بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله، روش جدیدي براي درایو و کنترل بدون سنسور موتور – ژنراتور رلوکتانسی با میدان کمکی ارائه می شود. موتور سویچ رلوکتانس مورد مطالعه داراي ساختاري متفاوت نسبت به دیگر SRM ها می باشد. این مقاله از این تفاوت ساختار در موتور SRM استفاده کرده و روش جدیدي براي درایو و کنترل بدون سنسور و غیرمستقیم آن معرفی می کند. تفاوت این موتور با دیگر SRM ها در وجود سیم پیچی ثابت در آن است که تولید میدان کمکی می کند. این سیم پیچ داراي هسته ي استوانه اي متحرك، متصل به رتور در وسط آن است که میدان مغناطیسی توسط آن هدایت می شود.
در این روش، ولتاژ سینوسی فرکانس بالا و دامنه کم به عنوان سیگنال حامل به سیم پیچ تحریک اعمال می شود. شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ میدان کمکی از طریق هسته و رتور به قطب هاي استاتور هدایت می شود. این شار مغناطیسی ولتاژي را بر روي سیم پیچ هر یک از فازهاي استاتور القا می کند. ولتاژ القا شده در هریک از فازها حاوي اطلاعات مفید از موقعیت قطب هاي رتور نسبت به قطب هاي استاتور می باشد. با استفاده از تکنیک مناسب دمدولاسیون، اطلاعات مورد نظر استخراج شده و بر اساس آن، براي روشن یا خاموش کردن فازهاي استاتور تصمیم گیري می شود.
-1 مقدمه
موتور رلوکتانس از یک رتور تشکیل شده که سیم پیچی روي آن نیست و آزادانه بین قطب هاي ثابت استاتور می چرخد. اطراف قطب هاي استاتور سیم پیچ قرار دارد. گشتاور چرخشی و حرکت رتور بر اثر کشش قطب هاي رتور به سمت میدان تولید شده ي قطب هاي استاتور می باشد.[1] این نوع از موتور مزیت هاي بسیاري نسبت به دیگر موتورهاي الکتریکی دارد؛ مانند ساختار ساده، خنک سازي، تنوع هندسی، استهلاك کم، و توانایی تحمل دماي بالاتر در رتور .[2] موتورهاي سویچ رلوکتانس سابقه کمتري در مقایسه با دیگر موتورهاي الکتریکی AC و DC دارند.
در سال هاي اخیر با توجه به پیشرفت هاي چشم گیر در بخش الکترونیک قدرت و میکرو کنترلهاي دیجیتالی با سرعت و قدرت محاسبات بالا، این نوع موتورها اهمیت بسیاري پیدا کرده اند.[3] انواع موتورهاي رلوکتانسی که امروزه در بازار موجود است به طور عمده داراي ساختاري استوانه اي است، اگرچه ساختارهاي صفحه اي و چند لایه اي براي کاربرد هاي خاص نیز وجود دارد.[4]
ساختار موتورهاي رلوکتانس به گونه اي است که نیاز به مداري براي درایو آن ها می باشد. این مدار راه انداز بر اساس موقعیت رتور تصمیم به روشن و خاموش کردن فازهاي استاتور می گیرد. بنابراین دانستن موقعیت رتور مهم ترین پارامتر در موتورهاي سویچ رلوکتانس می باشد [5]،.[6] روش هاي مختلفی براي تشخیص موقعیت رتور ارائه شده است، این روش ها به دو دسته تقسیم می شوند: - 1 روش هاي تعیین موقعیت رتور با استفاده از سنسور - 2 روش هاي تعیین موقعیت بدون استفاده از سنسور.[7] در سال هاي اخیر روش هاي کنترل بدون استفاده از سنسور اهمیت بسیار زیادي پیدا کرده اند و طی دو دهه گذشته روش هاي بسیاري براي آن معرفی شده است .[8]-[17]
در مرجع [18] موتور- ژنراتور جدیدي از نوع SRM معرفی شده است که ساختار آن با دیگر SRM ها متفاوت است. این موتور جدید، سه فاز می باشد که از استاتور با دوازده قطب برجسته که اطراف آن سیم پیچی شده و رتور با هشت قطب برجسته تشکیل شده است. کمان قطب هاي استاتور و رتور هر کدام به ترتیب 14 درجه و 16 درجه می باشند.
از تفاوت هاي این موتور با دیگر SRM ها وجود سیم پیچ ثابت در آن است که تولید میدان کمکی می کند. این سیم پیچ داراي هسته ي استوانه اي متحرك، متصل به رتور در وسط آن است که میدان مغناطیسی توسط آن هدایت می گردد. شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ میدان کمکی از طریق هسته دوار آن و رتور به قطب هاي استاتور هدایت می شود. شکل 1 ، موتور و ساختار داخلی آن را نشان می دهد.[18] این مقاله از این تفاوت ساختار در این موتور- ژنراتور با دیگر موتورها استفاده کرده و روشی جدید براي درایو و کنترل بدون سنسور براي حالت موتوري آن معرفی می کند.
-2 مدار جدید درایو
راه اندازي SRM به دو مرحله ي جداگانه تقسیم می شود:
- 1 شروع حرکت از حالت ایستا
- 2 وضعیت در حال حرکت. در حالت اول باید فاز مناسب براي اعمال اولین تحریک پیدا شود - اولین فاز که روشن می شود - و در حالت دوم - وضعیت بعد از سکون اولیه - باید با توجه به موقعیت رتور، در زمان مناسب فاز فعال خاموش و فاز بعدي روشن شود تا حرکت رتور ادامه داشته باشد. قسمت هاي مختلف مدار جدید درایو موتور، به صورت کلی در بلوك دیاگرام شکل 2 نشان داده شده است. این مدار جدید در حالت کلی از بخش تشخیص موقعیت رتور، میکروکنترلر، آنالوگ سویچ و درایور قدرت تشکیل شده است.
براي استخراج اطلاعات در این روش از یک سیگنال حامل با فرکانس بالا استفاده می شود. سیگنال حاوي اطلاعات اندوکتانس فازها در مقایسه با سیگنال حامل، داراي فرکانس بسیار پایین تري می باشد. این موضوع یکی از اصول حاکم بر مدولاسیون می باشد. اطلاعات کد شده، توسط تکنیک مناسب دمدولاسیون، دیکد می گردد. وظیفه ي بخش تشخیص، دریافت اطلاعات موقعیت رتور از سیگنال حامل و اعلام آن به میکروکنترلر می باشد.
در شکل 2 این بخش به صورت کلی نشان داده شده است؛ توضیح اجزاء و روش کار آن در پاراگراف هاي بعدي داده شده است. میکروکنترلر وظیفه ي هماهنگی بخش هاي مختلف و اعلام فرمان روشن و خاموش شدن هر یک از فازهاي استاتور در زمان مناسب را بر عهده دارد. در این روش ولتاژ سینوسی فرکانس بالا و دامنه کم به سیم پیچ تحریک اعمال می شود.1 شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ میدان کمکی از طریق هسته و رتور به قطب هاي استاتور هدایت می شود. این شار مغناطیسی، ولتاژي را بر روي هر یک از سه فاز استاتور القا می کند.
ولتاژ القا شده در هریک از فازها به صورت سینوسی با فرکانسی برابر فرکانس ولتاژ تحریک و دامنه متغیر، متناسب با موقعیت رتور می باشد. با توجه به مسیر لازم براي بسته شدن مدار شار ، این ولتاژ القایی بستگی بسیار زیادي به موقعیت روتور دارد. به این صورت که هر چه همپوشانی روتور با فاز مورد نظر بیشتر باشد دامنه ولتاژ القایی در آن فاز بیشتر خواهد شد.
این تغییر در دامنه ، عاملی کلیدي براي تعیین موقعیت رتور - چه در زمانی که موتور حرکتی ندارد و چه در زمان چرخش- در مدار راه انداز می باشد. فاز فعال - فاز روشن - باید کاملاً از بخش تشخیص جدا شود، چراکه ولتاژ زیادي که روي سیم پیچ استاتور قرار می گیرد، باعث آسیب رساندن به بخش تشخیص می شود. بنابراین هر یک از سه فاز استاتور از طریق سویچ به بخش تشخیص وصل می شوند. شکل 3 چگونگی اتصال سیم پیچ هاي استاتور، سویچ شده است.
