Tel: , Fax:

Transcript

1 کاربرد موتورهاي القایی شش فازه در فرمان خودروهاي نوین رضا کیانی نژاد چکیده: دانشگاه شهید چمران اهواز دانشکده مهندسی گروه برق reza.kiani@scu.acr Tel: , Fax: در این مقاله پیشنهاد کاربرد موتور القایی شش فازه در فرمان خودروها (به جاي فرمان هیدرولیکی) مطرح شده است. ساختاراین موتور به گونه اي است که نسبت به بروز اشکال بر روي هر یک از فازها مقاوم بوده و به عملکرد خود ادامه می دهد. نتایج آزمایش عملی بر روي یک موتور القایی شش فازة 9 وات که به همین منظور طراحی و ساخته شد نشان می دهد که این نوع موتور در شرایط تا قطع سه فاز نیز مقاوم بوده و به کارکرد خود ادامه می دهد. کاربرد این نوع موتور در فرمان الکتریکی به جاي موتورهاي اطمینان سیستم فرمان الکتریکی خودرو می شود. کلید واژه: فرمان الکتریکی خودرو موتور القایی شش فازه. DC و سه فاز باعث افزایش قابلیت 1 مقدمه وظیفه ي خطیر هدایت و تغییر مسیر خودرو از طریق سیستم فرمان انجام می شود. از آنجایی که مجموعه ي تشکیل دهنده ي این سیستم نقش مهمی در خودرو به عهده دارد هر روزه شاهد پیشرفت هاي علمی جدیدي در این زمینه می باشیم. از آنجایی که کیفیت سیستم فرمان یکی از پارامتر هاي مهم در انتخاب نوع خودرو می باشد سازندگان خودرو با افزودن یک سیستم اضافی به قسمت مکانیکی آن که به صورت کمکی عمل می نماید سعی درتسهیل چرخش فرمان و افزایش ایمنی آن می نمایند. سیستم فرمان داراي انواع گوناگون مکانیکی هیدرولیکی والکتریکی می باشد..معمول ترین این سیستم ها سیستم دنده شانه اي و پینیون است به طوري که پینیون حرکت دورانی داشته و دنده شانه اي حرکت خطی انجام می دهد.در این حال پینیون حرکت دورانی غربیلک فرمان را به دنده شانه اي انتقال داده دنده شانه اي نیزحرکت خطی را از طریق مفصل ها به چرخ هاي خودرو انتقال می دهد. پمپ هیدرولیک چرخ تسمه شیرهاي کنترل لوله هاي رابط و سیلندر به قسمت مکانیکی فرمان اضافه می شوند تا فرمان هیدرولیکی گردد. پمپ هیدرولیک همواره به موتور خودرومتصل بوده و ازآن استفاده می کند. بنابراین از بازده موتور کمی می کاهد همچنین مصرف انرژي بیشتري را باعث می گردد.علاوه بر آن سیستم هیدرولیک حتی در زمان هایی که خودرو به صورت مستقیم در حال حرکت بوده و هیچ انحرافی انجام نمی دهد باز هم فعال است و از موتور خودرو انرژي می گیرد. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال روشهاي بهتر و مفیدتري گشته تا سیستم هیدرولیکی را بهبود بخشیده و یا آن ها را جایگزین سیستم هاي هیدرولیکی نمایند. یکی از سیستم هاي اراي ه شده در سال هاي اخیر فرمان الکتروهیدرولیکی است که در آن یک موتور الکتریکی به جاي موتور خودرو محرك پمپ هیدرولیک می باشد و در نتیجه فرمان از موتور خودرو مستقل می گردد. دراین نوع ١

2 فرمان هر چند مسي له ي مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته است ولی مشکل عملکرد داي می سیستم هیدرولیکی هنوز پابر جاست. فرمان الکتریکی مشابه هیدرولیکی آن عمل می کند ولی از لحاظ ساختار متفاوت بوده و داراي مزایاي زیادي نسبت به نوع هیدرولیکی است. سیستم الکتریکی زمانی عمل می کند که چرخشی در فرمان به وجود آید به عبارت دیگر گشتاوري موجود باشد.فرمان الکتریکی از سه قسمت اساسی زیر تشکیل شده است که به سیستم فرمان مکانیکی اضافه می شود :سنسور گشتاور موتور الکتریکی وواحد کنترل الکتریکی. سیستم الکتریکی به این صورت عمل می کند که ابتدا سنسور گشتاور گشتاور وارده از غربیلک فرمان را حس نموده آن را به صورت سیگنال یا سیگنال هایی به قسمت میکروکنترولرارسال می کند. میکروکنترلر علاوه بر این سیگنال سیگنالی نیز از سرعت خودرو دریافت می کند آن گاه این دو را پردازش نموده دستورالعمل لازم را به قسمت موتور الکتریکی اعمال می نماید تا به صورت کمکی سیستم فرمان مکانیکی را تحت تاثیر قرار دهد ) شکل ). 1 بیشترین عملکرد سیستم فرمان الکتریکی در سرعت هاي پایین و کمترین عملکرد آن در سرعت هاي بالاي خودرواست. در این مقاله هدف آن است که براي افزایش قابلیت اطمینان فرمان الکتریکی از یک الکتروموتور القایی شش فاز به جاي موتور DC استفاده شود. این مقاله شامل شش قسمت است. در قسمت بعدي درایوهاي القایی شش فازه معرفی می شوند. در قسمت سوم مدل موتور القایی شش فاز اراي ه می شود. چهارمین قسمت طرح سیستم الکتریکی مناسب براي کاربرد در فرمان خودرو را معرفی می کند. در قسمت پنجم نتایج تست عملی این الکتروموتور را تحت شرایط مختلف کاري و قدرت ادامە عملکرد آن را در شرایط قطع یک دو و سه فاز را به نمایش خواهیم گذاشت. در انتها نتیجه گیري و پیشنهادات ادامە این کار را اراي ه خواهیم نمود. درایو هاي القایی شش- فازه در ماشین هاي القایی مولتی فازه بر روي استاتور بیش از سه سیم پیچی قرار می گیرد که سبب کاهش جریان هر فاز می شود. مزایاي درایو هاي القایی مولتی- فازه نسبت به درایوهاي القایی سه - فازه عبارتند از[ 1 ] : 1- کاهش حداکثر جریان کلیدهاي اینورتر ب ا استفاده از توزیع توان بر روي بیش از سه شاخه اینورتر کاهش نوسانات گشتاور الکترومغناطیسی - کاهش هارمونیک هاي جریان منبع تغذیه dc 3- اینورتر افزایش قابلیت اعتماد درایو. 4- شکل 1: سیستم فرمان الکتریکی ٢

3 شکل : مدارماشین شش- فازه و اینورتر آن z1 z α β کنیم [3]: نمونه متداول این ماشین ها از دو دسته سیم پیچی سه فاز که به فاصله 6 درجه الکتریکی از یکدیگر توزیع شده اند می باشد. در این ماشین ها هر دسته ي سه فازه از سیم پیچ هاي استاتور بوسیله یک اینورتر سه فازه تغذیه می شود. بطوریکه توان درایو دو برابر می شود. پیکر بندي ماشین شش- فازه در شکل نشان داده شده است. ویژگی دیگر این سیستم ها این است که بر خلاف درایوهاي سه فازه از دست دادن یک فاز سبب ممانعت از ادامه کارکرد ماشین نمی شود[ ]. بواسطه تبدیل فضاي برداري بردارهاي ولتاژ و جریان از فضاي شش- بعدي کوپله بر روي فضاي شش- بعدي دکوپله جدیدي تصویر می شوند. نتیجه ي این عمل آن است که مدل ماشین شش فازه به آسانی بوسیله ي سه دسته معادلات دکوپله تشریح می شود [3] 3. مدل سازي ماشین القایی شش- فازه از آنجاي یکه در مدل کوپله ماشین اندوکتانس هاي متقابل تابعی از زمان است مدل سازي و کنترل آن پیچیده می شود. 4 با استفاده از ماتریس تبدیل مناسب می توان معادلات را از فضاي شش- فازه کوپله به فضاي دکوپله, β, z z 1, z, z 3, انتقال داد. α با اعمال ماتریس تبدیل و ساده سازي معادلات را در سه زیر فضاي و معادلات در زیر فضاي مرجع ساکن عبارتند از : z3 z 4 به شرح زیر اراي ه می α: β معادلات در چارچوب dis α dirα vsα = Rs sα + Ls + M disβ dir β vs β = Rs sβ + Ls + M dis α = M + ωr.m sβ + Rr rα dir α Lr + ωr.lr rβ disβ = ω r.m sα + M ωr L dir β Rr rβ + Lr + i r rα + (1) معادلات در زیر فضاي v v sz1 sz = R = R s s : sz1 sz z1 z + L + L ls ls di di sz1 sz () ٣

4 معادلات در زیر فضاي : z3 z 4 disz3 vsz3 = Rs sz3 + Lls di (3) sz4 vsz4 = Rs sz4 + Lls معادلات بالا نشان می دهد که تمام تبدیل انرژي الکترومکانیکی در زیر فضاي α β به وقوع می پیوندد z1 z یا و هیچ تبدیل انرژي در زیر فضا هاي z3 z 4 وجود ندارد. بنابراین معادلات دینامیکی به طور کلی دکوپله شده اند و آنالیز و کنترل ماشین بسیار ساده تر می شود زیرا با کنترل مولفه هاي یک ماشین شش فازه را کنترل کرد. α β گشتاور الکترو مغناطیسی در ماشینی با تعداد قطب به صورت زیر بدست می آید: می توان p = k.p.m.(i i ) (4) جفت T m sβ rα sα rβ 4 فرمان خودرو طرح سیستم الکتریکی مناسب براي سیستم هاي الکتریکی 1 ولت فعلی خودروها قادر به تا مین حداکثر 8 آمپر می باشند. حداکثر توانی که از این سیستم می توان به دست آورد یک کیلووات می باشد که جوابگوي سیستم هاي فرمان الکتریکی خودروهاي متوسط و بزرگ نمی باشد. لازمه دستیابی به قدرتهاي بیشتر افزایش سطح پتانسیل سیستم تغذیه خودروها می باشد. بحث و جدل بر روي استاندارد سازي سطح ولتاژ خودروهاي برقی تاکنون ادامه دارد ولی به نظر می رسد سطح ولتاژDC 4 ولت براي سیستم خودروهاي آینده تاکنون مورد قبول بیشتر متخصصین این رشته قرار گرفته باشد. به همین دلیل الکتروموتور القایی شش فازة مناسب براي فرمان خودرو با ولتاژ 17 ولت مو ثر طراحی و ساخته شده. است قدرت نامی این موتور وات با 9 گشتاور بار /3 نیوتن متر می باشد. مشخصات کامل این موتور در جدول 1 درج شده است. 5 نتایج آزمایشات عملی براي ارزیابی عملکرد موتور شش فازه در شرایط قطع یک فاز دو فاز و سه فاز مختلف تجهیزات آزمایشگاهی مطابق شکل 3 را مهیا کردیم. این تجهیزات شامل یک موتور القایی شش فازه می باشد که توسط دو اینورتر سه فاز با ولتاژ 4 DC ولت تغذیه می شود. فرکانس سویچینگ 5 کیلوهرتز می باشد. برد کنترلی این مجموعه یک کامپیوتر 4 پنتیوم می باشد که پریود نمونه برداري میکروثانیه را مهیا می کند. یک ترمز الکترومغناطیسی که به شافت موتور شش فاز متصل است به عنوان بار به کار رفته است. سرعت موتور از طریق یک اینکودر نقطه اي اندازه گیري می شود. 496 شکلهاي 4 الی 6 نتایج آزمایش موتور القایی شش فازه در شرایط نرمال و تحت سرعتهاي 1 و 6 دور بر دقیقه می باشد. همانگونه که از شکلها مشخص است سرعت موتور به خوبی در مقدار سرعت مرجع کنترل شده است و جریان موتور نیز در کلیه حالات محدود می باشد. شکلهاي 8 7 و 9 نتایج آزمایش موتور القایی شش فازه در شرایط قطع یک فاز دو فاز (فازهاي 1 و ) و سه فاز (فازهاي 1 و 3 و 5 ) را نشان می دهد. همان طور که از این شکلها نمایان است در شرایط قطع تا سه فاز نیز موتور به عملکرد خود ادامه می دهد. 1 شکل آزمایش موتور القایی شش فازه را در شرایط اعمال گشتاور بار متغیر نشان می دهد. همان گونه که از این شکل پیداست موتور گشتاور مرجع را به خوبی دنبال می کند و سرعت موتور نیز تابع گشتاور مرجع اعمالی به موتور می باشد. جدول : 1 مشخصات موتوربه کار رفته Rated power 9 W Rated torque.3 Nm VSI DC bus voltage 4 V Number of poles Mutual inductance 3.9 mh Stator resistance 1.4 Stator leakage inductance.3 mh Rotor resistance.64 Rotor leakage inductance.65 mh Friction coefficient kg.m /s Inertia kg.m ٤

5 +4V Voltage source inverter (VSI) Currents sensors FPGA Adapting and antialiasing Stator phases PC 1-bit data acquisition PC1 Ethernet link Shaft encoder Magnetic brake Six-phase induction machine شکل 3. نمودار شماتیک تجهیزات آزمایشگاهی به کار رفته rpm در سرعت شکل 4. نتایج آزمایش شکل 5. نتایج آزمایش در سرعت 1 rpm ٥

6 شکل 6. نتایج آزمایش در سرعت 6 rpm شکل 7. نتایج آزمایش در شرایط قطع یک فاز و در سرعت 1 rpm شکل 8. نتایج آزمایش در شرایط قطع دو فاز و در سرعت 1 rpm ٦

7 شکل 9. نتایج آزمایش در شرایط قطع سه فاز و در سرعت 1 rpm 4.5 T m [Nm] شکل 1. نتایج آزمایش گشتاوردر شرایط قطع یک فاز 6 نتیجه گیري و اراي ه پیشنهادات در این مقاله پیشنهاد کاربرد موتور القایی شش فازه در فرمان خودروها مطرح شده است. موتور القایی شش فازه داراي دو دسته سیم پیچ سه فاز بر روي استاتور می باشد که به فاصلە 6 درجه الکتریکی از یکدیگر قرار گرفته اند. این ساختار نسبت به بروز اشکال بر روي هر یک فازها مقاوم بوده و به عملکرد خود ادامه می دهد. نتایج آزمایش عملی بر روي یک موتور القایی شش فازة 9 وات که به همین منظور طراحی و ساخته شد نشان می دهد که این نوع موتور در شرایط قطع سه فاز نیز مقاوم بوده و به کارکرد خود ادامه می دهد. کاربرد این نوع موتور در فرمان الکتریکی به جاي موتورهاي DC و سه فاز باعث افزایش قابلیت اطمینان سیستم فرمان الکتریکی خودرو می شود. در ادامه پیشنهاد می شود روشهاي کنترلی DTC (کنترل مستقیم گشتاور) و FOC (کنترل برداري) که در شرایط نرمال به کار رفته اند [5][4] براي بررسی کیفیت پاسخ آنها در شرایط قطع فازها مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد. تشکر و قدردانی: به این وسیله از مسي ولین محترم آزمایشگاه تکنولوژیهاي نوین دانشگاه Amiens در کشور فرانسه به خصوص پروفسور G.A.Capolino و پروفسور F.Betin که امکان انجام آزمایشهاي این مقاله را فراهم کردند تشکر و قدردانی می نماییم. مراجع: [1] Y. Zhao and T.A. Lipo, Space vector PWM control of dual three-phase induction machine using vector space ٧

8 ٨ decomposition, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 31, No.5, Sept./Oct. 1995, pp [] R. Kianinezhad, B. Nahid-Mobarakeh, L Baghli, F. Betin, G. A. Capolino; Modelling and Control of Six-Phase Symmetrical Induction Machine Under Fault Condition Due to Open Phases ; IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 5, May 8, -pp: [3] D. Hadiouche, H. Razik and A. Rezzoug, Modeling of a Double Star Induction Motor for Space Vector PWM Control, Conf. Rec. ICEM, pp [4] R. Kianinezhad, B. Nahid, F. Betin, G. A. Capolino; A novel direct torque control (DTC) method for dual three phase induction motors IEEE International Conference on Industrial Technology, ICIT 6; Dec. 6, India. [5] R. Kianinezhad, B. Nahidmobarakeh, F. Betin and G. A. Capolino; A New Field Orientation Control of Dual Three Phase Induction Machines ; IEEE International Conference on Industrial Technology, ICIT 4; 8-1 Dec. 4, Tunisia.