مقدمه

ماشین‌های الکتریکی چندفازه در سال‌های اخیر به دلیل قابلیت اطمینان بالا، عملکرد مناسب در شرایط خطا، کاهش ریپل گشتاور و افزایش قابلیت کنترل، مورد توجه گسترده پژوهشگران و صنایع قرار گرفته‌اند. در میان این ماشین‌ها، ماشین سنکرون شش‌فاز به عنوان یکی از مهم‌ترین ساختارهای چندفازه شناخته می‌شود که نسبت به ماشین‌های متداول سه‌فاز دارای مزایای متعددی از جمله تحمل خطا، کاهش تنش جریان در هر فاز، افزایش قابلیت ادامه کار پس از وقوع خرابی و بهبود کیفیت توان است. همین ویژگی‌ها باعث شده است که استفاده از این ماشین‌ها در صنایع حساس مانند سیستم‌های محرکه دریایی، صنایع هوایی، خودروهای الکتریکی، نیروگاه‌ها و سامانه‌های نظامی روزبه‌روز افزایش یابد.

در این شبیه سازی، رفتار یک ماشین سنکرون شش‌فاز با توان نامی 100 کیلوولت‌آمپر در دو وضعیت عملکرد عادی و عملکرد پس از وقوع خطا مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی نحوه واکنش سیستم در هنگام از دست رفتن یکی از فازها و همچنین تحلیل راهبرد کنترلی اتخاذ شده برای ادامه بهره‌برداری از ماشین بدون توقف کامل سیستم است. این نوع مطالعات اهمیت بسیار زیادی در طراحی سیستم‌های دارای قابلیت تحمل خطا (Fault Tolerant Systems) دارند، زیرا در بسیاری از کاربردهای صنعتی خاموش شدن کامل ماشین حتی برای چند ثانیه نیز می‌تواند خسارات مالی بسیار سنگینی ایجاد کند.

اهمیت استفاده از ماشین‌های سنکرون شش‌فاز

ماشین‌های شش‌فاز در مقایسه با ماشین‌های سه‌فاز معمولی دارای تعداد بیشتری سیم‌پیچ استاتور هستند که این موضوع موجب افزایش انعطاف‌پذیری سیستم در شرایط بهره‌برداری مختلف می‌شود. تقسیم توان میان تعداد بیشتری از فازها باعث کاهش جریان هر سیم‌پیچ، کاهش تلفات حرارتی و افزایش عمر تجهیزات می‌شود. علاوه بر این، در صورت بروز خرابی در بخشی از استاتور، بخش سالم ماشین همچنان قادر خواهد بود قسمت قابل توجهی از توان مورد نیاز را تأمین کند.

یکی دیگر از مزایای مهم این ماشین‌ها، امکان اجرای راهبردهای کنترلی پس از وقوع خطا است. برخلاف ماشین‌های سه‌فاز که معمولاً پس از قطع یکی از فازها عملکرد آن‌ها به شدت مختل می‌شود، در ماشین‌های شش‌فاز می‌توان با تغییر نحوه تغذیه و تنظیم پارامترهای کنترلی، ماشین را در شرایط پایدار نگه داشت و از توقف کامل آن جلوگیری کرد.

مشخصات سیستم مورد استفاده در شبیه سازی

در این شبیه سازی از یک ماشین سنکرون شش‌فاز با توان نامی 100 کیلوولت‌آمپر استفاده شده است. ولتاژ نامی ماشین برابر با 240 ولت بوده و سرعت نامی آن 1800 دور بر دقیقه در نظر گرفته شده است. این ماشین توسط یک ترانسفورماتور سه‌پیچه سه‌فاز به شبکه‌ای با ولتاژ 240 ولت متصل شده است. همچنین سطح اتصال کوتاه شبکه برابر با 10 مگاولت‌آمپر در نظر گرفته شده تا شرایط واقعی یک شبکه قدرت صنعتی به خوبی شبیه سازی شود.

در ابتدای شبیه سازی، بار کامل مکانیکی بر روی محور ماشین اعمال شده است. همچنین ولتاژ تحریک برابر با 0.6 ولت تنظیم می‌شود. این مقدار ولتاژ تحریک به گونه‌ای انتخاب شده است که ماشین بتواند در شرایط بار نامی، جریان نامی هر فاز را تولید کند و عملکرد پایدار و متعادلی داشته باشد.

ساختار سیستم تغذیه

ماشین از طریق یک ترانسفورماتور سه‌پیچه تغذیه می‌شود. استفاده از این نوع ترانسفورماتور امکان ایجاد ساختار مناسب برای تغذیه ماشین شش‌فاز را فراهم می‌کند. علاوه بر این، وجود شبکه‌ای با ظرفیت اتصال کوتاه مناسب موجب می‌شود اثرات وقوع خطا و تغییرات جریان به شکل واقعی‌تری در طول شبیه سازی مشاهده شوند.

سیستم دارای دو مجموعه سیم‌پیچ سه‌فاز مستقل شامل مجموعه ABC و مجموعه XYZ است. این ساختار امکان اجرای راهبردهای مختلف کنترلی هنگام وقوع خطا را فراهم می‌کند و یکی از مهم‌ترین مزیت‌های ماشین‌های چندفازه محسوب می‌شود.

مرحله اول شبیه سازی؛ عملکرد عادی ماشین

در ابتدای فرآیند، تمامی شش فاز ماشین سالم هستند و سیستم در شرایط کاملاً متعادل کار می‌کند. ولتاژ تحریک روی مقدار 0.6 ولت قرار دارد و ماشین با بار کامل در سرعت نامی به کار خود ادامه می‌دهد.

در این مرحله جریان تمامی فازها دارای دامنه یکسان بوده و اختلاف فاز میان آن‌ها مطابق ساختار طراحی ماشین است. گشتاور الکترومغناطیسی تقریباً ثابت بوده و نوسانات بسیار کمی دارد. همچنین سرعت ماشین در مقدار نامی تثبیت شده و توان مکانیکی و الکتریکی در حالت تعادل قرار دارند.

مرحله دوم؛ وقوع خطا در یکی از فازها

در زمان چهار ثانیه، یکی از مهم‌ترین اتفاقات این شبیه سازی رخ می‌دهد. در این لحظه فاز A از مدار خارج می‌شود. قطع شدن یکی از فازها موجب برهم خوردن تعادل جریان‌های استاتور می‌شود و سیستم وارد وضعیت نامتعادل خواهد شد.

برای حفظ شرط مجموع جریان‌های استاتور برابر با صفر، جریان‌های Ia و Ib نسبت به یکدیگر اختلاف فاز 180 درجه پیدا می‌کنند. اگرچه این اقدام موجب حفظ تعادل نسبی جریان‌ها می‌شود، اما نتیجه آن ایجاد نوسانات شدید در گشتاور الکترومغناطیسی ماشین خواهد بود.

ریپل گشتاور یکی از مهم‌ترین پیامدهای عملکرد نامتقارن ماشین است. این ریپل‌ها می‌توانند موجب ایجاد لرزش مکانیکی، افزایش تنش روی محور، تولید صدا، افزایش تلفات و کاهش عمر ماشین شوند. بنابراین لازم است در کوتاه‌ترین زمان ممکن راهکاری برای حذف این نوسانات اجرا شود.

مرحله سوم؛ اجرای راهبرد عملکرد پس از خطا

تنها 50 میلی‌ثانیه پس از وقوع خطا، راهبرد عملکرد پس از خطا وارد عمل می‌شود. در این مرحله کل مجموعه سیم‌پیچ‌های ABC از مدار خارج می‌شوند تا اثرات نامتعادلی ناشی از قطع فاز A کاملاً حذف شود.

در ادامه تنها مجموعه سیم‌پیچ‌های XYZ وظیفه تولید گشتاور را بر عهده می‌گیرند. برای جلوگیری از اضافه‌بار این سیم‌پیچ‌ها، بار مکانیکی ماشین به نصف مقدار نامی کاهش داده می‌شود. علاوه بر این، ولتاژ تحریک نیز از مقدار 0.6 ولت به 0.4 ولت کاهش پیدا می‌کند تا جریان عبوری از سیم‌پیچ‌های باقی‌مانده همچنان در محدوده جریان نامی باقی بماند.

این تغییرات نشان می‌دهد که تنها حذف خطا کافی نیست، بلکه لازم است پارامترهای کنترلی ماشین نیز متناسب با شرایط جدید تنظیم شوند تا از ایجاد اضافه‌جریان، افزایش دما و آسیب تجهیزات جلوگیری شود.

مرحله چهارم؛ رسیدن سیستم به حالت پایدار

پس از اعمال راهبرد کنترلی، سیستم در مدت زمان بسیار کوتاهی به شرایط پایدار جدید می‌رسد. نوسانات شدید گشتاور از بین می‌روند و ماشین با استفاده از تنها نیمی از سیم‌پیچ‌های استاتور به کار خود ادامه می‌دهد.

اگرچه توان خروجی نسبت به شرایط اولیه کاهش یافته است، اما مهم‌ترین مزیت این راهبرد آن است که ماشین بدون توقف کامل همچنان قادر به ادامه فعالیت خواهد بود. این موضوع در کاربردهایی که قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد، بسیار ارزشمند است.

تحلیل تغییرات ولتاژ تحریک

کاهش ولتاژ تحریک از 0.6 ولت به 0.4 ولت یکی از مهم‌ترین اقدامات کنترلی در این شبیه سازی است. ولتاژ تحریک رابطه مستقیمی با شار میدان و در نتیجه با ولتاژ القایی و جریان ماشین دارد. در صورتی که این پارامتر بدون تغییر باقی بماند، سیم‌پیچ‌های سالم مجبور خواهند شد جریان بسیار بیشتری را تحمل کنند که این موضوع احتمال آسیب حرارتی را افزایش می‌دهد.

تنظیم صحیح ولتاژ تحریک باعث می‌شود جریان فازهای باقی‌مانده در مقدار نامی حفظ شود و ماشین بتواند با راندمان مناسب به فعالیت خود ادامه دهد.

مزایای راهبرد عملکرد پس از وقوع خطا

• افزایش قابلیت اطمینان سیستم‌های محرکه
• ادامه کار ماشین بدون خاموش شدن کامل
• کاهش احتمال آسیب به تجهیزات الکتریکی
• حذف سریع ریپل گشتاور
• کاهش تنش مکانیکی وارد بر محور ماشین
• حفظ جریان فازها در محدوده مجاز
• افزایش طول عمر ماشین سنکرون
• مناسب برای کاربردهای حساس صنعتی و نظامی

کاربردهای صنعتی ماشین سنکرون شش‌فاز

ماشین‌های سنکرون شش‌فاز در بسیاری از سامانه‌های پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرند. صنایع دریایی، سامانه‌های پیشران کشتی‌های الکتریکی، هواپیماهای مدرن، خودروهای الکتریکی، تجهیزات معدنی، نیروگاه‌های بادی، صنایع نفت و گاز و تجهیزات نظامی از جمله مهم‌ترین حوزه‌هایی هستند که در آن‌ها قابلیت تحمل خطا اهمیت بسیار زیادی دارد.

در چنین کاربردهایی، حتی وقوع یک خطای تک‌فاز نیز نباید باعث توقف کامل فرآیند شود. به همین دلیل استفاده از ماشین‌های چندفازه همراه با راهبردهای کنترل پس از خطا به یکی از مهم‌ترین موضوعات تحقیقاتی و صنعتی تبدیل شده است.

پیاده‌سازی شبیه سازی در Matlab/Simulink

در محیط Matlab و Simulink می‌توان این سیستم را با استفاده از بلوک‌های Simscape Electrical مدل‌سازی کرد. مدل شامل شبکه تغذیه، ترانسفورماتور سه‌پیچه، ماشین سنکرون شش‌فاز، سیستم تحریک، بار مکانیکی، کلیدهای کنترلی برای اعمال خطا و بلوک‌های اندازه‌گیری ولتاژ، جریان، سرعت و گشتاور است.

در طول اجرای شبیه سازی، امکان مشاهده شکل موج جریان هر شش فاز، تغییرات گشتاور الکترومغناطیسی، سرعت روتور، ولتاژ تحریک و عملکرد سیستم قبل و بعد از وقوع خطا وجود دارد. همچنین می‌توان زمان وقوع خطا، مدت زمان اعمال راهبرد کنترلی، مقدار بار و ولتاژ تحریک را تغییر داد و تأثیر هر یک از این پارامترها را بر عملکرد ماشین مورد بررسی قرار داد.

جمع‌بندی

این شبیه سازی عملکرد یک ماشین سنکرون شش‌فاز 100 کیلوولت‌آمپری را در شرایط عادی و پس از وقوع خطای تک‌فاز بررسی می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که استفاده از ساختار شش‌فاز همراه با راهبرد مناسب عملکرد پس از خطا، امکان ادامه بهره‌برداری از ماشین را حتی پس از از دست رفتن یکی از فازها فراهم می‌کند. قطع کامل مجموعه سیم‌پیچ ABC، کاهش بار مکانیکی و تنظیم مجدد ولتاژ تحریک موجب حذف ریپل گشتاور، حفظ جریان نامی سیم‌پیچ‌های باقی‌مانده و رسیدن سریع سیستم به حالت پایدار می‌شود. این ویژگی‌ها ماشین‌های سنکرون شش‌فاز را به گزینه‌ای مناسب برای سامانه‌های حساس و کاربردهایی که نیازمند قابلیت اطمینان بالا و تحمل خطا هستند، تبدیل می‌کند. شبیه سازی این سیستم در Matlab نیز بستری مناسب برای تحلیل رفتار ماشین، ارزیابی راهبردهای کنترلی و توسعه روش‌های پیشرفته کنترل مقاوم در برابر خطا فراهم می‌آورد.