Управление возбуждением синхронной машины с использованием ключа

Содержание

• Принцип работы синхронной машины с использованием ключа

• Дальнейшее развитие синхронной машины с использованием ключа

• Заключение о синхронной машине с использованием ключа

Основные выводы:

• Определение управления возбуждением: Управление возбуждением определяется как управление постоянным полем возбуждения в синхронной машине для контроля ее производительности.

• Принцип работы: Принцип работы синхронной машины с использованием ключа включает повышение напряжения и его управление через сигналы ШИМ для достижения желаемого возбуждения.

• Преимущества ключа: Использование ключа для управления возбуждением обеспечивает высокую эффективность, компактные размеры, плавное управление и быстрый отклик.

• Компоненты в цепи ключа: Основные компоненты включают MOSFET, сигнал широтно-импульсной модуляции, выпрямитель, конденсатор, дроссель и защитные устройства, такие как MOV и предохранитель.

• Будущие улучшения: Будущие разработки могут включать замкнутую систему управления для переменных нагрузок и прецизионные компоненты для улучшения производительности и снижения температурных эффектов.

Синхронная машина — это универсальная электрическая машина, используемая в различных областях, таких как выработка электроэнергии, поддержание постоянной скорости и коррекция коэффициента мощности. Управление коэффициентом мощности осуществляется путем управления постоянным полем возбуждения. В данной работе рассматривается, насколько эффективно можно управлять полем возбуждения синхронной машины.

Традиционные методы постоянного возбуждения сталкиваются с проблемами охлаждения и обслуживания из-за контактных колец, щеток и коммутаторов, особенно при увеличении номиналов генератора. Современные системы возбуждения стремятся уменьшить эти проблемы, минимизируя количество скользящих контактов и щеток.

Эта тенденция привела к развитию статического возбуждения с использованием ключа. Современные системы используют полупроводниковые переключающие устройства, такие как диоды, тиристоры и транзисторы. В силовой электронике обрабатывается значительное количество электрической энергии, и наиболее типичными устройствами являются преобразователи AC/DC.

Мощность обычно варьируется от десятков до нескольких сотен ватт. В промышленности распространенным применением является регулируемый частотный привод, используемый для управления скоростью асинхронного двигателя. Системы преобразования энергии классифицируются по типам входной и выходной мощности.

• AC в DC (выпрямитель)

• DC в AC (инвертор)

• DC в AC (преобразователь DC-DC)

• AC в AC (преобразователь AC-AC)

Это касается как вращающегося, так и статического оборудования для генерации, передачи и использования больших объемов электроэнергии. Преобразователь DC-DC — это электронная схема, которая преобразует источник постоянного тока с одного уровня напряжения на другой.

Преимущества силовых электронных преобразователей следующие:

• Высокая эффективность за счет низких потерь в полупроводниковых устройствах.

• Высокая надежность системы силового электронного преобразователя.

• Долгий срок службы и малое обслуживание благодаря отсутствию движущихся частей.

• Гибкость в эксплуатации.

• Быстрый динамический отклик по сравнению с электромеханической системой преобразования.

Также есть некоторые значительные недостатки силовых электронных преобразователей, такие как:

• Цепи в системах силовой электроники имеют тенденцию генерировать гармоники в системе питания, а также в цепи нагрузки.

• Преобразователи AC-DC и DC-AC работают с низким коэффициентом мощности на входе при определенных условиях эксплуатации.

• Восстановление энергии в системах силовых электронных преобразователей затруднено.

В этом проекте среднее напряжение на поле синхронной машины контролируется с помощью буст-ключа. Буст-ключ — это преобразователь DC-DC, который обеспечивает более высокое управляемое выходное напряжение от фиксированного входного постоянного напряжения.

MOSFET — это полупроводниковое устройство силовой электроники, которое является полностью управляемым ключом (ключ, включение и выключение которого можно контролировать). MOSFET используется в качестве переключающего устройства в этой цепи буст-ключа. Контактная группа MOSFET приводится в действие сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который генерируется с помощью микроконтроллера. Питание ключа получается от диодного моста выпрямителя путем преобразования однофазного AC/DC.

Эта схема управления возбуждением очень эффективна и компактна благодаря использованию силовой электроники. Во многих промышленных приложениях, таких как управление реактивной мощностью, улучшение коэффициента мощности линий передачи, требуется изменение поля возбуждения.

Этот привод берет энергию от постоянного источника DC и преобразует ее в переменное напряжение DC. Системы с ключами обеспечивают плавное управление, высокую эффективность, быстрый отклик и возможность регенерации. По сути, ключ можно рассматривать как аналог AC-трансформатора в области DC, поскольку они работают аналогично. Поскольку ключ включает одну стадию преобразования, он более эффективен.

Принцип работы синхронной машины с использованием ключа

Чтобы понять детали плана проекта, рассмотрим блок-схему ниже:

Из вышеуказанной схемы можно сказать, что при входном напряжении 230V для полуволнового выпрямителя выходное напряжение составляет примерно 146V. Напряжение поля машины составляет 180V, поэтому нам необходимо повысить напряжение с помощью буст-ключа. Теперь отрегулированное постоянное напряжение подается на поле синхронной машины. Выходное напряжение ключа можно изменять, меняя коэффициент заполнения, для чего нужно создать генератор импульсов с регулируемой шириной, что можно сделать с помощью микроконтроллера.

В микроконтроллере, сравнивая случайный последовательный сигнал с постоянной величиной, можно сгенерировать импульсный сигнал, но чтобы избежать эффекта нагрузки, рекомендуется использовать электрическую изоляцию, для этого мы используем оптопару. Конденсатор используется в цепи ключа для удаления ряби с выходного напряжения. Симуляция показала, что индуктивность, используемая в цепи ключа, должна быть способна обрабатывать 2-3 А тока во время короткого замыкания. Кроме желаемого выходного напряжения, следует также спроектировать цепь таким образом, чтобы она могла выдерживать любые аварийные условия.

• Для защиты от перенапряжения мы будем использовать металлооксидные варисторы (MOV), сопротивление которых зависит от напряжения.

• Для защиты от перегрузки по току можно использовать быстродействующий ограничительный предохранитель.

Чтобы улучшить качество формы сигнала, можно использовать фильтр, обычно L или LC-фильтр на выходе мостового выпрямителя. Диод, используемый здесь, должен иметь малое время обратного восстановления, здесь можно использовать диод с быстрым обратным восстановлением.

Значения компонентов цепи, которые были использованы

Входное постоянное напряжение = 100V
Импульсное напряжение = 10V, коэффициент заполнения = 40%
Частота ключевания = 10 КГц
R = 225 Ом (расчет исходя из характеристик машины)
L = 10 мГн
C = 1 пФ

Полученные данные с выхода
Выходное напряжение: 174 В (среднее)
Нагрузочный ток: 0,775 А (средний)
Ток источника: 0,977 А

Дальнейшее развитие синхронной машины с использованием ключа

Есть еще много возможностей для будущего развития, которые улучшат систему и увеличат ее деловую ценность.

Замкнутая система управления

В областях применения, где пользователь имеет дело с переменной нагрузкой, необходима замкнутая система управления для поддержания постоянного возбуждения. Сначала будут сравнены эталонное напряжение и фактическое выходное напряжение, и будет сгенерирован сигнал ошибки. Этот сигнал ошибки определит коэффициент заполнения ключа.

Снижение влияния температуры

Использование прецизионных конденсаторов и переключающих диодов определенно улучшит производительность, но это увеличит стоимость проекта.

Заключение о синхронной машине с использованием ключа

В нашем проекте мы спроектировали и реализовали экономичный и удобный для пользователя контроллер возбуждения с использованием ключа. Целевыми пользователями системы являются предприятия, требующие плавного, эффективного и компактного контроллера, который обеспечивает широкий диапазон изменения напряжения. Такой проект действительно полезен в промышленных областях развивающихся стран, таких как Индия, где энергетический кризис является большой проблемой.

Мы многому научились в ходе проекта. Мы получили уроки командной работы, координации, лидерства, проходя различные этапы разработки проекта. Мы столкнулись с сложностью технологий, необходимых для создания системы. Это помогло нам связать и применить теоретические знания, полученные в рамках инженерного курса.

Никто из нас не имел опыта в электронном управлении двигателем до начала проекта. Нам пришлось быстро освоить различные концепции и техники и применить их в системе. Проект также предоставил нам возможность накопить опыт в генерации импульсных сигналов и управлении силовыми MOSFET. Этот опыт значительно обогатил наши знания и улучшил наши технические навыки.