مقاله بررسی روش‌های خطایابی در ژنراتور‌های سنکرون مغناطیس دائم

بخشی از مقاله بررسی روش‌های خطایابی در ژنراتور‌های سنکرون مغناطیس دائم

1-1- مقدمه

موتور‌های سنکرون مغناطیس دائم، از جمله ماشین‌های الکتریکی مهم با کاربردهایی خاص به شمار می‌آیند. چگالی قدرت بالای این نوع موتورها یکی از مزایای این موتورها در مقایسه با انواع ماشین‌های الکتریکی به حساب می آید [1]. به علاوه، موتور‌های سنکرون مغناطیس دائم نسبت به موتورهای دیگر، دارای کارایی و قدرت بیشتری هستند. با توجه به کاربرد حساس این نوع موتورها، نگهداری از آنها امری ضروری به نظر می‌رسد. این در حالی است که اجتناب از خطاها در سیستم‌های مهندسی کار آسانی نیست. از دهه‌های گذشته کوشش شده است که خطا‌ها در ابزارهای الکتریکی شناسایی شوند و بهترین واکنش در برابر آنها انجام گیرد، بنابراین، تشخیص دقیق و سریع خطا بسیار مهم به نظر می رسد. برای مثال، یکی از روش‌های سنتی تشخیص خطا در [2] ارائه شده است. در پژوهش مذکور، روشی مبتنی بر جریان و شار مجازی به منظور تعیین خطاهای روتور در موتور سه فاز القایی استفاده شده است. برای پیاده‌سازی روش ارائه شده، از طیف توانی توان لحظه‌ای استفاده شده است، و همچنین، دو سیستم متداول در این زمینه به این منظور تطبیق یافته‌اند: مورد اولی سیستمی است که تنها از مؤلفه‌های آنالوگ استفاده می‌کند، و دومی DSPIC است که داده‌ها را به داده‌های قابل استفاده در رایانه تبدیل می‌کند.

شایان ذکر است که این روش‌های سنتی به اندازه‌ کافی انعطاف پذیر نبوده، اغلب هزینه‌ محاسباتی بالایی دارند. لذا امروزه، روش‌های هوشمند به صورت گسترده‌ای استفاده می‌شوند و با اینکه از لحاظ ساختاری ساده‌اند، اما نتایج نسبتاً دقیقی ارائه می‌دهند. برای مثال، در [3]، از طبقه‌بندی ‌کننده‌ای که مبتنی بر شبکه عصبی پرسپترون چند لایه (MLPNN)[1] بهینه است، برای تعیین شرایط کاری مختلف موتور القایی سه فاز استفاده شده است. این شرایط عبارتند از : اتصال کوتاه داخلی (حلقه به حلقه) سیم پیچی استاتور[2]، گریز از مرکز دینامیکی روتور و یا هر دو باهم. همچنین، از پارامترهای آماری به عنوان فضای ویژگی ورودی استفاده می شود و تحلیل مؤلفه اصلی(PCA)[3] برای کاهش ابعاد ورودی استفاده شده است. همچنین، در [4]، یک الگوریتم ANN ساده برای شناسایی خطای استاتور در موتور القایی استفاده شده است. در این پژوهش، مدلی ریاضی از ماشین القایی برای شبیه سازی عملکردهای موتور تحت شرایط مختلف خطا طراحی و برای تنظیم داده‌های آموزشی و اعتبارسنجی استفاده شده است. روشی مبتنی بر منطق فازی برای شناسایی خطا در ترانسفورماتورهای قدرت عایق شده با روغن [4] در [5] ارائه شده است. روش ارائه شده از گازهای کلیدی، همچون: هیدروژن، مونواکسید کربن، متان، اتان، اتیلن، استیلن وبرخی شاخص‌های دیگر استفاده می کند. می‌توان این گونه گفت که این شاخص‌ها به عنوان ورودی منطق فازی در نظر گرفته شده اند. البته، گاهی اوقات استخراج قوانین مؤثر سخت و دشوار است. به همین علت، ضرورت وجود ابزاری هوشمند برای ایجاد قوانینی دقیق احساس می‌شود. یکی از قدرتمندترین ابزارهای موجود برای این منظور شبکه عصبی مصنوعی است.

در بین خطاهای مختلفی که ممکن است در ماشین‌های الکتریکی رخ دهد، اتصال کوتاه داخلی (حلقه به حلقه) سیم‌پیچی استاتور یکی از رایج‌ترین خطاهای الکتریکی در تجهیزات الکتریکی است [6- 9]. در [10]، به منظور شناسایی خطای اتصال کوتاه داخلی (حلقه به حلقه) در موتور القایی، روش شناسایی نقطه‌ تغییر بیز- فازی[5] استفاده شده است. برای انجام این تحقیق در پژوهش‌ مذکور دو مرحله به کار رفته است: در مرحله‌ اول، داده‌های اولیه به گونه‌ای به وسیله خوشه‌بندی فازی تبدیل می‌شوند که قابل تقریب‌زدن توسط توزیع بتا باشند؛ در مرحله دوم، الگوریتم متروپولیس[6] به منظور اجرای تشخیص نقطه‌ تغییر در سری‌های زمانی تبدیل یافته که به وسیله‌ مرحله اول با توزیعی مشخص تولید شده، استفاده شده است. روش دیگری که بر منطق فازی استوار است و برای شناسایی خطای اتصال کوتاه داخلی (حلقه به حلقه) سیم پیچی استاتور در موتور القایی است، در [11] ارائه شده است. نویسندگان در پژوهش‌ مذکور معتقدند؛ ازآنجایی که خطای استاتور علائم واضحی در طیف جریان ندارد، لازم است که به جای روش تحلیل طیفی سنتی از دیگر روش‌ها استفاده کرد. به همین دلیل، از روش منطق فازی روی دامنه جریان فازها استفاده شده است.

در این پژوهش نیز هدف تشخیص خطای سیم پیچی موتور سنکرون مغناطیس دائم و تعیین میزان درصد آن است. این کار در دو مرحله صورت پذیرفته است: در مرحلۀ اول، مدلی ریاضی از موتور سنکرون مغناطیس دائم تحت شرایط خطا در محیط MATLAB/SIMULINK شبیه سازی ‌شد و داده‌های مورد نیاز که عبارتند از جریان تفاضلی هر فاز و سرعت موتور، استخراج گردید. سپس در مرحلۀ دوم، با استفاده از ویرایشگر ANFIS و داده‌های به دست آمده، سیستم استنتاج فازی مورد نیاز ایجاد شد و در نهایت به صورت یک بلوک کنترلی فازی در شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفت. در ادامه‌ این پژوهش، در بخش بعدی ژنراتور های سنکرون مغناطیس دائم بیان خواهد شد.

2-1- الکتروموتورها

موتور الکتریکی یا الکتروموتور، (به انگلیسی: Electric motor) گونه‌ای ماشین الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. اغلب موتورهای الکتریکی از طریق اثر متقابل بین میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی در داخل یک سیم‌پیچ برای تولید نیرو به شکل گشتاور و اعمال آن به شفت موتور عمل می‌کنند. موتورهای الکتریکی را می‌توان توسط منابع برق جریان مستقیم (DC) مانند باتری‌ها یا یکسوکننده‌ها یا از طریق منابع برق جریان متناوب (AC) مانند شبکه‌برق، اینورترها یا ژنراتورهای الکتریکی به حرکت درآورد. ژنراتور الکتریکی از نظر مکانیکی با موتور الکتریکی یکسان است، اما جریان قدرت در آن معکوس است، یعنی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

موتورهای الکتریکی را می‌توان با توجه به ملاحظاتی مانند نوع منبع تغذیه، ساختار درونی، کاربرد و نوع حرکت خروجی طبقه‌بندی کرد. علاوه بر انواع AC در مقابل DC، موتورها ممکن است دارای جاروبک یا بدون جاروبک باشند، ممکن است چند فازه باشند (رجوع کنید به تک‌فاز، دو فاز یا سه فاز) و ممکن است به صورت هوا-خنک یا مایع-خنک باشند. موتورهای کاربرد عمومی با ابعاد و مشخصات استاندارد، توان مکانیکی مناسبی را برای کاربردهای صنعتی فراهم می‌کنند. بزرگترین موتورهای الکتریکی در پیشرانه‌های کشتی‌ها، فشرده‌سازی سیالات درون خطوط لوله و نیروگاه‌های ذخیره تلمبه‌ای با درجه‌بندی ۱۰۰ مگاوات استفاده می‌شوند.

اغلب موتورهای الکتریکی دوار هستند، اما موتورهای خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک روتور و بخش ثابت استاتور خوانده می‌شود. اکثر موتورهای الکتریکی بر اساس الکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می‌کنند، هم وجود دارند که البته کاربردهای خاص و اندکی دارند.

اندازه بازار جهانی فروش موتور الکتریکی در سال ۲۰۲۰ برابر ۱۴۲٫۷ میلیارد دلار برآورد شده‌است و انتظار می‌رود با نرخ رشد مرکب سالانه ۶٫۴٪ گسترش یافته و در سال ۲۰۲۸ به مبلغ ۲۳۲٫۵ میلیارد دلار برسد.[۱] بازار موتورهای الکتریکی در بخش حمل‌ونقل در سال ۲۰۱۹ بیش از ۲۶٫۶ میلیارد دلار بود و پیش‌بینی می‌شود بین سال‌های ۲۰۲۰ و ۲۰۲۶ با نرخ رشد مرکب سالانه ۴٫۶٪ رشد کند. پیش‌بینی می‌شود موتورهای الکتریکی مورد استفاده در بخش‌هایی مانند خودرو، راه‌آهن و هوافضا به دلیل سرمایه‌گذاری‌های پیوسته در توسعه محصول رشد چشمگیری را طی سال‌های آینده شاهد باشند.[۲]

اصلی‌ترین شرکت‌های تولیدکننده موتورهای الکتریکی در جهان عبارتند از: بالدور الکتریک کامپنی، امیتک، فرانکلین الکتریک، و آزمو کو.[۱]

از موتورهای الکتریکی در فن‌ها، پمپ‌ها، کمپرسورها، ابزارهای خانگی، لوازم خانگی، خودروهای برقی، تجهیزات تهویه مطبوع، ابزارهای برقی و ربات‌های صنعتی استفاده می‌گردد. تقاضای موتورهای بازده بالا به دلیل عوامل مختلفی در حال افزایش است، این عوامل شامل: عمر طولانی، نیاز به نگهداری کم، مصرف انرژی پایین و تحمل زیاد ولتاژهای نوسانی، افزایش قیمت برق و استانداردهای سختگیرانه مصرف برق می‌باشد.[۱]