Керування збудованням синхронного генератора за допомогою шоппера

Зміст

• Принцип роботи синхронного машини за допомогою чоппера

• Дальнейшее развитие синхронной машины с использованием чоппера

• Висновки щодо використання чоппера в синхронній машині

Основні вивчені поняття:

• Означення керування ексцитацією: Керування ексцитацією визначається як управління постійним струмом у полюсах синхронної машини для контролю її роботи.

• Принцип роботи: Принцип роботи синхронної машини з використанням чоппера полягає у підвищенні напруги та контролю її за допомогою сигналів ШІМ для досягнення бажаної ексцитації.

• Переваги чоппера: Використання чоппера для керування ексцитацією забезпечує високу ефективність, компактні розміри, плавне керування та швидку реакцію.

• Компоненти в схемі чоппера: Основні компоненти включають МОП-транзистор, сигнал широтно-імпульсної модуляції, прямий стрічний перетворювач, конденсатор, індуктор та захисні пристрої, такі як MOV та запобіжник.

• Майбутні покращення: Майбутні розробки можуть включати замкнутий цикл керування для змінних навантажень та точні компоненти для покращення продуктивності та зменшення температурних впливів.

Синхронна машина — це універсальна електрична машина, яка використовується в різних галузях, таких як генерація електроенергії, підтримка постійної швидкості та корекція коефіцієнта потужності. Коефіцієнт потужності контролюється за допомогою управління постійним струмом у полюсах. Ця дисертація зосереджується на тому, як ефективно ми можемо контролювати ексцитацію поля синхронної машини.

Традиційні методи DC ексцитації стикаються з проблемами охолодження та обслуговування через кільце зсуву, щітки та комутатори, особливо при збільшенні рейтингів генератора. Сучасні системи ексцитації намагаються зменшити ці проблеми, зменшуючи кількість ковзаючих контактів та щіток.

Цей тренд призвів до розвитку статичної ексцитації за допомогою чоппера. Сучасні системи використовують полупровідникові перемикальні пристрої, такі як діоди, тиристори та транзистори. У силовій електроніці обробляється значна кількість електричної енергії, з AC/DC перетворювачами, як найбільш типовими пристроями.

Діапазон потужностей зазвичай від десятків до кількох сотень ватт. У промисловості загальноприйнятим застосуванням є змінний частотний привід, який використовується для контролю швидкості асинхронного двигуна. Системи перетворення потужності класифікуються за типами входячої та виходячої потужності.

• AC до DC (прямий стрічний перетворювач)

• DC до AC (інвертор)

• DC до AC (DC до DC перетворювач)

• AC до AC (AC до AC перетворювач)

Це стосується як обертальних, так і статичних обладнань для генерації, передачі, використання великих кількостей електричної енергії. DC-DC перетворювач — це електронна схема, яка перетворює джерело постійного струму з одного напруженні на інше.

Переваги силових електронних перетворювачів такі:

• Висока ефективність завдяки низьким втратам в силових полупровідникових пристроях.

• Висока надійність системи силового перетворювача.

• Довгий термін служби та менше обслуговування завдяки відсутності рухомих деталей.

• Гнучкість в експлуатації.

• Швидка динамічна реакція порівняно з електромеханічною системою перетворювача.

Є також деякі значні недоліки силових електронних перетворювачів, такі як наступні:

• Схеми в силових електронних системах мають tendencію генерувати гармоніки в системі живлення, а також в нагрузочній схемі.

• AC до DC та DC до AC перетворювачі працюють при низькому входному коефіцієнті потужності за певних умов експлуатації.

• Регенерація енергії важка в системах силових перетворювачів.

У цьому проекті середня напруга в полюсах синхронної машини керується за допомогою буст-чоппера. Буст-чоппер — це DC до DC перетворювач, який забезпечує вищу керовану виходну напругу з фіксованої входної DC напруги.

МОП-транзистор — це силовий полупровідниковий пристрій, який є повністю керованим перемикачем (перемикач, який можна керувати як в увімкненому, так і в вимкненому стані). МОП-транзистор використовується як перемикач у цій буст-чопперній схемі. Гаттерний термінал МОП-транзистора керується сигналом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), який генерується за допомогою мікроконтролера. Живлення чоппера бере з прямого стрічного перетворювача за допомогою перетворення однофазного AC/DC.

Ця схема керування ексцитацією поля є надзвичайно ефективною та компактною завдяки використанню силової електроніки. У багатьох промислових застосуваннях, таких як керування реактивною потужністю, покращення коефіцієнту потужності лінії передачі, необхідно змінювати ексцитацію поля.

Цей привід отримує енергію з фіксованого джерела DC та перетворює її на змінну DC напругу. Системи чоппера забезпечують плавне керування, високу ефективність, швидку реакцію та можливість регенерації. По суті, чоппер можна розглядати як DC еквівалент AC трансформатора, оскільки вони поводяться однаково. Оскільки чоппер включає лише одну ступінь перетворення, вони є більш ефективними.

Принцип роботи синхронної машини за допомогою чоппера

Щоб зрозуміти деталі плану проекту, розглянемо нижче блок-схему:

З вище наведеної схеми можна сказати, що для входу 230V повноволнового прямого стрічного перетворювача виходна напруга становить 146 (приблизно) напруга поля машини 180V, тому ми повинні підвищити напругу через буст-чоппер. Тепер налаштована DC напруга подається на поле синхронної машини. Виходна напруга чоппера може змінюватися за допомогою зміни коефіцієнта заповнення, для цього ми повинні створити генератор імпульсів з налаштованою шириной імпульса, і це можна зробити за допомогою мікроконтролера.

У мікроконтролері, порівнюючи випадковий послідовний сигнал з сталою величиною, ми можемо згенерувати імпульсний сигнал, але для уникнення ефекту завантаження рекомендується електрична ізоляція, для цього ми використовуємо оптопару. У схемі чоппера використовується конденсатор для вилучення ряби з виходної напруги. Було моделювано, що індуктор, який використовується у схемі чоппера, повинен бути здатний обробляти 2-3 А струму під час короткого замикання. Окрім бажаної виходної напруги, ми також повинні спроектувати схему так, щоб вона могла витримати будь-які аварійні ситуації.

• Для захисту від перевищень напруги ми будемо використовувати металоксидні варистори (MOV), чия опір залежить від напруги.

• Для захисту від перевищень струму ми можемо використовувати швидкодіючі запобіжники запобіжник.

Для покращення якості форми сигналу ми можемо використовувати фільтруючу схему, основно L або LC фільтр на виході мостового прямого стрічного перетворювача. Діод, який використовується, повинен мати менший час відновлення в оберненому напрямку, тут ми можемо використовувати діод швидкого відновлення.

Значення компонентів схеми, які були використані

Входна DC напруга = 100V
Імпульсна напруга = 10V, Коефіцієнт заповнення = 40%
Частота розрізу = 10 КГц
R = 225 ом (як розраховано з рейтингу машини)
L = 10 мГн
C = 1 пФ

Отримані дані з виходу
Виходна напруга: 174 В (середня)
Струм навантаження: 0,775 А (середній)
Струм джерела: 0,977 А

Дальнейшее развитие синхронной машины с использованием чоппера

Існує ще багато простору для майбутнього розвитку, який підвищить систему та збільшить її бізнес-вартість.

Замкнуте керування

У областях застосування, де користувач має справу зі змінним навантаженням, потрібна схема замкнутого керування для підтримки постійної ексцитації. Спочатку буде порівняно референсну напругу та фактичну виходну напругу, і буде згенеровано сигнал помилки. Цей сигнал помилки визначатиме коефіцієнт заповнення чоппера.

Зменшення температурного впливу

Використання точних конденсаторів, комутаційних діодів точно покращить продуктивність, але це буде додатково коштувати проекту.

Висновки щодо використання чоппера в синхронній машині