مقدمه:
موتورهای جریان مستقیم (DC) از نمونه های اولیه موتورهای الکتریکی هستند به خاطر قابلیت کنترل سرعت اشان هنوز در تعدادی از کاربردها مثل سیستم حمل و نقل یا در برخی خودروهای الکتریکی باطری دار مورد استفاده قرار می گیرند. در یک کاربرد ممکن است نیاز به تغییر سرعت در یک محدوده مشخص باشد یا اینکه در هنگام تغییر شرایط بار سرعت ثابت حفظ شود، بنابراین در این موارد باید یک سیستم کنترلی مناسب برای موتور جریان مستقیم در نظر گرفته شود تا بتواند نیازهای موردنظر را به خوبی پوشش دهد. همانطور که قبلا در پست ساختار و نحوه عملکرد یک ماشین DC بیان کردیم، یکی از انواع موتورهای جریان مستقیم، نوع تحریک مستقل می باشد که در آن سیم پیچی میدان با منبع توان جداگانه تحریک می شود. در این مقاله ضمن معرفی معادله سرعت – گشتاور این موتور و توضیح کلی در مورد روش های مختلف کنترل سرعت آن، قصد داریم یک سیستم کنترل سرعت از این نوع موتور را شبیه سازی کرده و عملکرد آن را در حالت موتوری و ترمز رئوستایی بررسی کنیم.
معادله سرعت – گشتاور موتور جریان مستقیم تحریک مستقل
برای بدست آوردن معادله سرعت – گشتاور، لازم است ابتدا با معادلات اساسی حاکم بر مدار موتور تحریک مستقل آشنا شویم. در شکل 1 مدار الکتریکی مربوط به سیم پیچی آرمیچر و تحریک موتور DC تحریک مستقل نشان داده شده است.
شکل 1) مدار الکتریکی یک موتور جریان مستقیم تحریک مستقل
بر اساس شکل فوق، معادلات اساسی مربوط به مدار را می توان بر اساس تئوری جامع ماشین های الکتریکی برای حالت ماندگار به شرح زیر در نظر گرفت:
با ترکیب روابط 1 و 3 که به ترتیب مربوط به ولتاژ ترمینال و گشتاور خروجی موتور هستند، می توان رابطه سرعت – گشتاور را بدست آورد:
بر اساس رابطه فوق می توان سرعت را در موتورهای جریان مستقیم تحریک مستقل کنترل کرد. در روش های کلاسیک یا قدیمی، کنترل سرعت را می توان با توجه به رابطه 4 به یکی از روش های زیر انجام داد:
1)کنترل ولتاژ آرمیچر
2)کنترل شار مدار تحریک
3)کنترل مقاومت آرمیچر
از سه روش فوق معمولا دو روش اول برای کنترل سرعت استفاده می شود که روش اول برای کنترل سرعت از صفر تا سرعت مبنا و روش دوم برای کنترل سرعت بعد از سرعت مبنا استفاده می شود. در روش اول جریان مدار تحریک و مقاومت مدار آرمیچر ثابت نگه داشته می شود در حالیکه در روش دوم ولتاژ ترمینال آرمیچر و مقاومت مدار آرمیچر ثابت حفظ می شود.
کنترل سرعت به کمک مبدل های الکترونیکی
با پیشرفت و توسعه الکترونیک قدرت، استفاده از مبدل های الکترونیکی برای اهداف کنترلی مورد توجه زیادی قرار گرفت و امروزه بجای روشهای کلاسیک، از مبدل های الکترونیکی برای کنترل سرعت موتور DC در درایوهای سرعت متغیر استفاده می شود. مبدلهای الکترونیکی مورد استفاده می توانند از نوع یکسوساز کنترل شده یا چاپر (برشگر) باشند که استفاده از هر یک به عواملی مختلف بستگی دارد. توجه می کنیم که از یکسوساز کنترلی زمانی استفاده می شود که منبع توان AC در دسترس باشد، در این حالت ولتاژ متناوب را می توان به یک ولتاژ یکسو متغیر تبدیل کرد. در حالتی که منبع یکسو ثابت داشته باشیم، می توان از چاپر استفاده کرد که در این حالت ولتاژ یکسو ثابت به ولتاژ یکسو متغیر تبدیل خواهد شد. در این پروژه چون موضوع بحث به چاپرها مربوط می شود، در مورد آنها در ادامه توضیحاتی ارائه می شود و در مورد یکسوسازهای کنترل شده در مباحث و شبیه سازی آینده بحث خواهد شد.
چاپر برای کنترل سرعت موتور جریان مستقیم
چاپر مبدلی است که از تجهیزات الکترونیک قدرت ساخته شده و قادر است ولتاژ DC ثابت را به ولتاژ DC متغیر تبدیل کند. این وسایل می توانند بسته به نوع عملکرد خود به سه دسته تک ربعه، دو ربعه و چهار ربعه تقسیم بندی شوند. تفاوت این سه دسته در قابلیت های کنترلی است که می توانند برای یک چاپر ایجاد کنند. منظور از قابلیت های کنترلی حالتهای کنترل توان و کنترل مولدی می باشد که هر یک می تواند به صورت مستقیم یا معکوس انجام شود. در عملکرد تک ربعه که در این پروژه نیز از آن استفاده شده چاپر فقط می تواند در یک مد کنترل توان یا کنترل مولدی کار کند که در حالت اول ولتاژ و جریان آرمیچر مثبت بوده در حالیکه در حالت دوم ولتاژ مثبت اما جریان منفی خواهد بود. در کنترل توان انرژی به آرمیچر داده می شود اما در حالت کنترل مولدی انرژی به منبع باز می گردد.
در شکل 2 یک چاپر نمایش داده شده که دارای عملکرد تک ربعه بوده و می تواند برای کنترل توان موتور مورد استفاده قرار گیرد. این مبدل از نوع کاهنده بوده و می تواند ولتاژ خروجی را برای تأمین آرمیچر بر اساس رابطه زیر بر حسب ولتاژ ورودی خود تنظیم کند.
که در این فرمول a دوره کاری کلید مبدل بوده که بر اساس مکانیزم کنترلی موردنظر تعیین می شود. در شکل 3 نیز عملکرد مبدل از نظر علامت ولتاژ و جریان آرمیچر مشخص شده است.
شکل 2) چاپر تک ربعه برای کنترل توان موتور DC تحریک مستقل
شکل 3) صفحه کارکرد چاپر تک ربعه در حالت کنترل توان
البته باید توجه کرد که کنترل مولدی می تواند در نهایت به عملکرد ترمزی تبدیل شود که در آن سرعت موتور طی مکانیزمی مشخص در نهایت به صفر کاهش داده می شود (ترمز مولدی). در این حالت توفق کامل انجام شده و موتور از حرکت می ایستد. در صورتی که در طی ترمز مولدی متبع پذیرا نباشد، ولتاژ خط افزایش یافته و ترمز مولدی ممکن است امکان پذیر نباشد. در این صورت شکل دیگری از ترمز بنام ترمز رئوستایی موردنیاز می باشد که در آن اتصال آرمیچر به منبع قطع شده و انرژی آن در یک مقاومت تلف می شود. در شکل 4 مدار مربوط به ترمز رئوستایی برای موتور جریان مستقیم تحریک مستقل و در شکل 5 عملکرد آن از نظر علامت ولتاژ و جریان آرمیچر نمایش داده شده است.
شکل 4) چاپر تک ربعه برای عملکرد ترمز رئوستایی موتور DC تحریک مستقل
شکل 5) صفحه کارکرد برای عملکرد تک ربعه موتور DC در حالت ترمز رئوستایی
پروژه شبیه سازی شده:
در این مقاله برای درک بهتر عملکرد موتور تحریک مستقل در حالت کنترل سرعت، یک سیستم درایو حلقه بسته با تنظیم سرعت در سیمولینک متلب طراحی و شبیه سازی شده است. در این سیستم که در شکل 6 ارائه شده است، از یک چاپر تک ربعه برای کنترل ولتاژ آرمیچر استفاده شده و عملکرد موتور DC در حالت کنترل توان و همچنین ترمز رئوستایی مورد بررسی قرار گرفته است.
شکل 6) سیستم کنترل سرعت حلقه بسته با کمک چاپر تک ربعه برای بررسی عملکرد موتور DC تحریک مستقل
برای شبیه سازی از یک موتور جریان مستقیم با توان 5 اسب بخار استفاده شده است که سرعت آن بوسیله یک کنترل کننده تناسبی – انتگرالی تنظیم می شود. از خروجی کنترلر موردنظر سیگنالی تولید می شود که در بلوک PWM برای مقایسه با سیگنال کریر مثلثی و تولید سیگنال تحریک برای کلید چاپر استفاده می شود. با کنترل چاپر می توان ولتاژ ورودی به آرمیچر موتور را کنترل کرد و سرعت را در مقدار مطلوب خود حفظ کرد. همچنین یک بلوک با نام ترمز رئوستایی در سیستم قرار گرفته که در زمان مناسب وارد مدار شده و عملکرد ترمزی را برای موتور فراهم می کند.
کار سیستم درایو به این صورت است که ابتدا موتور در حالت بی باری راه اندازی و به حالت پایدار خود می رسد، سپس در ثانیه 1 یک بار خطی متناسب با سرعت به آن اعمال می شود تا عملکرد آن در حالت بارداری بررسی شود. در نهایت در ثانیه 2 عملکرد موتور از حالت کنترل توان به حالت ترمز رئوستایی تغییر داده می شود و سرعت به تدریج کاهش یافته تا به مقدار صفر برسد. در ادامه بعضی از خروجی های شبیه سازی ارائه شده است.
شکل 7) مشخصه های خروجی موتور، به ترتیب جریان آرمیچر، گشتاور دینامیکی و سرعت چرخشی موتور
با توجه به شکل 7، موتور در حالت بی باری و بارداری دارای عملکرد مطلوبی بوده و سرعت آن در مقدار 150 رادیان بر ثانیه حفظ می شود. همچنین در عملکرد ترمزی، سرعت به خوبی کاهش داده شده و در زمان مناسب به صفر می رسد.
———————————————————————————————-
توجه: در این پروژه عملکرد یک موتور جریان مستقیم تحریک مستقل به کمک چاپر تک ربعه در حالت کنترل توان و ترمز رئوستایی مورد بررسی قرار گرفت و بعضی از نتایج مربوط به شبیه سازی سیستم آن در متلب ارائه شد. شما می توانید برای پی بردن به جزئیات شبیه سازی مثل بلوکهای PWM، مبدل تک ربعه، مدار ترمز رئوستایی و همچنین مشاهده خروجی های بیشتر، فایل سیمولینک این پروژه را از لینک زیر با قیمت مناسب خریداری کنید. شبیه سازی موردنظر را می توانید برای اهداف مختلفی مثل آموزشی یا برای کمک به پروژه های دیگر مورد استفاده قرار دهید.
