بخشی از مقاله
چکیده
همواره تلاشهاي زیادي براي ارتقاي کارایی موتور سوئیچ رلکتانس در جهت کاهش افزایش گشتاور بر آمپر و گشتاور بر حجم ماشین صورت گرفته است. بدین ترتیب یک ماشین الکتریکی سوئیچ رلکتانس جدید - ماشین الکتریکی سوئیچ رلکتانس دو استاتوره - با قابلیت تولید گشتاور بالاتولید شده است. مشخصه شار این موتور تابع غیرخطی از جریان استاتور و موقعیت روتور است.
با استفاده از کنترل مستقیم گشتاور لحظهاي قابلیت کنترل مستقیم گشتاور لحظهاي فراهم می شود که منجر به کاهش ریپل گشتاور میشود. در این مقاله کنترل مستقیم گشتاور لحظهاي براي موتور سوئیچ رلکتانس دو استاتوره با استفاده از مبدل نامتقارن در جهت کاهش ریپل گشتاور ارائه میشود. نتایج شبیهسازي با استفاده از نرمافزار متلب ارائه میشود.
1. مقدمه
موتور موتور سوئیچ رلکتانس در دوهه اخیر براي کارهاي خانگی و صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. اما به دلیل برجسته بودن قطبهاي روتور و استاتور موتور داراي ریپل گشتاور ذاتی است. [1-2]به منظور چیره شدن بر ریپل گشتاور روشهاي کنترلی مفیدي در سالهاي اخیر پیشنهاد شده است.دو روش کنترل گشتاور وجود دارد: مستقیم وغیرمستقیم.روش مستقیم استفاده از TSF است که ریپل گشتاور با استفاده از پروفایل جریان مینیمم شود.[3-6] اما این پروفایلها بصورت آفلاین براي نقاط عملکرد ثابت محاسبه میشوند و علاوه بر این پروفایلها حجم زیادي از حافظه موجود در سیستم میکروکنترلر را میگیرند.
توابع توزیع گشتاور زیادي را می توان معرفی کرد که بتوانند گشتاور را به گونه اي بین فاز هاي مجاور به اشتراك بگذارند که هدف اولیه که همان کاهش ریپل گشتاور می باشد را برآورده کنند. برخی از توابع توزیع گشتاور معروف، برمبناي منحنی هایی مانند نمایی توابع خطی[8]، سینوسی[9] یا مکعبی[10] پیاده سازي شده اند که بر اساس نامگذاري در هر یک از این توابع تابع توزیع گشتاور به همان شکل تغییر می کند . ولیکن براي اینکه بتوانیم یک تابع توزیع گشتاور بهینه اي را انتخاب کنیم که داراي پارامتر هاي بهینه باشد، یعنی تنها شامل هدف کاهش ریپل گشتاور نباشد، لازم است که هدف دومی را مشخص کنیم. تلاش هاي زیادي براي بهینه سازي تابع توزیع گشتاور بر مبناي هدف ثانویه ي اشاره شده انجام شده است
در [11] بر مبناي تغییرات پارامترهاي تابع توزیع توزیع گشتاور یعنی زوایاي روشنی، خاموشی و همپوشانی تلفات مسی و ریپل گشتاور اندازه گیري می شود و زاویه ي بهینه بدست می آید . در [12] با استفاده از یک روش منطقی مسیر بهینه اي در صفحه ي جریان فاز وارد شونده بر حسب جریان فاز خار ج شونده بدست می آید که تلفات مسی را مینیمم می کند. در [13] روشی ارائه شده است که بر مبناي این روش می توان خانواده اي از توابع توزیع گشتاور را معرفی کرد که هرکدام از اهداف ثانویه ي اشاره شده را می توان با انتخاب تابع توزیع گشتاور مناسب برآورده کرد.
فناوري کنترل مستقیم گشتاور یک روش تحلیلی بر مبناي بردارهاي فضایی میباشد. این روش گشتاور موتور را در مختصات مرجع استاتور به صورت مستقیم محاسبه و کنترل می کند که با جهتیابی شار استاتور عمل می کند. این روش بطور مستقیم کنترل بهینه اي از حالتهاي سوئیچ ها را براي مبدل توان بر مبناي سیگنال هاي PWM به اجرا در می آورد، بطوریکه داراي عملکرد دینامیکی بهینه اي براي گشتاور باشد .
در ابتدا شار مغناطیسی استاتور باید در یک دامنه ي ثابتی باقی بماند بطوریکه مسیر حرکت شارپیوندي استاتور بصورت چند ضلعی یا شبیه به دایره باشد. تغییرات شار پیوندي استاتور موتور سوئیچ رلکتانس دو استاتوره ناشی از تغییرات بردار ولتاژ در همان جهت می باشد. در این مورد ولتاژ در مسیر مناسبی تغییر می کند. بنابراین هدف این است که یک حرکت دایره اي شکل براي شار پیوندي استاتور با انتخاب مناسب بردار هاي ولتاژ بدست آوریم. ثانیا گشتاور با افزایش وکاهش سرعت بردار شار پیوندي استاتور کنترل می شود. براي موتور سوئیچ رلکتانس دو استاتورهافزایش یا کاهش سرعت بردار شار پیوندي استاتور می تواند براي کنترل گشتاور موتور مورد استفاده قرار گیرد
محققین همواره تلاشهاي زیادي براي ارتقاي کارایی و بهینهسازي ساختمان و کنترل ماشینهاي الکتریکی از نظرافزایش راندمان تبدیل انرژي و کاهش نوسانات گشتاور در جهت کاهش میزان لرزش، نویز ، گشتاور بر آمپر و گشتاور بر حجم ماشین صورت گرفته است. در این چند سال اقدام بسیار موثري در زمینه ي بهینه سازي ماشین سوییچ رلکتانس صورت گرفته است. این اقدام باعث طراحی و ساخت یک ماشین الکتریکی سوییچ رلکتانس جدید - ماشین الکتریکی سوییچ رلکتانس دو استاتوره - DSSRM با قابلیت تولید گشتاور بالا شده است [18-19] .روش مستقیم استفاده از کنترل DITC است که بطور مستقیم گشتاور لحظهاي موتور کنترل میگردد
شکل 1 ساختار کنترلی DITC را نشان می دهد. نیاز اساسی DITC گشتاور کل لحظهاي است.گشتاور لحظه اي در سوئیچ رلکتانس را نمیتوان همانند ماشینهاي DC یا ماشینهاي میدان گردان بوسیله روابط ریاضی بیان کرد.با توجه به مشخصه غیرخطی سوئیچ رلکتانس دو استاتوره گشتاور لحظهاي را میتوان تنها بوسیله مشخصات ذخیره شده ماشین تخمین زد. براي تخمین گشتاور مشخصات گشتاور بر حسب جریان و موقعیت روتور یا بر حسب جریان و شار پیوندي ارائه میشوند.تخمین شار پیوندي در سرعت-هاي پایین مشکل است. بنابر این در اینجا گشتاور لحظهاي توسط جریان مرجع و موقعیت روتور تخمین زده میشود.
شکل :1 کنترل مستقم گشتاور لحظهاي - - DITC
شکل :2گشتاور بر حسب جریان و موقعیت روتور در این مقاله سعی بر آن است کنترل مستقیم گشتاور لحظهاي را بر روي موتور سوئیچ رلکتانس دو استاوره با استفاده از مبدل نامتقارن به منظور کاهش ریپل گشتاور اجرا کرد.
2. مبدل نامتقارن
مبدل نامتقارن در درایو سوئیچ رلکتانس داراي عمومیت زیادي است.مدهاي عملکرد مبدل نامتقارن در شکل 5 نشان داده شده است.
مبدل نامتقارن داراي 3 مد عملکرد بصورت زیر است: -1مد مغناطیسی شدن حالت - 1 شکل3 الف - -2مد هرزگردي حالت 0 - شکل3 ب - -3مد غیرمغناطیسی شدن حالت -1 - شکل3 ج -
شکل : 3 مدهاي عملکرد مبدل نامتقارن
.3 کنترل هسترزیس براي مبدل نامتقارن
یک کنترلر هسترزیس سیگنالهاي سوئیچینک را براي فازهاي فعال ماشین تولید میکند.در حالت هدایت تک فاز کنترلر هسترزیس گشتاور تخمینی را در آن فاز تنظیم میکند.در مدت کموتاسیون گشتاور فاز در دو فاز مجاور بصورت غیرمستقیم با کنترل گشتاور مجموع با یک مقایسه کننده چند سطحی کنترل میشود. عملکرد کنترلر هسترزیس در شکل 4 نشان داده شده است.علاوه بر ریپل گشتاور لحظه اي - بالا - ولتاژ فاز - وسط - و گشتاور تولیدي توسط هر فاز - پایین - نشان داده شده است.
شکل : 4 کنترل هسترزیس براي [20]DITC
در لحظه T1 پروسه کموتاسیون با روشن کردن فاز بعدي شروع میشود.فاز خروجی وارد حالتS=0 میشود.بعد از چند میکرو ثانیه گشتاور مجموع از آستانه کمترین حد پایینی میگذرد - نمودار بالایی در شکل 4 را نگاه کنید - که به این معنی است که فاز ورودي توانایی تامین گشتاور موردنظر را ندارد پس باید دوباره فاز خروجی به لینک dc وصل شود. با انجام این کار گشتاور مجموع درون باند بیرونی کنترل میشود .
همانطور که دیده شد فاز خروجی براي تامین گشتارو موردنیاز درون باند هسترزیس لازم است. حال اگر فاز ورودي بتواند گشتاور موردنیاز را تامین کند فاز خروجی وارد حالتS=0می-شود. در لحظه T2 گشتاور مجموع از آستانه حد بالایی عبور میکند فاز خروجی وارد حالتS=-1 میشود که ولتاژ منفی DC لینک روي آن قرار میگیرد. سرانجام در لحظهT3 فاز خروجی بطور کل وارد حالتS=-1 می-شود و گشتاور در درون باند هسترزیس درونی توسط فاز ورودي کنترل می-شود.
DITC را میتوان با ناحیهبندي اندوکتانس پیاد سازي کرد.
اندوکتانس فاز به 3 ناحیه تقسیم میشود - شکل. - 5 مرزهاي این نواحی θon1 θon 2 , θ 2 , θ1, است. θon1 و θon2 زوایاي روشنی فاز ورودي وفاز ورودي بعدي است که به ترتیب به بار و سرعت بستگی دارند. θ1 نقطه شروع همپوشانی استاتور و روتور است و θ2 نقطه هم محور شدن اندوکتانس در فاز خروجی است. کل بازه ناحیه ها در موتور الکتریکی 3 فاز 120 درجه الکتریکی است. اینجا فاز A فاز خروجی و فاز B فاز ورودي است.
شکل 5 :ناحیهبندي اندوکتانس براي DITC
در ناحیه1 اندوکتانس فاز A افزایش مییابد در حالیکه اندوکتانس B نزدیک مینیمم مقدار خوداست. شیب اندوکتانس فاز B بسیار کم است. بنابراین فاز A حداکثر گشتاور را تامین میکند.
در ناحیه 2 موق عیت روتور به گونه اي است که فازش در حالت هم محوري قرار میگیرد و شیب اندوکتانس و گشتاور تولیدي آن کاهش مییابد. اگر چه اندوکتانس فاز B در حال افزایش است اما نمیتواند گشتاور مورد نیاز را تامین کند و باید هر دو فاز با هم روشن باشند. براي اینکه گشتاور منفی فاز A در ناحیه3 کاهش یابد باید جریان آن کاهش یابد و اکثر گشتاور توسط فاز B تامین شود.
در ناحیه 3 گشتاور تولیدي توسط فاز A منفی میشود. براي افزایش بازده ماشین باید گشتاور منفی کاهش یابد پس در این ناحیه فاز A باید غیرمغناطیسی شود . اندوکتانس فاز B در حال افزایش است و میتواند گشتاور مورد نیاز را تامین کند.
4. پیادهسازي DITC با استفاده از مبدل نامتقارن
براي پیادهسازي DITC باید طرح کنترلی را براي هر ناحیه طراحی کرد. کنترل هیسترزیس برا ي فازهاي ورودي و خروجی نیز در شکل 6 نشان داده شده است. خطوط و نقطه چین به ترتیب قانون بال رونده و پایین رونده را نشان میدهند. محور y حالت فاز و محور x خطاي گشتاور - - ∆Terr را که به صورت زیر تعریف میشود را نشان میدهند.
5. شبیهسازي DITC با استفاده از مبدل نامتقارن
شکل 9 گشتاور و گشتاور هر فاز و ولتاژ و جریان هر فاز در سرعت 500 دور بر دقیقه را درایو سوئیچ رلکتانس دو استاتوره که توسط DITC پیاده سازي شده است را نشان میدهد. زوایاي روشنی و خاموشی بترتیب 32و 55 درجه هستند. در DITC گشتاور مجموع در باند هسترزیس در اطراف یک مقدار مشخص نوسان میکند . نتایج شبیهسازي براي یک موتور 8/6 با مشخصه گشتاور بر حسب جریان موقعیت روتور ارائه شده در شکل 2 نشان داده شده است.
