بخشی از مقاله
چکیده
مفهوم کشتی تمام الکتریکی و سیستم قدرت یکپارچه - IPS - در کاربردهای دریایی پیشرفت زیادی کرده است. بطوری که گرایش به سمت استفاده از پیشرانش الکتریکی در شناورها مورد توجه روزافزون قرار دارد. استفاده و کاربرد موتورهای الکتریکی در سیستم پیشرانش الکتریکی ناگزیر است. موتورهای متنوعی برای این منظور استفاده میشود، اما اخیراً با توجه به مزایای موتور سنکرون مغناطیس دائم - PMSM - ، استفاده از این موتور در پیشرانش شناورها مورد توجه میباشد. در این مقاله استفاده از PMSM در پیشرانش شناورها مورد مطالعه قرار میگیرد. موتور PMSM مورد نظر با استفاده از یک اینورتر دوسطحی و با روش کنترل مستقیم گشتاور - DTC - درایو میشود. این سیستم با استفاده از نرمافزار MATLAB شبیهسازی شده و نتایج شبیهسازی، کارایی استفاده از موتور PMSM در پیشرانش شناور را نشان میدهد.
کلید واژه- پیشرانش الکتریکی، سیستم قدرت یکپارچه، کنترل مستقیم گشتاور، موتور مغناطیس دائم.
-1 مقدمه
پیشرانش الکتریکی در سال 1980 با توسعه ادوات الکترونیک قدرت بطور وسیعی در کشتیهای بازرگانی بکار گرفته شد. استفاده از درایوهای سرعت متغیر در گسترهی وسیعی از توان عامل خیلی مهم این توسعه بود.اخیراً بسیاری از کشتیهای مسافربری و برخی کشتیهای باربری سیستم پیشرانش خود را به پیشرانش الکتریکی تغییر دادهاند. نیروی دریایی نیز به عنوان یکی از پیشقراولان صنعت دریایی، بیش از %20 سیستم پیشرانش شناورهای خود را پیشرانش الکتریکی قرار داده است. .[1]در شکل 1 شماتیک سیستم قدرت معمول برای شناورها با سیستم پیشرانش الکتریکی نشان داده شده است.
این سیستم قدرت به دلیل اینکه علاوه بر سیستم پیشرانش، دیگر بارهای خدماتی شناور را تغذیه میکند به سیستم قدرت یکپارچه - IPS - معروف است. این ساختار شامل ژنراتورهای تولید توان، ترانسفورماتورها، موتورها و مبدلهای الکترونیک قدرت میباشد.ژنراتورها کل توان مورد نیاز پیشرانش و بارهای خدماتی را تولید میکنند. در این ساختار دو ترانسفورماتور برای کاهش ولتاژ برای تغذیه بارهای خدماتی و دو ترانسفورماتور برای تبدیل ولتاژ مورد نیاز برای درایو موتورهای پیشرانش استفاده شده است. همچنین از دو موتور الکتریکی برای پیشرانش شناور همراه با درایو سرعت متغیر استفاده شده است.پیشرانش الکتریکی در مقایسه با سیستمهای پیشرانش مکانیکی متداول دارای مزایای زیر میباشد :[4-2]
·مقرون به صرفهتر
·انعطاف بیشتر در طراحی کشتی
·قابلیت اطمینان بالاتر
·صرفهجویی بیشتر در سوخت
·کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری
·افزایش دسترسپذیری توان جانبی
هزینههای سرمایهگذاری بیشتر پیشرانش الکتریکی نسبت به پیشرانش مکانیکی هنوز یک چالش و مانع بکارگیری آن درکشتیهای باربری، مسافربرهای غولپیکر و تانکرهای حمل مواد شیمیایی است.پیشرانش الکتریکی در بخش دریایی، تکنولوژی جدیدی است که فضای وسیعی برای تحقیق و پیشرفت پیشروی محققان باز کرده است. پیشرفتهای انجام شده در تکنولوژی PMSM همراه با منفعتهای بلند مدت، استفاده از این موتور در پیشرانش الکتریکی شناور را پیشنهاد میدهد.استفاده از موتور PM در پیشرانش الکتریکی کشتی، چگالی توان بالا در هزینههای منطقی نسبت به دیگر موتورها را پیشنهاد میدهد. بازدهی موتور PM در بار جزئی به مراتب بیشتر از موتور القایی است و در بار کامل نیز میتواند به %98 برسد در حالی که بازدهی موتورهای القایی در بار کامل به 96%-94 محدود میشود.
مزایایی موتور PM نویز کم، حداکثر گشتاور در سرعت صفر و حجم کمتر در مقایسه با موتور القایی است .[5]نگهداری ناشی از عدم وجود کموتاتور مکانیکی - قابلیت اطمینان - میباشد. بخاطر وجود دو مزیت اصلی چگالی توان بالا و بازدهی بیشتر نسبت به اغلب موتورهای بکار رفته در پیشرانش شناورها، استفاده از PMSM در کشتیها بخصوص در شناورهای رزمی پیشنهاد میشود .[1]هدف این مقاله بکارگیری PMSM سه فاز برای پیشرانش الکتریکی شناورهای نظامی کوچک میباشد. موتور PMSM با استفاده از اینورتر درایو شده و سرعت آن از روش کنترل مستقیم گشتاور - DTC - تحت تغییرات تدریجی و ناگهانی سرعت شناور برحسب شرایط دریانوردی تجربه شده توسط شناورهای نظامی کوچک کنترل میشود. در سیستم درایو، استراتژی زاویه گشتاور ثابت - δ=90̊ - برای پروانه در نظر گرفته میشود.
-2 مدل ریاضی PMSM
مدل ریاضی PMSM سه فاز مشابه با مدل ریاضی موتور سنکرون روتور سیمپیچی شده است. در مدل PMSM چون هیچ منبع خارجی به طرف روتور متصل نبوده و تغییرات فلوی روتور نسبت به زمان قابل صرف نظر بوده، بنابراین نیازی به وارد کردن معادلات ولتاژ روتور وجود ندارد. برای استخراج مدل PMSM از قاب مرجع روتور استفاده میشود .[7-6]معادلات دینامیکی برای متغیرهای ولتاژ فاز بصورت زیر نوشته میشوند:
دیگر مزایای PMSM شامل روتور مقاوم، چگالی توان بالاتر در مقایسه با موتورهای القایی و رلوکتانسی، کنترل ساده موتور با تنظیم جریان، کاهش نویز در مقایسه با موتورهای dc مورد استفاده در سیستم درایو الکتریکی زیردریایی، کاهش تعمیر وبا ملاحظه تقارن در اندوکتانسهای متقابل LabLba ،اندوکتانسهای خودی و شار پیوندی و با بکارگیری تبدیل کلارک و پارک برای ولتاژها، شارهای پیوندی و جریانها درروابط - 1 - و - 2 - ، مجموعه معادلات ساده - 3 - برای ولتاژها در قاب مرجع روتور بدست میآید.در روابط بالا r سرعت الکتریکی موتوراست. Ld و Lq اندوکتانسهای سنکرون محور d و q نامیده میشوند.
هر اندوکتانس از اندوکتانس خودی - شامل اندوکتانس پراکندگی - و سهمهایی از جریانهای دو فاز دیگر تشکیل شده است.گشتاور الکترومغناطیسی Te موتور PM بصورت زیر ارائهمیشود.در رابطه فوق p تعداد قطبهای موتور میباشد. گشتاور الکترومغناطیسی فوق از دو بخش جداگانه تشکیل شده است. بخش اول متناظر با گشتاور واکنشی متقابل بین iq و مغناطیس دائم است در حالی که بخش دوم متناظر با گشتاور رلوکتانسی ناشی از تفاوتهای رلوکتانس محورهای d و q است. برای موتورهای PM با مغناطیس سطحی که Ld Lq ، بخش گشتاور رلوکتانسی از رابطه فوق حذف شده و رابطه - 4 - به صورت زیر کاهش مییابد.رابطه دینامیک موتور بصورت زیر است.در این رابطه Tl گشتاور بار، J اینرسی موتور و w سرعت زاویهای موتور برحسب رادیان بر ثانیه میباشد.
-3 کنترل مستقیم گشتاور - DTC -
بلوک دیاگرام سیستم کنترل مستقیم گشتاور - DTC - موتور PMSM در شکل 2 نشان داده شده است. در این سیستم مقادیر لحظهای شار و گشتاور با استفاده از مقادیر اندازهگیری شده ولتاژ و جریان استاتور محاسبه شده و با انتخاب مناسب حالت کلیدزنی اینورتر، شار و گشتاور بطور مستقیم و مستقل از هم کنترل میشوند.مطابق با اصول عملکرد DTC، بردار ولتاژ کلیدزنی در هر پریود نمونهبرداری به گونهای انتخاب میشود که شار استاتور و گشتاور موتور در محدوده باندهای هیسترزیس مربوطه قرار گیرد.ولتاژ اهمی، شار استاتور توسط بردار ولتاژ استاتور قابل کنترل است. جهت حرکت بردار شار استاتور - - s هم جهت با بردار ولتاژ استاتور میباشد، پس با انتخاب مناسب بردار ولتاژ در هر پریود نمونهبرداری، میتوان s را در جهت مورد نظر چرخاند.
