チョッパを使用した同期機の励磁制御

目次

• チョッパを使用した同期機の動作原理

• チョッパを使用した同期機のさらなる発展

• チョッパを使用した同期機の結論

主な学び：

• 励磁制御の定義：励磁制御とは、同期機の性能を制御するためにそのDCフィールド励磁を管理することを指します。

• 動作原理：チョッパを使用した同期機の動作原理は、PWM信号によって電圧を昇圧し制御することで所望の励磁を達成するものです。

• チョッパの利点：チョッパを使用した励磁制御は、高効率、コンパクトなサイズ、滑らかな制御、高速応答を提供します。

• チョッパ回路の主要部品：主要な部品にはMOSFET、パルス幅変調信号、整流器、コンデンサ、インダクタ、およびMOVやヒューズなどの保護デバイスがあります。

• 将来的な改良：将来の開発では、可変負荷に対する閉ループ制御と、性能向上と温度影響の軽減に寄与する精密部品が含まれることが考えられます。

同期機は、発電、一定速度の維持、力率補正などさまざまな分野で使用される多目的な電気機械です。力率制御はDCフィールド励磁の管理によって行われます。本研究では、同期機のフィールド励磁をどのように効率的に制御できるかに焦点を当てています。

従来のDC励磁方法は、スリップリング、ブラシ、コムターターによる冷却とメンテナンスの問題があり、特に交流発電機の格付けが増えるにつれて顕著になります。現代の励磁システムは、これらの問題を最小限に抑えるために、スライディング接触とブラシの数を減らすことを目指しています。

この傾向は、チョッパを使用した静止型励磁の開発につながりました。現代のシステムでは、ダイオード、スイッチング素子としてトランジスターやスクリューブを使用しています。電力電子工学では、大量の電気エネルギーが処理され、AC/DCコンバータが最も一般的な装置です。

電力範囲は通常、数十ワットから数百ワットに及びます。産業界では、誘導電動機の速度制御に使用される可変速度ドライブが一般的なアプリケーションです。電力変換システムは、入力と出力の電力タイプによって分類されます。

• ACからDC（整流器）

• DCからAC（インバーター）

• DCからDC（DC-DCコンバータ）

• ACからAC（AC-ACコンバータ）

これは、電力の生成、送電、利用に関連する回転機器と静止機器の両方を扱います。DC-DCコンバータは、ある直流電圧レベルから別の直流電圧レベルに変換する電子回路です。

電力電子コンバータの利点は以下の通りです-

• 電力半導体デバイスの損失が少ないため、高い効率。

• 電力電子コンバータシステムの高い信頼性。

• 動く部品がないため、長寿命でメンテナンスが少ない。

• 操作の柔軟性。

• 電気機械的コンバータシステムと比較して、高速なダイナミック応答。

また、電力電子コンバータには以下の重要な欠点もあります-

• 電力電子システムの回路は、供給系や負荷回路に高調波を生じる傾向がある。

• 特定の動作条件下で、ACからDCおよびDCからACコンバータは低い力率で動作する。

• 電力電子コンバータシステムでの電力の再生は困難。

本プロジェクトでは、ブーストチョッパを使用して同期機のフィールドの平均電圧を制御します。ブーストチョッパは、固定入力DC電圧から高い制御された出力電圧を提供するDC-DCコンバータです。

MOSFETは、完全に制御可能なスイッチ（オンとオフの両方が制御可能）である電力電子半導体デバイスです。このブーストチョッパ回路では、MOSFETがスイッチングデバイスとして使用されます。MOSFETのゲート端子は、マイクロコントローラーを使用して生成されたパルス幅変調（PWM）信号によって駆動されます。チョッパの供給電圧は、単相AC/DC変換によりダイオードブリッジ整流器から取得されています。

この励磁制御方式は、電力電子回路の関与により非常に効率的で小型です。リアクティブ電力制御や送電線の力率改善などの多くの産業用途では、フィールド励磁の変更が必要です。

このドライブは、固定DC電源から電力を取り、それを可変DC電圧に変換します。チョッパシステムは、滑らかな制御、高効率、高速応答、および再生機能を提供します。基本的に、チョッパはACトランスフォーマーのDC版と考えることができます。チョッパは一段階変換を行うため、より効率的です。

チョッパを使用した同期機の動作原理

プロジェクト計画の詳細を理解するため、以下のブロック図を考慮しましょう：

上記の図から、全波整流器の230V入力に対して出力電圧は約146Vとなりますが、機械のフィールド電圧は180Vなので、ステップアップチョッパを通じて電圧を昇圧する必要があります。調整されたDC電圧は同期機のフィールドに供給されます。チョッパの出力電圧は、デューティサイクルを変更することで調整できます。これを行うためには、調整可能なパルス幅を持つパルスジェネレータを作成する必要があり、これはマイクロコントローラーを使用して行うことができます。

マイクロコントローラーでは、ランダムシーケンス信号と一定の大きさの信号を比較することでパルス信号を生成することができますが、負荷効果を避けるために電気的な絶縁を行うことが推奨されます。これを実現するために、光結合器を使用しています。チョッパ回路では、出力電圧のリップルを除去するためにコンデンサを使用しています。チョッパ回路で使用されるインダクタは、ショートサーキット期間中に2〜3Aの電流を処理できる能力を持つべきです。希望の出力電圧だけでなく、故障状態に対応できるように回路設計を行う必要があります。

• 過電圧保護のために、電圧に応じて抵抗値が変わる金属酸化物バリスタ（MOV）を使用します。

• 過電流保護のために、最初に作用する電流制限用のヒューズを使用します。

波形の品質を改善するためには、基本的にはLまたはLCフィルタをブリッジ整流器の出力に使用することができます。ここで使用されるダイオードは逆復帰時間が短いもの、例えば高速回復ダイオードを使用します。

使用された回路部品の値

入力DC電圧 = 100V
パルス電圧 = 10V、デューティ = 40%
チョッピング周波数 = 10 KHz
R = 225 Ω（機械の定格から計算）
L = 10mH
C = 1pF

出力から得られたデータ
出力電圧：174 V（平均）
負荷電流：0.775 A（平均）
電源電流：0.977 A

チョッパを使用した同期機のさらなる発展

システムを強化し、ビジネス価値を高めるためのさらなる発展の余地があります。

閉ループ制御

可変負荷を扱うアプリケーション領域では、一定の励磁を維持するために閉ループ制御スキームが必要です。基準電圧と実際の出力電圧を比較し、エラーシグナルを生成します。このエラーシグナルは、チョッパのデューティサイクルを決定します。

温度影響の軽減

精度の高いコンデンサやスイッチングダイオードを使用することで、性能は確実に向上しますが、それらはプロジェクトコストに影響を与えます。

チョッパを使用した同期機の結論

本プロジェクトでは、低コストでユーザーフレンドリーな励磁制御装置をチョッパを使用して設計・実装しました。システムの対象ユーザーは、滑らかで効率的で小型の制御装置を必要とする産業です。この種のプロジェクトは、インドのような発展途上国でエネルギー危機が大きな懸念事項となっている工業分野で非常に有用です。

プロジェクトを通じて、チームワーク、調整、リーダーシップについて多くを学びました。システムを構築するために必要な技術の複雑さに挑戦されましたが、これによりエンジニアリングコースで得た理論的な知識を関連付けて適用することができました。

プロジェクト開始前は、我々誰もモーターの電子制御の経験はありませんでした。異なる概念と技術を迅速に学習し、システムに適用する必要がありました。プロジェクトはまた、パルス信号生成とパワーMOSFET制御領域での経験を積む機会を提供しました。このプロジェクト経験は、我々の知識を大きく豊かにし、技術スキルを磨くのに大いに役立ちました。