کنترل دور موتور القایی با مدولاسیون pwm در سیمولینک متلب - انجام پروژه متلب |پروژه متلب | انجام پروژه متلب برق | شبیه سازی با متلب

کنترل دور موتور القایی با مدولاسیون pwm در سیمولینک متلب

کنترل دور موتور القایی با مدولاسیون pwm در سیمولینک متلب : پروژه متلب

پروژه متلب  یک موتور القایی یا موتور آسنکرون (غیر هم­زمان) یک موتور الکتریکی جریان متناوب (AC) است که در آن جریان الکتریکی روتور (بخش متحرک) که برای تولید گشتاور مورد نیاز است از طریق القای الکترومغناطیسی از سوی میدان مغناطیسی سیم پیچ استاتور به دست می آید. موتورهای القایی از پرکاربردترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی به کار گرفته می‌شوند.

موتور های القایی یا آسنکرون را در واقع ترانسفورماتور گردان هم می نامند دلیل این مقایسه شباهت زیاد کار این الکتروموتور با ترانسفورماتور است که هر دو بر اساس القا کار می کنند و با تفاوت که روتور در ان اتصال کوتاه شده و سبب چرخش روتور می شود.

طراحی ساده و عملکرد پایدار، بهای ارزان، هزینه نگهداری کم و اتصال آسان و کامل به یک منبع برق AC (تک‌فاز و سه‌فاز) برتری‌های بنیادی موتورهای القایی هستند. انواع گوناگونی از موتورهای القایی برای کاربردهای گوناگون در بازار هست. با اینکه طراحی موتورهای القایی آسانتر از موتورهای DC است، کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی نیازمند درک ژرفتر از عملکرد و طراحی و ساخت این نوع موتورهاست.

یک موتور الکتریکی در روتور خود انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. برای تأمین توان مورد نیاز روتور راه‌های مختلفی وجود دارد. در موتور DC توان آرمیچر مستقیماً به وسیله یک منبع جریان مستقیم تأمین می‌شود، در حالی که در موتور القایی این توان از استاتور در روتور القا می‌شود. موتورهای القایی را به علت شباهت زیاد به ترانسفورماتور، ترانسفورماتور دوار نیز می‌نامند چرا که استاتور این موتورها از نظر عملکرد شباهت زیادی به سیم‌پیچ اولیه و روتور آن‌ها به سیم‌پیچ ثانویه ترانس دارد. از موتورهای القایی به ویژه موتورهای القایی سه‌فاز به‌طور گسترده‌ای در صنعت استفاده می‌شود.

قدرت بالا، ساختار ساده و بی‌نیاز بودن از جاروبکها (که به تعمیر و نگه‌داری زیادی نیاز دارند) و قابلیت بالای موتورهای القایی برای کنترل سرعت از جمله دلایل استفاده از آنهاست.

پروژه متلب بزرگترین تفاوت موتور القایی و موتور سنکرون این است که در موتور سنکرون جریان روتور به‌طور مستقیم از یک منبع خارجی تأمین می‌شود. این جریان در روتور میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد و به دلیل اثر متقابل میدان‌های استاتور و روتور، روتور در جهت میدان دوار استاتور خواهد چرخید.

از طرفی در اثر القای جریان در روتور، اختلافی بین سرعت میدان دوار و سرعت گردش روتور به وجود می‌آید، چرا که در غیر این صورت روتور نسبت به میدان دوار امکان حرکت نداشته، هادی‌های روتور شار میدان تولید شده استاتور را قطع نکرده و در نتیجه ولتاژی در روتور القا نخواهد شد. این اختلاف سرعت بین سرعت میدان دوار و سرعت حرکت روتور در اصطلاح لغزش (Slip) نامیده می‌شود. لغزش یک مؤلفه بدون واحد است. از آنجا که در موتورهای القایی اختلاف سرعت شرط و ضرورت عملکرد آنهاست به این موتورهای موتورهای غیرهمزمان یا آسنکرون می‌گویند.

مانند همه موتورها، موتور القایی نیز از یک قسمت ایستا به نام استاتور (بدنه موتور) و یک محور گردان که درون استاتور می‌چرخد و روتور نام دارد، تشکیل شده‌است. میان استاتور و روتور فاصله ای اندک و یکنواخت است. موتورهای سه‌فاز (سنکرون و القایی) تنها نوعی از موتورها هستند که در آنها به‌طور ذاتی یک میدان مغناطیسی چرخنده از سوی استاتور (به دلیل تغذیه سه‌فاز آن و نیز موقعیت سیم پیچِ فازها نسبت به هم) ساخته می‌شود. این در حالی است که موتورهای DC به عاملی الکتریکی (یا مکانیکی) برای تشکیل این میدان چرخنده نیاز دارند. البته موتور القایی تک‌فاز نیز نیازمند عاملی بیرونی برای پدیدآوردن این میدان مغناطیسی چرخشی است. ویژگی جالب و مهم موتورهایی که با برق سه‌فاز تغذیه می‌شوند این است که به دلیل ماهیت جریان‌های سه‌فاز (که هر کدام با دیگری ۱۲۰ درجه اختلاف فاز دارد) و نیز نحوه قرار گرفتن سیم پیچ‌های استاتور (سیم پیچ هر فاز با دیگری، ۱۲۰ درجه اختلاف مکانی دارد)، میدان الکترومغناطیسی حاصل از آنها در استاتور به چرخش در می‌آید. در موتور القایی، این میدان مغناطیسی چرخنده، در (هادی‌های) روتور جریان القاء می‌کند (مانند ترانسفورماتورها). در اثر برهمکنش میدان مغناطیسیِ این جریان القاء شده در روتور و میدان مغناطیسی چرخنده استاتور، روتور نیز به چرخش واداشته می‌شود (بر اساس قانون لنز).

استاتور: استاتور موتورهای القایی از قطب‌های سیم‌پیچی شده‌ای تشکیل شده که با گذر جریان از آنها و تولید میدان مغناطیسی، در روتور ولتاژ القا می‌کنند. استاتور از چندین نواره باریک آلومینیوم یا آهن سبک ساخته شده‌است. این نواره‌ها به صورت یک استوانه تهی به هم منگنه و سخت شده‌اند (هسته ایستان). سیم پیچهایی از سیم روکش دار در این شیارها جاسازی شده‌اند. هر گروه پیچه با هسته‌ای که آن را فرا گرفته یک آهنربای مغناطیسی (با دو پل) می‌سازد. تعداد قطبهای یک موتور القایی به اتصال درونی پیچه‌های ایستان بستگی دارد. پیچه‌های استاتور مستقیماً به منبع انرژی متصلند. آن‌ها به گونه‌ای در استاتور قرار گرفته‌اند که با اِعمال تغذیه سه‌فاز، یک میدان مغناطیسی چرخنده در استاتور تولید می‌شود. تعداد قطب‌ها با توجه به سرعت و گشتاور مورد نیاز می‌تواند مختلف باشد ولی تعداد آنها همواره یک عدد زوج است.

روتور: روتور از چندین بخش جدای باریک فولادی که میانشان میله‌هایی از مس یا آلومینیوم پیش‌بینی شده ساخته شده‌است. روتور موتورهای القایی به دو صورت است:

• روتور قفس‌سنجابی
• روتور سیم‌پیچی‌شده

پروژه متلب در رایج‌ترین نوع روتور (روتور قفس‌سنجابی) این میله‌ها در پایانه خود به صورت الکتریکی و مکانیکی از سوی حلقه‌هایی به هم بسته شده‌اند. کمابیش ۹۰ درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس‌سنجابی می‌باشند و این به خاطر آن است که این نوع روتور ساختاری پایدار و ساده دارد. این روتور از هسته‌ای چند تکه استوانه‌ای با اهرمی که شکافهای همراستا برای جادادن رساناها درون آن دارد پدید آمده‌است. هر شکاف یک میله مسی یا آلومینیومی یا آلیاژی را در بر می‌گیرد. این میله‌ها با زنجیره‌های پایانی آن‌ها عمداً اتصال کوتاه می‌شوند. چون این ساختار درست مانند قفس سنجاب است، این نام برای آن گذاشته شده‌است. میله‌های گردان دقیقاً با محور موازی نیستند، به جای آن به دو دلیل مهم، کمی اریب کار گذاشته می‌شوند؛

1. موتور بدون صدا کارکرده و نیز از هارمونیک‌های شکاف کاسته شود.
2. گرایش روتور به چفت شدن (Hang) کمتر شود. دندانه‌های روتور به دلیل جذب مغناطیسی می‌کوشند که در برابر دندانه‌های استاتور باقی بمانند. این اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که شمار دندانه‌های روتور و استاتور برابر باشند.

روتور از سوی مهارهایی (بوشن، یاتاقان) در دو سر محور سوار شده، یک سر محور برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته می‌شود. ممکن است بعضی موتورها محوری فرعی در دیگر سو (غیر گردنده – غیر فرستنده نیرو) برای نصب حسگرهای (سنسور) موقعیت و سرعت داشته باشند. بین استاتور و روتور شکافی هوایی موجود است. بعلت القا، توان از استاتور به روتور برده می‌شود. گشتاور پدید آمده، روتور را می چرخاند.

به دلیل مزایای زیاد روتورهای قفسی از جمله سادگی، هزینه کمتر، نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری و… رایج‌ترین روتورها در موتورهای القایی روتورهای قفسی هستند. این روتورها از میله‌هایی از جنس مس یا آلومینیوم تشکیل شده‌اند که یه صورت یک استوانه به همدیگر متصل شده‌اند و در دو طرف به وسیله دو حلقه اتصال کوتاه شده‌اند. روتورهای سیم‌پیچی شده در صنعت کاربردهای خاص خود را دارند و بیشتر در موتورهایی که نیاز به گشتاور راه‌اندازی بالایی دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کنترل سرعت 

پروژه متلب سرعت چرخش میدان دوار در موتورهای القایی تابع فرکانس منبع و تعداد قطب‌های استاتور است. پیش از ظهور الکترونیک قدرت، تغییر فرکانس موتورهای القایی به راحتی ممکن نبود و این کاربرد این نوع موتورها را محدود می‌کرد.

روش‌ها گوناگونی برای تغییر سرعت موتورهای القایی وجود دارد ولی رایج‌ترین روش بهره‌گیری از اینوِرتر است، با این روش می‌توان توان ورودی متوسط موتور را کنترل کرد.

مدولاسیون چیست؟

اکنون که تفاوت بین یک سیگنال آنالوگ و یک سیگنال دیجیتال را می‌دانیم، مفهوم مدولاسیون را بیان می‌کنیم. حتماً عبارت‌های AM و FM را دیده‌اید که روی رادیو نوشته شده‌اند. عبارت AM، مخفف Amplitude Modulation به‌معنی مدولاسیون دامنه است. مدولاسیون دامنه، راهی برای ارسال یک سیگنال (مثلاً‌ موسیقی) روی یک حامل (فرکانس ایستگاه رادیویی مورد نظر) است. مدولاسیون اساساً یک راه برای رمزگذاری یک سیگنال بر روی سیگنال حامل است.

پروژه متلب در حقیقت، مدولاسیون سوار کردن سیگنال مورد نظر بر روی یک سیگنال دیگر است. اینک ر به‌منظور افزایش برد سیگنال و بهره‌وری انتقال انجام می‌شود. به‌طور کلی، فرایند گنجاندن سیگنال حاوی اطلاعات در سیگنالی دیگر را مدولاسیون می‌نامند.

مدولاسیون پهنای پالس چیست؟

پروژه متلب مدولاسیون پهنای پالس یا PWM، نوعی سیگنال است که می‌توان آن را از IC دیجیتال مانند میکروکنترلر یا تایمر ۵۵۵ تولید کرد. سیگنال تولیدی یک قطار پالس بوده و این پالس‌ها یک شکل‌موج مربعی را تشکیل می‌دهند. به عبارت دیگر، در هر زمان معین، موج در وضعیت بالا (High) یا پایین (Low) خواهد بود. برای درک بهتر، یک سیگنال PWM را با اندازه ۵ ولت در نظر بگیرید. در این صورت، سیگنال PWM در وضعیت ۵ ولت (بالا) یا ۰ ولت (پایین) است. مدت‌زمانی که سیگنال در وضعیت High قرار دارد، «زمان روشن» (On Time)، و مدت‌زمانی که سیگنال در وضعیت Low است، «زمان خاموش» (Off Time) نامیده می‌شود.

برای کار با سیگنال‌های PWM، باید برخی تعاریف مربوط به آن‌ها را بدانیم. در ادامه، این اصطلاحات و پارامترها را بیان می‌کنیم.

چرخه کاری

چرخه کاری (Duty Cycle) یا سیکل وظیفه یا زمان کاری، مقدار زمان High بودن سیگنال نسبت به مدت یک دوره تناوب است. به این ترتیب که اگر سیگنال همواره ON باشد، چرخه کاری آن ۱۰۰ درصد و هنگامی که کاملاً Off باشد، مقدار چرخه کاری صفر است. اگر بخواهیم فرمول چرخه کاری را بنویسیم، داریم:

با استفاده از فرمول بالا می‌توان زمان ON بودن یا

را برای مقدار ولتاژ مطلوبی که می‌خواهیم از منبع به‌دست آوریم، محاسبه کنیم. با ضرب چرخه کاری در ۱۰۰ می‌توان درصدر ان را بیان کرد. درصدر چرخه کاری، متناسب با ولتاژی است که از منبع می‌گیریم. مثلاً اگر بخواهیم مقدار ولتاژ ۴۰ ولت را از یک منبع ۵۰ ولتی بگیریم، می‌توانیم آن را با چرخه کاری

نشان دهیم.

شکل زیر، یک سیگنال PWM را با چرخه کاری

نشان می‌دهد.

مثال: در فرکانس ۵۰ هرتز، یک سیگنال PWM طراحی کنید که چرخه کاری آن،

باشد.

حل: فرکانس ۵۰ هرتز یعنی اینکه در هر ثانیه، ۵۰ دوره تناوب وجود دارد. به‌ عبارت دیگر، می‌توانیم دوره تناوب را به‌صورت زیر محاسبه کنیم:

در نهایت، شکل‌موج PWM مطابق شکل زیر خواهد بود:

مثال: فرض کنید در فرکانس بالا کار می‌کنیم و خروجی یک مولد PWM به یک مدار RC وصل شده است.

ولتاژ خروجی (ولتاژ خازن) برای دو چرخه وظیفه ۱۰ و ۹۰ درصد در شکل‌های زیر نشان داده شده است.

گفتیم که سیگنال PWM برای مدوله یا دمدوله کردن سیگنال‌های آنالوگ نیز به‌کار می‌رود. مدولاسیون معمولاً با روشی انجام می‌شود که که PWM متقاطع نامیده می‌شود. براساس این روش، سیگنال آنالوگ ورودی و یک شکل‌موج دندان اره‌ای به یک مقایسه کننده وارد می‌شوند. در زمان که ولتاژ شکل‌موج دندان‌اره‌ای کم‌تر از سیگنال ورودی باشد، خروجی PWM در وضعیت بالا قرار خواهد گرفت و بالعکس. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

تفاوت بین چرخه کاری و فرکانس یک سیگنال PWM چیست؟

پروژه متلب گاهی ممکن است چرخه کاری و فرکانس یک سیگنال PWM را اشتباه بگیریم. همان‌گونه که می‌دانیم، سیگنال PWM، یک شکل‌موج مربعی است که زمان خاموش و روشن دارد. مجموع این زمان روشن و خاموش شدن، دوره تناوب نامیده می‌شود. معکوس دوره تناوب را فرکانس می‌نامیم. در حالی که چرخه کاری، فقط مدت زمان روشن یا ON بودن سیگنال در یک دوره تناوب است. به عبارت ساده‌تر، فرکانس، سرعت خاموش و روشن شدن سیگنال PWM را نشان می‌دهد، در حالی که چرخه کاری بیان می‌کند که سیگنال PWM در یک دوره تناوب باید چه‌قدر در حالت ON باشد.

چگونه سیگنال‌های PWM را به ولتاژ آنالوگ تبدیل کنیم؟

پروژه متلب برای کاربردهای ساده‌ای مانند کنترل سرعت یک موتور DC یا تنظیم نور یک LED، باید سیگنال‌های PWM را به ولتاژ آنالوگ تبدیل کنیم. این کار را می‌توانیم به‌سادگی و با استفاده از یک فیلتر RC و یک مبدل دیجیتال به آنالوگ یا DAC انجام دهیم. مدار شکل زیر را ببینید.

در تصویر بالا که چهار شکل‌موج دارد، سیگنال زرد، PWM و سیگنال آبی، ولتاژ آنالوگ خروجی است. مقدار مقاومت R1 و خازن C2 را می‌توان براساس فرکانس سیگنال PWM انتخاب کرد.

خروجی متلب :