روش‌های کنترل موتور القایی - بخش پنجم

برای حل این مشکلات روش کنترل مستقیم گشتاور (Direct Torque Control) ارائه شد. همان طور که از اسم این روش مشخص است در این روش مستقیماً گشتاور کنترل می‌شود.

مزیت‌های این روش عبارت اند از:

ساختار ساده
وابسته نبودن به پارامتر‌های ماشین
سرعت عملکرد دینامیکی خوب برای گشتاور و شار

در این روش دیگر احتیاجی به بلوک‌های مجزاسازی ولتاژ و حلقه کنترل جریان برای کنترل موتور القایی نمی‌باشد. در این روش حلقه کنترل جریان وجود ندارد بنابراین بردار ولتاژ طوری انتخاب می‌شود که خطای گشتاور و شار حداقل شود.

برای اینکه با عملکرد این روش آشنا شویم ابتدا باید نحوه تشکیل بردار ولتاژ بوسیله اینورتر را توضیح دهیم.
ساختار یک اینورتر منبع ولتاژی (VSI) بصورت زیر می‌باشد:


توجه کنید که دو کلید موجود در هر ساق با هم نمی‌توانند روشن شوند، زیرا منبع را اتصال کوتاه می‌کنند. با توجه به جدول زیر که مربوط به حالت‌های مختلف برای کلید‌ها می‌باشد می‌توان دریافت که ۸ حالت برای بردار ولتاژ خروجی داریم:



بردار حالتی که تمام کلید‌ها روشن (V۷) و تمام کلید‌ها خاموش (V۰) هستند را بردار ولتاژ صفر می‌نامند. ۶ حالت دیگر بردار‌های اصلی را نشان می‌دهند که اندازه آن‌ها ۲/۳ ولتاژ لینک DC می‌باشد.



با توجه به این ۶ بردار اصلی صفحه ولتاژ به ۶ ناحیه تقسیم می‌شود که هر ناحیه با بردار خود نام گذاری می‌شود. این نواحی بصورت زیر هستند:



توجه کنید که هر بردار در وسط ناحیه خود قرار دارد. حال که با ساختار اینورتر آشنا شدیم نحوه کنترل مستقیم گشتاور را توضیح می‌دهیم.
با توجه به شکل زیر می‌توان رابطه گشتاور بر حسب شار روتور و استاتور را بصورت زیر نوشت:





که ψr شار روتور، ψs شار استاتور و γ. زاویه بین شار استاتور و روتور می‌باشد. در صورتی که از افت ولتاژ اهمی استاتور صرف نظر کنیم با توجه به رابطه شار استاتور می‌توان نوشت:



بنابراین در فاصله زمانی کوچک تغییرات شار با ولتاژ برابر است:



از طرفی برای شار روتور برحسب شار استاتور می‌توان نوشت:



رابطه بالا بدین مفهوم است که شار روتور با یک تاخیر درجه اول به شار استاتور بستگی دارد یعنی می‌توان در هنگام تغییر شار استاتور شار روتور را ثابت در نظر گرفت و از تغییرات آن صرف نظر کرد.
به عبارت دیگر می‌توان با اعمال ولتاژ مناسب شار استاتور را تغییر داد و زاویه بین شار روتور و شار استاتور و در نتیجه گشتاور موتور را کنترل کرد.
مسئله مهم انتخاب بردار ولتاژ مناسب برای کنترل می‌باشد. فرض کنید شار در ناحیه اول باشد:



همان طور که مشخص است با اعمال هر یک از ۶ بردار نشان داده شده در شکل تغییرات گشتاور و شار مختلفی صورت می‌پذیرد. مثلا اگر بردار ولتاژ V۳ را اعمال کنیم شار را کاهش و گشتاور را افزایش می‌دهد.

بطور کلی می‌توان گفت که اگر بردار شار استاتور در ناحیه n. باشد اعمال بردار‌های ولتاژ Vn-۱,Vn,Vn+۱ موجب افزایش شار و اعمال بردار‌های Vn+۲,Vn-۲,Vn+۳ باعث کاهش شار می‌شود. اعمال بردار‌های Vn+۱,Vn+۲ باعث افزایش گشتاور و اعمال بردار‌های Vn-۱,Vn-۲ باعث کاهش گشتاور می‌شوند. بردار‌های Vn,Vn+۳ بسته به مکان شار ممکن است گشتاور را کاهش یا افزایش بدهد. تاثیر اعمال هر یک از بردار‌ها بصورت خلاصه در جدول زیر نمایش داده شده است:



در این روش کنترلی از کنترل هیسترزیس استفاده می‌شود. برای شار از کنترل دو سطحی و برای کنترل گشتاور (جهت کاهش ریپل گشتاور) از کنترل سه سطحی استفاده می‌شود بدین معنی که:



با توجه به جدول تغییرات شار و گشتاور بر حسب بردار ولتاژ اعمال شده و همچنین سطوح کنترل هیسترزیس می‌توان جدول زیر را بعنوان جدول کلید زنی در نظر گرفت:



بلوک دیاگرام کنترلی روش DTC بصورت زیر می‌باشد:



همان طور که از بلوک دیاگرام مشخص است تنها پارامتر استفاده شده‌ی ماشین، مقاومت استاتور می‌باشد.

منحنی تغییرات گشتاور و شار بصورت زیر می‌باشد:




نتیجه شبیه سازی:

نتیجه شبیه سازی شار روتور و استاتور در بردار فضایی با Matlab بصورت زیر می‌باشد:



همان طور که مشخص است ریپل گشتاور و شار بسیار زیاد می‌باشد.

 

در کل معایب روش کنترل مستقیم گشتاور عبارت اند از:

فرکانس سوئیچینگ متغیر (بدلیل استفاده از کنترل هیسترزیس)
عملکرد ضعیف در سرعت پایین (زیر ۵ درصد سرعت نامی)
ریپل بالا‌ی گشتاور
اعوجاج در شار در هنگام تغییر نواحی
احتیاج به فرکانس نمونه برداری بالا برای اجرای کنترل دیجیتال (حدود ۴۰KHz)