بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای القایی و بخصوص نوع قفسهای این موتورها دارای مزایای بسیاری نسبت به سایر موتورهای الکتریکی مانند موتورهای جریان مستقیم هستند. این موتورها ارزان بوده و ساختار محکمی دارند. پرکاربردترین روش کنترلی موتورهای القایی، روش کنترل برداری است که در سالهای اخیر بسیار مورد توجه بوده است. این روش کنترلی به دو نوع کلی دارای حسگر و بدون حسگر است که نوع دوم هزینهی پیادهسازی کمتری دارد.
در این روش، به جای حسگرهای مکانیکی سرعت از آشکارسازهایی استفاده میشود و بنابراین در هزینههای ساخت محرکه صرفهجویی خواهد شد. در این تحقیق ساختار فیلتر کالمن بهبود یافته برای تخمین سرعت موتور در کنترل برداری آن مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات ریاضی حاکم بر این روش تخمین نوشته شده و عملکرد آن در کنترل برداری یک موتور القایی با شبیهسازی در نرمافزار متلب بررسی شده است. در نهایت الگوریتم جدیدی از فیلتر کالمن برای تخمین سرعت ارائه میگردد که عملکرد بهتری را نسبت به روش قبلی دارد. میزان کارایی روش جدید نسبت به روش قبلی با شبیهسازی نشان داده شده است.
.1 مقدمه
موتورهای القایی پرکاربردترین نوع موتورهای الکتریکی در صنعت هستند. این موتورها دارای ساختار نسبتا ساده و محکم بوده و نیاز به نگهداری کمتری دارند. روشهای مختلفی برای کنترل این موتورها تاکنون ارائه شده است. برخی از این روش ها کنترل مستقیمی بر روی گشتاور تولیدی آن دارند که به آن ها روش کنترل مستقیم گشتاور میگویند. برخی روش های دیگر از طریق تنظیم جریان سعی میکنند تا گشتاور و حرکت ماشین را کنترل کنند. دو روش عمده برای کنترل این موتورها تحت عنوان کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور موسوم هستند.
در تمامی صنایع امروزی، هزینهی کلی موتور و سیستم محرکهی آن از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است و همواره سعی بر آن بوده است تا حد امکان این هزینهها کاهش یابد. برای این منظور و با توجه به بالا بودن قیمت سنسورهای مکانی، یکی از روشهای موجود در کنترل موتورهای القایی، روش های کنترل بدون حسگر است. از آنجا که برای کنترل موتور از برخی پارامترها مانند جریان، سرعت و موقعیت فیدبک گرفته میشود، بنابراین مقادیر واقعی این پارامترها بایستی در دسترس باشند. بخصوص تعیین موقعیت واقعی روتور برای کنترل دقیق این پارامتر از اهمیت بالایی برخوردار است.
موقعیت واقعی روتور را میتوان با استفاده از سنسورهای موقعیت اندازه گیری کرد و به سیستم کنترلی داد. این روش سادهتر بوده و مدار کنترلی در این روش سادهتر و پیادهسازی آن راحت تر است. در مقابل سنسورهای موقعیت هزینه های بیشتری را منجر میشوند. روش دیگر کنترل موقعیت، استفاده از تخمین گرهای موقعیت است بطوریکه در آن با استفاده از برخی پارامترهای دیگر مانند جریان و انجام محاسبات بر روی آنها، موقعیت واقعی روتور شناسایی شده و در کنترل مورد استفاده قرار میگیرد. این روش دارای سیستم مداری پیچیده تری است ولی در مقابل هزینهی پیادهسازی آن پائینتر بوده و در سرعتهای بسیار پائین نیز میتواند استفاده شود.
-1-1 کنترل موتورهای القایی
کنترلکنندههای استفاده شده در موتورهای القایی را میتوان به دو دستهی کلی روش ارزان و کم هزینهی ولت بر هرتز و کنترلکنندهی گشتاور تقسیمبندی کرد. در کنترل ولت بر هرتز یا V/f، مقادیر ولتاژ و فرکانس متناسب با هم نگهداشته میشوند. این روش کنترلی روش مطمئنی نیست چراکه آهنگ تغییرات ولتاژ و فرکانس در آن بسیار پائین است. در این روش، تغییرات ناگهانی در ولتاژ و فرکانس منجر به ایجاد حالتهای گذرا در جریان میشود که میتواند مشکلاتی را بوجود آورد. هر چند در سالهای گذشته تلاشهای زیادی در زمینهی بهبود روش کنترلی V/f انجام شده است ولی این سیستم کنترلی دقت زیادی نداشته و در نتیجه کاربرد زیادی در صنایع امروزی ندارد. کنترل برداری یکی از روشهای پرکاربرد در کنترل موتورهای القایی است. این روش بسیار پیچیدهتر از کنترل موتورهای DC میباشد. اغلب کنترلکنندهی مفید و کارای امروزی از تکنیک های کنترل برداری بهره میگیرند چون قابلیت کنترل همزمان اندازه و فاز تغذیهی AC را دارد. این روش کنترل تحت عنوان کنترل همراستای میدان - FOC1 - یا کنترل برداری - 2VC - نامگذاری میشود.
-2-1 فیلتر کالمن بهبود یافته
یک فیلتر کالمن توسعه یافته، یک آشکارساز حالت بهینهی بازگشتی است که میتواند برای تخمین حالت و پارامتر سیستم دینامیکی غیرخطی در زمان واقعی استفاده شود. فرض بر اینست که نویز اندازهگیری و نویز سیستم هیچ ارتباطی با هم ندارند. در گام اول محاسبات، حالتها با استفاده از مدل ریاضی - که شامل تخمینهای قبلی است - و پیشبینی شده و در مرحلهی دوم، حالتهای پیشبینی شده با استفاده از یک طرح اصلاح فیدبک اصلاح میشوند. این طرح منجر به استفاده از مقادیر حالت واقعی اندازهگیری شده میگردد که با افزودن مقادیری به حالت های پیشبینی شدهی بدست آمده از مرحلهی اول همراه است. این مقادیر اضافی شامل اختلاف بین سیگنالهای خروجی تخمینی و اندازهگیری شده است.
بر اساس میزان انحراف نسبت به مقدار تخمینی، فیلتر کالمن بهبود یافته مقدار خروجی بهینهای را برای ورودی لحظهی بعد فراهم میکند. در یک محرکهی موتور القایی، فیلتر کالمن بهبود یافته میتواند به منظور تخمین لحظهای سرعت روتور و نیز تخمین پارامتر و حالت مورد استفاده قرار گیرد. برای این منظور، ولتاژها و جریانهای استاتور اندازه گرفته شده و برای مثال، سرعت ماشین با سرعت و دقت قابل قبولی توسط فیلتر کالمن بدست میآید.
-1-2-1 استفاده از فیلتر کالمن بهبود یافته
در این قسمت استفاده از فیلتر کالمن بهبود یافته برای تخمین سرعت چرخش روتور در یک موتور القایی مورد بررسی قرار میگیرد. این روش تخمین، در موتورهای با راندمان بالا کارایی مناسبی دارد و میتواند سرعت چرخش را با دقت مناسب و در محدودهی وسیع سرعت تخمین بزند. مراحل اصلی طراحی الگوریتم یک فیلتر کالمن بهبود یافته برای یک موتور القایی بدون حسگر سرعت عبارتند از:
· انتخاب مدل ماشین القایی در حوزهی زمان،
· مجزاسازی و گسسته کردن مدل ماشین القایی،
· تعیین ماتریسهای کوواریانس حالت و نویز،
· اجرا و پیادهسازی الگوریتم فیلتر کالمن گسسته و تنظیم آن.
برای بررسی عملکرد این فیلتر در تخمین سرعت روتور یک موتور القایی، مدلهای مختلفی از ماشین میتواند استفاده شود. برای مثال، میتوان از معادلات نوشته شده در قاب مرجع راستای شار روتور یا استاتور استفاده کرد. برای پرهیز از برخی تبدیلات غیر خطی و نیز انجام محاسبات اضافی، قاب مرجع ساکن نیز میتواند گزینهی مناسبی باشد. استفاده از مدل ماشین القایی در قاب مرجع ساکن برخی مزیتهای مناسبی نسبت به سایر مدلها دارد که از آن جمله میتوان اشاره کرد به:
· زمان محاسبات کمتر،
· زمان نمونهبرداری کوچک تر،
· دقت بالا،
· پایداری بیشتر در عملکردهای مختلف.
با توجه به این مزایا، در این تحقیق نیز از مدل ماشین القایی در قاب مرجع ساکن استفاده شده است.
-3 شبیه سازی و تحلیل نتایج
-1-3 موتور القایی موردنظر
برای بررسی کنترل بدون حسگر، موتور القایی سه فاز با روتور قفسهای انتخاب شده است که پارامترها و اندازهی اجزای داخلی آن مطابق جدول - 1-3 - داده شده است.
-2-3 بلوک دیاگرام کلی سیستم کنترلی
برای کنترل موتور، ابتدا از یکسوساز سه فاز برای تبدیل انرژی الکتریکی سهفاز به برق DC استفاده شده است. به این ترتیب انرژی ورودی AC به DC تبدیل شده و به اینورتر داده میشود. ساختار کلی سیستم کنترلی در شکل - 1-3 - نشان داده شده است.
