در این شبیه‌سازی، عملکرد یک سیستم درایو موتور جریان مستقیم (DC Drive) با توان 200 اسب بخار بررسی می‌شود که به وسیله یک مبدل چاپر دو ربعی (Two-Quadrant Chopper) کنترل شده است. این مدل یکی از نمونه‌های کاربردی در حوزه الکترونیک قدرت و کنترل ماشین‌های الکتریکی است که نحوه تنظیم سرعت موتور DC، کنترل جریان آرمیچر، عملکرد مبدلهای IGBT و فرآیند ترمز دینامیکی را نشان می‌دهد. هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی رفتار یک موتور DC تحریک جداگانه در شرایط تغییر سرعت مرجع و تغییرات گشتاور بار است.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند جرثقیل‌ها، آسانسورها، خطوط تولید، ماشین‌آلات صنعتی و سیستم‌های محرکه، کنترل دقیق سرعت و گشتاور موتور اهمیت زیادی دارد. موتورهای DC به دلیل قابلیت کنترل مناسب شار و گشتاور، همچنان در بسیاری از سیستم‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این ساختار، یک چاپر دو ربعی وظیفه تأمین ولتاژ مناسب آرمیچر موتور را بر عهده دارد و امکان عملکرد موتور در حالت حرکت و ترمز را فراهم می‌کند.

معرفی ساختار سیستم درایو DC

موتور DC استفاده شده در این شبیه‌سازی از نوع تحریک جداگانه است. سیم‌پیچ میدان موتور توسط یک منبع ولتاژ DC ثابت با مقدار 150 ولت تغذیه می‌شود. ثابت نگه داشتن ولتاژ میدان باعث می‌شود شار مغناطیسی موتور تقریباً ثابت باقی بماند و کنترل سرعت عمدتاً از طریق تغییر ولتاژ آرمیچر انجام شود.

ولتاژ آرمیچر موتور توسط یک مبدل IGBT از نوع باک-بوست (Buck-Boost Converter) تأمین می‌شود. این مبدل توانایی تولید ولتاژ متوسط مناسب برای کنترل جریان آرمیچر را دارد و با تغییر نسبت کاری کلیدهای قدرت، مقدار ولتاژ اعمالی به موتور تنظیم می‌شود. استفاده از کلیدهای IGBT در این ساختار باعث افزایش سرعت کلیدزنی و کاهش تلفات توان در مقایسه با روش‌های قدیمی کنترل موتورهای DC می‌شود.

منبع تغذیه اصلی چاپر یک باس DC با ولتاژ 630 ولت است که از طریق یک یکسوساز دیودی سه‌فاز یا منبع AC با ولتاژ 460 ولت و فرکانس 60 هرتز ایجاد می‌شود. به دلیل اینکه در حالت ترمز دینامیکی انرژی مکانیکی موتور به سیستم بازگردانده می‌شود، امکان افزایش ولتاژ باس DC وجود دارد. برای جلوگیری از افزایش بیش از حد ولتاژ، یک چاپر ترمز (Braking Chopper) بین یکسوساز دیودی و بلوک موتور DC قرار داده شده است.

سیستم کنترل سرعت و جریان موتور

کنترل این سیستم توسط دو کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (PI Controller) انجام می‌شود. ساختار کنترل شامل یک حلقه کنترل سرعت و یک حلقه کنترل جریان است. کنترل‌کننده سرعت در حلقه بیرونی قرار دارد و وظیفه آن مقایسه سرعت واقعی موتور با سرعت مرجع و تولید جریان مرجع آرمیچر است.

خروجی کنترل‌کننده سرعت، مقدار جریان آرمیچر مورد نیاز برای تولید گشتاور الکترومغناطیسی مناسب را تعیین می‌کند. این مقدار به صورت پریونیت (Per Unit) به کنترل‌کننده جریان ارسال می‌شود. کنترل‌کننده جریان نیز با تنظیم پالس‌های PWM مربوط به کلیدهای IGBT، جریان آرمیچر را در مقدار مطلوب نگه می‌دارد.

برای جلوگیری از تغییرات ناگهانی سرعت مرجع، از رمپ‌های شتاب و کاهش سرعت استفاده شده است. تغییر ناگهانی سرعت مرجع می‌تواند باعث افزایش شدید جریان آرمیچر و ایجاد ناپایداری در سیستم شود. بنابراین، سرعت موتور به صورت تدریجی افزایش یا کاهش داده می‌شود تا عملکرد سیستم پایدار باقی بماند.

فرکانس پالس‌های PWM کلیدهای IGBT برابر با 5 کیلوهرتز در نظر گرفته شده است. دو کلید IGBT دارای پالس‌های مخالف لحظه‌ای هستند تا ولتاژ متوسط مورد نیاز آرمیچر تولید شود. همچنین برای کاهش ریپل جریان، یک سلف صاف‌کننده به صورت سری با مدار آرمیچر قرار داده شده است.

تنظیمات اولیه شبیه‌سازی در Matlab

قبل از اجرای شبیه‌سازی، مقدار اولیه ولتاژ باس DC باید برابر 630 ولت تنظیم شود. این تنظیم از طریق بلوک رابط گرافیکی مدل و گزینه تنظیم حالت‌های اولیه (Initial States Setting) انجام می‌شود. در این قسمت مقدار متغیر Cbus تعیین‌کننده وضعیت اولیه خازن باس DC است.

پس از شروع شبیه‌سازی، سیگنال‌های مختلف سیستم مانند ولتاژ و جریان آرمیچر موتور، پالس‌های کنترلی IGBT، سرعت موتور، جریان مرجع و سرعت مرجع توسط Scope نمایش داده می‌شوند. این اطلاعات امکان بررسی دقیق عملکرد حلقه‌های کنترلی و پاسخ دینامیکی موتور را فراهم می‌کنند.

بررسی نتایج شبیه‌سازی

در لحظه شروع شبیه‌سازی، سرعت مرجع موتور برابر 400 دور بر دقیقه تنظیم شده است و گشتاور بار اولیه مقدار 814 نیوتن‌متر دارد. سیستم کنترل سرعت با استفاده از رمپ افزایش سرعت، موتور را به سمت سرعت مرجع هدایت می‌کند.

مشاهده نتایج نشان می‌دهد که سرعت موتور با دقت مناسبی از رمپ سرعت پیروی می‌کند. شیب افزایش سرعت حدود 250 دور بر دقیقه بر ثانیه است و موتور تقریباً در زمان 2 ثانیه به حالت پایدار می‌رسد. جریان آرمیچر نیز عملکرد مناسبی داشته و با سرعت زیاد خود را با جریان مرجع هماهنگ می‌کند. ریپل جریان ایجاد شده دارای فرکانس 5 کیلوهرتز است که برابر با فرکانس کلیدزنی IGBTها است.

در زمان 2.1 ثانیه، مقدار گشتاور بار از 814 نیوتن‌متر به 100 نیوتن‌متر کاهش پیدا می‌کند. با کاهش بار، موتور تمایل دارد سرعت خود را افزایش دهد، اما کنترل‌کننده سرعت با کاهش جریان مرجع، گشتاور تولیدی موتور را کاهش داده و سرعت را دوباره روی مقدار 400 دور بر دقیقه تثبیت می‌کند.

در این مرحله جریان آرمیچر به حدود 40 آمپر کاهش پیدا می‌کند زیرا برای جبران گشتاور کمتر بار، نیاز به جریان کمتری وجود دارد. پاسخ سریع کنترل‌کننده جریان باعث می‌شود جریان موتور تقریباً بدون خطا مقدار مرجع را دنبال کند.

عملکرد ترمز دینامیکی در شبیه‌سازی

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، بررسی عملکرد سیستم در حالت کاهش سرعت و ترمز دینامیکی است. در زمان 2.75 ثانیه، سرعت مرجع به صورت ناگهانی از 400 دور بر دقیقه به 100 دور بر دقیقه کاهش داده می‌شود. برای کاهش سرعت موتور، جهت جریان آرمیچر معکوس شده و مقدار جریان تا حدود منفی 160 آمپر تغییر می‌کند.

معکوس شدن جریان باعث ایجاد گشتاور الکترومغناطیسی مخالف حرکت موتور می‌شود. در نتیجه موتور وارد حالت ترمز دینامیکی شده و انرژی مکانیکی ذخیره شده در روتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این انرژی باعث افزایش ولتاژ باس DC می‌شود که توسط چاپر ترمز کنترل شده و از افزایش بیش از حد ولتاژ جلوگیری می‌کند.

در حدود زمان 3.4 ثانیه، سرعت موتور به مقدار جدید 100 دور بر دقیقه می‌رسد و جریان دوباره به مقدار مثبت حدود 40 آمپر بازمی‌گردد. پس از آن، سیستم در وضعیت پایدار قرار گرفته و سرعت موتور در مقدار مرجع تثبیت می‌شود.

جزئیات پیاده‌سازی مدل در Matlab

برای افزایش دقت شبیه‌سازی، سیستم قدرت با گام زمانی 1 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. همچنین کنترل‌کننده سرعت و کنترل‌کننده جریان به ترتیب با زمان نمونه‌برداری 100 و 20 میکروثانیه شبیه‌سازی شده‌اند. این مقادیر مشابه عملکرد یک سیستم کنترل مبتنی بر میکروکنترلر واقعی هستند.

به منظور کاهش حجم داده‌های ذخیره شده در Scope، ضریب کاهش داده یا Decimation Factor برابر 25 انتخاب شده است. در صورت نیاز به مشاهده جزئیات کامل تغییرات سریع، این مقدار می‌تواند برابر 1 قرار داده شود تا تمام نقاط شبیه‌سازی ذخیره شوند.

همچنین یک نسخه ساده‌شده از مدل با استفاده از مبدل میانگین‌گیر (Average Value Converter) وجود دارد. در این حالت، جزئیات کلیدزنی IGBT حذف شده و سرعت اجرای شبیه‌سازی افزایش پیدا می‌کند. این روش برای مطالعات کنترل و بررسی رفتار کلی سیستم مناسب است.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی یک نمونه کامل از کنترل سرعت موتور DC پرقدرت با استفاده از چاپر دو ربعی و کنترل‌کننده‌های PI را ارائه می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که ترکیب کنترل حلقه سرعت و جریان، توانایی مناسبی در تنظیم سرعت، کنترل جریان آرمیچر، مقابله با تغییرات بار و انجام ترمز دینامیکی دارد.

مدل‌سازی چنین سیستم‌هایی در Matlab و محیط Simulink به مهندسان امکان می‌دهد قبل از پیاده‌سازی سخت‌افزاری، عملکرد سیستم‌های محرکه الکتریکی را بررسی کرده و پارامترهای کنترلی را بهینه‌سازی کنند. این نوع شبیه‌سازی‌ها نقش مهمی در طراحی سیستم‌های صنعتی، آموزش مهندسی برق و توسعه فناوری‌های جدید در حوزه درایوهای الکتریکی دارند.