire de modifier l'excitation de champ.
Ce drive prend de l'énergie d'une source DC fixe et la convertit en une tension DC variable. Les systèmes chopper offrent un contrôle fluide, une grande efficacité, une réponse rapide et une facilité de régénération. Un chopper peut être considéré comme l'équivalent DC d'un transformateur AC car ils se comportent de manière identique. Comme le chopper implique une conversion en une seule étape, ils sont plus efficaces.
Principe de fonctionnement d'une machine synchrone utilisant un chopper
Pour comprendre les détails du plan de projet, considérons ce diagramme bloc ci-dessous :
D'après le diagramme ci-dessus, on peut dire que pour une entrée de 230V d'un redresseur à onde complète, la tension de sortie est de 146 (environ) alors que la tension de champ de la machine est de 180V, donc nous devons augmenter la tension à travers le chopper de montée. La tension DC ajustée est ensuite alimentée dans le champ de la machine synchrone. La tension de sortie du chopper peut être modifiée en changeant le rapport cyclique, pour ce faire, nous devons créer un générateur de pulsations de largeur ajustable, ce qui peut être fait avec l'aide d'un microcontrôleur.
Dans le microcontrôleur, en comparant un signal de séquence aléatoire avec une magnitude constante, on peut générer un signal de pulsation, mais pour éviter l'effet de charge, il est conseillé d'utiliser une isolation électrique, pour cela nous utilisons un optocoupleur. Un condensateur a été utilisé dans le circuit chopper afin d'éliminer les ondulations de la tension de sortie. Il a été simulé que l' inducteur utilisé dans le circuit chopper doit être capable de gérer 2-3 A de courant lors de la période de court-circuit. Outre la tension de sortie souhaitée, le circuit doit également être conçu pour résister à toute condition de défaut.
Pour la protection contre les surtensions, nous utiliserons des varistances à oxyde métallique (MOV) dont la résistance dépend de la tension.
Pour la protection contre les surintensités, nous pouvons utiliser un fusible limitateur de courant agissant en premier.
Pour améliorer la qualité de la forme d'onde, nous pouvons utiliser un circuit de filtrage, généralement un filtre L ou LC à la sortie du redresseur pont. La diode utilisée doit avoir un temps de récupération inverse court, ici nous pouvons utiliser une diode de récupération rapide.
Valeurs des composants du circuit utilisés
Tension DC d'entrée = 100V
Tension d'impulsion = 10V, Rapport cyclique = 40%
Fréquence de hachage = 10 KHz
R = 225 ohms (calculé à partir de la puissance de la machine)
L = 10mH
C = 1pF
Données obtenues à la sortie
Tension de sortie : 174 V (moyenne)
Courant de charge : 0,775 A (moyenne)
Courant de source : 0,977 A
Développements futurs de la machine synchrone utilisant un chopper
Il y a encore beaucoup de place pour les développements futurs qui amélioreront le système et augmenteront sa valeur commerciale.
Contrôle en boucle fermée
Dans les domaines d'application où l'utilisateur traite des charges variables, un schéma de contrôle en boucle fermée est nécessaire pour maintenir une excitation constante. La tension de référence et la tension de sortie réelle seront comparées en premier lieu et un signal d'erreur sera généré. Ce signal d'erreur déterminera le rapport cyclique du chopper.
Réduction de l'effet de température
L'utilisation de condensateurs de précision et de diodes de commutation peut certainement améliorer les performances, mais elles augmenteront le coût du projet.
Conclusion de la machine synchrone utilisant un chopper
Dans notre projet, nous avons conçu et mis en œuvre un contrôleur d'excitation à faible coût et convivial utilisant un chopper. Les utilisateurs cibles du système sont les industries nécessitant un contrôleur lisse, efficace et de petite taille offrant une large gamme de variations de tension. Ce type de projet est vraiment utile dans les domaines industriels des pays en développement comme l'Inde, où la crise énergétique est une préoccupation majeure.
Nous avons beaucoup appris à travers ce projet. Nous avons acquis l'expérience de travail d'équipe, de coordination et de leadership tout au long des différentes phases de développement du projet. Nous avons été confrontés à la complexité des technologies nécessaires pour construire le système. Cela nous a aidés à relier et appliquer les connaissances théoriques acquises lors de nos études d'ingénierie.
Aucun d'entre nous n'avait d'expérience en contrôle électronique de moteur avant le projet. Nous avons dû apprendre rapidement différents concepts et techniques et les appliquer dans le système. Le projet a également offert l'opportunité de cumuler de l'expérience dans la génération de signaux d'impulsion et dans le domaine de contrôle des MOSFET de puissance. Cette expérience de projet a grandement enrichi nos connaissances et affûté nos compétences techniques.
