بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله درایو کلاسیک موتور SR خلاصه سازی شده و یک درایو با کلید و دیودهای مشترک بین فازها طراحی می شود. سپس میزان تلفات و ریپل گشتاور درایو کلاسیک با دو روش کلیدزنی بدست آورده شده، نتایج با درایو طراحی شده مورد مقایسه قرار می گیرد. در این مقاله کنترل درایوها بصورت هیسترزیس صورت می گیرد و از کنترل PI به منظور کنترل سرعت استفاده می گردد. همچنین به منظور کنترل ریپل گشتاور از روش کنترل جریان فاز استفاده می شود، به همین منظور از کنترل هیسترزیس جریان با باند هیسترزیس%10 جریان نامی بهره گرفته شده است و سپس با توجه به روش جدید شبیه سازی موتورSR ، در محیط Simulink محاسبات دقیقی از تلفات کلیدزنی و ریپل گشتاور در درایوSR انجام شده است.
-1 مقدمه
اولین بهره برداری از موتورهای SR به سال 1838 به منظور ایجاد نیروی محرکه در قطارها بر می گردد[1] ، اما در آن زمان به دلیل عدم وجود المانهای الکترونیک قدرت، این موتور کمتر مورد توجه واقع شد، در سالهای اخیر به ویژه پس از گسترش الکترونیک قدرت و میکروکنترلرها، این موتور به دلیل مزایای بسیار، بار دیگر مورد توجه واقع شد. از جمله مزایای موتور SR می توان به ساختمان ساده، تولید و نگهداری ارزان، عدم سیم پیچی روتور، قابلیت ادامه کار در صورت بروز اشکال در یک فاز موتور اشاره نمود. آنچه که کاربرد گسترده موتور SR را محدود می نماید، ریپل گشتاور و تولید نویز صوتی می باشد.
ریپل گشتاور در اثرمشخصه اصلی موتورSR ، که همان برجستگی دوبل قطبها و در نتیجه ظاهر شدن مشخصه غیر خطی برای موتور می باشد، ایجاد می گردد. بنابراین ریپل گشتاور به چگونگی طراحی موتور و نوع درایو و کنترل آن بستگی دارد.[2] در این مقاله طراحی مدار درایو موتور SR مورد توجه واقع شده لذا در ابتدا درایو کلاسیک موتور SR مورد بررسی قرار گرفته و میزان تلفات و ریپل گشتاور آن بدست آورده می شود. سپس این درایو به منظور کاهش ریپل گشتاور و المانهای بکار رفته در آن بهینه سازی می گردد. در این مقاله برای کنترل سرعت در هر دو درایو معرفی شده از کنترل کننده PI استفاده شده است.
-2 شبیه سازی موتورSR درمحیطSimulink
در این مقاله یک موتور SR ،6/4 - شکل - 1که مشخصات آن درجدول 1 ارائه شده، شبیه سازی شده است. برای مدلسازی موتور SR روشهای مختلفی ارائه شده است که همه آنها از منحنی مشخصه مغناطیسی B مکانی، که فلوی پیوندی را برحسب جریان در زوایای مختلف روتور نشان می دهد، استفاده می نمایند.[3] این روشها به دلیل مشخصه مهم موتور SRیعنی خاصیت غیر خطی، تحلیلی غیر دقیق خواهند داشت، علاوه بر این قادر به نمایش تغییرات لحظه ای جریان، ولتاژ، نیروی ضد محرکه الکتریکی و گشتاور الکترومغناطیسی نمی باشند.
در این مقاله از یک روش جدید مدلسازی دینامیکی و غیر خطی موتور SR با استفاده از بلوکهای واسط Simulink که توسط نگارنده ارائه شده است، استفاده می نمائیم.[4] اساس این مدلسازی بر مبنای مدل نمودن یک فاز استاتور می باشد و به منظور وارد نمودن تغییرات منحنی مشخصه شار-جریان- زاویه از جداول جستجو Simulink بهره گرفته شده است
گشتاور الکترومغناطیسی کل موتور برابر با حاصل جمع گشتاورهای هر یک از فازها می باشد. معادله مکانیکی موتور عبارت است از:
که m سرعت زاویه ای، Te گشتاور الکترومغناطیسی یک فاز، TL گشتاور بار، j ممان اینرسی و B ضریب اصطکاک ویسکوزیته می باشد.
شبیه سازی یک فاز موتور SR با توجه به روابط فوق در شکل3 ارائه شده است و گشتاور خروجی موتور با توجه به رابطه - 7 - به صورت ارائه شده در شکل4 بدست می آید. این روش شبیه سازی دارای دقت بالا و اجرای سریعتری نسبت به سایر مدلسازیها می باشد. و همچنین می تواند مقادیر لحظه ای جریان، ولتاژ، نیروی ضد محرکه الکتریکی و گشتاور الکترومغناطیسی را نمایش دهد.
-3 درایو کلاسیک موتورSR
این درایو برای هر فاز دارای دو کلید قدرت و دو دیود می باشد شکل.5 به همین خاطر آن را درایو 2q کلیدی نیز می نامند که q تعداد فازهای موتور می باشد.[5] شبیه سازی کامل این درایو در شکل7 نشان داده شده است. در این شبیه سازی از یک کنترل کننده PI برای کنترل سرعت استفاده شده است، و کنترل جریان موتور به صورت هیسترزیس صورت می پذیرد. پهنای باند هیسترزیس در این شبیه سازی%10 جریان نامی موتور در نظر گرفته شده است.
کلیدهای قدرت درایو کلاسیک را می توان به دو صورت کلیدزنی نمود، در روش اول هر دو ترانزیستور فاز در هنگامی که فاز در زاویه هدایت خود قرار می گیرد عمل برش جریان را انجام می دهند، بدین صورت که هنگام خارج شدن جریان از محدوده باند هیسترزیس هر دو ترانزیستور با هم قطع یا وصل می گردند، در نتیجه در هنگام قطع ترانزیستورها، دیودهای هرزگرد، دو سر سیم پیچ فاز را به دو سر منبع به صورت معکوس متصل نموده و انرژی ذخیره شده به منبع باز می گردد.
در روش دوم کلیدزنی که ایده استفاده از مدار درایو بعدی از آن گرفته شده است، در زمانی که زاویه هدایت فاز مورد نظر فرا می رسد یکی از ترانزیستورهای فاز همواره روشن باقی می ماند و ترانزیستور دیگر عمل کلیدزنی را انجام می دهد و جریان فاز را در محدوده باند هیسترزیس نگه می دارد در نتیجه در هنگام قطع کلید، دو سر سیم پیچ فاز اتصال کوتاه شده و ولتاژ صفر به سیم پیچ اعمال شده، جریان فاز با سرعت کمتری کاهش می یابد و در پایان زاویه هدایت فاز هر دو ترانزیستور قطع شده و ولتاژ منبع به دو سر سیم پیچ اعمال شده جریان باسرعت بیشتری به صفرمی رسد.
-4 طراحی درایو کلاسیک با المانهای مشترک
همانگونه که در بخش قبل گفته شد، در درایو کلاسیک از دو کلید در هر فاز استفاده می شود و با توجه به نحوه کلیدزنی، در دو فاز مجاور می توان از هر فاز یک کلید را حذف نموده و تنها از یک کلید مشترک برای عمل کموتاسیون در زمان هدایت هر فاز بصورت نشان داده شده در شکل6 استفاده کرد. همچنانکه از مدار درایو شکل 7 دیده می شود برای یک موتور q فازه به یک درایو با - q+1 - کلید و دیود نیاز می باشد.
با در نظر گرفتن فاز A برای فعال شدن، ترانزیستورهای T1و T2 روشن شده و ولتاژ منبع DC به دو سر سیم پیچ اعمال می شود. وقتی جریان ia به حد بالای باند هیسترزیس برسد، اولین مرحله این است که یکی از ترانزیستورهای T1 یا T2خاموش گردد، در این حالت جریان هرزگردی از طریق D1 و T2 یا D2 و T1 مسیرخود را بسته و ولتاژ صفر به دو سر سیم پیچ فاز اعمال می گردد.
دومین مرحله خاموش کردن هر دو ترانزیستور T1 و T2 می باشدنتیجتاً. ولتاژ Vdc به دو سر فاز Aاعمال شده و جریان سریعاً افت می کند. بطور مشابه برای فازB، المانهای T2، T3، D2 و D3 استفاده می شوند و برای فازC، المانهای T3 ،T4 ،D3 وD4 برای کنترل جریان بکار برده می شوند. المانهای T2 ،T3 ،D2 وD3 بین دو فاز مشترک می باشند. در هنگام کموتاسیون بین فازهای A و B ، ترانزیستور T1 خاموش شده ترانزیستور دیگر ولتاژ صفر را به دو سر فاز اعمال می نماید این امر باعث می شود مدت بیشتری طول بکشد تا جریان به حد پایینی باند هیسترزیس برسد، بنابراین تعداد کلیدزنی ها کمتر می شود که نتیجه آن کمتر شدن تلفات خواهد بود.
در مورد درایو با المانهای مشترک تلفات در تمامی سرعتها بیشتر از درایو کلاسیک با هر دو شیوه کلید زنی می باشد. باتوجه به جدول بیشترین تلفات در این درایو در کلید و دیودهای مشترک بین فازها ایجاد می شود که دلیل آن افزایش تعداد کلیدزنی در یک سیکل می باشد. در درایو کلاسیک در هر سیکل کاری تنها یک بار از هر المان استفاده و ترانزیستورهای T2 وT3 روشن می گردد، در این حالت ولتاژ صفر به دو سر فاز A و ولتاژ Vdc به دو سر فاز B اعمال می گردد. در این درایو کلیدها و دیودها با عملکرد مشترک بهره کاری بیشتری دارند. برتری این درایو به درایو کلاسیک ، تعداد المانهای کمتر و در نتیجه قیمت پایینترو بهره کاری بیشتر المانها درمدار می باشد.
-5 شبیه سازی
شبیه سازی دو مدار درایو فوق در محیط Simulink انجام شده است شکلهای7 و. 8 در این شبیه سازی باند هیسترزیس% 10 جریان نامی در نظر گرفته شده است و کنترل سرعت برای 1، 2/3،1/2 سرعت نامی اجرا شده است و تغییرات لحظه ای جریان، ولتاژ ضد محرکه الکتریکی، گشتاور و سرعت بدست آمده است. برخی از این نتایج در شکلهای 9تا12 نشان داده شده است. تلفات درایو که مربوط به کلیدها و دیودهای موجود در درایو است از متوسط گیری حاصلضرب جریان در ولتاژ المان حاصل شده است یعنی : این رابطه با اجرای یک زیر سیستم در شبیه سازی محاسبه می شود.
با اجرای شبیه سازی هر دو درایو برای سرعتهای متفاوت میزان تلفات کلیدها و دیودها در جدول2 ثبت شده است. همانطور که دیده می شود به ازای کلیه سرعتها، تلفات در درایو کلاسیک با روش کلیدزنی یک ترانزیستور برشگر، کمتراز دو ترانزیستور برشگر است، چرا که در روش یک ترانزیستوری هنگامی که یکی از ترانزیستورها قطع است می شود درحالی که در درایو اخیر از یک کلید و دیود، در هر فاز در هر سیکل کاری دو بار استفاده می شود، این عملکرد مشترک باعث بهره کاری بیشتری برای المانهای درایو می گردد و در مجموع قیمت درایو را کاهش می دهد. در این درایو بر خلاف درایو کلاسیک به دلیل مشترک بودن برخی از المانها امکان کنترل مستقل فازها وجود ندارد با این وجود با استفاده از روش کلیدزنی دو ترانزیستوری می توان در جریان نامی موتور ریپل گشتاور کمتری تولید نمود.
