مقدمه
موتور سوئیچ رلوکتانسی یکی از انواع موتورهای الکتریکی است که به خاطر ساختار ساده، بازده بالا و هزینه مونتاژ پایین آن معروف است. اگر مطالب سایت ما را دنبال کرده باشید، قبلا در پست های آشنایی با موتور سوئیچ رلوکتانسی، شبیه سازی موتور سوئیچ رلوکتانسی چهار فاز و موتور سوئیچ رلوکتانسی روتور بیرونی به معرفی این نوع از موتور پرداخته و در مورد ساختار، نحوه عملکرد، انواع پیکربندی و سیستم درایو آن به طور مفصل توضیحاتی ارائه دادیم. به همین خاطر در اینجا از ذکر توضیحات بیشتر خودداری کرده و شما را به این پست ها ارجاع می دهیم.
همانطور که می دانیم ریپل گشتاور بالا ،خصوصاً در سرعتهای بالا، یکی از عیب های اصلی موتور سوئیچ رلوکتانسی محسوب می شود که به علت ساختار دوبل برجسته، مشخصات مغناطیسی غیرخطی و مکانیزم تولید گشتاور در آن اتفاق می افتد. این ریپل گشتاور خود باعث ایجاد نویز در موتور شده و عملکرد آنرا پایین می آورد. برای اینکه بتوان از این موتور به عنوان کاندیدای مناسب در کاربردهای مختلف مثل صنعتی، تجاری و خانگی بهره برد، لازم است بر عیوب آن از جمله ریپل گشتاور به طریقی غلبه شود.
راه کارهای مختلفی چون اصلاح و شکل دهی پروفایل جریان، تابع سهمی گشتاور، کنترل گشتاور مستقیم، روش های هوشمند چون منطق فازی و شبکه عصبی برای تخفیف اثر ریپل گشتاور توسط محققان پیشنهاد شده که هر یک به طریقی و تا حد زیادی بر کاهش اثر رپیل مؤثر بوده اند. این روش ها هر یک دارای مزایای و معایب خاص خود بوده و بعضی به شیوه های مختلف پیاده سازی شده و روی مشخصات موتور تأثیرگذار بوده اند. در این پست می خواهیم به بررسی روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم (DITC) پرداخته و سپس تأثیر آنرا بر عملکرد یک موتور سوئیچ رلوکتانسی چهار فاز مورد بررسی قرار دهیم. اما بهتر است قبل از آن به بررسی علت واقعی ریپل گشتاور بپردازیم و در مورد ساز و کار روش DITC توضیحاتی ارائه دهیم.
علت ریپل گشتاور در موتور سوئیچ رلوکتانسی
علت ریپل گشتاور را در ابتدا باید بکار بردن این موتور در اشباع و سپس به مکانیزم غیر پیوسته تولید گشتاور آن نسبت داد. مکانیزم غیر پیوسته گشتاور بدین صورت است که با قطع تحریک از یک فاز، جریان آن طی یک بازه زمانی کاهش می یابد. فاز بعدی که شرایط تحریک شدن را دارا می باشد، بلافاصله تحریک می شود. جریان فاز جدید، نیازمند بازه هایی برای رسیدن به مقدار مورد نظر است. در طی بازه موردنیاز برای به صفر رسیدن جریان یک فاز و افزایش جریان فاز دیگر، که می توان آنرا بازه کموتاسیون نامید، جمع گشتاور تولیدی توسط جریان افزاینده و جریان کاهنده از سطح گشتاور تولیدی توسط جریان کنترلشده یک فاز کوچکتر است. از اینرو در گشتاور محور موتور افتی ظاهر می شود و ریپل گشتاور بوجود می آید. ریپل گشتاور موتور سوئیچ رلوکتانسی به صورت زیر تعریف می شود:
که در این رابطه Tmax، Tmin و Tav به ترتیب ماکزیمم، مینیمم و متوسط گشتاور تولیدی کل موتور در حالت ماندگار می باشد.
برای غلبه و بهبود ریپل گشتاور دو راه کار اصلی در نظر گرفته می شود:
1.بهبود ساختار و هندسه موتور موردنظر: در این روش طراحی اولیه ای از موتور موردنظر صورت می گیرد، سپس یکی از سه رویکرد زیر برای رسیدن به عملکرد قابل قبول موتور دنبال می شود:
الف) یک یا چند مورد از پارامترهای اصلی موتور مثل طول استاتور، طول روتور، طول پشته، کمان قطب استاتور، کمان قطب روتور، طول فاصله هوایی، طول آهن پشتی استاتور با اهداف خاصی چون بهبود بازده، بدست آوردن ماکزیمم نسبت گشتاور بر آمپر، کاهش ریپل گشتاور و مینیمم تلفات مسی استاتور با استفاده از روشهای بهینه سازی موجود مثل الگوریتم ژنتیک بهینه می شود و سپس از این پارامترها برای طراحی نهایی موتور استفاده می شود.
ب) از طریق اصلاح شکل و هندسه موتور مثل تغییر در شکل و دندانه قطب روتور یا افزایش تعداد قطبها سعی می شود به مشخصه گشتاور استاتیکی مطلوب با کمترین ریپل دست یافت.
ج) از ترکیبی از دو روش ذکر شده در بالا استفاده می شود.
2.بکار بردن تکنیکهای کنترلی پیشرفته: در این حالت با استفاده از روشهای مختلفی مثل کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم، کنترل گشتاور مستقیم، تابع سهمی گشتاور، کنترل گشتاور به شیوه هوشمند مثل منطق فازی و شبکه عصبی و … سعی می شود به مشخصه گشتاور دینامیکی مطلوب با کمترین ریپل بعلاوه تلفات کمتر و بازده بالاتر دست یافت.
در این قسمت ما از رویکرد دوم استفاده می کنیم و روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم را مورد بررسی قرار می دهیم.
ساز و کار و عملکرد روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم (DITC)
روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم یک روش پیشرفته کنترل گشتاور حلقه بسته در موتور سوئیچ رلوکتانسی است که می تواند گشتاور را به طور مستقیم و بر اساس لحظه ای کنترل کند. عملکرد این روش بدین صورت است که گشتاور لحظه ای کل موتور که از روش مناسبی تخمین زده شده است، به طور مستقیم با گشتاور مرجع بدست آمده از کنترل کننده سرعت مقایسه می شود، سپس اختلاف حاصل از مقایسه، وارد یک کنترل کننده هیسترزیس گشتاور با قانونهای کنترلی مناسب می شود. کنترل کننده هیسترزیس نیز بر اساس مکانیزمی که برایش طراحی شده، از مقایسه گشتاور کل و گشتاور مرجع، سیگنالهای کلیدزنی مناسب را برای اعمال به مبدل تولید می کند. پیاده سازی این روش دارای دو مرحله اصلی هست:
1.تولید گشتاور لحظه ای کل برای مقایسه با گشتاور مرجع
2.طراحی کنترل کننده هیسترزیس گشتاور با پهنای باند مناسب و تنظیم آن برای بدست آوردن کمترین ریپل گشتاور
برای تخمین گشتاور لحظه ای می توان از یک جدول داده شار – جریان – گشتاور یا جریان- زاویه – گشتاور استفاده کرد که باید با استفاده از اطلاعات درست تکمیل شود. در حالت اول باید شار موتور با استفاده از ولتاژ و جریان ترمینال موتور تخمین زده شود و سپس از شار و جریان و به کمک جدول داده، گشتاور تخمین زده شود. مزیت آن این است که به اطلاعات موقعیت موتور احتیاجی نیست. در حالت دوم باید از سنسورهای تعیین موقعیت روتور استفاده کرد و زاویه را تخمین زد و سپس با استفاده از زاویه و جریان ترمینال موتور و به کمک جدول داده، گشتاور تخمین زده شود. در این پروژه ما از روش دوم برای تخمین گشتاور لحظه ای استفاده کرده ایم.
همان طور که گفتیم کنترل کننده هیسترزیس گشتاور، سیگنالهای کلیدزنی همه فازهای فعال شده ماشین را تولید می کند. در هدایت تکفاز، کنترل کننده فوق گشتاور یک فاز را تعیین می کند. در طول کموتاسیون فاز، گشتاور دو فاز مجاور به طور غیرمستقیم با کنترل گشتاور کل، کنترل می شوند. برای بدست آوردن تخمینی رضایت بخش از گشتاور، استراتژی جدول 1 می تواند در کنترل کننده پیاده سازی شود.
جدول 1) وضعیتهای کلیدزنی S به عنوان تابعی از سیگنالهای تواناساز هدایتی در DITC
در طول دوره هدایت یعنی از زاویه روشنی تا زاویه خاموشی، سیگنال 1 فعال می شود. در هدایت تک فاز، وضعیت کلیدزنی S یک فاز، برای اتصال فاز به ولتاژ لینک DC مثبت، مساوی با 1 می شود. وضعیت 0 نشان می دهد که فاز در حال هرزگردی است. وضعیت 1- وضعیت مغناطیس زدایی فاز را نشان می دهد که یک ولتاژ منفی برای فاز استفاده می شود. اگر ماشین در دوره کموتاسیون کار کند، فازی که انرژی دهی می شود به وضعیت صفر ولتاژ سوئیچ می شود. زمانی که فاز واردشونده هنوز نمی تواند گشتاور موردنیاز را داخل یک باند هیسترزیس داخلی تولید کند، فاز خارج شونده با ولتاژ 0 به وضعیت 1 تغییر می کند. با این روش، گشتاور کل می تواند تنظیم شود. شکل 1 ساختار کلی کنترل کننده هیسترزیس را نشان می دهد. معمولاً پهنای باند هیسترزیس بین 0.1 تا 0.01 می باشد و هر چه این مقدار کوچکتر شود، فرکانس کلیدزنی بالا می رود. پهنای باند را می توان تا محدوده ای که فرکانس کلیدزنی مجاز است، انتخاب کرد.
شکل 1) ساختار کنترل کننده هیسترزیس در روش DITC
رنج کاری روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم به سرعتهای پایین تا سرعت پایه محدود می شود، به عبارت دیگر تا زمانی که نیروی الکتروموتوری برگشتی (EMF) کمتر یا مساوی با ولتاژ باشد. از طرفی ماکزیمم گشتاور موجود برای روش فوق با جریانهای پیک مبدل محدود می شود. مهمترین مزیت این روش در نظرگرفتن به طور مستقیم گشتاور به عنوان متغیر کنترلی هست و هیچ حلقه جریانی وجود ندارد. از طرفی چون گشتاور لحظه ای به طور مستقیم کنترل می شود، ریپل گشتاور ذاتی می تواند به طور مؤثری مینیمم شود.
بررسی پروژه شبیه سازی
در این پروژه یک سیستم درایو موتور سوئیچ رلوکتانسی چهار فاز 6/8 با توان 4 کیلووات و سرعت نامی 1500 دور بر دقیقه برای شبیه سازی در نظر گرفته شده که روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم بر روی آن پیاده سازی شده است. شبیه سازی موردنظر در محیط سیمولینک متلب انجام شده و سپس نتایج آن با سیستم درایو حلقه بسته ای که از کنترل کننده هیسترزیس جریان معمول استفاده می کند، مقایسه شده است. در ادامه در شکل 2 سیستم درایو حلقه بسته کلی موتور نشان داده شده که در آن بلوک سبزرنگ، بلوک DITC می باشد که برای کنترل گشتاور و کاهش ریپل گشتاور از آن استفاده شده است.
شکل 2) سیستم درایو موتور سوئیچ رلوکتانسی با DITC
توضیح اینکه در این سیستم برای ساخت بلوک آبی رنگ موتور از بلوک جداول داده شار و گشتاور استفاده شده که اطلاعات آن با استفاده از تحلیل المان محدود موتور سوئیچ رلوکتانسی چهار فاز در محیط دوبعدی نرم افزار ماکسول بدست آورده شده است. همچنین برای درایو صحیح فازها از مبدل نامتقارن استفاده شده که انعطاف پذیری بالایی در کنترل فازها به طور مستقل از هم دارد. در شکل 3 مشخصه های سرعت و گشتاور دینامیکی سیستم درایو موتور در حالت استفاده از DITC ارائه شده است.
شکل 3) مشخصه های گشتاور و سرعت SRM با استفاده روش کنترلی DITC
در شکل 3 در حالت ماندگار که سرعت 1500 دور بر دقیقه (157 رادیان بر ثانیه) است، متوسط گشتاور 25.4 نیوتن بر متر و مقدار ریپل گشتاور آن حدود 5 درصد می باشد. در ادامه جهت مقایسه نتایج مربوط به سیستم درایو حلقه بسته ای که از کنترل کننده هیسترزیس جریان استفاده می کند در شکل 4 ارائه شده است.
شکل 4) مشخصه های گشتاور و سرعت SRM با استفاده از کنترل هیسترزیس جریان
در شکل 4 در حالت ماندگار که سرعت 1500 دور بر دقیقه (157 رادیان بر ثانیه) است، متوسط گشتاور 25.4 نیوتن بر متر و مقدار ریپل گشتاور آن حدود 85 درصد می باشد.
نتیجه اینکه در روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم ریپل گشتاور 80 درصد کمتر از روش کنترل هیسترزیس جریان معمول می باشد. این نتیجه قدرت روش DITC را در کنترل و مهار ریپل موتور نشان می دهد.
———————————————————————————————-
چرا باید این پروژه را بخرم؟
1) مشخصات عالی موتور در رابطه با ریپل گشتاور بسیار پایین در روش DITC
2) پیاده سازی دقیق سیستم درایو موتور با DITC
3) معتبر بودن سیستم درایو موتور با بلوک موتوری که از نتایج تحلیل المان محدود ساخته شده است.
4) مقایسه روش DITC با سایر روش های موردنظر برای کاهش ریپل گشتاور
———————————————————————————————————————————————————-
توجه: برای دریافت شبیه سازی های مربوط به روش کنترل گشتاور لحظه ای مستقیم و روش کنترل هیسترزیس جریان سیستم درایو موتور سوئیچ رلوکتانسی می توانید از لینک خرید استفاده کنید. در انتها لطفا نظرات خود را در مورد این پروژه با ما در میان بگذارید.
