بخشی از مقاله
چکیده
در سال های اخیر، تلاش زیادی جهت توسعه تکنیک های مختلف کنترل پیشرفته در محرکه موتورهای الکتریکی برای کاربردهای صنعتی صورت گرفته است .موتورهای القایی عمومی ترین موتورهایی هستند که در سامانه های کنترل حرکت استفاده میشوند .طراحی ساده و مستحکم، قیمت ارزان و هزینه نگهداری پایین امتیازات اصلی موتورهای القایی هستند .در این مقاله، محرکه موتور القایی سه فاز با توجه به گستره وسیع کنترل سرعت به عنوان محرکه الکتریکی مناسب انتخاب و عملکرد آن در کنترل های کلاسیک بررسی شده است .
هدف اصلی این مقاله، ارائه روش کنترلی مقاوم برای محرکه الکتریکی القایی سه فاز است .روش کنترلی ارائه شده قادر به راه اندازی بهتر در بارداری موتور در رنج وسیع سرعت و گشتاور می باشد همچنین استفاده از کنترل کننده فازی موجب بهبود شار استاتور و کاهش خطای حالت ماندگار محرکه شده است عملکرد موتور و محرکه پیشنهادی با استفاده از نرم افزار MATLAB/Simulink مورد تحلیل قرار گرفته و نتایج حاصل در شرایط مختلف نشان داده شده است.
مقدمه
امروزه در صنعت، ماشین های الکتریکی مختلف با سرعت های متغیر در کاربردهایی نظیر ماشین برش فلزات، جرثقیل الکتریکی، ادوات حمل و نقل و انواع مختلف وسایل چاپ مورد استفاده قرار میگیرند .در بیشتر کاربردهای ذکر شده، ماشین الکتریکی باید مجهز به کنترل محرکه باشد تا بتواندکمیت هایی از قبیل سرعت، نیرو و بار را کنترل کند.[1] محرکه یا مبدل فرکانس و یا کنترل کننده دور موتور برای تنظیم دور الکتروموتورهای AC استفاده می گردند .محرکه ها قادرند دور موتور را از صفر تا چندین برابر دور نامی به طور پیوسته تغییردهند .توانایی محرکه های الکتریکی در راه اندازی و توقف نرم موجب کاهش قابل ملاحظه تنش های مکانیکی در اتصالات مکانیکی و سایر ادوات دوار می گردد.
موتورهای القایی - آسنکرون - سه فاز به دلیل امتیازات اساسی از قبیل ساختار ساده، استهلاک کم و گشتاور راه اندازی بالا نسبت به موتورهای جریان مستقیم با جاروبک، در سیستمهای محرکه الکتریکی که نیاز به تغییر وتنظیم دور دارند به کار گرفته می شوند. پیشرفت های صورت گرفته در خصوص کاربرد موتورهای القایی به اواسط دهه 60 برمی گردد. از کاربردهای اصلی موتورهای القایی میتوان به تجهیزات صنعتی، تولیدات خانگی، صنایع فضایی، اتومبیل ها و روبات ها اشاره کرد .امروزه مهمترین کاربرد این موتورها در صنعت و تجهیزات کششی مثل خودروهای برقی و هیبریدی و همچنین در محرکه قطارهای برقی است.
بنابراین، تحقیقات اخیر بر روی طراحی بهینه محرکه موتور القایی برای کاربردهای سرعت متغیر متمرکز شده است تحقیقات گسترده ای در مورد سیستم های محرکه موتورهای القایی در آزمایشگاه ها و مراکز صنعتی انجام می گیرد که به تبع آن روشهای کنترلی مختلفی برای این موتورها ارائه شده است. به دلیل کاربرد بیشتر محرکه های القایی، باید مدار کنترلی این محرکه ها به صورت بهینه و مقاوم طراحی شود .همچنین، پارامترهای کنترلی اصلی در این محرکه ها مثل سرعت، جریان و گشتاور باید به خوبی کنترل شوند .
برای به دست آوردن گشتاور ثابت در این محرکه ها، با فرض نیروی ضدمحرکه سینوسی موتور، اغلب کنترل چرخش میدان با مراجع جریان ثابت، کنترل مستقیم گشتاور و کنترل برداری جریان استفاده می شوند. بعضی از این روش ها با وجود پاسخ دینامیکی خوب ولی وابسته به پارامتر موتور و دقت پایین هستند .در حالت کلی، برای رسیدن به پاسخ دینامیکی سریع برای گشتاور و عمکرد توان بالای محرکه،معمولاً موتورهای القایی با کنترل کننده های سرعت گشتاور عملکرد بالا استفاده می شوند.[5]کنترل سرعت و گشتاور موتور القایی با اعمال مقاومت درمدار رتور - تغییرات لغزش - به صورت کنترل حلقه باز میسر است.
با گذاشتن یک مقاومت اضافی در مدار رتور ماشین، میتوان مشخصه گشتاور سرعت آن را تغییر داد.[3] باید دقت شود که کنترل سرعت در این روش مستلزم افت انرژی است که این افت ها در مدار رتورمستقیماً متناسب با لغزش است.[4] ساده ترین روش کنترل موتورهای القایی روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس است .این روش، به طور گسترده در کاربردهای صنعتی از قبیل صنایع روغن و گاز که نیازمند موتورهای القایی توان بالا و سنگین هستند و همچنین فن ها، پمپ ها، کمپرسورها و تهویه کن ها، مورد استفاده قرار می گیرد .این نوع کنترل کننده ها از نوع اسکالر بوده و به صورت حلقه باز با پایداری خوب عمل می کنند. مزیت این روش سادگی سیستم های کنترلی آن است. در مقابل، این نوع کنترل کننده ها برای کاربردهای با پاسخ سریع مناسب نیستند.
روبات ها و ماشین های ابزار نمونه هایی از کاربردهای با دینامیک بالا هستند .در این کاربردها اغلب از روشهای کنترل برداری استفاده میشود .در روشهای کنترل برداری با تفکیک مولفه های جریان استاتور به دو مولفه گشتاورساز و شارساز و کنترل آنها با استفاده از تنظیم کننده های PI ترتیبی داده می شود که موتور AC نظیر موتور DC کنترل شود و به این ترتیب تمام مزایای موتور DC از جمله پاسخ گشتاور سریع آنها در موتورهای AC نیز در دسترس خواهد بود .کنترل برداری به طور گسترده برای کارایی بالا در راه اندازی موتورهای القایی مورد استفاده قرار می گیرد .همانند موتورهای DC ، کنترل گشتاور موتور القایی با کنترل گشتاور و شار به طورمستقل از هم صورت میگیرد
در مرجع[12] الگوریتمی برای کنترل مستقیم گشتاور موتور القایی در ناحیه تضعیف میدان ارائه شده است .در روش ارائه شده از حداکثر ولتاژ DC اینورتر استفاده شده است .کنترل کننده سیستم مبتنی بر کنترل زاویه ولتاژ استاتور بوده و دارای الگوریتم ساده است .کنترل مستقل جریان و گشتاور در یک ماشینالقایی معمولاً از طریق کنترل در جهت میدان FOC1 یا کنترل مستقیم گشتاور - DTC - انجام می شود .در حالت اول کنترل کننده جریان استاتور جریانی را به همراه جریان روتور برای کنترل اندازه جریان تزریق می کند .همزمان، مولفه عمودی جریان استاتورگشتاور را کنترل میکند
روش دوم حلقه جریان داخلی ندارد و مبتنی بر تنظیم بردار ولتاژ استاتور نسبت به گشتاور و شاراست. در هر دو روش کنترلی ذکر شده جریان در مقدارکمتر از مقدار مجاز مشخص شده نگه داشته می شود و با ورود محرکه به ناحیه سرعت بالا این مقدار کاهش می یابد.
در این مقاله، کنترل مستقیم گشتاور موتور القایی با کنترل هوشمند فازی برای سرعت و شار ارائه شده است .استراتژی کنترل مستقیم گشتاور موتور مبتنی بر تخمین گشتاور و شار است.تخمین گشتاور و شار با استفاده از پارامترهای موتور و روابط حاکم بر آن صورت گرفته است .ساختار کلی موتور و محرکه پیشنهادی به طور کامل تشریح شده است .در نهایت نتایج شبیه سازی مربوط به عملکرد موتور و محرکه پیشنهادی در شرایط عملکردی مختلف نشان داده شده است.
مدل ریاضی موتور القایی و اصول کنترل مستقیم گشتاور
مدل ریاضی موتور القایی
در موتور القایی نیروی ضدمحرکه موتور و جریان به شکل سینوسی است .مدل موتور القایی را میتوان در مرجع قاب گردان روتور با سرعت زاویه ای موتور با ماتریس زیر بیان کرد
