موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده یا Switched Reluctance Motor (SRM) یکی از انواع موتورهای الکتریکی مدرن است که به دلیل ساختار ساده، قابلیت کار در سرعت‌های بالا، هزینه ساخت پایین و تحمل شرایط کاری سخت، در بسیاری از کاربردهای صنعتی، سیستم‌های محرکه الکتریکی و وسایل نقلیه الکتریکی مورد توجه قرار گرفته است. در این شبیه سازی، عملکرد یک سیستم محرکه SRM با توان 60 کیلووات و ساختار 6/4 بررسی می‌شود. مدل استفاده‌شده بر اساس منحنی‌های مغناطیسی اندازه‌گیری‌شده موتور ایجاد شده است تا رفتار واقعی ماشین الکتریکی با دقت بیشتری نمایش داده شود. همچنین مدل‌های پیش‌فرض موتورهای 8/6 و 10/8 نیز با همان استراتژی کنترلی قابل بررسی هستند.

موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده برخلاف موتورهای القایی یا موتورهای مغناطیس دائم، فاقد سیم‌پیچ یا آهنربای دائم در روتور هستند. روتور این موتورها تنها از قطعات فولادی برجسته تشکیل شده است و گشتاور تولیدی از تمایل شار مغناطیسی برای عبور از مسیر با کمترین مقاومت مغناطیسی ایجاد می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که ساختار موتور بسیار مقاوم بوده و قابلیت عملکرد در محیط‌های با دمای بالا یا شرایط سخت را داشته باشد.

ساختار سیستم محرکه موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

در این شبیه سازی، موتور SRM توسط یک مبدل توان نامتقارن سه‌فاز تغذیه می‌شود. این مبدل شامل سه بازو است که هر بازو از دو کلید قدرت IGBT و دو دیود هرزگرد تشکیل شده است. هر فاز موتور به صورت مستقل توسط یک بازوی مبدل کنترل می‌شود. استفاده از این ساختار مبدل باعث می‌شود که جریان هر سیم‌پیچ فاز به شکل جداگانه کنترل شده و امکان تنظیم دقیق گشتاور خروجی موتور فراهم شود.

در زمان هدایت کلیدهای IGBT، ولتاژ مثبت منبع DC به سیم‌پیچ استاتور اعمال می‌شود. این ولتاژ باعث افزایش جریان در سیم‌پیچ فاز و ایجاد شار مغناطیسی مناسب برای تولید گشتاور می‌شود. پس از پایان دوره هدایت، کلیدهای قدرت خاموش شده و انرژی ذخیره‌شده در سیم‌پیچ از طریق دیودهای هرزگرد به منبع DC بازگردانده می‌شود. در این حالت ولتاژ منفی روی سیم‌پیچ اعمال شده و کاهش جریان با سرعت بیشتری انجام می‌شود.

یکی از ویژگی‌های مهم موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده، وابستگی شدید عملکرد آن‌ها به موقعیت روتور است. به همین دلیل در این سیستم از یک حسگر موقعیت روتور استفاده شده است تا زاویه روشن و خاموش شدن فازهای موتور با دقت بالا تعیین شود. این زاویه‌ها نقش مهمی در شکل موج گشتاور، میزان ریپل گشتاور و راندمان کلی موتور دارند.

کنترل جریان در موتور SRM

در سیستم محرکه مورد بررسی، جریان هر فاز موتور به صورت مستقل کنترل می‌شود. برای این منظور از کنترل‌کننده‌های هیسترزیس سه‌گانه استفاده شده است. این کنترل‌کننده‌ها جریان اندازه‌گیری‌شده هر فاز را با جریان مرجع مقایسه کرده و بر اساس خطای ایجادشده، سیگنال‌های فرمان کلیدهای IGBT را تولید می‌کنند.

فرکانس کلیدزنی IGBTها به طور مستقیم به پهنای باند هیسترزیس وابسته است. هرچه این محدوده کوچک‌تر انتخاب شود، جریان موتور دقیق‌تر حول مقدار مرجع کنترل می‌شود، اما تعداد کلیدزنی‌ها افزایش یافته و تلفات سوئیچینگ بیشتر خواهد شد. بنابراین انتخاب مناسب باند هیسترزیس یک عامل مهم در طراحی کنترل‌کننده SRM محسوب می‌شود.

پارامترهای شبیه سازی موتور SRM شش چهار

در مدل شبیه سازی موتور 6/4، یک منبع DC با ولتاژ 240 ولت برای تغذیه مبدل قدرت استفاده شده است. زاویه روشن شدن و خاموش شدن کلیدهای مبدل در محدوده سرعت ثابت نگه داشته شده و به ترتیب برابر با 45 درجه و 75 درجه تنظیم شده‌اند. جریان مرجع سیستم برابر 200 آمپر بوده و باند هیسترزیس کنترل‌کننده جریان برابر با ±10 آمپر انتخاب شده است.

راه‌اندازی موتور با اعمال یک مرجع پله‌ای به ورودی کنترل‌کننده انجام می‌شود. نرخ افزایش سرعت موتور به ویژگی‌های مکانیکی سیستم و مقدار بار متصل به محور بستگی دارد. در این شبیه سازی برای کاهش زمان راه‌اندازی، یک بار مکانیکی بسیار سبک در نظر گرفته شده است. از آنجا که کنترل اصلی سیستم بر مبنای جریان انجام می‌شود، سرعت موتور مطابق با دینامیک مکانیکی سیستم افزایش پیدا می‌کند.

در طول اجرای شبیه سازی، شکل موج‌های مختلف سیستم شامل ولتاژ فازها، شار مغناطیسی، جریان سیم‌پیچ‌ها، گشتاور الکترومغناطیسی و سرعت موتور مشاهده می‌شوند. بررسی این شکل موج‌ها امکان تحلیل دقیق رفتار موتور در شرایط مختلف کاری را فراهم می‌کند.

بررسی ریپل گشتاور در موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

یکی از مهم‌ترین چالش‌های موتورهای SRM وجود ریپل گشتاور زیاد است. این پدیده به دلیل انتقال جریان از یک فاز به فاز دیگر ایجاد می‌شود. هنگامی که یک فاز در حال کاهش جریان است، فاز بعدی باید وارد مدار شود تا تولید گشتاور ادامه پیدا کند. این فرآیند انتقال باعث تغییرات ناگهانی در گشتاور خروجی می‌شود.

مقدار ریپل گشتاور به عوامل مختلفی مانند زاویه روشن شدن، زاویه خاموش شدن، شکل موج جریان و سرعت موتور وابسته است. در کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی، کاهش ریپل گشتاور اهمیت زیادی دارد، زیرا باعث افزایش راحتی حرکت، کاهش ارتعاشات مکانیکی و بهبود عملکرد سیستم محرکه می‌شود.

محدوده‌های عملکرد موتور SRM

با بررسی شکل موج‌های سیستم مشخص می‌شود که عملکرد موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده در دو ناحیه اصلی تقسیم می‌شود: حالت کنترل جریان و حالت تغذیه ولتاژی. این تقسیم‌بندی بر اساس رفتار مبدل قدرت و توانایی کنترل جریان فازها انجام می‌شود.

حالت کنترل جریان (Current-Controlled Mode)

در سرعت‌های پایین‌تر از حدود 3000 دور بر دقیقه، نیروی محرکه الکتریکی موتور مقدار کمی دارد و کنترل‌کننده‌ها قادر هستند جریان فازها را به مقدار مرجع برسانند. در این محدوده، مقدار متوسط گشتاور تولیدی تقریباً با جریان مرجع رابطه مستقیم دارد.

این حالت معمولاً به عنوان عملکرد گشتاور ثابت شناخته می‌شود، زیرا با افزایش جریان مرجع می‌توان گشتاور بیشتری از موتور دریافت کرد. علاوه بر ریپل ناشی از انتقال فازها، در این حالت ریپل دیگری نیز به دلیل عملکرد کلیدزنی کنترل‌کننده هیسترزیس ایجاد می‌شود.

حالت تغذیه ولتاژی (Voltage-Fed Mode)

در سرعت‌های بالاتر از 3000 دور بر دقیقه، نیروی محرکه الکتریکی موتور افزایش یافته و کنترل‌کننده جریان دیگر قادر نیست مقدار جریان را به سطح مرجع برساند. در این شرایط، سیستم به صورت طبیعی وارد حالت تغذیه ولتاژی می‌شود.

در این حالت، کلیدهای قدرت در بازه فعال خود بدون مدولاسیون روشن باقی می‌مانند و ولتاژ DC ثابت به سیم‌پیچ‌های فاز اعمال می‌شود. در نتیجه، شار مغناطیسی موتور رفتار تقریباً خطی پیدا می‌کند. همچنین به دلیل غیرفعال شدن کنترل‌کننده هیسترزیس، تنها ریپل ناشی از انتقال فازها در گشتاور مشاهده می‌شود.

بهینه‌سازی مشخصه گشتاور با زاویه کلیدزنی تطبیقی

یکی از روش‌های افزایش کارایی موتور SRM، استفاده از زاویه‌های کلیدزنی بهینه است. زاویه روشن شدن و خاموش شدن فازها تأثیر مستقیمی بر مقدار متوسط گشتاور، میزان ریپل گشتاور و بازده موتور دارند. این پارامترها با تغییر سرعت و جریان موتور تغییر می‌کنند و یک مقدار ثابت برای تمام محدوده کاری موتور نمی‌تواند بهترین عملکرد را ایجاد کند.

در کاربردهای پیشرفته مانند سیستم‌های محرکه خودروهای الکتریکی، هدف اصلی دستیابی به بیشترین نسبت گشتاور به جریان و کمترین ریپل گشتاور در وسیع‌ترین محدوده سرعت است. برای رسیدن به این هدف، زاویه‌های بهینه روشن و خاموش شدن بر اساس سرعت و جریان موتور محاسبه شده و در یک جدول جستجوی دوبعدی ذخیره می‌شوند.

در زمان عملکرد موتور، کنترل‌کننده با استفاده از سرعت و جریان لحظه‌ای موتور، مقدار مناسب زاویه‌های کلیدزنی را از جدول استخراج کرده و به مبدل قدرت اعمال می‌کند. این روش باعث بهبود عملکرد دینامیکی موتور، کاهش ارتعاشات و افزایش راندمان سیستم محرکه می‌شود.

نتیجه‌گیری

موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده یکی از گزینه‌های مناسب برای سیستم‌های محرکه الکتریکی آینده است که به دلیل ساختار ساده و قابلیت کنترل بالا، کاربردهای گسترده‌ای پیدا کرده است. در این شبیه سازی، عملکرد یک موتور SRM توان 60 کیلووات با کنترل جریان، مبدل نامتقارن IGBT و مدل مبتنی بر منحنی‌های مغناطیسی واقعی بررسی شد.

نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که کنترل دقیق جریان فازها، انتخاب مناسب زاویه‌های کلیدزنی و استفاده از روش‌های تطبیقی می‌تواند نقش مهمی در کاهش ریپل گشتاور و افزایش کیفیت عملکرد موتور داشته باشد. محیط Matlab و ابزارهای شبیه سازی سیستم‌های قدرت، امکان تحلیل دقیق این نوع موتورهای پیشرفته و طراحی الگوریتم‌های کنترلی بهینه را فراهم می‌کنند.