پایان نامه كاربرد روشهاي كنترل در موتورهاي مغناطيس دائم سنكرون PMSM
مقدمه:
موتورهاي DC به دليل كارايي بالا و ساختار مناسب بطور وسيع به عنوان سرو موتور مورد استفاده قرار مي گيرند. اين موتورها داراي راندمان بالا و سرعت پاسخ سريع هستند ، اما كيفيت آنها بدليل خوردگي در نتيجه اصطكاك ايجاد شده در اثر تماس مكانيكي بين جاروبكها و كموتاتور و جرقه هاي ناشي از آن محدود مي باشد . اين امر باعث شده تا به نگهداري و بازرسي مداوم ، از قبيل تميز كردن يا عوض كردن جاروبكها نيازمند باشند.
علاوه بر اين موتورهاي DC با مسائلي همانند ، عدم توانايي تحمل اضافه بار و غير مقاوم بودن ، گشتاور پايين و محدوده كم تغييرات سرعت روبرو هستند. به همين دليل موتور هاي AC با وجود اينكه داراي كنترل كننده هاي پيچيده و گرانقيمت تر نسبت به موتور هاي DC هستند، مورد توجه روز افزون قرار گرفته اند.
موتورهاي مغناطيس دائم در سالهاي اخير و بخصوص در دهه اخير به دليل خصوصيات ذاتي نظير چگالي, توان بالا , لختي کم , ضريب توان و بازده بالا نسبت به موتورهاي DC و موتورهاي القايي در بسياري از کاربردهاي صنعتي سرعت متغيير در گستره توان کم و متوسط به خصوص در کاربردهاي با رفتار برتر ترجيح داده شده اند.
در اين فصل سعي شده تا قبل از ارائه و بكارگيري روش كنترل به بررسي عملكرد اين نوع موتورها ، انواع متداول و بطور كلي معرفي موتورهاي سنكرون مغناطيس دائم پرداخته شود.
1-1) ماشين هاي سنكرون آهنرباي دائم
به طور كلي موتورهاي الكتريكي به دو دسته با جاروبك و بدون جاروبك تقسيم مي شوند . دسته بدون جاروبك خود به دو دسته موتورهاي با تغذيه مربعي و با تغذيه سينوسي تقسيم مي شوند كه موتورهاي سنكرون آهنرباي دائم جزء دسته موتورهاي الكتريكي بدون جاروبك با تغذيه سينوسي هستند. در مواقعي كه احتياج به ديناميك بالا و سرعت پاسخ بالاست از سرو موتور سنكرون مغناطيس دائم استفاده مي شود . معمولا بيشتر اوقات ماشين هاي با سيم پيچ ها و آهنرباهاي شبيه ذوزنقه ايجاد مي شوند كه شار توزيع شده در آنها به طور غير يكنواخت مي باشد . به اين نوع ماشين ها اصولا ماشينهاي سنكرون (SM) گفته مي شود . يك موتور سنكرون آهنرباي دائم اساسا يك موتور ACمعمولي با سيم پيچ هاي توزيع شده در شيارهاي استاتور است ، بنابراين شار ايجاد شده توسط جريان استاتور تقريبا سينوسي است.
در زير, شروط فهرست شده و بطور دقيق و واضح تر خصوصيات و ويژگي هايي كه توسط Vac در سال 1998 براي يك موتور معرفي شده است آمده است كه بعد از ذكر اين ويژگي ها به توضيح در مورد برخي از آنها مي پردازيم :
- بزرگ بودن چگالي شار فاصله هوايي
- قدرت بالا به نسبت وزن
- بزرگ بودن گشتاور به نسبت انرژي (با توجه به كافي بودن شتاب بالا)
- بالا بودن اثر سرعت
- زياد بودن توانايي گشتاور
- عملكرد يكنواخت گشتاور
- گشتاور كنترل شده در سرعت صفر
- بالا بودن راندمان و ضريب توان
- طراحي فشرده و متصل به هم
سومين خصوصيت يعني يك گشتاور بزرگ به نسبت انرژي, معمولا بوسيله ساختار يك روتور استوانه اي شكل باريك با يك طول بزرگ به نسبت قطر دايره حاصل مي شود، اين نتايج بصورت يك قانون با عنوان ثابت زماني مكانيك در آمده ، كه براي يك شتاب سريع ضروري است . متاسفانه جريان مغناطيسي نتيجه شده ازاين نوع تركيب و ساختار به نحوي است كه باعث پايين آمدن اندوكتانس ماشين مي شود. يك اندوكتانس پايين نيازمند يك فركانس كليد زني بالا است, اگر شكل موج جريان استاتور همچنان بخواهد كوتاه نگه داشته شود.
عملكرد سرعت بالا ( بالا بودن اثر سرعت ) يك مشخصه متفاوت از مورد قبلي در موتور هاي سنكرون آهنرباي دائم است . اگر محدوده تغييرات سرعت بتواند از رنج سرعت اصلي و اوليه در شار ايجاد شده بوسيله آهنرباي دائم بزرگ شود ، مي بايست مصرف (ميزان ) شار ايجاد شده بوسيله سيم پيچ استاتور كاهش يابد. توانايي و قابليت تضعيف شار به اندوكتانس مستقيم محور، ماكزيمم جريان معكوس كننده و به ظرفيت حرارتي هم موتور و هم معكوس كننده بستگي دارد . ساختمان يك روتور استوانه اي شكل باريك با آهنرباي دايمي سطح برجسته بگونه اي است كه معمولا يك اندوكتانس محوري مستقيم خيلي پايين ايجاد مي كند ، بنابراين ساختار در سرعت ماكزيمم محدوديت ايجاد مي كند.
اخيرا علاقه مندي و توجه بيشتر در عريض تر كردن محدوده تغييرات موتورهاي سنكرون آهنرباي دائم وجود دارد. راندمان ذاتي بالاي ماشين هاي سنكرون آهنرباي دائم آن را بعنوان يك جانشين امكان پذير مي سازد مثلا در ماشين هاي القايي با موتور سنكرون آهنرباي دائم در صنعت راه اندازي . اين مورد استعمال تجاري را نيز شامل مي شود مثلا كارخانجات كاغذ سازي ، جايي كه محدوده تغييرات قدرت بطور معمول از دهها كيلو وات تا هزاران كيلو وات مي باشد . معمولا سرعت فرآيند ها كمتر از rpm 1000 مي باشد و كاهش وسايل و چرخ دنده براي به سبقت واداشتن سرعت فرايندها با سرعت يك موتور القايي چهار قطب بكار برده مي شود. موتور هاي القايي مستقيما براي چنين سرعتهايي راه اندازي مي شوند ، مثلا يك موتور ده قطب با فركانس HZ50 بطور نمونه يك ضريب توان خيلي پايين خواهد داشت ، در نتيجه در مقادير بالاتر مانند يك معكوس كننده عمل مي كند . در نتيجه بهتر است كه يك موتور 4 قطب با ضريب توان مناسب همراه با اسباب و چرخ دهنه بكار برده شود.
ساختمان اين دسته از موتورهاي سنكرون آهنرباي دائم تجاري (صنعتي ) شامل مدارات مغناطيسي است كه نسبت به موتور هاي از نوع سرو متفاوتند. غالبا بيشتر اوقات در كنترل سرو موتورها شار بوجود آمده بوسيله جريان و اندوكتانس ماشين ، جزيي و ناچيز است لذا مي توان از آن صرفنظر كرد . در موتور هاي تجاري عكس العمل آرميچر حائز اهميت بوده و مي تواند بطور مشخص اين مدل ماشين را در بر گيرد. اين بدان معناست كه اشباع اندوكتانس ها بايد از طريق محاسبه حاصل شده باشد و همچنين استحكام (ثبات ) گشتاور موتور بصورت فرض شده باشد .
اضافه شدن سيم پيچ هاي ميرا كننده در داخل موتور امكان پذير است كه بعدا سيستم كنترلي مي بايست جريانهاي جاري شده در سيم پيچ هاي ميرا كننده را تخمين بزند. در اين روش گشتاور ايجاد شده بوسيله جريانهاي سينوسي بصورت موج كوتاه مي باشد . همچنين گشتاور دندانه اي شكل اغلب بعنوان يك عيب براي موتورهاي سنكرون آهنرباي دائم مورد توجه قرار مي گيرد كه كاهش يافته تا اينكه به مقدار min برسند. اين نظريه بر كنترل موتورهاي سنكرون آهنرباي دائم از نوع تجاري تكيه مي كند.
2-1) موتورهاي مغناطيس دائم و ساختار آنها
بطور كلي دو نوع از موتورهاي AC مغناطيس دائم وجود دارند، موتور مغناطييس دائم سنكرون (PMSM )[1] با پخش فضايي فلوي فاصله هوايي سينوسي و نوع ديگر، موسوم به موتور DC بدون جاروبك (BDCM )[2] با پخش فضايي فلوي ذوزنقهاي. شكل (1-1 ) برش عرضي از اين دو نوع موتور را نشان ميدهد. در نوع BDCM با سيم بندي متمركز ، موجب توليد چگالي فلوي ذوذنقه اي مي شوند در حاليكه در PMSM با ايجاد پخش فضايي سينوسي هاديها در سطح استاتور، سعي ميشود تا چگالي فلوي فاصله هوايي به فرم سينوسي نزديكتر شود،در نوع اول كه مربوط به تحقيق ما مي شود با جايگزيني سيم پيچي ميدان با آهنرباي دائم ، موتور سنكرون مي تواند جاروبك ها ، حلقه هاي لغزان و تلفات مسي ميدان را حذف نمايد. آهنرباي دائم ، موتورهايي با تحريك هميشگي را بوجود مي آورد . يكي از معايب اين موتورها هزينه اوليه بالاي آنها مي باشد.
وقتي آهنربا در سطح روتور قرار گيرد موتور سنكرون بصورت قطب صاف عمل مي نمايد ، زيرا نفوذ پذيري آهنرباي دائمي مثل هوا مي باشد . از طرف ديگر با قرار دادن آهنرباي دائمي درون روتور خاصيت قطب برجسته بودن باعث ايجاد يك گشتاور رلوكتانسي مي شود ، كه اين امر باعث بوجود آمدن محدوده ي وسيعتر سرعت ، در قدرت ثابت مي شود. چگالي فلوي سينوسي ضربانات كمتر در گشتاور و عملكرد نرم موتور را نتيجه ميدهد وطراحي موتور با سيم بندي متمركز منجر به افزايش نسبت گشتاور بر واحد جرم آهن بكار رفته ميشود.
موتور سنكرون آهنرباي دائم نوعا داراي سه خاصيت است :
الف) اصولا يك ماشين با فلوي ثابت است زيرا آهنرباي دائم يك تحريك ثابت را نمايش مي دهند.
ب) مي تواند از نوع IMP ( با جريان تحميلي روتور ) باشد ، يعني آهن مورق و بدون روتور قفسه اي ( كه دلالت بر عدم راه اندازي آسنكرون و عدم استفاده از يك منبع جريان صاف نشده دارد).
ج) عملكردحالت پايدار سنكرون آن به نوع و مقدار ماده آهنرباي دائم موجود و توزيع آن روي روتور بستگي دارد.
در موتور مغناطيس دائم، هنگاميكه به صورت سرو موتور با شيب تند شتاب ميگيرد يا متوقف ميشود گشتاور ماكزيمم ميتواند تا چندين برابر گشتاور نامي موتور افزايش يابد. در مقابل، سرو موتورهاي DC داراي محدوديت در يكسو سازي هستند كه اين محدوديت با افزايش سرعت، بطور قوي تر بروز ميكند و موجب كاهش حد ماكزيمم سرعت قابل دسترسي ميشود.
شكل (1-1 ) الف – موتور مغناطيس دائم سنكرون با پخش سيم پيچي هر فاز كاملاً سينوسي.
ب – تعداد دور بر قطب براي سيم بندي دو قطب.
ج- تعداد دور بر قطب براي سيم بندي چهار قطب.
د – موتور DC بدون جاروبك با سيم پيچي متمركز و پخش فلوي ذوزنقهاي.
به دليل اينكه اينگونه سرو موتورهاي AC داراي چنين محدوديتي نميباشند، ميتوانند تا رنج سرعتهاي بسيار بالا بدون كاهش گشتاور ماكزيمم عمل نمايند.
در PMSM انتقال حرارت از روي قسمت متحرك انجام نميشود، بلكه از طريق آرميچر (استاتور ) خواهد بود. زيرا روتور از نوع مغناطيس دائم است و فقط سيم پيچها بر روي استاتور قرار گرفتهاند و گرماي ايجاد شده در آرميچر از طريق بدنة استاتور به هواي اطراف منتقل ميشود. همچنين، بر روي سرو موتور هاي مغناطيس دائم ميتوان حفاظت مطمئن در قبال اضافه بار قرار دارد، زيرا كه دماي قسمت توليد كنندة گرما بطور مستقيم قابل نمونه گيري و كنترل ميباشد.
نوع PMSM نسبت به ديگر انواع ماشينهاي AC ، مورد استفاده به صورت سرو درايو نيز داراي برتري هاي خاصي است. از جمله اينكه، جريان استاتور موتور القايي (IM) ، شامل دو مؤلفه مغناطيس كننده و مؤلفه توليد كننده گشتاور ميباشد. استفاده از مغناطيس دائم بر روي روتور موجب ميشود كه نيازي به تغذيه جريان مغناطيس كننده از طريق استاتور براي ايجاد فلوي فاصله هوايي ثابت نباشد و جريان استاتور مورد نياز فقط براي توليد گشتاور الكترومغناطيسي صرف شود. بنابراين براي نسبت خروجي يكسان، نوع PMSM در ضريب توان بالاتري عمل خواهد كرد ( به دليل كاهش مؤلفه مغناطيس كنندگي ) و در نتيجه، بسيار كارآمدتر از نوع القايي خواهد بود.
از سوي ديگر نوع معمول ماشينهاي سنكرون روتور سيم پيچي شده ( SM [3] )، نيازمند به اعمال تحريك DC بر روي روتور ميباشند كه اغلب از طريق رينگهاي لغزان و يا جاروبكها تغذيه ميشوند. اين ساختار تلفات روتور و نگهداري منظم از جاروبكها را در بر خواهد داشت.
در نتيجه برتري PMSM، جايگزيني سيم پيچ تحريك، منبع تغذيه DC و رينگهاي لغزان با مواد مغناطيس طبيعي ميباشد كه اين تحريك دائم همان نيروي محركه القايي ( EMF 4 ) سينوسي را توليد خواهد كرد و به جريانهاي تغذيه استاتور سينوسي يا شبه سينوسي براي توليد گشتاور ثابت شبيه به عملكرد موتور سنكرون روتور سيم پيچي شده نيازمند است .
پخش فلوي مغناطيسي سينوسي با باريك كردن ضخامت مغناطيسها در لبههاي قطب و بوسيله استفاده از كمانهاي قطب مغناطيس كوتاهتر، به عنوان نمونه با زاويه ˚120 انجام ميشود و موج جريان شبه سينوسي از طريق بكار گرفتن اينورتر- ولتاژ PWM كنترل شده با جريان براي توليد ممكن ترين تقريب به شكل موج سينوسي خالص صورت ميگيرد. بدين منظور پخش هاديها در سطح استاتور بطور سينوسي و با گام سيم بندي كوتاه كاملاً مشابه با ماشينهاي جريان متناوب خواهد بود. در حقيقت اين نوع ماشين يك موتور سنكرون ساده است كه به صورت موتور رلوكتانسي سنكرون[4] عمل خواهد كرد اگر مغناطيسها برداشته شوند و يا در اثر مسائلي مانند خطاهاي ايجاد شده ناشي از عملكرد غير متعارف موتور، ضد مغناطيس شوند. در اين حالت ضريب توان و راندمان ديگر به خوبي نوع همراه با مغناطيس دائم نخواهد بود.
در موتورهاي سنكرون با مغناطيس دائم بر روي روتور، وضعيت روتور و ميدان مغناطيس دوار در هر لحظه تعيين ميشود تا اينكه با روش كنترل مناسب بر روي جريانهاي سه فاز آرميچر، همواره ميدان عمود بر جريان قرار گيرد. در نتيجه گشتاور توليدي موتور متناسب با جريان خواهد شد و ميتوان نحوة عملكرد آنرا به صورت معادل يك موتور DC با تحريك جداگانه تبديل نمود كه از نظر مشخصات كنترلي و از نقطه نظر طراحي بسيار قابل قبول ميباشد. اين امر اساس روش كنترل برداري در امتداد شار استاتور را تشكيل ميدهد.
1- Permacent Magnet Synchronous Motor 2- Brushless Ditect Current Motor
3- Synchronous Motor 4- Electro Motive Force
4- Reluctance Synchronous Motor
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.