بخشی از مقاله
چکیده: سرعت عملکرد بالا و یا کنترل موقعیت یک موتور سنکرون مغناطیس دایم نیاز به اطلاعات دقیق از موقعیت شفت روتور و سرعت زاویهای دارد تا پالسهای تحریک فاز با موقعیت روتور همزمان شوند. روش کنترل برداری برای کنترل سرعت دینامیکی استفاده میشود. در این مقاله مدل ریاضی موتورهای سنکرون مغناطیس دایم با استفاده از تبدیل پارک مطرح شده و شبیهسازی میشود. کنترل برداری با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس اجرا شده و برای نشان دادن درستی مدلسازی انجام شده، این مدل درنرم افزار متلب شبیه سازی شده است و از نظر شرایط عملیاتی مختلف ازجمله در شرایط غیر استاتیک مورد بررسی قرار گرفته است.
-1مقدمه
اخیرا پیشرفت و بکارگیری آسانتر مواد مغناطیس دائم باعث افزایش استفاده از موتورهای سنکرون آهنربای دائم در موتورهای سرعت متغیر در بسیاری از کاربردهای صنعتی شده است 2]،.[1 از مزیتهای ذاتی استفاده از درایو موتورهای سنکرون مغناطیس دایم میتوان به موارد زیر اشاره نمود: نسبت بالای گشتاور به وزن، ضریب نیروی بالا، پاسخ سریعتر، ساختار نیرومند، تعمیر و نگهداری آسان، سادگی کنترل و کارایی بالا. موتور سنکرون مغناطیس دایم در کاربردهای صنعتی بخصوص در درایوهای کوچک و متوسط بکار گرفته میشوند. افزایش هزینه به دلیل وجود آهنرباهای دائمی گرانبها در سیستم القاگر تولیدکننده شار مغناطیسی میباشد.
موتورهای مغناطیس دائم بطور گستردهای در درایوهایی با عملکرد بالا اتخاذ میشوند که عملکردهای خاص هزینهها را توجیه میکنند، موتورهای سنکرون مغناطیس دایم در کاربردهایی با دقت بالا و درایو مستقیم استفاده میشوند که غالبا جزو مزیتهای آنها میباشند. این موتورها در مقایسه با موتورهای جریان مستقیم مرسوم هیچگونه زغال یا کموتاتور مکانیکی ندارند که این امر مشکلات متعددی را در بخشهای متحرک از بین میبرد. بعلاوه ویژگی پراکندگی حرارتی بهتر و قابلیت عملکرد در سرعت بالا، این موتورها را به گزینه بهتری تبدیل کرده است.
موتورهای سنکرون مغناطیس دایم و موتور جریان مستقیم بدون جاروبک شباهت بسیاری به هم دارند. تفاوت عمده آنها در این است که در در موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک جریانالکتریکی بصورت ذوزنقهای فرق میکند درحالیکه در موتور سنکرون مغناطیس دایم شکل موج جریانالکتریکی سینوسی است. این مقاله اساسا بر دو حوزه متمرکز است:
- 1 پیشرفت و اجرای مدلاسیون پهنای پالس بردار فضایی مبنی بر درایو کنترل برداری برای موتورهای سنکرون مغناطیس دایم.
- 2 تعمیم درایو کنترل برداری - با سنسور - به کنترل برداری بدون سنسور که در آن موقعیت و یا سرعتهای سنسور با برخی از روشهای استاندارد بدون سنسور جایگزین میشوند.
در فضای سیمولینک متلب یک بلوک درایو موتور سنکرون مغناطیس دائم آماده به کار در دسترس است که مبنی بر تبدیل پارک اصلاحشده میباشد .[1-5] از آنجاییکه اکثر از مدل استاندارد پارک استفاده میشود [2] ، هیچگونه مزیت خاصی از کاربرد تبدیل اصلاحشدهی پارک برای مدل ریاضی موتور سنکرون مغناطیس دایم بیان نشده است .[7-8] شایان توجه است که در نسخههای سیمولینک متلب گزینهای برای استفادهی موتورهای فوق مبنی بر تبدیل پارک یا تبدیل اصلاحشدهی پارک وجود دارد 5]،.[2 با نگاهی بر گذشته، این مورد و مشکلات فوقالذکر باعث میشوند تا مدل خاص ایجاد گردد.
برای بخش اول اهداف تحقیقاتی، استراتژی کنترل برداری استاندارد مورد نیاز است. بلوک آماده به کار سیمولینک از درایو موتور سنکرون مغناطیس دایم در کنترل مبنی بر جریان پسماند کار میکند که لازم نیست. مدلاسیون پهنای پالس بردار فضایی برای پالسهای اینورتر نیاز به انتقال به قالب مرجع α-β دارد. برای درایو کنترل برداری بدون سنسور، ما نیاز به مقادیر الکتریکی در قالب مرجع α-β داریم که در مدل آماده بهکار براحتی در دسترس نیست چون کنترل پسماند جریان، مقادیر الکتریکی در قالب مرجع α-β را فراهم نمیکند.
همچنین، برای پیشرفت بیشتر در الگوریتمهای بدون سنسور، به مدل موتور سنکرون مغناطیس دایم نیاز است که بطور مستقیم در سیمولینک در دسترس نیست. بخاطر مشکلات مذکور، در این مقاله مدل سیمولینک متلب خاص خود از درایو کنترل سرعت موتورهای سنکرون مغناطیس دائم ایجاد خواهد شد. ساخنار این مقاله در ادامه به ترتیب زیر میباشد: بخش دوم اصول ساختاری و طبقهبندی موتورهای سنکرون مغناطیس دایم را ارائه میکند. بخش سوم کنترل برداری موتورهای سنکرون را مطرح مینماید. در بخش چهارم مدل ریاضیاتی موتورهای سنکرون مطرح خواهد شد و بخش پنجم نتایج شبیهسازی را بیان میکند. بخش ششم نتایج شبیهسازی و نتیجهگیری را ارائه خواهد داد.
-2 عملکرد و ساختار موتورهای سنکرون مغناطیس دایم
موتور سنکرون آهنربای دائم یک ماشین الکتریکی چرخان است که در آن ساختار استاتور شبیه به ساختار موتور القایی و موتور سنکرون مرسوم است. این روتور یک روتور آهنربای دائم است.
الف. ساختار و اصول عملیاتی
استاتور و روتور هردو مواد آهنی استوانهای و چندلایه هستند و با یک شکاف هوایی جدا میشوند .[1] آهنرباهایی که در روتور نصب میشوند نفوذپذیری مغناطیسی آنها بسیار شبیه به هوا میباشد. بنابراین، طبق قرارگیری آنها در روتور و طبق طراحی مورد دوم، میتوان ساختار همسانگرد و ناهمسانگرد روتور را از نقطه نظر مغناطیسی بدست آورد. مورد اول را میتوان با قراردادن آهنرباها در سطح خارجی روتور، و مورد دوم را میتوان با قرار دادن آهنرباها در داخل روتور بدست آورد. بطورکلی ماشینهای سنکرون مغناطیس دائم را میتوان بدین صورت طبقهبندی کرد:
-SPM آهنربای دائمی قرار گرفته در سطح ؛
– IPM آهنربای دائمی داخلی ؛
در ماشینی با یک روتور همسانگرد، تبدیل الکترومکانیکی طبق اصل سیستمهای الکترودینامیک، مثل موتور جریان مستقیم فعال میشود. تبدیل براساس تعامل میان شار تولید شده از جریانهای استاتور و میدانهای مغناطیسی بوجود آمده از آهنرباهای دائمی است. در موتورهای سنکرون مغناطیس دایم، رساناها درمعرض نیروهایی قرار میگیرند که در استاتور وجود دارند، درحالیکه آهنرباها در روتور هستند. در ماشین غیرهمسانگرد، تبدیل الکترومکانیکی از دو اصل سیستمهای الکترودینامیکی و رلوکتانس - مقاومت مغناطیسی - پیروی میکند. گشتاور تولید شده از این موتور با مجموع سهمهای این دو مکانیسم ارائه میشود.
سیمپیچی را میتوان با منبع سه فاز بیرونی ازطریق ترمینالهای هر فاز تغذیه کرد. کنترل این موتورها بسیار پیچیده است چون دینامیکهای موتور، غیرخطی و چندمتغیری هستند و پارامترهای اصلی مثل گشتاور بار نامشخص میباشند. اشکال عمدهی موتورهای سنکرون مغناطیس دایم، نیاز به سنسور موقعیت روتور، مثل یک رمزگذار وضوح بالا و یا حلکننده، برای کنترل مناسب سوئیچهای اینورتر است. این اطلاعات باید شار استاتور را در زاویهای باتوجه به میدان روتور که توسط آهنربای روتور تولید میشود، حفظ نماید. این امر بعنوان جابجایی الکترونیکی شناخته شده است.
برای حل چنین مشکلی، جریان استاتور باید همزمان با سیگنالهای ناپیوستهی دستور دارند. درنتیجه، راحتتر اینست تا از سیستم دستور غیرخطی مبنی بر روش تنظیم دو سطحی برای موتورهای سنکرون مغناطیس دایم استفاده کنیم. در سالهای اخیر مدلهای زیادی در مطالعات کانورتر ماشین استاتیک سنکرون ساخته شدند. یک روش معمول، مبتنی بر کنترل برداری موتور سنکرون است. دستور برداری موتورها نیاز به آگاهی دقیق موقعیت روتور دارد که راهاندازی خود به خود ماشین را تضمین میکند. این آگاهی را میتوان مستقیما از سنسور موقعیت یا بطور غیرمستقیم از سنسور سرعت بدست آورد.
-3 طرح کنترل برداری موتورهای سنکرون مغناطیس دایم
کنترل برداری همچنین معروف به کنترل میدان-گرا یا دیکوپلینگ است. شار فقط بوسیلهی جریان میدان کنترل میشود و این جریان را میتوان جریان تولیدکنندهی شار نام برد. ثابت نگهداشتن جریان میدان در هر زمان و نیز ثابت نگهداشتن شار- گشتاور بطور جداگانه فقط با جریان آرمیچر کنترل میشود و این جریان آرمیچر را میتوان جریان تولیدکنندهی گشتاور درنظر گرفت. کنترل مقادیر جریان آرمیچر و میدان همانطور که متغیرهای جریان مستقیم هستند، گشتاور الکترومغناطیسی و شار بدقت در درایو موتور جریان مستقیم القا شده، بطور جداگانه کنترل میشوند.
