بخشی از مقاله
خلاصه
در صنعت محرکه های الکتریکی، موتورهای سنکرون مغناطیس دائم داخلی به دلایلی از جمله حجم کم و راندمان بالا در رأس تحولات بهینهسازی در مصرف انرژی و آلودگیهای زیستمحیطی قرار گرفتهاند. ازآنجاییکه کنترل مستقیم شار در اینگونه موتورها امکانپذیر نمیباشد؛ لذا در این تحقیق به منظور کنترل شار و در نتیجه کنترل سرعت، از روش کنترل برداری استفاده شده است.
از سوی دیگر، دستیابی به سرعتهای بالاتر از سرعت نامی در این نوع موتورها، مستلزم مصرف جریان اضافی برای کاهش میدان آهنرباست که تأثیر مستقیمی بر افزایش تلفات و کاهش راندمان دارد؛ لذا این مقاله با استفاده از روش اجزا محدود و مدلسازی دقیق موتور و با در نظر گرفتن مشخصههای اشباع مغناطیسی هسته و تلفات آهن سعی دارد به نتایج دقیقتری دست یابد.
به این صورت که در سرعتهای بالا، اثرات اشباع و تلفات آهن در نظر گرفته شده و تأثیر آنها بر روی ضریب توان و راندمان موتور لحاظ گردیده است. مقایسه نتایج روش اجزا محدود با مدل واقعی نشان داد که استفاده از این روش به منظور شناسایی سرعت مناسب برای کنترل برداری موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی و روند طراحی این نوع موتورها و راهانداز بهینه، مثمر ثمر واقع خواهد شد.
.1 مقدمه
برای راهاندازی مؤثر یک موتور مغناطیس دائم داخلی 1 - IPM - شار مغناطیسی تولید شده در استاتور بایستی به دقت مورد توجه قرار گیرد. به همین دلیل است که در یک موتور IPM از کنترل برداری استفاده میشود. با توجه به اینکه موتورهای IPM در عملکرد با سرعت بالا نیازمند کنترل برداری دقیق بدون سنسور میباشند، اثر اشباع بایستی در نظر گرفته شود. با این وجود در پژوهشهای انجام گرفته، اثر اشباع و تلفات آهن در سرعتهای بالا در نظر گرفته نشده است.
در اکثر مقالههای بیان شده میزان سرعت نامی ماشین ارائه نشده است ولی در کاربردهای سرعت بالا سرعت نامی و سرعت بیشینه دو کمیت اساسی است که بر روی طراحی بهینهی ماشین تأثیر بسزایی دارد. بهطورکلی تا کنون مقالات زیادی در رابطه با موتورهای خیلی سرعت بالا 2 - VHS - و در موارد خاص موتورهای بدون شیار آهنربای دائم ارائه شده است. تنها تعداد کمی از آنها به سرعتهای بالاتر از 200000 دور بر دقیقه با توان بالا رسیدهاند
در مرجع [5] توزیع میدان فاصله هوایی، شکل موج نیروی ضد محرکهی الکتریکی و تلفات هسته با استفاده از یک مدل در دستگاه دوبعدی مختصات قطبی به منظور طراحی یک ماشین بدون جاروبک بدون شیار آهنربای دائم ارائه شده است. همچنین یک مدل تحلیلی دوبعدی در مختصات قطبی برای ماشینهای بدون جاروبک به منظور محاسبهی توزیع میدان در فاصله هوایی، شکل موج نیروی ضد محرکهی الکتریکی و اندوکتانس سیمپیچی و تلفات هسته [6-8] ارائه شده است.
اثر اشباع در یوک استاتور، دندانههای استاتور و روتور میتواند مقدار اندوکتانس را کاهش دهد که بر روی چگالی گشتاور، ضریب توان و راندمان موتور اثر میگذارد. اگر شرایط محرکه موتور توسط بار، تلفات آهن، هارمونیکهای ناشی از مدولاسیون عرض پالس 3 - PWM - و غیره تغییر کند، مشخصههای فیزیکی موتور IPM با استفاده از مدل مدار معادل به دقت قابل پیشبینی نخواهد بود و بهبود و کارایی موتور محدود خواهد شد. در کاربردهای با سرعت بالا، تلفات آهن نیز میتواند به یکی از علل مهم تلفات تبدیل شود. خوشبختانه روش اجزا محدود 4 - FEM - بر خلاف مدل معادلات ولتاژ قادر است تا ساختار پیچیده و اشباع مغناطیسی را با دقت بالا مدل کند.
معمولاً در طراحی درایوهای موتور IPM به خاطر کاهش هزینه مدلسازی، از شبیهسازی در مقایسه با نمونه آزمایشگاهی استفاده میشود با داشتن همه عناصر و پارامترهای عملیات، شبیهسازی میتواند در حالتهای دائم و گذرا به دقت انجام گردد. با اطمینان از صحت نتایج شبیهسازی، این عمل، هزینه ساخت نمونه آزمایشگاهی را کاهش میدهد و شبیهسازی موتور به صورتی که جزییات بیشتری را در بر گیرد، باعث نزدیک شدن نتایج شبیهسازی به واقعیت میگردد.
با توجه به اینکهمدلِ برگرفته شده از آنالیز FEM با در نظر گرفتن مشخصههای اشباع مغناطیسی، فضای هارمونیکی، تلفات آهن و غیره بسیار به مدل واقعی موتور شبیه خواهد بود؛ بنابراین استفاده از FEM موتور در شبیهساز سیمولینک نتایجی بسیار نزدیک به مدل واقعی خواهد داشت. در این تحقیق کنترل برداری موتور IPM با استفاده از FEM موتور انجام میشود تا اثرات اشباع و تلفات آهن نیز در نظر گرفته شود.
.2 شبیهسازی
همانطور که از رابطهی - 2 - مشخص است، زمانی که رابطهی فوق در رابطهی دیفرانسیلی - 1 - قرار گیرد، یکسری معادلات ضرایب با متغیر را شکل میدهد که حل آنها بسیار وقتگیر و دشوار است، لذا برای کاهش حجم محاسبات، با انتقال معادلات از دستگاه abc ساکن استاتور به دستگاه dq دوار با سرعت دلخواه یکسری معادلات دیفرانسیل با ضرایب ثابت به دست خواهد آمد که حل آنها بسیار سادهتر است.
مدل ایدهآل کنترل برداری موتور سنکرون آهنربای دائم 8 قطب در نرمافزار سیمولینک شبیهسازی و خروجیهای موتور اعم از جریان و گشتاور استخراج گردید. با استفاده از مدل به دست آمده FEM و جایگزین نمودن آن با موتور IPM ایدهآل، نتایج مورد بحث و بررسی قرار میگیرد. اطلاعات کامل موتور از نظر ابعادی، متریال استفاده شده، نوع سیمبندی کلیه خطوط، تراکم و جهت شار با استفاده از نرمافزار مطابق شکل 1 به دست آمد. بیشترین اشباع در قسمت انتهای قطبهای مغناطیسی ایجاد شده که باعث افزایش تلفات هسته و جریان به خصوص در سرعتهای بالا میگردد که تأثیر مستقیمی بر کاهش راندمان موتور دارد.
