ماشین‌های رلوکتانسی سوئیچ‌شونده (Switched Reluctance Machine یا SRM) به دلیل ساختار ساده، استحکام مکانیکی بالا، هزینه ساخت مناسب و قابلیت عملکرد در شرایط سخت صنعتی، در سال‌های اخیر به یکی از گزینه‌های مهم در سامانه‌های محرکه الکتریکی تبدیل شده‌اند. این ماشین‌ها به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به قابلیت اطمینان بالا و کنترل دقیق سرعت وجود دارد، مورد توجه پژوهشگران و مهندسان قرار گرفته‌اند. در این شبیه‌سازی، نحوه کنترل سرعت روتور در یک ماشین رلوکتانسی سوئیچ‌شونده پنج‌فاز مورد بررسی قرار می‌گیرد و عملکرد سیستم در محیط Matlab و Simulink تحلیل می‌شود.

در ساختار مورد بررسی، یک منبع ولتاژ DC وظیفه تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز ماشین را بر عهده دارد. این منبع از طریق یک مبدل قدرت شامل پل کنترل‌شده پنج شاخه به ماشین رلوکتانسی سوئیچ‌شونده متصل می‌شود. کنترل مناسب کلیدهای قدرت موجود در این مبدل باعث می‌شود جریان فازها به شکل مطلوب تنظیم شده و در نتیجه سرعت و گشتاور ماشین مطابق نیاز سیستم کنترل شود.

معرفی ماشین رلوکتانسی سوئیچ‌شونده پنج‌فاز

ماشین‌های SRM بر اساس اصل حداقل شدن رلوکتانس مغناطیسی کار می‌کنند. در این ماشین‌ها، روتور فاقد سیم‌پیچ و آهنربای دائم بوده و تنها از هسته‌های آهنی تشکیل شده است. به همین دلیل ساختار مکانیکی آن بسیار ساده و مقاوم است. هنگام اعمال جریان به سیم‌پیچ‌های استاتور، میدان مغناطیسی ایجاد شده باعث می‌شود روتور در موقعیتی قرار گیرد که مسیر شار مغناطیسی دارای کمترین رلوکتانس باشد.

در ماشین‌های پنج‌فاز، تعداد بیشتری فاز نسبت به ساختارهای متداول سه‌فاز وجود دارد. این ویژگی مزایای متعددی را فراهم می‌کند که از جمله آن‌ها می‌توان به کاهش ریپل گشتاور، بهبود عملکرد دینامیکی، توزیع بهتر توان میان فازها و افزایش قابلیت اطمینان سیستم اشاره کرد. در صورت بروز مشکل در یکی از فازها نیز ماشین می‌تواند تا حدودی به عملکرد خود ادامه دهد که این موضوع در کاربردهای حساس اهمیت فراوانی دارد.

ساختار محرکه الکتریکی

محرکه الکتریکی مورد استفاده در این شبیه‌سازی از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

• منبع تغذیه ولتاژ مستقیم (DC)
• مبدل قدرت پنج شاخه
• ماشین رلوکتانسی سوئیچ‌شونده پنج‌فاز

منبع ولتاژ DC انرژی مورد نیاز سیستم را تأمین می‌کند. خروجی این منبع به مبدل الکترونیک قدرت اعمال می‌شود. مبدل قدرت شامل پنج بازوی کنترلی مستقل است که هر یک وظیفه تغذیه یکی از فازهای ماشین را بر عهده دارند. کنترل زمان روشن و خاموش شدن کلیدهای قدرت باعث ایجاد توالی مناسب تحریک در سیم‌پیچ‌های استاتور می‌شود.

در این مدل، زاویه روشن شدن (Turn-On Angle) و زاویه خاموش شدن (Turn-Off Angle) کلیدها به صورت ثابت در نظر گرفته شده‌اند. این روش کنترل اگرچه نسبت به روش‌های پیشرفته‌تر ساده‌تر است، اما در بسیاری از کاربردهای صنعتی عملکرد مناسبی ارائه می‌دهد و امکان تحلیل دقیق رفتار ماشین را فراهم می‌سازد.

روش کنترل سرعت

هدف اصلی این شبیه‌سازی کنترل سرعت روتور ماشین است. برای دستیابی به این هدف، ابتدا یک سرعت مرجع برای سیستم تعریف می‌شود. سپس سرعت واقعی روتور توسط حسگرهای مجازی اندازه‌گیری شده و با مقدار مرجع مقایسه می‌شود. اختلاف میان این دو مقدار به کنترل‌کننده اعمال شده و سیگنال‌های لازم برای فرمان‌دهی به مبدل قدرت تولید می‌شوند.

کنترل‌کننده تلاش می‌کند سرعت واقعی ماشین را به مقدار مرجع نزدیک کند. در نتیجه هرگونه تغییر بار یا اغتشاش در سیستم با اعمال جریان مناسب به فازهای مختلف جبران می‌شود. این فرآیند موجب پایداری عملکرد ماشین و دستیابی به پاسخ دینامیکی مطلوب می‌شود.

در ماشین‌های SRM زمان‌بندی دقیق تحریک فازها اهمیت بسیار زیادی دارد. انتخاب مناسب زاویه روشن شدن و خاموش شدن باعث افزایش راندمان، کاهش ریپل گشتاور و بهبود عملکرد کلی سیستم می‌شود. در این شبیه‌سازی، این زوایا ثابت نگه داشته شده‌اند تا تأثیر مستقیم کنترل سرعت و پاسخ سیستم به‌صورت شفاف قابل مشاهده باشد.

مدل‌سازی در محیط Simulink

برای پیاده‌سازی این شبیه‌سازی از محیط Simulink و کتابخانه‌های تخصصی Simscape Electrical استفاده می‌شود. این محیط امکان مدل‌سازی دقیق اجزای الکتریکی، الکترومکانیکی و کنترلی را فراهم می‌کند.

در مدل ایجاد شده، بخش‌های مختلف شامل منبع DC، کلیدهای نیمه‌هادی، مدارهای کنترلی، ماشین SRM و بلوک‌های اندازه‌گیری به یکدیگر متصل شده‌اند. همچنین سیگنال‌های سرعت، جریان، گشتاور و موقعیت روتور به صورت پیوسته ثبت و تحلیل می‌شوند.

یکی از مزایای استفاده از Simscape قابلیت شبیه‌سازی رفتار فیزیکی واقعی اجزای سیستم است. به همین دلیل نتایج حاصل از شبیه‌سازی می‌توانند تقریب مناسبی از عملکرد واقعی محرکه الکتریکی ارائه دهند.

تحلیل نتایج شبیه‌سازی

نتایج ثبت‌شده توسط Simscape Logging اطلاعات ارزشمندی درباره عملکرد سیستم در اختیار قرار می‌دهند. یکی از مهم‌ترین نمودارها مربوط به مقایسه سرعت مرجع و سرعت اندازه‌گیری‌شده روتور است. این نمودار نشان می‌دهد که کنترل‌کننده تا چه اندازه قادر است سرعت واقعی را به مقدار مطلوب نزدیک کند.

در ابتدای راه‌اندازی، معمولاً اختلاف قابل توجهی میان سرعت مرجع و سرعت واقعی وجود دارد. با گذشت زمان و عملکرد کنترل‌کننده، سرعت روتور به تدریج افزایش یافته و به مقدار مورد نظر نزدیک می‌شود. میزان اضافه‌جهش، زمان نشست و خطای ماندگار از جمله شاخص‌های مهمی هستند که از طریق این نمودار قابل ارزیابی‌اند.

علاوه بر سرعت، جریان فازهای مختلف ماشین نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. شکل جریان‌ها اطلاعات مهمی درباره نحوه عملکرد مبدل قدرت و کیفیت فرآیند کموتاسیون ارائه می‌دهد. در ماشین‌های رلوکتانسی سوئیچ‌شونده، جریان هر فاز تنها در بازه مشخصی از موقعیت روتور برقرار می‌شود و پس از رسیدن به زاویه خاموش شدن قطع می‌گردد.

بررسی نمودار جریان‌ها نشان می‌دهد که توالی تحریک فازها به درستی انجام شده و هر فاز در زمان مناسب فعال می‌شود. این موضوع نقش مهمی در تولید گشتاور یکنواخت و دستیابی به عملکرد پایدار دارد.

مزایای استفاده از ماشین پنج‌فاز

به‌کارگیری ساختار پنج‌فاز در مقایسه با نمونه‌های سه‌فاز مزایای متعددی ایجاد می‌کند. یکی از مهم‌ترین این مزایا کاهش نوسانات گشتاور است. کاهش ریپل گشتاور موجب عملکرد نرم‌تر ماشین و کاهش ارتعاشات مکانیکی می‌شود.

همچنین توزیع توان میان تعداد بیشتری فاز باعث کاهش تنش حرارتی در سیم‌پیچ‌ها و تجهیزات قدرت می‌شود. این موضوع می‌تواند طول عمر سیستم را افزایش داده و قابلیت اطمینان آن را بهبود بخشد.

از سوی دیگر، وجود فازهای بیشتر امکان ادامه عملکرد سیستم در شرایط بروز خطا را فراهم می‌کند. به همین دلیل ماشین‌های چندفاز در صنایع حساس مانند هوافضا، حمل‌ونقل الکتریکی، سامانه‌های دریایی و تجهیزات صنعتی پیشرفته کاربرد گسترده‌ای دارند.

شبیه‌سازی بلادرنگ و پیاده‌سازی سخت‌افزاری

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه‌سازی، امکان اجرای آن به‌صورت بلادرنگ (Real-Time) است. مدل مورد نظر بر روی سیستم هدف بلادرنگ Speedgoat آزمایش شده است. استفاده از تجهیزات بلادرنگ به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که عملکرد کنترل‌کننده را در شرایط نزدیک به واقعیت بررسی کنند.

در این آزمایش از یک سامانه Speedgoat Performance مجهز به پردازنده Intel Core i7 با فرکانس 3.5 گیگاهرتز استفاده شده است. اجرای بلادرنگ مدل باعث می‌شود زمان شبیه‌سازی با زمان واقعی هماهنگ باشد و امکان توسعه و اعتبارسنجی الگوریتم‌های کنترلی پیشرفته فراهم شود.

چنین رویکردی به‌ویژه در پروژه‌های صنعتی اهمیت فراوانی دارد؛ زیرا پیش از ساخت نمونه نهایی می‌توان عملکرد سیستم را با دقت بالا ارزیابی کرد و مشکلات احتمالی را کاهش داد.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نحوه کنترل سرعت یک ماشین رلوکتانسی سوئیچ‌شونده پنج‌فاز را در یک محرکه الکتریکی مبتنی بر منبع ولتاژ DC و مبدل قدرت پنج شاخه نشان می‌دهد. در این ساختار، زوایای روشن و خاموش شدن کلیدها ثابت در نظر گرفته شده‌اند و کنترل‌کننده با تنظیم جریان فازها، سرعت روتور را به مقدار مرجع نزدیک می‌کند.

نتایج حاصل از Simscape Logging نشان‌دهنده تطابق مناسب سرعت واقعی با سرعت مرجع و همچنین عملکرد صحیح جریان فازها هستند. علاوه بر این، امکان اجرای بلادرنگ مدل بر روی سامانه‌های Speedgoat زمینه مناسبی برای توسعه و آزمایش کنترل‌کننده‌های پیشرفته فراهم می‌کند. این شبیه‌سازی نمونه‌ای ارزشمند برای مطالعه رفتار ماشین‌های رلوکتانسی سوئیچ‌شونده چندفاز و طراحی سامانه‌های محرکه مدرن در محیط Matlab و Simulink محسوب می‌شود.

“`