در سیستم‌های محرکه الکتریکی پیشرفته، کنترل دقیق سرعت و گشتاور موتورهای DC یکی از موضوعات مهم در مهندسی برق و الکترونیک قدرت محسوب می‌شود. موتورهای DC به دلیل قابلیت کنترل مناسب سرعت، پاسخ دینامیکی سریع و امکان تولید گشتاور بالا در سرعت‌های پایین، همچنان در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از ساختارهای پرکاربرد برای کنترل این موتورها، استفاده از مبدل‌های دوطرفه چهار ربعی است که امکان حرکت موتور در هر دو جهت و همچنین عملکرد در حالت‌های موتوری و ترمزی را فراهم می‌کند.

در این شبیه‌سازی، یک درایو موتور DC چهار ربعی تک‌فاز با استفاده از بلوک DC2 در محیط Matlab/Simulink و Specialized Power Systems مدل‌سازی شده است. این سیستم شامل یک موتور DC تحریک جداگانه با توان 5 اسب بخار، دو مبدل کنترل‌شونده تریستوری با اتصال آنتی‌پارالل، مدارهای کنترل سرعت و جریان، ترانسفورماتور افزاینده و تجهیزات محدودکننده جریان گردشی است. هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی عملکرد درایو DC در شرایط تغییر سرعت مرجع و مشاهده رفتار سیستم در چهار ربع کاری است.

معرفی ساختار درایو DC چهار ربعی

درایوهای چهار ربعی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که موتور الکتریکی بتواند در چهار حالت اصلی عملکردی کار کند. این چهار حالت شامل حرکت در جهت مثبت، ترمزگیری در جهت مثبت، حرکت در جهت منفی و ترمزگیری در جهت منفی هستند. چنین قابلیتی در کاربردهایی مانند جرثقیل‌ها، آسانسورها، خطوط تولید صنعتی و سیستم‌های کششی اهمیت زیادی دارد، زیرا موتور باید بتواند علاوه بر تولید حرکت، انرژی مکانیکی ذخیره‌شده را نیز به شبکه بازگرداند.

در این مدل از توپولوژی Dual Converter استفاده شده است. این ساختار از دو مبدل تمام‌کنترل‌شده تک‌فاز تشکیل شده که به صورت آنتی‌پارالل به مدار آرمیچر موتور متصل شده‌اند. اتصال مخالف این دو مبدل باعث می‌شود جریان آرمیچر بتواند در هر دو جهت عبور کند و در نتیجه موتور قابلیت عملکرد چهار ربعی را داشته باشد.

مدل‌سازی موتور DC پنج اسب بخار

موتور مورد استفاده در این شبیه‌سازی یک موتور DC تحریک جداگانه با توان نامی 5 اسب بخار است. سیم‌پیچ تحریک موتور توسط یک منبع ولتاژ DC ثابت با مقدار 150 ولت تغذیه می‌شود. در این حالت شار میدان تقریباً ثابت باقی می‌ماند و کنترل سرعت موتور عمدتاً از طریق تغییر ولتاژ آرمیچر انجام می‌شود.

ولتاژ آرمیچر موتور توسط دو مبدل تریستوری تأمین می‌شود. این مبدل‌ها با تغییر زاویه آتش تریستورها، مقدار متوسط ولتاژ خروجی خود را کنترل می‌کنند. تغییر این ولتاژ باعث تغییر جریان آرمیچر و در نتیجه تغییر گشتاور الکترومغناطیسی موتور می‌شود.

ساختار مبدل‌های کنترل‌شونده

دو مبدل تک‌فاز موجود در سیستم به صورت موازی معکوس به یکدیگر متصل شده‌اند. هر مبدل در شرایط مختلف می‌تواند در حالت یکسوساز یا اینورتر عمل کند. زمانی که موتور نیاز به دریافت توان الکتریکی دارد، یکی از مبدل‌ها در حالت یکسوساز قرار گرفته و انرژی AC را به DC تبدیل می‌کند. در هنگام ترمز احیاکننده، مبدل دیگر وارد حالت اینورتر شده و انرژی مکانیکی موتور را به شبکه بازمی‌گرداند.

کنترل زاویه آتش تریستورها به گونه‌ای انجام می‌شود که مجموع زاویه‌های آتش دو مبدل برابر 180 درجه باشد. این شرایط باعث ایجاد ولتاژهای متوسط مخالف در خروجی دو مبدل می‌شود، اما به دلیل اتصال آنتی‌پارالل، ولتاژ نهایی اعمال‌شده به آرمیچر موتور امکان تغییر جهت پیدا می‌کند.

کنترل سرعت و جریان موتور

سیستم کنترل این درایو از دو حلقه کنترلی اصلی تشکیل شده است. حلقه اول، کنترل‌کننده سرعت است که وظیفه دارد سرعت واقعی موتور را با مقدار مرجع مقایسه کرده و جریان مرجع آرمیچر را تولید کند. این جریان مرجع نشان‌دهنده مقدار گشتاور مورد نیاز برای رسیدن موتور به سرعت مطلوب است.

حلقه دوم، کنترل‌کننده جریان است که جریان آرمیچر را کنترل می‌کند. این کنترل‌کننده با محاسبه خطای جریان، زاویه آتش مناسب برای تریستورهای مبدل را تعیین می‌کند تا ولتاژ خروجی مبدل مقدار مورد نیاز برای رسیدن جریان به مقدار مرجع را ایجاد کند.

استفاده از کنترل آبشاری سرعت و جریان باعث افزایش پایداری سیستم و بهبود پاسخ دینامیکی موتور می‌شود. همچنین برای جلوگیری از تغییرات ناگهانی سرعت، تغییرات مرجع سرعت با یک شیب مشخص انجام می‌شود. در این مدل، نرخ تغییر سرعت برابر با 250 دور بر دقیقه بر ثانیه در نظر گرفته شده است تا از ایجاد جریان‌های بیش از حد در آرمیچر جلوگیری شود.

محدودسازی جریان گردشی در مبدل‌ها

از آنجا که هر دو مبدل به صورت همزمان فعال هستند، اختلاف لحظه‌ای ولتاژ خروجی آنها باعث ایجاد جریان گردشی بین دو مبدل می‌شود. این جریان هیچ نقشی در تولید گشتاور موتور ندارد و تنها باعث افزایش تلفات و فشار حرارتی روی تجهیزات قدرت می‌شود.

برای محدود کردن جریان گردشی، از سلف‌هایی با مقدار 80 میلی‌هانری بین ترمینال‌های دو مبدل استفاده شده است. همچنین یک سلف صاف‌کننده با مقدار 50 میلی‌هانری در مسیر آرمیچر قرار داده شده تا نوسانات جریان کاهش یافته و جریان موتور یکنواخت‌تر شود.

بررسی نتایج شبیه‌سازی

پس از اجرای شبیه‌سازی، شکل موج‌های مختلفی شامل ولتاژ و جریان آرمیچر موتور، سرعت موتور، زاویه‌های آتش تریستورها، جریان مرجع و سرعت مرجع در Scope مشاهده می‌شوند. همچنین خروجی متوسط ولتاژ و جریان هر یک از مبدل‌ها نیز قابل بررسی است.

در ابتدای شبیه‌سازی، سرعت مرجع موتور برابر 1200 دور بر دقیقه تنظیم شده است. مشاهده نتایج نشان می‌دهد که زاویه‌های آتش دو مبدل به صورت متقارن حول مقدار 90 درجه تغییر می‌کنند. همچنین ولتاژهای متوسط خروجی دو مبدل دارای علامت مخالف هستند.

در این مرحله، جریان آرمیچر توسط مبدل اول تأمین می‌شود. جریان عبوری از این مبدل شامل جریان بار موتور و جریان گردشی است، در حالی که مبدل دوم تنها جریان گردشی را عبور می‌دهد. موتور توانایی دنبال کردن دقیق مسیر افزایش سرعت را دارد و پس از حدود 5.5 ثانیه به حالت پایدار می‌رسد. جریان آرمیچر نیز در حدود 12 آمپر تثبیت می‌شود.

عملکرد چهار ربعی هنگام تغییر جهت حرکت

در زمان 6 ثانیه، مقدار سرعت مرجع تغییر کرده و به -600 دور بر دقیقه کاهش می‌یابد. در این شرایط، کنترل‌کننده سرعت مقدار جریان مرجع را کاهش می‌دهد تا گشتاور الکترومغناطیسی موتور کم شده و فرآیند کاهش سرعت آغاز شود.

با کاهش سرعت، موتور وارد ناحیه ترمز الکتریکی می‌شود. حدود زمان 10.4 ثانیه جریان آرمیچر منفی می‌شود که نشان‌دهنده تغییر جهت گشتاور الکترومغناطیسی است. در این وضعیت موتور انرژی مکانیکی ذخیره‌شده را به سیستم الکتریکی بازمی‌گرداند و فرآیند توقف سریع‌تر انجام می‌شود.

پس از رسیدن سرعت موتور به صفر در حدود 10.8 ثانیه، گشتاور بار تغییر کرده و موتور باید در جهت مخالف شتاب بگیرد. در این مرحله مبدل دوم وظیفه تأمین جریان آرمیچر را بر عهده می‌گیرد و مبدل اول تنها جریان گردشی را عبور می‌دهد. در نهایت موتور سرعت مرجع منفی برابر -600 دور بر دقیقه را دنبال کرده و در حدود 13.2 ثانیه به حالت پایدار جدید می‌رسد.

تنظیمات زمانی شبیه‌سازی

برای افزایش دقت تحلیل، بخش قدرت سیستم با گام زمانی 10 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. همچنین سیستم کنترل که شامل تنظیم‌کننده‌های سرعت و جریان است، با زمان نمونه‌برداری 100 میکروثانیه شبیه‌سازی شده تا عملکرد یک کنترل‌کننده دیجیتال مانند میکروکنترلر واقعی بررسی شود.

برای کاهش حجم داده‌های ذخیره‌شده در Scope، از ضریب Decimation برابر 20 استفاده شده است. این تنظیم باعث می‌شود تعداد نقاط ذخیره‌شده کاهش یابد، بدون اینکه شکل کلی سیگنال‌ها و رفتار دینامیکی سیستم تحت تأثیر قرار گیرد.

مدل ساده‌شده مبدل‌ها

در Matlab امکان استفاده از مدل ساده‌شده این سیستم نیز وجود دارد. در این مدل، مبدل‌های تریستوری با مدل متوسط جایگزین می‌شوند. انتخاب گزینه Average در بخش Model detail level باعث کاهش زمان محاسباتی شبیه‌سازی می‌شود.

در مدل متوسط، می‌توان گام زمانی شبیه‌سازی را افزایش داد و آن را برابر زمان نمونه‌برداری سیستم کنترل قرار داد. این روش برای مطالعات سطح سیستم، طراحی کنترل‌کننده و بررسی رفتار کلی درایو بسیار مناسب است، زیرا بدون نیاز به شبیه‌سازی دقیق کل کلیدزنی تریستورها، عملکرد دینامیکی سیستم قابل بررسی خواهد بود.

این شبیه‌سازی نمونه‌ای کامل از کاربرد Matlab و Simulink در تحلیل سیستم‌های محرکه الکتریکی است و نشان می‌دهد چگونه ترکیب مبدل‌های قدرت، موتور DC، کنترل‌کننده‌های PI و مدل‌سازی دقیق می‌تواند یک سیستم چهار ربعی صنعتی را شبیه‌سازی و ارزیابی کند.