بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، روی روش کنترل برداری موتور القایی بدون استفاده از سنسور سرعت کار شده است و سرعت با استفاده از فیلترکالمن تخمین زده شده است. از آن جا که هرچه ولتاژ ورودی دارای هارمونیک های بیشتری باشد ریپل گشتاور و سرعت موتور نیز افزایش می یابد، برای کاهش این ریپل ها از مبدل پل متوالی 9 سطحی استفاده شده است. علاوه بر این کنترل برداری موتور القایی دارای 5 کنترل کننده تناسبی انتگرالی است که هریک 2 ضریب دارند.
معمولا این ضرایب با سعی و خطا بدست می آیند. در این تحقیق ضرایب کنترل کننده ها همگی با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات محاسبه شده است و این ضرایب به گونه ای بهینه سازی شده است که کنترل موتور القایی به صورت بهینه انجام گردد.
-1 مقدمه
· کنترل برداری گونهای از روشهای کنترل مدرن است که در آن موتورهای مختلف مانند موتورهای DC کنترل میشوند. در کنترل برداری ماشینهای القایی، برای جریان استاتور یک بردار تعریف میشود که شامل دو مؤلفه است که مؤلفه اول تولیدکننده شار و مؤلفهدوم تولیدکنندهگشتاور است.
· در استفاده از کنترل برداری نیاز است که میزان سرعت موتور همواره در اختیار باشد.یک راه ساده برای دستیابی بهسرعت موتور استفاده از سنسورهای سرعت است اما این راهکار مشکلات زیادی را ایجاد میکند. سنسورهای سرعت اگرچه میتوانند سرعت موتور را با دقت بالایی اندازهگیری کنند، ولی از آنجا که این سنسورها به شرایط محیط حساس هستند و در جاهایی که لرزش یا گرد و غبار یا دیگر شرایط بد محیطی وجود داشته باشد دچار مشکل میشوند و کار درایو با اختلال مواجه میشود
تاکنون روشهای مختلفی برای تخمین سرعت موتور القایی بدون استفاده از سنسور ارائه شده است. تکنیکهایی که در ابتدا برای تخمین سرعت استفاده میشد بر اساس کار در حالت دائم موتور مبتنی بود و برای کاربردهایی که پاسخ دینامیکی بالا مورد نیاز نبود استفاده میشد.
· مبدلهای استفاده شده برای درایوها معمولاً از نوع دوسطحی شش سوئیچه هستند که این مبدلها به دلیل کم بودن تعداد سطوح ولتاژ هارمونیکهای زیادی را در خروجی خود ایجاد میکنند که در اندیس مدولاسیونهای مختلف نیز متفاوت است. این هارمونیکها روی سلفهای موتور اثر میگذارند و باعث تغییر مقدار مؤثر آن میشوند. همچنین وجود این هارمونیکها باعت ایجاد گشتاورهای مزاحم می-شوند که عملکرد روش کنترلی را تا حدودی تحت تأثیر قرار میدهند.
همچنین وجود این هارمونیکها باعت ایجاد گشتاورهای مزاحم میشوند که عملکرد روش کنترلی را تا حدودی تحت تأثیر قرار میدهند . همچنین وجود نویزها و تخریب سیگنالهای کنترلی از دیگر مسائلی است که همچنان در درایو موتور القایی باقی است و راهکارهایی باید برای بهبود آنها ارائه گردد. لذا بهتر شدن دقت و دینامیک کنترل به بالا بردن دقت تخمین پارامترهای موتور و استفاده از مبدلهایی با خروجی باکیفیت بالاتر وابسته است
-2 نتایج شبیه سازی
در این مقاله ابتدا مشخصات نامی یک موتور القایی نمونه ارائه شده است. سپس مقادیر نامی شار و گشتاور برای این موتور محاسبه شده است. این مقادیر برای کنترل موتور بسیار با اهمیت است و باید این حدود در شبیهسازیها رعایت شود. پس از آن بلوکهای کلی که در شبیهسازی ایجاد شده ارائه شده است. این بلوکها شامل مدل موتور القایی، مدل مبدل و بخش مدولاسیون، بلوک تبدیل دستگاه و مجزا سازی است. در گام اول کنترل برداری موتور القایی همراه با سنسور سرعت انجام شده است.
در این شبیهسازی ابتدا از یک مبدل معمولی 6 کلیدی استفاده شده و سپس این مبدل با یک مبدل پل متوالی 9 سطحی جایگزین گردیده است تا اثر استفاده از مبدلهای چند سطحی در این کاربرد مشخص شود. . سپس برای اینکه این کنترل به صورت بهینه انجام شود ضرایب کنترل کننده ها با استفاده از الگوریتم PSO انتخاب شده است. نتایج شبیه سازی در این حالت با استفاده از ضرایب بهینه ارائه گردیده است. پس از آن کنترل موتور با ضرایب بهینه و بدون استفاده از سنسور سرعت شبیه سازی شده است. برای آنکه تأثیر تغییر پارامترهای موتور نیز بررسی گردد مقدار مقاومت روتور در موتور القایی به میزان 25 درصد تغییر داده شده است و نتایج شبیه سازی در این حالت نیز بررسی گردیده است.
ابتدا نیاز است که شار نامی موتور محاسبه گردد. مقدار شار نامی به صورت زیر محاسبه میشود. شار نامی این موتور 0/95 و جریان مغناطیس کنندگی آن 11 آمپر است. همچنین طبق روابط مقدار گشتاور نامی و گشتاور فروپاشی این موتور برابر 34/22 و 57/5 نیوتن متر است.
جدول : - 1 - مشخصات و مقادیر نامی موتور القایی
-1-2 شبیه سازی مبدل شش کلیدی و تمام پل متوالی 9 سطحی و مقایسه
در این تحقیق برای کنترل موتور القایی از یک مبدل پل متوالی 3 فاز 9 سطحی استفاده شده است. برای اینکه برتری استفاده از مبدل پل متوالی مشخص گردد در شرایط مشابه نموادر اعوجاج هرمونیکی برای دو نوع مبدل شبیه سازی شده است.در شکل - 1 - و - 2 - نمودارها رسم شده است و با یک مقایسه سریع می توانیم دلیل استفاده از مبدل پل متوالی 9 سطحی را درک کنیم.
شکل : - 1 - طیف هارمونیکی ولتاژ فاز مبدل شش کلیدی معمولی
شکل : - 2 - طیف هارمونیکی ولتاژ فاز مبدل9 سطحی
در این بخش برای آنکه اثر استفاده از مبدل 9 سطحی روی کنترل موتور القایی مطالعه شود در یک شرایط برابر از این دو نوع مبدل به صورت جداگانه برای درایو موتور القایی تحت کنترل برداری استفاده شده است. در این دو شبیهسازی تخمین سرعت انجام نشده است. 0سرعت موتور القایی تحت کنترل برداری را نشان می دهد که از مبدل شش کلیدی برای آن استفاده شده است. برای آنکه نتایج واضح تر باشد 0نمای بزرگتری از سرعت موتور القایی را در این شرایط ارائه میدهد. همانطور که مشاهده میشود تغییرات سرعت در این شکل تقریبا 2/5 رادیان بر ثانیه است.
شکل : - 3 - سرعت موتور القایی با استفاده از مبدل شش کلیدی
شکل : - 4 - سرعت موتور القایی با استفاده از مبدل شش کلیدی از نمای نزدیک
همین شرایط با استفاده از مبدل پل متوالی 9 سطحی شبیه سازی شده است و نتیجه این شبیه سازی در 0ارائه گردیده است. همانطور که مشاهده می شود در این حالت مقدار تغییرات سرعت حدود 0/2 رادیان بر ثانیه است. این مساله نشان می دهد که میزان تغییرات سرعت در حالتی که ماشین به شرایط پایدار خود رسیده است به میزان هارمونیک های ولتاژ ورودی بسیار وابسته است. در صورتی که این هارمونیک ها کاهش یابند مقدار این ریپل بسیار کم شده و این موضوع باعث میشود که سرعت به شکل دقیقتری کنترل شود. البته این مزیت همچنین روی کنترل موقعیت موتور القایی بسیار مؤثر است و میتواند روی دقت این کنترل اثر بسیار زیادی داشته باشد.
-2-2 استفاده از الگوریتم PSO برای تنظیم ضرایب کنترلی
در این مقاله 10 ضریب کنترلی وجود دارد که باید تنظیم شود. تنظیم ضرایب این کنترل کننده ها با استفاده از الگوریتم PSO انجام شده است. در واقع این الگوریتم می تواند یک یا چند هدف را در بهینه سازی دنبال کند. برای آنکه جوابها بهینه باشد باید شرایط آنها را به صورت ریاضی تعریف کرد. یکی از این شرایط میزان تغییرات سرعت در حالت پایدار موتور است. موتور باید بتواند در شرایط ماندگار با کمترین ریپل کار کند تا خطای سرعت و موقعیت کمتر باشد. برای این کار مقدار حداقل و حداکثر سرعت موتور در شرایط ماندگار در شبیه سازی محاسبه می شود. اختلاف این دو به عنوان یک هدف بهینه سازی در الگوریتم PSO تعریف میگردد.
دومین فاکتور در بهینه سازی این است که هنگام تغییر شرایط کاری مقدار نمودار مقدار سرعت خیلی فراجهش یا فروجهش نکند. این دو متغیر به عنوان تابع هدف برای بهینه سازی تعریف گردید. الگوریتم PSO در هر مرحله 10 ضریب کنترلی را انتخاب می کند و در شبیه سازی قرار می دهد. شبیه سازی اجرا میشود و نتایج شبیهسازی از آن گرفته میشود و وارد تابع هدف بهینهسازی میگردد. این توابع محاسبه میشوند و در مرحله بعد ضرایب در جهتی انتخاب میشوند که توابع هدف حداقل شوند.بهترین جواب که در این بهینه سازی حاصل شد به صورت جدول2 است.
جدول - 2 - :ضرایب بدست آمده در بهینه سازی
شکل : - 5 - سرعت موتور القایی با استفاده از مبدل پل متوالی 9 سطحی
با استفاده از این ضرایب سرعت موتور به صورت 0بدست آمده است. در این شبیه سازی ابتدا موتور بدون بار راه اندازی شده است. سپس باری با گشتاور 17 نیوتن متر روی موتور قرار داده شده است. این بار باعث میشود که مقدار سرعت کمی کاهش یابد زیرا موتور القایی با افزایش بار میزان لغزش خود را افزایش میدهد تا بتواند آنرا بچرخاند. پس از آنکه موتور به حالت مانا رسید مجدداً بار روی موتور افزایش یافته است و این بار گشتاور 34/22 نیوتن متر روی موتور قرار داده میشود
