کتاب کنترل سیستم‌های درایو ماشین الکتریکی

پیشگفتار کتاب کنترل سیستم‌های درایو ماشین الکتریکی

تکنولوژی مدرن که امروزه فناوری اطلاعات نامیده می‌شود برپایه عرضه پایدار انرژی، به خصوص انرژی الکتریکی که به طور گسترده ای استفاده می‌شود، می‌باشد. بسیاری از افراد در جوامع مدرن بر این باورند که انرژی الکتریکی را تا هروقت ما بخواهیم میتوان تولید کرد. اما به دلیل این که آب و هوای پاک روربه کمیاب شدن است، انرژی الکتریکی بیشتری مورد نیاز است. اما تولید و انتقال انبوه و استفاده از انرژی های سازگار با محیط زیست تبدیل به مشکل بزرگی شده است.

انرژی مکانیکی که از منابع اولیه انرژی مثل نفت و گاز و انرژی هسته ای و انرژی آب بدست می آید را میتوان از طریق تبدیل انرژی مکانیکی – الکتریکی به صورت الکتریکی در آورد.

به طور دقیقتر هنگامی که انرژی مکانیکی از منابع مختلف توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود، برای اهداف مناسب، ولتاژ و فرکانس مورد کنترل قرار می‌گیرد و در کشورهای پیشرفته بیش از ۶۰ درصد از انرژی برای کاربردهای بعدی مجددا به صورت انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

پیشنیاز کتاب

برای درک جامع این کتاب، اطلاعات پایه فیزیک تحصیلی و تئوری کنترل خطی مدرن مورد نیاز است. تئوری مدارات الکتریکی و تئوری کنترل پایه مورد نیاز است، علاوه بر این الکترونیک قدرت و تئوری ماشین های الکتریکی برای خواننده در آن لحاظ شده است.

این کتاب مناسب چه کسانی است ؟

این کتاب به عنوان بک کتاب تحصیلی یا عنوان مرجع برای مهندسینی که در زمینه‌های مرتبط هستند مناسب است. در مقام یک کتاب درسی، فصل ۱تا ۵ برای یک و نیم ترم تحصییلی مناسب است. به طور دقیق تر فصل های ۱، ۳،۴ باید با جزئیات بیشتر توضیح داده شود. پس از فهم فصل ۳و۴ ، فائق بر فصل ۵ آسان تر است. فصل ۶ یک خلاصه خوب و یک نقطه شروع برای فهم کنترل بدون سنسور ماشین های AC است.

فصل هفتم و پیوست ۱ برای دانش آموزان و مهندسینی که الگوریتم‌های کنترل را پیاده سازی می‌کنند، مفید خواهد بود.

مقدمه کتاب کنترل سیستم‌های درایو ماشین الکتریکی:

امروزه ماشین‌های الکتریکی نقش عمده‌ای در زندگی بشر دارند. مقوله الکترونیک قدرت نیز در تغذیه، بهره‌برداری و کنترل ماشین‌های الکتریکی از اهمیت بسیار برخوردار است. از آنجایی که قریب ۶۰ درصد انرژی الکتریکی در موتورهای الکتریکی مصرف می‌شود، تعجبی ندارد که با کنترل مناسب آنها، صرفه‌جویی بسیاری در انرژی می‌شود. استفاده بهینه از درایوهای الکتریکی کاربردهای فراوانی در زمینه‌های مختلف نظیر اتوماسیون کارخانه‌ها، رباتیک، حمل و نقل‌ پاک، خودروهای الکتریکی_هیبریدی و غیره دارد.

کتاب حاضر ترجمه کتاب Control Of Electric Machine Drive Systems است که در سال ۲۰۱۰ توسط پروفسور سئونگ کی سئول (Seung_Ki_Sul) در دانشگاه ملی سئول کره جنوبی به رشته تحریر درآمده است.

فهرست کتاب :

پیشگفتار مولف

پیشگفتار مترجم

فصل اول / مقدمه

۱-۱. مقدمه
۱-۱-۱. سیستم درایو ماشین الکتریکی
۱-۱-۲. سیر تکامل سیستم درایو ماشین الکتریکی
۱-۱-۳. سیر تکامل نیمه هادی قدرت
۱-۱-۴. سیر تکامل الکترونیک کنترل
۱-۲. مبانی مکانیک
۱-۲-۱. قوانین پایه
۱-۲-۲. گشتاور و نیرو
۱-۲-۳. گشتاور لختی جسم دوار
۱-۲-۴. معادلات حرکت جسم سخت
۱-۲-۵. انرژی و توان
۱-۲-۶. پیوستگی متغیرهای فیزیکی
۱-۳. منحنی گشتاور سرعت بارهای مکانیکی نوعی
۱-۳-۱. فن، پمپ و دمنده
۱-۳-۲. بالابر، جرثقیل و آسانسور
۱-۳-۳. بار کششی (خودرو برقی، قطار برقی)
۱-۳-۴. بار کنترل کشش
مسائل
مراجع

فصل دوم / ساختار پایه و مدل‌سازی ماشین‌‌های الکتریکی و مبدل‌‌های توان

۲-۱. مقدمه
۲-۱. ساختار و مدل سازی ماشین DC
۲-۲. تحلیل عملکرد حالت ماندگار
۲-۲-۱. ماشین شنت تحریک مستقل
۲-۲-۲. ماشین DC تحریک سری
۲-۳. تحلیل حالت‌گذاری ماشین DC
۲-۳-۲. ماشین شنت تحریک مستقل
۲-۴. مدار الکترونیک قدرت برای راه‌‌اندازی ماشین DC
۲-۴-۱. سیستم وارد لئونارد استاتیکی
۲-۴-۲. سیستم برشگر چهار ربعی

۲-۵. نیروی محرکه مغناطیسی دوار

۲-۶. تحلیل حالت ماندگار ماشین سنکرون
۲-۷. ماشین الکتریکی خطی
۲-۸. منحنی قابلیت ماشین سنکرون
۲-۸-۱. ماشین سنکرون روتور قطب صاف با سیم‌پیچ‌ میدان
۲-۸-۲. ماشین سنکرون مغناطیس دائم
۲-۹. تغییر پارامتر ماشین سنکرون
۲-۹-۱. مقاومت سیم‌پیچ‌ میدان و استاتور
۲-۹-۲. اندوکتانس سنکرون
۲-۹-۳. ثابت EMF مخالف (ثابت نیروی ضد محرکه)
۲-۱۰. تحلیل حالت ماندگار ماشین القایی
۲-۱۰-۱. مدار معادل حالت ماندگار ماشین القایی
۲-۱۰-۲. عملکرد شار ثابت فاصله هوایی
۲-۱۱. عملکرد ژنراتوری ماشین القایی

۲-۱۲. تغییر پارامترهای ماشین القایی

۲-۱۲-۱. تغییر مقاومت روتور، Rr
۲-۱۲-۲. تغییر اندوکتانس نشتی روتور ( )
۲-۱۲-۳. تغییر مقاومت استاتور ( )
۲-۱۲-۴. تغییر اندوکتانس نشتی استاتور ( )
۲-۱۲-۵. تغییر اندوکتانس تحریک( )
۲-۱۲-۶. تغییر مقاومت تلفات هسته( )
۲-۱۳. طبقه‌بندی ماشین‌‌های القایی براساس مشخصه‌‌های گشتاور – سرعت
۲-۱۴. تحلیل حالت شبه گذرا
۲-۱۵. منحنی قابلیت ماشین القایی
۲-۱۶. مقایسه‌ی ماشین AC و DC
۲-۱۶-۱. مقایسه‌ی ماشین القایی قفس سنجابی و ماشین DC تحریک مستقل
۲-۱۶-۲ مقایسه‌ ماشین AC مغناطیس دائم و ماشین DC تحریک مستقل
۲-۱۷. کنترل سرعت متغیر ماشین القایی براساس مشخصه‌‌های حالت ماندگار
۲-۱۷-۱. کنترل سرعت متغیر ماشین القایی براساس کنترل ولتاژ ترمینال
۲-۱۷-۲. کنترل‌سرعت متغیر ماشین‌القایی براساس‌کنترل‌شار ثابت فاصله هوایی ( )
۲-۱۷-۳. کنترل سرعت متغیر ماشین القایی براساس فیدبک سرعت واقعی
۲-۱۷-۴. بهبود کنترل شار ثابت فاصله هوایی با استفاده از فیدبک اندازه جریان استاتور
۲-۱۸. مدل سازی مبدل‌‌‌‌‌‌های توان

۲-۱۸-۱. یکسوساز دیودی/تریستوری سه فاز
۲-۱۸-۲. یکسوساز افزاینده‌‌‌‌‌‌ی PWM
۲-۱۸-۳. مبدل DC/DC دوجهته‌‌‌‌‌‌ی دو ربعی
۲-۱۸-۴. مبدل DC/DC چهار ربعی
۲-۱۸-۵. اینورتر PWM سه فاز
۲-۱۸-۶. مبدل ماتریس
۲-۱۹. تبدیل پارامتر با استفاده از روش پریونیت
مسائل
مراجع

فصل سوم / تبدیل قاب مرجع و تحلیل‌گذرای مـاشیـن‌‌هــای AC ســه فــاز

۳-۱. بردار مختلط
۳-۲. مدل سازی d-q-n ماشین القایی براساس بردار فضای مختلط
۳-۲-۱. مدار معادل ماشین القایی در محور d-q-n
۳-۲-۲. گشتاور ماشین القایی
۳-۳. مدل سازیd-q-n ماشین سنکرون براساس بردار فضای مختلط
۳-۳-۱. مدار معادل ماشین سنکرون در محور d-q-n

۳-۳-۲. گشتاور ماشین سنکرون
۳-۳-۳. مدار معادل و گشتاور ماشین سنکرون مغناطیس دائم
۳-۳-۳-۱. ماشین سنکرون مغناطیس دائم نصب سطحی(SMPMSM)
۳-۳-۳-۲. ماشین سنکرون مغناطیس دائم داخلی (IPMSM)
۳-۳-۴. ماشین رلوکتانس سنکرون
مسائل
مراجع

فصل چهارم / طراحی تنظـیم‌کننده‌های (رگولاتورها) ماشین‌های الکتریکی و مبدل‌‌‌های توان

۴-۱. میرایی فعال
۴-۲. تنظیم‌کننده جریان
۴-۲-۱. اندازه‌گیری جریان
۴-۲-۱-۱. اندازه‌گیری جریان با استفاده از مقاومت
۴-۲-۱-۲. اندازه‌گیری جریان با استفاده از ترانسفورماتور جریان (CT)
۴-۲-۱-۳. اندازه‌گیری جریان با استفاده از سنسور اثر هال
۴-۲-۲. تنظیم‌کننده جریان یکسوساز کنترل شده سه فاز

۴-۲-۲-۱. تنظیم‌کننده تناسبی انتگرالی(PI)
۴-۲-۲-۲. تنظیم‌کننده جریان پیش بین
۴-۲-۳. تنظیم‌کننده جریان برای راه‌اندازی ماشین DC با استفاده از برشگر PWM
۴-۲-۳-۱. تنظیم‌کننده جریان تناسبی انتگرالی(PI)
۴-۲-۳-۲. مشکلات پیاده‌‌سازی
۴-۲-۴. آنتی وینداپ(Anti-Wind-up)
۴-۲-۵. تنظیم‌کننده جریان AC

۴-۲-۵-۱.تنظیم‌کننده جریان مدار سه فاز متعادل

۴-۲-۵-۲. ماشین القایی
۴-۲-۵-۳. ماشین سنکرون
۴-۲-۵-۴. تنظیم‌کننده جریان بردار مختلط
۴-۳. تنظیم‌کننده سرعت
۴-۳-۱. اندازه‌گیری سرعت موقعیت روتور ماشین الکتریکی
۴-۳-۱-۱. تاکو ژنراتور
۴-۳-۱-۲. انکودر
۴-۳-۱-۳. تحلیل گر
۴-۳-۲. تخمین سرعت با استفاده از انکودر افزایشی

۴-۳-۲-۱. افزایش تعداد پالس در دور ( )

۴-۳-۲-۲. روش M
۴-۳-۲-۳. روش T
۴-۳-۲-۴. روش M/T
۴-۳-۳. تخمین سرعت با استفاده از رویتگر حالت
۴-۳-۳-۱. رویتگر مرتبه کامل
۴-۳-۳-۲. تخمین سرعت از زاویه اندازه‌گیری شده انکودر با استفاده از رویتگر مرتبه کامل
۴-۳-۳-۳. فهم فیزیکی رویتگر مرتبه کامل
۴-۳-۳-۴. رویتگر اغتشاش
۴-۳-۳-۵. پیاده‌‌سازی رویتگر در حوزه زمانی گسسته
۴-۳-۴. تنظیم‌کننده سرعت IP/PI
۴-۳-۴-۱. تنظیم‌کننده سرعت PI
۴-۳-۴-۲. تنظیم‌کننده انتگرالی تناسبی(IP)
۴-۳-۴-۳. ترکیب تنظیم‌کننده PI و IP: تنظیم کننده با دو درجه آزادی
۴-۳-۵. بهبود عملکرد کنترل سرعت با اطلاعات شتاب
۴-۳-۵-۱. جبران پیشرو مرجع شتاب
۴-۳-۵-۲. فیدبک شتاب

۴-۳-۶. تنظیم‌کننده سرعت با کنترلر آنتی وینداپ
۴-۴. تنظیم‌کننده موقعیت
۴-۴-۱. تنظیم‌کننده تناسبی- تناسبی انتگرالی (P-PI)
۴-۴-۲. پیشرو مرجع سرعت و مرجع شتاب
۴-۵. آشکار‌‌سازی زاویه فاز ولتاژ AC
۴-۵-۱. آشکارسازی زاویه فاز قاب مرجع سنکرون
۴-۵-۲. آشکار‌‌سازی زاویه فاز با استفاده از ولتاژ توالی مثبت در قاب مرجع سنکرون
۴-۶. تنظیم‌کننده ولتاژ
۴-۶-۱. تنظیم‌کننده ولتاژ لینک DC یکسوساز افزاینده PWM
۴-۶-۱-۱. مدل‌‌سازی سیستم کنترل
۴-۶-۱-۲. تنظیم‌کننده ولتاژ لینک DC
مسائل
مراجع

فصل پنجم / کنترل‌برداری

۵-۱. کنترل گشتاور لحظه‌ای
۵-۱-۱. ماشین‏های DC تحریک مستقل
۵-۱-۲. موتور سنکرون مغناطیس دائم نصب سطحی (SMPMSM)
۵-۱-۳. موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی(IPMSM)
۵-۲. کنترل برداری ماشین القایی
۵-۲-۱. کنترل برداری مستقیم
۵-۲-۱-۱. اصول کنترل برداری مستقیم
۵-۲-۱-۲. پیاده‌‌سازی کنترل برداری مستقیم
۲. اندازه‌گیری ولتاژ فاصله هوایی با استفاده از سیم‌پیچ‌‌‌های حسگر
۵-۲-۲.کنترل برداری غیرمستقیم
۵-۲-۲-۱. اصول کنترل برداری غیرمستقیم
۵-۲-۲-۲. پیاده‌‌سازی کنترل برداری غیرمستقیم
۵-۳. تخمین‌گر شار پیوندی روتور
۵-۳-۱. مدل ولتاژ براساس معادله ولتاژ استاتور ماشین القایی
۵-۳-۲. مدل جریان براساس معادله ولتاژ روتور ماشین القایی
۵-۳-۳. تخمین گر هیبریدی شار پیوندی روتور
۵-۳-۴.تخمین گر هیبریدی بهبود یافته
۵-۴.کنترل تضعیف شار
۵-۴-۱. محدودیت‌‌‌های ولتاژ و جریان ماشین AC

۵-۴-۱-۱. محدودیت‌‌‌های ولتاژ

۵-۴-۱-۲. محدودیت جریان
۵-۴-۲. ناحیه عملکرد ماشین AC مغناطیس دائم در صفحه جریان قاب مرجع روتور
۵-۴-۲-۱. ناحیه عملکرد با محدودیت‌‌‌های ولتاژ و جریان
۵-۴-۲-۲. ناحیه عملکرد براساس پارامترهای ماشین AC مغناطیس دائم
۵-۴-۳. کنترل تضعیف شار ماشین سنکرون مغناطیس دائم
۵-۴-۳-۱. کنترل تضعیف شار با جبران پیشرو
۵-۴-۳-۲.کنترل تضعیف شار با جبران فیدبک
۵-۴-۳-۳. روش تضعیف شار شامل ناحیه مدولاسیون غیرخطی
۵-۴-۴. کنترل تضیف شار ماشین القایی
۵-۴-۴-۱. معادلات ولتاژ
۵-۴-۴-۲. جریان بهینه برای حداکثر کردن گشتاور
۵-۴-۴-۳. ناحیه گشتاور ثابت( )
۵-۴-۴-۴. ناحیه تضعیف شار ۱ ( )
۵-۴-۴-۵. ناحیه تضعیف شار ۲ ( )
۵-۴-۵. تنظیم کننده شار ماشین القایی
مسائل
مراجع

فصل ششم / کنترل بدون سنسور موقعیت سرعت ماشین‌های AC

۶-۱. کنترل بدون سنسور ماشین القایی
۶-۱-۱. سیستم تطبیقی مدل مرجع (MARS)
۶-۱-۱-۱.تخمین شار پیوندی روتور
۶-۱-۱-۲. محاسبه زاویه شار پیوندی روتور
۶-۱-۲. رویتگر تطبیقی سرعت (ASO)
۶-۱-۲-۱. معادله حالت ماشین القایی
۶-۱-۲-۲. رویتگر حالت
۶-۱-۲-۳. ماتریس بهره(G)
۶-۲. کنترل بدون سنسور ماشین سنکرون مغناطسی دائم نصب سطحی
۶-۳. کنترل بدون سنسور ماشین سنکرون مغناطیس دائم داخلی(IPMSM)
۶-۴. کنترل بدون سنسور با استفاده از تزریق سیگنال فرکانس بالا
۶-۴-۱. ماشین روتور قطب برجسته ذاتی
۶-۴-۲. ماشین AC روتور غیربرجسته
۶-۴-۲-۱.ماشین القایی

۶-۴-۲-۲. ماشین سنکرون مغناطیس دائم نصب سطحی(SMPMSM)
۶-۴-۲-۳.تخمین موقعیت شار پیوندی روتور/موقعیت روتور
مسائل
مراجع

فصل هفتم / مشکلات عملی

۷-۱. اعوجاج ولتاژ خروجی ناشی از زمان مرده و جبران آن
۷-۱-۱. جبران اثر زمان مرده
۷-۱-۲. جهش جریان صفر (ZCC)
۷-۱-۳. اعوجاج ولتاژ ناشی از خازن هرزگرد سوئیچ‌‌های نیمه هادی
۷-۱-۴. پیش بینی لحظه کلیدزنی
۷-۲. اندازه‌گیری جریان فاز
۷-۲-۱. مدل سازی تأخیر زمانی سیستم اندازه‌گیری جریان
۷-۲-۲. خطاهای مقیاس و انحراف در اندازه‌گیری جریان
۷-۲-۲-۱. انحراف
۷-۲-۲-۲. مقیاس
۷-۳. مشکلات ناشی از پردازش سیگنال دیجیتال حلقه تنظیم جریان
۷-۳-۱. مدل‌سازی و جبران خطای تنظیم جریان ناشی از تأخیر دیجیتال
۷-۳-۲. خطا در نمونه‌برداری جریان
مسائل
مراجع

پیوست ۱ / اندازه‌گیری و تخمین پارامترهای ماشین الکتریکی

پ۱-۱. تخمین پارامتر
پ۱-۱-۱. ماشین DC
پ۱-۱-۱-۱. مقاومت سیم پیچ آرمیچر(Ra)
پ۱-۱-۱-۲. اندوکتانس آرمیچر(La)
پ۱-۱-۱-۳. مقاومت سیم پیچ میدان(Rf)
پ۱-۱-۱-۴. اندوکتانس سیم پیچ میدان(Lf)
پ۱-۱-۱-۵. ثابت گشتاور( )
پ۱-۱-۲. تخمین پارامترهای ماشین القایی
پ۱-۱-۲-۱. مقدار نامی شار پیوندی روتور( )
پ۱-۱-۲-۲. اندوکتانس گذرای استاتور( )
پ۱-۱-۲-۳. اندوکتانس متقابل(Lm)
پ۱-۲. تخمین پارامتر ماشین‌‌های الکتریکی با استفاده از تنظیم‌کننده‌‌های سیستم درایو
پ۱-۲-۱. سیستم کنترل فیدبک
پ۱-۲-۲. ثابت EMF مخالف ماشینDC(K)
پ۱-۲-۳. مقاومت سیم پیچ استاتور ماشین AC سه فاز(Rs)
پ۱-۲-۴.پارامترهای ماشین القایی
پ۱-۲-۴-۱. ثابت زمانی روتور( )
پ۱-۲-۴-۲. تخمین اندوکتانس خود القایی استاتور(Ls) و اندوکتانس گذرای استاتور( )
پ۱-۲-۵. ماشین سنکرون مغناطیس دائم
پ۱-۲-۵-۱. ماشین سنکرون مغناطیس دائم نصب سطحی(SMPMSM)
پ۱-۲-۵-۱-۱. موقعیت روتور( )
پ۱-۲-۵-۱-۲. اندوکتانس سنکرون( )
پ۱-۲-۵-۱-۳. شار پیوندی آهنربای دائم( )
پ۱-۲-۵-۲. ماشین سنکرون مغناطیس دائم داخلی (IPMSM)
پ۱-۳. تخمین پارامترهای مکانیکی
پ۱-۳-۱. تخمین بر پایه معادله مکانیکی
پ۱-۳-۲.تخمین با استفاده از فرایند انتگرال
مراجع

پیوست ۲ / مدل سازی d-q با استفاده از معادلات ماتریس

پ۲-۱. قاب مرجع و ماتریس تبدیل
پ۲-۲. مدل سازی d-q ماشین القایی با استفاده از ماتریس تبدیل
پ۳-۳. مدل سازی d-q ماشین سنکرون با استفاده از ماتریس تبدیل