Krmiljenje navadnega stroja z uporabo preklopnika

Vsebina

• Delovanje sinhronnega stroja z uporabo preklopnika

• Nadaljnji razvoj sinhronnega stroja z uporabo preklopnika

• Zaključek o sinhronnem stroju z uporabo preklopnika

Ključni učinki:

• Definicija nadzora nadzbudbe: Nadzor nadzbudbe je definiran kot upravljanje DC polja nadzbudbe v sinhronnem stroju za nadzor njegovega delovanja.

• Princip delovanja: Princip delovanja sinhronnega stroja z uporabo preklopnika vključuje povišanje napetosti in njeno nadzor s PWM signalom za dosego želenega nivoa nadzbudbe.

• Prednosti preklopnika: Uporaba preklopnika za nadzor nadzbudbe ponuja visoko učinkovitost, kompaktno obliko, gladko krmiljenje in hitro odzivanje.

• Komponente v preklopnikovem vezju: Ključne komponente vključujejo MOSFET, širinsko modulirani signal, pravokotnik, kondenzator, induktor in varnostne naprave, kot so MOV in vstavek.

• Buduči izboljšavi: Buduči razvoji lahko vključujejo zaprto zanko za nadzor spremenljivih obremenitev in točne komponente za izboljšanje delovanja in zmanjšanje temperaturnih učinkov.

Sinhronni stroj je večstranski električni stroj, ki se uporablja v različnih področjih, kot so proizvodnja energije, vzdrževanje konstantne hitrosti in popravilo faktorja moči. Faktor moči se nadzira s upravljanjem DC polja nadzbudbe. Ta delavnica se osredotoča na to, kako učinkovito lahko nadziramo polje nadzbudbe sinhronnega stroja.

Tradicionalne metode DC nadzbudbe soočajo z težavami hlaščenja in vzdrževanja zaradi drsnih kolcev, štoperic in komutatorjev, zlasti, ko se alternatorjevi razmerji povečujejo. Sodobni sistemi nadzbudbe poskušajo zmanjšati te težave z manjšanjem števila drsnih stikov in štoperic.

Ta trend je pripeljal do razvoja statične nadzbudbe z uporabo preklopnika. Sodobni sistemi uporabljajo polprevodniške preklopne naprave, kot so dioda, tiristorji in tranzistorji. V elektroniki moči se obdeluje veliko električne energije, pri čemer so najpogostejše naprave pretvorbniki AC/DC.

Obseg moči običajno sega od desetk do nekaj stotin vat. V industriji je pogosta uporaba promenljive hitrosti pogona za nadzor hitrosti indukcijskega motorja. Sistemi pretvorbe moči so razvrščeni glede na vrste vhodne in izhodne moči.

• AC v DC (pravokotnik)

• DC v AC (inverter)

• DC v AC (DC v DC pretvarnik)

• AC v AC (AC v AC pretvarnik)

Skupaj obravnavata vrtilne in statične naprave za proizvodnjo, prenos in uporabo velike količine električne moči. DC-DC pretvarnik je električni vezji, ki pretvori vir enosmernega toka iz enega napetostnega nivoja v drugega.

Prednosti pretvornikov elektronike moči so naslednje-

• Visoka učinkovitost zaradi majhnih izgub v polprevodniških napravah.

• Visoka zanesljivost sistemov pretvorbe elektronike moči.

• Dolge življenjske dobe in manj vzdrževanja zaradi odsotnosti gibanj.

• Pogojnost operacije.

• Hitro dinamično odzivanje v primerjavi z elektromehanskimi pretvorniki.

Obstajajo tudi nekatere značilne slabosti pretvornikov elektronike moči, kot so naslednje-

• Vezji v sistemih elektronike moči imajo tendenco generirati harmonike v sistemih oskrbe in vezju obremenitve.

• AC v  DC in DC v AC pretvorniki delujejo pri nizkem vhodnem faktoru moči pod določenimi delovnimi pogoji.

• Regeneracija moči je težka v sistemih pretvorbe elektronike moči.

V tem projektu je povprečna napetost na polju sinhronnega stroja nadzirana z uporabo preklopnika z povišanjem. Preklopnik z povišanjem je DC v DC pretvarnik, ki zagotavlja višjo kontrolirano izhodno napetost iz fiksne vhodne DC napetosti.

MOSFET je polprevodniška naprava elektronike moči, ki je popolnoma kontrolirovan preklop (preklop, katerega vklop in izklop sta lahko kontrolirovana). MOSFET se uporablja kot preklopna naprava v vezju z povišanjem. Vratna terminala MOSFET-a so poganjana s širinsko moduliranim (PWM) signalom, ki ga generira mikrokrmilnik. Napetost oskrbe preklopnika je prevzeta iz diodnega mosta pravokotnika z pretvorbo enofaznega AC/DC.

Ta shema nadzora nadzbudbe je izjemno učinkovita in kompaktna zaradi vključitve vezja elektronike moči. V mnogih industrijskih aplikacijah, kot je nadzor reaktivne moči, izboljšanje faktorja moči prenosnega voda je potrebno spremeniti polje nadzbudbe.

Ta pogon prevzame moč iz fiksiranega DC vira in jo pretvori v spremenljivo DC napetost. Sistemi preklopnikov ponujajo gladko krmiljenje, visoko učinkovitost, hitrejše odzivanje in možnost regeneracije. Preklopnik se lahko smatra DC ekvivalentom AC transformatorja, saj se obnašata enako. Ker preklopnik vključuje eno stopnjo pretvorbe, je bolj učinkovit.

Princip delovanja sinhronnega stroja z uporabo preklopnika

Za razumevanje podrobnosti načrta projekta upoštevajmo spodnji blokovni diagram:

Iz zgornjega diagrama lahko sklepamo, da za 230V vhod celovitega pravokotnika je izhodna napetost 146 (približno), napetost polja stroja pa je 180V, zato moramo napetost povišati z uporabo preklopnika z povišanjem. Nastavljena DC napetost je zdaj krmljena v polje sinhronnega stroja. Izhodna napetost preklopnika se lahko spreminja z menjavo dolžine impulza, kar lahko storimo z uporabo generatorja impulzov z nastavljivo širino impulza, kar lahko storimo z pomočjo mikrokrmilnika.

V mikrokrmilniku lahko generiramo impulzni signal z primerjanjem naključnega zaporednega signala z konstantno amplitudo, vendar je za izogibanje učinku bremena predlagano električno ločevanje, zato uporabljamo optokopler. V vezju preklopnika je bil uporabljen kondenzator za odstranitev valovanja iz izhodne napetosti. Simulacije kažejo, da bi induktor v vezju preklopnika moral biti sposoben obvladovati 2-3 A toka med kratkim zaprtjem. Poleg želenega izhodnega napetostnega nivoa bi morali tudi dizajnirati vezje tako, da bi lahko izdržalo kakršnekoli stanje okvare.

• Za zaščito pred previsokim napetostnim nivojem bomo uporabili varistorje metalnega oksida (MOV), katerih upornost odvisna je od napetosti.

• Za zaščito pred previsokim tokom lahko uporabimo začasno omejevalni vstavek.

Za izboljšanje kakovosti valovnice lahko uporabimo filtro vezji, osnovno L ali LC filter na izhodu mosta pravokotnika. Dioda, ki je bila uporabljena, bi morala imeti majhen čas obnovitve v obratni smeri, zato lahko uporabimo hitro obnovljivo diodo.

Vrednosti komponent vezja, ki so bile uporabljene

Vhodna DC napetost = 100V
Impulzna napetost = 10V, Dolžina impulza = 40%
Frekvenca preklopa = 10 KHz
R = 225 ohm (kot izračunano iz ocen stroja)
L = 10mH
C = 1pF

Podatki, pridobljeni iz izhoda
Izhodna napetost: 174 V (povprečje)
Tok obremenitve: 0,775 A (povprečje)
Izhodni tok: 0,977 A

Nadaljnji razvoj sinhronnega stroja z uporabo preklopnika

Še vedno obstaja veliko prostora za nadaljnji razvoj, ki bi izboljšal sistem in povečal njegovo poslovno vrednost.

Zaprta zanka nadzora

Uporabniški področji, kjer uporabnik dela z spremenljivim bremenom, potrebujejo shemo zaprte zanke nadzora, da ohranjajo konstantno nadzbudbo. Najprej se bo primerjala referenčna napetost in dejanska izhodna napetost, in generiral signal napake. Ta signal napake bo odločal o dolžini impulza preklopnika.

Zmanjšanje temperaturnih učinkov

Uporaba točnega kondenzatorja, preklopne diode lahko definitivno izboljša delovanje, vendar bo prispevala k stroškom projekta.

Zaključek o sinhronnem stroju z uporabo preklopnika

V našem projektu smo zasnovali in implementirali ceno-varen in uporabniku prijazen nadzornik nadzbudbe z uporabo preklopnika. Ciljni uporabniki sistema so industrije, ki zahtevajo gladko, učinkovito in majhen nadzornik, ki omogoča širok spekter variacije napetosti. Takšen projekt je res koristen v industrijskih področjih razvijajočih držav, kot je Indija, kjer je energetski krizi velik problem.

Prek projekta smo se zelo naučili. Priskrbeli smo si izkušnje s sodelovanjem, koordinacijo in vodenjem med različnimi fazami razvoja projekta. Bili smo izzvani s kompleksnostjo tehnologij, ki so bile potrebne za gradnjo sistema. To nam je pomagalo povezovati in uporabljati teoretično znanje, ki smo ga pridobili na inženirskem programu.

Noben od nas ni imel izkušenj z elektronskim krmiljenjem motorja pred projektom. Morali smo hitro naučiti različne koncepte in tehnike ter jih uporabiti v sistemu. Projekt je tudi prinesel priložnost za zbiranje izkušenj v generiranju impulznih signalov in nadzor power MOSFET območja. Ta izkušnja projekta je bistveno bogatila naše znanje in izboljšala naše tehnične veščine.