بخشی از مقاله
چکیده
سیستم رانش الکتریکی در اصل سیستم حرکتی مبتنی بر توان الکتریکی کنترلشده است. هر سیستم الکتریکی مبتنی بر بخشهای اساسی تولید توان و مصرف آن است که در رانش الکتریکی مصرف توان توسط موتورهای الکتریکی و کنترل آن توسط درایورهای توان بالا انجام میشود. بحث هارمونیک در سطوح بالای توان مشکلات عدیدهای مثل گشتاور ضربهای و اتلاف توان در سمت موتور ایجاد میکنند لذا برای کاهش اثرات این عامل مخرب یک نمونه مدار اینورتری چندسطحی بهبودیافته برای درایو موتورهای توان بالا در این مقاله ارائهشده است. تحلیل شکل موجهای خروجی مدار، بااتصال دو نمونه بار اهمی-سلفی و موتور القایی به خروجی اینورتر در نرمافزار PSCAD، انجامشده است.
مقدمه
از زمانهای بسیار دور حرکت در سطح آب یکی از علایق بسیار شدید انسان بوده که بهمرورزمان با استفاده از ابزارهای مختلفی به این مهم دستیافته است. استفاده از نیروی انسانی برای رانش کشتیها تا بهرهگیری از نیروی باد در جهتدهی آنها ازجمله سیستمهای رانش به شمار میرفتند تا آنکه اختراع موتورهای محرک احتراقی یک تحول عظیمی را در صنعت حملونقل به وجود آورد. با بهکارگیری موتورهای احتراقی در داخل کشتی در اصل سیستم رانش مکانیکی در روی کشتیها پیادهسازی شد.
استفاده از سیستم رانش مکانیکی در اصل منجر به گسترش بسیار وسیع در استفاده از تجهیزات دریایی شد و آنهم به دلایل افزایش توان کشتیها، افزایش قابلیت اطمینان، افزایش مسافت سفرهای دریایی و ... بود .[1] با گسترش روزافزون تجهیزات الکترونیک قدرت، کنترل توان الکتریکی در سطوح بالا فراهم و استفاده از سیستمهای الکتریکی در تجهیزات مکانیکی گسترش یافت. یک ساختار مکانیکی در اصل دارای معایبی مثل نیاز زیاد به تعمیرات و نگهداری، بالا بودن وزن اجزای تشکیلدهنده، صدای زیاد در حین کار و ... است که مهندسان را به استفاده از ساختار جایگزین مجبور میکند. ساختار الکتریکی یکبخشی از معایب سیستم مکانیکی را حذف یا بهبود میبخشد که در اصل یک جایگزین مناسبی برای سیستم رانش مکانیکی خواهد بود .[1][2]
سیستم رانش الکتریکی از بخشهای اصلی تولید توان الکتریکی، انتقال توان، کنترل و مصرفکننده تشکیل میشود، بخش تولید توان میتواند از دیزل ژنراتور، توربینهای گازی، نیروگاههای هستهای و حتی منابع انرژی تجدید پذیر استفاده بکند ولی بخش درایور یا کنترلکننده یک ساختاری متناسب با بخش مصرفکننده سیستم الکتریکی است. در بخش بار مصرفی در سیستم رانش الکتریکی پروانه کشتی بهصورت کوپل شده با موتور الکتریکی در بیرون بدنه کشتی - داخل آب - قرار دارند که سیستم درایور باید موتور الکتریکی را در سرعتهای متغیر کنترل بکند، به همین دلیل است که موتور تعیینکننده درایور توان الکتریکی است ولی اکثراً به دلیل استفاده از موتورهای الکتریکی جریان متناوب، از درایورهای با خروجی متناوب یا همان اینورترها استفاده میشود.
در نمونه شناورهای ساختهشده با سیستم رانش الکتریکی از موتورهای سنکرون برای درایو پروانه استفادهشده است، همچنین در برخی نمونههای توان پایین و یک طرح ناو هواپیمابر - در آستانه بهرهبرداری - موتورهای القایی بهعنوان مصرفکننده سیستم رانش الکتریکی از درایور تغذیه میشوند لذا هدف نهایی کنترل سرعت یک موتور الکتریکی جریان متناوب است. در کنترل سرعت موتورهای الکتریکی دو پارامتر توان ورودی - سطح ولتاژ - و فرکانس تعیینکننده هستند ولی در عمل پارامتر فرکانس پاسخ بهتری برای کنترل سرعت موتور دارد مخصوصاً اینکه در شناورهای رانش الکتریکی به دلیل سطح بالای ولتاژ، استاندارد کلیدها، خطر به اشباع رفتن موتور استفاده از تغییرات سطح ولتاژ ورودی موتور برای کنترل سرعت نامعقول است همچنین کنترل فرکانس برای اینورتر سریعتر و دقیقتر از کنترل ولتاژ خواهد بود .[3]
استفاده از اینورتر در مدارات الکترونیک قدرت در اصل بسیار حائز اهمیت و بدون مدارات اینورتری شاید غیرقابلتصور باشد ولی هر ساختاری علاوه بر مزایا دارای برخی معایب هم خواهد بود که شاید در سطوح توان پایین کماهمیت ولی در توانهای بالا ایجاد مشکل میکنند. اصلیترین اشکال در مدارات اینورتری تولید هارمونیک از اینورتر و اعمال آن به شبکه برق یا بار الکتریکی است که در شبکه تولید تلفات شدید و در بارخروجی علاوه بر تلفات ایجاد گشتاور ضربهای میکند لذا در عمل باید چارهای برای هارمونیک اندیشیده شود.
برای کاهش هارمونیک در خروجی اینورتر روشهای نرمافزاری و سختافزاری وجود دارند: روشهای نرمافزاری مثل روش مدولاسیون پهنای پالس یکنواخت - UPWM1 - ، روش مدولاسیون پهنای پالس سینوسی - SPWM2 - ، روش مدولاسیون پهنای پالس برداری - SVPWM3 - و روشهای سختافزاری مثل اینورترهای چند پالسه - MPI4 - و اینورترهای چندسطحی .[4] - MLI5 - نکته مهم در تحلیل این روشها در اینجاست که هرکدام از روشهای نرمافزاری قابل کاربرد تا سطح معینی از هارمونیکها خواهند بود یعنی بهطور کامل نمیتوانند عامل مخرب هارمونیک را از بین ببرند ولی در روشهای سختافزاری امکان حذف اثرات هارمونیکی تا حدود بسیار زیادی وجود دارد.
مدارات درایوری که برای موتورهای الکتریکی تابهحال تولیدشدهاند از اینورترهای نوع سیکلوکانورتر، مبتنی بر منبع جریان - LCI6 - و مبتنی بر منبع ولتاژ - VSI7 - تولیدشدهاند که برای مقابله با اثرات هارمونیکی آنها از مدارات چند پالسه استفادهشده است. در این ساختار با افزایش تعداد سوئیچهای اینورتر اثرات هارمونیکی آن را کاهش میدهند مثل 12 سوئیچ، 18 سوئیچ و ... این مدارات باآنکه در بهبود فرآیند کاهش اثرات هارمونیکی بسیار مؤثر واقعشدهاند ولی تولید اینورتر با این تعداد سوئیچ توان بالا بسیار هزینهبر خواهدشد زیرا در عمل ریتینگ همه سوئیچهای اینورتر باید در حد ریتینگ بار اصلی باشد لذا با مدارات اینورتری جایگزین هارمونیکهای اعمالی به بار باید کاهش یابد.
در کنار روش سختافزاری چند پالسه، مدارات اینورتری چندسطحی هم برای کاهش اثرات هارمونیکی به کار بسته میشوند. در این نوع اینورترها شکل موج خروجی از حاصل جمع تعدادی ولتاژ ثابت تولید میشود که در اصل بسیار به شکل موج سینوسی شبیه خواهد بود. مزیت اصلی اینورترهای چندسطحی کاهش ریتینگ سوئیچهای بهکاررفته در مدار اینورتر است که درنهایت با کاهش هزینههای تولید همراه خواهد بود. اینورترهای چندسطحی در انواع مدارات مبتنی بر خازن یا مبتنی بر منبع ولتاژ ثابت طراحی میشوند. مدارات خازنی به اینورترهای چندسطحی ماژولار - MMC8 - و خازنهای شناور - FC9 - معروف هستند که از یک منبع ورودی ثابت، شکل موج خروجی چندسطحی تولید میشود ولی در مقابل، در مدارات اینورتری کاسکاد چندین منبع ورودی مستقل از هم بار خروجی را تغذیه میکنند .[6][5]
تحلیل ساختمان سیستم رانش الکتریکی
در سیستم رانش الکتریکی هدف کنترل یک موتور برای درایو پروانه کشتی در توانهای بالاست بهنحویکه سیستم کاملاً کنترلشده عمل کرده و تأثیر تمامی پارامترها از قبیل سرعت کشتی، مساحت، شکل پروانه و ... را در سیستم کنترلی اعمال کند. تولید توان الکتریکی در رانش شناور بر طبق استانداردهای خاصی و در شکل سینوسی ثابت است ولی از طرف دیگر کنترل موتور الکتریکی با توان ثابت غیرممکن خواهد بود بنابراین استفاده از درایورهای کنترل توان الکتریکی ضروری است.
شکل 1 بلوک دیاگرام سیستم رانش الکتریکی را نشان میدهد. کنترل سیستم رانش در حقیقت با فیدبک گرفتن از ساختار کشتی، معادلات حاکم بر پروانه، خروجی موتور الکتریکی و مقادیر مرجع انجام خواهد شد، از ساختار مدار واضح است که اینورتر مدار سیستم رانش تعیینکننده پارامترهایی همچون سرعت کشتی است لذا نوع اینورتر، مشخصات خروجی، نحوه کنترل، انعطافپذیری و ... ازجمله مواردی هستند که باید بهطور دقیق مورد تحلیل و بررسی قرار بگیرند.
تحلیل معادلات دینامیکی کشتی
بر طبق قوانین فیزیکی حرکت هر جسم در سطح آب از برخی معادلات تبعیت میکند، معادلاتی که نیروی وارده بر کشتی و توان لازم جهت حرکت را تعیین میکنند. سیستم نیروی محرکه کشتی باید توانایی غلبه بر مقاومت کشتی و بار پروانه داشته باشد. مقاومت کشتی به مجموعه نیروهایی وابسته میشود که با حرکت کشتی مخالفت و سرعت را کاهش میدهند.
