بخشی از پاورپوینت
اسلاید 2 :
4- موتورهاي pmsm
نوع ديگري از موتورهاي مغناطيس دائم موتورهاي سنكرون مغناطيس دائم يا PMSM مي باشد. از ميان موتورهاي AC موتور PMSM رقيب جدي براي موتورهاي dc و حتي نوع القايي در كاربردهاي سرودرايو، با قابليت بالا، مطرح مي باشد در واقع برتري اين نوع موتورها جايگزيني سيم بندي تحريك، منبع تغذيه DC و رينگهاي لغزان با مواد مغناطيسي طبيعي به عنوان يك تحريك دائم است. اين امر باعث شده تا روشهاي كنترل مختلف، جهت دستيابي به بهترين و انعطاف پذيرترين مشخصه هاي كنترلي بر روي آنها پيشنهاد شده و مورد بررسي قرار گيرد.
[1] - Permanent Magnet Synchronous Motors
اسلاید 3 :
يك موتور سنكرون مغناطيس دائم بدون جاروبك شامل بخشهاي زير است:
استاتور
روتور مغناطيس دائم
يك Device داخلي يا خارجي براي سنس موقعيت روتور (انكدر Encoder كه يك سري پالسهاي منطقي را براي سوئيچهاي اينورتر توليد ميكند البته با يك ترتيب صحيحي كه موقعيت روتور را بيان كند)
اسلاید 4 :
استاتور همان قسمت ثابت ماشين است. همانگونه كه مي دانيم هسته استاتور بصورت ورقه هايي است كه روي هم قرار گرفته اند و از فولاد مغناطيسي نرم ساخته مي شوند. قسمتهاي مختلف ورقه ها عبارتند از دندانه ها، شيارها، يوك (كه مسير مغناطيسي را مي بندد) ضخامت ورقه ها به فركانس، ولتاژ تغذيه، قيمت و تلفات هسته بستگي دارد. سيم پيچي استاتور مي تواند تكفاز يا سه فاز باشد. اين سيم پيچي معمولاً دو لايه بوده و به صورت تناوبي روي هم پيچيده مي شود. هر دسته از كلافها به يكديگر وصل مي شوند تا گروه فاز را تشكيل دهند. گروههاي فاز بسته به نوع اتصال سري يا موازي سربندي مي شوند براي كاهش هارمونيكهاي ولتاژ سيم بندي معمولاً با گام كسري اجرا مي شود.
اسلاید 5 :
فاصله هوايي فاصله بين روتور و استاتور در كليه ماشينهاي الكتريكي پارامتر مهمي است اما در ماشين PM تعيين كننده نقطه كار ماشين در حالت بي باري مي باشد. فاصلة هوائي بزرگتر تلفات را افزايش خواهد داد و بايد آهنرباي دائم قوي تر داشته باشيم و چگالي فوران در فاصلة هوايي كاهش خواهد يافت.
در ماشينهاي PM آهنرباي دائم هم روي روتور و هم روي استاتور مي تواند قرار گيرد. ولي با توجه به اينكه امروزه سعي مي شود اكثر ماشينها به صورت بدون جاروبك ساخته شوند آهنربا را بايد روي روتور قرار داد.
اسلاید 6 :
جنس مواد مغناطيسي استفاده شده روي روتور، متفاوت است بعضي از توليد كنندگان از مغناطيسهاي طبيعي نادر مانند ساماريم كبالت (Sm2Co17,SmCo5) و يا نئوديميم , آهن , بورن (NdFeB) استفاده مي كنند، كه انرژي بالايي را توليد كرده و كاهش قدرت مغناطيس آنها نيز كم است و توسط مواد چسبنده قوي به سطح فلزي روتور نصب مي شوند. به لحاظ استحكام بالاي مكانيكي كه براي سرعتهاي بالا، كاملاً ضروري است، فضاي بين مغناطيس ها با ماده غير مغناطيسي پر شده و سطح نهايي نيز توسط يك ماده با مقاومت مكانيكي بالا نظير فايبرگلاس پوشانده مي شود. امروزه يكي از محدوديتها در استفاده از مغناطيسهاي طبيعي، قيمت بالاي آنها است ولي انتظار مي رود كه در آينده با بهبود تكنيك ساخت مغناطيس مصنوعي قابل جايگزين باشد. يكي از مشكلات مغناطيس هاي NdFeB كاهش شدت ميدان مغناطيسي با افزايش درجه حرارت است. در بعضي از ساختارها از روتور با مغناطيسهاي داخلي يا دفن شده استفاده مي كنند (IPMSM) كه براي سرعتهاي خيلي بالا كاربرد دارد.
اسلاید 7 :
شكل (1): برشي از يك PMSM دو قطبي.
اسلاید 8 :
روي روتور قسمتهايي مانند قطبها، دمپرها، يوك روتور، شفت و ياتاقانها قرار مي گيرند، قطبهاي روتور توسط آهنرباي دائمي ايجاد مي شوند شكلهاي متفاوتي براي قرار گرفتن آهنربا روي روتور وجود دارد كه مي توان بر اين اساس ماشينهاي سنكرون PM را تقسيم بندي نمود. يك روتور بهينه بايد حداكثر چگالي فوران فاصله هوايي و حداقل فوران نشتي بين آهن رباها را باعث شود.
دو نوع آرايش اصلي PMSM عبارتند از: ماشين سنكرون PM با آهنرباي روي سطح روتور (SPM) و ماشين سنكرون PM با آهنرباي داخلي (IPM) كه در هر دو فوران به صورت شعاعي است.
اسلاید 9 :
شكل (2): ساختار روتور در يك ماشين سنكرون مغناطيس دائم
اسلاید 10 :
آرايشهاي ديگر PMSM عبارتند از: قطب چنگالي (Claw-pole) و متقاطع يا اريب transverse. دمپرها هاديهايي هستند كه در روتور براي ميرا كردن نوسانات حول سرعت سنكرون و همچنين راه اندازي ماشين سنكرون PM استفاده مي شوند. البته دمپرها براي ماشينهايي استفاده مي شوند كه راه اندازي مستقيماً از طريق خط صورت مي گيرد ولي اگر موتور مجهز به يك سيستم درايو باشد دمپر لازم نيست.
يوك روتور براي كامل شدن مسير مغناطيسي آهن رباي روتور است و بعلاوه وظيفه نگهداري آهنربا را نيز دارد. يك ماشين سنكرون PM علاوه بر قسمتهاي اصلي گفته شده در بالا، با توجه به كاربرد اين موتورها در جاهايي كه لازم است سرعت را كنترل كنيم به يك سيستم درايو مناسب احتياج دارد. براي اين منظور در ابتدا برق را وارد يك يكسوساز مي كنيم.
اسلاید 11 :
ولتاژ DC حاصل را اغلب به يك اينورتر شش پله اي مي دهيم تا به ولتاژ مناسب و با فركانس متناسب با سرعت لحظه اي روتور دست يابيم. در موتورهاي سنكرون مغناطيس دائم سه فازه سيم پيچ هاي هر فاز استاتور مشابه بوده ولي هر فاز نسبت به ديگري 120 درجه اختلاف فاز دارد. براي تحليل PMSM تعداد دور هر فاز را با Ns و مقاومت هر فاز را با Rs نشان مي دهيم. اغلب موتورهاي PMSM از نوع SPM مي باشند ولي براي بعضي از كاربردها از جمله كاربردهاي سرعت بالا از IPM استفاده مي شود زيرا به علت قرارگرفتن آهنربا در داخل روتور استحكام لازم را براي كار كار كردن در سرعتهاي بالا دارد.
اسلاید 12 :
براي بررسي اين موتورها راستاي فوران مغناطيسي آهنرباي دائمي را محور d در نظر ميگيريم و محور q نيز در راستاي حد فاصل آهنرباها در نظر گرفته ميشود، محورهاي d و q با هم 90 درجه الكتريكي زاويه دارند ولي همانگونه كه در شكل ديده مي شود به عنوان مثال براي يك موتور چهار قطبه اين زاويه 45 درجه مكانيكي خواهد بود.
شكل (3): مسيرهاي فوران در راستاي محورهاي d و q : (a محور d (b محور q
اسلاید 13 :
همانگونه كه در شكل ديده مي شود در يك IPM فوراني كه از راستاي محور d مي گذرد در طي مسير خود علاوه بر عبور از دو فاصله هوايي از عرض دو آهنربا نيز رد مي شود ولي فوران در راستاي q فقط از دو فاصله هوايي مي گذرد. فاصله هوايي واقعي در امتداد محور d را مي توان به اندازه دو برابر ضخامت يك آهنربا بيشتر از فاصله هوايي در امتداد محور q در نظر گرفت زيرا پرمابيليته مواد مغناطيسي نزديك به هوا مي باشد.
با توجه به اين مطلب در يك IPM اندوكتانس محور q بزرگتر از اندوكتانس محور d خواهد بود برخلاف ماشينهاي سنكرون معمولي كه Ld بزرگتر از Lq مي باشد.
اسلاید 14 :
توجه شود كه در ماشينهاي سنكرون SPM با توجه به اينكه آهنربا روي روتور و در قسمت فاصله هوايي قرار دارد، بنابراين مدار مغناطيسي در راستاي هر دو محور داراي طول هسته و فاصله هوايي برابر خواهد بود، بنابراين Ld با Lq برابر خواهد بود يا به عبارت ديگر SPM را مي توان يك موتور سنكرون با قطب صاف در نظر گرفت و IPM به عنوان موتوري با قطب برجسته مطرح خواهد بود.
هنگامي كه از PMSM با مغناطيس هاي سطحي در كاربردهاي فركانس متغير استفاده مي شود نيازي به سيم بندي دمپر نخواهد بود كه در واقع چنين چيزي هم روي روتور PMSM تعبيه نشده است.
موتورهاي سنكرون موتورهاي با سرعت ثابتي هستند كه سرعت آنها وابسته به فركانس الكتريكي ورودي و تعداد قطبهاي ماشين است . تنها تفاوت PMSM با موتور سنكرون معمولي در اين است كه در PMSM، سيم بندي تحريك الكتريكي روتور، با ماده مغناطيس دائم جايگزين شده است.
اسلاید 15 :
همانطور كه در بخش قبلي در مورد BLDCها هم مطرح كرديم، يكي از فوايد استفاده از مغناطيس دائم حذف جاروبكها و حلقه هاي لغزنده روتور و همچنين تلفات مس در هاديهاي تحريك روتور مي باشد و لذا باعث افزايش راندمان ماشين مي گردد. به دليل محدود شدن تلفات به مس و آهن استاتور، فرآيند خنك سازي از طريق بدنه استاتور آسانتر صورت مي پذيرد، لذا افزايش راندمان، كوچكترسازي حجم ماشين را امكان پذير مي سازد. از ديگر مزاياي بكارگيري مغناطيسهاي دائم تغييرات گسترده مشخصه ماشين در يك اندازه معين توسط تغييرات در نوع مغناطيس ها و ترتيب قرارگيري آنها مي باشد.
ماشينهاي مغناطيس دائم بطور وسيعي در سيستمهاي سرودرايو مانند كنترل موقعيت و كاربردهاي رباتيك بكار مي روند. مثلاً موتور با توان 1MW به عنوان محركه پيش راننده يك كشتي بكار گرفته مي شود. همچنين اين ماشينها را مي توان در زمينه توليد انرژي نيز بكار برد.
اسلاید 16 :
براي ساختن درايور يك PMSM لازم است كه بخشهاي مختلف موتور را شناخت و نيز بايد دريافت كه چه نوع اينورتري (پالسي، سينوسي، ذوزنقه اي و.) بايد ساخته شود تا بتواند موتور را با بيشترين گشتاور به راه اندازد. در زير توضيح داده شده است كه براي داشتن يك گشتاور ثابت حتماً بايستي جريان سينوسي به موتور تزريق كرد.
همانطور كه در بخش اول توضيح داده شد موتور با EMF و B ذوزنقه اي را موتور BLDC مي گويند كه در اين نوع موتورها از استراتژي، هر مرحله دو فاز روشن، استفاده مي شود ولي در موتور با EMF و B و سينوسي، PMSM، پيشنهاد مي شود كه بهترين كاركرد و عملكرد موتور زماني است كه موتور با جريانهاي سينوسي درايو شود و استراتژي كنترل بصورت، هر مرحله سه فاز روشن، كاربردي است. در قسمت زير ضمن ارائه مدلي ساده از PMSM ثابت ميكنيم كه براي داشتن گشتاور ثابت، بايستي موتور را با جريانهاي سينوسي درايو كنيم.
اسلاید 17 :
1-4- مدل PMSM
كاركرد يك PMSM بر مبناي تبديل انرژي الكتريكي به انرژي مغناطيسي و از انرژي مغناطيسي به انرژي مكانيكي است. ميدان دوار مغناطيسي را مي توان با بكاربردن ولتاژهاي سه فاز سينوسي در استاتور توليد كرد كه اين باعث مي شود از سه فاز جريانهاي سينوسي عبور كند در نتيجه در استاتور شار مغناطيسي دوار توليد مي شود. با عمل و عكس العمل شار روتور مغناطيس دائم و شار توليدي استاتور عمل چرخش روتور ايجاد مي شود. براي بررسي عملكرد موتور، در ابتدا بايد چند مفهوم مهم را تعريف كنيم.
اسلاید 18 :
تعريف موقعيت و سرعت مكانيكي و الكتريكي:
در موتورهاي الكتريكي دو پارامتر موقعيت و سرعت مكانيكي و الكتريكي تعريف مي شود. موقعيت مكانيكي وابسته به چرخش شفت روتور مي باشد وقتي شفت روتور 360 درجه مكانيكي مي چرخد روتور به همان موقعيت اوليه خود بر مي گردد. موقعيت الكتريكي روتور به چرخش ميدان مغناطيسي روتور وابسته است مثلاً در شكل زير اگر روتور فقط 180 درجه مكانيكي بچرخد يك پريود كامل از شكل موج ميدان مغناطيسي توليد مي شود. موقعيت الكتريكي روتور به تعداد قطبهاي مغناطيسي موتور وابسته است. (شرط لازم براي داشتن گشتاور اين است كه تعداد قطبهاي روي روتور با تعداد قطبهاي حاصل از شار استاتور برابر باشند
