پایان نامه کنترل برداری درایوهای موتور القایی (روش شار جهت داده شده) بدون حسگرسرعت به روش FOC با رویتگر شار حداقل مرتبه

پایان نامه کنترل برداری درایوهای موتور القایی (روش شار جهت داده شده) و بدون حسگرسرعت به روش FOC با رویتگر شار حداقل مرتبه – از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و … خود استفاده بنمایید.

چکیده

مدتهاست که موتورهای القائی به عنوان عنصر اصلی در صنعت دنیا مطرح شده اند. این موتورها در بیش از نود درصد کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. بدلیل عملکرد این موتورها با سرعت ثابت، همواره کاربران صنعتی به دنبال روشهائی برای عملکرد آنها در سرعتهای متغیر بوده اند. با پیشرفتهای اخیر در زمینه الکترونیک قدرت و ریزپردازنده ها، علاوه بر محاسن اقتصادی منجر به ابداع روشهای بهبود کیفی و توسعه دامنه عملکرد آنها گردیده است. در روش کنترل شار جهت داده شده بعنوان یکی از روشهای اصلی کنترل برداری، باید بتوان موقعیت شار را بدست آورد که این امر مستلزم اندازه گیری سرعت به کمک یک حسگر سرعت می باشد. با توجه به این واقعیت که با حذف حسگر سرعت می توان راندمان سیستم را افزایش و هزینه سیستم را کاهش داد و همچنین در بسیاری از مناطق استفاده از حسگر سرعت مقدور نمی باشد،کنترل برداری موتورهای القائی بدون حسگر سرعت مطرح می گردد. در کنترل بدون حسگر سرعت، شار با استفاده از روشهای تخمین محاسبه می گردد.

در این پروژه مراحل طراحی سیستم کنترل دور موتور القائی بدون حسگر سرعت به روش شار جهت داده شده، ارائه شده که در آن. برای تخمین شار روتور از یک رویتگر شار حداقل مرتبه استفاده گردیده است. همچنین  در انتها جزئیات روند شبیه سازی سیستم درایو بطور کامل انجام شده و مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.

کلمات کلیدی: درایو موتور القائی، کنترل برداری، کنترل شار جهت داده شده، رویتگر شار حداقل مرتبه

مقدمه

 موتورهای القایی سه فاز به علت سادگی، قابلیت انعطاف، راندمان بالا، هزینه کم، حجم کوچک و اقتصادی بودن بیشترین استفاده را در سراسر جهان دارند. موتور القایی می تواند مستقیما توسط منبع تغذیه شود، ولی برای دستیابی به سرعت های متغیر و حتی راندمان انرژی بهتر باید از یک مبدل فرکانسی بین موتور و منبع استفاده کرد. اخیراً توسعه درایوهای کنترل سرعت امکان به کارگیری ماشینهای القائی با سرعت متغیر را در یک محدوده وسیع امکان پذیر کرده است.

یک راه آسان کنترل موتور القایی تنظیم دامنه ولتاژ استاتور متناسب با یک فرکانس مرجع است. این تکنیک حلقه باز که بعنوان کنترل اسکالر یا کنترل ثابت شناخته می شود، به دلیل مزایای مهمی که دارد در بسیاری از مبدل های ارزان قیمت استفاده می شود. در این کنترل به سنسور سرعت (که عنصری گران قیمت و شکننده بوده و نیاز به کابل کشی خاص دارد ) نیازی نیست. همچنین نیازی به شناسایی پارامترهای موتور نبوده که این نشانگر پایداری این روش می باشد. به علاوه یک مبدل فرکانسی اسکالر می تواند چند موتور که با یکدیگر موازی شده اند را تغذیه کند. ولی حتی با جبرانسازی افت ولتاژ، مقاومت استاتور و لغزش، عملکرد دینامیکی و دقت سرعت ضعیف هستند. علاوه بر آن ممکن است در بارهای سبک تر پدیده تشدید رخ دهد. کنترل شار جهت داده شده روتور (بلاشک 1972) استفاده از موتورهای القایی را در کاربردهایی که به کنترل سرعت و گشتاور با عملکرد عالی داشت را ممکن ساخت. در قاب مرجعی که هم جهت بر روی   شار  روتور قرار گرفته است، جریان های مولد شار و گشتاور را می توان همانند موتورهایDC  به طور جداگانه کنترل نمود. شار روتور را که زاویه آن برای همسان سازی تبدیلات بین قاب مرجع شار ساکن و دوار مورد نیاز است را   می توان با یک دقت قابل قبول توسط یک سنسور سرعت تخمین زد.

با حذف سنسور سرعت می توان به  مزایای بسیاری دست یافت از جمله : حذف پیچیدگیهای سخت افزاری، کاهش هزینه ها، کاهش حجم درایو موتور القائی، حذف کابل سنسور سرعت، افزایش پایداری در برابر نویزها و هزینه تعمیر و نگهداری کمتر. بر این اساس روشهای مختلفی برای کنترل شار جهت یافته بدون سنسور موتورهای القائی که در آنها بجای سخت افزار از نرم افزار استفاده گردیده است  ارائه شده اند  که از بین آنها می توان به تخمین گرهای حلقه باز، رویتگر های کالمن و لیونبرگ، سیستمهای تطبیقی مدل مرجع و  تخمین گرهای تطبیقی حداقل مرتبه اشاره نمود. هر یک از روشهای فوق دارای مزایا و معایبی هستند. روشهای حلقه باز از نظر  پیاده سازی به صورت عملی بسیار ساده اند ولی وابستگی زیادی به پارامترهای ماشین داشته و در نتیجه از دقت کافی برخوردار نیستند. رویتگر های کالمن و لیونبرگ در عین داشتن دقت و همگرائی خوب دارای حجم بالائی از محاسبات بوده و بسیار پیچیده می باشند. روش سیستم تطبیقی مدل مرجع نیز در عین سادگی و دقت بالا بدلیل وابستگی به پارامترهای ماشین مخصوصا مقاومت استاتور در سرعتهای خیلی پائین از دقت کمی برخوردارند. روش رویتگر شار حداقل مرتبه ارائه شده در این تحقیق به دلیل کاهش مرتبه سیستم از نظر امکان پیاده سازی ساده تر بوده و به دلیل استفاده از یک حلقه کنترلی در آن نسبت به تغییر پارامترهای سیستم حساسیت کمتری دارد. اگرچه ماشینهای القائی در مقایسه با ماشینهای جریان مستقیم از نظر اندازه، وزن، اینرسی موتور، راندمان، ماکزیمم سرعت، قابلیت اطمینان، هزینه و … بسیار بهتر می‌باشند ولی به جهت ساختار دینامیکی به شدت غیرخطی آنها، شماتیک کنترل بسیار پیچیده‌تری را نسبت به ماشینهای جریان مستقیم طلب می‌کنند.

مدل دینامیک :

مدل دینامیکی ماشین القائی به وسیله معادلات فضای حالت با رتبه شش قابل بیان است. که در این حالت ورودیهای سیستم ولتاژ و فرکانس می‌باشند و خروجیها می‌توانند سرعت روتور، موقعیت روتور، گشتاور الکترومغناطیسی، فلوی روتور و یا فلوی استاتور باشند. تاکنون هزینه اولیه موتور القائی با سرعت متغیر و پیچیدگی کنترل مانع از آن شده است که مورد توجه واقع شوند. توسعه سریع در زمینه الکترونیک قدرت همراه با نیمه هادی‌ های بسیار بهتر و مفیدتر و استفاده از میکروکنترلرهای ارزان قیمت و قدرتمند (که پیاده کردن توابع کنترلی پیچیده یک موتور القائی را ممکن می‌سازد) باعث شده است که درایوهای ac بکار گرفته شده برای ماشینهای القائی از نظر اقتصادی نیز در مقایسه با درایوهای dc مورد توجه قرار بگیرند. در درایوهای القائی مبدلی که ماشین را تغذیه می‌کند علاوه بر تأمین توان اکتیو بایستی توان لازم جهت تحریک را نیز تأمین کند (برخلاف درایوهای سنکرون) زیرا یک منبع خارجی برای تأمین توان راکتیو وجود ندارد بنابراین جریانهای لازم برای تحریک و تولید گشتاور بایستی در سیم پیچهای استاتور جریان یابند. روشی که در این فصل مطرح می‌شود می‌تواند برای ماشینهای القائی دو فاز و سه فاز از نوع روتور سیم پیچی شده (با حلقه‌های لغزان) و قفسه سنجابی (تک قفسه‌ای و دو قفسه‌ای) استفاده شود. پایان نامه کنترل برداری درایوهای موتور القایی (روش شار جهت داده شده) و بدون حسگرسرعت به روش FOC با رویتگر شار حداقل مرتبه 

این حقیقت که کنترل گشتاور ماشین القائی می‌تواند بوسیله مجزاسازی مؤلفه‌های جریان مولد گشتاوری و فلوی تحریک انجام شود در واقع شبیه به کنترل جریانهای میدان و آرمیچر ماشین جریان مستقیم تحریک مستقل است. با این وجود بایستی توجه داشت که در ماشینهای قفسه سنجابی امکان دسترسی به جریانهای روتور بصورت مستقیم وجود ندارد اما می‌توان جریانهای استاتور را به مؤلفه‌های مولد فلوی تحریک و گشتاور تقسیم کرد.

اجرای کنترل برداری در هر یک ازمختصاتهای فلوی استاتور، فلوی روتور و یا فلوی مغناطیس‌کننده به ترتیب احتیاج به دامنه و زاویه فازورهای فضایی فلوی استاتور، فلوی روتور و فلوی مغناطیس‌کننده دارد. کنترل می‌تواند در یکی از مختصاتهای ذکر شده انجام شود که با توجه به مختصات انتخاب شده مؤلفه‌های طولی و عرضی جریان استاتور محاسبه خواهند شد. این جریانها مشابه جریانهای تحریک و آرمیچر ماشین جریان مستقیم تحریک مستقل هستند. معمولاً در مورد کنترل ماشینهای القائی از روش امتداد‌یابی فلوی روتور استفاده می‌شود ولی می‌توان از روشهای امتدادیابی میدان استاتور و یا فلوی مغناطیس‌کننده نیز استفاده کرد. در روش امتداد‌یابی میدان روتور به دو طریق می‌توان دامنه و زاویه فازور فضایی فلوی پیوندی روتور را محاسبه کرد. زمانی که به اصطلاح امتدادیابی میدان بطور مستقیم انجام شود (‌فیدبک فلو) کمیتها بطورمستقیم اندازه‌گیری می‌شوند ( با استفاده ازسنسورهای اثرهال، سیم‌پیچهای جستجوکننده و …) ولی در روش دیگر که به اصطلاح امتدادیابی میدان بطور غیرمستقیم نامیده می‌شود، دامنه و زاویه فازور فضایی فلوی پیوندی روتور با استفاده از حاصل جمع زاویه روتور (q_r ) و زاویه لغزش(q_sl ) محاسبه می‌گردد. زاویه لغزشی q_sl، زاویه بین بردار فضایی شار دور روتور نسبت به محور طولی روتور می‌باشد. در هر حالت در این بخش نشان داده خواهد شد که زاویه q_sl را می‌توان با استفاده از مقادیر مرجع گشتاور و شار تولید کننده جریانهای استاتور محاسبه کرد. وقتی که پارامترهای ماشین مخصوصاً پارامترهای روتور دقیق نباشد امکان از دست دادن امتدادیابی میدان در روش کنترل برداری وجود دارد. ثابت زمانی روتور به علت اشباع و تغییرات درجه حرارت و تأثیرات جابجا شدن بردارهای فضایی جریانهای روتور و استاتور نیز تغییر می‌کند بنابراین لازم است که در طرحهای بکار گرفته شده برای کنترل برداری ماشینهای القائی بطور وفقی پارامترهای ماشین تغییر داده شوند.

بایستی توجه داشت که روشهای مستقیم و غیرمستقیم برای امتدادیابی میدان استاتور و فلوی مغناطیس‌کننده نیز می‌تواند بررسی شود.

در روش کنترل برداری، ماشین القائی می‌تواند از طریق اینورترهای ولتاژ، اینورترهای جریان و یا سیکلوکانورترها تغذیه شود. ولی ساده‌ترین حالت زمانی است که ماشین از طریق یک منبع جریان کنترل شده تغذیه شود. با استفاده از روش کنترل برداری می‌توان ماشین القائی را در هر چهار ربع مشخصه گشتاور سرعت با یک پاسخ دینامیکی سریع کنترل کرد. در دنباله روش امتدادیابی میدان روتور توضیح داده خواهد شد.

کنترل ماشین القائی تغذیه شده با اینورتر ولتاژ

در این گزارش کنترل ماشینهای القائی تغذیه شده با اینورتر ولتاژ با استفاده از روش امتدادیابی فلوی روتور مورد نظر قرار می‌گیرد. فرض بر این است که ماشین توسط یک اینورتر ولتاژ ازنوع مدولاسیون پهنای پالس تغذیه گردد. اگر سیستم درایو مورد نظر دارای توان بالا در حدود  100 کیلووات باشد در این حالت محدوده فرکانس سوئیچینگ 100 تا 1000 هرتز است. درصورتی که در توانهای پایین‌تر، فرکانس سوئیچینگ بالاتری می‌توانیم داشته باشیم و فرکانس سوئیچینگ می‌تواند تا 15 کیلو هرتز نیز بالا رود، در این حالت می‌توان از MOSFET و یا IGBT استفاده نمود. برای توانهای بالاتر از 100 کیلووات از تریستورهای نوعGTO   استفاده می‌شود و بدلیل پایین بودن فرکانس سوئیچینگ امکان استفاده از حلقه‌های کنترلی سریع برای کنترل جریان استاتور وجود ندارد. مشکل دیگر اینکه در این نوع درایوها جریان استاتور شامل هارمونیکهای زمانی با دامنه بالا است.

معادلات ولتاژ استاتور در مختصات فلوی روتور

در این بخش روابط ولتاژ استاتور در مختصات فلوی پیوندی روتور بیان می‌گردد. برای بدست آوردن معادله ولتاژ استاتور در این مختصات روشهای مختلفی وجود دارد که در اینجا از روش فازورهای فضایی استفاده می‌شود. ارتباط بین فازور فضایی جریان مغناطیس‌کننده روتور با فازورهای فضایی جریان استاتور و روتور در مختصات فلوی روتور به صورت زیر بیان می‌گردد:

که در آن s_r ضریب نشت روتور نامیده می‌شود و نسبت اندوکتانس نشتی روتور به اندوکتانس مغناطیس‌کننده تعریف می‌شود. و معادله ولتاژ استاتور در مختصات فازور فضایی فلوی روتور با سرعت  w_mr  بصورت زیر بدست می‌آید( که w_mr مطابق با w_mr =dr_r/dt  تعریف می‌شود):

جریان استاتور بصورت ترمهایی از جریان استاتور در مختصات ساکن به صورت زیر بیان می‌شود:

و بطریق مشابه رابطه ولتاژ استاتور در مختصات ساکن و مختصات ویژه روتور بصورت زیر است:

با استفاده از معادله گفته شده  و این حقیقت که جریان مغناطیس‌کننده روتور در مختصات ویژه فلوی روتور هم جهت با محور طولی است ، پس فازور فضایی جریان روتور در مختصات ویژه بر حسب فازورهای فضایی جریان استاتور و جریان مغناطیس‌کننده روتور به ترتیب زیر است:

در فرمول ثابت زمانی و اندوکتانس حالت گذرای استاتور می‌باشند و T_s هم ثابت زمانی حالت پایدار استاتور است و با استفاده از معادلات زیر محاسبه می‌شوند:

توجه کنید که σ  ضریب نشت کلی می‌باشد. در صورتیکه معادله را به مؤلفه‌های حقیقی و موهومی تجزیه کنیم آنگاه خواهیم داشت:

درمعادلات  به ترتیب u_SD، u_SQ، i_SD و i_SQ مؤلفه‌های ولتاژ و جریان استاتور در مختصات ساکن و u_sx، u_sx ، i_sx و i_sy هم مؤلفه‌های ولتاژ و جریان استاتور در مختصات ویژه روتور می‌باشند. جهت دستیابی به کنترل برداری ماشین در مختصات فلوی روتور بایستی مؤلفه طولی (مؤلفه تولیدکننده فلوی تحریک) و مؤلفه عرضی ( تولیدکننده گشتاور) جریان استاتور را بصورت مستقل از یکدیگر کنترل شوند، اما با توجه به معادلات متوجه می‌شویم که این جریانها به یکدیگر وابسته هستند. زیرا u_sx  وابسته به i_sy و u_sy نیز به i_sx بستگی دارد، پس برای رسیدن به هدف اصلی که کنترل مستقل  i_sx و i_sy است و یا بعبارت بهتر دستیابی به کنترل برداری ماشین القایی لازم است که ولتاژهای اخیر از یکدیگر مجزا شوند. روشهای مختلفی برای جدا سازی وجود دارد که در ادامه این روشها را توضیح خواهیم داد.

 مدارات مجزا سازی در مختصات فلوی روتور

برای یک درایو که تأخیر زمانی محسوسی ندارد و اینورتر بکارگرفته شده در آن  دارای زمان مرده ناچیزی می‌باشد در کل پروسس تأخیر چندانی ایجاد نمی‌شود. حال با فرض ثابت بودن فلوی روتور را می‌توان با بهره‌گیری از معادلات گفته شده و  مؤلفه‌های جریان استاتور را بصورت مستقل از یکدیگر کنترل نمود. با در نظرگرفتن مؤلفه‌های ولتاژ حرکتی مجزا کننده بصورت زیر میشود:

به طریق مشابه مؤلفه عرضی ولتاژ استاتور برابر  خواهد بود و همچنین در مورد مؤلفه عرضی ولتاژ خروجی کنترل‌کننده خواهیم داشت:

در روش ذکر شده ورودیهای مدار جداکننده شامل ω_mr, i_sy, i_sx و می‌باشد و خروجی آن u_dy و -u_dx  می‌باشند. شکل زیر مدار مجزاکننده فوق را نشان می‌دهد.

اما می‌توان بجای بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل بالا از ولتاژ خروجی کنترل‌کننده جریان استاتور برای مدار مجزاسازی استفاده نمود. در صورتیکه ازمعادلات  گفته شده استفاده ………..   (در ادامه محسبات کامل را در ابعاد مختلف تنجام میدهد ).

مروری بر تخمین زن و رویتگرهای شار موتورهای القائی بدون حسگر سرعت

 کنترل شار جهت داده شده روتور بلاشک  (1972) استفاده از موتورهای القایی را در کاربردهایی که به کنترل سرعت و گشتاور با عملکرد عالی داشت را ممکن ساخت. در قاب مرجعی که به شار روتور فیکس شده است، جریان های مولد شار و گشتاور را می توان همانند موتورهای DC به طور جداگانه کنترل نمود. شار روتور را که زاویه آن برای همسان سازی تبدیلات بین قاب مرجع شار ساکن و دوار مورد نیاز است را می توان با یک دقت قابل قبول توسط یک سنسور سرعت تخمین زد.پایان نامه کنترل برداری درایوهای موتور القایی (روش شار جهت داده شده) و بدون حسگرسرعت به روش FOC با رویتگر شار حداقل مرتبه 

قاب مرجع کنترل کننده می تواند به مرجع شار استاتور فیکس شوند [30].کنترل شار جهت داده شده استاتور پیچیده تر از کنترل شار جهت داده شده روتور است. ولی در صورتیکه تخمین زن از دینامیک استاتور استفاده کند، تخمین شار در این روش ساده تر است. در روش کنترل مستقیم گشتاور  (DTC) که توسط تاکاهاشی  و نوگوچی  در سال 1986 و دپنبروک  در سال 1988 بسط یافت، توابع کلید زنی مستقیما بر اساس تخمین شار استاتور و گشتاور الکترومغناطیس شکل می گیرد[31]. روش های کنترل شار جهت داده شده و کنترل مستقیم گشتاور را می توان به عنوان روش های کنترل برداری طبقه بندی نمود. پیشرفت های صورت گرفته در زمینه پردازشگرهای سیگنال دیجیتال سبب گسترش روش های کنترل برداری بدون سنسور در دهه 1980 گردید.  علیرغم تحقیقات انجام شده در بیش از یک دهه درایو های بدون سنسور همچنان از عملکرد بد و ناپایدار در سرعتهای پایین رنج می برند. دلیل عمده ناپایداری را می توان تخمین شار بدون اندازه گیری سرعت ذکر کرد.

تخمین زن های شار متداول مانند مدل ولتاژ  (تاکاهاشی و نوگوچی) بر پایه مدل دینامیکی استاندارد موتور عمل می کنند. مدل هایی که بر اساس مدل موتور استاندارد کار می کنند در فرکانس های بسیار پایین دارای مشکلات اساسی می شوند. در نزدیکی فرکانس صفر تخمین نسبت به خطا های اندازه گیری و مقاومت استاتور تخمین زن شده بسیار حساس می گردد. علاوه بر آن تخمین زن شار و دینامیکهای موتور از طریق تبدیلهای یکسان ساز حتی در صورتی که تخمین زن شار خودش ساده باشد، یک سیستم حلقه بسته غیر خطی به وجود    می آورند. سیستم حلقه بسته غیرخطی باز هم پیچیده می شود. حتی ممکن است در صورتیکه تخمین زن به درستی طراحی نشده باشد در سرعت های بالا هم مشکلات دیگری به وجود آید. برای مثال ممکن است در سرعت های بالا سیستم کند شده و عملکرد دینامیکی بسیار بد شود.

در این فصل انواع روشهای تخمین زن و رویتگر شار  برای موتورهای القائی بدون حسگر سرعت مورد بررسی قرار گرفته و پس از مقایسه روش مناسب جهت استفاده در این پایان نامه انتخاب می گردد.پایان نامه کنترل برداری درایوهای موتور القایی (روش شار جهت داده شده) و بدون حسگرسرعت به روش FOC با رویتگر شار حداقل مرتبه 

– مدل سیستم بردار فضایی

بردار فضایی بسط یافته توسط کواکس و راکز  معمولا برای مدل کردن رفتار دینامیکی ماشین های ac  استفاده می شود. بردار فضایی یک متغیر پیچیده است که دامنه و زاویه آن می توانند به طور دلخواه با زمان تغییر کنند. فرض می شود که جریان به صورت سینوسی در طول فاصله هوایی توزیع شده باشد. بردار فضایی جریان استاتور در مرجع استاتور به صورت زیر تعریف می شود. و……

در زیر فهرست کلی را مشاهده میکنبد.

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب ،روشها و فرمولهای مربوطه و… به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید. این  براساس سیستم پایان نامه نویسی تنظیم شده است و کلیه مطالب آن دارای رفرنس های میباشند که در نسخه دریافتی کلیه رفرنس ها اورده شده است.

برای دریافت pdf + word بر روی کلیدزیر ،کلیک نمایید . 

قیمت: 20000 تومان