بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزایش روز افزون استفاده از موتورهای الکتریکی، امروزه تنوع موتورها زیاد گشته است. موتور BLDC در مقایسه باسایر موتورها در اندازه وحجم برابر دارای توان وگشتاور تولیدی بیشتری می باشد. از مزایای دیگر موتور BLDC می توان از راندمان بالا وقابلیت استفاده در سرعت های بالا نام برد به همین دلیل میل به استفاده از این موتورها در اکثرکاربردها بخصوص کاربرد صنعتی زیاد شده است.به دلیل اهمیت راندمان بالا ،صدای کم وسرعت بالا جهت موتورهای مورد استفاده در کاربردهای صنعتی، در این تحقیق به دنبال راهکارهای برای دستیابی به این شرایط هستیم. یکی از این راهکارها استفاده از موتورهای BLDC چند فاز است. درک بهتر رفتار اینگونه موتورهای چند فاز با مدلسازی این موتورها ممکن است. لذا هدف از این مقاله، مدلسازی و شبیهسازی موتورهای BLDC چند فاز میباشد.
.1 مقدمه
در کاربردهایی مانند هوافضا و اتوموبیل سازی به دلیل محدودیت فضا و مسائل اقتصادی نیاز به تجهیزات با وزن و حجم کم مشهود است. در این میان موتورهای BLDC به دلیل مزایایی از قبیل نسبت گشتاور به وزن بالا، توانایی رسیدن به سرعت های بالا مورد توجه قرار گرفتهاند. بدلیل عدم نیاز به هیچ گونه جاروبک مکانیکی یا حلقههای لغزان در این گونه موتورها نویز صوتی ایجاد شده نسبت به دیگر موتورها کم میباشد. چون در ساختمان این گونه موتورها هیچ جاروبک مکانیکی وجود ندارد و اثری هم از حلقههای لغزشی نیست. به دلیل نبود جاروبک و یا حلقه لغزان، طول عمر موتور فقط وابسته به طول عمر عایقی بلبرینگها و عمر مغناطیسی میباشد که سبب افزایش قابلیت اطمینان سیستم خواهد شد.
موتور DC با ویژگیهای کنترل سرعت پیوسته در بازه گسترده ، ظرفیت تحمل اضافه بار بالا، سرعت پاسخ مناسب ، پایداری خوب است. ولی این موتور نیاز به تعمیرات دورهای دارد و قابلیت اطمینان آن به دلیل کاربرد جاروبک پایین است. در مقابل ماشین القائی هزینهی نگهداری و تعمیر پایین، شروع گشتاور بالا و ساختمان ساده دارد .[1] موتورهای مغناطیس دائم و سوئیچ رلوکتانس نیز کاندیدای استفاده در صنایع هستند. پیکربندی موتورهای سوئیچ رلوکتانسی و القائی نسبت به موتورهای مغناطیس دائم، آسان تر و هزینهی ساخت آنها بیشتر به دلیل به کارنبردن آهنربا دائم ارزان تر است.
البته موتورهای سوئیچ رلوکتانسی تلفات آهنی بالایی دارند واین تلفات با افزایش سرعت موتور نسبت به سایر موتورها در اندازهی یکسان، مقدار ژولی زیادی به خود اختصاص می دهد. به عبارت دیگر نسبت به حرارت، حساسیت بالایی دارند .[2] به علاوه نویز اکوستیک و ریپل جریان بالایی دارند که نیازمند تغییرات اساسی در ساختار موتور سوئیچ رلوکتانسی از جمله 5 فاز کردن موتور دارد
به طور خلاصه میتوان گفت موتور BLDC نسبت به موتورهای DC و موتورهای القائی مزیتهایی از قبیل مشخصهی بهتر گشتاور-سرعت بازده بالا، عمر طولانی و عملکرد بدون نویز دارد. از طرفی به دلیل نسبت بالای گشتاور به اندازه، در کاربردهایی که محدودیتهای فضا و وزن وجود دارد، پیشنهاد میشود.
موتور BLDC و PMSM دارای یک سرس مزایا و معایب مشترک هستند. موتور BLDC دارای امتیاز سادگی کنترل نسبت به موتور PMSM است. میکروپروسسور پیچیده نیاز ندارد و لذا قابلیت اطمینان بهتر در برابر خطا دارد. موتورهای BLDC چند فاز دارای چگالی توان بالا و قابلیت اطمینان بهتر هستند
از آنجایی که تحملپذیری خطا و قابلیت اطمینان بالا اساس طراحی هست، تعداد فازها باید به دقت انتخاب شود. عموما موتورها دارای تعداد فاز بالاتر نسبت به تحملپذیری خطا دارای پتانسیل بهتری هستند و لذا قابلیت اطمینان بالاتری خواهند داشت .[8- 7] در [9]، بعد از بررسی و تحقیق به کمک مراجع و مقالات علمی و تحلیلهای انجامگرفته، یک موتور BLDC پنج فاز برای یک سیستم پیشرانه الکتروهیدرواستاتیک انتخاب شدهاست.
مدلسازی موتورهای الکتریکی همواره مورد توجه نویسندگان بودهاست. برای مثال در [10]، یک موتور سنرکون مغناطیس دایم به کمک مدلهای حجیم، مدلسازی شدهاست. در این مرجع, مدل بدست آمده در شاخههای مختلف از جمله، الکترومغناطیسی، حرارتی، مکانیکی و .. بهکار فتهاست.
نرم افزاهای زیادی از جمله Pspice shematic، SABER، EMTP برای شبیهسازیهای سیستمهای الکتریکی وجود دارد. در این میان نرمافزار Matlab/Simulink به دلیل راحتی، انعطاف پذیری، دارا بودن محیط گرافیکی با قابلیت بالا، برنامهنویسی آسان مورد توجه قرار گرفته است
یکی از مزیت های جعبه ابزار سیمولینک موجود در متلب بر سایر مدارات شبیه ساز راحتی مدل کردن حالت گذرا برای اهداف کنترلی و شبیه سازی است. به همان اندازه که معادلات معلوم باشند، هر درایو و الگوریتم کنترل قابل پیاده سازی است. از انجایی که همه معادلات به تنهایی قابل حل نیستند برخی معادلات تفاضلی نیاز است.
مدل سیمولینک ماشین القایی در مقالات [15]-[13] قابل دسترس است.اما به صورت جبعه سیاه بدون اطلاعات داخل آن می باشد. در [16] موتور BLDC با ولتاژ برگشتی ایدهآل برای نوع سهفاز مدلسازی و در نرم افزار Matlab/Simulink شبیه سازی شدهاست. در [17] ، موتور BLDC با چهار کلید کنترل شدهاست. در این مرجع روابط کلیدزنی مناسب استخراج شدهاست که در صورت مدلسازی مناسب موتور، میتوان روش کنترلی را به راحتی شبیه سازی کرد.
.2 مدلسازی موتور BLDCچندفاز
در این نوع موتور توزیع سیم پیچی فاز های استاتور به صورت ذوزنقهای بوده و ولتاژ اعمالی به فازها نیز بصورت ذوزنقهای یا مربعی میباشد. شکل - 1 - شکل موج ولتاژ ضد محرکه یک موتور BLDC ذوزنقهایی را نمایش میدهد .
شکل : - 1 - شکل موج ولتاژ ضد محرکه یک موتور BLDC
گشتاور و نیروی ضدمحرکه سه فاز در هر فاز برای 240 کار میکند و برای 120 باقی مانده از هر دور رتور متوقف میشود. به هرحال با ترکیب اثرات سه فاز، ویژگی بسیار مهمی از یک گشتاور خروجی یکنواخت به دست میآید. تنها دو فاز در یک زمان گشتاور تولید میکنند. معادله گشتاورالکترومغناطیسی و گشتاور بار به صورت زیر است.
از آنجایی که موتور 3 فاز است برای تحلیل موتور الکتریکی ، فقط کافی است که یک فاز بررسی شود. با فرض اینکه ولتاژ نوترال موتور برابر صفر است، میتواند رابطه زیر را برای دست آوردن جریان هر فاز موتور به دست آورد.
از آنجایی که تحملپذیری خطا و قابلیت اطمینان بالا اساس طراحی هست، تعداد فازها باید به دقت انتخاب شود. عموما موتورها دارای تعداد فاز بالاتر نسبت به تحملپذیری خطا دارای پتانسیل بهتری هستند و لذا قابلیت اطمینان بالاتری خواهند داشت.
در نوع 5 فاز نیز توزیع سیم پیچی فاز های استاتور به صورت ذوزنقهای بوده و ولتاژ اعمالی به فازها نیز بصورت ذوزنقهای یا مربعی می باشد. در این ساختار نیازی به دانستن مقدار لحظهای موقعیت رتور نبوده و میتوان از سه سنسور وضعیت از نوع اثر هال که در فواصل 72درجه نسبت به یکدیگر قرار گرفتهاند استفاده نمود.
گشتاور و نیروی ضدمحرکه سه فاز در هر فاز برای 144 کار میکند و برای 216 باقی مانده از هر دور رتور متوقف میشود. به هرحال با ترکیب اثرات پنج فاز، ویژگی بسیار مهمی از یک گشتاور خروجی یکنواخت به دست میآید. تنها چهار فاز در یک زمان گشتاور تولید میکنند. معادله گشتاورالکترومغناطیسی و گشتاور بار به صورت زیر است.
