Controle de Excitação de Máquina Síncrona Usando Chopper

Sumário

• Princípio de Funcionamento da Máquina Síncrona Usando Chopper

• Desenvolvimento Adicional da Máquina Síncrona Usando Chopper

• Conclusão da Máquina Síncrona Usando Chopper

Aprendizados-chave:

• Definição de Controle de Excitação: O controle de excitação é definido como a gestão da excitação do campo DC em uma máquina síncrona para controlar seu desempenho.

• Princípio de Funcionamento: O princípio de funcionamento de uma máquina síncrona usando um chopper envolve elevar a tensão e controlá-la através de sinais PWM para alcançar a excitação desejada.

• Vantagens do Chopper: Usar um chopper para o controle de excitação oferece alta eficiência, tamanho compacto, controle suave e resposta rápida.

• Componentes no Circuito do Chopper: Os componentes principais incluem um MOSFET, sinal de modulação de largura de pulso, retificador, capacitor, indutor e dispositivos de proteção como MOV e fusível.

• Melhorias Futuras: Desenvolvimentos futuros podem incluir controle em malha fechada para cargas variáveis e componentes de precisão para melhorar o desempenho e reduzir os efeitos de temperatura.

Uma máquina síncrona é uma máquina elétrica versátil usada em diversos campos, como geração de energia, manutenção de velocidade constante e correção do fator de potência. O controle do fator de potência é realizado gerenciando a excitação do campo DC. Esta tese se concentra em como podemos controlar eficientemente a excitação do campo de uma máquina síncrona.

Os métodos convencionais de excitação DC enfrentam problemas de resfriamento e manutenção devido a anéis deslizantes, escovas e comutadores, especialmente à medida que as classificações do alternador aumentam. Os sistemas de excitação modernos visam reduzir esses problemas minimizando o número de contatos deslizantes e escovas.

Essa tendência levou ao desenvolvimento de excitação estática usando chopper. Os sistemas modernos utilizam dispositivos de comutação de semicondutores como diodos, tiristores e transistores. Na eletrônica de potência, uma quantidade substancial de energia elétrica é processada, com conversores AC/DC sendo os dispositivos mais típicos.

A faixa de potência geralmente varia de dezenas a centenas de watts. Na indústria, uma aplicação comum é o acionamento de velocidade variável usado para controlar a velocidade do motor de indução. Os sistemas de conversão de energia são classificados pelos tipos de potência de entrada e saída.

• AC para DC (retificador)

• DC para AC (inversor)

• DC para DC (conversor DC para DC)

• AC para AC (conversor AC para AC)

Trata-se de equipamentos rotativos e estáticos para geração, transmissão e utilização de grandes quantidades de energia elétrica. O conversor DC-DC é um circuito eletrônico que converte uma fonte de corrente contínua de um nível de tensão para outro.

As vantagens dos conversores eletrônicos de potência são as seguintes-

• Alta eficiência devido a baixas perdas nos dispositivos semicondutores de potência.

• Alta confiabilidade do sistema de conversor eletrônico de potência.

• Longa vida útil e menor manutenção devido à ausência de partes móveis.

• Flexibilidade na operação.

• Resposta dinâmica rápida comparada aos sistemas de conversão eletromecânicos.

Também existem algumas desvantagens significativas dos conversores eletrônicos de potência, como as seguintes-

• Os circuitos nos sistemas eletrônicos de potência têm a tendência de gerar harmônicos no sistema de alimentação, bem como no circuito de carga.

• Os conversores AC para DC e DC para AC operam com baixo fator de potência de entrada em certas condições de operação.

• A regeneração de energia é difícil nos sistemas de conversor eletrônico de potência.

Neste projeto, a tensão média no campo de uma máquina síncrona é controlada usando um chopper boost. Um chopper boost é um conversor DC para DC que fornece uma tensão de saída controlada mais alta a partir de uma tensão DC de entrada fixa.

O MOSFET é um dispositivo semicondutor eletrônico de potência que é um interruptor totalmente controlado (um interruptor cuja ativação e desativação podem ser controladas). MOSFET é usado como o dispositivo de comutação neste circuito de chopper Boost. O terminal de gate do MOSFET é acionado por um sinal de modulação de largura de pulso (PWM). Que é gerado usando um microcontrolador. A tensão de alimentação do chopper foi obtida de um retificador de ponte de diodo pela conversão de CA monofásica para CC.

Este esquema de controle de excitação do campo é extremamente eficiente e de tamanho compacto, devido à inclusão de circuitos eletrônicos de potência. Em muitas aplicações industriais, como o controle de potência reativa, melhoria do fator de potência da linha de transmissão é necessário alterar a excitação do campo.

Este acionamento toma energia de uma fonte DC fixa e a converte em tensão DC variável. Os sistemas de chopper oferecem controle suave, alta eficiência, resposta mais rápida e capacidade de regeneração. Basicamente, um chopper pode ser considerado como o equivalente DC de um transformador AC, pois eles se comportam de maneira idêntica. Como o chopper envolve uma etapa de conversão, esses são mais eficientes.

Princípio de Funcionamento da Máquina Síncrona Usando Chopper

Para entender os detalhes do plano do projeto, vamos considerar o diagrama abaixo:

Com base no diagrama acima, podemos dizer que, para uma entrada de 230V de um retificador de onda completa, a tensão de saída é 146 (aproximadamente), a tensão do campo da máquina é 180V, então temos que elevar a tensão através do chopper step-up. Agora, a tensão DC ajustada é alimentada no campo da máquina síncrona. A tensão de saída do chopper pode ser variada alterando o ciclo de trabalho, para isso, temos que fazer um gerador de pulsos de largura ajustável, e isso pode ser feito com a ajuda de um microcontrolador.

No microcontrolador, comparando um sinal de sequência aleatória com uma magnitude constante, podemos gerar um sinal de pulso, mas para evitar o efeito de carga, é aconselhável uma isolação elétrica, para isso estamos usando um optoacoplador. Um capacitor foi usado no circuito do chopper para remover o ruído da tensão de saída. Foi simulado que o indutor usado no circuito do chopper deve ser capaz de lidar com 2-3 A de corrente durante o período de curto-circuito. Além da tensão de saída desejada, também devemos projetar o circuito para que possa suportar qualquer condição de falha.

• Para proteção contra sobretensão, usaremos varistores de óxido metálico (MOV) cuja resistência depende da tensão.

• Para proteção contra sobrecorrente, podemos usar primeiro um fusível limitador de corrente Fusível.

Para melhorar a qualidade da forma de onda, podemos usar um circuito filtro, basicamente L ou LC, na saída do retificador de ponte. O diodo que foi usado deve ter tempo de recuperação reversa menor, aqui podemos usar um diodo de recuperação rápida.

Valores dos componentes do circuito que foram usados

Tensão DC de Entrada = 100V
Tensão de Pulso = 10V, Ciclo de Trabalho = 40%
Frequência de Chopping = 10 KHz
R = 225 ohms (Calculado a partir da classificação da máquina)
L = 10mH
C = 1pF

Dados obtidos da saída
Tensão de Saída: 174 V (Média)
Corrente de Carga: 0,775 A (Média)
Corrente de Fonte: 0,977 A

Desenvolvimento Adicional da Máquina Síncrona Usando Chopper

Ainda há muito espaço para desenvolvimento futuro que aprimoraria o sistema e aumentaria seu valor comercial.

Controle em malha fechada

Áreas de aplicação onde o usuário lida com carga variável, necessitam de um esquema de controle em malha fechada para manter a excitação constante. A tensão de referência e a tensão de saída real serão comparadas primeiro e um sinal de erro será gerado. Este sinal de erro decidirá o ciclo de trabalho do chopper.

Redução do efeito da temperatura

O uso de capacitores de precisão e diodos de comutação pode definitivamente melhorar o desempenho, mas eles aumentarão o custo do projeto.

Conclusão da Máquina Síncrona Usando Chopper

Em nosso projeto, projetamos e implementamos um controlador de excitação de baixo custo e fácil de usar usando Chopper. Os usuários alvo do sistema são indústrias que requerem controle suave, eficiente e de pequeno porte, que ofereça uma ampla variação de tensão. Este tipo de projeto é realmente útil nos campos industriais de países em desenvolvimento como a Índia, onde a crise energética é uma grande preocupação.

Aprendemos muito com o projeto. Tivemos a lição de trabalho em equipe, coordenação e liderança ao passar por várias fases do desenvolvimento do projeto. Fomos desafiados pela complexidade das tecnologias necessárias para construir o sistema. Isso nos ajudou a correlacionar e aplicar o conhecimento teórico que obtivemos no curso de engenharia.

Nenhum de nós tinha experiência com o controle eletrônico de motores antes do projeto. Precisamos aprender conceitos e técnicas diferentes rapidamente e aplicá-los no sistema. O projeto também proporcionou uma oportunidade para acumularmos experiência na geração de sinais de pulso e na área de controle de MOSFET de potência. Essa experiência no projeto enriqueceu muito nosso conhecimento e aprimorou nossas habilidades técnicas.