BEMF Back Electromotive Force
ΔB Reversal Flux Density
B_m Maximum Flux Density
syf Stator Yoke Flux
spf Stator Pole Flux
ryf Rotor Yoke Flux
rpf Rotor Pole Flux
فصل اول:
پیشگفتار
در فصل اول مقدمه ای بر اهمیت موضوع این تحقیق ارائه شده و به تحقیقات پیشین و اهداف اصلی این تحقیق اشاره گردیده است. در این فصل، قابلیت‌های موتور سوئیچ رلوکتانس و مزایا و معایب آن و همچنین عواملی که باعث انتخاب این موتور به عنوان موضوع مورد مطالعه شده اند، شرح داده خواهد شد. نیازهای یک سیستم محرکه الکتریکی خودرو و مشخصات ضروری موتور الکتریکی بکار رفته در آن بیان خواهد گردید. سپس توضیح داده خواهد شد که چگونه موتور سوئیچ رلوکتانس با بهره گرفتن از روش جریان پیوسته می تواند به عنوان کاندیدای مناسبی برای سیستم محرکه الکتریکی خودروهای برقی و ترکیبی انتخاب شود. طراحی و توسعه کنترل کننده ای که بتواند موتور سوئیچ رلوکتانس را در حالت جریان پیوسته کنترل کند ضروری به نظر می رسد. لذا در ادامه دلایل انتخاب کنترل کننده پیشنهادی شرح داده شده است. همچنین با توجه به محدودیت منابع انرژی در خودروهای برقی و اهمیت راندمان و کاهش تلفات و بهینه سازی عملکرد موتور الکتریکی در این نوع از خودروها، در مورد بهبود عملکرد موتور توضیحاتی ارائه شده است. در ادامه به تحقیقات موجود در این زمینه و نتایج آن اشاره شده و در پایان، اهداف این پایان نامه تبیین گردیده اند.

• • 1. 1. مقدمه

     

     

موتور سوئیچ رلوکتانس دارای مزایایی همچون سادگی و استحکام ساختار موتور، هزینه پائین تولید و نگهداری، خنک کنندگی آسان، قابلیت اطمینان بالا و مقاوم بودن موتور در مقابل خطا، و راندمان بالاتر نسبت به موتورهای القایی است. در مقایسه با موتورهای مغناطیس دائم، موتور سوئیچ رلوکتانس از راندمان کمتری برخوردار است، لیکن عدم نیاز به مواد مغناطیس دائم در ساخت موتور سوئیچ رلوکتانس مزیت مهمی بشمار می رود. زیرا که مواد مغناطیس دائم هزینه ساخت را افزایش می دهند و در طبیعت نیز کمیاب بوده و در انحصار کشورهای محدودی است. علاوه بر آن، در شرایط کاری سخت و دماهای بالا مواد مغناطیس دائم خاصیت مغناطیسی خود را به مرور زمان از دست می دهند. اگرچه از زمان ساخت اولین موتور سوئیچ رلوکتانس بیش از ۱۵۰ سال می گذرد، لیکن به علت فقدان کلید نیمه هادی سریع در گذشته، درایو موتور سوئیچ رلوکتانس در آن زمان توسعه چندانی نیافت. توسعه صنعت الکترونیک و ساخت کلید های قدرت سریع، ارزان قیمت و کنترل کننده های دیجیتال با کیفیت بالا در دهه های اخیر توجه محققان را به تکمیل درایوهای SRM^[1] معطوف نمود. اخیراً موتور سوئیچ رلوکتانس در کاربردهای مختلف سرعت متغیر مانند سیستم محرکه الکتریکی خودروهای برقی و ترکیبی مورد توجه محققان قرار گرفته است ]۱-۵[. علاوه بر مزایای مذکور در مورد موتور سوئیچ رلوکتانس، این موتور دارای ویژگی ارزشمندی است که در کاربرد هایی همچون سیستم محرکه الکتریکی خودرو آن را متمایز می کند. این ویژگی، قابلیت افزایش ناحیه توان ثابت موتور در سرعتهای بالا بدون تغییر در ساختار سیم پیچ ها و فقط با بهره گرفتن از روش های کنترلی است.
در سالهای اخیر به علت اهمیت مصرف انرژی و همچنین مسائل زیست محیطی و افزایش آلاینده ها در جوامع شهری که خودروها نقش مهمی در آن دارند، توسعه خودروهای برقی و ترکیبی شدیداَ مورد توجه کارخانجات تولید خودرو قرار گرفته است. در این میان، انتخاب بهترین موتور الکتریکی برای سیستم محرکه الکتریکی خودرو همچنان یک چالش محسوب می شود. لیکن موتور سوئیچ رلوکتانس با همه مزایا و معایبی که دارد همواره یکی از کاندیداهای اصلی این کارخانجات است.
سیستم های محرکه الکتریکی خودروهای برقی و ترکیبی به گشتاور بالا در سرعت های پائین نیاز دارند . علاوه بر آن، به منظور کاهش جریان نامی مبدل و منبع تغذیه، گشتاور مشخصه (نسبت گشتاور به جریان) بالا از خصوصیات لازم دیگر یک موتور الکتریکی در خودرو برقی است. گشتاور مشخصه بالا هزینه های درایو را نیز کاهش می دهد. گشتاور مشخصه بالا می تواند با تخصیص تعداد دور بالاتر سیم پیچ هر فاز موتور محقق شود. از طرف دیگر، یک موتور الکتریکی مناسب برای خودرو برقی باید دارای یک ناحیه توان ثابت وسیع باشد. در مرجع] ۶ [مشخصه گشتاور بر حسب سرعت بهینه سیستم محرکه الکتریکی خودروهای برقی بررسی شده است. این مطالعه مشخص می کند که محدودیت های عملکرد خودرو مانند شتاب اولیه می تواند توسط موتوری با حداقل توان برآورده شود، اگر موتور در اکثر مواقع در ناحیه توان ثابت کار کند. جدول ۱-۱ به عنوان نمونه نشان می دهد که اگر ناحیه توان ثابت توسعه یابد، توان نامی مورد نیاز موتور الکتریکی خودرو برای دستیابی به پارامترهای ثابت و مشخصی همچون شتاب و سرعت بیشینه خودرو چگونه کاهش می یابد.
مطابق جدول ۱-۱ اگر نسبت سرعت ناحیه توان ثابت به سرعت پایه برابر ۶ باشد توان نامی مورد نیاز موتور تقریباً نصف حالتی است که نسبت مذکور برابر با یک باشد] ۶[. بنابراین، ناحیه توان ثابت نقش مهمی در انتخاب توان نامی موتور الکتریکی محرکه خودرو برقی و ترکیبی دارد .
جدول ۱-۱- توان نامی مورد نیاز موتور الکتریکی خودرو بر حسب نسبت حداکثر سرعت ناحیه توان ثابت به سرعت پایه] ۶[

به طور کلی در موتورهای مغناطیس دائم، ناحیه توان ثابت محدود است. موتورهای جریان مستقیم نیز به خاطر وجود جاروبک گزینه مناسبی جهت استفاده در خودرو نیستند. موتورهای القایی اگرچه مشکل هزینه نگهداری موتورهای جریان مستقیم را ندارند، لیکن توسعه ناحیه توان ثابت در آنها امکان پذیر نیست.
ناحیه توان ثابت وسیع در یک موتور سوئیچ رلوکتانس می تواند با کاهش تعداد دور سیم پیچ محقق شود که این امر با دستیابی به گشتاور مشخصه بالا در تضاد است. در واقع با تخصیص تعداد دور سیم پیچ بیشتر به منظور حصول گشتاور مشخصه بالاتر، نیروی ضد محرکه بزرگتری به وجود خواهد آمد و نیروی ضد محرکه بزرگتر مقدار بیشینه جریان و به تبع آن گشتاور الکترومغناطیسی را کاهش می دهد. به عبارت دیگر وجود تعداد دور سیم پیچ بیشتر در هر فاز باعث می شود که با افزایش سرعت گشتاور الکترومغناطیسی کاهش شدیدتری داشته باشد . بنابراین ناحیه توان ثابت در موتورهای با تعداد دور سیم پیچ بالاتر کوچکتر و محدودتر است. این مسئله طراحان موتورهای سوئیچ رلوکتانس را مجبور می کند که بین مقدار گشتاور مشخصه و ناحیه توان ثابت موتور در کاربردهایی که هر دو پارامتر به طور همزمان مورد توجه است مصالحه ای ایجاد نمایند. بنابراین، چنانچه بتوان در طراحی ماشین تعداد دور سیم پیچ را به اندازه ای انتخاب نمود که گشتاور مشخصه مطلوب حاصل گردد و در عین حال با بهره گرفتن از روش های کنترلی، ناحیه توان ثابت را به اندازه کافی توسعه داد، موتور الکتریکی و درایو آن جهت کار در خودرو برقی بسیار مناسب خواهند بود.
اخیراً روش جریان پیوسته جهت توسعه ناحیه توان ثابت موتور سوئیچ رلوکتانس ارائه شده است. با بهره گرفتن از روش جریان پیوسته که از طریق کنترل زاویه هدایت امکان پذیر است، ناحیه توان ثابت می تواند بدون کاهش تعداد دور سیم پیچ موتور و گشتاور مشخصه توسعه یابد. ایده اصلی روش جریان پیوسته افزایش زاویه هدایت به بیش از ۵۰ درصد یک سیکل الکتریکی است. این مسئله مانع از کاهش جریان تا مقدار صفر در هر سیکل الکتریکی می گردد و جریان را قادر می سازد که بتواند در سرعت های بالا نیز افزایش یابد. بنابراین مقدار موثر جریان و به تبع آن گشتاور الکترومغناطیسی و توان خروجی در سرعت های بالا افزایش خواهد یافت.
از آنجا که این روش عملاً در چند سال اخیر استفاده شده است، تحقیقات چندانی بر روی آن انجام نشده و مقالات منتشر شده در این زمینه بسیار محدودند. در مرجع] ۷[ تأثیر جریان پیوسته بر ناحیه توان ثابت موتور سوئیچ رلوکتانس بررسی شده است. در این تحقیق نشان داده شده که در صورت عدم وجود تلفات در موتور، ناحیه توان ثابت موتور سوئیچ رلوکتانس می تواند به شکل نامحدود توسعه یابد. همچنین زاویه روشن شدن بهینه جهت دستیابی به حداکثر توان خروجی با بهره گرفتن از مدل تقریبی خطی اندوکتانس و صرف نظر کردن از کلیه تلفات محاسبه شده است .
در مرجع ]۸[ عملکرد چهار موتور سوئیچ رلوکتانس دو فاز، سه فاز، چهار فاز، و شش فاز تحت شرایط جریان پیوسته توضیح داده شده است. در مرجع ]۹[ تأثیر جریان مرجع تنظیم کننده جریان و همچنین تأثیر زاویه هدایت بر توان خروجی و پاسخ دینامیکی موتور ارائه گردیده است. در این مقاله نیز از مدل تقریبی خطی اندوکتانس استفاده شده است. در مرجع ]۱۰[ عملکرد یک موتور ۸/۱۲ در شرایط جریان پیوسته شبیه سازی شده است و مقادیر توان خروجی و گشتاور در ناحیه جریان پیوسته مورد مطالعه قرار گرفته است. عملکرد یک ژنراتور سوئیچ رلوکتانس در ناحیه توان ثابت توسعه یافته به روش جریان پیوسته در مرجع ]۱۱[ توضیح داده شده است. همچنین نویسندگان این مقاله در تحقیق دیگری ]۱۲[ یک موتور سوئیچ رلوکتانس به منظور استفاده در یک خودروی ترکیبی طراحی نموده و با بهره گرفتن از روش جریان پیوسته ناحیه توان ثابت موتور را توسعه داده اند. در این مقاله پنج موتور سوئیچ رلوکتانس ۱۶/۲۴ با تعداد دور سیم پیچهای ۵۳، ۶۰، ۶۳، ۶۸، و ۷۰ دور در هر سیم پیچ بررسی شده اند. در مرجع ]۱۳[ یک موتور سوئیچ رلوکتانس ۵۰ کیلو وات در یک خودروی ترکیبی استفاده گردیده و روش جریان پیوسته اعمال شده است .
اگرچه در تحقیقات قبلی روش جریان پیوسته ارائه شده و در عمل مورد استفاده قرار گرفته است، لیکن اصول کار روش جریان پیوسته با توجه به تغییرات نیروی ضد محرکه مورد مطالعه قرار نگرفته است. همچنین روش مشخصی جهت تعیین تلفات هسته موتور در ناحیه جریان پیوسته تا کنون پیشنهاد داده نشده است. به همین دلیل گزارشی در مورد عملکرد بهینه موتور در حالت جریان پیوسته منتشر نشده است. در حالی که کاهش تلفات و بهبود عملکرد موتور الکتریکی در خودرو برقی با توجه به محدودیت منابع انرژی در خودرو از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین، از آنجا که موتور سوئیچ رلوکتانس دارای ساختار غیر خطی بوده و کنترل آن در محدوده وسیعی از سرعت پیچیده است و این پیچیدگی در ناحیه جریان ثابت دو چندان می شود، لذا تنها کنترل کننده ای که تا کنون جهت کنترل موتور در حالت عملکرد جریان پیوسته ارائه شده است، کنترل کننده مبتنی بر روش جستجوی جدولی است ] ۱۴ و ۱۵.[ در روش مذکور، زاویه روشن شدن فازها، زاویه هدایت و مقدار موثر جریان در یک جدول ذخیره شده اند. این جدول با بهره گرفتن از شبیه سازی موتور ایجاد گردیده است. به منظور جبران خطا های مدلسازی و شبیه سازی که در ایجاد جدول به وجود آمده اند، زاویه هدایت در حین کنترل باز تنظیم می شود. بنابراین کنترل کننده مبتنی بر روش جستجوی جدول به مدل دقیق موتور نیازمند است و با تغییر موتور و یا پارامترهای آن نیاز به تشکیل درباره جدول جدید است. بنابراین طراحی و پیاده سازی کنترل کننده ای برای محدوده وسیعی از سرعت که شامل ناحیه عملکرد جریان پیوسته نیز باشد به تحقیقات بیشتری نیاز دارد. از طرف دیگر،کنترل زاویه هدایت در حالت جریان پیوسته بسیار حساس بوده و کنترل کننده باید زاویه هدایت را به دقت کنترل کند.
با توجه به توضیحات ارائه شده در مورد تحقیقاتی که تاکنون انجام شده است و اهمیت دستیابی به عملکرد بهینه موتورهای الکتریکی در خودروهای برقی و ترکیبی، هدف اصلی این رساله بهبود عملکرد موتور سوئیچ رلوکتانس در ناحیه توان ثابت توسعه یافته است. بدین منظور لازم است که ابتدا عملکرد موتور سوئیچ رلوکتانس در حالت عملکرد جریان پیوسته دقیقتر بررسی گردد به نحوی که از مدل غیر خطی موتور که دارای دقت بیشتری است به جای مدل تقریبی خطی اندوکتانس استفاده شود و تغییرات جریان، شار، اندوکتانس، و نیروی ضد محرکه در این حالت عملکرد شبیه سازی شود. همچنین به منظور بهبود عملکرد موتور لازم است که راندمان موتور در شرایط کاری مختلف قابل محاسبه باشد و این خود مستلزم محاسبه تلفات هسته است. محاسبه تلفات هسته در موتور سوئیچ رلوکتانس به علت وجود شارهای غیر سینوسی و دارای اعوجاج فرایند پیچیده ایست که روش های مختلفی برای محاسبه آن در حالت عملکرد جریان ناپیوسته ارائه شده است. از آنجا که تاکنون روشی جهت محاسبه تلفات هسته موتور سوئیچ رلوکتانس در حالت عملکرد جریان پیوسته منتشر نشده، لازم است که روشی برای محاسبه آن پیشنهاد گردد. لازم به ذکر است که به خاطر ماهیت غیر خطی موتور سوئیچ رلوکتانس، بهینه سازی عملکرد آن با بهره گرفتن از روش های تحلیلی و معادلات موتور امکان پذیر نمی باشد. لذا یافتن نقطه کار بهینه باید با بهره گرفتن از آنالیز عملکرد موتور در شرایط کار مختلف بدست آید. پس از دستیابی به نقطه کار بهینه، هدف اصلی هنگامی محقق خواهد شد که کنترل کننده ای طراحی شود که بتواند موتور را در شرایط کار بهینه درایو نماید. با توجه به ماهیت غیر خطی موتور سوئیچ رلوکتانس و نیاز به کنترل موتور در محدوده وسیع سرعت، کنترل کننده فازی گزینه مناسبی خواهد بود.