بخشی از مقاله
خلاصه
موتورهای القایی با توجه به هزینه کم و عملکرد بالا در بسیاری از فرآیندهای صنعتی استفاده میشوند. این موتورها به دلیل وجود تنشهای مکانیکی و محیطی و ... همواره در معرض عیبهای مختلف قرار دارند. حدود 5 تا 10 درصد عیوب موتورهای قفس سنجابی را شکستگی میلههای رتور شامل میشود. در مقالات منتشر شده، روشهای مختلفی برای تشخیص عیب میله رتور شکسته و کنترل تحملپذیر عیب بیان شده است.
یکی از این روشها ارزیابی مولفههای جریان استاتور در محورهای d-q که با استفاده از تبدیل پارک جریانهای سه فاز حاصل میشوند میباشد که مبنای کار ما در این مقاله هم به این روش انجام میگیرد. در این مقاله، سیستم توسط کنترلکننده تحملپذیر عیب مقاوم بروش مد لغزشی، کنترل می شود. کنترل کنندههای مد لغزشی در بیشتر موارد دارای عملکرد مطلوبی هستند، ولی وجود پدیده وزوز میتواند باعث بروز برخی مشکلات برای عملگرها، به خصوص از انواع خاموش-روشن گردد. به منظور تامین پایداری و کاهش این پدیده، در این مقاله از روش لایه مرزی که تابع اشباع به جای تابع علامت جایگزین میشود استفاده میکنیم.
.1 مقدمه
در بسیاری از کاربردهای صنعتی تقاضای رو به رشدی برای افزایش قابلیت اطمینان و بازدهی سامانههای الکتریکی وجود دارد. در این بین، موتورهای الکتریکی به طور گسترده در فرآیندهای صنعتی به کار میروند و به همین دلیل، اسب محرک صنعت نامیده میشوند. همواره سعی شده است که در هنگام بروز عیب، کمترین اختلال در روند کار یک واحد صنعتی ایجاد گردد. لذا ضروری است که قبل از بروز هرگونه خللی در روند کار واحد صنعتی، وضعیت دقیق موتور تشخیص داده شده و اقدامات لازم جهت پیشگیری از اثرات بعدی اختلال بوجود آمده صورت پذیرد.
موتورهای الکتریکی با توجه به نوع تغذیه ورودی به دو نوع جریان متناوب1 و جریان مستقیم2 تقسیمبندی میشوند. در اوایل دههی 1980 از موتورهای DC به طور گسترده در واحدهای صنعتی استفاده میشد؛ زیرا کنترل آنها سادهتر بود ولی در طول چند دههی گذشته موتورهای AC به دلیل هزینهی کم، قابلیت اطمینان بالا، قابلیت راهاندازی تحت بار و ... جایگزین موتورهای DC شدهاند.[1]
موتور القایی نمونهای از موتورهای جریان متناوب میباشد که جریان متناوب به طور مستقیم استاتور را تغذیه میکند رتور نیز با عمل القا از طریق استاتور، انرژیدار میشود.[2] اختراع اولین موتور القایی توسط فلمینگ در سال 1891 به ثبت رسیده است. [3] در یک تقسیمبندی، موتورهای القایی را میتوان به دو دسته عمومی و مخصوص طبقهبندی کرد. از موتورهای القایی نوع عمومی میتوان به موتور القایی رتور قفس سنجانی یا رتور سیمپیچی شده اشاره کرد، که بر اساس تئوری میدانهای دوار مغناطیسی کار میکنند.[4]
این موتورها به دلیل وجود تنشهای مختلف مکانیکی، محیطی، الکتریکی، گرمایی و ... همواره تحت تاثیر عیوب مختلفی از جمله میلههای رتور شکسته، اتصال کوتاه سیمپیچ استاتور و ... قرار دارند. این عیوب میتوانند باعث آسیب به سیستم و افت عملکرد گردند . در این بین شکستگی میلههای رتور، حدود 5 تا 10 درصد عیوب متداول در موتورهای القایی قفس سنجابی را شامل میشود.[5] این امر بسیار مهمی است که زمانی که در سیستم عیب اتفاق افتاد، پایداری آن حفظ شده و عملکرد آن قابلقبول باشد. یکی از روشهای برخورد با این مساله استفاده از روشهای کنترل تحملپذیر عیب3 میباشد.
گستردگی استفاده از موتورهای القایی موجب شده است که در زمینهی عیبیابی و کنترل تحملپذیر عیب آن تحقیقات گستردهای انجام شود. در مراجع [7 ,6] با استفاده از تخمین پارامتر، شکستگی میله های رتور شناسایی میشود. در این مراجع نشان داده شده است که با وقوع شکستگی در میلههای رتور، مقاومت رتور افزایش پیدا میکند.
در مرجع [7] با استفاده از فیلتر کالمن، حالات موتور تخمین زده میشوند، که بهطور همزمان مقاومت رتور به عنوان یک پارامتر سیستم توسط فیلتر کالمن تخمین زده شده، و هر زمان که تغییر آنی در مقدار مقاومت رتور دیده شود به معنی وقوع عیب در موتور تلقی میشود. در [8] مدل غیرخطی سیستم موتور القایی به یک مدل خطی تغییرپذیر با پارامتر - LPV - تبدیل شده است، سپس برای این مدل LPV با استفاده از رویتگر، یک سیستم تشخیص و شناسایی عیب طراحی شده است.
در مراجع [10 ,9] نشان داده شده که شکستگی میلههای رتور، باعث افزودن هارمونیکهای جدید با فرکانسهای خاص در جریان رتور میشود، که این تغییر جریان رتور، باعث انحراف آن شده و در نتیجه اگر این عیب جبران نشود، باعث افت عملکرد سیستم شده و حتی منجر به ناپایداری سیستم گردد. در زمینه کنترل تحملپذیر عیب در موتورهای القایی، با توجه به مقاوم بودن روش مد لغزشی، از آن به طور گسترده استفاده شده است. به طوری که هم رویتگرهای مد لغزشی و هم کنترلکنندههای مد لغزشی بسیاری برای این سیستم طراحی شده است.
در [12 ,11] از روش کنترل پسگام4 و مد لغزشی مرتبه اول برای طراحی کنترلکننده مقاوم در برابر عیب استفاده شده است. که استفاده از روش مد لغزشی مرتبه اول، مشکل وزوز را به همراه دارد. در [13] پدیده وزوز به عنوان نوسانات نامطلوب با فرکانس و دامنه محدود معرفی شده، که میتواند باعث کاهش دقت کنترل، تحریک دینامیکهای مرتبه بالا و آسیب به سیستم گردد.
در [14] از کنترلکننده مد لغزشی بروش پسگام به منظور تحملپذیر نمودن سیستم در برابر عیب استفاده شده است، منطق کلیدزنی و اعلام وجود عیب در این روش، بر پایه سیگنال مانده است، که انتخاب سطح آستانه با توجه به تغییر نقطه عملکردی سیستم، یک چالش دیگر برای این روش میباشد. علاوه بر این، روشهای مبتنی بر FDD متعددی برای کنترل تحملپذیر عیب موتور القایی طراحی شده است، به عنوان مثال از روشهای مبتنی بر تخمین پارامتر [15]، روشهای مبتنی بر پردازش سیگنال [17 ,16] و روشهای هوشمند [20-18] برای شناسایی و تخمین عیوب در موتور القایی استفاده شدهاند.
در ادامه این مقاله، در بخش 2 یک مدل فضای حالت برای موتور القایی سه فاز در وضعیت سالم توصیف میشود. در بخش3، عیب شکستگی میلههای رتور در موتور القایی معرفی میشود. در بخش چهارم کنترلکننده PI مد لغزشی تشریح میشود. بخش پنجم به طراحی کنترلکننده تحملپذیر عیب برای موتور القایی معیوب اختصاص یافته است. در بخش ششم به طراحی رویتگر مد لغزشی پرداخته میشود. شبیهسازیها در بخش هفتم و نهایتا جمعبندی نتایج در بخش هشتم مقاله انجام خواهد شد.
.2 مدل موتور القایی سه فاز در وضعیت سالم
در این بخش، مدل دینامیکی موتور القایی سه فاز به فرم معادلات فضای حالت غیرخطی در حالت بدون عیب ارایه میشود. این مدل در سالهای اخیر جهت تحلیل و طراحی انواع کنترلکنندهها مورد استفاده قرار گرفته است. برای سادهسازی تحلیل مدار سه فاز از تبدیل پارک استفاده میکنیم. در حالتی که مدار سه فاز متعادل باشد استفاده از تبدیل d-q سه کمیت را به دو کمیت DC کاهش میدهد. بااستفاده از این روش، میتوان یک موتور القایی غیرخطی چندمتغیره را به روش کنترلی خطی، جدا شده و مستقل فلو و گشتاور، مشابه موتورهای DC تحریک مستقل، کنترل کرد.
مدل دینامیکی موتور القایی در حالت سالم در قاب مرجع d-q به صورت زیر توصیف می گردد.[8] معادله شار طبق استراتژی کنترل مبتنی بر جهت گرای شار روی محور d است. در معادلات فوق و اجزای بردار ولتاژ استاتور و ورودیهای کنترلی میباشند. متغیرهای حالت عبارتند از سرعت رتور، شار رتور در جهت محور d، و اجزای بردار جریان استاتور و گشتاور بار رتور - ورودی ناشناخته - میباشند.
با توجه به معادله - - 1، سیستم دینامیکی موتور القایی یک سیستم مرتبه 4 میباشد. که در آن اجزای بردار جریان استاتور، شار و سرعت رتور، 4 متغیر حالت سیستم میباشند. سرعت مطلوب و شار مطلوب برای این سیستم داده شده است، اما میزان جریانهای مطلوب برای این سیستم و همچنین ولتاژهای استاتور، باید به نحوی انتخاب شوند که در حالت شکستگی میله رتور تضمین همگرایی سرعت و شار به مقدار مطلوب را داشته باشیم. ضرایب متغیرهای حالت در معادلات حالت موتور القایی فوق نیز از روابط زیر قابل حصول است.
