طراحی محرکه و کنترل بهین? جریان و گشتاور موتور سنکرون مغناطیس دائم (pmsm)

چکیده در میان محرک? ماشین های الکتریکی، موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (pmsm) اهمیت بیش تری در سال های اخیر پیدا کرده اند. اختراع مواد مغناطیسی با کارایی بالا، موجب پیشی گرفتن قابلیت های عملکردی این موتور نسبت به موتورهای مرسوم دیگر شده است. با مجهز شدن به یک استراتژی کنترلی مناسب، محرک? pmsmها در بسیاری از کاربردهای ماشین های سرعت متغیر صنعتی، تجاری و خانگی برتری داشته اند. به طور کلی، این محرکه در کاربردهای صنعتی بسیار مناسب می باشد که دلیل این امر امتیازات زیاد این موتور از جمله: چگالی توان بالا، وزن کم و حجم کوچک، بازده بالا، ظرفیت تولید گشتاور بالا، میزان شتاب بالا و غیره می باشد. عمده ترین مشکل موتورهای مغناطیس دائم هزینه بالای مغناطیس های دائم استفاده شده در این موتورها است. با توجه به امتیازات ذکر شده برای محرکه های pmsm و کاربرد بیش تر این نوع موتورها، باید مدار کنترلی این محرکه ها نیز به صورت بهینه و مقرون به صرفه طراحی شود. دست یابی به یک ساختار مناسب و بهینه و یک روش کنترلی بهینه در این موتورها از اهمیت بالایی برخوردار است. همچنین، پارامترهای کنترلی اصلی در این محرکه ها از قبیل: سرعت، جریان و گشتاور باید به خوبی و مقاوم کنترل شوند. در این پایان نامه سه روش کنترلی پپیشنهاد شده است. اولین روش کنترلی بر مبنای کنترل برداری غیر مستقیم dc پیشرفته بر اساس جدول look upو با در نظر گرفتن محدودیت لازم برای جلوگیری از اشباع کنترل کننده جریان است. دومین روش کنترلی، کنترل برداری بدون سنسور بر مبنای تخمین گر سیستم تطبیقی مدل رفرنس (mras) با استفاده از مدولاسیون بردار فضایی به منظور پیشنهاد یک روش بهینه اقتصادی است و سومین روش پیشنهادی، روش کنترل جریان بر مبنای شکل دهنده انرژی بر پایه کنترل برداری موتورهای pmsm و به منظور عملکرد موتور در رنج وسیع سرعت متغیر و کنترل موتور در ناحیه گشتاور ثابت و توان ثابت می باشد که با روش کنترل جریان مرسوم به منظور ایجاد یک روش بهینه مقایسه شده است. ماشین های سنکرون مغناطیس دائم در حقیقت ماشین های مغناطیس دائم بدون جاروبک (pmbl) هستند که در حالت کلی، عموماً به ماشین های با نیروی ضدمحرکه سینوسی و ماشین های با نیروی ضدمحرکه ذوزنقه ای تقسیم بندی می شوند. هم چنین مطابق با استراتژی کنترلی به ماشین های جریان مستقیم بدون جاروبک (bldc) و ماشین های جریان متناوب بدون جاروبک (blac) یا همان pmsm تقسیم بندی می گردند. در ماشین های bldc شکل موج جریان فازها شبه مربعی و در ماشین های pmsm شکل موج جریان فازها سینوسی است. در حالت ایده آل به منظور افزایش چگالی گشتاور و کاهش ریپل گشتاور مطلوب است که ماشین bldc با شکل موج نیروی ضدمحرکه ذوزنقه ای و ماشین pmsm با نیروی ضدمحرکه سینوسی عمل کنند. جاروبک ها مهم ترین مشکل ماشین های dc معمولی هستند. اصطکاک بین کموتاتور و جاروبک باعث ساییده شدن و در نتیجه کاهش عمر و قابلیت اطمینان موتور می گردد. مشکل جدی دیگر این موتورها تلفات آن ها است. این تلفات که شامل تلفات آهنی و مسی است باعث ایجاد حرارت در روتور ماشین می گردد که باید به شکل مناسبی خنک کاری روی آن انجام گیرد. اگر بتوان آرایش موتور را به گونه ای تغییر داد که حرارت در استاتور بیرونی تولید گردد، حرارت به سادگی به خارج از موتور انتقال خواهد یافت و در نتیجه اندازه موتور کوچکتر خواهد شد. با حذف جاروبک ها نیز مشکل سایش کموتاتور و جاروبک ها حل خواهد شد. با غلبه بر این مشکلات، ماشین های سنکرون مغناطیس دائم پا به عرصه رقابت با دیگر ماشین های الکتریکی گذاشته اند. pmsmها با توجه به قابلیت های بسیار زیادی که دارند مورد توجه همه صنایع قرار گرفته اند به طوری که از بین محرکه های موجود به عنوان رقیب اصلی محرکه های القایی وارد رقابت برای به کارگیری در سیستم محرکه تجهیزات صنعتی شده اند. دلایل اصلی بکارگیری این محرکه ها استفاده از تحریک مغناطیس دائم بجای سیم پیچ های تحریک است که این محرکه ها را ذاتاً دارای بازده بالایی کرده است. از طرف دیگر، استفاده از مغناطیس های دائم باعث کاهش وزن و حجم روتور در رنج توان خروجی یکسان با دیگر موتورها شده و بنابراین موتور چگالی توان بالاتری خواهند داشت. همچنین تلفات مسی سیستم تحریک حذف شده و بازده افزایش پیدا کرده است. حرارت فقط در استاتور تولید می گردد و دفع آن راحت تر انجام می گیرد. همچنین بسیار به ندرت اتفاق می افتد که مغناطیس های دائم دارای عیب ساختمانی باشند و یا از نقص مکانیکی خسارت ببینند و این موضوع باعث افزایش قابلیت اطمینان این موتور نسبت به دیگر موتورها می شود. عمده ترین مشکل محرکه های مغناطیس دائم هزینه بالای مغناطیس های دائم استفاده شده در این موتورها است. با توجه به امتیازات ذکر شده برای محرکه های pmsm و کاربرد بیشتر این ها، باید مدار کنترلی این محرکه ها نیز بصورت بهینه و مقرون به صرفه طراحی شود. همچنین، پارامترهای کنترلی اصلی در این محرکه ها از قبیل: سرعت، جریان و گشتاور باید به خوبی و مقاوم کنترل شوند. برای به دست آوردن گشتاور ثابت در این محرکه ها، با فرض نیروی ضدمحرک? کاملاً سینوسی موتور، اغلب کنترل چرخش میدان (foc) با رفرنس های جریان ثابت در رفرنس فریم سنکرون استفاده شده است. اما در حالت کلی، برای رسیدن به پاسخ دینامیکی سریع برای گشتاور و عمکرد با کارایی بالای محرکه، معمولاً pmsmها با کنترل کننده های جریان و گشتاور با کارایی بالا استفاده می شوند. در این پایان نامه بیشتر تمرکز بر روی طراحی یک محرکه بهینه و مقرون به صرفه اقتصادی بری موتورpmsm گذاشته شده است. همچنین کنترل جریان و گشتاور موتور برای کاهش ریپل شکل موجهای خروجی موتور نیز کار خواهد شد. از آنجا که در روشهای ارائه شده در سالهای اخیر بعضی نواقص از جمله بالا بودن ریپل جریان و گشتاور، حساس بودن کنترلر به پارامترهای موتور، رنج محدود عملکرد سرعت موتور و ... دیده می شود به این دلیل سعی بر آن شده که کنترلر هایی که طراحی می شود تا حد امکان این نواقص و محدودیت ها را رفع کند. برای تائید عملکرد سیستم های پیشنهادی نیز در این پایان نامه از نرم افزار matlab و در صورت نیاز از سایر نرم افزارهای مهندسی برق برای شبیه سازی استفاده خواهد شد.