در سیستم‌های محرکه الکتریکی صنعتی، کنترل دقیق سرعت، گشتاور و جهت چرخش موتور از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند نورد، آسانسورها، جرثقیل‌ها، ماشین‌آلات سنگین، تجهیزات معدنی و سامانه‌های انتقال مواد، موتور باید بتواند علاوه بر حرکت در دو جهت، در هر دو جهت نیز عملیات ترمزگیری و بازیابی انرژی را انجام دهد. چنین قابلیتی تنها با استفاده از درایوهای چهارربعی (Four-Quadrant Drives) امکان‌پذیر است. یکی از رایج‌ترین ساختارها برای دستیابی به این قابلیت، استفاده از یکسوکننده سه‌فاز دوگانه (Dual Converter) است که امکان کنترل کامل ولتاژ و جریان آرمیچر موتور DC را فراهم می‌کند.

در این شبیه‌سازی، یک درایو DC چهارربعی با توان 200 اسب بخار بر پایه ساختار دو مبدل تریستوری ضد موازی مورد بررسی قرار می‌گیرد. این ساختار به گونه‌ای طراحی شده است که بدون ایجاد جریان گردشی (No Circulating Current) میان دو مبدل، عملکردی پایدار، نرم و با راندمان بالا ارائه دهد. حذف جریان گردشی علاوه بر کاهش تلفات، باعث ساده‌تر شدن مدار قدرت و حذف سلف‌های محدودکننده جریان گردشی می‌شود. این مدل از بلوک DC4 موجود در کتابخانه Specialized Power Systems متلب الهام گرفته شده و تمامی رفتارهای دینامیکی سیستم را با دقت بسیار مناسبی نمایش می‌دهد.

ساختار کلی سیستم

در این مدل، موتور جریان مستقیم 200 اسب بخار از نوع تحریک مستقل (Separately Excited DC Motor) است. سیم‌پیچ میدان موتور توسط یک منبع ولتاژ مستقیم 310 ولت تغذیه می‌شود تا شار میدان همواره ثابت باقی بماند. ولتاژ آرمیچر توسط دو یکسوکننده سه‌فاز کنترل‌شده که به صورت ضد موازی به یکدیگر متصل شده‌اند تأمین می‌شود. هر یک از این مبدل‌ها از تریستور تشکیل شده‌اند و زاویه آتش آن‌ها توسط سیستم کنترلی تنظیم می‌شود.

منبع تغذیه مبدل‌ها یک شبکه سه‌فاز 380 ولت با فرکانس 50 هرتز است. استفاده از دو مبدل ضد موازی باعث می‌شود جریان آرمیچر بتواند در هر دو جهت حرکت کند و موتور در هر چهار ربع عملکردی شامل حرکت مستقیم، ترمز مستقیم، حرکت معکوس و ترمز معکوس فعالیت داشته باشد.

عملکرد چهارربعی موتور

عملکرد چهارربعی یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های درایوهای DC صنعتی محسوب می‌شود. در این حالت موتور قادر است هم در جهت مثبت و هم در جهت منفی دوران داشته باشد و علاوه بر آن، در هر دو جهت نیز عملیات ترمز الکتریکی انجام دهد. این قابلیت موجب افزایش انعطاف‌پذیری سیستم در کاربردهایی می‌شود که تغییر مکرر جهت حرکت یا توقف سریع موتور مورد نیاز است.

در ربع اول موتور با سرعت و گشتاور مثبت کار می‌کند. در ربع دوم سرعت هنوز مثبت است اما گشتاور منفی شده و موتور در حال ترمزگیری است. در ربع سوم سرعت و گشتاور هر دو منفی هستند و موتور در جهت مخالف دوران می‌کند. در نهایت در ربع چهارم سرعت منفی و گشتاور مثبت است که بیانگر ترمزگیری هنگام دوران معکوس خواهد بود.

سیستم کنترل درایو

کنترل این درایو توسط دو حلقه کنترلی PI انجام می‌شود. نخستین حلقه، کنترل‌کننده سرعت است که اختلاف میان سرعت مرجع و سرعت واقعی موتور را محاسبه کرده و جریان مرجع آرمیچر را تولید می‌کند. این جریان مرجع بیانگر مقدار گشتاور الکترومغناطیسی مورد نیاز برای رسیدن به سرعت مطلوب است.

خروجی کنترل‌کننده سرعت وارد حلقه دوم یعنی کنترل‌کننده جریان می‌شود. این کنترل‌کننده با تنظیم زاویه آتش تریستورها، ولتاژ مناسب آرمیچر را تولید می‌کند تا جریان واقعی موتور دقیقاً از مقدار مرجع پیروی کند. استفاده از این ساختار کنترلی باعث پاسخ سریع، کاهش خطای ماندگار و پایداری مناسب سیستم می‌شود.

به منظور جلوگیری از ایجاد اضافه جریان در آرمیچر، تغییرات سرعت مرجع به صورت ناگهانی اعمال نمی‌شود. بلکه از رمپ‌های شتاب و کاهش سرعت استفاده شده است تا موتور به صورت تدریجی به مقدار مرجع برسد. این روش علاوه بر افزایش طول عمر تجهیزات قدرت، موجب کاهش تنش‌های مکانیکی روی بار نیز می‌شود.

حذف جریان گردشی بین مبدل‌ها

یکی از تفاوت‌های اصلی این مدل نسبت به ساختارهای کلاسیک Dual Converter، حذف کامل جریان گردشی بین دو مبدل است. در بسیاری از سیستم‌های دو مبدله، هر دو یکسوکننده همزمان فعال هستند و اختلاف کوچک ولتاژ خروجی آن‌ها باعث ایجاد جریان گردشی بزرگی می‌شود که تلفات حرارتی قابل توجهی ایجاد می‌کند.

در این شبیه‌سازی، تنها یکی از مبدل‌ها در هر لحظه فعال است و مبدل دیگر کاملاً غیرفعال باقی می‌ماند. این فرآیند توسط ماژول Bridge Driver مدیریت می‌شود. این بخش با اندازه‌گیری جریان مرجع و جریان واقعی موتور، زمان مناسب تعویض بین دو مبدل را تشخیص داده و فرمان‌های آتش مناسب را صادر می‌کند.

برای جلوگیری از هدایت همزمان دو مبدل، هنگام تغییر مسیر جریان ابتدا مبدل فعال خاموش شده و چند میلی‌ثانیه بعد مبدل دوم فعال می‌شود. این فاصله زمانی کوتاه باعث حذف کامل جریان گردشی و عملکرد ایمن سیستم می‌شود.

کنترل زاویه آتش تریستورها

زاویه آتش دو پل تریستوری به گونه‌ای کنترل می‌شود که مجموع آن‌ها همواره برابر با 180 درجه باشد. این ویژگی باعث انتقال نرم بین دو مبدل شده و نوسانات جریان و گشتاور را به حداقل می‌رساند. همچنین تغییر وضعیت بین حالت موتور و ژنراتور بدون ایجاد ضربه الکتریکی انجام می‌شود.

اگرچه در این ساختار نیازی به سلف‌های بزرگ محدودکننده جریان گردشی وجود ندارد، اما برای کاهش ریپل جریان آرمیچر یک سلف صاف‌کننده 10 میلی‌هانری به صورت سری در مدار آرمیچر قرار داده شده است. این سلف موجب کاهش نوسانات جریان، کاهش ریپل گشتاور و عملکرد نرم‌تر موتور می‌شود.

بررسی نتایج شبیه‌سازی

پس از اجرای شبیه‌سازی، شکل موج‌های ولتاژ آرمیچر، جریان آرمیچر، سرعت موتور، زاویه آتش هر دو مبدل و همچنین جریان خروجی مبدل‌ها قابل مشاهده هستند. علاوه بر این، سیگنال‌های کنترلی Block_1 و Block_2 نیز نمایش داده می‌شوند که وضعیت فعال یا غیرفعال بودن هر یک از مبدل‌ها را مشخص می‌کنند.

در این مدل، موتور به یک بار از نوع فن متصل شده است. گشتاور مکانیکی این بار متناسب با مجذور سرعت دوران است؛ بنابراین هرچه سرعت موتور افزایش پیدا کند، گشتاور بار نیز به صورت غیرخطی افزایش می‌یابد.

در ابتدای شبیه‌سازی، سرعت مرجع برابر با 1184 دور بر دقیقه در نظر گرفته شده است که معادل سرعت نامی موتور محسوب می‌شود. موتور با نرخ شتاب حدود 320 دور بر دقیقه بر ثانیه سرعت خود را افزایش داده و پس از تقریباً چهار ثانیه به حالت پایدار می‌رسد. علت طولانی بودن زمان شتاب‌گیری، اینرسی زیاد بار متصل به موتور است.

در این مرحله جریان آرمیچر به خوبی مقدار مرجع را دنبال کرده و در حدود 330 آمپر تثبیت می‌شود. همچنین تنها مبدل شماره یک فعال بوده و کل جریان بار را تأمین می‌کند، در حالی که مبدل دوم هیچ جریانی عبور نمی‌دهد.

در زمان 4.5 ثانیه، سرعت مرجع به مقدار منفی 600 دور بر دقیقه تغییر می‌کند. کنترل‌کننده ابتدا جریان آرمیچر را کاهش داده تا گشتاور الکترومغناطیسی کاهش یافته و موتور وارد مرحله کاهش سرعت شود. این کاهش سرعت نیز مطابق رمپ منفی 320 دور بر دقیقه بر ثانیه انجام می‌شود.

در حدود زمان 5.3 ثانیه، جریان آرمیچر به صفر رسیده و فرآیند تعویض بین دو مبدل آغاز می‌شود. در این لحظه مبدل شماره یک غیرفعال شده و مبدل شماره دو پس از چند میلی‌ثانیه فعال می‌شود. این تأخیر کوتاه از هدایت همزمان دو پل جلوگیری کرده و مانع ایجاد جریان گردشی می‌شود. در ادامه جریان آرمیچر منفی شده و گشتاور ترمز ایجاد می‌شود تا فن به آرامی سرعت خود را از دست بدهد.

در زمان 8.2 ثانیه سرعت موتور به صفر می‌رسد و پس از آن موتور در جهت معکوس شروع به شتاب‌گیری می‌کند. در این مرحله جریان منفی آرمیچر باعث ایجاد گشتاور لازم برای حرکت در جهت مخالف می‌شود.

در نهایت، در حدود زمان 11 ثانیه، سیستم به شرایط پایدار جدید رسیده و سرعت موتور در حدود منفی 600 دور بر دقیقه و جریان آرمیچر نزدیک به 90 آمپر تثبیت می‌شود. تمامی این مراحل نشان‌دهنده عملکرد صحیح کنترل‌کننده‌ها و انتقال نرم بین دو مبدل است.

تنظیمات شبیه‌سازی

برای دستیابی به دقت مناسب در تحلیل رفتار کلیدزنی تریستورها، بخش قدرت سیستم با گام زمانی 5 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. در مقابل، سیستم کنترلی شامل کنترل‌کننده‌های PI و ماژول Bridge Driver با گام زمانی 100 میکروثانیه اجرا می‌شود که عملکرد یک میکروکنترلر صنعتی واقعی را شبیه‌سازی می‌کند.

همچنین به منظور کاهش حجم داده‌های ذخیره‌شده در اسکوپ و افزایش سرعت اجرای شبیه‌سازی، از ضریب Decimation برابر با 10 استفاده شده است. این روش بدون ایجاد تأثیر قابل توجه بر کیفیت نتایج، حافظه مورد نیاز برای ثبت سیگنال‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی یکی از کامل‌ترین نمونه‌های بررسی عملکرد یک درایو DC چهارربعی مبتنی بر مبدل‌های تریستوری محسوب می‌شود. استفاده از دو یکسوکننده سه‌فاز ضد موازی، کنترل سلسله‌مراتبی سرعت و جریان، حذف کامل جریان گردشی، مدیریت هوشمند تعویض مبدل‌ها و کنترل دقیق زاویه آتش تریستورها موجب شده است این مدل رفتار بسیار نزدیک به تجهیزات صنعتی واقعی داشته باشد. علاوه بر این، بررسی پاسخ سیستم در هنگام تغییر جهت دوران، ترمزگیری، عبور از سرعت صفر و عملکرد در بار فن، دید بسیار مناسبی نسبت به نحوه طراحی و تحلیل درایوهای چهارربعی در محیط Matlab و Simulink در اختیار دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان برق قدرت و الکترونیک قدرت قرار می‌دهد.