کنترل عددی حلقه باز موتور القایی

مقدمه

کنترل عددی جزء ساده ­ترین روش­های کنترلی در سیستم درایو موتور القایی می­ باشد [1]. پیاده­ سازی آن آسان و دارای هزینه پایینی است و از پارامترهایی استفاده می­ کند که بستگی به یکدیگر ندارند، به هر حال این روش جزء روشهایی با عملکرد ضعیف نسبت به روش­های کنترلی پیشرفته چون کنترل برداری و کنترل مد لغزشی شناخته می ­شود [2] ( برای بررسی بیشتر پست های کنترل گشتاور مستقیم و کنترل جهت دار میدان غیر مستقیم موتور القایی را ملاحظه کنید).

روش کنترل عددی را می ­توان به دو صورت انجام داد:

1)کنترل حلقه باز (ولت به هرتز ثابت)

2) کنترل حلقه بسته عددی

در ادامه در مورد روش کنترل حلقه باز توضیحاتی ارائه می شود.

روش کنترل عددی حلقه باز

در این قسمت در مورد قاعده عملکردی، نحوه بدست آوردن رابطه ولت به هرتز، طریقه کنترل در عملکرد سرعت پایین و سرعت بالا و انواع سیستم درایو کنترل عددی در حالت حلقه باز توضیحاتی ارائه می شود.

قاعده کنترل ولت به هرتز [3]

سرعت پایه در موتور القایی به طور مستقیم متناسب با فرکانس منبع و تعداد قطب­های موتور است. چون تعداد قطب در طراحی ثابت است، بهترین روش برای تغییر سرعت موتور القایی، تغییر فرکانس منبع می ­باشد. از طرفی گشتاور توسعه داده شده توسط موتور القایی به طور مستقیم متناسب با نسبت ولتاژ بکاررفته و فرکانس منبع است. با تغییر ولتاژ و فرکانس و ثابت نگه ­داشتن نسبت بین آنها، گشتاور توسعه داده شده می ­تواند در سرتاسر رنج سرعت ثابت نگه داشته شود. این دقیقاً آن چیزی است که کنترل ولت به هرتز سعی در رسیدن به آن دارد.

نحوه بدست­ آوردن رابطه ولت به هرتز [1و4]

همانطور که می ­دانیم شار شکاف هوایی در موتور آسنکرون، یک ولتاژ القایی Es را در سیم ­پیچی استاتور القا می ­کند. اگر فرض کنیم که شار موردنظر دارای توزیع سینوسی باشد، مقدار لحظه­ ای آنرا می­ توان به صورت زیر بیان کرد:

از طرفی رابطه بین ولتاژ القا شده و شار پیوندی به شرح زیر است:

که در این رابطه Em مقدار بیشینه ولتاژ القا شده بوده و به صورت زیر بیان می­ شود:

بنابراین می ­توان نتیجه گرفت که بیشینه شار شکاف هوایی با نسبت بیشینه ولتاژ القایی به سرعت زاویه ­ای متناسب است یعنی:

از طرفی با توجه به مدار معادل حالت ماندگار موتور القایی، اگر فرض کنیم که افت ولتاژ دو سر مقاومت استاتور در مقایسه با ولتاژ استاتور کوچک باشد، مقدار بیشینه ولتاژ القاشده با ولتاژ استاتور برابر بوده و بیشنه شار استاتور می ­تواند به صورت زیر بیان شود:

بنابراین برای حفظ شار در یک سطح ثابت، ولتاژ استاتور باید متناسب با فرکانس منبع تنظیم شود. این ساده ­ترین رویکرد برای کنترل سرعت موتورهای القایی است که روش ولت/هرتز ثابت (CVH) نامیده می ­شود. همانطور که ملاحظه می ­شود ذاتاً هیچ فیدبکی مورد نیاز نیست اگرچه در عملی­ ترین سیستم ها، جریان استاتور اندازه­ گیری می ­شود و مقرراتی برای اجتناب از اضافه باری تعیین می­ شود.

نحوه کنترل سرعت در رنج زیر سرعت نامی و بالاتر از آن [1]

برای عملکرد سرعت پایین، افت ولتاژ دو سر مقاومت استاتور باید برای نگه داشتن شار ثابت به حساب آورده شود و ولتاژ استاتور باید به طور متناسب افزایش داده شود. به طور معکوس درسرعت­های بالاتر که سرعت مربوط به فرکانس نامی،frat ، شرایط ولت به هرتز ثابت نمی تواند برآورده شود زیرا آن به معنی یک اضافه ولتاژ خواهد بود. بنابراین ولتاژ استاتور بر طبق قانون زیر تنظیم می ­شود:

که Vs,0 مقدار مؤثر ولتاژ استاتور را در فرکانس صفر نشان می ­دهد.

رسم نموداری رابطه فوق در شکل 1 نشان داده شده است. فرکانس­های بالاتر از فرکانس نامی منجر به کاهش گشتاور توسعه داده شده می­ شود. این بعلت جریان مغناطیس­ کننده کاهش یافته است که یک میدان مغناطیسی تضعیف شده در موتور است. از اینرو گفته می ­شود که موتور در مد تضعیف میدان کار می ­کند. ناحیه سمت راست فرکانس نامی اغلب ناحیه توان ثابت نامیده می ­شود در حالیکه ناحیه سمت چپ ناحیه گشتاور ثابت می­ باشد.

شکل 1) رابطه ولتاژ در برابر فرکانس در درایوهای ولت به هرتز ثابت [1]

پیاده سازی روش کنترل عددی 

حال که مطالب مختصری در مورد روش کنترل عددی بیان شد، شایسته است که عملکرد آنرا در یک سیستم درایو موتوری بررسی کنیم. به همین منظور در ادامه شبیه سازی کنترل عددی حلقه باز برای یک سیستم درایو موتور القایی با توان 3 اسب بخار در محیط سیمولینک نرم افزار متلب ارائه شده است. نمای کلی سیستم شبیه سازی در شکل 2 نشان داده شده که از چهار بلوک اصلی موتور القایی، اینورتر پل سه فاز، بلوک مدولاسیون پهنای پالسی و بلوک کنترل ولت به هرتز تشکیل شده است.

شکل 2) سیستم درایو موتور القایی با کنترل سرعت به روش ولت به هرتز عددی

شبیه سازی موردنظر در مدت زمان 1.5 ثانیه انجام شده است. جهت بررسی عملکرد سیستم درایو موردنظر، ابتدا سرعت مرجع 1750 دور بر ثانیه است اما در زمان 0.7 ثانیه از 1750 به 875 دور بر ثانیه کاهش داده می شود. ضمناً یک بار ثابت به موتور القایی اعمال شده است. در ادامه نتایج ارائه شده است. در شکل 3 مشخصه گشتاور دینامیکی و سرعت موتور القایی نشان داده شده است.

شکل 3) مشخصه سرعت و گشتاور موتور القایی در سیستم کنترل سرعت به روش عددی حلقه باز

در شکل 4 مشخصه ولتاژ موتور و فرکانس و تغییرات آن در زمان 0.7 ثانیه ارائه شده که نشان می دهد سیستم درایو به درستی کار می کند.

شکل 4) تغییرات ولتاژ و فرکانس در سیستم درایو موتور القایی با کنترل سرعت عددی حلقه باز

———————————————————————————————-

مراجع

[1]

A. M. Trzynadlowski; “Control of induction motors”, Elsevier, Academic Press, 2001

[2]

J. M. Peña and E. V. Díaz, “Implementation of V/f scalar control for speed regulation of a three-phase induction motor”, IEEE ANDESCON, Arequipa, Peru, Oct. 2016

[3]

S. K. Soni and A. Gupta, “Analysis of SVPWM based speed control of induction motor drive with using V/F control based 3 level inverter”, International Journal of Scientific Engineering and Technology, Vol.2, Iss.9, pp. 932-938, Sept. 2013

[4]

M. S. Aspalli, S. Kalshetti and P. V. Hunagund, “Speed control of 3 F induction motor using volts hertz control method”, International Journal of Electronics Engineering, pp. 231-236, 2011

———————————————————————————————–

توجه: شما می توانید فایل شبیه سازی و گزارش کار کامل مربوط به پروژه شبیه سازی کنترل عددی حلقه باز موتور القایی را از لینک خرید تهیه کنید. توجه کنید که شبیه سازی در ورژن 2017b نرم افزار متلب انجام شده است.