بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي و شبيه سازي کنترل سرعت موتور سنکرون مغناطيس دائم بر اساس روش کنترل مستقيم گشتاور
خلاصه : موتورهاي سنکرون مغناطيس دائم (PMSM) براي کاربردهايي با سرعت هاي مستقل از بار يا عملکرد سنکرون با دقت زياد تحت سرعت تعيين شده مناسب مي باشند. در اين مقاله ساختار و روابط موتور سنکرون مغناطيس دائم بررسي مي شود، کنترل مستقيم گشتاور و بردارهاي فضايي ولتاژ مورد مطالعه قرار مي گيرد. استفاده از يک کنترل کننده ي PI که از داده هاي فيدبک سرعت استفاده مي کند ما را به کنترل سرعت موتور سنکرون مغناطيس دائم بر اساس روش کنترل مستقيم گشتاور هدايت مي کند. شبيه سازي کنترل سرعت موتور سنکرون مغناطيس دائم براساس روش کنترل مستقيم گشتاور نشان مي دهد که پاسخ گشتاور بسيار سريع مي باشد.
کلمات کليدي: موتور سنکرون مغناطيس دائم ، کنترل مستقيم گشتاور، کنترل سرعت
١ - مقدمه
موتور سنکرون مغناطيس دائم يک موتور AC است که سيم پيچ هايي در شيارهاي استاتور دارد. شار توسط جريان هاي استاتور توليد مي شود و تقريبا به صورت سينوسي است . بنابراين همان روش هاي کنترلي مورد استفاده موتور القائي براي موتورهاي سنکرون مغناطيس دائم نيز استفاده مي شود. روش هاي کنترلي عبارتند از :کنترل V.f، کنترل برداري ميدان و کنترل مستقيم گشتاور. اصل اساسي کنترل مستقيم گشتاور(DTC)، انتخاب مستقيم بردار ولتاژ استاتور بر اساس تفاوت بين گشتاور واقعي و مرجع و همچنين شار واقعي و مرجع است . حسن کنترل مستقيم گشتاور وابستگي کمتر به پارامترهاي موتور و پاسخ گشتاور سريع در مقايسه با کنترل گشتاور توسط کنترل جريان PWM مي باشد[١].
٢- موتور سنکرون مغناطيس دائم
موتورهاي سنکرون براي کاربردهاي با سرعت ثابت تحت بارهاي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد.
الف ) مزايا و معايب و کاربرد
مزايا: بازده بالا، گشتاور زياد، قدرت زياد، حجم کم و کنترل دقيق سرعت موتور هاي الکتريکي
معايب : هزينه ي موتور سنکرون مغناطيس دائم از موتور هاي DC و آسنکرون بيشتر است ، چون هزينه ي توليد مغناطيس هاي دائم بالا مي باشد.
کاربرد: صنايع شيميايي ، کارخانه هاي بافندگي ، صنايع شيشه ، سيستم حمل و جابجايي ، وسايل الکتريکي خانگي ، موتور هاي کشتي ، روباتيک و پله برقي [٢].
ج) انواع موتور سنکرون مغناطيس دائم
در اين موتور، مغناطيس دائم جايگزين سيم پيچ هاي القايي DC مي شود که وظيفه آن تامين شار مغناطيسي روتور مي باشد. سيم پيچ هاي استاتور بر روي استاتور قرار مي گيرند که سه فاز مي باشند.
بنابراين مقدار جريان کشيده شده از منبع شبکه حداقل مي شود.
اين نتايج مهم باعث پايين آمدن تلفات روتور و تحريک و در نتيجه افزايش کارايي در مقايسه با ديگر موتورها است و باعث صرفه جويي در هزينه و انرژي مي شود[٣].
مغناطيس ها بر روي روتور به دو صورت زير قرار مي گيرند:
١. قرارگرفتن مغناطيس ها بر روي سطح روتور
٢. قرارگرفتن مغناطيس ها داخل روتور به صورت شعاعي يا مدور در ادامه به هر دو اشاره اي مي کنيم .
١. قرارگرفتن مغناطيس ها بر روي سطح روتور: مغناطيس ها به شکل هاي نواري يا قوسي بر روي روتور نصب مي شوند. فاصله هوايي زياد و عکس العمل آرميچر ضعيف دارد. بزرگترين اشکال اين طراحي تحمل پايين آهنربا به نيروهاي گريز از مرکز است . بنابراين اين موتورها در کاربردهايي با سرعت پايين مورد استفاده قرار مي گيرند. اين موتورها به موتورهاي سنکرون مغناطيس دائم سطحي (SPMSM) معروفند. در شکل (١) اين موتور نشان داده شده است .
شکل (١): محل قرارگيري مغناطيس ها بر روي روتور
٢. قرارگرفتن مغناطيس ها داخل روتور به صورت شعاعي يا به صورت مدور: در حالت قبل مغناطيس ها در سرعت بالا در معرض نيروي زياد گريز از مرکز قرار گرفته و القاي فاصله ي هوايي بسيار محدود بود بنابراين مغناطيس ها در محفظه هاي درون روتور قرار مي دهند تا دو مشکل فوق حل شود. اکنون مغناطيس ها مقاومت بيشتري به نيروي گريز از مرکز دارند و مناسب براي کاربرد هاي با سرعت زياد مي باشد.
همچنين بازده ي اين موتور ها از موتور هاي مغناطيسي ديگر بيشتر است . البته اين موتور ها هزينه ي بالايي دارند، چون فرايند دقيق است و نياز به تکنولوژي بالا مي باشد. اين موتور ها موتور هاي سنکرون مغناطيس دائم دروني (IPMSM) شناخته مي شوند. قرار گيري مغناطيس ها به دو صورت شعاعي و مدور است [٤].
شکل (٢) قرار گيري مغناطيس ها به صورت شعاعي را نشان مي دهد.
شکل (٢): ساختار قرار گيري مغناطيس ها به صورت شعاعي
شکل (٣) قرار گيري قرار گيري مغناطيس ها به صورت مدور را نشان مي دهد.
شکل (٣): ساختار قرار گيري مغناطيس ها به صورت مدور
با مشاهده شکل هاي (٢) و (٣) تفاوت هاي بين آن ها آشکار مي شـود که اين تفاوت ها در جدول ١ آورده شده است .
د) معادلات موتور سنکرون مغناطيس دائم
بردار جريان استاتور در سيستم مرجع شار روتور (dq) بصورت id و iq است و گشتاور الکترو مغناطيسي وابسته به اين بردارها مي باشد. معادله هاي (٣-١) مربوط به معادله هاي مدل الکتريکي هستند و معادله (٤) مربوط به مدل مکانيکي است [٥].
جائي که :
J= ممان اينرسي
β= ضريب اصطکاک
p = تعداد زوج قطب
٣- کنترل مستقيم گشتاور موتور سنکرون مغناطيس دائم
کنترل مستقيم گشتاور براي کنترل بهتر گشتاور و شار بدون تغيير پارامترهاي موتور و بار مناسب مي باشد و فرکانس سوئيچ زني نيز پائين مي آيد. همچنين گشتاور و شار به طور مستقيم توسط بردار ولتاژ اينورتر موجود در کنترل مستقيم گشتاور کنترل مي شود[٦].
در کنترل مستقيم گشتاور دو کنترل کننده هيسترزيس مستقل استفاده مي شود که محدوده شار و گشتاور را تامين مي کند[٧].
بلوک دياگرام کنترل مستقيم گشتاور موتور سنکرون مغناطيس دائم در شکل (٤) نشان داده شده است [٨].
شکل (٤): بلوک دياگرام موتور سنکرون مغناطيس دائم با کنترل مستقيم گشتاور
همانطور که از شکل (٤) مشخص است ، ما به اينورتر ولتاژ نياز داريم که ساختار آن در شکل (٥) نشان داده شده است .
شکل (٥): اينورتر ولتاژ
همزمان نبايد Sw1 با Sw2 سوئيچ شود و در هر لحظه يکي از آنها فقط مي تواند سوئيچ شود و اين روند براي Sw3 با Sw4 و Sw5 با Sw6 نيز صادق است . بنابراين ٨ بردار ولتاژ خواهيم داشت که ٦ بردار غير صفر) (و ٢ بردار ديگر صفر) مي باشند[١].
شکل (٦): بردارهاي فضائي ولتاژ
Sector در شکل (٦) همان θ مي باشد که در ادامه بحث از آن استفاده شده است .جائي که :
شار مغناطيسي استاتور از معادله زير محاسبه مي شود:
با توجه به معادله (٧) شار مغناطيسي استاتور و بردار فضايي ولتاژ يک جهت دارند، بنابراين دامنه و جهت شار مغناطيسي استاتور، بوسيله نگه داشتن در پهناي باند تعيين شده، کنترل مي شود که توسط استفاده صحيح بردار فضائي ولتاژ مي باشد.
بردار فضائي ولتاژ براي کنترل دامنه شار مغناطيسي استاتور وابسته به جدول سوئيچينگ مشخص هستند. دو بردار ولتاژ مجاور که حاصل کمترين فرکانس سوئيچينگ هستند، براي افزايش يا کاهش دامنه انتخاب مي شوند.
جدول سوئيچينگ توسط تقسيم صفحه بردار ولتاژ به شش قسمت شکل مي گيرد که در جدول ٢ نشان داده شده است .
موقعي که شار مغناطيسي استاتور در جهت عقربه هاي ساعت در جهت ١ حرکت کند، بردار فضائي ولتاژ V2 انتخاب مي شود تا دامنه شار مغناطيسي استاتور را افزايش دهد و بردار فضائي ولتاژ V3 انتخاب مي شود تا دامنه را کاهش دهد. موقعي که شار مغناطيسي استاتور در جهت عقربه هاي ساعت حرکت مي کند، اگر هنوز در قسمت ١ حرکت مي کند، V6 براي افزايش دامنه و V٥ براي کاهش دامنه مورد استفاده قرار مي گيرد[٩].
