.:جویا برق:.

کنترل مجزاي گشتاور و توان منتقله به روتور در ماشين  سنکرون قطب برجسته

چکيده:در اين مقاله يک سيستم درايو با الگوريتم کنترل مستقل گشتاور روتور و توان روتور توصيف شده است.يک ماشين الکتريکي براي دو هدف استفاده مي شود. اول براي فراهم آوردن گشتاور الکترومغناطيسي براي چرخاندن بارهاي سوار شده بر روي روتور و دوم براي فراهم آوردن توان الکتريکي براي تجهيزاتي که روي روتور سوار شده اند. اين روش نياز به حلقه هاي لغزان را حذف مي کند. نتايج شبيه سازي، آناليز داده شده را مورد بررسي قرار مي دهد. اين سيستم در کاربردهايي مثل آنتن هاي چرخان کاربرد دارد.

کنترل مجزاي گشتاور و توان الکتريکي منتقله به روتور در ماشين  سنکرون قطب برجسته

چکيده:در اين مقاله يک سيستم درايو با الگوريتم کنترل مستقل گشتاور روتور و توان روتور توصيف شده است.يک ماشين الکتريکي براي دو هدف استفاده مي شود. اول براي فراهم آوردن گشتاور الکترومغناطيسي براي چرخاندن بارهاي سوار شده بر روي روتور و دوم براي فراهم آوردن توان الکتريکي براي تجهيزاتي که روي روتور سوار شده اند. اين روش نياز به حلقه هاي لغزان را حذف مي کند. نتايج شبيه سازي، آناليز داده شده را مورد بررسي قرار مي دهد. اين سيستم در کاربردهايي مثل آنتن هاي چرخان کاربرد دارد.

کلمات چکيده:موتور سنکرون-درايو موتور سنکرون-کنترل گشتاور و ترانسفورمر

1- مقدمه

اين مقاله يک سيستم الکترومغناطيسي ارايه مي دهدکه گشتاور مکانيکي براي بار چرخان را فراهم مي سازد و توان الکتريکي را در طول فاصله هوايي به تجهيزات الکتريکي روي روتور  منتقل مي کند.گشتاور الکتريکي و توان انتقالي مي تواند بدون وابستگي کنترل شود. کاربرد چنين سيستمهايي در آنتن هاي چرخان است که نياز به يک درايو بادقت, با کنترل خودکار و مستقل از توان انتقالي به تجهيزات چرخان دارد.

سيستمهاي بازگشت انرژي لغزش مي توانند هر دو انتقال توان مکانيکي و الکتريکي را فراهم کنند. ولي آنها وابسته اند و به صورت مستقل کنترل پذير نيستند. در اين مقاله  يک ماشين سنکرون قطب برجسته براي فراهم آوردن کنترل مستقل گشتاور مکانيکي و توان الکتريکي انتقالي استفاده شده است.که در آن ماشين ترکيبي از کارکرد ماشيني و ترانسفورمري را فراهم مي کند در حاليکه دو بخش مجزا شده اند.

ارزيابي کنترل مجزاي گشتاور روتور و جريان روتور با استفاده از شبيه سازي سيستم که در آن بايد مدل اجزاي سيستم را بدست بياوريم انجام گرفته است.

2- اصول پايه

کارکرد  ترانسفورمري ملزم مي دارد که سيم پيچ ثانويه يک تغييرات شار را تجربه کند و در دورهاي آن و در نتيجه در ترمينال هاي آن ولتاژي القا شود.کارکرد ترانسفورمري وابسته به تغيير بردار شار است. در کنترل گشتاور ماشين، شار و دامنه بردارجريان( در يک قاب مرجع مناسب) نوعا ثابت است و زاويه بين بردارها در حالت بهينه (معمولا 90 درجه) نگه داشته مي شود. تحت اين شرايط حاصلضرب دو بردار ثابت است و بنابراين گشتاور ثابت است. به هر حال اين امر ممکن است که بردار شار را تغيير دهيم ولي همچنان يک گشتاور ثابت داشته باشيم به نحوي که بردار جريان طوري کنترل شود که نتيجه حاصلضرب دو مقدار ثابت باشد. تغيير در شار ماشين مي تواند انتقال انرژي از طريق فاصله هوايي را ممکن سازد. بنابراين ماشين الکتريکي براي دو هدف استفاده مي شود. توليد گشتاور و انتقال توان. هدف اين مقاله اين است که يک روش و يک سيستم درايو ماشين را ارائه دهدکه کنترل مستقل توليد گشتاور و مکانيزم کارکرد ترانسفورمري را فراهم کند که ثانويه ترانسفورمر روتور سيم پيچي شده است.

ماشين القايي روتور سيم پيچي شده براي چنين درايوي مناسب نيست. چون توليد گشتاور وابسته به جريان روتور است بنابراين کنترل مجزا امکان پذير نيست. به هر حال نشان داده مي شود که ماشين سنکرون قطب برجسته ويژگي هاي لازم را براي چنين درايوي داراست.

اين ماشين ها داراي دو ويژگي مطرح هستند: اول اينکه با قطب برجسته عمل مي کنند بنابراين توليد گشتاور بدون جريان ميدان ممکن است همانطور که در ماشين هاي سنکرون رلوکتانسي اتفاق مي افتد. دوم اينکه روتور يک سيم پيچ ميدان دارد که با شار محور d که توسط i_ds توليد شده است کوپل شده است. با نوسان اين شار با يک فرکانس نوسان شار(f_p )يک ولتاژ(طبق قانون فاراده) در خروجي سيم پيچ ميدان القا مي شود. اگر يک بار مقاومتي در ترمينالهاي سيم پيچ ميدان وصل شود يک جريان بار جاري شده(i_f ) و قدرت به بار منتقل مي شود. بنابراين برقراري جريان ميدان شاري در ماشين توليد مي کند که شار توليد شده در محور d بوسيله i_ds را (طبق قانون لنز) کاهش مي دهد.

با اين حالت عملکرد ، تحليل نشان مي دهد که اگر جريان i_f يک تابع پيوسته باشد مي توانيم معادلات i_ds و i_qs  را طوري پيدا کنيم که در يک گشتاور ثابت،  انتقال قدرت نيز در طول فاصله هوايي اتفاق افتد. لذا مي توان گشتاور را مستقل از توان منتقل شده به روتور و يا برعکس کنترل کرد.

3- مدلسازي ماشين سنکرون

ماشين در قاب مرجع روتور و با استفاده از مدار معادل d-q مدل شده است. مدل d-q ضرايب متغير با زمان را در معادلات ماشين که وابسته به موقعيت روتور است را حذف مي کند.مدار معادل محور d و q سيم پيچي استاتور و همچنين سيم پيچي ميدان در شکل (1 ) نشان داده شده است.

شکل(1).مدار معادل محور d و q موتور

سيم پيچي ميراکننده نيز صرفنظر شده است که تاثير چنداني روي نوسان شار که باعث القاي ولتاژ روي روتور مي شود ندارد.

معادلات شار در قاب مرجع روتور به قرار زير است:

که در آن

معادلات ولتاژ بر حسب شار در بر گيرنده مي تواند به صورت زير نوشته شود.

پارامترهاي   و   در نظر گرفته شده است بنابراين تاثيرات ثابت زماني روتور نيز مدل مي شود.

براي گشتاور الکترو مغناطيسي در قاب مرجع روتور داريم:

با جايگذاري (1) و(2) در (7) داريم:

عبارت اول در سمت راست گشتاور رلوکتانسي را ارائه مي دهد و عبارت دوم برهم کنش جريان محور q و شار عمود بر جريان محور q را نشان مي دهد.

4- روش Decoupling  

براي يک گشتاور الکترو مغناطيسي ثابت با استفاده از رابطه (8) داريم:

که T_e^* گشتاور مطلوب است.

با شرايطي که هيچ ناپيوستگي در جريان i_qs  رخ ندهد:

رابطه (6)     را با i_ds مرتبط مي کند:

اگر   سينوسي باشد:

با استفاده از (11) و(12) رابطه i_ds بدست مي آيد:

بخش dc جريان  I₀ در رابطه (13) تضمين مي کند که i_qs مثبت است و از ناپيوستگي در جريان محور q استاتور جلوگيري مي کند. معادله (13) مقدار مرجع جريان i^*_ds و بنابراين i^*_qs را از رابطه(9) براي فراهم آوردن گشتاور خروجي ثابت و جريان روتور مطلوب بدست مي دهد واين اساس decoupling را تشکيل مي دهد. جريان ميدان براي راحتي سينوسي در نظر

شکل (2). بلوک دياگرام سيستم کنترل

گرفته شده است. اين روش مي تواند براي هر شکل موج دلخواه جريان ميدان که پيوسته باشد استفاده گردد.

گشتاور مطلوب T^*_e توسط کاربر انتخاب مي شود. ماکزيمم مقدار آن به تفاوت اندوکتانس محور d و q استاتور بستگي دارد. گشتاور زيادتر يک k_tor زيادتري را طلب مي کند. مقدار قدرت الکتريکي روتور نيز به پارامترهاي ماشين بستگي دارد. مخصوصا به اندوکتانس ميدان  و اندوکتانس مغناطيس کننده محور dيعني .از آناليزها مشخص است که  پارامترهاي ماشين که در معادلات سيگنال هاي پايه در نظر گرفته مي شوند تکنيک decoupling را تحت تاثير قرار مي دهند.

5- سيستم کنترل حلقه بسته

سيستم کنترل حلقه بسته در شکل (2) نشان داده شده است.ماشين سنکرون با استفاده از تقريب فضاي حالت مدل شده است.با استفاده از معادلات (1) تا(8) i_ds و i_qs و i_f به عنوان بردارهاي حالت و v_ds و v_qs به عنوان بردارهاي ورودي در نظر گرفته شده است. همانطوريکه در (14) داريم:

در اين رابطه :

معادلات الکترومکانيکي نيز براي رسيدن به پاسخ ديناميکي ماشين اضافه شده است.دراين صورت داريم:

سيستم با MATLAB/SIMULINK شبيه سازي شده است.بلوک توليد سيگنال هاي مرجع براي توليد i^*_ds و i^*_qs در شکل (3) آمده است. در صورتي که

شکل(3). بلوک توليد سيگنالهاي مرجع

6- نتايج شبيه سازي

MATLAB code & SIMULINK براي شبيه سازي الگوريتم کنترل استفاده شده است. شبيه سازي اوليه امکانپذير بودن روش را اثبات کرد.مخصوصا وجود ماکزيمم گشتاور و قدرت انتقالي را اثبات کرد.همچنين وسيله اي براي محاسبه تاثير مقاومت بار روتور, فرکانس نوسان شارو همچنين پارامترهاي ماشين  بر روي ماکزيمم مقدار گشتاور و قدرت انتقالي به بار الکتريکي روتور فراهم مي کند.نتايج شبيه سازي براي موتور سنکرون قطب برجسته با پارامترهاي مذکور درجدول(1) آمده است.

الف) گشتاور ماکزيمم

ماکزيمم گشتاور روتور ممکن با افزايش i_ds بوسيله I₀ در (9) زماني که  امکان پذير است. جريان فاز در مقدار نامي محدود شده است. در اين شرايط ماشين مثل موتور سنکرون رلوکتانسي عمل مي کند. شکل (4) رابطه بين T^*_e و i_ds را نشان مي دهد.ماکزيمم مقدار گشتاور برابر2.13 Nm زماني که i_ds=i_qs=6.5A است. اين مقدار ماکزيمم گشتاور قابل دسترسي ماشين در حالت کارکرد موتور به عنوان موتور رلوکتانسي سنکرون است.

شکل(4). گشتاور مطلوب بر حسب جريان محور d

شکل(5). توان انتقالي به روتور برحسب جريان روتور و مقاومت بار

ب) ماکزيمم قدرت الکتريکي روتور

مقدارقدرت انتقالي به روتور مي تواند مطابق رابطه مقابل محاسبه گردد.

براي ماکزيمم کردن قدرت انتقالي مقاومت بار ارجاع شده بايد برابر دامنه امپدانس مدار معادل در محور d باشد.شکل (5) قدرت انتقالي به بار را به عنوان تابعي از جريان روتور و مقاومت روتور در فرکانس اغتشاش 50 هرتز مشخص مي کند.جريان استاتور به مقدار نامي محدود شده است. ماشين به عنوان ترانسفورماتور و بدون اعمال هيچ گشتاوري عمل مي کند. در اين حالت  و نقطه کار انتخابي برابر(f_p=50HZ , I₀=5.8A , ,  ) و مقادير در الگوريتم حلقه بسته داده شده است ونتايج جريان هاي محور d وq استاتور, جريان روتور و گشتاور الکترومغناطيسي در شکل (6) نشان داده شده است.

شکل(6). جريان هاي محور d وq استاتور, جريان روتور و گشتاور الکترومغناطيسيدر مود ترانسفورمري

ج)هر دو عملکرد

زماني که ماشين در هر دو مود عملکرد موتوري و ترانسفورمري کار مي کند جريان بخش q نيز خواهد داشت.لذا گشتاور الکترومغناطيسي توليد خواهد شد.شکل (7) I_ds وI_qs وجريان روتور و گشتاور الکترومغناطيسي را در اين حالت نشان مي دهد .و مقدير در الگوريتم حلقه بسته به اين ترتيب است:( , , , ).

شکل(7). جريان هاي محور d وq استاتور, جريان روتور و گشتاور الکترومغناطيسيدر مود ترانسفورمري و موتوري

7) نتايج

در اين پروژه يک روش کنترل مناسب براي کنترل مجزاي گشتاور روتور و جريان روتور در يک ماشين سنکرون قطب برجسته ارايه شده است و نتايج شبيه سازي براي آن آورده شده است.نتايج نشان مي دهد که ماشين ميتواند در سه مود کاري عمل کند. مود ترانسفورمري, مود موتور سنکرون رلوکتانسي و مود هر دو عملکرد.

نتايج نشان مي دهد که اين روش مي تواندگشتاور الکترومغناطيسي و انرژي الکتريکي انتقالي به روتور را به صورت جداگانه کنترل کند.  

جدول(1)