بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله پارامترهای پارازیتی یک موتور سنکرون آهنربای دائم - PMSM - و کابل متصل به آن به منظور پیشبینی تداخل الکترومغناطیسی - EMI - در یک سیستم درایو موتور الکتریکی رانش معکوسگرد استخراج شده است. استخراج پارامترهای پارازیتی به کمک مدلسازی مدارهای سه فاز موتور برای نشان دادن نویزهای هدایتی مد دیفرانسیلی - DM - و مد مشترک - CM - موتور و کابل صورت گرفته است.
برای این منظور برنامهای در محیط نرم افزار Matlab تهیه شد تا پارامترهای پارازیتی مدل فرکانس بالای موتور از مشخصهی امپدانسی CM و DM آن استخراج شود. در پایان با استفاده از معیار خطای جذر میانگین مربعات - RMSE - بین مشخصهی امپدانسی بدست آمده از مدل استفاده شده و مقادیر اندازهگیری شده، صحت مدلهای استفاده شده تا فرکانس 10 MHz تایید شده است.
.1 مقدمه
امروزه در صنعت استفاده از سیستم درایو سرعت متغیر - VSD - موتورهای الکتریکی، در کاربردهای مختلف رشد بسیاری داشته است. موتور سنکرون آهنربای دائم - PMSM - به دلیل خصوصیات ذاتی نظیر چگالی توان بالا، لختی کم، نسبت بالای گشتاور تولیدی به اینرسی، شتابگیری سریع، سادگی عملیات نگهداری، ضریب توان و بازده مناسب، در سالهای اخیر در بسیاری از کاربرد های صنعتی که نیازمند سرعت متغیر در گسترهی توان کم و متوسط هستند نسبت به موتورهای DC و موتورهای القایی ترجیح داده میشوند.
یکی از کاربردهای خاص موتورهای PMSM با درایو سرعت متغیر، استفاده از آنها به عنوان سیستم رانش معکوسگرد در تجهیزات زیر دریا و روی سطح آب است. این سیستمها اینگونه عمل میکنند که دو پره هم محور را در جهت معکوس یکدیگر به گردش در میآورند و نیروی پیشرانه جهت حرکت تجهیز را فراهم میکنند. ویژگی این سیستمها بازدهی بالاتر آنها نسبت به سیستمهای رانش تک پره و همچنین عملکرد مکانیکی مطلوب آنها میباشد
کنترل سرعت در VSD توسط اینورتر مدولاسیون پهنای پالس - PWM - * صورت میگیرد. با پیشرفت سریع تکنولوژی ساخت نیمه هادیها سرعت سوئیچینگ به طور چشمگیری در سوییچهای قدرت MOSFET - و - IGBT افزایش پیدا کرده است
- 50-250 ns - از طرفی سوییچینگ سریع موجب تغییرات سریع dv/dt و در نتیجه تولید تداخل الکترومغناطیسی - EMI - میشود. این پدیده میتواند با توجه به خازن نشتی موجود در سیستم - برای مثال خازنهای پارازیتی سیمپیچیهای موتور، کابلها، هیت سینکها و ... - باعث شارش جریان نشتی در موتور الکتریکی شود و در عملکرد اینورتر و همچنین عملکرد وسایل الکتریکی اطراف آن از جمله کابل و موتور اختلال ایجاد کند .
به منظور انجام مطالعات EMI ابتدا باید مدل فرکانس بالای قسمتهای مختلف سیستم را بدست آورد، سپس با استفاده از مدلهای بدست آمده نویز تولید شده در سیستم را تخمین زد و به طراحی فیلتر EMI پرداخت .[5] در این مقاله مدلی برای PMSM و کابل نمونه به منظور مطالعات EMI در سیستم رانش معکوسگرد بررسی شدهاست. مدل مورد استفاده به راحتی از طریق اندازهگیری قابل استخراج است و میتواند تمام خصوصیات موتور و کابل را تا فرکانس 10 MHz بیان کند.
علاوه بر این در پایان از معیار خطای جذر میانگین مربعات - RMSE - استفاده شد تا صحت مشخصهی امپدانسی بدست آمده از پارامترهای پارازیتی تخمین زده شده ارزیابی شود. با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده شد که مدل فرکانسی استخراج شده برای موتور PMSM و کابل قابل قبول است و میتوان از آن برای استفاده در مطالعات EMI سیستم رانش معکوسگرد مورد نظر استفاده کرد.
.2 مدلسازی فرکانس بالا
شکل 1 بلوک دیاگرام خلاصه شدهی یک سیستم رانش معکوسگرد PMSM شامل خازنهای پارازیتی فرکانس بالا را نشان میدهد. همانطور که در بخش قبل به آن اشاره شد در سیستم رانش معکوسگرد تغذیه موتور PMSM معکوسگرد از طریق اینورتر صورت میگیرد و در نتیجه بررسی EMI در این سیستمها از اهمیت زیادی برخوردار است. برای انجام مطالعات EMI هدایتی مدل فرکانس بالای موتور ،کابل و درایو را باید به طور جداگانه استخراج کرد. مدلهای استخراج شده باید دقیق باشند و المانهای آنها به راحتی قابل محاسبه باشد و تمام خصوصیات فرکانسی آن بخش از سیستم را تا فرکانس مورد نظر را بیان کند.
شکل :1 بلوک دیاگرام خلاصه شدهی یک سیستم درایو موتور الکتریکی
.1 .2 موتور
موتورهای الکتریکی زمانی که مدلسازی EMI مدنظر باشد مهمترین و همچنین پیچیدهترین بخش در یک سیستم درایو موتور الکتریکی هستند .[6] مدلهای بسیاری برای بیان ویژگیهای موتورهای الکتریکی در فرکانسهای بالا به منظور استفاده در مطالعات EMI پیشنهاد شدهاند که اکثرا مربوط به موتورهای القایی بودهاند. مطالعات به منظور استخراج مدل فرکانسی PMSMها انگشت شمارند.
در [7] پنج مدل فرکانسی مختلف ارائه شده برای PMSMها مورد بحث و بررسی قرار گرفته و مزیتها و اشکالات هرکدام بیان شده است. با توجه به این بررسیها و ویژگیهایی که برای مطالعات EMI در سیستم رانش معکوسگرد از قبیل سادگی مدل و دقت کافی مدل تا فرکانس 10 MHz مد نظر بوده، مدل فرکانسی PMSM استفاده شده در این مقاله بر پایه مدل ارائه شده در [8] میباشد. شمای مداری مدل فرکانسی استفاده شده به همراه پارامترهای پارازیتی موتور در شکل 2 آمده است.
این مدل به نوعی تعمیم یافتهی مدل فرکانس پایین PMSM میباشد که در آن نیروی ضد محرکهی هر فاز با یک منبع سینوسی ولتاژ که با مقاومت سری Rs و اندوکتانس کلی استاتور Lss سری شده نمایش داده میشود. باقی پارامترهای اضافه شده به مدار مدل فرکانس پایین موتور، در فرکانسهای بالاتر تاثیر خود را نشان میدهند. نام و روابط مربوط به بدست آوردن هر یک از پارامترهای شکل 2 در جدول 1 آمده است. پارامترهای فرکانس پایین موتور، مقاومت استاتور، Rs و اندوکتانس کلی استاتور، Lss، را میتوان مستقیما از طریق دیتاشیت تولید کنندگان و یا از طریق اندازهگیری با یک LCR متر در فرکانسهای پایین بدست آورد.
شکل :2 مدل فرکانس بالای استفاده شده برای موتور PM
