درایوهای جریان مستقیم (DC Drives) همچنان در بسیاری از کاربردهای صنعتی که نیازمند کنترل دقیق سرعت و گشتاور هستند، جایگاه ویژه‌ای دارند. در صنایع سنگین، خطوط نورد، جرثقیل‌ها، ماشین‌آلات معدن، تجهیزات حمل‌ونقل و بسیاری از فرآیندهای تولیدی، قابلیت کنترل گشتاور در هر دو جهت و همچنین امکان عملکرد موتور در چهار ناحیه کاری از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. یکی از ساختارهای متداول برای دستیابی به این قابلیت، استفاده از یکسوساز سه‌فاز چهارربعی یا همان مبدل دوگانه (Dual Converter) است که امکان حرکت موتور در چهار ربع مشخصه سرعت-گشتاور را فراهم می‌کند.

در این شبیه سازی، ساختار DC4 Four-Quadrant Three-Phase Rectifier در محیط MATLAB/Simulink و کتابخانه Specialized Power Systems مورد بررسی قرار می‌گیرد. این مدل، یک درایو DC با توان 200 اسب بخار را شبیه‌سازی می‌کند که از دو یکسوساز سه‌فاز ضد موازی تشکیل شده است. هدف از این شبیه سازی، بررسی رفتار سیستم در کنترل گشتاور، تغییر جهت جریان آرمیچر، عملکرد چهارربعی موتور و نحوه کنترل زاویه آتش تریستورها است.

معرفی ساختار درایو DC4

بلوک DC4 یکی از مدل‌های آماده موجود در مجموعه Specialized Power Systems است که برای تحلیل عملکرد درایوهای جریان مستقیم طراحی شده است. در این ساختار، موتور DC دارای تحریک مستقل بوده و میدان آن توسط یک منبع ولتاژ DC ثابت 310 ولتی تغذیه می‌شود. ثابت بودن ولتاژ میدان باعث می‌شود شار مغناطیسی موتور تقریباً ثابت باقی بماند و کنترل گشتاور تنها از طریق جریان آرمیچر انجام گیرد.

ولتاژ آرمیچر توسط دو مبدل سه‌فاز تمام کنترل‌شده که به صورت ضد موازی به یکدیگر متصل شده‌اند، تولید می‌شود. این آرایش که به Dual Converter معروف است، امکان عبور جریان در هر دو جهت را فراهم کرده و در نتیجه موتور قادر خواهد بود هم در حالت موتوری و هم در حالت ژنراتوری فعالیت کند.

مفهوم عملکرد چهارربعی

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این ساختار، عملکرد در چهار ربع است. در این حالت موتور قادر است در سرعت مثبت و منفی و همچنین گشتاور مثبت و منفی فعالیت کند. این ویژگی برای سیستم‌هایی که نیازمند تغییر جهت سریع، ترمز احیاکننده و کنترل دقیق گشتاور هستند، اهمیت فراوانی دارد.

در ربع اول، موتور با سرعت و گشتاور مثبت کار می‌کند. در ربع دوم سرعت مثبت باقی مانده اما گشتاور منفی می‌شود و موتور وارد حالت ترمز احیاکننده خواهد شد. در ربع سوم هر دو سرعت و گشتاور منفی هستند و موتور در جهت مخالف دوران می‌کند. در نهایت در ربع چهارم سرعت منفی و گشتاور مثبت بوده و مجدداً فرآیند ترمز احیاکننده در جهت معکوس انجام می‌شود.

ساختار مبدل دوگانه (Dual Converter)

هسته اصلی این شبیه سازی، استفاده از دو یکسوساز سه‌فاز کنترل‌شده توسط تریستور است. این دو مبدل به صورت Anti-Parallel به یکدیگر متصل شده‌اند و هر دو به شبکه سه‌فاز 380 ولت با فرکانس 50 هرتز متصل هستند.

یکی از مبدل‌ها در حالت یکسوسازی (Rectifier Mode) فعالیت می‌کند، در حالی که مبدل دیگر در حالت اینورتری (Inverter Mode) قرار دارد. این دو مبدل به طور همزمان فعال هستند و تنها نقش آن‌ها در تأمین یا جذب توان تغییر می‌کند. این ساختار امکان انتقال نرم توان میان شبکه و موتور را فراهم می‌سازد.

سیستم کنترل درایو

کنترل این درایو بر پایه دو کنترل‌کننده PI انجام می‌شود. نخستین کنترل‌کننده، کنترل‌کننده سرعت و دومین کنترل‌کننده، کنترل‌کننده جریان است. در این شبیه سازی تمرکز بر کنترل گشتاور است؛ بنابراین حلقه کنترل سرعت غیرفعال شده و تنها کنترل‌کننده جریان فعال باقی می‌ماند.

کنترل‌کننده جریان با مقایسه مقدار جریان واقعی آرمیچر و جریان مرجع، زاویه آتش مناسب برای تریستورهای هر دو مبدل را محاسبه می‌کند. نتیجه این فرآیند، تولید ولتاژ مناسب روی آرمیچر موتور و در نهایت ایجاد گشتاور الکترومغناطیسی مورد نیاز است.

از آنجا که گشتاور موتور DC تقریباً متناسب با جریان آرمیچر است، کنترل دقیق جریان باعث دستیابی به کنترل بسیار دقیق گشتاور خواهد شد. این موضوع یکی از مزیت‌های اصلی موتورهای DC در کاربردهای صنعتی به شمار می‌رود.

کنترل زاویه آتش تریستورها

ویژگی جالب این مدل آن است که زاویه آتش دو مبدل به گونه‌ای تنظیم می‌شود که مجموع آن‌ها همواره برابر با 180 درجه باشد. در نتیجه، متوسط ولتاژ خروجی هر مبدل دارای علامت مخالف خواهد بود، اما ولتاژ مؤثر اعمال شده به آرمیچر موتور کاملاً کنترل شده باقی می‌ماند.

این روش باعث می‌شود تغییر حالت بین عملکرد موتوری و ژنراتوری بدون ناپایداری و با حداقل شوک الکتریکی انجام گیرد و موتور بتواند به راحتی بین چهار ربع عملکرد جابه‌جا شود.

جریان گردشی (Circulating Current)

از آنجا که هر دو مبدل به صورت همزمان فعال هستند، اختلاف لحظه‌ای ولتاژ خروجی آن‌ها موجب ایجاد جریان گردشی می‌شود. این جریان اگر کنترل نشود می‌تواند باعث افزایش تلفات، گرم شدن تجهیزات و کاهش بازده سیستم گردد.

برای محدود کردن این جریان، از چهار راکتور با اندوکتانس 5 میلی‌هانری استفاده شده است. این سلف‌ها اختلاف ولتاژ لحظه‌ای بین دو مبدل را جذب کرده و از افزایش بیش از حد جریان جلوگیری می‌کنند.

همچنین در مدار آرمیچر هیچ سلف صافی جداگانه‌ای قرار داده نشده است، زیرا منبع تغذیه سه‌فاز به طور طبیعی ریپل جریان را در سطح نسبتاً پایینی نگه می‌دارد.

تحلیل مراحل مختلف شبیه سازی

مرحله اول؛ شروع سیستم

در ابتدای شبیه سازی، مرجع گشتاور برابر صفر نیوتن‌متر تنظیم شده است. در این شرایط جریان آرمیچر تقریباً صفر بوده و هیچ گشتاور الکترومغناطیسی تولید نمی‌شود. بنابراین موتور در حالت سکون باقی می‌ماند.

مرحله دوم؛ اعمال گشتاور مثبت

در زمان 0.2 ثانیه مقدار مرجع گشتاور به 600 نیوتن‌متر افزایش می‌یابد. در نتیجه جریان آرمیچر تقریباً تا 180 آمپر افزایش پیدا می‌کند. در این مرحله مبدل شماره یک وظیفه تأمین جریان بار را بر عهده دارد، در حالی که مبدل دوم تنها جریان گردشی را حمل می‌کند.

یکی از نکات مهم این شبیه سازی، دقت بسیار بالای حلقه کنترل جریان است. جریان آرمیچر تقریباً بدون خطای ماندگار، مرجع را دنبال کرده و تنها مقدار بسیار کمی فراجهش مشاهده می‌شود. این موضوع عملکرد مناسب کنترل‌کننده PI را نشان می‌دهد.

مرحله سوم؛ افزایش سرعت موتور

با ایجاد گشتاور مثبت، موتور شروع به شتاب‌گیری می‌کند. سرعت به تدریج افزایش یافته و حدود زمان 4 ثانیه به مقدار تقریباً 560 دور بر دقیقه نزدیک می‌شود. در این نقطه، مجموع گشتاور بار مکانیکی و اصطکاک با گشتاور الکترومغناطیسی برابر شده و سرعت موتور به حالت پایدار می‌رسد.

مرحله چهارم؛ حذف گشتاور

در زمان 4 ثانیه، مقدار مرجع گشتاور مجدداً برابر صفر قرار می‌گیرد. در نتیجه موتور تحت تأثیر گشتاور بار شروع به کاهش سرعت می‌کند. در این بخش مشاهده می‌شود که وجود راکتورهای محدودکننده باعث می‌شود نوسانات جریان همچنان در سطح پایینی باقی بمانند.

مرحله پنجم؛ اعمال گشتاور منفی

در زمان 8 ثانیه مقدار مرجع گشتاور به منفی 300 نیوتن‌متر تغییر می‌کند. در این حالت جریان آرمیچر تقریباً به منفی 90 آمپر می‌رسد. اکنون مبدل دوم وظیفه تأمین جریان آرمیچر را بر عهده گرفته و مبدل اول تنها جریان گردشی را عبور می‌دهد.

در این وضعیت نقش دو مبدل کاملاً جابه‌جا می‌شود؛ مبدل دوم در حالت یکسوساز و مبدل اول در حالت اینورتر فعالیت می‌کند. این تغییر بدون قطع جریان و بدون ناپایداری انجام می‌شود که یکی از مزیت‌های مهم ساختار Dual Converter محسوب می‌شود.

مرحله ششم؛ حرکت در جهت معکوس

اعمال گشتاور منفی موجب شتاب گرفتن موتور در جهت عکس می‌شود. سرعت موتور به تدریج کاهش یافته، از صفر عبور کرده و وارد ناحیه منفی می‌شود. در حدود زمان 12 ثانیه سرعت موتور در حوالی منفی 290 دور بر دقیقه تثبیت می‌شود.

این رفتار نشان‌دهنده عملکرد صحیح موتور در ربع سوم مشخصه سرعت-گشتاور است و نشان می‌دهد که سیستم کنترل قادر است بدون ایجاد نوسانات شدید، جهت دوران موتور را تغییر دهد.

پارامترهای شبیه سازی

برای دستیابی به دقت بالا، سیستم قدرت با گام زمانی 10 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. از طرف دیگر، کنترل‌کننده‌های PI با زمان نمونه‌برداری 100 میکروثانیه اجرا می‌شوند تا عملکرد یک میکروکنترلر واقعی شبیه‌سازی شود. این تفکیک بین زمان نمونه‌برداری مدار قدرت و کنترل باعث افزایش دقت مدل و کاهش هزینه محاسباتی خواهد شد.

همچنین برای کاهش حجم داده‌های ذخیره شده در Scope، از ضریب Decimation برابر 20 استفاده شده است. این روش بدون تأثیر محسوس بر کیفیت نتایج، حافظه مورد نیاز برای ذخیره داده‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

مدل ساده‌شده

این شبیه سازی علاوه بر مدل دقیق مبتنی بر تریستورهای کلیدزنی، دارای نسخه ساده‌شده نیز هست. در این نسخه، مبدل‌ها به صورت مدل متوسط (Average Value Rectifier) نمایش داده می‌شوند. استفاده از این مدل موجب می‌شود بتوان گام زمانی شبیه سازی را تا مقدار زمان نمونه‌برداری کنترل افزایش داد و در نتیجه زمان اجرای شبیه سازی به شکل قابل توجهی کاهش یابد.

این قابلیت زمانی بسیار مفید است که هدف تحلیل رفتار کنترلی سیستم باشد و جزئیات کلیدزنی تریستورها اهمیت چندانی نداشته باشد.

جمع‌بندی

شبیه سازی یکسوساز سه‌فاز چهارربعی برای درایو DC با توان 200 اسب بخار، نمونه‌ای کامل از تحلیل عملکرد مبدل‌های دوگانه در سیستم‌های کنترل موتورهای جریان مستقیم است. استفاده از دو یکسوساز ضد موازی، کنترل‌کننده‌های PI، محدودکننده‌های جریان گردشی و قابلیت عملکرد در چهار ربع، این مدل را به یکی از جامع‌ترین نمونه‌های آموزشی و صنعتی در MATLAB/Simulink تبدیل کرده است.

بررسی نتایج این شبیه سازی نشان می‌دهد که سیستم قادر است جریان آرمیچر، گشتاور الکترومغناطیسی و سرعت موتور را با دقت بالا کنترل کند، تغییر جهت دوران را به نرمی انجام دهد و عملکرد پایداری را در شرایط مختلف بار و تغییرات مرجع گشتاور ارائه دهد. به همین دلیل این مدل، مرجع ارزشمندی برای دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان قدرت، الکترونیک صنعتی و سیستم‌های محرکه الکتریکی محسوب می‌شود.