کنترل گشتاور مستقیم موتور القایی

یکی از روشهای کنترل پیشرفته درایو یک موتور القایی، روش کنترل گشتاور مستقیم (DTC) می باشد که در سال 1986 معرفی شد. در سه دهه گذشته کنترل گشتاور مستقیم بعلت ساختار ساده تر، مقاومت پذیری، زمان محاسباتی کمتر و پاسخ دینامیکی بهتر جایگزین روش مرسوم کنترل جهت دار میدان (FOC) در درایوهای موتورهای القایی شده است. مزیت های این روش شامل پاسخ سریع و دقیق به سیگنال کنترل گشتاور و سادگی نسبی موجود برای الگوریتم کنترل با یک تعداد کم از متغیرهای ورودی مثل گشتاور موتور، دامنه شار و بردار شار می باشد. کنترل گشتاور مستقیم برای ماشین های القایی، تکنولوژی کلی درایو را ساده می کند، زیرا کنترل کننده به طور مستقیم به مدار درایو کلیدها متصل می شود که مدولاتور را حذف می کند. با ایجاد کنترل کننده های مجزای هیسترزیس برای گشتاور و شار که باعث تولید نتایج خوبی می شود، روش فوق به پارامترهای موتور و اختلالات خارجی مقاوم است. مزیت دیگر آن بر پایه کنترل کننده ها، امکان پذیری اجتناب از تبدیل مختصاتی در محاسبات و حذف بلوکهای مدولاسیون ولتاژ و تنظیم جریان در کنترل کننده می باشد. به هر حال این روش عیب هایی در لحظه راه اندازی یا کارکرد در ناحیه سرعت پایین دارد، همچنین مسائل مربوط به ریپل گشتاور و پاسخ کند به تغییرات زیاد و کم گشتاور و رفتار فرکانس کلیدزنی متغیر نیز در آن وجود دارد. برای رفع عیب و بهبود نتایج خروجی حاصل از روش کنترلی فوق، راه کارهای گوناگونی در مقالات مختلف پیشنهاد و بکار رفته است. به مراجعه به این مراجع می توان عملکرد هر یک را در بهبود کنترل گشتاور مستقیم بررسی و مشاهده کرد.

قاعده کنترل گشتاور مستقیم یا DTC:

معادلات گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ موتور القایی در چهارچوب مرجع ساکن می تواند به صورت زیر بیان شود:

در روابط بالا ولتاژهای استاتور و روتور، مقامت های استاتور و روتور، جریان های استاتور و روتور، مؤلفه شار استاتور و مؤلفه شار روتور و گشتاور الکترومغناطیسی مشخص است. توجه می کنیم که δ زاویه گشتاور و P تعداد جفت قطبهای سیم پیچی استاتور می باشد. با صرفنظرکردن از مقاومت استاتور در رابطه ولتاژ استاتور می توان نوشت:

از فرمول بالا می توان نتیجه گرفت که مؤلفه شار استاتور می تواند به طور مستقیم با کنترل مؤلفه ولتاژ استاتور، کنترل شود. بنابراین با فرض اینکه مؤلفه شار روتور ثابت بوده و بردار ولتاژ استاتور به صورت مناسب انتخاب شود، هر دوی گشتاور و شار استاتور می تواند به صورت همزمان کنترل شود. بلوک دیاگرام روش کنترل گشتاور مستقیم در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1) بلوک دیاگرام سیستم کلی کنترل گشتاور مستقیم موتور القایی

گشتاور الکترومغناطیسی و دامنه و زاویه شار استاتور در شکل 1 به صورت زیر محاسبه می شوند:

در شکل 1، ابتدا مراجع گشتاور و شار استاتور با مقدارهای محاسبه شده از فرمول های بالا، مقایسه می شوند. سپس خطای گشتاور تولید شده به یک کنترل کننده هیسترزیس سه سطحی و خطای شار تولیدی به یک کنترل کننده هیسترزیس دوسطحی داده می شود. این کنترل کننده های هیسترزیس وضعیت خطای گشتاور و شار را تولید می کنند. بر اساس این وضعیت های خطا و بردار زاویه شار استاتور، بردار ولتاژ کنترلی مورنیاز بر اساس جدول کلیدزنی که در شکل 2 نشان داده شده است، جهت حفظ خطای گشتاور و شار استاتور داخل باند هیسترزیس انتخاب می شود.

شکل 2) جدول کلیدزنی بر اساس وضعیت خطای گشتاور و شار استاتور

ارائه فضایی بردارهای ولتاژ کنترلی در قطاع های شاری در شکل 3 نمایش داده شده است.

شکل 3) نمایش فضایی بردار ولتاژ

در روش کنترل گشتاور مستقیم، شار استاتور در فضا (مسیر دایره ای) جهت کاهش هارمونیک های جریان درایو به صورت شکل 4 ثابت حفظ می شود.

شکل 4) مسیر دایره ای شار استاتور بعلت DTC

بعد از توضیحات فوق و آشنایی با روش عملکردی کنترل گشتاور مستقیم یا DTC ، به سراغ پروژه انجام شده می رویم. در پروژه حاضر سیستم درایو کنترل گشتاور مستقیم یک موتور القایی با توان 1,1 کیلوولت چهار قطبه با سر عت نامی 1420 دور بر دقیقه در سیمولینک متلب پیاده سازی و شبیه سازی شده است. در شکل 5 مدل سیمولینک سیستم کلی و در شکل 6 زیرسیستم DTC نشان داده شده است.

شکل 5) سیستم کلی درایو کنترل گشتاور مستقیم موتور القایی

شکل6) زیرسیستم روش کنترل گشتاور مستقیم

بلوک سرعت مرجع در سمت چپ شبیه سازی قرار داده شده و به صورتی تنظیم شده که ابتدا از مقدار صفر در لحظه صفر ثانیه شروع شده و در لحظه 0,1 ثانیه به مقدار 955 رادیان بر ثانیه می رسد. این مقدار سرعت تا لحظه 0,4 ثانیه حفظ شده و سپس در لحظه 0,4 ثانیه سرعت کاهش یافته و در لحظه 0,5 ثانیه مقدار آن صفر شده و تا انتهای شبیه سازی مقدار صفر باقی می ماند. بلوکی نیز برای گشتاور بار درنظر گرفته شده که در ابتدا دارای مقدار صفر بوده و سپس در لحظه 0,1 ثانیه مقدار آن به 4 نیوتن بر متر افزایش می یابد، به صورتیکه این مقدار تا پایان زمان شبیه سازی ثابت باقی می ماند. در ادامه نتایج شبیه سازی ارائه شده است.

شکل 7) مشخصه گشتاور دینامیکی (Te)

شکل 8) مشخصه سرعت مرجع و سرعت زاویه ای خروجی (Speed)

شکل 9) مشخصه جریان های سه فاز (Three phase currents)

شکل 10) مشخصه دامنه شار استاتور

شکل 11) تراژکتوری بردار شار استاتور

——————————————————————————————————————————-

توجه: این پروژه شامل فایل سیمولینک متلب از شبیه سازی سیستم موردنظر می باشد. برای خرید پروژه از لینک زیر استفاده کنید. برای دریافت شبیه سازی های بیشتر در مورد موتور القایی لطفاً به پست های کنترل موتور القایی به روش جهت یابی میدان غیر مستقیم، کنترل سرعت بر پایه منطق فازی موتور القایی و کنترل عددی حلقه باز موتور القایی مراجعه کنید. در انتها لطفاً نظرات خود را پیرامون این پست با ما در میان بگذارید.