بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله روشی کنترلی براي ماشینهاي القائی قفسه سنجابی، که از طریق یک جبرانساز سنکرون سري الکترونیک قدرت - SSSC - ، به شبکه قدرت متصل شدهاند، ارائه میشود. در این روش، عمل کنترل به واسطه نواحی
کنترل ِ متوال ِ عادي - 0 - ، حین خطا - 1 - و بازیابی پس از خطا - 2 - تکمیل میگردد.
هدف از کنترل در حالت عملکرد عادي، بهبود انتقال توان و پایدارسازي گذرا است. در عملکرد حین خطا، با انتخاب مناسب امپدانس براي SSSC از بروز اختلاف سرعت قابل توجه میان روتور و میدان دوار استاتور تا حد امکان جلوگیري میشود. و در نهایت، در حالت بازیابی پس از خطا، با بکارگیري از روش کنترل غیر مستقیم گشتاور به کمک SSSC وضعیت گشتاور الکترومغناطیسی ماشین تا حد امکان بهبود مییابد.
استفاده از جبرانساز سري، سیستم را قادر میسازد تا نه تنها بتواند کنترل مطلوبی براي پایدارسازي ماشین القائی - قفسه سنجابی - در لحظات حین و پس از خطا داشته باشد، بلکه شاخص کیفیت توان قابلیت تحمل افت ولتاژ - - LVRT را نیز بهبود میدهد. به نحوي که ماشینالقائی قادر است تا در زمانی کوتاه تر، با تنشهاي الکترومغناطیسی گشتاور ناچیزتر و با اعمال افت ولتاژي کمتر، در نقطه اتصالش به شبکه، به حالت پایدار بازگردد.
روشهاي کنترلی ارائه شده براي حالات - 1 - و - 2 - هر یک پیشتر مورد بررسی قرار گرفته و روشهایی متداول براي آنها ارائه شدهاند. از این رو، نوآوريهاي بارز این مقاله مربوط به اضافه کردن دو ناحیه عملکرد جدید براي SSSC و قرار دادن آنها در یک سیستم کنترلی متوالی و، همچنین، تعمیم مدل ریاضی شبه – استاتیک براي سیستم کنترل غیر مستقیم گشتاور در ناحیه بازیابی پس از خطا - 2 - ، با استفاده از SSSC میباشند.
در ادامه، سیستم کنترلی مطرح شده توسط نرم افزار MATLAB/Simulink شبیه سازي میشود و نتایج حاصل، صحت عملکرد کنترلکنندة پیشنهادي را تأیید میکنند. همچنین، این نتایج نشان میدهند که طرح پیشنهادي به شکلی مناسبتر، شاخصهاي کاهش تنشهاي الکترومغناطیسی گشتاور و LVRT را، نسبت به سایر روشهاي متداول، بهبود میدهد.
.1 مقدمه
براي سالیان متوالی، پایدار سازي ماشینهاي القائی مسئلهاي چالش برانگیز بوده است [4- 1]، مسائلی نظیر خطا در شبکه، نوسانات بار، تغییرات شبکه، که باعث تغییرات ناخواسته در گشتاور الکترومغناطیسی میشوند، از موارد عمده اي هستند که منجر به تولید گذراهاي الکترومغناطیسی در ماشینهاي القائی میشوند. از این رو استفاده از جبرانسازهاي راکتیو در نزدیکی این ماشینها راهحلی متداول براي کاهش گذراها میباشد
هنگامی که خطائی در شبکه رخ دهد، اندازة ولتاژ پایانههاي ماشین القائی کاهشی مییابد و منجر به تضعیف کوپل الکترومغناطیسی مابین روتور و میدان دوار استاتور میشود؛ این مهم در حالت ژنراتوري منجر به سرعت گرفتن روتور و در حالت موتوري منجر به کاهش سرعت و یا حتی چرخش در جهت عکس میدان استاتور و در نهایت منجر به ناپایدار شدن ماشین خواهد شد
در نتیجه استفادة وسیع و روز افزون از ماشینهاي القائی در صنعت، نظیر استفاده از ژنراتورهاي القائی در توربینهاي بادي یا موتورهاي القائی، در ماشینهاي بزرگ صنعتی، آثار نامطلوب گذراهاي الکترومغناطیسی بر کیفیت توان افزایش یافته است. که باعث شده است این مسئله بیش از پیش مورد بررسی قرار گرفته و روشهاي مختلفی براي کاهش آثار نامطلوب این گذراها ارائه شود .[15-9] با افزایش اهمیت شاخصهاي کیفت توان، نظیر قابلیت تحمل افت ولتاژ - LVRT - کم، بازیابی حین و پس از خطا در این نوع از ماشینها از اهمیت قابل توجهاي برخوردار شده است
استفاده از STATCOM براي بهبود پایداري ماشینهاي القائی عملکرد مطلوبی را براي بهبود LVRT دارد ,6 , 5] [24-22، با این حال این روش تنشهاي الکترومغناطیسی بزرگی را براي گشتاور بوجود آورده و میتواند منجر به بروز خساراتی در ادوات انتقال نیروي مکانییِ ماشین شود
گفتنی است در سیستم کنترلی STATCOM پروسه بازیابی پس از خطا مصالحهاي مابین LVRT و رفتار دینامیکی ماشین القائی است .[8] براي برقراري این مصالحه، در [8] روش کنترل غیر مستقیم گشتاور با اسفاده از STATCOM ارائه شده است و به واسطه آن گشتاور اعمال شده به ماشین در لحظات پس از خطا به واسطه کنترل ولتاژ پایانههاي ماشین توسط STATCOM به نحوي تغییر میکند که بتواند سرعت ماشین را با شیبی آرام و یک نواخت به مقدار اولیه بازگرداند؛ این مهم با اعمال گشتاوري ثابت ممکن میگردد.
در مرجع [7] براي بهبود قابلیت LVRT و پایدارسازي ماشین القائی در سیستمی شامل یک ماشین القائی، از یک
بانک خازنی، با اتصال موازي به پایانههاي ماشین القائی، و همچنین یک ، مابین پایانههاي ماشین و شبکه، بهره
SSSC گرفته شده است. روش کنترلی داراي سه ناحیه، شامل عملکرد عادي - 0 - ، عملکرد حین خطا - 1 - و عملکرد پس از خطا - 2 - ، میباشد و در هر حالت مقادیر ولتاژ و امپدانس SSSC متناسب با حالت مورد نظر تغییر میکنند . اگرچه این طرح از قابلیت بهبود LVRT قابل توجهی برخوردار است، اما، قابلیت پایدار سازي گشتاور الکتریکی در آن نسبت به طرح ارائه شده در [8] چندان چشمگیر نبوده و تنشهاي الکترومغناطیسی گشتاور بیشتري را به همراه دارد.
لذا، در این مقاله روشی جدید براي بهبود مصالحه مابین LVRT شبکه و تنشهاي الکترومغناطیسی گشتاور ماشین با بهرهگیري از طرحهاي موجود در [ 8 , 7] ارائه شده است. آرایش مورد استفاده براي این روش، مشابه [7]، متشکل از اتصال موازي پایانههاي ماشین القائی به یک بانک خازنی و همچنین اتصال پایانهها از طریق یک SSSC به شبکه قدرت است . همچنین روش کنترلی نیز داراي سه زیر مرحله، شامل مراحل کنترلی متوالی عادي - 0 - ، حین خطا - 1 - و پس از خطا - 2 - ، میباشد.
ناحیه عملیاتی - 0 - اشاره به عملکرد عادي SSSC دارد، در ناحیه - 1 - ، مشابه آنچه که در [7] ارائه شده است، SSSC تا حد امکان مانع از بروز اختلاف سرعت مابین سرعت میدان استاتور و چرخش روتور میشود. در ناحیه - 2 - ، طرحی جدید مبنی بر کنترل غیر مستقیم گشتاور با استفاده از SSSC براي بازیابی پس از خطا در نظر گرفته شده است. از این رو با بهرهگیري از چنین کنترلکنندهاي نواحی - 1 - و - 2 - قادرند تا به بهترین نحو مصالحه مابین تنشهاي گشتاور
الکتریکی و LVRT را بهبود بخشند، به نحوي که نتیجه حاصل به شکل قابل توجه اي از هر یک از طرحهاي مستقل [7] و [8] بهتر خواهد شد.
این مقاله به نحوي تنظیم شده است که در بخش دوم آن به بیان مسئله، رخداد خطا در نزدیکی پایانههاي ماشین القائی قفسه سنجابی، و ضرورت بهبود آن، پرداخته میشود در این قسمت ساختار سیستمهاي متداول و شاخص LVRT بیان میشوند . سپس در بخش سوم، اجزاء و اساس عملکرد سیستم پیشنهادي، کنترلکنندة متوالی عملکرد، که شامل کنترل کنندة حین خطا، کنترل کنندة پس از خطا، و سیسستم کنترل متوالی میباشد، مطرح میشود. نهایتاً در بخش چهارم، سیستم پیشنهادي به همراه انواع متداول شبیه سازي شده و نتایج حاصل به منظور تأیید صحت عملکرد طرح پیشنهادي مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرند.
.2 بیان مسئله و ضرورت بهبود آن
با توجه به اینکه غالب خطاهاي وارده بر سیستمهاي فشار قوي داراي ماهیت گذرا هستند، معمولاً قسمتی که خطاي الکتریکی بر آن وارد آمده است با تمهیداتی، نظیر ادوات ریکلوزر، به شکل موقت از شبکه جدا شده و پس از مدت زمانی معین به شبکه باز میگردد؛ بنابراین، اگر خطا در این بازة زمانی برطرف شده باشد سیستم مجدد به کار عادي خود باز خواهد گشت. لذا، موقعیت بروز خطا و مدت زمان ماندگاري آن - یا مدت زمان تنظیم شده براي عملکرد ریکلوزر - در شبکه به شکل تعیین کنندهاي بر آثار ناشی از آن بر روي نقاط مختلف شبکه تأثیرگذار است
حین خطا، در نقاطی نزدیک به اتصال ماشینالقائی به شبکه، ولتاژ پایانه آن به شکل قابل توجهی افت میکند و منجر به کاهش قابل توجه دامنه میدان دوار سنکرون و میدان القائی منتج از آن در روتور میشود. در صورت بروز افت ولتاژي قابل توجه - در نتیجه نزدیک بودن محل خطا به ماشین القائی و/یا وجود مقاومت بسیار ناچیز مابین محل خطا و زمین - و یا ماندگاري خطا، تزویج مغناطیسی مابین دو میدان به شدت کاهش مییابد و باعث میشود تا در حالت ژنراتوري، چنانچه عامل محرك روتور را با گشتاوري ثابت بچرخاند، روتور سرعت بگیرد و در حالت موتوري، چنانچه بار با گشتاوري ثابت بر روتور اعمال گردد، روتور از حرکت باز ایستد و یا حتی پس از ایست کامل، درخلاف جهت حرکت اولیه بچرخد؛ این امر باعث میشود تا سرعت روتور به شکل قابل توجهی نسبت به سرعت میدان دوار استاتور اختلاف پیدا کند و دیگر امکان بازیابی سرعت براي ماشین القائی به مقدار قبل ازخطا وجود نداشته باشد
در ابعاد پر اهمیت - کاربردهایی نظیر موتورهاي صنعتی بزرگ و یا ژنراتورهاي القائی با تولید قابل توجه - ماشینهاي القائی معمولاً با جبرانکنندههایی مناسب مجهز شده تا عملکرد آنها به بهترین نحو کنترل شود. از رایج ترین انواع جبران کنندههاي مورد استفاده در کاربردهاي مرتبط با ماشینهاي القائی میتوان به انواع خازنی، شکل - الف - ، STATCOM، شکل - ب - ، و SSSC، شکل - ج - ، اشاره نمود. وظیفه اصلی این جبرانکنندهها کنترل توان انتقالی بین ماشین القائی و شبکه به نحوي است که پارامترهایی نظیر ناپایداريهاي گذراي شبکه - شامل سوئیچ زنیها و تغییرات ناگهانی بار - ، ضریب توان، کیفیت توان، و غیره، به بهترین نحو کنترل شوند .[29-27 ,25-22 ,8] عوامل مؤثر بر تأثیرات خطا در شبکه - میزان افت ولتاژ و مدت زمان ماندگاري آن - قادرند تا اثر قابل توجهی بر عملکرد ماشینهاي القائی بخصوص در کاربردهاي پراهمیت بگذارند.
واضح است که چنانچه ماشین القائی با جبران سازي کنترل شونده - نظیر STATCOM یا - SSSC مجهز شده باشد، میتوان عملکرد متأثر از خطاي آن را کنترل نمود. با در نظر گرفتن نواحی عملکرد سیستم با عنواین قبل از خطا، حین خطا، و پس از خطا، هر طرح قادر است تا ماشین را به شکلی منحصر به فرد کنترل کند.
