درایوهای موتور جریان مستقیم (DC Drive) یکی از سیستم‌های مهم در کاربردهای صنعتی هستند که به دلیل قابلیت کنترل دقیق سرعت، گشتاور بالا و پاسخ دینامیکی مناسب، همچنان در بسیاری از سامانه‌های صنعتی، جرثقیل‌ها، خطوط تولید، ماشین‌آلات سنگین و تجهیزات حمل‌ونقل مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از ساختارهای پیشرفته در این حوزه، درایو DC چهار ربعی است که امکان کنترل موتور در هر دو جهت چرخش و همچنین عملکرد در حالت‌های موتوری و ترمزی را فراهم می‌کند. در این شبیه‌سازی، عملکرد یک موتور DC تحریک جداگانه با توان 200 اسب بخار که توسط یک چاپر چهار ربعی مبتنی بر کلیدهای IGBT کنترل می‌شود، بررسی شده است.

هدف اصلی این شبیه‌سازی، تحلیل رفتار دینامیکی موتور DC در شرایط تغییر سرعت مرجع، تغییر جهت حرکت، کنترل جریان آرمیچر و عملکرد ترمز دینامیکی است. مدل مورد استفاده شامل موتور DC، مبدل الکترونیک قدرت چهار ربعی، مدار لینک DC، کنترل‌کننده‌های PI سرعت و جریان و سیستم بار مکانیکی است که در محیط Matlab/Simulink پیاده‌سازی شده است.

معرفی ساختار سیستم در شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی، موتور DC با توان نامی 200 اسب بخار به صورت تحریک جداگانه مدل شده است. سیم‌پیچ تحریک موتور توسط یک منبع ولتاژ DC ثابت با مقدار 150 ولت تغذیه می‌شود. این روش باعث می‌شود شار میدان تقریباً ثابت باقی بماند و کنترل سرعت موتور عمدتاً از طریق تغییر ولتاژ و جریان آرمیچر انجام شود.

ولتاژ آرمیچر موتور توسط یک مبدل IGBT چهار ربعی تأمین می‌شود. این مبدل قادر است ولتاژ و جریان آرمیچر را در هر دو جهت کنترل کند و به همین دلیل موتور می‌تواند در چهار حالت مختلف کاری فعالیت کند:

• حرکت در جهت مثبت با عملکرد موتوری
• حرکت در جهت مثبت با عملکرد ترمزی
• حرکت در جهت منفی با عملکرد موتوری
• حرکت در جهت منفی با عملکرد ترمزی

منبع تغذیه مبدل از یک باس DC با ولتاژ 515 ولت تشکیل شده است که این ولتاژ توسط یک یکسوساز دیودی از منبع AC سه فاز 380 ولت و فرکانس 50 هرتز ایجاد می‌شود. در حالت ترمز دینامیکی، انرژی برگشتی موتور باعث افزایش ولتاژ باس DC می‌شود. برای جلوگیری از افزایش بیش از حد این ولتاژ، یک چاپر ترمز بین یکسوساز دیودی و بلوک موتور DC قرار داده شده است که انرژی اضافی را کنترل می‌کند.

کنترل سرعت و جریان موتور DC

سیستم کنترل این شبیه‌سازی از دو حلقه کنترلی اصلی تشکیل شده است. حلقه اول، کنترل‌کننده سرعت است که وظیفه تنظیم سرعت موتور مطابق مقدار مرجع را بر عهده دارد. خروجی این کنترل‌کننده، مرجع جریان آرمیچر بر حسب واحد پریونیت (p.u.) است که به عنوان ورودی کنترل‌کننده جریان استفاده می‌شود.

کنترل‌کننده جریان وظیفه دارد جریان آرمیچر را مطابق مقدار مرجع تنظیم کند تا گشتاور الکترومغناطیسی مورد نیاز برای رسیدن به سرعت مطلوب ایجاد شود. استفاده از ساختار کنترل آبشاری سرعت و جریان باعث افزایش سرعت پاسخ سیستم و بهبود پایداری دینامیکی موتور می‌شود.

برای جلوگیری از تغییرات ناگهانی سرعت مرجع، از رمپ‌های شتاب‌گیری و کاهش سرعت استفاده شده است. تغییر ناگهانی سرعت می‌تواند باعث ایجاد جریان‌های بسیار زیاد در آرمیچر شده و باعث ناپایداری یا آسیب به تجهیزات قدرت شود. بنابراین سرعت مرجع با نرخ مشخصی تغییر می‌کند تا موتور بتواند به صورت نرم به سرعت جدید برسد.

مدولاسیون PWM و کنترل کلیدهای IGBT

کنترل مبدل چهار ربعی توسط تکنیک مدولاسیون پهنای پالس (PWM) انجام می‌شود. کنترل‌کننده جریان با محاسبه مقدار مناسب ضریب کاری، پالس‌های کلیدزنی مورد نیاز برای چهار IGBT موجود در مبدل را تولید می‌کند. فرکانس کلیدزنی در این شبیه‌سازی برابر با 5 کیلوهرتز در نظر گرفته شده است.

برای عملکرد صحیح مبدل، پالس‌های IGBT شماره 1 و 4 باید مخالف پالس‌های IGBT شماره 2 و 3 باشند. این هماهنگی باعث ایجاد ولتاژ متوسط مناسب در خروجی مبدل شده و جریان آرمیچر را مطابق مقدار مورد نیاز کنترل می‌کند.

به دلیل وجود کلیدزنی با فرکانس بالا، جریان آرمیچر دارای ریپل‌هایی خواهد بود. برای کاهش دامنه این نوسانات، یک سلف هموارکننده به صورت سری با مدار آرمیچر قرار داده شده است. این سلف باعث کاهش تغییرات سریع جریان و بهبود کیفیت جریان موتور می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی عملکرد موتور

قبل از شروع اجرای شبیه‌سازی، مقدار اولیه ولتاژ باس DC باید برابر 515 ولت تنظیم شود. این تنظیم از طریق بخش Initial States Setting در محیط گرافیکی مدل انجام می‌شود و مقدار متغیر Cbus برای تعیین شرایط اولیه مدار استفاده می‌شود.

پس از اجرای شبیه‌سازی، شکل موج‌های مختلف شامل ولتاژ و جریان آرمیچر موتور، پالس‌های چهار کلید IGBT، سرعت موتور، مقدار مرجع سرعت و جریان مرجع قابل مشاهده هستند. این نتایج امکان بررسی دقیق عملکرد کنترل‌کننده‌ها و پاسخ دینامیکی سیستم را فراهم می‌کنند.

در لحظه شروع شبیه‌سازی، مقدار سرعت مرجع روی 500 دور بر دقیقه تنظیم شده است. موتور با پیروی از یک رمپ سرعت با شیب مثبت 400 دور بر دقیقه بر ثانیه افزایش سرعت می‌دهد و تقریباً در زمان 1.3 ثانیه به حالت پایدار می‌رسد. این رفتار نشان‌دهنده عملکرد مناسب حلقه کنترل سرعت است.

جریان آرمیچر نیز با سرعت زیادی مقدار مرجع جریان را دنبال می‌کند و دارای زمان پاسخ کوتاه و ریپل کم است. فرکانس ریپل جریان برابر با فرکانس کلیدزنی مبدل یعنی 5 کیلوهرتز مشاهده می‌شود.

بررسی عملکرد ترمز دینامیکی و تغییر جهت حرکت

در زمان 2 ثانیه، سرعت مرجع موتور از مقدار مثبت به مقدار منفی 1184 دور بر دقیقه تغییر داده می‌شود. ابتدا مرجع جریان کاهش پیدا می‌کند تا گشتاور الکترومغناطیسی کاهش یافته و موتور با کمک گشتاور بار شروع به کاهش سرعت کند.

در حدود زمان 2.2 ثانیه، جهت جریان آرمیچر معکوس می‌شود. این تغییر جریان باعث ایجاد گشتاور ترمزی در جهت مخالف حرکت موتور شده و موتور وارد حالت ترمز دینامیکی می‌شود. در این شرایط انرژی مکانیکی ذخیره شده در موتور به سیستم بازگردانده شده و باعث افزایش ولتاژ لینک DC می‌شود. چاپر ترمز وظیفه کنترل این افزایش ولتاژ را بر عهده دارد.

در زمان حدود 3.25 ثانیه، سرعت موتور به صفر می‌رسد. پس از عبور از نقطه توقف، جهت گشتاور بار تغییر کرده و مقدار آن منفی می‌شود. در این وضعیت، جریان منفی باعث ایجاد گشتاور شتاب‌دهنده در جهت مخالف شده و موتور قادر خواهد بود سرعت منفی مرجع را دنبال کند.

در نهایت، در زمان حدود 6.3 ثانیه، سرعت موتور به مقدار مرجع منفی 1184 دور بر دقیقه رسیده و سیستم در شرایط پایدار قرار می‌گیرد. این عملکرد نشان می‌دهد که درایو چهار ربعی توانایی کنترل کامل موتور در تغییر جهت و حالت‌های ترمزی را دارد.

تنظیمات عددی و جزئیات پیاده‌سازی مدل

در این شبیه‌سازی، سیستم قدرت با گام زمانی بسیار کوچک 1 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. این مقدار کوچک برای شبیه‌سازی دقیق رفتار کلیدهای الکترونیک قدرت و مشاهده اثرات کلیدزنی IGBT مورد استفاده قرار گرفته است.

کنترل‌کننده سرعت با زمان نمونه‌برداری 100 میکروثانیه و کنترل‌کننده جریان با زمان نمونه‌برداری 20 میکروثانیه مدل شده‌اند. این مقادیر مشابه عملکرد یک کنترل‌کننده دیجیتال مبتنی بر میکروکنترلر هستند و امکان بررسی رفتار واقعی سیستم کنترل را فراهم می‌کنند.

برای کاهش حجم داده‌های ذخیره شده در Scope، از ضریب کاهش داده یا Decimation Factor برابر 25 استفاده شده است. در صورت نیاز به مشاهده جزئیات دقیق‌تر، می‌توان این مقدار را برابر 1 قرار داد تا تمام نقاط شبیه‌سازی ذخیره شوند.

مدل ساده‌شده مبدل در شبیه‌سازی Matlab

در محیط Matlab/Simulink امکان استفاده از مدل ساده‌شده مبدل نیز وجود دارد. در این حالت، به جای مدل کامل کلیدهای IGBT، از یک مدل متوسط یا Average Value Converter استفاده می‌شود. این روش باعث کاهش زمان محاسباتی شده و برای تحلیل‌های کنترلی مناسب است.

با انتخاب گزینه Average در بخش Model Detail Level، می‌توان مدل ساده‌تر را فعال کرد. در این حالت گام زمانی شبیه‌سازی می‌تواند افزایش یابد و برابر با کوچک‌ترین زمان نمونه‌برداری سیستم کنترل یعنی 20 میکروثانیه تنظیم شود. این روش برای مطالعات طراحی کنترل‌کننده و بررسی عملکرد کلی سیستم بسیار کاربردی است.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی، یک سیستم درایو DC چهار ربعی با توان 200 اسب بخار در محیط Matlab/Simulink بررسی شد. استفاده از مبدل IGBT چهار ربعی، کنترل‌کننده‌های PI سرعت و جریان، مدولاسیون PWM و چاپر ترمز امکان کنترل دقیق سرعت، تغییر جهت حرکت و عملکرد ترمزی موتور را فراهم کرده است.

نتایج نشان دادند که سیستم کنترل قادر است سرعت موتور را با دقت بالا دنبال کند، جریان آرمیچر را محدود نگه دارد و در شرایط تغییر جهت، فرآیند ترمز و شتاب‌گیری مجدد را به صورت پایدار انجام دهد. این مدل می‌تواند به عنوان یک نمونه کاربردی برای مطالعه درایوهای صنعتی DC، طراحی کنترل‌کننده‌ها و تحلیل سیستم‌های الکترونیک قدرت در Matlab مورد استفاده قرار گیرد.