Aansturing van synchrone machine met chopper

Inhoud

• Werkingsprincipe van synchrone machine met behulp van chopper

• Verdere ontwikkeling van synchrone machine met behulp van chopper

• Conclusie van synchrone machine met behulp van chopper

Belangrijkste inzichten:

• Definitie van opwekking controle: Opwekking controle wordt gedefinieerd als het beheren van de gelijkstroomveldopwekking in een synchrone machine om de prestaties ervan te regelen.

• Werkingsprincipe: Het werkingsprincipe van een synchrone machine met behulp van een chopper betreft het verhogen van de spanning en het controleren daarvan via PWM-signalen om de gewenste opwekking te bereiken.

• Voordelen van chopper: Het gebruik van een chopper voor opwekking controle biedt hoge efficiëntie, compacte afmetingen, soepele controle en snelle respons.

• Componenten in chopper circuit: Belangrijke componenten zijn een MOSFET, pulsbreedtemodulatiesignaal, rectifier, condensator, spoel, en beschermingsapparatuur zoals MOV en zekering.

• Toekomstige verbeteringen: Toekomstige ontwikkelingen kunnen gesloten-luscontrole voor variabele belastingen en precisiecomponenten om de prestaties te verbeteren en temperatuureffecten te verminderen omvatten.

Een synchrone machine is een veelzijdige elektrische machine die in verschillende gebieden wordt gebruikt, zoals energieopwekking, constante snelheid onderhouden, en cos φ-correctie. Cos φ controle wordt uitgevoerd door het DC veld opwekken te beheren. Dit proefschrift richt zich op hoe we de veldopwekking van een synchrone machine efficiënt kunnen controleren.

Traditionele DC-opwekkingsmethoden ondervinden koel- en onderhoudsproblemen door slipringen, borstels, en commutatoren, vooral wanneer de alternator waarden toenemen. Moderne opwekkingsystemen hebben tot doel deze problemen te verminderen door het aantal glijdende contacten en borstels te minimaliseren.

Deze trend heeft geleid tot de ontwikkeling van statische opwekking met behulp van chopper. Moderne systemen gebruiken halfgeleider schakelapparatuur zoals diode, thyristors en transistors. In krachtelektronica wordt een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie verwerkt, waarbij AC/DC-converters de meest typische apparaten zijn.

Het vermogensbereik varieert over het algemeen van tientallen tot enkele honderden watt. In de industrie is een veelvoorkomende toepassing de variabele snelheidsaandrijving die de snelheid van de asynchrone motor regelt. Energieconversiesystemen worden ingedeeld op basis van hun invoer- en uitvoervermogentypen.

• AC naar DC (rectifier)

• DC naar AC (inverter)

• DC naar DC (DC naar DC-converter)

• AC naar AC (AC naar AC-converter)

Het gaat hierbij zowel om roterende als statische apparatuur voor de generatie, transmissie, en het gebruik van grote hoeveelheden elektrische energie. Een DC-DC-converter is een elektronisch circuit dat een bron van gelijkstroom van één spanningsniveau naar een ander converteert.

Voordelen van krachtelektronische converters zijn als volgt-

• Hoge efficiëntie door lage verliezen in krachthalfgeleiderapparatuur.

• Hoge betrouwbaarheid van krachtelektronische converter systemen.

• Lange levensduur en minder onderhoud door het ontbreken van bewegende delen.

• Flexibiliteit in bedrijf.

• Snelle dynamische respons vergeleken met elektromechanische converter systemen.

Er zijn ook enkele significante nadelen van krachtelektronische converters, zoals de volgende-

• Schakelingen in krachtelektronische systemen hebben de neiging harmonischen te genereren in het voedingssysteem evenals in het belastingscircuit.

• AC naar DC en DC naar AC-converters werken met een lage ingangscos φ onder bepaalde werkomstandigheden.

• Regeneratie van energie is moeilijk in krachtelektronische converter systemen.

In dit project wordt de gemiddelde spanning over het veld van een synchrone machine gecontroleerd met behulp van een boost chopper. Een boost chopper is een DC naar DC-converter die een hogere gecontroleerde uitgangsspanning levert vanaf een vaste ingangs-DC-spanning.

MOSFET is een krachthalfgeleider schakelaar die volledig gecontroleerd kan worden (een schakelaar waarvan zowel het inschakelen als uitschakelen gecontroleerd kan worden). MOSFET wordt gebruikt als schakelaar in dit Boost chopper circuit. De gate-terminal van de MOSFET wordt bestuurd door een pulsbreedtemodulatiesignaal (PWM), dat wordt gegenereerd met behulp van een microcontroller. De voedingsspanning van de chopper wordt verkregen van een diodebrugrectifier door conversie van eenfasige AC/DC.

Dit schema voor veldopwekking controle is uiterst efficiënt en compact vanwege de inzet van krachtelektronische schakelingen. In veel industriële toepassingen, zoals reactieve vermogenscontrole, cos φ-verbeterting van overdrachtssnoer is het nodig om de veldopwekking te wijzigen.

Deze aandrijving haalt stroom uit een vaste DC-bron en converteert deze naar een variabele DC-spanning. Choppersystemen bieden soepele controle, hoge efficiëntie, snellere respons en regeneratiemogelijkheden. In principe kan een chopper worden beschouwd als de DC-equivalent van een AC-transformatie omdat ze op vergelijkbare wijze functioneren. Aangezien choppers slechts één fase conversie omvatten, zijn deze efficiënter.

Werkingsprincipe van synchrone machine met behulp van chopper

Om de details van het projectplan te begrijpen, laten we deze blokschema onderzoeken:

Uit het bovenstaande diagram kunnen we concluderen dat bij een ingangsspanning van 230V van een fullwave rectifier de uitgangsspanning 146 (ongeveer) is. De veldspanning van de machine is 180V, dus moeten we de spanning verhogen via de step-up chopper. De aangepaste DC-spanning wordt vervolgens gevoed aan het veld van de synchrone machine. De uitgangsspanning van de chopper kan worden aangepast door de duty cycle te veranderen. Hiervoor moeten we een puls-generator maken met een instelbare pulsbreedte, en dit kan worden gedaan met behulp van een microcontroller.

In de microcontroller kunnen we een puls-signal genereren door een willekeurig sequentiesignaal te vergelijken met een constante amplitude, maar om laadverstorende effecten te voorkomen, is elektrische isolatie raadzaam. Hiervoor gebruiken we een optokoppelaar. Een condensator is gebruikt in het choppercircuit om rimpelingen uit de uitgangsspanning te verwijderen. Het is gesimuleerd dat de spoel die in het choppercircuit wordt gebruikt, 2-3 A stroom moet kunnen hanteren tijdens kortsluiting. Naast de gewenste uitgangsspanning, moeten we het circuit ook zo ontwerpen dat het bestand is tegen eventuele storingen.

• Voor overspanningsbescherming zullen we metal oxide varistors (MOV) gebruiken, waarvan de weerstand afhankelijk is van de spanning.

• Voor overstromingsbescherming kunnen we eerst een stroombeperkende zekering gebruiken.

Om de kwaliteit van het signaal te verbeteren, kunnen we een filtercircuit gebruiken, bijvoorbeeld een L of LC-filter aan de uitgang van de brugrectifier. De diode die wordt gebruikt, moet een korte terugwinningstijd hebben, hier kunnen we een snelle hersteldiode gebruiken.

Waarden van de circuitscomponenten die zijn gebruikt

Invoer DC-spanning = 100V
Puls-spanning = 10V, Duty = 40%
Chopping frequentie = 10 KHz
R = 225 ohm (zoals berekend op basis van de machine specificaties)
L = 10mH
C = 1pF

Gegevens verkregen van de uitgang
Uitgangsspanning: 174 V (gemiddeld)
Belastingsstroom: 0,775 A (gemiddeld)
Bronstroom: 0,977 A

Verdere ontwikkeling van synchrone machine met behulp van chopper

Er is nog veel ruimte voor toekomstige ontwikkeling die het systeem zou kunnen verbeteren en de zakelijke waarde ervan zou kunnen verhogen.

Gesloten lus controle

Bij toepassingen waar de gebruiker te maken heeft met variabele belasting, is een gesloten lus controle schema nodig om constante opwekking te handhaven. De referentiespanning en de daadwerkelijke uitgangsspanning worden eerst vergeleken en een foutsignaal wordt gegenereerd. Dit foutsignaal zal de duty cycle van de chopper bepalen.

Vermindering van temperatuur effect

Het gebruik van precisie condensators, schakeldioden kan de prestaties zeker verbeteren, maar ze zullen bijdragen aan de kosten van het project.

Conclusie van synchrone machine met behulp van chopper

In ons project hebben we een kostenefficiënte en gebruikersvriendelijke opwekkingscontroller ontworpen en geïmplementeerd met behulp van een chopper. De doelgroep van het systeem zijn industrieën die behoefte hebben aan een soepele, efficiënte en kleine controller die een breed spanningsbereik biedt. Dit soort project is echt nuttig in de industriële sectoren van ontwikkelingslanden zoals India, waar energiecrises een groot probleem zijn.

We hebben veel geleerd door het project. We hebben les geleerd over teamwork, coördinatie, en leiderschap terwijl we door verschillende fasen van de ontwikkeling van het project gingen. We werden uitgedaagd door de complexiteit van de technologieën die nodig waren om het systeem te bouwen. Dit hielp ons om theoretische kennis die we in onze ingenieursopleiding hadden verkregen, te relateren en toe te passen.

Geen van ons had ervaring met elektronische controle van motoren voor het project. We moesten verschillende concepten en technieken snel leren en deze in het systeem toepassen. Het project bood ons ook de kans om ervaring op te doen met pulsgeneratie en kracht-MOSFET controle. Deze projectervaring heeft onze kennis aanzienlijk verrijkt en onze technische vaardigheden aangescherpt.