سامانه‌های حمل‌ونقل الکتریکی از جمله اتوبوس‌های برقی، ترامواها، مترو و قطارهای شهری به دلیل راندمان بالا، آلودگی زیست‌محیطی کمتر و قابلیت بازیابی انرژی ترمزی، به یکی از مهم‌ترین فناوری‌های صنعت حمل‌ونقل تبدیل شده‌اند. در این سامانه‌ها، انتخاب روش مناسب برای کنترل موتور الکتریکی نقش بسیار مهمی در کیفیت عملکرد، مصرف انرژی، نرمی حرکت و قابلیت اطمینان سیستم دارد. یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های کنترل موتورهای القایی، کنترل برداری یا Field-Oriented Control (FOC) است که امکان کنترل مستقل شار و گشتاور را فراهم می‌کند. در این شبیه‌سازی، عملکرد یک درایو موتور القایی با کنترل برداری در سیستم رانش یک اتوبوس برقی مورد بررسی قرار می‌گیرد و نحوه عملکرد مبدل‌های الکترونیک قدرت، کنترل‌کننده‌ها و فرآیند بازیابی انرژی هنگام ترمزگیری به صورت جامع تحلیل می‌شود.

ساختار سیستم رانش الکتریکی

در این شبیه‌سازی، انرژی الکتریکی از طریق یک شبکه تک‌فاز با ولتاژ 15 کیلوولت و فرکانس 60 هرتز تأمین می‌شود. این انرژی ابتدا توسط یک ترانسفورماتور 15kV/460V به سطح ولتاژ مناسب تبدیل شده و سپس وارد یک یکسوساز تمام‌پل مبتنی بر مدولاسیون PWM می‌شود. خروجی این مبدل، ولتاژ مستقیم حدود 750 ولت را روی لینک DC ایجاد می‌کند.

به منظور کاهش ریپل ولتاژ و افزایش کیفیت توان، لینک DC توسط یک فیلتر تنظیم‌شده روی هارمونیک دوم (120 هرتز) صاف می‌شود. ولتاژ DC تولید شده سپس وارد یک اینورتر سه‌فاز دو سطحی می‌شود که با استفاده از PWM ولتاژ و فرکانس متغیر مورد نیاز موتور القایی را تولید می‌کند. این ساختار امکان کنترل سرعت موتور در محدوده وسیعی از شرایط کاری را فراهم می‌سازد.

یکی از ویژگی‌های مهم این ساختار، قابلیت انتقال توان در هر دو جهت است. در هنگام حرکت عادی، انرژی از شبکه به سمت موتور جریان پیدا می‌کند؛ اما در زمان ترمزگیری یا حرکت در سرازیری، موتور به صورت ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی وسیله نقلیه را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این انرژی مجدداً از طریق لینک DC و یکسوساز PWM به شبکه بازگردانده می‌شود که به آن ترمز احیاکننده یا Regenerative Braking گفته می‌شود.

روش‌های مختلف کنترل موتور القایی

کنترل موتورهای القایی می‌تواند با روش‌های مختلفی انجام شود که هر یک دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود هستند. روش‌های متداول شامل کنترل اسکالر (V/F)، کنترل شار حلقه باز، کنترل برداری (FOC) و کنترل مستقیم گشتاور (DTC) هستند.

روش V/F اگرچه ساختار ساده‌ای دارد اما پاسخ دینامیکی مطلوبی ارائه نمی‌دهد و برای کاربردهای کششی مناسب نیست. در مقابل، کنترل برداری امکان کنترل مستقل شار و گشتاور را مشابه موتورهای جریان مستقیم فراهم می‌کند و بنابراین انتخاب بسیار مناسبی برای سیستم‌های حمل‌ونقل الکتریکی محسوب می‌شود.

مبانی نظری کنترل برداری (FOC)

اساس کنترل برداری بر تبدیل متغیرهای سه‌فاز موتور به یک دستگاه مختصات دو محوره d-q استوار است. این تبدیل باعث می‌شود بتوان مؤلفه تولیدکننده شار و مؤلفه تولیدکننده گشتاور را از یکدیگر مستقل کرد. در نتیجه کنترل موتور بسیار ساده‌تر، سریع‌تر و دقیق‌تر انجام می‌شود.

در این روش، محور d همواره در راستای بردار شار روتور قرار می‌گیرد و محور q بر آن عمود است. بنابراین جریان محور d مسئول تولید شار بوده و جریان محور q وظیفه تولید گشتاور را بر عهده دارد. این جداسازی مهم‌ترین مزیت کنترل برداری نسبت به روش‌های کلاسیک محسوب می‌شود.

تولید گشتاور در موتور القایی

گشتاور تولید شده در موتور تابع اندازه شار، نیروی مغناطیس‌کنندگی روتور و زاویه بین آن‌ها است. بیشترین گشتاور زمانی تولید می‌شود که زاویه بین بردار شار و بردار نیروی مغناطیسی روتور نزدیک به 90 درجه باشد. هدف اصلی الگوریتم FOC نیز حفظ این زاویه در مقدار بهینه و ثابت نگه داشتن شار موتور در مقدار نامی است.

با حفظ این شرایط، موتور در تمامی سرعت‌ها قادر خواهد بود بیشترین گشتاور ممکن را با کمترین تلفات تولید کند و از اشباع مغناطیسی نیز جلوگیری شود.

مختصات d-q و جداسازی شار و گشتاور

در کنترل برداری، جریان‌های سه‌فاز ابتدا به مختصات αβ و سپس به مختصات چرخان d-q تبدیل می‌شوند. این تبدیل باعث می‌شود روابط پیچیده موتور القایی به روابطی مشابه موتور DC تبدیل شوند. در این شرایط:

• جریان محور d مسئول تولید شار موتور است.
• جریان محور q تنها مسئول تولید گشتاور خواهد بود.
• تغییر هر یک از این دو جریان تقریباً اثری بر دیگری ندارد.

این ویژگی باعث افزایش سرعت پاسخ سیستم و کاهش کوپل بین متغیرهای کنترلی می‌شود که یکی از مهم‌ترین مزایای کنترل برداری به شمار می‌رود.

محاسبه موقعیت شار روتور

برای انجام تبدیل مختصات، زاویه شار روتور باید به صورت لحظه‌ای محاسبه شود. این زاویه از مجموع سرعت مکانیکی موتور و فرکانس لغزش به دست می‌آید. فرکانس لغزش نیز تابعی از جریان محور q، اندوکتانس مغناطیس‌کننده، مقاومت روتور و اندوکتانس نشتی روتور است.

در واقع کنترل‌کننده باید به صورت پیوسته مدل ریاضی موتور را اجرا کند تا بتواند موقعیت دقیق شار را تخمین زده و تبدیل مختصات را با دقت بالا انجام دهد.

تولید جریان‌های مرجع

در این شبیه‌سازی، جریان مرجع محور d از مقدار مرجع شار روتور محاسبه می‌شود، در حالی که جریان مرجع محور q از گشتاور مورد نیاز موتور استخراج می‌شود. این دو جریان وارد کنترل‌کننده‌های جریان شده و پس از پردازش، ولتاژهای مرجع مورد نیاز اینورتر تولید می‌شوند.

به کمک این روش، تغییرات بار یا سرعت با دقت بسیار بالا جبران شده و موتور همواره عملکردی پایدار و نرم خواهد داشت.

کنترل‌کننده سرعت

یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم، کنترل‌کننده سرعت است. این کنترل‌کننده سرعت واقعی موتور را با سرعت مرجع مقایسه کرده و اختلاف میان آن‌ها را به گشتاور مرجع تبدیل می‌کند. خروجی این بخش به عنوان ورودی محاسبات جریان محور q استفاده می‌شود.

هدف این کنترل‌کننده حفظ سرعت موتور در مقدار تنظیم‌شده حتی در حضور تغییرات ناگهانی بار و اغتشاشات خارجی است. استفاده از کنترل‌کننده PI موجب کاهش خطای ماندگار و پاسخ سریع سیستم می‌شود.

کنترل‌کننده جریان

کنترل‌کننده جریان شامل دو حلقه مستقل برای جریان‌های d و q است. این کنترل‌کننده‌ها اختلاف بین جریان اندازه‌گیری شده و جریان مرجع را محاسبه کرده و ولتاژهای مرجع مورد نیاز اینورتر را تولید می‌کنند.

ولتاژهای تولید شده وارد مدولاتور PWM مبتنی بر Space Vector PWM می‌شوند. در این شبیه‌سازی، فرکانس کلیدزنی اینورتر برابر با 2 کیلوهرتز در نظر گرفته شده است که تعادل مناسبی میان کیفیت شکل موج خروجی و تلفات کلیدزنی ایجاد می‌کند.

کنترل یکسوساز PWM

یکسوساز سمت ورودی نیز دارای یک سیستم کنترلی مستقل است که دو وظیفه اصلی بر عهده دارد:

• ثابت نگه داشتن ولتاژ لینک DC
• ایجاد ضریب توان واحد در سمت شبکه

برای این منظور ابتدا سیستم PLL ولتاژ شبکه را دنبال می‌کند تا همواره هم‌فاز با شبکه باقی بماند. سپس جریان‌ها به مختصات d-q تبدیل شده و توسط دو کنترل‌کننده PI تنظیم می‌شوند. جریان محور q برابر صفر نگه داشته می‌شود تا توان راکتیو تقریباً حذف شده و ضریب توان به یک نزدیک شود.

در این بخش از مدولاسیون PWM مبتنی بر Carrier با فرکانس کلیدزنی 2340 هرتز استفاده شده است.

سناریوی شبیه‌سازی

برای بررسی عملکرد سیستم، شرایطی شبیه‌سازی شده است که اتوبوس برقی ابتدا روی مسیر هموار حرکت می‌کند و سپس وارد سرازیری می‌شود. در لحظه 3.5 ثانیه دو تغییر مهم به طور همزمان اعمال می‌شود:

• گشتاور بار از 400 نیوتن‌متر به 40 نیوتن‌متر کاهش پیدا می‌کند.
• سرعت مرجع از 1000 دور بر دقیقه به 750 دور بر دقیقه کاهش می‌یابد.

در نتیجه موتور از حالت موتوری خارج شده و وارد حالت ژنراتوری می‌شود. انرژی جنبشی وسیله نقلیه به انرژی الکتریکی تبدیل شده و از طریق اینورتر، لینک DC و یکسوساز PWM دوباره به شبکه برق بازگردانده می‌شود. این فرآیند موجب افزایش بازده کل سیستم و کاهش مصرف انرژی می‌شود.

در نمودار توان اکتیو مشاهده می‌شود که پس از تغییر شرایط، مقدار توان به حدود منفی 25 کیلووات می‌رسد که نشان‌دهنده برگشت انرژی به شبکه است. این ویژگی یکی از مهم‌ترین مزایای سیستم‌های رانش الکتریکی مدرن محسوب می‌شود.

شبیه‌سازی بلادرنگ

این مدل علاوه بر اجرای معمول در محیط Simulink، قابلیت اجرای بلادرنگ را نیز دارد. در صورت استفاده از Simulink Real-Time و سخت‌افزارهای Speedgoat، مدل پس از تنظیم فایل هدف مناسب، به صورت خودکار کامپایل، روی سخت‌افزار بارگذاری و اجرا می‌شود. اجرای بلادرنگ امکان آزمایش کنترل‌کننده‌ها، ارزیابی عملکرد سیستم و توسعه سامانه‌های صنعتی را بدون نیاز به نمونه واقعی فراهم می‌کند و یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی سیستم‌های کنترل پیشرفته محسوب می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی یکی از کامل‌ترین نمونه‌های کاربرد کنترل برداری موتور القایی در سامانه‌های حمل‌ونقل الکتریکی است. در این مدل، تمامی اجزای اصلی شامل شبکه تغذیه، ترانسفورماتور، یکسوساز PWM، لینک DC، اینورتر سه‌فاز، موتور القایی، کنترل‌کننده برداری، کنترل‌کننده سرعت، کنترل‌کننده جریان و سیستم بازیابی انرژی ترمزی به صورت یکپارچه مدل‌سازی شده‌اند. استفاده از کنترل برداری موجب کنترل مستقل شار و گشتاور، پاسخ دینامیکی بسیار سریع، افزایش راندمان، کاهش مصرف انرژی، بهبود کیفیت توان و امکان بازیابی انرژی هنگام ترمزگیری می‌شود. به همین دلیل، این ساختار یکی از رایج‌ترین روش‌های کنترل موتورهای القایی در سامانه‌های حمل‌ونقل پیشرفته، مترو، تراموا، قطارهای برقی و خودروهای الکتریکی به شمار می‌رود و مطالعه آن در محیط Matlab و Simulink برای دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان حوزه ماشین‌های الکتریکی و الکترونیک قدرت از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.