برای جستجو در بین هزاران پایان نامه در موضوعات مختلف     

      و دانلود متن کامل آنها با فرمت ورد اینجا کلیک کنید     

 
دانلود پایان نامه

در مرجع [15] به منظور شناسایی عیب نا هم محوری، تأثیر انواع مختلف شیارهای موتور القایی با استفاده از روش اجزاء محدود بررسی شده است. روش اجزاء محدود نسبت به سایر روش های مدل سازی دقیق تر است اما استفاده از این روش در سیستم های کنترلی حلقه بسته با مشکلاتی همراه است و برای پیاده سازی آن نرم افزارهای خاصی مورد نیاز می باشد. روش دیگری که در مدل سازی ماشین های الکتریکی بکار می رود، روش تابع سیم پیچ است. این روش بر خلاف روش اجزاء محدود، با استفاده از نرم افزارهای محاسباتی عمومی نظیر MATLAB با صرف مدت زمان کمتری قابلیت انجام دارد.
در مرجع [16] برای بررسی اثر شیارها با روش تابع سیم پیچ، از یک رابطه ی تقریبی بعنوان تابع فاصله هوایی معکوس استفاده شده است.
در تحلیل ماشینهای الکتریکی، روشهای تحلیلی که از تبدیلات ریاضی استفاده می کنند با قبول فرضیات زیادی عملاً قادر به تحلیل دقیق ماشینهای الکتریکی به ویژه در شرایط خطا نیستند. در این تحلیل ها فاصله ی هوایی ماشین یکنواخت فرض شده و از هارمونیک های فضایی حاصل از توزیع سیم بندی و نایکنواختی شکاف هوایی صرف نظر شده است. در مقابل روشهای تحلیل میدان مغناطیسی با داشتن دقت قابل قبول دارای سرعت بسیار کم و حافظهی مورد نیاز بسیار بالایی هستند.
روش تحلیلی دیگری که در فضای حقیقی، ماشین را مدل سازی می کند و در شبیه سازی حالات گذرای ماشین های الکتریکی تحت شرایط مختلف از آن استفاده شده است، روش تابع سیم پیچ نام دارد. در این روش، هسته ی مغناطیسی خطی فرض می شود و اثر تمامی هارمونیک های فضایی نیروی محرکه مغناطیسی سیم بندی ها در مدل سازی آن وارد می شود. این روش اولین بار در 1965، توسط Schmitz و Novotny برای تعیین اندوکتانس های مغناطیسی ماشین القایی بکار گرفته شد [17]. سپس تولیت و Lipo شکل توابع اندوکتانس ماشین قفس سنجابی را با در نظر گرفتن توزیع سیم بندی و روش تابع سیم پیچ بدست آوردند. آن گاه معادلات دیفرانسیل حاکم بر ماشین را نوشتند و رفتار گذرا و مانای ماشین را تحت تغذیه ی سینوسی و اینورتر منبع جریان شبیه سازی کردند [18].
با توجه به این که در روش تابع سیم پیچ، هیچ محدودیتی در نحوه ی سیم بندی استاتور و قرار گرفتن میله های رتور وجود ندارد، تمام هارمونیک های فضایی حاصل از توزیع سیم بندی، در مدل سازی وارد می شود. بنابراین این روش ابزار مناسبی برای تحلیل ماشین در شرایط عدم تقارن و تشخیص خطا می باشد. روش تابع سیم پیچ برای مدل سازی انواع خطاهای سیم بندی استاتور [19-20]، خطای میله شکسته و حلقه ی انتهایی رتور [21-23]، مورد استفاده قرار گرفته و روش های مختلفی برای تشخیص این نوع خطاها ارائه شده است. در 1373، سرگلزایی و تولیت، ماشین القایی تک فاز را با روش تابع سیم پیچ شبیه سازی کردند.
آن ها توابع اندوکتانس ماشین را، وقتی که میله های قفس مورب هستند، بدست آوردند و آن را شبیه سازی کردند [24]. در 1375، سامانی، با روش تابع سیم پیچ، ماشین قفس سنجابی را با وجود شکست میله ها و طوقه رتور، مدل سازی و شبیه سازی کرد و نشان دادند که در شرایط حالت گذرا، نتایج این روش دقیق و صحیح نیست [25].
در 1377، رضایی با استفاده از این روش، ماشین القایی را شبیه سازی کرد و با محاسبه ی میدان مغناطیسی در نواحی انتهایی ماشین، نیروهای الکترومغناطیس وارد بر طوقه را در حالت گذرا بدست آورد تا در بررسی شکست طوقه و میله های روتور آن ها را در نظر بگیرد [26]. در 1377، معنوی خامنه با استفاده از روش تابع سیم پیچ، یک ماشین القایی دو قفسه ای را با در نظر گرفتن اثر پوستی در میله های روتور، شبیه سازی کرد [27]. در 1377، شاملو با استفاده از روش تابع سیم پیچ اصلاح شده ، ماشین القایی قفس سنجابی سه فاز با فاصله هوایی به شکل دلخواه مدل سازی و شبیه سازی کرد [28].
در [29] و [30] ماشین القایی قفس سنجابی با خروج از مرکزیت ایستا و پویا توسط تابع سیم پیچ کلاسیک شبیه سازی شده و بر اساس آن روشی برای تشخیص خروج از مرکزیت رتور از روی طیف هارمونیکی جریان استاتور ارائه شده است. لیکن با توجه به فرضیات روش تابع سیم پیچ، تحلیل فوق نادرست بود. زیرا استفاده از روابط تابع سیم پیچ کلاسیک برای حالت فاصله هوایی متغیر، برابری اندوکتانس های متقابل LAB و LBA را نقض می کند. لذا در [31] فرض فاصله هوایی یکنواخت اصلاح گردید و روابط جدیدی برای محاسبه ی اندوکتانس در روش تابع سیم پیچ به دست آمد که آن را روش تابع سیم پیچ اصلاح شده نامیدند. بعد از اصلاح روش تابع سیم پیچ برای حالت فاصله هوایی نا یکنواخت، تحقیقات زیادی در زمینه ی مدل سازی خطای خروج از مرکزیت و تشخیص آن توسط MWFA انجام شده است [32-34]. در [35] توابع دقیق تری برای شکاف هوایی و شعاع متوسط جهت محاسبه ی اندوکتانس های ماشین القایی قفس سنجابی سه فاز در حالت خروج از مرکزیت مرکب ارائه شده است. در [36] با تعریف اندوکتانس در واحد طول، اندوکتانس های ماشین القایی با در نظر گرفتن اثر تورب میله ها محاسبه شده است. شکل و دامنه ی اندوکتانس تعریف شده در این مقاله ثابت است و عدم تقارن در جهات طولی و شعاعی در نظر گرفته نشده است.
در تمام مقالات ذکر شده، از شیارهای رتور و استاتور صرف نظر شده و شبیه سازی بر این فرض بوده است که ماشین در راستای طولی متقارن است. در این صورت، مدل سازی پدیده هایی نظیر عدم همراستایی محور رتور با استاتور، انحنای محور رتور و اثر تورب میله های رتور (با در نظر گرفتن عدم تقارن در جهات شعاعی و طولی) غیر ممکن است.
در [37] با ارائه ی روشی جدید، ترکیبی از روش های MWFA و مدار معادل مغناطیسی (MEC)، اثر شیار های استاتور و رتور، تورب میله های رتور و افت نیروی محرکه مغناطیسی هسته، بر روی اندوکتانس های ماشین در شرایط سالم و خروج از مرکزیت مورد بررسی قرار گرفته است. در [38]، برای محاسبه ی اندوکتانس های ماشین القایی در شرایط عدم تقارن، مدل تابع سیم پیچ توسعه یافته است. در این تحقیق، برای محاسبه ی اندوکتانس ها، شعاع متوسط، ثابت در نظر گرفته شده است، در صورتی که این پارامتر تابعی از موقعیت زاویه ای روتور ( ) ، مرجع زاویه ای روی استاتور ( ) و موقعیت طولی روی محور موتور (z) می باشد.
فصل سوم:
روش تحقیق
3-1-مقدمه:
مدل سازی ریاضی ماشین های الکتریکی معمولاً به روش های زیر صورت می گیرد.
1-روش محاسبات میدان نظیر روش های عددی اجزاء محدود، تفاضلات متناهی و روش مدار معادل مغناطیسی. در همه ی این روش ها، نیاز به اطلاع کامل از تمام مشخصات طراحی ماشین می باشد که ممکن است تمامی این اطلاعات در دسترس استفاده کننده نباشد.
2- مدل سازی به صورت مدارهای معادل فشرده. در این روش مدل ریاضی ماشین با استفاده از تئوری مدارهای تزویج شده به دست می آید که منجر به معادلات دیفرانسیل معمولی می شود. تحلیل ماشین های الکتریکی بر اساس این مدل ها حجم محاسباتی بسیار کمتری نسبت به تحلیل ماشین بر اساس محاسبات میدان دارد. روش های تحلیل در حوزه ی زمان یا فضای حقیقی و تبدیل های ریاضی نیز در حقیقت ماشین را به صورت مدارهای معادل فشرده مدل می کنند.
روش تئوری جامع ماشین های الکتریکی از جمله تبدیلات ریاضی می باشد. در تبدیل های ریاضی، پارامترهای ماشین در فضای حقیقی با ماتریس های انتقال به فضای مجازی منتقل می شوند. این انتقال ها در بعضی حالات شکلی ساده تر به خود می گیرند. لذا حل معادلات در آن حوزه آسان تر خواهد شد. پس از به دست آوردن پارامترهای ماشین در فضای جدید با عکس انتقال انجام شده پارامترهای ماشین در حوزه ی زمان حاصل می گردند. در مورد برخی ماشین ها در شرایط متقارن و با قبول برخی تقریب ها مدل ساده ای به دست می آید و به راحتی توسط تبدیل های ریاضی مناسب به مجموعه ی ساده تری از معادلات دیفرانسیل معمولی تبدیل می شود. مدل حالت دائمی ماشین از این معادلات استخراج می شود. استفاده از تبدیلات ریاضی در تحلیل ماشین های الکتریکی باعث کاهش قابل ملاحظه ای در حجم محاسبات شبیه سازی می گردد. به منظور این که مدل ماشین به واقعیت نزدیک تر باشد باید اثراتی چون اشباع هسته، شکل و نوع شیارها، تورب میله ها، جریان های بین میله ای و شرایط انواع خطاهای مختلف در آن منظور شود. مدل سازی دقیق ماشین های الکتریکی با استفاده از تبدیلات ریاضی در بسیاری از موارد غیر ممکن است. روش های تحلیلی که از تبدیلات ریاضی استفاده می کنند، با قبول فرضیات زیادی عملاً قادر به تحلیل دقیق ماشین های الکتریکی به ویژه در شرایط خطا نیستند. در تحلیل کلاسیک ماشین القایی توزیع سیم بندی ها سینوسی و ضریب نفوذ پذیری مغناطیسی هسته بی نهایت فرض می شود. همچنین از اثر شیارها صرف نظر می شود. بنابراین نیروی محرکه مغناطیسی و چگالی فوران ایجاد شده توسط هر سیم بندی نسبت به مکان به صورت توابع سینوسی بدست می آیند. در این تحلیل، اندوکتانس مغناطیس کنندگی یک سیم بندی، با محاسبه ی فوران دور آن، ناشی از جریان همان سیم بندی بدست می آید. به همین ترتیب با محاسبه ی فوران دور سیم بندی ناشی از جریان سیم بندی دیگر، اندوکتانس متقابل میان این دو سیم بندی بدست می آید. در این تحلیل ها فاصله ی هوایی ماشین، یکنواخت فرض شده و از هارمونیک های فضایی حاصل از توزیع سیم بندی و نایکنواختی شکاف هوایی صرف نظر شده است. هر روش با توجه به ویژگی های خاص خود در حوزه ی خاصی از مسائل کاربرد دارد. بعنوان مثال برای تحلیل ماشین های الکتریکی به عنوان جزء کوچکی از سیستم های انتقال و توزیع از تبدیل های ریاضی و مدارهای معادل استفاده می شود.
برای نوشتن معادلات دیفرانسیل الکتریکی ماشین در فضای حقیقی، هر سیم بندی که حامل جریان مستقلی باشد به صورت یک مدار الکتریکی فشرده در نظر گرفته می شود، که علاوه بر داشتن مقاومت الکتریکی و اندوکتانس خود القایی، با سایر مدارها القای متقابل نیز دارد.
روش تابع سیم پیچ، روش تحلیلی است که در فضای حقیقی، ماشین را مدل سازی می کند و در شبیه سازی حالات گذرای ماشین های الکتریکی تحت شرایط مختلف از آن استفاده شده است. این روش با فرضیات اولیه اش روش تابع سیم پیچ کلاسیک نامیده شده است. این روش بر مبنای محاسبه ی اندوکتانس های ماشین و استفاده از آن ها در تشکیل معادلات تزویج الکترومغناطیسی بین رتور و استاتور به تحلیل موتور می پردازد و نسبت به روش های میدانی حجم محاسباتی و حافظه مورد نیاز کمتر و نسبت به تبدیل های ریاضی از دقت بیشتری برخوردار است. با توجه به این که در روش تابع سیم پیچ، هیچ محدودیتی در نحوه ی سیم بندی استاتور و قرار گرفتن میله های رتور و شیارهای استاتور وجود ندارد، تمام هارمونیک های فضایی حاصل از توزیع سیم بندی و هارمونیک های شیار در مدل سازی وارد می شود. در این روش هر چه توزیع سیم بندی و شکل فاصله هوایی دقیق تر باشد، نتایج شبیه سازی به واقعیت نزدیک تر است. امروزه قدرت پردازش کامپیوترها به حدی است که می توان مدل دقیق ماشین های الکتریکی را در فضای حقیقی شبیه سازی نمود. در نظر گرفتن نکات بیشتر و دقیق تر در مدل فضای حقیقی انجام پذیر است و مدل سازی انواع شرایط نا متقارن عملی است.
هدف از انجام این پروژه، تصحیح و تعمیم روش تابع سیم پیچ به منظور در نظر گرفتن اثر اشباع در مدل سازی ماشین القایی می باشد. بمنظور مدل کردن اثر اشباع در ماشین القایی با استفاده از روش تابع سیم پیچ، مدل خطی دقیق ماشین مورد نیاز می باشد. بنابراین، در این رساله ابتدا مدل خطی تابع سیم پیچ توسعه یافته است. در این مدل، تابع فاصله هوایی مؤثر حاصل از انواع پدیده های نایکنواخت کننده فاصله هوایی در مدل سازی ماشین وارد می شود. در نتیجه، هارمونیک های فضایی حقیقی حاصل از توزیع نیروی محرکه مغناطیسی و هارمونیک های شیار در سیگنال های خروجی ظاهر می شود. سپس الگوریتمی جهت مدل سازی اثر اشباع در روش تابع سیم پیچ ارائه شده است. در روش توسعه یافته تابع سیم پیچ، علاوه بر هارمونیک های ناشی از توزیع سیم بندی و شیار، هارمونیک های ناشی از اشباع نیز در سیگنال های خروجی ظاهر می شود.
3-1-1- اهمیت و مزایا
بمنظور طراحی ماشین های الکتریکی با تلفات و اغتشاش کمتر و مشخصه مطلوب تر، لازم است تأثیر هر پارامتری در عملکرد ماشین، مورد بررسی قرار گرفته و طرح بهینه انتخاب شود. بنابراین لازم است اثراتی چون اشباع هسته، شکل، نوع و تعداد شیارها، نحوه ی سیم بندی ها، شرایط بروز خطا، بار گذاری و مسایل دیگر بر عملکرد ماشین، مورد بررسی قرار گیرد. بنابراین به ابزار و روش های پر قدرتی نیاز است تا تمام این موارد را بررسی نمود.
در شبیه سازی هایی که تاکنون با استفاده از تابع سیم پیچ انجام شده از اشباع دندانه ها صرف نظر شده است. در صورتی که چگالی فوران مغناطیسی خصوصاً در حالات گذرا در نواحی دندانه و شیار بسیار زیاد است و در این نواحی، هسته به اشباع می رود. اگر اشباع در این نواحی در نظر گرفته نشود و هسته ایده آل فرض شود، چگالی فورانی که به دست می آید، از چگالی فوران اشباع بسیار بیشتر است. در شرایط گذرا، چگالی فوران به چندین برابر چگالی فوران اشباع می رسد. در نتیجه، اندوکتانس هایی که به دست می آید و از مقدار واقعی بسیار بیشترند که این خود منجر به افزایش خطا در شبیه سازی می شود.
اهمیت در نظر گرفتن اثر اشباع برای مدل سازی و تشخیص انواع خطا بسیار بیشتر است. چون دقت روش تشخیص خطا در ماشین های الکتریکی به دقت مدل و روشی که جهت شبیه سازی استفاده شده بستگی دارد. از نظر توجیه فنی و اقتصادی، مناسب ترین روش جهت تشخیص خطا، روش آنالیز جریان استاتور است [32]. با خطی فرض کردن هسته در مدل سازی، مؤلفه های فرکانسی که به خاطر اشباع در طیف جریان استاتور القا می شود، در سیگنال شبیه سازی شده دیده نمی شود و طیف سیگنال شبیه سازی شده با سیگنال واقعی تفاوت دارد. بنابراین، پیاده سازی سیستم های تشخیص خطا بدون در نظر گرفتن اثر اشباع در مدل سازی دارای خطا می باشد.
در روش تابع سیم پیچ تعمیم یافته، به دلیل در نظر گرفتن توزیع واقعی سیم بندی ها، نیروی محرکه ی مغناطیسی، تابع فاصله هوایی موثر (حاصل از پدیده های نایکنواخت کننده فاصله ی هوایی) و اثر اشباع، کلیه ی هارمونیک های فضایی حاصل از هر یک از این عوامل در مدل سازی وارد می شود. لذا بروز معایب مکانیکی مانند خروج از مرکزیت، خطای میله های رتور و غیره می تواند از هارمونیک های ایجاد شده توسط هر پدیده شناسایی و در طراحی سیستم های تشخیص این عوامل بر این اساس، استفاه شود. در صورتی که در روش اجزای محدود به علت زمان بری زیاد الگوریتم های به کار رفته به راحتی نمی توان در تحلیل حالت های خطا و حالات گذرا از آن استفاده کرد. در روش مدار معادل مغناطیسی نیز تعداد اجزای به کار رفته برای ماشین به مراتب کمتر از روش اجزای محدود می باشد. دقت مدل نیز کمتر است [39].
در روش تابع سیم پیچ تعمیم یافته، بر خلاف روش های میدانی، اعمال هر تغییری در پارامترهای ماشین (فاصله هوایی، شیارها، سیم بندی ها و ….) و همچنین شرایط گذرای ماشین (بار گذاری، انواع خطاها و …) و بررسی عملکرد آن ها بر ماشین می تواند به سادگی انجام گیرد. لذا می تواند به عنوان شبیه ساز ماشین مورد استفاده قرار گیرد تا چنان چه در ماشین طرح شده مشکلی وجود داشته باشد، پس از ساخت نمونه، بر طرف گردد. با در دست داشتن مقدار جریان سیم بندی استاتور، میله ها و طوقه در شرایط کاری مختلف ماشین نظیر راه اندازی، حالت بروز خطا، اضافه بار و ….. بیشترین تنش های حرارتی و نیروهای مکانیکی وارد بر بخش های مختلف ماشین محاسبه می شود.
بعضی اوقات لازم است که ماشینی با وجود خطای الکتریکی مدتی کار خود را انجام دهد. بنابراین ضروی است محدودیت ها جهت جلوگیری از بروز صدمه به ماشین و توان قابل تحمل ماشین برای شرایط خطا، محاسبه شود تا ماشین صدمه کمتری ببیند. این امر توسط شبیه سازی ماشین در شرایط خطا عملی است. این مسأله در مورد ماشین های تحت تغذیه مبدل الکترونیک قدرت که ولتاژ اعمالی به آن ها دارای هارمونیک است، حادتر می باشد.
دسته بندی : علمی