Kontrola pobude sinhronog mašina pomoću čopera
Sadržaj
Princip rada sinkronog stroja koristeći čoper
Dalji razvoj sinkronog stroja koristeći čoper
Zaključak o sinkronom stroju koristeći čoper
Ključna učenja:
Definicija kontrole ekscitacije: Kontrola ekscitacije definiše se kao upravljanje DC poljem ekscitacije u sinkronom stroju radi kontrole njegovog performansa.
Princip rada: Princip rada sinkronog stroja koristeći čoper uključuje povećanje napona i kontrolu putem PWM signala kako bi se postigla željena ekscitacija.
Prednosti čopera: Korist od čopera za kontrolu ekscitacije je visoka efikasnost, kompaktni veličina, gladka kontrola i brz odgovor.
Komponente u čoper kola: Ključne komponente uključuju MOSFET, širinsko-modulovani signal, pravougaonik, kondenzator, induktor i zaštitne uređaje poput MOV-a i prekidača.
Buduće poboljšanja: Budući razvoj može uključivati zatvorenu petlju kontrole za promenljive opterećenje i precizne komponente kako bi se poboljšao performanse i smanjili temperaturni efekti.
Sinkroni stroj je univerzalni električni stroj koji se koristi u različitim oblastima, kao što su proizvodnja električne energije, održavanje konstantne brzine i ispravljanje faktora snage. Faktor snage se kontrolira upravljanjem DC poljem ekscitacije. Ovaj rad fokusira se na to kako efikasno možemo kontrolisati polje ekscitacije sinkronog stroja.
Konvencionalne metode DC ekscitacije suočavaju se sa problemima hlađenja i održavanja zbog klizača, štapića i komutatora, posebno kada alternator postaje više snazan. Moderne sisteme ekscitacije ciljaju da smanje ove probleme minimiziranjem broja klizićnih kontakti i štapica.
Ova tendencija dovela je do razvoja statičke ekscitacije koristeći čoper. Moderne sistemi koriste poluprovodničke uređaje za prekid poput dijoda, tiristora i tranzistora. U elektronici snage, veliki količinu električne energije se obrađuje, a najčešći uređaji su AC/DC pretvarači.
Snaga obično varira od desetina do nekoliko stotina vata. U industriji, česta primena je promenljiva brzina pogona za kontrolu brzine indukcijskog motora. Sistemi pretvaranja snage su klasifikovani po tipu ulazne i izlazne snage.
AC na DC (pravougaonik)
DC na AC (inverzor)
DC na AC (DC na DC pretvarač)
AC na AC (AC na AC pretvarač)
Bavi se rotirajućim i statičkim opremom za generisanje, prenos i korišćenje velikih količina električne energije. DC-DC pretvarač je elektronski krug koji pretvara izvor direktnog struja sa jedne naponske nivoe na drugi.
Prednosti elektroničkih pretvarača snage su sledeće-
Visoka efikasnost zbog niske gubitaka u poluprovodničkim uređajima snage.
Visoka pouzdanost sistema elektroničkog pretvarača snage.
Dugačak životni vek i manje održavanje zbog odsustva pokretnih delova.
Fleksibilnost u operaciji.
Brz dinamički odgovor u poređenju sa elektromehaničkim sistemom pretvarača.
Postoje i neke značajne nedostatke elektroničkih pretvarača snage, kao što su sljedeći-
Kolovi u elektroničkom sistemu imaju tendenciju da generišu harmonike u sistemu snabdevanja, kao i u kolu opterećenja.
AC na DC i DC na AC pretvarači rade pod niskim faktorom snage pod određenim uslovima rada.
Regeneracija snage je teška u sistemu elektroničkog pretvarača snage.
U ovom projektu, prosečni napon na polju sinkronog stroja kontrolisan je koristeći boost čoper. Boost čoper je DC na DC pretvarač koji pruža veći kontrolisan izlazni napon iz fiksiranog ulaznog DC napona.
MOSFET je poluprovodnički uređaj elektroničke snage koji predstavlja potpuno kontrolisan prekidnik (prekidnik čije podešavanje uključivanja i isključivanja može se kontrolisati). MOSFET koristi se kao prekidni uređaj u ovom kolu boost čopera. Vrata MOSFET-a su upravljana širinsko-modulovanim (PWM) signalom. Koji se generiše koristeći mikrokontroler. Snabdevanje napona čopera je uzeto iz diodnog mosta pravougaonika putem pretvaranja jednofaznog AC/DC.
Ovaj shema kontrole ekscitacije polja je izuzetno efikasna i kompaktna, zbog uključenja elektroničkog kola snage. U mnogim industrijskim aplikacijama, kao što je kontrola reaktivne snage, poboljšanje faktora snage transmisione linije potrebno je promeniti ekscitaciju polja.
Ovaj pogon uzima snagu iz fiksiranog DC izvora i pretvara je u promenljivi DC napon. Sistemi čopera nude gladku kontrolu, visoku efikasnost, brži odgovor i mogućnost regeneracije. U osnovi, čoper se može smatrati DC ekvivalentom AC transformatora, jer se ponašaju identično. Budući da čoper uključuje jedinstvenu konverziju, oni su efikasniji.
Princip rada sinkronog stroja koristeći čoper
Da bismo razumeli detalje plana projekta, posmatrajmo ovaj blok-diagram ispod:
Iz gornjeg dijagrama možemo reći da za 230V ulaz punovalne pravougaonike izlazni napon je 146 (približno), napon polja stroja je 180V, pa moramo povećati napon putem step-up čopera. Sada prilagođeni DC napon se prenosi na polje sinkronog stroja. Izlazni napon čopera može se menjati promenom dužine impulsa, što možemo uraditi pomoću generatora impulsa promenljive širine, a to može biti urađeno pomoću mikrokontrolera.
U mikrokontroleru, upoređivanjem slučajnog sekvencijskog signala sa konstantnom magnitudom, možemo generisati impulsni signal, ali kako bismo izbegli efekat opterećenja, savetujemo električnu izolaciju, što smo ostvarili korišćenjem optokupca. U kolu čopera koristili smo kondenzator da bismo uklonili fluktuacije iz izlaznog napona. Simulirano je da induktor koriscen u kolu čopera treba da može da obradi 2-3 A struja tijekom kratkog kola. Pored željenog izlaznog napona, trebalo bi da dizajniramo kolo tako da može da izdrži bilo kakve greške stanja.
Za zaštitu od prekomernog napona, koristit ćemo metalne oksidne varistore (MOV) čija otpornost zavisi od napona.
Za zaštitu od prekomerne struje, možemo koristiti prvi aktuelni ograničavajući prekidač.
Da bismo poboljšali kvalitet vala, možemo koristiti filter kolo, uglavnom L ili LC filter na izlazu mosta pravougaonika. Dijod koji je koriscen trebao bi da ima manje vreme oporavka, ovdje možemo koristiti brzi dijod.
Vrednosti komponenata kola koje su korišćene
Ulazni DC napon = 100V
Impulsni napon = 10V, Dužina impulsa = 40%
Frekvencija čopera = 10 KHz
R = 225 ohm (kao izračunato iz ocene stroja)
L = 10mH
C = 1pF
Podaci dobijeni sa izlaza
Izlazni napon: 174 V (prosečno)
Napon opterećenja: 0.775 A (prosečno)
Izvorna struja: 0.977 A
Dalji razvoj sinkronog stroja koristeći čoper
Još uvek postoji mnogo prostora za budući razvoj koji bi poboljšao sistem i povećao njegovu poslovnu vrijednost.
Zatvorena petlja kontrole
Područja primene gdje korisnik ima promenljivo opterećenje, potrebna je zatvorena petlja kontrole kako bi se održavao konstantan napon ekscitacije. Referentni napon i stvarni izlazni napon će se prvo uporediti i generiše se signal greške. Taj signal greške će odlučiti dužinu impulsa čopera.
Smanjenje efekta temperature
Korišćenje preciznog kondenzatora, preključujućeg dijoda definitivno može poboljšati performanse, ali to će doprineti troškovima projekta.
Zaključak o sinkronom stroju koristeći čoper
U našem projektu, dizajnirali i implementirali smo niskocenu i korisničku prijateljsku kontrolu ekscitacije koristeći čoper. Ciljna korisnici sistema su industrije koje zahtevaju gladku, efikasnu i malu kontrolu koja daje širok raspon variranja napona. Ovaj tip projekta je stvarno koristan u industrijskim poljima razvijajućih zemalja poput Indije, gde je energetska kriza veliki problem.
Naučili smo mnogo kroz ovaj projekt. Stekli smo lekciju o timskom radu, koordinaciji, liderstvu tokom raznih faza razvoja projekta. Izbijeni smo kompleksnošću tehnologija potrebnih za izgradnju sistema. To nam je pomoglo da povežemo i primenimo teorijsko znanje koje smo stekli tokom inženjerskog studija.
Niko od nas nije imao iskustva sa elektronskom kontrolom motora pre projekta. Morali smo brzo naučiti različite koncepte i tehnike i primeniti ih u sistemu. Projekt je takođe pružio priliku da nabavimo iskustvo u generisanju impulsnih signala i power MOSFET kontrolnoj oblasti. Ovo iskustvo iz projekta značajno je obogatilo naše znanje i oštrilo naše tehničke veštine.
