Controllo dell'eccitazione della macchina sincrona utilizzando il chopper
Sommario
Principio di funzionamento della macchina sincrona utilizzando un chopper
Ulteriori sviluppi della macchina sincrona utilizzando un chopper
Conclusione sulla macchina sincrona utilizzando un chopper
Punti chiave:
Definizione del controllo dell'eccitazione: Il controllo dell'eccitazione è definito come la gestione dell'eccitazione in corrente continua in una macchina sincrona per controllarne le prestazioni.
Principio di funzionamento: Il principio di funzionamento di una macchina sincrona utilizzando un chopper prevede l'aumento della tensione e il suo controllo attraverso segnali PWM per ottenere l'eccitazione desiderata.
Vantaggi del chopper: L'uso di un chopper per il controllo dell'eccitazione offre alta efficienza, dimensioni compatte, controllo fluido e risposta rapida.
Componenti nel circuito del chopper: I componenti chiave includono un MOSFET, un segnale di modulazione di larghezza d'impulso, un raddrizzatore, un condensatore, un induttore e dispositivi di protezione come MOV e fusibile.
Miglioramenti futuri: Gli sviluppi futuri possono includere il controllo a ciclo chiuso per carichi variabili e componenti di precisione per migliorare le prestazioni e ridurre gli effetti termici.
Una macchina sincrona è una macchina elettrica versatile utilizzata in vari campi, come la generazione di energia, il mantenimento di una velocità costante e la correzione del fattore di potenza. Il controllo del fattore di potenza viene eseguito gestendo l'eccitazione in corrente continua. Questa tesi si concentra su come possiamo controllare efficacemente l'eccitazione del campo di una macchina sincrona.
I metodi convenzionali di eccitazione in corrente continua affrontano problemi di raffreddamento e manutenzione a causa degli anelli di scorrimento, delle spazzole e dei commutatori, specialmente quando le potenze nominali degli alternatori aumentano. I sistemi di eccitazione moderni mirano a ridurre questi problemi minimizzando il numero di contatti scivolanti e di spazzole.
Questa tendenza ha portato allo sviluppo dell'eccitazione statica utilizzando un chopper. I sistemi moderni utilizzano dispositivi di commutazione a semiconduttori come diodi, tiristori e transistor. Nell'elettronica di potenza, viene processata una quantità sostanziale di energia elettrica, con i convertitori AC/DC che sono i dispositivi più tipici.
La gamma di potenza tipicamente varia da decine a centinaia di watt. Nell'industria, un'applicazione comune è il drive a velocità variabile utilizzato per controllare la velocità di un motore asincrono. I sistemi di conversione di potenza sono classificati in base ai tipi di potenza in ingresso e in uscita.
AC a DC (raddrizzatore)
DC a AC (inverter)
DC a DC (convertitore DC a DC)
AC a AC (convertitore AC a AC)
Si occupa sia di attrezzature rotanti che statiche per la generazione, la trasmissione e l'utilizzo di grandi quantità di energia elettrica. Un convertitore DC-DC è un circuito elettronico che converte una sorgente di corrente continua da un livello di tensione a un altro.
Vantaggi dei convertitori elettronici di potenza sono i seguenti-
Alta efficienza grazie a bassi perdite nei dispositivi a semiconduttore di potenza.
Alta affidabilità del sistema di convertitore elettronico di potenza.
Lunga durata e minima manutenzione grazie all'assenza di parti mobili.
Flessibilità nell'operazione.
Risposta dinamica rapida rispetto al sistema di convertitore elettromeccanico.
Ci sono anche alcuni svantaggi significativi dei convertitori elettronici di potenza come i seguenti-
I circuiti nei sistemi elettronici di potenza hanno la tendenza a generare armoniche nel sistema di alimentazione e nel circuito di carico.
I convertitori AC a DC e DC a AC operano ad un basso fattore di potenza di ingresso in determinate condizioni operative.
La rigenerazione di potenza è difficile nei sistemi di convertitore elettronico di potenza.
In questo progetto, la tensione media sul campo di una macchina sincrona è controllata utilizzando un chopper boost. Un chopper boost è un convertitore DC a DC che fornisce una tensione di uscita controllata superiore da una tensione DC di ingresso fissa.
Il MOSFET è un dispositivo a semiconduttore elettronico di potenza che è un interruttore completamente controllato (un interruttore la cui accensione e spegnimento possono essere entrambi controllati). MOSFET è utilizzato come dispositivo di commutazione in questo circuito di chopper Boost. Il terminale di gate del MOSFET è pilotato da un segnale di modulazione di larghezza d'impulso (PWM). Che viene generato utilizzando un microcontrollore. La tensione di alimentazione del chopper è stata presa da un raddrizzatore a ponte di diodi mediante la conversione di AC monofase in DC.
Questo schema di controllo dell'eccitazione del campo è estremamente efficiente e compatto, grazie all'impiego di circuiti elettronici di potenza. In molte applicazioni industriali, come il controllo del potere reattivo, l'ottimizzazione del fattore di potenza della linea di trasmissione è necessario cambiare l'eccitazione del campo.
Questo drive prende energia da una sorgente DC fissa e la converte in una tensione DC variabile. I sistemi chopper offrono controllo fluido, alta efficienza, risposta rapida e capacità di rigenerazione. Fondamentalmente, un chopper può essere considerato come l'equivalente DC di un trasformatore AC poiché si comportano in modo identico. Poiché il chopper coinvolge una sola fase di conversione, questi sono più efficienti.
Principio di funzionamento della macchina sincrona utilizzando un chopper
Per comprendere i dettagli del piano del progetto, consideriamo il seguente diagramma a blocchi:
Dal diagramma sopra riportato possiamo dire che per un ingresso di 230V di un raddrizzatore a onda completa, la tensione di uscita è di 146 (circa) la tensione del campo della macchina è di 180V, quindi dobbiamo aumentare la tensione attraverso il chopper di aumento. Ora la tensione DC regolata viene alimentata al campo della macchina sincrona. La tensione di uscita del chopper può essere variata modificando il ciclo di lavoro, per farlo dobbiamo creare un generatore di impulsi con larghezza di impulso regolabile, e ciò può essere fatto con l'aiuto di un microcontrollore.
Nel microcontrollore, confrontando un segnale sequenziale casuale con una magnitudine costante, possiamo generare un segnale di impulso, ma per evitare l'effetto di carico è consigliabile un isolamento elettrico, per fare ciò stiamo utilizzando un optocoupler. È stato utilizzato un condensatore nel circuito del chopper per rimuovere il ripple dalla tensione di uscita. È stato simulato che l' induttore utilizzato nel circuito del chopper dovrebbe essere in grado di gestire 2-3 A di corrente durante il periodo di cortocircuito. Oltre alla tensione di uscita desiderata, dovremmo anche progettare il circuito in modo che possa resistere a qualsiasi condizione di guasto.
Per la protezione contro sovratensione, utilizzeremo varistores a ossido metallico (MOV) la cui resistenza dipende dalla tensione.
Per la protezione contro sovracorrente, possiamo utilizzare un fusibile limitatore di corrente di primo intervento.
Per migliorare la qualità dell'onda possiamo utilizzare un circuito filtro, fondamentalmente un filtro L o LC all'uscita del raddrizzatore a ponte. Il diodo utilizzato dovrebbe avere un tempo di recupero inverso minimo, qui possiamo utilizzare un diodo a recupero rapido.
Valori dei componenti del circuito utilizzati
Tensione DC di ingresso = 100V
Tensione d'impulso = 10V, Duty = 40%
Frequenza di commutazione = 10 KHz
R = 225 ohm (calcolato dalle specifiche della macchina)
L = 10mH
C = 1pF
Dati ottenuti dall'uscita
Tensione di uscita: 174 V (media)
Corrente di carico: 0.775 A (media)
Corrente di alimentazione: 0.977 A
Ulteriori sviluppi della macchina sincrona utilizzando un chopper
C'è ancora molto spazio per sviluppi futuri che potrebbero migliorare il sistema e aumentarne il valore commerciale.
Controllo a ciclo chiuso
Le aree di applicazione in cui l'utente si occupa di carichi variabili, richiedono uno schema di controllo a ciclo chiuso per mantenere costante l'eccitazione. La tensione di riferimento e la tensione di uscita effettiva saranno confrontate prima e sarà generato un segnale di errore. Questo segnale di errore deciderà il ciclo di lavoro del chopper.
Riduzione degli effetti termici
L'uso di un condensatore di precisione e di un diodo di commutazione può certamente migliorare le prestazioni, ma contribuirà al costo del progetto.
Conclusione sulla macchina sincrona utilizzando un chopper
Nel nostro progetto, abbiamo progettato e implementato un controller di eccitazione a basso costo e user-friendly utilizzando un chopper. Gli utenti target del sistema sono industrie che richiedono un controller fluido, efficiente e di piccole dimensioni che offre una vasta gamma di variazioni di tensione. Questo tipo di progetto è davvero utile nei campi industriali di paesi in via di sviluppo come l'India, dove la crisi energetica è una grande preoccupazione.
Abbiamo imparato molto attraverso il progetto. Abbiamo appreso la lezione del lavoro di squadra, della coordinazione e del leadership mentre passavamo attraverso varie fasi di sviluppo del progetto. Siamo stati sfidati dalla complessità delle tecnologie necessarie per costruire il sistema. Ciò ci ha aiutato a correlare e applicare la conoscenza teorica acquisita durante il corso di ingegneria.
Nessuno di noi aveva esperienza con il controllo elettronico del motore prima del progetto. Abbiamo dovuto imparare rapidamente diversi concetti e tecniche e applicarli nel sistema. Il progetto ha anche fornito l'opportunità di accumulare esperienza nella generazione di segnali di impulso e nell'area di controllo del MOSFET di potenza. Questa esperienza di progetto ha arricchito notevolmente la nostra conoscenza e affinato le nostre competenze tecniche.
