Control de excitación de máquina síncrona usando chopper

Contido

• Principio de funcionamento da máquina síncrona usando chopper

• Desenvolvemento adicional da máquina síncrona usando chopper

• Conclusión da máquina síncrona usando chopper

Aprendizaxes clave:

• Definición de control de excitación: O control de excitación define como a xestión da excitación de campo DC nunha máquina síncrona para controlar o seu rendemento.

• Principio de funcionamento: O principio de funcionamento dunha máquina síncrona que usa un chopper implica aumentar a tensión e controlala mediante sinais PWM para lograr a excitación desexada.

• Vantaxes do chopper: Usar un chopper para o control de excitación ofrece alta eficiencia, tamaño compacto, control suave e resposta rápida.

• Compoñentes no circuito chopper: Os compoñentes clave inclúen un MOSFET, sinal de modulación de anchura de pulso, rectificador, capacitor, inductor e dispositivos de protección como MOV e fusible.

• Meloras futuras: As desenvolvementos futuros poden incluír control en bucle pechado para cargas variables e compoñentes de precisión para mellorar o rendemento e reducir os efectos térmicos.

A máquina síncrona é unha máquina eléctrica versátil utilizada en varios campos, como a xeración de enerxía, manter a velocidade constante e a corrección do factor de potencia. Factor de potencia o control fai a través da xestión da excitación de campo DC. Esta tese centra-se en como podemos controlar eficientemente a excitación de campo dunha máquina síncrona.

Os métodos convencionais de excitación DC enfrentan problemas de refrigeración e mantemento debido aos aneis de deslizamento, escovas e conmutadores, especialmente á medida que as alternador augmentan as súas valoracións. Os sistemas modernos de excitación buscan reducir estes problemas minimizando o número de contactos deslizantes e escovas.

Esta tendencia levou ao desenvolvemento da excitación estática usando chopper. Os sistemas modernos usan dispositivos de conmutación semiconductores como diodo, tiristores e transistores. Na electrónica de potencia, procesase unha cantidade substancial de enerxía eléctrica, sendo os conversores AC/DC os dispositivos máis típicos.

O rango de potencia normalmente abarca desde decenas ata varios cientos de vatios. Na industria, unha aplicación común é a conducción de velocidade variable utilizada para controlar a velocidade do motor de indución. Os sistemas de conversión de potencia clasifícanse segundo os tipos de potencia de entrada e saída.

• AC a DC (rectificador)

• DC a AC (inversor)

• DC a AC (conversor DC a DC)

• AC a AC (conversor AC a AC)

Trátase tanto de equipo rotativo como estático para a xeración, transmisión e utilización de grandes cantidades de enerxía eléctrica. O conversor DC-DC é un circuito electrónico que converte unha fonte de corrente directa dun nivel de tensión a outro.

Vantaxes dos conversores electrónicos de potencia son as seguintes-

• Alta eficiencia debido á baixa perda nos dispositivos semiconductores de potencia.

• Alta fiabilidade do sistema de conversor electrónico de potencia.

• Larga vida e menos mantemento debido á ausencia de partes móbeis.

• Flexibilidade na operación.

• Rápida resposta dinámica comparada co sistema de conversor electromecánico.

Tamén hai algúns inconvenientes significativos dos conversores electrónicos de potencia como os seguintes-

• Os circuitos nos sistemas electrónicos de potencia teñen tendencia a xerar harmónicos no sistema de alimentación así como no circuito de carga.

• Os conversores AC a DC e DC a AC operan a baixo factor de potencia de entrada baixo certas condicións de funcionamento.

• A regeneración de potencia é difícil nos sistemas de conversor electrónico de potencia.

Neste proxecto, a tensión media a través do campo dunha máquina síncrona controlase usando un chopper boost. Un chopper boost é un conversor DC a DC que proporciona unha tensión de saída controlada superior a partir dunha tensión DC de entrada fixa.

O MOSFET é un dispositivo semicondutor electrónico de potencia que é un interruptor totalmente controlado (un interruptor cuxa activación e desactivación poden ser controladas). MOSFET utilízase como dispositivo de conmutación neste circuito de chopper Boost. O terminal de porta do MOSFET diríxese por un sinal de modulación de anchura de pulso (PWM). Que se xera usando un microcontrolador. A tensión de alimentación do chopper obtéñese dun rectificador de ponte de diodo pola conversión de AC/DC monofásico.

Este esquema de control de excitación de campo é extremadamente eficiente e de tamaño compacto, debido á implicación de circuitos electrónicos de potencia. En moitas aplicacións industriais, como o control de potencia reactiva, a mellora do factor de potencia da liña de transmisión é necesario cambiar a excitación de campo.

Este motor toma a potencia dunha fonte DC fixa e a converte en tensión DC variable. Os sistemas chopper ofrecen control suave, alta eficiencia, resposta rápida e capacidade de regeneración. Básicamente, un chopper pode considerarse como o equivalente DC dun transformador AC xa que se comportan de maneira idéntica. Como o chopper implica unha conversión en unha etapa, son máis eficientes.

Principio de funcionamento da máquina síncrona usando chopper

Para entender os detalles do plan do proxecto, consideremos este diagrama de bloques a continuación:

A partir do diagrama anterior, podemos dicir que para unha entrada de 230V dun rectificador de onda completa, a tensión de saída é de 146 (Aprox.) a tensión de campo da máquina é de 180V, polo que temos que aumentar a tensión a través do chopper de aumento. Agora, a tensión DC axustada alimenta o campo da máquina síncrona. A tensión de saída do chopper pode variar cambiando o ciclo de traballo para facelo, temos que crear un xerador de pulsos de anchura axustable, e iso pode facerse coa axuda dun microcontrolador.

No microcontrolador, comparando un sinal de secuencia aleatoria con unha magnitude constante, podemos xerar un sinal de pulso, pero para evitar o efecto de carga, é aconsellable unha isolación eléctrica para facer isto, estamos a usar un acoplador óptico. Un capacitor usouse no circuito chopper para eliminar o riplo da tensión de saída. Simulouse que o inductor que se usou no circuito chopper debe ser capaz de manexar 2-3 A de corrente durante o período de curto circuito. A parte da tensión de saída desexada, tamén debemos deseñar o circuito para que poida resistir calquera condición de fallo.

• Para a protección contra sobretensión, usaremos varistores de óxido metálico (MOV) cuxa resistencia depende da tensión.

• Para a protección contra sobrecorrente, podemos usar primeiro un fusible limitador de corrente Fusible.

Para mellorar a calidade da forma de onda, podemos usar un circuito filtro, basicamente L ou LC no final do rectificador de ponte. O diodo que se usou debe ter menos tempo de recuperación inversa, aquí podemos usar un diodo de recuperación rápida.

Valores dos compoñentes do circuito que se usaron

Tensión DC de entrada = 100V
Tensión de pulso = 10V, Ciclo de traballo = 40%
Frecuencia de corte = 10 KHz
R = 225 ohm (Calculado a partir da valoración da máquina)
L = 10mH
C = 1pF

Datos obtidos da saída
Tensión de saída: 174 V (Media)
Corrente de carga: 0.775 A (Media)
Corrente de fonte: 0.977 A

Desenvolvemento adicional da máquina síncrona usando chopper

Aínda hai moito espazo para o desenvolvemento futuro que melloraría o sistema e aumentaría o seu valor empresarial.

Control en bucle pechado

As áreas de aplicación onde o usuario trata con cargas variables, necesitan un esquema de control en bucle pechado para manter a excitación constante. A tensión de referencia e a tensión de saída real compararan primeiro e xerará un sinal de erro. Este sinal de erro decidirá o ciclo de traballo do chopper.

Redución no efecto da temperatura

O uso de capacitores de precisión, diodos de conmutación definitivamente pode mellorar o rendemento, pero axudarán ao custo do proxecto.

Conclusión da máquina síncrona usando chopper

No noso proxecto, deseñamos e implementamos un controlador de excitación de baixo custo e fácil de usar utilizando un chopper. Os usuarios obxectivo do sistema son industrias que requiren un controlador suave, eficiente e pequeno que proporcione un amplio rango de variación de tensión. Este tipo de proxecto é realmente útil nos campos industriais de países en desenvolvemento como a India, onde a crise energética é unha gran preocupación.

Aprendemos moito a través do proxecto. Obtemos a licción de traballo en equipo, coordinación, liderazgo mentres pasabamos por varias fases do desenvolvemento do proxecto. Fomos desafiados pola complexidade das tecnoloxías necesarias para construír o sistema. Isto nos axudou a correlacionar e aplicar o coñecemento teórico que obtivemos no curso de enxeñaría.

Ninguén de nós tiña experiencia previa co control electrónico de motores antes do proxecto. Precisabamos aprender diferentes conceptos e técnicas rapidamente e aplicalas no sistema. O proxecto tamén proporcionou unha oportunidade para acumular experiencia na xeración de sinais de pulso e no control de MOSFET de potencia. Esta experiencia de proxecto enriqueceu enormemente o noso coñecemento e afiadou as nosas habilidades técnicas.