بخشی از مقاله
چکیده
اتوماسیون صنعتی عمدتا حول سیستمهاي کنترل حرکت توسعه یافتهاند که درآن ها موتورهاي الکتریکی کنترل شده به عنوان قلب سیستم نقشی اساسی بر عهده دارند. بنابراین، سیستمهاي کنترلی موتورها با عملکرد بسیار خوب تا حدود زیادي منجر به عملکرد مطلوب بخش اتوماسیون تولید میشوند که این کار با افزایش میزان تولید و کیفیت محصولات همراه است.
در واقع عملکرد سیستمهاي اتوماسیون مدرن، که بر حسب سرعت، دقت، نرمی و کارایی تعریف میشود، عمدتا به راهبردهاي کنترلی وابسته است. توسعههاي اخیر در صنعت الکترونیک قدرت منجر به افزایش قابل توجه توانی شده است که توسط تجهیزات نیمههادي ردوبدل میشود. علیرغم این موضوع، بیشترین ولتاژ پشتیبانی شده توسط این تجهیزات یک مانع بزرگ در کاربردهاي ولتاژ متوسط و ولتاژ بالا محسوب میشود.
براي چنین کاربردهایی کانورترهاي چندسطحی معرفی شدهاند. این اینورترها در مقایسه با اینورترهاي دو سطحی استاندارد و در حالتی که با یک فرکانس کلیدزنی کار کنند داراي اعوجاج هارمونیکی کمتري هستند. موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم - PMS - تازه توسعه یافته با مواد مغناطیس دائم انرژي بالا در صورتی که به خوبی کنترل شوند می توانند فراهم کنندهي دینامیک سریع، عملکرد با راندمان بالا بوده و سازگاري بسیار خوبی در کاربردهاي مختلف داشته باشند. با همهي اینها، کنترل موتور AC منجمله کنترل موتورهاي PMS به دلیل دینامیک بسیار سریع موتور ومدلهاي بسیار غیرخطی ماشینها، یک چالش به شمار میآید. بنابراین، بخش عمدهي توسعهي کنترل موتور شامل استخراج مدلهاي مناسب ریاضی است.
.1 مقدمه
-1-1 موتور سنکرون
موتور سنکرون موتوري است که در آن میدان گردان و رتور با یک سرعت ثابت که همان سرعت سنکرون است می چرخند. و چون با سرعت ثابت می چرخند براي کنترل سرعت مورد استفاده قرار نمی گیرند. این موتورها چون داراي جاروبک وحلقه لغزان هستند تلفات زیادي در ماشین ایجاد می شود . موتور سنکرون سه فاز در سیستم هاي قدرت به صورت کنترل کننده قدرت راکتیو - کندانسور - مورداستفاده قرار می گیرند . یعنی هم - Q وار - از شبکه می گیرند و هم - Q وار - به شبکه تزریق می کنند بنابراین براي تنظیم ولتاژ خطوط انتقال بکار می روند.
ولی مهمترین کاربرد موتور سنکرون، براي اصلاح ضریب قدرت است. یعنی با تغییر جریان تحریک می توان جریان موتور را از حالت پسفاز به حالت پیشفاز و برعکس برد
-2-1 موتور سنکرون مغناطیس دائم
موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم - PMSM - بیشتر در مواردي به کار میروند که نیاز به پاسخ گشتاور سریع و عملکرد با کیفیت باشد. PMSM بسیار شبیه ماشین سنکرون با روتور سیم پیچی است به جز این که PMSM هیچ سیمپیچ میراکنندهاي نداشته و تحریک به جاي یک سیمپیچ میدان، توسط یک آهنرباي دائم فراهم میشود.
حذف سیم پیچ میدان، منبع dc و حلقه هاي لغزان باعث کاهش تلفات و پیچیدگی موتور میشود. براي اندازه چارچوبهاي یکسان، موتورهاي مغناطیس دائم داراي گشتاور شکست بیشتري هستند. از لحاظ ریاضی اثبات شده است که افزایش گشتاور الکترومغناطیسی در یک موتور مغناطیس دائم متناسب است با افزایش زاویهي بین شارهاي پراکندگی استاتور و روتور، و بنابراین، پاسخ سریع گشتاور از طریق تنظیم هر چه سریع تر سرعت گردشی شار پراکندگی استاتور قابل دستیابی است.
این کار توسط تکنیک کنترل مستقیم گشتاور - DTC - میسر می شود . کنترل مستقیم گشتاور بیشتر در صنایع و در موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم با اینورتر دو سطحی سه فاز منبع ولتاژ با کنترلر هیسترزیس به کار میرود که دلیل آن وجود برخی مزایاست، منجمله: سادگی، وابستگی کم به پارامترهاي موتور، پاسخ خوب گشتاور دینامیکی. این نوع سیستم درایو را کنترل مستقیم گشتاور موتور سنکرون مغناطیس دائم - PMSM DTC - کلاسیک مینامند
با این حال، کنترل مستقیم گشتاور موتور سنکرون مغناطیس دائم داراي معایبی چون ریپل زیاد گشتاور و شار و نیز هارمونیک بالا در جریان استاتور می باشد. لذا، براي غلبه بر این مشکلات یک الگوریتم جدید کنترل مستقیم گشتاور براي موتور القائی سه فاز ارائه میشود که از یک اینورتر سه سطحی استفاده میکند. این کار در واقع تعمیم DTC کلاسیک براي اینورترهاي دو سطحی است. قانون اصلی DTC انتخاب مستقیم بردار ولتاژ استاتور طبق اختلاف بین مراجع گشتاور و شار پراکندگی و مقادیر واقعی آنهاست
-3-1 ماشین هاي سنکرون آهن رباي دائم
ماشینهاي سنکرون با آهنرباي دائم در روتور موسوم به PMSM ها در مقایسه با ماشینهاي آسنکرون - القائی - داراي اینرسی کمتر، راندمان بیشتر و نسبت گشتاور به حجم بیشتري هستند. این مزایا منجر به افزایش کاربرد آن ها در خودروهاي هیبریدي، آسیابهاي بادي، کمپرسورها، پمپ ها و فن ها شده است. علاوه بر این، عملکرد بهتر، درایوهاي با دینامیک بالاي مربوط به PMSMها کاربردهاي فراوانی در فرایندهاي تولید و سیستم هاي حمل و نقل دارد جائی که نیاز به پاسخ گشتاور سریع و صحیح است.
از آنجا که قابلیت اطمینان و هزینه هاي درایوهاي PMSM هاي مدرن از اهمیت زیادي برخوردار است، تکنیکهاي پیشرفتهي کنترلی توسعه یافته است. یک ماشین سنکرون آهنرباي دائم اساسا یک ماشین AC معمولی با سیمپیچهاي توزیع شده در شیارهاي استاتور است و بنابراین شار ایجاد شده با جریان استاتور تقریبا سینوسی بوده و به جاي الکترومگنتها - آهنرباهاي الکتریکی - از آهنرباهاي دائم براي تولید میدان مغناطیسی فاصلهي هوایی استفاده میکند. این موتورهاي داراي مزایاي قابل توجهی هستند و توجه محققان و صنایع را جهت استفاده در انواع کاربردها به خود جلب کردهاند.
با این حال هزینه ي اولیهي بالا، محدودیتهاي دماي کاري، و خطر از دست دادن خاصیت آهنربایی ناشی از حضور مغناطیسهاي دائم می تواند در برخی کاربردها محدودکننده باشد. در موتورهاي سنکرون آهنرباي دائم، آهنرباهاي دائم در داخل یا خارج روتور نصب میشوند. بر خلاف موتورهاي DC با جاروبک، موتور سنکرون مغناطیس دائم نیازمند یک درایو براي تامین جریان کموتاسیون است.
این اتفاق از طریق مدولاسیون پهناي پالس باس DC و با استفاده از اینورتر DC به AC واقع در سیمپیچهاي موتور صورت میگیرد. با برقدار کردن برخی سیم پیچ هاي خاص استاتور، بر اساس موقعیت روتور، یک میدان مغناطیسی گردشی ایجاد میشود.
جریانهاي سیم پیچ هاي استاتور در یک توالی از پیش تعیین شده سوئیچ میشوند و لذا آهنرباهاي دائم میتوانند یک میدان مغناطیس ثابت روي روتور بوجود آورند که میدان مغناطیسی گردشی استاتور را در یک سرعت ثابت تعقیب میکند. این سرعت بستگی به فرکانس اعمالی و تعداد قطب هاي موتور دارد. از آنجا که فرکانس کلیدزنی از روتور استخراج میشود، موتور قادر نیست سنکرون و همگامی خود را از دست دهد. جریان همواره قبل از رسیدن به آهنرباهاي دائم سوئیچ میشود؛ بنابراین سرعت موتور به طور مستقیم با نرخ کلیدزنی جریان متناسب است.
-4-1 مواد آهن رباي دائم
ویژگی هاي مواد آهنرباي دائم به طور مستقیم روي موتور تاثیرگذار است و براي انتخاب مواد و درك موتورهاي آهنرباي دائم نیاز به دانش و شناخت مناسب است. اولین مواد آهنربایی ساخته شده از جنس فولاد سختشده بودند. آهنرباهاي ساخته شده از فولاد به راحتی مغناطیسی می شدند. با این حال انرژي خیلی کمی را می توانستند در خود نگه دارند و از دست دادن خاصیت آهنربایی آن ها بسیار آسان بود. در سالهاي اخیر دیگر مواد آهنربایی مثل نیکل آلومینیوم و آلیاژهاي کبالت - ALINCO - ، فریت استرونتیوم یا فریت باریم - Ferrite - ، ساماریوم کبالت - اولین نسل آهنرباي نادر زمین - - SmCo - و نئودیمیوم آهن بور - دومین نسل آهنرباي نادر زمین - - NdFeB - توسعه یافته و براي ساخت آهنرباهاي دائم به کار رفتهاند.
آهنرباهاي نادر زمین به دو دسته تقسیم میشوند:
آهنرباهاي ساماریوم کبالت - SmCo - و نئودیمیم آهن بور . - NdFeB - آهنرباهاي SmCo داراي چگالی شار بالاتري هستند اما بسیار گرانبها میباشند. آهنرباهاي NdFeB معمولترین آهنرباهاي نادر زمین هستند که این روزها در موتورها به کار میروند
شکل :1 چگالی شارمغناطیسی برحسب میدان مغناطیسی مواد آهن رباي دائم [2]
.2 مدلسازي ریاضی ماشینهاي سنکرون با آهنرباي دائم
-1-2 بردارهاي فضایی
در یک موتور سنکرون مغناطیس دائم که اندوکتانسها به صورت تابعی از زاویهي روتور تغییر میکنند، یک مدل مدار معادل دو فاز - d-q - بهترین روش براي تحلیل ماشینهاي چندفاز است چون ساده بوده و درك آن راحت است
به طور معمول براي تحلیل ماشینهاي سنکرون رلوکتانسی از یک مدل مدار معادل دو فاز به جاي مدل سه فاز که پیچیده است استفاده میشود. این نظریه اکنون در تحلیل انواع دیگر موتورها شامل موتورهاي سنکرون آهنرباي دائم، موتورهاي القائی و غیره به کار میرود.
مقایسهي نسخهي اولیهي یک PMSM با یک موتور سنکرون روتور سیمپیچی نشان میدهد که استاتور PMSM داراي سیمپیچهایی مشابه سیمپیچهاي موتور سنکرون روتور سیمپیچی معمولی است که عموما سه فاز، با اتصال ستاره بوده و به صورت سینوسی توزیع میشوند. با این حال، در سمت روتور به جاي مدار الکتریکی دیده شده در موتور سنکرون روتور سیمپیچی، شار ثابت روتور - λr - فراهم شده توسط آهنرباي دائم در/ روي روتور باید در مدل d-q یک PMSM در نظر گرفته شوند.
شکل بردار فضائی معادلهي ولتاژ استاتور در قاب مرجع ساکن به صورت ذیل است:
که rs، Vs، is و λs به ترتیب مقاومت سیمپیچ استاتور، بردارهاي مختلط فضائی ولتاژهاي سه فاز استاتور، جریان ها و شارهاي پراکندگی هستند و در قاب مرجع ساکن که نسبت به استاتور ثابت است بیان میشوند.
