کنترل مستقیم گشتاور و شار ماشین القایی از دو سو تغذیه شده بدون جاروبک مبتنی بر روش کنترلی ساختار متغیر

Transcript

1 No. F-3-AAA- کنترل مستقیم گشتاور و شار ماشین القایی از دو سو تغذیه شده بدون جاروبک مبتنی بر روش کنترلی ساختار متغیر حمیدرضا مصدق حسین ابوترابی زارچی دانشکده مهندسی گروه برق دانشگاه فردوسی مشهد مشهد- ایران در چکیده- این مقاله یک روش کنترل مستقیم گشتاور (DTC) جدید مبتنی بر کنترل مود لغزشی کنترلکنندهي PI خطی و مدولاسیون بردار فضایی (SM) جهت درایو ماشین القایی از دو سو تغذیه شده بدون جاروبک (BDFIM) اراي ه میشود. روش پیشنهادي ضمن حفظ خصوصیات برجسته کنترل مستقیم گشتاور (پاسخ سریع و حداقل حساسیت به پارامترهاي ماشین) با کاهش نوسانات شار و گشتاور رفتار حالت داي م و گذرا را نیز بهبود میبخشد. نتایج شبیهسازي نیز نشاندهنده عملکرد دقیق سریع و مقاوم روش پیشنهادي میباشد. واژههاي کلیدي ماشین القایی از دو سو تغذیه شده بدون. جاروبک کنترل مستقیم گشتاور کنترل مود لغزشی کنترل PI خطی مقدمه ماشین القایی دو سو تغذیه شده بدون جاروبک یک ماشین القایی تک قابه و بدون جاروبک است که دو سیمپیچ سه فاز متعادل داشته و هر دو آنها بر روي استاتور نصب میشود. یکی از آنها سیمپیچ قدرت است که به طور مستقیم به شبکه متصل میشود و بخش عمدهاي از توان از طریق این سیم- پیچ بین شبکه و ماشین تبادل میشود. سیمپیچ دیگر که از طریق یک مبدل پشت به پشت با ظرفیتی کمتر از ظرفیت ماشین به شبکه متصل گردیده است سیمپیچ کنترل نامیده میشود []. مبدل سمت ماشین وظیفه کنترل سرعت روتور و توان راکتیو ماشین را برعهده دارد. اما مبدل سمت شبکه ضمن کنترل ولتاژ لینک DC با تزریق و یا جذب توان راکتیو ولتاژ پایانه BDFIM را تنظیم میکند []. لازم به ذکر است که ظرفیت سیمپیچ کنترل به محدودهي سرعت مورد نیاز و همپنین نیازمنديهاي توان راکتیو بستگی دارد BDFIM به دلیل مزایایی مانند حذف جاروبک (تعمیرات کم و افزایش.[3] قابلیت اطمینان ( و استفاده از اینورتري با ظرفیتی در حدود درصد 3 ظرفیت ماشین در چند سال اخیر مورد توجه و مطالعه قرار گرفته است تا بتوان این ماشین را در برخی از کاربردهاي صنعتی نظیر توربینهاي بادي به کار برد[ ]. البته موضوعی که باید به آن توجه داشت رفتار دینامیکی این ماشین است که باعث شده تا اجراي روشهاي مرسوم کنترلی بر روي این ماشین دشوار گردد. با این وجود در سالهاي اخیر روشهاي متنوع کنترلی از جمله است[ 4 ]. روش کنترل مستقیم گشتاور بر روي BDFIM اجرا شده هر چند با کمک روش کنترل برداري امکان کنترل مستقل گشتاور و شار مغناطیسی براي انواع ماشینهاي الکتریکی فراهم شد اما این امکان در شرایط گذراي شار محقق نمیگردد. به علاوه وابستگی زیاد به پارامترهاي ماشین نیاز به حسگرهاي موقعیت به منظور دستیا یب به کنترل مجزاي شار وگشتاور رگولاتورهاي اضافی براي کنترل جریان موتور و نیز انتقال دستگاههاي مختصات محققین را به استفاده از روش کنترل مستقیم گشتاور به جاي کنترل برداري ترغیب کرده است. علاوه بر سادگی پیادهسازي روش

2 DTC دستیا یب با به کنترل مطلوب گشتاور در حالت داي م و شرایط گذرا از دیگر ویژگیهاي این روش کنترلی میباشد. حال روش این کلاسیک DTC به دلیل عنوان مقاله بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی برق 39 تهران ایران استفاده از کنترل کننده هیسترزیس داراي معایب شناخته شدهاي همچون پیچیدگی کنترل شار و گشتاور در سرعتهاي بسیار پاي ین ریپل زیاد در گشتاور شار و جریانهاي استاتور فرکانس کلیدزنی متغیر میزان اغتشاش زیاد در سرعتهاي کم عدم امکان کنترل مستقیم بر روي جریان و ایجاد نویز صوتی می باشد. علاوه بر موارد اخیر روش از DTC کلاسیک براي دستیابی عملکرد به مناسب کنترل گشتاور و محدود نمودن خطاي شار و گشتاور در یک باند مشخص و نیز تخمین آنها نیاز به فرکانس نمونهبرداري زیاد دارد []. در سالهاي اخیر تحقیقات گستردهاي در راستاي بهبود مشکلات فوق- الذکر انجام شده است. استفاده از جداول کلیدزنی اصلاح شده [6] اصلاح الگوهاي کلیدزنی [7] اصلاح مقایسهکنندهها با و بدون محدوده هیسترزیس دو و سه سطحی [8] اعمال روشهاي فازي و عصبی فازي [9] استفاده تخمینگرهاي سرعتهاي در آنها عملکرد بهبود براي شار اصلاحشده پاي ین [] و بالاخره اعمال روشهاي مبتنی بر [] SM PWM و نیز کنترل پیشبین [] براي تثبیت فرکانس کلیدزنی مطرح شدهاند. در ا نی مقاله یک روش DTC جدید مبتنی بر کنترل مود لغزشی کنترل خطی و مدولاسیون بردار فضایی جهت درایو BDFIM اراي ه میگردد که در عین حال که خصوصیات برجسته DTC (پاسخ سریع و حداقل حساسیت به پارامترهاي ماشین) را حفظ میکند با کاهش نوسانات شار و گشتاور رفتار حالت داي م را نیز بهبود میبخشد.. معرفی ماشین القایی از دو سو تغذیه شده بدون.. عملکرد BDFIM جاروبک استاتور این ماشین از دو سیمپیچ مجزاء تشکیل شده است که براي جلوگیري از کوپلاژ مستقیم بین دو سیمپیچ تعداد قطبهاي متفاوتی دارند. همچنین به منظور کاهش نیروهاي الکترومغناطیسی بر ري روتور اختلاف زوج قطبهاي دو سیمپیچ استاتور باید بزرگتر از یک باشد [3]: P P () روتور این ماشین نیز بهگونهاي خاص طراحی میشود. متداولترین ساختاري که در روتور این ماشین به کار میرود روتور آشیانهاي nested-) (loop است. تعداد آشیانهها که همان تعداد قطبهاي روتور است برابر با مجموع زوج قطبهاي سیمپیچ قدرت و کنترل میباشد تا کوپلاژ غیر مستقیم میان دو سیمپیچ قدرت و کنترل گردد []. به دلیل ساختار باعث ایجاد ویژه روتور مدهاي کاري متفاوتی براي این ماشین بدست میآید. اما بهترین عملکرد BDFIM در مد سنکرون حاصل میشود. در این مد فرکانس ولتاژ القایی در سیمپیچ قدرت به واسطه کوپلاژ غیر مستقیم با سیمپیچ کنترل برابر با فرکانس منبع ولتاژ سیمپیچ قدرت میباشد. این شرایط منجر به ایجاد دو میدان توسط سیمپیچهاي استاتور میگردد که همسرعت با روتور میچرخند. همچنین با توجه به تعداد قطبهاي روتور به منظور دستیابی به کوپلاژ غیر مستقیم که اساس تولید گشتاور در این ماشین میباشد جهت چرخش نیرو محرکه مغناطیسی سیمپیچ قدرت نسبت به روتور مخالف با جهت چرخش نیرو محرکه مغناطیسی سیمپیچ کنترل خواهد بود. در این شرایط خواهیم داشت [3]: P ( P ) () بنابراین سرعت سنکرون روتور به صورت ذیل تعریف میشود []: P P (3) که در رابطه (3) سیمپیچ قدرت و میباشد. مقادیر و P و P و به ترتیب سرعت زاویهاي و زوج قطب سرعت زاویهاي و زوج قطب سیمپیچ کنترل میتواند با توجه به توالی فازها مثبت و یا منفی باشد. بدلیل آنکه توالی فاز سیمپیچ قدرت غالبا مثبت میباشد بنابراین با توجه به توالی فاز سیمپیچ کنترل دو نوع عملکرد داریم: - عملکرد زیر سنکرون که در آن آن مقدار مثبت دارد []... مدل BDFIM (4) مقدار منفی دارد و - عملکرد فوق سنکرون که در مدل ماشین در قاب شار سیمپیچ قدرت به صورت ذیل میباشد []: d L I L I RI j d RI j ( P P ) ) ( () (6)

3 (7) عنوان مقاله بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی برق 39 تهران ایران L I L I R I L I d L I j ( L I P ) (8) (9) که در معادلات فوق زیرنویس و به ترتیب نشاندهندهي سیمپیچ قدرت سیمپیچ کنترل و روتور میباشد. گشتاور الکتریکی مطابق رابطهي () بدست میآید: T e 3 P * 3 * I P I () معادله مکانیکی ماشین نیز در رابطه () معرفی شده است: Im Im () که در آن d Te TL B J J ممان اینرسی B ضریب اصطکاك و گشتاور بار میباشد. T L دیگر دینامیک سیستم براي تمام زمانها به طور کامل مقام نیست. بنابراین کنترلکنندههاي مود لغزشی متعارف داراي این ضعف اساسی میباشند که ممکن است کنترلکننده نتواند پایداري خود را در فاز رسیدن نسبت به نامعینیها و اغتششات حفظ نماید. همچنین عیب دیگر کنترل به روش مود لغزشی وجود پدیدهي شوریدگی میباشد. به منظور بهبود قوام سیستم به نامعینیها و در عین حال حذف پدیدهي شوریدگی سیستم کنترلی در این مقاله یک روش کنترلی که در واقع ترکیبی از کنترلکنندهي PI خطی و کنترلکننده مود لغزشی میباشد تحت عنوان کنترل ساختار متغیر اراي ه میشود. روش پیشنهاد شده در عین سادگی در اجرا داراي بهترین ویژگیهاي کنترلکنندهي خطی یعنی عملکرد آرام و بدون شوریدگی و بهترین ویژگیهاي کنترل کنندهي مود لغزشی یعنی قوام نسبت به نامعینیها میباشد. از دیگر مزایاي این روش کنترلی میتوان به عدم وابستگی به پارامترهاي سیستم اشاره کرد. پارامترها و متغیرهاي به کار رفته در معادلات (4) تا (9) در جدول () معرفی شدهاند: بلوك دیاگرام کنترل مستقیم شار و گشتاور BDFIM مبتنی بر ساختار متغیر در شکل () نشان داده شده است. جدول : معرفی پارامترها و متغیرها ولتاژ جریان و شار, I,, R R مقاومت سیمپیچ قدرت سیمپیچ کنترل و روتور, R, L L اندوکتانس خودي سیمپیچهاي استاتور و روتور, L L, L اندوکتانس متقابل سیمپیچهاي استاتور و روتور 3.کنترل ساختار متغیر با توجه به ماهیت غیرخطی ماشینهاي الکتریکی چنانچه ولتاژ مرجع سیمپیچ کنترل توسط کنترلکنندههاي غیرخطی تولید گردد عملکرد مطلوبتري از درایو الکتریکی بدست میآید. در این میان کنترلکننده مود لغزشی به علت مقاوم بودن نسبت به تغییرات و نامعینیهاي موجود در پارامترهاي سیستم تحت کنترل و پاسخ دینامیکی سریع و همچنین توانایی جبران اثرات اغتشاش و عدم قطعیتها مورد توجه محققین درایوهاي الکتریکی قرار گرفته است. اما مقاوم بودن این نوع کنترلکننده تنها مربوط به فاز لغزش آن است و فاز رسیدن بهگونهاي طراحی میشود که مسیرهاي حالت مکانیکی سیستم هر چه سریعتر به فاز لغزش منتهی گردد. به عبارت شکل : بلوك دیاگرام کنترل مستقیم شار و گشتاور BDFIM مبتنی بر ساختار متغیر شکل : کنترلکننده ساختار متغیر شار و گشتاور BDFIM 3

4 پارامترهاي کنترلی دامنه شار سیمپیچ کنترل و گشتاور ماشین میباشد. وظیفه اصلی کنترلکننده ساختار متغیر که در شکل ( ( نمایش داده شده است دستیابی سریع به کنترل شار سیمپیچ کنترل و گشتاور میباشد. این روش کنترلی یک DTC انعطافپذیر میباشد که مزایایی مانند عملکرد نرم و مقاوم در مقابل اغتششات دارد. یک واحد SM وظیفه تولید سیگنالهاي کلیدزنی ) S b S a سطح لغزش و ( S c را برعهده میگیرد. js Te () S S به صورت ذیل تعریف میشود: عنوان مقاله بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی برق 39 تهران ایران de S e c. det e ST e c e T e T. e (3) که در روابط فوق وe et e T e Te خطاي شار سیمپیچ کنترل و گشتاور هستند. بالانویس نشاندهندهي مقادیر اندازهگیري شده و به نحوي تعیین شوند که بهترین پاسخ دینامیکی بدست آید و در حالت داي می کنترلکنندهي مود لغزشی غالب است و بهترین پاسخ حالت داي می با تنظیم بهینه K SC K SCTe و بدست خواهد آمد. 4.شبیه سازي در این قسمت نتایج شبیه سازي به منظور تایید عملکرد مطلوب روش کنترلی معرفی شده با فرکانس کلیدزنی 4kHz اراي ه میشود. تمامی شبیه- سازيها بر مبناي مشخصات یک نمونه BDFIM انجام میشود که مقادیر پارامترهاي مهم آن در جدول () گردآوري شده است. مقاومت( Ω ) اندوکتان خودي( mh ) جدول : پارامترهاي الکتریکی BDFIM سیمپیچ قدرت سیمپیچ کنترل روتور R L.3.44 L R R.3 L بالانویس * نشاندهندهي مقادیر مرجع میباشد. ثابتهاي طراحی c c Te استاتور میآید که و باعث رسیدن به دینامیک مطلوب در سطح لغزش میشود. ولتاژ مرجع d jq در خروجی کنترلر ساختار متغیر بدست d توسط قانون کنترل شار سیمپیچ کنترل و قانون کنترل گشتاور تولید میگردند. از تابع علامت کنترل استفاده شده است. q توسط Sgn() در قانون K I ( K P ).( e K. ( )) SC Sgn S S d K S ITe q ( K PTe ).( ete KSCTe. Sgn( STe )) (4) () که در روابط فوق S عملگر لاپلاس K PTe K I K P PI بهرههاي کنترلر K PIT میباشند و SC وK کنترلکننده ساختار متغیر میباشد. همچنین در رابطه () K SCTe بهرههاي دامنه شار سیمپیچ کنترل میباشد که باید مقدار مرجع را به خوبی دنبال کند. با انتخاب ضرایب مناسب براي کنترلکنندهي خطی و کنترلکنندهي مود لغزشی بهترین پاسخ از لحاظ قوام سیستم و همچنین بهترین پاسخ زمانی بدون عیب پدیده- ي شوریدگی قابل حصول است. در تنظیم نمودن ضرایب باید در نظر داشت که در حالت گذرا کنترلکنندهي خطی غالب است و ضرایب PI میبایست اندوکتانس متقابل( mh ) L. L 3. همچنین شبیهسازي در ولتاژ ولت و فرکانس هرتز انجام می- پذیرد. سیمپیچ قدرت داراي زوج قطب و سیمپیچ کنترل داراي 4 زوج قطب میباشد. سرعت نامی BDFIM دور بر دقیقه و گشتاور نامی ماشین 7 نیوتن بر متر میباشد. همانطور که از نتایج شبیهسازي مشاهده میشود در حالت داي م گشتاور الکتریکی و شار سیمپیچ کنترل ماشین به طور کامل و با کمترین ریپل مقادیر ) را دنبال میکند..8W.b Tو e N. مرجع ) m در شکل (3) همچنین جریانهاي سیمپیچ قدرت و کنترل نشان داده شده است. جریان سیمپیچ قدرت با فرکانس شبکه ( هرتز) نوسان میکند. اما با کنترل سرعت ماشین در مقدار 6 دور بر دقیقه و با توجه به رابطه () فرکانس نوسان جریان سیمپیچ کنترل مربوط به جریان سیمپیچ کنترل به خوبی مشاهده میشود. هرتز خواهد شد که در شکل 4

5 عنوان مقاله بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی برق 39 تهران ایران Contol Winding Cuent (A) Electomagnetic Toque (N.m).... شکل 3 : پاسخ حالت داي م روش کنترلی ساختار متغیر ; گشتاور شار جریان سیمپیچ قدرت و جریان سیمپیچ کنترل در شکل (4) سطح لغزش شار سیمپیچ کنترل و گشتاور مشاهده میشود. Sliding mode suface (Contol Winding flux) Sliding mode suface (Electomagnetic Toque) شکل 4 : سطح لغزش ; شار و گشتاور در شکل () پاسخ ماشین به تغییر پله گشتاور از - تا نیوتن متر نشان داده شده است. همانطور که از شکل دیده میشود پاسخ گشتاور به تغییرات بسیار سریع میباشد. در این حالت نیز شار سیمپیچ کنترل به جز لحظاتی که مقدار گشتاور مرجع تغییر میکند در مابقی زمانها به خوبی مقدار مرجع ).8Wb ) را دنبال کرده است. Electomagnetic Toque (N.m) Contol Winding flux (Wb). 9. Powe Winding Cuent (A)

6 عنوان مقاله بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی برق 39 تهران ایران Contol Winding Cuent (A) شکل : پاسخ پله گشتاور ; گشتاور شار جریان سیمپیچ قدرت و جریان سیم- پیچ کنترل.نتیجهگیري در این مقاله یک کنترلکننده ساختار متغیر جهت کنترل مستقیم گشتاور ماشین القایی از دو سو تغذیه شده بدون جاروبک اراي ه شده است. ترکیب اصولی کنترلکننده مود لغزشی کنترل کننده PI خطی DTC و مدولاسیون بردار فضایی یک سیستم درایو ساده و مقاوم را بوجود آورده است. به طور ویژه کنترل مود لغزشی درایو را نسبت به اغتشاشات گشتاور و تغییرات نقطه کار مقاوم میسازد کنترلر عملکرد آرام و بدون شوریدگی را تضمین میکند DTC موجب پاسخ دینامیکی سریع میشود و مدولاسیون بردار فضایی پاسخهاي حالت داي م گشتاور شار و جریان را با کاهش ریپل بهبود میبخشد. نتایج شبیهسازي نشاندهنده عملکرد مطلوب سیستم کنترلی میباشد که درایو ماشین القایی دو سو تغذیه شده بدون جاروبک را براي PI کاربردهاي صنعتی به ویژه کاربرد توربین بادي مناسب میسازد. منابع [] S.Shao, E.Abdi, F.Baati and R.McMahon, Stato-Flux-Oiented ecto Contol fo Bushless Doubly Fed Induction Geneato, IEEE Tansactions on Industial Electonics, vol. 6, no., Octobe 9. [] S. Tohidi, M.R. Zolghadi, H. Oaee, P. Tavne, E. Abdi and T. Logan, Pefomance of the bushless doubly-fed machine unde nomal and fault conditions, IET Elect. Powe Appl.,, vol. 6, Iss. 9, pp [3] J. Poza, E. Oyabide, I. Saasola and M. Rodiguez, ecto contol design and expeimental evaluation fo the bushless doubly fed machine, IET Elect. Powe Appl., 9, vol. 3, Iss. 4, pp [4] I.Saasola, J.Poza, M.A.Rodiguez and G.Abad, Diect toque contol design and expeimental evaluation fo the bushless doubly fed machine, Enegy Convesion and Management, () 6 34 [] Casadi, D., Pofumo, F. P, Sea, G. and Tani, A., FOC and DTC: Two aiable Schemes fo Induction Motos Toque Contol, IEEE Tansaction on Powe Elec., ol. 7, No., pp , Sept.. [6] Nash, J. N., Diect Toque Contol, Induction Moto ecto Contol Without an Encode, IEEE Tansaction on Industy Applications, ol. 33, pp , Mach/Apil 997. Electomagnetic Toque (N.m) Electomagnetic Toque (N.m) Contol Winding flux (Wb) Powe Winding Cuent (A)

7 عنوان مقاله بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی برق 39 تهران ایران [7] Faiz, J., Shaifian, M. B., Keyhani, B. A., and Poca, A. B., Sensoless Diect Toque Contol of Induction Motos used in Electical ehicle, IEEE Tansaction on Enegy Conv., ol. 8, No., Mach 3. [8] Titinen, P., Pohkalainen, P. and Lalu, J., The Next Geneation Moto Contol Method: Diect Toque Contol, EPE Jounal, ol., No., pp. 4-8, Ma. 99. [9] Gabowski, P. Z., and Blaabjeg, F., Diect Toque Neuo-Fuzzy Contol of Induction moto Dive, DSP Implementation, IECON 98, pp , Achen, Gemany, Aug/Sept [] Hust, D. K., Habetle, T. G., Giva, G. and Pofumo, F., Zeo Speed Tacho-less IM Toque Contol: Simply a Matte of Stato oltage integation, IEEE Tansaction on Industy Applications, ol. IA-34, pp , 998. [] Lascu, C., Boldea, I. and Blaabjeg, F., A Modified Diect Toque Contol fo Induction Moto Sensoless Dive, IEEE IAS 98, ol., pp. 4-4, 998. [] I.Saasola, J.Poza, M.A.Rodiguez and G.Abad, Pedictive Diect Toque Contol fo Bushless Doubly Fed Machine with Reduced Toque Ripple at Constant Switching Fequency, IEEE (7). [3] S.Tohidi, H.Oaee, M.Zolghadi, S.Shao and P.Tavne, Analysis and Enhancement of Low-oltage Ride-Though Capability of Bushless Doubly Fed Induction Geneato,, IEEE Tansactions on Industial Electonics, vol. 6, no. 3, Mach 3. 7