Sterowanie wzbudzeniem synchronicznego urządzenia za pomocą choppera

Spis treści

• Zasada działania synchronicznego urządzenia z użyciem choppera

• Dalszy rozwój synchronicznego urządzenia z użyciem choppera

• Podsumowanie synchronicznego urządzenia z użyciem choppera

Kluczowe nauki:

• Definicja sterowania wzbudzaniem: Sterowanie wzbudzaniem polega na zarządzaniu stałoprądowym wzbudzeniem w synchronicznym urządzeniu w celu kontrolowania jego wydajności.

• Zasada działania: Zasada działania synchronicznego urządzenia z użyciem choppera polega na podnoszeniu napięcia i sterowaniu nim za pomocą sygnałów PWM, aby osiągnąć pożądane wzbudzenie.

• Zalety choppera: Użycie choppera do sterowania wzbudzaniem oferuje wysoką wydajność, kompaktowy rozmiar, płynne sterowanie i szybką reakcję.

• Komponenty w obwodzie choppera: Kluczowe komponenty to MOSFET, sygnał modulacji szerokości impulsów, prostownik, kondensator, cewka i urządzenia ochronne, takie jak MOV i bezpiecznik.

• Przyszłe usprawnienia: Przyszłe rozwoje mogą obejmować zamkniętą pętlę sterowania dla zmiennych obciążeń i precyzyjne komponenty, aby poprawić wydajność i zmniejszyć wpływ temperatury.

Synchroniczne urządzenie to wszechstronne urządzenie elektryczne stosowane w różnych dziedzinach, takich jak generacja energii, utrzymanie stałej prędkości i korekcja współczynnika mocy. Kontrola współczynnika mocy jest realizowana poprzez zarządzanie wzbudzeniem stałooprądowym. Niniejsza praca koncentruje się na tym, jak skutecznie możemy kontrolować wzbudzenie pola synchronicznego urządzenia.

Konwencjonalne metody wzbudzania stałooprądowego mają problemy związane z chłodzeniem i utrzymaniem ze względu na pierścienie ślizgowe, szczotki i komutatory, zwłaszcza przy zwiększaniu ocen alternatora. Nowoczesne systemy wzbudzania mają na celu zmniejszenie tych problemów, minimalizując liczbę kontakty ślizgowe i szczotki.

Ten trend doprowadził do rozwoju statycznego wzbudzania z użyciem choppera. Nowoczesne systemy używają półprzewodników do przełączania, takich jak diody, tyrystory i tranzystory. W elektronice przemysłowej przetwarzana jest duża ilość energii elektrycznej, a najtypowymi urządzeniami są konwertery AC/DC.

Zakres mocy zwykle wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset watów. W przemyśle powszechnym zastosowaniem jest napęd o zmiennej prędkości, używany do sterowania prędkością silnika indukcyjnego. Systemy przekształcania energii są klasyfikowane według typów wejściowej i wyjściowej mocy.

• AC do DC (prostownik)

• DC do AC (inwerter)

• DC do AC (konwerter DC do DC)

• AC do AC (konwerter AC do AC)

Dotyczy to zarówno sprzętu obrotowego, jak i stacjonarnego do generowania, transmisji i wykorzystania ogromnych ilości energii elektrycznej. Konwerter DC-DC to obwód elektroniczny, który przekształca źródło prądu stałego z jednego poziomu napięcia na inny.

Zalety konwerterów elektronicznych są następujące-

• Wysoka wydajność dzięki niskim stratom w półprzewodnikowych urządzeniach mocy.

• Wysoka niezawodność systemu konwertera elektronicznego.

• Długie życie i mało kosztowne utrzymanie ze względu na brak ruchomych części.

• Elastyczność w działaniu.

• Szybka dynamiczna reakcja w porównaniu do systemu elektromechanicznego.

Istnieją również pewne istotne wady konwerterów elektronicznych, takie jak:

• Obwody w systemach elektronicznych mają tendencję do generowania harmonicznych w systemie zasilania oraz w obwodzie obciążenia.

• Konwertery AC do DC i DC do AC działają przy niskim współczynniku mocy wejściowym w określonych warunkach pracy.

• Regeneracja mocy w systemie konwertera elektronicznego jest trudna.

W tym projekcie średnie napięcie na polu synchronicznego urządzenia jest kontrolowane za pomocą boost choppera. Boost chopper to konwerter DC do DC, który dostarcza wyższe sterowane napięcie wyjściowe z ustalonego napięcia wejściowego DC.

MOSFET to półprzewodnikowe urządzenie elektroniczne, które jest całkowicie sterowanym przełącznikiem (przełącznikiem, którego włączenie i wyłączenie można kontrolować). MOSFET jest używany jako urządzenie przełączające w tym obwodzie boost choppera. Terminal bramki MOSFET jest napędzany przez sygnał modulacji szerokości impulsów (PWM), który jest generowany za pomocą mikrokontrolera. Napięcie zasilające choppera pochodzi z mostka prostownika diodowego przez konwersję jednofazowego AC/DC.

Ta metoda sterowania wzbudzeniem jest niezwykle efektywna i kompaktowa, dzięki zastosowaniu obwodów elektronicznych. W wielu zastosowaniach przemysłowych, takich jak sterowanie biorącą mocą reaktywną, poprawa współczynnika mocy linii przesyłowej, wymagane jest zmienianie wzbudzenia pola.

Ten napęd pobiera energię z stałego źródła DC i przekształca ją w zmienny napięcie DC. Systemy choppera oferują płynne sterowanie, wysoką wydajność, szybszą reakcję i możliwość regeneracji. Podstawowo chopper może być uważany za DC odpowiednik transformatora AC, ponieważ zachowują się one w identyczny sposób. Ponieważ chopper obejmuje jednoetapową konwersję, są bardziej wydajne.

Zasada działania synchronicznego urządzenia z użyciem choppera

Aby zrozumieć szczegóły planu projektu, rozważmy poniższy diagram blokowy:

Z powyższego diagramu możemy stwierdzić, że dla 230V wejścia pełnoprzódowego prostownika napięcie wyjściowe wynosi około 146V, a napięcie pola urządzenia wynosi 180V, więc musimy podnieść napięcie za pomocą choppera. Teraz dostosowane napięcie DC jest podawane do pola synchronicznego urządzenia. Napięcie wyjściowe choppera można zmienić, modyfikując współczynnik wypełnienia, co można zrobić za pomocą generatora impulsów o regulowanym szerokości, co można osiągnąć za pomocą mikrokontrolera.

W mikrokontrolerze, porównując sygnał losowy z stałą amplitudą, możemy wygenerować sygnał impulsowy, ale aby uniknąć efektu obciążenia, zaleca się izolację elektryczną, co możemy zrobić za pomocą optokoplera. W obwodzie choppera użyto kondensatora, aby usunąć szum z napięcia wyjściowego. Symulacje pokazały, że cewka użyta w obwodzie choppera powinna być w stanie obsłużyć 2-3 A prądu podczas krótkiego spięcia. Oprócz pożądanego napięcia wyjściowego, obwód powinien być zaprojektowany tak, aby mógł wytrzymać wszelkie awaryjne warunki.

• Do ochrony przed nadmiernym napięciem użyjemy metalo-tlenkowych varistorów (MOV), których opór zależy od napięcia.

• Do ochrony przed nadmiernym prądem możemy użyć pierwszego działającego ogranicznika prądu bezpiecznika.

Aby poprawić jakość fali, możemy użyć obwodu filtrującego, głównie L lub LC na wyjściu mostka prostownika. Dioda, która jest używana, powinna mieć krótki czas odzysku, tu możemy użyć diody szybkiego odzysku.

Wartości komponentów obwodowych, które zostały użyte

Napięcie DC wejściowe = 100V
Napięcie impulsowe = 10V, Współczynnik wypełnienia = 40%
Częstotliwość choppera = 10 KHz
R = 225 om (obliczone na podstawie oceny urządzenia)
L = 10mH
C = 1pF

Dane uzyskane z wyjścia
Napięcie wyjściowe: 174 V (Średnio)
Prąd obciążenia: 0,775 A (Średnio)
Prąd źródła: 0,977 A

Dalszy rozwój synchronicznego urządzenia z użyciem choppera

Jest jeszcze wiele miejsca na przyszły rozwój, który poprawi system i zwiększy jego wartość biznesową.

Sterowanie w pętli zamkniętej

Obszary zastosowań, gdzie użytkownik ma do czynienia z zmiennym obciążeniem, wymagają schematu sterowania w pętli zamkniętej, aby utrzymać stałe wzbudzenie. Najpierw zostaną porównane napięcie referencyjne i rzeczywiste napięcie wyjściowe, a następnie wygenerowany zostanie sygnał błędu. Ten sygnał błędu będzie decydował o współczynniku wypełnienia choppera.

Redukcja wpływu temperatury

Użycie precyzyjnych kondensatorów, diod przełączających z pewnością poprawi wydajność, ale zwiększy koszty projektu.

Podsumowanie synchronicznego urządzenia z użyciem choppera

W naszym projekcie zaprojektowaliśmy i zaimplementowaliśmy tanie i łatwe w obsłudze urządzenie sterujące wzbudzeniem z użyciem choppera. Docelowi użytkownicy systemu to przemysł, który wymaga gładkiego, efektywnego i małego sterownika, dającego szeroki zakres zmiany napięcia. Ten rodzaj projektu jest naprawdę przydatny w przemysłowych dziedzinach rozwijających się krajów, takich jak Indie, gdzie kryzys energetyczny jest poważnym problemem.

Nauczyliśmy się wiele dzięki temu projektowi. Nauczyliśmy się pracy zespołowej, koordynacji, przywództwa, przechodząc przez różne etapy rozwoju projektu. Byliśmy wyzwani przez złożoność technologii potrzebnych do budowy systemu. To pomogło nam skorelować i zastosować teoretyczną wiedzę, którą zdobyliśmy na kursie inżynierskim.

Żaden z nas nie miał doświadczenia w elektronicznym sterowaniu silnikami przed projektem. Musieliśmy szybko nauczyć się różnych koncepcji i technik, a następnie zastosować je w systemie. Projekt również dał nam szansę na zgromadzenie doświadczenia w generowaniu sygnałów impulsowych i w sterowaniu power MOSFET. Doświadczenie z tego projektu znacznie wzbogaciło naszą wiedzę i wyostrzyło umiejętności techniczne.