بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کنترل گشتاور موتور ا لقايي با روش DTC
چکيده : کنترل دور موتورهاي القايي با استفاده از روش کنترل مستقيم گشتاور DTC١ يکي از روشهاي بسيار نـو و کارآمد در کنترل ماشين هاي الکتريکي ميباشد. با توجه به الگوريتم کار درايـن روش اجـراي آن بصـورت ديجيتـال ساده و در عين حال بسيار مناسب ميباشد. با استفاده از روش کنترل DTC محـدوديتها و پيچيـدگيهـاي کنتـرل برداري را ميتوان کاهش داد. در اين مقاله يک سيستم کنترل DTC شبيه سازي شـده کـه نتـايج آن ايـن ادعـا را تاييد مي کند.
کلمات کليدي: کنترل دور موتور، کنترل مستقيم گشتاور، DTC، موتور القايي.
١- مقدمه
کنترل ماشينهاي الکتريکي همواره دغدغۀ اصلي مهندسين ماشين ميباشد. گسترش و پيشرفت صنعت کامپيوتر و الکترونيک قدرت ، و نيز به موازات اين پيشرفت ها طرح روشهاي نوين کنتـرل ماشـين هـاي الکتريکـي در دهـه هـاي گذشته دريچه اي نو در کنترل موتورهاي الکتريکي باز کرده است . درنتيجه علارغم تمامي تلاشها و پيشرفتهاي انجام يافته در قرن گذشته براي کنترل موتورهاي القائي در راستاي کنترل بهينه و اقتصاديشان ، با وجود تمامي ابداعات و ابتکارات بکار رفته در آنها با روي کار آمدن روش هاي کنترل برداري روشـهاي کنتـرل اسـکالر کـم کـم کنـار نهـاده مي شوند. آنچه که روشهاي برداري را بسيار کارآمد ميکند تبديل موتور القائي با استفاده از اين روشها به موتور dc از ديد مدار کنترل ميباشد، آنچه که اين روش را با تمامي محاسنش محدود مي کند پيچيدگي هاي اجرايي آن ميباشد.
در روش DTC سعي بر آن داريم تا محدوديتها و پيچيدگيهاي روش کنترل برداري را حذف نماييم [١]. اين کار بـه قيمت افزايش ريپل هاي گشتاور و فلوي ماشين ميباشد. با اين حال اين مشکلات در مقابـل محاسـن سـادگي ايـن روش قابل چشم پوشي و در عين حال با استفاده از روشهايي تا حدودي قابل رفع ميباشد[٢].
نتايج حاصله از شبيه سازي موتور القايي سه فاز توسط نرم افزار MATLAB که حاکي از سادگي و قابليتهاي خوب اين روش در کنترل گشتاور موتور ميباشد، در انتهاي مقاله آورده شده است .
٢- تئوري کار
٢-١- محاسبات فلوي و گشتاور
با اعمال تبديلات سه فاز به دو فاز به معادلات موتور القائي ميتوان رابطۀ گشتاور موتور القايي به رابطـۀ گشـتاور در موتورهاي dc بسيار شبيه شود.
همانطوريکه در رابطۀ (١) مشاهده ميشود گشتاور موتور القائي بسيار شبيه به گشتاور موتورهاي dc کـه در رابطـۀ (٢) آمده است ميباشد. گشتاور و فلوي فاصلۀ هوايي تابعي از ولتاژ و فرکانس هستند و اين اثر تزويج باعـث کنـدي پاسخ موتور القائي در روشهاي کنترل اسکالر ميگردد. بعد از طرح روشهاي کنترل برداري در سال ١٩٨٦ روش نوين کنترل موتورهـاي القـائي بـه نـام روش کنتـرل مسـتقيم گشـتاور و يـا DTC توسـط Takahashi مطـرح شـد[١].
همانطوريکه از اسم اين روش بر ميآيد در اين روش اساس کار بر روي کنترل گشتاور موتور القائي بنـا نهـاده شـده است . گشتاور موتور القائي را ميتوانيم از رابطۀ (٣) بصورت زير محاسبه کرد:
با توجه به رابطۀ (٢) گشتاور موتور تابعي از فلوي استاتور و زاويۀ بين فلوي استاتور و روتور ميباشد. فلوي اسـتاتور را ميتوان مستقيما از روي ولتاژهاي ترمينال موتور ساخت . براي اينکار ولتاژهاي اندازه گيري شده توسط سنسورهاي ولتاژ به مرجع d-q انتقال مييابد، سپس با استفاده از رابطه (٤) و (٥) ميتوان فلوي استاتور ماشين را محاسبه کرد.
با اندازه گيري جريانهاي ترمينال ماشين ميتوان از رابطۀ (٣) گشتاور ماشين القائي را محاسبه نمود. از روابـط (٤) و (٥) مشاهده ميشود که فلوي، مستقيما از روي ولتاژهاي ترمينال ساخته ميشود در کنترل DTC بـا کنتـرل ولتـاژ ترمينال ماشين القائي فلوي ماشين و به طبع آن گشتاور توليدي موتور را کنترل نمود.
آنچه که اين روش کنترل را بسيار قوي و محکم ميکند وابستگي کم آن به پارامترهاي ماشين ميباشـد، بـه عبـارت ديگر براي ساخت فلوي استاتور و نيز گشتاور تنها پارامتري از موتور که بايستي اندازه گيري شود مقاومـت اسـتاتور ميباشد. بدين ترتيب حساسيت سيستم کنترل به تغيير پارامترهاي ماشين در حين کار بسيار کم ميباشد و نيز در اين روش کنترل ما نياز به داشتن محل قرارگيري فلوي (زاويۀ فلوي استاتور) داريم که اين زاويه و نيز اندازه فلوي به سادگي با استفاده از رابطۀ (٦) و (٧) قابل محاسبه ميباشد:
٢-٢- کنترل فلوي و گشتاور
همانطوريکه گفته شد در روش dtc هدف کنترل فلوي استاتور موتور و به طبع آن کنترل مسـتقيم گشـتاور ماشـين ميباشد. با در دسترس داشتن λd و λq ميتوان اندازه و نيز زاويۀ λ را ساخت . ولتاژ فاز ماشين نيز اختلافي ٩٠ درجه با λ دارد که با در دست بودن اندازه و فاز شار ميتوان اندازه و فاز V را بدست آورد. در روش dtc اصول کار بـر روي کنترل شار استاتور بنا نهاده شده است . با مقايسه مقدار اندازه بدست آمده از رابطه (٧) و مقايسه آن با فلوي مرجـع خطاي فلوي بدست مي آيد.
گشتاور موتور را مي توان با استفاده از جريانهاي اندازه گيري شده و شار تخمين زده شده بصورت زير محاسبه نمود:
مقدار فلوي محاسبه شده و نيز مقدار گشتاور تخمين زده شده با مقادير مرجع مقايسه شده و حاصل مقايسه هـا بـه پنجره هاي هيسترزيس داده ميشود. منطق حاکم بر پنجره هاي هيسترزيس در جداول ١ و ٢ آمده است . از روي اين خطاها و نيز سکتور مربوط به فلوي استاتور حالات سوييچينگ سوئيچ هاي قدرت انتخاب مـيشـوند. کـه در بخـش بعدي به نحوه انتخاب حالات سوييچينگ خواهيم پرداخت .
٢-٣- حالات سوئيچنگ اينورتر
براي کنترل ولتاژ در روش DTC از اينورتر ولتاژ استفاده ميکنيم . حالات سوئيچينگ اينورتر از روي خطاهاي فلـوي و گشتاور از روي جدول سوئيچينگ تعين ميشود( جدول ٣).
با انتخاب هرکدام از بردارهاي ولتاژ جدول ٣ ميتوان ولتاژهايي با زاويه هاي ٦٠ درجه نسبت به هم ساخت . الگوريتم کار به اين صورت است که با توجه به خطاهاي فلوي و گشتاور و نيز سکتور مربوط به روتور که از روي زاويه استاتور محاسبه ميشود بردار مناسب براي اصلاح خطاها انتخاب ميشود(شکل ١). نا گفته پيداست که حالات کليـد زنـي اينورتر ولتاژ محدود ميباشد، بنابراين ولتاژ استاتور بصورت گسسته تغيير خواهد کرد. اما با توجه به انتگـرال گيـري که از ولتاژ استاتور براي ساخت فلوي انجام ميشود شار استاتور پيوسته و تقريبا يکنواخـت مـيباشـد. بـراي ايجـاد ولتاژي بين دو حالت بايستي بصورت ترکيبي سوئيچها را روشن و خاموش کنيم که اين کار خود باعث بروز مشکلات سوئيچ زني و کموتاسيون و نيز گراني سوئيچ قدرتمان مي شود.
با اين اوصاف ميتوانيم بلوک دياگرام مربوط به روش کنترلي DTC را بصورت شکل ٢ رسم نماييم .
شکل ٢. بلوک دياگرام کلي DTC
٣- شبيه سازي
براي شبيه سازي dtc از مدل موتور القائي [٣] که معادلات آن در مرجع ساکن نوشته شده است استفاده ميکنيم . در شبيه سازي انجام يافته براي موتور و نيز بلوکهاي DTC از انتگرالگيرهاي گسسته بجاي انتگرالکير پيوسـته اسـتفاده ميکنيم . حسن استفاده از انتگرالگيرهاي گسسته افزايش سرعت شبيه سازي با انتخاب گام محاسـباتي ثابـت ٥-e١ ثانيه و در نتيجه داشتن جوابهاي بهتر
