کتاب کنترل موتورهای الکتریکی

کتاب کنترل موتورهای الکتریکی

DC ، القایی ، PMSM و BLDC

پیشگفتار

بخش اصلی کتاب حاضر، ترجمه­ی کامل کتاب Electric motor control; DC, AC and BLDC نوشته­ی دکتر Sang Hoon Kim، چاپ سال 2017 انتشارات Elsevier است. با این وجود، به دلیل آنکه کتاب در برخی موضوعات نیازمند تکمیل و تشریح مطالبِ از قلم افتاده­ای بود، اولا دو فصل جدید (مقدمه و فصل 11) به کتاب افزوده شده و ثانیا در تمام فصول کتاب، مطالب و توضیحات اضافی در پاراگراف­های جداگانه­ای (بدون تغییر در جملات کتاب اصلی)، به فراخور موضوع به کتاب اضافه شده­اند. به عنوان مثال در فصل دوم «مطالبی در مورد انواع شنت، سری و کمپوند موتور DC اضافه شده، ماتریس معادلات حالت موتور DC برای تحلیل حالت گذرا گنجانده شده و …».

این کتاب یکی از کامل­ترین مراجع درایو موتورهای الکتریکی است. هدف اصلی کتاب آموزش اصول عملکرد و کنترل موتورهای الکتریکی شامل موتورهای DC، موتورهای القایی، موتورهای BLDC و PMSM، آن هم به ساده­ترین شکل ممکن و با شیوه­ای مبتنی بر تصاویر گویا و جذاب است. هر آنچه از اصول عملکرد موتورهای الکتریکی (از درس ماشین 1 تا درس تئوری جامع ماشین­های الکتریکی)، الکترونیک قدرت و کنترل خطی که برای فهم سیستم­های درایو به آن نیاز داشته باشید، همه و همه به ساده­ترین شکل ممکن در این کتاب بیان شده است.

ابتدا در فصل مقدمه در مورد اینکه درایو چیست و اجزای سیستم درایو چه هستند، صحبت می­کنیم. در فصل دوم به اصول کلی عملکرد ماشین­های الکتریکی (مدار مغناطیسی، اصول تبدیل انرژی و بار مکانیکی) اشاره می­کنیم. در فصل دوم به موتورهای DC می پردازیم، ابتدا اصول عملکرد و مدل ریاضی موتور DC را ارائه کرده و سپس با مرور مفصلی بر کنترل  خطی و طراحی کنترل­کننده­های PI، به درایو موتور DC با مدار پل H می­پردازیم. فصل سوم تا پنجم مربوط به درایو موتورهای AC شامل موتور القایی و موتور PMSM است. در فصل سوم ابتدا اصول عملکرد موتورهای AC را توضیح داده، مدل ریاضی حالت دائم موتور القایی را ارائه کرده و روش V/f ثابت برای درایو موتور القایی را تشریح می­کنیم. در فصل پنجم کنترل برداری موتورهای القایی و PMSM را به طور کامل توضیح می­دهیم. اما به این منظور قبل از آن، در فصل چهارم، ابتدا با توضیح تبدیلات قاب مرجع dq، معادلات دیفرانسیل کامل موتور القایی و PMSM را مطابق تئوری جامع ماشین­های الکتریکی ارائه می­کنیم. در فصل ششم انواع کنترل­کننده­ها مانند PI، هیسترزیس و … را بررسی می­کنیم. در فصل هفتم انواع روش­های مدولاسیون مانند PWM، SVM و … را توضیح می­دهیم. در فصل هشتم اصول تضعیف شار برای کارکرد سرعت بالای موتور را بررسی می­کنیم. در فصل نهم مروری بر انواع انکودرها و رزولورها و همچنین کنترل سنسورلس موتورهای AC خواهیم داشت. درفصل دهم اصول عملکرد موتورهای BLDC و کنترل آن­ها را توضیح می­دهیم. در نهایت در فصل یازدهم یک درایو نمونه­ی صنعتی را بررسی می­کنیم تا آموزه­های تئوری فصول قبل را در عمل و بر روی یک درایو تجاری و در قالب فانکشن­های درایو، بررسی کنیم.

محمد سعید مهدوی

فهرست مطالب کتاب کنترل موتورهای الکتریکی

فصل اول / اصول عملکرد موتورهای الکتریکی

1-1- اصول عملکرد موتورهای الکتریکی

1-1-1- ساختار موتورهای الکتریکی

1-1-2- اصول اولیه عملکرد موتورهای الکتریکی

1-2-1-1- موتور DC

2-2-1-1- موتور AC

2-1- الزامات تولید مداوم گشتاور [3]

1-2-1- انرژی مغناطیسی

2-2-1- دستگاه حرکت خطی

3-2-1- ماشین دوار

1-3-2-1- موتور جریان مستقیم

2-3-2-1 موتور سنکرون

3-3-2-1- موتور القایی

3-1- سیستم بار مکانیکی

1-3-1- معادله دینامیک حرکت

1-1-3-1 سیستم ترکیبی حرکت انتقالی و حرکت چرخشی

2-1-3-1 سیستم با چرخ دنده یا قرقره

2-3-1- حالت‌های عملکرد یک موتور الکتریکی (عملکرد چهار ربعی)

فصل دوم / کنترل موتورهای DC

1-2- ساختار موتور DC

2-2- مدلسازی موتورهای DC

1-2-2- معادله مدار آرمیچر

2-2-2- معادله back-EMF.

3-2-2-معادله گشتاور الکتریکی

4-2-2- سیستم بار مکانیکی

3-2- مشخصات حالت ماندگار موتور DC

1-3-2- کنترل ولتاژ آرمیچر

2-3-2- کنترل شار میدان.

3-3-2- نواحی عملکرد موتورهای DC

1-3-3-2- ناحیه گشتاور ثابت (سرعت از صفر تا سرعت پایه)

2-3-3-2- ناحیه توان ثابت یا ناحیه تضعیف میدان (سرعت بیشتر از سرعت پایه)

4-2- مشخصات پاسخ گذرای موتور DC

5-2- سیستم کنترل موتور

1-5-2- ساختار سیستم کنترل

2-5-2- انوع روش‌های کنترل

1-2-5-2- کنترل حلقه باز (بدون فیدبک)

2-2-5-2- کنترل حلقه بسته (فیدبک‌دار)

3-2-5-2- کنترل پیشخور

3-5-2- ملاحظات طراحی سیستم کنترل

1-3-5-2- پایداری

2-3-5-2- زمان پاسخ (سرعت پاسخ)

3-3-5-2- خطای حالت ماندگار

6-2- طراحی کنترل کننده جریان

1-6-2- کنترل کننده جریان مبتنی بر PI

1-1-6-2- انتخاب پهنای باند کنترل جریان

2-1-6-2- مراحل انتخاب ضرایب کنترل کننده جریان مبتنی بر PI

7-2- طراحی کنترل کننده سرعت

2-7-1- کنترل کننده سرعت مبتنی بر PI

1-1-7-2- انتخاب پهنای باند کنترل سرعت.

2-1-7-2- مشکل کنترل کننده سرعت PI

2-7-2- کنترل کننده انتگرالی تناسبی IP

8-2- مبدل الکترونیک قدرت درایو برای موتور DC

1-8-2- روش‌های کلیدزنی

1-1-8-2- روش‌های کلیدزنی دو قطبی

2-1-8-2- روش کلیدزنی تک قطبی

9-2- شبیه‌سازی درایو موتور DC در سیمولینک MATLAB

1-9-2- مدلسازی موتور DC

2-9-2- مدلسازی سیستم مکانیکی

3-9-2- مدلسازی کنترل کننده جریان PI

4-9-2- مدلسازی کنترل کننده سرعت PI

5-9-2- مدلسازی چاپر با عملکرد چهار ربعی

فصل سوم/ موتورهای AC : موتورهای القایی و PMSM

1-3- موتورهای القایی

1-1-3- ساختار موتورهای القایی

2-1-1-3- روتور

2-1-3- مبانی موتور القایی

1-2-1-3- میدان مغناطیسی گردان

3-1-3- مدار معادل حالت ماندگار موتور القایی

1-3-1-3- مدار استاتور

2-3-1-3- مدار روتور

4-1-3- مشخصات موتور القایی

1-4-1-3- جریان استاتور

2-4-1-3- ضریب توان ورودی

3-4-1-3- گشتاور خروجی

4-4-1-3- نقطه کار پایدار

5-4-1-3- بازده

5-1-3- مدهای کاری موتور القایی

6-1-3- اثر مقاومت روتور

1-6-1-3- انواع طراحی موتور القایی

7-1-3- تعیین پارامترهای مدار معادل

1-7-1-3- اندازه گیری مقاومت استاتور

2-7-1-3- آزمایش بی باری

3-7-1-3- آزمایش روتور قفل.

8-1-3- کنترل سرعت موتور القایی

1-8-1-3- کنترل لغزش

2-8-1-3- کنترل سرعت سنکرون

3-8-1-3- کنترل سرعت حلقه بسته با تنظیم فرکانس لغزش به روش کنترل V/f ثابت

9-1-3- نواحی کاری موتور القایی

1-9-1-3- ناحیه گشتاور ثابت

2-9-1-3- ناحیه توان ثابت

3-9-1-3- ناحیه گشتاور شکست

2-3- موتورهای سنکرون

1-2-3- موتورهای سنکرون با روتور استوانه‌ای

1-1-2-3- گشتاور موتور سنکرون با روتور استوانه‌ای

2-2-3- موتورهای سنکرون با روتور قطب برجسته

1-2-2-3- گشتاور موتور سنکرون با قطب برجسته

3-2-3- راه اندازی موتورهای سنکرون

فصل چهارم / مدلسازی موتورهای AC و تئوری قاب مرجع

1-4- مدلسازی موتور القایی

1-1-4- سیم پیچ‌های استاتور

4-1-2- سیم پیچ‌های روتور

3-1-4- اندوکتانس متقابل استاتور و روتور

2-4- مدلسازی موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM)

1-2-4- ساختار موتورهای سنکرون مغناطیس دائم

1-1-2-4- ساختار استاتور

2-1-2-4- ساختار روتور

2-2-4- مدل موتورهای PMSM

3-4- تبدیل قاب مرجع

1-3-4- انواع قاب مرجع dq

2-3-4- فرم ماتریسی تبدیل قاب مرجع

1-2-3-4- تبدیل متغیرهای abc به dqn در قاب مرجع ساکن

2-2-3-4- تبدیل بین قاب‌های مرجع

3-3-4- تبدیل قاب مرجع توسط بردار مختلط.

4-4- مدل موتور القایی در قاب dq

1-4-4- معادلات ولتاژ در قاب dq

2-4-4- معادلات شار پیوندی در قاب dq

3-4-4- معادله گشتاور در قاب dq

5-4- مدل موتور PMSM در قاب dq

1-5-4- معادلات ولتاژ در قاب dq

2-5-4- معادلات شار پیوندی در قابdq

3-5-4- معادله گشتاور در قاب dq

فصل پنجم / کنترل برداری موتورهای القایی و PMSM

1-5- شرایط کنترل گشتاور لحظه‌ای موتورها

2-5- کنترل برداری موتور القایی

1-2-5- کنترل گشتاور لحظه‌ای موتور القایی

1-1-2-5 اطلاعات مهم برای کنترل برداری: زاویه شار θ

2-2-5 کنترل برداری مستقیم مبتنی بر شار روتور

1-2-2-5 رابطه بین جریان محور d استاتور و شار پیوندی روتور

2-2-2-5 رابطه بین جریان محور q استاتور و گشتاور خروجی

3-2-5- کنترل برداری غیرمستقیم بر اساس شار روتور

4-2-5- جداسازی در کنترل برداری غیرمستقیم

3-5- تخمین شار یک موتور القایی

1-3-5- تخمین شار پیوندی روتور بر اساس معادلات ولتاژ استاتور: مدل ولتاژی

2-3-5- تخمین شار پیوندی روتور بر اساس معادلات ولتاژ روتور: مدل جریانی

3-3-5- روش تخمین شار ترکیبی

4-5- کنترل کننده شار موتورهای القایی

1-4-5-  کنترل کننده شار تناسبی انتگرالی (PI)

5-5- کنترل برداری موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM)

1-5-5- کنترل برداری PMSM با آهنربای نصب سطحی (SPMSM)

2-5-5- کنترل برداری PMSM با آهنربای داخلی (IPMSM)

فصل ششم / کنترل کننده‌های جریان موتورهای AC

1-6- کنترل کننده هیسترزیس.

2-6- کنترل کننده جریان مقایسه‌گر شیب

3-6- کنترل کننده جریان قاب dq

6-3-1- کنترل کننده جریان dq در قاب مرجع ساکن

6-3-2- کنترل کننده جریان dq در قاب مرجع سنکرون

3-3-6- تعیین ضرایب کنترل کننده PI در قاب مرجع سنکرون

1-3-3-6- ضرایب تناسبی و انتگرالی برای موتور القایی

2-3-3-6- ضرایب تناسبی و انتگرالی برای PMSM

4-6-کنترل پیشخور

6-4-1- کنترل پیشخور برای موتور القایی

6-4-2- کنترل پیشخور برای PMSM

5-6- کنترل جریان بردار مختلط.

فصل هفتم/ اینورترهای PWM

1-7- اینورترها

7-1-1- ساختار مدار پایه برای اینورترهای منبع ولتاژ

1-1-1-7- ولتاژ خروجی مدار پایه

7-1-2- اینورتر نیم پل تکفاز

7-1-3- اینورتر تمام پل تکفاز

7-1-4- اینورتر موج مربعی سه فاز (اینورتر شش مرحله ای)

7-1-5- مدلسازی اینورتر سه فاز با توابع کلیدزنی

2-7- اینورترهای PWM

7-2-1- روش PWM برنامه نویسی شده

7-2-2- روش PWM سینوسی

7-2-3- روش PWM با تزریق هارمونیک سوم

7-2-4- روش PWM بردار فضایی (SVPWM یا SVM)

1-4-2-7- مبانی SVM

2-4-2-7- روش SVM متقارن.

3-7- روش PWM ناپیوسته

7-3-1- روش PWM ناپیوسته 60 درجه

7-3-2- روش PWM ناپیوسته 60 درجه (30± درجه)

7-3-3- روش PWM ناپیوسته 120± درجه

7-3-4- روش PWM ناپیوسته 30 درجه

4-7- روش PWM مبتنی بر ولتاژ آفست

7-4-1- پیاده سازی روش SVPWM مبتنی بر ولتاژ آفست

5-7- فوق مدولاسیون

7-5-1- روش فوق مدولاسیون دینامیکی

1-1-5-7- روش PWM با کمترین خطای فاز

2-1-5-7- روش PWM با کمترین خطای دامنه.

3-1-5-7- روش فوق مدولاسیون با در نظر گرفتن جهت جریان

7-5-2- روش‌های فوق مدولاسیون حالت ماندگار

1-2-5-7- حالت اول فوق مدولاسیون ()

2-2-5-7- حالت دوم فوق مدولاسیون  ()

6-7- زمان مرده.

7-6-1- اثر زمان مرده

7-6-2-  مقایسه زمان مرده

1-2-6-7- جریان مثبت ()

2-2-6-7- جریان منفی ()

7-7- اندازه‌ گیری جریان

فصل هشتم / عملکرد سرعت بالای موتورهای AC

1-8- کنترل تضعیف شار برای موتور القایی

8-1-1- روش کنترل تضعیف شار کلاسیک

8-1-2- شرایط محدوده ولتاژ و جریان

1-2-1-8- شرط محدوده ولتاژ

2-2-1-8-  شرایط محدوده جریان

8-1-3- کنترل تضعیف میدان جهت استحصال بیشینه گشتاور

1-3-1-8-  ناحیه گشتاور ثابت ()

2-3-1-8-  ناحیهی توان ثابت () ناحیه تضعیف شار اول

3-3-1-8- ناحیه شکست گشتاور () ناحیه تضعیف شار دوم

2-8- کنترل تضعیف شار برای PMSM

8-2-1- عملکرد سرعت بالای IPMSM

1-1-2-8- ناحیه گشتاور ثابت ()

2-1-2-8-  ناحیه توان ثابت ()

8-2-2-  عملکرد سرعت بالای SPMSM

1-2-2-8- ناحیه توان ثابت ()

فصل نهم / تخمین سرعت و کنترل بدون سنسور موتورهای AC

1-9- سنسورهای موقعیت

9-1-1- رزولور

1-1-1-9- اصول عملکرد انکودرهای افزایشی نوری

2-9- تخمین سرعت با انکودر افزایشی

9-2-1- روش M

9-2-2- روش T

9-2-3- روش M/T

3-9- کنترل بدون سنسور موتورهای AC

9-3-1- انواع کنترل بدون سنسور

1-1-3-9- کنترل بدون سنسور با استفاده از مدل موتور

2-1-3-9- کنترل بدون سنسور با استفاده از مشخصات موتور

فصل دهم / موتورهای BLDC

1-10- ساختار موتورهای BLDC

10-1-1- مقایسه موتورهای DC و BLDC

10-1-2- مقایسه موتور BLDC با PMSM

10-1-3- ساختار موتور BLDC

2-10- اصول درایو موتورهای BLDC

3-10- مدلسازی موتورهای BLDC

10-3-1- معادلات ولتاژ

10-3-2- معادلات گشتاور

1-2-3-10- ریپل گشتاور در هنگام کموتاسیون

4-10- کنترل موتور BLDC

10-4-1- کنترل سرعت

10-4-2- کنترل جریان

5-10- روش‌های کلیدزنی PWM

10-5-1- روش کلیدزنی دوقطبی

10-5-2- روش کلیدزنی تکقطبی

6-10- کنترل بدون سنسور موتور BLDC

10-6-1- کنترل بدون سنسور موتور BLDC بر اساس back-EMF

فصل یازدهم / بررسی یک درایو صنعتی نمونه

1-11- ورودی-خروجی‌های درایو نمونه.

2-11- تنظیمات درایو نمونه

11-2-1- تنظیم فانکشن‌ها در درایو نمونه

1-1-2-11- فانکشن‌های گروه Drive

2-1-2-11- فانکشن‌های گروه F

3-1-2-11- فانکشن‌های گروه H

11-2-2- روش وارد کردن تنظیمات در درایو نمونه