موتورهای القایی سه‌فاز به دلیل ساختار ساده، هزینه مناسب، قابلیت اطمینان بالا و توانایی کار در شرایط صنعتی مختلف، یکی از پرکاربردترین ماشین‌های الکتریکی در سیستم‌های محرکه صنعتی هستند. با این حال، کنترل دقیق سرعت و گشتاور این موتورها به دلیل رفتار غیرخطی و وابستگی متقابل شار و گشتاور، همواره یکی از موضوعات مهم در مهندسی برق و الکترونیک قدرت بوده است. روش‌های مختلفی برای کنترل موتورهای القایی ارائه شده است که از میان آن‌ها، کنترل مستقیم گشتاور یا Direct Torque Control (DTC) یکی از روش‌های پیشرفته و پرکاربرد در درایوهای سرعت متغیر محسوب می‌شود.

در این شبیه سازی، عملکرد یک سیستم درایو موتور القایی با توان 150 اسب بخار بررسی می‌شود که از روش کنترل مستقیم گشتاور مبتنی بر کنترل‌کننده هیسترزیس برای تنظیم سرعت استفاده می‌کند. هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی توانایی روش DTC در کنترل سریع و دقیق گشتاور الکترومغناطیسی و حفظ سرعت موتور در شرایط مختلف کاری است. این سیستم شامل یک یکسوکننده دیودی سه‌فاز، لینک DC، مبدل دو سطحی سه‌فاز، موتور القایی و مدار ترمز چاپر است که یک ساختار کامل برای درایو AC با فرکانس متغیر را تشکیل می‌دهد.

ساختار الکتریکی سیستم درایو موتور القایی

انرژی الکتریکی مورد نیاز سیستم از طریق یک شبکه سه‌فاز معادل با ولتاژ 460 ولت و فرکانس 60 هرتز تأمین می‌شود. ابتدا ولتاژ متناوب شبکه توسط یک یکسوکننده دیودی سه‌فاز به ولتاژ DC تبدیل شده و سپس این انرژی در لینک DC ذخیره می‌شود. لینک DC وظیفه تأمین انرژی مورد نیاز مبدل الکترونیک قدرت را بر عهده دارد.

مبدل سه‌فاز دو سطحی متصل به لینک DC، ولتاژ و فرکانس متغیر مورد نیاز موتور القایی را تولید می‌کند. تغییر دامنه و فرکانس ولتاژ خروجی اینورتر باعث می‌شود موتور بتواند در محدوده وسیعی از سرعت‌ها کار کند. این قابلیت در کاربردهایی مانند پمپ‌ها، فن‌ها، نوارهای نقاله و ماشین‌آلات صنعتی اهمیت زیادی دارد.

یکی دیگر از بخش‌های مهم این سیستم، مدار ترمز چاپر است که به لینک DC متصل شده است. هنگام کاهش سرعت موتور، انرژی جنبشی ذخیره شده در روتور می‌تواند باعث افزایش ولتاژ لینک DC شود. در صورت افزایش بیش از حد ولتاژ، امکان آسیب به تجهیزات الکترونیک قدرت وجود دارد. مدار ترمز چاپر با فعال شدن در زمان مناسب، این انرژی اضافی را به صورت گرما در مقاومت ترمز تلف می‌کند و از افزایش غیرمجاز ولتاژ جلوگیری می‌کند.

روش‌های کنترل موتور القایی

کنترل موتور القایی تغذیه‌شده توسط اینورتر می‌تواند با روش‌های مختلفی انجام شود. انتخاب روش کنترل به نوع کاربرد، میزان دقت مورد نیاز، سرعت پاسخ دینامیکی و پیچیدگی طراحی کنترل‌کننده بستگی دارد. دو گروه اصلی روش‌های کنترل شامل کنترل اسکالر و کنترل برداری هستند.

در روش کنترل اسکالر مانند کنترل V/Hz، نسبت ولتاژ به فرکانس تقریباً ثابت نگه داشته می‌شود تا شار موتور در محدوده مطلوب باقی بماند. این روش ساختار ساده‌ای دارد اما در شرایطی که نیاز به پاسخ سریع گشتاور وجود دارد، عملکرد آن محدود است.

در مقابل، روش‌های کنترل برداری مانند کنترل میدان‌گرا (Field Oriented Control) و کنترل مستقیم گشتاور (Direct Torque Control) امکان کنترل دقیق‌تر شار و گشتاور را فراهم می‌کنند. در این شبیه سازی از روش کنترل مستقیم گشتاور مبتنی بر هیسترزیس استفاده شده است.

اصول کنترل مستقیم گشتاور (DTC)

کنترل مستقیم گشتاور یک روش پیشرفته برای کنترل موتورهای AC است که امکان کنترل مستقل و لحظه‌ای شار مغناطیسی استاتور و گشتاور الکترومغناطیسی را فراهم می‌کند. برخلاف برخی روش‌های کلاسیک که نیازمند تبدیل‌های پیچیده مختصات و مدل‌های کنترلی چندلایه هستند، روش DTC با انتخاب مستقیم بردار ولتاژ مناسب اینورتر، رفتار موتور را کنترل می‌کند.

در این روش، مقدار شار استاتور با استفاده از انتگرال‌گیری ولتاژهای استاتور تخمین زده می‌شود. همچنین گشتاور الکترومغناطیسی با استفاده از شار تخمینی و جریان‌های موتور محاسبه می‌شود. سپس مقادیر واقعی شار و گشتاور با مقادیر مرجع مقایسه شده و خطای موجود توسط کنترل‌کننده‌های هیسترزیس پردازش می‌شود.

اجزای اصلی کنترل‌کننده DTC

زیرسیستم کنترل مستقیم گشتاور شامل چند بخش اصلی است که هر کدام وظیفه مشخصی در فرآیند کنترل موتور دارند:

• محاسبه شار و گشتاور: در این بخش شار پیوندی استاتور با استفاده از ولتاژهای استاتور تخمین زده شده و مقدار گشتاور الکترومغناطیسی بر اساس شار و جریان موتور محاسبه می‌شود.
• تنظیم‌کننده سرعت: سرعت واقعی موتور با سرعت مرجع مقایسه شده و خطای سرعت به یک مرجع گشتاور تبدیل می‌شود. این مقدار مشخص می‌کند که موتور باید چه میزان گشتاور تولید کند.
• کنترل هیسترزیس: مقدار شار و گشتاور محاسبه‌شده با مقادیر مرجع مقایسه می‌شوند. زمانی که خطا از محدوده باند هیسترزیس عبور کند، سیگنال کنترلی برای اصلاح شرایط ایجاد می‌شود.
• انتخاب بهینه کلیدزنی: بر اساس وضعیت شار استاتور و خروجی کنترل‌کننده هیسترزیس، بهترین بردار ولتاژ برای اینورتر انتخاب شده و پالس‌های کلیدزنی تولید می‌شوند.

انتخاب بردارهای ولتاژ در کنترل DTC

یکی از مهم‌ترین بخش‌های روش DTC، انتخاب مناسب بردارهای ولتاژ اینورتر است. فضای شار استاتور به شش ناحیه یا سکتور تقسیم می‌شود و با توجه به موقعیت شار، بردار ولتاژ مناسب انتخاب می‌شود.

برای مثال، زمانی که بردار شار در سکتور صفر قرار دارد، انتخاب بردار ولتاژ به شرایط مورد نیاز برای افزایش یا کاهش گشتاور و شار بستگی دارد. اگر نیاز باشد گشتاور افزایش پیدا کند و شار تقریباً ثابت بماند، بردار V3 انتخاب می‌شود. این بردار باعث افزایش سرعت حرکت شار شده و گشتاور شتاب‌دهنده‌ای به روتور اعمال می‌کند.

در شرایطی که هم گشتاور و هم شار باید افزایش یابند، بردار V2 انتخاب می‌شود. این بردار علاوه بر افزایش جزئی سرعت شار، باعث افزایش دامنه شار نیز خواهد شد.

برای کاهش گشتاور و افزایش شار، بردار V6 استفاده می‌شود. این بردار باعث کاهش سرعت حرکت شار و ایجاد گشتاور کاهنده در روتور می‌شود. همچنین زمانی که کاهش گشتاور مورد نیاز باشد و شار تقریباً ثابت باقی بماند، بردار V5 انتخاب خواهد شد.

بردارهای V1 و V4 در سکتور صفر استفاده نمی‌شوند زیرا تأثیر نامطلوبی بر مقدار شار مورد نظر دارند. در شرایطی که نیازی به تغییر شار و گشتاور وجود ندارد، بردارهای صفر V0 یا V7 انتخاب می‌شوند.

با حرکت بردار شار به سکتورهای بعدی، انتخاب بردارهای ولتاژ نیز تغییر می‌کند. این تغییر به صورت جابه‌جایی 60 درجه‌ای در فضای برداری انجام می‌شود و باعث می‌شود کنترل‌کننده DTC بتواند در تمام شرایط، عملکرد مناسب موتور را حفظ کند.

نتایج شبیه سازی موتور القایی با کنترل DTC

در اجرای شبیه سازی، ابتدا مقدار مرجع شار برابر 0.9 ولت‌ثانیه تنظیم می‌شود. در زمان 0.1 ثانیه، مقدار سرعت مرجع برابر 1500 دور بر دقیقه قرار می‌گیرد و موتور شروع به افزایش سرعت می‌کند.

کنترل‌کننده DTC قادر است سرعت موتور را با دقت بالا دنبال کند. نرخ تغییر سرعت نیز به مقدار 1200 دور بر دقیقه بر ثانیه محدود شده است تا از ایجاد تنش‌های مکانیکی و جریان‌های شدید جلوگیری شود. سرعت مرجع 1500 دور بر دقیقه در حدود زمان 1.35 ثانیه به دست می‌آید.

در زمان 1.5 ثانیه، یک گشتاور بار برابر 500 نیوتن‌متر به موتور اعمال می‌شود. کنترل‌کننده مستقیم گشتاور با افزایش مقدار گشتاور تولیدی موتور تلاش می‌کند سرعت را در مقدار مرجع ثابت نگه دارد. این رفتار نشان‌دهنده توانایی بالای DTC در جبران تغییرات بار است.

در زمان 2 ثانیه مقدار گشتاور بار کاهش یافته و در 2.5 ثانیه سرعت مرجع از 1500 دور بر دقیقه به 500 دور بر دقیقه تغییر می‌کند. در این حالت موتور وارد فرآیند کاهش سرعت می‌شود و انرژی جنبشی تولیدشده توسط موتور از طریق مدار ترمز چاپر دفع می‌شود تا از افزایش بیش از حد ولتاژ لینک DC جلوگیری شود.

در نهایت، در زمان 3.5 ثانیه مقدار مرجع شار از 0.9 به 1 ولت‌ثانیه افزایش داده می‌شود تا تأثیر تغییر شار بر عملکرد موتور بررسی شود.

شبیه سازی بلادرنگ سیستم کنترل DTC

یکی از قابلیت‌های مهم این مدل، امکان اجرای شبیه سازی بلادرنگ با استفاده از Simulink Real-Time و تجهیزات Speedgoat است. در این حالت، مدل طراحی‌شده می‌تواند به صورت مستقیم روی سخت‌افزار هدف اجرا شود و رفتار واقعی سیستم در شرایط نزدیک به کاربرد صنعتی بررسی شود.

برای اجرای مدل به صورت بلادرنگ، ابتدا در بخش تنظیمات پیکربندی Matlab، قسمت Code Generation انتخاب شده و فایل سیستم هدف روی slrealtime.tlc تنظیم می‌شود. پس از اتصال به سیستم هدف، مدل به صورت خودکار ساخته، منتقل و اجرا خواهد شد.

در کاربردهای بلادرنگ، با توجه به پهنای باند انتقال اطلاعات میان سیستم هدف و رایانه میزبان، ممکن است لازم باشد تعداد سیگنال‌های منتقل‌شده کاهش پیدا کند تا اجرای مدل با سرعت و پایداری مناسب انجام شود.

جمع‌بندی

در این شبیه سازی، یک سیستم درایو موتور القایی سه‌فاز با استفاده از روش کنترل مستقیم گشتاور مبتنی بر هیسترزیس بررسی شد. نتایج نشان می‌دهد که روش DTC توانایی بالایی در کنترل سریع گشتاور و تنظیم دقیق سرعت موتور دارد. ساختار ساده‌تر نسبت به برخی روش‌های برداری، پاسخ دینامیکی سریع و قابلیت عملکرد مناسب در تغییرات بار، باعث شده است این روش در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد توجه قرار گیرد.

مدل‌سازی چنین سیستم‌هایی در محیط Matlab و Simulink امکان بررسی دقیق رفتار موتور، مبدل‌های قدرت، الگوریتم کنترل و اثر تغییر پارامترهای مختلف را فراهم می‌کند و به عنوان ابزاری قدرتمند برای طراحی و توسعه سیستم‌های محرکه الکتریکی مدرن مورد استفاده قرار می‌گیرد.