ماشین‌های آسنکرون سه‌فاز یکی از پرکاربردترین ماشین‌های الکتریکی در صنایع مختلف محسوب می‌شوند. ساختار ساده، هزینه نگهداری پایین، راندمان مناسب، استحکام مکانیکی بالا و قابلیت اطمینان زیاد باعث شده است که این ماشین‌ها در طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی، از جمله پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها، نوار نقاله‌ها و تجهیزات تولیدی مورد استفاده قرار گیرند. امروزه با توسعه درایوهای الکترونیک قدرت و استفاده از اینورترهای مبتنی بر PWM، کنترل سرعت و گشتاور موتورهای آسنکرون نسبت به گذشته بسیار دقیق‌تر و انعطاف‌پذیرتر شده است. در این شبیه‌سازی، عملکرد یک موتور آسنکرون سه‌فاز در حالت کنترل سرعت حلقه باز مورد بررسی قرار می‌گیرد و نحوه راه‌اندازی و رسیدن موتور به سرعت نامی با استفاده از یک اینورتر PWM در محیط Matlab/Simulink تحلیل می‌شود.

معرفی سیستم شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی از یک موتور القایی سه‌فاز صنعتی با توان نامی 3 اسب بخار، ولتاژ نامی 220 ولت و سرعت نامی 1725 دور بر دقیقه استفاده شده است. موتور توسط یک اینورتر مبتنی بر مدولاسیون عرض پالس سینوسی (Sinusoidal PWM یا SPWM) تغذیه می‌شود. این روش یکی از رایج‌ترین تکنیک‌های تولید ولتاژ سه‌فاز با فرکانس و دامنه قابل کنترل است که در بسیاری از درایوهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این ساختار، اینورتر ولتاژ DC را به ولتاژ AC سه‌فاز تبدیل می‌کند و امکان کنترل سرعت موتور را از طریق تغییر فرکانس و دامنه ولتاژ خروجی فراهم می‌سازد. استفاده از PWM موجب می‌شود شکل موج خروجی اینورتر به یک موج سینوسی نزدیک شود، هرچند به دلیل کلیدزنی مداوم نیمه‌هادی‌ها، هارمونیک‌هایی نیز در ولتاژ و جریان خروجی ایجاد خواهد شد.

مشخصات موتور آسنکرون

مشخصات موتور مورد استفاده در این شبیه‌سازی عبارت‌اند از:

• توان نامی: 3 اسب بخار (HP)
• ولتاژ نامی: 220 ولت
• سرعت نامی: 1725 دور بر دقیقه
• نوع موتور: آسنکرون سه‌فاز با روتور قفس سنجابی
• نوع کنترل: کنترل سرعت حلقه باز

روتور موتور به صورت اتصال کوتاه مدل شده است که دقیقاً مشابه موتورهای قفس سنجابی صنعتی است. این نوع موتور به دلیل سادگی ساخت، استحکام بالا و عدم نیاز به جاروبک و حلقه لغزان، بیشترین سهم را در کاربردهای صنعتی دارد.

ساختار اینورتر PWM

در این شبیه‌سازی، اینورتر به طور کامل با استفاده از بلوک‌های استاندارد Simulink ساخته شده است و از هیچ بلوک آماده‌ای برای اینورتر استفاده نشده است. این موضوع باعث می‌شود کاربر بتواند نحوه تولید سیگنال‌های PWM و عملکرد کلیدهای قدرت را به صورت دقیق مشاهده و تحلیل کند.

فرکانس موج مرجع سینوسی برابر با 60 هرتز در نظر گرفته شده است که همان فرکانس نامی موتور محسوب می‌شود. همچنین فرکانس موج حامل مثلثی برابر با 1980 هرتز انتخاب شده است. مقایسه موج سینوسی با موج مثلثی باعث تولید پالس‌های PWM شده و این پالس‌ها وضعیت روشن و خاموش شدن کلیدهای اینورتر را تعیین می‌کنند.

هرچه فرکانس کلیدزنی بیشتر باشد، شکل موج خروجی اینورتر به موج سینوسی نزدیک‌تر خواهد شد، اما در مقابل، تلفات کلیدزنی و زمان مورد نیاز برای شبیه‌سازی نیز افزایش پیدا می‌کند.

منابع ولتاژ کنترل‌شده

خروجی اینورتر قبل از اعمال به موتور از طریق بلوک‌های Controlled Voltage Source به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال می‌شود. این بلوک‌ها ولتاژ تولید شده توسط اینورتر را به موتور منتقل کرده و امکان مدل‌سازی دقیق عملکرد سیستم قدرت را فراهم می‌کنند.

این ساختار باعث می‌شود تمامی تغییرات ایجاد شده توسط اینورتر، شامل هارمونیک‌ها، ریپل ولتاژ و تغییرات ناشی از PWM مستقیماً روی عملکرد موتور تأثیر بگذارند و بتوان رفتار واقعی سیستم را مشاهده کرد.

شبیه‌سازی راکتور هموارساز

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه‌سازی، مدل‌سازی اثر راکتور هموارساز بین اینورتر و موتور است. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، برای کاهش هارمونیک‌های جریان و محدود کردن نرخ تغییرات جریان، از راکتورهای خروجی استفاده می‌شود.

برای شبیه‌سازی این اثر، اندوکتانس نشتی استاتور (Lls) دو برابر مقدار واقعی آن در نظر گرفته شده است. این افزایش اندوکتانس باعث می‌شود جریان موتور تا حدی صاف‌تر شود و شرایط عملکرد سیستم به یک نصب صنعتی واقعی نزدیک‌تر گردد.

با وجود استفاده از این راکتور، هنوز آثار کلیدزنی اینورتر در شکل موج جریان‌ها مشاهده می‌شود که نشان‌دهنده تأثیر قابل توجه هارمونیک‌های PWM بر عملکرد موتور است.

بار مکانیکی اعمال شده به موتور

گشتاور بار اعمال شده به محور موتور در تمام مدت شبیه‌سازی مقدار ثابتی دارد و برابر با مقدار نامی موتور یعنی 11.9 نیوتن‌متر انتخاب شده است. این شرایط بیانگر عملکرد موتور تحت بار نامی بوده و امکان بررسی رفتار سیستم در شرایط واقعی بهره‌برداری را فراهم می‌کند.

راه‌اندازی موتور از حالت سکون انجام می‌شود و در لحظه شروع، سرعت روتور صفر است. پس از اعمال ولتاژ توسط اینورتر، موتور شروع به شتاب گرفتن کرده و به تدریج به سرعت مرجع نزدیک می‌شود.

کنترل سرعت حلقه باز

در این شبیه‌سازی از کنترل سرعت حلقه باز استفاده شده است. در این روش هیچ اندازه‌گیری از سرعت واقعی موتور به کنترل‌کننده بازگردانده نمی‌شود و سیستم تنها بر اساس مقدار مرجع تنظیم شده عمل می‌کند.

سرعت مرجع برابر با 1 پریونیت (1 pu) یا 1725 دور بر دقیقه تعیین شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد موتور تقریباً پس از 0.9 ثانیه به سرعت نامی می‌رسد و در این نقطه به حالت پایدار وارد می‌شود.

اگرچه کنترل حلقه باز نسبت به کنترل حلقه بسته دقت کمتری دارد، اما برای بسیاری از کاربردهایی که تغییرات بار محدود است، همچنان یک روش ساده، اقتصادی و قابل قبول محسوب می‌شود.

تنظیمات شبیه‌سازی

یکی از نکات بسیار مهم در این شبیه‌سازی انتخاب گام زمانی مناسب است. از آنجا که فرکانس کلیدزنی اینورتر برابر با 1980 هرتز است، لازم است تغییرات سریع ولتاژ و جریان با دقت کافی ثبت شوند.

به همین دلیل حداکثر گام زمانی شبیه‌سازی برابر با 10 میکروثانیه در نظر گرفته شده است. استفاده از گام زمانی بزرگ‌تر ممکن است باعث از بین رفتن جزئیات کلیدزنی، کاهش دقت نتایج و ایجاد خطا در تحلیل عملکرد سیستم شود.

تحلیل جریان‌های استاتور و روتور

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که جریان‌های استاتور و روتور دارای نویز قابل توجهی هستند. این نویز ناشی از فرآیند کلیدزنی اینورتر PWM است و حتی استفاده از راکتور هموارساز نیز نمی‌تواند آن را به طور کامل حذف کند.

وجود این ریپل‌ها یکی از ویژگی‌های طبیعی در درایوهای مبتنی بر PWM است و میزان آن به عواملی مانند فرکانس کلیدزنی، نوع فیلتر، مشخصات موتور و پارامترهای اینورتر بستگی دارد.

تحلیل گشتاور الکترومغناطیسی

گشتاور الکترومغناطیسی موتور نیز همانند جریان‌ها تحت تأثیر کلیدزنی اینورتر قرار دارد. شکل موج گشتاور دارای نوسانات و ریپل‌هایی است که مستقیماً از هارمونیک‌های ولتاژ خروجی اینورتر ناشی می‌شوند.

این ریپل‌ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی مشاهده می‌شوند و در صورت افزایش بیش از حد می‌توانند باعث ایجاد لرزش مکانیکی، افزایش صدا و کاهش عمر تجهیزات شوند. به همین دلیل طراحی مناسب اینورتر و انتخاب فرکانس کلیدزنی اهمیت بسیار زیادی دارد.

رفتار سرعت موتور

برخلاف جریان و گشتاور، شکل موج سرعت موتور تقریباً بدون نویز مشاهده می‌شود. علت این موضوع وجود اینرسی مکانیکی روتور است. اینرسی مانند یک فیلتر طبیعی عمل کرده و تغییرات سریع گشتاور را جذب می‌کند، بنابراین سرعت موتور تنها تغییرات آهسته را دنبال می‌کند.

به همین دلیل حتی اگر گشتاور دارای ریپل‌های قابل توجه باشد، سرعت خروجی موتور همچنان نرم و پایدار باقی می‌ماند که این ویژگی یکی از مزایای مهم موتورهای آسنکرون در کاربردهای صنعتی است.

اندازه‌گیری ولتاژ خروجی

برای اندازه‌گیری مقدار مؤلفه اصلی ولتاژ خروجی، از بلوک Fourier استفاده شده است. این بلوک مقدار RMS مؤلفه اصلی ولتاژ خط در ترمینال‌های استاتور را استخراج می‌کند و امکان مقایسه دقیق ولتاژ واقعی با مقدار مرجع را فراهم می‌سازد.

استفاده از تبدیل فوریه در تحلیل سیستم‌های قدرت یکی از روش‌های استاندارد برای جداسازی مؤلفه اصلی از هارمونیک‌های ایجاد شده توسط مبدل‌های الکترونیک قدرت است.

بررسی شکل موج خروجی اینورتر

در انتهای شبیه‌سازی می‌توان خروجی اینورتر PWM را مشاهده کرد. بررسی شکل موج ولتاژ خط به خط، به ویژه ولتاژ vab، اطلاعات ارزشمندی درباره عملکرد اینورتر ارائه می‌دهد. با استفاده از قابلیت بزرگ‌نمایی (Zoom) در اسیلوسکوپ Simulink می‌توان جزئیات پالس‌های PWM، نحوه کلیدزنی نیمه‌هادی‌ها و شکل دقیق ولتاژ خروجی را مشاهده کرد.

تحلیل این شکل موج به درک بهتر نحوه عملکرد مدولاسیون PWM، تولید ولتاژ سینوسی معادل و همچنین بررسی هارمونیک‌های ایجاد شده کمک می‌کند و یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی محسوب می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی یک نمونه کامل از عملکرد موتور آسنکرون سه‌فاز تحت کنترل سرعت حلقه باز با استفاده از اینورتر PWM را ارائه می‌دهد. در این مدل، تمامی اجزای اصلی شامل اینورتر، منابع ولتاژ کنترل‌شده، موتور آسنکرون، بار مکانیکی، راکتور هموارساز و ابزارهای اندازه‌گیری به صورت دقیق مدل‌سازی شده‌اند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد که موتور با وجود وجود هارمونیک‌ها و ریپل‌های ناشی از کلیدزنی اینورتر، به سرعت نامی خود رسیده و عملکردی پایدار از خود نشان می‌دهد. همچنین بررسی جریان‌ها، گشتاور، سرعت، ولتاژ خروجی و تحلیل شکل موج PWM، دید مناسبی نسبت به عملکرد واقعی درایوهای موتورهای القایی در محیط‌های صنعتی فراهم می‌کند و این شبیه‌سازی را به یکی از مثال‌های آموزشی ارزشمند برای یادگیری Simscape Electrical و Matlab تبدیل می‌کند.