کنترل مستقیم گشتاور موتور‌های سنکرون آهنربای دائم با اینورتر‌های چندسطحی+دانلود مقاله

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: 

چکیده

اتوماسیون صنعتی عمدتا حول سیستم‌های کنترل حرکت توسعه یافته‌اند که درآن ها موتورهای الکتریکی کنترل شده به عنوان قلب سیستم نقشی اساسی بر عهده دارند. بنابراین، سیستم‌های کنترلی موتورها با عملکرد بسیار خوب تا حدود زیادی منجر به عملکرد مطلوب بخش اتوماسیون تولید می‌شوند که این کار با افزایش میزان تولید و کیفیت محصولات همراه است. در واقع عملکرد سیستم‌‌های اتوماسیون مدرن، که بر حسب سرعت، دقت، نرمی و کارایی تعریف می‌شود، عمدتا به راهبردهای کنترلی وابسته است. توسعه‌های اخیر در صنعت الکترونیک قدرت منجر به افزایش قابل توجه توانی شده است که توسط تجهیزات نیمه‌هادی ردوبدل می‌‌شود. علیرغم این موضوع، بیشترین ولتاژ پشتیبانی شده توسط این تجهیزات یک مانع بزرگ در کاربردهای ولتاژ متوسط و ولتاژ بالا محسوب می‌شود.برای چنین کاربردهایی کانورترهای چندسطحی معرفی شده‌‌اند. این اینورترها در مقایسه با اینورترهای دو سطحی استاندارد و در حالتی که با یک فرکانس کلیدزنی کار کنند دارای اعوجاج هارمونیکی کمتری هستند. موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMS) تازه توسعه یافته با مواد مغناطیس دائم انرژی بالا در صورتی که به خوبی کنترل شوند می‌توانند فراهم کننده‌ی دینامیک سریع، عملکرد با راندمان بالا بوده و سازگاری بسیار خوبی در کاربردهای مختلف داشته باشند. با همه‌ی اینها، کنترل موتور AC منجمله کنترل موتورهای PMS به دلیل دینامیک بسیار سریع موتور ومدل‌های بسیار غیرخطی ماشین‌ها، یک چالش به شمار می‌آید. بنابراین، بخش عمده‌ی توسعه‌ی کنترل موتور شامل استخراج مدل‌های مناسب ریاضی است.

کلمات کليدي: موتورهای سنکرون مغناطیس دائم، اینورتر سه سطحی، کنترل مستقیم گشتاور، نرم افزار متلب.

1. مقدمه

1-1- موتور سنکرون

موتور سنکرون موتوری است که در آن میدان گردان و رتور با یک سرعت ثابت که همان سرعت سنکرون است می چرخند. و چون با سرعت ثابت می چرخند برای کنترل سرعت مورد استفاده قرار نمی گیرند. این موتورها چون دارای جاروبک وحلقه لغزان هستند تلفات زیادی در ماشین ایجاد می شود. موتور سنکرون سه فاز در سیستم های قدرت به صورت کنترل کننده قدرت راکتیو (کندانسور) مورداستفاده قرار می گیرند. یعنی هم Q ( وار ) از شبکه می گیرند و هم Q ( وار ) به شبکه تزریق می کنند بنابراین برای تنظیم ولتاژ خطوط انتقال بکار می روند.

ولی مهمترین کاربرد موتور سنکرون، برای اصلاح ضریب قدرت است. یعنی با تغییر جریان تحریک می توان جریان موتور را از حالت پسفاز به حالت پیشفاز و برعکس برد [1].

1-2- موتور سنکرون مغناطیس دائم

موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) بیشتر در مواردی به کار می‌روند که نیاز به پاسخ گشتاور سریع و عملکرد با کیفیت باشد. PMSM بسیار شبیه ماشین سنکرون با روتور سیم‌پیچی است به جز این که PMSM هیچ سیم‌پیچ میراکننده‌ای نداشته و تحریک به جای یک سیم‌پیچ میدان، توسط یک آهنربای دائم فراهم می‌شود.

حذف سیم‌پیچ میدان، منبع dc و حلقه‌های لغزان باعث کاهش تلفات و پیچیدگی موتور می‌شود. برای اندازه چارچوب‌های یکسان، موتورهای مغناطیس دائم دارای گشتاور شکست بیشتری هستند. از لحاظ ریاضی اثبات شده است که افزایش گشتاور الکترومغناطیسی در یک موتور مغناطیس دائم متناسب است با افزایش زاویه‌ی بین شارهای پراکندگی استاتور و روتور، و بنابراین، پاسخ سریع گشتاور از طریق تنظیم هر چه سریع‌تر سرعت گردشی شار پراکندگی استاتور قابل دستیابی است. این کار توسط تکنیک کنترل مستقیم گشتاور (DTC) میسر می‌شود. کنترل مستقیم گشتاور بیشتر در صنایع و در موتورهای سنکرون مغناطیس دائم با اینورتر دو سطحی سه فاز منبع ولتاژ با کنترلر هیسترزیس به کار می‌رود که دلیل آن وجود برخی مزایاست، منجمله: سادگی، وابستگی کم به پارامترهای موتور، پاسخ خوب گشتاور دینامیکی. این نوع سیستم درایو را کنترل مستقیم گشتاور موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM DTC) کلاسیک می‌نامند [2].

با این حال، کنترل مستقیم گشتاور موتور سنکرون مغناطیس دائم دارای معایبی چون ریپل‌ زیاد گشتاور و شار و نیز هارمونیک بالا در جریان استاتور می‌باشد. لذا، برای غلبه بر این مشکلات یک الگوریتم جدید کنترل مستقیم گشتاور برای موتور القائی سه فاز ارائه می‌شود که از یک اینورتر سه سطحی استفاده می‌کند. این کار در واقع تعمیم DTC کلاسیک برای اینورترهای دو سطحی است. قانون اصلی DTC انتخاب مستقیم بردار ولتاژ استاتور طبق اختلاف بین مراجع گشتاور و شار پراکندگی و مقادیر واقعی آنهاست [2].

1-3- ماشین های سنکرون آهن ربای دائم

ماشین‌های سنکرون با آهنربای دائم در روتور موسوم به PMSMها در مقایسه با ماشین‌های آسنکرون (القائی) دارای اینرسی کمتر، راندمان بیشتر و نسبت گشتاور به حجم بیشتری هستند. این مزایا منجر به افزایش کاربرد آن ها در خودروهای هیبریدی، آسیاب‌های بادی، کمپرسورها، پمپ‌ها و فن‌ها شده است. علاوه بر این، عملکرد بهتر، درایوهای با دینامیک بالای مربوط به PMSMها کاربردهای فراوانی در فرایندهای تولید و سیستم‌های حمل و نقل دارد جائی که نیاز به پاسخ گشتاور سریع و صحیح است. از آنجا که قابلیت اطمینان و هزینه‌های درایوهای PMSM های مدرن از اهمیت زیادی برخوردار است، تکنیک‌های پیشرفته‌ی کنترلی توسعه یافته است. یک ماشین سنکرون آهنربای دائم اساسا یک ماشین AC معمولی با سیم‌پیچ‌های توزیع شده در شیارهای استاتور است و بنابراین شار ایجاد شده با جریان استاتور تقریبا سینوسی بوده و به جای الکترومگنت‌ها (آهنرباهای الکتریکی) از آهنرباهای دائم برای تولید میدان مغناطیسی فاصله‌ی هوایی استفاده می‌کند. این موتورهای دارای مزایای قابل توجهی هستند و توجه محققان و صنایع را جهت استفاده در انواع کاربردها به خود جلب کرده‌اند.

با این حال هزینه‌ی اولیه‌ی بالا، محدودیت‌های دمای کاری، و خطر از دست دادن خاصیت آهنربایی ناشی از حضور مغناطیس‌های دائم می‌تواند در برخی کاربردها محدودکننده باشد. در موتورهای سنکرون آهنربای دائم، آهنرباهای دائم در داخل یا خارج روتور نصب می‌شوند. بر خلاف موتورهای DC با جاروبک، موتور سنکرون مغناطیس دائم نیازمند یک درایو برای تامین جریان کموتاسیون است.

این اتفاق از طریق مدولاسیون پهنای پالس باس DC و با استفاده از اینورتر DC به AC واقع در سیم‌پیچ‌های موتور صورت می‌گیرد. با برقدار کردن برخی سیم‌پیچ‌های خاص استاتور، بر اساس موقعیت روتور، یک میدان مغناطیسی گردشی ایجاد می‌شود. جریان‌های سیم‌پیچ‌های استاتور در یک توالی از پیش تعیین شده سوئیچ می‌شوند و لذا آهنرباهای دائم می‌توانند یک میدان مغناطیس ثابت روی روتور بوجود آورند که میدان مغناطیسی گردشی استاتور را در یک سرعت ثابت تعقیب می‌کند. این سرعت بستگی به فرکانس اعمالی و تعداد قطب‌های موتور دارد. از آنجا که فرکانس کلیدزنی از روتور استخراج می‌شود، موتور قادر نیست سنکرون و همگامی خود را از دست دهد. جریان همواره قبل از رسیدن به آهنرباهای دائم سوئیچ می‌شود؛ بنابراین سرعت موتور به طور مستقیم با نرخ کلیدزنی جریان متناسب است.

1-4- مواد آهن ربای دائم

ویژگی‌های مواد آهنربای دائم به طور مستقیم روی موتور تاثیرگذار است و برای انتخاب مواد و درک موتورهای آهنربای دائم نیاز به دانش و شناخت مناسب است. اولین مواد آهنربایی ساخته شده از جنس فولاد سخت‌شده بودند. آهنرباهای ساخته شده از فولاد به راحتی مغناطیسی می‌شدند. با این حال انرژی خیلی کمی را می‌توانستند در خود نگه دارند و از دست دادن خاصیت آهنربایی آن ها بسیار آسان بود. در سال‌های اخیر دیگر مواد آهنربایی مثل نیکل آلومینیوم و آلیاژهای کبالت (ALINCO)، فریت استرونتیوم یا فریت باریم (Ferrite)، ساماریوم کبالت (اولین نسل آهنربای نادر زمین) (SmCo) و نئودیمیوم آهن بور (دومین نسل آهنربای نادر زمین) (NdFeB) توسعه یافته و برای ساخت آهنرباهای دائم به کار رفته‌اند.

آهنرباهای نادر زمین به دو دسته تقسیم می‌شوند:

آهنرباهای ساماریوم کبالت (SmCo) و نئودیمیم آهن بور (NdFeB). آهنرباهای SmCo دارای چگالی شار بالاتری هستند اما بسیار گرانبها می‌باشند. آهنرباهای NdFeB معمول‌ترین آهنرباهای نادر زمین هستند که این روزها در موتورها به کار می‌روند [2].

این مقاله توسط محمدعلی معتمدی، شروین صمیمیان طهرانی، پیمان سلمانپور بندقیری، حسین محمودی گم یک در دومین کنفرانس بین المللی یافته های نوین علوم و تکنولوژی ارائه شده است.

برای مشاهده فایل ورد این مقاله روی لینک زیر کلیک نمایید: