بخشی از مقاله
واژههاي کلیدي: نرخ گشتاور به جریان، هارمونیک، اینورتر دو سطحی، موتور پسماند
چکیده
موتورهاي پسماند عموما داراي دانسیته گشتاور و توان نسبتا پایینی هستند. شیوه هایی براي بالا بردن نرخ گشتاور به جریان در سایر موتورها مطرح شده است که به موتور پسماند نیز قابل اعمال است. تطبیق شکل موج جریان ورودي با
EMF موتور بوسیله اصلاح ساختار سیم پیچی موتور و کنترل جریان ورودي با انتخاب نوع اینورتر و شیوه مناسب سویچینگ آن و نیز شیوه هاي کنترلی همانند کنترل جهت یابی شار از روشهاي افزایش دانسیته گشتاور ماشین پسماند است. همچنین استفاده از نوع دیسکی این موتورها بصورت چند استاتوره و چند روتوره - کاسکید - از جمله روشهاي دیگر افزایش دانسیته گشتاور - نسبت گشتاور به وزن - می باشد. این تحقیق به بررسی انتخاب نوع تغذیه مناسب براي افزایش نرخ گشتاور به جریان در موتورهاي پسماند می پردازد. همچنین با معرفی یک ساختار جدید تحت عنوان موتور پسماند تخت دو روتوره بدون شیار بمنظور افزایش دانسیته گشتاور، برخی نتایج آزمایشگاهی آن را نیز در تایید شبیه سازیهاي صورت گرفته براي این نوع موتور ارائه میدهد.
.1 مقدمه
موتورهاي پسماند نوعی از موتورهاي سنکرون خود راه انداز هستند که به سبب مزیتهاي ویژه خود نسبت به سایر موتورهاي مشابه کاربردهاي فراوانی در زمینه استفاده از ماشینهاي کوچک و متوسط یافته است. این موتورها داراي ویژگیهاي مثبتی همانند پایداري زیاد، گشتاور و سرعت ثابت، نویز بسیار کم، جریان راه اندازي در حدود 1/2 الی 1/8 برابر جریان بار نامی و ساختار ساده و مستحکم روتور براي استفاده در سرعتهاي بالا می باشند. کم بودن نسبی بهره و ضریب قدرت و همچنین بالا بودن زمان راه اندازي از معایب ذاتی این موتور هاست[2] ،.[1]
براي مرتفع نمودن نسبی این معایب ذاتی ساختارهاي جدیدي از موتورهاي پسماند ارائه شده شده است. مطالعات این تحقیق بر یک موتور پسماند تخت دو روتوره بدون شیار صورت می گیرد که تا حدود زیادي توانسته است بر این مشکلات فائق آید. در مراجع معدودي همانند [1]، [2] و [3]
عملکرد حالت مانا و دینامیکی موتورهاي پسماند تخت بررسی شده است. درحالیکه در مراجع زیادي این بررسی ها در مورد سایر موتورهاي پسماند صورت گرفته است .[4]-[7]
SV-PWM
تاثیر تغذیه ورودي بر نرخ گشتاور به جریان موتورهاي پسمانددر سالهاي اخیر استفاده از موتورهاي بدون جاروبک همانند موتورهاي پسماند با سایز کوچک و متوسط در وسایلی همانند کامپیوتر و تجهیزات پزشکی و نساجی و سایر کاربردها به سمتی پیش می رود که ساختار این ماشینها واینورتر تغذیه کننده آنها را با هم ترکیب نمایند .[8]
بعلاوه این موتورها را می توان به صورت کنترل حلقه باز نیز مورد استفاده قرار داد که در این صورت در یک سرعت مشخصی که با فرکانس سویچنیگ اینورتر تعیین می شود، کار خواهند کرد. بررسی ها نشان می دهند، در موتور پسماندي که در این تحقیق مورد مطالعه قرار می گیرد در صورتی که سیم بندي داراي توزیع سینوسی با گام کامل انتخاب شود حتی با تغذیه سینوسی شکل موج EMF با فرم سینوسی تفاوت قابل ملاحظه اي دارد. بنابرین گام سیم بندي 60 درجه کوتاه می شود. با این کار هارمونیک سوم که نقش عمده اي در اعوجاج شکل موج EMF دارد، حذف خواهد شد. مطالعات نشان می دهد که با تطبیق شکل موج EMF با جریان ورودي موتور، بیشترین نرخ گشتاور به جریان حاصل می شود. علاوه بر اینبا EMF ذوزنقه اي شکل این نرخ زیادتر نیز خواهد شد.
تاثیرات هارمونیکی جریان ورودي موتور بر عملکرد آن در شرایط غیر ایده آل تغذیه که عمدتا به هارمونیکهاي مضرب سوم بویژه هارمونیک مرتبه سوم مربوط می شود، موضوعی
است که در این تحقیق بررسی می شود. اینورتر مورد نظر ما یک Six Pulses PWM Voltage Source Inverter می باشد. استفاده از یک اینورتر چهار سیمه - سه فاز همراه نول - می تواند در تطبیق شکل موجهاي EMF و جریان مفید باشد چرا که شکل موج EMF حاوي هارمونیکهاي مرتبه سوم است. متاسفانه اکثر اینورترهاي مورد استفاده در این زمینه سه سیمه هستند و در مواردي که ترمینالهاي موتور توسط اینورتر به باس DC مثبت و منفی وصل شده و نول به نقطه میانی این دو باس متصل است، اندوکتانس دیده شده از دیدگاه اینورتر بسیار کمتر از مقدار نامی آن خواهد بود. بنابراین در مقایسه با سیستم سه سیمه اینگونه اینورتر چهار سیمه ریپلهاي هارمونیکی بیشتري خواهد داشت. در شکل 1 اندوکتانسهاي دیده شده از دیدگاه باس DC در دو حالت سیستم سه سیمه و چهار سیمه از دو نوع نشان داده شده است. همانطوري که مشاهده می شود امپدانس دیده شده از دیدگاه اینورتر چهار سیمه خیلی کمتر از نوع سه سیمه است، پس ریپلهاي هارمونیکی این حالت نیز بیشتر است.
شکل .1 اندوکتانس دیده شده از دیدگاه باس DC براي - A چهار سیمه - نول وسط باس - B - DC سه سیمه و چهار سیمه در این مقاله با استفاده از یک مدل دینامیکی گذرایی از موتور
پسماند مورد نظر که به همین منظور پیاده سازي شده، مشخصه هاي راه اندازي و حالت دائمی این موتور در شرایط تغذیه دو سطحی فیلتر شده و فیلتر نشده مورد تحقیق قرار می گیرد. با استفاده از آنالیز هارمونیکی این مشخصه ها نکاتی در رابطه با افزایش نرخ گشتاور به جریان و بهبود پاسخ سیستم ارائه می شود.
.2 تاثیر شکل موج جریان بر عملکرد موتور پسماند
همانطور که گفته شد در تغذیه موتور پسماند با اینورترهاي سه سیمه هارمونیکهاي مضرب سوم مخصوصا هارمونیک مرتبه سوم شکل موج EMF و جریان ورودي را بشدت تحت تاثیر قرار می دهند. کیفیت هارمونیکی جریان ورودي موتور و همچنین تطابق آن با شکل موج EMF موتور عامل موثري در افزایش نرخ گشتاور به جریان در موتور پسماند و سایر موتورها است. در کلیه ماشینهاي الکتریکی حتی در شرایط تغذیه کاملا سینوسی شکل موج EMF سینوسی نبوده و هارمونیکی است. البته چون در مدلی که در این تحقیق براي بررسی رفتار موتور پسماند استفاده شده است، از هارمونیکهاي فضایی مرتبه بالاي EMF صرف نظر شده است، شکل موج EMF در تاثیر تغذیه ورودي بر نرخ گشتاور به جریان موتورهاي پسماند صورتی که تغذیه سینوسی خالص باشد، سینوسی خواهد بود که در این صورت انتظار می رود که بیشترین نرخ گشتاور به جریان به ازاي جریان سینوسی رخ دهد. اگر از آنها صرف نظر نشود شکل موج EMF حتی در تغذیه سینوسی، غیر سینوسی خواهد بود. البنخته به علت تاثیر شدید هارمونیکها جریان بر بازده موتور از طریق افزایش تلفات پارازیتیک موتور، اینورتر چهار سیمه در این کاربرد مناسبتر به نظر میرسد .[9]
ماشینهاي پسماند مخصوصا نوع بدون شیار آنها داراي اندوکتانس نشتی استاتور کمی هستند. بعلاوه اندوکتانس مغناطیس کنندکی آنها نیز نسبتا پایین است. این موضوع محدودیتهایی را در تنظیم سطح جریان توسط اینورترهاي ولتاژ سورس با سطح DC ثابت ایجاد می کند. یک راهکار براي محدود کردن این جریانها بالا بردن فرکانس سویچینگ است ولی مشکل اینجاست که با افزایش فرکانس سویچینگ هم تلفات سویچینگ بالا می رود و هم افزایش ریپلهاي جریان را به دنبال خواهد داشت.
یکی از روشهاي ارائه شده در حل این مشکل استفاده از یک باس DC متغیر است. در این روش با استفاده از یک چاپر DC با نمونه گیري از سرعت موتور سطح باس DC براي کنترل جریان ورودي تنظیم می شود.
.3 نتایج شبیه سازي
در این قسمت، مشخصه هاي موتور پسماند با تغذیه اینورتري SV-PWM، یکبار همراه فیلتر خروجی مناسب و یکبار بدون فیلتر مورد بررسی قرار می گیرد. بازده سیستم، زمان راه اندازي و نرخ جریان به گشتاور در این دو حالت با هم مقایسه می شوند. نتایج شبیه سازي با گشتاور بدست آمده از تستهاي آزمایشگاهی بر روي موتور مذکور نشان دهنده صحت این مدعا است.
.3-1 تغذیه SV-PWM دوسطحی
شکل 2 تغذیه موتور با اینوتر PWM دو سطحی به شیوه Space Vector با فرکانس سویچینگ 1980 هرتز را نشان می دهد. THD ولتاژ در این حالت %0/99 است که مقدار خیلی کمی است و توانایی این شیوه از PWM را در تولید موج سینوسی نشان می دهد.
در شکل 3 آنالیز هارمونیکی جریان و EMF نشان داده شده است. میزان THD آنها باز در حد قابل قبولی است. نرخ گشتاور به جریان در این حالت %0/19 است که می توان دلیل آن را شکل موج EMF دانست که علاوه بر هارمونیک هاي مضرب سوم، هارمونیکهاي زوج قابل ملاحظه اي دارد.
در شکل 4 مشخصه هاي سرعت و گشتاور موتور در این نوع تغذیه نشان داده شده است. گشتاور حالت دائمی این تغذیه نوسانی است. هارمونیکهاي زوج گشتاور دائمی که باعث صدمه رساندن به بخشهاي مکانیکی موتور می شود در اینچنین تغذیه اي وجود دارد که در شکل 5 نشان داده شده اند. گشتاور راه اندازي به 1/2 Nm کاهش یافته و زمان راه اندازي به 2/5 ثانیه افزایش یافته است.
همانطوري که در شکل 3 می بینیم، شکل موج EMF با شکل موج ذوزنقه اي که مد نظر ماست تفاوت زیادي دارد. بنابراین با استفاده از فیلتر مناسب در قسمت بعدي سعی داریم آن را به شکل ذوزنقه اي نزدیکتر کنیم.
