موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده (Switched Reluctance Motor یا SRM) یکی از انواع مهم موتورهای الکتریکی بدون جاروبک هستند که در سال‌های اخیر به دلیل ساختار ساده، قابلیت اطمینان بالا، هزینه تولید پایین و عملکرد مناسب در شرایط کاری سخت، مورد توجه بسیاری از پژوهشگران و مهندسان قرار گرفته‌اند. برخلاف موتورهای القایی و موتورهای سنکرون مغناطیس دائم، در روتور موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده هیچ‌گونه سیم‌پیچ یا آهنربای دائم وجود ندارد و تولید گشتاور تنها بر اساس تمایل مسیر مغناطیسی برای رسیدن به کمترین رلوکتانس انجام می‌شود.

در این شبیه سازی، عملکرد یک موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده سه‌فاز با ساختار 6/4 بررسی می‌شود. منظور از موتور 6/4 این است که موتور دارای 6 قطب روی استاتور و 4 قطب روی روتور است. این نوع موتور یکی از رایج‌ترین ساختارهای SRM محسوب می‌شود و به دلیل تعداد مناسب قطب‌ها، کنترل ساده‌تر و توانایی تولید گشتاور قابل قبول، در کاربردهای صنعتی، سیستم‌های محرکه الکتریکی، خودروهای برقی و تجهیزات سرعت متغیر استفاده می‌شود.

معرفی موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده بر اساس گشتاور رلوکتانسی کار می‌کنند. در این موتورها هنگامی که جریان در یکی از فازهای استاتور برقرار می‌شود، میدان مغناطیسی ایجاد شده باعث می‌شود قطب‌های روتور به سمت قطب‌های فعال استاتور حرکت کنند. دلیل این حرکت، تمایل سیستم مغناطیسی به کاهش رلوکتانس مسیر شار است. بنابراین برخلاف موتورهای معمولی که تولید گشتاور وابسته به میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربا یا جریان روتور است، در SRM تنها تغییر اندوکتانس فازها نسبت به موقعیت روتور باعث تولید گشتاور می‌شود.

ساختار ساده روتور در این موتورها باعث کاهش تلفات مکانیکی، افزایش استحکام و امکان کار در سرعت‌های بالا می‌شود. با این حال، کنترل دقیق کلیدهای قدرت و زمان‌بندی مناسب تحریک فازها اهمیت زیادی دارد، زیرا تولید گشتاور در SRM کاملاً به موقعیت روتور و توالی صحیح روشن و خاموش شدن فازها وابسته است.

ساختار موتور سه‌فاز 6/4 در شبیه سازی Matlab

در این شبیه سازی، موتور SRM سه‌فاز 6/4 توسط یک منبع ولتاژ DC ایده‌آل با مقدار 240 ولت تغذیه می‌شود. انرژی الکتریکی منبع DC توسط یک مبدل الکترونیک قدرت به سیم‌پیچ‌های سه فاز موتور منتقل می‌شود. مبدل قدرت استفاده شده شامل سه مبدل تمام‌پل تک‌فاز است که هر کدام وظیفه کنترل یکی از فازهای موتور را بر عهده دارند.

مبدل‌های تمام‌پل این قابلیت را دارند که ولتاژ مثبت یا منفی به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال کنند. اعمال ولتاژ مثبت باعث افزایش جریان و تحریک فاز مربوطه می‌شود، در حالی که اعمال ولتاژ منفی برای کاهش جریان سیم‌پیچ و بازگرداندن انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی به منبع DC استفاده می‌شود. این ویژگی باعث بهبود راندمان سیستم و کنترل بهتر گشتاور موتور می‌شود.

مدل الکتریکی موتور SRM

در این شبیه سازی از مدل عمومی موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده در محیط Matlab/Simulink استفاده شده است. بخش الکتریکی موتور بر اساس یک مدل غیرخطی ساخته شده که رفتار مغناطیسی واقعی موتور را در نظر می‌گیرد. این مدل بر پایه منحنی‌های مغناطیس‌شوندگی مختلف و مشخصات گشتاور استخراج‌شده از آن‌ها عمل می‌کند.

در موتورهای SRM رابطه بین شار پیوندی، جریان سیم‌پیچ و موقعیت روتور کاملاً غیرخطی است. به همین دلیل استفاده از مدل‌های ساده خطی ممکن است نتایج دقیقی ارائه ندهد. مدل غیرخطی استفاده شده در Matlab این امکان را فراهم می‌کند که تغییرات اندوکتانس، اشباع مغناطیسی و رفتار واقعی موتور در شرایط مختلف کاری شبیه سازی شود.

همچنین در بلوک موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده امکان مشاهده منحنی‌های مغناطیس‌شوندگی وجود دارد. این منحنی‌ها تغییرات شار پیوندی را بر اساس جریان فازها و زاویه مکانیکی روتور نمایش می‌دهند و برای تحلیل دقیق عملکرد موتور بسیار کاربردی هستند.

سیستم کنترل سرعت موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

کنترل سرعت موتور SRM یکی از بخش‌های اصلی این شبیه سازی است. سیستم کنترل طراحی شده شامل سه قسمت اصلی است: کنترل‌کننده سرعت، منطق کموتاسیون و کنترل‌کننده جریان.

کنترل‌کننده سرعت

کنترل‌کننده سرعت وظیفه دارد سرعت واقعی موتور را با مقدار مرجع مقایسه کند. اگر سرعت موتور کمتر از مقدار تعیین‌شده باشد، کنترل‌کننده جریان مرجع بیشتری تولید می‌کند تا گشتاور موتور افزایش پیدا کند. در مقابل، اگر سرعت موتور از مقدار مرجع بیشتر شود، جریان مرجع کاهش داده می‌شود تا گشتاور کاهش یابد.

در این شبیه سازی، کنترل‌کننده سرعت نقش مهمی در حفظ سرعت موتور در برابر تغییرات بار مکانیکی دارد. افزایش بار باعث کاهش سرعت لحظه‌ای موتور می‌شود و سیستم کنترل با افزایش جریان فازها، گشتاور بیشتری تولید کرده و سرعت را به مقدار مرجع بازمی‌گرداند.

منطق کموتاسیون

بلوک منطق کموتاسیون بر اساس موقعیت لحظه‌ای روتور و زاویه‌های روشن و خاموش شدن فازها، سیگنال‌های کنترلی لازم برای تحریک فازهای مختلف را ایجاد می‌کند. در موتور SRM ترتیب روشن شدن فازها اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا تغییر اشتباه زمان تحریک می‌تواند باعث کاهش گشتاور، افزایش ریپل گشتاور و حتی ایجاد حرکت نامنظم شود.

در این مدل، زاویه روشن شدن فازها برابر 45 درجه و زاویه خاموش شدن آن‌ها برابر 75 درجه در نظر گرفته شده است. با توجه به ساختار چهار قطبی روتور، توالی تحریک فازهای A، B و C به صورت دوره‌ای تکرار می‌شود.

کنترل‌کننده جریان

کنترل جریان وظیفه دارد جریان هر فاز را مطابق مقدار مرجع تنظیم کند. جریان اندازه‌گیری شده هر فاز با جریان مرجع مقایسه می‌شود و خطای ایجاد شده برای کنترل کلیدهای مبدل قدرت استفاده می‌شود.

در این سیستم از کنترل هیسترزیس استفاده شده است. هنگامی که خطای جریان از مقدار مشخصی عبور کند، فرمان روشن شدن کلیدهای مبدل صادر می‌شود و ولتاژ مثبت به سیم‌پیچ اعمال می‌گردد. در زمان کاهش جریان یا دوره آزاد شدن انرژی، ولتاژ منفی اعمال شده و انرژی ذخیره شده از طریق دیودها به منبع DC بازگردانده می‌شود.

توالی کموتاسیون و تولید گشتاور

عملکرد صحیح موتور SRM به توالی مناسب تحریک سیم‌پیچ‌ها وابسته است. در موقعیت اول روتور، ولتاژ مثبت به سیم‌پیچ‌های A1 و A2 اعمال می‌شود. میدان مغناطیسی ایجاد شده باعث حرکت روتور به سمت قطب‌های فعال استاتور می‌شود.

با رسیدن روتور به موقعیت دوم، سیم‌پیچ‌های فاز A خاموش شده و سیم‌پیچ‌های B1 و B2 فعال می‌شوند. این تغییر باعث ادامه حرکت روتور در جهت ساعت‌گرد می‌شود، زیرا روتور تلاش می‌کند با قطب‌های جدید هم‌راستا شود.

در موقعیت سوم نیز فاز B خاموش شده و فاز C فعال می‌شود. این فرآیند به صورت پیوسته تکرار می‌شود و باعث چرخش یکنواخت موتور خواهد شد.

نتایج شبیه سازی عملکرد موتور

با اجرای شبیه سازی، موتور از حالت سکون شروع به حرکت کرده و سرعت آن به مقدار 1500 دور بر دقیقه می‌رسد. در این شرایط، گشتاور بار برابر 15 نیوتن‌متر در نظر گرفته شده است. سیستم کنترل سرعت با تنظیم جریان‌های موتور، سرعت را در مقدار مرجع ثابت نگه می‌دارد.

در زمان 0.15 ثانیه، مقدار گشتاور بار از 15 نیوتن‌متر به 75 نیوتن‌متر افزایش داده می‌شود. این تغییر ناگهانی باعث کاهش لحظه‌ای سرعت موتور می‌شود، اما کنترل‌کننده سرعت با افزایش جریان مرجع، گشتاور الکترومغناطیسی بیشتری ایجاد کرده و سرعت موتور را دوباره به 1500 دور بر دقیقه بازمی‌گرداند.

در زمان 0.3 ثانیه مقدار سرعت مرجع به 2500 دور بر دقیقه تغییر می‌کند. برای رسیدن به سرعت جدید، سیستم کنترل به صورت موقت جریان بیشتری به موتور اعمال می‌کند تا گشتاور شتاب‌دهنده افزایش یافته و موتور بتواند به سرعت بالاتر برسد.

اجرای شبیه سازی بلادرنگ با Simulink Real-Time

این مدل علاوه بر اجرای معمولی در محیط Matlab/Simulink، قابلیت اجرا به صورت بلادرنگ را نیز دارد. در صورت استفاده از Simulink Real-Time و سخت‌افزارهای Speedgoat، مدل می‌تواند مستقیماً روی سیستم هدف اجرا شود.

برای اجرای بلادرنگ، فایل هدف سیستم در بخش تنظیمات تولید کد روی گزینه slrealtime.tlc قرار داده می‌شود. سپس مدل ساخته شده، روی سخت‌افزار هدف منتقل و اجرا می‌شود. این قابلیت برای آزمایش کنترل‌کننده‌ها، بررسی عملکرد در شرایط واقعی و توسعه سیستم‌های محرکه صنعتی بسیار مفید است.

جمع‌بندی

در این شبیه سازی، عملکرد یک موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده سه‌فاز 6/4 همراه با سیستم کنترل سرعت در محیط Matlab بررسی شد. مدل غیرخطی موتور، مبدل قدرت تمام‌پل، منطق کموتاسیون و کنترل‌کننده جریان، امکان تحلیل دقیق رفتار موتور را فراهم می‌کنند.

نتایج نشان می‌دهد که با طراحی مناسب سیستم کنترل، موتورهای SRM می‌توانند در برابر تغییرات بار و تغییرات سرعت مرجع عملکرد پایدار و قابل اعتمادی داشته باشند. این نوع موتورها به دلیل ساختار مقاوم و هزینه پایین، گزینه مناسبی برای بسیاری از کاربردهای صنعتی و سیستم‌های محرکه پیشرفته محسوب می‌شوند.