درایوهای جریان مستقیم (DC Drives) همچنان یکی از مهم‌ترین سامانه‌های کنترل حرکت در صنایع مختلف محسوب می‌شوند. با وجود توسعه گسترده درایوهای مبتنی بر موتورهای AC، بسیاری از فرآیندهای صنعتی که به کنترل دقیق گشتاور، سرعت و جریان نیاز دارند، همچنان از موتورهای DC استفاده می‌کنند. یکی از دلایل اصلی این موضوع، ساختار ساده کنترل گشتاور در موتورهای DC و پاسخ دینامیکی بسیار مناسب آن‌ها است. در این شبیه‌سازی، عملکرد یک درایو DC مبتنی بر یک یکسوساز سه‌فاز دو‌ربع (Two-Quadrant Three-Phase Rectifier) برای یک موتور جریان مستقیم 200 اسب بخاری مورد بررسی قرار می‌گیرد. این مدل با استفاده از بلوک DC3 در محیط Specialized Power Systems نرم‌افزار Matlab/Simulink پیاده‌سازی شده و رفتار سیستم در حالت کنترل گشتاور تحلیل می‌شود.

معرفی ساختار شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی یک درایو DC با قابلیت عملکرد در دو ربع را مدل‌سازی می‌کند. منظور از عملکرد دو‌ربع این است که مبدل قادر است ولتاژ خروجی را با یک قطبیت مشخص تولید کند، در حالی که جریان می‌تواند در شرایط مختلف کنترل شود. این ساختار برای بسیاری از کاربردهای صنعتی که نیازمند کنترل دقیق گشتاور در یک جهت دوران هستند، بسیار مناسب است.

موتور مورد استفاده دارای توان نامی 200 اسب بخار بوده و سیم‌پیچ تحریک آن به صورت مستقل توسط یک منبع ولتاژ مستقیم ثابت 310 ولتی تغذیه می‌شود. مستقل بودن مدار تحریک باعث می‌شود شار مغناطیسی موتور تقریباً ثابت باقی مانده و کنترل گشتاور تنها از طریق تنظیم جریان آرمیچر انجام گیرد.

ولتاژ آرمیچر توسط یک یکسوساز کنترل‌شده سه‌فاز تأمین می‌شود. این یکسوساز از شبکه سه‌فاز 460 ولت با فرکانس 60 هرتز تغذیه شده و با استفاده از تریستورها ولتاژ متوسط خروجی را متناسب با فرمان کنترلی تغییر می‌دهد.

ساختار سیستم کنترل

کنترل‌کننده این درایو از دو تنظیم‌کننده PI تشکیل شده است. نخستین تنظیم‌کننده برای کنترل سرعت موتور طراحی شده و تنظیم‌کننده دوم مسئول کنترل جریان آرمیچر است. با این حال، در این شبیه‌سازی تمرکز بر روی کنترل گشتاور بوده و بنابراین کنترل‌کننده سرعت غیرفعال شده است. در نتیجه تنها حلقه کنترل جریان فعال باقی می‌ماند.

کنترل‌کننده جریان با مقایسه جریان مرجع و جریان واقعی آرمیچر، زاویه آتش تریستورهای یکسوساز را محاسبه می‌کند. با تغییر زاویه آتش، مقدار متوسط ولتاژ خروجی یکسوساز تغییر کرده و جریان آرمیچر به مقدار مورد نیاز می‌رسد. از آنجا که در موتور DC گشتاور الکترومغناطیسی تقریباً متناسب با جریان آرمیچر است، کنترل جریان در حقیقت به معنای کنترل مستقیم گشتاور خواهد بود.

محاسبه جریان مرجع

کنترل‌کننده جریان دارای دو ورودی اصلی است. ورودی نخست، جریان مرجع بر حسب واحد پریونیت (Per Unit) است که از مقدار گشتاور درخواستی کاربر محاسبه می‌شود. ورودی دوم نیز جریان واقعی عبوری از آرمیچر موتور است که به صورت پیوسته اندازه‌گیری می‌شود.

اختلاف بین این دو مقدار توسط کنترل‌کننده PI پردازش شده و در نهایت زاویه آتش مناسب برای تریستورها تولید می‌شود. این فرآیند باعث می‌شود موتور بتواند با سرعت بسیار بالا به تغییرات بار یا تغییرات فرمان گشتاور پاسخ دهد.

نقش سلف هموارکننده در مدار آرمیچر

در مسیر آرمیچر یک سلف 15 میلی‌هانری قرار داده شده است. هدف اصلی این سلف، کاهش نوسانات جریان آرمیچر است. در یکسوسازهای کنترل‌شده، به دلیل ماهیت کلیدزنی تریستورها، جریان خروجی دارای ریپل خواهد بود. وجود سلف باعث کاهش این ریپل شده و علاوه بر افزایش کیفیت جریان، از ایجاد تنش‌های الکتریکی و مکانیکی در موتور جلوگیری می‌کند.

همچنین کاهش نوسانات جریان موجب می‌شود گشتاور الکترومغناطیسی موتور نیز یکنواخت‌تر شده و لرزش‌های مکانیکی سیستم کاهش یابد.

روند اجرای شبیه‌سازی

پس از آغاز شبیه‌سازی، مقادیر مختلفی توسط اسکوپ قابل مشاهده هستند. مهم‌ترین این کمیت‌ها شامل ولتاژ آرمیچر، جریان آرمیچر، زاویه آتش تریستورها، گشتاور الکترومغناطیسی، سرعت موتور، جریان مرجع و گشتاور مرجع هستند. مشاهده هم‌زمان این پارامترها امکان تحلیل دقیق عملکرد سیستم کنترل را فراهم می‌کند.

بار مکانیکی متصل به موتور از نوع خطی در نظر گرفته شده است؛ به این معنا که گشتاور بار متناسب با سرعت موتور افزایش می‌یابد. چنین مدلی برای بسیاری از بارهای صنعتی مانند فن‌ها و برخی ماشین‌آلات دوار تقریب مناسبی محسوب می‌شود.

شرایط اولیه سیستم

در ابتدای شبیه‌سازی، مقدار مرجع گشتاور برابر صفر نیوتن‌متر تنظیم شده است. در نتیجه جریان آرمیچر نیز تقریباً صفر بوده و هیچ گشتاور الکترومغناطیسی تولید نمی‌شود. بنابراین موتور در حالت سکون باقی می‌ماند.

این وضعیت نشان می‌دهد که کنترل‌کننده تنها در صورت دریافت فرمان گشتاور اقدام به تنظیم ولتاژ خروجی یکسوساز خواهد کرد.

تغییر ناگهانی گشتاور در زمان 0.05 ثانیه

در لحظه 0.05 ثانیه مقدار مرجع گشتاور به صورت پله‌ای از صفر به 800 نیوتن‌متر افزایش پیدا می‌کند. این تغییر باعث افزایش سریع جریان آرمیچر تا حدود 305 آمپر می‌شود. یکی از نکات مهم این شبیه‌سازی آن است که جریان واقعی تقریباً بدون تأخیر و با اضافه‌جهش بسیار کم از مقدار مرجع پیروی می‌کند.

وجود سلف 15 میلی‌هانری باعث شده است ریپل جریان بسیار محدود باقی بماند و پاسخ سیستم از کیفیت بالایی برخوردار باشد. همچنین مقدار متوسط زاویه آتش کمتر از 90 درجه باقی می‌ماند که نشان می‌دهد مبدل همچنان در حالت یکسوسازی (Rectifier Mode) فعالیت می‌کند.

شتاب‌گیری موتور

با افزایش جریان آرمیچر، گشتاور الکترومغناطیسی قابل توجهی در موتور تولید می‌شود. این گشتاور باعث شتاب‌گیری موتور شده و سرعت آن به تدریج افزایش پیدا می‌کند. افزایش سرعت تا زمانی ادامه می‌یابد که مجموع گشتاور بار و اصطکاک ویسکوز با گشتاور تولیدی موتور برابر شود.

بر اساس نتایج شبیه‌سازی، حدود زمان 5 ثانیه سرعت موتور در مقدار تقریبی 1450 دور بر دقیقه به حالت پایدار نزدیک می‌شود.

کاهش گشتاور در زمان 5 ثانیه

در زمان 5 ثانیه، مقدار مرجع گشتاور از 800 نیوتن‌متر به 400 نیوتن‌متر کاهش می‌یابد. در نتیجه جریان آرمیچر نیز تقریباً تا مقدار 155 آمپر افت می‌کند. کاهش جریان مستقیماً موجب کاهش گشتاور تولیدی موتور شده و از آنجا که گشتاور بار همچنان وجود دارد، موتور شروع به کاهش سرعت می‌کند.

این بخش از شبیه‌سازی عملکرد مناسب کنترل‌کننده در هنگام کاهش بار را نیز نشان می‌دهد. پاسخ سیستم سریع بوده و جریان بدون نوسانات شدید به مقدار جدید می‌رسد.

پایداری سرعت در زمان 10 ثانیه

پس از کاهش گشتاور، سرعت موتور به تدریج کاهش یافته و در حدود زمان 10 ثانیه به مقدار تقریبی 850 دور بر دقیقه نزدیک می‌شود. در این وضعیت مجدداً تعادل میان گشتاور الکترومغناطیسی، گشتاور بار و اصطکاک برقرار شده و سیستم به شرایط پایدار جدید می‌رسد.

تنظیمات زمانی شبیه‌سازی

برای دستیابی به نتایج دقیق، بخش قدرت سیستم با گام زمانی 20 میکروثانیه شبیه‌سازی شده است. این مقدار کوچک امکان مدل‌سازی دقیق فرآیندهای کلیدزنی تریستورها را فراهم می‌کند. در مقابل، بخش کنترل که شامل تنظیم‌کننده‌های PI است با گام زمانی 100 میکروثانیه اجرا می‌شود تا رفتار یک کنترل‌کننده مبتنی بر میکروکنترلر به صورت واقع‌بینانه شبیه‌سازی گردد.

همچنین برای جلوگیری از افزایش حجم داده‌های ذخیره‌شده در اسکوپ، از ضریب Decimation برابر با 20 استفاده شده است. این روش بدون تأثیر محسوس بر کیفیت تحلیل، حجم اطلاعات ذخیره‌شده را کاهش می‌دهد.

مدل میانگین (Average Model)

یکی از قابلیت‌های مهم این شبیه‌سازی، امکان استفاده از مدل میانگین یکسوساز است. در این حالت، به جای مدل‌سازی دقیق فرآیند کلیدزنی تریستورها، از یک مدل میانگین استفاده می‌شود که زمان محاسبات را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

در صورت انتخاب گزینه Average در بخش تنظیمات مدل، می‌توان گام زمانی شبیه‌سازی را تا مقدار نمونه‌برداری سیستم کنترل یعنی 100 میکروثانیه افزایش داد. این ویژگی به ویژه برای تحلیل‌های طولانی‌مدت یا طراحی اولیه سیستم‌های کنترلی بسیار مفید بوده و زمان اجرای شبیه‌سازی را به شکل محسوسی کاهش می‌دهد.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی یکی از نمونه‌های کاربردی و ارزشمند در حوزه درایوهای جریان مستقیم محسوب می‌شود که عملکرد یک یکسوساز سه‌فاز دو‌ربع را در کنترل گشتاور یک موتور DC با توان 200 اسب بخار نمایش می‌دهد. استفاده از کنترل‌کننده PI، کنترل مستقیم جریان آرمیچر، تنظیم زاویه آتش تریستورها و بهره‌گیری از سلف هموارکننده باعث شده است سیستم دارای پاسخ سریع، اضافه‌جهش کم و پایداری مطلوب باشد. علاوه بر این، امکان انتخاب میان مدل دقیق و مدل میانگین انعطاف‌پذیری بالایی برای انجام مطالعات آموزشی، تحقیقاتی و صنعتی فراهم می‌کند. به همین دلیل، این شبیه‌سازی می‌تواند مرجع مناسبی برای آشنایی با اصول طراحی و تحلیل درایوهای DC مبتنی بر یکسوسازهای کنترل‌شده در محیط Matlab و Simulink باشد.